JPH0145944B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はナトリウム−イオウ電池、特に大容量
の電力貯蔵システムに好適なナトリウム−イオウ
電池に関する。

〔従来の技術〕

ナトリウム−イオウ電池の代表例としては特公
昭57−18670号に記載されたものがある。これは
陰極活物質として溶融ナトリウム、陽極活物質と
して溶融イオウを使用し、電解質としてはナトリ
ウムイオン伝導性を有する固体電解質を用いたも
のである。この固体電解質はガラスまたはセラミ
ツクにより構成されている。特に、β−アルミナ
あるいはβ″−アルミナ（以下、単にβ−アルミナ
と称す）はナトリウムイオンの伝導性が大きいの
で、現在開発中の電池の大部分がこれを使用して
いる。また、β−アルミナは電子伝導性を持たな
いため、陽極と陰極とを分離するセパレータとし
ての役目を果たしている。しかしながら、従来の
電池は次のような欠点を有している。

(1) β−アルミナ等の固体電解質が破損した場
合、急激なナトリウムとイオウとの直接反応が
起こる危険性があり、しかも特にその補修手段
がない。

(2) 溶融イオウは活性が高く、さらに高温で使用
するため、金属容器を腐食させたり、またイオ
ウの純度低下による電池の劣化が起こり、電池
の寿命を短くする。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ナトリウムとイオウとの直接
反応事故による悪影響を最小限に抑えると共に、
ナトリウムの再利用を可能にしたナトリウム−イ
オウ電池を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の電池は、陰極活物質としての溶融ナト
リウムを充填せしめてなるナトリウム槽、陽極活
物質としての溶融イオウを充填せしめてなるイオ
ウ槽及び上記両活物質の境界に設けられたナトリ
ウムイオン伝導性の固体電解質とを主たる構成要
素とするナトリウム−イオウ電池に、(a)前記電池
外部に設けられ、かつ該電池内のナトリウム槽と
連通していて該ナトリウム槽から一時的にドレン
されたナトリウムを貯蔵するためのナトリウム貯
蔵タンクと、(b)前記固体電解質の破損時に前記電
池内の溶融ナトリウムを前記ナトリウム貯蔵タン
クにドレンするための装置、(c)前記ナトリウム貯
蔵タンクとナトリウム槽間においてナトリウムを
ドレンまたは帰還させるためのカバーガス圧制御
装置とを備えた循環系配管および(d)前記循還系配
管の一部に設けられたナトリウム浄化器とを設け
たことを特徴とする。

〔実施例〕

第１図において、１は陰極、２は陽極、４は陰
極活物質（ナトリウム）、５はβ″−アルミナのカ
プセル（固体電解質）、６は陽極活物質（イオ
ウ）、１０はナトリウム槽、１１は冷却用フイン、
１２はナトリウム貯蔵タンク、１３はナトリウム
循環系、１４はナトリウム浄化器、１５はドレン
弁、１６はアルゴンガスタンク、１７ａ，１７ｂ
および１７ｃは弁、１８は冷却室、２０はヒー
タ、２１は保温壁、３０は液面計、３１は弁制御
回路、４０は充放電電圧異常検出器、５１は円筒
管である。本実施例ではイオウをβ″−アルミナか
らなる密封カプセル内に封入し、ナトリウム槽内
に設置している。溶融ナトリウムは上記カプセル
下部を循環している。この様な構造をとることに
より、両活物質の直接反応事故による悪影響を最
少限に抑えることができる。さらに金属構造材を
腐食させるイオウをβ″−アルミナのカプセル内に
密封することにより、電池の長寿命化を図ること
ができる。円筒状のナトリウム槽１０は陰極１と
電気的に接続されている。ナトリウム槽１０は
上、下に２室に分離され、下方の室にはナトリウ
ム４が充填されている。上室から下室に貫通して
β″−アルミナのカプセル５が複数本設定されてい
る。カプセル５の内部には円筒管５１と電極１８
によつて環状流路が形成されている。更に、上記
環状流路全体を満たすようにしてイオウが充填さ
れている。カプセル５の上室の外周には冷却用フ
イン１１が設けられている。上室はカプセル５の
冷却室１９を形成している。冷却用アルゴンガス
タンク１６から弁１７ａを介して冷却室１９に供
給されている。

ナトリウム槽１０の底部にはドイン配管５２が
設けられている。上記配管５２はドレン弁１５を
介してナトリウム貯蔵タンク１２に接続されてい
る。ナトリウムとイオウとの反応事故時にはナト
リウム槽１０内のナトリウムをナトリウム貯蔵タ
ンク１２へドレンする。ドレンされたナトリウム
は浄化器１４を通して再びナトリウム槽１０に戻
されるようになつている。即ち、前記槽１０、配
管５２ドレン弁１５、ナトリウム貯蔵タンク１２
およびナトリウム浄化器１４で、ナトリウムの循
環系１３を構成している。循環系１３は全てステ
ンレス鋼で形成されている。前記浄化器１４とし
ては多硫化ナトリウムとNaとを分離する方法と
して知られている方法例えば融点差を利用したコ
ールドトラツプ法やNa導電性の固体電解質を用
いた電解精製法などを利用した浄化器を用いるこ
とができる。

タンク１６からのアルゴンガスはそれぞれ弁１
７ｂおよび１７ｃを介してそれぞれナトリウム槽
１０の下室およびナトリウム貯蔵タンク１２に、
カバーガスとして供給される。また、ナトリウム
槽１０、ナトリウム貯蔵タンク１２、ナトリウム
浄化器１４を含むナトリウム接液部分には加熱ヒ
ータ２０および保温壁２１から成る加温設備が設
けられている。第１図ではナトリウム槽１０の加
温設備のみを部分的に示している。このように構
成された本発明の電池では、予めイオウを封入し
たβ″−アルミナのカプセル５をナトリウム槽１０
内に挿入するが、この際、特別なシール機構は必
要とせず、β″−アルミナのカプセル５の一部に設
けたフランジ状のつばをナトリウム槽内に仕切り
板に固定するだけでよい。

この電池の起動は次の様にして行なう。まず、
全体を200℃程度にヒータ２０で十分予熱する。
次に、ナトリウム貯蔵タンク１２から溶融ナトリ
ウムを浄化器１４を通してナトリウム槽１０内に
注入する。この注入操作は弁１７ｂおよび１７ｃ
の開閉操作でナトリウム槽１０およびナトリウム
貯蔵タンク１２に封入されたカバーガスに差圧を
与えることによつて行なう。ナトリウム槽１０の
下室上部に設けられた液面計３０の信号を受けて
弁制御回路３１が働き、弁１７ｂおよび１７ｃを
閉じる。この操作によつて規定量のナトリウムが
ナトリウム槽１０内に注入される。規定量のナト
リウムが注入されたら、電池の動作温度の300〜
350℃まで昇温する。電池が動作し放電を開始す
ると、両活物質は発熱するのでヒータを２０への
通電をしや断しても動作温度は保持できる。特に
β″−アルミナ内のイオウは上部冷却、下部加熱条
件となるため自然対流が発生し、環状流路内を循
環し、動作温度が保持される。

充放電を繰り返して、性能低下が認められた場
合、ナトリウム槽１０内のナトリウムはドレン弁
１５からナトリウム貯蔵タンク１２へ一旦ドレン
し、ナトリウム浄化器１４にて精製したナトリウ
ムを再び注入する。あるいはイオウ側に性能低下
の原因がある場合、β″−アルミナのカプセル５と
共に新しいものと交換する。また、電池稼動中、
万一、β″−アルミナのカプセル５にクラツクが生
じ、ナトリウムとイオウの直接反応事故が生じた
場合は充放電電圧の異常低下を監視することによ
つて検知することができる。この様な場合は充放
電電圧異常検知器４０からの信号を受けて直ちに
ドレン弁１５が開放され、ナトリウム槽１０内の
ナトリウム４は全てナトリウム貯蔵タンク１２内
へ緊急ドレンされる。その後破損したβ″−アルミ
ナのカプセル５を新しいものと交換し、タンク１
２内のナトリウムをナトリウム槽１０内に再循環
させることができる。

本実施例ではイオウをβ″−アルミナからなる密
封カプセル５内に封入し、ナトリウム槽１０内に
設置している。そして溶融ナトリウムは上記カプ
セル５の下部を循環している。この様な構造にす
ることにより、両活物質の直接反応事故による悪
影響を最小限に抑えることができる。さらに金属
構造材を腐食させるイオウをβ″−アルミナのカプ
セル内に密封することにより、電池の超寿命化を
図ることができる。

上記実施例になる電池は、β″−アルミナの破損
に伴うナトリウムとイオウとの反応事故はナトリ
ウムの緊急ドレン操作によつて防止でき、極めて
安全性の高いものである。

また、ナトリウムの浄化器１４をもうけ、ドレ
ンしたナトリウムを浄化、再生することにより、
ドレンしたナトリウムの再利用が可能である。も
し貯蔵タンク１２内のナトリウムを浄化しないで
そのままナトリウム槽１０内に帰還、充填した場
合には反応生成物である多硫化ナトリウムあるい
は他の不純物が混入したまま戻すことになり、正
常な起電力を発生させることができず、電池性能
の低下を招くことになる。

また、活物質としてのイオウは交換簡単なカプ
セル状にしたことによつて、β″−アルミナ以外の
金属容器に接することなく簡単にシールできるた
め、容器の耐食性が向上すると共に、気密性が保
たれ、イオウの劣化防止にも有効である。

第２図は本発明の電池を電力貯蔵システムに適
用した場合の概略図を示したものである。第２図
中のモジユール１００が第１図のナトリウム槽１
０に納められた電池構造１００に該当する。３７
はモジユール１００を構成する単電池セルであ
る。３５はモジユール１００を直列接続したスト
リングであり、３４はストリング３５を並列接続
したユニツトである。

各ストリング単位３５にしや断器３３を設け
る。しや断器３３は直流リアクトル３２にを通し
て変換装置３１から送電ライン３８に給電する。

直流リアクトル３２は電池側に充電する際、整
流波形を平滑にするために設けたフイルタであ
る。また、変換装置３１はサイリスタ等の半導体
と、昇降圧用の変圧器等で構成されており、充電
時は交流を直流に、放電時は直流を交流に変換す
る設備である。このように本発明のナトリウム−
イオウ電池の電力貯蔵システムを変電所に併設す
ることによつて配電の負荷変動に応じた充放電を
くり返され電源の負荷平滑効果が得られる。

本発明の実施例ではナトリウムの循環をガス差
圧で操作するようになつているが、循環系の一部
に電磁ポンプ設備を設けることにより、電池の稼
動中でもドレンしたナトリウムの浄化を行うこと
ができる。

〔発明の効果〕

本発明の電池はナトリウム−イオウ電池はナト
リウムとイオウの直接反応事故時にナトリウムを
緊急除去することにより、電池の安全性を確保す
ることができる。

また、ドレンしたナトリウムの再利用が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になるナトリウム−
イオウ電池の構成図、第２図は本発明のナトリウ
ム−イオウ電池を大電力貯蔵システムに適用した
例を示す概略図である。 １……陰極、２……陽極、４……ナトリウム、
５……β″−アルミナのカプセル（固体電解質）、
６……イオウ、１０ナトリウム槽、１１……冷却
用フイン、１２……ナトリウム貯蔵タンク、１３
……ナトリウム循環系、１４……ナトリウム浄化
器、１５……ドレン弁、１６……アルゴンガスタ
ンク、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ……弁、１８……
冷却室、２０……ヒータ、２１……保温壁、３０
……液面計、３１……弁制御回路、４０……充放
電電圧異常検知器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 陰極活物質としての溶融ナトリウムを充填せ
   しめてなるナトリウム槽、陽極活物質としての溶
   融イオウを充填せしめてなるイオウ槽及び上記両
   活物質の境界に設けられたナトリウムイオン伝導
   性の固体電解質とを主たる構成要素とするナトリ
   ウム−イオウ電池に、(a)前記電池外部に設けら
   れ、かつ該電池内のナトリウム槽と連通していて
   該ナトリウム槽から一時的にドレンされたナトリ
   ウムを貯蔵するためのナトリウム貯蔵タンクと、
   (b)前記固体電解質の破損時に前記電池内の溶融ナ
   トリウムを前記ナトリウム貯蔵タンクにドレンす
   るための装置、(c)前記ナトリウム貯蔵タンクとナ
   トリウム槽間においてナトリウムをドレンまたは
   帰還させるためのカバーガス圧制御装置とを備え
   た循環系配管および(d)前記循還系配管の一部に設
   けられたナトリウム浄化器とを設けたことを特徴
   とするナトリウム−イオウ電池。 ２ 上記ドレン装置は充放電異常を検出してドレ
   ン弁を制御する装置であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のナトリウム−イオウ電
   池。 ３ 陽極活物質はβ−アルミナまたはβ″−アルミ
   ナからなる固体電解質のカプセル内に封入され、
   該カプセルは上記電池内の陰極活物質槽に着脱可
   能に装填してなることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載のナトリウム−イオウ電
   池。