(57)【要約】【課題】電力貯蔵装置として用いるに好適な、安価なナトリウム硫黄電池システムの構築方法を提供する。【解決手段】平均放電出力の大きい利用目的に用いるナトリウム硫黄電池群の電池容量が、平均放電出力の小さい利用目的に用いるナトリウム硫黄電池群の電池容量よりも小さくなるように、電力需要に応じて前記ナトリウム硫黄電池群の電池容量を設定することを特徴とするナトリウム硫黄電池システムの構築方法。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均放電出力が大きい電力需要であると設定された利用目的に用いる第１の電池容量のナトリウム硫黄電池と、平均放電出力が小さい電力需要であると設定された利用目的に用いられ、上記第１の電池容量よりも小さい第２の電池容量のナトリウム硫黄電池とを、上記第１又は第２の電池容量のナトリウム硫黄電池を電力需要に応じて使い分けるように配置することを特徴とするナトリウム硫黄電池システムの構築方法。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の電池容量を、前記第２の電池容量×（前記平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／前記平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２以上に設定したことを特徴とするナトリウム硫黄電池システムの構築方法。
【請求項３】
請求項１において、前記平均放電出力の大きい利用目的に応じた平均放電出力を、前記平均放電出力の小さい利用目的に応じた平均放電出力×（前記平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／前記平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２以下に設定することを特徴とするナトリウム硫黄電池システムの構築方法。
【請求項４】
請求項１において、上記ナトリウム硫黄電池システムに配置されたナトリウム硫黄電池システムは、ナトリウムを収納した負極室と、硫黄又は多硫化ナトリウムから成る正極活物質を収納した正極室と、前記負極室／正極室間を分離した有底袋管状の固体電解質を有し、前記固体電解質が水平方向又は斜め方向に配置されていることを特徴とするナトリウム硫黄電池システムの構築方法。
【請求項５】
請求項４において、上記ナトリウム硫黄電池システムに配置されたナトリウム硫黄電池システムは、ほぼ一定寸法の前記固体電解質を有することを特徴とするナトリウム硫黄電池システムの構築方法。
【請求項６】
請求項４において、前記電池容量の選定又は設定のために、前記固体電解質の軸方向外側に設けた前記負極室の体積、又は前記固体電解質の軸方向外側に設けた前記正極室の体積を選定又は設定したナトリウム硫黄電池を用いることを特徴とするナトリウム硫黄電池システムの構築方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力貯蔵装置として用いるに好適で、安価なナトリウム硫黄電池システムの構築方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
負極室内に液体ナトリウム、正極室内に硫黄、多硫化ナトリウムなどの正極活物質を充填し、負極室／正極室間をβ型やβ”型のベータアルミナセラミックス製の固体電解質袋管で分離した構造のナトリウム硫黄電池は、長寿命でエネルギー密度が大きいことから注目され、電力貯蔵装置への利用が期待されている。この電池の実用化のためには、電池の信頼性、安全性の確保と共に低コスト化が不可欠であり、このためには、電池の内部抵抗を低減して電池効率を向上したり、電池容量を大型化したりして、ｋＷやｋＷｈ当たりの電池数を低減することが望ましく、そのための対策が重要である。
【０００３】
また、ナトリウム硫黄電池の利用目的に応じて電池容量を選定又は設定することも重要であり、この対策が不十分であれば、電池温度の制約などの原因で電池の容量の一部しか利用できず、その結果として電池に含まれるナトリウムや正極活物質の一部が無駄になって、電池のコストが高くなるという問題を生ずる。
【０００４】
ここで、低コスト化のためには、特許文献１，２に記載されているように、固体電解質袋管を水平または斜めに寝かせて横置きし、電池効率や電池容量を向上したナトリウム硫黄電池が有効である。しかし、従来、これらの電池の運転条件に適したナトリウム硫黄電池の構築法や使用方法についての十分な検討は行なわれていない。すなわち、一層の低コスト化を図るためには、使用目的に適したナトリウム硫黄電池の電池容量の選定や設定が必要であるが、これらの特許においてはナトリウム硫黄電池の使用目的に適した電池容量の選定や設定の検討は行われていない。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５７−１４５２７８号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開昭４７−１９３２１号公報（特許請求の範囲）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除き、低コスト化に適したナトリウム硫黄電池システムの構築方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平均放電出力が大きい電力需要であると設定された利用目的に用いる第１の電池容量のナトリウム硫黄電池群と、平均放電出力が小さい電力需要であると設定された利用目的に用いられ、上記第１の電池容量よりも小さい第２の電池容量のナトリウム硫黄電池群とを、上記第１又は第２の電池容量のナトリウム硫黄電池群を電力需要に応じて使い分けるように配置することを特徴とするナトリウム硫黄電池システムの構築方法に関する。なお、実際のナトリウム硫黄電池システムにおいては、小容量のナトリウム硫黄電池及び大容量のナトリウム硫黄電池をそれぞれ複数使用することが普通なので、ナトリウム硫黄電池群と言うべきであるが、以下の説明では簡単のため、単に電池と記載する。また、ナトリウム硫黄電池システムは、ナトリウム硫黄電池を断熱容器やキュービクル内へ配置することによって構築される。
【０００８】
ここで、前記平均放電出力の大きい利用目的に用いる電池容量を、前記平均放電出力の小さい利用目的に用いる電池容量×（前記平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／前記平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２以上に選定又は設定すること、又は／及び前記平均放電出力の大きい利用目的に応じた平均放電出力を、前記平均放電出力の小さい利用目的に応じた平均放電出力×（前記平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／前記平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２以下にすることが特に望ましい。
【０００９】
前記ナトリウム硫黄電池システムの構築方法において、前記平均放電出力の大きい利用目的が産業用電力であり、前記平均放電出力の小さい利用目的が業務用電力又は／及び電灯用電力であること、又は、前記平均放電出力の小さい利用目的が電灯用電力であり、前記平均放電出力の大きい利用目的が産業用電力又は／及び業務用電力であることが望ましい。また、前記平均放電出力の小さい利用目的が業務用電力であり、前記平均放電出力の大きい利用目的が産業用電力であるか、又は／及び、前記平均放電出力の大きい利用目的が業務用電力であり、前記平均放電出力の小さい利用目的が電灯用電力であることが望ましい。
【００１０】
さらに、前記のナトリウム硫黄電池システムの構築方法において、前記電池容量の選定又は設定のために、前記負極室又は／及び前記正極室の体積を選定又は設定したナトリウム硫黄電池を用いることが望ましく、ほぼ一定寸法の前記固体電解質を設けたナトリム硫黄電池の電池容量を選定又は設定することが望ましい。
【００１１】
また、前記固体電解質として有底袋管状の固体電解質を使用し、前記負極室内の前記固体電解質の軸方向外側に設けた体積を用いて、前記負極室の体積を選定又は設定するか、又は／及び前記正極室内の前記固体電解質の軸方向外側に設けた体積を用いて、前記正極室の体積を選定又は設定すると共に、前記固体電解質を水平方向又は斜め方向に寝かせたナトリウム硫黄電池を用いることが特に望ましい。さらに、前記正極室内に設けた集電体と前記固体電解質との間隙に多孔質導電材又は／及び多孔質材を充填したナトリウム硫黄電池を用いることが望ましい。
【００１２】
一方、本発明による前記のナトリウム硫黄電池システムの構築方法において、ナトリウムを収納した負極室、硫黄又は／及び多硫化ナトリウムから成る正極活物質を収納した正極室、及び、前記負極室／正極室間を分離した有底袋管状の固体電解質を設けたナトリウム硫黄電池システムの構築方法であって、前記固体電解質を水平方向又は斜め方向に寝かせると共に、前記負極室又は／及び前記正極室の体積を選定又は設定することによって、利用目的に応じて電池容量を選定又は設定したナトリウム硫黄電池システムを構築することを特徴としている。
【００１３】
ここで、ほぼ一定寸法の前記固体電解質を設けたナトリウム硫黄電池の電池容量を選定又は設定することが特に望ましく、前記電池容量の選定又は設定のために、前記負極室内の前記固体電解質の軸方向外側に設けた体積を用いて、前記負極室の体積を選定又は設定するか、又は／及び前記正極室内の前記固体電解質の軸方向外側に設けた体積を用いて前記正極室の体積を選定又は設定したナトリウム硫黄電池を用いることが望ましい。
【００１４】
さらに、前記正極室内に設けた集電体と前記固体電解質との間隙に多孔質導電材又は／及び多孔質材を充填したナトリウム硫黄電池を用いることが望ましい。また、前記のナトリウム硫黄電池システムの構築方法において、前記ナトリウム硫黄電池の利用目的が産業用電力、業務用電力又は／及び電灯用電力であることが特に望ましい。
【００１５】
本発明の構築方法により、使用目的に適したナトリウム硫黄電池の選定又は設定や、製造方法が容易なナトリウム硫黄電池の使用が可能で、低コスト化に適したナトリウム硫黄電池システムが構築できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を用いて説明する。
【００１７】
図１、図２、図３は本発明のナトリウム硫黄電池の構築方法を説明する電力需要の時間変化を示すグラフである。図１は電灯用電力、図２は業務用電力、図３は産業用電力として使用される消費電力のナトリウム硫黄電池１個当たりの値の例を示しており、この消費電力の内の斜線で示した部分をナトリウム硫黄電池の放電で賄っている。
【００１８】
図１においては、例えばコンビニエンスストアやホテルで用いられる場合のように、電灯用電力が一日中使用されている例を示しており、その内の昼間の電力料金を賄うために、８時から２２時までの電灯用電力を全てナトリウム硫黄電池の放電によって供給している。また、この例では、ナトリウム硫黄電池の１個当りの平均放電出力（変換器を含む場合には、それからの供給出力）は約２００Ｗであり、１４時間の放電によって約２．８ｋＷｈのエネルギーが供給され、このために必要な電池容量（約１５００Ａｈ）を持ったナトリウム硫黄電池が使用されている。
【００１９】
なお、使用目的によっては、電灯用電力を昼間や夜間の一部又は全部に用いる場合もあり、その消費電力条件に対応してナトリウム硫黄電池の放電時間や放電出力を定める必要があるが、一般に電灯用電力では消費電力のピークがあまり大きくないために、ナトリウム硫黄電池としては特に大きな放電出力の供給は必要としない場合が多い。さらに、ナトリウム硫黄電池の使用効果を高めるためには、８時から２２時までの消費電力の一部又は全部を放電で賄って、２２時から翌日の８時までの間に電池を充電することが、利用者にとっての電力料金低減のために望ましい。なお、２２時から翌日の８時までの間に電池を充電する効果は、業務用電力や産業用電力などに用いる場合にも同様である。
【００２０】
一方、図２は主に昼間に仕事をするビルやオフィスなどで用いられる業務用電力の例を示している。業務用電力では一般に消費電力が比較的大きいため、ナトリウム硫黄電池によって消費電力をすべて賄うのは困難で、図示されているように、消費電力の内の一部をナトリウム硫黄電池の放電で賄う。これにより、消費電力をピークカットすることが利用方法として適している。また、この例では、ナトリウム硫黄電池の１個当りの平均放電出力は約２６０Ｗであり、８時間の放電によって約２．１ｋＷｈのエネルギーが供給されている。なお、このために必要な電池容量は約１１５０Ａｈである。
【００２１】
ここで、業務用電力の場合には、消費電力が大きい時間帯は８時間程度であり、また、その間の消費電力変化はあまり大きくないことが一般的である。このために、例えば図１で説明したように、ナトリウム硫黄電池の放電可能なエネルギーが約２．８ｋＷｈの電池容量を用いた場合には、このエネルギーを８時間で放電するために、電流量を高めて、平均放電出力を約３５０Ｗ程度にすることも考えられる。しかしながら、放電出力が高まると、電池抵抗×電流量の二乗などで定まる電池の発熱量が増加して、電池温度が許容温度範囲を超える可能性が高い。このため、図２の例では、平均放電出力を３５０Ｗよりも小さい約２６０Ｗにして、８時間の放電に対して電池温度を許容温度範囲内に保っている。
【００２２】
さらに、図３は工場で使用される産業用電力の例を示しており、産業の内容に応じて、比較的短い特定時間内に大電力が消費されている。このように、産業用電力では消費電力のピークが極めて大きいために、ナトリウム硫黄電池によって消費電力を全て賄うのは無理で、図２の場合と同様に、消費電力の一部をナトリウム硫黄電池の放電で賄うことにより、消費電力をピークカットするのが一般的である。
【００２３】
また、この例では、ナトリウム硫黄電池の１個当りの平均放電出力は約４００Ｗであり、消費電力の大きい３時間の放電によって約１．２ｋＷｈのエネルギーが供給されている。なお、このように放電のエネルギーが図１や図２に比べて小さい理由は、図２で説明したように平均放電出力の増加による電池温度の増加に関係しており、図３の例では、平均放電出力を約４００Ｗにして、３時間の放電に対して電池温度を許容温度範囲内に保っている。また、このために必要な電池容量は約７３０Ａｈである。
【００２４】
図１、図２、図３で説明したように、ナトリウム硫黄電池を電灯用電力、業務用電力や産業用電力などに利用する場合には、利用目的に応じて放電時間が変化するが、同じ電池容量のナトリウム硫黄電池を用いて、電池容量を基に放電時間に応じて放電出力を決めるには、電池温度の問題で無理な場合が多い。このため、放電時間内で電池温度が許容温度範囲内に保たれる条件で、平均放電出力を出来るだけ大きくすることがナトリウム硫黄電池の利用方法として望ましく、こうすることによって、放電時間が小さいほど平均放電出力を大きくすることは可能であるが、この結果として、電池から供給される放電時間内での全体エネルギーは小さくなるのが一般的である。
【００２５】
従って、種々の利用目的に対してナトリウム硫黄電池として同じ電池容量のものを用いれば、平均放電出力が大きい運転の際には電池に含まれるナトリウムや正極活物質の一部が無駄になって、電池のコストが高くなるという問題を生ずる。
【００２６】
この問題に対して、本発明の第一のナトリウム硫黄電池システムの構築方法においては、平均放電出力の大きい利用目的に用いる電池容量が平均放電出力の小さい利用目的に用いる電池容量よりも小さくなるように、ナトリウム硫黄電池の電池容量を選定又は設定する。そして、図示されていないが、このナトリウム硫黄電池を断熱容器やキュービクル内へ配置することによって、ナトリウム硫黄電池システムが構築される。
【００２７】
こうすることによって、種々の利用目的に対応して放電時間と平均放電出力とを定めて、放電時間内での電池温度を許容温度範囲内に保つと共に、用いるナトリウム硫黄電池の電池容量を適切に選定又は設定することにより、ナトリウムや正極活物質の無駄が低減できて、ナトリウム硫黄電池の低コスト化が実現される。なお、ナトリウム硫黄電池の許容温度範囲は約２９０〜３７０℃であるため、電池温度が約３７０℃を超えないように、放電出力を定める必要がある。
【００２８】
ここで、既に製造された電池容量の異なるナトリウム硫黄電池の内から、利用目的に適したナトリウム硫黄電池を選定して、利用目的に用いることが可能である。また、電池製造の簡略化や低コスト化を特に向上するためには、利用目的に適した電池容量を設定し、その電池容量を持ったナトリウム硫黄電池を製造して、利用目的に用いることが特に望ましい。
【００２９】
なお、このようにナトリウム硫黄電池の電池容量を選定又は設定するためには、電池容量の選定又は設定が容易に可能なナトリウム硫黄電池を用いることが望ましい。具体的には、図示されていないが、ナトリウム硫黄電池の構造を一定にして、利用目的に応じて電池内に収納するナトリウム又は／及び正極活物質の収納量を変化することによって電池容量を選定又は設定することもでき、こうすることによって、ナトリウムや正極活物質の無駄が省かれ、電池の低コスト化が可能となる。
【００３０】
また、図４や図５に示されたように、使用目的に応じて選定又は設定された電池容量に対応して、負極室や正極室の体積を選定又は設定したナトリウム硫黄電池を用いることが特に望ましい。こうすることによって、不要なナトリウムや正極活物質の低減による低コスト化と共に、ナトリウム硫黄電池の無駄な体積が減少し、ナトリウム硫黄電池の利用場所の制限が起こり難くなる。従って、ナトリウム硫黄電池の体積による利用範囲が拡大するという利点が得られる。さらに、後述のように、負極容器、ナトリウム容器や正極容器の体積を選定又は設定し、その他の部分は同じ構造や類似構造としたナトリウム硫黄電池を用いることにより、ナトリウム硫黄電池システムの低コスト化が特に可能となる。
【００３１】
また、前記平均放電出力の大きい利用目的に用いる電池容量を、以下のように定める。即ち、前記平均放電出力の小さい利用目的に用いる電池容量×（前記平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／前記平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２以上に選定又は設定する。あるいは、前記平均放電出力の大きい利用目的に応じた平均放電出力を、前記平均放電出力の小さい利用目的に応じた平均放電出力×（前記平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／前記平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２以下にすることが特に望ましい。
【００３２】
ここで、ナトリウム硫黄電池システムの構築方法としては、図１、図２、図３に示したように、放電時間が小さい利用目的の際には平均放電出力を大きくすることによって、時間当たりの供給エネルギーを高め、エネルギー供給のための電池数を低減することができる。これにより、ナトリウム硫黄電池の利用効果を高めることが可能であるが、放電出力の増加によって電池の発熱量が増加する問題がある。この問題に対して、電池の発熱量を制御するためには、以下の方法が有効である。即ち、ナトリウム硫黄電池の放電時の発熱量は、放電による発熱量（Ｉ２Ｒｈ：Ｉは放電電流の平均値、Ｒは電池抵抗、ｈは放電時間）とエントロピー変化による発熱量（０．０５〜０．１×Ｉ２（Ｖ０−ＩＲ）ｈ：Ｖ０は電池の起電力）との和で与えられる。
【００３３】
従って、電池抵抗が比較的小さい場合（Ｖ０＞＞ＩＲ）には、放電時の発熱量はＩ２ｈにほぼ比例し、利用方法の変化に対して放電時の発熱量をほぼ一定にするためには、放電電流の平均値を（１／ｈ）１／２に比例すれば良い。こうすることにより、放電時の発熱量は利用方法によらずほぼ一定となり、電池温度が許容範囲以上となって電池が劣化するのを防止できて、電池寿命が確保され、電池コストの増加が防止できる。
【００３４】
さらに、１つの利用方法に応じてナトリウム硫黄電池を収納する断熱容器の放熱量を規定することにより、他の利用方法に用いる場合にも同じ断熱構造又は類似断熱構造の断熱容器を用いることができる。この結果として、種々の利用方法に用いるナトリウム硫黄電池システムの断熱容器が同じ方法で製造でき、利用目的に適したナトリウム硫黄電池システムの製造が容易で、低コスト化が容易になるという利点がある。
【００３５】
また、放電電流の平均値をこのように選ぶことにより、電池容量（放電電流の平均値×放電時間ｈ）はｈ１／２に比例して、放電時間が小さく、その結果として、平均放電出力の大きい利用目的に用いる電池容量は、放電時間が大きく、その結果として平均放電出力の小さい利用目的に用いる電池容量×（平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２となる。
【００３６】
なお、ナトリウム硫黄電池を連続運転する際には、放電電流の平均値×放電時間よりも電池容量を少し大きくして、全てのナトリウムが電池反応するのを防止する必要がある。そのための残留ナトリウム量が利用目的によらずほぼ一定でも良いことを考慮すると、平均放電出力の大きい利用目的に用いる電池容量は、平均放電出力の小さい利用目的に用いる電池容量よりも小さく、且つ、平均放電出力の小さい利用目的に用いる電池容量×（平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２以上に選定又は設定することが望ましい。
【００３７】
一方、電池の平均放電出力は（Ｖ０−ＩＲ）×Ｉで与えられるため、上記と同様に電池抵抗が比較的小さい場合には、平均放電出力は放電電流の平均値にほぼ比例し、その結果として（１／ｈ）１／２に比例する。即ち、放電時間が小さく、その結果として平均放電出力の大きい使用目的に応じた平均放電出力は、放電時間が大きく、その結果として平均放電出力の小さい使用目的に応じた平均放電出力×（平均放電出力の小さい使用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／平均放電出力の大きい使用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２とすることが望ましい。
【００３８】
なお、実際には放電電流が増すと上記のＩＲが無視できなくなる場合があり、その際には、平均放電出力は放電電流の平均値に比例した値よりも小さくなる。このために、平均放電出力の大きい利用目的に応じた平均放電出力としては、平均放電出力の小さい利用目的に応じた平均放電出力よりも大きく、且つ、平均放電出力の小さい利用目的に応じた平均放電出力×（平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２以下にすることが、放電電流の平均値の増加により電池温度が許容範囲以上となることを防止するためには特に望ましい。
【００３９】
但し、放電時間の小さい利用目的では、放電時間の大きい利用目的の場合よりも放電電流の平均値が大きいために、上記エントロピー変化による発熱量の内のＩＲが大きくなって、この発熱量がＩＲを無視した場合よりも少し小さくなる。このために、放電電流の平均値を（１／ｈ）１／２に比例した値よりも少し高めて、平均放電出力の大きい利用目的に応じた平均放電出力を、平均放電出力の小さい利用目的に応じた平均放電出力×（平均放電出力の小さい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間／平均放電出力の大きい利用目的のナトリウム硫黄電池の放電時間）１／２程度にすることも可能である。
【００４０】
さらに、ナトリウム硫黄電池は電灯用電力、業務用電力や産業用電力などの種々の目的に利用されるが、図１〜３に示されたように、平均放電出力の大きい利用目的が産業用電力であり、平均放電出力の小さい利用目的が業務用電力又は／及び電灯用電力であること、又は、平均放電出力の小さい利用目的が電灯用電力であり、平均放電出力の大きい利用目的が産業用電力又は／及び業務用電力であることが望ましい。また、平均放電出力の小さい利用目的が業務用電力であり、平均放電出力の大きい利用目的が産業用電力であるか、又は／及び、平均放電出力の大きい利用目的が業務用電力であり、平均放電出力の小さい利用目的が電灯用電力であることが望ましい。
【００４１】
すなわち、利用目的が産業用電力であるナトリウム硫黄電池としては、放電時間は比較的小さいために、利用目的が業務用電力又は／及び電灯用電力であるナトリウム硫黄電池よりも小さい電池容量を選定又は設定する。あるいは、利用目的が電灯用電力であるナトリウム硫黄電池としては、放電時間は比較的大きいために、利用目的が産業用電力又は／及び業務用電力であるナトリウム硫黄電池よりも大きい電池容量を選定又は設定することが望ましい。また、利用目的が業務用電力であるナトリウム硫黄電池としては、利用目的が産業用電力であるナトリウム硫黄電池よりも大きい電池容量を選定又は設定するか、又は／及び、利用目的が電灯用電力であるナトリウム硫黄電池よりも小さい電池容量を選定又は設定することが望ましい。
【００４２】
ここで、ナトリウム硫黄電池の放電時間に対応して、平均放電出力を産業用電力＞業務用電力又は電灯用電力、あるいは、産業用電力又は業務用電力＞電灯用電力とする。また、電池容量を電灯用電力又は業務用電力＞産業用電力、あるいは、電灯用電力＞業務用電力又は産業用電力となるように選定又は設定する。これによって、ナトリウムや正極活物質をあまり無駄にすることなく、低コストのナトリウム硫黄電池を種々の目的に利用することが可能である。
【００４３】
なお、上記電池容量は電池温度を許容温度範囲内に保つことで規定されるため、電灯用電力、業務用電力や産業用電力に利用する場合の放電時間の差が比較的小さく、その結果として平均放電出力の差が小さくなって、電池温度を許容範囲内に保つのに問題がない場合には、利用目的に応じて同じ電池容量のナトリウム硫黄電池を選定又は設定することも可能である。
【００４４】
また、本発明の構築方法に用いるナトリウム硫黄電池としては、ナトリウムを収納する負極室の体積や、硫黄又は／及び多硫化ナトリウムから成る正極活物質を収納する正極室の体積を一定にし、利用目的に応じて、電池内に収納するナトリウム又は／及び正極活物質の収納量を変化することによって、電池容量を選定又は設定することも可能である。こうすることによっても、使用目的に応じて電池容量を小さくすることによって、ナトリウムや正極活物質の収納量が低減され、ナトリウム硫黄電池の低コスト化が可能である。しかしながら、この方法では電池容量によらず電池体積が一定になるために、電池容量が小さい場合にも、電池を収納する断熱容器やキュービクルの体積が小さく出来ず、ナトリウム硫黄電池システムのエネルギー密度が低下すると共に、ナトリウム硫黄電池システムの体積が低下しないために、ナトリウム硫黄電池の利用場所の制限が起こり易いという問題がある。
【００４５】
一方、ナトリウム硫黄電池に用いる負極室や正極室の体積を、使用目的に応じて選定又は設定された電池容量に対応して選定又は設定すれば、必要な電池容量に基づいたナトリウム又は／及び正極活物質の電池内への収納が可能である。また、電池容量を小さくした場合には、ナトリウム又は／及び正極活物質の収納量の低下と共に、負極室や正極室を構成する負極容器や正極容器の体積低下による材料低減により、低コスト化がさらに拡大する効果が得られる。また、負極室や正極室の体積を小さくすることによって、断熱容器やキュービクルの体積を小さくしたり、断熱容器やキュービクルに収納するナトリウム硫黄電池の数を大きくしたりすることができ、その結果として、ナトリウム硫黄電池システムのエネルギー密度が向上すると共に、ナトリウム硫黄電池の利用場所の制限が起こり難くなり、ナトリウム硫黄電池の利用範囲が拡大するという効果も得られる。
【００４６】
さらに、後述の図４や図５に示されたように、一定寸法の固体電解質を設けたナトリウム硫黄電池の電池容量を選定又は設定することが望ましく、こうすることによって、種々の利用目的に対応して、電池容量の異なるナトリウム硫黄電池が容易に製造できて、低コスト化が容易に可能になるという利点が得られる。
【００４７】
また、本発明の他のナトリウム硫黄電池システムの構築方法においては、有底袋管状の固体電解質を水平方向又は斜め方向に寝かせて、負極室又は／及び正極室の体積を選定又は設定したナトリウム硫黄電池を用いる。なお、ナトリウム硫黄電池システムは、ナトリウム硫黄電池を断熱容器やキュービクルないへ配置することによって、構築される。そして、利用目的に応じた電池容量を選定又は設定しているため、電池容量を小さくした場合には、上記の理由で電池の低コスト化が実現できると共に、種々の使用目的に適応して、低コストのナトリウム硫黄電池の選定又は設定が容易に可能である。
【００４８】
さらに、断熱容器やキュービクル内に配置するナトリウム硫黄電池の体積を小さくしたり、断熱容器やキュービクルに配置するナトリウム硫黄電池の数を大きくしたりすることができる。その結果として、ナトリウム硫黄電池システムのエネルギー密度が向上すると共に、ナトリウム硫黄電池の利用範囲が拡大するという効果も得られる。
【００４９】
なお、ナトリウム硫黄電池としては、上述のように、産業用電力、業務用電力又は／及び電灯用電力に利用することが適している。ここで、放電時間に対応して、平均放電出力を産業用電力＞業務用電力又は電灯用電力、あるいは、産業用電力又は業務用電力＞電灯用電力とする。あるいは、電池容量を電灯用電力又は業務用電力＞産業用電力、あるいは、電灯用電力＞業務用電力又は産業用電力となるように選定又は設定することが望ましく、こうすることによってナトリウム硫黄電池の低コスト化が可能である。
【００５０】
さらに、後述の図４や図５で説明したように、有底袋管状の固体電解質を水平方向又は斜め方向に寝かせることにより、固体電解質を垂直方向に直立した場合に比べて電池効率が向上できて、放電出力の増加による電池温度の上昇を比較的低減できる。また、その結果として、ナトリウム硫黄電池からの供給エルギーが比較的大きく出来て、低コスト化が可能で、且つ、電池温度を許容範囲内に保つことができる。なお、この場合にも、一定寸法の固体電解質を設けたナトリウム硫黄電池の電池容量を選定又は設定することが望ましく、この方法により電池容量の異なるナトリウム硫黄電池を容易に製造することが可能であり、その結果として低コスト化が実現される。
【００５１】
図４、図５は本発明の構築方法に応じて、電池容量の選定や設定が可能なナトリウム硫黄電池の構造例を示す断面図であり、図４、図５で同じ符号で記載されたものは同じ部品を示している。また、図４のａ）は正面断面図、ｂ）はａ）に図示されたＡ−Ａ’位置の断面図である。
【００５２】
図４において、ナトリウムイオン導電性の固体電解質１には、普通β型やβ”型のベータアルミナセラミックスから成る有底袋管状の固体電解質が用いられ、図４では固体電解質１は水平方向又は斜め方向に寝かせて配置されている。なお、場合によっては、平板状の固体電解質を用いることも可能である。また、負極容器２、正極容器３は固体電解質１と共にそれぞれ負極室４、正極室５を構成しており、その材料としてはＡｌ、Ａｌ合金やＦｅ、Ｆｅ合金、ＳＵＳ又はこれらの表面にＣｏ基合金、Ｃｒ／Ｆｅ合金、Ａｌ／Ｓｉ合金、ＳＵＳ、Ｃｒ、Ｃ、Ｍｏなどを主体とする耐食層を設けたものや、Ａｌ合金とＳＵＳ等とのクラッド材が普通に用いられる。なお、負極容器２、正極容器３はそれぞれ、負極容器本体２１と負極容器蓋２２、及び、正極容器本体３１と正極容器蓋３２とを接合して構成されており、負極容器内や正極容器内を真空にしたり、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを注入した状態で、負極封止部２０及び正極封止部３０を封止している。
【００５３】
一方、絶縁部材６は負極容器２と正極容器３とを絶縁分離し、且つ、負極容器本体２１、正極容器本体３１と接合されており、普通αアルミナセラミックスを用いて、図示されていないが、有底袋管状の固体電解質１の開口部付近にガラス接合し、またはαアルミナやマグネシウムアルミニウムスピネルなどのセラミックスを用いて、固体電解質１の開口部と一体焼結される。さらに、負極容器本体２１や正極容器本体３１と絶縁部材６との接合には、図示されていないが、ＡｌやＡｌ合金を接合材として用いて、接合材の液相線温度以下や固相線温度以下に加熱して、加圧接合する熱圧接法が一般に行われている。
【００５４】
また、負極室４内にはナトリウム７を収納するＳＵＳやＡｌ合金などの金属製ナトリウム容器８が設けられており、図示されていないが、ナトリウム容器８に設けた貫通孔１０をハンダ封止した状態でナトリウム容器封止部８０よりナトリウムを注入し、ナトリウム容器封止部８０を接合で封止した後、負極室４内に収納し、昇温してハンダを溶解・溶融することにより、貫通孔１０を開口している。こうすることにより、ナトリウム７は放電時には重力や、負極室４の一部であるナトリウム容器８内に収納された窒素ガスやＡｒガスなどの不活性ガス９の圧力で押される。一方、充電時には固体電解質１を通して侵入するナトリウムの圧力で押されて、ナトリウム容器８に設けた貫通孔１０を出入りする。このようにナトリウム容器８を設けることにより、固体電解質１に隣接して存在するナトリウム７の量が少なくできて、固体電解質１が破損した際の電池の安全性が向上する。
【００５５】
なお、図４においてナトリウム容器８は負極容器２と分離されているが、ナトリウム容器８と負極容器２とを一体化した構造も可能である。また、図示されていないが、ナトリウム容器８と有底袋管状の固体電解質１との間に有底袋管状の安全管を設けたり、固体電解質１とナトリウム容器８又は安全管との間隔を０．１５ｍｍ以下程度にしたりして、電池の安全性を向上することができる。また、固体電解質１とナトリウム容器８又は安全管との間隔の下側に炭素繊維やガラス繊維などを収納して、横置きした際のナトリウム容器８又は安全管の固体電解質１への接触を防止して、固体電解質１の信頼性を向上することも可能である。
【００５６】
また、正極室５内の固体電解質１の面に沿って、正極容器３と接続した集電体１１が設けられ、集電体１１と固体電解質１との間に多孔質導電材１２と多孔質材１３が設置されている。さらに、正極室５内には硫黄又は／及び多硫化ナトリウムから成る正極活物質１４が充填されており、この正極活物質１４が多孔質導電材１２や多孔質材１３に含浸されて、電池反応を促進している。なお、図４の構造では、正極容器３の側面が円筒形状となっているが、この代わりに直方体形状や楕円筒形状とすることも可能である。但し、正極容器３の機械的強度を向上するためには円筒形状を用いることが望ましく、特に正極容器３としてＡｌ合金を用いた場合には、円筒形状を用いることが特に望ましい。
【００５７】
ここで、多孔質導電材１２には炭素繊維や炭素粉末の集合体が用いられ、特に固体電解質１の面に沿った厚さが１〜２０ｍｍ程度の、約１３００〜２０００℃で加熱されたＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系やピッチ系の炭素繊維マットを用いることが望ましい。さらに、炭素繊維が面方向に配列したリング形状などのマットを用いて、炭素繊維マットの面方向が固体電解質１の面に垂直になるように設置することにより、固体電解質１の面方向に沿った炭素繊維マットの抵抗を低減して、電池効率を向上することができる。
【００５８】
また、同様な効果は多孔質導電材１２として短冊状や台形状の炭素繊維マットを用いた場合にも実現され、炭素繊維の大半を炭素繊維マット面に平行に配置し、炭素繊維マット面に垂直にこの炭素繊維マットを短冊状や台形状に切断して、炭素繊維マット面が有底袋管状の固体電解質１の面に垂直になるように、短冊状や台形状の炭素繊維マットをラセン状又は円周状に巻きつけることにより、炭素繊維マットの抵抗低減の効果が得られる。
【００５９】
一方、多孔質材１３には普通アルミナなどのセラミックスやガラスの繊維や粒子の集合体が用いられ、固体電解質１の面に沿った厚さを０．１〜０．５ｍｍ程度にすることが望ましい。ここで、図示されていないが、炭素繊維マットを有底袋管状の固体電解質１の軸方向に積層して充填し、積層された炭素繊維マット同志の間に空隙や多孔質材を設けたり、貫通部を形成した金属板、木板、セラミックス板やガラス板などを設けたりして、正極活物質１４が多孔質導電材１２内部を移動し易くすることも可能である。なお、多孔質材１３に用いるガラス繊維としては、ＳｉＯ２９５〜９９．８％、Ａｌ２Ｏ３４〜０．１％、Ｋ２ＯとＣａＯ＜０．１５％程度であるのが望ましく、出来るだけＫ２ＯやＣａＯの少ない材料を用いることが特に望ましい。
【００６０】
また、正極活物質１４の体積を多孔質導電材１２や多孔質材１３の空隙体積よりも大きくして、多孔質導電材１２や多孔質材１３に含浸される以外に、正極室５内の集電体１１の外側に正極活物質１４の液相を形成し、集電体１１に貫通部１５を設けて集電体１１の内外に正極活物質１４を移動させることにより、電池容量の拡大を図ることができる。
【００６１】
ここで、集電体１１としては厚さ０．３〜５ｍｍ程度のＡｌ、Ａｌ合金やこれらとＳＵＳ等とのクラッド材を用いて、多孔質導電材１２との接触面にＣｏ基合金、Ｃｒ／Ｆｅ合金、Ａｌ／Ｓｉ合金、ＳＵＳ、Ｃｒ、Ｃ、ＭｏやＣｒ、Ｍｏの炭化物や窒化物などの耐食性導電層を溶射やメッキなどの方法で設けたり、これら耐食性の粒子や繊維をＡｌやＡｌ合金の表面へ接合又は埋め込んだものが用いられる。さらに、貫通部１５としては直径や幅、長さが１〜１０ｍｍ程度の円形や直方体の孔、又は、これらの間に幅１〜１０ｍｍのスリットを設けたものを用い、面積割合としては集電体１１の面積の５〜５０％程度が望ましい。
【００６２】
一方、図５は図４と類似の構造であり、図４と同じ寸法の固体電解質１を用いている。また、負極容器本体２１、ナトリウム容器８や正極容器本体３１を有底袋管状の固体電解質１の軸方向に長く伸ばし、固体電解質の軸方向外側の負極室４１の体積や、固体電解質の軸方向外側の正極室５１の体積を図４よりも大きくして、負極容器２や正極容器３の体積を拡大することにより、ナトリウム７や正極活物質１４の充填量を増して、図４よりも電池容量を大きくした構造を形成している。なお、図示されていないが、負極容器２や正極容器３を図５のように軸方向に伸ばす代わりに、軸方向に垂直な方向に広げて内容積を拡大して、負極室４や正極室５の体積を大きくすることにより、電池容量を拡大することも可能である。
【００６３】
図４、図５の構造のナトリウム硫黄電池においては、図４の構造の電池を放電時間が小さくて平均放電出力が大きい利用目的に、図５の構造の電池を放電時間が大きくて平均放電出力が小さい利用目的に選定又は設定する。このために、負極室４や正極室５の体積は両者で異なるが、その他の部分は同じ構造や類似構造であるため、電池容量の選定又は設定が容易に可能である。また、このように同じ構造や類似構造を用いることによって、電池容量の異なるナトリウム硫黄電池の大部分が同じ装置で製造でき、使用目的に適したナトリウム硫黄電池の製造が容易で、このナトリウム硫黄電池を配置して構築されたナトリウム硫黄電池システムの低コスト化が可能である。
【００６４】
さらに、このためには、図４、図５に示されたようにほぼ一定寸法の固体電解質１を設けたナトリウム硫黄電池を用いることが望ましく、こうすることによって、固体電解質１が同じ方法で製造できるために、電池容量の異なるナトリウム硫黄電池の製造は特に容易になり、低コスト化が容易に実現される。なお、電池容量の大きいナトリウム硫黄電池として、電池容量の小さいナトリウム硫黄電池よりも寸法の大きい固体電解質を用いることも可能であるが、この場合には、固体電解質１の製造装置や、絶縁部材６と負極容器本体２１や正極容器本体３１との接合装置が、寸法の小さい固体電解質とは異なる可能性が高く、一定寸法の固体電解質を用いる方が低コスト化に有利である。
【００６５】
また、電池容量の選定又は設定のためには、有底袋管状の固体電解質１の軸方向に垂直な方向に負極容器２や正極容器３の寸法を変化させることも可能であるが、図５に示されたように、軸方向に垂直な方向の寸法は変化せずに、固体電解質１の軸方向に負極容器２や正極容器３を伸ばした構造を用いることが望ましい。こうすることにより、負極容器や正極容器として同じ構造の材料を用いて、軸方向に必要な長さに材料を切断して使用することができて、ナトリウム硫黄電池の製造が簡略化され、低コスト化が可能になるという利点が得られる。
【００６６】
なお、この際には、図５に示されたように有底袋管状の固体電解質１を水平方向又は斜め方向に寝かせて配置することが特に望ましい。即ち、正極容器３を軸方向に長く伸ばした場合に有底袋管状の固体電解質１を直立して設置すると、正極室内の上下方向に重力によって正極活物質１４の濃度分布や組成分布が付きやすく、この結果、電池内に起電力分布を生じて循環電流が流れ、起電力の低下や電池抵抗増加によって、電池効率が低下するという問題が発生する。なお、上記組成分布の原因は、正極活物質１４を構成する多硫化ナトリウムが硫黄に融けず、且つ、比重が硫黄よりも大きいために正極室５内の下側に溜まること、及び、正極室５内に多硫化ナトリウムが存在する場所と硫黄が存在する場所とで、電池の起電力が異なり易いことに基づいている。一方、有底袋管状の固体電解質１を水平方向や斜め方向に寝かせた場合には、軸方向に負極容器２や正極容器３を伸ばしても正極室５の上下方向の高さはあまり大きくならず、その結果として正極活物質１４の濃度分布や組成分布が付きにくくなって、電池効率の低下や電池抵抗の増加による電池温度の増加が防止されて、ナトリウム硫黄電池からの供給エネルギーが比較的大きく出来るという利点が得られる。
【００６７】
さらに、ナトリウム硫黄電池を平均放電出力が大きい利用目的に用いる場合には、放電電流の平均値の増加によって電池効率が低下する問題が発生するが、図４のように有底袋管状の固体電解質袋管１を水平方向又は斜め方向に寝かして配置することにより、固体電解質１を直立に配置した構造よりもナトリウム硫黄電池の電池効率が高くできるという利点が得られる。即ち、普通に用いられる様に長さが直径よりも大きい有底袋管状の固体電解質袋管１を用いた際には、正極室５の鉛直方向の高さが固体電解質１を直立に配置した場合よりも小さくなり、正極室５内の上下方向に重力による正極活物質１４の濃度分布や組成分布が付きにくくなって、電池内に起電力分布やそれに基づく循環電流が起こりにくく、これらの結果として電池抵抗の増加が防止されて、電池効率が向上する。
【００６８】
なお、電池効率は一般に（電池の起電力―電流量×電池抵抗）／（電池の起電力＋電流量×電池抵抗）で与えられるために、電池効率向上には起電力の低下防止と共に電池抵抗低減が有効であり、この結果として、電池抵抗×電流量の二乗に対応する電池の発熱量が低下する。すなわち、電池を水平方向又は斜め方向に寝かせた構造にすることにより、平均放電出力が増加した場合の電池温度の増加が比較的小さくできて、ナトリウム硫黄電池の電池容量の向上や供給エネルギーの向上による低コスト化が可能となる。
【００６９】
ここで、有底袋管状の固体電解質１としては長さが直径よりも大きいことが望ましく、こうすることにより、固体電解質１の内容積と表面積との比を比較的小さくすることができる。この結果、直径が長さと同程度又は直径の方が大きい固体電解質１を用いた場合に比べて、同じナトリウム量を同じ時間内に運転する際の固体電解質１の表面積当りの電流密度を小さくすることができ、その結果として電流量×電池抵抗で与えられる電圧変化が小さくなって、電池効率の増加や発熱量の低減ができるという利点がある。なお、この効果は単電池を大型化するために有底袋管状の固体電解質１の体積を大きくした場合に特に顕著で、この構造により、電池の大型化すなわち大容量化と効率向上との両立が可能である。
【００７０】
また、有底袋管状の固体電解質１を斜めに設置する場合、固体電解質１の軸方向と水平方向との角度を±４５°以下にして、正極室５の鉛直方向の高さを低減することが望ましい。さらに、多孔質導電材１２や多孔質材１３の表面張力による正極活物質１４の吸い上げ高さを考慮すると、多孔質導電材１２や多孔質材１３の鉛直方向の高さが１５ｃｍ以下になる角度に固体電解質１を傾けることが望ましい。勿論、電池効率向上や電池温度の増加防止の目的で正極室５の鉛直方向の高さを小さくするためには、固体電解質１を水平設置することが特に望ましい。また、この効果はナトリウム硫黄電池の大容量化のために有底袋管状の固体電解質１の軸方向の長さを大きくした場合に特に顕著で、有底袋管状の固体電解質１を水平方向又は斜め方向に寝かした構造により、電池の大容量化と効率向上との両立が可能である。
【００７１】
さらに、図４、図５の構造においては、有底袋管状の固体電解質１を水平方向や斜め方向に寝かせた構造となっていると共に、固体電解質１の面に沿って正極室５内に設けた集電体１１を用いて集電する構造となっている。このように、正極室５内の固体電解質１に沿って設けた集電体１１を用いて集電することにより、固体電解質１と集電体１１との間隙に存在する多孔質導電材１２の厚さを比較的小さくして、その抵抗低減により電池効率の向上や電池温度増加の防止が実現されて、ナトリウム硫黄電池からの供給エネルギーの増加が可能となる。なお、集電体１１を設けることによる効果は固体電解質１を直立した場合にも得られて、多孔質導電材１２の抵抗低減が可能となる。但し、電池抵抗を特に低減するためには、上述のように固体電解質１を水平方向や斜め方向に寝かせた構造が望ましい。また、図４に示されたように、集電体１１の断面構造を円形形状にすることにより、集電体１１の円形状部分と有底袋管状の固体電解質１の側面との間隙をほぼ一定にすることができ、この円形状部分の間隙に充填された多孔質導電材１２の厚さ方向の電気抵抗がほぼ一定となって、電流分布が均一になり、電池効率が向上し易いという利点がある。
【００７２】
ここで、ナトリウム硫黄電池の充電時には、正極活物質１４である多硫化ナトリウムが多孔質材１３や多孔質導電材１２の表面張力によって集電体１１の外側の正極活物質１４の液相から吸い上げられ、多孔質導電材１２の内部などで電気分解されて、生成したナトリウムイオンが固体電解質１を通って負極室４内へ移動する必要がある。また、充電が進むにつれて正極室５内の正極活物質１４の液面が低下して、正極活物質１４を構成する多硫化ナトリウムが多孔質材や多孔質導電材と接触しなくなると、充電が停止するという問題がある。
【００７３】
この問題に対処して電池容量を向上するためには、正極室５内の空間に存在する多硫化ナトリウムが多孔質材１３や多孔質導電材１２に接触し易い構造を採用することが望ましい。図４、図５の構造においては、正極容器本体の下側３３の肉厚を厚くすることにより、正極容器本体の下側３３と集電体１１の下側との間隔を狭くしている。こうすることによって、充電によって比重の大きい多硫化ナトリウムの液面が低下した場合にも、多硫化ナトリウムが多孔質導電材１２や多孔質材１３と接触し易くなって、充電停止が起こり難くなり、正極活物質１４が同じ量収納された場合でも電池容量が向上するという利点が得られる。
【００７４】
また、図示されていないが、集電体１１の下側を正極容器本体の下側３３と接触させることにより、充電向上により電池容量を特に高めると共に、水平置きや斜め置きした際に固体電解質１に加わるモーメントなどの荷重が多孔質導電材１２や多孔質材１３を介して集電体１１や正極容器３で支持されて、ナトリウム硫黄電池の機械的信頼性が向上する。なお、同様な効果は集電体１１を設けずに、固体電解質１と正極容器３との間に多孔質導電材や多孔質材を充填して電池を横置きした際にも実現できるが、図４の構造においては集電体１１が設けられているために、同じ電池容量であっても固体電解質１に近接した多孔質導電材１２や多孔質材１３の厚さが比較的小さくできる。その結果として、固体電解質１を支持し易くなり、逆に多孔質導電材１２や多孔質材１３の厚さが同じ場合には電池容量が大きくできて、ナトリウム硫黄電池の機械的信頼性向上と電池容量向上との両立が可能になるという利点がある。
【００７５】
さらに、図４、図５に示した本発明で用いられるナトリウム硫黄電池の構造においては、正極の抵抗は主に集電体１１と多孔質導電材１２及び多孔質材１３で決まり、正極容器３の容積は電池抵抗にあまり関係しないため、固体電解質１と集電体１１との間隙を小さくすることによって、多孔質導電材１２の面方向の抵抗が小さくできる。それによって、電池効率が向上すると共に、正極容器３の寸法を拡大して正極室５の体積を大きくすることにより、電池の大容量化が達成される。すなわち、これらの結果、電池抵抗を低く保ちながら、構成部品をあまり増すこと無く電池の大容量化が可能で、低コスト化が容易に実現できる実用性の高い大容量電池が得られる。
【００７６】
なお、集電体１１を用いない場合にも、同様な大容量化は正極容器３の寸法を拡大することによって可能であるが、この構造では多孔質導電材１２を正極容器３と接触させる必要があるために、正極容器３を軸方向に垂直な方向に広げた場合には、多孔質導電材１２の厚さが増加して、電池抵抗が拡大し、電池温度が増加しやすくなるという問題がある。また、正極容器を軸方向に広げた場合には、有底袋管状の固体電解質１から遠い位置に存在する正極活物質１４が多孔質導電材１２や多孔質材１３の端部のみと接触するために、多孔質導電材１２や多孔質材１３への吸い上げが困難になって、電池容量の拡大が困難になる問題もある。
【００７７】
一方、集電体１１を設けた構造では、集電体１１と正極容器３の側面との間に隙間があるために、正極活物質１４がこの隙間を移動して多孔質導電材１２や多孔質材１３と広い範囲で接触して、多孔質導電材１２や多孔質材１３への吸い上げが容易に行われ、電池容量の拡大が実現される。また、このためには、図５のように有底袋管状の固体電解質１を水平方向や斜め方向に寝かした構造が望ましく、こうすることによって、正極活物質１４が集電体１１と正極容器３との隙間に広い範囲移動できて、電池容量が特に向上するという利点が得られる。
【００７８】
また、電池効率を向上させて放電出力を増加して、電池温度の増加を防止するためには、電池の内部抵抗を出来るだけ小さくすることが望ましく、このためには集電体１１にＡｌやＡｌ合金又はＡｌ合金とＳＵＳなどのクラッド材を用いることが望ましいが、この場合には集電体１１と接合又は一体化される正極容器３にもＡｌ、Ａｌ合金やクラッド材を用いることが望ましい。
【００７９】
ここで、正極容器３をＡｌ以外の金属製とした場合には、ＡｌやＡｌ合金製の集電体１１との接合や一体化が極めて困難になると共に、正極容器の電気抵抗が増加したり、多硫化ナトリウムや硫黄で腐食し易くなったりするという欠点がある。このように、正極容器３としてＡｌやＡｌ合金を用いる場合、ナトリウム硫黄電池では運転温度が約２９０℃以上と比較的高いため、外部空気圧と内部圧力との差圧によって、正極容器３が曲げクリープ変形する問題があり、この変形防止のためには、図４に示した様に正極容器３を円筒形状にすることが望ましい。
【００８０】
具体例として、図４又は図５に示すように、固体電解質１としてリチウムドープのβ”アルミナ焼結体からなる外径約６０ｍｍ、長さ約６００ｍｍ、肉厚約１．５ｍｍの円筒状有底袋管を用いた。また、負極容器２、正極容器３及びナトリウム容器８の材料にはＡｌ合金ＡＡ３００３を、集電体１１には貫通部１５を設けたＡｌ合金ＡＡ３００３の胴部表面にクロム／鉄合金、ステライトー６やコクラリーを溶射したものを用いた。なお、集電体１１の断面形状は円形で、集電体１１の横方向端部を円筒形状の正極容器３の側部と接続した。
【００８１】
一方、絶縁部材６としてはαアルミナ焼結体リングを用い、有底袋管状の固体電解質１の開口部とガラス接合した後、焼結体リングの表面に負極容器本体２１の端部、正極容器本体３１の端部を配置し、Ａｌ−Ｍｇ系のＡｌ合金箔ＡＡ５００５を用いて、負極容器本体２１、正極容器本体３１と絶縁部材６とを熱圧接した。なお、図示されていないが、この熱圧接の際には、負極容器本体２１や正極容器本体３１から分離された端部を絶縁部材６と熱圧接した後に、端部を負極容器本体２１や正極容器本体３１と接合することも可能であり、こうすることにより、負極容器本体や正極容器本体の長さが異なる場合にも、同じ圧接装置で容易に熱圧接できるという利点が得られる。
【００８２】
次に、貫通孔１０を錫の重量％が５０％以上から成るハンダ、例えばＳｎ９１Ｚｎ、Ｓｎ９６．５ＡｇやＳｎ９５Ｓｂで封止した状態で、ナトリウム容器封止部８０よりナトリウム容器８の内部にナトリウム７と約０．０２ＭＰａのＡｒから成る不活性ガス９を充填し、ナトリウム容器封止部８０を接合で封止した。そして、ナトリウム容器８を負極室４内に収納して、負極容器本体２１と負極容器蓋２２とを接合した後、負極室４内を真空引きし、負極容器蓋２２に設けた負極封止部２０を封止して、負極容器２を製作した。なお、この構造では電池運転時に昇温することにより、ナトリウム７が液化すると共にハンダが溶解・溶融して、貫通孔１０が開口され、不活性ガス９の圧力によってナトリウム７が横置きのナトリウム容器８の底部に設けた貫通孔１０を通って、固体電解質袋管１の内表面を覆うことになる。
【００８３】
一方、有底袋管状の固体電解質１の側面と集電体１１の側面との間に、径方向の厚さが約８ｍｍのリング状のＰＡＮ系炭素繊維マットから成る多孔質導電材１２と、アルミナ繊維集合体から成る厚さ約０．３ｍｍの多孔質材１３を充填し、正極室５内に正極活物質１４として硫黄を含浸した。そして、正極容器本体３１と正極容器蓋３２とを接合した後、正極室５内に約０．０５ＭＰａのＡｒガスを充填し、正極容器蓋３２に設けた正極封止部３０を封止して、ナトリウム硫黄電池を製作した。
【００８４】
なお、このナトリウム硫黄電池においては、図４と図５の構造に示されたように、ナトリウム容器８、負極容器本体２１及び正極容器本体３１以外の材料としては同じ寸法のものが用いられている。このために、電池容量の異なるナトリウム硫黄電池の製造の際に、固体電解質１、絶縁部材６、集電体１１、多孔質導電材１２及び多孔質１３などは、電池容量によらず一定の原料や製造装置を用いて製造することができ、種々の使用目的に適したナトリウム硫黄電池の製造が容易で、低コスト化が実現される。また、ナトリウム７や正極活物質１４の含浸量を基に負極室４や正極室５の体積を定めて、ナトリウム容器８、負極容器本体２１や正極容器本体３１の長さを設定することにより、ナトリウム硫黄電池の電池容量の設定が容易に可能となる。
【００８５】
ここで、この実施例で得られたナトリウム硫黄電池の内部抵抗は約１ｍΩと小さいために電池効率は高く、電池容量は、図４の構造では約７５０Ａｈ（約１．３ｋＷｈ）、図５の構造では約１５４０Ａｈ（約２．９ｋＷｈ）であり、それぞれ産業用電力又は電灯用電力に適した電池容量である。このナトリウム硫黄電池システムの構築方法として、使用目的に対応した放電時間で、電池温度が所定温度範囲内になるように平均放電出力を選んで、それを基にナトリウムや正極活物質の無駄が無い電池容量のナトリウム硫黄電池を設定する。
【００８６】
そして、このナトリウム硫黄電池を断熱容器容器内へ配置することによって、ナトリウム硫黄電池システムが構築される。これにより、産業用電力に用いる電池として図４の構造を、電灯用電力に用いる電池として図５の構造を使用することができ、低コストのナトリウム硫黄電池を種々の目的に使用することが可能である。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、使用電力の種類、実態に合った、安価なナトリウム硫黄電池システムを構築することができ、またその使用に当たってはナトリウム硫黄電池システムの出力を最も有効に、無駄なく活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ナトリウム硫黄電池を電灯用として利用した場合の消費電力の時間変化を示すグラフ。
【図２】ナトリウム硫黄電池を業務用として利用した場合の消費電力の時間変化を示すグラフ。
【図３】ナトリウム硫黄電池を産業用として利用した場合の消費電力の時間変化を示すグラフ。
【図４】本発明のナトリウム硫黄電池の実施例におけるナトリウム硫黄電池の構造を示す断面図。
【図５】本発明において用いられるナトリウム硫黄電池の他の実施例におけるナトリウム硫黄電池の構造を示す断面図。
【符号の説明】
１…固体電解質、２…負極容器、３…正極容器、４…負極室、５…正極室、６…絶縁部材、７…ナトリウム、８…ナトリウム容器、９…不活性ガス、１０…貫通孔、１１…集電体、１２…多孔質導電材、１３…多孔質材、１４…正極活物質、１５…貫通部、２０…負極封止部、２１…負極容器本体、２２…負極容器蓋、３０…正極封止部、３１…正極容器本体、３２…正極容器蓋、３３…正極容器の下側、４１…有底袋管状の固体電解質の軸方向外側の負極室、５１…有底袋管状の固体電解質の軸方向外側の正極室、８０…ナトリウム容器封止部。
【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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