JP2018010830A - 集電体のシール構造および電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】外装体の内部に貯留されたガスを活物質として消費して放電する電池ユニットのシール構造を改善する。
【解決手段】電池とガスを内包する、電池ユニットの外装体内に設置され、一部が外装体より外部に露出する集電体のシール構造であって、集電体および外装体の少なくとも一方の対向面にリング状の凹部が設けられ、凹部内に、集電体と外装体の対向面の隙間を埋めるＯリングと、Ｏリングの外側に位置してＯリングを外側からサポート可能なバックアップリングとが配置されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、外装体の内部に貯留されたガスを活物質として消費して放電する電池ユニットに関するものである。

近年、非常用電源や電力貯蔵用途などを目的として定置型の大型電池の需要が高まっている。大容量の電力を充放電できる二次電池としては、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などが挙げられるが、これらの電池を大型化するには重量、コスト、安全性などの問題がある。この中で、ニッケル水素電池は負極に水素吸蔵合金、正極に水酸化ニッケルを用いた電池であり、鉛蓄電池よりも軽量である。また、水系の電解質を用いることからリチウムイオン電池よりも安全性の面で優れる。ただし、負極の水素吸蔵合金の価格が高く、大型化するとそれだけコストと重量が増大してしまい、高容量のニッケル水素電池を製作するにあたり大きなネックとなる。

そこで、特許文献１〜３では、正極に水酸化ニッケル、負極に周知の燃料電池水素極を用いる電池を提唱している。これは負極活物質である水素をガスの状態で、電池内部に貯留するもので、人工衛星用など限られた用途を視野に入れたものである。このような電池では、水素ガスを活物質として使用するため負極の重量を軽減することができる。
また、特許文献４では、負極に水素吸蔵合金を、正極に二酸化マンガンを使用し、過充電時に供給される電気エネルギーを、各極の活物質で、ある水素と酸素をガスとして電池容器内に貯蔵し、電気エネルギーに再変換して利用することが可能な電池を提唱している。

特許文献５〜７では、電池内部の温度の上昇を抑制する事を目的として、外装体の内部に正極と負極とセパレータがこの外装体の軸方向に積層されていて、正極もしくは負極のいずれか一方の電極（第１電極）がこの外装体の内面に当接して電気的に接続されており、他方の電極（第２電極）がこの外装体の内面に接触せずに、正極と負極とセパレータと外装体の軸方向に貫通している導電性の集電体に当接して電気的に接続されている。第１電極は第２電極の集電体と接触しない事で、電池として機能しつつ電極の熱伝達の向上を図った電池を提唱しており、この電池において過充電時に供給される電気エネルギーを、各極の活物質のガスとして外装体内部に貯蔵し、電気エネルギーに再変換して利用することが可能としている。

特開昭５７−４９１７５号公報 特開昭６０−１１５１５１号公報 特開平７−１５３４８４号公報 特開２０１３−２０９５５号公報 特開２０１３−１５７１５８号公報 特開２０１４−１３７６４号公報 特開２０１４−７１９７２号公報

しかし、従来の活物質をガスとして電池内部に貯蔵する電池では、導電性の集電体と導電性の外装体との間に圧縮シールなどのシール材を設置し、そのガス圧に耐えるようなガスシールと絶縁とを兼ねた構造としているが、電池の大型化やガスの高圧化に対するシール性が充分でなく、特に水素ガスを活物質として使用する場合には、その気密性に対する信頼性が不充分であるという問題がある。

この発明は上記のような従来のものの課題を解決するためになされたもので、集電体のシール性を改善して外装体より外部に露出させた集電体から電気を取り出すことができる電池ユニットおよび集電体のシール構造を提供することを目的としている。

すなわち、本発明の集電体のシール構造のうち、第１の形態は、電池とガスを内包する、電池ユニットの外装体内に設置され、一部が前記外装体より外部に露出する集電体のシール構造であって、
前記集電体および前記外装体の少なくとも一方の対向面にリング状の凹部が設けられ、前記凹部内に、前記集電体と前記外装体の対向面の隙間を埋めるＯリングと、前記Ｏリングの外側に位置して前記Ｏリングを外側からサポート可能なバックアップリングとが配置されていることを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、前記集電体の設置が、前記外装体のうちの蓋部に対し行われることを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、前記外装体は、少なくとも内面が導電性を有することを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、前記外装体と前記集電体は、一方が、前記電池の正極および負極の一方に電気的に接続され、他方が、前記電池の正極および負極の他方に電気的に接続されるものであることを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、前記集電体と前記外装体との、少なくとも接触可能な対向面間に、絶縁材が位置していることを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、前記絶縁材が複数シート層で形成されていることを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、各層の前記絶縁材が軸方向に沿って切り口線を有し、少なくとも隣接する層間で、前記切り口線が周方向でずれた位置にあることを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、互いに電気的に接続されていない集電体を複数有し、第１の集電体が前記電池の正極および負極の一方に電気的に接続され、第２の集電体が、前記電池の正極および負極の他方に電気的に接続されるものであることを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、前記凹部が集電体および前記外装体間の対向面の内側端に位置して、凹部の内側端縁が内側に開口していることを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、前記凹部の内側端縁に前記凹部の内側開口を塞ぐ内側絶縁性ストッパが設けられていることを特徴とする。

他の形態の集電体のシール構造の発明は、前記形態の本発明において、前記外装体および前記集電体の対向面の外側端部に対向面間の空間を塞ぐ外側絶縁性ストッパが設けられていることを特徴とする。

本発明の電池ユニットのうち、第１の形態は、電池とガスを内包する外装体と、前記外装体内に設置され、一部が前記外装体より外部に露出する集電体とを有し、
前記集電体が前記電池の正極および負極の一方の第１電極と電気的に接続される電池ユニットであって、
前記集電体および前記外装体の少なくとも一方の対向面にリング状の凹部が設けられ、前記凹部内に、前記集電体と前記外装体の対向面の隙間を埋めるＯリングと、前記Ｏリングの外側に位置して前記Ｏリングを外側からサポート可能なバックアップリングとが配置されていることを特徴とする。

他の形態の電池ユニットの発明は、前記形態の本発明において、前記外装体の少なくとも内面が導電部であり、前記導電部が前記電池の正極および負極の一方の第２電極に電気的に接続されていることを特徴とする。

他の形態の電池ユニットの発明は、前記形態の本発明において、前記集電体と前記外装体との、少なくとも接触可能な対向面間に、絶縁材が位置していることを特徴とする。

他の形態の電池ユニットの発明は、前記形態の本発明において、前記集電体が互いに電気的に接続されていない複数を有し、そのうちの第１の集電体が前記電池の正極および負極の一方の第１電極に電気的に接続され、そのうちの第２の集電体が前記電池の正極および負極の一方の第２電極に電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、集電体と外装体が電気的に接続されず、外装体内部に貯留したガスを漏洩させずに、集電体を通して電気を取り出すことができる効果がある。

本発明の一実施形態における電池ユニットの基本構造の一例を示す図である。 同じく、他例の基本構造を示す図である。 本発明の一実施形態のシール構造を示す一部拡大図である。 同じく、他の実施形態におけるシール構造の一部を示す拡大斜視図である。

（基本形態１）
以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
先ず、電池ユニット１の第１の基本形態を図１に基づいて説明する。
大型の電池ユニット１は、外装体２内に電池を内包した構造を有している。外装体２は、筒状の本体２Ｃと、本体２Ｃの軸方向両端に設けられて本体２Ｃに接合された上蓋２Ａ、２Ｂとを有している。本体２Ｃと上蓋２Ａ、２Ｂとは、冶金的に接合されており、密閉構造を有している。なお、上蓋２Ａ、２Ｂには、中心部に、後述する集電体８の芯棒９が貫通する取付孔１２Ａ、集電体１０の芯棒１１が貫通する取付孔１２Ｂを有している。なお、蓋は一つのみ有するものであってもよい。

外装体２内では、水酸化ニッケルを活物質とする正極板４、電解液が添加されたセパレータ５、水素吸蔵合金を活物質とする負極板６、通気板７とが、順次複数層積層され、枠状の保持部１３で保持されてニッケル水素電池３が構成されている。さらに、外装体２内には、活物質となる高圧ガスが封入されている。正極板４、負極板６は、一方が第１電極、他方が第２電極となる。

集電体８、１０は、上記したように、芯棒９、１１を通して一部が外装体２外に露出して突き出しており、外部との間で電気の取り出しが可能になっている。芯棒９、１１は、取付孔１２Ａ、１２Ｂとの間にシール構造１４が設けられている。シール構造１４は、水素ガスの圧力に耐えるようなガス−シールの構造を有しており、上蓋２Ａ、２Ｂが導電性を有する場合、シール構造１４は絶縁性を有するものとする。

集電体８、１０は、外装体２内部に伸張し、保持部１３内で、集電体８には、各正極板４がそれぞれ電気的に接続され、集電体１０には、各負極板６がそれぞれ電気的に接続されている。
各正極板４、各負極板６間で生じた電流は、集電体８の芯棒９、集電体１０の芯棒１１を通して外部に取り出される。
なお、この基本形態１では、上蓋２Ａから芯棒９が露出して突き出し、上蓋２Ｂから芯棒１１が露出して突き出すものとしたが、同じ上蓋から集電体の一部が露出するものであってもよく、また、本体２から集電体の一部が露出するものであってもよい。
また、この実施形態では、集電体の一部が外装体２から突き出す構成を有しているが、集電体と外部との電気的接続が可能であれば、集電体が外装体２から突き出した構造を有することが必要とされるものではない。

（基本形態２）
次に、他の基本形態の電池ユニット１Ａを図２に基づいて説明する。なお、上記基本形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
大型の電池ユニット１Ａは、外装体２内に電池を内包した構造を有しており、外装体２は、円筒状の本体２Ｃと、本体２Ｃの軸方向両端に設けられて本体２Ｃに接合された上蓋２Ａ、２Ｂとを有している。本体２Ｃと上蓋２Ａ、２Ｂとは、導電性の材料で構成されており、全体が導電部となっている。本体２Ｃと上蓋２Ａ、２Ｂとは、冶金的に接合されており、密閉構造を有している。なお、本体２Ｃ、上蓋２Ａ、２Ｂの内面のみが導電性を有するものであってもよい。
なお、上蓋２Ａ、２Ｂには、中心部に、後述する軸状の集電体１５が貫通する取付孔１２Ａ、取付孔１２Ｂを有している。

外装体２内では、水酸化ニッケルを活物質とする正極板２４、電解液が添加されたセパレータ２５、水素吸蔵合金を活物質とする負極板２６、通気板２７とが複数層積層されてニッケル水素電池３Ａが構成されている。正極板２４、負極板２６は、一方が第１電極、他方が第２電極となる。
外装体２内には、活物質となる高圧ガスが封入されている。ニッケル水素電池３Ａは、軸方向両端が上蓋２Ａ、２Ｂ付近に至るまで配置されており、上蓋２Ａ、２Ｂの内面とニッケル水素電池３Ａとの間には、絶縁板２８が配置されている。

ニッケル水素電池３Ａでは、正極板２４、セパレータ２５、負極板２６、通気板２７の中を、軸状の集電体１５が貫通しており、集電体１５の両端部は、上蓋２Ａ、２Ｂから露出して外部に突き出している。
なお、各正極板２４は、外装体２における外装体本体２Ｃの内面に接する外径を有しており、各正極板２４は、外装体本体２Ｃに電気的に接続されている。一方、各正極板２４の中心側と集電体１５との間は、接触しておらず、各正極板２４と集電体１５とは絶縁された状態にある。
また、各負極板２６は、外装体本体２Ｃの内面よりも小さい外径を有し、外装体２とは電気的な接続はなされておらず、絶縁状態になっている。一方、各負極板２６の中心部は、集電体１５と接触して各負極板２６と集電体１５とが電気的に接続されている。

ニッケル水素電池３Ａは、正極側が外装体２を通して外部と通電が可能であり、負極側が集電体１５を通して外部との通電が可能になっている。

次に、シール構造１４について図３を参照して説明する。
以下の説明では、上蓋２Ａに、軸状の集電体３０が取り付けられており、外装体２内で伸張する集電体本体３０Ａには、上蓋２Ａから軸方向外側に突出する小径の接続部３０Ｂを有している。この実施形態では、集電体本体３０Ａの軸方向端部と上蓋２Ａの取付孔１２Ａとの間にシール構造１４を有している。ただし、本実施形態としては、上蓋２Ｂ側において、シール構造を有するものでもよく、芯棒９、１１や集電体１５などの集電体との間でシール構造１４を有するものであってもよい。また、外装体本体２Ｃと集電体との間でシール構造を有するものとしてもよく、本発明としては、シール構造の位置が特に限定されるものではない。

取付孔１２Ａの内周面と集電体本体３０Ａの外周面とが本発明における対向面に相当する。上蓋２Ａの取付孔１２Ａの内面には、軸方向内側端部にリング状に凹部１４０が形成されており、凹部１４０の軸方向内側端縁は、外装体内空間に開口している。凹部１４０内では軸方向外側で、凹部１４０内周面と集電体本体３０Ａ外周面の間の空間に絶縁性のバックアップリング１４２がはめ込まれ、その内側に、Ｏリング１４１がはめ込まれている。Ｏリング１４１は、凹部１４０内周面と集電体本体３０Ａ外周面の間の空間において、外装体内の高圧水素から十分にシールを行える大きさで形成されている。バックアップリング１４２の材料には非伝導性で高強度のエンジニアリングプラスチックを用いることができる。この実施形態ではＰＥＥＫ（商標）が用いられている。Ｏリング１４１には、ニトリルゴムなどの材料を用いることができる。バックアップリング１４２とＯリング１４１に、絶縁性材料を用いる。

Ｏリング１４１は、加圧された水素ガスが外装体外部に漏えいするのを防止する。
また、水素ガスの圧力によってＯリング１４１が変形してガスシール性が低下したり、Ｏリング１４１が移動してずれたりするのを防止するためにバックアップリング１４２が設けられている。
なお、この実施形態では、凹部の内側端縁は外装体内空間に開口しているものとして説明したが、本発明としては、凹部が開口していることが必須となるものではなく、凹部の軸方向端部が開口していないものであってもよい。

上蓋２Ａが導電性を有する場合、この実施形態では、集電体本体３０Ａが例えば１ｍｍ以下まで上蓋２Ａに近接することがあり、短絡が起こる可能性があるため、上蓋２Ａと集電体本体３０Ａとの間には、絶縁シート１４３が設置されている。絶縁シートとしてはＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などがあるが、本実施形態ではＰＴＦＥが用いられている。絶縁シート１４３は、本発明の絶縁材に相当する。
なお、上蓋２Ａが導電性を有していない場合、シール構造において絶縁材の配置を省略するようにしてもよい。

さらに、Ｏリング１４１とバックアップリング１４２と絶縁シート１４３が電池内部側または外部側に脱落するのを防止するため、Ｏリング１４１とバックアップリング１４２と絶縁シート１４３の軸方向内側と、外側とにそれぞれ絶縁性ストッパ１４４、１４６が設置されている。絶縁性ストッパ１４４、１４６は、集電体本体３０Ａと上蓋２Ａとに同時に接触することから、集電体本体３０Ａと上蓋２Ａとの短絡を防止するため絶縁性の材料を用いている。本実施形態ではＰＰを用いている。ただし、本発明としては絶縁性であればよく、絶縁性ストッパの材質が特に限定されるものではない。
この実施形態では、絶縁性ストッパ１４４、１４６はリング状に形成されている。

さらに補強のために、絶縁性ストッパ１４６の外側には、金属製の押さえ板１４７が配置されている。この実施形態では、押さえ板１４７はリング状に形成されている。
絶縁性ストッパ１４４は、ねじ１４５によって上蓋２Ａに固定されており、絶縁性ストッパ１４６、押さえ板１４７は、ねじ１４８によって上蓋２Ａに固定されている。なお、この固定状態では、凹部１４０内では、軸方向においてバックアップリング１４２、Ｏリング１４１と絶縁性ストッパ１４４との間には隙間がない状態になっており、径方向においてもＯリング１４１によって凹部１４０内周面と集電体本体３０Ａとの間に隙間がない状態が得られている。このような状態が得られるようにＯリング１４１の断面形状を決定するのが望ましい。

本実施形態によれば、導電性を有する外装体の内部に電池とガスを内包する大型電池において、電池と電気的に接続されている導電性の集電体と外装体との間にＯリングとバックアップリングと絶縁シートを備えることにより、集電体と外装体が電気的に接続されず、内部に貯留したガスを漏洩させないで、外装体より外部に露出させた集電体から電気を取り出すことができる大型電池を提供することができる。

なお、上記の説明では、絶縁シート１４３は、一枚のシートとしているが、図４に示すように、複数のシートによって絶縁シートとすることもできる。この形態では、絶縁シートは、内層側から絶縁シート１４３Ｃ、絶縁シート１４３Ｂ、絶縁シート１４３Ａの３層によって構成されている。絶縁シートは薄くなればなるほど傷が付いたりして破損することにより短絡を生じる可能性があるが、複数枚のシートを積層させることによって、それらの内１枚に傷が付くなどの破損が生じたとしても他の絶縁シートによって絶縁を保つことができる。本実施形態では、０．３ｍｍ厚さのＰＴＦＥシート３枚が用いられている。
絶縁シートは円筒状のものを用いても良く、シート状のものを用いる場合には少なくとも隣接するシートで開口部をずらして設置するのが望ましい。
これにより加圧された水素ガスを活物質として用いて充放電を行っても、水素ガスがその圧力によって容器外部に漏えいすることなく、さらに正極の集電体と負極の集電体が短絡することなく二次電池として充放電を行うことができる。

なお、上記実施形態では、上蓋２Ａの内面にのみ凹部を形成したが、集電体本体３０Ａの外周面に凹部を形成してもよく、また、両方に凹部を形成して対向するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、シール構造を上蓋２Ａと集電体本体３０Ａの間に設けるものとして説明したが、先に説明したように、他の上蓋や外装体の他の構造と、本件集電体や他の集電体との間にシール構造を有するものであってもよい。
また、実施形態の説明では、ニッケル水素電池を内包するものについて説明したが、水素と電池を外装体に内包するものであれば本発明の適用は可能であり、電池の種別が特に限定されるものではない。

以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲を逸脱しない限りは本実施形態に対する適宜の変更が可能である。

１ 電池ユニット
１Ａ 電池ユニット
２ 外装体
２Ａ 上蓋
２Ｂ 上蓋
２Ｃ 外装体本体
３ ニッケル水素電池
３Ａ ニッケル水素電池
４ 正極板
５ セパレータ
６ 負極板
７ 通気板
８ 集電体
９ 芯棒
１０ 集電体
１１ 芯棒
１２Ａ 取付孔
１２Ｂ 取付孔
１３ 保持部
１４ シール構造
１５ 集電体
２４ 正極板
２５ セパレータ
２６ 負極板
２７ 通気板
３０ 集電体
３０Ａ 集電体本体
３０Ｂ 接続部
１４０ 凹部
１４１ Ｏリング
１４２ バックアップリング
１４３ 絶縁シート
１４３Ａ 絶縁シート
１４３Ｂ 絶縁シート
１４３Ｃ 絶縁シート

Claims (15)

1. 電池とガスを内包する、電池ユニットの外装体内に設置され、一部が前記外装体より外部に露出する集電体のシール構造であって、
   前記集電体および前記外装体の少なくとも一方の対向面にリング状の凹部が設けられ、前記凹部内に、前記集電体と前記外装体の対向面の隙間を埋めるＯリングと、前記Ｏリングの外側に位置して前記Ｏリングを外側からサポート可能なバックアップリングとが配置されていることを特徴とする集電体のシール構造。
2. 前記集電体の取付けが、前記外装体のうちの蓋部に対し行われることを特徴とする請求項１記載の集電体のシール構造。
3. 前記外装体は、少なくとも内面が導電性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の集電体のシール構造。
4. 前記外装体と前記集電体は、一方が、前記電池の正極および負極の一方に電気的に接続され、他方が、前記電池の正極および負極の他方に電気的に接続されるものであることを特徴とする請求項３に記載の集電体のシール構造。
5. 前記集電体と前記外装体との、少なくとも接触可能な対向面間に、絶縁材が位置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の集電体のシール構造。
6. 前記絶縁材が複数シート層で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の集電体のシール構造。
7. 各層の前記絶縁材が軸方向に沿って切り口線を有し、少なくとも隣接する層間で、前記切り口線が周方向でずれた位置にあることを特徴とする請求項６記載の集電体のシール構造。
8. 互いに電気的に接続されていない集電体を複数有し、第１の集電体が前記電池の正極および負極の一方に電気的に接続され、第２の集電体が、前記電池の正極および負極の他方に電気的に接続されるものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の集電体のシール構造。
9. 前記凹部が集電体および前記外装体間の対向面の内側端に位置して、凹部の内側端縁が内側に開口していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の集電体のシール構造。
10. 前記凹部の内側端縁に前記凹部の内側開口を塞ぐ内側絶縁性ストッパが設けられていることを特徴とする請求項９記載の集電体のシール構造。
11. 前記外装体および前記集電体の対向面の外側端部に対向面間の空間を塞ぐ外側絶縁性ストッパが設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の集電体のシール構造。
12. 電池とガスを内包する外装体と、前記外装体内に設置され、一部が前記外装体より外部に露出する集電体とを有し、
    前記集電体が前記電池の正極および負極の一方の第１電極と電気的に接続される電池ユニットであって、
    前記集電体および前記外装体の少なくとも一方の対向面にリング状の凹部が設けられ、前記凹部内に、前記集電体と前記外装体の対向面の隙間を埋めるＯリングと、前記Ｏリングの外側に位置して前記Ｏリングを外側からサポート可能なバックアップリングとが配置されていることを特徴とする電池ユニット。
13. 前記外装体の少なくとも内面が導電部であり、前記導電部が前記電池の正極および負極の一方の第２電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１２記載の電池ユニット。
14. 前記集電体と前記外装体との、少なくとも接触可能な対向面間に、絶縁材が位置していることを特徴とする請求項１２または１３に記載の電池ユニット。
15. 前記集電体が互いに電気的に接続されていない複数を有し、そのうちの第１の集電体が前記電池の正極および負極の一方の第１電極に電気的に接続され、そのうちの第２の集電体が前記電池の正極および負極の一方の第２電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１２記載の電池ユニット。

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