JP2014136927A - 坑井用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】坑井内における長期間に亘る使用が可能な電源システムを提供する。
【解決手段】本発明の坑井用電源システムは、坑井Ｈ内の温度を使用温度範囲に含み、坑井内に設置された機器に電力を供給する二次電池１００と、この二次電池１００に対して充電を行う充放電機構７２と、を備えており、坑井Ｈ内に設置されることを特徴とする。当該電源システムに用いられる二次電池１００は、溶融塩電池であってもよく、センサ７０や通信手段７１を含んでいてもよい。
【選択図】図１８

Description

本発明は、油井やガス井等の坑井内に配置される機器に対して電力を供給するための電源システムに関する。

近年、油井やガス井等の坑井を掘削するにあたり、坑跡管理の効率化やコストの低減、安全性の向上等を図るため、掘削しながら坑井情報や地層情報を取得するＭＷＤやＬＷＤと呼ばれるシステムが利用されている。例えば、ＭＷＤシステムは、地層を掘削するビットを下端に備えたドリルストリングに対して、ドリルビットの荷重やトルクを検出するセンサや、坑井の位置、方位等を検出するセンサ等を設け、このセンサの検出情報を電磁波や圧力波、音響パルス等を用いて地上に伝送する（例えば、特許文献１参照）。また、坑井の掘削工程の途中や掘削終了後にドリルストリングを坑井から抜き取り、坑井内に測定機器やサンプリング機器を挿入して、各種の測定や地層流体のサンプリングを行うことも行われている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−５７１７９号公報 特開平６−３４１２８５号公報

坑井内に配置される各種センサや、検出情報を送信するための送信機等の機器に対する電力の供給は、地上から配策したケーブルによって行われる場合がある。しかしながら、坑井の内部は２００℃以上の高温になる場合があるため、耐熱性の高いケーブルを使用する必要がある。耐熱性の高いケーブルは非常に高価であるとともに、深度が大きくなるほど長いケーブルが必要となるため、コスト面で不利である。また、センサ等に対する電力供給が電池によって行われる場合もあるが、この場合、単に坑井内の高温に耐えるだけでなく、長期間にわたる使用が可能であることが要求される。従来、比較的耐熱性の高い塩化チオニルリチウム電池が坑井内で使用されることがあったが、これは一次電池であるため短期間で交換する必要があり、交換のためにドリルストリング等を引き上げなければならないので、時間的なロスが大きく、工期延長の原因になっていた。
現在のところ、坑井内の高温環境下で長期使用が可能な電池は、未だ実用化されていない。

本発明は、このような実情に鑑み、坑井内における長期間に亘る使用が可能な電源システムを提供することを目的とする。

（１）本発明に係る坑井用電源システムは、坑井内の温度を使用温度範囲に含み、前記坑井内に設置されて当該坑井内の機器に対して電力を供給するための二次電池と、この二次電池に対する充放電を行う充放電機構と、を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、坑井内の温度を使用温度範囲に含む二次電池が用いられるので、高温環境下においてもセンサ等に対する電力の供給が可能になる。そして、充放電機構によって二次電池に対して充電が可能であるので、長期間に亘る使用を実現可能である。
なお、本発明の電源システムは、坑井を掘削するドリルストリングに装着されたセンサ等に対して電力供給を行うもの、坑井に挿入されたドリルストリング以外の管部材（採油管やコイルドチュービング等）に装着されたセンサ等に対して電力供給を行うもの、又はドリルストリング等の管部材に代えて坑井内に挿入される各種の検査機器に対して電力供給するもの等として使用することができる。

（２）前記二次電池は、溶融塩電池であることが好ましい。
溶融塩電池は、他の二次電池、例えばリチウムイオン電池等と比較して、溶融塩の融点が高く実質的な使用温度範囲が高いため、当該使用温度範囲内に坑井内の温度を含むことが可能となる。また、溶融塩電池は、高いエネルギー密度と不燃性という利点を有しているので、容量を確保しながら小型化を図ることができるとともに、坑井内の物質との反応で発火したり可燃性ガスを発生したりすることもない。

（３）前記二次電池は、発電要素を収容した外装と、この外装に付与される振動を低減する制振部とを備えていることが好ましい。
このような構成によって、坑井の掘削等に伴う振動が二次電池に付与されたとしても好適に衝撃を緩和し、破損を防止することができる。

（４）上記電源システムは、前記坑井内に配置された管部材を流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを前記充放電機構に供給するエネルギー変換機構を備えていることが好ましい。
このような構成によって、坑井内における掘削作業等と同時に充電をも行うことができ、二次電池を長期間にわたって使用することができる。

（５）上記電源システムは、前記二次電池からの電力が供給されて作動するセンサを備えていることが好ましい。
このように、センサを組み入れた電源システムとすることによって、当該センサによる坑井内の状態の検出・測定等を長期間に亘って行うことができる。

（６）上記電源システムは、前記二次電池からの電力が供給されて作動する通信手段を備えていることが好ましい。
このように、通信手段を組み入れた電源システムとすることによって、センサ等によって検出された情報やその他の情報の通信を長期間に亘って行うことができる。

本発明によれば、坑井内において長期間に亘る使用が可能となる。

溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。 溶融塩電池本体（電池としての本体部分）の積層構造を簡略に示す斜視図である。 図２と同様の構造についての横断面図である。 外装に収められた状態の溶融塩電池の外観の概略を示す斜視図である。 正極活物質を除く、他の各要素（セパレータ、バインダ、電解液、負極活物質、外装）についての、温度に対応する適用可否を検証（若しくは既知データから予想）した結果の表を表す図である。 使用温度が２５℃〜１２０℃の場合の溶融塩電池の充放電曲線を示すグラフである。 使用温度が２５℃〜１２０℃の場合の溶融塩電池のサイクル特性を示すグラフである。 使用温度が８０℃〜１４０℃の場合の溶融塩電池の充放電曲線を示すグラフである。 使用温度が８０℃〜１４０℃の場合の溶融塩電池のサイクル特性を示すグラフである。 使用温度が１４０℃〜３００℃の場合の溶融塩電池の充放電曲線を示すグラフである。 使用温度が１４０℃〜３００℃の場合の溶融塩電池のサイクル特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る制振部を含む溶融塩電池の構成を示す断面図である。 制振部材のみを一例として示した図である。 本発明の他の実施形態に係る制振部を含む溶融塩電池の構成を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る制振部を含む溶融塩電池の構成を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る制振部を含む溶融塩電池の構成を示す断面図である。 溶融塩電池を適用することができる坑井掘削機を示す概略的な正面図である。 ドリルストリングの先端側（下端側）を示す模式的に示す説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
《溶融塩電池の基本構造》
まず、溶融塩電池の基本構造から説明する。
図１は、溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。図において、発電要素は、正極１、負極２及びそれらの間に介在するセパレータ３を備えている。正極１は、正極集電体１ａと、正極材１ｂとによって構成されている。負極２は、負極集電体２ａと、負極材２ｂとによって構成されている。

正極集電体１ａの素材は、例えば、アルミニウム不織布（線径１００μｍ、気孔率８０％）である。正極材１ｂは、正極活物質及びバインダを含み、これらを混練したものである。そして、このように混練したものを、アルミニウム不織布の正極集電体１ａに充填し、乾燥後に、例えば、１００ＭＰａにてプレスし、正極１の厚みが約１ｍｍとなるように形成される。
一方、負極２においては、アルミニウム製の負極集電体２ａ上に、負極活物質が、付着して形成されている。

正極１及び負極２の間に介在するセパレータ３は、不織布（厚さ２００μｍ）のような液体を吸蔵し易い材料に電解液（電解質）としての溶融塩を含浸させたものである。溶融塩は、その融点以上の温度では溶融し、高濃度のイオンが溶解した電解液Ｌとなって、正極１及び負極２に触れている。また、この溶融塩は不燃性である。

次に、より具体的な溶融塩電池の発電要素の構成について説明する。図２は、溶融塩電池本体（電池としての本体部分）１０の積層構造を簡略に示す斜視図、図３は同様の構造についての横断面図である。
図２及び図３において、複数（図示しているのは６個）の矩形平板状の負極２と、袋状のセパレータ３に各々収容された複数（図示しているのは５個）の矩形平板状の正極１とが、互いに対向して図３における上下方向すなわち積層方向に重ね合わせられ、積層構造を成している。

セパレータ３は、隣り合う正極１と負極２との間に介在しており、言い換えれば、セパレータ３を介して、正極１及び負極２が交互に積層されていることになる。実際に積層する数は、例えば、正極１が２０個、負極２が２１個、セパレータ３は「袋」としては２０袋であるが、正極１・負極２間に介在する個数としては４０個である。なお、セパレータ３は、袋状に限定されず、分離した４０個であってもよい。

なお、図３では、セパレータ３と負極２とが互いに離れているように描いているが、溶融塩電池の完成時には互いに密着する。正極１も、当然に、セパレータ３に密着している。また、正極１の縦方向及び横方向それぞれの寸法は、デンドライトの発生を防止するために、負極２の縦方向及び横方向の寸法より小さくしてあり、正極１の外縁が、セパレータ３を介して負極２の周縁部に対向するようになっている。

《溶融塩電池の一形態》
上記のように構成された溶融塩電池本体１０は、例えばアルミニウム合金製で直方体状の外装（電池容器）に収容され、素電池すなわち、電池としての物理的な一個体を成す。以下、このような一個体の素電池に対しては、符号Ｂを付して「溶融塩電池Ｂ」と示すことにする。
図４は、このような外装１１に収められた状態の溶融塩電池Ｂの外観の概略を示す斜視図である。図において、外装１１は、直方体の上面を除く容器本体１１ｍと、その上面に取り付けられる蓋部１１ｔとによって、構成されている。外装１１の両側面上部には、連結及び電気的接続のための孔１１ａ及び１１ｂが形成されている。また、通常は、外装１１の上部には、内部の気圧が過度に上昇したときに放圧するための安全弁１２が設けられている。なお、外装１１は、正極１及び負極２とは、電気的に絶縁されている。

なお、図４に示した溶融塩電池Ｂの一個体形状は、一例に過ぎず、使用される環境等に応じて形状・寸法は任意に設定することができる。また、外装１１には、孔１１ａ，１１ｂに代えて、電気的な接続を行うための端子が蓋部１１ｔ等から突出されていてもよい。
上記のような溶融塩電池Ｂは、用途に必要な電圧や電流容量を得るべく、複数個が集まって互いに直列又は直並列に接続され、組電池を構成した状態で使用することができる。

《使用温度に対応した具体的材料》
次に、正極材１ｂを構成する正極活物質及びバインダ、負極材２ｂを構成する負極活物質、セパレータ３、外装１１、及び、電解液Ｌについて、使用温度別に、具体例を挙げて説明する。図５は、正極活物質を除く、他の各要素（セパレータ、バインダ、電解液、負極活物質、外装）についての、温度に対応する適用可否を検証（若しくは既知データから予想）した結果の表を表す図である。横軸は使用温度［℃］を表している。

まず、セパレータに関しては、ＰＯ（ポリオレフィン）系材料（例えばポリエチレン、ポリプロピレン）であれば、２０℃〜１４０℃での使用が可能である。ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の多孔質体は、２０℃〜２５０℃での使用が可能である。ガラス繊維又はセラミックスであれば、２０℃〜３００℃を超える温度での使用が可能である。

バインダに関しては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）であれば、２０℃〜１４０℃での使用が可能である。ＰＴＦＥは、２０℃〜２５０℃での使用が可能である。バインダレス（バインダを使用しない。）の場合は、２０℃〜３００℃を超える温度での使用が可能である。なお、バインダレスの場合には、正極集電体として、多孔質金属体を使用すべきである。

電解液に関しては、有機カチオン及びアニオンとしてＦＳＡ（ビスフルオロスルフォニルアミド）を含むもの、又はＮａＦＳＡ（ナトリウム ビスフルオロスルフォニルアミド）であれば、２５℃〜１２０℃での使用が可能である。ＮａＦＳＡ−ＫＦＳＡ（カリウム ビスフルオロスルフォニルアミド）の混合物（モル比は５６：４４）であれば、８０℃〜１４０℃での使用が可能である。なお、「ＮａＦＳＡ−ＫＦＳＡの混合物」とは、「ＮａＦＳＡとＫＦＳＡとの混合物」、という意味である。以下同様に、この「−」（ハイフン）を用いる。ＮａＴＦＳＡ（ナトリウム ビストリフルオロメチルスルフォニルアミド）−ＣｓＴＦＳＡ（セシウム ビストリフルオロメチルスルフォニルアミド）の混合物（モル比は２０：８０）であれば、１４０℃〜３００℃を超える温度での使用が可能である。

また、更に、図５に示す、ＮａＦＳＡ−ＫＦＳＡ−ＣｓＦＳＡの混合物、ＮａＴＦＳＡ−ＫＴＦＳＡ−ＣｓＴＦＳＡの混合物、ＮａＦＴＡ−ＫＦＴＡ−ＣｓＦＴＡの混合物（ＦＴＡ：フルオロスルフォニルトリフルオロメチルスルフォニルアミド）であれば、４５℃〜１４０℃での使用が可能である。

なお、有機カチオンとしては、例えば、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムカチオン等のアルキルイミダゾール系カチオン、Ｎ−エチル−Ｎ−メチルピロリジニウムカチオン等のアルキルピロリジニウム系カチオン、１−メチル−ピリジニウムカチオン等のアルキルピリジニウム系カチオン、トリメチルヘキシルアンモニウムカチオン等の４級アンモニウム系カチオン等を用いることができる。

負極活物質に関しては、負極に析出する金属ナトリウムであれば、２０℃〜約１００℃までの使用が可能である。Ｓｎ（錫）又はこれを含む錫系材料は、約９０℃〜２２０℃までの使用が可能である。シリコン系材料（例えばＳｉ，ＺｎＳｉ，ＳｉＯ_２）であれば、２０℃〜３００℃までの使用が可能である。また、カーボン系材料（例えばハードカーボン）及び、チタン酸化物系材料（例えばＮａ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２，Ｎａ_３Ｔｉ_５Ｏ_７，）であれば、２０℃〜３００℃までの使用が可能である。

外装に関しては、アルミニウム板、ステンレス板、又は銅板の両面に絶縁被覆を施した複層板であれば、２０℃〜約１２０℃までの使用が可能である。ここで、「板」とは箔状も含む。また、絶縁被膜を施さない金属板（但し、正極・負極との絶縁は確保されているとする。）であれば、２０℃〜３００℃までの使用が可能である。但し、絶縁被膜を施さない金属板は、他の構造で絶縁を確保する必要が生じるので、可能であれば、絶縁被覆を施した複層板を用いることが好ましいと考えられる。

また、図５には示していないが、正極活物質としては、ＮａＣｒＯ_２又は、Ｎａ_２／３（Ｆｅ_１／３Ｍｎ_２／３）Ｏ_２を、２０℃〜３００℃の温度範囲で用いることができる。
次に、上記の結果を、電解液を中心として見た温度範囲ごとに分けるとすると、２５℃〜１２０℃、８０℃〜１４０℃、１４０℃〜３００℃の３つの範囲に分けることが好ましい。そこで、これらの３つの使用温度の範囲において、好適な材料についてまとめると、以下のようになる。

《使用温度別の好適材料》
（使用温度：２５℃〜１２０℃）
［外装］
アルミニウム板、ステンレス板又は銅板に、絶縁被膜を施した複層板
［正極］
正極活物質：ＮａＣｒＯ_２又は、Ｎａ_２／３（Ｆｅ_１／３Ｍｎ_２／３）Ｏ_２
バインダ：ＰＶＤＦ又はＰＴＦＥ
［負極］
負極活物質：金属ナトリウム、錫系材料、シリコン系材料、カーボン系材料、及び、チタン酸化物系材料の内の少なくとも１種類を含むもの
［セパレータ］
ポリオレフィン系材料、ＰＴＦＥ、ガラス繊維又はセラミックス
［電解液］
有機カチオン及びアニオンとしてのＦＳＡ、又はＮａＦＳＡを含む電解液

（使用温度：８０℃〜１４０℃）
［外装］
アルミニウム板、ステンレス板又は銅板に、絶縁被膜を施した複層板
［正極］
正極活物質：ＮａＣｒＯ_２又は、Ｎａ_２／３（Ｆｅ_１／３Ｍｎ_２／３）Ｏ_２
バインダ：ＰＶＤＦ又はＰＴＦＥ
［負極］
負極活物質：金属ナトリウム、錫系材料、シリコン系材料、カーボン系材料、及び、チタン酸化物系材料の内の少なくとも１種類を含むもの
［セパレータ］
ポリオレフィン系材料、ＰＴＦＥ、ガラス繊維又はセラミックス
［電解液］
ＮａＦＳＡ−ＫＦＳＡの混合物を含む電解液

（使用温度：１４０℃〜３００℃）
［外装］
アルミニウム板、ステンレス板又は銅板
［正極］
正極活物質：ＮａＣｒＯ_２又は、Ｎａ_２／３（Ｆｅ_１／３Ｍｎ_２／３）Ｏ_２
バインダ：バインダレス又はＰＴＦＥ
［負極］
負極活物質：錫系材料、シリコン系材料、カーボン系材料、及び、チタン酸化物系材料の内の少なくとも１種類を含むもの
［セパレータ］
ＰＴＦＥ、ガラス繊維又はセラミックス
［電解液］
ＮａＴＦＳＡ−ＣｓＴＦＳＡの混合物を含む電解液

次に、上記の好適な材料のうちから、正極活物質、バインダ、負極活物質、電解液を選択した場合の充放電試験の結果の一例を示す。
図６は、使用温度が２５℃〜１２０℃の場合の溶融塩電池の充放電曲線を示すグラフである。この溶融塩電池としては、一例としてコインセルを用いた。コインセルの外装部分は、材質がステンレスで内面にはＰＴＦＥの絶縁被膜が施されている。コインセルの形態は前述の外装１１とは異なるが、充放電試験の結果には大きな影響は与えないと考えられる。

正極材は、ＮａＣｒＯ_２、デンカブラック（カーボンブラック）、及びＰＶＤＦを重量比８５：１０：５で混合したものとした。負極材は、Ｎａ_２Ｔｉ_３Ｏ_７、デンカブラック、及びＰＶＤＦを重量比８０：１５：５で混合したものとした。また、電解液（電解質）は、ＮａＦＳＡとＰｙ１３ＦＳＡ（Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウムＦＳＡ）とを、２０：８０のモル比で混合したものとした。

図６において、細線は２サイクル目の充放電曲線を表し、太線は１０サイクル目の充放電曲線を表している。図示のように、２つの充放電曲線の形に大きな差は無い。また、充放電曲線としては、充電は十分な容量に達し、放電は十分な容量まで緩やかに電圧が変化しているので、良い形である。すなわち、良好な充放電効率が得られている。

図７は、使用温度が２５℃〜１２０℃の場合の溶融塩電池のサイクル特性を示すグラフであり、サイクル数の増大に伴って、充電容量（菱形風正方形のプロット点）、放電容量（正方形のプロット点）、クーロン効率（三角のプロット点）がそれぞれどのように変化するかを表している。図において、例えば５〜１０サイクルを見ると、充電容量、放電容量及びクーロン効率ともに、非常に緩やかに変化する安定した良好な特性を示す。

図８は、使用温度が８０℃〜１４０℃の場合の溶融塩電池の充放電曲線を示すグラフである。この溶融塩電池としては、先例と同様のコインセルを用いた。
正極材は、ＮａＣｒＯ_２、デンカブラック、及びＰＶＤＦを重量比８５：１０：５で混合したものとした。負極材は、Ｎａ_２Ｔｉ_３Ｏ_７、デンカブラック、及びＰＶＤＦを重量比８０：１５：５で混合したものとした。また、電解液（電解質）は、ＮａＦＳＡとＫＦＳＡとを、５６：４４のモル比で混合したものとした。

図８において、細線は２サイクル目の充放電曲線を表し、太線は１０サイクル目の充放電曲線を表している。図示のように、２つの充放電曲線の形に大きな差は無い。また、充放電曲線としては、充電は十分な容量に達し、放電は十分な容量まで緩やかに電圧が変化しているので、良い形である。すなわち、良好な充放電効率が得られている。

図９は、使用温度が８０℃〜１４０℃の場合の溶融塩電池のサイクル特性を示すグラフであり、サイクル数の増大に伴って、充電容量（菱形風正方形のプロット点）、放電容量（正方形のプロット点）、クーロン効率（三角のプロット点）がそれぞれどのように変化するかを表している。図において、例えば５〜１０サイクルを見ると、充電容量、放電容量及びクーロン効率ともに、非常に緩やかに変化する安定した良好な特性を示す。

図１０は、使用温度が１４０℃〜３００℃の場合の溶融塩電池の充放電曲線を示すグラフである。この溶融塩電池としては、先例と同様のコインセルを用いた。
正極材は、ＮａＣｒＯ_２、アセチレンブラック、及びＰＴＦＥを重量比８５：１０：５で混合したものとした。負極材は、ハードカーボンを用いた。また、電解液（電解質）は、ＮａＴＦＳＡとＰｙ１３ＴＦＳＡ（Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウムＴＦＳＡ）とを、１０：９０のモル比で混合したものとした。

図１０において、細線は２サイクル目の充放電曲線を表し、太線は１０サイクル目の充放電曲線を表している。図示のように、２つの充放電曲線の形に大きな差は無い。また、充放電曲線としては、充電は十分な容量に達し、放電は十分な容量まで緩やかに電圧が変化しているので、良い形である。すなわち、良好な充放電効率が得られている。

図１１は、使用温度が１４０℃〜３００℃の場合の溶融塩電池のサイクル特性を示すグラフであり、サイクル数の増大に伴って、充電容量（菱形風正方形のプロット点）、放電容量（正方形のプロット点）、クーロン効率（三角のプロット点）がそれぞれどのように変化するかを表している。図において、例えば５〜１０サイクルを見ると、充電容量、放電容量及びクーロン効率ともに、非常に緩やかに変化する安定した良好な特性を示す。

以上のように、３つの使用温度の範囲において、好適な材料を選択することにより、２５℃〜３００℃までの広い温度範囲で、電池としての性能（充放電効率、サイクル特性）に優れた溶融塩電池を提供することができる。
なお、実施例は一例であるが、使用温度の範囲ごとに、前述の好適な材料から任意の材料を選択することによって、同様の結果が得られると考えられる。

《制振部を有する溶融塩電池の構成》
本発明に係る溶融塩電池（特許請求の範囲に記載の溶融塩電池（二次電池））は、１又は複数個の上述した溶融塩電池Ｂと、次に説明する制振部３０とを備えている。この制振部３０は、溶融塩電池Ｂの外装１１内へ伝達される振動を低減することによって、溶融塩電池Ｂの破損等を防止し、耐久性を高めている。なお、上記説明においては、外装１１内に溶融塩電池本体１０（発電要素）を収容した素電池を「溶融塩電池Ｂ」と示したが、これに加えて、以下の説明においては、この溶融塩電池Ｂと制振部３０とを備えた溶融塩電池を、符号１００を付して「溶融塩電池１００」（又は「溶融塩組電池１００」）と示すことにする。

図１２は、本発明の一実施形態に係る、制振部３０を含む溶融塩電池１００の構成を示す断面図である。この実施形態の溶融塩電池１００は、上述した溶融塩電池Ｂの複数個をケース２０内に収容した溶融塩組電池１００として構成されている。溶融塩組電池１００は、複数個の溶融塩電池Ｂと、この溶融塩電池Ｂを収容する蓋付きのケース２０と、溶融塩電池Ｂとケース２０の内面（底面も含む）との間、及び隣接する溶融塩電池Ｂの間に設けられた制振部材（制振手段）２１，２２とを備えている。制振部材２１，２２は、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の弾性及び若干の粘性を有する弾性材料からなり、少なくとも前述した溶融塩電池Ｂの各使用温度において変質や性能の劣化を生じることがない耐熱性を有する材料により形成されている。

制振部材２１，２２は、外部から溶融塩組電池１００に付与される振動をケース２０の内部で吸収し、各溶融塩電池Ｂへの衝撃を緩和する制振効果を発揮する。従って、強い振動が発生する環境下での使用にも好適に対応することが可能である。ここに、ケース２０と制振部材２１，２２とによって、溶融塩電池Ｂへ付与される振動を軽減する制振部３０が構成されている。なお、強い振動が発生する環境下での溶融塩電池Ｂの使用例として、後で説明する坑井掘削機への適用がある。この場合、溶融塩電池Ｂが耐え得る振動は１Ｇ以上であり、好ましくは６Ｇ、より好ましくは１２Ｇの振動にも耐える構成とされる。

また、本実施形態では、溶融塩組電池１００全体の耐振動性能が高められるので、個々の溶融塩電池Ｂに求められる耐振動性能（例えば外装１１の素材強度、接合強度、セパレータ３の強度等）を低減することができ、低コスト化が可能になる。
なお、制振部材２１，２２は、隣接する溶融塩電池Ｂの間、又はケース２０の内面と溶融塩電池Ｂとの間の全てに対して設けられていなくても良く、必要な制振効果を得るに必要な箇所に対して設けられていればよい。また、ケース２０内には、複数個の溶融塩電池Ｂではなく、一つの（単独の）溶融塩電池Ｂが収容されていてもよい。この場合、ケース２０の内面と溶融塩電池Ｂとの間に制振部材２１，２２を設ければよい。

制振部材２１，２２は、ラバーヒータとして構成されていてもよい。この場合、図１３に示されるように、制振部材２１（２２）の内部に発熱体２１ｂ（２２ｂ）を埋設し、この発熱体２１ｂ（２２ｂ）に通電することによって、制振部材２１（２２）を介して各溶融塩電池Ｂの外装１１を加熱し、溶融塩電池Ｂの電解質を溶融させることができる。この場合、制振部材２１（２２）は、各溶融塩電池Ｂに対する衝撃を緩和する機能だけでなく、発熱体２１ｂ（２２ｂ）の熱を溶融塩電池Ｂに伝達する熱伝導体としての機能をも有する。このように制振部材２１（２２）が構成されることによって、所定の使用温度に達していない状況であっても溶融塩組電池１００を好適に使用することが可能となっている。なお、本発明においては、発熱体２１ｂ（２２ｂ）は必ずしも必要ではなく、特に発熱体２１ｂ（２２ｂ）に対する通電が困難な環境下では発熱体２１ｂ（２２ｂ）を省略することが望ましい。

図１４は、他の実施形態に係る制振部３０を含む溶融塩電池１００の構成を示す断面図である。なお、図において、溶融塩電池Ｂはケース２０内に単独で存在するか、又は、図の紙面に垂直な方向に複数個並んで溶融塩組電池１００を構成している。
複数個の溶融塩電池Ｂが並んでいる場合、隣接する溶融塩電池Ｂ間には前述の実施形態のような制振部材２１，２２は挟まれておらず、外装１１同士は互いに密接させてもよいし、若干の隙間があってもよい。複数個の溶融塩電池Ｂは、ケース２０の内面（正面、背面、左右両側面、底面）から突出するように固定された支持部材（制振手段）２４により支持されている。支持部材２４は、上述の制振部材２１，２２と同様にシリコーンゴムやフッ素ゴム等の弾性材料からなり、振動や衝撃の吸収に優れた弾性を有する。なお、ゴムの代わりに例えばコイルばねを使用することも可能である。

また、ケース２０内にはオイル（制振手段）２５が、溶融塩電池Ｂの上部を浸けない程度にまで満たされている。オイル２５としては、シリコーンオイル、フッ素系オイルが好適であり、また、さらさらした液質のものではなく、十分な粘性を有するものが好適である。オイル２５の浮力により、底面の支持部材２４にかかる荷重負担が軽減されている。また、正面、背面、左右両側面の支持部材２４は、外装１１の姿勢が鉛直になるよう支えている程度であるので、底面の支持部材２４に比べて荷重負担は少ない。

図１４に示す溶融塩組電池１００では、支持部材２４とともに、オイル２５がその液状粘性によって外装１１への衝撃及び全体の揺れを緩和する制振効果を発揮する。従って、溶融塩組電池１００の耐振動性能を高めることができる。なお、支持部材２４が外装１１に触れている面積は比較的少なっているので、ケース２０の揺れが外装１１に伝わりにくくすることができる。本実施形態では、主としてオイル２５が制振部３０として機能し、制振部材２１がオイル２５による制振機能を補助している。

なお、本実施形態において、ケース２０の内部の下方には、ヒータ２３が設けられていてもよい。このヒータ２３に通電することによりオイル２５が加熱され、加熱されたオイル２５は、熱媒体となって各外装１１を加熱し、溶融塩電池Ｂの電解質を溶融させることができる。

図１５は、更に他の実施形態に係る制振部３０を有する溶融塩電池１００の断面図である。
本実施形態が上記実施形態と異なるのは、ケース２０の形態と、ケース２０に対する溶融塩電池Ｂの支持構造とである。その他は、第２実施形態と同様であるため、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１５において、ケース２０は、本体部２０ａと、蓋２０ｂと、本体部２０ａの上端に取り付けられたシール部２０ｃとによって構成されている。シール部２０ｃの材質は、例えばゴムや、ナイロン系の樹脂であり、オイル２５が容易にこぼれ出ない程度のシール性があればよい。溶融塩電池Ｂの左右上端には吊り下げ用の支持片１１ｃが設けられ、蓋２０ｂの内部裏面にも支持片２０ｂ１が設けられている。これらの支持片１１ｃ−支持片２０ｂ１間にワイヤ２６（チェーン等でも可）を掛けて、蓋２０ｂに対して溶融塩電池Ｂを吊り下げている。溶融塩電池Ｂは、図８の紙面に垂直な方向へ複数個並べられている場合には、全ての溶融塩電池Ｂが同様に吊り下げられている。但し、複数個の溶融塩電池Ｂ全体を一纏めにして吊り下げることも可能である。

外装１１は、ケース２０（蓋２０ｂ）に対して固定されず、吊り下げられているので、ケース２０の揺れが外装１１に直接的に伝わりにくく、しかも、外装１１の揺れはオイル２５の粘性で緩和される。このように、本実施形態では、オイル２５が主として制振部３０として機能を有し、更に、吊り下げ構造が制振部３０としての機能を補助している。

図１６は、更に他の実施形態に係る制振部３０を有する溶融塩電池の断面図である。本実施形態は、例えば図１２に示す溶融塩組電池１００の構成に、更なる制振機構２００を付加したものである。この制振機構２００は、ケース２０と床面（設置面）Ｆ（何らかの固定台でもよい。）との間に設けられた複数の防振ゴム２０１を備えている。この防振ゴム２０１は、一般に建造物における免震構造に適用される免震ゴムのように作用し、床面Ｆからケース２０に伝わる衝撃や揺れを大幅に低減することができる。

《溶融塩電池１００の使用態様》
次に、以上に説明した制振部３０を有する溶融塩電池の一使用態様について説明する。
図１７は、溶融塩電池１００を適用することができる坑井掘削機５０を示す概略的な正面図である。
本実施形態の坑井掘削機５０は、地下資源の採取あるいは土木工事を目的として地下に孔（坑井）を掘削するものであり、特に石油、天然ガス、地熱蒸気などの地下流体資源を採取するためにその賦存地層まで大深度の坑井を能率よく掘削するロータリー式掘削機とされている。

このロータリー式掘削機５０は、陸上に設置された下盤５１上に構築されるやぐら５２と、このやぐら５２に吊り持ち支持されるとともに、先端部に岩石を破砕するためのビット（掘削工具）５３を取り付けたドリルストリング（掘削管）５４と、ドリルストリング５４を上下方向に昇降させる巻上装置５５と、ドリルストリング５４を回転させる回転装置５６と、坑井Ｈ内に掘削流体である泥水を供給する泥水供給装置５８等を備えて構成されている。

ドリルストリング５４は、一連のパイプによって構成されており、上から順にケリー５９、ドリルパイプ６０、ドリルカラー６１を備えている。ビット５３は、ドリルカラー６１の下端部に設けられている。
回転装置５６は、ドリルストリング５４の上端に接続された回転継手６２と、下盤５１に設けられ、図示しない原動機によってドリルストリング５４のケリー５９を上下方向の軸心回りに回転させる回転テーブル６３と、を備えている。このドリルストリング５４の回転によってビット５３が地層を掘り進むようになっている。

巻上装置５５は、滑車６５を用いてドリルストリング５４を上下方向に昇降させ、ドリルストリング５４の下端部のビット５３から坑底に付与される荷重を調整することができる。
泥水供給装置５８は、泥水ポンプ６６から泥水を送出し、回転継手６２を介してドリルストリング５４の内部に泥水を流動させ、ビット５３から坑底に泥水を噴出させる。ビット５３から噴出された泥水は、ドリルストリング５４の外側と坑井Ｈとの間の環状隙間を通って地上まで戻される。これにより、ビット５３によって破砕された掘屑を地上へ排出することができるとともに、坑井Ｈ内の圧力制御による地層流体の流入防止、ドリルストリング５４の摩擦低減、坑井内機器の冷却等が図られている。

図１８は、ドリルストリング５４の先端側（下端側）を模式的に示す説明図である。ドリルストリング５４の下部にはドリルカラー６１が設けられ、このドリルカラー６１の下端部にビット５３が取り付けられている。また、ドリルカラー６１には、坑底付近の状態を検出するためのセンサ７０と、このセンサ７０の検出情報等を送受信する送受信機（通信手段）７１と、センサ７０及び送受信機７１に供給するための電気エネルギーを蓄える二次電池７３と、この二次電池７３に対する充放電を行う充放電機構７２と、充放電機構７２に電気エネルギーを供給するエネルギー変換（生成）機構７４と、を備えている。そして、センサ７０、送受信機７１、充放電機構７２、エネルギー変換機構７４、及び二次電池７３によって、当該二次電池７３を電源とする電源システムが構成されている。

センサ７０は、例えば、坑底付近の温度や圧力を計測するセンサ、坑井の方位や傾斜等を計測するセンサ、ビット５３の振動、荷重、トルク等を測定するセンサ、地層評価情報（地層ガンマー線、地層比抵抗等）を測定するセンサ、ドリルカラー６１の内部又は外部を流れる流体（掘削流体、地層流体（油・ガス）等）の粘性や圧力等を計測するセンサ等の各種センサのうち少なくとも一つを含む。

送受信機７１は、地上に設置された送受信機（図示省略）との間で情報の伝達を行うものであり、例えば、前述の各種センサ７０によって検出された情報を送信したり、地上の送受信機から各種情報（制御情報等）を受信したりするために用いられる。
送受信機７１には、送信する情報に対応した圧力波を泥水に発生させてドリルストリング５４内を通して伝播させるマッドパルス方式や、電磁波によって情報を送受信する電磁波方式等が採用される。

各種センサ７０や送受信機７１は、二次電池７３からの電力が供給されて作動する。この二次電池７３は、充放電機構７２によって充放電される。
充放電機構７２は、二次電池に蓄えられた電気エネルギー（電荷）をセンサ７０や送受信機７１等の機器に供給する放電機能、及びエネルギー変換機構７４から供給された電気エネルギーを二次電池７３に蓄える充電機能を実現するために、電流や電圧の制御、充放電時期の管理、直流と交流との変換等を行う充放電回路を備えている。

エネルギー変換機構７４は、ドリルカラー６１の内部に回転可能に支持されたスクリュー７５と、このスクリュー７５の回転動力（運動エネルギー）を電気エネルギーに変換するジェネレータ（発電機）７６とを備えている。そして、ドリルカラー６１を流れる流体、例えば、掘削流体である泥水や地層中の流体（油、ガス）の流れによってスクリュー７５を回転させ、この回転動力によってジェネレータ７６を作動させることで発電を行い、充放電機構７２を介して二次電池７３に充電することができる。

なお、センサ７０や送受信機７１等の電気機器は、二次電池７３からだけでなく、必要に応じてエネルギー変換機構７４から直接的に電気エネルギーが供給されるように構成されていてもよい。

掘削機５０のドリルカラー６１に設けられた二次電池７３には、前述したような溶融塩電池１００（又はＢ）が用いられている。
掘削機５０に用いられる二次電池７３は、掘削時における環境温度である約１６５℃〜２００℃の温度に耐える必要がある。本発明の溶融塩電池１００は、前述したように幅広い使用温度域で使用可能であるとともに、最も高温の使用温度範囲が１４０℃〜３００℃とされているので、掘削機５０のドリルストリング５４に対して好適に適用することが可能となっている。また、掘削機５０に用いられる二次電池７３は、少なくとも数週間（例えば２〜６週間）は継続して使用可能であることが求められる。本発明の溶融塩電池１００は、高温の環境下においても自己放電が少なく、しかも充放電機構７２によって充電可能であるので、所定期間の継続使用の要求にも十分に応えることができる。また、溶融塩電池１００は、不燃性の電解質が用いられており、坑井の周囲に存在する物質（水等）との反応によって発火したり可燃性ガスを発生したりすることもない。

また、上記溶融塩電池１００は制振部３０を備えている。従って、坑井Ｈの掘削に伴う大きな振動が付与されるような環境下においても好適に溶融塩電池１００を使用することが可能となっている。この溶融塩電池１００は、ドリルストリング５４の外面又は内面に装着するか、ドリルストリング５４の内部に組み込むことができる。いずれの場合においてもドリルストリング５４の形状に適合した形状、例えば、ドリルストリング５４の筒形状に則した筒形状や円弧形状（Ｃ字形状）に形成することができる。

各種センサ７０、送受信機７１、充放電機構７２、エネルギー変換機構７４、及び二次電池７３からなる電源システムは、坑井Ｈを掘削している最中のドリルストリング５４だけでなく、掘削終了後又は掘削工程の途中にドリルストリング５４に代えて坑井Ｈ内に挿入される各種測定機器や各種管部材（石油やガス等の地層流体（生産流体）を流通させるための採取管等）に対して適用することができる。そして、二次電池７３には、適用される坑井の状況に応じて以下に示すような様々な条件が求められる。

例えば、坑井における二次電池の一の使用条件として、１８０℃以上の、場合によっては２２５℃程度の高温における使用が求められる場合がある。本実施形態の溶融塩電池１００（又はＢ）は、前述したように幅広い使用温度域で使用可能であるとともに、最も高温の使用温度範囲が１４０℃〜３００℃とされている。かかる使用温度範囲の溶融塩電池を用いれば、当該使用条件にも好適に対応することが可能となる。また、当該使用温度範囲における溶融塩電池であれば熱に起因する自己放電も少なく、充放電機構７２によって充電も可能であるため使用期間の条件も好適に満たすことができる。

坑井における二次電池の他の使用条件として、使用温度はそれほど高くないが（例えば、６０℃〜１５０℃）、長期間の常用が求められる場合がある。本発明の溶融塩電池１００は、充放電機構７２によって充電可能であるため、使用期間の条件を好適に満たすことができる。また、本発明の溶融塩電池１００（又はＢ）は、前述したように使用温度範囲が８０℃〜１４０℃、又は、２５℃〜１２０℃とされている。従って、いずれかの使用温度範囲の溶融塩電池を用いれば、当該使用条件にも対応することが可能となる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
本発明に係る電源システムは、在来型の油田やガス田から油又はガス等を採取するための坑井だけでなく、オイルシェールやオイルサンド等の非在来型の油田又はガス田から油又はガスを採取するための坑井にも適用することができる。また、地熱開発のための坑井にも適用可能である。

また、本発明に係る電源システムは、センサや通信手段以外の機器、例えば、各種バルブを操作するためのソレノイド等（アクチュエータ）に対して電力供給を行うものであってもよく、或いはセンサや通信手段以外の機器を含んでいてもよい。例えば、電源システムは、地層流体をサンプリングするためのサンプリング機器に対して電力供給を行うものであってもよい。また、電源システム自身が、サンプリング機器に備わっていてもよく、このサンプリング機器に備わったセンサや通信手段、ソレノイド等に対して電力供給を行うものであってもよい。

また、上記実施形態において、溶融塩電池は、主にカチオンとしてナトリウムイオンを含む溶融塩が用いられているが、リチウムイオンを含む溶融塩が用いられてもよい。
本発明の二次電池は、必ずしも溶融塩電池でなくてもよく、温度等の条件を満たせばその他の二次電池、例えばリチウムイオン電池、ナトリウム−硫黄電池等を適用することができる。

１０ 溶融塩電池本体（発電要素）
２０ 外装
３０ 制振部
７０ センサ
７１ 送受信機（通信手段）
７２ 充放電機構
７３ 二次電池
１００ 溶融塩電池（溶融塩組電池）
Ｂ 溶融塩電池
Ｈ 坑井

Claims (6)

1. 坑井内の温度を使用温度範囲に含み、かつ前記坑井内に設置されて当該坑井内の機器に対して電力を供給するための二次電池と、この二次電池に対する充放電を行う充放電機構と、を備えていることを特徴とする坑井用電源システム。
2. 前記二次電池が、溶融塩電池である、請求項１に記載の坑井用電源システム。
3. 前記二次電池は、発電要素を収容した外装と、この外装に付与される振動を低減する制振部とを備えている、請求項１又は２に記載の坑井用電源システム。
4. 前記坑井内に配置された管部材を流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを前記充放電機構に供給するエネルギー変換機構を備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の坑井用電源システム。
5. 前記二次電池からの電力が供給されて作動するセンサを備えている請求項１〜４のいずれか１項に記載の坑井用電源システム。
6. 前記二次電池からの電力が供給されて作動する通信手段を備えている請求項１〜５のいずれか１項に記載の坑井用電源システム。

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