JP3992517B2

JP3992517B2 - 電気二重層キャパシタ

Info

Publication number: JP3992517B2
Application number: JP2002075966A
Authority: JP
Inventors: 泰州渡辺; 良昭山田; 修一荒木; 正和佐々木; 一雅本多; 精彦野崎; 勝飯島
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP2003272969A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気二重層キャパシタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の蓄電装置として、急速充電が可能で充放電サイクル寿命の長い、電気二重層キャパシタの適用技術が注目される。
【０００３】
電気二重層キャパシタは、活性炭電極（分極性電極）と集電極とセパレータとから所定の積層体（キャパシタ本体）に構成される。積層体は電解液に浸され、容器に収容して密封される。電荷は活性炭電極に溜まり、電気の出し入れは集電極を介して行われるのである（特開2000-200738号、参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような電気二重層キャパシタにおいては、充放電の繰り返しにより、活性炭電極の残存水分や官能基が電気分解され、ガス（CO，CO₂など）が発生すると、容器の内圧が次第に高まり、容器の密封性が損なわれる可能性が考えられる。
【０００５】
特開平9-162082号においては、金属製のハードな容器の蓋に防爆弁が組み付けられる。防爆弁は、貫通穴（ガス抜き穴）を持つプラグと、その貫通穴を塞ぐ樹脂製の破裂板と、から構成され、容器の内圧が高めると、樹脂製の破裂板が破壊され、プラグの貫通穴を開通させるのである。これだと、ガス抜き後に空気中の水分も容器の内部へ侵入してしまう。また、破裂板が破壊へ至るまでに容器のガスは相当な高圧になり、キャパシタ本体の内部へ入り込み、各電極間の内部抵抗や静電容量に影響を与えやすい。何よりも、防爆弁の組み付けが容易でなく、コストアップを招いてしまう。
【０００６】
この発明は、このような従来技術を踏まえつつ、容器のガス抜きが定常的に行われ、外気の侵入もなく、静電容量や内部抵抗などキャパシタ性能を長く良好に維持しえる、電気二重層キャパシタの供給を廉価に実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、分極性電極と集電極とセパレータとから所定の積層体に構成されるキャパシタ本体と、集電極の同極どうしの結束部にそれぞれ接合される１対の端子と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、容器の内部に発生するガスを外部へ除去するためのガス抜きバルブと、を備える電気二重層キャパシタにおいて、容器は複数の樹脂層に金属の中間層を含む柔軟な積層フィルムから形成され、容器の上部にガスを溜める内部空間を形作るスペーサを収装する一方、ガス抜きバルブはその開弁圧を大気圧＋所定圧αに設定する手段を備えるものであり、ガスと一緒に電解液が持ち出されるのを抑止するガス透過膜がガス抜き通路の途中に介装され、バルブボディの少なくとも一部分およびこれと共に熱可塑性樹脂から１対の端子を鋳包むように一体成形される延長部を介して容器の上部に積層フィルム間を熱溶着する密封処理によって組み付けられ、容器の熱溶着部を積層フィルムの外側から挟圧する手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明に係る電気二重層キャパシタにおいて、ガス抜きバルブは、容器との熱溶着部よりも下方のガス抜き通路にガスの溜まる大径の空間容積を設定したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明においては、バルブボディの熱溶着部が１対の端子を鋳包む延長部を備えるので、１対の端子およびガス抜きバルブの組み付けが精度よく能率的に処理できる。
【００１６】
また、容器の熱溶着による密封部にバラツキが生じるのを避けられ、製品の出来が均一化するようになる。
【００１７】
１対の端子は、延長部に鋳包まれるので、熱溶着の処理により、積層フィルム（容器）の金属層に対する絶縁性が損なわれ、リーク電流を発生することもない。
【００１８】
また、容器の熱溶着部が挟圧手段により保護され、熱溶着部の剥離も抑えられ、容器の良好な密封性を長く維持できる。
【００１９】
柔軟な容器が外部から圧縮されても、スペーサによりガスの溜まる内部空間が容器の上部（ガス抜きバルブの組付部位）に確保され、ガス抜きの頻度を適正に抑えられる。
【００２０】
また、ガス抜き時において、容器の内圧は大気圧＋所定圧αに維持され、外気が容器の内部へ侵入するのを抑止できる。
【００２１】
ガス抜きバルブのガス透過膜により、ガスと一緒に電解液が持ち出されることがなく、電解液の減少に伴うキャパシタ性能の劣化を防止できる。
【００２２】
第２の発明においては、柔軟な容器が外部から圧縮されても、ガスの溜まる空間容積がガス抜きバルブに確保され、ガス抜きの頻度を適正に抑えられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１において、電気二重層キャパシタの一例を説明する。１はキャパシタ本体２を電解液と共に収容して密封される容器、３ａ，３ｂは容器１の外部に突き出る１対の端子板（キャパシタ電極）であり、各端子板３ａ，３ｂは軽量かつ電気抵抗の小さいアルミニウムから短尺状に形成される。４は容器１の内部に発生するガス（C0，CO₂など）を容器の外部へ除去するためのガス抜きバルブであり、容器１の上部において、１対の端子板３ａ，３ｂの間に組み付けられる。
【００２４】
キャパシタ本体２については、活性炭電極（分極性電極）と集電極とセパレータとから所定の積層体に構成される。これら集電極は、矩形状の金属箔（たとえば、アルミニウム箔）からなり、その矩形平面の一辺に片側へ寄せて帯状のリード部が一体に成形される。これらのリード部は、同極どうしが結束され、１対の端子板３ａ，３ｂにそれぞれ対応する極性の結束部が接合される。１対の活性炭電極間に介在するセパレータは、紙製や樹脂製の多孔質膜から形成される。
【００２５】
容器１は、複数の樹脂層に金属の中間層を含む柔軟な積層フィルム（たとえば、アルミラミネートフィルム）から冷間プレス加工により成形される２つの容器部材（底側部材と蓋側部材と）からなり、これらを組み合わせると、互いに向き合う凹部により、底側部材と蓋側部材との間にキャパシタ本体２の収容部が形成される。
【００２６】
底側部材の内側にキャパシタ本体２は納められ、その上に蓋側部材が被せられる。容器の周縁において、１対の端子板３ａ，３ｂ（その一部）が引き出される一辺１ａを除く三辺１ｂ〜１ｃが熱溶着される。容器１は、１対の端子板３ａ，３ｂが突き出る一辺１ａが開口可能となり、その開口部から内部に電解液が注入され、電解液の含浸処理などが終わると、真空ポンプにより、余分な電解液が抜き取られ、所定の減圧状態に密閉（残りの開口可能な一辺１ａが熱溶着）されるのである。
【００２７】
１対の端子板３ａ，３ｂ（アルミニウム板）と容器１を形成する積層フィルムの金属層との絶縁性を確保するため、これら端子板３ａ，３ｂの熱溶着部に予め１対の熱可塑性樹脂がそれぞれ端子板３ａ，３ｂを挟むように付着される。熱可塑性樹脂としては、ＰＰ（ポリプロピレン）を主材とするものが用いられる。容器１の開口可能な一辺１ａにおいて、熱溶着の密閉処理により、熱可塑性樹脂が溶融し、容器１の内面（積層フィルムの樹脂層）に１対の端子板３ａ，３ｂを溶着させるのである。溶融する熱可塑性樹脂は、各端子板３ａ，３ｂを包み込むようになり、これら端子板３ａ，３ｂが積層フィルムの金属層に接触する（リーク電流を生じる）のを防止する。
【００２８】
ガス抜きバルブ４は、図３のように構成される。１０はバルブボディ、１１は弁軸であり、ボディ１０は、容器１（積層フィルム）との熱溶着部１２と、容器１の内部への挿入部１３と、容器１の外部への突出部１４と、からなり、これらを貫通するガス抜き通路１５が形成される。
【００２９】
ガス抜き通路１５の出口側は弁軸１１を収装する弁室１５ａに形成され、同じく入口側にガスの溜まる大径の空間容積１５ｂが設定される。弁室１５ａと空間容積1１５ｂとの間に中継部１５ｃが形成され、弁室１５ａと中継部１５ｃとの境（段差面）が弁座１５ｄ（バルブシート）に設定される。
【００３０】
弁軸１１の先端はガス抜き通路１５の中継部１５ｃに挿入可能な小径部１１ａに形成され、その根元に弁座１５ｄを開閉するパッキン１６が嵌め付けられる。弁軸１１（パッキン１６と共に弁体を構成する）にパッキン１６を抑える大径部１１ｂが形成され、大径部１１ｂとキャップ１７との間に開弁圧（大気圧＋所定圧α）を設定するスプリング１８が介装される。
【００３１】
弁室１５ａはキャップ１７に塞がれ、ガス抜き通路１５の出口を確保する複数の通孔１５ｅが弁室１５ａの外周およびキャップ１７に形成される。挿入部１３の外周にガス抜き通路１５の入口としてスペーサ２０との関係から開口位置の規定される複数の通孔１５ｆが形成される。
【００３２】
ボディ１０の熱溶着部１２は、熱可塑性樹脂から突出部１４と一体に成形される。熱可塑性樹脂としては、ＰＰ（ポリプロピレン）を主材とするものが用いられる。熱溶着面を大く確保するため、熱溶着部の外周に１対の翼状部１２ａが備えられる。ボディ１０の挿入部１３は、熱溶着部１２と別体に成形され、熱溶着部１２にガス透過膜１９と共に組み付けられる。キャップ１７は、突出部１４と別体に成形され、弁室１５ａに弁軸１１およびスプリング１８を納めてから、突出部１４に組み付けられる。
【００３３】
ガス透過膜１９は、ガスと一緒に電解液が外部へ持ち出されるのを抑止するものであり、熱溶着部１２の内部で突出部１４の先端に挟み込まれ、ガス抜き通路１５の中継部１９を遮断する具合に介装される。
【００３４】
スペーサ２０は、容器１の上部に収装され、ガスの溜まる内部空間を形作るものであり、１対の樹脂ピース（半割部品）２０ａ，２０ｂから図４のような断面角形の中空ロッドに組成される。ロッドの上面および下面において、その中央部を挟む両側に１対の端子板３ａ，３ｂを上下に貫通させるスリット２１ａ，２１ｂが開口され、上面の中央部にガス抜きバルブ４の挿入部１３を嵌め込むための組付穴２２が形成される。
【００３５】
スペーサ２０は、容器１の底側部材へ納める前のキャパシタ本体２に対し、１つの樹脂ピースから中空ロッドに組み付けられ、その組付穴２２にガス抜きバルブ４の挿入部１３が嵌め込まれるのである。容器１の周縁において、三辺１ｂ〜１ｃの熱溶着後、残る開口可能な一辺１ａにおいて、１対の端子板３ａ，３ｂと同じく、熱溶着の密閉処理により、ガス抜きバルブ４は、容器１の上部にボディ１０の熱溶着部１２を介して組み付けられる。熱可塑性樹脂の溶融により、容器１を形成する積層フィルムの樹脂層に溶着する。図３において、５ａ，５ｂは集電極のリード部、６ａ，６ｂは１対の端子板にそれぞれ付着される板状の熱可塑性樹脂、を示す。
【００３６】
図５は、容器１の一辺１ａにおける、熱溶着部（密封部）の断面を表すものであり、１対の端子板３ａ，３ｂを挟む板状の熱可塑性樹脂３０は、熱溶着の密閉処理により、それぞれが溶融して端子板３ａ，３ｂを包み込みながら一体化しつつ扁平に広がるようになる。ガス抜きバルブ４の熱溶着部１２についても、溶融する翼状部１２ａが扁平に広がるようになり、各端子板３ａ，３ｂの熱可塑性樹脂３０と一体化するのである。
【００３７】
このように容器１の密閉処理（熱溶着）により、ガス抜きバルブ４の組み付けが容易に処理され、容器１の良好な密封性を廉価に実現できる。熱可塑性樹脂により、ガス抜きバルブ４は、容器１との良好な熱溶着部が生成され、容器１の密封性を高度に確保できる。熱可塑性樹脂は、廉価な絶縁材であり、熱溶着の処理により、積層フィルム（容器）の金属層に対する絶縁性が損なわれることもない。
【００３８】
バルブボディ１０の熱溶着部１２と各端子板３ａ，３ｂの熱可塑性樹脂３０が一体化するので、これらが柔軟な積層フィルムとの間で芯材のようになり、１対の端子板３ａ，３ｂおよびガス抜きバルブ４の固定を強化できる。
【００３９】
容器１の内部に発生するガス（CO,CO2など）については、スプリング１８に設定される開弁圧を超えるガス量は、ガス抜きバルブ４を開いて外部へ排出される。そのため、容器１の内圧は開弁圧以下に規制され、ガスの影響（キャパシタ本体２の積層間にガスが入り込み、静電容量や内部抵抗などを悪化させる）を抑えられる。
【００４０】
ガス抜きバルブ４の開弁圧を超えるガス量は、スペーサ２０の形作る内部空間から複数の通孔１５ｆを介して大径の空間容積１５ｂへ入り、中継部１５ｃからガス透過膜１９を介して弁座１５ｄへ導かれ、パッキン１６を弁軸１０と共にリフトさせながら弁室１５ａへ流れ、複数の通孔１５ｅから外部へ排出されるのである。
【００４１】
ガスの透過のみ許容するガス透過膜１９により、ガスと一緒に電解液が持ち出されることがなく、電解液の減少に伴うキャパシタ性能の劣化を防止できる。ガス抜きバルブ４は、容器１の内圧が大気圧＋所定圧α以下になると、スプリング１８のバネ力によりパッキン１６が弁座１５ｄを密閉するので、外部の大気がガス抜きバルブ４を介して容器１の内部へ侵入するのを防止できる。
【００４２】
柔軟な容器１は、密封処理において、真空ポンプにより、余分な電解液が抜き取られ、所定の負圧状態に減圧されるので、大気圧によってキャパシタ本体２の外形に圧縮されるが、ガス抜きバルブ４の空間容積１５ｂおよびスペーサ２０が形作る内部空間により、ガス溜め定形容積が確保される。
【００４３】
図６は、複数の電気二重層キャパシタ２５（単セル）から組電池（キャパシタモジュール）を構成する使用状態の一例を表すものであり、複数の単セル２５は厚さ方向（電極の積層方向）へ１列に重ねてモジュールボックス２８に収装される。キャパシタ性能を高めるため、これら単セル２５の加圧手段２７が備えられる。加圧手段２７は、１対の押圧板（図示せず）とこれらの間に介装される圧縮バネ２７ａとから構成される。１対の押圧板は、電極と略同等の面積に形成され、圧縮バネ２７ａのばね力により、１列の単セル２５を均等な面圧に加圧する。なお、複数の単セル２５は、所定容量の組電池を構成するよう、１対の端子板３ａ，３ｂを介して直並列に接続される。
【００４４】
この加圧手段２７により、単セル２５の柔軟な容器１と一緒にキャパシタ本体２が圧縮され、各積層間の密着性が高められるため、静電容量や内部抵抗などキャパシタ性能が良好に維持されるのである。このような使用状態において、単セル２５の内部にガスが発生すると、容器１の周縁が内圧の高まるに連れて次第に膨らむようになり、容器１の熱溶着部に内側から剥離を生じかねない。そのため、容器１の周縁を外側から挟圧する手段（図示せず）により、容器１の熱溶着部を保護することが考えられる。
【００４５】
熱溶着の保護に挟圧手段を採用する場合においても、ガス抜きバルブ４およびスペーサ２０により、ガスの溜まる定形容積が確保されるので、ガス抜きの頻度を適正に維持できる。ガスの溜まる空間が確保されないと、容器１の内圧は高まりやすくなり、ガス抜きバルブ４が頻繁に開閉しかねないのである。
【００４６】
図７〜図１０は、ガス抜きバルブ４に代替可能なガス抜きバルブを表すものであり、図７のガス抜きバルブ４Ａは、弁体１１が球形に形成される。ボディ１０は、容器１（積層フィルム）との熱溶着部１２と、容器１の内部への挿入部１３と、容器１の外部への突出部１４と、からなり、これらを貫通するガス抜き通路１５が形成される。３０は球体１１のリフトを安定化させるガイドであり、その外周にキャップ状の突出部１４がネジで装着される。
【００４７】
スプリング１８に設定される開弁圧を超えるガス量は、スペーサ２０の形作る内部空間から複数の通孔１５ｆを介して大径の空間容積１５ｂへ入り、ガス透過膜１９から中継部１５ｃを介して弁座１５ｄへ導かれ、球体１１をリフトさせながら弁室１５ａへ流れ、複数の通孔１５ｅから外部へ排出されるのである。
【００４８】
図８のガス抜きバルブ４Ｂは、図７の弁体１１を球形からポペット形に代えたものである。図９のガス抜きバルブ４Ｃは、弁体１１が環状の弾性体（ゴムチューブなど）になり、突出部１４の外周に嵌め付けられ、容器１の内圧に応じて伸縮することにより、通孔１５ｅを開閉するものである。図１０のガス抜きバルブ４Ｄは、ボディ１０（熱溶着部１２と挿入部１３と突出部１４）を一体化したものであり、弁体１１にその倒れ防止用のガイド３０が追加され、通孔１５ｅは弁室１５ａを塞ぐプラグ３１に１つ、断面積を大きく形成される。
【００４９】
図７〜図１０において、図３と同じ機能の部品に同じ符号を付ける。もちろん、図７〜図１０のガス抜きバルブ４Ａ〜４Ｄにより、図１〜図３のガス抜きバルブ４と同じく、容器１のガス抜きが定常的に行われ、電解液の持ち出しも外気の侵入もなく、静電容量や内部抵抗などキャパシタ性能を長く良好に維持しえる、電気二重層キャパシタの供給を廉価に実現できる。
【００５０】
図１１および図１２は、ガス抜きバルブ４の熱溶着部１２に係る別の実施形態を説明するものであり、バルブボディ１０の熱溶着部１２は、両側の翼状部１２ａが延長され、これら延長部１２ｂのそれぞれに端子板３ａ，３ｂが予め一体に備えられる。つまり、バルブボディ１０の熱溶着部１２は、両側の延長部１２ｂにそれぞれ端子板３ａ，３ｂを鋳包む形に熱可塑性樹脂から一体に成形されるのである。
【００５１】
これによると、翼状部１２ａの熱可塑性樹脂と端子板３ａ，３ｂの熱可塑性樹脂と、が予め一体に継がるため、容器１の一辺１ｄに対する熱溶着の密閉処理により、製品の出来にバラツキが生じるのを避けられる。図５の場合、翼状部１２ａの熱可塑性樹脂と端子板３ａ，３ｂの熱可塑性樹脂３０と、は熱溶着の密閉処理により一体化されるので、熱溶着の仕方によっては一体化に至らない可能性もあり、製品の出来にバラツキが生じやすくなるのである。
【００５２】
電気二重層キャパシタの製造過程において、１対の端子板３ａ，３ｂを一体に備えるバルブボディ１０の熱溶着部１２は、活性炭電極と集電極とセパレータとから所定の積層体を組成する処理後、溶接機に積層体と共にセットされ、１対の端子板３ａ，３ｂがそれぞれ極性の対応する集電極の結束部に接合（溶接）される。
【００５３】
その後、ガス抜きバルブ４の部品がバルブボディ１０の熱溶着部１２および突出部１４に組み付けられる（図１１、参照）。スペーサが１対の端子板３ａ，３ｂを挟む具合に組み付けられると、このキャパシタ本体２は、容器１の底側部材に納められ、蓋側部材が被せられる。容器１の周縁において、１対の端子板３ａ，３ｂが突き出る一辺１ａを除く三辺１ｂ〜１ｃが熱溶着され、電解液の含浸処理などが終わると、真空ポンプにより、余分な電解液が抜き取られ、所定の減圧状態に残りの一辺１ａが熱溶着されるのである。
【００５４】
このような製造過程においては、バルブボディ１０の熱溶着部１２が１対の端子板３ａ，３ｂを鋳包む延長部１２ｂを備えるので、１対の端子板３ａ，３ｂおよびガス抜きバルブ４の組み付けを精度よく能率的に処理できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を表す電気二重層キャパシタの概要説明図である
【図２】同じくＡ−Ａ断面の説明図である。
【図３】同じく要部断面の説明図である。
【図４】同じくスペーサの、正面，平面，側面、を表す説明図である。
【図５】同じく要部断面の説明図である。
【図６】同じく使用状態を表す説明図である。
【図７】別のガス抜きバルブを説明する断面図である。
【図８】別のガス抜きバルブを説明する断面図である。
【図９】別のガス抜きバルブを説明する断面図である。
【図１０】別のガス抜きバルブを説明する断面図である。
【図１１】別の実施形態を説明する要部の構成図である。
【図１２】同じく要部の断面図である。
【符号の説明】
１容器
２キャパシタ本体
３ａ，３ｂ端子板
４，４Ａ〜４Ｃガス抜きバルブ
１０バルブボディ
１２バルブボディの熱溶着部
１２ａ翼状部
１２ｂ延長部
１１弁体
１８スプリング
１９ガス透過膜
２０スペーサ

Claims

分極性電極と集電極とセパレータとから所定の積層体に構成されるキャパシタ本体と、集電極の同極どうしの結束部にそれぞれ接合される１対の端子と、キャパシタ本体を電解液と共に密封する容器と、容器の内部に発生するガスを外部へ除去するためのガス抜きバルブと、を備える電気二重層キャパシタにおいて、容器は複数の樹脂層に金属の中間層を含む柔軟な積層フィルムから形成され、容器の上部にガスを溜める内部空間を形作るスペーサを収装する一方、ガス抜きバルブはその開弁圧を大気圧＋所定圧αに設定する手段を備えるものであり、ガスと一緒に電解液が持ち出されるのを抑止するガス透過膜がガス抜き通路の途中に介装され、バルブボディの少なくとも一部分およびこれと共に熱可塑性樹脂から１対の端子を鋳包むように一体成形される延長部を介して容器の上部に積層フィルム間を熱溶着する密封処理によって組み付けられ、容器の熱溶着部を積層フィルムの外側から挟圧する手段を備えたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
ガス抜きバルブは、容器との熱溶着部よりも下方のガス抜き通路にガスの溜まる大径の空間容積を設定した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。