JP4598566B2

JP4598566B2 - 電気二重層キャパシタ装置

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Publication number: JP4598566B2
Application number: JP2005061537A
Authority: JP
Inventors: 敏行前田; 勝俊杉; 智齋藤
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: JP2006245442A

Description

本発明は、複数の電気二重層キャパシタセルを積層配列したセル群からなる電気二重層キャパシタ装置に関する。

電気二重層キャパシタ装置は、各種の電源として利用されるが、１つの電気二重層キャパシタセル（以後適宜キャパシタセルという）の出力電圧（耐電圧）自体は数Ｖ程度と低い。従って、電気二重層キャパシタセルを複数積層したセル群をユニットとして製作される。

例えば、図８に示すように、複数のキャパシタセル１０を積層し、箱状の板金シャーシ１２に収容する。この板金シャーシ１２の１つの側板を構成する平らな押し板１４は、両側壁に対しネジ止めされるようになっている。そこで、この押し板をキャパシタセル１０群に向けて押圧した状態で外部からネジ止め固定している。

また、各キャパシタセル１０間には絶縁破壊に対する対策として、樹脂フィルムや樹脂板、絶縁処理を施した金属板を挟み込んでいる。

なお、各キャパシタセル１０は、アルミラミネートの袋体中に電気二重層キャパシタが形成されており、上部に一対の電極が設けられている。

また、押し板を皿バネや、弦巻バネなどで押し板を押圧することについては、特許文献１，２などに記載がある。

特開２００１−１６７７４５特開２００２−２８９４８５

ここで、キャパシタセルからは、その使用に伴いガスが発生する。キャパシタセルには、ある一定の圧力になるとガスを放出する逆止機構のガス抜き機構が付加されているが、各キャパシタセルのガス抜き機構が作動する圧力にはバラツキがあり、その圧力を低く設定することは困難である。このことから、キャパシタセルのガス抜き機構が作動する圧力より小さいと、キャパシタセルが膨らむ現象が発生する。そして、キャパシタセルが膨らみ圧力が増加した場合、押し板が湾曲する。この場合、両端固定の押し板では、キャパシタセルに均等な圧力をかけられない。すなわち、図８に示すように、押し板をセル群の側面でネジ止をした場合には、押し板の中央部が膨らんでしまい、その結果キャパシタセルの中央部には圧力はかからない状態になる。これを防止するためには、押え板の剛性を上昇しなければならず、押し板が厚くなり軽量、小型化の妨げになる。また、キャパシタセルに圧力が均等に付加されない状態であると、電極間距離が不均一になる等の原因で、キャパシタセルが劣化しやすくなる。

また、セル群に対し、外部振動や衝撃が印加された場合、キャパシタセルのアルミラミネート表面の樹脂同士が滑って移動する現象がある。この場合、電極に応力が集中し、電極の切断などの問題が発生する。このため、キャパシタセルが移動しない機構を付加したいという要求がある。

本発明は、複数の電気二重層キャパシタセルを積層配列されたセル群と、このセル群の両端に配置された板バネと、この板バネを外側から前記セル群に向けて押圧固定する固定部材と、前記電気二重層キャパシタセル内の圧力が所定以上となったときに内部のガスを放出するガス抜き機構と、を有し、前記固定部材によって、板バネをほぼ平面状に付勢し、セル群のほぼ全面に板バネのバネ力を作用させて押圧すると共に、板バネはほぼ平面状になったときの押圧力が前記ガス抜き機構がガスを放出する所定の圧力以上になるようにバネ力が設定されていることを特徴とする。

また、前記固定部材は、前記板バネを外側から締め付ける金属製のバンドであることが好適である。

また、前記板バネと前記固定部材の間に、端部に外部取り付け用のネジ用穴を有する取り付け用板材を介在させることが好適である。

さらに、ハウジングを有し、このハウジングが、前記ネジ用穴を使用して、前記取り付け用板材にネジ止めされることが好適である。

さらに、前記セル群と電気的に接続される回路基板を有し、この回路基板が、前記ネジ用穴を使用して、前記取り付け用板材にネジ止めされることが好適である。

また、前記複数の電気二重層キャパシタセルの間にゴムシートを介在させることが好適である。

本発明によれば、ほぼ平板状になった板バネの押圧力が、ガス抜き機構が作動する圧力よりも大きくなるようにバネ力（例えば、板厚）を選定する。これにより、キャパシタセル内においてガスが発生しても、キャパシタセルが膨らむことがなく、押圧力の変化がなく、また効果的なガス抜きが行え、セル群に対する均一な圧力印加を維持できる。

また、キャパシタセル間に、ゴムシートを挿入することで、キャパシタセル同士のすべりによる移動を防止することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、一実施形態に係る電気二重層キャパシタ装置の構成を示す図である。キャパシタセル１０は、本体部１０ａが薄肉直方体状で、上部が山型となって閉じられ全体として板状となっている。そして、本体部１０ａの板状の上端部から一対のアルミニウムまたは銅（または銅合金）製の電極板１０ｂが突出形成されている。なお、本体部１０ａは、内側がポリプロピレン、真ん中がアルミニウム、外側がナイロンの多層シート（アルミラミネート）により構成されており、その内部には、活性炭電極、セパレータ、電解液などが設けられている。

キャパシタセル１０の１つの電極板１０ｂは、隣接するキャパシタセル１０の１つの電極板１０ｂと接続されている。接続される２つの電極板１０ｂは、両者が近寄るように折り曲げられ、両者が重ね合わされた部分において超音波溶接されている。なお、抵抗溶接、レーザ溶接、半田付けなど他の手段で接続してもかまわない。

そして、キャパシタセル１０の他の電極板１０ｂは、反対側の隣接したキャパシタセル１０の電極板１０ｂと接続され、積層された複数のキャパシタセル１０が直列接続される。なお、用途によっては、複数のキャパシタセル１０を並列接続してもよい。また、両端部のキャパシタセル１０において隣接するキャパシタセル１０の電極板１０ｂと接続されない電極板１０ｂがセル群の両端電極になっている。

このようなキャパシタセル１０を複数積層するが、キャパシタセル１０間には、ゴムシートが挿入配置することもできる。このゴムシートは、厚さが０．２〜１ｍｍくらいの摩擦抵抗が大きい、シリコン、ＥＰＤＭ、ＥＰＭ（エチレン・プロピレンゴム）、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＣＲ（クロロプレンゴム）などで構成することが好適である。

そして、複数のキャパシタセル１０からなるセル群は、金属、特にステンレスからなる金属バンド４０によって締め付けられている。

この構成によって、バネ板３０は、金属バンド４０によって、セル群に向けて押圧され、従って上述の実施形態と同様に、均一な圧力を各キャパシタセル１０に印加することができる。

ここで、このバネ板３０は、図２に示すように、中央部分が膨らんだ形状の板材で構成されている。この例では、高さ１１０ｍｍ、幅１３０ｍｍのバネ用ＳＵＳ（ステンレス）鋼板で形成され、中央部分が８ｍｍ程度膨らんでいる。なお、バネ用リン青銅板なども好適である。

このバネ板３０は、膨らみがキャパシタセル１０側に位置するようにして、セル群の両端に配置される。例えば、図２に示すようなバネ板３０の場合、バネ用の板をほぼ平らになるまで圧力をかけることで、バネ板の厚さが１ｍｍで約４０ｋｇｆ、厚さ１．５ｍｍで８０ｋｇｆの均一な荷重が得られる。

このような電気二重層キャパシタ装置を電源として使用すると、充電時にガスが発生し、これによってキャパシタセル１０が膨らもうとする。しかし、本実施形態では、バネ板３０によって各キャパシタセル１０に対し、上述のような圧力が確実に印加されている。そこで、キャパシタセル１０内で発生したガス（気泡）は、ガス抜き弁から抜けキャパシタセル１０はほとんど膨らむことはない。なお、キャパシタセル１０の山状の上部には、逆止機構からなるガス抜き弁が設けられており、キャパシタセル１０内で発生したガスは、ガス抜き弁を介し排出される。

このように、本実施形態によれば、バネ板３０を設けることによって、各キャパシタセル１０を均一な圧力で押圧することができる。そこで、キャパシタセル１０が膨らんでしまって、電極間距離が不均一になる等の原因で、キャパシタセルが劣化しやすくなることを効果的に防止することができる。

さらに、各キャパシタセル１０間には、比較的摩擦の大きなゴムシートが挿入配置されている。従って、キャパシタセル１０同士の位置がずれ、電極板１０ｂに大きな負荷がかかってこれが破壊されるというような状況が発生することを効果的に防止することができる。

なお、バネ板３０の形状は、円弧、楕円、または、押す条件によるが、押した状態で完全に平らな形状（平板状）になるような初期形状にすることが好ましい。

また、キャパシタセル１０から発生するガスによりキャパシタセルが膨らみ、圧力が増加した場合に、ガス抜き機構が作動する圧力でも変形しないバネ用の板を使用することで、初期状態のまま、キャパシタセル１０全面へ均等な圧力を付加し続けることが可能となる。

なお、バネ板３０の厚さや材料を選択することで、キャパシタセル１０の全面にかかる圧力をコントロールすることが可能である。

特に、キャパシタセル１０には、ガス抜き弁がついており、ある一定の圧力になるとガスが抜ける。バネ板３０を、その圧力以上になるものに選定し、金属バンド４０で固定する。なお、バネ板３０のバネ力は、バネ板３０の板厚や、材質等によって調整が可能である。これにより、キャパシタセル１０の積層方向の膨出を抑えることができ、キャパシタセル１０に対して一定の圧力を付加できる。また、キャパシタセル１０の膨出により、外筐体が膨らむなどの影響を与えることはない。

また、各キャパシタセル１０を均一に加圧し、かつ、キャパシタセル１０の膨出がないことで、キャパシタセル１０の内部抵抗の上昇を抑えることが可能になり、信頼性の高い装置を提供できる。

複数のキャパシタセル１０を両側に設けた２個のバネ板３０で押圧し、バネ板３０の固定には、押し板またはバンドを用いるので、単純な構造、安価であり、量産に適している。特に、バンドによる固定を利用することで、構造の単純化を図ることができる。また、外筐体の小型化が可能である。

図１，３には、金属バンド４０によるセル群およびバネ板の締め付け前および締め付け後の状態を示してある。金属バンド４０を締め付ける前は、バネ板３０には力がかかっておらず、初期状態として曲がった状態にある。そして、金属バンド４０により締め付け固定することで、バネ板３０は実質的に平板となり、これによって所定の圧力が各キャパシタセル１０の全面に均一に印加される。

図４，５には、金属バンド４０とバネ板３０の間に取り付け用板５０を介在させた例を示している。ここで、図４は金属バンド４０による締め付け前の状態を示し、図５は金属バンド４０による締め付け後の状態を示している。

この取り付け用板５０は、板バネ３０の外側に位置する背板部５２と、セル群の側方に伸びる側板部５４からなり、断面コ字状になっている。従って、金属バンド４０を締め付けることによって、取り付け用板５０が板バネ３０をほぼ平板状になるように押圧する。

そして、取り付け用板５０には、その下端部に外側に折り曲がる形状として形成された接続部５６を有している。この例では、取り付け用板５０の下端部に四角形状の２つ接続部５６が設けられている。また、接続部５６には、ネジ用穴５８が設けられている。このネジ用穴５８は、セル群を収容するハウジング（図示せず）にネジ止めするのに利用される。ネジ用穴５８は、丸穴でもよいが、ネジ止めの容易性を考慮して長穴が好ましく、図４，５の例では、外側からの切り欠きとして形成されている。このネジ用穴に雄ねじを挿入し、ハウジング側の雌ねじに雄ねじをねじ込むことによって、取り付け用板５０がハウジングに固定され、従ってセル群が板バネ３０と共にハウジングに固定される。

図６には、図１のような金属バンド４０によってセル群をバネ板３０を介し締め付け固定したユニットをハウジング６０に挟み込み固定した構成を示している。すなわち、ハウジング６０の底板には、ユニットが挿入される凹部６２が形成されている。そして、この凹部６２内のユニットを挿入することで、ユニットをハウジング６０に固定する。なお、凹部６２がユニットのサイズに合わせることが好適であるが、若干大きめとして、周囲にくさびや、弾性体等を詰めて固定することも可能である。

図７には、取り付け用板５０の上端の中央部に上に向かって伸びる四角形状の接続部８０を有している。そして、この接続部８０の先端部分が外側に向けて折り曲げられ、図４，５と同様に、そこにネジ用穴が形成されている。この接続部８０に形成されたネジ用穴には、ボルト８２が通され、このボルト８２によって回路基板７０が接続される。

ここで、この回路基板７０には、例えば各キャパシタセル１０に対する充放電を制御し、各キャパシタセル１０の充放電状態を均一にするための回路が形成されており、各キャパシタセル１０の電極板が接続されている。

一実施形態の構成を示す図である。バネ板の構成を示す図である。実施形態の金属バンドによる締め付け前の構成を示す図である。他の実施形態の金属バンドによる締め付け前の構成を示す図である。他の実施形態の金属バンドによる締め付け後の構成を示す図である。金属バンドによる締め付け後のセル群をハウジングに収容した構成を示す図である。さらに他の実施形態の金属バンドによる締め付け後の構成を示す図である。従来例の構成を示す図である。

符号の説明

１０キャパシタセル、１０ａ本体部、１０ｂ電極板、１２板金シャーシ、１４押し板、３０バネ板、４０金属バンド、５０取り付け用板、５８ネジ用穴、６０ハウジング、７０回路基板。

Claims

複数の電気二重層キャパシタセルを積層配列されたセル群と、
このセル群の両端に配置された板バネと、
この板バネを外側から前記セル群に向けて押圧固定する固定部材と、
前記電気二重層キャパシタセル内の圧力が所定以上となったときに内部のガスを放出するガス抜き機構と、
を有し、
前記固定部材によって、板バネをほぼ平面状に付勢し、セル群のほぼ全面に板バネのバネ力を作用させて押圧すると共に、板バネはほぼ平面状になったときの押圧力が前記ガス抜き機構がガスを放出する所定の圧力以上になるようにバネ力が設定されていることを特徴とする電気二重層キャパシタ装置。
請求項１に記載の電気二重層キャパシタ装置において、
前記固定部材は、前記板バネを外側から締め付ける金属製のバンドであることを特徴とする電気二重層キャパシタ装置。
請求項１または２に記載の電気二重層キャパシタ装置において、
前記板バネと前記固定部材の間に、端部に外部取り付け用のネジ用穴を有する取り付け用板材を介在させることを特徴とする電気二重層キャパシタ装置。
請求項３に記載の電気二重層キャパシタ装置において、
さらに、ハウジングを有し、
このハウジングが、前記ネジ用穴を使用して、前記取り付け用板材にネジ止めされることを特徴とする電気二重層キャパシタ装置。
請求項３に記載の電気二重層キャパシタ装置において、
さらに、前記セル群と電気的に接続される回路基板を有し、
この回路基板が、前記ネジ用穴を使用して、前記取り付け用板材にネジ止めされることを特徴とする電気二重層キャパシタ装置。
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電気二重層キャパシタ装置において、
前記複数の電気二重層キャパシタセルの間にゴムシートを介在させることを特徴とする電気二重層キャパシタ装置。