JP4313011B2

JP4313011B2 - ナトリウム−硫黄電池モジュール用ヒーターの制御方法

Info

Publication number: JP4313011B2
Application number: JP2002269614A
Authority: JP
Inventors: 啓一森; 一人古田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP2004111123A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のナトリウム−硫黄単電池から構成されるモジュールを所定の温度範囲に維持するために用いられるヒーターの制御方法に関する。
【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β−アルミナ固体電解質で隔離した高温二次電池である。このナトリウム−硫黄電池の電池反応による起電力は、約２Ｖ程度であるので、単電池では実用電圧には満たない。
【０００３】
このため、所定数の単電池を断熱容器内に直並列に接続して収容したナトリウム−硫黄電池モジュールを形成して実用に供される。また、ナトリウム−硫黄電池は、運転期間中その機能及び性能を発揮するために所定の温度範囲に維持する必要があるため、断熱容器の内側面や底面に沿ってヒーターが配置され、当該ヒーターにて電池温度を適正な温度範囲に維持するようにしている。
【０００４】
通常、このようなナトリウム−硫黄電池モジュールの運転方法としては、商用電力の負荷平準化を目的として夜間に所定時間充電し、昼間の所定時間に放電する充放電サイクルを毎日繰り返す方法が採られている。ナトリウム−硫黄電池の放電反応は発熱反応であるため、前記ヒーターの設定温度が２７０〜２８０℃と低くとも、電池自身の発熱によって、陽極側に生成する多硫化ナトリウムの組成が最も融点が高くなるＮａ₂Ｓ₄組成（融点２８５℃）に到達するまでは、多硫化ナトリウムの融点を超える温度を維持することができ、放電が可能である。
【０００５】
しかし、充電反応は吸熱反応であるため、前記ヒーターの設定温度が２８５℃以下と低い場合には、陰極側へ戻るべきＮａがＮａ₂Ｓ₄のような高融点化合物の状態で正極に残留するため充電回復性が低下する。このような状態となった場合は、次の放電時に目標とする放電電気量が得られないため、少なくとも充電時には、３００℃以上に保持する必要がある。
【０００６】
そして、従来においては、この充電時に必要な温度に基づいて、ヒーターの設定温度を決定し、そのヒーター設定温度（例えば３０５℃）を充放電サイクル全体に渡って変更することなく一定としていた（先行技術文献は特に見当たらない。）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにヒーターの設定温度が一定である場合には、電池温度が最も低下する充電期間の末期からヒーターに通電が開始され、本来は電池からの出力が期待される放電開始以後においても、しばらくの間はヒーターへの通電状態が継続してヒーター電力の消費が発生し、更にヒーターの消費電力量も含めた電池の充放電効率という点で十分に満足な結果が得られていなかった。また、本来電池から電力を出力したい放電中に、ヒーター電力を消費することから、ＡＣ端の電力（＝電池電力−ヒータ電力）が低下し、負荷平準化用途として十分な特性を発現できないという問題点があった。
【０００８】
更に、従来においては土・日曜日などの休日や長期休暇などナトリウム−硫黄電池モジュールを運転しない期間が有る場合においても、ヒーターの設定温度を通常の運転時の温度と同じにしていたため、前記期間において不要なヒーター消費電力が発生し、それによって年間トータルの電池効率が低下するという問題もあった。
【０００９】
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ナトリウム−硫黄電池モジュールを所定の温度範囲に維持するために用いられるヒーターの消費電力量を低減させ、電池の効率を向上させるとともに、従来昼間の時間帯にまで及んでいたヒーターの電力消費期間を夜間に移行することにより、昼間の電池の放電可能電力を増加させることが可能なヒーターの制御方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数のナトリウム−硫黄単電池を接続して断熱容器に収容してなるナトリウム−硫黄電池モジュールを所定の温度範囲に維持するために用いられるヒーターの制御方法であって、前記ヒーターの少なくとも一部について、前記ナトリウム−硫黄電池モジュールの放電終了時から充電終了時までの前記ヒーターの設定温度に対して、充電終了時から放電開始時までの前記ヒーターの設定温度を下げることを特徴とするナトリウム−硫黄電池モジュール用ヒーターの制御方法（第１発明）、が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、複数のナトリウム−硫黄単電池を接続して断熱容器に収容してなるナトリウム−硫黄電池モジュールを所定の温度範囲に維持するために用いられるヒーターの制御方法であって、前記ナトリウム−硫黄電池モジュールを運転しない期間が連続して２４時間以上有る場合に、当該期間の前記ヒーターの設定温度を、前記ナトリウム−硫黄電池モジュールの運転期間中の前記ヒーターの設定温度よりも下げるようにしたことを特徴とするナトリウム−硫黄電池モジュール用ヒーターの制御方法（第２発明）、が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、ナトリウム−硫黄電池モジュールの構造の一例を示す断面図である。ナトリウム−硫黄電池モジュール１は、複数のナトリウム−硫黄単電池３を互いに接続し、断熱容器５に収容して形成される。そして、このナトリウム−硫黄電池モジュール１が正常にその機能を発揮できるように、当該モジュール１を所定の温度範囲に維持するためのヒーターが断熱容器内に配置される。ヒーターは、通常、断熱容器の底面に沿って配された底面ヒーター９と、内側面に沿って配された側面ヒーター７とからなり、各ヒーターには、温度計測用の熱電対（図示せず）を近接配置して、温度管理を行っている。
【００１３】
なお、断熱容器５内の間隙部には、▲１▼単電池の固定、▲２▼短絡防止、▲３▼活物質漏洩時の活物質吸収体、▲４▼非常時の自己消火用酸素遮断体等の目的で、セルベン、ケイ砂等の耐熱性、耐腐食性及び電気絶縁性を有する粒状防火材１０が充填されている。
【００１４】
この粒状防火材１０は、輸送や電池の昇降温に伴う沈降を抑制するため、バインダーによって固化されていることが望ましいが、バインダーで固化せず、例えば加振によって事前に粒状防火材１０の充填密度を高めることで沈降を抑制したり、断熱容器５内の上部、特に角部１１に充填されている粒状防火材のみバインダーで固化することにより、使用バインダー量を削減するようにしてもよい。
【００１５】
第１発明に係るヒーターの制御方法は、このようなナトリウム−硫黄電池モジュールにおける前記ヒーターの少なくとも一部について、ナトリウム−硫黄電池モジュールの放電終了時から充電終了時までのヒーターの設定温度に対して、充電終了時から放電開始時までのヒーターの設定温度を下げるようにし、好ましくは、放電開始時から放電終了時までのヒーターの設定温度を更に下げることを特徴とするものである。
【００１６】
前述のとおり、ナトリウム−硫黄電池の充電反応が吸熱反応であるのに対し、放電反応は発熱反応であり、放電中は単電池自らが発熱するため、充電時に比して放電時はヒーターの設定温度を下げることが可能である。そこで、第一発明においては、ヒーターの少なくとも一部について、ナトリウム−硫黄電池モジュールの放電終了時から充電終了時まで（放電から充電に移行するまでの休止期間を加えた充電期間）のヒーターの設定温度に対して、充電終了時から放電開始時まで（充電から放電に移行するまでの休止期間）のヒーターの設定温度を下げ、より好ましくは、放電開始時から放電終了時まで（放電期間）のヒーターの設定温度を更に下げるようにした。
【００１７】
こうすることにより、電池からの出力が期待される放電期間には、ヒーターに通電しなくても、電池の自己発熱によりヒーターの設定温度を維持できるようになり、ヒーターの消費電力を削減することが可能となって、ヒーターの消費電力量も含めた電池の効率が向上する。また、図２の模式図に示すように、従来は昼間の放電期間にまで及んでいたヒーターの電力消費期間（加熱期間）が、夜間である充電末へ移行することにより、昼間の時間帯の実質的な放電可能出力を増加させることとなる。
【００１８】
なお、この制御方法を実施するに当たっては、例えば、ナトリウム−硫黄電池モジュールの放電開始時、放電終了時及び充電終了時を検知し、それら検知した時点でヒーターの設定温度を変更するという手法を採用することができる。また、ナトリウム−硫黄電池モジュールを一定のスケジュールで運転している場合には、当該スケジュールにおいて予め決められたナトリウム−硫黄電池モジュールの放電開始時、放電終了時及び充電終了時のそれぞれの時間に合わせてヒーターの設定温度を変更するようにしてもよい。
【００１９】
第２発明に係るヒーターの制御方法は、前記のようなナトリウム−硫黄電池モジュールにおいて、ナトリウム−硫黄電池モジュールを運転しない期間が連続して２４時間以上有る場合に、当該期間のヒーターの設定温度を、ナトリウム−硫黄電池モジュールの運転期間中のヒーターの設定温度よりも下げるようにしたことを特徴とするものである。
【００２０】
ナトリウム−硫黄電池は高温動作型の電池のため、降温時に陽極活物質である硫黄が約１２０℃で凝固した後、更に温度が低下すると、硫黄、陽極容器、β−アルミナ固体電解質管といった電池構成部材の熱膨張係数の違いにより応力が発生し、変形が生じるおそれがある。
【００２１】
しかし、陽極活物質である硫黄が凝固しない温度範囲であれば、こうした応力は発生しないため、土・日曜日などの休日や長期休暇などナトリウム−硫黄電池モジュールを運転しない期間が連続して２４時間以上有る場合には、その期間中のヒーターの設定温度を、陽極活物質が凝固しない温度範囲において通常の運転期間中よりも低下させることができる。
【００２２】
このようにナトリウム−硫黄電池モジュールを運転しない期間のヒーター設定温度を変更することにより、常にヒーター設定温度を一定としていた従来の方法に比して、前記期間におけるヒーターの消費電力を低減し、年間トータルの電池効率を向上させることが可能となる。
【００２３】
なお、ヒーターの設定温度を低下させる範囲としては、前記のように陽極活物質である硫黄が凝固しない温度範囲であるとともに、次回の運転開始時までに速やかに放電可能な温度に戻せる温度範囲とすることが肝要であり、具体的なヒーター設定温度としては、例えば、土・日曜日などのように２日間運転を休止する場合には２５０℃程度まで、４日間以上運転を休止する場合には１５０℃程度まで低下させることが可能である。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２５】
（実施例１）
図１に示すような構造のナトリウム−硫黄電池モジュール（単電池数３２０本、ＰＣＳ＝９５％、３６０ｋＷｈ放電）において、側面ヒーター７及び底面ヒーター９の設定温度を、▲１▼放電開始時から放電終了時まで、▲２▼放電終了時から充電終了時まで、▲３▼充電終了時から放電開始時まで、の各期間で表１のように制御しながら運転し、１充放電サイクル当たりのヒーター消費電力量、充放電効率、最高温度及び放電出力を測定した。その結果を表２に示す。
【００２６】
（比較例１）
前記実施例１と同じナトリウム−硫黄電池モジュールにおいて、側面ヒーター及び底面ヒーターの設定温度を何れも３０５℃に固定して運転し、１サイクル当たりのヒーター消費電力量、充放電効率、最高温度及び放電出力を測定した。その結果を表２に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
表２に示すとおり、ナトリウム−硫黄電池モジュールの放電終了時から充電終了時までのヒーターの設定温度に対して、充電終了時から放電開始時までのヒーターの設定温度を下げ、放電開始時から放電終了時までのヒーターの設定温度を更に下げるようにした実施例１は、ヒーター設定温度を充放電サイクル全体に渡って変更することなく一定とした比較例１に比して、ヒーター消費電力量が半減し、充放電効率が向上した。また、放電出力についても、放電中のヒーター電力量が０となったため、従来の出力４４ｋＷ（＝電池出力５０ｋＷ−ヒーター電力６ｋＷ）から、本発明では出力５０ｋＷへと向上した。
【００３０】
（実施例２）
前記実施例１と同じナトリウム−硫黄電池モジュールにおいて、土・日曜日の２日間に渡って運転を休止し、この期間の側面ヒーター及び底面ヒーターの設定温度を、何れも陽極活物質の凝固点より高い２６５℃に設定し、次の月曜日の０〜７時の間に側面ヒーターの設定温度が２９５℃、底面ヒーターの設定温度が３０５℃という通常運転時の設定温度に戻るように温度調整プログラミングを実施して、この２日間のヒーター消費電力量を測定した。その結果を表３に示す。
【００３１】
（比較例２）
前記実施例１と同じナトリウム−硫黄電池モジュールにおいて、土・日曜日の２日間に渡って運転を休止し、この期間のヒーターの設定温度を通常運転時の設定温度から変更することなく、側面ヒーターの設定温度が２９５℃、底面ヒーターの設定温度が３０５℃となるようにして、この２日間のヒーター消費電力量を測定した。その結果を表３に示す。
【００３２】
【表３】

【００３３】
表３に示すとおり、ナトリウム−硫黄電池モジュールの運転休止期間中のヒーターの設定温度を、運転期間中のヒーターの設定温度よりも下げるようにした実施例２は、運転休止期間中も運転期間中と同じヒーターの設定温度のままとした比較例２に比して、土・日曜日の２日間でヒーター消費電力量を約１５ｋＷｈ少なくすることができ、電池運用に関わる総合効率が約０．５％向上した。
【００３４】
（実施例３）
前記実施例１と同じナトリウム−硫黄電池モジュールにおいて、土・日曜日と、４日間以上の長期休暇期間（１２月３０日〜１月６日、４月２７日〜５月５日、８月１２日〜８月１６日）にて運転を休止し、この期間の側面ヒーター及び底面ヒーターの設定温度を、土・日曜日については２５０℃まで下げ、４日間以上の長期休暇期間については１５０℃まで下げ、それぞれ次の運転再開日の０〜７時の間に通常運転時の設定温度である３００℃に戻るように温度調整プログラミングを実施して、休止期間中の放熱量を測定するとともに、このようにヒーター制御した場合のナトリウム−硫黄電池モジュールの年間効率を求めた。その結果を表４に示す。
【００３５】
（比較例３）
前記実施例１と同じナトリウム−硫黄電池モジュールにおいて、土・日曜日と、４日間以上の長期休暇期間（１２月３０日〜１月６日、４月２７日〜５月５日、８月１２日〜８月１６日）にて運転を休止し、この期間の側面ヒーター及び底面ヒーターの設定温度を、通常運転時の設定温度である３００℃から変更することなく一定として、休止期間中の放熱量を測定するとともに、このようにヒーター制御した場合のナトリウム−硫黄電池モジュールの年間効率を求めた。その結果を表４に示す。
【００３６】
【表４】

【００３７】
表４に示すとおり、ナトリウム−硫黄電池モジュールの運転休止期間中のヒーターの設定温度を、運転期間中のヒーターの設定温度よりも下げるようにした実施例３は、運転休止期間中も運転期間中と同じヒーターの設定温度のままとした比較例３に比して、休止期間の放熱量が大幅に減少させることができ、年間効率が向上した。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ナトリウム−硫黄電池モジュールを所定の温度範囲に維持するために用いられるヒーターの消費電力量を低減させ、それによって、電池運用に関わる総合効率を向上させることができる。また、従来昼間の時間帯にまで及んでいたヒーターの電力消費期間を夜間に移行することにより、昼間の電池の放電可能電力を増加させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ナトリウム−硫黄電池モジュールの構造の一例を示す断面図である。
【図２】従来技術と本発明とにおいて、ヒーターの電力消費期間と電池の放電可能出力を比較した模式図である。
【符号の説明】
１…ナトリウム−硫黄電池モジュール、３…ナトリウム−硫黄単電池、５…断熱容器、７…側面ヒーター、９…底面ヒーター、１０…粒状防火材、１１…角部。

Claims

複数のナトリウム−硫黄単電池を接続して断熱容器に収容してなるナトリウム−硫黄電池モジュールを所定の温度範囲に維持するために用いられるヒーターの制御方法であって、
前記ヒーターの少なくとも一部について、前記ナトリウム−硫黄電池モジュールの放電終了時から充電終了時までの前記ヒーターの設定温度に対して、充電終了時から放電開始時までの前記ヒーターの設定温度を下げ、放電開始時から放電終了時までの前記ヒーターの設定温度を更に下げることを特徴とするナトリウム−硫黄電池モジュール用ヒーターの制御方法。
前記ナトリウム−硫黄電池モジュールの放電開始時、放電終了時及び充電終了時を検知し、それら検知した時点で前記ヒーターの設定温度を変更する請求項１に記載のナトリウム−硫黄電池モジュール用ヒーターの制御方法。
前記ナトリウム−硫黄電池モジュールを一定のスケジュールで運転し、当該スケジュールにおいて予め決められた前記ナトリウム−硫黄電池モジュールの放電開始時、放電終了時及び充電終了時のそれぞれの時間に合わせて前記ヒーターの設定温度を変更する請求項１に記載のナトリウム−硫黄電池モジュール用ヒーターの制御方法。