(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
安全弁が設けられた１個又は複数個の電池と、ガス吸収装置とを備え、前記ガス吸収装置は、カートリッジ容器と、該カートリッジ容器に形成され、前記安全弁に接続された弁を有するガス導入部と、前記ガス導入部とは異なる部位に設けられたガス排出部とガス吸収材とをそれぞれ備え、前記ガス吸収装置は内部の圧力が電池内部の圧力よりも低く設定されていることを特徴とする二次電池システム。
【請求項２】
前記ガス吸収装置は内部に不活性ガスが封入されていることを特徴とする請求項１記載の二次電池システム。
【請求項３】
前記ガス吸収装置は、前記ガス排出部にガス回収袋を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の二次電池システム。
【請求項４】
複数個の電池を備え、各電池の安全弁が１つの集積配管に接続された請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池システム。
【請求項５】
前記ガス吸収材は、活性炭又は分子化合物を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二次電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異常時に内部で発生するガスの噴出を防止する機能を備えた二次電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、過充電や短絡等の異常時に内部の温度が上昇し、大量のガスが発生して圧力も上昇する。そのため、二次電池の容器は安全弁を備え、所定の圧力を超えた場合に安全弁を通じて電解液から生成されるガスを安全に排出する。一方、電池内部から放出されるガスは可燃性のものや人体に有毒なものが大量に含まれているため、そのままの形で外部環境へ排出させない仕組みが必要となる。
【０００３】
特許文献１は、二次電池のガス放出弁から放出される可燃性ガスを体積変化可能な保存容器内に導入することで、大気中の酸素から隔離し、可燃性ガスの発火を防止するシステムを開示している。特許文献２は、電気二重層キャパシタに関するものではあるが、（電気二重層キャパシタの）容器内で発生したガスを外部に放出するためのいくつかの技術的手段を開示している。その他、多数の細孔を備えるガス吸収材を封入したガス吸収装置等が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２０８２号公報
【特許文献２】特開２００６−２６１１９６号公報
【特許文献３】実開５−３４６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二次電池の安全弁とガス吸収装置のガス導入部に設けられる弁との間は気密性を保持した状態で接続されている。ガス吸収装置は安全のためガス排出部に圧力開放弁を有するが作動弁圧以下の状態では閉じている。そのため、二次電池内部で発生しガス吸収装置内に導入されたガスのうち所定のものは、一定量までは、ガス吸収材と接触することで、ガス吸収材の多数の細孔中に捕捉される。ガス吸収材は二次電池の種類や容量等に基づいて、想定されるガスの発生量を吸収できる必要量を充填されている。
【０００６】
しかし、ガスの移動は二次電池内部とガス吸収装置内部との圧力差によって生じるため、圧力開放弁が閉じていると圧力差が小さくなるにつれてガスの移動速度が低下し、ガスが密閉空間内に滞留しやすくなる。その結果、ガス吸収材の吸収能力が飽和に達していなくてもガス吸収材との接触機会が失われることでガス吸収効率が急速に低下してくる。
【０００７】
その場合でも、二次電池からのガスの発生量が続くことで時間の経過と共にガス吸収装置の内圧が高まり、所定の作動弁圧に達するとガス吸収装置の圧力開放弁が開く結果、滞留が解消して一部のガスは吸収されることになる。しかし、ガス吸収装置によって吸収しきれない可燃性ガスや有毒ガス等、有害なガスも同時に圧力開放弁から排出される可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ガス発生量の多少によらず、有害なガスが外部環境に排出されることを防止することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る二次電池システムは、安全弁が設けられた１個又は複数個の電池と、ガス吸収装置とを備え、前記ガス吸収装置は、カートリッジ容器と、該カートリッジ容器に形成され、前記安全弁に接続された弁を有するガス導入部と、前記ガス導入部とは異なる部位に設けられたガス排出部とガス吸収材とをそれぞれ備え、前記ガス吸収装置は内部の圧力が電池内部の圧力よりも低く設定されている（陰圧である）ことを特徴とする。
【００１０】
この構成によると、二次電池の異常時にガスが発生した場合に、安全弁から排出されたガスがガス導入部を介してガス吸収装置側に吸い込まれるため、ガス発生初期のガス導入効率が改善される。また、ガス吸収装置の内部を減圧下におくことでガス吸収材の細孔内に含まれる空気が減少し、ガス吸収材の酸化や安全弁から排出されたガスの酸化によるガス吸収効率の低下が抑えられる。そのため、ガスの発生量が少ない場合はガス排出部の圧力開放弁を閉じた状態で二次電池の安全弁から排出された全てのガスをガス吸収装置内にとどめることができる。ガス吸収装置の内圧が高まり、圧力開放弁が開放した場合には、ガス吸収装置が可燃性ガスや有毒ガス等を除害して圧力開放弁から安全なガスを排出する。
【００１１】
前記ガス吸収装置は内部に不活性ガス又は酸素を含まないガスが封入されていることが好ましい。ガス吸収材の内部を減圧しすぎると差圧によって二次電池の圧力弁やガス吸収装置側の弁が作動しやすくなるため、高真空よりもむしろ少量のガスが封入されていることが好ましいためである。不活性ガスが好ましい理由は酸素が含まれていないからである。従って、酸素を除去したガスであれば、不活性ガスに限られない。酸素を含まないガスが好ましい理由の１つとして、安全弁から排出されたガスは、酸素と反応しやすく、ガス吸収装置内の酸素と反応して変質すると、ガス吸収材が当初予定していた吸収対象のガスが異なってしまい、ガスの吸収効率が低下してしまうことが挙げられる。
【００１２】
前記ガス吸収装置は、前記ガス排出部にガス回収袋を備えていてもよい。ガス回収袋を備えていると、ガス吸収装置の圧力開放弁が開いた場合でも、有害なガスを外部環境から隔離することができる。
【００１３】
本発明に係る二次電池システムは複数個の電池からなる電池モジュールにも適用できる。すなわち、複数個の電池を備え、各電池の安全弁が１つの集積配管に接続されていてもよい。
【００１４】
本発明に係る二次電池システムのガス吸収材は、活性炭又は分子化合物を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガス吸収装置内部の圧力を電池内部の圧力よりも低く設定していることにより、電池内部で発生したガスがガス吸収装置の内部に流入しやすくなると共に、ガス吸収材の吸収効率を向上させることができる。ガス吸収装置の圧力開放弁にガス回収袋を接続すると、有害なガスを外部環境から隔離することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態の二次電池システム
【図２】第１の実施形態の二次電池システムのカートリッジの内部構造
【図３】第２の実施形態のカートリッジ
【図４】第２の実施形態のカートリッジ
【図５】第２の実施形態のカートリッジに取り付けられるガス回収袋の取付手段の構成例、（ａ）嵌め込み式、（ｂ）螺着式
【図６】第２の実施形態のカートリッジに取り付けられるガス回収袋の取付手段の他の構成例、（ｃ）スライド式、（ｄ）接着式
【図７】第３の実施形態の二次電池システム
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一又は同種の機能を発揮する構成部分については同じ符号を用いて説明を省略する場合がある。また、各実施形態はいずれも例示であり、本発明について限定的な解釈を与えるものではない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の二次電池システムの構成を示している。矢印は、二次電池１１の内部から排出されるガスの流通方向を示す。図１に示すように、二次電池システム２１は、二次電池１１と、ガス吸収装置としてのカートリッジ１２とを備える。
【００１８】
カートリッジ１２は、カートリッジ容器１２ａの底部にガス導入部としての第１のカートリッジ弁１２ｂを、上部にガス排出部としての第２のカートリッジ弁１２ｃを有する。これらの弁は、いずれも所定の圧力で開く圧力弁である。
【００１９】
ガスをカートリッジ内に長時間滞留させるため、第２のカートリッジ弁１２ｃの開放圧力（作動弁圧）は、ガス導入部としての第１のカートリッジ弁のそれよりも高いことが好ましい。
【００２０】
図２は、カートリッジ１２の内部構造を説明するための断面図である。カートリッジ容器１２ａの内部にはガス吸収材１３が設けられている。二次電池１１の安全弁４と第１のカートリッジ弁１２ｂとは、外部に液体や気体が漏出しないように気密性を保持した状態で取付部材３ａ、１２ｅ（図１）によって接続されている。
【００２１】
安全弁４から排出されたガスは、第１のカートリッジ弁１２ｂからカートリッジ１２内に流入し、ガス吸収材１３を通過することで所定のガス成分が除去された後、作動弁圧を超えると第２のカートリッジ弁１２ｃから流出する。
【００２２】
カートリッジ容器１２ａの内圧は二次電池１１の内圧よりも低く設定され、すなわち陰圧である。こうすることでカートリッジ内にガスが流入しやすくなる。ただし、あまり減圧しすぎると二次電池１１の安全弁４と第１のカートリッジ弁１２ａを共有する構造の場合、電池内部との圧力差によって誤作動する恐れがあるため、安全弁を共有する第１のカートリッジ弁の作動弁圧は予めカートリッジの減圧分を考慮して二次電池１１の安全弁４の作動圧分（通常５〜１０気圧程度）より高く設定しておくこと好ましい。
【００２３】
カートリッジ内には、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガス２６を封入しておくことが好ましい。ガス吸収材１３は一般に微細な空孔を多数備えた比表面積の大きい材質、例えば活性炭や有機系材料や無機多孔質材料を含む分子化合物等が用いられる。これらの材料の中には空気中の酸素によって酸化されやすいものもあり、それらは変質して吸収効率の低下を招く恐れがある。そこで、カートリッジ内に不活性ガス或いは非酸化性ガスを封入しておくことで、ガス吸収材１３が空気中の酸素等により酸化されにくくなる。その結果、ガス吸収材の変質が抑えられ、吸収効率が向上する。
【００２４】
ガス吸収材１３の具体例としては、有機系材料や無機系多孔質材料を含む分子化合物を用いることが好ましく、また、複数の材料を混合して用いてもよい。複数の分子化合物の組合せにより電解液や種々のガスを効率よく吸収することができるからである。
【００２５】
分子化合物とは、１つの化合物の結晶の三次元網目構造の中にできる隙間に、他の化合物が入りこんでできる一種の付加化合物であり、単独で安定に存在することのできる化合物の２種類以上の化合物が水素結合やファンデルワールス力等に代表される、共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物である。具体的には、水和物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物等が含まれる。このような分子化合物は、分子化合物を形成する化合物と電解液との接触反応により形成することができ、電解液を分子化合物の中に固定化することができる。
【００２６】
分子化合物を形成する材料としては、化合物と電解液との接触反応により、電解液をホスト化合物で包接してなる包接化合物が挙げられる。分子化合物を形成する材料のうち、電解液を包接した包接化合物を形成するホスト化合物としては、有機化合物、無機化合物及び有機・無機複合化合物よりなるものが知られており、また、有機化合物においては単分子系、多分子系、高分子系ホスト等が知られている。
【００２７】
分子化合物は、ガスとの接触効率や容器等に充填した場合の充填効率等を考慮すると、平均粒子径１０〜５０００［μｍ］、特に２００〜３００［μｍ］であるものが好ましく、その比表面積３０［ｍ２／ｇ］以上、特に２００［ｍ２／ｇ］以上であるものが好ましい。
【００２８】
ガス吸収材１３に用いることができる分子化合物としては、例えば、α−シクロデキストリン、β−シクロデキストリン、γ−シクロデキストリン等のシクロデキストリン類、カリックスアレン類、尿素、デオキシコール酸、コール酸、１，１，６，６−テトラフェニルヘキサ−２，４−ジイン−１，６−ジオール等のアセチレンアルコール類、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサン等のビスフェノール類、１，１，２，２−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）エタン等のテトラキスフェノール類、ビス−β−ナフトール等のナフトール類、ジフェン酸ビス（ジシクロヘキシルアミド）等のカルボン酸アミド類、２，５−ジ−ｔ−ブチルヒドロキノン等のヒドロキノン類、キチン、キトサン、多孔質シリカ、金属ポーラス構造体、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム、活性アルミナ、アパタイト、多孔質ガラス、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸アルミニウム、多孔質有機金属化合物、カーボンブラック、ナノカーボン、ゼオライト、酸化チタン、酸化マグネシウム等が好適である。ただし、ガス吸収材１３は主に吸収対象であるガスや電解液に応じて選択することが好ましい。
【００２９】
（第２の実施形態）
図３及び図４は、第２の実施形態のカートリッジを示している。カートリッジ５２は、カートリッジ容器５２ａの底部に第１のカートリッジ弁５２ｂを、上部に第２のカートリッジ弁５２ｃを、カートリッジ容器５２ａの内部にガス吸収材１３を有する。第１のカートリッジ弁５２ｂは、外部に液体や気体が漏出しないように気密性を保持した状態で図示しない取付部材によって二次電池の安全弁に接続されている。
【００３０】
本実施形態では、カートリッジのガス排出部側である第２のカートリッジ弁５２ｃの外側にガス回収袋２７が取り付けられる。図３はガス回収袋が折りたたまれた状態、図４はガス回収袋内にガスが流入し袋が開いた状態をそれぞれ示している。
【００３１】
二次電池の安全弁から排出されたガスは、第１のカートリッジ弁５２ｂからカートリッジ５２内に流入し、ガス吸収材１３を通過することで所定のガスが除去された後、第２のカートリッジ弁５２ｃから流出して、図４に示すようにガス回収袋２７で回収される。
【００３２】
ガス回収袋２７の材質及び構造は特に限定されないが、回収対象のガスや電解液に対する耐性、耐熱性、耐圧性等を考慮して選択することが好ましい。ガス回収袋２７の材質としては、具体的に、ＰＥＴ樹脂、ＰＶＦ（フッ化ビニル）樹脂，ナイロン等を用いることが好ましい。ガス回収袋２７の構造としては、体積変化が可能な容器であることが好ましい。具体的には、風船式、蛇腹式等が挙げられる。ガス回収袋２７のガス導入部とガス吸収装置のガス排出部に設けられる第２のカートリッジ弁５２ｃとの接続は、嵌め込み式、螺着式、スライド式、接着式（接着剤や溶剤による溶接）等の気密性を保持できる取付手段が好ましい。ガス回収袋２７は、破裂を防止するためそれ自体に弁を備えていてもよい。また、接続箇所には気密性を保つためにＯリングを使用することもできる。Ｏリングは回収対象のガスや電解液に対する耐性、耐熱性、耐圧性等を考慮して選択することが好ましい。Ｏリングの材質としては、ＮＢＲ（ニトリル）、ＳＢＲ（スチレンブタジエン）、バイトン、シリコン等が挙げられる。
【００３３】
図５（ａ）乃至図５（ｂ）及び図６（ｃ）乃至図６（ｄ）は、いずれも第２の実施形態のカートリッジ容器５２ａに取り付けられるガス回収袋２７の取付手段の構成例を示している。
【００３４】
図５（ａ）は、嵌め込み式の例であり、カートリッジ容器５２ａのガス排出部である第２のカートリッジ弁５２ｃの外側に、内外を連通する貫通孔６０を有する。この貫通孔６０の内部には図のように係止凹部６１が設けられており、他方、ガス回収袋２７のガス導入部７０の先端には係止凹部６１に嵌合する係止凸部７１が設けられている。また、気密性を高めるため貫通孔６０の周囲にＯリング６５が設けられている。
【００３５】
図５（ｂ）は螺着式の例であり、貫通孔６０の内部には図のようにねじ溝６２が設けられており、他方、ガス回収袋２７のガス導入部７０の外周部にはねじ溝６２に螺合するねじ山７２が設けられている。
【００３６】
図６（ｃ）は、スライド式の例であり、Ｏリング６５の外側に図のように第１の係止部材６３が設けられおり、他方、ガス回収袋のガス導入部７０の先端には、第１の係止部材６３にスライドしながら嵌合する第２の係止部材７３が設けられている。
【００３７】
図６（ｄ）は、接着式の例であり、貫通孔６０とこれに嵌合するガス導入部７０が接着剤８０で固定されている。接着剤に代えて、溶接等既知の接合手段で代替してもよい。
【００３８】
以上のような取付手段によればガス回収袋の着脱乃至取り付けが容易となる。
【００３９】
本実施形態に示すカートリッジを第１の実施形態のガス吸収装置に適用することにより、可燃性ガスや一酸化炭素等の有害なガスが外部環境に排出されることを確実に防止する効果が期待される。
【００４０】
（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態で示した二次電池システムは、二次電池を複数並べて用いる電池モジュールに適用してもよい。
【００４１】
図７は、第３の実施形態の二次電池システムの構成を示している。個々の二次電池は図１に示すものと同様である。図７に示すように、二次電池システム３１は、複数の二次電池１１を並置してなる電池モジュール２３と、少なくとも１つのガス吸収装置３２と、少なくとも１つの集積配管２４とを備える。ガス吸収装置は図２に示すカートリッジ１２と同様に内圧が各二次電池の内圧よりも低く設定されている。ガス吸収装置３２は集中配管によって任意の場所に設置できる。
【００４２】
集積配管２４は、二次電池１１の安全弁の数と同数の分配部２４ａと、その複数の分配部を１つに集積する本体部２４ｂとを有する。集積配管２４の一端２４は各二次電池１１の安全弁４にそれぞれ接続され、他端はガス吸収装置３２に接続される。
【００４３】
第３の実施形態の二次電池システムは、複数の二次電池から排出されたガスを集中配管２４によってまとめてガス吸収装置３２によって吸収することができる。このような構成によると、高温の電解液が集中配管を通過する際に冷却され、ガスの体積が減少する利点もある。そのため、第３の実施形態によれば吸収効率が一層向上する。
【符号の説明】
【００４４】
４  安全弁
１１  二次電池
１２、５２  カートリッジ
１２ａ、５２ａ  カートリッジ容器
１２ｂ、５２ｂ  第１のカートリッジ弁
１２ｃ、５２ｃ  第２のカートリッジ弁
１３  吸収材
２１、３１  二次電池システム
２３  電池モジュール
２４  集積配管
２６  不活性ガス
２７  ガス回収袋
３２  ガス吸収装置
６０  貫通孔
６１  係止凹部
６２  ねじ溝
６３  第１の係止部材
６５  Ｏリング
７０  ガス導入部
７１  係止凸部
７２  ねじ山
７３  第２の係止部材
８０  接着剤
【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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