JP5032099B2 - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Description

本発明は、キャパシタケースとしてラミネートパックを用いる電気二重層キャパシタの改良に関するものである。

電気二重層キャパシタは急速充電が可能で充放電サイクル寿命が長いため、例えば電気自動車の駆動電源等に設けられる蓄電装置として注目されている。

従来、この種の電気二重層キャパシタとして、対のラミネートパックの周縁部を熱融着して密封されるキャパシタケースを備え、このキャパシタケース内にキャパシタ本体を電解液と共に収容するものがある（特許文献１参照）。
特開２００３−２８２３７７号公報 特開平０３−００４５１０号公報 特開２００２−１４１２５０号公報 特開２００５−１８３５５６号公報

しかしながら、このような従来の電気二重層キャパシタにあっては、キャパシタケース内の圧力上昇時に熱融着したシール部に部分的な亀裂が入り、このような使用状態が長時間続くと、この亀裂が次第に拡がり、遂には熱融着シール部が開いてしまう可能性がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、キャパシタケース内の圧力上昇時に熱融着シール部が開くことを防止できる電気二重層キャパシタを提供することを目的とする。

本発明では、キャパシタ本体を電解液と共に収容するキャパシタケースを備え、このキャパシタケースとして対のラミネートパックを設け、各ラミネートパックは四角形の皿状をしたパック部と、このパック部の周縁部から拡がるフランジ部とを有し、シール装置によって各フランジ部のキャパシタケースの内側から延びる面どうしを接合させて各フランジ部どうしを熱融着してキャパシタケースを密封するフランジシール部を形成する電気二重層キャパシタにおいて、フランジシール部にキャパシタケースの内側から対峙して各パック部に渡って接合する補強部材を設け、各パック部はフランジ部から延びてキャパシタ本体の側部に面する四角形の枠状をしたパック側部を有し、フランジシール部の内側に対峙する補強部材を各パック側部に渡って接合し、補強部材としてキャパシタ本体を収容する袋状のラッピングフィルムを設ける。

本発明によると、キャパシタケース内の圧力が高まった状態にて、補強部材が各ラミネートパックのパック部どうしが離れないように引っ張ることにより、フランジシール部に亀裂が入って開封することを防止でき、十分な耐久性が得られる。

本発明の参考例を添付図面に基づいて説明する。

図１の（ａ），（ｂ）は電気二重層キャパシタ１の正面図と側面図であり、図２は電気二重層キャパシタ１の分解斜視図である。

電気二重層キャパシタ１は対のラミネートパック２０の周縁部を熱融着して密封されるキャパシタケース２を備え、このキャパシタケース２内にキャパシタ本体１０を電解液と共に収容している。

キャパシタ本体１０は、活性炭電極（分極性電極）と集電極（アルミ電極）とセパレータとを積層して形成される。１対の活性炭電極間に介在するセパレータは、紙や樹脂の多孔質膜からなる。集電極は、矩形状の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１２が一体に成形される。これらのリード部１２は、同極どうしが結束され、１対の各端子板１３、１４に対応する極性の結束部が接合される。各端子板１３、１４は短尺状のアルミ板によって形成される。

キャパシタケース２のラミネートパック２０の材料となるラミネートフィルムは、例えばアルミ箔等の金属製中間層とＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ナイロン樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）樹脂等からなる柔軟な積層フィルムとを積層して形成される。ラミネートパック２０はＰＰ樹脂層がキャパシタケース２の内側に面するように形成される。

ラミネートパック２０はラミネートフィルムを冷間成型して形成され、四角形の皿状をしたパック部２１と、このパック部２１の周縁部に平板状に拡がるフランジ部２２とを有する。各ラミネートパック２０のパック部２１を互いに向き合うように組み合わせ、各パック部２１の間にキャパシタ本体１０が収容される。各フランジ部２２は４つの辺２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを有し、その上辺２２ａの間から各端子板１３、１４が引き出される。

四角形の皿状をしたパック部２１はフランジ部２２から延びてキャパシタ本体１０の側部に面する四角形の枠状をしたパック側部２３と、このパック側部２３を結びキャパシタ本体１０の端面に面するパック底部２４とを有する。

キャパシタケース２は各ラミネートパック２０のフランジ部２２を熱融着したフランジシール部３０を持つ。

各ラミネートパック２０はその間にキャパシタ本体１０を収容した状態で後述するシール装置５０（図４参照）によって各フランジ部２２の三辺２２ｂ、２２ｃ、２２ｄどうしが熱融着された後、各端子板１３、１４が引き出される上辺２２ａに設けられる開口部から内部に電解液が注入され、キャパシタ本体１０に対する電解液の含浸および電解精製の工程が行われ、余分な電解液が抜き取られた後、シール装置５０によってこの上辺２２ａどうしが熱融着される。これによって四角形のリング状のフランジシール部３０が形成され、キャパシタケース２が真空状態で密封される。

キャパシタケース２には図示しない圧力逃がしバルブが設けられ、キャパシタ本体１０に発生するガスが圧力逃がしバルブを通って外部に排出されるようになっている。

図３はキャパシタケース２の正面図であり、フランジシール部３０はフランジ部２２に沿って各ラミネートパック２０を帯状に熱融着した複数のシール帯部３１を有し、各シール帯部３１の間に熱融着されない非シール帯部３２を形成している。

図３に示すように、フランジシール部３０は帯状に延びる３条の第１段、第２段、第３段のシール帯部３１と、各シール帯部３１の間に残される２条の非シール帯部３２とを有する。

各シール帯部３１は各フランジ部２２の全周に渡って四角形のリング状に延び、それぞれ単独でキャパシタケース２内を密封する。すなわち、フランジシール部３０は各シール帯部３１によって三重に密封されている。

各非シール帯部３２は所定幅の帯状に延び、隣り合う各シール帯部３１が全周に渡って離れるようにしている。

図４はキャパシタケース２にフランジシール部３０を形成する工程を示す断面図であり、シール装置５０は対のヒータ６１を備え、各ヒータ６１の間で各フランジ部２２を挟んで加熱する。

ヒータ６１はその外郭となるヒータ本体５２と、このヒータ本体５２を加熱するヒータ発熱体６３を備える。ヒータ本体５２は例えば銅板によって形成される。ヒータ発熱体６３は例えばニクロム線によって形成される。なお、ヒータ発熱体６３はこれに限らずインパルスヒータ等を用いても良い。

ヒータ６１のヒータ本体５２は、フランジ部２２を押圧する平板状の押圧部５３と、この押圧部５３に開口する２条の溝部５４とを有する。

なお、これに限らず、ヒータ６１はヒータ本体５２の平坦な押圧部５３に溝部を形成せず、ヒータ発熱体６３に溝部を形成しても良い。

シール装置５０は各ヒータ６１の間で各フランジ部２２を挟んで所定温度（例えば２００℃程度）に加熱することにより、各フランジ部２２は各押圧部５３の間に挟まれる部位が融着して３条のシール帯部３１となり、各溝部５４に挟まれる部位が融着せずに２条の非シール帯部３２となる。

以上のように構成されて、次に作用及び効果について説明する。

電気二重層キャパシタ１の充放電が行われる作動時にて、図５に示すように、圧力逃がしバルブの作動不良等に起因してキャパシタケース２内の圧力が高まった状態では、内側の第１段シール帯部３１のキャパシタケース２内に面する部位に各フランジ部２２どうしを離そうとする応力が集中し、この応力集中部に部分的な亀裂が入り、このような使用状態が長時間続くと、この亀裂が次第に拡がり、遂にはこの第１段シール帯部３１が開いてしまう。

こうして第１段シール帯部３１が開いた場合、中間の第２段シール帯部３１がキャパシタケース２内の圧力を受け、この第２段シール帯部３１のキャパシタケース２内に面する部位に各フランジ部２２を離そうとする応力が集中し、この応力集中部に部分的な亀裂が入り、このような使用状態が長時間続くと、この亀裂が次第に拡がり、遂にはこの第２段シール帯部３１が開いてしまう。

こうして第２段シール帯部３１が開いた場合、外側の第３段シール帯部３１がキャパシタケース２内の圧力を受け、この第３段シール帯部３１のキャパシタケース２内に面する部位に各フランジ部２２を離そうとする応力が集中し、この応力集中部に部分的な亀裂が入り、このような使用状態が長時間続くと、この亀裂が次第に拡がり、遂にはこの第３段シール帯部３１が開き、フランジシール部３０が開封する。

図６はキャパシタケース２内の高圧状態において、各シール帯部３１に亀裂が進行する様子を示す。フランジシール部３０は第１段シール帯部３１、第２段シール帯部３１、第３段シール帯部３１が段階的に開くため、フランジシール部３０が開封するまでかかる時間を従来のキャパシタケースの融着シール部に比べて大幅に長くすることができる。なお、図６に示す従来装置は同じ大きさのフランジシール部に単一のシール帯部を形成したものである。

これは、各シール帯部３１に亀裂が入る破壊起点は各フランジ部２２の合わせ面の境界部にあり、ラミネートフィルムの強度限界を超えると亀裂進行が始まるが、この亀裂が入り始めるまでの時間は、亀裂が拡がる時間に比べて長くなる特性があるため、フランジシール部３０に複数のシール帯部３１に分ける非シール帯部３２を形成することにより、フランジシール部３０が開封するまでかかる時間を従来のキャパシタケースの融着シール部に比べて大幅に長くすることができる。

なお、各シール帯部３１の条数は要求されるキャパシタケース２の耐久性等に応じて任意に設定される。

本参考例では、キャパシタ本体１０を電解液と共に収容するキャパシタケース２を備え、このキャパシタケース２として対のラミネートパック２０を設け、各ラミネートパック２０は皿状をしたパック部２１と、このパック部２１の周縁部から拡がるフランジ部２２とを有し、シール装置５０によって各フランジ部２２どうしを熱融着してキャパシタケース２を密封するフランジシール部３０を形成する電気二重層キャパシタ１において、フランジシール部３０はフランジ部２２に沿って各ラミネートパック２０を帯状に熱融着した複数のシール帯部３１を有し、各シール帯部３１の間に熱融着されない非シール帯部３２を形成するため、キャパシタケース２内の圧力が高まった状態にて一つのシール帯部３１に亀裂が入って開封しても、次のシール帯部３１に亀裂が入るまでに時間がかかることにより、フランジシール部３０が開封するまでかかる時間を従来のキャパシタケースの融着シール部に比べて大幅に長くすることができる。

他の参考例として、図７に示すように、フランジシール部３０として、各フランジ部２２の３つの辺２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに渡ってコの字形帯状に延びる３条の袋シール帯部３３を形成するとともに、各ラミネートパック２０の間にキャパシタ本体１０と電解液を収容した後に各フランジ部２２の残る上辺２２ａに直線状に延びる１条の上辺シール帯部３４を各袋シール帯部３３と直交するように形成しても良い。

この場合、各シール帯部３３の両端部と各上辺シール帯部３４の両端部が互いに交差することにより、両者の接続が確実に行われる。

また、１条の上辺シール帯部３４が延びる各フランジ部２２の上辺２２ａは、３条の各シール帯部３３が延びる各フランジ部２２の３辺２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに比べてフランジシール部３０が開封するまでにかかる時間が短くなる可能性があるが、この辺２２ａが上方に向くようにキャパシタケース２を配置することにより、この辺２２ａの開封部分から電解液が洩れ出すことを防止できる。

なお、これに限らず、各フランジ部２２上辺２２ａに複数条の上辺シール帯部３４をその間に非シール帯部介して形成しても良い。この場合、各上辺シール帯部３４が各袋シール帯部３３の両端部と格子状に交差することにより、両者の接続が確実に行われる。

本参考例では、フランジシール部３０として、各ラミネートパック２０を袋状に結合する各袋シール帯部３３を形成し、各ラミネートパック２０の間にキャパシタ本体１０を収容した後に各袋シール帯部３３の両端部と交差するように延びる上辺シール帯部３４を形成したため、各袋シール帯部３３と上辺シール帯部３４間に要求される位置精度を低くすることが可能となり、ラミネートパック２０を確実に密封することができる。

次に図８の（ａ），（ｂ）に示す本発明の実施形態を説明する。

図８の（ａ）は電気二重層キャパシタ１の横断面図であり、図８の（ｂ）は電気二重層キャパシタ１の横断面図と縦断面図である。

電気二重層キャパシタ１は対のラミネートパック２０の周縁部を熱融着して密封されるキャパシタケース２を備え、このキャパシタケース２内にキャパシタ本体１０を電解液と共に収容している。

キャパシタ本体１０は、活性炭電極（分極性電極）と集電極（アルミ電極）とセパレータとを積層して形成される。１対の活性炭電極間に介在するセパレータは、紙や樹脂の多孔質膜からなる。集電極は、矩形状の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１２が一体に成形される。これらのリード部１２は、同極どうしが結束され、１対の各端子板１３、１４に対応する極性の結束部が接合される。各端子板１３、１４は短尺状のアルミ板によって形成される。

キャパシタケース２のラミネートパック２０の材料となるラミネートフィルムは、例えばアルミ箔等の金属製中間層とＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ナイロン樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）樹脂等からなる柔軟な積層フィルムとを積層して形成される。ラミネートパック２０はＰＰ樹脂層がキャパシタケース２の内側に面するように形成される。

ラミネートパック２０はラミネートフィルムを冷間成型して形成され、四角形の皿状をしたパック部２１と、このパック部２１の周縁部に平板状に拡がるフランジ部２２とを有する。各ラミネートパック２０のパック部２１を互いに向き合うように組み合わせ、各パック部２１の間にキャパシタ本体１０が収容される。各フランジ部２２は４つの辺２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを有し、その上辺２２ａの間から各端子板１３、１４が引き出される。

四角形の皿状をしたパック部２１はフランジ部２２から延びてキャパシタ本体１０の側部に面する四角形の枠状をしたパック側部２３と、このパック側部２３を結びキャパシタ本体１０の端面に面するパック底部２４とを有する。

各ラミネートパック２０はその間にキャパシタ本体１０を収容した状態で後述するシール装置５０（図９参照）によって各フランジ部２２の三辺２２ｂ、２２ｃ、２２ｄどうしが熱融着された後、各端子板１３、１４が引き出される上辺２２ａに設けられる開口部から内部に電解液が注入され、キャパシタ本体１０に対する電解液の含浸および電解精製の工程が行われ、余分な電解液が抜き取られた後、シール装置５０によってこの上辺２２ａどうしが熱融着される。これによって四角形のリング状のフランジシール部３０が形成され、キャパシタケース２が真空状態で密封される。

キャパシタケース２の補強部材として、キャパシタ本体１０を収容する袋状のラッピングフィルム４０が設けられる。このラッピングフィルム４０は各ラミネートパック２０の内側層と同じ材質からなり、この場合にＰＰ樹脂が用いられる。

ラッピングフィルム４０と各ラミネートパック２０のパック部２１を接合する融着接合部４１が設けられる。融着接合部４１はフランジシール部３０の内側に対峙するラッピングフィルム４０を各パック側部２３に渡って接合し、キャパシタケース２内の圧力上昇時にフランジシール部３０が開かないようにする。

図９はキャパシタケース２にフランジシール部３０、融着接合部４１を形成する工程を示す断面図であり、シール装置５０は対のヒータ６１を備え、各ヒータ６１の間で各フランジ部２２を挟んで加熱するとともに、各ヒータ６１を各パック側部２３に押し付けて加熱するものである。

ヒータ６１はその外郭となる本体６２と、この本体６２を加熱するヒータ発熱体６３を備える。本体６２は例えば銅板によって形成される。ヒータ発熱体６３は例えばニクロム線によって形成される。なお、ヒータ発熱体６３はこれに限らずインパルスヒータ等を用いても良い。

融着時に、図示しない加圧装置を用いてラッピングフィルム４０内を加圧し、ラッピングフィルム４０を各ラミネートパック２０に押し付ける。

そして、各ヒータ６１の間で各フランジ部２２を挟むことと、各ヒータ６１が各パック側部２３を押圧することを同時に行い、各ヒータ６１に接する部位を所定温度（例えば２００℃程度）に加熱することにより、ラミネートパック２０は各フランジ部２２どうしが融着されてフランジシール部３０が形成されるとともに、各パック側部２３とラッピングフィルム４０が融着されて融着接合部４１が形成される。

なお、これに限らず、各ヒータ６１の間で各フランジ部２２を挟むことと、各ヒータ６１が各パック側部２３を押圧することを分けて段階的に行うようにしてもよい。

また、融着時に、ラッピングフィルム４０内を加圧せずに、各ヒータ６１を各ラミネートパック２０のパック側部２３に押し付け、このパック側部２３をラッピングフィルム４０に押し付けるようにしても良い。

以上のように構成されて、電気二重層キャパシタ１の充放電が行われる作動時にて、図１０に示すように、キャパシタケース２内の圧力が高まった状態では、ラッピングフィルム４０が各ラミネートパック２０のパック側部２３どうしが離れないように引っ張ることにより、フランジシール部３０のキャパシタケース２内に面する部位に各フランジ部２２を離そうとする応力が生じることを抑えられ、フランジシール部３０に亀裂が入って開封することを防止できる。

本実施形態では、キャパシタ本体１０を電解液と共に収容するキャパシタケース２を備え、このキャパシタケース２として対のラミネートパック２０を設け、各ラミネートパック２０は皿状をしたパック部２１と、このパック部２１の周縁部から拡がるフランジ部２２とを有し、シール装置５０によって各フランジ部２２どうしを熱融着してキャパシタケース２を密封するフランジシール部３０を形成する電気二重層キャパシタ１において、フランジシール部３０にキャパシタケース２の内側から対峙して各パック部２１に渡って接合する補強部材（ラッピングフィルム４０）を設けたため、キャパシタケース２内の圧力が高まった状態にて、ラッピングフィルム４０が各ラミネートパック２０のパック側部２３どうしが離れないように引っ張ることにより、フランジシール部３０に亀裂が入って開封することを防止できる。

本実施形態では、補強部材としてキャパシタ本体１０を収容する袋状のラッピングフィルム４０を設けたため、補強部材をキャパシタケース２とキャパシタ本体１０の間に介装することが容易に行え、電気二重層キャパシタ１の生産性を高められる。

本実施形態では、シール装置５０によってフランジシール部３０を形成するのと同時に、共通のシール装置５０によってラッピングフィルム４０を各パック部２１に熱融着して融着接合部４１を形成するため、フランジシール部３０と融着接合部４１とが同時に形成され、電気二重層キャパシタ１の生産性を高められる。

次に図１１の（ａ），（ｂ）に示す他の実施形態を説明する。これは基本的には図８の（ａ），（ｂ）の実施形態と同じ構成を有し、補強部材として、キャパシタ本体１０の側部と各ラミネートパック２０のパック側部２３の間に介装される４枚の補強フィルム４５が設けられる。この補強フィルム４５は各ラミネートパック２０の内側層と同じ材質からなり、この場合にＰＰ樹脂が用いられる。

補強フィルム４５と各ラミネートパック２０を接合する融着接合部４６が設けられる。融着接合部４６はフランジシール部３０の内側に対峙する補強フィルム４５を各ラミネートパック２０に渡って接合し、キャパシタケース２内の圧力上昇時にフランジシール部３０が開かないようにする。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

参考例を示す電気二重層キャパシタの正面図と側面図。 同じく電気二重層キャパシタの分解斜視図。 同じく電気二重層キャパシタの正面図。 同じくシール装置の断面図。 同じく電気二重層キャパシタの作動状態を示す断面図。 同じく亀裂の進行長さと経過時間の関係を示す特性図。 他の参考例を示す電気二重層キャパシタの正面図。 本発明の実施形態を示す電気二重層キャパシタの横断面図と縦断面図。 同じくシール装置の断面図。 同じく電気二重層キャパシタの作動状態を示す断面図。 他の実施形態を示す電気二重層キャパシタの横断面図と縦断面図。

符号の説明

１ 電気二重層キャパシタ
２ キャパシタケース
１０ キャパシタ本体
１２ リード部
１３、１４ 端子板
２０ ラミネートパック
２１ パック部
２２ フランジ部
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ フランジ部の辺
２３ パック側部
２４ パック底部
４０ ラッピングフィルム
４１ 融着接合部
４５ 補強フィルム
４６ 融着接合部
５０ シール装置
６１ ヒータ
６３ ヒータ発熱体

Claims (2)

1. キャパシタ本体を電解液と共に収容するキャパシタケースを備え、このキャパシタケースとして対のラミネートパックを設け、この各ラミネートパックは四角形の皿状をしたパック部と、このパック部の周縁部から拡がるフランジ部とを有し、シール装置によって前記各フランジ部の前記キャパシタケースの内側から延びる面どうしを接合させて前記各フランジ部どうしを熱融着して前記キャパシタケースを密封するフランジシール部を形成する電気二重層キャパシタにおいて、前記フランジシール部に前記キャパシタケースの内側から対峙して前記各パック部に渡って接合する補強部材を設け、前記各パック部は前記フランジ部から延びて前記キャパシタ本体の側部に面する四角形の枠状をしたパック側部を有し、前記フランジシール部の内側に対峙する前記補強部材を前記各パック側部に渡って接合し、前記補強部材として前記キャパシタ本体を収容する袋状のラッピングフィルムを設けることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. 前記シール装置によって前記フランジシール部を形成するのと同時に、共通の前記シール装置によって前記補強部材を前記各パック部に熱融着して前記融着接合部を形成することを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。