JP2005093492A - 電気二重層キャパシタモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】単位電気二重層キャパシタの積層体を長期間安定した圧力で押圧することによって性能が安定した電気二重層キャパシタモジュールを提供すること。
【解決手段】電気二重層キャパシタモジュールにおいて、外装材によって被覆された単位電気二重層キャパシタの複数個の積層体からなり、積層体の積層面に垂直な対向する一対の側面に長さ方向に伸縮する金属製の平面状ばねが配置され、平板状ばねは積層体の両端部に設けた端板と押圧部材によって結合されたものである電気二重層キャパシタモジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個の単位電気二重層キャパシタを積層した電気二重層キャパシタモジュールに関し、容積エネルギー密度が大きく、長期間にわたり安定した性能を発揮する電気二重層キャパシタモジュールに関する。

電気二重層キャパシタは、分極性電極と電解液との界面に形成される電気二重層容量を利用したものであり、誘電体を介在させて電極を配置したキャパシタに比べて静電容量が大きなことを特徴としている。
電気二重層キャパシタは、自動車等の移動体用および固定電源用の電力貯蔵の有力な手段として期待されている。
電気二重層キャパシタは、一般には多孔性の炭素質材料等を集電体上に形成した分極性電極をセパレータを介して対向させて積層することによって製造されている。

電気二重層キャパシタは、印加可能な電圧が高い非水電解液を用いたものでも、その電圧は２〜４Ｖ程度であるので、実用的な電力貯蔵手段とするためには、多数の電気二重層キャパシタを直並列に接続して所望の電圧、静電容量を得ることが必要となり、多数の電気二重層キャパシタを積層して電気二重層キャパシタモジュールとすることが行われている。

電気二重層キャパシタモジュールは、従来のエネルギー供給手段あるいは貯蔵手段に代えて、あるいはそれらと組み合わせて用いられるために、出力密度やエネルギー密度、すなわち体積あるいは重量当たりの出力およびエネルギーが大きなことが極めて重要となる。このため、円筒形や直方体の金属製の外装材に代えて、耐薬品性、耐磨耗性、熱融着性、強度等が優れた合成樹脂製フィルムとアルミニウム箔等と積層した可撓性の外装材を用いた単位電気二重層キャパシタの複数個を積層した電気二重層キャパシタモジュールが高エネルギー密度が要求される用途用に開発されている。

電気二重層キャパシタにおいては、二次電池のように物質の化学的な変化を伴わないために、急激な充放電が可能で電極の劣化等が本質的に小さく、充放電のサイクル寿命も大きなものであり長期間の使用が可能である。ところが、経時変化によって分極性電極の導電性が低下したり、あるいは分極性電極と集電体との接合面での接触抵抗が増加し電気二重層キャパシタの性能が低下するという問題点があった。

こうした問題点を解決するために、電気二重層キャパシタにおいて、分極性電極の膨張を制限して単位体積当たりのエネルギー密度が大きな電気二重層キャパシタとすることが提案されている（例えば、特許文献１）。

図４は、従来の電気二重層キャパシタモジュールの一例を説明する図である。
図４（Ａ）は平面図であり、図４（Ｂ）は側面図である。
電気二重層キャパシタモジュール５１の単位電気二重層キャパシタ５２の積層体５３の端板５４、５５の一方にばね５６を装着し、端板５４、５５に緊迫ベルト５７を結合することによって、積層体５３に対して電気二重層キャパシタの分極性電極の膨張、収縮に対応して所定の圧力を印加するものである。
ところが、この方法では、電気二重層キャパシタモジュール内部に緊迫ベルト５７に張力を加えるばね５６を装着するための空間５８が不可欠であり、電気二重層キャパシタモジュールの容積効率を低下させるという問題点があった。
特開２０００−６８１６４号公報

本発明は、複数個の電気二重層キャパシタを積層して所定の容量、定格電圧とした電気二重層キャパシタモジュールにおいて、単位電気二重層キャパシタの積層体を長期間安定した圧力で押圧することによって性能が安定した電気二重層キャパシタモジュールを提供することを課題とするものであり、また、電気二重層キャパシタモジュールにおいて無効な容積を増大させて容積エネルギー密度を低下させることがない電気二重層キャパシタモジュールを提供することを課題とするものである。

本発明の課題は、電気二重層キャパシタモジュールにおいて、外装材によって被覆された単位電気二重層キャパシタの複数個の積層体からなり、積層体の積層面に垂直な対向する一対の側面に長さ方向に伸縮する金属製の平面状ばねが配置され、平板状ばねは積層体の両端部に設けた端板と押圧部材によって結合されたものである電気二重層キャパシタモジュールによって解決することができる。
このように、本発明の電気二重層キャパシタモジュールでは、単位電気二重層キャパシタの積層体の側面に接して長さ方向に伸縮する平面状ばねを装着して押圧部材と結合して電気二重層キャパシタの積層体を押圧したので、電気二重層キャパシタモジュールの体積を大きくすることなく積層体を所定の圧力で押圧することができる。
また、平面状ばねが弾性体を屈曲させることによって形成されたものである前記の電気二重層キャパシタモジュールである。

平面状ばねがジグザグばねである前記の電気二重層キャパシタモジュールである。
このようにジグザグばねで形成した場合には、ばね長に対してばねを構成する部材の長さを調整することによって伸縮量の調整が可能となる。
平板状ばねの一対が対向して配置されて押圧部材に同一個所において結合された前記の電気二重層キャパシタモジュールである。
また、平板状ばねの一対を対向して配置するとともに、同一の個所において押圧部材に結合したので、押圧部材に対して均衡がとれた押圧力を与えることができる。
平面状ばねが、複数個の環状体、あるいは中空の多角形体から形成された前記の電気二重層キャパシタモジュールである。
平板状ばねがステンレス鋼、ばね鋼から選ばれる金属材料である前記の電気二重層キャパシタモジュールである。
このように、平板状ばねとして金属材料を用いた場合には、経年変化が小さく、長期間にわたり安定した性能を発揮することができる。

本発明の電気二重層キャパシタモジュールは、単位電気二重層キャパシタの積層体の一対の側面に平板状ばねを配置し、積層体の両端部に設けた押圧部材と結合して積層体を圧迫したので、電気二重層キャパシタモジュール内に占める積層体の圧迫手段による容積が小さくすることができ、エネルギー密度が大きく、性能が長期間安定した電気二重層キャパシタモジュールを提供することができる。

本発明は、電気二重層キャパシタモジュールにおいて、単位電気二重層キャパシタの積層体を押圧する押圧手段として、積層体の側面に接して平板状ばね体を配置することによって、電気二重層キャパシタモジュール内で電気二重層キャパシタが占める以外の容積を減少させて、電気二重層キャパシタモジュールにおける容積当たりのエネルギー密度を向上させるとともに、長期間における使用においても、押圧手段が劣化することはなく適正な圧力で積層体を圧迫することが可能となるので、長期の性能が安定した電気二重層キャパシタモジュールを提供することが可能であることを見出したものである。

以下に、本発明を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の電気二重層キャパシタモジュールの一実施例を説明する図であり、図１（Ａ）は平面図を示し、図１（Ｂ）は側面図を示す。
本発明の電気二重層キャパシタモジュール１は、単位電気二重層キャパシタ２の複数個からなる積層体３を有し、積層体３の両端部に設けた端板４、５には、押圧部材６が結合されており、押圧部材６，７は積層体３の対向する側面に配置した平面状ばね８に結合されている。
図１に示した例では、平面状ばね８はそれぞれの側面に２対ずつ配置されており、押圧部材６に均等な押圧力を与えることができる。
また、図１の電気二重層キャパシタモジュールの側面には平面状ばねが接して配置されており、また積層体の両端部２には端板および端板と結合した押圧部材のみが配置されているので、電気二重層キャパシタモジュールには無効な部分の体積が小さなものとなる。

図２は、平面状ばねの一実施例を説明する図である。
図２（Ａ）は、平面状ばねとして用いるジグザグばね８１を説明する図である。
ジグザグばね８１は、弾性材料の折り曲げ加工によって形成したものであり、弾性材料の素材、線径の選定と共に、折り曲げ部の高さ：Ｈ、幅：Ｗ、繰り返し個数：ｎの設定によって任意のばね定数を有するものを形成することが可能である。しかも、弾性材料からなる線材を使用して、形状が一定した曲線状の屈曲部を形成した場合には応力の分布が一様な平面状ばねとすることができるので、性能が安定した部材を製造することができる。
したがって、ジグザグばねを使用した場合には、電気二重層キャパシタの分極性電極の充電時の膨張特性に応じたばね定数を有するものを選定することにより、充放電時に適当な押圧力を加えることができる電気二重層キャパシタモジュールを提供することができる。

図２（Ｂ）は、ジグザグばねの使用の態様の一例を説明する図である。
図２（Ｂ）に示したものは、一対のジグザグばね８１Ａ、８１Ｂを、その両端部８２Ａ、８２Ｂにおいて直接結合して一つの平面状ばねを形成したものである。
この平板状ばねは、一対のジグザグばねによって形成されているために動作が伸縮動作が安定するとともに、結合部８３に押圧部材の取付が容易となり、また押圧部材の引張りも安定なものとすることが可能となる。

図２（Ｃ）は、ジグザグばねの使用の態様の他の例を説明する図であり、図２（Ｄ）は、図２（Ｃ）において、Ａ−Ａ’線で示した断面の拡大図である。
一対のジグザグばね８１Ａ、８１Ｂのその両端部８２Ａ、８２Ｂを、押圧部材６Ａ、６Ｂに設けた開口部に挿入の後に結合して一つの平面状ばねとしたものである。その詳細を図２（Ｄ）に示すように、押圧部材６Ａに設けた開口部１０Ａには特別な加工を施す必要はなく、単に開口部１０Ａに対して両端部８２Ａおよび８２Ｂを挿入するのみで結合が可能であって、押圧部材による引張りも安定なものとすることができる。

図３は、平面状ばねの他の実施例を説明する図である。
図３に示した平面状ばねは、いずれも長さの長い線状の弾性体を屈曲させたものではなく、板状の弾性材料を打ち抜き、拡開等の手段によって形成したものである。
図３（Ａ）は、環状体を結合した平面状ばね９１であり、複数の環状体９２を長さ方向に結合した形状を有し、両端部に結合部９３Ａおよび９３Ｂを有している。環状体を形成する部材の幅、および結合する環状体の個数の調整によって図２に示したジグザグばねと同様の作用に長さ方向に収縮するばね作用を奏するものとすることができる。
図３（Ｂ）は、多角形状環状体を平面状に結合した平面状ばね９４であり、図３（Ｂ）に示すものは、多角形状環状体９５として菱形状の環状体を長さ方向に結合した形状を有し、両端部に結合部９６Ａおよび９６Ｂを有している。各環状体の幅、長さ等を調整することによって、図２に示したジグザグばねと同様の長さ方向へ伸縮するばねと同様の作用をする。

以上に例示した平明状ばねのように素材の厚みと同一の厚さの平面状ばね以外にも、厚みが実質的に平面状ばねと同様のものであれば各種の形状のものを用いることができる。例えば、線状の弾性材料の加工によって形成したトーションばねからなる厚みが小さな環状部の少なくとも１個を設けたもの等を挙げることができ、素材の厚さの３倍程度のものも用いることができる。
また、本発明の平面状ばねにおいては、各種の材料を用いて製造することが可能であるが、特に、金属線、金属の板状体を弾性材料として利用した場合には、長期間にわたり安定した性能を発揮する平面状ばねすることができるので、
以下に実施例を示し本発明を説明する。

１００ｍｍ×１００ｍｍの単位電気二重層キャパシタの２０個を積層した電気二重層キャパシタモジュールにおいて、両端に１０２ｍｍ×１０５ｍｍの端板を配置して、端板には、長さ１５０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの押圧部材を結合した。

積層体の対向する面には、それぞれ、直径１．６ｍｍのステンレス鋼製の線材からなる、高さ２０ｍｍ、間隔２０ｍｍのばね長が２２０ｍｍのジグザグばねの２個を図２（Ｃ）に示すように結合部材に取り付けた。得られたばね体は、２４５Ｎの荷重に対して、１６ｍｍのストロークを有したものであった。
このような、平板状ばねの２個を取り付けた結合部材の２個を配置した電気二重層キャパシタモジュールを装着した。
また、電気二重層キャパシタモジュールの容積は、平面状ばねを装着した加圧手段によって、０．３％の容積が増加したのみであって、従来の端板部分にばねを装着した場合に比べて１０％容積を減少させることができた。

本発明の電気二重層キャパシタモジュールは、単位電気二重層キャパシタの積層体の側面に長さ方向に収縮する平面状ばねを配置して両端部に設けた端板を結合部材によって加圧したので、電気二重層キャパシタモジュールの容積の大きな増加をきたすことないので、容積エネルギー密度が良好で、性能が長期間安定した電気二重層キャパシタモジュールを提供することができる。

図１は、本発明の電気二重層キャパシタモジュールの一実施例を説明する図である。 図２は、平面状ばねの一実施例を説明する図である。 図３は、平面状ばねの他の実施例を説明する図である。 図４は、従来の電気二重層キャパシタモジュールの一例を説明する図である。

符号の説明

１…電気二重層キャパシタモジュール、２…単位電気二重層キャパシタ、３…積層体、４，５…端板、６，６Ａ…押圧部材、８…平面状ばね、８１，８１Ａ、８１Ｂ…ジグザグばね、８２，８２Ａ，８２Ｂ…両端部、８３…結合部、１０Ａ…開口部、９５…多角形状環状体、９６Ａ，９６Ｂ…結合部、５１…電気二重層キャパシタモジュール、５２…単位電気二重層キャパシタ、５３…積層体、５４，５５…端板、５６…ばね、５７…緊迫ベルト、５８…空間

Claims (5)

1. 電気二重層キャパシタモジュールにおいて、外装材によって被覆された単位電気二重層キャパシタの複数個の積層体からなり、積層体の積層面に垂直な対向する一対の側面に長さ方向に伸縮する金属製の平面状ばねが配置され、平板状ばねは積層体の両端部に設けた端板と押圧部材によって結合されたものであることを特徴とする電気二重層キャパシタモジュール。
2. 平面状ばねが弾性体を屈曲させることによって形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタモジュール。
3. 平面状ばねがジグザグばねであることを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタモジュール。
4. 一対の平板状ばねが対向して配置されて押圧部材に同一個所において結合されたことを特徴とする請求項２または３記載の電気二重層キャパシタモジュール。
5. 平面状ばねが、複数個の環状体、あるいは中空の多角形体から形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の電気二重層キャパシタモジュール。

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