JP5086204B2 - キャパシタモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、角型の電気二重層キャパシタを用いて構成されるキャパシタモジュールおよびその製造方法に関する。

近年、蓄電装置として、急速充電が可能で充放電サイクル寿命が長い、電気二重層キャパシタの適用技術が注目される（特許文献１〜特許文献４）。車両用の蓄電装置においては、所要容量を確保するため、複数の電気二重層キャパシタから、これらを直列に接続することにより、キャパシタモジュールが構成される。

図７は、キャパシタモジュールの一例を説明するものであり、電気二重層キャパシタ１０を単位セルとして複数の単位セル１０がその厚み方向へ重なる整列状態に集合する。単位セル１０は、正極体と負極体とこれらの間に介装されるセパレータとから組成される角型の積層体と、その正極体および負極体のリードとしてこれらにそれぞれ接続される１対の端子１１と、これらの端子１１が外部へ突き出る状態に積層体を電解液と共に密封する容器１２と、から構成される。

各単位セル１０において、１対の端子１１は、単位セル１０の厚み方向（水平方向）へ逆向きに折り曲げられる。隣接する単位セル間を接続する端子１１ｂ〜１１ｅについては、単位セル１０の厚み方向と垂直な方向へさらに先端側が折り曲げられ、互いの対向する先端部の間が溶接などによって接合される。両端の一方の単位セル１０の残る端子１１ａ（正極側）と、他方の単位セル１０の残る端子１１ｆ（負極側）と、はキャパシタモジュールの主端子に接続される。

キャパシタモジュールは、電気絶縁材製のケース（図示せず）に収装される。ケースは、キャパシタモジュールの収容部とその開口部を着脱可能に塞ぐ蓋部とから構成される。ケースに１対の主端子が配設され、両端の位置する単位セルの各端子１１ａ，１１ｆに接続される。

キャパシタモジュールの平面を覆う蓋部の内側に制御基板が取り付けられる。制御基板は、直列に接続される単位セルに対応する数のバイパス回路と、直列接続される単位セル毎に１対の端子間の電圧（セル電圧）を設定値と比較して監視しつつセル電圧が設定値以下のときはそのバイパス回路を開成すると共にセル電圧が設定値を超えるときはそのバイパス回路を閉成する制御回路と、を備えるものであり、各バイパス回路およびこれに対応する制御回路のそれぞれと各単位セルの１対の端子との間を接続する配線が設けられる。

このような制御基板により、バイパス回路が閉成すると、充電電流の一部がバイパス回路を流れるので、１対の端子間の電圧が設定値を超えるのが規制される。このため、設定値を耐電圧に相応する値に設定することにより、単位セルの耐電圧を超える電圧上昇（過充電）を防止できるようになる。
特開２００７−１０３７７３号 特開２０００−０８２６４１号 特開平１０−０７４６７２号 特開平１０−０５５９３６号

このようなキャパシタモジュールにおいては、隣接する単位セル間を接続する端子１１ｂ〜１１ｅが単位セル１０の厚み方向と垂直な外方へ突出する構造のため、制御基板との関係もあり、蓋部などの部品を含めると、高さ方向に無駄な空間を生じやすく、容積あたりのエネルギ密度を確保しにくい、という不具合が想定される。

この発明は、このような課題を解決するための手段の提供を目的とする。

第１の発明は、角型の電気二重層キャパシタを単位セルとして複数の単位セルがその厚さ方向へ重なる整列状態に集合すると共にこれら単位セルを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールにおいて、各単位セルは、正極体と負極体とセパレータとから組成される積層体と、前記正極体の集電極に接続される正極側の端子および前記負極体の集電極に接続される負極側の端子と、積層体を電解液と共に収容する容器と、を備え、前記端子の一方は前記単位セルの厚み方向の一方へ延ばされ、同じく端子の他方は前記単位セルの厚み方向の他方へ延ばされ、隣り合う単位セルの容器の隣接する隔壁の内部にこれら単位セル間を接続する各端子を封じ込めたことを特徴とする。

第２の発明は、角型の電気二重層キャパシタを単位セルとして複数の単位セルがその厚さ方向へ重なる整列状態に集合すると共にこれら単位セルを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールにおいて、各単位セルの１対の端子間の電圧が設定値を超えるのを規制する制御基板を備えるものにあって、隣り合う単位セルの各容器の隣接する隔壁の内部にこれら単位セル間を接続する各端子を制御基板と共に封じ込めたことを特徴とする。

第３の発明は、角型の電気二重層キャパシタを単位セルとして複数の単位セルがその厚さ方向へ重なる整列状態に集合すると共にこれら単位セルを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールの製造方法において、各単位セルは、正極体と負極体とセパレータとから組成される積層体と、前記正極体の集電極に接続される正極側の端子および前記負極体の集電極に接続される負極側の端子と、積層体を電解液と共に収容する容器と、を備えるものにあって、複数の単位セルをその厚さ方向へ重なる整列状態に配置すると共に隣り合う単位セル間の端子同士を接合する工程と、前記単位セル間の端子同士を接合する工程に先立ち、各単位セルの端子の一方を前記単位セルの厚み方向の一方へ延ばし、同じく端子の他方を前記単位セルの厚み方向の他方へ延ばし、これらの単位セル間を接続する各端子を隣り合う単位セルの容器の隣接する隔壁の内部に封じ込めつつ容器の内部に積層体を電解液と共に密封する工程と、を備えることを特徴とする。

第４の発明は、角型の電気二重層キャパシタを単位セルとして複数の単位セルがその厚さ方向へ重なる整列状態に集合すると共にこれら単位セルを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールの製造方法において、正極体と負極体とセパレータとから積層体を組成する工程と、積層体の正極体および負極体のそれぞれに極性の対応する端子を接続する工程と、これら端子間を接続して１対の端子間の電圧が設定値を超えるのを規制する制御基板を組み付ける工程と、各端子および制御基板を容器の隔壁の内部にこれら端子の先端が容器の厚み方向の両面に露出する状態に封じ込めつつ容器の内部に積層体を電解液と共に密封する工程と、複数の単位セルをその厚さ方向へ重なる整列状態に配置すると共に隣り合う単位セルの容器同士の隣接面に露出する各端子の先端を互いに接合する工程と、を備えることを特徴とする。

第１の発明においては、隣り合う単位セル間を接続する各端子は、各単位セルの容器の隣接する隔壁の内部に封じ込められるので、単位セル間を接続する各端子に対する防水や防塵用のカバーが不要となる。隣り合う単位セル間を接続する各端子は、容器の隔壁の内部を隣り合う単位セルの容器の隣接面へ単位セルの厚み方向に延ばされ、従来と異なり、容器の隣接面と平行な方向へ突出しない。これらの結果、キャパシタモジュールのサイズが小さく抑えられるので、容積あたりのエネルギ密度を高めることができる。

第２の発明においては、１対の端子のほか、これらの間に介装される制御基板についても、容器の隔壁の内部に封じ込められる。つまり、制御基板は、従来と異なり、単位セルの外部でなく、その内部に隔壁を利用して組み込まれるので、その分、キャパシタモジュールのサイズが小さく抑えられ、容積あたりのエネルギ密度をさらに高めることができる。

第３の発明においては、第１の発明に係るキャパシタモジュールを能率よく製造することができる。

第４の発明においては、第２の発明に係るキャパシタモジュールを能率よく製造することができる。

図１〜図３に基づいて、この発明の実施形態を説明する。

図１は、キャパシタモジュールの斜視図であり、制御基板（図示せず）が備えられる。キャパシタモジュールは、角型の電気二重層キャパシタ２０を単位セルとして複数の単位セル２０がその厚み方向へ重なる整列状態に集合する。２１ａは両端の一方の単位セル２０の端子（正極側）、２１ｆは同じく他方の単位セルの端子（負極側）であり、キャパシタモジュールの主端子を構成する。

制御基板については、１対の端子間の電圧が設定値を超えるのを規制するためのものであり、直列に接続される単位セルに対応する数のバイパス回路と、直列接続される単位セル毎に１対の端子間の電圧（セル電圧）を設定値と比較して監視しつつセル電圧が設定値以下のときはそのバイパス回路を開成すると共にセル電圧が設定値を超えるときはそのバイパス回路を閉成する制御回路と、を備える。

単位セル２０は、図２，図３のように構成される。図２は、単位セル２０ａの平面図であり、図３は、単位セル２０ａまたは２０ｃのＡ−Ａ断面図であり、他の単位セル２０ｂについても、後述のように端子２１を除く基本的な構成が単位セル２０ａまたは２０ｃと同一に設定される。

図３において、２２は蓄電部を構成する積層体であり、正極体および負極体をこれらの間にセパレータを介装しつつ、交互に重ね合わせることによって組成される。正極体および負極体は、集電極とその両面の分極性電極（活性炭電極）とから構成される。集電極は、矩形状の金属箔（アルミニウム箔）からなり、矩形平面の一辺に片側へ寄せて帯状のリードが一体に形成される。各リードは、同極同士が束ねられ、極性の対応する端子に接続（溶接）される。１対の端子２１ｂの各先端側は、単位セル２０の厚み方向を互いに逆向きに折り曲げられ、容器２３のスリット２４に挿入される。各端子２１は、アルミニウム板から短尺状に形成される。

単位セル２０の容器２３は、熱溶着性の電気絶縁材から形成される２つの容器部材２３ａ，２３ｂとからなり、これらの合わせ面を突き合わせると、互いの窪み部によって２つの容器部材２３ａ，２３ｂの間に積層体２２の収容部２５が形成される。２つの容器部材２３ａ，２３ｂにおいては、窪み部を囲う合わせ面の互いに対応する一辺にそれぞれ端子２１ａ，２１ｂの先端側（単位セルの厚み方向へ延びる部分）を挿入するためのスリット２４と、スリット２４を挟む上下にヒートシーラの鏝部２６（図５、参照）を受け入れるための凹部２７と、電解液の注入口および排気口（図示せず）と、が備えられる。

積層体２２は、２つの容器部材２３ａ，２３ｂの間において、１対の端子２１の先端側を対応するスリット２４に挿入しつつ、２つの容器部材２３ａ，２３ｂの合わせ面を突き合わせることにより、２つの容器部材２３ａ，２３ｂの窪み部の間に収容される。

２つの容器部材２３ａ，２３ｂの合わせ面（窪み部を囲う四辺）は、超音波加振によって熱溶着される。容器２３の各スリット２４は、これを挟む凹部２７ａ，２７ｂにヒートシーラの鏝部２６ａ，２６ｂを差し込み、各加熱面で凹部２７ａ，２７ｂを押圧することによって熱溶着される。これらにより、１対の端子２１の基端側（単位セル２０の隣接面と平行な方向へ延びる部分）は、容器２３の合わせ面を接合する熱溶着部２８に封じ込まれ、１対の端子２１の先端側は、スリット２４の熱溶着部２９に封じ込められる。つまり、１対の端子２１は、容器２３の隔壁の内部に各端子２１の先端が容器２３の厚み方向の両面に露出する具合に封じ込められるのである。その後、容器２３の内部へ電解液が注入され、所定の真空状態において、電解液の注入口および排気口が封止される。

図２，図３の単位セル２０は、キャパシタモジュールの端に位置するため、１対の端子２１の一方は、キャパシタモジュールの主端子として単位セル２０の整列方向（厚み方向）へ他の端子よりも長く突き出される。キャパシタモジュールの中間に位置する他の単位セル２０については、１対の端子２１は、両方の長さが同一に設定される。図３において、３０は隣接する単位セル２０の端子２１間を接合するに用いるレーザー溶接のビームを互いに突き合わされる端子２１の先端間へ照射するための窓部を形成する切り欠きであり、窓部は、端子２１間の接合後、上側の凹部２７ａと共に電気絶縁材３１が密閉状態に充填される（図１，図２、参照）。

このような構成により、隣り合う単位セル２０間を接続する各端子２１は、各単位セル２０の容器２３の隣接する隔壁の内部に封じ込められるので、単位セル２０間を接続する各端子２１に対する防水や防塵用のカバーが不要となる。隣り合う単位セル２０間を接続する各端子２１は、容器２３の隔壁の内部を隣り合う単位セル２０の容器２３の隣接面へ単位セル２０の厚み方向に延ばされ、従来と異なり、容器２３の隣接面と平行な方向へ突出しない。これらの結果、キャパシタモジュールのサイズが小さく抑えられるので、容積あたりのエネルギ密度を高めることができる。

制御基板については、単位セル２０の集合体（キャパシタモジュール）の平面上に載置することができる。その場合、単位セル２０と制御基板との接続（配線）は、電気絶縁材の充填前の窓部を通して処理しえることになる。

制御基板は、各単位セル２０ａ〜２０ｃ毎に分割したものを各単位セル２０ａ〜２０ｃ毎に内蔵することが考えられる。例えば、各単位セル２０において、１対の端子２１間に制御基板を配置し、制御基板の各電気接続部をそれぞれ極性が対応する端子２１に接続する。そして、制御基板に保護パッチ（図示せず）を付けて１対の端子２１と共に容器２３の合わせ面を接合する熱溶着部に封じ込める。保護パッチは、超音波加振時の熱や加圧から制御基板を保護するためのものである。

このように、制御基板についても、容器２３に内蔵することにより、外部環境に晒されることがなく、故障も少なくなり、制御基板の防水や防塵用のカバーも不要となる。また、制御基板は、容器２３の合わせ面の熱溶着部を利用して封じ込めることにより、電解液に触れることもなく、電解液との電気絶縁性を良好に確保することができる。

図４〜図６に基づいて、キャパシタモジュールの製造方法を説明する。

図４，図５は、単位セル２０（２０ａ〜２０ｃ）の製造過程において、１対の端子２１を容器２３の隔壁の内部に各端子２１の先端が容器２３の厚み方向の両面に露出する状態に封じ込めつつ容器２３の内部に積層体２２を電解液と共に密封する工程を例示するものである。

図４において、２３ａ，２３ｂは熱溶着性の電気絶縁材から形成される２つの容器部材であり、互いの窪み部を対向させつつ、これらの間に積層体２２を位置させながら、１対の端子２１の基端側に対して直角に折り曲げられて単位セル２０の厚み方向へ延びる先端側を容器部材２３ａ，２３ｂのスリット２４に挿入させつつ、容器部材２３ａ，２３ｂの互いの合わせ面を突き合わせる。

各端子２１と容器２３（熱溶着性の電気絶縁材）との接着性を高めるため、各端子２１に樹脂のコーティング層３２が予め付与される。３３は容器部材２３ａ，２３ｂの互いの合わせ面の溶着性を高めるため、容器部材２３ａの合わせ面に一体形成される溶着用リブである。

図５において、積層体２２は、２つの容器部材２３ａ，２３ｂの合わせ面を突き合わせることにより、２つの容器部材２３ａ，２３ｂの窪み部の間に収容される。２つの容器部材２３ａ，２３ｂに対し、超音波加振を行うことにより、２つの容器部材２３ａ，２３ｂの合わせ面および各端子２１の樹脂のコーティング層を熱溶着させる。また、上下の凹部２７ａ，２７ｂにヒートシーラの鏝部２６ａ，２６ｂを差し込み、各加熱面で凹部２７ａ，２７ｂを押圧することにより、各端子２１の樹脂のコーティング層および容器部材２３ｂの電気絶縁材を熱溶着させる。

これらの処理により、１対の端子２１の基端側は、容器２３の合わせ面を接合する熱溶着部に封じ込まれ、１対の端子２１の先端側は、スリット２４との熱溶着部に封じ込められる。つまり、１対の端子２１は、容器２３の隔壁の内部に各端子２１の先端が容器２３の厚み方向の両面に露出する具合に封じ込められる。図５において、３４は超音波加振のホーンであり、３５はホーン３４に対向する治具である。なお、ホーン３４ａに対向する治具については、図示を省略する。

図６は、複数の単位セル２０をその厚さ方向へ重なる整列状態に配置すると共に隣り合う単位セル２０の容器２３同士の隣接面に露出する各端子２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ，２１ｅの先端を互いに接合する工程を例示するものである。

図６において、３つの単位セル２０ａ〜２０ｃがその厚さ方向へ重なる整列状態に配置される。３６はこれら単位セルの集合体を収容するモジュールケースであり、電気絶縁材から箱形に形成される。集合体の前端に位置する単位セル２０ａの端子２１ｂ（負極側）と中間に位置する単位セル２０ｂの端子２１ｃ（正極側）との間で互いに突き当たる先端同士をレーザー溶接によって接合させる。また、集合体の中間に位置する単位セル２０ｂの端子２１ｄ（負極側）と後端に位置する単位セル２０ｃの端子２１ｅ（正極側）をレーザー溶接によって接合させる。図６において、３８はレーザー溶接のビームを収束させるレンズである。

その後、電気絶縁材３１をレーザー溶接用の窓部および上側の凹部に充填すると、図１のキャパシタモジュールとなる。図示しない制御基板については、単位セル２０の集合体に載置され、単位セル２０と制御基板との接続（配線）は、電気絶縁材３１の充填前の窓部を通して処理される。

各単位セル２０ａ〜２０ｃ毎に分割した制御基板を各単位セル２０ａ〜２０ｃ毎に１個ずつ内蔵する場合においては、図４の工程に先立ち、制御基板を１対の端子２１間に介装する。つまり、制御基板の各電気接続部をそれぞれ極性の対応する端子２１の基端側に接続する。そして、図４，図５の処理により、保護パッチを制御基板に付けてこれを１対の端子２１と共に容器２３の合わせ面を接合する熱溶着部に封じ込めるのである。

このような製造方法に基づいて、単位セル２０ａ〜２０ｃの集合体の平面上に制御基板を搭載するキャパシタモジュールまたは各単位セル２０ａ〜２０ｃ毎に１個ずつ制御基板を内蔵するキャパシタモジュールを能率よく製造することができる。

図１，図６において、３つの単位セル２０から構成される集合体を備えるが、集合体の単位セル数については、もちろん限定されない。

この発明の実施形態に係るキャパシタモジュールの構成を説明する斜視図である。 同じく単位セルの構成を説明する平面図である。 同じく図２のＡ−Ａ断面図である。 同じくキャパシタモジュールの製造工程を例示する説明図である。 同じくキャパシタモジュールの製造工程を例示する説明図である。 同じくキャパシタモジュールの製造工程を例示する説明図である。 従来技術の説明図である。

符号の説明

２０（２０ａ〜２０ｃ） 単位セル（電気二重層キャパシタ）
２１（２１ａ〜２１ｆ） 単位セルの端子
２２ 積層体
２３ 容器
２３ａ，２３ｂ 容器部材
２４ スリット
２６（２６ａ，２６ｂ） ヒートシーラの鏝部
２７（２７ａ，２７ｂ） ヒートシーラ用の凹部
２８、２９ 熱溶着部
３０ レーザー溶接用の切り欠き
３１ 充填材（電気絶縁材）
３２ 樹脂のコーティング層
３３ 溶着用リブ

Claims (4)

1. 角型の電気二重層キャパシタを単位セルとして複数の単位セルがその厚さ方向へ重なる整列状態に集合すると共にこれら単位セルを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールにおいて、
   各単位セルは、正極体と負極体とセパレータとから組成される積層体と、前記正極体の集電極に接続される正極側の端子および前記負極体の集電極に接続される負極側の端子と、積層体を電解液と共に収容する容器と、を備え、
   前記端子の一方は前記単位セルの厚み方向の一方へ延ばされ、同じく端子の他方は前記単位セルの厚み方向の他方へ延ばされ、隣り合う単位セルの容器の隣接する隔壁の内部にこれら単位セル間を接続する各端子を封じ込めたことを特徴とするキャパシタモジュール。
2. 角型の電気二重層キャパシタを単位セルとして複数の単位セルがその厚さ方向へ重なる整列状態に集合すると共にこれら単位セルを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールにおいて、各単位セルの１対の端子間の電圧が設定値を超えるのを規制する制御基板を備えるものにあって、隣り合う単位セルの各容器の隣接する隔壁の内部にこれら単位セル間を接続する各端子を制御基板と共に封じ込めたことを特徴とするキャパシタモジュール。
3. 角型の電気二重層キャパシタを単位セルとして複数の単位セルがその厚さ方向へ重なる整列状態に集合すると共にこれら単位セルを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールの製造方法において、
   各単位セルは、正極体と負極体とセパレータとから組成される積層体と、前記正極体の集電極に接続される正極側の端子および前記負極体の集電極に接続される負極側の端子と、積層体を電解液と共に収容する容器と、を備えるものにあって、
   複数の単位セルをその厚さ方向へ重なる整列状態に配置すると共に隣り合う単位セル間の端子同士を接合する工程と、
   前記単位セル間の端子同士を接合する工程に先立ち、各単位セルの端子の一方を前記単位セルの厚み方向の一方へ延ばし、同じく端子の他方を前記単位セルの厚み方向の他方へ延ばし、これら単位セル間を接続する各端子を隣り合う単位セルの容器の隣接する隔壁の内部に封じ込めつつ容器の内部に積層体を電解液と共に密封する工程と、
   を備えることを特徴とするキャパシタモジュールの製造方法。
4. 角型の電気二重層キャパシタを単位セルとして複数の単位セルがその厚さ方向へ重なる整列状態に集合すると共にこれら単位セルを直列に接続して構成されるキャパシタモジュールの製造方法において、正極体と負極体とセパレータとから積層体を組成する工程と、積層体の正極体および負極体のそれぞれに極性の対応する端子を接続する工程と、これら端子間を接続して１対の端子間の電圧が設定値を超えるのを規制する制御基板を組み付ける工程と、各端子および制御基板を容器の隔壁の内部にこれら端子の先端が容器の厚み方向の両面に露出する状態に封じ込めつつ容器の内部に積層体を電解液と共に密封する工程と、複数の単位セルをその厚さ方向へ重なる整列状態に配置すると共に隣り合う単位セルの容器同士の隣接面に露出する各端子の先端を互いに接合する工程と、を備えることを特徴とするキャパシタモジュールの製造方法。

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