博士学位授与論文の内容の要旨および審査の結果の要旨

博士学位授与論文の内容の要旨および審査の結果の要旨
成蹊

大

学

学位規則（昭和 28 年 4 月 1 日文部省令第 9 号）第 8 条の規定による公表を目的として，本学において博士の学位を授与した者の論文内容の要旨および論文審査の結果の要旨を次のとおり登載する。学位記番号に付した乙は本学学位規則第 3 条第 4 項によるものである。
氏

名奥野 晃康

学 位 の 種 類

博士 （工学）学 位 記 番 号

乙第63号

学位授与年月日

2005年7月27日

学位授与の要件

学位規則第4条第2項該当者

学位論文題目

電力貯蔵用ナトリウム−硫黄電池の開発と実用化

論文審査委員

主査 尾崎 義治
委員 樋口 亜紺・小島紀徳

安田 栄一（東京工業大学応用セラミックス研究所教授）

第 1 章「はじめに」では，開発の背景や歴史，ＮＡＳ〔論文内容の要旨〕

電池の動作原理や特徴および電力貯蔵用二次電池として

本論文はナトリウム−硫黄電池（ＮＡＳ電池）を電力実用化する上での技術的課題などについて述べている。

貯蔵用二次電池として実用化する上で必要な要素技術開ＮＡＳ電池は他の大容量二次電池に比べ，エネルギー発に関するものである。電気は貯めることが出来ないも密度が高く，高効率，長寿命な高性能二次電池であり，のとして，発電所で作られた電気は送電線や変電所等の負荷の少ない夜間に電力を貯蔵（充電）し，電力需要が電力流通設備を通って需要地に送られ，瞬時に消費され増大する昼間に使用（放電）することで，電力の負荷平てきた。
しかし，電力需要は昼夜や季節によって変動し，準化を行うことができる。また，落雷等による瞬時電圧安定な供給を行なうためには貯蔵システムの実用化が望低下(瞬低)や停電発生時の非常用電源としても活用するまれている。学位申請研究はこのような要望に応えるとことが可能な大容量二次電池である。米国のフォード社

ともに，社会的にも間接的なＣＯ2 削減や電力システム障が電気自動車用の電源として，その原理を発表して以来，害に対する都市機能の脆弱性を補うものとして大きな貢

世界各国の研究機関で鋭意開発が進められたが，その耐献が期待できるものである。ＮＡＳ電池の基本動作原理久性や安全性および経済性を達成することが出来ず，こは 1967 年に米国フォード社によって提案されたものでれまで実用製品の開発に至ったものはなかった。本研究あるが，電力貯蔵用二次電池として実用化したのは本研開発では，このＮＡＳ電池を電力貯蔵用二次電池として究が世界でも初めてのものである。

実用化するために，信頼度の高いセラミックス製の固体

本論文は以下に示す４章から主に構成されている。

電解質を安価に製造する技術，および電力設備として長期耐久性と安全性を維持する上で必要な電解質シール技−63−

術や電池構成材防食技術などを独自に開発するとともに，については，耐金属ナトリウム侵食性試験や昇降温試験

累計で約 30ＭＷ相当のシステムを用いて，実フィールドを繰り返すことで評価しており，接合条件や接合構造をでの技術検証を繰り返すことによって，それぞれの技術最適化することで，電力設備として 15 年以上の耐久性をの完成度を向上させ，実用化に不可欠な信頼性と経済性有する接合技術を確立している。

を実現している。

ＮＡＳ電池の正極材料は硫黄であるが，本研究で述べた実用に耐える正極構造の開発によって初めて商業的な第 2 章「実用化技術の開発」では，ＮＡＳ電池を実用成功に結びつけることができた。正極は単電池の内部抵化する上で必要な要素技術開発として，５つのキーテク

抗の約５割を占めるとともに，電池の充電回復性を規定ノロジー，①ベータアルミナ管，②セラミックス−金属するなど，単電池の特性を大きく支配する要素である。

接合，③正極，④防食層，⑤安全設計の開発成果についＮＡＳ電池の場合，正極反応はベータアルミナ管の外表て述べている。

面で選択的に起こるが，正極物質の硫黄には電子伝導性

ベータアルミナ管は，ＮＡＳ電池の心臓部とも言えるがないため，正極全体に電子を供給する媒体が必要となセラミックス製固体電解質を構成している。ベータアルる。本研究では，正極反応を円滑に行わせるために，正ミナ管はＮＡＳ電池の正負極間のセパレータでもあるた

極全体に電子伝導性を付与すると同時に，ベータアルミめ，この耐久性は，電池の耐久性に直結するものである。

ナ管の外表面に絶縁体である硫黄が析出するのを防止す

そのため，本研究ではベータアルミナ管の耐久性を向上る正極構造が重要であることを明らかにした。
すなわち，させることを目的に，出発原料中に含まれる不純物，Ca，ＮＡＳ電池の性能低下が単なるオーミックな抵抗上昇にK，Si，Fe 等が耐久性に及ぼす影響について評価し，各よるものだけではなく，充電２相域においてベータアル不純物元素の許容限界量を明らかにしている。
その結果，ミナ管の外表面に硫黄が析出することによって，充電回特に Ca や K 等の軽元素不純物の管理によって，大幅に復率が低下することが容量低下の主原因であることを突

ベータアルミナ管の寿命が改善されることを実験データき止めている。この結果，正極物質の硫黄をグラファイで示している。また，ベータアルミナ管は単電池の内部トフェルトで担持し，更にそのベータアルミナ管に接す抵抗の約４割を占めることから，電池性能を向上させるる部分をガラス繊維で高抵抗化した正極構造の開発に成ためには，ベータアルミナ管の低抵抗化も不可避な技術功した。

課題であった。この課題に対しては，①結晶組成制御，ＮＡＳ電池はその構成材料として腐食性の高い金属ナ②粒界制御，③結晶配向制御など，３つの新たな制御技トリウムや硫黄を用いている。この点で電池容器に対す術を開発し，ベータアルミナ管の抵抗率を開発当初のる防食技術の開発は不可欠であった。電力貯蔵用の電池1/2 までに低減して，大幅な性能向上に結び付けている。

は長期間に亘って使用されるため，性能低下率の少ないセラミックス−金属接合は異種材料から構成される電ことが要求される。しかし，放電することによって正極池部分で使用され，ＮＡＳ電池の設計上，耐久性と安全に生じる多硫化ナトリウムはとくに腐食性が強く，正極性のうえから重要な技術開発課題である。物性の異なる容器は厳しい腐食環境下に曝されることになる。また，αアルミナリングと金属部品との接合部には，金属ナト

正極容器は正極の集電体を兼ねているため，そこで形成リウムと硫黄の酸化を防止するための気密性と，昇降温される腐食生成物によって抵抗が上昇すると電池性能の時に発生する応力や負極活物質の金属ナトリウムによる低下を招くことになる。本研究では，この課題に対して侵食に対して，15 年以上の耐久性が要求される。本研究検討を行い，耐食性に優れた正極容器の防食技術を確立

では，これらの要求条件を満たすため，各種の接合方法している。一方，電池性能と防食層の関係についても深について検討し，使用環境が約 300℃と高いことや実用く検討しており，電池が性能低下を引き起こすメカニズ化技術としての経済性を考慮して，金属ソルダー法によムを明らかにしたことは学術的にも非常に価値のあるもる熱圧接合技術を採用している。また，接合部の耐久性のである−64−

ＮＡＳ電池は電池の反応物質として活性な金属ナトリ力の活用により，電力系統全体でのＣＯ２排出抑制にウムや硫黄を使用していることから，電池の実用化にと資するものである。ＮＡＳ電池は，あらゆる電力需要って，安全性の確立は最も重要な要素の１つであった。に対応できることから，その導入可能範囲は広く，飛ＮＡＳ電池の安全設計には多重防護の考え方を採用して躍的に負荷平準化を促進する可能性をもっている。特いるが，基本構成となる単電池の内部に安全管を設けるに，需要に対する時間的・量的追従性が高いため，Ｉことで，万が一，ベータアルミナ管が破損しても内部のＴ化の進展により電力需要が急増する可能性等，将来活物質を外に漏らさない設計を確立している点が注目さの見通しに関する不確実性が大きくなる中で，今後のれる。ＮＡＳ電池の安全性については，強制的な破壊試需要増加に柔軟に対応でき，過大な供給予備力を持つ験を含めて，繰り返しの検証が成されており，有識者やことなく，電力の安定供給を確保することが可能にな消防関係者が組織する専門委員会においてもその優れたると考えられる。

安全設計が高く評価されているものである。

２）電力品質の向上
ＩＴ化の進展等により，オフィスビルや工場を中心

第 3 章「実用化技術の適用」では，第２章で述べていに，より高い電力品質が求められるようになってきてる数々の要素技術開発によって実用化したＮＡＳ電池のいる。前述のように，ＮＡＳ電池は無停電電源装置充放電性能や実際のＮＡＳ電池システムの適用事例とし(UPS)の機能を容易に付加でき，また非常用電源(EPS)て，研究開発成果の活用実績を示している。用途別の適としても使用できることから，通常は負荷平準化用と用事例としては，電力の負荷平準化を目的として都市近して使いつつ，緊急時に UPS や EPS として機能させる

郊の需要地に設置される負荷平準化システムのほか，非ことで，電力品質向上のニーズにも対応することがで常時の電源確保を兼ね備えた非常用電源兼用システムや，きると考えられる。

雷害等による瞬時電圧低下の影響が回避できる瞬低対策

３）環境負荷の低減

機能付きシステムに大別できるが，2004 年９月末時点で近年，電力コスト低減の観点から，ディーゼルエン既に 70ＭＷを超すＮＡＳ電池システムが国内の各地でジンやガスタービンによる自家発電の導入が進んでい運転されるまでに至っている。また，ＮＡＳ電池の基本

るが，環境対策面の課題（ＣＯ２排出，ＮＯｘ等の大気動作原理は米国で最初に提案されたものであるが，現在汚染，ＰＭ（粒子状物質）の発生，低周波公害等の健では逆に純国産技術して米国に輸出する段階に来ている。

康被害等）が顕在化しつつあることに加え，エネルギ

2002 年９月には米国第一号機として，本技術を適用した

ー効率の低下など省エネルギー政策面でも問題が指摘

デモシステムがＡＥＰ（アメリカン・エレクトリック・されている。ＮＡＳ電池はこのような自家発の代替とパワー）社に導入されており，今後，米国をはじめとすなることから，石油消費の削減，ＣＯ２の排出抑制とる海外でもＮＡＳ電池の活用が大いに期待されている。

ともに，ＮＯｘ，ＳＯｘの排出削減も可能であると考えられる。

第４章「まとめ」では，本技術の開発と実用化による４）電力系統の安定化および自然エネルギーの導入促進

社会的貢献度として，以下の５つの導入効果について述

電力系統においては，負荷の急変で周波数や電圧がべている。

変動し，不安定になる場合がある。2003 年８月に発生

１）負荷率の改善した米国北東部の広域停電は電力系統の不安定現象が日本の電力系統の年負荷率は欧米主要国に比べると原因ではないかと推測されているが，需要中心部にＮ低く，電力が高コストである構造要因の一つであり，ＡＳ電池が広く普及すれば，応答の高速性や出力範囲その改善が重要な課題となっている。また，負荷率のの広さから，系統の安定性に大きく貢献するものと期向上は，送配電損失の低減や発電効率の向上等による待されている。さらに，ＮＡＳ電池を出力が不安定な省エネルギーと非化石エネルギーの比率が高い深夜電

風力等の自然エネルギーと組み合わせることにより，−65−

自然エネルギーの出力安定化が図られ，自然エネルギえる。

ーの導入促進にも寄与することができると考えられる。
５）ベース電源の形成

よって，本論文は博士(工学)の学位論文に十分値するものと認める。

需要サイドでの上述したような効用に加え，まとまった量のＮＡＳ電池が導入されると，供給サイドとし〔論文審査の結果の要旨〕ても電源計画にあたっての選択肢を拡げることができ

本論文は，ナトリウム−硫黄電池（ＮＡＳ電池）を電るようになる。また，ピーク対応のために低稼働率の力貯蔵用二次電池として実用化する上で必要な要素技術電源を作ることに代えて，ＮＡＳ電池でピークシフト開発に関するもので，信頼度の高いセラミックス製の固して原子力等のベース電源で対応するという選択も出

体電解質を安価に製造する技術，電力設備として長期耐来るようになる。これにより中長期的な需給計画の中久性と安全性を維持する上で必要な電解質シール技術やでも化石燃料依存を低下させていくことが可能となる

電池構成材防食技術などを開発するとともに，累計で約ため，ベース電源の形成に対しても寄与は大きいもの

30ＭＷ相当のシステムを用いて，実フィールドでの技術と考えられる。

検証を繰り返すことによって，それぞれの技術の完成度を向上させ，実用化に不可欠な信頼性と経済性を実現し以上のように，ＮＡＳ電池の活用による社会的貢献度たもので，その工学的価値は非常に高いものである。

は大きく，今後，益々その有効活用が広がっていくもの

また，論文審査に当たっては，各審査委員がそれぞれのと期待される。本論文ではこのＮＡＳ電池を実用化する専門の立場から本学位申請者に対して口頭試問を行なっために不可欠であった要素技術開発を行ったものであり，た。その結果，本学位申請者の学位論文の内容および関これまで海外を含めて多くの研究者達が成し得なかった

連分野に関する知識と学力は博士（工学）を受けるに十電力貯蔵用二次電池としての実用化を世界で初めて成し分な基準を満たしているものと認定した。

遂げたことは，極めて工学的価値の高い研究であると言−66−