JPWO2014054633A1 - 被覆セル及びモジュール電池 - Google Patents
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Abstract
円筒セルの外周面が断熱材で被覆される。耐熱材が断熱材の径方向外側に重ねられる。絶縁材が耐熱材の径方向外側に重ねられる。断熱材、耐熱材及び絶縁材の重ね合わせの順序が変更されてもよい。断熱材、耐熱材及び絶縁材以外の被覆材が設けられてもよい。
Description
本発明は、被覆セル及びモジュール電池に関する。
特許文献１の図４に示されるように、モジュール電池においては、ナトリウム−硫黄電池の円筒セルが箱の内部に収容される。円筒セルは、鉛直に立てられ、水平方向に最密配列される。
円筒セルが配列される場合は、円筒セルの燃焼が連鎖し、一の円筒セルが燃焼した場合に隣接する他の燃焼セルが燃焼する場合がある。
特に、円筒セルが水平方向に最密配列される場合は、一の円筒セルから隣接する他の円筒セルまでの距離が短い。このため、円筒セルの燃焼が連鎖しやすく、一の円筒セルが燃焼した場合に他の円筒セルも燃焼しやすい。
本発明は、この問題を解決するためになされる。本発明の目的は、円筒セルの燃焼の連鎖を防止し、モジュール電池の安全性を向上することである。
被覆セルは、円筒セル、第１の被覆材、第２の被覆材及び第３の被覆材を備える。円筒セルは、ナトリウム−硫黄電池である。第１の被覆材は、円筒セルの外周面を被覆する。第２の被覆材は、第１の被覆材の径方向外側に重ねられる。第３の被覆材は、第２の被覆材の径方向外側に重ねられる。第１の被覆材、第２の被覆材及び第３の被覆材の各々は、断熱材、耐熱材又は絶縁材である。第１の被覆材、第２の被覆材及び第３の被覆材は、断熱材、耐熱材及び前記絶縁材の全てを含む。
望ましくは、第１の被覆材は断熱材であり、第２の被覆材は耐熱材であり、第３の被覆材は絶縁材である。
望ましくは、断熱材の材質はマイカである。
望ましくは、耐熱材は２枚以上のカーボンシートが積層されたカーボンシート積層体である。
望ましくは、断熱材はマイカシートである。マイカシートは、可撓性を有する。マイカシートは、０．６ｍｍ以上１．８ｍｍ以下の厚さを有し、さらに望ましくは１．０ｍｍ以上１．４ｍｍ以下の厚さを有する。
望ましくは、円筒セルは、正極容器、固体電解質管、導電補助材、正極活物質及び負極活物質を備える。固体電解質管は正極容器に収容される。導電補助材及び正極活物質は正極容器と固体電解質管との間隙に収容される。正極活物質は、導電補助材に浸漬される。負極活物質は、固体電解質管により正極活物質から隔てられる。耐熱材は、少なくとも導電補助材の上端より上方を被覆する。さらに望ましくは、導電補助材はグラファイトフェルトである。
望ましくは、耐熱材は２枚以上のカーボンシートが積層されたカーボンシート積層体である。２枚以上のカーボンシートの各々は、０．１０ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の厚さを有し、さらに望ましくは０．２０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下の厚さを有する。
望ましくは、断熱材及び絶縁材のうち耐熱材より径方向外側にあるものの上端は耐熱材の上端より上方にある。さらに望ましくは、断熱材及び絶縁材のうち耐熱材より径方向内側にあるものの上端は耐熱材の上端より上方にある。
望ましくは、前述の絶縁材が第１の絶縁材であり、被覆セルが第２の絶縁材をさらに備える。第２の絶縁材は、円筒セルの底面を被覆する。第３の被覆材は、外周面対向部、折り曲げ部及び底面対向部を備える。外周面対向部は、第１の被覆材及び第２の被覆材を挟んで外周面と対向する。底面対向部は、第２の絶縁材を挟んで底面と対向し、第１の被覆材、第２の被覆材及び第２の絶縁材を支持する。底面対向部は、折り曲げ部を介して外周部から連続する。
望ましくは、モジュール電池は、箱及び２個以上の被覆セルを備える。箱の内部には、収容空間が形成される。２個以上の被覆セルは、収容空間に収容される。２個以上の被覆セルの各々は、前述の被覆セルである。
望ましくは、２個以上の被覆セルは、鉛直に立てられ、水平方向に正方配列される。
本発明によれば、円筒セルの燃焼の連鎖が防止され、モジュール電池の安全性が向上する。
これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。
第１実施形態
（概略）
第１実施形態は、ナトリウム−硫黄電池のモジュール電池に関する。
（概略）
第１実施形態は、ナトリウム−硫黄電池のモジュール電池に関する。
図１の模式図は、第１実施形態のモジュール電池の斜視図である。図２の模式図は、モジュール電池の鉛直断面図である。図３から図６までの模式図は、モジュール電池の水平断面図である。図３から図６までは、後述の砂及びヒーターが取り除かれた状態を示す。図３から図６までは、それぞれ、モジュール電池の右手前、左手前、右奥及び左奥を示す。
図１から図６までに示されるように、モジュール電池１０００は、箱１０２０、ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎ、正極ブス１０２５、ｍ個の並列ブス１０２７＿１，１０２７＿２，・・・，１０２７＿ｍ、負極ブス１０２９、正極ブスバー１０３０、負極ブスバー１０３１、砂１０３２及びヒーター１０３３を備える。
モジュール電池１０００が備えるストリング群の数ｎは、２以上である。モジュール電池１０００が備えるストリング群の数ｎが１であってもよい。モジュール電池１０００が備える並列ブスの数ｍは、モジュール電池１０００が備えるストリング群の数ｎに応じて増減される。
箱１０２０は、真空断熱容器１０４０及び大気断熱蓋１０４１を備える。箱１０２０の断熱性能は、モジュール電池１０００の仕様に応じて変更される。このため、真空断熱容器１０４０は、真空断熱容器以外の断熱容器に置き換えられてもよく、断熱容器ではない容器に置き換えられてもよい。大気断熱蓋１０４１は、大気断熱蓋以外の断熱蓋に置き換えられてもよく、断熱蓋ではない蓋に置き換えられてもよい。箱１０２０の形状が変更されてもよい。
ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎの各々は、ｐ個のストリング１０６０を備える。ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎの各々が備えるストリングの数ｐは、２以上である。
ｎ×ｐ個のストリング１０６０の各々は、４個の被覆セル１０８０及び配線１０８１を備える。ｎ×ｐ個のストリング１０６０の各々が備える被覆セル１０８０の数が増減されてもよい。一般的に言って、ｎ×ｐ個のストリング１０６０の各々は、２個以上の被覆セル１０８０を備える。
箱１０２０の内部には、収容空間１１００が形成される。ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎ、ｍ個の並列ブス１０２７＿１，１０２７＿２，・・・，１０２７＿ｍ、砂１０３２及びヒーター１０３３は、収容空間１１００に収容される。正極ブスバー１０３０及び負極ブスバー１０３１は、箱１０２０の外部にある。正極ブス１０２５及び負極ブス１０２９は、収容空間１１００及び箱１０２０の外部にまたがる。正極ブス１０２５は、箱１０２０の外部において正極ブスバー１０３０に結合され、正極ブスバー１０３０と導通する。負極ブス１０２９は、箱１０２０の外部において負極ブスバー１０３１に結合され、負極ブスバー１０３１と導通する。
これらの構成物以外の構成物がモジュール電池１０００に付加されてもよい。これらの構成物の一部がモジュール電池１０００から省略される場合もある。
図７の模式図は、被覆セルの鉛直断面図である。図８の模式図は、被覆構造の断面図である。
図７及び図８に示されるように、４×ｎ×ｐ個の被覆セル１０８０の各々は、円筒セル１１２０、断熱材１１２１、耐熱材１１２２及び絶縁材１１２３を備える。
これらの構成物以外の構成物が被覆セル１０８０に付加されてもよい。
円筒セル１１２０は、ナトリウム−硫黄電池である。モジュール電池１０００が充電される場合及び放電させられる場合は、収容空間１１００の温度がヒーター１０３３によりナトリウム−硫黄電池が動作する温度に調整される。例えば、収容空間１１００の温度が約３００℃に調整される。
モジュール電池１０００が充電される場合は、正極ブスバー１０３０及び負極ブスバー１０３１を経由して外部からモジュール電池１０００に充電電流が供給され、円筒セル１１２０が充電される。モジュール電池１０００が放電させられる場合は、円筒セル１１２０が放電させられ、正極ブスバー１０３０及び負極ブスバー１０３１を経由してモジュール電池１０００から外部へ放電電流が供給される。
（セルの配列）
図２から図６までに示されるように、ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎは、モジュール電池１０００の幅方向Ｗに配列される。一般的に言って、ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎは、第１の方向に配列される。
図２から図６までに示されるように、ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎは、モジュール電池１０００の幅方向Ｗに配列される。一般的に言って、ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎは、第１の方向に配列される。
ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎの各々において、ｐ個のストリング１０６０はモジュール電池１０００の奥行方向Ｄに配列される。一般的に言って、ｐ個のストリング１０６０は第２の方向に配列される。第２の方向は、第１の方向と垂直をなす。
ｎ×ｐ個のストリング１０６０の各々において、４個の被覆セル１０８０はモジュール電池１０００の幅方向Ｗに配列される。一般的に言って、４個の被覆セル１０８０は、第１の方向に配列される。
モジュール電池１０００の高さ方向Ｈは、鉛直方向である。モジュール電池１０００の幅方向Ｗ及び奥行方向Ｄは、水平方向である。
４×ｎ×ｐ個の被覆セル１０８０の各々は、鉛直に立てられる。ｎ個のストリング群１０２２＿１，１０２２＿２，・・・，１０２２＿ｎの各々に属する４×ｐ個の被覆セル１０８０は、水平方向に正方配列される。
被覆セル１０８０の各々が鉛直に立てられ被覆セル１０８０が水平方向に正方配列される場合は、円筒セル１１２０の円筒軸１１４０がモジュール電池１０００の高さ方向Ｈに延在し、円筒軸１１４０に垂直な方向から見た場合に円筒軸１１４０が正方格子の格子点に配置される。
図９の模式図は、最密配列された被覆セルの平面図である。図１０は、正方配列された被覆セルの平面図である。
図９に示されるように、被覆セル１０８０が最密配列される場合は、燃焼した被覆セル１２００から隣接する６個の被覆セル１２０１までの距離が短く、燃焼した被覆セル１２００の周りの砂１２０２の熱容量も小さい。このため、燃焼が連鎖しやすい。
これに対して、図１０に示されるように、被覆セル１０８０が正方配列される場合は、燃焼したセル１２２０から隣接する４個の被覆セル１２２２までの距離が長く、燃焼したセル１２２０から隣接する４個の被覆セル１２２１までの距離は短いものの燃焼した被覆セル１２２０の周りの砂１２２３の熱容量が大きい。このため、燃焼が連鎖しにくい。燃焼が連鎖しにくい場合は、モジュール電池１０００の安全性が向上する。
（被覆）
図７及び図８に示されるように、断熱材１１２１、耐熱材１１２２及び絶縁材１１２３は、径方向内側から径方向外側へ向かって順に重ね合わされる。径方向とは、円筒軸１１４０と垂直をなし円筒軸１１４０に近づく又は円筒軸１１４０から遠ざかる方向である。
図７及び図８に示されるように、断熱材１１２１、耐熱材１１２２及び絶縁材１１２３は、径方向内側から径方向外側へ向かって順に重ね合わされる。径方向とは、円筒軸１１４０と垂直をなし円筒軸１１４０に近づく又は円筒軸１１４０から遠ざかる方向である。
一の円筒セル１１２０と他の円筒セル１１２０との間の絶縁を確保するために、最も径方向外側に絶縁材１１２３が設けられる。円筒セル１１２０からなるべく遠い場所で火炎又は溶融物を遮断するために、絶縁材１１２３を除いて最も径方向外側に耐熱材１１２２が設けられる。耐熱材１１２２は溶損しにくく耐熱材１１２２に貫通孔が形成されることは起こりにくいが、耐熱材１１２２は断熱の機能を有しないため、耐熱材１１２２の径方向内側に断熱材１１２１が設けられる。この配置によれば、少ない被覆により燃焼の連鎖を抑制できる。ただし、断熱材１１２１、耐熱材１１２２及び絶縁材１１２３の全てを被覆が含む限り、断熱材１１２１、耐熱材１１２２及び絶縁材１１２３の重ね合わせの順序が変更されてもよく、断熱材１１２１、耐熱材１１２２及び絶縁材１１２３以外の被覆材が設けられてもよい。例えば、耐熱材１１２２の径方向外側に断熱材１１２１が重ねられ断熱材１１２１の径方向外側に絶縁材１１２３が重ねられてもよいし、耐熱材１１２２と絶縁材１１２３との間に断熱材１１２１とは別の断熱材が設けられてもよい。
断熱材１１２１は、板状であり、円筒セル１１２０の外周面１１６０を被覆する。断熱材１１２１は、一の円筒セル１１２０が燃焼した場合に、当該一の円筒セル１１２０に隣接する他の円筒セル１１２０において当該一の円筒セル１１２０からの熱を断熱する。これにより、当該他の円筒セル１１２０の内部の温度の上昇が抑制される。断熱材１１２１の材質は、望ましくはマイカである。ただし、断熱材１１２１の材質がマイカ以外であってもよい。例えば、断熱材１１２１の材質がセラミックスファイバーブランケットであってもよい。断熱材１１２１の材質がマイカである場合は、断熱材１１２１の厚さは、例えば１．２ｍｍである。断熱材１１２１の厚さが変更されてもよい。断熱材１１２１の厚さを確保するためには、マイカからなる円筒状のバルク体に形成された円筒孔に円筒セル１１２０が挿入されてもよいし、円筒セル１１２０の外周面１１６０に巻きつけ可能な可撓性を有するマイカシートが円筒セル１１２０の外周面１１６０に巻きつけられてもよい。
可撓性を有するマイカシートが円筒セル１１２０の外周面１１６０に巻きつけられる場合は、被覆セル１０８０の完成品の寸法精度が向上し、被覆セル１０８０を組み立てるときの歩留りが向上し、断熱材１１２１の輸送密度が向上し、断熱材１１２１の製造費用が低下する。
可撓性を有するマイカシートが円筒セル１１２０の外周面１１６０に巻き付けられる場合は、マイカシートの厚さは、望ましくは０．６ｍｍ以上１．８ｍｍ以下であり、さらに望ましくは１．０ｍｍ以上１．４ｍｍ以下である。厚さがこれらの範囲より厚い場合は、被覆セル１０８０の径が大きくなり、箱１０２０が大きくなり、モジュール電池１０００のエネルギー密度が低下しがちである。また、厚さがこれらの範囲より厚い場合は、マイカシートが巻き付けられる場合にマイカシートにしわがより、被覆セル１０８０の径が不均一になりがちである。また、厚さがこれらの範囲より厚い場合は、材料費が高騰しがちである。厚さがこれらの範囲より薄い場合は、断熱性が低下し、隣接する被覆セル１０８０が溶損しやすい。
断熱材１１２１を構成するマイカは、硬質マイカ及び軟質マイカのいずれでもよい。硬質マイカ及び軟質マイカの断熱性は、同程度である。硬質マイカの化学式は、ＫＡｌ２（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２で表される。硬質マイカの融点は、１２５０℃である。軟質マイカの化学式は、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２で表される。軟質マイカの融点は、１３５０℃である。
断熱材１１２１を構成するマイカは、望ましくは軟質マイカである。断熱材１１２１を構成するマイカが軟質マイカである場合は、融点が高いため、断熱材１１２１が融解しにくくなる。また、断熱材１１２１を構成するマイカが軟質マイカである場合は、硬度が低いため、マイカシートが巻き付けられる場合にマイカ片が剥離しにくい。
耐熱材１１２２は、断熱材１１２１の径方向外側に重ねられる。耐熱材１１２２は、主に耐火の機能を有する。耐熱材１１２２は、燃焼した円筒セル１１２０から火炎又は溶融物が径方向外側へ拡散することを防止する。また、耐熱材１１２２は、一の円筒セル１１２０が燃焼した場合に、当該一の円筒セル１１２０に隣接する他の円筒セル１１２０において当該一の円筒セル１１２０からの火炎又は溶融物を遮断する。
耐熱材１１２２は、高温においても溶融せず形状を維持する。耐熱材１１２２は、望ましくは２０００℃において溶融せず形状を維持する。耐熱材１１２２は、望ましくはカーボンからなる。耐熱材１１２２がカーボン以外からなることも許される。例えば、耐熱材１１２２がセラミックスからなることも許される。
カーボンからなる耐熱材１１２２が断熱材１１２１の径方向外側に重ねられる場合は、カーボンからなる円筒状のバルク体に形成された円筒孔に断熱材１１２１が取り付けられた円筒セル１１２０が挿入されてもよいし、断熱材１１２１が取り付けられた円筒セル１１２０の外周面に可撓性を有するカーボンシートが巻きつけられてもよい。
円筒状のバルク体を構成するカーボンの密度は、望ましくは０．７ｇ／ｃｍ３以上２．０ｇ／ｃｍ３以下である。カーボンシートを構成するカーボンの密度は、望ましくは０．７ｇ／ｃｍ３以上１．５ｇ／ｃｍ３以下である。
耐熱材１１２２は、望ましくは２枚以上のカーボンシートが積層されたカーボンシート積層体である。カーボンシートは損傷しやすい材料である。しかし、２枚以上のカーボンシートが積層された場合は、カーボンシートに初期欠陥が存在しても耐熱材１１２２の耐火の機能が損なわれない。
耐熱材１１２２を構成する２枚以上のカーボンシートの各々のシート厚は、望ましくは０．１０ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下であり、さらに望ましくは０．２０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下である。厚さがこれらの範囲より厚い場合は、被覆セル１０８０の径が大きくなり、箱１０２０が大きくなり、モジュール電池１０００のエネルギー密度が低下しがちである。また、厚さがこれらの範囲より厚い場合は、カーボンシートが巻き付けられる場合にカーボンシートにしわがより、被覆セル１０８０の径が不均一になりがちであり、品質問題が発生しがちである。厚さがこれらの範囲より薄い場合は、耐熱性が低下し、隣接する被覆セル１０８０が溶損しやすい。また、厚さがこれらの範囲より薄い場合は、耐熱材１１２２が破損しやすい。耐熱材１１２２を構成する２枚以上のカーボンシートの各々のシート厚は、例えば０．３ｍｍである。カーボンシートのシート厚が変更されてもよい。
断熱材１１２１及び耐熱材１１２２が設けられる場合は、円筒セル１１２０が燃焼しても、耐熱材１１２２により火炎の進行が阻害され断熱材１１２１により火炎の熱が断熱されるため、燃焼した円筒セル１１２０から隣接する円筒セル１１２０への燃焼の連鎖が防止される。燃焼の連鎖が防止されるので、モジュール電池１０００の安全性が向上する。
絶縁材１１２３は、板状である。絶縁材１１２３の第１の部分１１８０は、耐熱材１１２２の径方向外側に重ねられ、耐熱材１１２２をさらに被覆する。絶縁材１１２３は、主に絶縁の機能を有する。絶縁材１１２３の第１の部分１１８０の厚さは、例えば０．４ｍｍである。絶縁材１１２３の第１の部分１１８０の厚さが変更されてもよい。絶縁材１１２３の第２の部分１１８１は、円筒セル１１２０の底面１１６１を被覆する。絶縁材１１２３の材質は、望ましくはマイカである。ただし、絶縁材１１２３の材質がマイカ以外であってもよい。
断熱材１１２１及び耐熱材１１２２は、円筒セル１１２０の外周面１１６０の径方向外側にあり、円筒セル１１２０の底面１１６１を被覆しない。これは、円筒セル１１２０の底面１１６１は、隣接する円筒セル１１２０に対向せず、断熱及び耐火の必要性が相対的に小さいことによる。ただし、断熱材１１２１及び耐熱材１１２２が円筒セル１１２０の底面１１６１を被覆してもよい。
（断熱材、耐熱材及び絶縁材の上端の位置）
断熱材１１２１の上端１３００及び絶縁材１１２３の上端１３０４は、耐熱材１１２２の上端１３０２より上方にある。上方とは、円筒軸１１４０と平行をなし円筒セル１１２０の底面１１６１から離れる方向である。これにより、耐熱材１１２２の上端１３０２のバリが脱落することが断熱材１１２１及び絶縁材１１２３により抑制される。断熱材１１２１、耐熱材１１２２及び絶縁材１１２３が重ねあわされる順序が変更される場合も含めて一般的に言えば、断熱材１１２１及び絶縁材１１２３のうち耐熱材１１２２の径方向外側に重ねられる被覆材の上端が耐熱材１１２２の上端１３０２より上方にあり、望ましくは断熱材１１２１及び絶縁材１１２３のうち耐熱材１１２２より径方向内側に重ねられる被覆材の上端が耐熱材１１２２の上端１３０２より上方にある。
断熱材１１２１の上端１３００及び絶縁材１１２３の上端１３０４は、耐熱材１１２２の上端１３０２より上方にある。上方とは、円筒軸１１４０と平行をなし円筒セル１１２０の底面１１６１から離れる方向である。これにより、耐熱材１１２２の上端１３０２のバリが脱落することが断熱材１１２１及び絶縁材１１２３により抑制される。断熱材１１２１、耐熱材１１２２及び絶縁材１１２３が重ねあわされる順序が変更される場合も含めて一般的に言えば、断熱材１１２１及び絶縁材１１２３のうち耐熱材１１２２の径方向外側に重ねられる被覆材の上端が耐熱材１１２２の上端１３０２より上方にあり、望ましくは断熱材１１２１及び絶縁材１１２３のうち耐熱材１１２２より径方向内側に重ねられる被覆材の上端が耐熱材１１２２の上端１３０２より上方にある。
（セルの接続）
図１１の模式図は、モジュール電池の回路図である。
図１１の模式図は、モジュール電池の回路図である。
図２から図６まで及び図１１に示されるように、最も正極側の第１のストリング群１０２２＿１に属するｐ個のストリング１０６０の各々の正極端１２１０は、正極ブス１０２５に電気的に接続される。第１のストリング群１０２２＿１に属するｐ個のストリング１０６０の各々の負極端１２１１は、第１の並列ブス１０２７＿１に電気的に接続される。第１のストリング群１０２２＿１に属するｐ個のストリング１０６０は正極ブス１０２５及び第１の並列ブス１０２７＿１により並列接続され、第１のブロックが構成される。第１のブロックに電流が流れる場合は、第１のストリング群１０２２＿１に属するｐ個のストリング１０６０に分かれて電流が流れる。
整数ｉが２以上ｎ−１以下である場合に、第ｉのストリング群１０２２＿ｉに属するｐ個のストリング１０６０の各々の正極端１２１０は、第ｉ−１の並列ブス１０２７＿ｉ−１に電気的に接続される。第ｉのストリング群１０２２＿ｉに属するｐ個のストリング１０６０の各々の負極端１２１１は、第ｉの並列ブス１０２７＿ｉに電気的に接続される。第ｉのストリング群１０２２＿ｉに属するｐ個のストリング１０６０は第ｉ−１の並列ブス１０２７＿ｉ−１及び第ｉの並列ブス１０２７＿ｉにより並列接続され、第ｉのブロックが構成される。第ｉのブロックに電流が流れる場合は、第ｉのストリング群１０２２＿ｉに属するｐ個のストリング１０６０に分かれて電流が流れる。
最も負極側の第ｎのストリング群１０２２＿ｎに属するｐ個のストリング１０６０の各々の正極端１２１０は、第ｍの並列ブス１０２７＿ｍに電気的に接続される。第ｎのストリング群１０２２＿ｎに属するｐ個のストリング１０６０の各々の負極端１２１１は、負極ブス１０２９に電気的に接続される。第ｎのストリング群１０２２＿ｎに属するｐ個のストリング１０６０は第ｍの並列ブス１０２７＿ｍ及び負極ブス１０２９により並列接続され、第ｎのブロックが構成される。第ｎのブロックに電流が流れる場合は、第ｎのストリング群１０２２＿ｎに属するｐ個のストリング１０６０に分かれて電流が流れる。
（セルの構造）
図１２の模式図は、円筒セルの断面図である。
図１２の模式図は、円筒セルの断面図である。
図１２に示されるように、円筒セル１１２０は、さや管１２４０、正極容器１２４１、正極端子１２４２、負極蓋１２４３、正極活物質１２４４、負極活物質１２４５、固体電解質管１２４６、絶縁リング１２４７、正極金具１２４８、負極金具１２４９、安全管１２５０及び収容容器１２５１を備える。負極蓋１２４３は、負極端子を兼ねる。これらの構成物以外の構成物が付加されてもよい。円筒セル１１２０の構造によっては、正極金具１２４８、負極金具１２４９、安全管１２５０及び収容容器１２５１の全部又は一部が省略される。
さや管１２４０は、管形状物である。さや管１２４０は、望ましくはステンレス鋼からなる。
固体電解質管１２４６は、固体電解質からなる管形状物である。固体電解質は、ナトリウムイオン伝導体である。固体電解質は、望ましくはβ−アルミナのセラミックス焼結体である。
絶縁リング１２４７は、絶縁体からなるリング形状物である。絶縁体は、望ましくはα−アルミナのセラミックス焼結体である。
絶縁リング１２４７は、固体電解質管１２４６の開放端の近傍にガラス接合される。
正極容器１２４１は、管形状物である。正極容器１２４１及び負極蓋１２４３は、導電体からなる。導電体は、望ましくはアルミニウムである。
負極活物質１２４５は、収容容器１２５１に収容される。収容容器１２５１は、安全管１２５０に収容される。安全管１２５０は、固体電解質管１２４６に収容される。固体電解質管１２４６は、正極容器１２４１に収容される。正極容器１２４１は、さや管１２４０に収容される。安全管１２５０の開放端、固体電解質管１２４６の開放端、正極容器１２４１の開放端及びさや管１２４０の開放端は、同じ側にある。安全管１２５０の開放端、固体電解質管１２４６の開放端、正極容器１２４１の開放端及びさや管１２４０の開放端がある側から火炎は噴出する。安全管１２５０の開放端、固体電解質管１２４６の開放端、正極容器１２４１の開放端及びさや管１２４０の開放端がある側は、正極端子１２４２及び負極蓋１２４３がある側であり、円筒セル１１２０の底面１１６１の反対の側である。このことも、断熱材１１２１及び耐熱材１１２２が必ずしも円筒セル１１２０の底面１１６１を被覆しなくてもよい理由のひとつである。
絶縁リング１２４７は、正極金具１２４８を介して正極容器１２４１に結合され、負極金具１２４９を介して負極蓋１２４３に結合される。正極金具１２４８及び負極金具１２４９の両方又は片方が金具の範疇に含まれない構造物に置き換えられてもよい。正極金具１２４８が省略され、絶縁リング１２４７が正極容器１２４１に直接的に結合されてもよい。負極金具１２４９が省略され、絶縁リング１２４７が負極蓋１２４３に直接的に結合されてもよい。
正極端子１２４２は、正極金具１２４８に結合される。
正極活物質１２４４は、正極容器１２４１及び固体電解質管１２４６の間隙に収容される。負極活物質１２４５は、収容容器１２５１から安全管１２５０及び固体電解質管１２４６の間隙に供給される。固体電解質管１２４６は、正極活物質１２４４及び負極活物質１２４５に接触し、正極活物質１２４４と負極活物質１２４５とを隔てる。これにより、正極活物質１２４４及び負極活物質１２４５において電気化学反応が起こり、起電力が発生する。
正極活物質１２４４はナトリウム硫化物を含み、負極活物質１２４５はナトリウムを含む。
図１３に示されるように、望ましくは、グラファイトフェルト１３２０が正極容器１２４１及び固体電解質管１２４６の間隙に収容され、正極活物質１２４４がグラファイトフェルト１３２０に浸漬される。グラファイトフェルト１３２０が他の種類の導電補助材に置き換えられてもよい。導電補助剤は、正極活物質１２４４が浸漬可能な網目構造を有し、正極容器１２４１及び正極活物質１２４４に接触し、正極容器１２４１と正極活物質１２４４との間の電子電導を担う。
耐熱材１１２２は、少なくともグラファイトフェルト１３２０の上端１３２２より上方を被覆する。
グラファイトフェルト１３２０の融点は約３０００℃である。正極容器１２４１、正極金具１２４８、負極金具１２４９及び負極蓋１２４３の融点は、正極容器１２４１、正極金具１２４８、負極金具１２４９及び負極蓋１２４３がアルミニウムからなる場合は、約６６０℃である。正極容器１２４１、正極金具１２４８、負極金具１２４９及び負極蓋１２４３の融点は、グラファイトフェルト１３２０の融点より著しく低い。このことは、正極容器１２４１、正極金具１２４８、負極金具１２４９及び負極蓋１２４３がアルミニウム以外からなる場合も同様である。
円筒セル１１２０が燃焼する場合は、円筒セル１１２０の内部でナトリウムと硫黄とが反応し、高温の溶融物が生成し、円筒セル１１２０の内部が高圧になる。このため、円筒セル１１２０が燃焼する場合は、融点が低い構成物が溶損し、融点が低い構成物に貫通孔が形成され、圧力が当該貫通孔から抜ける。
しかし、耐熱材１１２２が少なくともグラファイトフェルト１３２０の上端１３２２より上方を被覆する場合は、圧力が抜ける部分の近くに耐熱材１１２２が配置され、燃焼した円筒セル１１２０から火炎又は溶融物が径方向外側へ拡散することが効果的に防止される。
（ブスの性質）
正極ブス１０２５、ｍ個の並列ブス１０２７＿１，１０２７＿２，・・・，１０２７＿ｍ、負極ブス１０２９、正極ブスバー１０３０、負極ブスバー１０３１等のブスは、低い電気抵抗、高い機械的強度及び高い耐熱性を持つ配線構造物であり、典型的には板形状又は棒形状を持つ。ただし、ブスの全部又は一部が他の種類の配線構造物に置き換えられてもよい。例えば、ブスの全部又は一部がケーブルに置き換えられてもよい。
正極ブス１０２５、ｍ個の並列ブス１０２７＿１，１０２７＿２，・・・，１０２７＿ｍ、負極ブス１０２９、正極ブスバー１０３０、負極ブスバー１０３１等のブスは、低い電気抵抗、高い機械的強度及び高い耐熱性を持つ配線構造物であり、典型的には板形状又は棒形状を持つ。ただし、ブスの全部又は一部が他の種類の配線構造物に置き換えられてもよい。例えば、ブスの全部又は一部がケーブルに置き換えられてもよい。
ブスは、望ましくは金属又は合金からなり、さらに望ましくはアルミニウム合金からなる。
電気的な接続のための構成物の結合は、溶接、かしめ、ねじ止め等のナトリウム−硫黄電池が動作する高温に耐える方法で行われる。
（モジュール電池の使用例）
図１４の模式図は、モジュール電池１０００の使用例を示す。
図１４の模式図は、モジュール電池１０００の使用例を示す。
図１４に示されるように、モジュール電池１０００は、典型的には電力貯蔵装置２０００に使用される。モジュール電池１０００が電力貯蔵装置２０００に使用される場合は、２個以上のモジュール電池１０００が直列に接続され、２個以上のモジュール電池１０００の直列接続体２０１０が交直変換装置（ＰＣＳ）２０１２等を介して電力系統２０１４に接続される。モジュール電池１０００が他の用途に使用されてもよい。
第２実施形態
第２実施形態は、第１実施形態の被覆セルを置き換える被覆セルに関する。
第２実施形態は、第１実施形態の被覆セルを置き換える被覆セルに関する。
図１５の模式図は、第２実施形態の被覆セルの垂直断面図である。
図１５に示されるように、被覆セル３０８０は、円筒セル３１２０、断熱材３１２１、耐熱材３１２２及び絶縁材３１２３を備える。絶縁材３１２１は、第１の部分３１８０及び第２の部分３１８１を備える。円筒セル３１２０、断熱材３１２１及び耐熱材３１２２は、それぞれ、第１実施形態の円筒セル１１２０、断熱材１１２１及び耐熱材１１２２と同じものである。絶縁材３１２３の第１の部分３１８０は、後述する折り曲げ部３２０１及び底面対向部３２０２を備える点で第１実施形態の絶縁材１１２３の第１の部分１１８０と異なる。絶縁材３１２３の第２の部分３１８１は、第１実施形態の絶縁材１１２３の第２の部分１１８１と同じものである。
絶縁材３１２３の第１の部分３１８０は、外周面対向部３２００、折り曲げ部３２０１及び底面対向部３２０２を備える。
絶縁材３１２３の第１の部分３１８０は、折り曲げ部３２０１において折り曲げられる。底面対向部３２０２は、折り曲げ部３２０１を介して外周面対向部３２００から連続する。外周面対向部３２００は、断熱材３１２１及び耐熱材３１２２を挟んで円筒セルの３１２０外周面３１６０と対向する。底面対向部３２０２は、絶縁材３１２３の第２の部分３１８１を挟んで円筒セル３１２０の底面３１６１と対向し、断熱材３１２１、耐熱材３１２２及び絶縁材３１２３の第２の部分３１８１を下方から支持する。これにより、絶縁材３１２３の第２の部分３１８１の落下が防止される。
断熱材３１２１、耐熱材３１２２及び絶縁材３１２３の第１の部分３１８０において絶縁材３１２３の第１の部分３１８０が最も径方向外側の被覆材でない場合は、最も径方向外側の被覆材が外周面対向部、折り曲げ部及び底面対向部を備える。この場合は、外周面対向部が最も径方向外側の被覆材以外の被覆材を挟んで円筒セル３１２０の外周面３１６０と対向し、底面対向部が絶縁材３１２３の第２の部分３１８１を挟んで円筒セル３１２０の底面３１６１と対向し最も径方向外側の被覆材以外の被覆材及び絶縁材３１２３の第２の部分３１８１を下方から支持する。
本発明は詳細に示され記述されたが、上記の記述は全ての局面において例示であって限定的ではない。したがって、本発明の範囲からはずれることなく無数の修正及び変形が案出されうると解される。
１０００ モジュール電池
１０２０ 箱
１０８０，３０８０ 被覆セル
１１２０，３１２０ 円筒セル
１１２１，３１２１ 断熱材
１１２２，３１２２ 耐熱材
１１２３，３１２３ 絶縁材
１０２０ 箱
１０８０，３０８０ 被覆セル
１１２０，３１２０ 円筒セル
１１２１，３１２１ 断熱材
１１２２，３１２２ 耐熱材
１１２３，３１２３ 絶縁材
望ましくは、円筒セルは、正極容器、固体電解質管、導電補助材、正極活物質及び負極活物質を備える。固体電解質管は正極容器に収容される。導電補助材及び正極活物質は正極容器と固体電解質管との間隙に収容される。正極活物質は、導電補助材に含浸される。負極活物質は、固体電解質管により正極活物質から隔てられる。耐熱材は、少なくとも導電補助材の上端より上方を被覆する。さらに望ましくは、導電補助材はグラファイトフェルトである。
望ましくは、前述の絶縁材が第１の絶縁材であり、被覆セルが第２の絶縁材をさらに備える。第２の絶縁材は、円筒セルの底面を被覆する。第３の被覆材は、外周面対向部、折り曲げ部及び底面対向部を備える。外周面対向部は、第１の被覆材及び第２の被覆材を挟んで外周面と対向する。底面対向部は、第２の絶縁材を挟んで底面と対向し、第１の被覆材、第２の被覆材及び第２の絶縁材を支持する。底面対向部は、折り曲げ部を介して外周面対向部から連続する。
被覆セル１０８０の各々が鉛直に立てられ被覆セル１０８０が水平方向に正方配列される場合は、円筒セル１１２０の円筒軸１１４０がモジュール電池１０００の高さ方向Ｈに延在し、円筒軸１１４０に平行な方向から見た場合に円筒軸１１４０が正方格子の格子点に配置される。
これに対して、図１０に示されるように、被覆セル１０８０が正方配列される場合は、燃焼した被覆セル１２２０から隣接する４個の被覆セル１２２２までの距離が長く、燃焼した被覆セル１２２０から隣接する４個の被覆セル１２２１までの距離は短いものの燃焼した被覆セル１２２０の周りの砂１２２３の熱容量が大きい。このため、燃焼が連鎖しにくい。燃焼が連鎖しにくい場合は、モジュール電池１０００の安全性が向上する。
図１３に示されるように、望ましくは、グラファイトフェルト１３２０が正極容器１２４１及び固体電解質管１２４６の間隙に収容され、正極活物質１２４４がグラファイトフェルト１３２０に含浸される。グラファイトフェルト１３２０が他の種類の導電補助材に置き換えられてもよい。導電補助材は、正極活物質１２４４が浸漬可能な網目構造を有し、正極容器１２４１及び正極活物質１２４４に接触し、正極容器１２４１と正極活物質１２４４との間の電子電導を担う。
図１５に示されるように、被覆セル３０８０は、円筒セル３１２０、断熱材３１２１、耐熱材３１２２及び絶縁材３１２３を備える。絶縁材３１２３は、第１の部分３１８０及び第２の部分３１８１を備える。円筒セル３１２０、断熱材３１２１及び耐熱材３１２２は、それぞれ、第１実施形態の円筒セル１１２０、断熱材１１２１及び耐熱材１１２２と同じものである。絶縁材３１２３の第１の部分３１８０は、後述する折り曲げ部３２０１及び底面対向部３２０２を備える点で第１実施形態の絶縁材１１２３の第１の部分１１８０と異なる。絶縁材３１２３の第２の部分３１８１は、第１実施形態の絶縁材１１２３の第２の部分１１８１と同じものである。
Claims (15)
- 外周面を有するナトリウム−硫黄電池の円筒セルと、
前記外周面を被覆する第１の被覆材と、
前記第１の被覆材の径方向外側に重ねられる第２の被覆材と、
前記第２の被覆材の径方向外側に重ねられる第３の被覆材と、
を備え、
前記第１の被覆材、前記第２の被覆材及び前記第３の被覆材の各々は、断熱材、耐熱材又は絶縁材であり、
前記第１の被覆材、前記第２の被覆材及び前記第３の被覆材は、前記断熱材、前記耐熱材及び前記絶縁材の全てを含む
被覆セル。 - 前記第１の被覆材が前記断熱材であり、
前記第２の被覆材が前記耐熱材であり、
前記第３の被覆材が前記絶縁材である
請求項１の被覆セル。 - 前記断熱材の材質がマイカである
請求項１の被覆セル。 - 前記耐熱材が２枚以上のカーボンシートが積層されたカーボンシート積層体である
請求項１の被覆セル。 - 前記断熱材がマイカシートであり、
前記マイカシートが可撓性を有し０．６ｍｍ以上１．８ｍｍ以下の厚さを有する
請求項１の被覆セル。 - 前記マイカシートが１．０ｍｍ以上１．４ｍｍ以下の厚さを有する
請求項５の被覆セル。 - 前記円筒セルは、
正極容器と、
前記正極容器に収容される固体電解質管と、
前記正極容器と前記固体電解質管との間隙に収容される導電補助材と、
前記間隙に収容され、前記導電補助材に含浸される正極活物質と、
前記固体電解質管により前記正極活物質から隔てられる負極活物質と、
を備え、
前記円筒セルが底面を有し、
前記耐熱材が少なくとも前記導電補助材の上端より上方を被覆する
請求項１の被覆セル。 - 前記導電補助材がグラファイトフェルトである
請求項７の被覆セル。 - 前記耐熱材が２枚以上のカーボンシートが積層されたカーボンシート積層体であり、
前記２枚以上のカーボンシートの各々が０．１０ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の厚さを有する
請求項１の被覆セル。 - 前記２枚以上のカーボンシートの各々が０．２０ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下の厚さを有する
請求項９の被覆セル。 - 前記円筒セルが底面を有し、
前記断熱材及び前記絶縁材のうち前記耐熱材より径方向外側にある被覆材の上端が前記耐熱材の上端より上方にある
請求項１の被覆セル。 - 前記断熱材及び前記絶縁材のうち前記耐熱材より径方向内側にある被覆材の上端が前記耐熱材の上端より上方にある
請求項１１の被覆セル。 - 前記円筒セルが底面を有し、
前記絶縁材が第１の絶縁材であり、
前記被覆セルは、
前記底面を被覆する第２の絶縁材
をさらに備え、
前記第３の被覆材は、
前記第１の被覆材及び前記第２の被覆材を挟んで前記外周面と対向する外周面対向部と、
折り曲げ部と、
前記折り曲げ部を介して前記外周部対向部から連続し、前記第２の絶縁材を挟んで前記底面と対向し、前記第１の被覆材、前記第２の被覆材及び前記第２の絶縁材を支持する底面対向部と、
を備える
請求項１の被覆セル。 - 内部に収容空間が形成される箱と、
前記収容空間に収容される２個以上の被覆セルと、
を備え、
前記２個以上の被覆セルの各々が請求項１から１３までのいずれかの被覆セルである
モジュール電池。 - 前記２個以上の被覆セルが、鉛直に立てられ、水平方向に正方配列される
請求項１４のモジュール電池。
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