JP2008535175A - 密閉型バッテリー用ケーシング - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのバッテリーセル２１を含む、密閉型バイポーラバッテリー２０、３０、５０、５５、６０用のケーシングに関し、各セルが非金属基板を有する。ケーシングは少なくとも２つの部分、上方部分１２、３１、４１、６１と、下方部分１１、５１、６２とを含み、これらを互いに接合させてバッテリーケーシングを形成する。ケーシングには機械的にコンプライアントな構造を内蔵して、作動中のセルの厚さ変動に起因するセルスタックに加えられる力を軽減し、且つ、加圧手段を内蔵して、電池スタックに全体に亘って圧力を配分する。

Description

本発明は、請求項1に記載されているような、密閉型バイポーラバッテリー、特に非金属基板を有する電極を含むバッテリー用の、ケーシングに関する。

電気化学的バイポーラセルスタック(cell stack)として配列された複数のバッテリーセルを有する密閉型バイポーラバッテリー、例えばニッケル水素バイポーラバッテリーなどは、セルスタックによって加えられる力に耐え得るケーシングを有する必要がある。バイポーラバッテリーのバッテリーセルは、それぞれ陰極と、陽極とを含み、これらの間にセパレータが配設されている。セルはそれぞれ導電性バイプレートで他のセルと離隔され、陽極板および陰極板がそれぞれ、セルスタックの両側に配設されている。

これまで電気化学的なバイポーラセルスタックを正常に作動させるための力を導き且つ制御するために、種々の機械的なケーシングおよび支持体が用いられてきた。

Ｒｉｃｈａｒｄｓによる特許文献１は剛性を有するエンドプレートと、タイロッドと、機械的コンプライアント（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）・パッドとを用いたバイポーラ燃料電池スタックを開示している。セルスタック上の力を制御するこの機械的試みは効果的ではあるが、重量が嵩むため、量産の面での費用対効果は低い。
米国特許第５５４７７７７号明細書

Ｙａｎｇによる特許文献２でもまた、剛性を有するエンドプレートと、タイロッドとを備えた燃料電池スタックが開示されている。しかしここでは、圧縮された液体が充填されたベローズを機械的にコンプライアントな部品として開示している。この試みは圧縮液をベローズに充填する必要があることに加えて、重量、体積およびコスト面でも同様に欠点を有する。
米国特許第６６８９５０３号明細書

Ｋｌｅｉｎによる特許文献３は、スタック内のコンプライアントな部品として、ゴム製スポンジ、バネまたはガス充填圧縮性パッドのいずれかを用いたバイポーラバッテリーを開示している。このようなコンプライアントな部品を完成品のバッテリーアセンブリに追加すると、得られたバッテリーアセンブリにコスト、体積および重量面での不利益を与える恐れもある。
米国特許第５３９３６１７号明細書

本発明の目的は、従来のケーシングと比較して、バッテリーに全体に亘って適正且つ適正に均一な圧力を維持できるバッテリースタックを有する密閉型バイポーラバッテリー用のケーシングを提供することにある。

本目的は、請求項１に記載した特徴によって達成される。

本発明の利点は製造コストが安価な点であり、最終的には完成品としてのバッテリーアセンブリの部品点数を減らし、同じセルスタックであっても、完成品のバッテリーアセンブリの軽量化および小型化を図ることができる。これは、バッテリーがより小型のセルスタックを含む場合特に利点となるが、それは、より大型のセルスタックを含むバッテリーと比べると、小型のセルスタックを含むバッテリーではケーシングが総重量および体積全体に占める割合が一般に大きいためである。

別の利点として、本発明はバッテリーケーシングの形状を維持するために必ずしも外部装置を必要としない点が挙げられるが、これは換言すれば、バッテリー製造コストの削減が可能だということである。

本発明のさらなる目的および利点は、以下に開示する密閉型バッテリー用ケーシングに関する詳しい説明から当業者には明らかとなろう。

添付図に種々の実施態様を示すが、これらの図面は縮尺されたものではなく、開示した密閉型バッテリーケーシングの種々の重要な特徴を明確にするために誇張されている。

セルスタック状に配置された複数のバッテリーセルを有する密閉型バイポーラバッテリーは、セルスタックによって加えられる力に耐え得るケーシングを有する必要がある。そのためには、ケーシングは以下の条件を満たさなければならない。
１）ケーシングが破損しない（すなわち、ケーシングの材料および固定部の破損によってバッテリー作動中ケーシングが開くことはない）。
２）ケーシングがセルスタックに亘って適正且つ適正に均一な圧力を維持する。
３）バッテリーの作動中、ケーシングがある許容範囲内のセルスタック寸法を維持する。

バイポーラバッテリーのバッテリーセルはそれぞれ陰極と、陽極とを含み、これらの間にセパレータが配設されている。電極はそれぞれ非金属基板を有し、これによってコストを抑えることができる。電池はそれぞれ導電性のバイプレートにより他の電池から離隔され、陽極板および陰極板はそれぞれセルスタックのいずれか一方の側に配設されている。バッテリーには特許文献４（本願出願人による）が開示するように、共通のガス用スペースを設けて、ガス発生によってバッテリー内に生じた圧力を分散させることが好ましいが、本発明を個別に配された少なくとも１つのバッテリーセルを有するバイポーラバッテリーで実施してもよい。
国際公開０３／０２６０４２号

バイポーラバッテリーの初期の電気的サイクリングにおいて、電極は不可逆的に膨張する。電極はそれ自体の弾性係数が高いため、硬質なケーシングに収容されている場合は、電極の膨張によって大きな力が生じる可能性がある。そのためセパレータが破損したり、熱可塑性物質などの安価なケーシング材料にヒビが入ったりする恐れがある。

これらの過剰な力を緩和するために、バッテリーアセンブリのいずれかの部品、すなわち比較的弾性係数が低く、電極やバイプレートほど硬質ではないものを意図的にアセンブリ内に配して機械的コンプライアントとなるようにし、電極の寸法が変化してもセルスタック上の力は急激に変化しないようにする。背景技術で述べたように、従来技術ではコンプライアント・パッドまたはその他のこの種のコンプライアント部品をエンドプレートの外側に設けることもできる。本発明では、これらの部材を用いる代わりにケーシングに機械的コンプライアントな構造を内蔵させる。もしバッテリーアセンブリがより機械的コンプライアントとなるような設計が望まれる場合には、上記のような追加のコンプライアント部品を、図７を用いて説明するように、任意で加えてもよい。バッテリーを組み立てたあと、必要な機械的プレロード力（ｐｒｅｌｏａｄｅｄ ｆｏｒｃｅ）が電極スタックに加えられる、機械的コンプライアンス内蔵型の安価なケーシングは、バッテリーを組み立てる前にケーシング部の少なくとも１つのケーシング壁部をセルスタックの方へ凹型に成形することによって供することができる。電極スタックと接触するケーシング部表面のうちの１つまたは両面がこの形状でもよい。この形状は押圧されると、面部に全体に加わる力によって平坦になる。ケーシング面は基本的に平坦なバネ板のように作用する。上方ケース部、セルスタックおよび下方ケース部はその後、電極面部に対して垂直方向に外から力を加えて一体に組み立て、この力が加えられている間にこれらのケーシング部品を互いに固定させる。その後この外からの力を解除して、今度は電極スタック面部上で弓形に形成したケースによるプレロード力がケーシングの周縁部におけるテンションによって、維持される。一般に、これらの部品はこのいずれかの周縁部上で固定されるため、固定部もまたこのプレロード力を維持できるものでなければならない。周縁部は通常ケースの上方および下方部分の一部でもよいが、これらが全く異なる部品を用いて固定してもよい。いかなる機械的構成であっても、機械的コンプライアンス内蔵型の、プレロードケース面部によって向かい合うケース面部方向のテンションを、セルスタックの周囲で維持するような構成であれば、本発明の範囲内である。

凹型の形状は、圧縮時に電極スタックに加わるべき所望の量のプレロード力を発生させるように選択される。ある範囲内にあるプレロード圧縮力が加わっている間、電極スタックの面部と接触するケーシングの形状はほぼ平坦になる。このような平坦な状態では、電極自体の電極面部に対する垂直方向の均一な弾力特性により、電極スタック面部に亘って力もまたほぼ均一に配分される。

したがって、組み立て時のケースにおけるプレロード力の量は、初期の電気的サイクリングによる電極スタックの不可逆的膨張を経てから、ケースがほぼ平坦となるように選択される。

圧縮されているときのケースの形状は、充分均一な力を電極スタック面全体に加えられる程度の平坦さであればよいことに留意されたい。一般に、良好な作動特性を供する、バッテリー作動中電極スタックに加わる圧縮圧力には一定の範囲がある。適切な凹型形状および電極スタックの充分均等な弾力特性を選択することによって、圧縮されたケース面部の形状が平坦ではなく、それより僅かに変形していても、加えられる圧縮力の違いは僅かなものであり、これは所望範囲内の圧縮圧力を供する。そのためこのような違いがバッテリー作動の障害となることはない。

このような全体的な凹型の形状にこれを縮小したような波形（コルゲート）またはワッフル形状などを、ケーシングの面部に設けてもよい。これは部品を安価な成形作業で加工する場合およびこの成形方法を用いることで部品の設計に厚さ制限が生じる場合には望ましい方法である。このようなより細かい成形では、部品の強度を多少妥協するだけで、部品の軽量化および材料の使用量削減を図ることも可能である。

一般に電極スタック自体は充分な剛性を有するエンドプレートを含むので、ケーシング部に成型された縮小凹部が電極スタックの電極面部全体に連続的に亘っているエンドプレートと接触しなくても、エンドプレートが局所的に加えられた圧力を電極スタック内に充分再配分する。これはこの縮小凹部を充分小さくすることで可能となる。局所的に加えられた圧力を電極スタック内に充分再配分するために、必要があれば、別の部品を任意でケーシングとエンドプレートとの間に配設してもよい。

バッテリーの組み立て中および作動中のケースの所望のプレロード力が非常に大きい場合は、ケース部の応力が局所的に使用材料の降伏応力を超えることもある。よって縮小凹部を慎重に選定して荷重下の材料に対する応力集中を軽減し、所定の寸法のケースおよび選択した材料が降伏することなく、より大きなプレロード力に耐えられるようにする。

本発明の第１の実施態様について図１を用いて説明する。図１は下方部分１１と、上方部分１２とを含む、未接合のバッテリーケーシング１０の部分断面図である。上方部分１２は下方部分１１に嵌合できるように設計されており、これらの部分を結合するために固定具（図示しない）または溶接部が取り付けられる。電池スタック状に配置されたバッテリー電池（図示しない）は、接合された部分１１および１２の内部に設けられたスペース１３に組み入れられる。バッテリー端子に接続するための小型の孔部を下方部分１１および上方部分１２に設けてもよい。

この例で上方部分１２すなわち蓋は、ケーシングの破損を防止し、セルスタックに亘って適正且つ適正に均一な圧力を維持できるような構成になっている。逆弓形状に反らせて生じるバネ力によって上方部分１２に予め負荷を加えることによって、セルスタックに亘って圧力を分散させる構成とともに、機械的コンプライアントな構成も得られる。必要に応じて、逆弓形状を下方部分１１のケースにも設けることもでき、これによってさらに機械的コンプライアントな構成が得られる。

コンプライアントな逆弓形状のケースは、図２を参照して説明するように、その後機械的に加えられる荷重によって平坦にされるが、これは上述した３つの課題すべてを解決する。図２は、図１を用いて説明したように、２つの部材、ケース１１と、蓋１２とを含むケーシングを有する、組み立てられた密閉型バイポーラバッテリー２０を示す。それぞれがバイプレート２２で互いに離隔されている４つのセル２１を含むセルスタックは、陽極板２３および陰極板２４と共にケーシング１０の内部に設けられている。共通のガススペースは従来技術で知られているとおりに設けることが好ましい。電極には特許文献５に開示されている非金属基板が設けられている。蓋１２はケース１１に嵌合され、矢印Ｆが示す力を用いて定位置に保持されている。次に固定具を蓋の周縁部に沿って取り付けて、蓋１２をケース１１に固定し、ケーシング１０を作製する。
国際公開第２００４／０４２８４６号パンフレット

セルスタックの高さが変動する際に蓋１２を矢印２５が示すようにある程度撓ませることによって、ケーシングに生じる応力はケーシングがより硬質な場合よりも小さくなる。スタックの力がケーシングの応力の最大許容値を確実に下回るようにするために、蓋１２の剛性には上限がある。またこの剛性には下限もあり、これはほとんどの場合、バッテリーセル内で発生したガスの圧力によって荷重が追加される際に、蓋が撓み得る範囲によって設定される。

セルスタックが平坦なときにセルスタック面に亘って加えられる荷重もまた、均一でなければならない。なぜならセルの構成要素すなわち電極およびセパレータの機械的コンプライアンス性によって、所定の機械的負荷（力／面積）に良好に反応してこれらの要素は撓むからである。撓みは通常、スタック内で最もコンプライアントな材料であるセパレーターに支配される。もし逆凹型部１２がバッテリーを組み立てて形成した後に平坦になれば、セルスタックに加えられる荷重はその面に亘って均一になる。

図３はケース１１と、波型形状を有する蓋３１とを含む本発明のケーシングの第２の実施態様を示し、各波型形状を符号３２で示している。図３は組み立て工程中の、バイポーラバッテリー３０と接続する、未接合のケーシングを示し、図２と同じバッテリー部品は同じ参照番号で示している。

蓋３１の面に設けられた波形形状によって、応力の集中は従来の蓋に比べて、荷重（負荷）が同じであれば２倍から４倍、緩和される。波型形状は面部材料および領域によって、面部の硬さに多少影響を与えるが、必ずしも非波型の面よりも硬質になるとは限らない。波型形状を設ける目的は、応力が集中するのを緩和して材料の降伏応力を確実に下回るようにすることである。

図４は図３の蓋３１の斜視図であり、波型３２をより明確に示している。波型は蓋３１の幅を完全には横断せずに延び、縁部３４とそれぞれの波型との間には任意の距離３３が設けられている。蓋３１のもう一方の面に配設された波型も同様である。

図５は図３および４と類似の別の蓋の断面図である。蓋４１は図から明らかなように逆弓に反らせた形状を有し、波型３２が蓋４１の両面に設けられている。波型は図４が示すように蓋の短い方の側部と平行に配置することが望ましいが、蓋の寸法がそれほど大きくない場合や選択する材料によって、当然ながら他の方向に配置することも可能である。

図６は逆弓形状を備えたケース５１および図５を用いて説明した蓋４１の内側に配設された、1つのバッテリーセルを有する密閉型バイポーラバッテリー５０の断面図である。蓋４１がケース５１に望ましくは超音波溶接で取り付けられると、バッテリーセルに亘る圧力は充分均一になり、ケーシングもまた作動中バッテリー内で生じる圧力の変化に対してコンプライアントになる。

図７は、任意のコンプライアントな部材５２と、５３とを備えたケーシングを有するバッテリー５５の第４の実施態様の断面図である。このアセンブリは下方ケーシング部１１と、第１の任意コンプライアント部材５２と、陽極板２３と、４つの電池２１からなる電池スタックと、陰極板２４と、第２の任意コンプライアント部材５３と、上方ケーシング部４１とを含む。任意のコンプライアント部材はケーシング内のコンプライアンス性が充分でないとき、バッテリーの追加のコンプライアント部品として機能する。

図８は、蓋６１およびケース６２の応力分散機能および弾力性を妨げることなく、バッテリーケーシング内の各エンドプレートを陽極端子および陰極端子と接合させる手段を具備する、組み立てられたケーシング６０を示す。ケース６２内には陽極端子コネクタ６３用に孔部６５が設けられ、且つ、陰極端子コネクタ６４用に切欠け(カットアウト)６６が設けられている。さらにケース６２にはディバイダ６７が設けられ、端子間が電気的に直接接触するのを防ぐ。ディバイダ６７と、切欠け６６とを含む蓋６１は、ケース６２に嵌合するように構成されている。ディバイダ６７内に設けられたスペースには、必要に応じて、共通のガス用スペースを設ける手段を配してもよい。

独立請求項で使用している用語「加圧手段」は、バッテリーが組み立てられたとき、その内部で構成要素に圧力を加えるもの、すなわちケーシングの部分的な逆弓形状、ケーシングの波形状の表面および波形と逆弓形状との組み合わせなどと解釈されたい。

バッテリー組み立て前の荷重の加えられていない状態にある、逆弓形状のケーシング部分の撓みの度合いは、バッテリーに組み立てられて、このケーシング部が機械的プレロードに従って撓む大きさの、少なくとも２倍であることが好ましい。

本発明によるケーシングの第１の実施態様を示す。 図１を用いて説明したケーシングを有する、組み立てられたバイポーラバッテリーを示す。 バイポーラバッテリーと組み合わされた本発明によるケーシングの第２の実施態様を示す。 図３で説明した波形状の蓋の斜視図である。 本発明による別の蓋の断面図である。 バイポーラバッテリーと組み合わされた本発明によるケーシングの第３の実施態様を示す。 バイポーラバッテリーと組み合わされた本発明によるケーシングの第４の実施態様を示す。 本発明による組み立てられたバイポーラバッテリーの斜視図である。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのバッテリーセル（２１）を含み、各セルが非金属基板を備えた電極を有する密閉型バイポーラバッテリー（２０；３０；５０；５５；６０）用であり、少なくとも２つの部分、上方部分（１２；３１；４１；６１）と、下方部分（１１；５１；６２）とを含み、これらを互いに接合して形成されるバッテリーケーシングにおいて、機械的にコンプライアントな構造をケーシングに内蔵して、作動中のセルの厚さ変動に起因するセルスタックに加わる力を軽減し、且つ、加圧手段をケーシングに内蔵して、電池スタックに亘って圧力を配分することを特徴とするケーシング。
2. 前記内蔵型の加圧手段が、少なくとも１つの未接合部分（１２；４１，５１）の少なくとも１つの壁の逆弓形状を含み、この部分を接合させると、この逆弓形状にしたことに起因するプレロード力がケース内のセルスタックに作用することを特徴とする請求項１に記載のケーシング。
3. 各未接合部（４１，５１）の少なくとも１つの壁が逆弓形状に形成され、これらの部分を接合させると、少なくとも２つの対向する逆弓形状の壁を備えたケーシングを形成することを特徴とする請求項２に記載のケーシング。
4. 前記内蔵型の加圧手段が少なくとも１つの壁部（３１；４１；６１）に設けられた応力減少手段を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のケーシング。
5. 前記応力減少手段が実質的に壁部を形成する材料の波型形状部（３２）を含むことを特徴とする請求項４に記載のケーシング。
6. 前記波形形状部（３２）がそれぞれの壁部の短い側部と平行に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のケーシング。
7. ケーシングの部品が接合された際にケーシングの外側で陽極端子（６３）と陰極端子（６４）との間の直接接続を防ぐための手段（６７）がケーシングに設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のケーシング。
8. ケーシングを形成する部分が超音波溶接によって互いに接合されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のケーシング。
9. 前記ケーシングが、セルスタック状の複数のバッテリーセルを有し、これらバッテリーセルのための共通のガススペースを有する密閉型バイポーラバッテリーを収容するように構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のケーシング。
10. 前記ケーシングが、上方ケーシング部（１２；３１；４１；６１）および下方ケーシング部（１１；５１；６２）のほかに、１つ以上の機械的にコンプライアントな部分（５２、５３）をさらに含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のケーシング。

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