JP3987862B2

JP3987862B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP3987862B2
Application number: JP2005141521A
Authority: JP
Inventors: 秀利太田; 孝志谷川; 敦清水
Original assignee: 株式会社パワーシステム
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: JP2006319199A

Description

本発明は、キャパシタやコンデンサなどの蓄電装置に関する。

電気二重層キャパシタを用いた蓄電システムは、複数の電気二重層キャパシタセルを直列に接続して構成される。しかし、複数の電気二重層キャパシタセルを直列に接続した場合、たとえ同じ静電容量のキャパシタを選んでも、各キャパシタセルの漏れ電流が等しくないことに起因して、充放電を繰り返すうちに複数のキャパシタセルの分担電圧が不均一になってくる。この問題を解消するために、本出願人によって提案されているＥＣａＳＳ（Energy Capacitor Systems）では、直列に接続した個々のキャパシタセルをすべて一定の電圧に充電する機能を持った並列モニタ回路を採用し、各キャパシタセルの静電容量を高効率に活用できるようにしている（特許文献１、非特許文献１）。また、本出願人等は、活性炭を用いた電気二重層キャパシタを上回る静電容量と耐電圧を達成できる、黒鉛類似の微結晶炭素を有する炭素材料を用いた電気二重層キャパシタを提案しており（特許文献２）、これにより上述の並列モニタ回路と相まって電気二重層キャパシタの本格的な実用化が可能となった。

特開２００３−１１１２８６号公報特開２０００−０７７２７３号公報電気二重層キャパシタと蓄電システム、第２版、岡村迪夫著、日刊工業新聞社

しかし、電気二重層キャパシタを用いた蓄電システムが幅広い分野で実際に利用されるようになるためには、解決しなければならない課題が幾つかある。

例えば、電気二重層キャパシタの製造コストをその普及が促されるまで下げることである。そのためには、現在大量生産が既に行われているアルミ電解コンデンサの容器を流用することも一つの解決策である。つまり、アルミ電解コンデンサの容器を電気二重層キャパシタに利用できるならば、大幅な変更を加えることなくアルミ電解コンデンサの生産設備を利用できるし、アルミ電解コンデンサの外形規格に合わせたモジュールへの採用が容易になる。

ところが、電気二重層キャパシタは、アルミ電解コンデンサとはその物性が異なり、アルミ電解コンデンサに比べて容器内に多量のガスが発生するため、安全上このガスを外部に逃がす構造が必要である（ただし、電気二重層キャパシタは、内部に多量のガスが発生しても、その性能に劣化はない）。

しかし、アルミ電解コンデンサで主に利用されている弁は、ガスの発生により容器内圧が所定値以上になったときに容器の一部が破壊する破壊弁である。そのため、弁の破壊によって電解液が漏れ、それによって集電極が乾燥して内部抵抗が上昇して正負電極間が短絡し、その後の充放電ができなくなるという問題がある。

そこで、本発明は、陽極と陰極を重ねて形成された筒形又は角形の電極体を電解液と共に容器に収容した蓄電装置において、安全に容器内のガスを放出できる構造を提供するものである。

この目的を達成するため、本発明は、陽極と陰極を重ねて形成された筒形又は角形の電極体を電解液と共に容器に収容した蓄電装置において、
上記電極体の外形に窪みを形成し、
上記容器には、上記容器の内圧が上昇したときに開放される自己復帰型の弁を上記窪みに対向して設けてあり、
上記陽極と陰極がそれぞれ帯状の陽極箔と陰極箔からなり、
上記陽極箔と陰極箔はそれぞれ長手方向の縁部に沿って連続的に形成された欠損部を有し、
上記電極体は、上記帯状の陽極箔と帯状の陰極箔を巻回して形成されており、
上記欠損部が上記帯状の陽極箔と陰極箔の巻回始端側又は巻回終端側に形成されており、
上記陽極箔と陰極箔が上記欠損部を重ね合わせて巻回されて上記窪みが形成されていることを特徴とする。

本発明の他の形態の蓄電装置は、上記弁の一部又は全部が上記窪みに配置されていることを特徴とする。

本発明の他の形態の蓄電装置は、上記窪みを形成している上記電極体表面部分と上記弁のガス抜き孔入口との間に空隙が介在していることを特徴とする。

このように構成された蓄電装置によれば、容器内に発生したガスを安全に放出することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る蓄電装置の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、特定の場所や方向を示す用語（例えば、「上」、「下」等及びそれらの派生語「上部」、「下部」等）を使用するが、それらの使用は発明の理解を容易にするためであり、それらの用語は本発明の技術的範囲を定めるうえで利用されるべきものでない。また、以下に説明する複数の実施形態では、同一又は類似の構成部分には同一の符号を付す。

実施形態１

図１は、本発明に係る蓄電装置の一例である円筒型電気二重層キャパシタ１の外観
を示す。図２は、図１のII-II線に沿った電気二重層キャパシタの縦断面図である。これらの図に示すように、電気二重層キャパシタ（以下、「キャパシタ」という。）１は、金属製の円筒容器（容器）１０を有する。円筒容器１０は、中空円筒部１２と該中空円筒部１２の上端部を閉鎖する円形の上端壁部１４からなる。実施の形態では、上端壁部１４は中空円筒部１２に一体的に設けられているが、中空円筒部１２と上端壁部１４を別々に形成し、溶接又はかしめ等の適当の方法で一体的に組み合わせてもよい。

上端壁部１４は、その中央部を内側に変形させて窪み（凹部）１６が形成されている。実施の形態では、窪み１６は略円筒形に形成されているが、その形状は限定的ではなく、例えば緩やかな曲面によって構成された略椀型であってもよい。窪み１６の底部には開口部１８が形成されており、この開口部１８に自己復帰型のガス抜き弁２０が取り付けてある。

ガス抜き弁２０は種々の形態のものが使用できる。図６は、ガス抜き弁２０の一例を示す。図示するガス抜き弁２０は、ゴムなどの弾性材料を加工して形成されており、開口部１８の形状とほぼ同一の横断面形状を有し、開口部１８に挿通された円筒部２２を有する。円筒容器１０の内部に位置する円筒部２２の下端部には、径方向外側に向かって突出する環状フランジ部２４が形成されており、これによりガス抜き弁２０の脱落が防止されている。円筒部２２の内部には、下端面から上方に向かって伸びるガス導入孔２６が形成されている。ガス導入孔２６は円筒部２２の中段付近まで伸びており、ガス導入孔上端と円筒部上端との間にガス抜き通路２８が形成されている。図面上、ガス抜き通路２８の存在が確認できるように中空の通路として表されているが、ガス導入孔２６に所定圧力以上の圧力が加わっていない状態でガス抜き通路２８は閉鎖されており、ガス導入孔２６に所定圧力以上の圧力が加わった状態でガス抜き通路２８が図示するように形成される。

図２、３を参照して説明すると、円筒容器１２の内部には電極体３０が収容されている。また、電極体３０の下には栓体３２が収容されており、この栓体３２によって円筒容器１０の下端開口部が閉鎖されている。電極体３０は、図４，５に示すように、複数の帯状部材を巻回して形成されている。実施の形態では、複数の帯状部材には、陽極箔３４、陰極箔３６、これら陽極箔３４と陰極箔３６の間に配置された第１のセパレータ３８と、陰極箔３６を挟んで第１のセパレータ３８の反対側に配置された第２のセパレータ４０を有する。

陽極箔３４と陰極箔３６は、アルミニウムなどの導電性材料からなる薄いシート材料（箔）の集電極４２，４４と、集電極４２，４４の両面に塗布された炭素材料の分極性電極４６，４８を有する。陽極箔３４と陰極箔３６は、図５の右側にある巻回終端５４，５６側には長手方向下端縁部から下方に向けて突出する陽極端子５８と陰極端子６０が取り付けてあり、これら陽極端子５８と陰極端子６０が陽極箔３４と陰極箔３６の集電極と電気的に接続されている。セパレータ３８，４０は、セルロースやガラス繊維などの不織布で形成されている。また、セパレータ３８，４０は、陽極箔３４と陰極箔３６の接触を確実に防止するために、陽極箔３４及び陰極箔３６よりも僅かに縦横の寸法が大きくしてある。

陽極箔３４と陰極箔３６は、図５の左側にある巻回始端５０，５２から右側の巻回終端５４，５６に向かって伸びる所定長さＬの領域において、長手方向上端縁部を所定幅（上下方向の矢印符号ｈで示す高さ）に亘って切除して、欠損部６２，６４が形成されている。欠損部６２，６４の高さｈは、図６に示すように、円筒容器１０の上端部に形成されている窪み１６の深さ（正確には、窪み１６が円筒容器１０の内部空間に突出する深さＨ）よりも大きくしてある。図５に戻り、陽極箔３４及び陰極箔３６と同様に、セパレータ３８，４０も、巻回始端６６，６８から右側の巻回終端７０，７２に向かって伸びる所定長さＬの領域において、長手方向上端縁部を所定幅（上下方向の矢印符号ｈ’で示す高さ（ｈ’＜ｈ））に亘って切除して、欠損部７４，７６が形成されている。ただし、セパレータ３８，４０に欠損部７４，７６を形成することは必須ではない。

これら複数の帯状部材は、第２のセパレータ４０が最も内側に位置するように巻回始端側から順次巻回されて電極体３０に加工される。図４に示すように、帯状部材を巻回した電極体３０には、陽極箔３４、陰極箔３６及びセパレータ３８，４０に形成された欠損部６２，６４，７４，７６が中央に集まり、円筒形の凹部７８が形成されている。そして、このようにして形成された電極体３０は、図２，３に示すように円筒容器１０に挿入される。図示するように、電極体３０が円筒容器１０に挿入された状態で、円筒容器１０の窪み１６及びそこに取り付けられたガス抜き弁２０が電極体３０の凹部７８に収容される。図６に詳細に示すように、この状態で、ガス抜き弁２０（特に、ガス導入孔２６）と電極体３０との間には、僅かな隙間（空隙）８０が形成されることが好ましい。

再び図２，３を参照すると、電極体３０が収容された円筒容器１０の内部には、電解液（図示せず）が充填される。充填された電解液は、セパレータ３８，４０に含浸され、陽極箔３４と陰極箔３６の間の隙間（空間）に充填される。しかし、電極体３０と弁２０との間には隙間８０が形成されており、この隙間８０によって弁２０のガス導入孔２６が電解液と非接触に保たれる（図６参照）。

電解液の充填後、円筒容器１０の下端開口部には栓体３２が装着される。栓体３２は２つの貫通孔８２，８４を備えており、これら貫通孔８２，８４を通じて陽極端子５８と陰極端子６０が外部に導出される。貫通孔８２，８４の大きさは、端子の断面とほぼ同一に決められており、これにより端子と貫通孔内面との間に密封シールが形成される。したがって、端子５８，６０に沿って電解液が漏れることはない。また、円筒容器１０は、栓体３２の外周面に対向する部分８６と下端縁部８８を内側に変形させて、栓体３２との間に密封シールが形成される。

このように構成されたキャパシタ１は、電解液が電気分解する電圧（耐電圧）以下の電圧が陽極端子５８と陰極端子６０に印加され、分極性電極を構成している炭素粒子と電解液との界面に所謂電気二重層が形成され、そこに電荷が蓄えられる。また、円筒容器１０の内部で発生するガスは、容器内部の圧力が所定の圧力以上になると、図６に示すように弁２０にガス抜き通路２８が形成され、このガス抜き通路２８を介してガスが大気に放出される。このとき、ガス抜き弁２０及びそのガス導入孔２６の入口と電極体３０との間には空気の隙間８０が存在するため、ガスと共に電解液が外部に噴出することはない。そして、容器内部の圧力が所定圧力以下になると、弁２０はそれ自身の弾性復帰力によってガス抜き通路２８を閉鎖する。

また、従来の円筒型キャパシタ又はコンデンサとして、ガス抜き弁２０を容器内部に突出させた形態のものでは、ガス抜き弁２０の収容スペースを確保するために電極体と円筒容器上端部（天井部）との間に大きな空間を確保する必要があり、そのために容器内空間を電極体が占有するスペース（すなわち、電極体の大きさ）を相対的に小さくせざるを得ないという問題があった。これに対し、上述した形態のキャパシタ１によれば、ガス抜き弁２０を収容するために必要な最小のスペースを形成することができ、円筒容器に対する電極体のサイズを相対的に大きくすることができ、蓄電効率のよいキャパシタを実現できる。

実施形態２

実施形態１では、円筒容器１０における上端壁部１４の中央に窪み１６及びガス抜き弁２０を設けたが、図７に示すように、上端壁部１４の周端部又はその近傍に形成し、そこにガス抜き弁２０を設けてもよい。この場合、窪み１６を収容する凹部７８は、複数の帯状部材を巻回した電極体３０の上端外周角部を部分的に内側に押し込んで変形させることにより形成することができる。このようにすれば、実施形態１と同様に、ガス抜き弁２０と電解液との間に空気の隙間８０が形成されるので、ガスと共に電解液が噴出することはない。また、円筒容器１０に対する電極体３０のサイズを最大限まで大きくできるので、蓄電効率のよいキャパシタが実現できる。さらに、実施形態１に比べて、帯状部材に欠損部を形成する必要がないので、帯状部材の製造が容易である。

実施形態３

実施形態１，２では円筒容器１０の上端壁部１４を内側に変形させて窪みを形成したが、図８，９に示すように、ガス抜き弁２０を上端壁部１４から突出させる場合、窪みは不要である。これらの場合も、ガス抜き弁２０と電極体３０との間に隙間８０を形成することで、ガスと一緒に電解液が噴出することを防止できる。

実施形態４

上述のように、ガス抜き弁２０の形状は限定的ではなく、例えば図１０に示すように、側面にガス導入孔２６の入口を形成したガス抜き弁２０を使用することもできる。この場合、下方に向けられたガス導入孔２６が電解液に接することがあっても、側方に開放されたガス導入孔２６の入口付近に隙間８０を形成することで、電解液の噴出を防止できる。

実施形態５

以上の実施形態では、ガス抜き弁２０を円筒容器１０の上部に設けたが、図１１及び図１２に示すように、栓体３２にガス抜き弁２０を一体的に形成してもよい。なお、図１１に示す形態の場合、図１３に示すように、帯状部材（陽極箔３４、陰極箔３６、セパレータ３８，４０）の長手方向下縁部に沿って欠損部６２，６４（セパレータの欠損部は図示せず）を形成し、これによりガス抜き弁２０を収容する凹部７８を形成する。この場合も、ガス抜き弁２０と電極体３０との間には隙間８０を形成し、これにより電解液の噴出を防止する。一方、図１２に示すように、栓体３２の外周近傍にガス抜き弁２０を設ける場合、図７を参照して説明したように、電極体３０の下端外周部を押圧変形して凹部７８を形成する。

実施の形態６

電極体３０の中央に凹部７８を形成する場合、この凹部７８の形状は円筒形に限るものでない。例えば、図１４に示すように、帯状部材の欠損部６２，６４，７４，７６の高さを巻回始端から巻回終端に向かって徐々に小さくすることで、出来上がる凹部の形状を円錐形にすることもできる。

実施の形態７

上述した実施形の形態では、電極体は複数の帯状部材（陽極箔、陰極箔、セパレータ）を巻回して形成したが、例えば長方形又は正方形のシートからなる多数の陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して積層した電気二重層キャパシタにあっては、これら複数の帯状部材の対応する縁部を部分的に切除して欠損部を形成するとともに、これら欠損部を重ね合わせることで窪みを形成することができる。

本発明は、電気二重層キャパシタを用いて蓄電装置に限らず、アルミ電解コンデンサなどの二次電池からなる蓄電装置にも適用可能である。

本発明に係る蓄電装置の一実施形態である電気二重層キャパシタの外観を示す斜視図。図１に示す電気二重層キャパシタのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。図１に示す電気二重層キャパシタを構成する部品の分解斜視図と分解断面図。図１に示す電気二重層キャパシタを構成する電極体の斜視図。図４に示す電極体を構成する帯状部材の斜視図。図１に示す電気二重層キャパシタを構成するガス抜き弁の断面図。実施形態２に係る電気二重層キャパシタの部分断面図。実施形態３に係る電気二重層キャパシタの部分断面図。実施形態３に係る電気二重層キャパシタの部分断面図。実施形態４に係る電気二重層キャパシタの部分断面図。実施形態５に係る電気二重層キャパシタの部分断面図。実施形態５に係る電気二重層キャパシタの部分断面図。実施形態６に係る電気二重層キャパシタにおける帯状部材の斜視図。実施形態６に係る電気二重層キャパシタにおける帯状部材の斜視図。

符号の説明

１：電気二重層キャパシタ、１０：円筒容器、１２：円筒部、１４：上端壁部、１６：窪み、１８：開口部、２０：ガス抜き弁、２２：円筒部、２４：フランジ部、２６：ガス導入孔、２８：ガス抜き通路、３０：電極体、３２：栓体、３４：陽極箔、３６：陰極箔、３８：第１のセパレータ、４０：第２のセパレータ、４２、４４：集電極、４６、４８：分極性電極、５０、５２：巻回始端、５４，５６：巻回終端、５８：陽極端子、６０：陰極端子、６２，６４：欠損部、６６，６８：巻回始端、７０，７２：巻回終端、７４，７６：欠損部、７８：凹部、８０：隙間。

Claims

陽極と陰極を重ねて形成された筒形又は角形の電極体を電解液と共に容器に収容した蓄電装置において、
上記電極体の外形に窪みを形成し、
上記容器には、上記容器の内圧が上昇したときに開放される自己復帰型の弁を上記窪みに対向して設けてあり、
上記陽極と陰極がそれぞれ帯状の陽極箔と陰極箔からなり、
上記陽極箔と陰極箔はそれぞれ長手方向の縁部に沿って連続的に形成された欠損部を有し、
上記電極体は、上記帯状の陽極箔と帯状の陰極箔を巻回して形成されており、
上記欠損部が上記帯状の陽極箔と陰極箔の巻回始端側又は巻回終端側に形成されており、
上記陽極箔と陰極箔が上記欠損部を重ね合わせて巻回されて上記窪みが形成されていることを特徴とする蓄電装置。
上記弁の一部又は全部が上記窪みに配置されていることを特徴とする請求項１の蓄電装置。
上記窪みを形成している上記電極体表面部分と上記弁のガス抜き孔入口との間に空隙が介在していることを特徴とする請求項１又は２の蓄電装置。