JP5465125B2 - 蓄電モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、発電要素を電解液とともに金属ラミネートフィルム材の内部に収容した構造を有する複数枚の蓄電セルを備えた蓄電モジュールに係り、特には放熱構造及び絶縁構造に特徴を有する上記蓄電モジュールに関するものである。
太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、そのような蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。
そして現在では、急速充放電や長寿命化が可能な非水系の蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタが提案されている。リチウムイオンキャパシタは、柔らかいアルミラミネートフィルム材の内部に、正極、負極及びセパレータを積層してなる電極積層体を収容するとともに、リチウムイオンを含んだ有機電解液を充填した構造を備えている。また、上記のような構造のリチウムイオンキャパシタを単セルとして用い、これを複数枚積層して直列または並列に接続することで、大きな電力を得るようにした蓄電モジュール（リチウムイオンキャパシタモジュール）も同様に提案されている。
しかしながら、この種の蓄電モジュールにおいて充放電を頻繁に行うと、単セルが発熱してモジュール全体の温度が上昇する。とりわけ複数枚の単セルを積層してケース内に収容した構造を採用した場合には、モジュール内部の熱が逃げにくくなり、熱が溜まりやすくなる。そのため、モジュールの温度上昇といった問題が顕著になり、これに伴ってモジュールが短命化・破損しやすくなる。また、短命化・破損に至らないにしても、各々の単セルの温度がばらついていると、単セル間で静電容量や内部抵抗に差が生じてしまい、モジュールの特性を最大限に引き出すことができなくなる。
以上示したように、充放電を頻繁に行う蓄電モジュールにおいて、長期間安定的に動作させるためには、モジュール内部にて発生した熱を外部に十分に放散しておく必要がある。そこで、かかる熱対策として放熱構造を有した蓄電モジュールが従来いくつか提案されている（例えば、特許文献１、２等参照）。特許文献１、２のものは、いずれも、複数の単セル間に金属製かつ平板状の熱良導板を挟み込むようにして配置し、この熱良導板の端縁を放熱フィンに接続することで、単セルの熱をケース等の収容体の外部に逃がす放熱経路を形成するようにしている。
上記従来技術の蓄電モジュールの場合、複数枚の単セルからなる積層物をケース等の収容体内に収容した状態で使用されるが、モジュール全体の強度を確保するため一般的には当該収容体として金属製ケースが用いられる。そしてこの場合には、例えば金属製ケースの外側面に放熱フィンを取り付け、内側面に熱良導板の端縁を接続した構造を採ることが考えられる。
ところで、単セルにおける端子とアルミラミネートフィルム材との間の絶縁耐量は低く設計されていることから、アルミラミネートフィルム材が外部に露出する単セルを一次回路部品として使用する場合、単セルと金属製ケースとの間で所定の安全規格に対応した絶縁を図る必要がある。しかし、上記従来構成であると、単セルと金属製ケースとの間、あるいは単セルに接触している熱良導板と金属製ケースとの間で導通してしまい、要求される安全規格に対応した絶縁を図ることができなくなるという問題がある。
なお、この問題を回避するために、例えば絶縁シート等を用いて単セルを個別に被覆して絶縁を図ることも考えられるが、この対策を講じるためには単セルの製造コストが高くなり、結局のところモジュール全体の高コスト化につながってしまう。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱によるモジュールの温度上昇を抑制してモジュールの短命化・破損を防止することができ、セル温度を均一化してモジュールの特性を最大限に引き出すことができるとともに、要求される安全規格に対応した絶縁を図ることができる蓄電モジュールを提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段を列挙する。
［１］発電要素を電解液とともに金属ラミネートフィルム材の内部に収容した構造を有する複数枚の蓄電セルを備え、前記複数枚の蓄電セルが、セル主面同士を対向させた状態で積層配置されかつ電気的に直列または並列に接続されている蓄電モジュールであって、ケース側面に露出口を有し、前記複数枚の蓄電セルが収容されたケースと、開口部を有する板枠状部材からなり、前記複数枚の蓄電セル間に介在して配置され、隣接するもの同士で係止し合うことにより相互の位置決めが図られる複数枚のスタックプレートと、前記開口部を覆う状態で前記スタックプレートに固定された平板部、及び、前記露出口に位置する前記平板部の端部を直角に折り曲げてなる折曲部を有し、前記蓄電セルの前記セル主面に対して密着して配置される伝熱金属プレートと、前記伝熱金属プレートの前記折曲部に伝熱絶縁シートを介して面接触状態で熱結合され、前記露出口から前記ケースの外部に突出する放熱フィンとを備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
［１］発電要素を電解液とともに金属ラミネートフィルム材の内部に収容した構造を有する複数枚の蓄電セルを備え、前記複数枚の蓄電セルが、セル主面同士を対向させた状態で積層配置されかつ電気的に直列または並列に接続されている蓄電モジュールであって、ケース側面に露出口を有し、前記複数枚の蓄電セルが収容されたケースと、開口部を有する板枠状部材からなり、前記複数枚の蓄電セル間に介在して配置され、隣接するもの同士で係止し合うことにより相互の位置決めが図られる複数枚のスタックプレートと、前記開口部を覆う状態で前記スタックプレートに固定された平板部、及び、前記露出口に位置する前記平板部の端部を直角に折り曲げてなる折曲部を有し、前記蓄電セルの前記セル主面に対して密着して配置される伝熱金属プレートと、前記伝熱金属プレートの前記折曲部に伝熱絶縁シートを介して面接触状態で熱結合され、前記露出口から前記ケースの外部に突出する放熱フィンとを備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
従って、手段１に記載の発明によると、蓄電セルのセル主面と伝熱金属プレートの平板部とが密着して面接触状態となっているため、蓄電セルと伝熱金属プレートとが確実に熱結合される。また、伝熱金属プレートの折曲部と放熱フィンとが伝熱絶縁シートを介して面接触状態となっているため、伝熱金属プレートと放熱フィンとが確実に熱結合される。ゆえに、蓄電セルにて発生した熱が、伝熱金属プレートの平板部、折曲部及び伝熱絶縁シートを介して放熱フィンに効率よく伝達し、最終的にケースの外部に放出される。このため、発熱によるモジュールの温度上昇が抑制され、モジュールの短命化・破損を防止することができる。また、このような構造であると、蓄電セル間で温度差があったとしても、放熱フィンを介して温度の高いものから低いものに熱が伝達する結果、セル温度が均一化される。従って、モジュールの特性を最大限に引き出すことができる。さらに、露出口に配置された伝熱金属プレートと放熱フィンとは伝熱絶縁シートによって絶縁されているため、好適な放熱性を維持しつつも、要求される安全規格に対応した絶縁を図ることができる。また、スタックプレート同士の係止により相互の位置決めが図られていることに加え、伝熱金属プレートもそのようなスタックプレートに固定されているため、伝熱金属プレートと放熱フィンとが位置ずれしにくく、両者の熱結合状態も好適に維持される。ゆえに、振動や衝撃にも強いモジュールとすることができる。
［２］前記ケースは、樹脂製の絶縁ケースであり、前記放熱フィンは、前記ケースの外部に配置された固定金具を用いて前記ケースに取り付けられていることを特徴とする手段１に記載の蓄電モジュール。
従って、手段２に記載の発明によると、蓄電セルの収容体として樹脂製の絶縁ケースを用いているため、各蓄電セルと絶縁ケースとの間で要求される安全規格に対応した絶縁を図ることができ、しかもモジュール全体の軽量化を図ることができる。また、樹脂製の絶縁ケースに直接的に放熱フィンを取り付けるのではなく、絶縁ケースの外部に配置された固定金具を用いて間接的に放熱フィンを絶縁ケースに取り付けているため、放熱フィンが確実に固定され、耐振動性・耐衝撃性を向上することができる。
［３］前記折曲部は、前記スタックプレートの側面に沿うようにして折り曲げられていることを特徴とする手段１または２に記載の蓄電モジュール。
従って、手段３に記載の発明によると、折曲部がスタックプレートの側面により後方から支持、押圧される。このため、例えば伝熱金属プレートが複数あるような場合でも、各々の折曲部の接触面の位置が揃い、伝熱絶縁シートを介した折曲部と放熱フィンとの間の面接触状態が確実に維持され、耐振動性・耐衝撃性を向上することができる。
以上詳述したように、請求項１〜３に記載の発明によると、発熱によるモジュールの温度上昇を抑制してモジュールの短命化・破損を防止することができ、セル温度を均一化してモジュールの特性を最大限に引き出すことができるとともに、要求される安全規格に対応した絶縁を図ることができる蓄電モジュールを提供することができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態の蓄電モジュール１１を図面に基づき詳細に説明する。
図１に示されるように、本実施形態の蓄電モジュール１１は、複数枚の蓄電セル３１、複数枚のスタックプレート４１及び複数枚の伝熱金属プレート５１からなるセルスタック構造体を絶縁ケース２１内に収容した構造のリチウムイオンキャパシタモジュールである。
図４等に示されるように、本実施形態の蓄電セル３１はリチウムイオンキャパシタセルであって、正極、負極及びセパレータを積層してなる電極積層体を備えている。この電極積層体では、正極と負極とをセパレータを介して対向配置してなる発電要素を１単位として、複数単位の発電要素を積層している。
正極は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる正極電極を正極集電体上に形成した構造を有している。正極集電体は、正極電極を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウムからなる導電性金属板を用いて形成されている。正極集電体は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブが突出している。このタブは、アルミニウムからなる正極外部端子３４に接続されている。
負極は、リチウムイオンを可逆的に担持可能な材料からなる負極電極を負極集電体上に形成した構造を有している。負極集電体は、負極電極を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅からなる導電性金属板を用いて形成されている。負極集電体は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブが突出している。このタブは、銅からなる負極外部端子３５に接続されている。
負極集電体にはリチウム貼付部が設けられており、そこにはプレドープ用のリチウム金属箔が貼付される。このリチウム金属箔は、プレドープが完了すると溶解して消失する。
本実施形態の蓄電セル３１では、電極積層体が電解液とともに、矩形袋状に加工したアルミラミネートフィルム材３２内に密閉収納されている。アルミラミネートフィルム材３２の開口部は、熱融着によって封止されている。熱融着による封止は、融着部に正極外部端子３４及び負極外部端子３５を挟み込んだ状態で行われる。
このようにしてアルミラミネートフィルム材３２内に電極積層体を収容した場合、一辺（図４では上辺）から正極外部端子３４及び負極外部端子３５がともに突出する。なお、アルミ箔以外の他の金属箔からなる金属ラミネートフィルム材を用いて、矩形袋状に加工してもよい。
本実施形態の蓄電モジュール１１では、各蓄電セル３１のセル主面３３（図１、図５では上面及び下面）同士を対向させ、それら蓄電セル３１間にスタックプレート４１等を介在させた状態で積層配置することにより、これら部材をスタックさせている。そして、上下に配置される各蓄電セル３１について一方の蓄電セル３１の正極外部端子３４と他方の蓄電セル３１の負極外部端子３５とを溶接することにより、各蓄電セル３１が電気的に直列に接続されている。
図１、図５に示されるように、本実施形態における複数枚のスタックプレート４１は、平坦部の中央部に開口部４２を有する平面視矩形状かつ板枠状の部材からなり、例えば、難燃性樹脂材料である難燃性ポリプロピレンやガラス入りナイロンなどを用いて成形されている。スタックプレート４１は、複数枚の蓄電セル３１間に介在して配置されている。スタックプレート４１における平坦部の外周縁には、平坦部と直交する方向に延びる壁部が形成されている。スタックプレート４１のコーナー部には、隣接する他のスタックプレート４１に係止可能な位置決め突起４４が設けられている。各位置決め突起４４は、スタックプレート４１のプレート厚さ方向に突出している。そして、これらの位置決め突起４４が他のスタックプレート４１に係止することにより、スタックプレート４１同士が相互に位置決めされ、同時に複数枚の蓄電セル３１も相互に位置決めされる。
図１、図５に示されるように、本実施形態における複数枚の伝熱金属プレート５１は、熱伝導性の高いアルミニウム等からなる平面視矩形状の部材である。伝熱金属プレート５１は平板部５２を備えるとともに、その平板部５２の両端部は同じ方向に直角に折り曲げられることで折曲部５３となっている。よって、伝熱金属プレート５１は断面略コ字状を呈している。この平板部５２は、開口部４２を覆う状態でスタックプレート４１に固定されている。なお、伝熱金属プレート５１の平板部５２は、蓄電セル３１のセル主面３３に対して密着して配置されるようになっている。
各々の伝熱金属プレート５１の折曲部５３は、外周縁の壁部に設けられた切欠から突出するとともに、スタックプレート４１の側面４３に対して密着配置されている。その結果、折曲部５３は背面側から支持されることで互いの面が同一平面内にて揃った状態となっている。また、各々の折曲部５３は接触しているわけではなく、互いに所定の隙間をもって配置されている。
図１、図２、図３に示されるように、上記構造のセルスタック構造体を収容するための絶縁ケース２１は、上側に開口を有する有底箱状かつ絶縁樹脂製の部材であり、開口を塞ぐための蓋２４を有している。この蓋２４の上面には、正極外部端子３４及び負極外部端子３５にそれぞれ電気的に接続された一対のモジュール出力端子２５が離間配置されている。絶縁ケース２１は４つのケース側面２２を有するとともに、そのうちの２つのケース側面２２（図２では左側の面及び右側の面）には平面視矩形状の露出口２３が大きく開口形成されている。そして、この絶縁ケース２１における収容空間には、複数枚の蓄電セル３１、複数枚のスタックプレート４１及び複数枚の伝熱金属プレート５１からなるセルスタック構造体が収容されている。セルスタック構造体を構成する複数枚の伝熱金属プレート５１の両端部（即ち、面の位置が揃った複数の折曲部５３）は、図１に示されるように、２つある露出口２３に位置するようにそれぞれ配置されている。
図１に示されるように、絶縁ケース２１の収容空間に収容された上記セルスタック構造体の背面側にできるスペースには、コイルばね支持部材７３、加圧板７４、コイルばね支持部材７３と加圧板７４との間に介在された複数のコイルばね７２等からなるセルスタック加圧機構が収容されている。そして、このセルスタック加圧機構があることで、積層物が厚さ方向（言い換えると積層方向）に均等に加圧され、各蓄電セル３１のセル主面３３に対して伝熱金属プレート５１の平板部５２が密着して配置されるようになっている。また、セルスタック構造体及びセルスタック加圧機構は、セルスタック固定金具７５を用いて互いに固定されている。
図１、図２、図３に示されるように、本実施形態の蓄電モジュール１１は、一対の放熱フィン６１を備えている。これら放熱フィン６１は、例えば熱伝導性の高いアルミニウム等の金属を用いて形成され、平板状のベース部６２の外側面に複数のフィン部６３を櫛歯状に立設した構造を有している。各フィン部６３は絶縁ケース２１の上下方向に沿って延びている。ベース部６２の内側面には、通常の絶縁樹脂材料に比べて熱伝導性の高い厚さ数ミリ程度の伝熱絶縁シート６５が貼着されている。好適な伝熱絶縁シート６５としては、例えばシリコーン樹脂等を主体とするシートや、アクリル樹脂を主体とするシートなどがある。そして、ベース部６２の内側面は、面の位置が揃った複数の折曲部５３に対して面接触状態で密着するようにして配置されている。つまり、一対の放熱フィン６１は、伝熱金属プレート５１の折曲部５３に伝熱絶縁シート６５を介して熱結合され、２つある露出口２３から絶縁ケース２１の外部に各々突出している。
放熱フィン６１は、絶縁ケース２１に対して直接取り付けられているわけではなく、絶縁ケース２１の外部に配置された固定金具７１を用いて間接的に絶縁ケース２１に取り付けられている。より具体的にいうと、本実施形態における固定金具７１は、金属材料からなる板材を折り曲げて形成した部材であって、絶縁ケース２１の４つあるケース側面２２のうちの残りの２つに沿うようにして配設されるとともに、絶縁ケース２１に対してねじ止め固定されている。また、放熱フィン６１のベース部６２は、露出口２３側に突設された固定金具７１のフィン取付部に対してねじ止め固定されている。なお、固定金具７１は、蓄電セル３１や伝熱金属プレート５１といった金属部分に対して非接触の状態となっている。
以上のように構成された蓄電モジュール１１では、各々の蓄電セル３１のセル主面３３と伝熱金属プレート５１の平板部５２とが密着して面接触状態となっているため、蓄電セル３１と伝熱金属プレート５１とが確実に熱結合される。また、伝熱金属プレート５１の折曲部５３と放熱フィン６１とが伝熱絶縁シート６５を介して面接触状態となっているため、伝熱金属プレート５１と放熱フィン６１とが確実に熱結合される。ゆえに、蓄電モジュール１１の使用時に蓄電セル３１の充放電によって発熱した場合、その熱は、伝熱金属プレート５１の平板部５２、折曲部５３及び伝熱絶縁シート６５を介して放熱フィン６１のベース部６２に効率よく伝達する。このような経路で伝達してきた熱は、放熱フィン６１における主としてフィン部６２の表面から逃がされることで、最終的に絶縁ケース２１の外部に放出されるようになっている。
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態の蓄電モジュール１１の場合、上述したように発熱によるモジュールの温度上昇が抑制されるため、モジュールの短命化・破損を防止することができる。また、このような構造であると、蓄電セル３１間で温度差があったとしても、放熱フィン６１を介して温度の高いものから低いものに熱が伝達する結果、セル温度が均一化される。従って、モジュールの特性を最大限に引き出すことができる。
（２）本実施形態の蓄電モジュール１１では、露出口２３に配置された伝熱金属プレート５１と放熱フィン６１とが、伝熱絶縁シート６５によって電気的に絶縁されている。そのため、好適な放熱性を維持しつつも、要求される安全規格に対応した絶縁を図ることができる。また、この構成によれば、絶縁に関する問題を回避するために、例えば絶縁シート等を用いて蓄電セル３１を個別に被覆して絶縁を図るというような構成を採る必要がない。よって、蓄電セル３１の製造コストを抑えることができ、モジュール全体の高コスト化を抑制することができる。
（３）本実施形態の蓄電モジュール１１では、スタックプレート４１同士の係止により相互の位置決めが図られていることに加え、伝熱金属プレート５１もそのようなスタックプレート４１に固定されている。従って、面接触している伝熱金属プレート５１と放熱フィン６１とが位置ずれしにくく、両者の熱結合状態も好適に維持される。ゆえに、振動や衝撃にも強いモジュールとすることができる。
（４）本実施形態の蓄電モジュール１１では、蓄電セル３１の収容体として樹脂製の絶縁ケース２１を用いている。そのため、各蓄電セル３１と絶縁ケース２１との間で要求される安全規格に対応した絶縁を図ることができ、しかも金属製ケースを用いた場合に比べてモジュール全体の軽量化を図ることができる。
（５）本実施形態の蓄電モジュール１１では、樹脂製の絶縁ケース２１に直接的に放熱フィン６１を取り付けるのではなく、絶縁ケース２１の外部に配置された固定金具７１を用いて間接的に放熱フィン６１を絶縁ケースに取り付けている。そのため、金属材料に比べて強度的に劣る樹脂材料からなる絶縁ケース２１を選択した場合であっても、放熱フィン６１が確実に固定され、耐振動性・耐衝撃性を向上することができる。しかも、固定金具７１が沿うようにして配置されている面は、放熱フィン２１やモジュール出力端子２５が突設された面とは異なるので、組み付けにおいて固定金具７１が邪魔にならない。
（６）本実施形態の蓄電モジュール１１では、折曲部５３がスタックプレート４１の側面４３に沿うようにして折り曲げられているので、スタックプレート４１の側面４３により折曲部５３が後方から支持、押圧される。このため、複数枚の伝熱金属プレート５１における各々の折曲部５３の接触面の位置が揃い、伝熱絶縁シート６５を介した折曲部５３と放熱フィン６１との間の面接触状態が確実に維持される。従って、耐振動性・耐衝撃性を向上することができる。
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、蓄電モジュール１１における正極外部端子３４及び負極外部端子３５を蓄電セル３１の一辺から同じ方向に引き出す構成としたが、これに限定するものではなく、蓄電セル３１の対向する２辺から引き出す構成や、直角に交わる２辺から引き出す構成としてもよい。
・上記実施形態では、放熱フィン６１のベース部６２に伝熱絶縁シート６５を貼着した例を示したが、これに限定するものではなく、例えばシリコーン樹脂等を主体とするゲルを塗布することで伝熱絶縁層を形成してもよい。
・上記実施形態において例示したスタックプレート４１は、平坦部５２を有するものであったが、これに限定するものではなく、例えば平坦部５２を有さず外周縁の枠状壁部に相当する部分のみを備えたものであってもよい。また、スタックプレート４１と伝熱金属プレート５１とが別体で作製された上記実施形態の構成に代え、それら部材を例えばインサート成形等により一体的に形成してもよい。
・上記実施形態では、本発明をリチウムプレドープ型リチウムイオンキャパシタの蓄電セル３１に具体化したが、リチウム以外のアルカリ金属をプレドープさせるタイプのアルカリ金属イオンキャパシタの蓄電セルに具体化することもできる。あるいは、本発明を非水系二次電池や電気二重層キャパシタの蓄電セルなどに具体化することもできる。
１１…蓄電モジュール
２１…ケースとしての絶縁ケース
２２…ケース側面
２３…露出口
３１…蓄電セル
３２…金属ラミネートフィルム材としてのアルミラミネートフィルム材
３３…セル主面
４１…スタックプレート
４２…開口部
４３…スタックプレートの側面
５１…伝熱金属プレート
５２…平板部
５３…折曲部
６１…放熱フィン
６５…伝熱絶縁シート
７１…固定金具
２１…ケースとしての絶縁ケース
２２…ケース側面
２３…露出口
３１…蓄電セル
３２…金属ラミネートフィルム材としてのアルミラミネートフィルム材
３３…セル主面
４１…スタックプレート
４２…開口部
４３…スタックプレートの側面
５１…伝熱金属プレート
５２…平板部
５３…折曲部
６１…放熱フィン
６５…伝熱絶縁シート
７１…固定金具
Claims (3)
- 発電要素を電解液とともに金属ラミネートフィルム材の内部に収容した構造を有する複数枚の蓄電セルを備え、前記複数枚の蓄電セルが、セル主面同士を対向させた状態で積層配置されかつ電気的に直列または並列に接続されている蓄電モジュールであって、
ケース側面に露出口を有し、前記複数枚の蓄電セルが収容されたケースと、
開口部を有する板枠状部材からなり、前記複数枚の蓄電セル間に介在して配置され、隣接するもの同士で係止し合うことにより相互の位置決めが図られる複数枚のスタックプレートと、
前記開口部を覆う状態で前記スタックプレートに固定された平板部、及び、前記露出口に位置する前記平板部の端部を直角に折り曲げてなる折曲部を有し、前記蓄電セルの前記セル主面に対して密着して配置される伝熱金属プレートと、
前記伝熱金属プレートの前記折曲部に伝熱絶縁シートを介して面接触状態で熱結合され、前記露出口から前記ケースの外部に突出する放熱フィンと
を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。 - 前記ケースは、樹脂製の絶縁ケースであり、前記放熱フィンは、前記ケースの外部に配置された固定金具を用いて前記ケースに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電モジュール。
- 前記折曲部は、前記スタックプレートの側面に沿うようにして折り曲げられていることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電モジュール。
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