JP2013178900A - 電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各電池を効率的に冷却することができ且つ安全性の高い電池装置を提供すること。
【解決手段】高温のガスを外部に放出させるための安全弁１１が設けられた筐体３を有する電池２と、電池２が内部に収容されたケース１３と、ケース１３内に設けられ、安全弁１１を通じて放出される高温のガスにより所定温度以上に加熱されたときに不燃性ガスを発生させる燃焼抑制手段１６と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、電池装置に関する。

従来、電池内部の温度が上昇した場合に電解液の発火を抑制したり消火したりすることができる電池装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の電池装置では、熱分解により不活性ガスを発生させる物質が電池内部に設けられており、電池内部の温度が上昇した場合に不活性ガスを電池内に充満させることにより、火災を防止することができる。

特開２００１−３３２２３７号公報

特許文献１に記載の電池装置では、複数の電池が収容された容器内に不活性ガスを充満させるようになっているので、当該容器は密閉性の高い容器である必要がある。しかしながら、不活性ガスを発生させる物質と各電池とが密閉性の高い容器内に共に収容された特許文献１に記載の技術では、各電池の充放電時に生じる廃熱の処理、即ち各電池の効率的な冷却、が難しい。このため、発熱量が大きな高容量の電池装置に対して当該技術を適用することは困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、各電池を効率的に冷却することができ且つ安全性の高い電池装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の電池装置は、高温のガスを外部に放出させるための安全弁が設けられた筐体を有する電池と、前記電池が内部に収容されたケースと、前記ケース内に設けられ、前記安全弁を通じて放出される前記高温のガスにより不燃性ガスを発生させる燃焼抑制手段と、を備えた電池装置である。
この発明によれば、高温のガスが発生し安全弁から放出されたときに不燃性ガスを発生させることができる。

また、前記燃焼抑制手段は、前記高温のガスによる加熱によって分解されて前記不燃性ガスを発生させる不燃性ガス発生部材を有していてもよい。
この場合、ガスが高温の場合に不燃性ガスが発生するので、発火の危険性がある場合に適切に不燃性ガスを発生させることができる。

また、前記燃焼抑制手段は、前記安全弁から放出される前記高温のガスの流路上に少なくとも一部が配置され、前記安全弁から前記高温のガスが放出されたときに前記少なくとも一部に前記高温のガスが接してもよい。
この場合、高温のガスに不燃性ガスが好適に混合され、高温のガスによる発火を抑えることができる。

また、前記筐体は、前記不燃性ガス発生部材を支持する支持部材を有し、前記支持部材は、前記筐体の外面であって前記安全弁が設けられた面に取り付けられていてもよい。
この場合、高温のガスが不燃性ガス発生部材に当たるように支持部材により不燃性ガス発生部材を支持することができる。

また、前記ケース内には複数の前記電池が収容されており、前記支持部材は、複数の前記電池のうちの２つ以上をまたぎ前記複数の前記電池に設けられた各安全弁と対向するように配置されていてもよい。
この場合、例えば各電池の隙間に冷却用の流体を循環させるときに、支持部材を用いて当該流体を所望の位置に案内することができる。

また、前記燃焼抑制手段は、前記不燃性ガスとして窒素を発生させてもよい。
この場合、人体への有害性が低い。
また、前記燃焼抑制手段は、消火剤を含有していてもよい。
この場合、高温のガスにより発火した場合に迅速に消火することができる。

本発明の電池装置によれば、各電池を効率的に冷却することができ且つ安全性が高い。

本発明の一実施形態の電池装置を示す斜視図である。 同電池装置の内部構造を示す斜視図である。 同電池装置に設けられた電池の構成を一部破断して示す斜視図である。 同電池装置の一部の構成を示す部分断面図である。 同実施形態の変形例の構成を示す斜視図である。 同変形例における電池装置の作用を説明するための断面図である。 同実施形態の他の変形例の構成を示す断面図である。 同実施形態のさらに他の変形例の構成を示す部分断面図である。

本発明の一実施形態の電池装置１について説明する。図１は、本実施形態の電池装置を示す斜視図である。図２は、電池装置の内部構造を示す斜視図である。図３は、電池装置に設けられた電池の構成を一部破断して示す斜視図である。図４は、電池装置の一部の構成を示す部分断面図である。なお、図２においては、燃焼抑制手段の図示が省略されている。

図１及び図２に示すように、電池装置１は、複数の電池２と、複数の電池２が内部に収容されたケース１３と、ケース１３内に設けられた燃焼抑制手段１６とを備える。

図２及び図３に示すように、電池２は、中空容器状の筐体３と、筐体３内に交互に積層された正極４及び負極５と、正極４及び負極５に接するように筐体３内に配された電解液６と、正極４と負極５との間に配され電解液６を透過可能な絶縁性のセパレータ７と、筐体３に形成された端子８及び安全弁１１とを備える。

本実施形態では、電池２は、リチウムイオン二次電池であり、電解液６として非水系電解液が採用されている。例えば、非水系電解液としては、有機溶媒に電解質が含有された有機電解液を挙げることができる。

セパレータ７は、ラミネート加工により負極５に取り付けられている。なお、セパレータ７は、負極５に代えて正極４を覆うようにラミネート加工されてもよい。また、セパレータ７は、正極４と負極５とが接触しないように正極４と負極５との間に介在されていれば単に正極４と負極５との間に介在されていてもよい。

筐体３に形成された端子８は、正極４に接続された正極端子９と、負極５に接続された負極端子１０とを備える。本実施形態では、正極端子９及び負極端子１０は、筐体３の外面のうちの一つの面３ａにともに配され、当該一つの面３ａから突出して設けられている。

安全弁１１は、例えば電池２が過熱状態である場合に筐体３内に存在するガスを外部に放出させる弁である。安全弁１１は、所定の圧力や温度以上で開状態となるように形成されている。例えば、安全弁１１は、過熱状態にある電池２の筐体３の内圧によって破壊されて開く弁や、サーモワックスが溶融することにより開く弁など、公知の構成を適宜選択して採用することができる。本実施形態では、安全弁１１は、正極端子９と負極端子１０との間に配置されている。

図２に示すように、ケース１３は、複数の電池２が互いに隙間を空けた状態で収容される容器状部材である。図４に示すように、ケース１３内には、各電池２を冷却するための冷却用流体１４が流れるようになっている。本実施形態では、冷却用流体１４として、例えばケース１３外部の空気（外気）をファン若しくは自然対流によりケース１３内に取り入れて用いる。
図２に示すように、ケース１３内に収容された複数の電池２は、端子８がバスバー１２により電気的に直列または並列に接続されている。また、ケース１３には、各電池２の充放電を制御する制御部１５が設けられている。

図４に示すように、燃焼抑制手段１６は、ケース１３内に配された支持部材１７と、支持部材１７に支持された収容体１８とを有する。
支持部材１７は、筐体３の外面であって安全弁１１が設けられた面３ａに取り付けられている。具体的には、支持部材１７は、電池２の筐体３において、安全弁１１の近傍に、安全弁１１との間に隙間を有して配置されている。
本実施形態では、支持部材１７は、収容体１８の外縁部分が挿入される窪み１７ｂを有する穴１７ａが形成された板状とされている。本実施形態では、支持部材１７に形成された穴１７ａの開口は、安全弁１１へと向けられている。これにより、支持部材１７は、安全弁１１から放出されるガスが収容体１８に接するように収容体１８を支持する。

収容体１８は、燃焼抑制物質１９（不燃性ガス発生部材）と、燃焼抑制物質１９を内部に保持するパック部２０とを有している。
燃焼抑制物質１９は、所定温度以上に加熱されたときに熱分解して不燃性ガスを発生させる物質である。具体的には、燃焼抑制物質１９は、熱分解されることによって窒素若しくは二酸化炭素を発生させる物質である。熱分解により窒素を発生させる物質の例としては、例えばアジ化ナトリウムやビステトラゾール化合物を挙げることができる。また、熱分解により二酸化炭素を発生させる物質の例としては、例えば炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、および炭酸ナトリウムなどを挙げることができる。

パック部２０は、所定温度以上に加熱されたときに燃焼抑制物質１９を外部に放出させる容器である。パック部２０は、例えば所定温度以上で溶融する容器、所定温度以上で破損する容器、燃焼抑制物質１９が熱分解したときに発生する不燃性ガスの圧力によって破れる密封容器、あるいは安全弁１１の動作により穴が開けられる容器等を採用することができる。所定温度以上で溶融あるいは破損する容器の具体例としては、ポリエチレンやポリプロピレンを材料として形成された袋状部材や、アルミラミネートパック等を挙げることができる。
また、パック部２０内には、燃焼抑制物質１９として、消火剤として使用される薬剤がさらに含まれていてもよい。

本実施形態では、燃焼抑制手段１６は、筐体３から突出された端子８の突出端よりも筐体３側の範囲内に配置されている。これにより、燃焼抑制手段１６は端子８に取り付けられるバスバー１２に干渉することなく電池２に配されている。

次に、電池装置１の作用について説明する。
電池装置１の運用時には、電池２の充放電等の動作によって電池２が発熱する。通常時には、電池２の熱は、ケース１３内を対流する冷却用流体１４（本実施形態ではケース１３内に導入された外気）によりケース１３外へと排熱される。

ところで、電池装置１の故障時には、ケース１３内に収容された電池２の一部または全部が過熱状態となることが考えられる。これは、各電池２における短絡や、冷却用流体１４の循環不良等による故障が考えられる。このような場合、各電池２における廃熱処理が間に合わずに、電池２内に高温のガスが蓄積される可能性がある。

ここで、電池２が過熱状態であるときには、安全弁１１近傍における電池２の内部圧力が所定圧力を超えたとき、又は安全弁１１近傍における電池２の内部温度が所定温度を超えたときに、安全弁１１を通じて、電解液６が気化してなるガスが外部に放出される。例えば、電池２が過熱状態であるとき安全弁１１を通じて外部に放出されるガスは高温のガスとなる。

ここで、収容体１８は、安全弁１１と対向する位置に設けられていることにより、安全弁１１から放出された高温のガスの流路上に位置している（図４には、高温のガスが流れる方向が符号Ｘが付された矢印にて示されている。）。これにより、安全弁１１から高温のガスが放出されたときに、収容体１８に高温のガスが接する。すると、収容体１８のパック部２０は加熱されることにより溶融あるいは破損等によりパック部２０の内外が連通された状態となり、パック部２０内の燃焼抑制物質１９が外部に放出される。

なお、パック部２０が高温のガスにより溶融あるいは破損したときには、収容体１８は支持部材１７から外れる場合がある。この場合、支持部材１７に形成された穴は高温のガスの流路となり、高温のガスの流れを妨げることなく燃焼抑制物質１９が高温のガス中に放出される。高温のガスに接触した燃焼抑制物質１９は、ガスの熱により熱分解され、ガス中及びガスの周囲には不燃性のガスが充満する。また、不燃性のガスは、ガスの流れに沿って拡散する。従って、電池２を冷却するための外気中の酸素が高温のガスに接するのが抑制され、ガスが発火しにくくなる。

以上説明したように、本実施形態の電池装置１によれば、各電池２を効率的に冷却することができ且つ安全性が高い。
さらに、燃焼抑制物質１９が、高温のガスによって加熱されて不燃性ガスを発生させる物質であるので、電池２が過熱状態となって高温のガスが安全弁１１から放出されたときに不燃性ガスを発生させることができる。これにより、通常の運用時に不燃性ガスが発生することがない。

また、燃焼抑制物質１９がパック部２０内に収容され、パック部２０が支持部材１７に取り付けられているので、電池装置１を移動させたり、電池装置１に振動が伝わったりした場合でも、燃焼抑制手段１６と安全弁１１との相対位置が維持される。

また、燃焼抑制物質１９が収容されたパック部２０が高温のガスの流路上に配置されているので、高温のガスが確実にパック部２０に接し、燃焼抑制物質１９が確実に高温のガスにより加熱される。

また、燃焼抑制物質１９が熱分解により窒素を発生させる物質である場合には、人体への毒性が少ない気体によって電池２の火災を予防することができる。

（変形例１）
次に、上述の実施形態の変形例について説明する。図５は、本変形例の構成を示す斜視図である。図６は、本変形例における電池装置の作用を説明するための断面図である。
図５及び図６に示すように、本変形例では、上述の実施形態で説明した支持部材１７とは異なる支持部材２１を備えている。支持部材２１は、複数の電池２のうちの２つ以上をまたぎ複数の電池２に設けられた各安全弁１１と対向するように配置されている。
このような構成であると、複数の電池２の隙間を鉛直方向に流れる冷却用流体１４（外気）が支持部材２１に当たって水平方向へと流れることにより、冷却用流体１４が筐体３上面や端子８等に当たりやすくなる。これにより、電池２の冷却効率を高めることができる。さらに、本変形例において、支持部材２１が熱伝導性の高い材質である場合には、過熱した電池２から正常に稼働している電池２へ向かって支持部材２１を通じて熱を拡散させることができるので、過熱した電池２の温度を下げることができる。

なお、本変形例の支持部材２１において、板厚方向に貫通する複数の貫通孔２１ａが支持部材２１に形成されていてもよい。この場合、当該貫通孔２１ａを通じて鉛直方向へ流れる冷却用流体１４と支持部材２１の面方向へ流れる冷却用流体１４とを分離して冷却用流体１４の流量を制御することができる。

（変形例２）
次に、上述の実施形態の他の変形例について説明する。図７は、本変形例の構成を示す断面図である。図７に示すように、本変形例では、上述の実施形態で説明した支持部材１７とは異なる支持部材２２を備えている。支持部材２２は、正極端子９と負極端子１０とを連結する板状部材である。本変形例の場合、支持部材２２は、筐体３に取り付けられているのではなく、端子８に対して着脱可能に端子８に取り付けられている。また、支持部材２２は、絶縁性を有する。
このような構成であると、正極端子９と負極端子１０との間に安全弁１１が配置された既存の電池２に容易に燃焼抑制手段１６を取り付けて上述の実施形態と同様の効果を奏する電池装置１とすることができる。

（変形例３）
次に、上述の実施形態のさらに他の変形例について説明する。図８は、本変形例の構成を示す部分断面図である。
図８に示すように、本変形例では、不燃性ガス発生部材として、燃焼抑制物質１９に代えて、耐圧容器２３内に収容された不燃性ガスＧを有している。さらに、耐圧容器２３には、所定温度以上で溶融あるいは破損する耐圧管路部材２４が接続されており、耐圧管路部材２４の一部は、安全弁１１の近傍に配されている。

本変形例の構成では、耐圧容器２３中の不燃性ガスは、耐圧管路部材２４内にも充満している。ここで、安全弁１１が開き高温のガスが外部に放出されると、耐圧管路部材２４のうち高温のガスが接触した部分が加熱されて溶融あるいは破損する。これにより、耐圧管路及び耐圧容器２３中の不燃性ガスＧが外部へ放出される。外部へ放出された不燃性ガスＧにより、高温のガス中及び高温のガス近傍の酸素が押し出され、高温のガスの発火が抑制される。

なお、耐圧容器２３内に不燃性ガスＧとして二酸化炭素が高圧で収容されている場合、耐圧容器２３から二酸化炭素が放出される際に二酸化炭素が固体二酸化炭素（ドライアイス）となり、高温のガスを冷却することもできる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
また、上述の各実施形態及び各変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
なお、上記具体的な構成に対する設計変更等は上記事項には限定されない。

１ 電池装置
２ 電池
３ 筐体
４ 正極
５ 負極
６ 電解液
７ セパレータ
８ 端子
９ 正極端子
１０ 負極端子
１１ 安全弁
１２ バスバー
１３ ケース
１４ 冷却用流体
１５ 制御部
１６ 燃焼抑制手段
１７ 支持部材
１７ａ 穴
１８ 収容体
１９ 燃焼抑制物質
２０ パック部
２１ 支持部材
２１ａ 貫通孔
２２ 支持部材
２３ 耐圧容器
２４ 耐圧管路部材

Claims (7)

1. 高温のガスを外部に放出させるための安全弁が設けられた筐体を有する電池と、
   前記電池が内部に収容されたケースと、
   前記ケース内に設けられ、前記安全弁を通じて放出される前記高温のガスにより不燃性ガスを発生させる燃焼抑制手段と、
   を備えた電池装置。
2. 請求項１に記載の電池装置であって、
   前記燃焼抑制手段は、前記高温のガスによる加熱によって分解されて前記不燃性ガスを発生させる不燃性ガス発生部材を有する、
   電池装置。
3. 請求項１に記載の電池装置であって、
   前記燃焼抑制手段は、前記安全弁から放出される前記高温のガスの流路上に少なくとも一部が配置され、前記安全弁から前記高温のガスが放出されたときに前記少なくとも一部に前記高温のガスが接する、
   電池装置。
4. 請求項３に記載の電池装置であって、
   前記筐体は、前記不燃性ガス発生部材を支持する支持部材を有し、
   前記支持部材は、前記筐体の外面であって前記安全弁が設けられた面に取り付けられている、
   電池装置。
5. 請求項４に記載の電池装置であって、
   前記ケース内には複数の前記電池が収容されており、
   前記支持部材は、複数の前記電池のうちの２つ以上をまたぎ前記複数の前記電池に設けられた各安全弁と対向するように配置されている
   電池装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電池装置であって、前記燃焼抑制手段は、前記不燃性ガスとして窒素を発生させる電池装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の電池装置であって、前記燃焼抑制手段は、消火剤を含有している電池装置。

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