JP5383199B2 - 複数の電気化学セルを有する発電モジュール - Google Patents

Description

本発明は、自動車用の発電モジュールに関し、特に、複数の電気化学セルを備え、電気自動車やハイブリッド自動車に適した発電モジュールに関する。

通常、ハイブリッド推進またはハイブリッド牽引自動車は、複数のエネルギー源を使用できるように、車体に、内燃トラクションエンジン及び発電モジュールを備えた電気トラクションモータを備えている。

この種のハイブリッド自動車や電気自動車のための発電モジュール、又はバッテリーは、複数の同一のアッセンブリを有する。各アッセンブリは、基本電気化学セルを備え、電極で生じる化学反応によって電気エネルギーを発生することができる。

そのような基本電気化学セルは、特に、エネルギー的にも経済的にも有効である。しかしながら、これらのセルは、比較的厚みが小さく、比較的機械的強度も低いため、装置の製造時の組み立てや相対的な位置調整に困難が伴う。

そのような装置の製造を容易にするために、すでに様々な解決策が考案されてきた。例えば、特開2004-227921号公報の要約には、底部及び上部に支持手段を備えた、積層された基本電気化学セルのための支持部材が記載されている。それぞれの支持手段は、交差し、それぞれの端部が固定ブロックを有する２つの長方形のバーを備え、支持手段の該固定ブロックは、他の支持手段の固定ブロックと協同している。

これらのバーおよび固定ブロックは基本電気化学セルのための支持部材を形成し、主要な面が互いに重なるように、予め互いに溶接されている。さらに詳しい基本セルの溶接技術については、例えば、特開2004-253262号公報の要約を参照されたい。

そのような基本電気化学セルのための支持部材は、極めて時間がかかり、困難かつコストの高い基本セルの溶接作業が予め必要になるという欠点を有する。また、プレートが互いに支持し合うように組み立てると、効果的な冷却を行うことができない。

本発明の目的は、基本電気化学セルの組み立てが、極めて安全、迅速かつ効率的である発電モジュールを提案することにより前記の欠点を改善し、さらには、モジュールの効率を高め、かつ寿命を長くするために前記セルの冷却を容易にすることである。

本発明の１側面によれば、複数の基本電気化学セルを備える発電モジュールは、前記基本電気化学セルのためのサポートプレートを備え、前記サポートプレートは２つの隣り合う電気化学セルのためのスペーサーを形成し、押圧力によって前記電気化学セル及び前記サポートプレートの相対的な位置を維持する押圧手段を備えるように構成されている。

このような構成により、容易かつ迅速に、互いの電気化学セルの位置が相対的に定められた発電モジュールを提供することができ、さらには、前記セルを充分に冷却することができる。

さらには、前記プレートを設けることにより、セルの相対的な位置決めが確実にできるだけではなく、前記セル間の間隔を一定に保つことができ、例えば空気のような冷却気体が循環可能になる。

また、圧縮によって基本セル及びサポートプレートの相対的な位置を維持する押圧手段を用いることにより、溶接のようにセルを一緒に組み立てる、極めて複雑でコストのかかる作業をせずとも、極めて経済的なデバイスを提供できる。

好ましくは、それぞれの前記サポートプレートは、少なくとも２つの隣り合う基本セルに対応している。

前記基本セル及びそれに対応する前記サポートプレート間に摩擦エレメントを備えているのが好ましい。そのような摩擦エレメントは、サポートプレートに対する基本セルの位置決めを確実にする。

好ましい具体例では、前記摩擦エレメントが前記サポートプレートであり、前記サポートプレートが前記基本セルよりも実質的に表面が粗い。

有利には、前記装置は、最上位の前記基本セルを押圧するように、少なくとも１つの弾性変形エレメントがさらに設けられている。

このような弾性変形エレメントを設けることにより、基本セル、サポートプレート及び荷重手段間の熱膨張の違いを克服することができる。さらには、該弾性変形エレメントは、基本セルの厚さに関する許容誤差と、該セルの充電状態又は放電状態による、いかなる厚みの変化も吸収することができる。

好ましくは、前記弾性変形エレメントが柔軟性のある合成材料からなり、前記サポートプレートが堅い合成材料からなる。

本発明の１側面によれば、前記サポートプレートが電導手段又は絶縁手段を備えている。

前記手段は、前記装置の調整を簡単にするために、単一の部材からなるサポートプレートから構成される。

好ましくは、前記装置は、前記基本電気化学セル及び前記サポートプレートの相対的な位置決めのための前記荷重手段が設けられているべースを備えている。

前記サポートプレートが、前記基本電気化学セルのためのサポートフレームのアッセンブリ、及び、前記電気化学セルを互いに電気的に接続する少なくとも１つの接続部によって構成されているのが好ましい。

本発明及び本発明の利点は、詳細が記載された実施例および添付の図によって、よりよく理解されるが、本発明がこれらの実施例に限定されるものではない。
−図１は、本発明の一つの側面に係る発電モジュールの上面からの概略図である。
−図２及び図３は、それぞれ図１の発電モジュールの線II−II及びIII−IIIに沿った断面図である。

以下に、図１ないし図３を参照して、図中の符号１で示される、特に電気自動車やハイブリッド自動車に用いられる、発電モジュールの一実施例を説明する。

上から見ると、モジュール１はほぼ長方形であり、この実施例の場合、互いに接続され、複数の同様の電気化学セル４を有する２つのアッセンブリ２及び３を備えている。前記電気化学セル４は、それぞれのアッセンブリ２及び３において、２つの等しい縦の列を形成するように配置されている。従って、一方の列の電気化学セル４は、他方の列のセルと共に水平に配列されてペアを構成している。図１では、左下にある、アッセンブリ２のセル４の列の内の一つは描かれていない。

通常、エネルギーを発生するために、それぞれのセル４は、電解質７によって分離されたカソード５及びアノード６を有している。該電解質７は、リチウム塩を含む有機溶媒型の液状電解質高分子に浸漬された、薄膜状の高分子セパレーターであってもよい。

明確に記すため、図２及び図３では、アッセンブリ２及び３は、それぞれ８つの基本セル４からなるものとした。言うまでもないが、想定されるセルの総数は実際には異なる。実際には、自動車を動かすために必要なパワーは数十ｋＷであり、そのためには、多くの電気化学セル４を積層することが必要になる。

モジュール１のアッセンブリ２では、基本セル４のそれぞれのペアは、これらセル４の支持及び相対的な位置調整を確実にするための、サポートプレート８に対応付けられている。サポートプレート８は概ね長方形の形状であり、コンパクトなモジュール１とするためにセル４に比べて厚みが小さくてもよい。該厚みは、例えば、１ミリメートル程度である。

前記プレート８は、サポートフレーム９及び、該フレーム９上に、例えばスナップ−フィッティング等により取り付けられて単一のアッセンブリを形成する実質的に同一形状の２つのサイドピース１０及び１１を有している。

基本的に長方形であるフレーム９は、その長辺を結ぶ第１中央ストリップ１２と、その短辺を結び、それぞれ該長辺の一方の近傍に位置する第２ストリップ１３及び第３ストリップ１４とを有する。即ち、ストリップ１２は、２つの等しい開口９ａを画定し、図１では一方の開口のみが見えている。これらの開口９ａは、特に、セル４のターミナルを接続する方法を提供する。

フレーム９のアッセンブリ３と反対側の長辺の位置には、上方に延びる垂直リム１５及びサイドフレームの主面の両側に延びる垂直フォールド１６がある。前記リム１５及びフォールド１６は、前記フレーム９の全体の長さに及ぶ。フォールド１６は前記フレーム９の前記辺部分の外側に配置される。前記リム１５は前記辺部分の内側に配置され、上面が傾斜している。

反対側の長辺においても、フレーム９は上述したものと類似したリム１９及びフォールド２０を有している。リム１５及び１９の傾斜面は、一対の電気化学セル４の下面の支持を、フォールド１６及び２０は、前記下面の支持を目的としている。

横に延びるピース１０は、ほぼ長方形の板状であって、前記フォールド１６の外側へ、フレーム９を水平に延長している。ピース１０は、外側の長辺部及び短辺部の周囲に、鉛直のへり１７を有し、該へり１７はピース１０の主面の両側に延びている。また、横に延びるピース１０は、該へり１７の近傍に２つの空洞１８を有し、それぞれの空洞１８はセルの列の一つと対応する。

横に延びるピース１１は、長方形の板状であるが、横に延びるピース１０とはわずかに異なる。実際には、横に延びるピース１１はアッセンブリ２の電気化学セル４のペアのためのものであるが、アッセンブリ３の電気化学セル４のペアにも対応する。即ち、横に延びるピース１１は、アッセンブリ２及びアッセンブリ３に共通である。従って、ピース１１は、短辺部の周囲に２つの垂直なへり（図示せず）を有している。また、ピース１１も、ピース１０と類似の位置に２つの空洞２３を有している。

アッセンブリ３の形状は、アッセンブリ２と同様である。言うまでもなく、モジュール１のアッセンブリの数は、要求される出力パワーに応じて調整できる。

次に、サポートプレート８とアッセンブリ２の基本セル４との相対的な配置について説明する。

最下位のサポートプレート８は、ブロック２５ないし２８を介してベース２４に支えられている。ブロック２５ないし２８は、それぞれ、フォールド１６、へり１７、ストリップ１３、ストリップ１４及びフォールド２０のそれぞれの底面を支えている。最下位にある２つの電気化学セル４の各主底面は、ストリップ１２ないし１４及びリム１５、１９の上面によって、前記プレートの高さで支えられている。

真上のサポートプレート８は、フォールド１６、２０及びストリップ１２ないし１４のそれぞれの底面を介して、２つの最下位の電気化学セル４の主面によって支えられる。前記サポートプレート８は、実質的にセル間の間隔を一定に維持し、冷却の目的でガスが循環できるようにするため、最下位の基本セルの真上に電気化学セル４を支持するだけではなく、前記セル間に空間を形成する。

他の６つのサポートプレート８及びアッセンブリ２の電気化学セル４は、上述したものと同様である。また、サポートプレート８とアッセンブリ３の電気化学セル４との相対的な配置は、アッセンブリ２の場合と同様である。

いくつかの電気化学セル４を互いに電気的に接続するために、電導手段又は絶縁手段２９、３０が、各ピース１０及び１１の空洞１８及び空洞２３の内部に固定されている。電導手段又は絶縁手段２９、３０をどのように使用するかは、電気化学セル４が電気的に直列又は並列に接続されているかによって決まる。

この目的を達成するために、それぞれの電気化学セル４は、端部に接続され、対応するセルの幅よりわずかに幅の小さな薄い金属シート状である２つの接続タブ３１及び３２を有している。図を明確にするために、ここでは、接続タブ３１及び３２は、電解質７に接続されている。各セル４が実際には外装部材（図示せず）を有しており、タブ３１、３２は当該外装部材に接続されていても良い。

導電手段又は絶縁手段３０は、アッセンブリ２の電気化学セル４とアッセンブリ３の電気化学セル４を電気的に接続するために用いられる。即ち、フレーム９は、前記セル４及び前記セルが互いに電気的に接続されるためのパーツ１０及び１１をサポートするために用いられる。

アッセンブリ２の基本セル４及び積層されたプレート８の相対的な位置を維持するため、モジュール１は、前記プレート及びセルに押圧力を加える手段を備えている。当該押圧手段は、最上位のセル４に接するフランジ３３、３４、該フランジに対応する押圧プレート３５、３６及び固定ロッド３７、３８を有している。

前記フランジ３３、３４は、最上位のピース１０、１１のそれぞれを覆う面積を有している。該フランジ３３、３４は、最上位の電気化学セル４を押さえ、最上位の絶縁手段２９、３０が通過するための空間（図示せず）を有しており、該フランジの上面は、導電手段又は絶縁手段２９及び３０の上面よりも下方に位置する。

各フランジ３３、３４は、絶縁手段２９、３０よりもわずかに面積が大きく、最上位の絶縁手段２９、３０の上面を押さえるように配置された２つのプレート３５、３６を有する。前記プレート３５、３６及び絶縁手段２９、３０の間には、２つの隣り合ったセル４の列を電気的に接続するための金属のバー（図示せず）が設けられている。

各プレート３５に対して４つ描かれている、固定ロッド３７は、この目的のために設けられた穴を介して、前記プレート及びプレート８を通過し、それぞれブロック２５の位置で、ベース２４に対してサポートプレート８及び電気化学セル４を固定するために使用される。この目的のため、プレート３５の上面を押さえるように、ナット３９が前記ロッドに螺合されている。

同様に、ロッド３８及びナット４０は、フランジ３４を通過して、ブロック２８の位置で、ベース２４に対してプレート８及び電気化学セル４を固定するために用いられる。即ち、フランジ３４は、アッセンブリ２及びアッセンブリ３の電気化学セル４を固定するために用いられる。フランジ３４のの反対側では、アッセンブリ３は、セル４の他端を固定するための他のフランジ（図示せず）を有している。

モジュール１の各アッセンブリにおいて、前記押圧手段は、弾性変形エレメント４２を介して最上位の電気化学セル４の上面を押さえる２つの横押圧バー４１を有している。該押圧バー４１は、互いに等しく、フレーム９の長辺とほぼ同じ長さである。これらは、ブロック２６又は２７に対して垂直に配置されている。

変形可能なエレメント４２は長方形であり、押圧バー４１と同じ長さである。好ましくは、前記エレメント４２は、例えば、エチレン−プロピレン−ジエンモノマー（ＥＰＤＭ）等の柔軟な合成材料からなる。ここでは、それぞれの押圧バー４１に対して３つのネジ状のロッド４３及びナット４４が設けられ、サポートプレート８及び電気化学セル４がベース２４に固定されている。ロッド４３の下端部は、ここでは、ブロック２６及び２７に取り付けられている。

このように、最上位の電気化学セル４を支持するエレメント４２を設けることによって、サポートプレート８及びセル４の相対的なずれが生じるのを抑制するために、電気化学セル４に押圧力を加えることができる。さらには、基本セル４、サポートプレート８及びロッド４３間の異なる熱膨張を吸収する。このようなエレメント４２は、該セルの充電状態又は放電状態による、いかなる厚みの変化も吸収する。

プレート８をセル４に対して確実に維持し、さらに装置１をコンパクトにするために、プレート８は、該プレートと電気化学セル４との摩擦係数を得るために、例えばポリプロピレン（ＰＰ）等の堅い合成材料からなり、摩擦手段によって前記プレートに対するセル４の水平位置を維持するように設計されている。

言うまでもなく、前記目的のために、セル４とプレート８の間に特別なエレメントを設けることも考えられる。

本発明の発電モジュールによれば、装置の最適な操作を得るために冷却ガスの循環を可能にする、セルが互いに間隔を介した、いくつかの基本セルからなるアッセンブリを、極めて容易かつ確実に得ることができる。また、所望のパワーやエネルギーによって、装置のアッセンブリの数や、それぞれの前記アッセンブリのセルの数を適合させることができる。

本発明の一つの側面に係る発電モジュールの上から見た概略図。 図１の発電モジュールの線II−IIに沿った断面図。 図１の発電モジュールの線III−IIIに沿った断面図。

Claims (3)

1. 複数の基本電気化学セル（４）を備える発電モジュールであって、
   前記基本電気化学セルを部分的に支持するサポートプレート（８）を備え、
   前記サポートプレートは、上側及び下側の前記基本電気化学セルの端部と接することによりスペーサーを形成し、
   最上層の前記セルに接するフランジ（３３、３４）と、当該フランジをベース（２４）に押し付ける固定ロッド（３７、３８）からなる押圧手段を備え、さらに
   最上層の前記セルを押さえる、少なくとも１つの弾性変形エレメント（４２）を備え、
   当該弾性変形エレメントが柔軟性のある合成材料からなり、前記サポートプレートが堅い合成材料からなり、
   前記基本電気化学セル及びそれに接する前記サポートプレート間に、摩擦エレメントを備えている、又は
   前記サポートプレートが、前記基本電気化学セルよりも表面が粗い摩擦エレメントである、
   ことを特徴とする発電モジュール。
2. 前記サポートプレートが電導手段又は絶縁手段（２９、３０）を備えることを特徴とする請求項１に記載の発電モジュール。
3. 前記サポートプレートが、前記基本電気化学セルのためのサポートフレーム（９）のアッセンブリ、及び、前記基本電気化学セルを互いに電気的に接続する少なくとも１つの接続部（１０、１１）によって構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電モジュール。

Images