(57)【要約】  広大な設置面積を必要とせず、急速充放電特性に優れ、かつ廉価に作製できる電気鉄道用電力供給システムを提供する。交流電力回線２から受電する変圧器３と前記変圧器３に接続された整流装置４と前記整流装置４に接続されるき電線５とを有する電気鉄道用の変電所９において、直流電力設備としてニッケル水素電池８を有し、前記ニッケル水素電池８がき電線５に直結されてなる。
2009107715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車両用の変電所に接続され前記変電所から直流電力が供給されるき電線を備える電気鉄道用電力供給システムであって、
直流電力貯蔵供給設備としてニッケル水素電池を有し、前記ニッケル水素電池が前記き電線に直結されてなる
電気鉄道用電力供給システム。
【請求項２】
交流電力回線から受電する変圧器と前記変圧器に接続された整流装置と前記整流装置に接続されるき電線とを有する電気鉄道用の変電所において、
直流電力設備としてニッケル水素電池を有し、前記ニッケル水素電池が前記き電線に直結されてなる
電気鉄道用電力供給システム。
【請求項３】
前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
前記電池モジュールは、
対向して設けられた一対の板状の集電体の間に、セパレータによって仕切られた正極セルと負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極セルと他方の前記単位電池の負極セルとが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、前記一方の単位電池の正極セルと前記他方の単位電池の負極セルとの隔壁を兼ねる板状の共通集電体が設けられ、前記共通集電体は気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路を有する、請求項２に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項４】
前記共通集電体は、多孔質の金属板からなる、請求項３に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項５】
前記共通集電体は、前記伝熱媒体の流通経路となる複数の通流孔が設けられた金属板からなる、請求項３に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項６】
前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
前記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、前記正極集電体と前記負極集電体の間に配したセパレータと、前記正極集電体に接する正極セルと前記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられた、請求項２に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項７】
前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
前記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体との間に、電解質溶液が充填されるとともに、正極活物質を含有する正極シートと負極活物質を含有する負極シートとが交互に組み込まれるように、前記正極集電体から前記負極集電体に向けて複数枚の前記正極シートを配するとともに前記負極集電体から前記正極集電体に向けて複数枚の前記負極シートを配し、且つ前記各正極シートと各負極シートとの間にセパレータを介在させてなる構造を有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられた、請求項２に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項８】
前記伝熱媒体の流通経路に通流孔を有する導電性の伝熱板を、互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、前記一方の単位電池の正極集電体と前記他方の単位電池の負極集電体とに接するように挿入した、請求項６または７に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項９】
前記伝熱板は、アルミニウム板からなる、請求項８に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１０】
互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、それぞれ前記一方の単位電池の正極集電体と前記他方の単位電池の負極集電体とに接し、かつそれぞれの間に前記伝熱媒体の流通経路が設けられるように複数の導電部材を挿入した、請求項６または７に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１１】
電気車両用の変電所に接続され前記変電所から直流電力が供給されるき電線と、ニッケル水素電池を備えた電力貯蔵供給装置とからなり、前記ニッケル水素電池が前記き電線に直結されてなり、かつ、前記電力貯蔵供給装置が前記変電所の構内とは異なる場所に設備されてなる電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１２】
前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
前記電池モジュールは、
対向して設けられた一対の板状の集電体の間に、セパレータによって仕切られた正極セルと負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極セルと他方の前記単位電池の負極セルとが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、前記一方の単位電池の正極セルと前記他方の単位電池の負極セルとの隔壁を兼ねる板状の共通集電体が設けられ、前記共通集電体は気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路を有する、請求項１１に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１３】
前記共通集電体は、多孔質の金属板からなる、請求項１２に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１４】
前記共通集電体は、前記伝熱媒体の流通経路となる複数の通流孔が設けられた金属板からなる、請求項１２に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１５】
前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
前記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、前記正極集電体と前記負極集電体の間に配したセパレータと、前記正極集電体に接する正極セルと前記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられた、請求項１１に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１６】
前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、
前記電池モジュールは、
それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体との間に、電解質溶液が充填されるとともに、正極活物質を含有する正極シートと負極活物質を含有する負極シートとが交互に組み込まれるように、前記正極集電体から前記負極集電体に向けて複数枚の前記正極シートを配するとともに前記負極集電体から前記正極集電体に向けて複数枚の前記負極シートを配し、且つ前記各正極シートと各負極シートとの間にセパレータを介在させてなる構造を有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられた、請求項１１に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１７】
前記伝熱媒体の流通経路に通流孔を有する導電性の伝熱板を、互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、前記一方の単位電池の正極集電体と前記他方の単位電池の負極集電体とに接するように挿入した、請求項１５または１６に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１８】
前記伝熱板は、アルミニウム板からなる、請求項１７に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項１９】
互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、それぞれ前記一方の単位電池の正極集電体と前記他方の単位電池の負極集電体とに接し、かつそれぞれの間に前記伝熱媒体の流通経路が設けられるように複数の導電部材を挿入した、請求項１５または１６に記載の電気鉄道用電力供給システム。
【請求項２０】
電気鉄道用の変電所と電力貯蔵供給装置とを備える電気鉄道用電力供給システムであって、
前記変電所は、
交流電力回線から受電する変圧器と、
前記変圧器に接続された整流装置と、
前記整流装置に接続されるき電線とを有し、
更に、直流電力設備として第１のニッケル水素電池を有し、前記第１のニッケル水素電池が前記き電線に直結されてなり、
前記電力貯蔵供給装置は、
第２のニッケル水素電池を有し、更に、前記第２のニッケル水素電池が前記き電線に直結されてなり、且つ、前記電力貯蔵供給装置が前記変電所の構内とは異なる場所に設備されてなる
電気鉄道用電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道用の架線に電力を供給する電気鉄道用電力供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電気鉄道用変電所は、例えば、電力会社から供給される交流電力又は鉄道会社が所有する発電所から供給される交流電力を直流電力に変換してき電線へ供給する。き電線に供給された直流電力は、空中架線を経由し、パンタグラフを通じて電気車両に供給される。あるいは、直流電力は、き電線から第三軌条を介して電気車両に供給される。電気車両は、供給された電力を、車両に搭載された電力制御装置を介して、走行用のモータ（回転モータ又はリニアモータ）に供給し、そこで電気エネルギーを走行エネルギーに変換して走行する。【０００３】
電気車両が消費するエネルギー量は、車両の走行状態に応じて変化する。具体的には、加速時に電気車両は短時間の間に大量の電力を消費する。その結果、架線又は第三軌条の電圧、さらにはき電線の電圧が一時的に降下する。このような一時的な電圧低下に対応するため、回生機能付きの電気車両を備えた鉄道設備では、減速時に走行用の回転モータ又はリニアモータは発電機として作用し、電気車両が持っている走行エネルギーを電気エネルギーに変換し電力回収を図る。その回収した電力で供給電圧の一時的な電圧降下を補うようにしている。【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３４１８７４号公報
【特許文献２】特開２００１−２６０７１９号公報
【特許文献３】特開２００２−２３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
回生機能付き電気車両の減速の際、モータで発生し回収した電力は、電気車両の電力制御装置により架線又は第三軌条からき電線に送られる。このとき、線路上に加速中の他の電気車両があれば、その電気車両で回生電力が消費される。しかし、線路上に加速中の電気車両が無い場合、回生された電力により、電気車両内の電力配線を通して架線又は第三軌条の電圧は一時的に上昇する。このときの電圧の上昇が小さければ問題はないが、電圧の上昇が大きければ、電気車両の電力設備や鉄道設備に設けられた他の電気設備の運転に支障を生じる。特に、上昇した電圧が電気設備の耐電圧を越える場合、その設備が損傷することもある。【０００６】
このような問題を解消するため、電気車両の電力制御装置は、所定電圧を超える回生電力の発生を抑制する制御−回生の絞り込み−を行う。さらに、架線等の電圧が極端に高い場合、電力制御装置は、電力の回生を打ち切る制御を行う。この結果、回生の失効が生じる。しかし、回生の絞り込み又は失効が起こると、電気車両は必要な減速度を確保するために機械ブレーキを使用することになり、走行エネルギーは熱エネルギーに変換されて無駄に消費される。また、ブレーキパッドも摩耗し、メンテナンス費用の上昇を招く。【０００７】
そのため、回生の失効を防止するために回生チョッパを用いて回生電力を抵抗器で熱エネルギーに変換する方法が提案されている。また、回生電力を交流電力に変換する能力を持つインバータを変電所に設置し回生電力を商用周波数交流に変換して、変電所から電力系統に戻したり、駅設備で使用したりする技術が実用化されている。【０００８】
また、特許文献１には、電力の負荷平準化を図るために、き電線に鉛蓄電池を接続する電気鉄道用充放電装置が記載されている。【０００９】
更に、特許文献２、３には、変電所において、二次電池又は電気二重層キャパシタを有する電力貯蔵装置を、昇降圧チョッパ等の充放電制御装置を介してき電線に接続する電気鉄道用電力供給システム（電源設備）が開示されている。【００１０】
しかしながら、上述の回生チョッパを用いて回生電力を抵抗器で熱エネルギーに変換する方法は、回生電力を無駄に消費するものである。また、上述の回生電力を変電所に設置されたインバータを用いて電力系統に戻したり、駅設備で使用したりする方法は、確かに、回生電力を有効に利用するものであるが、高価なインバータが必要とされるため設備費が高価になるという問題がある。【００１１】
また、特許文献１に記載される鉛蓄電池は、電気鉄道用電力供給システムで利用するのには適さない。その理由は次の通りである。電気車両はその加速初期に大量の電力を消費し、他方、回生機能を有する電気車両は減速初期に大量の回生電力を発生させる。従って、電力供給系統に接続する蓄電池には、急激な負荷変動に対応できる充放電能力が必要である。しかし、鉛蓄電池は、そのような急激な負荷変動に十分対応できる充放電能力が無い。このため、鉛蓄電池を回生電力の貯蔵に利用するには、多数の鉛蓄電池が必要となる。そのためには、広大な設置面積が必要になる。【００１２】
また、特許文献２、３に開示される電気鉄道用電力供給システム（電源設備）で利用される充放電制御装置には、非常に高価であるという問題がある。また、充放電制御装置は応答性が悪いため、急激に増えた回生電力を効率よく貯蔵（充電）できない。さらに、充放電制御装置として用いられ得る昇降圧チョッパは信号装置に障害となる高調波ノイズを発生するおそれがある。また、電力会社から供給される受電電圧の変動によって電気鉄道用変動所からき電線へ供給する電圧が変動すると、充放電制御装置の正常な動作が保証できない。【００１３】
また、き電線は、それ自体が持っている抵抗により、電気鉄道用変電所から離れるにつれて大きな電圧降下を招く。したがって、電気鉄道変電所から離れた場所にある電気車両が加速する場合、電圧降下により車両の走行に支障を来すおそれがある。【００１４】
さらに、電気鉄道変電所から離れた場所の電気車両から電力を回生する場合でも、減速中の電気車両から回生された電力によってき電線電圧が急激に上昇し、回生の絞り込みや回生の失効を招くおそれがある。【００１５】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、広大な設置面積を必要とせず、急速充放電特性に優れ、かつ安価な電気鉄道用電力供給システムを提供することを目的とする。本発明はまた、変電所から遠く離れた地点でも、電気車両の安定した走行性能を維持でき、回生失効等により走行エネルギーが無駄に消費されることのない、電気鉄道用電力供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これらの目的を達成するため、本発明のニッケル水素電池を備えた電気鉄道用電力供給システムは、交流電力回線から受電する変圧器と前記変圧器に接続された整流装置と前記整流装置に接続されるき電線とを有する電気鉄道用の変電所において、直流電力設備としてニッケル水素電池を有し、前記ニッケル水素電池が前記き電線に直結されている。ここで、「直結」とは、充放電制御装置を介することなく、直接き電線に接続されることを意味する。【００１７】
本発明は、好ましくは、ニッケル水素電池を用いている。ニッケル水素電池は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣ（state of charge）の変動による電圧変動が小さく電池容量を有効利用できるため、他の二次電池に比べて小容量の電池を用いてき電線に直接接続することができ、広大な設置面積を必要としない。また、ニッケル水素電池は電圧変動が小さいため充放電制御装置が不要となり、充放電制御装置の設置スペースを必要としない。高価な充放電制御装置を用いないため、装置全体として廉価となる。更に、ニッケル水素電池は体積エネルギー密度が高いことからも、広大な設置面積を必要としない。また、ニッケル水素電池は、充放電制御装置のような動作遅れもなく、急速充放電特性に優れている。また、充放電制御装置として用いられる昇降圧チョッパが省略されれば、信号装置の障害となる高調波ノイズが発生するおそれもない。更に、ニッケル水素電池は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣの変動による電圧変動が小さいことから、電気車両の加速時に、極めて短い時間に大電流が必要となる場合にニッケル水素電池から放電を行って電圧の低下を抑えるのに他の電池よりも適している。更に、ニッケル水素電池は、電気車両が回生を行うことによって極めて短い時間に大電流が発生しても、充電を行って電圧の上昇を抑えるのに他の電池よりも適している。したがって、き電線電圧の安定化を図り、電気車両運行の効率化に資することが可能となる。【００１８】
また、ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、前記電池モジュールは、対向して設けられた一対の板状の集電体の間に、セパレータによって仕切られた正極セルと負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極セルと他方の前記単位電池の負極セルとが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、前記一方の単位電池の正極セルと前記他方の単位電池の負極セルとの隔壁を兼ねる板状の共通集電体が設けられ、前記共通集電体は気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路を有するものでもよい。【００１９】
この構成によれば、ニッケル水素電池の発熱を効果的に抑えることができ、電池の劣化を抑制し、電池の長寿命化を図ることができる。また、電池モジュールを上記のように単位電池が積層された構成とすることにより電池モジュールの等価的な内部抵抗をより小さく抑えることができる。上記のように単位電池が積層された電池モジュールを用いてニッケル水素電池を構成することにより、より小型化を図り、設置面積を小さくすることができる。【００２０】
また、前記共通集電体は、多孔質の金属板からなるものでもよい。【００２１】
また、前記共通集電体は、前記伝熱媒体の流通経路となる複数の通流孔が設けられた金属板からなるものでもよい。金属板としてアルミニウム板を使用すれば、導電性が良好になるし、熱伝導を良好に行うことが可能となる。【００２２】
前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、前記電池モジュールは、それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体と、前記正極集電体と前記負極集電体の間に配したセパレータと、前記正極集電体に接する正極セルと前記負極集電体に接する負極セルとを有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられてあってもよい。【００２３】
この構成によれば、ニッケル水素電池の発熱を効果的に抑えることができ、電池の劣化を抑制し、電池の長寿命化を図ることができる。また、電池モジュールを上記のように単位電池が積層された構成とすることにより電池モジュールの等価的な内部抵抗をより小さく抑えることができる。上記のように単位電池が積層された電池モジュールを用いてニッケル水素電池を構成することにより、より小型化を図り、設置面積を小さくすることができる。【００２４】
また、前記ニッケル水素電池は、１つ以上の電池モジュールによって構成され、前記電池モジュールは、それぞれ、対向して設けられた板状の正極集電体と負極集電体との間に、電解質溶液が充填されるとともに、正極活物質を含有する正極シートと負極活物質を含有する負極シートとが交互に組み込まれるように、前記正極集電体から前記負極集電体に向けて複数枚の前記正極シートを配するとともに前記負極集電体から前記正極集電体に向けて複数枚の前記負極シートを配し、且つ前記各正極シートと各負極シートとの間にセパレータを介在させてなる構造を有する複数の単位電池が、互いに隣り合う一方の前記単位電池の正極集電体と他方の前記単位電池の負極集電体とが対向するように積層されてなり、かつ、互いに隣り合う前記単位電池の間に気体または液体からなる伝熱媒体の流通経路が設けられてあってもよい。【００２５】
この構成によれば、ニッケル水素電池の発熱を効果的に抑えることができ、電池の劣化を抑制し、電池の長寿命化を図ることができる。また、電池モジュールを上記のように単位電池が積層された構成とすることにより電池モジュールの等価的な内部抵抗をより小さく抑えることができる。上記のように単位電池が積層された電池モジュールを用いてニッケル水素電池を構成することにより、より小型化を図り、設置面積を小さくすることができる。【００２６】
また、前記伝熱媒体の流通経路に通流孔を有する導電性の伝熱板を、互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、前記一方の単位電池の正極集電体と前記他方の単位電池の負極集電体とに接するように挿入していてもよい。【００２７】
また、前記伝熱板は、アルミニウム板からなるものでもよい。アルミニウム板は電気抵抗が小さく、熱伝導性も良好である。さらに、アルミニウム板にニッケルめっきを施すことにより接触抵抗が小さくなるので、好ましい。【００２８】
また、互いに隣り合う一方の前記単位電池と他方の前記単位電池との間に、それぞれ前記一方の単位電池の正極集電体と前記他方の単位電池の負極集電体とに接し、かつそれぞれの間に前記伝熱媒体の流通経路が設けられるように複数の導電部材を挿入していてもよい。【００２９】
また、前記導電部材は、表面にニッケルめっきが施されたアルミニウム板からなるものでもよい。アルミニウム板は電気抵抗が小さく、それにニッケルめっきを施すことにより接触抵抗が小さくなるので、前記導電部材として好ましい。【００３０】
更に、前述の目的を達成するために、本発明の電気鉄道用電力供給システムは、電気車両用の変電所に接続され前記変電所から直流電力が供給されるき電線と、ニッケル水素電池を備えた電力貯蔵供給装置とからなり、前記ニッケル水素電池が前記き電線に直結されてなり、かつ、前記電力貯蔵供給装置が前記変電所の構内とは異なる場所に設備されてなる。【００３１】
特に、変電所から遠く離れた地点のき電線、例えば変電所と変電所の中間付近のき電線や、線路の終端あるいは始端に対応するき電線の端部にニッケル水素電池を直結して電力貯蔵供給装置を構成することにより、変電所から遠く離れた地点において、き電線の大幅な電圧降下を抑えて電気車両の走行性能を充分に引き出すことができるとともに、き電線の大幅な電圧上昇を抑えて回生失効等による電気車両の走行エネルギーの無駄な消費を抑えることができる。また、ニッケル水素電池をき電線に直結してなる電力貯蔵供給装置は、変電所に比べて廉価である。【００３２】
なお、前述の「構内」とは、需要場所のことであり、電気使用場所を含み、電気を使用する構内全てである。ここでいう構内は、塀やさく、フェンス、堀などによって区切られた地域または施設者ならびにその関係者以外の者が自由に出入りできない地域あるいは地形上その他社会通念上これらに準ずる地域とみなし得るところをいう。【００３３】
前述の「前記変電所の構内と異なる場所」とは、電気鉄道用電力供給システムにおいては、給電所とも称される場所乃至は設備である。かかる給電所には、普通変圧器は設置されておらず、二次電池等の電力貯蔵供給設備が設置されている。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、広大な設置面積を必要とせず、急速充放電特性に優れ、かつ廉価に作製される電気鉄道用電力供給システムを提供することができるという効果を奏する。本発明に係る電気鉄道用電力供給システムは、省エネ、回生失効対策、ピークカット、架線電圧降下対策などに有効である。【００３５】
更に、本発明は、変電所から遠く離れた地点においても電気車両の走行性能を充分に引き出すとともに回生失効等による電気車両の走行エネルギーの無駄な消費を抑える、電気鉄道用電力供給システムを提供することができるという効果を奏する。また、変電所が停電や障害により送電できない場合でも、変電所に備わるニッケル水素電池やニッケル水素電池を含む電力貯蔵供給装置により車両の補機を止めることなく車両を最寄の駅まで走行させることができる。さらに、短時間であれば、変電所に備わるニッケル水素電池やニッケル水素電池を含む電力貯蔵供給装置を変電所の代わりに用いることもできるので、変電所の保守整備を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る、ニッケル水素電池を備えた電気鉄道用電力供給システムの概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるニッケル水素電池の実施例の一つを示す回路図である。
【図３】各種電池等のＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。
【図４】図１からニッケル水素電池とニッケル水素電池を除いた変電所部分とを抽出して示した図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係るニッケル水素電池を備えた電気鉄道用電力供給システムの実証試験結果を示す図である。
【図６】（ａ）は、第１構成例の電池モジュールの概略断面構成図であり、（ｂ）は、同電池モジュールの一部を示す斜視図である。
【図７】円筒形電池を一部破断した概略斜視図である。
【図８】角形電池の概略断面構成図である。
【図９】第２構成例の電池モジュールを、強制冷却を行うファンと風洞により冷却を行う構成を示した斜視図である。
【図１０】（ａ）は、第２構成例の電池モジュールの縦断面図であり、（ｂ）は、同電池モジュールの正極板および負極板の間に配置される導電部材を示す断面図である。（ｃ）は、単位電池の正極板外部に配置された導電部材を示す斜視図である。
【図１１】伝熱板の斜視図である。
【図１２】第３構成例の電池モジュールの横断面図である。
【図１３】図１２の電池モジュールにおける伝熱板内の空気の流れ方向を示す図である。
【図１４】図１２の電池モジュール内における熱の伝達方向を示す図である。
【図１５】耐久性を向上させた単位電池の概略断面構成図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る電気鉄道用電力供給システムの概略構成図である。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施の形態に係る電気鉄道用電力供給システムの実証試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：交流電源、２：交流電力回線、３：変圧器、４：整流装置、５：き電線、７：帰線、８：ニッケル水素電池、９：電気鉄道用の変電所、９ａ、９ｂ：電気鉄道用の変電所、１０ａ、１０ｂ：電力貯蔵供給装置、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ：電気車両、４０：電池モジュール、４１：単位電池、４２：イオン透過性セパレータ、４３：正極セル、４４：負極セル、４５：正極集電体、４６：負極集電体、４７：集電部材、４８：酸素ボンベ、４９：圧力調整弁、５０：経路、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ：バルブ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ：バルブ、５３：ファン、６１：正極活物質シート、６２：イオン透過性セパレータ、６３：負極活物質シート、６４：負極端子、６５：正極端子、７１：正極活物質シート、７２：イオン透過性セパレータ、７３：負極活物質シート、７４：正極端子、７５：負極端子、７６、７７：絶縁体、８１：電池モジュール、８２、８４：空気流通空間、８３ａ、８３ｂ：吸気ファン、８５：正極板、８５Ｓ：正極セル、８６：負極板、８６Ｓ：負極セル、８７：イオン透過性セパレータ、８８：空気流通経路、８９：導電部材、９０、９１、９２、９３：絶縁板、９４：正極端子、９５：負極端子、９６：伝熱板、９７：空気流通経路、９８：電池モジュール、９９：正極集電体、１００：負極集電体、１０１：イオン透過性セパレータ、１０２：電解質溶液、１０３：正極シート、１０４：負極シート、１０５：統括正極集電体、１０６：統括負極集電体、１０７、１０８：絶縁板、１１１：正極集電体、１１２：負極集電体、１１３：絶縁体、１１４：イオン透過性セパレータ、１１５：正極セル、１１６：負極セル、１１７：ポリプロピレン繊維の不織布、１１８：ニッケルフォームの成形体、１１９：ポリプロピレン繊維の不織布、１２０：ニッケルフォームの成形体。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。【００３９】
第１の実施の形態
１．電気鉄道用電力供給システムの構成、動作
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電気鉄道用電力供給システムの概略構成を示す。【００４０】
図１に示すように、電気鉄道用変電所（以下「変電所」という。）９は、電力系統に接続された交流電源１から交流電力回線２を介して受電する変圧器３と、変圧器３に接続された整流装置４と、整流装置４に並列に接続されたニッケル水素電池（詳細は後述）８とを備える。整流装置４は、その正側端子が、き電線５に接続され、負側端子が配線１４によって帰線７に接続されている。ニッケル水素電池８は、き電線５及び配線１５に直結されている。より具体的には、ニッケル水素電池８は、その正極側外部端子がき電線５に接続され、負極側外部端子が配線１５を介して帰線（レール）７に接続されている。言い換えれば、ニッケル水素電池８は、充放電電圧若しくは充放電電流、又は、充放電電圧及び充放電電流を制御する充放電制御装置を介さずに、き電線５に接続されている。【００４１】
以上のように構成される電気鉄道用電力供給システムにおいて、整流装置４は変圧器３からの交流電圧を直流電圧に変換してき電線５に出力する。整流装置４から出力される直流電力は、き電線５を経由し架線である電車線を介して電気車両１１ａ，１１ｂに供給される。電気車両１１ａ，１１ｂでは、供給される直流電力を、例えば車上の電力制御装置１２によって交流に変換し、走行用の電動機１３や補機に供給する。また、電気車両１１ａ，１１ｂで発生した回生電力は、き電線５を介してニッケル水素電池８に供給されて、ニッケル水素電池８を充電する。また、ニッケル水素電池８に蓄積された電力は、その後、き電線５の電圧状態に応じて電気車両１１ａ，１１ｂに供給される。【００４２】
例えば、電気車両１１ａが制動状態にある回生車両であり、電気車両１１ｂが加速状態にある加速車両であるとき、回生車両からの回生電流が加速車両へ供給されるとともに、余剰の回生電流がき電線５を介してニッケル水素電池８へ流入し、ニッケル水素電池８を充電する。一方、電気車両１１ａ，１１ｂがともに加速車両であるとき、ニッケル水素電池８からの放電電流が、き電線５から電車線を介して加速車両へ供給される。以上は、ニッケル水素電池８の充電時及び放電時の例示であり、上記例に限られるものではない。【００４３】
要するに、ニッケル水素電池８は、き電線５と帰線７との間の電圧（以下、「き電線電圧」という）が、ニッケル水素電池８の起電力（以下、「電池電圧」という）より高いときに充電され、低いときに放電される。このように、ニッケル水素電池８では、浮動充電及び浮動放電が行われる。ここで、ニッケル水素電池８は、き電線電圧の平均値に相当する電池電圧を有するように構成されている。【００４４】
以上のように、本実施形態の電気鉄道用電力供給システムでは、変電所９においてニッケル水素電池８をき電線５及び配線１５に直結した構成を有する。そのため、全体の構成が簡易であり急速充放電特性に優れ且つコストの低い電力供給システムを構築できる。【００４５】
整流装置４は、全波整流器または半波整流器であってもよく、または、ＩＧＢＴ等の制御素子を用いて構成される電力変換器いわゆるＤＣ−ＤＣコンバータであってもよい。交流電源１は商用電力系統であることが多いが、これに限定されるものではなく、自家発電等の電力系統であってもよい。また、電気車両は、地上を走る電車の他、地下鉄の電車、路面電車、ＬＲＶ（超低床路面電車）等であってもよい。図１に示す変電所９には、変圧器３、整流装置４、及びニッケル水素電池８が装備されているが、従来技術の構成例のような昇降圧チョッパ等の充放電制御装置や回生電力を交流電力回線に戻すためのインバータが装備されていてもよい。【００４６】
ニッケル水素電池８は、き電線電圧の平均値に相当する電池電圧を有する単数の電池モジュールで構成されていてもよい。または、ニッケル水素電池８は、き電線電圧の平均値に相当する電池電圧を出力可能なように、複数の電池モジュールを直列接続した構成（以下、この構成を「直列電池モジュール」という）としてもよい。、更に、上記単数の電池モジュールまたは上記直列電池モジュールが並列接続されて構成されていてもよい。並列接続すれば電池容量が大きくなるが、等価的な内部抵抗は低下する。なお、電池モジュールは、複数の単位電池が直列接続されてなる構成である。【００４７】
図２は、本実施の形態のニッケル水素電池８の構成の一例を示した図である。図２に示す構成の場合、ニッケル水素電池８は、４つのユニット８Ａ〜８Ｄが並列接続されて構成されている。各ユニット８Ａ〜８Ｄは、上記単数の電池モジュールで構成されていてもよいし、上記直列電池モジュールで構成されていてもよい。【００４８】
図２では、各ユニット８Ａ〜８Ｄを構成する電池が短絡したときの保護回路として高速度遮断器２１、２２が設けられている。高速度遮断器２１がき電線５側に配置されるとともに、高速度遮断器２２が帰線７と接続される配線１５側に配置され、リアクトル２３はニッケル水素電池８と高速遮断器２１の間に配置されている。このように、リアクトル２３を設けることにより、短絡時の電流の立ち上がりを緩やかにして高速度遮断器２１、２２に掛かる負担を減らすことができ、確実に事故電流を遮断できる。なお、リアクトル２３は、高速遮断器２２とニッケル水素電池８の間に配置してもよい。【００４９】
なお、高速度遮断器２１、２２とリアクトル２３は場合によっては省略可能である。また、高速度遮断器２１、２２の代わりにいわゆるディスコン（断路器）を設けてもよい。ディスコンは負荷電流の遮断能力はないが、電気回路を開路して保守作業を行うときに有効である。【００５０】
２．ニッケル水素電池の特性
以下、本実施の形態の電気鉄道用電力供給システムに使用されるニッケル水素電池の特性について他の種類の二次電池と比較しながら説明する。【００５１】
図３は、各種電池等のＳＯＣ（state of charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。曲線ａはニッケル水素電池の電圧変化、曲線ｂは鉛蓄電池の電圧変化、曲線ｃはリチウムイオン電池の電圧変化、曲線ｄは電気二重層キャパシタの電圧変化を示す。【００５２】
ＳＯＣの変動に対する電圧変化（ΔＶ／ΔＳＯＣ）は、ニッケル水素電池で約０．１、鉛蓄電池で約１．５、リチウムイオン電池で約２、電気二重層キャパシタで約３になっている。つまり、同じ電圧変化を想定すれば、ニッケル水素電池は、鉛蓄電池の１／１５に、リチウムイオン電池の１／２０に、電気二重層キャパシタの１／３０に電池容量を小さくできる。よって、これに相応して電池寸法を小さくすることができる。【００５３】
図３に示すように、曲線ａで示されるニッケル水素電池は、他の電池等に比較して電圧の変動に対するＳＯＣの変動の範囲Ｓが広いという特性を有する。即ち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が小さい。これに比べて、曲線ｂ、ｃ、ｄで示される他の電池等では、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が大きい。例えば、ＳＯＣの中央値でみれば、ニッケル水素電池では、中央値の電圧をＶ１とし電圧変動が範囲ｄＶ１内におさまるように使用する場合、ＳＯＣの範囲Ｓのほぼ全てにおいて使用することができ、電池容量を有効に利用することができる。これに対し、鉛蓄電池では中央値の電圧をＶ２とし電圧変動が範囲ｄＶ２内におさまるように使用する場合、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。同様に、リチウムイオン電池では中央値の電圧をＶ３とし電圧変動が範囲ｄＶ３内におさまるように使用する場合、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。ここで、電圧変動範囲の大きさは、ｄＶ１／Ｖ１＝ｄＶ２／Ｖ２＝ｄＶ３／Ｖ３とする。【００５４】
電圧変動の観点から考察すれば、ＳＯＣが範囲Ｓの中ほど（例えばＳＯＣが４０〜６０パーセント）のとき、ニッケル水素電池８を図１のようにき電線５に直結した場合、ニッケル水素電池８の充放電が繰り返されることによりその充電状態が変動しても電池電圧の変動を非常に小さく抑えることができる。他方、他の電池（例えば、リチウムイオン電池）の場合は、電池電圧の変動が大きくなる。つまり、ニッケル水素電池は、電池容量を有効に利用することができる。【００５５】
なお、き電線電圧の変動許容範囲は、公称目標電圧（例えば７５０Ｖまたは１５００Ｖ）に対してプラスマイナス２０％程度の範囲である。【００５６】
き電線に電池を直結する場合は、電池全体がもっているエネルギー量の中で充放電可能である範囲は、き電線電圧の変動に対するＳＯＣ特性で示される範囲に限定される。つまり、き電線電圧の変動に対するＳＯＣ特性で示される範囲でしか電池内にある電力が有効に活用されない。【００５７】
ニッケル水素電池は、き電線電圧の変動許容範囲で、ＳＯＣ特性の大半がカバーされるため、電池内の容量が有効に利用される。【００５８】
他方、ニッケル水素電池と比較して他の種類の二次電池では、ＳＯＣに対する電圧変化の傾斜が大きいので、き電線に許容されるプラスマイナス２０％程度の範囲では、有効な電池容量は比較的少なくなる。即ち、ニッケル水素電池以外の鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池をき電線に直結して使用しようとすれば、ニッケル水素電池と比較して結果的に多数の電池が必要になり、広大な設置面積が必要となり、更に設備費が高価となる。【００５９】
図４は、ニッケル水素電池８と、ニッケル水素電池を除いた変電所部分９ａとを抽出して示した図である。即ち、変電所９ａとニッケル水素電池８とが負荷である電気車両に対して並列接続された構成である。【００６０】
き電線の送り出し電圧をＶ１、ニッケル水素電池８の端子電圧をＶ２、ニッケル水素電池８の内部抵抗をＲ２、変電所９ａのインピーダンスをＲ１とすると、ニッケル水素電池８に流れる電流Ｉ２は、次式で示される。
Ｉ２＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｒ２
したがって、ニッケル水素電池８の内部抵抗が小さいほど、ニッケル水素電池８に多くの電流が流れ、充放電できる電気量が大きい。【００６１】
例えば、き電線の公称目標電圧が７５０Ｖの場合には、単位電池を３０個直列接続して構成される電池モジュールを、２０個直列接続して１つのユニットを構成すれば、１つのユニットは、７５０Ｖ，２００Ａｈで、内部抵抗が１６０〜２４０ｍΩとなる。このユニットを２つ並列接続してニッケル水素電池８を構成すれば、内部抵抗は８０〜１２０ｍΩとなり、同ユニットを４つ並列接続してニッケル水素電池８を構成すれば、内部抵抗は４０〜６０ｍΩとなり、内部抵抗の小さいニッケル水素電池８を構成することができる。【００６２】
一方、ニッケル水素電池８と比較して、同容量の鉛蓄電池の内部抵抗はニッケル水素電池８の約１０倍であり、また、同容量のリチウムイオン電池の内部抵抗はニッケル水素電池８の約２倍である。【００６３】
このため、電気車両による回生電流は、ニッケル水素電池の方が鉛蓄電池やリチウムイオン電池に比べて多く流れ、二次電池に充電される電気量は多い。【００６４】
また、電気車両が加速する場合、変電所９ａの有するインピーダンスと二次電池の内部抵抗の比に応じて電気車両加速のための負荷電流が分担されるので、二次電池の内部抵抗が高いと、二次電池に蓄えられた電気量が充分利用できない。２５００ｋＷ級の変電所のインピーダンスは約０．０１Ω程度であるので、ニッケル水素電池の内部抵抗０．０５Ωを考慮すると、変電所９とニッケル水素電池８の負荷分担はおよそ５：１となる。一方、鉛蓄電池においては内部抵抗が約０．５Ωであるので、負荷分担はおよそ５０：１となり、鉛蓄電池はニッケル水素電池に比べて電池に蓄えられた電気量の活用を十分に図ることができない。このことは鉛蓄電池以外の他タイプの二次電池であっても同様である。【００６５】
以上より、ニッケル水素電池８では、同容量の他の二次電池と比較して、内部抵抗が小さいため多くの電流が流れ、充放電できる電気量が大きい。もっとも、鉛蓄電池やリチウムイオン電池の場合、多数並列接続すれば内部抵抗を小さくすることはできるが、広大な設置面積が必要となり、更に高価な設備費がかかる。【００６６】
以上のように、ＳＯＣに対する電圧変化の点からも、また内部抵抗の点からも、鉛蓄電池やリチウムイオン電池をき電線に直結しようとすれば、膨大な数の電池が必要になるとともに広大な設置面積が必要となり、更に高価な設備費もかかるため、実用的ではない。【００６７】
そのような不都合の解消のために、他の種類の二次電池では、高価な充放電制御装置である昇降圧チョッパを用いて充電電圧をコントロールすることによって電池容量の多くを使用するための制御を行わざるを得ない。【００６８】
３．実証試験結果
第１の実施の形態における、ニッケル水素電池を備えた電気鉄道用電力供給システムの実証試験を行った。図５（ａ）〜（ｄ）に、その実証試験結果を示す。【００６９】
この実証試験は、日本のある複線区間の電気鉄道用変電所において、図１に示すように、ニッケル水素電池８をき電線５に直結して行った。この実証試験において、整流装置４の電圧仕様は７５０Ｖであり、ニッケル水素電池８の仕様は、７５０Ｖ，８００Ａｈである。整流装置４及びニッケル水素電池８は、上り車両用及び下り車両用の電車線に接続されるき電線に接続されている。ここで用いたニッケル水素電池８は、例えば、図２に示すように、７５０Ｖ，２００Ａｈの４個のユニット８Ａ〜８Ｄを並列接続したものである。各ユニット８Ａ〜８Ｄは、３７．５Ｖ，２００Ａｈの電池モジュールが２０個直列接続されて構成されている。また、各電池モジュールは、単位電池が３０個直列接続されて構成されている。ここでは、電池モジュールとして、例えば後述する図１２〜図１４に示された第３構成例のものを用いたが、他の構成例のものを用いてもよい。【００７０】
図５（ａ）は、実証試験日の午前１０時から１１時までのニッケル水素電池８のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を示す。図５（ｂ）は、同日の午前１１時から１２時までのニッケル水素電池８のＩ−Ｖ特性を示す。図５（ｃ）は、同日の午前１２時から１３時までのニッケル水素電池８のＩ−Ｖ特性を示す。図５（ｄ）は、同日の午前１３時から１４時までのニッケル水素電池８のＩ−Ｖ特性を示す。ここで、電流が負の値のときは充電、正の値のときは放電を示す。【００７１】
図５（ａ）〜（ｄ）におけるＩ−Ｖ特性は、直線ｅ〜ｈで示され、直線ｅ〜ｈは、概ね、Ｖ＝−０．０５Ｉ＋７７５である。【００７２】
実証試験から、直線ｅ〜ｈにおいて、電池電圧の変動は、１Ｖ程度であり、また、内部抵抗は０．０５Ω程度であることがわかる。【００７３】
この試験における実際の取得データは、図５（ａ）〜（ｄ）において、黒点で示されている。これら黒点から、充放電が多数回繰り返されていることがわかる。このように、充放電が繰り返されるとＳＯＣが変動するが、図３の曲線ａで示されるように、ニッケル水素電池はＳＯＣの広い範囲Ｓで安定した電圧特性を有し、かつ内部抵抗が小さいため、総じて電圧変動を小さくすることができる。【００７４】
例えば、ニッケル水素電池８に代えて、鉛蓄電池をき電線に直結した場合には、鉛蓄電池は内部抵抗が大きいため、図５（ａ）において、例えば鎖線ｋ１で示されるようなＩ−Ｖ特性になる。そしてさらに、ＳＯＣが変動すると図３の曲線ｂで示されるように電圧も大きく変動するため、Ｉ−Ｖ特性が鎖線ｋ１から例えば鎖線ｋ２に変動する。例えば、非常に多数の鉛蓄電池を並列接続することにより内部抵抗を小さくできたとしても、上述のようにＳＯＣの変動によってＩ−Ｖ特性が変動する。従って、鉛蓄電池は、充放電装置として用いるのに適していない。【００７５】
また、リチウムイオン電池の場合も、ＳＯＣが変動すると図３の曲線ｃで示されるように電圧が大きく変動する。従って、リチウムイオン電池も、き電線に直結して充放電装置として用いるのに適していない。【００７６】
以上述べたように、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣの変動による電圧変動が小さいニッケル水素電池８であるから、き電線５に直結して、充放電装置として用いることができる。本実施の形態では、ＳＯＣの変動による電圧変動が小さい範囲（例えば図３の範囲Ｓ）を使用できるように電池容量を設定している。【００７７】
鉛蓄電池やリチウムイオン電池では、き電線に直結するために容量を極端に大きくすると、非常に大きな設置面積が必要となり、また、コストも非常に高くなるので、実用に適さない。【００７８】
ニッケル水素電池８は、内部抵抗が小さく、かつＳＯＣの変動による電圧変動が小さい。従って、電気車両が加速を行うことによって瞬間的に大電流が必要となりニッケル水素電池から放電を行っても電圧の低下が抑えられる。それとともに、電気車両が回生を行うことによって瞬間的な大電流が発生してもニッケル水素電池が充電することによって電圧の上昇を抑えられる。このように、ニッケル水素電池を備えた電気鉄道用電力供給システムは、き電線電圧の安定化を図ることができる。このことは、前述の実証試験によっても確認することができた。【００７９】
４．電池モジュールの構成例
以下、本発明の第１の実施の形態に用いるニッケル水素電池８を構成する電池モジュールの構成例について述べる。以下に説明する電池モジュールの構成例は、後述する本発明の第２の実施の形態における電気鉄道用電力供給システムのニッケル水素電池にも同様に適用できる。【００８０】
４．１  第１構成例
図６（ａ）は、第１構成例の電池モジュールの概略断面構成図であり、図６（ｂ）は、同電池モジュールの一部を示す斜視図である。【００８１】
この電池モジュール４０は、図６（ａ）に示すように、一例として６個の単位電池４１を直列に連結した構造である。各単位電池４１は、中間部を、イオンは透過するが電子を透過させないポリプロピレン繊維の不織布からなり、親水化処理を施していない疎水性のセパレータ４２で仕切った、正極セル４３と負極セル４４を有している。左端の単位電池４１の正極セル４３の左端壁は正極集電体４５として、右端の単位電池４１の負極セル４４の右端壁は負極集電体４６として機能する。左端の単位電池４１の負極セル４４の右側壁および右端の単位電池４１の正極セル４３の左側壁は、隔壁を兼ねる集電部材４７からなる。中間に位置する４個の単位電池４１の間にも隔壁を兼ねる集電部材４７が配置される。かくして、左端の単位電池４１から右端の単位電池４１に至るまで、集電部材４７を介して直列に接続されている。各正極セル４３と負極セル４４には、共通の電解質溶液としてＫＯＨ水溶液が充填されている。また、正極セル４３のＫＯＨ水溶液には水酸化ニッケル粉Ａが混入され、負極セル４４のＫＯＨ水溶液には水素吸藏合金粉Ｂが混入されている。【００８２】
集電部材の材質としては、ニッケル金属板、ニッケル金属箔、炭素板、ニッケルメッキした鉄、ニッケルメッキしたステンレス鋼、若しくはニッケルメッキした炭素などの材料であって、アルカリ電解質溶液中で腐食などの変質をせず、イオンが通過しなくて電気伝導性があるものを使用することができる。【００８３】
前述のように、負極セル４４には負極の粉体活物質として水素吸藏合金粉Ｂを装入した電解質溶液が充填され、正極セル４３には正極の粉体活物質として水酸化ニッケル粉Ａを装入した電解質溶液が充填される。このとき、セパレータ４２は疎水性であるので、負極セル４４と正極セル４３の内部に電解質溶液を充填する際には、電池内部を減圧下（約１０００Ｐａ以下の内圧）の状態にして電解質溶液を押し込む、という方法が取られる。【００８４】
負極と正極の粉体活物質の組み合わせとしては、例えば、水素吸藏合金と水酸化ニッケルの組み合わせを用いることができる。水素吸藏合金の一例としては、Ｌａ０．３（Ｃｅ、Ｎｄ）０．１５Ｚｒ０．０５Ｎｉ３．８Ｃｏ０．８Ａｌ０．５を挙げることができる。【００８５】
また、電解質溶液としては、例えば、ＫＯＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液、ＬｉＯＨ水溶液などを用いることができる。【００８６】
セパレータ４２は親水化処理の施されていない疎水性材料で製造されている。セパレータ４２は、常時アルカリ性の電解質溶液に接触するという条件下で使用されるので、セパレータ４２に使用される疎水性材料は耐化学薬品性に優れているものが好ましい。例えば、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維などのポリオレフィン系繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポルフルオロエチレン系繊維、ポリアミド系繊維などは耐化学薬品性に優れているので、セパレータ４２として好ましく用いることができる。これらの繊維から、例えば、織物、編物、不織布、糸レース、平打組物などの繊維シートを形成することができる。これらの中でも、織物や不織布は引張強度が高く、形態安定性に優れており、電池組立時に破損しにくいので好ましい。この織物としては、平織り、朱子織り、綾織りなどでよい。他方、不織布としては、例えば、カード法、エアレイ法、スパンボンド法、メルトブロー法などにより形成した繊維ウェブを、ニードルパンチ、水流などにより絡合する方法、熱融着性繊維を含む繊維ウェブを熱処理、あるいは熱処理と加圧処理により融着する方法、繊維ウェブを接着剤により接着する方法により得ることができる。もちろん、織物や不織布はこれらに限定されるものではない。【００８７】
また、図６（ａ）に示す第１構成例の電池モジュールにおいて、高圧の酸素ガスを封入した酸素ボンベ４８から、圧力調整弁４９を経て、各単位電池４１の正極セル４３と負極セル４４に対して、経路５０を経て酸素ガスを供給することが可能である。即ち、経路５０を経て、６個の正極セル４３に至る各分岐路に設けたバルブ５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅおよび５１ｆと、６個の負極セル４４に至る各分岐路に設けたバルブ５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅおよび５２ｆとを開閉することにより、正極セル４３と負極セル４４の両方、又は、正極セル４３のみ若しくは負極セル４４のみに酸素ガスを供給することにより、この酸素ガスと負極セル４４に残っている余剰の水素ガスとを反応させて、水に転換することができる。即ち、負極セル４４に供給された酸素ガスは負極セル４４内に残っている余剰の水素ガスと反応して水に転換され、正極セル４３に供給された酸素ガスはセパレータ４２を透過して負極セル４４内に残っている余剰の水素ガスと反応して水に転換される。【００８８】
次に、図６（ａ）に示す構成の密閉型ニッケル水素電池のモジュールにおいて、高圧（２０kg／cm２）の酸素ガスを封入した酸素ボンベ４８から圧力調整弁４９を経て２kg／cm２の酸素ガスを、６個の単位電池４１の各正極セル４３と各負極セル４４の両方に供給した場合における負極セル４４の内圧上昇抑制効果を確認する実験を行ったので、説明する。【００８９】
実験では、正極集電体４５と負極集電体４６を図示しない負荷である白熱灯に接続して放電を開始して１時間後、６個の単位電池４１の各負極セル４４の内圧は１ＭＰａまで上昇した。ここで、各負極セル４４の電解質溶液のない空部分の容積は０．００１２ｍ３であった。【００９０】
そこで、酸素ボンベ４８から圧力調整弁４９を経て２kg／cm２の酸素ガスを６個の単位電池４１の各正極セル４３と各負極セル４４の両方に供給すると、１時間後に６個の単位電池４１の各負極セル４４の内圧は０．１ＭＰａまで低下した。【００９１】
ところで、電池製造者は一般に、電池反応に起因する発熱をいかに処理するかという問題に直面することが多い。特に、密閉構造の電池では、発熱の問題が無視し得ないものであり、密閉構造の電池は適切な伝熱構造を備えることが好ましい。【００９２】
従来の円筒形電池や角形電池は電池ケースの外側を冷却しているので、ニッケル水素電池を円筒形電池や角形電池の構造にした上で所定の冷却効果を挙げることは困難である。というのは、円筒形電池でも角形電池でも、セパレータおよび活物質の配置方向に対して直角方向、例えば、円柱状の電池の場合では半径方向へ熱を伝える構造、つまり、積層したセパレータおよび活物質を通して外部に熱を伝える構造となっているからである。【００９３】
図７は円筒形電池の一例に関する図である。図７に示すように、正極活物質シート６１、イオン透過性セパレータ６２、負極活物質シート６３、及び、イオン透過性セパレータ６２を順に重ねて渦巻き状に巻き取ることで、円筒形電池が構成される。この円筒形電池では、ケース６４が負極端子となり、キャップ６５が正極端子となる。図８は角形電池の一例に関する図である。図８に示すように、正極活物質シート７１、イオン透過性セパレータ７２、負極活物質シート７３、及び、イオン透過性セパレータ７２を順に重ねることで、角形電池が構成される。この角形電池では、一方の端部壁７４が正極端子となり、他方の端部壁７５が負極端子となる。側部壁７６、７７は、絶縁体である。【００９４】
図７に示す構造は、活物質シート及びセパレータの配置方向（円周方向）に対して直角方向（半径方向）に熱を伝える必要があるが、多層に重ねられた物質を経て良好に熱伝導を達成することは困難であり、むしろ、各層が断熱材に近い役割を果たすと考えられる。特に、熱伝導性の低い繊維または多孔質のプラスチック素材であるセパレータが積層されているため、熱伝導性は特に低くなる。同様に、図８に示す構造は、活物質シート及びセパレータの配置方向（水平方向）に対して直角方向に熱を伝える必要があるが、多層に重ねられた物質を経て良好に熱伝導を達成することは困難であり、むしろ、各層が断熱材に近い役割を果たすと考えられる。【００９５】
しかも、電池が大きくなると、容量の（２／３）乗に比例してしか伝熱面積が増加せず、また、伝熱距離も長くなる。その結果、図７および図８に示す電池において、ケースの外側を冷却しても、電池内部は必要な温度に冷却されない。【００９６】
そこで、図６（ａ）に示す電池構造において、隔壁を兼ねる集電部材４７の構造を、例えば、多孔質とすることで伝熱面積を増やせば、この多孔質集電部材４７が伝熱部材としての役割も果たすため、電池反応により発生した熱をこの集電部材から十分に放散できる。このことにより、電池の劣化を抑制できる。一方、この集電部材４７を放熱部材として利用する以外に、蓄熱部材として利用することもできる。つまり、電池反応により発生した熱が密閉構造の電池内にこもることは電池の劣化が促進されるので好ましいことではないが、一方で電池反応をスムーズに実行するためには、電池構成部材は一定の温度範囲（約２５℃〜５０℃）にあることが好ましい。そこで、多孔質集電部材４７から強制的に放熱するのではなく、場合によっては、電池構成部材を一定温度以上、例えば約２５℃以上とするために、放熱を抑えるように、一部の多孔質集電部材４７の外面に断熱材を貼着することもできる。同様に、放熱板をファンで強制的に冷却する構造では、電池構成部材が一定温度以下の場合には、ファンを稼働させないことにより放熱を抑えるようにすることができる。【００９７】
電池が大型化すると、表面積も大きくなり、表面を冷却するだけでは電池内部の冷却が不充分となることが多い。そこで、図６（ａ）に示すように電池が複数の単位電池を積層した構造である場合には、各単位電池を仕切る隔壁である集電部材４７を冷却すると、電池内部も効果的に冷却することが可能である。隔壁である集電部材４７は導電性に優れており、図６（ｂ）に示すように、多孔質のアルミニウム板からなる集電部材４７と、セパレータで仕切られた正極セルと負極セルを有する単位電池４１とは密に接続されている。そのため集電部材４７を通して電子だけでなく熱もよく伝えることができる。【００９８】
集電部材４７による放熱を効率的に行うために冷却用空気を供給するためのファン５３を下方に設置する、という実験を、図６（ａ）に示す構成のニッケル水素電池モジュールにおいて行った（図６（ｂ）参照）。まず、ファン５３を停止した状態で室温下において１２０％過充電を行ったところ、２時間後に電池内部に設置した温度計の温度は約１００℃まで上昇した。【００９９】
そこで、ファン５３を起動して６個の単位電池からなる電池モジュールに向けて冷風を供給したところ、１２０％過充電を行って２時間経過後においても、電池内部に設置した温度計の温度は室温（２５℃）から約１０℃程度しか上昇しなかった。【０１００】
なお、集電部材４７には、多孔質のアルミニウム板等を用いる代わりに、例えば上下方向に冷媒を流すための多数の通流孔が設けられたアルミニウム板等の金属板を用いてもよい。【０１０１】
また、この電池モジュール４０には、例えば、正極集電体４５の中央部に、後述の図１０に示す正極端子９４と同様の外部接続用の正極端子が取り付けられ、負極集電体１０６の中央部に、後述の図１０に示す負極端子９５と同様の外部接続用の負極端子が取り付けられてもよい。【０１０２】
４．２  第２構成例
図９は、第２構成例の電池モジュール８１を、強制冷却を行うファンと風洞（空気流通空間）により冷却を行う構成を示した斜視図である。電池モジュール８１は下部に空気が流通する空気流通空間８２を備えている。吸気ファン８３ａと吸気ファン８３ｂによって吸い込まれた空気は、下部の空気流通空間８２、電池モジュール８１内の伝熱空間、及び、上部の空気流通空間８４を経て外部に放出される。図９における矢印は空気の流れる方向を示す。【０１０３】
図１０（ａ）は、第２構成例の電池モジュールの縦断面図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）において矢印ｘの方向から視た同電池モジュールの正極板および負極板の間に配置される導電部材を示す断面図である。図１０（ｃ）は、第２構成例の電池モジュールを構成する（以下で説明する）単位電池の正極板外部に配置される導電部材を示す斜視図である。図１０（ａ）における矢印ｘ以外の矢印は空気の流れる方向を示す。【０１０４】
この電池モジュール８１は、一例として６個の単位電池を積層したものである。各単位電池は、正極集電体である正極板８５と負極集電体である負極板８６との間に電解質溶液を装入するとともに、正極セル８５Ｓと負極セル８６Ｓの間に、アルカリ電解液中で腐食などの変質をせず、イオンは透過するが電子を透過させないセパレータ８７を介在させ、正極セル８５Ｓ内に正極活物質を装入し、負極セル８６Ｓ内に負極活物質を装入してなる構成である。そして、隣り合う２個の単位電池の間には、吸気ファン８３ａと吸気ファン８３ｂから吸い込まれた空気が流通する上下方向の空気流通経路８８が設けられている。【０１０５】
なお、空気流通経路８８は、正極板８５と負極板８６が対面している部分の全部にわたって設けられているのではなく、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示すように、正極板８５と負極板８６の中央部の上下方向に設けられている。空気流通経路８８の両側には導電部材８９が配置されており、正極板８５と負極板８６は導電部材８９によって接続されている。【０１０６】
セパレータ８７としては、例えば、四フッ化エチレン樹脂、ポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレンなどの織物や不織布又はメンブレンフィルターなどを使用することができる。導電部材８９としては、ニッケルメッキしたアルミニウム板等のニッケル金属板、ニッケル金属箔、炭素板、ニッケルメッキした鉄、ニッケルメッキしたステンレス鋼、ニッケルメッキした炭素などの材料であって、アルカリ電解質溶液中で腐食などの変質をせず、イオンが通過しなくて電気伝導性があるものを使用することができる。【０１０７】
各単位電池は絶縁板９３、９２により上下を囲まれている。下部及び上部の空気流通空間８２、８４は、夫々の下方及び上方を絶縁板９０、９１により囲まれている。更に、図１０に示すような左端の正極板８５の中央部には、外部接続用の正極端子９４が取り付けられている。図１０に示すような右端の負極板８６の中央部には外部接続用の負極端子９５が取り付けられている。【０１０８】
図１０（ａ）において、電池モジュール８１に代えて、図６に示す多孔質の集電部材４７を有する電池モジュール４０を使用することもできる。【０１０９】
また、空気流通経路８８の設けられた導電部材８９に代えて、図１１に示す伝熱板９６を用いてもよい。この伝熱板９６はアルミニウムを素材としてニッケルメッキを施したもので、上下方向に空気の流通経路９７が多数設けられている。この伝熱板９６を、導電部材８９に代えて、正極板８５と負極板８６の間に挿入して、吸気ファン８３ａと吸気ファン８３ｂによって吸い込まれた空気を流通経路９に流通させることができる。伝熱板９６は、正極板８５と負極板８６に接して正極板８５と負極板８６を電気的に接続するための部材でもあり、電気伝導性も有する。その点で、アルミニウムは電気抵抗が比較的低く、熱伝導率が比較的大きいので、伝熱板９６として好ましい特性を有しているが、酸化しやすいという欠点を有している。そこで、アルミニウム板にニッケルメッキを施したものは、酸化を抑制するだけでなく、ニッケルメッキが施されることにより接触抵抗が低下するので、伝熱板９６としてさらに好ましい。【０１１０】
４．３  第３構成例
図１２は、第３構成例の電池モジュールの横断面図である。図１３は、図１２の電池モジュールにおける伝熱板内の空気の流れ方向を示す図であり、図１２に示される絶縁板１０７、１０８が省略されている。図１４は、図１２の電池モジュール内における熱の伝達方向を示す図である。【０１１１】
この電池モジュール９８は、複数の単位電池を積層したものである。各単位電池では、対向して設けられた正極集電体９９と負極集電体１００の間に、アルカリ電解液中で腐食などの変質をせず、イオンは透過するが電子を透過させない蛇腹状のセパレータ１０１が交互に両集電体に近接するように配置される。更に各単位電池では、蛇腹状のセパレータ１０１と正極集電体９９とで区画される空間に電解質溶液１０２とともに正極活物質を含有する正極シート１０３が配置され、蛇腹状のセパレータ１０１と負極集電体１００とで区画される空間に電解質溶液１０２とともに負極活物質を含有する負極シート１０４が配置され、正極シート１０３と負極シート１０４がセパレータ１０１を挟んで交互に組み込まれている。また、正極シート１０３は正極集電体９９に接し、負極シート１０４は負極集電体１００に接している。そして、隣り合う２個の単位電池の間には、一方の単位電池の正極集電体９９ともう一方の単位電池の負極集電体１００に接するように図１１に示す伝熱板９６が挿入されている。この伝熱板９６の空気流通経路９７の向きは、正極シート１０３と負極シート１０４の上下方向に一致している。各単位電池の正極集電体９９と負極集電体１００との間は、セパレータ１０１によって正極セルと負極セルとに２分割され、セパレータ１０１と正極集電体９９とで区画され正極シート１０３が配置される領域が正極セルとなり、セパレータ１０１と負極集電体１００とで区画され負極シート１０４が配置される領域が負極セルとなる。【０１１２】
例えば、図９において、第２構成例の電池モジュール８１に代えて、本構成例の電池モジュール９８を用いることにより、電池モジュール９８を冷却するように構成できる。【０１１３】
図１２に示すように、導電性に優れるとともに熱伝導性のよい金属で構成された正極集電体９９と負極集電体１００が、それぞれ正極シート１０３及び負極シート１０４と直接接触し、その上、各集電体９９，１００が、電気的に正極集電体９９と負極集電体１００をつなぐ役割を果たす伝熱板９６と接触している。このことにより、図１３の矢印で示す方向に沿って伝熱板９６の空気流通経路９７を流通する空気に対して、電池反応の結果発生した熱は、図１４の矢印で示す方向に沿って効率的に伝達されて外部に放出される。このようにして、電池モジュール９８の温度は、電池反応をスムーズに実行することができる適正な範囲に維持される。【０１１４】
図１２に示すように、正極の端部には統括正極集電体１０５が設けられ、負極の端部には統括負極集電体１０６が設けられている。電池モジュール９８の側部には、絶縁板１０７、１０８が設けられている。統括正極集電体１０５の中央部に、例えば図１０に示す正極端子９４と同様の正極端子が取り付けられ、統括負極集電体１０６の中央部に、例えば図１０に示す負極端子９５と同様の負極端子が取り付けられる。【０１１５】
正極シート１０３は、例えば、正極活物質と導電性フィラーと樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを基板上に塗布して板状に成形し、硬化させたものである。負極シート１０４は、例えば、負極活物質と導電性フィラーと樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを基板上に塗布して板状に成形し、硬化させたものである。正極活物質および負極活物質としては、すべての公知の活物質材料を用いることができる。導電性フィラーとしては、炭素繊維、炭素繊維にニッケルメッキしたもの、炭素粒子、炭素粒子にニッケルメッキしたもの、有機繊維にニッケルメッキしたもの、繊維状ニッケル、ニッケル粒子、若しくはニッケル箔を、単独で、若しくは組み合わせて用いることができる。樹脂としては、軟化温度１２０℃までの熱可塑性樹脂、硬化温度が常温から１２０℃までの樹脂、蒸発温度１２０℃以下の溶剤に溶解する樹脂、水に可溶な溶剤に溶解する樹脂、若しくは、アルコールに可溶な溶剤に溶解する樹脂などを用いることができる。基板としては、ニッケル板などの電気伝導性のある金属板を用いることができる。【０１１６】
５．電池の耐久性向上の一例
電池にキャパシタ成分を加えて高速、短時間の充放電をこのキャパシタ成分で行い、不足分を電池が負担し、結果として、電池の耐久性を向上させることが可能である。というのは、キャパシタ成分の内部抵抗は電池の内部抵抗に比べて小さいので、高速で短時間の充放電を行った場合、キャパシタ成分が主に充放電するため電池の負担が少なくなるからである。この効果を得るためには、キャパシタ容量の大きな物質をセパレータと正極活物質の間およびセパレータと負極活物質の間に挿入する方法を採用することができる。例えば、図１５に示すような構造の単位電池を採用することができる。【０１１７】
図１５に示す単位電池は、正極側を正極集電体１１１で囲まれ、負極側を負極集電体１１２で囲まれ、側部を絶縁体１１３で囲まれる。これらで囲まれたセル内には電解質溶液が満たされる。そのセルは、アルカリ電解液中で腐食などの変質をせず、電子は透過させないが、イオンを透過させるイオン透過性の略蛇腹状のセパレータ１１４によって正極セル１１５と負極セル１１６に２分割されている。正極セル１１５内には、セパレータ１１４に全面的に接する正極活物質を含有する略蛇腹状のポリプロピレン繊維の不織布１１７が配され、さらに、不織布１１７に全面的に接するとともに正極集電体１１１に部分的に接する正極活物質を含有する略蛇腹状のニッケルフォームからなる成形体１１８が配されている。負極セル１１６内には、セパレータ１１４に全面的に接する負極活物質を含有する略蛇腹状のポリプロピレン繊維の不織布１１９が配され、さらに、不織布１１９に全面的に接するとともに負極集電体１１２に部分的に接する負極活物質を含有する略蛇腹状のニッケルフォームからなる成形体１２０が配されている。図１５に示す構成において、略蛇腹状のポリプロピレン繊維の不織布１１７と略蛇腹状のポリプロピレン繊維の不織布１１９がキャパシタ成分に相当する。【０１１８】
図１５に示す構成の密閉型電池において、略蛇腹状のポリプロピレン繊維の不織布１１７と略蛇腹状のポリプロピレン繊維の不織布１１９を取り除いた場合のサイクル寿命は４０００サイクルであったが、図１５に示すように、略蛇腹状のポリプロピレン繊維の不織布１１７と略蛇腹状のポリプロピレン繊維の不織布１１９を有する場合のサイクル寿命は１００００サイクルを超えた。【０１１９】
この図１５に示す構成の単位電池を複数積層して電池モジュールを構成することができる。例えば、前述の第２、第３構成例の場合と同様、図１０に示す導電部材８９あるいは図１１に示す伝熱板９６を介して図１５に示す構成の単位電池が複数個直列接続されるように積層すればよい。【０１２０】
以上に述べた各構成例では、複数の単位電池を積層して電池モジュールを構成し、その際、単位電池の積層方向（並び方向）と同じ方向に並ぶように正極セルと負極セルとを配置するとともに、互いに隣りあう一方の単位電池の正極セルと他方の単位電池の負極セルとの間に板状の集電体（図６の集電部材４７、図１０の正極板８５及び負極板８６、図１２の正極集電体９９及び負極集電体１００等）を配置している。そして、集電体（図６の集電部材４７）を多孔質部材とすることで、集電体の内部に冷媒流路が設けられた構成としている。あるいは、集電体（図１０の正極板８５及び負極板８６、図１２の正極集電体９９及び負極集電体１００）の間に、中央に空気流通経路８８を形成する導電部材８９（図１０参照）または空気流通経路９７となる通流孔が設けられた伝熱板９６（図１１参照）を挿入した構成としている。このような構成とすることにより、電池反応によって発生する熱を集電体から効率よく冷媒（例えば空気）へ取り込んで外部へ放散することができ、冷却効果が大きなものとなる。【０１２１】
なお、上記では、冷媒（伝熱媒体）として空気を用いたが、水または油等の液体を用いるように構成してもよい。また、これに限定されるものではなく、一般的に伝熱媒体として知られている気体または液体からなるすべての伝熱媒体を用いることができる。【０１２２】
また、複数の単位電池を積層して電池モジュールを構成し、その際、単位電池の積層方向（並び方向）と同じ方向に並ぶように正極セルと負極セルとを配置するとともに、互いに隣りあう一方の単位電池の正極セルと他方の単位電池の負極セルとの間に板状の集電体（図６の集電部材４７、図１０の正極板８５及び負極板８６、図１２の正極集電体９９及び負極集電体１００等）を配置し、１つの板状の集電体（図６の集電部材４７）を隣接する２つの単位電池の集電体として共用することによって、あるいは、隣接する２つの板状の集電体（図１０の正極板８５及び負極板８６、図１２の正極集電体９９及び負極集電体１００）が導電部材８９（図１０参照）または伝熱板９６（図１１参照）を介して広い面接触によって接続されることにより、複数の単位電池が直列接続されているので、電池モジュールの等価的な内部抵抗をより小さく抑えることができる。【０１２３】
以上に述べたように、各構成例のように電池モジュールを構成し、かつ冷却構造を備えることにより、電池反応による発熱を抑えることができるため、電池の劣化を抑制し、電池の長寿命化を図ることができる。また、電池モジュールの等価的な内部抵抗をより小さく抑えることができる。したがって、ニッケル水素電池８の長寿命化を図り、等価的な内部抵抗をより小さく抑えることができる。【０１２４】
６．まとめ
以上のように、本発明の第１の実施の形態における電気鉄道用電力供給システムは、変電所９において、ニッケル水素電池８をき電線５及び配線１５に直結した構成を有する。この構成により、昇降圧チョッパのような非常に高価な充放電制御装置を不要とすることができるため、装置全体の構成を簡単化できるとともに製造コストを低減できる。また、充放電制御装置における動作遅れもなく、急速充放電特性に優れ、き電線電圧を安定化できる。また、充放電制御装置として用いられる昇降圧チョッパが省略されれば、信号装置の障害となる高調波ノイズが発生するおそれもない。【０１２５】
本発明の第１の実施の形態における電気鉄道用電力供給システムは、充放電制御装置を要しないことから、その設置スペースが不要となる。また、一般的にニッケル水素電池は体積エネルギー密度が高いため、多数の単位電池を用いた高容量のニッケル水素電池８であっても、広大な設置面積を必要としない。また、前述した各構成例のように単位電池が積層された電池モジュールを用いてニッケル水素電池８を構成することにより、より小型化を図り、設置面積を小さくすることができる。例えば、前述の実証試験で用いた７５０Ｖ，８００Ａｈのニッケル水素電池８は、その体積が１８ｍ３のものである。【０１２６】
また、ニッケル水素電池８は内部抵抗が小さいため、電池内部で発生する発熱量が少なく、熱損失を低減でき、また、電池自体の放熱装置を少なくできる。【０１２７】
鉄道の電気車両においては、瞬間的な大電流の入り・切りや、架線とパンタグラフの離線や第三軌条と集電靴の離線により急激な電流、電圧の変化が発生する。ニッケル水素電池は、キャパシタ効果を持つため、瞬間的に急激な電圧の立ち上がり変化を受けても、または、逆に瞬間的に大電流を放出しても、他の電池に比較して、電池全体として電圧の変化をなだらかにすることができるという点で有利である。ニッケル水素電池８の単位電池を、後述する電池の耐久性向上の一例として図１５に示す単位電池の構成とすることにより、ニッケル水素電池８の持つキャパシタ効果をより高めることができる。【０１２８】
第２の実施の形態
１．電気鉄道用電力供給システムの構成、動作
図１６は、本発明の第２の実施の形態における電気鉄道用電力供給システムの概略構成図である。第１の実施の形態では、ニッケル水素電池８は電気鉄道用の変電所９に設置されていた。これに対して、本発明の第２の実施の形態における電気鉄道用電力供給システムでは、電気鉄道用の変電所と変電所の中間点のような変電所９以外の場所に、ニッケル水素電池８を含む電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂを設置している。【０１２９】
なお、本発明の第２の実施の形態に係る電気鉄道用電力供給システムで用いるニッケル水素電池８を構成する電池モジュールは、前述の第１の実施の形態で用いるニッケル水素電池８を構成する電池モジュールと同様のものでよい。【０１３０】
図１６に示す電気鉄道用電力供給システムにおいて、電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂは、ニッケル水素電池８が、き電線５に直結された構成を有している。ここで、ニッケル水素電池８が、き電線５に直結されている、とは、第１の実施の形態と同様に、ニッケル水素電池８が充放電制御装置を介さずにき電線５に接続されているということである。ニッケル水素電池８は、その正極側外部端子がき電線５に接続され、負極側外部端子が帰線（レール）７に接続されている。即ち、ニッケル水素電池８の一対の外部端子がき電線５及び帰線７に接続されている。実施の形態１で述べたように、ニッケル水素電池は、ＳＯＣに対する電圧変動が小さいことから充放電制御装置を必要とせず、き電線５及び帰線７に直結することができる。【０１３１】
電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂは、電気鉄道用変電所（電気車両用の変電所）９ａ、９ｂの構内とは異なる場所に設置され、電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂのニッケル水素電池８は、変電所９ａ、９ｂとき電線５の接続部分とは異なるき電線５の部分に直結されている。具体的には、電力貯蔵供給装置１０ｂについては、電気鉄道用変電所９ａと電気鉄道用変電所９ｂの中間地点のき電線５に、ニッケル水素電池８が直結されている。また、電力貯蔵供給装置１０ａについては、ニッケル水素電池８は、き電線５の端部５ｅに最も近い電気鉄道用変電所９ａからき電線５の端部５ｅ寄りの地点のき電線５に、または、き電線５の端部５ｅに直結されている。【０１３２】
以上のように構成される本実施の形態の電気鉄道用電力供給システムでは、電気車両１１ａ、１１ｂ、１１ｃで発生した回生電力は、電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂ内に設置されたニッケル水素電池８に蓄積される。ニッケル水素電池８に蓄積された電力は、き電線５の電圧状態に応じて電気車両１１ａ、１１ｂ、１１ｃに適宜供給される。【０１３３】
この構成により、き電線５の電圧が電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂ内のニッケル水素電池８の電圧より低くなろうとすると、ニッケル水素電池８からき電線５に放電され、き電線電圧の降下を抑えられる。これにより、き電線の電圧降下により個々の電気車両の走行に支障が生じることが防止され、電気車両の走行性能が充分に引き出され、結果として電気車両の全体の運行に支障を及ぼすことがなくなる。また、回生電力発生時にき電線電圧が電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂ内のニッケル水素電池８の電圧より高くなろうとすると、ニッケル水素電池８が充電され、き電線電圧の上昇を抑えられる。これにより、回生失効等が防止され、電気車両の走行エネルギーが無駄に消費されることが防止される。【０１３４】
ここで、き電線５にはそれ自体に抵抗があるため、変電所から遠くなるほど、電圧降下が大きくなる。つまり、変電所から遠く離れた地点を走行する電気車両が、加速して大量の電力を消費すると、より電圧降下が大きくなり、電気車両の走行に支障をきたすおそれがある。また反対に、電気車両が減速時には、発生する回生電力によってき電線電圧は上昇する。このとき、き電線５の抵抗により、回生電力を発生した電気車両付近のき電線の電圧上昇は、その電気車両付近よりも変電所に近い地点のき電線の電圧上昇に比べて、大きくなる傾向があり、回生失効等が発生するおそれがある。【０１３５】
上記の問題は、き電線５の抵抗と、変電所から電気車両までの長い距離とに起因する。そこで、本発明の第２の実施の形態では、特に、電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂを、変電所９ａと変電所９ｂの間や、線路の終端または始端付近に設けている。これにより、電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂから電気車両までの距離を相対的に短くでき、き電線５の抵抗に起因する、ニッケル水素電池８からの放電時のき電線電圧の電圧降下やニッケル水素電池８への充電時のき電線電圧の電圧上昇の変動を低減できる。【０１３６】
なお、電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂは、必要に応じて変電所間に設置すればよく、全ての変電所間に設置されなくてもよい。例えば、変電所間の距離が短ければ、その変電所間には設置しなくてもよい。また、き電線の端部にも、必要に応じて設置すればよく、き電線の端部と変電所との距離が短ければ設置しなくてもよい。【０１３７】
また、電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂがあれば、隣接する変電所が故障して送電できない場合でも電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂからの電力供給により電気車両を最寄の駅まで走行させることができる。さらに、短時間であれば電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂを変電所の代用とすれば、変電所の機能を停止させて変電所の保守整備を行うことができる。【０１３８】
また、新たに鉄道を敷設する場合には、電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂを変電所間に設置することで、変電所間の間隔を長くして変電所の数を少なくすることができる。ニッケル水素電池８によって構成される電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂに比べて、変電所の建設費用は多大である。また、既存の鉄道の変電所を廃止して電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂを設置し、余った敷地を有効利用することも可能になる。このように電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂが変電所の代替物になり得ることは、以下の実証試験の示すところである。【０１３９】
２．実証試験結果
本発明第２の実施の形態に係る電気鉄道用電力供給システムの実証試験を行った。図１７（ａ）〜（ｄ）は、その実証試験結果を示す図である。【０１４０】
この実証試験は、日本のある複線区間の電気鉄道用変電所において、例えば整流装置４と並列接続されるようにしてニッケル水素電池８をき電線５と帰線７間に接続し、同変電所の機能を停止させることにより、ニッケル水素電池８を有する電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂの実験装置とすることで、通常の変電所間隔の２倍の間隔の間に設置された電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂの能力を確認するものである。【０１４１】
この実証試験において、き電線の電圧仕様は７５０Ｖであり、ニッケル水素電池８の仕様は、７１２．５Ｖ、８００Ａｈである。また、停止状態の整流装置４及びニッケル水素電池８は、上り車両用及び下り車両用の電車線に接続されるき電線に接続されている。ここで用いたニッケル水素電池８は、例えば、図２に示すように、４個のユニット８Ａ〜８Ｄを並列接続したものである。各ユニット８Ａ〜８Ｄは、３７．５Ｖ，２００Ａｈの電池モジュールが１９個直列接続されて構成されている。また、各電池モジュールは、単位電池が３０個直列接続されて構成されている。【０１４２】
図１７（ａ）は、実証試験日の午前５時から６時までのニッケル水素電池８のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を示す。図１７（ｂ）は、同日の午前６時から７時までのニッケル水素電池８のＩ−Ｖ特性を示す。図１７（ｃ）は、同日の午前７時から８時までのニッケル水素電池８のＩ−Ｖ特性を示す。図１７（ｄ）は、同日の午前８時から９時までのニッケル水素電池８のＩ−Ｖ特性を示す。ここで、電流が負の値のときは充電、正の値のときは放電を示す。【０１４３】
図１７（ａ）〜（ｄ）におけるＩ−Ｖ特性は、直線ｅ〜ｈで示され、直線ｅ〜ｈは、概ね、Ｖ＝−０．０５Ｉ＋７５２である。【０１４４】
実証試験から、直線ｅ〜ｈにおいて、内部抵抗は０．０５Ω程度であることがわかる。また、最高電圧が８１５Ｖ、最低電圧が６３７Ｖであり、朝のラッシュ時間帯においても、７５０Ｖのき電線電圧において許容される９００Ｖ〜６００Ｖの範囲内に収まることが実証されたため、結果的にニッケル水素電池による給電設備により、変電設備の代替物となり得る、という試験結果となった。【０１４５】
３．まとめ
本発明の第２の実施の形態における電気鉄道用電力供給システムは、第１の実施の形態と同様に、ニッケル水素電池８をき電線５に直結している。このため、昇降圧チョッパのように非常に高価な充放電制御装置を不要にできるため、装置全体として構成を簡単にでき、製造コストを低減できる。また、充放電制御装置における動作遅れもなく、急速充放電特性に優れ、き電線電圧の安定化を実現できる。また、充放電制御装置として用いられる昇降圧チョッパが省略されれば、信号装置の障害となる高調波ノイズが発生するおそれもない。【０１４６】
特に、変電所から遠く離れた地点のき電線、例えば変電所と変電所の中間のき電線５や、線路の終端あるいは始端に対応するき電線の端部５ｅに、ニッケル水素電池８を直結して電力貯蔵供給装置１０ａ、１０ｂを構成する。これにより、変電所から遠く離れた地点において、き電線自体の抵抗や電気車両が加速することにより生じるき電線の大幅な電圧降下を抑え、電気車両の走行に支障をきたすことなく電気車両の走行性能を充分に引き出すことができる。それとともに、電気車両が減速する際に発生する回生電力によるき電線５の大幅な電圧上昇を抑え、回生失効等による電気車両の走行エネルギーの無駄な消費を抑えることができる。【０１４７】
なお、本発明の第１の実施の形態では、電気鉄道用電力供給システムにおいて、ニッケル水素電池を電気鉄道用の変電所に設置した。また、本発明の第２の実施の形態では、電気鉄道用電力供給システムにおいて、ニッケル水素電池を電気鉄道用の変電所以外の場所に設置した。ニッケル水素電池の設置場所はこれらの限定されない。一のニッケル水素電池を電気鉄道用の変電所に設置し、同時に、別のニッケル水素電池を電気鉄道用の変電所以外の場所に設置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本発明に係るニッケル水素電池を備えた電気鉄道用電力供給システムは、電気鉄道用変電所に設置されるニッケル水素電池を備えた電気鉄道用電力供給システム等として好適に用いることができる。【０１４９】
また、本発明に係る電気鉄道用電力供給システムは、電気鉄道用変電所から離れた地点に設置される電気鉄道用電力供給システム等として好適に用いることができる。
【図１】
2009107715.tif 000003
【図２】
2009107715.tif 000004
【図３】
2009107715.tif 000005
【図４】
2009107715.tif 000006
【図５】
2009107715.tif 000007
【図６】
2009107715.tif 000008
【図７】
2009107715.tif 000009
【図８】
2009107715.tif 000010
【図９】
2009107715.tif 000011
【図１０】
2009107715.tif 000012
【図１１】
2009107715.tif 000013
【図１２】
2009107715.tif 000014
【図１３】
2009107715.tif 000015
【図１４】
2009107715.tif 000016
【図１５】
2009107715.tif 000017
【図１６】
2009107715.tif 000018
【図１７】
2009107715.tif 000019
【国際調査報告】
2009107715.tif 000020
2009107715.tif 000021
2009107715.tif 000022
2009107715.tif 000023