JP6802687B2 - 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、シール部が設けられ、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２００７−１２２９７７号公報

上述のような蓄電装置では、積層方向における内側のバイポーラ電極間では、当該バイポーラ電極間の圧力のバランスが保たれることにより、電極板に変形を誘発するような力が作用しない。その一方、積層方向における最も外側の電極板には、積層体の内圧と大気圧との差圧の影響により変形を誘発する力が作用する場合がある。これにより、蓄電装置の信頼性に影響が及ぼされる場合がある。従って、蓄電装置の信頼性を向上することが要請されていた。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、信頼性を向上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で構成され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交互に積層してなる積層体と、積層体のうち、少なくとも電極板の縁部同士の間に形成されたシール部と、を備え、積層体に含まれる電極板のうち、積層方向における最も外側に配置される最外電極板の厚みは、積層方向における内側に配置される他の電極板の厚みよりも大きい。

この蓄電装置では、積層体に含まれる電極板のうち、積層方向における最も外側に配置される最外電極板の厚みは、積層方向における内側に配置される他の電極板の厚みよりも大きい。すなわち、最外電極板は、シール部内における積層体の内圧と大気圧との差圧の影響によって、積層方向の外側への変形を誘発する力を受けるが、当該最外電極板は、他の電極板に比して厚みが大きく強度が高くなっている。従って、最外電極板に作用する力の影響による変形を抑制することができる。これにより、蓄電装置の信頼性を向上することができる。

また、最外電極板は、積層された複数の金属箔によって構成されていてよい。このような構成により、複数の金属箔を積層するだけの作業で容易に最外電極板の厚みを大きくすることができる。また、他の電極板と共通の電極箔を用いて最外電極板の厚みを大きくすることも可能となる。従って、最外電極板の製造容易性を向上できる。

また、最外電極板は、金属箔と、金属箔の表面に形成されためっき層と、を備えてよい。このような構成により、めっき層の厚さを調整することで、最外電極板の厚みの調整を容易に行うことができる。

また、最外電極板は、他の電極板を構成する金属箔に比して、厚みが大きい金属箔によって構成されてよい。このような構成により、一枚の金属箔自体の厚みを大きくすることで最外電極板の厚みを大きくすることができるため、複数の金属箔を重ねた場合に生じるような金属箔同士の接触抵抗が生じない。従って、最外電極板での電気的な特性を安定させることができる。

また、蓄電装置は、積層体を積層方向における外側から拘束する一対の拘束板を更に備え、拘束板は最外電極板と接触し、且つ、電流を取り出す取出部と接続されていてよい。このような構成により、拘束板は、内圧と大気圧の差圧の影響で積層方向の外側へ変形しようとする最外電極板を支持することができる。従って、拘束板は、最外電極板の変形を抑制することができる。更に、拘束板は、積層体を拘束する機能を有すると共に、積層体で生じる電流を集電する集電機能を兼ねることができる。従って、拘束板は、取出部と最外電極板との間で電流の経路を拡大または収束させるための距離を確保することができる。これにより、バイポーラ電極における発電のムラを低減できる。

本発明によれば、蓄電装置の信頼性を向上することができる。

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。 最外電極板の構成を示す拡大図である。 最外電極板及び電極板の概念図である。 変形例に係る蓄電装置の構成を示す概略断面図である。

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を保持するシール部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、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、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。後述の最外電極板１１Ａ，１１Ｂ以外の電極板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、シール部４の内壁４ａに埋没した状態でシール部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とシール部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は、当該積層体２に含まれる電極板１１のうち、積層方向における最も外側に配置される最外電極板１１Ａ及び最外電極板１１Ｂを備えている。最外電極板１１Ａは、積層体２の一方の積層端（図１における上側の積層端）に設けられている。最外電極板１１Ａには、積層方向における内側の片面に負極１３のみが設けられている。最外電極板１１Ｂは、積層体２の他方の積層端（図１における下側の積層端）に設けられている。最外電極板１１Ｂは、積層方向における内側の片面に正極１２のみが設けられている。最外電極板１１Ａ，１１Ｂの縁部は、バイポーラ電極３の電極板１１と同様に、シール部４の内壁４ａに埋没した状態でシール部４に保持されている。なお、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの構成の詳細については後述する。

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。

シール部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。樹脂性のシール部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）、変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）又は変性ポリフェニレンサルファイド（変性ＰＰＳ）などが挙げられる。シール部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、シール部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最外電極板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、一対の拘束板２１Ａ，２１Ｂと、拘束板２１Ａ，２１Ｂ同士を連結する連結部材（ボルト２２及びナット２３）と、最外電極板１１Ａ，１１Ｂと拘束板２１Ａ，２１Ｂとの間に設けられる集電板２５Ａ，２５Ｂと、集電板２５Ａ，２５Ｂから電流を取り出す取出部２６Ａ，２６Ｂと、によって構成されている。拘束板２１Ａ，２１Ｂは、平板状に形成されている。拘束板２１Ａ，２１Ｂは、例えばナイロン等の絶縁性の材質によって構成されてよい。あるいは、拘束板２１Ａ，２１Ｂは、例えば鉄、アルミなどの導電性の材質によって平板状に形成されてもよい。ただし、拘束板２１Ａ，２１Ｂが導電性の材質によって構成される場合は、拘束板２１Ａ，２１Ｂと集電板２５Ａ，２５Ｂとの間に絶縁部材が配置される。拘束板２１Ａ，２１Ｂの縁部には、ボルト２２を挿通させる挿通孔２１ａがシール部４よりも外側となる位置に設けられている。ボルト２２は、例えば一方の拘束板２１Ａ側から他方の拘束板２１Ｂ側に向かって挿通孔２１ａに通され、他方の拘束板２１Ｂ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。

集電板２５Ａ，２５Ｂは、アルミ、ニッケルメッキ鋼板などの導電性の材質によって平板状に構成されている。集電板２５Ａの積層方向における内側の面は、シール部４の内側の領域にて、最外電極板１１Ａと接触する。他方の集電板２５Ｂの積層方向における内側の面は、シール部４の内側の領域にて、最外電極板１１Ｂと接触する。

取出部２６Ａは、集電板２５Ａと接続されている。取出部２６Ａは、集電板２５Ａの側面に接続されている。取出部２６Ａは、シール部４を貫通して、当該シール部４の外部に引き出されている。ただし、取出部２６Ａの接続位置や引き出し位置は特に限定されない。取出部２６Ｂは、集電板２５Ｂと接続されている。取出部２６Ｂは、集電板２５Ｂの側面に接続されている。取出部２６Ｂは、シール部４を貫通して、当該シール部４の外部に引き出されている。ただし、取出部２６Ｂの接続位置や引き出し位置は特に限定されない。

これにより、積層体２、最外電極板１１Ａ，１１Ｂ、及びシール部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、最外電極板１１Ａ，１１Ｂは、積層体２で発生した電流を取出部２６Ａ，２６Ｂへ出力することができる。

続いて、上述した蓄電装置１における最外電極板１１Ａ，１１Ｂの構成について、更に詳細に説明する。最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みは、積層方向における内側に配置される他の電極板１１の厚みよりも大きい。最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みが他の電極板１１の厚みに比してどの程度大きいかは特に限定されない。例えば、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みは、他の電極板１１の厚みに比して２以上の整数倍の大きさであってよい。または、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みは、他の電極板１１の厚みに比して１．５倍以上の大きさであってよい。このような大きさとすることで、最外電極板１１Ａ，１１Ｂが積層体２の内圧と大気圧との圧力差に耐えうる強度を有することができる。最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みの上限値は特に限定されないが、例えば、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みは他の電極板１１の厚みの２０倍以下であってよい。なお、最外電極板１１Ａの厚みと最外電極板１１Ｂの厚みとは同一である。ただし、性能に影響が及ぼされない範囲で、最外電極板１１Ａの厚みと最外電極板１１Ｂの厚みとが異なっていてもよい。

図２を参照して、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みを大きくするための構成について説明する。図２（ａ）に示すように、最外電極板１１Ａ，１１Ｂは、他の電極板１１を構成する金属箔３６に比して、厚みが大きい金属箔３６によって構成されてよい。すなわち、最外電極板１１Ａ，１１Ｂが、複数の金属箔３６の重ね合わせではなく、一枚の金属箔３６によって構成されており、当該一枚の金属箔３６の厚み自体が、他の電極板１１の一枚の金属箔３６の厚みより大きい。このような構成によれば、最外電極板１１Ａ，１１Ｂが、一枚の金属箔３６によって構成されているため、複数の金属箔３６を重ねた場合の金属箔３６同士の接触抵抗が生じない。従って、最外電極板１１Ａ，１１Ｂでの電気的な特性を安定させることができる。

また、図２（ｂ）に示すように、最外電極板１１Ａ，１１Ｂは、金属箔３６と、金属箔３６の表面に形成されためっき層３７と、を備えてよい。めっき層３７は、金属箔３６の表面に一体的に形成された層である。例えば、めっき層３７は、スズやニッケルなどの材料によって構成されてよい。スズめっきを形成する場合、電解めっき法によって、金属箔３６の表面に形成されてよい。この場合、金属箔３６の片面にめっき層３７を形成してよい。ニッケルめっきを形成する場合、電解めっき法、無電解めっき法を採用してよい。従って、めっき層３７付きの金属箔３６は、単に金属箔３６の表面に他の部材を積層させただけの構成とは異なるものである。特に、めっき層３７の材質は、金属箔３６の材質と強度が類似した物が好ましい。なお、めっき層３７は、図２（ｂ）では金属箔３６の片面に形成されているが、両面に形成されてもよい。なお、金属箔３６の材料がニッケルであり、めっきの材料がニッケルの場合は、同じ材料で構成されることにより図２（ａ）のような断面となる場合もある。このような構成により、めっき層３７の厚さを調整することで、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みの調整を容易に行うことができる。

また、図２（ｃ）に示すように、最外電極板１１Ａ，１１Ｂは、積層された複数の金属箔３６によって構成されていてよい。このような構成により、複数の金属箔３６を積層するだけの作業で容易に最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みを大きくすることができる。図２（ｃ）では、最外電極板１１Ａ，１１Ｂは２枚の金属箔３６によって構成されている。一枚当たりの金属箔３６として、他の電極板１１の金属箔３６を用いた場合、容易に他の電極板１１の２倍の厚みを有する最外電極板１１Ａ，１１Ｂを製造することができる。また、他の電極板１１と共通の部品を用いて最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みを大きくすることができる。従って、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの製造容易性を向上できる。

なお、図２に最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みを大きくするための三つの構成を例示したが、いずれかの構成、又は全ての構成を互いに組み合わせてもよい。

次に、本実施形態に係る蓄電装置１の作用・効果について説明する。

この蓄電装置１では、積層体２に含まれる電極板１１のうち、積層方向における最も外側に配置される最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みは、積層方向における内側に配置される他の電極板１１の厚みよりも大きい。すなわち、最外電極板１１Ａ，１１Ｂは、シール部４内における積層体２の内圧と大気圧との差圧の影響によって、積層方向の外側への変形を誘発する力を受けるが、当該最外電極板１１Ａ，１１Ｂは、他の電極板１１に比して厚みが大きく強度が高くなっている。従って、最外電極板１１Ａ，１１Ｂに作用する力の影響による変形を抑制することができる。これにより、蓄電装置１の信頼性を向上することができる。

また、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みが大きいため、当該最外電極板１１Ａ，１１Ｂにて、電流の経路を拡大または収束させるための距離を確保することができる。図１に示す構成では、積層体２で発生した電流が、最外電極板１１Ｂ及び集電板２５Ｂを流れて取出部３１Ｂへ向かって収束する。このとき、最外電極板１１Ｂの厚みが大きいため、電流が収束するのに十分な距離を確保できる。また、取出部３１Ａから流れてきた電流が、最外電極板１１Ａ及び集電板２５Ａを流れて積層体へ向けて拡散する。このとき、最外電極板１１Ａの厚みが大きいため、電流が拡大するのに十分な距離を確保できる。以上により、バイポーラ電極３における発電のムラを低減できる。

なお、最外電極板１１Ａ，１１Ｂは集電板２５Ａ，２５Ｂ（又は後述の拘束板２１Ａ，２１Ｂ）で支持されることで、破損を生じるような変形を防止することができる。このような場合であっても、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの厚みを大きくすることのメリットについて、図３を参照して説明する。図３に示すように、変形前の状態（図３の上段側の状態）の最外電極板１１Ａ，１１Ｂと電極板１１との横方向に等しい大きさであったとしても、内圧と大気圧の差圧の影響で変形したときに、厚みの大きい最外電極板１１Ａ，１１Ｂの方が横方向への突出量が大きくなる（図３の下段側の状態を参照）。これによって、シール部４へ食い込むシール長が最外電極板１１Ａ，１１Ｂの方が電極板１１よりも大きくなる。これにより、最外電極板１１Ａ，１１Ｂのシール性を向上することができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、拘束板２１Ａ，２１Ｂは拘束機能と集電機能とを兼ね備えてよい。

具体的には、図４に示すように、蓄電装置１００の拘束部材５は、一対の拘束板２１Ａ，２１Ｂと、拘束板２１Ａ，２１Ｂ同士を連結する連結部材（ボルト２２及びナット２３）と、拘束板２１Ａ，２１Ｂから電流を取り出す取出部３１Ａ，３１Ｂと、によって構成されている。拘束板２１Ａ，２１Ｂは、例えば鉄、アルミなどの導電性の材質によって平板状に形成されている。拘束板２１Ａ，２１Ｂの縁部には、ボルト２２を挿通させる挿通孔２１ａがシール部４よりも外側となる位置に設けられている。挿通孔２１ａは、拘束板２１Ａ，２１Ｂに円筒状の絶縁部材３２を埋設することによって形成されている。

ここで、拘束板２１Ａ，２１Ｂは、積層体２を拘束する拘束機能と、積層体２が発生する電流を集電する集電機能とを兼ねている。従って、一方の拘束板２１Ａの積層方向における内側の面２１ｂは、シール部４の内側の領域にて、最外電極板１１Ａと接触する。他方の拘束板２１Ｂの積層方向における内側の面２１ｂは、シール部４の内側の領域にて、最外電極板１１Ａと接触する。ここで、挿通孔２１ａは絶縁部材３２に形成されているため、ボルト２２（ボルト２２の頭部２２ａを含む）及びナット２３と、拘束板２１Ａ，２１Ｂとは電気的に絶縁されている。なお、ボルト２２側に絶縁部材３２が設けられており、拘束時に、当該絶縁部材３２を拘束板２１Ａ，２１Ｂに取り付ける構成であってもよい。

取出部３１Ａは、拘束板２１Ａと接続されている。取出部３１Ａは、拘束板２１Ａの積層方向における外側の面２１ｃに接続されている。また、取出部３１Ａは、拘束板２１Ａの面２１ｃにおける中央位置に接続されている。ただし、取出部３１Ａの接続位置は特に限定されず、面２１ｃのどの位置であってもよく、拘束板２１Ａの側面など、面２１ｃ以外の位置に設けられてもよい。取出部３１Ｂは、拘束板２１Ｂと接続されている。取出部３１Ｂは、拘束板２１Ｂの積層方向における外側の面２１ｃに接続されている。また、取出部３１Ｂは、拘束板２１Ｂの面２１ｃにおける中央位置に接続されている。ただし、取出部３１Ｂの接続位置は特に限定されず、面２１ｃのどの位置であってもよく、拘束板２１Ｂの側面など、面２１ｃ以外の位置に設けられてもよい。

これにより、積層体２、最外電極板１１Ａ，１１Ｂ、及びシール部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、最外電極板１１Ａ，１１Ｂは、積層体２で発生した電流を取出部３１Ａ，３１Ｂへ出力することができる。

以上より、変形例に係る蓄電装置１００は、積層体２を積層方向における外側から拘束する一対の拘束板２１Ａ，２１Ｂを更に備え、拘束板２１Ａ，２１Ｂは最外電極板１１Ａ，１１Ｂと接触し、且つ、電流を取り出す取出部３１Ａ，３１Ｂと接続されていている。このような構成により、拘束板２１Ａ，２１Ｂは、内圧と大気圧の差圧の影響で積層方向の外側へ変形しようとする最外電極板１１Ａ，１１Ｂを支持することができる。従って、拘束板２１Ａ，２１Ｂは、最外電極板１１Ａ，１１Ｂの変形を抑制することができる。

拘束板２１Ａ，２１Ｂは、積層体２を拘束する機能を有すると共に、積層体で生じる電流を集電する集電機能を兼ねることができる。拘束板２１Ａ，２１Ｂは、拘束機能を有するために、ある程度の厚みを有する部材である。従って、拘束板２１Ａ，２１Ｂは、取出部３１Ａ，３１Ｂと最外電極板１１Ａ，１１Ｂとの間で電流の経路を拡大または収束させるための距離を確保することができる。これにより、バイポーラ電極３における発電のムラを低減できる。図４に示す構成では、積層体２で発生した電流が、最外電極板１１Ｂ及び拘束板２１Ｂを流れて取出部３１Ｂへ向かって収束する。このとき、最外電極板１１Ｂ及び拘束板２１Ｂの厚みが大きいため、電流が収束するのに十分な距離を確保できる。また、取出部３１Ａから流れてきた電流が、最外電極板１１Ａ及び拘束板２１Ａを流れて積層体へ向けて拡散する。このとき、最外電極板１１Ａ及び拘束板２１Ａの厚みが大きいため、電流が拡大するのに十分な距離を確保できる。以上により、バイポーラ電極３における発電のムラを低減できる。

１，１００…蓄電装置、３…バイポーラ電極、４…シール部、６…セパレータ、１１…電極板、１１Ａ，１１Ｂ…最外電極板、１２…正極、１３…負極、２１Ａ，２１Ｂ…拘束板、３１Ａ，３１Ｂ…取出部。

Claims (3)

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で構成されるバイポーラ電極を有する蓄電装置であって、
   前記蓄電装置はニッケル水素二次電池であり、
   セパレータを介して交互に積層された前記バイポーラ電極、及び積層方向における最も外側に配置される最外電極板を有する積層体と、
   前記積層体のうち、少なくとも電極板の縁部同士の間に形成されたシール部と、
   前記積層体を前記積層方向における外側から拘束する一対の金属製の拘束板と、
   一対の前記拘束板同士を連結する連結部材と、
   前記最外電極板と前記拘束板との間に絶縁部材を介して配置される、電流を取り出す取出部を有する集電板と、を備え、
   前記積層方向における内側から外側へ、前記最外電極板、前記集電板、前記絶縁部材、及び前記拘束板の順で配置され、
   前記最外電極板の厚みは、前記積層方向における内側に配置される前記バイポーラ電極の電極板の厚みよりも大きく、
   前記最外電極板は、積層された複数の金属箔によって構成され、
   前記シール部は、前記積層体の側面を取り囲むように筒状に形成され、
   前記最外電極板、及び前記バイポーラ電極の電極板のそれぞれの前記縁部は、前記シール部の内壁に埋没して外部に露出しない状態で保持され、
   前記最外電極板は、前記縁部を保持する前記シール部の内側に電極露出領域を備え、前記電極露出領域において前記集電板と電気的に接触する、蓄電装置。
2. 前記最外電極板は、前記金属箔と、前記金属箔の表面に形成されためっき層と、を備える、請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記最外電極板を構成する複数の前記金属箔のうちの少なくとも１つは、前記バイポーラ電極の電極板を構成する金属箔に比して、厚みが大きい、請求項１又は２に記載の蓄電装置。

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