JP5834942B2 - 蓄電モジュール - Google Patents

Description

本発明は、異常時に電解液や内部で発生するガスの噴出を防止する機能を備えた蓄電モジュールに関する。

二次電池や蓄電器（capacitor）等の蓄電デバイスは、過充電や短絡等の異常時に内部の温度が上昇し大量のガスが発生して内部の圧力も上昇する。そのため、所定の圧力を超えた場合に容器内部から電解液やガスを安全に放出するために、安全弁を備えた蓄電デバイスが提案されている（特許文献１、２）。

一方、電解液やガスは可燃性のものや有害性があるものも含まれているため、そのままの形で外部環境へ排出させない仕組みが求められている。特許文献３は、複数の素子容器と、ガスの吸着剤を内部に収容したバッファ容器と１つの主導管と複数の導管とを備え、各素子容器内で発生するガスを主導管及び導管によりバッファ容器内に収容させることのできる組セル電源を開示している。

特開２０１０−１１３８８８号公報 特開２００９−２６６６１４号公報 特開平１１−３１７３３４号公報

しかしながら、上記のように組セル電源の各素子容器の内部で発生するガスをバッファ容器内に収容させる場合、電解液やガスをバッファ容器に送るための導管やバッファ容器の設置スペースが必要であるため、全体としての小型化が難しかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ガス吸収機能を備えた蓄電モジュールを従来よりも小型に構成することを主たる技術的課題とする。

本発明に係る蓄電モジュールは、内部に電解液を封入した蓄電デバイスを複数並置してなる蓄電デバイス群と、蓄電デバイス群に取り付けられガス吸収材を内蔵したガス吸収カートリッジとを備える。そして、蓄電デバイスは、いずれも、所定の圧力で開放してガスを放出する圧力開放弁を有し、ガス吸収カートリッジは、ガスを内部に流入させる１つ又は複数のガス流入口を有し、蓄電デバイス群とガス吸収カートリッジとは、連結部材によって着脱可能に連結され、連結部材は、蓄電デバイス群とガス吸収カートリッジとの間に圧力開放弁とガス流入口とを接続するための密閉空間を形成していることを特徴とする。上記蓄電モジュールのガス流入口は所定の圧力で開放するガス流入弁であることが好ましい。

上記の構成によると、各蓄電デバイスの圧力開放弁とガス吸収カートリッジのガス流入口とを連通させる配管等が不要であり、蓄電モジュール全体としての小型化が可能となる。また、ガス吸収装置は蓄電デバイス群の外部に取り付けられるため、簡便に着脱が可能となる。

本発明に係る蓄電モジュールにおいて、連結部材はガイドレール部を有し、ガス吸収カートリッジは係合部を有し、ガイドレール部に係合部を嵌合して密閉空間が形成されている。このような構成によると、ガス吸収カートリッジは連結部材に容易に取り付け又は取り外しすることができる。

本発明に係る蓄電モジュールにおいて、蓄電デバイスはいずれも角形状であり、圧力開放弁はいずれも蓄電デバイスの１つの面に設けられていてもよい。このような構成によると、ガス吸収カートリッジのガス流入口を同一面に設けることができるため、ガス吸収カートリッジを蓄電デバイス群の片側に１つだけ設ければよくなる。その結果、各蓄電モジュールがガス吸収手段を備える場合と比べて、蓄電モジュールの小型化が可能となる。なお、本明細書における「角形状の蓄電デバイス」は、厳密な直方体状でなくてもよく、広義に解する。例えば、角部や辺部に丸みが設けられてもよいことはもちろん、カートリッジを取り付けるための一つの平面部さえ有していれば、曲面部を有していてもよい。

本発明に係る蓄電モジュールにおいて、蓄電デバイスは、上面の一方の端部に正極端子を有すると共に他方の端部に負極端子を有し、圧力開放弁は、正極端子又は負極端子のいずれか一方の側面に設けられていてもよい。いずれか一方に圧力開放弁を設けることで、製造する蓄電デバイスの形状が一種類ですむので、コストの面で有利である。

本発明に係る蓄電モジュールにおいて、蓄電デバイスは、電気を蓄える装置を指し、特に、短絡等の異常時にガス或いは電解液を放出する装置が対象となる。このような蓄電デバイスには、例えば二次電池や蓄電器（capacitor）が含まれる。蓄電デバイスが非水電解質二次電池の場合、正極活物質にリン酸鉄リチウムを含有する非水電解質二次電池を用いてもよい。なぜなら、正極活物質に層状酸化物を含有する非水電解質二次電池と比較して電解液やガスを放出する際の挙動が穏やかであるため、より蓄電モジュールを小型化することが可能となるからである。

本発明によれば、連結部材によってガス吸収カートリッジを蓄電デバイス群に容易に取り付け又は取り外しすることができる。また、各蓄電デバイスの圧力開放弁とガス流入口との間に密閉空間が形成され、蓄電デバイスとカートリッジとが連通することで、配管等を別途設ける必要がなくなり、圧力開放弁から放出された電解液やガスをその密閉空間を介してガス流入口に送ることができると共に、蓄電モジュール全体を小型に構成することができる。

第１の実施形態の蓄電モジュールを示す斜視図 蓄電デバイス群を示す斜視図 連結部材を示す斜視図 蓄電デバイス群に連結部材を取り付けた状態を示す斜視図 ガス吸収カートリッジを示す斜視図 ガイドレール部を説明する図であって、（ａ）は連結部材の側面図、（ｂ）はガス吸収カートリッジの断面図 ガス吸収カートリッジの他の例を示す斜視図 第２の実施形態の蓄電モジュールを示す斜視図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、各実施形態はいずれも例示であり、本発明の限定的な解釈を与えるものではない。各実施形態において、同一又は同種の部材には同一の符号を用いる場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の蓄電モジュールを示している。図１に示すように、蓄電モジュール３０は、蓄電デバイス１を複数並置してなる蓄電デバイス群５と、ガス吸収材を内蔵した１つのガス吸収カートリッジ１０と、連結部材２０とを有する。

蓄電デバイス１は、角形状の容器１ａと、正極端子２ａと、負極端子２ｂと、所定の圧力で開放する圧力開放弁３とを有する。この蓄電デバイス１は、容器１ａの内部に電解液と正負の電極体などから構成される蓄電要素を封入しており、過充電や短絡等の異常時に容器１ａ内部でガスが発生した場合、圧力開放弁３を開放してその電解液やガスを放出する。

図２は、図１に示す蓄電デバイス群５を示す斜視図である。図２に示すように、蓄電デバイス群５は、複数の蓄電デバイス１の圧力開放弁３を一方に揃えて並置される。本実施形態においては、この図に示すように、蓄電デバイス群５は、隣り合う蓄電デバイス同士で正極と負極の向きが互いに逆向きになるように配置され、隣接する正極と負極とを結線することで直列接続される。このように配置すると隣接する蓄電デバイス同士が最短距離で接続されるため、蓄電デバイス間を接続する配線による電気抵抗を小さくすることができ、蓄電モジュール全体の重量も軽くすることができる。

本実施形態においては、圧力開放弁３は、角形状の容器１ａの平坦な短側面側にそれぞれ一つずつ設けられ、容器１ａの短側面の片側の正極側と負極側のそれぞれに交互に配置される。そのため、全ての圧力開放弁３が、蓄電デバイス群５の一つの側面に形成される。その結果、ガス吸収カートリッジ１０を蓄電デバイス群５の片側にのみ接続することができる。

このような形態においては、圧力開放弁３が正極端子２ａ又は負極端子２ｂの右側と左側のいずれか一方に設けられている必要があるため、二種類の蓄電デバイス１を製造する必要が生じる。ただし、特殊な事情により、蓄電デバイスを並列に接続して使用する場合には、容器の形状は一種類でよい場合も考えられるであろう。

ガス吸収カートリッジ１０には、ガス吸収材１３が封入されており、内部にガスを流入させるためのガス流入口１１が設けられる。ガス流入口１１は各蓄電デバイスの圧力開放弁３と相対向して同数設けられ、蓄電デバイス群５とガス吸収カートリッジ１０の間には、連結部材２０が設けられる。連結部材２０は蓄電デバイス群５とガス吸収カートリッジ１０との間で気密を保持しながら密閉空間Ｓを形成する。

このようにすると、蓄電モジュール３０は、圧力開放弁３から放出される電解液やガスを密閉空間Ｓを経由してガス流入口１１に送ることができる。そのため、圧力開放弁３とガス流入口１１との間に配管部品等は不要であり、蓄電モジュール３０を全体としての小型化が可能となる。

また、第１の実施形態においては、密閉空間Ｓはそれぞれの圧力開放弁３毎に形成されるため、他の蓄電デバイス１から放出された電解液やガスの影響を受けることがなく、電解液やガスが圧力開放弁３から激しく噴出した場合でも確実にガス吸収カートリッジ１０に送られる。

図３は、連結部材２０の一部を示す斜視図である。図３に示すように、連結部材２０は、窓枠部２１と、ガイドレール部２２と、スペーサー部２３とを有する。この連結部材を介して蓄電デバイス群５とガス吸収カートリッジ１０とを連結すると、窓枠部２１は、一方の開口部で蓄電デバイス１の圧力開放弁３を隙間無く囲い、他方の開口部でガス吸収カートリッジ１０のガス流入口１１を隙間無く囲うようにそれぞれ配置される。このとき、Ｏリング等を用いて気密性を向上させてもよい。ガイドレール部２２は、ガス吸収カートリッジ１０の係合部１２を嵌合させる部分であり、本実施形態の例では、この部分の断面形状が略Ｔ字状である。スペーサー部２３は、蓄電デバイス１の容器のＲ部分に密着するＲ形状となっており、各蓄電デバイス１を所定の間隔で保持する。

なお、窓枠部２１の形状は円形等、様々な形状が考えられ、図示されたものに限られない。また、ガイドレール部２２の断面形状はＴ字状に限られずガス吸収カートリッジ１０の係合部と嵌合する形状であればよい。スペーサー部２３は、蓄電デバイス１の容器に密着する形状であることが好ましいが、各蓄電デバイス１を所定の間隔で保持できる形状であればよい。また、各蓄電デバイス１の間隔を開ける必要が無い場合や別途スペーサーを準備する場合には、スペーサー部２３が無くてもよい。

図４は、蓄電デバイス群に連結部材を取り付けた状態を示す斜視図である。図４に示すように、蓄電デバイス群５の所定の位置に連結部材２０を設ける。

ガス吸収カートリッジ１０は、圧力開放弁３が開弁した際に蓄電デバイスから放出される電解液及びガスが漏出しないように固定されている必要があるが、その手段は特に問わない。例えば、蓄電モジュールの両端をエンドプレート等で狭持してもよく、或いはガス吸収カートリッジをスライド機構などでスライドさせて取り付けたあと、ストッパーなどの固定部材で動かないように固定してもよい。

図５は、ガス吸収カートリッジを示す斜視図である。図５ではガス吸収カートリッジの一部を示している。図５に示すように、ガス吸収カートリッジ１０は、係合部１２が設けられた容器１０ａにガス流入口１１が設けられている。本実施形態においては、ガス流入口１１は、蓄電デバイス１の数と同数設けられる。そして、蓄電デバイス群５にガス吸収カートリッジ１０を取り付け後、ガス流入口１１と各蓄電デバイス１の圧力開放弁３とが対向するように、等間隔で一列にして配置することが好ましい。

ガス流入口１１は、所定の圧力で開く流入弁で構成されていてもよいが、この種の圧力弁には限られず、例えば、ろ紙、不繊布、メッシュなどのフィルター部材で構成されていてもよい。但し、ガス流入口１１を圧力弁に代えてフィルター部材で構成した場合には、大気がカートリッジ内部に流入して、カートリッジ内のガス吸収材が劣化しやすい。従って、大気に触れると劣化するガス吸収材を用いる場合には、フィルター部材よりも所定の圧力で開く「流入弁」で構成されていることが好ましい。流入弁の開弁圧は、圧力開放弁の開弁圧未満であることが好ましい。この理由は、ガス吸収カートリッジの流入弁の開弁圧を圧力開放弁圧未満とすることにより、圧力開放弁の開放と連動して流入弁が開放されるため、蓄電デバイスから放出されたガスをスムーズにガス吸収カートリッジ内へと導くことができ、ガスの吸収効率を向上させることが可能となるからである。

或いは、ガス吸収カートリッジ１０内が、電解液吸収層とガス吸収層の少なくとも２室以上に分かれていてもよい。この場合、蓄電デバイスの安全弁に近い側に電解液吸収層を設け、遠い側にガス吸収層を設ける構成を採用することで、蓄電デバイスから排出されたガスの吸収効率を高めることができるため好ましい。

図５に示すように、係合部１２の形状は、断面形状を例えば略Ｔ字状にして、さらにこの係合部１２は、ガス流入口１１と同じ面にガス流入口１１を挟むように二列にして配置してもよい。

図６は、ガイドレール部を説明する図である。図６（ａ）は、図３の矢印Ａ方向に見た連結部材の側面図であり、図６（ｂ）は、図５のＢ−Ｂ線の矢印方向に見たガイドレール部に嵌合するガス吸収カートリッジの断面図である。図６（ａ）に示すように、連結部材２０は、ガイドレール部２２の断面形状を略Ｔ字状とし、ここにガス吸収カートリッジ１０の係合部１２が嵌合する。図６（ｂ）に示すように、ガス吸収カートリッジ１０は、容器１０ａに所定の圧力で開放するガス流出弁１４が設けられ、内部にガス吸収材１３を封入している。ガス流出弁１４の役割は、ガス吸収カートリッジ１０の内圧が所定値を越えた場合に弁を開放して圧力を下げることである。ゆえに、ガス流出弁１４の開弁圧は、圧力開放弁３の開弁圧よりも小さく、ガス吸収カートリッジのガス流入弁の開弁圧よりも大きいことが好ましい。ガス流入口１１の両側には、断面形状が略Ｔ字状の係合部１２が配置されている。ガス吸収材１３は、活性炭、ゼオライトや多孔質材料等の一般的なものを用いることができる。

ガス吸収カートリッジ１０の容器の内部構造は、仕切体等により電解液やガスの流通経路を長くするように構成してもよい。例えば、電解液やガスを仕切板で上下や左右に繰り返し移動させるような流通経路を構成し、その流通経路上にガス吸収材１３を配置すると、電解液やガスとガス吸収材１３との接触時間を長く、接触面積も大きくすることができ、電解液やガスの吸収率が向上する。また、ガス吸収カートリッジ１０の容器の内部構造は、複数の層や領域を構成してもよく、その層や領域毎に吸収させる電解液やガスの成分に応じたガス吸収材１３を配置してもよい。なお、各層や領域の境界部分にはメッシュ、ろ紙、ネット、フィルターや貫通孔を有する板等を用いてもよい。また、ガス吸収カートリッジ１０は、電解液やガスの吸収率を向上させるために容器内部にガス吸収材１３の他に触媒や熱吸収材等を配置してもよい。

連結部材２０のガイドレール部２２の一端からガス吸収カートリッジ１０の係合部１２を嵌合させた状態でスライドさせることで、ガス吸収カートリッジ１０は連結部材２０を設けた蓄電デバイス群５に容易に取り付け又は取り外しすることができる。

第１の実施形態の蓄電モジュール３０は、ガス吸収カートリッジ１０を容易に取り付け又は取り外しすることができる。また、各蓄電デバイス１とガス吸収カートリッジ１０との間に密閉空間Ｓが形成され、圧力開放弁３から放出される電解液やガスをこの密閉空間Ｓを介してガス流入口１１に送ることができる。このような構成によると、圧力開放弁３とガス流入口１１と連通させる配管等が不要であるため、蓄電モジュール３０を省スペース、小型に構成することができる。また、他の蓄電デバイス１から放出された電解液やガスの影響を受けることなく、激しく放出される電解液やガスであっても確実に圧力開放弁３からガス流入口１１に送ることができる。

第１の実施形態の蓄電モジュールでは、蓄電デバイス１の一方の短側面に圧力開放弁３及び連結部材２０が設けられた例を示したが、圧力開放弁３や連結部材２０がいずれも上面中央部、或いはそれ以外の面に設けられていてもよい。

図７は、ガス吸収カートリッジの他の例を示す斜視図である。図７ではガス吸収カートリッジの一部を示している。図７に示すように、ガス吸収カートリッジ４０は、係合部４２が設けられた容器４０ａと、１つのガス流入口４１と、共通流通路４５とを有する。ガス吸収カートリッジ４０と図５のガス吸収カートリッジ１０とは、ガス流入口の数と共通流通路４５の有無の点で相違し、それ以外の構成は同一である。このようなガス吸収カートリッジ４０は、連結部材２０を設けた蓄電デバイス群５に簡単に取り付け又は取り外しすることができる。また、このガス吸収カートリッジ４０を用いると各蓄電デバイス１の圧力開放弁３から電解液やガスが放出された場合、その電解液やガスは連結部材２０の各窓枠部２２を介して共通流通路４５に集積されてガス流入口４１に送ることができる。この共通流通路４５は連結部材２０側に設けてもよい。

以上のように、ガス吸収カートリッジのガス流入口を複数の蓄電デバイスに対して共通化することでガス吸収カートリッジの構成を単純化することができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態の蓄電モジュールを示す斜視図である。図８に示すように、蓄電モジュール５０は、蓄電デバイス５１を複数並置してなる蓄電デバイス群５５と、ガス吸収材を内蔵したガス吸収カートリッジ１０と、連結部材２０とを有する。蓄電モジュール５０と図１の蓄電モジュール３０とは、蓄電デバイスの配列方向、蓄電デバイスにおける圧力開放弁５３の配置箇所とブスバー（電流線）５４の配線の点で相違し、それ以外の構成は同一である。そのため、同一構成については詳細な説明を省略する。

蓄電デバイス５１は、角形状の容器５１ａと、正極端子５２ａと、負極端子５２ｂと、所定の圧力で開放する圧力開放弁５３とを有する。正極端子５２ａは容器の上面の一方の端部に、負極端子５２ｂは上面の他方の端部にそれぞれ設けられている。

蓄電デバイス群５５は、蓄電デバイス５１を同方向に複数並置するとともに各蓄電デバイス５１の圧力開放弁５３を一方に揃えて配置されている。正極端子５２ａと負極端子５２ｂはそれぞれで一列に配置され、かつ全ての圧力開放弁は蓄電デバイスの正極端子側にのみ配置される。

蓄電デバイス５１の正極端子５２ａと隣接する他の蓄電デバイス５１の負極端子５２ｂとは、ブスバー５４で斜めに接続され、各蓄電デバイス５１全体として直列に接続される。

このような態様の利点の一つは、ガス発生量が多い側に圧力開放弁を集められることである。上記の例では正極側に圧力開放弁５３が揃えて配置された例を示したが、基本的にガス発生量が多い方に揃えればよい。正極と負極のいずれの側に揃えるべきかは蓄電デバイスの内部に封入される電解液や活物質等の種類による。本実施形態に示した蓄電デバイスでは、製造する蓄電デバイスの形状が一種類ですむ点で、特に製造コストの面で有利である。

１ 蓄電デバイス
２ 端子
３ 圧力開放弁
５ 蓄電デバイス群
１０ ガス吸収カートリッジ
１１ ガス流入口
１２ 係合部
１３ ガス吸収材
１４ ガス流出弁
２０ 連結部材
２１ 窓枠部
２２ ガイドレール部
２３ スペーサー部
３０、５０ 蓄電モジュール
５１ 蓄電デバイス
５２ａ 負極端子
５２ｂ 正極端子
５３ 圧力開放弁
５４ ブスバー

Claims (3)

1. 内部に電解液を封入した蓄電デバイスを複数並置してなる蓄電デバイス群と、
   前記蓄電デバイス群に取り付けられガス吸収材を内蔵したガス吸収カートリッジとを備えた蓄電モジュールであって、
   前記蓄電デバイスは、いずれも、所定の圧力で開放してガスを放出する圧力開放弁を有し、
   前記ガス吸収カートリッジは、ガスを内部に流入させる１つ又は複数のガス流入口を有し、
   前記蓄電デバイス群と前記ガス吸収カートリッジとは、連結部材によって着脱可能に連結され、
   前記連結部材はガイドレール部を有し、
   前記ガス吸収カートリッジは係合部を有し、
   前記ガイドレール部に前記係合部を嵌合して、
   前記蓄電デバイス群と前記ガス吸収カートリッジとの間に
   前記圧力開放弁と前記ガス流入口とを接続するための密閉空間を形成していることを特徴とする蓄電モジュール。
2. 前記蓄電デバイスはいずれも角形状であり、
   前記圧力開放弁はいずれも前記蓄電デバイスの１つの面に設けられ、
   前記蓄電デバイス群は、前記圧力開放弁を一方に揃えていることを特徴とする請求項１記載の蓄電モジュール。
3. 前記蓄電デバイスは、上面の一方の端部に正極端子を有すると共に他方の端部に負極端子を有し、
   前記圧力開放弁は、前記正極端子又は負極端子のいずれか一方の側面に設けられ、
   前記蓄電モジュールは、前記圧力開放弁が前記正極端子側の側面に設けられた前記蓄電デバイスと、前記圧力開放弁が前記負極端子側の側面に設けられた前記蓄電デバイスとが交互に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の蓄電モジュール。

Images