JP2011129668A - 蓄電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程数や部品数の合理化が図れ、かつ、高い耐久性が得られる、蓄電モジュールの提供を実現する。
【解決手段】フレーム１１と、複数の蓄電要素１２と、を備え、蓄電要素１２は、正電荷を蓄える正極体と、負電荷を蓄える負極体と、を備え、フレーム１１は、外枠１３と、その内側を複数の開口部１５に仕切る隔壁１４と、各開口部１５の両面を封止する膜状のシート１７と、これらによって外枠１３の内側に画成される複数の室１８と、各室１８の内側にそれぞれ突出する１対の電極端子１６と、備える。蓄電要素１２は、各室１８に１個ずつ収装され、これら蓄電要素１２の正極体および負極体が電極端子１６の極性が対応する突出部に接合される。
【選択図】図１

Description

この発明は、各種の蓄電装置への適用が簡便な蓄電モジュールに関する。

各種の蓄電装置においては、充放電サイクル寿命の長い、蓄電デバイス（電気二重層キャパシタ，リチウムイオン電池、など）が用いられる。これら蓄電デバイスは、満充電電圧が３〜５Ｖ程度であり、例えば、車両の蓄電装置（駆動電源）を構成する場合、多数の蓄電デバイスから組み立てられる。このような蓄電装置の組立工程が効率よく行えるよう、所定数の蓄電デバイスから構成される蓄電モジュールが用いられる（特許文献１，特許文献２）。

例えば、蓄電モジュールは、所定数の蓄電デバイスを１対のプレートにより挟持することにより組み立てられる（特許文献１）。

蓄電デバイスは、電荷を蓄える蓄電要素と、蓄電要素を収装する容器と、電荷の出し入れを行う１対の電極端子と、を備える。蓄電要素は、正極体と負極体とこれらの間に介装されるセパレータとから角形の積層体に構成される。容器は、ラミネートフィルムから形成される。ラミネートフィルムは、プレス加工により、２つの立体的な容器部材に成形され、これらの合わせ面が熱溶着によって封止される。各電極端子は、容器の内側に突出する一端部が蓄電要素（正極体または負極体）に接続され、他端側が容器部材の合わせ面（溶着樹脂層）を通して外部へ引き出される。

蓄電モジュールにおいて、所定数の蓄電デバイスは、プレート間をその長手方向へ配列され、各蓄電デバイス間が直列または直並列に接続される。１対のプレートは、これらの間に挟む蓄電デバイスを蓄電要素の積層方向へ加圧するように締結される。

特開２００８−２３５８２５号 特開２００９−０４３８６９号

このような蓄電モジュールにおいては、蓄電要素を収装する容器部材がプレス加工によって成形される。つまり、容器部材を形成するラミネートフィルムは、プレス加工によって立体的に成形されるため、その厚さや密度のばらつきおよび残留応力によって強度の低下する部位が生じやすく、プレート間にあって蓄電デバイスが受ける加圧により、容器（ラミネートフィルム）が破損しやすい、という問題点が考えられる。

この発明は、このような問題点を想定してなされたものであり、製造工程数や部品数の合理化が図れ、かつ、高い耐久性が得られる、蓄電モジュールの提供を目的とする。

第１の発明は、フレームと、複数の蓄電要素と、を備え、前記蓄電要素は、正電荷を蓄える正極体と、負電荷を蓄える負極体と、を備え、前記フレームは、外枠と、その内側を複数の開口部に仕切る隔壁と、各開口部の両面を封止する膜状のシートと、これらによって外枠の内側に画成される複数の室と、各室の内側にそれぞれ突出する１対の電極端子と、備え、前記蓄電要素は、前記各室に１個ずつ収装され、これら蓄電要素の正極体および負極体が前記電極端子の極性が対応する突出部に接合される、ことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記電極端子は、隣り合う室の一方に突出する１対の電極端子の正極側と、同じく他方に突出する１対の電極端子の負極側と、が一体成形部品であることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記フレームは、各電極端子を樹脂で包み込むようにインサート成形されることを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明〜第３の発明において、前記フレームは、前記室の内圧を所定値以下に抑えるガス抜きバルブと、前記隔壁を挟む両側の室を連通する通路と、を備えることを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明において、前記隔壁の通路は、気液分離膜によって遮蔽されることを特徴とする。

第１の発明においては、１つのフレームに複数の蓄電デバイスが作られる形になる。このため、蓄電デバイスを単独に製造する工程が省略され、蓄電要素を個別に収装する容器も不要となる。

膜状のシートは、フレームの内側に仕切られる開口部の両面を封止する構成のため、平面状の延びる形状とすることが可能である。このため、膜状のシートは、蓄電要素の形に沿った立体構造に成形する必要がなく、その厚さや密度のばらつきおよび残留応力によって強度の低下する部位が減らせるため、蓄電要素を収装する室の耐久性を十分に確保することができる。

第２の発明においては、隣り合う室の電極端子同士を溶接などによって接続する工程が省略できる。従って、蓄電モジュールを効率よく組み立てることが可能となる。

第３の発明においては、各電極端子を簡単かつ効率よく組み付けられる。

第４の発明においては、隔壁を挟む両側の室を連通する通路により、ガス抜きバルブは、各室に１個ずつ備える必要がなく、部品数の削減が図れる。

第５の発明においては、各室のガス抜きを確保しつつ、室間の電解液の移動を防止できる。

この発明の実施形態を説明する蓄電モジュールの外観斜視図である。 同じく正面図（ａ）と平面図（ｂ）と断面図（ｃ）である。 同じく蓄電モジュールの主部の外観斜視図である。

図に基づいて、この発明の実施形態を説明する。

図１〜図３において、蓄電モジュール１０は、電気二重層キャパシタモジュールである。蓄電モジュール１０は、フレーム１１と、複数の蓄電要素１２（電気二重層キャパシタセル）と、を備える。なお、図２、図３においては、後述する膜状のシート１７を除外した図示となっている。

フレーム１１は、外枠１３とその内側を複数の開口部１５に仕切る隔壁１４とから構成され、各開口部１５の内側に突出する１対の電極端子１６が配設される。膜状のシート１７がフレーム１１の前後面に張り付けられ、各開口部１５（外枠１３および隔壁１４から囲われる）の両面を封止することにより、複数の室１８が画成される。

フレーム１１は、外枠１３および隔壁１４が樹脂から一体成形され、蓄電要素１２の外形に対応する複数の開口部１５を持つ格子状に形成される。電極端子１６は、室１６の内側に突出する一端部と、外枠１３の外部に突出する他端部と、外枠１３に埋設される中間部と、から構成される。この場合、フレーム１１は、各電極端子１６の中間部を樹脂で包むようにインサート成型される。膜状のシート１７は、樹脂の表層および金属箔の中間層を備える積層構造のラミネートフィルムが用いられ、熱溶着によってフレーム１１の両面にそれぞれ張り付けられる。

蓄電要素１２は、正電荷を蓄える正極体と、負電荷を蓄える負極体と、これらの間に介装されるセパレータと、から角形の積層体に構成される。正極体および負極体は、集電極（金属箔）と、その表面に形成される分極性電極（活性炭を主材に形成される電極層）と、からなり、集電極に分極性電極から延出する集電リード１９（図２、参照）が一体成形される。

蓄電要素１２は、フレーム１１の各室１８に１個ずつ収装され、集電リード１９の同極同士が束ねられ、これらの結束部に極性の対応する電極端子１６の一端部が接合される。室１８の内側に突出する電極端子１６の一端部は、正極側が蓄電要素１２の正極同士の集電リード１９の結束部に接合され、負極側が蓄電要素１２の負極同士の集電リード１９の結束部に接合される。

複数の室１８は、外枠１３の長手方向へ配列され、１対の外部端子２０が外枠１３の両端に配置される。隣り合う室１８間において、電極端子１６は、一方の室１８に突出する１対の電極端子１６の正極側と、他方の室に突出する１対の電極端子１６の負極側と、が金属板から一体成形され、隣り合う室１８の蓄電要素１２の異極同士を接続する。外枠１３の両端に位置する室１８の残る一方の電極端子１６は、金属板から単独に成形され、１対の外部端子２０にそれぞれ接続される。つまり、各室１８の蓄電要素１２は、１対の外部端子２０の間において、直列に接続される。

この場合、各室１８は、電解液が充填される。電解液は、フレーム１１に予め注液口（図示せず）を形成しておき、そこから室に充填される。電解液の充填後、注液口は、適宜のシール手段によって封止される。

各室１８（蓄電室）は、ガスの発生が想定されるので、室１８内の圧力を所定値以下に抑えるガス抜きバルブ２１が備えられる。ガス抜きバルブ２１は、外枠１３の端部に配置される。各隔壁１４に通孔２２（連通路）が開口され、所定値を超える圧力が通孔２２を抜けて室１８ａから、ガス抜きバルブ２１を通して外部へ排出されるようになっている。

蓄電モジュール１０の設置面の傾きなどによって各室１８の電解液量にばらつきが発生するのを防止するため、各隔壁１４の通孔２２は、気液分離膜（図示せず）によって遮蔽される。

外部端子２０やガス抜きバルブ２１は、フレーム１１のインサート成型により、外枠１３に組み付けられる。図３において、２３は蓄電要素１２の端子電圧が制御値（例えば、蓄電要素１２の耐電圧に見合う制限電圧）以上に上昇するのを抑える回路を持つ基板であり、フレーム１１の各電極端子１６の他端側が突出する一辺（上辺）に取り付けられる。基板２３の各回路は、蓄電要素１２毎に１個ずつ電極端子１２間に並列接続される。２４は基板２３の各回路との配線用の差込穴である。２５は各電極端子１６および基板２３を覆う防水用のカバーである。

このような蓄電モジュール１０は、所要の蓄電能力を持つ蓄電装置を構成するため、所要数の蓄電モジュール１０を蓄電要素１２の積層方向へ重ね合わせる形に集積することが想定される。これらの蓄電モジュール１０は、外部端子２０を介して所定の接続状態に連結され、各蓄電要素１２の静電容量を確保すると共に内部抵抗の増加を抑えるため、蓄電要素１２の積層方向へ加圧される。

各蓄電モジュール１０において、フレーム１１の持つ剛性により、室１８が保形され、室１８を画成する膜状のシート１７は、隣接する蓄電モジュール１０にあって、互いの外枠１３の間に溶着部位（外枠および隔壁への張り付け部）が挟圧されるため、室１８内の圧力によってその部位が剥離するのが有効に防止される。また、シート１７に作用する室内の圧力は、隣接する蓄電モジュール１０にあって、互いのシート１７が室１８内の圧力の作用方向と垂直な面をもって重なり合うように接触するので、互いのシート１７に作用する室１８内の圧力が相殺され、シート１７が負荷を受けないようになる。

膜状のシート１７は、フレーム１１の両面に張り付けられ、開口部１５を封止する構成のため、平面状の延びる形状とすることが可能である。このため、膜状のシート１７は、蓄電要素１２の形に沿った立体構造に成形を加える必要がなく、その厚さや密度のばらつきおよび残留応力によって強度の低下する部位を減らせるのである。

これらの結果、膜状のシート１７は、蓄電要素１２の積層方向への加圧によっても、破損を生じることは殆どなく、蓄電要素１２を収装する室１８の耐久性を十分に確保することができる。

蓄電モジュール１０の組立工程を説明すると、フレーム１１は、電極端子１６と外部端子２０とガス抜きバルブ２１と共にインサート成形される。

金型に電極端子１６、外部端子２０、ガス抜きバルブ２１が装填され、この金型に溶融樹脂が注入される。溶融樹脂は、電極端子１６、外部端子２０、ガス抜きバルブ２１を包むように固化する。これにより、外枠１３に電極端子１６、外部端子２０、ガス抜きバルブ２１がそれぞれ所定の配置状態に組み付けられる。

フレーム１１の各隔壁１４に通孔２２を形成し、各通孔２２に気液分離膜を装着する。外枠１３および隔壁１４によって囲われる開口部１５に１個ずつ蓄電要素１２が収められ、開口部１５の内側に突出する１対の電極端子１６の一端部に極性の対応する集電リード１９の結束部を溶接（接合）する。

フレーム１１の両面（前面および後面）に膜状のシート１７（ラミネートフィルム）をそれぞれ張り付ける。膜状のシート１７は、各開口部１５の周囲に熱溶着され、各開口部１５の両面を封止する。これにより、複数の室１８が画成され、各室１８に蓄電要素１２が１個ずつ封入される。

その後、フレーム１１に基板２３を取り付ける。基板２３の各回路はそれぞれ対応する電極端子１６の差込孔２４に接続される。また、電解液が各室１８に充填され、その充填が完了すると、フレーム１１に電極端子１６や基板２３を保護する防水用のカバー２５が組み付けられるのである。

蓄電モジュール１０は、１つのフレーム１１に複数の蓄電デバイスが作られる形になる。このため、蓄電デバイスを単独に製造する工程が省略され、蓄電要素１２を個別に収装する容器も不要となる。電極端子１６は、隣り合う室の一方に突出する１対の電極端子１６の正極側と、同じく他方に突出する１対の電極端子１６の負極側と、が一体成形部品であるため、電極端子１６同士を溶接などによって接続する工程が省略できる。ガス抜きバルブ２１は、室１８毎に設けるのでなく共有化されるため、部品数の削減が促進できる。従って、蓄電モジュール１０を合理的に組み立てることが可能となる。

従来の場合、蓄電モジュールは、蓄電デバイス（蓄電要素と、これを収装する容器と、蓄電要素が蓄える電荷の充放電を行う１対の電極端子と、を備える完成品）を用いて組み立てられるので、この発明に係る蓄電モジュールと較べると、トータルコストが高くなってしまうのである。

電極端子１６、外部端子２０、ガス抜きバルブ２１は、蓄電モジュール１０の組立工程において、フレーム１１のインサート成型によって組み付けられるが、これに限定されない。例えば、電極端子１６は、外枠１３と膜状のシート１７との間に挟み、これらを熱溶着することにより、溶着樹脂に埋設するように組み付けることも考えられる。

蓄電モジュール１０は、図示の場合、フレーム１１の長手方向へ複数の室１８（蓄電室）が１列（１段）に並ぶ構成になるが、複数の蓄電室１８がフレーム１１の長手方向へ数列（数段）に並行する構成であってもよい。外枠１３の形状および隔壁１４に仕切られる開口部１５の形状については、矩形に限定されない。例えば、外枠１３が円形、開口部１５が扇形など諸種のバリエーションが考えられる。

この発明に係る蓄電モジュールは、電気二重層キャパシタセルモジュールに限定されるものでなく、蓄電要素が同様の積層構成を持つもの（例えば、リチウムイオン電池要素）に対しても、広く利用可能となる。

１０ 蓄電モジュール
１１ フレーム
１２ 蓄電要素
１３ 外枠
１４ 隔壁
１５ 開口部
１６ 電極端子
１７ 膜状のシート
１８ 室（蓄電室）
２０ 外部端子
２１ ガス抜きバルブ
２２ 通孔（連通路）

Claims (5)

1. フレームと、複数の蓄電要素と、を備え、前記蓄電要素は、正電荷を蓄える正極体と、負電荷を蓄える負極体と、を備え、前記フレームは、外枠と、その内側を複数の開口部に仕切る隔壁と、各開口部の両面を封止する膜状のシートと、これらによって外枠の内側に画成される複数の室と、各室の内側にそれぞれ突出する１対の電極端子と、備え、前記蓄電要素は、前記各室に１個ずつ収装され、これら蓄電要素の正極体および負極体が前記電極端子の極性が対応する突出部に接合される、ことを特徴とする蓄電モジュール。
2. 前記電極端子は、隣り合う室の一方に突出する１対の電極端子の正極側と、同じく他方に突出する１対の電極端子の負極側と、が一体成形部品であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電モジュール。
3. 前記フレームは、各電極端子を樹脂で包み込むようにインサート成形されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄電モジュール。
4. 前記フレームは、前記室の内圧を所定値以下に抑えるガス抜きバルブと、前記隔壁を挟む両側の室を連通する通路と、を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の蓄電モジュール。
5. 前記隔壁の通路は、気液分離膜によって遮蔽されることを特徴とする請求項４に記載の蓄電モジュール。

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