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技術 電気二重層コンデンサ

出願人 株式会社トーキン公益財団法人鉄道総合技術研究所
発明者 大北芳彰山本裕康川口清
出願日 2003年3月31日 (16年11ヶ月経過) 出願番号 2003-094132
公開日 2004年10月28日 (15年4ヶ月経過) 公開番号 2004-303905
状態 特許登録済
技術分野 電気二重層コンデンサ等
主要キーワード 千鳥形 傾斜機能材 基本単位セル インジゲータ マイナスリード 固定螺子 略リング形状 金属外装
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この項目の情報は公開日時点(2004年10月28日)のものです。
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図面 (8)

課題

車両に用いる上で、耐振性使用温度範囲の拡大、高耐圧化の為の直列接続積層枚数)の増大と加圧力強化ゴミ汚れ等の混入の防止、内部発熱放熱を解決した車両用電気二重層コンデンサを提供することにある。

解決手段

車両用電気二重層コンデンサ10において、金属外装部品1、4、7の内外を金属(アルミニュウム)−セラミックス傾斜機能材料を用いて電極取り出し部3,4は、別個に設けている。

概要

背景

従来、車両用に使用されてきた電気二重層コンデンサは、図5及び図6に示される構造をしていた。図5は従来技術による電気二重層コンデンサを固定金具とともに示す斜視図、図6は図5の電気二重層コンデンサの単セルを示す断面図である。図7は図5の電気二重層コンデンサの断面図である。

概要

車両に用いる上で、耐振性使用温度範囲の拡大、高耐圧化の為の直列接続積層枚数)の増大と加圧力強化ゴミ汚れ等の混入の防止、内部発熱放熱を解決した車両用電気二重層コンデンサを提供することにある。車両用電気二重層コンデンサ10において、金属外装部品1、4、7の内外を金属(アルミニュウム)−セラミックス傾斜機能材料を用いて電極取り出し部3,4は、別個に設けている。

目的

本発明の技術的課題は、車両用に用いられる電気二重層コンデンサにおいて、耐振性、使用温度範囲の拡大、高耐圧化のための積層枚数の増大と加圧力の強化、高耐圧化による感電事故防止、ゴミ汚れ等の混入の防止、内部発熱の放熱対策が施された電気二重層コンデンサを提供する

効果

実績

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請求項1

活性炭素を含む電極と、希硫酸溶液を含む電解質とを基本的な単セル内に備え、前記単セルの一つ又は複数を積層したものを外装板を備えた外装容器内に封入した電気二重層コンデンサにおいて、前記外装容器は、金属−セラミック傾斜機能材から実質的になり、前記外装板に取り付け部を設けたことを特徴とする電気二重層コンデンサ。

請求項2

請求項1記載の電気二重層コンデンサでおいて、前記外装容器は長方体形状を有し、前記外装板底面には、一体構造の取り付け部を複数以上備え、前記取り付け部は、千鳥状または凹凸状に分散して配置され、前記電極と前記外装容器は、電気的に絶縁され、前記外装容器の一面に電極を集中配置したことを特徴とする電気二重層コンデンサ。

請求項3

請求項1記載の電気二重層コンデンサにおいて、前記外装容器内に基本的な単セルを複数個以上積層して封入し、各単セル間は電気的な直列接続とし、前記外装容器1個あたりの出力電圧直流15Vから直流60Vの範囲内とし、前記外装容器1個あたりの静電容量が1Fから100Fの範囲としたことを特徴とする電気二重層コンデンサ。

請求項4

請求項1記載の電気二重層コンデンサにおいて、前記外装容器1個あたりの電圧充電状況を表示する手段として、前記外装容器の一端面にLED表示部を配置したことを特徴とする電気二重層コンデンサ。

請求項5

請求項1〜4の内のいずれか一つに記載の電気二重層コンデンサを用いたことを特徴とする車両用電気二重層コンデンサ

技術分野

0001

本発明は、粉末活性炭電極希硫酸水溶液を使用した車両用電気二重層コンデンサ電気二重層キャパシタ)において、コンデンサ基本単セル複数個直列接続し、その外装部が金属−セラミックス傾斜機能材料を用いた下部外部品一体構造装置取り付け部を持ち、装置取り付けを容易にし、耐振動性を保つために取り付け部と別の電極を構成する電極板と外装に蓄電量を表示する機構を持つ車両用電気二重層コンデンサに関する。

0002

従来、車両用に使用されてきた電気二重層コンデンサは、図5及び図6に示される構造をしていた。図5は従来技術による電気二重層コンデンサを固定金具とともに示す斜視図、図6図5の電気二重層コンデンサの単セルを示す断面図である。図7図5の電気二重層コンデンサの断面図である。

0003

図5に示すように、車両用の電気二重層コンデンサは、丸型コンデンサ50を固定部品51によって取り付けることで、構成されていた。固定部品51は、両端部に外方に突出した締結部53を備えた略リング形状を有している。このリング下端のリングの周を3等分する位置に、外側に突出した装置取り付け部52を有している。丸形コンデンサ50の外周面にコンデンサ固定部品を装着後、固定螺子で締結し、装置を取り付け部を介して所望する部位に取り付けられる。

0004

図6を参照すると、丸型コンデンサの基本単位セル55は、活性炭からなる一対の電極に硫酸水溶液からなる電解液をそれぞれ染み込ませ、セパレータを介してこの一対の電極を対向させ、両端を導電性焦電体59で挟み込み、周囲を封止用ゴム56で封止してなる。

0005

図7を参照すると、丸形コンデンサの基本セルを厚み方向に重ね合わせて、底部に金属板を配置した絶縁ケース63内に収容して、さらに,その底部に、金属板を配置し、一端が開口した缶ケースをかぶせて、開口側の縁部を内側に折り曲げて、金属板の脱落を防止している。また、それぞれの金属板には、棒状のリードが設けられ、プラス側のリードは絶縁ケースの底部に設けられた貫通孔を貫通するとともに、貫通穴部の外側周囲には、ボス部によって、マイナス側の金属板との接触を防止されて、外方に延在して、プラス側リード端子を構成している。一方、底面に露出したプラスの金属板からも、リードが引き出され、マイナス側リード端子が形成されている。

0006

このような従来技術による電気二重層コンデンサを車両用に使用する場合は高耐圧が必要とされる。この場合、直列接続が有利な水溶液系電気二重層コンデンサが望ましい。ただし、図6に示されるように上下から加圧する構造が必要である。

0007

また、従来技術による電気二重層コンデンサとしては、特許文献1及び2に示されるものがある。

0008

【特許文献1】
特開2000−3838号公報

背景技術

0009

【特許文献2】
特開2002−050552号公報

0010

しかしながら、特許文献1による電気二重層コンデンサの構造では、有機系電解液を用いているために、耐圧に問題があり、また、特許文献2に示される電気二重層コンデンサの構造では、電極の固定構造がないために、耐振性に問題があり、このままでは、従来の電気二重層コンデンサは、車両用への使用に耐えられなかった。

0011

ところで、車両用に使用される場合、特に問題とされるのは、耐環境性、具体的には(イ)移動時の振動、(ロ)過酷な温度変化、(ハ)ゴミ汚れ等による汚染が問題となっていた。

発明が解決しようとする課題

0012

そこで、本発明の技術的課題は、車両用に用いられる電気二重層コンデンサにおいて、耐振性、使用温度範囲の拡大、高耐圧化のための積層枚数の増大と加圧力強化、高耐圧化による感電事故防止、ゴミ汚れ等の混入の防止、内部発熱放熱対策が施された電気二重層コンデンサを提供することにある。

0013

本発明では、電極が活性炭粉末で、電解質が希硫酸水溶液を使用し外装部に金属−セラミックス傾斜機能材料を用いた構造で、好ましくは、更に,外装の上面にはキャパシタ内の充放電量を表示するLED表示部を有し、下部外装板一体化した取り付け部と別に設けた電極取り出し部、その下部外装板と一体化した取り付け部が複数からなり、これらの取り付け部は上下左右の何れか千鳥形および凹凸に配置した構成を備えている。

0014

また、本発明の電気二重層コンデンサの内部構造は、コンデンサ基本単セルを複数個直列に接続し、それを一体構造として組み込み、電圧をDC15V〜60V,静電容量を1F〜100Fの間で一個単体とした構成である。

0015

また、耐振性の向上のためにはリード端子と固定を共用させた物では信頼性を得られないために、本発明では下部外装板と一体化した装置取り付け部を設け、リード端子は別個に設けた。

0016

また、車両用に用いる上での上記(ロ)に示した問題点である使用温度範囲の拡大については、本発明では、一般的に使用されている有機系電解液ではなく、広範囲の使用温度範囲で使用可能な水系電解液を使用しているのでこの問題は生じない。

0017

また、本発明では、ゴミ汚れの完全防止と加圧強化ために肉厚金属ケースを用いている。

0018

通常の電気二重層コンデンサにおいては、車両用に用いるため高耐圧、大容量化になるため内部発熱が大きくなる。しかしながら、従来の構造では、金属ケースの内外プラスティック絶縁されていた。この構造では、放熱が不十分であり問題であった。

0019

そこで、本発明では、金属ケースの内外を金属(アルミニュウム)−セラミックスの傾斜機能材料を用いてこの問題を解決したものである。

0020

即ち、本発明によれば、活性炭素を含む電極と、希硫酸溶液を含む電解質とを基本的な単セル内に備え、前記単セルの一つ又は複数を積層したものを外装板を備えた外装容器内に封入した電気二重層コンデンサにおいて、前記外装容器は、金属−セラミック傾斜機能材から実質的になり、前記外装板に取り付け部を設けたことを特徴とする電気二重層コンデンサが得られる。

0021

また、本発明によれば、前記電気二重層コンデンサでおいて、前記外装容器は長方体形状を有し、前記外装板底面には、一体構造の取り付け部を複数以上備え、前記取り付け部は、千鳥状または凹凸状に分散して配置され、前記電極と前記外装容器は、電気的に絶縁され、前記外装容器の一面に電極を集中配置したことを特徴とする電気二重層コンデンサが得られる。

0022

また、本発明によれば、前記電気二重層コンデンサにおいて、前記外装容器内に基本的な単セルを複数個以上積層して封入し、各単セル間は電気的な直列接続とし、前記外装容器1個あたりの出力電圧直流15Vから直流60Vの範囲内とし、前記外装容器1個あたりの静電容量が1Fから100Fの範囲としたことを特徴とする電気二重層コンデンサが得られる。

0023

また、本発明によれば、前記電気二重層コンデンサにおいて、前記外装容器1個あたりの電圧と充電状況を表示する手段として、前記外装容器の一端面にLED表示部を配置したことを特徴とする電気二重層コンデンサが得られる。

課題を解決するための手段

0024

さらに、本発明によれば、前記いずれか一つの電気二重層コンデンサを用いたことを特徴とする車両用電気二重層コンデンサが得られる。

0025

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

0026

図1及び図2は本発明の実施の形態による車両用電気二重層キャパシタを示す図で、図1は断面図、図2(a)は平面図、図2(b)は一部切欠正面断面図である。また、図3は電気二重層コンデンサの角形コンデンサ基本単セルを示す図である。

0027

図1から図3を参照すると、電気二重層コンデンサのコンデンサ基本単セル5は、電極18として粉末活性炭と希硫酸を用い、この電極18間にセパレータ17を挟むようにし、+−電極18間のショートを防止している。更に、この両電極の背面に導電性集電体19を配置し、電圧が印加できる構造で直列接続数を増やす角形形状にしている。また、電極18を構成する活性炭には希硫酸(水系電解液)を含浸させ、セパレータ17を電解液中のイオンが自由に行き来出来る構造としている。そして、電解液の封口と導電性材料の絶縁のため封止用ゴム16を電極18の側面に配置し、構成されている。

0028

ここで、本発明において、金属−セラミック傾斜機能材料とは、特に、アルミニュウム−セラミック系傾斜機能材料とは、構成成分としてアルミニウム成分セラミック成分とを備え、その形状が箱型の場合、外側が内側と対比してアルミニュウム成分又はセラミック成分が多く、組成がいわゆる傾斜している材料を呼び,また、その形状が板材においては、内部が表面と対比して組成がアルミニウム又はセラミック成分が多く内部に向かって組成が傾斜している材料を呼ぶ。

0029

このうちで,アルミニュウム/セラミック系傾斜機能材は、表面強度の大幅な向上、表面剥離防止、放熱性向上(但し遠赤外線での放射率)、摺動性向上、耐摩耗性向上、電気絶縁性向上、耐候性・耐塩害の向上という利点を備えている。

0030

図1に示すように、車両用電気二重層コンデンサ10は、外装部に金属−セラミックス傾斜機能材料を用いた上部外装板1と、傾斜機能材料を用いたコンデンサ外装箱4,傾斜機能材料を用いた下部外装板一体の装置取り付け部7に絶縁板2をかえし別に設けたマイナス電極3とプラス電極6間に二枚以上直列接続されたコンデンサ基本単セル5を納めた構成を有している。

0031

車両用電気二重層コンデンサ10は、傾斜機能材料を用いた下部外装板7一体の装置取り付け部7(同符号)により装置取り付け固定部品を必要とせず耐振動性を確保した使用環境温度−40〜85℃の電極18が活性炭粉末で、電解質が希硫酸水溶液を使用した角形の電気二重層コンデンサである。この電気二重層コンデンサの寸法特性は、縦72mm×横148mm×高さ84mm、電気特性は電圧24Vで容量5Fであった。

0032

図2(a)に最も良く示されるように、電気二重層コンデンサは、傾斜機能材料を用いた上部外装板1と傾斜機能材料を用いたコンデンサ外装箱4,傾斜機能材料を用いた下部外装板一体の装置取り付け部7に絶縁板2を介したマイナス電極3とプラス電極6間に二枚以上直列接続されたコンデンサ基本単セル4を納めた電気二重層コンデンサを作成し、さらに,傾斜機能材料を用いた上部外装板1又は、コンデンサ外装箱4に蓄電量を表示する機構(インジゲータ)LED11を設けた構成を有している。

0033

図4(a)〜(c)は、複数の本発明の車両用電気二重層コンデンサの固定配置方法をそれぞれ示す平面図である。

0034

図4(a)は、車両用電気二重層コンデンサ10aにおいて、下部外装板の取り付け部7aが、長さ方向前後に互いに違いとなる側に突出した形状を備えているときの取り付け例を示している。

0035

また、図4(b)は、車両用電気二重層コンデンサ10bにおいて、下部外装板の取り付け部7bが、長さ方向の一端中央部に1、他端は両側に一対設けられた形状を備えているときの取り付け例を示している。

0036

また、図4(c)は図4(b)の車両用電気二重層コンデンサ10bの下部外装板の取り付け部の両側に互いに前後になるように更に、取り付け部7cが設けられた形状を備えている車両用電気二重層コンデンサ10cの取り付け例を示している。

発明を実施するための最良の形態

0037

以上説明したように、本発明の実施の形態においては、使用環境温度−40〜85℃の電極が活性炭粉末で、電解質が希硫酸水溶液コンデンサ基本単セルを使用して、取り付け固定部品なしで装置取り付けができ耐振動性を確保し、傾斜機能材料を用いた外装に蓄電量を表示する機構を有する車両用電気二重層コンデンサを提供することができる。

図面の簡単な説明

0038

以上説明したように、本発明においては、車両用に用いられる電気二重層コンデンサにおいて、耐振性、使用温度範囲の拡大、高耐圧化のための積層枚数の増大と加圧力の強化、高耐圧化による感電事故防止、ゴミ汚れ等の混入の防止、内部発熱の放熱対策が施された電気二重層コンデンサを提供することができる。

図1
本発明の実施の形態に係る外装部に金属−セラミックス傾斜機能材料を用い装置取り付け部を一体形成した大型高耐圧車両用電気二重層コンデンサの断面図である。
図2
(a)は図1の車両用電気二重層コンデンサの平面図である。
(b)は(a)の車両用電気二重層コンデンサの一部切欠き正面断面図である。
図3
図1及び図2の車両用電気二重層コンデンサの基本単セル構造の断面図である。
図4
(a),(b),及び(c)は本発明に係る車載用電気二重層コンデンサの取り付けの種々の例を示す平面図である。
図5
従来技術による装置取り付け部品を必要とする電気二重層コンデンサと取り付け部品の図である。
図6
従来技術による電気二重層コンデンサ基本単セル構造の断面図である。
図7
図6の基本単セル構造を用いた電気二重層コンデンサの断面図である。
【符号の説明】
1 上部外装板(金属−セラミックス傾斜機能材料)
2絶縁板
3マイナス電極(取り出し部)
4コンデンサ外装箱(金属−セラミックス傾斜機能材料)
5角形コンデンサ基本単セル
6プラス電極(取り出し部):(リード端子)
7,7a,7b,7c 下部外装板(装置取り付け部)(金属−セラミックス傾斜機能材料)
10,10a,10b,10c 車両用電気二重層コンデンサ
11LED
12固定ネジ
16封止用ゴム
17セパレータ
18電極(粉末活性炭+希硫酸)
19導電性集電体
50 コンデンサ
51 コンデンサ固定部品
52 装置取り付け部
54 コンデンサ固定ねじ
55 コンデンサ基本単セル
56 封止用ゴム
57 セパレータ
58 電極(粉末活性炭+希硫酸)
59缶ケース(肉薄
61外装チューブ
64 プラスリード端子
65マイナスリード端子
63 絶縁ケース

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