JP2012084837A - スーパーキャパシタモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタと水冷ジャケットを交互に積層して固定させることにより、キャパシタを冷却するとともに、キャパシタの変形が防止されるようにしたスーパーキャパシタモジュールを提供する。
【解決手段】スーパーキャパシタモジュール２００は、多数のスーパーキャパシタ１００及び前記多数のスーパーキャパシタが挿入されて積層され、両側部に冷却流路２１１が突出されるように連結された多数の水冷ジャケット２１０を含み、前記スーパーキャパシタと水冷ジャケットが交互に積層されて最上部層及び最下部層の水冷ジャケットに夫々固定板２２０が結合され、前記固定板が支持台２３０によって固定された構造で構成される。
【選択図】図４

Description

本発明はスーパーキャパシタモジュールに関し、より詳細には、キャパシタと水冷ジャケットを交互に積層して固定させることにより、キャパシタを冷却するとともに、キャパシタの変形が防止されるようにしたスーパーキャパシタモジュールに関する。

最近、スーパーキャパシタは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、燃料電池自動車、重装備及びポータブル電子装置などの多様な分野に適用することができる高品質の新再生エネルギー源として脚光を浴びている。

この際、スーパーキャパシタは電気二重層原理を用いる電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）と電気化学的酸化−還元反応を用いるハイブリッドスーパーキャパシタ（Ｈｙｂｒｉｄ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ）に分けられることができる。

ここで、電気二重層キャパシタは高出力エネルギー特性を必要とする分野で多く用いられているが、２次電池に比べて小さい容量を有していて、ハイブリッドスーパーキャパシタは電気二重層キャパシタの容量特性を改善する新しい代案として多くの研究がなされている。特に、ハイブリッドスーパーキャパシタのうちリチウムイオンキャパシタ（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ＬＩＣ）は、小さいサイズにも関わらず、電気二重層キャパシタに比べて３から４倍程度の蓄積容量を有することができる。

このようなスーパーキャパシタは、互いに交互に積層された陽極及び陰極と、積層された陽極及び陰極の間に挿入され、陽極と陰極を互いに電気的に分離するセパレーターとを含んで構成されることができる。

一方、スーパーキャパシタは、高い出力特性を有することができるが、比較的低いエネルギー貯蔵特性を有するため、自動車や重装備のような大型の蓄積容量が必要な装置では、多数のスーパーキャパシタを直列または並列に連結したモジュールの形態で用いられている。

この際、スーパーキャパシタモジュールは多数のスーパーキャパシタの駆動によってエネルギー貯蔵特性を向上させることができるが、スーパーキャパシタモジュールの駆動時に発生される熱も急激に増加するため、スーパーキャパシタモジュールの信頼性や安定性が低下する可能性がある。これにより、スーパーキャパシタモジュールに備えられることができるスーパーキャパシタの数やスーパーキャパシタモジュールの利用環境が制限的であるという問題点が指摘されている。
これにより、スーパーキャパシタモジュールは、多数のスーパーキャパシタの駆動時に発生された熱を効率的に放熱するための技術が必要とされている。

韓国特許第１０−０９２５９５２号

従って、本発明は従来のスーパーキャパシタモジュールで発生される上述の欠点及び問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明はパウチ形態にパッケージングされたスーパーキャパシタと水冷ジャケットを交互に積層して固定板によって固定させることにより、多数のスーパーキャパシタの連結により蓄積容量が増大されたスーパーキャパシタモジュールを提供することを目的とする。

また、本発明は多数のキャパシタと水冷ジャケットが交互に積層された状態で最上部層及び最下部層の水冷ジャケットに固定板を夫々結合してモジュール化することにより、スーパーキャパシタを冷却するとともに、各スーパーキャパシタを加圧して外形の変形が防止されるようにしたスーパーキャパシタモジュールを提供することをまた他の目的とする。

本発明の前記目的は、多数のスーパーキャパシタ；及び前記多数のスーパーキャパシタが挿入されて積層され、両側部に冷却流路が突出されるように連結された多数の水冷ジャケット；を含み、前記スーパーキャパシタと水冷ジャケットが交互に積層されて最上部層及び最下部層の水冷ジャケットに夫々固定板が結合され、前記固定板が支持台によって固定されたスーパーキャパシタモジュールが提供されることによって達成される。

この際、水冷ジャケットの間に積層される前記スーパーキャパシタは、上下部に一対のラミネートフィルムが熱融着されたパウチ形態にパッケージングされることができる。

また、前記水冷ジャケットは熱伝導率が高いアルミニウムまたは銅の金属材質で構成されることが好ましく、冷却流路が前記水冷ジャケットの本体の内部に形成された水路部と連結され、前記各水冷ジャケットから突出された他の冷却流路と相互連結されることによって冷却水の循環がなされるようにすることができる。

一方、前記スーパーキャパシタと水冷ジャケットが積層された状態で、最上部層及び最下部層に配置された夫々の前記水冷ジャケットに、水冷ジャケットの内部に冷却水が流入される冷却水流入部と、循環が完了された冷却水が外部に排出される冷却水排出部とが備えられることができる。

そして、前記固定板は、最上部層及び最下部層に配置される前記水冷ジャケットの上面と下面に夫々結合されて、各角側に前記支持台が貫通結合されて、前記支持台の各端部には固定手段が結合されて、前記固定板の圧着程度が調節されるようにすることができる。

上述のように、本発明によるスーパーキャパシタモジュールは、パウチ形態にパッケージングされた多数のスーパーキャパシタを順に積層することにより大容量の充電モジュールを構成することができるため、スーパーキャパシタの上下部に夫々水冷ジャケットを配置してスーパーキャパシタと水冷ジャケットが密着されるようにすることにより、スーパーキャパシタで充電中に発生される熱を放出させて熱変形を最小化することができるという利点がある。また、交互に積層された水冷ジャケットとスーパーキャパシタが固定板によって圧着されて結合されることにより、パウチ形態にパッケージングされたスーパーキャパシタのパウチが脹れ上がるなどの変形を根本的に防止することができるという長所がある。

本発明によるスーパーキャパシタモジュールに適用されるスーパーキャパシタの分解斜視図である。 本発明によるスーパーキャパシタモジュールに適用されるスーパーキャパシタの斜視図である。 図２の断面図である。 本発明によるスーパーキャパシタモジュールの正面図である。 本発明によるスーパーキャパシタモジュールの側面図である。

本発明によるスーパーキャパシタモジュールの前記目的に対する技術的構成を含めた作用効果に関する事項は、本発明の好ましい実施例が図示された図面を参照した以下の詳細な説明によって明確に理解されるであろう。

まず、図１は本発明によるスーパーキャパシタモジュールに適用されるスーパーキャパシタの分解斜視図であり、図２は本発明によるスーパーキャパシタモジュールに適用されるスーパーキャパシタの斜視図であり、図３は図２の断面図である。

図示されたように、本実施例のスーパーキャパシタモジュールに適用されるスーパーキャパシタ１００は、多数の電極セル１１０と電解液及びハウジング１５０を含んで構成されることができる。

ここで、電極セル１１０は、セパレーター１６０を間に置いて交互に積層された第１及び第２電極１１１、１１２を含むことができる。そして、セパレーター１６０は第１電極１１１と第２電極１１２を互いに電気的に分離する役割をすることができる。セパレーター１６０は紙または不織布であることができるが、本発明の実施例でセパレーター１６０の種類は限定されない。

第１電極１１１は、第１集電体１１１ａと第１集電体１１１ａの両面に夫々配置された第１活物質層１１１ｂを含むことができる。この際、前記第１電極１１１は陽極（ｃａｔｈｏｄｅ）であることができ、第１集電体１１１ａはアルミニウム、ステンレス、銅、ニッケル、チタン、タンタル及びニオブのうち何れか一つで構成されることができる。

前記第１集電体１１１ａは薄膜の形態を有することができるが、効率的なイオンの移動及び均一なドーピング工程を遂行するために、多数の貫通孔を備えることもできる。

また、前記第１集電体１１１ａの両面に配置された第１活物質層１１１ｂは、イオンを可逆的にドーピング及び脱ドーピングすることができる炭素材料である活性炭を含むことができ、バインダーをさらに含むことができる。

そして、第１活物質層１１１ｂはカーボンブラック及び溶媒などをさらに含む導電材で構成されることができる。

第２電極１１２は、第２集電体１１２ａと第２集電体１１２ａの両面に夫々配置された第２活物質層１１２ｂを含むことができる。

例えば、第２電極は陰極（ａｎｏｄｅ）であることができ、第２集電体１１２ａは第１集電体１１１ａと同様に、銅、ニッケル及びステンレスのうち何れか一つの金属材質を含むことができる。また、第２集電体１１２ａは薄膜の形態を有したり、効率的なイオンの移動及び均一なドーピング工程を遂行するために、多数の貫通孔を備えることができる。

また、第２活物質層１１２ｂはリチウムイオンを可逆的にドーピング及び脱ドーピングすることができる炭素材質であり、黒鉛または活性炭であることができる。ここで、電気化学キャパシタがリチウムイオンキャパシタである場合、第２活物質層１１２ｂはリチウムイオンがフリードーピングされた黒鉛であることができる。

これにより、第２電極１１２の電位は、リチウムの電位、即ち０Ｖに近く低められることができて、リチウムイオンキャパシタのエネルギー密度を増大させることができる。この際、第２電極１１２の電位はリチウムイオンのフリードーピング工程を制御して調節されることができる。

これに加えて、第１電極１１１は外部電源と連結されるための第１端子１２０を備えることができる。第１端子１２０は第１集電体１１１ａの一側から延長されて形成されることができる。

電極セル１１０で第１電極１１１が多数個に積層される場合、各第１電極１１１から延長された第１端子１２０も多数個に積層されることができる。この際、外部と連結されるために、積層された第１端子１２０は融着されて一体化されることができる。

融着された第１端子１２０は外部電源と直接接触されることができ、別途の外部端子と融着されて外部端子を介して外部電源と連結されることもできる。

また、第２電極１１２は外部電源と連結されるための第２端子１３０を備えることができる。この際、第２端子１３０は第２集電体１１２ａの一側から延長されて形成されることができる。ここで、多数の第２端子１３０は融着されて一体化されることができる。この際、融着された第２端子１３０は外部電源と直接連結されることができ、別途の外部端子と融着されて外部端子を介して外部電源と連結されることもできる。

これに加えて、第１及び第２端子１２０、１３０または外部端子の上下部には、絶縁部材１４０がさらに備えられることができる。絶縁部材１４０は、第１及び第２端子１２０、１３０または外部端子と後述されるハウジング１５０を互いに絶縁させる役割をすることができる。

ここで、電解液は電極セル１１０に含浸されており、場合によって第１及び第２活物質層１１１ｂ、１１２ｂ及びセパレーター１６０に含浸されていることができる。

本発明の実施例で、電極セル１１０はパウチタイプである場合を図示及び説明したが、これに限定されず、電極セル１１０は第１及び第２電極１１１、１１２とセパレーターがロール形態に巻取られた巻取タイプであることもできる。

前記ハウジング１５０は二枚の金属ラミネートフィルムを熱融着することにより形成され、多数の電極セルがパウチ形態にパッケージングされることができる。

このようにパウチ形態にパッケージングされたスーパーキャパシタを用いる大容量のモジュール構成を、以下に図示された図４及び図５に基づいてより具体的に説明すると次の通りである。

図４は本発明によるスーパーキャパシタモジュールの正面図であり、図５は本発明によるスーパーキャパシタモジュールの側面図である。

図示されたように、本発明によるスーパーキャパシタモジュール２００は、多数のスーパーキャパシタ１００と水冷ジャケット２１０が交互に積層されることができる。この際、多数のスーパーキャパシタ１００は、上部及び下部に一対のラミネートフィルムが熱融着されてパウチ形態にパッケージングされたスーパーキャパシタ１００で構成されることができる。

前記水冷ジャケット２１０はスーパーキャパシタの形態に応じて同一の形態に構成されることができる。スーパーキャパシタ１００と交互に積層される時、スーパーキャパシタ１００の全面が水冷ジャケット２１０と接触されて冷却効率が向上されることができるように、スーパーキャパシタ１００と同一のサイズと高さの本体に形成されることが好ましい。

また、水冷ジャケット２１０は本体内部に冷却水または冷媒が流動される水路部（未図示）を備えることができ、冷却水または冷媒の流れによって、水冷ジャケット２１０の上下部に接触されたスーパーキャパシタ１００から発生された熱を冷却することができる。

この際、水冷ジャケット２１０は優れた熱伝導率を有する材質である金属材質からなることができ、熱伝導率が高いアルミニウムや銅などで構成されることが好ましい。しかし、本発明の実施例で水冷ジャケット２１０の材質は限定されない。

一方、前記水冷ジャケット２１０は本体内部で流動される冷却水が多数の水冷ジャケット２１０を介して循環されることができるように、水冷ジャケット２１０の両側部に冷却流路２１１が連結されることができる。前記冷却流路２１１は、本体内部に形成された水路部と連結されて水冷ジャケット２１０の外部に突出されることができ、スーパーキャパシタの上下部に位置した水冷ジャケット２１０から突出された各冷却流路２１１が相互連結されることができる。

このように構成された水冷ジャケット２１０は、多数のスーパーキャパシタ１００とともに積層され、各スーパーキャパシタ１００の間及び最上部層と最下部層のスーパーキャパシタ１００の各上面と下面に位置して、各スーパーキャパシタ１００の上面と下面に夫々接触されることにより、スーパーキャパシタ１００の上面または下面から発生された熱が効果的に放熱されるようにして、スーパーキャパシタ１００の発熱に対する信頼性と安定性を確保することができる。

また、最上部層及び最下部層に積層される夫々の水冷ジャケット２１０に、外部から供給される冷却水が本体内部に注入される冷却水流入部２１１ａと、水冷ジャケット２１０を循環した冷却水が排出される冷却水排出部２１１ｂとが形成されることができる。

一方、多数のスーパーキャパシタ１００と水冷ジャケット２１０が交互に積層された状態で、最上部層及び最下部層の水冷ジャケット２１０の外側には夫々固定板２２０が結合され、前記固定板２２０は最上部層及び最下部層の水冷ジャケット２１０を結合させる支持台２３０によって固定されることができる。

スーパーキャパシタ１００と水冷ジャケット２１０が交互に積層された状態で、前記固定板２２０は支持台２３０によってスーパーキャパシタ１００の 最上部層及び最下部層の水冷ジャケット２１０を圧着することができる。従って、水冷ジャケット２１０の間に積層されたスーパーキャパシタ１００の上下面が水冷ジャケット２１０の一面に夫々圧着されることにより、スーパーキャパシタ１００の充電時に熱が発生されても、パウチ形態にパッケージングされたスーパーキャパシタの熱変形を防止することによって、キャパシタのＥＳＲ（等価直列抵抗）が増加されることを防止することができる。

前記固定板２２０に結合された支持台２３０は、上端部と下端部にボルトまたはナットなどの固定手段２４０が結合されることができる。この際、前記固定手段２４０によって支持台２３０に結合された固定板２２０の圧着程度を調節することができる。

このように構成されたスーパーキャパシタモジュール２００は、両側に冷却流路２１１が突出された水冷ジャケット２１０の間に両側に陽極と陰極が突出されたスーパーキャパシタ１００が配置されて、最上部層と最下部層の水冷ジャケット２１０の上下面に夫々固定板２２０を支持台２３０によって結合することにより、スーパーキャパシタ１００の上下部を水冷ジャケット２１０が圧着してスーパーキャパシタ１００の変形を防止するとともに、冷却水が循環される水冷ジャケット２１０がスーパーキャパシタ１００の両面に密着されることにより、キャパシタから発生される熱が放熱されるようにすることができる。
以上で説明した本発明の好ましい実施例は例示の目的のために開示されたものであり、本発明が属する技術分野にて通常の知識を有するものにおいて、本発明の技術的思想を外れない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であり、このような置換、変形及び変更などは添付の特許請求範囲に属するとするべきであろう。

１００ スーパーキャパシタ
２００ スーパーキャパシタモジュール
２１０ 水冷ジャケット
２２０ 冷却流路
２３０ 固定板
２４０ 支持台

Claims (7)

1. 多数のスーパーキャパシタ；
   前記多数のスーパーキャパシタが挿入されて積層され、両側部に冷却流路が突出されるように連結された多数の水冷ジャケット；を含み、
   前記スーパーキャパシタと水冷ジャケットが交互に積層されて最上部層及び最下部層の水冷ジャケットに夫々固定板が結合され、前記固定板が支持台によって固定されたスーパーキャパシタモジュール。
2. 前記スーパーキャパシタは、上下部に一対のラミネートフィルムが熱融着されたパウチ形態にパッケージングされた請求項１に記載のスーパーキャパシタモジュール。
3. 前記水冷ジャケットは熱伝導率が高いアルミニウムまたは銅の金属材質からなった請求項１に記載のスーパーキャパシタモジュール。
4. 前記冷却流路は、前記水冷ジャケットの本体の内部に形成された水路部と連結され、前記各水冷ジャケットから突出された他の冷却流路と相互連結された請求項１に記載のスーパーキャパシタモジュール。
5. 前記スーパーキャパシタと水冷ジャケットが積層された状態で、最上部層及び最下部層に配置された夫々の前記水冷ジャケットに、冷却水流入部と冷却水排出部が備えられた請求項１に記載のスーパーキャパシタモジュール。
6. 前記固定板は、最上部層及び最下部層に配置される前記水冷ジャケットの上面と下面に夫々結合されて、各角側に前記支持台が貫通結合された請求項１に記載のスーパーキャパシタモジュール。
7. 前記支持台の各端部には固定手段が結合されて、前記固定板の圧着程度が調節される請求項６に記載のスーパーキャパシタモジュール。

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