JP2005353722A - Electric double layer capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気二重層キャパシタに関し、特に、電気自動車や各種電気機器に使用される電気二重層キャパシタに関するものである。 The present invention relates to an electric double layer capacitor, and more particularly to an electric double layer capacitor used in an electric vehicle and various electric devices.
従来の電気二重層キャパシタには、高電圧・高出力を得るために、筒状の単セルを複数並列配置してバスバーなどの接続部材を介してそれらの複数の単セルを直列接続したモジュール構造をしたものがある(例えば、特許文献1参照)。また、電気的に直列接続された集合電池には、イオン導電性フィルムの一方の面に正極剤と負極剤を間隔を空けて交互に配置し、他方の面上には前記一方の面上に配置された正極剤または負極剤とイオン導電性フィルムを間に介して異なる極性の極剤が対向して、一枚のイオン導電性フィルムに複数個の発電要素が電気的に直列接続された固体電解質集合電池がある(例えば、特許文献2参照)。 A conventional electric double layer capacitor has a module structure in which a plurality of cylindrical single cells are arranged in parallel and connected in series via a connecting member such as a bus bar in order to obtain high voltage and high output. (For example, refer to Patent Document 1). In addition, in the battery assembly electrically connected in series, the positive electrode agent and the negative electrode agent are alternately arranged on one surface of the ion conductive film with an interval, and the other surface is on the one surface. A solid in which a plurality of power generating elements are electrically connected in series to a single ion conductive film, with the positive electrode agent or negative electrode agent and the polar agent having different polarities facing each other across the ion conductive film. There is an electrolyte battery assembly (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1に開示される電気二重層キャパシタは、並列配置される複数の筒状のセルを、接続部材を介して直列接続したセルモジュール構造である。セルの一端には、互いに極性の異なる外側端子と内側端子とが同軸的に配設されている。接続部材は、セルの外側端子が係合されてセルを保持するホルダと、セルの内側端子に対応する内側バスバーと、セルの外側端子に対応し、かつ、隣接するセルの内側バスバーに接続される外側バスバーとを備えている。外側端子が接続部材のホルダに係合されるに伴い、外側端子が外側バスバーに接触するとともに内側端子が内側バスバーに接触して1つのセルに接続部材が装着され、隣接する各セルに装着された接続部材の外側バスバーと内側バスバーとが接続されることにより、それらセルが直列接続されている。 The electric double layer capacitor disclosed in Patent Document 1 has a cell module structure in which a plurality of cylindrical cells arranged in parallel are connected in series via a connecting member. An outer terminal and an inner terminal having different polarities are coaxially disposed at one end of the cell. The connection member is connected to the holder that holds the cell by engaging the outer terminal of the cell, the inner bus bar corresponding to the inner terminal of the cell, and the inner bus bar of the adjacent cell corresponding to the outer terminal of the cell. And an outer bus bar. As the outer terminal is engaged with the holder of the connecting member, the outer terminal comes into contact with the outer bus bar and the inner terminal comes into contact with the inner bus bar, so that the connecting member is attached to one cell and attached to each adjacent cell. By connecting the outer bus bar and the inner bus bar of the connecting member, the cells are connected in series.
上記のような技術を用いた場合、単一キャパシタ素子をそれぞれ金属ケースに収納し、それらを並列配置してバスバーにより直列接続するため、各素子の金属ケースやバスバーのような接続部材など、部品点数も増加する。また、キャパシタ素子を個別に金属ケースに収納する工程、個別封口の工程、端子溶接の工程などが必要となり、工数も増大してしまうという問題があった。また、バスバーを用いることにより、モジュール接続抵抗が大きくなってしまうという問題があった。 When using the technology as described above, each single capacitor element is housed in a metal case, and they are arranged in parallel and connected in series by a bus bar. The score also increases. In addition, a process of individually storing capacitor elements in a metal case, a process of individual sealing, a process of terminal welding, and the like are required, and there is a problem that man-hours increase. In addition, there is a problem that the module connection resistance is increased by using the bus bar.
そこで、特許文献2のように一つの容器に複数の発電要素を収容する技術が考えられる。しかしながら、上記従来の技術では、液体の電解質(電解液)を用いた場合、電解液が発電要素ごとに区切られておらず共通になってしまい、発電要素それぞれにかかる電圧が均一でなくなり、高電圧の部分と低電圧の部分ができてしまい、高電圧の部分の負荷が高くなり、性能劣化が激しく、耐久性に欠けるものになる。また、電解液を用いた場合、イオン導電性フィルムがすべての発電要素で共通になっているので、電解液を含んだイオン導電性フィルムにより短絡を引き起こしてしまうという問題が発生する。
本発明の課題は、高電圧・高出力を得るための電気二重層キャパシタの構造で、単一キャパシタ素子をそれぞれ金属ケースに収納し、それらを並列配置してバスバーにより直列接続するときには、各素子の金属ケースやバスバーのような接続部材など、部品点数も増加してしまうという問題を解消することである。また、キャパシタ素子を個別に金属ケースに収納する工程、個別封口の工程、端子溶接の工程などが必要となり、工数も増大してしまうという問題や、また、バスバーを用いることにより、モジュール接続抵抗が大きくなってしまうという問題を解消することも本発明の課題である。さらに、本発明の課題は、液体の電解質(電解液)を用いた場合、電解液が発電要素ごとに区切られておらず共通になってしまい、発電要素それぞれにかかる電圧が均一でなくなり、高電圧の部分と低電圧の部分ができてしまい、高電圧の部分の負荷が高くなり、性能劣化が激しく、耐久性に欠けるものになるという問題を解消し、また、電解液を用いた場合、イオン導電性フィルムがすべての発電要素で共通になっているので、電解液を含んだイオン導電性フィルムにより短絡を引き起こしてしまうという問題を解消することにある。 An object of the present invention is a structure of an electric double layer capacitor for obtaining a high voltage and a high output. When a single capacitor element is housed in a metal case and arranged in parallel and connected in series by a bus bar, each element is This is to solve the problem that the number of parts such as a metal case and a connecting member such as a bus bar increases. In addition, a process of individually storing capacitor elements in a metal case, a process of individual sealing, a process of terminal welding, etc. are required, and the problem that the number of man-hours increases, and the module connection resistance is reduced by using a bus bar. It is also an object of the present invention to eliminate the problem of increasing the size. Furthermore, the problem of the present invention is that when a liquid electrolyte (electrolytic solution) is used, the electrolytic solution is not divided for each power generation element and becomes common, and the voltage applied to each of the power generation elements is not uniform. When the voltage part and the low voltage part are made, the load of the high voltage part becomes high, the performance deterioration is severe, the problem of lack of durability is solved, and when using an electrolyte, Since the ion conductive film is common to all the power generation elements, the problem of causing a short circuit due to the ion conductive film containing the electrolytic solution is to be solved.
本発明の目的は、上記の課題を鑑み、高電圧・高出力が得られ、容易に組み立てることができ、部品コスト削減、部品組み立て工数削減を実現することのできる電解液を用いた電気二重層キャパシタを提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an electric double layer using an electrolytic solution that can achieve high voltage and high output, can be easily assembled, and can realize component cost reduction and component assembly man-hour reduction. It is to provide a capacitor.
本発明に係る電気二重層キャパシタは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。 In order to achieve the above object, an electric double layer capacitor according to the present invention is configured as follows.
第1の電気二重層キャパシタ(請求項1に対応)は、シート状集電体に分極性電極を形成してなる正極とシート状集電体に分極性電極を形成してなる負極とをセパレータを介して巻回し、円筒状の金属ケースに収容し、電解液を注入することにより形成された電気二重層キャパシタにおいて、軸方向に交互に配置された正極および負極と、正極および負極とを対向するようにそれぞれの電極に対してセパレータを介して配置された負極および正極とを巻回することにより形成される複数のセルと、軸方向に交互に配置された正極および負極の間に配置され、セル間を絶縁するシール部材とを備え、複数のセルを金属ケースに収容し、それぞれのセルに電解液を注入したことで特徴づけられる。 The first electric double layer capacitor (corresponding to claim 1) is a separator comprising a positive electrode formed by forming a polarizable electrode on a sheet-shaped current collector and a negative electrode formed by forming a polarizable electrode on a sheet-shaped current collector. In an electric double-layer capacitor formed by winding through a metal case and accommodating in a cylindrical metal case and injecting an electrolyte, the positive and negative electrodes alternately arranged in the axial direction are opposed to the positive and negative electrodes To be arranged between a plurality of cells formed by winding a negative electrode and a positive electrode arranged via a separator with respect to each electrode, and a positive electrode and a negative electrode arranged alternately in the axial direction. And a sealing member that insulates the cells, and a plurality of cells are housed in a metal case, and an electrolyte is injected into each cell.
第2の電気二重層キャパシタ(請求項2に対応)は、上記の構成において、好ましくは一枚のシート状集電体の面上に分極性電極の正極ならびに負極が形成されたバイポーラ電極を複数備え、バイポーラ電極が他のバイポーラ電極とセパレータを介して互いに極性の異なる分極性電極が対向するように配置されていることで特徴づけられる。 In the second electric double layer capacitor (corresponding to claim 2), a plurality of bipolar electrodes in which the positive electrode and the negative electrode of the polarizable electrode are preferably formed on the surface of one sheet-like current collector are provided. The bipolar electrode is characterized by being arranged so that polarizable electrodes having different polarities face each other through another bipolar electrode and a separator.
本発明によれば、複数個分のキャパシタ素子を同時に巻回し、一つの金属ケースに収容するので、容易に組み立てることができ、部品コストおよび組み立て工数を削減することができる。また、キャパシタ素子ごとにシール材で区切られているので、隣り合うキャパシタ素子で短絡を起こすことなく、また、電解液の液落を起こすこともないので、高電圧・高出力を得ることができる。 According to the present invention, since a plurality of capacitor elements are simultaneously wound and accommodated in one metal case, they can be easily assembled, and the parts cost and the number of assembly steps can be reduced. In addition, since each capacitor element is separated by a sealing material, no short circuit occurs between adjacent capacitor elements, and no electrolyte drops occur, so that high voltage and high output can be obtained. .
以下、本発明の好適な実施形態(実施例)を添付図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments (examples) of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電気二重層キャパシタの断面図である。電気二重層キャパシタ10は、1つの円筒体ケースなどの容器11に、4つ分が1体となったキャパシタ素子12を入れ、電解液を封入したものである。電解液のキャパシタ素子12の4区分間での流動を妨げるためのシール部材13が設けられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an electric double layer capacitor according to a first embodiment of the present invention. The electric double layer capacitor 10 is a container 11 such as one cylindrical case in which a capacitor element 12 of four is put in one body and an electrolytic solution is enclosed. A
容器11は、例えば、円筒体ケースであり、円筒体ケースは、4つのセルが1体となったキャパシタ素子12を挿入するためのセル挿入口14とセル挿入口14を封止した封口体15,16と、を有する。封口体15,16の中央には、キャパシタ素子12の両端に接続される電極端子18,20が設けられている。また、容器11には、4区分に電解液を注液するための注液口17を設けている。さらに、容器11の内面は、ポリイミド系コーティング材で絶縁状態に塗装されている。
The container 11 is, for example, a cylindrical case, and the cylindrical case includes a
容器(金属ケース)11のセル挿入口14付近では、封口体15,16を係止するために、容器11に横絞り溝14aが形成され、封口体15,16の周りに密封するための密封部材14bを取り付け、その密封部材14bと一体となった封口体15,16をその横絞り溝14a上に載置した後、容器11の開口端縁11aを内側にカールさせることにより封口体15,16が固定される。
In the vicinity of the cell insertion opening 14 of the container (metal case) 11, in order to lock the
図2は、キャパシタ素子12の一部分を巻き解いた状態で示す図である。キャパシタ素子12は、通常電極21,22とバイポーラ電極23,24,25とを、それらの間にセパレータ26を介在させて4区分にする境界にシール部材27を設けて巻回してなる。
FIG. 2 is a view showing a part of the capacitor element 12 unrolled. Capacitor element 12 is formed by winding
図3は、通常電極21,22の断面図である。通常電極21,22はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体28の両面に、分極性電極29を形成したものからなる。分極性電極29は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を混練してシート状としたものである。なお、集電体28は、箔のほか、金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
集電体28は分極性電極29より幅が広く、集電体28の片側縁部側には分極性電極29よりはみ出ている、はみ出しリード部30が形成されている。
The current collector 28 is wider than the
図4は、バイポーラ電極23,24,25の断面図である。バイポーラ電極23,24,25はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体31の両面ともに、片面に正極用の分極性電極32と負極用の分極性電極33を隙間34を設けて形成している。分極性電極32,33は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を混練してシート状としたものである。なお、集電体31は、箔のほか金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
セパレータ26はポリプロピレン製やマニラ麻製、和紙製などのシートからなる。
The
通常電極21,22とバイポーラ電極23,24,25の間には、セパレータ26がそれぞれ配置される。その際、通常電極21,22のはみ出しリード部30はセパレータ26の縁部から出るように配置される。上記のはみ出しリード部が内側にそれぞれ倒し込まれ、リード面が形成される。
その後、通常電極21,22とバイポーラ電極23,24,25を巻芯35に巻回して外側をテープで止めてキャパシタ素子12とされる。
Thereafter, the
図5は、本発明の第2の実施形態に係る電気二重層キャパシタの断面図である。電気二重層キャパシタ40は、1つの円筒体ケースなどの容器41に、2つのセルを一体にしたキャパシタ素子42を入れ、電解液43を封入したものである。電解液43のキャパシタ素子42を上素子44、下素子45の2つに区分する間での流動を妨げるためのシール部材46が設けられている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of an electric double layer capacitor according to the second embodiment of the present invention. In the electric double layer capacitor 40, a
容器41は、円筒体ケースであり、円筒体ケースは、2つのセルが一体となったキャパシタ素子42を挿入するためのセル挿入口47とセル挿入口47を封止した封口体48と、を有する。また、容器41の底は、防爆弁49が設けられている。さらに、容器41の内面は、ポリイミド系コーティング材で絶縁状態に塗装されている。
The container 41 is a cylindrical case, and the cylindrical case includes a
容器(金属ケース)41のセル挿入口47には、周囲に負極端子50、中央に正極端子51が同軸的に設けられ、負極端子50と正極端子51の間には、絶縁体52が設けられている。
The
図6は、キャパシタ素子42の一部分を巻き解いた状態で示す図である。また、図7は、キャパシタ素子42の断面図である。キャパシタ素子42は、図3で示した構造と同様の構造の通常電極53,54と図4で示した構造と同様の構造のバイポーラ電極55とを、液絡防止用のシール部材57を設け、それらの間にセパレータ56を介在させて巻芯58に巻回してなる。
FIG. 6 is a view showing a part of the
通常電極53はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体59の両面に、シート状の分極性電極60を形成したものからなる。分極性電極60は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を混練してシート状としたものである。なお、集電体59は、箔のほか、金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。そして、この電極が上素子正極となる。
The
集電体59は分極性電極60より幅が広く、分極性電極60は集電体59の下側縁部側に沿って配置されて、したがって、集電体59の上側縁部側には分極性電極60よりはみ出ている、はみ出しリード部61が形成されている。
The
一方、通常電極54はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体62の両面にシート状の分極性電極63を形成したものからなる。分極性電極63は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を混練してシート状としたものである。なお集電体62は、箔のほか金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。そして、この電極が下素子負極となる。
On the other hand, the
集電体62は分極性電極63より幅が広く、分極性電極63は集電体62の上側縁部側に沿って配置されて、したがって集電体62の下側縁部側には分極性電極63よりはみ出している、はみ出しリード部64が形成されている。
The
バイポーラ電極55はアルミニウム箔からなるテープ状の集電体65の両面ともに、片面に正極用の分極性電極66と負極用の分極性電極67を隙間68を設けて形成している。分極性電極66,67は例えば活性炭、カーボンおよびバインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を混練してシート状としたものである。なお集電体65は、箔のほか金属の板状体もしくは網目状体であってもよい。
The
セパレータ56はポリプロピレン製やマニラ麻製、和紙製などのシートからなる。
The
通常電極53,54とバイポーラ電極55の間には、セパレータ56がそれぞれ配置される。その際、通常電極54のはみ出しリード部64はセパレータ56の下側縁部より下に、また通常電極53のはみ出しリード部61はセパレータ56の上側縁部より上に出るように配置される。上記の上下のはみ出しリード部が内側にそれぞれ倒し込まれ、上面および下面にリード面が形成される。
その後、通常電極53,54とバイポーラ電極55を巻芯58に巻回して外側をテープで止めてキャパシタ素子42とされる。
Thereafter, the
このように、複数個分のキャパシタ素子を同時に巻回し、一つの金属ケースに収容するので、容易に組み立てることができ、部品コストおよび組み立て工数を削減することができる。また、キャパシタ素子ごとにシール材で区切られているので、隣り合うキャパシタ素子で短絡を起こすことなく、また、電解液の液落を起こすこともないので、高電圧・高出力を得ることができる。 As described above, since a plurality of capacitor elements are simultaneously wound and accommodated in one metal case, it can be easily assembled, and the parts cost and the number of assembling steps can be reduced. In addition, since each capacitor element is separated by a sealing material, no short circuit occurs between adjacent capacitor elements, and no electrolyte drops occur, so that high voltage and high output can be obtained. .
次に、本発明の電気二重層キャパシタの製造方法を図1〜図4を用いて説明する。 Next, the manufacturing method of the electric double layer capacitor of this invention is demonstrated using FIGS.
キャパシタ素子12はアルミニウム箔からなる集電体31に正極および負極の両分極性電極32,33が塗布された3枚のバイポーラ電極23,24,25と、一枚のアルミニウム箔からなる集電体28に一つの分極性電極29が形成された2枚の通常電極21,22とを用いて形成する。3枚のバイポーラ電極23,24,25はそれぞれ正極と負極の間34に、ポリテトラフルオロエチレンのシール部材27を配置する。
Capacitor element 12 includes three
集電体28,31に分極性電極29,32,33を形成する方法として、スラリー状の電極材料を集電体28,31に塗工し乾燥してもよいし、予め形成しておいた電極シートを集電体28,31に接着してもよい。
As a method of forming the
例えば、4つのキャパシタ素子を直列に接続したものに相当するよう形成された本発明の電気二重層キャパシタ10について説明する。図2に示すように、負極と正極が交互に配置されるようにバイポーラ電極23,24,25と通常電極21,22を配置する。図2においては、内側となるシートでは、通常電極(負極)21、バイポーラ電極(正極、負極)24、通常電極(正極)22と配置する。各電極に対して異なる極性をもつ電極を、セパレータ26を挟んで配置する。このとき、隣り合う電極とは逆方向の集電体(はみ出しリード部)30がセパレータ26より露出するように配置される。また、内側のシートに対してセパレータ26を挟んで、バイポーラ電極(正極、負極)23、バイポーラ電極(正極、負極)25を順に配置する。このとき、内側となるシートとは逆方向の集電体(はみ出しリード部)30が露出するように配置する。バイポーラ電極23,24,25の正極および負極の間にはポリテトラフルオロエチレンで帯状に形成されたシール部材27を配置する。
For example, the electric double layer capacitor 10 of the present invention formed so as to correspond to one in which four capacitor elements are connected in series will be described. As shown in FIG. 2,
そのシール部材27は、集電体31に塗布された分極性電極33の2倍程度の厚さをもつ。これにより隣り合う電極が確実に絶縁される。さらに外側に位置するそれぞれの電極の最外層にセパレータ26を配設する。
The
以上のように配置されたキャパシタ素子材料を一度に(同時に)巻き上げる。これにより、セパレータ26を介して負極と正極の端面が互いに逆方向に露出するようにして巻回されたキャパシタ素子12が4つ直列接続したものに相当する電気二重層キャパシタを一度の巻回作業で形成することができる。
The capacitor element material arranged as described above is wound up at the same time (simultaneously). As a result, the electric double layer capacitor corresponding to the four capacitor elements 12 wound in series with the end faces of the negative electrode and the positive electrode exposed in the opposite directions through the
また、キャパシタ素子材料を巻回した際にそれぞれのシール部材27が余分に一周するように形成する。この巻回物を一つの円筒ケースに挿入し、円筒ケース11の両端を電極端子18,20を備えた集電板と封口体15,16により封口する。さらに、円筒体のキャパシタ素子のセルの区画ごとに開口された注液口17より電解液を注入する。このとき、電極と同時に巻き上げたシール部材27がケースに密着し、シール効果を発揮するため、各キャパシタ素子のセル間で電解液が区切られ、液落が防止される。電解液が液落してしまうと、キャパシタ素子のそれぞれのセルにかかる電圧が均一でなくなり、高電圧の部分と低電圧の部分ができてしまい、高電圧の部分の負荷が高くなり、性能劣化が激しく、耐久性に欠けるものになる。
Further, each of the sealing
以上により複数のキャパシタ素子を直列接続したものと同等の電気二重層キャパシタを簡易な工程と少ない部品点数で成形することができる。 As described above, an electric double layer capacitor equivalent to one in which a plurality of capacitor elements are connected in series can be formed with a simple process and a small number of parts.
本発明は、高電圧・高出力の電気二重層キャパシタとして利用することができる。 The present invention can be used as a high voltage / high output electric double layer capacitor.
10 電気二重層キャパシタ
11 容器
12 キャパシタ素子
13 シール部材
14 セル挿入口
15 封口体
16 封口体
17 注液口
18 電極端子
20 電極端子
21 通常電極
22 通常電極
23 バイポーラ電極
24 バイポーラ電極
25 バイポーラ電極
26 セパレータ
27 シール部材
28 集電体
29 分極性電極
30 はみ出しリード部
31 集電体
32 正極用分極性電極
33 負極用分極性電極
34 隙間
35 巻芯
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electric double layer capacitor 11 Container 12
Claims (2)
軸方向に交互に配置された前記正極および前記負極と、前記正極および前記負極とを対向するようにそれぞれの電極に対して前記セパレータを介して配置された負極および正極とを巻回することにより形成される複数のセルと、
軸方向に交互に配置された前記正極および前記負極の間に配置され、前記セル間を絶縁するシール部材とを備え、
前記複数のセルを金属ケースに収容し、それぞれのセルに電解液を注入したことを特徴とする電気二重層キャパシタ。 A positive electrode formed by forming a polarizable electrode on a sheet-shaped current collector and a negative electrode formed by forming a polarizable electrode on a sheet-shaped current collector are wound through a separator, accommodated in a cylindrical metal case, and electrolyzed. In an electric double layer capacitor formed by injecting a liquid,
By winding the positive electrode and the negative electrode alternately arranged in the axial direction, and the negative electrode and the positive electrode arranged via the separator so that the positive electrode and the negative electrode face each other. A plurality of cells formed;
A seal member that is disposed between the positive electrode and the negative electrode that are alternately disposed in the axial direction, and that insulates the cells;
An electric double layer capacitor, wherein the plurality of cells are housed in a metal case, and an electrolytic solution is injected into each cell.
前記バイポーラ電極が他の前記バイポーラ電極と前記セパレータを介して互いに極性の異なる前記分極性電極が対向するように配置されていることを特徴とする請求項1記載の電気二重層キャパシタ。 A plurality of bipolar electrodes in which the positive electrode and the negative electrode of the polarizable electrode are formed on the surface of a sheet-shaped current collector,
2. The electric double layer capacitor according to claim 1, wherein the bipolar electrode is disposed so that the polarizable electrodes having different polarities face each other through the other bipolar electrode and the separator.
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