JP5028346B2

JP5028346B2 - 蓄電装置

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Publication number: JP5028346B2
Application number: JP2008168802A
Authority: JP
Inventors: 恭行勝部
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: JP2010010460A

Description

本発明は、電気二重層キャパシタ等の蓄電セルを任意数積層するとともに各セル間を積層順に直列接続して一体化した蓄電装置に関し、とくに、蓄電装置における放熱構造の改良技術に関する。

蓄電装置の基本構成要素である蓄電セルは、シート状の正極と負極をセパレータを介して対向配置させながら所定数積層してなる電極体を、電解液とともにラミネートフィルムの外装体内に密封したものである。この蓄電装置は、たとえば負荷平準化等の蓄電用として使用されているが、一つの蓄電セルでは出力電圧（起電力）が低いため、任意数を直列接続してモジュール（蓄電セルモジュール）にしてから使用されるのが普通である。

図８に蓄電セルの外観図を示した。電極体は扁平箱状であり、この電極体が扁平な矩形袋状のラミネートフィルムからなる外装体１１の中に収納される。それによって、蓄電セル１０は、平板状の外装体１１の中央にこの電極体による扁平箱状のふくらみ１３が形成された形状となる。また、この例では、電極体の正負両極に接続された金属薄板からなる扁平突起状の電極端子１２が外装体１１に露出している。そして、この蓄電セル１０を積層して直列接続した蓄電セルモジュールを筐体内に収納するとともに、外部装置との接続に適した形態にしたものが蓄電装置である。

図９に一般的な蓄電装置の外観を示した。また、図１０にその蓄電装置の内部構造の概略を示した。蓄電装置１ｂは、蓄電セルモジュール１００を筐体２内に収納してなっている。蓄電セルモジュール１００は、蓄電セル１０を複数積層するとともに、隣り合う蓄電セル１０の異極の電極端子１２同士で積層方向に順次接続して直列接続してなっている。なお、例示した蓄電装置１ｂでは、蓄電セル１０の積層方向を前後とすると、前後両端に配置された蓄電セル１０ａの外部端子１２ａには肉厚の金属プレートからなるＬ字型の外部端子板３が接続され、その端子板３が筐体２外に導出されている。

ところで、上述したような蓄電装置では、充放電反応に伴い蓄電セルが発熱し、その熱によって性能が劣化するため、放熱対策を講じる必要がある。以下の特許文献１に記載の蓄電装置では、蓄電セルの間に熱伝導率の高いアルミニウムなどの金属製プレートを挟み込んでいる。そして、その金属プレートが蓄電セルの側方や下方に延長し、その延長先端を金属製の放熱板に接触させることで効率よく放熱している。
特許第３９８４２７６号公報

上記特許文献１に記載されている蓄電装置では、積層状態にある個々の蓄電セルの層間に介する金属板表面とそれに面接触する蓄電セルの外装体表面との摩擦係数が低いため、装置が振動すると、個々の蓄電セルが積層方向に対して直交する積層面方向にずれる。すなわち、金属板と個々の蓄電セルが相対的に剪断方向に振動する。その結果、例えば、蓄電セルの外装体外に導出されて相互に直列接続されて固定されている金属薄板からなる電極端子のエッジにより、外装体周囲の封止箇所が外部から破断されてしまったり、外装体内で外部端子に接続されている電極体が外装体に対して相対的に振動して外装体が内部から破断されてしまったりする。

また、特許文献１に記載の蓄電装置では、側面がフィンを備えた金属製の放熱板となっており、蓄電装置を設置する際、この放熱板が装置外部の電気回路などの外部装置に接触しないように外部装置とを離間する必要がある。また、下方の金属製放熱板については、絶縁性の樹脂からなるプレートを層状にして積層するとともに、高絶縁性の樹脂かなら固定部材を「下駄」にしている。すなわち、蓄電装置を載置する際に、蓄電装置の底面が直接接触しないようにしている。そのため、固定部材の厚さだけ蓄電装置の全高が高くなり、蓄電装置の小型化を困難にしている。

本発明は以上のような問題を鑑みたものであって、その目的は、蓄電装置において、積層状態にある蓄電セルの発熱に起因する性能劣化を防止した上で、振動による蓄電セルの破損を防止し、装置の小型化を達成することにある。

本発明者らは、蓄電装置における振動に関わる問題や、設置およびサイズに関わる問題について考察した。そして、振動については、それを抑制するのではなく、振動を許容した上で、放電セルと放熱のために蓄電セルと面接触する金属板とが相対的に振動しなければ上記課題を解決できると考えた。また、設置やサイズについては、各蓄電セルの温度を積極的に冷却するのではなく、温度差を無くして均一にすれば蓄電セル間の特性のばらつきを低減させ充放電反応を安定化させることができる、と発想を転換し、従来の蓄電装置のように、放熱や冷却のために金属部材を外部に露出させる構造を否定することで解決できると考えた。

本発明は、上記考察に基づいてなされたもので、所定数の正極と負極がそれぞれセパレータを介して対向配置されてなる電極体が電解液とともにラミネートフィルムの外装体内に密封されてなる扁平矩形状の蓄電セルが前後方向に複数積層された状態で筐体内に収容されるとともに、各蓄電セルにおける正負両極の電極端子が直列接続されてなる蓄電装置であって、
前記筐体は、絶縁体材料からなり、
前記筐体内において、前記蓄電セルを複数積層させた状態で保持するための積層構造体を備え、
前記積層構造体は、略直方体の外観形状をなすとともに、扁平箱状の複数のユニットが積層されてなるとともに、内部が前後方向に層状となるように複数の空間に仕切られ、
前記ユニットには、積層方向の前後両端に配置される一対の端面ユニットと、当該一対の端面ユニット間に少なくとも一つ以上配置される中間ユニットがあり、前記各ユニットは、それぞれ、難燃性の絶縁体材料からなる枠状部材に、高熱伝導性材料からなる放熱部材を取り付けられてなり、
個々の前記蓄電セルは、隣接する２つの前記ユニットにおける前記枠状部材の内側に配置され、
前記端面ユニットの前記放熱部材は、積層状態にある前記蓄電セルの最前面と最後面に面接触するとともに、前記積層構造体の前後面を構成し、
前記中間ユニットの前記放熱部材は、前記枠状部材を前後に仕切る隔壁を構成し、積層状態にある前記蓄電セルの層間に介在して前記隔壁の前後に配置されている前記蓄電セルのそれぞれの後面と前面に接触し、
前記各ユニットの前記放熱部材は、前記枠状部材の左右側面外側に延長するとともに、各ユニットの一部あるいは全部における前記放熱部材は、当該枠状部材の側面に沿って略コの字型断面となるように屈曲しつつ前後の前記ユニットの前記放熱部材同士が前記積層構造体の左右側面を形成し、
前記積層構造体の前後左右の面は、前記筐体の内壁面に面接触し、
前記各ユニットの前記放熱部材における前記蓄電セルとの接触面に粘着性を有する粘着層が形成されている蓄電装置としている。

また、前記放熱部材は、アルミニウム、鉄、銅のいずれかの金属を基材とし、前記粘着層として、当該基材の少なくとも前記蓄電セルとの接触面に低熱伝導性樹脂あるいはエストラマーを主原料とする薄膜が形成されてなる蓄電装置とすることができる。そして、前記粘着層は、５００μｍ以下の厚さであればより好ましい。

本発明の蓄電装置によれば、各蓄電セルを積層構造体の中に収納するとともに、その積層構造体を絶縁体材料からなる筐体内に収容する構造を採用することで、蓄電セル間の温度を平均化させて安定した充放電特性を得ることができるとともに、周囲の回路などとの間に絶縁のための距離や構造を不要にして、さまざまな設置形態に対応し装置の小型化も可能となる。

また、放熱部材の表面に粘着性を有する粘着層が形成されているので、蓄電セルと積層構造体を構成する放熱部材とが粘着した状態で面接触し、装置自体が振動しても、蓄電セルと放熱部材との相対的な振動が発生せず、蓄電セルの破損を確実に防止することができる。

＝＝＝蓄電装置の基本構造＝＝＝
本発明の蓄電装置は、筐体内に蓄電セルモジュールを保持するための構造に特徴がある。図１に、本発明の蓄電装置における一実施例を示した。（Ａ）は装置全体の外観図であり、（Ｂ）は筐体内に収納されている上記保持構造の主体である構造体（積層構造体）の外観図である。この蓄電装置１の外観は、図９に示した従来の蓄電装置１ｂと同様である。しかし、蓄電セルモジュールを保持するために、筐体２内に、当該筐体２内の形状にほぼ沿う略直方体の箱形をなす積層構造体２０を備えている。

積層構造体２０は、蓄電セルモジュールにおける各蓄電セル１０の積層方向を前後とし、外部端子板３の突設方向を上方とすると、前後に積層された複数のユニット（３０ａ〜３０ｃ）を主体として構成されている。そして、内部に蓄電セル１０の収容空間を有し、上面の前後両端に、筐体２外に導出される外部端子板３が固定されている。蓄電装置１は、この積層構造体２０を、フェノール樹脂など、高絶縁性の高剛性素材からなる筐体内に収納した構造となっている。

＝＝＝積層構造体の構造＝＝＝
図２に積層構造体２０の内部構造を示した。当該図では、積層構造体２０を右側面から見たときの断面に相当する図１（Ｂ）におけるａ−ａ矢視断面（Ａ）と、ｂ−ｂ矢視断面、すなわち積層構造体２０を上方から見た時の断面図（Ｂ）とを示した。また、図３に積層構造体２０の分解斜視図を示した。積層構造体２０は、扁平箱状の複数のユニット（３０ａ〜３０ｃ）を前後に積層した構造であり、具体的には、前後両端に配置される一対の端面ユニット（３０ａ，３０ｂ）と、この一対の端面ユニット（３０ａ，３０ｂ）間に配置される中間ユニット３０ｃとが前後に層状に連結された構造となっている。なお、図２では、隣り合うユニット（３０ａ〜３０ｃ）同士を容易に識別できるように、交互に網点と斜線のハッチングで示した。また、蓄電セル１０については網のハッチングで示した。そして、以下の説明を容易にするために、積層構造体２０の前後上下左右方向を当該図２に示すように規定した。

上述したように、積層構造体２０は、ユニット（３０ａ〜３０ｃ）同士を積層することで略直方体の箱状となる。そして、この箱の内部に蓄電セル１０が積層状態で収納されて保持される。本実施例では、４組の蓄電セル１０が収納された積層構造体２０を示しており、前後それぞれに配置される一対の端面ユニット（３０ａ，３０ｂ）と三つの中間ユニット３０ｃとで構成されている。また、各ユニット（３０ａ〜３０ｃ）は、一体構造ではなく、それぞれ、難燃性の絶縁体材料からなる枠状部材（３２ａ〜３２ｃ）に、高熱伝導性材料からなるプレート状の放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）が取り付けられた構造となっている。

図２（Ａ）に示すように、前後一対の端面ユニット（３０ａ，３０ｂ）は、それぞれ、左右側面方向からの断面形状が略コの字型の断面形状を有し、放熱部材（３１ａ，３１ｂ）は、このコの字の底に対応する底面を構成する。そして、これらの端面ユニット（３０ａ，３０ｂ）が当該コの字の開放端側が対面するように蓄電セルモジュール１００の前後両端に配置されている。また、端面ユニット（３０ａ，３０ｂ）は、同図（Ｂ）に示すように、前後で対称ではなく、形状が若干異なっており、前方の端面ユニット３０ａの放熱部材３１ａが単純な平板状であるのに対し、後方の端面ユニット３０ｂの放熱部材３１ｂは、枠状部材３２ｂの後面と側面を構成する略コの字型断面形状となっている。そして、放熱部材３１ｂの側面が枠状部材３２ｂの前方外側まで延長している。一方、中間ユニット３０ｃは、すべて同じ形状であり、図２（Ａ）に示すように、左右側面から見た断面形状が略Ｉ字型であり、放熱部材３１ｃがそのＩ字の縦線に対応する隔壁を構成する。

そして、上記各ユニット（３０ａ〜３０ｃ）を前後に積層してなる積層構造体２０の内部は、端面ユニット（３０ａ，３０ｂ）の底と、中間ユニット３０ｃにおける隔壁とによって、層状に複数の空間に仕切られ、個々の蓄電セル１０が、その複数の空間のそれぞれに一つずつ収納される。具体的には、前後に連続する２つのユニット（３０ａ〜３０ｃ）の枠状部材（３２ａ〜３２ｃ）の枠内に蓄電セル１０の外装体１１の前半分と後半分が収納される。そして、平板状の電極端子１２が、前後のユニット（３０ａ〜３０ｃ）における枠状部材（３２ａ〜３２ｃ）同士の連結境界から積層構造体２０の上下外側に導出され、互いに直列接続される。この例では、隣り合う蓄電セル１０同士で電極端子１２の先端が互いに向き合ったり、背き合ったりする方向にＬ字状に前後方向に折り曲げられ、ユニット（３０ａ〜３０ｃ）の上面にボルト５０などによって固定される。また、互いに向き合う方向に折り曲げられた外部端子同士１０ａは、積層された状態で固定され、直列接続の正負それぞれの電極に対応する電極端子１２ａについては上面に外部端子板３が積層された状態で固定される。

＝＝＝ユニットの構造＝＝＝
図４〜６に、前方の端面ユニット、中間ユニット、後方の端面ユニットのそれぞれにおける組立斜視図（Ａ）と分解斜視図（Ｂ）を示した。各ユニット（３０ａ〜３０ｃ）の枠状部材（３２ａ〜３２ｃ）の側面形状は、浅い略コの字型で、このコの字の凹部３３に放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）をはめ込む構造となっている。そして、前後の端面ユニット（３０ａ，３０ｂ）の放熱部材（３１ａ，３１ｂ）は、それぞれ、積層構造体２０の前後面を構成し、中間ユニット３１ｃの放熱部材３１ｃは、上記層状空間の隔壁を構成し、枠状部材（３２ａ〜３２ｃ）の内側に収納される個々の蓄電セル１０の前後表面に密着する。

また、各ユニット（３０ａ〜３０ｃ）の放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）は、枠状部材（３２ａ〜３２ｃ）の左右側面外側に延長している。この例では、後方の端面ユニット３０ｂと中間ユニット３０ｃについては、その延長した放熱部材（３１ｂ，３１ｃ）が枠状部材（３２ｂ，３２ｃ）の側面に沿うように前方向に屈曲している。そして、各ユニット（３０ａ〜３０ｃ）を積層した際、放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）の側面延長部分が前後で連結して積層構造体２０の左右側面を構成する。なお、本実施例では、図３における円（１０１，１０２）内に拡大して示したように、ほぞ４１と溝４２によって前後のユニット（３０ａ〜３０ｃ）の放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）同士を嵌合させて連結させる方式を採用している。もちろん、ユニット同士の連結は、突起と穴など、適宜な方式を採用できる。嵌合させずに前後の放熱部材同士を当接させ、枠状部材同士を各種継手によって連結してもよい。いずれにしても、各ユニット（３０ａ〜３０ｃ）の放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）における左右延長部分が積層構造体２０の側面として面一となればよく、例えば、中間ユニット３０ｃにおける放熱部材３１ｃの形状が一律でなくてもよい。

上記構造の各ユニット（３０ａ〜３０ｃ）によれば、積層構造体２０を構成した際、放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）が蓄電セル１０に接する面で奪った熱を積層構造体２０の側面側に導くとともに、その側面にて相互に連結されてなる面で各蓄電セル１０からの熱を相互にやりとりして蓄電セル１０間の温度を平均化させる。それによって、蓄電セル１０間の充放電特性のばらつきを抑えることができる。

また、放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）は、積層構造体２０の前後面と側面を構成し、積層構造体２０を高絶縁性素材からなる筐体２内に収納した際に、これらの面が筐体２内面に密着する。積層構造体２０と筐体２内面との間に絶縁のための空隙が不要となり、蓄電装置１を小型化することができるとともに、熱が当該筐体２を通じて放熱し、効率的に蓄電セル１０を冷却することもできる。さらに、筐体２を高絶縁性素材で構成しているため、蓄電装置１と周囲の回路などとを大きく離間させる必要がない。もちろん、筐体２の底面を金属などに直接載置しても絶縁性を確保できる。そのため、設置条件についての制約が少なく、さまざまな設置形態に対して柔軟に対応することができる。なお、上記各図においては、ユニット（３０ａ〜３０ｃ）や積層構造体２０の構造についての説明を容易にするために、各部材（３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ）の大きさ、とくに厚さを誇張して描画している。すなわち、実際の積層構造体２０のサイズは、蓄電セルモジュール１００全体のサイズより僅かに大きい程度で、フィンを備えたり「下駄」を履かせたりした従来の蓄電装置よりも小型化することができる。

＝＝＝放熱部材の構造＝＝＝
本発明の蓄電装置１では、放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）の表面に粘着層を設けることで、装置１自体が振動しても蓄電セル１０と放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）とが密着した状態で一体的に振動するようにしている。放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）は枠状部材（３２ａ〜３２ｃ）に固定されて各ユニット（３０ａ〜３０ｃ）を構成し、各ユニット（３０ａ〜３０ｃ）が連結されて積層構造体２０を構成し、この積層構造体２０が筐体２内に密着した状態で収納される。したがって、蓄電装置１、積層構造体２０、および蓄電セル１０が相対的に振動しない構造となっている。それによって、相対振動に伴う蓄電セル１０の破損を確実に防止することができる。

図７に本実施例における放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）の拡大断面図を示した。アルミニウム、銅、鉄などの高熱電導性の金属を基材３５として、その表面に粘着性材料を塗膜してなる粘着層３６が形成されている。粘着性材料としては、塩化ビニル、ポリエチレンなどの樹脂や、ウレタンや高分子量シリコンなどのエストラマー（弾性体）などが考えられる。なお、これらの材料を含め、粘着性を有する樹脂や弾性体の多くは、低熱伝導性であるが、薄膜として塗布することが可能であり、スプレー方式、浸漬方式、ロールコートなど、周知の塗膜技術を適用でき、安価な製造コストで放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）を製造することができる。そして、粘着材料を塗膜することで粘着層３６を極めて薄くすることができ、粘着層３６が金属の高熱電導性を阻害しないようにすることができる。なお、粘着層３６は、少なくとも蓄電セル１０に面接触する部分だけに設けられていればよいが、粘着層３６を選択的に設けるより放熱部材（３１ａ〜３１ｃ）全面に形成する方が製造工程を簡略化することができる。そして、粘着層３６の厚さｔについて検討したところ、低熱電導性材料であっても、５００μｍ以下であれば放熱性能にほとんど影響しないことが分かった。

本発明の実施例における蓄電装置の外観図（Ａ）と、当該蓄電装置の筐体内に収納されている積層構造体の外観図（Ｂ）である。上記積層構造体の即断面図（Ａ）と平断面図（Ｂ）である。上記積層構造体の分解斜視図である。上記積層構造体を構成する前方の端面ユニットの組み立て図である。上記積層構造体を構成する中間ユニットの組み立て図である。上記積層構造体を構成する後方の端面ユニットの組み立て図である。上記ユニットを構成する放熱部材の拡大断面図である。蓄電装置の基本構成である蓄電セルの外観図である。一般的な蓄電装置の外観図である。一般的な蓄電装置の概略構造図である。

符号の説明

１、１ｂ蓄電装置
２筐体
３外部端子板
１０蓄電セル
１１外装体
１２電極端子
２０積層構造体
３０ａ、３０ｂ端面ユニット
３０ｃ中間ユニット
３１ａ〜３１ｃ放熱部材
３２ａ〜３２ｃ枠状部材
３５放熱部材の基材
３６放熱部材の粘着層
１００蓄電セルモジュール

Claims

所定数の正極と負極がそれぞれセパレータを介して対向配置されてなる電極体が電解液とともにラミネートフィルムの外装体内に密封されてなる扁平矩形状の蓄電セルが前後方向に複数積層された状態で筐体内に収容されるとともに、各蓄電セルにおける正負両極の電極端子が直列接続されてなる蓄電装置であって、
前記筐体は、絶縁体材料からなり、
前記筐体内において、前記蓄電セルを複数積層させた状態で保持するための積層構造体を備え、
前記積層構造体は、略直方体の外観形状をなすとともに、扁平箱状の複数のユニットが積層されてなるとともに、内部が前後方向に層状となるように複数の空間に仕切られ、
前記ユニットには、積層方向の前後両端に配置される一対の端面ユニットと、当該一対の端面ユニット間に少なくとも一つ以上配置される中間ユニットがあり、前記各ユニットは、それぞれ、難燃性の絶縁体材料からなる枠状部材に、高熱伝導性材料からなる放熱部材を取り付けられてなり、
個々の前記蓄電セルは、隣接する２つの前記ユニットにおける前記枠状部材の内側に配置され、
前記端面ユニットの前記放熱部材は、積層状態にある前記蓄電セルの最前面と最後面に面接触するとともに、前記積層構造体の前後面を構成し、
前記中間ユニットの前記放熱部材は、前記枠状部材を前後に仕切る隔壁を構成し、積層状態にある前記蓄電セルの層間に介在して前記隔壁の前後に配置されている前記蓄電セルのそれぞれの後面と前面に接触し、
前記各ユニットの前記放熱部材は、前記枠状部材の左右側面外側に延長するとともに、各ユニットの一部あるいは全部における前記放熱部材は、当該枠状部材の側面に沿って略コの字型断面となるように屈曲しつつ前後の前記ユニットの前記放熱部材同士が前記積層構造体の左右側面を形成し、
前記積層構造体の前後左右の面は、前記筐体の内壁面に面接触し、
前記各ユニットの前記放熱部材における前記蓄電セルとの接触面に粘着性を有する粘着層が形成されている
ことを特徴とする蓄電装置。
前記放熱部材は、アルミニウム、鉄、銅のいずれかの金属を基材とし、前記粘着層として、当該基材の少なくとも前記蓄電セルとの接触面に低熱伝導性樹脂あるいはエストラマーを主原料とする薄膜が形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
前記粘着層は、５００μｍ以下の厚さであることを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。