JP2019212420A - 電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】開弁圧が高精度に制御された圧力調整弁を有する電池モジュールを提供する。【解決手段】バイポーラ電池2は、モジュール本体11と、モジュール本体11に取り付けられた圧力調整弁12とを備える。モジュール本体11は、バイポーラ電極13が積層された電極積層体15と、電極積層体15を取り囲むように配置され、電極積層体15に設けられた内部空間Vとそれぞれ連通された連通孔26を有する枠体16とを有する。圧力調整弁12は、連通孔26とそれぞれ連通された連通孔37を有するケース33と、連通孔37を塞ぐ弁体34と、弁体34をケース33に対して押圧するカバー35とを備える。弁体34は、連通孔37を塞ぐ樹脂部34aと、樹脂部34aとカバー35との間に配置されたばね部34bとを備える。【選択図】図7
Description
本発明は、電池モジュールに関する。
従来の電池モジュールとしては、例えば特許文献1に記載されているような薄型電池が知られている。特許文献1に記載の薄型電池は、正極、負極及び集電体を有するバイポーラ電極と、セパレータ及び電解液を含む電解質層と、集電体の一方の主面に正極を取り囲むように配置された第1シール部と、集電体の他方の主面に負極を取り囲むように配置された第2シール部と、第2シール部を貫通するチューブとを備えている。チューブの一端は、セパレータ、集電体及び第2シール部で画成された内部空間に臨み、チューブの他端は、第2シール部の外部空間に臨んでいる。電池内部に発生したガスは、チューブを介して電池外部へ排出される。
上記従来技術においては、チューブは、内部空間の圧力が上昇すると、内部空間のガスを排出する圧力調整弁として機能する。一方、圧力調整弁が、内部空間と連通する連通孔を有するケースと、ケース内に配置され、連通孔を塞ぐゴム部材と、ゴム部材を連通孔に対して押圧する押圧部材とを備えることがある。この場合、内部空間の圧力が上昇すると、ゴム部材が押されて連通孔の縁とゴム部材との間に隙間が生じるので、当該隙間からガスが排出される。ここで、ゴム部材の物性(例えば弾性率等)は、環境温度によって変化する。例えば、低温環境ではゴム部材は硬くなる。その場合、圧力調整弁の開弁圧を高精度に制御できない。
本発明の一側面は、開弁圧が高精度に制御された圧力調整弁を有する電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る電池モジュールは、複数のバイポーラ電極が積層された電極積層体と、前記電極積層体を取り囲むように配置され、前記電極積層体に設けられ、隣接する前記バイポーラ電極間にある複数の内部空間とそれぞれ連通された複数の第1連通孔を有する枠体とを有するモジュール本体と、前記モジュール本体に取り付けられた圧力調整弁と、を備え、前記圧力調整弁は、前記複数の第1連通孔とそれぞれ連通された複数の第2連通孔を有する第1部材と、前記複数の第2連通孔を塞ぐ少なくとも1つの弾性部材と、前記少なくとも1つの弾性部材を前記第1部材に対して押圧する第2部材と、を備え、前記弾性部材は、前記第2連通孔を塞ぐ樹脂部と、前記樹脂部と前記第2部材との間に配置されたばね部と、を備える。
上記電池モジュールでは、弾性部材が、環境温度による特性変化がゴムよりも小さいばね部を備えている。そのため、環境温度による圧力調整弁の開弁圧の変動を抑制できる。よって、開弁圧が高精度に制御された圧力調整弁を有する電池モジュールが得られる。
前記第2部材は、前記第2部材と前記弾性部材との間の位置決めを行うための位置決め部を有してもよい。この場合、第2部材と弾性部材との間の位置ずれが抑制される。
前記ばね部は、前記樹脂部内に埋設されることによって前記樹脂部と一体化されてもよい。この場合、樹脂部とばね部との間の位置ずれが抑制される。
前記ばね部は、前記第2部材内に埋設されることによって前記第2部材と一体化されてもよい。この場合、第2部材とばね部との間の位置ずれが抑制される。
本発明の一側面によれば、開弁圧が高精度に制御された圧力調整弁を有する電池モジュールが提供され得る。
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は、本発明の一実施形態に係る電池モジュールを備えた蓄電装置を示す概略断面図である。図1において、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、電気自動車等の車両のバッテリとして使用される。蓄電装置1は、複数(ここでは3つ)の電池モジュールとしてのバイポーラ電池2を備えている。バイポーラ電池2は、例えばニッケル水素二次電池である。
複数のバイポーラ電池2は、金属製の導電板3を介して積層されている。導電板3は、積層方向(Z軸方向)の両端に位置するバイポーラ電池2の外側にも配置されている。バイポーラ電池2及び導電板3は、例えば積層方向から見て矩形状(平面視矩形状)を呈している。導電板3は、隣り合うバイポーラ電池2と電気的に接続されている。これにより、複数のバイポーラ電池2が積層方向に直列接続されている。
積層方向の一端(ここでは下端)に位置する導電板3には、正極端子4が接続されている。積層方向の他端(ここでは上端)に位置する導電板3には、負極端子5が接続されている。正極端子4及び負極端子5は、積層方向に垂直な方向(X軸方向)に延在している。このような正極端子4及び負極端子5を設けることにより、蓄電装置1の充放電を実施することができる。
導電板3は、バイポーラ電池2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し得る。導電板3には、積層方向と正極端子4及び負極端子5の延在方向とに垂直な方向(Y軸方向)に延在した複数の空隙3aが設けられている。これらの空隙3aを空気等の冷媒が通過することにより、バイポーラ電池2からの熱を効率的に外部に放出することができる。
また、蓄電装置1は、バイポーラ電池2及び導電板3を積層方向に拘束する拘束ユニット6を備えている。拘束ユニット6は、バイポーラ電池2及び導電板3を積層方向に挟む1対の拘束プレート7と、これらの拘束プレート7同士を締結する複数組のボルト8及びナット9とを有している。
拘束プレート7は、鉄等の金属で形成されている。各拘束プレート7と導電板3との間には、樹脂フィルム等の絶縁フィルム10がそれぞれ配置されている。拘束プレート7及び絶縁フィルム10は、例えば平面視矩形状を呈している。ボルト8の軸部8aが各拘束プレート7に設けられた挿通孔7aを挿通した状態で、軸部8aの先端部にナット9が螺合することで、バイポーラ電池2、導電板3及び絶縁フィルム10に積層方向の拘束荷重が付与される。
図2は、バイポーラ電池2の概略断面図である。図3は、バイポーラ電池2の概略斜視図である。図2及び図3において、バイポーラ電池2は、複数のセル(例えば24セル)が積層された構造(複数セル構造)を有している。バイポーラ電池2は、モジュール本体11と、このモジュール本体11の一側面に取り付けられた複数(ここでは4つ)の圧力調整弁12とを備えている。
モジュール本体11は、複数のバイポーラ電極13がセパレータ14を介して積層されてなる電極積層体15と、この電極積層体15を取り囲むように配置された枠体16とを備えている。
バイポーラ電極13及びセパレータ14は、例えば平面視矩形状を呈している。セパレータ14は、積層方向に隣り合うバイポーラ電極13の間に配置されている。バイポーラ電極13は、集電体であるニッケル箔17と、このニッケル箔17の上面17a(一方面)に形成された正極18と、ニッケル箔17の下面17b(他方面)に形成された負極19とを有している。
バイポーラ電極13の正極18は、セパレータ14を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極13の負極19と対向している。バイポーラ電極13の負極19は、セパレータ14を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極13の正極18と対向している。
電極積層体15の最下層には、正極側終端電極20が配置されている。正極側終端電極20は、ニッケル箔17と、このニッケル箔17の上面17aに形成された正極18とを有している。電極積層体15の最上層には、負極側終端電極21が配置されている。負極側終端電極21は、ニッケル箔17と、このニッケル箔17の下面17bに形成された負極19とを有している。正極側終端電極20の正極18は、セパレータ14を挟んで最下層のバイポーラ電極13の負極19と対向している。負極側終端電極21の負極19は、セパレータ14を挟んで最上層のバイポーラ電極13の正極18と対向している。正極側終端電極20及び負極側終端電極21のニッケル箔17は、積層方向に隣り合う導電板3(図1参照)に接続されている。
正極18は、ニッケル箔17の一方面に正極活物質を塗工することにより形成されている。正極活物質としては、例えばコバルト(Co)酸化物コートが施された水酸化ニッケルが用いられる。負極19は、ニッケル箔17の他方面に負極活物質を塗工することにより形成されている。負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が用いられる。ニッケル箔17の縁部17c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いる。
セパレータ14は、正極18と負極19との間に配置され、正極18と負極19とを隔離する。セパレータ14は、積層方向から見てニッケル箔17よりも小さく且つ正極18及び負極19よりも大きい。セパレータ14は、例えばシート状に形成されている。セパレータ14は、ポリエチレン(PE)またはポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、もしくはPE、PP、ポリエチレンテレフタレート(PET)またはメチルセルロース等からなる不織布または織布等で形成されている。また、セパレータ14は、フッ化ビニリデン樹脂化合物等で補強されていてもよい。なお、セパレータ14の形状としては、特にシート状に限られず、袋状であってもよい。
枠体16は、電極積層体15の周囲に配置され、各ニッケル箔17の縁部17cをそれぞれ保持する複数の一次シール部22と、これらの一次シール部22の周囲に配置された二次シール部23とを有している。
各一次シール部22は、積層方向に沿ってニッケル箔17毎に配置されている。一次シール部22は、枠状に形成されている。一次シール部22は、ニッケル箔17の縁部17cに熱溶着により接合されている。
積層方向に隣り合うニッケル箔17間には、ニッケル箔17、正極18、負極19及び一次シール部22によって画成された内部空間Vが設けられている。従って、電極積層体15には、積層方向に隣り合うバイポーラ電極13の間に複数の内部空間Vが設けられている。セパレータ14内を含む内部空間Vには、アルカリ性の電解液が注入されている。アルカリ性の電解液としては、例えば水酸化カリウム水溶液等を含むアルカリ溶液が用いられている。一次シール部22は、内部空間Vを封止する。バイポーラ電池2の各セルは、2つのニッケル箔17、正極18、負極19、セパレータ14及び一次シール部22により構成され、内部空間Vを有している。
二次シール部23は、角筒状を有している。二次シール部23は、内部空間Vを更に封止する。二次シール部23は、各一次シール部22に接合されている。二次シール部23は、例えば射出成形等により形成されている。
一次シール部22及び二次シール部23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)または変性ポリフェニレンエーテル(変性PPE)等の樹脂で形成されている。
枠体16を構成する一の壁部16aには、圧力調整弁12が取り付けられる複数(ここでは4つ)の圧力調整弁取付領域24が設けられている。一次シール部22の各圧力調整弁取付領域24には、図4に示されるように、複数(ここでは6つ)の連通孔25(第1連通孔)がそれぞれ設けられている。連通孔25は、各圧力調整弁取付領域24において2列3段(Y軸方向に2列、Z軸方向に3段)に配列されている。従って、連通孔25は、壁部16aにおいて8列3段に配列されている。各連通孔25は、異なるセルの内部空間Vとそれぞれ連通されている。
二次シール部23の各圧力調整弁取付領域24には、図4に示されるように、各連通孔25と連通された複数(ここでは6つ)の連通孔26(第1連通孔)がそれぞれ設けられている。連通孔26は、一次シール部22側から二次シール部23の外側面に向かって徐々に幅広となるようにテーパ状に形成されている。連通孔26は、各圧力調整弁取付領域24において2列3段に配列されている。
連通孔25,26は、内部空間Vに電解液を注入するための注液孔として機能する。また、連通孔25,26は、電解液が注入された後は、内部空間Vで発生したガスが流れる流路となる。
二次シール部23の各圧力調整弁取付領域24の外側面には、略枠状の接合用突起27がそれぞれ設けられている。接合用突起27は、モジュール本体11と圧力調整弁12とを接合すると共に、各内部空間Vからのガスがそれぞれ流れる複数(ここでは6つ)の流路28を連通孔26と協働して形成する。従って、流路28は、各圧力調整弁取付領域24において2列3段に配列されている。流路28は、X軸方向に垂直な方向に切った断面で矩形状を呈している。一方の列の流路28は、他方の列の流路28に対して積層方向(Z軸方向)にずれている。
接合用突起27は、一方の列の流路28を形成する枠部29と、他方の列の流路28を形成する枠部30とを有している。枠部29,30は同じ形状を有しており、Z軸方向において互いにずれている。枠部29,30間にはZ軸方向に延在する隙間が形成されている。
圧力調整弁12は、図4に示されるように、ケース33(第1部材)と、複数(ここでは6つ)の弁体34(弾性部材)と、カバー35(第2部材)とを有している。ケース33は、例えばPP、PPSまたは変性PPE等の樹脂で形成されている。ケース33は、底面を含む底壁部36を有している。底壁部36には、底面からカバー35側に向けて貫通した複数(ここでは6つ)の連通孔37(第2連通孔)が設けられている。これらの連通孔37は、モジュール本体11の各連通孔26とそれぞれ連通されている。連通孔37は、X軸方向に垂直な方向に切った断面で円形状を呈している(図5参照)。
ケース33の底面には、略枠状の接合用突起38がそれぞれ設けられている(図5参照)。接合用突起38は、モジュール本体11と圧力調整弁12とを接合すると共に、各内部空間Vからのガスがそれぞれ流れる複数(ここでは6つ)の流路39を形成する。接合用突起38は、モジュール本体11の接合用突起27と接合される。接合用突起38は、接合用突起27に対応する形状及び寸法を有している。従って、流路39は、X軸方向に垂直な方向に切った断面で矩形状を呈している。一方の列の流路39は、他方の列の流路39に対してZ軸方向にずれている。
接合用突起38は、図5に示されるように、一方の列の流路39を形成する枠部40と、他方の列の流路39を形成する枠部41とを有している。枠部40,41は同じ形状を有しており、Z軸方向において互いにずれている。枠部40,41間にはZ軸方向に延在する隙間が形成されている。なお、図5は、圧力調整弁12の斜視図である。
また、ケース33は、図4に示されるように、弁体34を収容する複数(ここでは6つ)の収容凹部44aを形成する内壁部44を有している。内壁部44は、底壁部36と一体化されている。収容凹部44aは、X軸方向に垂直な方向に切った断面で円形状を呈している。収容凹部44aは、連通孔37と連通可能となっている。
弁体34は、連通孔37を塞ぐように収容凹部44aに収容されている。弁体34は、連通孔37を開閉させる。弁体34の外側面と内壁部44の内壁面との間には、隙間が設けられている。
カバー35は、ケース33の開口を塞ぐ板状部材である。カバー35は、例えばPP、PPSまたは変性PPE等の樹脂で形成されている。カバー35は、ケース33の開口端面に熱溶着により接合されている。カバー35は、複数の弁体34をケース33の底壁部36に押し付ける押圧部材としても機能する。ケース33の内壁部44とカバー35との間には、収容凹部44aと連通した収容空間Sが設けられている。また、カバー35には、複数(ここでは2つ)の排気口45が設けられている。排気口45は、収容空間Sと連通されている。
このような圧力調整弁12において、ケース33の連通孔37は、二次シール部23の連通孔26及び一次シール部22の連通孔25を通してモジュール本体11の内部空間Vと連通されている。内部空間Vの圧力が設定圧よりも低いときは、連通孔37が弁体34によって塞がれた閉弁状態に維持される。内部空間Vの圧力が上昇して設定圧以上になると、弁体34が底壁部36から離間するように弾性変形し、連通孔37の閉塞が解除された開弁状態となる。その結果、内部空間Vからのガスが弁体34の外側面と内壁部44の内壁面との隙間及び収容空間Sを通って排気口45から排出されるようになる。
図6は、圧力調整弁12の分解斜視図である。図7は、圧力調整弁12の一部を示す断面図である。図6及び図7に示されるように、弁体34は、連通孔37を塞ぐ樹脂部34aと、樹脂部34aとカバー35との間に配置されたばね部34bとを備える。樹脂部34aは例えばゴム等の弾性体で形成された円柱状部材である。ばね部34bは例えばコイルばねである。ばね部34bは、例えば金属ばねであるが、プラスチックばねであってもよい。ばね部34bの材料は、耐アルカリ性の高い材料であり、例えばステンレス鋼、ニッケルメッキされた鉄等である。ばね部34bは、伸縮方向において第1端部34b1及び第2端部34b2を有している。第1端部34b1は樹脂部34aに当接しており、第2端部34b2はカバー35に当接している。本実施形態では、樹脂部34a、ばね部34b及びカバー35は互いに別体となっている。
カバー35は、カバー35とばね部34bとの間の位置決めを行うための凸部35a(位置決め部)を有する。凸部35aは、ばね部34bと係合することによって、ばね部34bが伸縮方向と交差する方向に位置ずれすることを抑制している。凸部35aは、例えば円柱状部分であり、ばね部34bの第2端部34b2が凸部35aを取り囲むように配置される。カバー35は、位置決め部として凸部35aに代えて凹部を有してもよい。この場合、ばね部34bの第2端部34b2が凹部内に収容されることによって、ばね部34bの位置ずれが抑制される。
以上説明したように、バイポーラ電池2では、圧力調整弁12の弁体34が、環境温度による特性変化がゴムよりも小さいばね部34bを備えている。そのため、環境温度による圧力調整弁12の開弁圧の変動(バラつき)を抑制できる。よって、開弁圧が高精度に制御された圧力調整弁12を有するバイポーラ電池2が得られる。バイポーラ電池2では、連通孔25,26,37の横断面の面積が他の電池に比べて非常に小さい。また、内部空間Vの容積も他の電池に比べて非常に小さい。そのため、所望の開弁圧で開弁しないと内部空間Vの圧力が急激に上昇するおそれがある。よって、開弁圧が高精度に制御された圧力調整弁12が求められる。
図8は、第1変形例に係る圧力調整弁12aの一部を示す断面図である。圧力調整弁12aは、ばね部34bの第1端部34b1が樹脂部34a内に埋設されることによって、ばね部34bが樹脂部34aと一体化されていること以外、上述の圧力調整弁12と同じ構成を備える。ばね部34bの第1端部34b1は、樹脂部34aにインサート成型されている。圧力調整弁12aでは、圧力調整弁12と同様の作用効果が得られることに加えて、樹脂部34aとばね部34bとの間の位置ずれが抑制される。
図9は、第2変形例に係る圧力調整弁12bの一部を示す断面図である。圧力調整弁12bは、ばね部34bの第2端部34b2がカバー35内に埋設されることによって、ばね部34bがカバー35と一体化されており、カバー35が凸部35aを有していないこと以外、上述の圧力調整弁12と同じ構成を備える。ばね部34bの第2端部34b2は、カバー35にインサート成型されている。圧力調整弁12bでは、圧力調整弁12と同様の作用効果が得られることに加えて、ばね部34bとカバー35との間の位置ずれが抑制される。なお、圧力調整弁12bにおいて、圧力調整弁12aと同様にばね部34bの第1端部34b1を樹脂部34a内に埋設してもよい。また、カバー35が凸部35aを有してもよい。
以上、本発明の好適な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。
例えば、上記実施形態では、複数の弁体34が複数の連通孔37をそれぞれ塞いでいるが、単一の弁体34が複数の連通孔37を塞いでもよい。この場合、単一の樹脂部34aが複数の連通孔37を塞ぐことになる。
上記実施形態では、全ての弁体34が樹脂部34aとばね部34bとを備えているが、複数の弁体34のうち一部の弁体34が樹脂部34aとばね部34bとを備えており、残りの弁体34が、ばね部34bを備えず、樹脂部34aのみからなってもよい。
上記実施形態では、連通孔37を有するケース33が第1部材であるが、第1部材は、連通孔37を有する他の部材(例えば底壁部36のみの部材)であってもよい。また、上記実施形態では、弁体34を押圧するカバー35が第2部材であるが、第2部材は、弁体34を押圧する他の押圧部材であってもよい。
上記実施形態では、電池モジュールとしてのバイポーラ電池2はニッケル水素二次電池であるが、本発明は、特にニッケル水素二次電池には限られず、リチウムイオン二次電池等にも適用可能である。
2…バイポーラ電池(電池モジュール)、11…モジュール本体、12…圧力調整弁、13…バイポーラ電極、15…電極積層体、16…枠体、25,26…連通孔(第1連通孔)、33…ケース(第1部材)、34…弁体(弾性部材)、34a…樹脂部、34b…ばね部、35…カバー(第2部材)、35a…凸部(位置決め部)、37…連通孔(第2連通孔)、V…内部空間。
Claims (4)
- 複数のバイポーラ電極が積層された電極積層体と、前記電極積層体を取り囲むように配置され、前記電極積層体に設けられ、隣接する前記バイポーラ電極間にある複数の内部空間とそれぞれ連通された複数の第1連通孔を有する枠体とを有するモジュール本体と、
前記モジュール本体に取り付けられた圧力調整弁と、
を備え、
前記圧力調整弁は、前記複数の第1連通孔とそれぞれ連通された複数の第2連通孔を有する第1部材と、前記複数の第2連通孔を塞ぐ少なくとも1つの弾性部材と、前記少なくとも1つの弾性部材を前記第1部材に対して押圧する第2部材と、を備え、
前記弾性部材は、前記第2連通孔を塞ぐ樹脂部と、前記樹脂部と前記第2部材との間に配置されたばね部と、を備える、電池モジュール。 - 前記第2部材は、前記第2部材と前記弾性部材との間の位置決めを行うための位置決め部を有する、請求項1に記載の電池モジュール。
- 前記ばね部は、前記樹脂部内に埋設されることによって前記樹脂部と一体化されている、請求項1又は2に記載の電池モジュール。
- 前記ばね部は、前記第2部材内に埋設されることによって前記第2部材と一体化されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電池モジュール。
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2018106016A Pending JP2019212420A (ja) | 2018-06-01 | 2018-06-01 | 電池モジュール |
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JP (1) | JP2019212420A (ja) |
-
2018
- 2018-06-01 JP JP2018106016A patent/JP2019212420A/ja active Pending
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