KR102040698B1 - 바이폴러 전지 - Google Patents

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KR102040698B1
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카두오 츠츠미
타이치 사카모토
타카시 무카이
유타 이케우치
나오토 야마시타
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엑서지 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

종래의 바이폴러 전지는 액 누설에 의한 주변 기기의 부식 방지 및 액락을 막기 위해서 밀폐화한 단전지를 조합하여 구성되어 있다. 이 때문에 단전지의 수만큼의 주액 작업이 필요하게 되어, 전지의 대형화에는 큰 제조 시간과 비용을 필요로 하고 있었다. 또 단전지 사이를 배선으로 연결하기 위해서 배선 스페이스가 필요했다. 바닥이 있는 통형상의 도전체로서 바닥부가 바깥쪽으로 돌출된 돌출부를 가진 집전체를 사용함으로써, 배선 스페이스를 없애고, 배선에 의해 생기는 옴 손실의 저감을 도모한다. 또 셀 사이의 전해액을 발수 시트로 구분함으로써, 액락의 방지를 도모했다.

Description

바이폴러 전지
본 발명은 바이폴러 전지의 구조에 관한 것으로, 상세하게는 조전지 상태에서 이온적 단락이 생기지 않는 바이폴러 전지의 구조에 관한 것이다.
바이폴러 전지는 집전체의 일방의 면에 정극 활물질층을 설치하고, 타방의 면에 부극 활물질층을 설치한 전극을 세퍼레이터를 통하여 적층한 전지를 말한다. 바이폴러 전지는 고전압화, 부품 점수의 저감, 단셀끼리의 전기 저항의 저감, 불필요 공간의 삭감에 의한 고에너지 밀도화 등이 비교적 용이한 점에서, 전기 자동차나 각종 전자 기기의 전원으로서 널리 사용되고 있다.
특허문헌 1에는 전해질층에 고분자 겔 전해질이나 액체 전해질을 사용하여 이루어지는 바이폴러 전지에 있어서, 전해질 부분으로부터의 전해액의 배어나옴에 의한 액락(단락)을 방지하기 위해서, 전해질층을 유지하는 세퍼레이터의 외주부에 성형 배치된 시일용의 수지를 구비하는 바이폴러 전지가 개시되어 있다.
특허문헌 2에는 비수전해액을 사용한 바이폴러 전지에 있어서, 에틸렌성 이중 결합 및 에폭시기를 동일 분자 내에 포함하는 화합물을 사용하여 그래프트 변성한 변성 폴리올레핀계 수지를 함유하는 시일재를 채용함으로써, 전해액의 배어나옴이 없는 시일성이 우수한 바이폴러 전극을 제공하는 것이 개시되어 있다.
바이폴러 전지에서는 전지 요소를 수지로 피복하고 있으므로, 전지 내부에서 발생하는 열의 외부로의 전달성이 저하된다는 문제가 있다. 이에 대해 특허문헌 3에 기재된 바이폴러 전지에서는 전지의 피복재로서 높은 전기 저항을 가지고, 열전달성이 우수한 재질로서 세라믹을 사용함으로써, 전지 내부에서 발생하는 열을 외부로 효율적으로 방산시키는 것이 가능하게 되는 이차전지가 제안되어 있다.
알칼리 이차전지의 정극 활물질로서 사용되고 있는 수산화니켈 및 이산화망가니즈는 금속 산화물이며, 매우 전도도가 낮다. 이 문제를 해결하기 위해서, 예를 들면 특허문헌 4에는 수산화니켈에 고차 코발트 산화물을 도전제로서 첨가한 활물질이 개시되어 있다. 이 활물질을 사용하면, 수산화니켈 입자 사이에 고차 코발트 산화물에 의한 도전성의 네트워크가 형성되기 때문에, 수산화니켈 입자 전체에서 충방전 반응이 진행하기 쉽고, 고용량화를 달성할 수 있다.
일본 특개 2011-151016호 공보 일본 특개 2013-037946호 공보 일본 특개 2008-186595호 공보 일본 특개 평11-97008호 공보
종래의 조전지는 정극, 부극 및 전해액으로 이루어지는 단전지를 조합하여 구성되는 바, 전해액의 탄산 열화나 액 누설에 의한 주변 기기의 부식을 막기 위해서, 밀폐화한 단전지가 사용된다. 그리고 단전지 사이를 배선 등의 접속부를 통하여 전기적으로 접속하고 있으므로, 배선인 접속부에 있어서 전기 저항이 생기기 때문에 출력의 저하를 초래한다. 또 조전지의 소형화를 생각하면, 접속부나 밀폐화하기 위한 부재, 예를 들면 덮개 등의 전기 발생과는 직접 관계가 없는 부재가 있는 것에 의해, 조전지의 출력 밀도나 에너지 밀도를 저하시키고 있다. 또 부품 점수가 많은 것은 조립에 필요한 공수가 늘어나게 된다.
바이폴러 전극이 적층되는 바이폴러 전지에 있어서, 각 전극의 전해질에 포함되는 전해액이 배어나오면, 그것이 각 전극끼리를 전기적으로 접속하는 액락이 생겨 전지로서의 능력이 크게 저하된다.
바이폴러 전지에서는 액락을 막기 위해서 단전지-단전지 사이의 전해액이 공유화하지 않도록 밀폐화된 단전지가 사용되고 있다. 그 때문에 단전지의 수만큼 전해액의 주액 공정이 존재하게 되어, 조전지의 대형화에는 엄청난 제조 시간과 비용이 필요하게 되고 있다.
바이폴러 전지 뿐만아니라 일반적으로 이차전지는 고출력 특성이 요구된다. 고출력 즉 높은 충방전 레이트로 충방전을 행하면 이차전지의 내부 온도가 상승하여 고온도가 되고, 전극의 활물질이 손상을 받는다. 이 때문에 충방전 레이트는 제한을 받고, 고출력화를 곤란하게 하고 있다.
도전제로서 고가인 고차 코발트 산화물 대신에 흑연화 탄소 재료를 도전제로서 사용하면 충분한 도전성이 얻어지는데, 흑연화 탄소 재료는 내식성이 좋지 않기 때문에 충방전을 반복하면 탄소 재료가 산화 열화하고, 도전성이 점차 저하된다. 또 충전시에 정극에서 발생한 산소는 부극의 수소 흡장 합금을 산화하여, 수소 흡장 능력을 저하시킨다.
본 발명은 이상의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 전지를 쌓아올린 상태에서 전해액을 주액해도 이온적 단락(액락)하지 않고, 각 전극군에 전해액을 균일하게 주액할 수 있는 바이폴러 전지를 제공한다. 또 부품 점수를 적게 하여 조립 공수의 삭감을 도모하는 것, 및 전지의 체적을 줄여, 고용량화, 고에너지 밀도화를 도모하는 것, 및 배선의 삭감에 의해 접속부의 전기 저항을 작게 하여 고출력화를 가능하게 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 바이폴러 전지는 바닥이 있는 통형상의 도전체로서 바닥부가 바깥쪽으로 돌출된 돌출부를 가지고 있는 복수의 집전체를 구비하는 바이폴러 전지로서, 정극과, 부극과, 상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터가 적층된 발전 엘리먼트를 구비하고 있고, 상기 돌출부가 상기 발전 엘리먼트를 상기 집전체의 축방향을 따라 관통하고 있고, 상기 정극 및 상기 부극의 어느 일방의 전극인 제1 전극이 하나의 상기 집전체의 통부의 내측면에 맞닿아, 상기 하나의 집전체와 전기적으로 접속되어 있는 한편, 다른 상기 집전체와 접촉하고 있지 않고, 상기 정극 및 상기 부극의 어느 타방의 전극인 제2 전극이 상기 하나의 집전체에 접촉하고 있지 않은 한편, 상기 다른 집전체의 돌출부 외측면에 맞닿아, 상기 다른 집전체와 전기적으로 접속되어 있다. 이 구성에 있어서, 집전체는 통부와 돌출부를 구비하고 있고, 통부는 통형상 도전성의 동체로서, 돌출부는 통형상체의 축방향 바깥쪽으로 돌출된 구조로 되어 있다.
이 구성에 의하면, 각 셀을 접속하는 배선이 존재하지 않기 때문에, 배선의 전기 저항에 의한 출력의 저하가 없다. 또 배선이나 단전지의 덮개 등이 불필요하므로, 바이폴러 전지의 소형화를 도모할 수 있고, 고용량화를 기대할 수 있다. 또한 바이폴러 전지의 에너지 밀도가 향상하여 고출력화를 기대할 수 있다. 또 부품 점수가 줄어 조립 공수의 저감을 도모할 수 있다.
각 셀은 배선보다 단면적이 큰 집전체에 의해 접속되어 있기 때문에, 전기 저항이 작고, 고출력화를 도모할 수 있다. 또 옴 손실이 작다. 또한 전극은 적층 구조를 하고 있으므로, 충방전에 의해 전극에서 발생하는 열은 집전체를 통하여 신속하게 외부로 전해지므로, 전지의 내부 온도의 상승이 제한되어, 고출력화가 가능해진다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 제2 전극의 외측 가장자리가 상기 세퍼레이터에 의해 덮여 있고, 상기 제1 전극에 있어서의 상기 다른 집전체가 관통하는 구멍의 둘레 가장자리가 상기 세퍼레이터에 의해 덮여 있다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 하나의 집전체와 상기 다른 집전체 사이에 절연체가 개재하고 있다. 이 구성에 의하면, 상하로 겹쳐진 집전체의 사이는 절연 시트에 의해 전기적으로 절연된다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 집전체의 안쪽으로서, 상기 돌출부와 상기 발전 엘리먼트 사이에 발수 시트가 구비되어 있다. 이 구성에 의하면, 발수 시트는 물을 튀기고, 절연성을 가지고 있으므로, 발수 시트에 의해 각 셀 사이가 액락하는 것이 방지된다. 집전체의 돌출부 정부에 설치한 구멍으로부터 공급되는 전해액과 수소 가스는 이 발수 시트를 투과하여 각 셀에 공급된다. 간단한 구조로 액락을 막을 수 있고, 셀마다 전해액의 주입의 필요가 없어지므로, 제조 공수 및 비용의 저감이 가능해진다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 발수 시트가 미다공막 또는 폴리올레핀의 부직포이다. 여기에 발수 시트는 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 하나의 상기 발전 엘리먼트의 제1 전극이 상기 집전체의 통부의 내측면에 맞닿는 한편, 다른 상기 발전 엘리먼트의 제2 전극이 상기 집전체의 돌출부 외측면에 맞닿아 이루어진다. 또 본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 집전체가 니켈 도금 강판제이다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 집전체가 부극 단자판과 정극 단자판 사이에 끼워져 동심형상으로 적층되어 있고, 상기 부극 단자판과 상기 정극 단자판이 절연 튜브를 피복한 통과 볼트로 연결되어 있다. 이 구성에 있어서, 집전체는 바이폴러 전지의 축방향으로 적층된 구조로 되어 있으므로, 전지의 소형화를 도모할 수 있다. 또 본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 통과 볼트의 양단에 부착된 도전성의 평판형상의 접속 금구가 평판부, 및 이 평판부로부터, 상기 부극 단자판 및 상기 정극 단자판을 대략 따르도록 직각으로 구부러진 연신부를 가지고 있다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 적층된 집전체의 개구 방향 단에 위치하는 상기 집전체가 통부를 가지지 않는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의하면, 최종단의 셀을 구성하는 집전체의 통부를 생략함으로써, 데드 스페이스를 없앨 수 있고, 전지의 고용량화를 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 제1 전극 또는 제2 전극의 일방의 전극이 수소 흡장 합금을 포함한 부극이며, 타방의 전극이 정극 활물질과 도전제를 포함한 정극으로서, 상기 도전제가 탄소를 포함하고 있고, 수소 가스가 봉입되어 있다. 이 구성에 의하면, 전지 내에서 발생하는 산소는 전지 내에 봉입된 수소 가스와 결합하여 물이 되므로, 정극에 포함되는 도전제는 산화되지 않는다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 바이폴러 전지 내에 유지된 전해액이 전기 분해함으로써 발생하는 수소 가스 및 외부로부터 공급되는 수소 가스를 저장하는 수소 저장실을 구비하고 있다. 이 구성에 있어서, 전지를 과충전함으로써 수소 가스를 만들어 낼 수 있다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 도전제가 부분적으로 그라파이트화한 소프트 카본을 포함한다. 또 본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 세퍼레이터가 폴리올레핀계 부직포를 가지고 있다. 또한 본 발명에 따른 바이폴러 전지는 상기 세퍼레이터가 친수성을 가지고 있다.
본 발명에 따른 조전지는 청구항 9에 기재된 복수의 바이폴러 전지를 축방향과 직교하는 방향으로 배치한 조전지로서, 상기 바이폴러 전지의 축방향에 직교하는 방향으로 송풍하는 송풍기를 구비하고 있고, 상기 송풍기의 송풍 방향이 상기 접속 금구의 연신부와 평행한 방향이다. 이 구성에 있어서, 접속 금구는 전기를 전하는 역할과 송풍기로부터의 냉각풍의 흐름을 흐트러뜨려, 냉각 성능을 향상시키는 기능을 한다.
바이폴러 전지는 전지를 쌓아올린 상태에서 전해액을 주액할 수 있고, 이온적 단락(액락)하지 않고, 각 전극군에 전해액을 균일하게 주액할 수 있다. 또 특별한 구조의 집전체를 채용함으로써, 전지의 고출력화, 고용량화를 가능하게 한다.
도 1A는 집전체의 평면도이다.
도 1B는 집전체의 측면도로서 좌우 폭방향의 중심을 통과하는 전후 방향의 부분 단면도이다.
도 2A는 바이폴러 전지의 구성 요소를 나타내는 평면도이다.
도 2B는 바이폴러 전지의 구성 요소를 나타내는 축방향 단측면도이다.
도 3은 5셀로 이루어지는 바이폴러 전지의 축방향 단측면도이다.
도 4A는 바이폴러 전지의 조전지의 조립 단면도(측면)이다.
도 4B는 바이폴러 전지의 조전지의 조립 단면도(평면)이다.
도 5는 바이폴러 전지의 양단부의 확대도이다.
도 6은 조전지에 있어서의 배관을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 바이폴러 전지의 접속 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8A는 바이폴러 전지의 접속 방법을 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 8B는 바이폴러 전지의 접속 방법을 설명하기 위한 다른 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시형태를 도면에 따라 설명하는데, 본 발명은 이 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 각 실시형태에 대해서 설명함에 앞서, 본 발명이 적용되는 이차전지로서 니켈수소 전지를 예로 하여 설명한다. 또한 이차전지의 타입은 이것에 한정되는 것은 아니며, 이산화망가니즈 전지, 리튬 이온 전지, 니켈아연 전지 등의 이차전지여도 된다. 또한 설명의 형편상, 제1 전극을 정극으로 하고 제2 전극을 부극으로 하여 설명한다.
부극에 사용하는 수소 흡장 합금으로서 희토류계 합금인 AB5형, 라베스상 합금인 AB2형, 타이타늄-지르코늄계 합금인 AB형, 마그네슘계 합금인 A2B형 등의 합금계를 들 수 있다. 이 중, 수소 저장 용량, 충방전 특성, 자기 방전 특성 및 사이클 수명 특성의 관점에서 AB5형의 희토류-니켈 합금인 MmNiCoMnAl의 미슈메탈을 포함한 5원계 합금인 것이 바람직하다.
정극 활물질은 알칼리 이차전지의 정극용으로서 이용 가능한 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 수산화니켈이어도 되고, 이산화망가니즈여도 된다. 정극용의 도전제는 방전시에 전해액에 용출하지 않고, 또한 수소로 환원되기 어려운 탄소 재료인 것이 바람직하다.
전해액의 내성과 충전시에 있어서의 내산화성의 관점에서 아몰퍼스 카본을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 소프트 카본을 사용하는 것이 바람직하다. 소프트 카본은 불활성 분위기중에서 가열 처리를 시행했을 때, 흑연 구조-탄소 원자가 구성하는 육각망 평면이 규칙성을 가지고 적층된 구조-가 발달하기 쉬운 카본이며, 이흑연화성 탄소라고도 일컬어진다. 또한 그라파이트는 상기 소프트 카본을 흑연화한 카본이며, 흑연이라고도 칭해진다.
소프트 카본 중, 부분적으로 그라파이트화한 카본이 바람직하다. 그 중에서도 소프트 카본의 표면 부분이 그라파이트화한 것이 바람직하다. 그라파이트화가 진전된 소프트 카본은 열화하기 쉽다. 그라파이트화가 적으면 도전성이 좋아지지 않는다. 그라파이트화의 비율은 소프트 카본 전체를 100wt.%로 하면, 10~90wt.%가 바람직하고, 20~60wt.%가 더욱 바람직하다. 상기 서술한 바와 같은 탄소 재료를 사용한 정극은 사이클 수명 특성이 우수한 이차전지를 실현할 수 있다.
정부극의 전극 기판은 전기 전도성이 높고, 전해액중의 안정성과 내산화성이 좋은 관점에서 Ni이 바람직하고, 구체적으로는 발포 니켈 기판 혹은 니켈 도금 강판이 바람직하다.
정극 활물질 분말, 결착제, 및 도전성 분말을 혼합하여 페이스트상으로 혼련한다. 이 페이스트를 전극 기판에 도포 또는 충전하고 건조시킨다. 그 후, 롤러 프레스 등으로 전극 기판을 압연함으로써 정극을 제작했다. 마찬가지로 부극은 수소 흡장 합금 분말, 결착제, 및 도전성 분말을 혼합함으로써 페이스트를 조제한다. 이 페이스트를 전극 기판에 도포 또는 충전하고 건조시킨다. 그 후, 롤러 프레스 등으로 집전체를 압연함으로써 부극을 제작했다.
전해질은 수소를 활물질로 하는 전지에서 사용되는 것이면 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면 수산화포타슘(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화소듐(NaOH) 등의 염을 물에 녹인 것이 적합하다. 전지의 출력 특성의 관점에서 전해액은 수산화포타슘 수용액인 것이 바람직하다.
세퍼레이터의 형상으로서는 미다공막, 직포, 부직포, 압분체를 들 수 있고, 이 중, 출력 특성과 제작 비용의 관점에서 부직포가 바람직하다. 세퍼레이터의 재질로서는 특별히 한정되지 않지만, 내알카리성, 내산화성, 내환원성을 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로는 폴리올레핀계 섬유가 바람직하고, 예를 들면 폴리프로필렌 혹은 폴리에틸렌이 바람직하다.
폴리올레핀계 섬유는 소수성이므로 친수 처리할 필요가 있다. 수소 가스 분위기중에서 사용하는 경우는 불소 가스 처리를 시행한 세퍼레이터가 바람직하다. 또 금속 산화물을 세퍼레이터의 표면에 도포 혹은 피복한 세퍼레이터가 바람직하다.
집전체의 재질로서 전기 전도성이 높고, 전해액중의 안정성과 내산화성의 관점에서 Ni재가 바람직하고, 구체적으로는 니켈 도금 강판을 사용했다. 니켈 도금을 시행함으로써, 집전체가 세퍼레이터에 포함되는 전해액에 의해 부식되는 것을 방지한다.
도 1A에 본 발명의 제1 실시형태에 따른 바이폴러 전지의 집전체의 평면도를, 도 1B에 측면의 부분 단면도를 나타낸다. 도 1B는 도 1A의 평면도의 A-A선을 따른 단면도이다. 집전체(4)는 니켈 도금 강판제의 바닥이 있는 원통 캔의 바닥부를 원통 캔의 축방향 바깥쪽을 향하여 돌출시킨 돌출부(5)를 가지고 있다. 따라서 집전체(4)는 원통 캔이었던 통부(6)와, 바닥을 형성하고 있던 돌출부(5)와, 통부(6)와 돌출부(5)를 잇는 평탄한 숄더부(8)를 가진다.
돌출부(5)의 정부에는 구멍(7)이 설치되어 있어, 집전체(4)로 둘러싸인 공간과 외부 공간이 이 구멍을 통하여 연통하도록 되어 있다. 통부(6)와 돌출부(5)와 구멍(7)은 동심형상의 배치로 되어 있다. 본 실시예에서는 바닥이 있는 원통 캔을 사용했는데, 타원 혹은 각형 단면을 가지는 통형상체여도 된다. 집전체(4)의 통부(6)에 이어지는 개구부에는 통부(6)로부터 반경 방향 바깥쪽으로 넓어지는 플랜지부(9)가 형성되어 있다. 플랜지부(9)는 냉각 핀으로서 작용함과 아울러 후술하는 절연 시트(14)의 자리가 되어 전지 밀폐를 위한 시일 여분으로서의 기능을 한다.
도 2A에 본 발명의 제1 실시형태에 따른 바이폴러 전지의 구성 요소의 평면도를, 도 2B에 도 2A의 평면도의 B-B선을 따른 단면도를 나타낸다. 바이폴러 전지(10)는 2개의 집전체(4)와 집전체(4)의 안쪽에 수납되는 1세트의 전극군(11)을 주된 구성 요소로서 구비하고 있다. 집전체(4)는 도 1에 나타낸 것을 2개 사용해도 되는데, 보다 컴팩트하게 하기 위해서, 하측의 집전체는 통부를 가지지 않는 형태로 했다. 여기서 통부를 가지지 않는 집전체를 단부 집전체(4T)라고 칭한다. 단, 집전체(4)와 단부 집전체(4T)를 구별할 필요가 없는 경우, 그들을 총칭하여 간단히 집전체(4)라고 칭하는 것으로 한다.
발전 엘리먼트인 전극군(11)은 수소 흡장 합금을 포함하는 부극(1)과, 정극 활물질을 포함하는 정극(2)과, 부극(1)과 정극(2) 사이에 개재하여 이온은 투과시키지만 전자를 투과시키지 않는 세퍼레이터(3)로 구성되어 있다. 전극군(11)은 집전체(4)의 축방향으로 적층되어 집전체의 안쪽에 수납되어 있다. 그리고, 부극(1), 정극(2) 및 세퍼레이터(3)의 중앙에는 단부 집전체(4T)의 돌출부(5)가 관통하는 구멍이 설치되어 있다. 단부 집전체(4T)의 돌출부(5)는 정극(2)과 부극(1)과 세퍼레이터(3)로 구성되는 전극군(11)의 중앙을 단부 집전체(4T)의 축방향으로 관통하고 있다.
부극(1) 및 정극(2)의 치수와, 집전체(4)의 치수의 관계에 대해서 설명한다. 부극(1)에 설치된 구멍의 직경은 단부 집전체(4T)의 돌출부의 외경보다 작다. 따라서 부극의 구멍의 둘레 가장자리부는 단부 집전체(4T)의 돌출부와 접촉하여, 부극(1)과 단부 집전체(4T)는 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 정극(2)의 중앙에 설치된 구멍의 직경은 단부 집전체(4T)의 돌출부의 외경보다 크고, 정극의 구멍의 둘레 가장자리부는 단부 집전체(4T)의 돌출부와 접촉하지 않고, 정극(2)과 단부 집전체(4T)는 전기적으로 절연되어 있다.
부극(1)의 외경은 집전체(4)의 통부의 내경보다 작고, 부극의 외측 가장자리부와 집전체(4)의 통부의 내면은 접촉하고 있지 않고, 부극과 집전체(4)는 전기적으로 절연되어 있다. 한편, 정극(2)의 외경은 집전체(4)의 통부의 내경보다 크고, 정극(2)의 외측 가장자리부는 집전체(4)의 통부의 내면과 접촉하고 있어, 정극(2)과 집전체(4)는 전기적으로 접속되어 있다. 부극의 구멍의 직경은 돌출부의 외경보다 조금 작고, 정극(2)의 외경은 통부의 내경보다 조금 크다.
이어서 부극(1) 및 정극(2)과 세퍼레이터(3)의 치수의 관계에 대해서 설명한다. 세퍼레이터(3)의 외측 가장자리가 정극(2)에 의해 덮여 있고, 부극(1)의 외측 가장자리가 세퍼레이터(3)에 의해 덮여 있다. 그리고 정극(2)의 구멍의 둘레 가장자리가 세퍼레이터(3)에 의해 덮여 있고, 세퍼레이터(3)의 구멍의 둘레 가장자리가 부극(1)에 의해 덮여 있다.
즉, 세퍼레이터(3)의 외경은 부극(1)의 외경보다 크다. 이 때문에 부극(1)과 정극(2)은 집전체(4)의 통부(6) 내주면 근방에 있어서 세퍼레이터(3)에 의해 완전히 격리되어 있다. 이 때문에 전극이 변형해도 정부의 전극은 서로 접촉하지 않는다. 또한 세퍼레이터(3)에 설치된 구멍의 직경은 정극(2)에 설치된 구멍의 직경보다 작다. 이 때문에 부극(1)과 정극(2)은 단부 집전체(4T)의 돌출부(5)의 외주면 근방에 있어서 세퍼레이터(3)에 의해 완전히 격리되어 있다. 이 때문에 전극이 변형해도 정부의 전극은 서로 접촉하지 않는다. 또 세퍼레이터(3)의 외경은 정극(2)의 외경보다 작다. 이 때문에 정극(2)과 집전체(4)의 통부(6) 사이에 세퍼레이터(3)가 개재하지 않는다. 또한 세퍼레이터(3)에 설치된 구멍의 직경은 부극(1)의 중앙에 설치된 구멍의 직경보다 크다. 이 때문에 부극(1)과 단부 집전체(4T)의 돌출부(5) 사이에 세퍼레이터(3)가 개재하지 않는다.
집전체(4)와 단부 집전체(4T)는 축방향으로 동심이 되도록 겹쳐져 있다. 집전체의 돌출부(5)의 높이는 집전체의 통부(6)의 높이보다 작고, 상하의 집전체(4)가 중앙 부근에 있어서도 접촉하지 않는다. 또한 집전체(4)와 단부 집전체(4T) 사이에 절연 시트(14)를 배치하여, 상하의 집전체의 절연을 도모하고 있다. 절연 시트(14)로서는 예를 들면 폴리프로필렌제의 시트를 사용할 수 있다.
2개의 집전체(4, 4T)와 이것에 둘러싸인 전극군(11)이 1개의 셀(15)을 구성한다. 이 셀을 2개의 단자판(16, 17)으로 샌드위치하여, 볼트(20)로 연결하여 너트(21)로 고정하여 바이폴러 전지(10)로 한다. 또한 너트는 더블 너트로 되어 있다. 볼트(20)는 비닐제의 절연 튜브(22)로 덮여 있으므로, 집전체(4)의 플랜지부(9)의 둘레 가장자리단부에 있어서 집전체(4)와 볼트(20)가 접촉하여 전기적으로 단락이 생기지 않고, 또 단자판(16, 17)과 볼트(20)가 접촉하여 전기적으로 단락이 생기지 않는다.
집전체(4)와 단부 집전체(4T)에 둘러싸인 공간에 수소 저장실(13)이 형성되어 있어, 외부로부터 공급된 수소 가스 및 내부 발생하는 수소 가스를 저장할 수 있다. 본 실시예의 전지에 있어서 부극 용량을 정극 용량보다 작게 설정하면, 과충전시에 부극으로부터 발생하는 수소 가스는 이 수소 저장실(13)에 비축할 수 있다. 수소 저장실(13)은 전해액의 액 고임부로서도 기능한다. 또한 전해액은 세퍼레이터(3)에도 유지되어 있다. 수소 저장실(13)에 비축된 수소 가스는 전지 내부에서 발생하는 산소와 결합하여 물이 되므로, 정극(2)이 산화하는 것을 막는 역할을 하고, 정극(2)의 수명 특성을 개선함과 아울러 부극(1)을 충전할 수 있다.
2개의 집전체(4, 4T)가 바이폴러 전지(10)의 축방향으로 동심형상으로 서로 접촉하지 않고 적층되어 있다. 집전체(4)의 돌출부(5)는 정극 단자판(17)의 중앙에 설치한 구멍에 끼워맞춰져 있고, 통부(6)를 가지지 않는 단부 집전체(4T)의 숄더부(8')는 부극 단자판(16) 상에 배치되어 있다. 집전체(4)의 숄더부(8)가 정극 단자판(17)에 접촉하고 있어, 집전체(4)와 정극 단자판(17)이 전기적으로 접속되어 있다. 또 단부 집전체(4T)의 숄더부(8')가 부극 단자판(16)에 접촉하고 있어, 단부 집전체(4T)와 부극 단자판(16)이 전기적으로 접속되어 있다.
집전체(4)는 정극(2)에 접속되어 있고, 단부 집전체(4T)는 부극(1)에 접속되어 있으므로, 정극 단자판(17)은 정극 단자를 구성하고, 부극 단자판(16)은 부극 단자를 구성한다. 좌측의 볼트(20a)와 부극 단자판(16) 사이에는 절연와셔(23a)가 개재하고 있으므로, 볼트(20a)와 부극 단자판(16)은 전기적으로 절연되어 있다. 한편, 볼트(20a)와 정극 단자판(17) 사이에는 금속제의 평와셔(24a)가 개재하고 있으므로, 볼트(20a)와 정극 단자판(17)은 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 볼트(20a)는 정극 단자를 구성한다. 좌측의 너트(21a)의 사이에 정극 케이블을 접속할 수 있다.
우측의 볼트(20b)와 정극 단자판(17) 사이에는 절연와셔(23b)가 개재하고 있으므로, 볼트(20b)와 정극 단자판(17)은 전기적으로 절연되어 있다. 한편, 볼트(20b)와 부극 단자판(16) 사이에는 금속제의 평와셔(24b)가 개재하고 있으므로, 볼트(20b)와 부극 단자판(16)은 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 볼트(20b)는 부극 단자를 구성한다. 우측의 너트(21b)의 사이에 부극 케이블을 접속할 수 있다. 또한 절연와셔는 절연성을 가지고 있으면 되고, 본 실시예에서는 폴리프로필렌제의 것을 사용했다.
4개의 볼트(20)의 좌측의 한 쌍의 볼트(20a)를 정극 단자로 하고, 우측의 한 쌍의 볼트(20b)를 부극 단자로 했는데, 4개 중 3개를 부극 단자로 하고, 나머지 1개를 정극 단자로 해도 되고, 또 4개 중 3개를 정극 단자로 하고, 나머지 1개를 부극 단자로 해도 된다.
집전체(4)의 구멍(7)에는 마이크로 커플러(26)가 부착 가능하게 되어 있어, 이 마이크로 커플러(26)를 경유하여, 바이폴러 전지 내의 진공화를 행하거나, 전해액을 보충할 수 있도록 되어 있다. 또한 마이크로 커플러(26)를 경유하여, 외부에 설치한 수소 저장원으로부터 수소 가스를 바이폴러 전지 내에 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 부극 단자판(16)의 바닥부에도 마이크로 커플러(26)를 접속하기 위한 부착구(28)가 설치되어 있다.
도 3에 본 발명의 제2 실시형태에 따른 바이폴러 전지의 축방향 단측면도를 나타낸다. 도 3에 나타내는 바이폴러 전지(30)는 5개의 셀이 직렬로 접속된 전지로 되어 있다. 도 2B에 나타낸 실시예 1과의 상이점을 중심으로 설명한다.
도 3에 있어서, 좌측의 볼트(20a)가 정극 단자를 구성하고, 우측의 볼트(20b)가 부극 단자를 구성하는 것은 도 2B와 동일하지만, 너트(21b)가 부극 단자판(16)측에 배치되어 있는 점이 상이하다. 도 2B에 있어서는, 부극 케이블과 정극 케이블은 동일한 방향으로 취출되도록 되어 있는 것에 대해, 도 3에서는 부극 케이블과 정극 케이블은 반대 방향으로 취출되도록 되어 있다. 전극 케이블의 취출 방향은 조전지를 구성할 때 전극 케이블의 처리의 편의에 따라 정한다.
5개의 집전체(4-1~5)와 하나의 집전체(4T)가 바이폴러 전지(30)의 축방향에 동심형상으로 돌출부(5)를 위로 하여 서로 접촉하지 않고 중첩되어 있다. 각 집전체(4)는 절연 시트(14)에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 가장 위의 집전체(4-1)의 돌출부(5)는 정극 단자판(17)의 중앙에 설치한 구멍에 끼워맞춰져 있고, 가장 아래의 단부 집전체(4T)의 숄더부(8')는 부극 단자판(16) 상에 배치되어 있다. 통부(6)를 가지지 않는 단부 집전체(4T)를 사용함으로써, 전지의 데드 스페이스를 없앨 수 있어, 전지 용량을 유지한 채 용적을 작게 할 수 있다.
복수의 부극(1)과 정극(2) 및 부극(1)과 정극(2) 사이에 개재하는 세퍼레이터(3)를 적층한 전극군(11)이 집전체(4)의 안쪽에 수납되어 있다. 2개의 집전체(4-1, 4-2)와 이것에 둘러싸인 전극군(11-1)이 1개의 셀(15-1)을 구성한다. 집전체(4-1)는 통부(6)의 내면이 정극(2)에 맞닿아 있으므로 정극 집전체가 되고, 집전체(4-2)는 돌출부(5)가 부극(1)에 맞닿아 있으므로 부극 집전체가 된다.
마찬가지로 2개의 집전체(4-2, 4-3)와 이것에 둘러싸인 전극군(11-2)이 셀(15-2)을 구성한다. 그리고 집전체(4-2)가 셀(15-2)의 정극 집전체가 되고, 집전체(4-3)가 부극 집전체가 된다. 이하 마찬가지로 집전체(4-3, 4-4)와 이것에 둘러싸인 전극군(11-3)이 셀(15-3)을 구성한다. 집전체(4-4, 4-5)와 이것에 둘러싸인 전극군(11-4)이 셀(15-4)을 구성한다. 집전체(4-5, 4T)와 이것에 둘러싸인 전극군(11-5)이 셀(15-5)을 구성한다. 이상과 같이 바이폴러 전지(30)는 셀(15-1~5)이 전기적으로 직렬로 접속된 전지가 된다.
집전체(4-1)의 정부에 설치한 구멍(7)에 마이크로 커플러(도 2B 참조)를 부착하여, 전해액을 바이폴러 전지(30)의 내부에 소정의 압력으로 주입한다. 주입된 전해액은 집전체(4)에 설치한 구멍(7)을 경유하여, 각 셀(15) 내부에 널리 퍼진다. 전해액의 주액 작업을 집약할 수 있고, 각 셀마다 주액할 필요가 없으므로 주액 작업을 간소화할 수 있다.
집전체(4)의 돌출부(5)의 안쪽에 돌출부(5)의 구멍(7)을 덮도록 원반형상의 발수 시트(31)가 배치되어 있다. 그리고 발수 시트(31)의 위치를 유지하기 위한 누름판(32)이 돌출부(5)의 내부에 설치되어 있다. 발수 시트(31)는 돌출부(5)의 구멍(7)으로부터 공급된 전해액과 수소 가스를 통과시킨다. 발수 시트(31)는 미다공을 가지고 있으므로, 각 셀에 공급된 수소 가스는 각 셀 사이를 유통 가능하다. 그러나 물을 튀기는 성질을 가지는 발수 시트(31)에 의해, 전해액은 각 셀로 구분되므로, 전해액을 통하여 셀 사이에서 액락을 발생시키지 않는다.
발수 시트(31)는 폴리올레핀계의 부직포로서, 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌이어도 된다. 발수 시트(31)는 절연성을 가지는 패킹으로서도 작용한다. 또한 발수 시트(31)는 돌출부(5)의 안쪽에 없어도 되고, 구멍(7)과 전극군(11) 사이에 있으면 된다.
도 4A는 바이폴러 전지의 조전지(40)의 조립 단측면도이다. 도 4B는 바이폴러 전지의 조전지(40)의 조립 평면도이다. 도 4A에 있어서, 도면을 간단화하기 위해서 전극군의 기재는 생략하고 있다. 1개의 바이폴러 전지는 복수의 셀로 구성되어 있고, 5셀의 경우는 도 3을 사용하여 설명했다. 조전지(40)는 4개의 바이폴러 전지를 수지제의 전지 케이스(41)에 수납하여 구성되어 있고, 외부에 공랭용의 냉각 팬(42)이 설치되어 있다. 냉각 팬(42)은 외기로부터 냉각용의 공기를 흡입하고, 바이폴러 전지의 축방향에 직각인 방향으로 냉각풍을 보낸다. 전지 케이스(41) 내에 송입된 냉각풍은 집전체(4)의 통부(6) 외측면을 통과하여, 접속 금구(43)에 의해 확산되어 옆의 바이폴러 전지에 흐른다. 접속 금구(43)에 의해 냉각풍의 흐름이 흐트러지므로 냉각 효과가 높아진다.
도 5에 바이폴러 전지의 양단부의 확대 단면도를 나타낸다. 도면을 간단하게 하기 위해서 바이폴러 전지의 중간부의 기재를 생략하고 있다. 각 셀은 통과 볼트(44a, 44b)에 의해 고정되어 있다. 통과 볼트(44)는 도시하지 않는 절연 튜브에 있어 덮여 있고, 통과 볼트를 통하여 집전체끼리가 단락을 일으키지 않도록 되어 있다.
접속 금구(43)는 너트(45)(도 4B 참조)에 의해, 그 양단에 있어서 통과 볼트(44)에 고정되어 있다. 접속 금구(43)는 전기의 양도체로 되어 있다. 본 실시예에 있어서 접속 금구에 알루미늄을 사용했다. 알루미늄은 철보다 전기 저항이 작으므로, 접속 금구(43)는 철제의 통과 볼트(44)보다 작은 옴 손실로 전기를 외부에 전할 수 있다.
부극 단자판(16)과 접속 금구(43) 사이에 절연 부재(46a)를 배치하여, 접속 금구(43)를 통하여 바이폴러 전지가 단락하지 않도록 되어 있다. 마찬가지로 정극 단자판(17)과 접속 금구(43) 사이에 절연 부재(46b)를 배치하여, 접속 금구(43)를 통하여 바이폴러 전지가 단락하지 않도록 되어 있다. 통과 볼트(44a)는 정극 단자가 되고, 통과 볼트(44b)는 부극 단자가 되고, 전지 케이스(41)에 설치한 구멍으로부터 전기를 취출할 수 있다.
본 실시형태에 따른 조전지는 각 바이폴러 전지의 내압이 소정의 값 예를 들면 1Mpa에 이르면, 전지 내의 가스를 외부로 배출하는 안전 밸브를 구비하고 있다. 구체적으로는 도 6에 나타내는 바와 같이 각 바이폴러 전지의 전지 케이스(41)에 설치된 각 가스 배출구(50)가 각 접속관(51)을 통하여 1개의 집합관(52)에 접속되어 있다. 집합관(52)의 단부에는 안전 밸브(53)가 설치되어 있어, 바이폴러 전지의 내부 압력이 규정값 이상이 되면, 안전 밸브(53)가 작동하여 바이폴러 전지의 내부 압력을 개방한다. 집합관(52)에 압력계를 배치해도 된다.
도 7, 8은 바이폴러 전지의 접속 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 4개의 바이폴러 전지(61)를 직렬로 접속하여 조전지(60)를 구성한 예이다. 인접하는 바이폴러 전지(61)의 정극 단자(44a)와 부극 단자(44b)를 접속 바(62)에 의해 직렬로 접속한다. 단부에 위치하는 바이폴러 전지(61)의 2개의 부극 단자(44b)는 접속 바(63)에 의해 접속하여 조전지(60)의 부극 단자로 한다. 타방의 단부에 위치하는 바이폴러 전지(61)의 2개의 정극 단자(44a)는 접속 바(64)에 의해 접속하여 조전지(60)의 정극 단자로 한다.
도 8에 나타내는 조전지(60')는 4개의 바이폴러 전지(61')를 병렬로 접속한 경우의 예이다. 바이폴러 전지(61')는 절연 부재(46)의 장착 위치를 조정함으로써, 정극 단자 및 부극 단자를 동일한 방향으로 취출 가능하게 한 것이다. 도 8A는 인접하는 바이폴러 전지(61')의 부극 단자(44b)를 접속 바(64)에 의해 접속한 것이다. 도 8B는 인접하는 바이폴러 전지(61')의 정극 단자(44a)를 접속 바(65)에 의해 접속한 것이다. 접속 바(64)는 조전지(60')의 부극 단자가 되고, 접속 바(65)는 조전지(60')의 정극 단자가 된다.
전지 반응으로 생기는 산소는 발생 후 즉시 전지 내에 봉입된 수소와 결합하여 물이 되므로, 전지 내부에 수소 가스를 봉입하면, 정극에 포함되는 도전조제도 산화 열화하지 않는다. 또 수소 흡장 합금도 마찬가지로 산화되지 않으므로 열화를 막을 수 있다. 전극의 수명 특성이 개선되어 전지의 장수명화를 기대할 수 있다.
본 발명에 따른 바이폴러 전지는 산업용 뿐만아니라 민생용의 축전 장치로서 적합하게 사용할 수 있다.
1…부극
2…정극
3…세퍼레이터
4…집전체, 단부 집전체(4T)
5…돌출부
6…통부
7…구멍
8…숄더부
9…플랜지부
10…바이폴러 전지
11…전극군
13…수소 저장실
14…절연 시트
15…셀
16…부극 단자판
17…정극 단자판
18…부극 단자
19…정극 단자
20…볼트
21…너트
22…절연 튜브
23…절연와셔
24…평와셔
25…컴팩트 너트
26…마이크로 커플러
30…바이폴러 전지
31…발수 시트
32…누름판
40…조전지
41…전지 케이스
42…냉각 팬
43…접속 금구
44…통과 볼트
45…너트
46…절연 부재
50…가스 배출구
51…접속관
52…집합관
53…안전 밸브
60…조전지
61…바이폴러 전지

Claims (16)

  1. 바닥이 있는 통형상의 도전체로서 바닥부가 바깥쪽으로 돌출된 돌출부를 가지고 있는 복수의 집전체 및 전해액을 구비하는 바이폴러 전지로서,
    정극과, 부극과, 상기 정극과 상기 부극 사이에 배치된 세퍼레이터가 적층된 적어도 하나의 발전 엘리먼트를 구비하고 있고,
    상기 돌출부가 상기 발전 엘리먼트를 상기 집전체의 축방향을 따라 관통하고 있고,
    상기 정극 및 상기 부극의 어느 일방의 전극인 제1 전극이 하나의 상기 집전체의 통부의 내측면에 맞닿아, 상기 하나의 집전체와 전기적으로 접속되어 있는 한편, 다른 상기 집전체와 접촉하고 있지 않고,
    상기 정극 및 상기 부극의 어느 타방의 전극인 제2 전극이 상기 하나의 집전체에 접촉하고 있지 않는 한편, 상기 다른 집전체의 돌출부 외측면에 맞닿아, 상기 다른 집전체와 전기적으로 접속되어 있는 바이폴러 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 전극의 외측 가장자리가 상기 세퍼레이터에 의해 덮여 있고,
    상기 제1 전극에 있어서의 상기 다른 집전체가 관통하는 구멍의 둘레 가장자리가 상기 세퍼레이터에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하나의 집전체와 상기 다른 집전체 사이에 절연체가 개재하고 있는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 집전체의 안쪽으로서, 상기 돌출부와 상기 발전 엘리먼트 사이에 발수 시트가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 발수 시트가 미다공막 또는 폴리올레핀의 부직포인 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 바이폴러 전지는 복수의 발전 엘리먼트를 포함하고, 하나의 상기 발전 엘리먼트의 제1 전극이 상기 하나의 집전체의 통부의 내측면에 맞닿는 한편, 다른 하나의 상기 발전 엘리먼트의 제2 전극이 상기 다른 집전체의 돌출부 외측면에 맞닿아 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집전체가 니켈 도금 강판제인 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집전체가 부극 단자판과 정극 단자판 사이에 끼워져 동심형상으로 적층되어 있고, 상기 부극 단자판과 상기 정극 단자판이 절연 튜브를 피복한 통과 볼트로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 통과 볼트의 양단에 부착된 도전성의 평판형상의 접속 금구가 평판부, 및 이 평판부로부터, 상기 부극 단자판 및 상기 정극 단자판을 따르도록 직각으로 구부러진 연신부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 적층된 집전체의 개구 방향 단에 위치하는 상기 집전체가 통부를 가지지 않는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  11. 제 4 항에 있어서, 상기 제1 전극 또는 제2 전극의 일방의 전극이 수소 흡장 합금을 포함한 부극이며, 타방의 전극이 정극 활물질과 도전제를 포함한 정극으로서,
    상기 도전제가 탄소를 포함하고 있는
    수소 가스가 봉입된 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 바이폴러 전지 내에 유지된 상기 전해액이 전기 분해함으로써 발생하는 수소 가스 및 외부로부터 공급되는 수소 가스를 저장하는 수소 저장실을 구비한 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 도전제가 부분적으로 그라파이트화한 소프트 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 세퍼레이터가 폴리올레핀계 부직포인 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 세퍼레이터가 친수성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 바이폴러 전지.
  16. 제 9 항에 기재된 복수의 바이폴러 전지를 축방향과 직교하는 방향으로 배치한 조전지로서, 상기 바이폴러 전지의 축방향에 직교하는 방향으로 송풍하는 송풍기를 구비하고 있고, 상기 송풍기의 송풍 방향이 상기 접속 금구의 연신부와 평행한 방향인 조전지.
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