(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のナトリウム−硫黄単電池を直並列に接続して断熱容器に収容したナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法であって、
複数日からなる一定日数を１単位とし、当該１単位が、昼間に規定放電電力量を放電するのに必要な電気量を放電し夜間に充電する放電−充電サイクルを繰り返す所定日数と、前記放電−充電サイクルを行わず休止状態にしておく所定日数とからなり、
前記単位内において、放電−充電サイクルを行う最終日のモジュール電池の温度がモジュール電池の使用可能温度を超えないように、放電−充電サイクルを行う最初の日の放電開始時のモジュール電池温度と、放電−充電サイクル毎のモジュール電池の温度上昇率とを設定するという条件の下、放電−充電サイクルを繰り返す毎に、モジュール電池の放電時の時間平均温度が、前回の放電−充電サイクルの放電時の時間平均温度よりも高温となるようにするとともに、
前記所定日数の休止状態から次の放電を開始する時のモジュール電池の温度が、前の単位における最初日の放電開始時の温度に近似するようにしたことを特徴とするナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法。
【請求項２】
前記単位内において、放電−充電サイクルを繰り返す毎に、モジュール電池の放電開始時の温度が、前回の放電−充電サイクルの放電開始時の温度よりも高温となるようにする請求項１記載のナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法。
【請求項３】
前記単位内において、放電−充電サイクルを繰り返す最終日の充電時に、１単位全体で不足している蓄電量を補充電することを特徴とする請求項１記載のナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法。
【請求項４】
前記断熱容器が二重壁構造であって、二重壁内の真空度を調整して断熱容器からの放散熱量を低下させることにより、放電−充電サイクルを繰り返す毎にモジュール電池の放電時の時間平均温度が前回の放電−充電サイクルの放電時の時間平均温度よりも高温となるようにした請求項１記載のナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融ナトリウムを陰極活物質とし、溶融硫黄を陽極活物質とするナトリウム−硫黄単電池から構成されるモジュール電池の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナトリウム−硫黄電池は、陰極活物質である溶融金属ナトリウムと、陽極活物質である溶融硫黄とを、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て配し、通常２８０〜３７０℃で作動させる充放電が可能な高温二次電池であり、近年、大規模な電力貯蔵／供給システムとしての実用化に期待が高まっている。
【０００３】
ナトリウム−硫黄電池は、放電時には溶融ナトリウムが電子を放出してナトリウムイオンとなり、これが固体電解質内を透過して陽極側に移動し、硫黄及び外部回路から供給される電子と反応して多硫化ナトリウムを生成し、一方、充電時には、放電とは逆に多硫化ナトリウムからナトリウム及び硫黄が生成する反応が起こる。
【０００４】
このようなナトリウム−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満たない。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−硫黄モジュール電池（以下、「モジュール電池」と記す）を形成して実用に供される。
【０００５】
電力事業においては、電力需要の少ない夜間電力を蓄えて、蓄えられた電力を需要の多い昼間に供給する負荷平準化（ロードレベリング）が進められており、その一つの手段として、上述のナトリウム−硫黄電池を利用した電力設備の効率的な運用への取組みが行われている。
【０００６】
具体的には、モジュール電池の運転は、放電段階、休止段階、充電段階からなる放電−充電サイクルを繰り返すことで行なわれ、上記ロードレベリングへの利用においては、１週間のうち月曜日から金曜日までの平日にナトリウム−硫黄電池を放電−充電サイクルで運転させ、週末の土曜日と日曜日は昼間の電力需要が減少するため休止状態とする、いわゆる週間運転が行われる。上記放電−充電サイクルにおいて、放電段階は、昼間の電力需要の多い時間帯に８時間程度実施され、規定の放電電力量を放電するのに必要な電気量を放電する。充電段階は、夜間電力を使って行われるため、一定電力以内で１０〜１２時間以内に充電を完了する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなモジュール電池の運転において、電力需要に適切に対応するためには、１回のサイクルの放電段階で規定放電電力量（Ｗｈ）を放電するのに必要な電気量（Ａｈ）が、その前回のサイクルの充電段階で充電されている必要があるが、現実には上記１０〜１２時間という充電許容時間以内に必要な電気量の充電を完了することは長期的には困難であり、このため慢性的な充電不足の状態を招きやすい。また、充電許容時間以内に充電を完了するために、充電電力を大きくするという方法も考えられるが、この方法では充電効率が低下し、直交変換装置容量もその分だけ大きなものが必要となるので好ましくない。
【０００８】
また、モジュール電池を構成する単電池は、腐食性を有する活物質を内蔵しており、また高温でヒートサイクルをかけながら作動させるため、単電池の経時劣化を回避することは困難である。単電池の経時劣化は、主に内部抵抗の増大という形で現れる。下記数１は電池の充電効率を、数２は充電時間をそれぞれ表している。これらの数式から明らかなとおり、電池の内部抵抗の増大により充電効率が低下してくると、所定の充電量を確保するために必要な充電時間が次第に長くなるので、上記のような経時劣化の進行によってもまた、慢性的な充電不足の状態に陥る。
【０００９】
【数１】
0003541129.tif 000002
【００１０】
【数２】
0003541129.tif 000003
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電池が充電不足の状態になるのを防いで、電力需要に適切に対応できるようなナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法を提供することにある。
【００１２】
【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−硫黄単電池を直並列に接続して断熱容器に収容したナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法であって、複数日からなる一定日数を１単位とし、当該１単位が、昼間に規定放電電力量を放電するのに必要な電気量を放電し夜間に充電する放電−充電サイクルを繰り返す所定日数と、前記放電−充電サイクルを行わず休止状態にしておく所定日数とからなり、前記単位内において、放電−充電サイクルを行う最終日のモジュール電池の温度がモジュール電池の使用可能温度を超えないように、放電−充電サイクルを行う最初の日の放電開始時のモジュール電池温度と、放電−充電サイクル毎のモジュール電池の温度上昇率とを設定するという条件の下、放電−充電サイクルを繰り返す毎に、モジュール電池の放電時の時間平均温度が、前回の放電−充電サイクルの放電時の時間平均温度よりも高温となるようにするとともに、前記所定日数の休止状態から次の放電を開始する時のモジュール電池の温度が、前の単位における最初日の放電開始時の温度に近似するようにしたことを特徴とするナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法、が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上記本発明において、１単位を構成する一定日数を月曜日から日曜日までの７日間とし、このうち月曜日から金曜日までの連続する５日間を放電−充電サイクルを繰り返す所定日数、残りの土曜日と日曜日の２日間を放電−充電サイクルをしないで休止状態にしておく所定日数として、本発明の運転方法を説明する。本発明は、前記単位内において、放電−充電サイクルを繰り返す毎に、モジュール電池の放電時の時間平均温度が、前回の放電−充電サイクルの放電時の時間平均温度よりも高温となるようにすることを特徴としている。
【００１４】
なお、図１は、本発明において、月曜日から日曜日までの７日間を１単位としたときのモジュール電池の各曜日の運転平均温度と、一定の放電電力量を放電するのに必要な電気量との変化を示すグラフである。また、図２はモジュール電池の温度と内部抵抗との関係を、図３はモジュール電池の温度と一定の放電電力量を放電するのに必要な電気量との関係をそれぞれ示すグラフである。
【００１５】
電力需要に適切に対応するためには、その日の放電−充電サイクルの放電に必要な電気量を、その前日の放電−充電サイクルの充電段階で充電していればよい。例えば、月曜日の充電段階では、次の火曜日の放電段階に必要な電気量を充電できればよい。そして、本発明の運転方法では、火曜日の放電−充電サイクルにおけるモジュール電池の放電時の時間平均温度が、月曜日の放電−充電サイクルにおけるモジュール電池の放電時の時間平均温度よりも高温となるので、火曜日の放電時における電池の内部抵抗は月曜日のそれよりも低くなり、この結果、規定放電電力量を放電するのに必要な電気量も火曜日の方が少なくなる。同様に、水曜日は火曜日よりも放電する電気量が少なくなり、このようにして充電−放電サイクルを行う最終日である金曜日まで次第に放電する電気量は少なくなって行き、これに応じて放電に必要な充電電気量も減少して行く。
【００１６】
このように１単位内において、放電−充電サイクルの初日となる月曜日から最終日となる金曜日に向けて、必要な充電電気量が減少して行くと、充電時間にも次第に余裕ができてくるので、規定の放電電力量を放電するのに必要な電気量に対する充電量の不足を無くすか、あるいは不足が発生する場合でもそれを最小限に抑えることができる。また、必要充電量を確保するための充電時間に十分余裕ができると、より小さい電流で充電時間を一杯に使って充電することができ、充電効率が向上するという効果も得られる。
【００１７】
なお、本発明の運転方法において、放電−充電サイクルを繰り返す所定日数の最初の日に当たる月曜日は、モジュール電池の放電時の時間平均温度が最も低く電池の内部抵抗も最も高くなるので、規定放電電力量を放電するのに必要な電気量も１単位のうちで最大となるが、この月曜日の放電に必要な分の充電は、前の単位において放電−充電サイクルを繰り返す所定日数の最終日に当たる前週の金曜日の充電段階で十分な時間を掛けて行うことができる。
【００１８】
すなわち、土曜日と日曜日は放電−充電サイクルを行わない休止状態におかれるので、金曜日は月〜木曜日に比べて充電時間に十分な余裕があり、次の月曜日の放電に備えて電池の完全充電をおこなうことが可能である。また、月〜木曜日までの放電−充電サイクルで充電量に不足が生じた場合にも、放電−充電サイクルを繰り返す所定日数の最終日である金曜日の充電時には、充電時間に余裕があるので、この金曜日の充電時に１単位全体で不足している蓄電量を補充電することができ、次の単位の月曜日に放電を開始する時は規定の蓄電量を有した状態で運転が可能となり、電力需要に適切に対応することができる。
【００１９】
ところで、このようなモジュール電池の週間運転においては、休止状態におかれる土曜日と日曜日にも、電池内部のナトリウム等の固化を防いで、次の単位での放電が速やかに実施できるように、モジュール電池を所定以上の温度に維持しておく必要がある。この温度維持に必要な熱量は、一般に断熱容器内部に設けたヒーターより投入されるが、本発明においては、休止状態におかれる日の前日である金曜日が、一単位内で最もモジュール電池の温度が高い状態にあるので、この高い温度を前記休止状態での温度維持に有効に利用でき、ヒーターで熱量を投入する必要がないか、又は投入する熱量を極めて少なくすることができ、省エネになる。
【００２０】
本発明では、この所定日数の休止状態を経て、次の単位の放電を開始する時のモジュール電池の温度は、前の単位における最初日の放電開始時の温度に近似するようにする。放電−充電サイクルを行う最初の日の放電開始時のモジュール電池の温度が単位毎に異なると、各単位毎に充放電効率にバラツキが生じるので好ましくない。また、最初の日の放電開始時のモジュール電池の温度が高すぎると、最終日の放電時のモジュール電池の温度が電池の使用可能温度を超えて、電池が損傷するおそれがあるので、最初の日の放電開始時のモジュール電池の温度や、放電−充電サイクル毎のモジュール電池の温度の上昇率は、放電−充電サイクルの最終日の温度が電池の使用可能温度を超えないように設定する。
【００２１】
なお、本発明の運転方法では、上述のように充電時間に余裕ができることにより、電池がある程度経年劣化して内部抵抗が増大し、充電効率が低下した場合でも、必要な充電時間を確保し、充電不足にならないようにすることが可能となる。なお、本発明においては、放電−充電サイクルを繰り返す毎に、モジュール電池の放電開始時の温度が、前回の放電−充電サイクルの放電開始時の温度よりも高温となるようにして放電することが好ましい。
【００２２】
本発明において、放電−充電サイクルを繰り返す毎に、放電時のモジュール電池の時間平均温度が、前回の放電−充電サイクルの時間平均温度よりも高温となるようにするには、放電−放電サイクルの１サイクル毎の熱収支において、モジュール電池内部の発熱量がモジュール電池からの放散熱量を常に上回るように断熱容器の放散熱量を設定することが好ましい。
【００２３】
通常、モジュール電池の断熱容器には、二重壁構造を持った真空断熱容器が用いられる。図４は、本発明において好適に使用できる断熱容器の一例を示す説明図である。この断熱容器１０は、上部に開口部を有する断熱容器本体１１と、断熱容器本体１１に単電池１５を所定数収めた後、前記開口部に装着して容器を密閉する断熱容器上蓋１２とからなる。これら断熱容器本体１１と断熱容器上蓋１２とは、外周（壁）が金属板１７で形成された二重壁構造を持ち、二重壁の内部に数十ｍｍ幅の断熱材１８を充填した空洞部１９を有する構造となっている。
【００２４】
更に、断熱容器上蓋１２の外表面には、真空引き用バルブ穴に管部１３が設けられており、ここから空洞部１９の真空度（内圧）を調整して各断熱容器の放散熱量を制御できるようになっている。すなわち、断熱容器１０の熱損失（放散熱量）は、空洞部１９の真空度（内圧）により変化し、低真空度となるにつれて放散熱量が増大する。この二重壁内の空洞部１９の真空度を調整して、断熱容器からの放散熱量を所定量まで低下させることにより、放電−充電サイクルを繰り返す毎に、放電時のモジュール電池の時間平均温度が、前回の放電−充電サイクルの時間平均温度よりも高温となるようにすることができる。
【００２５】
以上、本発明のナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法について説明してきたが、本発明はこれらの実施形態によって何らの限定をも受けるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の通常の知識に基づいて、種々の変更や改良等を加え得るものであることが理解されるべきである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のナトリウム−硫黄モジュール電池の運転方法によれば、従来の運転方法に比べて充電時間に余裕ができ、規定の放電電力量を放電するのに必要な電気量に対する充電量の不足を無くして、電力需要に適切に対応することが可能となる。また、充電時間に十分余裕ができた場合には、その分だけ充電電流を小さくできるので、充電効率を向上させることができる。更に、モジュール電池の温度は、モジュール電池を休止状態におく日の前日に最も高くなるので、その高温度を休止状態の間のモジュール電池の温度維持に有効に利用でき省エネになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】月曜日から日曜日までの７日間を１単位としたときのモジュール電池の各曜日の運転平均温度と、一定の放電電力量を放電するのに必要な電気量との変化を示すグラフである。
【図２】モジュール電池の温度と内部抵抗との関係を示すグラフである。
【図３】モジュール電池の温度と一定の放電電力量を放電するのに必要な電気量との関係を示すグラフである。
【図４】本発明において使用される断熱容器の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…断熱容器、１１…断熱容器本体、１２…断熱容器上蓋、１３…管部、１５…単電池、１７…金属板、１８…断熱材、１９…空洞部。
【図１】
0003541129.tif 000004
【図２】
0003541129.tif 000005
【図３】
0003541129.tif 000006
【図４】
0003541129.tif 000007