ニッケル水素蓄電池を用いた屋外電源システム

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ニッケル水素蓄電池を用いた屋外電源システム

北野

利一

†

宮坂

明宏

†

山下

明

†a)

_正代

_尊久

†

An Outdoor Power-Supply System Using Nickel-Metal-Hydride Batteries

Riichi KITANO

†

, Akihiro MIYASAKA

†

, Akira YAMASHITA

†a)

, and Takahisa SHODAI

†

あらましバックアップ用ニッケル水素蓄電池を適用した屋外電源システムを開発した．使用したニッケル水素蓄電池は，副反応を抑制する改良が施され，充電効率改善，自己放電抑制の効果により，許容温度範囲_−20∼ 55◦_{C，自己放電量 20 %/30 日（45}◦_{C 環境），期待寿命 9 年（45}◦_{C 環境）の性能を有する．開発した屋外電源} システムは，_{200 VA 出力で 14 時間のバックアップ性能を有し，信頼性の高い受動的な熱制御を基本とした．充} 放電特性評価の結果，_{200 VA 負荷時の放電容量変動は −10}◦_C∼40◦_{C の範囲で 15 %以内に抑制され，真夏の環} 境下でも電池，インバータの温度は許容温度を超えないことを確認した．キーワードニッケル水素蓄電池，バックアップ電源，屋外，熱制御

1. まえがき

災害や事故の発生に対して行政機関では，被災状況に応じた迅速で適切な初動活動が求められている．特に近年では，大規模の地震や局所的な豪雨などの自然災害が頻発しており，正確な被災状況を把握することが重要な位置づけになっている．一例を示すと，管轄地区における要監視箇所である河川や山岳などに監視カメラと情報送信装置を組み合わせたモニタリングシステムを設置することによって，状況に応じた的確な判断を行い，市民の安全を確保する施策が国によって進められている[1]．しかし，自然災害や事故などの緊急時には，運用機器への商用電力供給に支障を来す場合もある．そこで，電源対策としては，直流電力装置やCVCF (Constant Voltage Constant Frequency)

によって瞬断や停電を補うとともに，予備発電機によって電力を供給する体制を構築中である[2]．また，使用実績が非常に多く，充放電性能も安定している据置用鉛蓄電池を使用することにより，信頼性が高く，メンテナンスの負担も小さい蓄電池設備を構築できる．更に，小容量ではあるが，高温使用として熱逸走を抑 †_{日本電信電話株式会社} NTT環境エネルギー研究所，厚木市

NTT Energy and Environment Systems Laboratories, NTT Corporation, 3–1 Morinosato-Wakamiya, Atsugi-shi, 243–0198 Japan a) E-mail: [email protected] 制したタイプも開発され，特に屋外使用には好適な特性を有するものも現れている[3]．しかし，予備発電機は起動まで時間を要することや定期的な燃料交換や保守などのメンテナンスが不可欠であることなど運用面での負担が大きい．また，一般的に鉛蓄電池の体積当り，及び重量当りのエネルギー密度は，それぞれ60∼ 100 Wh/，10∼30 Wh/kgと小さく，規定エリアでは積み増しが困難な場合があり，バックアップ時間も人が駆けつけて発電機を駆動させるまでの2∼3時間に限られることになる．そこで，現状では数時間しか維持できない電力供給を長時間延長でき，かつ信頼性を高く，更にメンテナンス稼動も縮減できる高性能な蓄電池によるバックアップの手段は，災害時における電力供給の有望な選択肢の一つである．据置用鉛蓄電池と比較してエネルギー密度が大きい電池候補には，大容量のリチウムイオン蓄電池やニッケル水素蓄電池を挙げることができる．その中では，産業用リチウムイオン電池では単セル80 Ahのモジュール[4]が報告されている．このリチウムイオン電池ではエネルギー密度を143 Wh/，74 Wh/kgと鉛蓄電池と比較して大きくでき，小型軽量が実現できる魅力的な電池である．しかし，全般の大容量リチウムイオン蓄電池にいえることであるが，長期間での信頼性・安全性が未検証な分野として残されている．次にニッケル水素蓄電池に関しては，電解質が水溶液であり，自己発火性がないという安全性の長所を有

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し，100 Ahクラスの大容量電池セルも実現可能である．これまでの一般的なニッケル水素蓄電池ではサイクル用途として，高率出力で小容量の電池セルが使用されており，据置用の大容量の電池セルについては，これまで報告された例は少ない．サイクル用途で用いられるニッケル水素蓄電池では，高率放電が可能であり，サイクル寿命が長いという特徴があるが，他方において自己放電量が大きく，充放電に温度依存性があり，特に高温では所望の性能を発揮することができない点が挙げられる．近年では，徐々に大容量のニッケル水素蓄電池も開発され，国内においてはサイクル用途ではあるが，10セル積層で一体化になった440 Ah の大容量セル[5]の発表がなされており，海外では据置用として報告されたSaft社の100 Ahセル電池[6] やCobasys社の85 Ahセル電池[7]の例がある．Saft 社のニッケル水素蓄電池では，電池内部の詳細は不明であるが文献[6]によると，サイクル用途も意識した 2 C程度の高率放電が可能であるが，一方では，使用上限温度が50◦C程度に制限される．特にセルを冷却するために水冷を適用可能な構造にするなど，高温使用下では十分な性能を得ることが困難なようである．また，Cobasys社の据置用として報告されているニッケル水素蓄電池に関しても，本来，ハイブリッド車搭載用として開発されたものであり，サイクル用の性能を有しており，Saft社同様に高温環境下での使用が困難であることや自己放電量が多いことが指摘される．いずれの電池にしても高温での熱制御が設計のポイントとなっているが，体積エネルギー密度や重量エネルギー密度に関しては，鉛蓄電池より2∼3倍程度大きな140 Wh/，70 Wh/kg程度と大きい．蓄電池搭載の屋外用バックアップ電源では，耐環境性を重視するため，外気と隔てるように密閉箱内に機器や電池が搭載される．したがって，箱内温度は季節変動に従い大きく変化する．特に夏季では機器や電池が高温に晒された状態になり，電池に対しては性能や寿命が大きく左右されることになる．通常，鉛蓄電池の寿命は常温環境下で3∼4年であり，一般的には Arrhenius則，いわゆる10◦C半減則に従い[8]，高温使用下では極端に寿命が短くなる．高温状態を回避するため，熱交換器や空調設備を設置することも可能ではあるが，電源システムをできるだけ安価に信頼性を高めた設計が必要で，高温耐久性を高めた蓄電池を用いることが有効な手段になる．そこで，筆者らはエネルギー密度を鉛蓄電池より高くでき，安全性も確保できるニッケル水素蓄電池に注目し，高温環境下で自己放電量が小さく，かつ十分な充放電性能を有し，かつ長寿命になる大容量のニッケル水素蓄電池セルを開発した．本論文では，まず，開発したニッケル水素蓄電池の充放電特性を求め，バックアップ用として所望の性能が得られた結果を示す．その上で，この蓄電池を電源システムに組み込んだ屋外用のバックアップ電源として，恒温槽を用いた低高温環境で得られた充放電特性，更に実験を基にして温度解析を含む太陽照射環境下での温度評価の結果について示す．

2. バックアップ用ニッケル水素蓄電池

2. 1 ニッケル水素蓄電池の改良屋外バックアップ電源に適用するニッケル水素蓄電池は，長期間での状態維持や寿命評価が必要になるなど，従来のサイクル用途で使用されているニッケル水素蓄電池とは異なる設計が必要となる．バックアップ用のニッケル水素蓄電池を設計するにあたり，留意した主な点を以下に示す．（1）夏場など高温環境下での充放電特性の向上（2）満充電状態からの自己放電量の低減（3）高温状態での劣化低減（長寿命化）以下，項目ごとに改良した結果について示す．（1）夏場など高温環境下での充電特性の向上ニッケル水素蓄電池の主反応を式(1)∼式(3)に示す．［負極］ MHx+ xOH− 放電 −−→ ←−− 充電 M + xH2O + xe− (1) ［正極］ NiOOH + H2O + e− 放電 −−→ ←−− 充電 Ni(OH)2+ OH− (2) ［全電池反応］ xNiOOH + MHx 放電 −−→ ←−− 充電 xNi(OH)2+ M (3) 充電では，まず，式(3)の主反応が進み，その後に副反応が生じる．正極での副反応を式(4)に示す．［正極での充電時の副反応］ OH−→1 4O2+ 1 2H2O + e − ₍₄₎ 一般のニッケル水素蓄電池では，35◦Cを超える高

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温で充電を実施すると，ニッケル極で酸素過電圧が急速に低下することによって式(4)に示す副反応が生じやすくなり[9]，充電に伴う酸素発生により充電効率が著しく低下する現象が見られる．そこで，高温時の充電効率を高めるため，小型のニッケル水素蓄電池ではニッケル極に希土類系酸化物，例えば，Er, Tm, Yb などを添加することによって，酸素発生の過電圧を高めて，より還元作用のある状態に保つ手段がこれまで報告されている．しかし，添加剤や添加量などについては，用途や電池容量，材料構成などに依存し，電池開発各社独自で最適化している[9], [10]．今回開発した大容量ニッケル水素蓄電池においても希土類系酸化物を添加することによって酸素過電圧のレベルを上昇させる手段を講じている．そのため，添加物の選択，添加量の調整等を実施した．正極への添加剤としては，酸化イッテルビウム(Yb2O3)とコバルト(Co)を含み，添加量は重量配分を変えて試験を実施し調整を行った結果，水酸化ニッケル(Ni(OH)2) 100重量部に対し，金属Coを5重量部，Yb2O3を4重量部とした．Yb2O3は，アルカリ中で水酸化物となり，ニッケル電極の酸素発生電位を大きく貴にシフトでき，高温でも充電効率を高く維持することができるため，副反応（式(4)）を抑えることが可能となる．（2）満充電状態での自己放電の低減ニッケル水素蓄電池は，一般にニッケルカドミウム電池よりも自己放電量が大きいため，実用化に際して，これまで自己放電量を低下する多数の報告がなされている[11]∼[13]．その中で自己放電の主な要因としては以下の2点が挙げられる． 1 これまでニッケルカドミウムではポリアミド系のセパレータが使用されており，電解液との接触で分解反応によってアンモニアが発生し，正極での酸化と負極での還元によって自己放電が促進される． 2 式(5)で示すような反応が生じることによって，ニッケル極での活物質(NiOOH)の自己分解が生じ，表 1 NiMH電池の改良点 Table 1 Improvements of NiMH battery.

この反応は特に高温で加速される． NiOOH +1 2H2O→ Ni(OH)2+ 1 4O2 (5) そこで，1に対する処置では，セパレータの材料を選択し，ポリオレフィン系の不織布を用いて，分解反応を抑制した．同時にスルホン化処理を施すことによって親水性も向上させている．また，2において，酸素ガスを発生し難くする点では酸素過電圧レベルを高めることが必要となり，正極での副反応を抑制することと同じ意味を成す．（3）高温状態での劣化低減（長寿命化）高温で充放電を繰り返した場合には，負極に含まれる水素吸蔵合金が電解溶液と反応し，腐食する．腐食によって水素吸蔵合金は水酸化物になり，反応時には電解溶液の水を消費するため，電解溶液の液量の減少が生じ，電池内における内部抵抗が上昇する．特に温度が高い場合には，酸素発生によって水素吸蔵合金の腐食作用を高める．電解溶液組成の設計では，電池の低温放電特性を高めるには電気導電性を向上させ，水酸化カリウム (KOH)の濃度比率を高める方法が有効である．一方，高温での充電効率を高め，自己放電量を抑制するには，酸素過電圧を上昇できるように水酸化リチウム (LiOH)濃度比率を上げる必要がある．本開発では，高温における充電効率改善と自己放電量の抑制を主な設計指針に設定し，電解溶液組成を決定した．電解溶液として，KOH，LiOH，及びNaOHの三成分混合液とし，LiOHは他のアルカリ溶液に対して溶解限界があるため，高温における電気導電性が高いNaOH の濃度比率を高く設定した．上記の改良点を表1に示し，開発したNiMH電池の諸元を表2に示す．開発したNiMH電池について充放電特性を測定した．放電の前の充電は，電池の発熱を抑制し，充電時間を短くすることができる20 A一定電流により行い，

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充電終止は電池温度の上昇率の測定で判定した．充電終止判定値はdT /dt = 0.3◦C/分とした．充電後に， 30 A一定電流による放電を行い，電圧が1.0 Vに達するまでの放電容量を測定した．放電電流を30 Aとしたのは，バックアップ電源システムの放電時間が3 時間で設計されていることによる．図1に25◦C，及び55◦C環境下における充放電特性を示す．充電容量が放電容量よりも大きいのは，充電時には内部抵抗による損失や式(4)により表される副反応によりエネルギーが消費されるためである．環境温度55◦Cの放電容量は，環境温度25◦Cの結果と比較して2 %程度しか減らず，55◦Cの高温環境下でも充放電が十分可能であることが分かる．次に，自己放電特性を試験により評価した．試験では，環境温度を変えた状態で満充電後の放置日数と自己放電量の関係を求めている．図2に試験結果を示す．図中の縦軸に自己放電率，横軸には放置日数の平方根をとっている．記載された自己放電量は，放置する前に測定した容量を100としたときの放電量の割合である．容量が100 %から70 %までの範囲では，自己放表 2 NiMH電池の諸元 Table 2 Parameters of NiMH battery.

図 1 充放電特性

Fig. 1 Charge/Discharge characteristics.

電率は放置日数の1/2乗に比例した．また，環境温度 45◦Cで30日間放置すれば，20 %程度の自己放電量であることが分かる．図3は，寿命を評価した結果であり，環境温度45◦C，及び55◦Cでの放電容量劣化の特性を示す．横軸は充電状態で放置した日数，縦軸は所定の放置日数が経過した後の放電容量であり，劣化前の容量を100としたときの劣化の容量割合を示す．自己放電により，電池残容量が90 %になった場合には充電を実施し，温度こう配判定(dT /dt)で満充電判定を行っている．図2に示すように自己放電量は温度に依存するため，例えば， 45◦Cのときは10日に1回，55◦Cのときは5日に1 回の割合での充電となる．放電容量の測定は，メモリ効果を解消するため，一度1.0 Vまでの放電を行い， 20 A一定電流充電を充電終止判定（dT /dt = 0.3◦C/ 分）に到達するまで行った後，30 A一定電流放電を電図 2 自己放電特性 Fig. 2 Self-discharge characteristics.

図 3 劣化特性

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圧が1.0 Vに達するまで行ったときの放電容量を求めることにより行った．劣化試験を継続して行っているが，現状では放置日数に関して容量割合が線形に減少している傾向が見られる．仮に線形性を維持したまま電池取換えである 80 %の容量に達する日数を算出すると45◦Cで9年程度となる．55◦Cの場合には2年程度である．したがって，現状の結果では45◦Cの高温環境下で長寿命が期待できると考える．一般的に鉛蓄電池は，Arrhenius則をもとにした 10◦C半減則が成り立ち[8]，例えば，20◦C環境下で6 年の寿命であれば，30◦C環境下では3年になることが知られている．しかし，図3の結果からは，この法則が成り立っていない．したがって，通常では，電池に寿命を評価する際に温度半減則に立脚して環境温度を設定して加速試験をするが，本電池の加速試験を実施する際の環境温度設定には詳細な検討が必要になる．今後，放置日数と劣化容量の関係は線形性が維持されるのか，Arrhenius則が成り立つのか，急激な劣化現象が生じるのかなど，試験を継続して確認する必要がある．

3. NiMH

電池搭載屋外電源システム

3. 1 構成バックアップ用のNiMH電池を搭載した屋外電源システムの外観，構成図を図4，図5に示す．また，仕様を表3に示す． NiMH電池は10セルを直列に配置した電池モジュールとして電源システムに組み込んでいる．図6に電池モジュールを示す．モジュール化の特長としては， 1 モジュールに冷却ファンを配備することによってモジュールごとの独立熱制御が可能になり，電池規模（モジュール数）を変えても電池の温度管理法を変える必要がない．2出力容量に合わせてモジュール個数を調整できるため，容易に電源システムの規模を変えることができる．3モジュール箱に一体化されたコネクタにより，電源システムへの脱着が容易になることから複雑な配線作業が不要になり，安全かつ迅速に電源システムを構築できる．以上の3点を挙げることができる．屋外電源システムの出力は，交流100 V，定格電力 200 VAである．電池モジュールは並列状態で電源システムへ接続され，バックアップ時間に応じて，蓄電池モジュール数を1箱から3箱まで調整できる．電池図 4 屋外電源システム外観 Fig. 4 Appearance of the system.

図 5 屋外電源システム構成図 Fig. 5 Block diagram of the system.

表 3 屋外電源システム仕様 Table 3 Speciﬁcations of the system.

の最大搭載容量は3.4 kWhである．屋外電源システムは，充電器，インバータ，切換器及び制御装置を含む電源部，及び電池モジュールを搭載した電池部から構成される．電源部は電池部の上部に設置されている．平常時には商用電力がパイパス回路を通して負荷へ供給される常時商用方式を採用しており，停電発生時には高速半導体スイッチにより電池出力へ切り換えられ，インバータを介して電力供給が行われる．

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3. 2 評価機器と熱設計指針屋外電源システムでは，ほぼ密閉状態になるため，内部機器からの発熱，更に外部からの太陽光入射や設置面からのふく射などによって内部機器温度が上昇する．ここで，温度評価が必要となる機器は，インバータ，及び電池である．搭載機器には充電器も含まれているが，充電器が稼動する状況は，電池の自己放電により残容量が90 %未満となったとき，期間としては1 か月に1回程度である．更に充電器からの発熱量も小さく，充電時間も30分程度と短いため，急激な温度上昇が生じない．インバータの発熱量や許容温度などを表4に示す．熱的に最も厳しくなる条件は電池モジュールを1箱搭載した場合であり，負荷を200 VAとすると，放電末期に20 A程度の電流が1モジュールに流れる．電池からの発熱はジュール熱であり，流れる電流の2乗に比例するため，電流が大きくなると発熱量も大きくなる．なお，電池温度としては，図1で示す環境温度 55◦Cのときの満充電時の電池温度が65◦Cであったため，電池許容上限温度をこの値に設定した．屋外用電源システムの熱設計指針として，システム信頼性を向上させるため，受動的な熱制御法を基本とする．ただし，搭載機器が規定以上の温度状態になった場合には，各機器に内蔵している冷却ファンが駆動する．以下に主な熱制御手段を示す． • 電源システムの外壁には，赤外線反射塗料を塗布し，太陽光吸収量を抑制する．図 6 電池モジュール Fig. 6 Battery module.

表 4 インバータ発熱量と許容温度

Table 4 Heat and limit temperature of the inverter.

• 電源システムには天蓋板を設けて，太陽光吸収量が多い天蓋から電源システム内部への熱入力をふく射によって遮断する． • インバータと搭載板間の接触熱抵抗を軽減するため，取り付け圧力（接触圧）を増し，熱伝導を促進させる． • インバータ内部機器の温度が規定以上になったときには内蔵ファンを駆動させる．ここで，インバータ内部機器の温度を測定することが困難なため，インバータきょう体に温度規定点を設け，内部機器温度の推定を行っている．内蔵ファン駆動時の温度は，設置環境に依存しており，規定点で 45± 5◦C程度である． • 電池温度が45◦Cを超えた場合には，電池モジュール内蔵の空冷ファンを駆動する．温度センサは最も高温になる電池セルに取り付けている． 3. 3 放電特性と温度評価試験屋外用電源システムの放電試験を恒温槽内で行って機器の温度を評価した．20◦C環境下で充電を行った後，商用電力を負荷へ供給した状態で停電を起こし，電池からの放電に切換えた．電源システムの放電停止は，電池モジュールからインバータへの入力電圧が 11.4 V以下になるときである．搭載電池モジュール数は1である．環境温度40◦Cで負荷を200 VA (180 W) に設定した場合のインバータ温度，及び電池温度の測定結果を図7に示す．電池から放電する前では，インバータ，及び電池が待機状態であり，それぞれの内蔵ファンは駆動していない．図7の結果より，環境温度が40◦Cでは屋外電源システム内部の温度は50◦C程度に達することが分かる．内部発熱としては，インバータや充電器の待機状態での発熱，及び高速半導体スイッチによる発熱である．これらの機器の総発熱量は40 W程度である．電池からの放電が始まると，電源システム内の温度が45◦Cを超えているため，インバータ，及び電池モジュールに内蔵している空冷ファンが駆動する．その結果，インバータや電池の温度は低下する．電池については，放電に伴う電池電圧の低下による電流の増大

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のため，放電末期では電池からの発熱量が増大し，温度も上昇する傾向が見られる．この結果より，環境温度が40◦Cであってもインバータと電池温度は，ともに許容上限値を超えないことが確認された．図8に放電時の電池モジュールの電圧値，及び電流値を示す．横軸は電池モジュールの放電容量である．この結果より，電池モジュールからの放電容量は85 Ah 程度であることが分かる．1モジュールの電池容量の公称値は95 Ahであるが，電池下限電圧を11.4 Vと規定しているため，10 Ahほど容量が小さくなっている．次に低温環境下における放電時の温度特性について示す．図9は，環境温度を−10◦Cとして放電したときのインバータと電池の温度推移である．放電初期における電池温度は0◦Cであるが，そのときのインバータ温度は，待機時の発熱や電池よりも上部に位置するなどの理由のため，10◦Cほど温度が高くなってい図 7 放電時の電池，インバータ温度の推移（負荷 200 VA， 40◦C）

Fig. 7 Temperature characteristics under discharge at 200 VA, 40◦C.

図 8 放電時のモジュール電圧，電流の推移（負荷 200 VA， 40◦C）

Fig. 8 Voltage/Current characteristics under discharge at 200 VA, 40◦C. る．この実験結果より，両者とも放電後の温度上昇としては5◦C程度であることが分かる．また，図10に電池の電圧，及び電流を示す．放電初期では，電池温度が0◦C程度と低温であるため，電池電圧が環境温度 40◦Cのときよりも高めである．低温環境下での放電では，放電電流が高温時と比べて大きく内部抵抗による損失が増大したため，電圧低下率が大きくなり，放電容量は75 Ahと高温時と比べて90 %程度であった．一般に電解液の電気抵抗は粘度に比例する[14], [15]．電解液の粘度は温度が低いほど増大するため，低温では内部抵抗が大きくなり，放電時の電圧降下が大きくなって放電容量が減少する．これまでの結果から分かるように，放電容量は環境温度に依存する．そこで，環境温度を変えて200 VA 負荷時の放電容量を求めた結果を図11に示す．電池の充電条件は同一であり，図1で示したように，環境温度を25◦Cから55◦Cに変えてもほとんど影響をな図 9 放電時のインバータ，電池温度の推移（負荷 200 VA， −10◦_C）

Fig. 9 Temperature characteristics under discharge at 200 VA,−10◦C.

図 10 放電時の電池電圧，電流の推移（負荷 200 VA， −10◦_C）

Fig. 10 Voltage/Current characteristics under discharge at 200 VA,−10◦_C.

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図 11 放電容量の温度依存性

Fig. 11 Temperature dependence of discharge capacity.

さないため，25◦C環境下で同じ電流量を充電している．図11では，40◦C環境下での放電量を100とした場合の各環境温度での放電容量率を求めた結果を示している．この結果より，−10◦Cから40◦Cの範囲では，バックアップ容量の変動が15 %以内に抑制されていることが分かる．また，40◦C環境では，インバータ及び電池モジュールの空冷ファンの駆動による消費電力は大きくなるが，図11の結果より，その寄与は極めて小さいことが分かる． 3. 4 太陽光照射での温度評価 3.3では，恒温槽内の高温環境下で放電特性を評価したが，運用時には電源箱が太陽に晒されて，内部機器が更に高温になる可能性がある．そこで，実際に電源システムを真夏の晴天時に屋外へ設置し，放電を実施して内部機器の温度を測定した．そのときの実験条件を表5に示す．放電試験は屋外へ電源システムを運び出した後に行っている．温度センサは，内部搭載機器（インバータ，充電器，電池），内部空気（インバータ周り，電池回り），及び電源箱の壁面内部（4側面）に設置している．しかし，放電後2時間から曇り状態になったため，放電を中止した．そこで，電源システムの温度解析を実施し，実測値との比較による考察を行った．更に温度解析によって，機器の許容温度に対する最大負荷量も明らかにした．図12にインバータ温度，電池温度，内部空気温度，及び電源箱壁面温度の実測結果を示す．電源箱の温度は4側面（東西南北に向いた側内面）の平均温度であり，4側面の温度差は4◦C以内と小さい結果が得られている．インバータきょう体の温度規定点が45◦C± 5◦C以表 5 屋外における実験条件 Table 5 Experimental conditions.

図 12 放電時の温度変化

Fig. 12 Temperature characteristics under discharge outdoor. 上になると内蔵ファンの駆動が始まる．実験では，0.7 時間を過ぎた後に空冷ファンが駆動し，インバータを冷却し始める．インバータ温度は取り込む空気温度に依存し，空気温度は電源箱温度に依存する．更に電源箱温度は太陽光吸収量や内部発熱量で決定される．図12の結果より，インバータ，内部空気，及び電源箱壁面の温度は，インバータ内蔵ファンが駆動した後では，ほぼ同じ温度差で推移し，その値も3◦C以内と小さい．一方，電池は熱容量が大きく温度上昇に時間を要し，放電後，2時間を超えても45◦Cに達していないので，内蔵ファンも駆動しない．電池の温度上昇は直線的であり，放電時間を5時間と仮定し，線形に温度上昇するとしても上昇温度は60◦C以下である．更に45◦C以上では電池モジュール内蔵ファンが駆動するため，上限温度65◦Cには達することはない．したがって，高温で厳しい環境におかれる機器はインバータであり，特にインバータ温度を評価対象とした．インバータ温度は，空冷ファンによって通過する内部空気温度に依存し，内部空気温度は太陽光に晒された電源システムの温度に依存する．そこで，電源システムの温度を解析によって求め，更に求めた電源システムの温度をファン駆動時の空気温度条件として与えることでインバータ温度を算出した．式(6)に電源システム，及び式(7)にインバータに

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ついての熱平衡式を示す． Cps dTs dt +hsAs(Ts− T∞)+σεF As Ts4− T 4 ∞ −Qsol− Qrad− Qin= 0 (6) Cpi dTi dt +hiAi(Ti− Ts)+cpaρauaAa(Ti− Ts) −Qi= 0 (7) 上式における係数の説明を表6に示す．式(6)の左辺の第1項は熱容量に蓄えられる熱量，第2項は表面から外気への対流による放熱，第3項は外気へのふく射，第4項は電源箱へ吸収される太陽光熱量，第5項は地面と電源箱間のふく射，第6項は電源システムの内部発熱である．式(7)の左辺第2項はインバータきょう体からの放熱，第3項は内蔵ファンによって除去される熱量であり，別途，インバータ個体試験にて流速等を求めている．第4項はインバータ発熱量である．ここで，式(6)，式(7)で示される熱伝達率hiとhs は，自然対流時のものであり，これまで多くの研究がなされているが，その中で文献[16]に示される式(8)，式(9)を用いて計算を実施した．この式については分野を問わず，多くの文献[17]∼[19]などでも用いられているものである．表 6 係数の説明

Table 6 Explanation of coeﬃcient.

表 7 パラメータの設定

Table 7 Geometric parameter in natural convection. Nu= hx k = C(Gr· Pr) m ₍₈₎ Gr= gβΔT x3 υ2 (9) ここで，NuはNusselt数，GrはGrashof数，Pr はPrandl数，hは空気の熱伝達率，kは空気の熱伝導率，C及びmは形状や設置状態で決定できる自然対流のパラメータであり，本計算では，文献[16]を参照として表7に示す値に設定している．xは対象物の代表寸法，gは重力加速度，βは空気の体膨張係数，νは空気の動粘性係数，ΔT は温度差である．また，熱入力量，Qsol，Qrad，Qin，(Qi)に関して，表8に示す．ここで，Qradは，地面と電源システム間のふく射による影響であり，計算結果より，地面と電源温度の差が小さくなるため，熱量としては6 W程度と小さく，太陽光吸収量Qsolや内部発熱Qinが大きいため，無視できる値が得られた．そこで，計算ではQradの項は除外している．図13に式(6)，及び式(7)から得られたインバータと電源システムの温度を示す．解析における初期温度は，外気温である35◦Cに設定している．実測値で示す値はインバータ温度，及び電源システム箱表面の平均温度である．解析結果より，各機器の温度が平衡状

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表 8 熱入力量 Table 8 Thermal input.

図 13 充電時の温度変化

Fig. 13 Temperature characteristics under charge outdoor. 態に達するにはおおむね3時間かかることが分かる．実測値と解析値を比較すると，実験開始直後では，両者の差が大きくなっている．この理由としては，初期における実験条件と解析条件が異なるからである．すなわち，インバータ温度計算時での条件は，インバータ内蔵ファンが既に駆動していると仮定しており，ファンの吸い込み空気温度を電源システム温度に設定している．しかし，実験では，開始直後にインバータ温度が45◦Cを超えていないため，内蔵ファンが駆動していない．したがって，駆動時のインバータ温度が低い理由と内部空気間の伝熱が小さいことにより，解析値と実測値の差が生じている．しかし，放電が続き，インバータからの発熱は生じて，インバータ温度が45◦Cを超えるようになると，内蔵ファンが駆動するので，実測値と解析値は急速に一致する傾向が見られた．解析予測の目的は，高温環境下でのインバータ温度を評価することである．この解析結果より，インバータ温度は，負荷200 VAの真夏の環境下においても許容温度65◦Cを超えない見通しが得られた．次に，同じ環境下でインバータへの最大負荷量を求めた．図14にインバータ負荷量とインバータ平衡温度との関係の解析結果を示す．負荷量とインバータ平衡温度は線形の関係になり，インバータ温度上限を図 14 インバータ負荷量とインバータ平衡温度との関係 Fig. 14 Relationship between inverter load and

inverter equilibrium temperature.

65◦Cとすると，インバータの最大負荷量は600 Wであることが分かる．以上の結果より，公称負荷として考えている200 VA では，インバータ許容温度範囲内に維持でき，屋外電源システムとして所望の性能を期待できる．更に，負荷量を増して600 Wとしても屋外電源システムは高温環境下で使用できることが明らかとなった．

4. むすび

屋外バックアップ電源用蓄電池として開発したニッケル水素蓄電池を適用した屋外電源システムを開発し，充放電特性の評価を行った．この結果，以下を明らかにした．（1）ニッケル水素蓄電池に対して，酸素過電圧を高めて正極での副反応を抑制するため，1正極に希土類系酸化物を添加し，正極周辺の見掛けの水酸基濃度を減少させて副反応を抑制し，2セパレータにポリオレフィン系の不織布を採用して分解反応を抑制し，3

電解液をKOH，NaOH，LiOHの3成分混合液として酸素過電圧の上昇を図り，NaOHの濃度比率を高く設定して高温における電気伝導性を高めた．この結果，高温時の充電効率改善及び自己放電抑制の効果により，許容温度範囲−20∼55◦C，自己放電量20 %/30

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が得られた．（2）開発した屋外電源システムは，200 VA出力で14時間のバックアップ性能を有し，電池のモジュール化により着脱を容易とした．信頼性を向上させるため，受動的な熱制御を基本とし，太陽光による内部への熱入力を抑制するための赤外線反射塗料，天蓋板を利用し，また内部の熱拡散を促進する構成とした．その結果，200 VA負荷時の放電容量変動は−10◦C∼ 40◦Cの範囲で15 %以内に抑制され，真夏の環境下でも電池，インバータの温度は許容温度を超えないことを確認した．文献 [1] 国土交通省河川局河川計画課，“河川局における情報化の取組み，” JACIC情報（日本建設情報総合センター），no.80, pp.41–45, Oct. 2005. [2] 二階堂義則，“国土交通省の防災情報システム，”電気設備学会誌，vol.26, no.4, pp.252–255, April 2006. [3] 広瀬圭一，馬場崎忠利，本圖有，白羽真，“高温対応

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山下明（正員）昭 55 東北大・理・化学卒．昭 60 同大大学院博士後期課程了．同年 NTT 入社．以来，バイオエレクトロニクス，有機分子線蒸着法，アルカリ蓄電池のバッテリーマネージメントの研究に従事．平 14 年 7 月より現職．日本化学会，電気化学会各会員．理博．正代尊久昭 61 九大・工・応用原子核卒．昭 63 同大大学院修士課程了．同年 NTT 入社．リチウムイオン電池やニッケル水素蓄電池の研究開発に従事．平 18 年 4 月より現職．米国電気化学会，電気化学会，固体イオニクス学会各会員．平 20 年 1 月より電池技術委員会幹事．博士（工学）．

ニッケル水素蓄電池を用いた屋外電源システム