(57)【要約】【課題】複数の電池を集合させて成る組電池に加熱の機能を備えた電池モジュールにおいて、加熱／放熱のいずれにも効率の良い構造とする。【解決手段】この電池モジュール１００は、複数の電池を集合させて成る組電池３０と、組電池３０の外面（例えば底面）に沿って線状の発熱体（電熱線５１）を面状に分布して形成され、当該発熱体相互間に固体の熱伝導材が介在する加熱部Ｈ１と、上記外面から見て加熱部Ｈ１より外側にあって、流体と接することにより熱交換を行う熱交換部Ｈ２とを備えている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池を集合させて成る組電池と、
前記組電池の外面に沿って線状の発熱体を面状に分布して形成され、当該発熱体相互間に固体の熱伝導材が介在する加熱部と、
前記外面から見て前記加熱部より外側にあって、流体と接することにより熱交換を行う熱交換部と、
を備えている電池モジュール。
【請求項２】
前記加熱部及び前記熱交換部は加熱・熱交換ユニットとして一体に形成され、前記外面に近い方の端面に形成された溝に、前記発熱体が埋設されている請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記発熱体は、前記組電池を収容する組電池容器の外面に形成された溝に埋設されている請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記熱交換部は、複数のフィン又は突起によって形成されている請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項５】
前記複数のフィン又は突起の間に入り込んで根元に押し当てるように前記発熱体が装着されている請求項４に記載の電池モジュール。
【請求項６】
前記熱交換部は、液体を一方向にのみ通す通路を内部に有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【請求項７】
前記電池は、溶融塩を電解質とする溶融塩電池である請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池を集合させて成る組電池に、加熱の機能も含めた電池モジュールに関する。
【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、溶融塩電池は、不燃性に加えて、稼働温度領域が広いことから、多数の電池を密集して組電池を構成することに適し、そのため、コンパクトな組電池を構成することができる。
【０００３】
従って、溶融塩電池を集合させて成る組電池は、中規模電力網や家庭等での電力貯蔵用途の他、ハイブリッド車（ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）用として期待されている。溶融塩電池の稼働温度領域は例えば５７℃〜１９０℃であるが、電気的特性の安定、電池のサイクル寿命、電極部分の温度耐久性等の観点から、より好適な温度は、現時点では例えば９０度付近と考えられている。このような温度を得るためには、ヒータが使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６７６４４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、電力を外部に供給する源である電池に対して、外部から若しくは電池自身から加熱のための電力を提供することは、その分、全体的な発電効率を低下させることになる。従って、できるだけ効率よく加熱できることが好ましい。
一方、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。従って、加熱の機能以外に、放熱の機能も必要となる。かかる加熱／放熱は、電池の性能や寿命及び、加熱のための消費電力に関係してくるため、効率の良い加熱／放熱の機能が望まれる。
【０００７】
かかる課題に鑑み、本発明は、複数の電池を集合させて成る組電池に加熱の機能を備えた電池モジュールにおいて、加熱／放熱のいずれにも効率の良い構造とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電池モジュールは、複数の電池を集合させて成る組電池と、前記組電池の外面に沿って線状の発熱体を面状に分布して形成され、当該発熱体相互間に固体の熱伝導材が介在する加熱部と、前記外面から見て前記加熱部より外側にあって、流体と接することにより熱交換を行う熱交換部とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、加熱／放熱のいずれにも効率の良い電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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】溶融塩電池本体が電池容器に収容された場合の、１つのセルの外観の概略を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態に係る電池モジュールの斜視図である。
【図５】組電池容器に取り付ける前の、加熱・熱交換ユニットを示す斜視図である。
【図６】加熱・熱交換ユニットのみを示す斜視図である。
【図７】図６におけるVII−VII線断面図である。
【図８】図７における一部を拡大した図である。
【図９】第２実施形態に係る電池モジュールの特徴的な部分のみを示す断面図である。
【図１０】第３実施形態に係る電池モジュールの特徴的な部分のみを示す断面図である。
【図１１】第４実施形態に係る電池モジュールの特徴的な部分のみを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
【００１２】
（１）この電池モジュールは、複数の電池を集合させて成る組電池と、前記組電池の外面に沿って線状の発熱体を面状に分布して形成され、当該発熱体相互間に固体の熱伝導材が介在する加熱部と、前記外面から見て前記加熱部より外側にあって、流体と接することにより熱交換を行う熱交換部と、を備えている。
【００１３】
上記（１）のように構成された電池モジュールでは、位置的に、加熱部が、熱交換部よりも組電池に近い。そのため、加熱部に通電することによる加熱時は、組電池の迅速な昇温が可能である。なお、高温流体を熱交換部に供給すれば、熱交換部から組電池を昇温又は保温することも可能である。
一方、加熱部への通電を停止して熱交換部により放熱を促す場合は、発熱体及びそれらの間にある熱伝導材によって、組電池の熱を効率よく熱交換部に運ぶことができる。また、熱交換部は、組電池の外面から見て加熱部より外側にあるので、熱をこもらせずに放熱させることに適する。
【００１４】
（２）また、（１）の電池モジュールにおいて、前記加熱部及び前記熱交換部は加熱・熱交換ユニットとして一体に形成され、前記外面に近い方の端面に形成された溝に、前記発熱体が埋設されていてもよい。
この場合、溝と溝の間にある非溝部（いわば土手の部分）が、熱伝導材となり、加熱時は熱の均一な分散に寄与し、放熱時は熱の搬出促進に寄与する。
【００１５】
（３）また、（１）の電池モジュールにおいて、前記発熱体は、前記組電池を収容する組電池容器の外面に形成された溝に埋設されていてもよい。
この場合、溝と溝の間にある組電池容器の外面の非溝部が、熱伝導材となり、加熱時は熱の均一な分散に寄与し、放熱時は熱の搬出促進に寄与する。
【００１６】
（４）また、（１）の電池モジュールにおいて、前記熱交換部は、複数のフィン又は突起によって形成されていてもよい。
この場合、フィン又は突起の形成により、それらの先端面の合計面積は、全面が平面である場合に比べて小さくなる。従って、加熱時に熱交換部を介して外部に逃げる熱の量を抑制することができる。
【００１７】
（５）また、（４）の電池モジュールにおいて、前記複数のフィン又は突起の間に入り込んで根元に押し当てるように前記発熱体が装着されていてもよい。
この場合、フィン又は突起の間を利用して発熱体を組電池寄りに保持することができる。従って、発熱体を埋設する場合のような溝の加工は不要である。
【００１８】
（６）また、（１）〜（３）のいずれかの電池モジュールにおいて、前記熱交換部は、液体を一方向にのみ通す通路を内部に有するものであってもよい。
この場合、液体の流通による迅速な放熱が可能である。また、液体を流さずにとどめれば、気体に比べてその熱容量の大きさが、保温に寄与する。
【００１９】
（７）また、（１）〜（６）のいずれかの電池モジュールにおいて、前記電池は、例えば、溶融塩を電解質とする溶融塩電池である。
溶融塩電池を動作させるには電解質を溶融させる必要があり、かつ、安定した動作をさせるためには、例えば９０℃程度の温度に維持することが好ましい。当該電池モジュールは、かかる温度の維持に好適である。
【００２０】
［実施形態の詳細］
《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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
また、上記の例では、２０℃程度の常温で電解液が固化している溶融塩電池について説明したが、これ以外にも、例えばＮａＦＳＡとＰｙ１３ＦＳＡ（Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウムＦＳＡ）との混合物は、５７℃よりも融点が低温で、例えば２０度程度の常温でも溶融状態である電解液／電解質として、適用可能である。但し、この場合でも、特に好ましい温度領域まで昇温させることは必要である。
【００２５】
《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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
《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が電池容器１１ｘに収容された場合の、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、電池容器１１ｘとの電気的絶縁を保ちつつ、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。このようなセル２０を複数個並べることにより、組電池を構成することができる。
【００２９】
《電池モジュール：第１実施形態》
次に、電池モジュールの第１実施形態について説明する。
図４は、電池モジュール１００の斜視図である。セル２０を複数個（この例では８個）、隣り合わせに集合させて成る組電池３０は、直方体状の外箱となる組電池容器４０に収容されている。図示の組電池容器４０は、天板の蓋を取り外した状態を示している。組電池容器４０の材質は、例えばアルミニウム合金である。
【００３０】
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、組電池容器４０を平面視した長方形の短辺方向がＸ方向、長辺方向がＺ方向、高さ方向がＹ方向である。組電池容器４０の底面には、加熱部と熱交換部とが１つになった加熱・熱交換ユニット５０が取り付けられている。加熱・熱交換ユニット５０は、Ｙ方向における上部が加熱部Ｈ１であり、残る下部が熱交換部Ｈ２である。
【００３１】
図５は、組電池容器４０に取り付ける前の、加熱・熱交換ユニット５０を示す斜視図である。加熱・熱交換ユニット５０は、例えばねじ止めによって、組電池容器４０の底面４０ｂに取り付けられる。
【００３２】
図６は、加熱・熱交換ユニット５０のみを示す斜視図である。図６において、加熱・熱交換ユニット５０の上端面側を占める加熱部Ｈ１は、発熱体となる線状の電熱線５１が、上端面に形成された溝に埋設されることにより、構成されている。電熱線５１は、組電池３０の底面３０ｂ（図５）及び組電池容器４０の底面４０ｂ（図５）に沿って面状（Ｘ−Ｚ平面）に分布するように埋設される。電熱線５１の終端部５１ｔ１及び５１ｔ２は、外方へ導出されている。これらの終端部５１ｔ１，５１ｔ２間に通電することにより、電熱線５１が発熱体となる。また、加熱・熱交換ユニット５０のうち、加熱部Ｈ１を除く残りの部分である熱交換部Ｈ２は、図のＹ−Ｚ平面に平行な多数の放熱フィン５０ｆによって構成されている。
【００３３】
すなわち、加熱部Ｈ１及び熱交換部Ｈ２は、加熱・熱交換ユニット５０として一体に形成され、組電池３０の外面（底面３０ｂ）に近い方の端面（上面）に形成された溝に、発熱体としての電熱線５１が埋設されていることになる。
【００３４】
図７は、図６におけるVII−VII線断面図である。また、図８は、図７における一部を拡大した図である。図８に示すように、電熱線５１は、ニクロム等の中心導体５１ａと、その周りの耐熱絶縁材（例えばガラスチューブ）から成る被覆部５１ｂとを有している。電熱線５１は、溝５０ｇに埋め込まれ、樹脂の封止材５２により溝５０ｇに接着固定されている。
【００３５】
図７に戻り、加熱部Ｈ１において、隣り合う溝５０ｇ間のいわば土手の部分には、固体（アルミニウム合金）である非溝部５０ｄが熱伝導材として介在している。また、組電池３０の底面３０ｂから見て、熱交換部Ｈ２は加熱部Ｈ１より外側にあり、放熱フィン５０ｆ間に空気を強制的に通すことにより空冷効果を発揮する。また、逆に、熱風のような高温流体を通せば、加熱又は保温にも利用できる。このような熱風は、独自に用意してもよいが、他の装置の廃熱を利用することもできる。
【００３６】
以上のように構成された電池モジュール１００では、位置的に、加熱部Ｈ１が、熱交換部Ｈ２よりも組電池３０に近い。そのため、加熱部Ｈ１に通電することによる加熱時は、組電池３０の迅速な昇温が可能である。なお、高温流体を熱交換部Ｈ２に供給すれば、熱交換部Ｈ２から組電池３０を昇温又は保温することも可能である。
一方、加熱部Ｈ１への通電を停止して熱交換部Ｈ２により放熱を促す場合は、発熱体（電熱線５１）及びそれらの間にある熱伝導材（非溝部５０ｄ）によって、組電池３０の熱を効率よく熱交換部Ｈ２に運ぶことができる。また、熱交換部Ｈ２は、組電池３０の外面から見て加熱部Ｈ１より外側にあるので、熱をこもらせずに放熱させることに適する。
従って、加熱／放熱のいずれにも効率の良い電池モジュールを提供することができる。
【００３７】
また、互いに隣接する２つの溝５０ｇの間にある非溝部５０ｄが、熱伝導材となり、加熱時は熱の均一な分散に寄与し、放熱時は熱の搬出促進に寄与する。
すなわち、この非溝部５０ｄが介在することによって、電熱線５１が通電により発熱体となっている場合には、熱分布が発熱体にのみ集中することを緩和し、組電池容器４０の底面４０ｂ（図５)へ、できるだけむらなく熱を伝えることに寄与する。また、通電を停止しているとき、すなわち、放熱時は、組電池３０の熱、組電池容器４０の熱、電熱線５１に残る熱、のいずれも、放熱フィン５０ｆに搬出されやすい。
【００３８】
さらに、放熱フィン５０ｆの形成により、それらの先端面（下端面）の合計面積は、放熱フィンが無く全面がベタ平面である場合に比べて小さくなる。従って、加熱時に、熱交換部Ｈ２を介して外部（取付台６０）に逃げる熱の量を抑制することができる。
なお、上記実施形態では放熱フィン５０ｆを例示したが、熱交換部Ｈ２の形状は「フィン」に限定されない。例えばフィンに代えて多数の柱状突起が形成されていてもよい。
また、上記第１実施形態では組電池容器４０の底面４０ｂ(図５)に直接、加熱部Ｈ１を当接させているが、両者の間に、グリース、電熱シート等のＴＩＭ（Thermal Interface Material）を挟んでもよい。
【００３９】
《電池モジュール：第２実施形態》
図９は、第２実施形態に係る電池モジュール１００の特徴的な部分のみを示す断面図である。図において、この場合、第１実施形態と異なるのは、電熱線５１が、組電池容器４０の底面４０ｂに埋設されている点と、熱交換部Ｈ２は加熱部Ｈ１とは分離された別の存在となっている点とである。すなわち、この場合には、加熱部Ｈ１を構成しているのは、組電池容器４０の底面４０ｂに埋設された電熱線５１であり、溝間の非溝部４０ｄが、熱伝導材となっている。このような構成によっても、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４０】
《電池モジュール：第３実施形態》
図１０は、第３実施形態に係る電池モジュール１００の特徴的な部分のみを示す断面図である。図において、この場合、第１実施形態と異なるのは、図６と同じような分布となる電熱線５１を、溝に埋設するのではなく、隣り合う放熱フィン５０ｆの間に入り込んで根元に押し当てるように装着する点である。電熱線５１の折り返し部分は、必要な箇所の放熱フィン５０ｆに切り欠きを設けて他の溝へ折り返せばよい。電熱線５１は、例えば接着剤により放熱フィン５０ｆの間に固定すれば、安定保持することができる。この場合の加熱部Ｈ１は、電熱線５１と、隣り合う電熱線間にある非溝部５０ｄ（放熱フィン５０ｆの基部の一部）とにより、構成される。
この実施形態の場合は、電熱線５１の埋設用の溝を設ける加工が不要になるという利点がある。
【００４１】
《電池モジュール：第４実施形態》
図１１は、第４実施形態に係る電池モジュール１００の特徴的な部分のみを示す断面図である。図において、この場合、第１実施形態と異なるのは、放熱フィン５０ｆのある空間が断面図上では閉鎖されていて、液体を一方向（Ｚ方向）にのみ通す通路になっている点である。
この場合、液体の流通による迅速な放熱が可能である。また、液体を流さずにとどめれば、気体に比べてその熱容量の大きさが、保温に寄与する。
【００４２】
《その他》
なお、上記各実施形態では、組電池３０の底面（及び組電池容器４０の底面）に沿って加熱部Ｈ１を設ける例を示したが、底面以外の外面に設けることもできる。例えば、組電池３０の外側面（組電池容器４０の外側面）に沿って加熱部Ｈ１を設けることも可能である。但し、組電池容器４０の上面は熱伝導の効率の点で不適である。
【００４３】
なお、上記各実施形態では、溶融塩電池を用いる電池モジュール１００について説明したが、電池は溶融塩電池に限定されるものではない。
例えばナトリウム硫黄電池はさらに高い稼働温度領域（３００℃〜３５０℃）であるので、加熱／放熱が必要であり、同様の電池モジュールを構成することができる。
また、リチウムイオン電池は基本的には常温で動作するが、例えば、気温が−２０℃を下回るような寒冷地で安定して使用するには加熱が必要となる場合もある。逆に８０℃を超える場合は放熱が必要である。従って、リチウムイオン電池に対しても、同様の電池モジュールを適用することができる。
【００４４】
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】
【００４５】
１  正極
１ａ  正極集電体
１ｂ  正極材
１ｔ  端子
２  負極
２ａ  負極集電体
２ｂ  負極材
２ｔ  端子
３  セパレータ
１０  溶融塩電池本体
１１ａ  蓋
１１ｘ  電池容器
２０  セル（溶融塩電池)
３０  組電池
３０ｂ  底面
４０  組電池容器
４０ｂ  底面
４０ｄ  非溝部
５０  加熱・熱交換ユニット
５０ｄ  非溝部
５０ｆ  放熱フィン
５０ｇ  溝
５１  電熱線
５１ａ  中心導体
５１ｂ  被覆部
５１ｔ１、５１ｔ２  終端部
５２  封止材
６０  取付台
１００  電池モジュール
Ｈ１  加熱部
Ｈ２  熱交換部
Ｖ  空間
【図１】
2015138646.tif 000003
【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】
2015138646.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015138646.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2015138646.tif 000013