JP2013073773A - 溶融塩組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融塩組電池の耐震性を高める。
【解決手段】電解質を溶融させるためにヒータが必要な溶融塩電池Ｂを複数個ケース２０内に収容して成る溶融塩組電池１００において、電池容器１１を加熱するためのヒータ２１，２２は、発熱体と耐熱ゴムとで出来ており、耐熱ゴムは、発熱体の発熱を電池容器１１に伝える熱伝導体であるともに、その弾性及び粘性により、地震発生時の電池容器１１への衝撃及び全体の揺れを緩和する制震効果を発揮する。
【選択図】図５

Description

本発明は、溶融塩を電解質とする電池を複数個集めて構成される溶融塩組電池に関する。

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。

特開２００９−６７６４４号公報

「ＳＥＩ ＷＯＲＬＤ」２０１１年３月号（ＶＯＬ．４０２）、住友電気工業株式会社

東北地方太平洋沖地震の発生後、エネルギー設備の耐震性に対する関心が非常に高まっており、溶融塩組電池も、ある程度の耐震性を備える必要があると考えられる。例えば電力貯蔵用として使用される溶融塩組電池は、いざという時に確実に使用できるかどうかが重要である。例えば大地震が発生したとき、用意していた溶融塩組電池が破損したり、内部で短絡する等により、使用できない事態に陥っては意味がない。
かかる課題に鑑み、本発明は、溶融塩組電池の耐震性を高めることを目的とする。

（１）本発明は、電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が電池容器に収容され、複数個の当該電池容器がケース内に収容されて成る溶融塩組電池であって、前記電池容器を加熱するための発熱体と、前記発熱体の発熱を前記電池容器に伝える熱伝導体であるともに、弾性及び粘性の少なくとも一方を有する制震部とを備えたものである。
上記のような溶融塩組電池では、通常は、制震部が発熱体の発熱を電池容器に伝える。地震発生時には、制震部が、弾性又は粘性によって衝撃及び揺れを緩和する制震効果を発揮する。

（２）また、上記（１）の溶融塩組電池において、制震部は、隣り合う電池容器間に介装された耐熱ゴムであり、発熱体は、当該耐熱ゴムに埋設されているものであってもよい。
この場合、通常は電池容器の加熱に寄与する耐熱ゴムが、地震発生時には、弾性又は粘性によって電池容器への衝撃及び全体の揺れを緩和する。

（３）また、上記（１）の溶融塩組電池において、制震部は、ケース内に満たされ、各電池容器を浸けるオイルであり、発熱体は、当該オイルを熱媒体として各電池容器を加熱するようにしてもよい。
この場合、通常は電池容器の加熱に寄与するオイルが、地震発生時には液状粘性によって電池容器への衝撃及び全体の揺れを緩和する。

（４）また、上記（３）の溶融塩組電池において、電池容器は、防振性のある支持部を介してケースに支持されていてもよい。
この場合、通常は電池容器を支持する支持部が、地震発生時には、オイルと共に、電池容器への衝撃及び全体の揺れを緩和する。

（５）また、上記（３）の溶融塩組電池において、電池容器は、ケースの上部から吊り下げられていてもよい。
この場合、地震発生時にケースの揺れが直接的に電池容器に伝わりにくい。このことは、電池容器への衝撃及び全体の揺れを緩和することに寄与する。

（６）また、上記（１）〜（５）の溶融塩組電池において、ケースと床面との間に免震機構を備えてもよい。
この場合、地震発生時、免震機構によってケースの衝撃や揺れは大幅に低減される。

本発明によれば、溶融塩組電池の耐震性を高めることができる。また、そのことによって、個々の溶融塩電池に求められる耐震強度は低減可能であり、低コスト化が可能になる。

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。 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２と同様の構造についての横断面図である。 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。 第１実施形態に係る溶融塩組電池の断面図である。 ヒータのみを一例として示した図である。 第２実施形態に係る溶融塩組電池の断面図である。 第３実施形態に係る溶融塩組電池の断面図である。 第４実施形態に係る溶融塩組電池の断面図である。 第５実施形態に係る溶融塩組電池の断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る溶融塩組電池について、図面を参照して説明する。
《溶融塩電池の基本構造》
まず、溶融塩電池の基本構造から説明する。
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。

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ＮａＣｒＯ_２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、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、例えば、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錫層が、メッキにより形成される。

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）５６ｍｏｌ％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、通常は、８５℃〜９５℃に温度を維持して使用される。

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。

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。

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。

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。

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１ｐ及び１ｎが電池容器１１の外部へ、電池容器１１との絶縁を保って引き出される。また、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おり、電池容器１１は、内部の電解質と電気的に絶縁されている。

図４に示した溶融塩電池Ｂの一個体形状は、一例に過ぎず、形状・寸法は任意に構成することができる。
上記のような溶融塩電池Ｂは、用途に必要な電圧や電流容量を得るべく、複数個が集まって互いに直列又は直並列に接続され、組電池を構成した状態で使用することができる。

《溶融塩組電池：第１実施形態》
図５は、第１実施形態に係る溶融塩組電池１００の断面図である。図において、図４に示した溶融塩電池Ｂが、複数個並んで、蓋付きのケース２０に収容されている。なお、「蓋付き」というのは保温効果を考慮した形態の一例に過ぎず、「蓋無し」もあり得る。また、蓋付きの場合でも、密閉ではなく、蓋にガス抜き孔が設けられるが、ここでは細部は省略している。複数の溶融塩電池Ｂの相互間及びケース２０の底面との間にはそれぞれ、ヒータ２１及び２２が介装されている。なお、底面のヒータ２２は、省略することも可能ではあるが、設けることが好ましい。また、図５の正面側・背面側（溶融塩電池Ｂの側面とケース２０との間）にも同様なヒータを設けてもよい。

図６は、ヒータ２１（ヒータ２２も同様）のみを一例として示した図である。ヒータ２１（２２）は、いわゆるラバーヒータであり、シリコンゴムやフッ素ゴム等の耐熱ゴム２１ａ（２２ａ）内に、電池容器１１を加熱するための発熱体２１ｂ（２２ｂ）が埋設されている。発熱体２１ｂ（２２ｂ）以外の耐熱ゴム２１ａ（２２ａ）の部分は、発熱体２１ｂ（２２ｂ）の発熱を電池容器１１に伝える熱伝導体であるともに、弾性及び若干の粘性を有する「制震部」としての機能を有している。

図５に戻り、このような溶融塩組電池１００では、ヒータ２１，２２に通電することにより、各電池容器１１を加熱して溶融塩電池Ｂの電解質を溶融させることができる。また、耐熱ゴム２１ａ（２２ａ）は、通常は電池容器１１の加熱に寄与するが、地震発生時には、弾性及び粘性によって電池容器１１への衝撃及び全体の揺れを緩和する制震効果を発揮する。従って、溶融塩組電池１００の耐震性を高めることができる。また、そのことによって、逆に、個々の溶融塩電池Ｂに求められる耐震強度（例えば電池容器１１の素材強度、接合強度、セパレータ３の強度等）は低減可能であり、低コスト化が可能になる。さらに、上記の溶融塩組電池１００は、衝撃や揺れが避けられない車両への搭載にも好適である。

《溶融塩組電池：第２実施形態》
図７は、第２実施形態に係る溶融塩組電池１００の断面図である。図において、溶融塩電池Ｂは、図の紙面に垂直な方向に複数個並んでいる。但し、隣接する電池容器１１間に第１実施形態のようなヒータは挟んでいない。電池容器１１同士は互いに密接させてもよいし、若干の隙間があってもよい。複数個の溶融塩電池Ｂは、ケース２０の内面（正面、背面、左右両側面、底面）から突出するように固定された支持部２４により、支持されている。支持部２４は例えば防振ゴム製（耐熱ゴムでなくてもよい。）であり、振動や衝撃の吸収に優れた弾性を有する。なお、防振ゴムの代わりに例えばコイルばねを使用することも可能である。

ケース２０の内部の下方には、ヒータ２３が設けられている。ケース２０内にはオイル２５が、溶融塩電池Ｂの上部を浸けない程度にまで満たされている。オイル２５としては、シリコンオイル、フッ素系オイルが好適であり、また、さらさらした液質のものではなく、十分な粘性を有するものが好適である。オイル２５の浮力により、底面の支持部２４にかかる荷重負担は軽減される。また、正面、背面、左右両側面の支持部２４は、電池容器１１の姿勢が鉛直になるよう支えている程度であるので、底面の支持部２４に比べて荷重負担は少ない。

図７に示す溶融塩組電池１００では、ヒータ２３に通電することにより、オイル２５を加熱する。加熱されたオイル２５は、熱媒体となって各電池容器１１を加熱し、溶融塩電池Ｂの電解質を溶融させることができる。また、通常は電池容器１１の加熱に寄与するオイル２５が、地震発生時には、その液状粘性によって電池容器１１への衝撃及び全体の揺れを緩和する制震効果を発揮する。従って、溶融塩組電池１００の耐震性を高めることができる。また、支持部２４も、防振性を有するので、電池容器１１への衝撃や全体の揺れの緩和に寄与する。なお、支持部２４が電池容器１１に触れている面積は比較的少なく、このことは、ケース２０の揺れが電池容器１１に伝わりにくい点で好ましい。このように、本実施形態では、オイル２５が制震部としての機能を有し、さらに、支持部２４が制震機能を補助している。

《溶融塩組電池：第３実施形態》
図８は、第３実施形態に係る溶融塩組電池１００の断面図である。本実施形態が第２実施形態と異なるのは、ケース２０の形態と、ケース２０に対する溶融塩電池Ｂの支持構造とである。その他は、第２実施形態と同様である。

図８において、ケース２０は、本体部２０ａと、蓋２０ｂと、本体部２０ａの上端に取り付けられたシール部２０ｃとによって構成されている。シール部２０ｃの材質は、例えばゴムや、ナイロン系の樹脂であり、オイル２５が容易にこぼれ出ない程度のシール性があればよい。溶融塩電池Ｂの左右上端には吊り下げ用の支持片１１ａが設けられ、蓋２０ｂの内部裏面にも支持片２０ｂ１が設けられている。これらの支持片１１ａ−支持片２０ｂ１間にワイヤ２６（チェーン等でも可）を掛けて、蓋２０ｂに対して溶融塩電池Ｂを吊り下げている。溶融塩電池Ｂは、図８の紙面に垂直な方向へ複数個並んでいるが、全ての溶融塩電池Ｂが同様に吊り下げられている。但し、複数の電池容器全体を一纏めにして吊り下げることも可能である。

図８に示す溶融塩組電池１００では、ヒータ２３に通電することにより、オイル２５を加熱する。加熱されたオイル２５は、熱媒体となって各電池容器１１を加熱し、溶融塩電池Ｂの電解質を溶融させることができる。また、通常は電池容器１１の加熱に寄与するオイル２５が、地震発生時には、その液状粘性によって電池容器１１への衝撃及び全体の揺れを緩和する制震効果を発揮する。従って、溶融塩組電池１００の耐震性を高めることができる。また、電池容器１１は、ケース２０（蓋２０ｂ）に対して固定されず、吊り下げられているので、ケース２０の揺れが電池容器１１に直接的に伝わりにくく、しかも、電池容器１１の揺れはオイル２５の粘性で緩和される。このように、本実施形態では、オイル２５が制震部としての機能を有し、さらに、吊り下げ構造が制震機能を補助している。

《溶融塩組電池：第４実施形態》
図９は、第４実施形態に係る溶融塩組電池３００の断面図である。本実施形態は、例えば第１実施形態（図５）と同様の溶融塩組電池１００の構成に、免震機構２００を付加したものであり、全体として、いわば免震機構付き溶融塩組電池３００となっている。図において、ケース２０と床面Ｆ（何らかの固定台でもよい。）との間には、複数の免震ゴム２０１が設けられている。このような免震ゴム２０１の存在により、地震発生時に、床面Ｆからケース２０に伝わる衝撃や揺れは大幅に低減され、免震効果が得られる。

《溶融塩組電池：第５実施形態》
図１０は、第５実施形態に係る溶融塩組電池１００の断面図である。本実施形態は、例えば第１実施形態（図５）と同様の溶融塩組電池１００の構成に、第４実施形態とは異なる免震機構２００を付加したものであり、全体として、免震機構付き溶融塩組電池３００となっている。図１０において、ケース２０と床面Ｆとの間には、エアマット２０２が介在している。通常、これらのエアマット２０２は空気が入っておらず、「ぺしゃんこ」の状態である。各エアマット２０２は、エア配管Ｐから電磁弁２０３を介してエアタンク２０４に接続されている。電磁弁２０３は通常は閉じており、信号が来ると開く弁である。エアタンク２０４は図示しないコンプレッサから送り込まれた所定気圧の圧縮空気を常時貯め込んでいる。

電磁弁２０３には、Ｐ波検出装置２０５及び／又はパソコン２０６が接続されている。Ｐ波検出装置２０５は、地震のＳ波より先に到達するＰ波を検出することができ、閾値以上の振幅のＰ波を検出した場合は、電磁弁２０３を開く信号を出力する。これにより、エアタンク２０４の圧縮空気がエアマット２０２に一気に送り込まれ、エアマット２０２は図示の如く膨らんだ状態となる。これにより、溶融塩組電池１００は膨らんだエアマット２０２に乗った状態となる。この状態で、Ｓ波による本格的な地震の揺れが到達すると、床面Ｆの衝撃や揺れがエアマット２０２により吸収若しくは緩和される。従って、ケース２０に伝わる衝撃や揺れは大幅に低減され、免震効果が得られる。パソコン２０６は、例えば気象庁が提供する緊急地震速報を受信した場合に電磁弁２０３を開く信号を出力するようプログラムすることにより、同様の作用効果をもたらすことができる。

《その他》
なお、上記免震機構２００は、第２，第３実施形態の溶融塩組電池に対して設けることも可能である。
また、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。

１１：電池容器
２０：ケース
２１ａ，２２ａ：耐熱ゴム（制震部）
２１ｂ，２２ｂ，２３：発熱体
２４：支持部
２５：オイル（制震部）
２６：ワイヤ
１００：溶融塩組電池
２００：免震機構
３００：免震機構付き溶融塩組電池
Ｂ：溶融塩電池

Claims (6)

1. 電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が電池容器に収容され、複数個の当該電池容器がケース内に収容されて成る溶融塩組電池であって、
   前記電池容器を加熱するための発熱体と、
   前記発熱体の発熱を前記電池容器に伝える熱伝導体であるともに、弾性及び粘性の少なくとも一方を有する制震部と
   を備えていることを特徴とする溶融塩組電池。
2. 前記制震部は、隣り合う電池容器間に介装された耐熱ゴムであり、前記発熱体は、当該耐熱ゴムに埋設されている請求項１記載の溶融塩組電池。
3. 前記制震部は、前記ケース内に満たされ、各電池容器を浸けるオイルであり、前記発熱体は、当該オイルを熱媒体として前記各電池容器を加熱する請求項１記載の溶融塩組電池。
4. 前記電池容器は、防振性のある支持部を介して前記ケースに支持されている請求項３記載の溶融塩組電池。
5. 前記電池容器は、前記ケースの上部から吊り下げられている請求項３記載の溶融塩組電池。
6. 前記ケースと床面との間に免震機構を備えた請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶融塩組電池。

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