(57)【要約】【課題】ナトリウム−硫黄電池において、負荷が大きいときに電池作動に伴い生じた熱量を真空断熱容器内部へ蓄積することなく、且つ、負荷が低いときに極力ヒータ消費電力を抑えながら真空断熱容器内部の温度を維持し得て、高い充放電効率を維持しつつ、好ましい温度範囲で運転可能とすること。【解決手段】断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池１０において、次のようにパッケージ１１内部の温度を調節することが課題解決の一手段として挙げられる。即ち、ナトリウム−硫黄電池１０を、少なくともパッケージ１１下部（若しくは側面）に外部と通じる吸気開口部１８を備えるとともにパッケージ１１上部に外部と通じる排気開口部１５を有するように構成し、その排気開口部１５の開口率を変えてパッケージ１１内部から外部へ放出される熱量を調節する手段である。【選択図】　図１
2004055373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池の、パッケージ内部の温度を調節する方法であって、
ナトリウム−硫黄電池は、少なくともパッケージ下部若しくは側面に外部と通じる吸気開口部を備えるとともに、パッケージ上部に外部と通じる排気開口部を有してなり、
前記排気開口部の開口率を変えることにより、パッケージ内部から外部へ放出される熱量を調節することを特徴とするナトリウム−硫黄電池の温度調節方法。
【請求項２】
電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池の、パッケージ内部の温度を調節する方法であって、
ナトリウム−硫黄電池は、受入開口部を備えるとともに、パッケージ上部に排出開口部を有してなり、
前記受入開口部を通して前記パッケージに圧入され、前記排出開口部を通して前記パッケージから排気される、熱媒体としての気体流量を変更することにより、パッケージ内部の雰囲気温度を調節することを特徴とするナトリウム−硫黄電池の温度調節方法。
【請求項３】
前記気体が、排熱ガスである請求項２に記載のナトリウム−硫黄電池の温度調節方法。
【請求項４】
前記排熱ガスの排出源が、ガスタービン、燃料電池、火力発電からなる設備群に含まれる少なくとも１の設備である請求項３に記載のナトリウム−硫黄電池の温度調節方法。
【請求項５】
電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池であって、
少なくともパッケージ下部若しくは側面に外部と通じる吸気開口部を有し、パッケージ上部に外部と通じる排気開口部を備えるとともに、
前記排気開口部の開口率を可変にする排気開口率調節手段を有することを特徴とするナトリウム−硫黄電池。
【請求項６】
前記排気開口率調節手段が、前記排気開口部を覆う蓋扉を昇降若しくはスライドさせる手段である請求項５に記載のナトリウム−硫黄電池。
【請求項７】
電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池であって、
受入開口部と、パッケージ上部に排出開口部とを有するとともに、
前記受入開口部を通して前記パッケージに圧入される熱媒体としての気体流量を変更する受入量調節手段と、前記排出開口部を通して前記パッケージから排気される熱媒体としての気体流量を変更する排出量調節手段と、の何れか一方若しくは両方を備えることを特徴とするナトリウム−硫黄電池。
【請求項８】
前記気体が、排熱ガスである請求項７に記載のナトリウム−硫黄電池。
【請求項９】
前記排熱ガスの排出源が、ガスタービン、燃料電池、火力発電からなる設備群に含まれる少なくとも１の設備である請求項８に記載のナトリウム−硫黄電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されてなるナトリウム−硫黄電池と、所定の温度範囲で作動させることが好ましい当該ナトリウム−硫黄電池のパッケージ内部の温度を調節する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ナトリウム−硫黄電池（以下、ＮａＳ電池とも記す）は、実用的な形態として例示すれば、複数の単電池を直列乃至並列に接続してなる電池モジュールを複数直列に接続し断熱容器に格納し、更にパッケージに収納してなるものであり、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、高温で作動させる充放電が可能な二次電池であり、近年、大規模な電力貯蔵／供給装置として実用化されつつある。
【０００３】ＮａＳ電池においては、放電時に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。上記多硫化ナトリウムの生成反応は発熱反応であるため、放電時における総発熱量は、通電電流及び内部抵抗によって決まるジュール熱量と多硫化ナトリウムの生成反応による化学発熱量とを足した熱量となる。反対に、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は吸熱反応であるため、充電時は内部抵抗によるジュール熱量と上記反応による吸熱量により発熱となるか吸熱となるかが決まる。
【０００４】ところで、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。従って、ＮａＳ電池の作動温度が一定値を超えることは好ましくない。
【０００５】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。
【０００６】以上の事情、即ち、電池反応により発生する熱の利用と、電池を構成に不可欠な材料の特性及び電池を構成するための種々の部材の特性の制約から、ＮａＳ電池の運転は２８０〜３６０℃の範囲で行われることが一般的となっている。
【０００７】このような適切な温度範囲での運転を実現するために、ＮａＳ電池においては、従来、ＮａＳ電池の各電池モジュールの温度を計測し、各電池モジュールに備わるヒータをＯＮ／ＯＦＦさせてＮａＳ電池の作動温度を調節している。
【０００８】又、ＮａＳ電池のパッケージ内において、複数の単電池からなる電池モジュールを収納する容器として、容器外へのエネルギー損失を出来る限り少なくするために、断熱容器が用いられている。断熱容器としては、真空断熱容器、大気断熱容器、あるいはそれらの組合せが用いられるが、真空断熱容器あるいは真空断熱容器を主とする断熱容器が好適に用いられる。そして、その断熱容器に格納された電池モジュールの温度と、複数の電池モジュールを格納した断熱容器を収容して外部と隔離するパッケージ内部の温度と、の温度差が、小さいほど、ＮａＳ電池の作動温度を保ち易く、ヒータをＯＮにする時間を少なく出来、消費電力が抑えられる。
【０００９】以下、電池モジュールを格納する容器が真空断熱容器である場合を例にとり説明する。真空断熱容器とは、例えば、真空の中空層を備えた壁によって、電池モジュールを外部空間から隔離する構造をとった容器であって、真空断熱容器の壁がそれ自体、気密性を有しており、真空の中空層が断熱手段となり、熱伝導が少なく、一般の断熱材より断熱性が優れている。
【００１０】ところで、ＮａＳ電池の実用化が進むにつれ、単電池を大型化したりあるいは単電池を高密度に充填することによって、単位体積当たりのエネルギー密度が向上してきており、充放電時の発熱は、より大きくなってきている。しかしながら、ＮａＳ電池においては、真空断熱容器内部の温度が発熱により上昇した際にヒータをＯＦＦすることは可能であるが、通常は冷却機能までは備えていない。
【００１１】従って、夏季や冬季等の電力系統の負荷が高いときに、ＮａＳ電池の発熱量が真空断熱容器の熱損失を上回り、真空断熱容器内部への蓄熱を生じる場合があり得る。発熱と熱損失とのバランスが崩れて蓄熱が生じると、ＮａＳ電池の真空断熱容器の内部温度が上昇し過ぎ、電池容量を有しているにも関わらず温度が３６０℃を超過してしまうという不具合の原因となり、好ましくない。
【００１２】一方、春季や秋季等の電力系統の負荷が低いときには、通電電流が減少しジュール熱量が低下するため、ＮａＳ電池の発熱量が真空断熱容器の熱損失を下回ることがある。この場合、ＮａＳ電池の作動を良好に保つために、電池モジュールの温度維持にかかるヒータの消費電力が過大になることがあり得る。ヒータの消費電力が過大になれば、ＮａＳ電池の消費電力量（充電電力量＋ヒータ電力量）に対する放電電力量の比を表す充放電効率が低下してしまい、好ましくない。
【００１３】このように、ＮａＳ電池においては、真空断熱容器内部の適切な温度管理が必要となる。従来は、ＮａＳ電池の真空断熱容器の内部温度が上昇し過ぎるのを避けるために、高負荷時の発熱を想定し、真空断熱容器の中空層の真空度を低下して熱伝導率を上昇させることにより真空断熱容器からの放熱量を調整していた。
【００１４】真空度を低下させる方法は、例えば、真空ポンプを接続し、プラグ開閉治具にて真空封止プラグを開放して、真空計で真空度を確認しながら、接続配管の途中に設けられたバルブより真空断熱容器の壁内の中空層に、真空度を目標値まで低下させるのに必要な所定量のガス、例えば、空気、窒素ガスを注入するという方法をとることが出来る。
【００１５】しかしながら、このような真空度の変更は、上記のような煩雑な操作を伴い、作業に時間がかかるため、多数のＮａＳ電池に対して、その真空断熱容器の真空度を変更するのには長期間の作業が必要となる上に、この真空度変更方法は、真空ポンプ等の特殊な機材と専門の作業者を必要とし高コストである。更に、真空度変更による放熱量の調節では放熱量の上限が制限され、所望の放熱量を得ることが出来ないことがあり得るという問題がある。
【００１６】一方、ＮａＳ電池の真空断熱容器の内部温度が下降するのを避けるためには、真空断熱容器の中空層の真空度を可能な限り上げて熱伝導率を低下させ真空断熱容器から放熱し難くすることが、従来における最良の対策であるが、これは、高負荷時の場合、ＮａＳ電池の温度が作動範囲を超えることになってしまうという問題があった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、従来技術の問題を解決することにあり、より特定すれば、負荷が大きいときにＮａＳ電池作動に伴い生じた熱量を真空断熱容器内部へ蓄積することなく、且つ、負荷が低いときに極力ヒータ消費電力を抑えながら真空断熱容器内部の温度を維持することが可能であって、高い充放電効率を維持しつつ好ましい温度範囲で運転可能なＮａＳ電池を提供することにある。
【００１８】上記の目的を達成するべく、種々検討が続けられ研究が重ねられた結果、ＮａＳ電池の運転状況に合わせて、電池モジュールを格納した断熱容器の外側の温度、即ちＮａＳ電池のパーケージ内部の雰囲気温度、を調節可能とすることによって、上記の目的を達成出来ることが見出された。より詳細には、以下に示す手段である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、以下に示す２つのナトリウム−硫黄電池のパッケージ内部の温度調節方法が提供される。
【００２０】第１の温度調節方法は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池の、パッケージ内部の温度を調節する方法であって、ナトリウム−硫黄電池は、少なくともパッケージ下部若しくは側面に外部と通じる吸気開口部を備えるとともに、パッケージ上部に外部と通じる排気開口部を有してなり、排気開口部の開口率を変えることにより、パッケージ内部から外部へ放出される熱量を調節することを特徴とするナトリウム−硫黄電池の温度調節方法である。
【００２１】第２の温度調節方法は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池の、パッケージ内部の温度を調節する方法であって、ナトリウム−硫黄電池は、受入開口部を備えるとともに、パッケージ上部に排出開口部を有してなり、受入開口部を通してパッケージに圧入され、排出開口部を通してパッケージから排気される、熱媒体としての気体流量を変更することにより、パッケージ内部温度を調節することを特徴とするナトリウム−硫黄電池の温度調節方法である。
【００２２】第２の温度調節方法においては、気体として排熱ガスを用いることが好ましい。その排熱ガスは、ガスタービン、燃料電池、火力発電等からなる設備群に含まれる少なくとも１の設備から排出されるものを用いることが可能である。
【００２３】又、本発明によれば、以下に示す２つのナトリウム−硫黄電池が提供される。
【００２４】第１のナトリウム−硫黄電池は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池であって、少なくともパッケージ下部若しくは側面に外部と通じる吸気開口部を有し、パッケージ上部に外部と通じる排気開口部を備えるとともに、排気開口部の開口率を可変にする排気開口率調節手段を有することを特徴とするナトリウム−硫黄電池である。第１のナトリウム−硫黄電池においては、排気開口率調節手段として排気開口部を覆う蓋扉を昇降あるいはスライドさせる手段を採用することが出来る。
【００２５】第２のナトリウム−硫黄電池は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されるナトリウム−硫黄電池であって、受入開口部と、パッケージ上部に排出開口部とを有するとともに、受入開口部を通してパッケージに圧入される熱媒体としての気体流量を変更する受入量調節手段と、排出開口部を通してパッケージから排気される熱媒体としての気体流量を変更する排出量調節手段と、の何れか一方若しくは両方を備えることを特徴とするナトリウム−硫黄電池である。
【００２６】第２のナトリウム−硫黄電池においては、気体として排熱ガスを用いることが好ましい。その排熱ガスは、ガスタービン、燃料電池、火力発電等からなる設備群に含まれる少なくとも１の設備から排出されるものを用いることが出来る。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明のナトリウム−硫黄電池及び温度調節方法について、実施形態を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２８】本発明にかかるＮａＳ電池の温度調節方法は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されてなるＮａＳ電池の、パッケージ内部の温度を調節する方法である。電池モジュールの断熱容器の断熱手段は真空断熱であっても大気断熱であってもよく限定されない。本発明は、第１及び第２の２つの温度調節方法を提供する。
【００２９】先ず、第１の温度調節方法は、熱移動に伴う自然換気を利用した方法である。第１の温度調節方法においては、ＮａＳ電池の少なくともパッケージ下部、より好ましくはパッケージ下部を含むパッケージの一の側面全面、に備わり外部に通じる吸気開口部と、ＮａＳ電池のパッケージ上部、より好ましくはパッケージ上面、に備わり外部に通じる排気開口部とを用いて、排気開口部の開口率を変えて、パッケージ内部から外部へ放出される熱量を調節することに特徴を有する。
【００３０】ＮａＳ電池の作動に伴いパッケージ内部で放散される熱は空気に伝搬し、熱せられた空気が比重差により上昇する結果、ＮａＳ電池のパッケージ内部では上部において、より温度が高くなる。従って、ＮａＳ電池のパッケージ上部、例えばパッケージ上面中央部に所定の大きさの排気開口部を設け、この排気開口部を開けることで、熱を伴った空気が外部へ逃げ、代わりに吸気開口部から新たな空気が入り込み、自然換気が行われることでパッケージ内部の熱量の調整が行われる。
【００３１】排気開口部の開口率の調節は、ＮａＳ電池のパッケージ内部雰囲気の温度と、ＮａＳ電池（電池モジュール）の作動温度との差若しくは充放電電力を鑑みて行われる。ＮａＳ電池は、上記したように２８０〜３６０℃で作動させることが好ましく、又、電池モジュールを加熱するヒータの消費電力を低減するためにパッケージ内部雰囲気の温度とＮａＳ電池内部温度との差を少なくすることが好ましいことから、ＮａＳ電池のパッケージ内部（雰囲気）の温度が４０〜２８０℃になるように、排気開口部の開口率を調節する。このようにパッケージ内部の温度調節がなされたＮａＳ電池は、負荷の大小に関わらず電池温度を２８０〜３６０℃に保つことが出来るとともに高充放電効率を有する二次電池たり得る。
【００３２】尚、上記温度に関わる計測器等の制御機器をパッケージ内部に備える場合には、高温環境による不具合発生を防止するために、電池モジュールとは隔離してパッケージ最下部に設けておくことが好ましい。
【００３３】吸気開口部は、ＮａＳ電池のパッケージ内部の熱の移動を考慮し、少なくともパッケージ下部に設けることが肝要である。パッケージの一の側面全面に、例えば発熱源である電池モジュールと対をなすように備えることが、より好ましい。パッケージ内部の熱の移動速度が速まるとともに、パッケージ内部の熱分布に偏りが生じ難いからである。
【００３４】パッケージ内部雰囲気の温度とＮａＳ電池の作動温度とに基づいて排気開口部の開口率を調節する結果、ＮａＳ電池の負荷が高い場合には、電池モジュールの発熱量が大きくなることから、排気開口部の開口率は、ＮａＳ電池の負荷が低い場合に比べて、より大きくなる。しかしながら、パッケージ内部の温度は、パッケージの断熱性能、外部気温（吸い込まれる空気の温度でもある）、等によっても変わり得るので、適正なパッケージ内部温度になるように排気開口部の開口率を調節した結果、例えば、ＮａＳ電池の負荷が高い場合に排気開口部の開口率が１００％（全開）近傍となり、ＮａＳ電池の負荷が低い場合に排気開口部の開口率が０％（全閉）近傍となるように、負荷の状態に伴うＮａＳ電池の発熱量や想定される外部気温、等に基づいて、パッケージの断熱性能、排気開口部の開口面積あるいは開口位置、等を設計することが好ましい。
【００３５】次に、第２の温度調節方法について説明する。第２の温度調節方法は、熱媒体としての気体を圧入し排気する方法である。第２の温度調節方法においては、ＮａＳ電池の少なくともパッケージ下部に備わり、より好ましくはパッケージ下部を含むパッケージの一の側面に複数備わる受入開口部と、ＮａＳ電池のパッケージ上部、より好ましくはパッケージ上面、に備わる排出開口部とを用いて、熱媒体としての気体を受入開口部を通してパッケージに圧入し排出開口部を通してパッケージから排気するとともに、そのＮａＳ電池のパッケージを通過する熱媒体としての気体の流量を変更することにより、パッケージ内部温度を調節することに特徴がある。
【００３６】ＮａＳ電池のパッケージ下部、例えばパッケージ下部側面に所定の大きさの受入開口部を設け、この受入開口部にダクト等からなる気体供給系を接続し、この気体供給系から熱媒体としての気体をパッケージ内部に送り込み、パッケージ内部に熱を与え若しくは熱を奪い、ＮａＳ電池のパッケージ上部、例えばパッケージ上面中央部に所定の大きさの排出開口部を設け、この排出開口部にダクト等からなる気体排出系を接続し、気体供給系から入り熱交換を終えた気体を排出すること、即ち、熱交換を伴う強制換気を行うことでパッケージ内部の熱量を調整することが出来る。
【００３７】熱媒体としての気体の流量の調節は、ＮａＳ電池の充放電電力若しくはパッケージ内部雰囲気の温度と、ＮａＳ電池（電池モジュール）の作動温度との差を鑑みて行われる。ＮａＳ電池は、上記したように２８０〜３６０℃で作動させることが好ましく、又、電池モジュールを加熱するヒータの消費電力を低減するためにパッケージ内部雰囲気の温度とＮａＳ電池作動温度との差を少なくすることが好ましいことから、ＮａＳ電池のパッケージ内部（雰囲気）の温度が４０〜２８０℃になるように、熱媒体としての気体の流量を調節する。このように負荷の大小に関わらず電池温度を２８０〜３６０℃に保つことが出来るとともに高充放電効率を有する二次電池たり得る。
【００３８】ＮａＳ電池のパッケージ内部（雰囲気）の温度条件や、ＮａＳ電池のパッケージ内部に備わる制御機器についての留意点は、第１の温度調節方法に準じる。
【００３９】尚、本発明の第２の温度調節方法においては、パッケージ内部の温度を所望の温度にすることが目的であるから、熱媒体としての気体の温度とＮａＳ電池の断熱容器内部（電池モジュール）の温度の状況によっては、一時的に換気を停止すること、即ち、熱媒体としての気体の流量を０にすることも含まれる。
【００４０】受入開口部は、ＮａＳ電池のパッケージ内部の熱の移動を考慮し、少なくともパッケージ下部に設けることが肝要である。尚、ここでいう受入開口部とは、圧入された熱媒体としての気体がパッケージの中で開放される場所であることを前提としているものであって、気体供給系を例えばパッケージ上部において貫通させ、パッケージ内部の下部において熱媒体としての気体を開放してもよい。熱媒体としての気体が開放される場所がパッケージ下部であれば、受入開口部２８の位置は限定されない。パッケージ内部において熱媒体としての気体が均一に拡散し通過するように、熱媒体としての気体をパッケージ内部の下部において複数設けた散気管等で開放することも好ましい。パッケージ内部の熱の移動速度が速まるとともに、パッケージ内部の熱分布に偏りが生じ難いからである。
【００４１】パッケージ内部（雰囲気）の温度とＮａＳ電池の作動温度とに基づいて熱媒体としての気体の流量を調節する結果、ＮａＳ電池の負荷が高い場合には、電池モジュールの発熱量が大きくなることから、熱媒体としての気体の流量は、ＮａＳ電池の負荷が低い場合に比べて、より大きくなる。しかしながら、真空断熱容器内部（電池モジュール）の温度は、真空断熱容器の断熱性能、熱媒体としての気体の温度、等によっても変わり得るので、適正なパッケージ内部温度になるように熱媒体としての気体の流量を調節した結果、例えば、ＮａＳ電池の負荷が高い場合に熱媒体としての気体の流量が最大値近傍となり、ＮａＳ電池の負荷が低い場合に熱媒体としての気体の流量が０（換気停止）近傍となるように、負荷の状態に伴うＮａＳ電池の発熱量や使用する熱媒体としての気体の温度、等に基づいて、パッケージの断熱性能、等を設計することが好ましい。
【００４２】第２の温度調節方法においては、気体として排熱ガスを用いることが好ましい。通常、ＮａＳ電池は例えば電力貯蔵装置として工場等に配置されることが多いが、多くの場合、設置場所近傍には、このような排熱ガスが存在している。排熱ガスとは、ある目的のために設備が稼動した結果、発生した所定の熱を有するガスであり、低温から高温まで設備により様々であるが、必要により無害化された上で大気に放散される。加圧された状態であることも多く、排熱ガスが有する熱を利用することにより、新たなエネルギーコストは殆ど生じない。例えば、排熱ガス源としては、ガスタービン、燃料電池、火力発電等の設備が挙げることが出来る。
【００４３】以下、本発明にかかるＮａＳ電池について、図面を参照しながら説明する。
【００４４】本発明にかかるＮａＳ電池は、断熱容器に格納された電池モジュールが外部と隔離されパッケージに収納されてなり、パッケージ内部の温度を調節する手段を備えたＮａＳ電池である。本発明は、第１及び第２の２つのＮａＳ電池を提供する。
【００４５】図１は、本発明にかかる第１のＮａＳ電池の一実施形態を示す斜視図である。ＮａＳ電池１０は、図示しない断熱容器に格納された電池モジュール５基が外部と隔離されパッケージ１１に多段に収納されてなるものである。パッケージ１１の一側面には、外部と通じる吸気開口部１８が、１基の電池モジュールに対し２つずつ、合計１０箇所に備わっている。吸気開口部１８としては、図示されるように、例えば斜めスリットが複数形成された所謂ガラリを採用することが出来る。吸気開口部１８は、少なくとも下部に備わればよく、限定されるものではないが、このように発熱源である電池モジュールと対になって形成される形態は好ましい。
【００４６】又、パッケージ上部には外部と通じる排気開口部１５を備えるとともに、排気開口部１５の開口率を可変にする排気開口率調節手段１３を有している。排気開口部１５は、少なくともパッケージ１１の上部に備わればよく、限定されるものではないが、このように最も熱が逃げ易いパッケージ上面中央部に形成される形態は好ましい。
【００４７】ＮａＳ電池１０において、運転に伴いパッケージ内部で放散される熱は空気に伝搬し、ＮａＳ電池１０の排気開口部１５から排気される気体３０（空気）に伴って外部へ出される。代わりに吸気開口部１８から新たな気体１９（空気）が外部から入り込み、自然換気が行われ、パッケージ１１内部の熱が排出される。即ち、排気開口率調節手段１３によって調節されるパッケージ内部と外部との換気量によってパッケージ１１内部の熱量が調整される。
【００４８】ＮａＳ電池１０においては、排気開口率調節手段１３は、排気開口部１５を覆う蓋扉１２を昇降させることにより実現されている。排気開口率調節手段１３に備わるＮａＳ電池１０のパッケージ１１上面中央部の断面を図３に示す。図示されるように、排気開口部１５はパッケージ１１に続く側壁に囲まれて形成された開口であり、排気開口部１５の上面に、開口の側壁に載るようにして蓋扉１２が備わっている。蓋扉１２を上昇させ、排気開口部１５の側壁から離すことによって蓋扉１２と排気開口部１５との間に隙間が形成され、この隙間からパッケージ１１内部から熱を伴った気体３０（空気）が外部へ排出される。即ち、ＮａＳ電池１０においては、排気開口率を調節することは、この隙間の大きさを調節することを指す。パッケージ１１の内部の温度が低い場合には、蓋扉１２を下降させ、排気開口部１５の側壁から浮かせず隙間を形成しないことにより、電池モジュールの作動及びヒータにより生じた熱を外部へ逃げ難くして、パッケージ１１の内部の温度の上昇乃至維持を図る。
【００４９】図４に、蓋扉１２を昇降させる手段の一実施形態を示す。パッケージ１１上面には、伸縮自在な一対の昇降機器４１（例えばエアシリンダ）が、伸縮するアーム部４２の一の端部を蓋扉１２に固着して、据え付けられている。図４において、右側は昇降機器４１のアーム部４２が伸びた様子（蓋扉１２が排気開口部１５の側壁から離れ隙間が形成された様子）を示し、左側は昇降機器４１のアーム部４２が縮んだ様子（蓋扉１２が排気開口部１５の側壁に接し隙間が形成されない様子）を示す。昇降機器４１においてアーム部４２の伸びの程度を制御することによって、蓋扉１２と排気開口部１５の側壁との隙間の大きさを調節出来る、即ち、排気開口率を調節することが可能である。
【００５０】次に、本発明にかかる第２のＮａＳ電池について説明する。本発明にかかる第２のＮａＳ電池は、パッケージ内部の温度を調節するにあたり、圧力を有する熱媒体としての気体を用いるＮａＳ電池である。図２に、本発明にかかる第２のＮａＳ電池の一実施形態の斜視図を示す。ＮａＳ電池２０は、図示しない断熱容器に格納された複数の電池モジュールが、外部と隔離されパッケージ２１に多段に収納されてなるものである。パッケージ２１の一側面の下部には、受入開口部２８が備わり、受入量調節手段２７を途中に備える配管２６からなる気体供給系３３が接続されている。
【００５１】受入量調節手段２７としては、例えば、ニードル弁、ダイヤフラム弁、等からなる入口調節弁を採用することが出来る。受入開口部２８は、パッケージ２１内で直ぐに開放されることを前提として、少なくとも下部に備わればよく、限定されるものではない。例えば、気体供給系３３をパッケージ２１上部において貫通させ、パッケージ２１内部の下部において熱媒体としての気体２９（例えば排熱ガス）を開放してもよい。熱媒体としての気体２９が開放される場所がパッケージ２１の下部であれば、受入開口部２８の位置は限定されない。パッケージ２１内部において熱媒体としての気体２９が均一に拡散し通過するように、熱媒体としての気体２９をパッケージ２１内部の下部において図示しない散気管等で開放することが好ましい。
【００５２】又、パッケージ上部には排出開口部２５を備えるとともに、排出量調節手段２４を途中に備えるダクト２２からなる気体排出系２３が接続されている。排出量調節手段２４としては、例えば、ゲート弁、等からなる出口調節弁を採用することが出来る。排出開口部２５は、少なくともパッケージ２１の上部に備わればよく、限定されるものではないが、このようにパッケージ２１内で生じた熱が集まり易いパッケージ上面中央部に形成される形態は好ましい。
【００５３】ＮａＳ電池２０において、気体供給系３３から熱媒体としての気体２９をパッケージ２１の内部に送り込み、パッケージ内部の空気に熱を与え若しくは奪い、熱交換を終えた気体４０を、気体排出系３３から排出することにより、即ち、熱交換を伴う強制換気を行うことによりパッケージ内部の熱量を調整することが出来る。
【００５４】ＮａＳ電池２０のように、受入量調節手段２７と排出量調節手段２４とを両方備えていてもよく、何れか片方だけでも、気体供給系３３から入る気体２９、気体排出系３３から排出する気体４０を調節することは可能であることから、何れか片方だけを備える態様でもよい。より好ましくは受入量調節手段２７を備える態様である。パッケージ２１に背圧がかかり難く、より安全であり、例えば熱媒体としての気体２９として高温の排熱ガスを用いる場合に、気体を伝搬する熱を遮断出来るからである。
【００５５】尚、ＮａＳ電池２０の制御機器をパッケージ２１内部に備える場合には、高温環境による不具合発生を防止するために、電池モジュールとは隔離してパッケージ２１の最下部に設けるとともに、パッケージ２１内で開放された気体２９が、直接、制御機器にあたらないようにする、等のパッケージ２１の内部における配置上の配慮をすることが好ましい。
【００５６】本発明にかかる第２のＮａＳ電池においては、パッケージ内部の温度を調節する熱媒体としての気体として、他設備から生じた排熱ガスを用いることが出来るが、そのような態様を、以下に例示し説明する。
【００５７】図５は、マイクロガスタービンとＮａＳ電池とを併用するコージェネレーションシステムの一例を示すシステム構成図である。マイクロガスタービン５１は、発電機５２、圧縮機５３、タービン５４、及び、再生器５５から構成され、燃料（ガス）が供給されてタービン５４が駆動し発電機５２によって発電され、生じた電力５６を工場５８等の電力系統へ供給する。又、再生器５５により、タービン５４から発生した排熱を回収しつつ蒸気５７を製造し工場５８等の蒸気系統へ供給する。
【００５８】図５に示すシステムにおいては、電力５６の供給ラインにバックアップ用として、交直変換装置（ＡＣ／ＤＣ）を介して、電力貯蔵装置として機能するＮａＳ電池５０を備えており、再生器５５から生じた高温の排熱ガス５９をＮａＳ電池５０に供給している。ＮａＳ電池５０においては、負荷が低いときには電池モジュールの作動に伴う発熱量が小さくなり真空断熱容器内温度を保持するためにヒータ電力が増加することから、充放電電力あるいはパッケージ内温度を測定しながら必要に応じ排熱ガス５９を受け入れる。そして、排熱ガス５９をパッケージ内部を通して排出することによりパッケージ内温度を高め、真空断熱容器に格納された電池モジュールの作動に求められる温度とパッケージ内温度との温度差を小さくすることにより、電池モジュールを加熱するヒータの消費電力を抑えることが出来る。その結果、ＮａＳ電池５０の充放電効率は、より高められる。
【００５９】図６は、燃料電池とＮａＳ電池とを併用する電力供給システムの一例を示すシステム構成図である。燃料電池６１は、燃料改質装置６３、電池本体６２、及び、交直変換器（ＡＣ／ＤＣ）から構成され、燃料が供給されて燃料改質装置６３により水素が取り出され、その水素と空気中の酸素との電気化学反応により電池本体６２において直流電力及び水がつくられる。そして、生じた直流電力は交流に変換されて工場５８等の電力系統へ供給される。
【００６０】図６に示すシステムにおいては、燃料電池６１と併用して、交直変換装置（ＡＣ／ＤＣ）を介して電力貯蔵装置として機能するＮａＳ電池５０が用いられており、上記電気化学反応に伴い燃料電池６１で生じた高温の排熱ガス６９をＮａＳ電池５０に供給している。図５に示すシステムと同様に、ＮａＳ電池５０においては、負荷が低いときには電池モジュールの作動に伴う発熱量が小さくなり真空断熱容器内温度を保持するためにヒータ電力が増加することから、充放電電力あるいはパッケージ温度を測定しながら必要に応じ排熱ガス５９を受け入れる。
【００６１】そして、排熱ガス５９をパッケージ内部を通して排出することによりパッケージ内温度を高め、電池モジュールの作動に求められる温度とパッケージ内温度との温度差を小さくすることにより、電池モジュールを加熱するヒータの消費電力を抑えることが出来る。その結果、ＮａＳ電池５０の充放電効率は、より高められる。
【００６２】
【実施例】以下に、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６３】（実施例１，２）
【００６４】真空断熱容器に格納した５０ｋＷの電池モジュールをパッケージに収納したＮａＳ電池を用いた。そのパッケージには一の側面下部に受入開口部を設け、パッケージ上面に排出開口部を設け、受入開口部を通して排熱ガス（２００℃）をパッケージ下部に圧入した。そして、その排熱ガスの流量を変えることにより、パッケージ内部の温度が１００℃（実施例１）及び１５０℃（実施例２）になるように調節した。尚、電池モジュール温度は３００℃になるようにヒータを制御して運転した。
【００６５】負荷は、実施例１，２ともに、それぞれ２０％、４０％、６０％、８０％、１００％と変更して運転した。
【００６６】負荷と充放電効率との関係を図７に示す。実施例１における負荷と充放電効率との関係は相関曲線７２で表され、実施例２における負荷と充放電効率との関係は相関曲線７３で表される。
【００６７】尚、充放電効率は次の（数１）式により求めた。
【００６８】
【数１】
充放電効率＝放電電力量／（充電電力量＋ヒータ電力量）
【００６９】又、相関曲線７０はヒータ電力量を含まないとき（（数１）式においてヒータ電力量を０としたとき）の負荷と充放電効率との関係を示す。
【００７０】（比較例１）
【００７１】排熱ガスを吹き込まないこと以外は、実施例１，２と同様にして、負荷を変えてＮａＳ電池を運転した。尚、このときパッケージ内部の温度は４０℃であった。
【００７２】負荷と充放電効率との関係を図７に示す。比較例１における負荷と充放電効率との関係は相関曲線７１で表される。
【００７３】（考察）
【００７４】本発明にかかるＮａＳ電池の温度調節方法により、パッケージ内部の温度を調節し、ＮａＳ電池の作動温度に、より近づけることによって、何れの負荷においても、充放電効率を向上させ得ることが確認された。特に低負荷時には、電池モジュールの発熱量が低下してヒータの加熱に依存し充放電効率が下がり易いことから、排熱ガス等の安価な熱源を利用してパッケージ内部の温度を調節することが有用である。
【００７５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、負荷が高いときにＮａＳ電池作動に伴い生じた熱量をパッケージ内部へ蓄積することなく、且つ、負荷が低いときに極力パッケージ内部の温度を維持しながらヒータ消費電力を抑えることが可能であって、高い充放電効率を維持しつつ好ましい温度範囲で、ＮａＳ電池を運転することが出来る。
【００７６】このようなＮａＳ電池の温度調節方法、及び、その温度調節方法を実現可能なＮａＳ電池の提供により、ＮａＳ電池が、より低ランニングコスト化し、電力貯蔵・供給装置として、より広く普及し易くなるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるＮａＳ電池の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明にかかるＮａＳ電池の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】図１に示すＮａＳ電池の部分断面図である。
【図４】本発明にかかるＮａＳ電池の排気開口率調節手段の一実施形態を説明する図である。
【図５】本発明にかかるＮａＳ電池を含むコージェネレーションシステムの一例を示すシステム構成図である。
【図６】本発明にかかるＮａＳ電池を含む電力供給システムの一例を示すシステム構成図である。
【図７】実施例における負荷と充放電効率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０，２０，５０…ナトリウム−硫黄電池（ＮａＳ電池）、１１，２１…パッケージ、１２…蓋扉、１３…排気開口率調節手段、１５…排気開口部、１８…吸気開口部、１９…気体、２２…ダクト、２３…気体排出系、２４…排出量調節手段、２５…排出開口部、２６…配管、２７…受入量調節手段、２８…受入開口部、２９…気体、３０…気体、３３…気体供給系、４０…気体、４１…昇降機器、４２…アーム部、５１…マイクロガスタービン、５２…発電機、５３…圧縮機、５４…タービン、５５…再生器、５６…電力、５７…蒸気、５８…工場、５９…排熱ガス（ＮａＳ電池へ供給するガス）、６０…排熱ガス（熱交換後のガス）、６１…燃料電池、６２…電池本体、６３…燃料改質装置、７０…相関曲線（ヒータ電力不含）、７１…相関曲線（パッケージ内部温度４０℃）、７２…相関曲線（パッケージ内部温度１００℃）、７３…相関曲線（パッケージ内部温度１５０℃）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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