JP2980840B2 - ナトリウム−硫黄電池を用いたバッテリーシステムの運転方法 - Google Patents

ナトリウム−硫黄電池を用いたバッテリーシステムの運転方法

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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、溶融ナトリウム
を陰極活物質とし、溶融硫黄を陽極活物質とするナトリ
ウム−硫黄電池から構成されるバッテリーシステムの運
転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】 ナトリウム−硫黄電池は、一方に陰極
活物質である溶融金属ナトリウム、他方には陽極活物質
である溶融硫黄を配し、両者をナトリウムイオンに対し
て選択的な透過性を有するベータアルミナ固体電解質で
隔離し、300〜350℃で作動させる高温二次電池で
ある。
【0003】 ナトリウム−硫黄電池を用いたバッテリ
ーシステムは、上記のような構成を有する単電池を所定
数接続し、断熱容器に収容して成るモジュール電池を、
さらに所定数直並列に接続することにより構成される。
【0004】 このようなナトリウム−硫黄電池を用い
たバッテリーシステムの運転は、第一休止段階、放電段
階、第二休止段階、充電段階から成るサイクルを繰り返
して行われる。放電段階においては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
質管内を透過して陽極側に移動し、硫黄及び外部回路を
通ってきた電子と反応して多硫化ナトリウムを生成し、
2V程度の電圧を発生させる。一方、充電時において
は、放電とは逆にナトリウム及び硫黄の生成反応が起こ
る。上記の充電段階は吸熱反応であるのに対し、ナトリ
ウムと硫黄から多硫化ナトリウムが生成する放電段階は
発熱反応である。
【0005】 従来のモジュール電池では、放電段階に
おいて上昇した電池の温度が、休止段階及び充電段階に
おいて、放電開始時の値まで下がるように断熱容器の放
熱量を設定し、1サイクル毎の熱の収支を取ってきた。
そのため、モジュール電池の出力電力や出力時間の変更
に伴い内部発熱量が変化するため、その都度、断熱容器
の放熱量の設定変更を行っていた。又、単電池性能の異
なるモジュール電池を使用する場合にも同様に内部発熱
量が変化するため、断熱容器の放熱量を変更していた。
さらに、単電池の劣化によりモジュール電池抵抗が増加
した場合等も同様に断熱容器の放熱量を変更していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従って、断熱容器の放
熱量の設定変更が頻繁に必要となり、このような設定変
更を行わない場合は、放熱量を過多とすることにより、
ヒーター加熱をより大きくし熱収支を取ってきた。その
場合はヒーター加熱によりエネルギーが消費されるた
め、高い放充電効率が得られるというナトリウム−硫黄
電池の特徴が損なわれることになる。
【0007】 又、断熱容器からの放熱量Qは断熱容器
外部の温度Tbの影響を受けることから、放熱量Qの調
節が困難であり、ナトリウム−硫黄電池の温度管理に不
都合が生じるという問題があった。
【0008】 即ち、断熱容器からの放熱量Qは、断熱
容器内部の温度をT、基準内部温度Th及び基準外部温
度Toにおける放熱量をQ0とすると、Q=Q0(T−
b)/(Th−To)で表され、例えばTbが高い場合
は、放熱量Qが小さくなり、放電段階において、ナトリ
ウム−硫黄電池の温度が一定の値を越える危険性があっ
た。
【0009】 又、Tbが低い場合は、放熱量Qが大き
くなり、電池の温度が下がり過ぎて充電及び放電を開始
できなかったり、あるいは保温のためのヒーターエネル
ギーが大きすぎて高い充放電効率をもつ運転が行えない
という問題があった。
【0010】 又、ナトリウム−硫黄電池の電気容量q
は硫黄とナトリウムの量によって決まり、q=I・T
(Iは電流、Tは放電時間を表す。)より、放電時の電
流と放電時間との積は一定である。従って、Kを定数と
すると、反応熱量はK・qで表される。ここで、ナトリ
ウム−硫黄電池の放電時における抵抗発熱量をQd、放
熱量をHdとすると、放電時における電池の温度上昇は
(K・q+Qd−Hd)/C(Cは熱容量を表す。)とな
る。
【0011】 ところで、ナトリウム−硫黄電池の使用
方法として、従来のロードレベリングの8時間率運転
(定格運転:電力需要の高い昼間の8時間における運転
である。)から、ピークカットを目的とした、4時間率
運転(2倍出力運転:定格運転の際の放電電流の値をI
cで表すと2Icの電流で放電を行う。)若しくは2.7
時間率運転(3倍出力運転:同様に3Icの電流で放電
を行う。)を想定すると、ナトリウム−硫黄電池の放電
時における抵抗発熱量QdはI2RT(Rは抵抗を表
す。)で表されるため、抵抗発熱量はそれぞれ2倍、3
倍となる。
【0012】 いま、Tbが一定であれば、通常運転で
可能であった第一休止段階、放電段階、第二休止段階、
充電段階から成る1サイクルの熱収支を0にすることが
不可能となるため、多サイクルの連続運転ができず、実
質的に高出力運転は困難であった。
【0013】 本発明は、このような状況に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、断熱容器外
部の温度を調節することにより、断熱容器からの放熱量
を制御し、低出力運転のみならず高出力運転をも可能に
するとともに、外部環境温度に左右されずに安定な放電
及び充電が可能なナトリウム−硫黄電池を用いたバッテ
リーシステムの運転方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】 即ち、本発明によれ
ば、放電段階と充電段階を、各々の間に休止段階を挟み
つつ繰り返す、ナトリウム−硫黄電池を用いたバッテリ
ーシステムの運転方法であって、複数のナトリウム−硫
黄電池から構成され、断熱容器に収容されたモジュール
電池複数個をさらに直並列に接続して成るバッテリーシ
ステムを、断熱材から成る容器内に収容し、その容器に
設けた換気装置により容器内の温度を調節するナトリウ
ム−硫黄電池を用いたバッテリーシステムの運転方法が
提供される。
【0015】 本発明において、上記換気装置は、排気
ファン及び吸気ファンであってもよく、吸気ファン及び
通風孔であってもよい。
【0016】
【発明の実施の形態】 本発明において、ナトリウム−
硫黄電池を用いたバッテリーシステムは、換気装置を設
けた断熱材から成る容器内に収容された状態で運転され
る。
【0017】 バッテリーシステムを構成する各モジュ
ール電池はそれ自体断熱容器に収容されているが、バッ
テリーシステム自体をさらに断熱材から成る容器に気密
に収容することにより、外部との空気の出入りを制限
し、外気温度により断熱容器からの放熱量が変化すると
いう事態を防ぐことができる。
【0018】 又、バッテリーシステムを収容した容器
に換気装置を設けることにより、断熱容器外部の温度を
制御することができ、ひいては、断熱容器からの放熱量
の制御が可能となり、内部発熱量と熱収支を取りながら
放充電運転を行うことが可能となる。
【0019】 従って、高出力運転が可能になるととも
に、通常の運転においても、外気の温度が低い場合に、
外気の遮断により断熱容器外部の温度を上昇させて断熱
容器からの放熱量を低下させることにより、サイクル運
転中のヒーター加熱量を減少して、放充電効率が低下す
るという事態を回避することができる。又、外気の温度
が高い場合においても、外気を除去することにより断熱
容器外部の温度を低下させて、断熱容器外部からの放熱
量を増加させ、各サイクル終了後の温度を初期温度に戻
し、連続運転による加速度的な温度上昇を回避すること
ができる。
【0020】 バッテリーシステムを収容する容器は、
150℃程度の耐熱性を備えていればよく、レンガ、珪
酸カルシウム、発泡スチロール、ウレタン等の合成樹脂
等の比較的安価な素材が用いられる。これらの材質の熱
絶縁性はそれほど大きくはないが、各モジュール電池自
体は、熱絶縁性に優れる断熱容器に収容されているた
め、その内部の温度分布は、一般的には±5℃以内と小
さく、バッテリーシステムを収容する容器内の温度分布
が多少大きくても、それがバッテリーシステムの特性に
影響を与えることは無い。これらの素材を容器として用
いる場合には、ある程度の熱絶縁性と機械的強度を保つ
ために、20〜100mm程度の厚さで使用することが
必要である。しかし、各モジュール電池に対して一個ず
つ必要とされる断熱容器とは異なり、バッテリーシステ
ム全体に一個の容器を準備すればよいため、多少肉厚で
あってもバッテリーシステムの体積が大きくなり、エネ
ルギー密度を下げることはない。
【0021】 換気装置としては、ファン、自動開閉機
能を持つ通風孔等が用いられるが、排気ファンと吸気フ
ァンを併用したり、吸気ファンと通風孔を併用すること
が好ましい。換気装置は、断熱容器外部の温度に応じて
自動的に作動若しくは停止することが好ましいが、手動
で作動させるものであってもよい。
【0022】 又、CPU等を用いて、換気装置の作動
を、ナトリウム−硫黄電池の充電、又は放電の開始若し
くは終了、ヒータの作動等とともに、電池の温度、断熱
容器外部の温度等に応じて制御してもよい。
【0023】
【実施例】 以下、本発明を図示の実施例を用いてさら
に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限られ
るものではない。
【0024】 換気装置として排気ファンと吸気ファン
を用いて、本発明の方法により運転されるバッテリーシ
ステムの一例を図1に示す。
【0025】 図1において、バッテリーシステム1
は、40〜50台のモジュール電池を直並列に接続して
構成され、各モジュール電池は真空断熱容器4に収容し
て構成されている。真空断熱容器4は、2枚の薄い金属
板の間に断熱材を封入し密閉して構成される。バッテリ
ーシステム1は、低熱絶縁性の断熱材から成る容器5に
気密に収容され、容器5の外壁には排気ファン6と吸気
ファン7が設置されている。
【0026】 又、図1のバッテリーシステム1は、モ
ジュール電池の電圧及び電流を検知するとともに、それ
らの値を制御する電圧・電流監視手段9、モジュール電
池内の温度を検知するとともに、その値を制御するモジ
ュール電池温度監視手段10、並びに容器5内の温度を
検知するとともに、排気ファン6と吸気ファン7の作動
を調節することによりその値を制御する容器内温度監視
手段11を備える。制御コンピュータ8には、電池抵
抗、運転温度、外気温度、及び定格運転に対する出力倍
数等の値が入力されており、これらの値に基づいて、上
記の制御手段に制御信号を出力する。
【0027】 上記のバッテリーシステム1を定格運転
した場合の、各作動段階における、電力、電圧、並びに
容器内部とモジュール電池内の温度の変化をそれぞれ図
2(a)、(b)、(c)に示す。又、2倍出力運転時
の各作動段階における、電力、電圧、並びに容器内部と
モジュール電池内の温度の変化をそれぞれ図3(a)、
(b)、(c)に示す。定格運転時には容器5内部の温
度を80〜100℃に維持し、2倍出力運転時には40
〜60℃に維持することにより、定格運転時及び2倍出
力運転時の内部発熱量をそれぞれ制御し、熱収支を0と
している。又、土日祝日等の電力貯蔵システムを使用し
ない待機状態においては、容器5内の温度を120〜1
50℃に維持することにより、バッテリー内部を保温す
るヒーター電力量を減らしている。なお、これらの温度
は容器5の材質、厚さ、配線材の材質等により適宜変え
る必要がある。
【0028】
【発明の効果】 本発明において、ナトリウム−硫黄電
池を用いたバッテリーシステムは断熱材から成る容器に
収容され、さらに、その容器には換気装置が設置されて
いるため、容器内部の温度を調節することにより、断熱
容器からの放熱量の制御を通じて、ナトリウム−硫黄電
池の温度を調節することが可能となる。従って、高出力
運転が可能になるとともに、外部温度に左右されない安
定な放充電効率を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 バッテリーシステムの一例を示す断面図であ
る。
【図2】 定格運転時における各作動段階での(a)電
力の値の変化を示すグラフ、(b)電圧の値の変化を示
すグラフ、(c)容器内部の温度とモジュール電池内の
温度の変化を示すグラフである。
【図3】 2倍出力運転時における各作動段階での
(a)電力の値の変化を示すグラフ、(b)電圧の値の
変化を示すグラフ、(c)容器内部の温度とモジュール
電池内の温度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1・・・バッテリーシステム、2・・・モジュール電池、3・・
・ナトリウム−硫黄電池、4・・・真空断熱容器、5・・・容
器、6・・・排気ファン、7・・・吸気ファン、8・・・制御コ
ンピュータ、9・・・電圧・電流監視手段、10・・・モジュ
ール電池温度監視手段、11・・・容器内温度監視手段、
12・・・交直変換器。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 10/50 H01M 10/39

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 放電段階と充電段階を、各々の間に休止
    段階を挟みつつ繰り返すナトリウム−硫黄電池を用いた
    バッテリーシステムの運転方法であって、 複数のナトリウム−硫黄電池から構成され、断熱容器に
    収容されたモジュール電池複数個をさらに直並列に接続
    して成る該バッテリーシステムを、断熱材から成る容器
    内に収容し、該容器に設けた換気装置により該容器内の
    温度を調節するナトリウム−硫黄電池を用いたバッテリ
    ーシステムの運転方法。
  2. 【請求項2】 該換気装置が、吸気ファン及び排気ファ
    ンである請求項1に記載のナトリウム−硫黄電池を用い
    たバッテリーシステムの運転方法。
  3. 【請求項3】 該換気装置が、吸気ファン及び通風孔で
    ある請求項1に記載のナトリウム−硫黄電池を用いたバ
    ッテリーシステムの運転方法。
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