JP2005149774A - Module or module assembly of sodium-sulfur battery, and method of detecting depth of discharge of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力貯蔵装置,非常用電源や無停電電源、又は電気自動車などに用いるに好適なナトリウム硫黄電池モジュールやモジュール集合体、及び、これらの放電深度検出方法に関する。 The present invention relates to a sodium-sulfur battery module or module assembly suitable for use in a power storage device, an emergency power supply, an uninterruptible power supply, or an electric vehicle, and a discharge depth detection method thereof.
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で分離した構造のナトリウム硫黄電池は、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,非常用電源や無停電電源、及び、ハイブリッド自動車を含めた電気自動車などへの利用が期待されている。この電池の運転の際には、放電深度の増加によって電池電圧が低下することを利用して、電池の電圧を測定して放電深度を検出したり、これを基に放電深度を制御するのが一般的である。しかしながら、従来の検出方法では、電池間の特性差異によって電池電圧がばらついたり、電池間の温度差や電池温度の経時変化が生じたり、並列電池間の電流差が生じたりすると、電圧測定による放電深度の検出精度が低下する問題がある。なお、この問題は、電池を収納したモジュールやモジュール集合体の容量が大きい場合に、特に大きな問題となる。このために、従来の放電深度の検出方法には、測定精度が十分に確保できないという欠点があった。ここで、放電深度が進み過ぎて過放電されると、多硫化ナトリウムに含まれるナトリウムと硫黄との比が増加し、電池容器が腐食したり、多硫化ナトリウムが固化して電池が劣化し、その後の運転が困難になるという問題が発生する。 Liquid sodium in the negative electrode chamber, positive electrode active material such as sulfur and sodium polysulfide in the positive electrode chamber, and the negative electrode chamber / positive electrode chamber separated by a solid electrolyte made of β-type or β ″ -type beta alumina ceramics Sulfur batteries are attracting attention because of their long life and high energy density, and are expected to be used in power storage devices, emergency power supplies and uninterruptible power supplies, and electric vehicles including hybrid vehicles. When driving, it is common to measure the battery voltage by detecting the battery voltage using the decrease in battery voltage due to the increase in discharge depth, and to control the discharge depth based on this. However, in the conventional detection method, the battery voltage varies due to the characteristic difference between the batteries, the temperature difference between the batteries or the battery temperature changes with time, or the current difference between the parallel batteries varies. If this occurs, there is a problem that the detection accuracy of the depth of discharge by voltage measurement is lowered, which is a particularly serious problem when the capacity of the module or module assembly containing the battery is large. However, the conventional method for detecting the depth of discharge has the drawback that sufficient measurement accuracy cannot be ensured, and if overdischarge occurs due to excessive depth of discharge, the sodium and sulfur contained in sodium polysulfide The ratio increases, the battery container is corroded, the sodium polysulfide is solidified, the battery is deteriorated, and the subsequent operation becomes difficult.
この問題に対処するために、例えば特開平5−258779号公報に見られるように、運転時に放電深度の位置をずらすことによって、モジュールを構成する一部の電池の放電深度を他の電池よりも大きくして、この放電深度の大きい電池の電圧測定により、モジュールの放電深度を検出する方法が提案されている。この方法によれば、放電深度の大きい電池は他の電池よりも早く放電時に電圧低下するために、放電深度の検出が容易になるという利点はあるが、放電深度の変化に対する電圧変化の大きさは特に改善されないために、電圧測定による放電深度の検出精度向上の効果は不十分であるという問題が残されている。 In order to cope with this problem, as seen in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-2587779, the discharge depth of some of the batteries constituting the module is made higher than that of other batteries by shifting the position of the discharge depth during operation. A method for detecting the depth of discharge of a module by measuring the voltage of a battery having a large depth of discharge and increasing the depth has been proposed. According to this method, a battery with a large depth of discharge has a merit that it becomes easier to detect the depth of discharge because the voltage drops earlier during discharge than other batteries, but the magnitude of the voltage change with respect to the change in the depth of discharge is advantageous. Is not particularly improved, there remains a problem that the effect of improving the detection accuracy of the depth of discharge by voltage measurement is insufficient.
さらに、モジュールやモジュール集合体を構成する全てのナトリウム硫黄電池の電圧をそれぞれ測定し、そのデータを基に放電深度を制御することも可能であるが、そのためには電圧測定装置の構造が複雑になって、電池システムのコストが増加するという欠点がある。 It is also possible to measure the voltage of all the sodium sulfur batteries that make up the module or module assembly, and to control the depth of discharge based on the data, but this makes the structure of the voltage measurement device complicated. Thus, there is a drawback that the cost of the battery system increases.
本発明は、上記従来技術の欠点を除き、放電深度の検出精度の高いナトリウム硫黄電池モジュール又はモジュール集合体、及び、これらの放電深度検出方法を提供する。 The present invention provides a sodium-sulfur battery module or module assembly with high discharge depth detection accuracy, and a discharge depth detection method thereof, excluding the above-mentioned drawbacks of the prior art.
本発明のナトリウム硫黄電池モジュール又はモジュール集合体は、ナトリウムを収納した負極室と、硫黄又は/及び多硫化ナトリウム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とを含むナトリウム硫黄電池の複数個が電気的に接続された電池群を保温容器内へ収納したモジュール、あるいは、前記モジュール同志を電気的に接続したモジュール集合体であって、前記モジュールやモジュール集合体に含まれる前記ナトリウム硫黄電池の内の一部電池の正極室内に含まれる硫黄量を他の電池の正極室内に含まれる硫黄量よりも少なくして、前記硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池の電圧を測定するか、又は前記硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池を一個又は複数個含んだ電池群又はモジュールの電圧を測定する電圧測定装置を設けたことを特徴としている。なお、ナトリウム硫黄電池の正極室内の硫黄量は、正極室内に含まれる硫黄と多硫化ナトリウムを構成する硫黄との和に相当する。 The sodium-sulfur battery module or module assembly of the present invention includes a negative electrode chamber containing sodium, a positive electrode chamber containing sulfur or / and sodium polysulfide, and a solid electrolyte separating the negative electrode chamber / positive electrode chamber. A module in which a battery group in which a plurality of sodium-sulfur batteries are electrically connected is housed in a heat insulating container, or a module assembly in which the modules are electrically connected, which is included in the module or module assembly The amount of sulfur contained in the positive electrode chambers of some of the sodium sulfur batteries is less than the amount of sulfur contained in the positive electrode chambers of other batteries, and the voltage of the sodium sulfur battery having a small amount of sulfur is measured. Or voltage measurement for measuring the voltage of a battery group or module containing one or more sodium-sulfur batteries having a small amount of sulfur. It is characterized in that a location. Note that the amount of sulfur in the positive electrode chamber of the sodium-sulfur battery corresponds to the sum of sulfur contained in the positive electrode chamber and sulfur constituting sodium polysulfide.
この構造により、放電深度の検出精度の高いナトリウム硫黄電池モジュールやモジュール集合体が実現される。 With this structure, a sodium sulfur battery module or a module assembly with high detection accuracy of the depth of discharge is realized.
ここで、前記モジュールあるいはモジュール集合体を構成する複数個の前記ナトリウム硫黄電池の全てが電気的に直列接続されていること、または、前記電池群同士が並列接続又は直並列接続されて前記モジュールを構成するか、あるいは、前記モジュール同士が並列接続又は直並列接続されて前記モジュール集合体を構成しており、前記電池群又はモジュールに含まれた前記硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池の数が、並列接続された前記電池群又はモジュールの各々において等しいことが望ましい。 Here, all of the plurality of sodium-sulfur batteries constituting the module or module assembly are electrically connected in series, or the battery groups are connected in parallel or in series-parallel, and the module is Or the modules are configured to be connected in parallel or in series and parallel, and the number of sodium sulfur batteries with a small amount of sulfur contained in the battery group or module is parallel. It is desirable for each of the connected battery groups or modules to be equal.
また、本発明のナトリウム硫黄電池モジュール又はモジュール集合体の放電深度検出方法は、ナトリウムを収納した負極室と、硫黄又は/及び多硫化ナトリウム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とを含むナトリウム硫黄電池の複数個が電気的に接続された電池群を保温容器内へ収納したモジュールの放電深度検出方法、あるいは、前記モジュール同志を電気的に接続したモジュール集合体の放電深度検出方法であって、前記モジュールやモジュール集合体に含まれる前記ナトリウム硫黄電池の内の一部電池の正極室内に含まれる硫黄量を他の電池の正極室内に含まれる硫黄量よりも少なくして、前記硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池の電圧を測定するか、又は前記硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池を一個又は複数個含んだ電池群又はモジュールの電圧を測定して、放電深度を検出することを特徴としている。 Further, the depth-of-discharge detection method for the sodium-sulfur battery module or module assembly of the present invention includes a negative electrode chamber containing sodium, a positive electrode chamber containing sulfur or / and sodium polysulfide, and a gap between the negative electrode chamber / positive electrode chamber. A method for detecting the depth of discharge of a module in which a battery group in which a plurality of sodium-sulfur batteries including a separated solid electrolyte are electrically connected is housed in a heat insulating container, or a module assembly in which the modules are electrically connected The depth of discharge detection method of the present invention, wherein the amount of sulfur contained in the positive electrode chamber of some of the sodium sulfur batteries contained in the module or module assembly is greater than the amount of sulfur contained in the positive electrode chambers of other batteries. Decrease and measure the voltage of the sodium sulfur battery with a small amount of sulfur, or one sodium sulfur battery with a small amount of sulfur Measures the voltage of the plurality inclusive battery groups or modules, is characterized by detecting the depth of discharge.
この方法により、ナトリウム硫黄電池モジュールやモジュール集合体の放電深度の検出精度の高い放電深度検出方法が実現される。 By this method, a discharge depth detection method with high detection accuracy of the discharge depth of the sodium-sulfur battery module or module assembly is realized.
ここで、前記モジュールあるいはモジュール集合体を構成する複数個の前記ナトリウム硫黄電池の全てを電気的に直列接続すること、または、前記電池群同士を並列接続又は直並列接続して前記モジュールを構成するか、あるいは、前記モジュール同士を並列接続又は直並列接続して前記モジュール集合体を構成し、前記電池群又はモジュールに含まれた前記硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池の数を、並列接続された前記電池群又はモジュールの各々において等しくすることが望ましい。 Here, all of the plurality of sodium-sulfur batteries constituting the module or module assembly are electrically connected in series, or the battery groups are connected in parallel or in series-parallel to form the module. Or, the modules are configured by connecting the modules in parallel or in series and parallel, and the number of the sodium sulfur batteries with a small amount of sulfur contained in the battery group or module is connected in parallel. It is desirable to be equal in each of the battery groups or modules.
本発明によれば、電池の放電時の電圧測定や起電力の測定による放電深度の検出精度を高く保つことができ、電池を集合したモジュールやモジュール集合体の容量が大きい場合にも放電深度の検出精度を確保することが可能となる。また、電池間に温度差が生じたとしても、電池が過放電される可能性はほとんど無く、モジュールやモジュール集合体を構成する電池の過放電による劣化の問題が起こらないという利点もある。 According to the present invention, it is possible to maintain high detection accuracy of the depth of discharge by measuring the voltage at the time of discharging the battery and measuring the electromotive force, and even when the capacity of the module or module assembly in which the battery is assembled is large. It becomes possible to ensure detection accuracy. Further, even if a temperature difference occurs between the batteries, there is almost no possibility that the batteries are overdischarged, and there is an advantage that the problem of deterioration due to overdischarge of the batteries constituting the module or module assembly does not occur.
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明に用いられるナトリウム硫黄電池の構造例を示している。図において、ナトリウムイオン導電性の固体電解質1には普通、β型やβ″型のベータアルミナセラミックスから成る有底袋管が用いられるが、場合によっては平板状の固体電解質を用いることもできる。負極容器2,正極容器3は固体電解質1と共にそれぞれ負極室4,正極室5を構成し、その材料としてはAl,Al合金やFe,Fe合金,SUS又はこれらの表面にCo基合金,Cr/Fe合金,Al/Si合金,SUS,Cr,C,Moなどを主体とする耐食層を設けたものや、Al合金とSUS等とのクラッド材が普通に用いられる。また、絶縁リング6は負極容器2と正極容器3とを絶縁分離すると共に、これらと接合される。ここで、絶縁リング6は普通αアルミナセラミックスを用いて、図示されていないが固体電解質1とガラス接合されたり、αアルミナやマグネシウムアルミニウムスピネルなどのセラミックスを用いて、固体電解質1と一体焼結されている。さらに、負極容器2や正極容器3と絶縁リング6との接合には、図示されていないが、AlやAl合金を接合材として用いて、接合材の液相線温度以下や固相線温度以下に加熱して加圧接合する熱圧接法が一般に行われている。
FIG. 1 shows an example of the structure of a sodium sulfur battery used in the present invention. In the figure, a bottomed bag tube made of β-type or β ″ -type beta-alumina ceramic is usually used for the sodium ion conductive
一方、負極室4内に設置されたSUS製やAl合金製のナトリウム容器7は液体状のナトリウム8を収納しており、固体電解質1の表面に隣接してナトリウム容器7を設けることにより、運転時に固体電解質1とナトリウム容器7との間隙に存在するナトリウム8の量を少なくして、固体電解質破損時の安全性を確保することができる。また、ナトリウム8は重力やナトリウム容器7内に充填された窒素ガスやArガスなどの不活性ガス9の圧力で押され、ナトリウム容器7に設けられた貫通孔10を通って、固体電解質1とナトリウム容器7との間隙へ供給される。
On the other hand, the
さらに、多孔質導電材11は正極室5内へ収納され、普通、1300〜2000℃で加熱して製造されたPAN(ポリアクリロニトリル)系やピッチ系の炭素繊維や炭素粒子の集合体から構成される。また、正極室5内には硫黄や多硫化ナトリウムから成る正極活物質12が充填され、この正極活物質12は多孔質導電材11に含浸されて電池反応に寄与している。一方、固体電解質1と多孔質導電材11との間には多孔質材13が設けられ、この多孔質材13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から構成される。なお、この多孔質材13は正極活物質12を構成する多硫化ナトリウムなどのイオン導電性活物質を保持する性質を持ち、ナトリウム硫黄電池の充電時の抵抗上昇を押さえ、電池の充放電特性を改善する効果を持っている。ここで、正極活物質12を構成する硫黄や多硫化ナトリウムの充填量を調整することにより、正極室5内に含まれる硫黄量が制御される。また、本発明に対応する硫黄量は、正極室5内に含まれる硫黄と多硫化ナトリウムを構成する硫黄との和に相当する。
Further, the porous
図2はナトリウム硫黄電池の放電特性の例を示しており、縦軸は放電時の電池電圧、横軸は放電深度を示している。また、異なる電池の放電特性が20,21で示されており、放電特性20は正極室5内の硫黄量が少ない電池の、放電特性21は正極室5内の硫黄量の多い電池の放電特性を表している。すなわち、ナトリウム硫黄電池においては、負極室4内のナトリウム8が固体電解質1を通って正極室5内に移動するにつれて放電深度が増加するが、正極室5内ではナトリウム8の侵入により、正極活物質12の組成がS→
Na2S5→Na2S4→Na2S3と変化して、SからNa2S5までの範囲では電池の起電力は一定であるが、これを超えると、ナトリウム8の侵入と共に電池の起電力は低下する。ナトリウム硫黄電池は、正極活物質の組成がNa2S5よりも硫黄量が少なくなる組成まで運転されるのが一般的なため、放電時の電池電圧の測定、又は、放電停止時の電池電圧、即ち起電力の測定によって放電深度を求めることができる。
FIG. 2 shows an example of discharge characteristics of a sodium-sulfur battery, where the vertical axis indicates the battery voltage during discharge and the horizontal axis indicates the depth of discharge. In addition, the discharge characteristics of different batteries are indicated by 20 and 21. The
The battery electromotive force is constant in the range from S to Na 2 S 5 , as Na 2 S 5 → Na 2 S 4 → Na 2 S 3. The electromotive force is reduced. Since a sodium-sulfur battery is generally operated until the composition of the positive electrode active material is such that the amount of sulfur is less than that of Na 2 S 5 , measurement of the battery voltage during discharge or battery voltage when discharge is stopped That is, the depth of discharge can be determined by measuring the electromotive force.
ここで、放電時の電池電圧は起電力から電池抵抗×電池電流を差し引いた値となり、図2に見られるように放電深度がある値を超えると、放電時の電池電圧や、図示されてないが起電力は放電深度の増加につれて低下し、放電時の電池電圧や起電力の低下は、正極室5内の硫黄量が少ないほど小さい放電深度で開始することになる。また、放電深度(Ah)の変化に対する放電時の電池電圧や起電力の変化量は、正極室5内の硫黄量が少ない場合ほど大きくなり、その結果として、放電時の電池電圧や起電力の測定による放電深度の検出精度が向上する。なお、ナトリウム硫黄電池モジュールやモジュール集合体の放電深度は、測定された放電時の電池電圧や起電力と放電深度との関係を用いて検出できる。
Here, the battery voltage at the time of discharge is a value obtained by subtracting battery resistance × battery current from the electromotive force. If the discharge depth exceeds a certain value as shown in FIG. 2, the battery voltage at the time of discharge or not shown However, the electromotive force decreases as the depth of discharge increases, and the decrease in battery voltage and electromotive force during discharge starts with a smaller depth of discharge as the amount of sulfur in the
さらに、電池の放電電流が一定の場合、放電時の電池電圧の測定によって起電力の変化や放電深度の変化を容易に求めることができる。また、放電電流を変えて運転する場合には、測定した電池電圧に電池抵抗と放電電流との積を加えて、起電力や放電深度の変化を求めることができる。これらのいずれの場合においても、硫黄量の少ない電池では、放電深度の変化による放電時の電池電圧や起電力の変化が大きいために、放電時の電池電圧測定や放電停止時の電池電圧、即ち起電力の測定によって放電深度の検出精度が向上する。 Furthermore, when the discharge current of the battery is constant, a change in electromotive force or a change in discharge depth can be easily obtained by measuring the battery voltage during discharge. Moreover, when operating by changing the discharge current, the product of the battery resistance and the discharge current can be added to the measured battery voltage to determine changes in electromotive force and discharge depth. In any of these cases, a battery with a small amount of sulfur has a large change in battery voltage or electromotive force at the time of discharge due to a change in the depth of discharge. The detection accuracy of the depth of discharge is improved by measuring the electromotive force.
図3は本発明のナトリウム硫黄電池モジュール106の構造例を示している。この図において、ナトリウム硫黄電池100や101は図1に示されたと同様な電池であり、図に見られるように、複数個の電池が直並列接続されて、断熱容器等から成る保温容器102内へ収納されている。なお、図示されていないが、保温容器102内にはナトリウム硫黄電池100や101を運転温度に保持するためのヒータが設けられている。ここで、ナトリウム硫黄電池100の正極室5内に含まれる硫黄量は、ナトリウム硫黄電池101の正極室5内に含まれる硫黄量よりも少なくなるように調整されている。また、電気配線103は電池間や電池と外部回路などとを電気的に接続し、電圧測定装置104は電圧測定により、ナトリウム硫黄電池の放電深度を検出している。このように、図3においては、ナトリウム硫黄電池100と複数個のナトリウム硫黄電池101とが直列接続されて電池ストリング、すなわち直列の電池群105が形成され、この電池群同士が複数個並列接続されて電池ブロックが形成されており、この電池ブロックとナトリウム硫黄電池101から成る他の電池ブロックとが直列接続されて、モジュール106が形成されている。また、ナトリウム硫黄電池100の電圧、即ち放電時の電池電圧や起電力が電圧測定装置104によって測定され、放電深度が検出されている。
FIG. 3 shows a structural example of the sodium-
図4,図5は本発明のナトリウム硫黄電池モジュール集合体の構造例を示しており、図3と同じ符号で示されたものは同じ部分を示している。 4 and 5 show examples of the structure of the sodium-sulfur battery module assembly according to the present invention, and the same reference numerals as those in FIG. 3 denote the same parts.
図4においては、複数個のナトリウム硫黄電池100,101が直列接続された電池群105によってモジュール106が形成されると共に、モジュール同志が直列接続されて、複数の電池が全て直列接続されたモジュール集合体が構成されており、硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100の電圧が測定されて、放電深度が評価されている。このように、硫黄量の少ない電池のみの電圧を測定することにより、放電深度の検出精度が高い利点や、モジュールやモジュール集合体を構成する電池の一部のみの電圧測定によってモジュールやモジュール集合体全体の放電深度が評価でき、電圧測定装置104の簡略化による低コスト化ができるという利点が得られる。なお、場合によっては、硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100を1個又は複数個設けた電池群105や、この電池群から成るモジュール106の電圧を測定して、放電深度を評価することもできる。
In FIG. 4, a
ここで、モジュールの電圧測定の場合には、電圧測定のための電気配線をモジュールの外に取り付けることができるため、モジュール内での電圧測定に比べて電圧測定の構造が簡素化され、低コスト化できるという利点がある。また、電圧を測定する電池群105としては、複数電池を直並列接続した構造も可能であるが、図3や図4に示すように直列接続された電池群を用いることが望ましく、こうすることによって、測定する電池群に含まれる電池間での電流が一定となり、放電深度の検出精度が向上するという利点がある。さらに、モジュール106の電圧測定についても同様で、図4に示すように複数電池の直列接続から成るモジュールを用いることが、放電深度の検出精度向上のために望ましい。
Here, in the case of voltage measurement of the module, since the electrical wiring for voltage measurement can be attached outside the module, the structure of voltage measurement is simplified compared to the voltage measurement inside the module, and the cost is low. There is an advantage that can be made. Moreover, as the
また、ナトリウム硫黄電池100と101との合計の電圧を測定する場合には、図2で示した放電深度の検出精度向上の効果が低減されるため、ナトリウム硫黄電池100と
101との組み合わせ数の適正化が必要である。ここで、ナトリウム硫黄電池100の数を大きくすること、例えば電圧測定される電池群やモジュールを構成する全部の電池をナトリウム硫黄電池100にすることにより、放電深度の検出精度が向上する。一方、ナトリウム硫黄電池100の数が多くなると、モジュールやモジュール重合体の放電容量が低下する欠点があり、放電容量向上のためには、ナトリウム硫黄電池100の数を出来るだけ少なくすることが望ましい。特に、電圧測定しない部分に含まれる電池群やモジュールとしては、ナトリウム硫黄電池100を含まないことが望ましい。
Further, when measuring the total voltage of the
図5においては、図4に示されたと同様のモジュール同志が直並列接続されてモジュール集合体が構成されており、モジュール106内に他の電池と直列接続されて設置されたナトリウム硫黄電池100,100′の電圧が、それぞれ電圧測定装置104,104′で測定されている。なお、1つの電圧測定装置で複数のナトリウム硫黄電池100,
100′の電圧を順番に測定することも可能である。また、図示されていないが、硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100や100′を複数個直列接続して電池群105を形成し、これら複数個のナトリウム硫黄電池100や100′の合計の電圧を測定したり、直列接続した複数個のナトリウム硫黄電池100や100′の内の1つの電池の電圧を測定して、電池やモジュールあるいはモジュール集合体の放電深度を検知することも可能である。さらに、電圧測定装置104や104′によって電池の充電時と放電時との電圧を測定して、これを基にモジュールやモジュール集合体の充放電深度を制御したり、電池破損の有無を検知すること、又は、電流を停止したときの起電力を測定して、電池やモジュールあるいはモジュール集合体の放電深度を検出することも可能である。
In FIG. 5, modules similar to those shown in FIG. 4 are connected in series and parallel to form a module assembly, and the sodium-
It is also possible to measure 100 'voltage sequentially. Although not shown, a plurality of
本発明においては、正極室5内の硫黄量の比較的少ないナトリウム硫黄電池100の放電時の電池電圧や起電力が測定されるために、図2に示された放電深度に対する電池電圧の傾き、即ち、放電深度の変化による電池電圧の変化割合や、図示されていないが起電力の変化割合が大きくなり、放電深度の検出精度が向上できるという利点がある。この結果、モジュールやモジュール集合体において電池間の温度差や電池温度の経時変化が生じたり、並列電池間の電流差が生じたりしても、電圧測定による放電深度の検出精度を比較的高く保つことができ、電池を集合したモジュールやモジュール集合体の容量が大きい場合にも放電深度の検出精度を確保することが可能となる。また、硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100は他の硫黄量の多いナトリウム硫黄電池101よりも早く放電時の電池電圧や起電力が低下するため、この電圧を測定してモジュールやモジュール集合体の放電深度を制御すれば、電池間の温度差が生じたとしても、他の電池が過放電される可能性はほとんど無く、モジュールやモジュール集合体を構成する電池の過放電による劣化の問題が起こらないという利点もある。なお、使用する硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100としては、他の電池と同じ構造で、硫黄の添加量のみを少なくした電池を用いることが、電池製造簡略化の点で優位であるが、場合によっては、ナトリウム硫黄電池100として他の電池より電池体積の小さい比較的小型の電池を用いることも可能である。
In the present invention, since the battery voltage and electromotive force during discharge of the
また、複数個の電池を直列接続又は/及び並列接続して得られた電池群同士を並列接続したり、モジュール同士を並列接続する場合には、電池群やモジュールに含まれる硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100の数を並列された各電池群やモジュール毎に同じ数にすることが望ましい。例えば、図3に示されるように、電池群105に含まれる硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100の数を並列接続された各電池群毎に同じ数にすること、又は図5のように、複数のモジュール同士が並列接続されてモジュール集合体を構成している場合には、各モジュール106を構成する電池群に含まれる硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100又は100′の数を、並列接続された各モジュール毎に同じ数にすることが望ましい。こうすることによって、並列接続された各電池群や各モジュールなどの放電特性がほぼ等しくなり、各電池群や各モジュールなどを流れる電流がほぼ等しくなって、放電深度に差異が付きにくくなり、モジュールやモジュール集合体の特性が安定化して、放電深度の検出精度が向上する。
In addition, when battery groups obtained by connecting a plurality of batteries in series or / and in parallel are connected in parallel, or when modules are connected in parallel, sodium containing a small amount of sulfur contained in the battery groups and modules. It is desirable that the number of
さらに、図3のように一つの電池群105に含まれるナトリウム硫黄電池100の電圧や、ナトリウム硫黄電池100を含む一つの電池群の電圧を測定したり、図4のように一つのモジュール内に含まれるナトリウム硫黄電池100の電圧や、ナトリウム硫黄電池
100を含む電池群から成る一つのモジュール106の電圧を測定すること、すなわち、一つの電池群や一つのモジュールを構成する電池の一部又は全部の放電時の電池電圧や起電力を測定することによって、モジュール全体やモジュール集合体全体の放電深度の検出精度向上が可能となり、放電深度の検出の簡略化により低コスト化が実現される。
Further, the voltage of the sodium-
なお、図5に示されたように、並列接続されたそれぞれの電池群105やモジュール
106などに含まれる硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100,100′などの放電時の電池電圧をそれぞれ測定することもでき、こうすることにより、並列接続された電池群やモジュールごとの電流の違いの影響が測定でき、モジュールやモジュール集合体の放電深度の検出精度を高めることができる。
In addition, as shown in FIG. 5, the battery voltage at the time of discharge of each of the
さらに、放電深度の測定精度を特に高めるためには、図4に示されるように、全ての電池を直列接続してモジュールやモジュール集合体を構成し、これに含まれる硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100の電圧を測定すれば良く、場合によってはナトリウム硫黄電池100を一部含む電池群やモジュールの電圧を測定することもできる。こうすることにより、全ての電池に流れる電流が等しくなるために、モジュールやモジュール集合体の放電深度の検出精度が特に向上する。また、モジュールやモジュール集合体を構成する全ての電池が直列接続された場合には、電池間に温度差、電気抵抗の差や硫黄量の差などがあっても、モジュール内の電池間に循環電流が流れたり、電流差が生じる問題はなく、放電深度の検出精度向上と共に、モジュールやモジュール集合体の効率や容量が高く保たれるという利点もある。
Further, in order to particularly increase the measurement accuracy of the depth of discharge, as shown in FIG. 4, all the batteries are connected in series to form a module or a module assembly, and a sodium sulfur battery with a small amount of sulfur contained therein. The voltage of 100 may be measured, and depending on the case, the voltage of a battery group or module partially including the
なお、電池群やモジュール内に硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100を複数個設置して、これらの電圧を測定することも可能であるが、モジュールやモジュール集合体の電池容量を高くするためには、硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池の数は出来るだけ少なくすることが望ましく、図4に見られるように、電池群105やモジュール106に含まれる硫黄量の少ない電池数を1個として、この電池の電圧を測定すれば良い。すなわち、硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100では、硫黄量の多いナトリウム硫黄電池101に比べて放電深度の増加に伴って正極活物質の組成が早くNa2S4やNa2S3に達するため、結果として電池容量が小さくなり、硫黄量の少ない電池数が多すぎるとモジュールやモジュール集合体の電池容量が小さくなるという実用上の欠点が生じ易くなるため、モジュールやモジュール集合体を構成する硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100の数は少なくすることが望ましい。
Although it is possible to install a plurality of
また、図5に見られるように、直列接続したモジュール同志を並列接続し、これを更に直列接続したモジュール集合体においては、直列された一部のモジュール内の硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100の電圧を測定することにより、モジュール集合体の放電深度を検知することができる。この場合、図5のように並列単位のモジュールを構成する電池群のそれぞれについてナトリウム硫黄電池100,100′の電圧を測定することもできるが、図3で説明した様にどちらか一方の電池の電圧を測定しても良い。
Further, as seen in FIG. 5, in a module assembly in which modules connected in series are connected in parallel and further connected in series, the
さらに、一般にモジュール内に充填する電池数はかなり多いため、図示されていないが、並列単位のモジュールのどれか一つのみに硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100を入れて、その電池の電圧を測定し、他のモジュール内の電池を全て硫黄量の多いナトリウム硫黄電池101にすることもできる。この場合、原理的には並列モジュール間の放電特性が異なるために、並列接続の電池群に流れる電流同士が若干異なって、放電深度に差が出るが、モジュールを構成する電池数が多い場合には並列モジュール間の放電特性の差は小さくなって、モジュール集合体の放電深度の検出に問題が起こらなくすることができる。一方、硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100を含むモジュール数が少なくなるために、モジュール集合体の容量が大きくなるという利点が生じる。
In addition, since the number of batteries to be filled in a module is generally large, although not shown in the figure, a
同様な効果は図3の場合にも期待でき、電池群105を形成する電池数が多い場合には、電池群の1つのみに硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100が存在したとしても、並列接続された電池群同士の電流の差、すなわち各電池群を流れる電流の差は小さくなり、ナトリウム硫黄電池100の電圧測定によって精度良くモジュールの放電深度が検出できると共に、モジュールの容量が高く保てるという利点がある。但し、放電深度の検出精度を特に高めるためには、並列接続された複数の電池群に含まれる硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池100の数を各電池群で等しくすることが望ましい。
Similar effects can be expected in the case of FIG. 3, and when the number of batteries forming the
具体例として、図4に示すように、ナトリウム硫黄電池を複数個直列接続した電池群
105から成るモジュール106を直列接続してモジュール集合体を構成し、1つのモジュール内のナトリウム硫黄電池100の正極室5内に含まれる硫黄量を他のナトリウム硫黄電池101よりも1割少なくし、このナトリウム硫黄電池100の電圧を測定して、これを基にモジュール集合体の充放電を制御すると共に、その放電深度を検出した。この結果、充放電を繰り返したり、モジュール間の温度が異なったりしても比較的正確に放電深度の検出が可能であり、また、電池が過放電されないために電池の信頼性が高く、モジュール集合体の寿命が長くできるという利点が得られた。
As a specific example, as shown in FIG. 4, a module assembly is formed by connecting
1…固体電解質、2…負極容器、3…正極容器、4…負極室、5…正極室、6…絶縁リング、7…ナトリウム容器、8…ナトリウム、9…不活性ガス、10…貫通孔、11…多孔質導電材、12…正極活物質、13…多孔質材、20,21…放電特性、100,
100′…硫黄量の少ないナトリウム硫黄電池、101…硫黄量の多いナトリウム硫黄電池、102…保温容器、103…電気配線、104,104′…電圧測定装置、105…電池群、106…モジュール。
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 '... Sodium-sulfur battery with little sulfur amount, 101 ... Sodium-sulfur battery with much sulfur amount, 102 ... Insulation container, 103 ... Electric wiring, 104, 104' ... Voltage measuring device, 105 ... Battery group, 106 ... Module.
Claims (6)
5. The battery group according to claim 4, wherein the battery groups are connected in parallel or series-parallel to form the module, or the modules are connected in parallel or series-parallel to form the module assembly. Alternatively, the number of sodium sulfur batteries with a small amount of sulfur contained in the module is made equal in each of the battery groups or modules connected in parallel, and the depth of discharge detection method for a sodium sulfur battery module or module assembly is provided. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003381916A JP2005149774A (en) | 2003-11-12 | 2003-11-12 | Module or module assembly of sodium-sulfur battery, and method of detecting depth of discharge of the same |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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- 2003-11-12 JP JP2003381916A patent/JP2005149774A/en active Pending
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