JP5372480B2 - 安全弁 - Google Patents

Description

本発明は、電池、特には大型の角形電池の内部圧力を調整する安全弁に関する。

従来、主として携帯機器用の電源として使用する充放電可能な種々の二次電池が提案されてきた。さらには、近年、環境への配慮から、自動車や電車などの車両に充放電可能な二次電池を搭載したものが開発されている。車両に二次電池を搭載した場合には、ブレーキ時に生じる回生電力をこの搭載電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、車両のエネルギー効率を高めることができる。このように車両に搭載する二次電池としては、エネルギー密度、負荷変動追従性、耐久性、製造コストなどの諸条件から、例えばニッケル水素二次電池が適しているとされる。

上記のような車両用の電池には、従来の携帯機器等に用いられるものに比べて、高電圧および高エネルギー容量が要求されるため、大型の電池を使用する必要がある。大型の電池を使用する場合には、電池が設置されるスペースを効率的に利用する必要性が大きいことから、円筒形よりも角形の電池とすることが望ましい（特許文献１）。

このような角形二次電池の内圧上昇に対する安全弁機構として、例えば、対向配置された正・負極それぞれの端子を兼ねる２つの蓋状の部材の間に、絶縁素材からなる矩形の枠形部材を介在させて電池のケーシングを形成し、この枠形部材に、二又のガス排出口を設けて、電池の内部を外部の圧力制御装置に連通させたものが提案されている（特許文献２）。この安全弁機構によれば、複数の電池を用いて電池モジュールを構成する場合に、個々の単位電池に複雑な構造の安全弁を設ける必要がなく、複数の単位電池を１つの圧力制御装置によって制御するので、安全弁機構の信頼性が増す。しかし、電池の外部に電池間の連通部材や圧力制御装置を設ける必要があることから、電池モジュールが大型化するとともに、組立作業が複雑化する。

また、単位電池の内圧上昇に対して単独で作動する安全弁としては、例えば、ゴム状弾性部材からなる弁体を収納する弁ケースを、電池ケーシングに貫通して設けられた取付孔に嵌合溶着によって取り付けたものが知られている（特許文献３）。この安全弁では、一旦ケーシングに取り付けた安全弁を取り外すことができないので、電池ケーシングの取付孔を電解液の注入口として兼用することが困難である。すなわち、安全弁が電池ケーシングに着脱不能に取り付けられる場合であっても、安全弁の取り付け前に、取付孔を電解液の注入口として利用することはできるが、安全弁を取り付けた後の製造過程における活性化充放電の後に、電解液を継ぎ足し的に注入することができない。

しかしながら、安全弁をケーシングに着脱可能な構造として、安全弁の取付孔を電解液の注入口として兼用することができれば、電池の構造が簡単になり、組み立ての容易化や製造コストの削減が可能になるのみならず、電解液の継ぎ足し注入が可能となり、電解液量を微細に調整することができる。これにより、電池の長期性能の向上が期待される。

特開２００１−１１０３８１号公報 特願２００８−１０３９０１号明細書 特開２００１−１１０３８８号公報

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、電池のケーシングに着脱可能に設けられて、各単位電池の内圧に対して単独で作動する安全弁、およびこれを備える角形電池を提供することである。

前記した目的を達成するために、本発明に係る安全弁は、電池のケーシングに取り付けられる安全弁であって、弾性材料からなる弁体と、前記弁体を収納する収納部、および、前記収納部と外部とを連通する連通孔を有するキャップと、前記弁体の内側端面を押圧して、外側端面を前記収納部の頂壁に圧接させる蓋体と、前記収納部の内面と弁体との間に形成されて前記連通孔に接続されたガス通路とを備え、前記蓋体に、拡張状態の前記弁体により閉塞され、前記ケーシング内の圧力により前記弁体が収縮したときに開放されてケーシング内とガス通路とを連通させる弁孔が設けられており、前記キャップは、前記ケーシングに着脱自在に螺合するねじ部を有している。

この構成によれば、安全弁が、単位電池の内圧上昇に対して、独立した安全弁機構として作動するので、外部の圧力調整装置や連通部材などが不要となり、電池を使用した電源装置全体の構造を簡素化し、寸法を小型化することができる。また、弾性材料からなる弁体を蓋体によってキャップ内の収納部に保持しているから、部品点数が少なく、構造が簡単である。さらに、電池のケーシングに着脱可能なねじ部を有しているので、ケーシングに設けられた、安全弁を取り付けるためのねじ孔を、電解液の継ぎ足し注入が可能な注入口として利用することができる。これにより、電池の構造および組立工程を簡素化しながらも、電池内の電解液量を微細に調整することが可能となり、優れた長期性能を有する電池を製造することができる。

本発明に係る安全弁において、前記キャップは前記ケーシングの外部に露出する操作部を有し、さらに、該操作部と前記ケーシングとの間をシールするシール部材を備えていることが好ましい。このように構成することにより、例えば、複数の角形電池を積層した電池モジュールのような、電池のケーシングが外部からの力を受け易い環境において使用され、安全弁が取り付けられるケーシングのねじ孔が変形しても、確実に電池の気密を確保することができる。

前記キャップおよび前記蓋体がいずれも絶縁材料で形成されており、前記蓋体が、溶着により前記キャップに接合されている。キャップおよび蓋体を絶縁材料で形成することにより、安全弁と電池内部の電極との接触による内部短絡を防止することができる。また、このようなキャップと蓋体との接合を、電解液との接触により劣化し易い接着剤ではなく、溶着によって行うことにより、キャップと蓋体との接合が確実となり、安全弁の長期信頼性を確保することができる。

本発明に係る角形電池は、上記の安全弁を備える電池であって、前記電池のケーシングが、互いに対向して配置された、平板状の正極端子板および負極端子板と、これら端子板の間に介在する絶縁部材からなる矩形の枠形部材とで形成されており、前記キャップが前記枠形部材の一辺に設けられたねじ孔に螺合することにより、当該安全弁が前記ケーシングに取り付けられている。このように構成することにより、安全弁単独で内部圧力調整機能を有するので、外部の圧力調整装置や連通部材が不要となり、電池を使用する電源装置全体の構造を簡素化し、寸法を小型化することができる。また、電池の枠形部材に設けられたねじ孔を、電解液の継ぎ足し注入が可能な注入口として利用することができるので、電池の構造を簡素化しながらも、製造過程において電解液量の微細な調整が可能となり、電池の長期性能が向上する。

以上のように、本発明に係る安全弁によれば、単位電池の内圧上昇に対して、独立した安全弁として作動するので、外部の圧力調整装置や連通部材などが不要となり、電池を使用する電源装置全体の構造を簡素化し、寸法を小型化することができる。また、弾性材料からなる弁体を蓋体によってキャップ内の収納部に保持しているから、部品点数が少なく、構造が簡単である。さらには、安全弁が電池のケーシングに着脱可能な構造を有していることにより、ケーシングに設けられた安全弁の取付孔を、電解液の継ぎ足し注入が可能な注入口として利用することができるので、長期性能に優れる電池を製造することが可能になる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る安全弁１を備える角形電池（以下単に「電池」という）Ｃの構造を示す斜視図である。この電池Ｃは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とするニッケル水素二次電池として構成されており、正極端子および負極端子をそれぞれ兼ねる平板状の第１蓋部材３および第２蓋部材５と、両蓋部材３，５間に介在する絶縁素材からなる矩形の枠形部材７によって、電池Ｃの角形のケーシング９が構成されている。安全弁１はケーシング９を構成する枠形部材７に取り付けられている。枠形部材７は、例えば、変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂により形成される。なお、本明細書の説明において、特に示した場合を除き、「内側」とは、電池Ｃの内部側を意味し、「外側」とは、安全弁１が作動した場合にガスが排出される、電池Ｃの外部側を意味する。

図２は、ケーシング９の構造を分解して示す斜視図である。同図に示すように、第１蓋部材３は、矩形の枠形部材７の一方の開口７ａを覆う平板状の本体部３ａを有しており、本体部３ａの４つの各辺において一体に形成された縁部が、枠形部材７の４つの各辺７ｂにほぼ沿うように折り曲げられて、枠形部材７の外周面の一部を覆う側部３ｂを形成している。第２蓋部材５も、第１蓋部材３と同様に、本体部５ａおよび側部５ｂを有しており、枠形部材７の他方の開口７ｃを覆っている。第１および第２蓋部材３，５と、枠形部材７との間には、アスファルトピッチやタールピッチなどのピッチ材が塗布されており、これによってケーシング９の気密が保たれている。

枠形部材７の一辺（図２では手前側の一辺）７ｂに、安全弁１が設けられており、第１および第２蓋部材３，５の各側部３ｂ、５ｂの、安全弁１に対応する位置に、ほぼ半円弧形状の切欠３ｂａ，５ｂａがそれぞれ形成されている。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である図３に示すように、安全弁１は、ケーシング９を形成する枠形部材７を貫通して設けられている。

安全弁１は、キャップ１１、弁体１３、および蓋体１５を主要な構成部材として備えており、キャップ１１の内方に円柱形状の弁体１３が収納され、さらにその内側から、蓋体１５が弁体１３の内側端面１３ａを覆った状態でキャップ１１に取り付けられている。蓋体１５の表面１５ａは、ケーシング９の内方に露出し、裏面１５ｂは、弁体１３の内側端面１３ａに接触している。

キャップ１１は、ケーシング９の外部に露出して工具または手により操作される、ほぼ円板状の操作部１７と、操作部１７の内側に同心状に突設された、操作部１７よりも小径の筒状の軸部１９とを有している。軸部１９の内方空間は、弁体１３を収納するための収納部２１として形成されている。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である図４に示すように、収納部２１を形成する軸部１９の内周面１９ａには、径方向内側に膨出する円弧状の凸部２３が複数（本実施形態では８つ）均等な間隔で設けられている。凸部２３を設けることにより、その頂点２３ａによって円筒形状の弁体１３が径方向に支持されるとともに、凸部２３間に形成される凹部２５が、弁体１３と収納部２１との間のガス通路ＧＰの一部を形成する。

さらに、図３の収納部２１の頂壁２７の内面には、図４に破線で示す部分に相当する位置に、ガス通路ＧＰの一部を形成する十字形の連通溝２９が形成されている。すなわち、この十字連通溝２９は、その各端部２９ａが、凹部２５の位置に合致するように配置されている。また、十字連通溝２７の交差部分には、図３に示すように、頂壁２７を軸方向に貫通する連通孔３１が設けられている。このようにして、凹部２５と十字連通溝２７とから形成されるガス通路ＧＰおよび連通孔３１を介して、弁体１３の収納部２１と、電池Ｃの外部とが連通されている。

一方、軸部１９の外周面には、ねじ溝が設けられて、枠形部材７に設けられたねじ孔７ｃに螺合するねじ部２１が形成されている。なお、本実施形態では、気密性を高めるために、ねじ部２１をテーパねじとして形成しているが、平行ねじとして形成してもよい。

キャップ１１は、電池Ｃ内部の電極と接触することによる内部短絡を防止するために、絶縁素材で形成されている。具体的には、本実施形態では、枠形部材７と同様に、変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂を使用しているが、機械的な強度、耐熱性および耐電解液性の観点から種々の材料を選択できる。

円柱形状の弁体１３は、エチレンプロピレン（ＥＰＤＭ）ゴムのような弾性材料から形成されているが、弁体１３を形成する弾性材料としては、これに限らず、耐アルカリ性を有するものであれば適宜選択可能である。

蓋体１５は、キャップ１１の軸部１９よりもやや小径の円板状の部材として形成されており、その中心部に、軸心方向に貫通する、弁体１３よりも小径の弁孔３３が設けられている。蓋体１５は、その外周面を、軸部１９の内周面の内側端部に形成された嵌合部１９ｂに嵌合させることによりキャップ１１に取り付けられるが、このとき、蓋体１５の裏面１５ｂの外周縁部に、周方向の全体に渡って設けられた嵌合凸部１５ｃが、これに対応する形状に形成された軸部１９側の嵌合凹部１９ｃに嵌め込まれる。キャップ１１と同様に、蓋体１５も変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂のような絶縁部材から形成されており、上述のようにして嵌合されたキャップ１１と蓋体１５とが、超音波溶着によって互いに接合されている。アルカリ性の電解液により劣化し易い接着剤ではなく、超音波溶着のような溶着を用いることにより、長期にわたって確実にキャップ１１と蓋体１５とを接合させることができる。

なお、キャップ１１と蓋体１５との超音波溶着の際に、収納部２１に収納されているゴム製の弁体１３までもが蓋体１５に融着すると、安全弁１の適切な作動が妨げられる。そこで、蓋体１５の裏面１５ｂには、融着防止剤として、例えば、シリコンオイルが塗布されている。

組み立て前の弁体１３の高さは、収納部２１の高さよりもやや大きく設定されている。従って、キャップ１１、弁体１３、および蓋体１５が上述のように組み立てられた状態において、蓋体１５は弁体１３の内側端面１３ａを押圧して、弁体１３の外側端面１３ｂを収納部２１の頂壁２７に圧接させている。また、この状態で、蓋体１５の弁孔３３は、弁体１３によって閉塞されている。

キャップ１１の平面図である図５に示すように、軸部１９の外側に位置する操作部１７の頂面１７ａには、ねじ回し工具の先端部が挿入可能なマイナス溝１７ｂが設けられており、このマイナス溝１７ｂを利用して、図３のねじ部２１を枠形部材７のねじ孔７ｃに螺合させることにより、安全弁１が電池Ｃのケーシング９に取り付けられる。操作部１７の構造は、図５の例に限らず、工具または手により螺合操作が可能なものであればよい。例えば、マイナス溝１７ｂの代わりに、六角レンチ用の六角穴としてもよく、または追加で、操作部１７の外周面を、六角スパナ等の先端部が係合可能な形状としてもよい。ケーシング９の外部に露出する操作部１７とケーシング９との間は、環状のシール部材３５によりシールされている。操作部１７とケーシング９との間にシール部材を設けることにより、例えば、複数の角形電池Ｃを積層した電池モジュールのような、電池Ｃのケーシング９が外部からの力を受け易い環境において、安全弁１が取り付けられるケーシング９のねじ孔７ｃが変形しても、確実に電池Ｃの気密を確保することができる。

本実施形態においては、環状のシール部材３５であるＯリングが、ねじ部２１の首部２１ａの外周と操作部１７の底面の外周部に設けた周壁４１とで形成された環状溝４３に嵌め込まれてキャップ１１に取り付けられている。上記シール部材３５としては、このような弾性部材からなるＯリングのほかにも、例えば、図６に示す変形例のように、操作部１７の内面に一体的に設けられたシール部材３５Ａとして、操作部１７の底面に環状のリブを突設し、このリブ３５Ａの先端を枠形部材７の表面に食い込ませてもよい。

次に、本実施形態に係る安全弁１の動作について説明する。

図３に示す電池Ｃの内部圧力が所定の値に達すると、図３に示される拡張状態にあった弁体１３は、図７に示すように弁孔３３を介して圧力Ｐを受け、外側方向に押圧されて収縮する。これにより、弁体１３によって閉塞されていた弁孔３３が開放され、電池Ｃの内部ガスＧが弁孔３３を介して収納部２１に流入する。ガスＧは、凹部２５と十字連通溝２７とによって形成されたガス通路ＧＰを通った後に、収納部２１の頂壁の連通孔３１を介して外部に排出される。余剰な圧力分のガスＧが排出された後、弁体１３は元の拡張状態に戻り、安全弁１が閉弁する。

こうして、安全弁１が単位電池Ｃの内圧上昇に対して、独立した安全弁機構として作動するので、外部の圧力調整装置や連通部材などを設ける必要がなく、電池Ｃ自体や複数の電池Ｃによって構成する電池モジュールを小型化することができる。また、弾性材料からなる弁体１３を蓋体１５によってキャップ１１内の収納部２１に保持しているから、部品点数が少なく、構造が簡単である。

さらには、電池Ｃの製造過程においては、安全弁１が、電池のケーシングに着脱可能なねじ部２１を有しているので、ケーシング９に設けられた、安全弁を取り付けるためのねじ孔７ｃを、例えば活性化充放電後などに、電解液の継ぎ足し注入が可能な注入口として利用することができる。これにより、電池Ｃの構造および組立工程を簡素化しながらも、電池Ｃ内の電解液量を微細に調整することが可能となり、優れた長期性能を有する電池を製造することができる。

なお、キャップ１１の軸部１９に設けられる凸部２３および凹部２５の断面形状、数および配置は、内部ガスＧを収納部２１内で均一に通過させることができれば、特に限定されず、安全弁１の設定作動圧力や寸法などに応じて、適宜選択してよい。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

本発明の一実施形態に係る角形電池を示す斜視図である。 図１の角形電池のケーシングの構造を示す分解斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図であり、本発明の一実施形態に係る安全弁の構造を示している。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図３の実施形態に係る安全弁を示す平面図である。 図３の実施形態に係る安全弁の変形例を示す断面図である。 図３の実施形態に係る安全弁の作動状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 安全弁
３ 第１蓋部材（正極端子板）
５ 第２蓋部材（負極端子板）
７ 枠形部材
９ ケーシング
１１ キャップ
１３ 弁体
１３ａ 弁体の内側端面
１３ｂ 弁体の外側端面
１５ 蓋体
２１ 収納部
２２ ねじ部
２７ 頂壁
３１ 連通孔
３３ 弁孔
Ｃ 電池
Ｇ ガス
ＧＰ ガス通路

Claims (4)

1. 電池のケーシングに取り付けられる安全弁であって、
   弾性材料からなる弁体と、
   前記弁体を収納する収納部、および、前記収納部と外部とを連通する連通孔を有するキャップと、
   前記弁体の内側端面を押圧して、外側端面を前記収納部の頂壁に圧接させる蓋体と、
   前記収納部の内面と弁体との間に形成されて前記連通孔に接続されたガス通路と、
   を備え、
   前記蓋体に、拡張状態の前記弁体により閉塞され、前記ケーシング内の圧力により前記弁体が収縮したときに開放されてケーシング内とガス通路とを連通させる弁孔が設けられており、
   前記キャップは、前記ケーシングに着脱自在に螺合するねじ部を有している安全弁。
2. 請求項１において、前記キャップは前記ケーシングの外部に露出する操作部を有し、さらに、該操作部と前記ケーシングとの間をシールするシール部材を備えている安全弁。
3. 請求項１または２において、前記キャップおよび前記弁体がいずれも絶縁材料で形成されており、前記蓋体が、溶着により前記キャップに接合されている安全弁。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の安全弁を備える電池であって、
   前記電池のケーシングが、互いに対向して配置された、平板状の正極端子板および負極端子板と、これら端子板の間に介在する絶縁部材からなる矩形の枠形部材とで形成されており、
   前記キャップが前記枠形部材の一辺に設けられたねじ孔に螺合することにより、当該安全弁が前記ケーシングに取り付けられている角形電池。

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