JP6683089B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

従来の蓄電装置として、電極板の一方面に正極が形成され、他方面に負極が形成されたバイポーラ電極を備えたバイポーラ電池が知られている（特許文献１参照）。バイポーラ電池は、セパレータを介して複数のバイポーラ電極を積層してなる積層体を備えている。積層体には、シール用の絶縁性の枠体が設けられ、バイポーラ電極の積層によって形成される側面が保持されるようになっている。

特開２０１１−１５１０１６号公報

上述したような蓄電装置では、積層体の側面に枠体が設けられているため、積層体における積層方向の中央部の放熱性が端部の放熱性に比べて劣るという問題がある。このため、蓄電装置の使用時にバイポーラ電極が発熱すると、積層体における積層方向の中央部に熱が籠り易くなり、積層体の温度分布が不均一となる結果、積層方向の中央部のバイポーラ電極の劣化が端部のバイポーラ電極の劣化に比べて進行してしまうおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、バイポーラ電極の積層体の温度分布を均一化することができる蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る蓄電装置は、一方面側に正極が形成され、かつ他方面側に負極が形成された電極板からなるバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、セパレータを介してバイポーラ電極を積層してなる積層体と、バイポーラ電極の積層によって形成された積層体の側面を取り囲んで保持する絶縁性の枠体と、を備え、枠体の厚さは、積層体の積層方向の端部側から中央部側に向かって減少している。

この蓄電装置では、積層体の側面を取り囲んで保持する枠体において、枠体の厚さがバイポーラ電極の積層体の積層方向の端部側から中央部側に向かって減少している。これにより、枠体の積層方向の中央部では、端部に比べて放熱性が高くなり、積層体における積層方向の中央部に熱が籠ってしまうことを抑制できる。したがって、バイポーラ電極の積層体の温度分布を均一化することができる。

また、枠体の厚さは、積層体の積層方向から見た場合に積層体の側面の端部側から中央部側に向かって減少していてもよい。バイポーラ電極の積層体では、積層方向から見た場合も面内方向の中央部に熱が籠り易い傾向がある。したがって、積層体の積層方向から見た場合に積層体の側面の端部側から中央部側に向かって枠体の厚さが減少していることにより、積層体における面内方向の中央部に熱が籠ってしまうことを抑制できる。この結果、バイポーラ電極の積層体の温度分布を一層好適に均一化することができる。

また、蓄電装置は、積層体を積層方向に挟むように配置された一対の拘束プレートと、一対の拘束プレートを連結して積層体に拘束荷重を付加する連結部材と、を備えていてもよい。このような構成により、拘束プレートによって積層体と枠体４とに適切な拘束圧を付加できる。

また、蓄電装置は、積層体を積層方向に挟むように拘束プレートと積層体との間に配置された一対の集電板を備え、集電板と拘束プレートとは、絶縁性部材を介して結合されていてもよい。この場合、拘束プレートと集電板とを一体化することが可能となり、積層体に接続する端子周りの構成の簡単化が図られる。

本発明によれば、バイポーラ電極の積層体の温度分布を均一化することができる。

本発明の一実施形態に係る蓄電装置の構成を示す概略断面図である。 使用時における積層体の温度分布を示すシミュレーション結果である。 積層体の積層方向から見た枠体の形状を示す概略断面図である。 変形例に係る蓄電装置の構成を示す概略断面図である。 別の変形例に係る蓄電装置の構成を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る蓄電装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る蓄電装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す蓄電装置１は、バイポーラ電極３の積層体２を備えたバイポーラ電池である。蓄電装置１は、例えばニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池、或いは電気二重層キャパシタである。蓄電装置１は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の各種車両のバッテリとして用いられる。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

蓄電装置１は、上述したバイポーラ電極３の積層体２と、積層体２を保持する枠体４と、積層体２を拘束する拘束部材５とを備えている。

積層体２は、セパレータ６を介して複数のバイポーラ電極３を積層することによって構成されている。バイポーラ電極３のそれぞれは、電極板１１と、電極板１１の一方面１１ａに設けられた正極１２と、電極板１１の他方面１１ｂに設けられた負極１３とを有している。積層体２において、一のバイポーラ電極３の正極１２は、セパレータ６を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極３の負極１３と対向し、一のバイポーラ電極３の負極１３は、セパレータ６を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極の正極１２と対向している。

電極板１１は、例えばニッケルからなる金属箔である。電極板１１の厚さは、例えば０．１μｍ〜１０００μｍ程度となっている。正極１２を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケルが挙げられる。負極１３を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が挙げられる。電極板１１の他方面１１ｂにおける負極１３の形成領域は、電極板１１の一方面１１ａにおける正極１２の形成領域に対して一回り大きくてもよい。

電極板１１の縁部１１ｃは、正極活物質及び負極活物質の塗工されない未塗工領域となっており、枠体４の内壁４ａに埋没した状態で枠体４に保持されている。これにより、積層方向に隣り合う電極板１１，１１間には、当該電極板１１，１１と枠体４の内壁４ａとによって仕切られた空間が形成されている。当該空間には、例えば水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液からなる電解液（不図示）が収容されている。

積層体２の一方の積層端（図１における上側の積層端）には、片面に負極１３のみが設けられた電極板１１Ａが積層されている。当該電極板１１Ａは、セパレータ６を介して負極１３と最上層のバイポーラ電極３の正極１２とが対向するように配置されている。また、積層体２の他方の積層端（図１における下側の積層端）には、正極１２のみが設けられた電極板１１Ｂが積層されている。当該電極板１１Ｂは、セパレータ６を介して正極１２と最下層のバイポーラ電極３の負極１３とが対向するように配置されている。電極板１１Ａ，１１Ｂの縁部は、バイポーラ電極３の電極板１１と同様に、枠体４の内壁４ａに埋没した状態で枠体４に保持されている。なお、電極板１１Ａ，１１Ｂは、バイポーラ電極３の電極板１１に比べて厚く形成されていてもよい。

セパレータ６は、例えばシート状に形成されている。セパレータの形成材料としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。また、セパレータ６は、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されたものであってもよい。なお、セパレータ６は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。

枠体４は、例えば絶縁性の樹脂を用いた射出成形によって矩形の筒状に形成されている。枠体４を構成する樹脂材料としては、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、又は変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）などが挙げられる。枠体４は、バイポーラ電極３の積層によって形成される積層体２の側面２ａを取り囲んで保持する部材である。より具体的には、枠体４は、バイポーラ電極３の電極板１１、及び積層体２の積層端に位置する電極板１１Ａ，１１Ｂの縁部を保持し、バイポーラ電極３，３間に形成される電解液の収容空間をシールしている。

拘束部材５は、一対の拘束プレート２１，２１と、拘束プレート２１，２１同士を連結する連結部材（ボルト２２及びナット２３）とによって構成されている。拘束プレート２１は、例えば鉄などの金属によって平板状に形成されている。拘束プレート２１の縁部には、ボルト２２を挿通させる挿通孔２１ａが枠体４よりも外側となる位置に設けられている。また、拘束プレート２１の一面側には、絶縁性部材２４を介して集電板２５（２５Ａ，２５Ｂ）が結合されている。これにより、拘束プレート２１は、拘束機能と集電機能とを兼ねる集電板付き拘束プレートとなっている。拘束プレート２１と集電板２５との間に介在させる絶縁性部材２４の形成材料としては、例えばウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリプロピレン、ＰＡ６６等が挙げられる。

一方の拘束プレート２１は、枠体４の内側で集電板２５Ａと電極板１１Ａとが当接するように枠体４の一端面に突き当てられ、他方の拘束プレート２１は、枠体４の内側で集電板２５Ｂと電極板１１Ｂとが当接するように枠体４の他端面に突き当てられている。ボルト２２は、例えば一方の拘束プレート２１側から他方の拘束プレート２１側に向かって挿通孔２１ａに通され、他方の拘束プレート２１から突出するボルト２２の先端には、ナット２３が螺合されている。

これにより、積層体２、電極板１１Ａ，１１Ｂ、及び枠体４が挟持されてユニット化されると共に、拘束荷重が付加される。また、集電板２５Ａ，２５Ｂは、積層体２を積層方向に挟むように拘束プレート２１と積層体２との間に配置される。集電板２５Ａには、正極端子２６が接続され、集電板２５Ｂには、負極端子２７が接続されている。正極端子２６及び負極端子２７により、蓄電装置１の充放電を行うことができる。

続いて、上述した蓄電装置１における枠体４の構成について、更に詳細に説明する。

バイポーラ電極の積層体の側面を取り囲むように枠体が設けられている蓄電装置では、積層体における積層方向の中央部の放熱性が端部の放熱性に比べて劣るという問題がある。図２は、使用時における積層体の温度分布を示すシミュレーション結果である。同図に示す結果からも分かるとおり、蓄電装置の使用時にバイポーラ電極が発熱すると、積層体における積層方向の中央部に熱が籠る傾向が確認できる。

このことは、積層体の面内方向（電極板の面内方向）についても同様であり、図２の結果から、積層体を積層方向から見た場合にも中央部に熱が籠る傾向が確認できる。このような熱の偏りにより、積層体の温度分布が不均一となる結果、積層体の中央部のバイポーラ電極の劣化が端部のバイポーラ電極の劣化に比べて進行してしまうおそれがある。

これに対し、蓄電装置１では、図１に示すように、枠体４の厚さが積層体２の積層方向の端部側から中央部側に向かって減少している。より具体的には、枠体４の外壁４ｂには、積層体２の積層方向の長さ（バイポーラ電極３の配置位置の長さ）に対応して、壁面が緩やかに凹状に湾曲する凹部Ｖが設けられている。凹部Ｖの形成により、枠体４の厚さは、積層体２の積層方向の中央部に対応する位置で最も薄くなっている。凹部Ｖは、積層体２の積層方向について枠体４の両端部までは延びておらず、電極板１１Ａ，１１Ｂ及び集電板２５Ａ，２５Ｂに対応する部分は、凹部Ｖが形成されている部分に比べて肉厚となっている。

また、本実施形態では、上記凹部Ｖの形成により、図３に示すように、積層体２の積層方向から見た場合にも枠体４の厚さが積層体２の側面２ａの端部側（角部４ｃ側）から中央部側に向かって減少している。すなわち、枠体４の厚さは、枠体４の四辺のそれぞれの中央部に対応する位置で最も薄くなっている。凹部Ｖは、枠体４の角部４ｃまでは延びておらず、角部４ｃでは、凹部Ｖが形成されている部分に比べて肉厚となっている。

以上説明したように、蓄電装置１では、積層体２の側面２ａを取り囲んで保持する枠体４に凹部Ｖが形成され、枠体４の厚さがバイポーラ電極３の積層体２の積層方向の端部側から中央部側に向かって減少している。これにより、枠体４の積層方向の中央部では、端部に比べて放熱性が高くなり、積層体２における積層方向の中央部に熱が籠ってしまうことを抑制できる。したがって、バイポーラ電極３の積層体２の温度分布を均一化することができる。

また、蓄電装置１では、凹部Ｖの形成により、枠体４の厚さが積層体２の積層方向から見た場合に積層体２の側面２ａの端部側から中央部側に向かって減少している。これにより、積層体２における面内方向の中央部に熱が籠ってしまうことを抑制できる。したがって、バイポーラ電極３の積層体２の温度分布を一層好適に均一化することができる。

また、蓄電装置１は、積層体２を積層方向に挟むように配置された一対の拘束プレート２１，２１と、一対の拘束プレート２１，２１を連結して積層体２に拘束荷重を付加する連結部材（ボルト２２及びナット２３）とを備えている。このような構成により、拘束プレート２１によって積層体２と枠体４とに適切な拘束圧を付加できる。

さらに、蓄電装置１は、積層体２を積層方向に挟むように拘束プレート２１と積層体２との間に配置された一対の集電板２５Ａ，２５Ｂを備え、集電板２５Ａ，２５Ｂと拘束プレート２１とは、絶縁性部材２４を介して結合されている。このような構成により、拘束プレート２１と集電板２５とを一体化することが可能となり、積層体２に接続する正極端子２６及び負極端子２７周りの構成の簡単化が図られる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、壁面が緩やかな湾曲形状をなす凹部Ｖによって枠体４の厚さを減少させているが、例えば図４に示すように、壁面が平面状をなす凹部Ｖａによって枠体４の厚さを減少させてもよく、例えば図５に示すように、壁面がステップ状をなす凹部Ｖｂによって枠体４の厚さを減少させてもよい。このような凹部を採用した場合であっても、バイポーラ電極３の積層体２の温度分布を均一化することができる。

また、上記実施形態では、枠体４における外壁４ｂの４面全てに凹部Ｖが設けられているが（図３参照）、枠体において互いに対向する外壁４ｂの２面のみに凹部Ｖを設ける構成としてもよい。

１…蓄電装置、２…積層体、２ａ…側面、３…バイポーラ電極、４…枠体、６…セパレータ、１１…電極板、１１ａ…一方面、１１ｂ…他方面、１２…正極、１３…負極、２１…拘束プレート、２２…ボルト（連結部材）、２３…ナット（連結部材）、２４…絶縁性部材、２５（２５Ａ，２５Ｂ）…集電板。

Claims (4)

1. 一方面側に正極が形成され、かつ他方面側に負極が形成された電極板からなるバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、
   セパレータを介して前記バイポーラ電極を積層してなる積層体と、
   前記バイポーラ電極の積層によって形成された前記積層体の側面を取り囲んで保持する絶縁性の枠体と、を備え、
   前記枠体の厚さは、前記積層体の積層方向の端部側から中央部側に向かって減少している蓄電装置。
2. 前記枠体の厚さは、前記積層体の前記積層方向から見た場合に、前記積層体の前記側面の端部側から中央部側に向かって減少している請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記積層体を前記積層方向に挟むように配置された一対の拘束プレートと、
   前記一対の拘束プレートを連結して前記積層体に拘束荷重を付加する連結部材と、を備えた請求項１又は２記載の蓄電装置。
4. 前記積層体を前記積層方向に挟むように前記拘束プレートと前記積層体との間に配置された一対の集電板を備え、
   前記集電板と前記拘束プレートとは、絶縁性部材を介して結合されている請求項３記載の蓄電装置。