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JP3130238B2 - ナトリウム−硫黄電池 - Google Patents
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JP3130238B2 - ナトリウム−硫黄電池 - Google Patents

ナトリウム−硫黄電池

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    • 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、ナトリウム−硫黄
電池に係わり、特にナトリウム−硫黄電池の温度制御と
異常対策に関する。
【0002】
【従来の技術】ナトリウム−硫黄電池は、例えば特開平
6−208854号に記載されている通り、べータアル
ミナ固体電解質管の内側に陰極活物質であるナトリウム
を内蔵し、べータアルミナ固体電解質管と陽極容器との
間に陽極活物質である硫黄を含浸した陽極導電材を内蔵
した単電池からなるものである。これら多数の単電池を
断熱容器に収容し、300〜350℃の温度で放電ある
いは充電を行い、電力貯蔵用電池としての開発が試みら
れている。
【0003】しかし、断熱容器内に電気的に接続した多
数のナトリウム−硫黄単電池を収容したナトリウム−硫
黄電池として、例えば特開平5−251071号に記載
されているようなナトリウム−硫黄電池から放電によっ
て電力を出力する際、放電反応が発熱反応のため各単電
池の温度は上昇する。そして、断熱容器の壁面からは放
熱するため断熱容器中心部に位置する単電池は周辺部に
位置する単電池よりも高温度状態になり易い。また、一
本の単電池においてもその高さ方向で温度差を生じる。
【0004】そしてナトリウム−硫黄単電池の温度が3
50℃を越えると、陽極活物質による陽極容器の腐食性
が著しく増大するとの問題や、べータアルミナ固体電解
質管と絶縁リングとの接合ガラスの耐ナトリウム性が著
しく低下する等の問題があり、そのため350℃以下で
運転する必要がある。一方ナトリウム−硫黄電池は高温
度で作動させる程電池効率は高い為、出来るだけ高温度
で運転することが望まれる。従って、多数の単電池を断
熱容器内に収容したナトリウム−硫黄電池の運転をする
際、各単電池を許容される温度範囲内のできるだけ高い
温度に均一に保つことが極めて重要なことである。
【0005】しかしながら、上記の理由により各単電池
を所定の均一な温度に保つことは極めて困難な事であ
る。そしてナトリウム−硫黄電池を300〜350℃で
運転していても、仮に一個の単電池電池が350℃以上
の状態が続いて故障した場合、電気的に接続されたこれ
ら単電池群は作動面および安全性で問題となる。特に高
出力運転の場合には各単電池が急激に温度上昇するため
問題となる。
【0006】そこで、多数の単電池を断熱容器内に収容
したナトリウム−硫黄電池において、各単電池の温度上
昇をおさえるために空気を冷却媒体として隣接する各単
電池の間に流通させる発明が特開昭59−171476
号に開示されている。しかしながら、この場合において
も空気を冷却媒体としているため、単電池との熱交換効
率は低く、特に高出力運転の場合には空気では電池群の
温度分布を均一にするには不充分である。更に、特開平
5−251071号に記載されているような各単電池の
上部に電気配線を有するナトリウム−硫黄電池において
は、特開昭59−171476号に開示されているよう
なディストリビュ−タの取り付けは困難である。
【0007】また、断熱容器の内壁と最外周に位置する
単電池群との間隙において、ディストリビュ−タに設け
た開口の大きさで空気の流量を制御する方法も、間隙の
大きさが経時変化する場合には空気の流量を制御するこ
とは困難である。更に、冷却媒体に空気を用いている場
合、なんらかの原因でナトリウムが単電池の外部に漏出
した場合に空気と反応し燃えるとの問題も有している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決するためになされたものであり、冷却媒体によっ
て各単電池間の温度差を小さくし、各単電池を均一な温
度に保つことによりナトリウム−硫黄電池の運転の安全
性を高めるとともに、たとえ単電池がなんらかの原因に
より異常昇温した場合であっても冷却媒体が消火剤とな
ってナトリウムの反応を抑える安全性の高いナトリウム
−硫黄電池を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の問題点は、断熱容
器内に互いに隣接する多数の円筒状のナトリウム−硫黄
単電池を収容し、300℃〜350℃の温度範囲で運転
されるナトリウム−硫黄電池において、上記各単電池が
頂部において電気的に接続された状態で棚板上に載置さ
れ、棚板に設けられた上記隣接する各単電池間の空間に
対応する位置の貫通孔を通じて、上記棚板の下部に設け
られた密閉空間からフッ素系不燃性液体であるパーフル
オロホスフィンからなる冷却媒体が上記温度範囲で運転
される各単電池間の空間に流入し上記各単電池の上部に
流出するよう構成され、かつ上部に流出した冷却媒体を
断熱容器の外部に取り出し、途中に設けられた熱交換器
によって所定温度に冷却媒体を冷却したうえ再び断熱容
器の上記密閉空間内に流入させる循環流路が設けられた
ことを特徴とするナトリウム−硫黄電池によって解決す
ることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明は、各単電池が直接棚板上
に載置され、かつ棚板には隣接する各単電池間の空間に
対応した貫通孔が設けられ、棚板下部の密閉空間から
ーフルオロホスフィンからなる液体の冷却媒体が所定の
温度と所定の流速で流入するため、高出力運転であって
も各単電池は均一な温度に維持できる。また、仮に不測
な事故でナトリウムが単電池から漏出しても冷却媒体と
の反応が極めて低く、冷却媒体が消火剤として働くため
電池の過熱化を防止できる。更に各単電池群をそれらの
頂部で容易に電気的に接続でき、電池の組立も容易に出
来る。
【0011】また、パーフルオロホスフィンであるフッ
素系不燃性冷却媒体を用いるので、高温における電気絶
縁性に優れ、かつ、単電池との熱交換効率に優れかつ高
温におけるナトリウムとの反応性も極めて低く消火剤と
しての性能が優れているので好ましい。各単電池の底部
に流入する冷却媒体の温度を260℃以上の所定の温度
とし、各単電池の頂部を流出する冷却媒体の温度を35
0℃以下の所定の温度になるように単電池の底部および
単電池の頂部または断熱容器の入口および出口近傍にお
いて冷却媒体の温度を測定した温度計からの信号に基づ
いて循環流路に設けた熱交換器による熱交換温度および
流量制御ポンプによる流速を制御した場合は各単電池は
高さ方向において均一にかつ高温度に維持されるため、
高出力運転が可能となり、単位空間当たりの出力を高く
出来、かつ電池を故障させることなく安全に運転出来る
ため好ましい。
【0012】
【実施例】図1に記載した実施例に基づいて本願発明を
説明する。図1は、断熱容器1内の棚板2上に、約85
mmφ×350mmHのナトリウム−硫黄単電池3が13
列、一列あたり26本合計338本隣接して載置された
集合電池の断面概念図である。尚、この場合各単電池3
と棚板2とはマイカーを介して電気的に絶縁されてい
る。棚板2にセラミックを用いた場合はマイカ−を介在
させる必要はない。この棚板2には隣接する各単電池
3、3間の空間4および断熱容器1の内壁と最外周に位
置する各単電池群との空間4に対応する位置に貫通孔5
が設けられている。棚板2はその周辺部において断熱容
器1の内壁に溶接されている。大型の電池の場合は溶接
せず密着状態でもよい。貫通孔5の形状および大きさは
上記各空間断面と同一であることが望ましいが、上記各
空間断面とほぼ等しい大きさの円形や多角形も望まし
い。所定の形状の穴のあいたパンチングメタルが使用で
きる。棚板2は図示しない支柱で適宜撓まないよう補強
されている。各単電池3の陽極容器が側部の最外周面で
ある場合は互いに接触しない程度に近接して配置され
る。また、側部にマイカ−等の電気絶縁材を設けた場合
は各単電池3は接触状態で隣接して配置される。
【0013】また、棚板2の数カ所には図2の通り、単
電池3をほぼ密着状態でかつ電気的に絶縁された状態で
挿入できるリング状の止め部6が溶接されている。各単
電池3の動きを拘束する止め部6を少なくとも一個棚板
2上に設けた場合は、各単電池3、3間の空間4とそれ
に対応する棚板2に設けた貫通孔5の位置づれの発生が
長期にわたって防止できるため好ましい。棚板2と断熱
容器1の底部との間に形成される密閉空間7には冷却媒
体を断熱容器1の外部から流入できる導入管8が設けら
れている。図3の通りこの導入管8の密閉空間7への導
入部には、多数の孔を設けた枝付き分散管9が取り付け
られている。また導入管8と断熱容器1とは高温におい
ても液状の冷却媒体が漏れないように密封されている。
枝付き分散管9はなくてもよいが、取り付けたほうが密
閉空間7に流入した冷却媒体が棚板2の各貫通孔5に均
一に流入するよう作用するため好ましい。
【0014】各単電池3の頂部は電気的に接続(図示せ
ず)されており、断熱容器1の外部の電気系統と主極取
り出し口10を通じて接続されている。この主極取り出
し口10は断熱容器1内の冷却媒体が外部に漏れないよ
うに密封されている。図4の通り冷却媒体を断熱容器1
の外部に取り出す流路や断熱容器1に流入する流路を主
極取り出しに兼用すれば、断熱容器1の冷却媒体の漏出
防止の密封箇所が少なく出来、断熱容器1の構造が簡単
になるため好ましい。
【0015】300℃〜350℃の温度範囲で運転され
各単電池3、3間の空間をパーフルオロホスフィンか
らなるフッ素系不燃性冷却媒体が放電時の各単電池3か
ら熱を奪いつつ上昇し、各単電池3の頂部に流出する。
この加熱された冷却媒体を断熱容器1の外部に流出さ
せ、再び断熱容器1内の密閉空間に戻す循環流路11に
は出口温度計12、流量計13、熱交換器14、ポンプ
15、入口温度計16が設けられていて、入口温度及び
出口温度からの信号に基づいて熱交換器14と流量を制
御し、入口温度と出口温度が所定の温度に維持されるよ
うにする集中制御器17が設けられている。また断熱容
器1からの流出口を複数設け、それぞれに流量制御バル
ブを設け、各単電池3の頂部近傍で測定した温度信号に
基づいて各流出口からの流速を制御すれば、ナトリウム
−硫黄電池を均一な温度に維持することができる。
【0016】また、別の実施例として、図5と図6に示
した通り、棚板2を断熱容器1の内壁に溶接せずに枠体
18にのせるか溶接して棚板下部に密閉空間19を設
け、更に、各単電池群の最外周面に隣接する様に棚板2
上に仕切り板20を設けた場合は、例え断熱容器1の内
壁と最外周に位置する単電池群との間隙が経時変化して
も、最外周に位置する各単電池3の側壁に流れる冷却媒
体流量は変化せず、温度制御が確実に出来るので好まし
い。大型電池の場合は電池の昇降温による熱応力により
棚板2が大きな熱歪みを受けるためこの様に断熱容器1
と棚板2とは溶接しないほうが好ましい。複数の枠体1
8によって棚板2を支えることもできる。本発明はナト
リウム−硫黄電池の組立後作動温度に立ち上げる際に冷
却媒体を熱交換器によって徐々に加熱し、電池の作動温
度にすることもできる。
【0017】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、高出力
運転が可能であって、かつ電池の効率が高く、かつ安全
に運転でき、仮になんらかの原因により単電池からナト
リウムが単電池外に漏出しても冷却媒体が消火剤として
作用しナトリウムの反応を抑えるため、信頼性の高いナ
トリウム−硫黄電池を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す断面図である。
【図2】単電池の止め部の斜視図である。
【図3】枝付き分散管の平面図である。
【図4】冷却媒体の流路を主極取り出しに兼用した例を
示す断面図である。
【図5】他の実施例の棚板を示す平面図である。
【図6】他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 断熱容器、2 棚板、3 単電池、4 空間、5
貫通孔、6 止め部、7 密閉空間、8 導入管、9
枝付き分散管、10 主極取り出し口、11循環流路、
12 出口温度計、13 流量計、14 熱交換器、1
5 ポンプ、16 入口温度計、17 集中制御器、1
8 枠体、19 密閉空間、20 仕切り板
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/39 H01M 10/50

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】断熱容器内に互いに隣接する多数の円筒状
    のナトリウム−硫黄単電池を収容し、300℃〜350
    ℃の温度範囲で運転されるナトリウム−硫黄電池におい
    て、上記各単電池が頂部において電気的に接続された状
    態で棚板上に載置され、棚板に設けられた上記隣接する
    各単電池間の空間に対応する位置の貫通孔を通じて、上
    記棚板の下部に設けられた密閉空間からフッ素系不燃性
    液体であるパーフルオロホスフィンからなる冷却媒体が
    上記温度範囲で運転される各単電池間の空間に流入し上
    記各単電池の上部に流出するよう構成され、かつ上部に
    流出した冷却媒体を断熱容器の外部に取り出し、途中に
    設けられた熱交換器によって所定温度に冷却媒体を冷却
    したうえ再び断熱容器の上記密閉空間内に流入させる循
    環流路が設けられたことを特徴とするナトリウム−硫黄
    電池。
  2. 【請求項2】 密閉空間に流入する冷却媒体の温度を26
    0℃以上にし、断熱容器の外部に取り出す冷却媒体の温
    度が350℃以下となるように制御する手段を設けた請
    求項1記載のナトリウム−硫黄電池。
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