(57)【要約】【課題】簡易な構造で、体積効率および耐圧性に優れる密閉式角形電池を提供する。【解決手段】正極（１２）および負極（１３）を含む電極体（１５）と、前記電極体（１５）および電解液を収容するセルケース（２２）を形成する矩形の枠形部材（１７）、第１蓋部材（１９）および第２蓋部材（２１）とを備える密閉式角形電池（Ｃ）において、前記第１，第２蓋部材（１９，２１）が、前記枠形部材（１７）の一方の開口（１７ａ）を覆う本体部（１９ａ，２１ａ）、およびこの本体部から、前記矩形の枠形部材（１７）の互いに対向する少なくとも１組の辺（１７ｂ）にほぼ沿うように突設された側部（１９ｂ，２１ｂ）を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極および負極を含む電極体と、
前記電極体および電解液を収容するセルケースを形成する矩形の枠形部材、第１蓋部材および第２蓋部材とを備える密閉式角形電池であって、
前記第１蓋部材が、導電性のニッケルメッキを施した鋼板で形成されており、前記枠形部材の一方の開口を覆う、４つの辺を有する平板状の本体部、およびこの平板状の本体部の各辺において一体に形成された縁部を１回折り曲げることによって、前記矩形の枠形部材の互いに対向する少なくとも１組の辺にほぼ沿うように突設され、かつ前記矩形の枠形部材の外周面の一部を覆う側部を有しており、
前記第２蓋部材が、導電性のニッケルメッキを施した鋼板で形成されており、前記枠形部材の一方の開口を覆う、４つの辺を有する平板状の本体部、およびこの平板状の本体部の各辺において一体に形成された縁部を１回折り曲げることによって、前記矩形の枠形部材の互いに対向する少なくとも１組の辺にほぼ沿うように突設され、かつ前記矩形の枠形部材の外周面の一部を覆う側部を有している密閉式角形電池。
【請求項２】
請求項１において、前記電極体が、前記正極を形成する正極板と前記負極を形成する負極板とが、セパレータを介して所定の方向に交互に積層されて対向する構造を有しており、前記第１蓋部材および第２蓋部材が、それぞれ、前記電極体の積層方向に対向する１組の前記側部を有している密閉式角形電池。
【請求項３】
請求項２において、前記電極体が、前記正極を形成する正極板と前記負極を形成する負極板とがプリーツ状のセパレータを介して交互に積層されて対向する積層構造を有している密閉式角形電池。
【請求項４】
請求項２において、前記電極体が、前記正極を形成する正極板と前記負極を形成する負極板とが袋状のセパレータを介して交互に積層されて対向する積層構造を有している密閉式角形電池。
【請求項５】
請求項１において、
前記第１蓋部材が、前記矩形の枠形部材の一方の開口を覆う４つの辺を有する本体部、およびこの平板状の本体部の各辺において一体に形成された縁部を１回折り曲げることによって、前記矩形の枠形部材の各４辺にほぼ沿うように突設され、かつ、前記矩形の枠形部材の外周面の一部を覆う４つの側部を有しており、
前記第２蓋部材が、前記矩形の枠形部材の一方の開口を覆う４つの辺を有する本体部、およびこの平板状の本体部の各辺において一体に形成された縁部を１回折り曲げることによって、前記矩形の枠形部材の各４辺にほぼ沿うように突設され、かつ、前記矩形の枠形部材の外周面の一部を覆う４つの側部を有している密閉式角形電池。
【請求項６】
請求項１において、前記枠形部材が絶縁素材で形成されており、前記第１蓋部材が前記正極に接続された正極側端子であり、前記第２蓋部材が前記負極に接続された負極側端子である密閉式角形電池。
【請求項７】
請求項１において、電池電圧監視用の端子が設けられている密閉式角形電池。
【請求項８】
請求項１に記載の密閉式角形電池を単位電池として、複数の単位電池を、隣接し合う単位電池の一方の前記第１蓋部材と他方の第２蓋部材とが対向する方向に積層してなる、ほぼ直方体形状の電池積層体を有する電池モジュールであって、
前記電池積層体の積層方向の両側面に沿ってそれぞれ延びる１組の側面補強部材と、前記１組の側面補強部材の、電池積層体の積層方向の前端部および後端部にそれぞれ固定されて、前記電池積層体の前部および後部をそれぞれ覆う板状の圧縮部材と、この前後の圧縮部材に支持されて、前記電池積層体を積層方向の前後からそれぞれ締め付ける締付け部材とを備えている電池モジュール。
【請求項９】
請求項８において、前記側面補強部材が、前記電池積層体の側面を覆う板状の側面板であり、この側面板の、前記積層方向に直交する上下方向の両端部が、電池積層体側に折り曲げられている電池モジュール。
【請求項１０】
請求項８において、前記締付け部材が、前記圧縮部材に形成されたねじ孔に螺合するねじ部材である電池モジュール。
【請求項１１】
請求項１０において、前記ねじ部材の締め付け度合いによって前記電池積層体の積層方向にかかる圧力を調整可能な電池モジュール。
【請求項１２】
請求項８において、さらに、前記締付け部材により前記電池積層体の一端部である第１蓋部材に圧接される第１集電部材と、前記締付け部材により他端部である第２蓋部材に圧接される第２集電部材とを備えている電池モジュール。
【請求項１３】
請求項１２において、さらに、前記各集電部材が、前記締付け部材からの圧力を受けるように配置されている電池モジュール。
【請求項１４】
請求項８において、さらに、前記電池積層体とその周囲に取付けられた導電性の部材とを含むモジュール本体を覆う、絶縁素材からなるケーシングを備えている電池モジュール。
【請求項１５】
請求項１４において、前記ケーシングが、前記圧縮部材を貫通して前記電池積層体を締め付ける金属製のねじ部材である第１ケーシング取付部材と、この第１ケーシング取付部材に螺合し、当該ケーシングを貫通する、絶縁素材からなるねじ部材である第２ケーシング取付部材とを介して前記モジュール本体に取付けられている電池モジュール。
【請求項１６】
請求項８において、前記電池積層体の内部圧力が一定値まで上昇した場合に電池積層体内部のガスを外部へ排出する圧力調整機構が設けられている電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角形構造を有しながら電池の内圧に対する耐圧性に優れる密閉式角形電池、およびこの電池を複数用いた電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、密閉式電池の形状として、円筒形が一般的に採用されてきた。円筒形電池においては、電極体として、正極板と負極板とをセパレータを介して円筒形に巻き取った簡易な構造のものを使用することができると同時に、電池の内部圧力に対する耐圧性に優れるという利点がある。
【０００３】
ところで、近年、環境への配慮から、自動車や電車などの車両に、充放電可能な二次電池を搭載したものが開発されている。車両に二次電池を搭載した場合には、ブレーキ時の回生電力をこの搭載電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、エネルギー効率を高めることができる。
【０００４】
特にこのような車両用の電池には、従来の携帯機器等に用いられるものに比べて、高電圧および高エネルギー容量が要求されるため、大型の電池を使用する必要がある。しかしながら、大型の電池を使用する場合には、電池性能や生産性の観点から、円筒形電池に用いられる巻取り式の電極体よりも、正極板と負極板を交互に積層した電極体の方が適していること、および、電池が設置されるスペースを効率的に利用する必要性が大きいことから、円筒形よりも角形の電池とすることが望ましい（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１１０３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、積層構造の電極体は、一般に、積層方向に膨張し易い傾向があり、この電極体の膨張に起因して電池が膨張する。また、大型の角形電池を構成する場合、電池内部の圧力を受ける平面部分の面積が大きいために、電池が内圧上昇によっても膨張し易い。これを抑制するために、一般的には、電極体の収容部材の肉厚を増やす必要があるが、この場合、電池の体積および重量が増加する。一般に、車両に駆動用として電池を搭載する場合、従来の機構に追加的に電池を搭載することが多く、電池の設置スペースが限られる。さらに、車両駆動のエネルギー効率の観点から、搭載電池はできる限り軽量であることが要求される。
【０００７】
また、複数の角形電池を複数積層して電池モジュールとして使用する場合、単位電池を積層した電池積層体の積層方向の膨張を抑制するために、電池積層体を積層方向に締め付け固定する必要があるが、上述の車両における電池モジュールの設置スペースや、車両駆動のエネルギー効率を考慮すれば、電池積層体を締め付け固定する部材をできるだけ省いて、電池モジュールを小型化・軽量化する必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、体積効率に優れる角形電池でありながら、簡易な構造によって耐圧性にも優れ、かつ軽量な密閉式角形電池を提供することである。さらに、本発明の他の目的は、上記の密閉式角形電池を複数積層して構成する電池モジュールであって、電池積層体を積層方向に締め付けて電池積層体の膨張を抑制しながらも、小型化および重量減が可能な電池モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した目的を達成するために、本発明に係る密閉式角形電池は、正極および負極を含む電極体と、前記電極体および電解液を収容するセルケースを形成する矩形の枠形部材、第１蓋部材および第２蓋部材とを備える密閉式角形電池であって、前記第１蓋部材が、前記枠形部材の一方の開口を覆う本体部、およびこの本体部から、前記矩形の枠形部材の互いに対向する少なくとも１組の辺にほぼ沿うように突設された側部を有しており、前記第２蓋部材が、前記枠形部材の他方の開口を覆う本体部、およびこの本体部から、前記矩形の枠形部材の互いに対向する少なくとも１組の辺にほぼ沿うように突設された側部を有している。
【００１０】
この構成によれば、電池の内圧上昇による膨張力に対して、第１および第２蓋部材の、本体部および本体部から折り曲げられた縁部の引張り応力により耐えることができるので、単純な構造により電池の耐圧性を向上させることができる。しかも、電池の形状を円筒形ではなく角形として体積効率を高め、第１および第２蓋部材の肉厚を薄くして電池の重量および体積を低減することも可能となるので、車両用などに使用される大型の電池には特に有意義となる。
【００１１】
本発明に係る実施形態においては、前記電極体が、前記正極を形成する正極板と前記負極を形成する負極板とが、セパレータを介して所定の方向に交互に積層されて対向する構造を有しており、前記第１蓋部材および第２蓋部材が、それぞれ、前記電極体の積層方向に対向する１組の前記側部を有していることが好ましい。この場合の電極体は、前記正極を形成する正極板と前記負極を形成する負極板とが、プリーツ状または袋状のセパレータを介して交互に積層されて対向する積層構造を有するものとしてもよい。
【００１２】
特に大型の電池を製造する場合には、電解液の浸透性や生産性の観点からは、従来の巻取り式の電極体よりも、積層式の構造を有する電極体を用いることが好ましいが、反面、積層構造の電極体の場合には、電極体が積層方向に膨張し易い。しかし、本発明に係る第１および第２蓋部材の構造を、プリーツ構造の電極体に適用することにより、電池の膨張を抑制しつつ上記のプリーツ構造電極体の利点を得ることができる。
【００１３】
上記の構成を有する密閉式角形電池において、前記第１蓋部材が、前記枠形部材の一方の開口を覆う本体部、およびこの本体部と一体の縁部を、前記矩形の枠形部材の各４辺にほぼ沿うように折り曲げて形成した４つの側部を有しており、前記第２蓋部材が、前記枠形部材の他方の開口を覆う本体部、およびこの本体部と一体の縁部を、前記矩形の枠形部材の各４辺にほぼ沿うように折り曲げて形成した４つの側部を有していることが、より好ましい。前記第１蓋部材および第２蓋部材それぞれが、前記枠形部材の全４辺に対応する４つの側部を有することにより、電池の膨張が一層確実に抑制される。
【００１４】
上記構成を有する密閉式角形電池において、例えば、前記枠形部材を絶縁素材で形成し、前記第１蓋部材を前記正極に接続された正極側端子とし、前記第２蓋部材を前記負極に接続された負極側端子とすることができる。このように、第１および２蓋部材を、それぞれ正極側および負極側端子として兼用することにより、追加の端子部材を設ける必要がない。また、単に電池同士を積層することにより直列に接続できるので、この角形電池を複数用いて電池モジュールとして使用する場合に、電池モジュールの構造を簡潔化して組立作業を容易にすることができる。
【００１５】
本発明に係る密閉式角形電池において、前記第１および第２蓋部材を、ニッケルめっきを施した鋼材で形成することが好ましい。鋼材にニッケルメッキを施すことにより、単位電池間の接触抵抗を低減することができるとともに、耐腐食性が向上する。
【００１６】
本発明に係る密閉式角形電池には、電池電圧監視用の端子が設けられていることが好ましい。多数の単位電池を組み合わせて電池モジュールとして使用する場合に、単位電池ごとの充電状態などを監視することが可能となり、不具合の起こった単位電池の発見や、単位電池間の性能ばらつきの検出が容易となる。
【００１７】
本発明に係る電池モジュールは、上記の密閉式角形電池を単位電池として、複数の単位電池を、隣接し合う単位電池の一方の前記第１蓋部材と他方の第２蓋部材とが対向する方向に積層してなる、ほぼ直方体形状の電池積層体を有しており、前記電池積層体の積層方向の両側面に沿ってそれぞれ延びる１組の側面補強部材と、前記１組の側面補強部材の、電池積層体の積層方向の前端部および後端部にそれぞれ固定されて、前記電池積層体の前部および後部をそれぞれ覆う板状の圧縮部材と、この前後の圧縮部材に支持されて、前記電池積層体を積層方向の前後からそれぞれ締め付ける締付け部材とを備えている。
【００１８】
このように構成することにより、電池積層体の積層方向の圧力を、電池積層体の側面に配置する側面補強部材、例えば、電池積層体の側面を覆う側面板によって確保することができる。換言すれば、電池積層体の側面を保護する部材とは別に、電池積層体を積層方向に締め付ける部材を設ける必要がないので、電池モジュールの小型化および軽量化が可能となる。
【００１９】
上記の側面補強部材は、前記電池積層体の側面を覆う板状の側面板であり、この側面板の、前記積層方向に直交する上下方向の両端部が、電池積層体側に折り曲げられていることが好ましい。側面補強部材をこのような構造とすれば、折り曲げられた両端部により側面板の機械的強度が増すので、補強部材を追加することなく、複数の電池モジュールを積み上げて設置することが可能となり、車両等への設置が容易となる。また、この側面板により、電池積層体の側面方向への膨張を抑制することができる。
【００２０】
本発明に係る電池モジュールの前記締付け部材は、前記圧縮部材に形成されたねじ孔に螺合するねじ部材であってよい。また、この場合、このねじ部材の締め付け度合いによって前記電池積層体の積層方向に付加する圧力を調整可能とすることができる。このように構成することにより、電池モジュールの組み立てが容易になる。さらには、電池モジュールの性能に大きな影響を及ぼす積層方向の圧力の調整を、電池モジュールの組み立て後に、ねじ部材の締付けにより容易かつ正確に行うことができるので、電池モジュールの品質管理の精度が向上する。
【００２１】
さらに、前記締付け部材により前記電池積層体の一端部である第１蓋部材に圧接される第１集電部材と、前記締付け部材により他端部である第２蓋部材に圧接される第２集電部材とを備えている。さらに、前記各集電部材が、前記締付け部材からの圧力を受けるように配置されている。このように構成することで、電池積層体の機械的な保護と、内部抵抗の低減が同時に可能となる。特に、単位電池と各集電板との接触面積を大きく取ることができ、接触抵抗が小さくなるので、電池モジュールの内部抵抗が大幅に低減される。
【００２２】
本発明に係る電池モジュールは、前記電池積層体とその周囲に取付けられた導電性の部材とを含むモジュール本体を覆う、絶縁素材からなるケーシングを備えていることが好ましい。このように構成することにより、簡易な構造で、モジュール本体を外部から電気的に保護することができる。
【００２３】
本発明に係る電池モジュールが、上記のように絶縁素材からなるケーシングを備えている場合、さらに、前記ケーシングが、前記圧縮部材を貫通して前記電池積層体を締め付ける金属製のねじ部材である第１ケーシング取付部材と、この第１ケーシング取付部材に螺合し、当該ケーシングを貫通する、絶縁素材からなるねじ部材である第２ケーシング取付部材とを介して前記モジュール本体に取り付けることが好ましい。このように構成することにより、電池積層体に積層方向に圧力を付加するための圧縮部材や第１ケーシング取付け部材を利用してケーシングをモジュール本体に取り付けることができるので、ケーシングを取り付けるための追加の部材を最小限に抑えることができ、電池モジュールの小型化および軽量化が可能となる。
【００２４】
本発明に係る電池モジュールには、前記電池積層体の内部圧力が一定値まで上昇した場合に電池積層体内部のガスを外部へ排出する圧力調整機構が設けられていてもよい。このように構成することで、電池の耐圧性が一層向上する。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明に係る密閉式角形電池によれば、体積効率に優れる角形電池でありながら、簡易な構造によって耐圧性が向上し、かつ重量を低減することができる。さらに、この密閉式角形電池を用いた、本発明に係る電池モジュールによれば、電池積層体を積層方向に締め付けて電池積層体の膨張を抑制しながらも、小型化および軽量化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池モジュールを示す部分破断側面図である。
【図２】図１の電池モジュールに使用される密閉式角形電池の断面図である。
【図３】図２の密閉式角形電池の蓋部材および枠形部材を示す斜視図である。
【図４】図２の電極体の積層構造の例を示す模式図であり、（ａ）はプリーツ状セパレータを用いた構造を、（ｂ）は袋状セパレータを用いた構造を、（ｃ）はプリーツ状セパレータと袋状セパレータとを組み合わせて用いた構造を示している。
【図５】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る電圧監視端子を備える密閉式角形電池によって構成された電池モジュールを模式的に示す図であり、（ｂ）は（ａ）の単位電池における電圧監視端子の構造を示す断面図である。
【図６】図２の密閉式角形電池に加わる力を模式的に示す断面図である。
【図７】図１の電池モジュールのケーシングの内部を示す斜視図である。
【図８】図７のモジュール本体における、締付力と側面板の歪みの関係を示す相関図である。
【図９】図７のIX−IX線に沿った断面図である。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態に係る電池モジュールに用いられる締付部材の例を示す模式図である。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態に係る電池モジュールに用いられる締付部材の他の例を示す模式図である。
【図１１】図９のXI−XI線に沿った断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る電池モジュールに用いられる圧力調整機構の構成を示す平面図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る電池モジュールの冷却構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態に係る電池モジュールＢの構造を示す部分破断側面図である。この電池モジュールＢは、例えば、電車に搭載されるものであって、密閉式の角形電池である単位電池Ｃを、単位電池Ｃの厚み方向に複数個（本実施形態では３０個）積層した電池積層体１と、電池積層体１を積層方向Ｘに締め付け固定するための側面板３、圧縮板５および締付けボルト７とを主要な構成要素として備えており、これら主要な構成要素が、絶縁素材からなるケーシング９によって覆われている。電池モジュールＢの構造については、後に詳述する。
【００２９】
図２は、図１の単位電池Ｃの構造を示す断面図である。単位電池Ｃは、セパレータ１１、正極を構成する正極板１２および負極を構成する負極板１３を含む電極体１５と、電極体１５を電解液とともに収容する空間を形成する矩形の枠形部材１７、第１蓋部材１９、および第２蓋部材２１を備えている。すなわち、これら枠形部材１７、第１蓋部材１９、および第２蓋部材２１によって、電極体１５を電解液とともに収容するセルケース２２が形成されている。なお、本実施形態における単位電池Ｃは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とする、繰り返し充放電が可能なニッケル水素二次電池として構成している。
【００３０】
図３に示すように、第１蓋部材１９は、枠形部材１７の一方の開口１７ａを覆う平板状の本体部１９ａを有しており、さらに、本体部１９ａの４つの各辺において一体に形成された縁部において、枠形部材１７の４つの各辺１７ｂにほぼ沿うように突設、例えば折り曲げられた、枠形部材１７の外周面の一部を覆う側部１９ｂを有している。第２蓋部材２１も、第１蓋部材１９と同様に、本体部２１ａおよび側部２１ｂを有しており、枠形部材１７の他方の開口１７ｃを覆っている。なお、本実施形態では、第１および第２蓋部材１９，２１において、各側部１９ｂ同士、および２１ｂ同士は互いに接合されていないが、溶接等により接合されていてもよい。また、側部１９ｂは、折り曲げ加工に限らず、例えば、本体部１９ａと別体に形成して本体部１９ａに溶接してもよい。
【００３１】
電極体１５は、図２に示すように、正極板１２と負極板１３とが、セパレータ１１を介して所定の方向に交互に積層されて対向する積層構造を有している。より具体的には、図４（ａ）に模式的に示すように、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ１１Ａを介して、正極板１２と負極板１３とが交互に積層されて対向するプリーツ構造を有している。本実施形態において、電極体１５は、枠形部材１７の、図３の左右方向に向い合う一組の辺１７ｂ，１７ｂの一方から他方に向かう方向Ｙに積層されている。
【００３２】
また、電極体１５は、プリーツ構造以外の積層構造を有していても良い。例えば、図４（ｂ）に示すように、別体に形成された複数の袋状のセパレータ１１Ｂにそれぞれ収容された正極板１２と負極板１３とを交互に積層して対向させてもよい。あるいは、図４（ｃ）に示すように、別体の袋状のセパレータ１１Ｂにそれぞれ収容された正極板１２と負極板１３とを、さらにプリーツ状のセパレータ１１Ａを介して互いに対向するように積層してもよい。
【００３３】
なお、本実施形態においては、第１および第２蓋部材１９，２１を、それぞれ、枠形部材１７の４つの各辺１７ｂに対応する４つの側部１９ｂ，２１ｂを有するように形成したが、枠形部材１７の、互いに対向する１組の辺１７ｂ，１７ｂにのみ対応する各１組（２つ）の側部１９ｂ，２１ｂを有するように形成してもよい。その場合には、各一組の側部１９ｂ、２１ｂが電極体１５の積層方向Ｙに対向するように設定することが好ましい。あるいは、２つの蓋部材１９，２１の一方、例えば第１蓋部材１９の側部１９ｂが、積層方向Ｙに対向し、他方の第２蓋部材２１の側部２１ｂを積層方向Ｙに直交する方向に対向するように設定してもよい。
【００３４】
また、本実施形態において、第１蓋部材１９および第２蓋部材２１を、ニッケルめっきを施した鋼板で形成しており、第１および第２の蓋部材１９，２１をそれぞれ正極および負極に接続している。つまり、第１および第２の蓋部材１９，２１は、それぞれ、単位電池Ｃの正極側端子および負極側端子を兼ねている。なお、第１蓋部材１９および第２蓋部材２１を形成する素材は、ニッケルめっき鋼材に限らず、電気化学的な特性や機械的強度、耐食性などを考慮して、適宜選択することができる。また、第１蓋部材と第２蓋部材２１とに、異なる材料を用いてもよい。枠形部材１７は、第１蓋部材１９と第２蓋部材２１との絶縁を図るために、絶縁素材で形成されている。枠形部材１７の絶縁素材として、本実施形態では変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂を使用しているが、機械的な強度、耐熱性および耐電解液性の観点から種々の材料を選択できる。
【００３５】
なお、本実施形態に係る単位電池Ｃは、図３に示すように、枠形部材１７の上側の１辺１７ｂに、単位電池Ｃの内部ガスを排出するガス排出口２３を備えている。ガス排出口２３は、ガス排出口２３が設けられている辺１７ｂにほぼ平行に、枠形部材１７の中央に向かって突出する二又の排出部２３ａを有しており、後述するように、電池モジュールＢの圧力調整機構７０の一部を構成している。
【００３６】
また、単位電池Ｃには、単位電池Ｃの電圧を監視するための電圧監視端子が設けられていることが好ましい。電圧監視端子は、１対、つまり正極側と負極側とに各１つずつ設けてもよいが、図５（ａ）に示すように、電池モジュールＢにおける隣接する単位電池Ｃの正極側と負極側とで、１つの端子を共有することが好ましい。電圧監視端子としては、例えば、図５（ｂ）に示すように、リード線２４の一端に取り付けられた丸形端子２５を用いることができる（代表として第１蓋部材１９側のみ図示）。丸形端子２５は、その中央孔に挿通させた端子ボルト２７を、さらに第１蓋部材１９の上面の側部１９ｂに形成された長円形の端子取付孔２８に挿通して、枠形部材１７の１辺１７ｂに形成した端子取付ねじ孔２９にねじ込むことによって、正極側端子である第１蓋部材１９に接触した状態で、単位電池Ｃに取付けられる。
【００３７】
本実施形態に係る密閉式角形電池の単位電池Ｃによれば、以下の効果が得られる。単位電池Ｃ内部のガス圧が上昇した場合、その圧力Ｐｉは、図６の模式的な断面図に示すように、第１および第２蓋部材１９，２１の本体部１９ａ，２１ａを外側に向けて本体部に垂直な方向に押しつけると同時に、第１および第２蓋部材１９，２１の側部１９ｂ、２１ｂを、枠形部材１７の撓みを介して外側に、つまり本体部１９ａ，２１ａに平行な方向に押しつける。本体部１９ａ，２１ａから折り曲げられた側部１９ｂ、２１ｂが存在しない場合には、本体部１９ａ，２１ａが外側に大きく撓んで電池Ｃが膨張するが、本実施形態においては、側部１９ｂ、２１ｂにかかる力が本体部１９ａ，２１ａに対する引張り力Ｆとして作用するので、本体部１９ａ，２１ａの撓みによる単位電池Ｃの側面方向、つまり単位電池Ｃ同士の積層方向Ｘの膨張は大幅に抑制される。
【００３８】
さらに、本実施形態のように、積層構造を有する電極体１５を使用している場合には、繰り返し充放電に伴って電極体１５が積層方向Ｙに膨張する傾向にあるので、枠形部材１７は、ガス圧力Ｐｉに加えて、積層方向Ｙに沿って電極体１５からの力Ｆｅを受ける。しかしながら、積層方向Ｙに対向する位置に側部１９ｂ、２１ｂが設けられているため、単位電池Ｃの積層方向の膨張が抑制されると同時に、電極体の膨張による力もやはり、本体部１９ａ，２１ａに対する引っ張り力Ｆとして作用する。したがって、大型の角形電池における、生産性や電解液の浸透性といった積層構造電極体１５の利点を得ながら、単位電池Ｃの膨張が一層効果的に抑制される。
【００３９】
換言すれば、電池の内圧による膨張を抑制するために、従来は蓋部材の肉厚を厚くする必要があったが、縁部を折り曲げて形成した側部１９ｂ、２１ｂを設けることにより、蓋部の肉厚を大幅に削減することが可能になり、単位電池Ｃの耐圧性を向上させながら体積および重量を低減できる。
【００４０】
さらに、上述のように、枠形部材１７を絶縁性の変性ＰＰＥ樹脂で形成し、第１蓋部材１９および第２蓋部材２１を導電性のニッケルめっき鋼材で形成して、第１蓋部材１９を正極に、第２蓋部材２１を負極にそれぞれ接続しているので、第１蓋部材１９および第２蓋部材２１は、それぞれ、単位電池Ｃの正極側端子および負極側端子として機能する。この場合、図１に示すように複数の単位電池Ｃを積層して電池モジュールＢとして使用する際に、隣接する単位電池Ｃの一方の第１蓋部材１９と他方の第２蓋部材２１を重ねて接触させることにより、これら２つの単位電池Ｃを直列に接続することができる。したがって、追加の接続部材が不要であり、電池モジュールＢの小型化、軽量化、および組立作業の簡素化が可能となる。しかも、第１蓋部材１９および第２蓋部材２１は、いずれも、ニッケルメッキを施した鋼材で形成されているので、単位電池Ｃ間の接触抵抗が低減される。これにより、充放電時のジュール熱による電池の発熱が抑制され、電池性能が向上する。例えば、本実施形態のように、単位電池Ｃをニッケル水素二次電池として構成した場合には、充放電サイクル寿命や充電効率などの性能が向上する。
【００４１】
また、本実施形態の単位電池Ｃには、電池電圧を監視するための電圧監視端子を設けているので、図５（ａ）に示すように、多数の単位電池Ｃを組み合わせて電池モジュールＢとして使用する場合に、単位電池Ｃごとの充電状態などを監視することが可能となり、不具合の起こった単位電池Ｃの発見が容易となる。さらに、この電圧監視端子は、充放電監視もしくは制御用の端子として用いることもできるので、電池モジュールＢを繰り返し充放電する間に発生する、単位電池Ｃ間の性能ばらつきを最小限に抑制するシステムの構築が容易となり、電池モジュールＢの性能向上に大きく寄与する。
【００４２】
次に、単位電池Ｃを用いて構成した電池モジュールＢの構造について説明する。本実施形態における電池モジュールＢの電池積層体１は、図１に示すように、単位電池Ｃと、後述する構造の放熱板３１とを積層したものである。単位電池Ｃは、隣接する単位電池Ｃの一方の第１蓋部材１９と、他方の第２蓋部材２１とが互いに対向する方向に積層されており、さらに、２つの単位電池Ｃに１つの割合で、放熱板３１が介在している。
【００４３】
図７は、図１のケーシング９に収容される、電池モジュールＢの主要部分であるモジュール本体４７を部分的に破断して示す斜視図である。なお、以下の説明において、電池積層体１の正極側（図７の手前側）を前側と呼び、負極側（図７の奥側）を後側と呼ぶ。電池積層体１の積層方向Ｘの両側面には、積層方向Ｘに沿って延びる一組の板状の部材として形成された側面板３が配置されて、電池積層体１の両側面を覆っている。両側面板３，３は、積層方向Ｘに直交する上下方向の各端部３ａ，３ｂが電池積層体１側にほぼ直角に折り曲げられて、浅いＵ字形の断面形状を有している。側面板３の、積層方向Ｘの前端部３ｃおよび後端部３ｄの各近傍には、それぞれ、板状の圧縮部材である圧縮板５が側面ボルト３２によって固定されており、前後の各圧縮板５，５によって、電池積層体１の積層方向Ｘの前面および後面が覆われている。また、電池積層体１の積層方向Ｘの上方および下方には、積層方向Ｘに沿って延びる板状部材である上面板３３および下面板３４がそれぞれ配置されている。上面板３３および下面板３４は、その左右の各端部がほぼ直角に折り曲げられて浅いＵ字形の断面形状を有しており、折り曲げられた両側部が、側面板３の上端部３ａおよび下端部３ｂにそれぞれ重なり合うように配置されている。この重合部分の数箇所をボルト連結することにより、上面板３３および下面板３４が側面板３に固定されている。
【００４４】
好ましくは、側面板３の外側を向く面のほぼ中央部には、側面板３の、主に前後方向である積層方向Ｘの歪みεを検出する歪み検出装置として、ストレインゲージＧが取り付けられている。ストレインゲージＧは、省略してもよいが、これを取り付けることにより、以下に詳述するように、締付ボルト７によって電池積層体１を積層方向Ｘに締め付ける力を適切に調整して、電池モジュールＢの気密をより確実に保持することが可能となる。
【００４５】
締付ボルト7で電池積層体１を積層方向Ｘに締め付ける力Ｆと、締付に伴う側面板３の積層方向Ｘの歪みεとの間には、図８の相関図に示すような関係があることが見出された。すなわち、締付力Ｆが増すにつれて、歪みεも増大する。ただし、側面板締付力Ｆが比較的小さい領域Ｒ１における歪みεは、主として電極体１５（図２）の圧縮に起因するものであり、圧縮された状態がほぼ維持される。しかしながら、締付力Ｆが一定値Ｆ１を超えた領域Ｒ２における歪みεは、電極体１５の圧縮に加えて、枠形部材１７の変形に起因しているので、絶縁性素材からなる枠形部材１７（図２）が塑性変形を起こすことにより、締付力Ｆがいったん目標値であるＦ２に達した後に緩みが発生する場合がある。
【００４６】
この締付力Ｆの緩みを、ストレインゲージＧを使用して歪みεの減少として検出することにより、必要に応じて締付ボルト７を増し締めして電池モジュールＢの気密性を確保することが可能となる。ストレインゲージＧには、ストレインゲージＧからの検出信号を受けて歪みεを歪み検出する検出回路Ｄが接続されている。歪み検出回路Ｄには、さらに、歪みεが所定の値に達したときに音または光によって警報を発する警報器Ｗが接続されており、例えばケーシング９の外面に取り付けられる。
【００４７】
なお、モジュール本体４７に取り付けるストレインゲージＧの数や取り付け位置は、図７に示した例に限らず、要求される歪みの検出精度に応じて適宜選択することができる。
【００４８】
図９は、図７のIX−IX線に沿った断面図である。図９に示すように、電池積層体１の最前部に位置する単位電池Ｃの第１蓋部材１９の前側には、正極側の集電部材となる第１集電板３５が、単位電池Ｃに重ね合わせて配置されている。さらにこの第１集電板３５の前側には、絶縁板３７および絶縁板保護板３９が、この順番で重ね合わせて配置されている。
【００４９】
圧縮板５は、側面板３および側面板３と電池積層体１との間に介在する側面絶縁板４１を挿通する複数の側面ボルト３２によって、側面板３の前端部に固定されている。圧縮板５のねじ孔５０，６０には、複数の締付部材である締付けボルト７が、前方から電池積層体１の積層方向Ｘに螺合して、圧縮板５を貫通している。締付けボルト７の先端が、絶縁板保護板３９に当接し、絶縁板保護板３９、絶縁板３７および第１集電板３５を介して電池積層体１を積層方向Ｘの後方に押し付けている。電池積層体１の後端部も、図９に示した前端部と同様の構造を有しており、電池積層体１の後端部が、締付けボルト７によって、絶縁板保護板３９、絶縁板３７および第２集電板（図示せず）を介して積層方向Ｘの前方に押し付けられている。すなわち、前後の各圧縮板５に支持された締付けボルト７によって、電池積層体１が積層方向Ｘの前後から締め付けられている。
【００５０】
なお、締付ボルト７として、図９に示した頭部を有するボルトの代わりに、頭部を有しない軸部のみからなるねじ部材、例えば、図１０Ａに示す、すりわりつき止めねじ７Ａや、図１０Ｂに示す六角穴つき止めねじ７Ｂを使用してもよい。このような頭部を有しないねじ部材を用いることにより、ねじ７Ａ，７Ｂの各頂面が圧縮板５の表面から突出しないように設定して、電池モジュールＢの積層方向寸法を小さくすることができる。
【００５１】
また、前後の各圧縮板５に支持されて、電池積層体１を積層方向Ｘに締め付けるための部材は、締付けボルト７のようなねじ部材に限られない。例えば、圧縮板５と絶縁板保護板３９との間にバネのような弾性部材を介在させてもよい。
【００５２】
絶縁板３７および絶縁板保護板３９の各中央部には、円形の開口３７ａ，３９ａが形成されており、この開口３７ａ，３９ａ内で、第１集電板３５のほぼ中央部のねじ孔４４に、電池モジュールＢの正極側端子として機能する正極端子ボルト４５が螺合されている。また、圧縮板５の中央部には、正極端子ボルト４５に接続する外部からの部材を通すための開口５ａが形成されている。
【００５３】
本実施形態において、絶縁板保護板３９と絶縁板３７とはほぼ同等の厚さを有しており、第１集電板３５はこれら絶縁板保護板３９および絶縁板３７の厚さの約４倍の厚さに設定している。したがって、電池積層体１の積層方向Ｘの圧力を、第１集電板３５が負担している。一方、絶縁板保護板３９は、締付けボルト７の先端圧から絶縁板３７を保護している。したがって、絶縁板保護板３９は、強度的に優れた材質であることが好ましい。
【００５４】
次に、本実施形態における、ケーシング９と電池積層体１との連結構造について説明する。ケーシング９は、電池積層体１および、電池積層体１の周囲に取付けられた側面板３や圧縮板５などの導電性部材からなるモジュール本体４７を、電池モジュールＢの外部から機械的、熱的、および電気的に保護するための部材である。したがって、ケーシング９を形成する素材は、機械的強度、耐熱性、および耐電解液性に優れる絶縁素材で形成されることが好ましく、本実施形態では、変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂を使用している。
【００５５】
図１１は、図９のXI―XI線に沿った断面図であり、ケーシング９のモジュール本体４７への取付構造を示している。圧縮板５には、図７で説明した頭部を有する締付けボルト７のほかに、ケーシング９を取付けるための部材である第１ケーシング取付ボルト５１がねじ孔６２に螺合して貫通している。この第１ケーシング取付ボルト５１は、ねじ溝が形成された軸部のみを有する金属製部材であり、一端が絶縁板保護板３９に当接し、他端に金属製のナット５３および絶縁素材からなるねじスリーブ５５が螺合している。ケーシング９の前面に形成したボルト挿通孔５７に、絶縁素材からなる第２ケーシング取付ボルト５９を挿通し、ねじスリーブ５５のねじ孔に、この第２ケーシング取付ボルト５９を螺合させることにより、ケーシング９がモジュール本体４７に取り付けられている。
【００５６】
なお、本実施形態に係る電池モジュールＢは、電池積層体１の内圧、すなわち各単位電池Ｃの内圧の総和が所定の値、例えば１Ｍｐａに達すると、電池内のガスを外部に排出する圧力調整機構７０を備えている。具体的には、図１２に示すように、各単位電池Ｃの枠形部材１７に設けられた各ガス排出口２３の二又の排出部２３ａのそれぞれが、隣接する単位電池Ｃのガス排出口２３の排出部２３ａの一方と、連通路を形成する可撓性のチューブ７１を介して順次接続されており、末端の単位電池Ｃの一方の排出部２３ａが、圧力監視用の圧力計Ｐおよび圧力調整弁７３に連通されている。先端の単位電池Ｃの一方の排出部２３ａは、盲栓によりにより閉塞する。これらガス排出口２３、可撓性の連通部材であるチューブ７１、圧力計Ｐおよび圧力調整弁７３が、電池モジュールＢの圧力調整機構７０を構成している。圧力調整弁７３としては、例えば、ポペット弁にスプリングを組み合わせたもののほか、一般に用いられている任意の機構を使用することができる。圧力調整弁は安全弁として動作する。なお、圧力計Ｐは省略してもよく、さらに、電池積層体１の内圧が所定の値に達する可能性が低い場合には、圧力調整機構７０を省略してもよい。
【００５７】
また、図９に示すように、放熱板３１は、積層方向Ｘに直交する方向に延びる、冷却用の空気を通すための複数の通風孔３１ａを有している。一方、図１３に示すように、電池モジュールＢのケーシング９の上部８３ａおよび底部８３ｂの内方には、冷媒となる空気Ａを流通させるための流入路９１および流出路９３が形成されており、上部８３ａの前端壁および後端壁に、それぞれ、強制冷却のための排気ファン９５が設置されている。各排気ファン９５の排気圧力によって底部８３ｂの前後の開口から流入路９１に導入された空気Ａは、上部８３ａの流出路９３を通って前後の排気ファン９５から外部に排出されるまでの途中で、図９の放熱板３１の通風孔３１ａに入り込み、放熱板３１を介して単位電池Ｃを冷却する。なお、図１３の排気ファン９５の代わりに、底部８３ｂの前端壁および後端壁に、外部からケーシング９内に空気を導入する吸気ファン（図示せず）を設けてもよい。
【００５８】
なお、本実施形態では、放熱板３１を、単位電池Ｃ２つに１つの割合で介在させているが、放熱板３１を介在させる位置や数は適宜変更してよい。また、冷媒としては、空気Ａの他に、一般的に用いられているもの、例えば油を使用してもよい。
【００５９】
電池モジュールＢにこのような冷却構造を設けることにより、単位電池Ｃのそれぞれを、簡単な構造によって効果的に冷却することができるので、電池性能、特に長期充放電サイクル性能が向上する。
【００６０】
上記実施形態に係る電池モジュールＢによれば、以下の効果が得られる。この電池モジュールＢにおいては、側面板３に固定された圧縮板５に支持されている締付けボルト７によって、電池積層体１に、積層方向Ｘの圧力を付加している。すなわち、電池積層体１の側面を覆って電池積層体１を機械的に保護する側面板３によって、電池積層体１の積層方向Ｘの圧力を確保している。したがって、電池積層体１の側面を保護する部材とは別に、電池積層体の積層方向Ｘの圧力を負担するボルトなどの部材を設ける必要がないので、電池モジュールＢが小型化、軽量化される。なお、側面板３の上部および下部をそれぞれ覆う上面板３３および下面板３４は、上述のように、側面板３のみに連結されて、側面板３が膨出するのを抑制している。
【００６１】
さらに、本実施形態においては、両側面板３は、積層方向Ｘに直交する上下方向の各端部３ａ，３ｂが電池積層体１側にほぼ直角に折り曲げられているので、電池積層体１を構成している状態での各単位電池Ｃの側面方向への膨出を抑制することができる。電池積層体１は、特に、組み立て時に締付けボルト７で積層方向Ｘに締め付けられる際に、各単位電池Ｃの内圧が上昇することにより、側面方向および上下方向に膨張する。しかしながら、本実施形態では、電池積層体１の上下方向の膨張が、側面板３の折り曲げられた端部３ａ，３ｂを介して側面板３に引張り力として作用するので、側面方向の膨張が効果的に抑制される。同様に、折り曲げられた端部を有する上面板３３および下面板３４によって、電池積層体１の上下方向の膨張が効果的に抑制される。
【００６２】
また、側面板３の上下両端部３ａ，３ｂをほぼ直角に折り曲げたことにより、側面板３の機械的強度が増すので、追加の補強部材を使用せずに、複数の電池モジュールＢを積み上げて設置することが可能となる。したがって、車両等への電池モジュールＢの設置が容易となる。端部を折り曲げた上面板３３および下面板３４を設けたことによっても、同様の効果が得られている。
【００６３】
また、圧縮部材に支持されて電池積層体１を積層方向Ｘに締め付ける部材を、圧縮板５を貫通するボルト孔に螺合する締付けボルト７として形成したので、電池モジュールＢの組立作業が容易になり、さらには、電池モジュールＢの組み立て後に、締付けボルト７の締め付け度合いを調節するという簡易な作業によって、電池積層体１の積層方向Ｘにかかる圧力を精度よく調整することが可能となる。電池積層体１の積層方向Ｘにかかる圧力の値は、各単位電池Ｃの性能、および電池モジュールＢの性能に影響を与える重要な要素であるので、これを容易にかつ正確に調整することが可能であれば、電池モジュールＢの品質を高精度に管理することができる。
【００６４】
また、本実施形態に係る電池モジュールＢにおいては、電池積層体１の積層方向Ｘの両端部である、最前部に位置する単位電池Ｃの第１蓋部材１９、および最後部に位置する単位電池Ｃの第２蓋部材２１に、第１集電板３５および第２集電板３５をそれぞれ重ね合わせて配置し、この第１および第２集電板３５を締付けボルト７によって電池積層体１に圧接させているので、単位電池Ｃと各集電板３５との接触面積を大きく取ることができ、接触抵抗が小さくなる。したがって電池モジュールＢの内部抵抗が低減され、電池の効率の向上が期待できる。さらには、単位電池Ｃにおける面圧により、電解液の漏れを防止する効果が期待できる。
【００６５】
さらに、この電池モジュールＢでは、絶縁素材で形成された箱形のケーシング９で、電池積層体１、側面板３、圧縮板５、締付けボルト７などの導電性部材で構成されるモジュール本体４７を覆っているので、簡易な構造で、モジュール本体４７を外部から電気的に保護することができる。ケーシング９は、電池積層体１に積層方向Ｘに圧力を付加するための圧縮板５および第１ケーシング取り付けボルトを利用して、絶縁素材からなる第２ケーシング取付ボルトを介して、本体に取り付けることができるので、ケーシングを取り付けるための追加の部材を最小限に抑えることができ、電池モジュールＢの小型化および軽量化が可能となる。
【００６６】
また、本実施形態のように、圧力調整機構７０を設けた場合には、電池積層体１の内圧を所定の値以下に維持することが可能となり、単位電池Ｃの膨張をより確実に抑制することができる。また、本実施形態においては、二又の排出部２３ａ，２３ａを有するガス排出口２３を設け、近接する各排出部２３ａ同士をチューブ７１によって接続しているので、圧力計Ｐおよび圧力調整弁７３がそれぞれ１つで済む。
【００６７】
なお、本実施形態においては、単位電池Ｃをニッケル水素二次電池として構成したが、本発明は、これに限らず、各種一次電池および二次電池、例えば、ニッケルカドミウム電池やリチウムイオン電池などに適用することが可能である。さらには、本発明の耐圧構造を、電気二重層キャパシタをはじめとして、各種タイプのコンデンサに応用することも可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１  電池積層体
３  側面板（側面補強部材）
５  圧縮板
７  締付けボルト（締付部材）
１１  セパレータ
１２  正極板
１３  負極板
１５  電極体
１７  枠形部材
１９  第１蓋部材
１９ａ  第１蓋部材の本体部
１９ｂ  第１蓋部材の側部
２１  第２蓋部材
２１ａ  第２蓋部材の本体部
２１ｂ  第２蓋部材の側部
Ｂ  電池モジュール
Ｃ  単位電池
Ｘ  電池モジュールにおける電池積層体の積層方向
Ｙ  単位電池における電極体の積層方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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