JP2004055373A

JP2004055373A - Sodium-sulfur battery and temperature adjusting method

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Publication number: JP2004055373A
Application number: JP2002212073A
Authority: JP
Inventors: Tomio Tamakoshi; 玉越　富夫
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sodium-sulfur battery capable of operating in a preferable temperature range while maintaining a high charge-discharge efficiency without accumulating amount of heat generated in accordance with the operation of the battery with a high load in a vacuum heat insulation container, maintaining the inner temperature of the vacuum heat insulation container while suppressing power consumption of a heater to the utmost when the load is low. <P>SOLUTION: For the sodium-sulfur battery 10 of which, a battery module housed in a heat insulation container is isolated from the outside and stored in a package, the problem is solved by controlling the inner temperature of the package 11, namely, by constructingthe sodium-sulfur battery 10 so as to have a gas inlet opening part 18 communicating with outside at least at the lower part (or the side face) of the package 11, and a gas discharge opening part 15 communicating with outside at least at the upper part of the package 11, and adjusting the amount of the heat emitted from the inside of the package 11 to the outside by changing the aperture rate of the gas discharge opening part 15. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されてなるナトリウム−硫黄電池と、所定の温度範囲で作動させることが好ましい当該ナトリウム−硫黄電池のパッケージ内部の温度を調節する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ナトリウム−硫黄電池（以下、ＮａＳ電池とも記す）は、実用的な形態として例示すれば、複数の単電池を直列乃至並列に接続してなる電池モジュールを複数直列に接続し断熱容器に格納し、更にパッケージに収納してなるものであり、陰極活物質である溶融金属ナトリウムと、陽極活物質である溶融硫黄とを、ナトリウムイオンに対して選択的な透過性を有するβ−アルミナ固体電解質で隔離して配し、通常、高温で作動させる充放電が可能な二次電池であり、近年、大規模な電力貯蔵／供給装置として実用化されつつある。
【０００３】ＮａＳ電池においては、放電時に溶融ナトリウムが電子を放出してナトリウムイオンとなり、これが固体電解質内を透過して陽極側に移動し、硫黄及び外部回路から供給される電子と反応して多硫化ナトリウムを生成し、一方、充電時には、放電とは逆に多硫化ナトリウムからナトリウム及び硫黄が生成する反応が起こる。上記多硫化ナトリウムの生成反応は発熱反応であるため、放電時における総発熱量は、通電電流及び内部抵抗によって決まるジュール熱量と多硫化ナトリウムの生成反応による化学発熱量とを足した熱量となる。反対に、多硫化ナトリウムからナトリウム及び硫黄が生成する反応は吸熱反応であるため、充電時は内部抵抗によるジュール熱量と上記反応による吸熱量により発熱となるか吸熱となるかが決まる。
【０００４】ところで、ＮａＳ電池の構成部材、特にβ−アルミナからなる固体電解質、陽極活物質である硫黄を収納するアルミニウム容器、固体電解質とアルミニウム容器を接合するに際して間に介在させるα−アルミナ製絶縁リング、及びこれらの部材間をシールするガラス接合部、ＴＣＢ接合部、アルミニウム溶接部、等の耐熱性には限界があり、又、化学的活性の高いナトリウム、硫黄、多硫化ナトリウム、等と高温で長時間接触すると、腐食や劣化が起こり易い。従って、ＮａＳ電池の作動温度が一定値を超えることは好ましくない。
【０００５】一方、固体電解質たるβ−アルミナに対するナトリウムイオン伝導率、陽極活物質である硫黄及びそれを含浸させるために用いるグラファイトフェルトの導電率は温度が高いほど大きくなり、電池の内部抵抗が小さくなる。従って、充放電効率の面からは、ＮａＳ電池を高温で作動させることが好ましい。又、陽極における活物質の拡散性及びナトリウムと硫黄から多硫化ナトリウムが生成する反応の平衡からみても、低温では、充電回復性に不利となる。
【０００６】以上の事情、即ち、電池反応により発生する熱の利用と、電池を構成に不可欠な材料の特性及び電池を構成するための種々の部材の特性の制約から、ＮａＳ電池の運転は２８０〜３６０℃の範囲で行われることが一般的となっている。
【０００７】このような適切な温度範囲での運転を実現するために、ＮａＳ電池においては、従来、ＮａＳ電池の各電池モジュールの温度を計測し、各電池モジュールに備わるヒータをＯＮ／ＯＦＦさせてＮａＳ電池の作動温度を調節している。
【０００８】又、ＮａＳ電池のパッケージ内において、複数の単電池からなる電池モジュールを収納する容器として、容器外へのエネルギー損失を出来る限り少なくするために、断熱容器が用いられている。断熱容器としては、真空断熱容器、大気断熱容器、あるいはそれらの組合せが用いられるが、真空断熱容器あるいは真空断熱容器を主とする断熱容器が好適に用いられる。そして、その断熱容器に格納された電池モジュールの温度と、複数の電池モジュールを格納した断熱容器を収容して外部と隔離するパッケージ内部の温度と、の温度差が、小さいほど、ＮａＳ電池の作動温度を保ち易く、ヒータをＯＮにする時間を少なく出来、消費電力が抑えられる。
【０００９】以下、電池モジュールを格納する容器が真空断熱容器である場合を例にとり説明する。真空断熱容器とは、例えば、真空の中空層を備えた壁によって、電池モジュールを外部空間から隔離する構造をとった容器であって、真空断熱容器の壁がそれ自体、気密性を有しており、真空の中空層が断熱手段となり、熱伝導が少なく、一般の断熱材より断熱性が優れている。
【００１０】ところで、ＮａＳ電池の実用化が進むにつれ、単電池を大型化したりあるいは単電池を高密度に充填することによって、単位体積当たりのエネルギー密度が向上してきており、充放電時の発熱は、より大きくなってきている。しかしながら、ＮａＳ電池においては、真空断熱容器内部の温度が発熱により上昇した際にヒータをＯＦＦすることは可能であるが、通常は冷却機能までは備えていない。
【００１１】従って、夏季や冬季等の電力系統の負荷が高いときに、ＮａＳ電池の発熱量が真空断熱容器の熱損失を上回り、真空断熱容器内部への蓄熱を生じる場合があり得る。発熱と熱損失とのバランスが崩れて蓄熱が生じると、ＮａＳ電池の真空断熱容器の内部温度が上昇し過ぎ、電池容量を有しているにも関わらず温度が３６０℃を超過してしまうという不具合の原因となり、好ましくない。
【００１２】一方、春季や秋季等の電力系統の負荷が低いときには、通電電流が減少しジュール熱量が低下するため、ＮａＳ電池の発熱量が真空断熱容器の熱損失を下回ることがある。この場合、ＮａＳ電池の作動を良好に保つために、電池モジュールの温度維持にかかるヒータの消費電力が過大になることがあり得る。ヒータの消費電力が過大になれば、ＮａＳ電池の消費電力量（充電電力量＋ヒータ電力量）に対する放電電力量の比を表す充放電効率が低下してしまい、好ましくない。
【００１３】このように、ＮａＳ電池においては、真空断熱容器内部の適切な温度管理が必要となる。従来は、ＮａＳ電池の真空断熱容器の内部温度が上昇し過ぎるのを避けるために、高負荷時の発熱を想定し、真空断熱容器の中空層の真空度を低下して熱伝導率を上昇させることにより真空断熱容器からの放熱量を調整していた。
【００１４】真空度を低下させる方法は、例えば、真空ポンプを接続し、プラグ開閉治具にて真空封止プラグを開放して、真空計で真空度を確認しながら、接続配管の途中に設けられたバルブより真空断熱容器の壁内の中空層に、真空度を目標値まで低下させるのに必要な所定量のガス、例えば、空気、窒素ガスを注入するという方法をとることが出来る。
【００１５】しかしながら、このような真空度の変更は、上記のような煩雑な操作を伴い、作業に時間がかかるため、多数のＮａＳ電池に対して、その真空断熱容器の真空度を変更するのには長期間の作業が必要となる上に、この真空度変更方法は、真空ポンプ等の特殊な機材と専門の作業者を必要とし高コストである。更に、真空度変更による放熱量の調節では放熱量の上限が制限され、所望の放熱量を得ることが出来ないことがあり得るという問題がある。
【００１６】一方、ＮａＳ電池の真空断熱容器の内部温度が下降するのを避けるためには、真空断熱容器の中空層の真空度を可能な限り上げて熱伝導率を低下させ真空断熱容器から放熱し難くすることが、従来における最良の対策であるが、これは、高負荷時の場合、ＮａＳ電池の温度が作動範囲を超えることになってしまうという問題があった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、従来技術の問題を解決することにあり、より特定すれば、負荷が大きいときにＮａＳ電池作動に伴い生じた熱量を真空断熱容器内部へ蓄積することなく、且つ、負荷が低いときに極力ヒータ消費電力を抑えながら真空断熱容器内部の温度を維持することが可能であって、高い充放電効率を維持しつつ好ましい温度範囲で運転可能なＮａＳ電池を提供することにある。
【００１８】上記の目的を達成するべく、種々検討が続けられ研究が重ねられた結果、ＮａＳ電池の運転状況に合わせて、電池モジュールを格納した断熱容器の外側の温度、即ちＮａＳ電池のパーケージ内部の雰囲気温度、を調節可能とすることによって、上記の目的を達成出来ることが見出された。より詳細には、以下に示す手段である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、以下に示す２つのナトリウム−硫黄電池のパッケージ内部の温度調節方法が提供される。
【００２０】第１の温度調節方法は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池の、パッケージ内部の温度を調節する方法であって、ナトリウム−硫黄電池は、少なくともパッケージ下部若しくは側面に外部と通じる吸気開口部を備えるとともに、パッケージ上部に外部と通じる排気開口部を有してなり、排気開口部の開口率を変えることにより、パッケージ内部から外部へ放出される熱量を調節することを特徴とするナトリウム−硫黄電池の温度調節方法である。
【００２１】第２の温度調節方法は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池の、パッケージ内部の温度を調節する方法であって、ナトリウム−硫黄電池は、受入開口部を備えるとともに、パッケージ上部に排出開口部を有してなり、受入開口部を通してパッケージに圧入され、排出開口部を通してパッケージから排気される、熱媒体としての気体流量を変更することにより、パッケージ内部温度を調節することを特徴とするナトリウム−硫黄電池の温度調節方法である。
【００２２】第２の温度調節方法においては、気体として排熱ガスを用いることが好ましい。その排熱ガスは、ガスタービン、燃料電池、火力発電等からなる設備群に含まれる少なくとも１の設備から排出されるものを用いることが可能である。
【００２３】又、本発明によれば、以下に示す２つのナトリウム−硫黄電池が提供される。
【００２４】第１のナトリウム−硫黄電池は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池であって、少なくともパッケージ下部若しくは側面に外部と通じる吸気開口部を有し、パッケージ上部に外部と通じる排気開口部を備えるとともに、排気開口部の開口率を可変にする排気開口率調節手段を有することを特徴とするナトリウム−硫黄電池である。第１のナトリウム−硫黄電池においては、排気開口率調節手段として排気開口部を覆う蓋扉を昇降あるいはスライドさせる手段を採用することが出来る。
【００２５】第２のナトリウム−硫黄電池は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池であって、受入開口部と、パッケージ上部に排出開口部とを有するとともに、受入開口部を通してパッケージに圧入される熱媒体としての気体流量を変更する受入量調節手段と、排出開口部を通してパッケージから排気される熱媒体としての気体流量を変更する排出量調節手段と、の何れか一方若しくは両方を備えることを特徴とするナトリウム−硫黄電池である。
【００２６】第２のナトリウム−硫黄電池においては、気体として排熱ガスを用いることが好ましい。その排熱ガスは、ガスタービン、燃料電池、火力発電等からなる設備群に含まれる少なくとも１の設備から排出されるものを用いることが出来る。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明のナトリウム−硫黄電池及び温度調節方法について、実施形態を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２８】本発明にかかるＮａＳ電池の温度調節方法は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されてなるＮａＳ電池の、パッケージ内部の温度を調節する方法である。電池モジュールの断熱容器の断熱手段は真空断熱であっても大気断熱であってもよく限定されない。本発明は、第１及び第２の２つの温度調節方法を提供する。
【００２９】先ず、第１の温度調節方法は、熱移動に伴う自然換気を利用した方法である。第１の温度調節方法においては、ＮａＳ電池の少なくともパッケージ下部、より好ましくはパッケージ下部を含むパッケージの一の側面全面、に備わり外部に通じる吸気開口部と、ＮａＳ電池のパッケージ上部、より好ましくはパッケージ上面、に備わり外部に通じる排気開口部とを用いて、排気開口部の開口率を変えて、パッケージ内部から外部へ放出される熱量を調節することに特徴を有する。
【００３０】ＮａＳ電池の作動に伴いパッケージ内部で放散される熱は空気に伝搬し、熱せられた空気が比重差により上昇する結果、ＮａＳ電池のパッケージ内部では上部において、より温度が高くなる。従って、ＮａＳ電池のパッケージ上部、例えばパッケージ上面中央部に所定の大きさの排気開口部を設け、この排気開口部を開けることで、熱を伴った空気が外部へ逃げ、代わりに吸気開口部から新たな空気が入り込み、自然換気が行われることでパッケージ内部の熱量の調整が行われる。
【００３１】排気開口部の開口率の調節は、ＮａＳ電池のパッケージ内部雰囲気の温度と、ＮａＳ電池（電池モジュール）の作動温度との差若しくは充放電電力を鑑みて行われる。ＮａＳ電池は、上記したように２８０〜３６０℃で作動させることが好ましく、又、電池モジュールを加熱するヒータの消費電力を低減するためにパッケージ内部雰囲気の温度とＮａＳ電池内部温度との差を少なくすることが好ましいことから、ＮａＳ電池のパッケージ内部（雰囲気）の温度が４０〜２８０℃になるように、排気開口部の開口率を調節する。このようにパッケージ内部の温度調節がなされたＮａＳ電池は、負荷の大小に関わらず電池温度を２８０〜３６０℃に保つことが出来るとともに高充放電効率を有する二次電池たり得る。
【００３２】尚、上記温度に関わる計測器等の制御機器をパッケージ内部に備える場合には、高温環境による不具合発生を防止するために、電池モジュールとは隔離してパッケージ最下部に設けておくことが好ましい。
【００３３】吸気開口部は、ＮａＳ電池のパッケージ内部の熱の移動を考慮し、少なくともパッケージ下部に設けることが肝要である。パッケージの一の側面全面に、例えば発熱源である電池モジュールと対をなすように備えることが、より好ましい。パッケージ内部の熱の移動速度が速まるとともに、パッケージ内部の熱分布に偏りが生じ難いからである。
【００３４】パッケージ内部雰囲気の温度とＮａＳ電池の作動温度とに基づいて排気開口部の開口率を調節する結果、ＮａＳ電池の負荷が高い場合には、電池モジュールの発熱量が大きくなることから、排気開口部の開口率は、ＮａＳ電池の負荷が低い場合に比べて、より大きくなる。しかしながら、パッケージ内部の温度は、パッケージの断熱性能、外部気温（吸い込まれる空気の温度でもある）、等によっても変わり得るので、適正なパッケージ内部温度になるように排気開口部の開口率を調節した結果、例えば、ＮａＳ電池の負荷が高い場合に排気開口部の開口率が１００％（全開）近傍となり、ＮａＳ電池の負荷が低い場合に排気開口部の開口率が０％（全閉）近傍となるように、負荷の状態に伴うＮａＳ電池の発熱量や想定される外部気温、等に基づいて、パッケージの断熱性能、排気開口部の開口面積あるいは開口位置、等を設計することが好ましい。
【００３５】次に、第２の温度調節方法について説明する。第２の温度調節方法は、熱媒体としての気体を圧入し排気する方法である。第２の温度調節方法においては、ＮａＳ電池の少なくともパッケージ下部に備わり、より好ましくはパッケージ下部を含むパッケージの一の側面に複数備わる受入開口部と、ＮａＳ電池のパッケージ上部、より好ましくはパッケージ上面、に備わる排出開口部とを用いて、熱媒体としての気体を受入開口部を通してパッケージに圧入し排出開口部を通してパッケージから排気するとともに、そのＮａＳ電池のパッケージを通過する熱媒体としての気体の流量を変更することにより、パッケージ内部温度を調節することに特徴がある。
【００３６】ＮａＳ電池のパッケージ下部、例えばパッケージ下部側面に所定の大きさの受入開口部を設け、この受入開口部にダクト等からなる気体供給系を接続し、この気体供給系から熱媒体としての気体をパッケージ内部に送り込み、パッケージ内部に熱を与え若しくは熱を奪い、ＮａＳ電池のパッケージ上部、例えばパッケージ上面中央部に所定の大きさの排出開口部を設け、この排出開口部にダクト等からなる気体排出系を接続し、気体供給系から入り熱交換を終えた気体を排出すること、即ち、熱交換を伴う強制換気を行うことでパッケージ内部の熱量を調整することが出来る。
【００３７】熱媒体としての気体の流量の調節は、ＮａＳ電池の充放電電力若しくはパッケージ内部雰囲気の温度と、ＮａＳ電池（電池モジュール）の作動温度との差を鑑みて行われる。ＮａＳ電池は、上記したように２８０〜３６０℃で作動させることが好ましく、又、電池モジュールを加熱するヒータの消費電力を低減するためにパッケージ内部雰囲気の温度とＮａＳ電池作動温度との差を少なくすることが好ましいことから、ＮａＳ電池のパッケージ内部（雰囲気）の温度が４０〜２８０℃になるように、熱媒体としての気体の流量を調節する。このように負荷の大小に関わらず電池温度を２８０〜３６０℃に保つことが出来るとともに高充放電効率を有する二次電池たり得る。
【００３８】ＮａＳ電池のパッケージ内部（雰囲気）の温度条件や、ＮａＳ電池のパッケージ内部に備わる制御機器についての留意点は、第１の温度調節方法に準じる。
【００３９】尚、本発明の第２の温度調節方法においては、パッケージ内部の温度を所望の温度にすることが目的であるから、熱媒体としての気体の温度とＮａＳ電池の断熱容器内部（電池モジュール）の温度の状況によっては、一時的に換気を停止すること、即ち、熱媒体としての気体の流量を０にすることも含まれる。
【００４０】受入開口部は、ＮａＳ電池のパッケージ内部の熱の移動を考慮し、少なくともパッケージ下部に設けることが肝要である。尚、ここでいう受入開口部とは、圧入された熱媒体としての気体がパッケージの中で開放される場所であることを前提としているものであって、気体供給系を例えばパッケージ上部において貫通させ、パッケージ内部の下部において熱媒体としての気体を開放してもよい。熱媒体としての気体が開放される場所がパッケージ下部であれば、受入開口部２８の位置は限定されない。パッケージ内部において熱媒体としての気体が均一に拡散し通過するように、熱媒体としての気体をパッケージ内部の下部において複数設けた散気管等で開放することも好ましい。パッケージ内部の熱の移動速度が速まるとともに、パッケージ内部の熱分布に偏りが生じ難いからである。
【００４１】パッケージ内部（雰囲気）の温度とＮａＳ電池の作動温度とに基づいて熱媒体としての気体の流量を調節する結果、ＮａＳ電池の負荷が高い場合には、電池モジュールの発熱量が大きくなることから、熱媒体としての気体の流量は、ＮａＳ電池の負荷が低い場合に比べて、より大きくなる。しかしながら、真空断熱容器内部（電池モジュール）の温度は、真空断熱容器の断熱性能、熱媒体としての気体の温度、等によっても変わり得るので、適正なパッケージ内部温度になるように熱媒体としての気体の流量を調節した結果、例えば、ＮａＳ電池の負荷が高い場合に熱媒体としての気体の流量が最大値近傍となり、ＮａＳ電池の負荷が低い場合に熱媒体としての気体の流量が０（換気停止）近傍となるように、負荷の状態に伴うＮａＳ電池の発熱量や使用する熱媒体としての気体の温度、等に基づいて、パッケージの断熱性能、等を設計することが好ましい。
【００４２】第２の温度調節方法においては、気体として排熱ガスを用いることが好ましい。通常、ＮａＳ電池は例えば電力貯蔵装置として工場等に配置されることが多いが、多くの場合、設置場所近傍には、このような排熱ガスが存在している。排熱ガスとは、ある目的のために設備が稼動した結果、発生した所定の熱を有するガスであり、低温から高温まで設備により様々であるが、必要により無害化された上で大気に放散される。加圧された状態であることも多く、排熱ガスが有する熱を利用することにより、新たなエネルギーコストは殆ど生じない。例えば、排熱ガス源としては、ガスタービン、燃料電池、火力発電等の設備が挙げることが出来る。
【００４３】以下、本発明にかかるＮａＳ電池について、図面を参照しながら説明する。
【００４４】本発明にかかるＮａＳ電池は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されてなり、パッケージ内部の温度を調節する手段を備えたＮａＳ電池である。本発明は、第１及び第２の２つのＮａＳ電池を提供する。
【００４５】図１は、本発明にかかる第１のＮａＳ電池の一実施形態を示す斜視図である。ＮａＳ電池１０は、図示しない断熱容器に格納された電池モジュール５基が外部と隔離されパッケージ１１に多段に収納されてなるものである。パッケージ１１の一側面には、外部と通じる吸気開口部１８が、１基の電池モジュールに対し２つずつ、合計１０箇所に備わっている。吸気開口部１８としては、図示されるように、例えば斜めスリットが複数形成された所謂ガラリを採用することが出来る。吸気開口部１８は、少なくとも下部に備わればよく、限定されるものではないが、このように発熱源である電池モジュールと対になって形成される形態は好ましい。
【００４６】又、パッケージ上部には外部と通じる排気開口部１５を備えるとともに、排気開口部１５の開口率を可変にする排気開口率調節手段１３を有している。排気開口部１５は、少なくともパッケージ１１の上部に備わればよく、限定されるものではないが、このように最も熱が逃げ易いパッケージ上面中央部に形成される形態は好ましい。
【００４７】ＮａＳ電池１０において、運転に伴いパッケージ内部で放散される熱は空気に伝搬し、ＮａＳ電池１０の排気開口部１５から排気される気体３０（空気）に伴って外部へ出される。代わりに吸気開口部１８から新たな気体１９（空気）が外部から入り込み、自然換気が行われ、パッケージ１１内部の熱が排出される。即ち、排気開口率調節手段１３によって調節されるパッケージ内部と外部との換気量によってパッケージ１１内部の熱量が調整される。
【００４８】ＮａＳ電池１０においては、排気開口率調節手段１３は、排気開口部１５を覆う蓋扉１２を昇降させることにより実現されている。排気開口率調節手段１３に備わるＮａＳ電池１０のパッケージ１１上面中央部の断面を図３に示す。図示されるように、排気開口部１５はパッケージ１１に続く側壁に囲まれて形成された開口であり、排気開口部１５の上面に、開口の側壁に載るようにして蓋扉１２が備わっている。蓋扉１２を上昇させ、排気開口部１５の側壁から離すことによって蓋扉１２と排気開口部１５との間に隙間が形成され、この隙間からパッケージ１１内部から熱を伴った気体３０（空気）が外部へ排出される。即ち、ＮａＳ電池１０においては、排気開口率を調節することは、この隙間の大きさを調節することを指す。パッケージ１１の内部の温度が低い場合には、蓋扉１２を下降させ、排気開口部１５の側壁から浮かせず隙間を形成しないことにより、電池モジュールの作動及びヒータにより生じた熱を外部へ逃げ難くして、パッケージ１１の内部の温度の上昇乃至維持を図る。
【００４９】図４に、蓋扉１２を昇降させる手段の一実施形態を示す。パッケージ１１上面には、伸縮自在な一対の昇降機器４１（例えばエアシリンダ）が、伸縮するアーム部４２の一の端部を蓋扉１２に固着して、据え付けられている。図４において、右側は昇降機器４１のアーム部４２が伸びた様子（蓋扉１２が排気開口部１５の側壁から離れ隙間が形成された様子）を示し、左側は昇降機器４１のアーム部４２が縮んだ様子（蓋扉１２が排気開口部１５の側壁に接し隙間が形成されない様子）を示す。昇降機器４１においてアーム部４２の伸びの程度を制御することによって、蓋扉１２と排気開口部１５の側壁との隙間の大きさを調節出来る、即ち、排気開口率を調節することが可能である。
【００５０】次に、本発明にかかる第２のＮａＳ電池について説明する。本発明にかかる第２のＮａＳ電池は、パッケージ内部の温度を調節するにあたり、圧力を有する熱媒体としての気体を用いるＮａＳ電池である。図２に、本発明にかかる第２のＮａＳ電池の一実施形態の斜視図を示す。ＮａＳ電池２０は、図示しない断熱容器に格納された複数の電池モジュールが、外部と隔離されパッケージ２１に多段に収納されてなるものである。パッケージ２１の一側面の下部には、受入開口部２８が備わり、受入量調節手段２７を途中に備える配管２６からなる気体供給系３３が接続されている。
【００５１】受入量調節手段２７としては、例えば、ニードル弁、ダイヤフラム弁、等からなる入口調節弁を採用することが出来る。受入開口部２８は、パッケージ２１内で直ぐに開放されることを前提として、少なくとも下部に備わればよく、限定されるものではない。例えば、気体供給系３３をパッケージ２１上部において貫通させ、パッケージ２１内部の下部において熱媒体としての気体２９（例えば排熱ガス）を開放してもよい。熱媒体としての気体２９が開放される場所がパッケージ２１の下部であれば、受入開口部２８の位置は限定されない。パッケージ２１内部において熱媒体としての気体２９が均一に拡散し通過するように、熱媒体としての気体２９をパッケージ２１内部の下部において図示しない散気管等で開放することが好ましい。
【００５２】又、パッケージ上部には排出開口部２５を備えるとともに、排出量調節手段２４を途中に備えるダクト２２からなる気体排出系２３が接続されている。排出量調節手段２４としては、例えば、ゲート弁、等からなる出口調節弁を採用することが出来る。排出開口部２５は、少なくともパッケージ２１の上部に備わればよく、限定されるものではないが、このようにパッケージ２１内で生じた熱が集まり易いパッケージ上面中央部に形成される形態は好ましい。
【００５３】ＮａＳ電池２０において、気体供給系３３から熱媒体としての気体２９をパッケージ２１の内部に送り込み、パッケージ内部の空気に熱を与え若しくは奪い、熱交換を終えた気体４０を、気体排出系３３から排出することにより、即ち、熱交換を伴う強制換気を行うことによりパッケージ内部の熱量を調整することが出来る。
【００５４】ＮａＳ電池２０のように、受入量調節手段２７と排出量調節手段２４とを両方備えていてもよく、何れか片方だけでも、気体供給系３３から入る気体２９、気体排出系３３から排出する気体４０を調節することは可能であることから、何れか片方だけを備える態様でもよい。より好ましくは受入量調節手段２７を備える態様である。パッケージ２１に背圧がかかり難く、より安全であり、例えば熱媒体としての気体２９として高温の排熱ガスを用いる場合に、気体を伝搬する熱を遮断出来るからである。
【００５５】尚、ＮａＳ電池２０の制御機器をパッケージ２１内部に備える場合には、高温環境による不具合発生を防止するために、電池モジュールとは隔離してパッケージ２１の最下部に設けるとともに、パッケージ２１内で開放された気体２９が、直接、制御機器にあたらないようにする、等のパッケージ２１の内部における配置上の配慮をすることが好ましい。
【００５６】本発明にかかる第２のＮａＳ電池においては、パッケージ内部の温度を調節する熱媒体としての気体として、他設備から生じた排熱ガスを用いることが出来るが、そのような態様を、以下に例示し説明する。
【００５７】図５は、マイクロガスタービンとＮａＳ電池とを併用するコージェネレーションシステムの一例を示すシステム構成図である。マイクロガスタービン５１は、発電機５２、圧縮機５３、タービン５４、及び、再生器５５から構成され、燃料（ガス）が供給されてタービン５４が駆動し発電機５２によって発電され、生じた電力５６を工場５８等の電力系統へ供給する。又、再生器５５により、タービン５４から発生した排熱を回収しつつ蒸気５７を製造し工場５８等の蒸気系統へ供給する。
【００５８】図５に示すシステムにおいては、電力５６の供給ラインにバックアップ用として、交直変換装置（ＡＣ／ＤＣ）を介して、電力貯蔵装置として機能するＮａＳ電池５０を備えており、再生器５５から生じた高温の排熱ガス５９をＮａＳ電池５０に供給している。ＮａＳ電池５０においては、負荷が低いときには電池モジュールの作動に伴う発熱量が小さくなり真空断熱容器内温度を保持するためにヒータ電力が増加することから、充放電電力あるいはパッケージ内温度を測定しながら必要に応じ排熱ガス５９を受け入れる。そして、排熱ガス５９をパッケージ内部を通して排出することによりパッケージ内温度を高め、真空断熱容器に格納された電池モジュールの作動に求められる温度とパッケージ内温度との温度差を小さくすることにより、電池モジュールを加熱するヒータの消費電力を抑えることが出来る。その結果、ＮａＳ電池５０の充放電効率は、より高められる。
【００５９】図６は、燃料電池とＮａＳ電池とを併用する電力供給システムの一例を示すシステム構成図である。燃料電池６１は、燃料改質装置６３、電池本体６２、及び、交直変換器（ＡＣ／ＤＣ）から構成され、燃料が供給されて燃料改質装置６３により水素が取り出され、その水素と空気中の酸素との電気化学反応により電池本体６２において直流電力及び水がつくられる。そして、生じた直流電力は交流に変換されて工場５８等の電力系統へ供給される。
【００６０】図６に示すシステムにおいては、燃料電池６１と併用して、交直変換装置（ＡＣ／ＤＣ）を介して電力貯蔵装置として機能するＮａＳ電池５０が用いられており、上記電気化学反応に伴い燃料電池６１で生じた高温の排熱ガス６９をＮａＳ電池５０に供給している。図５に示すシステムと同様に、ＮａＳ電池５０においては、負荷が低いときには電池モジュールの作動に伴う発熱量が小さくなり真空断熱容器内温度を保持するためにヒータ電力が増加することから、充放電電力あるいはパッケージ温度を測定しながら必要に応じ排熱ガス５９を受け入れる。
【００６１】そして、排熱ガス５９をパッケージ内部を通して排出することによりパッケージ内温度を高め、電池モジュールの作動に求められる温度とパッケージ内温度との温度差を小さくすることにより、電池モジュールを加熱するヒータの消費電力を抑えることが出来る。その結果、ＮａＳ電池５０の充放電効率は、より高められる。
【００６２】
【実施例】以下に、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６３】（実施例１，２）
【００６４】真空断熱容器に格納した５０ｋＷの電池モジュールをパッケージに収納したＮａＳ電池を用いた。そのパッケージには一の側面下部に受入開口部を設け、パッケージ上面に排出開口部を設け、受入開口部を通して排熱ガス（２００℃）をパッケージ下部に圧入した。そして、その排熱ガスの流量を変えることにより、パッケージ内部の温度が１００℃（実施例１）及び１５０℃（実施例２）になるように調節した。尚、電池モジュール温度は３００℃になるようにヒータを制御して運転した。
【００６５】負荷は、実施例１，２ともに、それぞれ２０％、４０％、６０％、８０％、１００％と変更して運転した。
【００６６】負荷と充放電効率との関係を図７に示す。実施例１における負荷と充放電効率との関係は相関曲線７２で表され、実施例２における負荷と充放電効率との関係は相関曲線７３で表される。
【００６７】尚、充放電効率は次の（数１）式により求めた。
【００６８】
【数１】
充放電効率＝放電電力量／（充電電力量＋ヒータ電力量）
【００６９】又、相関曲線７０はヒータ電力量を含まないとき（（数１）式においてヒータ電力量を０としたとき）の負荷と充放電効率との関係を示す。
【００７０】（比較例１）
【００７１】排熱ガスを吹き込まないこと以外は、実施例１，２と同様にして、負荷を変えてＮａＳ電池を運転した。尚、このときパッケージ内部の温度は４０℃であった。
【００７２】負荷と充放電効率との関係を図７に示す。比較例１における負荷と充放電効率との関係は相関曲線７１で表される。
【００７３】（考察）
【００７４】本発明にかかるＮａＳ電池の温度調節方法により、パッケージ内部の温度を調節し、ＮａＳ電池の作動温度に、より近づけることによって、何れの負荷においても、充放電効率を向上させ得ることが確認された。特に低負荷時には、電池モジュールの発熱量が低下してヒータの加熱に依存し充放電効率が下がり易いことから、排熱ガス等の安価な熱源を利用してパッケージ内部の温度を調節することが有用である。
【００７５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、負荷が高いときにＮａＳ電池作動に伴い生じた熱量をパッケージ内部へ蓄積することなく、且つ、負荷が低いときに極力パッケージ内部の温度を維持しながらヒータ消費電力を抑えることが可能であって、高い充放電効率を維持しつつ好ましい温度範囲で、ＮａＳ電池を運転することが出来る。
【００７６】このようなＮａＳ電池の温度調節方法、及び、その温度調節方法を実現可能なＮａＳ電池の提供により、ＮａＳ電池が、より低ランニングコスト化し、電力貯蔵・供給装置として、より広く普及し易くなるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるＮａＳ電池の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明にかかるＮａＳ電池の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】図１に示すＮａＳ電池の部分断面図である。
【図４】本発明にかかるＮａＳ電池の排気開口率調節手段の一実施形態を説明する図である。
【図５】本発明にかかるＮａＳ電池を含むコージェネレーションシステムの一例を示すシステム構成図である。
【図６】本発明にかかるＮａＳ電池を含む電力供給システムの一例を示すシステム構成図である。
【図７】実施例における負荷と充放電効率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０，２０，５０…ナトリウム−硫黄電池（ＮａＳ電池）、１１，２１…パッケージ、１２…蓋扉、１３…排気開口率調節手段、１５…排気開口部、１８…吸気開口部、１９…気体、２２…ダクト、２３…気体排出系、２４…排出量調節手段、２５…排出開口部、２６…配管、２７…受入量調節手段、２８…受入開口部、２９…気体、３０…気体、３３…気体供給系、４０…気体、４１…昇降機器、４２…アーム部、５１…マイクロガスタービン、５２…発電機、５３…圧縮機、５４…タービン、５５…再生器、５６…電力、５７…蒸気、５８…工場、５９…排熱ガス（ＮａＳ電池へ供給するガス）、６０…排熱ガス（熱交換後のガス）、６１…燃料電池、６２…電池本体、６３…燃料改質装置、７０…相関曲線（ヒータ電力不含）、７１…相関曲線（パッケージ内部温度４０℃）、７２…相関曲線（パッケージ内部温度１００℃）、７３…相関曲線（パッケージ内部温度１５０℃）。[0001]
The present invention relates to a sodium-sulfur battery in which a battery module housed in a heat insulating container is housed in a package isolated from the outside, and the sodium-sulfur battery which is preferably operated in a predetermined temperature range. The present invention relates to a method of controlling the temperature inside a battery package.
[0002]
2. Description of the Related Art A sodium-sulfur battery (hereinafter also referred to as a NaS battery), as an example of a practical form, has a plurality of battery modules formed by connecting a plurality of unit cells in series or in parallel to form a heat insulation. It is housed in a container and further housed in a package. The molten metal sodium as the cathode active material and the molten sulfur as the anode active material have a β- It is a chargeable / dischargeable secondary battery that is normally arranged at a high temperature and is separated by an alumina solid electrolyte, and has recently been put into practical use as a large-scale power storage / supply device.
In a NaS battery, molten sodium emits electrons at the time of discharge to become sodium ions, which pass through the solid electrolyte and move to the anode side, react with sulfur and electrons supplied from an external circuit and react with the sodium ions. Sodium sulfide is produced, while on the other hand, during charging, a reaction occurs in which sodium and sulfur are produced from sodium polysulfide, contrary to discharging. Since the above-mentioned sodium polysulfide generation reaction is an exothermic reaction, the total heat generation amount during discharge is the heat amount obtained by adding the Joule heat amount determined by the flowing current and the internal resistance and the chemical heat generation amount by the sodium polysulfide formation reaction. Conversely, since the reaction of generating sodium and sulfur from sodium polysulfide is an endothermic reaction, during charging, the heat generation or endotherm is determined by the Joule heat due to the internal resistance and the heat absorbed by the reaction.
Incidentally, components of a NaS battery, in particular, a solid electrolyte made of β-alumina, an aluminum container for storing sulfur as an anode active material, and an α-alumina insulating material interposed between the solid electrolyte and the aluminum container when joining the aluminum container There is a limit to the heat resistance of rings, glass joints, TCB joints, aluminum welds, etc., which seal between these members, and high temperatures such as sodium, sulfur, sodium polysulfide, etc. with high chemical activity. Contact for a long time tends to cause corrosion and deterioration. Therefore, it is not preferable that the operating temperature of the NaS battery exceeds a certain value.
On the other hand, the sodium ion conductivity with respect to β-alumina as a solid electrolyte, the sulfur as an anode active material, and the conductivity of graphite felt used for impregnating the same, increase as the temperature increases, and the internal resistance of the battery decreases. Become. Therefore, it is preferable to operate the NaS battery at a high temperature from the viewpoint of charge and discharge efficiency. Also, from the viewpoint of the diffusivity of the active material at the anode and the equilibrium of the reaction of generating sodium polysulfide from sodium and sulfur, at low temperatures, it is disadvantageous for charge recovery.
[0006] Due to the above circumstances, namely, the utilization of heat generated by the battery reaction and the restrictions on the characteristics of the materials essential for forming the battery and the characteristics of various members for forming the battery, the operation of the NaS battery is 280. It is common practice to carry out in the range of up to 360 ° C.
[0007] In order to realize operation in such an appropriate temperature range, conventionally, in a NaS battery, the temperature of each battery module of the NaS battery is measured, and a heater provided in each battery module is turned on / off. The operating temperature of the NaS battery is adjusted.
[0008] Further, in the package of the NaS battery, a heat insulating container is used as a container for accommodating a battery module composed of a plurality of unit cells in order to minimize energy loss outside the container. As the heat insulating container, a vacuum heat insulating container, an air heat insulating container, or a combination thereof is used, and a vacuum heat insulating container or a heat insulating container mainly including a vacuum heat insulating container is preferably used. The smaller the temperature difference between the temperature of the battery module stored in the heat-insulated container and the temperature inside the package that accommodates the heat-insulated container storing the plurality of battery modules and separates the battery module from the outside, the smaller the operation of the NaS battery becomes. The temperature can be easily maintained, the time for turning on the heater can be reduced, and power consumption can be suppressed.
Hereinafter, the case where the container for storing the battery module is a vacuum insulated container will be described as an example. The vacuum insulated container is, for example, a container having a structure in which the battery module is isolated from the external space by a wall having a vacuum hollow layer, and the wall of the vacuum insulated container itself has airtightness. In addition, the vacuum hollow layer serves as a heat insulating means, has little heat conduction, and has better heat insulating properties than general heat insulating materials.
By the way, as the NaS battery has been put to practical use, the energy density per unit volume has been improved by increasing the size of the unit cell or filling the unit cell at a high density. Is getting bigger. However, in a NaS battery, it is possible to turn off the heater when the temperature inside the vacuum insulated container rises due to heat generation, but usually, it does not have a cooling function.
Therefore, when the load of the electric power system is high in summer or winter, the calorific value of the NaS battery may exceed the heat loss of the vacuum insulated container, and heat may be stored inside the vacuum insulated container. When the balance between heat generation and heat loss is lost and heat storage occurs, the internal temperature of the vacuum insulated container of the NaS battery rises excessively, and the temperature exceeds 360 ° C. despite having the battery capacity. It is not preferable because it causes trouble.
On the other hand, when the load of the electric power system is low in spring or autumn, the supplied current decreases and the Joule calorific value decreases, so that the calorific value of the NaS battery may fall below the heat loss of the vacuum insulated container. In this case, in order to keep the operation of the NaS battery good, the power consumption of the heater for maintaining the temperature of the battery module may be excessive. If the power consumption of the heater becomes excessive, the charge / discharge efficiency representing the ratio of the discharge power to the power consumption (charging power + heater power) of the NaS battery decreases, which is not preferable.
As described above, in the NaS battery, it is necessary to appropriately control the temperature inside the vacuum insulated container. Conventionally, in order to avoid an excessive rise in the internal temperature of the vacuum insulation container of a NaS battery, heat generation under a high load is assumed, and the degree of vacuum of the hollow layer of the vacuum insulation container is reduced to increase the thermal conductivity. Thus, the amount of heat radiation from the vacuum insulated container was adjusted.
A method of reducing the degree of vacuum is, for example, to connect a vacuum pump, open a vacuum sealing plug with a plug opening / closing jig, and check the degree of vacuum with a vacuum gauge, and install it in the middle of the connection pipe. A method of injecting a predetermined amount of gas, for example, air or nitrogen gas, necessary for lowering the degree of vacuum to a target value, into the hollow layer in the wall of the vacuum insulated container from the provided valve can be adopted.
However, such a change in the degree of vacuum involves a complicated operation as described above and requires a long time for the operation. Therefore, for a large number of NaS batteries, the degree of vacuum in the vacuum insulated container is changed. Requires a long-term operation, and this method of changing the degree of vacuum requires special equipment such as a vacuum pump and specialized operators, and is expensive. Further, the adjustment of the heat radiation amount by changing the degree of vacuum limits the upper limit of the heat radiation amount, so that there is a problem that a desired heat radiation amount may not be obtained.
On the other hand, in order to avoid a decrease in the internal temperature of the vacuum insulation container of the NaS battery, the degree of vacuum in the hollow layer of the vacuum insulation container is increased as much as possible to lower the thermal conductivity, thereby radiating heat from the vacuum insulation container. Although making it difficult to do so is the best countermeasure in the related art, it has a problem that the temperature of the NaS battery exceeds the operating range when the load is high.
[0017]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and has as its object to solve the problems of the prior art. Specifically, when the load is large, the amount of heat generated due to the operation of the NaS battery is not accumulated inside the vacuum insulated container, and when the load is low, the temperature inside the vacuum insulated container is maintained while suppressing the power consumption of the heater as much as possible. It is an object of the present invention to provide a NaS battery that can be operated in a preferable temperature range while maintaining high charge and discharge efficiency.
In order to achieve the above object, various studies have been made and studies have been conducted. As a result, the temperature outside the heat insulating container containing the battery module, that is, the inside of the package of the NaS battery, is adjusted according to the operating condition of the NaS battery. It has been found that the above object can be achieved by adjusting the ambient temperature. More specifically, the following means is used.
[0019]
That is, according to the present invention, there are provided the following two methods for adjusting the temperature inside the package of a sodium-sulfur battery.
A first temperature control method is a method for controlling the temperature inside a package of a sodium-sulfur battery in which a battery module housed in a heat-insulated container is isolated from the outside and housed in a package. The battery is provided with an intake opening communicating with the outside at least on the lower part or side surface of the package, and has an exhaust opening communicating with the outside on the upper part of the package, and by changing the opening ratio of the exhaust opening, from the inside of the package to the outside. A method for controlling the temperature of a sodium-sulfur battery, comprising controlling the amount of heat released.
A second temperature control method is a method of controlling the temperature inside a package of a sodium-sulfur battery in which a battery module housed in a heat insulating container is housed in a package while being isolated from the outside. The battery has a receiving opening and a discharge opening at the top of the package, and changes a gas flow rate as a heat medium that is pressed into the package through the receiving opening and exhausted from the package through the discharging opening. Accordingly, a method for controlling the temperature of a sodium-sulfur battery, wherein the temperature inside the package is controlled.
In the second temperature control method, it is preferable to use exhaust heat gas as the gas. As the exhaust heat gas, it is possible to use a gas discharged from at least one facility included in a facility group including a gas turbine, a fuel cell, a thermal power generation, and the like.
Further, according to the present invention, there are provided the following two sodium-sulfur batteries.
The first sodium-sulfur battery is a sodium-sulfur battery in which a battery module housed in a heat insulating container is housed in a package while being isolated from the outside, and at least a lower part or side surface of the package has an intake opening communicating with the outside. A sodium-sulfur battery having an exhaust opening at the top of the package and communicating with the outside, and having exhaust opening ratio adjusting means for varying the opening ratio of the exhaust opening. In the first sodium-sulfur battery, a means for moving up and down or sliding a lid door covering the exhaust opening can be employed as the exhaust opening ratio adjusting means.
The second sodium-sulfur battery is a sodium-sulfur battery in which a battery module housed in a heat insulating container is housed in a package while being isolated from the outside, and has a receiving opening and a discharging opening in the upper part of the package. Receiving amount adjusting means for changing a gas flow rate as a heat medium pressed into the package through the receiving opening, and discharge amount adjusting means for changing a gas flow rate as a heat medium exhausted from the package through the discharge opening And a sodium-sulfur battery characterized by comprising one or both of the following.
In the second sodium-sulfur battery, it is preferable to use exhaust gas as the gas. As the exhaust heat gas, a gas discharged from at least one facility included in a facility group including a gas turbine, a fuel cell, a thermal power generation, and the like can be used.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of a sodium-sulfur battery and a temperature control method of the present invention will be described in detail, but the present invention should not be construed as being limited to these, and the present invention is not limited thereto. Various changes, modifications, and improvements can be made based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope.
The temperature control method for a NaS battery according to the present invention is a method for controlling the temperature inside a package of a NaS battery in which a battery module housed in a heat insulating container is housed in a package isolated from the outside. The heat insulation means of the heat insulation container of the battery module may be vacuum heat insulation or air heat insulation, and is not limited. The present invention provides first and second two temperature control methods.
First, a first temperature control method is a method utilizing natural ventilation accompanying heat transfer. In the first temperature control method, an intake opening provided in at least the lower part of the package of the NaS battery, more preferably on the entire side of one side of the package including the lower part of the package, and the upper part of the package of the NaS battery, more preferably the package. It is characterized in that the amount of heat released from the inside of the package to the outside is adjusted by changing the opening ratio of the exhaust opening using the exhaust opening provided on the upper surface and communicating with the outside.
The heat dissipated inside the package with the operation of the NaS battery propagates to the air, and the heated air rises due to the difference in specific gravity. As a result, the temperature inside the package of the NaS battery becomes higher at the top. Accordingly, an exhaust opening of a predetermined size is provided at the upper part of the package of the NaS battery, for example, at the center of the upper surface of the package, and by opening this exhaust opening, air with heat escapes to the outside, and instead from the intake opening. New air enters, and natural ventilation is performed, so that the amount of heat inside the package is adjusted.
The opening ratio of the exhaust opening is adjusted in consideration of the difference between the temperature of the atmosphere inside the package of the NaS battery and the operating temperature of the NaS battery (battery module) or the charge / discharge power. The NaS battery is preferably operated at 280 to 360 ° C. as described above. In addition, in order to reduce the power consumption of the heater for heating the battery module, the difference between the temperature inside the package and the temperature inside the NaS battery is reduced. Therefore, the opening ratio of the exhaust opening is adjusted so that the temperature inside the package (atmosphere) of the NaS battery becomes 40 to 280 ° C. The NaS battery whose temperature inside the package has been adjusted in this way can be a secondary battery that can maintain the battery temperature at 280 to 360 ° C. regardless of the magnitude of the load and has high charge / discharge efficiency.
When a control device such as a measuring device relating to the temperature is provided inside the package, the control device should be provided at the bottom of the package separately from the battery module in order to prevent a problem caused by a high temperature environment. Is preferred.
It is important that the intake opening is provided at least at the lower part of the package in consideration of heat transfer inside the package of the NaS battery. More preferably, the package is provided on the entire side surface of one side of the package so as to form a pair with, for example, a battery module that is a heat source. This is because the heat transfer speed inside the package is increased, and the heat distribution inside the package is less likely to be biased.
As a result of adjusting the opening ratio of the exhaust opening based on the temperature of the atmosphere inside the package and the operating temperature of the NaS battery, when the load on the NaS battery is high, the calorific value of the battery module increases. The opening ratio of the exhaust opening is larger than when the load of the NaS battery is low. However, the temperature inside the package may vary depending on the heat insulation performance of the package, the outside air temperature (also the temperature of the air to be sucked in), and the like. Therefore, the opening ratio of the exhaust opening is adjusted so that the temperature inside the package becomes an appropriate temperature inside the package. As a result, for example, when the load of the NaS battery is high, the opening ratio of the exhaust opening is close to 100% (fully open), and when the load of the NaS battery is low, the opening ratio of the exhaust opening is close to 0% (fully closed). Therefore, it is preferable to design the heat insulation performance of the package, the opening area or the opening position of the exhaust opening, and the like based on the calorific value of the NaS battery according to the state of the load, the assumed external air temperature, and the like.
Next, a second temperature adjustment method will be described. The second temperature adjustment method is a method of injecting and exhausting a gas as a heat medium. In the second temperature control method, a receiving opening provided on at least a lower part of the package of the NaS battery, more preferably on one side of the package including the lower part of the package, and a package upper part of the NaS battery, more preferably a package upper part, Using the discharge opening provided in the device, the gas as the heat medium is pressed into the package through the receiving opening and exhausted from the package through the discharge opening, and the flow rate of the gas as the heat medium passing through the package of the NaS battery is adjusted. It is characterized in that the temperature inside the package is adjusted by changing the temperature.
A receiving opening of a predetermined size is provided in the lower part of the package of the NaS battery, for example, on the side surface of the lower part of the package, and a gas supply system such as a duct is connected to the receiving opening, and the gas supply system serves as a heat medium. A gas is sent into the package to give or remove heat to the inside of the package, and a discharge opening of a predetermined size is provided at the upper part of the package of the NaS battery, for example, at the center of the upper surface of the package. The amount of heat inside the package can be adjusted by connecting the gas discharge system and discharging the gas that has entered the heat exchange from the gas supply system and has completed the heat exchange, that is, by performing forced ventilation with heat exchange.
Adjustment of the flow rate of the gas as the heat medium is performed in consideration of the difference between the charging / discharging power of the NaS battery or the temperature of the atmosphere inside the package and the operating temperature of the NaS battery (battery module). The NaS battery is preferably operated at 280 to 360 ° C. as described above, and the difference between the temperature of the atmosphere inside the package and the operating temperature of the NaS battery is reduced to reduce the power consumption of the heater for heating the battery module. Therefore, the flow rate of the gas as the heat medium is adjusted such that the temperature inside the package (atmosphere) of the NaS battery becomes 40 to 280 ° C. As described above, a secondary battery having a high charge / discharge efficiency while maintaining the battery temperature at 280 to 360 ° C. regardless of the magnitude of the load can be obtained.
The temperature conditions inside the NaS battery package (atmosphere) and the points to be considered regarding the control devices provided inside the NaS battery package are in accordance with the first temperature control method.
Since the purpose of the second temperature control method of the present invention is to bring the temperature inside the package to a desired temperature, the temperature of the gas as the heat medium and the inside of the heat insulating container of the NaS battery (the battery) Depending on the temperature condition of the module), temporarily stopping the ventilation, that is, reducing the flow rate of the gas as the heat medium to zero is also included.
It is important that the receiving opening is provided at least in the lower part of the package in consideration of heat transfer inside the package of the NaS battery. In addition, the receiving opening here is based on the premise that the gas as the pressurized heat medium is released in the package, and the gas supply system is made to penetrate, for example, in the upper part of the package. Alternatively, a gas as a heat medium may be opened at a lower portion inside the package. If the place where the gas as the heat medium is released is the lower part of the package, the position of the receiving opening 28 is not limited. It is also preferable that the gas as the heat medium is opened by a plurality of diffusers provided at the lower portion of the inside of the package so that the gas as the heat medium is uniformly diffused and passed inside the package. This is because the heat transfer speed inside the package is increased, and the heat distribution inside the package is less likely to be biased.
As a result of adjusting the flow rate of the gas as a heat medium based on the temperature inside the package (atmosphere) and the operating temperature of the NaS battery, when the load on the NaS battery is high, the calorific value of the battery module increases. Therefore, the flow rate of the gas as the heat medium is larger than when the load on the NaS battery is low. However, the temperature inside the vacuum heat insulating container (battery module) can vary depending on the heat insulation performance of the vacuum heat insulating container, the temperature of the gas as the heat medium, and the like. As a result, for example, when the load on the NaS battery is high, the flow rate of the gas as the heat medium becomes close to the maximum value, and when the load on the NaS battery is low, the flow rate of the gas as the heat medium becomes 0 (ventilation stopped). It is preferable to design the heat insulation performance of the package based on the calorific value of the NaS battery according to the load state, the temperature of the gas as the heat medium to be used, and the like so as to be close to each other.
In the second temperature control method, it is preferable to use exhaust heat gas as the gas. Usually, the NaS battery is often disposed, for example, as a power storage device in a factory or the like, but in many cases, such exhaust heat gas is present near the installation location. Exhaust gas is a gas with predetermined heat generated as a result of the operation of the equipment for a certain purpose. It varies from low to high temperatures depending on the equipment, but it is detoxified if necessary and then released to the atmosphere. Is done. It is often in a pressurized state, and almost no new energy cost is generated by utilizing the heat of the exhaust gas. For example, examples of the exhaust heat gas source include facilities such as a gas turbine, a fuel cell, and thermal power generation.
Hereinafter, the NaS battery according to the present invention will be described with reference to the drawings.
The NaS battery according to the present invention is a NaS battery having a battery module housed in a heat-insulating container, housed in a package isolated from the outside, and provided with a means for adjusting the temperature inside the package. The present invention provides first and second two NaS batteries.
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the first NaS battery according to the present invention. The NaS battery 10 has five battery modules housed in a heat insulating container (not shown), which are isolated from the outside and are housed in a package 11 in multiple stages. On one side surface of the package 11, intake openings 18 communicating with the outside are provided at a total of ten locations, two for each battery module. As the intake opening 18, as shown, for example, a so-called rattle having a plurality of oblique slits can be employed. The intake opening 18 may be provided at least in the lower part, and is not limited. However, a form in which the intake opening 18 is formed in a pair with the battery module as a heat source is preferable.
The upper portion of the package is provided with an exhaust opening 15 communicating with the outside, and has an exhaust opening ratio adjusting means 13 for making the opening ratio of the exhaust opening 15 variable. The exhaust opening 15 may be provided at least in the upper part of the package 11 and is not limited. However, such a form that the exhaust opening 15 is formed at the center of the upper surface of the package where heat is most likely to escape is preferable.
In the NaS battery 10, the heat dissipated inside the package during operation propagates to the air, and is discharged to the outside with the gas 30 (air) exhausted from the exhaust opening 15 of the NaS battery 10. Instead, new gas 19 (air) enters from outside through the intake opening 18, natural ventilation is performed, and heat inside the package 11 is discharged. That is, the amount of heat inside the package 11 is adjusted by the amount of ventilation between the inside and the outside of the package which is adjusted by the exhaust opening ratio adjusting means 13.
In the NaS battery 10, the exhaust opening ratio adjusting means 13 is realized by raising and lowering the lid door 12 covering the exhaust opening 15. FIG. 3 shows a cross section of a central portion of the upper surface of the package 11 of the NaS battery 10 provided in the exhaust opening ratio adjusting means 13. As illustrated, the exhaust opening 15 is an opening formed by being surrounded by a side wall following the package 11, and a lid door 12 is provided on the upper surface of the exhaust opening 15 so as to be placed on the side wall of the opening. . By raising the lid door 12 and separating it from the side wall of the exhaust opening 15, a gap is formed between the lid door 12 and the exhaust opening 15, and a gas 30 (air) accompanied by heat from the inside of the package 11 through the gap. Is discharged outside. That is, in the NaS battery 10, adjusting the exhaust opening ratio means adjusting the size of the gap. When the temperature inside the package 11 is low, the lid door 12 is lowered, and the lid 12 is not lifted from the side wall of the exhaust opening 15 so that no gap is formed, thereby making it difficult for the heat generated by the operation of the battery module and the heater to escape to the outside. Thus, the temperature inside the package 11 is raised or maintained.
FIG. 4 shows an embodiment of the means for moving the lid door 12 up and down. A pair of telescopic elevating devices 41 (for example, air cylinders) are mounted on the upper surface of the package 11 with one end of the telescopic arm 42 fixed to the lid door 12. In FIG. 4, the right side shows a state in which the arm 42 of the lifting / lowering device 41 is extended (a state in which the lid door 12 is separated from the side wall of the exhaust opening 15 and a gap is formed), and the left side shows the state in which the arm 42 of the lifting / lowering device 41 is formed. 3 shows a contracted state (a state in which the lid door 12 is in contact with the side wall of the exhaust opening 15 and no gap is formed). By controlling the degree of extension of the arm portion 42 in the lifting device 41, the size of the gap between the lid door 12 and the side wall of the exhaust opening 15 can be adjusted, that is, the exhaust opening ratio can be adjusted. .
Next, a second NaS battery according to the present invention will be described. The second NaS battery according to the present invention is a NaS battery that uses a gas as a heat medium having a pressure when adjusting the temperature inside the package. FIG. 2 shows a perspective view of one embodiment of the second NaS battery according to the present invention. The NaS battery 20 is configured such that a plurality of battery modules housed in a heat insulation container (not shown) are housed in a package 21 in a multi-stage manner, which is isolated from the outside. At the lower part of one side surface of the package 21, a receiving opening 28 is provided, and a gas supply system 33 composed of a pipe 26 provided with a receiving amount adjusting means 27 in the middle is connected.
As the receiving amount adjusting means 27, for example, an inlet adjusting valve including a needle valve, a diaphragm valve, and the like can be employed. The receiving opening 28 is not limited, provided that it is provided at least in the lower part on the assumption that it is immediately opened in the package 21. For example, the gas supply system 33 may be penetrated in the upper part of the package 21, and the gas 29 (for example, exhaust heat gas) as a heat medium may be opened in the lower part inside the package 21. If the place where the gas 29 as the heat medium is released is the lower part of the package 21, the position of the receiving opening 28 is not limited. It is preferable that the gas 29 as the heat medium is opened at the lower portion inside the package 21 by a diffuser tube or the like (not shown) so that the gas 29 as the heat medium is uniformly diffused and passed inside the package 21.
A gas discharge system 23 is connected to the upper part of the package. The gas discharge system 23 includes a duct 22 having a discharge opening 25 and a discharge control means 24 in the middle. As the discharge control means 24, for example, an outlet control valve including a gate valve or the like can be adopted. The discharge opening 25 may be provided at least in the upper part of the package 21 and is not limited. However, the form formed in the center of the upper surface of the package where heat generated in the package 21 is easy to collect is preferable.
In the NaS battery 20, a gas 29 as a heat medium is sent from the gas supply system 33 into the package 21 to give or remove heat from the air inside the package. The amount of heat inside the package can be adjusted by exhausting the air from the space 33, that is, by performing forced ventilation with heat exchange.
As in the case of the NaS battery 20, both the receiving amount adjusting means 27 and the discharging amount adjusting means 24 may be provided, and only one of them may be used for the gas 29 entering from the gas supply system 33 and the gas discharging system 33. Since it is possible to adjust the gas 40 to be discharged, an embodiment having only one of them may be used. It is more preferable that the receiving amount adjusting means 27 is provided. This is because back pressure is less likely to be applied to the package 21 and it is safer. For example, when a high-temperature exhaust gas is used as the gas 29 as a heat medium, heat that propagates the gas can be cut off.
When the control device for the NaS battery 20 is provided inside the package 21, it is provided separately from the battery module at the bottom of the package 21 in order to prevent the occurrence of trouble due to a high temperature environment. It is preferable to consider the arrangement inside the package 21 such that the gas 29 released inside does not directly hit the control device.
In the second NaS battery according to the present invention, exhaust gas generated from other equipment can be used as a gas as a heat medium for adjusting the temperature inside the package. An example is described below.
FIG. 5 is a system configuration diagram showing an example of a cogeneration system using a micro gas turbine and a NaS battery in combination. The micro gas turbine 51 is composed of a generator 52, a compressor 53, a turbine 54, and a regenerator 55, and is supplied with fuel (gas) to drive the turbine 54 to be generated by the generator 52 and generate electric power 56. Is supplied to a power system such as a factory 58. In addition, the regenerator 55 produces the steam 57 while recovering the exhaust heat generated from the turbine 54 and supplies the steam 57 to a steam system such as a factory 58.
The system shown in FIG. 5 is provided with a NaS battery 50 functioning as a power storage device via an AC / DC converter as a backup for a power supply line of a power 56, and a regenerator 55. Are supplied to the NaS battery 50. In the NaS battery 50, when the load is low, the calorific value associated with the operation of the battery module becomes small, and the heater power increases to maintain the temperature in the vacuum insulated container. The exhaust heat gas 59 is received as needed. By discharging the exhaust heat gas 59 through the inside of the package, the temperature in the package is increased, and the temperature difference between the temperature required for the operation of the battery module stored in the vacuum insulated container and the temperature in the package is reduced. The power consumption of the heater for heating the module can be suppressed. As a result, the charging / discharging efficiency of the NaS battery 50 is further increased.
FIG. 6 is a system configuration diagram showing an example of a power supply system using both a fuel cell and a NaS battery. The fuel cell 61 includes a fuel reforming device 63, a battery main body 62, and an AC / DC converter (AC / DC). When fuel is supplied, hydrogen is extracted by the fuel reforming device 63, and the hydrogen and air DC power and water are produced in the battery body 62 by an electrochemical reaction with oxygen. Then, the generated DC power is converted into AC and supplied to a power system such as the factory 58.
In the system shown in FIG. 6, a NaS battery 50 functioning as a power storage device via an AC / DC converter (AC / DC) is used in combination with the fuel cell 61, and the NaS battery 50 is used for the above-mentioned electrochemical reaction. Accordingly, high-temperature exhaust gas 69 generated in the fuel cell 61 is supplied to the NaS cell 50. Similar to the system shown in FIG. 5, in the NaS battery 50, when the load is low, the calorific value associated with the operation of the battery module becomes small, and the heater power increases to maintain the temperature in the vacuum insulated container. While measuring the electric power or the package temperature, the exhaust gas 59 is received as needed.
The temperature of the package is increased by discharging the exhaust heat gas 59 through the package, and the temperature difference between the temperature required for the operation of the battery module and the temperature of the package is reduced, thereby heating the battery module. The power consumption of the heater can be reduced. As a result, the charging / discharging efficiency of the NaS battery 50 is further increased.
[0062]
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(Examples 1 and 2)
A NaS battery in which a 50 kW battery module housed in a vacuum insulated container was housed in a package was used. The package was provided with a receiving opening at the lower part of one side surface, a discharge opening at the upper surface of the package, and exhaust heat gas (200 ° C.) was pressed into the lower part of the package through the receiving opening. The temperature inside the package was adjusted to 100 ° C. (Example 1) and 150 ° C. (Example 2) by changing the flow rate of the exhaust heat gas. The operation was performed by controlling the heater so that the temperature of the battery module became 300 ° C.
The load was changed to 20%, 40%, 60%, 80%, and 100% for both Examples 1 and 2, respectively.
FIG. 7 shows the relationship between load and charge / discharge efficiency. The relationship between the load and the charge / discharge efficiency in the first embodiment is represented by a correlation curve 72, and the relationship between the load and the charge / discharge efficiency in the second embodiment is represented by a correlation curve 73.
The charge / discharge efficiency was determined by the following equation (1).
[0068]
(Equation 1)
Charge / discharge efficiency = discharge power / (charge power + heater power)
The correlation curve 70 shows the relationship between the load and the charge / discharge efficiency when the heater power is not included (when the heater power is set to 0 in the equation (1)).
(Comparative Example 1)
The NaS battery was operated with the load changed in the same manner as in Examples 1 and 2, except that the exhaust heat gas was not blown. At this time, the temperature inside the package was 40 ° C.
FIG. 7 shows the relationship between load and charge / discharge efficiency. The relationship between the load and the charge / discharge efficiency in Comparative Example 1 is represented by a correlation curve 71.
(Consideration)
The method for controlling the temperature of a NaS battery according to the present invention can improve the charge / discharge efficiency at any load by controlling the temperature inside the package and bringing it closer to the operating temperature of the NaS battery. confirmed. Particularly at low load, the amount of heat generated by the battery module decreases, and the charging / discharging efficiency depends on the heating of the heater. Therefore, the temperature inside the package can be adjusted by using an inexpensive heat source such as exhaust gas. Useful.
[0075]
As described above, according to the present invention, when the load is high, the heat generated by the operation of the NaS battery is not accumulated in the package, and when the load is low, the heat inside the package is minimized. The heater power consumption can be suppressed while maintaining the temperature, and the NaS battery can be operated in a preferable temperature range while maintaining high charge and discharge efficiency.
By providing such a temperature control method of a NaS battery and a NaS battery capable of realizing the temperature control method, the NaS battery has a lower running cost and has become more widely used as a power storage / supply device. This has the effect of making it easier.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a NaS battery according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing another embodiment of the NaS battery according to the present invention.
FIG. 3 is a partial sectional view of the NaS battery shown in FIG.
FIG. 4 is a view for explaining an embodiment of an exhaust aperture ratio adjusting means of the NaS battery according to the present invention.
FIG. 5 is a system configuration diagram showing an example of a cogeneration system including a NaS battery according to the present invention.
FIG. 6 is a system configuration diagram showing an example of a power supply system including a NaS battery according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between load and charge / discharge efficiency in an example.
[Explanation of symbols]
10, 20, 50 ... sodium-sulfur battery (NaS battery), 11, 21 ... package, 12 ... lid door, 13 ... exhaust opening ratio adjustment means, 15 ... exhaust opening, 18 ... intake opening, 19 ... gas, Reference numeral 22: duct, 23: gas discharge system, 24: discharge amount adjusting means, 25: discharge opening, 26: pipe, 27: receiving amount adjusting means, 28: receiving opening, 29: gas, 30: gas, 33 ... Gas supply system, 40: Gas, 41: Lifting device, 42: Arm, 51: Micro gas turbine, 52: Generator, 53: Compressor, 54: Turbine, 55: Regenerator, 56: Electric power, 57: Steam 58, factory, 59, waste heat gas (gas to be supplied to the NaS battery), 60, waste heat gas (gas after heat exchange), 61, fuel cell, 62, battery body, 63, fuel reformer, 70 ... Correlation curve (without heater power), 71 ... Seki curve (package internal temperature 40 ℃), 72 ... correlation curve (package internal temperature 100 ℃), 73 ... correlation curve (package internal temperature 0.99 ° C.).

Claims

A method for controlling a temperature inside a package of a sodium-sulfur battery in which a battery module is isolated from the outside and housed in a package,
The sodium-sulfur battery has an intake opening communicating with the outside at least on the lower part or side surface of the package, and has an exhaust opening communicating with the outside on the upper part of the package,
A method for controlling the temperature of a sodium-sulfur battery, wherein the amount of heat released from the inside of the package to the outside is adjusted by changing the aperture ratio of the exhaust opening.

A method for controlling a temperature inside a package of a sodium-sulfur battery in which a battery module is isolated from the outside and housed in a package,
The sodium-sulfur battery has a receiving opening and a discharging opening at the top of the package,
Adjusting the ambient temperature inside the package by changing a gas flow rate as a heat medium, which is press-fitted into the package through the receiving opening and exhausted from the package through the discharging opening; Temperature control method for sulfur batteries.

The method for controlling the temperature of a sodium-sulfur battery according to claim 2, wherein the gas is a waste heat gas.

The method for controlling the temperature of a sodium-sulfur battery according to claim 3, wherein the discharge source of the exhaust heat gas is at least one facility included in a facility group including a gas turbine, a fuel cell, and thermal power generation.

A sodium-sulfur battery in which a battery module is isolated from the outside and housed in a package,
At least a lower part or side surface of the package has an intake opening communicating with the outside, and an upper part of the package has an exhaust opening communicating with the outside,
A sodium-sulfur battery comprising: an exhaust opening ratio adjusting means for changing an opening ratio of the exhaust opening portion.

The sodium-sulfur battery according to claim 5, wherein the exhaust opening ratio adjusting means is means for moving up and down or sliding a lid door covering the exhaust opening.

A sodium-sulfur battery in which a battery module is isolated from the outside and housed in a package,
With a receiving opening and a discharge opening at the top of the package,
A receiving amount adjusting means for changing a gas flow rate as a heat medium pressed into the package through the receiving opening, and a discharging amount adjusting means for changing a gas flow rate as a heat medium exhausted from the package through the discharge opening. A sodium-sulfur battery comprising: one or both of:

The sodium-sulfur battery according to claim 7, wherein the gas is a heat exhaust gas.

9. The sodium-sulfur battery according to claim 8, wherein the exhaust heat gas emission source is at least one facility included in a facility group including a gas turbine, a fuel cell, and thermal power generation.