JP2015185496A - 蓄電池システムの運用方法、および蓄電池システムの運用装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】制御弁式鉛蓄電池の長寿命運用と設置個数の低減とが可能な蓄電池システムの運用方法および、蓄電池システムの運用装置を提供する。【解決手段】運用装置１０は、蓄電池システム１１を構成する制御弁式鉛蓄電池１２を、正極板及び／又は負極板を複合キャパシタ極板として備え、これら正・負極板をセパレータを介して積層してなる極板群を備えるキャパシタ複合鉛蓄電池で構成して部分充電状態で運用し、運用時の最大放電電流を、１．０ＣＡ以下に設定された放電閾値以下とし、最大充電電流を、０．４ＣＡ以上、０．６ＣＡ以下に設定された充電閾値以下とした。【選択図】図１
Description
本発明は、複数個の制御弁式鉛蓄電池を接続した蓄電池システムの運用方法および、蓄電池システムの運用装置に関する。
太陽光発電機器や風力発電機器などの自然エネルギーを利用した発電機器に併設されるサイクル用の制御弁式鉛蓄電池を備えた蓄電池システムが知られている。自然エネルギーは出力が不安定であり、商用系統に周波数変動をもたらすため、蓄電池システムを併設することによって、出力が減少したときは蓄電池から放電し、出力が増加したときは蓄電池に充電するといったように蓄電池を充放電することで平滑化が可能となる。これら蓄電池システムに設置される蓄電池は常に充電を受け入れられるように部分充電状態（Ｐｅｒｔｉａｌ Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＰＳＯＣ）で使用される。
この種の蓄電池システムとして、自然エネルギー発電装置の発電量の変動を補償するために前記発電装置に接続されて、前記発電装置の出力による充電と外部回路への放電とが行われる鉛蓄電池を運用する鉛蓄電池の運用方法において、前記鉛蓄電池の満充電状態を１００％として、前記鉛蓄電池の充電状態を、３０％〜９０％の範囲内に維持し、運用時の最大放電電流を０．４ＣＡ以下に維持すると共に、最大充電電流を０．３ＣＡ以下に維持して、前記鉛蓄電池の放電及び充電を行うことにより前記鉛蓄電池を運用することが開示されている（例えば特許文献１参照）。
この種の蓄電池システムとして、自然エネルギー発電装置の発電量の変動を補償するために前記発電装置に接続されて、前記発電装置の出力による充電と外部回路への放電とが行われる鉛蓄電池を運用する鉛蓄電池の運用方法において、前記鉛蓄電池の満充電状態を１００％として、前記鉛蓄電池の充電状態を、３０％〜９０％の範囲内に維持し、運用時の最大放電電流を０．４ＣＡ以下に維持すると共に、最大充電電流を０．３ＣＡ以下に維持して、前記鉛蓄電池の放電及び充電を行うことにより前記鉛蓄電池を運用することが開示されている（例えば特許文献１参照）。
ところで、発電機器に併設される従来の制御弁式鉛蓄電池を備えた蓄電池システムは、多数の電池を必要とするため、省スペース化が難しかった。
特許文献１において、運用時の最大放電電流を０．４ＣＡ超にすることができれば、必要電池個数を低減することができる。例えば、最大放電電流を０．８ＣＡに上げることができれば、必要電池個数を低減することが可能になる。
しかし、特許文献１の鉛蓄電池では、運用中に負極活物質へ放電活物質である硫酸鉛が蓄積されやすいため、この硫酸鉛が大きく結晶成長して元の活物質である鉛に戻らず、充電できなくなるサルフェーションが起きやすくなる。よって、その状態で高率放電を行うと過放電状態となり、鉛蓄電池が短寿命となるおそれがある。
特許文献１において、運用時の最大放電電流を０．４ＣＡ超にすることができれば、必要電池個数を低減することができる。例えば、最大放電電流を０．８ＣＡに上げることができれば、必要電池個数を低減することが可能になる。
しかし、特許文献１の鉛蓄電池では、運用中に負極活物質へ放電活物質である硫酸鉛が蓄積されやすいため、この硫酸鉛が大きく結晶成長して元の活物質である鉛に戻らず、充電できなくなるサルフェーションが起きやすくなる。よって、その状態で高率放電を行うと過放電状態となり、鉛蓄電池が短寿命となるおそれがある。
また、特許文献１では、電池寿命の観点から、運用時の最大充電電流を０．３ＣＡ以下に制限するため、最大充電電流を０．３ＣＡ超にして必要電池個数を低減することが困難である。
また、従来の制御弁式鉛蓄電池を備えた蓄電池システムでは、負極活物質への硫酸鉛の蓄積を解消するため、頻繁に（例えば毎日）、この鉛蓄電池を満充電とするまで均等充電を行っている。この均等充電を行う間、システム運用を停止する必要があるため、システム稼働率が低くなるおそれもあった。
また、従来の制御弁式鉛蓄電池を備えた蓄電池システムでは、負極活物質への硫酸鉛の蓄積を解消するため、頻繁に（例えば毎日）、この鉛蓄電池を満充電とするまで均等充電を行っている。この均等充電を行う間、システム運用を停止する必要があるため、システム稼働率が低くなるおそれもあった。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、長寿命運用と設置個数の低減とが可能な制御弁式鉛蓄電池を備えた蓄電池システムの運用方法および、蓄電池システムの運用装置を提供することを目的としている。また、本発明は、均等充電の回数を低減してシステム稼働率を向上可能にすることも目的としている。
上述した課題を解決するため、本発明は、複数個の制御弁式鉛蓄電池を接続した蓄電池システムの運用方法において、前記制御弁式鉛蓄電池を、正極板及び／又は負極板を複合キャパシタ極板として備え、これら正・負極板をセパレータを介して積層してなる極板群を備えるキャパシタ複合鉛蓄電池で構成して部分充電状態で運用し、運用時の最大放電電流を、１．０ＣＡ以下に設定された放電閾値以下とし、最大充電電流を、０．４ＣＡ以上、０．６ＣＡ以下に設定された充電閾値以下としたことを特徴とする。
この構成によれば、制御弁式鉛蓄電池の最大放電電流及び最大充電電流を増大させて蓄電池システムの必要電池個数を低減することができるとともに、電池寿命の悪化を抑えることができる。これにより、制御弁式鉛蓄電池の長寿命運用と設置個数の低減とを両立することが可能になる。また、設置個数を低減することで、これを備えた蓄電池システムの省スペース化を図ることが可能になる。
この構成によれば、制御弁式鉛蓄電池の最大放電電流及び最大充電電流を増大させて蓄電池システムの必要電池個数を低減することができるとともに、電池寿命の悪化を抑えることができる。これにより、制御弁式鉛蓄電池の長寿命運用と設置個数の低減とを両立することが可能になる。また、設置個数を低減することで、これを備えた蓄電池システムの省スペース化を図ることが可能になる。
上記構成において、前記制御弁式鉛蓄電池の均等充電の設定期間が２週間〜３ヶ月の範囲内に達すると、満充電にする均等充電を実施することを特徴とする。
この構成によれば、鉛蓄電池をより長寿命運用することが可能となる。
この構成によれば、鉛蓄電池をより長寿命運用することが可能となる。
上記構成において、前記制御弁式鉛蓄電池の総放電容量を計測し、前記総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍の範囲内に設定された放電閾値に達すると、満充電にする均等充電を実施することを特徴とする。
この構成によれば、硫酸鉛の蓄積を抑え、更なる鉛蓄電池の長寿命運用と、蓄電池システム高稼働率化が可能となる。
この構成によれば、硫酸鉛の蓄積を抑え、更なる鉛蓄電池の長寿命運用と、蓄電池システム高稼働率化が可能となる。
また、本発明は、正極板及び／又は負極板を複合キャパシタ極板として備え、これら正・負極板をセパレータを介して積層してなる極板群を備えるキャパシタ複合鉛蓄電池で構成された複数個の制御弁式鉛蓄電池を接続した蓄電池システムの運用装置であって、前記蓄電池システムを充電または放電させる充放電部と、前記蓄電池システムを部分充電状態で運用するとともに、運用時の最大放電電流を、１．０ＣＡ以下に設定された放電閾値以下とし、最大充電電流を、０．４ＣＡ以上、０．６ＣＡ以下に設定された充電閾値以下とする情報処理部とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、制御弁式鉛蓄電池の最大放電電流及び最大充電電流を増大させて蓄電池システムの必要電池個数を低減することができるとともに、電池寿命の悪化を抑えることができるので、鉛蓄電池の長寿命運用と設置個数の低減とを両立することが可能になる。また、設置個数を低減することで、これを備えた蓄電池システムの省スペース化を図ることが可能になる。
この構成によれば、制御弁式鉛蓄電池の最大放電電流及び最大充電電流を増大させて蓄電池システムの必要電池個数を低減することができるとともに、電池寿命の悪化を抑えることができるので、鉛蓄電池の長寿命運用と設置個数の低減とを両立することが可能になる。また、設置個数を低減することで、これを備えた蓄電池システムの省スペース化を図ることが可能になる。
本発明によれば、鉛蓄電池の長寿命運用と設置個数の低減、及びこれによる蓄電池システムの省スペース化とが可能になる。
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明の運用方法を実現する蓄電池システムの運用装置を示した図である。
この運用装置１０が運用対象とする蓄電池システム１１は、太陽光発電機器や風力発電機器等の自然エネルギーを利用した発電機器に併設され、その不安定な出力の変動を吸収し、出力の平滑化用電源などに使用されるものである。
この蓄電池システム１１は、複数個の制御弁式鉛蓄電池１２を収納ラックに組み込むとともに電気的に接続したサイクル用の蓄電池システムであり、充電と放電のサイクルを繰り返すために充電状態が常に変動する状況下で使用されることを意図して、上記制御弁式鉛蓄電池は、サイクル寿命の長寿命化、ＰＳＯＣ（部分充電状態；Ｐｅｒｔｉａｌ Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）での充電受け入れ性の改善などを図ったキャパシタ複合鉛蓄電池で構成される。
図１は、本発明の運用方法を実現する蓄電池システムの運用装置を示した図である。
この運用装置１０が運用対象とする蓄電池システム１１は、太陽光発電機器や風力発電機器等の自然エネルギーを利用した発電機器に併設され、その不安定な出力の変動を吸収し、出力の平滑化用電源などに使用されるものである。
この蓄電池システム１１は、複数個の制御弁式鉛蓄電池１２を収納ラックに組み込むとともに電気的に接続したサイクル用の蓄電池システムであり、充電と放電のサイクルを繰り返すために充電状態が常に変動する状況下で使用されることを意図して、上記制御弁式鉛蓄電池は、サイクル寿命の長寿命化、ＰＳＯＣ（部分充電状態；Ｐｅｒｔｉａｌ Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）での充電受け入れ性の改善などを図ったキャパシタ複合鉛蓄電池で構成される。
各々の制御弁式鉛蓄電池１２は、正極板及び／又は負極板を複合キャパシタ極板として備え、これら正・負極板をセパレータを介して積層してなる極板群を備えるキャパシタ複合鉛蓄電池で構成される。複合キャパシタ極板は、鉛合金製の集電用格子基板に鉛活物質を充填して成る活物質充填板、即ち、極板の表面の少なくとも片面に、好ましくはその両面に、ポーラスなカーボン合剤被覆層を形成してなるものである。
このカーボン合剤は、導電性を確保する第１カーボン材料とキャパシタ容量及び／又は擬似キャパシタ容量を確保する第２カーボン材料と少なくとも結着剤との混合物から成る。
第１カーボン材料は、導電性を確保するのに必要で、アセチレンブラックやファーネスブラックなどのカーボンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛などが適当であり、これらから少なくとも１種を選択使用する。この第１カーボン材料の配合量は５重量部未満では導電性を確保できず、キャパシタ容量の低下を招き、７０重量部を超えると導電効果が飽和する。より好ましい量は１０〜６０重量部である。
第２カーボン材料はキャパシタ及び／又は擬似キャパシタとしての容量を確保するのに必要で、活性炭、カーボンブラック、黒鉛などが適当であり、これらから少なくとも１種を選択使用する。配合量は２０重量部未満ではキャパシタ容量が不足し、８０重量部を超えると相対的に第１カーボン材料の割合が減少して、むしろ容量が低下する。より好ましい量は３０〜７０重量部である。
結着剤は第１及び第２カーボン材料同士、並びにこれらと鉛蓄電池を構成する極板表面を結合して電気的な接続を確保すると共に、被覆層がポーラスな状態を維持するのに必要である。結着剤としては、ポリクロロプレン、ＳＢＲ、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦなどが適当で、１重量部未満では結合が不充分となり、２０重量部を超えると結合効果が飽和すると共に、絶縁体として導電性を低下させる。より好ましい量は５〜１５重量部である。
増粘剤はカーボン合剤をペースト状に調製するのに有用で、水性のペーストにはＣＭＣやＭＣなどのセルロース誘導体、ポリアクリル酸塩ポリピニルアルコールなどが適当であり、有機系にはＮＭＰ等が適当である。増粘剤を用いる場合は、乾燥残分が１０重量部を超えると合剤の導電性を損なうのでこれ以下が好ましい。
鉛蓄電池を構成する極板活物質重量１００重量部に対するカーボン合剤の量は０．５〜１５重量部が好ましい。０．５重量部未満では被覆した効果が充分に得られず、１５重量部を超えると被覆層の厚みが厚くなって効果が飽和する。より好ましいカーボン合剤の量は１〜１０重量部である。ポーラスなカーボン合剤被覆層の気孔率は４０％〜９０％が好ましい。４０％未満では電解液の移動が阻害され、放電性能の低下を招く。９０％を超えるとキャパシタ機能効果が飽和すると共に、厚みが厚くなり、設計に支承をきたす。より好ましい気孔率は５０〜８０％である。
具体的に一例を示すと、公知の製法で作られた正極板と複合キャパシタ負極板とを微細ガラス繊維を主体としたマット状セパレータを介して交互に積層し、同極性同士の極板の耳部を溶接によって接続することにより極板群とし、これを電槽に収納し、この電槽に注液や排気用の開口部を有する蓋を溶着あるいは接着剤で接着し、この開口部から電解液を注液して電槽化成を行い、注液や排気用の開口部にゴム弁(制御弁)を覆い被せて複合キャパシタ負極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２を作製する。作製した複合キャパシタ負極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２を、図２に示すように収納ラック３１に複数個組込み（この例では１つのラック３１に鉛蓄電池１２を４列×２段で収納し、これを４段重ねた）、直列接続して組電池４１とし、この最上段の左端の電池１２の負極端子３２からマイナス用充放電用ケーブル３３を、最上段の右端の電池１２の正極端子３５からプラス用充放電ケーブル３６を引き出して、これを充放電装置と接続して、さらに、必要な情報処理装置等と接続して、蓄電池システム１１とする。
図２中、符号３７は各電池１２の制御弁であり、符号３８は各電池１２を電気的に接続する接続板であり、符号３９は電池１２の飛び出しを防止するための押さえ板であり、符号４０は収納ラック３１の台座である。
なお、ここでは、キャパシタ複合鉛蓄電池として、負極板のみを複合キャパシタ負極板とする場合を説明したが、正極板のみを複合キャパシタ複合正極板、また正極板及び負極板の両方を複合キャパシタ極板としても良い。
なお、ここでは、キャパシタ複合鉛蓄電池として、負極板のみを複合キャパシタ負極板とする場合を説明したが、正極板のみを複合キャパシタ複合正極板、また正極板及び負極板の両方を複合キャパシタ極板としても良い。
運用装置１０は、蓄電池システム１１を充電または放電させる充放電装置２１（充放電部）と、充放電装置２１の制御機能などを具備する情報処理装置２２（情報処理部）とを備える。
情報処理装置２２は、運用を行うための制御プログラムや各種データを記憶する記憶部２５を有し、記憶部２５に記憶された制御プログラムを実行する。さらに、情報処理装置２２は、蓄電池システム１１の各制御弁式鉛蓄電池１２に接続されたモニター線２６を介して各蓄電池１２の電圧や電流を測定可能な測定部２７や、これらに基づき内部抵抗を演算する計算部（図示しない）を有し、測定結果に基づいて蓄電池システム１１の総放電容量等を計算する機能も具備する。
充放電装置２１は、情報処理装置２２の制御の下、予め定めた運用条件に従って蓄電池システム１１を所定の電流および電圧で充電または放電させる。
情報処理装置２２は、運用を行うための制御プログラムや各種データを記憶する記憶部２５を有し、記憶部２５に記憶された制御プログラムを実行する。さらに、情報処理装置２２は、蓄電池システム１１の各制御弁式鉛蓄電池１２に接続されたモニター線２６を介して各蓄電池１２の電圧や電流を測定可能な測定部２７や、これらに基づき内部抵抗を演算する計算部（図示しない）を有し、測定結果に基づいて蓄電池システム１１の総放電容量等を計算する機能も具備する。
充放電装置２１は、情報処理装置２２の制御の下、予め定めた運用条件に従って蓄電池システム１１を所定の電流および電圧で充電または放電させる。
運用中は、制御弁式鉛蓄電池１２の充電状態が部分充電状態となるように運用し、運用中の最大充電電流を０．６ＣＡ以下として運用する。複合キャパシタ極板を備えていない制御弁式鉛蓄電池、つまり、従来の制御弁式鉛蓄電池の場合、充電受け入れ性を向上させるため最大充電電流を０．３ＣＡ程度としている。
なお、この部分充電状態は、制御弁式鉛蓄電池の満充電状態を１００％とした場合、２０〜９０％の充電状態の範囲内で運用することができる。
これに対し、キャパシタ機能を備えた複合キャパシタ極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２を用いたため、従来の鉛蓄電池より大きい最大充電電流で蓄電池システム１１を運用することができ、電池寿命の悪化を抑え、長寿命化を図ると共に、蓄電池システム１１に設置する必要電池個数を低減することが可能となる。
なお、発明者等の検討によれば、最大充電電流を０．６ＣＡを超えると、充電受け入れ性が低下し始め、硫酸鉛の蓄積や電解液の電気分解により蓄電池寿命が著しく悪化することが判っている。
なお、この部分充電状態は、制御弁式鉛蓄電池の満充電状態を１００％とした場合、２０〜９０％の充電状態の範囲内で運用することができる。
これに対し、キャパシタ機能を備えた複合キャパシタ極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２を用いたため、従来の鉛蓄電池より大きい最大充電電流で蓄電池システム１１を運用することができ、電池寿命の悪化を抑え、長寿命化を図ると共に、蓄電池システム１１に設置する必要電池個数を低減することが可能となる。
なお、発明者等の検討によれば、最大充電電流を０．６ＣＡを超えると、充電受け入れ性が低下し始め、硫酸鉛の蓄積や電解液の電気分解により蓄電池寿命が著しく悪化することが判っている。
また、従来の制御弁式鉛蓄電池の場合、ＰＳＯＣ運用中は負極活物質へ硫酸鉛が蓄積されやすいため、その状態で高率放電を行うと過放電状態となり、その後充電しても蓄電池が元の状態に戻らず短寿命となる恐れがあった。
これに対し、複合キャパシタ極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２は、その良好な充電受け入れ性からＰＳＯＣ運用中の硫酸鉛の蓄積を必要最小限に抑制でき、またセル電圧０．５Ｖ程度まで過放電した場合でも、そのキャパシタ機能によりその後の充電で負極活物質を充分に充電状態の鉛に還元することができる。そのため最大放電電流を１．０ＣＡとすることが可能となる。これにより、蓄電池システム１１に設置する必要蓄電池個数を低減することが可能となる。また、発明者等の検討によれば、最大放電電流が１．０ＣＡを超えると、電池の転極やジュール熱による蓄電池内部の温度上昇により、蓄電池寿命が著しく悪化することが判っている。
これに対し、複合キャパシタ極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２は、その良好な充電受け入れ性からＰＳＯＣ運用中の硫酸鉛の蓄積を必要最小限に抑制でき、またセル電圧０．５Ｖ程度まで過放電した場合でも、そのキャパシタ機能によりその後の充電で負極活物質を充分に充電状態の鉛に還元することができる。そのため最大放電電流を１．０ＣＡとすることが可能となる。これにより、蓄電池システム１１に設置する必要蓄電池個数を低減することが可能となる。また、発明者等の検討によれば、最大放電電流が１．０ＣＡを超えると、電池の転極やジュール熱による蓄電池内部の温度上昇により、蓄電池寿命が著しく悪化することが判っている。
また、従来の制御弁式鉛蓄電池の場合、負極活物質の硫酸鉛の蓄積を解消するために１週間以内に１度程度の割合で１２時間から２４時間の間、均等充電を実施して満充電にすると、均等充電実施中はシステム運用を休止するため、システム稼働率の低下の要因となる。
これに対し、複合キャパシタ極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２の場合、均等充電を実施するタイミングを、運用中の総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍に達した時点とし、その後、均等充電を実施して蓄電池１２を満充電にする。複合キャパシタ極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２はそのキャパシタ機能によりＰＳＯＣ運用中に蓄積、粗大化した硫酸鉛を充分に還元する特性を有している。
これに対し、複合キャパシタ極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２の場合、均等充電を実施するタイミングを、運用中の総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍に達した時点とし、その後、均等充電を実施して蓄電池１２を満充電にする。複合キャパシタ極板を備えた制御弁式鉛蓄電池１２はそのキャパシタ機能によりＰＳＯＣ運用中に蓄積、粗大化した硫酸鉛を充分に還元する特性を有している。
また、発明者等の検討によれば、２週間未満に１度の均等充電の場合、従来の制御弁式鉛蓄電池と比較してシステム稼働率向上はほぼ見られず、３ヶ月を超えると負極活物質に蓄積した硫酸鉛の粗大化が進み、硫酸鉛の解消が困難となり蓄電池短寿命の原因となることが判った。
これらにより、２週間〜３ヶ月の範囲内に設定された設定期間に達した時点、および、運用中の総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍に達した時点のうち、いずれか早い時点に鉛蓄電池１２を満充電にする均等充電を実施することがより好ましい。
これらにより、２週間〜３ヶ月の範囲内に設定された設定期間に達した時点、および、運用中の総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍に達した時点のうち、いずれか早い時点に鉛蓄電池１２を満充電にする均等充電を実施することがより好ましい。
次に、本発明の実施例を比較例とともに説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
（充放電電流の検討）
公知の方法で作製した複数の正極未化成板と複合キャパシタ負極未化成板とを、ガラス繊維からなるガラスマットを介して交互に積層し、この積層体の同極板同士の耳部をバーナー方式で溶接して極板群とした。極板群の枚数構成は正極板が１５枚、負極板が１６枚の構成とした。次にこの極板群をポリプロピレン製の電槽に挿入し、ヒートシールにより蓋を溶着し、２Ｖ−５００Ａｈ電池を組み立てた。これに前記蓋の液口から所定の濃度の希硫酸電解液を極板群の飽和電解液量に対して１００％程度の量を注液した。その後、定格容量の約１０倍の電気量を７２時間かけて電槽化成を行い、その後補液、補充電を実施して制御弁式鉛蓄電池を作製した。
作製した蓄電池１２を定格容量の５０％分だけ放電させ、充電状態を５０％の部分充電状態とし、表１に記載の放電電流、充電電流で定格容量の１０％分だけ充放電を行うサイクル試験を実施した。１０００サイクルに１度、充電電流０．１ＣＡ、定電圧２．４Ｖで均等充電を１２時間行った後、１０時間率（放電電流０．１ＣＡ）容量試験を実施し、初期容量の８０％に到達した時点を寿命とした。
表１に寿命サイクル数を示す。
公知の方法で作製した複数の正極未化成板と複合キャパシタ負極未化成板とを、ガラス繊維からなるガラスマットを介して交互に積層し、この積層体の同極板同士の耳部をバーナー方式で溶接して極板群とした。極板群の枚数構成は正極板が１５枚、負極板が１６枚の構成とした。次にこの極板群をポリプロピレン製の電槽に挿入し、ヒートシールにより蓋を溶着し、２Ｖ−５００Ａｈ電池を組み立てた。これに前記蓋の液口から所定の濃度の希硫酸電解液を極板群の飽和電解液量に対して１００％程度の量を注液した。その後、定格容量の約１０倍の電気量を７２時間かけて電槽化成を行い、その後補液、補充電を実施して制御弁式鉛蓄電池を作製した。
作製した蓄電池１２を定格容量の５０％分だけ放電させ、充電状態を５０％の部分充電状態とし、表１に記載の放電電流、充電電流で定格容量の１０％分だけ充放電を行うサイクル試験を実施した。１０００サイクルに１度、充電電流０．１ＣＡ、定電圧２．４Ｖで均等充電を１２時間行った後、１０時間率（放電電流０．１ＣＡ）容量試験を実施し、初期容量の８０％に到達した時点を寿命とした。
表１に寿命サイクル数を示す。
表１に示すように、実施例１は、放電電流０．５ＣＡ、充電電流０．４ＣＡとし、実施例２は、放電電流０．５ＣＡ、充電電流０．６ＣＡとし、実施例３は、放電電流１．０ＣＡ、充電電流０．４ＣＡとし、実施例４は、放電電流１．０ＣＡ、充電電流０．６ＣＡとした。また、比較例１は、放電電流０．５ＣＡ、充電電流０．３ＣＡとし、比較例２は、放電電流０．５ＣＡ、充電電流０．８ＣＡとし、比較例３は、放電電流１．０ＣＡ、充電電流０．４ＣＡとし、比較例４は、放電電流１．０ＣＡ、充電電流０．８ＣＡとし、比較例５〜８は、放電電流１．２ＣＡに揃え、充電電流０．３ＣＡ、０．４ＣＡ、０．６ＣＡ、０．８ＣＡとした。
実施例１、２と比較例２を比較すると、比較例２の寿命サイクル数が半分以下になっていることが判る。これは充電電流が０．６ＣＡを超えたため充電受け入れ性が低下し、硫酸鉛蓄積や電解液の電気分解により電池寿命が著しく悪化した事が原因である。
実施例３、４と比較例４の比較でも同様の原因により、比較例４の電池寿命が著しく悪化した。
比較例１、３、５の場合、最大充電電流が低いため電池寿命の点では何ら問題がないが、従来の蓄電池システムと比較して電池の設置個数を低減することができない。
比較例６、７、８の場合、充電電流に関わらず短寿命となっているのが判る。その理由は、最大放電電流が１．０ＣＡを超えたことにより、サイクル試験中、電池の転極やジュール熱による鉛蓄電池内部の温度上昇が発生し電池寿命が著しく悪化したからである、と考えられる。従って、運用時の最大放電電流を１．０ＣＡ以下に設定された放電閾値以下とし、最大充電電流を０．４ＣＡ以上、０．６ＣＡ以下に設定された充電閾値以下とすることにより、電池寿命の悪化を抑え、長寿命化を図ることができる。
実施例３、４と比較例４の比較でも同様の原因により、比較例４の電池寿命が著しく悪化した。
比較例１、３、５の場合、最大充電電流が低いため電池寿命の点では何ら問題がないが、従来の蓄電池システムと比較して電池の設置個数を低減することができない。
比較例６、７、８の場合、充電電流に関わらず短寿命となっているのが判る。その理由は、最大放電電流が１．０ＣＡを超えたことにより、サイクル試験中、電池の転極やジュール熱による鉛蓄電池内部の温度上昇が発生し電池寿命が著しく悪化したからである、と考えられる。従って、運用時の最大放電電流を１．０ＣＡ以下に設定された放電閾値以下とし、最大充電電流を０．４ＣＡ以上、０．６ＣＡ以下に設定された充電閾値以下とすることにより、電池寿命の悪化を抑え、長寿命化を図ることができる。
（均等充電間隔の検討；期間）
充放電電流の検討と同様に作製した蓄電池１２を、定格容量の２０％分だけ放電させて充電状態を８０％の部分充電状態とし、放電電流０．４ＣＡで１．５時間放電し、休止し、充電電流０．４ＣＡで１．５時間充電し、休止する工程を１サイクルとした。また、すべての試験の各均等充電間隔中のサイクル試験総放電容量が定格容量の２４倍となるように充放電の間の休止時間をそれぞれ調整して行った。均等充電を行う間隔は、表２に記載の間隔とした。均等充電条件は、充電電流０．１ＣＡ、定電圧２．４Ｖで２４時間とした。１年間サイクル試験実施後、解体調査を実施し、負極活物質に蓄積された硫酸鉛の蓄積量を調査した。硫酸鉛の蓄積量およびシステム稼働率についても表２に示す。
システム稼働率は、（休止を除くサイクル試験時間）／（休止を除くサイクル試験時間＋均等充電時間）×１００の式で求めた値である。
充放電電流の検討と同様に作製した蓄電池１２を、定格容量の２０％分だけ放電させて充電状態を８０％の部分充電状態とし、放電電流０．４ＣＡで１．５時間放電し、休止し、充電電流０．４ＣＡで１．５時間充電し、休止する工程を１サイクルとした。また、すべての試験の各均等充電間隔中のサイクル試験総放電容量が定格容量の２４倍となるように充放電の間の休止時間をそれぞれ調整して行った。均等充電を行う間隔は、表２に記載の間隔とした。均等充電条件は、充電電流０．１ＣＡ、定電圧２．４Ｖで２４時間とした。１年間サイクル試験実施後、解体調査を実施し、負極活物質に蓄積された硫酸鉛の蓄積量を調査した。硫酸鉛の蓄積量およびシステム稼働率についても表２に示す。
システム稼働率は、（休止を除くサイクル試験時間）／（休止を除くサイクル試験時間＋均等充電時間）×１００の式で求めた値である。
表２に示すように、実施例５は均等充電間隔を２週間とし、実施例６は１ヶ月とし、実施例７は３ヶ月とした。また、比較例９は均等充電間隔を１週間とし、比較例１０は４ヶ月とした。
比較例１０は負極活物質への硫酸鉛蓄積量が著しく多かった。これは均等充電間隔が３ヶ月を超えたため、負極活物質に蓄積した硫酸鉛の組大化が進み硫酸鉛の解消が困難となった結果である。継続してサイクル試験を実施するとさらに硫酸鉛蓄積量は増加し、短寿命となる恐れがある。従って、短寿命を回避するには、３ヶ月の範囲内に設定された設定期間毎に一度、均等充電を実施することが良いことが判る。
一方、比較例９は、実施例５、６、７および比較例１０と比較すると、システム稼働率が９０％未満になり、極端に稼働率が低くなった。システムの稼働率は９０％以上が好ましく、より好ましくは９５％以上であることから、システムの稼働率を上げつつ、短寿命を回避するためには、２週間から３ヶ月の範囲内に設定された設定期間毎に一度、均等充電を実施すれば良いことが判る。
比較例１０は負極活物質への硫酸鉛蓄積量が著しく多かった。これは均等充電間隔が３ヶ月を超えたため、負極活物質に蓄積した硫酸鉛の組大化が進み硫酸鉛の解消が困難となった結果である。継続してサイクル試験を実施するとさらに硫酸鉛蓄積量は増加し、短寿命となる恐れがある。従って、短寿命を回避するには、３ヶ月の範囲内に設定された設定期間毎に一度、均等充電を実施することが良いことが判る。
一方、比較例９は、実施例５、６、７および比較例１０と比較すると、システム稼働率が９０％未満になり、極端に稼働率が低くなった。システムの稼働率は９０％以上が好ましく、より好ましくは９５％以上であることから、システムの稼働率を上げつつ、短寿命を回避するためには、２週間から３ヶ月の範囲内に設定された設定期間毎に一度、均等充電を実施すれば良いことが判る。
（均等充電間隔の検討；総放電容量）
次に運用中の総放電容量に対する均等充電の必要性を評価した。
充放電電流検討と同様に作製した蓄電池１２を、定格容量の２０％分だけ放電させて充電状態を８０％の部分充電状態とし、放電電流０．５ＣＡで３０分放電し、休止し、充電電流０．５ＣＡで３０分充電し、休止する工程を１サイクルとした。サイクル試験期間は１ヶ月間とし、表３に記載の総放電容量となるサイクル数を充放電した。また、全ての試験が１ヶ月で終了するように充放電の間の休止時間をそれぞれ調整して行った。
均等充電条件は、充電電流０．１ＣＡ、定電圧２．４Ｖで２４時間とした。各水準において蓄電池２個で評価を行い、一方の蓄電池はサイクル試験終了後に解体し、負極活物質に蓄積された硫酸鉛の蓄積量を調査し、残りの蓄電池はサイクル試験終了後の均等充電後に解体し、負極活物質に蓄積された硫酸鉛の蓄積量を調査した。調査結果についても表３に示す。
次に運用中の総放電容量に対する均等充電の必要性を評価した。
充放電電流検討と同様に作製した蓄電池１２を、定格容量の２０％分だけ放電させて充電状態を８０％の部分充電状態とし、放電電流０．５ＣＡで３０分放電し、休止し、充電電流０．５ＣＡで３０分充電し、休止する工程を１サイクルとした。サイクル試験期間は１ヶ月間とし、表３に記載の総放電容量となるサイクル数を充放電した。また、全ての試験が１ヶ月で終了するように充放電の間の休止時間をそれぞれ調整して行った。
均等充電条件は、充電電流０．１ＣＡ、定電圧２．４Ｖで２４時間とした。各水準において蓄電池２個で評価を行い、一方の蓄電池はサイクル試験終了後に解体し、負極活物質に蓄積された硫酸鉛の蓄積量を調査し、残りの蓄電池はサイクル試験終了後の均等充電後に解体し、負極活物質に蓄積された硫酸鉛の蓄積量を調査した。調査結果についても表３に示す。
表３に示すように、実施例８は、総放電容量を対定格容量比１０倍とし、実施例９は、その倍の２０倍とし、実施例１０は、５０倍とした。また、比較例１１は、総放電容量を５倍とし、比較例１２は７０倍とした。
比較例１１は均等充電を実施していないサイクル試験終了後でさえ硫酸鉛蓄積量が４ｗｔ％と非常に低く、均等充電を実施してもシステム稼働率を悪化させるだけでその必要性がないと考える。比較例１２はサイクル試験後の硫酸鉛量も非常に多く、また均等充電を実施しても硫酸鉛量の蓄積は解消していない。これは総放電容量が対定格容量比の７０倍に達するまで均等充電を実施しなかったために硫酸鉛が著しく粗大化したことが原因である。
これに対し、実施例８〜１０はサイクル試験後ある程度の硫酸鉛の蓄積がみられ均等充電をする必要があり、均等充電後、硫酸鉛量は解消されている。従って、運用中の総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍の範囲内に設定された放電閾値に達した時点で均等充電により満充電にすることで、硫酸鉛は解消され、鉛蓄電池の長寿命運用とシステム高稼働率が可能となる。
比較例１１は均等充電を実施していないサイクル試験終了後でさえ硫酸鉛蓄積量が４ｗｔ％と非常に低く、均等充電を実施してもシステム稼働率を悪化させるだけでその必要性がないと考える。比較例１２はサイクル試験後の硫酸鉛量も非常に多く、また均等充電を実施しても硫酸鉛量の蓄積は解消していない。これは総放電容量が対定格容量比の７０倍に達するまで均等充電を実施しなかったために硫酸鉛が著しく粗大化したことが原因である。
これに対し、実施例８〜１０はサイクル試験後ある程度の硫酸鉛の蓄積がみられ均等充電をする必要があり、均等充電後、硫酸鉛量は解消されている。従って、運用中の総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍の範囲内に設定された放電閾値に達した時点で均等充電により満充電にすることで、硫酸鉛は解消され、鉛蓄電池の長寿命運用とシステム高稼働率が可能となる。
（蓄電池システムの運用装置）
運用装置１０は、蓄電池システム１１を充電または放電させる充放電装置２１（充放電部）と、充放電装置２１の制御機能などを具備する情報処理装置２２（情報処理部）とを備える。
この情報処理装置２２は、運用を行うための制御プログラムや各種データを記憶する記憶部２５を有し、記憶部２５に記憶された制御プログラムを実行する。さらに、情報処理装置２２は、蓄電池システム１１の各制御弁式鉛蓄電池１２に接続されたモニター線２６を介して各蓄電池１２の電圧や電流を測定可能な測定部２７や、これらに基づき内部抵抗を演算する計算部を有し、測定結果に基づいて蓄電池システム１１の総放電容量等を計算する。
運用装置１０は、蓄電池システム１１を充電または放電させる充放電装置２１（充放電部）と、充放電装置２１の制御機能などを具備する情報処理装置２２（情報処理部）とを備える。
この情報処理装置２２は、運用を行うための制御プログラムや各種データを記憶する記憶部２５を有し、記憶部２５に記憶された制御プログラムを実行する。さらに、情報処理装置２２は、蓄電池システム１１の各制御弁式鉛蓄電池１２に接続されたモニター線２６を介して各蓄電池１２の電圧や電流を測定可能な測定部２７や、これらに基づき内部抵抗を演算する計算部を有し、測定結果に基づいて蓄電池システム１１の総放電容量等を計算する。
本実施の形態では、蓄電池システム１１を、正極板と複合キャパシタ負極板を極板群とするキャパシタ複合鉛蓄電池で構成された複数個の制御弁式鉛蓄電池１２を接続した構成にする。そして、図１に示す運用装置１０が、情報処理装置２２（情報処理部）の制御の下、充放電装置２１（充放電部）により、蓄電池システム１１を所定の電流及び電圧で充電または放電させながら、２０〜９０％の部分充電状態で運用するとともに、運用時の最大放電電流を、１．０ＣＡ以下に設定された放電閾値以下とし、最大充電電流を、０．４ＣＡ以上、０．６ＣＡ以下に設定された充電閾値以下にするよう運用する。
この構成によれば、制御弁式鉛蓄電池１２の最大放電電流及び最大充電電流を増大させて蓄電池システム１１の必要電池個数を低減することができる。具体的には、蓄電池システム１１に必要な電池の定格容量が同じ場合には、従来の蓄電池システムの最大放電電流が０．４ＣＡ、また最大充電電流が０．３ＣＡである場合、本発明は、放電側では従来の個数の４０％まで低減することができ、一方充電側では従来の個数の５０〜７５％まで低減することができる。すなわち、従来の蓄電池システムで必要電池個数が１００個であった場合、放電側では４０個に、充電側では５０〜７５個まで低減することができる。また、従来の蓄電池システムに必要な電池の定格容量を大きくする場合は、電池個数を減らさなくても済むが、容量が大きくなった分、電池サイズが大型になるため、結果的に蓄電池システムを設置するスペースは変わらなくなる。よって、設置する必要電池個数の低減により、設置スペースを削減することができる。また、最大放電電流及び最大充電電流の増大に伴い、電池寿命の悪化を抑えることができる。これにより、鉛蓄電池１２の長寿命運用と設置個数の低減とを両立し、蓄電池システム１１の省スペース化を図ることが可能になる。
この構成によれば、制御弁式鉛蓄電池１２の最大放電電流及び最大充電電流を増大させて蓄電池システム１１の必要電池個数を低減することができる。具体的には、蓄電池システム１１に必要な電池の定格容量が同じ場合には、従来の蓄電池システムの最大放電電流が０．４ＣＡ、また最大充電電流が０．３ＣＡである場合、本発明は、放電側では従来の個数の４０％まで低減することができ、一方充電側では従来の個数の５０〜７５％まで低減することができる。すなわち、従来の蓄電池システムで必要電池個数が１００個であった場合、放電側では４０個に、充電側では５０〜７５個まで低減することができる。また、従来の蓄電池システムに必要な電池の定格容量を大きくする場合は、電池個数を減らさなくても済むが、容量が大きくなった分、電池サイズが大型になるため、結果的に蓄電池システムを設置するスペースは変わらなくなる。よって、設置する必要電池個数の低減により、設置スペースを削減することができる。また、最大放電電流及び最大充電電流の増大に伴い、電池寿命の悪化を抑えることができる。これにより、鉛蓄電池１２の長寿命運用と設置個数の低減とを両立し、蓄電池システム１１の省スペース化を図ることが可能になる。
また、情報処理装置２２が、部分充電状態の制御弁式鉛蓄電池１２に対し、放電電流０．４ＣＡで１．５時間放電後、充電電流０．４ＣＡで１．５時間充電を行うようなサイクルを繰り返す場合には、２週間〜３ヶ月の範囲内に設定された設定期間毎に一度、均等充電を実施することによって、更なる長寿命運用とシステム高稼働率が可能となる。
さらに、情報処理装置２２が、制御弁式鉛蓄電池１２の総放電容量を計測し、総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍の範囲内に設定された放電閾値に達すると、満充電にする均等充電を実施することにより、硫酸鉛の蓄積を抑え、更なる長寿命運用とシステム高稼働率が可能となる。
以上より、上記均等充電については、長寿命運用とシステム高稼働率の観点から、２週間〜３ヶ月の範囲内に設定された設定期間、または、総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍の範囲内に設定された放電閾値に到達した時点のどちらかを採用することができるが、両方をプログラムしておき、いずれか早い時点に均等充電を実施するということも可能である。
さらに、情報処理装置２２が、制御弁式鉛蓄電池１２の総放電容量を計測し、総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍の範囲内に設定された放電閾値に達すると、満充電にする均等充電を実施することにより、硫酸鉛の蓄積を抑え、更なる長寿命運用とシステム高稼働率が可能となる。
以上より、上記均等充電については、長寿命運用とシステム高稼働率の観点から、２週間〜３ヶ月の範囲内に設定された設定期間、または、総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍の範囲内に設定された放電閾値に到達した時点のどちらかを採用することができるが、両方をプログラムしておき、いずれか早い時点に均等充電を実施するということも可能である。
なお、上述の実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で任意に変形および応用が可能である。
１０ 運用装置
１１ 蓄電池システム
１２ 制御弁式鉛蓄電池
２１ 充放電装置（充放電部）
２２ 情報処理装置（情報処理部）
２５ 記憶部
２７ 測定部
１１ 蓄電池システム
１２ 制御弁式鉛蓄電池
２１ 充放電装置（充放電部）
２２ 情報処理装置（情報処理部）
２５ 記憶部
２７ 測定部
Claims (4)
- 複数個の制御弁式鉛蓄電池を接続した蓄電池システムの運用方法において、
前記制御弁式鉛蓄電池を、正極板及び／又は負極板を複合キャパシタ極板として備え、これら正・負極板をセパレータを介して積層してなる極板群を備えるキャパシタ複合鉛蓄電池で構成して部分充電状態で運用し、
運用時の最大放電電流を、１．０ＣＡ以下に設定された放電閾値以下とし、最大充電電流を、０．４ＣＡ以上、０．６ＣＡ以下に設定された充電閾値以下としたことを特徴とする蓄電池システムの運用方法。 - 前記制御弁式鉛蓄電池の均等充電の設定期間が２週間〜３ヶ月の範囲内に達すると、満充電にする均等充電を実施することを特徴とする請求項１に記載の蓄電池システムの運用方法。
- 前記制御弁式鉛蓄電池の総放電容量を計測し、前記総放電容量が蓄電池定格容量の１０倍〜５０倍の範囲内に設定された放電閾値に達すると、満充電にする均等充電を実施することを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電池システムの運用方法。
- 正極板及び／又は負極板を複合キャパシタ極板として備え、これら正・負極板をセパレータを介して積層してなる極板群を備えるキャパシタ複合鉛蓄電池で構成された複数個の制御弁式鉛蓄電池を接続した蓄電池システムの運用装置であって、
前記蓄電池システムを充電または放電させる充放電部と、
前記蓄電池システムを部分充電状態で運用するとともに、運用時の最大放電電流を、１．０ＣＡ以下に設定された放電閾値以下とし、最大充電電流を、０．４ＣＡ以上、０．６ＣＡ以下に設定された充電閾値以下とする情報処理部とを備えることを特徴とする蓄電池システムの運用装置。
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