JP5027884B2 - エネルギー蓄積モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、請求項１の前文に記載したエネルギー蓄積モジュールに関する。
エネルギー蓄積モジュールは先行技術により公知であり、この点について、例えば「少なくとも１つの二重層コンデンサを備えた装置」と称する本出願人の先行公開されていないドイツ特許文献１を参照されたい。このエネルギー蓄積モジュールは、ハウジングと、その中に配置された部品、例えばコンデンサとを含み、部品内に可燃性有機電解質が設けられている。この電解質は不都合な境界条件の下で爆発や突燃を引き起こし得る。
コンデンサ内、特に二重層コンデンサ内、しかし電解コンデンサ内やリチウム電池内でも、優先的に有機電解質が使用されるが、欠陥事故や破損事故時に流出すると有機電解質は潜在的発火の危険を生じ、又は爆発の危険さえ生じる。一部では、これら有機電解質は低い蒸気圧も有する。過度な圧力上昇とそれに伴うセルの開放を極力防止すべく、高沸点電解質も使用される。しかしながらその場合、このような電解質を備えた部材は極端に低い温度での利用には使用不能である。
それ故に、易可燃性電解質を使用する今日の高性能システムでは、大規模な安全装置、例えば冗長電子監視装置によって受動的安全性が高められ、又は危険な周囲条件を排除できる組込個所と、破損経過、例えば発火又は爆発が人的損傷を引き起こすことのない組込個所との何れかが選択される。
後者は、機能上好ましい個所に前記システムをしばしば配置できないことを意味する。
代表的損傷事故の際、モジュールは気状電解質と混ぜられた空気を周囲に放出する。気状電解質の危険な濃度は迅速な排出によって排除されねばならない。
実際の技術開発における努力は、欠陥事故の発生することのないようにエネルギー蓄積モジュールを本質安全性にすることに向けられている。この点について、本出願人の冒頭に指摘した特許文献１は、様々な提案を既に行なっている。
特許文献２により公知のリチウム電池又はリチウムイオン電池では、付属するハウジング内に非可燃性吸着剤が設けられている。更に、特許文献３および特許文献４により公知のコンデンサ装置は、ハウジング内にそれぞれコンデンサ放出物を吸収する媒体を有し、これらの媒体はハウジングの底にある。
本発明の課題は、二重層コンデンサ又は電解コンデンサを収容したエネルギー蓄積モジュール又はモジュールハウジングの本質安全性を更に改善し、システム全体が一層厳しい安全要求も満足するようにすることである。提供すべきエネルギー蓄積モジュールは、モジュールを一層好ましく遮断でき、又はこれにより、人的接触のあるような設備、例えば鉄道車両への組込も許容するようなものでなければならない。
この課題は、本発明によれば、冒頭に指摘した種類のエネルギー蓄積モジュールにおいて、請求項１の特徴事項により解決される。諸構成は従属請求項に示している。
本発明の対象は、欠陥事故の際、例えば過負荷又は機械的毀損のとき、充填材が流出蒸気の自由行程を限定するようにしたエネルギー蓄積モジュールである。こうして、蒸気の引火時にセル内への逆火が防止され、爆発的火炎伝播も防止される。更に、流出する電解質が結合され、これにより、例えば飛散による火災荷重（Brandlast）の低下が避けられる。全体として発火傾向又は爆発傾向が著しく低下する。充填材は、好ましくはゼオライト又は活性炭等の比表面積の大きい材料のバルク材として存在する。
最後に指摘した目的のため、有利にはモジュールの個々のセル間およびセルの周囲の自由空間に好適な充填物が備えられる。その際に使用される充填材は、それが流出するガスの平均自由行程を限定し、かつ流出する電解質量を結合する能力を有するように選択される。即ち、引火保護の原理が実現されると共に、流出ガスの確実な吸着も保証される。
本発明では、モジュールハウジングの内部で圧力上昇が安全な範囲内に留まり、モジュール全体が気密に閉鎖されたままとなる利点がある。モジュールハウジングが付加的に機械的に毀損した場合のため、電解質を結合する充填物は発生する電解質蒸気を最小限に減らし、従って二次被害を最小限に減らす。
上記のように、指定どおりの目的のため充填材として有利にはゼオライト又は活性炭が使用され、これらは公知のようにそれらの開放気孔性と、それと結び付いて各々大きな比表面積とを特徴としている。その目安として記載される所謂ＢＥＴ表面積は２０ｍ2／ｇ以上でなければならない。特に活性炭は、充填材として付加的に気孔表面に触媒被覆を有し得る。触媒被覆として考慮の対象となるのは、好ましくは、例えば白金又はロジウム等の貴金属である。このような被覆によって反応を促進でき、もって発生したガスを管理された温度挙動の下でゆっくりと消費させる、例えばゆっくりと酸化させることができる。こうして、モジュールハウジングの破裂をもたらし得る緩慢な圧力上昇を阻止できる。
本発明のその他の詳細および諸利点を、特許請求の範囲と合わせて、図面を基に実施例についての以下の説明から明らかにする。
図１に示すエネルギー蓄積モジュールは、実質的に外部に対し完全密封されたハウジング１から成る。モジュールハウジング１内で若干数のコンデンサが個別セルとして前後に接続されており、これらのセルは産業設備内で、特に人員輸送車両内でも、指定どおり応用するためのエネルギー蓄積装置を実現する。コンデンサとして、特に二重層コンデンサ５が考慮に値する。選択的に、公知の電解コンデンサ６も使用できる。図には特殊な二重層コンデンサ５（６）、５’（６’）・・・を示している。
使用される二重層コンデンサ５又は電解コンデンサ６は、各々可燃性有機電解質を使用する。この電解質は破損事故のとき発火、爆発、又は少なくとも突燃を生じ得る。それ故に、好適な安全措置を講じねばならない。安全措置は、本質安全性の原理を満足しなければならない。即ち、他の機能要素が不可欠であってはならない。
ところで、個々のセル５i又は６iの間、およびそれらの周囲の自由空間に好適な充填材料１０を備えるとよい。
活性炭は多孔質、開放気孔であり、それ故に大きな比表面積を有する。流出ガスの平均自由行程の限定は活性炭によって達成される。こうして逆火保護が達成される。
更に、殊に活性炭は流出する電解質量を吸着および／又は吸収により結合する能力を持つ。こうしてモジュールハウジング内部の圧力上昇を安全な範囲内に留め、エネルギー蓄積モジュール全体を気密に閉鎖できる。このことは、エネルギー蓄積モジュールのハウジング１自体が毀損してガスが外部に達し得るそれ自体確率の低い事例にも当てはまる。
それ故に、液状電解質に対する安全性も気状電解質に対する安全性も活性炭によって保証される。この目的のために、場合によっては充填材の自由表面に触媒被覆を付加的に設けてもよい。公知のように触媒被覆として白金（Ｐｔ）又はロジウム（Ｒｈ）が使用できる。活性炭に代えて、大きな内部表面積を有するゼオライトも使用できる。
更に、選択的多孔質吸着剤としてセピオライトとトベルモライトが使用可能である。
上記充填材において決定的なのは吸着作用が実質存在することであり、このため大きな内部表面積が必要となる。その尺度として所謂ＢＥＴ（Brunauer, Emmett, Teller）表面積が援用され、これは２０ｍ2／ｇ、好ましくは１００ｍ2／ｇより大でなければならない。これは前記ゼオライト、セピオライト、トベルモライトの適切な選択によって、および活性炭によって確保され得る。付加的に触媒被覆を設けることもできる。
最後に指摘した材料は、充填材として０．３ｇ／ｃｍ3以上の嵩密度でハウジングに装入することができる。
上記の構成のエネルギー蓄積モジュールにより、受動的手段で、従って特別安価かつ確実に、二重層コンデンサとリチウム電池とを備えたモジュールの本質安全性を高め得る。
１ モジュールハウジング、５、５’ 二重層コンデンサ、６、６’ 電解コンデンサ、１０ 充填材
Claims (15)
- 少なくとも１つの可燃性有機電解質を含む蓄積部品を備えたエネルギー蓄積モジュールにおいて、
モジュールハウジング（１）内の受動的安全性を高める充填材（１０）が設けられており、
可燃性電解質を備えた部材（５、６、７）が、前記モジュールハウジング内に設けられており、かつ
前記充填材（１０）が、その表面を触媒被覆によって被覆されている
ことを特徴とするエネルギー蓄積モジュール。 - 前記モジュールハウジング（１）が、部品として電解コンデンサ（５、５'・・・）を含む
請求項１記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記モジュールハウジング（１）が、部品として二重層コンデンサ（６、６'・・・）を含む
請求項１記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記充填材（１０）が、流出する電解質蒸気の平均自由行程を限定し、こうして前記モジュールハウジング（１）内での発火又は爆発の伝播を妨げる
請求項１から３の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記充填材（１０）が、流出する電解質蒸気を吸着および／又は吸収によって結合する
請求項１から４の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記充填材（１０）が、バルク材として存在する
請求項１から５の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記バルク材が、０．５〜５ｍｍの粒径分布と、０．３ｇ／ｃｍ3以上の嵩密度とを有する
請求項６記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記充填材（１０）が、少なくとも２０ｍ2／ｇのＢＥＴ表面積を有する
請求項１から７の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記充填材１０が、少なくとも１００ｍ2／ｇのＢＥＴ表面積を有する請求項１から７の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。
- 前記触媒被覆が、貴金属からなるものである
請求項１から９の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記充填材（１０）が、５００〜２０００ｍ2／ｇのＢＥＴ表面積を有する活性炭である
請求項１から１０の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記活性炭が、開放気孔を有するものであり、当該活性炭の開放気孔の表面に前記触媒被覆が被着されている
請求項１１記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記充填材（１０）が、ゼオライトである
請求項１から１２の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記充填材（１０）が、セピオライトである
請求項１から１２の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。 - 前記充填材（１０）が、トベルモライトである
請求項１から１２の１つに記載のエネルギー蓄積モジュール。
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