(57)【要約】【課題】溶融塩電池を集合させて成る組電池を、容易に、適温に維持する温度調節構造を備えた溶融塩電池装置を提供する。【解決手段】この溶融塩電池装置は、溶融塩電池のセル２０を集合させて成る組電池１００と、この組電池１００の下に設けられ、放熱フィン１２ｆに沿って流体（例えば空気）が移動する通路１２ｐを有する放熱部１２と、この放熱部１２の下に設けられた加熱装置１３と、放熱部１２の通路１２ｐに強制的に流体を通す流通装置（例えばファン）とを備えたものである。すなわち、組電池１００の電池容器１１と加熱装置１３との間に、放熱部１２が介在する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融塩電池を集合させて成る組電池と、
前記組電池の下に設けられ、放熱フィンに沿って流体が移動する通路を有する放熱部と、
前記放熱部の下に設けられた加熱装置と、
前記通路に、強制的に流体を通す流通装置と
を備えている溶融塩電池装置。
【請求項２】
前記流体は空気であり、前記流通装置はファンである請求項１記載の溶融塩電池装置。
【請求項３】
前記組電池の電池容器は、複数の溶融塩電池本体をそれぞれ収容する複数の容器空間が集合して形成された一体的容器である請求項１又は２に記載の溶融塩電池装置。
【請求項４】
前記組電池の電池容器と前記放熱部とが互いに一体に形成されている請求項３に記載の溶融塩電池装置。
【請求項５】
前記放熱フィンは、前記放熱部の天井部から底部へ繋がっている請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶融塩電池装置。
【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溶融塩電池に関し、特に、その温度調節のための構造に関する。
【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、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、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】
上記溶融塩電池の稼働温度領域は前述のように５７℃〜１９０℃であるが、その後の実験によれば、電気的特性の安定と、電池のサイクル寿命と、電極部分の温度耐久性との観点から、より好適な温度は例えば９０度付近と考えられる。このような温度を得るためには、ヒータが使用される。しかし、ヒータで加熱後、ヒータを停止あるいは保温の状態としていても、充放電による溶融塩電池の自己発熱が大電流によって増大すると、温度が９０度付近を大きく超える高温になる場合も考えられる。
かかる課題に鑑み、本発明は、溶融塩電池を集合させて成る組電池を、容易に、適温に維持する温度調節構造を備えた溶融塩電池装置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）本発明の溶融塩電池装置は、溶融塩電池を集合させて成る組電池と、前記組電池の下に設けられ、放熱フィンに沿って流体が移動する通路を有する放熱部と、前記放熱部の下に設けられた加熱装置と、前記通路に、強制的に流体を通す流通装置とを備えたものである。
このような溶融塩電池装置によれば、例えば加熱装置を停止させた状態で、流通装置を駆動し、放熱部の通路に強制的に流体を通すと、放熱フィンの熱が奪われ、組電池の温度を効果的に下げることができる。また、流通装置を停止し、加熱装置を稼働させれば、熱伝導体としての放熱部を介して組電池を加熱又は保温することができる。
【０００７】
（２）また、上記溶融塩電池装置において、流体は空気であり、流通装置はファンであってもよい。
このような構造は簡素であり、従って、低コストで溶融塩電池装置を製造することができる。
【０００８】
（３）また、上記（１）又は（２）の溶融塩電池装置において、組電池の電池容器は、複数の溶融塩電池本体をそれぞれ収容する複数の容器空間が集合して形成された一体的容器であってもよい。
この場合、組電池の電池容器が一体化されることにより組電池の温度が概ね均等化される。従って、全体の温度管理が容易になる。
【０００９】
（４）また、上記（３）の溶融塩電池装置において、組電池の電池容器と放熱部とが互いに一体に形成されていることが好ましい。
この場合、電池容器と放熱部との間での熱伝導が促進されるので、両者間での熱的一体性が担保される。従って、放熱部を介しての、組電池の温度調節が容易である。
【００１０】
（５）また、上記（１）〜（４）のいずれかの溶融塩電池装置において、放熱フィンは、放熱部の天井部から底部へ繋がっていることが好ましい。
この場合、組電池の電池容器と加熱装置との間に介在する放熱部の存在が、熱伝導を阻害しないので、良好な熱伝導が確保される。従って、放熱部を介しての、組電池の温度調節が容易である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の溶融塩電池装置によれば、溶融塩電池を集合させて成る組電池を、容易に、適温に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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】溶融塩電池本体が単独で電池容器に収容されたと仮定した場合の、１つのセルの外観の概略を示す斜視図である。
【図４】組電池全体で一体化された電池容器を示す斜視図である。
【図５】図４におけるＸ方向の手前側から電池容器及び放熱部を見た部分図である。
【図６】組電池の一例を示す斜視図である。
【図７】図６の状態からさらに、組電池に対して、加熱装置及びダクト部を設ける状態を示す斜視図である。
【図８】図７に示した組電池を、さらに、断熱材で囲んだ状態の斜視図である。
【図９】図８におけるＹ−Ｚ平面に平行な断面の一部を示す断面図である。
【図１０】組電池の冷却も含めた温度調節に関する構造の概略を示す図である。
【図１１】個々に電池容器を有するセルを集合させた組電池の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
《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。
【００１４】
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。
【００１５】
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℃付近である。
【００１６】
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。
【００１７】
《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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
《セルの一形態》
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することにより、物理的な１セルを成す。
図３は、溶融塩電池本体１０が単独で電池容器１１ｘに収容されたと仮定した場合の、１つのセル（溶融塩電池）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１１ｘの外部へ引き出される。端子１ｔ及び２ｔは、電池容器１１ｘを密封する蓋１１ａに設けられる。なお、蓋１１ａには、端子１ｔ，２ｔの他、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。
【００２１】
《溶融塩電池装置》
《組電池の構成の一形態》
次に、本発明の溶融塩電池装置の一実施形態について、組電池の構成の一形態と共に説明する。
まず、ここで、図３に示したような電池容器１１ｘを、組電池全体で一体化することを考える。
【００２２】
図４は、組電池全体で一体化（あるいは共有化でもある。）された電池容器１１を示す斜視図である。図において、電池容器１１は、縦横に複数（図示の例では６４）の容器空間１１ｃを有する。この電池容器１１は、例えばアルミニウム合金の鋳造又はダイキャストによって原型を成形した後、機械加工により仕上げて一定の精度を持たせたものである。各々の容器空間１１ｃの壁面が、図３における電池容器１１ｘに相当している。容器空間１１ｃの内壁面（底面も含む。）には絶縁被覆処理が施されている。かかる電池容器１１は、複数の溶融塩電池本体１０（図３）をそれぞれ収容する複数の容器空間１１ｃが集合して形成された一体的容器である。
このように、電池容器１１が組電池全体で一体化されることにより組電池の温度が概ね均等化される。従って、全体の温度管理が容易になる。
【００２３】
図４において、互いに直交する図示の３方向をＸ，Ｙ，Ｚとする。すなわち、電池容器１１の長手方向がＸ方向、幅方向がＹ方向、高さ方向がＺ方向である。
電池容器１１の下には、電池容器１１と一体に、放熱部１２が形成されている。但し、機能的には、放熱部１２は、電池容器１１の一部ではない。
放熱部１２は、複数の放熱フィン１２ｆが、Ｘ方向へ連続して形成されている。隣り合う放熱フィン１２ｆ間には、放熱フィン１２ｆに沿って空気が流れる通路１２ｐが形成されている。すなわち、通路１２ｐは、Ｘ方向に通り抜けるように形成されている。
【００２４】
図５は、図４におけるＸ方向の手前側から電池容器１１及び放熱部１２を見た部分図である。図５において、放熱部１２は電池容器１１と一体形成されており、アルミニウム合金製である。従って、放熱部１２は、熱伝導性に優れている。
放熱フィン１２ｆは、Ｘ方向に連続していることによって、十分な表面積を有している。従って、通路１２ｐを通る空気と熱交換して優れた空冷効果を発揮する。また、放熱フィン１２ｆは、放熱部１２の天井部１２ｔから底部１２ｂまでＺ方向に繋がっている。このことは、底部１２ｂから天井部１２ｔへ（その逆も同様）の良好な熱伝導性が担保されることを意味している。
なお、放熱部１２は、電池容器１１と一体形成することが好ましいが、別個に作成して電池容器１１の底面に密着させるように取り付けてもよい。
【００２５】
図６は、組電池１００の一例を示す斜視図である。なお、放熱部１２は、物理的には電池容器１１と一体であるため事実上は組電池１１の一部とも言えるが、機能的には組電池１００の一部ではない。
図４の状態の電池容器１１に、図３に示す溶融塩電池本体１０を入れて、電解液を注入し、蓋１１ａをして溶接で閉じる。これにより、図６に示すように、一体化された電池容器１１に６４個のセル２０が集合して、組電池１００を構成する。なお実際には、各セルの端子は、相互に、例えばバスバー（図示せず。）によって適宜接続される。これにより、必要な電圧・電流に応じて直並列にセル２０が接続された組電池１００が構成される。
【００２６】
図７は、図６の状態からさらに、組電池１００に対して、加熱装置１３及びダクト部１２ｄを設ける状態を示す斜視図である。加熱装置１３は、例えば、薄いパネル状のヒータであり、耐熱樹脂でコーティングされている。加熱装置１３は、放熱部１２の下面に密着して取り付けられる。また、一対のダクト部１２ｄは、放熱部１２のＸ方向両端面に取り付けられる。これらのダクト部１２ｄはそれぞれ、放熱部１２に対する空気の取込口及び排出口となる。ダクト部１２ｄは例えば、Ｙ方向へ３空間に区画され、かつ、Ｘ方向に通り抜ける通路１２ｄｐを有している。通路１２ｄｐは、放熱部１２の通路１２ｐと連通する。
なお、ダクト部１２ｄは、予め放熱部１２と一体に形成することもできる。
【００２７】
図８は、図７に示した組電池１００を、さらに、断熱材１４で囲んだ状態の斜視図である。断熱材１４は、例えば、側面４枚と、底面１枚と、蓋１枚（破断して示す。）とによって構成され、材質としては、例えばセラミックが好適である。セル２０を収容した電池容器１１は、断熱材１４によって閉鎖され、これにより、組電池１００の保温効果が得られる。空気の取込口及び排出口となる一対のダクト部１２ｄは、断熱材１４の外部へ出ている。従って、断熱材１４に遮られることなく、空気の取り込み及び排出が可能である。
【００２８】
図９は、図８におけるＹ−Ｚ平面に平行な断面の一部を示す断面図である。加熱装置１３が通電により発熱すると、その熱は、まず、放熱部１２の底部１２ｂに伝導する。そして、底部１２ｂから、図中の矢印によって示すように、多数の放熱フィン１２ｆを介して天井部１２ｔ（言い換えれば電池容器１１の底）に伝導する。これにより、電池容器１１が加熱され、各セル２０の電解質が加熱される。電解質は、融点に達すると溶融して電解液となり、これにより、溶融塩電池が使用可能（充放電可能）となる。
【００２９】
図１０は、組電池１００の冷却も含めた温度調節に関する構造の概略を示す図であり、図８を平面的（Ｘ−Ｙ平面）に見た図に対応する。図において、一方（左側）のダクト部１２ｄは開放され、吸気口となる。他方（右側）のダクト部１２ｄには延長ダクト１５が接続され、その先にはファン１６が接続されている。加熱装置１３及びファン１６は、制御装置１８によって制御される。また、組電池１００の温度（電解質又は電解液の温度）を測る温度センサ１７が設けられており、温度センサ１７によって検知された温度情報は、制御装置１８に送られる。
【００３０】
上記温度情報に基づいて、組電池１００の温度が低く、電解質が固化していると推定される場合は、制御装置１８は加熱装置１３を動作させ、組電池１００を加熱する。この場合、前述のように、放熱フィン１２ｆが放熱部１２の天井部１２ｔから底部１２ｂへ繋がっている構造によって、放熱部１２の存在が熱伝導を阻害しないので、良好な熱伝導が確保される（図９参照。）。また、電池容器１１と放熱部１２とが互いに一体に形成されていることによって、電池容器１１と放熱部１２との間での熱伝導が促進されるので、両者間での熱的一体性が担保される。従って、放熱部１２を介しての、組電池１００の温度調節が容易である。
加熱により、組電池１００の温度が適温に達すると、加熱装置１３の間欠運転をする等の制御により、組電池１００を保温する。また、保温の必要が無い場合は、制御装置１８は、加熱装置１３を完全に動作停止させる。
【００３１】
また、大電流が流れた場合の自己発熱等により、組電池１００が、適温の範囲を超えて高温になった場合、制御装置１８は、ファン１６を駆動する。ファン１６は、駆動により、組電池１００側から吸気して、外へ排気する運転を行う。これにより、放熱部１２（図７）の通路１２ｐに強制通風され、放熱フィン１２ｆに沿って空気が流れる。放熱フィン１２ｆが空冷されると電池容器１１の温度が下がり、組電池１００の温度が下がる。こうして、組電池１００の温度を効果的に下げることができる。
【００３２】
すなわち、上記のような溶融塩電池装置によれば、加熱装置１３を停止させた状態で、ファン１６を駆動し、放熱部１２の通路１２ｐに強制通風すると、放熱フィン１２ｆの熱が奪われ、組電池１００の温度を効果的に下げることができる。また、ファン１６を停止し、加熱装置１３を稼働させれば、熱伝導体としての放熱部１２を介して組電池１００を加熱又は保温することができる。従って、組電池１００を、容易に、適温に維持することができる。
【００３３】
なお、上記実施形態では、ファン１６を用いて空気を強制的に通路１２ｐに通すことによる空冷の温度調節構造について説明した。このような構造は簡素であり、従って、低コストで溶融塩電池装置を製造することができる。
但し、熱媒体は空気以外の流体でも使用可能である。例えば、水や冷媒などの液体でもよい。従って、放熱部は、放熱フィンに沿って流体が移動する通路を有するものであればよい。また、ファンも一例に過ぎず、要は、通路１２ｐに強制的に流体を通すことができる流通装置を備えていればよい。
【００３４】
《組電池の構成の他の形態》
なお、上記の組電池１００は、組電池全体で電池容器１１を一体化した構成であるが、図１１に示すように、個々に電池容器１１ｘ（図３）を有するセル２０を集合させた組電池１００であっても、その下に、電池容器１１ｘとは別の放熱部１２を設け、さらにその下に加熱装置１３を設ける構成によって、概ね同様の作用効果を得ることができる。但し、作用効果に程度差はある。
ここで、図４に示すように一体化された電池容器１１を「一体型」、図１１に示すように個々の缶（電池容器）を集合させた構成を「缶集合型」とすると、一体型は、缶集合型に比べて以下の利点を有する。
【００３５】
一体型は、セル間に隙間が無く、また、集合の精度のばらつきが無いので、温度の均一性に優れている。一体型は、セル間の仕切り壁を厚くすることで、下からの加熱が上方に伝導し易くなる。また、仕切り壁を厚くすることで内圧（ガス圧）に対する強度を容易に確保することができる。さらに、一体型は、据付場所に固定し易く、また、セル同士がばらばらにならないので、耐震性に優れている。
【００３６】
《その他》
なお、上記実施形態における組電池の配置や断熱構造は一例に過ぎず、用途に応じて種々の形態があり得る。
また、上記実施形態における放熱フィン１２ｆは図６におけるＸ方向に連続しているとしたが、必ずしも連続していなくてもよい。例えば、Ｘ方向において途中で途切れている箇所があってもよいし、所定間隔をおいて立設された柱状の放熱フィンが、上から見て破線を描くように、Ｘ方向へ並んでいる構成であってもよい。
【００３７】
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】
【００３８】
１１  電池容器
１２  放熱部
１２ｂ  底部
１２ｆ  放熱フィン
１２ｐ  通路
１２ｔ  天井部
１３  加熱装置
１６  ファン（流通装置）
２０  セル（溶融塩電池）
１００  組電池
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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