(57)【要約】【課題】高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池を提供する。【解決手段】一次電池と、電気二重層キャパシタと、外部回路に電力を供給するための第１、第２、第３の端子と、を備え、前記第１の端子は前記一次電池の一方の電極に接続され、前記第２の端子は前記電気二重層キャパシタの一方の電極に接続され、前記第３の端子は前記一次電池の他方の電極及び前記電気二重層キャパシタの他方の電極に共通に接続されるようにキャパシタ一体型電池を構成する。【選択図】図１
2008022605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次電池と、
電気二重層キャパシタと、
外部回路に電力を供給するための第１、第２、第３の端子と、
を備え、
前記第１の端子は、前記一次電池の一方の電極に接続され、
前記第２の端子は、前記電気二重層キャパシタの一方の電極に接続され、
前記第３の端子は、前記一次電池の他方の電極及び前記電気二重層キャパシタの他方の電極に共通に接続される
ことを特徴とするキャパシタ一体型電池。
【請求項２】
請求項１に記載のキャパシタ一体型電池であって、
前記一次電池は、筒形の非水電解液一次電池であり、
前記電気二重層キャパシタは、筒形の電気二重層キャパシタである
ことを特徴とするキャパシタ一体型電池。
【請求項３】
請求項１に記載のキャパシタ一体型電池であって、
前記電気二重層キャパシタは、複数の電気二重層キャパシタが直列に接続されてなることを特徴とするキャパシタ一体型電池。
【請求項４】
請求項１に記載のキャパシタ一体型電池であって、
前記外部回路は、
前記第１の端子及び前記第３の端子に接続され、前記キャパシタ一体型電池から電力の供給を受けて稼動する負荷装置と、
前記第１の端子と前記第２の端子間を開閉可能に接続するスイッチと、
前記スイッチの開閉及び前記負荷装置の負荷を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記負荷装置の負荷を増大させる際に、前記スイッチを閉じて前記電気二重層キャパシタを充電してから前記負荷装置の負荷を増大させる
ことを特徴とするキャパシタ一体型電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次電池と電気二重層キャパシタとを備えて構成されるキャパシタ一体型電池に関し、特に、高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高容量かつ高出力であるとともに長期間使用可能な電源素子を実現すべく、非水電解液一次電池と電気二重層キャパシタとを並列に接続させた電源素子が開発されている。この電源素子は、高容量、長寿命だが瞬時的に大電流を放電することができない一次電池の弱点を、瞬時的な大電流放電が可能な電気二重層キャパシタで補おうとするものであって、定常的には小電流を要求するが、一時的に大電流を要求することがあるような負荷機器への利用が期待されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３７１４６５２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、電気二重層キャパシタに限らず、高出力のキャパシタは、一般的に自己放電しやすく、この傾向は、高容量であるほど顕著となる。そのため、非水電解液一次電池と電気二重層キャパシタとを並列に接続させておくと、非水電解液一次電池に蓄えられている電力が、電気二重層キャパシタの自己放電によって徐々に消費されてしまう。このため、電池の使用可能期間が短くなるため、電池の交換サイクルが短くなる。その上電池の長期保存もできない。この傾向は、高容量かつ高出力なキャパシタ、とくに電気二重層キャパシタを用いた場合に顕著に現れる。  
そのため、高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池が求められている。
【０００４】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、一次電池と電気二重層キャパシタとを備えるキャパシタ一体型電池であって、高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係るキャパシタ一体型電池は、一次電池と、電気二重層キャパシタと、外部回路に電力を供給するための第１、第２、第３の端子と、を備え、前記第１の端子は、前記一次電池の一方の電極に接続され、前記第２の端子は、前記電気二重層キャパシタの一方の電極に接続され、前記第３の端子は、前記一次電池の他方の電極及び前記電気二重層キャパシタの他方の電極に共通に接続されることを特徴とする。
【０００６】
このような態様により、高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池を構成することが可能となる。例えば、外部回路の負荷が軽い場合には、本キャパシタ一体型電池の第１の端子と第３の端子とを外部回路に接続して、一次電池の起電力だけを外部回路に供給するようにする。また、外部回路の負荷が重い場合には、第２の端子と第３の端子とを外部回路に接続して、電気二重層キャパシタに充電しておいた電力を外部回路に供給するようにする。電気二重層キャパシタへの充電は、第１の端子と第２の端子とを接続することにより行なうことが可能である。また、第１の端子と第２の端子とが常時接続されているわけではないので、一次電池に蓄えられている電力が、電気二重層キャパシタの自己放電によって消費されてしまうこともないのである。このため、電池の長期保存が可能となると共に、電池の交換サイクルを伸ばすことも可能となる。つまり、等価的には高容量かつ高出力でありながら長期間使用可能な電池が得られる。これにより、電池で駆動される電子回路のメンテナンスの負担も軽減される。
【０００７】
ここで、前記一次電池は、筒形の非水電解液一次電池であり、前記電気二重層キャパシタは、筒形の電気二重層キャパシタであるようにすることもできる。
【０００８】
筒形の非水電解液一次電池は、高出力ではないが、高容量である上、電圧の平坦性に優れ、放電末期までほとんど電圧低下を起こさないという特性をもつ。一方、筒形の電気二重層キャパシタは、自己放電は大きいが、高出力で大電流放電が可能であるという特性をもつ。そのため、これらを組み合わせたキャパシタ一体型電池とすることにより、高出力であり、かつ、自己放電が少なく、さらに高容量なキャパシタ一体型電池を提供することが可能となる。
【０００９】
また前記電気二重層キャパシタは、単体での耐電圧がそれほど高くないので、必要に応じて複数の電気二重層キャパシタが直列に接続されてなるようにしてもよい。  
このような態様によって、電気二重層キャパシタの耐電圧を高めることが可能となる。これにより、より信頼性の高いキャパシタ一体型電池を提供することができる。
【００１０】
また、前記外部回路は、前記第１の端子及び前記第３の端子に接続され、前記キャパシタ一体型電池から電力の供給を受けて稼動する負荷装置と、前記第１の端子と前記第２の端子間を開閉可能に接続するスイッチと、前記スイッチの開閉及び前記負荷装置の負荷を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記負荷装置の負荷を増大させる際に、前記スイッチを閉じて前記電気二重層キャパシタを充電してから前記負荷装置の負荷を増大させるようにすることもできる。
【００１１】
このような態様によって、外部回路が必要とする電力を、外部回路に対して適切に供給することが可能となる。つまり、負荷装置を稼動させるために必要な電力が一次電池からの電力のみで足りるような軽負荷の場合には、制御装置によってスイッチが開放されることにより、外部回路に対して一次電池だけから電力を供給する。また、負荷装置を稼動させるために必要な電力が一次電池からの電力のみでは足りないような重負荷の場合には、制御装置によってスイッチが閉じられることにより、電気二重層キャパシタへ充電され電力を外部回路へ供給するようにする。その後、負荷装置の負荷が下がり消費電流が減少した場合には、制御装置はスイッチを再び開放して、一次電池からの電力供給に切り替える。スイッチが開放されていれば、一次電池から電気二重層キャパシタへの充電は行なわれないので、電気二重層キャパシタの自己放電による電力消耗も防止できる。
【００１２】
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための最良の形態の欄、及び図面により明らかにされる。
【発明の効果】
【００１３】
高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００の外観構成を図１及び図２に示す。本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００は、リチウム一次電池１１０と、電気二重層キャパシタ１２０と、コネクタ１３０と、を備えて構成される。
【００１５】
図１に示すキャパシタ一体型電池１００は、電気二重層キャパシタ１２０を一つ備える構成であり、図２に示すキャパシタ一体型電池１００は、直列に接続された二つの電気二重層キャパシタ１２０を備える構成である。
【００１６】
リチウム一次電池１１０は、例えば、ボビン形（筒形）の二酸化マンガンリチウム一次電池や、塩化チオニルリチウム一次電池、フッ化黒鉛リチウム電池など、ボビン形の非水電解液リチウム一次電池により構成される。ボビン形の非水電解液リチウム一次電池は、高容量であり、また自己放電が少ないため保存特性に優れているが、内部抵抗が比較的高いため低出力である、という特性を持つ。
【００１７】
もちろん、リチウム一次電池１１０は一例であり、負荷機器の要求により、電池を直列又は並列接続し、複数本使用しても良い。又マンガン乾電池やアルカリ乾電池、ニッケル乾電池等の広く一般的な一次電池を用いても良い。
【００１８】
電気二重層キャパシタ１２０は、一般的に、高容量、かつ、高出力であるが、自己放電が大きいという特性を持つ。また自己放電は、電気二重層キャパシタ１２０が高容量であるほど大きいという特性を持つ。しかしながら詳細は後述するように、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００においては、電気二重層キャパシタ１２０からの自己放電は起きないため、高容量の電気二重層キャパシタ１２０を用いることが可能である。そのため例えば、ボビン形やラミネート形等の大容量の電気二重層キャパシタ１２０を用いることができる。図１及び図２には、ボビン形の電気二重層キャパシタ１２０を用いた場合の例が示されている。
【００１９】
コネクタ１３０は、外部回路に電力を供給するための端子を３つ備えている。第１の端子１３１は、リチウム一次電池１１０の正極１１１に接続されている。第２の端子１３２は、電気二重層キャパシタ１２０の一方の電極に接続されている。第３の端子１３３は、電気二重層キャパシタ１２０の他方の電極に接続されると共に、リチウム一次電池１１０の負極１１２に接続されている。
【００２０】
なお、図２に示すように２つの電気二重層キャパシタ１２０を直列に接続するようにすると、キャパシタの耐電圧を向上させることが可能となる。これにより、キャパシタ一体型電池１００の信頼性を向上させることが可能となる。
【００２１】
なお、ボビン形の電気二重層キャパシタ１２０を複数用いる場合には、図２に示すように、それぞれの電気二重層キャパシタ１２０の平面部が対向した状態で配置するようにすると、スペースが有効利用できるため、キャパシタ一体型電池１００を小型化することが可能となる。
【００２２】
その他、複数の電気二重層キャパシタ１２０を、並列に接続する構成としても良い。この場合は、より大容量のキャパシタ一体型電池１００を提供することが可能となる。
【００２３】
次に、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００を外部回路２００に接続して、電子回路を構成する場合の回路図の一例を図３に示す。  
外部回路２００は、負荷装置２１０と、制御装置２２０と、スイッチ２３０と、を備えて構成される。  
負荷装置２１０は、キャパシタ一体型電池１００から電力の供給を受けて稼動する、例えばモータや照明、電熱器等の電力消費装置である。負荷装置２１０は、コネクタ１３０の第１の端子と第３の端子に接続されている。
【００２４】
制御装置２２０は、負荷装置２１０の負荷を制御する装置である。制御装置２２０は、例えば、負荷装置２２０たるモータの回転数や、照明の明るさ、電熱器からの発熱量を制御する。また制御装置２２０は、スイッチ２３０の開閉を制御する。なお、制御装置２２０を稼動させるための電力は、キャパシタ一体型電池１００から供給しても良いし、他の電池などの他の電源から供給しても良い。
【００２５】
スイッチ２３０は、コネクタ１３０の第１の端子と第２の端子とを開閉可能に接続する。スイッチ２３０は、例えばリレーやトランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）等により構成される。スイッチ２３０は、制御装置２２０から出力される制御信号に応じて開閉する。
【００２６】
以上のような構成の下で、制御装置２２０は負荷装置２１０の負荷を制御する。そして制御装置２２０は、スイッチ２３０の開閉を制御することにより、負荷装置２１０への電力源を切り替える制御を行なう。
【００２７】
例えば、負荷装置２１０を軽負荷で稼動させる場合には、制御装置２２０は、スイッチ２３０を開放し、負荷装置２１０への電力源をリチウム一次電池１１０に切り替える。
【００２８】
一方、負荷装置２１０を重負荷で稼動させる場合には、制御装置２２０は、スイッチ２３０を閉じて、まず電気二重層キャパシタ１２０を充電する。充電を所定時間行なった後、制御装置２２０は、負荷装置２１０の負荷を上昇させる。そうすると、負荷装置２１０への電力供給は、リチウム一次電池１１０に加え、電気二重層キャパシタ１２０からも行なわれる。これにより、重負荷で稼動する負荷装置２１０に対して、高出力な電気二重層キャパシタ１２０から電力を供給することができる。なお、電気二重層キャパシタ１２０への充電時間を適宜調節することによって、キャパシタ一体型電池１００から様々な電圧を出力することも可能である。
【００２９】
その後、負荷装置２１０の負荷を下げる場合には、制御装置２２０は、再びスイッチ２３０を開放する。これにより、負荷装置２１０への電力供給源はリチウム一次電池１１０に切り替わる。また、電気二重層キャパシタ１２０とリチウム一次電池１１０とが、電気的に切り離されるので、電気二重層キャパシタ１２０への充電が停止する。そして、電気二重層キャパシタ１２０の自己放電によるリチウム一次電池１１０の電力消耗も起こさせないようにすることができる。
【００３０】
なお、図３に示すキャパシタ一体型電池１００の回路図について簡単に説明する。  
図３において、リチウム一次電池１１０は、理想電池Ｖｂと内部抵抗ｒｂとが直列に接続されて構成されるものとして示される。リチウム一次電池１１０は内部抵抗ｒｂが比較的大きいため、大電流を出力することが困難である。
【００３１】
また電気二重層キャパシタ１２０は、等価的に、理想キャパシタＣ１に抵抗ｒｓが並列に接続され、抵抗ｒｃが直列に接続されて構成されるものとして示される。抵抗ｒｃは、リチウム一次電池１１０の内部抵抗ｒｂと比べると極めて小さい。そのため、電気二重層キャパシタ１２０からは、大電流を出力することが可能である。また抵抗ｒｓは、通常大きな値を持つが、電気二重層キャパシタ１２０の自己放電に関わるものである。
【００３２】
次に、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００を、１００ｍＡで０．１秒間放電した場合の、第１の端子と第３の端子との間での出力電圧の測定結果を図４に示す。図４において、仕様Ａとは、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００により構成される電池を表し、仕様Ｃとは、本実施形態に係るリチウム一次電池１１０により構成される電池を表す。
【００３３】
図４に示されるように、仕様Ｃ、つまりリチウム一次電池１１０のみでは、閉回路電圧が２．５Ｖまで低下してしまうところ、仕様Ａ、つまり本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００では、３０秒充電した場合では２．９Ｖの電圧が維持されている。また、充電時間を様々に変えることにより、キャパシタ一体型電池１００からの出力電圧を様々に変化させることができることも示されている。このように、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００は、高出力の電源素子として使用可能であることが示される。また、充電時間を制御することによって、様々な電圧を出力させることも可能であることも示される。
【００３４】
次に、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００を、７０℃の温度環境の下、４０日間放置した後、１００ｍＡで０．１秒間放電した場合の、第１の端子と第３の端子との間での出力電圧の測定結果を図５に示す。図５において、仕様Ａとは、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００により構成される電池を表し、仕様Ｂとは、リチウム一次電池１１０と電気二重層キャパシタ１２０とを常時並列に接続して構成したキャパシタ一体型電池を表す。なお仕様Ｂに係るキャパシタ一体型電池は、本実施形態にかかるキャパシタ一体型電池１００の第１の端子１３１と第２の端子１３２とを常時接続しておくことにより構成できる。
【００３５】
図５に示されるように、仕様Ｂ、つまりリチウム一次電池１１０と電気二重層キャパシタ１２０とを常時並列に接続した構成では、閉回路電圧が２．５Ｖまで低下してしまうところ、仕様Ａ、つまり本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００では、２．８Ｖの電圧が維持されている。このように、本実施形態に係るキャパシタ一体型電池１００は、自己放電が少ないことが示される。
【００３６】
以上発明を実施するための最良の形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
高出力であり、かつ、自己放電が少なくて長期間使用可能なキャパシタ一体型電池１００を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施の形態に係るキャパシタ一体型電池の一実施例の外観図である。
【図２】本実施の形態に係るキャパシタ一体型電池の一実施例の外観図である。
【図３】本実施の形態に係るキャパシタ一体型電池を用いた電子回路の回路図である。
【図４】本実施の形態に係るキャパシタ一体型電池を放電させた際の出力電圧の測定結果を示す図である。
【図５】本実施の形態に係るキャパシタ一体型電池を所定環境で所定期間放置させた後に放電させた際の出力電圧の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００    キャパシタ一体型電池
１１０    リチウム一次電池
１１１    正極
１１２    負極
１２０    電気二重層キャパシタ
１３０    コネクタ
１３１    第１端子
１３２    第２端子
１３３    第３端子
２００    外部回路
２１０    負荷装置
２２０    制御装置
２３０    スイッチ
【図１】
2008022605.tif 000003
【図２】
2008022605.tif 000004
【図３】
2008022605.tif 000005
【図４】
2008022605.tif 000006
【図５】
2008022605.tif 000007