JP2010118625A - 電極接続具、それを備えた蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタ等の単セル（蓄電素子）の電極端子の接続において、熟練技術を必要とせず、誰でも容易に接続ができる電極接続具を提供する。
【解決手段】複数の蓄電素子の電極端子を並列、又は直列に接続する電極接続具であって、少なくとも外表面が絶縁材料からなり、前記電極端子を挟持圧着する挟持部が開閉可能に構成されている加圧挟持手段を備える。前記加圧挟持手段は、前記電極端子の挟持圧着時にリード線を該電極端子に同時に圧着する機構を備えたことを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、電池やキャパシタの電極端子を並列、又は直列に接続する電極接続具に関し、特に、例えば電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタのような、充電状態にある大容量の単体のキャパシタや電池等の電極を直列、又は並列に接続、導通させ、蓄電装置を製造するための電極接続具に関する。

電気を有効に使うための技術の一つである、いわゆる「電力回生装置」を構成する製品、又は部品として蓄電装置があげられる。蓄電装置としては、例えば二次電池（バッテリー）やコンデンサ（キャパシタ）があげられる。
二次電池は、電気エネルギーを化学反応により蓄電するのに対し、キャパシタは電気を物理的に蓄電・放電する。そのため、例えばハイブリッド車において、制動時の大量のブレーキエネルギーを瞬時に蓄え、また発進時に瞬時に放電するという、エネルギー回生用にはキャパシタが用いられる。

また、近年は、リチウムイオンキャパシタのようなハイブリッドタイプのキャパシタの実用化が進められているが、これらのキャパシタにおいても大電流での急速充放電が可能で、エネルギー回生用途への適用が検討されている。リチウムイオンキャパシタとは、正極に活性炭のような高比表面積の炭素材料を用い、負極に表面積の小さい炭素材料を用い、負極又は正極にリチウムイオンをドーピングして作製されたキャパシタをいう。

大容量キャパシタのセル構造には、円筒形、偏平形（角形）などがある。円筒形は、アルミ電解コンデンサやリチウムイオン電池と類似の構造で、電極とセパレータを重ね合わせて巻回した素子構造となっている。円筒形のアルミケースや鉄ケースに収納し、電極端子を設けた封口板で密封している。

一方、偏平形（角形）は、電極とセパレータを交互に重ね合わせ、その一枚一枚の電極から電極端子を引き出し、偏平形（角形）のアルミケースに収納して密封することで、単セルのキャパシタとしている。図１０（ａ）は、単セルのキャパシタの内部構造を示した図である。短冊状に切断した電極端子、例えばグラファイト系の負極１１ｂ、次にセパレータ、そして、例えば活性炭からなる正極１１ａの順でスタックし、積層体を作製する。それらを、例えばラミネートの袋に挿入後、電解液を注入し減圧下で封止することで、図１０（ｂ）に示すような単セルのキャパシタが作製される。

単セルのキャパシタの上限電圧は、一般的に、電気二重層キャパシタの場合には２．５〜２．７Ｖ程度、リチウムイオンキャパシタの場合には３．８〜４．０Ｖ程度である。このため、多くの場合、複数の単セルを直列に接続し、高電圧化して使用している。ここで、キャパシタの中にはリチウムイオンキャパシタのように過放電すると傷んで使えなくなるものがあり、その場合には複数のセルを接続し高電圧化する際、キャパシタは充電状態にある。

従来、単セルの電池やキャパシタの接続は、電極端子の端部をネジ等により加締め接続する、又は超音波溶接、抵抗溶接、レーザー溶接、あるいはクリーム半田により溶融固着させていた。

例えば、接合面に中庸な圧力を加えながら並行振動を与えることにより原子拡散を誘起させ、相互金属の原子結合により溶接する超音波溶接の場合、作業者は超音波溶接装置に例えばキャパシタを載置し、その電極端子をプレスすることで電極端子を溶接接続している。また、下記特許文献１においては、帯状部と集電板とを電気溶接により接合している。
このようにして接続された電極端子は、必要に応じて溶剤等によりクリーニングされた後、絶縁テープ等により被覆され外部との絶縁性を確保している。
再表０１／０２４２０６号公報

しかし、上述したように複数のキャパシタの電極端子を直列、又は並列に接続する際、キャパシタは充電状態におかれている場合がある。そのような場合には、ボルトやネジ等で締め付け接続する際、ドライバーがセルの電極等に接触しないよう細心の注意を払う必要があり、セルの接続には一定の熟練技術が要求される。

また、電極を溶接等により接続した後、溶剤等により表面の汚れを落とす工程、そして絶縁テープ等により電極端子を被覆する工程が必要であり、作業効率が悪いという問題があった。更に、一旦電極端子を溶接等により接続し、複数の単セルから成る蓄電装置を製造した場合、その蓄電装置を構成する単セル内の一つに不具合が発生したとしても、その蓄電装置そのものが不良品となってしまうという問題があった。

また、単セルの電極端子を溶接や半田付けにより接続すると、高熱がハウジングに直接伝わるので、ハウジングに高価な耐熱性樹脂材料が必要となる。また、熱負荷によるストレスが繰り返されるとキャパシタが劣化することもあるという問題点も指摘されている。

そこで本発明の課題は、キャパシタ等の単セル（蓄電素子）の電極端子の接続において、熟練技術を必要とせず、誰でも容易に接続ができる電極接続具を提供することにある。また、従来は必要とされた接続部のクリーニング工程、絶縁性を確保するための絶縁テープ等による被覆工程という、電極端子の接続工程後の処理工程が不要な電極接続治具を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明は、複数の蓄電素子の電極端子を並列、又は直列に接続する電極接続具であって、少なくとも外表面が絶縁材料からなり、前記電極端子を挟持圧着する挟持部が開閉可能に構成されている加圧挟持手段を備えたことを特徴とする電極接続具である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電極接続具において、前記加圧挟持手段が、前記電極端子の挟持圧着時にリード線を該電極端子に同時に圧着する機構を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電極接続具において、前記リード線が、前記蓄電素子から電気エネルギーを流出入する電力線、又は前記蓄電素子の蓄電エネルギーをモニターする信号線であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の電極接続具において、前記加圧挟持手段が、クリップ機構、又はトルククランプ機構であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の電極接続具において、挟持圧着された前記電極端子間の接触抵抗が１ｍΩ以下であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の電極接続具において、前記蓄電素子がキャパシタであることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の電極接続具において、前記蓄電素子がリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の電極接続具において、外部からの衝撃を保護する機能を備えたことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の電極接続具を備えたキャパシタである。

請求項１０に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の電極接続具を備えたリチウムイオンキャパシタである。

請求項１１に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の電極接続具を備えた蓄電装置である。

以下、実施例に基づいて、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない

図１は、蓄電素子の一例である単体のキャパシタ（以下、キャパシタセル）１の上面（図１（ａ））、及び側面（図１（ｂ）、（ｃ））を示した図である。図１において、キャパシタセル１は、図１０に示すキャパシタセルの如く、端部に電極端子１１ａ又は１１ｂを備えた電極と、セパレータ（図１においては示されていない）とを交互に重ね合わせてなるキャパシタ部１２とから構成されている。

キャパシタ部１２の内部は有機溶媒の電解質で満たされ、電極端子である正極１１ａと負極１１ｂとはセパレータにより分離され、例えばアルミラミネートケースで収納されている。

キャパシタの構造には様々なタイプがある。例えば、図１（ｂ）に示すような電極の片面（図１（ｂ）では上面）にのみキャパシタ部１２が設けられるキャパシタセル１ａのようなタイプのものがある。また、図１（ｃ）に示すような電極の両面にキャパシタ部１２が設けられるキャパシタセル１ｂのようなタイプのものもある。図１（ｃ）のタイプのものには、図１（ｂ）のタイプのものよりも２倍近い蓄電容量（キャパシタ容量）を持たせることができる。電極の材料は、例えば正極の材料としては活性炭、負極の材料としてはカーボンがあげられる。

図２は、図１に示すキャパシタセル１を収納する収納ケース２０の外観を示した図である。収納ケース２０は、金属製、例えば大量生産が可能なアルミダイカスト製、又は射出成形が可能な樹脂製の外枠２１等から構成されている。

図３は、図１に示すキャパシタセル１を収納ケース２０に収めたときの上面の外観を示した図である。正極１１ａ、負極１１ｂとが外枠２１よりも外側方向に突出し、電極端子となっている。

図４は、図１（ｂ）に示すキャパシタセル１ａを４枚（個）直列に接続した場合の接続状況を示した断面図である。図４においては、キャパシタ１枚あたりの電圧を３．８Ｖとした場合、４枚直列に接続することで、約１５．２Ｖの電圧を得ることができる。出力電圧として３８Ｖが必要であれば、１０個のキャパシタセル１ａを直列に接続すれば良い。

キャパシタセルを積層固定するには、上述したように積層用ボルト穴２２にボルト２３を通し、ナット２４により締め付ければ良い。また、キャパシタセルの電極端子１１ａ、１１ｂを接続しているのが、電極接続具３０である。

図５は、図１（ｃ）に示すキャパシタセル１ｂを４枚直列に接続したときの状況を示した断面図である。図５は、収納ケース２０を用いずにキャパシタセル１ｂを積層したときの接続状況を示している。

図５に示すキャパシタセルは、図１（ｃ）に示すキャパシタセル１ｂのタイプのものであるが、これに限定されるものではなく、図１（ｂ）に示すようなキャパシタセル１ａのタイプであっても良い。

図４、及び図５において、各キャパシタセルの正極１１ａと、他のキャパシタセルの負極１１ｂとを挟持圧着し、接続しているのが電極接続具３０である。上述したように、従来は正極１１ａと負極１１ｂとの接続は、ねじ止めや溶接等により行われていた。しかし、キャパシタセルは、キャパシタの性能低下や破壊を防止するため、接続時においても充電状態におかれている場合もある。そのような場合には、従来、正極１１ａと負極１１ｂとの接続にあたっては、外部にある導電体等との接触をしないよう細心の注意をもって電極の接続を行う必要があった。しかし、後述する本発明の一実施例である電極接続具３０を用いれば、誰でも簡単かつ確実に正極１１ａと負極１１ｂとを接続することができる。

図６は、電極接続具３０の第一の実施例であるクリップ型の電極接続具３０を示した図である。クリップ型の電極接続具３０は、例えばプラスチックのような絶縁材料で作製することが好ましい。あるいは、電極端子１１ａ、１１ｂを挟持圧着する部分は導電性の材料とし、その他の部分を絶縁材料としても良い。

この電極接続具３０により電極端子１１ａ、１１ｂを接続するには、図６（ｂ）に示すようにクリップ型の電極接続具３０の端部を押さえ、その先端を開き電極端子１１ａと１１ｂとを挟持する。そして電極接続具３０の端部を開放することで電極端子１１ａと電極端子１１ｂとを接続することができる。

クリップ型の電極接続具３０の挟持部には、絶縁被覆されていない電力用リード線４０、又は電力モニター用リード線４１が挿入されており、電極端子１１ａ、１１ｂを挟持すると同時に、電力用リード線４０、又は電力モニター用リード線４１を電極端子１１ａ、１１ｂと一緒に挟持圧着できるように構成されている。なお、電力用リード線４０は直径１０ｍｍ程度であり、電力モニター用リード線は直径１ｍｍ以下の電線で良い。

電極接続具３０により電極端子１１ａ、１１ｂを挟持圧着する圧力は、電極端子の接続抵抗が１ヶ所あたり１ｍΩ以下となるように設定することが好ましい。このような電極接続具３０により電極端子１１ａ、１１ｂを接続することにより、例えば、複数個のキャパシタセルを接続したキャパシタのうち、ある特定のキャパシタセルに不具合が生じた場合でも、その不良品を容易に正常なものと取り替えることが可能である。

図６（ｃ）は、図１（ｂ）に示すキャパシタ部１２の正極１１ａと負極１１ｂとをクリップ型の電極接続具３０により挟持圧着したときの状態を示した図である。また、図６（ｄ）は、図１（ｃ）に示すキャパシタ部１２の正極１１ａと負極１１ｂとをクリップ型の電極接続具３０により挟持圧着したときの状態を示した図である。

図７は、電極接続具３０の第二の実施例であるスライドクリップ型の電極接続具３０を示した図である。第一の実施例と同様にスライドクリップ型の電極接続具３０は、例えばプラスチックのような絶縁材料で作製することが好ましい。あるいは、電極端子１１を挟持圧着する部分は導電性の材料とし、その他の部分を絶縁材料としても良い。

図７（ａ）に示すようにスライドクリップ型の電極接続具３０は、クリップ３１と、スライド枠３２とから構成されている。この電極接続具３０の用い方は、図７（ｂ）に示すように、電極端子１１をクリップ３１により挟持させた後、スライド枠３２を内側に押し込むことにより電極端子１１を挟持圧着する。挟持圧着する圧力は、クリップ３１とスライド枠３２の内側のサイズを調整することにより行うことができる。

また、スライド枠３２の幅を、例えばキャパシタの幅と同じ幅とすることにより、キャパシタセルの側面方向の外部衝撃を電極接続具３０により保護することができる。このような構成とすることにより、図２に示すような収納ケース２０の機能を電極接続具３０により代替させることができる。

図８は、収納ケース２にキャパシタ部１２を収めた４枚のキャパシタセルを、スライドクリップ型の電極接続具３０で接続したときの状態を示した斜視図である。

電力用リード線４０が、両端のキャパシタセルの電極接続具３０にそれぞれ接続している。また、中間のキャパシタセルの電極端子を相互に接続している電極接続具３０からは、その蓄電量をモニターするための電力モニター用リード線４１が接続している。このような構成とすることにより、複数のキャパシタセルからなる蓄電装置の状態を常に監視することができる。また、蓄電装置を構成するキャパシタセルの一部に不具合が生じた場合であっても、不具合のあるキャパシタセルを容易に特定でき、またその不具合のあるものを正常なものに容易に交換することができる。

図９は、第三の実施例であるトランククランプ型の電極接続具３０の外観を示した図である。電極接続具３０をトルククランプ型とすることにより、より強力に電極端子を挟持圧着することができる。また、圧着する圧力をクランプの角度により調節することができる。

キャパシタセルの上面、及び側面を示した図 キャパシタセルを収納するケースの外観を示した図 キャパシタセルをケースに収めたときの上面の外観を示した図 図１（ｂ）に示すキャパシタセルを直列に接続したときの状況を示した断面図 図１（ｃ）に示すキャパシタセルを直列に接続したときの状況を示した断面図 本発明の第一の実施例であるクリップ型の電極接続具を示した図 本発明の第二の実施例であるスライドクリップ型の電極接続具を示した図 キャパシタセルを電極接続具で接続したときの状況を示した斜視図 本発明の第三の実施例であるトランククランプ型の電極接続具を示した図 単セルのキャパシタの構造を示した図

符号の説明

１…キャパシタセル
１１…電極端子
１１ａ…電極端子（正極）
１１ｂ…電極端子（負極）
１２…キャパシタ部
２０…収納ケース
２１…外枠
２２…積層用ボルト穴
２３…ボルト
２４…ナット
３０…電極接続具
３１…クリップ
３２…スライド枠
４０…電力用リード線
４１…電力モニター用リード線

Claims (11)

1. 複数の蓄電素子の電極端子を並列、又は直列に接続する電極接続具であって、
   少なくとも外表面が絶縁材料からなり、前記電極端子を挟持圧着する挟持部が開閉可能に構成されている加圧挟持手段を備えたことを特徴とする電極接続具。
2. 前記加圧挟持手段が、前記電極端子の挟持圧着時にリード線を該電極端子に同時に圧着する機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電極接続具。
3. 前記リード線が、前記蓄電素子から電気エネルギーを流出入する電力線、又は前記蓄電素子の蓄電エネルギーをモニターする信号線であることを特徴とする請求項２に記載の電極接続具。
4. 前記加圧挟持手段が、クリップ機構、又はトルククランプ機構であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電極接続具。
5. 挟持圧着された前記電極端子間の接触抵抗が１ｍΩ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電極接続具。
6. 前記蓄電素子がキャパシタであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電極接続具。
7. 前記蓄電素子がリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電極接続具。
8. 外部からの衝撃を保護する機能を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電極接続具。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の電極接続具を備えたキャパシタ。
10. 請求項１から８のいずれかに記載の電極接続具を備えたリチウムイオンキャパシタ。
11. 請求項１から８のいずれかに記載の電極接続具を備えた蓄電装置。

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