JP4842129B2 - 温度変換装置を備えたポリマー電池 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、一般にポリマー電池に関する。また特に、ポリマー電池のための温度変換装置に関する。

発明の背景
固体ポリマー電解質ならびにシート状のアノードおよびカソードのラミネートから製造された充電式電池は、従来型の液体電解質電池に対して多くの有利点を示す。これらの有利点としては、より少ない全電池重量、より多い出力密度、より高い比エネルギーおよびより長い耐用年数を有することと同様に、毒性の液体が環境に流出する危険を排除するため環境に優しいことが挙げられる。

固体ポリマー電気化学セル成分としては、正極、負極および各アノードとカソードとの間に挟まれる固体ポリマー電解質のような、イオン伝導を許容することができる隔離物質が挙げられる。アノード（すなわち負極）およびカソード（すなわち正極）はアルカリ金属イオンを可逆的に挿入可能な物質でできている。

このように進歩した電池システムは典型的に大量の熱を発生する。そしてその熱は、適切に消散しなければ、熱上昇状態となって電気化学セルに不可逆的なダメージを与えうる。それゆえ商業的使用に適切な電池システムおよび消費者の要望およびシステムを設計する場合は、ポリマー電気化学セル電池の熱的特徴が理解され、かつ適切に思慮されるべきである。例えば、外部熱輸送メカニズムを提供する従来型のアプローチは、ポリマー電気化学セル電池の内部から熱を効果的に消散させるには不十分である。

ポリマー電池技術の他の特徴は、熱交換メカニズムのためのさらなる課題を与える。例えば固体ポリマーセル構造は、セルの充電状態における変動の結果としての体積の循環変動の影響を受けやすい。充電および放電サイクルの間、そのようなセルの全体積は５〜６％ほどまたはそれ以上も変化し得る。セルの物理的サイズにおけるそのような反復的な変化は、機械的デザインおよび熱管理戦略を著しく複雑にする。セルの体積変化は、保護ケーシングに対する電池の各セルの位置が電池の充電状態と共に変化することを暗示している。最適の温度範囲で電池温度を維持するために、高放電モードにおいてポリマー電池の個々のセルによって発生する熱は放散により迅速、効果的に電池外部へ導かれるべきであるので、熱交換メカニズムはポリマー電池のケーシング中の各電気化学セルの個々の位置に関わらず、熱エネルギーのための経路を提供することが可能でなければならない。

従ってポリマー電池工業において、電池内部と電池外部との間で熱エネルギーを効果的に導くのに適合したポリマー電池ケーシング中に組み込まれた温度変換装置が必要とされている。

発明の記載
従って本発明の目的は、ポリマー電池ケーシング中の各電気化学セルの個々の位置に関わらず、ポリマー電池の電気化学セルによって発生した熱エネルギーを消散させるために効果的な熱流路を提供する、ポリマー電池ケーシング中に組み込まれた温度変換装置を提供することである。

第一の広義の態様によると、本発明は：
おのおのが複数の電気化学ラミネートおよび上記複数の電気化学ラミネートを受けるように配置されたアームを有する少なくとも一つの集電端子を含む、複数の電気化学セル；
該集電端子に隣接して位置し、機械的接触している弾性放熱材料であって、電気抵抗性かつ熱伝導性である弾性放熱材料；ならびに
複数の電気化学セルおよび弾性放熱材料を取り囲む壁、弾性放熱材料に隣接して位置しかつ弾性放熱材料と熱的接触している壁の少なくとも一つの内部表面、複数の電気化学セルによって発生した熱エネルギーを消散させるのに適合した壁の少なくとも一つの外部表面、を有する熱伝導性の構造用ハウジングを含むポリマー電気化学発電機を提供する。

特定の、限定されない実施例において、弾性放熱材料は少なくとも集電端子の輪郭に部分的に合致する。弾性放熱材料は、熱伝導性のセラミックフィラーを含有するシリコーンエラストマー化合物のような、異なるタイプの電気抵抗性および熱伝導性である弾力性材料で作られ得る。

放熱材料は、弾性放熱材料と熱伝導性の構造用ハウジングの壁の内部表面との間に位置する低摩擦フィルムを含有し得る。このフィルムは、弾性放熱材料と構造用ハウジングの壁との間の相対運動を容易にするのに適している。

第二の広義の態様によると、本発明はさらに、：
おのおのが複数の電気化学ラミネートおよび上記複数の電気化学ラミネートを受けるように配置されたアームを有する少なくとも一つの集電端子を含む、複数の電気化学セル；
該集電端子に隣接して位置し、機械的接触している弾性放熱パッドであって、電気抵抗性かつ熱伝導性である弾性放熱パッド；
複数の電気化学セルおよび弾性放熱材料を取り囲む壁、弾性放熱材料に隣接して位置しかつ弾性放熱材料と熱的接触している壁の少なくとも一つの内部表面、複数の電気化学セルによって発生した熱エネルギーを消散させるのに適合されている壁の少なくとも一つの外部表面を有する、熱伝導性の構造用ハウジング；
弾性放熱パッドと壁の少なくとも一つの内部表面との間に位置する低摩擦フィルムであって、弾性放熱パッドと壁の少なくとも一つとの間の相対運動を容易にするように適合されているフィルム；ならびに
壁の少なくとも一つの外部表面に隣接して位置された熱交換装置であって、該熱交換装置が壁の少なくとも一つの外部表面から液状媒体への熱エネルギーの輸送に適している、熱交換装置
を含む、ポリマー電気化学発電機を提供する。

以下の記載および図面を用いることで、本発明はより理解され、他の利点が明らかになるであろう：

発明の詳細な説明
図１においては図示する目的で、共に積み重なった電気化学セル１２のプリズム状の集合を含むポリマー電池１０配置の、特定の、限定されない実施例が示される。ポリマー電池１０は、ハウジングまたは筺体１４、集電端子１６および１７によって共に並行に連結された複数の個々の電気化学ラミネートをそれぞれが有する一連の積み重なった電気化学セル１２、集電端子１６および１７に隣接して位置しかつ端末１６および１７と密接な機械的接触をしている弾性放熱パッド１８、ならびに電気化学セルスタックの各末端に位置しかつ減圧下において電気化学セル１２を維持するために適合した圧力系２０を含む。
一般に、個々の電気化学ラミネートはアノード層、ポリマー電解質分離層、カソード層および少なくとも一つの集電端子を含む。典型的に、それぞれの電気化学ラミネートは８０〜３００ミクロンの範囲での厚さを有する。

図１に示される例において、圧力系２０の可能な実施の一つが描かれる。該圧力系２０は、第１のプレート２２および第２のプレート２４で形成され、それぞれはばね２８が据付けられる複数の空洞２６を含む。 第１のプレート２２はケーシング１４の内壁上に支持されており、第２のプレート２４は電気化学セルスタックの各末端に位置する電気化学セル３０および３２の外側面と接触し、かつばね２８は第２のプレート２４が電気化学セルスタック全体にさえも圧力を加えるよう、隣接するプレート２２および２４を別々に押す。圧力下において電気化学セルスタックを維持することは、電気化学セル１２を形成する各ラミネートの種々の層間のより密接な接触を提供し、このことが層間剥離の可能性を防止し、一般にプリズム状配置の電気化学セル１２を有するポリマー電池の全体の性能および寿命を改善する。それゆえこのことが望ましい。

ここで留意すべきは、図１中に描かれた圧力系２０は、電気化学セルスタック上で圧力を加えることの可能な、種々の異なる圧力系のほんの一例にすぎないことである。本発明の範囲は、圧力系２０の幾つかの個々の実施に制限されるものではない。

図１および２で示される具体的な実施例において、集電端子１６および１７は、相隔たる関係間にアームを有する電流収集金属デバイスである。これらのアームは、集電端子１６、１７のアームが電気化学セル１２の部分と重なり合うように、カソード集電装置および／または各電気化学ラミネートのアノードの先端を受け入れるくぼみを定義する。集電端子１６および１７は、電気化学セル１２の内外で電流を導くためだけでなく、電気化学セル１２の内外で温度エネルギーを導くために、第一に適用される。集電端子はまた、二つの隣接する電気化学セル１２間での電気的接続を提供しうる。

集電端子１６は、電気化学セル１２の各ラミネートの一方の側から伸びてきたカソード集電装置端の全長に押し付けられるか、さもなければ連結する。集電端子１７は、電気化学セル１２の各ラミネートの反対側から伸びてきたアノードフィルム層端の全長に押し付けられるか、さもなければ連結する。集電端子１６および１７は、好ましくは銅製である；しかしながら、他の伝導性材料、例えばアルミニウム、銀、黄銅およびそれらの合金もまた適切である。図３に示すように、集電端子１６は各電気化学セル１２のカソード側の全長に沿って配置され、かつ集電端子１７は各電気化学セル１２のアノード側の全長に沿って配置される。

そのような配置が利用される場合、典型的には、電気接続リード線４０は、電気制御系を通じて各電気化学セル１２の状態をモニターするため、また電気化学セル１２の内外でバス (記載無し) を通じて充電電流および放電電流を外部の電池の正および負の電気的接続へ導くために、端子１６ならびに１７に連結される。他の電気的接続配置は、例えば集電端子１６および１７を通してならびに外部の正および負の電気的接続へ、直接直列にまたは並列に電気化学セル１２が連結するよう当然に意図されたものである。充電および放電サイクルの間、電流は集電端子１６または１７ならびに外部の正および負の電気的接続を通して導かれる。

産生された電気的エネルギーのためのものと同じ伝導経路を共有するため、放電の間、電気化学セル１２は、選択的に各ラミネートのアノードおよびカソードフィルムに沿ってまた集電端子１６または１７を通じて伝導される大量の熱エネルギーを発生する。当然そのようなものとして、各電気化学セル１２の、広げられたアノードおよびカソードフィルム層のエッジ部に沿ってそれぞれ配置した集電端子１６および１７は、電気的、熱的両方の外部との連結性を構築する位置を提供する。

電気化学セル１２によって発生する熱は、集電端子１６および１７の全長を通して、弾性パッド１８のような隣接配置した放熱材料、および隣接したハウジング１４の壁上に移動される。

図２に示すように、集電端子１６および１７は、電気化学セル１２と電気抵抗性で熱伝導性の弾性放熱材料１８との間の熱エネルギーＱの移動のための、熱流束経路を提供する。この放熱材料１８は、集電端子１６および１７に隣接して位置し、密接な機械的接触状態にある。次いで熱エネルギーＱは、弾性放熱材料１８から、弾性放熱材料１８に隣接して位置し熱的接触状態にあるハウジング１４の壁の内部表面へ移動する。熱エネルギーＱがその壁を通じて、電気化学セル１２によって発生した熱エネルギーＱを発散するよう構成されている壁の外部表面に移動するように、ハウジング１４は熱伝導性の構造であって金属、プラスチックまたは複合材料製である。

ここで留意すべきは、本明細書中で述べるように、弾性放熱材料１８は熱がそれを通して伝導され、かつ集電端子１６および１７の全長に沿って提供される電流路に関する電流になお電気抵抗性である、弾力性材料であることである。具体的な例において、放熱材料は集電端子１６または１７の全長に沿って広がっている放熱材料のパッドもしくはリボンの形状である。

弾性放熱材料１８は、集電端子１６または１７の全長に沿って広がっているパッドの形状で、複数のリボンに分けられる。放熱パッド１８は、効率的な熱エネルギー変換のために、接触表面積が広くなるよう集電端子１６および１７の全長に沿って広がる。放熱パッド１８は、十分な量の熱エネルギーがそれを通して伝導されるが、集電端子１６および１７によって提供される、好ましい電流路に関する電流に抵抗性であるような厚さを有する。一例として、放熱パッド１８の厚さは２ｍｍと１０ｍｍとの間で変化し得る。

図１および２で図示される放熱パッド１８は、異なるタイプの電気抵抗性で熱伝導性の材料で作られ得る。一つの例として、放熱パッド１８は酸化ベリリウム、窒化ホウ素およびアルミナまたは酸化アルミニウムといった熱伝導性のセラミックフィラーを含むシリコーンエラストマー化合物で作られる。シリコーンエラストマー化合物は少なくとも部分的に図１および２中に示すような集電端子１６および１７の輪郭に合わせられるような柔軟な硬度を有する圧縮性の上少し粘着性の物質であり、それゆえ放熱パッド１８と集電端子１６および１７との間の接触表面積を増大させる。典型的に、シリコーンエラストマーの熱伝導率は約２Ｗ／ｍ−Ｋ〜６Ｗ／ｍ−Ｋである。

ここで留意すべきは、電気化学セル１２にとっては放熱パッド１８の弾力性がまた、ハウジング１４から伝導される振動または機械的ショックを減衰させることである。

上記したように、固体ポリマー電気化学セル構造は、セルの充電状態での変化の結果として体積がサイクル状に変化しやすい。各電気化学セル１２の全体積は充電および放電サイクルの間、例えば８パーセント以上も著しく変化し得る。圧力下で電気化学セルスタックを維持する適切な圧力系２０を伴っても、各電気化学セル１２の体積変動により各セル１２は横方向に運動してしまう。この横方向の運動は積み重ねの中央に位置するセルにとっては比較的小さいが、セル３０および３２といった、積み重ねの両端に位置するセルにとっては非常に大きいものである。各セル１２の体積変化は、外側の方へまたは図１の特定配置においては圧力系２０の第２のプレート２４の方へ隣接セル１２を移動させるために度合いを増し、積み重ねの末端に位置するセル３０および３２をハウジング１４に対して著しく移動させる。圧力系２０は電気化学セルスタック上の圧力を維持するが、各セル１２のこの横方向の運動を可能とする。

図２に示すように、電気化学セル１２およびその各集電端子１６および１７の横方向への運動に対応するため、放熱パッド１８には低摩擦係数を有する薄バッキングフィルム３３が提供される。これらの低摩擦フィルム３３は放熱パッド１８が電気化学セル１２の横方向への運動に付随することを可能とする。各薄バッキングフィルム３３は、集合形成されたバッキングフィルム３３および放熱パッド１８がハウジング１４の内壁に沿って比較的スムーズにスライドし得るよう各放熱パッド１８とハウジング１４の内壁との間に位置し、それゆえ後に動きが発生する場合に、集電端子１６および１７上での過度の機械的ひずみを阻害する。電気化学セル１２が拡張および収縮した場合、集電端子１６および１７上の機械的ひずみをさらに阻害するため、バッキングフィルム３３および放熱パッド１８の集合は、限定された数の集電端子１６および１７に近接している。

バッキングフィルム３３は放熱パッド１８よりも低熱伝導性であり得る一方で、フィルム３３はさらに、熱流束Ｑのための連続的な熱流路を提供する。バッキングフィルム３３は各放熱パッド１８をその各集電端子１６および１７に留めるために成形され、そのようなものとして電気化学セル１２の方へ伸びる一対のアーム３５および３７を含む。図１および２に示される実施例においては、各アーム３５、３７は二つの隣接セル１２の間に伸びる。それゆえバッキングフィルム３３は、各放熱パッド１８に対する低摩擦支持体として作用し、かつその対応する集電端子または端子１６、１７に隣接した放熱パッド１８を配置し、維持するための限局要素（circumscribing element）として作用する。特定の、限定されない例において、バッキングフィルム３３は各放熱パッド１８を囲むよう成形された０．０３〜０．３mm厚のポリプロピレン、ポリイミドまたはポリエチレンフィルムである。他の例において、バッキングフィルム３３はＫａｐｔｏｎ（コピーライト）フィルムまたはアルマイト被膜である。バッキングフィルム３３の材料は、電気化学セルの種々の成分との互換性、その熱伝導性およびその摩擦係数で選択される。

本発明の改良実施例において、放熱パッド１８とハウジング１４の内壁との間の相対運動を容易にするため、バッキングフィルム３３は、各放熱パッド１８上もしくはハウジング１４の内壁上のいずれかまたは両方に塗布された液体またはゲル潤滑フィルムによって置換され得る。

前記実施例において、各放熱パッド１８は一対の電気化学セル１２に付随している。また各放熱パッド１８は、特定の電気化学セルデザインの膨張率および側方変位に応じて、単一の電気化学セル１２または３個以上の電気化学セル１２に隣接するか、結合され得る。

図４は、ハウジング５０がその壁の外面に隣接して位置するかその壁に統合された熱交換装置と共に提供される、本発明のポリマー電池の他の改良実施例を示す。熱交換装置は、熱エネルギーの放散を高めるためにその壁の外面の容量を増大させるのに適しており、図４において、ハウジング５０が、一連の冷却に用いられる突き出たベーン５２を含むフィン付の外壁と共に提供される。突き出たベーン５２の周囲の空気循環により、電気化学セル１２により発生した熱エネルギーを消散する。具体的な例において、ベーン５２の周囲の空気循環の量が、ハウジング５０のフィン付の外壁の周囲の気流を発生するファン（非表示）を用いることによって調整され得る。

図５はまた、本発明のポリマー電池の他の改良実施例を示すが、ここでは、ハウジング５４が放熱パッド１８に隣接する壁５６および５８中に提供されるチャネル６０を含む。熱輸送または放散は、ハウジング５４のチャネル６０を通して、液体状の冷却流体を循環させることによってなされる。熱エネルギーは、前述した型の集電端子１６および１７を介し電気化学セル１２から冷却体へ輸送される。すなわち集電端子１６、１７はセル１２に接触し、放熱パッド１８と機械的接触状態にある。放熱パッド１８は、熱エネルギーを循環している冷却流体に輸送する、保護壁５６および５８に熱的接触している。熱がセル１２から移動する速度またはセル１２の加熱が必要な場合にセル１２に伝播する速度は、チャネル６０を通って循環している冷却流体の温度および流速に部分的に依存している。

寒い天気のような場合には、電池の電気化学セルの最適の作動温度は周囲温度よりも著しく高くなる。そのような場合には、電気化学セルの温度を上昇させるか、その作動温度で電気化学セルを維持するため、熱交換装置および放熱パッド１８を通じて熱が電気化学セルに供給されうる。

図１および３〜５に示されるポリマー電池の例では、一連の６つの電気化学セル１２が電池スタックに示されている。しかしながらここで留意すべきは、本発明の範囲および精神から離れることなく、種々の電池スタック配置が可能であることである。例えば、３２個までの電気化学セル１２が図１に示されるハウジング１４中に積み重ねられうる。電気化学セルそれ自身のデザインは著しく変化し得、多数または少数の電気化学ラミネートが共に積み重ねられうる。

種々の実施例を示してきたが、これは本発明の説明の目的のためであり、本発明を制限するものではない。当業者に明らかな種々の改良がなされ得、それらは添付の請求の範囲によって特に定義される本発明の範囲内にある。

図面の簡単な説明
本発明の実施の限定されない例による、ポリマー電池の横断面略図である； 図１に示されたポリマー電池の部分の拡大横断面図である； 該電池のための電流路のあり得る実施例を示している、ポリマー電池を形成する複数の積み重ねられた電気化学セルの部分的斜視図である； 本発明の改良実施例による、ポリマー電池の横断面略図である；および 本発明の他の改良実施例による、ポリマー電池の横断面略図である。

Claims (14)

1. 積層された複数の電気化学セルであって、上記各電気化学セルが、複数の電気化学ラミネートおよび２つの集電端子を含み、上記各電気化学ラミネートが、アノード層、ポリマー電解質分離層およびカソード層を含み、上記各集電端子が上記複数の電気化学ラミネートに含まれるアノード層又はカソード層の先端を収容するように配置されたアームを有する、複数の電気化学セル；
   上記集電端子に隣接して位置し、かつ機械的接触している弾性放熱材料であって、電気抵抗性かつ熱伝導性である上記弾性放熱材料；ならびに
   上記複数の電気化学セルおよび上記弾性放熱材料を取り囲む壁を有する熱伝導性の構造用ハウジングであって、上記壁の内部表面が、上記弾性放熱材料に隣接して位置しかつ弾性放熱材料と熱的接触し、上記壁の外部表面が、上記複数の電気化学セルによって発生した熱エネルギーを消散させる、熱伝導性の構造用ハウジング
   を含み、
   上記弾性放熱材料と上記壁とが、熱的接触を維持したままで相対運動可能である、ポリマー電気化学発電機。
2. さらに上記弾性放熱材料と上記壁の内部表面との間に位置するフィルムを含み、上記フィルムが上記弾性放熱材料と上記壁の内部表面との間の相対運動を容易にする、請求項１記載のポリマー電気化学発電機。
3. 上記弾性放熱材料が上記集電端子の輪郭に少なくとも部分的に合致する、請求項１記載のポリマー電気化学発電機。
4. 上記弾性放熱材料が上記集電端子の全長に沿って広がっている複数のリボンに分けられる、請求項１記載のポリマー電気化学発電機。
5. 上記複数のリボンのおのおの一つが、弾性放熱材料と上記壁の内部表面との間に位置したフィルムのバンドを含む、請求項４記載のポリマー電気化学発電機。
6. フィルムの上記バンドが弾性放熱材料の各リボンを囲み、弾性放熱材料の各リボンを隣接するリボンから分離する内部伸張を含む、請求項５記載のポリマー電気化学発電機。
7. 上記壁の外部表面に隣接して位置する熱交換装置をさらに含み、上記熱交換装置が、上記壁の外部表面から液状媒体へ熱エネルギーを輸送するよう配置されている、請求項１記載のポリマー電気化学発電機。
8. 上記熱交換装置が、上記電気化学セルによって発生した熱エネルギーを消散させる突き出たベーンを含む請求項７記載のポリマー電気化学発電機。
9. 上記熱交換装置が、上記壁の中に設けられたチャネルを包含し、熱輸送が上記チャネルを通して液体状の冷却流体を循環させることによってなされる、請求項７記載のポリマー電気化学発電機。
10. 空気が上記突き出たベーンの周囲を循環して上記電気化学セルにより発生した熱エネルギーを消散させる、請求項８記載のポリマー電気化学発電機。
11. 上記弾性放熱材料が、上記複数の電気化学セルの全長に沿って広がっているパッド形状である、請求項１記載のポリマー電気化学発電機。
12. 上記弾性放熱材料が、熱伝導性のセラミックフィラーを包含するシリコーンエラストマーである、請求項１記載のポリマー電気化学発電機。
13. 上記熱伝導性のセラミックフィラーが、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、アルミナおよび酸化アルミニウムからなる群から選択される、請求項１２記載のポリマー電気化学発電機。
14. 積層された複数の電気化学セルであって、上記各電気化学セルが、複数の電気化学ラミネートおよび２つの集電端子を含み、上記各電気化学ラミネートが、アノード層、ポリマー電解質分離層およびカソード層を含み、上記各集電端子が上記複数の電気化学ラミネートに含まれるアノード層又はカソード層の先端を収容するよう配置されたアームを有する複数の電気化学セル；
    上記集電端子に隣接して位置しかつ機械的接触している弾性放熱パッドであって、電気抵抗性かつ熱伝導性である上記弾性放熱パッド；
    上記複数の電気化学セルおよび上記弾性放熱材料を取り囲む壁を有する熱伝導性の構造用ハウジングであって、上記壁の内部表面が、弾性放熱材料に隣接して位置しかつ上記弾性放熱材料と熱的接触し、上記壁の外部表面が、上記複数の電気化学セルによって発生した熱エネルギーを消散させる、熱伝導性の構造用ハウジング；
    上記弾性放熱パッドと上記壁の内部表面との間に位置するフィルムであって、上記弾性放熱パッドと上記壁の内部表面との間の相対運動を容易にする上記フィルム；ならびに
    上記壁の外部表面に隣接して位置する熱交換装置であって、上記壁の外部表面から液状媒体へ熱エネルギーを輸送する上記熱交換装置
    を含むポリマー電気化学発電機。

Images