JP5732241B2 - 蓄電セル、蓄電装置、及び蓄電装置を搭載する車両 - Google Patents

蓄電セル、蓄電装置、及び蓄電装置を搭載する車両 Download PDF

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Description

本発明は、充放電可能な蓄電セル、蓄電セルを備える蓄電装置、及び蓄電装置を搭載する車両に関するものである。
蓄電セルに内蔵される蓄電要素では、充放電に伴って発熱が生じる。その熱は、蓄電セルの周囲の各種経路を経由して伝熱し、最終的に空冷、液冷媒体へと伝熱される。
蓄電セルの内部の熱を外部へ放熱する技術として、特許文献１には、ソフトケースの放熱フィンを挟持する伝熱枠を介して放熱ハードケース内に納められる電気二重層キャパシタが開示されている。
また、特許文献２には、電気二重層キャパシタの外部に突き出る端子にフィンを設けることが開示されている。
特開２００３−２８２３７５号公報 特開２００５−５１０７４号公報
車両搭載用の蓄電セルの場合には、重量やレイアウトの面からコンパクト化が望まれるが、特許文献１及び特許文献２のような放熱方法では、蓄電セルの周囲に蓄電機能に寄与しないスペースの増大を招くため、コンパクト化ができないという問題がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、蓄電セルの内部にて発生した熱を効果的に外部へ放熱することができ、かつコンパクトな蓄電セル及び蓄電装置を提供することを目的とする。
本発明は、蓄電要素を電解液と共に収容するハードケースと、前記蓄電要素の集電極に接続されると共に、前記ハードケースの外部に露出する電極端子と、を備え、前記電極端子を介して充放電可能な蓄電セルであって、前記電極端子は、前記ハードケースに形成された開口部を挿通し前記集電極に接続された集電極接続部と、前記開口部を囲むように覆って前記ハードケースの外周面に面接触して接合される本体部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、電極端子は本体部がハードケースの外周面に面接触して接合されるため、表面積が大きい。したがって、蓄電セルの内部の熱を、電極端子を通じて効果的に外部へ放熱することができる。また、電極端子の表面積が大きいため、蓄電セルに放熱のための設備を設ける必要がなく、蓄電セルをコンパクトに構成することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る電気二重層キャパシタの正面図であり、矩形枠表面の膜体を取り除いた状態の図である。 矩形枠と電極端子の分解斜視図である。 矩形枠と電極端子の分解正面図である。 矩形枠の平面図である。 （Ａ）は電極端子の側面図であり、（Ｂ）は電極端子の正面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る蓄電装置の斜視図である。 蓄電装置における冷却空気の流れを示す模式図である。 蓄電装置が搭載された車両の模式図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
以下、図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る蓄電セルとしての電気二重層キャパシタ（以下、単に「キャパシタ」と称する。）１００について説明する。
図１に示すように、キャパシタ１００は、電荷を蓄える蓄電要素５を電解液と共に収容するハードケース１０と、蓄電要素５に接続されると共にハードケース１０の外部に露出する一対の電極端子２０とを備える。
蓄電要素５は、正極集電極２と、負極集電極３と、正極集電極２と負極集電極３の間に介在され両者を隔離するセパレータ（図示省略）とを所定数積層した積層体で構成される。
セパレータは、正極集電極２と負極集電極３の接触を防ぐが、イオンの流通は妨げないものであり、紙または樹脂製のシートで構成される。正極集電極２及び負極集電極３の表面には電気二重層を構成する活性炭が塗布される。
ハードケース１０は、蓄電要素５を囲う矩形枠１１と、矩形枠１１の両面に貼り付けられた一対の膜体１２とを備える。なお、図１は、矩形枠１１の片側の表面の膜体を取り除いた状態の図である。矩形枠１１は樹脂製であり、膜体１２はラミネートフィルムである。ラミネートフィルムは、金属箔の金属層を樹脂層にて被服した多層構造のフィルム材である。矩形枠１１と膜体１２は、互いの熱可塑性樹脂を熱溶着させることによって隙間なく接合される。これにより、ハードケース１０の内部に電解液が密封される。
電極端子２０は、正極集電極２に電気的に接続された正電極端子２０ａと、負極集電極３に電気的に接続された負電極端子２０ｂとからなる。
キャパシタ１００は、正極集電極２と負極集電極３の両極それぞれで電気二重層による静電容量によって電荷を蓄えると共に、蓄えた電荷を放出するものである。充放電は正電極端子２０ａ及び負電極端子２０ｂを介して行われる。
次に、図２〜図５を参照して、ハードケース１０の矩形枠１１と電極端子２０について詳しく説明する。
図２及び図３に示すように、矩形枠１１は、４つの直線状の躯体１１ａ〜１１ｄからなる矩形の枠状部材であり、蓄電要素５を囲む矩形の内周面を有すると共に、４辺の外周面を有する。
対向する躯体１１ａ，１１ｃのそれぞれには、矩形枠１１の内外を貫通する開口部１３が形成される。開口部１３は、躯体１１ａ，１１ｃの長手方向に延在して形成される。
躯体１１ａ，１１ｃは、図２及び図４に示すように、断面形状が略くの字状に窪んで形成される。躯体１１ａ，１１ｃの外周面は、対向する一対の斜面１４と、一対の斜面１４をつなぐ曲面状の底面１５とからなり、窪んで形成される。開口部１３は底面１５に沿って形成される。一対の斜面１４は、後述するように電極端子２０とのシール面として機能する。
対向する躯体１１ｂ，１１ｄは、図２に示すように、断面形状が略コの字状に形成され、外周面に溝１８が形成される。溝１８内には、ハードケース１０内にて発生するガスを外部へ排出するためのガス抜きバルブ１９や電圧均等化のための回路基板（図示せず）が配置される。
正電極端子２０ａは躯体１１ａの外周面を覆うように接合され、負電極端子２０ｂは躯体１１ｃの外周面を覆うように接合される。正電極端子２０ａと負電極端子２０ｂは同一形状であるため、以下では正電極端子２０ａについて説明する。
正電極端子２０ａは、アルミニウムなど導電性を有する金属にて構成される。図２及び図５に示すように、正電極端子２０ａは、躯体１１ａの外周面の斜面１４に面接触して接合される本体部２１と、開口部１３を挿通し正極集電極２に接続される集電極接続部２２とを備える。負電極端子２０ｂの集電極接続部２２は、負極集電極３に接続される。また、正電極端子２０ａは、隣接して配置されるキャパシタ１００を接続するための外部端子部２３も備える。
本体部２１は、躯体１１ａの外周面に沿った形状、つまり断面形状が略くの字状に形成され、躯体１１ａの窪み内にぴったりと嵌まる形状に形成される。具体的には、本体部２１は、対向する一対の傾斜部２４と、一対の傾斜部２４をつなぐ曲面部２５とを備える。本体部２１の長さは躯体１１ａの長さと略同一に形成される。一対の傾斜部２４の外面は、躯体１１ａの一対の斜面１４とのシール面として機能する。集電極接続部２２は、本体部２１の曲面部２５の外面から隆起して形成される。
一対の傾斜部２４の外面には、均一な厚さの熱可塑性樹脂が設けられる。一対の傾斜部２４の外面は、熱可塑性樹脂を熱溶着させることによって躯体１１ａの一対の斜面１４に隙間なく接合される。このように、正電極端子２０ａと躯体１１ａは、傾斜部２４の外面と斜面１４とが面接触して接合される。正電極端子２０ａが躯体１１ａに接合された状態では、正電極端子２０ａの本体部２１は躯体１１ａの外周面全体を覆う。同様に、負電極端子２０ｂの本体部２１は躯体１１ｃの外周面全体を覆う。このように、ハードケース１０の４辺の外周面のうち２辺の外周面が電極端子２０によって覆われる。また、正電極端子２０ａが躯体１１ａに接合された状態では、集電極接続部２２は開口部１３を挿通して矩形枠１１内に延在する。
正電極端子２０ａを躯体１１ａに接合するための熱可塑性樹脂は、躯体１１ａを構成する熱可塑性樹脂と同一であることが望ましい。このように構成すれば、熱溶着が容易となり、傾斜部２４の外面と斜面１４とのシール性能が向上する。なお、正電極端子２０ａと躯体１１ａとの間に熱可塑性樹脂を設けずに、躯体１１ａを構成する熱可塑性樹脂によって正電極端子２０ａと躯体１１ａを直接接合するようにしてもよい。
ここで、一般的に、キャパシタの発熱量は化学反応を利用する化学電池と比べると小さいものであるが、蓄電要素５の充放電に伴って発生したケース内部の熱は外部へ排出する必要がある。電極端子２０は、蓄電要素の正極集電極２及び負極集電極３に接合されると共にハードケース１０の外部に露出しているため、ハードケース１０の内部の熱を放熱する部材として機能し得る。つまり、電極端子２０における外部に露出する表面は放熱面として機能する。キャパシタ１００は、正電極端子２０ａ及び負電極端子２０ｂの本体部２１のそれぞれがハードケース１０の４辺の外周面のうち１辺の外周面を覆う構成であるため、電極端子２０の表面積が大きい。さらに、電極端子２０は、本体部２１がくの字状であるため、平面状の電極端子と比較して表面積が大きい。このように、電極端子２０は、外部に露出する表面積が大きいため、外部と熱交換し易い。したがって、ハードケース１０の内部の熱は、電極端子２０を通じて効果的に外部へと排出される。また、電極端子２０の表面積が大きいため、キャパシタ１００に放熱のための設備を設ける必要がなく、キャパシタ１００をコンパクトかつ軽量に構成することができる。
図２及び図３に示すように、外部端子部２３は、本体部２１の傾斜部２４の側縁に突出して設けられる。具体的には、傾斜部２４の長手方向両端に一対設けられる。複数のキャパシタ１００を積層して直列又は並列に接続する際には、隣接するキャパシタ１００が外部端子部２３によって接続される。キャパシタ１００は、正電極端子２０ａ及び負電極端子２０ｂの本体部２１のそれぞれがハードケース１０の４辺の外周面のうち１辺の外周面を覆う構成であるため、キャパシタ１００を積層して配置するだけで、隣接するキャパシタ１００の電極端子２０の本体部２１が接近した状態となる。その接近した本体部２１を外部端子部２３によって接続することによって、隣接するキャパシタ１００を接続することができる。このように、キャパシタ１００は、他のキャパシタ１００との接続距離が極めて短い。そのため、複数のキャパシタ１００を低抵抗で接続することができる。
以上の第１の実施の形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。
電極端子２０の本体部２１は、ハードケース１０の外周面に面接触して接合され、かつハードケース１０の４辺の外周面のうち２辺の外周面を覆うものであるため、電極端子２０における外部に露出する表面積は大きい。さらに、電極端子２０の本体部２１はくの字状であるため、電極端子２０の表面積は大きい。したがって、蓄電要素５の充放電に伴って発生したハードケース１０の内部の熱を、電極端子２０を通じて効果的に外部へと排出することができる。これにより、キャパシタ１００の温度上昇が抑制されるため、キャパシタ１００の信頼性が向上すると共に、寿命を長くすることができる。
また、電極端子２０の表面積が大きいため、キャパシタ１００に放熱のための設備を設ける必要がない。つまり、電極端子２０は、電気通路として機能するのみでなく、放熱機能も発揮するものであり、２つの機能を兼ね備える。したがって、キャパシタ１００をコンパクトかつ軽量に構成することができる。
また、キャパシタ１００は、正電極端子２０ａ及び負電極端子２０ｂの本体部２１のそれぞれがハードケース１０の４辺の外周面のうち１辺の外周面を覆う構成であるため、隣接するキャパシタ１００の接続距離が極めて短い。したがって、複数のキャパシタ１００を低抵抗で接続することができる。
さらに、電極端子２０とハードケース１０は、傾斜部２４の外面と斜面１４との面接触によって接合されるため、シール性能が向上する。しかも、シール面として機能する電極端子２０の傾斜部２４とハードケース１０の外周面の斜面１４とは傾斜して形成されるため、シール面積が大きい。したがって、小さいスペースでシール性能を向上させることができると共に、電極端子２０近傍からの液漏れや外部からのガスの侵入を許さない高気密性を持ったキャパシタ１００を得ることができる。
なお、上記第１の実施の形態では、蓄電セルがキャパシタである場合について説明したが、蓄電セルはニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの他の蓄電セルであってもよい。
また、上記第１の実施の形態では、ハードケース１０は樹脂製の矩形枠１１とラミネートフィルムの膜体１２とで構成されると説明した。しかし、ハードケース１０の構成はこのような形態に限られるものではなく、例えばハードケース１０全体を樹脂にて構成するようにしてもよい。
さらに、上記第１の実施の形態では、対向する躯体１１ａ，１１ｃのそれぞれに矩形枠１１の内外を貫通する開口部１３が形成され、正電極端子２０ａは躯体１１ａの外周面を覆うように接合され、負電極端子２０ｂは躯体１１ｃの外周面を覆うように接合されると説明した。これに代わり、４つの躯体１１ａ〜１１ｄのうちの１つの躯体、例えば躯体１１ａに開口部１３を２つ長手方向に並べて形成し、正電極端子２０ａ及び負電極端子２０ｂを躯体１１ａの外周面に並べて設けるようにしてもよい。この場合、電極端子２０の本体部２１は、ハードケース１０の４辺の外周面のうち１辺の外周面を覆うことになり、残りの３辺の外周面は放熱面として機能しない。
（第２の実施の形態）
以下、図６〜図８を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る蓄電装置２００について説明する。
図６及び図７に示すように、蓄電装置２００は、上記第１の実施の形態に係るキャパシタ１００を複数積層した蓄電モジュール１０１と、蓄電モジュール１０１を冷却する冷却装置１５０とを備える。
蓄電モジュール１０１は、キャパシタ１００を厚さ方向に複数積層した単位モジュール１０２を、電極端子２０の本体部２１の窪みが連続するように２つ重ねたものである。
ハードケース１０の対向する躯体１１ｂ，１１ｄのそれぞれには、半円形状の切り欠き１６（図２及び図３参照）が２つ形成される。単位モジュール１０２を２つ重ねることによって、躯体１１ｂ，１１ｄによって切り欠き１６がボルト締結穴となる。このボルト締結穴にボルト１０３を挿通して締結することによって、２つの単位モジュール１０２が固定される。
冷却装置１５０は、蓄電モジュール１０１を空冷するための装置である。冷却装置１５０は、蓄電モジュール１０１を収容するケース１５１と、ケース１５１の下部に開口して形成され空気をケース１５１内に導くための吸気口１５２と、ケース１５１の上部に設けられ吸気口１５２を通じて吸い込んだ空気を電極端子２０の本体部２１の窪みに沿って導く送風機１５３とを備える。
蓄電モジュール１０１は、電極端子２０の本体部２１の窪みが鉛直方向に連続するように配置されるため、送風機１５３によってケース１５１内に導かれた空気は、本体部２１の窪みに沿って流れ、外部へと排出される。このように、ケース１５１内に導かれた空気は電極端子２０の本体部２１に接触して流れるため、電極端子２０を通じての放熱を促進することができ、効果的に蓄電モジュール１０１を冷却することができる。また、蓄電モジュール１０１は単位モジュール１０２を鉛直方向に２つ配置したものであり、１つの送風機１５３にて２つの単位モジュール１０２の冷却が行われる。したがって、単位モジュール１０２毎に送風機１５３を設ける場合と比較して、蓄電装置２００をコンパクトに構成することができる。
電極端子２０の本体部２１は窪んで形成されているため、ケース１５１の内壁と電極端子２０との間隔が小さい場合でも、冷却空気は本体部２１の窪みの内部を通過することができる。つまり、ケース１５１内に設ける冷却空気の通路は必要最低限の大きさで足りる。したがって、ケース１５１を蓄電モジュール１０１の大きさに近い大きさにて形成することが可能となるため、蓄電装置２００をコンパクトかつ軽量に構成することができる。また、蓄電装置２００全体に占める蓄電機能に寄与するスペースの割合を大きくすることができるため、蓄電効率の良い蓄電装置２００を得ることができる。
以上の第１及び第２の実施の形態にて説明したように、キャパシタ１００では、電極端子２０の表面積が大きいため、放熱のための設備を設ける必要がなく、また、電極端子２０の本体部２１の窪みが冷却空気の通路として機能する。したがって、蓄電装置２００はコンパクトに構成される。第２の実施の形態のように、単位モジュール１０２を鉛直方向に２つ配置して蓄電モジュール１０１を構成したとしても、蓄電装置２００の高さを低く抑えることができる。
このように、蓄電装置２００の高さは低いため、蓄電装置２００を車両に搭載する場合には、図８に示すように、蓄電装置２００を車両の床下のスペース１６０に納めることができる。換言すれば、床位置の低い車両を実現することができる。
本発明は上記の実施の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。
１００ 電気二重層キャパシタ（キャパシタ）
２００ 蓄電装置
２ 正極集電極（集電極）
３ 負極集電極（集電極）
５ 蓄電要素
１０ ハードケース
１１ 矩形枠
１１ａ〜１１ｄ 躯体
１３ 開口部
１４ 斜面
１５ 底面
２０ 電極端子
２０ａ 正電極端子
２０ｂ 負電極端子
２１ 本体部
２２ 集電極接続部
２３ 外部端子部
２４ 傾斜部
２５ 曲面部
１０１ 蓄電モジュール
１０２ 単位モジュール
１５０ 冷却装置
１５１ ケース
１５２ 吸気口
１５３ 送風機

Claims (4)

  1. 蓄電要素を電解液と共に収容するハードケースと、
    前記蓄電要素の集電極に接続されると共に、前記ハードケースの外部に露出する電極端子と、を備え、
    前記電極端子を介して充放電可能な蓄電セルであって、
    前記電極端子は、
    前記ハードケースに形成された開口部を挿通し前記集電極に接続された集電極接続部と、
    前記開口部を囲むように覆って前記ハードケースの外周面に面接触して接合される本体部と、を備える
    ことを特徴とする蓄電セル。
  2. 前記ハードケースは矩形の外周面を有し、
    前記電極端子は、
    正極集電極に電気的に接続された正電極端子と、
    負極集電極に電気的に接続された負電極端子と、からなり、
    前記正電極端子及び前記負電極端子の前記本体部は、それぞれ前記ハードケースの４辺の外周面のうち１辺の外周面を覆うように接合されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電セル。
  3. 請求項１または請求項２に記載の蓄電セルを複数積層した蓄電モジュールと、
    前記蓄電モジュールを冷却する冷却装置と、を備えることを特徴とする蓄電装置。
  4. 請求項３に記載の蓄電装置が搭載されたことを特徴とする車両。
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