JP5542622B2 - 電気二重層キャパシタ - Google Patents

Description

この発明は、セパレータを介在した正電極と負電極とを電解液とともに外装ケースに収納したキャパシタセルを有する電気二重層キャパシタに関する。

従来より、大容量で高エネルギの蓄電器として、電力用途等に電気二重層キャパシタが使用されている。電気二重層キャパシタは、セパレータを介在した正電極と負電極とを電解液とともに外装ケース（例えばアルミラミネートケース等）に収納したキャパシタセルを備えるものが多い。キャパシタセルは、通常、外装ケースの封止部分から正極端子と負極端子とを引き出した構成とされている。また、キャパシタセル単体は、出力電圧が数Ｖ程度と低いため、所望の出力性能を得るために、複数のキャパシタセルの端子同士を直列接続、並列接続または直列接続と並列接続とが混在する直並列接続してなるキャパシタモジュールとして用いられるのが一般的である（例えば特許文献１参照）。

特許第３８４８１９０号公報

ところで、電気二重層キャパシタは、大容量の急速充電が可能なことから、電気車等の回生エネルギの蓄電用として、また瞬時に放電が可能なことから電源の補償用として等、様々な用途で使用されており、より厳しい周囲環境、例えば高い周囲温度、激しい振動や衝撃が加わる環境での耐用が求められている。

そこで、従来、キャパシタセルの熱による劣化を防止するため、キャパシタセルを複数並設してキャパシタケースに収納する際に、キャパシタセル間に放熱板を介在させたり、冷媒用の媒体（液体又は気体）を通す熱交換器を配設することがあった。ところが、キャパシタケース内に放熱用の部品を配置するため、キャパシタモジュールが大型化してしまい、それに伴う機械的強度の低下や実装スペース及び重量の増加が避けられず、また、モジュールケースを介してキャパシタセルに加わる振動や衝撃を抑制することが容易でなく、キャパシタセルの耐久性を改善することが困難であった。

また、特許文献１に示すように、各キャパシタセルの外装ケースの外周に伝熱枠を設け、キャパシタセルの放熱効果とセルの支持強度を確保する方法もあるが、各セル毎に伝熱枠を取り付ける必要があるため、モジュールの組立作業が煩雑なものとなっていたとともに、キャパシタセルの外装ケースが支持されるだけで、キャパシタセルのリード端子に対して対策が施されていないことから、リード端子同士の接続部や、リード端子と外部接続用端子との接続部の耐振動性、耐衝撃性を確保できていなかった。

そこで、この発明は、上記の不具合を解消して、簡単な構成でありながらも、放熱性が良く、且つ耐振動性及び耐衝撃性を確保することができ、厳しい周辺環境での耐用性を向上させることができる電気二重層キャパシタの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電気二重層キャパシタ１は、セパレータを介在した正電極と負電極とを外装ケース１１に収納し電解液を充填するとともに、正電極及び負電極にそれぞれ接続されたリード端子１２、１２を外装ケース１１の外方に引き出してなるキャパシタセル１０と、上記キャパシタセル１０を複数並設し、並設した複数のキャパシタセル１０・・の両側に配設される一対の端板３、３と、この端板３、３及び複数のキャパシタセル１０・・を収納する金属ケース６と、上記金属ケース６内で上記端板３、３、上記複数のキャパシタセル１０・・及び上記リード端子１２・・を覆うように充填される絶縁樹脂７とを具備し、一方端部が上記絶縁樹脂７内で上記端板３に配設され、他方端部が上記絶縁樹脂７から外方に突出する外部接続用端子５を設け、上記端板３に隣接するキャパシタセル１０のリード端子１２を上記外部接続用端子５の一方端部と接続し、上記絶縁樹脂７内で上記端板３に固定するように構成したことを特徴としている。

また、上記外装ケース１１は、上記キャパシタセル１０の内部で発生した気体を外部に放出する放出弁１３を有し、上記絶縁樹脂７は、上記放出弁１３と外部とを連通させる放出路８を形成するようにして上記金属ケース６内に充填されている。

さらに、上記放出路８を、上記放出弁１３に対向して設けた筒体２０によって構成している。

さらにまた、上記金属ケース６の開口部６ａ側で、上記絶縁樹脂７の上部に上記各キャパシタセル１０・・の電圧を制御する制御基板２１を配設している。

また、上記金属ケース６の内側に当接するスペーサ９を設けている。

この発明の電気二重層キャパシタによれば、金属ケース内に収納されたキャパシタセルと端板と外部接続用端子の一方端部とが絶縁樹脂によって覆われる、すなわち、絶縁樹脂によって金属ケース内に収納された各部材が支持された状態とされるため、外部からの振動や衝撃が加わった際に、キャパシタセル、端板、外部接続用端子、絶縁樹脂、金属ケースが略同じ挙動となる、すなわち、互いに相対的な移動が殆ど拘束された状態となり、部材同士の衝突を防止することができる。また、リード端子同士の接続部や、リード端子と外部接続用端子との接続部においても、絶縁樹脂によって覆われているため、他の部材と略同じ挙動となり、振動や衝撃による破損を防止することができる。このように、絶縁樹脂を充填するだけの簡単な構成でありながらも、耐振動性や耐衝撃性を確保することができる。また、キャパシタセルから発せられる熱は、絶縁樹脂によって絶縁樹脂表面や金属ケースに伝達され、外部へと放熱されるため、放熱性も良好となる。

また、放出弁を設けるとともに、外部と放出弁とを連通する放出路を形成するようにして絶縁樹脂を充填していることで、内圧上昇によるキャパシタセルの破損を防止しながらも、絶縁樹脂によって保護することができ、耐振動性や耐衝撃性を確保することができる。

さらに、筒体によって放出路を形成することにより、絶縁樹脂の充填作業が容易になる。

さらにまた、制御基板を絶縁樹脂の上部に配設しているため、キャパシタセル等の部材と制御基板とが略同じ挙動となり、キャパシタセルと制御基板とを接続する配線等に振動や衝撃が加わり難くなって、耐振動性や耐衝撃性を確保することができる。

また、金属ケースの内側に当接するスペーサを設けているため、金属ケースとキャパシタセル等の部材との間に絶縁樹脂層が確実に形成されることとなり、絶縁樹脂による耐振動性や耐衝撃性、放熱性を保障することができる。また、キャパシタセルの金属ケース内での位置合わせが簡単になるため、組立作業が容易になる。

本発明の実施形態に係る電気二重層キャパシタのキャパシタセルを示す斜視図である。 キャパシタモジュールと金属ケースとを示す斜視図である。 電気二重層キャパシタを示す斜視図である。 図３の電気二重層キャパシタの平面図である。 図３の電気二重層キャパシタの断面図である。 異なる実施形態の電気二重層キャパシタの断面図である。

以下、この発明の電気二重層キャパシタの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この発明の電気二重層キャパシタ１は、図１に示すキャパシタセル１０を所望の出力を得るために、複数直列接続することでなるキャパシタモジュール２を備えている。なお、キャパシタモジュール２は、複数のキャパシタセル１０・・を直列接続してなるものに限らず、並列接続や直列接続と並列接続とを混在させた直並列接続することで形成されても良い。

キャパシタセル１０は、正電極と負電極とをセパレータを介して重ね合わせた状態で外装ケース１１に収納するとともに、外装ケース１１内に電解液を充填し、さらに外装ケース１１外方に正電極及び負電極にそれぞれ接続されたリード端子１２、１２を引き出すことで構成されている。

具体的には、正電極及び負電極は、例えばアルミニウム等の金属箔上に活性炭を直接塗布することで構成されており、例えば樹脂等の絶縁体からなるセパレータを介在させた状態で交互に複数枚積層され、正電極と負電極とセパレータとが一体に形成されている。また、正電極及び負電極には、電気機器との接続を行うための帯状のリード端子１２、１２の一方端部がそれぞれ接続され、リード端子１２、１２の他方端部が外装ケース１１外方にそれぞれ引き出されている。

外装ケース１１は、例えばアルミニウムの金属箔をプラスチックフィルムで挟み込んで形成されたラミネートアルミ箔１１ａからなり、平板状の一方のラミネートアルミ箔１１ａと、略中央部に、正電極と負電極とセパレータとを収納可能な凹部（収納部）１１ｂが形成された他方のラミネートアルミ箔１１ａとを対向させるとともに、収納部１１ｂを囲む外周部同士を熱融着等によって接合することで、内部空間を密閉するように形成されている。なお、外装ケース１１は、ラミネートアルミ箔１１ａに限らず、種々の材質のものを使用して形成されても良い。また、ラミネートアルミ箔１１ａは、熱融着に限らず、接着剤による接着等、種々の接合方法を用いても良い。また、双方のラミネートアルミ箔１１ａ、１１ａに収納部１１ｂを設けても良い。

また、外装ケース１１には、収納部１１ｂの上方に、電解液が電気分解を起こす等して生じる分解ガス（例えば一酸化炭素や二酸化炭素等の気体）を外装ケース１１の外方へと放出するガス放出弁１３が設けられている。なお、ガス放出弁１３としては、外装ケース１１の内圧上昇を抑えるものであれば良く、公知の種々のものが使用可能である。

図１のように形成されたキャパシタセル１０は、図２に示すように、複数並設されるとともに、隣接するキャパシタセル１０、１０の正極側リード端子１２と負極側リード端子１２とがそれぞれ接続されることで、複数のキャパシタセル１０・・が直列接続されてなるキャパシタモジュール２が形成される。

また、キャパシタモジュール２の両側には、図２に示すように、一対の端板３、３が当接配置されるとともに、例えば金属製のバンド４、４がキャパシタモジュール２及び端板３、３に外嵌されることで、キャパシタモジュール２と一対の端板３、３とが一体に留め付けられている。なお、端板３は、キャパシタセル１０よりも大とされた例えばエポキシ樹脂等の絶縁樹脂板からなるが、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂に限られることなく、種々の材質のもので形成された板を使用可能である。また、バンド４は、図２において、上下に間隔を開けて２個取り付けているが、１個又は３個以上取り付けていても良い。

また、端板３の上端部３ａには、図２に示すように、外部接続用端子５の一方端部が当接されている。外部接続用端子５は、一方端部（下端側）にキャパシタセル１０のリード端子１２と接続するための平板状の接続片５ａが形成されている。また、接続片５ａには２個のネジ孔５ｂ、５ｂが穿設されている。そして、接続片５ａの下面と端板３の上端面３ａとの間に、隣接するキャパシタセル１０のリード端子１２を挿通させた状態において、ネジ等を接続片５ａのネジ孔５ｂから端板３に至るまで捩じ込むことによって、接続片５ａと端板３の上端面３ａとでリード端子１２を挟持し、外部接続用端子５とリード端子１２とを電気的に接続するとともに、リード端子１２を端板３に固定している。また、外部接続用端子５の他方端部（上端側）は、端板３から上方に突出するように略立方体状に形成されており、その上面側には、外部装置や部品、バスバー等と接続するためのネジ孔５ｃが穿設されている。

一体とされたキャパシタモジュール２と、一対の端板３、３と、バンド４、４と、外部接続用端子５、５とは、図２に示すように、上方に開口部６ａを有する金属ケース６に収納されるとともに、金属ケース６内に絶縁樹脂７が充填されることで電気二重層キャパシタ１が形成される。

具体的には、絶縁樹脂７は、例えばウレタン樹脂であって、図３乃至図５に示すように、キャパシタセル１０・・のガス放出弁１３・・の上部を除いて、すなわち、ガス放出弁１３・・と外部とを連通するガス放出路８を形成するようにして、キャパシタセル１０・・のリード端子１２・・を含むキャパシタセル１０・・全体と、一対の端板３、３と、バンド４、４と、外部接続用端子５、５の下端側とが絶縁樹脂面７ａ下に位置されるように充填される。従って、キャパシタセル１０・・のリード端子１２・・同士の接続部や、リード端子１２と外部接続用端子５との接続部も絶縁樹脂７で覆われた状態となる。なお、ガス放出路８を形成する方法としては、絶縁樹脂７を充填する前に、ガス放出弁１３を囲むようにして型枠を設けて、絶縁樹脂７が流れ込まないようにする方法が挙げられるが、他の方法でも良く適宜変更可能である。

また、金属ケース６内に絶縁樹脂７を充填する以前に、金属ケース６の内側に当接するスペーサ９が設けられる。具体的には、スペーサ９は、例えばガラスエポキシ製の棒材であって、図５及び図６に示すように、端板３と金属ケース６との間に配設され、金属ケース６の内側と端板３との間に絶縁樹脂層を形成するための隙間を形成する。なお、スペーサ９は、金属ケース６の内側に予め固定しておいたり、端板３に予め固定しておいたり、また、端板３に一体に形成しておいたりしても良い。すなわち、金属ケース６とキャパシタセル１０や端板３等の部材とを当接させず、金属ケース６と部材との間に一定の隙間を設け、耐振動性や耐衝撃性、放熱性を確保できる厚みの絶縁樹脂層が形成されるように設ければ良い。また、スペーサ９の形状は、棒状に限らず適宜変更可能である。さらに、その材質についても、ガラスエポキシ製であることに限らず、適宜変更可能である。

このように構成された電気二重層キャパシタ１は、金属ケース６内に収納された複数のキャパシタセル１０・・と、一対の端板３、３と、外部接続用端子５、５の下端部とが絶縁樹脂７によって覆われている、すなわち、絶縁樹脂７によって支持（固定）されているため、部材同士が異なる挙動を示し、衝突する等といったことを防止することができる。また、キャパシタセル１０・・のリード端子１２・・同士の接続部や、リード端子１２と外部接続用端子５との接続部においても、絶縁樹脂７によって固定された状態となるため、振動や衝撃による破損を防止することができる。さらに、絶縁樹脂７によって固定された端板３に、外部接続用端子５が取り付けられるため、上端側が絶縁樹脂７から突出しているにもかかわらず、振動や衝撃による影響を抑えることができる。また、絶縁樹脂７が伝熱材として機能するとともに、金属ケース６であるため放熱性も良い。また、絶縁樹脂７として比較的柔軟なウレタン樹脂を使用しているため、キャパシタセル１０の膨張収縮に追随できるとともに、８０℃程度まで使用可能であるため、キャパシタセル１０の発熱や外部からの熱に対しても対応することができる。また、弾性を有するため、振動や衝撃を吸収することができ、耐振動性や耐衝撃性の向上を図ることができる。

また、ガス放出路８を設けているため、ガスの放出を滞りなく行うことができる。また、スペーサ９を設けているため、金属ケース６とキャパシタセル１０や端板３との間に、絶縁樹脂層を確実に形成することができ、耐振動性や耐衝撃性、放熱性を保障することができるとともに、キャパシタセル１０や端板３の金属ケース６内での位置合わせが行い易くなるため、組立作業が容易となる。

以上に、この発明の具体的な実施形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施例においては、絶縁樹脂７としてウレタン樹脂が用いられていたが、ウレタン樹脂に限らず、シリコン樹脂等他の樹脂やゴム等を使用しても良い。この場合、樹脂の特性によって放熱性の向上や衝撃吸収性能の向上を図ることができる。

また、図６に示すように、絶縁樹脂７を充填する前に、一方側（下端側）がガス放出弁１３に対向配置された状態において、他方側（上端側）が充填される絶縁樹脂面７ａと同じ高さ、若しくはそれよりも上側に位置する筒体２０を配設しておき、その後、絶縁樹脂７を充填することで、ガス放出路８を形成するようにしても良い。この場合、絶縁樹脂７の充填作業が簡素化される利点がある。なお、この筒体２０は、樹脂硬化後、絶縁樹脂７から抜き取っても良い。

また、図６に示すように、金属ケース６の開口部６ａ側で、且つ絶縁樹脂面７ａ上に、各キャパシタセル１０・・の電圧を制御する制御基板２１を配設しても良い。この場合、制御基板２１は、例えば、制御基板２１の脚部２１ａを絶縁樹脂７に埋設することで固定される。このように、絶縁樹脂７を介して制御基板２１を固定することで、外部からの振動や衝撃が加わった場合でも、振動や衝撃が直接伝わらず、絶縁樹脂７を介して伝わり、他の部材と略同じ挙動となるため、制御基板２１や制御基板２１とキャパシタセル１０とを接続する（図示しない）配線等の破損を抑制できるといった効果を奏する。なお、制御基板２１を固定するものとしては、絶縁樹脂７に限らず、端板３等、絶縁樹脂７によって覆われた部材であれば良い。

１・・電気二重層キャパシタ、３・・端板、５・・外部接続用端子、６・・金属ケース、７・・絶縁樹脂、７ａ・・絶縁樹脂面、８・・放出路、９・・スペーサ、１０・・キャパシタセル、１１・・外装ケース、１２・・リード端子、１３・・放出弁、２０・・筒体、２１・・制御基板

Claims (5)

1. セパレータを介在した正電極と負電極とを外装ケース（１１）に収納し電解液を充填するとともに、正電極及び負電極にそれぞれ接続されたリード端子（１２）（１２）を外装ケース（１１）の外方に引き出してなるキャパシタセル（１０）と、上記キャパシタセル（１０）を複数並設し、並設した複数のキャパシタセル（１０・・）の両側に配設される一対の端板（３）（３）と、この端板（３）（３）及び複数のキャパシタセル（１０・・）を収納する金属ケース（６）と、上記金属ケース（６）内で上記端板（３）（３）、上記複数のキャパシタセル（１０・・）及び上記リード端子（１２・・）を覆うように充填される絶縁樹脂（７）とを具備し、一方端部が上記絶縁樹脂（７）内で上記端板（３）に配設され、他方端部が上記絶縁樹脂（７）から外方に突出する外部接続用端子（５）を設け、上記端板（３）に隣接するキャパシタセル（１０）のリード端子（１２）を上記外部接続用端子（５）の一方端部と接続し、上記絶縁樹脂（７）内で上記端板（３）に固定するように構成したことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. 上記外装ケース（１１）は、上記キャパシタセル（１０）の内部で発生した気体を外部に放出する放出弁（１３）を有し、上記絶縁樹脂（７）は、上記放出弁（１３）と外部とを連通させる放出路（８）を形成するようにして上記金属ケース（６）内に充填されてい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。
3. 上記放出路（８）を、上記放出弁（１３）に対向して設けた筒体（２０）によって構成していることを特徴とする請求項２に記載の電気二重層キャパシタ。
4. 上記金属ケース（６）の開口部（６ａ）側で、上記絶縁樹脂（７）の上部に上記各キャパシタセル（１０・・）の電圧を制御する制御基板（２１）を配設したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタ。
5. 上記金属ケース（６）の内側に当接するスペーサ（９）を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電気二重層キャパシタ。