JP6828471B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

電極板の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成されたバイポーラ電極が電解質を保持するセパレータを介して一方向に積層された蓄電モジュール（バイポーラ電池）が知られている。そして、このような蓄電モジュールを電気的に接続した蓄電装置（電池ユニット）が開示されている。例えば、特許文献１には、複数の蓄電モジュールが電気的に並列に接続され、互いに隣接する蓄電モジュール同士を電気的に接続する導電体に放熱路を設けた蓄電装置が開示されている。

特開２００３−１７１２７号公報

上記蓄電モジュールを完全固体電極以外の電極から構成する場合、例えば、蓄電モジュールをケース内に密閉したりする等、電解液の漏洩を防止するためのシール構造を設ける必要がある。このような蓄電モジュールを備える蓄電装置であっても、蓄電モジュールにおいて発生する熱を効率的に放熱する必要がある。

本発明は、効率的な放熱が可能な蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電装置は、一方面側に正極層が形成され、他方面側に負極層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、バイポーラ電極の周縁部を保持すると共に積層体の側面を形成するシール部と、を有し、一方向に配列された複数の蓄電モジュールと、互いに隣接する蓄電モジュールの両方に接触させた状態で配置される導電体と、を備え、導電体には、一方向に交差する方向に延在する流路が形成されており、互いに隣接する蓄電モジュールにおけるシール部同士の距離であって、流路の延在方向における流路の端部に対向する第一部分の第一距離は、端部に対向しない第二部分の第二距離よりも長い。

上記蓄電装置では、流路端部に対向する第一部分におけるシール部同士の第一距離が、流路端部に対向しない第二部分の第二距離よりも長い。これにより、上記流路を介して流通する冷却風の通り道を確保しつつ、上記流路以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを抑制することができる。この結果、効率的な放熱が可能となる。

本発明に係る蓄電装置では、上記流路は、直線状に延在しており、第二部分は、端部に対向しない部分であると共に流路の延在方向に沿う部分であってもよい。上記蓄電装置では、容易に導電体に流路を形成することができる。

本発明に係る蓄電装置では、第二部分では、互いに隣接する蓄電モジュールのシール部同士が互いに接触していてもよい。上記蓄電装置では、流路以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを効果的に抑制することができる。

本発明に係る蓄電装置では、互いに隣接する蓄電モジュールのシール部同士は、弾性変形した状態で互いに接触していてもよい。上記蓄電装置では、例えば、導電体の高さ方向における寸法公差を吸収することができる。

本発明に係る蓄電装置では、互いに隣接する蓄電モジュールの少なくとも一方には、シール部同士が接触する部分に凸部が形成されていてもよい。上記蓄電装置では、シール部同士が接触する部分において容易に弾性変形させることができる。

本発明に係る蓄電装置では、互いに隣接する蓄電モジュールの一方には、シール部同士が接触する部分に凸部が形成されており、互いに隣接する蓄電モジュールの他方には、シール部同士が接触する部分に凸部を覆う凹部が形成されていてもよい。上記蓄電装置では、例えば、導電体の高さ方向における寸法公差を吸収することができる。

本発明に係る蓄電装置では、導電体に形成される流路の延在方向が、一方向に配列される全ての導電体において一致していてもよい。この蓄電装置では、組み付け時の作業性を向上させることができる。

本発明に係る蓄電装置では、シール部は、電極板の周縁部に接合される枠体状の第一シール部と、第一シール部の外周面を覆い、第一シール部を一体的に保持する第二シール部と、を有していてもよい。上記蓄電装置では、蓄電モジュールにおける電解液の密閉性を高めることができる。

本発明によれば、効率的な放熱が可能になる。

蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。 図１の蓄電装置に含まれる蓄電モジュールを示す概略断面図である。 図１の蓄電装置の一部を拡大して示した正面図である。 図３の蓄電装置を導電体に形成された貫通孔の端部が正面に見えるＡ方向から見た側面図である。 図３に示す蓄電装置をＶ−Ｖ線に沿って切断したときの積層方向から見た断面図である。 変形例に係る蓄電装置を導電体に形成された貫通孔の端部が正面に見える方向から見た側面図である。 変形例に係る蓄電装置を導電体に形成された貫通孔の端部が正面に見える方向から見た側面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図１〜図７には、ＸＹＺ直交座標系が示される。

図１に示される蓄電装置１０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。蓄電モジュール１２は、例えば、バイポーラ電池である。蓄電モジュール１２の例には、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等の二次電池が含まれるが、電気二重層キャパシタであってもよい。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

複数の蓄電モジュール１２は、金属板等の導電体１４を介して積層されて配列体１１を形成している。導電体１４は、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の間に配置される一つの金属体であり、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の両方に接触させた状態で配置される。導電体１４は、例えば、アルミニウム、銅等の金属材料により形成されている。導電体１４は、積層方向（Ｚ方向）から見たとき、蓄電モジュール１２及び導電体１４は、例えば、矩形形状を有する。積層方向から見たとき、導電体１４は、蓄電モジュール１２よりも小さいが、蓄電モジュール１２と同じかそれより大きくてもよい。導電体１４は、隣り合う蓄電モジュール１２と電気的に接続される。これにより、複数の蓄電モジュール１２が積層方向に直列に接続される。

導電体１４は、蓄電モジュール１２の積層方向において両端に位置する蓄電モジュール１２の外側にもそれぞれ配置される。すなわち、導電体１４は、積層方向において、配列体１１の両端にも配置されている。積層方向において、一端に位置する導電体１４には正極端子２４が接続されており、他端に位置する導電体１４には負極端子２６が接続されている。正極端子２４は、接続される導電体１４と一体であってもよい。負極端子２６は、接続される導電体１４と一体であってもよい。正極端子２４及び負極端子２６は、積層方向に交差する方向（Ｘ方向）に延在している。これらの正極端子２４及び負極端子２６により、蓄電装置１０の充放電を実施できる。

導電体１４は、蓄電モジュール１２において発生した熱を放出するための放熱板としても機能する。導電体１４は、蓄電モジュール１２における導電体１４との接触部（例えば接触面１２ａ）よりも高い熱伝導性を有してもよい。また、導電体１４の内部には、積層方向に交差する方向（Ｙ方向）に延在する貫通孔１４ａが設けられている。貫通孔１４ａは、導電体１４において互いに対向する一方の側面１４ｄ（図５参照）から他方の側面１４ｆ（図５参照）まで直線状に連通する。

本実施形態では、貫通孔１４ａは複数配列されている。貫通孔１４ａは、積層方向及び積層方向に交差する方向（Ｘ方向）に配列されている。このような貫通孔１４ａに空気等の気体の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール１２において発生する熱を効率的に外部に放出できる。導電体１４のサイズ、導電体１４の材質、貫通孔１４ａのサイズ、及び貫通孔１４ａの数等は、例えば、蓄電装置１０の温度が５０℃を超えないように適宜調整される。蓄電モジュール１２に、貫通孔１４ａに空気を積極的に流通（循環）させる装置を設けても良い。また、本実施形態では、導電体１４に形成される貫通孔１４ａの延在方向が、積層方向に配列される全ての導電体１４において一致している。

蓄電装置１０は、交互に積層された蓄電モジュール１２及び導電体１４を積層方向に拘束する拘束部材１５を備え得る。拘束部材１５は、一対の拘束プレート１６，１７と、拘束プレート１６，１７同士を連結する連結部材（ボルト１８及びナット２０）と、を備える。各拘束プレート１６，１７と導電体１４との間には、例えば、樹脂フィルム等の絶縁フィルム２２が配置される。各拘束プレート１６，１７は、例えば、鉄等の金属によって構成されている。

積層方向から見たとき、各拘束プレート１６，１７及び絶縁フィルム２２は、例えば、矩形形状を有する。絶縁フィルム２２は、導電体１４よりも大きくなっており、各拘束プレート１６，１７は、蓄電モジュール１２よりも大きくなっている。積層方向から見たとき、拘束プレート１６の縁部には、ボルト１８の軸部を挿通させる挿通孔１６ａが蓄電モジュール１２よりも外側となる位置に設けられている。同様に、積層方向から見たとき、拘束プレート１７の縁部には、ボルト１８の軸部を挿通させる挿通孔１７ａが蓄電モジュール１２よりも外側となる位置に設けられている。積層方向から見たときに各拘束プレート１６，１７が矩形形状を有している場合、挿通孔１６ａ及び挿通孔１６ｂは、拘束プレート１６，１７の角部に位置する。

一方の拘束プレート１６は、負極端子２６に接続された導電体１４に絶縁フィルム２２を介して突き当てられ、他方の拘束プレート１７は、正極端子２４に接続された導電体１４に絶縁フィルム２２を介して突き当てられている。ボルト１８は、例えば、一方の拘束プレート１６側から他方の拘束プレート１７側に向かって挿通孔１６ａに通され、他方の拘束プレート１７から突出するボルト１８の先端には、ナット２０が螺合されている。これにより、絶縁フィルム２２、導電体１４及び蓄電モジュール１２が挟持されてユニット化されると共に、積層方向に拘束荷重が付加される。

図２に示されるように、蓄電モジュール１２は、複数のバイポーラ電極３２が積層された積層体３０を備える。バイポーラ電極３２の積層方向から見たとき、積層体３０は、例えば、矩形形状を有する。隣り合うバイポーラ電極３２間にはセパレータ４０が配置され得る。バイポーラ電極３２は、電極板３４と、電極板３４の一方面に設けられた正極層３６と、電極板３４の他方面に設けられた負極層３８と、を含む。積層体３０において、一のバイポーラ電極３２の正極層３６は、セパレータ４０を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極３２の負極層３８と対向し、一のバイポーラ電極３２の負極層３８は、セパレータ４０を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極３２の正極層３６と対向している。

積層方向において、積層体３０の一端には、内側面に負極層３８が配置された電極板３４（負極側終端電極）が配置され、他端には、内側面に正極層３６が配置された電極板３４（正極側終端電極）が配置される。負極側終端電極の負極層３８は、セパレータ４０を介して最上層のバイポーラ電極３２の正極層３６と対向している。正極側終端電極の正極層３６は、セパレータ４０を介して最下層のバイポーラ電極３２の負極層３８と対向している。これら終端電極の電極板３４はそれぞれ隣り合う導電体１４（図１参照）に接続される。

蓄電モジュール１２は、バイポーラ電極３２の積層方向に延在する積層体３０の側面３０ａにおいて電極板３４の周縁部３４ａを保持する枠体（シール部）５０を備える。枠体５０は、積層体３０の側面３０ａを取り囲むように構成されている。枠体５０は、バイポーラ電極３２の積層方向から見たとき、例えば、矩形形状を有している。この場合、枠体５０は四つの矩形面から構成される。枠体５０は、電極板３４の周縁部３４ａを保持する第一樹脂部（第一シール部）５２と、積層方向から見たときに第一樹脂部５２の周囲に設けられる第二樹脂部（第二シール部）５４とを備え得る。

枠体５０の内壁を構成する第一樹脂部５２は、各バイポーラ電極３２の電極板３４の一方面（正極層３６が形成される面）から周縁部３４ａにおける電極板３４の端面にわたって設けられている。バイポーラ電極３２の積層方向から見たとき、各第一樹脂部５２は、各バイポーラ電極３２の電極板３４の周縁部３４ａ全周にわたって設けられている。隣り合う第一樹脂部５２同士は、各バイポーラ電極３２の電極板３４の他方面（負極層３８が形成される面）の外側に延在する面において溶着している。その結果、第一樹脂部５２には、各バイポーラ電極３２の電極板３４の周縁部３４ａが埋没して保持されている。各バイポーラ電極３２の電極板３４の周縁部３４ａと同様に、積層体３０の両端に配置された電極板３４の周縁部３４ａも第一樹脂部５２に埋没した状態で保持されている。これにより、積層方向に隣り合う電極板３４，３４間には、当該電極板３４，３４と第一樹脂部５２とによって気密に仕切られた内部空間が形成されている。当該内部空間には、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。

枠体５０の外壁を構成する第二樹脂部５４は、バイポーラ電極３２の積層方向において積層体３０の全長にわたって延在する筒状部である。第二樹脂部５４は、バイポーラ電極３２の積層方向に延在する第一樹脂部５２の外側面を覆っている。第二樹脂部５４は、バイポーラ電極３２の積層方向に延在する内側面において第一樹脂部５２の外側面に溶着されている。

電極板３４は、例えば、ニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板３４の周縁部３４ａ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、当該未塗工領域が枠体５０の内壁を構成する第一樹脂部５２に埋没して保持される領域となっている。正極層３６を構成する正極活物質の例には、水酸化ニッケルが含まれる。負極層３８を構成する負極活物質の例には、水素吸蔵合金が含まれる。電極板３４の他方面における負極層３８の形成領域は、電極板３４の一方面における正極層３６の形成領域に対して一回り大きくなっている。なお、電極板３４は、導電性樹脂から形成されてもよい。

セパレータ４０は、例えば、シート状に形成されている。セパレータ４０を形成する材料の例には、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、メチルセルロース等からなる織布及び不織布等が含まれる。また、セパレータ４０は、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されていてもよい。

枠体５０（第一樹脂部５２及び第二樹脂部５４）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５０を構成する樹脂材料の例には、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、及び変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）等が含まれる。

次に、上述した蓄電モジュール１２間の距離について、図３及び図４を用いて説明する。図３は、図１の蓄電装置の一部を拡大して示した正面図であり、図４は、図３の蓄電装置を導電体に形成された貫通孔の端部が正面に見えるＡ方向から見た側面図である。図３に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２における第二樹脂部５４同士の距離であって、延在方向における貫通孔１４ａの端部１４ｂ（１４ｃ）に対向する第一部分Ｐ１の距離を第一距離Ｇ１１とする。また、図４に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２における第二樹脂部５４同士の距離であって、延在方向における貫通孔１４ａの端部１４ｂ（１４ｃ）に対向しておらず、貫通孔１４ａの延在方向に沿う第二部分Ｐ２の距離を第二距離Ｇ１２とする。

ここで、第一部分Ｐ１における第一距離Ｇ１１は、第二部分Ｐ２における第二距離Ｇ１２よりも長い（Ｇ１１＞Ｇ１２）。図４に示されるように、本実施形態では、第二部分Ｐ２では、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の第二樹脂部５４，５４同士が互いに接触している。すなわち、第二部分Ｐ２における第二距離Ｇ１２は０（ゼロ）である。また、貫通孔１４ａの高さＧ２は、例えば、高さＧ２の１／２以上とすることができる。また、貫通孔１４ａの高さＧ２は、第一部分Ｐ１における第一距離Ｇ１１と同等、又はそれ以上としてもよい。

互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の一方には、第二樹脂部５４，５４同士が接触する部分に凸部５４ｂが形成されており、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の他方には、第二樹脂部５４，５４同士が接触する部分に凸部５４ｂを覆う凹部５４ａが形成されている。そして、上記凸部５４ｂ及び凹部５４ａの一部又は全部は、弾性変形した状態で互いに接触している。

上記実施形態の蓄電装置１０では、貫通孔１４ａの端部１４ｂ（１４ｃ）に対向する第一部分Ｐ１における第二樹脂部５４，５４同士の第一距離Ｇ１１（図３参照）が、貫通孔１４ａの端部１４ｂ（１４ｃ）に対向しない第二部分Ｐ２の第二距離Ｇ１２（図４参照）よりも長い。これにより、上記貫通孔１４ａを介して流通する冷却風の通り道を確保しつつ、上記貫通孔１４ａ以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを抑制することができる。この結果、効率的な放熱が可能となる。

上記実施形態の蓄電装置１０における第二部分Ｐ２では、図４に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の第二樹脂部５４，５４同士が互いに接触しているので、貫通孔１４ａ以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを効果的に抑制することができる。

上記実施形態の蓄電装置１０では、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の第二樹脂部５４，５４同士が、弾性変形した状態で互いに接触しているので、導電体１４の高さ方向（Ｚ軸方向）における寸法公差を吸収することができる。

上記実施形態の蓄電装置１０では、図４に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の一方には、第二樹脂部５４，５４同士が接触する部分に凸部５４ｂが形成されており、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の他方には、第二樹脂部５４，５４同士が接触する部分に凸部５４ｂを覆う凹部５４ａが形成されているので、この場合も、例えば、導電体１４の高さ方向における寸法公差を吸収することができる。

上記実施形態の蓄電装置１０では、導電体１４に形成される貫通孔１４ａの延在方向が、積層方向に配列される全ての導電体１４において一致させているので、組み付け時の作業性を向上させることができる。

上記実施形態の蓄電装置１０では、枠体５０は、電極板３４の周縁部３４ａに接合される枠体状の第一樹脂部５２と、第一樹脂部５２の外周面を覆い、第一樹脂部５２を一体的に保持する第二樹脂部５４と、を有しているので、蓄電モジュール１２における電解液の密閉性を高めることができる。

以上、一実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。上記実施形態では、図４に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の一方には凸部５４ｂが形成され、他方には凹部５４ａが形成されている例を挙げて説明したが、図６に示されるように、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の接触面は、両方とも平坦面であってもよい。また、図示はしないが、互いに隣接する蓄電モジュール１２，１２の接触面の少なくとも一方に凸部が形成されていてもよい。この場合、第二部分Ｐ２における第二距離Ｇ１２は０（ゼロ）となる。このような構成であっても、第一部分Ｐ１における第一距離Ｇ１１は、第二部分Ｐ２における第二距離Ｇ１２よりも長い（Ｇ１１＞Ｇ１２）ので、上記貫通孔１４ａを介して流通する冷却風の通り道を確保しつつ、上記流路以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを抑制することができる。

上記実施形態又は変形例では、貫通孔１４ａの延在方向に沿う第二部分Ｐ２の距離である第二距離Ｇ１２を０（ゼロ）とする例を挙げて説明したが、例えば、図７に示されるように、第二距離Ｇ１２を０（ゼロ）よりも大きく、かつ第一距離Ｇ１１よりも小さくしてもよい。この場合であっても、上記貫通孔１４ａを介して流通する冷却風の通り道を確保しつつ、上記流路以外に冷却風が流通することによる冷却風漏れを抑制することができる。

上記実施形態又は変形例では、図５に示されるように、上記導電体１４に形成された貫通孔１４ａは、導電体１４において互いに対向する一方の側面１４ｄから他方の側面１４ｆまで連通している例を挙げて説明したが、例えば、一の側面１４ｇから隣接する一つの側面１４ｆまで連通していてもよい。

上記実施形態又は変形例では、冷却風が流通する流通路の例として導電体１４に形成された貫通孔１４ａを例に挙げて説明したが、例えば、少なくとも一方の表面に溝が形成された導電体１４を終端電極の電極板３４に接触させることによって、冷却風が流通する流通路を形成してもよい。

また、上記実施形態又は変形例では、蓄電装置１０がニッケル水素二次電池の例を挙げて説明したが、リチウムイオン二次電池であってもよい。この場合、正極活物質は、例えば複合酸化物、金属リチウム、硫黄等である。負極活物質は、例えば黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素等である。

１０…蓄電装置、１２…蓄電モジュール、１４…導電体、１４ａ…貫通孔、１４ｂ，１４ｃ…貫通孔の端部、３２…バイポーラ電極、３４…電極板、３４ａ…周縁部、５０…枠体（シール部）、５２…第一樹脂部（第一シール部）、５４…第二樹脂部（第二シール部）、５４ａ…凹部、５４ｂ…凸部、Ｇ１１…第一距離、Ｇ１２…第二距離、Ｐ１…第一部分、Ｐ２…第二部分。

Claims (8)

1. 一方面側に正極層が形成され、他方面側に負極層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周縁部を保持すると共に前記積層体の側面を形成するシール部と、を有し、一方向に配列された複数の蓄電モジュールと、
   互いに隣接する前記蓄電モジュールの両方に接触させた状態で配置される導電体と、を備え、
   前記導電体には、前記一方向に交差する方向に延在する流路が形成されており、
   互いに隣接する前記蓄電モジュールにおける前記シール部同士の距離であって、前記流路の延在方向における前記流路の端部に対向する第一部分の第一距離は、前記端部に対向しない第二部分の第二距離よりも長い、蓄電装置。
2. 前記流路は、直線状に延在しており、前記第二部分は、前記端部に対向しない部分であると共に前記流路の延在方向に沿う部分である、請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記第二部分では、互いに隣接する前記蓄電モジュールの前記シール部同士が互いに接触している、請求項１又は２記載の蓄電装置。
4. 互いに隣接する前記蓄電モジュールの前記シール部同士は、弾性変形した状態で互いに接触している、請求項３記載の蓄電装置。
5. 互いに隣接する前記蓄電モジュールの少なくとも一方には、前記シール部同士が接触する部分に凸部が形成されている、請求項３又は４記載の蓄電装置。
6. 互いに隣接する前記蓄電モジュールの一方には、前記シール部同士が接触する部分に凸部が形成されており、互いに隣接する前記蓄電モジュールの他方には、前記シール部同士が接触する部分に前記凸部を覆う凹部が形成されている、請求項３又は４記載の蓄電装置。
7. 前記導電体に形成される前記流路の延在方向が、前記一方向に配列される全ての前記導電体において一致している、請求項１〜６の何れか一項記載の蓄電装置。
8. 前記シール部は、前記電極板の周縁部に接合される枠体状の第一シール部と、前記第一シール部の外周面を覆い、前記第一シール部を一体的に保持する第二シール部と、を有している、請求項１〜７の何れか一項記載の蓄電装置。

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