JPH09298070A

JPH09298070A - モジュール型二次電池及びモジュール型二次電池ユニット

Info

Publication number: JPH09298070A
Application number: JP10991296A
Authority: JP
Inventors: Kenji Watanabe; 健次渡辺
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1997-11-18

Abstract

(57)【要約】【課題】モジュール型二次電池の温度変化に応じて放熱
量が定まる冷却装置を用いてモジュール型二次電池の出
力変更及び放電時間変更を可能にする。【解決手段】複数本のＮａＳ電池５…５を断熱容器３内
に収容してモジュールを構成したモジュール型ＮａＳ電
池１。モジュール型ＮａＳ電池１の温度変化に応じた放
熱量を有し、その加熱部が断熱容器３の底部の集熱底板
１０内に埋設された可変コンダクタンス型ヒートパイプ
１５を備え、その可変コンダクタンス型ヒートパイプ１
５によりモジュール型ＮａＳ電池１全体を放熱冷却す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ナトリウム−硫黄
電池（以下、ＮａＳ電池という）等の二次電池単体を複
数本一体収容したモジュールとして用いるモジュール型
二次電池及びそのモジュール型二次電池をケーシング内
に複数個収容するモジュール型二次電池ユニットであっ
て、モジュール型二次電池の温度調整を行なうために当
該モジュール型二次電池を冷却する冷却装置を備えたモ
ジュール型二次電池及びモジュール型二次電池ユニット
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気エネルギーとしての電力は、環境に
優しいクリーンなエネルギーであるため年々需要が増加
している。このような需要の増加に伴って建設される大
規模な電源は、需要地から離れた地点に建設されるた
め、電力輸送にかかるコストを低減することが、効率的
な電力供給システムを実現する上で極めて重要になって
いる。

【０００３】一方、電力の需要は産業用に比較して業務
用と家庭用を合わせた民生用の増加が著しく、昼間と夜
間の電力需要に大幅な差が生じており、電力供給システ
ムは、上述した電力需要の著しい差にも係わらず昼間の
最大消費電力に応じて設計されるため、供給システム全
体の効率が悪化し、経済性も悪かった。

【０００４】したがって、電力需要（負荷）を平準化し
且つ輸送コスト低減を可能にするために、電力貯蔵シス
テムが提案されている。この電力貯蔵システムは、電力
供給に余裕のある夜間に電力を貯蔵し、貯蔵された電力
を昼間の電力需要が高い際に用いて負荷の平準化、輸送
コストの低減を図るものであり、近年、注目を集めてい
る。

【０００５】このような電力貯蔵システムとして、電気
エネルギーの貯蔵（充電）と放出（放電）を行なう二次
電池を有するシステムがある。

【０００６】二次電池は、ナトリウム−硫黄電池（Ｎａ
Ｓ電池）、亜鉛−塩素電池、亜鉛−臭素電池、レドック
スフロー形電池、鉛蓄電池等各種存在し、異なる性能、
特徴を有している（図２３参照）。また、二次電池とし
てリチウムを正極活物質あるいは負極活物質に用いたリ
チウム電池も近年盛んに普及されている。特にリチウム
を負極活物質とした溶融塩二次電池の性能、特徴等を図
２４に示す。

【０００７】上述した二次電池においては、反応損失や
電気抵抗損失等の損失が発生すると、この損失が熱とな
って電池本体の温度を上昇させる。電池温度の上昇は、
電池反応の速度を速めて損失低減に繋がる場合も多い
が、反面、電池温度上昇は電池寿命（充放電回数の寿
命、使用耐年数の寿命）低下の原因となる。

【０００８】この電池温度上昇に伴う電池寿命の低下
は、各二次電池の作動温度の違い（図２３及び図２４参
照）に係わらず表れる。例えば、常温作動の鉛蓄電池の
電池温度と寿命回数（充放電回数）との関係を図２５に
示し、当該電池温度と寿命（使用耐年数）との関係を図
２６に示す。図２５及び図２６によれば、電池温度が上
昇するにつれて、電池の充放電回数及び使用耐年数が低
下していくことが分かる。

【０００９】したがって、二次電池の寿命を維持するに
は、二次電池の電池温度を適正温度に維持する必要があ
る。このため、二次電池では電池温度の温度管理を行な
っており、この温度管理には、電池最高温度を抑制・管
理するとともに、放電開始前の電池温度を一定温度に制
御・管理する方式が知られている。

【００１０】上述した二次電池の温度管理方式を、Ｎａ
Ｓ電池を例にとって以下に説明する。

【００１１】最初にＮａＳ電池の構造について説明す
る。図２７は、ＮａＳ電池（単電池）の構造を示す図で
ある。図２７によれば、単電池は円筒構造をしており、
中心からナトリウム極（負極）１００、硫黄極（正極）
１０１、ベータアルミナ管（電解質）１０２の順に構成
されている。また、ベータアルミナ管１０２内部には、
安全管１０３という金属容器が収納されている。

【００１２】ＮａＳ電池は、放電時及び充電時において
以下に示す一連の動作を行なう。すなわち、放電時にお
いては、ナトリウム極１００のナトリウムが外部回路に
電子を放出してナトリウムイオンとなり、そのナトリウ
ムイオンがベータアルミナ管１０２を通って硫黄極１０
２側へ移動し、その硫黄極１０２の硫黄及び外部回路か
ら送られてきた電子と反応して多硫化ナトリウムとな
る。また、充電時においては、多硫化ナトリウムがナト
リウムイオン、硫黄及び電子に分かれ、その内のナトリ
ウムイオンは、ベータアルミナ管１０２を通ってナトリ
ウム極１００側へ移動し、外部電源から供給される電子
を受け取ってナトリウムに戻る。

【００１３】上述した放電・充電動作を行なうＮａＳ電
池は高温作動型電池（図２３に示すように３００℃〜３
５０℃）であるため、単電池を集合化して断熱容器に収
納し、モジュールとして使用している。図２８は、その
モジュール構造を示す図である。

【００１４】図２８によれば、モジュール構造のＮａＳ
電池（ＮａＳモジュール電池）１１０は、真空容器壁か
ら成る蓋付箱型容器（蓋の部分を真空断熱容器（上）１
１１、容器本体を真空断熱容器（下）１１２という）を
有し、真空断熱容器（下）１１２内部に電池格納容器１
１３を備えている。この電池格納容器１１３は、真空断
熱容器（下）１１２の底部のアルミニウム製集熱底板１
１４上に設置され、その内部には、複数の単電池１１５
が立設状態で収容されている。複数の単電池１１５は、
充填固定化した砂（充填砂）１１６により固定されてい
る。

【００１５】真空断熱容器（下）１１２の側壁及び底壁
には、それぞれ側面ヒータ１１７及び底面ヒータ１１８
が設けられ、この側面ヒータ１１７及び底面ヒータ１１
８によりモジュール内部の温度コントロールを行なうよ
うになっている。なお、信号線、ヒータ導線等を含む導
線群は、真空断熱容器（下）側壁の貫通孔１１９を通じ
て主極１２０として外部に取り出されるようになってい
る。

【００１６】続いて、上述したＮａＳモジュール電池の
温度管理方式について説明する。

【００１７】ＮａＳモジュール電池からの発熱は、抵抗
損発熱とエントロピ損発熱によって決まり、充電／放電
時の通電電流値によって変化する。そして、発熱量は、
放電時には抵抗損発熱にエントロピ損発熱が加算される
ため高くなるが、充電時にはエントロピ損発熱が減算さ
れるため少ない。

【００１８】また、電池の作動温度は、低温になる程、
抵抗損が増加して発熱量が増加し、効率が悪化する（電
池反応が劣化する）。一方、高温では、抵抗損が減少す
る反面、経年劣化による経時的な内部抵抗が大きくなる
傾向にあり、電池寿命が低下する（前掲図２６参照）。
このため、通常のＮａＳモジュール電池では、適正な作
動温域が存在し、その作動温域は、上述したように３０
０℃〜３５０℃程度である。

【００１９】すなわち、ＮａＳモジュール電池の温度管
理では、当該ＮａＳモジュール電池の放電開始前の温度
を３００℃に設定し、放電時に上昇するＮａＳモジュー
ル電池の最高温度を３５０℃以下に設定することが重要
である。

【００２０】このように、ＮａＳモジュール電池の温域
を３００℃〜３５０℃に管理するためには、ＮａＳモジ
ュール電池内部から発生した熱を放熱（冷却）する必要
がある。従来、ＮａＳモジュール電池の冷却は、信頼性
の高い自然放冷を採用しており、［電池からの発熱量］
＝［電池自体の蓄熱（電池の温度上昇）］＋［断熱容器
表面からの放熱量（冷却量）］となる。

【００２１】以上述べた自然放冷方式によるＮａＳモジ
ュール電池の電池温度の推移を図２９に示し、この図２
９を参照しながら、実際のＮａＳモジュール電池１１０
における電池最高温度及び放電開始前温度の管理・制御
方法について、以下に説明する。

【００２２】（１）電池最高温度の管理ＮａＳモジュール電池１１０が放電を開始すると、放電
開始前温度Ｔsa（例えば３００℃）のＮａＳ電池の温度
は、電池の放電出力に応じて除々に上昇していく（時間
ｔ1 〜ｔ2 ）。

【００２３】しかしながら、ＮａＳモジュール電池１１
０の最高温度Ｔmaが所定の管理値（Ｔmax ：例えば３５
０℃）以下になるように、予め真空断熱容器（上）１１
１及び真空断熱容器（下）１１２からの放熱量を調節し
ている。具体的な調節方法としては、真空断熱容器
（上）１１１及び真空断熱容器（下）１１２を設計する
上で、その容器の真空容器壁の真空度の調節、及び真空
容器壁の厚さの調節により適切な放熱性能を得ている。
したがって、放電終了時（時間ｔ2 ）においては、Ｎａ
Ｓモジュール電池１１０の温度Ｔmaは、「Ｔma＜Ｔmax
」となっている。なお、通常は、電池からの放熱量と
電池自体への蓄熱量が略一致するように、真空断熱容器
の放熱性能を調節している。

【００２４】（２）放熱開始前温度の管理放電終了後（終了時、ＮａＳ電池温度Ｔma）以降は、真
空断熱容器（上）１１１及び真空断熱容器（下）１１２
の真空容器壁からの自然放熱により電池温度は除々に低
下し、ＮａＳモジュール電池の充電開始（時間ｔ3 ）か
ら充電終了時（時間ｔ4 ）においても、ＮａＳモジュー
ル電池１１０の温度は除々に低下していく（充電時には
僅かな発熱があるため、温度降下率が若干悪化する）。

【００２５】そして、ＮａＳモジュール電池１１０の温
度が放電開始前温度（管理値Ｔsa）近辺まで降温し、管
理値Ｔsaを所定温度越えて降温した時点（時間ｔ5 ）で
真空容器内部に設けられた側面ヒータ１１７及び底面ヒ
ータ１１８を駆動させてＮａＳモジュール電池１１０の
温度が管理値Ｔsaになるように微調節する。したがっ
て、次の放電開始時（ｔ6 ）の温度Ｔsa' とＴsaとの差
Δｔは、Δｔ＝０℃となる。

【００２６】以上述べたように、ＮａＳモジュール電池
の温度管理方式によれば、真空断熱容器の真空容器壁の
真空度、厚さ等を予め調節して適切な自然放熱量を設定
し、その自然放熱量及びヒータによりＮａＳ電池の温度
を管理する方式である。

【００２７】上述したモジュール構造のＮａＳ電池を複
数段（最大１０段程度）積み上げて１つのユニットとし
て用いることもできる。図３０（ａ）は、ＮａＳモジュ
ール電池１３０を３段積み上げたモジュール電池ユニッ
ト１３１を概略的に示す正面図（モジュールの短手方向
側の側面を正面とする）であり、（ｂ）は、そのモジュ
ール電池ユニット１３１を概略的に示す側面図である。

【００２８】図３０（ａ）及び（ｂ）によれば、モジュ
ール電池ユニット１３１は、冷却空気がケーシング１３
２内を自然循環するタイプ（自然循環タイプ図３０
（ａ）参照）及びブロワ等により冷却空気を強制的にケ
ーシング１３２内に循環させるタイプ（強制循環タイ
プ）の２種類ある。例えば自然循環方式によりユニット
１３１のケーシング１３１内に送られた冷却空気は、各
モジュール１３２間の隙間を通路として流れる。

【００２９】一方、電池格納容器１１３内の各単電池１
１５からは、真空断熱容器（上）１１１及び真空断熱容
器（下）１１２を介して熱流が放出されるが（図２７中
一点鎖線参照）、これら放熱された熱流は、モジュール
１３０間を流れる冷却空気により冷却される。

【００３０】このようにしてモジュール電池１３０から
放出された熱流を冷却した後、冷却空気は、ケーシング
１３２外部へ流出するようになっている。

【００３１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たＮａＳモジュール電池の温度管理方式では、以下に示
す課題がある。

【００３２】（１）ＮａＳモジュール電池運転出力及び
放電時間の変更が困難なこと。上述した温度管理方式で
は、ＮａＳモジュール電池からの放熱量と電池自体への
蓄熱量の和が当該電池からの発熱量と略一致するように
予め真空断熱容器の放熱性能を調節している。つまり、
電池からの発熱量が大きく変化しないこと（一定の放熱
量であること）を前提にして予め設定された放熱量に基
づく温度管理方式である。したがって、発熱量の変化を
伴うようなＮａＳ電池出力（出力容量）及び放電時間の
変更は、前掲図２９の放電時の温度上昇カーブ（時間ｔ
1 〜ｔ2）を変えることになる。例えば、図２９に仮想
線で示すように、ＮａＳ電池出力容量を増加させると、
放電時の温度上昇カーブは急激に上昇し（Ｃ1 ）、モジ
ュール電池温度は放電開始直後すぐに電池最高温度を越
えてしまうことになる。また、図２９から分かるよう
に、放電時の温度上昇カーブは、放電時間（ｔ1 〜ｔ2
）で電池最高温度に達するという比例カーブであるた
め、放電時間を増加させると（ｔ2 をｔ2'に変更）、温
度上昇カーブはその分だけ延長することになり（破線Ｃ
2 ）、同じくモジュール電池温度は電池最高温度を越え
てしまうことになる。また、モジュール電池温度降温時
の温度降下カーブは比例カーブであるため、放電時間の
増加に伴って待機時間、充電時間等が必要以上に増加す
ると、上昇時と同様に温度降下カーブの急激な降下及び
温度降下カーブの延長を招き、モジュール電池温度が放
電開始前温度よりも大幅に減少する恐れが生じる。すな
わち、従来の温度管理方式では、ＮａＳモジュール電池
の運転出力及び放電時間を変更させると、モジュール電
池の電池最高温度と放電開始前温度（管理値）を維持す
ることが非常に困難になるため、当該運転出力及び放電
時間を変更することができず、ＮａＳモジュール電池の
実用性向上を阻害している。

【００３３】（２）真空断熱容器の真空度管理が必要な
こと。

【００３４】予め調節した所定量の放熱量を確保するた
めに、断熱容器の真空度を維持・確保する必要が生じ、
メンテナンスフリーの観点から問題であった。

【００３５】（３）ヒータに対する投入電力の増加に起
因してエネルギー効率が低下すること。電力貯蔵用のＮ
ａＳモジュール電池は１０年以上の使用を考えている
が、前掲図２５に示したように、充放電効率の経年劣化
により電池発熱量が増加するため、真空断熱容器の真空
度調節等を行なって放熱性能を増加させ、電池最高温度
の低減を図ることが必要になる。このため、放電終了後
の電池温度降下率が大きくなり、放電開始前温度維持の
ためのヒータに対する投入電力が増加して、ＮａＳモジ
ュール電池のエネルギー効率が低下した。

【００３６】（４）真空の断熱容器が必要なこと。現状
の真空断熱容器では、図３１の矢印で示す熱流の流れか
ら分かるように、側壁面と上下壁面から放熱があり、更
に蓋構造の合わせ部からの放熱がある。上述したよう
に、ＮａＳモジュール電池は高温動作であることから、
電池内部の温度が極度に低下することを防止するため
に、断熱壁を真空にする構造を用いて総放熱量の低減を
図っている。しかしながら、この真空の断熱容器は封じ
切りで長期間に亘って所定の真空度を維持する必要があ
るため、高度な容器の製造技術が必要になり、コスト高
を招いた。

【００３７】（５）ＮａＳモジュール電池内の水平方向
の温度分布が大きいこと。単電池群からの放熱（熱流）
は、上下壁面からよりも容器の水平方向に沿って側壁面
を介して外部に放出されるため、ＮａＳモジュール電池
内部の水平方向に沿って図３１に示すような温度分布が
発生してしまった。

【００３８】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、モジュール構造の二次電池（モジュール型二
次電池）の温度変化に応じて放熱量（冷却量）が定まる
冷却装置を用いることにより、モジュール型二次電池の
出力変更及び放電時間変更を可能にすることを第１の目
的とする。

【００３９】また、本発明は、モジュール型二次電池の
断熱容器を非真空とすることにより、低コスト、真空度
の管理等の必要の無いメンテナンスフリーのモジュール
型二次電池を提供することをその第２の目的とする。

【００４０】また、本発明は、モジュール型二次電池を
構成する断熱容器の側壁面を介して放熱させるのではな
く、容器の底部（下壁面）を介して放熱させることによ
り、モジュール型二次電池内の水平方向の温度分布を略
一定にすることをその第３の目的とする。

【００４１】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明では請求項１乃至３に記載したように、
複数本の二次電池単体（例えばナトリウム−硫黄電池）
を容器内に収容してモジュールを構成したモジュール型
二次電池において、前記モジュール型二次電池の温度変
化に応じた放熱量を有し、当該モジュール型二次電池全
体を放熱冷却する冷却装置（例えば、内部に熱作動媒体
及び不凝縮ガスが封入された可変コンダクタンス型ヒー
トパイプ）を備えている。

【００４２】請求項４乃至６に記載した発明によれば、
前記ヒートパイプは、前記熱作動媒体が封入され外部か
ら加熱される加熱部と、この加熱部による熱作動媒体の
加熱により発生する蒸気に基づいて凝縮作用を行なう凝
縮部と、この凝縮部に連通された前記不凝縮ガス封入用
のガス溜まり部とを備え、前記ガス溜まり部に封入され
た不凝縮ガスは、前記凝縮部内の所定位置まで滞留して
いる。そして、当該ヒートパイプは、前記加熱部が前記
容器の底部に配設され、前記凝縮部を含むパイプが前記
加熱部に対して略直交するように曲げられて前記容器の
少なくとも１つの側面に略平行に配設されたＬ字型構造
である。

【００４３】請求項７乃至８に記載した発明によれば、
前記凝縮部の軸方向に沿った全域に亘って放熱フィンを
設け、前記放熱フィンは前記凝縮部の軸方向に沿った所
定部位から前記加熱部側の端部に向けてテーパー状に形
成されている。また、請求項９に記載した発明によれ
ば、前記放熱フィンに対して前記凝縮部の軸方向に垂直
にスリットが設けられ、このスリットにより当該放熱フ
ィンの面積は前記軸方向に沿って分割されている。

【００４４】請求項１０乃至１１に記載した発明によれ
ば、前記容器の少なくとも一つの壁面を常圧のガスを内
含した非真空の断熱壁面としてあり、前記少なくとも１
つの壁面は前記凝縮部に隣接する側面である。また請求
項１２に記載したように、前記容器の上面を省略し、当
該上面部分を断熱材及び仕切蓋で構成している。

【００４５】請求項１３に記載した発明によれば、前記
ガス溜まり部に封入され前記凝縮部内に滞留される不凝
縮ガスの封入圧力を調整して、前記不凝縮ガスと前記熱
作動媒体の蒸気との境界面を所定位置に設定することに
より、前記ヒートパイプの作動開始温度を前記モジュー
ル型二次電池の作動温度範囲内の所定温度に設定してい
る。

【００４６】請求項１４に記載した発明によれば、前記
放熱量は、前記加熱部の温度が前記作動開始温度未満に
おいては、前記ヒートパイプの不感帯域に基づく量とな
り、前記加熱部の温度が前記作動開始温度以上に上昇し
た場合においては、当該温度上昇に伴う前記境界面の凝
縮部内での上昇に応じて増加していくように設定されて
いる。

【００４７】請求項１５に記載した発明によれば、前記
放熱量は、前記加熱部の温度が最大温度から降下した場
合、その温度が前記作動開始温度以上であれば、当該温
度降下に伴う前記境界面の凝縮部内での降下に応じて減
少していくように設定され、前記加熱部の温度が前記作
動開始温度以下に降下した場合においては、前記ヒート
パイプの不感帯域に基づく量となるように設定されてい
る。

【００４８】請求項１６に記載した発明によれば、前記
モジュール型二次電池の温度は、当該二次電池の温度が
放電開始前温度から前記作動開始温度に到達するまで
は、前記放熱量が前記ヒートパイプの不感帯域に基づく
量であるため直線的に上昇し、前記二次電池の温度が前
記作動開始温度を越える範囲では、前記放熱量が前記境
界面の凝縮部内での上昇に応じて増加していくため緩や
かな放物線を描いて上昇するように設定されている。

【００４９】請求項１７に記載した発明によれば、前記
モジュール型二次電池の温度は、当該二次電池の温度が
最高温度から前記作動開始温度に到達するまでは、前記
放熱量が前記境界面の凝縮部内での降下に応じて減少し
ていくため急速に降下し、前記二次電池の温度が前記作
動開始温度を越える範囲では、前記放熱量が前記ヒート
パイプの不感帯域に基づく量であるため緩やかな放物線
を描いて降下するように設定されている。

【００５０】請求項１８に記載した発明によれば、上述
した各請求項に記載されたモジュール型二次電池をケー
シング内に複数個収容してユニットを構成している。

【００５１】請求項１９に記載した発明によれば、前記
モジュール型二次電池を前記ケーシング内に最密状に収
容し、隣接するモジュール型二次電池間及び前記ケーシ
ングと各モジュール型二次電池との間に断熱材を埋設し
ている。

【００５２】請求項２０に記載した発明によれば、請求
項５又は６に記載のモジュール型二次電池をケーシング
内に複数個収容してユニットを構成するとともに、当該
ケーシング内のモジュール型二次電池の容器を上面及び
底面が六角形で表される六角柱状容器で形成し、前記複
数のヒートパイプは、その放熱部が当該六角柱状容器の
側面に略平行となるように配設されている。

【００５３】請求項２１に記載した発明によれば、前記
ヒートパイプの放熱部が隣接するモジュール型二次電池
の六角柱状容器の側面は、隣接するモジュール型二次電
池の六角柱状容器間における互いに接する側面以外の側
面であり、当該六角柱状容器で形成された各モジュール
型二次電池を最密状に配設している。

【００５４】請求項２２に記載した発明によれば、請求
項６に記載のモジュール型二次電池をケーシング内に複
数個収容してユニットを構成し、当該六角柱状容器で形
成されたモジュール型二次電池を複数個ずつ、各二次電
池の中央に空間ができるように互いに隣接させて配設す
るとともに、前記複数のヒートパイプの放熱部が隣接す
るモジュール型二次電池の六角柱状容器の側面は、他の
モジュール型二次電池の六角柱状容器に接する側面以外
の側面及び前記空間に接する側面である。

【００５５】本発明によれば、例えば、モジュール構造
の二次電池の温度が上昇した場合に、その上昇に応じて
冷却装置（可変コンダクタンス型ヒートパイプ）の放熱
量が増加し、その結果、当該二次電池の温度の上昇率が
低下するようになっている。すなわち、モジュール型二
次電池の放電開始後の温度上昇カーブは、温度が上昇す
るにつれて緩やかなカーブとなるため、当該二次電池の
出力容量や放電時間を増加させても、二次電池温度が電
池最高温度に到達することがなくなり、二次電池の最高
温度の管理が非常に容易になる。

【００５６】また、モジュール型二次電池の充電開始後
の温度降下カーブは、温度が降下するにつれて緩やかな
カーブとなるため、当該二次電池の出力容量や放電時間
を増加させても、二次電池温度が放電開始温度を越えて
低下することがなくなり、ヒータ等を用いて特別な温度
制御をすることなく放電開始前温度の管理を行なうこと
ができる。

【００５７】さらに、上記冷却装置（可変コンダクタン
ス型ヒートパイプ）を用いて冷却（放熱）を行なってい
るため、モジュール型二次電池の容器の容器壁を常圧の
ガスを内含した非真空の断熱壁面とすることができる。

【００５８】また、上記冷却装置（可変コンダクタンス
型ヒートパイプ）の加熱部を断熱容器の底部に配設した
ため、当該ヒートパイプを介してモジュール型二次電池
から放出される熱は、単電池から鉛直下方向へ移動した
熱のみである。すなわち、本発明の冷却装置を用いて
も、単電池群の水平方向に発生する不均一な温度分布の
原因とはならず、一様な電池冷却にとって有効な冷却方
式となる。

【００５９】さらに、上述したモジュール型電池ユニッ
トをケーシング内に複数個収容して大容量のモジュール
型二次電池ユニットを構成した場合でも、各モジュール
型二次電池の温度管理制御は、上述した冷却装置により
非常に容易に行なわれる。

【００６０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るモジュール型
二次電池及びモジュール型二次電池ユニットについて、
特にモジュール型二次電池としてＮａＳモジュール電池
を用いた実施形態について添付図面を参照して説明す
る。

【００６１】図１は本発明に係るＮａＳモジュール電池
１及びそのＮａＳモジュール電池１に設けられた冷却装
置２を概略的に示す平面図であり、図２は、当該ＮａＳ
モジュール電池１及び冷却装置２を概略的に示す側面図
である。なお、図２は、例えば３段に積み上げられたＮ
ａＳモジュール電池ユニットにおいて、その中段に位置
するモジュール電池を示している。

【００６２】ＮａＳモジュール電池１は、図１及び図２
に示すように、平面（上面）が長方形で表される角柱状
の断熱容器３と、この断熱容器３の内部に収容された金
属製の電池格納容器４と、この電池格納容器４内に収容
された複数本のＮａＳ電池単体（単電池）５…５と、電
池格納容器４を含む断熱容器３内部を仕切る仕切蓋６と
を有している。

【００６３】断熱容器３は、従来のような真空容器壁で
はなく、繊維質断熱材を内装しアルゴンガス等の熱伝導
率の低い大気圧ガスを充填した容器壁から成り、その底
部には、例えばアルミニウムやスチール、鉄等で製造さ
れた集熱底板１０が設置されている。電池格納容器は、
その集熱底板１０上に設置されており、複数の単電池５
…５は、電池格納容器４内部に立状に収容されている。
また、複数の単電池５…５は、充填固定化した砂（充填
砂）により固定されている。なお、断熱容器３の容器壁
の一部には、モジュール電池１を最初に使用する際の温
度設定用の図示しないヒータが設けられている。

【００６４】また、仕切蓋６は、断熱容器３の容器壁と
同じく、繊維質断熱材を内装しアルゴンガス等の大気圧
ガスを充填して形成されている。そして、この仕切蓋６
は、断熱容器３の側壁の最上部に対して所定長さだけ低
い位置に、当該側壁に対して密接状態で設けられてい
る。その仕切蓋６と側壁最上部との隙間には、断熱材か
ら形成される断熱仕切層１１が充填されている。この仕
切蓋６と断熱仕切層１１とで断熱容器３の上蓋部１２を
形成している。

【００６５】さらに、ＮａＳモジュール電池１には、本
実施形態の冷却装置２であるＬ字型の可変コンダクタン
ス型ヒートパイプ（variable conductance heat pipe）
１５が例えば２本設けられている。

【００６６】可変コンダクタンス型ヒートパイプ１５
は、そのパイプ１５の凝縮部（放熱部）が断熱容器３の
側壁面に平行になるように配置されている。そして、当
該パイプ１５の加熱部が凝縮部に対して略直角に曲げら
れて断熱容器３の集熱底板１０内部に埋設され、全体で
Ｌ字型を構成している。この集熱底板１０の内部に埋設
される加熱部のパイプ長は、所定の長さ（本実施形態の
場合、底板１０の長さの約半分の長さ）となっている。
また、放熱部を構成するパイプの軸方向に沿って放熱フ
ィン１６が取り付けられている（図２では省略してお
り、後で示す図３で詳細に説明する）。

【００６７】本実施形態の可変コンダクタンス型ヒート
パイプ１５の構造を図３に示す。図３によれば、ヒート
パイプ１５は、ガス溜まり部１５Ａと、放熱部１５Ｂ
と、断熱部１５Ｃと、加熱部１５Ｄとから構成されてい
る。ガス溜まり部１５Ａを構成するパイプは、放熱部１
５Ｂ等を構成するパイプより長径であり、所要量の不凝
縮ガスが溜められるように設計されている（溜められた
ガスをガス溜まり２０という）。ガス溜まり部１５Ａを
構成するパイプの周囲は断熱材２１で被覆されている。

【００６８】放熱部１５Ｂを構成するパイプ内には、ガ
ス溜まり２０に基づく不凝縮ガスが滞留している。そし
て、そのパイプ内には、その軸方向に沿って放熱フィン
１６が取り付けられている。この放熱フィン１６の軸方
向に沿った所定位置ｓから断熱部側及び加熱部側に至る
部分は、図３に示すようにテーパー状に形成されてい
る。また、放熱フィン１６には、軸方向に垂直にスリッ
ト２３が入れられ、放熱フィン面積は当該軸方向に沿っ
て分割されている。

【００６９】加熱部１５Ｄを構成するパイプは、上述し
たように底板１０の内部に埋設されている。また、加熱
部１５Ｄ及び断熱部１５Ｃを構成するパイプ（底板１０
に沿ったパイプ）には熱作動媒体Ｍが封入されている。
この作動媒体Ｍは、沸騰する液状のものであれば、いず
れの媒体でも使用できる。特に、本実施形態では、熱媒
体油（例えば、ダウケミカル社で製造されるダウサーム
Ａ（ダウケミカル社の登録商標））を用いている。この
ダウサームＡは、図４に示す動作温度範囲を有し、蒸気
圧は２００℃〜３５０℃の範囲で１８７ｍｍＨｇ〜４．
５ｋｇ／ｃｍ²にあり、減圧もしくは加圧すれば、上記
温度範囲で沸騰、凝縮を繰り返すため、ヒートパイプの
作動媒体として使用に適している。

【００７０】一方、ヒートパイプ１５の内壁には、例え
ば金属性の網等で形成されたウイック材２５が設けられ
ている。このウイック材２５は、凝縮された作動媒体Ｍ
を毛細管圧力により加熱部１５Ｄ側へ運搬するセルフポ
ンプ動作を行なうようになっている。また、ヒートパイ
プ１５のガス溜まり部１５Ａ、放熱部１５Ｂ、及び断熱
部１５Ｃを構成するパイプには、当該パイプの軸方向に
沿って熱伝導棒２６が配設されている。この熱伝導棒２
６のガス溜まり部１５Ａ内先端部分にはフィン２７が取
り付けられている。

【００７１】上述した可変コンダクタンス型ヒートパイ
プ１５の機能を図３を参照して説明する。

【００７２】加熱部１５Ｄの温度がＴ1 （ＮａＳモジュ
ール電池の温度作動特性範囲（３００℃〜３５０℃）内
に含まれる値、例えば約３００℃に設定されている）に
達するまではヒートパイプ１５内に封入された作動媒体
Ｍが沸騰しないように、不凝縮ガスをその封入圧力を調
節して予めヒートパイプ１５に封入しているため、加熱
部１５Ｄが加熱されても、その温度がＴ1 に達するまで
はヒートパイプ１５の機能（沸騰／凝縮の連続的発生）
は生じることがない（「加熱部の温度Ｔ1A＜＜Ｔ1 」の
領域をヒートパイプの不感帯域（つまり、作動範囲外領
域）という）。したがって、加熱部１５Ｄの温度がＴ1
に達するまでの温度範囲では、一般の管と同様に、図３
中の熱量Ｑ1 に相当する極めて低い熱貫流量で放熱する
ようになっている。言い換えれば、この不感帯域では、
熱貫流量の変化に比べて温度変化（上昇）が高くなって
いる。なお、この段階では、作動媒体Ｍの蒸気と不凝縮
ガスの想定境界面（以下、不凝縮ガス境界面という）が
図３中「ａ」の位置（放熱部１５Ｂの全長域）にある。

【００７３】加熱部１５Ｄの加熱が進み、その温度がＴ
1 以上に昇温すると、作動媒体Ｍが沸騰を開始し、ヒー
トパイプ１５の内圧が上昇して不凝縮ガスが圧縮され
る。この結果、不凝縮ガス境界面が上昇し始める。

【００７４】加熱部１５Ｄの温度がＴA に達し、不凝縮
ガス境界面の上昇に伴って作動媒体の蒸気が放熱部１５
Ｂに達すると、放熱フィン１６を介して凝縮作用が始ま
り、ヒートパイプ１５の熱貫流機能が生じる。但し、こ
の状態では、まだ、放熱部１５Ｂの全域から凝縮作用が
起こっているわけではないので、熱貫流量は、依然とし
て少量である（図３中の温度ＴA に対応するＱA 参
照）。

【００７５】加熱部１５Ｄの温度のさらなる上昇に伴っ
て、不凝縮ガス境界面がさらに上昇すると、放熱部１５
Ｂの広い範囲に亘って有効な凝縮作用が起こり、熱貫流
量が急激に増加していく。そして、加熱部１５Ｄの温度
がＴ2 （例えば約３３０℃）以上に達し、不凝縮ガス境
界面が「ｂ」の位置に達すると、一般のヒートパイプの
熱貫流量Ｑ2 が得られる（図３参照）。このとき、Ｔ1
〜Ｔ2 の温度差は例えば約５℃〜３０℃であり、熱貫流
量の比は、例えば「Ｑ2 ／Ｑ1 ＞＞１０」となってい
る。なお、降温時には、上述した作用と正反対の作用を
行なうようになっている。

【００７６】以上述べたように、本実施形態の可変コン
ダクタンス型ヒートパイプ１５は、加熱部１５Ｄの温度
変化に応じて放熱部１５Ｂに滞留する非凝縮ガスの境界
面を移動させることにより、実際に放熱部１５Ｂとして
働く長さを変えて、ヒートパイプ１５自体の熱貫流量を
大幅に変化させることができる。

【００７７】ところで、放熱部１５Ｂに達した蒸気がガ
ス溜まり２０の中で凝縮を起こしてしまうと、ガス溜ま
り２０の温度が低下し、そのガス溜まり２０の温度と作
動熱媒体Ｍの温度との間に差が生じる。この温度差が大
きくなると、不凝縮ガス境界面の位置が不安定となって
加熱部１５Ｄの温度と熱貫流量が一元的に定まらなくな
る。

【００７８】そこで、本実施形態のヒートパイプ１５で
は、ガス溜まり部１５Ａを構成するパイプの周囲を断熱
材２１で被覆し、且つヒートパイプ１５のガス溜まり部
１５Ａ、放熱部１５Ｂ、及び断熱部１５Ｃのパイプ内に
熱伝導棒２６を挿入して当該ガス溜まり部１５Ａと作動
媒体Ｍを熱的に結合させているため、ガス溜まり２０の
温度を高く維持して、上述した不凝縮ガス境界面位置の
不安定性に基づく加熱部Ｄの温度と熱貫流量のバラツキ
を防止している。

【００７９】また、本実施形態のヒートパイプ１５で
は、初期の不凝縮ガスの境界面（加熱部１５Ｄの温度Ｔ
1 に対応する）の位置を安定させることが必要なため、
温度Ｔ1 付近での不必要な作動媒体の凝縮量（すなわ
ち、熱貫流量）を低く抑えることが重要であるととも
に、放熱部１５Ｂの放熱量を大きくすることも重要であ
る。

【００８０】したがって、本実施形態のヒートパイプ１
５によれば、放熱フィン面積を大きくしながら当該フィ
ン２２にパイプの軸方向に垂直にスリット２３を入れて
放熱フィン面積を当該軸方向に沿って分割している。つ
まり、作動媒体Ｍは、その放熱部１５Ｂのパイプにおけ
る上昇位置に応じて放熱するフィンが定められているた
め、放熱部１５Ｂ内の作動媒体Ｍの上昇位置（すなわ
ち、不凝縮ガスの境界面の上昇位置）が「ａ」点前後の
場合においては、作動媒体は、一番加熱部１５Ｄ側のフ
ィンのみを介して凝縮されるため、作動媒体の凝縮量
（熱貫流量）は低く抑えられる。

【００８１】また、同様の趣旨で、放熱フィン１６を加
熱部１５Ｄ側へ向けてテーパー状にしているため、
「ａ」点における放熱フィン１６の面積は、全体の放熱
フィン１６の面積に比べて最も小さくなっている。した
がって、ガス溜まり部１５Ａ側の放熱フィン１６の面積
を必要最大限に大きくしながら、温度Ｔ1 付近での不必
要な作動媒体Ｍの凝縮量を低く抑えることができる。

【００８２】ところで、ＮａＳモジュール電池１の上面
及び底面は断熱仕切層を介して上段側モジュール電池及
び下段側モジュール電池（図２の一点鎖線参照）と接し
ているため、当該上面及び底面からの熱移動は無視でき
る。

【００８３】したがって、ＮａＳモジュール電池１から
の放熱は、次の２つの経路で外気へ放出されることにな
る。

【００８４】・第１の経路・・・断熱容器３の側壁面を
介して外気へ放出される経路（図２中の経路ａ）。・第２の経路・・・単電池５…５から鉛直下方向へ移動
し、集熱底板１０からヒートパイプ１５を介して外気へ
放出される経路（図２中の経路ｂ）。

【００８５】本実施形態では、上述した機能を有する可
変コンダクタンス型ヒートパイプ１５を用いてＮａＳモ
ジュール電池１の総熱量の大半を放熱して、ＮａＳモジ
ュール電池１の温度管理を行なうようになっている。

【００８６】ここで、可変コンダクタンス型ヒートパイ
プ１５を用いた冷却方式によるＮａＳモジュール電池１
の電池温度の推移を図５に示し、この図５を参照しなが
ら本実施形態のＮａＳモジュール電池１における電池最
高温度及び放電開始前温度の管理・制御方法について、
以下に説明する。

【００８７】所定の放電開始前温度（例えばＴs ＝２８
０℃＜Ｔ1 （３００℃））に設定されたＮａＳモジュー
ル電池１が放電を開始すると、モジュール電池１の温度
は、当該温度がＴ1 に到達するまでは、図３に示すよう
にヒートパイプ１５は不感帯域にあって放熱量が低いた
め、急激（比例的）に温度上昇する（図５；時間ｔ10〜
ｔ11）。

【００８８】モジュール電池温度がＴ1 を越えて上昇す
ると、図３に示すように、ヒートパイプ１５の凝縮作用
が増加して温度上昇率（傾き）が緩やかになっていき、
その上昇カーブは放物線を描く（図５；時間ｔ11〜ｔ1
2）。そして、放電終了時（図５；時間ｔ12）、モジュ
ール電池温度は最高温度（Ｔm ＝Ｔ2 ＝約３３０℃）に
達する。

【００８９】放電終了後にはモジュール電池１からの発
熱は無く、高い放熱性能によりモジュール電池温度は急
速（比例的）に降温するが（図５；時間ｔ12〜ｔ13及び
図３におけるＴ2 →ＴA での熱貫流量の減少率参照）、
モジュール電池温度の低下と共に放熱性能が低下して、
温度降下率（傾き）が次第に緩やかになり、その降下カ
ーブは放物線を描きながら当該モジュール電池温度がＴ
1 に達する（図５；時間ｔ13〜ｔ14及び図３におけるＴ
A →Ｔ1 での熱貫流量の減少率参照）。

【００９０】モジュール電池温度がＴ1 を越えて降温す
ると、図３に示すように、ヒートパイプ１５は不感帯域
に入るため放熱性能が低下し、さらに、緩やかな降温カ
ーブとなる。つまり、モジュール電池温度がＴ1 を越え
て降温してからは、モジュール電池１が充電を開始し
（図５；時間ｔ15）、充電終了後（図５；終了時間ｔ1
6）、次の放電開始（図５；時間ｔ17）まで時間が推移
しても（ｔ14〜ｔ15〜ｔ16〜ｔ17）、モジュール電池温
度は非常に緩やかに降温していくため、ヒータ等を用い
て特別な温度制御をしなくても、モジュール電池温度は
放電開始前温度Ｔsに到達することがない。なお、次の
放電開始時の放電開始前温度Ｔs'は、先の放電開始前温
度Ｔs と必ずしも一致しないが（Ｔs −Ｔs'＝Δｔであ
り、このΔｔが「０」にならない）、それぞれの放電試
験共に加熱中の温度Ｔ1 で調整されるため、全く影響が
無い。

【００９１】以上述べたように、本実施形態によれば、
モジュール電池温度の上昇に応じてヒートパイプの放熱
量が増加するため、電池最高温度Ｔm 近辺の温度上昇カ
ーブを非常に緩やかに設定することができ、しかも、放
電開始前温度Ｔs に至るまでのモジュール温度降下カー
ブをも非常に緩やかに設定することができる。

【００９２】したがって、ＮａＳモジュール電池出力容
量を増加させても、図５の仮想線（ＣA ）で示すよう
に、放電時の温度上昇カーブはほとんど変わらず、モジ
ュール電池最高温度の管理が非常に容易になる。同様
に、ＮａＳモジュール電池の放電時間を増加させても
（放電終了時間ｔ12→ｔB ）、図５の仮想線（ＣB ）で
示すように、放電時の温度上昇カーブ及び時間ｔB にお
けるモジュール電池最高温度はほとんど変わらず、当該
モジュール電池最高温度の管理が非常に容易になる。

【００９３】すなわち、本実施形態の冷却方式を用いれ
ば、ＮａＳモジュール電池運転出力及び放電時間を増加
させることが可能になり、当該ＮａＳモジュール電池の
実用性を大幅に高めることができる。

【００９４】また、本実施形態によれば、図５に示すよ
うに、モジュール電池温度がＴ1 を越えて降温してから
は、モジュール電池温度は非常に緩やかに降温していく
ため、モジュール電池温度は、自動的に放電開始前温度
Ｔs 付近に到達してその値が維持される。すなわち、本
実施形態のヒートパイプを用いることにより、ヒータ等
を用いて特別な温度制御をすることなく放電開始前温度
の管理を行なうことができる。なお、上述したように、
放電開始前温度Ｔs 及びＴs'にバラツキ（Δｔ）が生じ
るが、モジュール電池温度が高温になるほど放熱量が増
加するため、そのバラツキがモジュール電池最高温度に
与える影響はない。

【００９５】さらに、本実施形態では、自然対流を利用
した放熱フィンによる可動部の無い放熱方式によりモジ
ュール電池の温度制御を行なっているため、非常に信頼
性が高い。

【００９６】さらにまた、本実施形態によれば、ＮａＳ
モジュール電池の断熱容器を、アルゴンガス等の熱伝導
率の低い大気圧ガスを充填した容器壁により構成し、さ
らに、蓋と断熱容器との合わせ部の無い仕切蓋構造で構
成したため、断熱容器の壁面を介して放熱される量は、
モジュール電池上面，底面及び合わせ部からの放熱が無
いため、従来の断熱容器を用いたモジュール電池と比べ
て放熱面積比相当の約１／２以下に減少する。したがっ
て、断熱容器として、高い断熱性を有する真空断熱容器
を用いる必要が無くなる。この結果、ＮａＳモジュール
電池のコストを低減することができる。また、従来必要
であった真空断熱壁の真空度維持・確保に掛るコスト、
人材、及び器材を不要にすることができる。なお、断熱
容器の上蓋部の形状を大幅に簡素化しても熱損失が急増
することはなく、熱効率は確保できる。

【００９７】そして、本実施形態のヒートパイプを用い
た冷却方式によれば、集熱底板及びヒートパイプを介し
て放出される熱量は、各単電池から鉛直下方向へ移動し
た熱量のみである。すなわち、本実施形態の放熱方式
は、単電池群の水平方向に発生する温度分布の原因とは
ならず、一様な電池冷却にとって有効な冷却方式を提供
できる。

【００９８】一方、本実施形態の冷却装置を備えたＮａ
Ｓモジュール電池として、３段に積み上げられたＮａＳ
モジュール電池ユニットにおける中段に位置するモジュ
ール電池を例にとって説明したが、このような本実施形
態の冷却装置を備えたＮａＳモジュール電池を３次元マ
トリクス状に配設したＮａＳモジュール電池ユニットを
構成することもできる。

【００９９】図６は、ケーシング３０内に、本実施形態
における冷却装置（可変コンダクタンス型ヒートパイプ
３１）を備えたＮａＳモジュール電池３２を、ｘ方向
（横方向）に３個、ｙ方向（縦方向）に２個、ｚ方向
（高さ方向）に５個、３次元マトリクス状（３×２×
５）に配設したＮａＳモジュール電池ユニット３３の一
例を概略的に示す正面図、図７はそのＮａＳモジュール
電池ユニット３３の側面図である。なお、ヒートパイプ
３１の放熱フィン３４は、一つのＮａＳ電池モジュール
のみ示し、後は省略している。

【０１００】図６によれば、各ＮａＳ電池モジュール３
２のヒートパイプ３１の外側には、当該ヒートパイプ３
１からの放熱を所定の方向へ案内する防熱板３５が設け
られている。そして、各ＮａＳモジュール電池３２の間
及びケーシング３０と各ＮａＳモジュール電池３２との
間には、断熱材３６が埋設されており、各ＮａＳモジュ
ール電池３２が有するヒートパイプ３１以外からの放熱
を極力抑える構造になっているため、電池エネルギー効
率を向上させることができる。

【０１０１】また、上述したように、各ＮａＳモジュー
ル電池３２の冷却（放熱）は、全てヒートパイプ３１を
介して行なわれるため、各ＮａＳモジュール電池３２
を、点検、補修等で取扱いの許す限りにおいて密接し
て、すなわち最密状に配設することができる。これは、
従来において各ＮａＳモジュール電池３２の冷却空気用
の通路を確保するために必要であった隣接するＮａＳモ
ジュール電池間に隙間を設ける必要が無くなったためで
ある。したがって、ＮａＳ電池モジュール３２を多数収
容しながらＮａＳモジュール電池ユニット３３全体のコ
ンパクト化が図れる。

【０１０２】さらに、本実施形態では、ＮａＳモジュー
ル電池を断熱容器３（の容器壁（側容器部））と上蓋部
１２（仕切蓋６、断熱材１１）を用いて構成したが（図
８（ａ）及び（ｂ）参照）、本発明はこれに限定される
ものではなく、例えば、図９（ａ）及び（ｂ）に示すよ
うに、ヒートパイプ１５が設けられる側の側壁面（断熱
容器壁）３Ａと当該側壁面３Ａに対向する側壁面（断熱
容器壁）３Ｂだけを残し、それ以外の断熱容器壁を削除
する構成としてもよい（なお、断熱容器壁が削除された
部分は、電池格納容器４の壁面のみが存在する）。

【０１０３】このモジュール電池構成は、図６〜図７で
示した各モジュール電池間に断熱材が介在しているユニ
ット構造の場合に特に有効である。すなわち、ユニット
構造では、隣接するモジュール電池間は断熱材により断
熱状態が確保できるため、ヒートパイプ１５が設けられ
る側の側壁面及びその側壁面に対向する側壁面以外の側
壁面（容器壁）は、移動等の操作性を除けば不要である
ため、図９に示したように、この容器壁を削除すること
ができ、ＮａＳモジュール電池のコンパクト性の向上、
及びコスト低減を図ることができる。

【０１０４】さらに、図１０（ａ）及び（ｂ）によれ
ば、容器壁をヒートパイプ１５が設けられた側壁面（断
熱容器壁）３Ａのみとし、その他の断熱容器壁を保護用
の鋼製壁４０とすることにより、内部に収容される単電
池５…５の本数を多くしながらコンパクト性を維持し、
コスト低減を図ることができる。

【０１０５】ところで、本実施形態では、ヒートパイプ
１５を断熱容器３の一側面側に設けたが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、断熱容器３の各側壁面の内
の複数（例えば対向する側壁面）側にそれぞれ設けても
よい。すなわち、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すよう
に、一対のヒートパイプ１５ａ及び１５ｂは、そのパイ
プ１５ａ及び１５ｂの凝縮部が断熱容器３の対向する側
壁面３ａ及び３ｂにそれぞれ平行になるように配置され
ている。そして、当該パイプ１５ａ及び１５ｂの加熱部
が凝縮部に対して略直角に曲げられて断熱容器３の集熱
底板１０内部に埋設され、全体でＬ字型を構成してい
る。この集熱底板１０の内部に埋設されるヒートパイプ
１５ａ及び１５ｂの加熱部のパイプ長は、例えば底板１
０の長さの約１／３の長さにすると放熱効率が良い。

【０１０６】このように断熱容器３の対向する側壁面３
ａ及び３ｂに、それぞれヒートパイプ１５ａ及び１５ｂ
を設けたため、上述した実施形態のヒートパイプと比べ
て放熱効率を向上させることができる。

【０１０７】さらに、図１２に示すように、断熱容器３
の全ての側壁面３ａ〜３ｄ側にヒートパイプ１５ａ〜１
５ｄをそれぞれ設けてもよく、さらに放熱効率を向上さ
せることができる。

【０１０８】そして、本実施形態では、ＮａＳモジュー
ル電池を、平面が長方形で表される角柱状の断熱容器を
用いて構成したが、本発明では、ヒートパイプを用いた
冷却装置でＮａＳモジュール電池を冷却する構成である
ため、モジュール電池（の断熱容器）の形状には、ほと
んど限定されない。すなわち、ＮａＳモジュール電池
を、その上面や底面が六角形で表される六角柱等の多角
柱状にしてもよく、またその上面や底面が円形で表され
る円柱状にしてもよい。

【０１０９】図１３は、上面及び底面が六角形で表され
る六角柱状の断熱容器４５を用い複数のＮａＳモジュー
ル電池４６を三次元マトリクス状（４×２×４）に配設
した電池モジュールユニット４７を表す概略平面図であ
り、図１４は、上記電池モジュールユニット４７の概略
正面図、図１５は、上記電池モジュールユニット４７の
概略側面図である。

【０１１０】図１３〜図１５に示すように、各モジュー
ル４６（の断熱容器４５）には、ケーシング４８に面し
た（他のモジュールに接しない）隣接する２つの側面４
５ａ、４５ｂにヒートパイプ５０がそれぞれ設けられて
いる。また、各パイプ５０の放熱フィン５１は、断熱容
器４５の側面４５ａ及び４５ｂに平行に設置されてい
る。

【０１１１】また、電池モジュール４６（の断熱容器４
５）の形状が、平面及び底面が六角形で表される六角柱
状であるため、図１３〜図１５に示すように、各電池モ
ジュール４６を、断熱材４７を介してケーシング４８内
に隙間無く（いわゆる最密状に）配設できる。

【０１１２】したがって、従来の電池モジュールユニッ
トと比べて、モジュールの配設効率が良くなり、ユニッ
ト全体の電力貯蔵効率が向上する。

【０１１３】また、ヒートパイプ５０に設けられる放熱
フィン５１を、断熱容器４５の側面４５ａ及び４５ｂに
平行に設置することができるため、当該放熱フィン５１
の外方への突出が抑制され、放熱フィン５１の設置スペ
ースを減少させることができる。

【０１１４】さらに、電池モジュール４６の形状を平面
が六角形で表される六角柱状とした場合、図１６に示す
ように、当該モジュール４６Ａを６個ずつペアで、中央
に空間ができるように互いに隣接させて配設することも
可能である。このように配設すれば、ヒートパイプ５０
Ａが設置可能な各モジュール４６Ａの側面は、ケーシン
グ４８側の３つの側面及び中央の隙間側の側面と都合４
つとなり、前掲図１３のモジュール配設構造と比べて、
ヒートパイプ５０Ａの設置可能側面数が増加し、さらに
放熱効率を向上させることができる。

【０１１５】一方、上述した実施形態及びその変形例で
は、二次電池としてＮａＳ電池を用いた例を示したが、
本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図１７
〜図２１に示すように、ＮａＳ電池以外の二次電池を用
いてもよい。

【０１１６】図１７は、亜鉛・塩素電池の概略構成を示
す図であり、図１７を用いて亜鉛・塩素電池の動作原理
を説明する。

【０１１７】図１７（ａ）（充電時）によれば、電極群
５５の塩化亜鉛が亜鉛イオン、塩素ガス、及び電子に分
かれる。分かれた内の塩素ガスは、ガス液ポンプ５６を
介して水和物槽５７に送られ、塩素水和物として蓄積さ
れる。一方、分かれた内の亜鉛イオンは、電解液槽５８
を通って液ポンプ５９により電極群５５へ送られ、外部
電源から供給される電子を受け取って亜鉛に戻る。

【０１１８】また、図１７（ｂ）（放電時）によれば、
電極群５５の亜鉛が外部回路に電子を放出して亜鉛イオ
ンとなり、その亜鉛イオンが電解液槽５８を介して正極
側へ移動する。一方、水和物槽５７から発生した塩素ガ
スは、液ポンプ５９を介して正極側へ移動する。正極側
へ移動した亜鉛イオンは、外部回路から供給された電子
及び塩素ガスと反応して塩化亜鉛になる。

【０１１９】また、図１８は、亜鉛・臭素電池の概略構
成を示す図であり、図１８を用いて亜鉛・臭素電池の動
作原理を説明する。

【０１２０】図１８（充電時）によれば、正極６０の臭
素亜鉛（ＺｎＢｒ2 ）が、亜鉛イオン（Ｚｎ²⁺）、臭素
（Ｂｒ2 ）、電子（２ｅ^-）に分かれる。分かれた内の
臭素（Ｂｒ2 ）は正極液貯蔵槽６１に送られ、蓄積され
る。一方、分かれた内の亜鉛イオン（Ｚｎ²⁺）は、負極
液貯蔵槽６２からポンプ６３を介して送られた電解液槽
を通って負極６４側へ移動し、外部電源から供給される
電子（２ｅ^-）を受け取って亜鉛（Ｚｎ）に戻る。

【０１２１】また、図１８（放電時）によれば、負極６
２の亜鉛（Ｚｎ）が外部回路に電子（２ｅ^-）を放出し
て亜鉛イオン（Ｚｎ²⁺）となり、その亜鉛イオン（Ｚｎ
²⁺）が電解液槽を介して正極６０側へ移動する。一方、
正極液貯蔵槽６１から発生した臭素（Ｂｒ2 ）は、ポン
プ６５を介して正極６０側へ移動する。正極６０側へ移
動した亜鉛イオン（Ｚｎ²⁺）は、外部回路から供給され
た電子（２ｅ^-）及び臭素（Ｂｒ2 ）と反応して臭化亜
鉛になる。

【０１２２】さらに図１９は、レドックス・フロー形電
池の概略構成を示す図であり、図１９を用いてレドック
ス・フロー形電池の動作原理を説明する。

【０１２３】Ｃｒ²⁺／Ｃｒ³⁺タンク７０に蓄えられたＣ
ｒ²⁺イオンの塩化物の塩酸溶液（負極液）が、ポンプ７
１で中央の流通形電界槽７２に送られ、炭素布でできた
負極７３中を浸透しながら外部回路７４（インバータ７
５、変電設備７６）へ電子を放出して（放電）、Ｃｒ³⁺
に酸化される。他方、Ｆｅ³⁺／Ｆｅ²⁺タンク７７に蓄え
られたＦｅ³⁺イオンの塩化物の塩酸溶液（正極液）がポ
ンプ７８で流通形電界槽７２の正極７９（炭素布）へ送
られる。外部回路７４（インバータ７５、変電設備７
６）から電子を受取り（充電）、Ｆｅ³⁺はＦｅ²⁺に還元
される。

【０１２４】このレドックス・フロー形電池の原理を用
いて製造されたレドックス・フロー形電池システムを図
２０に示す。図２０によれば、負極液タンク８０に蓄え
られた負極液がポンプ８１で１ｋＷスタック８２の負極
に送られ、外部回路（電源、負荷）へ電子を放出（放
電）する。また、正極液タンク８３に蓄えられた正極液
がポンプ８４で１ｋＷスタック８２の正極に送られ、外
部回路（電源、負荷）から電子を受取る（充電する）。
なお、ポンプ８５、ボルタンメトリー用電池８６クロー
メトリー用電池８７、回路電圧測定用電池８８は、負極
液タンク８０及び正極液タンク８３における充放電状態
をモニタリングする構成要素である。

【０１２５】さらにまた、図２１は、鉛蓄電池の概略構
成を示す図であり、図２１を用いて鉛蓄電池の動作原理
を説明する。

【０１２６】この鉛蓄電池は、排気栓９０が取り付けら
れた電槽９１内にセパレータ９２で分離された正極板９
３（正極活物質に二酸化鉛（ＰｂＯ₂）、負極板９４
（負極活物質に鉛（Ｐｂ））を備えている。また、電槽
９１内には、電解液９５（希硫酸Ｈ₂ＳＯ₄）が蓄積さ
れている。正極板９３には正極端子９６が、負極板９４
には負極端子９７が取り付けられている。

【０１２７】この鉛蓄電池の基本的な反応式を以下に示
す。

【０１２８】

【数１】

【０１２９】つまり、正極活物質（ＰｂＯ₂）も負極活
物質（Ｐｂ）も放電によってＰｂＳＯ₄になり、充電に
よってほとんど喪との状態に戻る。したがって、多数回
の重放電を繰り返すことができる。

【０１３０】以上の二次電池（特性等は図２３参照）に
おいても、動作温度等に基づいて不凝縮ガスの封入圧力
等を制御することにより、本実施形態のヒートパイプに
よる冷却装置を適用することができる。

【０１３１】ところで、本実施形態では、ヒートパイプ
の放熱部に設けられる放熱フィンを、その軸方向に沿っ
た所定位置ｓから断熱部側及び加熱部側に至るまでをテ
ーパー状に形成したが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。すなわち、上述した実施形態と同様に温度Ｔ
1 付近での不必要な作動媒体Ｍの凝縮量を低く抑えなが
ら全体の放熱量を増加させるために、例えば、図２２に
示すように、放熱フィン９８の軸方向に沿った全領域を
ガス溜まり部１５Ａ側からテーパー状に形成してもよ
い。

【０１３２】ところで、上述した各実施形態では、冷却
装置としてヒートパイプを用いた例を示したが、本発明
はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明
は、従来、一定の放熱量の単純な冷却システムを採用し
ていたものを、電池温度に応じて放熱量が変化する冷却
システムを採用したことにその特徴がある。したがっ
て、そのような冷却対象の温度変化に応じて放熱量が変
化する冷却装置であれば、例えばバイメタル等、どのよ
うな冷却装置を用いてもよい。

【０１３３】

【発明の効果】以上に述べたように本発明に係るモジュ
ール型二次電池及びモジュール型二次電池ユニットによ
れば、モジュール型二次電池の温度変化に応じて放熱量
（冷却量）を変化させる冷却装置を用いたため、二次電
池の出力容量や放電時間を増加させても、二次電池温度
が電池最高温度に到達すること及び二次電池温度が放電
開始温度を越えて低下することが無くなる。したがっ
て、真空容器やヒータ等、維持、管理が大変であり余分
な電気エネルギーを用いるような温度管理構成要素を用
いることなく、二次電池の最高温度及び放電開始前温度
の管理が非常に容易になる。この結果、エネルギー効率
を高く維持しながらモジュール型二次電池の出力変更及
び放電時間変更を可能にするため、モジュール型二次電
池の実用性を大幅に向上させることができる。

【０１３４】また、上述した冷却装置（例えば可変コン
ダクタンス型ヒートパイプ）を用いて放熱を行なってい
るため、モジュール型二次電池の容器の容器壁面を常圧
のガスを内含した非真空の断熱壁面とすることができ
る。すなわち、従来必要であった真空容器を用いること
無くモジュール型二次電池の温度管理を非常に容易に行
うことができるため、真空容器自体のコスト及びその真
空容器の維持、管理に必要なコスト等を削減することが
でき、大変安価なモジュール型二次電池を提供すること
ができる。

【０１３５】さらに、上述した冷却装置（例えば可変コ
ンダクタンス型ヒートパイプ）の加熱部を断熱容器の底
部に配設したため、当該ヒートパイプを介してモジュー
ル型二次電池から放出される熱は、単電池から鉛直下方
向へ移動した熱のみであり、単電池群の水平方向に発生
する温度分布の原因とはならない。したがって、従来発
生していた水平方向の温度不均一分布を是正し、各電池
において均一化した温度分布を得ることができる。

【０１３６】さらにまた、上述した冷却装置を備えたモ
ジュール型二次電池を複数個ケーシング内に収容してモ
ジュール型二次電池ユニットを構成することができるた
め、実用性やコストパフォーマンスに優れたモジュール
型二次電池ユニットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係わるＮａＳモジュール電
池及びその冷却装置を概略的に示す平面図。

【図２】図１のＮａＳモジュール電池及びその冷却装置
を概略的に示す側面図。

【図３】冷却装置の可変コンダクタンス型ヒートパイプ
の構造及び機能を概略的に示す図。

【図４】可変コンダクタンス型ヒートパイプ等に用いら
れる作動流体（媒体）の温度特性を示す図。

【図５】ＮａＳモジュール電池の電池温度の推移を示す
グラフ。

【図６】モジュール電池ユニットの一例を概略的に示す
正面図。

【図７】モジュール電池ユニットの一例を概略的に示す
側面図。

【図８】（ａ）は、本実施形態の可変コンダクタンス型
ヒートパイプを備えたＮａＳモジュール電池を概略的に
示す正面図、（ｂ）は、可変コンダクタンス型ヒートパ
イプを備えたＮａＳモジュール電池を概略的に示す側面
図。

【図９】（ａ）は、可変コンダクタンス型ヒートパイプ
を備えたＮａＳモジュール電池の変形例を概略的に示す
正面図、（ｂ）は、可変コンダクタンス型ヒートパイプ
を備えたＮａＳモジュール電池の変形例を概略的に示す
側面図。

【図１０】（ａ）は、可変コンダクタンス型ヒートパイ
プを備えたＮａＳモジュール電池の変形例を概略的に示
す正面図、（ｂ）は、可変コンダクタンス型ヒートパイ
プを備えたＮａＳモジュール電池の変形例を概略的に示
す側面図。

【図１１】（ａ）本発明の実施形態の変形例に係わるＮ
ａＳモジュール電池及びその冷却装置を概略的に示す平
面図、（ｂ）本発明の実施形態の変形例に係わるＮａＳ
モジュール電池及びその冷却装置を概略的に示す側面
図。

【図１２】本発明の実施形態の変形例に係わるＮａＳモ
ジュール電池及びその冷却装置を概略的に示す平面図。

【図１３】ＮａＳ電池モジュールユニットの変形例を示
す概略平面図。

【図１４】図１３のＮａＳ電池モジュールユニット変形
例を示す概略正面図。

【図１５】図１３及び図１４のＮａＳ電池モジュールユ
ニットを示す概略側面図。

【図１６】ＮａＳ電池モジュールユニットのその他の変
形例を示す概略平面図。

【図１７】亜鉛・塩素電池の概略構成及び動作原理を示
す図。

【図１８】亜鉛・臭素電池の概略構成及び動作原理を示
す図。

【図１９】レドックス・フロー形電池の概略構成及び動
作原理を示す図。

【図２０】レドックス・フロー形電池システムの一例を
概略的に示す図。

【図２１】鉛蓄電池の概略構成を示す図。

【図２２】ヒートパイプの放熱フィンの変形例を示す図

【図２３】各種二次電池の性能及び特徴を示す図。

【図２４】リチウムを負極活物質とした溶融塩二次電池
の性能及び特徴を示す図。

【図２５】常温作動の鉛蓄電池の電池温度と寿命回数
（充放電回数）との関係を示すグラフ。

【図２６】鉛蓄電池の電池温度と寿命（使用耐年数）と
の関係を示すグラフ。

【図２７】（ａ）はＮａＳ電池単体の構造を概略的に示
す示す図、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ部拡大図。

【図２８】従来のモジュール構造のＮａＳ電池を概略的
に示す斜視図。

【図２９】従来のＮａＳモジュール電池の電池温度の推
移を示すグラフ。

【図３０】（ａ）は、従来のＮａＳモジュール電池ユニ
ットを概略的に示す正面図、（ｂ）は、ＮａＳモジュー
ル電池ユニットを概略的に示す側面図。

【図３１】ＮａＳモジュール電池における熱流の流れを
示す図。

【符号の説明】

１，３２，４６，４６ＡＮａＳモジュール電池２冷却装置３，４５断熱容器４電池格納容器５…５単電池６仕切蓋１０集熱底板１１，３６断熱材１２上蓋部１５，１５ａ〜１５ｄ，３１，５０，５０Ａ可変コン
ダクタンス型ヒートパイプ１５Ａガス溜まり部１５Ｂ放熱部１５Ｃ断熱部１５Ｄ加熱部１６，１６ａ〜１６ｄ，３４，５１，５１Ａ，９８放
熱フィン３０，４８，４８Ａケーシング３３，４７ＮａＳモジュール電池ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本の二次電池単体を容器内に収容し
てモジュールを構成したモジュール型二次電池におい
て、前記モジュール型二次電池の温度変化に応じた放熱量を
有し、当該モジュール型二次電池全体を放熱冷却する冷
却装置を備えたことを特徴とするモジュール型二次電
池。
【請求項２】前記二次電池はナトリウム−硫黄電池で
ある請求項１記載のモジュール型二次電池。
【請求項３】前記冷却装置は、内部に熱作動媒体及び
不凝縮ガスが封入された可変コンダクタンス型ヒートパ
イプを有した請求項１又は２記載のモジュール型二次電
池。
【請求項４】前記ヒートパイプは、前記熱作動媒体が
封入され外部から加熱される加熱部と、この加熱部によ
る熱作動媒体の加熱により発生する蒸気に基づいて凝縮
作用を行なう凝縮部と、この凝縮部に連通された前記不
凝縮ガス封入用のガス溜まり部とを備え、前記ガス溜まり部に封入された不凝縮ガスを前記凝縮部
内の所定位置まで滞留せしめた請求項３記載のモジュー
ル型二次電池。
【請求項５】前記ヒートパイプは、その加熱部が前記
容器の底部に配設され、その凝縮部を含むパイプ部が前
記加熱部に対して略直交するように曲げられて前記容器
の側面に略平行に配設されたＬ字型構造である請求項４
記載のモジュール型二次電池。
【請求項６】前記冷却装置は前記ヒートパイプを複数
本有し、当該各ヒートパイプは、その加熱部が前記容器
の底部に配設され、その凝縮部を含むパイプ部が前記加
熱部に対して略直交するように曲げられて前記容器の少
なくとも１つの側面に略平行にそれぞれ配設された請求
項５記載のモジュール型二次電池。
【請求項７】前記凝縮部の軸方向に沿った全域に亘っ
て放熱フィンを設けた請求項５または６記載のモジュー
ル型二次電池。
【請求項８】前記放熱フィンは前記凝縮部の軸方向に
沿った所定部位から前記加熱部側の端部に向けてテーパ
ー状に形成された請求項７記載のモジュール型二次電
池。
【請求項９】前記放熱フィンの面積を前記軸方向に沿
って分割するために、当該放熱フィンに対して前記凝縮
部の軸方向に沿って垂直にスリットを設けた請求項８記
載のモジュール型二次電池。
【請求項１０】前記容器の少なくとも一つの壁面を常
圧のガスを内含した非真空の断熱壁面とした請求項５〜
９記載の内の何れか１項記載のモジュール型二次電池。
【請求項１１】前記少なくとも１つの壁面は前記凝縮
部に隣接する側面である請求項１０記載のモジュール型
二次電池。
【請求項１２】前記容器の上面を省略し、当該上面部
分を断熱材及び仕切蓋で構成した請求項１１記載のモジ
ュール型二次電池。
【請求項１３】前記ガス溜まり部に封入され前記凝縮
部内に滞留される不凝縮ガスの封入圧力を調整して、前
記不凝縮ガスと前記熱作動媒体の蒸気との境界面を所定
位置に設定することにより、前記ヒートパイプの作動開
始温度を前記モジュール型二次電池の作動温度範囲内の
所定温度に設定した請求項１２記載のモジュール型二次
電池。
【請求項１４】前記放熱量は、前記加熱部の温度が前
記作動開始温度未満においては、前記ヒートパイプの不
感帯域に基づく量となり、前記加熱部の温度が前記作動
開始温度以上に上昇した場合においては、当該温度上昇
に伴う前記境界面の凝縮部内での上昇に応じて増加して
いくように設定された請求項１３記載のモジュール型二
次電池。
【請求項１５】前記放熱量は、前記加熱部の温度が最
大温度から降下した場合、その温度が前記作動開始温度
以上であれば、当該温度降下に伴う前記境界面の凝縮部
内での降下に応じて減少していくように設定され、前記
加熱部の温度が前記作動開始温度以下に降下した場合に
おいては、前記ヒートパイプの不感帯域に基づく量とな
るように設定された請求項１４記載のモジュール型二次
電池。
【請求項１６】前記モジュール型二次電池の温度は、
当該二次電池の温度が試験開始前温度から前記作動開始
温度に到達するまでは、前記放熱量が前記ヒートパイプ
の不感帯域に基づく量であるため直線的に上昇し、前記
二次電池の温度が前記作動開始温度を越える範囲では、
前記放熱量が前記境界面の凝縮部内での上昇に応じて増
加していくため緩やかな放物線を描いて上昇するように
設定された請求項１５記載のモジュール型二次電池。
【請求項１７】前記モジュール型二次電池の温度は、
当該二次電池の温度が最高温度から前記作動開始温度に
到達するまでは、前記放熱量が前記境界面の凝縮部内で
の降下に応じて減少していくため急速に降下し、前記二
次電池の温度が前記作動開始温度を越える範囲では、前
記放熱量が前記ヒートパイプの不感帯域に基づく量であ
るため緩やかな放物線を描いて降下するように設定され
た請求項１６記載のモジュール型二次電池。
【請求項１８】請求項１乃至１７の内の何れか１項に
記載のモジュール型二次電池をケーシング内に複数個収
容してユニットを構成したことを特徴とするモジュール
型二次電池ユニット。
【請求項１９】前記モジュール型二次電池を前記ケー
シング内に最密状に収容し、隣接するモジュール型二次
電池間及び前記ケーシングと各モジュール型二次電池と
の間に断熱材を埋設した請求項１８記載のモジュール型
二次電池ユニット。
【請求項２０】請求項５又は６に記載のモジュール型
二次電池をケーシング内に複数個収容してユニットを構
成するとともに、当該ケーシング内のモジュール型二次
電池の容器を上面及び底面が六角形で表される六角柱状
容器で形成し、前記複数のヒートパイプは、その放熱部
が当該六角柱状容器の側面に略平行となるように配設さ
れたことを特徴とするモジュール型二次電池ユニット。
【請求項２１】前記ヒートパイプの放熱部が隣接する
モジュール型二次電池の六角柱状容器の側面は、隣接す
るモジュール型二次電池の六角柱状容器間における互い
に接する側面以外の側面であり、当該六角柱状容器で形成された各モジュール型二次電池
を最密状に配設した請求項２０記載のモジュール型二次
電池ユニット。
【請求項２２】請求項６に記載のモジュール型二次電
池をケーシング内に複数個収容してユニットを構成し、
当該六角柱状容器で形成されたモジュール型二次電池を
複数個ずつ、各二次電池の中央に空間ができるように互
いに隣接させて配設するとともに、前記複数のヒートパイプの放熱部が隣接するモジュール
型二次電池の六角柱状容器の側面は、他のモジュール型
二次電池の六角柱状容器に接する側面以外の側面及び前
記空間に接する側面であることを特徴とするモジュール
型二次電池ユニット。