JP6913587B2 - 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、いわゆるバイポーラ型の蓄電装置が知られている（特許文献１参照）。かかる蓄電装置は、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電極積層体を備えている。電極積層体の側面には、積層方向に隣り合うバイポーラ電極間を封止する封止体が設けられている。封止体によってバイポーラ電極との間に形成された内部空間には電解液が収容されている。

特開２０１１−２０４３８６号公報

上述した蓄電装置では、バイポーラ電極を構成する電極板と封止体との間の接合強度及び液密性の向上のため、電極板の表面を粗面とする構成を採用し得る。粗面には、例えば電解メッキによる複数の微細突起が設けられる。これにより、微細突起間に封止体の構成材料が入り込み、電極板と封止体との間の接合強度及び液密性の向上が図られる。

ところで、例えばニッケル水素電池のようにアルカリ溶液を電解液として用いる蓄電装置では、正の電位から負の電位に向かって電解液が移動する、いわゆるアルカリクリープ現象が生じ得る。電極板の表面に微細突起が設けられた構成では、粗面と封止体との間に少なからず隙間が生じる。このため、アルカリクリープ現象に起因するバイポーラ電極間の短絡や蓄電装置の外部への電解液の液漏れを抑制する技術が望まれる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、電極板と封止体との間の接合強度及び液密性の向上を実現でき、かつアルカリクリープ現象に起因するバイポーラ電極間の短絡や蓄電装置の外部への電解液の液漏れを抑止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、セパレータを介して複数のバイポーラ電極が積層された積層体と、積層体の側面に設けられ、積層方向に隣り合うバイポーラ電極間を封止する封止体と、を備え、バイポーラ電極は、一方面側に正極が形成され、他方面側に負極が形成されると共に、封止体に接合された電極板を有し、バイポーラ電極と封止体との間には、アルカリ溶液からなる電解液が収容された内部空間が設けられ、電極板において、少なくとも封止体との接合部分は、複数の微細突起が設けられた粗面となっており、粗面には、封止体との間の隙間を埋める耐アルカリ性の充填層が設けられている。

この蓄電装置では、バイポーラ電極を構成する電極板に粗面が設けられ、封止体の構成材料が粗面における複数の微細突起間に入り込むことにより、電極板と封止体との間の接合強度及び液密性の向上が図られる。また、この蓄電装置では、電極板の粗面において、封止体との間の隙間を埋める耐アルカリ性の充填層が設けられている。このような充填層の配置により、電解液のアルカリクリープ現象の発生が抑えられ、電解液が粗面と封止体との間の隙間を通って隣接するバイポーラ電極の内部空間に移動してしまうことを抑止できる。したがって、アルカリクリープ現象に起因するバイポーラ電極間の短絡や蓄電装置の外部への電解液の液漏れを抑止できる。

また、微細突起は、先太部分を有しており、充填層は、先太部分が露出するように設けられていてもよい。この場合、充填層によってアルカリクリープ現象の抑制効果を発揮させる一方、微細突起の先太部分が充填層から露出することで封止体に対するアンカー効果を十分に生じさせることができ、電極板と封止体との間の接合強度及び液密性を十分に確保できる。

また、充填層の粘度は、０．６Ｐａ・ｓ以下となっていてもよい。０．６Ｐａ・ｓ以下の粘度の充填層を用いることにより、粗面と封止体との間の隙間に充填層をより確実に行き渡らせることができる。

また、充填層は、フッ素系グリス、シリコン系グリス、若しくはアスファルトピッチによって構成されていてもよい。このような材料を用いる場合、上記作用を生じさせる充填層を容易に形成できる。

本発明によれば、電極板と封止体との間の接合強度及び液密性の向上を実現でき、かつアルカリクリープ現象に起因するバイポーラ電極間の短絡や蓄電装置の外部への電解液の液漏れを抑止できる。

蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。 蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。 電極板と封止体との接合部分の構成例を示す要部拡大概略図である。 電極板と封止体との接合部分に生じ得る隙間の様子を示す要部拡大概略図である。 アルカリクリープ現象による電解液の移動経路を示す概略断面図である。 本実施形態に係る電極板と封止体との接合部分の構成を示す要部拡大概略図である。

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、蓄電装置の一実施形態を示す概略断面図である。同図に示す蓄電装置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装置である。蓄電装置１は、複数の蓄電モジュール４を積層してなる蓄電モジュール積層体２と、蓄電モジュール積層体２に対して拘束圧を付加する拘束部３とを備えて構成されている。

蓄電モジュール積層体２は、複数（本実施形態では３体）の蓄電モジュール４と、蓄電モジュール４，４間に配置された複数の導電板５とによって構成されている。蓄電モジュール４は、複数のバイポーラ電極１４（後述）を備えたバイポーラ型の蓄電モジュールであり、積層方向から見て矩形状をなしている。蓄電モジュール４は、例えばニッケル水素二次電池、或いは電気二重層キャパシタである。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

積層方向に隣り合う蓄電モジュール４，４同士は、導電板５を介して電気的に接続されている。導電板５は、蓄電モジュール積層体２の積層端に位置する蓄電モジュール４の外側にもそれぞれ配置されている。一方の積層端に位置する蓄電モジュール４の外側に配置された導電板５には、正極端子６が接続されている。また、他方の積層端に位置する蓄電モジュール４の外側に配置された導電板５には、負極端子７が接続されている。正極端子６及び負極端子７は、例えば導電板５の縁部から積層方向に交差する方向に引き出されている。正極端子６及び負極端子７により、蓄電装置１の充放電が実施される。

各導電板５の内部には、空気等の冷媒を流通させる複数の流路５ａが設けられている。各流路５ａは、例えば積層方向と、正極端子６及び負極端子７の引き出し方向とにそれぞれ直交する方向に互いに平行に延在している。これらの流路５ａに冷媒を流通させることで、導電板５は、蓄電モジュール４，４同士を電気的に接続する接続部材としての機能のほか、蓄電モジュール４で発生した熱を放熱する放熱板としての機能を併せ持つ。なお、図１の例では、積層方向から見た導電板５の面積は、蓄電モジュール４の面積よりも小さいが、放熱性の向上の観点から、導電板５の面積は、蓄電モジュール４の面積と同じであってもよく、蓄電モジュール４の面積よりも大きくてもよい。

拘束部３は、蓄電モジュール積層体２を積層方向に挟む一対の拘束板８，８と、拘束板８，８同士を締結する締結ボルト９及びナット１０とを含んで構成されている。拘束板８は、積層方向から見た蓄電モジュール４及び導電板５の面積よりも一回り大きい面積を有する矩形の金属板である。拘束板８の内側面（蓄電モジュール積層体２側の面）には、電気絶縁性を有するフィルムＦが配置されている。フィルムＦにより、蓄電モジュール積層体２と拘束板８とが電気的に絶縁されている。

拘束板８の縁部には、蓄電モジュール積層体２よりも外側となる位置に挿通孔８ａが設けられている。締結ボルト９は、一方の拘束板８の挿通孔８ａから他方の拘束板８の挿通孔８ａに向かって通され、他方の拘束板８の挿通孔８ａから突出した締結ボルト９の先端部分には、ナット１０が螺合されている。これにより、蓄電モジュール４及び導電板５が拘束板８，８によって挟持され、蓄電モジュール積層体２としてユニット化される。また、蓄電モジュール積層体２に対して積層方向に拘束圧が付加される。

図２は、蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。同図に示すように、蓄電モジュール４は、電極積層体１１と、電極積層体１１を封止する封止体１２とを備えて構成されている。

電極積層体１１は、セパレータ１３を介して複数のバイポーラ電極１４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１４は、一方面１５ａ側に正極１６が形成され、かつ他方面１５ｂ側に負極１７が形成された電極板１５からなる電極である。電極積層体１１において、一のバイポーラ電極１４の正極１６は、セパレータ１３を挟んで積層方向に隣り合う一方のバイポーラ電極１４の負極１７と対向している。また、電極積層体１１において、一のバイポーラ電極１４の負極１７は、セパレータ１３を挟んで積層方向に隣り合う他方のバイポーラ電極１４の正極１６と対向している。

電極積層体１１の積層端の一方には、負極終端電極１８が配置され、電極積層体１１の積層端の他方には、正極終端電極１９が配置されている。負極終端電極１８は、内面側（積層方向の中心側）に負極１７が形成された電極板１５によって構成されており、正極終端電極１９は、内面側（積層方向の中心側）に正極１６が形成された電極板１５によって構成されている。負極終端電極１８の負極１７は、セパレータ１３を介して積層端の一方のバイポーラ電極１４の正極１６と対向している。正極終端電極１９の正極１６は、セパレータ１３を介して積層端の他方のバイポーラ電極１４の負極１７と対向している。負極終端電極１８の電極板１５及び正極終端電極１９の電極板１５は、蓄電モジュール４に隣接する導電板５（図１参照）に対して電気的に接続されている。

電極板１５は、例えば鋼板にニッケルがメッキされたニッケルメッキ鋼板、又はニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板１５の縁部１５ｃ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、当該未塗工領域は、封止体１２に埋没して保持されている。正極１６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。また、負極１７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。本実施形態では、電極板１５の他方面１５ｂにおける負極１７の形成領域は、電極板１５の一方面１５ａにおける正極１６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１３は、例えばシート状に形成されている。セパレータ１３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、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１３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。

封止体１２は、例えば絶縁性の樹脂によって矩形の筒状に形成されている。封止体１２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）、又は変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）などが挙げられる。封止体１２は、バイポーラ電極１４の積層によって形成される電極積層体１１の側面を取り囲むように構成されている。

封止体１２は、各バイポーラ電極１４の電極板１５の縁部１５ｃに沿ってそれぞれ設けられた一次封止体２１と、一次封止体２１の全体を外側から包囲するように設けられた二次封止体２２とによって構成されている。一次封止体２１は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、電極板１５の一方面１５ａ側の縁部１５ｃ（未塗工領域）において、電極板１５の全ての辺にわたって連続的に設けられている。本実施形態では、一次封止体２１は、電極板１５の一方面１５ａ側から端面１５ｄ側に回り込むように設けられ、例えば溶着によって一方面１５ａ及び端面１５ｄに対して結合されている。なお、積層方向に隣り合う一次封止体２１，２１同士は、互いに接触はしているが、溶着等による接合はされていない状態となっている。

一次封止体２１は、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１４，１４間を封止するほか、積層方向に隣り合うバイポーラ電極１４，１４の電極板１５，１５間のスペーサとして機能する。電極板１５，１５間には、一次封止体２１の電極板１５，１５間に位置する部分の厚さによって規定される内部空間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Ｅが収容されている。

二次封止体２２は、例えば樹脂の射出成形によって形成され、電極積層体１１における積層方向の全長にわたって延在している。二次封止体２２は、例えば射出成型時の熱により、一次封止体２１の外表面に溶着されている。封止体１２において、内部空間Ｖに収容された電解液Ｅは、積層方向に隣り合う一次封止体２１，２１間を通り得るが、一次封止体２１と二次封止体２２との溶着部分で封止されている。

続いて、上述したバイポーラ電極１４と封止体１２との接合構造について更に詳細に説明する。

図３は、電極板と封止体との接合部分の構成例を示す要部拡大概略図である。同図に示すように、バイポーラ電極１４と封止体１２との接合にあたって、電極板１５における少なくとも一次封止体２１との接合部分には、複数の微細突起３２が設けられた粗面３１が設けられている。本実施形態では、粗面３１は、正極１６が設けられている電極板１５の一方面１５ａの全面にわたって設けられている。

微細突起３２は、例えば電極板１５に対する電解メッキによって形成された突起状の析出金属（付与物を含む）である。微細突起３２の形状は、概略的には柱状の基端部分３２ａと略球形状の先端部分３２ｂとを含む。微細突起３２の形状は一様とは限られず、例えば基端部分３２ａの形状は、略球形状或いは略球形状の部分が連なった形状をなす場合もあり得る。微細突起３２の先端部分３２ｂの幅寸法は、基端部分３２ａの幅寸法に比べて大きくなっている。すなわち、微細突起３２の先端部分３２ｂは、先太部分３３となっている。微細突起３２の高さは、特に限定はされないが、電極板１５の厚さが０．１μｍ〜１０００μｍ程度である場合には、０．１μｍ〜３０μｍ程度に設定される。粗面３１においては、一次封止体２１を構成する樹脂材料が微細突起３２，３２間の空間に入り込むことでアンカー効果が生じ、電極板１５と一次封止体２１との間の接合強度及び液密性の向上が図られる。なお、先太部分３３は、先端部分３２ｂに形成される構成に限られるものではなく、基端部分３２ａと先端部分３２ｂとの間に基端部分３２ａよりも太い先太部分３３が形成されていてもよい。

電極板１５に一次封止体２１を溶着によって接合する場合、例えば加熱した一次封止体２１を電極板１５の一方面１５ａの縁部に押し付けることによって一次封止体２１の樹脂材料を粗面３１における微細突起３２，３２間に入り込ませる。この場合、接合後に一次封止体２１の温度が低下すると、温度の低下に伴って樹脂材料に収縮が生じる。したがって、図４に示すように、微細突起３２，３２間において、例えば電極板１５の一方面１５ａと一次封止体２１との間に隙間Ｓが生じてしまうことが考えられる。隙間Ｓは、微細突起３２の基端部分３２ａと一次封止体２１との間にも生じ得る。

一方、蓄電装置１では、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Ｅ（図５参照）が内部空間Ｖに収容されている。このため、電極板１５の一方面１５ａと一次封止体２１との間に隙間Ｓが存在していると、当該隙間Ｓがアルカリクリープ現象による電解液Ｅの移動経路になり得る。アルカリクリープ現象とは、アルカリ溶液である電解液Ｅが正の電位から負の電位に向かって移動する現象である。

本実施形態では、バイポーラ電極１４において、負極１７が形成されている他方面１５ｂ側が正の電位となり、正極１６が形成されている一方面１５ａ側が負の電位となる。本実施形態では、積層方向に隣り合う一次封止体２１，２１同士は接合されていないため、図５に示すように、他方面１５ｂ側の内部空間Ｖから他方面１５ｂと一次封止体２１との間を通って一方面１５ａ側に回り込み、一方面１５ａと一次封止体２１との間の隙間Ｓを通って一方面１５ａ側の内部空間Ｖに抜ける電解液Ｅの移動経路Ｋが形成され得る。このような電解液Ｅの移動が生じると、バイポーラ電極１４，１４間の短絡や蓄電装置１の外部への電解液Ｅの液漏れが生じることが考えられる。

これに対し、蓄電装置１では、図６に示すように、粗面３１において一次封止体２１との間の隙間Ｓを埋める耐アルカリ性の充填層３４が設けられている。充填層３４は、電極板１５と一次封止体２１との接合部分の全面にわたって形成されている。充填層３４の形成には、例えばパーフルオロアルキルエーテルを基油とし、増稠剤にポリテトラフルオロエチレンを用いたフッ素系グリス、シリコーンオイルを基油とし、増稠剤に金属石鹸を用いたシリコン系グリス、液体石油改質アスファルト及びハイドロカーボンを成分とするアスファルトピッチなどが用いられる。

アルカリクリープ現象による電解液Ｅの移動をブロックするためには、１）電位を持たないこと、２）隙間がないこと、３）水分が存在しないことを満たすこと、のいずれかを満たすことが必要となる。上述したグリス等による充填層３４を粗面３１と一次封止体２１との間に設けることで、粗面３１と一次封止体２１との間で１）〜３）の条件のうち、２）の条件が満たされることとなり、図５に示した電解液Ｅの移動経路Ｋを打ち消すことが可能となる。また、充填層３４が耐アルカリ性を有しているので、充填層３４が電解液Ｅによって侵食されることはなく、電解液Ｅの移動をブロックする作用を持続させることができる。

充填層３４は、微細突起３２の先太部分３３が露出するように設けられていることが好ましい。図６に示す例では、充填層３４は、微細突起３２の基端部分３２ａの高さよりも低い高さで粗面３１上に設けられており、微細突起３２の先太部分３３の全体と基端部分３２ａの一部（先太部分３３の付根部分）が充填層３４から露出した状態となっている。充填層３４の高さは、これに限られず、先太部分３３の先端部分のみが露出するような高さであってもよく、基端部分３２ａの大部分が露出するような高さであってもよい。

充填層３４の形成方法に特に制限はないが、例えば粗面３１或いは一次封止体２１における粗面３１との接合面に予め充填層３４の形成材料を塗布し、この状態で電極板１５に一次封止体２１を溶着すればよい。塗布の容易性を考慮すると、粗面３１に比べて一次封止体２１の表面の方が平坦であるので、一次封止体２１の表面に充填層３４の形成材料を塗布することが好ましい。電極板１５に一次封止体２１を溶着する場合には、充填層３４の形成材料は、一次封止体２１の融点において変質及び揮発の無い材料であることが好ましい。

また、充填層３４の高さは、充填層３４の形成材料の粘度を調整することによって制御可能である。微細突起３２の高さが１０μｍであると仮定すると、粘度が１００Ｐａ・ｓ（ハンドクリーム程度の粘度）、粘度が１１Ｐａ・ｓ（水あめ程度の粘度）の場合には、流動性が乏しく、微細突起３２の全体が充填層３４に埋没してしまうおそれがある。または、微細突起３２，３２間に充填層３４の構成材料が十分に入り込まない可能性がある。一方、粘度が０．６Ｐａ・ｓ（油程度の粘度）の場合には、流動性が十分に確保され、微細突起３２の先太部分３３を充填層３４から露出させることが可能となる。したがって、充填層の粘度は、０．６Ｐａ・ｓ以下となっていることが好適である。

以上説明したように、蓄電装置１では、バイポーラ電極１４を構成する電極板１５に粗面３１が設けられ、一次封止体２１の構成材料が粗面３１における複数の微細突起３２、３２間に入り込むことにより、電極板１５と一次封止体２１との間の接合強度及び液密性の向上が図られる。また、この蓄電装置１では、電極板１５の粗面３１において、一次封止体２１との間の隙間Ｓを埋める耐アルカリ性の充填層３４が設けられている。このような充填層３４の配置により、電解液Ｅのアルカリクリープ現象の発生が抑えられ、電解液Ｅが粗面３１と一次封止体２１との間の隙間Ｓを通って隣接するバイポーラ電極１４の内部空間Ｖに移動してしまうことを抑止できる。したがって、アルカリクリープ現象に起因するバイポーラ電極１４，１４間の短絡や蓄電装置１の外部への電解液Ｅの液漏れを抑止できる。

また、蓄電装置１では、微細突起３２が先太部分３３を有しており、充填層３４は、先太部分３３が露出するように設けられている。これにより、充填層３４によってアルカリクリープ現象の抑制効果を発揮させる一方、微細突起の先太部分３３が充填層３４から露出することで一次封止体２１に対するアンカー効果を十分に生じさせることができ、電極板１５と一次封止体２１との間の接合強度及び液密性を十分に確保できる。

また、蓄電装置１では、充填層３４の粘度が０．６Ｐａ・ｓ以下となっている。０．６Ｐａ・ｓ以下の粘度の充填層３４を用いることにより、粗面３１と一次封止体２１との間の隙間Ｓに充填層３４をより確実に行き渡らせることができる。また、充填層３４がフッ素系グリス、シリコン系グリス、若しくはアスファルトピッチによって構成されているため、上記作用を生じさせる充填層３４を容易に形成できる。

１…蓄電装置、１１…電極積層体（積層体）、１２…封止体、１３…セパレータ、１４…バイポーラ電極、１５…電極板、１５ａ…一方面、１５ｂ…他方面、１６…正極、１７…負極、３１…粗面、３２…微細突起、３３…先太部分、３４…充填層、Ｅ…電解液、Ｓ…隙間、Ｖ…内部空間。

Claims (4)

1. セパレータを介して複数のバイポーラ電極が積層された積層体と、
   前記積層体の側面に設けられ、積層方向に隣り合う前記バイポーラ電極間を封止する封止体と、を備え、
   前記バイポーラ電極は、一方面側に正極が形成され、他方面側に負極が形成されると共に、前記封止体に接合された電極板を有し、
   前記バイポーラ電極と前記封止体との間には、アルカリ溶液からなる電解液が収容された内部空間が設けられ、
   前記電極板において、少なくとも前記封止体との接合部分は、複数の微細突起が設けられた粗面となっており、
   前記粗面には、前記封止体との間の隙間を埋める耐アルカリ性の充填層が設けられている蓄電装置。
2. 前記微細突起は、先太部分を有しており、
   前記充填層は、前記先太部分が露出するように設けられている請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記充填層の粘度は、０．６Ｐａ・ｓ以下となっている請求項１又は２記載の蓄電装置。
4. 前記充填層は、フッ素系グリス、シリコン系グリス、若しくはアスファルトピッチによって構成されている請求項１〜３のいずれか一項記載の蓄電装置。

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