JP4567317B2 - Ｎａｓ電池電力貯蔵システム - Google Patents

Description

本発明は、ＮＡＳ電池電力貯蔵システムに関する。

ナトリウム−硫黄電池（以下、「ＮＡＳ電池」という。）は、昼夜間の格差の大きい電力需要の平準化のための装置、特に夏期の電力需要の急増する時間帯へ電力を供給するいわゆるピークカット用電力貯蔵装置として、あるいは自然災害時の非常用電源として、その他各種用途に、その実用化が期待されている。

ＮＡＳ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、２９０〜３６０℃で動作させる高温二次電池であり、エネルギー密度が他電池に比べて高く設備がよりコンパクトで、また自己放電が殆どなく電池効率が高く、更には、メンテナンスが容易である等の優れた特徴を有するものである。

実用的には、図５に示すように、規格化された一単位（直列に接続された複数個の単電池群が複数に並列化）のＮＡＳ電池モジュール（以下、「モジュール」という。）２を直並列（複数個直列に配置した各モジュール列を並列）にパッケージ（図示せず）内に配置し、最終段に一台の交直変換装置（ＰＣＳ）４が接続されたＮＡＳ電池電力貯蔵システムとして使用される。

このＮＡＳ電池電力貯蔵システムは、個々のモジュール２に内在する内部抵抗や放熱量のばらつきにより、モジュール列１０，１２間における電流バランスが崩れやすい傾向にある。大電流が流れる（電流値の高い）モジュールにおいては内部温度が上昇し、その結果、内部抵抗が低下するため、並列間のモジュールの電流バランスが更に崩れるといった悪循環を引き起こす。特に、１サイクルにおけるモジュールからの発熱量が放熱量より大きい場合にもこの現象は加速してしまう。

また、並列間におけるモジュールの電流値のバラツキは、放電時と充電時でその程度が異なる。たとえば、放電中の電流バランスがモジュール列１０，１２においてそれぞれ５．５：４．５である場合、充電時ではそれぞれが５．２：４．８のように変化する。この現象は放電時と充電時で電池内部温度が違うことが主因である。この結果として、充電不足状態が起こり、各モジュールの有する能力を十分に発揮できない状況があった。

更に、モジュールの経時変化や劣化などにより、特定のモジュールのみを交換する場合、他のモジュールとの特性の違いにより、同様の現象が起こりうる。

しかしながら、従来のＮＡＳ電池電力貯蔵システムは、モジュール毎に温度の制御が可能であるにもかかわらず、すべてのモジュールにおいて温度の設定値が同一に行われていた。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＮＡＳ電池電力貯蔵システムの構成要素である各ＮＡＳ電池モジュールの放熱量あるいは内部抵抗に多少ばらつきが生じた場合であっても、放熱量の調整あるいはヒータ設定温度の変更により、各ＮＡＳ電池モジュール毎で内部温度を調節することができ、各モジュール列の内部抵抗を均一化させ、各ＮＡＳ電池モジュールの電流バランスを安定化することができるＮＡＳ電池電力貯蔵システムを提供することにある。

即ち、本発明によれば、規格化された一単位のＮＡＳ電池モジュールを複数個直列に配置した複数のモジュール列が並列に配置されたＮＡＳ電池電力貯蔵システムであって、前記複数のモジュール列のうち他の前記モジュール列よりも電流値が低い前記モジュール列において、該モジュール列を構成する前記ＮＡＳ電池モジュールからの放熱量を減らして前記ＮＡＳ電池モジュールの内部温度を上げることにより、前記複数のモジュール列間の内部抵抗を均一にするＮＡＳ電池電力貯蔵システムが提供される。

また、本発明によれば、規格化された一単位のＮＡＳ電池モジュールを複数個直列に配置した複数のモジュール列が並列に配置されたＮＡＳ電池電力貯蔵システムであって、前記複数のモジュール列のうち他の前記モジュール列よりも電流値が高い前記モジュール列において、該モジュール列を構成する前記ＮＡＳ電池モジュールからの放熱量を増やして前記ＮＡＳ電池モジュールの内部温度を下げることにより、前記複数のモジュール列間の内部抵抗を均一にするＮＡＳ電池電力貯蔵システムが提供される。

本発明では、ＮＡＳ電池モジュールの内部温度を制御することで、モジュール列の電流値を調節する方法として、ＮＡＳ電池の温度制御の設定値としてのヒータ設定温度を変えることにより、ＮＡＳ電池モジュールの内部温度を調節することが好ましい。

また、本発明では、ＮＡＳ電池モジュールの内部温度を制御することで、モジュール列の電流値を調節する方法として、ＮＡＳ電池モジュールの収容容器が真空断熱容器から構成される場合には、以下のように、各ＮＡＳ電池モジュール間の放熱量に差を設けることが好ましい。
（１）真空断熱容器の真空度を上下させることにより、真空断熱容器からの放熱量を増減する。
（２）真空断熱容器上に載置した放熱量変更板を着脱することにより真空断熱容器からの放熱量を調整する。

本発明のＮＡＳ電池電力貯蔵システムは、構成要素である各ＮＡＳ電池モジュールの放熱量及び内部抵抗に多少ばらつきが生じた場合であっても、放熱量の調整あるいはヒータ設定温度の変更により、各ＮＡＳ電池モジュール毎で内部温度を調節することができ、各ＮＡＳ電池モジュールの内部抵抗を均一化させ、各ＮＡＳ電池モジュールの電流バランスを安定化することができる。

本発明に係るＮＡＳ電池電力貯蔵システムを概説すると、本発明では、規格化された一単位のＮＡＳ電池モジュールを複数個直列に配置した各モジュール列を並列にパッケージ内に配置し、最終段に一台の交直変換装置（ＰＣＳ）が接続されており、各モジュール列のそれぞれの電流値に応じて、各モジュール列内温度を調節することにより、各モジュール列の内部抵抗を均一にするものである。

本発明では、モジュール列が、他方のモジュール列の電流値よりも低い場合、モジュール列中の電流値の低いモジュールの内部温度を上げることが好ましく、一方、モジュール列が、他方のモジュール列の電流値よりも高い場合、モジュール列中の電流値の高いモジュールの内部温度を下げることが好ましい。これにより、各モジュールの放熱量及び内部抵抗に多少ばらつきが生じた場合であっても、各モジュール列毎で放熱量あるいは内部温度を調節することにより、各モジュールの内部抵抗を均一化させ、各モジュールの電流バランスを安定化することができる。

また、本発明では、モジュールの内部温度を制御するに際し、モジュール列の電流値を調節する方法として、以下のように、各モジュール間の放熱量に差を設けることが好ましい。

（１）真空断熱容器の真空度を調整し、放熱量を調整する。例えば、その断熱容器および断熱蓋の真空度を調整することでも、モジュールの放熱量を調整することができる。

（２）真空断熱容器上に載置した放熱量変更板により放熱量を調整する。このとき、放熱量変更板の厚さ、材質などに関して特に制限はないが、例えば、その材質としては低密度であるロックウール、ガラスウール、セラミックウールなどを板状にしたものを適宜用いることができる。また、放熱量変更時の作業性や外観を考慮すると、前記放熱量変更板を厚さ５００μｍ以下のステンレスフィルム、アルミフィルム、アルミガラスクロスなどにより被覆することが好ましい。

（３）パッケージ内の放熱環境（モジュール付近の風量、および温度環境）に応じて、各モジュールの配置を最適化する。例えば、吸気口（ギャラリ）の位置を変えたり、ギャラリの開閉を行うことで、モジュールにとっての放熱環境を変化させる。また、モジュールが段積みされてパッケージに収納されている場合、パッケージ内においては上段ほど外気温が高くなるという温度環境を利用して、モジュールの段積み位置を変化させることにより、放熱量を調節する。

尚、各モジュールの内部温度は、モジュール内に内蔵されたヒータで、２８０℃以上に維持しながら、温度上限３４０〜３７０℃の範囲内で調節することが重要である。

これは、ＮＡＳ電池の構成部材、特にβ−アルミナからなる固体電解質、陽極活物質である硫黄を収納するアルミニウム容器、固体電解質とアルミニウム容器を接合するに際して間に介在させるα−アルミナ製絶縁リング、及びこれらの部材間をシールするガラス接合部、ＴＣＢ接合部、アルミニウム溶接部、等の耐熱性には限界があり、又、化学的活性の高いナトリウム、硫黄、多硫化ナトリウム、等と高温で長時間接触すると、腐食や劣化が起こり易いからである。

一方、固体電解質たるβ−アルミナに対するナトリウムイオン伝導率、陽極活物質である硫黄及びそれを含浸させるために用いるグラファイトフェルトの導電率は温度が高いほど大きくなり、電池の内部抵抗が小さくなる。従って、充放電効率の面からは、ＮＡＳ電池を高温で作動させることが好ましい。又、陽極における活物質の拡散性及びナトリウムと硫黄から多硫化ナトリウムが生成する反応の平衡からみても、低温では、充電回復性に不利となるからである。

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。図５に示すＤＣ並列（モジュール２が直並列に配置され、最終段に一台のＰＣＳが接続されている）で、モジュール２を１０直列２並列で配置した１ＭＷクラスのＮＡＳ電池電力貯蔵システム４０を用意した（図８参照）。尚、上記ＮＡＳ電池電力貯蔵システム４０は、３８４本の単電池１４（出力１４３Ｗ／セル）が真空断熱容器２０（２１９０ｍｍ×１７３６ｍｍ×６５１ｍｍ）に格納された５０ｋＷのＮＡＳ電池モジュール（モジュール）２（図６参照）２０台を架台３４に積層し、（電池用）パッケージ４０に収納されたものである（図８及び図９参照）。

上記ＮＡＳ電池電力貯蔵システムを、各モジュールの内部温度を制御することで、モジュール列の電流値が均一になるように調節しながら運転した場合（実施例１〜３）と、各モジュールをすべて同一条件で運転した場合（比較例）でそれぞれ行った。次に、それぞれのＮＡＳ電池電力貯蔵システム運転時における各モジュール列の電流特性・温度特性をグラフ化した（図１〜４参照）。

（実施例１）
モジュール列中に内部抵抗の低いモジュールがある場合、モジュール列全体としての抵抗が低くなるため、このモジュール列には、他のモジュール列と比較して大きな電流が流れる（図３参照）。ここで、実施例では、内部抵抗の低いモジュール列内のすべてのモジュールについて、その電池内部温度の設定（底面・側面ヒータの設定値）をデフォルト値である３０５℃から３００℃に低く設定することにより、内部抵抗を上げた（３０５℃近辺において電池内部温度の設定値を５℃下げると、初期状態のモジュールの内部抵抗は約５％増加することが判明している）。尚、電池内部温度の設定を変更するモジュールは、１台〜モジュール列全台数であることが好ましい。

これにより、モジュール列の電流値が抑制され、更にジュール熱による内部電池温度上昇も抑制されることから、図３に示すような電流バランスの崩れが改善され、図１に示すようにモジュール列間での電流値のバラツキを抑制することができた。同様に、モジュール列中に内部抵抗の高いモジュールがある場合、そのモジュールの電池内部温度の設定を上げることで、モジュール列間での電流値のバラツキを抑制することができる。

また、実施例１では、モジュールの内部温度を制御することで、モジュール列の電流値を調節することができるため、図１及び図２に示すように、電流バランスの崩れや電池内部温度（底面平均温度）の上昇を大幅に抑制することができるため、連続運転（無休止運転）を好適に行うことができた。

（比較例）
比較例では、各モジュールに内在する内部抵抗や放熱のばらつきを均一化していないため、サイクルを重ねるごとにモジュール列間の電流バランスが崩れ、一つのモジュール列に大電流が流れる現象が起こる（図３参照）。大電流が流れるモジュール列は、電池内部温度が上昇し（図４参照）、その結果として、内部抵抗が低下することから、電流バランスは更に崩れる方向に進行する。特に、連続運転を考えた場合、モジュール列間の電流及び電池内部温度（底面平均温度）の差はサイクルを重ねるに従って拡がる一方である。尚、断続運転の場合、休止日を設ける（図３及び図４参照）ことにより、温度・電流ともにモジュール列毎のばらつきを小さくすることができるが、電池内部温度上限値を超えないように、休止後の運転再開時に電池内部温度を完全に戻すためには、十分な休止日が必要であった。

また、比較例では、並列間での電流値のばらつきが、放電時と充電時でその程度が異なるため、結果として充電不足状態が起こり、モジュール個々の有する能力を十分発揮させることができなかった。モジュールの経時変化や劣化などで、特定のモジュールのみを交換する場合にも、他のモジュールとの特性の違いにより、同様の現象が起こりうると考えられる。

更に、比較例では、連続運転（無休止運転）をする場合、図３及び図４に示すように、「モジュール列間の電流及び電池内部温度の差」及び「並列間での電流値のばらつき」の現象の重ね合わせにより、電流バランスの崩れ、電池内部温度の上昇の程度が特に顕著であった。また、１サイクルにおけるモジュールからの発熱量が放熱量より大きい場合にも同様の現象が加速すると考えられる。

（実施例２）
モジュール２が真空断熱容器２０に格納されている場合、例えば、断熱箱２１および断熱蓋２２の真空度を調整することでも、モジュールの放熱量を調整することができる（図６参照）。例えば、断熱容器（真空度：約２６６．６Ｐａ[２Ｔｏｒｒ]）を用い、真空蓋の真空度を約１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）→約２６．７Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）にすることで、放熱量を３４００Ｗ→２２００Ｗにすることができ、電池内部温度は約１０℃程度高くなり、一方内部抵抗にして約１０％の低下が可能となる。また、逆に断熱容器および真空蓋の真空度を約２６．７Ｐａ（０．２Ｔｏｒｒ）→１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）にすることで、電池内部抵抗を約１０％増加させることもできる。

また、実施例２では、モジュールの電池内部温度が低く、その結果、電池内部抵抗が高くなり、モジュール列内の電流値が小さくなっている場合には、断熱容器上に放熱量変更板を載せ、モジュールの放熱量を低くすることで、電池内部温度を上げ電流バランスを回復することが可能である。例えば、図７に示すように、厚さ３０ｍｍの放熱量変更板２４（縦１６４５ｍｍ×横３７８ｍｍ、材質：グラスファイバーフェルトをアルミガラスクロスでコートしたもの、密度：１５０ｋｇ/ｍ³）を適用することにより、モジュール２の放熱量を３４００Ｗ→２２００Ｗにすることで、電池内部最高温度を１０℃程度上昇させ、内部抵抗を約１０％低下させることができる。以上のことから、実施例２は、実施例１と同等の効果が期待できる。

（実施例３）
更に、パッケージ内の放熱環境に応じて、各モジュールの配置を最適化する場合を考える。ここでいう放熱環境は、主にモジュール近傍の外気温や風力に依存するものである。パッケージ内部環境として、上段ほどモジュール近傍の温度が高く、パッケージ内のモジュールの位置により、最大数百Ｗの放熱量の差が出ることが知られている。モジュールからの放熱量は外部環境に依存するので、モジュール雰囲気温度が高いほど放熱量は下がり、電池の内部温度は上昇する。例えば、この放熱量差を利用し、５段積みパッケージに収容されたＮＡＳ電池電力貯蔵システム３０の場合、５台のモジュール２の内、抵抗の高いものを下段に、抵抗の低いものを上段に配置することで、電池の内部抵抗を揃えることが可能である（図９参照）。

また、モジュール２前面に配置してあるギャラリ（吸気口）３２の位置を変更したり、ギャラリ３２を開閉し、モジュール近傍の風力の状態を変えることで、パッケージ２内の放熱環境を調節することが可能である、例えば、ギャラリ３２の位置を各モジュール電池の正面位置からそれぞれのモジュール２間の位置に切り替えることで、モジュール２間の気流が改善され、放熱量を増加させることができる（図９参照）。また、ギャラリ３２をすべて閉じた場合には、すべてのギャラリ３２を開けた状態と比べ、モジュール２の放熱量を３４００Ｗ→３０００Ｗまで下げることができ、電池内部抵抗にして約３％の低下が可能となる（図９参照）。更に、例えば、冬季においてギャラリをすべて閉じた状態で運転を行うことで、放熱量を抑制することができるため、高効率な運転を実現するという付随的な効果も期待できる。以上のことから、実施例３は、実施例１と同等の効果が期待できる。

本発明のＮＡＳ電池電力貯蔵システムは、昼夜間の格差の大きい電力需要の平準化のための装置、特に夏期の電力需要の急増する時間帯へ電力を供給するいわゆるピークカット用電力貯蔵装置として、あるいは自然災害時の非常用電源として、その他各種用途として好適に用いることができる。

実施例における各モジュール列の最大電流温度（Ａ）と経過日数との関係を示すグラフである。 実施例における各モジュール列の底面平均温度（℃）と経過日数との関係を示すグラフである。 比較例における各モジュール列の最大電流温度（Ａ）と経過日数との関係を示すグラフである。 比較例における各モジュール列の底面平均温度（℃）と経過日数との関係を示すグラフである。第１発明に係るナトリウム−硫黄電池の実施形態の一例を示すものである。 本発明のＮＡＳ電池電力貯蔵システムの一例を示す構成図である。 ＮＡＳ電池モジュール（モジュール）の一例を示す斜視透視図である。 放熱量変更板を適用した場合のモジュールの一例を示す斜視図である。 １ＭＷ用ＮＡＳ電池（野外）パッケージの一例を示す正面図である。 ２５０ｋＷ用ＮＡＳ電池パッケージの一例を示すものであり、（ａ）は正面透視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。

符号の説明

２…ＮＡＳ電池モジュール（モジュール）、４…ＰＣＳ（交直変換装置）、６…トランス、１０，１２…モジュール列、１４…単電池、１５…ヒータ（底面）、１６…ヒータ（側面）、２０…真空断熱容器、２１…断熱箱、２２…断熱蓋、２４…放熱量変更板、３０…２５０ｋＷ用ＮＡＳ電池パッケージ、３２…ギャラリ（吸気口）、３４…（電池）架台、４０…１ＭＷ用ＮＡＳ電池（野外）パッケージ。

Claims (6)

1. 規格化された一単位のＮＡＳ電池モジュールを複数個直列に配置した複数のモジュール列が並列に配置されたＮＡＳ電池電力貯蔵システムであって、
   前記複数のモジュール列のうち他の前記モジュール列よりも電流値が低い前記モジュール列において、該モジュール列を構成する前記ＮＡＳ電池モジュールからの放熱量を減らして前記ＮＡＳ電池モジュールの内部温度を上げることにより、前記複数のモジュール列間の内部抵抗を均一にするＮＡＳ電池電力貯蔵システム。
2. 規格化された一単位のＮＡＳ電池モジュールを複数個直列に配置した複数のモジュール列が並列に配置されたＮＡＳ電池電力貯蔵システムであって、
   前記複数のモジュール列のうち他の前記モジュール列よりも電流値が高い前記モジュール列において、該モジュール列を構成する前記ＮＡＳ電池モジュールからの放熱量を増やして前記ＮＡＳ電池モジュールの内部温度を下げることにより、前記複数のモジュール列間の内部抵抗を均一にするＮＡＳ電池電力貯蔵システム。
3. 前記モジュールの内部温度が、ＮＡＳ電池の温度制御の設定値としてのヒータ設定温度を変えることにより調節される請求項１または２に記載のＮＡＳ電池電力貯蔵システム。
4. 前記モジュールの収納容器が、真空断熱容器から構成され、該真空断熱容器の真空度を上下させることにより、前記真空断熱容器からの前記放熱量を増減することでモジュールの内部温度が調整される請求項１〜３のいずれか１項に記載のＮＡＳ電池電力貯蔵システム。
5. 前記ＮＡＳ電池モジュールが、前記真空断熱容器の外部に前記真空断熱容器からの放熱量を調節する放熱量調節手段を有する請求項４に記載のＮＡＳ電池電力貯蔵システム。
6. 前記ＮＡＳ電池モジュールの放熱量が、前記真空断熱容器上に前記放熱量調節手段として着脱自在に載置された放熱量変更板により調整され、前記ＮＡＳ電池モジュールの内部温度が調整される請求項５に記載のＮＡＳ電池電力貯蔵システム。

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