JP2008091292A - 電流ヒューズ - Google Patents

Abstract

【課題】高温下、長期間にわたり使用可能な高電圧電流ヒューズを提供する。
【解決手段】長さ１８０ｍｍ以上、板厚１ｍｍ以下、幅１２ｍｍ以下であり、アルミニウムを主成分とするエレメント２と、前記エレメントの周囲に充填される消弧砂３と、前記エレメント２と消弧砂３とを収納する収納体４と、を含む電流ヒューズユニット１である。
【選択図】図１

Description

本発明は電流ヒューズに関し、更に詳しくは、高温下においても長期間にわたり使用可能な高電圧電流ヒューズに関する。

電流ヒューズは、各種の電気機器や配線等に広く用いられている。電流ヒューズは主に規定値以上の過大な電流が流れると溶断して電流を自動的に遮断する目的で用いられる。例えば、ナトリウム−硫黄単電池を多数配列した高温電池モジュールにおいては、回路内に電流ヒューズが配置されており、万が一、単電池故障もしくは外部短絡等が発生した場合に、故障のあった単電池を含むストリングへのそれ以降の電流の流れ込みもしくはモジュールへの電流が遮断され、単電池からの活物質の漏洩が未然に防止される。

電流ヒューズには一般的に低融点の金属が用いられる。しかしながら、ナトリウム−硫黄電池は通常運転状態で３００℃付近までの高温となる。したがって、低融点の金属は採用し難い。これに対処するために、従来は室温部に電流ヒューズを設置する構造がとられており、電流導体を室温部まで取出すため、電気抵抗が増加するという問題があった。

また、高温部に電流ヒューズを設置する場合には、エレメントとして銀、銅が使用される場合があった。この場合、高温酸化によってエレメントが劣化するという問題ならびにアルミニウム製の単電池端子との溶接がうまくできないという問題があった。

さらには、エレメントとしてアルミニウムを使用し、電流ヒューズを単電池８本毎に１ヶ、高温部である単電池上部の端子間に設置し、３２０本全ての単電池が直列に接続された公称電圧が６６０Ｖ、定格出力が５０ｋＷで最大出力が１５０ｋＷ（最大電流が５００Ａ）であるモジュール電池の場合、エレメントが溶断した後のアーク電流を遮断できず、電流が継続する問題もあった。

特許文献１には、断熱容器内の複数の単電池からなる電池において、各単電池の頂部の電気配線中に組み込まれたヒューズを特定の砂状粒子で覆った技術が開示されている。この技術は、電流が１６５Ａ、電圧が２００Ｖ程度であれば良好に機能するものである。しかしながら、電圧２００Ｖ以上、電流２００Ａ以上の条件においては、十分に機能するものではない。

特許文献２には、ヒューズ本体を密閉容器で覆い、ヒューズ本体には切断補助用おもりを取り付けた技術が開示されている。特許文献２に開示の技術も電圧２００Ｖ以上、電流２００Ａ以上の条件においては、十分機能するものではない。
特開平１０−３９０１号公報 特開平４−２８００２２号公報

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、高温下、長期間にわたり使用可能な高電圧電流ヒューズを提供することにある。

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、所定の構成の電流ヒューズによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、以下に示す電流ヒューズユニット、電流ヒューズ及びナトリウム硫黄二次電池モジュールが提供される。

［１］ 長さ１８０ｍｍ以上、板厚１ｍｍ以下、幅１２ｍｍ以下であり、アルミニウムを主成分とするエレメントと、前記エレメントの周囲に充填される消弧砂と、前記エレメントと消弧砂とを収納する収納体と、を含む電流ヒューズユニット。

［２］ 前記エレメントが残存幅５ｍｍ以下、残存長さ１０ｍｍ以下の切り欠きを備える上記［１］に記載の電流ヒューズユニット。

［３］ 前記収納体の内径が３０ｍｍ以上である上記［１］又は［２］に記載の電流ヒューズユニット。

［４］ 前記消弧砂が珪砂を主成分とする上記［１］〜［３］のいずれかに記載の電流ヒューズユニット。

［５］ 前記消弧砂の粒径が２００μｍ〜４００μｍである上記［１］〜［４］のいずれかに記載の電流ヒューズユニット。

［６］ 複数個の上記［１］〜［５］のいずれかに記載の電流ヒューズユニットと並列接続バーとを含む電流ヒューズ。

［７］ 上記［１］〜［５］のいずれかに記載の電流ヒューズユニット又は上記［６］に記載の電流ヒューズを備えたナトリウム硫黄二次電池モジュール。

［８］ 複数の単電池が同一平面上に整列して配置され、整列した前記単電池の間に前記電流ヒューズ又は前記電流ヒューズユニットが配置された上記［７］に記載のナトリウム硫黄二次電池モジュール。

本発明の電流ヒューズは遮断電圧２００Ｖ以上、より詳しくは６６０Ｖ以上、定格電流（連続使用での不溶断電流のことをいう）２００Ａ以上、より詳しくは５００Ａ以上であり、使用温度が２８０℃〜３６０℃において良好に使用し得る。

遮断電圧として２００Ｖ以上、より詳しくは６６０Ｖ以上、定格電流２００Ａ以上、より詳しくは５００Ａ以上の３５０℃で使用可能な電流ヒューズを採用することで、ナトリウム硫黄二次電池モジュールに流れる短絡電流を速やかに遮断でき、ナトリウム硫黄二次電池モジュール外部での短絡事故、ナトリウム硫黄二次電池モジュール内部での絶縁異常による地絡事故から電池を安全に保護することができる。

さらに、電流ヒューズを単電池間隙に配置することで、電流ヒューズまでの導電部材の長さを最小化でき、電池抵抗を小さくできる。加えて、電流ヒューズを単電池上部の端子間に接続する場合と比較するとナトリウム硫黄二次電池モジュール寸法を高さ方向に小さくすることができる。

さらに、エレメントが密閉収納されているので、製造時の取扱い、輸送時の振動などの機械的ストレスからエレメントを保護することができ、耐久性の向上が可能である。

さらに、エレメントに電池導体と同一材料であるアルミニウムを用いているので、電流ヒューズと単電池端子との接続を溶接で行うことができ、接続部の抵抗低減が可能である。

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

図１は、本発明の電流ヒューズユニットの一実施形態を示す横断面図である。電流ヒューズユニット１は基本的に、エレメント２、消弧砂３、収納体４から構成される。エレメント２は所定の電流以上の電流が流れたときに溶断する部材である。本発明においては、エレメント２は薄く細長いリボン状の形状をしている。このエレメント２は、収納体４の中心部付近に収納される。収納体４には、エレメント２を取り囲むように消弧砂３が充填されている。そして、収納体４の長手方向両末端はキャップ５により塞がれ、キャップ５の中央部付近にはエレメント２と導通する端子６が取り付けられている。

本発明を構成する各要素について更に詳しく説明する。

［エレメント］
電流ヒューズユニット１に用いるエレメント２の長さは１８０ｍｍ以上であり、１８０〜３００ｍｍであることが好ましい。１８０ｍｍ未満であるとアーク中にエレメントと珪砂の溶融焼結体がエレメント全長に形成されて電流を遮断しにくくなる傾向があり、３００ｍｍ超であると抵抗が増加し電池性能が低下する傾向がある。板厚は１ｍｍ以下であり、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍが好ましい。１．０ｍｍ超であるとアーク中のエレメント構成材であるアルミニウム蒸気の拡散性が劣り電流を遮断しにくくなる傾向があり、０．５ｍｍ未満であると強度が不足する傾向がある。幅は１２ｍｍ以下であり、８ｍｍ〜１２ｍｍが好ましい。８ｍｍ未満であると定格電流が小さくなりヒューズユニットの並列数が増加し不経済となる傾向があり、１２ｍｍ超であるとアーク中のエレメント構成材であるアルミニウム蒸気の拡散性が劣り電流を遮断しにくくなる傾向がある。

本発明の電流ヒューズユニット１に用いるエレメント２はアルミニウムを主成分とする。本明細書中主成分とは９５質量％以上をいう。アルミニウム以外の成分としてはＳｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｎを用いることができる。

本発明の電流ヒューズユニット１に用いるエレメント２には切り欠き１３を設けても良い。切り欠き１３は長手方向中央部付近に設けるのが好ましい。残存幅は５ｍｍ以下であり、２〜５ｍｍが好ましい。５ｍｍ超であるとアーク中のエレメント構成材であるアルミニウム蒸気の拡散性が劣り電流を遮断しにくくなるおそれがあり２ｍｍ未満であるとエレメントの耐久性が損なわれる傾向がある。残存長さは１０ｍｍ以下であり、３〜１０ｍｍが好ましい。１０ｍｍ超であると抵抗が増加し電池性能が低下する傾向があり、３ｍｍ未満であるとアークを遮断できなくなる傾向がある。

［消弧砂］
消弧砂３は、電気絶縁性でかつ耐熱性を有するものを用いる。消弧砂３としては、珪砂を主成分とすることができる。珪砂以外の成分としてはＡｌ_２Ｏ_３が挙げられる。融点を高めてガラス化を防止するためには、ＳｉＯ_２分を増やせば良い（９７質量％以上）。また、導電性を低下させるためには、Ｆｅ_２Ｏ_３分を減らせば良い（０．５質量％以下）。粒径は２００μｍ〜４００μｍである。２００μｍ未満であると溶融し易く、４００μｍを超えるとアーク中のアルミニウム蒸気の冷却効果が低下しアーク遮断性能が低下する。

電流ヒューズユニット１が溶断する際に電極間にアークが発生し、このアークによって電流ヒューズ１に接触する消弧砂３も溶融し、エレメント２と消弧砂３とが溶融焼結体を形成し、ガラス化して導電性になり、その結果、回路遮断後も電流が流れるものと推察される。

［収納体］
収納体４は、エレメント２と消弧砂３とを保持するためのものである。収納体４の形状は筒状とすることができる。エレメント２は上記のとおり、きわめて精密なものである。したがって、エレメント２単独で電流ヒューズユニット１を構成したものは、電流ヒューズ取り付けの際の締結トルクや電池装置使用時の振動等の機械的荷重によって溶断部が切断され誤作動を生じるという問題点がある。これに対して、収納体４にエレメント２を収納した電流ヒューズユニット１は、収納体４によって良好にエレメント２を保持できる。さらに、消弧砂３が充填されてエレメント２が固定されることにより強度が増す。このようにして、十分な機械的強度を有して振動等による誤切断を防止することができ、更には、連結部における強度が大きく他の端子との強固な連結ができ、長期間にわたって安定した電流ヒューズ機能を発揮することができる。

収納体４の内径は消弧砂の充填量を左右する。消弧砂量が少ないとアークにより収納体４が破裂する。より詳しくは、アークが発生すると、アルミニウム及び珪砂が溶融して溶融焼結体を形成し体積が増加する。この増加した体積分を所定の粒径の消弧砂３を充填した際に生じる空隙により吸収する必要がある。このため、本発明における収納体４の内径は３０ｍｍ以上である。５０ｍｍ以上であるのが好ましい。

［電流ヒューズ］
電流ヒューズ１１は複数の電流ヒューズユニット１が並列接続バー７によって接続されて構成され、電流ヒューズユニット１の並列数は電池モジュールの定格電流に応じて決定される。したがって、各電流ヒューズユニット１の溶断部における電気抵抗が低減される。また、電流ヒューズ１１に過電流が流れたとき、その過電流により複数の電流ヒューズユニット１のエレメント２のうちのいずれかが各電流ヒューズユニット１の抵抗値の差に基づいて溶断する。各電流ヒューズユニット１が均一に作成されていても、各電流ヒューズユニット１にはわずかではあっても、抵抗値のばらつきが生じるので、その抵抗値の最も低い電流ヒューズユニット１のエレメント２が溶断する。さらに、その溶断した電流ヒューズユニット１に流れていた電流が他の電流ヒューズユニット１に分担されて流れるため、他の電流ヒューズユニット１のエレメント２も順次溶断する。そして、回路が遮断される。したがって、少なくとも１本の電流ヒューズユニット１のエレメント２を溶断するに足る電力で電流ヒューズ１１の遮断が可能となる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］電流ヒューズユニット
収納体の内径を３８ｍｍφ、長さ２００ｍｍに固定してエレメント肉厚、幅を因子に取り、遮断試験を実施した。消弧砂として、ＳｉＯ_２９８．８質量％、Ａｌ_２Ｏ_３０．６５質量％、粒径２００〜４００μｍの珪砂を用いた。なお、消弧砂、金属キャップは共通とした。遮断試験の条件は次のとおりである。試験電流は１８００Ａ相当、回路電圧は６５０Ｖであった。単位長さ当たりのエレメント密集度を低減することによりアーク時の限流性能が増し、（ｔ）＝１．０ｍｍ×（ｗ）＝１０ｍｍ以下までエレメントサイズを抑えた場合に遮断試験が成功した。結果を表１に示す。表１中、肉厚、幅、長さの単位はｍｍである。

［実施例２］電流ヒューズユニット
エレメントの肉厚（ｔ）＝０．５ｍｍ、幅（ｗ）＝１０ｍｍ、ノッチ最小残存幅２ｍｍに固定して収納体の長さを因子に取り、遮断試験を実施した。なお、消弧砂、キャップは共通とした。遮断試験の条件は次のとおりである。試験電流は１８００Ａ相当、回路電圧は６５０Ｖであった。上記エレメント使用時において、アーク長（Ｌ）は最終的に１００〜１５０ｍｍ程度まで成長して遮断が完了した。なお、アーク長はエレメントと消弧砂との溶融焼結体の長さで判断した。結果を表２に示す。表２中、長さの単位はｍｍである。

［実施例３］ナトリウム硫黄二次電池モジュール
図３、図４に示すように、容量６３２Ａｈのナトリウム硫黄単電池８を３２０本、断熱容器（下）９ｂ内に整列して収容し、砂１０を空隙に充填し、断熱容器（上）９ａを上部からかぶせて、５０ｋＷナトリウム硫黄二次電池モジュール１２を製作した。単電池接続は３２０直列より構成され、開回路は６６４Ｖであった。定格出力は５０ｋＷであり、３０秒間は定格の３倍である１５０ｋＷの高出力が可能であった。

図１の形状の遮断電圧６６４Ｖ、定格電流１００Ａの電流ヒューズユニット１を製造した。エレメント２としてアルミニウムＡ３００３材からなる板厚０．５ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ２００ｍｍのリボンを使用し、リボンの長手方向中央部に最小残存幅３ｍｍ、最小残存長さ４ｍｍとなるように切り欠き１３を形成した。このエレメント２を内径４８ｍｍ長さ２００ｍｍの磁器製の収納体４の中心軸に配置し、エレメント２の周囲には消弧砂３として粒径３００μｍの珪砂を充填した。収納体４の両端部にはアルミニウム製キャップ５を高温セメントで密封した。キャップ５の内側にエレメント２を溶接固定するとともに、外側には端子６を配設した。さらにこの電流ヒューズユニット１を３個並列したものから、図２に示す電流ヒューズ１１を構成した。電流ヒューズ１１は、３個の電流ヒューズユニット１を並列接続バー７で並列に接続して構成される。

図３、図４に示すように、この電流ヒューズ１１を単電池８０直列毎に３箇所に、単電池間隙の空間に設置した。ナトリウム硫黄二次電池モジュール１２の外部短絡試験を電池内温度３６０℃、外部抵抗１ｍΩの条件で行ったところ、１８００Ａの短絡電流が１．５秒で遮断された。エレメントは０．３秒で溶断し、その後１．２秒でアーク電流が遮断された。

［実施例４］ナトリウム硫黄二次電池モジュール
図５に示すように、容量６３２Ａｈのナトリウム硫黄単電池８を３２０本、断熱容器（下）９ｂ内に整列して収容し、砂１０を空隙に充填し、断熱容器（上）９ａを上部からかぶせて、５０ｋＷナトリウム硫黄二次電池モジュール１４を製作した。単電池接続は３２０直列より構成され、開回路は６６４Ｖであった。定格出力は５０ｋＷであり、３０秒間は定格の３倍である１５０ｋＷの高出力が可能であった。

実施例３と同様に電流ヒューズ３を製造した。これに加えて、図６の形状（板厚１ｍｍ、幅４ｍｍを４並列）でアルミニウムＡ３００３からなる遮断電圧１６６Ｖ、定格電流３００Ａの低電圧用電流ヒューズ１５を製造した。

実施例３と同様に電流ヒューズ１１を配置すると共に、図５、６に示すように、低電圧用電流ヒューズ１５を単電池８直列毎に１ヶ、単電池上部の端子間に合計４０ヶを設置し、砂埋めした。ナトリウム硫黄二次電池モジュール１４の外部短絡試験を電池内温度３６０℃、外部抵抗１ｍΩの条件で行ったところ、１８００Ａの短絡電流が１．５秒で遮断された。エレメントは０．３秒で溶断し、その後１．２秒でアーク電流が遮断された。さらに、ナトリウム硫黄二次電池モジュール１４の内部短絡試験を、内部短絡区間として電流ヒューズ１１を含まない正極端子と正極端子から数えて８０直列目の単電池間、電池内温度３６０℃、短絡抵抗１ｍΩの条件で行ったところ、１８００Ａの短絡電流が５．５秒で遮断された。低電圧電流ヒューズ１５は５秒で溶断し、その後０．５秒でアーク電流が遮断された。

電流ヒューズ１１と低電圧用電流ヒューズ１５を組み合わせて使用することにより、短絡事故の発生箇所がモジュールの外部もしくは内部であっても短絡電流を安全にかつ経済的に遮断することができる。これは遮断電圧が１６６Ｖと低いものの構造的に安価な低電圧用電流ヒューズ１５を電流ヒューズ１１に組み合わせて使用するからである。

本発明の電流ヒューズは、高温ナトリウム硫黄二次電池モジュール用電流ヒューズとして使用することができる。

本発明の電流ヒューズユニットの一実施形態を示す横断面図である。 本発明の電流ヒューズの一実施形態を示す側面図である。 本発明のナトリウム硫黄二次電池モジュールの一実施形態を示す側面図である。 本発明のナトリウム硫黄二次電池モジュールの一実施形態を示す平面図である。 本発明のナトリウム硫黄二次電池モジュールの一実施形態を示す平面図である。 低電圧用電流ヒューズとナトリウム硫黄二次電池モジュールを示す平面図である。

符号の説明

１：電流ヒューズユニット、２：エレメント、３：消弧砂、４：収納体、５：キャップ、６：端子、７：並列接続バー、８：単電池、９ａ、９ｂ：断熱容器、１０：砂、１１：電流ヒューズ、１２、１４：ナトリウム硫黄二次電池モジュール、１３：切り欠き、１５：低電圧用電流ヒューズ

Claims (8)

1. 長さ１８０ｍｍ以上、板厚１ｍｍ以下、幅１２ｍｍ以下であり、アルミニウムを主成分とするエレメントと、
   前記エレメントの周囲に充填される消弧砂と、
   前記エレメントと消弧砂とを収納する収納体と、
   を含む電流ヒューズユニット。
2. 前記エレメントが残存幅５ｍｍ以下、残存長さ１０ｍｍ以下の切り欠きを備える請求項１に記載の電流ヒューズユニット。
3. 前記収納体の内径が３０ｍｍ以上である請求項１又は２に記載の電流ヒューズユニット。
4. 前記消弧砂が珪砂を主成分とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電流ヒューズユニット。
5. 前記消弧砂の粒径が２００μｍ〜４００μｍである請求項１〜４のいずれか一項に記載の電流ヒューズユニット。
6. 複数個の請求項１〜５のいずれか一項に記載の電流ヒューズユニットと並列接続バーを含む電流ヒューズ。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の電流ヒューズユニット又は請求項６に記載の電流ヒューズを備えたナトリウム硫黄二次電池モジュール。
8. 複数の単電池が同一平面上に整列して配置され、
   整列した前記単電池の間に前記電流ヒューズ又は前記電流ヒューズユニットが配置された請求項７に記載のナトリウム硫黄二次電池モジュール。

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