JP2582175B2 - ナトリウム硫黄電池のモジュール - Google Patents

ナトリウム硫黄電池のモジュール

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JP2582175B2 JP2055838A JP5583890A JP2582175B2 JP 2582175 B2 JP2582175 B2 JP 2582175B2 JP 2055838 A JP2055838 A JP 2055838A JP 5583890 A JP5583890 A JP 5583890A JP 2582175 B2 JP2582175 B2 JP 2582175B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はナトリウム硫黄電池のモジュールに係り、特
に穏やかで効果的な冷却に好適でかつ簡便な冷却構造を
備えたナトリウム硫黄電池のモジュールに関する。
〔従来の技術〕
ナトリウム硫黄電池は、負極活物質として溶融ナトリ
ウムを、正極活物質として溶融硫黄または多硫化ナトリ
ウムを用い、電解質としてナトリウムイオン伝導性を有
する固体電解質を用いる二次電池である。該電池は、活
物質が軽量であることからエネルギー密度の大きいこと
を特徴とするが、活物質の融点を維持するために300〜3
50℃に保つ必要がある。
ナトリウム硫黄単電池は、後述するモジュール電池の
基本構成要素となり、通常、数ワットから数十ワットの
出力を有する。また、充電エネルギーに対する放電エネ
ルギーの効率は80〜95%であり、損失分は内部抵抗によ
るジュール損で熱として放出される。同時にナトリウム
と硫黄の化学反応熱も放出あるいは吸収されるため、放
電時には必らず発熱状態にまた充電時は内部抵抗の大き
さによって発熱あるいは吸熱状態となる。休止時には、
発熱も吸熱もしない。
ナトリウム硫黄電池のモジュール、すなわち、モジュ
ール電池は、数キロワットから数十キロワットの出力を
有し、電気自動車用あるいは電力貯蔵プラントの構成単
位となる。この出力は、単電池を数百から数万本直並列
に接続することで実現され、該モジュール電池は、これ
ら単電池群とその配列を支持する構造と、これらを収納
しかつ運転温度を維持するための保温容器とで構成され
る。また、保温容器内に、運転温度まで昇温するに必要
な熱を供給するための電池ヒータ等の装置が導入されて
いる。
単電池群は、高エネルギー密度を実現するために密集
配置がされると同時に、単電池間は両極の端子の接続以
外は絶縁されていることが必要となる。そのため、支持
構造は、重量を支えるだけの強度と単電池間の絶縁を維
持するための構造が必要であると同時に、前記昇温用ヒ
ータ等を配設するためのスペースを確保し、かつ軽量で
なくてはならない。
さて、昇温された後、運転温度を維持するには保温容
器の断熱性能をよくする必要がある。モジュール電池全
体の効率は、モジュールの全体効率=放電で取り出せる
エネルギー/(充電に要するエネルギー+温度維持に要
するエネルギー)であるから、断熱性能が悪いと全体効
率の低下を招くことになるからである。
1日単位で充電、放電のサイクルを繰返す場合には、
充放電中の電池の発熱が24時間の熱ロスとつり合えば、
平均的には運転温度を維持できることになる。この場
合、外部から熱を供給する必要はないので、全体効率は
電池の効率に等しくなる。しかし、実用的には待機時間
が長いことを予期する必要があり、断熱性能をさらに良
くしておくのが通常である。
この場合、電池からの発熱は保温容器の熱ロスを上回
ることになるので、電池温度が上昇していることにな
る。そこで、何らかの冷却機構が必要となる。より実際
的には、放電時には化学反応に伴なう発熱が加わるため
に、放電後期において電池の温度が運転温度範囲を越え
てしまうことが予想される。これを抑制するような冷却
機構を設けることが必要となる。
冷却機構としては、外気を保温容器内に導入する方法
が簡便である。この従来の冷却機構には特開昭59−1714
76号公報に記載のものがあり、これは、単電池群の上部
に外気の導入口を設け、下部に排出口を設け、保温容器
内に導入された外気を単電池の周囲に導くためのディス
トリビュータを設けたものである。
また、特開昭59−103283号公報に記載のように、保温
容器内の端電池配列の間に冷却ループを内部に有する冷
却体を配置し、その冷却ループに外気を通すことによっ
て、単電池の高温気体と熱交換させる構造としたものも
ある。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、特開昭59−171476号公報に記載の従来
装置では、導入口より保温容器内に導入された外気は直
接ディストリビュータに流入し、しかも、ディストリビ
ュータを通過してから重力によって単電池の上部から下
部に向かって速やかに流れるので、単電池を急冷してし
まうという問題があった。単電池を急冷すると、熱応力
によって破損を招く可能性がある。
また、特開昭59−103283号公報に記載の従来装置で
は、冷却ループを与えるための冷却体の装置によって保
温容器内の容積が増加し、単位体積当たりで取り出せる
エネルギーの割合、すなわち、体積エネルギー密度、あ
るは単位重量当たりで取り出せるエネルギーの割合、す
なわち、重量エネルギー密度が低下するという問題があ
った。
本発明の目的は、エネルギー密度を低下させることな
く、急冷のない効果的な冷却が可能となるナトリウム硫
黄電池のモジュールを提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するため、本発明は、各々1対の正極
端子と負極端子とを有する直並列接続された多数のナト
リウム硫黄単電池の配列と、前記多数のナトリウム硫黄
単電池の配列を支持し、電池本体を構成する支持構造手
段と、前記電池本体を収納し、運転温度を保持する保温
容器と、前記保温容器内に冷却ガスを導入し、前記ナト
リウム硫黄単電池を冷却する冷却手段とを備えたナトリ
ウム硫黄電池のモジュールにおいて、前記冷却手段は、
前記保温容器に設けられた冷却ガスの導入口および排出
口と、前記支持構造手段の一部によって形成され、前記
導入口から導入された冷却ガスを一定距離だけ通過させ
予熱する予熱通路と、前記支持構造手段の他の一部に設
けられた多数の開口を有し、前記予熱通路で予熱された
冷却ガスを前記多数のナトリウム硫黄単電池間の空隙に
導くディストリビュータ手段とを有し、前記支持構造手
段は少なくとも1本の中空部材からなる支柱を有し、前
記支柱の中空部を前記導入口に連通させ、前記予熱通路
を形成し、前記中空部材からなる支柱は前記電池本体の
横断面の中心部に位置するように構成したものである。
〔作用〕
このように構成した本発明においては、導入口から導
入された冷却ガスはまず予熱通路で予熱してからディス
トリビュータ手段により単電池間に導かれるので、急冷
のない効果的な冷却が行える。また、モジュール電池の
構成要素として不可欠な単電池の支持構造手段の一部を
利用して予熱通路およびディストリビュータ手段を構成
するので、予熱通路またはディストリビュータ手段とし
ての特別な構造を設けておらず、モジュール電池の体積
エネルギー密度または重量エネルギー密度の減少は生じ
ない。
また、前述のように支持構造手段は、密集配置された
単電池の重量を支える強度が必要であると共に軽量でな
くてはならない。そこで、支持構造手段の支柱の少なく
とも1本を中空部材で構成し、この中空部材で予熱通路
を構成することによって、軽量でかつ強度を維持しなが
ら支持構造手段の一部に予熱通路の機能を兼ねさせるこ
とができる。そして、最も冷却したい部分に開口を設け
てディストリビュータ手段を構成し、単電池表面に導入
するようにすれば、効果的な冷却が実現できる。
単電池が発熱しているときには、電池本体の温度分布
は横断面の中心で最大となるが、冷却ガスを導入し予熱
する中空部材を電池本体の横断面の中心部に配置するこ
とにより、その中心部をより冷却することができるの
で、効果的な冷却が可能である。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図および第2図により
説明する。
第1図において、本実施例のナトリウム硫黄電池のモ
ジュール8は保温容器1を有し、保温容器1は直方体の
一面の開いた箱状になっており、蓋2によってその面を
閉ざされて密閉空間を形成する。蓋2には、外気導入口
3、排出口4a,4b、電流端子5a,5b及び計測線(図示せ
ず)等の貫通部がある。保温容器1内には多数本のナト
リウム硫黄単電池6が密集配置されている。単電池6は
円柱形状をなしており、密集配置された状態で隣接する
単電池間に軸方向の単電池間空隙7が存在する。単電池
6はモジュール電池8の出力を得られるように多数本が
直並列接続され(図示せず)、最終的に正負両極に集約
されて電流端子5a,5bに接続される。支持構造9は単電
池6の配置を支持するための構造体であり、単電池6と
は電気的に絶縁されている。また、支持構造9の内部空
間の適当な位置には昇温用の電気ヒータ等(図示せず)
が配設されている。
単電池群は上下二段になっており、支持構造9も上下
の単電池群を絶縁できるように二段構造となっている。
この支持構造には四隅の支柱10が設けられ、これら支柱
10は上端から床面まで到達しており、中心に置かれた中
空管13と共に縦方向の構造部材となっている。水平方向
には2重の床板11a,11bと上部のはり14,15が接続されて
やぐらとなっている。2重の床板11a,11bにはそれぞれ
多数の開口12が単電池間空隙7と同位置に開けられてお
り、空気の流路となっている。中空管13の内部と2重の
床板11a,11b間の隙間とはつながっており、中空管13を
通ってきた空気は床板11a,11b間の隙間に導入された
後、開口12を通って単電池間空隙7に導入される。中空
間13の上単は外気導入口3に接続されており、外気は外
気導入口3から入った後、前記のように内部空間を通過
した後、排気口4a,4bより外部に排出される。
さて、モジュール電池8の運転状態では、単電池6の
温度は300〜350℃に保たれなければならない。保温容器
1と蓋2は、待機状態においても内部温度を保つに必要
な熱量を小さくするように充分な断熱性能を備えてい
る。通電時には、単電池6は内部抵抗によるジュールに
発熱をし、特に放電時には、化学反応熱も付加されて、
保温容器の断熱性を上回る熱が発生する。この場合、単
電池6の温度は上昇し、特に放電後期には運転温度範囲
を逸脱することがしばしば起こる。この時には冷却を行
なわなければならない。冷却は、外気導入口3より外気
を内部に導入することにより行なわれる。
外気導入口3より導入された空気は支持構造9の一部
である中空管13の中に入いる。中空管13の中を通る間に
空気は熱を受け取り、暖められる。すなわち、中空管13
は外気導入口3から導入された空気を一定距離だけ通過
させて予熱する予熱通路を提供している。床板11a,11b
まで到達した暖ためられた空気は、床板11a,11b間の空
隙に導入され、開口12から単電池間空隙7に入り、単電
池6に接触してその熱を奪うことにより単電池6を冷却
する。開口12は中空管13で予熱された空気を単電池6間
に導くディストリビュータ手段を構成している。以上の
過程において、支持構造9の熱も奪われるので、支持構
造自体の温度も低下する。
支持構造9の中空管13を予熱通路として機能させ、外
気を単電池外面に到達させることにより、初期の外気と
単電池6との温度差約300℃は減少し、単電池6を破損
させるような急冷が起こることはない。また、単電池6
が発熱している場合には、単電池群の温度分布は中心で
最大となるが、本実施例のように、中心部に外気を導入
し予熱する中空管13を設ければ、中心部をより冷却する
ことができるので、効果的な冷却が可能である。冷却効
果の調節は、風量と中空管13の熱容量のバランスをとる
ことによって行なわれる。
以上のように本実施例によれば、支持構造9の一部を
中空として外気の予熱通路とすることによって、安全で
効果的な冷却が可能となる。また、支持構造9の一部を
利用して予熱通路およびディストリビュータ手段を構成
しているので、予熱通路またはディストリビュータ手段
としての特別な構造を設けておらず、モジュール電池の
体積エネルギー密度または重量エネルギー密度の減少は
生じない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、モジュール電池に不可欠な単電池の
支持構造手段を冷却時に導入される冷却ガスの予熱通路
および単電池間隙間に冷却ガスを導くディストリユータ
手段として利用できるので、モジュール電池のエネルギ
ー密度を低下させることなく、急冷のない安全で効果的
な冷却が可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例によるモジュール電池の縦断
面図であり、第2図は第1図のモジュール電池の支持構
造のみを取り出して示す鳥瞰図である。 符号の説明 1……保温容器 3……外気導入口 4……排出口 6……単電池 7……単電池間空隙 8……モジュール電池(ナトリウム硫黄電池のモジュー
ル) 9……支持構造 11a,11b,11……床板 12……開口(ディストリビュータ手段) 13……中空管(中間部材:予熱通路)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 波東 久光 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 安島 浩美 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 大島 正明 東京都千代田区内幸町1丁目1番3号 東京電力株式会社内 (72)発明者 小林 朗 東京都千代田区内幸町1丁目1番3号 東京電力株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−171476(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】各々1対の正極端子と負極端子とを有する
    直並列接続された多数のナトリウム硫黄単電池の配列
    と、前記多数のナトリウム硫黄単電池の配列を支持し、
    電池本体を構成する支持構造手段と、前記電池本体を収
    納し、運転温度を保持する保温容器と、前記保温容器内
    に冷却ガスを導入し、前記ナトリウム硫黄単電池を冷却
    する冷却手段とを備えたナトリウム硫黄電池のモジュー
    ルにおいて、前記冷却手段は、前記保温容器に設けられ
    た冷却ガスの導入口および排出口と、前記支持構造手段
    の一部によって形成され、前記導入口から導入された冷
    却ガスを一定距離だけ通過させ予熱する予熱通路と、前
    記支持構造手段の他の一部に設けられた多数の開口を有
    し、前記予熱通路で予熱された冷却ガスを前記多数のナ
    トリウム硫黄単電池間の空隙に導くディストリビュータ
    手段とを有し、 前記支持構造手段は少なくとも1本の中空部材からなる
    支柱を有し、前記支柱の中空部を前記導入口に連通さ
    せ、前記予熱通路を形成し、 前記中空部材からなる支柱は前記電池本体の横断面の中
    心部に位置することを特徴とするナトリウム硫黄電池の
    モジュール。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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