JP2019022376A - Dc power feeding system - Google Patents

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Abstract

To provide a DC power feeding system capable of suppressing a cost increase and simplifying a system by eliminating installation of an inverter required for connecting a DC power generation system typified by photovoltaic power generation with a power system.SOLUTION: A DC power feeding system 10 which is a DC power supply system includes: a DC power supply (a power feeding station 1); a load apparatus 3; a secondary cell 2 sealed with hydrogen; and a power feeding path 7. The secondary cell and the load apparatus are connected in parallel to the DC power supply through the power feeding path. The secondary cell is sealed with hydrogen, thereby preventing degradation in performance by floating charge.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、二次電池を用いた直流電力系統に関し、詳しくは、直流電力を電力源とし、需要家に直流電力を供給する直流給電方式に関する。   The present invention relates to a DC power system using a secondary battery, and more particularly, to a DC power supply system that uses DC power as a power source and supplies DC power to consumers.

近年、電力系統における電力供給を補完するものとして、分散型電源、マイクログリッド、再生可能エネルギー、非常用電源への関心が高まっている。このなかでも、地球温暖化防止に向けたCO2削減など環境保全意識の高まりを背景に、太陽光発電や、風力発電等の自然エネルギーを利用した発電システムの普及が拡大しつつある。   In recent years, interest in distributed power sources, microgrids, renewable energy, and emergency power sources has increased as a supplement to power supply in the power system. Among them, the spread of power generation systems using natural energy such as solar power generation and wind power generation is expanding due to the increase in environmental conservation awareness such as CO2 reduction for the prevention of global warming.

自然エネルギーを利用した発電システムは、発生電力が自然現象により左右されやすく、電力系統の需給調整の外乱要因となる。これを補完するものとして、風力発電等の発電システムに蓄電池を接続して、需給調節を行うことが提案されている。   In a power generation system using natural energy, generated power is easily influenced by natural phenomena, and becomes a disturbance factor in supply and demand adjustment of the power system. As a supplement to this, it has been proposed to adjust the supply and demand by connecting a storage battery to a power generation system such as wind power generation.

この様な目的に使用される蓄電池はフローティング充電が可能なものが使用される。特許文献1に、複数のアルカリ系二次電池を互いに接続した組電池の内部圧力を測定して、測定した電池の内部圧力に基づき充電制御を行うことにより、フローティング充電を可能にする充電方法が開示されている。   As the storage battery used for such a purpose, a battery capable of floating charging is used. Patent Document 1 discloses a charging method that enables floating charging by measuring the internal pressure of an assembled battery in which a plurality of alkaline secondary batteries are connected to each other and performing charge control based on the measured internal pressure of the battery. It is disclosed.

太陽光発電は、直流電流を出力する直流電源であって、この直流電流がインバータによって交流電流に変換され、電力系統に接続され系統連系が行われる。また、風力発電は電力需給調整の必要上、一度直流電力に変換され、この直流電流がインバータによって交流電流に変換され、電力系統に接続され系統連系が行われる。   Photovoltaic power generation is a direct current power source that outputs direct current, and this direct current is converted into alternating current by an inverter and connected to a power system for grid interconnection. In addition, wind power generation is once converted into DC power because of the necessity of power supply and demand adjustment, and this DC current is converted into AC current by an inverter and connected to the power system for grid interconnection.

このような例として、例えば、特許文献2には直流電力を変換する変換回路と、インバータ回路と、インバータ回路の出力を変圧する変圧回路と、変圧回路と電力系統とを開閉する開閉器とを有し、電力系統の系統電圧に応じて変圧回路の設定を切り替える構成が記載されている。   As such an example, for example, Patent Document 2 discloses a conversion circuit that converts DC power, an inverter circuit, a transformer circuit that transforms the output of the inverter circuit, and a switch that opens and closes the transformer circuit and the power system. And a configuration for switching the setting of the transformer circuit according to the system voltage of the power system is described.

特開2010−40297号公報JP 2010-40297 A 特開2002−112461号公報JP 2002-112461 A 特開2011−151961号公報JP 2011-151961 A

ニッケル水素二次電池の場合、充電反応自体が発熱反応であるので、定電圧制御下で、微小な電流で継続的に充電することによって常に満充電の状態を保つ、いわゆるフローティング充電には適さないとされている。すなわち、ニッケル水素二次電池でフローティング充電を行おうとすると、過充電による電池温度の上昇→電池内部抵抗の低下→充電電流の増加→電池温度のさらなる上昇、という悪循環を引き起こし、電池内部圧力の上昇や電池性能の劣化につながる。したがって、ニッケル水素二次電池を、常に満充電状態に維持されることが要求される用途に適用するに際しては、過充電とならないよう十分な配慮を必要とする。   In the case of a nickel-metal hydride secondary battery, the charging reaction itself is an exothermic reaction, so it is not suitable for so-called floating charging, which always maintains a full charge state by continuously charging with a small current under constant voltage control. It is said that. In other words, if floating charging is performed with a nickel-metal hydride secondary battery, a vicious cycle of an increase in battery temperature due to overcharging → a decrease in battery internal resistance → an increase in charging current → a further increase in battery temperature is caused, resulting in an increase in battery internal pressure. Or battery performance. Therefore, when applying the nickel metal hydride secondary battery to an application that is required to be always fully charged, sufficient consideration is required so as not to overcharge.

パーソナルコンピュータに代表される電子機器の普及により、UPSの設置が設備の安定的な運用のために不可欠になってきている。UPSは常時系統から交流電力を受電してフローティング充電しており、系統に瞬低が生じたときにUPSから電力を供給して瞬低の影響を軽減する設備である。   With the spread of electronic devices represented by personal computers, the installation of UPS has become indispensable for the stable operation of facilities. The UPS is a facility that receives AC power from the grid at all times and performs floating charging, and supplies power from the UPS when the voltage drops in the system to reduce the influence of the voltage drop.

また、余剰電力を蓄電池に蓄える場合、蓄電池はフローティング充電され、その充電状態が維持される。すなわち、電力の不足が生じたときは放電して、電力が過剰となれば充電して、常に満充電状態を維持する。   Moreover, when storing surplus electric power in a storage battery, a storage battery is floating-charged and the charge state is maintained. That is, when power shortage occurs, the battery is discharged, and when the power becomes excessive, the battery is charged and always kept in a fully charged state.

本発明が解決しようとする課題は、フローティング充電を行っても電池の性能の劣化しない蓄電池を用いて給電を可能にすることである。   The problem to be solved by the present invention is to enable power feeding using a storage battery that does not deteriorate the performance of the battery even if floating charging is performed.

太陽光のエネルギーを利用した発電システムは、直流電流を出力する直流電源であるので電力系統に接続するためにはその出力にインバータを設けて交流電力に変換する必要がある。インバータは半導体素子を用いてスイッチングすることにより直流電力を交流電力に変換するのであるが、高電圧大電流の半導体素子は高価であり、スイッチング制御回路も複雑なものとなる。直流電源を電力系統に接続するためには高価なインバータの設置を必要とする。   Since the power generation system using solar energy is a direct current power source that outputs direct current, in order to be connected to the power system, it is necessary to provide an inverter at the output and convert it to alternating current power. Inverters convert DC power into AC power by switching using a semiconductor element. However, high-voltage and large-current semiconductor elements are expensive, and the switching control circuit becomes complicated. In order to connect the DC power source to the power system, it is necessary to install an expensive inverter.

本発明が解決しようとする課題の一つは、太陽光発電に代表される直流発電システムを電力系統に接続する際に必要となるインバータの設置を省略して、コストの上昇を抑えることであり、システムの簡素化を図ることである。   One of the problems to be solved by the present invention is to suppress an increase in cost by omitting installation of an inverter necessary for connecting a DC power generation system represented by photovoltaic power generation to an electric power system. It is to simplify the system.

電力系統が交流でなく直流であれば、インバータの設置は必要でない。しかし、自然エネルギーや再生可能エネルギーの出力は自然条件等により発生電力が左右されるので、蓄電池を用いて電力供給の安定化を行うことが提案されている(例えば、特許文献3)。   If the power system is direct current instead of alternating current, no inverter is required. However, since the output of natural energy or renewable energy depends on natural conditions or the like, the power supply is stabilized by using a storage battery (for example, Patent Document 3).

現在、電気製品の多くが内部は直流で動作するようになってきており、電力系統から受電した交流電流は直流電流に変換して利用されている。交流を直流に変換する際に電力ロスが生じている。電力を直流のままで給電することができれば電力消費の無駄を省くことができる。   At present, many electric products have been operated with a direct current inside, and an alternating current received from a power system is converted into a direct current and used. There is a power loss when converting AC to DC. If power can be supplied with direct current, waste of power consumption can be eliminated.

前記した目的を達成するために、本発明に係る直流給電方式は、直流電源と、負荷設備と、二次電池と、給電路とを備えた直流給電方式であって、前記直流電源に対して、前記二次電池と前記負荷設備とが前記給電路によって並列に接続されていて、前記二次電池には水素が封入されている。   In order to achieve the above-described object, a DC power supply system according to the present invention is a DC power supply system including a DC power supply, a load facility, a secondary battery, and a power supply path. The secondary battery and the load facility are connected in parallel by the power feeding path, and hydrogen is enclosed in the secondary battery.

この構成によれば、満充電に近づけば充電電流が減少し、ついには電池電位が充電電圧と等しくなるので、二次電池が損傷することなく満充電状態を維持することができる。さらには、フローティング充電には適さないとされるニッケル水素二次電池にあっても、フローティング充電が可能となる。UPSのような、常に満充電状態を維持することが要求される用途に適用することが可能となる。   According to this configuration, the charging current decreases when it is close to full charging, and the battery potential finally becomes equal to the charging voltage, so that the fully charged state can be maintained without damaging the secondary battery. Furthermore, even in a nickel metal hydride secondary battery that is not suitable for floating charging, floating charging is possible. It can be applied to uses such as a UPS that always require a fully charged state.

本発明に係る直流給電方式は、前記二次電池の負極活物質が水素である。また、本発明に係る直流給電方式は、前記二次電池が密閉構造を有している。二次電池が密閉構造を採用しているので、充電により負極から発生する水素ガスは、二次電池内部に蓄積されて、水素ガス圧力が高くなる。そして、水素ガス濃度の上昇により、負極の電極電位が低下して、この結果二次電池の端子電圧が上昇する。   In the direct current power supply method according to the present invention, the negative electrode active material of the secondary battery is hydrogen. In the direct current power supply method according to the present invention, the secondary battery has a sealed structure. Since the secondary battery employs a sealed structure, hydrogen gas generated from the negative electrode by charging is accumulated inside the secondary battery, and the hydrogen gas pressure increases. As the hydrogen gas concentration increases, the electrode potential of the negative electrode decreases, and as a result, the terminal voltage of the secondary battery increases.

本発明に係る直流給電方式は、前記二次電池の正極が酸化金属を有している。また、本発明に係る直流給電方式は、前記二次電池の負極が水素吸蔵合金および白金およびパラジウムのいずれか1以上を有している。   In the direct current power supply system according to the present invention, the positive electrode of the secondary battery has a metal oxide. In the direct current power supply system according to the present invention, the negative electrode of the secondary battery includes one or more of a hydrogen storage alloy, platinum, and palladium.

本発明に係る直流給電方式は、前記正極と前記負極の間に介在するセパレータが、ポリオレフィン系不織布を親水処理したものである。親水性を付与したセパレータは、水素ガス中で使用しても、水素により親水性が失われにくく、長寿命が期待できる。   In the direct current power supply method according to the present invention, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is obtained by hydrophilic treatment of a polyolefin-based nonwoven fabric. Even if the separator provided with hydrophilicity is used in hydrogen gas, the hydrophilicity is hardly lost by hydrogen, and a long life can be expected.

本発明に係る直流給電方式は、前記直流電源が定電圧電源である。また、本発明に係る直流給電方式は、交流電力系統に接続された直流変換器が前記直流電源に並列に接続されている。   In the DC power supply system according to the present invention, the DC power supply is a constant voltage power supply. In the DC power supply system according to the present invention, a DC converter connected to an AC power system is connected in parallel to the DC power supply.

本発明に係る直流給電方式は、予め求めた前記二次電池の端子電圧とSOCの関係に基づき、前記二次電池の端子電圧から、前記二次電池の充電状態を定める。また、本発明に係る直流給電方式は、前記二次電池の放電開始電圧が前記二次電池の直前の充電終止電圧に等しい。   In the DC power feeding method according to the present invention, the state of charge of the secondary battery is determined from the terminal voltage of the secondary battery based on the relationship between the terminal voltage of the secondary battery and the SOC determined in advance. In the DC power feeding method according to the present invention, the discharge start voltage of the secondary battery is equal to the charge end voltage immediately before the secondary battery.

以上のように、本発明に係る直流給電方式によれば、電池の性能の劣化することなく満充電状態を維持するフローティング充電が可能となる。そして、UPSのような常に満充電状態を維持することが要求される用途に適用することができる。また、インバータの設置を省略して、コストの上昇を抑えることが可能となり、システムの簡素化を図ることができる。更に、交流/直流の電力変換に伴う電力損失を軽減することができる。   As described above, according to the DC power feeding method of the present invention, it is possible to perform floating charging that maintains a fully charged state without deterioration of battery performance. And it can apply to the use like which UPS always maintains a full charge state. In addition, the installation of the inverter can be omitted, so that an increase in cost can be suppressed, and the system can be simplified. Furthermore, power loss associated with AC / DC power conversion can be reduced.

積層電池の軸方向断面図である。It is an axial sectional view of a laminated battery. 二次電池の充放電特性図である。It is a charging / discharging characteristic view of a secondary battery. フローティング充電後の電圧特性と温度特性。Voltage and temperature characteristics after floating charging. フローティング充放電特性の例を示す充放電特性曲線である。It is a charging / discharging characteristic curve which shows the example of a floating charging / discharging characteristic. 二次電池のSOC特性図である。It is a SOC characteristic figure of a secondary battery. 直流給電方式の接続電気系統図である。It is a connection electric system figure of a direct-current power feeding system. ガントリークレーンの電気系統図である。It is an electrical diagram of a gantry crane.

以下、本発明に係る一実施形態を説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, although one embodiment concerning the present invention is described, the present invention is not limited to the following embodiment.

本発明の各実施形態について説明するのに先立ち、本発明が適用される二次電池としてニッケル水素電池を例に取り説明する。なお、二次電池のタイプは活物質が水素であればよくニッケル水素電池に限定されるものでない。なお説明の都合上、第1電極を正極とし、第2電極を負極として説明する。   Prior to describing each embodiment of the present invention, a nickel hydride battery will be described as an example of a secondary battery to which the present invention is applied. The type of the secondary battery is not limited to the nickel metal hydride battery as long as the active material is hydrogen. For convenience of explanation, the first electrode will be described as a positive electrode and the second electrode will be described as a negative electrode.

集電体は、電気伝導性が高く、保持した電極材料に通電し得る材料であれば特に限定されない。正極集電体は、電解液中の安定性と耐酸化性がよい観点から、集電体としてはNiが好ましい。なお、鉄にニッケルを被覆したものを用いてもよい。負極集電体は、電解液中の安定性と耐還元性がよい観点から、Ni等が好ましい。なお、鉄にニッケルやカーボンを被覆したものを用いてもかまわない。   The current collector is not particularly limited as long as it has a high electrical conductivity and can conduct electricity to the held electrode material. The positive electrode current collector is preferably Ni as the current collector from the viewpoint of good stability in the electrolytic solution and good oxidation resistance. Note that iron coated with nickel may be used. The negative electrode current collector is preferably Ni or the like from the viewpoint of good stability in the electrolyte and reduction resistance. Note that iron coated with nickel or carbon may be used.

集電体の形状としては、線状、棒状、板状、箔状、網状、織布、不織布、エキスパンド、多孔体、エンボス体又は発泡体があり、このうち充填密度を高めることができること、出力特性が良好なことから、エンボス体又は発泡体が好ましい。   As the shape of the current collector, there are a linear shape, a rod shape, a plate shape, a foil shape, a net shape, a woven fabric, a non-woven fabric, an expanded, a porous body, an embossed body, or a foamed body. An embossed body or a foamed body is preferable because of good characteristics.

正極材料は、酸化金属が好ましい。例えば、酸化銀、二酸化マンガン、オキシ水酸化ニッケルがあげられる。負極材料としては、水素吸蔵合金、白金、パラジウムがあげられる。このうち、水素貯蔵容量、充放電特性、自己放電特性およびサイクル寿命特性の観点から、AB5型の希土類−ニッケル合金である、MmNiCoMnAlのミッシュメタルを含んだ5元系合金であることが好ましい。あるいは、超格子水素吸蔵合金といわれるLaMgNi系であることが好ましい。なお、これら合金は1種又は2種以上を用いてもよい。   The positive electrode material is preferably a metal oxide. Examples thereof include silver oxide, manganese dioxide, and nickel oxyhydroxide. Examples of the negative electrode material include a hydrogen storage alloy, platinum, and palladium. Among these, from the viewpoints of hydrogen storage capacity, charge / discharge characteristics, self-discharge characteristics, and cycle life characteristics, it is preferable to be an AB5 type rare earth-nickel alloy containing a MmNiCoMnAl misch metal. Alternatively, a LaMgNi system called a superlattice hydrogen storage alloy is preferable. These alloys may be used alone or in combination of two or more.

導電助剤は、活物質に導電性を付与し、その利用率を高めるためのものである。本実施例に用いる導電助剤は、放電時に電解液に溶出することなく、かつ、水素で還元されにくい炭素材料であることが好ましい。   The conductive auxiliary agent is for imparting conductivity to the active material and increasing its utilization rate. The conductive additive used in this example is preferably a carbon material that does not elute into the electrolyte during discharge and is difficult to be reduced by hydrogen.

正極材料、結着剤、および、導電性粉末を混合してペースト状に混練する。このペーストを、集電体に塗布または充填し、乾燥させる。その後、ローラープレス等で集電体を圧延することにより、正極が作製される。同様に、負極材料、結着剤、および、導電性粉末を混合してペースト状に混練する。このペーストを、集電体に塗布または充填し、乾燥させる。その後、ローラープレス等で集電体を圧延することにより、負極が作製される。   The positive electrode material, the binder, and the conductive powder are mixed and kneaded into a paste. This paste is applied or filled into a current collector and dried. Then, a positive electrode is produced by rolling a collector with a roller press or the like. Similarly, the negative electrode material, the binder, and the conductive powder are mixed and kneaded into a paste. This paste is applied or filled into a current collector and dried. Then, a negative electrode is produced by rolling a collector with a roller press or the like.

結着剤としては、例えば、ポリアクリル酸ソーダ、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、エチレン−ビニルアルコール、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、フッ素系樹脂、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)を含む。   Examples of the binder include polyacrylic acid soda, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), ethylene-vinyl alcohol, ethylene vinyl acetate copolymer (EVA), polyethylene ( PE), polypropylene (PP), fluororesin, and styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS).

また、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を使用してもよい。PTFEは、水素により還元されにくく、水素雰囲気中で長期間使用しても劣化が進みにくく、長寿命が期待できる。   Further, polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used as a binder. PTFE is difficult to be reduced by hydrogen, and it is difficult to deteriorate even when used for a long time in a hydrogen atmosphere, and a long life can be expected.

正負極材料、結着剤、および、導電助剤の合計を100重量%とした場合、正負極に配合される結着剤の重量比は、20重量%以下に設定するのが好ましく、10重量%以下に設定するのがより好ましく、5重量%以下に設定するのがさらに好ましい。結着剤は電子伝導性とイオン伝導性に乏しく、結着剤の割合が20重量%を超えると高容量化を図ることが困難になる。   When the total of the positive and negative electrode materials, the binder, and the conductive auxiliary agent is 100% by weight, the weight ratio of the binder mixed in the positive and negative electrodes is preferably set to 20% by weight or less. % Is more preferable, and it is more preferable to set it to 5% by weight or less. The binder is poor in electron conductivity and ion conductivity, and when the proportion of the binder exceeds 20% by weight, it is difficult to increase the capacity.

本実施形態のアルカリ二次電池用の正極は、必要に応じ、本発明の目的を損なわない範囲において上述の必須成分以外の他の成分を含んでいてもよい。本実施形態のアルカリ二次電池用の正極は、例えば、正極材料と導電助剤を十分にかつ均一に混合し、これに結着剤を加えてペースト状に混練して得られる。   The positive electrode for an alkaline secondary battery of this embodiment may contain other components than the above-mentioned essential components as long as the purpose of the present invention is not impaired. The positive electrode for an alkaline secondary battery according to this embodiment is obtained, for example, by sufficiently and uniformly mixing a positive electrode material and a conductive additive, adding a binder thereto, and kneading it into a paste.

電解質は、水素を活物質とする電池で用いられるものであれば特に限定されないが、例えば、水酸化カリウム(KOH)、水酸化リチウム(LiOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)などの塩を水に溶かしたものが好適である。電池の出力特性の観点から、電解液は水酸化ナトリウム水溶液であることが好ましい。   The electrolyte is not particularly limited as long as it is used in a battery using hydrogen as an active material. For example, a salt such as potassium hydroxide (KOH), lithium hydroxide (LiOH), or sodium hydroxide (NaOH) in water. What was melt | dissolved is suitable. From the viewpoint of battery output characteristics, the electrolytic solution is preferably an aqueous sodium hydroxide solution.

セパレータとしては、水素を活物質とする電池に用いられる公知のものが使用できる。セパレータの形状としては、微多孔膜、織布、不織布、圧粉体が挙げられ、このうち、出力特性と作製コストの観点から不織布が好ましい。セパレータの材質としては、特に限定されないが、耐アルカリ性、耐酸化性、耐還元性を有することが好ましい。具体的にはポリオレフィン系繊維が好ましく、例えば、ポリプロピレンもしくはポリエチレンが好ましい。この他に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド等の材料が挙げられる。また、これらのセパレータにセラミックスを被覆し、耐熱性、親液性、ガス透過性などを向上させたセパレータであってもよい。   As a separator, a well-known thing used for the battery which uses hydrogen as an active material can be used. Examples of the shape of the separator include a microporous film, a woven fabric, a nonwoven fabric, and a green compact. Among these, a nonwoven fabric is preferable from the viewpoint of output characteristics and production cost. The material of the separator is not particularly limited, but preferably has alkali resistance, oxidation resistance, and reduction resistance. Specifically, polyolefin fibers are preferable, and for example, polypropylene or polyethylene is preferable. In addition to these, materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI), polyamide, polyamideimide, and aramid can be used. Moreover, the separator which coat | covered ceramics to these separators and improved heat resistance, lyophilicity, gas permeability, etc. may be sufficient.

ポリオレフィン系繊維は疎水性であるので、親水処理する必要がある。水素ガス雰囲気中で使用する場合は、フッ素ガス処理を施したセパレータが好ましい。また、金属酸化物をセパレータの表面に塗布もしくは被覆したセパレータが好ましい。   Since polyolefin fibers are hydrophobic, they need to be subjected to a hydrophilic treatment. When used in a hydrogen gas atmosphere, a separator subjected to fluorine gas treatment is preferred. Moreover, the separator which apply | coated or coat | covered the metal oxide on the surface of the separator is preferable.

フッ素ガス処理もしくは金属酸化物の塗布により、親水性を付与したセパレータは、水素ガス中で使用しても、水素により親水性が失われにくく、長寿命が期待できる。
フッ素ガス処理は、例えば、不活性ガスで希釈したフッ素ガスに、気密空間の中で不織布をさらすことにより不織布の繊維表面を親水化することができる。また、金属酸化物としては例えば、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、イットリウム酸化物、ハフニウム酸化物、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化スカンジウムなどが挙げられる。ジルコニア(ZrO)もしくは酸化イットリウム(Y)が好ましい。金属酸化物は親水性を有しており、かつ、水素により劣化しにくいから長期にわたって親水性を保持し、電解液のドライアウトを抑制することが可能である。
A separator imparted with hydrophilicity by treatment with fluorine gas or application of a metal oxide is less likely to lose hydrophilicity by hydrogen even when used in hydrogen gas, and a long life can be expected.
In the fluorine gas treatment, for example, the fiber surface of the nonwoven fabric can be hydrophilized by exposing the nonwoven fabric to a fluorine gas diluted with an inert gas in an airtight space. Examples of the metal oxide include titanium oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, hafnium oxide, calcium oxide, magnesium oxide, and scandium oxide. Zirconia (ZrO 2 ) or yttrium oxide (Y 2 O 3 ) is preferred. Since the metal oxide has hydrophilicity and is not easily deteriorated by hydrogen, it can maintain the hydrophilicity for a long period of time and suppress the dry-out of the electrolytic solution.

図1に示す積層電池11は、外装体15と集電棒17と外装体内部に収納される電極体13とを主な構成要素として備えている。外装体15は、有底の円筒缶12と、円筒缶の開口部12cに取付けられた円盤状の蓋部材16とから構成されている。蓋部材16は、電極体13を収納後に、円筒缶の開口部12cにおいて密に嵌合されている。   The laminated battery 11 shown in FIG. 1 includes an exterior body 15, a current collector rod 17, and an electrode body 13 housed inside the exterior body as main components. The exterior body 15 includes a bottomed cylindrical can 12 and a disk-shaped lid member 16 attached to the opening 12c of the cylindrical can. The lid member 16 is closely fitted in the opening 12c of the cylindrical can after the electrode body 13 is accommodated.

正極13aと、負極13bと、正極13aと負極13bの間に介在するセパレータ13cとから構成される電極体13は、円筒缶12の軸方向(図1のX方向)に積層して外装体15の内部に収納されている。正極の外縁部13abは円筒缶の内面12aと接触しており、正極13aと円筒缶12は電気的に接続されている。電極体13の中央には集電棒17が貫通している。負極の穴の周縁部13baは軸部17aと接触して、負極13bと集電棒17は、電気的に接続されている。   An electrode body 13 composed of a positive electrode 13a, a negative electrode 13b, and a separator 13c interposed between the positive electrode 13a and the negative electrode 13b is laminated in the axial direction of the cylindrical can 12 (X direction in FIG. 1), and the outer package 15 Is housed inside. The outer edge portion 13ab of the positive electrode is in contact with the inner surface 12a of the cylindrical can, and the positive electrode 13a and the cylindrical can 12 are electrically connected. A current collecting rod 17 passes through the center of the electrode body 13. The peripheral edge portion 13ba of the hole of the negative electrode is in contact with the shaft portion 17a, and the negative electrode 13b and the current collecting rod 17 are electrically connected.

積層電池11は、電池内に水素貯蔵室を有していないので、電池の寸法は大きくならない。電池に供給された水素ガスは、水素貯蔵室のような特別な空間に保持されるのでなく、電池内部の隙間に保持される。このような隙間としては、正極とその集電体となる外装体の間の隙間、負極と集電体となる集電棒との間の隙間、電極間の隙間および電極とセパレータの隙間が上げられる。更には、電極内部に存在する空隙にも、水素ガスが保持される。特に、正極で発生する酸素は、直ちに、正極の空隙に保持されている水素ガスと結合して水となるので、正極に含まれる導電助剤が酸化されることはない。なお、正極の空隙には、電極面から水素ガスが補充される。また、正極外に漏れだした酸素は、電池に封入された水素ガスおよび水素吸蔵合金に保持された水素ガスと結合するので、水素吸蔵合金を酸化することがない。   Since the laminated battery 11 does not have a hydrogen storage chamber in the battery, the size of the battery does not increase. The hydrogen gas supplied to the battery is not held in a special space such as a hydrogen storage chamber, but is held in a gap inside the battery. Examples of such a gap include a gap between the positive electrode and the outer package serving as the current collector, a gap between the negative electrode and the current collector rod serving as the current collector, a gap between the electrodes, and a gap between the electrode and the separator. . Furthermore, hydrogen gas is also retained in the voids existing inside the electrode. In particular, oxygen generated at the positive electrode is immediately combined with hydrogen gas held in the gap of the positive electrode to become water, so that the conductive additive contained in the positive electrode is not oxidized. In addition, hydrogen gas is replenished to the space | gap of a positive electrode from an electrode surface. Further, oxygen leaking out of the positive electrode is combined with the hydrogen gas sealed in the battery and the hydrogen gas held in the hydrogen storage alloy, so that the hydrogen storage alloy is not oxidized.

負極13bの外径は円筒缶12の内径より大きいので、負極13bは円筒缶12に強く押し当てられ、密に接触している。負極13bで発生した熱は直接円筒缶12に伝えられる。また、正極13aで発生した熱はセパレータ13cを介して負極13bに伝えられる。セパレータ13cは熱を伝えにくいが、薄く、1枚のみであるので、熱の伝導に大きな妨げとならない。以上のようにして、電極13a,13bで発生した熱は小さな熱勾配で円筒缶12に伝えられ、積層電池内部の温度上昇を抑制することを可能にしている。   Since the outer diameter of the negative electrode 13b is larger than the inner diameter of the cylindrical can 12, the negative electrode 13b is strongly pressed against the cylindrical can 12 and is in close contact with it. The heat generated in the negative electrode 13 b is directly transmitted to the cylindrical can 12. The heat generated in the positive electrode 13a is transferred to the negative electrode 13b through the separator 13c. Although the separator 13c is difficult to transmit heat, it is thin and only one sheet does not hinder heat conduction. As described above, the heat generated in the electrodes 13a and 13b is transmitted to the cylindrical can 12 with a small thermal gradient, and it is possible to suppress the temperature rise inside the laminated battery.

従来のニッケル水素二次電池でフローティング充電を行えば、過充電による電池温度の上昇が生じ、この結果電池内部抵抗が低下して、充電電流が増加する。充電電流の増加は電池温度のさらなる上昇を招くという悪循環を引き起こす。電池内部の温度上昇による電池性能の劣化を招くところ、電池内部の温度上昇が抑制されれば、過充電による電流の上昇は抑制される。   If floating charging is performed with a conventional nickel metal hydride secondary battery, the battery temperature rises due to overcharging, resulting in a decrease in battery internal resistance and an increase in charging current. An increase in charging current causes a vicious circle that causes a further increase in battery temperature. When the temperature inside the battery is deteriorated due to the temperature rise inside the battery, if the temperature rise inside the battery is suppressed, the increase in current due to overcharging is suppressed.

フローティング充電を行えば、負極から水素ガスが発生する。電池は密閉構造を採用しているので、充電が進むにつれて、発生水素ガス量が増えて電池内部の水素ガス濃度は上昇する。ネルンストの式によれば電池内部の水素ガス濃度の上昇につれて負極の電位は低下する。この結果電池の端子電圧が緩やかに上昇し、ついには直流電源の充電電圧と等しくなる。すなわち充電が進めば電池電位が上昇して、直流電源の電圧と等しくなれば充電電流は流れなくなり、事実上、充電は停止する。   When floating charging is performed, hydrogen gas is generated from the negative electrode. Since the battery employs a sealed structure, the amount of generated hydrogen gas increases and the concentration of hydrogen gas inside the battery increases as charging progresses. According to the Nernst equation, the potential of the negative electrode decreases as the hydrogen gas concentration inside the battery increases. As a result, the terminal voltage of the battery rises slowly and finally becomes equal to the charging voltage of the DC power supply. That is, as the charging progresses, the battery potential rises, and if it becomes equal to the voltage of the DC power supply, the charging current stops flowing and the charging is effectively stopped.

図1に示す構造を有したニッケル水素電池を用いて電池の充放電特性を測定した。なお、測定に先立ち下記の要領で電池内には水素ガスが充填された状態となっている。すなわち、ニッケル水素電池11の蓋部材16には、電解液および水素ガスの供給を行うための供給口19が設けられていて、この供給口19には水素ガスタンク20が接続可能となっている。   The charge / discharge characteristics of the battery were measured using a nickel metal hydride battery having the structure shown in FIG. Prior to the measurement, the battery is filled with hydrogen gas in the following manner. That is, the lid member 16 of the nickel metal hydride battery 11 is provided with a supply port 19 for supplying an electrolyte and hydrogen gas, and a hydrogen gas tank 20 can be connected to the supply port 19.

負極と正極を、予め電解液を含浸させたセパレータを介して重ね合わせて外装体に収納して、密閉して電池を組立てる。電池の組立完了後に、真空引きして、電池内部の空気を排除する。次に、4MPaの水素ガスタンクを接続して電池内部に水素ガスを封入する。再度真空引きして、4MPaの水素ガスタンクから水素ガスを電池内部に供給する。   The negative electrode and the positive electrode are overlapped with each other through a separator previously impregnated with an electrolytic solution and accommodated in an exterior body, and sealed to assemble a battery. After battery assembly is complete, a vacuum is drawn to remove the air inside the battery. Next, a hydrogen gas tank of 4 MPa is connected and hydrogen gas is sealed inside the battery. Vacuum is again applied, and hydrogen gas is supplied into the battery from a 4 MPa hydrogen gas tank.

図2に、本発明に用いた水素ガスを封入した電池の充電曲線と放電曲線を示す。水素ガスが封入されていない電池の充電特性の一部が破線で示してある。図2において水素ガスが封入されていない電池は、破線で示すように過充電になると電池温度の上昇→電池内部抵抗の低下→充電電流の増加→電池温度上昇の悪循環が生じて、充電電流が急激に増加する。一方、図2において実線で示す水素ガスが封入された電池は、前述したような悪循環を繰り返すことなく、良好な充電特性を有することが分かる。   FIG. 2 shows a charge curve and a discharge curve of a battery enclosing hydrogen gas used in the present invention. A part of the charging characteristic of the battery in which hydrogen gas is not sealed is indicated by a broken line. In FIG. 2, a battery without hydrogen gas sealed has a vicious cycle of battery temperature rise → battery internal resistance drop → charge current increase → battery temperature rise when overcharged, as indicated by the broken line. Increases rapidly. On the other hand, it can be seen that the battery in which the hydrogen gas indicated by the solid line in FIG. 2 is sealed has good charging characteristics without repeating the vicious circle described above.

図2の測定に用いた単電池について組電池を構成して、フローティング充電後の放電特性と電池の全体温度を測定し、その結果を図3に示す。図中曲線(1)は組電池の全体電圧である。良好な放電特性を示していることが分かる。図中曲線(2)は電池内部の各部の温度であり、曲線(3)は測定時の室温である。電池温度にばらつきが見られず、温度もほとんど上昇していないことが分かる。これは、電池内部で発生する熱が速やかに外部に放出されているからである。   An assembled battery is configured for the unit cell used in the measurement of FIG. 2, and the discharge characteristics after floating charging and the overall temperature of the battery are measured. The results are shown in FIG. Curve (1) in the figure is the total voltage of the battery pack. It turns out that the favorable discharge characteristic is shown. Curve (2) in the figure is the temperature of each part inside the battery, and curve (3) is the room temperature at the time of measurement. It can be seen that there is no variation in the battery temperature, and the temperature hardly increases. This is because the heat generated inside the battery is quickly released to the outside.

本発明にかかるニッケル水素電池を用いて、充電電圧をパラメータにとり、フローティング充電の行った場合の充放電特性曲線を図4に示す。縦軸は電池電位でV(ボルト)単位で示してあり、横軸はSOCであり%単位で示してある。充電電圧に依存して、ピーク電位が変化する。充電が進むにつれて、水素ガスが発生して電池内部の水素ガス濃度が上昇し、起電圧が上昇して、電池電位は大きくなる。電池電位が充電電圧と等しくなると充電電流は流れなくなる。   FIG. 4 shows a charge / discharge characteristic curve when the charge voltage is a parameter and floating charge is performed using the nickel metal hydride battery according to the present invention. The vertical axis represents the battery potential in units of V (volts), and the horizontal axis represents SOC in units of%. The peak potential changes depending on the charging voltage. As charging progresses, hydrogen gas is generated, the hydrogen gas concentration inside the battery rises, the electromotive voltage rises, and the battery potential increases. When the battery potential becomes equal to the charging voltage, the charging current stops flowing.

図4に示す特性曲線は、正極材料にオキシ水酸化ニッケルを用いた場合におけるニッケル水素電池の例であるところ、正極材料が酸化銀の場合は、図4に示す電極電位より少し(0.2V程度)高くなり、二酸化マンガンの場合は電極電位は少し(0.2V程度)低くなる。 The characteristic curve shown in FIG. 4 is an example of a nickel metal hydride battery when nickel oxyhydroxide is used as the positive electrode material. When the positive electrode material is silver oxide, the characteristic curve is slightly lower than the electrode potential shown in FIG. In the case of manganese dioxide, the electrode potential is slightly lowered (about 0.2 V).

図4におけるもう一つの特徴は、充電を停止した電圧から放電が開始することである。充電でピークを示した電圧から放電を開始することは図4に示すとおりである。従来のニッケル水素電池では、放電開始電圧は充電終止電圧に等しくない。もっとも、充電から放電に切り替わる際に、酸化還元反応の切り替わりに起因する電位が低下することがあるがその程度はわずかである。   Another feature in FIG. 4 is that discharge starts from a voltage at which charging is stopped. As shown in FIG. 4, the discharge is started from a voltage that shows a peak in charge. In the conventional nickel metal hydride battery, the discharge start voltage is not equal to the charge end voltage. However, when switching from charging to discharging, the potential due to the switching of the oxidation-reduction reaction may decrease, but the degree is slight.

正極材料にオキシ水酸化ニッケルを用いた場合の電池のSOC特性線図を図5に示す。特性線図は横軸にフローティング電圧をV単位で、縦軸にSOCを%単位で示してある。フローティング電圧とSOCは、理論上、図5において破線で示すようなリニアな関係にある。具体的には、フローティング電圧が1.28VのときSOCが0%であり、1.5VのときSOCが100%である。ドットで示す点は測定結果であり、測定誤差の関係で若干理論値から外れている。この図から、電池の電圧を測定すれば、電池の充電状態(SOC)を簡単に知ることができることが分かる。   FIG. 5 shows an SOC characteristic diagram of the battery when nickel oxyhydroxide is used as the positive electrode material. In the characteristic diagram, the horizontal axis indicates the floating voltage in V units, and the vertical axis indicates the SOC in% units. The floating voltage and the SOC are theoretically in a linear relationship as shown by a broken line in FIG. Specifically, when the floating voltage is 1.28V, the SOC is 0%, and when the floating voltage is 1.5V, the SOC is 100%. The points indicated by dots are measurement results, and are slightly deviated from the theoretical values due to measurement errors. From this figure, it can be seen that the state of charge (SOC) of the battery can be easily known by measuring the voltage of the battery.

電池のSOCを測定する方法は多く提案されているが、いずれも測定もしくは計算方法が複雑であるものが多く、測定結果に誤差があるものが多い。しかし本発明で提案するフローティング充電が可能な電池においては、電池電位とSOCの関係がリニアであり、理論的に求めることができるので、電池電位を測定することにより、容易に、かつ、正確に電池の充電状態(SOC)を簡単に知ることができる。もっとも電位とSOCの関係は正極材料に依存するので、正極材料に適合した理論値を準備しておく必要がある。   Many methods for measuring the SOC of a battery have been proposed, but many of them have complicated measurement or calculation methods, and many of them have errors in measurement results. However, in the battery capable of floating charge proposed in the present invention, the relationship between the battery potential and the SOC is linear and can be obtained theoretically. Therefore, by measuring the battery potential, it is easy and accurate. The state of charge (SOC) of the battery can be easily known. However, since the relationship between the potential and the SOC depends on the positive electrode material, it is necessary to prepare a theoretical value suitable for the positive electrode material.

図6は本発明に係る電池を用いた直流給電方式を説明するための接続電気系統図である。給電所1は、直流電源の発電所であって、直流電力系統10に直流電流を供給する。給電所1は、例えば、太陽光発電所であってもよく、風力発電所もしくは風力発電と電池とを組合わせたものであってもよい。 FIG. 6 is a connection electric system diagram for explaining a DC power feeding method using a battery according to the present invention. The power supply station 1 is a power plant of a DC power source and supplies a DC current to the DC power system 10. The power feeding station 1 may be, for example, a solar power station, or a wind power station or a combination of wind power generation and a battery.

電池2と負荷設備3とは、給電所1に並列に接続されている。電池2はこれまで述べてきたフローティング充電が可能な電池である。負荷設備3は直流電流を負荷とする需要家における設備である。負荷設備としてUPS等が挙げられるがこれに限定されるものでない。給電所1、電池2および負荷設備3が給電線7により結ばれて直流給電系統を構成している。   The battery 2 and the load facility 3 are connected to the power supply station 1 in parallel. The battery 2 is a battery capable of floating charging as described above. The load facility 3 is a facility in a consumer who uses a direct current as a load. Although UPS etc. are mentioned as load equipment, it is not limited to this. A feeding station 1, a battery 2 and a load facility 3 are connected by a feeding line 7 to constitute a DC feeding system.

商用の電力系統6から変圧器5および整流器4を介して直流電流を直流電力系10に接続してもよい。   A direct current may be connected to the DC power system 10 from the commercial power system 6 via the transformer 5 and the rectifier 4.

図7はガントリークレーンの電気系統図である。ガントリークレーンはフローティング充電が行われている設備の一例である。系統から受電した交流電力を変圧器22で降圧した後コンバータ23にて直流電力に変換して、インバータ26において適切な周波数および電圧の交流電力に逆変換されて荷役用のモータ27を駆動する。電力事情に恵まれていない埠頭では、機械室内部に向けた大形ディーゼル発電機21から電力を得ている。   FIG. 7 is an electrical system diagram of the gantry crane. A gantry crane is an example of equipment in which floating charging is performed. The AC power received from the system is stepped down by the transformer 22 and then converted into DC power by the converter 23, and the inverter 26 is inversely converted to AC power having an appropriate frequency and voltage to drive the cargo handling motor 27. In the wharf that is not blessed with electric power circumstances, electric power is obtained from the large diesel generator 21 directed toward the inside of the machine room.

荷役用のモータ27は瞬時に大きな電力を必要とするため、電池28が荷役用のモータ27を駆動するための電力をアシストする。このために、電池28は予期せぬ荷役に備えて常に満充電されている必要があり、コンバータ23からの直流電流によりフローティング充電されている。   Since the cargo handling motor 27 requires a large amount of electric power instantaneously, the battery 28 assists the electric power for driving the cargo handling motor 27. For this reason, the battery 28 needs to be fully charged in preparation for unexpected cargo handling, and is floatingly charged by a direct current from the converter 23.

本発明の直流給電方式は、自然エネルギーを利用した発電設備を電源とする電力系統に好適に利用することができる。   The direct current power supply method of the present invention can be suitably used for an electric power system using a power generation facility using natural energy as a power source.

1 給電所
2 電池
3 負荷設備
5 変圧器
6 電力系統
7 給電線
10 直流電力系統
11 円筒型積層電池
12 円筒缶
13 電極体
14 絶縁板
15 外装体
16 蓋部材
17 集電体
18 軸受
21 発電機
22 変圧器
23 コンバータ
26 インバータ
27 モータ
28 電池

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Feeding station 2 Battery 3 Load equipment 5 Transformer 6 Electric power system 7 Feed line 10 DC power system 11 Cylindrical laminated battery 12 Cylindrical can 13 Electrode body 14 Insulation board 15 Outer body 16 Lid member 17 Current collector 18 Bearing 21 Generator 21 22 Transformer 23 Converter 26 Inverter 27 Motor 28 Battery

Claims (10)

直流電源と、負荷設備と、二次電池と、給電路とを備えた直流給電方式であって、
前記直流電源に対して、前記二次電池と前記負荷設備とが前記給電路によって並列に接続されていて、
前記二次電池には水素が封入されている直流給電方式。
A direct current power supply system comprising a direct current power supply, a load facility, a secondary battery, and a power supply path,
For the DC power source, the secondary battery and the load facility are connected in parallel by the power supply path,
A DC power feeding method in which hydrogen is sealed in the secondary battery.
前記二次電池の負極活物質が水素である請求項1に記載の直流給電方式。   The DC power feeding method according to claim 1, wherein the negative electrode active material of the secondary battery is hydrogen. 前記二次電池が密閉構造を有している請求項2に記載の直流給電方式。   The DC power feeding method according to claim 2, wherein the secondary battery has a sealed structure. 前記二次電池の正極が酸化金属を有している請求項3に記載の直流給電方式。   The direct current power supply system according to claim 3, wherein the positive electrode of the secondary battery has a metal oxide. 前記二次電池の負極が水素吸蔵合金および白金およびパラジウムのいずれか1以上を有している請求項3に記載の直流給電方式。   The DC power feeding method according to claim 3, wherein the negative electrode of the secondary battery includes one or more of a hydrogen storage alloy, platinum, and palladium. 前記正極と前記負極の間に介在するセパレータが、ポリオレフィン系不織布を親水処理したものである請求項1〜5のいずれか一項に記載の直流給電方式。   The DC power feeding method according to any one of claims 1 to 5, wherein the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode is obtained by hydrophilic treatment of a polyolefin-based nonwoven fabric. 前記直流電源が定電圧電源である請求項1〜6のいずれか一項に記載の直流給電方式。   The DC power supply method according to any one of claims 1 to 6, wherein the DC power supply is a constant voltage power supply. 予め求めた前記二次電池の端子電圧とSOCの関係に基づき、前記二次電池の端子電圧から、前記二次電池の充電状態を定める請求項1〜7のいずれか一項に記載の直流給電方式。   The DC power supply according to any one of claims 1 to 7, wherein a charging state of the secondary battery is determined from a terminal voltage of the secondary battery based on a relationship between a terminal voltage of the secondary battery and SOC obtained in advance. method. 交流電力系統に接続された直流変換器が前記直流電源に並列に接続されている請求項1〜3のいずれか一項に記載の直流給電方式。   The DC power feeding method according to any one of claims 1 to 3, wherein a DC converter connected to an AC power system is connected in parallel to the DC power supply. 前記二次電池の放電開始電圧が前記二次電池の直前の充電終止電圧に等しい請求項1〜8のいずれか一項に記載の直流給電方式。



The DC power feeding method according to any one of claims 1 to 8, wherein a discharge start voltage of the secondary battery is equal to a charge end voltage immediately before the secondary battery.



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