JP2000323366A - 電気二重層コンデンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の電気二重層コンデンサは、その構造
上、生産性が悪く、高温環境下での信頼性が低い。 【解決手段】 電解質溶液をしみ込ませた多孔性のセパ
レータを介して対向する一対の分極性電極と、分極性電
極に接するセパレータと反対の面で接する集電体と、分
極性電極の周囲に配置したガスケットとからなる基本セ
ルを複数積層した電気二重層コンデンサにおいて、基本
セルの積層数が同一あるいは異なるセル積層体を積層方
向に２つ以上に分割したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気二重層コンデ
ンサに関し、特に分極性電極を用いた大容量電気二重層
コンデンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気二重層コンデンサについて図
７および図８を用いて説明する。

【０００３】図７は、従来の電気二重層コンデンサ構造
の一例を示す側面図であり、図８は、その中のセル積層
体８ｂの断面を示したものである。図７において、同一
構造の多数の基本セル６が相互に重ね合わされてセル積
層体８ｂを構成し、セル積層体８ｂの両端に、端子電極
７が配置されている。

【０００４】各基本セル６は、図８に示すように、セパ
レータ４により分離された一対の分極性電極１と、各分
極性電極１の両端に形成した空間に収容された電解質溶
液３と、両端を閉じるガスケット５aとから構成され、
隣接する基本セル６間には、集電体２が配置されてい
る。分極性電極１としては、特開平４−２８８３６１号
公報に示される、活性炭／ポリアセン系材料などを主成
分とした固体状の活性炭が用いられる。

【０００５】集電体２は、導電性カーボン含有のゴムま
たは、プラスチックであり分極性電極１と圧着されてい
る。一対の分極性電極１は、多孔性セパレータ４を介し
て対向しており、枠状構造のガスケット５aと集電体２
で電解質溶液３を封止している。

【０００６】電気二重層コンデンサの耐電圧は、電解質
溶液３の電気分解電圧によって制限されるため、要求さ
れる耐電圧に応じて基本セル６を直列に接続する。さら
に、接触抵抗を下げるために、基本セル６間と端子電極
７間に圧力をかけ、一定の圧力で保持している。

【０００７】ところで、このような電気二重層コンデン
サは、近年、分極性電極１を用いることによる大容量化
および等価直列抵抗（以下ＥＳＲと略す）低減により新
しい用途が見いだされ検討されてきている。一例として
は、鉛蓄電池との組合せにより自動車のスタータモータ
駆動用電源を構成する用途や太陽電池との組合せによる
補助電源としての用途などが挙げられ、特に、モータ駆
動用の電源などで使用される場合には、電気二重層コン
デンサに対し高電圧化が要求される。

【０００８】しかし、電気二重層コンデンサの耐電圧
は、信頼性を確保するために電解質溶液３の分解電圧以
下となるように規制されているので一般に有機系電解質
溶液３では、２．５Ｖ以下であり、水溶液系の電解質溶
液３は、１．２Ｖ以下と低い。このため、前述のような
高電圧が必要な用途では基本セル６を多積層し、直列接
続してなる電気二重層コンデンサが使用されるので、こ
の状態での信頼性の確保が必要である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の技
術にもとづく電気二重層コンデンサは、高電圧を得るた
めに基本セルを多積層して一体化したセル積層体を使用
した構造になっている。しかし、この構造では、下記の
問題が生じ、信頼性の確保および生産性を向上させるこ
とは難しい。

【００１０】その理由として、第一に、従来の構造で
は、積層数が増えると各部材の寸法ばらつき分を他の部
材部分で吸収することが困難になるため、それだけ寸法
の誤差は加算されることが挙げられる。したがって、各
部材に対して高い寸法精度が要求されるが、高精度を得
るためには、 部材自体のコストが高くなる。 生産上管理するための工数が増える。 部材の寸法が１種類でも異なると液漏れなどの不良が
発生する確率が高くなる。 などの問題が発生し、管理することが難しい。

【００１１】第二に、従来構造では、積層数が増えるほ
ど寸法バラツキなどにより基本セル毎に均一に圧力がか
からない可能性が高く、各基本セル毎の電解質溶液量の
ばらつきや特性不良が発生し易くなるためである。例え
ば、基本セル毎に電解質溶液量が異なっているとする
と、高温の環境下で信頼性評価を実施すると、ドライア
ップを生じるが、電解質溶液量が少ない基本セルは、量
の多いセルと比較して、電解質溶液を保持しているセパ
レータが乾燥し、絶縁部分が多くなり易い。そのため、
特性が低下し信頼性が確保できないという問題が発生す
る。

【００１２】さらに、各基本セルに均一に圧力がかから
ないと、接触抵抗が高い部分が生じ、全体の特性が低下
する。

【００１３】第三に、従来構造では、積層数が増えるほ
ど、力のかかる負荷が最外側の集電体に対し大きくなる
ことが挙げられる。

【００１４】一般的に、接触抵抗を下げるために、基本
セルを構成する各部材の厚み寸法は、ガスケットの寸法
より厚くなっている。そのため、従来構造のように高電
圧を得るために多積層すると、厚い部分が加算されて外
側に広がるので、外側の集電体ほど内部からの力に対す
る負荷を受けることになる。従って、積層数が多いと、
最外側の集電体ほど亀裂や破れを生じ、内部の液が漏れ
易くなるという問題が発生する。

【００１５】以上のような第一、第二、第三の問題を解
決するために、少ない積層数でセル積層体を作製して端
子電極を組み上げた後、必要な高電圧を得るために、２
個の電気二重層コンデンサを接続板により直列に接続し
た場合を考える。

【００１６】この場合、使用時に接続するため、接続の
ための工数およびコストがかかる他、電気二重層コンデ
ンサ単体に関しても部品数が増えるので部材コストが高
くなる。また、形状が大きくなるなどの問題が生じ、あ
まり顕著な効果があるとは言えない。

【００１７】本発明は、このような従来の問題点を解決
するためになされたもので、その目的は、生産性を向上
し、さらに信頼性の高い電気二重層コンデンサを提供す
ることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の電気二重層コン
デンサは、電解質溶液をしみ込ませた多孔性のセパレー
タを介して対向する一対の分極性電極と、前記セパレー
タに接する面とは反対の面で前記分極性電極に接する一
対の集電体と、前記分極性電極の周囲に配置したガスケ
ットとからなる基本セルを複数積層して構成したセル積
層体を有する電気二重層コンデンサにおいて、相互に同
一または異なる数の基本セルをれぞれ積層した複数のセ
ル積層体を積層方向に２つ以上積層して構成されている
ことを特徴とする。

【００１９】本発明の好ましい態様において、相互に隣
接するセル積層体間には、導電性を有する挿入板が挿入
されている。好ましくは、挿入板の厚みが０．２ｍｍ以
上である。

【００２０】挿入板の形状は平板であってもよく、その
外形はガスケットの外形と同一あるいはそれよりも大き
ことが望ましい。

【００２１】またセル積層体同士が接触する面に、枠状
構造のガスケットが設けられていることが好ましい。こ
の場合、挿入板は、ガスケットの内径より小さい方がよ
い。

【００２２】挿入板の厚みについては、ガスケットの厚
みと同一もしくはそれよりも厚いことが好ましい。

【００２３】さらに挿入板は、セル積層体と接する面に
凸部を有していることができる。凸部の形状は、ガスケ
ットの内径と同一あるいはそれよりも小さく、また挿入
板の凸部の厚みと同じもしくはそれよりも小さいことが
好ましい。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００２５】図１は、本発明の第１の実施の形態による
電気二重層コンデンサの側面図である。この電気二重層
コンデンサは、複数の基本セル６を重ねて構成した第１
のセル積層体８１ａおよび第２のセル積層体８２ａとを
備えている。

【００２６】各基本セル６の構成は、図８に示したもの
と同様である。すなわち、固体状の分極性電極１が集電
体２上に並べられており、多孔性のセパレータ４を介し
て面対称に配置された構成を有する。分極性電極１は、
粉末活性炭にフェノール樹脂などのバインダー材を混ぜ
て焼成したブロック状の活性炭であれば、バインダー材
および製法は問わない。ガスケット５ａは、分極性電極
１、集電体２、多孔性セパレータ４および電解質溶液３
を収納して封止するものであるため、プラスチックなど
の絶縁物からなり、例えば耐熱性のＡＢＳ樹脂等が用い
られる。集電体２は、カーボン粉末、その他を練り込ん
だブチルゴムシート等で構成される。また多孔性セパレ
ータ４は、非導電性で、かつイオン透過性の膜であれば
材質を問わない。例えば、鉛蓄電池などにも使用されて
いるガラス繊維セパレータを用いることができる。

【００２７】基本セル６は、分極性電極１がセパレータ
４を介して互いに向き合うようにガスケット５ａに収納
し、この分極性電極１とセパレータ４の中に電解質溶液
３を注入した後、集電体２で覆うことにより構成され
る。

【００２８】そして任意の数の基本セル６が積層されて
第１および第２のセル積層体８１ａ，８２ａが構成され
る。

【００２９】基本セル６の積層は、次のようにして行わ
れる。すなわち、基本セル６を直列に所定数積層した
後、セル積層体８ａを２つ積層方向に分割して並べ両側
面に端子電極７をつけてセル積層体８ａを電気的に接続
して電気二重層コンデンサを完成させる。

【００３０】各要素の寸法を例示すると、分極性電極１
の大きさは８０（Ｌ）×８０（Ｗ）×０．８（ｔ）ｍ
ｍ、セパレータ４の寸法は、８０（Ｌ）×８０（Ｗ）×
０．１（ｔ）ｍｍ、集電体２の形状が８６（Ｌ）×８６
（Ｗ）×０．１（ｔ）ｍｍである。ガスケット５ａの内
周寸法が８２（Ｌ）×８２（Ｗ）×１．６（ｔ）ｍｍ、
外周寸法が９０（Ｌ）×９０（Ｗ）×１．６（ｔ）ｍｍ
である部材を用いる。

【００３１】この例では、基本セル６を２７個直列に積
層して２個のセル積層体８１ａ，８２ａを作製し、この
セル積層体８１ａ，８２ａを並べて、両側面に端子電極
７をつければ、耐圧４５Ｖの電気二重層コンデンサを作
製することができる。

【００３２】なお、電解質溶液３は、例えば３０ｗｔ％
の希硫酸であり、基本セル６内の各々一方の分極性電極
１は、同一のフェノール系の粉末活性炭と粉末状フェノ
ール樹脂を重量比８０／２０で混合、粉砕、造粒、焼成
して作製したものを使用できる。

【００３３】図２は、本発明の第２の実施の形態による
電気二重層コンデンサの構造を示す側面図である。この
電気二重層コンデンサは、上述の第１の実施の形態にお
ける基本セル６を２７個積層して作製した第１および第
２のセル積層体８１ａ、８２ａが互いに向き合って接す
る端部の間に、挿入板９ａが挿入された構造を有する。

【００３４】挿入板９ａとしては、例えば外形寸法が９
０（Ｌ）×９０（Ｗ）、厚みが０．１０、０．１５、
０．２０、０．２５、０．３０、０．５０ｍｍの各水準
の厚みの銅板にメッキを施したものを用いることができ
る。

【００３５】また本発明の第３の実施の形態において、
挿入板９ａとして、外形寸法が９０（Ｌ）×９０（Ｗ）
×０．２（ｔ）ｍｍの黒鉛板を用いることもできる。

【００３６】次に、本発明の第４の実施の形態による電
気二重層コンデンサの構造を示す側面図を図３に、その
一部の断面図を図４に示す。

【００３７】本実施の形態では、図３に示すように、第
１および第２のセル積層体８１ａ、８２ａが互いに向き
合って接する端部との間に挿入板９ｂが挿入され、この
挿入板９ｂと第１および第２のセル積層体８１ａ、８２
ａの端部との間に、基本セル６の外縁部とほぼ同一形
状、寸法を有する、図４に示すような枠状のガスケット
５ｂが介挿されている。

【００３８】電気二重層コンデンサの製造方法および条
件は、第１の実施の形態と同様である。

【００３９】具体的な寸法の一例を示すと、分極性電極
１の大きさは８０（Ｌ）×８０（Ｗ）×０．８（ｔ）ｍ
ｍ、集電体２は８６（Ｌ）×８６（Ｗ）×０．１（ｔ）
ｍｍ、ガスケット５ａは内周寸法が８２（Ｌ）×８２
（Ｗ）×１．６（ｔ）ｍｍ、外周寸法が９０（Ｌ）×９
０（Ｗ）×１．６（ｔ）ｍｍ、ガスケット５ｂは内周寸
法が８２（Ｌ）×８２（Ｗ）×０．２０（ｔ）ｍｍ、外
周形寸法９０（Ｌ）×９０（Ｗ）×０．２０（ｔ）ｍ
ｍ、挿入板９ｂの寸法は８１．５（Ｌ）×８１．５
（Ｗ）、厚みが０．３０ｍｍ、０．４０ｍｍ、０．５ｍ
ｍの３水準のものを使用し、その他の部材の形状寸法は
第１の実施の形態と同じである。このような構造の基本
セル６を、第１の実施の形態と同様に２７個直列に積層
して２個のセル積層体８１ａ、８２ａを作製し、この両
者を挿入板９ｂを挟んで接続し、耐圧４５Ｖの電気二重
層コンデンサを作製する。

【００４０】なお、電解質溶液３，分極性電極１などの
材料は、第１の実施の形態と同様のものを使用した。

【００４１】図５は、本発明の第５の実施の形態におけ
る電気二重層コンデンサの構造を示す側面図である。こ
の例では、挿入板９ｃとして、図６に示すような、セル
積層体８１ａ、８２ａと接触する面に凸部を有するもの
が使用される。この挿入板９ｃは、断面寸法が９０
（Ｌ）×９０（Ｗ）×０．１０（ｔ）ｍｍ、の寸法がそ
れぞれ８１．５（Ｌ）×８１．５（Ｗ）×０．２０
（ｔ）ｍｍのものを使用する。

【００４２】次に、比較例を示す。

【００４３】前述の図７に示した従来の電気二重層コン
デンサを、上記の本発明の実施の形態と同様の条件で作
成した。

【００４４】サンプルは、分極性電極１の大きさが８０
（Ｌ）×８０（Ｗ）×０．８（ｔ）ｍｍ、ガスケット５
ａの内周寸法が８２（Ｌ）×８２（Ｗ）×１．６（ｔ）
ｍｍ、セパレータ４の寸法は、８０（Ｌ）×８０（Ｗ）
×０．１（ｔ）ｍｍ、集電体２の寸法が８６（Ｌ）×８
６（Ｗ）×０．１（ｔ）ｍｍである。このような形状寸
法の基本セル６を、第１の実施の形態と同様に５４個直
列に積層してセル積層体８ｂを作製し、両側面に端子電
極７をつけて耐圧４５Ｖの電気二重層コンデンサを作製
した。

【００４５】なお、電解質溶液３およびその他の部材の
材質は、本発明の実施の形態と同じものである。

【００４６】以下に、本発明の各実施の形態の電気二重
層コンデンサと、図７に示す比較例の電気二重層コンデ
ンサに、信頼性試験を実施した結果について述べる。

【００４７】信頼性試験は、８５℃の高温下、４５Ｖ印
加した状態で１０００時間おいた後、充分に放電させて
からＥＳＲを測定し、ＥＳＲの変化量△Ｅの初期値に対
する割合△Ｅ／Ｅ（％）を求めた。なお、初期のＥＳＲ
は従来の比較例１のＥＳＲを１として規格化したものと
する。

【００４８】さらに、相対平均寿命を求めた。相対平均
寿命は、上記の試験によって各サンプル毎の故障に至る
までの時間を求め、これをワイブル確率紙に打点しその
結果から得られた各水準毎の平均寿命（ＭＴＴＦ）を、
従来の比較例１の平均寿命を１として規格化したものと
する。

【００４９】ＥＳＲの測定は、１ｋＨｚの試験信号周波
数におけるインピーダンスを交流四端子法により測定
し、その実数部を算出することにより行った。

【００５０】なお、サンプル数は各水準５０個ずつと
し、その平均を求めた。

【００５１】

【表１】 表１において、第１および第２の実施の形態の水準の欄
は、挿入板９ａの厚み寸法であり、第３の実施の形態の
水準の欄は、挿入板９ｂの厚みである。

【００５２】表１を参照すると、比較例の電気二重層コ
ンデンサでは、△Ｅ／Ｅは、約５０％と高く、初期
ＥＳＲおよび相対平均寿命も悪い。また、不良解析を実
施すると、原因はセル積層体８ｂの最側面の集電体２の
内部亀裂による液漏れが原因か、または特定の基本セル
６でのセパレータ４の乾燥、つまり、ドライアップによ
るものであった。

【００５３】これに対し、本発明による電気二重層コン
デンサでは、初期ＥＳＲは比較対象の電気二重層コン
デンサの約６０％と低く、ＥＳＲ変化率においても、
約４〜５％と安定しており、また、相対平均寿命は、
約９〜１０倍に延び大幅に改善されていることがわか
る。ただし、以上のことは、第１の実施の形態、第２の
実施の形態の水準０．２ｍｍ未満と、第３の実施の形態
の水準０．３ｍｍ以下（セル積層体８１ａ、８２ａ同士
が接する面についているガスケット５ｂの厚みより挿入
板９ｂの厚みが薄い場合）には当てはまらない。

【００５４】この理由について以下に述べる。

【００５５】まず、第１および第２の実施の形態の水準
０．２ｍｍ未満、つまり、挿入板９ａの厚み寸法が０．
２ｍｍ未満の結果が悪かった理由であるが、これは、第
１の実施の形態と同じ理由であると推測される。

【００５６】つまり、比較例の電気二重層コンデンサの
ように一体化してセル積層体８ｂを作製したものと比較
し、第１の実施の形態のようにセル積層体８ａを分割し
て作製し、それを並べて電気二重層コンデンサを作製し
た方が、各部材の寸法精度の影響は小さくなり、また、
セル積層体８ａの最側面の集電体２にかかる負荷も小さ
くなるため、若干信頼性や特性は改善される。

【００５７】しかし、セル積層体８１ａおよび８２ａ間
に挿入板９ａを入れない場合、あるいは挿入板９ａの厚
みが薄い場合は、比較例の電気二重層コンデンサと同様
にセル積層体全体に圧力が均一にかかりにくく、信頼性
を改善する効果はやや低い。これは、比較例に比べ、相
対平均寿命は延びたが初期のＥＳＲおよび△Ｅ／Ｅが改
善されていないこと、および、実際に不良解析を実施
し、不良原因の大半が特定の基本セル６でのセパレータ
４の乾燥、つまり、ドライアップによるものであったこ
とからも実証される。

【００５８】次に、第３の実施の形態の水準０．３ｍｍ
以下（セル積層体８１ａおよび８２ａ同士が接する面に
ついているガスケット５ｂの厚みより挿入板９ｂの厚み
が薄い場合）の初期ＥＳＲおよび△Ｅ／Ｅの結果が良く
ない理由であるが、不良解析を実施した結果、全てが圧
力の保持不足によるものであった。つまり、セル積層体
８１ａ、８２ａ同士が接する面についているガスケット
５ｂの厚みより挿入板９ｂの厚みが薄かったため、セル
積層体８ａに挿入板９ｂが接触せずに浮いた状態になっ
たため、所定の圧力がかからず、初期ＥＳＲおよび△Ｅ
／Ｅが悪くなったと考える。

【００５９】本発明の電気二重層コンデンサでは、初期
ＥＳＲおよび△Ｅ／Ｅが低く安定している上、相対平均
寿命も大幅に改善されている。これは、セル積層体８１
ａおよび８２ａ全体に均一に圧力をかけることができ、
さらに最側面の集電体２に対する負荷を最小限に押さえ
ることができるためである。

【００６０】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
電気二重層コンデンサの信頼性を確保し、かつ、生産性
を向上させることができるという効果が得られる。

【００６１】その第一の理由は、セル積層体を２つ以上
作製しそれを積層方向に分割して並べた構造になってい
ることである。またセル積層体同士が重なる面に挿入板
を挿入したり、あるいはガスケットをつけた構造とした
場合には、工数、コストをかけることなく高電圧化する
ことができ、かつ各基本セル毎に均一に加圧することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の電気二重層コンデ
ンサを示す側面図である。

【図２】本発明の第３の実施の形態の電気二重層コンデ
ンサを示す側面図である。

【図３】本発明の第４の実施の形態の電気二重層コンデ
ンサを示す側面図である。

【図４】図３の電気二重層コンデンサの部分縦断面図で
ある。

【図５】本発明の第５の実施の形態の電気二重層コンデ
ンサを示す断面図である。

【図６】図５の電気二重層コンデンサに用いられた挿入
板の斜視図である。

【図７】従来の電気二重層コンデンサを示す側面図であ
る。

【図８】図７の電気二重層コンデンサのセル積層体を示
す断面図である。

【符号の説明】

１ 分極性電極 ２ 集電体 ３ 電解質溶液 ４ セパレータ ５ａ，５ｂ ガスケット ６ 基本セル ７ 端子電極 ８ａ、８ｂ セル積層体 ９ａ、９ｂ、９ｃ 挿入板 １０ 電気二重層コンデンサ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質溶液をしみ込ませた多孔性のセパ
   レータを介して対向する一対の分極性電極と、前記セパ
   レータに接する面とは反対の面で前記分極性電極に接す
   る一対の集電体と、前記分極性電極の周囲に配置したガ
   スケットとからなる基本セルを複数積層して構成したセ
   ル積層体を有する電気二重層コンデンサにおいて、 相互に同一または異なる数の基本セルをそれぞれ積層し
   た複数のセル積層体を積層方向に２つ以上積層して構成
   されていることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
2. 【請求項２】 相互に隣接する前記セル積層体間に導電
   性を有する挿入板が挿入されてい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。
3. 【請求項３】 前記挿入板の厚みが０．２ｍｍ以上であ
   ることを特徴とする請求項２記載の電気二重層コンデン
   サ。
4. 【請求項４】 前記挿入板の形状が平板であることを特
   徴とする請求項２または３項記載の電気二重層コンデン
   サ。
5. 【請求項５】 前記挿入板の外形がガスケットの外形と
   同一あるいはそれよりも大きいことを特徴とする請求項
   １〜４のいずれか１項に記載の電気二重層コンデンサ。
6. 【請求項６】 前記セル積層体同士が接触する面に枠状
   構造のガスケットが設けられてい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。
7. 【請求項７】 前記挿入板がガスケットの内径より小さ
   いことを特徴とする請求項６記載の電気二重層コンデン
   サ。
8. 【請求項８】 前記挿入板の厚みが前記ガスケットの厚
   みと同一もしくはそれよりも厚いことを特徴とする請求
   項６または７項記載の電気二重層コンデンサ。
9. 【請求項９】 前記挿入板が、前記セル積層体と接する
   面に凸部を有していることを特徴とする請求項６項記載
   の電気二重層コンデンサ。
10. 【請求項１０】 前記凸部の形状がガスケットの内径と
    同一あるいはそれよりも小さいことを特徴とする請求項
    ９項記載の電気二重層コンデンサ。
11. 【請求項１１】 前記ガスケットの厚みが、前記挿入板
    の凸部の厚みと同じもしくはそれよりも小さいことを特
    徴とする請求項９または１０項記載の電気二重層コンデ
    ンサ。