(57)【要約】【課題】セル間での温度差を、簡易に、かつ、より効果的に低減することができる組電池を提供する。【解決手段】基本形状が直方体である溶融塩電池（セル２０）を集合させて成る組電池１００であって、複数個の溶融塩電池が一列に配置された第１電池群Ｃ１と、第１電池群Ｃ１とは、列を成す方向への１単位長より小さい長さだけずれて、複数個の溶融塩電池が一列に配置された第２電池群Ｃ２とを含み、第１電池群Ｃ１及び第２電池群Ｃ２を、互いに隣り合う２つの電池群の基本配置構成として、複数列の電池群の集合体として全体が構成されている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本形状が直方体である溶融塩電池を集合させて成る組電池であって、
最外部にある溶融塩電池を除く内方の溶融塩電池は、前記直方体の側面である４面の全てにおいて隣り合う溶融塩電池の側面と接し、かつ、当該４面のうち少なくとも１面において、隣り合う複数の溶融塩電池の少なくとも合計２面と接している組電池。
【請求項２】
基本形状が直方体である溶融塩電池を集合させて成る組電池であって、
最外部にある溶融塩電池を除く内方の溶融塩電池は、前記直方体の側面である４面の全てにおいて隣り合う溶融塩電池の側面と接し、かつ、当該４面が、隣り合う溶融塩電池の少なくとも合計５面と接している組電池。
【請求項３】
基本形状が直方体である溶融塩電池を集合させて成る組電池であって、
複数個の前記溶融塩電池が一列に配置された第１電池群と、
前記第１電池群とは、列を成す方向への１単位長より小さい長さだけずれて、複数個の前記溶融塩電池が一列に配置された第２電池群とを含み、
前記第１電池群及び前記第２電池群を、互いに隣り合う２つの電池群の基本配置構成として、複数列の電池群の集合体として全体が構成されている組電池。
【請求項４】
前記直方体の１対２組の側面のうち、広い方の一側面に、隣り合う２つの溶融塩電池の側面が共に接している請求項１〜３のいずれか１項に記載の組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融塩電池に関し、特に、複数の溶融塩電池の集合体である組電池に関する。
【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、個々の溶融塩電池のセル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】
上記のような組電池では、各セルの内部抵抗に多少のばらつきがある。そのため、組電池の使用開始初期は各セルが同じ温度であったとしても、使用によって、セル間で温度のばらつきが生じる場合があり、しかも、その温度差が大きくなる場合がある。温度の違いは、電池の性能にも影響を与えるので、なるべく、セル間の温度差が少ないことが好ましい。
かかる課題に鑑み、本発明は、セル間での温度差を、簡易に、かつ、より効果的に低減することができる組電池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）本発明は、基本形状が直方体である溶融塩電池を集合させて成る組電池であって、最外部にある溶融塩電池を除く内方の溶融塩電池は、前記直方体の側面である４面の全てにおいて隣り合う溶融塩電池の側面と接し、かつ、当該４面のうち少なくとも１面において、隣り合う複数の溶融塩電池の少なくとも合計２面と接している組電池である。
【０００７】
上記のように構成された組電池では、最外部にある溶融塩電池を除き、内方にある１つの溶融塩電池は、その側面の４面で隣り合う溶融塩電池の少なくとも合計５面と接することになる。従って、単純なマトリクス状の配列に比べて、より多くの溶融塩電池と接触する。その結果、溶融塩電池（セル）間での温度のばらつきが、自然に低減され易くなる。
【０００８】
（２）また、本発明は、基本形状が直方体である溶融塩電池を集合させて成る組電池であって、最外部にある溶融塩電池を除く内方の溶融塩電池は、前記直方体の側面である４面の全てにおいて隣り合う溶融塩電池の側面と接し、かつ、当該４面が、隣り合う溶融塩電池の少なくとも合計５面と接している組電池である。
【０００９】
上記（２）のように構成された組電池では、最外部にある溶融塩電池を除き、内方にある１つの溶融塩電池は、その側面の４面が、隣り合う溶融塩電池の少なくとも合計５面と接する。従って、単純なマトリクス状の配列に比べて、より多くの溶融塩電池と接触する。その結果、溶融塩電池（セル）間での温度のばらつきが、自然に低減され易くなる。
【００１０】
（３）また、本発明は、基本形状が直方体である溶融塩電池を集合させて成る組電池であって、複数個の前記溶融塩電池が一列に配置された第１電池群と、前記第１電池群とは、列を成す方向への１単位長より小さい長さだけずれて、複数個の前記溶融塩電池が一列に配置された第２電池群とを含み、前記第１電池群及び前記第２電池群を、互いに隣り合う２つの電池群の基本配置構成として、複数列の電池群の集合体として全体が構成されているものである。
【００１１】
上記（３）のように構成された組電池では、最外部にある溶融塩電池を除き、内方にある１つの溶融塩電池は、その列の前後の２個と、隣の列の２個ずつと境界を接するので、「ずれ」の無い配列に比べて、より多くの溶融塩電池と接触する。その結果、溶融塩電池（セル）間での温度のばらつきが、自然に低減され易くなる。
【００１２】
（４）また、上記（１）〜（３）のいずれかの組電池において、直方体の１対２組の側面のうち、広い方の一側面に、隣り合う２つの溶融塩電池の側面が共に接していることが好ましい。
この場合、広い方の側面は、狭い方の側面より、熱の移動が生じ易い。従って、より、温度のばらつきの低減に寄与する構成である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の組電池によれば、溶融塩電池（セル）間での温度差を、簡易に、かつ、より効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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横断面図である。
【図３】電池容器に収容された状態の溶融塩電池のセルの外観の概略を示す斜視図である。
【図４】比較例としての組電池を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図５】（ａ）は、図４における組電池から６個のセルに着目した平面図（但し、輪郭形状のみ示す。）であり、（ｂ）は、このようなセルの配置における熱の伝わり方の一例を示す図である。
【図６】本願発明の一実施形態に係る組電池を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図７】（ａ）は、図６における組電池から７個のセルに着目した平面図（但し、輪郭形状のみ示す。）であり、（ｂ）は、このようなセルの配置における熱の伝わり方の一例を示す図である。
【図８】電池群のずらし方の変形例を示す平面図である。
【図９】さらに他の、電池群の配置の仕方を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
《溶融塩電池の基本構造》
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。
【００１６】
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８５：１０：５：１００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、１００ＭＰａ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。
【００１７】
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）又はポリオレフィンシート（厚さ５０μｍ）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、ＮａＦＳＡ５６ｍｏｌ％と、ＫＦＳＡ（カリウム  ビスフルオロスルフォニルアミド）４４ｍｏｌ％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。この溶融塩電池の稼働温度領域は５７℃〜１９０℃であり、特に好ましい温度領域は、９０〜９５℃である。
【００１８】
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、ＮａＦＳＡと、ＬｉＦＳＡ、ＫＦＳＡ、ＲｂＦＳＡ又はＣｓＦＳＡとの混合物も好適である。また、有機カチオン等よりなる他の塩を混合する場合もあり、一般には、溶融塩は、（ａ）ＮａＦＳＡを含む混合物、（ｂ）ＮａＴＦＳＡを含む混合物、（ｃ）ＮａＦＴＡを含む混合物、が適する。また、（ａ）〜（ｃ）のうち２以上を混合することも可能である。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、少ない加熱で高濃度のイオンが溶解した状態を実現し、溶融塩電池を作動させることができる。
【００１９】
《溶融塩電池の具体的構造》
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横断面図である。
図２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２の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。
【００２０】
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。
【００２１】
なお、図２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。
【００２２】
《実用上のセルとしての一形態》
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、物理的な１セルを成す。
図３は、このような電池容器１１に収容された状態の溶融塩電池のセル２０の外観の概略を示す斜視図である。なお、図２における正極１及び負極２のそれぞれからは、端子１ｔ及び２ｔが電池容器１１の外部へ引き出される。なお、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が設けられるが、ここでは図示は省略する。また、電池容器１１の内面には絶縁処理が施されている。電池容器１１は、例えば底面に密着させるヒータ（図示せず。）によって暖められ、その結果、電解質の塩は、溶融塩の電解液となる。端子１ｔ，２ｔや安全弁を除く、セル２０の基本形状は、直方体である。
【００２３】
《組電池としての配置構造（比較例）》
本願発明の一実施形態に係る組電池について説明する前に、比較例としての組電池について説明する。図４は、比較例としての組電池１００ｃを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。多数の溶融塩電池のセル２０を縦横のマトリクス状に整列して配置すると、組電池１００ｃとしては、図示のような形態となる。この場合、例えばヒータ３０は、組電池１００ｃの底面に設けられる。さらに、図示しないヒータを例えば外側の側面に当てるように設けて、全体を、閉鎖された断熱容器で囲む等の構成により、各セルを概ね均等に加熱することができる。
【００２４】
図５の（ａ）は、組電池１００ｃ（図４）から６個のセル２０に着目した平面図（但し、輪郭形状のみ示す。）であり、（ｂ）は、このようなセル２０の配置における熱の伝わり方の一例を示す図である。（ａ）においてセル２０に付した白丸・黒丸のマークは、（ｂ）との対応を表すとともに、温度の違いを表しており、例えば、白丸は温度が９０度以上、黒丸は温度が９０度未満である。（ａ）、（ｂ）に示すように、中央にある斜線を付したセル２０の温度は例えば９５℃、その側面（４面）に面接触する図の上下左右のセル２０は、９０℃である。また、中央のセル２０に対して右斜め下にあって、中央のセル２０とは接触しないセル２０は、８５℃である。この場合、中央のセル２０と、その斜めに位置するセル２０との温度差は、１０℃にもなるので、熱の移動が生じて互いの温度が平準化されることが好ましいが、直接の接触が無いため、直接的な熱の移動が生じない。図５の（ｂ）における矢印の「×」は、このことを示している。結果的に、１０℃の温度差は低減されにくい。
【００２５】
《組電池としての配置構造（実施形態）》
次に、本発明の一実施形態に係る組電池の配置構造について説明する。
図６は、本発明の一実施形態に係る組電池１００を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。多数の溶融塩電池のセル２０を集合させて成る組電池１００は、図示のような形態となる。例えばヒータ３０は、組電池１００の底面に設けられる。さらに、図示しないヒータを例えば外側の側面に当てるように設けて、全体を、閉鎖された断熱容器で囲む等の構成により、各セルを概ね均等に加熱することができる。
【００２６】
図６において、平面視したセル２０の長辺方向をＸ方向とし、Ｘ方向と直交する短辺方向をＹ方向とする。この組電池１００は、複数個（この例では８個）のセル２０が、Ｘ方向に一列に配置されて成る電池群がさらに、複数列（この場合は１６列）、Ｙ方向に並んで構成されている。全体の並び方は、単純な縦・横のマトリクス状ではなく、任意の一列を第１電池群Ｃ１とすると、当該第１電池群Ｃ１と隣り合う第２電池群Ｃ２は、第１電池群Ｃ１とは、列を成す方向（Ｘ方向）へ１単位長（＝Ｌ）の半分の長さ（＝Ｌ／２）だけずれている。そして、第１電池群Ｃ１及び第２電池群Ｃ２を、互いに隣り合う２つの電池群の基本配置構成として、複数列（１６列）の電池群の集合体として全体が構成されている組電池１００である。
【００２７】
図７の（ａ）は、組電池１００（図６）から７個のセル２０に着目した平面図（但し、輪郭形状のみ示す。）であり、（ｂ）は、このようなセル２０の配置における熱の伝わり方の一例を示す図である。（ａ）においてセル２０に付した白丸・黒丸のマークは、（ｂ）との対応を表すとともに、温度の違いを表しており、例えば、白丸は温度が９０度以上、黒丸は温度が９０度未満である。
【００２８】
図７の（ａ）、（ｂ）に示すように、中央にある斜線を付したセル２０の温度は例えば一時的に９５℃、その側面（４面）に面接触する図の上下左右の合計６個のセル２０のうち５個は９０℃、中央のセル２０に対して右斜め下にあるセル２０は、一時的に８５℃である、とする。この場合、中央のセル２０は、その周りにある６個のセル２０の全てと面接触している。従って、中央のセル２０と、その周りにある６個のセル２０との間で、熱の移動が可能となる。そこで、中央のセル２０と、右斜め下にあるセル２０との間で、一時的に温度差が１０℃であったとしても、熱の移動が生じて互いの温度が接近する。結果的に、１０℃の温度差は低減され、小差となるか若しくは略均等になる。
【００２９】
このように、上記のように構成された組電池１００では、最外部にあるセル２０を除き、内方にある１つのセル２０は、その列の前後の２個と、隣の列の２個ずつと境界を接するので、「ずれ」の無い配列（図４，図５）に比べて、１つのセルが、より多くのセルと接触する。その結果、温度のばらつきが、自然に低減され易くなる。こうして、溶融塩電池のセル間での温度差を、簡易に、かつ、より効果的に低減することができる。
また、例えば図７の（ａ）において、セル２０における直方体の１対２組の側面のうち、広い方の一側面に、隣り合う２つのセル２０の側面が共に接している。この場合、広い方の側面は、狭い方の側面より、熱の移動が生じ易い。従って、例えば後述の図８の（ｂ）の構成と比較すると、より、温度のばらつきの低減に寄与する構成である。
【００３０】
《組電池としての配置構造の変形例》
図８は、電池群のずらし方の変形例を示す平面図である。（ａ）は、ずれが（Ｌ／３）である例を示している。この（Ｌ／３）も一例に過ぎず、要は、斜線を付したセル２０の一側面に、隣り合う２つのセル２０の側面が共に接するためには、ずれが、１単位長（＝Ｌ）より小さい長さであればよい。
一方、（ｂ）は、短辺方向にずらした例であり、短辺の長さをＤとすると、この場合のずれは例えば（Ｄ／２）である。この場合の「一列」の概念は、短辺方向となる。また、この場合も、斜線を付したセル２０の一側面に、隣り合う２つのセル２０の側面が共に接するためには、ずれが、１単位長（＝Ｄ）より小さい長さであればよい。
（ａ）、（ｂ）いずれの場合も、例えば斜線を付した中央のセル２０に着目すると、側面４面に対して、隣り合う６個のセル２０の側面が面接触している。
【００３１】
図９は、さらに他の、電池群の配置の仕方の例を示す平面図である。ここでは、前提条件として、平面視したセル２０の長辺：短辺が２：１である。この場合、例えば図示のような８個単位の集合が可能となり、最外部を除いて、どのセルも、少なくとも５個（５個又は６個）のセルと面接触する。なお、８個単位というのは一例であり、種々の個数単位での集合が可能である。
【００３２】
このように「一列」の概念が不明瞭となる図９の組電池１００も含めると、本発明の組電池とは、基本形状が直方体であるセル２０（溶融塩電池）を集合させて成る組電池であって、最外部にあるセル２０を除く内方のセル２０は、直方体の側面である４面の全てにおいて隣り合うセル２０の側面と接し、かつ、（ａ）当該４面のうち少なくとも１面において、隣り合う複数のセル２０の少なくとも合計２面と接している組電池であるか若しくは別の表現をすれば、（ｂ）当該４面が、隣り合うセル２０の少なくとも合計５面と接している組電池である、といえる。
【００３３】
このように構成された組電池１００では、最外部にあるセル２０を除き、内方にある１つのセル２０は、その側面の４面で隣り合うセル２０の少なくとも合計５面と接することになる。従って、単純なマトリクス状の配列（図４）に比べて、より多くのセル２０と接触する。その結果、温度のばらつきが、自然に低減され易くなる。
【００３４】
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】
【００３５】
２０  セル（溶融塩電池）
１００  組電池
Ｃ１  第１電池群
Ｃ２  第２電池群
【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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【図９】
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