JP5217323B2 - バイポーラ積層型電気二重層キャパシタ - Google Patents
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Description
本発明は、バイポーラ積層型電気二重層キャパシタに関する。
電気二重層キャパシタ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特徴としている。
図２に従来のバイポーラ積層型電気二重層キャパシタの一例を示す。図２に示すように、バイポーラ積層型電気二重層キャパシタ（以下、キャパシタという）は平板状の活性炭電極１を分極基材２の両面に接着してなる分極性電極とイオンが通過可能なセパレータ３とを交互に挟みこんだ「積層型」としている。
セパレータ３とその両面に位置する活性炭電極１，１とから構成される最小単位をセル４として説明すると、キャパシタは、分極基材２を介して複数のセル４を積層してなる多積層体を、積層保持用金属プレートとしてのエンドプレート７，７で締め付けた構造となっている。分極基材２の外周部には、キャパシタユニット内部の電解質が外部へ漏れ出すことを防止するためにセル４間の密閉を行うパッキン５が設けられ、これにより、分極基材２は外周部分をパッキン５によって挟まれた状態となっている。なお、このパッキン５は、セル４間の絶縁を行う役割も備えている。
キャパシタは、組み立てを行う際に必要な耐電圧分（例えば、単位セル当たりの耐電圧は２．５Ｖ程度）のセル４とともに上記パッキン５を積層し、最後に端部金属集電板としての集電極板６，６を介してエンドプレート７，７で締め付けることにより、セル４間の密閉状態を保っている。なお、集電極板６，６には集電端子８，８が接続されている。
ここで、セル４間を完全に密閉するには、エンドプレート７，７間に十分な締め付け力を与える必要がある。そのためエンドプレート７，７にねじ穴を設けるとともに、パッキン５のねじ穴に対向する部分に貫通孔を設け、このねじ穴及び貫通孔に締結部材としての金属ねじ９を通してエンドプレート７，７を相互に締結している（例えば、特許文献１参照）。より詳しくは、パッキン５の貫通孔に、円筒状部材として、中空円筒状に形成された樹脂製の部材であって内周面に両雌ねじ加工を行った雌ねじ付き樹脂スペーサ（以下、樹脂スペーサという）１３を挿入し、この樹脂スペーサ１３の両側に上記金属ねじ９を螺着することにより両側のエンドプレート７，７を締め付けて、大きな加圧力を得ている。
ところで、キャパシタの構造上、エンドプレート７，７間には電位差が生じる可能性がある。図２に示すようなキャパシタにおいては、エンドプレート７と集電極板６とが接していることから、一方のエンドプレート７と他方のエンドプレート７とを絶縁する必要がある。そのため上述したように、スペーサには樹脂製のものが使用されている。なお、樹脂スペーサ１３に用いられる樹脂としては、強度、耐熱性、及び耐久性の点から、例えば、ポリニフィレンサルファイド（ＰＰＳ）にフィラー状のガラス繊維を含有させたものが使用されている。
また、積層された複数のキャパシタセルを直列に接続するために、それぞれのキャパシタセルの第一の端子と隣接するキャパシタセルの第二の端子とを長方径の板からなる端子接続部を用いて接続する構成において、第一の端子又は第二の端子と端子接続部とをボルト及びナットによって締結する際、端子、端子接続部、及び隣接する端子間に介装された絶縁ブロックに形成された貫通孔に、絶縁材料からなる中空円筒状のスリーブを介してボルトを挿入するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、図２に示すようなキャパシタにおいてセル４間の密閉状態を長期間維持するためには、エンドプレート７，７間の強い締め付け力を得ること、及び、樹脂スペーサ１３の変形を防止することが要求される。
ＰＰＳ樹脂からなる樹脂スペーサ１３を用いる場合、金属ねじ９による締め付け力は該ＰＰＳ樹脂の強度に応じて設定されるため、締め付け力を大きくするには樹脂スペーサ１３のねじ径を大きく、すなわち樹脂スペーサ１３の断面積を拡大する必要があり、キャパシタユニット全体の大型化に繋がる虞があった。
また、樹脂は温度が約６０℃を超えると強度低下が起こり８０℃での強度は２０℃における強度と比較して３分の２程度となってしまう。キャパシタの使用温度範囲は概ね−２０℃〜７０℃であるので、樹脂スペーサ１３や上記スリーブの温度が上昇するとその強度が低下し、変形が生じる等の虞があった。
このようなことから本発明は、キャパシタユニットの大型化を抑制しつつセル間の密閉性を向上させることが可能なバイポーラ積層型電気二重層キャパシタ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の発明に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタは、分極基材を介して複数のキャパシタセルを積層した多積層体と、前記多積層体の両面にそれぞれ設けられる二つの端部金属集電板と、前記多積層体及び前記端部金属集電板を挟む二つの積層保持用金属プレートと、前記キャパシタセルを密閉するパッキンと、内面にねじ溝が形成され、前記パッキンに形成された貫通孔に挿入され、両端に前記積層保持用金属プレートを締結する締結部材が螺着される円筒状部材とを備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタにおいて、前記円筒状部材が金属からなり、前記円筒状部材を構成する金属が表面に耐食性のめっきを施した鉄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２の発明に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタは、分極基材を介して複数のキャパシタセルを積層した多積層体と、前記多積層体の両面にそれぞれ設けられる二つの端部金属集電板と、前記多積層体及び前記端部金属集電板を挟む二つの積層保持用金属プレートと、前記キャパシタセルを密閉するパッキンと、内面にねじ溝が形成され、前記パッキンに形成された貫通孔に挿入され、両端に前記積層保持用金属プレートを締結する締結部材が螺着される円筒状部材とを備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタにおいて、前記円筒状部材が金属からなり、前記円筒状部材の表面を絶縁材で被覆し、前記絶縁材が、熱収縮チューブ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３の発明に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタは、分極基材を介して複数のキャパシタセルを積層した多積層体と、前記多積層体の両面にそれぞれ設けられる二つの端部金属集電板と、前記多積層体及び前記端部金属集電板を挟む二つの積層保持用金属プレートと、前記キャパシタセルを密閉するパッキンと、内面にねじ溝が形成され、前記パッキンに形成された貫通孔に挿入され、両端に前記積層保持用金属プレートを締結する締結部材が螺着される円筒状部材とを備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタにおいて、前記円筒状部材が金属からなり、前記円筒状部材の表面を絶縁材で被覆し、前記絶縁材が、樹脂顔料からなる塗料を焼付け塗装してなることを特徴とする。
上記の課題を解決するための第２の発明に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタは、分極基材を介して複数のキャパシタセルを積層した多積層体と、前記多積層体の両面にそれぞれ設けられる二つの端部金属集電板と、前記多積層体及び前記端部金属集電板を挟む二つの積層保持用金属プレートと、前記キャパシタセルを密閉するパッキンと、内面にねじ溝が形成され、前記パッキンに形成された貫通孔に挿入され、両端に前記積層保持用金属プレートを締結する締結部材が螺着される円筒状部材とを備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタにおいて、前記円筒状部材が金属からなり、前記円筒状部材の表面を絶縁材で被覆し、前記絶縁材が、熱収縮チューブ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３の発明に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタは、分極基材を介して複数のキャパシタセルを積層した多積層体と、前記多積層体の両面にそれぞれ設けられる二つの端部金属集電板と、前記多積層体及び前記端部金属集電板を挟む二つの積層保持用金属プレートと、前記キャパシタセルを密閉するパッキンと、内面にねじ溝が形成され、前記パッキンに形成された貫通孔に挿入され、両端に前記積層保持用金属プレートを締結する締結部材が螺着される円筒状部材とを備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタにおいて、前記円筒状部材が金属からなり、前記円筒状部材の表面を絶縁材で被覆し、前記絶縁材が、樹脂顔料からなる塗料を焼付け塗装してなることを特徴とする。
第４の発明に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタは、第１乃至第３のいずれかの発明において、相互に対向する前記積層保持用金属プレートと前記端部金属集電板との間に、少なくとも−２０℃〜７０℃の耐熱温度を有する絶縁板を介設したことを特徴とする。
第５の発明に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタは、第４の発明において、前記絶縁板が、ベークライト、フェノール、エポキシ系素材、ポリプロピレン、またはポリエチレンテレフタレートからなることを特徴とする。
本発明に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタによれば、従来の円筒状部材に比較して断面積を拡大することなく円筒状部材の強度を向上させることができるため、キャパシタユニットの大型化を抑制しつつセル間の密閉性を向上させることが可能となる。
また、積層保持用金属プレートと端部金属集電板との間に、少なくとも−２０℃〜７０℃の耐熱温度を有する絶縁板を介設すれば、二つの積層保持用金属プレート間において電位差が生じた場合であっても、この電位差がキャパシタの使用温度範囲内においてキャパシタユニット本体に影響を及ぼすことを防止することができる。
さらに、円筒状部材の表面を絶縁材で被覆すれば、金属からなる円筒状部材と分極基材とが接触して短絡することを確実に防止することができる。
本発明の実施の形態を、以下に示す実施例において詳細に説明する。本実施の形態は、締結部材を挿入、又は螺着する円筒状部材を備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタに適用されるものである。
図１に基づいて本発明の第１の実施例を説明する。図１は本実施例に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタの断面構造図である。本実施例は、図２に示し上述した従来の構成における樹脂スペーサ１３に代えて、図１に示す金属スペーサ１０を用いるものである。その他の構成は図２に示し上述したものと概ね同様であり、同一の部材には同一符号を付し重複する説明は適宜省略する。
図１に示すように、本実施例に係るキャパシタにおいて、パッキン５に形成された貫通孔には、中空円筒状に形成された金属製の部材であって内周面に両雌ねじ加工が施された円筒状部材としての金属スペーサ１０が挿通されている。金属スペーサ１０の両端にはそれぞれエンドプレート７を貫通する締結部材としての金属ねじ９が螺着され、これにより該エンドプレート７，７は相互に締結されている。
ここで、本実施例ではスペーサとして金属を使用するため、金属ねじ９及び金属スペーサ１０を介して二つのエンドプレート７，７が導通することになる。よって、互いに対向する集電極板６とエンドプレート７との間に絶縁板１１を配設して集電極板６とエンドプレート７との間を絶縁するようにしている。絶縁板１１には、例えば、厚さ０．０５〜２．０ｍｍ程度のものを用いる。
さらに、金属スペーサ１０の外周面には絶縁材１２が施されている。絶縁材１２は、金属スペーサ１０の外周部が分極を行うアルミ箔基材である分極基材２と接触して短絡することを防止するものであり、分極基材２と金属スペーサ１０との短絡を防止するため必要に応じて金属スペーサ１０よりやや長めに設定する等とすると好適である。
上述した本実施例に係るバイポーラ積層型電気二重層キャパシタによれば、エンドプレート７，７を締結する金属ねじ９を両端に螺着されるスペーサとして、金属からなる金属スペーサ１０を用いる構成としたことにより、ＰＰＳ樹脂性のスペーサを用いた従来のキャパシタに比較してその強度を２〜３倍とすることができる。例えば、断面積が同一である場合、本実施例の金属スペーサ１０は従来の樹脂性スペーサ１３に比較して強度が２〜３倍程度増加する。
そのため、キャパシタユニットの大型化を抑制しつつセル間の密閉性を向上させることができる。さらに、金属の場合、その耐熱温度は数百℃以上であるため、通常のキャパシタ使用温度範囲において強度低下を生じる虞がなく、従来に比較してセル間の密閉性をより長期間維持することが可能になる。
また、互いに対向する集電極板６とエンドプレート７との間に絶縁板１１を設け、集電極板６とエンドプレート７とを電気的に分離するようにしたため、二つのエンドプレート７，７間に電位差が生じた場合であっても、活性炭電極１、分極基材２、セパレータ３及び集電極板６からなるキャパシタユニット本体に影響が及ぶことを防止できる。
さらに、金属スペーサ１０の外周部を絶縁材１２で被覆したため、分極基材２の端部が金属スペーサ１０に直接接触する虞がなく、短絡を防ぐことができる。
本実施例は、図１に示し上述した実施例１の金属スペーサ１０の材料としてステンレスを用いる例である。特に、価格及び強度を考慮すると、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４の使用が好適である。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、重複する説明は省略する。
本実施例によれば、金属スペーサ１０の材料としてステンレスを使用することにより、ＰＰＳ樹脂と比較して強度が約３倍であるので従来に比較して断面積を拡大することなく強度を向上させることができ、キャパシタユニットの大型化を抑制しつつセル間の密閉性を向上させることが可能となる。さらに、耐食性に優れることから表面処理等を施す必要がないという利点がある。
本実施例は、図１に示し上述した実施例１の金属スペーサ１０の材料として鉄を用いる例である。本実施例において金属スペーサ１０の表面には、鉄の腐食を防止するために耐食性のめっきを施すようにする。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、重複する説明は省略する。
本実施例によれば、金属スペーサ１０の材料として鉄を使用するため、上述した実施例２におけるステンレス製のものに比較して略同等の強度が得られ、キャパシタユニットの大型化を抑制しつつセル間の密閉性を向上させることができるとともに、材料費を２分の１程度に抑制することができ、且つ加工コストも低く抑えることができる。
本実施例は、図１に示し上述した実施例１の金属スペーサ１０の材料としてチタンを用いる例である。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、重複する説明は省略する。
本実施例によれば、金属スペーサ１０の材料としてチタンを使用するため、表面処理を施す必要がなく、また従来のＰＰＳ樹脂に比較して２倍程度の強度が得られ、キャパシタユニットの大型化を抑制しつつセル間の密閉性を向上させることができる。さらに、実施例２におけるステンレス製のもの、実施例３における鉄製のものに比較して、質量を約２分の１に低減することができる。
本実施例は、上述した実施例１の絶縁板１１の材料として、熱硬化性樹脂（例えば、ベークライト板、フェノール板、エポキシ系板等）を使用する例である。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、重複する説明は省略する。
本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、絶縁板１１の材料として熱硬化性樹脂を使用することにより、耐熱温度３００℃以上、且つ高絶縁性が得られる。
本実施例は、上述した実施例１の絶縁板１１の材料として、ポリオレフィン系樹脂（例えば、ポリプロピレン等）を使用する例である。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、重複する説明は省略する。
本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、絶縁板１１の材料としてポリオレフィン系樹脂を用いることにより、耐熱温度１２０℃程度が得られるとともに上述した実施例５に比較して素材の価格が低く、且つ薄く加工することが可能となる。
本実施例は、上述した実施例１の絶縁板１１の材料として、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴフィルム）を使用する例である。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、重複する説明は省略する。
本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、絶縁板１１の材料としてポリエチレンテレフタレートを使用することにより、耐熱温度２００℃程度が得られるとともに素材の価格も低く、且つ絶縁性に優れた絶縁板１１を得ることができ、上述した実施例５，６に比較して絶縁性を維持しつつ素材厚さを薄くすることができる。
本実施例は、上述した実施例１の絶縁材１２として、四フッ化エチレン樹脂(ＰＴＦＥ)、ポリプロピレン、シリコン等からなるチューブ状あるいはパイプ状の素材を使用する例である。絶縁材１２は、上記チューブ状あるいはパイプ状の素材を必要な長さに切断して金属スペーサ１０に被せることで金属スペーサ１０の外周を被覆する。該絶縁体１１の長さは、金属スペーサ１０の長さに比較してやや長め（短絡を防止できる程度）に設定する。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、重複する説明は省略する。
本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、絶縁材１２としてチューブ状の絶縁素材を使用することにより、絶縁材１２の金属スペーサ１０への装着を容易に行うことが可能となる。
本実施例は、上述した実施例１の絶縁材１２として、塩化ビニール、フッ素系、ポリオレフィン系の熱収縮チューブを使用する例である。熱収縮チューブは金属スペーサ１０に被せ、高温で収縮させて金属スペーサ１０に密着させる。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、重複する説明は省略する。
本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、絶縁材１２として熱収縮チューブを使用することにより、振動や衝撃に対して絶縁材１２が金属スペーサから外れたり、ずれたりすることを抑制し、より確実に短絡を防止することができる。
本実施例は、図１に示し上述した実施例１の絶縁材１２として、樹脂顔料からなる塗料を金属スペーサに焼き付け塗布してなる絶縁皮膜を使用する例である。その他の構成は図１に示し上述したものと概ね同様であり、重複する説明は省略する。
本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、絶縁材として樹脂顔料からなる塗料を焼付け塗布することにより、上述した実施例８，９の構成に比較して絶縁材の厚さをより薄くすることができるために更なる軽量化が可能であると共に、コストを抑制することができる。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、例えば複数の実施例を組み合わせる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。
本発明は、締結部材を挿入、又は螺着する円筒状部材を備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタに適用して好適なものである。
１ 活性炭電極
２ 分極基材
３ セパレータ
４ セル
５ パッキン
６ 集電極板
７ エンドプレート
８ 集電端子
９ 金属ねじ
１０ 金属スペーサ
１１ 絶縁板
１２ 絶縁材
２ 分極基材
３ セパレータ
４ セル
５ パッキン
６ 集電極板
７ エンドプレート
８ 集電端子
９ 金属ねじ
１０ 金属スペーサ
１１ 絶縁板
１２ 絶縁材
Claims (5)
- 分極基材を介して複数のキャパシタセルを積層した多積層体と、
前記多積層体の両面にそれぞれ設けられる二つの端部金属集電板と、
前記多積層体及び前記端部金属集電板を挟む二つの積層保持用金属プレートと、
前記キャパシタセルを密閉するパッキンと、
内面にねじ溝が形成され、前記パッキンに形成された貫通孔に挿入されて両端に前記積層保持用金属プレートを締結する締結部材が螺着される円筒状部材と
を備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタにおいて、
前記円筒状部材が金属からなり、
前記円筒状部材を構成する金属が表面に耐食性のめっきを施した鉄である
ことを特徴とするバイポーラ積層型電気二重層キャパシタ。 - 分極基材を介して複数のキャパシタセルを積層した多積層体と、
前記多積層体の両面にそれぞれ設けられる二つの端部金属集電板と、
前記多積層体及び前記端部金属集電板を挟む二つの積層保持用金属プレートと、
前記キャパシタセルを密閉するパッキンと、
内面にねじ溝が形成され、前記パッキンに形成された貫通孔に挿入されて両端に前記積層保持用金属プレートを締結する締結部材が螺着される円筒状部材と
を備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタにおいて、
前記円筒状部材が金属からなり、
前記円筒状部材の表面を絶縁材で被覆し、
前記絶縁材が、熱収縮チューブである
ことを特徴とするバイポーラ積層型電気二重層キャパシタ。 - 分極基材を介して複数のキャパシタセルを積層した多積層体と、
前記多積層体の両面にそれぞれ設けられる二つの端部金属集電板と、
前記多積層体及び前記端部金属集電板を挟む二つの積層保持用金属プレートと、
前記キャパシタセルを密閉するパッキンと、
内面にねじ溝が形成され、前記パッキンに形成された貫通孔に挿入されて両端に前記積層保持用金属プレートを締結する締結部材が螺着される円筒状部材と
を備えるバイポーラ積層型電気二重層キャパシタにおいて、
前記円筒状部材が金属からなり、
前記円筒状部材の表面を絶縁材で被覆し、
前記絶縁材が、樹脂顔料からなる塗料を焼付け塗装してなる
ことを特徴とするバイポーラ積層型電気二重層キャパシタ。 - 相互に対向する前記積層保持用金属プレートと前記端部金属集電板との間に、少なくとも−２０℃〜７０℃の耐熱温度を有する絶縁板を介設した
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のバイポーラ積層型電気二重層キャパシタ。 - 前記絶縁板が、ベークライト、フェノール、エポキシ系素材、ポリプロピレン、またはポリエチレンテレフタレートからなる
ことを特徴とする請求項４に記載のバイポーラ積層型電気二重層キャパシタ。
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