JP2002260724A

JP2002260724A - 高温ナトリウム二次電池モジュール

Info

Publication number: JP2002260724A
Application number: JP2001057969A
Authority: JP
Inventors: Tadahiko Mitsuyoshi; 忠彦三吉; Manabu Madokoro; 間所　　学; Koji Kusakabe; 康次日下部; Hisamitsu Hato; 久光波東; Kenzo Kikuchi; 賢三菊地
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】【課題】電力貯蔵装置や電気自動車に用いるに好適な高
温ナトリウム二次電池モジュールを提供する。【解決手段】高温ナトリウム二次電池を複数個電気接続
し、保温容器内部へ収納した高温ナトリウム二次電池モ
ジュールであって、前記モジュールを構成する保温容器
の外壁が鋼板製又はＳＵＳ板製で、その厚さが１．６ｍ
ｍ以上、または、２．３ｍｍ以上であることを特徴とす
る。また、望ましくは、高温ナトリウム二次電池の長手
方向を横向きにして内部に収納する。【効果】本発明によれば、モジュールの構造が簡素化さ
れ、低コスト化が可能である。また、耐火性が優れてい
て火災に対する安全性を確保できるために、モジュール
を普通の建物内に収納して利用することができたり、モ
ジュールの周辺に空地を設ける必要を無くすことができ
るなどの利点を生じ、モジュールの利用範囲の拡大が可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の所属する技術分野】本発明は、電力貯蔵装置や
電気自動車に用いるに好適な高温ナトリウム二次電池モ
ジュールに関する。

【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、セレン、テルル、金属塩化物
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高温ナトリウム二次電池は、長寿命
でエネルギー密度が大きいことから注目され、夜間電力
を貯えて昼間利用する負荷平準化に適した電力貯蔵装置
や電気自動車への利用が期待されている。なお、この電
池の利用拡大のためには、昼夜の電気料金差額によって
電池システムの設備費を賄うことにより、民間への電力
貯蔵装置の適用促進を図ることが重要であり、電池シス
テムのコストダウンが不可欠である。

【０００３】この電池の運転温度はナトリウムの融点を
超えた１００℃以上と高いため、例えば特開平１０−２
９４１２８号公報などに見られるように、普通真空断熱
容器などの保温容器内へ電池を収納したモジュールとし
て使用される。

【０００４】また、特開平１１−４０１９０号公報に見
られるように、電池を内臓した保温容器をキュービクル
などの耐火構造容器内へ収納することにより、消防法に
対する対策を施したものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には次のような問題がある。

【０００６】高温ナトリウム二次電池モジュールは、消
防法上の危険物であるナトリウムを用いているために、
電池モジュールの設置場所や設置建物などに法律上の制
約があり、この問題への対応が電池の普及拡大のための
一つのポイントである。

【０００７】すなわち、高温ナトリウム二次電池を設置
する建物は耐火構造にするか、あるいは、電池設備の周
囲に３ｍ以上の空地を設けること、建物に出入り口を設
ける場合には防火戸を設ける必要があるなどの制約があ
り、特開平１０−２９４１２８号公報などに記載の従来
構造のモジュールでは設置建物の建設費用や必要空地の
費用のために電池システムの低コスト化が困難であると
いう問題があった。

【０００８】特開平１１−４０１９０号公報に記載の電
池モジュールでは、電池を内臓した保温容器をキュービ
クルなどの耐火構造容器内へ収納することにより、消防
法に対する対策は可能であるが、この場合には電池を保
温容器と耐火構造容器で二重収納することになり、シス
テムの低コスト化対策としては不十分である。

【０００９】また、ｋＷ当たりやｋＷｈ当たりのモジュ
ールコストを低減するためには、コストの大半を占める
単電池の大きさを大きくし、単電池の容量を増やして電
池本数を減らすことが望ましい。しかしながら、一般に
行われているように袋管状の固体電解質を直立で用いた
場合には、固体電解質袋管の長さが直径よりも大きいの
が一般的なために、電池の高さが幅よりも大きくなり、
大容量化するとその分電池の高さが高くなって、保温容
器の高さも大きくなり、電気自動車や小型ビル内に高温
ナトリウム二次電池を設置する場合のように、設置空間
に高さ制限がある場合には、モジュールの設置が困難に
なるという問題があった。さらに、高温ナトリウム二次
電池モジュールをビル内に設置する場合、地下置きでも
特別な補強工事がされていないと重量制限は１ｍ２当た
り５００〜１０００ｋｇ程度であり、また、地下以外の
床に置く場合には１ｍ２当たり３００〜５００ｋｇ程度
以下にする必要があるなど、面積当たりの重量制限があ
るが、大型電池を直立させた場合の単位面積当たりのモ
ジュール重量はこれよりも大きくなりやすく、屋内設置
が困難になるという問題もあった。なお、電池を直立さ
せた場合にも、モジュール内の電池充填密度を下げれば
単位面積当たりの重量を低減することは可能であるが、
この際にはモジュールの面積や容積が増加して、エネル
ギー密度が低下するという新たな問題が発生する。

【００１０】また、モジュールの低コスト化のために単
電池を大容量化する場合には、固体電解質袋管の高さ又
は／及び幅を増加させる必要があるが、一般に高さを大
きくすると正極室内の上下方向に重力によって活物質の
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、電池の効率が低下す
るという問題があった。一方、固体電解質袋管の高さを
変えずに幅を大きくすることも可能であるが、この場合
には固体電解質袋管の容積と表面積との比が大きくなっ
て、固体電解質袋管内に充填された活物質を所定時間内
に反応させるためには運転時の電流密度を増加させる必
要があり、内部抵抗の影響で電池の効率が低下するとい
う問題も有った。なお、電池効率が低下すると電池出力
が低下するため、結果としてｋＷやｋＷｈ当たりの電池
必要数が増して、モジュールのコストは高くなる。

【００１１】本発明の第１の目的は、簡単な構造でモジ
ュールの耐火性が高く、その結果、電池システムの低コ
スト化が容易に実現できる高温ナトリウム二次電池モジ
ュールを提供することにある。

【００１２】本発明の第２の目的は、エネルギー密度を
低下させずにモジュールの高さを小さくすることがで
き、その結果、モジュールの設置が容易となる高温ナト
リウム二次電池モジュールを提供することにある。

【００１３】本発明の第３の目的は、電池効率が高く、
単位出力当たりのモジュールコストを低減でき、その結
果、電池システムの低コスト化が容易に実現できる高温
ナトリウム二次電池モジュールを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】（１）上記第１の目的を
達成するために、本発明は、高温ナトリウム二次電池を
複数個電気接続し、保温容器内部へ収納した高温ナトリ
ウム二次電池モジュールにおいて、前記モジュールを構
成する前記保温容器の外壁が鋼板製又はＳＵＳ板製であ
り、その厚さが１．６ｍｍ〜１０．０ｍｍの範囲内にあ
るものとする。

【００１５】このように保温容器を構成する保温容器の
外壁を１．６ｍｍ〜１０．０ｍｍの厚さの鋼板製又はＳ
ＵＳ板製とすることにより、本発明の電池モジュールは
耐火構造の建物やキュービクル内へ収納する必要は無
く、簡単な構造でモジュールの耐火性が高く、その結
果、電池システムの低コスト化が容易に実現できる。

【００１６】ここで、耐火性を確保するためには、モジ
ュールを建物内に設置する場合には外壁の厚さを１．６
ｍｍ以上にする必要がある。また、鋼板又はＳＵＳ板の
重量をなるべく低く押さえ移動し易くすることや製造コ
ストを押さえるため、外壁の鋼板又はＳＵＳ板の厚さを
１０ｍｍ以下とすることが好ましい。

【００１７】（２）上記（１）において、好ましくは、
前記外壁の厚さが２．３ｍｍ以上である。

【００１８】上記のように、耐火性を確保するために
は、モジュールを建物内に設置する場合には外壁の厚さ
を１．６ｍｍ以上にする必要があるが、モジュールを建
物の外に設置する場合には外壁の厚さを２．３ｍｍ以上
にするのが良い。

【００１９】（３）また、上記（１）又は（２）におい
て、前記外壁の内側に断熱材が充填されるか、あるい
は、前記外壁の内側の空間が真空引き又は減圧されるこ
とによって、内部へ収納した前記高温ナトリウム二次電
池が保温されることが望ましい。

【００２０】（４）また、上記（１）又は（２）又は
（３）において、前記外壁の上面と側面とが気密封止さ
れていることが特に望ましい。

【００２１】（５）また、上記第２及び第３の目的を達
成するために、本発明は、上記（１）〜（４）におい
て、前記高温ナトリウム二次電池の長手方向を水平又は
斜めに寝かせて収納するものとする。

【００２２】このように高温ナトリウム二次電池の長手
方向を水平又は斜めに寝かせて収納することにより、エ
ネルギー密度を低下させずにモジュールの高さを小さく
することができ、その結果、モジュールの設置が容易と
なる。また、電池効率が高く、単位出力当たりのモジュ
ールコストを低減でき、その結果、電池システムの低コ
スト化が容易に実現できる。

【００２３】（６）上記（１）〜（５）において、前記
高温ナトリウム二次電池を上下方向に複数個積層して収
納することができる。

【００２４】（７）上記（６）において、前記モジュー
ル内に柱と棚を設け、前記高温ナトリウム二次電池を前
記柱と棚で支えることが望ましい。

【００２５】（８）また、上記（１）〜（６）におい
て、前記高温ナトリウム二次電池の側面が直方体形状で
あることが望ましい。

【００２６】（９）更に、上記（１）〜（６）におい
て、好ましくは、前記モジュール内に収納した全電池間
を直列接続する。

【００２７】（１０）また、上記（６）において、前記
モジュール内に上下方向に配置した電池間を直列接続し
てストリングを形成し、前記ストリング端部に位置する
電池間を並列接続して電池ブロックを形成することが望
ましい。

【００２８】（１１）更に、上記（６）において、前記
モジュール内に横方向に配置した電池間を直列接続して
ストリングを形成し、前記ストリング端部に位置する電
池間を並列接続して電池ブロックを形成してもよい。

【００２９】（１２）また、上記（１０）又は（１１）
において、前記電池ブロック同士を直列接続又は／及び
並列接続することもできる。

【００３０】（１３）また、上記第２及び第３の目的を
達成するために、本発明は、複数個の高温ナトリウム二
次電池の長手方向を水平又は斜めに寝かせ、直列接続又
は直列接続と並列接続してモジュール内へ収納した高温
ナトリウム二次電池モジュールにおいて、前記直列接続
した複数個の高温ナトリウム二次電池の長手方向端部を
交互に反対向きに並べて、隣接電池の正極／負極間を電
気接続するものとする。

【００３１】このように高温ナトリウム二次電池の長手
方向を水平又は斜めに寝かせて収納することにより、エ
ネルギー密度を低下させずにモジュールの高さを小さく
することができ、その結果、モジュールの設置が容易と
なる。また、電池効率が高く、単位出力当たりのモジュ
ールコストを低減でき、その結果、電池システムの低コ
スト化が容易に実現できる。

【００３２】また、直列接続した複数個の高温ナトリウ
ム二次電池の長手方向端部を交互に反対向きに並べて、
隣接電池の正極／負極間を電気接続することにより、接
続に用いられるブスバが短くできる。これらの結果、電
池構造や接続構造が簡素化され、モジュールの低コスト
化が容易に実現できる。

【００３３】（１４）更に、上記第２及び第３の目的を
達成するために、本発明は、複数個の高温ナトリウム二
次電池の長手方向を水平又は斜めに寝かせ、モジュール
内へ収納した高温ナトリウム二次電池モジュールにおい
て、前記高温ナトリウム二次電池の側面が直方体形状で
あるものとする。

【００３４】このように高温ナトリウム二次電池の長手
方向を水平又は斜めに寝かせて収納することにより、エ
ネルギー密度を低下させずにモジュールの高さを小さく
することができ、その結果、モジュールの設置が容易と
なる。また、電池効率が高く、単位出力当たりのモジュ
ールコストを低減でき、その結果、電池システムの低コ
スト化が容易に実現できる。

【００３５】また、高温ナトリウム二次電池の側面が直
方体形状であるものとすることにより、電池を横置きし
た時の機械的安定性が向上する。さらに、高温ナトリウ
ム二次電池とモジュールを構成する保温容器の部材との
平均間隔や電池間の平均間隔を円筒状電池を用いた場合
よりも小さくすることができるため、同じ容積のモジュ
ール内に容積の大きい単電池を収納したり、同じ容積の
単電池ではモジュールの内部容積を小さくすることがで
き、この結果として、モジュールのエネルギー密度が向
上する。

【００３６】（１５）上記（１４）において、前記高温
ナトリウム二次電池が上下方向に複数個積層して収納さ
れることが望ましい。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を用いて説明
する。

【００３８】図１は本発明の一実施の形態に係わる高温
ナトリウム二次電池モジュールの構造を示す正面断面図
であり、図２は図１のII−II線断面図である。

【００３９】図１及び図２において、１はモジュールを
構成する保温容器３０の外壁であり、耐火性を考慮し
て、その厚さが１．６ｍｍ以上、望ましくは２．３ｍｍ
以上で１０ｍｍ以下の鋼板又はＳＵＳ板で構成されてい
る。なお、外壁１の上面１１と側面１２とは気密に接合
されている。

【００４０】２は保温容器３０の内壁であり、この図で
は上面２１は側面２２に被さって、蓋の役目を果たして
いる。３は外壁１と内壁２との間に充填された断熱材で
あり、この厚さを適切に選ぶことにより、内部に設置さ
れた高温ナトリウム二次電池１０の温度を適切な範囲に
保っている。なお、断熱材は例えばロックウールのよう
な不燃材料で構成されることが、モジュールの耐火性向
上のために望ましい。４はモジュール全体を支える底板
であり、ボルト５を介して外壁１と接続されると共に、
このボルトによって建物の床又は地面と固定されてい
る。この底板についても、板厚が１．６ｍｍ又は２．３
ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の鋼板又はＳＵＳ板であること
が望ましい。また、底板４の上にも断熱材３が充填され
ており、外壁１、内壁２、底板４及び断熱材３によって
保温容器３０を構成している。

【００４１】６、７はそれぞれ柱と棚であり、これによ
ってモジュール内に収納された高温ナトリウム二次電池
１０の重量を支えている。なお、柱６の下部は底板４に
固定されている。８は保温容器内に設けたヒータであ
り、室温からの温度立上げや電池運転停止時の温度保持
などの役目や、電池運転時の保温容器内の温度制御の役
目を果たしている。また、９はマイカ板のような絶縁材
であり、高温ナトリウム二次電池間や電池と内壁２や柱
６、棚７との間の電気絶縁の役目を果たしている。

【００４２】さらに、１０は高温ナトリウム二次電池
で、保温容器内に横方向と上下方向に並べて配置されて
いる。ここで、高温ナトリウム二次電池は、図示されて
いないが、液体ナトリウムを収納した負極室と、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
した固体電解質から構成されている。なお、図１では高
温ナトリウム二次電池は外部容器が円筒形状であり、図
示されていないが内部に有底袋管状で長さが直径よりも
大きい固体電解質袋管を収納し、この固体電解質袋管を
水平方向又は斜め方向に寝かせた形で、電池の長手方向
を水平又は斜めにして保温容器内に配置されている。こ
の代わりに、電池の長手方向を立てて配置することも可
能である。また、固体電解質袋管の代わりに、平板状の
固体電解質を用いた平板状の高温ナトリウム二次電池を
積み重ねて保温容器内に配置することもできる。さら
に、電池容器などの電池外表面を直方体形状にして、電
池のモジュール内での充填密度を向上することも可能で
ある。

【００４３】また、１３は電池間を接続するブスバ、１
４は電池と外部回路とを接続するブスバであり、ブスバ
１４と底板４との隙間１７にはロックウール、モルタ
ル、防火シール材、防火パテなどの不燃材料が充填され
ることが望ましい。なお、図示されていないが、モジュ
ール内部の温度や電池電圧を測定するための電気配線を
ブスバ１４と共に底板４に設けた隙間に通すこともでき
る。

【００４４】図１及び図２においては、電池の長手方向
の一方に負極１０１、他方に正極１０２を設けて、直列
接続する複数の電池を長手方向に交互に反対向きに並べ
て配列し、ブスバ１３によって上下に隣接する電池の負
極１０１と正極１０２との間を直列接続してストリング
を形成し、ストリング端部を構成する最上段及び最下段
の隣接電池間の負極同士や正極同士を並列接続して、複
数のストリングが並列接続された電池ブロックを形成す
ると共に、各電池ブロックの端部を構成する最上段の電
池間を直列接続することによって、保温容器内に含まれ
る複数の電池間を直並列接続したモジュールを構成して
いる。なお、場合によっては、各電池ブロック間を直並
列接続して、モジュールを構成することも可能である。

【００４５】さらに、１５は電池間や電池と保温容器と
の間などに充填された乾燥砂などの絶縁粒子であり、こ
れを充填することによって電池間や電池と内壁や柱との
間などを電気絶縁すると共に、万一電池が破損して電池
から液体ナトリウムや液体状の正極活物質が漏洩した
際、ナトリウムや正極活物質を絶縁粒子間に保持してそ
の移動を阻止し、その結果隣接電池への破損伝達を防止
して、モジュールの安全性を高める効果を持っている。
なお、高温ナトリウム二次電池１０がナトリウム硫黄電
池の場合、正極活物質としては硫黄や多硫化ナトリウム
が用いられ、一方、ナトリウム硫黄電池以外の高温ナト
リウム二次電池においては、正極活物質としては硫黄、
セレン、テルルの元素やこれらの塩化物、金属塩化物
（金属はＡｌ、Ｎｉ、Ｆｅなど）が用いられる。

【００４６】また、１６はモジュールを建物の壁などに
固定するための固定治具であり、底板４に設けたボルト
５とこの固定治具１６とによってモジュールを固定する
ことにより、モジュールの耐震性を高めて、モジュール
の安全性を向上している。さらに、図示されていない
が、モジュールの耐落雷性を高めるために、モジュール
を避雷針で保護することが望ましい。なお、モジュール
を屋内配置した場合や、外壁１の厚さが３．２ｍｍ以上
の場合には避雷針を省略することもできる。

【００４７】本発明の高温ナトリウム二次電池モジュー
ルにおいては、外壁１が耐火構造の保温容器３０を構成
しているために耐火構造の建物やキュービクル内へ収納
する必要は無く、従来のモジュールのように電池を収納
した保温容器をキュービクルなどの耐火構造容器内へ設
置する構造に比べて、構造が簡素化され、低コスト化が
可能である。また、外壁１が鋼板製又はＳＵＳ板製で、
耐火壁として十分な厚さを持っているため、このモジュ
ール内に高温ナトリウム二次電池を収納することによっ
て、火災に対する安全性を確保できると共に、モジュー
ルを普通の建物内に収納して利用することができたり、
モジュールを外部に設置した際に周辺に空地を設ける必
要を無くすことができるなどの利点を生じ、モジュール
の利用範囲の拡大が可能となる。なお、耐火性を確保す
るためには、モジュールを建物内に設置する場合には外
壁１の鋼板又はＳＵＳ板の厚さを１．６ｍｍ以上、モジ
ュールを建物の外に設置する場合には外壁１の鋼板又は
ＳＵＳ板の厚さを２．３ｍｍ以上にする必要がある。一
方、鋼板又はＳＵＳ板の重量をなるべく低く押さえ移動
し易くすることや製造コストを押さえるため、外壁１の
鋼板又はＳＵＳ板の厚さを１０ｍｍ以下とすることが好
ましい。

【００４８】また、図１及び図２においては、長さが直
径よりも大きい固体電解質袋管が横置きされて電池の長
手方向が水平又は斜めに設置されているために、電池の
鉛直方向の高さが小さくなり、高温ナトリウム二次電池
の上下方向に重力による正極活物質の濃度分布や組成分
布が付きにくくなって、電池内の起電力分布による循環
電流が抑制されて、電池の効率が向上する。さらに、固
体電解質袋管においては、長さを直径よりも大きくする
ことにより、固体電解質袋管の内容積と表面積との比が
比較的小さくなり、直径が長さと同程度又は直径の方が
大きい固体電解質袋管を用いた場合に比べて、運転時に
固体電解質袋管の表面積当りの電流密度が小さくできる
ために電池効率が向上するという利点もある。これらの
結果、モジュールの効率が向上したり、単電池出力の向
上や収納電池数の低減ができるために、単位出力当たり
のモジュールコストの低減が可能になるという利点があ
る。ここで、電池の長手方向を斜めにする場合、電池の
長手方向、即ち固体電解質袋管の軸方向と水平方向との
角度が±４５°以下であることが望ましい。

【００４９】また、この横置きの効果は単電池を大型化
するために固体電解質袋管の長さを大きくする場合に特
に顕著で、電池の大型化と効率向上との両立が可能であ
り、この結果として、単位出力当たりや単位容量当たり
の電池本数が低減されることによるモジュールの低コス
ト化も可能である。

【００５０】また、電池の長手方向を横向きに寝かせて
いるために、単電池容量を大きくしても電池の高さは小
さくでき、この結果、電池を収納するモジュールの高さ
も小さくできて、店舗や小型ビル内や電気自動車に高温
ナトリウム二次電池を設置する場合のように、設置空間
に高さ制限がある場合にも、モジュールの設置が容易に
行える。

【００５１】なお、これらの目的のためには、電池の長
手方向を斜めよりも水平に寝かせて配置することが望ま
しく、この結果電池の鉛直方向の高さが小さくなって、
電池やモジュールの効率向上やモジュールの高さ低減が
容易となる。また、高温ナトリウム二次電池モジュール
をビル内に設置する場合、横向きに寝かせた電池の上下
方向の積層数を減らすことにより、単位面積当たりのモ
ジュールの重量が減少できて、ビルなどの屋内設置や屋
上設置が容易に行えるという利点もある。一方、電池の
上下方向の積層数を増せば、その分モジュールの設置面
積が低減でき、狭い面積の場所にもモジュールが設置で
きるという利点がある。

【００５２】以上のように、本実施の形態においては、
モジュールの設置空間の高さや面積の自由度向上やモジ
ュールの低コスト化と高効率化との両立など、実用化に
適した高温ナトリウム二次電池モジュールが実現でき
る。

【００５３】また、複数個の高温ナトリウム二次電池１
０が長手方向を横向きに寝かせて、水平方向（横方向）
と上下方向に配置されているため、電池の大型化と効率
向上との両立が可能で、この結果として、単位出力当た
りや単位容量当たりの電池本数が低減されることによる
モジュールの更なる低コスト化が可能である。

【００５４】さらに、外壁１の上面１１と側面１２とは
気密に接続されているので、火災時の消火活動による放
水を受けた場合やビルの地下室に設置した場合に地下室
が浸水を受けた場合などにおいて、モジュール内に水が
浸入する恐れが少なくでき、モジュールの安全性が向上
する。なお、モジュール内の温度変化による内部空気な
どのガスの圧力変化に対応するために、図１及び図２に
おいてはモジュールの下部は気密にはなっておらず、空
気やガスの出入りが可能であるが、モジュールが浸水を
受けた場合にも、内部に１気圧の空気や場合によって
は不活性ガスが充填されているために、水分の侵入量は
少ないこと、モジュールの内部温度が高いために、水
分が侵入した際には侵入した水分は水蒸気となって内部
のガス圧を高め、内部へのさらなる水分の侵入を防止す
ること、の理由で、電池の高温時にモジュール内部に大
量に浸水する恐れは無く、また、低温で浸水しても電池
が破損する恐れはないため、放水や浸水に対する安全性
は高い。なお、モジュールの防水効果を高めるために
は、モジュール内に充填した高温ナトリウム二次電池１
０の最下部と底板４の底部との間隔を１０ｃｍ以上とす
ることが望ましい。

【００５５】図３、図４、図５は本発明の他の実施の形
態に係わる高温ナトリウム二次電池モジュールの構造を
示しており、図１及び図２と同じ符号で記載されたもの
は同じ内容を示している。

【００５６】図３においても、複数個の高温ナトリウム
二次電池１０Ａが長手方向を横向きに寝かせて、水平方
向（横方向）と上下方向に配置されているため、図１及
び図２と同様に電池の大型化と効率向上との両立が可能
で、この結果として、単位出力当たりや単位容量当たり
の電池本数が低減されることによるモジュールの低コス
ト化が可能である。

【００５７】また、この図３においては、横方向に配置
されて隣接された電池同士が直列接続されてストリング
を形成し、各ストリングを構成する両端の電池同士が並
列接続されて、電池ブロックを構成している。さらに、
図示されているように、高温ナトリウム二次電池の外部
容器側面の大半が直方体形状の電池が用いられており、
この結果、電池を横置きした時の機械的安定性が向上す
る。さらに、高温ナトリウム二次電池１０Ａとモジュー
ルを構成する保温容器３０の内壁２、柱６や棚７との平
均間隔や電池間の平均間隔を円筒状電池を用いた場合よ
りも小さくすることができるため、図１及び図２と比べ
て同じ容積のモジュール内に容積の大きい単電池を収納
したり、図示されていないが同じ容積の単電池ではモジ
ュールの内部容積を小さくすることができ、この結果と
して、モジュールのエネルギー密度が向上するという利
点がある。なお、この効果は複数個の電池を横方向と共
に上下方向に積層して充填する場合に特に顕著であり、
横方向と共に上下方向にも電池間の平均間隔が低減で
き、また、横置きした電池を機械的安定性高く収納する
ことが容易にできるため、実用性の高い高温ナトリウム
二次電池モジュールが実現される。また、前述のよう
に、電池を横向きに寝かす効果で、モジュールの効率向
上や低コスト化の利点が得られる。

【００５８】ここで、図１及び図２、図３においては、
直列接続された複数個の高温ナトリウム二次電池１０の
長手方向が水平又は斜めに寝かせられると共に、電池の
長手方向が交互に反対向きに並べられ、これらの電池間
がブスバ１３によって接続されている。一般に高温ナト
リウム二次電池においては、図２に見られるように電池
の負極１０１と正極１０２とを電池の長手方向の両端に
設けることにより電池構造を簡素化することができる。
さらに、直列接続の電池間で長手方向を交互に反転し
て、電池間の正極端子と負極端子とを接近させることに
より、接続に用いられるブスバが短くできる。これらの
結果、電池構造や接続構造が簡素化され、モジュールの
低コスト化が容易に実現できる。

【００５９】図４においても、高温ナトリウム二次電池
１０Ｂの長手方向が横向きに寝かせて配置され、絶縁材
９を介して水平方向に複数個の電池が隣接すると共に、
上下方向にも最密充填されるように電池が配置されてお
り、この結果として電池の充填密度を高め、モジュール
のエネルギー密度を向上させている。また、最下段電池
を下部に設けた柱６Ｂと棚７Ｂで支えると共に、その上
の電池の重量は各電池の外部容器の剛性で支持してい
る。さらに、この図４の電池１０Ｂにおいては、電池の
長手方向の片側に負極１０１と正極１０２とを設けると
共に、各電池の負極／正極間をブスバ１３によって接続
して、モジュール内に含まれる全電池を直列接続してい
る。また、保温容器３０を構成する外壁１の上面１１と
側面１２及び内壁２の上面２１、側面２２と底面２３と
を気密接続して、外壁の内側の空間３１を真空引き又は
減圧することによって、保温容器の断熱性を高め、モジ
ュールの小型化を実現している。なお、この図４におい
ては、保温容器の下部を構成する底板４と棚７Ｂとの間
には断熱材３が充填されているが、場合によってはこの
部分も真空断熱することが可能である。

【００６０】図５においては、複数の高温ナトリウム二
次電池１０Ｂの長手方向を直立させて、水平方向及び上
下方向に配置している。この図５においては、電池の上
部に負極１０１、側部に正極１０２が設けられており、
モジュール内の全電池が直列接続されている。

【００６１】ここで、本発明のモジュール構造のよう
に、単電池を上下方向に積層して保温容器内に収納する
場合、保温容器内の空気などのガス対流の影響で、上下
の電池間に温度差が付いて、上下に設置された電池間で
電池抵抗に差異を生じ、電池抵抗の異なる電池間が並列
接続されると電池間に循環電流が流れて、モジュールの
効率が低下する。さらに、電池間に電流アンバランスが
生じて、他の並列電池より大電流が流れる電池が早く充
放電限界に達して、他の並列電池の容量が残った状態で
モジュールが運転限界に達するためにモジュールの容量
が低下するという問題がある。この問題に対しては、ヒ
ータ８の上部密度を下部より小さくすることによってあ
る程度対処できるが、放電時のようにヒータがほとんど
稼動されない場合には上下の電池間の温度差低減は困難
である。なお、図１及び図２、図３、図４のように電池
の長手方向を水平又は斜めに寝かせた場合には個々の電
池の上下方向の高さが図５のように電池の長手方向を直
立させた場合よりも小さくなるため、モジュールの高さ
が同じであれば最上段と最下段との電池間の温度差が大
きくなり易く、上下の電池間の温度差は特に大きな問題
となる。一方、従来のモジュール構造のように、直立し
た電池が上下に積層されることなく保温容器内に水平方
向に並べて収納される場合には、保温容器内の上下方向
の温度差によって電池内の上下方向に温度差が生じて
も、各電池間の温度差は小さいために電池間の温度差の
問題は起こりにくいが、モジュールの設置空間の自由度
向上のために、電池を保温容器の上下方向に積層して収
納する場合には、しかるべき対策をすることが望まし
い。

【００６２】この問題に対して、図４、図５の構造で
は、モジュールを構成する全ての電池が直列接続されて
いるために、モジュールを構成する保温容器内に温度勾
配があって電池間に電池抵抗の差が生じても、モジュー
ル内の電池間に循環電流が流れる問題はなく、電池間の
電流アンバランスの問題も起こらず、モジュールの効率
や容量が高く保たれるという利点がある。なお、全電池
を直列接続した場合には、保温容器の上下方向の温度分
布だけでなく、横方向の温度分布が生じた場合にも電池
間の循環電流が防止されて、優れたモジュール特性が得
られる。

【００６３】また、図１及び図２の構造においては、上
下に隣接した電池間が直列接続されてストリングを形成
し、各ストリングの端部に設置された電池間が並列接続
されて、電池ブロックが形成されている。このような電
池接続構成を用いれば、保温容器内の上下に温度差があ
って上下の電池間に抵抗差が生じても、抵抗差のある電
池同士は直列接続されてストリングを形成しており、各
ストリング間の抵抗差はモジュールの上下方向の温度差
によっては生じない。この結果、ストリングを並列接続
した電池ブロック内に循環電流が流れて電池効率が低下
したり、ストリング間に大きな電流アンバランスが発生
したりする問題は起こりにくく、モジュールの効率や容
量が高いという利点がある。なお、この場合には保温容
器の横方向に温度分布が生じるとストリング間に循環電
流が流れ易くなるため、保温容器側面の断熱性を高め
て、この問題に対処することが望ましい。

【００６４】さらに、図４、図５や図１及び図２に見ら
れるように、温度分布の付きやすい上下方向の電池を直
列接続して通電すれば、温度が低い電池ほど電池抵抗が
大きいために通電による電池発熱量が増加し、結果とし
て電池間の温度分布が均一化されるという利点もある。
なお、上下方向に配列された電池同志の一部又は全部が
直列接続されてストリングが形成され、このストリング
の全部が並列接続された電池ブロックでモジュールが形
成された場合、及び、一部のストリング同志が並列接続
されて電池ブロックが形成され、この電池ブロック間が
直列又は／及び並列接続されてモジュールが形成された
場合にも同様な効果が得られる。

【００６５】一方、図３においては、横方向に配置され
た電池間が直列接続されてストリングが形成され、スト
リングの端部に設置された電池間が上下方向に並列接続
されて、電池ブロックが形成されている。このような電
池接続構成を用いれば、電池が破損して万一電池からナ
トリウムが漏れて上下の電池間が短絡しても、モジュー
ル内の上下方向に配置された電池同志の電圧がほぼ等し
いために、短絡電流を小さく押さえることができ、モジ
ュールの安全性が向上するという利点がある。なお、水
平方向に配列された電池同志の一部又は全部が直列接続
されてストリングが形成され、このストリングの全部が
並列接続された電池ブロックでモジュールが形成された
場合、及び、一部のストリング同志が並列接続されて電
池ブロックが形成され、この電池ブロック間が直列又は
／及び並列接続されてモジュールが形成された場合にも
同様な効果が得られる。

【００６６】具体例として、図１及び図２に示すよう
に、幅１．２ｍ、奥行き０．９ｍ、高さ１．８ｍ、肉厚
２．３ｍｍの鋼板１の内側に厚さ約１５０ｍｍのロック
ウール製断熱材３、さらにその内側に金属パネル製の内
壁２を設け、内壁にシーズヒータから成るヒータ８を取
り付けた。また、その内部に底板４、及び、柱６と棚７
から成る幅０．９ｍ、奥行き０．６ｍの計量棚を設置
し、棚７にマイカ板から成る絶縁材９を設置し、その上
に定格容量２０００Ａｈ、概略寸法７５０ｍｍ×１２０
ｍｍΦのナトリウム硫黄電池の長手方向を横向きにして
４０本設置し、電池間をアルミニウム製ブスバ１３で直
列接続すると共に、容器内に乾燥砂から成る絶縁粒子１
５を充填して、約１５０ｋＷｈモジュールを作成した。
なお、外壁１と底板４とはボルト５で接続されている。

【００６７】得られたモジュールは耐火性が高く、且
つ、モジュールを構成する断熱容器がキュービクルに収
納された従来構造に比べて、構造が簡単なため、低コス
ト化に適している。また、モジュールのエネルギー密度
は約７５ｋＷｈ／立方メートルで、従来の電池を収容し
た断熱容器をキュービクルへ収納した場合のエネルギー
密度と同程度である。さらに、モジュールを浸水して
も、外壁１の上面１１と側面１２とが気密に接合されて
いるために、高温時には内部に水が入らないなど、安全
面でも優れた特性が得られた。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、モジュールの構造が簡
素化され、低コスト化が可能である。また、耐火性が優
れていて火災に対する安全性を確保できるために、モジ
ュールを普通の建物内に収納して利用することができた
り、モジュールの周辺に空地を設ける必要を無くすこと
ができるなどの利点を生じ、モジュールの利用範囲の拡
大が可能となる。

【００６９】また、本発明によれば、エネルギー密度を
低下させずにモジュールの高さを小さくすることができ
るとともに、電池効率を高くし、単位出力当たりのモジ
ュールコストを低減でき、その結果、モジュールの設置
空間の高さや面積の自由度向上や低コスト化と高効率化
との両立など、実用化に適した高温ナトリウム二次電池
モジュールが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係わる高温ナトリウム
二次電池モジュールの構造を示す正面断面図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】本発明の他の実施の形態に係わる高温ナトリウ
ム二次電池モジュールの構造を示す正面断面図である。

【図４】本発明の更に他の実施の形態に係わる高温ナト
リウム二次電池モジュールの構造を示す正面断面図であ
る。

【図５】本発明の更に他の実施の形態に係わる高温ナト
リウム二次電池モジュールの構造を示す正面断面図であ
る。

【符号の説明】

１外壁３断熱材６柱７棚１０高温ナトリウム二次電池１１外壁の上面１２外壁の側面１３ブスバ３０保温容器３１外壁の内側の空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者間所学茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者日下部康次茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者波東久光茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者菊地賢三茨城県日立市幸町三丁目２番１号日立エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 5H011 AA04 AA06 AA09 AA13 BB03 CC06 DD11 KK01 5H022 AA14 AA19 CC25 CC30 KK04 5H029 AJ12 AJ14 AK05 AL13 AM15 BJ02 BJ06 BJ25 DJ02 DJ05 EJ01 HJ04 HJ12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温ナトリウム二次電池を複数個電気接続
し、保温容器内部へ収納した高温ナトリウム二次電池モ
ジュールにおいて、前記モジュールを構成する保温容器
の外壁が鋼板製又はＳＵＳ板製であり、その厚さが１．
６ｍｍ〜１０．０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする
高温ナトリウム二次電池モジュール。
【請求項２】請求項１記載の高温ナトリウム二次電池モ
ジュールにおいて、前記外壁の厚さが２．３ｍｍ以上で
あることを特徴とする高温ナトリウム二次電池モジュー
ル。
【請求項３】請求項１又は２記載の高温ナトリウム二次
電池モジュールにおいて、前記外壁の内側に断熱材が充
填されるか、あるいは、前記外壁の内側の空間が真空引
き又は減圧されることによって、内部へ収納した前記高
温ナトリウム二次電池が保温されることを特徴とする高
温ナトリウム二次電池モジュール。
【請求項４】請求項１，２又は３記載の高温ナトリウム
二次電池モジュールにおいて、前記外壁の上面と側面と
が気密封止されていることを特徴とする高温ナトリウム
二次電池モジュール。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項記載の高温ナ
トリウム二次電池モジュールにおいて、前記高温ナトリ
ウム二次電池の長手方向を水平又は斜めに寝かせて収納
したことを特徴とする高温ナトリウム二次電池モジュー
ル。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項記載の高温ナ
トリウム二次電池モジュールにおいて、前記高温ナトリ
ウム二次電池を上下方向に複数個積層して収納したこと
を特徴とする高温ナトリウム二次電池モジュール。
【請求項７】請求項６記載の高温ナトリウム二次電池モ
ジュールにおいて、前記モジュール内に柱と棚を設け、
前記高温ナトリウム二次電池を前記柱と棚で支えること
を特徴とする高温ナトリウム二次電池モジュール。
【請求項８】請求項１〜６のいずれか１項記載の高温ナ
トリウム二次電池モジュールにおいて、前記高温ナトリ
ウム二次電池の側面が直方体形状であることを特徴とす
る高温ナトリウム二次電池モジュール。
【請求項９】請求項１〜６のいずれか１項記載の高温ナ
トリウム二次電池モジュールにおいて、前記モジュール
内に収納した全電池間を直列接続することを特徴とする
高温ナトリウム二次電池モジュール。
【請求項１０】請求項６記載の高温ナトリウム二次電池
モジュールにおいて、前記モジュール内に上下方向に配
置した電池間を直列接続してストリングを形成し、前記
ストリング端部に位置する電池間を並列接続して電池ブ
ロックを形成することを特徴とする高温ナトリウム二次
電池モジュール。
【請求項１１】請求項６記載の高温ナトリウム二次電池
モジュールにおいて、前記モジュール内に横方向に配置
した電池間を直列接続してストリングを形成し、前記ス
トリング端部に位置する電池間を並列接続して電池ブロ
ックを形成することを特徴とする高温ナトリウム二次電
池モジュール。
【請求項１２】請求項１０又は１１記載の高温ナトリウ
ム二次電池モジュールにおいて、前記電池ブロック同士
を直列接続又は／及び並列接続することを特徴とする高
温ナトリウム二次電池モジュール。
【請求項１３】複数個の高温ナトリウム二次電池の長手
方向を水平又は斜めに寝かせ、直列接続又は直列接続と
並列接続してモジュール内へ収納した高温ナトリウム二
次電池モジュールにおいて、前記直列接続した複数個の
高温ナトリウム二次電池の長手方向端部を交互に反対向
きに並べて、隣接電池の正極／負極間を電気接続するこ
とを特徴とする高温ナトリウム二次電池モジュール。
【請求項１４】複数個の高温ナトリウム二次電池の長手
方向を水平又は斜めに寝かせ、モジュール内へ収納した
高温ナトリウム二次電池モジュールにおいて、前記高温
ナトリウム二次電池の側面が直方体形状であることを特
徴とする高温ナトリウム二次電池モジュール。
【請求項１５】請求項１４記載の高温ナトリウム二次電
池モジュールにおいて、前記高温ナトリウム二次電池が
上下方向に複数個積層して収納されることを特徴とする
高温ナトリウム二次電池モジュール。