JPH0430716B2 - - Google Patents

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−イオウ電池に関し、更に
詳しくは、液体ナトリウムの精製・純化装置とし
てもそのまま利用できるナトリウム−イオウ電池
に関するものである。

＜従来の技術＞ 液体ナトリウムを陰極物質、溶融イオンを陽極
物質とし、ナトリウムイオン導電性を有する固体
電解質を用いたナトリウム−イオウ系高温二次電
池が従来から開発されている。

かようなナトリウム−イオウ電池の代表的構造
を第３図に示す。すなわち、陽極となる金属製ケ
ース１内に、ナトリウムイオンのみを通過させる
β−アルミナのごとき固体電解質２の円筒を配置
し、この固体電解質２の内側（陰極側）に陰極物
質３として液体ナトリウムを入れ、外側（陽極
側）に陽極物質４として溶融イオウを入れる。さ
らに陽極物質３内には、陰極集電棒５を挿入す
る。なお、陽極物質である溶融イオウは導電性が
ないため、通常は液体ナトリウムあるいは放電生
成物であるナトリウムの硫化物（SNa₂S_X）を溶
融イオウに添加する。また、陰極物質は金属繊維
に含浸させ、陽極物質はグラフアイトフエルトに
含浸させた状態で一般に使用される。図中、参照
番号６は陰極端子を、７は絶縁リングをそれぞれ
表わす。

かような構成によつて電池作用が働き、下記の
如き充放電反応が起る。

2Na＋xS放電 ――→ ←―― 充電Na₂S_X すなわち、放電時には陰極側のナトリウムイオ
ンが固体電解質２を通過して陽極側へ移動し、充
電時には陽極側のナトリウムイオンが固体電解質
２を通過して陰極側へ移動することになる。

一方、上記のごときナトリウム−イオウ電池の
原理を応用した液体ナトリウムの精製方法も提案
され本発明と同じ出願人により特許出願されてい
る（特願昭59−177269号）。この方法を簡単に述
べれば、第１のナトリウム−イオウ電池を構成す
る第１の槽と、第２のナトリウム−イオウ電池を
構成する第２の槽を設け、第１の槽の陰極室に不
純物を含む液体ナトリウムを入れ、陽極室に液体
ナトリウムと溶融イオウとの混合物を入れる。こ
れにより陰極室内で生成するナトリウムイオンの
みを固体電解質仕切壁を通して陽極室へ移動させ
る。次いでこの陽極室で生成するナトリウム硫化
物を第２の槽の陽極室へ入れ、第２の槽の陰極室
には不純物を含まない液体ナトリウムを入れて両
極間に電圧を印加することによつて第２の槽の陽
極室内で生成するナトリウムイオンのみを固体電
解質仕切壁を通して第２の槽の陰極室へ移動させ
る。この結果、第２の槽の陰極室内に純化された
液体ナトリウムを集めることができる。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、上述した第３図に示すごとき従
来のナトリウム−イオウ電池を、そのまま液体ナ
トリウムの精製装置として利用することは出来な
い。なぜならば、電池の充電時，放電時にナトリ
ウムイオンの流れの方向が逆になり、ナトリウム
の精製，純化をもたらす方向のみに流れないから
である。

また、第３図に示すごとき従来のナトリウム−
イオウ電池を大容量化しようとする場合には、こ
の電池を多数本接続しなければならないから、装
置全体が大型化せざるを得ず、設置スペースも大
きくなつてしまう。

そこで本発明は、ナトリウム−イオウ電池機能
と液体ナトリウム精製機能とを兼ね備え、加え
て、大容量化する場合にもコンパクトな設計が可
能なナトリウム−イオウ電池を提供することを目
的としてなされたものである。

＜問題点を解決するための手段＞ 上記の目的を達成するため、本発明のナトリウ
ム−イオウ電池においては、最外側の金属製ケー
ス内に固体電解質からなる内筒と外筒を同心状に
配置してダブルシリンドリカル型とする。固体電
解質内筒の内部には陰極物質として液体ナトリウ
ムを、固体電解質内筒と外筒との間には陽極物質
として溶融イオウを、さらに固体電解質外筒と金
属製ケースとの間には液体ナトリウムをそれぞれ
入れる。また、陰極物質中に陰極集電棒を兼ねる
液体ナトリウム導入管を、陽極物質中に陽極集電
棒をそれぞれ挿入し、さらに最外側の金属製ケー
スには液体ナトリウム抜出口を設ける。

＜作用＞ かような構造の本発明によるナトリウム−イオ
ウ電池は、放電時には、陰極集電棒を変えるナト
リウム導入管の先端を陰極端子とし、陽極集電棒
先端を陽極端子として、放電反応で生じる直流電
流を取出すことができる。また充電時には、前記
陽極端子および金属製ケースを外部充電器のそれ
ぞれ陽極および陰極に接続することによつて、充
電することができる。

一方、ナトリウムイオンの流れは、放電時には
固体電解質内筒内側からこの内筒を通つて内筒外
側へ移動し、充電時には固体電解質外筒内側から
この外筒を通つて外筒外側へ移動する。従つて、
不純物を含む液体ナトリウムをナトリウム導入管
を介して固体電解質内筒内へ供給して放電−充電
サイクルを繰返すことによつて、ナトリウムイオ
ンのみを内筒内側から外側へ、さらに外筒外側へ
一方向に移動させることができ、金属製ケースの
ナトリウム抜出口から純化された液体ナトリウム
を取出すことができることになる。

＜実施例＞ 以下に図面に示す好ましい実施例を参照して本
発明を説明する。

第１図はナトリウム−イオウ電池として１つの
ユニツトで使用できる構造を示すもので、例えば
ステンレス鋼のごとき金属製のケース１０内に、
ナトリウムイオンのみを通過させるβ−アルミナ
のごとき固体電解質からなる有底の内筒１１およ
び外筒１２が互いに間隔を置いて同心状に配置さ
れる。ケース１０、内筒１１および外筒１２はい
ずれも一般に円筒形状とされるが、必要に応じて
角筒形状とすることもでき、それらの頂部は絶縁
リング１３で封止されている。

固体電解質内筒１１内には液体ナトリウムが陰
極物質１４として満たされるとともに、陰極集電
棒を兼ねる液体ナトリウム導入管１５が挿入さ
れ、この導入管周面には多数のナトリウム導入孔
１５ａが穿設されて、電池外部からこの導入管を
介して液体ナトリウムが内筒１１内に供給れさる
ようになつている。この陰極集電棒兼ナトリウム
導入管１５はニツケル、タングスン、ステンレス
鋼のごとき金属製とすることができる。また、固
体電解質内筒１１と外筒１２の間の間〓には溶融
イオンが陽極物質１６として満たされるととも
に、黒鉛またはステンレス鋼からなる陽極集電棒
１７が挿入される。さらに固体電解質外筒１２と
金属ケース１０との間の間〓には液体ナトリウム
１８が満たされ、所定レベルを超えたこの液体ナ
トリウム１８は金属ケース１０の上部に設けたナ
トリウム抜出口１９からオーバーフローするよう
になつている。

なお、陽極物質である溶融イオウ中には通常は
液体ナトリウムあるいはナトリウム硫化物を添加
する点、陰極物質は金属繊維に含浸させ、陽極物
質はグラフアイトフエルトに含浸させた状態で一
般に使用される点は、従来のナトリウム−イオウ
電池と同様である。

次にこのナトリウム−イオウ電池の動作を説明
すると、先ず放電反応においては、陰極集電棒
（ナトリウム導入管１５）−陰極物質１４（液体ナ
トリウム）−固体電解質内筒１１−陽極物質１６
（溶融イオウ）−陽極集電棒１７からなる電池構成
により、ナトリウム導入管１５先端を陰極端子１
５Ａ、陽極集電棒１７先端を陽極端子１７Ａとし
て、直流電流を取出すことができる。このとき陰
極物質中のナトリウムイオンは固体電解質内筒１
１を通つて陽極物質中へ移行しナトリウム硫化物
（Na₂S_X）となる。

一方、充電反応に際しては、陽極集電棒１７−
陽極物質１６（ナトリウム硫化物）−固体電解質
外筒１２−液体ナトリウム１８−金属製ケース１
０からなる電池構成における陽極端子１７Ａおよ
び金属製ケース１０を外部充電器（図示せず）の
それぞれ陽極および陰極に接続する。これにより
陽極物質１６中のナトリウム硫化物はナトリウム
とイオウに分解し、ナトリウムイオンのみが固体
電解質外筒１２を通つて外筒１２外側の液体ナト
リウム中に移行する。その結果、外筒１２外側の
液体ナトリウムは精製・純化されたナトリウムと
なる。従つて、不純物を含む液体ナトリウムを導
入管１５より固体電解質内筒内へ供給すれば、そ
の供給量に相当する純化ナトリウムをナトリウム
抜出口１９から得ることができ、このナトリウム
−イオウ電池をナトリウムの精製装置として利用
することができる。

第２図は、第１図の本発明によるダブルシリン
ドリカル型ナトリウム−イオウ電池の大容量化を
図るために、１つの大型ナトリウムタンク内に多
数の電池ユニツトを組込んだ型式の実施例を示し
ている。図中、第１図の電池構成要素と同じ要素
については第１図と同じ参照番号を付すことによ
つて説明を省略する。第２図の実施例において
は、第１図の金属製ケース１０に代えて、大型の
金属製ナトリウムタンク２０を絶縁基台２１に載
置し、このタンク２０内に液体ナトリウム１８を
満たし、固体電解質の内筒１１−外筒１２からな
るユニツトを５個挿入する。各ユニツトのナトリ
ウム導入管１５はナトリウム受入タンク２２から
のナトリウム配管２３に接続されてこの受入タン
ク２２から各ユニツトへ陰極物質１４となる液体
ナトリウムを供給できるようになつている。ナト
リウム配管２３は切換スイツチ２４を備えた放電
ライン２５と電気的に接続され、これによつて各
ユニツトのナトリウム導入管１５はナトリウム配
管２３を介して電気的に並列に接続された放電ラ
イン２５と連続することになる。また、各ユニツ
トの陽極集電棒１７は、それぞれの陽極端子１７
Ａを介して並列に電気的接続され、充・放電ライ
ン２６を形成する。さらに、切換スイツチ２７を
備えた充電ライン２８が金属製タンク２０に電気
的に接続される。

かような構成のナトリウム−イオウ電池の放電
時には切換スイツチ２４をオン、切換スイツチ２
７をオフとし、放電ライン２５および充放電ライ
ン２６から直流電流を取出すことができる。一
方、充電時には切換スイツチ２４をオフ、切換ス
イツチ２７をオンとし、充・放電ライン２６およ
び充電ライン２８を外部充電器（図示せず）のそ
れぞれ陽極および陰極に接続する。

また、ナトリウムタンク２２からナトリウム配
管２３を介して各ユニツトの固体電解質内筒１１
内に不純物を含む液体ナトリウムを導入して放電
−充電サイクルを繰返すことによつて、ナトリウ
ムイオンのみをナトリウムタンク２０内へ移行さ
せ、液体ナトリウム抜出口１９から純化された液
体ナトリウムをナトリウムタンク２９内へ取出す
ことができ、従つて、このナトリウム−イオウ電
池はナトリウムの精製・純化装置としての機能を
有することになる。

なお、第２図の例では共通のナトリウムタンク
２０内に５個の電池ユニツトを挿入してあるが、
電池ユニツト数は必要に応じて適宜増減させるこ
とができる。

＜発明の効果＞ 本発明は上記したような構成のダブルシリンド
リカル型ナトリウム−イオウ電池であるから、高
温二次電池の機能とともにナトリウム精製装置の
機能をもたせることができる。また、陽極物質で
ある溶融イオウは金属を腐蝕させやすいため、溶
融イオウと外側金属ケースとが接するような従来
の電池構造では金属ケースの内面をメツキ等によ
り保護する必要があつたが、本発明においては陽
極物質を固体電解質の内筒と外筒の間に封入した
ために溶融イオウが金属ケースと接することがな
いから、金属ケースの腐蝕の心配がない。

更に、本発明のナトリウム−イオウ電池を多数
接続して大容量化する場合には、電池個々に外側
金属ケースを設けずに、共通の金属製タンク内に
液体ナトリウムを満たし、このタンク内に固体電
解質内筒−外筒とからなるユニツトを多数個挿入
すればよいから、外側金属ケースの制作費が低減
できるだけでなく、設置スペースもコンパクトに
なり、更に放熱量も少なく、運転経費の低廉化も
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のダブルシリンドリカル型ナト
リウム−イオウ電池の実施例を示す断面図、第２
図は第１図の電池を複数組合せた形式の本発明の
実施例を示す説明図、および第３図は従来のナト
リウム−イオウ電池の代表例を示す断面図であ
る。 １１……固体電解質内筒、１２……固体電解質
外筒、１４……陰極物質、１５……ナトリウム導
入管兼陰極集電棒、１６……陽極物質、１７……
陽極集電棒、１８……液体ナトリウム、１９……
ナトリウム抜出口、２０……ナトリウムタンク、
２５……放電ライン、２６……充・放電ライン、
２８……充電ライン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体ナトリウム抜出口を備えた金属製ケース
   内に固体電解質からなる内筒と外筒を同心状に配
   置し、該内筒内に陰極物質として液体ナトリウム
   を入れるとともに陰極集電棒となる液体ナトリウ
   ム注入管を挿入して外部から該内筒内に液体ナト
   リウムを供給できるようにし、該内筒と外筒との
   間に陽極物質として溶融イオウを入れるとともに
   陽極集電棒を挿入し、該外筒と金属製ケースとの
   間に液体ナトリウムを入れ、放電時には前記液体
   ナトリウム注入管からなる陰極集電棒と前記陽極
   集電棒から直流電流を取出し、充電時には該陽極
   集電棒および金属製ケースを外部充電器のそれぞ
   れ陽極および陰極に接続するようにしたダブルシ
   リンドリカル型ナトリウム−イオウ電池。 ２ 液体ナトリウム抜出口を備えた金属製タンク
   内に複数の電池ユニツトを挿入し、各電池ユニツ
   トは、固体電解質からなる内筒と外筒を同心状に
   配置し、該内筒内に陰極物質として液体ナトリウ
   ムを入れるとともに陰極集電棒となる液体ナトリ
   ウム注入管を挿入して外部から該内筒内に液体ナ
   トリウムを供給できるようにし、該内筒と外筒と
   の間に陽極物質として溶融イオウを入れるととも
   に陽極集電棒を挿入した構造を有し、各電池ユニ
   ツトの前記液体ナトリウム注入管を電気的に並列
   に接続して放電ラインを形成し、各電池でユニツ
   トの陽極集電棒を電気的に並列に接続して充・放
   電ラインを形成し、前記金属製タンクには充電ラ
   インを電気的に接続し、各電池ユニツトの放電時
   には前記放電ラインおよび充・放電ラインから直
   流電流を取出し、各電池ユニツトの充電時には前
   記充・放電ラインおよび充電ラインを外部充電器
   のそれぞれ陽極および陰極に接続するようにした
   ダブルシリンドリカル型ナトリウム−イオウ電
   池。