(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを介して対向的に配置した分極性電極シートに電解液を含浸したキャパシタ素子を備え、同キャパシタ素子の複数個を直列に接続して組セルを構成する際の単位キャパシタとして用いられる電気二重層キャパシタを備え、上記電気二重層キャパシタに、同電気二重層キャパシタの平均作動電圧における動作抵抗が１０〜１５０Ωであるツエナダイオードを含む保護回路が並列に接続されていることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
分極性電極シートをセパレータを介して積層または巻回し、それに電解液を含浸したキャパシタ素子を有底筒形の密閉容器内に収納するとともに、同密閉容器の開口部を正極端子および負極端子を有する封口部材にて閉塞してなり、外部リードを介してその複数個を直列に接続して組セルを構成する際の単位キャパシタとして用いられる電気二重層キャパシタを備え、上記正極端子と負極端子との間に、上記電気二重層キャパシタの平均作動電圧における動作抵抗が２０〜１５０Ωであるツエナダイオードを含む保護回路が接続されていることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
上記ツエナダイオードのツエナ抵抗の最大値と最小値の比率が１．５以下である請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
上記電気二重層キャパシタの静電容量が３０Ｆ以上であり、上記電気二重層キャパシタの平均作動電圧における上記ツエナダイオードのツエナー抵抗と上記電気二重層キャパシタの絶縁抵抗の比率が３：１〜１：４である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項５】
上記ツエナダイオードに対してヒューズが直列に接続された請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項６】
上記ツエナダイオードとヒューズとが合成樹脂絶縁板上において直列に接続された一体化部品とした状態で上記正極端子と負極端子との間に介装された請求項２に記載の電源装置。
【請求項７】
セパレータを介して対向的に配置した分極性電極シートに電解液を含浸したキャパシタ素子を単位キャパシタとして、上記単位キャパシタを複数個、直列に接続した組セルを備え、上記組セルを所定個数ずつ区分けしてなる複数のキャパシタブロックの各々に、上記各キャパシタブロックの定格電圧における動作抵抗が１０〜１５０Ωであるブロック用ツエナダイオードを含む保護回路が並列に接続されていることを特徴とする電源装置。
【請求項８】
上記ブロック用ツエナダイオードのツエナ抵抗の最大値と最小値の比率が１．５以下である請求項７に記載の電源装置。
【請求項９】
上記単位キャパシタの静電容量が３０Ｆ以上であり、上記キャパシタブロックの定格電圧における上記ブロック用ツエナダイオードのツエナー抵抗と上記キャパシタブロックの絶縁抵抗の比率が３：１〜１：４である請求項７または８に記載の電源装置。
【請求項１０】
上記キャパシタブロック内の各単位キャパシタにも、当該単位キャパシタの平均作動電圧における動作抵抗が２０〜１５０Ωであるツエナダイオードを含む保護回路が並列に接続された請求項７ないし９のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項１１】
上記ブロック用ツエナダイオードの動作抵抗と上記単位キャパシタ用ツエナダイオードの動作抵抗の比が１：１．２〜１：５である請求項１０に記載の電源装置。
【請求項１２】
上記ブロック用ツエナダイオードに対してヒューズが直列に接続された請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワー用途もしくは電子回路用途の大容量電気二重層キャパシタを含む電源装置に関し、さらに詳しく言えば、組セルを構成する単位キャパシタとしての電気二重層キャパシタを外部リードを介して複数個を直列に接続してなる出力電圧１０Ｖ以上の電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パワー用大容量電気二重層キャパシタは、エネルギーの有効利用の見地によりその用途が、例えばガソリンエンジン／電気二重層キャパシタからなる電源システムを搭載したハイブリッド自動車、電気自動車、太陽電池／電気二重層キャパシタ電源システムなど、急速に拡大しつつある。また、電気二重層キャパシタを用いた電子回路用電源のニーズも高まりつつある。パワー用大容量電気二重層キャパシタには水溶液系電解液を用いるものと、有機電解液を用いるものが開発されつつある。
【０００３】
有機電解液を用いるパワー用低抵抗大容量電気二重層キャパシタは、耐電圧を高くできるので、水溶液電解液を用いる電気二重層キャパシタよりエネルギー密度が高くできるという特徴がある。
【０００４】
有機電解液を用いる電気二重層キャパシタにおいては、金属集電体箔に活性炭粉末を主体とする薄膜状分極性電極を担持させた対向する一対の電極の間にセパレータを配置して巻回してキャパシタ素子を構成し、同キャパシタ素子に有機電解液を含浸させて有底円筒形の金属ケース内に収納し、その金属ケースの開口部を封口ゴム、ゴム張りベークライト板またはフェノール樹脂板とゴムの積層板からなる封口部材で封口することにより、電解液が蒸発しないようにしている。また、最近ではポリマー電解質ゲルを用いることも提案されている。
【０００５】
このようないわゆる電極箔巻回型に対して、例えば特開平４−１５４１０６号公報には、大電流大容量化を目的として平板状の電極とセパレータとを多数積層してなる積層型のキャパシタ素子が組み込まれた電気二重層キャパシタが提案されている。
【０００６】
すなわち、この積層型電気二重層キャパシタにおいては、矩形に成形された分極性電極の間にセパレータを配置して交互に多数積み重ねたキャパシタ素子の正極電極と負極電極の各端部に正極リード部材および負極リード部材をそれぞれかしめなどにより接続したものを有底角筒形のアルミニウムケース内に収納し、有機電解液を含浸して、その開口部をアルミニウム製の上蓋で密閉するようにしている。
【０００７】
これらの電気二重層キャパシタを構成する電極は、従来、正極と負極のいずれもが大きな比表面積を有する活性炭またはポリアセンを主体として構成されている。これらのパワー用電気二重層キャパシタは、現在では単セルでその静電容量が１０〜１００００Ｆ、耐電圧２．３〜３Ｖのものが開発されつつある。
【０００８】
これらの電気二重層キャパシタをパワー用途とする場合、通常、所望の電源電圧を得るために、その単位キャパシタを複数個、例えば４個から１６０個程度を外部リードにより直列に結線して直流１０Ｖないし３８０Ｖの電源として使用される。
【０００９】
ところで、このように複数個の単位キャパシタを直列接続した電気二重層キャパシタに電圧を印加すると、単位キャパシタの漏れ電流のばらつきにより、構成するそれぞれの単位キャパシタに均等に電圧が印加されず、単位キャパシタのなかにはその耐電圧以上の電圧が加わる結果、キャパシタの劣化が起こり、直列キャパシタ全体の劣化につながるという問題がある。
【００１０】
ちなみに、単位キャパシタに対してその耐電圧より０．１５Ｖ以上高い電圧を長期間印加するとキャパシタの劣化が著しくなるので、組セルにおける各単位キャパシタに印加する電圧の上限をその耐電圧に０．１５Ｖ、好ましくは０．１０Ｖを加えた電圧に制御する必要がある。
【００１１】
また、水溶液系電解液を用いる電気二重層キャパシタは単位素子の耐電圧が０．８〜１Ｖであるため、その単位素子を１０〜２００層積層することにより、定格電圧８〜２００Ｖの積層キャパシタが構成されるが、このような積層キャパシタにおいても同様に電圧ばらつきの問題がある。
【００１２】
この問題の解決策として、単位キャパシタに並列に抵抗値の同じ抵抗体を接続し、直列接続された各単位キャパシタの電圧のばらつきを低減させる方法が知られている（第１従来例）。また、特開平６−３０２４７４号公報には単位キャパシタを外部リードを用いずに直接複数個積層した積層構造の電気二重層キャパシタにおいて、その単位キャパシタのそれぞれに、ツエナーダイオードと抵抗とを直列に接続してなる保護回路を並列に接続する方法が提案されている（第２従来例）。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各単位キャパシタに並列に抵抗体を接続する上記第１従来例では、並列接続された外部抵抗体により漏れ電流が５倍〜１０倍に増加し、自己放電が非常に大きくなり、電圧保持特性が著しく低下するという大きな問題が指摘されている。
【００１４】
これに対して、ツエナーダイオードと抵抗体とを併用する上記第２従来例によると、水溶液系電解液を使用した素子静電容量が数Ｆ（ファラッド）程度の小さな電気二重層キャパシタでは効果が認められる場合があるが、単位素子の静電容量が数十Ｆと大きくなったり、積層数が１０〜３００層と大きくなると、単位素子電圧のばらつきが大きくなるという問題があった。
【００１５】
また、有機電解液を用いた数十Ｆ以上の大容量電気二重層キャパシタに対しては、そもそも電圧均等化の効果が殆ど見られないばかりか、積層体の側面での封口性を確保するのが困難であり、外部からの水分の混入によりキャパシタの耐電圧が低下するという問題があった。
【００１６】
図５のツエナダイオード動作特性図において、従来の技術がツエナダイオードの電流立ち上がり部分Ｅｂでツエナダイオードを使用していたのに対して、本発明者らは、ツエナダイオードの急激な電流立ち上がり部分に着目し、過電圧に対する回路のショートの発生を抑止しつつ印加電圧のばらつきを低減し得る方法について鋭意検討した結果、特定のツエナダイオード特性とキャパシタ特性の組み合わせにおいて顕著な印加電圧のばらつき低減効果を見出すに至った。さらに、ツエナダイオードとともにヒューズを配置することにより、電圧のばらつきを抑え、しかも電圧保持特性を損なうことなく、保護回路の安全性を向上させるに至った。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は上記した課題を解決するため、セパレータを介して対向的に配置した分極性電極シートに電解液を含浸したキャパシタ素子を備え、同キャパシタ素子の複数個を直列に接続して組セルを構成する際の単位キャパシタとして用いられる電気二重層キャパシタを備え、上記電気二重層キャパシタに、同電気二重層キャパシタの平均作動電圧における動作抵抗が１０〜１５０Ωであるツエナダイオードを含む保護回路が並列に接続されていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明は、分極性電極シートをセパレータを介して積層または巻回し、それに電解液を含浸したキャパシタ素子を有底筒形の密閉容器内に収納するとともに、同密閉容器の開口部を正極端子および負極端子を有する封口部材にて閉塞してなり、外部リードを介してその複数個を直列に接続して組セルを構成する際の単位キャパシタとして用いられる電気二重層キャパシタを備え、上記正極端子と負極端子との間に、上記電気二重層キャパシタの平均作動電圧における動作抵抗が２０〜１５０Ωであるツエナダイオードを含む保護回路が接続されていることを特徴としている。
【００１９】
このように、本発明の電気二重層キャパシタは、一対の分極性電極シートをセパレータを介して対向的に配置した単層型を初めとして、それを複数積層した積層型および帯状に形成された一対の分極性電極シートをセパレータを介して螺旋状に巻回した巻回型のいずれであってもよい。
【００２０】
ツエナダイオードはその品種にもよるが、同一ロット内でもツエナ抵抗にはかなりのばらつきがある。ちなみに、いくつかのロットについて実際にその各ツエナダイオードのツエナ抵抗を測定したところ、その最大値と最小値の比率は２．５〜５であった。
そこで、本発明では、各単位キャパシタに取り付けられる複数個のツエナダイオードを選別するにあたって、そのツエナ抵抗の最大値と最小値との比率が１．５以下であることが好ましい。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率が１．５以上であると、各単位キャパシタの電圧のばらつきが大きくなる。特に好ましくは比率が１．２以下のものを使用するとよい。
【００２１】
パワー用途の単位キャパシタとしては、その静電容量が１０Ｆ以上であれば本発明の効果が発揮できる。特に好ましくは３０Ｆ以上である。静電容量の上限は特にないが、一般的には３０００〜１００００Ｆのものが試作されている。
この点を踏まえて、本発明では、上記電気二重層キャパシタの静電容量が３０Ｆ以上である場合において、同電気二重層キャパシタの平均作動電圧における上記ツエナダイオードのツエナー抵抗と同電気二重層キャパシタの絶縁抵抗の比率が３：１〜１：４であることを特徴としている。
【００２２】
上記保護回路は基本的にツエナダイオードにより構成されるが、そのツエナダイオードに対してヒューズを直列に接続することが好ましく、そうする場合には、ツエナダイオードとヒューズとを合成樹脂絶縁板上において直列接続して一体化部品とした状態で上記正極端子と負極端子との間に介装することが好ましい。
【００２３】
また、本発明は、セパレータを介して対向的に配置した分極性電極シートに電解液を含浸したキャパシタ素子を単位キャパシタとして、上記単位キャパシタを複数個、直列に接続した組セルを備え、上記組セルを所定個数ずつ区分けしてなる複数のキャパシタブロックの各々に、上記各キャパシタブロックの定格電圧における動作抵抗が１０〜１５０Ωであるブロック用ツエナダイオードを含む保護回路が並列に接続されていることを特徴としている。
【００２４】
この組セル電源装置においても、単位キャパシタの静電容量が３０Ｆ以上である場合において、キャパシタブロックの定格電圧におけるツエナダイオードのツエナー抵抗と同キャパシタブロックの絶縁抵抗の比率が３：１〜１：４であることが好ましい。また、ブロック用ツエナダイオードのツエナ抵抗の最大値と最小値の比率は１．５以下であることが好ましい。
【００２５】
さらには、キャパシタブロック内の各単位キャパシタにも、当該単位キャパシタの平均作動電圧における動作抵抗が２０〜１５０Ωであるツエナダイオードを並列に接続することができる。この場合、ブロック用ツエナダイオードの動作抵抗と単位キャパシタ用ツエナダイオードの動作抵抗の比は１：１．２〜１：５であることが好ましい。また、このブロック用ツエナダイオードに対してもヒューズを直列に接続することがより望ましい。
【００２６】
本発明では、複数の単位キャパシタを直列に接続する際に、それらをリード線で結線してもよく、また、特開平６−３０２４７４号公報記載のように直接積層してもよいが、直接積層する場合には、各キャパシタブロックごとに導電性のプレート、例えば金属板、導電性ゴムシート、グラシーカーボン板などからなる端子を設けて、ツエナダイオードをその各キャパシタブロックごとに並列に接続するのが好適である。
【００２７】
本発明において、当該電気二重層キャパシタ（単位キャパシタ）の平均作動電圧Ｅａｖとは、ｎ個の単位キャパシタを直列に接続して外部よりその組セルの定格電圧Ｖを印加した場合の各単位キャパシタの平均電圧、すなわちＥａｖ＝Ｖ／ｎを意味している。平均作動電圧Ｅａｖは単位キャパシタの定格電圧またはそれ以下の電圧が好ましい。また、キャパシタブロックの定格電圧Ｅｂとは、単位キャパシタの定格電圧にそのブロック内において直列接続された単位キャパシタの数を乗じた電圧である。
【００２８】
また、ツエナダイオードの動作抵抗Ｚは、ツエナダイオードの動作特性を示す図５において、単位キャパシタの平均作動電圧Ｅａｖまたはキャパシタブロックの定格電圧Ｅｂにおける微少電流変化に対する微少電圧変化の割合からなる抵抗Ｚ＝ΔＶｚ／ΔＩｚを意味し、これはＥａｖまたはＥｂにおける接線の勾配より求められる。
【００２９】
ツエナー抵抗Ｒｚは、ツエナダイオードの電圧が上記平均作動電圧Ｅａｖまたは定格電圧Ｅｂであるときのツエナダイオードを流れるツエナ電流をＩｚとしたときの抵抗であり、Ｒｚ＝Ｅａｖ／ＩｚまたはＲｚ＝Ｅｂ／Ｉｚで求めることができる。
【００３０】
単位キャパシタの絶縁抵抗値Ｒｃは、定格電圧を２５℃にて連続１００時間印加したときの漏れ電流値より求められる抵抗値である。なお、単位キャパシタの定格電圧とは単位キャパシタに７０℃で１０００時間連続して直流電圧を印加したときの静電容量変化率が３０％以内となる許容電圧を意味している。
【００３１】
また、キャパシタブロックの絶縁抵抗値Ｒｂは、キャパシタブロックにその定格電圧を２５℃にて連続１００時間印加したときの漏れ電流値より求められる抵抗値である。
【００３２】
上記したように、単位キャパシタごとに接続するツエナダイオード（単位キャパシタ用ツエナダイオード）は、その単位キャパシタの平均作動電圧Ｅａｖにおける動作抵抗Ｚが１０〜１５０Ω、特に好ましくは３０〜１００Ωのものが採用される。すなわち、その動作抵抗Ｚが１５０Ωを超えると電圧平均化の効果が不充分となる。これに対して、動作抵抗Ｚが１０Ω未満であるとキャパシタの初期容量のばらつきや負荷変動時に不必要に保護回路のツエナダイオードにその許容電流を超えるような大電流が流れやすくなり、その結果、ツエナダイオードが破損したり、ヒューズの切断が頻発し、実用上支障となるので好ましくない。
【００３３】
組セル電源装置の場合、そのキャパシタブロックごとに接続するツエナダイオード（ブロック用ツエナダイオード）としては、キャパシタブロックの定格電圧Ｅｂにおける動作抵抗Ｚが１０〜１５０Ωのものが採用されるが、全単位キャパシタの電圧ばらつきをより効果的に抑えるには、キャパシタブロック内の電圧ばらつきよりもキャパシタブロック間の電圧ばらつきを小さくする必要がある。
【００３４】
この意味において、本発明ではブロック用ツエナダイオードの動作抵抗と単位キャパシタ用ツエナダイオードの動作抵抗の比を好ましくは１：１．２〜１：５としている。具体的に言えば、ブロック用ツエナダイオードには、その動作抵抗が単位キャパシタ用ツエナダイオードの動作抵抗よりも小さな１０〜１２０Ωのものを使用することが好ましく、特には１５〜７０Ωのものが好適である。
【００３５】
ブロック用ツエナダイオードの動作抵抗Ｚが１０Ω未満であるとキャパシタブロックの初期静電容量のばらつきや負荷変動時に不必要に保護回路に大電流が流れやすくなり、容易にツエナダイオードの許容電流を超える結果、ツエナダイオードが破損したり、ヒューズの切断が頻発し、実用上支障となるので好ましくない。これに対して、ブロック用ツエナダイオードの動作抵抗Ｚが１５０Ωを超えるとキャパシタブロック間の電圧ばらつきが大きくなるので好ましくない。
【００３６】
また、単位キャパシタ用ツエナダイオードとしては、単位キャパシタの平均動作電圧Ｅａｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが同単位キャパシタの絶縁抵抗Ｒｃとの比率で３：１〜１：４、特に好ましくは２：１〜１：３のものが採用されるが、ツエナ抵抗Ｒｚが上記比率で３：１を超えると電圧ばらつきが大きくなり、また、上記比率で１：４未満であると回路全体の漏れ電流が大きくなり、いずれとも好ましくない。
【００３７】
組セル電源装置についても、そのブロック用ツエナダイオードとしては、定格電圧Ｅｂにおけるツエナ抵抗Ｒｚがキャパシタブロックの絶縁抵抗Ｒｂとの比率で３：１〜１：４のものが採用される。ツエナ抵抗Ｒｚがこれより大きいと電圧のばらつきが大きくなり、また、これよりも小さいと回路全体の漏れ電流が大きくなるので、ともに好ましくない。特に好ましくは２：１〜１：３のものが採用される。
【００３８】
各単位キャパシタおよび組セル電源装置の各キャパシタブロックに接続されたツエナダイオードが過電圧により赤熱してショートするのを防止するため、そのツエナダイオードに対してヒューズを直列に接続することが好ましいが、そのヒューズには抵抗値の低い、例えば１０Ω以下のものが選ばれる。ヒューズの抵抗が１０Ωを超えると、保護回路の電圧バランス効果が少なくなるので好ましくない。なお、ヒューズの溶断電流値はツエナダイオードの許容電流値を考慮して選択される。
【００３９】
単位キャパシタ用ツエナダイオードおよびブロック用ツエナダイオードには、特性の揃ったツエナダイオードを用いるのが好ましく、特には同一ロットのツエナダイオードをさらに層別して、単位キャパシタの平均動作電圧Ｅａｖまたはキャパシタブロックの定格電圧Ｅｂでの動作抵抗Ｚとツエナ抵抗Ｒｚの揃ったものを使用するとよい。この点を踏まえて、本発明では、ロット内から複数個のツエナダイオードを選別する際の基準として、ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率を好ましくは１．５以下としている。
【００４０】
本発明において、ｎ個の単位キャパシタを直列に接続した組セル電源装置全体の定格電圧は、その各単位キャパシタの定格電圧のｎ倍を上限として定めるのが好ましい。本発明では、高電圧を少ない個数の単位キャパシタにより構成できるので、特に有機電解液を用いた大容量電気二重層キャパシタを単位キャパシタに用いることが好ましい。
【００４１】
なお、本発明では各キャパシタブロックの定格電圧は８〜５０Ｖとすることが好ましい。これらのキャパシタブロックを直列に接続して１６〜４００Ｖの電源装置を構成することにより、本発明の電圧均等化の効果が顕著に現れる。特には、キャパシタブロックの定格電圧を１０〜２５Ｖとするのが電圧均等化の効果が大きい。キャパシタブロックの定格電圧を８Ｖよりも低くすると電源回路の構成が複雑となり、また、同定格電圧を５０Ｖを超えた値とすると電圧均等化の効果が期待できない。
【００４２】
なお、単位キャパシタの静電容量が１〜１０Ｆでも２０個以上を直列に接続することにより、電源電圧を例えば２０Ｖ以上とすることができるが、このような電源装置についても、本発明はその単位キャパシタの電圧ばらつきを抑える効果があり、電子回路の小型電源としても有用である。
【００４３】
一般に、パワー用電源には長期にわたるエネルギー保存性が求められることから、本発明のような直列接続したキャパシタ電源回路にも電圧保持性の高いことが要求される。しかしながら、従来の並列抵抗による電圧バランス回路を用いると著しく電圧保持性が損なわれるという重大な欠点がある。
【００４４】
本発明による電圧バランス保護回路を用いると、定格電圧付近では若干の漏れ電流の増加により電圧保持性がやや低下するが、図５から分かるように定格電圧より５〜１０％電圧が低下した領域では、急激にツエナー電流が低下するので、システム全体の漏れ電流が低下する結果、キャパシタ本来の電圧保持性とほぼ等しくなり、実用的には充分な電圧保持性が確保できるのも本発明の特徴の一つである。
【００４５】
本発明は、その単位キャパシタの複数個を直列接続して組セルとした場合、長期電圧印加時および充放電サイクル後の各単位キャパシタの電圧ばらつきの低減に効果がある。この場合において、各単位キャパシタの初期の電圧ばらつきを防止するために、キャパシタの容量ばらつきを＋／−１０％以内、特には＋／−５％以内に抑えることが好ましい。
【００４６】
本発明の電気二重層キャパシタの分極性電極は、高比表面積の炭素材料を結合材を用いて金属集電箔上に塗工しシート状とすることが好ましい。このシート状電極をセパレータを介して積層または巻回し、電解液を含浸して密閉容器に収納し、その容器開口部を正極端子および負極端子を有する封口部材にて閉塞することにより、単位キャパシタが得られる。
【００４７】
この場合、電解液として有機電解液を用いると、水溶液系電解液より高エネルギー密度とすることができ好ましい。特に、カーボネイト系、スルホラン系の溶媒は、化学的、電気化学的に安定で、電気伝導度が高く、低温特性にも優れているので、電解液の溶媒として好ましい。なお、本発明は高分子電解質ゲルを用いたキャパシタでも効果がある。また、本発明は正極と負極の少なくとも一方の電極に分極性電極を用いる電気化学素子を直列に接続する場合の電圧均等化に顕著な効果がある。
【００４８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の技術的思想をよりよく理解する上で、その好適な実施の形態について説明する。
【００４９】
図１には、有機電解液使用の電気二重層キャパシタ１を単位キャパシタとして、例えばその３個を同図では示されていない外部リードを介して直列に接続して組セル電源装置とし、この組セル電源装置に直流充電電源Ｅを接続した状態が示されている。
【００５０】
これによると、各単位キャパシタ（電気二重層キャパシタ）１の正極端子と負極端子との間には、ツエナダイオード２とヒューズ３を直列に接続してなる保護回路４が設けられている。この場合、ツエナダイオード２には、上述したように単位キャパシタ１の平均動作電圧Ｅａｖにおける動作抵抗Ｚが１０〜１５０Ωのものが用いられる。
【００５１】
また、単位キャパシタ１の静電容量が３０Ｆ以上である場合においては、その平均作動電圧Ｅａｖにおけるツエナダイオード２のツエナー抵抗Ｒｚと同単位キャパシタ１の絶縁抵抗Ｒｃの比率が３：１〜１：４とされる。
【００５２】
この実施例において、ヒューズ３はツエナダイオード２が過電圧により赤熱してショートするのを防止するために設けられているが、このヒューズ３の抵抗値は、保護回路４の電圧バランス効果を損なうことがないようにするため、例えば１０Ω以下であることが好ましい。なお、ヒューズの溶断電流値はツエナダイオードの許容電流値を考慮して選択される。
【００５３】
本発明に用いられる電気二重層単位キャパシタ１の基本構造としては、一対の分極性電極シートをセパレータを介して対向的に配置した単層形構造、角形構造または円筒形構造のいずれであってもよいが、その複数個を直列に接続しつつ保護回路４を効率良く接続するには、いずれの構造においても同一平面内に正極端子と負極端子が配置されていることが好ましい。
【００５４】
図２には、角形構造とした単位キャパシタ１の６個を外部リード５を介して互いに直列に接続した組セル電源装置が例示されている。なお、両端に位置する単位キャパシタ１には、直流充電電源Ｅからの電源リード６がそれぞれ接続されている。
【００５５】
図２は外観平面図でありその内部構造は図示されていないが、この角形構造の単位キャパシタ１は、例えば矩形に成形された分極性電極シートの間にセパレータを配置して交互に積層したキャパシタ素子の正極と負極の各端部に正極リードと負極リードをかしめなどにより接続したものを有底角筒状の例えばアルミニウム製ケース内に収納し、有機電解液を含浸してその開口部を上蓋で密閉（封口）することにより形成される。
【００５６】
このように角形構造の場合、その角形ケースの開口部はそれと同形の例えばアルミニウム製の上蓋７によって封口されるが、その上蓋７には電気絶縁性樹脂などを介して正極端子と負極端子とが貫設されており、ケース内においてその各端子にはキャパシタ素子からの正極リードと負極リードが接続されている。図２には、その正極端子と負極端子とが「＋」「−」の記号によって示されているが、通常、これらの各端子は外部リード５などを締付け固定するためのナットを備えている。
【００５７】
本発明において、保護回路４はその上蓋に設けられた一対の正極端子「＋」と負極端子「−」との間に挿入されるのであるが、その場合、ツエナダイオード２とヒューズ３とを予め絶縁板８上において直列に接続して一体化部品として準備しておくことが好ましい。
【００５８】
これによれば、ナット締め作業のみで保護回路４を正極端子と負極端子との間に接続することができ、保護回路組み込みの効率化が図れる。また、振動や外部応力により、ツエナダイオード２やヒューズ３がふらつくこともなく、不用意に断線したり、外部リード５などの他の活線部位に接触するのを防止することができる。
【００５９】
図３には、例えば１２個の単位キャパシタ１を直列に接続した組セル電源装置において、４個の単位キャパシタ１を１ブロックとして、３つのキャパシタブロックＢ１〜Ｂ３に区分けし、その各キャパシタブロックＢ１〜Ｂ３に対して保護回路４ａをそれぞれ並列的に接続した実施例が示されている。
【００６０】
この実施例においても、各保護回路４ａはツエナダイオード２ａと、これに対して直列接続されたヒューズ３ａとからなり、ツエナダイオード２ａにはキャパシタブロックＢの定格電圧Ｅｂにおける動作抵抗Ｚが１０〜１５０Ωであるものが用いられる。また、ヒューズ３ａには、この保護回路４ａの電圧バランス効果を損なうことがないようにするため、その抵抗値が１０Ω以下のものが用いられる。
【００６１】
そして、各単位キャパシタ１の静電容量が３０Ｆ以上である場合には、キャパシタブロックＢの定格電圧Ｅｂにおけるツエナダイオードのツエナー抵抗Ｒｚと同キャパシタブロックの絶縁抵抗Ｒｂの比率が３：１〜１：４とされる。
【００６２】
図４には、図３の実施例のように組セル電源装置を複数のキャパシタブロックＢに区分けし、その各キャパシタブロックＢに保護回路４ａをそれぞれ並列的に接続する場合において、さらに各キャパシタブロックＢ内の単位キャパシタ１の各々に保護回路４を並列接続した状態が示されている。
【００６３】
この場合の保護回路４は図１で説明したものと同じであってよい。すなわち、単位キャパシタ１の平均作動電圧Ｅａｖにおける動作抵抗Ｚが１０〜１５０Ωであるものが使用される。
【００６４】
【実施例】
《実施例１》
絶縁抵抗Ｒｃが、それぞれ９３０Ω、８１０Ω、４００Ωおよび３４０Ωである角形構造の単位キャパシタ（高さ１５ｃｍ、幅７ｃｍ、厚さ２．２ｃｍで静電容量１３００Ｆ、定格電圧２．５Ｖの有機電解液系電気二重層キャパシタ）を４個直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。各単位キャパシタの正極端子と負極端子との間に、Ｅａｖ（平均作動電圧）２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６３Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で３２０Ωであるツエナダイオードと０．２Ａのヒューズとを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．４２〜２．５７Ｖであった。また、１００時間後の経時変化は認められなかった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１．０６：１であった。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．０４：１であった。ヒューズの抵抗は２．５Ωであった。
【００６５】
《実施例２》
実施例１と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。各単位キャパシタの正極端子と負極端子間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６４Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で９００Ωであるツエナダイオードと０．２Ａのヒューズとを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．４０〜２．５８Ｖであった。また、その１００時間後の経時変化は認められなかった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１：２．６であった。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．０３：１であった。
【００６６】
《実施例３》
絶縁抵抗Ｒｃが、それぞれ９６０Ω、４７０Ω、３３０Ωおよび２１０Ωであり、実施例１と同じ角形構造の単位キャパシタを４個直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。各単位キャパシタの正極端子と負極端子との間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６３Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で３２０Ωであるツエナダイオードと０．２Ａのヒューズとを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．３５〜２．６０Ｖであった。また、１００時間後の経時変化は認められなかった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１：１．５であった。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．０４：１であった。
【００６７】
《実施例４》
絶縁抵抗Ｒｃが、それぞれ１２０００Ω、１１０００Ω、２８００Ωおよび９６０Ωであり、実施例１と同じ角形構造の単位キャパシタを４個直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。各単位キャパシタの正極端子と負極端子との間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６３Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で９００Ωであるツエナダイオードと０．２Ａのヒューズとを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．４１〜２．５５Ｖであった。また、１００時間後の経時変化は認められなかった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１．０６：１であった。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．０３：１であった。
【００６８】
《実施例５》
絶縁抵抗Ｒｃが、それぞれ６５０Ω、５００Ω、４００Ωおよび３００Ωである円筒構造の単位キャパシタ（直径５ｃｍ、高さ１２ｃｍで静電容量８００Ｆ、定格電圧２．５Ｖの有機電解液系電気二重層キャパシタ）を４個直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。そして、各単位キャパシタの正極端子と負極端子間との間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６３Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で３２０Ωであるツエナダイオードと０．２Ａのヒューズとを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．４２〜２．５３Ｖであった。また、１００時間後の経時変化は認められなかった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１：１．０６であった。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．０４：１であった。
【００６９】
《実施例６》
実施例１と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。各単位キャパシタの正極端子と負極端子との間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが１３５Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で９００Ωであるツエナダイオードと０．２Ａのヒューズとを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．３５〜２．６５Ｖであった。また、１００時間後の経時変化は認められなかった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１：２．６であった。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．０４：１であった。
【００７０】
《実施例７》
実施例１と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。各単位キャパシタの正極端子と負極端子との間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６３Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で４８０Ωであるツエナダイオードと０．２Ａのヒューズとを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．３４〜２．６３Ｖであった。また、１００時間後の経時変化は認められなかった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１．０６：１であった。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は２．２３：１であった。
【００７１】
《実施例８》
実施例１と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。各単位キャパシタの正極端子と負極端子との間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６３Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で６００Ωであるツエナダイオードと０．２Ａのヒューズとを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．４０〜２．６１Ｖであった。また、１００時間後の経時変化は認められなかった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１．０６：１であった。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．２：１であった。
【００７２】
〈比較例１〉
実施例１と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源としたが、各単位キャパシタにツエナダイオードとヒューズとからなる保護回路を設けることなく、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．１９〜２．７５Ｖであった。また、１００時間後も電圧のばらつきは増加した。
【００７３】
〈比較例２〉
実施例３と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源としたが、各単位キャパシタにツエナダイオードとヒューズとからなる保護回路を設けることなく、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．０３〜２．９０Ｖであった。また、１００時間後も電圧のばらつきは増加した。
【００７４】
〈比較例３〉
実施例４と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源としたが、各単位キャパシタにツエナダイオードとヒューズとからなる保護回路を設けることなく、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．２０〜２．７０Ｖであった。また、１００時間後も電圧のばらつきは増加した。
【００７５】
〈比較例４〉
実施例１と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。そして、各単位キャパシタの正極端子と負極端子間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが２２５Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で１６００Ωであるツエナダイオードと０．２Ａのヒューズとを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．２６〜２．７１Ｖであった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１：４．７であった。１００時間以後も電圧のばらつきは増加した。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．０４：１であった。
【００７６】
〈比較例５〉
実施例１と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。そして、各単位キャパシタの正極端子と負極端子間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６４Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で９００Ωであるツエナダイオードと１０００Ωの抵抗とを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．１９〜２．７５Ｖであった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１：２．６であった。１００時間以後も電圧のばらつきは増加した。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．０４：１であった。
【００７７】
〈比較例６〉
実施例２と同じ単位キャパシタ４個を直列に接続し、定格１０Ｖの組セル電源とした。そして、各単位キャパシタの正極端子と負極端子間に、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６４Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で９００Ωであるツエナダイオードと９０Ωの抵抗とを直列に接続し、室温で１０．００Ｖにて１００時間充電した後、各単位キャパシタの電圧を測定したところ、そのばらつきは２．２８〜２．７０Ｖであった。最少絶縁抵抗値とツエナ抵抗の比率は１：２．６であった。１００時間後も電圧のばらつきは増加した。ツエナ抵抗の最大値と最小値との比率は１．０４：１であった。
【００７８】
《実施例９》
絶縁抵抗Ｒｃが、１１０００Ω〜１９０Ωである定格電圧２．５Ｖ、静電容量１３００Ｆの角形構造の単位キャパシタ１６個を直列に接続し組セル電源装置を作製した。なお、各単位キャパシタの電圧ばらつきは＋／−３．４％以内であった。すなわち、単位キャパシタを４個直列に接続したブロック定格電圧Ｅｂが１０Ｖのキャパシタブロックを４ブロック直列に接続し、定格電圧４０Ｖの組セル電源装置とした。
そして、各単位キャパシタの正極端子と負極端子との間に、単位キャパシタ用ツエナダイオードとして、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６３Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で３７０Ωであるツエナダイオードと、０．２Ａのヒューズを直列に接続した。このように、単位キャパシタにツエナダイオードとヒューズとを接続した状態での各キャパシタブロックの絶縁抵抗Ｒｂは１０７０Ω〜５９０Ωであった。
次に、各キャパシタブロックに対して、ブロック用ツエナダイオードとして、ブロック定格電圧Ｅｂ１０Ｖにおける動作抵抗Ｚが２０Ω、同じくＥｂ１０Ｖにおけるツエナ抵抗Ｒｚが平均で６７０Ωであるツエナダイオードと、０．２Ａのヒューズの直列回路を並列に接続した。
室温で４０Ｖにて１００時間充電した後の各単位キャパシタ１６個の電圧ばらつきは２．３９〜２．５７Ｖであった。１００時間後の経時変化は無かった。ヒューズの抵抗は２．５Ωであった。キャパシタブロックの最少絶縁抵抗値とキャパシタブロックのツエナ抵抗の比率は１：１．４であった。キャパシタブロック内の単位キャパシタに並列に接続した単位キャパシタ用ツエナダイオードの最大値と最小値の比率は１．３：１であった。また、各キャパシタブロックに並列に接続したブロック用ツエナダイオードの最大値と最小値の比率は１．０４：１であった。
【００７９】
《実施例１０》
実施例９と同じく、絶縁抵抗Ｒｃが１１０００Ω〜１９０Ωである定格電圧２．５Ｖ、静電容量１３００Ｆの角形構造の単位キャパシタ１６個を直列に接続して組セル電源装置を作製した。すなわち、単位キャパシタを４個直列に接続したブロック定格電圧Ｅｂが１０Ｖのキャパシタブロックを４ブロック直列に接続し、定格電圧４０Ｖの組セル電源装置とした。
そして、各単位キャパシタの正極端子と負極端子との間に、単位キャパシタ用ツエナダイオードとして、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６３Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗が平均で３７０Ωであるツエナダイオードと、０．２Ａであるヒューズを直列に接続した。このキャパシタブロック内の単位キャパシタに並列に接続した単位キャパシタ用ツエナダイオードの最大値と最小値の比率は１．３：１であった。
そして、各キャパシタブロックに対して並列にツエナダイオードとヒューズの直列回路を接続することなく、室温で４０Ｖにて１００時間充電した後の各単位キャパシタ１６個の電圧ばらつきは２．２１〜２．６７Ｖであった。１００時間後の電圧経時変化は無かった。
【００８０】
〈比較例７〉
実施例９と同じく、絶縁抵抗Ｒｃが１１０００Ω〜１９０Ωである定格電圧２．５Ｖ、静電容量１３００Ｆの角形構造の単位キャパシタ１６個を直列に接続して組セル電源装置を作製した。すなわち、単位キャパシタを４個直列に接続したブロック定格電圧Ｅｂが１０Ｖのキャパシタブロックを４ブロック直列に接続し、定格電圧４０Ｖの組セル電源装置とした。
そして、各単位キャパシタの正極端子と負極端子との間に、単位キャパシタ用ツエナダイオードとして、Ｅａｖ２．５Ｖにおける動作抵抗Ｚが６３Ω、同じくＥａｖ２．５Ｖにおけるツエナ抵抗が平均で３７０Ωであるツエナダイオードと、抵抗値が９０Ωの抵抗体の直列回路を並列に接続した。このキャパシタブロック内の単位キャパシタに並列に接続した単位キャパシタ用ツエナダイオードの最大値と最小値の比率は１．３：１であった。
そして、各キャパシタブロックに対して並列にツエナダイオードとヒューズの直列回路を接続することなく、室温で４０Ｖにて１９時間充電した後の各単位キャパシタ１６個の電圧ばらつきは２．１５〜２．７８Ｖであった。また、１９時間後においても電圧ばらつきは増加した。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数個の単位電気二重層キャパシタを直列に接続した組セルを充電する際、その各単位電気二重層キャパシタおよびキャパシタブロックの電圧ばらつきが効果的に抑止されるとともに、保護回路に流れる電流が従来の保護抵抗の並列接続のように著しく増大することもない。したがって、良好な電圧保持性が得られるばかりでなく、単位電気二重層キャパシタのいずれかに故障がおきても回路全体のショートを起こさないようにすることができる。
【００８２】
また、ツエナダイオードとヒューズを絶縁板上において直列接続して保護回路を予め一体化部品として準備しておくことにより、単位電気二重層キャパシタの正負極端子間への保護回路の取り付けを容易に行なうことができる。なお、正負極端子が配置されているキャパシタ上蓋が金属製である場合には、絶縁板がその金属上蓋の絶縁保護を兼ねることになり、組セル組立時の部品点数と工数削減の効果がより高められることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である保護回路付き電気二重層キャパシタを３個直列に接続して組セルとした場合の概略的な回路図。
【図２】本発明が適用された角形構造の保護回路付き電気二重層キャパシタを６個直列に接続して組セルとした場合の平面図。
【図３】本発明の他の実施例としての保護回路付き組セル電源装置を示した概略的な回路図。
【図４】本発明による保護回路付き組セル電源装置の別の実施例を示した概略的な回路図。
【図５】ツエナダイオードの特性図。
【符号の説明】
１  電気二重層キャパシタ（単位キャパシタ）
２，２ａ  ツエナダイオード
３，３ａ  ヒューズ
４，４ａ  保護回路
５  外部リード
６  電源リード
７  上蓋（封口板）
８  絶縁板
Ｂ  キャパシタブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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