JP5106927B2 - ニッケル水素二次電池モジュールおよびニッケル水素二次電池モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
電池ケースに複数の収容部を設け、各々に発電要素を収容した二次電池モジュールの場合には、収容部毎に安全弁を設けるのが好ましい。しかし、それでは多数の安全弁が必要となるため、特許文献1に示すように、電槽(収容部)を隔てる隔壁に連通孔を設け、各収容部を相互に連通させて、電池ケースに安全弁を1つだけ備えるようにしたニッケル水素二次電池(ニッケル水素二次電池モジュール)が提案されている(特許文献1参照)。 この特許文献1に記載のニッケル水素二次電池モジュールでは、いずれかの発電要素からガスが発生しても、連通孔および安全弁を通じて、安全にガスを排出できる。
ところで、連通孔を2つ有する内側収容部で、これに収容される発電要素から酸素ガスが発生し、内側収容部における酸素ガス分圧が他の収容部よりも上昇した場合を考える。この場合、発生した酸素ガスの多くは、この内側収容部内において負極の水素と再結合して水となるが、一部の酸素ガスは、分圧の高い分だけ2つの連通孔を通じて隣接する他の収容部に移動する。つまり、一部の酸素ガスは2つに分散して、他の収容部に移る。
一方、最外収容部で、これに収容される発電要素から酸素ガスが発生し、酸素ガス分圧が他の収容部よりも上昇した場合には、酸素ガスは1つしかない連通孔(最外連通孔)を通じて、最外収容部に隣接する収容部(以下、隣接収容部という)に移動する。つまり、酸素ガスは分散されずに、隣接する隣接収容部に移動する。従って、内側収容部でもある隣接収容部についてみると、自身が発生した酸素ガスの一部は、2つの連通孔(最外連通孔およびこれと逆側に位置する連通孔)から、隣接する他の収容部(最外収容部およびこれと逆側に隣接する内側収容部)に移動する。しかし、最外収容部とは逆側の収容部とこの隣接収容部とは、共に内側収容部(2つの連通孔を持つ収容部)であるため、ほぼ同条件となり、長期間を見れば、これらの間での酸素ガスの移動は、差し引きほぼ同程度となると考えられる。
しかしながら、最外収容部との酸素ガスの最外連通孔を通じた移動は、長期的に見れば、最外収容部から隣接収容部への移動の方が、この逆よりも多くなる。
従って、この隣接収容部では、他の収容部(特に最外収容部)から移動してきた酸素ガスによって、発電要素にある水素が多く消費されてしまう。即ち、隣接収容部に収容した発電要素(負極)において、放電リザーブが大きく減少すると考えられる。なお、この影響を受けて、他の内側収容部に収容した発電要素同士の間においても、多少の放電リザーブの大小が生じる場合がありうる。
さらに、連通溝のうち少なくとも開口端縁にまで樹脂を届かせることで、連通溝の第2隔壁部側の開口を塞ぎ、連通溝の少なくとも一部をその一部とした連通孔を確実に構成することができる。かくして、連通孔を有する隔壁部を備える二次電池モジュールを確実に製造することができる。これにより、いずれかの収容部で、発電要素からのガス発生により、その内圧が異常上昇しても、連通孔を通じて、安全弁を開弁させ、ガスを放出させ得る二次電池モジュールを容易かつ確実に製造できる。
また、単位電池容量当りの連通孔の孔面積を、0.03〜0.30mm 2 /Ahとしている。これにより、収容部間の酸素分圧の違いにより、酸素ガスが他の収容部に移動しようとしても、その移動を制限できる。従って、各発電要素における放電リザーブのばらつきを確実に低減できるニッケル水素二次電池モジュールを容易確実に製造することができる。
次に、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態のニッケル水素二次電池モジュール100(以下、単にモジュール100ともいう)は、図1に示すように、6つの収容部115を有する電池ケース110と、この電池ケース110の収容部115に1つずつ収容されている発電要素130と、電池ケース110の上部に設置されている安全弁120とを備える。
また、上述の5つの隔壁111のうち、長手方向DL1の最外で、図中右側に位置し、第1収容部115aと第2収容部115bとの間を仕切るのものを、第1隔壁111aとする。その他、この第1隔壁111aの図中左に位置する順に、第2隔壁111b、第3隔壁111c、第4隔壁111d、第5隔壁111eとする。なお、第1隔壁111aおよび第5隔壁111eは、本発明の最外隔壁に相当する。
負極131と正極132は、セパレータ133を介して交互に積層された積層体を構成しており、この積層体に電解液が含浸されている。さらに、各発電要素130は、電池ケース110内で直列に電気接続されている。本実施形態にかかるモジュール100の電池容量(公称容量)は6.5Ahである。なお、本実施形態では、負極131側に放電リザーブ量などを対応させるため、正極容量よりも負極容量を大きく設計した発電要素130を用いている。
まず、隔壁に連通孔を有するモジュールにおいて、単位電池容量当りの連通孔の孔面積と、内圧の上昇によるモジュールの有害な変形・破損の有無との関係について、過充電試験を通じて検証した。
モジュール100(ニッケル水素二次電池)では、満充電状態(SOC100%)から更に充電(過充電)すると、各発電要素130の正極から酸素ガスが発生し(OH-→1/4O2↑+1/2H2O+e-)、モジュール100内部の圧力が上昇する。そこで、各連通孔の孔面積を異ならせたモジュールを用意し、酸素ガスを発生させて、モジュール内部の圧力を上昇させたときに、有害な変形・破損を伴わずに、連通孔を通じて安全弁120から、ガスを放出できるか否かを確認する。
上記の結果から、5Cの過充電でのガス発生に相当する範囲のガス発生を想定する場合、各連通孔の孔面積をS=0.030mm2/Ah以上としておけば、いずれの発電要素からガスが発生しても、連通孔および安全弁を通じて、ガスを安全にモジュール外に放出できることが判る。
次に、各モジュールについて耐久試験を施した。具体的には、50℃の温度環境下で、SOC20〜80%の間を、3Cの定電流で1000サイクルの充放電を繰り返した。耐久試験後、各モジュールの放電リザーブばらつきについて、下記の放電リザーブ量の計測手法により確認した。即ち、まず、モジュールの収容部毎における発電要素の電圧が1.0Vになるまで放電し、その後、各収容部の上部に孔をあけ電解液を補充し、各収容部に過剰な電解液が存在する状態にした。次いで、各収容部内の電解液中に、Hg/HgO参照極をそれぞれ浸漬させて、放電容量を測定しながら各収容部内の発電要素毎に過放電させた。ここで、放電リザーブ量は、(放電リザーブ量)=(参照極の電位に対する負極の電位が−0.7Vになるまでの放電容量)−(参照極に対する正極の電位が−0.5Vになるまでの放電容量)という式で定義した。
ところで、ニッケル水素二次電池モジュールを直列接続して組電池を構成し、電気自動車(PEV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)等の電源として用いた場合、モジュールの放電リザーブばらつきが大きくなると、組電池としての寿命が短くなる。この理由から、放電リザーブばらつきの抑制目標を15%とすることが望まれる。そこで、グラフ(図3)を見ると、0.30mm2/Ah以下の孔面積であれば、収容部間での酸素ガスの移動を抑制でき、充放電を繰り返しても、放電リザーブばらつきを抑制目標値(15%)以下にできることが判る。
まず、前述のモジュール100と同様で、6つの収容部を5つの隔壁で隔てる、電池容量が6.5Ahのモジュールを用意した。このモジュールでは、各隔壁の連通孔の孔面積を、いずれも1.5mm2/Ahとした。また、6つある収容部のうち、最外収容部を第1収容部、これに隣接する収容部を第2収容部、更にその隣の収容部を第3収容部というように隣接順に名称をつけた(第6収容部が、第1収容部とは異なる最外収容部である)。
また、同様の注入を、第3収容部についても同条件で行った。
その結果、ならびに、その結果を元に算出した、全ての収容部(発電要素)に同量の酸素ガスが発生した場合の負極の放電リザーブ量増減を図4に示す。
この結果から、酸素ガスを注入された第1収容部あるいは第3収容部だけでなく、他の収容部に収容された発電要素についても放電リザーブ量が減少することが判る。これは、第1収容部あるいは第3収容部に注入された酸素ガスの一部が、各連通孔を通じて、他の収容部にも移動し、移動先の収容部において、発電要素の放電リザーブを減少させたためと考えられる。
本来、第1収容部で発生した酸素ガスは、全て第1収容部に収容した発電要素の負極において、水素と再結合するはずであり、この場合には各収容部の放電リザーブ量は変化しないはずである。しかし、連通孔の存在により、一部の酸素ガスは、連通孔を通じて他の収容部にも移動して(分配されて)しまう。そして、移動先(分配先)の収容部の放電リザーブ量を、酸素ガスの分配率に応じて減らしてしまう。逆に、酸素ガスを他の収容部に送出した第1収容部では、本来再結合によって吸収すべき酸素ガスの量が減少したので、放電リザーブ量が増加したと考えることができる。
なお、L4欄における負の数値は、その収容部の放電リザーブ量が、第1収容部由来の酸素ガスにより減少させられることを意味する。また、第2収容部〜第6収容部における放電リザーブの減少量の絶対値は、L3欄の分配率の大きさと同じになる。逆に、正の数値は、その収容部(第1収容部)の放電リザーブ量が、第1収容部で発生した酸素ガスが連通孔を通じて出て行くことにより増加することを意味する。つまり、この第1収容部の放電リザーブ量は、他の収容部における放電リザーブの減少量の和だけ増えることになる。
この結果をL12欄に示す。この結果によると、隔壁に孔面積が同じ連通孔を有するモジュールでは、第2収容部および第5収容部において、放電リザーブ量が減少することが判る。逆に、第1収容部と第6収容部では、放電リザーブ量が増加している。
即ち、このモジュールのように、互いに等しい孔面積の連通孔を持つモジュールの使用を続けると、次第に第2,第5収容部に収容した発電要素の放電リザーブ量が大きく減少する一方、第1,第6収容部に収容した発電要素の放電リザーブ量は逆に増加する。かくして、このモジュールでは放電リザーブ量のばらつきが次第に大きくなると考えられる。
第1収容部115aに代表される最外収容部、および、第2収容部115bに代表される内側収容部では、自身と他の収容部とを連通する連通孔の数が異なる。つまり、第1収容部115aについては、最外隔壁である第1隔壁111aに設けた第1連通孔112aの1つのみが存在するのに対し、第2収容部115bは、これを挟む2つの第2隔壁111b,111cにそれぞれ設けられた、合計2つの連通孔112b,112cが存在する。
一方、第1収容部115aとの第1連通孔112aを通じた酸素ガスの移動は、長期的に見れば、第1収容部115aから第2収容部115bへの移動の方が、この逆よりも多くなる。
これらを総合すると、この第2収容部115bでは、他の収容部(特に第1収容部115a)から移動してきた酸素ガスによって、発電要素130に吸蔵する水素が多く消費されてしまう。即ち、第2収容部115bに収容した発電要素(負極)において、放電リザーブが大きく減少すると考えられる。なお、第5収容部115dについても同様である。
なお、モジュール100の電池ケース110は、後述する蓋体140とケース本体150を溶着させてできるものである。そのうち、後述する蓋側隔壁部141(第1蓋側隔壁部141a〜第5蓋側隔壁部141e)は、本体側隔壁部151(第1本体側隔壁部151a〜第5本体側隔壁部151e)と溶着し、電池ケース110内の隔壁111(第1隔壁111a〜第5隔壁111e)を構成する。
ケース本体150は、樹脂からなる矩形箱状であり、この内側には、内部を長手方向DL2に等間隔に仕切るように、5つの本体側隔壁部151(第1本体隔壁部151a〜第5本体側隔壁部151e)がケース本体150の底面板部157に対して直立列置されている。この本体側隔壁部151は、ケース本体150と同じ樹脂からなる板状形状であり、次述する蓋体140の蓋側隔壁部141と溶着する。具体的には、本体側隔壁部151のうち、上端側に位置する本体側溶融部153を、後述の蓋側溶融部143と突き合わせて溶着させる。
蓋体140は、樹脂からなり、概略、矩形状の上面板部147と、この周縁においてこれに直交する方向に突出する枠部148とを有する矩形盆状を有しており、この枠部148の内側に、5つの第1蓋側隔壁部141(第1蓋側隔壁部141a〜第5蓋側隔壁部141e)を備えている。この5つの第1蓋側隔壁部141は、この蓋体140の内側を、長手方向DL3、6等分に仕切るように配置されている。各蓋側隔壁部141は、枠部148と同様、上面板部147に直交する方向に突出する形態とされている。
一方、蓋側溶融部143,143は、連通溝142のうち、溶着時に本体側隔壁部151が位置する側(突き合わせ方向DJ)の開口端縁146から見て、溝幅方向DH(図中、左右方向)にそれぞれ離間し、かつ、この連通溝142よりも突き合わせ方向DJに突出して配置された、2つの矩形突出部分から成っている(図6(b),(c)参照)。
一方、図6(c)に示す、第2蓋側隔壁部141bの第2連通溝142bは、その断面積が1.4mm2(単位電池容量当り0.22mm2/Ah)であり、溝幅方向DHの寸法LHbよりも、突き合わせ方向(図中、上下方向)の寸法LTbが大きい深溝形状とされている(LHb<LTb)点は、同様である。従って、溝幅方向DHの寸法LHbおよび突き合わせ方向の寸法LTbは、共に第1連通溝142aの寸法LHa,LTaよりも大きくされている(LHb>LHaかつLTb>LTa)。なお、図示しないが、第3蓋側隔壁部141c、第4蓋側隔壁部141dに形成した第3連通溝142c、第4連通溝142dも、同様の形状とされている。
その後、電池ケース110の高さ方向寸法が所定値となった時点で、蓋体140およびケース本体150へ力を加えるのをやめ、冷却後、電池ケース110の外側にはみ出して凝固した溶出部位TCを除去する。これにより、蓋体140とケース本体150の溶着が完了し、電池ケース110が完成する(図7(d)、図8(d)参照)。また、電池ケース110内では、蓋側隔壁部141と本体側隔壁部151により、連通孔112(第1連通孔112a,第2連通孔112b)を有する隔壁111(第1隔壁111a,第2隔壁111b)が形成される。なお、第1連通孔112aの単位電池容量当りの孔面積は0.06mm2/Ahとなる(第5連通孔112eも同様)。一方、第2連通溝142bを起源とする第2連通孔112bの単位電池容量当りの孔面積は、0.15mm2/Ahとなる(第3連通孔112c,第4連通孔112dも同様)。
なお、その後は、電解液の注入や安全弁120を取り付けなど、公知の手法によって行い、モジュール100を完成させる。
例えば、実施形態では、蓋側隔壁部141に連通溝142を設けたが、本体側隔壁部151に連通溝を設けても良い。また、予め連通孔を形成した部材(金属板、樹脂板等)を用意しておき、溶着の際に、この部材を蓋側隔壁部と本体側隔壁部の間に挟むように固定して、隔壁に連通孔を設けても良い。その他、孔のない本体側隔壁部を持つケース本体等を形成した上で、後に機械的に連通孔を開けても良い。
110 電池ケース
111a 第1隔壁(最外隔壁)
111b 第2隔壁(最外隔壁以外の隔壁)
111c 第3隔壁(最外隔壁以外の隔壁)
111d 第4隔壁(最外隔壁以外の隔壁)
111e 第5隔壁(最外隔壁)
112a 第1連通孔(最外連通孔)
112b 第2連通孔(最外隔壁以外の隔壁に形成された連通孔)
112c 第3連通孔(最外隔壁以外の隔壁に形成された連通孔)
112d 第4連通孔(最外隔壁以外の隔壁に形成された連通孔)
112e 第5連通孔(最外連通孔)
115a 第1収容部(最外収容部)
115b 第2収容部(収容部)
115c 第3収容部(収容部)
115d 第4収容部(収容部)
115e 第5収容部(収容部)
115f 第6収容部(最外収容部)
120 安全弁
130 発電要素
131 負極(負極板)
140 蓋体(第1ケース部材)
141 蓋側隔壁部(第1隔壁部)
141a 第1蓋体隔壁部
141b 第2蓋体隔壁部
141c 第3蓋体隔壁部
141d 第4蓋体隔壁部
141e 第5蓋体隔壁部
142 連通溝
142a 第1連通溝
142b 第2連通溝
143 蓋側溶融部(第1溶融部)
144 第1表面(表面)
145 第2表面(裏面)
146 開口端縁
150 ケース本体(第2ケース本体)
151 本体側隔壁部(第2隔壁部)
DL2 (ケース本体の)長手方向(板厚方向)
DL3 (蓋体の)長手方向(板厚方向)
DH 溝幅方向
DJ 突き合わせ方向
LHa (第1連通溝の幅方向の)寸法
LHb (第2連通溝の幅方向の)寸法
LTa (第1連通溝の突き合わせ方向の)寸法
LTb (第2連通溝の突き合わせ方向の)寸法
MC (軟化)樹脂
OGa (第1連通溝の)開口
OGb (第2連通溝の)開口
Claims (4)
- 水素吸蔵合金を含む負極板を有する発電要素と、
隔壁、および上記隔壁を介して、互いに隣り合って配置され、上記発電要素をそれぞれ収容する複数の収容部であって、上記隔壁に形成した連通孔により、上記収容部内のガスを相互に流通可能としてなる収容部を有する電池ケースと、
上記電池ケースの上部に設置された、上記収容部数より少数の安全弁と、を備える
ニッケル水素二次電池モジュールであって、
上記連通孔の、単位電池容量当りの孔面積が、0.03〜0.30mm2/Ahである
ニッケル水素二次電池モジュール。 - 請求項1に記載のニッケル水素二次電池モジュールであって、
前記電池ケースは、4つ以上の前記収容部を列置してなり、3つ以上の前記隔壁を有し、
上記隔壁のうち、上記収容部の列置方向の最外側にそれぞれ位置する隔壁を、最外隔壁としたとき、
前記連通孔のうち、上記最外隔壁に形成された最外連通孔の孔面積を、上記最外隔壁以外の隔壁に形成された連通孔の孔面積よりも、小さくしてなる
ニッケル水素二次電池モジュール。 - 水素吸蔵合金を含む負極板を有する発電要素と、
隔壁、および上記隔壁を介して、互いに隣り合って配置され、上記発電要素をそれぞれ収容する複数の収容部であって、上記隔壁に形成した連通孔により、上記収容部内のガスを相互に流通可能としてなる収容部を有する電池ケースと、
上記電池ケースの上部に設置された、上記収容部数より少数の安全弁と、を備え、
上記連通孔の、単位電池容量当りの孔面積が、0.03〜0.30mm 2 /Ahである
ニッケル水素二次電池モジュールの製造方法であって、
上記電池ケースは、いずれも樹脂からなる第1ケース部材と第2ケース部材とを溶着して形成してなり、
上記第1ケース部材は、上記隔壁の一部となる板状の第1隔壁部を有し、
上記第2ケース部材は、上記隔壁の他の一部となる板状の第2隔壁部であって、上記第1隔壁部および第2隔壁部の板厚方向に直交する突き合わせ方向に、上記第1隔壁部と突き合わせて溶着する第2隔壁部を有し、
上記第1隔壁部は、
自身の板厚方向に延び、自身の表裏面間を連通する連通溝であって、上記第2隔壁部と溶着させる際に、上記第2隔壁部側に開口する形態の連通溝と、
上記連通溝の上記第2隔壁部側の開口端縁から、上記突き合わせ方向および上記板厚方向に直交する溝幅方向に、それぞれ離間した位置で、上記第2隔壁部との溶着の際に、上記連通溝よりも上記第2隔壁部側となる位置に配置され、上記溶着の際に溶融変形させる2つの第1溶融部と、を含み、
上記第1ケース部材と第2ケース部材とを溶着して、上記電池ケースを形成するケース溶着工程を有し、
上記ケース溶着工程は、
上記第1隔壁部の上記第1溶融部および第2隔壁部のうち、少なくとも上記第1溶融部を溶融させて、
上記突き合わせ方向に、上記第1隔壁部と上記第2隔壁部とを突き合わせ、互いに溶着させると共に、溶融した上記第1溶融部または第2隔壁部を起源とする樹脂によって第1溶融部同士の間を埋め、上記連通溝のうち少なくとも上記開口端縁にまで、上記樹脂を届かせて、上記連通溝の上記第2隔壁部側の開口を塞ぎ、上記連通溝の少なくとも一部で、上記連通孔を構成する
ニッケル水素二次電池モジュールの製造方法。 - 請求項3に記載のニッケル水素二次電池モジュールの製造方法であって、
前記連通溝は、前記溝幅方向の寸法より前記突き合わせ方向の寸法が大きい、深溝形状を有する
ニッケル水素二次電池モジュールの製造方法。
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