JP3766324B2

JP3766324B2 - 電気二重層キャパシタの製造方法およびその装置

Info

Publication number: JP3766324B2
Application number: JP2001369895A
Authority: JP
Inventors: 雅二水村
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-12-04
Also published as: JP2003173946A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気二重層キャパシタの製造方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の蓄電装置として、急速充電が可能で充放電サイクル寿命が長い、電気二重層キャパシタの適用技術が注目される。
【０００３】
電気二重層キャパシタは、同数の正極体と負極体をこれらの間にセパレータを介在させて交互に積層して構成される。これら積層体（キャパシタ本体）は電解液に浸され、容器に収容して密封される（特許第３００５９９２号，特開平７−９４３７４号、参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、このような電気二重層キャパシタの従来技術を踏まえつつ、高品質の電気二重層キャパシタを能率的に製造する方法およびその装置の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、集電極の両面に分極性電極を構成する電極シートを２つ折りのセパレータの間に挟み込む工程と、これらを１組のモジュールに所定組を積層してキャパシタ本体に構成する工程と、容器にキャパシタ本体を電解液と共に収容して密封する工程と、を備える電気二重層キャパシタの製造方法において、所定組のモジュールからこれを積層してキャパシタ本体に構成する工程は、モジュールの片面をこれに平面接触するエレメントを介して吸引することにより、電極シートをエレメントにセパレータを介して吸着しつつ、モジュールを次の工程へ搬送する工程を含むものであり、２つ折りのセパレータの重なり合う面積は、その間に挟まれる電極シートの面積よりも大きく設定され、モジュールの片面に平面接触するエレメントの吸着範囲は、電極シートの面積からはみ出る２つ折りのセパレータの重なり合う部分へ及ぶように設定されることを特徴とする。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明に係る電気二重層キャパシタの製造方法において、エレメントは、焼結金属から作られることを特徴とする。
【０００７】
第３の発明は、集電極の両面に分極性電極を構成する電極シートを２つ折りのセパレータの間に挟み込む工程と、これらを１組のモジュールに偶数組を積層してキャパシタ本体を構成する工程と、容器にキャパシタ本体を電解液と共に収容して密封する工程と、の処理手段を備える電気二重層キャパシタの製造装置において、所定組のモジュールからこれを積層してキャパシタ本体に構成する工程の処理手段は、モジュールの片面をこれに平面接触するエレメントを介して吸引することにより、電極シートをエレメントにセパレータを介して吸着しつつ、モジュールを次の工程へ搬送する工程の処理手段として、所定の搬送範囲を移動可能に支持される基板と、基板にピストンロッドがモジュールに対するエレメントの接触面との直交方向へ伸縮する状態に据え付けられるエアシリンダと、そのピストンロッドの先端に設けられるエレメントの支持部と、エレメントの支持部がピストンロッドと共に回るのを防止する手段と、エレメントの吸着面を電極シートの面積よりも大きく形成するか、電極シートに対するエレメントの吸着位置にオフセットを設定する手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
第４の発明は、第３の発明に係る電気二重層キャパシタにおいて、エレメントの支持部がピストンロッドと共に回るのを防止する手段は、エレメントの支持部をエアシリンダに複数のピストンロッドを介して支持することを特徴とする。
【０００９】
第５の発明は、第３の発明に係る電気二重層キャパシタの製造装置において、エレメントの支持部は、エレメントをモジュールに対する接触面との直交方向へ変位可能に弾性体を介して支持する機構を備えることを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
第１の発明においては、モジュールは、その片面に平面接触するエレメントを介して吸引され、電極シートがエレメントにセパレータを介して吸着するため、２つ折りのセパレータ（紙製などの多孔質膜）とその間に挟み込まれる電極シートとの間にズレを生じさせることなく、次の工程へモジュールを適確に搬送できる。
【００１２】
また、エレメントの吸着範囲は、電極シートの面積からはみ出る２つ折りのセパレータの重なり合う部分に及ぶので、電極シートがエレメントにセパレータを介して吸着されると、２つ折りのセパレータは、電極シートの面積からはみ出る部分（余白）において、エレメントに吸着するセパレータ部分（２つ折りの半面）を通して反対側のセパレータ部分が吸引され、２つ折りに密着するため、モジュールの搬送中に２つ折りのセパレータが開かれる（２つ折りの半面が垂れてしまう）のを防止できる。２つ折りに密着しないと、搬送先にモジュールを運び降ろす際にセパレータがズレを起こしやすくなる。
【００１３】
第２の発明においては、焼結金属の微細な空孔により、エレメントの開口率を良好に維持しながら、その吸着面の高い平面精度を確保できる。このため、エレメントに吸引され密着するセパレータにその跡（皺など）を生じさせることもない。
【００１４】
第３の発明においては、モジュールを搬送する工程の処理手段により、モジュールはエレメントを介して吸引され、電極シートがエレメントにセパレータを介して吸着するため、２つ折りのセパレータ（紙製などの多孔質膜）とその間に挟み込まれる電極シートとの間にズレを生じさせることもなく、次の工程へモジュールを搬送できる。この場合、エレメントの吸着面を電極シートの面積よりも大きく形成するか、電極シートに対するエレメントの吸着位置にオフセットを設定する手段により、２つ折りのセパレータの重なり合う面積をその間に挟まれる電極シートの面積よりも大きく設定すると、モジュールの搬送中に２つ折りのセパレータが開かれる（２つ折りの半面が垂れてしまう）のを防止できるばかりでなく、エレメントの支持部がピストンロッドと共に回るのを防止する手段を備えるため、モジュールの適確な搬送が可能となる。
【００１５】
第４の発明においては、エレメントの支持部をエアシリンダに複数のピストンロッドを介して支持することにより、エレメントの支持部が回るのを防止することができる。
【００１６】
第５の発明においては、弾性体により、エレメントをモジュールに押し付け、密着状態で吸引することにより、エレメントにモジュールを適確に吸着させることが可能となる。エアシリンダの動き（エレメントの吸着面に対する直交方向へのストローク）も弾性体に吸収され、モジュールに過大な負荷を及ぼすことも避けられる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１において、電気二重層キャパシタの一例を説明する。１０はキャパシタ本体を電解液と共に収容する容器、１１は容器１０の外部に引き出される１対の端子板（キャパシタ電極）であり、各端子板１１ａ，１１ｂは軽量かつ抵抗の小さいアルミニウムから短尺状に形成される。
【００１８】
キャパシタ本体については、同数の正極体と負極体をこれらの間にセパレータを介在させて交互に積層して構成される。正極体および負極体は、集電極とその両面の分極性電極（活性炭電極）とから組成される。これらの集電極は、矩形状の金属箔（たとえば、アルミニウム箔）からなり、その矩形平面の一辺に片側へ寄せて帯状のリード部が一体に成形される。各リード部の同極どうしは束ねられ、この結束部に極性の対応する端子板１１ａ，１１ｂが接合される。
【００１９】
容器１０は、金属層を含む積層構造の柔軟な材質の樹脂フィルム（たとえば、アルミラミネートフィルム）から同一形状に成形される２つの構成部分（底側部分と蓋側部分と）からなり、これらを組み合わせると、互いに向き合う平面矩形状の凹部によってキャパシタ本体の収容部が形成される。
【００２０】
底側部分の内側にキャパシタ本体は納められ、その上から蓋側部分が被せられる。容器１０の周縁において、１対の端子板１１（その一部）が引き出される一辺を除く三辺が熱溶着（熱シール）される。容器１０は、１対の端子板１１が突き出る一辺が開口可能となり、その開口部から内部に電解液が注入され、電解液の含浸および電解精製が終わると、余分な電解液が抜き取られ、真空状態に密封（残りの開口可能な一辺が熱溶着）されるのである。図１において、１３ａ〜１３ｄは熱溶着部を表す。
【００２１】
図２は、キャパシタ本体の組成を説明するものであり、１は正極体１ａおよび負極体１ｂを構成する電極シートを表す。電極シート１は、素材（結着剤を含む活性炭を金属箔の両面に塗布または貼り合わせることにより作られる）から、プレスの型抜き加工により、所定形状（矩形平面の一辺に集電極のリード部２ａを備える）に成形される。素材の一側に金属箔の露出領域（活性炭の着かない部分）が設定され、この露出領域から集電極に一体のリード部２ａが成形される。
【００２２】
４は２つ折りのセパレータであり、所定面積の矩形生地（樹脂製または紙製の多孔質膜）から成形（折り加工）される。２つ折りのセパレータ４に電極シート１が１枚ずつ差し込まれ、１組のモジュール５に構成される。２つ折りのセパレータ４は、その半面どうしが重なり合う部分に電極シート１の周囲からはみ出る余白を生じる大きさ（展開面積）に設定される。
【００２３】
偶数組のモジュール５は、所定の積層状態に組まれる。各モジュール５は、集電極の一辺の片側へ寄るリード部２ａとの関係から、交互に表裏を反転させることにより、正極体１ａのリード部２ａが集電極の一辺の片側、負極体１ｂのリード部がその反対側、に各１列に並ぶよう積層されるのである。
【００２４】
電気二重層キャパシタの製造過程においては、グローブボックスの外部で処理される工程と、グローブボックスの内部で処理される工程と、に分けられる。グローブボックスの外部においては、電極シートを作成する工程、所定面積の矩形生地から２つ折りのセパレータ４を成形する工程、１対の端子板を作成する工程、容器の２つの構成部分を作成する工程、などが処理される。これらの構成材料は、グローブボックスの内部へ運び入れるに先立ち、真空乾燥炉に入れて乾燥（水分などの除去）が十分に行われる。
【００２５】
グローブボックスの高度に乾燥した不活性ガスの雰囲気中（露点温度は−６０℃程度）においては、２つ折りのセパレータ４に電極シート１を挟み込む工程（モジュール５を構成する工程）、偶数組のモジュール５を所定の積層状態に組む工程、積層体の同極どうしのリード部２ａ（その結束部）に極性の対応する端子板１１を接合（溶接）する工程、積層体を容器１０に収容する工程（容器１０を積層体の収容状態に組み立てる工程）、積層体を収容する容器１０の開口可能な一辺から電解液を注入する工程、積層体に電解液を含浸させる工程、積層体の残存水分や官能基を電解精製（電気分解）する工程、容器１０の開閉可能な一辺を密封する工程、などが処理される。
【００２６】
グローブボックスの内部に各工程の処理手段（２つ折りのセパレータ４の成形装置や密閉可能な槽など）およびワークを搬送する工程の処理手段が設備される。密閉可能な槽の内部においては、容器１０の内部への電解液の注入から積層体の電解精製までの各工程が順次に行われる。
【００２７】
電解液の含浸においては、密閉した槽の内部を真空状態に吸引する処理と、同じく槽の内部を高度に乾燥した常圧の不活性ガスを充填する（大気圧に戻す）処理と、が交互に繰り返される。これにより、積層体の分極性電極およびセパレータ４の隅々に電解液が十分に行き渡るようになり、電解液の含浸が短時間に効率よく処理される。
【００２８】
電解精製は、分極性電極（活性炭電極）などに含まれる残存水分や官能基を電気分解してＣＯ₂ガスに変えて除去する処理であり、電解液の含浸に続いて密閉した槽の内部において、１対の端子板１１ａ，１１ｂの間に一定の電流を流して設定電圧まで充電し、その後に放電させる、充放電のサイクルが何回か繰り返される。その際のＣＯ₂ガスは、真空引きにより、密閉した槽の内部からグローブボックスの外部へ吸引されるのである。
【００２９】
図３および図４は、モジュール５（ワーク）を搬送する工程の処理手段３０（搬送装置）を表すもの（図３は正面図、図４は右側面図）であり、グローブボックスの床面に１対の支柱３１および脚部（スタンド）を介して設置される。これら支柱３１の間に横梁３２が架設され、横梁３２に沿って水平方向へ延びるガイド３３が取り付けられる。３４はエアシリンダ３５の据え付け面を形成する基板であり、ガイド３３に沿って摺動自在なスライダ３６が基板３４の裏面に形成される。
【００３０】
エアシリンダ３５は、基板３４の表面に上下方向へ垂直に据え付けられ、ピストンロッド３７の先端に吸着パッド３８の支持部４０（ロボットのハンド）が設けられる。ピストンロッド３７は、１本の場合、吸着パッド３８の支持部４０が回る可能性があり、これを防ぐ上から、３本が平行に設定される。基板３４の裏面にブラケット４１が固定され、ブラケット４１にケーブルベア４２の一端が結合される。ケーブルベア４２の他端側は、横梁３２上をこれに沿って延ばされる。
【００３１】
モータが正方向または逆方向へ回転すると、直結したボールネジの回転により、スライダ３６をガイド３３に沿って摺動させながら、エアシリンダ３５をｘ軸方向へ移動させる。エアシリンダ３５は、エア供給源との間に配管設備が備えられ、配管設備が中立のエア遮断側からエア供給側またはエア排気側へ切り替わると、ピストンロッド３７が縮み側または伸び側への作動によりその先端のハンド４０を上下方向へ移動させる。
【００３２】
吸着パッド３８は、図５，図６のように平面矩形のハウジング３８ａと、その吸着面を形成するエレメント３８ｂと、から構成される。ハウジング３８ｂは、その表面に開口する凹部３８ｃが形成され、凹部３８ｃの開口段部にエレメント３８ｂが嵌め付けられる。凹部３８ｃの奥部はエレメント３８ｂに面する室３８ｄに形成され、凹部３８ｃの底面をハウジング３８ａの裏面に開口する通路３８ｅが設けられる。通路３８ｅに負圧供給源の配管設備が接続され、配管設備が負圧供給側または負圧開放側へ切り替わると、エレメント３８ｂに面する室３８ｄが負圧に吸引または大気に開放される。
【００３３】
エレメント３８ｂは、微細な空孔を持つ焼結金属から作られ、ハウジング３８ａの表面に所定の矩形面積の吸着面を形成する。ハウジング３８ａの四隅に貫通穴３８ｆが形成され、これらの穴３８ｆを介してボルト３８ｇ（図４，図５、参照）によりハンド４０の取付面に固定される。ハンド４０は、ピストンロッド３７の先端に結合される基板４０ａと、吸着パッド３８の取付面を形成する押板４０ｂと、基板４０ａに押板４０ｂをエアシリンダ３５の軸方向へ所定ストロークだけ変位可能に支持するロッド４０ｃと、基板４０ａと押板４０ｂとの間に介装される弾性体４０ｄ（スプリング）と、から構成される。ロッド４０ｃは一端が押板４０ｂに結合され、基板４０ａの摺動穴４０ｅを貫通する他端にストッパ４０ｆが結合される。４０ｇは基板４０ａの裏面にピストンロッド３７との結合面を形成する段部（凸部）である。
【００３４】
ハンド４０に支持される吸着パッド３８は、モータの回転方向およびエアシリンダ３５のストローク（伸縮）を制御することにより、所定の範囲をｘ軸方向およびｙ軸方向へ移動可能に設定される。ハンドリングについては、エアシリンダ３５のストロークにより、吸着パッド３８が搬送対象のモジュール５（図２、参照）へ垂直に降下する。エアシリンダ３５のストロークが大き過ぎても、ハンド４０の押板４０ｂが弾性体４０の圧縮方向へ変位してその分のストロークを吸収するため、エアシリンダ３５のストロークを厳格に管理する必要がない。むしろ、積極的にエアスプリング３５のストロークを大きめに設定すると、ハンド４０の弾性体４０ｄにより、吸着パッド３８をモジュール５の片面に押し付けることが可能となる。
【００３５】
ハンド４０の弾性体４０ｄに押され、吸着パッド３８のエレメント３８ｂがモジュール５の片面に隙間なく密着するようになり、吸着パッド３８を負圧に吸引すると、負圧が無駄なくモジュール５の吸着に生かせることになる。また、グローブボックスの高度に乾燥した不活性ガスを吸引するのも防止できる。もちろん、ハンド４０の弾性体４０ｄは、ショックの緩衝に役立つ。
【００３６】
搬送対象のモジュール５は、吸着パッド３８に吸引され、電極シート１がセパレータ４を介してエレメント３８ｂに吸着する。エアシリンダ３５のストロークにより、吸着パッド３８が上昇すると、エレメント３８ｂに吸着するモジュール５が持ち上げられるのである。そのため、２つ折りのセパレータ４とその間に挟む電極シート１との間にズレを生じさせることなく、次の工程へモジュール５を適確に搬送できる。
【００３７】
図９に示す挟み型のハンドリング装置の場合、挟み５０（クランプ）の対向面に高い平面度が要求されるほか、挟み５０の開閉動作により、薄物どうし（２つ折りのセパレータ４とその間に挟む電極シート１と）の間にズレが生じやすく、次の工程（モジュールを積層する処理）に支障を生じかねないのである。
【００３８】
搬送先においては、エアシリンダ３５のストロークにより、ハンド４０が降下してエレメント３８ｂに吸着するモジュール５を所定位置に着座させる。負圧の吸引が停止されると、モジュール５は、エレメント３８ｂの吸着面から解放され、エアシリンダ３５のストロークにより、吸着パッド３８が上昇すると、エレメント３８ｂから離れるようになる。
【００３９】
モジュール５の搬送中については、２つ折りのセパレータ４に挟まれる電極シート１の金属箔（集電極）が負圧を通さないため、２つ折りのセパレータ４のエレメント３８ｂに吸着される半面の反対側が垂れてくる可能性が考えられる（図７，図８、参照）。そのため、エレメント３８ｂの吸着範囲が２つ折りのセパレータ４の余白（電極シート１の周囲からはみ出る２つ折りに重なり合う部分）へ及ぶように設定される。
【００４０】
具体的には、エレメント３８ｂの吸着面を電極シート１の面積よりも大きく形成するか、図７のようにエレメント３８ｂと電極シート１との間にズレ（モジュール５に対するエレメント３８ｂの吸着位置にオフセット）を設定するのである。これらの対処により、エレメント３８ｂに電極シート１がセパレータ４を介して吸着されると、２つ折りのセパレータ４は、電極シート１の周囲からはみ出る余白において、エレメント３８ｂに吸着するセパレータ部分４ａ（２つ折りの半面）を通して反対側のセパレータ部分４ｂがエレメント３８ｂの負圧に吸引され、２つ折りに密接するようになり、モジュール５の搬送中に２つ折りのセパレータ４が垂れるのを防止できる。
【００４１】
図８は、別の対処を説明するものであり、２つ折りのセパレータ４が垂れないように抑えるのでなく、垂れたセパレータ部分４ｂをハンド４０の動きにより矯正しようとするものである。そのため、モジュール５の搬送先にバー５１が備えられる。モジュール５を所定位置へ降下させるハンド４０の動きにより、垂れたセパレータ部分４ｂはバー５１に当てられ、モジュール５の着座時にセパレータ部分４ａ（エレメント３８ｂに吸着する）へ２つ折りに重ねられるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気二重層キャパシタの外観図である。
【図２】キャパシタ本体の組成を表す説明図である。
【図３】搬送装置の正面図である。
【図４】搬送装置の右側面図である。
【図５】吸着パッドの説明図である。
【図６】吸着パッドの一部斜視図およびエレメントの説明図である。
【図７】搬送途中の説明図である。
【図８】搬送先の動作を表す説明図である。
【図９】挟み型のハンドリング装置を表す説明図である。
【符号の説明】
１電極シート
４２つ折りのセパレータ
５モジュール
１０容器
１１ａ，１１ｂ端子板（キャパシタ電極）
３０搬送装置
３３ガイド
３５エアシリンダ
３６スライダ
３８吸着パッド
３８ａハウジング
３８ｂエレメント
３８ｄ室
３８ｅ通路
４０ハンド
４０ａ基板
４０ｂ押板
４０ｃロッド
４０ｄ弾性体

Claims

集電極の両面に分極性電極を構成する電極シートを２つ折りのセパレータの間に挟み込む工程と、これらを１組のモジュールに所定組を積層してキャパシタ本体に構成する工程と、容器にキャパシタ本体を電解液と共に収容して密封する工程と、を備える電気二重層キャパシタの製造方法において、所定組のモジュールからこれを積層してキャパシタ本体に構成する工程は、モジュールの片面をこれに平面接触するエレメントを介して吸引することにより、電極シートをエレメントにセパレータを介して吸着しつつ、モジュールを次の工程へ搬送する工程を含むものであり、２つ折りのセパレータの重なり合う面積は、その間に挟まれる電極シートの面積よりも大きく設定され、モジュールの片面に平面接触するエレメントの吸着範囲は、電極シートの面積からはみ出る２つ折りのセパレータの重なり合う部分へ及ぶように設定されることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造方法。
エレメントは、焼結金属から作られることを特徴とする請求項１の記載に係る電気二重層キャパシタの製造方法。
集電極の両面に分極性電極を構成する電極シートを２つ折りのセパレータの間に挟み込む工程と、これらを１組のモジュールに偶数組を積層してキャパシタ本体を構成する工程と、容器にキャパシタ本体を電解液と共に収容して密封する工程と、の処理手段を備える電気二重層キャパシタの製造装置において、所定組のモジュールからこれを積層してキャパシタ本体に構成する工程の処理手段は、モジュールの片面をこれに平面接触するエレメントを介して吸引することにより、電極シートをエレメントにセパレータを介して吸着しつつ、モジュールを次の工程へ搬送する工程の処理手段として、所定の搬送範囲を移動可能に支持される基板と、基板にピストンロッドがモジュールに対するエレメントの接触面との直交方向へ伸縮する状態に据え付けられるエアシリンダと、そのピストンロッドの先端に設けられるエレメントの支持部と、エレメントの支持部がピストンロッドと共に回るのを防止する手段と、エレメントの吸着面を電極シートの面積よりも大きく形成するか、電極シートに対するエレメントの吸着位置にオフセットを設定する手段と、を備えることを特徴とする電気二重層キャパシタの製造装置。
エレメントの支持部がピストンロッドと共に回るのを防止する手段は、エレメントの支持部をエアシリンダに複数のピストンロッドを介して支持することを特徴とする請求項３の記載に係る電気二重層キャパシタの製造装置。
エレメントの支持部は、エレメントをモジュールに対する接触面との直交方向へ変位可能に弾性体を介して支持する機構を備えることを特徴とする請求項３の記載に係る電気二重層キャパシタの製造装置。