JP5383689B2 - 二次電池搭載移動体及び二次電池のガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池のガス処理装置に関し、特に、二次電池を搭載した二次電池搭載移動体におけるガス処理装置に関する。

電気自動車（ＥＶ）やバッテリーフォークなどの移動体には、駆動源として、充放電可能な二次電池が搭載されることがある。二次電池としては、例えば、リチウム二次電池のように、電解液として有機溶媒を含む非水電解質型の二次電池が用いられる。このような非水電解質型二次電池において、万が一、過充電や圧壊により内部温度が上昇すると、電池が劣化したり、有機溶媒の蒸発によって内圧が上昇して電池が破裂することがある。そのため、こうした二次電池には、内部温度が上昇したときの安全対策が施されている。

電池が劣化することを防止する技術として、特開平１１−３１２５４０号公報には、電池の内部に水素を吸収する物質を含有することを特徴とする非水電解質二次電池が開示されている。特開平１１−３１２５４０号公報の記載によれば、電池内部に水素が存在すると水素と正極材料とが反応して水を生じ電池を劣化させるが、水素を吸収する物質を含有していることにより水が生成せず、電池が劣化しない。

一方、内圧の上昇による破裂を防止するためには、安全弁を取り付けることが知られている。

特開平７−１９２７７５号公報には、電池蓋の内側に安全弁を備える非水電解液二次電池において、安全弁と電池蓋の間にガス吸着剤を配設することが記載されている。

また、特開２００３−６８２６６号公報には、上面に安全弁を有する二次電池をラックに複数組み込んだ蓄電装置において、ラックの仕切部材の内部に流路溝を夫々形成し、二次電池の安全弁と対向するラックの仕切り部材に流路溝と連通する開口部を夫々形成し、吸着剤を充填した吸着槽を介して流路溝と連絡する吸引手段をラックに連結したことを特徴とすることが記載されている。

移動体では、通常、駆動源として必要な電力を得るため、複数の二次電池モジュールが使用される。複数の二次電池モジュールのうちの一つが異常に発熱した場合、その熱が他の二次電池モジュールにも伝達してしまうことがある。その結果、発熱した二次電池モジュールの周囲に配置されたモジュールも発熱してしまうことがある。

特に、移動体に搭載される二次電池では、大容量が要求されるために、大型の二次電池が用いられる。大型の二次電池では、異常発熱時における発熱量も大きくなる。

そこで本発明の目的は、一つの二次電池モジュールが発熱しても他の二次電池に熱が伝わらなくすることのできる、二次電池搭載移動体及び二次電池のガス処理装置を提供することにある。

本発明にかかる二次電池搭載移動体は、排気口を有する車体と、その車体内に設けられ、ガスを噴出するための噴出口を有する二次電池モジュールが搭載されたときに、噴出口と排気口と連通させる第１ダクトと、その車体内に設けられ、外部と連通する第２ダクトと、第１ダクト内を流れるガス流により、第２ダクト内に気流を発生させる気流発生部とを具備する。
二次電池モジュールが異常発熱すると、ガスの発生により内圧が上昇し、噴出口より第１ダクトにガスが噴出する。第１ダクトにガスが噴出すると、そのガス流により、気流発生部が第２ダクトに気流を発生させる。この第２ダクトに発生する気流を利用すれば、異常発熱した二次電池モジュールの熱が他の二次電池モジュールに伝達することを防止することができる。

その気流発生部は、第１ダクト内に配置された第１羽根車と、第２ダクト内に配置された第２羽根車と、第１羽根車と第２羽根車との双方に共通の回転軸として連結されたタービン軸とを備えることが好ましい。

本発明の二次電池搭載移動体は、更に、二次電池モジュールを収納する電池収納室を具備し、第２ダクトは、電池収納室と外部とを連通させるように配置されていることが好ましい。

その第２ダクトは、その二次電池モジュールの電池容器における最も面積の大きい面に平行な方向から外気を吹き付けるように、前記電池収納室に接続されていることが好ましい。

他の一観点から、第１ダクトは、排気口とは別の空気取り入れ口にも連結され、第１ダクトの途中には、空気取り入れ口から排気口へ流れる気流を発生させるファンが設けられていることが好ましい。

本発明に係る二次電池搭載移動体は、排気口を有する車体と、車体内に設けられ、ガスを噴出するための噴出口を有する二次電池モジュールが搭載されたときに、噴出口と排気口と連通させる第１ダクトと、第１ダクトに介装されたエジェクタとを具備する。

エジェクタは、第１ダクト内に噴出されたガスを上流側から吸込み下流側に噴射するように設けられたノズルと、ノズルから噴射されるガス流により減圧される吸引室とを備え、吸引室は、減圧されたときに外気を吸い込むように、外部と接続されていることが好ましい。

二次電池搭載移動体が、更に、車体内に設けられ、二次電池モジュールを収納する電池収納室を具備する場合、エジェクタは、第１ダクト内に噴出されたガスを上流側から吸込み下流側に噴射するように設けられたノズルと、ノズルから噴射されるガス流により減圧される吸引室とを備え、吸引室は、減圧されたときに電池収納室から気体を吸い込むように、電池収納室に接続されていることが好ましい。

本発明にかかる二次電池のガス処理装置は、ガスを噴出するための噴出口を有する二次電池モジュールが搭載されたときに、噴出口を外部に連通させる第１ダクトと、外部と連通する第２ダクトと、第１ダクト内を流れるガス流により、第２ダクト内に気流を発生させる気流発生部とを具備する。

本発明によれば、一つの二次電池モジュールが発熱しても他の二次電池に熱が伝わらなくすることのできる、二次電池搭載移動体及び二次電池のガス処理装置が提供される。

図１は、第１の実施形態の二次電池搭載移動体を示す概略図である。 図２は、第１の実施形態の変形例を説明するための説明図である。 図３は、第２の実施形態の二次電池搭載移動体を示す概略図である。 図４は、第３の実施形態の二次電池搭載移動体を示す概略図である。 図５は、第４の実施形態の二次電池搭載移動体を示す概略図である。 図６は、第５の実施形態の二次電池搭載移動体を示す概略図である。

（第１の実施形態）
図面を参照しつつ、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の二次電池搭載移動体を示す概略図である。この二次電池搭載移動体は、車体を備えており、その車体内には、電池収納室６と、第１ダクト４と、第２ダクト１５と、第１羽根車５と、第２羽根車８と、タービン軸９とが設けられている。また、車体には、第１排気口７と、開口１２とが設けられている。電池収納室６には、複数の二次電池モジュール（１−１〜１−３）が収納されている。

複数の二次電池モジュール（１−１〜１−３）は、二次電池搭載移動体を駆動するための動力源として、搭載されている。複数の二次電池モジュールの各々１は、容器内に二次電池の収納された構造を有している。その二次電池としては、例えば、電解質としてリチウムイオンを含み、電解液として有機溶媒が用いられたリチウム二次電池が挙げられる。各二次電池モジュール１には、安全弁３の取り付けられた噴出口２が設けられている。二次電池は、電池の過充電や事故時の圧壊などの非常時に発熱することがある。このとき、電解液である有機溶媒の蒸発や化学変化などにより、ガスが発生することがある。ガスが各二次電池モジュール１内に蓄積されると、内圧によって容器が破裂することがある。安全弁３は、容器の破裂を防止し、ガスを特定の方向から噴出させるために設けられている。安全弁３は、容器内に蓄積されたガスの圧力がある値以上となった際に開放される。容器内の内圧が平常であるとき、安全弁６は閉じており、二次電池モジュール１内は密閉される。一方、二次電池モジュール１内の内圧が安全弁６の動作する圧力を超えると、安全弁６が開放され、ガスが噴出口２を介して噴出される。

第１ダクト４は、非常時に、各二次電池モジュール１から噴出したガスを外部へ導くために設けられている。第１ダクト４は、各二次電池モジュール１の噴出口２と、第１排気口７とを連通させるように配置されている。非常時に噴出口２から噴出されるガスの圧力及び流速は、安全弁３の仕様次第ではあるが、通常、高圧であり高流速である。このような高圧高流速のガスが車外へそのまま排気されることは好ましくない。第１ダクト４は、ガスの勢いが十分に低減されるように設計されていることが好ましい。具体的には、その内径が、噴出口２の口径と安全弁３の仕様とを考慮して設計されていることが好ましい。

第２ダクト１５は、開口１２と電池収納室６とを連通させるように配置されている。この第２ダクト１５は、非常時に、外気を電池収納室６内に送り込み、複数の二次電池モジュール１を冷却するために設けられている。

第１羽根車５は、第１ダクト４内に設けられている。第１羽根車５は、各二次電池モジュール１の噴出口よりも下流側に設けられている。第１羽根車５は、タービン軸９に連結されている。第１羽根車５は、第１ダクト４内のガス流れにより、タービン軸９を回転軸として回転する。

第２羽根車８は、第２ダクト１５内に設けられている。第２羽根車８は、タービン軸９に連結されており、タービン軸９を回転軸として回転する。すなわち、タービン軸９は、第１羽根車５と第２羽根車９とで共通の回転軸である。第２羽根車８は、第１ダクト４内を排気口７に向かうガス流（図中矢印Ａ）により第１羽根車５が回転したときに、第２ダクト１５内に電池収納室６へ向かう気流（図中矢印Ｂ）が発生するように、タービン軸９に連結されている。

続いて、本実施形態における二次電池搭載移動体の非常時における動作について説明する。

二次電池の過充電、過放電、事故時の圧壊などにより、複数の二次電池モジュール１のうちの一つが異常に発熱したとする。異常発熱した二次電池モジュール１では、内部でガスが発生し、内圧が上昇する。ガスによる内圧が、安全弁３の動作圧力を超えると、安全弁３が開放される。これにより、発熱した二次電池モジュール１の噴出口２から、ガスが第１ダクト４に噴出する。第１ダクト４内において、ガスは排気口７側へ向かって流れる。このガスの流れにより、第１羽根車５が回転する。このときの圧損により、第１ダクト４内のガスは、圧力及び流速が低減され、穏やかな状態で排気口７から外部へ排気される。

一方で、第１羽根車５の回転により、タービン軸９を介して、第２羽根車８も回転する。第２羽根車８の回転により、第２ダクト１５内には、開口１２から電池収納室６へ向かって外気が流れ込む。電池収納室６に流れ込んだ外気は、複数の二次電池モジュール１に吹き付けられる。複数の二次電池モジュール１は、外気によって冷却される。

これにより、発熱した二次電池モジュール１から他の二次電池モジュールへ熱が波及し、複数の二次電池モジュール１全体が発熱したり、引火してしまうことが防止される。噴出したガスの流れを利用して、自動的に、複数の二次電池モジュール１を冷却することができる。

尚、本実施形態においては、第１ダクト４内を排気口７側へ流れるガス流により、第２ダクト１５内において電池収納室６側へ流れる気流が発生する場合について説明した。しかし、第２羽根車８を、電池収納室６から開口１２側へ流れる気流が発生するように配置してもいい。このようにすると、電池収納室６内が減圧され、熱伝達率が低くなる。その結果、発熱した二次電池モジュール１から他の二次電池モジュールに熱が伝達することを防止することができる。

本実施形態においては、第２ダクト１５と電池収納室６との連結部分を更に工夫することが可能である。第２ダクト１５と電池収納室６との連結部分の工夫された変形例について、図２を参照して説明する。図２には、電池収納室６における複数の二次電池モジュール１のレイアウトと、第２ダクト１５と電池収納室６と連結位置とが示されている。図２に示されるように、電池収納室６内において、複数の二次電池モジュールが第１方向に沿って並べられているものとする。複数の二次電池モジュールの各々において、その電池容器の複数の面のうち最も面積の大きい面は、第１方向と直交する方向（第２方向）に平行であるものとする。第２ダクト１５は、第２方向から外気を吹き付けるように、電池収納室６に接続されている。

このような構成により、非常時に電池収納室６内に送り込まれた外気は、各二次電池モジュール１同士の間を流れ易くなる。その結果、隣接する各二次電池モジュール１間の間で熱伝達率を下げることができる。従って、異常発熱した二次電池モジュール１の熱が他の二次電池モジュール１に伝熱することを、より確実に防止できる。

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。

図３は、本実施形態の二次電池搭載移動体を示す概略図である。本実施形態においては、第１の実施形態と比較して、第２ダクト１５の経路が変更されている。その他の点については、第１の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

図３に示されるように、第２ダクト１５は、一端で開口１２に接続され、他端で第１ダクト４の途中に接続されている。尚、図３では、第２ダクト１５が、第１羽根車５の上流側で第１ダクト４に接続されているが、第１羽根車５の下流側で第１ダクトに接続されていてもかまわない。

本実施形態では、非常時に第１ダクト４内にガスが噴出すると、第１の実施形態と同様に、第２ダクト１５内に気流が発生する。但し、この第２ダクト１５内に発生した気流は、電池収納室６ではなく、第１ダクト４に導入される。第１ダクト４に外気が導入されることにより、第１ダクト４内のガスが希釈される。リチウム二次電池の場合、非常時に二次電池モジュール２から噴出されるガスの成分としては、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、プロパン、ハイドロカーボン、エチルメチルカーボネート、カーボンブラックなどの微粒子（ＰＭ；Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍａｔｔｅｒ）成分が考えられる。第２ダクト１５により導入される外気により、ガス中のこのような成分が低濃度化される。従って、排気口７からは、成分濃度の低濃度化されたガスが排気され、周囲の環境に影響を与えることが防止される。

（第３の実施形態）
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。

図４は、本実施形態の二次電池搭載移動体の構成を示す概略図である。図４に示されるように、第１の実施形態と比較して、エジェクタ２３が追加されている。また、車体には、空気取り入れ口１１及び２１、ファン１０及び２２、第２ダクト１５Ａが追加されている。また、第２の実施形態のように、羽根車やタービン軸は設けられていない。第１ダクト４は、ファン１０を介して、空気取り入れ口１１に接続されている。第２ダクト１５Ａは、空気取り入れ口２１と電池収納室６とを連通している。ファン２２は、第２ダクト１５Ａの途中に介装されており、空気取り入れ口２１から電池収納室６に外気を導入する。その他の点については、第２の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

エジェクタ２３は、各二次電池モジュール１の噴出口３よりも下流側で、第１ダクト４に介装されている。エジェクタ２３は、ノズル２４（減圧部）と、吸引室２５（吸引部）と、混合部２６と、ディフューザ２９（昇圧部）とを備えている。

ノズル２４は、吸込み側が上流側を向いており、噴射側が下流側を向いている。ノズル２４の先端は吸引室２５内に配置されている。第１ダクト４内にガスが噴出した際、そのガスはノズル２４を介して吸引室２５内に噴射される。吸引室２５は、ノズル２４の反対側で、混合部２６に連結されている。混合部２６は、その下流側にて、混合部２６よりも大径化されたディフューザ２９に連結されている。ディフューザ２９の下流側は、排気口７に接続されている。また、吸引室２５は、混合部２６とは別に、第３ダクト２７と連結されている。第３ダクト２７は、車体に設けられた吸引口２８に接続されている。吸引室２５は、ノズル２４から噴射されたガス流によるエントレインメント効果により、吸引口２８から外気を吸引するように構成されている。

続いて、本実施形態における二次電池搭載移動体における非常時の動作について説明する。

非常時に、ある二次電池モジュール１が発熱によりガスを発生し、内圧が安全弁３の動作圧以上になるとする。すると、安全弁３が開放され、ガスが噴出口２を介して第１ダクト４内に噴出される。第１ダクト４内に噴出されたガスは、ノズル２４により吸引室２５内に噴射される。第１ダクト４内に噴出するときのガスの圧力は、安全弁３の仕様にも依存するが、通常高圧である。この高圧のガスがノズル２４から噴射されることにより、吸引室２５が減圧される。その結果、エントレインメント効果により、第３ダクト２７及び吸引口２８を介して、吸引室２５内に外気が吸引される。ノズル２４から噴射されたガスと、吸引された外気とは、混合部２６において混合される。その結果、ガスが外気によって希釈される。また、外気によってガスが冷却される。希釈され、冷却されたガスは、ディフューザ２９を介して、排気口７から排気される。

また、第１ダクト４内には、ファン１０によって空気取り入れ口１１から外気が取り込まれる。これにより、第１ダクト４内のガスは更に希釈及び冷却される。

このように、本実施形態によれば、前記排気口と前記噴出口との間に、ノズル２４（減圧部）と、吸引室２５（吸引部）と、混合部２６と、ディフューザ２９（昇圧部）のいずれか２つ以上を備えていることにより、排気口４から希釈されて冷却されたガス、すなわち無害化されたガスが排気される。よって、周囲の環境に影響を与えることが防止される。

また、第１ダクト３内に噴出されたガス中に微粒子が存在する場合、その微粒子はノズル２４から噴射された際に、更に微細化される。微細化されることで、微粒子の表面積が大きくなる。その結果、取り込まれた外気によるガスの冷却が、有効に行われる。

また、ガス中に可燃成分が含まれていたとしても、吸引室２５内において高速なガス流となることにより減圧されるので、ガスが引火してしまうことを防止できる。また、冷却される観点からも、ガスの引火を防止できる。また、希釈される観点からも、ガスの引火を防止できる。

また、本実施形態によれば、ガスが高圧であることを利用して、冷却及び希釈を行っている。従って、ガスを無害化するにあたっての処理を、ガス自体を駆動源として行うことができる。すなわち、ガスを無害化する処理を行うための駆動源を別途に設けることなく、ガスを無害化することができる。

尚、本実施形態では、ファン１０及び空気取り入れ口１１が設けられている場合について説明したが、必ずしもファン１１及び空気取り入れ口１１を設ける必要はない。

（第４の実施形態）
続いて、本発明の第４の実施形態について説明する。

図５は、本実施形態の二次電池搭載移動体の構成を示す概略図である。図５に示されるように、第３の実施形態と同様に、エジェクタ２３が設けられている。但し、第３の実施形態とは異なり、エジェクタ２３の吸引室２５は、第４ダクト３０を介して、電池収納室６に連通している。また、電池収納室１８は密閉されており、第２ダクトは設けられていない。また、ファン１１及び空気取り入れ口１１も設けられていない。その他の点については、第３の実施形態と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

本実施形態における非常時の動作について説明する。複数の二次電池モジュール１のうちの一つが、発熱したとする。発熱した二次電池モジュール１では、ガスが発生し、内圧が安全弁３の動作する圧力を超えたとする。その結果、発熱した二次電池モジュール１から第１ダクト４内にガスが噴出する。第１ダクト４内に噴出したガスは、ノズル２４から吸引室２５に噴射される。このとき、第３の実施形態と同様に、吸引室２５内が減圧される。減圧された吸引室２５内には、第４ダクト３０を介して、電池収納室６から気体が吸引される。これにより、第３の実施形態と同様の作用を奏する。

ここで、更に本実施形態では、吸引室２５に吸引されることで、電池収納室６が減圧される。その結果、電池収納室６内における熱伝達率が低下する。熱伝達率が低下することにより、発熱した二次電池モジュール１の熱が、他の二次電池モジュール１に伝わることを防止できる。発熱した二次電池モジュール１の熱が、他の二次電池モジュール１に伝わると、複数の二次電池モジュール１の全てが異常状態となってしまうことが考えられる。これに対し、本実施形態によれば、電池収納室６内の熱伝達率を下げることができるので、一の発熱した二次電池モジュール１により、複数の二次電池モジュール１の全てが異常状態となってしまうことを防止できる。

（第５の実施形態）
続いて、本発明の第５の実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る二次電池搭載移動体を示す概略構成図である。

第４の実施形態では、複数の二次電池モジュール１に対して、一つのエジェクタ２３が設けられている場合について説明した。これに対して、本実施形態では、一つの二次電池モジュール１に対して、一つのエジェクタ２３が設けられている。具体的には、第１ダクト４と各二次電池モジュール１との間に、エジェクタ２３が設けられている。各エジェクタ２３の第４ダクト３０は、密閉された電池収納室６に接続されている。

本実施形態では、各二次電池モジュール１から噴出したガスは、エジェクタ２３により無害化されたのち、第１ダクト４に導入される。そして、第４ダクト４から外部に排気される。

本実施形態のような構成としても、第４の実施形態で述べたのと同様の作用効果を奏することができる。また、本実施形態は第４の実施形態の変形例であるが、第３の実施形態に対しても、本実施形態と同様に、一つの二次電池モジュール１に対して一つのエジェクタを設けることが可能である。

以上、本発明の第１〜５の実施形態について説明したが、これらは矛盾のない範囲内で適宜組み合わせて使用することが可能である。

Claims (5)

1. 排気口を有する車体と、
   前記車体内に設けられ、ガスを噴出するための噴出口を有する二次電池モジュールが搭載されたときに、前記噴出口と前記排気口と連通させる第１ダクトと、
   前記車体内に設けられた第２ダクトと、
   前記第１ダクト内のガス流に応答して、前記第２ダクト内に気流を発生させる気流発生手段と、
   前記二次電池モジュールを収納する電池収納室と、
   を具備し、
   前記第２ダクトは、前記電池収納室と外部とを連通させるように配置されている
   二次電池搭載移動体。
2. 請求項１に記載された二次電池搭載移動体であって、
   前記気流発生手段は、
   前記第１ダクト内に配置された第１羽根車と、
   前記第２ダクト内に配置された第２羽根車と、
   前記第１羽根車と前記第２羽根車との双方に共通の回転軸として連結されたタービン軸とを備える、
   二次電池搭載移動体。
3. 請求項1又は２に記載された二次電池搭載移動体であって、
   前記第２ダクトは、前記二次電池モジュールの電池容器における最も面積の大きい面に平行な方向から外気を吹き付けるように、前記電池収納室に接続されている
   二次電池搭載移動体。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された二次電池搭載移動体であって、
   前記第１ダクトは、前記排気口とは別の空気取り入れ口にも連結され、
   前記第１ダクトの途中には、前記空気取り入れ口から前記排気口へ流れる気流を発生させるファンが設けられている
   二次電池搭載移動体。
5. ガスを噴出するための噴出口を有する二次電池モジュールが搭載されたときに、前記噴出口を外部に連通させる第１ダクトと、
   第２ダクトと、
   前記第１ダクト内のガス流に応答して、前記第２ダクト内に気流を発生させる気流発生手段と、
   前記二次電池モジュールを収納する電池収納室と、
   を具備し、
   前記第２ダクトは、前記電池収納室と外部とを連通させるように配置されている
   二次電池のガス処理装置。

Images