JP2018125141A - 蓄電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】効率的な放熱が可能な蓄電装置を提供する。【解決手段】一方面側に正極層36が形成され、他方面側に負極層38が形成された電極板34からなるバイポーラ電極32を有する蓄電装置10であって、セパレータ40を介してバイポーラ電極を積層してなる積層体30と、バイポーラ電極の周縁部を保持すると共に積層体の側面を形成する枠体50と、を有し、一方向に配列された複数の蓄電モジュールと、互いに隣接する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14、を備え、導電体には、一方向に交差する方向に延在する貫通孔14aが形成されており、互いに隣接する蓄電モジュールにおけるシール部同士の距離であって、貫通孔の延在方向における貫通孔の端部に対向する第一部分P1の第一距離G11は、端部に対向しない第二部分P2の第二距離G12よりも長い。【選択図】図3
Description
本発明は、蓄電装置に関する。
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路を設けた蓄電装置が開示されている。
上記蓄電モジュールを完全固体電極以外の電極から構成する場合、例えば、蓄電モジュールをケース内に密閉したりする等、電解液の漏洩を防止するためのシール構造を設ける必要がある。このような蓄電モジュールを備える蓄電装置であっても、蓄電モジュールにおいて発生する熱を効率的に放熱する必要がある。
本発明は、効率的な放熱が可能な蓄電装置を提供することを目的とする。
本発明に係る蓄電装置は、一方面側に正極層が形成され、他方面側に負極層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バイポーラ電極を積層してなる積層体と、バイポーラ電極の周縁部を保持すると共に積層体の側面を形成するシール部と、を有し、一方向に配列された複数の蓄電モジュールと、互いに隣接する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、導電体には、一方向に交差する方向に延在する流路が形成されており、互いに隣接する蓄電モジュールにおけるシール部同士の距離であって、流路の延在方向における流路の端部に対向する第一部分の第一距離は、端部に対向しない第二部分の第二距離よりも長い。
上記蓄電装置では、流路端部に対向する第一部分におけるシール部同士の第一距離が、流路端部に対向しない第二部分の第二距離よりも長い。これにより、上記流路を介して流通する冷却風の通り道を確保しつつ、上記流路以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを抑制することができる。この結果、効率的な放熱が可能となる。
本発明に係る蓄電装置では、上記流路は、直線状に延在しており、第二部分は、端部に対向しない部分であると共に流路の延在方向に沿う部分であってもよい。上記蓄電装置では、容易に導電体に流路を形成することができる。
本発明に係る蓄電装置では、第二部分では、互いに隣接する蓄電モジュールのシール部同士が互いに接触していてもよい。上記蓄電装置では、流路以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを効果的に抑制することができる。
本発明に係る蓄電装置では、互いに隣接する蓄電モジュールのシール部同士は、弾性変形した状態で互いに接触していてもよい。上記蓄電装置では、例えば、導電体の高さ方向における寸法公差を吸収することができる。
本発明に係る蓄電装置では、互いに隣接する蓄電モジュールの少なくとも一方には、シール部同士が接触する部分に凸部が形成されていてもよい。上記蓄電装置では、シール部同士が接触する部分において容易に弾性変形させることができる。
本発明に係る蓄電装置では、互いに隣接する蓄電モジュールの一方には、シール部同士が接触する部分に凸部が形成されており、互いに隣接する蓄電モジュールの他方には、シール部同士が接触する部分に凸部を覆う凹部が形成されていてもよい。上記蓄電装置では、例えば、導電体の高さ方向における寸法公差を吸収することができる。
本発明に係る蓄電装置では、導電体に形成される流路の延在方向が、一方向に配列される全ての導電体において一致していてもよい。この蓄電装置では、組み付け時の作業性を向上させることができる。
本発明に係る蓄電装置では、シール部は、電極板の周縁部に接合される枠体状の第一シール部と、第一シール部の外周面を覆い、第一シール部を一体的に保持する第二シール部と、を有していてもよい。上記蓄電装置では、蓄電モジュールにおける電解液の密閉性を高めることができる。
本発明によれば、効率的な放熱が可能になる。
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7には、XYZ直交座標系が示される。
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。
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。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。
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。
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。導電体14は、蓄電モジュール12における導電体14との接触部(例えば接触面12a)よりも高い熱伝導性を有してもよい。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14d(図5参照)から他方の側面14f(図5参照)まで直線状に連通する。
本実施形態では、貫通孔14aは複数配列されている。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。また、本実施形態では、導電体14に形成される貫通孔14aの延在方向が、積層方向に配列される全ての導電体14において一致している。
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。
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。
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。
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。
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。
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の周縁部34aを保持する枠体(シール部)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。枠体50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、枠体50は四つの矩形面から構成される。枠体50は、電極板34の周縁部34aを保持する第一樹脂部(第一シール部)52と、積層方向から見たときに第一樹脂部52の周囲に設けられる第二樹脂部(第二シール部)54とを備え得る。
枠体50の内壁を構成する第一樹脂部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)から周縁部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、各第一樹脂部52は、各バイポーラ電極32の電極板34の周縁部34a全周にわたって設けられている。隣り合う第一樹脂部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、第一樹脂部52には、各バイポーラ電極32の電極板34の周縁部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の周縁部34aと同様に、積層体30の両端に配置された電極板34の周縁部34aも第一樹脂部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と第一樹脂部52とによって気密に仕切られた内部空間が形成されている。当該内部空間には、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。
枠体50の外壁を構成する第二樹脂部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。第二樹脂部54は、バイポーラ電極32の積層方向に延在する第一樹脂部52の外側面を覆っている。第二樹脂部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一樹脂部52の外側面に溶着されている。
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の周縁部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一樹脂部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。
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、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。
枠体50(第一樹脂部52及び第二樹脂部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。
次に、上述した蓄電モジュール12間の距離について、図3及び図4を用いて説明する。図3は、図1の蓄電装置の一部を拡大して示した正面図であり、図4は、図3の蓄電装置を導電体に形成された貫通孔の端部が正面に見えるA方向から見た側面図である。図3に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール12,12における第二樹脂部54同士の距離であって、延在方向における貫通孔14aの端部14b(14c)に対向する第一部分P1の距離を第一距離G11とする。また、図4に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール12,12における第二樹脂部54同士の距離であって、延在方向における貫通孔14aの端部14b(14c)に対向しておらず、貫通孔14aの延在方向に沿う第二部分P2の距離を第二距離G12とする。
ここで、第一部分P1における第一距離G11は、第二部分P2における第二距離G12よりも長い(G11>G12)。図4に示されるように、本実施形態では、第二部分P2では、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の第二樹脂部54,54同士が互いに接触している。すなわち、第二部分P2における第二距離G12は0(ゼロ)である。また、貫通孔14aの高さG2は、例えば、高さG2の1/2以上とすることができる。また、貫通孔14aの高さG2は、第一部分P1における第一距離G11と同等、又はそれ以上としてもよい。
互いに隣接する蓄電モジュール12,12の一方には、第二樹脂部54,54同士が接触する部分に凸部54bが形成されており、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の他方には、第二樹脂部54,54同士が接触する部分に凸部54bを覆う凹部54aが形成されている。そして、上記凸部54b及び凹部54aの一部又は全部は、弾性変形した状態で互いに接触している。
上記実施形態の蓄電装置10では、貫通孔14aの端部14b(14c)に対向する第一部分P1における第二樹脂部54,54同士の第一距離G11(図3参照)が、貫通孔14aの端部14b(14c)に対向しない第二部分P2の第二距離G12(図4参照)よりも長い。これにより、上記貫通孔14aを介して流通する冷却風の通り道を確保しつつ、上記貫通孔14a以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを抑制することができる。この結果、効率的な放熱が可能となる。
上記実施形態の蓄電装置10における第二部分P2では、図4に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の第二樹脂部54,54同士が互いに接触しているので、貫通孔14a以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを効果的に抑制することができる。
上記実施形態の蓄電装置10では、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の第二樹脂部54,54同士が、弾性変形した状態で互いに接触しているので、導電体14の高さ方向(Z軸方向)における寸法公差を吸収することができる。
上記実施形態の蓄電装置10では、図4に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の一方には、第二樹脂部54,54同士が接触する部分に凸部54bが形成されており、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の他方には、第二樹脂部54,54同士が接触する部分に凸部54bを覆う凹部54aが形成されているので、この場合も、例えば、導電体14の高さ方向における寸法公差を吸収することができる。
上記実施形態の蓄電装置10では、導電体14に形成される貫通孔14aの延在方向が、積層方向に配列される全ての導電体14において一致させているので、組み付け時の作業性を向上させることができる。
上記実施形態の蓄電装置10では、枠体50は、電極板34の周縁部34aに接合される枠体状の第一樹脂部52と、第一樹脂部52の外周面を覆い、第一樹脂部52を一体的に保持する第二樹脂部54と、を有しているので、蓄電モジュール12における電解液の密閉性を高めることができる。
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。上記実施形態では、図4に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の一方には凸部54bが形成され、他方には凹部54aが形成されている例を挙げて説明したが、図6に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の接触面は、両方とも平坦面であってもよい。また、図示はしないが、互いに隣接する蓄電モジュール12,12の接触面の少なくとも一方に凸部が形成されていてもよい。この場合、第二部分P2における第二距離G12は0(ゼロ)となる。このような構成であっても、第一部分P1における第一距離G11は、第二部分P2における第二距離G12よりも長い(G11>G12)ので、上記貫通孔14aを介して流通する冷却風の通り道を確保しつつ、上記流路以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを抑制することができる。
上記実施形態又は変形例では、貫通孔14aの延在方向に沿う第二部分P2の距離である第二距離G12を0(ゼロ)とする例を挙げて説明したが、例えば、図7に示されるように、第二距離G12を0(ゼロ)よりも大きく、かつ第一距離G11よりも小さくしてもよい。この場合であっても、上記貫通孔14aを介して流通する冷却風の通り道を確保しつつ、上記流路以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを抑制することができる。
上記実施形態又は変形例では、図5に示されるように、上記導電体14に形成された貫通孔14aは、導電体14において互いに対向する一方の側面14dから他方の側面14fまで連通している例を挙げて説明したが、例えば、一の側面14gから隣接する一つの側面14fまで連通していてもよい。
上記実施形態又は変形例では、冷却風が流通する流通路の例として導電体14に形成された貫通孔14aを例に挙げて説明したが、例えば、少なくとも一方の表面に溝が形成された導電体14を終端電極の電極板34に接触させることによって、冷却風が流通する流通路を形成してもよい。
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。
10…蓄電装置、12…蓄電モジュール、14…導電体、14a…貫通孔、14b,14c…貫通孔の端部、32…バイポーラ電極、34…電極板、34a…周縁部、50…枠体(シール部)、52…第一樹脂部(第一シール部)、54…第二樹脂部(第二シール部)、54a…凹部、54b…凸部、G11…第一距離、G12…第二距離、P1…第一部分、P2…第二部分。
Claims (8)
- 一方面側に正極層が形成され、他方面側に負極層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前記バイポーラ電極を積層してなる積層体と、
前記バイポーラ電極の周縁部を保持すると共に前記積層体の側面を形成するシール部と、を有し、一方向に配列された複数の蓄電モジュールと、
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、
前記導電体には、前記一方向に交差する方向に延在する流路が形成されており、
互いに隣接する前記蓄電モジュールにおける前記シール部同士の距離であって、前記流路の延在方向における前記流路の端部に対向する第一部分の第一距離は、前記端部に対向しない第二部分の第二距離よりも長い、蓄電装置。 - 前記流路は、直線状に延在しており、前記第二部分は、前記端部に対向しない部分であると共に前記流路の延在方向に沿う部分である、請求項1記載の蓄電装置。
- 前記第二部分では、互いに隣接する前記蓄電モジュールの前記シール部同士が互いに接触している、請求項1又は2記載の蓄電装置。
- 互いに隣接する前記蓄電モジュールの前記シール部同士は、弾性変形した状態で互いに接触している、請求項3記載の蓄電装置。
- 互いに隣接する前記蓄電モジュールの少なくとも一方には、前記シール部同士が接触する部分に凸部が形成されている、請求項3又は4記載の蓄電装置。
- 互いに隣接する前記蓄電モジュールの一方には、前記シール部同士が接触する部分に凸部が形成されており、互いに隣接する前記蓄電モジュールの他方には、前記シール部同士が接触する部分に前記凸部を覆う凹部が形成されている、請求項3又は4記載の蓄電装置。
- 前記導電体に形成される前記流路の延在方向が、前記一方向に配列される全ての前記導電体において一致している、請求項1〜6の何れか一項記載の蓄電装置。
- 前記シール部は、前記電極板の周縁部に接合される枠体状の第一シール部と、前記第一シール部の外周面を覆い、前記第一シール部を一体的に保持する第二シール部と、を有している、請求項1〜7の何れか一項記載の蓄電装置。
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