JP7060956B2 - 蓄電モジュール - Google Patents

Description

本発明は、蓄電モジュールに関する。

従来の蓄電モジュールとして、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、いわゆるバイポーラ型の蓄電モジュールが知られている（特許文献１参照）。このような蓄電モジュールは、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。積層体の側面には、積層方向に隣り合うバイポーラ電極間をシールする樹脂群が設けられている。隣り合うバイポーラ電極間に形成された内部空間には、電解液が収容される。

特開２００５－５１６３号公報

ところで、特許文献１に記載された蓄電モジュールにおいて、電解液の漏れ等を防止するために、隣り合うバイポーラ電極間に形成された内部空間を樹脂部材でシールすることで液密を確保している。一方、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への搭載性が向上のために、発電に直接寄与しない部材等の体格を低減する必要がある。

本発明の目的は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、体格低減を実現した蓄電モジュールを提供することにある。

上記目的を達成する蓄電モジュールは、電極板、電極板の一方面に設けられた正極、および電極板の他方面に設けられた負極を含むバイポーラ電極がセパレータを介して積層された積層体を有しており、積層体の積層方向において両端に配置された電極板は、正極もしくは負極を一方面にのみ設けている。一方面に正極のみ設けた電極板を正極側終端電極、他方面に負極のみ設けた電極板を負極側終端電極と呼ぶ。積層体の積層方向において両端のうち一端に正極側終端電極および、両端のうち他端に負極側終端電極の電極板の縁部に形成された枠状の第１樹脂部と、積層体の積層方向において、各バイポーラ電極の電極板の一方面の縁部に形成された枠状の複数の第２樹脂部とを設けており、積層体の積層方向において、第２樹脂部は前記第１樹脂部より内側に配置され、第１樹脂部は第２樹脂部よりも薄いことを特徴とする。

かかる構成によれば、積層体の積層方向において第１樹脂部の厚みを低減することで、体格低減効果が可能となる。

この発明によれば、体格低減効果のある蓄電モジュールの提供が可能である。

蓄電モジュールを備える蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。 図１に示される蓄電モジュールの一実施形態を示す概略断面図である。 図１に示される蓄電モジュールの要部拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図１～図３に従って説明する。

図１に示す蓄電装置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。蓄電装置１０は、複数（本実施形態では３つ）の蓄電モジュール１２を備えるが、単一の蓄電モジュール１２を備えてもよい。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等の二次電池であるが、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、例えば金属板等の導電板１４を介して積層され得る。積層方向Ｄ１（図１のＺ方向）から見て、蓄電モジュール１２及び導電板１４は例えば矩形形状を有する。各蓄電モジュール１２の詳細については後述する。導電板１４を介して、蓄電モジュール１２は積層されている。導電板１４は、積層方向Ｄ１において蓄電モジュール１２の両端に配置され、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Ｄ１に直列に接続される。積層方向Ｄ１において、一端に位置する導電板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板１４には負極端子２６が接続されている。正極端子２４は、接続される導電板１４と一体であってもよい。負極端子２６は、接続される導電板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Ｄ１に直交する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。

導電板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し得る。導電板１４の内部に設けられた複数の空隙１４ａを空気等の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール１２からの熱を効率的に外部に放出できる。各空隙１４ａは例えば積層方向Ｄ１に直交する方向（図１のＹ方向）に延在する。積層方向Ｄ１から見て、導電板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。

蓄電装置１０は、交互に積層された蓄電モジュール１２及び導電板１４を積層方向Ｄ１に拘束する拘束部材１６を備え得る。拘束部材１６は、一対の拘束プレート１６Ａ，１６Ｂと、拘束プレート１６Ａ，１６Ｂ同士を連結する連結部材（ボルト１８およびナット２０）とを備える。各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂと導電板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１６Ａ，１６Ｂは、例えば鉄等の金属によって構成されている。積層方向Ｄ１から見て、各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂ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は導電板１４よりも大きくなっており、各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂは、蓄電モジュール１２よりも大きくなっている。積層方向Ｄ１から見て、拘束プレート１６Ａの縁部には、ボルト１８の軸部を挿通させる挿通孔Ｈ１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Ｄ１から見て、拘束プレート１６Ｂの縁部には、ボルト１８の軸部を挿通させる挿通孔Ｈ２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Ｄ１から見て各拘束プレート１６Ａ，１６Ｂが矩形形状を有している場合、挿通孔Ｈ１及び挿通孔Ｈ２は、拘束プレート１６Ａ，１６Ｂの角部に位置する。

一方の拘束プレート１６Ａは、負極端子２６に接続された導電板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１６Ｂは、正極端子２４に接続された導電板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１６Ａ側から他方の拘束プレート１６Ｂ側に向かって挿通孔Ｈ１に通され、他方の拘束プレート１６Ｂ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、導電板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Ｄ１に拘束荷重が付加される。

図３は、蓄電モジュールの要部拡大断面図である。具体的には、図３は、蓄電モジュールを構成する積層体の積層方向Ｄ１における外縁部（上側縁部及び下側縁部の各々）のうち、Ｘ方向における一方側（図２の図示左側）の部分を拡大して示した図である。なお、蓄電モジュールの概略構成を示す図２においては、積層体の外縁部の詳細な構成（図３に示す外縁部Ｅの構成）の図示は省略されている。

複数のバイポーラ電極（電極）３２を積層した積層体３０について、図２および図３に示す。バイポーラ電極３２の積層方向Ｄ１から見て積層体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３６と、電極板３４の他方面に設けられた負極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３６は、セパレータ４０を挟んで積層方向Ｄ１に隣り合う一方のバイポーラ電極３２の負極３８と対向し、一のバイポーラ電極３２の負極３８は、セパレータ４０を挟んで積層方向Ｄ１に隣り合う他方のバイポーラ電極３２の正極３６と対向している。積層方向Ｄ１において、積層体３０の一端には、内側面に負極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３６と対向している。正極側終端電極の正極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板１４（図１参照）に接続される。

蓄電モジュール１２は、積層方向Ｄ１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、積層方向Ｄ１から見て積層体３０の周囲に設けられている。具体的には、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、積層方向Ｄ１から見て最外層に位置する電極板３４の縁部３４ａに設けられ、電極板３４の中心から外側へ積層方向Ｄ１に垂直な方向に張り出す張出部分５２ｂを有する２つの第１樹脂部５２と、各電極板３４の縁部３４ａに設けられ、電極板３４の端部３４ｂから張り出す張出部分５４ｂをそれぞれ有する複数の第２樹脂部５４と、積層方向Ｄ１から見て複数の第１樹脂部５２および第２樹脂部５４の周囲に設けられる第３樹脂部５６と、を備えている。

枠体５０の内壁は、第１樹脂部５２および第２樹脂部５４より構成されている。枠体５０の内壁を構成する第２樹脂部５４は、各バイポーラ電極３２の電極板３４の一方面（ここでは正極３６が形成される面）の縁部３４ａから電極板３４の端部３４ｂにわたって設けられている。積層方向Ｄ１から見て、各第２樹脂部５４は、各バイポーラ電極３２の電極板３４の縁部３４ａ全周にわたって設けられている。隣り合う第２樹脂部５４同士は、各バイポーラ電極３２の電極板３４の他方面（ここでは負極３８が形成される面）の外側に延在する面において当接している。その結果、第２樹脂部５４と各バイポーラ電極３２の電極板３４の縁部３４ａが、熱で溶着され接合することで保持される。本実施例において、積層方向Ｄ１における第２樹脂部５４の厚みは、１００～４００μｍである。

枠体５０の内壁を構成する第１樹脂部５２は、積層体３０の両端に位置する電極板３４の一方面の縁部３４ａに設けられている。各バイポーラ電極３２の電極板３４の縁部３４ａが第２樹脂部５４で保持されると同様に、積層体３０の両端に配置された電極板３４の縁部３４ａは、第１樹脂部５２と第２樹脂部５４に埋没した状態で保持されている。具体的には、正極側終端電極については、正極側終端電極の外側面（導電板１４に接続される面）に、第１樹脂部５２が設けられている。すなわち、正極側終端電極の縁部３４ａは、正極側終端電極の外側面に設けられた第１樹脂部５２（図２において１番下に設けられた第１樹脂部５２）と、正極側終端電極の他方面に設けられた第２樹脂部５４とに埋没した状態で保持されている。負極側終端電極については、負極側終端電極の外側面（導電板１４に接続される面）に、第１樹脂部５２が設けられている。すなわち、負極側終端電極の縁部３４ａは、負極側終端電極の外側面に設けられた第１樹脂部５２（図２において１番上に設けられた第１樹脂部５２）と、負極側終端電極と隣り合うバイポーラ電極３２の一方面に設けられた第２樹脂部５４とに埋没した状態で保持されている。積層方向Ｄ１において、第１樹脂部５２の厚みは、第２樹脂部５４より薄く設けられており、本実施例において２０～１００μｍとなる。また、負極側終端電極に設けられた第１樹脂枠５２の厚みは、電極板３４の厚みよりも厚く設けられている。積層方向Ｄ１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とによって液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３樹脂部５６は、積層方向Ｄ１を軸方向として延在する枠状部である。第３樹脂部５６は、積層方向Ｄ１において積層体３０の全長にわたって延在する。第３樹脂部５６は、積層方向Ｄ１に延在する第１樹脂部５２および第２樹脂部５４の外側面を覆っている。第３樹脂部５６は、後述する射出成形によって形成されている。第３樹脂部５６は、積層方向Ｄ１における両端部の各々において、内側に延在する円環状のフランジ部５６ａを有している。フランジ部５６ａは、積層体３０の積層端に位置する第１樹脂部５２の積層方向Ｄ１における外側面の少なくとも一部を覆う部分である。積層体３０は、積層方向Ｄ１における両端部に形成されるフランジ部５６ａによって挟持されている。本実施例において、積層方向Ｄ１においてフランジ部５６ａの厚みは、０．６～１ｍｍである。また、第３樹脂部の厚み幅、すなわち枠体５０の外壁から枠体５０の内壁の端部（端部５２ａおよび端部５４ａ）までの厚みは、４～６ｍｍである。

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。或いは、電極板３４は、ニッケルめっき鋼板であってもよい。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および第２樹脂部５４に埋没して保持される領域となっている。正極３６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３８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３４の他方面における負極３８の形成領域は、電極板３４の一方面における正極３６の形成領域に対して一回り大きくなっている。

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４０は、フッ化ビニリデン樹脂化合物等で補強されたものであってもよい。なお、セパレータ４０は、シート状に限られず、袋状のものを用いてもよい。

枠体５０を構成する樹脂材料としては、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、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）等が挙げられる。

次に、本実施形態の作用を説明する。
上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本発明にかかる蓄電モジュールは、発電に直接寄与しない部材等の体格を低減し、蓄電モジュール全体の体格を低減することで、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への搭載性が向上する。特に、リアシート下に配置する場合、大きな効果を発する。
（２）樹脂部と電極板を熱溶着する時に、樹脂部と金属の電極板の温度差により、樹脂部の収縮量が電極板の収縮量よりも大きくなるため、電極板が反る現象が起こることが知られている。 しかし、第１樹脂部５２の厚みを薄くすることで、電極板３４の反り量が低減する。第３樹脂部５６の厚みも低減することが可能となり、積層体３０の反り量も低減する。積層体３０の反り量低減により、蓄電モジュールの組み付け性および積層しやすさが向上する。
なお、上記実施形態は以下のように変更しても良い。
○ 本実施例において、隣り合う第２樹脂部５４同士は、各バイポーラ電極３２の負極３８が形成される面の外側に延在する面において当接していたが、正極３６が形成される面の外側に延在する面において当接するようにしていても良い。この場合、負極側終端電極の縁部３４ａは、負極側終端電極の外側面に設けられた第１樹脂部５２と、負極側終端電極の他方面に設けられた第２樹脂部５４とに埋没した状態で保持されている。また、正極側終端電極の縁部３４ａは、正極側終端電極の外側面に設けられた第１樹脂部５２と、正極側終端電極と隣り合うバイポーラ電極３２の一方面に設けられた第２樹脂部５４とに埋没した状態で保持されている。

１０ 蓄電装置
１２ 蓄電モジュール
１４ 導電板
１６ 拘束部材
１６Ａ 拘束プレート
１６Ｂ 拘束プレート
１８ ボルト
２０ ナット
２２ 絶縁フィルム
２４ 正極端子
２６ 負極端子
３０ 積層体
３２ バイポーラ電極
３４ 電極板
３４ａ 縁部
３４ｂ 端部
３６ 正極
３８ 負極
４０ セパレータ
５０ 枠体
５２ 第１樹脂部
５２ａ 端部
５２ｂ 張出部
５４ 第２樹脂部
５４ａ 端部
５４ｂ 張出部
５６ 第３樹脂部
５６ａ フランジ部
Ｄ１ 積層方向
Ｈ１ 挿通孔
Ｈ２ 挿通孔

Claims (4)

1. 複数の電極がセパレータを介して積層された積層体を備える蓄電モジュールであって、
   前記複数の電極は、
   前記積層体の積層方向の一端に配置され、前記積層方向の上側を向く面である一方面と前記積層方向の下側を向く面である他方面とを含む電極板の前記一方面に正極を設けることにより構成された正極側終端電極と、
   前記積層体の前記積層方向の他端に配置され、前記電極板の前記他方面に負極を設けることにより形成された負極側終端電極と、
   前記正極側終端電極と前記負極側終端電極との間に配置され、前記電極板の前記一方面に正極を設けると共に前記他方面に負極を設けることにより構成されたバイポーラ電極と、
   を含み、
   当該蓄電モジュールは、
   前記積層体の前記積層方向の両端に配置された一対の枠状の第１樹脂部と、
   各前記バイポーラ電極の前記電極板の前記一方面の縁部に形成された枠状の複数の第２樹脂部と、
   前記第１樹脂部及び前記第２樹脂部の外側面を覆う第３樹脂部と、
   を有し、
   前記一対の第１樹脂部の一方は、前記積層体の前記積層方向の前記一端に配置されており、前記正極側終端電極の前記電極板における前記積層体の外側に臨む前記他方面に設けられた部分を含み、
   前記一対の第１樹脂部の他方は、前記積層体の前記積層方向の前記他端に配置されており、前記負極側終端電極の前記電極板における前記積層体の外側に臨む前記一方面に設けられた部分を含み、
   前記積層方向において、前記第１樹脂部は前記第２樹脂部よりも薄く、
   前記正極側終端電極及び前記負極側終端電極の少なくとも一方に、当該蓄電モジュールと別の蓄電モジュールとを直列接続するための導電板が積層配置され、
   前記第１樹脂部及び前記第２樹脂部と前記電極板とは溶着されており、
   前記第３樹脂部は、前記積層方向の両端部に環状のフランジ部を有し、
   前記積層方向における前記フランジ部の厚みは、前記積層方向に交差する方向における前記第３樹脂部の前記フランジ部以外の部分の厚みよりも薄い、
   ことを特徴とした蓄電モジュール。
2. 隣り合う前記第２樹脂部同士は、前記積層方向からみて各前記バイポーラ電極の前記電極板の外側に延在する部分において当接している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電モジュール。
3. 前記負極側終端電極の縁部は、前記負極側終端電極の外側面に設けられた前記第１樹脂部と、前記負極側終端電極と隣り合う前記バイポーラ電極の一方面に設けられた前記第２樹脂部とに接合した状態で保持されている、
   ことを特徴とした請求項１または２に記載の蓄電モジュール。
4. 前記正極側終端電極の縁部は、前記正極側終端電極の外側面に設けられた前記第１樹脂部と、前記正極側終端電極の他方面に設けられた前記第２樹脂部とに接合した状態で保持されている、
   ことを特徴とした請求項１～３のいずれか一項に記載の蓄電モジュール。

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