(57)【要約】【課題】  高温環境条件に対して高い信頼性を有する電気二重層コンデンサを提供すること。 【解決手段】  第１の集電体１１、電解液を含んだ炭素材料からなる第１の分極性電極１３、セパレータ１４、電解液を含んだ炭素材料からなる第２の分極性電極１５および第２の集電体１６の順に積層され、外周部に絶縁性ゴム１２が配置され、絶縁性ゴム１２で封止された基本セル１が積層された素子２からなる電気二重層コンデンサの素子２が絶縁ケース３２と外装金属ケース３１内に収納され、リード端子（＋）３３と第リード端子（−）３４を絶縁ケース３２に介在させて電気二重層コンデンサの素子２の両面の集電体に接触させた電気二重層コンデンサにおいて、電気二重層コンデンサの素子２の側面を絶縁性リング３５で密着させて覆う。 【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の集電体、電解液を含んだ炭素材料からなる第１の分極性電極、セパレータ、電解液を含んだ炭素材料からなる第２の分極性電極および第２の集電体の順に積層され、外周部に絶縁性ゴムが配置され、前記絶縁性ゴムで封止された基本セルの単層、又は前記基本セルが２個以上積層された複層からなる電気二重層コンデンサの素子が絶縁ケースと外装金属ケース内に収納され、第１のリード端子と第２のリード端子とを前記絶縁ケースを介在させて前記電気二重層コンデンサの素子の両面の集電体に接触させた電気二重層コンデンサであって、前記電気二重層コンデンサの素子の側面を絶縁性リングで密着させて覆ったことを特徴とする電気二重層コンデンサ。 
【請求項２】
前記絶縁性リングは、絶縁性テープ、絶縁性繊維、絶縁性繊維布のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の電気二重層コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解液を含んだ炭素材料を分極性電極とする電気二重層コンデンサに関し、特に、高信頼性を有する電気二重層コンデンサの構造に関するものである。 
【背景技術】
【０００２】
最近、鉛蓄電池との組み合わせによるセルモーターの駆動電源用や、太陽電池との組み合わせによる補助電源用等の新用途に向けて電気二重層コンデンサの小型化および大容量化の開発が進められている。 
【０００３】
図３に電気二重層コンデンサの素子の構造を示す断面図を示す。図３（ａ）は、基本セルを積層した電気二重層コンデンサの素子の断面図で、図３（ｂ）は、電気二重層コンデンサの素子の基本セルの断面図である。 
【０００４】
電気二重層コンデンサの素子の基本セル１は、活性炭を用いた第１の分極性電極１３と第２の分極性電極１５とが、電極間の短絡を防止し、電解液中のイオンを透過させるセパレータ１４を介して配置される。さらに、セパレータ１４の両面にある第１の分極性電極１３、第２の分極性電極１５の主面に導電性の第１の集電体１１、第２の集電体１６を密接させて、電圧を印加できるように構成される。なお、セパレータ１４と第１の分極性電極１３と第２の分極性電極１５の外周部の側面に電解液の封止と導電性材料の絶縁の機能を有する絶縁性ゴム１２が配置される。 
【０００５】
基本セル１の耐電圧は、電解液の電気分解電圧に依存する。水溶液系の基本セル１の耐電圧は、１．０Ｖ程度であるのに対して、有機系の基本セル１の耐電圧は、２．５Ｖ程度である。電気二重層コンデンサの素子は、使用する電圧に応じて、基本セル１を必要枚数だけ直列に接続する。 
【０００６】
基本セル１間と分極性電極と導電性の集電体との間の電気的接続を安定化させるために、電気二重層コンデンサは、一定の圧力を加えて外装する構造になっている。 
【０００７】
図２に従来例の電気二重層コンデンサの断面図を示す。図２に示されるように、外装金属ケース３１内に、電気二重層コンデンサの素子２が素子２の一方の電極面が接するように内蔵されている。さらに、外装金属ケース３１の開口部側には、素子２の両電極面から取出される一対のリード端子（＋）３３、リード端子（−）３４と、これらの端子が互いに接触や短絡しない構造の絶縁ケース３２とが配置され、外装金属ケース３１がかしめられて開口部が封口されている。また、絶縁ケース３２により、外装金属ケース３１の側面と素子２の側面とが接触や短絡しない構造になっている。絶縁ケース３２には、ポリアセタール、Poly-phenylene  sulfide (ＰＰＳ)、Liquid crystalline polymer（ＬＣＰ）などのエンジニアリングプラスチックが用いられる。 
【０００８】
図５に従来例の電気二重層コンデンサの分解構成を示す。電気二重層コンデンサは、電気二重層コンデンサの素子２を金属ケース３１とリード端子（＋）３３、リード端子（−）３４と絶縁ケース３２外装金属ケース３１との間に挟みこむように配置し、さらに一定の圧力を加え、その状態で外装金属ケース３１をかしめて、電気二重層コンデンサの素子を絶縁ケース３２と外装金属ケース３１内に封止する。このように圧力を加えた状態で外装金属ケース３１をかしめることで、分極性電極と導電性の集電体との間と基本セル間および素子の電極面とリード端子や外装金属ケースとの間の電気接続を保つような一定圧力を保持できる。例えば、特許文献１には、絶縁ケースを有する電気二重層コンデンサが記載されている。 
【０００９】
特許文献２には、ポリオレフイン系の微孔性フィルムや不織布からなるセパレータの周縁部を皿状に形成することで、一方の分極電極を包み、分極性電極同士が周囲で短絡するのを防止する電気二重層コンデンサの発明が記載されているが、この例では図２に示されるような絶縁ケースを用いる代わりに熱収縮チューブを用いて電気二重層の素子を絶縁している。 
【００１０】
特許文献３には、分極性電極をセパレータを介することなく、かつ相互に接触しないように対向して配置し、配置ずれしないように絶縁チューブを用いて固定する、セパレータを使用しない電気二重層コンデンサの発明が記載されているが、この例では、電気二重層の基本セルに、図３に示されるような弾力性のある絶縁性ゴムを用いる代わりにフェノール樹脂等の絶縁樹脂や、熱収縮チューブを用いている。 
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−２８６８０４公報
【特許文献２】特公平４−３２５２９公報
【特許文献３】特開平４−９８８１１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図３に示されるように、従来例の電気二重層コンデンサの素子２は、弾力性のある絶縁性ゴム１２を使用し、一定の圧力を加えて外装する構造になっているので、素子２の側面に圧縮応力がかかり、素子２は変形しやすい構造になっている。電気二重層コンデンサの素子２が変形し、この変形に伴う応力が絶縁ケース３２に加わると絶縁ケース３２にクラックや割れが生じやすいので、図２に示されるように、電気二重層コンデンサの素子２と絶縁ケース３２との間に隙間を設けている。 
【００１３】
また、このように、従来の電気二重層コンデンサの素子２と絶縁ケース３２の間に隙間があるので、電気二重層コンデンサを基板に半田リフローで実装する高温環境条件の下では、熱膨張した素子２の内部圧力が、隙間のある素子外径方向に集中する。従って、封止用の絶縁性ゴム１２の耐性を考慮する必要があるため、あまり高温での半田リフローの条件等を採用できないという問題点があった。また、一定の圧力を加え、素子２を変形させて外装する構造になっているので、積層した基本セル１の電位バランスが崩れやすく、電気二重層コンデンサの製品寿命が短いという問題点があった。 
【００１４】
本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、高温環境条件に対して高い信頼性を有する電気二重層コンデンサを提供することである。 
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するための第１の発明は、第１の集電体、電解液を含んだ炭素材料からなる第１の分極性電極、セパレータ、電解液を含んだ炭素材料からなる第２の分極性電極および第２の集電体の順に積層され、外周部に絶縁性ゴムが配置され、前記絶縁性ゴムで封止された基本セルの単層、又は前記基本セルが２個以上積層された複層からなる電気二重層コンデンサの素子が絶縁ケースと外装金属ケース内に収納され、第１のリード端子と第２のリード端子とを前記絶縁ケースを介在させて前記電気二重層コンデンサの素子の両面の集電体に接触させた電気二重層コンデンサであって、前記電気二重層コンデンサの素子の側面を絶縁性リングで密着させて覆った電気二重層コンデンサである。 
【００１６】
上記目的を達成するための第２の発明は、前記絶縁性リングが絶縁性テープ、絶縁性繊維、絶縁性繊維布のいずれかからなるを備えた電気二重層コンデンサである。 
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第１の集電体、電解液を含んだ炭素材料からなる第１の分極性電極、セパレータ、電解液を含んだ炭素材料からなる第２の分極性電極および第２の集電体の順に積層され、外周部に絶縁性ゴムが配置され、前記絶縁性ゴムで封止された基本セルの単層、又は前記基本セルが２個以上積層された複層からなる電気二重層コンデンサの素子が絶縁ケースと外装金属ケース内に収納され、第１のリード端子と第２のリード端子とを絶縁ケースを介在させて前記電気二重層コンデンサの素子の両面の集電体に接触させた電気二重層コンデンサにおいて、前記電気二重層コンデンサの素子の側面を絶縁性リングで覆い、前記電気二重層コンデンサの素子と前記絶縁性リングを密着させることで、一定圧力を加えて前記電気二重層コンデンサの素子を外装する際に前記電気二重層コンデンサの素子の変形を抑制でき、さらに、基本セルが複数、積層されてなる電気二重層コンデンサの素子の電位バランスが均等に保つことが可能になる。 
【００１８】
また、電気二重層コンデンサを基板に半田リフローで実装する高温環境条件の下でも、同様に電気二重層コンデンサの素子の変形を抑制できる効果を奏するので、電気二重層コンデンサの耐熱性が向上する。
【００１９】
その結果、高温環境条件に対して高い信頼性を有する電気二重層コンデンサの提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明を実施するための最良の形態に係る電気二重層コンデンサを以下に図面を参照して説明する。図１は、本発明の電気二重層コンデンサの基本構造を示した断面図である。図４は、本発明の電気二重層コンデンサの分解構成を示した断面図である。
【００２１】
図１、図４に示されるように、本発明を実施するための最良の形態に係る電気二重層コンデンサにおいては、、絶縁性リング３５を電気二重層コンデンサの素子２側面に密着させて、素子２を部分的に又は全体的に覆うように配置される。このような絶縁性リング３２が設けられた電気二重層コンデンサの素子２が外装金属ケース３１と、電極を取りだすリード端子（＋）３３、リード端子（−）３４とこれらの端子間の接触による短絡を防ぐ絶縁ケース３２と外装金属ケース３１間に配置し、絶縁ケースと外装金属ケース内に収納する。さらに、分極性電極と導電性の集電体との間と基本セル間および素子の電極面とリード端子や外装金属ケースとの間の電気接続を確保するために一定圧力を加え、その状態で外装金属ケース３１は、カシメ封口することにより電気二重層コンデンサの素子２を加圧保持した状態で絶縁ケース３２と外装金属ケース３１内に封止する。 
【００２２】
また、図３に電気二重層コンデンサの素子の構造が示されているが、本願発明の電気二重層コンデンサの素子は従来例と同じ構造のものを用いる事ができる。即ち、電気二重層コンデンサの素子２は、第１の集電体１１、電解液を含んだ炭素材料からなる第１の分極性電極１３、セパレータ１４、電解液を含んだ炭素材料からなる第２の分極性電極１５および第２の集電体１６の順に積層され、外周部に絶縁性ゴム１２が配置され、絶縁性ゴム１２で封止された基本セル１からなる単層の基本セルからなる電気二重層コンデンサの素子を用いることができる。また、必要な耐電圧に応じて複数個の基本セル１が積層された複層の基本セルからなる電気二重層コンデンサの素子を用いることができる。 
【００２３】
素子側面に設ける絶縁性リング３５の材質は、絶縁性で、強度が高く、電解液に侵されないものが望ましい。例えば、絶縁性リング３５は絶縁性樹脂や絶縁性セラミックを電気二重層コンデンサの素子に密着するようなリング状に成型したものを用いることができる。また、素子側面に絶縁性テープ、絶縁性繊維又は絶縁性繊維布等を巻きつけることで、結果的にリング状となった、絶縁性リングであってもよい。
【実施例】
【００２４】
（実施例１）
本発明に係る電気二重層コンデンサの第１の実施例について、図１、図４を用いて以下で説明する。まず、実施例１に係る電気二重層コンデンサの素子２は、希硫酸からなる電解液と粉末活性炭からなる第１の分極性電極１３、第２の分極性電極１５とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製の微多孔膜からなる０．２ｍｍ厚のセパレータ１４とブチルゴムからなる封止用の外径８．７ｍｍ、内径６．７ｍｍ、厚さ１．８ｍｍのリング状の絶縁性ゴム１２と導電性ゴムからなる厚さ０．２ｍｍの第１の集電体１１、第２の集電体１６とを用いて厚さ２ｍｍ、外径８．７ｍｍの基本セルを作製した。電気二重層コンデンサの素子２は基本セルを３層積層して作製した。 
【００２５】
また、電気二重層コンデンサの素子２を外装する部品は、耐熱性熱収縮チューブからなる絶縁性リング３５と厚みが０．２ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４３０）からなる外装金属ケース３１とポリアミド樹脂からなる絶縁ケース３２と厚みが０．２ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４３０）にＳｎメッキを施したリード端子（＋）３３、リード端子（−）３４を用いて作製された。長さ７ｍｍの寸法に切断した熱収縮チューブからなる絶縁性リング３５は素子２の側面を全体的に覆うように配置して、熱処理を行い、熱収縮チューブを素子２に密着させた。さらに、熱収縮チューブを密着させた素子２を外装金属ケース３１に挿入し、リード端子（＋）３３、リード端子（−）３４と絶縁ケース３２を被せ、５０ｇの加重をを加えながら外装金属ケース３１をカシメ封口して電気二重層コンデンサを作製した。 
【００２６】
（実施例２）
本発明に係る電気二重層コンデンサの第２の実施例について、図１、図４を用いて以下で説明する。まず、実施例２に係る電気二重層コンデンサの素子２は、希硫酸からなる電解液と粉末活性炭からなる第１の分極性電極１３、第２の分極性電極１５とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の微多孔膜からなるセパレータ１４とブチルゴムからなる封止用の絶縁性ゴム１２と導電性ゴムからなる第１の集電体１１、第２の集電体１６とを用いて作製した。実施例２においても、実施例１と同じ構成、寸法の基本セルを作成し、電気二重層コンデンサの素子２も実施例１と同様に基本セルを３層積層して作製した。 
【００２７】
また、電気二重層コンデンサの素子２を外装する部品は、耐熱性の厚さ０．１ｍｍポリイミドテープからなる絶縁性リング３５と厚みが０．２ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４３０）からなる外装金属ケース３１とポリアミド樹脂からなる絶縁ケース３２と厚みが０．２ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４３０）にＳｎメッキを施したリード端子（＋）３３、リード端子（−）３４を用いて作製された。所定寸法に切断したポリイミドテープを素子２の側面を全体的に覆うように３重に巻いて、ポリイミドテープを素子２に密着させて絶縁性リング３５を形成した。さらに、ポリイミドテープを密着させた素子２を外装金属ケース３１に挿入し、リード端子（＋）３３、リード端子（−）３４と絶縁ケース３２を被せ、一定圧力を加えながら外装金属ケース３１をカシメ封口して電気二重層コンデンサを作製した。実施例２においても、絶縁性リングの部分が異なる以外は実施例１と同様にして、同じ寸法、同じ構成の電気二重層コンデンサを作製した
【００２８】
（比較例１）
従来例に係る電気二重層コンデンサの第１の比較例について、図２、図５を用いて以下に説明する。比較例１の電気二重層コンデンサの素子２は、実施例１と同じ寸法、同じ構成のものを用いた。また、素子２には絶縁性リング３５を被せないで、それ以外は実施例１と同様にして、同じ寸法、同じ構成の電気二重層コンデンサを作製した。
【００２９】
実施例１、実施例２、比較例１の電気二重層コンデンサの耐熱性について、様々なリフロー温度条件を想定して、各温度に１０分間保持し電気二重層コンデンサの電解液漏れが発生した件数を調査した。その結果を表１に示した。
【表１】
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【００３０】
表１に示されるように、本発明の実施例１、実施例２による電気二重層コンデンサは、２２０〜２６０℃のリフロー温度条件での電気二重層コンデンサの電解液漏れは発生しなかった。、比較例１の電気二重層コンデンサは、２４０〜２６０℃のリフロー温度条件での電気二重層コンデンサの電解液漏れは４〜２２件発生した。本発明の電気二重層コンデンサでは、素子の側面を絶縁性リングで密着して、覆うことで、電気二重層コンデンサの素子の外径方向への変形を抑制し、素子の破裂を防ぐ構造にするができたものと考えられる。 
【００３１】
次に、本発明の実施例１、実施例２および比較例１の電気二重層コンデンサについて、高温負荷試験（８５℃−５．５Ｖ）を実施した。サンプリング数はｎ＝各１０ｐｃｓで行った。図６にそれぞれの電気二重層コンデンサの高温での等価直列抵抗（ＥＳＲ）測定を行った結果を示す。図７にそれぞれの電気二重層コンデンサの高温での静電容量変化率（ΔＣ／Ｃ）測定を行った結果を示す。図８にそれぞれの電気二重層コンデンサの高温での３０分充電時の電流値測定を行った結果を示す。 
【００３２】
以上の高温負荷試験（８５℃−５．５Ｖ）の結果から、実施例１、実施例２の電気二重層コンデンサは、１０００時間経過時の等価直列抵抗が比較例１の１８Ωに対して１０〜１１Ωに抑制され、１０００時間経過時の静電容量の変化率が、比較例１に対して４分の１程度になり、高温での信頼性が向上することを確認できた。また、高温での３０分充電時の電流値測定の結果は実施例１、実施例２、比較例１間での差あまり認められなかった。 
【００３３】
以上に示したように、本発明により高温環境条件に対して高い信頼性を有する電気二重層コンデンサの提供が可能になることが分かった。 
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の電気二重層コンデンサの基本構造を示す断面図。
【図２】従来例の電気二重層コンデンサの断面図。
【図３】電気二重層コンデンサの素子構造を示す断面図。図３（ａ）は、基本セルを積層した電気二重層コンデンサ素子の断面図。図３（ｂ）は、電気二重層コンデンサの素子の基本セルの断面図。
【図４】本発明を実施するための最良の形態に係る電気二重層コンデンサの分解構成を示した断面図。
【図５】従来例の電気二重層コンデンサの分解構成を示す断面図。
【図６】高温負荷試験（８５℃−５．５Ｖ）の等価直列抵抗（ＥＳＲ）測定結果を示すグラフ。サンプリング数（ｎ＝各１０ｐｃｓ）の
【図７】高温負荷試験（８５℃−５．５Ｖ）の静電容量変化率（ΔＣ／Ｃ）測定結果を示すグラフ。サンプリング数（ｎ＝各１０ｐｃｓ）
【図８】高温負荷試験（８５℃−５．５Ｖ）の３０分充電時の電流値測定結果を示すグラフ。サンプリング数（ｎ＝各１０ｐｃｓ）
【符号の説明】
【００３５】
１    基本セル
２    素子
１１    第１の集電体
１２    絶縁性ゴム
１３    第１の分極性電極
１４    セパレータ
１５    第２の分極性電極
１６    第２の集電体
３１    外装金属ケース
３２    絶縁ケース
３３    リード端子（＋）
３４    リード端子（−）
３５    絶縁性リング
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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