JP2018049801A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】枠体と各バイポーラ電極との間に十分な空間を形成でき、かつ隣接するバイポーラ電極の電極板同士の短絡を防止できる蓄電装置を提供する。
【解決手段】蓄電装置１では、第１のバイポーラ電極３Ａの電極板１１における正極１２及び負極１３の未塗工部分１５には、一方面側に突出する第１の突出部１６Ａと、他方面側に突出する第２の突出部１６Ｂとが設けられ、第２のバイポーラ電極３Ｂの電極板１１における正極１２及び負極１３の未塗工部分１５には、第１の突出部１６Ａと対向するように他方面側に突出する第３の突出部１６Ｃと、第２の突出部１６Ｂと対向するように一方面側に突出する第４の突出部１６Ｄとが設けられ、第１の突出部１６Ａ及び第３の突出部１６Ｃの少なくとも一方、及び第２の突出部１６Ｂ及び第４の突出部１６Ｄの少なくとも一方には、絶縁膜１７が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

従来の蓄電装置として、電極板の一方面に正極が形成され、他方面に負極が形成されたバイポーラ電極を備えたバイポーラ電池が知られている（特許文献１参照）。バイポーラ電池は、セパレータを介して複数のバイポーラ電極を積層してなる積層体を備えている。積層体には、シール用の絶縁性の枠体が設けられ、バイポーラ電極の積層によって形成される側面が保持されるようになっている。

特開２０１１−１５１０１６号公報

上述のような蓄電装置では、使用時のガスの発生に対するバッファとして、枠体と各バイポーラ電極との間に十分な広さの空間を有していることが好ましい。また、電極板によって隣接するバイポーラ電極の空間同士を仕切る場合、ガスの発生によってバイポーラ電極間に差圧が生じると、隣接するバイポーラ電極の電極板同士が接触して短絡してしまうことが考えられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、枠体と各バイポーラ電極との間に十分な空間を形成でき、かつ隣接するバイポーラ電極の電極板同士の短絡を防止できる蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る蓄電装置は、一方面側に正極が形成され、かつ他方面側に負極が形成された電極板からなるバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、セパレータを介して第１のバイポーラ電極と第２のバイポーラ電極とを交互に積層してなる積層体と、第１のバイポーラ電極及び第２のバイポーラ電極の積層によって形成された積層体の側面を取り囲んで保持する絶縁性の枠体と、を備え、第１のバイポーラ電極の電極板における正極及び負極の未塗工部分には、一方面側に突出する第１の突出部と、他方面側に突出する第２の突出部とが設けられ、第２のバイポーラ電極の電極板における正極及び負極の未塗工部分には、第１の突出部と対向するように他方面側に突出する第３の突出部と、第２の突出部と対向するように一方面側に突出する第４の突出部とが設けられ、第１の突出部及び第３の突出部の少なくとも一方、及び第２の突出部及び第４の突出部の少なくとも一方には、絶縁膜が設けられている。

この蓄電装置では、電極板の未塗工部分に第１の突出部〜第４の突出部が設けられていることで、積層方向に隣接するバイポーラ電極同士の電極板の間隔が広がり、枠体と各バイポーラ電極との間に十分な空間を形成できる。また、電極板の未塗工部分に第１の突出部〜第４の突出部が設けられていることで、未塗工部分自体の剛性が向上すると共に、仮にガスの発生によってバイポーラ電極間に差圧が生じた場合であっても、突出部同士が絶縁膜を介して接触するため、電極板同士の短絡を防止できる。

また、第１の突出部と第３の突出部とが互いに接合されており、第２の突出部と第４の突出部とが互いに接合されていてもよい。この場合、バイポーラ電極の積層体のハンドリング性が向上し、枠体への組み付け作業が容易なものとなる。

また、第１の突出部と第３の突出部とが互いに離間しており、第２の突出部と第４の突出部とが互いに離間していてもよい。この場合、枠体と各バイポーラ電極との間の空間の形状が複雑化することを回避できる。

本発明によれば、枠体と各バイポーラ電極との間に十分な空間を形成でき、かつ隣接するバイポーラ電極の電極板同士の短絡を防止できる。

本発明の一実施形態に係る蓄電装置の構成を示す概略断面図である。 図１に示した蓄電装置の要部拡大断面図である。 変形例に係る蓄電装置の要部拡大断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、突出部の変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る蓄電装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す蓄電装置１は、バイポーラ電極３（図２参照）の積層体２を備えたバイポーラ電池である。蓄電装置１は、例えばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池、或いは電気二重層キャパシタである。蓄電装置１は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

蓄電装置１は、上述したバイポーラ電極３の積層体２と、積層体２を保持する枠体４と、積層体２を拘束する拘束部材５とを備えている。バイポーラ電極３は、一方面側に正極が形成され、かつ他方面側に負極が形成された電極板からなる電極である。バイポーラ電極３の詳細な構成については、後述する。

枠体４は、例えば絶縁性の樹脂を用いた射出成形によって矩形の筒状に形成されている。枠体４を構成する樹脂材料としては、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、又は変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）などが挙げられる。枠体４は、バイポーラ電極３の積層によって形成される積層体２の側面２ａを取り囲んで保持している。

拘束部材５は、一対の拘束プレート２１，２１と、拘束プレート２１，２１同士を連結する連結部材（ボルト２２及びナット２３）とによって構成されている。拘束プレート２１は、例えば鉄などの金属によって平板状に形成されている。拘束プレート２１の縁部には、ボルト２２を挿通させる挿通孔２１ａが枠体４よりも外側となる位置に設けられている。また、拘束プレート２１の一面側には、絶縁性部材２４を介して集電板２５（２５Ａ，２５Ｂ）が結合されている。これにより、拘束プレート２１は、拘束機能と集電機能とを兼ねる集電板付き拘束プレートとなっている。拘束プレート２１と集電板２５との間に介在させる絶縁性部材２４の形成材料としては、例えばウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリプロピレン、ＰＡ６６等が挙げられる。

一方の拘束プレート２１は、枠体４の内側で集電板２５Ａと積層体２の一端面とが当接するように枠体４の一端面に突き当てられ、他方の拘束プレート２１は、枠体４の内側で集電板２５Ｂと積層体２の他端面とが当接するように枠体４の他端面に突き当てられている。ボルト２２は、例えば一方の拘束プレート２１側から他方の拘束プレート２１側に向かって挿通孔２１ａに通され、他方の拘束プレート２１から突出するボルト２２の先端には、ナット２３が螺合されている。

これにより、積層体２及び枠体４が挟持されてユニット化されると共に、拘束荷重が付加される。また、集電板２５Ａ，２５Ｂは、積層体２を積層方向に挟むように拘束プレート２１と積層体２との間に配置される。集電板２５Ａには、正極端子２６が接続され、集電板２５Ｂには、負極端子２７が接続されている。正極端子２６及び負極端子２７により、蓄電装置１の充放電を行うことができる。

続いて、上述した積層体２の構成、及び積層体２を構成するバイポーラ電極３の構成について、更に詳細に説明する。

積層体２は、図２に示すように、セパレータ６を介して複数のバイポーラ電極３を積層することによって構成されている。バイポーラ電極３のそれぞれは、電極板１１と、電極板１１の一方面に設けられた正極１２と、電極板１１の他方面に設けられた負極１３とを有している。積層体２において、一のバイポーラ電極３の正極１２は、セパレータ６を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極３の負極１３と対向し、一のバイポーラ電極３の負極１３は、セパレータ６を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極の正極１２と対向している。

積層体２の一方の積層端（図１における上側の積層端）には、片面に負極のみが設けられた電極板（不図示）が積層されている。当該電極板は、セパレータ６を介して負極と最上層のバイポーラ電極３の正極１２とが対向するように配置されている。また、積層体２の他方の積層端（図１における下側の積層端）には、正極のみが設けられた電極板（不図示）が積層されている。当該電極板は、セパレータ６を介して正極と最下層のバイポーラ電極３の負極１３とが対向するように配置されている。

セパレータ６は、例えばシート状に形成されている。セパレータの形成材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。また、セパレータ６は、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されたものであってもよい。なお、セパレータ６は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。

電極板１１は、例えばニッケルからなる金属箔である。電極板１１の厚さは、例えば０．１μｍ〜１０００μｍ程度となっている。正極１２を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケルが挙げられる。負極１３を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が挙げられる。電極板１１の他方面における負極１３の形成領域は、電極板１１の一方面における正極１２の形成領域に対して一回り大きくてもよい。

電極板１１の縁部１１ｃは、正極活物質及び負極活物質の塗工されない未塗工部分１５となっており、枠体４の内壁４ａに埋没した状態で枠体４に保持されている。これにより、積層方向に隣り合う電極板１１，１１間には、当該電極板１１，１１と枠体４の内壁４ａとによって仕切られた空間Ｓが形成されている。当該空間には、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液からなる電解液（不図示）が収容されている。

また、より詳細には、バイポーラ電極３は、未塗工部分１５に第１の突出部１６Ａと第２の突出部１６Ｂとが設けられた第１のバイポーラ電極３Ａと、未塗工部分１５に第３の突出部１６Ｃと第４の突出部１６Ｄとが設けられた第２のバイポーラ電極３Ｂとによって構成されている。

第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄは、例えばプレス加工によって電極板１１への正極活物質及び負極活物質の塗工後に形成される。プレス加工による第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄの形成パターンは、立体トラスパターン、エンボスパターン、千鳥格子パターンなどの各種のパターンを採り得る。本実施形態では、第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄは、いずれも断面矩形状に形成され、第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄの形成部分の反対面側は、これらの突出部の形状に対応した凹部となっている。

第１の突出部１６Ａは、第１のバイポーラ電極３Ａの未塗工部分１５において正極１２及び負極１３寄りの位置に配置され、電極板１１の一方面側（図２の上方側）に突出している。第２の突出部１６Ｂは、第１のバイポーラ電極３Ａの未塗工部分１５において枠体４寄りの位置に配置され、電極板１１の他方面側（図２の下方側）に突出している。

また、第３の突出部１６Ｃは、第２のバイポーラ電極３Ｂの未塗工部分１５において第１の突出部１６Ａと対向する位置に配置され、電極板１１の他方面側（図２の下方側）に突出している。第４の突出部１６Ｄは、第２のバイポーラ電極３Ｂの未塗工部分１５において第２の突出部１６Ｂと対向する位置に配置され、電極板１１の一方面側（図２の上方側）に突出している。

本実施形態では、第１の突出部１６Ａの頂部及び第３の突出部１６Ｃの頂部の少なくとも一方に絶縁膜１７が設けられており、第１のバイポーラ電極３Ａにおける第１の突出部１６Ａの頂部は、当該絶縁膜１７を介した状態で、積層方向の一方側に隣接する第２のバイポーラ電極３Ｂの第３の突出部１６Ｃの頂部に接合されている。また、第２の突出部１６Ｂの頂部及び第４の突出部１６Ｄの頂部の少なくとも一方に絶縁膜１７が設けられており、第１のバイポーラ電極３Ａにおける第２の突出部１６Ｂの頂部は、当該絶縁膜１７を介した状態で、積層方向の他方側に隣接する第２のバイポーラ電極３Ｂの第４の突出部１６Ｄの頂部に接合されている。

絶縁膜１７は、例えば絶縁性を有する樹脂の塗布によって形成される。このような樹脂材料としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、及びポリオレフィンなどが挙げられる。また、第１の突出部１６Ａの頂部と第３の突出部１６Ｃの頂部との接合、及び第２の突出部１６Ｂの頂部と第４の突出部１６Ｄの頂部との接合には、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いることができる。絶縁膜１７による第１の突出部１６Ａの頂部と第３の突出部１６Ｃの頂部との間の絶縁抵抗、及び第２の突出部１６Ｂの頂部と第４の突出部１６Ｄの頂部との間の絶縁抵抗は、例えば０．１ＭΩ以上となっている。

以上説明したように、蓄電装置１では、電極板１１の未塗工部分１５に第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄが設けられていることで、積層方向に隣接するバイポーラ電極３同士の電極板１１，１１の間隔が広がり、枠体４と各バイポーラ電極３との間に十分な空間Ｓを形成できる。したがって、使用時のガスの発生に対するバッファとして空間Ｓを活用することが可能となる。

また、電極板１１の未塗工部分１５に第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄが設けられていることで、未塗工部分１５自体の剛性が向上すると共に、仮にガスの発生によってバイポーラ電極３，３間に差圧が生じた場合であっても、第１の突出部１６Ａと第３の突出部１６Ｃとの間、及び第２の突出部１６Ｂと第４の突出部１６Ｄとの間に絶縁膜１７がそれぞれ介在しているため、電極板１１，１１同士の短絡を防止できる。

また、蓄電装置１では、第１の突出部１６Ａと第３の突出部１６Ｃとが互いに接合されており、第２の突出部１６Ｂと第４の突出部１６Ｄとが互いに接合されている。これにより、バイポーラ電極３の積層体２のハンドリング性が向上し、枠体４への組み付け作業が容易なものとなる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、第１の突出部１６Ａと第３の突出部１６Ｃとが互いに接合されており、第２の突出部１６Ｂと第４の突出部１６Ｄとが互いに接合されているが、第１の突出部１６Ａと第３の突出部１６Ｃとは、接合されずに単に当接している形態であってもよい。同様に、第２の突出部１６Ｂと第４の突出部１６Ｄとは、接合されずに単に当接している形態であってもよい。

また、図３に示すように、第１の突出部１６Ａと第３の突出部１６Ｃとが互いに離間しており、第２の突出部１６Ｂと第４の突出部１６Ｄとが互いに離間していてもよい。図３に示す形態では、第１の突出部１６Ａの頂部及び第３の突出部１６Ｃの頂部の双方に絶縁膜１７が設けられているが、第１の突出部１６Ａの頂部及び第３の突出部１６Ｃの頂部のいずれか一方にのみ絶縁膜１７が設けられていてもよい。同様に、図３に示す形態では、第２の突出部１６Ｂの頂部及び第４の突出部１６Ｄの頂部の双方に絶縁膜１７が設けられているが、第２の突出部１６Ｂの頂部及び第４の突出部１６Ｄの頂部のいずれか一方にのみ絶縁膜１７が設けられていてもよい。

このような変形例の構成によっても、枠体４と各バイポーラ電極３との間に十分な空間Ｓを形成できる。また、ガスの発生によってバイポーラ電極３，３間に差圧が生じた場合であっても、第１の突出部１６Ａと第３の突出部１６Ｃとの間、及び第２の突出部１６Ｂと第４の突出部１６Ｄとの間に絶縁膜１７がそれぞれ介在しているため、電極板１１，１１同士の短絡を防止できる。枠体と各バイポーラ電極との間の空間の形状が複雑化することを回避できる。さらに、第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄの突出量が抑えられるので、枠体４と各バイポーラ電極３，３との間の空間Ｓの形状が複雑化することを回避できる。

また、上記実施形態では、第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄの頂部に絶縁膜１７が設けられているが、絶縁膜１７は、少なくとも頂部に設けられていればよく、第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄの側部、或いは未塗工部分１５の平坦部にわたって絶縁膜１７が設けられていてもよい。

さらに、上記実施形態では、断面矩形状の第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄを例示したが、第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄの形状はこれに限られるものではない。例えば図４（ａ）に示すように、断面半円形状の第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄを設けてもよく、図４（ｂ）に示すように、断面三角形状の第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄを設けてもよい。また、図４（ｃ）に示すように、断面矩形状の中実の第１の突出部１６Ａ〜第４の突出部１６Ｄを設けてもよい。

１…蓄電装置、２…積層体、２ａ…側面、３…バイポーラ電極、３Ａ…第１のバイポーラ電極、３Ｂ…第２のバイポーラ電極、４…枠体、６…セパレータ、１１…電極板、１２…正極、１３…負極、１５…未塗工部分、１６Ａ…第１の突出部、１６Ｂ…第２の突出部、１６Ｃ…第３の突出部、１６Ｄ…第４の突出部、１７…絶縁膜。

Claims (3)

1. 一方面側に正極が形成され、かつ他方面側に負極が形成された電極板からなるバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、
   セパレータを介して第１のバイポーラ電極と第２のバイポーラ電極とを交互に積層してなる積層体と、
   前記第１のバイポーラ電極及び前記第２のバイポーラ電極の積層によって形成された前記積層体の側面を取り囲んで保持する絶縁性の枠体と、を備え、
   前記第１のバイポーラ電極の前記電極板における前記正極及び前記負極の未塗工部分には、前記一方面側に突出する第１の突出部と、前記他方面側に突出する第２の突出部とが設けられ、
   前記第２のバイポーラ電極の前記電極板における前記正極及び前記負極の未塗工部分には、前記第１の突出部と対向するように前記他方面側に突出する第３の突出部と、前記第２の突出部と対向するように前記一方面側に突出する第４の突出部とが設けられ、
   前記第１の突出部及び前記第３の突出部の少なくとも一方、及び前記第２の突出部及び前記第４の突出部の少なくとも一方には、絶縁膜が設けられている蓄電装置。
2. 前記第１の突出部と前記第３の突出部とが互いに接合されており、前記第２の突出部と前記第４の突出部とが互いに接合されている請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記第１の突出部と前記第３の突出部とが互いに離間しており、前記第２の突出部と前記第４の突出部とが互いに離間している請求項１記載の蓄電装置。

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