JP2015233017A - 電池スタック用のコンフォーマル熱交換器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】複数の電池セルを有する第１の電池スタックと、複数の電池セルを有する第２の電池スタックとを備える電池ユニットに使用される熱交換器構造である。熱交換器構造は、第１の電池スタックおよび第２の電池スタックの対向し合う面の間に配置され、１つ以上の流体流路を規定し、第１及び第２の電池スタックの膨張により収縮し、第１及び第２の電池スタックのその後の収縮により膨張するよう寸法適合的である。【選択図】図１

Description

本開示は、充電式電池およびその他の発電セルにおいて熱を放散するために用いられる熱交換器に関する。

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１０年２月２日に出願された米国仮特許出願第６１／３００，６１６号に優先権を主張し、本明細書にその内容を参照として取り込むものとする。

複数のリチウムイオンセルから形成される電池等の充電式電池は、たとえば、電気自動車（「ＥＶ」）およびハイブリッド電気自動車（「ＨＥＶ」）用途を含む数多くの用途で用いることができる。このような電池は、放散する必要のある熱を大量に発生する可能性がある。

例示的な実施形態によると、複数の電池セルを含み、第１の電池スタック面を有する第１の電池スタックと、複数の電池セルを含み、第１の電池スタック面から離間して第１の電池スタック面に対向する第２の電池スタック面を有する第２の電池スタックと、第１の電池スタックと第２の電池スタックとの間に配置され、１つ以上の流体流路を規定し、第１の電池スタック面に接触する第１面と、第２の電池スタック面に接触する第２面とを有し、第１及び第２の電池スタックの膨張により収縮し、第１及び第２の電池スタックのその後の収縮により膨張するよう寸法適合的な熱交換器構造とを備える電池ユニットが提供される。

例示的な実施形態によると、第１の電池スタック面を規定し、かつ、それぞれが１つ以上の電池セルを収容する複数の電池モジュールを有する第１の電池スタックと、第１の電池スタック面から離間して第１の電池スタック面に対向する第２の電池スタック面を規定し、かつ、それぞれが１つ以上の電池セルを収容する複数の電池モジュールを有する第２の電池スタックと、第１の電池スタックと第２の電池スタックとの間に配置され、１つまたは複数の流体流路を規定し、電池モジュールのうちの複数にまたがって第１の電池スタック面に接触する第１面と、電池モジュールのうちの複数にまたがって第２の電池スタック面に接触する第２面とを有し、第１及び第２の電池スタックの膨張により収縮し、第１及び第２の電池スタックのその後の収縮により膨張するよう弾性変形可能な熱交換器構造とを備える電池ユニットが提供される。

別の例示的な実施形態によると、複数の電池セルを含む第１の電池スタックと、複数の電池セルを含む第２の電池スタックとを備える電池ユニットに使用される熱交換器構造が提供される。熱交換器構造は、第１の電池スタック及び第２の電池スタックの対向し合う面の間に配置され、１つ以上の流体流路を規定し、第１及び第２の電池スタックの膨張により収縮し、第１及び第２の電池スタックのその後の収縮により膨張するよう寸法適合的である。

例示的な実施形態によると、第１のスタック面を規定する複数の発電モジュールを含む第１のスタックと、第１のスタック面から離間して第１のスタック面に対向する第２のスタック面を規定する複数の発電モジュールを含む第２のスタックとを備える発電ユニットに使用される熱交換器構造であって、対向し合う第１のスタック面と第２のスタック面との間に配置され、発電モジュールのうちの複数にまたがって第１のスタック面に接触する第１面と、発電モジュールのうちの複数にまたがって第２のスタック面に接触する第２面とを有し、第１及び第２のスタックの膨張により収縮し、第１及び第２のスタックのその後の収縮により膨張するよう寸法適合的である熱交換器構造が提供される。

例示的な実施形態に係る電池ユニットの端面図である。 例示的な実施形態に係る熱交換器として使用されるフィンプレートの斜視図である。 別の例示的な実施形態に係る熱交換器として使用されるフィンプレートの斜視図である。 別の例示的な実施形態に係る熱交換器として使用されるフィンプレートの斜視図である。 別の例示的な実施形態に係る熱交換器として使用されるフィンプレートの端面図である。 代替的な例示的実施形態に係る電池ユニットの拡大部分端面図である。 代替的な例示的実施形態に係る電池ユニットの拡大部分端面図である。 代替的な例示的実施形態に係る電池ユニットの拡大部分端面図である。 別の例示的な実施形態に係る熱交換器として使用されるフィンプレートの斜視図である。 別の例示的な実施形態に係る熱交換器として使用されるフィンプレートの端面図である。 例示的な実施形態においてフィンプレートに適用可能な機械的インターロックを示す部分図である。 例示的な実施形態においてフィンプレートに適用可能な機械的インターロックを示す部分図である。 例示的な実施形態においてフィンプレートに適用可能な機械的インターロックを示す部分図である。 例示的な実施形態においてフィンプレートに適用可能な機械的インターロックを示す部分図である。 代替的な例示的実施形態に係る電池ユニットの拡大部分端面図である。 代替的な例示的実施形態に係る電池ユニットの拡大部分端面図である。

図１は、本発明の例示的な実施形態に係る充電式電池ユニット１０の例を示す。電池ユニット１０は、それぞれ１つ以上の電池セル１６を収容する複数の電池パックもしくは電池モジュール１４から形成される複数の電池スタック１２から形成される。図示された実施形態では、それぞれ１つ以上の電池セル１６を収容する８個の水平に配置されたモジュール１４からそれぞれ形成される２つの長方形の箱型のスタック１２を含む。電池１０におけるスタック１２の数、各スタックにおけるモジュール１４の数、および各モジュール１４における電池セル１６の数、並びにこれらの部品の向きおよび形状は、用途によって変更してよく、したがって、本明細書で特定した数および向きは、例示的な実施形態における例としてだけ提供されるものである。

少なくともいくつかの例示的な実施形態では、電池セル１６はリチウムイオン電池セルであるが、その他の充電式電池セルを使用することができる。いくつかの実施形態では、電池セル１６は、角柱状のリチウムイオン電池セルである。別の例示的な実施形態では、電池セル１６は、円筒状もしくはその他の形状を有する。図示した実施形態では、各モジュール１４は、１つ以上の電池セル１６を収容する長方形かつ実質的に剛性の箱状の筐体を有する。非限定的な例として、各モジュール１４には１個から２０個の電池セル１６を配置してよいが、いくつかの実施形態では、２０個を超える電池セルをモジュール１４に配置してよい。いくつかの実施形態では、スタック１２内のモジュール１４の全ては、実質的に同一であり、電池ユニット１０を形成するスタック１２は実質的に同一である。スタック１２は、支持フレームもしくはラック８に、隣り合わせに、または上下に搭載してよい。

例示的な実施形態では、隣接し合うスタック１２の対向面２６と２８との間に熱交換器１８が設置される。各スタック１２間の接触領域および間にある熱交換器１８は、平面的な面となっていなくてよく、さらに加熱および冷却の間に膨張収縮することがある。したがって、ある程度の温度範囲にわたってスタックのモジュール１４の配列と一貫した接触を保つことができ、良好な熱伝導性を提供できる熱交換器１８が、いくつかの用途では望まれる。この点において、例示的な実施形態は、第１及び第２の電池スタックが膨張したときに収縮し、その後に第１及び第２の電池スタックが収縮したときに膨張するよう寸法的に適合し（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）、通常の電池動作温度範囲にわたって電池スタックと熱的接触状態を保つ熱交換器構造に関する。

図２を参照すると、１つの例示的な実施形態では、熱交換器１８は、隣接し合う電池スタック１２の間に複数の空気流路３０を規定する屈曲した、もしくは波形の、簡素（ｐｌａｉｎ）なフィンプレート２０から形成される。図示の実施形態では、波形のフィンプレート２０は、交互にピークおよびバレーを有し、ピークは、フィンプレート２０の一方の面において互いに離間した平坦なフィン面２２を規定し、バレーはフィンプレート２０の反対側の面において互いに離間した平坦なフィン面２４を規定する。フィンプレート２０は、たとえば、アルミニウム、アルミニウム合金、もしくはステンレス鋼等の熱伝導性金属をスタンピングもしくは圧延することにより形成してよい。波形のフィンプレート２０を作成するために用いられるシート材は、非限定的例として、０．１ｍｍから１．０ｍｍの範囲の厚さを有してよいが、用途によってはこの範囲外の厚さであってよい。いくつかの例示的な実施形態では、フィンプレート２０は、ピッチＰが５から１５ｍｍであり、高さが１０ｍｍから４０ｍｍであるが、別の実施形態では、別のフィン密度および別のフィン高さであってよい。いくつかの例示的な実施形態では、フィンプレート２０の波形は、フィンプレートが接触するスタック面により規定される長方形面の短手寸法に平行に延伸する。

少なくともいくつかの例示的な実施形態では、フィンプレート２０は、圧縮により変形し、圧縮力が低下もしくは除去されると元の形状もしくは少なくとも部分的に元の形状に戻る程度の弾性を有する。例示的な実施形態では、電池ユニットフレーム８は、上方のスタック１２の重量の実質的に全部もしくは大部分を支持し、大気の温度において、フィンプレート２０の一方の面における平坦なフィン面２２の実質的に全てがモジュールスタック１２のうち一方のモジュールスタックの面２６に接触し、フィンプレート２０の反対側の面における平坦なフィン面２４の実質的に全てが他方のモジュールスタック１２の対向面に接触した状態で、フィンプレート２０がスタック１２の間に保持されるようになっている。スタック１２の温度が使用時に上昇するにつれ、モジュール１６およびフィンプレート２０の全ては熱膨張し、フィンプレート２０は、スタック面２６と２８との間で受ける圧縮力が増大し、フィンプレート１２は変形し、フィン面２２及び２４とスタック面２６及び２８との間の接触力がそれぞれ大きくなる。スタック１２が冷却されるにつれ、モジュール１６およびフィンプレート２０が収縮しても、フィンプレート２０の弾性によって、フィン面２２及び２４はスタック面２６及び２８とそれぞれ接触した状態に保たれる。したがって、例示的な実施形態では、フィンプレート２０は、電池ユニット１０がその使用時に経る温度サイクルの間において、対向するスタック面２６および２８（したがって、電池モジュール１６）に形状的に従うように寸法的に適合しており、電池スタックの膨張および収縮の間に熱伝達が中断されない。

使用時において、空気もしくはその他の流体が、電池スタック１２間の、フィンプレート２０の波形により規定される流路３０を通過することができる。いくつかの用途においては、通過する空気もしくは流体を用いてフィンプレート２０から熱を運び去ることができ、いくつかの用途においては、空気もしくは流体を用いてフィンプレート２０に熱を加えることができる。いくつかの用途においては、フィンプレート２０を用いて、所定の動作温度時に電池ユニット１０を冷却し、その他の動作温度時に電池ユニットを加熱することができる。

いくつかの例示的な実施形態では、フィンプレート２０の少なくとも一方の面をろう材（ｂｒａｚｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）でコーティングし、フィンプレート２０を電池スタック１２の一方もしくは両方にろう付けにより固定する。いくつかの例示的な実施形態では、ろう材でコーティングした薄板もしくはろう材から形成した薄板という形態のろう付けシム（ｂｒａｚｅ ｓｈｉｍ）をフィンプレート２０の各面とスタック面との間に配置してろう付けを補助する。いくつかの実施形態では、圧縮力だけにより、もしくは電池フレーム８への接続により、または両方により、フィンプレート２０を電池スタック間に保持する。いくつかの用途では、スポット溶接もしくは接着剤により、または、たとえば、びょう、ボルト、もしくはクリップ等の締結材により、フィンプレート２０をスタック１２の一方もしくは両方に取り付ける。

上記したように、いくつかの構成においては、各スタック１２を形成する複数の隣接し合う電池モジュール１４により規定される対向スタック面２６および２８は、平面的な面でなくてよく、たとえば、フィンプレート２０が占める領域に部分的に延伸するリッジもしくはその他の突起が電池モジュール１４に存在してもよい。例示的な実施形態では、各モジュール１４の筐体の対向面２６および２８から延伸するリッジもしくはその他の突起は、フィンプレート２０の一方の面における波形のピーク面２２の間の空間、およびフィンプレート２０の反対側の面における波形のバレー面２４の間の空間と位置的に整合する。

フィンプレート２０は、電池モジュール間熱交換器１８を実施するために用いることができるコンフォーマル（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）な、もしくは寸法適合的（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）な構造の一例である。電池ユニットの温度サイクルの間において電池スタック１２との接触を維持することができるその他のコンフォーマルな、もしくは寸法適合的な熱交換器構成も可能である。例として、図３は、熱交換器１８を実施するために用いることができる、考えうるその他のコンフォーマルフィンプレート構成を示す。図３のフィンプレート３２は、アルミニウム、アルミニウム合金、もしくはステンレス鋼等の金属から形成された弾性で圧縮可能なオフセットストリップフィンである。オフセットストリップフィンプレート３２を作成するために使用されるシート材は、非限定的な例として、厚さが０．１ｍｍから１．０ｍｍの範囲にあるが、いくつかの用途においては、この範囲外の厚さでもよい。いくつかの例示的な実施形態では、フィンプレート３２は、ピッチＰ１が５から２０ｍｍであり、オフセット幅Ｗが２から１０ｍｍであり、波形のバレーＶが１．５から５ｍｍであり、高さが１０ｍｍから４０ｍｍであるが、別の実施形態では、別のフィン密度、ピッチ、オフセット幅、バレー幅、及びフィン高さであってよい。

熱交換器１８のコンフォーマルフィン構成のその他の例が図４に示されており、ここでは、平面状部３３により連結された平行な半円筒状部３５の列を規定する「オメガ」状の寸法適合的なフィンプレート３４が示されており、半円筒状部３５の少なくともいくつかは第１の電池スタックの面２６に接触し、平面状部３３の少なくともいくつかは第２の電池スタックの面２８に接触して、フィンプレートと第１及び第２の電池スタックとの間の熱交換を促進する。

図５は、少なくともいくつかの用途においては、同様なコンフォーマル効果を持つ平坦面状のフィンプレート２０の代わりに使用することができる正弦波型フィンプレート３６としての形態のさらなる代替品を示す。図５の正弦波型プレートは、簡素（ｐｌａｉｎ）な正弦波型プレートであるが、いくつかの用途では、正方形の波形でなく、正弦波型の波形である点を除いて図３と同様の構成を有する「オフセット」正弦波型フィンプレートを使用することができる。

いくつかの例示的な実施形態では、複数のフィンプレートを組み合わせて使用して、電池モジュール間寸法適合的熱交換器１８を実施することができる。例として、図６は、熱交換器１８を実施するための二重フィンプレートアセンブリ３８を示す。二重フィンプレートアセンブリ３８は、それぞれフィンプレート２０と同一のものであってよい２つの背中合わせに配置される平坦面状のフィンプレート２０Ａ及び２０Ｂを含む。

図６に示すように、第１のフィンプレート２０Ａ及び第２のフィンプレート２０Ｂは、それぞれのバレー面２４Ａおよび２４Ｂがスタック１２間の領域の中央において互いに面し、それぞれのピーク面２２Ａ及び２２Ｂが互いに対向する位置においてスタック面２６および２８にそれぞれ接触するように、位置合わせされる。このような構成により、一連の平行な空気流路もしく流体流路４０及び４２が形成され、流路４０は、プレート２０Ａの波形のバレーとスタック面２６との間およびプレート２０Ｂの波形のバレーとスタック面２８との間に規定され、流路４２はプレート２０Ａ及び２０Ｂの波形のピークの間に規定される。少なくとも１つの例示的な実施形態では、二重フィンプレートアセンブリ３８は、背中合わせに配置されたフィンプレート２０Ａと２０Ｂとの間に配置された平面状の中間部材４４を含み、バレー面２４Ａおよび２４Ｂが中間プレート４４の互いに反対側の面にそれぞれ接触する。例示的な実施形態では、平面状の中間部材４４は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、もしくはその他の適切な金属から形成されたプレートであり、第１のフィンプレート２２Ａおよび第２のフィンプレート２２Ｂの一方もしくは両方は、ろう付けもしくはスポット溶接により平面状プレート４４の各面に固定される。いくつかの例示的な実施形態では、二重フィンプレートアセンブリ３８は、ろう付けもしくはスポット溶接をせずに圧縮力により互いに保持される。

いくつかの例示的な実施形態では、各モジュール１４筐体の互いに対向する面２６及び２８から延伸するリッジもしくはその他の突起は、フィンプレート２０Ａ及び２０Ｂの波形のバレーにより規定される流路４０と位置合わせされる。例として、図６には、波形の各バレー４０と位置合わせされた突起リブ４６が示されている。したがって、背中合わせにされるフィンプレート３８によって、互いに対向する面２６および２８上の位置合わせされた、もしくは対称的な突起が、波形のピークにおける熱交換接触面に影響することなく、波形のバレーに収容されるようにすることができる。

いくつかの例示的な実施形態では、フィンプレート全体におけるフィン高さは、フィンプレートの長さまたは幅に沿って変化させて、電池スタックの互いに対向する面に沿った変形（ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ）もしくは突起を収容できるようにしてよい。

いくつかの例示的な実施形態では、平面状の中間部材４４は、たとえば冷間開始条件においてフィンプレート２０Ａおよび２０Ｂ並びに電池スタック１２に熱を加えるために使用することができるシート状もしくはフィルム状のヒーター４８で一方もしくは両方の面がコーティングされたプレート基板を含む。いくつかの例示的な実施形態では、平面状の中間部材４４は、熱伝導性が高いグラファイトもしくは金属から形成された伝導性平板または粉末パック（ｐｏｗｄｅｒ ｐａｃｋ）から形成される。いくつかの例示的な実施形態では、二重フィンプレートアセンブリ３８の平面状の中間部材４４は、図７に示すように、冷却された空気もしくは冷却された液体等の冷却流体を中間部材４４内で流通させる流体導管５０を含む冷却プレートである。いくつかの例示的な実施形態では、フィルム状ヒーター４８を冷却流体導管５０と組み合わせることで、電池動作サイクルの多様な段階において必要に応じて二重フィンプレートアセンブリ３８を能動的に加熱もしくは能動的に冷却するために使用することができる中間部材４４が提供される。いくつかの例示的な実施形態では、中間部材４４は、所望の動作温度で相変化して熱エネルギーをプレート２０Ａおよび２０Ｂから取り去る有機ワックスまたは無機塩等の相変化物質４５を封入されている。いくつかの例示的な実施形態では、平面状の中間部材４４は、グラファイトスラブもしくはグラファイト粉末パックから形成される。いくつかの例示的な実施形態では、たとえば、中間部材４４がグラファイトスラブもしくはグラファイトパックである場合、図８に示すような端部フィン（ｅｎｄ ｆｉｎｓ）５４を中間部材４４の端部に、電池スタック１２の外縁より外側に延伸するよう取り付けて、二重プレートフィンアセンブリ３８から熱を取り去ることができる。端部フィン５４は、たとえば、グラファイトスラブもしくはグラファイトパックに埋め込まれた一端と、放射状のフィンを有する延伸端とを有するアルミニウムチューブを含んでよい。いくつかの例示的な実施形態では、上記の導管５０と同様の導管に上記のような相変化物質を充填して中間部材４４に埋設してよい。いくつかの例示的な実施形態では、中間部材４４において、相変化物質の使用と、能動的加熱もしくは冷却システムとを組み合わせることができる。再び図７を参照すると、いくつかの例示的な実施形態では、グラファイト粉末コーティングもしくはその他の潤滑剤コーティング等の中間物質５２を電池スタック面２６及び２８に接触するフィンプレート２０Ａおよび２０Ｂの面に設けて、フィン面とスタック面との摩擦を減らし、フィン／スタック界面における熱伝達を補強してよい。いくつかの例示的な実施形態では、中間物質５２は、フィンプレートを電気的に絶縁し、しかしフィンプレートと電池スタックとの熱的接触を維持するべく、導電性ではないが熱伝導性の物質であってよい。

１つの例示的な実施形態では、コンフォーマルな熱交換器１８を、図９に示すような形成されたプレート７２を使用して実施してよい。形成されたプレート７２は、単一のプレートに交互に形成された正弦波型ストリップ７４および７６の連続的な列を含む。

別の例示的な実施形態では、コンフォーマルな熱交換器１８を、熱膨張特性が異なる２つの金属から形成されたバイメタルマットを使用して実施してよく、バイメタルマットの厚さは加熱時に膨張して、マットとスタック面２６及び２８との間の接触力を増大させる。

図１０を参照すると、コンフォーマルな熱交換器１８を実施するための別の単一フィンプレート構成が、フィンプレート２０Ｃとして図示されており、プレート２０Ｃの一方の面上のフィンのバレーの間の空間が、プレート２０Ｃの反対側の面上のフィンのピークの間の空間と位置合わせされる（たとえば、図１０において線Ｘ−Ｘにより示されるように垂直方向に位置合わせされる）ようにフィンプレート２０Ｃのフィンがキャンター（ｃａｎｔｅｒ）されている点以外は、フィンプレート２０Ｃは上記のフィンプレート２０と同様である。垂直方向の位置合わせによって、対向するスタック面２６及び２８上の突起をフィンプレート２０Ｃのバレーに収容することができるようになる。フィンプレート２０Ｃのこの例示的な実施形態は、たとえば背中合わせに配置されたフィンプレート２０Ａ及び２０Ｂの代替となることができる。

いくつかの例示的な実施形態では、熱交換器１８を実施するために使用されるフィンプレートは、互いに、または電池モジュール１４の面と、冶金術的もしくは機械的にかみ合うインターロックを含むことで、プレートと電池モジュールとの相対的な移動を減らし、摩擦を軽減してよい。例として、図１１Ａおよび図１１Ｂは、両方とも、単一フィンプレート２０Ｄ及び２０Ｅを示しており、これらは、フィンプレート２０Ｄが、電池モジュールの面２６および２８に配置されたリッジもしくは突起７８を受け止めるための溝もしくはレセプタクル８０をその接触面に有して機械的インターロックを形成し、フィンプレート２０Ｅが、電池モジュールの面２６及び２８に配置された溝もしくはレセプタクル８４へ延伸するリッジもしくは突起８２をその接触面に有して機械的インターロックを形成する点以外は、単一フィンプレート２０と同様である。背中合わせのフィンプレートアセンブリにおけるプレート間接触面と、フィンプレートと中間部材４４との間とに、同様のインターロックを設けることができる。フィンプレート間と、フィンプレートと電池モジュールの面との間とにおいて、図１１Ｃおよび図１１Ｄに示すインターロックシステム８６及び８８に表されるような、その他の雄／雌機械的インターロックが可能である。

いくつかの例示的な実施形態では、上記のコンフォーメーション熱交換器（ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）構成で使用されるフィンプレートもしくは中間部材４４は、電池スタック１２の縁より外側に延伸するフランジ部を含んでよく、搭載孔およびフィン等の追加的な熱交換構造を、延伸するフランジ部に設けてよい。

電池モジュール間コンフォーマル熱交換器１８を実施するためのフィン構造の別の例示的な実施形態は、図１２に示す一対の背中合わせに配置されるグラファイトフィンプレート５８Ａ及び５８Ｂである。各グラファイトフィンプレート５８Ａおよび５８Ｂは、中心フィンコア６２を含み、そこから複数のフィン６０が、互いに反対する方向に延伸して電池スタックの面２６および２８にそれぞれ接触する。流体流路４０が各フィンプレート５８Ａおよび５８Ｂの隣接し合うフィン６０の間に規定される。１つの例示的な実施形態では、上記の金属フィンプレートのうち任意のもの等のコンフォーマル構造が、背中合わせに配置されたグラファイトフィンプレート５８Ａと５８Ｂとの間に中間部材４４として配置される。例示として、図１２において、コンフォーマルな金属の「オメガ」状のフィンプレート３４が、背中合わせに配置されたグラファイトフィンプレート５８Ａと５８Ｂとの間に配置されて、電池ユニット１０がその動作中に経る温度サイクルの全体を通して、グラファイトフィンプレート５８Ａ及び５８Ｂが電池スタックの面２６および２８とそれぞれ接触状態を保つように、フィンプレート３４と、背中合わせに配置されたグラファイトフィンプレート５８Ａ及び５８Ｂとがまとまって寸法適合的な熱交換構造１８となるよう弾性を提供する。流体流路４０は、スタックの面２６および２８に位置する突起もしくは障害物（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ）を収容するように配置することができる。グラファイトフィンプレート５８Ａおよび５８Ｂは、たとえば、少なくともいくつかの例示的な実施形態においては、導電性を有さず、熱交換器構造１８と電池スタックとの間を電気的に絶縁する機械加工されたグラファイトから形成してよい。いくつかの例示的な実施形態では、グラファイトフィンプレート５８Ａ及び５８Ｂのフィン６０は、図１０のフィンプレートと同様の方法によりキャンターもしくは角度付けされている。

電池モジュール間コンフォーマル熱交換器１８を実施するためのフィン構造の別の例示的な実施形態は、図１３に示すグラファイトアセンブリ６６である。グラファイトアセンブリ６６は、電池スタックの面２６および２８と接触する一対のパッキングされたグラファイト部材６８の間に挟まれた中間部材４４を含む。１つの例示的な実施形態では、パッキングされたグラファイト部材６８は、スタック１２が電池使用時に熱膨張すると圧縮されて変形し、その後スタック１２が熱収縮すると元の形状に戻り、パッキングされたグラファイト部材６８が電池ユニット１０の温度サイクルの間、各面２６及び２８と継続的に接触するようになっている。パッキングされたグラファイト部材６８は、面２６および２８上の突起を収容してもよい。いくつかの例示的な実施形態では、中間プレート部材４４は、たとえば、冷却流体もしくは加熱流体を中間プレート部材４４内で循環させるために用いられる空洞もしくはチャネル７０を含むことができる。いくつかの例示的な実施形態では、中間プレート部材のチャネル７０は、電池ユニット１０の動作温度範囲内の温度で相変化する相変化物質７２を含むことができる。いくつかの例示的な実施形態では、中間プレート部材４４は、金属管により規定されたチャネル７０を有するグラファイトプレートであってよい。いくつかの例示的な実施形態では、中間部材４４は、オメガ形状のフィンプレート３４もしくは上記したその他の金属フィンプレートのいずれか等のコンフォーマルな金属フィンプレートである。

いくつかの例示的な実施形態では、背中合わせのフィンプレートアセンブリ３８を、平坦面状の波形フィンプレート２０Ａおよび２０Ｂの代わりに、たとえば、プレート２０Ｃから２０Ｅ、オフセットフィンプレート３２、オメガ形状フィンプレート３４、正弦波型フィンプレート３６、形成されたプレート７２、角度付けされたフィンプレート２０Ｃ、ルーバー板状プレート等のその他の構成を有するプレートから形成することができ、とりわけ、中間部材４４の有無を問わず、背中合わせに配置して、二重フィンプレートアセンブリを実施することができる。いくつかの例示的な実施形態では、単一プレートまたは背中合わせ二重プレートのコンフォーマル熱交換器として、ルーバー板状プレートをフィンプレートの代わりに用いることができる。

いくつかの例示的な実施形態では、平面状の中間部材４４を、第２のフィンプレートなしで、フィンプレート２０、２０Ａから２０Ｅ、３２、３４、及び３６等の単一フィンプレートと組み合わせて使用することができる。

いくつかの例示的な実施形態では、プレート内の流体流路（たとえば、プレート２０の流路３０）を互いに接続して、プレート内の冷却液用の単一流路を設けることができる。

いくつかの例示的な実施形態では、上記のコンフォーマル熱交換器構成を、電池セルモジュール間でなく、燃料セルモジュール間に用いることができる。したがって、本明細書に記載する熱交換器構造を、電池セルモジュールまたは燃料セルモジュール等の複数の発電セルを有する第１のスタックと、電池セルモジュールまたは燃料セルモジュール等の複数の発電セルを有する第２のスタックとを備える発電ユニットにおいて用いることができ、熱交換器構造を第１のスタックおよび第２のスタックの対向し合う面の間に配置して１つまたは複数の流体流路を規定し、熱交換器構造を、第１及び第２のスタックの膨張により収縮し、その後の第１および第２のスタックの収縮により膨張するよう寸法適合的にする。

したがって、本明細書に記載したのは、発電セルもしくはモジュールの間に使用するコンフォーマル交換器の例示的な実施形態である。少なくともいくつかの例示的な実施形態では、単一の金属フィンプレート、または背中合わせに配置される金属フィンプレートを使用し、これらのプレートを、たとえばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、鋼鉄、ステンレス鋼、またはばね鋼等の熱伝導性かつ変形可能な材料から形成する。プレートは、圧縮力を受けて変形し、圧縮力が減少するに従い、以前の形状に戻るように寸法適合的である。プレートを、それらが接触する電池モジュール面から電気的に絶縁するためにコーティングすることができる。フィンプレートは、負荷範囲内で元の形状に戻ることができ、少なくとも電池ユニット１０が暴露される通常の温度範囲の間は電池モジュールと熱的接触を維持できるように選択される。

上記した多様な実施形態は、単に例示であり、いかなる意味においても本開示の範囲を限定するものでない。本明細書に記載した手法等の変更が当業者には明らかとなるであろうが、そのような変更は、本開示の意図した範囲内に含まれる。特に、上記の実施形態のうち１つ以上における特性を選択して、明示的には記載されなかった特性のサブコンビネーションからなる代替的な実施形態を構成しうる。さらに、上記の実施形態のうち１つ以上における特性を選択して組み合わせることで、明示的には記載されなかった特性のコンビネーションからなる代替的な実施形態を構成しうる。このようなコンビネーションおよびサブコンビネーションに適した特性は、本開示を全体として検討することで当業者には容易に明らかになるであろう。本明細書および特許請求の範囲に記載される主題は、技術変化のうち適切なもの全てをその範囲に含むことを意図している。

Claims (20)

1. 第１の電池スタック面を規定し、かつ、それぞれが１つ以上の電池セルを収容する複数の電池モジュールを有する第１の電池スタックと、
   前記第１の電池スタック面から離間して前記第１の電池スタック面に対向する第２の電池スタック面を規定し、かつ、それぞれが１つ以上の電池セルを収容する複数の電池モジュールを有する第２の電池スタックと、
   前記第１の電池スタックと前記第２の電池スタックとの間に配置され、１つまたは複数の流体流路を規定し、前記電池モジュールのうちの複数にまたがって前記第１の電池スタック面に接触する第１面と、前記電池モジュールのうちの複数にまたがって前記第２の電池スタック面に接触する第２面とを有し、前記第１の電池スタック及び前記第２の電池スタックの膨張により収縮し、前記第１の電池スタック及び前記第２の電池スタックのその後の収縮により膨張するよう弾性変形可能な熱交換器構造と
   を備える電池ユニット。
2. 前記熱交換器構造は、ピークおよびバレーを交互に有する波形フィンプレートを有し、前記ピークの間および前記バレーの間に前記流体流路が規定され、前記ピークのうち少なくともいくつかは前記第１の電池スタック面に接触し、前記バレーのうち少なくともいくつかは前記第２の電池スタック面に接触して、前記フィンプレートと前記第１の電池スタック及び前記第２の電池スタックとの間の熱交換を促進する請求項１の電池ユニット。
3. 前記ピークは、前記第１の電池スタック面に接触する平坦面をそれぞれ有し、前記バレーは、前記第２の電池スタック面に接触する平坦面をそれぞれ有する請求項２に記載の電池ユニット。
4. 前記フィンプレートの波形は、前記第１の電池スタック面に接触する前記ピークの間の空間の少なくともいくつかが、前記第２の電池スタック面に接触する前記バレーの間の空間とそれぞれ位置合わせされるようキャンター（ｃａｎｔｅｒ）されている請求項３に記載の電池ユニット。
5. 前記フィンプレートは、オフセットストリップフィンプレートである請求項２に記載の電池ユニット。
6. 前記熱交換器構造は、平面状部により連結される互いに平行な半円筒状部の列を規定するフィンプレートを有し、前記半円筒状部のうち少なくともいくつかは前記第１の電池スタック面に接触し、前記平面状部のうち少なくともいくつかは前記第２の電池スタック面に接触して、前記フィンプレートと前記第１の電池スタックおよび前記第２の電池スタックとの間の熱交換を促進する請求項１に記載の電池ユニット。
7. 前記熱交換器構造は、ピークおよびバレーを交互に有する波形の第１のフィンプレートと、ピークおよびバレーを交互に有する変形可能で波形の第２のフィンプレートとを有し、前記第１のフィンプレート及び前記第２のフィンプレートは、互いに隣り合って配置され、前記第１のフィンプレートの前記ピークのうちの複数が前記第１の電池スタック面に接触し、前記第２のフィンプレートの前記ピークのうちの複数が前記第２の電池スタック面に接触する請求項１に記載の電池ユニット。
8. 前記第１のフィンプレート及び前記第２のフィンプレートは、前記第１のフィンプレートの前記バレーが前記第２のフィンプレートの前記バレーとそれぞれ位置合わせされるように、背中合わせに配置される請求項７に記載の電池ユニット。
9. 前記第１のフィンプレートと前記第２のフィンプレートとの間に中間プレートが配置される請求項７または８に記載の電池ユニット。
10. 前記中間プレートは、能動的加熱要素を含む請求項９に記載の電池ユニット。
11. 前記中間プレートは、前記中間プレート内に流体を案内する流体導管を含む請求項９または１０に記載の電池ユニット。
12. 前記中間プレートは、前記電池ユニットの通常の動作温度範囲内に相変化温度を有する相変化物質を封入されている請求項９から１１のいずれか１項に記載の電池ユニット。
13. 前記中間プレートは、前記第１の電池スタックおよび前記第２の電池スタックの外縁より外側に延伸する１つ以上の延伸部を含む請求項９から１２のいずれか１項に記載の電池ユニット。
14. 前記第１の電池スタック面及び前記第２の電池スタック面から突起が延伸しており、前記第１のフィンプレートおよび前記第２のフィンプレートは、それぞれが有する前記バレーに前記突起を受け入れるよう位置付けられている請求項７から１３のいずれか１項に記載の電池ユニット。
15. 前記第１のフィンプレートおよび前記第２のフィンプレートは、グラファイトから形成され、前記第１のフィンプレートと前記第２のフィンプレートとの間にはコンフォーマル構造（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が配置される請求項７に記載の電池ユニット。
16. 前記第１のフィンプレート及び前記第２のフィンプレートは、それぞれ、弾性変形可能である請求項７に記載の電池ユニット。
17. 前記第１のフィンプレートおよび前記第２のフィンプレートは、平坦な接触面を有するバレー及びピークを有するか、または正弦波型のフィンプレートである請求項７から１４のいずれか１項または請求項１６に記載の電池ユニット。
18. 前記フィンプレートと前記第１の電池スタック面および前記第２の電池スタック面との間の接触面には、非導電性物質が配置されている請求項２から１７のいずれか１項に記載の電池ユニット。
19. 前記第１の電池スタック及び前記第２の電池スタックに対する前記熱交換器構造の移動を制限するべく、前記熱交換器構造並びに前記第１の電池スタック及び前記第２の電池スタックの上に、協働するインターロック部が設けられる請求項１から１８のいずれか１項に記載の電池ユニット。
20. 第１のスタック面を規定する複数の発電モジュールを有する第１のスタックと、前記第１のスタック面から離間して前記第１のスタック面に対向する第２のスタック面を規定する複数の発電モジュールを有する第２のスタックとを備える発電ユニットに使用される熱交換器構造であって、対向し合う前記第１のスタック面と前記第２のスタック面との間に配置され、前記発電モジュールのうちの複数にまたがって前記第１のスタック面に接触する第１面と、前記発電モジュールのうちの複数にまたがって前記第２のスタック面に接触する第２面とを有し、前記第１のスタック及び前記第２のスタックの膨張により収縮し、前記第１のスタック及び前記第２のスタックのその後の収縮により膨張するよう寸法適合的（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）である熱交換器構造。

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