JP6754111B2 - 積層型蓄電池及びこれを用いた蓄電池システム - Google Patents

Description

本発明は、積層型蓄電池及びこれを用いた蓄電池システムに関し、特に、薄型の単電池を積み上げて多層構造にした積層型蓄電池及びこれを用いた蓄電池システムに関する。

蓄電池（二次電池）は、最初の電車や自動車のエネルギー源に採用されるなど、長い歴史を持っている。やがて、より大容量のエネルギーを移動体に供給するため、電車は架線・第三軌道を通じた給電に、自動車は化石燃料による熱機関に取って代わられたが、最近の電池性能の向上により、回収電力により走行する電車や、ハイブリッド自動車、電気自動車など、再び電池が移動体に搭載されて、これらの高効率化、省エネルギーに貢献するようになってきた。パーソナルコンピューターや携帯電話などの電子機器も含めた移動体のエネルギー源として、電池はいまや中心的な役割を示している。

一方、固定点での電力供給には、交流変圧を前提とした電力系統が一般化した。しかしながら最近のパワーエレクトロニクスの発展により直流変圧が可能になったため、送電損失が少なく耐圧も低い直流送電が高電圧領域で進展してきている。常に発電量と消費量の平衡を保っておくべき電力系統では、短時間の大きな電力消費または供給の変動に対応することができず、恒常的な過剰供給体制をとるなど効率的な運転ができないことが問題となっているため、ここでも直流電池による大電力（短時間大電流）供給・蓄電に、高効率化と省エネルギーの期待が寄せられている。

このように効用が高く、普及・発展してきた電池の利点として、二次電池として蓄電できることのほか、大電流を短時間に充放電できる、すなわち大電力を供給し、かつ受け入れられることが挙げられる。二次電池は、例えば小さな電力を長時間にわたって蓄電し、大きな電力として短時間に放電する、電力変換の機能を有している。

しかしながら、従来の電池では単位時間当たりの電流により電力が変わるが、その電圧は変換されない。ここで、電力と電圧を自由に変換利用できる電池があれば、電池の応用範囲がさらに広がることとなろう。

従来の一般的な二次電池は、シート状の正極板、セパレータ、負極板を順に重ねたものをコイル状に巻くか、あるいは繰り返し折り曲げることによって構成され、その容量はシートの面積に比例する。しかしこのような構造では、巻回構造の中心部や折り曲げ構造の内部の温度が上昇し、大電力充放電により爆発する危険がある。また広いシート面全域でセパレータ品質を保たないと、短絡等により火災につながるおそれもある。各種の放熱対策や、品質管理の徹底が試みられているものの、従来型の二次電池構造では、電池が本来持つ大電力充放電の機能を極限まで発揮することができないと考えられる。

上記のように平面構造の電池の面積に依存する従来型の二次電池から発展し、立体構造の体積によって容量を確保しようとする「三次元」電池も知られている。例えば、特許文献１には、セパレータを介して負極セル、正極セルが設けられ、負極セルには電解質溶液と共に負極活物質が装填され、正極セルには電解質溶液と共に正極活物質が装填され、それらセルの中に集電器が設けられた電池構造が示されている。この「三次元」電池は、従来型二次電池に比べて放熱性能が高いため、大電力充放電での安全が確保されることに加えて、活物質となる粉末に導電性フィラーと樹脂を加えて硬化させた活物質成形体がセパレータ、隔壁、集電体の少なくとも一つと一体化された三次元電極構造を有するので、電池作成時の組み立て時間やコストの問題を解決することが可能となる。しかしながら、この電池は三次元構造を持つため、単電池を直列接続して高圧化するためには、さらに大きな容積が必要となり小型・軽量化に支障をきたすほか、製造コストが高くなるおそれがある。

国際公開第２００３／０２８１４２号パンフレット

電力と電圧を自由に変換利用できる電池を実現するために、まず電池が本来持つ大電力充放電の機能を極限まで発揮することを可能にする構造が必要であるが、従来の一般的な二次電池は、大面積の正極薄膜及び負極薄膜をコイル状に巻くか、あるいは繰り返し折り曲げることによって構成されているため、内部の温度上昇や、薄膜同士の短絡・破壊などにより、大電力での急速充放電で破壊ないし焼損する危険がある。

また特許文献１に記載された「三次元」電池は、活物質を粒子状にしてそれぞれの表面積での化学反応を利用すると共に、蓄電池の容量は粒子の表面積の総計、すなわち粒子群の容積に比例するので、大容量化（大容積化）しても熱集中する部分がなく、大電力での急速充放電が可能である。しかしながら、一定の容量を確保するための容積が大きく、小型・軽量が求められる分野には不向きで、かつ電圧を自由に変換利用するために直列高圧化しようとすると、さらに大きく重くなる難点がある。

そのため、本発明が解決しようとする第一の課題は、電力と電圧を自由に変換利用でき、大電力での急速充放電に耐え、かつ積層可能な数に、容積・重量・コスト面から見た制約が小さく、容易に高電圧化が可能な積層型蓄電池を提供することである。

医療用・工業用のＸ線発生装置や、直流送電で用いられる直流は、数万ボルト以上と電圧が高いため、まず交流を変圧器で昇圧し、さらに整流器で直流に変換している。斯様な分野では電池の応用が難しく、効率的・経済的にエネルギーを利用する機会が阻まれている。

電池電源を昇圧する方法としては、直流をインバータで交流にし、変圧器で昇圧し、整流器でさらに直流に戻す方法と、ＤＣ／ＤＣコンバータで直接昇圧する方法がある。前者は無駄が多く、後者は、電流をチョッピングするパワーデバイスに電流と電圧の制限があるため、並列接続により電流を上げ、直列接続により電圧を上げるなど、コストが高い方法である。

そのため、本発明が解決しようとする第二の課題は、非効率な交流変換をせず、高価なパワーデバイスを多用することなく、高電圧で大きな電流を直接作ることができ、電力と電圧を自由に変換利用できる蓄電池システムを提供することである。

上記第一の課題を解決するため、本発明による積層型蓄電池は、少なくとも一つの蓄電池モジュールを備え、前記蓄電池モジュールは、複数の単電池の直列回路を含み、前記複数の単電池の直列回路は、電極板の一方及び他方の主面の少なくとも一方に負極活物質及び正極活物質の少なくとも一方を塗布又は印刷によりそれぞれ形成し、セパレータを挟んで前記電極板を２枚以上積層してなることを特徴とする。

本発明によれば、正極活物質又は負極活物質が電極板の表面に塗布又は印刷により形成され、電極板でセパレータを挟んだ積層構造とすることで単電池を直列に接続した構造を有するので、非常に薄型であるにもかかわらず出力電圧が高い積層型蓄電池を提供することができる。

本発明において、前記単電池は、積層方向に隣接する第１及び第２の電極板間に配置された前記セパレータと、前記第１の電極板に形成された前記負極活物質と、前記セパレータを介して前記負極活物質と対向するように前記第２の電極板に形成された前記正極活物質と、前記第１及び第２の電極板に挟まれた空間を封止して前記セパレータ、前記負極活物質及び前記正極活物質を閉空間内に閉じ込めるパッキンと、前記セパレータ、前記負極活物質及び前記正極活物質と共に前記閉空間内に装填された電解液とを含むことが好ましい。

本発明において、前記積層方向の一方の端部の電極板は、他方の主面に負極活物質のみが形成され一方の主面に正極活物質が形成されていない負極集電体を構成しており、前記積層方向の他方の端部の電極板は、一方の主面に正極活物質のみが形成され他方の主面に負極活物質が形成されていない正極集電体を構成しており、前記正極集電体と前記負極集電体との間に位置する電極板は、前記積層方向に隣接する２つの単電池間に配置された隔壁を構成しており、前記隔壁の他方の主面に前記負極活物質が形成され、前記隔壁の一方の主面に正極活物質が形成されていることが好ましい。

本発明による積層型蓄電池は、前記積層方向に積層されてかつ互いに並列接続された複数の前記蓄電池モジュールを有することが好ましい。この構成によれば、パワーデバイスを多用することなく高電圧で大きな直流電流を作ることができ、これによりコストダウン、変換効率の向上、システムの簡素化を図ることができる。

本発明による積層型蓄電池は、前記積層方向に隣接する２つの蓄電池モジュールの反対極性の集電体どうしが絶縁板を介して対面するように各蓄電池モジュールの向きが同一の向きに設定されていることが好ましい。

本発明による積層型蓄電池は、前記積層方向に隣接する２つの蓄電池モジュールの同一極性の外部電極どうしが対面するように各蓄電池モジュールの向きが交互に反転して設定されることもまた好ましい。

本発明による積層型蓄電池は、前記２つの蓄電池モジュールの境界位置において、一方の蓄電池モジュールを構成する負極活物質が形成されている負極集電体と、他方の蓄電池モジュールを構成する正極活物質が形成されている正極集電体とが共通化されて一枚の電極板で構成されていることもまた好ましい。

本発明において、前記電極板はニッケル箔又はニッケル鋼板からなり、前記負極活物質は亜鉛、鉄又は水素吸蔵合金からなり、前記正極活物質は水酸化ニッケル又はオキシ水酸化マンガンからなることが好ましい。

また、上記第二の課題を解決するため、本発明による蓄電池システムは、上記特徴を有する複数の積層型蓄電池と、前記複数の積層型蓄電池の各々を充電する充電回路と、前記複数の積層型蓄電池を直列接続するための直列回路配線と、前記複数の積層型蓄電池の各々の外部端子の接続先を切り換えるリレースイッチアレイとを備えることを特徴とする。

本発明において、前記リレースイッチアレイは、前記リレースイッチアレイは、前記複数の積層型蓄電池の放電動作時に、前記複数の積層型蓄電池の各々の外部端子を直列回路配線に接続して、前記複数の積層型蓄電池の直列回路を構成し、前記複数の積層型蓄電池の第１の充電動作時に、前記複数の積層型蓄電池の各々の外部端子を前記充電回路に接続して、前記複数の積層型蓄電池の直列回路の出力電圧よりも低い電圧で前記複数の積層型蓄電池の各々を個別に充電することが好ましい。本発明によれば、電力を取り出す際に高圧電源となり、また充電時には低圧充電が可能である。したがって、薄型で急速充放電が可能であり、高い出力電圧を実現することが可能な蓄電池システムを提供することができる。

本発明において、前前記リレースイッチアレイは、前記複数の積層型蓄電池の第２の充電動作時に、前記複数の積層型蓄電池の各々の外部端子を前記直列回路配線に接続して、前記複数の積層型蓄電池の各々の出力電圧よりも高い低圧で前記複数の積層型蓄電池の直列回路を充電することもまた好ましい。本発明によれば、低圧充電のみならず高圧充電にも対応することが可能である。

本発明によれば、電力と電圧を自由に変換利用でき、大電力での急速充放電に耐え、かつ積層可能な数に、容積・重量・コスト面から見た制約が小さく、容易に高電圧化が可能な積層型蓄電池を実現することができる。また本発明によれば、非効率な交流変換をせず、高価なパワーデバイスを多用することなく、二次電池を使って直接、高電圧で大きな電流を作ることができ、電力と電圧を自由に変換利用できる蓄電池システムを実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による積層型蓄電池の構造の一例を示す分解斜視図を示している。 図２は、図１の積層型蓄電池の側面断面図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態による積層型蓄電池の構造を模式的に説明するための断面図である。 図４は、上記積層型蓄電池を用いて構成された蓄電池システムの構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による積層型蓄電池の構造の一例を示す分解斜視図を示している。また図２は、図１の積層型蓄電池の側面断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態による積層型蓄電池１は３層積層タイプであり、３個の単電池５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）が直接接続されたものである。単電池５はセパレータ１０を介して互いに対向する正極セル５ｐと負極セル５ｎとを備え、正極セル５ｐ内には電解液１３と共に正極活物質１１が装填されており、負極セル５ｎ内には電解液１３と共に負極活物質１２が装填されている。

積層型蓄電池１の積層方向（Ｚ軸方向）の一方及び他方の端部にある電極板１５，１５は正極集電体１５Ａ及び負極集電体１５Ｂをそれぞれ構成するものである。そのため、正極集電体１５Ａの他方の主面（下面）には正極活物質１１が形成されているが、その一方の主面（上面）には活物質が形成されておらず、正極側の外部端子面を構成するだけである。また負極集電体１５Ｂの一方の主面（上面）には負極活物質１２が形成されているが、その他方の主面（下面）には活物質が形成されておらず、負極側の外部端子面を構成するだけである。

一方、積層型蓄電池１の積層方向の中間位置にある複数の電極板１５は、隣接する２つの単電池５，５間の隔壁１５Ｃを構成しており、各単電池５は隔壁１５Ｃを介して直列に接続されている。隔壁１５Ｃは上下の単電池５，５に共通の電極板であり、隔壁１５Ｃの一方の主面（上面）に形成された負極活物質１２は、当該隔壁１５Ｃを挟んで上下に隣接する２つの単電池５，５のうちの上側の単電池５の構成要素であり、隔壁１５Ｃの他方の主面（下面）に形成された正極活物質１１は、前記２つの単電池５，５のうちの下側の単電池５の構成要素である。このように、隔壁１５Ｃを構成する電極板１５の両面を活物質の形成面として利用しているので、非常に薄型な積層型蓄電池１を容易に製造することができる。

上下に隣接する２つの電極板１５，１５に挟まれた空間はパッキン１４によって封止されており、単電池５を構成する正極活物質１１、セパレータ１０、負極活物質１２及び電解液１３は、上下の電極板１５，１５及びパッキン１４によって形成された閉空間内に閉じ込められている。すなわち、正極集電体１５Ａと隔壁１５Ｃとの間、負極集電体１５Ｂと隔壁１５Ｃとの間、及び２つの隔壁１５Ｃ，１５Ｃ間が単電池５の形成空間となっている。

正極活物質１１としては、例えば水酸化ニッケル、オキシ水酸化マンガンを使用することができ、負極活物質１２としては、亜鉛、鉄、水素吸蔵合金を使用することができる。セパレータ１０はアルカリ電解液中で腐食など変質せず、電気的絶縁が可能でイオンが通過する物質からなり、素焼、イオン交換樹脂膜、高分子繊維等が用いられる。より詳細には、四フッ化エチレン樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなどの織物や不織布又はメンブレンフィルタなどを使用可能である。

正極活物質１１及び負極活物質１２は、正極集電体１５Ａ、負極集電体１５Ｂ又は隔壁１５Ｃを構成する電極板１５の表面に塗布又は印刷により形成されている。特に、隔壁１５Ｃを構成する電極板１５の一方の主面には負極活物質１２が形成され、他方の主面には正極活物質１１が形成される。電極板１５は、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、イオンが通過しなくて導電性がある物質からなり、ニッケル金属板、ニッケル金属箔、炭素、鉄にニッケルメッキしたもの、ステンレス鋼にニッケルメッキしたもの（ニッケルメッキ鋼板）、炭素にニッケルメッキしたものなどを使用可能であり、ニッケル金属箔やニッケルメッキ鋼板を用いることが特に好ましい。

本実施形態において電極板１５の平面形状は図中Ｘ軸方向に細長い短冊状であり、その厚さは８〜１０μｍであることが好ましい。このような電極板１５は、いわゆる膜電池シートよりも硬く粒状電池隔壁よりも柔らかい。そしてこのような蓄電池モジュールをＺ軸方向に積層することにより蓄電池の出力電圧の高圧化が図られている。

また本実施形態による正極活物質１１及び負極活物質１２は、従来のような導電性フィラーと樹脂とを加えて硬化させた粉状、粒状又は板状の成形体ではなく、活物質の微粒子を含むスラリーを塗布又は印刷することにより、電極板１５の表面に非常に薄く均一に形成された薄膜である。このような構造により、蓄電池全体の薄型化、超積層化による高圧化及び大容量化などが可能である。また平面を重ねた積層構造であるため大容量化（大容積化）しても熱集中する部分がなく、大容量化及び充放電特性の向上が可能である。

本実施形態による蓄電池の各層の厚さの一例をより具体的に説明すると、正極活物質１１、セパレータ１０、負極活物質１２、電極板１５（負極集電体１５Ｂ又は隔壁１５Ｃ）の厚さはそれぞれ、５３．５μｍ、８μｍ、２３．５μｍ、８μｍである。したがって、単電池５の厚さは９３μｍとなり、３層積層タイプの場合には９３×３＋８＝２８７μｍとなる。なお追加の８μｍは、一方の端部の電極板１５（正極集電体１５Ａ）の厚さである。このように、本実施形態による積層型蓄電池１は非常に薄型な構造を有している。

単電池５の電圧が例えば１．２Ｖである場合、３層積層タイプの出力電圧は３．６Ｖとなる。積層型蓄電池１を応用して一般家電用途の二次電池を作製する場合、単電池から得られる１．２Ｖを、既に普及しているリチウムイオン電池の出力電圧（３．７Ｖ）に近づける必要があるが、このように３セル積層構造にすることでリチウムイオン電池と同等の一般家庭用途の二次電池を実現することができる。

また例えば単電池５の出力電圧が１．２Ｖである場合において、積層型蓄電池１に６００Ｖの高い出力電圧を要求する場合には、５００個の単電池５を直列接続する必要がある。この場合、積層型蓄電池１の全体の厚さは、９３×５００＋８≒４６．５ｍｍとなる。このように、本実施形態による積層型蓄電池１は、高い出力電圧を非常に薄型な構造により実現可能である。

本実施形態による積層型蓄電池１の製造では、まずニッケルメッキ鋼板などの電極板の一方の主面に負極活物質１２を塗布等により形成してなる負極集電体１５Ｂを用意し、この負極集電体１５Ｂの一方の主面に枠型のパッキン１４を取り付ける。そしてパッキン１４内にセパレータ１０を装填した後、パッキン１４の上部開口に隔壁１５Ｃを被せる。隔壁１５Ｃは、電極板１５の一方及び他方の主面に負極活物質１２及び正極活物質１１がそれぞれ形成されており、正極活物質１１の形成面が下向きとなるように被せられる。以上により１つの単電池が完成する。

その後、パッキン１４の取り付け、セパレータ１０の装填及び隔壁１５Ｃの取り付けを繰り返すことにより、単電池の積層化が行われる。そして計画の積層数に達した後、他方の主面に正極活物質１１のみが形成された電極板からなる正極集電体１５Ａを最上層のパッキン１４の上部開口に被せる。電解液は個々の単電池の組み立て時に充填してもよく、すべての単電池を組み立てた後に各パッキン１４に設けた充填孔から充填してもよい。

以上説明したように、本実施形態による積層型蓄電池１は、一方及び他方の主面に正極活物質１１及び負極活物質１２がそれぞれ塗布又は印刷により形成された複数枚の電極板１５を用意し、セパレータ１０を挟んで電極板１５を多層化することで単電池５を直列に接続した構造を有するので、非常に薄型で出力電圧が高い蓄電池を実現することができる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態による積層型蓄電池の構造を模式的に説明するための断面図である。

本実施形態による積層型蓄電池２Ａ〜２Ｃの特徴は、例えば図１に示した３セル積層構造の積層型蓄電池１を１つの蓄電池モジュール４とし、単電池５の積層化と同様に４つの蓄電池モジュール４を積層化すると共に、それらの蓄電池モジュール４の並列接続により蓄電池全体の大容量化を図ったものである。なお蓄電池モジュール４の積層数は、積層型蓄電池２Ａ〜２Ｃに求められる出力容量によって定まるものであり、３層に限定されるものではなく何層であってもよい。

図３（ａ）に示す積層型蓄電池２Ａは、単電池の積層方向（Ｚ軸方向）に積層されてなる複数の蓄電池モジュール４と、複数の蓄電池モジュール４の各々の正極集電体１５Ａどうしを接続する正極短絡配線１９Ａと、複数の蓄電池モジュール４の各々の負極集電体１５Ｂどうしを接続する負極短絡配線１９Ｂとを備えており、すべての蓄電池モジュール４を同じ向きで積層化したものである。

各蓄電池モジュール４の正極集電体１５Ａは正極短絡配線１９Ａを介して相互に接続されており、負極集電体１５Ｂは負極短絡配線１９Ｂを介して相互に接続されており、複数の蓄電池モジュール４は正極短絡配線１９Ａ及び負極短絡配線１９Ｂを介して並列接続されている。上下に隣接する２つの蓄電池モジュール４，４の反対の極性を持つ外部電極どうし、つまり正極集電体１５Ａと負極集電体１５Ｂとが絶縁板１８を介して対面するように、各蓄電池モジュール４は同一の向きに設定されている。このように、上下の蓄電池モジュール４，４間に絶縁板１８を介在させることで両者を絶縁分離することができる。

本実施形態による積層型蓄電池２Ａは、図１に示した積層型蓄電池の４倍の電池容量を確保することができる。また電池容量を増加させるために単電池の電極面積を広げる必要がないので、活物質の面内品質の不均一化による蓄電池の品質の低下を防止することができる。電極板１５と直交する方向に電気が通るようになり、電極板１５間をつなぐ正極短絡配線１９Ａ及び負極短絡配線１９Ｂを電極板１５と直交する方向に延設するので、断面積が大きく、長さが極めて短い配線を用いることができ、これにより大電流を流すことができる。

図３（ｂ）に示す積層型蓄電池２Ｂは、図３（ａ）に示した積層型蓄電池２Ａの改良であって、隣接する２つの蓄電池モジュール４の同一極性の外部電極どうし（正極集電体１５Ａ，１５Ａどうし、あるいは負極集電体１５Ｂ，１５Ｂどうし）が対面するように各蓄電池モジュール４の向きが交互に反転して設定されている。すなわち、この積層型蓄電池２Ｂは、単電池の正負の向きを３セル毎に逆転させて互い違いに積層したものである。この構成によれば、絶縁板１８が不要となり、正極短絡配線１９Ａ及び負極短絡配線１９Ｂも簡素化することができる。

図３（ｃ）に示す積層型蓄電池２Ｃは、図３（ｂ）に示した積層型蓄電池２Ｂのさらなる改良であって、上下に隣接する２つの蓄電池モジュール４，４の境界位置において、一方の蓄電池モジュール４を構成する負極活物質１２が形成されている負極集電体１５Ｂと、他方の蓄電池モジュール４を構成する負極活物質１２が形成されている負極集電体１５Ｂとが共通化されて一枚の電極板１５で構成されると共に、一方の蓄電池モジュール４を構成する正極活物質１１が形成されている正極集電体１５Ａと、他方の蓄電池モジュール４を構成する正極活物質１１が形成されている正極集電体１５Ａとが共通化されて一枚の電極板１５で構成されている点を特徴とするものである。上下の蓄電池モジュール４，４の境界位置にある電極板１５の一方及び他方の主面に同一極性の活物質を形成した場合には、電極板を共通化してその数を減らすことができ、並列回路もさらに簡略化することができる。また超積層構造と電圧の組み合わせの自由度を高めることができる。

図４は、上記積層型蓄電池を用いて構成された蓄電池システムの構成を示すブロック図である。

図４に示すように、本実施形態による蓄電池システム３は、例えば図１に示した積層型蓄電池１を一つの蓄電池モジュール６とし、この蓄電池モジュール６を複数個用いて構成したものである。なお積層型蓄電池１の代わりに積層型蓄電池２Ａ〜２Ｃを蓄電池モジュール６としてもよい。

本実施形態による蓄電池システム３は、複数の蓄電池モジュール６を個別に充電する充電回路７と、複数の蓄電池モジュール６を直列接続するための直列回路配線８ａ，８ｂ，８ｃと、複数の蓄電池モジュール６の各々の外部端子（正極端子６ａ及び負極端子６ｂ）の接続先を切り換えるリレースイッチアレイ９とを備えている。

充電回路７は、変圧器２０を構成する一次側コイル２１及び複数の二次側コイル２２と、複数の二次側コイル２２の各々に直列接続された複数のダイオード２３とを備えている。一次側コイル２１は交流電源３０に接続されており、二次側コイル２２及びダイオード２３の直列回路の一端及び他端は、各蓄電池モジュール６の一対の外部端子（正極端子６ａ及び負極端子６ｂ）に対応する一対の充電端子を構成している。一対の充電端子は、複数の二接点リレースイッチからなるリレースイッチアレイ９を介して蓄電池モジュール６の正極端子６ａ及び負極端子６ｂにそれぞれ接続される。

リレースイッチアレイ９は、各蓄電池モジュール６の外部端子の接続先を同時に切り換える。蓄電池システム３の放電動作時にはリレースイッチアレイ９が端子ａ側に接続され、これにより各蓄電池モジュール６の外部端子が直列回路配線８ａ，８ｂ，８ｃを介して接続されて各蓄電池モジュール６の直列回路が構成される。したがって、蓄電池システム３の出力電圧は各蓄電池モジュール６の出力電圧の総和となり、非常に高い出力電圧を供給することができる。

また、蓄電池システム３の充電動作時（第１の充電動作時）にはリレースイッチアレイ９が図示のように端子ｂ側に接続され、これにより各蓄電池モジュール６の外部端子が対応する充電回路に接続される。これにより、各蓄電池モジュール６は、それらの直列回路の出力電圧よりも低い低圧で充電される。充電回路７は例えば２００Ｖなどの低電圧の交流電源３０に接続されており、この交流電圧を降圧し、整流して例えば５０Ｖの直流電圧を生成する。したがって、各蓄電池モジュールが５０Ｖの直流電圧で充電される。なお蓄電池モジュール６が必ずしも個別に充電される必要はなく、いくつかの蓄電池モジュール６の直列回路ごとに充電することも可能である。この場合、単一の蓄電池モジュール６又は複数の蓄電池モジュール６の直列回路は、６００Ｖ以下で充電できることが好ましい。

本実施形態による蓄電池システム３は高圧充電も可能である。高圧充電動作時（第２の充電動作時）にはリレースイッチアレイ９が端子ａ側に接続され、蓄電池モジュール６の直列回路の状態で充電が行われる。直列回路の一対の外部端子８ｐ，８ｐ'に充電回路（不図示）を介して高圧電源を接続することにより、直列回路を高圧充電することができる。このように、本実施形態による蓄電池システム３は、低圧充電と高圧充電の両方に対応することが可能である。

以上説明したように、本実施形態による蓄電池システム３は、充電時には低圧急速充電が可能であり、また電力を取り出す際に高圧電源となることができる。したがって、例えば出力電圧が５０Ｖの蓄電池モジュール６を２０００個用いた場合、１０万ボルトの直流電源を構成することができる。また蓄電池システム３は低圧充電のみならず高圧充電も可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、３層積層タイプの積層型蓄電池を例に挙げたが、積層数は特に限定されず何層であってもよい。また各実施形態は適宜組み合わせて構成することができる。

本発明による積層型蓄電池及びこれを用いた蓄電池システムは、急速充電が効果を発揮する携帯電子端末機器や高電圧を必要とするＸ線の線源、加速器、電子線源などに好ましく用いることができる。

１，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 積層型蓄電池
３ 蓄電池システム
４ 蓄電池モジュール
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 単電池
５ｎ 負極セル
５ｐ 正極セル
６ 蓄電池モジュール
６ａ 蓄電池モジュールの正極端子
６ｂ 蓄電池モジュールの負極端子
７ 充電回路
８ａ，８ｂ，８ｃ 直列回路配線
９ リレースイッチアレイ
１０ セパレータ
１１ 正極活物質
１２ 負極活物質
１３ 電解液
１４ パッキン
１５ 電極板
１５Ａ 正極集電体
１５Ｂ 負極集電体
１５Ｃ 隔壁
１８ 絶縁板
１９Ａ 正極短絡配線
１９Ｂ 負極短絡配線
２０ 変圧器
２１ 一次側コイル
２２ 二次側コイル
２３ ダイオード
３０ 交流電源

Claims (6)

1. 積層方向に積層され且つ互いに並列接続された複数の蓄電池モジュールを備え、
   前記複数の蓄電池モジュールのそれぞれは、複数の単電池の直列回路を含み、
   前記複数の単電池の直列回路は、電極板の一方及び他方の主面の少なくとも一方に負極活物質及び正極活物質の少なくとも一方を塗布又は印刷によりそれぞれ形成し、セパレータを挟んで前記電極板を３枚以上積層してなり、
   前記積層方向の一方の端部の電極板は、他方の主面に負極活物質のみが形成され一方の主面に正極活物質が形成されていない負極集電体を構成しており、
   前記積層方向の他方の端部の電極板は、一方の主面に正極活物質のみが形成され他方の主面に負極活物質が形成されていない正極集電体を構成しており、
   前記正極集電体と前記負極集電体との間に位置する電極板は、前記積層方向に隣接する２つの単電池間に配置された隔壁を構成しており、
   前記隔壁の他方の主面に前記負極活物質が形成され、前記隔壁の一方の主面に正極活物質が形成されていることを特徴とする積層型蓄電池。
2. 前記積層方向に隣接する２つの蓄電池モジュールの反対極性の集電体どうしが絶縁板を介して対面するように各蓄電池モジュールの向きが同一の向きに設定されている、請求項１に記載の積層型蓄電池。
3. 前記積層方向に隣接する２つの蓄電池モジュールの同一極性の外部電極どうしが対面するように各蓄電池モジュールの向きが交互に反転して設定されている、請求項１に記載の積層型蓄電池。
4. 前記２つの蓄電池モジュールの境界位置において、一方の蓄電池モジュールを構成する負極活物質が形成されている負極集電体と、他方の蓄電池モジュールを構成する負極活物質が形成されている負極集電体とが共通化されて一枚の電極板で構成されている、請求項３に記載の積層型蓄電池。
5. 前記２つの蓄電池モジュールの境界位置において、一方の蓄電池モジュールを構成する正極活物質が形成されている正極集電体と、他方の蓄電池モジュールを構成する正極活物質が形成されている正極集電体とが共通化されて一枚の電極板で構成されている、請求項３に記載の積層型蓄電池。
6. 前記単電池は、
   積層方向に隣接する第１及び第２の電極板間に配置された前記セパレータと、
   前記第１の電極板に形成された前記負極活物質と、
   前記セパレータを介して前記負極活物質と対向するように前記第２の電極板に形成された前記正極活物質と、
   前記第１及び第２の電極板に挟まれた空間を封止して前記セパレータ、前記負極活物質及び前記正極活物質を閉空間内に閉じ込めるパッキンと、
   前記セパレータ、前記負極活物質及び前記正極活物質と共に前記閉空間内に装填された電解液とを含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の積層型蓄電池。