JP2002008714A - 高温ナトリウム二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電力貯蔵装置や電気自動車などに用いるに好適
な高温ナトリウム二次電池モジュールを提供する。 【解決手段】液体ナトリウムを収納した負極室と、正極
活物質を収納した正極室と、前記負極室，正極室間を分
離した固体電解質袋管とを含む高温ナトリウム二次電池
を複数個電気接続し、保温容器内へ収納した高温ナトリ
ウム二次電池モジュールであって、前記固体電解質袋管
を横置きして、前記高温ナトリウム二次電池を保温容器
内へ配列する高温ナトリウム二次電池モジュール。 【効果】ｋＷ当たりやｋＷｈ当たりのモジュールコスト
を低減することができると共に、電池を収納する保温容
器の高さが小さくできて、電気自動車や小型ビル内に設
置する場合のように、設置空間に高さ制限がある場合に
もモジュールの設置が容易に行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力貯蔵装置や電
気自動車などに用いるに好適な高温ナトリウム二次電池
モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】負極室内に液体ナトリウム，正極室内に
硫黄，多硫化ナトリウム，セレン，テルル，金属塩化物
などの正極活物質を充填し、負極室／正極室間をβ型や
β″型のベータアルミナセラミックス製の固体電解質袋
管で分離した構造の高温ナトリウム二次電池は、長寿命
でエネルギー密度が大きいことから注目され、電力貯蔵
装置や電気自動車などへの利用が期待されている。この
電池の運転温度はナトリウムの融点を超えた１００℃以
上と高いため、真空断熱容器などの保温容器内へ電池を
収納したモジュールとして使用されるが、例えば特許公
開平10-294128号公報などに見られるように、普通は電
池を直立して運転されている。ここで、ｋＷ当たりやｋ
Ｗｈ当たりのモジュールコストを低減するためには、コ
ストの大半を占める単電池の大きさを大きくし、単電池
の容量を増やして電池本数を減らす必要がある。しかし
ながら、袋管状の固体電解質を用いた場合には、固体電
解質袋管の長さが直径よりも大きいのが一般的なため
に、電池の高さが幅よりも大きくなり、大容量化すると
その分電池の高さが高くなって、保温容器の高さも大き
くなり、電気自動車や小型ビル内に高温ナトリウム二次
電池を設置する場合のように、設置空間に高さ制限があ
る場合には、モジュールの設置が困難になるという問題
があった。さらに、高温ナトリウム二次電池モジュール
をビル内に設置する場合、地下置きでも特別な補強工事
がされていないと重量制限は１ｍ² 当たり５００〜１０
００kg程度であり、また、地下以外の床に置く場合には
１ｍ² 当たり３００〜５００kg程度以下にする必要があ
るなど、面積当たりの重量制限があるが、大型電池を直
立させた場合の単位面積当たりのモジュール重量はこれ
よりも大きくなりやすく、屋内設置が困難になるという
問題もあった。なお、電池を直立させた場合にも、モジ
ュール内の電池充填密度を下げれば単位面積当たりの重
量を低減することは可能であるが、この際にはモジュー
ルの面積や容積が増加して、エネルギー密度が低下する
という新たな問題が発生する。

【０００３】また、モジュールの低コスト化のために単
電池を大容量化する場合には、固体電解質袋管の高さ又
は／及び幅を増加させる必要があるが、一般に高さを大
きくすると正極室内の上下方向に重力によって活物質の
濃度分布や組成分布が付きやすく、この結果電池内に起
電力分布を生じて循環電流が流れ、電池の効率が低下す
るという問題があった。一方、固体電解質袋管の高さを
変えずに幅を大きくすることも可能であるが、この場合
には固体電解質袋管の容積と表面積との比が大きくなっ
て、固体電解質袋管内に充填された活物質を所定時間内
に反応させるためには運転時の電流密度を増加させる必
要があり、内部抵抗の影響で電池の効率が低下するとい
う問題も有った。

【０００４】このように、従来の高温ナトリウム二次電
池においては、モジュールの設置空間の高さの自由度向
上やモジュールの低コスト化と高効率化との両立など、
実用化のための課題が残されていた。

【０００５】この問題に対する対策として、先に固体電
解質袋管を横置きして、水平または斜めに寝かせて電池
効率を向上させた高温ナトリウム二次電池についての特
許を特許出願平１１−２５２５９７号として出願した
が、この構造の電池を用いたモジュールについての検討
は不十分であった。なお、電池を傾斜させて保温容器内
へ収納したモジュールについては、公開実用新案昭５９
−５７８６２号公報が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
従来技術の欠点を除き、設置空間の高さの自由度が高
く、且つ、低コスト化と高効率化との両立が可能なモジ
ュールを提供するにある。また、本発明の他の１つの課
題は、高温ナトリウム二次電池を複数個保温容器内に収
納した、効率や安全性の高い高温ナトリウム二次電池モ
ジュールを提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の高温ナト
リウム二次電池モジュールは、液体ナトリウムを収納し
た負極室と、正極活物質を収納した正極室と、前記負極
室と正極室間を分離した固体電解質袋管とを含む高温ナ
トリウム二次電池を複数個電気接続して保温容器内へ収
納し、前記固体電解質袋管を水平方向又は斜め方向に横
置きして、前記高温ナトリウム二次電池を保温容器内へ
配列した高温ナトリウム二次電池モジュールであって、
前記保温容器内に配列した全電池間を直列接続すること
を特徴としている。また、本発明の第二の高温ナトリウ
ム二次電池モジュールは、液体ナトリウムを収納した負
極室と、正極活物質を収納した正極室と、前記負極室と
正極室間を分離した固体電解質袋管とを含む高温ナトリ
ウム二次電池を複数個電気接続して保温容器内へ収納
し、前記固体電解質袋管を水平方向又は斜め方向に横置
きして、前記高温ナトリウム二次電池を保温容器内へ配
列した高温ナトリウム二次電池モジュールであって、前
記保温容器内に上下方向に配列した電池間を直列接続し
てストリングを形成し、前記ストリング端部に位置する
電池間を水平方向に並列接続して電池ブロックを形成す
ることを特徴としている。さらに、本発明の第三の高温
ナトリウム二次電池モジュールは、液体ナトリウムを収
納した負極室と、正極活物質を収納した正極室と、前記
負極室と正極室間を分離した固体電解質袋管とを含む高
温ナトリウム二次電池を複数個電気接続して保温容器内
へ収納し、前記固体電解質袋管を水平方向又は斜め方向
に横置きして、前記高温ナトリウム二次電池を保温容器
内へ配列した高温ナトリウム二次電池モジュールであっ
て、前記保温容器内に水平方向に配列した電池間を直列
接続してストリングを形成し、前記ストリング端部に位
置する電池間を上下方向に並列接続して電池ブロックを
形成することを特徴としている。

【０００８】本発明の第二，第三の高温ナトリウム二次
電池モジュールにおいては、前記電池ブロック同志を直
列接続又は／及び並列接続することができる。

【０００９】また、本発明の高温ナトリウム二次電池モ
ジュールにおいては、前記高温ナトリウム二次電池を収
納容器へ収納するか、あるいは、金属ベルトなどで固定
して、前記保温容器内へ設置すること、又は／及び、前
記固体電解質袋管の長さが直径よりも大きいことが望ま
しい。

【００１０】さらに、本発明の高温ナトリウム二次電池
モジュールにおいては、前記高温ナトリウム二次電池の
正極室内部に、集電体を前記固体電解質袋管の側面に沿
って設置し、前記固体電解質袋管と前記集電体との間に
多孔質導電材を充填したことが望ましく、ここで、前記
高温ナトリウム二次電池の側部が直方体形状であるこ
と、前記集電体に貫通孔を設け、前記貫通孔の面積割合
が３〜５０％の範囲であること、又は／及び、前記多孔
質導電材の充填密度が５〜２５体積％であり、前記固体
電解質袋管と前記集電体との間隔が１〜２０mmの範囲に
あることが特に望ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を用いて説明
する。

【００１２】図１は本発明の第一の高温ナトリウム二次
電池モジュールの構造例を示している。この図におい
て、１００は高温ナトリウム二次電池で、後述の図５に
示されたように電池の外側に絶縁された鞘管２０が設け
られた構造のものが用いられ、真空断熱容器などの保温
容器１０１内に水平方向と上下方向にならべて収納され
ている。ここで、電池を構成する固体電解質袋管１を水
平方向や斜め方向に横置きすることにより、高温ナトリ
ウム二次電池１００を寝かせて、保温容器１０１内に配
置されている。１０２は電池間を接続したり、電池と外
部回路とを接続するブスバであり、マイカなどの絶縁材
１０３によって保温容器と電気絶縁されている。また、
１０４は乾燥砂などの絶縁粒子で、電池間や電池と保温
容器との間に充填され、万一電池から活物質が漏洩した
際に活物質を固定して、モジュールの安全性を高める役
目を果たしている。なお、図示されていないが、保温容
器１０１内には電池を昇温するためのヒータが設けられ
ている。さらに、図１においては、上下方向に設置され
た電池間が直列接続されてストリングが形成され、スト
リングの端部に設置された電池間が水平方向にも直列接
続されて、モジュールを構成する全ての電池が直列接続
されている。

【００１３】図２も本発明の第一の高温ナトリウム二次
電池モジュールの構造例を示しており、図１と同じ符号
で示されたものは同じ内容を示している。この図におい
ては、複数個の高温ナトリウム二次電池１００が水平方
向に配置されると共に、上下方向にも最密充填されるよ
うに配置されている。なお、１０５は複数個の電池を縛
って固定・一体化した金属ベルトであり、こうすること
によってモジュール組立て時や電池交換時の電池集合体
の取扱いを容易にしている。また、図２においては、水
平方向に配置された電池間が直列接続されてストリング
が形成され、ストリングの端部に設置された電池間が上
下方向にも直列接続されて、モジュールを構成する全て
の電池が直列接続されている。

【００１４】図１，図２に見られるように、本発明の高
温ナトリウム二次電池モジュールにおいては、モジュー
ルを構成する電池として後述の図５や図６に述べられた
ように固体電解質袋管を横置きして、水平や斜めに寝か
せた電池が用いられるため、後述のように電池の大容量
化と高効率化が可能である。その結果として、モジュー
ルを構成する電池本数を低減して、ｋＷ当たりやｋＷｈ
当たりのモジュールコストを低減することができる。さ
らに、電池を横向きに寝かせているために、単電池容量
を大きくしても電池の高さは小さくでき、電池を収納す
る保温容器の高さも小さくできて、電気自動車や小型ビ
ル内に高温ナトリウム二次電池を設置する場合のよう
に、設置空間に高さ制限がある場合にも、モジュールの
設置が容易に行える。また、高温ナトリウム二次電池モ
ジュールをビル内に設置する場合にも、電池の上下方向
の積層数を減らすことにより、単位面積当たりのモジュ
ールの重量が減少できて、ビルなどの屋内設置や屋上設
置が容易に行えるという利点がある。一方、電池の上下
方向の積層数を増せば、その分モジュールの設置面積が
低減でき、狭い面積の場所にもモジュールが設置できる
という利点がある。以上の結果、モジュールの設置空間
の高さや面積の自由度向上やモジュールの低コスト化と
高効率化との両立など、実用化に適した高温ナトリウム
二次電池モジュールが実現できる。なお、モジュールの
高さの低減のためには、電池を水平に寝かせること、即
ち、固体電解質袋管を水平方向に横置きすることが特に
望ましい。

【００１５】ここで、単電池を上下方向に積層して保温
容器内に収納して運転する場合、保温容器内の空気など
のガス対流の影響で、上下の電池間に温度差が付いて、
電池抵抗が上下に設置された電池間で変化し、電池抵抗
の異なる電池間が並列接続されると電池間に循環電流が
流れて、モジュールの効率が低下する。さらに、電池間
に電流分布が生じて、他の並列電池より大電流が流れる
電池が早く充放電限界に達して、他の並列電池の容量が
残った状態でモジュールが運転限界に達するためにモジ
ュールの容量が低下するという問題がある。なお、従来
のモジュール構造のように直立した電池が積層されるこ
となく保温容器内に収納される場合には、保温容器内の
上下方向の温度差によって電池内の上下方向に温度差が
生じても、各電池間の温度差は小さいためにこの問題は
起こらないが、モジュールの設置空間の自由度向上や低
コスト化，高効率化のために電池を寝かせて、保温容器
の上下方向に積層して収納する場合には、しかるべき対
策をすることが必要である。また、電池を縦置きして積
層した場合に比べて、電池を横置きして積層した場合に
は、電池の上下方向の長さが短くなるために、モジュー
ルの高さが同じであっても上下方向に積層した電池間に
温度差がつき易くなって、この問題がモジュールの特性
上の大きな問題となる。この問題に対して、図１，図２
の構造では、上下方向に設置された電池間が直列接続さ
れてストリングが形成され、ストリングの端部に設置さ
れた電池間が水平方向に直列接続されたり、水平方向に
配置された電池間が直列接続されてストリングが形成さ
れ、ストリングの端部に設置された電池間が上下方向に
直列接続されたりしている。この結果として、モジュー
ルを構成する全ての電池が直列接続されるために、電池
間に電気抵抗の差があっても、モジュール内の電池間に
循環電流が流れたり、電流分布が生じる問題はなく、モ
ジュールの効率や容量が高く保たれるという利点があ
る。

【００１６】一方、図３，図４はモジュール内で電池を
直並列接続した本発明の第二，第三の高温ナトリウム二
次電池モジュールの構造例を示しており、図１，図２と
同じ符号で示したものは同じ内容を示している。これら
の図においては、高温ナトリウム二次電池としては後述
の図６に示したように、電池の側部が直方体形状のもの
が用いられており、横向きに寝かせた複数の電池が金属
製などの収納容器106に収められて、モジュール組立て
や電池交換などの際の取扱いを容易にしている。また、
万一電池から活物質が漏洩した場合に、収納容器として
側面と底面が密閉された容器を用いれば、活物質が収納
容器内に止まって、モジュールの安全性が向上するとい
う利点がある。一方、収納容器として側面の一面が開放
された容器を用いれば、電池間のブスバ１０２の接続が
容易になるという利点がある。勿論、図２のように、電
池同士を金属ベルトで固定することも可能である。この
ように、側部が直方体の電池を用いることにより、電池
間の間隔や電池と収納容器や保温容器との間隔が狭くで
き、モジュールの電池集積密度、すなわちエネルギー密
度を向上することができる。なお、１０３はマイカ板な
どから成る絶縁材で、ブスバ１０２と保温容器１０１と
の間を電気絶縁すると共に、電池間や電池と収納容器１
０６間を電気絶縁している。また、場合によっては、電
池間や電池と収納容器との間の電気絶縁のために、マイ
カ板の代わりに乾燥砂などの絶縁粒子１０４を用いた
り、空隙を設けて空気絶縁することも可能である。

【００１７】図３においては、上下方向に配列された電
池間が直列接続されてストリングが形成され、ストリン
グの端部に設置された電池間が並列接続されて、電池ブ
ロックが形成されており、電池ブロック間が直列接続さ
れてモジュールが構成されている。なお、図示されてい
ないが、電池ブロック間を並列接続することも可能であ
る。このような電池接続構成を用いれば、保温容器内の
上下に温度差があって上下の電池間に抵抗差が生じて
も、抵抗差のある電池同士は直列接続されてストリング
を形成しており、ストリング間の抵抗差はモジュールの
上下方向の温度差によっては生じない。この結果、スト
リングを並列接続した電池ブロック内に循環電流が流れ
て電池効率が低下したり、ストリング間に大きな電流分
布が生じたりする問題は起こらず、モジュールの効率や
容量が高いという利点がある。なお、上下方向に配列さ
れた電池同志の一部又は全部が直列接続されてストリン
グが形成され、このストリングの全部が並列接続されて
モジュールが形成された場合、及び、一部のストリング
同志が並列接続されて電池ブロックが形成され、この電
池ブロック間が直列又は／及び並列接続されてモジュー
ルが形成された場合にも同様な効果が得られる。

【００１８】また、図１，図２，図３に見られるよう
に、温度分布の付きやすい上下方向の電池間を直列接続
して通電すれば、温度が低い電池ほど電池抵抗が大きい
ために通電による電池発熱量が増加し、その結果とし
て、電池間の温度分布が均一化されるという利点もあ
る。

【００１９】一方、図４においては、水平方向に配列さ
れた電池間が直列接続されてストリングが形成され、ス
トリングの端部に設置された電池間が並列接続されて、
電池ブロックが形成されており、電池ブロック間が直列
接続されてモジュールが構成されている。このような電
池接続構成を用いれば、万一電池からナトリウムが漏れ
て上下の電池間が短絡しても、モジュール内の上下方向
に配置された電池間の電圧がほぼ等しいために、短絡電
流を小さく押さえることができ、モジュールの安全性が
向上するという利点がある。なお、水平方向に配列され
た電池同志の一部又は全部が直列接続されてストリング
が形成され、このストリングの全部が並列接続されてモ
ジュールが形成された場合、及び、一部のストリング同
志が並列接続されて電池ブロックが形成され、この電池
ブロック間が直列又は／及び並列接続されてモジュール
が形成された場合にも同様な効果が得られる。

【００２０】なお、図３，図４の構造においても、図１
や図２の構造と同様に、電池即ち固体電解質袋管を水平
方向や斜め方向に寝かせて設置されているために、モジ
ュール高さの低減によるモジュールの設置空間高さの自
由度向上や単位面積当りの重量低減、及び、モジュール
の低コスト化と高効率化との両立が可能である。

【００２１】図５は本発明の高温ナトリウム二次電池モ
ジュールに用いられる高温ナトリウム二次電池１００の
構造例を示している。図において、１はナトリウムイオ
ン導電性の固体電解質袋管で、普通、β型やβ″型のベ
ータアルミナセラミックスが用いられる。なお、この図
では固体電解質袋管を水平に寝かせた横置き構造となっ
ているが、場合によっては斜めに傾けた横置き構造とす
ることもできる。但し、固体電解質袋管を水平に寝かせ
たほうが、電池の鉛直方向の高さが小さくなるために、
電池の効率が向上し、かつ、モジュールの高さが小さく
できるという利点がある。２，３は固体電解質袋管と共
にそれぞれ負極室４，正極室５を構成する負極容器，正
極容器であり、Ａｌ合金やＦｅ，ＳＵＳまたはこれらの
表面にＣｒやＭｏ，Ｔｉ，Ｃ，Ｓｉなどを主体とする耐
食層を設けたもの、あるいは、ＡｌとＳＵＳなどとのク
ラッド材が普通用いられる。また、６は負極容器と正極
容器とを絶縁し、且つ、これらと接合された絶縁部材で
ある。この絶縁部材には普通αアルミナなどの絶縁性セ
ラミックスが用いられ、負極容器２や正極容器３との接
合にはＡｌまたはＡｌ合金を用いた熱圧接法が一般的に
用いられる。ここで、絶縁部材６と固体電解質袋管１と
は、図示されていないが、ガラス半田によって接合され
るのが一般的であるが、場合によっては、絶縁部材とし
てアルミニウム−マグネシウムスピネルなどを用いて、
固体電解質袋管と一体焼結することも可能である。

【００２２】さらに、７は負極室に充填されたナトリウ
ム、８は内部にナトリウムを収納したナトリウム容器で
ある。ここで、ナトリウムは、ナトリウム容器内に充填
されたＡｒなどの不活性ガスや窒素ガス９の圧力で押さ
れ、ナトリウム容器に設けられたナトリウム流通孔１０
を通って固体電解質袋管表面へ供給される。なお、この
図ではナトリウム容器８は負極容器２と一体化されてい
るが、両者を分離して、ナトリウム容器８を負極室４内
に収納することもできる。また、図示されていないが、
図５に示されたような有底袋管状のナトリウム容器８を
負極容器２から切り離したり、ナトリウム容器の設置を
止め、図５のようにガス９やナトリウム流通孔１０を設
ける代わりに、固体電解質袋管１の内部や固体電解質袋
管とナトリウム容器との間隙に金属繊維や炭素繊維を充
填し、その表面張力で固体電解質袋管の表面へナトリウ
ム７を供給することもできる。さらに、１２は多孔質導
電材で、正極活物質１１を含浸して電池反応に寄与して
いる。なお、ナトリウム硫黄電池の場合、正極活物質と
しては硫黄や多硫化ナトリウムが用いられ、多孔質導電
材としてはＰＡＮ系やピッチ系のカーボン繊維やカーボ
ン粒子の集合体が一般に用いられている。一方、ナトリ
ウム硫黄電池以外の高温ナトリウム二次電池において
は、正極活物質として硫黄，セレン，テルルの元素やこ
れらの塩化物，金属塩化物（金属はＡｌ，Ｎｉ，Ｆｅな
ど）などが用いられる。また、ナトリウム硫黄電池の場
合、図示されているように固体電解質袋管１と多孔質導
電材１２との間に多孔質材１３が設けられ、この多孔質
材には普通アルミナなどのセラミックスやガラスの繊維
や粒子の集合体が用いられる。この多孔質材はナトリウ
ムと正極活物質との反応生成物の移動を促進する役目を
持ち、ナトリウム硫黄電池などの充放電特性を改善する
効果を持っている。さらに、２０は鞘管で、電池の周囲
を覆って、電池容器から万一活物質が漏洩した時の安全
性を高めると共に、環状突起部２０１と底部２０２によ
って電池の伸びを押さえ、正極容器に設けたベローズ３
１の塑性変形を押さえて、電池の信頼性を向上してい
る。なお、ナトリウム容器にもベローズ８１が設けられ
ており、電池昇降温時のナトリウムの体積変化に基づく
応力を吸収して信頼性を高めている。また、２１はマイ
カなどの絶縁物で、負極容器２，正極容器３と鞘管２０
との間を電気絶縁して、複数個の電池を集合する際に電
池間を電気絶縁する役目を果たしている。

【００２３】一方、図６は本発明の高温ナトリウム二次
電池モジュールに用いられる電池の別の構造例を示して
おり、図５と同じ符号で示したものは同じ内容を示して
いる。この図においては、正極室５内に固体電解質袋管
１の側面に沿って集電体１４を設け、集電体と固体電解
質袋管１の側面との間に多孔質導電材１２と多孔質材１
３とが設けられている。また、正極活物質１１は多孔質
導電材や多孔質材中に含浸されると共に、正極容器３と
集電体１４との間などの正極室内に存在し、充放電時に
は集電体に設けた貫通孔１５や多孔質導電材や多孔質材
を通って移動して電池反応が進行する。なお、図６の構
造では、正極の抵抗は集電体や多孔質導電材，多孔質材
で決まり、正極容器の形状には影響されないため、集電
体を固体電解質袋管の側面と平行な筒状とし、正極容器
の側面を直方体形状とすることができる。ここで、正極
容器を直方体形状にして電池を横向きにした場合、正極
容器の上下面の面積を側面よりも大きくしたほうが、電
池設置時の安定性が高く、且つ、電池高さが小さくなる
ために活物質に鉛直方向の濃度分布や組成分布が付き難
くて、電池効率が向上しやすい利点がある。また、この
ようにして、高温ナトリウム二次電池の側部を直方体形
状にすることにより、電池特性を損なうこと無く、複数
の電池を集合したモジュールの電池集積密度、すなわち
エネルギー密度を向上することができる。

【００２４】ここで、図５，図６においては、固体電解
質袋管が横置きされて、電池が水平又は斜めに設置され
ているために、長さが直径よりも大きい固体電解質袋管
を用いた場合、電池の鉛直方向の高さが小さくなり、正
極室内の上下方向に重力による活物質の濃度分布や組成
分布が付きにくくなって、正極室内の電池起電力が均一
化され、正極室内に循環電流が流れないために、電池の
効率が向上する。この効果は単電池を大型化するために
固体電解質袋管の長さを大きくする場合に特に顕著で、
電池の大型化と効率向上との両立が可能である。また、
電池特性向上のためには、電池の鉛直方向の高さを小さ
くするために電池を水平設置、即ち、固体電解質袋管を
水平方向に横置きすることが特に望ましい。なお、図６
の構造では、集電体１４と固体電解質袋管１との間隔を
短くすることによって多孔質導電材の抵抗が低減できる
こと、集電体と正極容器との間隔を大きくして正極室容
積を拡大し、かつ、負極室の容積を大きくすることによ
って、電池特性に関係なく電池容量を大型化できること
の理由で、電池の大容量化と効率向上の達成に特に有効
である。

【００２５】また、図６の構造においては、集電体１４
に設けた貫通孔１５の面積割合は３〜５０％、望ましく
は５〜３０％の範囲内であることが、電池効率向上の点
から望ましい。貫通孔の面積割合が小さすぎると貫通孔
を通しての正極活物質の拡散抵抗が大きくなり、一方、
面積割合が大きすぎると集電体の抵抗が大きくなって、
共に電池抵抗の増加、即ち、効率低下が生じ易くなる。
一方、多孔質導電材１２の充填密度は５〜２５体積％、
望ましくは１０〜２０体積％、固体電解質袋管１と集電
体１４との間隙は１〜２０mm、望ましくは３〜１５mmの
範囲にあることが電池効率向上の点から望ましい。この
範囲より充填密度が小さすぎたり、間隙が大きすぎる場
合には多孔質導電材の電子抵抗が大きくなり、充填密度
が大きすぎる場合には多孔質導電材中の正極活物質の拡
散抵抗が大きくなり、また間隙が小さすぎる場合には多
孔質導電材の厚さが小さくなって、電池の反応抵抗が増
大して、電池効率が低下するという問題が発生しやすく
なる。ここで、多孔質導電材としては１０００〜２００
０℃で焼成したＰＡＮ系やピッチ系の炭素繊維マットや
炭素繊維，炭素粒子の集合体を用いることができる。ま
た、集電体に用いる材料としては、厚さ０.３〜５mm 程
度のＡｌ、Ａｌ合金又はこれらとＳＵＳなどとのクラッ
ド材を用い、集電体の多孔質導電材との接触面にＣｏ合
金，Ｃｒ／Ｆｅ合金，Ａｌ／Ｓｉ合金，Ｃｒ，Ｃ，Ｍｏ
やＣｒ，Ｍｏの炭化物や窒化物などの耐食性導電層を設
けたり、これらの材料の粒子や炭素繊維などの繊維を前
記ＡｌやＡｌ合金の表面へ接合又は埋め込んだものが用
いられる。さらに、集電体に設ける貫通孔の直径は１〜
１０mmΦ程度であることが望ましい。

【００２６】具体例として、図５に示すように、固体電
解質袋管１としてリチウムドープの直径６０mm，長さ６
００mmのβ″アルミナ焼結体を用い、αアルミナ焼結体
からなるリング状の絶縁部材６とガラス接合した。一
方、負極容器２とナトリウム容器８にはＡｌ合金を、正
極容器３には同じＡｌ合金を用い、側部内面にクロム合
金を溶射した。次に、絶縁部材の表面に負極容器，正極
容器の端部を配置し、接合材として用いたＡｌ−Ｓｉ合
金を加熱して、負極容器，正極容器の端部を加圧し、絶
縁部材と熱圧接した。また、ナトリウム容器内にナトリ
ウム７とアルゴンガスを充填して、ガス圧でナトリウム
を押してナトリウム容器の側面下部に設けたナトリウム
流通孔１０を通して固体電解質袋管１の内面へナトリウ
ムを供給した。さらに、正極室５内には硫黄１１を充填
すると共に、正極容器内に体積密度１０〜２０％の炭素
繊維マットから成る多孔質導電材１２とアルミナ繊維集
合体から成る多孔質材１３を設置して、ナトリウム硫黄
電池を作成した。なお、電池の周囲はマイカ板２１を介
してＳＵＳ製の鞘管２０で覆った。得られた電池の容量
は約１０００Ａｈ，効率は約９０％であった。得られた
電池を図２に見られるように水平に横置きし、上下に４
段電池を積層して全電池を直列接続し、モジュールを作
製した結果、モジュールの高さは約０.４０ｍ と小さ
く、また、１平方メートル当たりの重量も約５００kgと
軽量化でき、ビルの屋内や屋上などへの設置に適してい
た。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、ｋＷ当たりやｋＷｈ当
たりのモジュールコストを低減することができ、モジュ
ールの効率が向上したり、安全性が向上したりする効果
が得られると共に、電池を収納する保温容器の高さが小
さくできて、電気自動車や小型ビル内に設置する場合の
ように、設置空間に高さ制限がある場合にもモジュール
の設置が容易に行える。また、単位面積当たりのモジュ
ールの重量が減少できて、屋内設置が容易に行えるな
ど、実用化に適した高温ナトリウム二次電池モジュール
が実現できる。さらに、電池の上下方向の積層数を増し
てモジュールの設置面積を低減するなど、モジュール設
置空間の高さや面積の自由度向上が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高温ナトリウム二次電池モジュールの
構造例を示す構造図。

【図２】本発明の高温ナトリウム二次電池モジュールの
構造例を示す構造図。

【図３】本発明の高温ナトリウム二次電池モジュールの
構造例を示す構造図。

【図４】本発明の高温ナトリウム二次電池モジュールの
構造例を示す構造図。

【図５】本発明の高温ナトリウム二次電池モジュールに
用いられる高温ナトリウム二次電池の構造例を示す構造
図。

【図６】本発明の高温ナトリウム二次電池モジュールに
用いられる高温ナトリウム二次電池の構造例を示す構造
図。

【符号の説明】

１…固体電解質袋管、４…負極室、５…正極室、６…絶
縁部材、７…ナトリウム、１１…正極活物質、１２…多
孔質導電材、１４…集電体、１５…貫通孔、１００…高
温ナトリウム二次電池、１０１…保温容器、１０５…金
属ベルト、１０６…収納容器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日下部 康次 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者 野口 直樹 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者 小林 実 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者 波東 久光 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内 Ｆターム(参考） 5H029 AJ00 AJ03 AJ12 AK01 AL13 AM15 BJ06 DJ05 EJ08 5H040 AS01 AS07 AT01 AT09 AY03 DD03

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体ナトリウムを収納した負極室と、正極
   活物質を収納した正極室と、前記負極室と正極室間を分
   離した固体電解質袋管とを含む高温ナトリウム二次電池
   を複数個電気接続して保温容器内へ収納し、前記固体電
   解質袋管を水平方向又は斜め方向に横置きして、前記高
   温ナトリウム二次電池を保温容器内へ配列した高温ナト
   リウム二次電池モジュールであって、前記保温容器内に
   配列した全電池間を直列接続することを特徴とする高温
   ナトリウム二次電池モジュール。
2. 【請求項２】液体ナトリウムを収納した負極室と、正極
   活物質を収納した正極室と、前記負極室と正極室間を分
   離した固体電解質袋管とを含む高温ナトリウム二次電池
   を複数個電気接続して保温容器内へ収納し、前記固体電
   解質袋管を水平方向又は斜め方向に横置きして、前記高
   温ナトリウム二次電池を保温容器内へ配列した高温ナト
   リウム二次電池モジュールであって、前記保温容器内に
   上下方向に配列した電池間を直列接続してストリングを
   形成し、前記ストリング端部に位置する電池間を水平方
   向に並列接続して電池ブロックを形成することを特徴と
   する高温ナトリウム二次電池モジュール。
3. 【請求項３】液体ナトリウムを収納した負極室と、正極
   活物質を収納した正極室と、前記負極室と正極室間を分
   離した固体電解質袋管とを含む高温ナトリウム二次電池
   を複数個電気接続して保温容器内へ収納し、前記固体電
   解質袋管を水平方向又は斜め方向に横置きして、前記高
   温ナトリウム二次電池を保温容器内へ配列した高温ナト
   リウム二次電池モジュールであって、前記保温容器内に
   水平方向に配列した電池間を直列接続してストリングを
   形成し、前記ストリング端部に位置する電池間を上下方
   向に並列接続して電池ブロックを形成することを特徴と
   する高温ナトリウム二次電池モジュール。
4. 【請求項４】請求項２に記載の前記電池ブロック同志を
   直列接続又は／及び並列接続することを特徴とする高温
   ナトリウム二次電池モジュール。
5. 【請求項５】請求項３に記載の前記電池ブロック同志を
   直列接続又は／及び並列接続することを特徴とする高温
   ナトリウム二次電池モジュール。
6. 【請求項６】請求項１ないし３のいずれかに記載の前記
   高温ナトリウム二次電池を収納容器へ収納するか、ある
   いは、金属ベルトなどで固定して、前記保温容器内へ設
   置することを特徴とする高温ナトリウム二次電池モジュ
   ール。
7. 【請求項７】請求項１ないし３のいずれかに記載の前記
   固体電解質袋管の長さが直径よりも大きいことを特徴と
   する高温ナトリウム二次電池モジュール。
8. 【請求項８】請求項１ないし３のいずれかに記載の前記
   高温ナトリウム二次電池の正極室内部に、集電体を前記
   固体電解質袋管の側面に沿って設置し、前記固体電解質
   袋管と前記集電体との間に多孔質導電材を充填したこと
   を特徴とする高温ナトリウム二次電池モジュール。
9. 【請求項９】請求項８において、前記高温ナトリウム二
   次電池の側部が直方体形状であることを特徴とする高温
   ナトリウム二次電池モジュール。
10. 【請求項１０】請求項８において、前記集電体に貫通孔
    を設け、前記貫通孔の面積割合が３〜５０％の範囲であ
    ることを特徴とする高温ナトリウム二次電池モジュー
    ル。
11. 【請求項１１】請求項８において、前記多孔質導電材の
    充填密度が５〜２５体積％であり、前記固体電解質袋管
    と前記集電体との間隔が１〜２０mmの範囲にあることを
    特徴とする高温ナトリウム二次電池モジュール。