JPH10117447A

JPH10117447A - ナトリウム硫黄電池システム

Info

Publication number: JPH10117447A
Application number: JP9224598A
Authority: JP
Inventors: Tadahiko Mitsuyoshi; 忠彦三吉; Manabu Madokoro; 間所　　学; Koji Kusakabe; 康次日下部; Hisamitsu Hatou; 久光波東; Yoshio Eguchi; 吉雄江口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 1998-05-06

Abstract

(57)【要約】【課題】信頼性が高く、かつ、構成が簡単なナトリウム
硫黄電池システムを提供する。【解決手段】断熱容器５内に収納された複数個のナトリ
ウム硫黄単電池が、交直変換装置３と電流スイッチ６３
を介して電力系統１に接続されたナトリウム硫黄電池シ
ステムにおいて、前記交直変換装置がＩＧＢＴ素子で構
成され、前記電流スイッチとしてマグネティックスイッ
チを用いたナトリウム硫黄電池システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負荷平準化などの
ような電力貯蔵システムに好適なナトリウム硫黄電池シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】負極にナトリウム，正極に硫黄を用いた
ナトリウム硫黄電池は、その効率やエネルギー密度が大
きいことから注目され、電力貯蔵装置や電気自動車など
への利用が期待されている。

【０００３】従来のナトリウム硫黄電池システムにおい
ては、例えば特開平3−155060号，特開平3−214570号，
特開平4−357675号公報などに見られる様に、複数個の
単電池を直並列に接続して断熱容器へ収納し、これを単
独またはさらに直並列に接続して、交直変換装置を介し
て電力貯蔵システムとして使用することが考えられてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ナトリ
ウム硫黄電池システムの信頼性確保と構成の簡単化のた
めには、システムの構成要素として適切なものを選び、
かつ、交直変換装置の耐圧や容量と、ナトリウム硫黄電
池の直並列数とを最適化する必要がある。しかし、従来
のシステムはこれらの問題を十分考慮されたものではな
かった。

【０００５】また、単電池を並列接続すると、電池特性
のばらつきや断熱容器内の温度ばらつき、さらに、単電
池の一部の故障等によって特性にアンバランスを生じ、
システム内部に循環電流が流れて、システムを構成する
電池の劣化を招くという問題もあった。

【０００６】さらに、例えば変電所へナトリウム硫黄電
池システムを設置する場合、システムの信頼性を特に高
める必要があるが、従来のナトリウム硫黄電池システム
においては、システムの一部が破損した際に、システム
全体の機能を停止することなく、これに対処するのは困
難であった。

【０００７】本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除
き、負荷平準化などのような電力貯蔵システムに用いる
に好適な、高信頼性のナトリウム硫黄電池システムを提
供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、構成が簡単で高信頼
性のナトリウム硫黄電池システムを提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。

【００１０】断熱容器内へ収納された複数個のナトリウ
ム硫黄電池（単電池）が、交直変換装置と電流スイッチ
を介して電力系統に接続されたナトリウム硫黄電池シス
テムにおいて、前記交直変換装置がＩＧＢＴ(Insulated
Gate Bipolar Transistor）素子で構成され、前記電流
スイッチとしてマグネティックスイッチを用いることを
特徴とするナトリウム硫黄電池システムにある。なお、
前記交直変換装置を流れる電流は２０００Ａ以下である
ことが望ましい。

【００１１】また、前記交直変換装置に接続された前記
複数個の単電池の全直列数が３００±５０個の範囲にあ
り、前記交直変換装置を流れる電流が約２０００Ａ以下
であるナトリウム硫黄電池システムにある。

【００１２】また、前記交直変換装置に印加される前記
ナトリウム硫黄電池の平均電圧が６００±１００Ｖ、あ
るいは８００±１００Ｖであり、前記交直変換装置を流
れる電流が２０００Ａ以下であるナトリウム硫黄電池シ
ステムにある。

【００１３】ここで、前記交直変換装置の容量は０.５
〜１.５ＭＶＡの範囲にあり、特に１ＭＶＡであること
が望ましい。また、前記複数個の単電池が直並列に接続
されており、最小の直列単位を構成する前記単電池の数
が１０〜１００個、特に２０〜１００個であることが望
ましい。

【００１４】なお、前記複数個の単電池が収納された断
熱容器が複数個直列に接続されており、前記断熱容器１
個内の単電池の全直列数が１０〜１００個、特に２０〜
100個であることが好ましい。

【００１５】また、上記のナトリウム硫黄電池システム
を複数個並列に接続して構成することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明のナトリウム硫黄電池シス
テムの交直変換装置を構成する半導体素子としては、制
御が容易で、システム構成が簡単になり、かつ信頼性が
高いという理由からＩＧＢＴ素子が望ましい。

【００１７】このＩＧＢＴ素子を用いた交直変換装置
は、複数の交直変換装置を並列に接続するのは容易であ
るが、直列に接続するのは比較的困難である。

【００１８】また、電力貯蔵システム及び交直変換装置
の効率は、電圧を大きくし電流を少なくした方が一般に
高くでき、かつ、構成も簡単にできる。このため交直変
換装置の電圧としては、用いるＩＧＢＴ素子の耐圧の許
容範囲内で、できるだけ高くして使用することが望まし
い。具体的には、現在広く用いられている１２００Ｖ級
や２０００Ｖ級ＩＧＢＴ素子の場合、接続する電池電圧
は６００Ｖまたは1000Ｖ程度とするのが望ましい。な
お、将来的には、３３００Ｖや３５００Ｖ級のＩＧＢＴ
素子が開発されれば、接続する電池電圧を１６５０Ｖま
たは１７５０Ｖ程度に高めることができる。

【００１９】一方、交直変換装置の電流としては、ＩＧ
ＢＴ素子を並列接続することにより、必要なだけ大きく
することが可能であるが、効率を高くすることの他に、
電流スイッチによる制約を考慮する必要がある。即ち、
ナトリウム硫黄電池システムの操作性を考慮すると、交
直変換装置と電流スイッチを介して電力系統に接続する
必要があるが、この電流スイッチとして信頼性の高い汎
用のマグネティックスイッチを用いることにより、構成
が簡単で、かつ、信頼性の高いナトリウム硫黄電池シス
テムを実現することができる。

【００２０】このためにはシステム内の単電池の並列数
を適切に選んで、前記交直変換装置に流れる電流を２０
００Ａ以下とすることにより、電流スイッチとして信頼
性の高い汎用のマグネティックスイッチを用いることが
できる。また、前記のように電池電圧を６００Ｖ程度と
すれば、耐圧的にも汎用のマグネティックスイッチが使
用でき、マグネティックスイッチの信頼性も高くなると
いう利点も生ずる。

【００２１】このように交直変換装置の電圧と電流が決
まると、交直変換装置の容量を0.5〜１.５ＭＶＡの範
囲、特に１ＭＶＡとすることができ、交直変換装置を構
成するＩＧＢＴ素子としてＵＰＳ(Uninterruptible Pow
er Supply：無停電電源装置)などで汎用されている１Ｍ
ＶＡクラスの素子を用いることができ、構成が簡単で、
信頼性の高い交直変換装置が得られる。

【００２２】本発明において、前記交直変換装置に接続
された単電池の全直列数を３００±５０個の範囲とした
ことにより、交直変換装置にかかる放電時の平均直流電
圧は約６００±１００Ｖの範囲となり、ＩＧＢＴ素子と
しては耐圧１２００Ｖ級の使用実績が豊富で、スイッチ
ング周波数が４ｋＨｚと高く、高信頼性の汎用の素子が
使用できる。

【００２３】単電池の全直列数が３５０個を超えると耐
圧１２００Ｖ級のＩＧＢＴ素子に対しては電圧が高くな
り過ぎ、２５０個を下回ると電圧が低くなり過ぎ、昇圧
回路などが必要となり、交直変換装置の効率も低下す
る。

【００２４】また、ＩＧＢＴ素子として耐圧２０００Ｖ
級の素子を用いれば、信頼性が高く、かつ、スイッチン
グ周波数が１〜２ｋＨｚと比較的高いため、電池から出
力される直流を交流へ変換した時の高調波対策が容易で
あるという利点がある。この場合、交直変換装置にかか
る放電時の平均直流電圧は約８００±１００Ｖの範囲に
選ばれる。

【００２５】この結果、信頼性が高く、特殊な付属装置
を必要としない簡単な構成のナトリウム硫黄電池システ
ムを得ることができる。また、上記電流を制限範囲内
で、できるだけ大きくすることにより交直変換装置も大
容量にでき、更にシステム構成を簡単にできるという効
果がある。なお、電圧の制限範囲も考慮すると、交直変
換装置の容量としては１ＭＶＡ程度が望ましい。

【００２６】また、本発明のナトリウム硫黄電池システ
ムにおいては、複数個の単電池が直並列に接続されてお
り、その最小の直列単位を構成する単電池の数が１０〜
100個、望ましくは２０〜１００個であることが望まし
い。この場合、たとえ１個の単電池が故障し完全に短絡
しても、故障電池に直列した単電池群の起電力や抵抗の
効果で、並列となっている単電池群から流入する循環電
流は定格電流の２倍程度以下に押さえられるため、結果
として単電池に流れる電流は定格電流の３倍程度以下と
なり、電池の電流許容範囲内に納まる。

【００２７】即ち、エネルギー効率９０％のナトリウム
硫黄電池の場合、単電池１個当りの起電力は２.０７Ｖ
程度で、定格電流通電時の単電池内部抵抗による電圧降
下は式（１）で求められ０.１０９Ｖとなる。

【００２８】

【数１】２.０７×(１−０.９)／(１＋０.９)＝０.１０９ …（１）直列数１０個の場合の循環電流の大きさは、式（２）よ
り、

【００２９】

【数２】２.０７／〔(１０−１)×０.１０９／定格電流〕＝２×定格電流 …（２）となって、故障電池に直列した単電池に余分に流れる電
流は、ほぼ定格電流の２倍に抑えられる。一方、直列数
２０個の場合の循環電流の大きさは、式（３）より、

【００３０】

【数３】２.０７／〔(２０−１)×０.１０９／定格電流〕＝定格電流 …（３）となって、故障電池に直列した単電池に余分に流れる電
流は、ほぼ定格電流分に抑えられ、信頼性が一層向上す
る。なお、直列数１００個の場合の循環電流はさらにこ
れより小さい。

【００３１】このため、故障電池に直列した単電池が劣
化する恐れは全くなく、単電池の直列単位ごとにヒュー
ズ等の保護手段を設ける必要もない。もちろん、単電池
間の特性ばらつきやシステム内の温度分布の影響は、単
電池の短絡の影響よりも小さいので、これによる循環電
流も十分小さくできる。

【００３２】また、最小の直列単位を構成する単電池の
直列数が１００個以下となっておれば、単電池間に充電
深度のばらつきがあって、充電時に１個の電池に電圧が
集中したとしてもその電圧は高々１５Ｖ程度であり、電
池が破損する恐れはないので特別の保護回路を必要とし
ない。

【００３３】即ち、ナトリウム硫黄電池の場合、起電力
２.０７Ｖに対して１本当りの充電電圧は２.３Ｖ程度
で打ち切るのが一般的である。したがって、前述と同様
にエネルギー効率９０％とすると、直列数１００個の場
合、

【００３４】

【数４】２.３×１００−(２.０７＋０.１０９)×９９＝１４.３Ｖ …（４）となって、電圧集中は１５Ｖ以下に抑えられることが分
かる。また、直列数１０個または２０個の場合の電流集
中はもっと小さい。これらの結果、システムの構成が簡
単で信頼性も高いことが理解できよう。

【００３５】システムを構成する単電池の最小の直列単
位を、１０〜１００個または２０〜１００個とする場
合、１個の断熱容器へ収納する単電池の直列数をこれに
合わせることが好ましい。

【００３６】さらに、ナトリウム硫黄電池，断熱容器，
交直変換装置および電流スイッチから構成される本シス
テムを複数個並列に接続して、全体のシステムを構成す
ることにより、万一、どこかに故障が起こっても、故障
部分を電流スイッチ単位で切り離し、残りのシステムで
運転することができる。これにより全システムが停止す
る恐れもないので、信頼性を大幅に向上することができ
る。

【００３７】さらにまた、残りのシステムで運転してい
る間に、切り離した故障部分の修理ができるので、シス
テムの保守性という面でも優れている。

【００３８】以下、本発明を実施例に基づき説明する。

【００３９】図１に、本発明の一実施例であるナトリウ
ム硫黄電池システムの構成を示す。通常、電力系統１は
３相であるが、ここでは説明を簡略化するため１相のみ
を示した。

【００４０】ナトリウム硫黄電池を複数個収納したナト
リウム硫黄電池モジュール２は、ＩＧＢＴ素子を用いた
交直変換装置３および電流スイッチ６２，６３，６４を
介して、電力系統１と接続されている。また、この図で
は交直変換装置の１台当りにＮ直列，Ｍ並列のナトリウ
ム硫黄電池モジュール２が接続されており、２台の交直
変換装置３，３′が並列に電力系統１と接続されてい
る。さらに、必要に応じて回路を切り離すための遮断器
６１を有し、昇圧トランス７１，絶縁のための１：１ト
ランス７２，高周波ノイズの抑制のためのコンデンサ８
で構成されている。

【００４１】また、図２はナトリウム硫黄単電池４を断
熱容器５内でｎ直列，ｍ並列に接続されたナトリウム硫
黄電池モジュール２の模式構成図である。なお、断熱容
器５の内部にはヒータ等の加熱手段（図示省略）が設置
されており、これによってナトリウム硫黄単電池４は３
００〜３５０℃に保温されている。

【００４２】ここで、ナトリウム硫黄単電池４の直列数
ｎは１０〜１００個または２０〜１００個に選ばれる。
また、交直変換装置３の１台当りのナトリウム硫黄単電
池４の全直列数ｎＮ（断熱容器５内の直列数ｎと、ナト
リウム硫黄電池モジュール２の直列数Ｎとの積）が、Ｉ
ＧＢＴ素子として１２００Ｖ級の素子を用いる場合には
３００±５０の範囲に選ばれる。これによって、交直変
換装置３に加わる放電時の平均直流電圧は６００±１０
０Ｖとなる。一方、ＩＧＢＴ素子として2000Ｖ級の素子
を用いる場合には交直変換装置３に加わる放電時の平均
直流電圧は８００±１００Ｖに選ばれる。

【００４３】さらに、ナトリウム硫黄電池モジュール２
内の電池並列数ｍと、ナトリウム硫黄電池モジュール２
の並列数Ｍとの積ｍＭに、ナトリウム硫黄単電池４の定
格電流値を掛け合わせた電流値を２０００Ａ以下に設定
する。このため電流スイッチ６２，６３，６４として
は、汎用のマグネティックスイッチが用いられる。

【００４４】なお、図１では２台の交直変換装置３，
３′を並列に電力系統１と接続したが、必要に応じて単
独で接続される場合、あるいは、１０台くらいが並列に
接続される場合もある。

【００４５】具体例として、１本当たりの容量約２９０
Ａｈ(３６.５Ａで８ｈ放電），定格出力約７０Ｗ，体積
約１３００cm³のナトリウム硫黄単電池を３６本直列に
し、これを６並列して、体積約０.８ｍ³の断熱容器に収
納した定格出力約１５ｋＷのモジュールを得る。このモ
ジュールを９個直列に接続し、これを８組並列に接続し
て１２００Ｖ級のＩＧＢＴ素子と汎用マグネティックス
イッチを用いた定格容量約１ＭＶＡ，効率９５％以上の
交直変換装置に接続する。

【００４６】ここで、交直変換装置に加わる放電時の平
均直流電圧は６２０Ｖ、電流は1610Ａである。そして、
この交直変換装置を１相当り３並列すると、３相で計９
台を変電所に設置することにより、約９ＭＷのナトリウ
ム硫黄電池システムが得られる。

【００４７】このナトリウム硫黄電池システムにおいて
は、電池の直並列数が適切に選定されているため、構成
する電気部品として実績のある汎用品が用いられ、シス
テムを構成する部品の信頼性が高く、かつ、構成を簡素
化できる。

【００４８】さらに、万一故障が起こっても、故障部分
をモジュールの直列単位、または、交直変換装置単位で
切り離して、残りのシステムで継続運転できるため、シ
ステム全体の信頼性を高くすることができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、信頼性の高いナトリウ
ム硫黄電池システム、または、信頼性が高く、構成が簡
単なナトリウム硫黄モジュールシステムが実現できる。

【００５０】また、本発明のナトリウム硫黄電池システ
ムは負荷平準化などのような電力貯蔵システムに用いる
に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のナトリウム硫黄電池システムの構成の
一例を示す模式構成図である。

【図２】本発明のナトリウム硫黄電池モジュ−ルの構成
の一例を示す模式構成図である。

【符号の説明】

１…電力系統、２…ナトリウム硫黄電池モジュール、
３，３′…交直変換装置、４…ナトリウム硫黄単電池、
５…断熱容器、８…コンデンサ、６１…遮断器、６２，
６３，６４…電流スイッチ、７１…昇圧トランス、７２
…１：１トランス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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日立工場内 (72)発明者江口吉雄茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】断熱容器内に収容された複数個のナトリウ
ム硫黄電池が、交直変換装置と電流スイッチを介して電
力系統に接続されたナトリウム硫黄電池システムにおい
て、前記交直変換装置がＩＧＢＴ素子で構成され、前記
電流スイッチとしてマグネティックスイッチを用いたこ
とを特徴とするナトリウム硫黄電池システム。
【請求項２】前記交直変換装置を流れる電流が２０００
Ａ以下である請求項１に記載のナトリウム硫黄電池シス
テム。
【請求項３】前記交直変換装置に接続された前記複数個
のナトリウム硫黄電池の全直列数が３００±５０個の範
囲にあり、前記交直変換装置を流れる電流が２０００Ａ
以下である請求項１に記載のナトリウム硫黄電池システ
ム。
【請求項４】前記交直変換装置に印加される前記ナトリ
ウム硫黄電池の平均電圧が６００±１００Ｖであり、前
記交直変換装置を流れる電流が２０００Ａ以下である請
求項１に記載のナトリウム硫黄電池システム。
【請求項５】前記交直変換装置に印加される前記ナトリ
ウム硫黄電池の平均電圧が８００±１００Ｖであり、前
記交直変換装置を流れる電流が２０００Ａ以下である請
求項１に記載のナトリウム硫黄電池システム。
【請求項６】前記交直変換装置の容量が０.５から１.５
ＭＶＡの範囲にある請求項１に記載のナトリウム硫黄電
池システム。
【請求項７】前記交直変換装置の容量が１ＭＶＡである
請求項１に記載のナトリウム硫黄電池システム。
【請求項８】前記複数個のナトリウム硫黄電池が直並列
に接続されており、最小の直列単位を構成する前記単電
池の直列数が１０〜１００個である請求項１に記載のナ
トリウム硫黄電池システム。
【請求項９】前記複数個のナトリウム硫黄電池が収納さ
れた断熱容器が複数個直列に接続されており、前記断熱
容器１個内の前記ナトリウム硫黄電池の全直列数が１０
〜１００個である請求項１に記載のナトリウム硫黄電池
システム。
【請求項１０】前記複数個のナトリウム硫黄電池が直並
列に接続されており、最小の直列単位を構成する前記単
電池の直列数が２０〜１００個である請求項１に記載の
ナトリウム硫黄電池システム。
【請求項１１】前記複数個のナトリウム硫黄電池が収納
された断熱容器が複数個直列に接続されており、前記断
熱容器１個内の前記ナトリウム硫黄電池の全直列数が２
０〜１００個である請求項１に記載のナトリウム硫黄電
池システム。
【請求項１２】前記断熱容器が加熱手段を有している請
求項１に記載のナトリウム硫黄電池システム。