(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質として溶融塩を含む溶融塩電池本体を収容する電池容器を、複数個並べて構成された組電池と、
前記組電池を加熱する加熱装置と、
断熱性を有する箱体であって、内部に前記組電池及び前記加熱装置を収容して閉鎖された外箱と
を備え、
前記外箱には内圧を逃がす弁が設けられ、
前記弁は、外箱の各面のうち、前記電池容器の弁に対向する面とは異なる面に設けられていることを特徴とする閉鎖型溶融塩組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融塩を電解質とする電池の構造に関する。なお、溶融塩には、室温で溶融するイオン液体も含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー密度に優れた二次電池として、例えば、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池が知られているが、近年、高いエネルギー密度に加えて、不燃性という強力な利点を持つ二次電池として、溶融塩を電解質とする溶融塩電池が開発され、注目されている（特許文献１及び非特許文献１参照。）。また、溶融塩電池の稼働温度領域は５７℃〜１９０℃であり、これは、上記他の電池と比べて温度範囲が広い。そのため、排熱スペースや防火等の装備が不要であり、個々の素電池を高密度に集めて組電池を構成しても全体としては比較的コンパクトである、という利点がある。このような溶融塩組電池は、中規模電力網や家庭等での電力貯蔵用途の他、トラックやバス等の車載用途にも期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−６７６４４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「ＳＥＩ  ＷＯＲＬＤ」２０１１年３月号（ＶＯＬ．４０２）、住友電気工業株式会社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、溶融塩電池を、電解質の融点以上の温度に維持するためには加熱手段が必要であり、そのための電力が必要である。このような電力を節約する具体的な提案は未だ、なされていない。
かかる課題に鑑み、本発明は、溶融塩電池を稼働させるための電力を節約できる構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の閉鎖型溶融塩組電池は、電解質として溶融塩を含む溶融塩電池本体を収容する電池容器を、複数個並べて構成された組電池と、前記組電池を加熱する加熱装置と、断熱性を有する箱体であって、内部に前記組電池及び前記加熱装置を収容して閉鎖された外箱とを備え、前記外箱には内圧を逃がす弁が設けられ、前記弁は、外箱の各面のうち、前記電池容器の弁に対向する面とは異なる面に設けられたものである。
このように構成された閉鎖型溶融塩組電池では、外箱による組電池の保温効果が得られるので、より少ない電力で、溶融塩を融点以上の温度に維持することができる。
【０００８】
また、電池容器から放出されたガスによって外箱の内圧が高まった場合には、ガスを弁から外部に放出することで外箱の内圧を下げることができる。
【０００９】
また、電池容器からガスとともに電解液が吹き出た場合に、外箱の弁が開いていると電解液を外部へ放出する可能性があるが、電池容器の弁に対向する面とは異なる面に外箱の弁が設けられていることによって、二重の漏出を確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の閉鎖型溶融塩組電池によれば、外箱によって保温効果が高められるので、溶融塩電池を稼働させるための電力を節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。
【図２】溶融塩電池本体（電池としての本体部分）の積層構造を簡略に示す斜視図である。
【図３】図２と同様の構造についての横断面図である。
【図４】電池容器に収められた状態の溶融塩電池の外観の概略を示す斜視図である。
【図５】安全弁の詳細な構造の一例を示す断面図である。
【図６】溶融塩電池を外箱内に複数個並べて組電池を構成した状態の参考例を示す斜視図である。
【図７】溶融塩電池を外箱内に複数個並べて組電池を構成した状態の他の参考例を示す斜視図である。
【図８】溶融塩電池を外箱内に複数個並べて組電池を構成した状態の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る溶融塩電池について、図面を参照して説明する。
図１は、溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。図において、発電要素は、正極１、負極２及びそれらの間に介在するセパレータ３を備えている。正極１は、正極集電体１ａと、正極材１ｂとによって構成されている。負極２は、負極集電体２ａと、負極材２ｂとによって構成されている。
【００１３】
正極集電体１ａの素材は、例えば、アルミニウム不織布（線径１００μｍ、気孔率８０％）である。正極材１ｂは、正極活物質としての例えばＮａＣｒＯ２と、アセチレンブラックと、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）と、Ｎ−メチル−２−ピロリドンとを、質量比８５：１０：５：５０の割合で混練したものである。そして、このように混練したものを、アルミニウム不織布の正極集電体１ａに充填し、乾燥後に、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２にてプレスし、正極１の厚みが約１ｍｍとなるように形成される。
一方、負極２においては、アルミニウム製の負極集電体２ａ上に、負極活物質としての例えば錫を含むＳｎ−Ｎａ合金が、メッキにより形成される。
【００１４】
正極１及び負極２の間に介在するセパレータ３は、ガラスの不織布（厚さ２００μｍ）に電解質としての溶融塩を含浸させたものである。この溶融塩は、例えば、ＮａＦＳＡ（ナトリウム  ビスフルオロスルフォニルアミド）０．４５ｍｏｌ％と、ＫＦＳＡ（カリウム  ビスフルオロスルフォニルアミド）０．５５ｍｏｌ％との混合物であり、融点は５７℃である。融点以上の温度では、溶融塩は溶融し、高濃度のイオンが溶解した電解液となって、正極１及び負極２に触れている。また、この溶融塩は不燃性である。
【００１５】
なお、上述した各部の材質・成分や数値は好適な一例であるが、これらに限定されるものではない。
例えば、溶融塩としては、上記の他、ＬｉＦＳＡ−ＫＦＳＡ−ＣｓＦＳＡの混合物も好適である。また、他の塩を混合する場合もあり（有機カチオン等）、一般には、溶融塩は、（ａ）ＮａＦＳＡ、又は、ＬｉＦＳＡを含む混合物、（ｂ）ＮａＴＦＳＡ、又は、ＬｉＴＦＳＡを含む混合物、が適する。これらの場合、各混合物の溶融塩は、比較的低融点となるので、少ない加熱で溶融塩電池を作動させることができる。
【００１６】
次に、より具体的な溶融塩電池の発電要素の構成について説明する。図２は、溶融塩電池本体（電池としての本体部分）１０の積層構造を簡略に示す斜視図、図３は同様の構造についての横断面図である。
図２及び図３において、複数（図示しているのは６個）の矩形平板状の負極２と、袋状のセパレータ３に各々収容された複数（図示しているのは５個）の矩形平板状の正極１とが、互いに対向して図３における上下方向すなわち積層方向に重ね合わせられ、積層構造を成している。
【００１７】
セパレータ３は、隣り合う正極１と負極２との間に介在しており、言い換えれば、セパレータ３を介して、正極１及び負極２が交互に積層されていることになる。実際に積層する数は、例えば、正極１が２０個、負極２が２１個、セパレータ３は「袋」としては２０袋であるが、正極１・負極２間に介在する個数としては４０個である。なお、セパレータ３は、袋状に限定されず、分離した４０個であってもよい。
【００１８】
なお、図３では、セパレータ３と負極２とが互いに離れているように描いているが、溶融塩電池の完成時には互いに密着する。正極１も、当然に、セパレータ３に密着している。また、正極１の縦方向及び横方向それぞれの寸法は、デンドライトの発生を防止するために、負極２の縦方向及び横方向の寸法より小さくしてあり、正極１の外縁が、セパレータ３を介して負極２の周縁部に対向するようになっている。
【００１９】
上記のように構成された溶融塩電池本体１０は、例えばアルミニウム合金製で直方体状の電池容器に収容され、素電池すなわち、電池としての物理的な一個体を成す。
図４は、このような電池容器１１に収められた状態の溶融塩電池Ｂの外観の概略を示す斜視図である。なお、図２，図３における正極１及び負極２のそれぞれからは、端子（正極１の端子１ｔのみ図示している。）が電池容器１１の外部へ引き出される。図４において、電池容器１１の上部には、内部の気圧が過度に上昇したときに放圧するための安全弁１２が設けられている。なお、電池容器１１の内面には絶縁処理が施されている。
【００２０】
図５は、安全弁１２の詳細な構造の一例を示す断面図である。安全弁１２は、袋ナット１２１、ボルト１２２、栓部１２３、ばね１２４、及び、Ｏリング１２５によって構成されている。袋ナット１２１の内周面に形成された雌ねじ部１２１ａは、ボルト１２２の外周面に形成された雄ねじ部１２２ａと螺合する。袋ナット１２１の中央及び、ボルト１２２の中央には、それぞれ通気孔１２１ｂ及び１２２ｂが形成されている。ボルト１２２は鍔部１２２ｃを抜け止めとして、電池容器１１に固定されている。この安全弁１２は、図５に示す状態から袋ナット１２１をさらに締め込んでＯリング１２５を押しつぶした状態で使用される。
【００２１】
上記２つの通気孔１２１ｂ及び１２２ｂが互いに連通すれば、電池容器１１の内部のガスが外部へ放出され得る状態となるが、通常は、ばね１２４の付勢を受けた栓部１２３が通気孔１２２ｂの上端に圧接しているので、電池容器１１の内部は、外部から見て封止された状態となっている。内部のガス圧が高まって、ガス圧が栓部１２３を押し上げようとする力が、ばね１２４の付勢力以上になると、栓部１２３が押し上げられてボルト１２２の通気孔１２２ｂと袋ナット１２１の通気孔１２１ｂとが互いに連通する。これにより、内部のガスが放出され、放圧される。内部の圧力が下がれば、栓部１２３は、再び、通気孔１２２ｂの上端を塞ぐ。
【００２２】
図６は、上記のように構成された素電池としての溶融塩電池Ｂを、外箱１３内に複数個並べて組電池１００を構成した状態の参考例を示す斜視図（一部断面を含む。）である。但し、溶融塩電池Ｂの端子等、細部の図示は省略している。なお、この並びの方向と直交する方向（奥行き方向）にも複数列に溶融塩電池を並べて、多数の溶融塩電池によって組電池１００を構成することができる。素電池を互いに直列又は並列に接続して成る組電池は、所望の電圧・電流の定格で使用することができる。各電池容器１１間には、面状のヒータ１４が装着されている。このヒータ１４で加熱することにより、溶融塩電池Ｂは、溶融塩の融点以上になるように加熱される。実際には、安定的な溶融状態とするため、全体が８５℃〜９５℃になるように加熱される。これにより、溶融塩が融解して、充電及び放電が可能な状態となる。
【００２３】
上記外箱１３は、全体としては概ね直方体であり、本体部１３ａと、蓋部１３ｂとによって構成されている。多数の溶融塩電池を並べて構成された組電池１００を収容した後、蓋部１３ｂは、例えばボルトにより、本体部１３ａに固定される。外箱１３は、断熱性に優れた材質や構造のものが好ましく、材質としては例えばセラミックが好適である。組電池１００は、ヒータ１４と共に、外箱１３による閉鎖空間に閉じ込められる。なお、組電池１００からの出力線や、ヒータ１４への給電線は、例えば、外箱１３に壁貫通のブッシュ等（図示せず。）を設けて引き通される。
【００２４】
このようにして、外箱１３で閉鎖された閉鎖型溶融塩組電池を構成することができる。この場合、ヒータ１４から発せられる熱が外箱１３の外へ逃げにくくなり、外箱１３による組電池１００の保温効果が得られる。従って、熱効率が改善され、より少ない電力で、溶融塩を融点以上の温度に維持することができる。
【００２５】
図７は、溶融塩電池Ｂを、外箱１３内に複数個並べて組電池１００を構成した状態の他の参考例を示す斜視図（一部断面を含む。）である。但し、溶融塩電池Ｂの端子等、細部の図示は省略している。
図６との違いは、外箱１３の本体部１３ａ及び蓋部１３ｂにおけるそれぞれの肉厚中間層に、真空な空間領域Ｖａ及びＶｂが形成されている点である。このような真空領域Ｖａ，Ｖｂを設けることによって、断熱性に優れた構造が実現され、断熱効果が高められる。従って、外箱１３による組電池１００の保温効果が向上し、熱効率が改善される。なお、外箱１３の材質はセラミック等の、断熱性に優れた材質を用いることが好ましいが、構造的に断熱性を確保できるので、アルミニウムやステンレス等の金属を用いることも可能である。また真空領域ＶａやＶｂの内部に、輻射熱の放散を防ぐために断熱材を設けても良い。断熱材としては、帯状の樹脂フィルムの一面又は両面にアルミニウムを蒸着した帯状材と合成繊維からなるメッシュ構造材とを積層した積層材、代表的にはスーパーインシュレーション（商品名）が挙げられる。
【００２６】
図８は、溶融塩電池Ｂを、外箱１３内に複数個並べて組電池１００を構成した状態の一例を示す斜視図（一部断面を含む。）である。但し、溶融塩電池Ｂの端子等、細部の図示は省略している。
図６との主要な違いは、外箱１３の本体部１３ａにおける側面に、安全弁１６を設けた点である。また、それに付随する細部の違いとしては、安全弁１６の内面側の直近に電池容器１１が来ないように、安全弁１６側に波板状のばね１５を装着した点である。このばね１５は、スペーサであるとともに、複数個並んでいる溶融塩電池Ｂを、ヒータ１４を挟んで相互に圧接させる部材となっている。
【００２７】
図８において、個々の溶融塩電池Ｂの安全弁１２は、上部にある。また、外箱１３の安全弁１６は、溶融塩電池Ｂの安全弁１２と対向する蓋部１３ｂにではなく、蓋部１３ｂとは異なる面（側面）に設けられている。安全弁１６の構造は、個々の安全弁１２の構造(図５)と同様である。なお、外箱１３の安全弁１６は、図中のＸ方向（奥行き方向）における位置に関しても、溶融塩電池Ｂの安全弁１２とは異なる位置（ずれた位置）に設けられることが好ましい。
【００２８】
このように外箱１３にも安全弁１６が設けられることによって、各電池容器１１から放出されたガスによって外箱１３の内圧が高まった場合に、ガスを安全弁１６から逃がすことで外箱１３の内圧を下げることができる。
また、もし外箱１３の安全弁１６が蓋部１３ｂに設けられている場合には、電池容器１１からガスとともに電解液が吹き出た場合に、外箱１３の安全弁１６が開いていると電解液を外部へ放出する可能性がある。しかし、図示の構造では、電池容器１１の安全弁１２に対向する面（すなわち蓋部１３ｂ）とは異なる面に外箱１３の安全弁１６が設けられていることによって、二重の漏出を確実に防止することができる。
【００２９】
なお、仮に、図８とは異なって、各電池容器１１の安全弁１２から上方ではなく側方にガスを放出する場合には、外箱１３の安全弁１６は、その放出方向ではない面（例えば上面の蓋部１３ｂ）に外箱１３の安全弁１６を設ければよい。
また、各電池容器１１には、安全弁１２の他にさらに、安全弁１２の故障を想定して破裂弁（破裂して放圧する弁）を設ける場合もある。その場合も、破裂弁からガスが放出される方向にある面とは異なる面に、外箱１３の安全弁１６を設ければ、電解液の漏出を確実に防止することができる。
【００３０】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３１】
１０：溶融塩電池本体
１１：電池容器
１２：安全弁
１３：外箱
１４：ヒータ（加熱装置）
１６：安全弁
１００：組電池
Ｂ：溶融塩電池
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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