JP2013165013A - 電池用防火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の安全弁から生じたガスを電池の配された空間内から除去でき、且つ、ガスが発火を伴って生じた場合でも、電池の配された空間内に火を閉じ込め、電池の周囲の物体の火災等を防ぐことができる新しい電池用防火装置を提供する。
【解決手段】安全弁３３を備えた電池３と、ガスの放出方向に少なくとも配される防火板１０と、防火板１０に設けられ、電池３が配された第一の空間と防火板１０を境として第一の空間と反対側の第二の空間とを連通する連通部２０と、を有し、連通部２０は、防火板１０から第一の空間と第二の空間の少なくともいずれか一方に突出し、第一の空間と第二の空間とをつなぐ貫通孔を備えた柱状部と、柱状部と所定の空隙を有しつつ柱状部の突出した側の前記貫通孔から柱状部の外周面までを覆う覆部とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池用防火装置に関する。

電池には、放電のみ行う一次電池や充放電を行う二次電池が存在する。近年、特に、二次電池として、高エネルギ密度、高出力、及び長寿命といった特長を有するリチウム二次電池が注目されている。リチウム二次電池は、一般的に、電極板、すなわち正極板及び負極板がセパレータを介して積層された積層電極体を電解液等とともに電池容器に密閉した構成をしている。

リチウム二次電池などの電池において、例えば、短絡や過充電などの異常が生じた場合、電解液が急激に気化するなどの要因により電池容器内で多量の高温ガスが発生し、電池容器の内部圧力が急激に上昇して電池容器本体が破裂するおそれがある。そのため、一般的には、電池容器の内部圧力が所定値以上となったときに電池容器内のガスを外部に放出する安全弁を電池容器に設けることで、電池容器の破裂を防止している。

ここで、例えば、複数の電池を１つの筐体に収納して大容量の電源として使用する場合、筐体自体が密閉性を有していると、筐体内部においてガスが閉じ込められてガスが充満した状態になり、筐体自体が破裂等する危険性も高まってしまう。

そこで、特許文献１では、電池を収納した筐体に排気ダクト及び開口部といった外部へのガス流通路を設け、このガス流通路を通じて電池の安全弁から発生したガスを筐体外部に排出することによって筐体の安全性を高めるといった技術が開示されている。

特開２０１１−７０８７１号公報

しかしながら、電池の安全弁から放出したガスは発火を伴っていることもあり、この場合、特許文献１に記載の技術のように、排気ダクトから開口部までのガスの流通路が直線状に形成されていると、火も排気ダクトを通じて開口部から噴出しやすくなり、筐体の周囲に配置された物体等の火災を起こし得るという問題点があった。

したがって、本発明は上記問題点に鑑み、電池が異常となって電池の安全弁からガスが生じてもこのガスを電池が配された空間内から除去でき、且つ、万一、ガスが発火を伴って生じた場合であっても、電池が配された空間内に火を閉じ込め、電池の周囲の物体の火災等を防ぐことができる新しい電池用防火装置を提供することを目的とする。

本発明による電池用防火装置は、電池容器の内部圧力が所定値以上となったときに電池容器の内部のガスを電池容器の外部に放出する弁を備えた電池と、ガスの放出方向に少なくとも配される防火板と、防火板に設けられ、電池が配された第一の空間と防火板を境として第一の空間と反対側の第二の空間とを連通する連通部と、を有し、連通部は、防火板から第一の空間と第二の空間の少なくともいずれか一方に突出し、第一の空間と第二の空間とをつなぐ貫通孔を備えた柱状部と、柱状部と所定の空隙を有しつつ柱状部の突出した側の貫通孔から柱状部の外周面までを覆う覆部とからなる。

かかる電池用防火装置は、電池の安全弁から放出されたガスの第一の空間から第二の空間までの流通路が段差構造となるため、万一、ガスが発火を伴って生じた場合であっても、この火が外部に噴出されることを抑止することができ、結果として、電池が配された空間内に火を閉じ込め、電池の周囲の物体の火災を防ぐことができる。

以上のように構成された本発明の電池用防火装置によれば、電池が異常となって電池の安全弁からガスが生じてもこのガスを電池が配された空間内から除去でき、且つ、万一、ガスが発火を伴って生じた場合であっても、電池が配された空間内に火を閉じ込め、電池の周囲の物体の火災を防ぐことができる。

本発明の第１実施形態の電池用防火装置の概略的な斜視図を示す。 本発明の第１実施形態における電池の概略的な斜視図を示す。 本発明の第１実施形態の電池用防火装置の一部である連通部の概略的な構成図を示し、図３（ａ）は、覆部の重力方向（Ｚ軸方向）の断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の第１実施形態の電池用防火装置における防火の様子を示す図である。 本発明の第２実施形態の電池用防火装置の概略的な斜視図を示す。 本発明の第２実施形態の電池用防火装置の一部である連通部の概略的な構成図を示し、図６（ａ）は、覆部の重力方向（Ｚ軸方向）の断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。 本発明の変形例であって、棚として電池用防火装置を構成した場合の概略的な斜視図を示す。

以下、本発明を実施するための好適な各実施形態を、図面を参照しながら説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、筐体としての電池用防火装置の概略的な斜視図を示し、図２は、電池３の概略的な斜視図を示し、図３は、電池用防火装置の一部である連通部２０の概略的な構成図を示す。

本発明の第１実施形態の筐体１は、図１に示すとおり、複数の電池３を収容し、これら電池３を覆い囲む防火板１０（１０ａ〜１０ｃ）と、防火板１０上に設けられ、筐体１内の空間と筐体１外の空間とを連通する連通部２０とを有して構成される。防火板１０と連通部２０とを含んで本実施形態の電池用防火装置が形成される。

以下では、まず、電池３について簡単に説明し、その後、本実施形態の電池用防火装置について説明する。

電池３は、例えば、リチウム二次電池であって、図２に示すように、容器本体３１と、２つの電極端子３２（正極端子３２Ａ及び負極端子３２Ｂ）と、安全弁３３とを含んで構成される。

容器本体３１は、電極板、すなわち正極板及び負極板がセパレータを介して積層された積層電極体（図示せず）を非水電解液等とともに密閉して収容する容器であり、例えば、アルミニウム合金などの金属材料で形成される。正極板の一端には正極タブが形成されており、該正極タブと正極端子３２Ａとを正極リードで電気的に接続し、また、負極板の一端には負極タブが形成されており、該負極タブと負極端子３２Ｂとを負極リードで電気的に接続する。上記構成により、正極端子３２Ａ及び負極端子３２Ｂから電流を取り出すことが可能となる。

正極端子３２Ａ及び負極端子３２Ｂは、容器本体３１の蓋部に形成された貫通孔を介して外部に露出され、正極端子３２Ａ及び負極端子３２Ｂと容器本体３１とを電気的に絶縁し且つ容器本体３１を密閉するための絶縁性樹脂によって、容器本体３１と一体化して接着される。

安全弁３３は、電池３において短絡や過充電などの異常が生じた場合、電解液が急激に気化するなどの要因により容器本体３１の内部で多量の高温ガスが発生し、内部圧力が急激に上昇することによる容器本体３１の破裂を防止するための弁であって、容器本体３１の内部圧力が所定値以上となったときに開放され、電池容器内のガスを外部に放出する。なお、安全弁３３の構造及び形状については、従来の電池に設けられた種々の安全弁と同様とすることができる。

次に、筐体１について説明する。筐体１は、上述したように、防火板１０と連通部２０とを含んでなる。

防火板１０は、図１に示すように、複数の電池３を収納する筐体（収納箱）１の天板１０ａ、４つの側板１０ｂ、及び底板１０ｃとして用いられる。防火板１０は、万一、電池３の安全弁３３が開放され発火を伴ったガスが生じた場合、この火を筐体１の内部に閉じ込め、筐体１の外部に火が噴出されることを防ぐための板である。防火板１０は、例えば、１．６ｍｍ以上の厚みを有する鋼板とすることができるが、厚みや材質はこれに限られず、安全弁から発火を伴ったガスが生じた場合に、この火に対して耐火性能を有するような厚みや材質を適宜選択すればよい。

なお、以下では、ＸＹＺ直交座標系を適宜用いて説明する。筐体１において、例えば、図１に示すように、筐体１の底板１０ｃから筐体１の天板１０ａに向かう垂線方向（重力方向）をＺ軸方向のうちの＋Ｚ方向とし、このＺ軸方向と直交し且つ複数の電池３が規則的に並んで配置される方向をＹ軸方向とし、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に直交する方向をＸ軸方向とする。また、筐体１の内部空間（電池が配される空間）を第一の空間とし、筐体１の外部空間（第一の空間と防火板１０を境として反対側の空間）を第二の空間とする。

連通部２０は、天板１０ａの所定位置に設けられ，図３に示すように、柱状部２１と覆部２２とから構成される。なお、天板１０ａの所定位置は、例えば、図４に示すように、電池３の安全弁３３が開放されて放出されたガスの放出方向（ここでは、＋Ｚ方向）に位置する防火板１０ａの領域（安全弁３３から＋Ｚ方向に位置する領域）と所定の距離ｄ以上離れた位置とする。この場合、安全弁３３から発火を伴うガスが生じた場合でも、このガスの放出方向に対して防火板１０ａの平面部位が位置することになり、外部への火の流出をより確実に防ぐことができる点で望ましい。

柱状部２１は、図３に示すように、天板１０ａの上記所定位置において第二の空間側（＋Ｚ方向）に突出し、第一の空間側の端面２１ａと第二の空間側の端面２１ｂとが貫通した中空の柱状の部位である。すなわち、柱状部２１は、第一の空間と第二の空間とをつなぐ貫通孔を備えている。図３では、当該柱状部２１の形状は円柱状としているが、これに限らず、三角柱状や四角柱状としてもよい。また、柱状部２１の外周面には、後述する覆部２２の接合部２２２と接合するための接合部２１１を備え、この接合部２１１は、例えば、当該外周面に形成された雄ネジである。なお、柱状部２１は、例えば、天板１０ａに貫通孔を設けて、その貫通孔の周縁に中空の柱状部材を取り付けて形成することができる。また、柱状部２１は、例えば、鋼板で形成し、内周面から外周面までの厚みを１．６ｍｍ以上とすることができるが、厚みや材質はこれに限られず、安全弁３３から発火を伴ったガスが生じた場合に、この火に対して耐火性能を有するような厚みや材質を適宜選択すればよい。

覆部２２は、柱状部２１と所定の空隙を有しつつ柱状部２１の第二の空間側の端面２１ｂ上から柱状部２１の外周面上までを覆う部位である。なお、柱状部２１の外周面上までを覆うとは、例えば、柱状部２１が第二の空間側（＋Ｚ方向）に突出している場合、覆部２２の下端部（後述する開口部２２３が設けられる部位）が、その柱状部２１の第二の空間側の端面２１ｂより−Ｚ方向に位置すればよく、外周面全部を覆って覆部２２の下端部が天板１０ａと当接してもよいし、端面２１ｂから−Ｚ方向に外周面の途中までを覆って覆部２２の下端部が天板１０ａと非当接であってもよい。図３（ａ）は、連通部２０の重力方向（Ｚ軸方向）の断面図であって、覆部２２が端面２１ｂから−Ｚ方向に柱状部２１の外周面の途中までを覆い、覆部２２の下端部が天板１０ａと非当接である場合の一例を示す。

覆部２２は、電池３の安全弁３３から放出され第一の空間から柱状部２１の内部を通過したガスを柱状部２１の外周面に沿って案内するとともに、万一、安全弁３３から発火した場合であっても、その火が外部に噴出されるのを防ぐための主部２２１と、柱状部２１の接合部２１１と接合するための接合部２２２とで構成される。主部２２１の内壁（柱状部２１の外周面と対面する面）の形状は、第一の空間から柱状部２１の内部を通過したガスを柱状部２１の外周面に沿って案内できるように、例えば、ドーム状に形成することができる。また、覆部２２の主部２２１は、例えば、鋼板で形成し、内壁面から外壁面（第二の空間側の面）までの厚みを１．６ｍｍ以上とすることができるが、厚みや材質はこれに限られず、安全弁３３から発火を伴ったガスが生じた場合に、この火に対して耐火性能を有するような厚みや材質を適宜選択すればよい。一方、接合部２２２は、例えば、上記接合部２１１が雄ネジであれば、この雄ネジと螺合する雌ネジである。なお、柱状部２１の接合部２１１と覆部２２の接合部２２２は、雄ネジ及び雌ネジとで接合する場合に限られず、他の接合方法を用いてもよく、例えば、溶接接合であってもよい。

覆部２２は、さらに、第一の空間から柱状部２１の内部、及び覆部２２の内壁と柱状部２１の外周面との間の空隙を通過して案内されたガスを第二の空間に放出する開口部２２３を有する。開口部２２３は、具体的には、柱状部２１の端面２１ｂより−Ｚ方向の位置（端面２１ｂより重力方向に低い位置）に設けられる（以下、「段差構造」という）。例えば、図３（ａ）に示すように、覆部２２の下端部が柱状部２１を覆いつつ天板１１表面とは当接しないよう配置された場合、開口部２２３は、図３（ｂ）のＸＹ平面の断面図に示すように、主部２２１と接合部２２２とを連結する部位を除いた柱状部２１の外周面の形状に沿ってＺ軸方向に開口されて形成される。なお、図示は省略するが、覆部２２が、柱状部２１の外周面を覆いつつ天板１１表面と当接するよう配置された場合、開口部２２３は、覆部２２の天板１０ａ側近傍において、ＸＹ平面方向に開口されて形成される。

覆部２２と柱状部２１との空隙の幅、及び開口部２２３の開口面積は、筐体１の大きさ及び電池３の安全弁３３からのガスの発生量を考慮して適宜自由に設定することができるが、例えば、開口面積を電池３の電極端子３２と接続された導線を通す大きさを考慮し、当該導線よりおおきめに設定してもよい。この場合、筐体１において導線を筐体１外部に取り出すための孔を別途設ける必要がない点で、製造上のコスト等のメリットを有する。

以上のように筐体１が有する本実施形態の電池用防火装置によれば、電池３の安全弁３３から放出されたガスの流通路が第一の空間から柱状部２１の内部を通過して柱状部２１の外周面に沿うように案内されて第二の空間に放出されるような段差構造を有するため、電池３が異常となって電池３の安全弁３３からガスが生じてもこのガスを電池３が配された第一の空間内から除去でき、且つ、万一、ガスが発火を伴って生じた場合であっても、図４に示すように、覆部２２によって外部へ火が流出されることを防ぐことができ、電池３の周囲の物体の火災を防ぐことができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態の電池用防火装置について詳細に説明する。上記第１実施形態の筐体１では、天板１０ａ上に連通部２０が設けられた構成であったが、第２実施形態の筐体１’では、図５に示すように、側板１０ｂ上に連通部２０と基本的に同一構造の連通部２０’が設けられることを特徴の１つとする。なお、以下では、第１実施形態と共通の構成についてはその説明を適宜省略する。

連通部２０’は、側板１０ｂの天板１０ａ近傍に設けられる。連通部２０’を天板１０ａ近傍に設けることで、電池３の安全弁３３からのガスの放出に対しては天板１０ａで確実に防ぎつつ、筐体１内の上部に溜まりうるガスを外部へ放出しやすくなる。なお、連通部２０’を設ける側板１０ｂの位置は、発生し得るガスの比重等に応じて適宜変更してもよい。

連通部２０’の柱状部２１’は、図６（ａ）に示すように、側板１０ｂの上記天板１０ａ近傍において第二の空間側（＋Ｘ方向）に突出し、第一の空間側の端面２１ａと第二の空間側の端面２１ｂとがＸ軸方向に貫通した中空の円柱状の部位である。なお、柱状部２１’の形状自体は、第一実施形態で説明した上記柱状部２１と同様とすることができる。

連通部２０’の覆部２２’は、柱状部２１’と所定の空隙を有しつつ柱状部２１’の第二の空間側の端面２１ｂ上から柱状部２１’の外周面上を覆う部位である。覆部２２’は、基本的には、第一実施形態で説明した覆部２２の形状と同様とすることができるが、覆部２２’の第一の空間から柱状部２１’の内部を通過して柱状部２１’の外周面に沿うように案内されたガスを第二の空間に放出する開口部２２３’を、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、覆部２２’のうち柱状部２１’の位置より下方（重力方向下方）にのみ設けるようにすることもできる。開口部２２３’は、具体的には、柱状部２１’の端面２１ｂより−Ｚ方向の位置（端面２１ｂより重力方向に低い位置）に設けられる。覆部２２’が、例えば、図６（ａ）に示すように、柱状部２１’を覆いつつ側板１０ｂ表面とは当接しないよう配置された場合、開口部２２３’は、図６（ｂ）のＹＺ平面の断面図に示すように、主部２２１と接合部２２２との連結部位のうち柱状部２１’の位置より下方（重力方向下方（−Ｚ方向））の位置で、柱状部２１の外周面の形状に沿ってＸ軸方向に開口される。開口部２２３’が柱状部２１’の位置より下方にのみ設けられることで、電池３の安全弁３３から放出された火が柱状部２１’の貫通孔を通過したとしても、該火は上方へ進行しようとしても覆部２２で遮られて進行できないのに対して、ガスなどの気体は開口部２２３’を介して第二の空間に排出されることが可能となる点で有用である。

このように本実施形態の電池用防火装置によれば、連通部２０’が側板１０ｂ上の天板１０ａ近傍に設けられていることで、上述の第一実施形態の電池用防火装置の効果に加えて、万一、ガスが発火を伴って生じた場合であっても、火を覆部２２の天板１０ａで確実に外部への噴出を防ぐことができ、仮に天板１０ａの平面に沿って火が側板１０ｂ方向にも広がったとしても、側板１０ｂに設けられた連通部２０’によって火を覆部２２で外部への噴出を防ぐことができるので、電池３の周囲の物体の火災をより確実に防ぐことができる。

また、連通部２０’を、側板１０ｂ上の天板１０ａ近傍に設けることで、ガスが発生しても外部に放出しやすい構造になり、開口部２２３’を覆部２２’のうち重力方向下方に設けることで、側板１０ｂ方向にも広がった火の外部への噴出をより確実に防ぐことができる。

＜変形例＞
以上のように本発明の電池用防火装置の好適な各実施形態について説明したが、本発明は、上記各実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、及び省略が当業者によって可能である。

例えば、上記各実施形態では、電池３を収納する筐体１，１’としての電池用防火装置を例にとって説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、電池用防火装置を棚としてもよい。具体的には、電池３がある棚（下棚）に配され、その電池３の上に更に棚（上棚）を有し、上棚にも電池３や他の物体が配される場合、上棚を防火板とし、該防火板に連通部２０を設けてもよい。この結果、電池３の安全弁３３より、万一、ガスが発火を伴って生じた場合であっても、防火板及び連通部を境とした上部空間への火の噴出を防ぐことができるため、上棚に配された電池や他の物体の火災を抑えることができる。

また、図７に示すように、電池３が配される下棚４０ａとその上の電池や他の物体が配される上棚４０ｂとの間に別途、中棚として防火板１０ｄを設けて、防火板１０ｄと上棚４０ｂとの間をガスの流通路としてもよい。この場合、高温のガスは上棚４０ｂの電池３や他の物体が配された空間に放出されることなく、且つ、電池３の安全弁３３から発火を伴うガスが発生しても、電池３や他の物体が配された上棚４０ｂに対しては直接火が当らないため、上棚４０ｂの電池や他の物体が配された空間の温度上昇を防ぐことができる。その結果、上棚４０ｂに配された電池３が熱せられて内部圧力が上昇して安全弁３３が開放されるといった異常連鎖を誘発してしまうおそれを回避することができる。

また、上記各実施形態では、連通部２０，２０’の柱状部２１，２１’がそれぞれ第二の空間側に突出した場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、連通部２０，２０’の柱状部２１，２１’がそれぞれ第一の空間側に突出したものであってもよい。この場合、覆部２２，２２’は、柱状部２１と所定の空隙を有しつつ柱状部２１の第一の空間側の端面２１ａから柱状部２１の外周面上までを覆い、電池３の安全弁３３から放出され第一の空間から開口部２２３，２２３’を通過して覆部２２の内壁に沿って案内されたガスが柱状部２１の内部を通過して第二の空間に放出されることとなる。さらに、連通部２０，２０’の柱状部２１，２１’がそれぞれ第一の空間側及び第二の空間側の双方に突出したものであってもよく、この場合、いずれかの突出した側に覆部２２，２２’を設けてもよいし、両方の突出した側に覆部２２，２２’を設けてもよい。

さらに、上記第一実施形態において、連通部２０は、上記ガスの放出方向上に位置する防火板１０ａの領域と所定の距離離れた位置に設ける場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、例えば、柱状部２１の突出する長さ（Ｚ軸方向の長さ）が十分な長さを有しており、且つ、覆部２２が柱状部２１の外周面を十分に覆っていれば、その放出方向上に設けてもよい。

さらに、上記各実施形態では、電池として、特にリチウム二次電池を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、安全弁が設けられた電池であれば他の電池に適用できることはもちろんである。

１，１’…筐体、３…電池、１０…防火板、１０ａ…天板、１０ｂ…側板、１０ｃ…底板、２０，２０’…連通部、２１，２１’…柱状部、２２，２２’…覆部、３１…容器本体、３２…電極端子、３２Ａ…正極端子、３２Ｂ…負極端子、３３…安全弁。

本発明による電池用防火装置は、電池容器の内部圧力が所定値以上となったときに電池容器の内部のガスを電池容器の外部に放出する弁を備えた電池と、ガスの放出方向に少なくとも配される防火板と、防火板に設けられ、電池が配された第一の空間と防火板を境として第一の空間と反対側の第二の空間とを連通する連通部と、を有し、連通部は、防火板から第一の空間と第二の空間の少なくともいずれか一方に突出し、第一の空間と第二の空間とをつなぐ貫通孔を備えた柱状部と、柱状部と所定の空隙を有しつつ柱状部の突出した側の貫通孔から柱状部の外周面までを覆う覆部とからなり、覆部は、第一の空間から第二の空間にガスを放出する開口部が形成されていることを特徴とする。

Claims (6)

1. 電池容器の内部圧力が所定値以上となったときに前記電池容器の内部のガスを前記電池容器の外部に放出する弁を備えた電池と、
   前記ガスの放出方向に少なくとも配される防火板と、
   前記防火板に設けられ、前記電池が配された第一の空間と前記防火板を境として前記第一の空間と反対側の第二の空間とを連通する連通部と、を有し、
   前記連通部は、前記防火板から前記第一の空間と前記第二の空間の少なくともいずれか一方に突出し、前記第一の空間と前記第二の空間とをつなぐ貫通孔を備えた柱状部と、前記柱状部と所定の空隙を有しつつ前記柱状部の前記突出した側の前記貫通孔から前記柱状部の外周面までを覆う覆部とからなることを特徴とする電池用防火装置。
2. 前記連通部は、前記ガスの放出方向に位置する前記防火板の領域と所定の距離離れて配されることを特徴とする請求項１に記載の電池用防火装置。
3. 前記防火板は、前記電池を収納する筐体を構成する天板及び側板として用いられており、
   前記連通部は、前記側板上の前記天板近傍に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池用防火装置。
4. 前記開口部は、前記覆部のうち重力方向下方に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の電池用防火装置。
5. 前記防火板、前記柱状部の側部、及び前記覆部は、それぞれ鋼板であり、且つ、所定の厚みを有してなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電池用防火装置。
6. 前記連通部における前記柱状部と前記覆部との間の空隙は、前記電池の電極端子と電気的に接続される導線を通過できる大きさ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電池用防火装置。

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