JP2014143058A - 熱伝導部材、及びそれを用いた組電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単電池セルの発熱を効率よく冷却部へ伝熱させることができ、しかも低コストである熱伝導部材を得る。
【解決手段】 本発明の熱伝導部材は、単電池セルを組み合わせて組電池とする際に単電池セル間に配置される熱伝導部材であって、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であり、両側の単電池セルの筐体に直接又は他の部材を介して接するシート状の本体部と、該本体部から延び両側の単電池セルよりも外側に延出する延出部とを有しており、該延出部の延出方向の実長さが３ｍｍ以上であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱伝導部材、及びそれを用いた組電池装置に関する。より詳しくは、単電池セルを組み合わせて組電池とする際に単電池セル間に配置される熱伝導部材、及びそれを用いた組電池装置に関する。

近年、地球温暖化対策、省エネルギーや環境汚染等の関心が高まり、化石燃料を消費し二酸化炭素を排出する従来の自動車から、ガソリンエンジンと電気モーターを併用するハイブリッド車や電気モーターのみで走行する電気自動車への切替が進みつつある。このようにハイブリッド車や電気自動車を効率よく走行させるために、高効率な電池の開発が望まれている。

これら電気自動車等で使用されるニッケル・水素二次電池、リチウムイオン電池などは、高いエネルギー密度が必要とされ、かつ搭載スペースは極力小さくすることが求められている。このため高電圧、高容量の電池の場合、複数の単電池を直列又は並列接続することが行われ、数個から数十ないし数百個もの単電池を接続する組電池装置が用いられる。このような組電池を構成する単電池セルは内部反応により発熱する場合がある。組電池の性能や寿命は温度環境に大きく依存し、高温になると劣化が顕著になるおそれを有するため、その冷却方法についていくつかの提案がなされている。

特許文献１には、単電池セルの間に熱伝導性と電気絶縁性を有する軟材質からシート状（板状）に形成された熱伝導部材を列設する組電池装置が開示されている。この文献に記載の組電池装置においては、熱伝導部材として、シリコーンゴムや高熱伝導材を混合したゴムや熱可塑性エラストマーを用いることが記載されている。

特許文献２には、単電池セルの間に配置される熱伝導部材として、０．５Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する基材層と、該基材層の両側に設けられた０．５Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する熱伝導性層との少なくとも３層の積層構造を有する熱伝導部材が提案されている。この文献には、基材層を形成する材料として熱硬化性樹脂を用いることが記載されている。また、熱伝導性層を形成する材料として、熱可塑性エラストマー、シリコーンゴム、アクリルポリマー等のポリマー成分に熱伝導性フィラーを含有させた有機樹脂組成物を用いることが記載されている。

特開２００９−０５４４０３号公報 特開２０１１−１０８６１７号公報

しかし、特許文献１及び２に記載の熱伝導部材では、構成材料として熱伝導フィラー等を含有させた熱可塑性エラストマー等の有機樹脂組成物を用いるため、熱伝導率は金属と比較して低く、単電池セルの発熱を速やかに冷却部へ伝熱する機能は十分とは言えない。また、熱伝導部材が柔軟なため、例えば強制空冷をした場合などにおいて形状を保持することが困難となりやすく、コストも高い。

したがって、本発明の目的は、単電池セルの発熱を効率よく冷却部へ伝熱させることができ、しかも低コストである熱伝導部材と、それを用いた組電池装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、上記特性に加えて、さらに、強制空冷した場合でも形状を保持できる強度の高い熱伝導部材と、それを用いた組電池装置を提供することにある。

本発明者らは、上記の目的を達成するため鋭意検討した結果、単電池セルを組み合わせて組電池とする際に単電池セル間に配置される熱伝導部材において、高熱伝導率を有する材料で形成するとともに、両側の電池セルよりも外側に延出する延出部を設けることで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、単電池セルを組み合わせて組電池とする際に単電池セル間に配置される熱伝導部材であって、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であり、両側の単電池セルの筐体に直接又は他の部材を介して接するシート状の本体部と、該本体部から延び両側の単電池セルよりも外側に延出する延出部とを有しており、該延出部の延出方向の実長さが３ｍｍ以上であることを特徴とする熱伝導部材を提供する。

前記熱伝導部材において、前記延出部は、折り返し構造を有しており、折り返しの回数が４回以上であることが好ましい。

前記折り返し構造において、前記折り返し構造において、１方向の折り返し頂部と該方向とは反対方向の折り返し頂部間の空間距離が５０ｍｍ以下であるのが好ましい。

前記延出部の厚さは、例えば０．０２〜５ｍｍである。

前記延出部の引張強度は、３０Ｎ／ｍｍ²以上であるのが好ましい。

本発明は、また、単電池セルと、前記の熱伝導部材とが交互に複数個列設されている組電池装置を提供する。

前記組電池装置は、熱伝導部材の延出部を風冷するための機構がさらに備えられていてもよい。

本発明の熱伝導部材は、熱伝導率が高く、しかも両側の単電池セルよりも外側に延出する延出部を有しているので、これを組電池装置に用いると、単電池セルの熱が速やかに延出部に伝熱し、極めて効率よく放熱空間へ放熱される。

図１は、本発明の熱伝導部材の一実施形態を示す概略斜視図（ａ）及び概略側面図（ｂ）である。 図２は、図１（ｂ）の部分拡大図である。 図３は、本発明の組電池装置の一実施形態で用いる単電池セルの概略斜視図である。 図４は、本発明の組電池装置の一実施形態を示す概略側面図である。

［熱伝導部材］
本発明の熱伝導部材は、単電池セルを組み合わせて組電池とする際に単電池セル間に配置される熱伝導部材であって、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であり、両側の単電池セルの筐体に直接又は他の部材を介して接するシート状の本体部と、該本体部から延び両側の単電池セルよりも外側に延出する延出部とを有しており、該延出部の延出方向の実長さが３ｍｍ以上である。

本発明の熱伝導部材について、図１及び図２を参照しつつ説明する。

本発明に係る熱伝導部材の形状としては、少なくとも両側の単電池セルの筐体に直接又は他の部材を介して接する本体部はシート状であるのが好ましい。前記本体部は、例えば、厚手シート（板状シート）や薄手シート（フィルム状シート）の形態とすることができる。また、その平面形状も、矩形、円形等、単電池セルにあわせて採用が可能であり、細長いテープ状のシートとすることも可能である。さらには、均一厚みのシートである必要はなく、例えば、丸みを持った単電池セルの間に介装される場合であれば、単電池セルの表面形状にあわせて中央部分を両端部分よりも薄くさせたシート形状とすることも可能である。前記「他の部材」としては、例えば、両面粘着テープなどが挙げられる。

前記本体部から延び両側の単電池セルよりも外側に延出する延出部（タブ部）の形状は、特に限定されず、例えば前記本体部をそのまま延出させただけの平板状のシート形状であってもよいが、何らかの加工を施すことが好ましい。例えば、限られた空間で効率よく放熱させるため（単位空間容積当たりの放熱量を向上させるため）、或いは、強制空冷等によっても形状を維持できる程度の強度を具備させるため、前記本体部から延出させた平板状シートを、放熱面積を維持しつつ、単電池セルの高さ方向の長さ（前記本体部の端部から延出部の延出方向の端部までの空間距離）を短くする加工を施した構造とすることができる。そのような構造として、例えば、前記本体部から延出させた平板状シートを、折り曲げたり、丸めたりして得られる構造（折り曲げ構造、巻回構造等）が挙げられる。本発明においては、延出部は、特に、放熱効率，強度等の点から、前記本体部から延出させた平板状シートを交互に反対方向に折り曲げて形成した折り返し構造を有することが好ましい。また、熱伝導部材の延出部表面に突起を設けて表面凹凸構造とすることもできる。

以下、本発明の熱伝導部材の一例として、扁平な四角板状の単電池セル（直方体状の単電池セル）を複数用いた組電池装置に利用される、本体部が矩形シート状の熱伝導部材について説明する。

図１は、本発明の熱伝導部材の一実施形態を示す図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略側面図である。図２は図１（ｂ）の部分拡大図（延出部を拡大した図）を示す。この例において、熱伝導部材１は、両側の単電池セルの筐体に直接又は他の部材を介して接する平板状の本体部１１と、該本体部１１から延び両側の単電池セルよりも外側に延出する延出部１２とを有している。延出部１２の延出方向の実長さは３ｍｍ以上である。なお、前記延出部の延出方向の実長さとは、本体部の端部から延出部の端部まで、延出部の表面に沿った最短距離（沿面距離）をいい、折り曲げたり丸めたりした構造を有する場合は、平板状に伸ばした際の延出方向の長さである。

本発明において、前記平板状の本体部１１と延出部１２を形成する材料としては、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上となる材料であれば特に限定されないが、強度の点で、金属が好ましい。金属としては、例えば、アルミニウム、銅、合金（ステンレス等）などの金属（例えば、金属箔）が挙げられる。これらの中でも、熱伝導性、軽量性、加工性、低コスト等の点で、特にアルミニウム（例えば、アルミ箔）が好ましい。本体部１１を形成する材料と延出部１２を形成する材料は、同一でも異なっていてもよいが、加工性等の点で、同一であるのが好ましい。

平板状の本体部１１の形状及び大きさは、組電池装置に用いる単電池セルの形状及び大きさに応じて適宜設定できる。通常、平板状の本体部１１は、直接又は他の部材を介して接する単電池セルの筐体の一面（通常、面積が最も大きい面）の形状及び大きさと同じか略同じである。

本体部１１、延出部１２の厚みは、それぞれ、０．０２〜５ｍｍの範囲が好ましい。厚みが０．０２ｍｍ未満になると、機械的強度が低下し、加工性が低下しやすくなる。また、厚みが５ｍｍを超えると、組電離装置全体のサイズが大きくなるので好ましくない。前記厚みの下限は、それぞれ、好ましくは０．０３ｍｍであり、上限は、それぞれ、好ましくは３ｍｍ、さらに好ましくは１ｍｍである。

本体部１１、延出部１２の引張強度は、それぞれ、３０Ｎ／ｍｍ²以上であるのが好ましく、高いほど好ましい。該引張強度が３０Ｎ／ｍｍ²未満であると、取扱性、加工性が低下しやすくなる。また、延出部の引張強度が低すぎると、強制空冷した場合等において破損する場合がある。

延出部１２は、矩形シート状の本体部１１の少なくとも一辺から一方向に延びていればよい。通常、矩形シート状の本体部１１の一辺のみから一方向に延出させるが、複数の辺から多方向に延出させてもよい。

延出部１２の延出方向の実長さ（沿面距離）は、３ｍｍ以上であるが、好ましくは５ｍｍ以上、さらに好ましくは１０ｍｍ以上である。該延出部１２の延出方向の実長さの上限は、特に制限は無いが、好ましくは５０ｍｍ、より好ましくは４０ｍｍ、さらに好ましくは３０ｍｍである。延出部１２の延出方向の実長さが３ｍｍ未満では、放熱効果が小さい。延出部１２の延出方向の実長さは大きいほど放熱効果は上昇するが、その上昇度合いは徐々に低下し、該延出方向の実長さが５０ｍｍより大きくなると、放熱効果はほぼ一定となる。そのため、材料コスト、加工コスト、及び熱伝導部材や組電池装置のコンパクト化等の観点から、前記延出方向の実長さは５０ｍｍ以下が好ましい。

延出部１２の延出方向の空間距離Ｌ［本体部の端部（延出部との境界）から延出部の延出方向の端部までの空間距離］は、組電池装置の大きさを考慮して定められるが、通常１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上、さらに好ましくは３ｍｍ以上であり、上限は、例えば３０ｍｍ、好ましくは２０ｍｍ、さらに好ましくは１０ｍｍである。

本発明の熱伝導部材の好ましい態様では、前述したように、延出部が折り返し構造を有している。図１及び図２に示される例では、矩形シート状の本体部１１の一辺からそのまま一方向に延出させた矩形の平板をもとにして折り返し構造が形成されている。なお、折り返し構造とは、延出部の縦断面がジグザグ形状を呈する構造である（図１及び図２参照）。延出部を折り返し構造とすることで、狭い空間で効率よく放熱できるとともに、機械的強度が向上し、強制空冷した場合でも形状を保持することができる。上記の例では、本体部から延出させた矩形の平板をもとにして折り返し構造が形成されているが、矩形の平板に限らず、半円状、弧状等の適宜な形状を持つ平板をもとにして折り返し構造を形成することができる。

前記折り返し構造において、１方向の折り返し頂部と該方向とは反対方向の折り返し頂部間の空間上の距離（折り返し幅；図２における符号Ｈ）は、単電池セルの厚みを考慮すると、５０ｍｍ以下であるのが好ましい。該距離Ｈの上限は、より好ましくは２５ｍｍである。また、該距離Ｈの下限は、好ましくは０．０５ｍｍ、より好ましくは０．１ｍｍである。

前記折り返し構造において、折り返しのピッチ（１方向の折り返し頂部と隣接する同方向の折り返し頂部との距離；図２における符号ｐ）は、組電池装置の大きさや、放熱効率、強度等を考慮して適宜設定できるが、その下限は、例えば０．０５ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍであり、上限は、例えば５０ｍｍ、好ましくは３０ｍｍである。折り返しのピッチが小さすぎると、延出部における空気の流れが停滞しやすく、放熱効率が低下しやすくなる。また、逆にピッチが大きすぎると、延出部の占める空間容積が大きくなり、組電池装置をコンパクト化することが困難となる。

前記折り返し構造において、折り返しの回数は、組電池装置の大きさや、放熱効率、強度等を考慮して適宜設定でき、１回以上であればよいが、通常、２回以上、好ましくは４回以上、さらに好ましくは５回以上である。繰り返し回数の上限は、例えば５０回、好ましくは３０回である。なお、本体部１１の端部での最初の折り曲げは折り返し回数に含まないものとする。したがって、図１及び図２の例では、折り返し回数は５回である。

［組電池装置］
本発明の組電池装置は、単電池セルと、上記の本発明の熱伝導部材とが交互に複数個列設されていることを特徴とする。

以下、本発明の組電池装置について、図４を参照しつつ、説明する。図４は、本発明の組電池装置の一実施形態を示す概略斜視図である。図４に示す組電池装置には、扁平な四角板形状を有し、その４つの側面の内の１側面において電極２２を突出させた単電池セル２が複数備えられており、略同一の形状を有する複数の単電池セル２が前記電極２２の突出方向が上方となるように竪置きされて備えられており、各単電池セル２の間には熱伝導部材１が挟持されている。より詳しくは、組電池装置３には、四角板形状を有する複数の単電池セル２が、その板面（最も広い側面）を対向させ、且つ、その間に熱伝導部材１の本体部１１を挟持した状態で並列されており、前記熱伝導部材１の上端部において、折り返し構造を有する延出部１２が、その両側に配された単電池セル２の間から上方に延出した状態で設けられている。熱伝導部材１の本体部１１は、その外縁を単電池セル２の外縁に揃えた形で略全面を単電池セル２に面接している。なお、図３に、単電池セル２の概略斜視図を示す。２１は筐体を示し、２２は電極を示す。

図４においては、４個の単電池セル２と３個の熱伝導部材１とから構成される組電池装置３を示しているが、列設される単電池セル２および熱伝導部材１はこれに限定されるものではなく、必要に応じて数を調整することができる（通常、単電池セル２は数個〜数十個列設される）。

本発明において、単電池セル２としては一般的な所謂角型電池セルを用いることができる。これは、極板、セパレータ、電解液などの電池要素が筐体２１内に収納されている。筐体２１は樹脂製のもの、あるいは表面に絶縁被膜がコーティングされたものを用いてもよいが、熱伝導性が高い鉄やアルミニウムなどの金属製の筐体が表出する単電池セルを用いることが好ましい。

単電池セル２の上部には、一対の電極２２が突出形成されているのが一般的である。通常は、図４に示すように、電極２２をもつ側が全て同じ側となるように、複数の単電池セル２が列設される。

延出部１２は、図４に示されるような折り返し構造（波形構造）を有するもののほか、折り曲げ構造や巻回構造を有するものであってもよい。また、放熱効率を高めるため、延出部の表面に金属製等の１又は２以上の突起を設けて、表面凹凸構造としてもよい。この場合、延出部は単なる平板形状であってもよい。延出部１２の本体部１１は、例えば両面粘着テープ等の他の部材を介して単電池セル２の板面と密着していてもよい。

上記の例では、単電池セル２の最も広い側面が、それぞれ熱伝導部材１の本体部１１と、密着した状態で対向している。そのため、単電池セル２の内部反応で発生した熱は、熱伝導部材１の本体部１１を通して延出部１２へ伝熱する。また、本発明の熱伝導部材１は、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上と高いため、単電池セル２の熱を延出部１２へ速やかに伝熱し、該延出部１２の表面より大気へ効率よく放熱できる。

本発明の組電池装置においては、単電池セルと熱伝導部材とを交互に列設して加圧拘束したものをケーシング中に収納し、延出部が突出する側の表面とケーシングの内表面との間にトンネル状の空気流路を形成して、その空気流路を放熱空間とすることができる。この場合、空気流路にエアコンの風を流通させるなどすれば、各単電池セルの熱を延出部を介して均一に放熱することができる。なお、上記に限らず、熱伝導部材の延出部を風冷するための機構を備えることが好ましい。

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。

実施例１
図３に示すような扁平な四角板形状（直方体形状）の単電池セル（縦１１０ｍｍ×横２５．２５ｍｍ×高さ１８６ｍｍ）を２個用意した。上部の最も狭い面には２つの電極２２が備えられている。
一方、厚さ３０μｍの四角形状のアルミ箔を用い、一端部において１辺に平行な折り目を反対方向に交互に折り返して折り返し構造を作り、図１及び図２に示すような四角板状の本体部１１と、折り返し構造を有する延出部１２とを有する熱伝導部材を作製した。熱伝導部材の本体部１１の大きさは、単電池セルの最も広い面の大きさと同じく、１１０ｍｍ（幅）×１８６ｍｍ（長さ）である。また、延出部１２において、折り返し幅（１方向の折り返し頂部と該方向とは反対方向の折り返し頂部間の空間距離）は０．２６ｍｍ、折り返しの回数は５、折り返しのピッチｐは０．２６ｍｍ、延出方向の空間距離Ｌは１．３０ｍｍ、延出方向の実長さ（沿面距離）は３ｍｍであった。アルミ箔の熱伝導率は２３７Ｗ／ｍＫ、引張強度は４３．７Ｎ／ｍｍ²である。
２個の単電池セル２の最も広い面の間に上記熱伝導部材を挟持して、組電池装置を作製した。その際、熱伝導部材の本体部１１の外縁を単電池セル２の外縁に揃えた形にして、前記本体部１１の略全面が単電池セル２に面接するようにした。

実施例２
熱伝導部材の延出部１２において、、折り返し幅（１方向の折り返し頂部と該方向とは反対方向の折り返し頂部間の空間距離）を２．６ｍｍ、折り返しの回数を５、折り返しのピッチｐを２．６ｍｍ、延出方向の空間距離Ｌを１３ｍｍ、延出方向の実長さ（沿面距離）を３０ｍｍとした以外は実施例１と同様にして、組電池装置を作製した。

比較例１
熱伝導部材として、本体部のみを有する熱伝導部材を用いたこと以外は実施例１と同様にして、組電池装置を作製した。

＜評価（シミュレーション）＞
有限体積法をベースとしたＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）ソフトウェア「ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ」を利用してシミュレーション（熱計算）を実施した。
上記の実施例１、実施例２及び比較例１において、単電池セルの数を１９６個とし、各単電池セル間にそれぞれの熱伝導部材を挟持して得られる各組電池装置Ａ、Ｂ、Ｃについて、電池セル発熱量を１０Ｗとした時の電池セル温度をシミュレーションにより求めた。なお、熱伝導部材の延出部の延出方向に対して直交する方向に、空気を２．０ｍ／ｓの速度で流通させることを条件とした。
シミュレーション設定条件を表１に示す。結果を表２に示す。

表２から分かるように、延出部の延出方向の実長さ（沿面距離）が３ｍｍの熱伝導部材を用いた組電池装置（組電池装置Ａ）では、延出部を持たないこと以外は同じ熱伝導部材を用いた組電池装置（組電池装置Ｃ）よりもセル温度が３℃低下する。また、延出部の延出方向の実長さ（沿面距離）が３０ｍｍの熱伝導部材を用いた組電池装置（組電池装置Ｂ）では、延出部を持たないこと以外は同じ熱伝導部材を用いた組電池装置（組電池装置Ｃ）よりもセル温度が１１℃も低下する。

本発明において、組電池装置としては、単電池セルが発熱した場合の単電池セル温度が、延出部を持たないこと以外は同じ熱伝導部材を用いた組電池装置における電池セル温度よりも３℃以上低くなることが望ましく、５℃以上低くなることが特に望ましい。

１ 熱伝導部材
１１ 本体部
１２ 延出部
１３ 折り返し部
２ 単電池セル
２１ 筐体
２２ 電極
３ 組電池装置

Claims (7)

1. 単電池セルを組み合わせて組電池とする際に単電池セル間に配置される熱伝導部材であって、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上であり、両側の単電池セルの筐体に直接又は他の部材を介して接するシート状の本体部と、該本体部から延び両側の単電池セルよりも外側に延出する延出部とを有しており、該延出部の延出方向の実長さが３ｍｍ以上であることを特徴とする熱伝導部材。
2. 前記延出部は、折り返し構造を有しており、折り返しの回数が４回以上である請求項１記載の熱伝導部材。
3. 前記折り返し構造において、１方向の折り返し頂部と該方向とは反対方向の折り返し頂部間の空間距離が５０ｍｍ以下である請求項２記載の熱伝導部材。
4. 前記延出部の厚さが０．０２〜５ｍｍである請求項１〜３の何れか１項に記載の熱伝導部材。
5. 前記延出部の引張強度が３０Ｎ／ｍｍ²以上である請求項１〜４の何れか１項に記載の熱伝導部材。
6. 単電池セルと、請求項１〜５の何れか１項に記載の熱伝導部材とが交互に複数個列設されている組電池装置。
7. 熱伝導部材の延出部を風冷するための機構がさらに備えられている請求項６記載の組電池装置。

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