KR20110000633A - 전기철도용 전력 공급 시스템 - Google Patents

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다카히로 마츠무라
지요하루 돈다
가즈야 니시무라
후미야 고토
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가와사끼 쥬고교 가부시끼 가이샤
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Abstract

광대한 설치 면적을 필요로 하지 않고, 급속 충방전 특성이 우수하며, 또한 염가로 제작할 수 있는 전기철도용 전력 공급 시스템을 제공한다. 교류 전력회선(2)으로부터 수전하는 변압기(3)와 상기 변압기(3)에 접속된 정류 장치(4)와 상기 정류 장치(4)에 접속되는 궤전선(5)을 갖는 전기철도용의 변전소(9)에 있어서, 직류 전력설비로서 니켈 수소전지(8)를 가지고, 상기 니켈 수소전지(8)가 궤전선(5)에 직결되어서 이루어진다.

Description

전기철도용 전력 공급 시스템{ELECTRIC RAILWAY POWER-SUPPLY SYSTEM}
본 발명은, 전기철도용의 가선(架線)에 전력을 공급하는 전기철도용 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전기철도용 변전소는, 예를 들면, 전력회사로부터 공급되는 교류 전력 또는 철도회사가 소유하는 발전소로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 궤전선(饋電線)에 공급한다. 궤전선에 공급된 직류 전력은, 공중 가선을 경유하여, 팬터그래프(pantograph)를 통해서 전기 차량에 공급된다. 혹은, 직류 전력은, 궤전선으로부터 제3 궤조(軌條)를 통해서 전기 차량에 공급된다. 전기 차량은, 공급된 전력을 차량에 탑재된 전력 제어장치를 통하여, 주행용의 모터(회전 모터 또는 리니어 모터)에 공급하고, 거기서 전기 에너지를 주행 에너지로 변환하여 주행한다.
전기 차량이 소비하는 에너지량은, 차량의 주행 상태에 따라서 변화된다. 구체적으로는, 가속 시에 전기 차량은 단시간 사이에 대량의 전력을 소비한다. 그 결과, 가선 또는 제3 궤조의 전압, 게다가 궤전선의 전압이 일시적으로 강하한다. 이러한 일시적인 전압 저하에 대응하기 위해서, 회생 기능을 부착한 전기 차량을 구비한 철도설비에서는, 감속 시에 주행용의 회전 모터 또는 리니어 모터가 발전기로서 작용하여, 전기 차량이 가지고 있는 주행 에너지를 전기 에너지로 변환해서 전력 회수(回收)를 도모한다. 그 회수한 전력으로 공급 전압의 일시적인 전압 강하를 보충하도록 하고 있다.
JP2000-341874 A JP2001-260719 A JP2002-2334 A
회생 기능을 부착한 전기 차량의 감속 시, 모터에서 발생하여 회수한 전력은, 전기 차량의 전력 제어장치에 의해 가선 또는 제3 궤조로부터 궤전선에 송전된다. 이때, 선로 위에 가속 중인 다른 전기 차량이 있으면, 그 전기 차량에 의해 회생 전력이 소비된다. 그러나 선로 위에 가속 중인 전기 차량이 없을 경우, 회생된 전력에 의해, 전기 차량 내의 전력 배선을 통해서 가선 또는 제3 궤조의 전압은 일시적으로 상승한다. 이때의 전압의 상승이 작으면 문제가 없지만, 전압의 상승이 크면, 전기 차량의 전력설비나 철도설비에 설치된 다른 전기설비의 운전에 지장이 생긴다. 특히, 상승한 전압이 전기설비의 내(耐)전압을 초과할 경우, 그 설비가 손상될 수도 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해서, 전기 차량의 전력 제어장치는, 소정 전압을 초과하는 회생 전력의 발생을 억제하는 제어-회생의 압착-을 실행한다. 또한, 가선 등의 전압이 극단적으로 높을 경우, 전력 제어장치는 전력의 회생을 중지하는 제어를 실행한다. 이 결과, 회생의 실효가 발생한다. 그러나 회생의 압착 또는 실효가 발생하면, 전기 차량은 필요한 감속도를 확보하기 위해서 기계 브레이크를 사용하게 되어, 주행 에너지는 열 에너지로 변환되어서 불필요하게 소비된다. 또한, 브레이크 패드도 마모하여, 유지보수(maintenance) 비용의 상승을 초래한다.
그 때문에, 회생의 실효를 방지하기 위해서 회생 초퍼(chopper)를 이용해서 회생 전력을 저항기에 의해 열 에너지로 변환하는 방법이 제안되고 있다. 또한, 회생 전력을 교류 전력으로 변환하는 능력을 갖는 인버터를 변전소에 설치하여 회생 전력을 상용 주파수 교류로 변환해서, 변전소로부터 전력 계통에 되돌리거나, 역(驛)의 설비에서 사용하거나 하는 기술이 실용화되어 있다.
또한, 특허문헌 1에는, 전력의 부하 평준화를 도모하기 위해서, 궤전선에 납축전지를 접속하는 전기철도용 충방전 장치가 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2, 3에는, 변전소에 있어서, 이차전지 또는 전기 2중층 커패시터(capacitor)를 갖는 전력저장 장치를, 승강압(昇降壓) 초퍼 등의 충방전 제어장치를 통해 궤전선에 접속하는 전기철도용 전력 공급 시스템(전원설비)이 개시되어 있다.
그러나, 상술한 회생 초퍼를 이용해서 회생 전력을 저항기에 의해 열 에너지로 변환하는 방법은, 회생 전력을 불필요하게 소비하는 것이다. 또한, 상술한 회생 전력을 변전소에 설치된 인버터를 이용해서 전력 계통에 되돌리거나, 역의 설비에서 사용하거나 하는 방법은, 확실히, 회생 전력을 유효하게 이용하는 것이지만, 고가의 인버터가 필요해지기 때문에 설비비가 고가가 된다는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 1에 기재되는 납축전지는, 전기철도용 전력 공급 시스템으로 이용하는 것에는 적합하지 않다. 그 이유는 다음과 같다. 전기 차량은 그 가속 초기에 대량의 전력을 소비하고, 한편, 회생 기능을 갖는 전기 차량은 감속 초기에 대량의 회생 전력을 발생시킨다. 따라서, 전력 공급 계통에 접속하는 축전지에는, 급격한 부하 변동에 대응할 수 있는 충방전 능력이 필요하다. 그러나 납축전지는, 그러한 급격한 부하 변동에 충분히 대응할 수 있는 충방전 능력이 없다. 이 때문에, 납축전지를 회생 전력의 저장에 이용하기 위해서는, 다수의 납축전지가 필요하게 된다. 이를 위해서는, 광대한 설치 면적이 필요하게 된다.
또한, 특허문헌 2, 3에 개시되는 전기철도용 전력 공급 시스템(전원설비)에서 이용되는 충방전 제어장치에는, 매우 고가라는 문제가 있다. 또한, 충방전 제어장치는 응답성이 나쁘기 때문에, 급격하게 늘어난 회생 전력을 효율적으로 저장(충전)할 수 없다. 또한, 충방전 제어장치로서 이용될 수 있는 승강압 초퍼는 신호 장치에 장애가 되는 고조파 노이즈를 발생할 우려가 있다. 또한, 전력회사로부터 공급되는 수전(受電) 전압의 변동에 의해 전기철도용 변전소로부터 궤전선에 공급하는 전압이 변동하면, 충방전 제어장치의 정상적인 동작을 보증할 수 없다.
또한, 궤전선은, 그 자체가 가지고 있는 저항에 의해, 전기철도용 변전소로부터 멀어짐에 따라 큰 전압 강하를 초래한다. 따라서, 전기철도 변전소로부터 멀어진 장소에 있는 전기 차량이 가속할 경우, 전압 강하에 의해 차량의 주행에 지장을 초래할 우려가 있다.
또한, 전기철도 변전소로부터 멀어진 장소의 전기 차량으로부터 전력을 회생할 경우라도, 감속중인 전기 차량으로부터 회생된 전력에 의해 궤전선 전압이 급격하게 상승하여, 회생의 압착이나 회생의 실효를 초래할 우려가 있다.
본 발명은, 상술한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 광대한 설치 면적을 필요로 하지 않고, 급속 충방전 특성이 우수하고, 또한 저렴한 전기철도용 전력 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 또한, 변전소로부터 멀리 떨어진 지점에서도, 전기 차량의 안정적인 주행 성능을 유지할 수 있고, 회생 실효 등에 의해 주행 에너지가 불필요하게 소비되는 일이 없는, 전기철도용 전력 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이들 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 니켈 수소전지를 구비한 전기철도용 전력 공급 시스템은, 교류 전력회선으로부터 수전하는 변압기와 상기 변압기에 접속된 정류 장치와 상기 정류 장치에 접속되는 궤전선을 갖는 전기철도용의 변전소에 있어서, 직류 전력설비로서 니켈 수소전지를 가지고, 상기 니켈 수소전지가 상기 궤전선에 직결되어 있다. 여기서, 「직결」이라는 것은, 충방전 제어장치를 통하지 않고, 직접 궤전선에 접속되는 것을 의미한다.
본 발명은, 바람직하게는, 니켈 수소전지를 이용하고 있다. 니켈 수소전지는, 내부 저항이 작고, 또한 SOC(state of charge)의 변동에 의한 전압 변동이 작아서 전지 용량을 유효하게 이용할 수 있기 때문에, 다른 이차전지에 비해서 작은 용량의 전지를 이용해서 궤전선에 직접 접속할 수 있어, 광대한 설치 면적을 필요로 하지 않는다. 또한, 니켈 수소전지는 전압 변동이 작기 때문에 충방전 제어장치가 불필요하게 되어, 충방전 제어장치의 설치 공간을 필요로 하지 않는다. 고가의 충방전 제어장치를 이용하지 않기 때문에, 장치 전체로서 염가가 된다. 또한, 니켈 수소전지는 체적 에너지 밀도가 높기 때문에도, 광대한 설치 면적을 필요로 하지 않는다. 또한, 니켈 수소전지는, 충방전 제어장치와 같은 동작 지연도 없고, 급속 충방전 특성이 우수하다. 또한, 충방전 제어장치로서 이용되는 승강압 초퍼가 생략되면, 신호 장치의 장애가 되는 고조파 노이즈가 발생할 우려도 없다. 또한, 니켈 수소전지는, 내부 저항이 작고, 또한 SOC의 변동에 의한 전압 변동이 작으므로, 전기 차량의 가속 시에, 지극히 짧은 시간에 대전류(大電流)가 필요해질 경우에 니켈 수소전지로부터 방전을 실행해서 전압의 저하를 억제하는데 다른 전지보다도 적합하다. 또한, 니켈 수소전지는, 전기 차량이 회생을 실행함으로써 지극히 짧은 시간에 대전류가 발생해도, 충전을 실행해서 전압의 상승을 억제하는데 다른 전지보다도 적합하다. 따라서, 궤전선 전압의 안정화를 도모하여, 전기 차량운행의 효율화에 이바지하는 것이 가능해진다.
또한, 니켈 수소전지는, 1개 이상의 전지 모듈에 의해 구성되고, 상기 전지 모듈은, 대향해서 설치된 한 쌍의 판 형상의 집전체의 사이에, 세퍼레이터(separator)에 의해 구분된 양극셀과 음극셀을 갖는 복수의 단위 전지가, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지의 양극셀과 다른 쪽의 상기 단위 전지의 음극셀이 대향하도록 적층되고, 또한 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 사이에, 상기 한쪽의 단위 전지의 양극셀과 상기 다른 쪽의 단위 전지의 음극셀의 격벽(隔璧)을 겸하는 판 형상의 공통 집전체가 설치되고, 상기 공통 집전체는 기체 또는 액체로 이루어지는 전열(傳熱) 매체의 유통 경로를 갖는 것이라도 좋다.
이 구성에 의하면, 니켈 수소전지의 발열을 효과적으로 억제할 수 있어, 전지의 열화를 억제하고, 전지의 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 전지 모듈을 상기한 바와 같이 단위 전지가 적층된 구성으로 함으로써 전지 모듈의 등가적(等價的)인 내부 저항을 더욱 작게 억제할 수 있다. 상기한 바와 같이 단위 전지가 적층된 전지 모듈을 이용해서 니켈 수소전지를 구성함으로써, 더욱 소형화를 도모하여, 설치 면적을 작게 할 수 있다.
또한, 상기 공통 집전체는, 다공질의 금속판으로 이루어지는 것이라도 좋다.
또한, 상기 공통 집전체는, 상기 전열 매체의 유통 경로가 되는 복수의 통류(through-flow) 구멍이 설치된 금속판으로 이루어지는 것이라도 좋다. 금속판으로서 알루미늄판을 사용하면, 도전성이 양호해져서, 열전도를 양호하게 실행하는 것이 가능해진다.
상기 니켈 수소전지는, 1개 이상의 전지 모듈에 의해 구성되고, 상기 전지 모듈은, 각각, 대향해서 설치된 판 형상의 양극 집전체와 음극 집전체와, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체의 사이에 배치한 세퍼레이터와, 상기 양극 집전체에 접하는 양극셀과 상기 음극 집전체에 접하는 음극셀을 갖는 복수의 단위 전지가, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지의 양극 집전체와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 음극 집전체가 대향하도록 적층되어서 이루어지고, 또한, 서로 인접하는 상기 단위 전지의 사이에 기체 또는 액체로 이루어지는 전열 매체의 유통 경로가 설치되어 있어도 좋다.
이 구성에 의하면, 니켈 수소전지의 발열을 효과적으로 억제할 수 있어, 전지의 열화를 억제하고, 전지의 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 전지 모듈을 상기한 바와 같이 단위 전지가 적층된 구성으로 함으로써 전지 모듈의 등가적인 내부 저항을 더욱 작게 억제할 수 있다. 상기한 바와 같이 단위 전지가 적층된 전지 모듈을 이용해서 니켈 수소전지를 구성함으로써, 더욱 소형화를 도모하여, 설치 면적을 작게 할 수 있다.
또한, 상기 니켈 수소전지는, 1개 이상의 전지 모듈에 의해 구성되고, 상기 전지 모듈은, 각각, 대향해서 설치된 판 형상의 양극 집전체와 음극 집전체의 사이에, 전해질 용액이 충전됨과 더불어, 양극 활물질을 함유하는 양극 시트와 음극 활물질을 함유하는 음극 시트가 번갈아 조립되도록, 상기 양극 집전체로부터 상기 음극 집전체를 향해서 복수 매의 상기 양극 시트를 배치함과 더불어 상기 음극 집전체로부터 상기 양극 집전체를 향해서 복수 매의 상기 음극 시트를 배치하고, 또한 상기 각 양극 시트와 각 음극 시트의 사이에 세퍼레이터를 개재시켜서 이루어지는 구조를 갖는 복수의 단위 전지가, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지의 양극 집전체와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 음극 집전체가 대향하도록 적층되어서 이루어지고, 또한, 서로 인접하는 상기 단위 전지의 사이에 기체 또는 액체로 이루어지는 전열 매체의 유통 경로가 설치되어 있어도 좋다.
이 구성에 의하면, 니켈 수소전지의 발열을 효과적으로 억제할 수 있어, 전지의 열화를 억제하고, 전지의 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 전지 모듈을 상기한 바와 같이 단위 전지가 적층된 구성으로 함으로써 전지 모듈의 등가적인 내부 저항을 더욱 작게 억제할 수 있다. 상기한 바와 같이 단위 전지가 적층된 전지 모듈을 이용해서 니켈 수소전지를 구성함으로써, 더욱 소형화를 도모하여, 설치 면적을 작게 할 수 있다.
또한, 상기 전열 매체의 유통 경로에 통류 구멍을 갖는 도전성의 전열판을, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 사이에, 상기 한쪽의 단위 전지의 양극 집전체와 상기 다른 쪽의 단위 전지의 음극 집전체에 접하도록 삽입하고 있어도 좋다.
또한, 상기 전열판은 알루미늄판으로 이루어지는 것이라도 좋다. 알루미늄판은 전기 저항이 작고, 열전도성도 양호하다. 또한, 알루미늄판에 니켈 도금을 실시함으로써 접촉 저항이 작아지므로, 바람직하다.
또한, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 사이에, 각각 상기 한쪽의 단위 전지의 양극 집전체와 상기 다른 쪽의 단위 전지의 음극 집전체에 접하고, 또한 각각의 사이에 상기 전열 매체의 유통 경로가 설치되도록 복수의 도전 부재를 삽입하고 있어도 좋다.
또한, 상기 도전 부재는, 표면에 니켈 도금이 실시된 알루미늄판으로 이루어지는 것이라도 좋다. 알루미늄판은 전기 저항이 작고, 게다가 니켈 도금을 실시함으로써 접촉 저항이 작아지므로, 상기 도전 부재로서 바람직하다.
또한, 전술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 전기철도용 전력 공급 시스템은, 전기 차량용의 변전소에 접속되어 상기 변전소로부터 직류 전력이 공급되는 궤전선과, 니켈 수소전지를 구비한 전력저장 공급 장치로 이루어지고, 상기 니켈 수소전지가 상기 궤전선에 직결되어서 이루어지고, 또한, 상기 전력저장 공급 장치가 상기 변전소의 구내(構內)와는 다른 장소에 설비되어서 이루어진다.
특히, 변전소로부터 멀리 떨어진 지점의 궤전선, 예를 들면 변전소와 변전소의 중간 부근의 궤전선이나, 선로의 종단(終端) 혹은 시단(始端)에 대응하는 궤전선의 단부에 니켈 수소전지를 직결해서 전력저장 공급 장치를 구성함으로써, 변전소로부터 멀리 떨어진 지점에서, 궤전선의 대폭적인 전압 강하를 억제해서 전기 차량의 주행 성능을 충분히 끌어낼 수 있음과 더불어, 궤전선의 대폭적인 전압 상승을 억제해서 회생 실효 등에 의한 전기 차량의 주행 에너지의 불필요한 소비를 억제할 수 있다. 또한, 니켈 수소전지를 궤전선에 직결해서 이루어지는 전력저장 공급 장치는, 변전소에 비해서 염가이다.
또한, 전술한 「구내」라는 것은, 수요(需要) 장소이며, 전기 사용 장소를 포함하여, 전기를 사용하는 구내 전체이다. 여기서 말하는 구내는, 담이나 목책, 펜스(fence), 도랑 등에 의해 구획된 지역 또는 시설자 및 그 관계자 이외의 사람이 자유롭게 출입할 수 없는 지역 혹은 지형상, 기타 사회통념상 이들에 준하는 지역으로 간주할 수 있는 곳을 말한다.
전술한 「상기 변전소의 구내와 다른 장소」라는 것은, 전기철도용 전력 공급 시스템에 있어서는, 급전소라고도 부르는 장소 내지는 설비이다. 이와 같은 급전소에는, 보통 변압기는 설치되어 있지 않고, 이차전지 등의 전력저장 공급설비가 설치되어 있다.
본 발명은, 광대한 설치 면적을 필요로 하지 않고, 급속 충방전 특성이 우수하고, 또한 염가로 제작되는 전기철도용 전력 공급 시스템을 제공할 수 있다는 효과를 나타낸다. 본 발명에 의한 전기철도용 전력 공급 시스템은, 에너지 절약, 회생 실효 대책, 피크컷(Peak-cut), 가선 전압 강하 대책 등에 유효하다.
또한, 본 발명은, 변전소로부터 멀리 떨어진 지점에서도 전기 차량의 주행 성능을 충분히 끌어낼 수 있음과 더불어 회생 실효 등에 의한 전기 차량의 주행 에너지의 불필요한 소비를 억제하는, 전기철도용 전력 공급 시스템을 제공할 수 있다는 효과를 나타낸다. 또한, 변전소가 정전이나 장애에 의해 송전할 수 없을 경우라도, 변전소에 구비된 니켈 수소전지나 니켈 수소전지를 포함하는 전력저장 공급 장치에 의해 차량의 보기(補機)를 정지하지 않고 차량을 가장 가까운 역까지 주행시킬 수 있다. 또한, 단시간이라면, 변전소에 구비된 니켈 수소전지나 니켈 수소전지를 포함하는 전력저장 공급 장치를 변전소 대신에 이용할 수도 있으므로, 변전소의 보수 정비를 용이하게 실행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 형태에 의한, 니켈 수소전지를 구비한 전기철도용 전력 공급 시스템의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 제1실시 형태에 있어서의 니켈 수소전지의 실시예의 하나를 나타내는 회로도.
도 3은 각종 전지 등의 SOC(state of charge)에 대한 전압 변화를 나타내는 SOC 특성도.
도 4는 도 1로부터 니켈 수소전지와 니켈 수소전지를 제외한 변전소 부분을 추출해서 나타낸 도면.
도 5의 (a)∼(d)는, 본 발명의 제1실시 형태에 의한 니켈 수소전지를 구비한 전기철도용 전력 공급 시스템의 실증 시험 결과를 나타내는 그래프.
도 6의 (a)는, 제1구성예의 전지 모듈의 개략 단면 구성도이고, (b)는, 동(同) 전지 모듈의 일부를 나타내는 사시도.
도 7은 원통형 전지를 일부 파단한 개략 사시도.
도 8은 각형(角形) 전지의 개략 단면 구성도.
도 9는 제2구성예의 전지 모듈을, 강제 냉각을 실행하는 팬(fan)과 풍동(風洞)에 의해 냉각을 실행하는 구성을 나타낸 사시도.
도 10의 (a)는, 제2구성예의 전지 모듈의 종단면도이고, (b)는, 동 전지 모듈의 양극판 및 음극판의 사이에 배치되는 도전 부재를 나타내는 단면도이며, (c)는, 단위 전지의 양극판 외부에 배치된 도전 부재를 나타내는 사시도.
도 11은 전열판의 사시도.
도 12는 제3구성예의 전지 모듈의 횡단면도.
도 13은 도 12의 전지 모듈에 있어서의 전열판 내의 공기의 흐름 방향을 나타내는 도면.
도 14는 도 12의 전지 모듈 내에 있어서의 열의 전달 방향을 나타내는 도면.
도 15는 내구성을 향상시킨 단위 전지의 개략 단면 구성도.
도 16은 본 발명의 제2실시 형태에 의한 전기철도용 전력 공급 시스템의 개략 구성도.
도 17의 (a)∼(d)는, 제2실시 형태에 의한 전기철도용 전력 공급 시스템의 실증 시험 결과를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.
제1실시 형태
1. 전기철도용 전력 공급 시스템의 구성, 동작
도 1은, 본 발명의 제1실시 형태에 의한 전기철도용 전력 공급 시스템의 개략 구성을 나타낸다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 전기철도용 변전소(이하 「변전소」라고 한다.)(9)는, 전력 계통에 접속된 교류 전원(1)으로부터 교류 전력 회선(2)을 통해서 수전하는 변압기(3)와, 변압기(3)에 접속된 정류 장치(4)와, 정류 장치(4)에 병렬로 접속된 니켈 수소전지(상세한 것은 후술)(8)를 구비한다. 정류 장치(4)는, 그 양측 단자가, 궤전선(5)에 접속되고, 음측 단자가 배선(14)에 의해 귀선(7)에 접속되어 있다. 니켈 수소전지(8)는, 궤전선(5) 및 배선(15)에 직결되어 있다. 더욱 구체적으로는, 니켈 수소전지(8)는, 그 양극측 외부단자가 궤전선(5)에 접속되고, 음극측 외부단자가 배선(15)을 통해서 귀선(레일)(7)에 접속되어 있다. 바꿔 말하면, 니켈 수소전지(8)는, 충방전 전압 혹은 충방전 전류, 또는, 충방전 전압 및 충방전 전류를 제어하는 충방전 제어장치를 통하지 않고, 궤전선(5)에 접속되어 있다.
이상과 같이 구성되는 전기철도용 전력 공급 시스템에 있어서, 정류 장치(4)는 변압기(3)로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 궤전선(5)에 출력한다. 정류 장치(4)로부터 출력되는 직류 전력은, 궤전선(5)을 경유하여 가선인 전차선을 통해서 전기 차량(11a, 11b)에 공급된다. 전기 차량(11a, 11b)에서는, 공급되는 직류 전력을, 예를 들면 차상의 전력 제어장치(12)에 의해 교류로 변환하고, 주행용의 전동기(13)나 보기에 공급한다. 또한, 전기 차량(11a, 11b)에서 발생한 회생 전력은, 궤전선(5)을 통해서 니켈 수소전지(8)에 공급되어서, 니켈 수소전지(8)를 충전한다. 또한, 니켈 수소전지(8)에 축적된 전력은, 그 후, 궤전선(5)의 전압 상태에 따라서 전기 차량(11a, 11b)에 공급된다.
예를 들면, 전기 차량(11a)이 제동 상태에 있는 회생 차량이고, 전기 차량(11b)이 가속 상태에 있는 가속 차량일 때, 회생 차량으로부터의 회생 전류가 가속 차량에 공급됨과 더불어, 잉여의 회생 전류가 궤전선(5)을 통해서 니켈 수소전지(8)에 유입되어, 니켈 수소전지(8)를 충전한다. 한편, 전기 차량(11a, 11b)이 모두 가속 차량일 때, 니켈 수소전지(8)로부터의 방전 전류가, 궤전선(5)으로부터 전차선을 통해서 가속 차량에 공급된다. 이상은, 니켈 수소전지(8)의 충전 시 및 방전 시의 예시이며, 상기 예에 한정되는 것이 아니다.
요컨대, 니켈 수소전지(8)는, 궤전선(5)과 귀선(7)의 사이의 전압(이하, 「궤전선 전압」이라고 한다)이, 니켈 수소전지(8)의 기전력(起電力)(이하, 「전지 전압」이라고 한다)보다 높을 때 충전되고, 낮을 때 방전된다. 이렇게, 니켈 수소전지(8)에서는, 부동 충전 및 부동 방전이 실행된다. 여기서, 니켈 수소전지(8)는, 궤전선 전압의 평균값에 상당하는 전지 전압을 갖도록 구성되어 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 전기철도용 전력 공급 시스템에서는, 변전소(9)에 있어서 니켈 수소전지(8)를 궤전선(5) 및 배선(15)에 직결한 구성을 가진다. 그 때문에, 전체의 구성이 간이해서 급속 충방전 특성이 우수하고, 또한 낮은 비용의 전력 공급 시스템을 구축할 수 있다.
정류 장치(4)는, 전파(全波) 정류기 또는 반파(半波) 정류기이어도 좋고, 또는, IGBT 등의 제어소자를 이용해서 구성되는 전력 변환기 이른바 DC-DC 컨버터이어도 좋다. 교류 전원(1)은 상용 전력 계통인 것이 많지만, 이것에 한정되는 것이 아니고, 자가(自家) 발전 등의 전력 계통이어도 좋다. 또한, 전기 차량은, 지상을 달리는 전차 외에, 지하철 전차, 노면 전차, LRV(초저상 노면 전차) 등이어도 좋다. 도 1에 나타내는 변전소(9)에는, 변압기(3), 정류 장치(4), 및 니켈 수소전지(8)가 장비되어 있지만, 종래 기술의 구성예와 같은 승강압 초퍼 등의 충방전 제어장치나 회생 전력을 교류 전력회선에 되돌리기 위한 인버터가 장비되어 있어도 좋다.
니켈 수소전지(8)는, 궤전선 전압의 평균값에 상당하는 전지 전압을 갖는 단수(單數)의 전지 모듈로 구성되어 있어도 좋다. 또는, 니켈 수소전지(8)는, 궤전선 전압의 평균값에 상당하는 전지 전압을 출력 가능하도록, 복수의 전지 모듈을 직렬 접속한 구성(이하, 이 구성을 「직렬 전지 모듈」이라고 한다)으로 해도 좋다. 또한, 상기 단수의 전지 모듈 또는 상기 직렬 전지 모듈이 병렬 접속되어서 구성되어 있어도 좋다. 병렬 접속하면 전지 용량이 커지지만, 등가적인 내부 저항은 저하한다. 또한 전지 모듈은, 복수의 단위 전지가 직렬 접속되어서 이루어지는 구성이다.
도 2는, 본 실시 형태의 니켈 수소전지(8)의 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타내는 구성의 경우, 니켈 수소전지(8)는, 4개의 유닛(8A∼8D)이 병렬 접속되어서 구성되어 있다. 각 유닛(8A∼8D)은, 상기 단수의 전지 모듈로 구성되어 있어도 좋고, 상기 직렬 전지 모듈로 구성되어 있어도 좋다.
도 2에서는, 각 유닛(8A∼8D)을 구성하는 전지가 단락했을 때의 보호 회로로서 고속도(高速度) 차단기(21, 22)가 설치되어 있다. 고속도 차단기(21)가 궤전선(5)측에 배치됨과 더불어, 고속도 차단기(22)가 귀선(7)과 접속되는 배선(15)측에 배치되고, 리액터(reactor)(23)는 니켈 수소전지(8)와 고속도 차단기(21)의 사이에 배치되어 있다. 이렇게, 리액터(23)를 설치함으로써, 단락 시의 전류의 초기 상승을 완만하게 해서 고속도 차단기(21, 22)에 걸리는 부담을 감소할 수 있어, 확실하게 사고 전류를 차단할 수 있다. 또한 리액터(23)는, 고속도 차단기(22)와 니켈 수소전지(8)의 사이에 배치해도 좋다.
또한, 고속도 차단기(21, 22)와 리액터(23)는 경우에 따라서는 생략 가능하다. 또한, 고속도 차단기(21, 22) 대신에 이른바 디스커넥터(disconnector)(단로기)를 설치해도 좋다. 디스커넥터는 부하 전류의 차단 능력은 없지만, 전기 회로를 개로(開路)하여 보수 작업을 실행할 때에 유효하다.
2. 니켈 수소전지의 특성
이하, 본 실시 형태의 전기철도용 전력 공급 시스템에 사용되는 니켈 수소전지의 특성에 대해서 다른 종류의 이차전지와 비교하면서 설명한다.
도 3은, 각종 전지 등의 SOC(state of charge)에 대한 전압 변화를 나타내는 SOC 특성도이다. 곡선 a는 니켈 수소전지의 전압 변화, 곡선 b는 납축전지의 전압 변화, 곡선 c는 리튬 이온전지의 전압 변화, 곡선 d는 전기 2중층 커패시터의 전압 변화를 나타낸다.
SOC의 변동에 대한 전압 변화(△V/△SOC)는, 니켈 수소전지에서 약 0.1, 납축전지에서 약 1.5, 리튬 이온전지에서 약 2, 전기 2중층 커패시터에서 약 3이 되고 있다. 즉, 동일한 전압 변화를 상정하면, 니켈 수소전지는, 납축전지의 1/15로, 리튬 이온전지의 1/20로, 전기 2중층 커패시터의 1/30로 전지 용량을 작게 할 수 있다. 따라서, 이것에 상응해서 전지 치수를 작게 할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 곡선 a로 표시되는 니켈 수소전지는, 다른 전지 등에 비교해서 전압의 변동에 대한 SOC의 변동의 범위 S가 넓다고 하는 특성을 가진다. 즉, 니켈 수소전지는, SOC의 변동에 대하여 전지 전압의 변동이 작다. 이에 비해서, 곡선 b, c, d로 표시되는 다른 전지 등에서는, SOC의 변동에 대하여 전지 전압의 변동이 크다. 예를 들면, SOC의 중앙값에서 보면, 니켈 수소전지에서는, 중앙값의 전압을 V1로 하고 전압 변동이 범위 dV1 내에 들어가도록 사용할 경우, SOC의 범위 S의 거의 모두에서 사용할 수 있어, 전지 용량을 유효하게 이용할 수 있다. 이에 반해, 납축전지에서는 중앙값의 전압을 V2로 하고 전압 변동이 범위 dV2 내에 들어가도록 사용할 경우, SOC를 좁은 범위에서밖에 사용할 수 없어, 전지 용량을 유효하게 이용할 수 없다. 마찬가지로, 리튬 이온전지에서는 중앙값의 전압을 V3로 하고 전압 변동이 범위 dV3 내에 들어가도록 사용할 경우, SOC를 좁은 범위에서밖에 사용할 수 없어, 전지 용량을 유효하게 이용할 수 없다. 여기서, 전압 변동 범위의 크기는, dV1/V1=dV2/V2=dV3/V3으로 한다.
전압 변동의 관점에서 고찰하면, SOC가 범위 S의 중간 정도(예를 들면 SOC가 40∼60퍼센트)일 때, 니켈 수소전지(8)를 도 1과 같이 궤전선(5)에 직결했을 경우, 니켈 수소전지(8)의 충방전이 반복됨으로써 그 충전 상태가 변동해도 전지 전압의 변동을 매우 작게 억제할 수 있다. 한편, 다른 전지(예를 들면, 리튬 이온전지)의 경우는, 전지 전압의 변동이 커진다. 즉, 니켈 수소전지는, 전지 용량을 유효하게 이용할 수 있다.
또한, 궤전선 전압의 변동 허용 범위는, 공칭(公稱) 목표전압(예를 들면 750V 또는 1500V)에 대하여 ±20％ 정도의 범위이다.
궤전선에 전지를 직결할 경우는, 전지 전체가 가지고 있는 에너지량 중에서 충방전 가능한 범위는, 궤전선 전압의 변동에 대한 SOC 특성으로 표시되는 범위에 한정된다. 즉, 궤전선 전압의 변동에 대한 SOC 특성으로 표시되는 범위에서밖에 전지 내에 있는 전력이 유효하게 활용되지 않는다.
니켈 수소전지는, 궤전선 전압의 변동 허용 범위에서, SOC 특성의 대부분이 커버되기 때문에, 전지 내의 용량이 유효하게 이용된다.
한편, 니켈 수소전지와 비교해서 다른 종류의 이차전지에서는, SOC에 대한 전압 변화의 경사가 크므로, 궤전선에 허용되는 ±20％ 정도의 범위에서는, 유효한 전지 용량은 비교적 적어진다. 즉, 니켈 수소전지 이외의 납축전지나 리튬 이온전지 등의 이차전지를 궤전선에 직결해서 사용하려고 하면, 니켈 수소전지와 비교해서 결과적으로 다수의 전지가 필요하게 되어, 광대한 설치 면적이 필요해지고, 또한 설비비가 고가가 된다.
도 4는, 니켈 수소전지(8)와, 니켈 수소전지를 제외한 변전소 부분(9a)을 추출해서 나타낸 도면이다. 즉, 변전소(9a)와 니켈 수소전지(8)가 부하(負荷)인 전기 차량에 대하여 병렬 접속된 구성이다.
궤전선의 송출 전압을 V1, 니켈 수소전지(8)의 단자 전압을 V2, 니켈 수소전지(8)의 내부 저항을 R2, 변전소(9a)의 임피던스를 R1로 하면, 니켈 수소전지(8)에 흐르는 전류 I2는, 다음 식으로 표시된다.
I2 = (V1-V2)/R2
따라서, 니켈 수소전지(8)의 내부 저항이 작을수록, 니켈 수소전지(8)에 많은 전류가 흘러, 충방전할 수 있는 전기량이 크다.
예를 들면, 궤전선의 공칭 목표전압이 750V인 경우에는, 단위 전지를 30개 직렬 접속해서 구성되는 전지 모듈을, 20개 직렬 접속해서 1개의 유닛을 구성하면, 1개의 유닛은, 750V, 200Ah에서, 내부 저항이 160∼240mΩ가 된다. 이 유닛을 2개 병렬 접속해서 니켈 수소전지(8)를 구성하면, 내부 저항은 80∼120mΩ가 되고, 동(同) 유닛을 4개 병렬 접속해서 니켈 수소전지(8)를 구성하면, 내부 저항은 40∼60mΩ가 되어, 내부 저항이 작은 니켈 수소전지(8)를 구성할 수 있다.
한편, 니켈 수소전지(8)와 비교하여, 동일 용량의 납축전지의 내부 저항은 니켈 수소전지(8)의 약 10배이고, 또한, 동일 용량의 리튬 이온 전지의 내부 저항은 니켈 수소전지(8)의 약 2배이다.
이 때문에, 전기 차량에 의한 회생 전류는, 니켈 수소전지쪽이 납축전지나 리튬 이온 전지에 비해서 많이 흘러서, 이차전지에 충전되는 전기량은 많다.
또한, 전기 차량이 가속할 경우, 변전소(9a)가 갖는 임피던스와 이차전지의 내부 저항의 비(比)에 따라서 전기 차량 가속을 위한 부하 전류가 분담되므로, 이차전지의 내부 저항이 높으면, 이차전지에 축적된 전기량을 충분히 이용할 수 없다. 2500kW급(級)의 변전소의 임피던스는 약 0.01Ω 정도이므로, 니켈 수소전지의 내부 저항 0.05Ω를 고려하면, 변전소(9)와 니켈 수소전지(8)의 부하 분담은 약 5:1이 된다. 한편, 납축전지에 있어서는 내부 저항이 약 0.5Ω이므로, 부하 분담은 약 50:1이 되어, 납축전지는 니켈 수소전지에 비해서 전지에 축적된 전기량의 활용을 충분히 도모할 수 없다. 이것은 납축전지 이외의 다른 타입의 이차전지이어도 마찬가지이다.
이상으로부터, 니켈 수소전지(8)에서는, 동일 용량의 다른 이차전지와 비교하여, 내부 저항이 작기 때문에 많은 전류가 흘러, 충방전할 수 있는 전기량이 크다. 단, 납축전지나 리튬 이온전지의 경우, 다수 병렬 접속하면 내부 저항을 작게 할 수는 있지만, 광대한 설치 면적이 필요해지고, 또한 고가의 설비비가 든다.
이상과 같이, SOC에 대한 전압 변화의 면에서도, 또한 내부 저항의 면에서도, 납축전지나 리튬 이온전지를 궤전선에 직결하려고 하면, 막대한 수의 전지가 필요해짐과 더불어 광대한 설치 면적이 필요해지고, 또한 고가의 설비비도 들기 때문에, 실용적이지 않다.
그러한 불편을 해소하기 위해서, 다른 종류의 이차전지에서는, 고가의 충방전 제어장치인 승강압 초퍼를 이용해서 충전 전압을 컨트롤함으로써 전지 용량의 대부분을 사용하기 위한 제어를 실행하지 않을 수 없다.
3. 실증 시험 결과
제1실시 형태에 있어서의, 니켈 수소전지를 구비한 전기철도용 전력 공급 시스템의 실증 시험을 실행했다. 도 5(a)∼(d)에, 그 실증 시험 결과를 나타낸다.
이 실증 시험은, 일본의 어느 복선 구간의 전기철도용 변전소에 있어서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 니켈 수소전지(8)를 궤전선(5)에 직결하여 실시했다. 이 실증 시험에 있어서, 정류 장치(4)의 전압 규격은 750V이고, 니켈 수소전지(8)의 규격은 750V, 800Ah이다. 정류 장치(4) 및 니켈 수소전지(8)는, 상승 차량용 및 하강 차량용의 전차선에 접속되는 궤전선에 접속되어 있다. 여기서 이용한 니켈 수소전지(8)는, 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 750V, 200Ah의 4개의 유닛(8A∼8D)을 병렬 접속한 것이다. 각 유닛(8A∼8D)은, 37.5V, 200Ah의 전지 모듈이 20개 직렬 접속되어서 구성되어 있다. 또한, 각 전지 모듈은, 단위 전지가 30개 직렬 접속되어서 구성되어 있다. 여기에서는, 전지 모듈로서, 예를 들면 후술하는 도 12∼도 14에 나타낸 제3구성예의 것을 이용했지만, 다른 구성예의 것을 이용해도 좋다.
도 5(a)는, 실증 시험일 오전 10시부터 11시까지의 니켈 수소전지(8)의 I-V(전류-전압) 특성을 나타낸다. 도 5(b)는, 같은 날 오전 11시부터 12시까지의 니켈 수소전지(8)의 I-V 특성을 나타낸다. 도 5(c)는, 같은 날 오전 12시부터 13시까지의 니켈 수소전지(8)의 I-V 특성을 나타낸다. 도 5(d)는, 같은 날 오전 13시부터 14시까지의 니켈 수소전지(8)의 I-V 특성을 나타낸다. 여기서, 전류가 음의 값일 때는 충전, 양의 값일 때는 방전을 나타낸다.
도 5(a)∼(d)에 있어서의 I-V 특성은, 직선 e∼h로 표시되며, 직선 e∼h는 대략 V = -0.05I + 775이다.
실증 시험으로부터, 직선 e∼h에 있어서, 전지 전압의 변동은, 1V 정도이며, 또한, 내부 저항은 0.05Ω 정도인 것을 알았다.
이 시험에서의 실제 취득 데이터는, 도 5(a)∼(d)에 있어서, 검은 점으로 표시되고 있다. 이들 검은 점으로부터, 충방전이 다수 회(回) 반복되고 있는 것을 알았다. 이렇게, 충방전이 반복되면 SOC가 변동하지만, 도 3의 곡선 a로 표시되는 바와 같이, 니켈 수소전지는 SOC의 넓은 범위 S에서 안정한 전압 특성을 가지고, 또한 내부 저항이 작기 때문에, 대체로 전압 변동을 작게 할 수 있다.
예를 들면, 니켈 수소전지(8) 대신에, 납축전지를 궤전선에 직결했을 경우에는, 납축전지는 내부 저항이 크기 때문에, 도 5(a)에 있어서, 예를 들면 쇄선 k1로 표시되는 바와 같은 I-V 특성이 된다. 그리고, SOC가 변동하면 도 3의 곡선 b로 표시되는 바와 같이 전압도 크게 변동하기 때문에, I-V 특성이 쇄선 k1에서 예를 들면 쇄선 k2로 변동한다. 예를 들면, 매우 많은 수의 납축전지를 병렬 접속함으로써 내부 저항을 작게 할 수 있었다고 해도, 상술한 바와 같이 SOC의 변동에 의해 I-V 특성이 변동한다. 따라서, 납축전지는, 충방전 장치로서 이용하기에 적합하지 않다.
또한, 리튬 이온 전지의 경우도, SOC가 변동하면 도 3의 곡선 c로 표시되는 바와 같이 전압이 크게 변동한다. 따라서, 리튬 이온 전지도, 궤전선에 직결해서 충방전 장치로서 이용하기에 적합하지 않다.
이상 설명한 바와 같이, 내부 저항이 작고, 또한 SOC의 변동에 의한 전압 변동이 작은 니켈 수소전지(8)이므로, 궤전선(5)에 직결하여, 충방전 장치로서 이용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, SOC의 변동에 의한 전압 변동이 작은 범위(예를 들면 도 3의 범위 S)를 사용할 수 있도록 전지 용량을 설정하고 있다.
납축전지나 리튬 이온전지에서는, 궤전선에 직결하기 위해서 용량을 극단적으로 크게 하면, 매우 큰 설치 면적이 필요해지고, 또한, 비용도 대단히 높아지므로, 실용되기에 적합하지 않다.
니켈 수소전지(8)는, 내부 저항이 작고, 또한 SOC의 변동에 의한 전압 변동이 작다. 따라서, 전기 차량이 가속을 실행함으로써 순간적으로 대전류가 필요해져서 니켈 수소전지로부터 방전을 실행해도 전압의 저하가 억제된다. 그와 함께, 전기 차량이 회생을 실행함으로써 순간적인 대전류가 발생해도 니켈 수소전지가 충전 함으로써 전압의 상승을 억제할 수 있다. 이렇게, 니켈 수소전지를 구비한 전기철도용 전력 공급 시스템은, 궤전선 전압의 안정화를 도모할 수 있다. 이것은 전술한 실증 시험에 의해서도 확인할 수 있었다.
4. 전지 모듈의 구성예
이하, 본 발명의 제1실시 형태에 이용하는 니켈 수소전지(8)를 구성하는 전지 모듈의 구성예에 대해서 설명한다. 이하에 설명하는 전지 모듈의 구성예는, 후술하는 본 발명의 제2실시 형태에 있어서의 전기철도용 전력 공급 시스템의 니켈 수소전지에도 마찬가지로 적용할 수 있다.
4.1 제1구성예
도 6(a)는, 제1구성예의 전지 모듈의 개략 단면 구성도이고, 도 6(b)는, 동(同) 전지 모듈의 일부를 나타내는 사시도이다.
이 전지 모듈(40)은, 도 6(a)에 나타낸 바와 같이, 일례로서 6개의 단위 전지(41)를 직렬로 연결한 구조이다. 각 단위 전지(41)는, 중간부를 이온은 투과하지만 전자를 투과시키지 않는 폴리프로필렌 섬유의 부직포로 이루어지고, 친수화(親水化) 처리를 실시하지 않은 소수성(疏水性)의 세퍼레이터(42)로 구분한, 양극셀(43)과 음극셀(44)을 가지고 있다. 좌단(左端)의 단위 전지(41)의 양극셀(43)의 좌단 벽은 양극 집전체(45)로서, 우단(右端)의 단위 전지(41)의 음극셀(44)의 우단 벽은 음극 집전체(46)로서 기능한다. 좌단의 단위 전지(41)의 음극셀(44)의 우측 벽 및 우단의 단위 전지(41)의 양극셀(43)의 좌측 벽은, 격벽을 겸하는 집전 부재(47)로 이루어진다. 중간에 위치하는 4개의 단위 전지(41)의 사이에도 격벽을 겸하는 집전 부재(47)가 배치된다. 이렇게 하여, 좌단의 단위 전지(41)로부터 우단의 단위 전지(41)에 이르기까지, 집전 부재(47)를 통해서 직렬로 접속되어 있다. 각 양극셀(43)과 음극셀(44)에는, 공통의 전해질 용액으로서 KOH 수용액이 충전되어 있다. 또한, 양극셀(43)의 KOH 수용액에는 수산화니켈 분말 A가 혼입되고, 음극셀(44)의 KOH 수용액에는 수소 흡장 합금 분말 B가 혼입되어 있다.
집전 부재의 재질로서는, 니켈 금속판, 니켈 금속박, 탄소판, 니켈 도금한 철, 니켈 도금한 스테인리스강, 혹은 니켈 도금한 탄소 등의 재료이며, 알칼리 전해질 용액 중에서 부식 등의 변질을 하지 않고, 이온이 통과하지 않아서 전기 전도성이 있는 것을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 음극셀(44)에는 음극의 분체 활물질로서 수소 흡장 합금 분말 B를 장입(裝入)한 전해질 용액이 충전되고, 양극셀(43)에는 양극의 분체 활물질로서 수산화니켈 분말 A를 장입한 전해질 용액이 충전된다. 이때, 세퍼레이터(42)는 소수성이므로, 음극셀(44)과 양극셀(43)의 내부에 전해질 용액을 충전할 때는, 전지 내부를 감압 하(약 1000Pa 이하의 내압)의 상태로 해서 전해질 용액을 밀어넣는 방법을 취한다.
음극과 양극의 분체 활물질의 조합으로서는, 예를 들면, 수소 흡장 합금과 수산화니켈의 조합을 이용할 수 있다. 수소 흡장 합금의 일례로서는, La0.3(Ce, Nd)0.15Zr0.05Ni3.8CoO.8AlO.5를 들 수 있다.
또한, 전해질 용액으로서는, 예를 들면, KOH 수용액, NaOH 수용액, LiOH 수용액 등을 이용할 수 있다.
세퍼레이터(42)는 친수화 처리가 실시되지 않은 소수성 재료로 제조되어 있다. 세퍼레이터(42)는, 상시 알카리성의 전해질 용액에 접촉한다는 조건 하에서 사용되므로, 세퍼레이터(42)에 사용되는 소수성 재료는 내(耐)화학약품성이 우수한 것이 바람직하다. 예를 들면, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유 등의 폴리올레핀계 섬유, 폴리페닐렌설파이드 섬유, 폴리풀루오로에틸렌계 섬유, 폴리아미드계 섬유 등은 내화학약품성이 우수하므로, 세퍼레이터(42)로서 바람직하게 이용할 수 있다. 이들 섬유로부터, 예를 들면, 직물, 편물, 부직포, 실레이스, 평타조물(平打組物) 등의 섬유 시트를 형성할 수 있다. 이들 중에서도, 직물이나 부직포는 인장 강도가 높고, 형태 안정성이 우수하여, 전지 조립 시에 파손되기 어려우므로 바람직하다. 이 직물로서는, 평직, 주자직, 능직 등으로 좋다. 한편, 부직포로서는, 예를 들면, 카드법, 에어 레이법, 스펀본딩법, 멜트블로운법 등에 의해 형성한 섬유 웹을, 니들 펀치, 수류(水流) 등에 의해 락합(絡合)하는 방법, 열융착성 섬유를 포함하는 섬유 웹을 열처리, 혹은 열처리와 가압 처리에 의해 융착하는 방법, 섬유 웹을 접착제에 의해 접착하는 방법에 의해 얻을 수 있다. 물론, 직물이나 부직포는 이들에 한정되는 것이 아니다.
또한, 도 6(a)에 나타내는 제1구성예의 전지 모듈에 있어서, 고압의 산소 가스를 봉입한 산소 봄베(48)로부터, 압력 조정 밸브(49)를 거쳐서, 각 단위 전지(41)의 양극셀(43)과 음극셀(44)에 대하여, 경로(50)를 거쳐서 산소 가스를 공급하는 것이 가능하다. 즉, 경로(50)를 거쳐서, 6개의 양극셀(43)에 이르는 각 분기로(分岐路)에 설치한 밸브(51a, 51b, 51c, 51d, 51e 및 51f)와, 6개의 음극셀(44)에 이르는 각 분기로에 설치한 밸브(52a, 52b, 52c, 52d, 52e 및 52f)를 개폐함으로써, 양극셀(43)과 음극셀(44)의 양쪽, 또는, 양극셀(43)에만, 혹은 음극셀(44)에만 산소 가스를 공급함으로써, 이 산소 가스와 음극셀(44)에 남아있는 잉여의 수소 가스를 반응시켜서, 물로 전환할 수 있다. 즉, 음극셀(44)에 공급된 산소 가스는 음극셀(44) 내에 남아있는 잉여의 수소 가스와 반응해서 물로 전환되고, 양극셀(43)에 공급된 산소 가스는 세퍼레이터(42)를 투과해서 음극셀(44) 내에 남아있는 잉여의 수소 가스와 반응해서 물로 전환된다.
이어서, 도 6(a)에 나타내는 구성의 밀폐형 니켈 수소전지의 모듈에 있어서, 고압(20kg/㎠)의 산소 가스를 봉입한 산소 봄베(48)로부터 압력 조정 밸브(49)를 거쳐서 2kg/㎠의 산소 가스를, 6개의 단위 전지(41)의 각 양극셀(43)과 각 음극셀(44)의 양쪽에 공급했을 경우에 있어서의 음극셀(44)의 내압 상승 억제 효과를 확인하는 실험을 실행했으므로, 설명한다.
실험에서는, 양극 집전체(45)와 음극 집전체(46)를 도시하지 않은 부하인 백열등에 접속해서 방전을 개시해서 1시간 후, 6개의 단위 전지(41)의 각 음극셀(44)의 내압은 1MPa까지 상승했다. 여기서, 각 음극셀(44)의 전해질 용액이 없는 빈 부분의 용적은 0.0012㎥이었다.
그래서, 산소 봄베(48)로부터 압력 조정 밸브(49)를 거쳐서 2kg/㎠의 산소 가스를 6개의 단위 전지(41)의 각 양극셀(43)과 각 음극셀(44)의 양쪽에 공급하면, 1시간 후에 6개의 단위 전지(41)의 각 음극셀(44)의 내압은 0.1MPa까지 저하했다.
그런데, 전지 제조자는 일반적으로, 전지 반응에 기인하는 발열을 어떻게 처리할 것인가 하는 문제에 직면하는 경우가 많다. 특히, 밀폐 구조의 전지에서는, 발열의 문제를 무시할 수 없는 것이어서, 밀폐 구조의 전지는 적절한 전열 구조를 구비하는 것이 바람직하다.
종래의 원통형 전지나 각형(角形) 전지는 전지 케이스의 외측을 냉각하고 있으므로, 니켈 수소전지를 원통형 전지나 각형 전지의 구조로 하여 소정의 냉각 효과를 거두는 것은 곤란하다. 그것은, 원통형 전지도 각형 전지도, 세퍼레이터 및 활물질의 배치 방향에 대하여 직각 방향, 예를 들면, 원주상의 전지의 경우에는 반경 방향으로 열을 전달하는 구조, 즉, 적층한 세퍼레이터 및 활물질을 통해서 외부에 열을 전달하는 구조로 되어 있기 때문이다.
도 7은 원통형 전지의 일례에 관한 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 양극 활물질 시트(61), 이온 투과성 세퍼레이터(62), 음극 활물질 시트(63) 및, 이온 투과성 세퍼레이터(62)를 순서대로 중첩해서 소용돌이 형상으로 감음으로써, 원통형 전지가 구성된다. 이 원통형 전지에서는, 케이스(64)가 음극 단자가 되고, 캡(65)이 양극 단자가 된다. 도 8은 각형 전지의 일례에 관한 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 양극 활물질 시트(71), 이온 투과성 세퍼레이터(72), 음극 활물질 시트(73) 및, 이온 투과성 세퍼레이터(72)를 순서대로 중첩함으로써, 각형 전지가 구성된다. 이 각형 전지에서는, 한쪽의 단부 벽(74)이 양극 단자가 되고, 다른 쪽의 단부 벽(75)이 음극 단자가 된다. 측부 벽(76, 77)은 절연체이다.
도 7에 나타내는 구조는, 활물질 시트 및 세퍼레이터의 배치 방향(원주 방향)에 대하여 직각 방향(반경 방향)으로 열을 전달할 필요가 있지만, 다층으로 중첩된 물질을 거쳐서 양호하게 열전도를 달성하는 것은 곤란해서, 오히려, 각 층이 단열재에 가까운 역할을 하는 것으로 생각된다. 특히, 열전도성이 낮은 섬유 또는 다공질의 플라스틱 소재인 세퍼레이터가 적층되어 있기 때문에, 열전도성은 특히 낮아진다. 마찬가지로, 도 8에 나타내는 구조는, 활물질 시트 및 세퍼레이터의 배치 방향(수평 방향)에 대하여 직각 방향으로 열을 전달할 필요가 있지만, 다층으로 중첩된 물질을 거쳐서 양호하게 열전도를 달성하는 것은 곤란해서, 오히려, 각 층이 단열재에 가까운 역할을 하는 것으로 생각된다.
게다가, 전지가 커지면, 용량의 (2/3)곱에 비례해서만 전열 면적이 증가하고, 또한, 전열 거리도 길어진다. 그 결과, 도 7 및 도 8에 나타내는 전지에 있어서, 케이스의 외측을 냉각해도, 전지 내부는 필요한 온도로 냉각되지 않는다.
그래서, 도 6(a)에 나타내는 전지 구조에 있어서, 격벽을 겸하는 집전 부재(47)의 구조를, 예를 들면, 다공질로 함으로써 전열 면적을 늘리면, 이 다공질 집전 부재(47)가 전열 부재로서의 역할도 하기 때문에, 전지 반응에 의해 발생한 열을 이 집전 부재로부터 충분히 방산할 수 있다. 이에 따라, 전지의 열화를 억제할 수 있다. 한편, 이 집전 부재(47)를 방열 부재로서 이용하는 이외에, 축열 부재로서 이용할 수도 있다. 즉, 전지 반응에 의해 발생한 열이 밀폐 구조의 전지 내에 들어차는 것은 전지의 열화가 촉진되므로 바람직한 것이 아니지만, 한편으로 전지 반응을 순조롭게 실행하기 위해서는, 전지 구성 부재는 일정한 온도 범위(약 25℃∼50℃)에 있는 것이 바람직하다. 그러므로, 다공질 집전 부재(47)로부터 강제적으로 방열하는 것이 아니라, 경우에 따라서는, 전지 구성 부재를 일정 온도 이상, 예를 들면 약 25℃ 이상으로 하기 위해서, 방열을 억제하도록, 일부의 다공질 집전 부재(47)의 외면에 단열재를 첩착(貼着)할 수도 있다. 마찬가지로, 방열판을 팬으로 강제적으로 냉각하는 구조에서는, 전지 구성 부재가 일정 온도 이하일 경우에는, 팬을 가동시키지 않음으로써 방열을 억제하도록 할 수 있다.
전지가 대형화되면, 표면적도 커져서, 표면을 냉각하는 것만으로는 전지 내부의 냉각이 불충분해지는 경우가 많다. 그래서, 도 6(a)에 나타낸 바와 같이 전지가 복수의 단위 전지를 적층한 구조일 경우에는, 각 단위 전지를 구분하는 격벽인 집전 부재(47)를 냉각하면, 전지 내부도 효과적으로 냉각하는 것이 가능하다. 격벽인 집전 부재(47)는 도전성이 우수하여, 도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 다공질의 알루미늄판으로 이루어지는 집전 부재(47)와, 세퍼레이터로 구분된 양극셀과 음극셀을 갖는 단위 전지(41)는 조밀하게 접속되어 있다. 그 때문에 집전 부재(47)를 통해서 전자뿐만 아니라 열도 잘 전달할 수 있다.
집전 부재(47)에 의한 방열을 효율적으로 실행하기 위해서 냉각용 공기를 공급하기 위한 팬(53)을 하방에 설치하는 실험을, 도 6(a)에 나타내는 구성의 니켈 수소전지 모듈에 있어서 실행했다(도 6(b) 참조). 우선, 팬(53)을 정지한 상태에서 실온 하에서 120％ 과충전을 실행한 결과, 2시간 후에 전지 내부에 설치한 온도계의 온도는 약 100℃까지 상승했다.
그래서, 팬(53)을 기동해서 6개의 단위 전지로 이루어지는 전지 모듈을 향해서 냉풍을 공급한 결과, 120％ 과충전을 실행해서 2시간 경과 후에도, 전지 내부에 설치한 온도계의 온도는 실온(25℃)에서 약 10℃ 정도밖에 상승하지 않았다.
또한, 집전 부재(47)에는, 다공질의 알루미늄판 등을 이용하는 대신에, 예를 들면 상하 방향에 냉매를 흐르게 하기 위한 다수의 통류 구멍이 설치된 알루미늄판 등의 금속판을 이용해도 좋다.
또한, 이 전지 모듈(40)에는, 예를 들면, 양극 집전체(45)의 중앙부에, 후술하는 도 10에 나타내는 양극 단자(94)와 동일한 외부 접속용의 양극 단자가 부착되고, 음극 집전체(106)의 중앙부에, 후술하는 도 10에 나타내는 음극 단자(95)와 동일한 외부 접속용의 음극 단자가 부착되어도 좋다.
4.2 제2구성예
도 9는, 제2구성예의 전지 모듈(81)을, 강제 냉각을 실행하는 팬과 풍동(공기 유통 공간)에 의해 냉각을 실행하는 구성을 나타낸 사시도이다. 전지 모듈(81)은 하부에 공기가 유통하는 공기 유통 공간(82)을 구비하고 있다. 흡기팬(83a)과 흡기팬(83b)에 의해 흡입된 공기는, 하부의 공기 유통 공간(82), 전지 모듈(81) 내의 전열 공간, 및, 상부의 공기 유통 공간(84)을 거쳐서 외부에 방출된다. 도 9에 있어서의 화살표는 공기가 흐르는 방향을 나타낸다.
도 10(a)는, 제2구성예의 전지 모듈의 종단면도이다. 도 10(b)는, 도 10(a)에 있어서 화살표 x의 방향에서 본 동 전지 모듈의 양극판 및 음극판의 사이에 배치되는 도전 부재를 나타내는 단면도이다. 도 10(c)는, 제2구성예의 전지 모듈을 구성하는(이하에서 설명한다) 단위 전지의 양극판 외부에 배치되는 도전 부재를 나타내는 사시도이다. 도 10(a)에 있어서의 화살표 x 이외의 화살표는 공기가 흐르는 방향을 나타낸다.
이 전지 모듈(81)은, 일례로서 6개의 단위 전지를 적층한 것이다. 각 단위 전지는, 양극 집전체인 양극판(85)과 음극 집전체인 음극판(86)의 사이에 전해질 용액을 장입함과 더불어, 양극셀(85S)와 음극셀(86S)의 사이에, 알칼리 전해액 중에서 부식 등의 변질을 하지 않고, 이온은 투과하지만 전자를 투과시키지 않는 세퍼레이터(87)를 개재시켜, 양극셀(85S) 내에 양극 활물질을 장입하고, 음극셀(86S) 내에 음극 활물질을 장입해서 이루어지는 구성이다. 그리고 인접하는 2개의 단위 전지의 사이에는, 흡기팬(83a)과 흡기팬(83b)으로부터 흡입된 공기가 유통하는 상하 방향의 공기 유통 경로(88)가 설치되어 있다.
또한, 공기 유통 경로(88)는, 양극판(85)과 음극판(86)이 대면하고 있는 부분 전부에 걸쳐 설치되어 있는 것이 아니고, 도 10(b) 및 도 10(c)에 나타낸 바와 같이, 양극판(85)과 음극판(86)의 중앙부의 상하 방향에 설치되어 있다. 공기 유통 경로(88)의 양측에는 도전 부재(89)가 배치되어 있고, 양극판(85)과 음극판(86)은 도전 부재(89)에 의해 접속되어 있다.
세퍼레이터(87)로서는, 예를 들면, 4플루오르화 에틸렌 수지, 폴리에틸렌, 나일론, 폴리프로필렌 등의 직물이나 부직포 또는 막 필터(membrane filter) 등을 사용할 수 있다. 도전 부재(89)로서는, 니켈 도금한 알루미늄판 등의 니켈 금속판, 니켈 금속박, 탄소판, 니켈 도금한 철, 니켈 도금한 스테인리스강, 니켈 도금한 탄소 등의 재료로서, 알칼리 전해질 용액 중에서 부식 등의 변질을 하지 않고, 이온이 통과하지 않아서 전기 전도성이 있는 것을 사용할 수 있다.
각 단위 전지는 절연판(93, 92)에 의해 상하가 둘러싸여 있다. 하부 및 상부의 공기 유통 공간(82, 84)은, 각각의 하방 및 상방이 절연판(90, 91)에 의해 둘러싸여 있다. 또한, 도 10에 나타내는 좌단의 양극판(85)의 중앙부에는, 외부 접속용의 양극 단자(94)가 부착되어 있다. 도 10에 나타내는 우단의 음극판(86)의 중앙부에는 외부 접속용의 음극 단자(95)가 부착되어 있다.
도 10(a)에 있어서, 전지 모듈(81) 대신에, 도 6에 나타내는 다공질의 집전 부재(47)를 갖는 전지 모듈(40)을 사용할 수도 있다.
또한, 공기 유통 경로(88)에 설치된 도전 부재(89) 대신에, 도 11에 나타내는 전열판(96)을 이용해도 좋다. 이 전열판(96)은 알루미늄을 소재로 하여 니켈 도금을 실시한 것으로, 상하 방향에 공기의 유통 경로(97)가 다수 설치되어 있다. 이 전열판(96)을, 도전 부재(89) 대신에, 양극판(85)과 음극판(86)의 사이에 삽입하여, 흡기팬(83a)와 흡기팬(83b)에 의해 흡입된 공기를 유통 경로(97)에 유통시킬 수 있다. 전열판(96)은, 양극판(85)과 음극판(86)에 접해서 양극판(85)과 음극판(86)을 전기적으로 접속하기 위한 부재이기도 하여, 전기 전도성도 가진다. 그 점에서, 알루미늄은 전기 저항이 비교적 낮고, 열전도율이 비교적 크므로, 전열판(96)으로서 바람직한 특성을 가지고 있지만, 산화하기 쉽다고 하는 결점을 가지고 있다. 그래서, 알루미늄판에 니켈 도금을 실시한 것은, 산화를 억제할 뿐만 아니라, 니켈 도금이 실시됨으로써 접촉 저항이 저하하므로, 전열판(96)으로서 더욱 바람직하다.
4.3 제3구성예
도 12는, 제3구성예의 전지 모듈의 횡단면도이다. 도 13은, 도 12의 전지 모듈에 있어서의 전열판 내의 공기의 흐름 방향을 나타내는 도면이고, 도 12에 표시되는 절연판(107, 108)이 생략되어 있다. 도 14는, 도 12의 전지 모듈 내에 있어서의 열의 전달 방향을 나타내는 도면이다.
이 전지 모듈(98)은, 복수의 단위 전지를 적층한 것이다. 각 단위 전지에서는, 대향해서 설치된 양극 집전체(99)와 음극 집전체(100)의 사이에, 알칼리 전해액 중에서 부식 등의 변질을 하지 않고, 이온은 투과하지만 전자를 투과시키지 않는 주름상자 형상의 세퍼레이터(101)가 번갈아 양 집전체에 근접하도록 배치된다. 또한 각 단위 전지에서는, 주름상자 형상의 세퍼레이터(101)와 양극 집전체(99)로 구획되는 공간에 전해질 용액(102)과 함께 양극 활물질을 함유하는 양극 시트(103)가 배치되고, 주름상자 형상의 세퍼레이터(101)와 음극 집전체(100)로 구획되는 공간에 전해질 용액(102)과 함께 음극 활물질을 함유하는 음극 시트(104)가 배치되어, 양극 시트(103)와 음극 시트(104)가 세퍼레이터(101)를 사이에 끼워서 번갈아 조립되고 있다. 또한, 양극 시트(103)는 양극 집전체(99)에 접하고, 음극 시트(104)는 음극 집전체(100)에 접하고 있다. 그리고, 인접하는 2개의 단위 전지의 사이에는, 한쪽의 단위 전지의 양극 집전체(99)와 또 한쪽의 단위 전지의 음극 집전체(100)에 접하도록 도 11에 나타내는 전열판(96)이 삽입되어 있다. 이 전열판(96)의 공기 유통 경로(97)의 방향은, 양극 시트(103)와 음극 시트(104)의 상하 방향에 일치하고 있다. 각 단위 전지의 양극 집전체(99)와 음극 집전체(100)의 사이는, 세퍼레이터(101)에 의해 양극셀과 음극셀로 2분할 되고, 세퍼레이터(101)와 양극 집전체(99)로 구획되어 양극 시트(103)가 배치되는 영역이 양극셀이 되고, 세퍼레이터(101)와 음극 집전체(100)로 구획되어 음극 시트(104)가 배치되는 영역이 음극셀이 된다.
예를 들면, 도 9에 있어서, 제2구성예의 전지 모듈(81) 대신에, 본 구성예의 전지 모듈(98)을 이용함으로써, 전지 모듈(98)을 냉각하도록 구성할 수 있다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 도전성이 우수함과 더불어 열전도성이 좋은 금속으로 구성된 양극 집전체(99)와 음극 집전체(100)가, 각각 양극 시트(103) 및 음극 시트(104)와 직접 접촉하고, 또한, 각 집전체(99, 100)가, 전기적으로 양극 집전체(99)와 음극 집전체(100)를 연결하는 역할을 하는 전열판(96)과 접촉하고 있다. 이에 따라, 도 13의 화살표로 표시되는 방향을 따라 전열판(96)의 공기 유통 경로(97)를 유통하는 공기에 대하여, 전지 반응의 결과 발생한 열은, 도 14의 화살표로 표시되는 방향을 따라 효율적으로 전달되어서 외부에 방출된다. 이렇게 하여, 전지 모듈(98)의 온도는, 전지 반응을 순조롭게 실행할 수 있는 적정한 범위로 유지된다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 양극의 단부에는 통괄 양극 집전체(105)가 설치되고, 음극의 단부에는 통괄 음극 집전체(106)가 설치되어 있다. 전지 모듈(98)의 측부에는, 절연판(107, 108)이 설치되어 있다. 통괄 양극 집전체(105)의 중앙부에, 예를 들면 도 10에 나타내는 양극 단자(94)와 동일한 양극 단자가 부착되고, 통괄 음극 집전체(106)의 중앙부에, 예를 들면 도 10에 나타내는 음극 단자(95)와 동일한 음극 단자가 부착된다.
양극 시트(103)는, 예를 들면, 양극 활물질과 도전성 필러와 수지에 용제를 더해서 페이스트 형상으로 한 것을 기판 위에 도포해서 판 형상으로 성형하고, 경화시킨 것이다. 음극 시트(104)는, 예를 들면, 음극 활물질과 도전성 필러와 수지에 용제를 더해서 페이스트 형상으로 한 것을 기판 위에 도포해서 판 형상으로 성형하고, 경화시킨 것이다. 양극 활물질 및 음극 활물질로서는, 모든 공지의 활물질재료를 이용할 수 있다. 도전성 필러로서는, 탄소 섬유, 탄소 섬유에 니켈 도금한 것, 탄소입자, 탄소입자에 니켈 도금한 것, 유기섬유에 니켈 도금한 것, 섬유상 니켈, 니켈 입자, 혹은 니켈박을, 단독으로, 혹은 조합해서 이용할 수 있다. 수지로서는, 연화(軟化) 온도 120℃까지의 열가소성 수지, 경화 온도가 상온으로부터 120℃까지의 수지, 증발 온도 120℃ 이하의 용제에 용해하는 수지, 물에 가용(可溶)인 용제에 용해하는 수지, 혹은, 알코올에 가용인 용제에 용해하는 수지 등을 이용할 수 있다. 기판으로서는, 니켈판 등의 전기 전도성이 있는 금속판을 이용할 수 있다.
5. 전지의 내구성 향상의 일례
전지에 커패시터 성분을 추가해서 고속, 단시간의 충방전을 이 커패시터 성분으로 실행하고, 부족분을 전지가 부담하여, 결과로서, 전지의 내구성을 향상시키는 것이 가능하다. 그것은, 커패시터 성분의 내부 저항은 전지의 내부 저항에 비해서 작으므로, 고속으로 단시간의 충방전을 실행했을 경우, 커패시터 성분이 주로 충방전 하기 때문에 전지의 부담이 적어지기 때문이다. 이 효과를 얻기 위해서는, 커패시터 용량이 큰 물질을 세퍼레이터와 양극 활물질의 사이 및 세퍼레이터와 음극 활물질의 사이에 삽입하는 방법을 채용할 수 있다. 예를 들면, 도 15에 나타내는 구조의 단위 전지를 채용할 수 있다.
도 15에 나타내는 단위 전지는, 양극측이 양극 집전체(111)로 둘러싸이고, 음극측이 음극 집전체(112)로 둘러싸이고, 측부가 절연체(113)로 둘러싸인다. 이들로 둘러싸인 셀 내에는 전해질 용액이 채워진다. 그 셀은, 알칼리 전해액 중에서 부식 등의 변질을 하지 않고, 전자는 투과시키지 않지만, 이온을 투과시키는 이온 투과성의 대략 주름상자 형상의 세퍼레이터(114)에 의해 양극셀(115)과 음극셀(116)로 2분할 되어 있다. 양극셀(115) 내에는, 세퍼레이터(114)에 전면적으로 접하는 양극 활물질을 함유하는 대략 주름상자 형상의 폴리프로필렌 섬유의 부직포(117)가 배치되고, 또한, 부직포(117)에 전면적으로 접함과 더불어 양극 집전체(111)에 부분적으로 접하는 양극 활물질을 함유하는 대략 주름상자 형상의 니켈 폼으로 이루어지는 성형체(118)가 배치되어 있다. 음극셀(116) 내에는, 세퍼레이터(114)에 전면적으로 접하는 음극 활물질을 함유하는 대략 주름상자 형상의 폴리프로필렌 섬유의 부직포(119)가 배치되고, 또한, 부직포(119)에 전면적으로 접함과 더불어 음극 집전체(112)에 부분적으로 접하는 음극 활물질을 함유하는 대략 주름상자 형상의 니켈 폼으로 이루어지는 성형체(120)가 배치되어 있다. 도 15에 나타내는 구성에 있어서, 대략 주름상자 형상의 폴리프로필렌 섬유의 부직포(117)와 대략 주름상자 형상의 폴리프로필렌 섬유의 부직포(119)가 커패시터 성분에 상당한다.
도 15에 나타내는 구성의 밀폐형 전지에 있어서, 대략 주름상자 형상의 폴리프로필렌 섬유의 부직포(117)와 대략 주름상자 형상의 폴리프로필렌 섬유의 부직포(119)를 제거했을 경우의 사이클 수명은 4000사이클이었지만, 도 15에 나타낸 바와 같이, 대략 주름상자 형상의 폴리프로필렌 섬유의 부직포(117)와 대략 주름상자 형상의 폴리프로필렌 섬유의 부직포(119)를 가질 경우의 사이클 수명은 10000사이클을 초과했다.
이 도 15에 나타내는 구성의 단위 전지를 복수 적층해서 전지 모듈을 구성할 수 있다. 예를 들면, 전술한 제2, 제3구성예의 경우와 마찬가지로 도 10에 나타내는 도전 부재(89) 혹은 도 11에 나타내는 전열판(96)을 통해서 도 15에 나타내는 구성의 단위 전지가 복수 개 직렬 접속되도록 적층하면 좋다.
이상에 설명한 각 구성예에서는, 복수의 단위 전지를 적층해서 전지 모듈을 구성하고, 그때, 단위 전지의 적층 방향(줄 방향)과 동일한 방향으로 늘어서도록 양극셀과 음극셀을 배치함과 더불어, 서로 인접하는 한쪽의 단위 전지의 양극셀과 다른 쪽의 단위 전지의 음극셀의 사이에 판 형상의 집전체(도 6의 집전 부재(47), 도 10의 양극판(85) 및 음극판(86), 도 12의 양극 집전체(99) 및 음극 집전체(100) 등)를 배치하고 있다. 그리고 집전체(도 6의 집전 부재(47))를 다공질 부재로 함으로써, 집전체의 내부에 냉매 유로가 설치된 구성으로 하고 있다. 혹은, 집전체(도 10의 양극판(85) 및 음극판(86), 도 12의 양극 집전체(99) 및 음극 집전체(100))의 사이에, 중앙에 공기 유통 경로(88)를 형성하는 도전 부재(89)(도 10 참조) 또는 공기 유통 경로(97)가 되는 통류 구멍이 설치된 전열판(96)(도 11 참조)을 삽입한 구성으로 하고 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 전지 반응에 의해 발생하는 열을 집전체로부터 효율적으로 냉매(예를 들면 공기)로 받아들여서 외부에 방산할 수 있어, 냉각 효과가 큰 것이 된다.
또한, 상기에서는, 냉매(전열 매체)로서 공기를 이용했지만, 물 또는 기름 등의 액체를 이용하도록 구성해도 좋다. 또한, 이것에 한정되는 것이 아니고, 일반적으로 전열 매체로서 알려져 있는 기체 또는 액체로 이루어지는 모든 전열 매체를 이용할 수 있다.
또한, 복수의 단위 전지를 적층해서 전지 모듈을 구성하고, 그때, 단위 전지의 적층 방향(줄 방향)과 동일한 방향으로 늘어서도록 양극셀과 음극셀을 배치함과 더불어, 서로 인접하는 한쪽의 단위 전지의 양극셀과 다른 쪽의 단위 전지의 음극셀의 사이에 판 형상의 집전체(도 6의 집전 부재(47), 도 10의 양극판(85) 및 음극판(86), 도 12의 양극 집전체(99) 및 음극 집전체(100) 등)를 배치하고, 1개의 판 형상의 집전체(도 6의 집전 부재(47))를 인접하는 2개의 단위 전지의 집전체로서 공용함으로써, 혹은, 인접하는 2개의 판 형상의 집전체(도 10의 양극판(85) 및 음극판(86), 도 12의 양극 집전체(99) 및 음극 집전체(100))가 도전 부재(89)(도 10 참조) 또는 전열판(96)(도 11 참조)을 통해서 넓은 면 접촉에 의해 접속됨으로써, 복수의 단위 전지가 직렬 접속되어 있으므로, 전지 모듈의 등가적인 내부 저항을 더욱 작게 억제할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 각 구성예와 같이 전지 모듈을 구성하고, 또한 냉각 구조를 구비함으로써, 전지 반응에 의한 발열을 억제할 수 있기 때문에, 전지의 열화를 억제하고, 전지의 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 전지 모듈의 등가적인 내부 저항을 더욱 작게 억제할 수 있다. 따라서, 니켈 수소전지(8)의 장수명화를 도모하여, 등가적인 내부 저항을 더욱 작게 억제할 수 있다.
6. 정리
이상과 같이, 본 발명의 제1실시 형태에 있어서의 전기철도용 전력 공급 시스템은, 변전소(9)에 있어서, 니켈 수소전지(8)를 궤전선(5) 및 배선(15)에 직결한 구성을 가진다. 이 구성에 의해, 승강압 초퍼와 같은 매우 고가의 충방전 제어장치를 필요로 하지 않기 때문에, 장치 전체의 구성을 간단화할 수 있음과 더불어 제조 비용을 저감할 수 있다. 또한, 충방전 제어장치에 있어서의 동작 지연도 없고, 급속 충방전 특성이 우수하여, 궤전선 전압을 안정화할 수 있다. 또한, 충방전 제어장치로서 이용되는 승강압 초퍼가 생략되면, 신호 장치의 장애가 되는 고조파 노이즈가 발생할 우려도 없다.
본 발명의 제1실시 형태에 있어서의 전기철도용 전력 공급 시스템은, 충방전 제어장치를 필요로 하지 않으므로, 그 설치 공간이 불필요해진다. 또한, 일반적으로 니켈 수소전지는 체적 에너지 밀도가 높기 때문에, 다수의 단위 전지를 이용한 고용량의 니켈 수소전지(8)라도, 광대한 설치 면적을 필요로 하지 않는다. 또한, 전술한 각 구성예와 같이 단위 전지가 적층된 전지 모듈을 이용해서 니켈 수소전지(8)를 구성함으로써, 더욱 소형화를 도모하여, 설치 면적을 작게 할 수 있다. 예를 들면, 전술한 실증 시험에서 이용한 750V, 800Ah의 니켈 수소전지(8)는, 그 체적이 18㎥인 것이다.
또한, 니켈 수소전지(8)는 내부 저항이 작기 때문에, 전지 내부에서 발생하는 발열량이 적고, 열손실을 저감할 수 있고, 또한, 전지 자체의 방열 장치를 작게 할 수 있다.
철도의 전기 차량에 있어서는, 순간적인 대전류의 입력·차단이나, 가선과 팬터그래프의 이선(離線)이나 제3 궤조와 집전화(集電靴)의 이선에 의해 급격한 전류, 전압의 변화가 발생한다. 니켈 수소전지는, 커패시터 효과를 가지기 때문에, 순간적으로 급격히 전압이 상승하여 변화되어도, 또는, 반대로 순간적으로 대전류를 방출해도, 다른 전지에 비교하여, 전지 전체로서 전압의 변화를 완만하게 할 수 있다고 하는 점에서 유리하다. 니켈 수소전지(8)의 단위 전지를, 후술하는 전지의 내구성 향상의 일례로서 도 15에 나타내는 단위 전지의 구성으로 함으로써, 니켈 수소전지(8)가 갖는 커패시터 효과를 더욱 높일 수 있다.
제2실시 형태
1. 전기철도용 전력 공급 시스템의 구성, 동작
도 16은, 본 발명의 제2실시 형태에 있어서의 전기철도용 전력 공급 시스템의 개략 구성도이다. 제1실시 형태에서는, 니켈 수소전지(8)는 전기철도용의 변전소(9)에 설치되어 있었다. 이에 반해, 본 발명의 제2실시 형태에 있어서의 전기철도용 전력 공급 시스템에서는, 전기철도용의 변전소와 변전소의 중간점과 같은 변전소(9) 이외의 장소에, 니켈 수소전지(8)를 포함하는 전력저장 공급 장치(10a, 10b)를 설치하고 있다.
또한, 본 발명의 제2실시 형태에 의한 전기철도용 전력 공급 시스템에서 이용하는 니켈 수소전지(8)를 구성하는 전지 모듈은, 전술한 제1실시 형태에서 이용하는 니켈 수소전지(8)를 구성하는 전지 모듈과 동일한 것으로도 좋다.
도 16에 나타내는 전기철도용 전력 공급 시스템에 있어서, 전력저장 공급 장치(10a, 10b)는, 니켈 수소전지(8)가, 궤전선(5)에 직결된 구성을 가지고 있다. 여기서, 니켈 수소전지(8)가, 궤전선(5)에 직결되어 있다는 것은 제1실시 형태와 마찬가지로, 니켈 수소전지(8)가 충방전 제어장치를 통하지 않고 궤전선(5)에 접속되어 있다는 것이다. 니켈 수소전지(8)는, 그 양극측 외부단자가 궤전선(5)에 접속되고, 음극측 외부단자가 귀선(레일)(7)에 접속되어 있다. 즉, 니켈 수소전지(8)의 한 쌍의 외부단자가 궤전선(5) 및 귀선(7)에 접속되어 있다. 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 니켈 수소전지는, SOC에 대한 전압 변동이 작으므로 충방전 제어장치를 필요로 하지 않고, 궤전선(5) 및 귀선(7)에 직결할 수 있다.
전력저장 공급 장치(10a, 10b)는, 전기철도용 변전소(전기 차량용의 변전소)(9a, 9b)의 구내와는 다른 장소에 설치되고, 전력저장 공급 장치(10a, 10b)의 니켈 수소전지(8)는, 변전소(9a, 9b)와 궤전선(5)의 접속 부분과는 다른 궤전선(5)의 부분에 직결되어 있다. 구체적으로는, 전력저장 공급 장치(10b)에 대해서는, 전기철도용 변전소(9a)와 전기철도용 변전소(9b)의 중간 지점의 궤전선(5)에, 니켈 수소전지(8)가 직결되어 있다. 또한, 전력저장 공급 장치(10a)에 대해서는, 니켈 수소전지(8)는, 궤전선(5)의 단부(5e)에 가장 가까운 전기철도용 변전소(9a)로부터 궤전선(5)의 단부(5e)쪽 지점의 궤전선(5)에, 또는, 궤전선(5)의 단부(5e)에 직결되어 있다.
이상과 같이 구성되는 본 실시 형태의 전기철도용 전력 공급 시스템에서는, 전기 차량(11a, 11b, 11c)에서 발생한 회생 전력은, 전력저장 공급 장치(10a, 10b) 내에 설치된 니켈 수소전지(8)에 축적된다. 니켈 수소전지(8)에 축적된 전력은, 궤전선(5)의 전압상태에 따라서 전기 차량(11a, 11b, 11c)에 적당히 공급된다.
이 구성에 의해, 궤전선(5)의 전압이 전력저장 공급 장치(10a, 10b) 내의 니켈 수소전지(8)의 전압보다 낮아지려고 하면, 니켈 수소전지(8)로부터 궤전선(5)에 방전되어, 궤전선 전압의 강하를 억제할 수 있다. 이에 따라, 궤전선의 전압 강하에 의해 각각의 전기 차량의 주행에 지장이 생기는 것이 방지되어, 전기 차량의 주행 성능을 충분히 끌어내어, 결과로서 전기 차량의 전체의 운행에 지장을 주는 일이 없어진다. 또한, 회생 전력 발생 시에 궤전선 전압이 전력저장 공급 장치(10a, 10b) 내의 니켈 수소전지(8)의 전압보다 높아지려고 하면, 니켈 수소전지(8)가 충전되어, 궤전선 전압의 상승을 억제할 수 있다. 이에 따라, 회생 실효 등이 방지되어, 전기 차량의 주행 에너지가 불필요하게 소비되는 것이 방지된다.
여기서, 궤전선(5)에는 그 자체에 저항이 있기 때문에, 변전소에서 멀어질수록, 전압 강하가 커진다. 즉, 변전소로부터 멀리 떨어진 지점을 주행하는 전기 차량이, 가속해서 대량의 전력을 소비하면, 더욱 전압 강하가 커져서, 전기 차량의 주행에 지장을 초래할 우려가 있다. 또한 반대로, 전기 차량이 감속 시에는, 발생하는 회생 전력에 의해 궤전선 전압은 상승한다. 이때, 궤전선(5)의 저항에 의해, 회생 전력을 발생한 전기 차량 부근의 궤전선의 전압 상승은, 그 전기 차량 부근보다도 변전소에 가까운 지점의 궤전선의 전압 상승에 비해서, 커지는 경향이 있어, 회생 실효 등이 발생할 우려가 있다.
상기의 문제는, 궤전선(5)의 저항과, 변전소에서 전기 차량까지의 긴 거리에 기인한다. 그래서, 본 발명의 제2실시 형태에서는, 특히, 전력저장 공급 장치(10a, 10b)를, 변전소(9a)와 변전소(9b)의 사이나, 선로의 종단 또는 시단 부근에 설치하고 있다. 이에 따라, 전력저장 공급 장치(10a, 10b)로부터 전기 차량까지의 거리를 상대적으로 짧게 할 수 있어, 궤전선(5)의 저항에 기인하는, 니켈 수소전지(8)로부터의 방전 시의 궤전선 전압의 전압 강하나 니켈 수소전지(8)에의 충전 시의 궤전선 전압의 전압 상승의 변동을 저감할 수 있다.
또한, 전력저장 공급 장치(10a, 10b)는, 필요에 따라서 변전소 사이에 설치하면 좋고, 모든 변전소 사이에 설치되지 않아도 좋다. 예를 들면, 변전소 사이의 거리가 짧으면, 그 변전소 사이에는 설치하지 않아도 좋다. 또한, 궤전선의 단부에도, 필요에 따라서 설치하면 좋고, 궤전선의 단부와 변전소의 거리가 짧으면 설치하지 않아도 좋다.
또한, 전력저장 공급 장치(10a, 10b)가 있으면, 인접하는 변전소가 고장 나서 송전할 수 없을 경우라도 전력저장 공급 장치(10a, 10b)로부터의 전력 공급에 의해 전기 차량을 가장 가까운 역까지 주행시킬 수 있다. 또한, 단시간이라면 전력저장 공급 장치(10a, 10b)를 변전소의 대용으로 하면, 변전소의 기능을 정지시켜서 변전소의 보수 정비를 실행할 수 있다.
또한, 새롭게 철도를 부설할 경우에는, 전력저장 공급 장치(10a, 10b)를 변전소 사이에 설치함으로써, 변전소 사이의 간격을 길게 해서 변전소의 수를 적게 할 수 있다. 니켈 수소전지(8)에 의해 구성되는 전력저장 공급 장치(10a, 10b)에 비해서, 변전소의 건설 비용은 엄청나다. 또한, 기존의 철도의 변전소를 폐지해서 전력저장 공급 장치(10a, 10b)를 설치하고, 남은 부지를 유효하게 이용하는 것도 가능하게 된다. 이렇게 전력저장 공급 장치(10a, 10b)가 변전소의 대체물이 될 수 있다는 것은, 이하의 실증 시험이 나타내는 바이다.
2. 실증 시험 결과
본 발명 제2실시 형태에 의한 전기철도용 전력 공급 시스템의 실증 시험을 실행했다. 도 17(a)∼(d)는, 그 실증 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
이 실증 시험은, 일본의 어느 복선 구간의 전기철도용 변전소에 있어서, 예를 들면 정류 장치(4)와 병렬 접속되도록 해서 니켈 수소전지(8)를 궤전선(5)과 귀선(7) 사이에 접속하고, 동 변전소의 기능을 정지시킴으로써, 니켈 수소전지(8)를 갖는 전력저장 공급 장치(10a, 10b)의 실험 장치로 함으로써, 통상의 변전소 간격의 2배의 간격 사이에 설치된 전력저장 공급 장치(10a, 10b)의 능력을 확인하는 것이다.
이 실증 시험에 있어서, 궤전선의 전압 규격은 750V이고, 니켈 수소전지(8) 규격은 712.5V, 800Ah이다. 또한, 정지 상태의 정류 장치(4) 및 니켈 수소전지(8)는, 상승 차량용 및 하강 차량용의 전차선에 접속되는 궤전선에 접속되어 있다. 여기서 이용된 니켈 수소전지(8)는, 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 4개의 유닛(8A∼8D)을 병렬 접속한 것이다. 각 유닛(8A∼8D)은, 37.5V, 200Ah의 전지 모듈이 19개 직렬 접속되어서 구성되어 있다. 또한, 각 전지 모듈은, 단위 전지가 30개 직렬 접속되어서 구성되어 있다.
도 17(a)는, 실증 시험일 오전 5시부터 6시까지의 니켈 수소전지(8)의 I-V(전류-전압) 특성을 나타낸다. 도 17(b)는, 같은 날 오전 6시부터 7시까지의 니켈 수소전지(8)의 I-V 특성을 나타낸다. 도 17(c)는, 같은 날 오전 7시부터 8시까지의 니켈 수소전지(8)의 I-V 특성을 나타낸다. 도 17(d)는, 같은 날 오전 8시부터 9시까지의 니켈 수소전지(8)의 I-V 특성을 나타낸다. 여기서, 전류가 음의 값일 때는 충전, 양의 값일 때는 방전을 나타낸다.
도 17(a)∼(d)에 있어서의 I-V 특성은, 직선 e∼h로 표시되며, 직선 e∼h는 대략 V=-0.05I+752이다.
실증 시험으로부터, 직선 e∼h에 있어서, 내부 저항은 0.05Ω 정도인 것을 알았다. 또한, 최고 전압이 815V, 최저 전압이 637V이고, 아침의 혼잡 시간대에도, 750V의 궤전선 전압에 있어서 허용되는 900V∼600V의 범위 내에 들어간다는 것이 실증되었기 때문에, 결과적으로 니켈 수소전지에 의한 급전설비에 의해, 변전설비의 대체물이 될 수 있다는 시험 결과가 되었다.
3. 정리
본 발명의 제2실시 형태에 있어서의 전기철도용 전력 공급 시스템은, 제1실시 형태와 마찬가지로, 니켈 수소전지(8)를 궤전선(5)에 직결하고 있다. 이 때문에, 승강압 초퍼와 같이 매우 고가의 충방전 제어장치를 필요로 하지 않을 수 있기 때문에, 장치 전체로서 구성을 간단히 할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다. 또한, 충방전 제어장치에 있어서의 동작 지연도 없고, 급속 충방전 특성이 우수하여, 궤전선 전압의 안정화를 실현할 수 있다. 또한, 충방전 제어장치로서 이용되는 승강압 초퍼가 생략되면, 신호 장치의 장애가 되는 고조파 노이즈가 발생할 우려도 없다.
특히, 변전소로부터 멀리 떨어진 지점의 궤전선, 예를 들면 변전소와 변전소 중간의 궤전선(5)이나, 선로의 종단 혹은 시단에 대응하는 궤전선의 단부(5e)에, 니켈 수소전지(8)를 직결해서 전력저장 공급 장치(10a, 10b)를 구성한다. 이에 따라, 변전소로부터 멀리 떨어진 지점에 있어서, 궤전선 자체의 저항이나 전기 차량이 가속함으로써 발생하는 궤전선의 대폭적인 전압 강하를 억제하여, 전기 차량의 주행에 지장을 초래하지 않아 전기 차량의 주행 성능을 충분히 끌어낼 수 있다. 그와 함께, 전기 차량이 감속할 때에 발생하는 회생 전력에 의한 궤전선(5)의 대폭적인 전압 상승을 억제하고, 회생 실효 등에 의한 전기 차량의 주행 에너지의 불필요한 소비를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1실시 형태에서는, 전기철도용 전력 공급 시스템에 있어서, 니켈 수소전지를 전기철도용의 변전소에 설치했다. 또한, 본 발명의 제2실시 형태에서는, 전기철도용 전력 공급 시스템에 있어서, 니켈 수소전지를 전기철도용의 변전소 이외의 장소에 설치했다. 니켈 수소전지의 설치 장소는 이들에 한정되지 않는다. 하나의 니켈 수소전지를 전기철도용의 변전소에 설치하고, 동시에, 다른 니켈 수소전지를 전기철도용의 변전소 이외의 장소에 설치해도 좋다.
본 발명에 의한 니켈 수소전지를 구비한 전기철도용 전력 공급 시스템은, 전기철도용 변전소에 설치되는 니켈 수소전지를 구비한 전기철도용 전력 공급 시스템 등으로서 적절하게 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 전기철도용 전력 공급 시스템은, 전기철도용 변전소로부터 떨어진 지점에 설치되는 전기철도용 전력 공급 시스템 등으로서 적절하게 이용할 수 있다.
1: 교류 전원, 2: 교류 전력 회선, 3: 변압기, 4: 정류 장치, 5: 궤전선, 7: 귀선(歸線), 8: 니켈 수소전지, 9: 전기철도용의 변전소, 9a, 9b: 전기철도용의 변전소, 10a, 10b: 전력저장 공급 장치, 11, 11a, 11b, 11c: 전기 차량, 40: 전지 모듈, 41: 단위 전지, 42: 이온 투과성 세퍼레이터, 43: 양극셀, 44: 음극셀, 45: 양극 집전체, 46: 음극 집전체, 47: 집전 부재, 48 : 산소 봄베, 49: 압력 조정 밸브, 50: 경로, 51a, 51b, 51c, 51d, 51e, 51f: 밸브, 52a, 52b, 52c, 52d, 52e, 52f: 밸브, 53: 팬, 61: 양극 활물질 시트, 62: 이온 투과성 세퍼레이터, 63: 음극 활물질 시트, 64: 음극 단자, 65: 양극 단자, 71: 양극 활물질 시트, 72: 이온 투과성 세퍼레이터, 73: 음극 활물질 시트, 74: 양극 단자, 75: 음극 단자, 76, 77: 절연체, 81: 전지 모듈, 82, 84: 공기 유통 공간, 83a, 83b: 흡기팬, 85: 양극판, 85S: 양극셀, 86: 음극판, 86S: 음극셀, 87: 이온 투과성 세퍼레이터, 88: 공기 유통 경로, 89: 도전 부재, 90, 91, 92, 93: 절연판, 94: 양극 단자, 95: 음극 단자, 96: 전열판, 97: 공기 유통 경로, 98: 전지 모듈, 99: 양극 집전체, 100: 음극 집전체, 101: 이온 투과성 세퍼레이터, 102: 전해질 용액, 103: 양극 시트, 104: 음극 시트, 105: 통괄 양극 집전체, 106 : 통괄 음극 집전체, 107, 108: 절연판, 111: 양극 집전체, 112: 음극 집전체, 113: 절연체, 114: 이온 투과성 세퍼레이터, 115: 양극셀, 116: 음극셀, 117: 폴리프로필렌 섬유의 부직포, 118: 니켈 폼의 성형체, 119: 폴리프로필렌 섬유의 부직포, 120: 니켈 폼의 성형체.

Claims (20)

  1. 전기 차량용의 변전소에 접속되어 상기 변전소로부터 직류 전력이 공급되는 궤전선(饋電線)을 구비하는 전기철도용 전력 공급 시스템에 있어서,
    직류 전력저장 공급설비로서 니켈 수소전지를 가지고, 상기 니켈 수소전지가 상기 궤전선에 직결되어서 이루어지는 전기철도용 전력 공급 시스템.
  2. 교류 전력회선으로부터 수전(受電)하는 변압기와 상기 변압기에 접속된 정류 장치와 상기 정류 장치에 접속되는 궤전선을 구비하는 전기철도용의 변전소에 있어서,
    직류 전력설비로서 니켈 수소전지를 가지고, 상기 니켈 수소전지가 상기 궤전선에 직결되어서 이루어지는 전기철도용 전력 공급 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 니켈 수소전지는, 1개 이상의 전지 모듈에 의해 구성되고,
    상기 전지 모듈은,
    대향해서 설치된 한 쌍의 판 형상의 집전체의 사이에, 세퍼레이터에 의해 구분된 양극셀과 음극셀을 갖는 복수의 단위 전지가, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지의 양극셀과 다른 쪽의 상기 단위 전지의 음극셀이 대향하도록 적층되어서 이루어지고, 또한 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 사이에, 상기 한쪽의 단위 전지의 양극셀과 상기 다른 쪽의 단위 전지의 음극셀의 격벽을 겸하는 판 형상의 공통 집전체가 설치되고, 상기 공통 집전체는 기체 또는 액체로 이루어지는 전열 매체의 유통 경로를 갖는 전기철도용 전력 공급 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 공통 집전체는, 다공질의 금속판으로 이루어지는 전기철도용 전력 공급 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 공통 집전체는, 상기 전열 매체의 유통 경로가 되는 복수의 통류 구멍이 설치된 금속판으로 이루어지는 전기철도용 전력 공급 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 니켈 수소전지는, 1개 이상의 전지 모듈에 의해 구성되고,
    상기 전지 모듈은,
    각각, 대향해서 설치된 판 형상의 양극 집전체와 음극 집전체와, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체의 사이에 배치한 세퍼레이터와, 상기 양극 집전체에 접하는 양극셀과 상기 음극 집전체에 접하는 음극셀을 갖는 복수의 단위 전지가, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지의 양극 집전체와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 음극 집전체가 대향하도록 적층되어서 이루어지고, 또한 서로 인접하는 상기 단위 전지의 사이에 기체 또는 액체로 이루어지는 전열 매체의 유통 경로가 설치된 전기철도용 전력 공급 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 니켈 수소전지는, 1개 이상의 전지 모듈에 의해 구성되고,
    상기 전지 모듈은,
    각각, 대향해서 설치된 판 형상의 양극 집전체와 음극 집전체의 사이에, 전해질 용액이 충전됨과 더불어, 양극 활물질을 함유하는 양극 시트와 음극 활물질을 함유하는 음극 시트가 번갈아 조립되도록, 상기 양극 집전체로부터 상기 음극 집전체를 향해서 복수 매의 상기 양극 시트를 배치함과 더불어 상기 음극 집전체로부터 상기 양극 집전체를 향해서 복수 매의 상기 음극 시트를 배치하고, 또한 상기 각 양극 시트와 각 음극 시트의 사이에 세퍼레이터를 개재시켜서 이루어지는 구조를 갖는 복수의 단위 전지가, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지의 양극 집전체와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 음극 집전체가 대향하도록 적층되어서 이루어지고, 또한 서로 인접하는 상기 단위 전지의 사이에 기체 또는 액체로 이루어지는 전열 매체의 유통 경로가 설치된 전기철도용 전력 공급 시스템.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 전열 매체의 유통 경로에 통류 구멍을 갖는 도전성의 전열판을, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 사이에, 상기 한쪽의 단위 전지의 양극 집전체와 상기 다른 쪽의 단위 전지의 음극 집전체에 접하도록 삽입한 전기철도용 전력 공급 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전열판은, 알루미늄판으로 이루어지는 전기철도용 전력 공급 시스템.
  10. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 사이에, 각각 상기 한쪽의 단위 전지의 양극 집전체와 상기 다른 쪽의 단위 전지의 음극 집전체에 접하고, 또한 각각의 사이에 상기 전열 매체의 유통 경로가 설치되도록 복수의 도전 부재를 삽입한, 전기철도용 전력 공급 시스템.
  11. 전기 차량용의 변전소에 접속되어 상기 변전소로부터 직류 전력이 공급되는 궤전선과, 니켈 수소전지를 구비한 전력저장 공급 장치로 이루어지며, 상기 니켈 수소전지가 상기 궤전선에 직결되어서 이루어지고, 또한 상기 전력저장 공급 장치가 상기 변전소의 구내와는 다른 장소에 설비되어서 이루어지는 전기철도용 전력 공급 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 니켈 수소전지는, 1개 이상의 전지 모듈에 의해 구성되고,
    상기 전지 모듈은,
    대향해서 설치된 한 쌍의 판 형상의 집전체의 사이에, 세퍼레이터에 의해 구분된 양극셀과 음극셀을 갖는 복수의 단위 전지가, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지의 양극셀과 다른 쪽의 상기 단위 전지의 음극셀이 대향하도록 적층되어서 이루어지고, 또한 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 사이에, 상기 한쪽의 단위 전지의 양극셀과 상기 다른 쪽의 단위 전지의 음극셀의 격벽을 겸하는 판 형상의 공통 집전체가 설치되고, 상기 공통 집전체는 기체 또는 액체로 이루어지는 전열 매체의 유통 경로를 갖는, 전기철도용 전력 공급 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 공통 집전체는, 다공질의 금속판으로 이루어지는, 전기철도용 전력 공급 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 공통 집전체는, 상기 전열 매체의 유통 경로가 되는 복수의 통류 구멍이 설치된 금속판으로 이루어지는, 전기철도용 전력 공급 시스템.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 니켈 수소전지는, 1개 이상의 전지 모듈에 의해 구성되고,
    상기 전지 모듈은,
    각각, 대향해서 설치된 판 형상의 양극 집전체와 음극 집전체와, 상기 양극 집전체와 상기 음극 집전체의 사이에 배치한 세퍼레이터와, 상기 양극 집전체에 접하는 양극셀과 상기 음극 집전체에 접하는 음극셀을 갖는 복수의 단위 전지가, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지의 양극 집전체와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 음극 집전체가 대향하도록 적층되어서 이루어지고, 또한 서로 인접하는 상기 단위 전지의 사이에 기체 또는 액체로 이루어지는 전열 매체의 유통 경로가 설치된, 전기철도용 전력 공급 시스템.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 니켈 수소전지는, 1개 이상의 전지 모듈에 의해 구성되고,
    상기 전지 모듈은,
    각각, 대향해서 설치된 판 형상의 양극 집전체와 음극 집전체의 사이에, 전해질 용액이 충전됨과 더불어, 양극 활물질을 함유하는 양극 시트와 음극 활물질을 함유하는 음극 시트가 번갈아 조립되도록, 상기 양극 집전체로부터 상기 음극 집전체를 향해서 복수 매의 상기 양극 시트를 배치함과 더불어 상기 음극 집전체로부터 상기 양극 집전체를 향해서 복수 매의 상기 음극 시트를 배치하고, 또한 상기 각 양극 시트와 각 음극 시트의 사이에 세퍼레이터를 개재시켜서 이루어지는 구조를 갖는 복수의 단위 전지가, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지의 양극 집전체와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 음극 집전체가 대향하도록 적층되어서 이루어지고, 또한 서로 인접하는 상기 단위 전지의 사이에 기체 또는 액체로 이루어지는 전열 매체의 유통 경로가 설치된, 전기철도용 전력 공급 시스템.
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    상기 전열 매체의 유통 경로에 통류 구멍을 갖는 도전성의 전열판을, 서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 사이에, 상기 한쪽의 단위 전지의 양극 집전체와 상기 다른 쪽의 단위 전지의 음극 집전체에 접하도록 삽입한, 전기철도용 전력 공급 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 전열판은, 알루미늄판으로 이루어지는, 전기철도용 전력 공급 시스템.
  19. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    서로 인접하는 한쪽의 상기 단위 전지와 다른 쪽의 상기 단위 전지의 사이에, 각각 상기 한쪽의 단위 전지의 양극 집전체와 상기 다른 쪽의 단위 전지의 음극 집전체에 접하고, 또한 각각의 사이에 상기 전열 매체의 유통 경로가 설치되도록 복수의 도전 부재를 삽입한, 전기철도용 전력 공급 시스템.
  20. 전기철도용의 변전소와 전력저장 공급 장치를 구비하는 전기철도용 전력 공급 시스템에 있어서,
    상기 변전소는,
    교류 전력회선으로부터 수전하는 변압기와,
    상기 변압기에 접속된 정류 장치와,
    상기 정류 장치에 접속되는 궤전선을 구비하고,
    또한, 직류 전력설비로서 제1니켈 수소전지를 가지고, 상기 제1니켈 수소전지가 상기 궤전선에 직결되어서 이루어지고,
    상기 전력저장 공급 장치는,
    제2니켈 수소전지를 가지고, 또한, 상기 제2니켈 수소전지가 상기 궤전선에 직결되어서 이루어지고, 또한 상기 전력저장 공급 장치가 상기 변전소의 구내와는 다른 장소에 설비되어서 이루어지는 전기철도용 전력 공급 시스템.
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