(57)【要約】【課題】  水溶性の電解液を含むバッテリセルが高電圧を得るために多数が直列接続されてバッテリパックにおける絶縁状態を保持する。【解決手段】  電池部１００は、複数のバッテリモジュール１３０を直列に接続したバッテリパックが、バッテリカバー１０２とロワ-ケース１２２とで形成される空間に収納されて構成される。バッテリカバー１０２の内側には、雰囲気湿度が高いと水分を吸収し、雰囲気湿度が低いと水分を放出する、調湿シート２００が設けられる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された電池の構造であって、前記電池は水溶液を含む電池セルを有し、
前記電池セルを閉空間に収納するための収納手段と、
前記水溶液に起因する絶縁破壊を回避して、必要な絶縁状態を保持するための保持手段とを含み、
前記保持手段は、周囲の湿度に応じて吸湿機能と放湿機能とを発現するための調湿手段を含む、電池構造。
【請求項２】
車両に搭載された二次電池の構造であって、前記二次電池は電解液が水溶液である複数の電池セルが直列に接続された構成を有し、
前記電池セルを閉空間に収納するための収納手段と、
前記電解液に起因する絶縁破壊を回避して、必要な絶縁状態を保持するための保持手段とを含み、
前記保持手段は、周囲の湿度に応じて吸湿機能と放湿機能とを発現するための調湿手段を含む、電池構造。
【請求項３】
前記調湿手段は、周囲が高湿度であると湿度を吸収する吸湿機能を発現し、周囲が低湿度であると湿度を放出する放湿機能を発現する、湿度調整部材である、請求項１または２に記載の電池構造。
【請求項４】
前記湿度調整部材は、調湿シートである、請求項３に記載の電池構造。
【請求項５】
前記二次電池の電解液は、水溶性である、請求項２〜４のいずれかに記載の電池構造。
【請求項６】
前記二次電池は、ニッケル水素電池である、請求項２〜５のいずれかに記載の電池構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載される燃料電池スタックや二次電池などの電池構造に関し、特に、燃料電池内や、高電圧を得るために多数のバッテリモジュールが直列接続されて半密閉状態とされる二次電池内における絶縁状態を保持する電池構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド車および燃料電池車などモータで車両を駆動させる形式の車両には、比較的大容量の二次電池を有する電源ユニット（バッテリパック）が搭載される。このようなバッテリパックは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等を直列に多数接続することにより高電圧を得ている。
【０００３】
一般的には、バッテリパックには、必要な電力容量（電圧値）が得られるように、単電池（たとえば出力電圧が１．２Ｖのバッテリセル）を複数（たとえば６個）を接続して一体的に連結して構成された集合型二次電池（バッテリモジュール）が多く採用される。このようなバッテリモジュールをさらに所定の個数だけ直列に接続して、２００Ｖ〜３００Ｖの高電圧の出力を有するバッテリパックが構成される。
【０００４】
このバッテリパックにおいては、直方体のバッテリモジュールの幅の広い長側面どうしを互いに対向させて重ねるように配置して、両端のバッテリモジュールの電槽の外側にエンドプレートを当接させ、両エンドプレート間を拘束バンドにて結束することにより一体的に連結して構成されている。
【０００５】
バッテリセル（たとえばニッケル水素電池）は、正極板と負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素である極板群を電解液とともに電槽内に収容し、各電槽の開口部を、安全弁を設けた蓋で閉じ、極板群を構成する各正極板の一側部上端から上方にリードを引き出してその上部に正極端子を接続し、また同様にして各負極板の他側部上端から上方にリードを引き出してその上部に負極端子を接続し、これら正極端子および負極端子を蓋に取付けて構成されている。
【０００６】
また、非水電解質を有するリチウムイオン電池においても高電圧が必要な場合には同じような構成になる。このようなバッテリセルに用いられる電池容器の材質には軽量、低コストなどの要求から、たとえばＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などのポリオレフィン系樹脂などが使用されている。通常の樹脂は水分を透過させるという性質があり、非水電解質を有するリチウムイオン電池に樹脂製電池容器を用いた場合、電池容器内部に透過した水分が電池性能を低下させるという問題を有していた。詳しくは、非水電解質電池の電池容器内部に水分が存在すると、水分と非水電解質とが反応を生じることでフッ酸を生成し、生成されたフッ酸が電極を腐食させ、電池容量や電池寿命などの性能を低下させるという問題を有していた。
【０００７】
特開２００２−１００４０７号公報（特許文献１）は、樹脂製電池容器を有する非水電解質電池において、電池重量の大幅な上昇が抑えられるとともに水分の透過による電池性能の低下が抑えられた電池を開示する。この電池は、非水電解質二次電池であって、正極、負極および非水電解質を有する電極体と、樹脂により形成され電極体が気密的に封入される電池セル室が内部に区画されている電池容器と、電池セル室内に水分を吸着する吸着材とを有する。
【０００８】
この非水電解質二次電池は、たとえばリチウムイオン電池であって、この電池によると、水分を吸着する吸着材を電池内部に配置することで、軽量な樹脂製電池容器を透過した水分が吸着材に吸着され、電解液と水分が反応することが抑えられる。
【特許文献１】特開２００２−１００４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、リチウムイオン電池などのように電解質が非水電解質の二次電池における問題点である、水分と非水電解質とが反応を生じることでフッ酸が生成され、そのフッ酸が電極を腐食させ、電池容量や電池寿命などの性能を低下させる問題点を解決するためのものに過ぎない。そのため、水分を吸着するのみの作用しか発現しない吸着剤が用いられる。
【００１０】
このようなリチウムイオン電池のみならず、特に、ニッケル水素電池などのように電解液が水溶液である二次電池や、スタック内に水溶液を有する燃料電池においては、電池内部の絶縁部分の保持が必要不可欠となる。特に、負極活性物質または正極活性物質にニッケル系を用いた二次電池の場合、電解液は概ねKOHなどのアルカリ水溶液であって、空気中の水分を引き込んで導電性を発現することになる。このときにバッテリパック内部の湿度が低いとこのような導電性を発現しないが、バッテリパック内部の湿度が高いと導電性を発現して、たとえな端子やバスバーとバッテリパックケースとが電気的に接続されて絶縁抵抗が低下して漏電パスを形成しかねない。このような問題は、結露状態のときにさらに顕著になり得る。
【００１１】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、燃料電池スタック内や、水溶液を含む電池セルが高電圧を得るために多数が直列接続されて半密閉状態とされる電池内における絶縁状態を保持することができる電池構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明に係る電池構造は、車両に搭載された電池の構造である。この電池は水溶液を含む電池セルを有する。この電池構造は、電池セルを閉空間に収納するための収納手段と、水溶液に起因する絶縁破壊を回避して、必要な絶縁状態を保持するための保持手段とを含む。保持手段は、周囲の湿度に応じて吸湿機能と放湿機能とを発現するための調湿手段を含む。
【００１３】
第１の発明によると、たとえば、電池が多数のニッケル水素電池の電池セルから構成され、それらの電池セルの端子がバスバーで直列に接続されたものである場合、保持手段は、それらの複数の電池セルを収納した収納手段内部の湿度が高いと吸湿し、湿度が低いと放湿する。電池セルには、電解液であるKOHを含む水溶液が半密閉状態で（圧力弁等により外部との連通する場合や、漏液する場合があるので完全な密閉状態ではない）内包されている。収納手段内部の湿度が高いときにはKOHが空気中の水分を取り込んで、水分によるバスバーや端子と収納手段との導通の可能性があるが、調湿手段により収納手段内部の水分が吸収されるので、導通の可能性がなくすることができ、必要な絶縁状態を保持することができる。一方、この調湿手段は、収納手段内部の湿度が低いときには、収納手段内部に水分を放出する。このとき、空気中の水分が少ないので水分を放出したとしても、水分によるバスバーや端子と収納手段との導通の可能性は少ない。このため、半永久的に（電池寿命よりも長く）調湿手段による、吸湿と放湿とを繰り返すことができる。また、このようなことは、ニッケル水素電池以外の二次電池や、燃料電池スタックへの適用も可能である。その結果、燃料電池スタック内や、水溶液を含む電池セルが高電圧を得るために多数が直列接続されて半密閉状態とされる電池内における絶縁状態を保持することができる電池構造を提供することができる。
【００１４】
第２の発明に係る電池構造は、車両に搭載された二次電池の構造である。この二次電池は電解液が水溶液である複数の電池セルが直列に接続された構成を有する。この電池構造は、電池セルを閉空間に収納するための収納手段と、電解液に起因する絶縁破壊を回避して、必要な絶縁状態を保持するための保持手段とを含む。保持手段は、周囲の湿度に応じて吸湿機能と放湿機能とを発現するための調湿手段を含む。
【００１５】
第２の発明によると、二次電池が多数のニッケル水素電池の電池セルから構成され、それらの電池セルの端子がバスバーで直列に接続されたものであって、保持手段は、それらの複数の電池セルを収納した収納手段内部の湿度が高いと吸湿し、湿度が低いと放湿する。電池セルには、ニッケル水素電池の電解液であるKOHを含む水溶液が半密閉状態で内包されている。収納手段内部の湿度が高いときにはKOHが空気中の水分を取り込んで、水分によるバスバーや端子と収納手段との導通の可能性があるが、調湿手段により収納手段内部の水分が吸収されるので、導通の可能性がなくすることができ、必要な絶縁状態を保持することができる。一方、この調湿手段は、収納手段内部の湿度が低いときには、収納手段内部に水分を放出する。このとき、空気中の水分が少ないので水分を放出したとしても、水分によるバスバーや端子と収納手段との導通の可能性は少ない。このため、半永久的に（電池寿命よりも長く）調湿手段による、吸湿と放湿とを繰り返すことができる。その結果、水溶性の電解液を含む電池セルが高電圧を得るために多数が直列接続されて半密閉状態とされる二次電池内における絶縁状態を保持することができる電池構造を提供することができる。
【００１６】
第３の発明に係る電池構造においては、第１または第２の発明の構成に加えて、調湿手段は、周囲が高湿度であると湿度を吸収する吸湿機能を発現し、周囲が低湿度であると湿度を放出する放湿機能を発現する、湿度調整部材である。
【００１７】
第３の発明によると、たとえば、調湿手段として、高吸水性ポリマーやゼオライトなどの機能性物質により、吸湿機能と放湿機能とを併せ持つ湿度調整部材を用いて、半永久的に、電池内における絶縁状態を保持することができる電池構造を提供することができる。
【００１８】
第４の発明に係る電池構造においては、第３の発明の構成に加えて、湿度調整部材は、調湿シートである。
【００１９】
第４の発明によると、高吸水性ポリマーやゼオライトなどの機能性物質を含むシート状の湿度調整部材を、電池セルの端子とバスバー近傍に設けることにより、半永久的に、電池内における絶縁状態を保持することができる電池構造を提供することができる。
【００２０】
第５の発明に係る電池構造においては、第２〜４のいずれかの発明の構成に加えて、二次電池の電解液は、水溶性である電池である。
【００２１】
第５の発明によると、水溶性の電解液を含む、たとえばニッケル水素電池において、高吸水性ポリマーやゼオライトなどの機能性物質を含むシート状の湿度調整部材を、電池セルの端子とバスバー近傍に設けることにより、半永久的に、電池内における絶縁状態を保持することができる電池構造を提供することができる。
【００２２】
第６の発明に係る電池構造においては、第２〜５のいずれかの発明の構成に加えて、二次電池は、ニッケル水素電池である。
【００２３】
第６の発明によると、水溶性の電解液を含むニッケル水素電池において、高吸水性ポリマーやゼオライトなどの機能性物質を含むシート状の湿度調整部材を、電池セルの端子とバスバー近傍に設けることにより、半永久的に、電池内における絶縁状態を保持することができる電池構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２５】
なお、以下の説明において、車両に搭載される電池は、二次電池のみならず、燃料電池を含む様々な電池であってよい。また、以下においては、バッテリパックを構成する電池は、ニッケル水素電池として説明する。また。電池の最小単位をバッテリセル、複数のバッテリセルを直列接続したものをバッテリモジュール、複数のバッテリモジュールを直列接続したものをバッテリパックとして説明する。なお、これらのバッテリセル、バッテリモジュール、バッテリパックは、称呼であって、別の称呼であっても構わない。
【００２６】
図１および図２を参照して、本発明の実施の形態に係る電池構造について説明する。図１に、電池部１００の展開模式図を、図２に、図１のバッテリパックを構成するバッテリモジュールの斜視模式図を、それぞれ示す。
【００２７】
図１に示すように、電池部１００は、バッテリカバー１０２およびロワーケース１２２からなる外装部材の内部にバッテリパック１２０が収容された構造である。バッテリパック１２０は、複数のバッテリモジュール１３０を積層して形成される。バッテリモジュール１３０としては、ニッケル水素電池などの二次電池を用いることができる。バッテリモジュール１３０はいわゆる角型平板状の外形を有している。
【００２８】
バッテリモジュール１３０は複数のバッテリセルを含む。具体的には、図２に示すように、バッテリモジュール１３０はモジュール外装部材である一体の角型電槽１３８と、この角型電槽１３８の内部の隔壁により仕切られた６つのバッテリセル１４０〜１５０とを備える。角型電槽１３８の長軸方向における端面上には、端子１２８が形成されている。角型電槽１３８の側面上には、バッテリモジュール１３０の間に冷却風流路としての間隙を形成するための突起部１５２が形成されている。バッテリモジュール１３０を積層したバッテリパック１２０（図１参照）では、バッテリモジュール１３０の突起部１５２どうしが当接して、バッテリモジュール１３０の間に間隙が形成される。なお、図２では排気端子１２６（図１参照）の図示を省略するとともに、バッテリセル１４０〜１５０を説明するために角型電槽１３８の一部を除去した状態を示している。
【００２９】
それぞれのバッテリセル１４０〜１５０は基本的に同様の構造を備える。第１のバッテリセル１４０を例として説明すると、バッテリセル１４０は、たとえばシート状の複数の電極部材をセパレータによって絶縁状態として相互に重ねて構成された積層電極体１５４と、積層電極体１５４を挟むように配置された一対の集電板１５６とからなる。なお、積層電極体１５４には電解液が含浸あるいは注入されている。
【００３０】
積層電極体１５４においては、正極となる電極部材と、負極となる電極部材とが交互に重なった状態となっている。また、正極となる電極部材の端部は、一括して一方の集電板１５６に接続されている。そして、負極となる電極部材の端部は、一括して他方の集電板（図示せず）に接続されている。この結果、正極となる全ての電極部材と一方の集電板１５６とが電気的に接続された状態となる。また、負極となる全ての電極部材と他方の集電板とが電気的に接続された状態となる。バッテリモジュール１３０に含まれるバッテリセル１４０〜１５０は、電気的に直列接続されている。たとえば、バッテリセル１４０〜１５０のそれぞれの定格電圧が１．２Ｖである場合、バッテリモジュール１３０全体の定格電圧は７．２Ｖとなる。なお、バッテリセル１４０〜１５０の構成は、上述したような構成に限らず他の構成であってもよい。
【００３１】
図１に示すように、バッテリパック１２０の両端部には拘束プレート１１６、１１８が配置されている。拘束プレート１１６、１１８は、拘束パイプ１０８、１１０により互いに接続および固定されている。なお、拘束プレート１１６、１１８はロワーケース１２２に固定されている。また、個々のバッテリモジュール１３０もロワーケース１２２に固定されている。
【００３２】
バッテリパック１２０を構成するバッテリモジュール１３０のそれぞれの側面（端面）上には、すでに述べたようにバッテリモジュール１３０へと電流の入出力を行なうための端子１２８が形成されている。このバッテリモジュール１３０の端子１２８を互いに接続するため、バッテリパック１２０の側面上にはバスバーモジュール１１２、１１４が配置されている。バスバーモジュール１１２、１１４がバッテリモジュール１３０のそれぞれの端子１２８に接続されることにより、バッテリパック１２０ではバッテリモジュール１３０が電気的に直列接続されている。
【００３３】
バッテリパック１２０の上部表面上には、バッテリモジュール１３０から排気される水素ガスなどを一括して排出するための安全弁を内蔵した排気端子１２６が形成されている。この排気端子１２６上には、排気端子１２６に接続され、バッテリモジュール１３０から排出される水素ガスなどを電池部１００の外部へ排出するための排気ホース１０４が設置されている。また、バッテリパック１２０の下面には、バッテリパック１２０の温度を測定するための温度センサ１２４およびハーネスが配置されている。この温度センサ１２４の出力に応じて、バッテリパック１２０の温度を所定の範囲に保持するため、バッテリパック１２０へブロアファンなどを用いて車室内から冷却風が供給される。
【００３４】
このバッテリモジュール１３０は、突起部１５２を有するので、図１に示すようにバッテリモジュール１３０を併設した場合、バッテリモジュール１３０間に突起部１５２により、バッテリモジュール１３０間の空隙が形成される。この空隙をバッテリモジュールの１３０の上方から下方に向かって冷却風が流通させる（ダウンフロー方式）。この冷却風によりバッテリモジュール１３０が冷却される。
【００３５】
バッテリセル１４０〜１５０の内部には、正極板、負極板、セパレータおよび電解液を含む。電解液は、KOHなどを電解質とするアルカリ水溶液が用いられる。ニッケル極の充電時には電解液中のOH-が、活物質内部から拡散してきたH+と反応してH2Oが生成される。放電時には、この逆反応が進行する。
【００３６】
本実施の形態における電池部１００においては、端子１２８やバスバーモジュール１１２、１１４が、バッテリカバー１０２と導通することを回避するための調湿シート２００が設けられる。図１および図３に示すように、この調湿シート２００は、端子１２８およびバスバーモジュール１１２、１１４の配置に基づいて、バッテリモジュール１３０の両側面であって、たとえばバッテリカバー１０２の内側側面に設けられる。
【００３７】
図４に、この電解液の絶縁抵抗と湿度との関係を示す。電解液の絶縁抵抗は、ある特定の湿度を境界として大きく傾向を変化させる。高い湿度雰囲気においては電解液の絶縁抵抗は極度に小さくなり、導通状態に陥る。一方、低い湿度雰囲気においては電解液の絶縁抵抗は一概に大きく、導通状態に陥らず絶縁状態を維持する。
【００３８】
調湿シート２００には、高吸水ポリマーやゼオライトなどが含まれており、高湿度度時には吸湿して、低湿度時には放湿する可逆性により湿度を一定に保持する調湿機能を有する。このため、可逆性のない塩化カルシウムやシリカゲル等に比べて繰り返して使用することが可能になる。
【００３９】
たとえば、このような調湿シート２００として、高吸水性ポリマーを単独であるいは他の成分のポリマーとともに複合紡糸して、それを不織布とし、シート状に成型したものがある。また、高吸水性ポリマーではなく、ゼオライト（すわなち、調整された多孔質のアルミニウム、カルシウム(あるいはナトリウム)のケイ酸塩(たとえば、CaO・2Al2O3・5SiO2, Na2O・2Al2O3・5SiO2)水和物）であっても、その表面の微細な空隙に水分を保有することができる。このゼオライトによる吸湿は、単純な物理的吸着ではないのできわめて強い吸放湿能力を有する。
【００４０】
図５に、この調湿シート２００の吸湿特性を示す。図５に示すように、吸湿量は湿度に依存する。高い湿度雰囲気においては吸湿作用を発現して、雰囲気湿度を低下させる。一方、低い湿度雰囲気においては放湿作用を発現して、雰囲気湿度を上昇させる。これは、バッテリパック１２０は、バッテリカバー１０２とロワーケース１２２とにより形成される空間に収納されているが、バッテリの使用状態や車両の使用環境などにより、雰囲気湿度が変動する。このように雰囲気湿度が変動する場合であっても、図５に示した調湿シート２００の調湿特性により、図６に示すように、平均湿度により近い状態を維持することができる。
【００４１】
すなわち、調湿シート２００は、高湿度時には吸湿して、端子１２８およびバスバーモジュール１１２、１１４近傍の雰囲気湿度を低下せしめ、たとえ、バッテリセル１４０〜１５０から電解液が漏れ出ていたとしても湿度が低いので電解液による絶縁低下現象を回避できる。その後、バッテリの使用状態や車両の使用環境などにより、雰囲気湿度が低くなると、放湿して元に戻り、次に雰囲気湿度が高くなった場合に吸湿することができる。このように、調湿シートは、吸湿機能と放湿機能とを繰り返し行ない、電池寿命よりも長い期間、吸放湿機能を発現することができる。
【００４２】
特に、車両によっては、夜間屋外に放置されることも多く、その場合には、バッテリカバー１０２とロワーケース１２２とにより形成される空間に結露が生じて、雰囲気湿度が高くなることもある。そのような場合であっても、調湿シート２００により適切な（すなわち、電解液による導通を引き起こすことがないほどに適切な）湿度を維持することができる。
【００４３】
以上のようにして、本実施の形態に係る電池構造は、バッテリパックが多数のニッケル水素電池のバッテリモジュールから構成され、バッテリモジュールは複数のバッテリセルから構成され、それらのバッテリモジュールの端子がバスバーモジュールで直列に接続されたものである。バッテリパックは、バッテリカバーとロワーケースとにより形成される空間に、調湿シートともに収納される。調湿シートは、それらのバッテリパックを収納したバッテリカバーとロワーケースとにより形成される空間の内部の湿度が高いと吸湿し、湿度が低いと放湿する。バッテリセルには、ニッケル水素電池の電解液であるKOHを含む水溶液が内包されている。電解液が漏れ出したとしても、湿度が高いとKOHが空気中の水分を取り込んで、水分によるバスバーや端子とカバーとの導通の可能性があるが、調湿シートによりバッテリカバーとロワーケースとにより形成される空間の水分が吸収されるので、導通の可能性をなくすることができる。これにより、必要な絶縁状態を保持することができる。一方、この調湿シートは、バッテリカバーとロワーケースとにより形成される空間の内部の湿度が低いときには、調湿シートから水分が放出される。このとき空間の内部の湿度が低いので、水分によるバスバーや端子とカバーとの導通の可能性が少ない。このため、調湿シートは、半永久的に吸放湿を繰り返すことができる。その結果、水溶性の電解液を含む電池セルが高電圧を得るために多数が直列接続されて半密閉状態とされる二次電池内における絶縁状態を保持することができる電池構造を提供することができる。
【００４４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施の形態に係るバッテリパックの展開模式図である。
【図２】図１のバッテリパックを構成するバッテリモジュールの斜視模式図である。
【図３】図１のバッテリパックの断面図である。
【図４】電解液湿度と絶縁抵抗の関係を示す図である。
【図５】調湿シートの吸湿特性を示す図である。
【図６】バッテリパックにおける湿度状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００  電池部、１０２  バッテリカバー、１０４  排気ホース、１０８，１１０  拘束パイプ、１１２，１１４  バスバーモジュール、１１６，１１８  拘束プレート、１２０  バッテリパック、１２２  ロワーケース、１２４  温度センサ、１２６  排気端子、１２８  端子、１３０  バッテリモジュール、１３８  角型電槽、１４０〜１５０  バッテリセル、２００  調湿シート。
【図１】
2005149837.tif 000003
【図２】
2005149837.tif 000004
【図３】
2005149837.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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