JP5067171B2

JP5067171B2 - 電気化学蓄電素子モジュール

Info

Publication number: JP5067171B2
Application number: JP2008007739A
Authority: JP
Inventors: 論堀越
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2028-01-17
Also published as: JP2009170687A

Description

本発明は、放熱構造を備える電気二重層キャパシタモジュールまたはリチウム電池モジュール等の電気化学蓄電素子モジュールに関する。

電気二重層キャパシタ（以後キャパシタと呼称する）は分極性電極に電解質中のアニオン、カチオンを正極、負極表面に物理吸着させて電気を蓄えることを原理としている。このようなキャパシタの電解液は、大別すると有機溶媒系、水系に分けられる。近年、キャパシタの大容量化、大型化が進んでおり、ほとんどのものにキャパシタ充電電圧をより高くすることができ高エネルギー密度化に有利な有機溶媒系の電解液が用いられている。

水系の電解液を用いるキャパシタはセル電圧が１．０Ｖ程度であるのに対し、有機溶媒系の電解液を用いるキャパシタはセル電圧が２．３〜２．７Ｖである。蓄電エネルギーは電圧の二乗に比例するので水系の電解液を用いるキャパシタに対して有機溶媒系の電解液を用いるキャパシタはエネルギー密度の点から有利である。

ただし、有機溶媒系の電解液を用いたキャパシタは極端に水分を嫌う。その理由としては、水分が電解液中に混入すると水の分解電位である１．８Ｖ以上でガスが発生し、フッ酸の発生が起こることが挙げられる。フッ酸が発生すると、キャパシタの構成部材の劣化が進行して耐久性能が低下するおそれがある。また、前記構成部材の劣化が進行して該構成部材が破損すると、キャパシタの外装の内部でガス圧が高まり外装故障を引き起こすおそれがある。

従って、従来、キャパシタにあっては製造時において十分な水分進入に対する対策が行われている。また、製造後におけるキャパシタ内部への水分の進入を防止する構造も必要であり、一般的にはキャパシタを金属管へ封入する、又はアルミラミネートフィルム等の金属フィルムで覆う等の構造が用いられている（例えば、特許文献１〜５参照）。

そして、例えば、大型のキャパシタにおいてはキャパシタ全体を大きな密閉管で覆うことはコストおよび信頼性の面で難点があることから、ほとんどのものは金属フィルムで外周を覆うことにより水分の進入を防ぐ構造を採っている。

特開２００４−２９６９５６号公報特開２００６−４８９９６号公報特開２００５−３０２６９８号公報特開２００２−１６５６９８号公報特開２００７−１６５６９８号公報

しかし、キャパシタの外周を覆う金属フィルムは一般的に強度が低く、衝撃、振動などで簡単にダメージを受け、ピンホール等が生じる可能性がある。ピンホール等が生じると、金属フィルムの内部に水分が進入し、金属フィルムによる水分遮断構造が機能しなくなるおそれがあった。

特に大型キャパシタは自重が大きいため金属フィルムで覆う構造を採用すると、自重のかかるところは金属フィルムがよりダメージを受けやすいと考えられることから、例えば、振動の影響を受け易い車載用途等のキャパシタにあっては外周を金属フィルムによって覆う構造を採らず、当該キャパシタを衝撃、振動などに耐え得る丈夫な金属筐体等に納め、その筐体に保護、耐震、防振、絶縁等の機能を付加している。

また、キャパシタは充放電を行うことによる電流の出入りがあると〔内部抵抗〕×〔電流〕²に相当するジュール熱を発生させ、これがそのままキャパシタの温度を上昇させる要因となる。そのため、頻繁に充放電を繰り返すような用途に適用されるキャパシタにおいては、当該キャパシタの温度が急激に上昇し、使用可能な温度の上限を超えてしまうおそれがあった。

そこで、キャパシタを収納する筐体には当該キャパシタを機械的に保護するための上述した保護、耐震、防振、絶縁等の機能と同時に、放熱の機能をも付加する必要があり、従来、このような放熱の機能としてはキャパシタを収納する筐体に冷却ファンを取り付けるだけの簡単な構造を用いることが多かった。

しかし、筐体に冷却ファンを取り付けるだけの構造では、キャパシタの表面の熱を空気による熱伝導のみを利用して放熱する構成であるため、冷却能力が不十分となる場合が考えられた。特に回生吸収用途のキャパシタなどにあっては、３０秒以上連続で大電流の放電を行う等が要求されるため、キャパシタを有効に冷却する構造を備える必要がある。

このようなキャパシタの放熱の問題に対応するために、キャパシタ外部からの水冷や、金属製の大型ヒートシンクの取り付け等が考案されているがいずれも実用化するにはメンテナンス性、スペース効率などの点において難点があった。

また各キャパシタに設けられた電気取り出し用の端子部は、例えば車載用途等、キャパシタが振動を受けるような場合、繰り返し振動を受けることにより疲労等が生じて破損する可能性があった。

このようなことから本発明は、振動に対する耐久性及び冷却機能を向上させることが可能な電気化学蓄電素子モジュールを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る電気化学蓄電素子モジュールは、箱型の筐体内に、並列または直列に接続される複数の電気化学蓄電素子を収納してなる電気化学蓄電素子モジュールであって、前記複数の電気化学蓄電素子が前記筐体の下面に設けられた振動を吸収する振動防止部材としての防振マットの上に直接且つ一方向に並置され、相互に隣接する前記電気化学蓄電素子間、及び、前記複数の電気化学蓄電素子のうち両端に配置された電気化学蓄電素子と該電気化学蓄電素子に対向する前記筐体の面との間に熱伝導性及びクッション性を有する加圧部材としての伝熱加圧ゴムが介装され、前記電気化学蓄電素子と前記筐体との間に介装された前記伝熱加圧ゴムのうちの少なくとも一方と前記筐体との間に、前記筐体内に収納された複数の前記電気化学蓄電素子の移動を規制するように前記伝熱加圧ゴムを押圧する弾性体が設けられていることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る電気化学蓄電素子モジュールは、第１の発明において、一つの前記電気化学蓄電素子に対して少なくとも一つの伝熱性を有する熱伝導シートであるグラファイトシートを前記電気化学蓄電素子と前記伝熱加圧ゴムとの間に設け、前記グラファイトシートを前記電気化学蓄電素子に面接触させる一方、前記グラファイトシートの一端を前記筐体に加圧した状態で面接触させることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る電気化学蓄電素子モジュールは、第１又は第２の発明において、前記筐体に伝導性を有する二つの導体を設け、前記電気化学蓄電素子に設けられた正負の端子と前記導体とを、それぞれ弾性変形可能に形成されたケーブルで接続したことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る電気化学蓄電素子モジュールは、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記筐体の前記電気化学蓄電素子の配列方向に沿って延びる側壁の一方に冷却ファンを設置するとともに、前記筐体の前記電気化学蓄電素子の配列方向に沿って延びる側壁の他方に通風孔を形成したことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明に係る電気化学蓄電素子モジュールは、第１乃至第４のいずれかの発明において、前記電気化学蓄電素子が、アルミラミネートフィルムによって外装された電気二重層キャパシタ、又はリチウムイオン電池であることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第６の発明に係る電気化学蓄電素子モジュールは、第１乃至第５のいずれかの発明において、前記防振マットが、シリコンゴムであることを特徴とする。

上述した本発明に係る電気化学蓄電素子モジュールによれば、電気化学蓄電素子の振動に対する耐久性を向上させることができるとともに、より高効率に電気化学蓄電素子が発生する熱を筐体の外部へ放熱することができる。

以下に本発明の実施例を説明する。

図面を用いて本発明の一実施例を詳細に説明する。図１は本実施例に係るキャパシタモジュールの内部構造を示す上面図、図２は本実施例に係るキャパシタモジュールの側面図、図３は本実施例に係るキャパシタモジュールの内部構造を示す側部断面図、図４は本実施例に係るキャパシタモジュールの内部構造を示す他の側部断面図、図５は本実施例に用いるキャパシタの一例を示す斜視図である。

図１乃至図４に示すように、本実施例において電気化学蓄電素子モジュールとしてのキャパシタモジュールは、衝撃、振動などに耐え得る強度を有する材料によって形成された箱型の金属筐体１内に、複数（本実施例では９個）のキャパシタ２を相互に間隔をおいた状態で一列に並べた状態で収納した構成となっている。金属筐体１の底面１ａには、当該金属筐体１の振動がキャパシタ２に伝達されることを防止するため、振動を吸収する振動防止部材としての防振マット３が設けられており、キャパシタ２はこの防振マット３上に載置されているものとする。また、キャパシタ２の配列方向に平行する、換言すると、キャパシタ２の配列方向に沿って延びる金属筐体１の一側壁１ｂには複数（本実施例では、キャパシタ２の配列方向に沿って３つ）の冷却ファン４が設置されている。

相互に隣接するキャパシタ２間、及び、並置されたキャパシタ２のうち両側に配置されたキャパシタ２とこれらにそれぞれ対向する金属筐体１の側壁１ｃ，１ｄとの間にはそれぞれ加圧部材としての伝熱加圧ゴム５が介装されている。伝熱加圧ゴム５は、熱伝導性とクッション性を兼ね備えたものであり、例えば、シリコンゴム等を用いると好適である。

また、本実施例では、それぞれのキャパシタ２に対してそれぞれ一つのシート状物としての熱伝導シート６が配設されている。詳しくは、熱伝導シート６は、ほぼ矩形状に形成されたシート状の部材であり、一端側が、金属筐体１の側壁であって冷却ファン４が設置された側壁１ｂに対向する側壁１ｅに、板状の部材（以下、伝熱加圧板という）７を介して締め付けネジ８によって固定されて側壁１ｅに面接触した状態で密着し、他端側が、キャパシタ２と伝熱加圧ゴム５との間に挿入されキャパシタ２に面接触した状態で密着している。なお、該熱伝導シート６には熱伝導が大きい素材、例えば、５００〜８００Ｗ／ｍ・ｋのグラファイトシートを用いると好適である。また、省スペース性を考慮するならば厚さは０．１ｍｍ以下のものが適する。

更に、本実施例においてキャパシタ２と金属筐体１との間に介装された伝熱加圧ゴム５のうち、一方（図１では右側）の伝熱加圧ゴム５と金属筐体１の内壁（図１では内壁１ｄ）との間には伸縮方向がキャパシタ２の配列方向と等しい複数の弾性体としてのバネ９が介装され、このばね９によって金属筐体１内に収納されたキャパシタ２が加圧、固定されている。即ち、このバネ９を設けることにより、キャパシタ２は間に伝熱加圧ゴム５を挟んだ状態で金属筐体１内に固定されて金属筐体１内における移動を規制されるとともに、それぞれ熱伝導シート６に密着した状態となっている。なお、バネ９は板材１０を介して伝熱加圧ゴム５およびキャパシタ２を押圧している。

更に、金属筐体１内には、キャパシタ２の配列方向に沿って延び、片方の端部が金属筐体１から突出するように配置されたプラス導体１１及びマイナス導体１２が設けられている。また、図５に示すように、各々のキャパシタ２にはプラス端子１３およびマイナス端子１４が設けられている。

本実施例において、各々のキャパシタ２のプラス端子１３およびマイナス端子１４と、上記プラス導体１１、マイナス導体１２とは、図１に示すように、それぞれ導電性を有し弾性変形可能に構成されたフレキシブルなケーブルであるプラス接続ケーブル１５、マイナス接続ケーブル１６を介して接続されている。

また、図２に示すように、金属筐体１の熱伝導シート６が固定された面１ｅ、換言すると、冷却ファン４が設置された面１ｂに対向する面には、隣接するキャパシタ１間の間隙に対応する位置（図２では８箇所）に、それぞれ複数（図２では１８箇所ずつ）の通風孔１７が形成されている。

なお、上記金属筐体１は衝撃、振動などに耐え得る強度を有する材料によって形成されているものとし、冷却ファン４は必要に応じた冷却機能を有するものを用いるようにする。また、キャパシタ２は、図５に示すようにアルミラミネートフィルム１８によって覆われているものとする。

以下に、本実施例に係るキャパシタモジュールの作用効果について説明する。本実施例に係るキャパシタモジュールにおいては、金属筐体１内に一列に配置、収納したキャパシタ２を金属筐体１の底面１ａに設けた防振マット３の上に載置するとともに、金属筐体１内に一列に配置、収納したキャパシタ２に、熱伝導シート６を伝熱加圧ゴム５及びバネ９を用いて加圧した状態でそれぞれ面接触させる構成としたことにより、振動に対する耐久性が向上するとともに、熱抵抗を小さくしてキャパシタの熱を効率よく熱伝導シート６に伝達させることが可能になる。

また、キャパシタ２の熱を吸収した熱伝導シート６の一端側を、伝熱加圧板７および締め付けネジ８を用いて加圧した状態で金属筐体１に密着させるようにしたため、金属筐体１を介してキャパシタ２から熱伝導シート６に伝達された熱を効率よく放熱させることができる。更に、金属筐体１の一側壁１ｂに冷却ファン４を設置する一方、該側壁１ｂに対向する他の側壁１ｅに通風孔１７を形成する構成とし、冷却風を併用するようにしたことによって、より冷却効率を向上させることが可能となった。具体的には、熱伝導シートを備えない従来の構成に比較して冷却効率を８０％程度向上させることが可能となった。

更に加えて、熱伝導シート６は薄くフレキシブルなものを用いることができるため従来の金属筐体に比較して、設置スペースを拡張することなく高い冷却効率を得ることが可能となった。

なお、上述した実施例においては、複数の電気化学蓄電素子としてキャパシタ２を収納する金属筐体１について説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、例えば、リチウムイオン電池などの組電池を金属筐体内に一列に配設するような構成に適用した場合でも同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施例においては、複数の電気化学蓄電素子としてのキャパシタ２を並列に接続する例を示したが、電気化学蓄電素子を直列に接続する場合であっても同様に構成することが可能であることはいうまでもない。

本発明は、放熱構造を備える電気二重層キャパシタモジュールまたはリチウム電池モジュール等の電気化学蓄電素子モジュールに適用可能である。

本発明の実施例に係るキャパシタモジュールの内部構造を示す上面図である。本発明の実施例に係るキャパシタモジュールの側面図である。本発明の実施例に係るキャパシタモジュールの内部構造を示す側部断面図である。本発明の実施例に係るキャパシタモジュールの内部構造を示す他の側部断面図である。本発明の実施例に係るキャパシタモジュールに用いるキャパシタの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１金属筐体
１ａ金属筐体の底面
１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ金属筐体の側壁
２キャパシタ
３防振マット
４冷却ファン
５伝熱加圧ゴム
６熱伝導シート
７伝熱加圧板
８締め付けネジ
９バネ
１０板材
１１プラス導体
１２マイナス導体
１３プラス端子
１４マイナス端子
１５プラス接続ケーブル
１６マイナス接続ケーブル
１７通風孔
１８アルミラミネートフィルム

Claims

箱型の筐体内に、並列または直列に接続される複数の電気化学蓄電素子を収納してなる電気化学蓄電素子モジュールであって、
前記複数の電気化学蓄電素子が前記筐体の下面に設けられた振動を吸収する振動防止部材としての防振マットの上に直接且つ一方向に並置され、
相互に隣接する前記電気化学蓄電素子間、及び、前記複数の電気化学蓄電素子のうち両端に配置された電気化学蓄電素子と該電気化学蓄電素子に対向する前記筐体の面との間に熱伝導性及びクッション性を有する加圧部材としての伝熱加圧ゴムが介装され、
前記電気化学蓄電素子と前記筐体との間に介装された前記伝熱加圧ゴムのうちの少なくとも一方と前記筐体との間に、前記筐体内に収納された複数の前記電気化学蓄電素子の移動を規制するように前記伝熱加圧ゴムを押圧する弾性体が設けられている
ことを特徴とする電気化学蓄電素子モジュール。
一つの前記電気化学蓄電素子に対して少なくとも一つの伝熱性を有する熱伝導シートであるグラファイトシートを前記電気化学蓄電素子と前記伝熱加圧ゴムとの間に設け、前記グラファイトシートを前記電気化学蓄電素子に面接触させる一方、前記グラファイトシートの一端を前記筐体に加圧した状態で面接触させることを特徴とする請求項１記載の電気化学蓄電素子モジュール。
前記筐体に伝導性を有する二つの導体を設け、前記電気化学蓄電素子に設けられた正負の端子と前記導体とを、それぞれ弾性変形可能に形成されたケーブルで接続したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電気化学蓄電素子モジュール。
前記筐体の前記電気化学蓄電素子の配列方向に沿って延びる側壁の一方に冷却ファンを設置するとともに、前記筐体の前記電気化学蓄電素子の配列方向に沿って延びる側壁の他方に通風孔を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に電気化学蓄電素子モジュール。
前記電気化学蓄電素子が、アルミラミネートフィルムによって外装された電気二重層キャパシタ、又はリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電気化学蓄電素子モジュール。
前記防振マットが、シリコンゴムであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電気化学蓄電素子モジュール。