溶融塩組電池及びそのウォームアップ方法
【課題】ウォームアップ時間の短縮と、補助的なバッテリの負担軽減とを実現する溶融塩組電池及びそのウォームアップ方法を提供する。
【解決手段】溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、溶融塩組電池内で外側に位置する外側電池Ｂｏと、外側電池Ｂｏよりも中心側に位置し、外側電池Ｂｏより熱容量が小さい中心電池Ｂｃと、中心電池Ｂｃを加熱する中心電池用ヒータ（ヒータ２１）と、外側電池Ｂｏを加熱する外側電池用ヒータ（ヒータ２３）と、外側電池Ｂｏの外面を覆う断熱容器２４とを備えた。ウォームアップのときは、まず、中心電池Ｂｃのみを中心電池用ヒータ（２１）で加熱することによって、迅速に、中心電池Ｂｃの電解質を溶融させ、電池として起動させ、次に、中心電池Ｂｃの出力を用いて外側電池用ヒータ（２３）に給電することにより、外側電池Ｂｏを加熱して電解質を溶融させる。
【解決手段】溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、溶融塩組電池内で外側に位置する外側電池Ｂｏと、外側電池Ｂｏよりも中心側に位置し、外側電池Ｂｏより熱容量が小さい中心電池Ｂｃと、中心電池Ｂｃを加熱する中心電池用ヒータ（ヒータ２１）と、外側電池Ｂｏを加熱する外側電池用ヒータ（ヒータ２３）と、外側電池Ｂｏの外面を覆う断熱容器２４とを備えた。ウォームアップのときは、まず、中心電池Ｂｃのみを中心電池用ヒータ（２１）で加熱することによって、迅速に、中心電池Ｂｃの電解質を溶融させ、電池として起動させ、次に、中心電池Ｂｃの出力を用いて外側電池用ヒータ（２３）に給電することにより、外側電池Ｂｏを加熱して電解質を溶融させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融塩電池、すなわち溶融塩を電解質とする電池を、組電池として使用する場合の全体構成、及び、溶融塩組電池のウォームアップ方法に関する。
【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バッテリとして、また、電気自動車の駆動用バッテリとしても、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】
例えば溶融塩組電池が自動車に搭載された場合、自動車を車庫入れして完全停止させた後の溶融塩電池は、徐々に温度が下がり、やがて電解質は融点より低い温度になる。このとき、電解質の塩は凝固して「溶融塩」の状態ではなくなる。この状態から再び溶融塩の状態として電池を起動させるには、まず、加熱により塩を溶融させる必要がある。そのためには若干のウォームアップ時間が必要であり、その間は、溶融塩電池から出力を得ることはできないという不便がある。
【０００６】
また、加熱は、組電池に組み込まれたヒータに通電することによって行われる。外部から電力供給を受けない自動車の場合、ヒータに電力を供給するためには、別途、他のバッテリが必要となる。ヒータへの電力供給には大きな電力が必要であり、そのため、補助的なバッテリが大型化する。しかしながら、この補助的なバッテリが大型化することは、占有スペース、重量、コストのいずれの面においても、好ましくない。すなわち、補助的なバッテリは、なるべく負担を軽減し、電池容量の小さいコンパクトなものにしたい。
【０００７】
かかる課題に鑑み、本発明は、ウォームアップ時間の短縮と、補助的なバッテリの負担軽減とを実現する溶融塩組電池及びそのウォームアップ方法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】
【０００８】
（１）本発明は、電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、前記溶融塩電池によって構成され、当該溶融塩組電池内で相対的に外側に位置する外側電池と、前記溶融塩電池によって構成され、前記外側電池よりも相対的に中心側に位置し、前記外側電池より熱容量が小さい中心電池と、前記中心電池を加熱する中心電池用ヒータと、前記外側電池を加熱する外側電池用ヒータと、前記外側電池の外面を覆う断熱容器とを備えたものである。
【０００９】
上記のように構成された溶融塩組電池では、熱容量が小さい中心電池は外側電池に比べて加熱により昇温しやすい。また、中心電池は、中心側にあることにより外側電池よりも放熱しにくいので、電池としての稼働を停止した後も、冷めにくい。
そこで、溶融塩組電池の起動時に、まず、中心電池のみを中心電池用ヒータで加熱することによって、迅速に、中心電池の電解質を溶融させ、電池として起動させることができる。すなわち、外側電池を含む全体を加熱するよりも、中心電池のみを加熱することにより、一部（中心電池）とはいえ、溶融塩組電池から出力可能となるまでのウォームアップ時間を短縮することができる。
また、中心電池が起動すれば、その出力を外側電池用ヒータや、自己の中心電池用ヒータにも使用することができる。従って、起動用の補助的なバッテリの電力負担は軽減される。
【００１０】
（２）また、上記（１）の溶融塩組電池において、中心電池用ヒータが断熱容器の中心に配置され、当該中心電池用ヒータを中心電池が取り囲んでいる構成であってもよい。
この場合、複数の溶融塩電池を中心電池として並べて、中心電池用ヒータを取り囲むことができる。すなわち、複数の溶融塩電池を中心電池として中心電池用ヒータで加熱することに適した構成となる。
【００１１】
（３）また、上記（１）又は（２）の溶融塩組電池において、中心電池及び外側電池は同心円筒状に内外配置されていてもよい。
この場合、全体として円柱状の溶融塩組電池をコンパクトに構成することができる。
【００１２】
（４）また、上記（１）の溶融塩組電池において、中心電池が断熱容器の中心に配置され、当該中心電池を中心電池用ヒータが取り囲んでいる構成であってもよい。
この場合、中心部の空間をヒータが占有しないので、その分、溶融塩組電池をコンパクトに構成することができる。
【００１３】
（５）一方、本発明の、溶融塩組電池のウォームアップ方法において、まず、溶融塩組電池は、電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、前記溶融塩電池によって構成され、当該溶融塩組電池内で相対的に外側に位置する外側電池と、前記溶融塩電池によって構成され、前記外側電池よりも相対的に中心側に位置し、前記外側電池より熱容量が小さい中心電池と、前記中心電池を加熱する中心電池用ヒータと、前記外側電池を加熱する外側電池用ヒータと、前記外側電池の外面を覆う断熱容器とを備えたものである。そして、本発明は、このような溶融塩組電池を起動させるためのウォームアップ方法であって、前記中心電池用ヒータに給電することにより、前記中心電池を加熱して電解質を溶融させ、前記中心電池の出力を用いて前記外側電池用ヒータに給電することにより、前記外側電池を加熱して電解質を溶融させることを特徴とするものである。
【００１４】
上記の溶融塩組電池では、そもそも、熱容量が小さい中心電池は外側電池に比べて加熱により昇温しやすい。また、中心電池は、中心側にあることにより外側電池よりも放熱しにくいので、電池としての稼働を停止した後も、冷めにくい。
そこで、かかる溶融塩組電池のウォームアップ方法として、溶融塩組電池の起動時に、まず、中心電池のみを中心電池用ヒータで加熱することによって、迅速に、中心電池の電解質を溶融させ、電池として起動させる。すなわち、外側電池を含む全体を加熱するよりも、中心電池のみを加熱することにより、一部（中心電池）とはいえ、溶融塩組電池から出力可能となるまでのウォームアップ時間を短縮することができる。
また、次に、中心電池の出力を用いて外側電池用ヒータに給電することにより、外側電池を加熱して電解質を溶融させる。中心電池の出力を利用できることによって、起動用の補助的なバッテリの電力負担は軽減される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の溶融塩組電池及びそのウォームアップ方法によれば、溶融塩組電池から出力可能になるまでのウォームアップ時間の短縮と、補助的なバッテリの負担軽減とを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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斜視図である。
【図３】図２と同様の構造についての横断面図である。
【図４】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。
【図５】複数の溶融塩電池によって溶融塩組電池を構成する場合の、空間的な位置関係の一例を示す分解斜視図である。
【図６】図５における溶融塩組電池の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。
【図７】溶融塩組電池のヒータ制御に関するブロック図である。
【図８】制御部によって実行される、ウォームアップの手順を示すフローチャートである。
【図９】第１実施形態における図６に対応する第２実施形態に係る溶融塩組電池の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。
【図１０】第１実施形態における図６に対応する第３実施形態に係る溶融塩組電池の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。
【図１１】第１実施形態における図６に対応する第４実施形態に係る溶融塩組電池の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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》
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。
【００１８】
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８５：１０：５：５０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、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２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。
【００１９】
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）０．４５ｍｏｌ％と、ＫＦＳＡ（カリウム ビスフルオロスルフォニルアミド）０．５５ｍｏｌ％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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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（正極１の端子１ｔのみ図示している。）が電池容器１１の外部へ引き出される。図４において、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いる。
【００２５】
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。例えば、電池容器１１を平面視した形状を、円弧状に湾曲させることや、正方形に近づけることも可能である。また、端子１ｔは、電池容器１１の上面に設けることも可能である。
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。
【００２６】
《溶融塩組電池の構成例：第１実施形態》
図５〜８は、第１実施形態に係る溶融塩組電池に関する図である。図５は、複数の溶融塩電池Ｂによって溶融塩組電池２０を構成する場合の、空間的な位置関係の一例を示す分解斜視図である。溶融塩組電池２０は、断熱容器２４内に、溶融塩電池Ｂ及び後述のヒータを装填して構成される。断熱容器２４は、構造又は材質によって断熱性を有し、閉鎖可能な容器である。
【００２７】
図６は、図５における溶融塩組電池２０の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。なお、図４における端子１ｔ及び安全弁１２、並びに、電池間の電気的な接続電路等、細部の構造については図示を省略している。
【００２８】
図６において、この溶融塩組電池２０を構成する複数の溶融塩電池は、その配置場所の違いから、４個の中心電池Ｂｃと、４個の外側電池Ｂｏとに分けられる。中心電池Ｂｃは、中央に設けられた第１のヒータ２１に密着して、これを囲むように、配置されている。また、中心電池Ｂｃの外面に密着してこれらを取り囲むように、第２のヒータ２２が設けられている。第２のヒータ２２は、例えば４枚のパネルヒータによって構成される。外側電池Ｂｏは、第２のヒータ２２の外側に密着するように設けられている。また、外側電池Ｂｏの外面に密着してこれらを取り囲むように、第３のヒータ２３が設けられている。第３のヒータ２３は、例えば４枚のパネルヒータによって構成される。
【００２９】
なお、上記第１のヒータ２１は、中心電池Ｂｃを加熱する「中心電池用ヒータ」である。上記第３のヒータ２３は、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」である。上記第２のヒータ２２は、中心電池Ｂｃを加熱する中心電池用ヒータであるとともに、外側電池Ｂｏを加熱する外側電池用ヒータでもある。
【００３０】
以上の各部（第１のヒータ２１、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３）は、断熱容器２４によって六面を覆われている。断熱容器２４は、好ましくは、肉厚方向の中間に真空層を挟んだ魔法瓶構造の壁材によって構成されている。
【００３１】
なお、上記中心電池Ｂｃ、外側電池Ｂｏのそれぞれの数量は、単に一例を示したに過ぎず、数量は任意に変更し得る。基本的には、相対的に中心側にある中心電池Ｂｃと、相対的に外側にある外側電池Ｂｏとを含む構成であればよい。
なお、図６に示す構成は、高さ方向（図６の紙面に垂直方向）へ複数段にわたって、中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏを設けることも可能である。
【００３２】
図７は、溶融塩組電池２０のヒータ制御に関するブロック図である。溶融塩組電池２０は、前述の中心電池Ｂｃ、外側電池Ｂｏ、３つのヒータ２１〜２３の他、中心電池Ｂｃの温度を測定する温度センサ２４及び、外側電池Ｂｏの温度を測定する温度センサ２５を備えている。これらの温度センサ２４，２５は、例えば、図６における中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏのそれぞれにおける少なくとも１つの電池容器１１（図４）に、外面から当接して設けられる。
【００３３】
温度センサ２４，２５の出力信号は、制御部３１に入力される。制御部３１は、各ヒータ２１〜２３を制御する。制御部３１には起動用バッテリ３２から電圧が入力されており、これを、中心電池Ｂｃの起動用に用いることができる。また、中心電池Ｂｃの出力する電圧は、制御部３１に入力可能なように接続されている。電解質が溶融した中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏの各電圧は、出力として、溶融塩組電池２０の外部へ取り出すことができる。
【００３４】
図８は、制御部３１によって実行される、ウォームアップの手順を示すフローチャートである。図において、まず、制御部３１は、中心電池Ｂｃの温度が所定値以上か否かを判断する（ステップＳ１）。所定値とは、例えば、前述のＮａＦＳＡ−ＫＦＳＡの電解質であれば、その融点である５７℃である。但し、若干の余裕をみて、５７℃より少し上の値としてもよい。稼働停止後一定時間以上経過して中心電池Ｂｃの温度が所定値未満に下がっている場合には、制御部３１は、起動用バッテリ３２を使用して、第１，第２のヒータ２１，２２をオンにする（ステップＳ２）。これにより中心電池Ｂｃが加熱される。また、第２のヒータ２２により、外側電池Ｂｏも、ある程度加熱される。制御部３１は、中心電池Ｂｃの温度が所定値（ステップＳ１の所定値と同一値）以上か否かを繰り返し監視する（ステップＳ３）。
【００３５】
ここで、４個の中心電池Ｂｃの体積（総和）は、４個の外側電池Ｂｏの体積（総和）よりも小さい。従って、４個の中心電池Ｂｃの熱容量（総和）は、４個の外側電池Ｂｏの熱容量（総和）よりも小さい。この熱容量の小ささと、第１のヒータ２１及び第２のヒータ２２による加熱によって、中心電池Ｂｃは、外側電池Ｂｏよりも急速に温度が上昇し、迅速に、電解質の融点に達する。こうして、中心電池Ｂｃの温度が所定値以上になると、制御部３１は、中心電池Ｂｃの出力を用いて、第３のヒータ２３をオンにする（ステップＳ４）。また、第１及び第２のヒータ２１，２２への給電についても、起動用バッテリ３２から中心電池Ｂｃに切り替えることができる。第２のヒータ２２及び第３のヒータ２３の加熱により、外側電池Ｂｏの温度が上昇し、電解質の融点に達する。これにより、全ての電池Ｂｃ，Ｂｏが稼働する状態となり、ウォームアップは終了となる。
【００３６】
一方、ステップＳ１において中心電池Ｂｃが所定値以上の温度であれば、制御部３１は、次に、外側電池Ｂｏの温度が所定値（ステップＳ１と同じ）以上であるか否かを判断し（ステップＳ５）、所定値未満であれば、中心電池Ｂｃを使用して第１〜第３のヒータ２１，２２，２３をオンの状態として外側電池Ｂｏを加熱する。また、ステップＳ５において所定値以上であれば、もはや特にウォームアップは必要ない状態であるので、処理終了となる。
なお、ウォームアップ終了後の中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏの加熱（若しくは保温）については、ここでは省略するが、充放電により各電池が自己発熱するので、加熱不要になる場合もある。
【００３７】
また、電池の稼働を停止させた後は、全てのヒータ２１〜２３がオフとなり、中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏは共に徐々に冷えていく。ここで、中心電池Ｂｃは、断熱容器の中心側にあるので、外側電池Ｂｏに比べて放熱しにくく、従って、冷めにくい。停止後短時間で再度電池が起動されるときは、この冷めにくさが役立ち、中心電池Ｂｃの温度が相対的に高く、従って、ウォームアップを迅速に行うことができる。
【００３８】
このように、上記のように構成された溶融塩組電池２０では、熱容量が小さい中心電池Ｂｃは外側電池Ｂｏに比べて加熱により昇温しやすい。また、中心電池Ｂｃは、中心側にあることにより外側電池Ｂｏよりも放熱しにくいので、電池としての稼働を停止した後も、冷めにくく、従って、再起動時に有利である。
【００３９】
そこで、溶融塩組電池２０の起動時に、まず、中心電池Ｂｃのみを加熱することによって、迅速に、中心電池Ｂｃの電解質を溶融させ、電池として起動させることができる。すなわち、外側電池Ｂｏを含む全体を加熱するよりも、中心電池Ｂｃのみを加熱することにより、一部（中心電池）とはいえ、溶融塩組電池２０から出力可能となるまでのウォームアップ時間を短縮することができる。
【００４０】
また、中心電池Ｂｃが起動すれば、その出力を各ヒータ２１〜２３に使用することができる。従って、起動用の補助的なバッテリ３２の電力負担は軽減される。
こうして、溶融塩組電池から出力可能になるまでのウォームアップ時間の短縮と、補助的なバッテリの負担軽減とを実現することができる。
【００４１】
なお、このように第１のヒータ２１（中心電池用ヒータ）が断熱容器２４の中心に配置され、当該ヒータ２１を中心電池Ｂｃが取り囲んでいる構成は、複数の溶融塩電池を中心電池Ｂｃとして中心のヒータ２１で加熱することに適した構成（複数の溶融塩電池をヒータ２１の周りに並べることに適した構成）となる。
【００４２】
《溶融塩組電池の構成例：第２実施形態》
図９は、第１実施形態における図６に対応する第２実施形態に係る溶融塩組電池２０の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。なお、図４における端子１ｔ及び安全弁１２、並びに、電池間の電気的な接続電路等、細部の構造については図示を省略している。
【００４３】
図６において、この溶融塩組電池２０は、円柱（円筒）形状を基調とした形状となっており、最も内側の第１のヒータ２１から順に、径方向外側へ、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３、断熱容器２４が同心円筒状に設けられている。中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏはそれぞれ、周方向に４等分された、上から見て円弧状の形態となっているが、個数は一例に過ぎない。また、第２のヒータ２２及び第３のヒータ２３はそれぞれ、何等分かの円弧状のパネルヒータの集合体によって構成されていてもよいし、円筒形状のヒータであってもよい。
【００４４】
なお、図９における第１のヒータ２１は、中心電池Ｂｃを加熱する「中心電池用ヒータ」である。第３のヒータ２３は、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」である。第２のヒータ２２は、中心電池Ｂｃを加熱する中心電池用ヒータであるとともに、外側電池Ｂｏを加熱する外側電池用ヒータでもある。
【００４５】
以上の各部（第１のヒータ２１、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３）は、断熱容器２４によって円柱状の外面及び軸方向両端面を覆われている。断熱容器２４は、好ましくは、肉厚方向の中間に真空層を挟んだ魔法瓶構造の壁材によって構成されている。
【００４６】
ここで、４個の中心電池Ｂｃの体積（総和）は、４個の外側電池Ｂｏの体積（総和）よりも小さい。従って、４個の中心電池Ｂｃの熱容量（総和）は、４個の外側電池Ｂｏの熱容量（総和）よりも小さい。この熱容量の小ささと、第１のヒータ２１及び第２のヒータ２２による加熱によって、中心電池Ｂｃは、外側電池Ｂｏよりも急速に温度が上昇し、迅速に、電解質の融点に達する。従って、第１実施形態と同様のヒータ制御を行ってウォームアップすることができ、同様の作用効果を奏する。
また、図９の構成は、円柱（円筒）形状を基調とすることによって、電池容量の割に、全体として外形寸法が小さいコンパクトな溶融塩組電池２０とすることができる。
【００４７】
《溶融塩組電池の構成例：第３実施形態》
図１０は、第１実施形態における図６に対応する第３実施形態に係る溶融塩組電池２０の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。なお、図４における端子１ｔ及び安全弁１２、並びに、電池間の電気的な接続電路等、細部の構造については図示を省略している。
【００４８】
図１０において、この溶融塩組電池２０は、マトリックス形状を基調とした形状となっており、中心に位置する第１のヒータ２１を８個の中心電池Ｂｃが取り囲み、それらの外面に第２のヒータ２２（太線で示す。）が設けられている。第２のヒータ２２の外側には、１６個の外側電池Ｂｏが配置され、さらにそれらの外面に、第３のヒータ２３（太線で示す。）が設けられている。第３のヒータ２３の外側には、断熱容器２４が設けられている。なお、電池の個数は一例に過ぎない。
【００４９】
なお、図１０において、第１のヒータ２１は、中心電池Ｂｃを加熱する「中心電池用ヒータ」である。第３のヒータ２３は、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」である。第２のヒータ２２は、中心電池Ｂｃを加熱する中心電池用ヒータであるとともに、外側電池Ｂｏを加熱する外側電池用ヒータでもある。
【００５０】
以上の各部（第１のヒータ２１、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３）は、断熱容器２４によって六面を覆われている。断熱容器２４は、好ましくは、肉厚方向の中間に真空層を挟んだ魔法瓶構造の壁材によって構成されている。
【００５１】
ここで、８個の中心電池Ｂｃの体積（総和）は、１６個の外側電池Ｂｏの体積（総和）よりも小さい。従って、８個の中心電池Ｂｃの熱容量（総和）は、１６個の外側電池Ｂｏの熱容量（総和）よりも小さい。この熱容量の小ささと、第１のヒータ２１及び第２のヒータ２２による加熱によって、中心電池Ｂｃは、外側電池Ｂｏよりも急速に温度が上昇し、迅速に、電解質の融点に達する。従って、第１実施形態と同様のヒータ制御を行ってウォームアップすることができ、同様の作用効果を奏する。
【００５２】
なお、このように第１のヒータ２１（中心電池用ヒータ）が断熱容器２４の中心に配置され、当該ヒータ２１を中心電池Ｂｃが取り囲んでいる構成は、第１実施形態と同様に、複数の溶融塩電池を中心電池Ｂｃとして中心のヒータ２１で加熱することに適した構成となる。
【００５３】
《溶融塩組電池の構成例：第４実施形態》
図１１は、第１実施形態における図６に対応する第４実施形態に係る溶融塩組電池２０の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。なお、図４における端子１ｔ及び安全弁１２、並びに、電池間の電気的な接続電路等、細部の構造については図示を省略している。
【００５４】
図１１において、この溶融塩組電池２０は、第３実施形態と同様に、マトリックス形状を基調とした形状となっており、中心に位置する１個の中心電池Ｂｃの外面を第１のヒータ２１（太線で示す。）で囲んでいる。さらにその外側には、８個の中間電池Ｂｍが設けられている。中間電池Ｂｍは、中心電池Ｂｃと、外側電池Ｂｏとの中間的な意義を有する。中間電池Ｂｍの外側には第２のヒータ２２（太線で示す。）が設けられている。第２のヒータ２２の外側には、１６個の外側電池Ｂｏが配置され、さらにそれらの外面に、第３のヒータ２３（太線で示す。）が設けられている。第３のヒータ２３の外側には、断熱容器２４が設けられている。なお、電池の個数は一例に過ぎない。このような構成の場合、中心部の空間をヒータが占有しないので、その分、電池容量の割に、溶融塩組電池２０をコンパクトに構成することができる。
【００５５】
なお、図１１において、第１のヒータ２１は、主として中心電池Ｂｃを加熱する「中心電池用ヒータ」であるが、中間電池Ｂｍの加熱にも寄与する。第２のヒータ２２は、中間電池Ｂｍを加熱するヒータであるとともに、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」でもある。また、第３のヒータ２３は、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」である。
【００５６】
以上の各部（第１のヒータ２１、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３）は、断熱容器２４によって六面を覆われている。断熱容器２４は、好ましくは、肉厚方向の中間に真空層を挟んだ魔法瓶構造の壁材によって構成されている。
【００５７】
ここで、１個の中心電池Ｂｃの体積は、８個の中間電池Ｂｃの体積（総和）及び１６個の外側電池Ｂｏの体積（総和）よりも圧倒的に小さい。従って、中心電池Ｂｃの熱容量（総和）は、合計２４個の中間電池Ｂｍ及び外側電池Ｂｏの熱容量（総和）よりも極めて小さい。この熱容量の小ささによって、中心電池Ｂｃは、中間電池Ｂｍや外側電池Ｂｏよりも急速に温度が上昇し、迅速に、電解質の融点に達する。従って、第１実施形態と同様のヒータ制御を行ってウォームアップすることができ、同様の作用効果を奏する。
【００５８】
但し、起動時の、起動用バッテリ３２からの給電は、第１のヒータ２１のみでよい。そして、中心電池Ｂｃが起動すれば、中心電池Ｂｃから第２のヒータ２２及び第３のヒータ２３に給電開始するほか、第１のヒータ２１への給電も、中心電池Ｂｃから行うことができる。
【００５９】
なお、この場合、電解質が溶融する順序は、中心電池Ｂｃ、中間電池Ｂｍ、外側電池Ｂｏの順となる。従って、中心電池Ｂｃが迅速に出力開始となって、漸次、出力が増大していくので、中心電池Ｂｃの起動により中心電池Ｂｃから第１のヒータ２１，第２のヒータ２２に給電し、中間電池Ｂｍの起動により、中心電池Ｂｃと中間電池Ｂｍとによって、全てのヒータ２１〜２３に給電する、という電力供給形態も可能である。
【００６０】
《その他》
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】
【００６１】
２０：溶融塩組電池
２１：第１のヒータ（中心電池用ヒータ）
２２：第２のヒータ
２３：第３のヒータ（外側電池用ヒータ）
２４：断熱容器
Ｂ：溶融塩電池
Ｂｃ：中心電池
Ｂｏ：外側電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融塩電池、すなわち溶融塩を電解質とする電池を、組電池として使用する場合の全体構成、及び、溶融塩組電池のウォームアップ方法に関する。
【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バッテリとして、また、電気自動車の駆動用バッテリとしても、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】
例えば溶融塩組電池が自動車に搭載された場合、自動車を車庫入れして完全停止させた後の溶融塩電池は、徐々に温度が下がり、やがて電解質は融点より低い温度になる。このとき、電解質の塩は凝固して「溶融塩」の状態ではなくなる。この状態から再び溶融塩の状態として電池を起動させるには、まず、加熱により塩を溶融させる必要がある。そのためには若干のウォームアップ時間が必要であり、その間は、溶融塩電池から出力を得ることはできないという不便がある。
【０００６】
また、加熱は、組電池に組み込まれたヒータに通電することによって行われる。外部から電力供給を受けない自動車の場合、ヒータに電力を供給するためには、別途、他のバッテリが必要となる。ヒータへの電力供給には大きな電力が必要であり、そのため、補助的なバッテリが大型化する。しかしながら、この補助的なバッテリが大型化することは、占有スペース、重量、コストのいずれの面においても、好ましくない。すなわち、補助的なバッテリは、なるべく負担を軽減し、電池容量の小さいコンパクトなものにしたい。
【０００７】
かかる課題に鑑み、本発明は、ウォームアップ時間の短縮と、補助的なバッテリの負担軽減とを実現する溶融塩組電池及びそのウォームアップ方法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】
【０００８】
（１）本発明は、電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、前記溶融塩電池によって構成され、当該溶融塩組電池内で相対的に外側に位置する外側電池と、前記溶融塩電池によって構成され、前記外側電池よりも相対的に中心側に位置し、前記外側電池より熱容量が小さい中心電池と、前記中心電池を加熱する中心電池用ヒータと、前記外側電池を加熱する外側電池用ヒータと、前記外側電池の外面を覆う断熱容器とを備えたものである。
【０００９】
上記のように構成された溶融塩組電池では、熱容量が小さい中心電池は外側電池に比べて加熱により昇温しやすい。また、中心電池は、中心側にあることにより外側電池よりも放熱しにくいので、電池としての稼働を停止した後も、冷めにくい。
そこで、溶融塩組電池の起動時に、まず、中心電池のみを中心電池用ヒータで加熱することによって、迅速に、中心電池の電解質を溶融させ、電池として起動させることができる。すなわち、外側電池を含む全体を加熱するよりも、中心電池のみを加熱することにより、一部（中心電池）とはいえ、溶融塩組電池から出力可能となるまでのウォームアップ時間を短縮することができる。
また、中心電池が起動すれば、その出力を外側電池用ヒータや、自己の中心電池用ヒータにも使用することができる。従って、起動用の補助的なバッテリの電力負担は軽減される。
【００１０】
（２）また、上記（１）の溶融塩組電池において、中心電池用ヒータが断熱容器の中心に配置され、当該中心電池用ヒータを中心電池が取り囲んでいる構成であってもよい。
この場合、複数の溶融塩電池を中心電池として並べて、中心電池用ヒータを取り囲むことができる。すなわち、複数の溶融塩電池を中心電池として中心電池用ヒータで加熱することに適した構成となる。
【００１１】
（３）また、上記（１）又は（２）の溶融塩組電池において、中心電池及び外側電池は同心円筒状に内外配置されていてもよい。
この場合、全体として円柱状の溶融塩組電池をコンパクトに構成することができる。
【００１２】
（４）また、上記（１）の溶融塩組電池において、中心電池が断熱容器の中心に配置され、当該中心電池を中心電池用ヒータが取り囲んでいる構成であってもよい。
この場合、中心部の空間をヒータが占有しないので、その分、溶融塩組電池をコンパクトに構成することができる。
【００１３】
（５）一方、本発明の、溶融塩組電池のウォームアップ方法において、まず、溶融塩組電池は、電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、前記溶融塩電池によって構成され、当該溶融塩組電池内で相対的に外側に位置する外側電池と、前記溶融塩電池によって構成され、前記外側電池よりも相対的に中心側に位置し、前記外側電池より熱容量が小さい中心電池と、前記中心電池を加熱する中心電池用ヒータと、前記外側電池を加熱する外側電池用ヒータと、前記外側電池の外面を覆う断熱容器とを備えたものである。そして、本発明は、このような溶融塩組電池を起動させるためのウォームアップ方法であって、前記中心電池用ヒータに給電することにより、前記中心電池を加熱して電解質を溶融させ、前記中心電池の出力を用いて前記外側電池用ヒータに給電することにより、前記外側電池を加熱して電解質を溶融させることを特徴とするものである。
【００１４】
上記の溶融塩組電池では、そもそも、熱容量が小さい中心電池は外側電池に比べて加熱により昇温しやすい。また、中心電池は、中心側にあることにより外側電池よりも放熱しにくいので、電池としての稼働を停止した後も、冷めにくい。
そこで、かかる溶融塩組電池のウォームアップ方法として、溶融塩組電池の起動時に、まず、中心電池のみを中心電池用ヒータで加熱することによって、迅速に、中心電池の電解質を溶融させ、電池として起動させる。すなわち、外側電池を含む全体を加熱するよりも、中心電池のみを加熱することにより、一部（中心電池）とはいえ、溶融塩組電池から出力可能となるまでのウォームアップ時間を短縮することができる。
また、次に、中心電池の出力を用いて外側電池用ヒータに給電することにより、外側電池を加熱して電解質を溶融させる。中心電池の出力を利用できることによって、起動用の補助的なバッテリの電力負担は軽減される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の溶融塩組電池及びそのウォームアップ方法によれば、溶融塩組電池から出力可能になるまでのウォームアップ時間の短縮と、補助的なバッテリの負担軽減とを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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斜視図である。
【図３】図２と同様の構造についての横断面図である。
【図４】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。
【図５】複数の溶融塩電池によって溶融塩組電池を構成する場合の、空間的な位置関係の一例を示す分解斜視図である。
【図６】図５における溶融塩組電池の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。
【図７】溶融塩組電池のヒータ制御に関するブロック図である。
【図８】制御部によって実行される、ウォームアップの手順を示すフローチャートである。
【図９】第１実施形態における図６に対応する第２実施形態に係る溶融塩組電池の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。
【図１０】第１実施形態における図６に対応する第３実施形態に係る溶融塩組電池の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。
【図１１】第１実施形態における図６に対応する第４実施形態に係る溶融塩組電池の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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》
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。
【００１８】
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８５：１０：５：５０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、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２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。
【００１９】
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）０．４５ｍｏｌ％と、ＫＦＳＡ（カリウム ビスフルオロスルフォニルアミド）０．５５ｍｏｌ％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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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（正極１の端子１ｔのみ図示している。）が電池容器１１の外部へ引き出される。図４において、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いる。
【００２５】
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。例えば、電池容器１１を平面視した形状を、円弧状に湾曲させることや、正方形に近づけることも可能である。また、端子１ｔは、電池容器１１の上面に設けることも可能である。
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。
【００２６】
《溶融塩組電池の構成例：第１実施形態》
図５〜８は、第１実施形態に係る溶融塩組電池に関する図である。図５は、複数の溶融塩電池Ｂによって溶融塩組電池２０を構成する場合の、空間的な位置関係の一例を示す分解斜視図である。溶融塩組電池２０は、断熱容器２４内に、溶融塩電池Ｂ及び後述のヒータを装填して構成される。断熱容器２４は、構造又は材質によって断熱性を有し、閉鎖可能な容器である。
【００２７】
図６は、図５における溶融塩組電池２０の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。なお、図４における端子１ｔ及び安全弁１２、並びに、電池間の電気的な接続電路等、細部の構造については図示を省略している。
【００２８】
図６において、この溶融塩組電池２０を構成する複数の溶融塩電池は、その配置場所の違いから、４個の中心電池Ｂｃと、４個の外側電池Ｂｏとに分けられる。中心電池Ｂｃは、中央に設けられた第１のヒータ２１に密着して、これを囲むように、配置されている。また、中心電池Ｂｃの外面に密着してこれらを取り囲むように、第２のヒータ２２が設けられている。第２のヒータ２２は、例えば４枚のパネルヒータによって構成される。外側電池Ｂｏは、第２のヒータ２２の外側に密着するように設けられている。また、外側電池Ｂｏの外面に密着してこれらを取り囲むように、第３のヒータ２３が設けられている。第３のヒータ２３は、例えば４枚のパネルヒータによって構成される。
【００２９】
なお、上記第１のヒータ２１は、中心電池Ｂｃを加熱する「中心電池用ヒータ」である。上記第３のヒータ２３は、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」である。上記第２のヒータ２２は、中心電池Ｂｃを加熱する中心電池用ヒータであるとともに、外側電池Ｂｏを加熱する外側電池用ヒータでもある。
【００３０】
以上の各部（第１のヒータ２１、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３）は、断熱容器２４によって六面を覆われている。断熱容器２４は、好ましくは、肉厚方向の中間に真空層を挟んだ魔法瓶構造の壁材によって構成されている。
【００３１】
なお、上記中心電池Ｂｃ、外側電池Ｂｏのそれぞれの数量は、単に一例を示したに過ぎず、数量は任意に変更し得る。基本的には、相対的に中心側にある中心電池Ｂｃと、相対的に外側にある外側電池Ｂｏとを含む構成であればよい。
なお、図６に示す構成は、高さ方向（図６の紙面に垂直方向）へ複数段にわたって、中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏを設けることも可能である。
【００３２】
図７は、溶融塩組電池２０のヒータ制御に関するブロック図である。溶融塩組電池２０は、前述の中心電池Ｂｃ、外側電池Ｂｏ、３つのヒータ２１〜２３の他、中心電池Ｂｃの温度を測定する温度センサ２４及び、外側電池Ｂｏの温度を測定する温度センサ２５を備えている。これらの温度センサ２４，２５は、例えば、図６における中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏのそれぞれにおける少なくとも１つの電池容器１１（図４）に、外面から当接して設けられる。
【００３３】
温度センサ２４，２５の出力信号は、制御部３１に入力される。制御部３１は、各ヒータ２１〜２３を制御する。制御部３１には起動用バッテリ３２から電圧が入力されており、これを、中心電池Ｂｃの起動用に用いることができる。また、中心電池Ｂｃの出力する電圧は、制御部３１に入力可能なように接続されている。電解質が溶融した中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏの各電圧は、出力として、溶融塩組電池２０の外部へ取り出すことができる。
【００３４】
図８は、制御部３１によって実行される、ウォームアップの手順を示すフローチャートである。図において、まず、制御部３１は、中心電池Ｂｃの温度が所定値以上か否かを判断する（ステップＳ１）。所定値とは、例えば、前述のＮａＦＳＡ−ＫＦＳＡの電解質であれば、その融点である５７℃である。但し、若干の余裕をみて、５７℃より少し上の値としてもよい。稼働停止後一定時間以上経過して中心電池Ｂｃの温度が所定値未満に下がっている場合には、制御部３１は、起動用バッテリ３２を使用して、第１，第２のヒータ２１，２２をオンにする（ステップＳ２）。これにより中心電池Ｂｃが加熱される。また、第２のヒータ２２により、外側電池Ｂｏも、ある程度加熱される。制御部３１は、中心電池Ｂｃの温度が所定値（ステップＳ１の所定値と同一値）以上か否かを繰り返し監視する（ステップＳ３）。
【００３５】
ここで、４個の中心電池Ｂｃの体積（総和）は、４個の外側電池Ｂｏの体積（総和）よりも小さい。従って、４個の中心電池Ｂｃの熱容量（総和）は、４個の外側電池Ｂｏの熱容量（総和）よりも小さい。この熱容量の小ささと、第１のヒータ２１及び第２のヒータ２２による加熱によって、中心電池Ｂｃは、外側電池Ｂｏよりも急速に温度が上昇し、迅速に、電解質の融点に達する。こうして、中心電池Ｂｃの温度が所定値以上になると、制御部３１は、中心電池Ｂｃの出力を用いて、第３のヒータ２３をオンにする（ステップＳ４）。また、第１及び第２のヒータ２１，２２への給電についても、起動用バッテリ３２から中心電池Ｂｃに切り替えることができる。第２のヒータ２２及び第３のヒータ２３の加熱により、外側電池Ｂｏの温度が上昇し、電解質の融点に達する。これにより、全ての電池Ｂｃ，Ｂｏが稼働する状態となり、ウォームアップは終了となる。
【００３６】
一方、ステップＳ１において中心電池Ｂｃが所定値以上の温度であれば、制御部３１は、次に、外側電池Ｂｏの温度が所定値（ステップＳ１と同じ）以上であるか否かを判断し（ステップＳ５）、所定値未満であれば、中心電池Ｂｃを使用して第１〜第３のヒータ２１，２２，２３をオンの状態として外側電池Ｂｏを加熱する。また、ステップＳ５において所定値以上であれば、もはや特にウォームアップは必要ない状態であるので、処理終了となる。
なお、ウォームアップ終了後の中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏの加熱（若しくは保温）については、ここでは省略するが、充放電により各電池が自己発熱するので、加熱不要になる場合もある。
【００３７】
また、電池の稼働を停止させた後は、全てのヒータ２１〜２３がオフとなり、中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏは共に徐々に冷えていく。ここで、中心電池Ｂｃは、断熱容器の中心側にあるので、外側電池Ｂｏに比べて放熱しにくく、従って、冷めにくい。停止後短時間で再度電池が起動されるときは、この冷めにくさが役立ち、中心電池Ｂｃの温度が相対的に高く、従って、ウォームアップを迅速に行うことができる。
【００３８】
このように、上記のように構成された溶融塩組電池２０では、熱容量が小さい中心電池Ｂｃは外側電池Ｂｏに比べて加熱により昇温しやすい。また、中心電池Ｂｃは、中心側にあることにより外側電池Ｂｏよりも放熱しにくいので、電池としての稼働を停止した後も、冷めにくく、従って、再起動時に有利である。
【００３９】
そこで、溶融塩組電池２０の起動時に、まず、中心電池Ｂｃのみを加熱することによって、迅速に、中心電池Ｂｃの電解質を溶融させ、電池として起動させることができる。すなわち、外側電池Ｂｏを含む全体を加熱するよりも、中心電池Ｂｃのみを加熱することにより、一部（中心電池）とはいえ、溶融塩組電池２０から出力可能となるまでのウォームアップ時間を短縮することができる。
【００４０】
また、中心電池Ｂｃが起動すれば、その出力を各ヒータ２１〜２３に使用することができる。従って、起動用の補助的なバッテリ３２の電力負担は軽減される。
こうして、溶融塩組電池から出力可能になるまでのウォームアップ時間の短縮と、補助的なバッテリの負担軽減とを実現することができる。
【００４１】
なお、このように第１のヒータ２１（中心電池用ヒータ）が断熱容器２４の中心に配置され、当該ヒータ２１を中心電池Ｂｃが取り囲んでいる構成は、複数の溶融塩電池を中心電池Ｂｃとして中心のヒータ２１で加熱することに適した構成（複数の溶融塩電池をヒータ２１の周りに並べることに適した構成）となる。
【００４２】
《溶融塩組電池の構成例：第２実施形態》
図９は、第１実施形態における図６に対応する第２実施形態に係る溶融塩組電池２０の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。なお、図４における端子１ｔ及び安全弁１２、並びに、電池間の電気的な接続電路等、細部の構造については図示を省略している。
【００４３】
図６において、この溶融塩組電池２０は、円柱（円筒）形状を基調とした形状となっており、最も内側の第１のヒータ２１から順に、径方向外側へ、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３、断熱容器２４が同心円筒状に設けられている。中心電池Ｂｃ及び外側電池Ｂｏはそれぞれ、周方向に４等分された、上から見て円弧状の形態となっているが、個数は一例に過ぎない。また、第２のヒータ２２及び第３のヒータ２３はそれぞれ、何等分かの円弧状のパネルヒータの集合体によって構成されていてもよいし、円筒形状のヒータであってもよい。
【００４４】
なお、図９における第１のヒータ２１は、中心電池Ｂｃを加熱する「中心電池用ヒータ」である。第３のヒータ２３は、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」である。第２のヒータ２２は、中心電池Ｂｃを加熱する中心電池用ヒータであるとともに、外側電池Ｂｏを加熱する外側電池用ヒータでもある。
【００４５】
以上の各部（第１のヒータ２１、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３）は、断熱容器２４によって円柱状の外面及び軸方向両端面を覆われている。断熱容器２４は、好ましくは、肉厚方向の中間に真空層を挟んだ魔法瓶構造の壁材によって構成されている。
【００４６】
ここで、４個の中心電池Ｂｃの体積（総和）は、４個の外側電池Ｂｏの体積（総和）よりも小さい。従って、４個の中心電池Ｂｃの熱容量（総和）は、４個の外側電池Ｂｏの熱容量（総和）よりも小さい。この熱容量の小ささと、第１のヒータ２１及び第２のヒータ２２による加熱によって、中心電池Ｂｃは、外側電池Ｂｏよりも急速に温度が上昇し、迅速に、電解質の融点に達する。従って、第１実施形態と同様のヒータ制御を行ってウォームアップすることができ、同様の作用効果を奏する。
また、図９の構成は、円柱（円筒）形状を基調とすることによって、電池容量の割に、全体として外形寸法が小さいコンパクトな溶融塩組電池２０とすることができる。
【００４７】
《溶融塩組電池の構成例：第３実施形態》
図１０は、第１実施形態における図６に対応する第３実施形態に係る溶融塩組電池２０の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。なお、図４における端子１ｔ及び安全弁１２、並びに、電池間の電気的な接続電路等、細部の構造については図示を省略している。
【００４８】
図１０において、この溶融塩組電池２０は、マトリックス形状を基調とした形状となっており、中心に位置する第１のヒータ２１を８個の中心電池Ｂｃが取り囲み、それらの外面に第２のヒータ２２（太線で示す。）が設けられている。第２のヒータ２２の外側には、１６個の外側電池Ｂｏが配置され、さらにそれらの外面に、第３のヒータ２３（太線で示す。）が設けられている。第３のヒータ２３の外側には、断熱容器２４が設けられている。なお、電池の個数は一例に過ぎない。
【００４９】
なお、図１０において、第１のヒータ２１は、中心電池Ｂｃを加熱する「中心電池用ヒータ」である。第３のヒータ２３は、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」である。第２のヒータ２２は、中心電池Ｂｃを加熱する中心電池用ヒータであるとともに、外側電池Ｂｏを加熱する外側電池用ヒータでもある。
【００５０】
以上の各部（第１のヒータ２１、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３）は、断熱容器２４によって六面を覆われている。断熱容器２４は、好ましくは、肉厚方向の中間に真空層を挟んだ魔法瓶構造の壁材によって構成されている。
【００５１】
ここで、８個の中心電池Ｂｃの体積（総和）は、１６個の外側電池Ｂｏの体積（総和）よりも小さい。従って、８個の中心電池Ｂｃの熱容量（総和）は、１６個の外側電池Ｂｏの熱容量（総和）よりも小さい。この熱容量の小ささと、第１のヒータ２１及び第２のヒータ２２による加熱によって、中心電池Ｂｃは、外側電池Ｂｏよりも急速に温度が上昇し、迅速に、電解質の融点に達する。従って、第１実施形態と同様のヒータ制御を行ってウォームアップすることができ、同様の作用効果を奏する。
【００５２】
なお、このように第１のヒータ２１（中心電池用ヒータ）が断熱容器２４の中心に配置され、当該ヒータ２１を中心電池Ｂｃが取り囲んでいる構成は、第１実施形態と同様に、複数の溶融塩電池を中心電池Ｂｃとして中心のヒータ２１で加熱することに適した構成となる。
【００５３】
《溶融塩組電池の構成例：第４実施形態》
図１１は、第１実施形態における図６に対応する第４実施形態に係る溶融塩組電池２０の水平断面に相当する図であり、内部の構造の要部を簡略に示したものである。なお、図４における端子１ｔ及び安全弁１２、並びに、電池間の電気的な接続電路等、細部の構造については図示を省略している。
【００５４】
図１１において、この溶融塩組電池２０は、第３実施形態と同様に、マトリックス形状を基調とした形状となっており、中心に位置する１個の中心電池Ｂｃの外面を第１のヒータ２１（太線で示す。）で囲んでいる。さらにその外側には、８個の中間電池Ｂｍが設けられている。中間電池Ｂｍは、中心電池Ｂｃと、外側電池Ｂｏとの中間的な意義を有する。中間電池Ｂｍの外側には第２のヒータ２２（太線で示す。）が設けられている。第２のヒータ２２の外側には、１６個の外側電池Ｂｏが配置され、さらにそれらの外面に、第３のヒータ２３（太線で示す。）が設けられている。第３のヒータ２３の外側には、断熱容器２４が設けられている。なお、電池の個数は一例に過ぎない。このような構成の場合、中心部の空間をヒータが占有しないので、その分、電池容量の割に、溶融塩組電池２０をコンパクトに構成することができる。
【００５５】
なお、図１１において、第１のヒータ２１は、主として中心電池Ｂｃを加熱する「中心電池用ヒータ」であるが、中間電池Ｂｍの加熱にも寄与する。第２のヒータ２２は、中間電池Ｂｍを加熱するヒータであるとともに、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」でもある。また、第３のヒータ２３は、外側電池Ｂｏを加熱する「外側電池用ヒータ」である。
【００５６】
以上の各部（第１のヒータ２１、中心電池Ｂｃ、第２のヒータ２２、外側電池Ｂｏ、第３のヒータ２３）は、断熱容器２４によって六面を覆われている。断熱容器２４は、好ましくは、肉厚方向の中間に真空層を挟んだ魔法瓶構造の壁材によって構成されている。
【００５７】
ここで、１個の中心電池Ｂｃの体積は、８個の中間電池Ｂｃの体積（総和）及び１６個の外側電池Ｂｏの体積（総和）よりも圧倒的に小さい。従って、中心電池Ｂｃの熱容量（総和）は、合計２４個の中間電池Ｂｍ及び外側電池Ｂｏの熱容量（総和）よりも極めて小さい。この熱容量の小ささによって、中心電池Ｂｃは、中間電池Ｂｍや外側電池Ｂｏよりも急速に温度が上昇し、迅速に、電解質の融点に達する。従って、第１実施形態と同様のヒータ制御を行ってウォームアップすることができ、同様の作用効果を奏する。
【００５８】
但し、起動時の、起動用バッテリ３２からの給電は、第１のヒータ２１のみでよい。そして、中心電池Ｂｃが起動すれば、中心電池Ｂｃから第２のヒータ２２及び第３のヒータ２３に給電開始するほか、第１のヒータ２１への給電も、中心電池Ｂｃから行うことができる。
【００５９】
なお、この場合、電解質が溶融する順序は、中心電池Ｂｃ、中間電池Ｂｍ、外側電池Ｂｏの順となる。従って、中心電池Ｂｃが迅速に出力開始となって、漸次、出力が増大していくので、中心電池Ｂｃの起動により中心電池Ｂｃから第１のヒータ２１，第２のヒータ２２に給電し、中間電池Ｂｍの起動により、中心電池Ｂｃと中間電池Ｂｍとによって、全てのヒータ２１〜２３に給電する、という電力供給形態も可能である。
【００６０】
《その他》
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】
【００６１】
２０：溶融塩組電池
２１：第１のヒータ（中心電池用ヒータ）
２２：第２のヒータ
２３：第３のヒータ（外側電池用ヒータ）
２４：断熱容器
Ｂ：溶融塩電池
Ｂｃ：中心電池
Ｂｏ：外側電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、
前記溶融塩電池によって構成され、当該溶融塩組電池内で相対的に外側に位置する外側電池と、
前記溶融塩電池によって構成され、前記外側電池よりも相対的に中心側に位置し、前記外側電池より熱容量が小さい中心電池と、
前記中心電池を加熱する中心電池用ヒータと、
前記外側電池を加熱する外側電池用ヒータと、
前記外側電池の外面を覆う断熱容器と
を備えていることを特徴とする溶融塩組電池。
【請求項２】
前記中心電池用ヒータが前記断熱容器の中心に配置され、当該中心電池用ヒータを前記中心電池が取り囲んでいる請求項１記載の溶融塩組電池。
【請求項３】
前記中心電池及び前記外側電池は同心円筒状に内外配置されている請求項１又は２に記載の溶融塩組電池。
【請求項４】
前記中心電池が前記断熱容器の中心に配置され、当該中心電池を前記中心電池用ヒータが取り囲んでいる請求項１記載の溶融塩組電池。
【請求項５】
電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、前記溶融塩電池によって構成され、当該溶融塩組電池内で相対的に外側に位置する外側電池と、前記溶融塩電池によって構成され、前記外側電池よりも相対的に中心側に位置し、前記外側電池より熱容量が小さい中心電池と、前記中心電池を加熱する中心電池用ヒータと、前記外側電池を加熱する外側電池用ヒータと、前記外側電池の外面を覆う断熱容器とを備えたもの、を起動させるためのウォームアップ方法であって、
前記中心電池用ヒータに給電することにより、前記中心電池を加熱して電解質を溶融させ、
前記中心電池の出力を用いて前記外側電池用ヒータに給電することにより、前記外側電池を加熱して電解質を溶融させる
ことを特徴とする溶融塩組電池のウォームアップ方法。
【請求項１】
電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、
前記溶融塩電池によって構成され、当該溶融塩組電池内で相対的に外側に位置する外側電池と、
前記溶融塩電池によって構成され、前記外側電池よりも相対的に中心側に位置し、前記外側電池より熱容量が小さい中心電池と、
前記中心電池を加熱する中心電池用ヒータと、
前記外側電池を加熱する外側電池用ヒータと、
前記外側電池の外面を覆う断熱容器と
を備えていることを特徴とする溶融塩組電池。
【請求項２】
前記中心電池用ヒータが前記断熱容器の中心に配置され、当該中心電池用ヒータを前記中心電池が取り囲んでいる請求項１記載の溶融塩組電池。
【請求項３】
前記中心電池及び前記外側電池は同心円筒状に内外配置されている請求項１又は２に記載の溶融塩組電池。
【請求項４】
前記中心電池が前記断熱容器の中心に配置され、当該中心電池を前記中心電池用ヒータが取り囲んでいる請求項１記載の溶融塩組電池。
【請求項５】
電解質として溶融塩を含む溶融塩電池が複数個集まって構成される溶融塩組電池であって、前記溶融塩電池によって構成され、当該溶融塩組電池内で相対的に外側に位置する外側電池と、前記溶融塩電池によって構成され、前記外側電池よりも相対的に中心側に位置し、前記外側電池より熱容量が小さい中心電池と、前記中心電池を加熱する中心電池用ヒータと、前記外側電池を加熱する外側電池用ヒータと、前記外側電池の外面を覆う断熱容器とを備えたもの、を起動させるためのウォームアップ方法であって、
前記中心電池用ヒータに給電することにより、前記中心電池を加熱して電解質を溶融させ、
前記中心電池の出力を用いて前記外側電池用ヒータに給電することにより、前記外側電池を加熱して電解質を溶融させる
ことを特徴とする溶融塩組電池のウォームアップ方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２４３７３２（Ｐ２０１２−２４３７３２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６１６８（Ｐ２０１１−１１６１６８）
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２４日（２０１１．５．２４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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