JP2007242510A

JP2007242510A - 電池の安全装置

Info

Publication number: JP2007242510A
Application number: JP2006065607A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shibaoka; 浩行柴岡; Yoshikazu Ujimiya; 義和宇治宮
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: JP5288685B2

Abstract

【課題】簡単な構成にて、作動圧力が高くてもそのばらつきが抑制される電池の安全装置を提供する。
【解決手段】電池の安全装置は、電池の内外を仕切り、外面２４ａに開口端を有するガス抜き孔２８が形成された蓋板２４と、ガス抜き孔２８の開口端を覆うよう蓋板２４の外面２４ａ上に配置されたゴム製の弁体３０と、ガス抜き孔２８の開口端に形成され、ガス抜き孔２８の内周面２８ａから蓋板２４の外面２４ａに向かって拡開する拡開面３４とを備える。また、安全装置は、蓋板２４の外面２４ａ上に配置され、弁体３０を覆う正極端子３２を備える。弁体３０は、蓋板２４と正極端子との間にて圧縮され、拡開面３４及び拡開面３４を囲む蓋板２４の外面２４ａの領域に押し付けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池の安全装置に係わり、より詳しくは、電池内圧が作動圧力を超えて上昇するのを防止する安全装置に関する。

電池の安全装置は、例えば、ニッケル水素蓄電池等のアルカリ蓄電池に用いられ、電池の充放電時や貯蔵時に、電池内部で発生したガスによって電池内圧が作動圧力を超えて異常に上昇するのを防止する（例えば特許文献１参照）。
具体的には、電池の安全装置は蓋板を備え、蓋板の中央には、パンチ加工によってガス抜き孔が形成されている。蓋板の外面上には、ガス抜き孔を覆うようにゴム製の円柱状の弁体が配置され、更に、弁体を覆うように正極端子が固定されている。弁体は、正極端子の端壁と蓋板との間で圧縮された状態にあり、所定の作動圧力までガス抜き孔の開口端を閉塞する。
特開2003-045393号公報

従来技術の電池の安全装置では、作動圧力を高めるために、弁体の材料であるゴムの硬度（ウォーレス硬度）を高めることや、安全装置に組み込むときの弁体の圧縮率を高めることが行われてきた。しかしながら、ゴムの高硬度化は略限界に達しており、また弁体の圧縮率を高めた場合、安全装置間での作動圧力のばらつきが大きくなり、製品化が困難になる。

本発明は上述の事情に基づいてなされたものであって、その目的とするところは、簡単な構成にて、作動圧力が高くてもそのばらつきが抑制される電池の安全装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明によれば、電池の内外を仕切り、外面に開口端を有するガス抜き孔が形成された区画壁と、前記ガス抜き孔の開口端を覆うよう前記区画壁の外面上に配置されたゴム製の弁体と、前記ガス抜き孔の開口端に形成され、前記ガス抜き孔の内周面から前記区画壁の外面に向かって拡開する拡開面と前記拡開面及び前記拡開面を囲む前記区画壁の外面の領域に前記弁体を押し付けるための付勢手段とを備えることを特徴とする電池の安全装置が提供される（請求項１）。

好適な態様として、前記付勢手段は、前記区画壁の外面上に前記弁体を覆うように設けられ、前記区画壁の外面との間にて前記弁体を圧縮する弁ケースを含む（請求項２）。

本発明の請求項１の電池の安全装置では、ガス抜き孔の開口端に拡開面が形成されることで、作動圧力が高くても作動圧力のばらつきが抑制される。この結果として、この安全装置を適用した電池は、安全装置が必要なときのみ作動して電池内容物の不必要な放出が防止され、長寿命になる。また、この安全装置を例えばニッケル水素蓄電池に適用した場合には、平衡圧の高い水素吸蔵合金を使用してもよく、電池の高容量化が実現される。

より詳しくは、従来、ガス抜き孔はパンチ加工によって形成され、ガス抜き孔の開口端の形状は、パンチ加工されたままの形状であった。このため、ガス抜き孔の開口端の形状は、周方向でみて不均一であり、また、複数のガス抜き孔間で比較してみても不均一であった。このような形状の不均一に基づき、ゴム製の弁体に対するガス抜き孔の開口端の食い込みも不均一になり、この結果、安全装置間で作動圧力のばらつきが生じていた。

これに対して、本発明の電池の安全装置では、ガス抜き孔の開口端に所定形状の拡開面を形成することで、安全装置間でみて、弁体に対するガス抜き孔の開口端の食い込みが均一になり、作動圧力が高くても作動圧力のばらつきが抑制される。
その上、この電池の安全装置では、拡開面の形状によって作動圧力が変化するため、拡開面の形状を適当な形状にすることで、その作動圧力を電池の仕様に適した作動圧力に容易に合致させられる。

請求項２の電池の安全装置では、弁体が厚く、弁体にガス抜き孔の開口端が食い込み易いけれども、拡開面によって、弁体に対するガス抜き孔の開口端の食い込みが抑制され、作動圧力のばらつきが確実に抑制される。

図１は、本発明の一実施形態の安全装置を適用した電池として、ニッケル水素蓄電池を示す。
この電池は、例えばAAサイズの円筒形電池であり、一端が開口した有底円筒形状をなす外装缶１０を備える。外装缶１０の底壁の外面は、導電性を有した負極端子として機能する。

外装缶１０内には略円柱状の電極群１２が電解質としてのアルカリ電解液（図示せず）とともに収容され、電極群１２の一端と外装缶１０の底壁との間には、絶縁板１４が配置されている。電極群１２は、それぞれ帯状の正極板１６、負極板１８及びセパレータ２０からなり、渦巻状に巻回された正極板１６と負極板１８との間にセパレータ２０が挟まれている。即ち、セパレータ２０を介して正極板１６及び負極板１８が互いに重ね合わされている。電極群１２の最外周は負極板１８の一部（最外周部）により形成され、負極板１８の最外周部が外装缶１０の周壁の内面と接触することで、負極板１８と外装缶１０とは互いに電気的に接続されている。

なお、正極板１６としては、焼結式又は非焼結式のニッケル電極を用いることができ、負極板１８としては、水素吸蔵合金電極を用いることができる。また、セパレータ２０としては、例えばポリオレフィン系繊維の不織布に親水基を付加したものを用いることができ、アルカリ電解液としては、例えば、水酸化カリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液又はこれらの混合溶液を用いることができる。

電極群１２の他端に位置する正極板１６の部位には、正極リード２２の一端が接続され、正極リード２２の他端は、導電性を有する円形の蓋板２４の内面に溶接されている。
蓋板２４は、外装缶１０の開口端に位置し、蓋板２４の外周部と外装缶１０の内周面との間には環状の絶縁ガスケット２６が挟まれている。これら蓋板２４及び絶縁ガスケット２６は、外装缶１０の開口端をかしめ加工することによって外装缶１０の開口端に固定され、絶縁ガスケット２６によって、蓋板２４の外周部と外装缶１０との間が絶縁されるとともにシールされる。

一方、蓋板２４は、中央を貫通するガス抜き孔２８を有し、蓋板２４の外面２４ａ上にはガス抜き孔２８を塞ぐように円柱状の弁体３０が配置され、弁体３０は、例えばEPDM（エチレンプロピレンジエンゴム）を主成分とするゴム製である。更に、蓋板２４の外面２４ａ上には、弁体３０を覆うフランジ付き円筒形状の正極端子３２がスポット溶接にて固定され、弁体３０は、蓋板２４と正極端子３２との間にて圧縮されている。

従って、通常時、ガス抜き孔２８は、圧縮された状態の弁体３０によって気密に閉塞される。一方、外装缶１０内でガスが異常に発生し、その内圧が作動圧力（締切圧力）を超えた場合には弁体３０が更に圧縮され、ガス抜き孔２８と弁体３０との隙間を通して外装缶１０の内部からガスが放出される。つまり、蓋板２４、弁体３０及び正極端子３２は、安全弁（安全装置）を形成している。

なお、正極端子３２の端壁側に弁体３０は鍔部３０ａを有し、鍔部３０ａによって、弁体３０は、正極端子３２と同軸に位置付けられる。
図２は安全装置を拡大して示す。弁体３０側のガス抜き孔２８の開口端には、図中円内に拡大して示したように、Ｒ形状の拡開面３４が形成されている。拡開面３４は、ガス抜き孔２８の内周面２８ａから蓋板２４の外面２４ａに渡っており、拡開面３４の内径は、ガス抜き孔２８の内周面２８ａから蓋板２４の外面２４ａに向けて、連続的に拡大している。

ここで、この安全装置では、弁体３０の圧縮率Rcが高いほど、作動圧力が大きくなる。弁体３０の圧縮率Rcは、安全装置に組み込まれた圧縮状態の弁体３０の高さ（蓋板２４の外面２４ａと正極端子３２の端壁との間の距離）をHcとし、自由状態にあるときの弁体３０の高さをHｆとしたときに、Rc=（Hf-Hc）/Hf×100にて示される。
図３は、拡開面３４の形成方法の一例を示しており、拡開面３４は、パンチ加工によってガス抜き孔２８が形成された板材４０を、一対の金型４２,４４間で押圧することによって形成される。金型４４は、根元近傍がＲ形状の突起を有し、突起の根元によって拡開面３４が成形される。

上述した安全装置によれば、ガス抜き孔２８を囲む蓋板２４の外面２４ａの環状領域及び拡開面３４に対して弁体３０の端面が面接触し、所定の作動圧力まで電池内が密封される。
そして、この安全装置では、ガス抜き孔２８の開口端に拡開面３４が形成されることで、作動圧力が高くても作動圧力のばらつきが抑制される。この結果として、この安全装置を適用した電池は、安全装置が必要なときのみ作動し、アルカリ電解液や水素ガス等の電池の内容物の不必要な放出が防止され、長寿命になる。また、この電池では、平衡圧の高い水素吸蔵合金を使用してもよく、電池の高容量化が安全に実現される。

より詳しくは、従来、ガス抜き孔はパンチ加工によって形成され、ガス抜き孔の開口端の形状は、パンチ加工されたままの形状であった。このため、ガス抜き孔の開口端の形状は、周方向でみて不均一であり、また、複数のガス抜き孔間で比較してみても不均一であった。このような形状の不均一に基づき、ゴム製の弁体に対するガス抜き孔の開口端の食い込みも不均一になる結果、安全装置間で作動圧力のばらつきが生じていた。

これに対して、上述した安全装置では、ガス抜き孔２８の開口端に所定形状の拡開面３４を形成することで、安全装置間でみて、弁体３０に対するガス抜き孔２８の開口端の食い込みが均一になり、作動圧力が高くても作動圧力のばらつきが抑制される。
その上、この安全装置では、拡開面３４の形状によって作動圧力が変化するため、拡開面の曲率半径Ｒを適当な値にすることで、その作動圧力を電池の仕様に適した作動圧力に容易に合致させられる。

なお、ガス抜き孔２８の内径dが約1.5mm以上2.5mm以下の範囲にある場合、ガス抜き孔２８の内径dを縮小することによっても、作動圧力を低下させることができる。しかしながら、その場合、ガス抜き孔２８での流動抵抗が高くなってしまい、安全装置のガス放出能力が低下する。これに比べて、ガス抜き孔２８の開口端に拡開面３４を形成すれば、ガス抜き孔２８の内径ｄを縮小しなくても、作動圧力を容易に低下させることができる。

更に、上述した電池の安全装置では、弁体３０が厚く、弁体３０にガス抜き孔２８の開口端が食い込み易いけれども、拡開面３４によって、弁体３０に対するガス抜き孔２８の開口端の食い込みが抑制され、作動圧力のばらつきが確実に抑制される。
本発明は上記した一実施形態に限定されることはなく、種々変形が可能であり、例えば、弁体３０の材料であるゴムの硬度は特に限定されない。ただし、作動圧力を高くするためには、ウォーレス硬度が85度以上のゴムを弁体３０に用いるのが好ましい。

また、弁体３０の圧縮率Rcも、特に限定されないけれども、作動圧力を高くするために、弁体３０の圧縮率Rcは20%以上であるのが好ましい。
一実施形態では、拡開面３４の曲率半径Ｒは、特に限定されないけれども、0.15mm以上であるのが好ましい。曲率半径Ｒが0.15mm以上の場合、弁体３０の圧縮率Rcが20%以上であっても、確実に作動圧力のばらつきが抑制されるからである。一方、曲率半径Ｒの上限は0.45mm以下であるのが好ましい。曲率半径Ｒが0.45mm以下の場合、ガス抜き孔２８の内径dと弁体３０の外径Dvに略係わらず、安全装置が簡単に組み立てられるからである。

図４は、変形例の安全装置を示しており、安全装置は、ディスク状のゴム製の弁体５０を備える。弁体５０の背面には、サポート板５２が接合され、サポート板５２と正極端子３２の端壁との間には、付勢手段としての圧縮コイルばね５４が配置されている。そして、この装置では、ガス抜き孔２８の開口端に、テーパ状の拡開面５６が形成されている。
この変形例の場合でも、ガス抜き孔２８の開口端に所定形状の拡開面５６を形成することで、安全装置間でみて、弁体５０に対するガス抜き孔２８の開口端の食い込みが均一になり、作動圧力が高くても作動圧力のばらつきが抑制される。そして、拡開面５６の形状によって作動圧力が変化するため、拡開面５６のテーパ角度を適当な値にすることで、その作動圧力を電池の仕様に適した作動圧力に容易に合致させられる。

このように付勢手段の構成は特に限定されず、また、拡開面３４の形状はＲ形状に限定されることはなく、テーパ状であってもよい。ただし、拡開面５６の場合、ガス抜き孔２８の内周面２８ａと拡開面５６との境界及び蓋板２４の外面２４ａと拡開面５６との境界に角があるため、内径が連続的に拡大するＲ形状の拡開面３４が好ましい。
本発明の電池の安全装置は、ニッケル水素蓄電池以外のアルカリ蓄電池のみならず、一次電池にも適用可能なのは勿論であるけれども、電池内圧が高くなるニッケル水素蓄電池等のアルカリ蓄電池に特に適する。

１．安全装置の組立て
実施例として、図２に示した電池の安全装置を組み立てた。この際、表１に示したように、実施例毎に、拡開面３４の曲率半径R及び弁体３０の圧縮率Rcを変化させた。また、比較例として、ガス抜き孔２８の開口端に拡開面を形成せず、開口端をパンチ加工したままにした安全装置を組立てた。

なお、各実施例及び比較例において、蓋板２４の外径は12.7mmであり、正極端子３２の外径Dcは5.5mmであり、弁体３０の外径Dvは3.8mmであり、ガス抜き孔２８の内径dは0.18mmである。弁体３０はEPDMを主成分とするゴム製であって85度のウォーレス硬度を有し、弁体３０の圧縮率Rcは、正極端子３２の高さを変化させて調整した。
２．安全装置の作動圧力の評価
実施例及び比較例の各安全装置を作動圧力の装置に取り付け、作動圧力を測定した。測定結果として、表１に、作動圧力の平均値及びその標準偏差値を示す。

なお、実施例21〜24では、弁体３０の外径Dvと拡開面３４の内径との差が小さいため、従来の組立て精度ではガス抜き孔２８に対して弁体３０が偏倚してガス抜き孔２８が閉塞されず、作動圧力の測定が不可能であった。
３．評価結果
表１から以下のことが明らかである。
（１）実施例１〜24及び比較例１〜３の結果より、拡開面３４の曲率半径Rが0.15mm以上であれば、弁体３０の圧縮率Rcが20%以上であっても、作動圧力のばらつき（標準偏差値）が小さくなる。
（２）実施例１〜24の結果より、拡開面３４の曲率半径Rが大きいほど、作動圧力が小さくなる。

一実施形態の安全装置を適用したニッケル水素蓄電池の縦断面を示す図である。図１の安全装置の縦断面を示す図である。図１の安全装置の製造工程のうち、拡開面の成形工程を示す図である。変形例の安全装置を示す図である。

符号の説明

２４蓋板（区画壁）
２４ａ外面
２８ガス抜き孔
２８ａ内周面
３０弁体
３２正極端子（弁ケース）
３４拡開面

Claims

電池の内外を仕切り、外面に開口端を有するガス抜き孔が形成された区画壁と、
前記ガス抜き孔の開口端を覆うよう前記区画壁の外面上に配置されたゴム製の弁体と、
前記ガス抜き孔の開口端に形成され、前記ガス抜き孔の内周面から前記区画壁の外面に向かって拡開する拡開面と
前記拡開面及び前記拡開面を囲む前記区画壁の外面の領域に前記弁体を押し付けるための付勢手段と
を備えることを特徴とする電池の安全装置。
前記付勢手段は、前記区画壁の外面上に前記弁体を覆うように設けられ、前記区画壁の外面との間にて前記弁体を圧縮する弁ケースを含むことを特徴とする請求項１に記載の電池の安全装置。