JP2018101489A - Power storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蓄電装置に関する。 The present invention relates to a power storage device.
電極板の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極が電解質を保持するセパレータを介して一方向に積層された蓄電モジュール(バイポーラ電池)が知られている。そして、このような蓄電モジュールを電気的に接続した蓄電装置(電池ユニット)が開示されている。例えば、特許文献1には、複数の蓄電モジュールが電気的に並列に接続され、互いに隣接する蓄電モジュール同士を電気的に接続する導電体に放熱構造を設けた蓄電装置が開示されている。特許文献1に記載の蓄電装置では、大型化を抑制しながら効率的に放熱することが可能となる。
A power storage module (bipolar battery) is known in which a bipolar electrode, in which a positive electrode is formed on one surface of an electrode plate and a negative electrode is formed on the other surface, is laminated in one direction via a separator that holds an electrolyte. And the electrical storage apparatus (battery unit) which electrically connected such an electrical storage module is disclosed. For example,
しかしながら、上記従来の技術では、積層方向と交差する方向である蓄電装置の側面に配線等を引き出す必要があり、サイズの小型化には限界がある。また、このような蓄電装置では、出力特性を高めることが求められている。 However, in the above-described conventional technique, it is necessary to draw out wiring and the like on the side surface of the power storage device that is in the direction intersecting the stacking direction, and there is a limit to downsizing the size. Further, such a power storage device is required to improve output characteristics.
本発明は、サイズの大型化を抑制しつつ、出力特性を高めることができる蓄電装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a power storage device that can improve output characteristics while suppressing an increase in size.
本発明に係る蓄電装置は、電極板の一方の面に正極層が設けられると共に電極板の他方の面に負極層が設けられた複数のバイポーラ電極がセパレータを介して一方向に積層された蓄電モジュールを備える蓄電装置であって、一方向に蓄電モジュールが配列された配列体と、互いに隣接する蓄電モジュールの間に配置されると共に蓄電モジュールに接触させた状態で配置される導電体と、を備え、一方向に配列される蓄電モジュールは、導電体を介して電気的に直列に接続されており、導電体の少なくとも一つは、蓄電モジュールにおける導電体との接触面よりも高い熱伝導性を有している。 A power storage device according to the present invention is a power storage device in which a plurality of bipolar electrodes each provided with a positive electrode layer on one surface of an electrode plate and a negative electrode layer on the other surface of the electrode plate are stacked in one direction with a separator interposed therebetween. A power storage device including a module, an array in which power storage modules are arrayed in one direction, and a conductor disposed between the power storage modules adjacent to each other and in contact with the power storage module. The storage modules arranged in one direction are electrically connected in series via a conductor, and at least one of the conductors has a higher thermal conductivity than the contact surface of the storage module with the conductor. have.
上記蓄電装置では、蓄電モジュールの配列方向(一方向)に沿って電流が流れるので、配列方向に交差する方向に配線等を引き出す必要がない。したがって、配列方向に交差する方向にサイズが大型化することを回避できる。更に、上記蓄電装置では、高い熱伝導性を有する導電体が蓄電モジュールに接触した状態で配置されるので、蓄電モジュールにおいて発生した熱を放熱することができる。したがって、通常、導電体とは別個に配置される放熱板を配置する必要がなくなるので、配列方向のサイズを抑制することができる。また、一方向に配列される蓄電モジュールを導電体を介して電気的に並列に接続される場合、すなわち、導電体において上記一方向と交差する方向に電流を流す場合と比べて、導電体における電流経路を短くできると共に電流経路の断面積を広くできる。したがって、導電体部分の内部抵抗が小さくなるので、出力特性を高めることができる。 In the power storage device, current flows along the arrangement direction (one direction) of the power storage modules, so there is no need to draw out wiring or the like in a direction intersecting the arrangement direction. Therefore, it is possible to avoid an increase in size in the direction crossing the arrangement direction. Further, in the power storage device, the conductor having high thermal conductivity is arranged in contact with the power storage module, so that heat generated in the power storage module can be radiated. Therefore, it is not necessary to arrange a heat radiating plate that is usually arranged separately from the conductor, and the size in the arrangement direction can be suppressed. In addition, in the case where the power storage modules arranged in one direction are electrically connected in parallel via the conductor, that is, in the conductor, compared to the case where the current flows in the direction intersecting the one direction in the conductor. The current path can be shortened and the cross-sectional area of the current path can be increased. Therefore, since the internal resistance of the conductor portion is reduced, the output characteristics can be improved.
本発明に係る蓄電装置では、導電体は、一方向から見たときに蓄電モジュールが配置される領域内に配置されていてもよい。この蓄電装置では、蓄電モジュールから一方向に交差する方向に導電体が飛び出すことがないので、装置全体のサイズをより小さくすることができる。 In the power storage device according to the present invention, the conductor may be disposed in a region where the power storage module is disposed when viewed from one direction. In this power storage device, since the conductor does not jump out from the power storage module in a direction intersecting in one direction, the size of the entire device can be further reduced.
本発明に係る蓄電装置では、導電体の内部には、一方向に交差する方向に延在する貫通孔が形成されていてもよい。この蓄電装置では、例えば、貫通孔に熱導電性の高い流体を流通させることができるので、放熱性をより高めることが可能になる。 In the power storage device according to the present invention, a through hole extending in a direction intersecting with one direction may be formed inside the conductor. In this power storage device, for example, a fluid having high thermal conductivity can be circulated through the through-hole, so that heat dissipation can be further improved.
本発明に係る蓄電装置では、貫通孔には、冷媒が流通されていてもよい。この蓄電装置では、導電体における放熱性をより高めることができる。また、上記冷媒は、絶縁性の物質であってもよい。これにより、例えば、冷媒が貫通孔から漏れ出した場合であっても、短絡を防止することができる。また、上記冷媒は、気体であってもよい。この場合、より簡易に導電体の放熱性を高めることができる。 In the power storage device according to the present invention, a refrigerant may be circulated in the through hole. In this power storage device, the heat dissipation in the conductor can be further improved. The refrigerant may be an insulating material. Thereby, even if it is a case where a refrigerant | coolant leaks from a through-hole, for example, a short circuit can be prevented. The refrigerant may be a gas. In this case, the heat dissipation of the conductor can be improved more easily.
本発明に係る上記蓄電装置は、ニッケル水素二次電池として構成してもよい。このように構成されたニッケル水素二次電池においても、サイズの大型化を抑制しつつ、出力特性を高めることができる。 The power storage device according to the present invention may be configured as a nickel metal hydride secondary battery. Also in the nickel-hydrogen secondary battery configured as described above, output characteristics can be improved while suppressing an increase in size.
本発明によれば、サイズの大型化を抑制しながら蓄電モジュールにおいて発生する熱を放熱することを可能にすると共に、出力特性を高めることができる。 According to the present invention, it is possible to dissipate heat generated in the power storage module while suppressing an increase in size, and it is possible to improve output characteristics.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図1〜図3には、XYZ直交座標系が示される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are used for the same or equivalent elements, and redundant descriptions are omitted. 1 to 3 show an XYZ orthogonal coordinate system.
図1に示される蓄電装置10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。蓄電モジュール12は、例えば、バイポーラ電池である。蓄電モジュール12の例には、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等の二次電池が含まれるが、電気二重層キャパシタであってもよい。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。
The
複数の蓄電モジュール12は、金属板等の導電体14を介して積層されて配列体11を形成している。導電体14は、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の間に配置される一つの金属体であり、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の両方に接触させた状態で配置される。導電体14は、例えば、アルミニウム、銅等の金属材料により形成されている。導電体14は、積層方向(Z方向)から見たとき、蓄電モジュール12及び導電体14は、例えば、矩形形状を有する。積層方向から見たとき、導電体14は、蓄電モジュール12よりも小さいが、蓄電モジュール12と同じかそれより大きくてもよい。言い換えれば、導電体14は、積層方向から見たときに蓄電モジュール12が配置される領域内に配置されている。導電体14は、隣り合う蓄電モジュール12と電気的に接続される。これにより、複数の蓄電モジュール12が積層方向に直列に接続される。
The plurality of
導電体14は、蓄電モジュール12の積層方向において両端に位置する蓄電モジュール12の外側にもそれぞれ配置される。すなわち、導電体14は、積層方向において、配列体11の両端にも配置されている。積層方向において、一端に位置する導電体14には正極端子24が接続されており、他端に位置する導電体14には負極端子26が接続されている。正極端子24は、接続される導電体14と一体であってもよい。負極端子26は、接続される導電体14と一体であってもよい。正極端子24及び負極端子26は、積層方向に交差する方向(X方向)に延在している。これらの正極端子24及び負極端子26により、蓄電装置10の充放電を実施できる。
The
導電体14は、蓄電モジュール12において発生した熱を放出するための放熱板としても機能する。具体的には、導電体14は、蓄電モジュール12における導電体14との接触面12aよりも高い熱伝導性を有している。また、導電体14の内部には、積層方向に交差する方向(Y方向)に延在する貫通孔14aが設けられている。貫通孔14aは、導電体14において互いに対向する一方の側面から他方の側面まで連通する。貫通孔14aは、積層方向及び積層方向に交差する方向(X方向)に配列されている。このような貫通孔14aに空気等の気体の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール12において発生する熱を効率的に外部に放出できる。導電体14のサイズ、導電体14の材質、貫通孔14aのサイズ、及び貫通孔14aの数等は、例えば、蓄電装置10の温度が50℃を超えないように適宜調整される。蓄電モジュール12に、貫通孔14aに空気を積極的に流通(循環)させる装置を設けても良い。
The
蓄電装置10は、交互に積層された蓄電モジュール12及び導電体14を積層方向に拘束する拘束部材15を備え得る。拘束部材15は、一対の拘束プレート16,17と、拘束プレート16,17同士を連結する連結部材(ボルト18及びナット20)と、を備える。各拘束プレート16,17と導電体14との間には、例えば、樹脂フィルム等の絶縁フィルム22が配置される。各拘束プレート16,17は、例えば、鉄等の金属によって構成されている。
The
積層方向から見たとき、各拘束プレート16,17及び絶縁フィルム22は、例えば、矩形形状を有する。絶縁フィルム22は、導電体14よりも大きくなっており、各拘束プレート16,17は、蓄電モジュール12よりも大きくなっている。積層方向から見たとき、拘束プレート16の縁部には、ボルト18の軸部を挿通させる挿通孔16aが蓄電モジュール12よりも外側となる位置に設けられている。同様に、積層方向から見たとき、拘束プレート17の縁部には、ボルト18の軸部を挿通させる挿通孔17aが蓄電モジュール12よりも外側となる位置に設けられている。積層方向から見たときに各拘束プレート16,17が矩形形状を有している場合、挿通孔16a及び挿通孔16bは、拘束プレート16,17の角部に位置する。
When viewed from the stacking direction, each of the restraining
一方の拘束プレート16は、負極端子26に接続された導電体14に絶縁フィルム22を介して突き当てられ、他方の拘束プレート17は、正極端子24に接続された導電体14に絶縁フィルム22を介して突き当てられている。ボルト18は、例えば、一方の拘束プレート16側から他方の拘束プレート17側に向かって挿通孔16aに通され、他方の拘束プレート17から突出するボルト18の先端には、ナット20が螺合されている。これにより、絶縁フィルム22、導電体14及び蓄電モジュール12が挟持されてユニット化されると共に、積層方向に拘束荷重が付加される。
One constraining
図2に示されるように、蓄電モジュール12は、複数のバイポーラ電極32が積層された積層体30を備える。バイポーラ電極32の積層方向から見たとき、積層体30は、例えば、矩形形状を有する。隣り合うバイポーラ電極32間にはセパレータ40が配置され得る。バイポーラ電極32は、電極板34と、電極板34の一方面に設けられた正極層36と、電極板34の他方面に設けられた負極層38と、を含む。積層体30において、一のバイポーラ電極32の正極層36は、セパレータ40を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極32の負極層38と対向し、一のバイポーラ電極32の負極層38は、セパレータ40を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極32の正極層36と対向している。
As shown in FIG. 2, the
積層方向において、積層体30の一端には、内側面に負極層38が配置された電極板34(負極側終端電極)が配置され、他端には、内側面に正極層36が配置された電極板34(正極側終端電極)が配置される。負極側終端電極の負極層38は、セパレータ40を介して最上層のバイポーラ電極32の正極層36と対向している。正極側終端電極の正極層36は、セパレータ40を介して最下層のバイポーラ電極32の負極層38と対向している。これら終端電極の電極板34はそれぞれ隣り合う導電体14(図1参照)に接続される。
In the stacking direction, an electrode plate 34 (negative electrode side termination electrode) having a
蓄電モジュール12は、バイポーラ電極32の積層方向に延在する積層体30の側面30aにおいて電極板34の縁部34aを保持する枠体50を備える。枠体50は、積層体30の側面30aを取り囲むように構成されている。側面50sは、バイポーラ電極32の積層方向から見たとき、例えば、矩形形状を有している。この場合、側面50sは四つの矩形面から構成される。枠体50は、電極板34の縁部34aを保持する第1樹脂部52と、積層方向から見たときに第1樹脂部52の周囲に設けられる第2樹脂部54とを備え得る。
The
枠体50の内壁を構成する第1樹脂部52は、各バイポーラ電極32の電極板34の一方面(正極層36が形成される面)から縁部34aにおける電極板34の端面にわたって設けられている。バイポーラ電極32の積層方向から見たとき、各第1樹脂部52は、各バイポーラ電極32の電極板34の縁部34a全周にわたって設けられている。隣り合う第1樹脂部52同士は、各バイポーラ電極32の電極板34の他方面(負極層38が形成される面)の外側に延在する面において溶着している。その結果、第1樹脂部52には、各バイポーラ電極32の電極板34の縁部34aが埋没して保持されている。各バイポーラ電極32の電極板34の縁部34aと同様に、積層体30の両端に配置された電極板34の縁部34aも第1樹脂部52に埋没した状態で保持されている。これにより、積層方向に隣り合う電極板34,34間には、当該電極板34,34と第1樹脂部52とによって気密に仕切られた内部空間Vが形成されている。当該内部空間V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。
The
枠体50の外壁を構成する第2樹脂部54は、バイポーラ電極32の積層方向において積層体30の全長にわたって延在する筒状部である。第2樹脂部54は、バイポーラ電極32の積層方向に延在する第1樹脂部52の外側面を覆っている。第2樹脂部54は、バイポーラ電極32の積層方向に延在する内側面において第1樹脂部52の外側面に溶着されている。
The
電極板34は、例えば、ニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板34の縁部34aは、正極活物質及び負極活物質の塗工されない未塗工領域となっており、当該未塗工領域が枠体50の内壁を構成する第1樹脂部52に埋没して保持される領域となっている。正極層36を構成する正極活物質の例には、水酸化ニッケルが含まれる。負極層38を構成する負極活物質の例には、水素吸蔵合金が含まれる。電極板34の他方面における負極層38の形成領域は、電極板34の一方面における正極層36の形成領域に対して一回り大きくなっている。なお、電極板34は、導電性樹脂から形成されてもよい。
The
セパレータ40は、例えば、シート状に形成されている。セパレータ40を形成する材料の例には、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及び不織布等が含まれる。また、セパレータ40は、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されていてもよい。なお、セパレータ40は、シート状に限られず、袋状に形成されていてもよい。
The
枠体50(第1樹脂部52及び第2樹脂部54)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50を構成する樹脂材料の例には、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、及び変性ポリフェニレンエーテル(変性PPE)等が含まれる。
The frame 50 (the
上述した一実施形態の蓄電装置10では、導電体14が蓄電モジュール12における導電体14との接触面12aよりも高い熱伝導性を有しているので、蓄電モジュール12において発生した熱を導電体14を介して放熱することができる。
In the
また、蓄電モジュール12の配列方向(Z方向)に沿って電流が流れるので、配列方向に交差する方向(X方向及び/又はY方向)に配線等を引き出す必要がない。したがって、配列方向に交差する方向にサイズが大型化することを回避できる。更に、一実施形態の蓄電装置10では、高い熱伝導性を有する導電体14が蓄電モジュール12に接触した状態で配置されるので、蓄電モジュール12において発生した熱を放熱することができる。したがって、通常、導電体14とは別個に配置される放熱板を配置する必要がなくなるので、配列方向のサイズを抑制することができる。
Moreover, since current flows along the arrangement direction (Z direction) of the
また、上述した一実施形態の蓄電装置10では、積層方向に配列される蓄電モジュールを導電体を介して電気的に並列に接続される場合(以下、「従来の蓄電装置」と称する。)、すなわち、導電体において一方向と交差する方向(X方向)に電流を流す場合と比べて、導電体14における電流経路を短くできると共に電流経路の断面積を広くできる。すなわち、上述した一実施形態の蓄電装置10では、従来の蓄電装置と比べて抵抗を小さくすることができる。
Further, in the
この点について、図1を用いて具体的に説明する。導電体14の抵抗率をρ(Ω・m)、導電体14の断面積をA(m2)、導電体14の長さをL(m)としたとき、導電体14の抵抗Rは、下記の式で示される。
R=ρ×(L/A)
そして、例えば、図1に示される寸法形状と同様の導電体を配置し、電気的に直列に接続した場合と、並列に接続した場合とを比較する。
This point will be specifically described with reference to FIG. When the resistivity of the
R = ρ × (L / A)
Then, for example, a conductor similar to the dimension and shape shown in FIG.
上記実施形態の蓄電装置10の導電体14における長さLはZ方向の長さであり、従来の蓄電装置の導電体における長さLはX方向の長さである。したがって、上記実施形態の蓄電装置10の導電体14における長さLは、従来の蓄電装置の導電体における長さLよりも短い。また、上記実施形態の蓄電装置10の導電体14における断面積AはX方向とY方向との積であり、従来の蓄電装置の導電体における断面積AはY方向とX方向との積である。したがって、上記実施形態の蓄電装置10の導電体14における断面積Aは、従来の蓄電装置の導電体における断面積Aよりも広い。以上のことから、上記実施形態の蓄電装置10の導電体14の抵抗Rは、従来の蓄電装置の導電体の抵抗Rよりも小さくなる。したがって、上記実施得形態の蓄電装置10は、出力特性を高めることができる。
The length L of the
上記実施形態の蓄電装置10では、導電体14は、積層方向から見たときに蓄電モジュール12が配置される領域内に配置されている。これにより、蓄電モジュール12からX方向又はY方向に導電体14が飛び出すことがないので、蓄電装置10全体のサイズをより小さくすることが可能になる。
In the
上記実施形態の蓄電装置10では、導電体14の内部には、積層方向に交差するY方向に延在する貫通孔14aが形成されている。これにより、貫通孔14aに空気等の気体を流通させることができ、放熱性をより高めることが可能になる。
In the
以上、一実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。 As mentioned above, although one embodiment was described in detail, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
上記実施形態では、導電体14に形成される貫通孔14aに空気を流通させる構成を例に挙げて説明したが、図3に示されるように、空気に代えて液体の冷媒Fを流通させてもよい。冷媒Fの例には、絶縁油等が含まれる。この場合、導電体14における放熱性をより高めることができる。また、上記冷媒Fは、絶縁性の物質とする。この場合には、例えば、冷媒Fが貫通孔14aから漏れ出した場合であっても、冷媒Fによる短絡を防止することができる。
In the above embodiment, the configuration in which air is circulated through the through
上記実施形態又は変形例では、導電体14の内部に貫通孔14aが形成されている例を挙げて説明したが、図4に示されるように、上記導電体14に代えて貫通孔を有さない導電体114を採用しても良い。この場合であっても、導電体14は、導電性を有しているので、配列方向に配列される蓄電モジュール12は、導電体14を介して電気的に直列に接続される。また、導電体114は、蓄電モジュール12における導電体14との接触面12aよりも高い熱伝導性を有しているので、放熱性を確保することができる。このような構成の蓄電装置10であっても、サイズの大型化を抑制しつつ、出力特性を高めることができる。
In the above embodiment or modification, the example in which the through
上記実施形態では、蓄電装置10に備わる全ての導電体14が、蓄電モジュール12における接触面12aよりも高い熱伝導性を有すると共に貫通孔14aが設けられている例を挙げて説明したが、例えば、選択された導電体のみが、蓄電モジュール12における接触面12aよりも高い熱伝導性を有していてもよいし、また、貫通孔14aが設けられていてもよい。
In the above embodiment, all the
また、同様に、上記変形例では、蓄電装置10に備わる全ての導電体14が蓄電モジュール12における接触面12aよりも高い熱伝導性を有している例を挙げて説明したが、例えば、選択された導電体のみが、蓄電モジュール12における接触面12aよりも高い熱伝導性を有していてもよい。
Similarly, in the above modification, the example in which all the
また、上記実施形態又は変形例では、蓄電装置10がニッケル水素二次電池の例を挙げて説明したが、リチウムイオン二次電池であってもよい。この場合、正極活物質は、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等である。負極活物質は、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、SiOx(0.5≦x≦1.5)等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等である。
Moreover, although the
10…蓄電装置、11…配列体、12…蓄電モジュール、12a…接触面、14,114…導電体、14a…貫通孔、30…積層体、32…バイポーラ電極、34…電極板、36…正極層、38…負極層、40…セパレータ、50…枠体。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記一方向に前記蓄電モジュールが配列された配列体と、
互いに隣接する前記蓄電モジュールの間に配置される一つの金属体であり、互いに隣接する前記蓄電モジュールの両方に接触させた状態で配置される導電体と、を備え、
前記一方向に配列される前記蓄電モジュールは、前記導電体を介して電気的に直列に接続されており、
前記導電体は、前記蓄電モジュールにおける前記導電体との接触面よりも高い熱伝導性を有している、蓄電装置。 A power storage device comprising a power storage module in which a plurality of bipolar electrodes each having a positive electrode layer provided on one surface of an electrode plate and a negative electrode layer provided on the other surface of the electrode plate are stacked in one direction with a separator interposed therebetween. And
An array in which the power storage modules are arrayed in the one direction;
A metal body disposed between the storage modules adjacent to each other, and a conductor disposed in contact with both of the storage modules adjacent to each other.
The power storage modules arranged in the one direction are electrically connected in series via the conductor,
The electrical storage device, wherein the electrical conductor has higher thermal conductivity than a contact surface with the electrical conductor in the electrical storage module.
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