JP2011108433A

JP2011108433A - 蓄電装置

Info

Publication number: JP2011108433A
Application number: JP2009260662A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Funakoshi; 一志船越
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】耐久性に優れた蓄電装置を提供する。
【解決手段】容器と、容器の内部に封入された電解液と、容器の外部に取り出された一対の電極を含む蓄電構造であって、一対の電極と電気的に接続された導電部材が電解液内に配置された蓄電構造と、容器に形成された貫通孔と、貫通孔を覆い、ガス透過性及び吸湿性を備えるガス透過構造とを有する蓄電装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は蓄電装置、たとえば建設用作業機械に使用される電気二重層キャパシタに関する。

旋回、ブームの昇降など、力行と回生とを繰り返す建設用作業機械においては、回生エネルギをバッテリ（蓄電装置）に蓄えることで、エネルギ効率の増大が図られている。バッテリは、短時間ではあるが、２０ｋＷ以上の電力で充電や放電を行う。ここでバッテリとしては、たとえば電気二重層キャパシタ（セル）を多数、直列に接続したものが使用される。

電気二重層キャパシタは、たとえばアルミニウム製の薄い電極板の両面に活性層を貼着し、一対の電極板間にシート状の絶縁層を挟んで、電解液に含浸させたものである。

電気二重層キャパシタにおいては、過充電がなされた場合などに、電解液の電解質が揮発または分解し、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２等のガスが発生する。発生ガスに起因するキャパシタ内圧の上昇による外装フィルムの破損、電解液の漏出を防止するためには、これらのガスを外部に排出する必要がある。このため外装フィルムには、たとえば弁構造を伴うガス透過孔が形成されている。キャパシタ内部で発生したガスは、ガス透過孔を通過して外部に放出される。

ガス透過孔に、キャパシタの内圧が一定値（作動圧）以上となったときに開放し、内部のガスを排出するメカニカルなガス抜き弁を配設する技術が知られている。メカニカルな弁を用いてガスを排出する構成の電気二重層キャパシタにおいては、弁の開放時に、外気がキャパシタ内部に侵入する。外気に含まれるＨ_２Ｏ（水蒸気）は、たとえば電解質と反応しキャパシタの機能を低下させる。

安全性、信頼性、耐リーク性に優れた非水電解質二次電池を得るための電池用安全弁の発明が公開されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１記載の電池用安全弁は、金属封口蓋に形成された電池ケース排気孔を閉塞する弾性体と、弾性体を圧迫保持する保持体とから構成される。金属封口蓋と弾性体との接する部分は、樹脂で被覆されている。樹脂は、弁材質との非接着性に優れる樹脂ならば特に限定されず、たとえばＰＴＦＥを用いることができる。

また、ガス抜き用弁体を製造するのに好適な弁体用シートの発明が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。特許文献２には、ゴム状弾性を有する弾性シートの片面に高弾性率の基材シートが一体的に積層され、他面に、表面が離型性を備える保護シートが一体的に積層された構造を有する弁体用シートの記載がある。保護シートにより、弁の放圧を円滑にすることができる。保護シートの材料としてＰＴＦＥを使用可能である。

特許３０６３８１５号公報特許４２１５９７６号公報

本発明の目的は、耐久性に優れた蓄電装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、容器と、前記容器の内部に封入された電解液と、前記容器の外部に取り出された一対の電極を含む蓄電構造であって、前記一対の電極と電気的に接続された導電部材が前記電解液内に配置された蓄電構造と、前記容器に形成された貫通孔と、前記貫通孔を覆い、ガス透過性及び吸湿性を備えるガス透過構造とを有する蓄電装置が提供される。

本発明によれば、耐久性に優れた蓄電装置を提供することができる。

（Ａ）は、実施例による電気二重層キャパシタ（セル）の構造を示す概略的な平面図、（Ｂ）及び（Ｃ）は、概略的な断面図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれガス透過構造１５を示す概略的な断面図、分解斜視図である。ガス透過構造１５とともに使用される保護チューブ１６を示す概略的な断面図である。変形例による電気二重層キャパシタの概略的な断面構造を示す。他の変形例による電気二重層キャパシタの概略図である。

図１（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例による電気二重層キャパシタ（セル）の構造を示す概略図である。

図１（Ａ）は、実施例による電気二重層キャパシタの概略的な平面図を示す。実施例による電気二重層キャパシタは、平面視において略長方形状のラミネートフィルム（セル外装）３０、及びその内部から外部に取り出される一対のセル電極（集電極、電極端子）１３ａ、１３ｂを含む。セル電極１３ａ、１３ｂは、ラミネートフィルム３０の対向する短辺から外部に取り出されている。セル電極１３ａ近傍のラミネートフィルム３０には、ガス透過孔１４が形成されている。電気二重層キャパシタの短辺方向にＸ軸方向、長辺方向にＹ軸方向、厚さ方向にＺ軸方向を画定する。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線に沿う概略的な断面図である。ラミネートフィルム３０の内部には、一方のセル電極１３ａとこれに電気的に接続された複数の電極板１０ａ、及び、他方のセル電極１３ｂとこれに電気的に接続された複数の電極板１０ｂが含まれる。セル電極１３ａ、１３ｂ、及び複数の電極板１０ａ、１０ｂは、たとえばアルミニウムで形成される。

電極板１０ａ、１０ｂの両面には、それぞれ活性炭層１１ａ、１１ｂが形成されている。活性炭層１１ａ、１１ｂは、電極板１０ａ、１０ｂの両面に、ペースト状の活性炭を、たとえば厚さ２００μｍに塗布することで形成される。

活性炭層１１ａ、１１ｂを両面に備える電極板１０ａ、１０ｂは、ラミネートフィルム３０で形成されたセル外装（セル容器外壁）の内部に交互に配置される。電極板１０ａと電極板１０ｂとの間には、絶縁層としてセパレータ１２が配設される。セパレータ１２は、たとえば厚さ５０μｍのセルロース紙である。電極板１０ａ、１０ｂ、及びセパレータ１２は、ＸＹ平面と平行に配置され、Ｚ軸方向に積層される。

ラミネートフィルム（セル外装）３０の内部には電解液２０が充填、封入されている。

電解液２０は、たとえば分極性有機溶剤を溶媒とし、４級アンモニウム塩を電解質（支持塩）として作製される。分極性有機溶剤としては、たとえばプロピレンカーボネートを用いる。また、エチレンカーボネートやエチルメチルカーボネート等を使用可能である。更にこれらの混合液を利用してもよい。４級アンモニウム塩としては、たとえばＳＢＰＢＦ_４（スピロビピロリジニウムテトラフルオロボレート）を使用する。

セル電極１３ａ、１３ｂは、本図において上下に配置される２枚のラミネートフィルム３０で閉じられた空間の外部にまで延在している。２枚のラミネートフィルム３０は、外周部において熱溶着されている。セル電極１３ａと複数の電極板１０ａとは、ラミネートフィルム３０で閉じられた空間の内部で、たとえば超音波溶接されている。セル電極１３ｂと複数の電極板１０ｂについても同様である。セル電極１３ａ、１３ｂは、熱溶着された２枚のラミネートフィルム３０間を通って、外部に引き出されている。引き出し位置において、セル電極１３ａ、１３ｂとラミネートフィルム３０とは、熱溶着されている。

複数の電極板１０ａ、１０ｂを電気的に引き出して、セル電極１３ａ、１３ｂと接合する関係上、ラミネートフィルム３０（セル外装）のセル電極１３ａ、１３ｂが配置される側の端面は、ＸＺ平面を基準としてＹ軸方向に傾いている。

セル電極１３ａが配置される辺に連続する傾斜部分のラミネートフィルム３０に、ガス透過孔１４が形成されている。ガス透過孔１４は、たとえば直径２〜３ｍｍの円形の穴である。ラミネートフィルム３０の内側（セルの内側）には、ガス透過孔１４を遮蔽するガス透過構造１５が配置される。なお、ラミネートフィルム３０で形成されるセル外装は、ガス透過孔１４及びガス透過構造１５の形成位置を除いて密閉されている。

図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の１Ｃ−１Ｃ線に沿う概略的な断面図である。本図において上下に配置される２枚のラミネートフィルム３０で形成されたセル外装の内部に電解液２０が封入され、両面に活性炭層１１ａ、１１ｂが形成された電極板１０ａ、１０ｂ、及び両電極板１０ａ、１０ｂ間に配置されたセパレータ１２を含む積層物が電解液２０に浸されている。ラミネートフィルム３０（セル外装）のセル電極１３ａ、１３ｂが配置されない側の端面は、ＹＺ平面を基準としてＸ軸方向に傾いている。ただし、ＸＹ面を基準とした傾斜は、セル電極１３ａ、１３ｂが配置されている端面の方が緩やかである。

図１（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明した電気二重層キャパシタは、一対のセル電極１３ａ、１３ｂ、活性炭層１１ａ、１１ｂを両面に備える電極板１０ａ、１０ｂ、及びセパレータ１２を含む蓄電構造を備え、セル電極１３ａ、１３ｂ間に蓄電することができる。またセル電極１３ａ、１３ｂを通して放電することができる。実施例による電気二重層キャパシタの使用に伴ってセル内部で発生したガスは、ガス透過構造１５を透過し、ガス透過孔１４からセル外部へ排出される。

実施例による電気二重層キャパシタを使用する際には、ガス透過孔１４が鉛直上方寄りに配置される姿勢となるように、キャパシタを保持する。すなわちたとえば実施例による電気二重層キャパシタは、使用に際し、セル電極１３ａが鉛直上方を向く（Ｙ軸正方向が鉛直上方となる）ような姿勢で保持される。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれガス透過構造１５を示す概略的な断面図、分解斜視図である。図２（Ａ）を参照する。ラミネートフィルム３０は、樹脂層３０ａ、アルミニウム層３０ｂ、樹脂層３０ｃを積層し、ラミネート加工することで得られるフィルムである。前述のように、ガス透過構造１５は、ラミネートフィルム３０に形成されたガス透過孔１４を、セル内側から覆うように取り付けられる。

ガス透過構造１５は、セル内部で発生するＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２等のガスを透過するガス透過膜１５ａ、１５ｃ、及び両膜１５ａ、１５ｃに挟持され、ガス透過性と吸湿性とを備える吸湿層１５ｂを含んで構成される。ガス透過膜１５ａ、１５ｃは、たとえばプラスチック（樹脂）で形成され、吸湿層１５ｂは、たとえば吸湿性の化合物を用いて形成される。ガス透過膜１５ａ、１５ｃを形成するプラスチック樹脂としては、水蒸気透過性が低く、内部ガスであるＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２等の透過性が高いＰＴＦＥやポリエチレンを好適に使用することができる。また、吸湿層１５ｂを形成する吸湿性化合物としては、酸化バリウムや酸化カルシウムを用いることが可能である。

ガス透過膜１５ａ、１５ｃ及び吸湿層１５ｂは、たとえばそれぞれガス透過孔１４のサイズよりも大きいサイズの円形状に形成されている。また、ガス透過孔１４の直下方向には、ガス透過膜１５ａ、吸湿層１５ｂ、ガス透過膜１５ｃの３層構造が配置される。

図２（Ｂ）を参照して、ガス透過構造１５の作製方法を説明する。まず、たとえば酸化カルシウムを多孔質のＰＴＦＥに複合させてシート状の吸湿層１５ｂを作製する。次に、シート状の吸湿層１５ｂをＰＴＦＥで形成されたガス透過膜１５ａ、１５ｃで挟み、これを加熱してガス透過膜１５ａと１５ｃとを接着する。こうして作製されたガス透過構造１５は、ラミネートフィルム３０のセル内側に配置される樹脂層３０ａに、ガス透過孔１４を遮蔽するように、熱溶着される。熱溶着に当たっては、溶着部位が１５０〜２００℃となるまで加熱を行う。

なお、ガス透過構造１５は、ＰＴＦＥで形成されたガス透過膜１５ａ、１５ｃの間に粉末状の酸化カルシウムを挟むこと等によって形成してもよい。

実施例による電気二重層キャパシタは、概略、以下の手順で製造される。ガス透過孔１４が形成され、ガス透過構造１５が接着された一方のラミネートフィルム（たとえば図１（Ｂ）のＺ軸正方向側に配置される表側のラミネートフィルム）と、他方のラミネートフィルム（たとえば図１（Ｂ）のＺ軸負方向側に配置される裏側のラミネートフィルム）との間に、活性炭層１１ａ、１１ｂが両面に形成された電極板１０ａ、１０ｂ、及び両電極板１０ａ、１０ｂ間に配置されたセパレータ１２を含む積層物を、セル電極１３ａ、１３ｂとともに配置する。セル電極１３ａと複数の電極板１０ａとは超音波溶接されている。セル電極１３ｂと複数の電極板１０ｂについても同様である。次に、電解液２０注入口となる辺を除いて表側と裏側のラミネートフィルムを熱溶着で接着する。この後ラミネートフィルム３０内部に電解液２０を注入し、注入口を熱溶着し密封する。

実施例による電気二重層キャパシタ（セル）は、セル容器外壁（ラミネートフィルム３０）に形成されたガス透過孔１４を、ガス透過構造１５がセル内側から覆う構造を有する。セル内部で発生したガスは、ガス透過構造１５を透過し、ガス透過孔１４からセル外部へ排出される。内部ガス排出のためにメカニカルな弁を使用しないので、セルの小型化が実現される。また、内部ガスの透過性が高く、水蒸気の透過性が低い、ＰＴＦＥ等のプラスチック樹脂膜間に更に吸湿層を形成しているので、外気に含まれる水蒸気のセル内部への侵入、及びそれによるキャパシタ機能の低下が防止される。このため耐久性に優れたキャパシタを実現することができる。

図３は、ガス透過構造１５とともに使用される保護チューブ１６を示す概略的な断面図である。

保護チューブ１６は、ガス透過構造１５を、セル内側方向から囲むように形成される。形成材料は、たとえばポリプロピレン等のプラスチックである。保護チューブ１６の底面には貫通孔が形成されている。本図には貫通孔が底面に形成されている例を示したが、側面、あるいは底面と側面の双方に形成することもできる。セル内部で発生したガスは、保護チューブ１６の貫通孔、及びガス透過構造１５を透過して、セルの外部に放出される。

保護チューブ１６は、電解液２０がガス透過膜１５ａ、１５ｃに接触することを抑止する機能を有する。保護チューブ１６は、実施例による電気二重層キャパシタを、たとえば図１（Ａ）に示すように、セル電極１３ａが鉛直上方を向く（Ｙ軸正方向が鉛直上方となる）ような姿勢に保持したとき、電解液２０がガス透過膜１５ａ、１５ｃに接触しないように形成される。ガス透過構造１５と電解液２０との接触を回避することで、ガス透過構造１５ひいてはキャパシタの耐久性を高めることができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

図４に、変形例による電気二重層キャパシタの概略的な断面構造を示した。本図は図１（Ｂ）に対応する図である。図１（Ｂ）に示す実施例においては、セル電極１３ａ、１３ｂの形成位置を基準に、活性炭層１１ａ、１１ｂが両面に形成された電極板１０ａ、１０ｂ、及び両電極板１０ａ、１０ｂ間に配置されたセパレータ１２を含む積層物が、Ｚ軸の正負両方向に配置されていたが、変形例においては、積層物はＺ軸の正方向にのみ配置される。このため、変形例による電気二重層キャパシタは、一方のラミネートフィルム３０はほぼ平坦となり、他方のラミネートフィルム３０が盛り上がった構造となる。

また、図５は、他の変形例による電気二重層キャパシタの概略図である。実施例においては、セル電極１３ａ、１３ｂが相互に異なる方向に向かって延在したが、本図に示すように、セル電極１３ａ、１３ｂが、ラミネートフィルム３０から同一方向に向かって突出する構成とすることも可能である。

更に、実施例においては、ガス透過構造１５をラミネートフィルム３０の内側（セルの内側）に配置したが、ラミネートフィルム３０の外側（セルの外側）に配置してもよい。

また、実施例においてはキャパシタについて説明したが、電池等も含めた蓄電装置に適用可能である。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

蓄電装置、たとえば電気二重層キャパシタに好適に利用することができる。

１０ａ、１０ｂ電極板
１１ａ、１１ｂ活性炭層
１２セパレータ
１３ａ、１３ｂセル電極
１４ガス透過孔
１５ガス透過構造
１５ａ、１５ｃガス透過膜
１５ｂ吸湿層
１６保護チューブ
２０電解液
３０ラミネートフィルム（セル外装）
３０ａ、３０ｃ樹脂層
３０ｂアルミニウム層

Claims

容器と、
前記容器の内部に封入された電解液と、
前記容器の外部に取り出された一対の電極を含む蓄電構造であって、前記一対の電極と電気的に接続された導電部材が前記電解液内に配置された蓄電構造と、
前記容器に形成された貫通孔と、
前記貫通孔を覆い、ガス透過性及び吸湿性を備えるガス透過構造と
を有する蓄電装置。
前記ガス透過構造は、
ガス透過性を備える樹脂で形成された第１及び第２の樹脂層と、
前記第１の樹脂層と前記第２の樹脂層との間に配置され、ガス透過性及び吸湿性を備える吸湿部材と
を備える請求項１に記載の蓄電装置。
前記ガス透過構造は、前記容器に熱溶着されている請求項２に記載の蓄電装置。
前記蓄電構造は、
前記導電部材として、前記電解液内に交互に配置された複数の第１電極及び複数の第２電極と、
前記複数の第１電極と前記複数の第２電極との間に配置された複数の絶縁層と、
前記一対の電極として、前記複数の第１電極と電気的に接続され、前記容器の外部に取り出された第１の集電極、及び、前記複数の第２電極と電気的に接続され、前記容器の外部に取り出された第２の集電極と
を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
前記ガス透過構造は、前記貫通孔を前記容器の内側から覆い、
更に、前記ガス透過構造を前記容器の内側方向から囲むように形成され、ガスの透過を許容する保護チューブを含む請求項２〜４のいずれか１項に記載の蓄電装置。