JP2016092007A

JP2016092007A - 二次電池の熱暴走抑止システム

Info

Publication number: JP2016092007A
Application number: JP2015210966A
Authority: JP
Inventors: 健二大木; Kenji Oki; 弘幸砂原; Hiroyuki Sunahara; めぐみ堀越; Megumi Horikoshi
Original assignee: Nippon Dry Chemical Co Ltd
Current assignee: Nippon Dry Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2016-05-23
Also published as: JP2020047606A; JP6961671B2

Abstract

【課題】二次電池の異常温度上昇による発熱で起きる熱暴走を抑止し、火災の発生を未然に防ぐとともに、二次電池の損壊を防ぎ電池性能を損なわないことが期待できる二次電池の熱暴走抑止システムを得る。
【解決手段】二次電池１が収容された蓄電室２内に、冷却剤を放出する冷却剤放出ノズル３を配置し、二次電池１には、二次電池１の異常温度変化を検知するセンサー７を取り付けておき、センサー７が二次電池１の異常温度変化を検知したら、冷却剤供給源４から冷却剤を冷却剤放出ノズル３へ送り、冷却剤放出ノズル３から二次電池１に向けて放出させ、異常発熱した二次電池１を冷却剤で冷却できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、太陽光発電など自然発電設備で発電した電気を貯める二次電池の過充電や過放電による異常発熱によって起こる熱暴走を抑止する二次電池の熱暴走抑止システムに関する。

太陽光発電など自然発電設備が多く設置されるに至り、ここで発電した電気がリチウムイオン電池で代表される二次電池に蓄電するといったことが行われている。周知のように、リチウムイオン電池などの二次電池にあっては、過充電や過放電された場合、温度が異常に上昇する場合があり、温度上昇により二次電池が異常発熱すると熱暴走が起こり、電池セル内の電解液が膨張して爆発し発火へと進行する。

従来、二次電池の異常発熱による発火に対応する手段として、電池本体に、加熱分解によってＣＯ₂ガスを発生する無機酢酸塩もしくは無機炭酸水素塩からなる潜熱蓄熱材を含む蓄熱部材を取付け、電池が異常な温度上昇による発熱によって熱暴走を起こし、電池が発火して火災となった場合、火災の燃焼熱により潜熱蓄熱材が分解してＣＯ₂ガスを発生し、燃焼に必要な酸素の供給を妨げ、消火もしくは延焼を防止できるようにした二次電池がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１３−１７８９０９号公報

特許文献１に記載されている二次電池では、電池が発火して火災が発生したときに消火もしくは延焼を防止するようになっており、二次電池の熱暴走を積極的に抑えるものとはなっておらず、熱暴走が起きたときは電池火災の発生は避けられず、火災の発生した電池の消火はできても、消火した電池の使用は全く不可能となるばかりか、場合によっては周囲の二次電池に引火し、大規模な蓄電池システムであれば、爆発的火災を引き起こす可能性があるといった問題がある。

本発明者はかかる問題に鑑み、二次電池に熱暴走が起こった場合、発火する前に速やかに熱暴走を抑えるべく、種々の研究と実験を重ねた結果、熱暴走を起こす異常な温度上昇により発熱した二次電池を急冷することによって、熱暴走を抑止できることを見出し、本発明を成すに至った。

本発明の目的は、二次電池の異常温度上昇による発熱で起きる熱暴走を抑止し、火災の発生を未然に防ぐとともに、二次電池の損壊を防ぎ電池性能を損なわないことが期待できる経済的な二次電池の熱暴走抑止システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、二次電池が収容された蓄電室内に、冷却剤を放出する冷却剤放出ノズルを配置し、前記二次電池には、前記二次電池の異常温度変化を検知するセンサーを取り付けておき、前記センサーが前記二次電池の異常温度変化を検知したら、冷却剤供給源から冷却剤を前記冷却剤放出ノズルへ送り、前記冷却剤放出ノズルから前記二次電池に向けて放出させるようにしたことを特徴とする。

請求項１に記載の二次電池の熱暴走抑止システムによれば、前記センサーが前記二次電池の異常温度変化を検知したら、冷却剤供給源から冷却剤を前記冷却剤放出ノズルへ送り、前記冷却剤放出ノズルから前記二次電池に向けて放出させるようにしたので、異常発熱した二次電池が冷却剤で冷却される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の、前記センサーは温度センサーであり、前記二次電池の異常温度変化として予め異常温度を設定しておき、前記温度センサーが異常温度を検知したら、冷却剤供給源から冷却剤を前記冷却剤放出ノズルへ送り、前記冷却剤放出ノズルから前記二次電池に向けて放出させ、少なくとも前記二次電池の温度が予め設定された安全温度に降下するまで冷却剤の放出を続けるようにしたことを特徴とする。

請求項２に記載の二次電池の熱暴走抑止システムによれば、請求項１に記載の、前記センサーは温度センサーであり、前記二次電池の異常温度変化として予め異常温度を設定したので、前記温度センサーが前記二次電池の異常温度変化を直ちに且つ確実に検知することができ、前記温度センサーが異常温度を検知したら、冷却剤供給源から冷却剤を前記冷却剤放出ノズルへ送り、前記冷却剤放出ノズルから前記二次電池に向けて放出させ、少なくとも前記二次電池の温度が予め設定された安全温度に降下するまで冷却剤の放出を続けるようにしたので、異常発熱した二次電池が直ちに冷却剤で安全温度に降下するまで冷却される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれか１項に記載の、前記冷却剤は、ＣＯ₂ガスであることを特徴とする。

請求項３に記載の二次電池の熱暴走抑止システムによれば、請求項１または２のいずれか１項に記載の、前記冷却剤は、ＣＯ₂ガスであるので、冷却効果が高く、異常発熱した二次電池はより効果的に冷却される。また、ＣＯ₂ガスは二次電池の性能を損なわせないので、冷却により熱暴走を抑止した後、二次電池の損壊を防ぎ電池性能を損なわないことが期待できる。また、仮に二次電池が発火しても二次電池が収容された室内は消火剤でもあるＣＯ₂ガスが充満しているので、火災の発生を防止し，或いは火災が発生しても速やかに消火する。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の、前記冷却剤は、前記蓄電室の容積から前記二次電池の体積を減じた体積に対して１．５ｋｇ／ｍ³以上を貯蔵することを特徴とする。

請求項４に記載の二次電池の熱暴走抑止システムによれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の、前記冷却剤は、前記蓄電室の容積から前記二次電池の体積を減じた体積に対して１．５ｋｇ／ｍ³以上を貯蔵するので、異常発熱した前記二次電池を十分に冷却し、且つ前記冷却剤がＣＯ₂ガスである場合、火災の発生を防止し，或いは火災が発生しても速やかに消火する量を確実に確保することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の、前記温度センサーが前記二次電池の異常温度変化を検知したら、前記二次電池の蓄電回路を切り、電気の流れを停止させる機能を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の二次電池の熱暴走抑止システムによれば、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の、前記温度センサーが前記二次電池の異常温度変化を検知したら、前記二次電池の蓄電回路を切り、電気の流れを停止させる機能を備えるので、冷却後に前記二次電池が再び異常な状態になることを防ぐことができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の、前記蓄電室は、前記蓄電室内に冷風や空気を循環させるための送風装置又は開口部を設けており、前記温度センサーにより前記二次電池の異常温度を検知した場合、前記送風装置を停止させ又は前記開口部を閉止させる機能を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の二次電池の熱暴走抑止システムによれば、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の、前記蓄電室は、前記蓄電室内に冷風や空気を循環させるための送風装置又は開口部を設けており、前記温度センサーにより前記二次電池の異常温度を検知した場合、前記送風装置を停止させ又は前記開口部を閉止させる機能を備えるので、前記温度センサーにより前記二次電池の異常温度を検知した場合、前記送風装置を停止させ又は前記開口部を閉止することにより前記冷却剤による冷却効果を高めることができる。

本発明に係る二次電池の熱暴走抑止システムによれば、センサーが二次電池の異常温度変化を検知したら、冷却剤供給源から冷却剤を冷却剤放出ノズルへ送り、冷却剤放出ノズルから二次電池に向けて放出させるようにしたので、異常発熱した二次電池が冷却剤で冷却され、熱暴走を抑止することができ、熱暴走による火災の発生を未然に防ぐことができるとともに、熱暴走による二次電池の損壊を防ぎ電池性能を損なわないことが期待できる。

本発明に係る二次電池の熱暴走抑止システムの実施の形態の一例を示す概略構成説明図である。

以下、本発明に係る二次電池の熱暴走抑止システムを実施するための形態の一例を図１を参照して詳細に説明する。
本例の二次電池の熱暴走抑止システムは、リチウムイオン電池で代表される二次電池１を収容した蓄電室２内に、冷却剤を放出する冷却剤放出ノズル３が二次電池１に向けて多数配置されている。

蓄電室２の外部には、冷却剤供給源４が配置されており、冷却剤供給源４と冷却剤放出ノズル３は配管５で接続され、冷却剤は冷却剤供給源４から配管５を介して冷却剤放出ノズル３へ送られ、冷却剤放出ノズル３から放出されるようになっている。
冷却剤にあっては、冷却作用のある不活性ガスや液体が使用される。冷却剤として、ＣＯ₂ガス、液体窒素、ヘリウム等がある。本例では冷却剤としてＣＯ₂ガスが使用されており、冷却剤供給源４としてＣＯ₂ガスを充填したボンベ６が用意されている。

蓄電室２に収容されている二次電池１には、二次電池１の前記二次電池の異常温度変化を検知するセンサー７を取り付けておき、センサー７が二次電池１の異常温度変化を検知したら、冷却剤供給源４から冷却剤を冷却剤放出ノズル３へ送り、冷却剤放出ノズル３から二次電池１に向けて放出させるようにしている。

本例では、センサー７は温度センサー８であり、二次電池１の異常温度変化として予め異常温度を設定しておき、温度センサー８が異常温度を検知したら、冷却剤供給源４から冷却剤を冷却剤放出ノズル３へ送り、冷却剤放出ノズル３から二次電池１に向けて放出させ、少なくとも二次電池１の温度が予め設定された安全温度に降下するまで冷却剤の放出を続けるようにしている。
このとき冷却剤は、蓄電室２の容積から二次電池１の体積を減じた体積に対して１．５ｋｇ／ｍ³以上を貯蔵することによって、二次電池１の温度が予め設定された安全温度に効果するまで冷却剤の放出を続けることができる。

異常温度および安全温度は、次のようにして設定される。
先ず、異常温度について説明する。二次電池１は、その特性により多少異なるが、１００℃程度の温度で熱暴走を起こし、外的要因がなくても温度が上昇し、最終的には破裂発火する。ここで言う異常温度とは、熱暴走を起こした温度から破裂発火に至る前迄の温度をいい、この範囲内で、特定な温度を異常温度として設定する。具体的には、特性の異なる二次電池について、試験によりそれぞれの熱暴走を起こす温度と破裂発火に至る温度を求め、熱暴走を起こす温度と破裂発火に至る前の温度迄の範囲内で特定な温度を異常温度として設定する。
次に、安全温度について説明すると、安全温度は、熱暴走を起こすおそれのない温度として設定されており、試験により平均温度で６０℃程度に冷却すると熱暴走を確実に止められるこが確認された。
二次電池の熱暴走抑止システムにおいては、各種ある二次電池の特性や二次電池の蓄電室２の形状などの差を考慮して設定温度は、異常温度の場合は８０℃から１２０℃の間で適宜適正に設定する。同様に安全温度の設定についても４５℃から７５℃の間で適宜適正に設定する。

温度センサー８による二次電池１の異常温度の検知による冷却剤放出ノズル３からの冷却剤の放出は、制御装置９により制御されて行われる。制御装置９は温度センサー８から発信された異常温度検知信号の受信により、冷却剤供給源４から配管５を介して冷却剤を冷却剤放出ノズル３へ送り、少なくとも二次電池１の温度が予め設定された安全温度に降下するまで冷却剤を送り続ける機能を備えている。
また、本例では、制御装置９は異常温度検知信号を受信したとき、二次電池１の蓄電回路を切り、電気の流れを停止させる機能を備えている。このようにすることで、冷却後に二次電池１が再び異常な状態になることを防ぐことができる。
また、二次電池の熱暴走抑止システムにおいて、通常の運転時においても二次電池１の冷却を必要とするため、一般に蓄電室２には、蓄電室２内に冷風や空気を循環させるための送風装置や開口部（図示せず。）を備えている。本例では、制御装置９は温度センサー８により二次電池１の異常温度を検知した場合、送風装置を停止させ又は開口部を閉止させる機能を備えている。このようにすることで、二次電池１が異常温度となったときの冷却剤による冷却効果を高めることができる。

このように構成された本例の二次電池の熱暴走抑止システムでは、温度センサー８が二次電池１から異常温度を検知したとき、制御装置９へ異常温度検知信号を発信し、この信号を受けて制御装置９は冷却剤供給源４となるボンベ６のバルブを開き、冷却剤であるＣＯ₂ガスを冷却剤放出ノズル３へ送り、冷却剤放出ノズル３からＣＯ₂ガスを二次電池１に向けて放出させ、少なくとも二次電池１の温度が予め設定された安全温度に降下するまでＣＯ₂ガスの放出を続けるので、異常発熱した二次電池１は、熱暴走を起こすおそれのない安全温度まで冷却される。
これにより、二次電池１の熱暴走を止めることができ、熱暴走による火災の発生を未然に防ぐことができるとともに、熱暴走による二次電池１の損壊を防ぎ電池性能を損なわないことが期待できる。

また、本例では、冷却剤としてＣＯ₂ガスを使用しているので、冷却効果が高く、異常発熱した二次電池１をより効果的に冷却することができ、二次電池１の異常発熱によって起こる熱暴走をより効果的に抑止することができる。また、ＣＯ₂ガスは二次電池１の性能を損なわせないので、冷却により熱暴走を抑止した後、二次電池１の損壊を防ぎ電池性能を損なわないことが期待できる。また、仮に二次電池１が発火しても二次電池１が収容された室内は消火剤でもあるＣＯ₂ガスが充満しているので、火災の発生を防止し、或いは火災が発生しても速やかに消火することができる。

なお、本例では、センサー７として温度センサー８が使用されているが、これに限られるものではなく、二次電池１の歪量を検知する歪センサー（図示せず。）であってもよい。
センサー７が歪センサーである場合は、二次電池１の異常温度変化と判断される熱による二次電池１の膨張による異常歪量を予め設定しておき、歪センサーが異常歪量を検知したら、冷却剤供給源４から冷却剤を冷却剤放出ノズル３へ送り、冷却剤放出ノズル３から二次電池１に向けて放出させるようにする。

二次電池の熱暴走抑止システムの冷却剤を大量に貯蔵することは費用がかかるため、経済的にも冷却に効果的な量を算出して貯蔵する。
平成２３年１２月２１日の官報に記載の総務省告示第五百五十七号では、危険物の規制に関する規則（昭和三十四年総理府令第五十五号）第三十八条の三の規定に基づき、製造所等の不活性ガス消火設備の技術上の基準の細目を定める告示がなされている。告示ではＣＯ₂ガスなどの不活性ガスによる消火に必要とされる消火剤の量について基準を定めている。仮に告示に定める量の不活性ガスを放出しても告示は消火を目的としており、冷却を目的としていないため、告示の基準の量の不活性ガスでは冷却することはできない。
二次電池１を冷却するためには、防護区画の体積１ｍ³当たりの消火剤の量に対して少なくとも２倍以上の量を必要とし、効果的に冷却するためには５倍以上の量が好ましく、より効果的に冷却するためには１０倍以上の量が好ましく、さらにより効果的に冷却するためには１５倍以上の量が好ましく、十分安全に冷却するためには２０倍以上の量が好ましい。ここで防護区画とは消火を対象とする空間を指すが、冷却の場合は二次電池１を冷却するための蓄電室２の容積に置き換えて考えればよい。また、消火剤は不活性ガスなどの冷却剤に置き換えて考えればよい。
総務省告示第五百五十七号によれば、不活性ガス消火剤の貯蔵容器に貯蔵する消火剤の量は以下の表１のごとくなる。

必要な貯蔵量は防護区画の体積１ｍ³当たり上表１中に掲げる量の割合で計算した量となる。ただし、その量が同表の消火剤の総量の最低限度未満の量となる場合においては、表１の消火剤の総量の最低限度の量となる。
ここで、防護区画は蓄電室２の容積、消火剤は冷却剤と読み替える。なお、防護区画の体積の計算では、二次電池１の体積を減じて計算する。つまり、以下の計算式となる。
防護区画の体積＝（蓄電室２の容積）−（二次電池１の体積）

模擬的な試験として、０．５６ｍ³の模擬蓄電室２の容積に全体で０．３ｍ³のリチウムイオン模擬電池（二次電池１）を収納し、冷却剤としてＣＯ₂ガス７．７ｋｇ／ｍ³を放出した場合において模擬電池表面は平均して５３℃低下し、冷却剤としてＣＯ₂ガス１９．６ｋｇ／ｍ³を放出した場合において模擬電池表面は平均して６５℃低下し十分安全な冷却を得ることができた。この試験条件における告示の基準による防護区画の体積（蓄電室２の容積）１ｍ³当たりの消火剤の量は１．２ｋｇ／ｍ³である。これによりＣＯ₂ガス７．７ｋｇ／ｍ³の放出は６．４倍に相当し、ＣＯ₂ガス１９．６ｋｇ／ｍ³の放出は１６．３倍に相当する。

１二次電池
２蓄電室
３冷却剤放出ノズル
４冷却剤供給源
５配管
６ボンベ
７センサー
８温度センサー
９制御装置

必要な貯蔵量は防護区画の体積１ｍ^３当たり表１中に掲げる量の割合で計算した量となる。ただし、その量が表１の消火剤の総量の最低限度未満の量となる場合においては、表１の消火剤の総量の最低限度の量となる。
ここで、防護区画は蓄電室２の容積、消火剤は冷却剤と読み替える。なお、防護区画の体積の計算では、二次電池１の体積を減じて計算する。つまり、以下の計算式となる。
防護区画の体積＝（蓄電室２の容積）−（二次電池１の体積）

Claims

二次電池が収容された蓄電室内に、冷却剤を放出する冷却剤放出ノズルを配置し、前記二次電池には、前記二次電池の異常温度変化を検知するセンサーを取り付けておき、前記センサーが前記二次電池の異常温度変化を検知したら、冷却剤供給源から冷却剤を前記冷却剤放出ノズルへ送り、前記冷却剤放出ノズルから前記二次電池に向けて放出させるようにしたことを特徴とする二次電池の熱暴走抑止システム。
前記センサーは温度センサーであり、前記二次電池の異常温度変化として予め異常温度を設定しておき、前記温度センサーが異常温度を検知したら、冷却剤供給源から冷却剤を前記冷却剤放出ノズルへ送り、前記冷却剤放出ノズルから前記二次電池に向けて放出させ、少なくとも前記二次電池の温度が予め設定された安全温度に降下するまで冷却剤の放出を続けるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池の熱暴走抑止システム。
前記冷却剤は、ＣＯ₂ガスであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の二次電池の熱暴走抑止システム。
前記冷却剤は、前記蓄電室の容積から前記二次電池の体積を減じた体積に対して１．５ｋｇ／ｍ³以上を貯蔵することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の二次電池の熱暴走抑止システム。
前記温度センサーが前記二次電池の異常温度変化を検知したら、前記二次電池の蓄電回路を切り、電気の流れを停止させる機能を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二次電池の熱暴走抑止システム。
前記蓄電室は、前記蓄電室内に冷風や空気を循環させるための送風装置又は開口部を設けており、前記温度センサーにより前記二次電池の異常温度を検知した場合、前記送風装置を停止させ又は前記開口部を閉止させる機能を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の二次電池の熱暴走抑止システム。