JP7014669B2 - 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、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の蓄電装置は、シート状の電極を有する複数の電池要素を積層した複数の蓄電モジュールと、この蓄電モジュール間に設けられた導電体とを備えている。導電体は、蓄電モジュールで発生した熱を放散可能な放熱構造を有しており、放熱部材として機能する。

特開２００９－１１７１０５号公報

ところで、導電体の放熱構造として、例えば導電体の内部に冷媒が流通可能な貫通孔を設け、冷媒を流通させることで蓄電モジュールの放熱を行う場合がある。しかしながら、このように貫通孔内に冷媒を流通させる場合、上流側の領域に比べ下流側の領域は冷却されにくく、上流側の領域と下流側の領域との間に温度差が発生する。その結果、温度差に起因する抵抗値のばらつきが発生して電極の一部のみに電流が流れやすくなるので、バイポーラ電極が劣化しやすい。

本発明は、電極の温度の均一化を図ることが可能な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、電極板の一方の面に正極層が設けられると共に電極板の他方の面に負極層が設けられた複数のバイポーラ電極が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を備える蓄電装置であって、蓄電モジュールに対して一方向に積層されると共に蓄電モジュールに接触させた状態で配置された導電体を備え、導電体は、一方向に交差する交差方向の一方側に位置する第１領域と、交差方向の他方側に位置する第２領域とを有し、導電体には、交差方向に延在し、第１領域側から第２領域側に向けて冷媒が流通する貫通孔が設けられ、第１領域における伝熱性は、第２領域における伝熱性より低い。

この蓄電装置では、導電体の第１領域における伝熱性は、導電体の第２領域における伝熱性より低い。これにより、貫通孔内に冷媒を流通させた場合、第１領域における導電体と冷媒との熱交換は、第２領域における導電体と冷媒との熱交換に比べて抑制される。したがって、第１領域側から第２領域側に向けて冷媒を流通させることにより、第１領域での冷媒の昇温が抑制され、第２領域にも十分な冷却能力を保った状態の冷媒を流通させることができる。その結果、第１領域と第２領域との冷却能力のばらつきが抑制されるので、バイポーラ電極の温度の均一化を図ることができる。

第１領域には、導電体と冷媒との熱交換を抑制する熱交換抑制部が設けられていてもよい。この構成によれば、熱交換抑制部の材料及び形状等を調整することにより、第１領域における伝熱性を調整することができる。

熱交換抑制部は、貫通孔の内壁に沿って形成されていてもよい。この構成によれば、導電体と蓄電モジュールとの間の導電性を確保しつつ、第１領域における導電体と冷媒との熱交換を抑制し、バイポーラ電極の温度の均一化を図ることができる。

本発明によれば、電極の温度の均一化を図ることが可能な蓄電装置が提供される。

一実施形態に係る蓄電装置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。 積層方向から見た導電体及び蓄電モジュールを概略的に示す図である。 交差方向から見た導電体を概略的に示す部分断面図である。 導電体全体が略同一の伝熱性を有する場合のバイポーラ電極の温度分布を示す図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図１～図４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。以下の説明では、そのような蓄電モジュール１２として、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。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。言い換えれば、導電体１４は、積層方向から見たときに蓄電モジュール１２が配置される領域内に配置されている。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ている。

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及び負極端子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。

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の軸部が挿通される挿通孔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の軸部が挿通される挿通孔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１７ａ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及び挿通孔１７ａ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が一方向（積層方向）に積層された積層体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、積層体３０の他端には、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の縁部３４ａを保持する枠体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の積層方向から見て、例えば、矩形形状を有している。枠体５０は、電極板３４の縁部３４ａを保持する第１樹脂部５２と、積層方向から見たときに第１樹脂部５２の周囲に設けられた第２樹脂部５４とを有する。

枠体５０の内壁を構成する第１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１樹脂部５２は、各バイポーラ電極３２の電極板３４の縁部３４ａの全周にわたって設けられている。隣り合う第１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１樹脂部５２には、各バイポーラ電極３２の電極板３４の縁部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の縁部３４ａも第１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１樹脂部５２とによって気密に仕切られた内部空間Ｖが形成されている。当該内部空間Ｖ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２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２樹脂部５４は、バイポーラ電極３２の積層方向に延在する第１樹脂部５２の外側面を覆っている。第２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１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の縁部３４ａは、正極活物質及び負極活物質が塗工されてい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１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、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１樹脂部５２及び第２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に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、図１、図３、及び図４を参照して、導電体１４について詳細に説明する。図１、図３、及び図４に示されるように、導電体１４は、互いに隣り合う蓄電モジュール１２，１２の間、又は、蓄電モジュール１２と絶縁フィルム２２との間に配置されている。つまり、導電体１４は、蓄電モジュール１２に対して一方向に積層されている。隣り合う蓄電モジュール１２，１２の間に配置された導電体１４は、積層方向の両端面においてそれぞれの蓄電モジュール１２に接触している。蓄電モジュール１２と絶縁フィルム２２との間に配置された導電体１４は、積層方向の一方の端面において蓄電モジュール１２に接触している。

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。具体的に、導電体１４は、導電体１４と接触する蓄電モジュール１２の接触面１２ａよりも高い熱伝導性を有している。導電体１４は、積層方向に交差する交差方向（Ｙ方向）の一方側に位置する第１領域Ｒ１と、交差方向の他方側に位置する第２領域Ｒ２とを有している。また、導電体１４の内部には、交差方向（Ｙ方向）に延在する複数の貫通孔１４ａが設けられている。貫通孔１４ａは、交差方向おいて互いに対向する一方の端面から他方の端面まで連通している。貫通孔１４ａは、積層方向及び交差方向に交差する方向（Ｘ方向）に配列されている。貫通孔１４ａには、第１領域Ｒ１側から第２領域Ｒ２側に向けて空気等の冷媒Ｆが流通される。このように貫通孔１４ａに冷媒Ｆを流通させることにより、蓄電モジュール１２において発生した熱を効果的に外部に放出できる。なお、蓄電装置１０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よい。

導電体１４の寸法、導電体１４の材質、貫通孔１４ａの寸法、及び貫通孔１４ａの数等は、例えば、蓄電装置１０の温度が５０℃を越えないように適宜調整され得る。導電体１４の材質としては、例えばアルミニウムが挙げられる。本実施形態では、交差方向から見た貫通孔１４ａは矩形形状を有している。なお、交差方向から見た貫通孔１４ａの形状は矩形形状に限定されず、例えば円形状等、適宜変更可能である。

交差方向における第１領域Ｒ１の寸法Ｌは、例えば、交差方向における導電体１４の寸法の５％～５０％程度とすることができる。本実施形態では、交差方向における第１領域Ｒ１の寸法Ｌは、交差方向における導電体１４の寸法の５０％である。積層方向及び交差方向に交差する方向（Ｘ方向）においては、第１領域Ｒ１は導電体１４の全体にわたって設けられている。第２領域Ｒ２は、導電体１４のうち第１領域Ｒ１以外の領域である。

第１領域Ｒ１には、導電体１４と貫通孔１４ａ内に流通する冷媒との熱交換を抑制する熱交換抑制部１９が設けられている。熱交換抑制部１９は、導電体１４よりも低い熱伝導性を有する材料によって構成されている。これにより、第１領域Ｒ１における伝熱性は、第２領域Ｒ２における伝熱性より低くなっている。図４に示されるように、熱交換抑制部１９は、第１領域Ｒ１内において貫通孔１４ａの内壁に沿って、貫通孔１４ａの内壁の全面に形成されている。また、交差方向においては、熱交換抑制部１９は、第１領域Ｒ１の全体にわたって形成されている。熱交換抑制部１９の厚さＴは、例えば０．０５ｍｍ～１ｍｍとすることができる。第１領域Ｒ１内における熱交換抑制部１９の厚さＴは略均一である。なお、熱交換抑制部１９の厚さＴは特に限定されず、貫通孔１４ａ内を十分な量の冷媒Ｆが流通可能な範囲で適宜変更可能である。熱交換抑制部１９を構成する材料としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、エポキシ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂又は塗料等を用いることができる。

ここで、導電体１４の第１領域Ｒ１に熱交換抑制部１９を形成する方法について説明する。まず、貫通孔１４ａを有する導電体１４を準備する。導電体１４は、例えば押出成形等の公知の方法によって製造することができる。次に、熱交換抑制部１９となる樹脂材料を液体状に溶融させ、導電体１４の第１領域Ｒ１を液体状の樹脂材料に浸漬する。このとき、導電体１４の外周面をマスキング等によって保護した状態で導電体１４を樹脂材料に浸漬する。その後、加熱等によって液体状の樹脂材料を硬化させ、マスキングを取り除く。これにより、第１領域Ｒ１内において、貫通孔１４ａの内壁に沿った熱交換抑制部１９が形成される。

以上説明したように、蓄電装置１０では、導電体１４の第１領域Ｒ１における伝熱性は、導電体１４の第２領域Ｒ２における伝熱性より低い。一般的な蓄電装置では、導電体全体が略同一の伝熱性を有しているので、上流側における導電体と冷媒との熱交換によって冷媒の温度が上昇し、下流側にも十分な冷却能力を保った状態の冷媒を流通させることが困難である。このため、上流側の領域に比べて下流側の領域は冷却されにくく、図５に示されるように、上流側の領域と下流側の領域との間に温度差が発生する。その結果、温度差に起因する抵抗値のばらつきが発生してバイポーラ電極の一部のみに電流が流れやすくなるので、バイポーラ電極が劣化しやすい。

これに対し、蓄電装置１０では、貫通孔１４ａ内に冷媒Ｆを流通させた場合、第１領域Ｒ１における導電体１４と冷媒Ｆとの熱交換は、第２領域Ｒ２における導電体１４と冷媒Ｆとの熱交換に比べて抑制される。したがって、第１領域Ｒ１側から第２領域Ｒ２側に向けて冷媒Ｆを流通させることにより、第１領域Ｒ１での冷媒Ｆの昇温が抑制され、第２領域Ｒ２にも十分な冷却能力を保った状態の冷媒Ｆを流通させることができる。その結果、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との冷却能力のばらつきが抑制されるので、バイポーラ電極３２の温度の均一化を図ることができる。

また、第１領域Ｒ１には、導電体１４と冷媒Ｆとの熱交換を抑制する熱交換抑制部１９が設けられている。これにより、熱交換抑制部１９の材料及び形状等を調整することにより、第１領域Ｒ１における伝熱性を調整することができる。

また、熱交換抑制部１９は、貫通孔１４ａの内壁に沿って形成されている。これにより、導電体１４と蓄電モジュール１２との間の導電性を確保しつつ、第１領域Ｒ１における導電体１４と冷媒Ｆとの熱交換を抑制し、バイポーラ電極３２の温度の均一化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、上記の実施形態では、熱交換抑制部１９の厚さＴが略均一である例について説明したが、熱交換抑制部１９の厚さＴは均一でなくてもよい。例えば、熱交換抑制部１９の厚さＴは、第１領域Ｒ１側から第２領域Ｒ２側に向かうにつれて徐々に薄くなっていてもよい。また、熱交換抑制部１９の厚さＴは、第１領域Ｒ１側から第２領域Ｒ２側に向かうにつれて段階的に薄くなっていてもよい。

また、上記の実施形態では、熱交換抑制部１９が貫通孔１４ａの内壁に沿って形成されている例について説明したが、熱交換抑制部１９が導電性を有する材料によって構成されている場合、積層方向における導電体１４の両端面に熱交換抑制部１９を形成してもよい。

また、上記の実施形態では、熱交換抑制部１９によって第１領域Ｒ１における伝熱性を低下させる例について説明したが、熱交換抑制部１９を用いずに、導電体１４に対して熱処理又はショットブラスト加工等を行うことによって第１領域Ｒ１における伝熱性を低下させてもよい。

また、上記の実施形態では、第１領域Ｒ１における伝熱性を低下させる例について説明したが、第２領域Ｒ２における伝熱性を向上させることによって、第１領域Ｒ１における伝熱性が第２領域Ｒ２における伝熱性より低い状態としてもよい。例えば、第２領域Ｒ２内において貫通孔１４ａの内壁面に微細な凹凸を設けて（貫通孔１４ａの内壁面を粗面化して）導電体１４と冷媒Ｆとの接触面積を増加させることにより、第２領域Ｒ２における伝熱性を向上させることができる。

また、上記の実施形態では、導電体１４の貫通孔１４ａに冷媒Ｆとして空気を流通させる例について説明したが、空気に代えて液体の冷媒Ｆを流通させてもよい。液体の冷媒Ｆとしては、例えば絶縁油等が挙げられる。この場合、導電体１４における放熱性をより高めることができる。また、液体の冷媒Ｆは、絶縁性を有する物質とする。これにより、例えば、冷媒Ｆが貫通孔１４ａから漏れ出した場合であっても、冷媒Ｆによる短絡を防止することができる。

また、上記の実施形態では、蓄電装置１０がニッケル水素二次電池である例について説明したが、蓄電装置１０は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、ＳｉＯ_ｘ（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、１９…熱交換抑制部、３０…積層体、３２…バイポーラ電極、３４…電極板、３６…正極層、３８…負極層、４０…セパレータ、Ｆ…冷媒、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域。

Claims (1)

1. 電極板の一方の面に正極層が設けられると共に前記電極板の他方の面に負極層が設けられた複数のバイポーラ電極が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を備える蓄電装置であって、
   前記蓄電モジュールに対して前記一方向に積層されると共に前記蓄電モジュールに接触させた状態で配置された導電体を備え、
   前記導電体は、前記一方向に交差する交差方向の一方側に位置する第１領域と、前記交差方向の他方側に位置する第２領域とを有し、
   前記導電体には、前記交差方向に延在し、前記第１領域側から前記第２領域側に向けて冷媒が流通する貫通孔が設けられ、
   前記第１領域には、前記導電体と前記冷媒との熱交換を抑制する熱交換抑制部が設けられ、
   前記熱交換抑制部は、前記貫通孔の内壁に沿って形成され、
   前記第１領域における伝熱性は、前記第２領域における伝熱性より低い、蓄電装置。

Images