JP2011238521A - 二次電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱が効率よく均一に行われ、セルの温度が均一に維持される二次電池モジュールを提供する。
【解決手段】ＮａＳ電池モジュール１０００は、容器１００４と、ＮａＳ電池の複数のセル１００８と、砂と、マイカ板と、を備える。容器は、側壁１０３６及び下部壁１０４０を備える本体１０２４と、上部壁１０４４を備える蓋１０２８と、を備える。側壁１０３６は、セル１００８の配列面が拡がる方向に容器１００４の内部と外部とを隔てる。上部壁１０４４及び下部壁１０４０は、セルの配列面が拡がる方向と垂直をなす方向に容器の内部と外部とを隔てる。下部壁１０４０及び側壁１０３６は高断熱性壁となり、上部壁１０４４は高断熱性壁よりも断熱性が低い低断熱性壁となる。セル１００８、砂及びマイカ板は、容器の内部に設置される。マイカ板は、砂に埋めこまれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池の複数のセルを容器の内部に収容した二次電池モジュールに関する。

ナトリウム−硫黄電池（以下では「ＮａＳ電池」という。）のセルが容器の内部に収容されたＮａＳ電池モジュールにおいては、セルの温度が約３００℃の高温に維持された状態で運転されるため、断熱容器の内部にセルが収容されることが多い。また、ＮａＳ電池モジュールにおいては、安全性を向上するため、セルの隙間に不燃性の砂が充填され、セルと容器の壁との間に絶縁板が設置されることも多い。

一方、ＮａＳ電池モジュールにおいては、セルの温度が均一であることが望まれる。特許文献１は、セルの温度を均一にするため、セルを平面配列し、側壁よりも上部壁及び／又は下部壁の断熱性を低くし、主に上部壁及び／又は下部壁を経由して放熱を行うことを提案する。

特開平１１−１８５８０１号公報

しかし、従来のＮａＳ電池モジュールにおいては、絶縁体とその隣接物との間の空気層により伝熱が妨げられ、放熱が効率よく均一に行われない場合がある。

この問題は、ＮａＳ電池以外の二次電池のセルを容器の内部に収容した二次電池モジュールにも当てはまる。

本発明は、この問題を解決するためになされ、放熱が効率よく均一に行われ、セルの温度が均一に維持される二次電池モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための手段を以下に示す。

第１の発明は、容器と、前記容器の内部に設置され平面配列される二次電池の複数のセルと、前記容器の内部に設置され前記セルの隙間に充填される不燃性で流動性を有する充填物と、前記充填物に埋めこまれる板状又はシート状の絶縁体と、を備え、前記容器は、前記セルの配列面が拡がる方向に前記容器の内部と外部とを隔てる単数又は複数の第１の壁と、前記セルの配列面が拡がる方向と垂直をなす方向に前記容器の内部と外部とを隔てる単数又は複数の第２の壁と、を備え、前記第２の壁は、前記第１の壁よりも断熱性が低い低断熱性壁、を備え、前記セルと前記低断熱性壁との間に前記絶縁体が設置される、
二次電池モジュール。

第２の発明は、第１の発明の二次電池モジュールにおいて、前記低断熱性壁の外側に設置され前記低断熱性壁の外面を覆う放熱量調整機構、をさらに備える二次電池モジュールに関する。

本発明によれば、絶縁板により空気層が増えることなく、放熱が効率よく均一に行われる。

第２の発明によれば、容器の内部の温度を下げる必要があるときに放熱量が増やされ、容器の内部の温度を下げる必要がないときに放熱量が減らされ、容器の内部の温度が適切に維持される。

第１実施形態のＮａＳ電池モジュールの斜視図である。 第１実施形態のＮａＳ電池モジュールの断面図である。 第２実施形態の上部壁及びその周辺の断面図である。 第３実施形態の上部壁及びその周辺の断面図である。 第４実施形態のシャッター及びその周辺の斜視図である。 第４実施形態のシャッター及びその周辺の断面図である。 第５実施形態の断熱材及びその周辺の断面図である。 第５実施形態の断熱材及びその周辺の断面図である。

＜第１実施形態＞
（概略）
第１実施形態は、ＮａＳ電池モジュール１０００に関する。

図１及び図２は、第１実施形態のＮａＳ電池モジュール１０００の模式図である。図１は斜視図であり、図２は断面図である。

図１及び図２に示すように、ＮａＳ電池モジュール１０００は、容器１００４と、ＮａＳ電池の複数のセル１００８と、砂１０１２と、マイカ板１０１６と、マイカ板１０２０と、を備える。セル１００８、砂１０１２、マイカ板１０１６及びマイカ板１０２０は、容器１００４の内部に設置される。容器１００４の内部にヒータ、温度センサ等が設置されてもよい。ＮａＳ電池モジュール１０００においては、容器１００４の上部壁１０４４のフィン１０６０の先端が砂１０１２に突きさされ、マイカ板１０１６が砂１０１２に埋めこまれ、主に上部壁１０４４を経由して放熱が行われる。上部壁１０４４を経由する放熱量は、上部壁１０４４の外面を覆う可変ルーバー１０６４により調整される。

セル１００８は、容器１００４の下部壁１０４０の内面に敷かれたマイカ板１０２０の上に平面配列される。「平面配列」とは、平面をなす配列面に沿ってセル１００８が配列されることをいう。

砂１０１２は、セル１００８の隙間に充填される。砂１０１２は、不燃性であれば、天然物及び人工物のいずれでもよく、天然物と人工物との混合物でもよい。砂１０１２の充填により、ＮａＳ電池モジュール１０００の安全性が向上する。砂１０１２に代えて、不燃性で流動性を有する充填物がセル１００８の隙間に充填されてもよい。

マイカ板１０１６及びマイカ板１０２０は、セル１００８の配列面と平行をなす。マイカ板１０１６は、セル１００８と上部壁１０４４との間に設置され、マイカ板１０２０は、セル１００８と下部壁１０４０との間に設置される。これにより、セル１００８がマイカ板１０１６及びマイカ板１０２０に遮蔽され、ＮａＳ電池モジュール１０００の絶縁性が向上する。マイカ板１０１６及びマイカ板１０２０は、絶縁体のマイカからなる板状の部材である。板状のマイカ板１０１６及びマイカ板１０２０に代えてシート状のマイカシートが用いられてもよい。絶縁体はマイカ以外でもよい。ただし、絶縁体が不燃性であって熱伝導性も良好なマイカであることは、安全性及び放熱の効率の向上に寄与する。

（高断熱性壁及び低断熱性壁）
図１及び図２に示すように、容器１００４は、側壁１０３６及び下部壁１０４０を備える本体１０２４と、上部壁１０４４を備える蓋１０２８と、を備える。側壁１０３６は、セル１００８の配列面が拡がる方向に容器１００４の内部と外部とを隔てる。上部壁１０４４及び下部壁１０４０は、セル１００８の配列面が拡がる方向と垂直をなす方向に容器１００４の内部と外部とを隔てる。下部壁１０４０及び側壁１０３６は高断熱性壁となり、上部壁１０４４は高断熱性壁よりも断熱性が低い低断熱性壁となる。これにより、セル１００８の配列面が拡がる方向への放熱が相対的に抑制され、セル１００８の配列面が拡がる方向と垂直をなす方向への放熱が相対的に促進され、セル１００８の温度が均一になる。側壁１０３６は、典型的にはセル１００８の配列面と垂直をなすが、セル１００８の配列面と垂直をなす方向から若干傾斜していてもよい。上部壁１０４４及び下部壁１０４０は、典型的にはセル１００８の配列面と平行をなすが、セル１００８の並列面と平行をなす方向から若干傾斜していてもよい。容器１００４の内部にヒータが設置される場合は、パネルヒータが高断熱性壁の内面に沿って設置されることが望ましい。

側壁１０３６及び下部壁１０４０が高断熱性壁となる場合は、側壁１０３６及び下部壁１０４０の内部に中空部を形成し当該中空部を減圧する真空断熱構造が採用されることが望ましい。真空断熱構造の採用に代えて又は真空断熱構造の採用に加えて、側壁１０３６及び／又は下部壁１０４０の内面及び／又は外面を断熱材で覆い、側壁１０３６及び／又は下部壁１０４０と断熱材とで高断熱性壁を構成してもよい。断熱材は、特に制限されないが、繊維集合体又は発泡体からなるマットであることが一般的である。

上部壁１０４４に加えて又は上部壁１０４４に代えて下部壁１０４０が低断熱性壁となってもよい。より一般的には、セル１００８の配列面が拡がる方向と垂直をなす方向に容器１００４の内部と外部とを隔てる単数又は複数の壁が低断熱性壁を備え、セル１００８の配列面が拡がる方向に容器１００４の内部と外部とを隔てる単数又は複数の壁よりも低断熱性壁の断熱性が低ければよい。ただし、上部壁１０４４が低断熱性壁となることには、対流により放熱が効率的に行われるという利点がある。特許文献１（特開平１１−１８５８０１号公報）に代表される従来のＮａＳ電池モジュールにおいては、上部壁が低断熱性壁となる場合には、上部壁と砂との間の空気層により伝熱が妨げられるという問題があったが、第１実施形態のＮａＳ電池モジュール１０００においては、低断熱性壁の伝熱構造及びマイカ板１０１６の埋めこみにより当該問題を解消している。

上部壁１０４４の全部が側壁１０３６よりも断熱性が低い低断熱性領域であることが放熱の効率及び均一性を向上する観点から見て最も望ましいが、セル１００８の配列面が拡がる方向と垂直をなす方向から見てセル１００８が配列された領域を低断熱性領域が内包していれば、上部壁１０４４の一部のみが低断熱性領域である構造が許される場合がある。例えば、容器１００４が大きく、セル１００８の配列面が拡がる方向と垂直をなす方向から見てセル１００８が容器１００４の中央に集中して設置されている場合は、上部壁１０４４の中央部が低断熱性領域であって縁部が低断熱性領域でないという構造も許される。

より一般的には、セル１００８の配列面が拡がる方向に容器１００４の内部と外部とを隔てる壁よりも断熱性が低い低断熱性領域を低断熱性壁が備え、セル１００８の配列面が拡がる方向と垂直をなす方向から見て低断熱性領域がセル１００８が配列された領域を内包すればよい。

容器１００４が図１に示す直方体形状を有することは必須ではなく、容器１００４が円柱形状等の直方体形状以外の形状を有してもよい。したがって、側壁１０３６が平坦であるとは限らない。上部壁１０４４及び下部壁１０４０も平坦であるとは限らないが、放熱が均一に行われるためには、上部壁１０４４及び下部壁１０４０が平坦であってセル１００８の配列面と平行をなすことが望ましい。

（低断熱性壁の伝熱構造）
図２に示すように、低断熱性壁となる中空部が形成されていない中実の上部壁１０４４は、内面（下面）にフィン１０６０が形成された一体構造物の天板である。下部壁１０４０が低断熱性壁となる場合は、下部壁１０４０は、内面（上面）にフィンが形成された一体構造物の底板となる。「一体構造物」とは、ネジどめ、接着、溶接、はんだづけ等の結合手段により結合される界面を少なくとも厚さ方向に有さない構造物をいう。低断熱性壁が一体構造物であることにより、伝熱を妨げる界面がなくなり、放熱が効率よく行われる。

複数のフィン１０６０は、容器１００４の内部へ向かって突出し、フィン１０６０の先端は、砂１０１２に突きさされる。これにより、伝熱が効率よく均一に行われ、放熱が効率よく均一に行われ、セル１００８の温度が均一になる。このことは、セル１００８の劣化や充放電能力を均一にするだけでなく、セル１００８の数を増やすことやセル１００８のサイズを大きくすることを容易にし、ＮａＳ電池モジュール１０００を大型化することを容易にする。ベース１０５６と砂１０１２との間には隙間があってもよい。

この伝熱構造により放熱が均一に行われるのは、天板の平坦な内面と砂１０１２とを直接的に接触させても天板の内面と砂１０１２との接触が著しく不均一になり放熱が著しく不均一に行われるのに対して、この伝熱構造によれば、当該問題が解消するからである。

上部壁１０４４の材質は、アルミニウム、銅等の砂１０１２よりも十分に熱伝導率が高い高熱伝導体であることが望ましい。上部壁１０４４の材質が高熱伝導体である場合は、放熱の効率及び均一性が低下しにくいからである。

フィン１０６０は、上部壁１０４４の内面に分布すればよいが、上部壁１０４４の内面に均一に分布することが望ましい。これにより、放熱の均一性がさらに向上する。

フィン１０６０は、板形状を有するプレート型であってもよいし、棒形状を有するピン型であってもよいし、その他の型であってもよい。

（マイカ板１０１６の埋め込み）
図２に示すように、セル１００８と低断熱性壁の上部壁１０４４との間にあるマイカ板１０１６は、砂１０１２に埋めこまれる。「埋めこまれる」とは、マイカ板１０１６の表面の全体が砂１０１２に接触させられマイカ板１０１６の表面が砂１０１２の外部に露出しない状態にされることをいう。これにより、ＮａＳ電池モジュール１０００の絶縁性を向上しながらフィン１０６０の先端を砂１０１２に突きさすことが可能になり、砂１０１２と上部壁１０４４との間の空気層が増えず、放熱が効率よく均一に行われる。

（放熱量調整機構の設置）
可変ルーバー１０６４は、低断熱性壁の上部壁１０４４よりも外側に設置され上部壁１０４４の外面を覆う。「ルーバー」は、「ブラインド」等とも呼ばれる。可変ルーバー１０６４は、回転軸の周りに羽板１０６８を回転させ、開口１０７２が開かれ放熱量が多くなる状態と、開口１０７２が閉じられ放熱量が少なくなる状態との間で放熱量を調整する放熱量調整機構を構成する。これにより、上部壁１０４４からの放熱経路上の開口１０７２が開閉され、放熱量が調整される。

可変ルーバー１０６４により、放熱量の調整が可能になり、容器１００４の内部の温度を下げる必要があるときに放熱量が増やされ、容器１００４の内部の温度を下げる必要がないときに放熱量が減らされ、容器１００４の内部の温度が適切に維持される。

例えば、ＮａＳ電池モジュール１０００においては、ＮａＳ電池からの発熱が大きくなる放電時に放熱量が増やされる。ＮａＳ電池に代えて充電時に発熱が大きくなる二次電池が用いられる場合は、二次電池からの発熱が大きくなる充電時に放熱量が増やされる。

可変ルーバー１０６４に代えて、可変ルーバー１０６４以外の放熱量調整機構が用いられてもよい。ただし、可変ルーバー１０６４の最大の開口率は約９０％とすることができるので、放熱量を多くすることが望まれる場合は、可変ルーバー１０６４が用いられることが望ましい。

（低断熱性壁の伝熱構造、マイカ板１０１６の埋め込み及び放熱量調整機構の設置の一部の省略）
低断熱性壁の伝熱構造、マイカ板１０１６の埋め込み及び放熱量調整機構の設置は、同時に採用されることが最も望ましいが、これらの一部が省略されても意義が完全に失われることはない。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、第１実施形態の上部壁１０４４に代えて採用される上部壁２０４４に関する。

図３は、第２実施形態の上部壁２０４４及びその周辺の模式図である。図３は断面図である。

図３に示すように、上部壁２０４４は、第１実施形態の上部壁１０４４と同じく、内面にフィン２０６０が形成された一体構造物の天板であるが、第１実施形態の上部壁１０４４と異なり、外面にもフィン２２０８が形成される。これにより、放熱がより効率よく行われる。

フィン２２０８も、上部壁２０４４の外面に分布すればよいが、上部壁２０４４の外面に均一に分布することが望ましい。これにより、放熱の均一性がさらに向上する。

フィン２２０８は、板形状を有するプレート型であってもよいし、棒形状を有するピン型であってもよいし、その他の型であってもよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態は、第１実施形態の上部壁１０４４に代えて採用される上部壁３０４４に関する。

図４は、第３実施形態の上部壁３０４４及びその周辺の模式図である。図４は断面図である。

図４に示すように、上部壁３０４４においては、第１実施形態の上部壁１０４４と異なり、波板形状を有する天板３０４８が設けられる。

天板３０４８の内面に均一に分布し容器１００４の内部へ向かって突出する内面側山部３３００の先端は、砂１０１２に突きさされる。これにより、伝熱が効率よく均一に行われ、放熱が効率よく均一に行われ、セル１００８の温度が均一になる。

天板３０４８の外面に均一に分布する外面側山部（内面側谷部）３３０４は、放熱を効率よく行うことに寄与する。

＜第４実施形態＞
第４実施形態は、第１実施形態の可変ルーバー１０６４に代えて採用されるシャッター４０６４に関する。

図５及び図６は、第４実施形態のシャッター４０６４及びその周辺の模式図である。図５は斜視図であり、図６は断面図である。

図５及び図６に示すように、シャッター４０６４は、第１実施形態の可変ルーバー１０６４と同じく、低断熱性壁の上部壁１０４４よりも外側に設置され上部壁１０４４の外面を覆う。シャッター４０６４は、開口４０７２が形成された面に平行に扉板４０６８を移動させ、開口４０７２が開かれ放熱量が多くなる状態と開口４０７２が閉じられ放熱量が少なくなる状態との間で放熱量を調整する放熱量調整機構を構成する。これにより、上部壁１０４４からの放熱経路上の開口４０７２が開閉され、放熱量が調整される。

シャッター４０６４により、容器１００４の内部の温度を下げる必要があるときに放熱量が増やされ、容器１００４の内部の温度を下げる必要がないときに放熱量が減らされ、容器１００４の内部の温度が適切に維持される。

＜第５実施形態＞
第５実施形態は、第１実施形態の可変ルーバー１０６４に代えて採用される断熱材５０６４に関する。

図７及び図８は、第５実施形態の断熱材５０６４及びその周辺の模式図である。図７及び図８は断面図である。図７は、着脱用断熱材５０６６が取りつけられた状態を示し、図８は、着脱用断熱材５０６６が取りはずされた状態を示す。

図７及び図８に示すように、断熱材５０６４も、上部壁１０４４よりも外側に設置され、上部壁１０４４の外面を覆う。断熱材５０６４の一部の着脱用断熱材５０６６は、上部壁１０４４の外面から分離可能である。断熱材５０６４の全部を着脱用断熱材５０６６としてもよい。断熱材５０６４は、図７に示す上部壁１０４４の外面の被着脱領域５５００が露出し放熱量が多くなる状態と図８に示す上部壁１０４４の外面の被着脱領域５５００が露出せず放熱量が少なくなる状態との間で放熱量を調整する放熱量調整機構を構成する。断熱材５０６４により、容器１００４の内部の温度を下げる必要があるときに放熱量が増やされ、容器１００４の内部の温度を下げる必要がないときに放熱量が減らされ、容器１００４の内部の温度が適切に維持される。断熱材５０６４は、特に制限されないが、繊維集合体又は発泡体からなるマットであることが一般的である。

＜その他＞
上記の説明は、全ての局面において例示であって、この発明は上記の説明に限定されない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。

１０００ 二次電池モジュール
１００４ 容器
１００８ セル
１０１２ 砂
１０１６ マイカ板
１０３６ 側壁（高断熱性壁）
１０４０ 下部壁（高断熱性壁）
１０４４，２０４４，３０４４ 上部壁（低断熱性壁）
１０６０，２０６０，２２０８ フィン
１０６４ 可変ルーバー
４０６４ シャッター
５０６４ 断熱材

Claims (2)

1. 容器と、
   前記容器の内部に設置され平面配列される二次電池の複数のセルと、
   前記容器の内部に設置され前記セルの隙間に充填される不燃性で流動性を有する充填物と、
   前記充填物に埋めこまれる板状又はシート状の絶縁体と、
   を備え、
   前記容器は、
   前記セルの配列面が拡がる方向に前記容器の内部と外部とを隔てる単数又は複数の第１の壁と、
   前記セルの配列面が拡がる方向と垂直をなす方向に前記容器の内部と外部とを隔てる単数又は複数の第２の壁と、
   を備え、
   前記第２の壁は、
   前記第１の壁よりも断熱性が低い低断熱性壁、
   を備え、
   前記セルと前記低断熱性壁との間に前記絶縁体が設置される、
   二次電池モジュール。
2. 前記低断熱性壁の外側に設置され前記低断熱性壁の外面を覆う放熱量調整機構、
   をさらに備える請求項１の二次電池モジュール。

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