(57)【要約】【課題】隔壁ユニットを配列して筐体を構成した場合であっても、隔壁の板厚を増加させることなく内圧の上昇に耐えることが可能な電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュール１は、電極板を積層した積層体セル６と樹脂製の隔壁５とを組み合わせた隔壁ユニット７を配列してなる単位モジュール２の配列体３と、配列体３に対し、単位モジュール２の配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材４と、を備え、単位モジュール２は、隣接する隔壁ユニット７の隔壁５，５同士が互いに融着されてなる筐体８を有し、拘束部材４による単位モジュール２への拘束圧は、使用時における単位モジュール２の最大内圧以上に設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極板を積層した積層体セルと樹脂製の隔壁とを組み合わせた隔壁ユニットを配列してなる単位モジュールの配列体と、
前記配列体に対し、前記単位モジュールの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、
前記単位モジュールは、隣接する隔壁ユニットの隔壁同士が互いに融着されてなる筐体を有し、
前記拘束部材による前記単位モジュールへの拘束圧は、使用時における前記単位モジュールの最大内圧以上に設定されている、電池モジュール。
【請求項２】
使用時の最高温度における前記単位モジュールの内圧が、前記単位モジュールの最大内圧として設定されている、請求項１記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記単位モジュールの内圧が予め定められた閾値以上となった場合に、前記筐体の内部空間を外部に開放する開放弁を更に有し、
前記開放弁の閾値が、前記単位モジュールの最大内圧として設定されている、請求項１記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記単位モジュールは、ニッケル水素電池である、請求項１〜３のいずれか一項記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電池モジュールとして、例えば特許文献１に記載の組電池がある。この従来の組電池は、複数の電池を配列してなり、電池の配列体を一対のエンドプレートによって配列方向に拘束することによって構成されている。この組電池では、電池の筐体は、樹脂からなり、エンドプレートによる拘束荷重は、電池の個数及び圧縮率と、筐体の剛性とに基づいて、筐体が不可逆変形をしないように決定された閾値以下に設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３１３０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の電池モジュールでは、筐体内に複数の隔壁が一定の間隔で設けられており、隔壁で仕切られた空間内に電極板群と電解液とがそれぞれ配置されている。しかしながら、予め筐体内に隔壁を設けた構成では、電極板群を空間内に収容する際の作業性を確保する観点から、電極板群の厚さに対して隔壁間の間隔を十分に確保する必要があり、筐体の小型化が課題となっていた。
【０００５】
このような課題に対し、隔壁と電極板群とを組み合わせた隔壁ユニットを用いることが検討されている。かかる隔壁ユニットを配列し、隔壁の周縁部同士を溶着によって互いに結合することにより、隔壁間の間隔が抑えられた小型の筐体を得ることが可能となる。
【０００６】
一方、隔壁ユニットを用いて電池モジュールの筐体を構成する場合、エンドプレートによる拘束荷重の設定が問題となる。例えば従来の電池モジュールでは、一般に、使用時の最大内圧よりも低い値に安全弁の作動圧が設定されているが、筐体自体の耐圧は、最大内圧よりも高い値に設定されており、十分な板厚で筐体を構成する必要があった。これに対し、隔壁ユニットを配列して筐体を構成する場合、隔壁同士の溶着を行っている関係上、隔壁の板厚を抑える必要があり、筐体自体の耐圧を高めることが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、隔壁ユニットを配列して筐体を構成した場合であっても、隔壁の板厚を増加させることなく内圧の上昇に耐えることが可能な電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面に係る電池モジュールは、電極板を積層した積層体セルと隔壁とを組み合わせた隔壁ユニットを配列してなる単位モジュールの配列体と、配列体に対し、単位モジュールの配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材と、を備え、単位モジュールは、隣接する隔壁ユニットの隔壁同士が互いに融着されてなる筐体を有し、拘束部材による単位モジュールへの拘束圧は、使用時における単位モジュールの最大内圧以上に設定されている。
【０００９】
この電池モジュールでは、拘束部材による単位モジュールへの拘束荷重が、使用時における単位モジュールの最大内圧以上に設定されている。これにより、単位モジュールの筐体が隔壁ユニットの隔壁同士を融着してなる場合であっても溶着部の破損などを抑制でき、隔壁の板厚を増加させることなく単位モジュールの内圧の上昇に耐えることが可能となる。
【００１０】
また、使用時の最高温度における単位モジュールの内圧が、単位モジュールの最大内圧として設定されていてもよい。使用時の最高温度における内圧以上に拘束圧を設定することで、単位モジュールの内圧の上昇に一層確実に耐えることが可能となる。
【００１１】
また、単位モジュールの内圧が予め定められた閾値以上となった場合に、筐体の内部空間を外部に開放する開放弁を更に有し、開放弁の閾値が、単位モジュールの最大内圧として設定されていてもよい。開放弁が作動する圧力以上に拘束圧を設定することで、単位モジュールの内圧の上昇に一層確実に耐えることが可能となる。
【００１２】
また、単位モジュールは、ニッケル水素電池であってもよい。ニッケル水素電池では、水素発生による単位モジュールの内圧の上昇が生じ易い。したがって、上記構成を適用することで、単位モジュールの内圧の上昇に好適に耐えることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、隔壁ユニットを配列して筐体を構成した場合であっても、隔壁の板厚を増加させることなく内圧の上昇に耐えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電池モジュールの一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】電池モジュールを構成する単位モジュールを示す斜視図である。
【図３】図２に示した単位モジュールの要部拡大断面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は、単位モジュールを構成する隔壁ユニットの構成を示す図である。
【図５】（ａ）は、積層体セルを構成する正極の一例を示す図であり、（ｂ）は、積層体セルを構成する負極の一例を示す図である。
【図６】拘束圧の設定方法の一例を示す図である。
【図７】開放弁を備えた単位モジュールの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る電池モジュールの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、電池モジュールの一実施形態を示す概略断面図である。電池モジュール１は、例えば自動車などの車両のバッテリーとして用いられるニッケル水素充電池をモジュール化したものである。同図に示すように、電池モジュール１は、複数の単位モジュール２を配列してなる配列体３と、配列体３に対し、単位モジュール２の配列方向に拘束荷重を付加する拘束部材４とを備えて構成されている。
【００１７】
単位モジュール２は、図２及び図３に示すように、一つの隔壁５に一つの積層体セル６を組み合わせてなる隔壁ユニット７を複数配列し、且つ互いに結合することによって構成されている。隔壁ユニット７，７同士の結合により、単位モジュール２の筐体８は、全体として隔壁ユニット７の配列方向について扁平な略直方体形状をなし、隔壁５によって仕切られた内部空間Ｓ（図３参照）を有している。
【００１８】
筐体８（筐体８を構成する隔壁５）は、例えば樹脂によって形成されている。樹脂材料としては、例えばＰＰ、ＰＰＳ、又は変性ＰＰＥなどが挙げられる。筐体８の各内部空間Ｓには、積層体セル６と電解液とがそれぞれ配置される。電解液としては、例えば濃水酸化カリウム水溶液などのアルカリ溶液が挙げられる。
【００１９】
隔壁ユニット７は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、第１の隔壁ユニット７Ａと、第２の隔壁ユニット７Ｂとを有している。第１の隔壁ユニット７Ａを構成する隔壁５Ａは、図４（ａ）に示すように、平面視において横長の長方形状をなしている。隔壁５Ａの一方面側において、高さ方向の底縁部と幅方向の両縁部とには、肉厚の枠部９が設けられている。
【００２０】
隔壁５Ａ内には、金属によって形成された集電板１０がインサート成形によって設けられている。集電板１０は、隔壁５Ａの幅方向の一方側と他方側とに互いに離間してそれぞれ設けられている。隔壁５Ａでは、幅方向の一方側と他方側とに当該幅方向に延びる窓部１１，１１が互いに離間して形成されている。隔壁５Ａ内の集電板１０の一部は、窓部１１から露出する露出部分１２となっている。窓部１１の幅は、集電板１０の幅と等幅若しくは僅かに小さい幅となっている。また、集電板１０の一縁部は、隔壁５Ａの上縁部から突出する突出部分１０ａとなっている。
【００２１】
第２の隔壁ユニット７Ｂを構成する隔壁５Ｂは、図４（ｂ）に示すように、平面視において隔壁５Ａと同寸法の横長の長方形状をなしている。隔壁５Ａの一方面側において、高さ方向の底縁部と幅方向の両縁部とには、肉厚の枠部９が設けられている。
【００２２】
隔壁５Ｂ内には、隔壁５Ａと同様に、金属によって形成された集電板１０がインサート成形によって設けられている。集電板１０は、隔壁５Ｂの幅方向の一方側と他方側とに互いに離間してそれぞれ設けられている。隔壁５Ｂにおいても、幅方向の一方側と他方側とに当該幅方向に延びる窓部１１，１１が互いに離間して形成されている。隔壁５Ｂ内の集電板１０の一部は、窓部１１から露出する露出部分１２となっている。窓部１１の幅は、集電板１０の幅と等幅若しくは僅かに小さい幅となっている。また、集電板１０の一縁部は、隔壁５Ｂの上縁部から突出する突出部分１０ａとなっている。
【００２３】
積層体セル６は、正極２１と、負極２２と、正極２１と負極２２との間に配置されたセパレータ（不図示）とによって構成されている。正極２１は、図５（ａ）に示すように、例えばニッケルからなる横長の長方形状の金属箔２１ａと、金属箔２１ａの一面側に形成された正極活物質層２１ｂとを有している。正極活物質層２１ｂ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。正極活物質層２１ｂは、金属箔２１ａの両面に形成されていてもよい。正極２１における一方の長辺の一方側には、他の積層体セル６との電気的な接続に用いられる正極タブ２１ｃが設けられている。正極タブ２１ｃは、金属箔２１ａのうち、正極活物質層２１ｂが塗工されていない未塗工領域によって横長の長方形状に形成されている。
【００２４】
負極２２は、図５（ｂ）に示すように、例えばニッケルからなる横長の長方形状の金属箔２２ａと、金属箔２２ａの一面側に形成された負極活物質層２２ｂとを有している。負極活物質層２２ｂは、金属箔２２ａの両面に形成されていてもよい。負極活物質層２２ｂ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。負極２２における一方の長辺の他方側には、他の積層体セル６との電気的な接続に用いられる負極タブ２２ｃが設けられている。負極タブ２２ｃは、金属箔２２ａのうち、負極活物質層が塗工されていない未塗工領域によって横長の長方形状に形成されている。
【００２５】
セパレータは、例えば袋状に形成されている。セパレータの形成材料としては、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。なお、セパレータは、袋状に限られず、シート状のものを用いてもよい。
【００２６】
本実施形態では、正極タブ２１ｃが露出するように袋状のセパレータに正極２１が内包され、この正極２１を内包したセパレータ付き正極と負極２２とが交互に積層された積層体によって積層体セル６が形成されている。積層にあたっては、全ての正極タブ２１ｃ及び全ての負極タブ２２ｃの向きが揃うように積層される。これにより、積層体セル６では、積層方向に交差する一端面において、正極タブ群２３及び負極タブ群２４が幅方向に互いに離間して配置される（図４（ａ）及び図４（ｂ）参照）。
【００２７】
この積層体セル６は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、セパレータ付き正極と負極２２との積層方向と隔壁５の厚さ方向とが一致するようにして、隔壁５の一方面側に配置され、上述した隔壁ユニット７を構成する。積層体セル６において、積層方向と交差する端面は、正極タブ群２３及び負極タブ群２４が配置された端面を除いて隔壁ユニット７の枠部９に突き当てられ、隔壁５に対する位置決めがなされている。
【００２８】
第１の隔壁ユニット７Ａでは、正極タブ群２３が隔壁５Ａの幅方向の一方側に位置し、負極タブ群２４が隔壁５Ａの幅方向の他方側に位置するように、積層体セル６が隔壁５Ａに対して配置されている。一方、第２の隔壁ユニット７Ｂでは、正極タブ群２３及び負極タブ群２４の位置が反転し、正極タブ群２３が隔壁５Ｂの幅方向の他方側に位置し、負極タブ群２４が隔壁５Ｂの幅方向の一方側に位置するように、積層体セル６が隔壁５Ｂに対して配置されている。
【００２９】
この状態において、第１の隔壁ユニット７Ａでは、図４（ａ）に示すように、平面視において、積層体セル６の正極タブ群２３が一方側の窓部１１から露出する集電板１０の露出部分１２に重なると共に、負極タブ群２４が他方側の窓部１１から露出する集電板１０の露出部分１２に重なっている。また、第２の隔壁ユニット７Ｂでは、図４（ｂ）に示すように、平面視において、積層体セル６の負極タブ群２４が一方側の窓部１１から露出する集電板１０の露出部分１２に重なると共に、正極タブ群２３が他方側の窓部１１から露出する集電板１０の露出部分１２に重なっている。正極タブ群２３及び負極タブ群２４は、例えば溶接によって集電板１０の露出部分１２にそれぞれ接合されている。溶接としては、例えば抵抗シーム溶接、レーザによる貫通溶接などが用いられる。
【００３０】
第１の隔壁ユニット７Ａ及び第２の隔壁ユニット７Ｂは、図３に示すように、積層体セル６の積層方向に交互に積層されている。本実施形態では、一の隔壁ユニット７において、積層体セル６の正極タブ群２３は、集電板１０の突出部分１０ａ，１０ａ同士を接続部材２５で接続することにより、隣り合う一方の隔壁ユニット７における積層体セル６の負極タブ群２４と接続されている。また、一の隔壁ユニット７において、積層体セル６の負極タブ群２４は、集電板１０の突出部分１０ａ，１０ａ同士を接続部材２５で接続することにより、隣り合う他方の隔壁ユニット７における積層体セル６の正極タブ群２３と接続されている。これにより、単位モジュール２では、各積層体セル６が電気的に直列に接続された状態となっている。
【００３１】
また、隣り合う隔壁ユニット７，７は、隔壁５，５同士の溶着によって結合されている。本実施形態では、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、隔壁５Ａ及び隔壁５Ｂの全ての縁部にわたって溶着部Ｗが形成されている。溶着としては、例えば熱可塑性樹脂による超音波溶着、熱溶着フィルムを用いた溶着などが用いられる。
【００３２】
拘束部材４は、図１に示すように、配列体３を配列方向に挟む一対のエンドプレート３１，３１と、エンドプレート３１，３１同士を連結する拘束ボルト３２及びナット３３とによって構成されている。エンドプレート３１は、例えば金属製の板状部材であり、配列方向から見た配列体３の平面形状よりも一回り大きい平面形状を有している。エンドプレート３１の四隅には、拘束ボルト３２の軸部を挿通させる挿通孔（不図示）が設けられている。
【００３３】
拘束ボルト３２は、例えば一方のエンドプレート３１側から他方のエンドプレート３１側に向かって挿通孔に通されている。他方のエンドプレート３１から突出する拘束ボルト３２の先端部分には、ナット３３が螺合されている。これにより、配列体３が挟持されて各単位モジュール２がユニット化されると共に、ナット３３の締結力によってエンドプレート３１，３１を介して各単位モジュール２に所定の拘束荷重（拘束圧）が付加される。
【００３４】
拘束部材４による単位モジュール２への拘束圧は、電池モジュール１の使用時における単位モジュール２の最大内圧以上に設定されている。使用時における単位モジュール２の最大内圧とは、より具体的には、使用時の最高温度における単位モジュール２の内圧である。本実施形態では、電池モジュール１は、ニッケル水素充電池をモジュール化したものであり、使用時の単位モジュール２の内圧は、例えば負極活物質層２２ｂとして用いられる水素吸蔵合金に含まれる水素量に基づいて求めることができる。
【００３５】
図６に示す例では、横軸が水素吸蔵合金に含まれる水素量、縦軸が単位モジュールの内圧となっており、使用時の最低温度（−４０℃）における圧力曲線Ｔ１及び使用時の最高温度（８０℃）における圧力曲線Ｔ２とがプロットされている。この例では、水素吸蔵合金に含まれる水素量をＫとした場合、電池モジュール１の温度が−４０℃の場合の単位モジュール２の内圧はＰ１、電池モジュール１の温度が８０℃の場合の単位モジュール２の内圧はＰ２となっている。したがって、拘束部材４による単位モジュール２への拘束圧は、Ｐ２以上となるように設定される。
【００３６】
一例として、拘束部材４による単位モジュール２への拘束圧は、使用時の最高温度における単位モジュール２の内圧の１．５倍程度に設定される。例えば内圧Ｐ１が０．４ＭＰａ、内圧Ｐ２が０．８ＭＰａとすると、拘束部材４による単位モジュール２への拘束圧は、例えば１．２ＭＰａに設定される。
【００３７】
以上説明したように、この電池モジュール１では、拘束部材４による単位モジュール２への拘束荷重が、使用時における単位モジュール２の最大内圧以上に設定されている。これにより、単位モジュール２の筐体８が隔壁ユニット７の隔壁５，５同士を融着してなる場合であっても、溶着部Ｗの破損などを抑制でき、隔壁５の板厚を増加させることなく単位モジュール２の内圧の上昇に耐えることが可能となる。また、本実施形態では、使用時の最高温度における単位モジュール２の内圧が、単位モジュール２の最大内圧として設定されている。このように、使用時の最高温度における内圧以上に拘束圧を設定することで、単位モジュール２の内圧の上昇に一層確実に耐えることが可能となる。
【００３８】
図７に示すように、単位モジュール２に開放弁４１が設けられている場合、開放弁４１が作動する内圧の閾値を単位モジュール２の最大内圧として設定されていてもよい。開放弁４１を有する単位モジュール２では、内圧が閾値に達した時点で開放弁４１が作動し、筐体８内の内圧を低下させるため、筐体８の内圧が開放弁４１の閾値を超えることはない。したがって、開放弁４１が作動する圧力以上に拘束部材４の拘束圧を設定することで、単位モジュール２の内圧の上昇に一層確実に耐えることが可能となる。
【００３９】
図７の例では、開放弁４１は、隔壁ユニット７毎に設けられた開口と、開口を塞ぐように設けられたゴム製の弁と、弁を開口側に付勢した状態で隔壁ユニット７に取り付けられるカバーとによって構成されている。開放弁４１は、復帰式の開放弁であり、単位モジュール２の内圧（ここでは隔壁５によって仕切られた内部空間Ｓの内圧）が予め定められた閾値以上となった場合にゴム製の弁が圧縮して開口が開き、内部空間Ｓを外部に開放して内圧を低下させる。また、内部空間Ｓの開放によって内圧が低下すると、カバーからの付勢によって弁が再び開口を塞ぎ、内部空間Ｓを閉鎖する。
【００４０】
開放弁４１が作動する内圧の閾値は、例えば使用時の最高温度における単位モジュール２の内圧よりも低い値に設定されている。上述したように、内圧Ｐ１が０．４ＭＰａ、内圧Ｐ２が０．８ＭＰａである場合、開放弁４１が作動する内圧の閾値は、例えば０．６ＭＰａに設定される。したがって、拘束部材４による単位モジュール２への拘束圧は、例えば０．９ＭＰａに設定される。
【００４１】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、ニッケル水素充電池を例示したが、本発明は、リチウムイオン二次電池などの他の種類の電池にも適用できる。また、上記実施形態では、単位モジュール２の配列体をエンドプレート３１，３１で直接挟持しているが、配列体３の配列端、或いは単位モジュール２，２間にゴムなどからなる板状の弾性体を更に配置してもよい。弾性体の配置により、単位モジュール２に膨張が生じた場合に拘束部材４から単位モジュール２に付加される拘束圧の急激な上昇が抑制され、筐体８やエンドプレート３１などの破損の防止が図られる。
【００４２】
また、電池モジュールの積層体セルは、一方面に正極活物質が塗工され、かつ他方面に負極活物質が塗工された単一材料からなる金属箔をセパレータを介して積層したバイポーラ型であってもよい。この場合、「正極」は「正極活物質層自体」を意味し、「負極」は「負極活物質層自体」を意味する。
【符号の説明】
【００４３】
１…電池モジュール、２…単位モジュール、３…配列体、４…拘束部材、５（５Ａ，５Ｂ）…隔壁、６…積層体セル、７（７Ａ，７Ｂ）…隔壁ユニット、８…筐体、４１…開放弁、Ｓ…内部空間。
【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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