JP2014531765A - ウルトラキャパシタの安全動作監視方法 - Google Patents

Abstract

電極及び電解質を保持するための電気化学的二重層キャパシタのケースは、空洞を有するハウジング及びハウジングに結合されて空洞とともに液密貯槽を形成するキャップ部を備える。ケースは、ハウジングまたはキャップ部の１つ以上に組み込まれた複数の端子−複数の端子は電極に電気的に結合されるように適合される−、及びハウジングまたはキャップ部の一方に組み込まれた圧力追従メンブランも備える。ケース内部の圧力を監視する圧力監視システムは圧力追従メンブランの撓みを測定するように適合された変位測定デバイスを備える。

Description

関連出願の説明

本出願は、２０１１年９月２０日に出願された米国特許出願第１３/２３７１３９号の米国特許法第１２０条の下の優先権の恩典を主張する。上記特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。

本開示は全般に電気化学的二重層キャパシタ用圧力監視システムに向けられる。

電気二重層キャパシタ、すなわちウルトラキャパシタは、一般に他のタイプの電気化学的キャパシタより高いエネルギー密度を示す、電気化学的エネルギー貯蔵デバイスである。しかし、電気化学的二重層キャパシタが経時的に定格電圧で充電されるときに、キャパシタが収められているケースの内部でガスが発生し得る。ガスの発生は、電気化学的二重層キャパシタを充電及び放電するときにおこり得る望ましくない化学的及び電気化学的な反応の副産物である。ガスの発生にはケースの内圧を高める傾向があり得る。

電気化学的二重層キャパシタからの蓄積ガスの放出は望ましくないことであり得る。例えば、ガスは人間または環境に有害であり得るし、発火または爆発をおこし易いこともあり得る。さらに、ガス放出により外部の空気及び水蒸気のケース内部への侵入が可能になり、これは電気化学的二重層キャパシタの性能をさらに劣化させ得る。

発明者等は、電気化学的二重層キャパシタ自体の性能が劣化するにつれて、電気化学的二重層キャパシタの充電中のガス生成量が高まる傾向があることに気付いた。電気化学的二重層キャパシタの性能が劣化するにつれて、より多量のガスが発生し、よってケース内部の圧力がさらに高くなり得る。したがって、発明者等は、ケースの内部圧力を電気化学的二重層キャパシタの健全性及び／または性能に相関させ得ると判断した。

本発明の課題は、電気化学的二重層キャパシタの健全性を監視するため及び電気化学的二重層キャパシタが過圧状態になることを防止するための手段を提供することにある。

上記課題を達成するため、発明者等はケースの内部圧力を監視することができる外部圧力監視システムを開発した。

一実施形態において、電極及び電解質を保持するための電気化学的二重層キャパシタのケースは、空洞を有するハウジング及びハウジングに結合されて空洞とともに液密貯槽を形成するキャップ部を有する。ケースは、ハウジングまたはキャップ部の１つ以上に組み込まれた複数の端子も有し、複数の端子は電極に天気的に結合されるように適合され、圧力追従メンブランがハウジングまたはキャップ部の一方に組み込まれる。

別の実施形態において、電気化学的二重層キャパシタのための圧力監視システムは、液密貯槽を有するケース及びケースに組み込まれた圧力追従メンブランを備え、圧力追従メンブランは液密貯槽内部の圧力に応答して撓む。圧力監視システムは圧力追従メンブレンの撓みを測定するように適合された変位測定デバイスも備える。

また別の実施形態において、ケース内部の圧力を管理する方法は、電気化学的二重層キャパシタを保持するケース内の液密貯槽と流体が通じている圧力追従メンブランの撓みを監視する工程を含む。方法は、圧力追従メンブランの撓みをケースの基準部と比較する工程も含む。

本明細書に説明される実施形態によって与えられる上記の及びさらなる特徴は以下の詳細な説明を、図面とともに、考察することでさらに十分に理解されるであろう。

図面に示される実施形態は本質的に説明及び例示のためであり、特許請求の範囲で定められる主題を制限することは目的とされていない。説明のための実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造は同様の参照数字で示されている、以下の図面とともに読まれたときに理解され得る。
図１は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、電気化学的二重層キャパシタのためのケースの斜視前面図を示す。 図２は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、ある程度巻きがほどかれた電気化学的二重層キャパシタの斜視前面図を示す。 図３は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、変位測定デバイスを含む、線Ａ−Ａに沿う図１の電気化学的二重層キャパシタのためのケースの部分前断面図を示す。 図４は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、変位測定デバイスを含む、線Ａ−Ａに沿う図１の電気化学的二重層キャパシタのためのケースの部分前断面図を示す。 図５は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、変位測定デバイスを含む、線Ａ−Ａに沿う図１の電気化学的二重層キャパシタのためのケースの部分前断面図を示す。 図６は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、感圧メンブランを含む、線Ａ−Ａに沿う図１の電気化学的二重層キャパシタのためのケースの部分前面断面図を示す。 図７は、本明細書に示され、説明される、１つ以上の実施形態にしたがう、電気化学的二重層キャパシタのための圧力監視システムの略図を示す。

本明細書に説明される実施形態は電気化学的二重層キャパシタのための圧力監視システムに関する。一例の圧力監視システムは、電気化学的二重層キャパシタがその内部に配されるケース及び、ケースに組み込まれ、電気化学的二重層キャパシタと流体が通じている、圧力追従メンブランを備える。圧力監視システムは、変位測定デバイスも備える。ケース内部の圧力が高くなるにつれて、圧力追従メンブランが外向きに撓む。変位測定デバイスが圧力追従メンブランの外向撓みを監視する。この撓みを処理して、ケース内部の圧力を推定することができる。

図１を参照すれば、電気化学的二重層キャパシタ２００は液密貯槽２１４を有するケース２１０を備える。図示される実施形態において、ケース２１０は、空洞２１３を有するハウジング２１２及び、ハウジング２１２に結合されているかまたはハウジング２１２と一体の、キャップ部２１６を有する。ハウジング２１２及びキャップ部２１６は合わせて、二重層キャパシタセル４００がその中に挿入される、液密貯槽２１４を形成する。二重層キャパシタセル４００は、液密貯槽２１４内のいかなるボイドも満たす、液体電解質によって囲まれる。圧力追従メンブラン１１０がケース２１０の外部アクセス可能表面２１１に組み込まれている。図示される実施形態において、圧力追従メンブラン１１０はキャップ部２１６に組み込まれている。しかし、圧力追従メンブラン１１０はハウジング２１２の外部アクセス可能表面２１１に組み込むことができる。

図２を参照すれば、電気化学的二重層キャパシタ２００は、電極４０２を物理的に隔てて電極４０２の相互短絡を防止する非導電性セパレータ層４０６によって隔てられた２つの電極４０２を有する。非導電性セパレータ層４０６は、紙を含むがこれには限定されない、多孔質誘電体材料で形成することができる。二重層キャパシタセル４００は、電極４０２及び非導電性セパレータ層４０６が相互に巻き付けられて概ね円筒形にされる、「ロールケーキ」型とすることができる。電解質がセル４００の層全体にわたって分散される。２つの電極４０２のそれぞれにかけて電圧が印加されると、電解質がイオン化され、それぞれの電極４０２の表面上の電場によって電荷が蓄積され得る。電気化学的二重層キャパシタ２００は必要とされるまでこの電荷を貯蔵することができ、必要なときに電極４０２上の電荷は放電され得る。

本開示にしたがう電極４０２は電気化学的二重層キャパシタ２００における使用に適するいかなる導電材料も有することができる。一実施形態において、電極４０２の少なくとも一方は、例えば、折り畳まれるか、ロール巻きにされるかまたはコイル巻きにされ得る、可撓性導電材料を有する。別の実施形態において、電極４０２の少なくとも一方は、例えばアルミニウムを含む、金属を有する。別の態様において、電極４０２の一方は、またはいずれもが、電極４０２の表面積を大きくする、例えば炭素被覆を含む、炭素材料を有する。電極４０２のいずれもが同じ組成を有する必要はなく、電極４０２が同じかまたは異なる組成を有するいずれの態様も考えられる。別の実施形態において、電極４０２は電気化学的二重層キャパシタ２００の構成に利用される他の材料及び電解質と同等の材料を含む。

電極４０２は電気化学的二重層キャパシタ２００の環境において実質的に無腐食性である材料を有する。いくつかの実施形態において、電極４０２の少なくとも一方は、例えば電極４０２のバルクの全てまたは一部を含む、その少なくとも一方の表面上に、被覆を有する。これらの実施形態において、例えば大表面積炭素を含む、炭素被覆は電極４０２の少なくとも一方の、一方の表面の少なくとも一部の上に存在する。別の態様において、電極４０２の表面の活性領域の全てが大表面積炭素被覆を有する。電極４０２及び電極被覆の材料は市販されており、当業者であれば適切な電極４０２及び／または電極被覆の材料を選ぶことができる。

非導電性セパレータ層４０６には、例えば、紙、雲母、ガラス、セラミック、エアロゲル、シリカ、非導電性炭素、ポリマー材またはこれらの組合せを含めることができる。非導電性材料は与えられた電気化学的二重層キャパシタ２００に対する動作の電圧及び動作条件の下で実質的に非導電性である。非導電性セパレータ層４０６は、非導電性セパレータ層４０６にわたる電解質の浸透及び／または拡散を可能にするように、多孔質とすることができる。

図２に示される実施形態において、電極４０２は電極４０２のバルクから延び出す接続領域４０４を有する。電極４０２の接続領域４０４は、図１に示されるように、ハウジング２１２またはキャップ部２１６の１つ以上に組み込まれた端子２１８に電気的に結合される。

図１を再び参照すれば、二重層キャパシタセル４００は、概ね円筒形に巻かれた電極４０２とともに、ハウジング２１２の空洞２１３に入れられる。液体電解質が、電極４０２を囲むように、空洞２１３に入れられる。キャップ部２１６がハウジング２１２に結合され、確実に固定されて、ハウジング２１２とともに、ハウジング２１２内、したがってケース２１０内に液体電解質を保つ液密貯槽２１４を形成する。

ケース２１０はハウジング２１２またはキャップ部２１６の一方に組み込まれた圧力調整弁２６０をさらに備えることができる。圧力調整弁２６０により、過圧事態になる前にガス及び／または液体電解質の液密貯槽２１４からの抜出しが可能になる。本明細書に用いられるように、「過圧事態」は、高められた圧力によって生じる液密貯槽２１４の密封結合性の弱化を指す。圧力調整弁２６０は液密貯槽２１４内に発生し得る最大圧力を制限する。圧力調整弁２６０は、過圧事態がおこりそうな圧力に液密貯槽２１４内部の圧力が達した場合に破裂する破裂版２６２の形態をとることができる。あるいは、またはさらに、圧力調整弁２６０は、貯槽２１４内部の圧力が高くなったときに周囲の空気及び／または液体を貯槽２１４内に入れさせずに貯槽２１４内のガス及び液体を環境に放出することを可能にする、一方向弁の形態を取ることができる。さらに、圧力調整弁２６０はガス及び／または液体電解質が貯槽２１４から抜け出す場所を制御する。したがって、ケース２１０を囲む構造は圧力調整弁２６０からの液流を収容するように設計することができる。

与えられた用途に必要な電気の貯蔵を提供するため、複数の電気化学的二重層キャパシタ２００を電気的に結合することができる。ケース２１０は、それぞれに二重層キャパシタセル４００が挿入される、複数の駅密貯槽２１４を備えることができる。

図３を次に参照すれば、電気化学的二重層キャパシタ２００のための圧力監視システム１００の一実施形態が示される。圧力監視システム１００は圧力追従メンブラン１１０の撓みを監視する変位測定デバイス１０２を備える。図３に示される実施形態は圧力追従メンブラン１１０の変位距離を監視する光測定システム１２０を備える。光測定システム１２０は、レーザ１２２，高解像度カメラ及び白色光走査型センサを有することができるが、これらには限定されない。

図３に示される圧力追従メンブラン１１０はケース２１０の局所的薄化部１１１である。ケース２１０内の液体電解質の圧力が高まるにつれて、圧力追従メンブラン１１０は外向きに撓むであろう。変位測定デバイス１０２は変位測定デバイス１０２と圧力追従メンブラン１１０の間の最小距離を監視する。変位測定デバイス１０２は、変位測定デバイス１０２と、ここでは隣接するキャップ部２１６の表面である、基準面１１２の間の距離を監視することもできる。圧力追従メンブラン１１０と基準面１１２の間の距離を監視することにより、圧力追従メンブランの撓み量の決定が可能になる。この撓み量はケース２１０内の内部圧力に対応する。

図３に示される実施形態は基準面１１２から引っ込められた圧力追従メンブラン１１０を示すが、圧力追従メンブラン１１０が基準面１１２に沿って配置される、ケース２１０の別の実施形態が考えられる。そのような実施形態において、圧力追従メンブラン１１０は、ケース２１０内部の圧力が圧力追従メンブラン１１０を外向きに撓ませていないときには基準面１１２とほぼ同じ平面にある。

理論にこだわらずに、圧力追従メンブラン１１０の撓み量は、圧力追従メンブラン１１０の厚さ及び材料特性、圧力追従メンブラン１１０とケース２１０の周囲構造の間の連結方法、及び圧力追従メンブラン１１０にかけて印加される圧力差を生じさせるケース２１０内の内部圧力の強さを含むが、これらには限定されない、様々な要因に基づく。本開示にしたがう電気化学的二重層キャパシタ２００は、圧力差による圧力追従メンブラン１０内の応力が圧力追従メンブラン１１０の降伏強さ及び／または引張り強さをこえる前に圧力追従メンブラン１１０にかかる圧力差が変位測定デバイス１０２によって検出されるように、設計することができる。圧力追従メンブラン１１０の引張り強度がこえられると、圧力追従メンブランは液密貯槽２１４の密封結合性を弱め得る。したがって、圧力監視システム１００はそのような過圧事態になる前に液密貯槽２１４内部の圧力の上昇を検出する。

ケース２１０は、アルミニウム、鋼鉄及びこれらの合金を含む、金属、プラスチック、ファイバ強化プラスチック、またはセラミックを含むが、これらには限定されない、様々な材料で形成することができる。同様に、圧力追従メンブラン１１０は適する様々な材料で形成することができる。一実施形態において、圧力追従メンブラン１１０は１０００系アルミニウムで作製することができる。

図４を次に参照すれば、電気化学的二重層キャパシタ２００のための圧力監視システム１００の別の実施形態が示される。圧力監視システム１００は、変位測定デバイス１０２と圧力追従メンブラン１１０の間の接触に基づいて圧力追従メンブラン１１０の撓みを測定する、変位測定デバイス１０２を備える。図４の変位測定デバイス１０２は接触感知プローブ１３２と圧力追従メンブラン１１０の間の接触を示す接触監視システム１３０である。接触監視システム１３０は接触感知プローブ１３２と圧力追従メンブラン１１０の間の接触を示す電気信号を与えることができる。接触感知プローブ１３２は未変形圧力追従メンブラン１１０からケース２１０の所望の最大内部圧力に対応する距離だけ離しておかれる。

圧力監視システム１００の別の実施形態において、接触監視システム１３０は接触感知プローブ１３２に結合された力測定デバイスを備えることができる。接触感知プローブ１３２は圧力追従メンブラン１１０を撓ませて未変形状態に戻すことができる。力測定デバイスによって測定されるような、圧力追従メンブラン１１０を変形させて未変形状態に戻すに必要な力は、ケース２１０の内部圧力に対応する。

図５を次に参照すれば、電気化学的二重層キャパシタ２００のための圧力監視システム１００の別の実施形態が示される。圧力監視システム１００は、液体、可塑性固体または粘弾性流体としてケース２１０に入れられ、固化または変形して圧力追従メンブラン１１０及び基準面１１２の形状をとることが可能にされる、キャスタブル材料１４０を備えることができる。そのようなキャスタブル材料１４０の一例にはパテがある。図５に示されるように、キャスタブル材料１４０は、キャスタブル材料１４０が圧力追従メンブラン１１０及び基準面１１２のいずれにも接触しているように、ケース２１０のキャップ部２１６上に配される。キャスタブル材料１４０が固化してしまうと圧力追従メンブラン１１０の撓みがキャスタブル材料１４０に転写され、キャスタブル材料をケースから取り外し、様々な検査法にしたがって検査して、圧力追従メンブラン１１０の撓みを決定することができる。

図６を次に参照すれば、圧力追従メンブラン１１０の別の実施形態が示される。この実施形態において、圧力追従メンブラン１１０は、保持リング１１６内に係留された弾性バリアシート１１４を含む。圧力追従メンブラン１１０は、圧力追従メンブラン１１０が液密貯槽２１４内に保持される液体電解質と、またいかなるガスとも、流体が通じているように、ケース２１０の開口に挿入される。図６に示されるように、保持リング１１６は、液密貯槽２１４を維持し、圧力追従メンブラン１１０の液密貯槽２１４との流体流通の維持を可能にし続けるための封止力を保持リング１１６に印加する、止めねじ１１８によって所定の場所に保持される。図３〜５に示される圧力監視システム１００に関して論じたように、圧力追従メンブラン１１０の撓みをケース２１０の基準面１１２に対して比較することができる。

図６に示される圧力追従メンブラン１１０は機械的締結具によってケース２１０に確実に固定されるが、溶接、鑞付け及び接着を含むが、これらには限定されない、その他の固定方法が考えられる。一実施形態において、圧力追従メンブラン１１０はキャップ部２１６の周囲構造にレーザ溶接される。

図７を次に参照すれば、電気化学的二重層キャパシタ２００の動作を監視及び制御するための制御システム９０は圧力監視システム１００を組み込んでいる。変位測定デバイス１０２は、変位感知信号３０２で、圧力追従メンブラン１１０の変位を決定するかまたは圧力追従メンブランが接触感知プローブ１３２に接触しているか否かを判定する。変位測定デバイス１０２は変位距離信号３０４を電子制御ユニット３００に送る。電子制御ユニット３００はプロセッサ３１０及び、コンピュータが読み取ることができ、実行することができる、命令セットを格納する、メモリ３２０を備える。電気化学的二重層キャパシタ２００内で最高内部圧力に達したと電子制御ユニット３００が決定すると、電子制御ユニット３００は表示信号３０６をインジケータ３３０に送ることができ、インジケータ３３０は電気化学的二重層キャパシタ２００内で最高内部圧力に達したことを使用者に示す。そのようなインジケータの例には信号ランプまたはチャイム音があるが、これらには限定されない。

電子制御ユニット３００は電荷制御信３０８号を電荷管理システム３４０に送ることもできる。電荷制御システム３４０は、貯蔵電荷を増やす、高い電圧差を電気化学的二重層キャパシタ２００の二重層キャパシタセルに印加するかあるいは、貯蔵電荷を減らす、低い電圧差を二重層キャパシタセル４００に印加する、システムアーキテクチャを有する。ケース内の圧力上昇は電気化学的二重層キャパシタ２００の性能の劣化及び／または健全性の低下の指標であるから、電荷制御信号３０８は、電気化学的二重層キャパシタ２００の二重層キャパシタセル４００への充電電圧の供給を停止させるための命令を電荷管理システム３４０に与えることができる。電荷制御信号３０８は、電気化学的二重層キャパシタ２００に放電電圧３４４を印加するための命令を電荷管理システム３４０に与えることもできる。電気化学的二重層キャパシタ２００を放電させることにより、ケース２１０内部の圧力を下げることができ、ケース２１０内に過圧事態がおこる見込みを低めることができる。

いくつかの実施形態において、電子制御ユニット３００は圧力調整弁２６０に電気的に接続することができる。電子制御ユニット３００は、ガス及び／または液体電解質をケース２１０から出して、ケース２１０内に過圧事態がおこる見込みを下げるように、圧力調整弁２６０を開位置に動かすための弁位置信号を圧力調整弁２６０に与えることができる。

本開示にしたがう電気化学的二重層キャパシタのための圧力監視システムが二重層キャパシタセルを保持している液密貯槽の内部の圧力を決定するために圧力追従メンブランの撓みを監視することが今では理解されるはずである。圧力追従メンブランの撓みは、メンブランにかけられる内部圧力に相関され、二重層キャパシタセルの性能及び健全性の指標である。圧力監視システムは、電気化学的二重層キャパシタの充電の停止を命令する、及び／または電気化学的二重層キャパシタからの放電を命令する、制御システムとともに備えることができる。

用語「実質的に」及び「約」が、いかなる量的比較、値、測定値またはその他の表現にも属し得る不確定性の本質的な大きさを表すために本明細書に用いられ得ることに注意されたい。これらの用語は、量的表現が、論じられる主題の基本的機能に変化を生じさせずに、言明された基準から変わり得る大きさを表すためにも本明細書に用いられる。

特定の実施形態を本明細書に示し、説明したが、特許請求される主題の精神及び範囲を逸脱することなくその他の様々な変更及び改変がなされ得ることは当然である。さらに、特許請求される主題の様々な態様を本明細書に説明したが、そのような態様が組み合わせて用いられる必要はない。したがって、添付される特許請求の範囲は、特許請求される主題の範囲内にあるような変更及び改変の全てを包含するとされる。

９０ 制御システム
１００ 圧力監視システム
１０２ 変位測定デバイス
１１０ 圧力追従メンブラン
１１１ 局所的薄化部
１１２ 基準面
１１４ 弾性バリアシート
１１６ 保持リング
１１８ 止めねじ
１２０ 光測定システム
１２２ レーザ
１３０ 接触監視システム
１３２ 接触感知プローブ
１４０ キャスタブル材料
２００ 電気化学的二重層キャパシタ
２１０ ケース
２１１ 外部アクセス可能表面
２１２ ハウジング
２１３ 空洞
２１４ 液密貯槽
２１６ キャップ部
２１８ 端子
２６０ 圧力調整弁
２６２ 破裂版
３００ 電子制御ユニット
３０２ 変位感知信号
３０４ 変位距離信号
３０６ 表示信号
３０８ 電荷制御信号
３１０ プロセッサ
３２０ メモリ
３３０ インジケータ
３４０ 電荷管理システム
３４２ 充電電圧
３４４ 放電電圧
４００ 二重層キャパシタセル
４０２ 電極
４０４ 接続領域
４０６ 非導電性セパレータ層

Claims (5)

1. 電極及び電解質を保持するための電気化学的二重層キャパシタのケースにおいて、前記ケースが、
   空洞を有するハウジング、
   前記ハウジングに結合されて前記空洞とともに液密貯槽を形成するキャップ部、
   前記ハウジングまたは前記キャップ部の１つ以上に組み込まれた複数の端子であって、前記電極に電気的に結合されるように適合される複数の端子、
   及び
   前記ハウジングまたは前記キャップ部の一方に組み込まれた圧力追従メンブラン、
   を備えることを特徴とするケース。
2. 前記圧力追従メンブランが、保持リングに結合された弾性バリアシートを含むことを特徴とする請求項１に記載のケース。
3. 前記圧力追従メンブランが前記ハウジングまたは前記キャップ部の一方の局所的薄化部であることを特徴とする請求項１に記載のケース。
4. 前記ハウジングまたは前記キャップ部の一方に組み込まれ、前記液密貯槽と流体が通じている、圧力調整弁をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のケース。
5. 電気化学的二重層キャパシタのための圧力監視システムにおいて、
   液密貯槽を有するケース、
   前記ケースに組み込まれた圧力追従メンブランであって、前記液密貯槽内部の流体圧力に応答して撓む圧力追従メンブラン、
   及び
   前記圧力追従メンブランの撓みを測定するように適合された変位測定デバイス、
   を備えることを特徴とするシステム。

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