JP2007511882A - ガスケット、バイポーラ電池および当該ガスケットを有するバイポーラ電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、液スターブバイポーラ電池に使用するガスケットに関する。このガスケットは、フレーム状の疎水性材料から形成され、電池に取り付けられた際に隣接するセル間に電解質の経路が形成されるのを防ぐ。このフレーム状のガスケットは、バイポーラ電池に取り付けられた際に少なくとも部分的にバイプレートを囲み、ガスケットを介してガスを通過させる手段を含む。ガスケットは、バイポーラ電池に取り付けられた際にバイプレートおよび／またはエンドプレートを密閉するために変形可能な材料で形成され、これにより電池の外方を耐圧密閉することができる。また本発明は、液スターブバイポーラ電池およびこれを製造するための方法を提供する。

Description

本発明は、請求項１の公知部に記載されているようなガスケットおよび少なくとも１つのガスケットを含む請求項１３の公知部に記載されているようなバイポーラ電池に関する。また本発明は、請求項３０の公知部に記載されているようなバイポーラ電池の製造方法に関する。

バイポーラ電池は、その電池内の隣接するセル間の電気相互接続を行うバイプレートと呼ばれる導電性バイポーラ層と、セル間のパーティションとを含む構造を有する。バイポーラ電池を有効に利用するためにはバイプレートは、セルからセルへ電流を送るための充分な導電性を有し、セルが使用される環境において化学的に安定し、電極と良好に接触し、かつ、その接触状態を維持し、電気的に絶縁することが可能であり、セル内の電解質を収容するためにセルの境界の周囲で密閉性を有さなければならない。

これらの必要事項は、電池の内側にガスを発生させる帯電電位（ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）によって充電式電池では、そして電解質のクリープ性によってアルカリ電池では達成するのが特に困難である。そしてこれらの特性を上手く組み合わせることは非常に困難であると証明されている。充電式電池をメインテナンスフリーで作動させるためには電池を密閉した状態で作動させる必要がある。しかしながら、密閉式に設計されたバイポーラ電池は、電池の作動中に発生するガスによる汚染に対して構造的に弱い平坦な電極とセルを積み重ねた構造を利用している。安定した作動のためには、このような密閉構造では充電中に発生するガスをセル内で化学的に再結合させる必要がある。このガスによる圧力−汚染要件は、安定したバイポーラ電池を設計する上での新たな課題となっている。

交通、通信、医療および電動工具の分野における要求によって、既存の電池では満たすことのできない仕様が必要とされている。これらの要求は、長いサイクル寿命および迅速且つ効率的な充電である。

ＮｉＭＨシステムは、ライフサイクルの要件を満たす選択肢として注目されているが、既存の組み立て方法ではコストが非常に高くなる。

下記特許文献１にはバイプレート（導電性サポート／セパレーター）に開口部を設けることによって形成された共通のガスチャンバーを有するバイポーラ電池が開示されている。またこの開口部には電解質が開口部を通過するのを防ぐための疎水性バリアーが設けられている。こりによりセル間の差圧の問題は、解決されるが、上述の電池の不利な点は、まだ解決されずに残っている。各バイプレートの縁部の外周囲は、流体密封されなければならないが、これを行うのは非常に困難である。外周囲が流体密封されていないと、電極間のセパレーターおよび電極に含まれる電解質が１つのセルから別のセルへと移動してしまう。
米国特許第５，３４４，７２３号

本願出願人による下記特許文献２では、疎水性バリアーをバイプレートの開口部の周囲ではなく電極の周囲に設けるという上記特許文献１とは異なる解決策を提案している。またケースの内側で圧力が増加し過ぎるのを防ぐために圧力逃しバルブが設けられている。しかしながら、この種のバイポーラ電池の製造は、コストがかかり、したがって、構成部材の数が少なく、複雑な製造工程を必要としないで製造可能なバイポーラ電池が望まれている。
国際公開第ＷＯ０３／０２６０４２Ａ１号

本発明の目的は、バイポーラ電池の製造を簡単にするガスケットを提供することである。

この目的は、請求項１の特徴部に記載された特徴を有するガスケットによって達成される。

さらに本発明は、簡単に製造できるバイポーラ電池を提供することを目的としている。

この目的は、請求項１３の特徴部に記載された特徴を有するバイポーラ電池によって達成される。

さらに本発明は、上記ガスケットを使用して従来の方法と比較してより簡単なバイポーラ電池の製造方法を提供することを目的としている。

この目的は、請求項３０の特徴部に記載された特徴を有する方法によって達成される。

本発明は、上記ガスケットが疎水性バリアーおよび耐圧シールとして作用し、電池内で共通のガス空間を形成する手段を提供するので、従来の電池と比較してより多くのエネルギーを電池内に蓄えることが可能であるという利点を有する。この利点によって利用可能なスペースを効率よく利用することが可能になり、従来の電池と比較してより大きな電極を使用することができる。

さらに本発明には従来の装置と比較してコストおよび組み立てにおいてさらなる利点を供する。

本発明のさらなる目的および利点は、添付図面を参照した以下のバイポーラ電気化学電池およびバイプレート集合体の具体的な説明によって当業者に自明となる。

添付図面に示した異なる態様は、必ずしも縮尺または比率は合っていなく、異なる重要な特徴を示すために誇張されているものもある。

本発明のバイポーラ電池の重要な利点は、構造が簡単で、抵抗損失（ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｌｏｓｓｅｓ）が小さいということである。また部材の数も少なく、エンドプレートと電極、セパレーター、電解質の好適な集合体と密封部材を有するバイプレートとだけから構成される。所望の電圧の電池は、必要な数のバイプレートを積層させることによって得ることができる。セルは、各バイプレートが導電性であり、電解質に対して不浸透性であるので、電池を重ねれば電気的に接続される。

各端部にあるターミナルによって電流はプレートに対して垂直に流れ、これにより均一な電流および電圧の配分が可能になる。電流の経路は、非常に短いので、電圧降下を著しく減じることができる。

バイポーラ電池は、部材の削減および製造工程により重量、容積および製造コストを著しく減少させることができる。

バイポーラ電池の重要な問題点は、バイポーラ電池内のセル間を確実に密封するということである。上記特許文献２と下記特許文献３−６は、この問題の解決策を開示しており、これら特許文献は、本願出願人によるものであり、その内容を本願明細書に引用したものとする。
国際公開第ＷＯ０３／００９４１３号 国際公開第ＷＯ０３／０２６０５５号 国際公開第ＷＯ１０／４３４１６７号 国際公開第ＷＯ１０／４３４１６８号

セルの密封は、あらゆる種類の電池にとって極めて重要であり、バイポーラ電池も例外ではない。個々のセルは、活材（ＮｉＭＨ電池の場合、活材は、水酸化ニッケル陽極および金属水素化物水素貯蔵合金負極）と、セパレーターと、電解質とを含む。セパレーター中の電解質は、電極間のイオン輸送に必要であり、セパレーターは、電極間の電流フローの伝導に対する絶縁を供する。電池の寿命、重量および容積の点で最適な設計を行うにはガスの再結合を必要とする。

電池は、充電されると常にガスを発生する。電池の充電が完全に近くなるにつれてガスの量も増加し、完全に充電されると、ガスの量も最大になる。このように発生するガスは、主に酸素と水素である。

ＮｉＭＨおよびＮｉＣｄなどのニッケル系のバイポーラ電池の場合、酸素は、陰極の可能な活材と比較的速く再結合する。通常、電池は、セルが過充電された際に発生する最初のガスが酸素になるように設計されている。これは次のような２つの作用を必要とする。

１）充電時に発生する最初のガスが確実に酸素になるように陰極活材を陽極活材より通常３０％大きくする。

２）液スターブ電池（ｓｔａｒｖｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｂａｔｔｅｒｙ）において、酸素が再結合する陽極から陰極へのガスの経路を設ける。このガス経路は、電極の孔内の電解質の量およびセパレーター介して通過する電解質の量を調整することによって得られる。電極の全ての面は、イオン輸送のために電解質の薄膜で覆わなければならないが、この膜は、ガスがこの膜を介して拡散できるように充分薄くなければならず、活材層およびセパレーターを介してガスを通過させなければならない。

陰極は、過充電されると、水素を発生させる。ガス状の水素は、速く再結合しないので、セル内に圧力が溜まってしまう。酸素の再結合は、効果的に陰極が充電されるのと同じ速度で陰極を放電するので、陰極の過充電を防ぐことができる。

均一な圧力配分できるように設計されたバイポーラ電池とこのような活材の表面領域を組み合わせることによって迅速な再結合を行うことができる。説明を簡単にするために液スターブ（ｓｔａｒｖｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）電池は、自動車の鉛酸蓄電池のような液式電池に対して実施的には湿っているが、ウェット構造ではないものとして定義する。

バイポーラ構造では活材に亘る電圧降下を確実に全ての面において均一にすることができ、したがって電極全体が同時に完全に充電される。これにより電極のある部分が過充電され、ガスを発生し、その他の領域（過充電される部分と離れた）が完全に充電されないという従来の電池の重要な問題を克服することができる。

通常の電池のセルは、セルを適正に機能させる、および電解質の通過、即ち隣接するセル間の連続的なイオン伝導を防ぐために電解質を密閉状態で収容する。セル間に電解質の経路が存在することによって電解質を介して接続したセルがその経路の抵抗（経路の長さおよび断面積）によって決まる速度で放電する。バイポーラ電池の密封は、電解質経路が電位的に短くなるのでより重要である。本発明の重要な特徴は、あらゆる可能性のあるイオン伝導経路の伝導性を最小限にする、または除去するために電解質バリアーと一体化されたガスケットを使用することである。またセルの作動によって発生する熱の量も考慮する。発生する熱の量に応じて熱を除去し、安全な作動温度を維持するように設計しなければならない。

電解質経路がセル間に発生した場合、セル間の小さな漏れは、電池の周期的なフル充電によって克服することができる。電池は、一定の量を低速で過充電してもよい。このように低速で過充電することによりフル充電されたセルは、圧力を発生させずにガスを再結合させ、再結合／過充電からの熱を分散させる。セル間の小さな漏れ経路を有するセルは、バランスが取れるようになる。

電池は、その有用な機能を達成するためにフル充電される必要は殆どない。電池は、通常、いくぶん過剰な仕様に設定され、大きめに設計される。作動に５０ＡＨ（アンペア時）を必要とする場合、電池は、通常、少なくともそれより１０％高い能力を供するように仕様が決められる。電池は、その寿命に亘り能力を失うので、新しい電池のキャパシティーは、その損失を見込んで増加され、この例では新しい電池では７０ＡＨとなっている。製造者は、製造工程の種々の変化に対応できるように７５ＡＨを中間の設計目標にする場合もある。このように大きめに設計するのは、殆ど過充電によって生じる寿命によるキャパシティーの低下を補うためのものである。

この新規なバイポーラ電池の基本的な特徴は、電池内に共通のガス用のスペースを供することである。バイポーラ電池の全てのセルに共通なこのようなガススペースを形成するための手段は、所定の形状を有するガスケットから構成される。このガスケットは、後述するように隣接するバイプレートおよび／またはバイプレートとエンドプレートとの間に配される。好ましくはガスケットは、圧力を受けてバイプレートと共に密封する熱可塑性エラストマー化合物で製せられる。１つ以上のガスチャネルがガスの漏れ経路を確保するためにフレーム内にモールドされる。図７を参照して後述するように、いくつかのガスケットを積み重ねる場合、共通のガススペースが形成され、バイポーラ電池のセル間の差圧を除去することができる。

図１は、本発明によるガスケット１０の第１の態様を示す。ガスケット１０は、シール部材としても機能するようにエラストマーまたはその他の変形した際に連続的に密封する材料などの変形可能な疎水性材料で製せられている。このガスケットは、弾性を有するのが好ましく、好適な材料は、熱可塑性エラストマーである。熱可塑性エラストマーは、いくつかの製造会社から入手可能であり、例えばデュポンダウエラストマー社（Ｄｕｐｏｎｔ Ｄｏｗ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ）から入手可能なエンゲージ（Ｅｎｇａｇｅ、登録商標）８４０７、ジーエルエス社（ＧＬＳ Ｃｏｒｐ．）から入手可能なダイナフレックス（ＤＹＮＡＦＬＥＸ、登録商標）Ｇ２７８０−００１またはクラトンポリマー社（Ｋｒａｔｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ）より入手可能なクラトン（ＫＲＡＴＯＮ、登録商標）Ｇ−７７０５などが挙げられる。ガスケットは、所望の大きさおよび形状に射出成形されたものであることが好ましい。

ガスケット１０には上側の縁部にリム１１が設けられており、反対側にこれに対応する窪み１２が設けられている。リム１１と窪み１２は、図７に示すようにガスケットが電池内で互いに積み重ねられた際にガスケットを整列させる役割りを果たす。さらにリムは、バイプレートをガスケットに対して整列させる役割りを果たす。またガスケットには貫通孔１３と、バイプレートがガスケット１０に取り付けられた際にガスケットの内側のスペースにこの貫通孔１３を接続するための溝１４が設けられている。この貫通孔１３と溝１４は、電池の隣接するセル間のガスチャネルを提供し、ガスケットの疎水特性によって電解質が隣接するセル間のイオン伝導経路を形成するのを防ぐことができる。したがって、ガスケットをもうけることには、次の４つの目的がある。
１）電解質がバイポーラ電池内の隣接するセル間のイオン伝導経路（漏れ）を形成するのを防ぐ、
２）バイポーラ電池内に共通のガススペースを形成するために隣接するセル間にガスチャネルを提供する、
３）バイポーラ電池内のセルのために外方耐圧密封を提供する、
４）バイプレート間およびバイプレートとエンドプレート間で電気的な絶縁支持構造体を提供する。

図２ａは、図１のガスケットのＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図２ｂは、図１のガスケットのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。第２ガスケット１０’を示すことによってリム１１が電池に取り付けられる際にどのように窪み１２に受けられるかを例示している。

組み立てられたバイポーラ電池におけるバイプレート１５の位置を示すためにバイプレート１５を図１、２ａおよび２ｂに破線で示した。バイプレートは、共通のガススペースを供するために貫通孔１３を塞がないようにしなければならないが、溝１４の一部をセル間の電解質の漏れを防ぐためにバイプレート１５によって覆わなければならない。ガスケットの孔に整列した孔を有するバイプレートをここで挙げた目的を達成するために採用してもよい。

図３は、本発明によるガスケット２０の第２の態様を部分的に示している。ガスケット２０には上述のようにリム１１とそれに対応する窪み１２が設けられている。またガスケット２０には２つのやや小さめの貫通孔２１が設けられており、これら貫通孔は、図１を参照して説明したようにガスケットの内側のスペースに貫通孔２１を接続するための溝２２を有している。またここでも組み立てられたバイポーラ電池におけるバイプレート１５の位置を示すためにバイプレート１５を破線で示した。電池の組み立ての際にバイプレート同士がずれないように突起状の案内手段２３がガスケット２０上に設けられている。この突起状案内手段は、各セルのバイプレートの内側の２つの貫通孔の間に通路が形成されるように設計されると有利である。

この態様では突起状案内手段は、バイプレートからリムへと伸びないように形成されている。

図４ａは、図３のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図４ｂは、図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。第２ガスケット２０’を示すことによってリム１１が電池に取り付けられる際にどのように窪み１２に受けられるかを例示している。

図５は、本発明によるガスケット３０の第３の態様を部分的に示している。ガスケット３０には上述のようにリム１１とそれに対応する窪み１２が設けられている。またガスケット３０には５つのやや小さめの貫通孔３１が設けられており、これら貫通孔は、図１を参照して説明したようにガスケットの内側のスペースに貫通孔３１を接続するための溝３２を有している。またここでも組み立てられたバイポーラ電池におけるバイプレート１５の位置を示すためにバイプレート１５を破線で示した。電池の組み立ての際にバイプレート同士がずれないように突起状の案内手段３３がガスケット３０上に設けられている。この突起状案内手段は、各セルのバイプレートの内側の２つの貫通孔の間に通路が形成されるように設計されると有利である。この態様では突起状案内手段は、バイプレートの厚さより小さい厚みを有する。

図６ａは、図５のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図６ｂは、図５のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。第２ガスケット３０’を示すことによってリム１１が電池に取り付けられる際にどのように窪み１２に受けられるかを例示している。

エンドプレートを良好に密封するためにエンドプレートと接触するガスケットの設計を変更すると有利であるが、必ずしもそうする必要はない。エンドプレートは、バイプレートと異なる大きさを有する場合があり、ガスケットはその異なる大きさに一致させる必要がある。

図７は、５つのセルを有するバイポーラ電池４０の断面を示している。この電池は、陰極を有する陰極エンドプレート４１と、陽極を有する陽極エンドプレート４２とを含んでいる。陰極４３と、バイプレート１５と陽極４４とを含む４つのバイプレート集合体は、２つの端部ターミナルの間に挟まれた状態で順次積層されている。セパレーター４５がセルを構成する各隣接する陰極と陽極との間に配されており、さらにこのセパレーター４５は、電解質を含み、所定の割合のガス経路、約５％のガスが液スターブ電池では典型的な値である、を含む。

図１を参照して説明したようにガスケット１０は、隣接するバイプレートおよび／またはバイプレートとエンドプレートとの間に設けられている。図中、矢印４６で示すようにガスは、１つのセルから別のセルへと流れ、これにより全てのセルがガスケットのガス通路を介して共通のガススペースを共有する。セル内の１つの電極がその他の電極より前にガスを発生させた場合、その圧力は、共通のガススペース全体を介して配分される。ガスは、セルから溝１４を介して、さらに第１ガスケットの貫通孔１３を介して第２ガスケットの溝１４へと移動し、次のセル内へと流れる。

共通のスペース内の圧力が所定の値を超えた場合、圧力逃しバルブ４７が開き、共通のガススペースを外部と接続する。圧力逃しバルブ４７は、エンドプレートの１つを介して、この例では陰極エンドプレート４１に配され、貫通接続部４８を含む。別の態様では貫通接続部４８をエンドプレート４１に一体に形成してもよい。圧力逃しバルブおよび貫通接続部の好ましい態様は、図１４、１５ａ、ｂおよび１６を参照して説明する。

さらにセルの内側の実際の圧力を測定するために圧力センサー（図示せず）をエンドプレートの１つに設けてもよい。ケース４９は、絶縁性材料で形成されるのが好ましいが、導電性材料で形成してもよい。各フレームは、絶縁性材料で形成されるのが好ましく、各バイプレート１５と導電性ケースとの間を確実に絶縁するように設計される。ガスケット１０には凹部５０が設けられており、そこでバイプレートと陽極エンドプレート４２が製造時に配置され、矢印５１で示すように圧力を加えることによって作動中、保持される。凹部５０は、ガスケットの窪み１２とリム１１が組み合わさった際に形成される２つのガスケットの間のスペースである。

圧力は、ネジなどのなんらかの締結手段によって蓋５２をケース４９に固定することによって維持され、この圧力によって各セルがガスケットの圧縮された際の高さにほぼ等しい所定の幅を有する。

これとは別に蓋５２を電池のケースの構造および電池の用途に応じてクリンピング、締まりばめ、エポキシ、ヒートシールまたは溶媒などの他の標準的な手段によって所定の位置に固定してもよい。

ガスケット自体は、電池を耐圧密封するので、ガスケット１０の外側とケース４９の内側との間にスペースがあってもよい。蓋５２を有するケース４９は、ガスケットとバイプレートそして陽極エンドプレートと陰極エンドプレートとの間を耐圧密封するために必要な圧力を発生させるという実践的な解決策を提供する。

圧力逃しバルブおよび圧力センサーは、当業者に容易に入手可能であるので、ここでは詳しく説明しない。

各エンドプレートにはターミナルコネクターが設けられている。ターミナルコネクターは、ターミナル貫通接続部５４を含み、この貫通接続部は、プレス嵌めによってケース４９に固定されるのが好ましい。各ターミナル貫通接続部５４は、良好な電気接続を得るために各エンドプレート４１、４２にはんだ付け、のりづけ、溶接などによって取り付けられる。この態様ではターミナル貫通接続部の内部にはねじ山が設けられている。ネジ５５を用いて電池にあらゆるタイプのターミナルコネクターを取り付けてもよい。

図７の例では陰極エンドプレート４１のバイポーラ電池の下方位置に配されているが、これは必須の要件ではない。この電池の陰極および陽極端部位置は、電池内の全ての陰極および陽極を入れ替えることによって逆にすることも可能である。それでも電池の機能は、同じである。

図８は、調節自在なターミナルコネクター６０が設けられた本発明による電池４０の斜視図を示している。ターミナルコネクター６０は、ネジ５５を用いてターミナル貫通接続部５４を介して電池の各エンドプレートに取り付けられる。各ターミナルコネクターは、電池の短片側または長辺側のどちらに向けてもよい。「Ｐ」（陽極ターミナル）と印が付せられたターミナルコネクターは、電池の短片側に向けられ、このコネクター６０は、その遠端６１がネジ５５によってターミナル貫通接続部５４に固定される際に電池のケース４９に配された溝６２内に挿入されるように曲げられている。これによりターミナルコネクターは、ケースに固定される。

「Ｎ」（陰極ターミナル）と印が付せられた第２ターミナルコネクターは、この図では電池の長辺側に向けられ、同じようにケース４９に固定されている。各ターミナルコネクターは、矢印６３で示すように別の位置へ回転させてもよい。

さらにターミナルコネクターを短絡させずに電池をより接近して積み重ねられるように破線６４で示したようにケースに窪みを設けることによってケース内にターミナルコネクターを埋め込むことも可能である。またターミナルコネクターに例えば陽極ターミナルコネクターには赤色の、そして陰極ターミナルコネクターに黒色に塗った絶縁材料を設けてもよい。ケースの各側の溝６２の位置は、バスバー接続を容易に使用できるようにオフセットされているのが好ましい。

図９ａ−９ｃは、バイポーラ電池を真空充填するための３つの異なる装置を示している。通常、Ｎｉ−ＭＨ電池がバイポーラ電池の組み立ての際に充填され、したがって、当然この種の電池でも行われるが、完成した電池内に電解質を導入するための真空充填技術を使用することも可能である。

図９ａは、第１の重点装置７０を示し、この装置ではバイポーラ電池４０が電解質（例えば、６Ｍ ＫＯＨ）の入ったビーカー７２と共に真空チャンバー内に入れられている。好ましくは可撓性の管７３が圧力逃しバルブ４７の貫通接続部４８に取り付けられている。真空パイプ７４が真空チャンバー７１に接続され、そこから２つに枝分かれし、その一方には真空ポンプＰと直列した第１バルブＶ１が設けられ、もう一方には第２バルブＶ２が設けられている。

電池の真空充填は、次の工程からなる。
１）バルブＶ１を開放し、ポンプＰ によって真空チャンバー７１内の空気を抜く。電池４０の内側の空気も管７３を介して抜かれ、これは電解質の泡で確認することができる。
２）真空チャンバー７１内で所望の減圧が得られたらバルブＶ１を閉じる。
３）真空チャンバー内に周囲空気を流入させることによって真空チャンバー７１の圧力を増加させるためにバルブＶ２を開放する。チャンバー内の圧力が増加することによって電解質を電池内に押し込み、徐々に電池内のセパレーターおよび空隙を電解質で満たす。電解質は、毛管力によって電池内に吸い込まれる。

図９ｂは、第２の充填装置８０を示し、この装置でもバイポーラ電池４０が電解質（例えば、６Ｍ ＫＯＨ）の入ったビーカー７２と共に真空チャンバー７１内に入れられている。好ましくは可撓性の管７３が圧力逃しバルブ４７の貫通接続部４８に取り付けられている。共通のガススペースへの第２開口部８１が電池のケースに設けられている。この開口部は、電解質が電池内に導入された後、圧力センサーを取り付けるために使用することも可能である。真空パイプ７４が真空チャンバー７１に接続されており、バルブＶ１が減圧ポンプＰと直列に配されている。

バルブＶ１が開放され、減圧ポンプＰが真空チャンバー７１内の圧力を減少させている間、空気は、開口部８１を介して電池４０から抜き取られる。空気が電池から抜き取られると、電解質がビーカーから管７３および圧力逃しバルブ４７の貫通接続部４８を介して導入される。バルブＶ１は、電池に充分な電解質が導入されると閉じられる。真空チャンバー７１の空気が抜かれ、電解質で満たされた電池を取り除くことができる。

図９ｃは、真空チャンバーを含まない第３の充填装置９０を示している。いくつかの電池４０の圧力逃しバルブ４７の貫通接続部４８を共通のマニフォルド９１に接続される。マニフォルド９１は、減圧ポンプＰに直列に配された第１バルブＶ１に接続されている。管９２（またはパイプ）は、電解質で満たされた容器９３に浸されている。管９２は、第２バルブＶ２を介してマニフォルドに接続されている。この装置は、次のように作動する。バルブＶ１が開放されると、ポンプが全ての電池４０内の空気を抜き取る。充分低い圧力が得られるとバルブＶ１は閉じられる。その後バルブＶ２が開放され、電解質がマニフォルドを介して全ての電池４０に分配される。電解質は、毛管力によって各電池内に分配される。

バイポーラ電池を製造するための方法を図１０、１１、１２および１３を参照して説明する。

図１０に示す第１のフローチャートは、図７を参照して説明したバイポーラ電池に電解質が入れられるまでの製造工程を示している。このフローは、ステップ１０１で開始し、ステップ１０２と１０３で同時に進行する。ステップ１０２では圧力逃しバルブ４７の貫通接続部４８が第１エンドプレート４１に取り付けられ、ステップ１０３ではターミナル貫通接続部５４が非導電性ケース４９に取り付けられる。

圧力逃しバルブの貫通接続部４８が取り付けられた第１エンドプレート４１は、ステップ１０４でターミナル貫通接続部５４が設けられたケース４９に取り付けられる。その後ターミナル貫通接続部５４は、上述のいずれかの方法を用いて、ステップ１０５で第１のエンドプレート４１に取り付けられる。

必要な数の電池セルＭがステップ１０６で選択され、カウンターがゼロにセットされる、Ｋ＝０。ステップ１０７でカウンターは、１つずつ増加し、ｋ＝ｋ＋１、フローは、ステップ１０８へと進み、そこで「ｋ」個のセルが組み立てられる、即ち図１−６を参照して説明したようにガスケット１０、２０、３０がエンドプレート４１の縁部でケース４９の内側に取り付けられ、第１電極４３がその第１のエンドプレート４１の上でガスケット内に配置され、その後１つ以上のセパレーター４５が第１電極４３の上に配され、そして第２電極４４がセパレーターの上に配置される。これとは別にガスケットを電極およびセパレーターがケース４９内に取り付けられた後、取り付けてもよい。

フローは、ステップ１０９へと進み、そこで選択された数Ｍのセルが製造されたかどうかを判断する。もし答えが「Ｎｏ」であれば、フローは、バイプレートがガスケットの上に取り付けられるステップ１１０を介して１１１のポイントに戻る。フローは、選択された数のセルが製せられるまでステップ１０８および１０９を繰り返す。

ｋ＝Ｍになると、フローは、ステップ１１２へと進み、そこでケース４９の蓋５２にターミナル貫通接続部５４が設けられ、第２エンドプレート４２が蓋５２に取り付けられる。ターミナル貫通接続部５４は、上述の方法のいずれかを使用してステップ１１３で第２エンドプレート４２に取り付けられる。

蓋５２は、ステップ１１４でケースに取り付けられ、図７を参照して説明したようにステップ１１５で圧力が蓋５２に５１の方向から加えられる。これにより電解質の入っていない所謂ドライバイポーラ電池がステップ１１６で完成する。

選択された数の電池セルを形成するために電池を構成する部材を積み重ねていく方法は、当然のことながら、種々の方法で行うことが可能である。例えば、バイプレートの第１の面に取り付けられた第１電極と、バイプレートの第１の面の裏になる第２の面に取り付けられた第２電極とを含むバイプレート集合体を製し、そこでセパレーター材料が図１０に開示したバイプレートの代わりにフィードバックループ（ｆｅｅｄ ｂａｃｋ ｌｏｏｐ）で加えられる。また各セルの材料を予め製造し、各セルを電池の組立工程時に積層させることも可能である。

図１１は、図１０のステップ１１６で得られた電解質の入っていない、ドライ電池から機能性を有する電池を製する工程を説明するフローチャートである。フローは、ステップ１１６から始まり、ステップ１１７へと進み、そこで電池に電解質が充填される。充填方法については図１２を参照して具体的に説明する。

その後、電池の通常の作動のための初期設定を行う形成工程（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）がステップ１１８で行われる。この形成工程については図１３を参照して具体的に説明する。

形成工程が終了すると、蓋５２がステップ１１９でケース４９に固定され、蓋に加えられていた圧力が解除される。当然のことながら最初に圧力を解除し、その後蓋５２をケース４９に再度押圧し、圧力を解除することも可能である。これとは別にドライ電池の組み立て工程のステップ１１５および１１６の間で蓋を固定してもよい。

圧力逃しバルブの取り付けは、ステップ１２０で完成し、必要に応じてステップ１２２の出荷工程前にステップ１２１でサイクル（ｃｙｃｌｅｄ）してもよい。

電解質の充填は、ステップ１０８の各セルの組み立て時に行ってもよいが、製造の観点から図１２に開示した充填工程の方がより簡単である。

ステップ１１７の電池の充填工程は、電解質容器７２、９３を電池４０の注入口４８、例えば圧力逃しバルブ４７の貫通接続部４８に接続する工程を含む（ステップ１３０参照）。

電池内の空気は、ステップ１３１で空気が抜かれる減圧チャンバー７１に電池を置くことによって直接的または間接的に電池から抜き取られる。空気用のセパレーター出口８１を利用することも可能であるが、電解質用の注入口４８を抜き取り工程中の空気出口として使用してもよい。

図９ａ−９ｃに示した装置の形状に応じて空気が電池から抜かれた後、または空気を抜いている間にステップ１３２で電解質が電池４０内に導入される。電解質は、毛管力を利用して電池４０内部のセパレーター４５に配分される。

ステップ１３３で電解質が充填された電池が得られる。

ステップ１１８の形成工程は、２つの段階からなり、最初の段階は、「ウェット」状態で電池の充填および排出サイクル（ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｙｃｌｅｓ）である。ウェット状態は、ステップ１４０で電池の注入口４８に液体供給部を取り付けることによって得られる。充填される液体は、水または電解質のいずれであってもよい。

その後少なくとも２回の充填／排出サイクル「ｎ」回、ステップ１４１で行われる。

次の段階は、ステップ１４２で注入口４８から液体供給部を取り除くことによって多少「ドライ」な状態で行われ、その後ステップ１４３で過剰な電解質を電池４０から抜くために所定の数の充填／排出サイクルを繰り返す。

これにより液スターブ電池が製せられる。

電池を充填する前に蓋を固定することも可能である。電池の形成を形成サイクル間で任意の第２充填によって行ってもよく、電気的なサイクリングの間、電池に液体を連続的に供給する必要はない。

電池を電解質で充填すると、電解質は、セパレーター、多孔性電極およびガスケットの周囲へと移動し、各電池セルが電解質で満たされる。

図１４は、図７を参照して説明した電池に類似のバイポーラ電池１４９の部分断面図である。図７で説明した部材と同じものには同じ符号を付してある。エンドプレート４１に最も近い電池セルの一部のみを示し、エンドプレート４１とバイプレート１５との間に配された端部ガスケット１５０は、圧力逃しバルブ１５６の一部である可撓性の貫通接続部１５１がこの端部ガスケット１５０の一体部材であるということを除いて上記のガスケットと同じように設計されている。

エンドプレート４１には好ましくは可撓性の貫通接続部１５１の外寸より小さい開口部１５２が設けられており、これにより可撓性の貫通接続部１５１がこの開口部１５２内に導入された際、エンドプレート４１と貫通接続部１５１間が封止される。ケース４９には可撓性の貫通接続部１５１の外寸より大きい開口部１５３が設けられており、この開口部は、完成した圧力逃しバルブ１５６の好適な機能を維持するために必要となる。

バイポーラ電池内の共通のガススペースを外気に接続するチャネル１５４が可撓性貫通接続部の内側に存在し、このチャネル１５４の断面より大きい断面を有するピン１５５がこのチャネルに導入されると、共通のガススペースが外気が密閉される。スターワッシャー１５７のような固定手段をチャネル１５４にピン１５５を固定するのに使用するのが好ましい。

ピン１５５の断面積とチャネル１５４の断面積の比は、これらが特定の圧力で開く圧力逃しバルブとなるように選択される。圧力逃しバルブは、可撓性の貫通接続部１５１の壁を強制的にこの接続部とケース４９の開口部１５３との間のスペース内に歪ませることによって共通のガススペース内の圧力が所定の圧力の閾値を超えた際に開放される。ギャップがチャネル１５４の内側とピン１５５の間に導入される。チャネルとピンの寸法を適宜選択して５ｐｓｉ未満から１００ｐｓｉ超の範囲の圧力で作動する圧力逃しバルブを形成することも可能である。

図１５ａおよび１５ｂは、圧力逃しバルブ１６０の第２の態様の部分断面図であり、図１５ａは、分解図であり、図１５ｂは、同じ圧力逃しバルブ１６０の組み立てられた状態を示す。

エンドプレート４１には好ましくは環状の開口部が設けられており、この開口部内にガスケット１６７の一体部材であってもよい可撓性貫通接続部１５１が挿入される。Ｏ−リングなどのシール部材１６１が可撓性貫通接続部の周囲に配され、これにより圧力逃しバルブが開いたときにケースとエンドプレートとの間の領域内に不要な電解質がクリープするのを防ぐためにケース４９とエンドプレート４１との間およびエンドプレート４１とバイポーラ電池の内側との間を良好に密封する。凹部１６２がシール部材１６１を保持するためにケース４９内で開口部の周囲に設けられており、この開口部１６３は、上述したように可撓性貫通接続部１５１の外側より大きい。少なくとも２本の可撓性延長部１６５が設けられたピン１６４は、可撓性貫通接続部１５１のチャネル１５４内に挿入されるように設計されており、可撓性の延長部１６５は、ピンが取り付けられたときに図１５ｂに示すようにリム１６６に対してピン１６４を所定の位置に保持するように設計されている。

矢印１６８は、バイポーラ電池内の圧力が高くなって、圧力逃しバルブ１６０が開くときに可撓性貫通接続部がどのように撓むかを例示している。

図１６は、組み立てられた圧力逃しバルブ１７０の第３の態様を示す。ケース４９には凹部１６２に配された密閉部材１６１を有する図１５ａおよび１５ｂに示したものと似た形状の開口部が設けられている。この例ではエンドプレート４１には延伸された縁部（ｄｒａｗｎ ｅｄｇｅｓ）１７１を有する開口部が設けられている。この開口部は、最初にエンドプレートを打ち抜き、所望の３次元形状の開口部が得られるように縁部を延伸して形成してもよい。可撓性貫通接続部１７２の形状は、エンドプレート４１の延伸開口部の形状にあうような形状であり、これにより電池内部とケース４９との間で良好な密封特性が得られる。可撓性貫通接続部１７２の内側のチャネル１５４は、ピン１６４を保持するように設けられ、延長部１６５は、作動時にピンをリム１６６に対して所定の位置に保持するように構成されている。

圧力逃しバルブは、バイポーラ電池内に設けられた端部ガスケットと一体に形成されてもよいが、他の種類の電池に使用される別個の圧力逃しバルブとしてもよい。

圧力逃しバルブの可撓性貫通接続部を製するために選択される材料の種類およびチャネルの内方断面寸法とピンの断面寸法との比は、組み立てられた圧力逃しバルブの圧力閾値に影響を与える。

本明細書は、ＮｉＭＨバイポーラ電池についてのみ開示しているが、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）バイポーラ電池またはニッケル亜鉛（ＮｉＺｎ）バイポーラ電池などのあらゆる種類のニッケル系バイポーラ電池を製する際に同じ技術が利用可能である。

添付の請求項に記載いしたガスケットは、ＮｉＭＨバイポーラ電池だけに使用されるとは限らず、液スターブ構造のあらゆる種類のバイポーラ電池にも使用することが可能である。

本発明によるガスケットの第１の態様を示す。 図１のガスケットの断面図を示す。 図１のガスケットの断面図を示す。 本発明によるガスケットの第２の態様を示す。 図３のガスケットの断面図を示す。 図３のガスケットの断面図を示す。 本発明によるガスケットの第３の態様を示す。 図５のガスケットの断面図を示す。 図５のガスケットの断面図を示す。 本発明によるバイポーラ電池の断面図を示す。 調節可能なターミナルコネクターが設けられた電池の斜視図を示す。 共通のガススペースを有するバイポーラ電池を真空充填するための装置を示す。 共通のガススペースを有するバイポーラ電池を真空充填するための装置を示す。 共通のガススペースを有するバイポーラ電池を真空充填するための装置を示す。 本発明によるバイポーラ電池の製造の第１のフローチャートを示す。 本発明によるバイポーラ電池の製造の第２のフローチャートを示す。 バイポーラ電池に電解質を満たす工程のフローチャートを示す。 バイポーラ電池を形成する工程のフローチャートを示す。 圧力逃しバルブの第１の態様を例示するバイポーラ電池の部分断面図を示す。 圧力逃しバルブの第２の態様の分解断面図を示す。 図１５ａの圧力逃しバルブを組み立てた際の断面図を示す。 圧力逃しバルブの第３の態様の断面図を示す。

Claims (41)

1. 液スターブバイポーラ電池（４０、１４９）に使用され、電池に取り付けられた際に隣接するセル間に電解質の経路が形成されるのを防ぐ疎水性材料から形成され、少なくともバイプレート（１５）を部分的に囲むように設計されたフレームと、ガスを通過させる手段（１３、１４、２１、２２、３１、３２）とを含むガスケット（１０、２０、３０、１５０）において、バイポーラ電池に取り付けられた際にバイプレートを密閉するために変形可能な材料で形成され、電池の外方を耐圧密閉することができることを特徴とするガスケット。
2. 電池に取り付けられた際に前記ガスを通過させる手段が隣接したセルを相互に接続する少なくとも１つのチャネルを含むことを特徴とする請求項１記載のガスケット。
3. 各チャネルがガスケットの孔（１３、２１、３１）を含み、この孔は、各セルの外方耐圧密閉された内側と連通していることを特徴とする請求項２記載のガスケット。
4. バイポーラ電池の組み立て時にバイプレート（１５）の位置を調整するための案内手段（１１、２３、３３）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載のガスケット。
5. 前記案内手段が少なくとも１つの突起を含むことを特徴とする請求項４記載のガスケット。
6. 前記案内手段がリム（１１）を含むことを特徴とする請求項４または５記載のガスケット。
7. 前記ガスを通過させる手段が前記フレームの末端に配されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載のガスケット。
8. 電池に取り付けられた際に圧力逃しバルブ（１５６、１６０、１７０）の一部として機能する可撓性貫通接続部（１５１、１７２）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載のガスケット。
9. 前記可撓性貫通接続部（１５１、１７２）が電池内のガススペースを外気と接続するチャネルを有していることを特徴とする請求項８記載のガスケット。
10. 前記変形可能な材料が弾性を有することを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載のガスケット。
11. 前記変形可能な材料が熱可塑性エラストマーであることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項記載のガスケット。
12. 射出成形によって製せられることを特徴とする請求項１１記載のガスケット。
13. ケース（４９）と、
    陰極（４３）と接触する陰極エンドプレート（４１）と、
    陽極（４４）と接触する陽極エンドプレート（４２）と、
    前記陰極エンドプレート（４１）と陽極エンドプレート（４２）との間に挟まれるように配置された陰極（４３）、バイプレート（１５）および陽極（４４）から構成される少なくとも１組の集合体と、
    電池セルを形成する各陰極（４３）と陽極（４４）との間に配され、電解質を含む少なくとも１つのセパレーター（４５）とを含む、少なくとも２つの電気化学セルを有する液スターブバイポーラ電池（４０、１４９）において、
    １つのセルから他のセルへの電解質が移動するのを防ぐために疎水性材料から形成されたフレーム状のガスケット（１０、２０、３０、１５０）が各バイプレート（１５）の間および／またはバイプレート（１５）とエンドプレート（４１、４２）との間に配され、
    前記ガスケット（１０、２０、３０、１５０）が各バイプレート（１５）および各エンドプレート（４１、４２）を密閉するために変形可能な材料で形成され、これによりケース（４９）内で電池を外方耐圧密封し、
    さらに前記ガスケット（１０、２０、３０、１５０）にはガスケットを介して隣接するセル間でガスを移動させるための手段（１３、１４、２１、２２、３１、３２）が設けられており、これにより電池の全てのセルのための共通のガススペースが形成されることを特徴とする電池。
14. 前記ガスケットを介して前記ガスを通過させる手段が隣接したセルを相互に接続する少なくとも１つのチャネルを含むことを特徴とする請求項１３記載の電池。
15. 各チャネルがガスケットの孔（１３、２１、３１）を含み、この孔は、各セルの外方耐圧密閉された内部と連通していることを特徴とする請求項１４記載の電池。
16. バイポーラ電池の組み立て時にバイプレート（１５）の位置を調整するための案内手段（１１、２３、３３）が設けられていることを特徴とする請求項１３乃至１５いずれか１項記載の電池。
17. 前記案内手段が少なくとも１つの突起を含むことを特徴とする請求項１６記載の電池。
18. 前記案内手段がリム（１１）を含むことを特徴とする請求項１６または１７記載の電池。
19. 前記ガスを通過させる手段が前記フレームの末端に配されていることを特徴とする請求項１３乃至１８いずれか１項記載の電池。
20. 圧力逃しバルブ（１５６、１６０、１７０）が少なくとも１つのエンドプレート（４１）とケース（４９）を介して設けられ、前記ケースは、これに設けられた開口部（１５３、１６３）の大きさより小さい可撓性貫通接続部（１５１、１７２）と、この貫通接続部のチャネルの大きさより大きいピン（１５５、１６４）とを含むことを特徴とする請求項１３乃至１９いずれか１項記載の電池。
21. 前記可撓性貫通接続部（１５１、１７２）がエンドプレート（４１）に隣接して配されたガスケット（１５０）と一体であることを特徴とする請求項２０記載の電池。
22. 前記ピン（１５５、１６４）が電池の作動中、固定手段（１５７、１６６）によって所定の位置に保持されることを特徴とする請求項２０または２１記載の電池。
23. 前記固定手段がスターワッシャー（１５７）であることを特徴とする請求項２２記載の電池。
24. 前記ピン（１６４）に少なくとも１つの延長部（１６５）が設けられており、固定手段がリム（１６６）として形成されていることを特徴とする請求項２２記載の電池。
25. シール部材（１６１）がケース（４９）の開口部（１６３）の周囲に設けられていることを特徴とする請求項２０乃至２４記載の電池。
26. 前記変形可能な材料が弾性を有することを特徴とする請求項１３乃至２５いずれか１項記載の電池。
27. 前記変形可能な材料が熱可塑性エラストマーであることを特徴とする請求項１３乃至２５いずれか１項記載の電池。
28. 射出成形によって製せられることを特徴とする請求項２７記載の電池。
29. ＮｉＭＨ、ＮｉＣｄおよびＮｉＺｎからなる群から選択される種類の電池であることを特徴とする請求項１３乃至２８いずれか１項記載の電池。
30. ケースの内側で陽極エンドプレートと陰極エンドプレートとの間に所望の数の電池セルを構成するために陽極と、セパレーターと、陰極と、バイプレートとを供する工程と、
    陽極エンドプレートへの陽極アクセスポイントおよび陰極エンドプレートへの陰極アクセスポイントを供する工程と、
    電池内に共通のガススペースを形成するために各バイプレートの間および／またはバイプレートと各エンドプレートとの間に請求項１乃至９いずれか１項に記載のガスケットを供する工程と、
    電池の外側から共通のガススペースへの経路を供する工程と、
    電池を外方耐圧密閉し、隣接するセル間での電解質の移動を妨げるために陽極エンドプレートと陰極エンドプレートとの間に配された全てのガスケットを押圧する工程と、
    セパレーターに電解質を充填する工程とを含む液スターブバイポーラ電池の製造方法。
31. さらにセパレーターが充填された後に少なくとも２回の充填および排出サイクルを含む形成工程を含むことを特徴とする請求項３０記載の方法。
32. 前記形成工程が
    前記経路に取り付けられた液体供給部によって電池に液体を充填する、および電池から液体を排出する工程と、
    電気から過剰な液体を取り除くために前記経路に取り付けられた液体供給部を使用せずに液体を充填および排出する工程とを含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
33. 前記液体が水および／または電解質であることを特徴とする請求項３２記載の方法。
34. セパレーターを電解質で満たす前記工程が
    電解質が入った容器を前記共通のガススペースへの経路に接続する工程と、
    前記共通のガススペースから空気を排出する工程と、
    前記共通のガススペース内に電解質を充填する工程と、
    電解質を前記共通のガススペースから各セルへと移動させる工程とを含むことを特徴とする請求項３０乃至３３いずれか１項記載の方法。
35. 電解質が前記共通のガススペース内に充填される前に空気が前記経路を介して共通のガススペースから抜き取られることを特徴とする請求項３４記載の方法。
36. 前記共通のガススペース内の空気が前記経路とは別の開口部によって排出され、電解質が排出中に共通のガススペース内に導入されることを特徴とする請求項３４記載の方法。
37. 陽極エンドプレートと陰極エンドプレートとそれぞれ接触した陽極ターミナルコネクターおよび陰極ターミナルコネクターが設けられていることを特徴とする請求項１３乃至２９いずれか１項記載の電池。
38. 前記ターミナルコネクターが調節自在にケースの配されていることを特徴とする請求項３７記載の電池。
39. 各ターミナルコネクターの第１端部が各エンドプレートに取り付けられるように配され、この第１端部から離れた第２端部が電池のケースに固定されるように配されていることを特徴とする請求項３８記載の電池。
40. 各ターミナルコネクターがケースに固定された貫通接続部を介して各エンドプレートに取り付けられていることを特徴とする請求項３９記載の電池。
41. 各ターミナルコネクターの第２端部が曲げられ、その曲げられた部分をケースに設けられた１つ以上の溝の１つに挿入することによってケースに固定されることを特徴とする請求項３９記載の電池。