JP4570863B2 - バイポーラプレート方式の積層電池 - Google Patents

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Description

本発明は、バイポーラプレート方式の積層電池に関する。さらに詳しくは、複数個の単電池を直列に積層した積層電池において、各発電要素が、セルケーシングと、少なくとも部分的に合成樹脂が被覆された部分を介して一体成形されたバイポーラプレートによって仕切られたバイポーラ方式の積層電池に関する。
電気自動車の動力源や電力貯蔵用電源として使用される集合電池において、機械的強度が高く、単電池間の接続部の腐食がなく、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度の高い集合密閉型二次電池を提供することを技術的課題としたものが、たとえば、特許文献1に開示されている。
特許文献1には、集合電池の製造にあたって、まず2つの極板群を製作し、その両端に正極集電板を溶接すること、極板群の製作と平行して、軟粘性シール剤を塗付した保持溝にOリングを設置した電気接続体を、あらかじめOリングと圧接する部分に軟粘性シール剤を塗付した隔壁に圧入し、固着すること、電気接続体を隔壁に圧入して固着する代わりにインサート成形することによって固着してもよいことが記載されている。
また、電池モジュールの支持強度、剛性を向上させることができ、電池モジュールをホルダケースに簡単かつ誤挿入なしに組み込むことができる電池電源装置を提供することを技術的課題としたものが、たとえば、特許文献2に開示されている。
特許文献2には、複数個の単電池を一列に電気的かつ機械的に直列に接続してなる電池モジュールを多数本、並列配置してホルダーケースに保持させ、このホルダーケースの両端部に位置するそれぞれのエンドプレートに電池モジュールの端子間を電気的に接続する金属製のパスバーを設けた電池電源装置が開示されており、エンドプレートが樹脂板で構成され、パスバーがエンドプレートにインサート成形により固定されている。
特開2002−83576号公報(第4−5頁、第9図) 特開平10−270006号公報(第6−8頁、第12図)
特許文献1に開示された集合密閉型二次電池の場合、シール性を確保するために、電気接続体に保持溝を設け、この保持溝に軟粘性シール剤を塗付してOリングを設置し、当該電気接続体を、あらかじめOリングと圧接する部分に軟粘性シール剤を塗付した隔壁に圧入している。したがって、構造が複雑であり、このため作業性も複雑である。
また、特許文献1には、電気接続体を隔壁に圧入して固着する代わりにインサート成形することによって固着してもよいとの記載があるものの、インサート成形により電気接続体を隔壁に固着する際の隔壁に対する電気接続体の密着性を確保するための具体的な手段については、開示されていない。
一方、特許文献2には、エンドプレートに電池モジュールの端子間を電気的に接続する金属製のパスバーが、合成樹脂製のエンドプレートにインサート成形により固定することが記載されているだけで、エンドプレートに対する密着性を確保するための具体的な手段については、開示されていない。
また、バイポーラプレート方式の積層電池は、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度や体積エネルギー密度の向上に有利であり、各単電池間の電気抵抗が小さくハイレート充放電に有利な方式である反面、シール性の確保のためOリング等による特殊なシール方法が必要である。このため、構造が複雑となり、電池の組立作業も複雑である。
本発明は、かかる従来の問題を解消し、構造が簡単で、かつ作業性が簡素で、そのうえ電解液に対するシール性に優れ、コストが低いバイポーラプレート方式の積層電池を提供することを目的とするものである。
本発明の第1の態様は、複数の単電池が電気的かつ機械的に直列に接続され、隣合う2つの単電池がバイポーラプレートによって仕切られ、各単電池がセルケーシングとバイポーラプレートによって取り囲まれたバイポーラプレート方式の積層電池であって、
前記バイポーラプレートが、耐食金属板とその周辺に被覆された合成樹脂層とを備え、
前記バイポーラプレートが前記合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングと一体成形により固着されてなる
ことを特徴とするバイポーラ方式の積層電池である。
本発明の第2の態様は、複数の単電池が電気的かつ機械的に直列に接続され、隣合う2つの単電池がバイポーラプレートによって仕切られ、各単電池がセルケーシングとバイポーラプレートによって取り囲まれたバイポーラプレート方式の積層電池であって、
前記バイポーラプレートが、鋼板層と、該鋼板層の両面に設けられた耐食メッキまたは耐食コーティング層と、該耐食メッキまたは耐食コーティング層が設けられたバイポーラプレートの周辺に被覆された合成樹脂層とを備え、
前記バイポーラプレートが前記合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングと一体成形により固着されてなる
ことを特徴とするバイポーラ方式の積層電池である。
本発明の第3の態様は、複数の単電池が電気的かつ機械的に直列に接続され、隣合う2つの単電池がバイポーラプレートによって仕切られ、各単電池がセルケーシングとバイポーラプレートによって取り囲まれたバイポーラプレート方式の積層電池であって、
前記バイポーラプレートが、耐食金属板と該耐食金属板の側縁に被覆された合成樹脂層とを備え、
前記バイポーラプレートが少なくとも部分的に前記合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングと一体成形により固着されてなる
ことを特徴とするバイポーラ方式の積層電池である。
本発明の第4の態様は、複数の単電池が電気的かつ機械的に直列に接続され、隣合う2つの単電池がバイポーラプレートによって仕切られ、各単電池がセルケーシングとバイポーラプレートによって取り囲まれたバイポーラプレート方式の積層電池であって、
前記バイポーラプレートが、耐食金属板を備え、
前記バイポーラプレートの端部に屈曲部を設け、
当該バイポーラプレートの屈曲部の少なくとも一方の面が熱可塑性樹脂層によって被覆され、
前記バイポーラプレートの屈曲部がセルケーシング内に埋めこまれ、少なくとも部分的に合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングと一体成形により固着され、
前記バイポーラプレートの屈曲部が非平坦体である
ことを特徴とするバイポーラ方式の積層電池である。
前記非平坦体が、バイポーラプレートがセルケーシングから抜けるのを防止するための手段であることが好ましい。
また、前記バイポーラプレートがセルケーシングから抜けるのを防止するための手段が、波状に形成された屈曲部であることが好ましい。
また、前記バイポーラプレートがセルケーシングから抜けるのを防止するための手段が、1または2回以上折り返された屈曲部であることが好ましい。
また、前記バイポーラプレートがセルケーシングから抜けるのを防止するための手段が、1または2回以上折り返された波状に形成された屈曲部であることが好ましい。
また、前記バイポーラプレートの屈曲部に1または2以上の孔が穿設されてなることが好ましい。
本発明のバイポーラプレートに使用される耐食金属としては、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼、チタンなどが好ましい。
また、本発明において使用される耐食コーティングとしては、ニッケルメッキ、クロムメッキ、貴金属メッキなどが好ましい。
本発明のバイポーラプレートおよびセルケーシングに用いられる合成樹脂は、汎用樹脂が好ましく、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレンに代表されるポリオレフィン系樹脂、ポリ塩化ビニルやアクリル樹脂などのビニル系、アクリル系樹脂が安価で耐アルカリ性に優れ、とくに好ましい。また、ポリアミド、ポリウレタンなども使用可能で、エポキシ樹脂なども使用可能である。
前記合成樹の代わりに耐薬品性のゴムを使用することができる。
本発明の第5の態様は、前記バイポーラプレート方式の積層電池のバイポーラプレートと、合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングとを固着するための一体成形法であって、当該セルケーシングセルケーシングに対するバイポーラプレートの抜けるときの力が、接触面積1cmあたり1kgf以上とすることができることを特徴としている。
本発明によれば、電解液の漏れがなく、機械的強度に優れたバイポーラプレート方式の積層電池の構造を提供することができる。
また、本発明は、腐食性の高いアルカリ電解液を使用する電池ではとくに有効であり、さらに、ニッケル水素電池のようなハイレート充放電を特徴とする電池では、バイポーラプレート方式の利点が充分に活用できるため極めて有効である。
本発明のバイポーラプレート方式の積層電池の構造について、添付図面を参照しながら以下に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明の具体例を示すものであるが、本発明の範囲は当該実施の形態に限られない。
図1は本発明の一実施の形態にかかわるバイポーラプレート方式の積層電池の構造の一部を示す断面説明図、図2は本発明の他の実施の形態にかかわるバイポーラプレート方式の積層電池の構造の一部を示す断面説明図、図3は図2の構造の変形例を示す断面説明図、図4は図2の構造の他の変形例を示す断面説明図、図5は一般的なバイポーラプレート方式の積層電池の内部構造を示す一部切り欠き斜視図、図6は図6の積層電池の外観を示す説明図、図7はセルケーシングに対するバイポーラプレートの構造の一例を示す説明図、図8はセルケーシングに対するバイポーラプレートの構造の他の例を示す説明図、図9〜16はセルケーシングに対するバイポーラプレートの構造のさらに他の例を示す説明図である。
図5および6において、参照符号4はセルケーシング、参照符号5はマイナス(−)側集電板、参照符号6はプラス(+)側集電板、参照符号8は正極、参照符号9は負極、参照符号7は正極8と負極9とのあいだに介装されるセパレータ、参照符号Mはバイポーラプレートを示している。
図5および6に示されるように、バイポーラプレート方式の積層電池は、マイナス側集電板5とプラス側集電板6とセルケーシング4とによって画定される空間が複数のバイポーラプレートMによって仕切られて画定される複数の単電池をボルトナット10により締め付けることによって得られる(図5および6の場合、4つの単電池から構成されている)。
実施の形態1
図1を参照すると、本発明のバイポーラプレート方式の積層電池の構造は、鋼板1の両面1xおよび1y上にはニッケルメッキ層2が設けられたバイポーラプレートMを備えている。このバイポーラプレートMの周辺Pは、ポリプロピレン層3によって被覆されている。図1において断面略コ字状を呈した部位がポリプロピレン層3である。このように、バイポーラプレート3の周辺Pにポリプロピレン層3が設けられているので、ポリプロピレン層3と、ポリプロピレン製のセルケーシング4とが一体成形により固着することができる。本実施の形態の場合、図1に示されるように、バイポーラプレートMの周辺Pにおけるポリプロピレン層3の端面3eおよび側縁部3mと、セルケーシング4に形成された凹所内の表面Rとが一体成形により強固に固着される。
また、本実施の形態のバイポーラプレートMにおいては、ポリプロピレン層に代えて耐薬品性を有するゴム層とすることもできる。
本実施の形態のバイポーラプレート方式の積層電池の構造は、如上の構成を有するため、たとえば、セルケーシング4に四方が取り囲まれた空間(すなわち、単電池(ないしはセル)C)の底面全体をニッケルメッキ層とすることができ、かつ水酸化カリウム水溶液(すなわち、電解液)がバイポーラプレートMとセルケーシング4との接合部から漏れることはない。
したがって、本発明のバイポーラプレート方式の積層電池の構造によれば、単電池Cを完全に閉じられたシール性の高い空間にすることができ、バイポーラプレートMとセルケーシング4との密着性を高くすることができる。
実施の形態2
図2を参照すると、本実施の形態の場合、バイポーラプレートMを構成する鋼板1の両面1xおよび1yがニッケルメッキ層2によって被覆されている。また、ニッケルメッキ層2上の側縁Mmには、ポリプロピレン層3が設けられている。かかる構成により、バイポーラプレートMの周辺(すなわち、バイポーラプレートMのニッケルメッキ層2上の側縁Mm)のポリプロピレン層3の側縁3mおよび端面3eとポリプロピレン製のセルケーシング4に形成された凹所内の表面Rとが一体成形により強固に固着される。このポリプロピレン層に代えて耐薬品性を有するゴム層とすることもできる。
図3には、図2に示されたバイポーラプレート方式の積層電池の構造の変形が示されている。この変形例の場合、図2に示されたバイポーラプレートMのニッケルメッキ層2上の側縁に設けられたポリプロピレン層3に加えて、バイポーラプレートMの端面Meにもポリプロピレン層3が設けられているので、ポリプロピレン製のセルケーシングと一体成形により固着することができる。このポリプロピレン層に代えて耐薬品性を有するゴム層とすることもできる。
このため、セルケーシング4とバイポーラプレートMとの接着性が一層向上する。
図4には、図2および3に示されたバイポーラプレート方式の積層電池の構造のさらに他の変形例が示されている。この変形例の場合、図3に示されるとおりの2つのポリプロピレン層(または耐薬品性を有するゴム層)3に加えて、バイポーラプレートMの鋼板1上の側縁Mmにもポリプロピレン層(または耐薬品性を有するゴム層)3が設けられているので、ポリプロピレン製のセルケーシングと一体成形により固着することができる。このため、セルケーシング4とバイポーラプレートMとの接着性がさらに一層向上する。
本実施の形態の場合、図2〜4に示されるように、前記ポリプロピレン層が前記セルケーシングに設けられた凹所内に収容されており、セルケーシング4の外に突出する部分がない。このため、バイポーラプレートMの全面を電極板として使用することができる。
実施の形態3
前述の実施の形態1〜2においては、本願発明の特徴である、セルケーシング4に対して堅固に固着されるバイポーラプレートMの構成について述べた。本実施の形態においては、実施の形態1および2のバイポーラプレートMおよびその変形例を用いて、組立が容易で、かつ密着性、機械的強度および電解液のシール性に優れた積層電池を得るための構成について以下に詳細に述べる。
図7は、前述の実施の形態2で述べたバイポーラプレートMがセルケーシング4に固着された状態を示している。図7において、参照符号3は合成樹脂被覆層を示している。
単電池毎に図7に示されるバイポーラプレートMをセルケーシング4と合成樹脂被覆層3を介して一体成形し、複数個の単電池を積層することによってバイポーラプレート方式の積層電池を得る。
図8は、単電池毎にバイポーラプレートMとセルケーシング4とを一体成形するのではなく、積層電池の骨格となるセルケーシング4と複数のバイポーラプレートMとを合成樹脂被覆層3を介して一体成形することによってバイポーラプレート方式の積層電池を得る。
図9は、図7に示した構造の変形例を示している。図7に示された構造では、セルケーシング4の右側端部がバイポーラプレートMに対して突出しているため、単電池同士を組み立てる際に邪魔になり、単電池同士の組立がやや複雑になる。これに対して、図9に示された構造では、バイポーラプレートMの端部が屈曲しており、この屈曲部がセルケーシング4の端面からセルケーシング4の長手方向に埋め込まれるため、セルケーシング4のバイポーラプレートMに対する突出部が存在しない。このため、単電池同士の組立が容易になるという利点がある。
図10〜11は、図9の構造の変形例を示しており、図12は、図7および8の構造の変形例を示している。
図10の場合は、セルケーシング4内に埋め込まれるバイポーラプレートMの屈曲部を非平坦体、すなわち波状に形成された曲面とし、図11および12の場合は、バイポーラプレートMの屈曲部がセルケーシング4内で一度折り返されている。折り返しの数は一度に限られることはなく、2度以上折り返してもよい(図16参照)。図16に示すように、バイポーラプレートMの屈曲部を2度折り返すことにより、一層堅牢な構造を実現することができる。また、図10および16のように屈曲部を非平坦体とすることにより、セルケーシング4内に埋め込まれるバイポーラプレートMの屈曲部の抜けが防止される。すなわち、屈曲部を採用すると、セルケーシング4とバイポーラプレートMとを一体成形することによって、セルケーシング4とバイポーラプレートMとの接触面を増やすことができ、セルケーシング4に対するバイポーラプレートMの密着性と、本発明のバイポーラプレート方式の積層電池の機械的強度を改善することができる。バイポーラプレートMの屈曲部の抜けるときの力は、接触面積1cmあたり1kgf以上となる。また、屈曲部を採用すると、電解液のシール性についても向上させることができる。
図13の場合は、セルケーシング4内にセルケーシングの長手方向に埋め込まれるバイポーラプレートMの屈曲部の長さが長い。このため、このように長い屈曲部を有するバイポーラプレートMとセルケーシング4とを一体成形すると、バイポーラプレートMの屈曲部がセルケーシング4の補強材としての機能を果たすことができる。
図14および15の場合は、セルケーシング4内に埋め込まれるバイポーラプレートの屈曲部に1または2以上の丸孔H(図14参照)または角孔R(図15参照)が穿設されている。セルケーシング4とバイポーラプレートの屈曲部とを一体成形すると、丸孔Hまたは角孔R内に合成樹脂が充填し、バイポーラプレートMとセルケーシングとの密着性、機械的強度がさらに向上する。
図10〜15に示された屈曲部は、セルケーシング4からバイポーラプレートの屈曲部が抜けるのを防止手段ないしは係止手段として機能する。
つぎに実施例にもとづいて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、実施例に限定されるものではない。
射出成形用金型を開き、縦52mm、横52mm、厚さ0.45mmのニッケルメッキ鋼板を、該成形金型にはさみ、当該金型を閉じたのち、当該金型内にポリプロピレンを流入して射出成形すること(インサート成形法)により、当該縦52mm、横52mm、厚さ0.45mmのニッケルメッキ鋼板を外寸法44mm、内寸法44mmのポリプロピレン製ケーシングに固着し、該ケーシング内に8規定の水酸化カリウムを充填後、ケーシング内部に圧力をかけて電解液漏れのチェックを行った。その結果、圧力5kPaで電解液漏れが生じることが判明した。
つぎに、縦52mm、横52mm、厚さ0.45mmのニッケルメッキ鋼板の外周部にポリプロピレン被覆を行った鋼板を、外寸法44mm、内寸法44mmのポリプロピレン製ケーシングとを前述のインサート成形法によりインサート成形し、該ケーシング内に8規定の水酸化カリウムを充填後、ケーシング内部に圧力をかけて電解液漏れのチェックを行った。その結果、圧力100kPaまでは電解液漏れは生じないことが判明した。
さらに、縦52mm、横52mm、厚さ0.45mmのニッケルメッキ鋼板の外周部に耐アルカリ性のゴム(EPDM)を配置し、外寸法44mm、内寸法44mmのポリプロピレン製ケーシングとを前述のインサート成形法によりインサート成形し、該ケーシング内に8規定の水酸化カリウムを充填後、ケーシング内部に圧力をかけて電解液漏れのチェックを行った。その結果、圧力100kPaまでは電解液漏れは生じないことが判明した。
本発明の一実施の形態にかかわるバイポーラプレート方式の積層電池の構造の一部を示す断面説明図である。 本発明の他の実施の形態にかかわるバイポーラプレート方式の積層電池の構造の一部を示す断面説明図である。 図2の構造の変形例を示す断面説明図である。 図2の構造の他の変形例を示す断面説明図である。 図5は一般的なバイポーラプレート方式の積層電池の内部構造を示す一部切り欠き斜視図である。 図6の積層電池の外観を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造の一例を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造の他の例を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造のさらに他の例を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造のさらに他の例を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造のさらに他の例を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造のさらに他の例を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造のさらに他の例を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造のさらに他の例を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造のさらに他の例を示す説明図である。 セルケーシングに対するバイポーラプレートの構造のさらに他の例を示す説明図である。
符号の説明
1 鋼板
1x 鋼板の一方の面
1y 鋼板の他方の面
2 ニッケルメッキ層
3 ポリプロピレン層
3e ポリプロピレン層の端面
3m ポリプロピレン層の側縁
4 セルケーシング
5 マイナス(−)側集電板
6 プラス(+)側集電板
7 セパレータ
8 正極
9 負極
C 単電池
M バイポーラプレート
Me バイポーラプレートの端面
Mm バイポーラプレートの側縁
P バイポーラプレートの周辺
R 凹所の壁部

Claims (11)

  1. 複数の単電池が電気的かつ機械的に直列に接続され、隣合う2つの単電池がバイポーラプレートによって仕切られ、各単電池がセルケーシングとバイポーラプレートによって取り囲まれたバイポーラプレート方式の積層電池であって、
    前記バイポーラプレートが、耐食金属板とその周辺に被覆された合成樹脂層とを備え、
    前記バイポーラプレートが前記合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングと一体成形により固着されてなる
    ことを特徴とするバイポーラ方式の積層電池。
  2. 複数の単電池が電気的かつ機械的に直列に接続され、隣合う2つの単電池がバイポーラプレートによって仕切られ、各単電池がセルケーシングとバイポーラプレートによって取り囲まれたバイポーラプレート方式の積層電池であって、
    前記バイポーラプレートが、鋼板層と、該鋼板層の両面に設けられた耐食メッキまたは耐食コーティング層と、該耐食メッキまたは耐食コーティング層が設けられたバイポーラプレートの周辺に被覆された合成樹脂層とを備え、
    前記バイポーラプレートが前記合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングと一体成形により固着されてなる
    ことを特徴とするバイポーラ方式の積層電池。
  3. 複数の単電池が電気的かつ機械的に直列に接続され、隣合う2つの単電池がバイポーラプレートによって仕切られ、各単電池がセルケーシングとバイポーラプレートによって取り囲まれたバイポーラプレート方式の積層電池であって、
    前記バイポーラプレートが、耐食金属板と該耐食金属板の側縁に被覆された合成樹脂層とを備え、
    前記バイポーラプレートが少なくとも部分的に前記合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングと一体成形により固着されてなる
    ことを特徴とするバイポーラ方式の積層電池。
  4. 複数の単電池が電気的かつ機械的に直列に接続され、隣合う2つの単電池がバイポーラプレートによって仕切られ、各単電池がセルケーシングとバイポーラプレートによって取り囲まれたバイポーラプレート方式の積層電池であって、
    前記バイポーラプレートが、耐食金属板を備え、
    前記バイポーラプレートの端部に屈曲部を設け、
    当該バイポーラプレートの屈曲部の少なくとも一方の面が合成樹脂層によって被覆され、
    前記バイポーラプレートの屈曲部がセルケーシング内に埋めこまれ、少なくとも部分的に合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングと一体成形により固着され、
    前記バイポーラプレートの屈曲部が非平坦体である
    ことを特徴とするバイポーラ方式の積層電池。
  5. 前記非平坦体が、バイポーラプレートがセルケーシングから抜けるのを防止するための手段である請求項4記載の積層電池。
  6. 前記バイポーラプレートがセルケーシングから抜けるのを防止するための手段が、波状に形成された屈曲部である請求項5記載の積層電池。
  7. 前記バイポーラプレートがセルケーシングから抜けるのを防止するための手段が、1または2回以上折り返された屈曲部である請求項5記載の積層電池。
  8. 前記バイポーラプレートがセルケーシングから抜けるのを防止するための手段が、1または2回以上折り返された波状に形成された屈曲部である請求項6記載の積層電池。
  9. 前記バイポーラプレートの屈曲部に1または2以上の孔が穿設されてなる請求項4記載の積層電池。
  10. 前記合成樹脂層の代わりに耐薬品性のゴム層を備えてなる請求項1、2、3、4、5、6、7、8または9記載の積層電池。
  11. 請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9または10記載のバイポーラプレート方式の積層電池のバイポーラプレートと、合成樹脂層を介して合成樹脂製のセルケーシングとを固着するための一体成形法であって、当該セルケーシングセルケーシングに対するバイポーラプレートの抜けるときの力が、接触面積1cm2あたり1kgf以上とすることができることを特徴とする一体成形法。
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