JP2019021513A - 蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】体格及び重量の増加を回避しつつ、蓄電モジュールに均一な拘束圧を付加できる蓄電装置を提供する。【解決手段】セパレータ１３を介して複数のバイポーラ電極１４が積層された電極積層体１１を含む一又は複数の蓄電モジュール４と、蓄電モジュール４を電極積層体１１の積層方向に挟む一対の拘束板８，８、及び一対の拘束板８，８同士を締結する締結部材を含む拘束部３と、少なくとも一方の拘束板８，８と蓄電モジュール４との間に配置され、かつセパレータ１３と比較して圧縮に対する面圧が小さい弾性体Ｆと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

蓄電装置の一種として、セパレータを介して複数のバイポーラ電極が積層された積層体を有するバイポーラ型の蓄電装置が知られている。かかる蓄電装置としては、例えば特許文献１に記載の組電池がある。この従来の蓄電装置は、バイポーラ電極の積層体をシール部で封止した蓄電モジュールを備えている。蓄電モジュールにおいて、バイポーラ電極の積層方向の両端には、拘束板がそれぞれ配置されている。拘束板同士は、締結部材によって締結されている。これにより、蓄電モジュールに対して所定の拘束圧が付加され、バイポーラ電極同士の離間が抑制される。

特開２００７−１２２９７７号公報

上述したようなバイポーラ型の蓄電装置では、拘束板による蓄電モジュールの拘束面（バイポーラ電極の積層方向の端面）の面積が比較的大面積となることが考えられる。このため、拘束板によって蓄電モジュールに拘束圧を付加した際、締結部材との締結位置から近い部分と遠い部分とでは、蓄電モジュールに付加される拘束圧に差が生じる可能性がある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり蓄電モジュールに均一な拘束圧を付加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、セパレータを介して複数のバイポーラ電極が積層された積層体を含む一又は複数の蓄電モジュールと、蓄電モジュールを積層体の積層方向に挟む一対の拘束板、及び一対の拘束板同士を締結する締結部材を含む拘束部と、少なくとも一方の拘束板と蓄電モジュールとの間に配置され、かつセパレータと比較して圧縮に対する面圧が小さい弾性体と、を備える。

この蓄電装置では、少なくとも一方の拘束板と蓄電モジュールとの間にセパレータと比較して圧縮に対する面圧が小さい弾性体が配置されている。この弾性体の配置により、拘束部による拘束時に蓄電モジュール（特にセパレータ）に比べて弾性体が優先的に圧縮される。したがって、拘束板と締結部材との締結位置からの距離による拘束圧の差が緩和され、蓄電モジュールに均一な拘束圧を付加できる。弾性体は、拘束板に比べて軽く、かつ拘束時に圧縮されるため、拘束板の厚さを増加させる場合に比べて蓄電装置の体格及び重量の増加も回避できる。

また、弾性体は、積層方向から見て、少なくともバイポーラ電極における正極と負極との対向領域と重なるように配置されていてもよい。このような構成により、蓄電モジュールを構成するバイポーラ電極に対して均一な拘束圧を効果的に付加することができ、バイポーラ電極同士の離間を好適に抑制できる。

また、蓄電モジュールは、積層方向の積層端に集電板を有し、弾性体は、拘束板と集電板との間に配置されていてもよい。このような構成においても、蓄電モジュールを構成するバイポーラ電極に対して均一な拘束圧を効果的に付加することができ、バイポーラ電極同士の離間を好適に抑制できる。

また、弾性体は、積層方向から見て、集電板と重なるように配置されていてもよい。このような構成においても、蓄電モジュールを構成するバイポーラ電極に対して均一な拘束圧を効果的に付加することができ、バイポーラ電極同士の離間を好適に抑制できる。

また、弾性体の中央部は、縁部に比べて硬くなっていてもよい。こうすると、拘束板と締結部材との締結位置からの距離による拘束圧の差を一層効果的に緩和できる。

また、弾性体は、電気絶縁性を有していてもよい。この場合、弾性体が絶縁部材を兼ねることで、蓄電装置の構成の簡単化が図られる。

また、弾性体は、ゴムであってもよい。この場合、簡単な構成で弾性体を構成できる。また、体格及び重量の増加を一層確実に回避できる。

本発明によれば、蓄電モジュールに均一な拘束圧を付加できる。

蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。 蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。 弾性体の特性を示す図である。 比較例に係る蓄電装置における拘束板の変形量のシミュレーション結果の一例を示す図である。 実施例に係る蓄電装置における拘束板の変形量のシミュレーション結果の一例を示す図である。

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、蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。同図に示す蓄電装置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装置である。蓄電装置１は、複数の蓄電モジュール４を積層してなる蓄電モジュール積層体２と、蓄電モジュール積層体２に対して拘束圧を付加する拘束部３とを備えて構成されている。

蓄電モジュール積層体２は、複数（本実施形態では３体）の蓄電モジュール４と、蓄電モジュール４，４間に配置された複数の導電板５とによって構成されている。蓄電モジュール４は、複数のバイポーラ電極１４（後述）を備えたバイポーラ型の蓄電モジュールであり、積層方向から見て矩形状をなしている。蓄電モジュール４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等の二次電池、或いは電気二重層キャパシタである。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

積層方向に隣り合う蓄電モジュール４，４同士は、導電板５を介して電気的に接続されている。導電板５は、蓄電モジュール積層体２の積層端に位置する蓄電モジュール４の外側にもそれぞれ配置されている。これらの積層端の導電板５は、蓄電モジュール積層体２の集電板２５として機能する。一方の積層端に位置する蓄電モジュール４の外側に配置された導電板５には、正極端子６が接続されている。また、他方の積層端に位置する蓄電モジュール４の外側に配置された導電板５には、負極端子７が接続されている。正極端子６及び負極端子７は、例えば導電板５の縁部から積層方向に交差する方向に引き出されている。正極端子６及び負極端子７により、蓄電装置１の充放電が実施される。

各導電板５の内部には、空気等の冷媒を流通させる複数の流路５ａが設けられている。各流路５ａは、例えば積層方向と、正極端子６及び負極端子７の引き出し方向とにそれぞれ直交する方向に互いに平行に延在している。これらの流路５ａに冷媒を流通させることで、導電板５は、蓄電モジュール４，４同士を電気的に接続する接続部材としての機能のほか、蓄電モジュール４で発生した熱を放熱する放熱板としての機能を併せ持つ。なお、図１の例では、積層方向から見た導電板５の面積は、蓄電モジュール４の面積よりも小さいが、放熱性の向上の観点から、導電板５の面積は、蓄電モジュール４の面積と同じであってもよく、蓄電モジュール４の面積よりも大きくてもよい。

拘束部３は、蓄電モジュール積層体２を積層方向に挟む一対の拘束板８，８と、拘束板８，８同士を締結する締結ボルト（締結部材）９及びナット（締結部材）１０とを含んで構成されている。拘束板８は、積層方向から見た蓄電モジュール４及び導電板５の面積よりも一回り大きい面積を有する矩形の金属板である。拘束板８の内側面（蓄電モジュール積層体２側の面）には、電気絶縁性を有するシート状の弾性体Ｆが配置されている。弾性体Ｆについては後述する。

拘束板８の縁部には、蓄電モジュール積層体２よりも外側となる位置に挿通孔８ａが設けられている。締結ボルト９は、一方の拘束板８の挿通孔８ａから他方の拘束板８の挿通孔８ａに向かって通され、他方の拘束板８の挿通孔８ａから突出した締結ボルト９の先端部分には、ナット１０が螺合されている。これにより、蓄電モジュール４及び導電板５が拘束板８，８によって挟持され、蓄電モジュール積層体２としてユニット化される。また、蓄電モジュール積層体２に対して積層方向に拘束圧が付加される。

図２は、蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。同図に示すように、蓄電モジュール４は、電極積層体１１と、電極積層体１１を封止する封止体１２とを備えて構成されている。

電極積層体１１は、セパレータ１３を介して複数のバイポーラ電極１４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１４は、一方面１５ａ側に正極１６が形成され、かつ他方面１５ｂ側に負極１７が形成された電極板１５からなる電極である。電極積層体１１において、一のバイポーラ電極１４の正極１６は、セパレータ１３を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極１４の負極１７と対向している。また、電極積層体１１において、一のバイポーラ電極１４の負極１７は、セパレータ１３を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極１４の正極１６と対向している。

電極積層体１１の積層端の一方には、負極終端電極１８が配置され、電極積層体１１の積層端の他方には、正極終端電極１９が配置されている。負極終端電極１８は、内面側（積層方向の中心側）に負極１７が形成された電極板１５によって構成されており、正極終端電極１９は、内面側（積層方向の中心側）に正極１６が形成された電極板１５によって構成されている。負極終端電極１８の負極１７は、セパレータ１３を介して積層端の一方のバイポーラ電極１４の正極１６と対向している。正極終端電極１９の正極１６は、セパレータ１３を介して積層端の他方のバイポーラ電極１４の負極１７と対向している。負極終端電極１８の電極板１５及び正極終端電極１９の電極板１５は、蓄電モジュール４に隣接する導電板５（図１参照）に対して電気的に接続されている。

電極板１５は、例えばニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板１５の縁部１５ｃは、正極活物質及び負極活物質が塗工されない未塗工領域となっており、当該未塗工領域は、封止体１２に埋没して保持されている。正極１６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。また、負極１７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。本実施形態では、電極板１５の他方面１５ｂにおける負極１７の形成領域は、電極板１５の一方面１５ａにおける正極１６の形成領域に対して一回り大きくなっている。

セパレータ１３は、例えばシート状に形成されている。セパレータ１３を形成する材料としては、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１３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。

封止体１２は、例えば絶縁性の樹脂によって矩形の筒状に形成されている。封止体１２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。封止体１２は、バイポーラ電極１４の積層によって形成される電極積層体１１の側面を取り囲むように構成されている。

封止体１２は、各バイポーラ電極１４の電極板１５の縁部１５ｃに沿ってそれぞれ設けられた一次封止体２１と、一次封止体２１の全体を外側から包囲するように設けられた二次封止体２２とによって構成されている。一次封止体２１は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、電極板１５の一方面１５ａ側の縁部１５ｃ（未塗工領域）において、電極板１５の全ての辺にわたって連続的に設けられている。本実施形態では、一次封止体２１は、電極板１５の一方面１５ａ側から端面１５ｄ側に回り込むように設けられ、例えば溶着によって一方面１５ａ及び端面１５ｄに対して結合されている。

一次封止体２１は、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１４，１４間を封止するほか、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１４，１４の電極板１５，１５間のスペーサとして機能する。電極板１５，１５間には、一次封止体２１の電極板１５，１５間に位置する部分の厚さによって規定される内部空間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。

二次封止体２２は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、電極積層体１１における積層方向の全長にわたって延在している。二次封止体２２は、例えば射出成型時の熱により、一次封止体２１の外表面に溶着されている。封止体１２において、内部空間Ｖに収容された電解液は、積層方向に隣り合う一次封止体２１，２１間を通り得るが、一次封止体２１と二次封止体２２との溶着部分で封止されている。

続いて上述した弾性体Ｆについて更に詳細に説明する。

蓄電装置１では、拘束部３により蓄電モジュール４及び導電板５のユニット化、及び蓄電モジュール積層体２に対する積層方向への拘束圧の付加がなされている。この拘束圧の付加により、蓄電モジュール４におけるバイポーラ電極１４，１４同士の離間の抑制、及びセパレータ１３の適度な圧縮が実現されている。一方、拘束板８によって蓄電モジュール４に拘束圧を付加した際、締結ボルト９との締結位置から近い部分と遠い部分とでは、蓄電モジュール４に付加される拘束圧に差が生じ、蓄電モジュール４に均一な拘束圧を付加できなくなることが考えられる。

これに対し、蓄電装置１では、図１に示したように、蓄電モジュール積層体２の積層端に位置する導電板５（集電板２５）と拘束板８との間にシート状の弾性体Ｆが配置されている。弾性体Ｆを構成する材料としては、セパレータ１３と比較して圧縮に対する面圧が小さくなるような圧縮特性を有する材料が選択される。これにより、図３に示すように、蓄電モジュール４に付加すべき最小面圧（主にセパレータ１３の最適圧縮量から換算される面圧）よりも大きい面圧の範囲で、蓄電モジュール４の圧縮量に比べて弾性体Ｆの圧縮量を十分に確保できる。また、弾性体Ｆを構成する材料としては、電気絶縁性を更に有する材料を選択することが好ましい。かかる材料としては、例えばウレタン、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）などの材料を用いた発泡ゴムが挙げられる。

弾性体Ｆの配置領域Ｐ１は、バイポーラ電極１４の積層方向から見て、少なくともバイポーラ電極１４における正極１６と負極１７との対向領域Ｐ２（図２参照）と重なっている。弾性体Ｆによる集電板２５と拘束板８との間の電気絶縁性を考慮すると、弾性体Ｆの配置領域Ｐ１は、集電板２５の配置領域Ｐ３（図１参照）と重なっていることが好ましい。すなわち、弾性体Ｆの配置領域Ｐ１は、集電板２５の配置領域Ｐ３と同一、或いは集電板２５の配置領域Ｐ３よりも一回り程度大きいことが好ましい。なお、導電板５の剛性が十分である場合には、弾性体Ｆの配置領域Ｐ１は、バイポーラ電極１４における正極１６と負極１７との対向領域Ｐ２に比べて一回り程度小さくてもよい。

また、弾性体Ｆの硬度は、均一でなくてもよく、例えば面内方向に連続的或いは段階的な分布を有していてもよい。本実施形態では、図１に示したように、締結ボルト９の軸部が通る挿通孔８ａが拘束板８の縁部に設けられており、拘束板８と締結ボルト９との締結位置が拘束板８の縁部に位置している。このため、拘束板８の縁部から蓄電モジュール４に作用する拘束圧に比べて、拘束板８の中央部から蓄電モジュール４に作用する拘束圧が小さくなると考えられる。この場合、弾性体Ｆの中央部の硬度が縁部の硬度に比べて高くなるように弾性体Ｆの面内方向に硬度の分布を持たせることが好適である。上述のように、弾性体Ｆとして発砲ゴムを用いる場合、弾性体Ｆの中央部の発泡率と縁部の発泡率とを変えることにより、弾性体Ｆの面内方向に硬度の分布を持たせることが可能である。

以上説明したように、蓄電装置１では、少なくとも一方の拘束板８と蓄電モジュール４との間にセパレータ１３と比較して圧縮に対する面圧が小さい弾性体Ｆが配置されている。この弾性体Ｆの配置により、拘束部３による拘束時に蓄電モジュール４（特にセパレータ１３）に比べて弾性体Ｆが優先的に圧縮される。したがって、拘束板８と締結ボルト９との締結位置からの距離による拘束圧の差が緩和され、蓄電モジュール４に均一な拘束圧を付加できる。弾性体Ｆは、拘束板８に比べて軽く、かつ拘束時に圧縮されるため、拘束板８の厚さを増加させる場合に比べて蓄電装置１の体格及び重量の増加を回避できる。

また、蓄電装置１では、バイポーラ電極１４の積層方向から見て、少なくともバイポーラ電極１４における正極１６と負極１７との対向領域と重なるように弾性体Ｆが配置されている。このような構成により、蓄電モジュール４を構成するバイポーラ電極１４に対して均一な拘束圧を効果的に付加することができ、バイポーラ電極１４同士の離間を好適に抑制できる。

また、蓄電装置１では、蓄電モジュール積層体２の積層端に集電板２５が設けられており、拘束板８と集電板２５との間に弾性体Ｆが配置されている。このような構成により、蓄電モジュール４を構成するバイポーラ電極１４に対して均一な拘束圧を一層効果的に付加することができ、バイポーラ電極１４同士の離間を好適に抑制できる。

また、蓄電装置１では、弾性体Ｆが電気絶縁性を有し、バイポーラ電極１４の積層方向から見て、集電板２５と重なるように配置されている。この場合、弾性体Ｆが絶縁部材を兼ねることで、絶縁フィルム等の絶縁材料を別途設ける必要がなくなり、蓄電装置１の構成の簡単化が図られる。また、弾性体Ｆと集電板２５とが重なることで、拘束板８と集電板２５との間の電気絶縁性がより確実なものとなる。

また、蓄電装置１では、弾性体Ｆの中央部が縁部に比べて硬くなっている。これにより、拘束板８と締結ボルト９との締結位置からの距離による拘束圧の差を一層確実に緩和できる。

また、蓄電装置１では、弾性体Ｆはゴムによって構成されている。これにより、簡単な構成で弾性体Ｆを構成できる。また、体格及び重量の増加を一層確実に回避できる。

図４は、比較例に係る蓄電装置における拘束板の変形量のシミュレーション結果の一例を示す図である。また、図５は、実施例に係る蓄電装置における拘束板の変形量のシミュレーション結果の一例を示す図である。これらのシミュレーション結果は、単体の蓄電モジュールを拘束板で積層方向に拘束した蓄電装置を想定し、弾性体の配置の有無による拘束圧の分布を算出したものである。図４及び図５では、蓄電モジュールの積層方向の端面を一の角部を含むように４分割した状態で示している（図４及び図５における右上部分が角部）。端面に付加される拘束圧は等高線で示され、色が濃い部分ほど拘束圧が小さいことを示している。

シミュレーション条件として、拘束板の厚さを１０ｍｍ、セパレータ圧縮率を４０％、蓄電モジュールの内圧を０ＭＰａ、弾性体の厚さを５ｍｍ、弾性体の硬度をＨｓ４０とした。また、簡単化のため、比較例及び実施例のいずれについても導電板は配置せず、実施例では、蓄電モジュールの積層方向の面と等面積のシート状の弾性体を蓄電モジュールと拘束板との間に配置した。

図４に示すように、比較例では、拘束板と締結ボルトとの締結位置から遠くなるほど蓄電モジュールに付加される拘束圧が小さくなっており、蓄電モジュールの端面の縁部と中央部とで拘束圧に差が生じていることが分かる。一方、実施例では、蓄電モジュールの端面の縁部と中央部とで拘束圧がほぼ均一になっていることが分かる。この結果から、拘束板と蓄電モジュールとの間に弾性体を配置する構成が、締結部材との締結位置からの距離に起因する拘束圧の差の緩和に寄与し、蓄電モジュールに均一な拘束圧を付加できる効果を奏することが確認できる。

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、弾性体Ｆとして発泡ゴムを例示したが、板バネなどの他の部材を用いてもよい。弾性体Ｆを金属などの導電性を有する材料で構成する場合には、拘束板８の内面側（蓄電モジュール４側）に絶縁性を有するフィルムなどを配置することが好ましい。また、上記実施形態では、蓄電モジュール積層体２の積層端の両側に弾性体Ｆをそれぞれ配置しているが、弾性体Ｆの配置は、蓄電モジュール積層体２の積層端の片側のみであってもよい。

１…蓄電装置、３…拘束部、４…蓄電モジュール、８…拘束板、９…締結ボルト（締結部材）、１０…ナット（締結部材）、１１…電極積層体（積層体）、１３…セパレータ、１４…バイポーラ電極、１６…正極、１７…負極、２５…集電板、Ｆ…弾性体。

Claims (7)

1. セパレータを介して複数のバイポーラ電極が積層された積層体を含む一又は複数の蓄電モジュールと、
   前記蓄電モジュールを前記積層体の積層方向に挟む一対の拘束板、及び前記一対の拘束板同士を締結する締結部材を含む拘束部と、
   少なくとも一方の前記拘束板と前記蓄電モジュールとの間に配置され、かつ前記セパレータと比較して圧縮に対する面圧が小さい弾性体と、を備えた蓄電装置。
2. 前記弾性体は、前記積層方向から見て、少なくとも前記バイポーラ電極における正極と負極との対向領域と重なるように配置されている請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記蓄電モジュールは、前記積層方向の積層端に集電板を有し、
   前記弾性体は、前記拘束板と前記集電板との間に配置されている請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記弾性体は、前記積層方向から見て、前記集電板と重なるように配置されている請求項３に記載の蓄電装置。
5. 前記弾性体の中央部は、縁部に比べて硬くなっている請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電装置。
6. 前記弾性体は、電気絶縁性を有している請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電装置。
7. 前記弾性体は、ゴムである請求項１〜６のいずれか一項に記載の蓄電装置。