JP2004080984A - 電池内蔵用負荷平準化 - Google Patents
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Abstract
【目的】スーパーキャパシタによって提供される負荷平準化の助けにより、寿命が延長されて、効率密度が向上されるものである。
【構成】電池素子と、キャパシタと、前記電池素子および前記キャパシタ素子の間に相補型制御および相補型放電を用いるための電子制御と、前記電池素子、前記キャパシタ素子、および前記電子制御器を設けて気密性封止を提供する単一ハウジングと、
充電および放電に用いるために前記ハウジングの外部に設けられる陽極および負極による２つの電極とから構成される電池内蔵用負荷平準化。
【選択図】 図２
【構成】電池素子と、キャパシタと、前記電池素子および前記キャパシタ素子の間に相補型制御および相補型放電を用いるための電子制御と、前記電池素子、前記キャパシタ素子、および前記電子制御器を設けて気密性封止を提供する単一ハウジングと、
充電および放電に用いるために前記ハウジングの外部に設けられる陽極および負極による２つの電極とから構成される電池内蔵用負荷平準化。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電池内蔵用負荷平準化に関し、特に、少なくとも１つの電池、少なくとも１つのスーパーキャパシタ、および単一のハウジング内に小型化電子制御が完備されており、その中で、スーパーキャパシタは、電池の電荷および放電に対して負荷作用を提供する電池内蔵用負荷平準化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池は現代生活の中で欠くことのできないものである。自動車、携帯電話、ノート型コンピューター、およびＰＤＡ等を含む装置は、電池無しでは操作されない。電池は一般に、一回だけ使用する一次電池と、電気充電することで何回も使用することができる二次電池とに区別される。構造の変化とに伴って、化学変化とは、電池エネルギーの転移に関係するもので、電池は電荷・放電の速度率および放電深度の制限を受ける。高いパワー密度および快速放電の能力については、電池の開発として絶え間なく努力される２つの目標となっている。
【０００３】
これとは反対に、キャパシタの電極表面にのみエネルギーの転移が発生し、キャパシタは電池よりもスーパーキャパシタによって提供される負荷平準化の助けにより、寿命が延長されて、そして効率密度が向上されるのである。
更に優れた電力密度、放電深度、および充電能力を有するのではあるが、やはり電極のバルクは、エネルギーを蓄えるのに用いられず、電池よりもエネルギー密度が低いのである。従って、エネルギー密度を向上させることは、キャパシタに関する主要な開発目標となる。明確にも、理想のエネルギー蓄積装置とは、電池とキャパシタとの両方の利点を結合すべきものである。鉛蓄電池のように、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、リチウム、亜鉛―空気電池の中において一番高いエネルギー密度を有している通り、スーパーキャパシタは、セラミック、プラスチックフィルム、アルミ電解、タンタル、ガラス、マイカコンデンサの中で一番高いエネルギー密度を有している。高いエネルギーを含むので、スーパーキャパシタは、数百アンペアまでの電流を提供したり、あるいは受けたりすることができ、これにより、一般電池および燃料電池における電力を応用する上で、スーパーキャパシタに実質的な数値を提供することができる。
【０００４】
エネルギー蓄積装置が同時に高いエネルギー密度と高いパワー密度とを具備することには矛盾している。高いエネルギー密度は厚い電極を必要とし、高いパワー密度は薄い電極を必要とする。材料の独特な性質を変化させることなく、その材料を電極へ変成させることができる方法であり、並びにナノメータで、しかも高いエネルギー容量である時だけ、装置を設けることができる。そうしなければ、理想的なエネルギー蓄積装置はほとんど得ることはできないのである。上記材料および方法に関して研究開発に努力がなされる一方、混合設計で以って電池およびキャパシタのエネルギー容量およびエネルギー効率を向上させることにつき、提出された米国特許番号：４，９５９，２８１、６，０８８，２１７、６，２２２，７２３，６，２５２，７６２、およびＤｒｅｗｓ著の「Ｈｉｇｈ−ｒａｔｅ ｌｉｔｈｉｕｍ／ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｄｉｏｘｉｄｅ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ； ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃｅｌｌ ｃｏｎｃｅｐｔ」Ｊ． Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，ｖｏｌ．６５， ｐｐ １２９−１３２，１９９７、Ａｒｂｉｚｚａｎ著の「Ｎｅｗ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ」Ｊ． Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ，ｖｏｌ．１００， ｐｐ １６４−１７０，２００１、Ｐａｓｑｕｉｅｒｈｇｄｉ著の「Ａ Ｎｏｎａｑｕｅｏｕｓ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｈｙｂｒｉｄ Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２／Ｐｏｌｙ（ｆｌｕｏｒｏｔｈｉｏｐｈｅｎｅ） Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｄｅｖｉｃｅ」， Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ Ｓｏｃ．， ｖｏｌ． １４９， ｎｏ．３， ｐｐ Ａ３０２−Ａ３０６，２００２等は、電池電極を陽極とし、スーパーキャパシタを陰極として混合装置を製作するものである。混合ペアを正確に選択することにより、不対照なスーパーキャパシタのエネルギー密度が６倍に増加することにつき、米国特許６，２２２，７２３に書かれている。スーパーキャパシタのエネルギー密度において１０倍増加したとしても、そのエネルギー内容は、電池内に蓄積されているものと比較してかなり小さいものである。更に、電池電極がキャパシタ電極によって過充電および過放電から守ることができず、また電池電極の反応がいつも遅いので、キャパシタ電極も完全に全てのエネルギーを用いてピーク電流を提供することもできない。従って、非対称装置では実質的に利益は上がらないのである。
【０００５】
高い内部圧力、高すぎる温度、反対極性、過充電、および過放電に対し、電池は保護機制と電子回路を有する必要があることにつき、周知されている。通常、電池およびその保護装置は、異なるパッケージにおける２種類のものである。しかしながら、速く、また正確に機能するためには、機械および電子を整合して単一装置とし、所謂メカトロニクスを形成し、コンピュータデスクドライブ、ドライヤー、エアーバッグ、ＣＤ／ＤＶＤプレーヤー、自動車ブレーキシステムといったものを見つけることができる。このような概念も同様に集積電池の製造に応用される。米国特許番号：４，６２２，５０７、５，６４４，２０７、５，６４５，９４９、６，０２０，０８２、６，１６３，１３１の全てが単一ハウジング内に電池および制御回路を集積することを開示している。これらを本発明における参考として列記している。単一ハウジング内に電池により制御配置されるので、使用される連結ケーブルは比較的少ない、厳密に監視制御する、電磁干渉から保護する、即時応答するといった利点がある。電子制御器は電池に関する少なくとも以下４点の重要機能について管制するものである。：１）使用時間、２）電力出力、３）再充電時間、４）安全性。先の２項の機能と電池とが、電力をロードする時の放電に関係する。上記米国特許６，１６３，１３１は、その全体内容の４分の１につき、安全な深度放電で以って電池エネルギーの使用を向上させるものである。事実上、電子制御器自体を使用して電池の品質を改善することは、消極的なやり方である。電子制御器は、過度な充電および放電から受ける傷害から防止することができるのであるが、回路は予め定められたレベルのもと、エネルギーを転移させるように、電池に指示するだけである。一方、制御器は、大きなパワーの需要に対し、電池の役に立つためのエネルギーを有していないのである。また一方で制御器は、電気乗用車のブレーキを起こすように、電池に大きなエネルギーを受けさせるために、役に立つことはできない。
制御器は、回収の代わりに過度なエネルギーをブロックするだけである。リアルタイムのロード作用およびすべて得たエネルギーの蓄積のために、本発明は、単一ハウジング内に電池、スーパーキャパシタ、および電子制御器を集積するものである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、容器として同じ電子特性を有するエネルギー蓄積装置である１つのスーパーキャパシタを提供するものである。しかし、これは従来のキャパシタよりも更に多くのエネルギーを蓄積する。キャパシタの定格電圧に適する限り、スーパーキャパシタは、いかなるエネルギーの大きさも受けることができ、また迅速にエネルギーを蓄積することもできる。蓄積されたエネルギーを放出するうえで、スーパーキャパシタは、何万回の循環寿命および９９％以上の放電深度で以って力強くピーク電流を提供する。従って、スーパーキャパシタは、パワーアプリケーションにおいて高い出力および高い依頼度をもつ特性を具備し、しかも一般電池および燃料電池のエネルギー品質において通用する要素でもある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
スーパーキャパシタの特性に従うために、本発明の第１目的とは、一般電池および燃料電池のための記憶胞メモリ内負荷レベル要素としてキャパシタを使用することにある。負荷需要とは関係無しに、集積された電池は、１Ｃまたは更に低い速度率で放電されて、スーパーキャパシタは、余剰パワーの需要に対して提供する。電池はいつも低い電流で放電するので、その使用時間および寿命は延長される。
【０００８】
本発明の第２の目的とは、電池内で蓄積された可能なエネルギーの使用を増やすことにある。電池の放電周期の終わりに近づく時、その余剰エネルギーは、多くの負荷を駆動させるのに、度々不足するが、スーパーキャパシタによってブーストされた後に力をつけて、また役に立つものになる。スーパーキャパシタの助けにより、電池の余剰エネルギーは安全にドレインされる。
【０００９】
本発明の第３の目的とは、電池を電気充電する際に、緩衝器あるいはイコライザーとしてスーパーキャパシタを使用することにある。キャパシタには、先ず各種大きさの電流が具備されているが、電圧あるいはキャパシタの使用電圧とがほぼ同じである電源によって充電されてから、スーパーキャパシタは電池の充電レベルにより、その蓄積されたエネルギーを電池へ移転する。上記した方法で充電し、すべて可能なエネルギーが蓄積され、電池が過剰な充電電流から傷害を受けることから防止される。更にスーパーキャパシタが提供するエネルギーが均等であるので、充電を促進することができる。
【００１０】
本発明の第４の目的とは、エネルギー管理のために、スーパーキャパシタを使用することによって、電池の制御あるいは保護回路を簡素化することにある。スーパーキャパシタは、エネルギー蓄積装置および電子部品としてなる。スーパーキャパシタの中級エネルギー密度および高いパワー密度により、幾つかのＤＣ−ＤＣ転換器およびセットアップ回路を省略あるいは縮小することができる。
【００１１】
本発明の第５の目的とは、電池およびスーパーキャパシタが単一のハウジング内に配置されることにある。電池およびスーパーキャパシタとが、電解液システム、製造ステップ、および設備といった幾つかの共同性を具備するので、単一のハウジング内に設け易く、しかも相互に汚染される恐れもないのである。電池およびスーパーキャパシタの長所と結合することで、両者は電気的に集積化されて、ハイブリッド装置は共同効果を得ることができる。
【００１２】
本発明の第６の目的とは、スーパーキャパシタが金属―空気中のマイクロファン（ｍｉｃｒｏ ｆａｎｓ）を作動させる、あるいは固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）のような燃料電池におけるレジスタを加熱し、空気によって駆動されるエネルギー器具に、オペレーションを開始させる能力を持たせる。上記器具は、スーパーキャパシタによって提供される負荷平準化の助けにより、寿命が延長され、そして効率密度が向上されるのである。
【００１３】
集積電池は、優れた電池である。これは、内部に電子回路および補助装置を有し、過度な放電あるいは過度な充電をすること無しに、電池に高性能な負荷をさせる。電池およびスーパーキャパシタは、機械作用において蓄積エネルギーのための電気化学セルである。バルク性化学反応は、電池内に展開される。ここでは電気エネルギーが充電の際に化学エネルギーに転換され、放電の際には反対に転換される。これとは逆に、キャパシタの充電および放電の際のエネルギー転換につき、化学変化よりもむしろ物理的変化がなされる。メカニックの違いに関係なく、電池およびスーパーキャパシタは、同じ製造ステップと製造技術を使用して製造されることができる。しかしながら、スーパーキャパシタは陽極および陰極として同一の電極を使用することができる。その製造は、電池の製造よりも更に順応的および経済的である。電池は、非対称電極を使用しなければならない。両方の装置が同じ電解液システムを使用することができるので、電池およびスーパーキャパシタを集積化して単一装置に入れるのは簡単である。スーパーキャパシタに含まれるものとして、電池の製造コストに対して大幅な増加はみられない。
【００１４】
【発明の実施形態】
以下、この発明にかかる好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、電池素子ＬＩ／Ｂ１１０、スーパーキャパシタ素子Ｓ／Ｃ１１２、およびマイクロプロセッサ１０３が一緒に単一ハウジング内の円筒状型１０４内に設けられて負荷された電池１００を形成する、この発明にかかる１つの好適な実施例を示す。１０３とスーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２との間と同じように、マイクロプロセッサ１０３と電池ＬＩ／Ｂ１１０との間には、４本のコミュニケーションバス１０６があり、各素子は２本の電線を具備している。電池１００は、ハウジング１０４の外側に陽極１０１および陰極１０２をそれぞれ具備している。コミュニケーションバス６は、ＬＩ／ＢおよびＳ／Ｃをマイクロプロセッサ１０３に通させて補助作用を行なう一方、絶縁物１０５がハウジング１０４内の部品に対してハーメチック封じを提供する。守パーキャパシタＳ／Ｃ１１２の両端もエッジシーラー（ｅｄｇｅ ｓｅａｌｅｒ）によって封じされるので、Ｓ／Ｃ１１２は二極性であるとともに、ハウジング内のその他部品から隔離される。二極性設計は、少なくとも３つの電極を具備しており、その中間の電極は同時に陽極および陰極の役目を果たしている。事実上、二極電池は、電線が連結されること無しに二個あるいはそれ以上の単元電池を一連に繋げる。二極セルのセル電圧は、二極装置から成るセルの総電圧である。しかしながら、電解液は、各単元セル内に残る必要があり、この理由によりエッジシーラー１０７が使用されるのである。スーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２の大きさおよび容量が電池ＬＩ／Ｂ１１０のそれに関係していることにつき、あつらえができる。
【００１５】
実際には、電池あるいは燃料電池に用いられるすべての電解液は、スーパーキャパシタに使用できる。例えば、一次電池の電解液はＺｎ／ＭｎＯ２（ＫＯＨ）、Ｚｎ／Ａｇ２Ｏ（ＫＯＨ）、Ｚｎ／ａｉｒ（ＫＯＨ）、二次電池の電解液は鉛蓄電池（Ｈ２ＳＯ４）、ニッケル―カドミウム、ニッケル水素（ｎｉｃｋｅｌ−ｍｅｔａｌ ｈｙｂｒｉｄ（ＫＯＨ））、リチウムイオン（炭酸プロピレン（ＰＣ）のような有機溶剤内の塩類）、リチウムポリマー電池内の高分子電解質、およびＰＥＦＣの電解液（Ｈ３ＰＯ４）の全ては、スーパーキャパシタに適用する証明がなされている。特に、リチウムイオン電池の溶剤であるＰＣは頻繁に使用されており、スーパーキャパシタの常用溶剤とされている。その他電池およびスーパーキャパシタの有機溶剤に適用されるものとして、例えば、アセトニトリル（ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ）、炭酸エチレン（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、炭酸ジエチル（ｄｉｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、炭酸ジメチル（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）がある。ＬｉＰＦ６がリチウムイオン電池に対して常用される塩類であり、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４はスーパーキャパシタに対して常用される塩類であるのだが、相互汚染を起こす溶剤である。言葉を換えれば、図１において、電池ＬＩ／Ｂ１１０およびスーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２は実に共存する。Ｓ／Ｃ１１２が３つの電極構成される二極性装置であり、有機電解液を使用する時に、リチウムイオン電池の回路電圧５Ｖに近いノーマルワーキングポテンシャル（ｎｏｒｍｉｎａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）４．２Ｖである。事実上、スーパーキャパシタの電圧は、小さい体積の二極性構成により電池素子が電圧上匹敵するよう作られている。
【００１６】
この発明にかかるもう１つの好適な実施例において、電池およびスーパーキャパシタの集積は、電池およびスーパーキャパシタの電極板がハウジングあるいはプリズム状（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｓｈａｐｅ）のパッケージ（ｐａｃｋａｇｅ）内へ積み重ねられることによるものである。堆積配列につき、図１で示す螺旋型よりも更に容易に組立てられるだけでなく、単一ハウジング内に、多重電池および多重キャパシタを配置させることもできる。キャパシタの電極は４つの材料を用いて電極を作っている。この材料とは：１）炭素、２）金属酸化物、３）伝導高分子、および４）複合材料、即ち前記各３種を組み合わせる。異なる材料が電極の活性層であるので、これによりキャパシタは異なる電気特性を有することになる。従って、スーパーキャパシタ（ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ）、ウルトラキャパシタ（ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ）、および電気二重層キャパシタ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）は、高容量キャパシタ（≧０．１５Ｆ／ｃｍ２）と呼ばれている。伝導高分子を除き、本発明はその他３種の材料の電池に対する負荷作用をテストしたものであり、満足な結果を得ている。材料コストおよびキャパシタ製造コストは、本発明を実施するのに、どの種の活性物を使用するかの決断が主なところである。
【００１７】
本発明にかかる集積化電池の商業価値に関するスーパーキャパシタのコスト以外にも、更に集積化電池内にある電子制御器の価格についても重要な要素である。図２は、オンボード制御器２００が、電池ＬＩ／Ｂ１１０とスーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２との間に補助作用を導く、この発明にかかる好適な実施例である。ハウジング２０１内において、ＡＣあるいはＤＣ電源から入力されたエネルギーをダイオード（ｄｉｏｄｅ）２０４を経て管理するために、制御器は、充電サブ制御器（ｓｕｂ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）（Ｃ）２０５および放電サブ制御器（Ｄ）２０６から組成されており、同様に集積電池が出力する負荷までのエネルギーもこのように管理される。外部エネルギーがない時、電池ＬＩ／Ｂの電圧は、充電サブ制御器でコミュニケーションバス（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｕｓ）２０２を経て調整し、例えば、４．２Ｖ以下から５Ｖまで印加する。それからコミュニケーションバス２０３を経てスーパーキャパシタＳ／Ｃに対して充電する。電池ＬＩ／Ｂは、１Ｃ放電を超過しないものと設定される。１Ｃ放電速度率とは、電池が１時間以内にドレインされることである。もし負荷に必要な電力が電池ＬＩ／Ｂが提供できる能力を超えている場合、必要とされる余分な電力は、放電サブ制御器Ｄの変調器（ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を経てスーパーキャパシタにより提供される。
【００１８】
図２Ａおよび図２Ｂにおいて、充電サブ制御器Ｃと充電サブ制御器Ｄとをそれぞれ説明する。図２Ａでは、マイクロ制御器（ｍｉｃｒｏ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：μＣ１）２１７と３つのスイッチのＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）形態のＳＷ１（２１９）、ＳＷ２（２２１）、ＳＷ３（２２３）から構成される充電サブ制御器Ｃが、ハウジング２１１に設けられている。充電時に、外部電源が充電電流をＩＮ点まで提供してから、マイクロ制御器２１７によってスイッチ２１９および２２１を介し、またコミュニケーションバス２１５、２２５、および２２７のスーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２に対して、そのノーミナルセル電圧まで先に充電する。上記電圧内において、Ｓ／Ｃ１２は如何なる大きな充電電流も受けることができる。従って、例え大きなトラックの再生ブレークシステムが大きな電流を生成したとしても、スーパーキャパシタを用いて蓄積させることができ、集積電池のために負荷するものとして、スーパーキャパシタによって再使用される。一旦、Ｓ／Ｃ１１２が十分に充電されて、電池ＬＩ／Ｂ１１０が低いエネルギー状態として偵知され、Ｓ／Ｃ１１２はバス２２７およびバス２１５を介してマイクロ制御器２１７の指令のもと、エネルギーを供給し、スイッチ２２３をバス２１３に入れてＬＩ／Ｂ１１０を充電する。二重矢印は２２３の中において、Ｓ／ＣとＬＩ／Ｂ１１０との間の充電を表すものである。もし必要であれば、Ｓ／Ｃ１１２およびＬＩ／Ｂ１１０の両方まで一連に繰り返し充電されることで十分に充電されることになる。また、サブ制御器Ｃは自動的に外部電源から集積電池を切断する。
【００１９】
図２Ｂにおいて、サブ制御器Ｄの充電を表す。ここでは、マイクロ制御器（２１４）、ＳＷ４（２２２）およびＳＷ５（２２４）といったＭＯＳＦＥＴ形態の２つのスイッチが使用されて電池ＬＩ／ＢおよびスーパーキャパシタＳ／Ｃがハウジング２１２の出力点までエネルギーが供給される。放電時に、図２Ａにおいて、例えばＬＩ／Ｂがスイッチ２２３を介して先にエネルギーを供給し、予め設定されたレベル、例えば１Ｃを超えない総合放電率で負荷する。１Ｃを超える負荷電力の放電が提供できる時、スイッチ２２２および２２４は、コミュニケーションバス２１６および２２０におけるパワー分布に基づいて、マイクロ制御器２１４によりスイッチが開く。負荷の大きさに関係なく、ＬＩ／Ｂはいつも安全水準で放電し、この水準が電池における大幅なＩＲ低下を発生させないので、電池の使用時間および寿命を延長させることができる。更に、ＬＩ／Ｂは電圧が切れるまで衰退しない限り、ＬＩ／Ｂの余剰エネルギーはＳ／ＣのＰＭＷ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）２１８により転換することができるので、携帯電話からメッセージを送信する、あるいはノート型コンピューターのデーターを蓄積するといった最終の動作を完成する。最後少しの電池パワーを安全 に引き出すことにより、ＬＩ／Ｂエネルギー効率が上昇される。最後に、図３において、充電サブ制御器Ｃと放電サブ制御器Ｄを併合してハウジング３０１内に形成される搭載制御器３００の全体図である。符号および部分につき、図２Ａおよび２Ｂと同様である。事実上、２つのマイクロ制御器２１７および２１４は、マイクロ制御器３０４における２つの構成部分である。図３における２本の破線は、このような関係を表示する。コミュニケーションバス３０２および３０３は、充電時におけるＬＩ／ＢおよびＳ／Ｃのセル電圧を測る役目を果たすものである。
【００２０】
スーパーキャパシタは、１次および２次電池内に負荷平準化とされることは、既に説明している。その他重要なエネルギーディバイスを有し、特に将来において私たちが必要とする金属―空気電池および燃料電池といったエネルギーを解決することができる。この種の器具は、例えば金属燃料あるいは水素の巨大タンクに設けられ、技術的に言えば、これらは無期限な使用時間を提供することができる。またもう１つの独特な空気装置の特色としては、その化学反応が空気陰極を頼りに発電することである。空気を使用して反応する物の利点として、材料費が無料、材料供給に制限が無い、および装置における空気が入口を封じる時、すなわち無期限な寿命を得る。しかしながら、金属―空気電池はパワーを必要として空気の流動を回復し、一方燃料電池はその操作温度まで加熱する必要がある。明らかに、金属―空気電池および燃料電池は、上記した需要に提供するために、負荷平準化される必要がある。図４において、空気管理を有する複数セル亜鉛―空気電池４００を表すものである。上記説明のように、スーパーキャパシタを積み重ねて整合することは、スーパーキャパシタの極板（図４では示されていない）を電池極板４０２により形成される電池スタック（ｂａｔｔｅｒｙ ｓｔａｃｋ）４０１の上に加えれる。図４で表すように、隔離板（ｓｐａｃｅｒ）の上に突出する点が空気陰極の上に印刷された後に、空気チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）を生成する。混合電池（ｈｙｂｒｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ）４００のキャップ（ｃａｐ）４０６ａおよび４０６ｂの上に、空気入口（ａｉｒ ｉｎｌｅｔ）４０５およびマイクロファンあるいはマイクロポンプ（ｍｉｃｒｏ ｐｕｍｐ）４０４が設けられている。図３における制御器において、ハウジング４００を十分に隠すのは簡単である。（図を見易くするために、図４において、制御器およびハウジングは示されていない。）
【００２１】
図４において、上記したマイクロファン（ｍｉｃｒｏ ｆａｎ）４０４は、ＬＩＧＡ（Ｇｅｒｍａｎ ａｃｒｏｎｙｍ ｆｏｒ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｅ， Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ， ｕｎｄ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）技術により構成される。マイクロファンを作動させるためには、折曲部材（ｂｅｎｄｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）および少なくとも１つの圧力部材（ｆｏｒｃｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）を必要とする。単結晶シリコン（ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ）（例えばシリコンウェハー）或いは導電活性ポリマー（ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）隔膜を含む折曲部材を構成する幾つかの材料を用いることができる。一方、圧力部材は、圧電性結晶（例えば酸化亜鉛）、磁鉄合金（例えば、テルビウムジスプロシウム鉄（ｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｙｓｐｒｏｓｉｕｍ−ｉｒｏｎ）、或いは熱控膜（例えばアルミニュウム）である。構造上、圧力部材は、折曲部材に貼り付けられる。圧力部材に対して印加される時、部材の長さが変わるといった一種の物理的変化が起こる。このような圧力部材の変化は、その位置に基づくものであり、内あるいは外に向かって折り曲げさせることができる。上記の折曲部材の伸縮動作を通して、図４における亜鉛―空気電池４００内のマイクロファンは逆止弁（ｃｈｅｃｋ ｖａｌｖｅ）で気流を生成する。電池の空気入口は、圧力部材に印加される電圧によるものである。金属―空気電池あるいは燃料電池内部に十分な空間を有する時、マイクロロータリーファン（ｍｉｃｒｏ ｒｏｔａｒｙ ｆａｎ）或いは送風機（ｂｌｏｗｅｒ）は、折曲隔膜に代わって空気を推進させて動かし、装置内部に入れる。どの種の設計を採用するにしても、機械は電池４００の第１キャップ４０６ａと第２キャップ４０６ｂとの中央に確保される。更に電池４００の両端にマイクロファン４０４が旋転あるいは反対方向に回せるように設けられるので、気流が気道４０３に起こる。金属―空気電池および燃料電池に高い効率密度を与えるので、装置内の空気の流量は、１０ｍｅ／ｍｉｎよりも大きい方が好ましい。また、マイクロファン４０４のパワー消費としては、０．５Ｗよりも小さい方が好ましい。空気を必要としないスーパーキャパシタは、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＦｅから選択される金属陽極と、ＮｉＯＯＨ、ＭｎＯ２、あるいはＡｇ２Ｏから選択される陰極から構成されて、必要とされるパワーを供給してマイクロファンを作動さしている。上記したように、空気を必要としない電池およびスーパーキャパシタの結合により、スーパーキャパシタは空気無しの電池に対して負荷平準化の作用を提供するので、電池の出力パワーを上昇する。また類似して空気無しの電池およびスーパーキャパシタの結合したものが、燃料電池のハウジング内において確保され、パワーを提供して部材例えば、Ｎｒ−ＣｒレジスターあるいはＰＴＣを加熱し、燃料電池が必要とする操作温度を生成する。
【００２２】
スーパーキャパシタの負荷平準化における能力性を説明するため、以下のような例を提供する。
【００２３】
【実験例】
Ｚｎ金属が陽極、ＭｎＯ２が陰極、水溶性の―ＫＯＨが電解液とし、回路電圧９Ｖおよび１．５Ａｈ容量を有する多重セルアルカリ電池がある。また、Ｆｅ３Ｏ４／炭素複合物で以って電極の活性材料とするとともに、ＫＯＨ水溶液で以って電解液として、オープン回路が７．５Ｖ、電容量が６Ｆ、および４０ｍΩＥＳＲ（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）がそれぞれ２つのスーパーキャパシタに使用されてから、結合上アルカリ電池および１つの電子制御器が単一ハウジング内に設けられる。パワーが需要とされる際、制御器がスーパーキャパシタを一連に接続させることができる。混合ディバイス（ｈｙｂｒｉｄ ｄｅｖｉｃｅ）は１５Ｖ×２５Ａあるいは３７５Ｗのピークパワーを提供する能力があり、これは様々なパワー手段を作動させるのに十分なものである。アルカリ電池は、スーパーキャパシタ無しで、１Ｃ放電率のもと、１３．５Ｗ（即ち、９Ｖ×１．５Ｖ）を提供することができるだけである。スーパーキャパシタは、明らかに、電池のパワー出力を２７倍までに上昇させる。スーパーキャパシタが電池に対する負荷平準化作用は、明らかに実用的である。
【００２４】
以上のごとく、この発明を好適な実施例により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
【００２５】
【発明の効果】
上記構成により、この発明にかかるスーパーキャパシタは、パワーアプリケーションにおいて高い出力および高い信頼度をもつ特性を具備し、しかも一般および燃料電池のエネルギー品質において通用する要素であり、余剰パワーの需要に対して提供するものである。電池はいつも低い電流で放電するので、その使用時間および寿命は延長される。また、スーパーキャパシタによってブーストされた後に力をつけて、役立つものになり、スーパーキャパシタの助けにより、電池の余剰エネルギーは安全にドレインされるのである。更に、すべて可能なエネルギーが蓄積されて、電池が過剰な充電電流から傷害を受けることから防止されるとともに、スーパーキャパシタが提供するエネルギーが均等であるので、充電を促進することができる。一方、スーパーキャパシタは、エネルギー装置および電子部品としてなる。スーパーキャパシタの中級エネルギー密度および高いパワー密度により、幾つかのＤＣ−ＣＤ転換器およびセットアップ回路を省略あるいは縮小することができる。また、電池およびスーパーキャパシタの長所を結合することで、両者は電気的に集積化されるので、ハイブリッド装置は共同効果を得ることができる。更にスーパーキャパシタによって提供される負荷平準化の助けにより、寿命が延長されて、そして効率密度が向上されるのである。
従って、産業の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる単一ハウジング内に集積電池、スーパーキャパシタ、およびマイクロ処理機を有する円筒型集積電池を示す説明図である。
【図２】この発明にかかる電池およびスーパーキャパシタが放電サブ制御器および放電サブ制御器によって平行に連結されることを示す説明図である。
【図２Ａ】この発明にかかる電池およびスーパーキャパシタの電気充電における充電サブ制御器の回路を示す説明図である。
【図２Ｂ】この発明にかかる電池およびスーパーキャパシタが協力し合うことによって提供されるエネルギー出力の放電サブ制御器回路を示す説明図である。
【図３】この発明にかかる図２でにおける充電および放電サブ制御器の詳細な局面を示す説明図である。
【図４】この発明にかかる多重亜鉛―空気電池の内部における空気管理がスーパーキャパシタ（図示されていない）によって作動することを示す説明図である。
【符号の説明】
１００ 電池
１０１ 陽極
１０２ 陰極
１０３ マイクロプロセッサ
１０４ 円筒状型
１０５ 絶縁物
１０６ コミュニケーションバス
１０７ エッジシーラー
２００ オンボード制御器
２０１ ハウジング
２０２ コミュニケーションバス
２０３ コミュニケーションバス
２０４ ダイオード
２０５ 充電サブ制御器
２０６ 放電サブ制御器
２１１ ハウジング
２１３ バス
２１４ マイクロ制御器１
２１５ コミュニケーションバス
２１６ コミュニケーションバス
２１７ マイクロ制御器２
２１８ ＰＭＷ
２１９ ＳＷ１
２２０ コミュニケーションバス
２２１ ＳＷ２
２２２ ＳＷ４
２２３ ＳＷ３
【産業上の利用分野】
この発明は、電池内蔵用負荷平準化に関し、特に、少なくとも１つの電池、少なくとも１つのスーパーキャパシタ、および単一のハウジング内に小型化電子制御が完備されており、その中で、スーパーキャパシタは、電池の電荷および放電に対して負荷作用を提供する電池内蔵用負荷平準化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池は現代生活の中で欠くことのできないものである。自動車、携帯電話、ノート型コンピューター、およびＰＤＡ等を含む装置は、電池無しでは操作されない。電池は一般に、一回だけ使用する一次電池と、電気充電することで何回も使用することができる二次電池とに区別される。構造の変化とに伴って、化学変化とは、電池エネルギーの転移に関係するもので、電池は電荷・放電の速度率および放電深度の制限を受ける。高いパワー密度および快速放電の能力については、電池の開発として絶え間なく努力される２つの目標となっている。
【０００３】
これとは反対に、キャパシタの電極表面にのみエネルギーの転移が発生し、キャパシタは電池よりもスーパーキャパシタによって提供される負荷平準化の助けにより、寿命が延長されて、そして効率密度が向上されるのである。
更に優れた電力密度、放電深度、および充電能力を有するのではあるが、やはり電極のバルクは、エネルギーを蓄えるのに用いられず、電池よりもエネルギー密度が低いのである。従って、エネルギー密度を向上させることは、キャパシタに関する主要な開発目標となる。明確にも、理想のエネルギー蓄積装置とは、電池とキャパシタとの両方の利点を結合すべきものである。鉛蓄電池のように、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、リチウム、亜鉛―空気電池の中において一番高いエネルギー密度を有している通り、スーパーキャパシタは、セラミック、プラスチックフィルム、アルミ電解、タンタル、ガラス、マイカコンデンサの中で一番高いエネルギー密度を有している。高いエネルギーを含むので、スーパーキャパシタは、数百アンペアまでの電流を提供したり、あるいは受けたりすることができ、これにより、一般電池および燃料電池における電力を応用する上で、スーパーキャパシタに実質的な数値を提供することができる。
【０００４】
エネルギー蓄積装置が同時に高いエネルギー密度と高いパワー密度とを具備することには矛盾している。高いエネルギー密度は厚い電極を必要とし、高いパワー密度は薄い電極を必要とする。材料の独特な性質を変化させることなく、その材料を電極へ変成させることができる方法であり、並びにナノメータで、しかも高いエネルギー容量である時だけ、装置を設けることができる。そうしなければ、理想的なエネルギー蓄積装置はほとんど得ることはできないのである。上記材料および方法に関して研究開発に努力がなされる一方、混合設計で以って電池およびキャパシタのエネルギー容量およびエネルギー効率を向上させることにつき、提出された米国特許番号：４，９５９，２８１、６，０８８，２１７、６，２２２，７２３，６，２５２，７６２、およびＤｒｅｗｓ著の「Ｈｉｇｈ−ｒａｔｅ ｌｉｔｈｉｕｍ／ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｄｉｏｘｉｄｅ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ； ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃｅｌｌ ｃｏｎｃｅｐｔ」Ｊ． Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，ｖｏｌ．６５， ｐｐ １２９−１３２，１９９７、Ａｒｂｉｚｚａｎ著の「Ｎｅｗ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ」Ｊ． Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ，ｖｏｌ．１００， ｐｐ １６４−１７０，２００１、Ｐａｓｑｕｉｅｒｈｇｄｉ著の「Ａ Ｎｏｎａｑｕｅｏｕｓ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｈｙｂｒｉｄ Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２／Ｐｏｌｙ（ｆｌｕｏｒｏｔｈｉｏｐｈｅｎｅ） Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｄｅｖｉｃｅ」， Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ Ｓｏｃ．， ｖｏｌ． １４９， ｎｏ．３， ｐｐ Ａ３０２−Ａ３０６，２００２等は、電池電極を陽極とし、スーパーキャパシタを陰極として混合装置を製作するものである。混合ペアを正確に選択することにより、不対照なスーパーキャパシタのエネルギー密度が６倍に増加することにつき、米国特許６，２２２，７２３に書かれている。スーパーキャパシタのエネルギー密度において１０倍増加したとしても、そのエネルギー内容は、電池内に蓄積されているものと比較してかなり小さいものである。更に、電池電極がキャパシタ電極によって過充電および過放電から守ることができず、また電池電極の反応がいつも遅いので、キャパシタ電極も完全に全てのエネルギーを用いてピーク電流を提供することもできない。従って、非対称装置では実質的に利益は上がらないのである。
【０００５】
高い内部圧力、高すぎる温度、反対極性、過充電、および過放電に対し、電池は保護機制と電子回路を有する必要があることにつき、周知されている。通常、電池およびその保護装置は、異なるパッケージにおける２種類のものである。しかしながら、速く、また正確に機能するためには、機械および電子を整合して単一装置とし、所謂メカトロニクスを形成し、コンピュータデスクドライブ、ドライヤー、エアーバッグ、ＣＤ／ＤＶＤプレーヤー、自動車ブレーキシステムといったものを見つけることができる。このような概念も同様に集積電池の製造に応用される。米国特許番号：４，６２２，５０７、５，６４４，２０７、５，６４５，９４９、６，０２０，０８２、６，１６３，１３１の全てが単一ハウジング内に電池および制御回路を集積することを開示している。これらを本発明における参考として列記している。単一ハウジング内に電池により制御配置されるので、使用される連結ケーブルは比較的少ない、厳密に監視制御する、電磁干渉から保護する、即時応答するといった利点がある。電子制御器は電池に関する少なくとも以下４点の重要機能について管制するものである。：１）使用時間、２）電力出力、３）再充電時間、４）安全性。先の２項の機能と電池とが、電力をロードする時の放電に関係する。上記米国特許６，１６３，１３１は、その全体内容の４分の１につき、安全な深度放電で以って電池エネルギーの使用を向上させるものである。事実上、電子制御器自体を使用して電池の品質を改善することは、消極的なやり方である。電子制御器は、過度な充電および放電から受ける傷害から防止することができるのであるが、回路は予め定められたレベルのもと、エネルギーを転移させるように、電池に指示するだけである。一方、制御器は、大きなパワーの需要に対し、電池の役に立つためのエネルギーを有していないのである。また一方で制御器は、電気乗用車のブレーキを起こすように、電池に大きなエネルギーを受けさせるために、役に立つことはできない。
制御器は、回収の代わりに過度なエネルギーをブロックするだけである。リアルタイムのロード作用およびすべて得たエネルギーの蓄積のために、本発明は、単一ハウジング内に電池、スーパーキャパシタ、および電子制御器を集積するものである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、容器として同じ電子特性を有するエネルギー蓄積装置である１つのスーパーキャパシタを提供するものである。しかし、これは従来のキャパシタよりも更に多くのエネルギーを蓄積する。キャパシタの定格電圧に適する限り、スーパーキャパシタは、いかなるエネルギーの大きさも受けることができ、また迅速にエネルギーを蓄積することもできる。蓄積されたエネルギーを放出するうえで、スーパーキャパシタは、何万回の循環寿命および９９％以上の放電深度で以って力強くピーク電流を提供する。従って、スーパーキャパシタは、パワーアプリケーションにおいて高い出力および高い依頼度をもつ特性を具備し、しかも一般電池および燃料電池のエネルギー品質において通用する要素でもある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
スーパーキャパシタの特性に従うために、本発明の第１目的とは、一般電池および燃料電池のための記憶胞メモリ内負荷レベル要素としてキャパシタを使用することにある。負荷需要とは関係無しに、集積された電池は、１Ｃまたは更に低い速度率で放電されて、スーパーキャパシタは、余剰パワーの需要に対して提供する。電池はいつも低い電流で放電するので、その使用時間および寿命は延長される。
【０００８】
本発明の第２の目的とは、電池内で蓄積された可能なエネルギーの使用を増やすことにある。電池の放電周期の終わりに近づく時、その余剰エネルギーは、多くの負荷を駆動させるのに、度々不足するが、スーパーキャパシタによってブーストされた後に力をつけて、また役に立つものになる。スーパーキャパシタの助けにより、電池の余剰エネルギーは安全にドレインされる。
【０００９】
本発明の第３の目的とは、電池を電気充電する際に、緩衝器あるいはイコライザーとしてスーパーキャパシタを使用することにある。キャパシタには、先ず各種大きさの電流が具備されているが、電圧あるいはキャパシタの使用電圧とがほぼ同じである電源によって充電されてから、スーパーキャパシタは電池の充電レベルにより、その蓄積されたエネルギーを電池へ移転する。上記した方法で充電し、すべて可能なエネルギーが蓄積され、電池が過剰な充電電流から傷害を受けることから防止される。更にスーパーキャパシタが提供するエネルギーが均等であるので、充電を促進することができる。
【００１０】
本発明の第４の目的とは、エネルギー管理のために、スーパーキャパシタを使用することによって、電池の制御あるいは保護回路を簡素化することにある。スーパーキャパシタは、エネルギー蓄積装置および電子部品としてなる。スーパーキャパシタの中級エネルギー密度および高いパワー密度により、幾つかのＤＣ−ＤＣ転換器およびセットアップ回路を省略あるいは縮小することができる。
【００１１】
本発明の第５の目的とは、電池およびスーパーキャパシタが単一のハウジング内に配置されることにある。電池およびスーパーキャパシタとが、電解液システム、製造ステップ、および設備といった幾つかの共同性を具備するので、単一のハウジング内に設け易く、しかも相互に汚染される恐れもないのである。電池およびスーパーキャパシタの長所と結合することで、両者は電気的に集積化されて、ハイブリッド装置は共同効果を得ることができる。
【００１２】
本発明の第６の目的とは、スーパーキャパシタが金属―空気中のマイクロファン（ｍｉｃｒｏ ｆａｎｓ）を作動させる、あるいは固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）のような燃料電池におけるレジスタを加熱し、空気によって駆動されるエネルギー器具に、オペレーションを開始させる能力を持たせる。上記器具は、スーパーキャパシタによって提供される負荷平準化の助けにより、寿命が延長され、そして効率密度が向上されるのである。
【００１３】
集積電池は、優れた電池である。これは、内部に電子回路および補助装置を有し、過度な放電あるいは過度な充電をすること無しに、電池に高性能な負荷をさせる。電池およびスーパーキャパシタは、機械作用において蓄積エネルギーのための電気化学セルである。バルク性化学反応は、電池内に展開される。ここでは電気エネルギーが充電の際に化学エネルギーに転換され、放電の際には反対に転換される。これとは逆に、キャパシタの充電および放電の際のエネルギー転換につき、化学変化よりもむしろ物理的変化がなされる。メカニックの違いに関係なく、電池およびスーパーキャパシタは、同じ製造ステップと製造技術を使用して製造されることができる。しかしながら、スーパーキャパシタは陽極および陰極として同一の電極を使用することができる。その製造は、電池の製造よりも更に順応的および経済的である。電池は、非対称電極を使用しなければならない。両方の装置が同じ電解液システムを使用することができるので、電池およびスーパーキャパシタを集積化して単一装置に入れるのは簡単である。スーパーキャパシタに含まれるものとして、電池の製造コストに対して大幅な増加はみられない。
【００１４】
【発明の実施形態】
以下、この発明にかかる好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、電池素子ＬＩ／Ｂ１１０、スーパーキャパシタ素子Ｓ／Ｃ１１２、およびマイクロプロセッサ１０３が一緒に単一ハウジング内の円筒状型１０４内に設けられて負荷された電池１００を形成する、この発明にかかる１つの好適な実施例を示す。１０３とスーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２との間と同じように、マイクロプロセッサ１０３と電池ＬＩ／Ｂ１１０との間には、４本のコミュニケーションバス１０６があり、各素子は２本の電線を具備している。電池１００は、ハウジング１０４の外側に陽極１０１および陰極１０２をそれぞれ具備している。コミュニケーションバス６は、ＬＩ／ＢおよびＳ／Ｃをマイクロプロセッサ１０３に通させて補助作用を行なう一方、絶縁物１０５がハウジング１０４内の部品に対してハーメチック封じを提供する。守パーキャパシタＳ／Ｃ１１２の両端もエッジシーラー（ｅｄｇｅ ｓｅａｌｅｒ）によって封じされるので、Ｓ／Ｃ１１２は二極性であるとともに、ハウジング内のその他部品から隔離される。二極性設計は、少なくとも３つの電極を具備しており、その中間の電極は同時に陽極および陰極の役目を果たしている。事実上、二極電池は、電線が連結されること無しに二個あるいはそれ以上の単元電池を一連に繋げる。二極セルのセル電圧は、二極装置から成るセルの総電圧である。しかしながら、電解液は、各単元セル内に残る必要があり、この理由によりエッジシーラー１０７が使用されるのである。スーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２の大きさおよび容量が電池ＬＩ／Ｂ１１０のそれに関係していることにつき、あつらえができる。
【００１５】
実際には、電池あるいは燃料電池に用いられるすべての電解液は、スーパーキャパシタに使用できる。例えば、一次電池の電解液はＺｎ／ＭｎＯ２（ＫＯＨ）、Ｚｎ／Ａｇ２Ｏ（ＫＯＨ）、Ｚｎ／ａｉｒ（ＫＯＨ）、二次電池の電解液は鉛蓄電池（Ｈ２ＳＯ４）、ニッケル―カドミウム、ニッケル水素（ｎｉｃｋｅｌ−ｍｅｔａｌ ｈｙｂｒｉｄ（ＫＯＨ））、リチウムイオン（炭酸プロピレン（ＰＣ）のような有機溶剤内の塩類）、リチウムポリマー電池内の高分子電解質、およびＰＥＦＣの電解液（Ｈ３ＰＯ４）の全ては、スーパーキャパシタに適用する証明がなされている。特に、リチウムイオン電池の溶剤であるＰＣは頻繁に使用されており、スーパーキャパシタの常用溶剤とされている。その他電池およびスーパーキャパシタの有機溶剤に適用されるものとして、例えば、アセトニトリル（ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ）、炭酸エチレン（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、炭酸ジエチル（ｄｉｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、炭酸ジメチル（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）がある。ＬｉＰＦ６がリチウムイオン電池に対して常用される塩類であり、（Ｃ２Ｈ５）４ＮＢＦ４はスーパーキャパシタに対して常用される塩類であるのだが、相互汚染を起こす溶剤である。言葉を換えれば、図１において、電池ＬＩ／Ｂ１１０およびスーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２は実に共存する。Ｓ／Ｃ１１２が３つの電極構成される二極性装置であり、有機電解液を使用する時に、リチウムイオン電池の回路電圧５Ｖに近いノーマルワーキングポテンシャル（ｎｏｒｍｉｎａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）４．２Ｖである。事実上、スーパーキャパシタの電圧は、小さい体積の二極性構成により電池素子が電圧上匹敵するよう作られている。
【００１６】
この発明にかかるもう１つの好適な実施例において、電池およびスーパーキャパシタの集積は、電池およびスーパーキャパシタの電極板がハウジングあるいはプリズム状（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ ｓｈａｐｅ）のパッケージ（ｐａｃｋａｇｅ）内へ積み重ねられることによるものである。堆積配列につき、図１で示す螺旋型よりも更に容易に組立てられるだけでなく、単一ハウジング内に、多重電池および多重キャパシタを配置させることもできる。キャパシタの電極は４つの材料を用いて電極を作っている。この材料とは：１）炭素、２）金属酸化物、３）伝導高分子、および４）複合材料、即ち前記各３種を組み合わせる。異なる材料が電極の活性層であるので、これによりキャパシタは異なる電気特性を有することになる。従って、スーパーキャパシタ（ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ）、ウルトラキャパシタ（ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ）、および電気二重層キャパシタ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）は、高容量キャパシタ（≧０．１５Ｆ／ｃｍ２）と呼ばれている。伝導高分子を除き、本発明はその他３種の材料の電池に対する負荷作用をテストしたものであり、満足な結果を得ている。材料コストおよびキャパシタ製造コストは、本発明を実施するのに、どの種の活性物を使用するかの決断が主なところである。
【００１７】
本発明にかかる集積化電池の商業価値に関するスーパーキャパシタのコスト以外にも、更に集積化電池内にある電子制御器の価格についても重要な要素である。図２は、オンボード制御器２００が、電池ＬＩ／Ｂ１１０とスーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２との間に補助作用を導く、この発明にかかる好適な実施例である。ハウジング２０１内において、ＡＣあるいはＤＣ電源から入力されたエネルギーをダイオード（ｄｉｏｄｅ）２０４を経て管理するために、制御器は、充電サブ制御器（ｓｕｂ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）（Ｃ）２０５および放電サブ制御器（Ｄ）２０６から組成されており、同様に集積電池が出力する負荷までのエネルギーもこのように管理される。外部エネルギーがない時、電池ＬＩ／Ｂの電圧は、充電サブ制御器でコミュニケーションバス（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｕｓ）２０２を経て調整し、例えば、４．２Ｖ以下から５Ｖまで印加する。それからコミュニケーションバス２０３を経てスーパーキャパシタＳ／Ｃに対して充電する。電池ＬＩ／Ｂは、１Ｃ放電を超過しないものと設定される。１Ｃ放電速度率とは、電池が１時間以内にドレインされることである。もし負荷に必要な電力が電池ＬＩ／Ｂが提供できる能力を超えている場合、必要とされる余分な電力は、放電サブ制御器Ｄの変調器（ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を経てスーパーキャパシタにより提供される。
【００１８】
図２Ａおよび図２Ｂにおいて、充電サブ制御器Ｃと充電サブ制御器Ｄとをそれぞれ説明する。図２Ａでは、マイクロ制御器（ｍｉｃｒｏ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：μＣ１）２１７と３つのスイッチのＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）形態のＳＷ１（２１９）、ＳＷ２（２２１）、ＳＷ３（２２３）から構成される充電サブ制御器Ｃが、ハウジング２１１に設けられている。充電時に、外部電源が充電電流をＩＮ点まで提供してから、マイクロ制御器２１７によってスイッチ２１９および２２１を介し、またコミュニケーションバス２１５、２２５、および２２７のスーパーキャパシタＳ／Ｃ１１２に対して、そのノーミナルセル電圧まで先に充電する。上記電圧内において、Ｓ／Ｃ１２は如何なる大きな充電電流も受けることができる。従って、例え大きなトラックの再生ブレークシステムが大きな電流を生成したとしても、スーパーキャパシタを用いて蓄積させることができ、集積電池のために負荷するものとして、スーパーキャパシタによって再使用される。一旦、Ｓ／Ｃ１１２が十分に充電されて、電池ＬＩ／Ｂ１１０が低いエネルギー状態として偵知され、Ｓ／Ｃ１１２はバス２２７およびバス２１５を介してマイクロ制御器２１７の指令のもと、エネルギーを供給し、スイッチ２２３をバス２１３に入れてＬＩ／Ｂ１１０を充電する。二重矢印は２２３の中において、Ｓ／ＣとＬＩ／Ｂ１１０との間の充電を表すものである。もし必要であれば、Ｓ／Ｃ１１２およびＬＩ／Ｂ１１０の両方まで一連に繰り返し充電されることで十分に充電されることになる。また、サブ制御器Ｃは自動的に外部電源から集積電池を切断する。
【００１９】
図２Ｂにおいて、サブ制御器Ｄの充電を表す。ここでは、マイクロ制御器（２１４）、ＳＷ４（２２２）およびＳＷ５（２２４）といったＭＯＳＦＥＴ形態の２つのスイッチが使用されて電池ＬＩ／ＢおよびスーパーキャパシタＳ／Ｃがハウジング２１２の出力点までエネルギーが供給される。放電時に、図２Ａにおいて、例えばＬＩ／Ｂがスイッチ２２３を介して先にエネルギーを供給し、予め設定されたレベル、例えば１Ｃを超えない総合放電率で負荷する。１Ｃを超える負荷電力の放電が提供できる時、スイッチ２２２および２２４は、コミュニケーションバス２１６および２２０におけるパワー分布に基づいて、マイクロ制御器２１４によりスイッチが開く。負荷の大きさに関係なく、ＬＩ／Ｂはいつも安全水準で放電し、この水準が電池における大幅なＩＲ低下を発生させないので、電池の使用時間および寿命を延長させることができる。更に、ＬＩ／Ｂは電圧が切れるまで衰退しない限り、ＬＩ／Ｂの余剰エネルギーはＳ／ＣのＰＭＷ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）２１８により転換することができるので、携帯電話からメッセージを送信する、あるいはノート型コンピューターのデーターを蓄積するといった最終の動作を完成する。最後少しの電池パワーを安全 に引き出すことにより、ＬＩ／Ｂエネルギー効率が上昇される。最後に、図３において、充電サブ制御器Ｃと放電サブ制御器Ｄを併合してハウジング３０１内に形成される搭載制御器３００の全体図である。符号および部分につき、図２Ａおよび２Ｂと同様である。事実上、２つのマイクロ制御器２１７および２１４は、マイクロ制御器３０４における２つの構成部分である。図３における２本の破線は、このような関係を表示する。コミュニケーションバス３０２および３０３は、充電時におけるＬＩ／ＢおよびＳ／Ｃのセル電圧を測る役目を果たすものである。
【００２０】
スーパーキャパシタは、１次および２次電池内に負荷平準化とされることは、既に説明している。その他重要なエネルギーディバイスを有し、特に将来において私たちが必要とする金属―空気電池および燃料電池といったエネルギーを解決することができる。この種の器具は、例えば金属燃料あるいは水素の巨大タンクに設けられ、技術的に言えば、これらは無期限な使用時間を提供することができる。またもう１つの独特な空気装置の特色としては、その化学反応が空気陰極を頼りに発電することである。空気を使用して反応する物の利点として、材料費が無料、材料供給に制限が無い、および装置における空気が入口を封じる時、すなわち無期限な寿命を得る。しかしながら、金属―空気電池はパワーを必要として空気の流動を回復し、一方燃料電池はその操作温度まで加熱する必要がある。明らかに、金属―空気電池および燃料電池は、上記した需要に提供するために、負荷平準化される必要がある。図４において、空気管理を有する複数セル亜鉛―空気電池４００を表すものである。上記説明のように、スーパーキャパシタを積み重ねて整合することは、スーパーキャパシタの極板（図４では示されていない）を電池極板４０２により形成される電池スタック（ｂａｔｔｅｒｙ ｓｔａｃｋ）４０１の上に加えれる。図４で表すように、隔離板（ｓｐａｃｅｒ）の上に突出する点が空気陰極の上に印刷された後に、空気チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）を生成する。混合電池（ｈｙｂｒｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ）４００のキャップ（ｃａｐ）４０６ａおよび４０６ｂの上に、空気入口（ａｉｒ ｉｎｌｅｔ）４０５およびマイクロファンあるいはマイクロポンプ（ｍｉｃｒｏ ｐｕｍｐ）４０４が設けられている。図３における制御器において、ハウジング４００を十分に隠すのは簡単である。（図を見易くするために、図４において、制御器およびハウジングは示されていない。）
【００２１】
図４において、上記したマイクロファン（ｍｉｃｒｏ ｆａｎ）４０４は、ＬＩＧＡ（Ｇｅｒｍａｎ ａｃｒｏｎｙｍ ｆｏｒ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｅ， Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ， ｕｎｄ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）技術により構成される。マイクロファンを作動させるためには、折曲部材（ｂｅｎｄｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）および少なくとも１つの圧力部材（ｆｏｒｃｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）を必要とする。単結晶シリコン（ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ）（例えばシリコンウェハー）或いは導電活性ポリマー（ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）隔膜を含む折曲部材を構成する幾つかの材料を用いることができる。一方、圧力部材は、圧電性結晶（例えば酸化亜鉛）、磁鉄合金（例えば、テルビウムジスプロシウム鉄（ｔｅｒｂｉｕｍ−ｄｙｓｐｒｏｓｉｕｍ−ｉｒｏｎ）、或いは熱控膜（例えばアルミニュウム）である。構造上、圧力部材は、折曲部材に貼り付けられる。圧力部材に対して印加される時、部材の長さが変わるといった一種の物理的変化が起こる。このような圧力部材の変化は、その位置に基づくものであり、内あるいは外に向かって折り曲げさせることができる。上記の折曲部材の伸縮動作を通して、図４における亜鉛―空気電池４００内のマイクロファンは逆止弁（ｃｈｅｃｋ ｖａｌｖｅ）で気流を生成する。電池の空気入口は、圧力部材に印加される電圧によるものである。金属―空気電池あるいは燃料電池内部に十分な空間を有する時、マイクロロータリーファン（ｍｉｃｒｏ ｒｏｔａｒｙ ｆａｎ）或いは送風機（ｂｌｏｗｅｒ）は、折曲隔膜に代わって空気を推進させて動かし、装置内部に入れる。どの種の設計を採用するにしても、機械は電池４００の第１キャップ４０６ａと第２キャップ４０６ｂとの中央に確保される。更に電池４００の両端にマイクロファン４０４が旋転あるいは反対方向に回せるように設けられるので、気流が気道４０３に起こる。金属―空気電池および燃料電池に高い効率密度を与えるので、装置内の空気の流量は、１０ｍｅ／ｍｉｎよりも大きい方が好ましい。また、マイクロファン４０４のパワー消費としては、０．５Ｗよりも小さい方が好ましい。空気を必要としないスーパーキャパシタは、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＦｅから選択される金属陽極と、ＮｉＯＯＨ、ＭｎＯ２、あるいはＡｇ２Ｏから選択される陰極から構成されて、必要とされるパワーを供給してマイクロファンを作動さしている。上記したように、空気を必要としない電池およびスーパーキャパシタの結合により、スーパーキャパシタは空気無しの電池に対して負荷平準化の作用を提供するので、電池の出力パワーを上昇する。また類似して空気無しの電池およびスーパーキャパシタの結合したものが、燃料電池のハウジング内において確保され、パワーを提供して部材例えば、Ｎｒ−ＣｒレジスターあるいはＰＴＣを加熱し、燃料電池が必要とする操作温度を生成する。
【００２２】
スーパーキャパシタの負荷平準化における能力性を説明するため、以下のような例を提供する。
【００２３】
【実験例】
Ｚｎ金属が陽極、ＭｎＯ２が陰極、水溶性の―ＫＯＨが電解液とし、回路電圧９Ｖおよび１．５Ａｈ容量を有する多重セルアルカリ電池がある。また、Ｆｅ３Ｏ４／炭素複合物で以って電極の活性材料とするとともに、ＫＯＨ水溶液で以って電解液として、オープン回路が７．５Ｖ、電容量が６Ｆ、および４０ｍΩＥＳＲ（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）がそれぞれ２つのスーパーキャパシタに使用されてから、結合上アルカリ電池および１つの電子制御器が単一ハウジング内に設けられる。パワーが需要とされる際、制御器がスーパーキャパシタを一連に接続させることができる。混合ディバイス（ｈｙｂｒｉｄ ｄｅｖｉｃｅ）は１５Ｖ×２５Ａあるいは３７５Ｗのピークパワーを提供する能力があり、これは様々なパワー手段を作動させるのに十分なものである。アルカリ電池は、スーパーキャパシタ無しで、１Ｃ放電率のもと、１３．５Ｗ（即ち、９Ｖ×１．５Ｖ）を提供することができるだけである。スーパーキャパシタは、明らかに、電池のパワー出力を２７倍までに上昇させる。スーパーキャパシタが電池に対する負荷平準化作用は、明らかに実用的である。
【００２４】
以上のごとく、この発明を好適な実施例により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
【００２５】
【発明の効果】
上記構成により、この発明にかかるスーパーキャパシタは、パワーアプリケーションにおいて高い出力および高い信頼度をもつ特性を具備し、しかも一般および燃料電池のエネルギー品質において通用する要素であり、余剰パワーの需要に対して提供するものである。電池はいつも低い電流で放電するので、その使用時間および寿命は延長される。また、スーパーキャパシタによってブーストされた後に力をつけて、役立つものになり、スーパーキャパシタの助けにより、電池の余剰エネルギーは安全にドレインされるのである。更に、すべて可能なエネルギーが蓄積されて、電池が過剰な充電電流から傷害を受けることから防止されるとともに、スーパーキャパシタが提供するエネルギーが均等であるので、充電を促進することができる。一方、スーパーキャパシタは、エネルギー装置および電子部品としてなる。スーパーキャパシタの中級エネルギー密度および高いパワー密度により、幾つかのＤＣ−ＣＤ転換器およびセットアップ回路を省略あるいは縮小することができる。また、電池およびスーパーキャパシタの長所を結合することで、両者は電気的に集積化されるので、ハイブリッド装置は共同効果を得ることができる。更にスーパーキャパシタによって提供される負荷平準化の助けにより、寿命が延長されて、そして効率密度が向上されるのである。
従って、産業の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる単一ハウジング内に集積電池、スーパーキャパシタ、およびマイクロ処理機を有する円筒型集積電池を示す説明図である。
【図２】この発明にかかる電池およびスーパーキャパシタが放電サブ制御器および放電サブ制御器によって平行に連結されることを示す説明図である。
【図２Ａ】この発明にかかる電池およびスーパーキャパシタの電気充電における充電サブ制御器の回路を示す説明図である。
【図２Ｂ】この発明にかかる電池およびスーパーキャパシタが協力し合うことによって提供されるエネルギー出力の放電サブ制御器回路を示す説明図である。
【図３】この発明にかかる図２でにおける充電および放電サブ制御器の詳細な局面を示す説明図である。
【図４】この発明にかかる多重亜鉛―空気電池の内部における空気管理がスーパーキャパシタ（図示されていない）によって作動することを示す説明図である。
【符号の説明】
１００ 電池
１０１ 陽極
１０２ 陰極
１０３ マイクロプロセッサ
１０４ 円筒状型
１０５ 絶縁物
１０６ コミュニケーションバス
１０７ エッジシーラー
２００ オンボード制御器
２０１ ハウジング
２０２ コミュニケーションバス
２０３ コミュニケーションバス
２０４ ダイオード
２０５ 充電サブ制御器
２０６ 放電サブ制御器
２１１ ハウジング
２１３ バス
２１４ マイクロ制御器１
２１５ コミュニケーションバス
２１６ コミュニケーションバス
２１７ マイクロ制御器２
２１８ ＰＭＷ
２１９ ＳＷ１
２２０ コミュニケーションバス
２２１ ＳＷ２
２２２ ＳＷ４
２２３ ＳＷ３
Claims (3)
- 電池素子と、
キャパシタと、
前記電池素子および前記キャパシタ素子の間に相補型制御および相補型放電を用いるための電子制御と、
前記電池素子、前記キャパシタ素子、および前記電子制御器を設けて気密性封止を提供する単一ハウジングと、
充電および放電に用いるために前記ハウジングの外部に設けられる陽極および負極による２つの電極とから構成される電池内蔵用負荷平準化。 - 上記電池素子のカットオフ電圧に到達する前に、上記電池素子のすべての蓄積エネルギーを引き出すよう上記キャパシタ素子を調整するための上記制御器を有する請求項１に記載の電池内蔵用負荷平準化。
- 陽極を反応物として用いる空気燃料と、
反応物として酸素を用いる空気陰極と、
電池内蔵管理システムと、
再充電可能な電気化学電池と、
上記空気管理システムを作動させる上記再充電可能な電気化学電池のパワー出力を上げるために用いられるキャパシタ素子と、
まず先に負荷を探知してから、次に上記充電可能な電気化学に上記キャパシタ素子を充電するよう命令し、最後に上記空気駆動器具において気流を生成するために上記空気管理システムを作動させてピークパワーを提供するよう命令する上記電子制御器と、
上記陽極、上記空気管理システム、上記充電可能な電気化学電池、上記キャパシタ素子、および電子制御器を設けた単一容器とから構成される空気駆動エネルギー器具。
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