JP2014027031A

JP2014027031A - 電気二重層キャパシタ

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Publication number: JP2014027031A
Application number: JP2012164307A
Authority: JP
Inventors: Masumi Fukuma; 眞澄福間; Tetsuo Higashihara; 哲男東原; Junji Suzuki; 純二鈴木; Takayuki Uchida; 孝幸内田; Katsumi Yoshino; 勝美吉野; Jinichi Ogawa; 仁一小川
Original assignee: SATO KOMUSHO KK; Shimane Prefecture
Current assignee: SATO KOMUSHO KK; Shimane Prefecture
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-02-06
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: JP6249546B2

Abstract

【課題】繊維物質を炭化して賦活することにより得られる活性炭を分極性電極として用い、さらなる大容量化を低コストで実現できる電気二重層キャパシタを提供することを課題としている。
【解決手段】本発明は、一対の集電極６，６間に電解液を介在させるとともに、該集電極６，６間のスペースをイオンの通過を許容する絶縁体であるセパレータ７によって区切り、繊維物質を炭化して賦活することにより得られる活性炭である分極性電極８を、各集電極６のセパレータ７側の面に設けた電気二重層キャパシタであって、シート状の繊維物質から得られるシート状活性炭を複数枚重ね合せてなる分極性電極８、或いは綿状の繊維物質から得られる綿状活性炭からなる分極性電極８に、電解液を含浸させ、該分極性電極８を集電極６に押付けて設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、繊維物質を炭化して賦活することにより得られる活性炭を分極性電極として用いた電気二重層キャパシタに関する。

電解液に導体が接すると、電解液と導体の界面にプラス電荷の層とマイナス電荷の層とからなる電気二重層が形成される。この現象を利用して電気エネルギーを蓄えるものが電気二重層キャパシタである。

この電気二重層キャパシタは、急速充電が可能であるとともに、従前の二次電池と比較して充放電を繰返しても劣化することが殆どないという優れた特性を有する一方で、リチウム電池等の二次電池と比較して蓄えられるエネルギー容量が小さいという欠点を有している。

これに対し、近年、表面積の大きい活性炭を分極性電極として利用し、電極と電解液との接触面積を大きくすることにより、静電容量の大容量化を図った電気二重層キャパシタが開発され公知になっている。

具体的な構成を説明すると、一対の集電極間に電解液を介在させるとともに、該集電極間のスペースをイオンの通過を許容する絶縁体であるセパレータによって区切り、活性炭からなる分極性電極を、各集電極のセパレータ側の面に設ける。

そして、これを改良したものとして、繊維物質を炭化して賦活することにより得られる活性炭を、分極性電極として用い、静電容量を増加させた特許文献１に示す電気二重層キャパシタが公知になっている。

特開２００２−２９９１８５号公報

しかし、上記文献の電気二重層キャパシタでは、蓄えられるエネルギー容量をさらに増加させようとした場合、大型化して活性体の表面積を広げるか、或いは、一対の集電極及び分極性電極並びにセパレータのセットを、複数組用意する必要があり、コスト高になる。

本発明は、繊維物質を炭化して賦活することにより得られる活性炭を分極性電極として用い、さらなる大容量化を低コストで実現できる電気二重層キャパシタを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、第１に、一対の集電極６，６間に電解液を介在させるとともに、該集電極６，６間のスペースをイオンの通過を許容する絶縁体であるセパレータ７によって区切り、繊維物質を炭化して賦活することにより得られる活性炭である分極性電極８を、各集電極６のセパレータ７側の面に設けた電気二重層キャパシタであって、シート状の繊維物質から得られるシート状活性炭を複数枚重ね合せてなる分極性電極８、或いは綿状の繊維物質から得られる綿状活性炭からなる分極性電極８に、電解液を含浸させ、該分極性電極８を集電極６に押付けて設けたことを特徴とする。

第２に、繊維物質がセルロース繊維であることを特徴とする。

第３に、セルロース繊維が木綿であることを特徴とする。

第４に、木綿が不織布又は織布であることを特徴とする。

第５に、シート状の繊維物質を、予め複数枚重ねた状態で、炭化処理及び賦活処理することにより、複数枚重ね合されたシート状活性炭を形成することを特徴とする。

第６に、分極性電極８を、セパレータ７と集電極６との間のスペースに圧縮した状態で充填したことを特徴とする。

第７に、各集電極６を、開口部を有する導電性の電極容器によって構成し、分極性電極８を電極容器６内に充填し、一対の電極容器６，６の内部同士がセパレータ７で仕切られるようにして、該電極容器６，６の開口部側同士を接続したことを特徴とする。

第８に、各電極容器６の開口部にフランジ部１７を形成し、一対の電極容器６，６のフランジ部１７，１７同士を、互いに絶縁させた状態で、締着固定したことを特徴とする。

第９に、セパレータ７と、一対の集電極６，６及び分極性電極８，８とを、収容体１２に収容したことを特徴とする。

第１０に、収容体１２をフレキシブルに変更可能な収容袋によって構成したことを特徴とする。

上記構成によれば、シート状の繊維物質から得られるシート状活性炭を複数枚重ね合せてなる分極性電極、或いは綿状の繊維物質から得られる綿状活性炭からなる分極性電極に、電解液を含浸させることにより、集電極やセパレータを別途必要とすることなく、活性炭の表面積を増加させることが可能であり、低コストで、静電容量のさらなる大容量化は図ることが可能になる他、分極性電極を集電極に押付けて設けているため、内部抵抗も低下する。

また、繊維物質がセルロース繊維、さらに具体的には、木綿であるものによれば、木綿が安価なため、コストがさらに低減する。

また、木綿が不織布又は織布であるものによれば、静電容量がさらに増加する。

さらに、シート状の繊維物質を、予め複数枚重ねた状態で、炭化処理及び賦活処理することにより、複数枚重ね合されたシート状活性炭を形成するものによれば、シート状活性炭を、重ね合せる作業が不要になり、製造コストが低減される他、シート状活性体に触れた際の破損も防止できる。

なお、各集電極を、開口部を有する導電性の電極容器によって構成し、分極性電極を電極容器内に充填し、一対の電極容器の内部同士がセパレータで仕切られるようにして、該電極容器の開口部側同士を接続したものによれば、各種部材を収容する部材を別途用意する必要がなく、コストがさらに低減される。

本発明を適用した複数の電気二重層キャパシタをユニット化することによりなるキャパシタユニットの側面図である。本発明を適用した複数の電気二重層キャパシタをユニット化することによりなるキャパシタユニットの平面図である。図１及び図２に示す電気二重層キャパシタの正面図である。図１及び図２に示す電気二重層キャパシタの側面図である。図１及び図２に示す電気二重層キャパシタの平断面図である。図１及び図２に示すキャパシタユニットの変形例を示す平面図である。電気二重層キャパシタの別実施形態の構成を示す側断面図である。電気二重層キャパシタの別実施形態の構成を示す分解側断面図である。図７及び図８に示す集電極の平面図である。（Ａ）は電気二重層キャパシタの測定回路であり、（Ｂ）は電気二重層キャパシタの充放電の特性グラフである。

本願発明者らは、鋭意検討の結果、繊維物質を炭化して賦活することにより得られる活性炭が含浸性に優れていることに着目し、綿状の活性炭又は重ね合わされた複数の活性炭を、分極性電極として用い、この分極性電極に電解液を含有させることにより、電気二重層キャパシタの静電容量が増加することを見出し、これを利用するものである。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１，図２は、本発明を適用した複数の電気二重層キャパシタをユニット化することによりなるキャパシタユニットの側面図及び平面図である。キャパシタユニットは、厚板状に形成された複数の電気二重層キャパシタ１と、該複数の電気二重層キャパシタ１を厚み方向に重ね合せた状態で、該重ね合せ方向両端側から挟持する一対の挟持プレート２，２と、該一対の挟持プレート２，２同士を連結する複数の連結ボルト３とを備えている。

連結ボルト３は、挟持プレート２，２間において、電気二重層キャパシタ１を避けるようにして、挟持プレート２，２の四隅にそれぞれ配置されている。各連結ボルト３は、一方の挟持プレート２から他方の挟持プレート２に挿通されており、該他方の挟持プレート２から突出した連結ボルト３の先端部に連結ナット４をネジ係合されて締付けることにより、挟持プレート２，２間の電気二重層キャパシタ１が互いに密着圧縮された状態で、締着固定される。

この複数の電気二重層キャパシタ１は、後述するように隣接するもの同士が互いに直列接続されるとともに、両端側の電気二重層キャパシタ１を介して、電気の充放電が行われる。以下、この電気二重層キャパシタ１の構成について、詳述する。

図３乃至図５は、図１及び図２に示す電気二重層キャパシタの正面図、側面図及び平断面図である。電気二重層キャパシタ１は、平行な状態で対向する板状の一対の集電極６，６と、この２つの集電極６，６間のスペースを仕切る方形シート状のセパレータ７と、各集電極６とセパレータ７との間に充填状態で介挿された分極性電極８と、一対の集電極間６，６に介在するように各分極性電極８に含浸された電解液と、各種部材を収容する収容部９と、各集電極６，６に取付けられたプレート状の接続端子１１とを備えている。

上記集電極６は、上下方向が長手方向となる方形板状に成形され、少なくとも分極性電極８と接する側の面（内面）を、導体によって構成する必要があるが、本例では全体が導体で構成されている。導体として用いる金属は、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、銀、金又は白金であり、これらの組合せであってもよいが、本例では、この中でも、コスト面を考慮して、鉄を集電極６用の導体として用いている。なお、樹脂シートの表面に、導体層をコーティングすることにより集電極６を構成してもよく、具体的には、樹脂シートの表面に金属膜をメッキする。

また、集電極６の内面の表層部分には、該分極性電極８として用いる活性炭に形成された無数の細孔のサイズに対応した（細孔のサイズに近い）図示しない凹凸が形成され、具体的には、該集電極６の前記表面に０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度の細穴を複数形成してもよい。

なお、繊維状の樹脂シートの表面に集電極６用の導体をコーティングすることにより集電極６を構成した場合、集電極６の表面には、自然に上記大きさの凹凸が形成される。この他、集電極６用金属からなる金属線又は集電極６用金属をメッキした金属線を編みこんで網状シートを形成し、この網状シートを板状の集電極６として用いれば、該集電極６の表面にも上述の凹凸が形成される。これら細穴や凹凸を形成することにより、集電極６と分極性電極８の接触面間の電気抵抗を低減できる。

上記電解液としては、水系の電解液であり、具体的には、濃度が１０〜４０重量％の水酸化カリウム水溶液か、或いは濃度が１０〜３０重量％の水酸化ナトリウム水溶液か、炭酸カリウム水溶液等を用いる。ちなみに、強アルカリとなる電解液は、塩酸等によって容易に中和処理できるため、使用後も安全に廃棄することができ、環境負荷も少ない。

上記分極性電極８は、シート状活性炭を複数重ね合せることにより構成されるか、或いは、ある程度の厚みを有する綿状活性炭から構成される。このシート状又は綿状（図示する例ではシート状活性炭）の活性炭８は、シート状又は綿状の繊維物質を炭化処理することにより製造される繊維状炭を、ガス賦活又はアルカリ賦活することにより得られる繊維状活性炭である。

繊維物質としては、例えば、セルロール繊維や、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系繊維や、石炭タール若しくは石油ピッチからつくるピッチ系炭素繊維や、レーヨンやフェノール等からなる炭素繊維を用いることができる。そして、このなかでも、特に、織布若しくは不織布の木綿、或いは綿状の木綿を、セルロース繊維として、用いることがコスト的に好ましい。

このように、繊維物質を炭化及び賦活して得られる繊維状活性炭８は、含浸性に優れているため、多量の電解液を含有させることが可能である。ちなみに、この繊維状活性炭はそのまま分極性電極８に用いることも可能であるし、或いは、所定サイズに切断して、分極性電極８に用いることも可能である。以下、ガス賦活の場合と、アルカリ賦活の場合に分けて、分極性電極８の製造方法を詳述する。

まず、ガス賦活処理による製造方法について詳述すると、繊維物質を設置した炭化炉において、３００〜８００℃（さらに好ましくは、４００〜８００℃）まで昇温させ、その状態で２５分〜８時間保持した後に、常温まで降温させることにより繊維状炭を得る。続いて、この繊維状炭を設置した管状炉に、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下において、水蒸気、炭酸ガス又はこれらの混合気体を注入しながら、４５０〜９５０℃まで昇温して、この状態を２５分〜８時間保持するガス賦活を行い、繊維状活性炭８を得る。

一方、アルカリ賦活処理による製造方法について詳述すると、繊維物質を設置した炭化炉において、４００℃〜１２００℃まで昇温させ、その状態で５分〜２０時間保持した後に、常温まで降温させることにより繊維状炭を得る。ちなみに、９５０℃以上の温度で炭化処理を行うと後述の賦活速度が遅くなり、処理に時間がかかる。

続いて、窒素ガス、アルゴンガス又はこれらの混合物等からなる不活性ガスと、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液又は炭酸カリウム水溶液とを用いて、上記繊維状炭のアルカリ賦活処理を行う。詳しくは、上記水溶液を、上記炭の重量に対して０．５〜４倍程度用意し、これを上記繊維状炭に加えて十分吸着させる。その後、不活性ガス雰囲気下において、加熱処理を行うことによってアルカリ賦活処理を行い、繊維状活性炭８を得る。

この加熱処理は、繊維状炭に吸着させた水溶液が、急激に蒸発することを防ぐため、室温から１５０℃までは、毎分２℃で昇温させる。そして、１５０℃から所定の賦活温度までは、毎分５℃で昇温させる。このときの賦活温度は、５００〜１０００℃程度とする。加熱処理は１０分〜６時間程度行う。

なお、このように、電解液に用いるものと同一又は同質のものを用いてアルカリ賦活処理を行うため、賦活処理によって得られた繊維状活性炭８を、そのまま電解液に浸すことが可能になり、酸洗浄による中和処理や、イオン交換水による繰返しの洗浄処理や、乾燥処理を軽減若しくは不要とすることが可能になる。

上記セパレータ７は、一方の分極性電極８及び集電極６と、他方の分極性電極８及び集電極６との接触（特に集電極９，９間の接触）を防止する耐アルカリ性の絶縁シートであり、集電極９，９間のイオンの流通及び分極性電極８，８間のイオンの流通を妨げないように構成されている。具体的には、液体が含浸させた際に収縮し難い耐アルカリ性のろ紙や、セルロース繊維やポリビニルアルコール繊維からなるセパレータ７を用いる。

上記接続端子１１は、一対の集電極６，６の外面側に各別に設けられた方形板状部材であり、自身の長手方向が集電極６方向に向けられた状態で、該集電極６に設置されている。具体的には、接続端子１１が、導体（さらに具体的には金属）で構成され、図示する例では、集電極６と同一の金属である鉄によって構成されている。

各接続端子１１の下半部は、集電極６の外面上部に密着している一方で、接続端子１１の上半部は、集電極６の上端よりも上方に延出されている。この接続端子１１を介して、図示する電気二重層キャパシタ１の充填及び放電を行う。これ加えて、一方の接続端子１１は、集電極６の幅方向一方寄りに配置されるとともに、他方の接続端子１１は、集電極６の幅方向他方寄りに配置されている。

上記収容部９は、フレキシブルに変形可能な耐アルカリ性（具体的には、ポリエチレン製）の収容袋（収容体）１２の内部に形成されている。この収容袋１２は、扁平な筒状に成形され、収容袋１２の内部、すなわち、収容部９には、セパレータ７の全部と、一対の集電極６，６の全部と、電解液を含浸させた一対の分極性電極８，８の全部と、一対の接続端子１１，１１の一部とが、厚み方向を収容袋１２と一致させた状態で、差込み収容され、開放された収容袋１２の上端部または下端部が、対向面同士で熱圧着されて密閉される。

また、収容袋１２には、接続端子１１を内部から外側に上方突出させるスリット状の挿通口１２ａが、接続端子１１毎に形成されている。この挿通口１２ａを介して、下部側が密着状態で集電極６に接触した接続端子１１の上部が、収容袋１２外に露出した状態になる。

また、挿通口１２ａと接続端子１１との間は、密閉手段によって密閉されている。具体的には、接続端子１１の集電極９側面（内面）と、収容袋１２の収容部９と反対側の面（外面）とを、固着して密閉する両面テープ又は接着材等の内側固着手段１３と、接続端子１１の集電極６と反対側の面（外面）と、収容袋１２の収容部９側の面（内面）とを、固着して密閉する両面テープ又は接着剤等の外側固着手段１４と、接続端子１１の外面と収容袋１２の外面との境界を覆うように接続端子１１外面及び収容袋１２外面に固着される撥水性の高い密封シール１６とによって、上述の密着手段が構成されている。

この密着手段による挿通口１２ａ側での密閉と、上述した開口端側での対向面同士の熱圧着による密閉とによって、収容部９は密封された空間になる。このように収容部９が密閉空間となるため、分極性電極８に含有させた電解液が収容部９から流出することを防止できるとともに、外部の空気が収容部９内に流入することも防止できる。

さらに、収容部９から、真空ポンプ等によって空気を排出し、該収容部９内を真空状態又は真空に違い低圧状態に設定する。これによって、集電極６の電解液と接する部分（具体的には、集電極６の内面）の酸化がより抑制されるため、錆を効率的に防止できる。

また、一対の集電極１，１間を押圧することによって、分極性電極８及びセパレータ７に含浸させた電解液が若干量流出して底側に溜まるが、収容袋１２の一部を切断等によって開口することにより、この電解液を外部に排出し、その後、この開口部分を介して、真空ポンプ等により、空間を排出し、収容部９を低圧状態又は真空状態とした後、この開口部を熱圧着等によって密封してもよい。

このように、収容袋１２の内部を低圧又は真空とすることにより、収容袋１２の内面によって各集電極６が内部に押圧され、この集電極６，６間に配された一対の分極性電極８，８が圧縮された状態になり、この結果、集電極６と分極性電極８とセパレータ７とが、隣接するもの同士で、互いに押圧されて密着した状態となり、この電気二重層キャパシタ１の内部抵抗が低減される。

なお、収容部を不活性ガス雰囲気として、集電極６の酸化を防止してもよい。具体的には、不活性ガス雰囲気下の室内に、上端、下端側又はその他の部分が開口した状態の電気二重層キャパシタ１を導入することにより、収容袋１２内に該不活性ガスを充填し、この室内で、電気二重層キャパシタ１の開口部分を密封する。ちなみに、図示しないグローブボックス内に不活性ガス雰囲気を形成し、このグローブボックスの内部で、グローブによって上述の作業を行うことにより、効率的な組立作業を行うことが可能になる。

また、上述した通り、図１及び図２に示すキャパシタユニットでは、厚み方向に並べられた複数の電気二重層キャパシタ１において、隣接するもの同士が互いに圧着するように、両端の挟持プレート２によって挟持されているため、分極性電極８及びセパレータ７が厚み方向に圧縮され、分極性電極８と集電極６との密着性がさらに高まる。

さらに、キャパシタユニットにおいて、隣接する電気二重層キャパシタ１，１同士は、接続端子１１，１１同士が直接密着するように、互いの密着面を境に対称な形状に成形され、これによって、キャパシタユニット内で、厚み方向に並べられた複数の電気二重層キャパシタ１１が電気的に直列接続され、両端側の電気二重層キャパシタ１１，１１における挟持プレート２に近い側の接続端子１１Ａ，１１Ｂが、キャパシタユニットの充放電用端子となる。

ちなみに、密着する接続端子１１，１１同士は、互いに自身の電気二重層キャパシタ側に押圧され、隣接する電気二重層キャパシタ１，１同士は、互いの対向面全体が密着又はほぼ密着した状態になり、接続端子１１，１１間の接触抵抗も最小限に抑制される。

以上のように構成される本キャパシタユニットによれば、空気中で酸化し易い鉄を集電極６として用いた場合でも、収容部９の内部を密閉することにより、酸化を防止できるため、大容量のキャパシタユニットを安価に製造できる。

また、集電極６と分極性電極８とが密着するため、内部抵抗も低くなり、エネルギー効率も向上する。ちなみに、収容部９内を不活性ガスで充填して酸化を防止するような場合でも、一対の挟持プレート２，２及び複数の連結ボルト３によって、電気二重層キャパシタ１が厚み方向に圧縮されため、集電極６と分極性電極８の密着性が保持される。

さらに、電解液の含漬性が良好な繊維状活性炭を分極性電極８に用いるため、集電極６及び分極性電極８の全体を、電解液に浸す必要がなく、構成も簡略化され、コストも低減される。

なお、電解液として、水系電解液を用いる例を上述したが、有機系の電解液を用いてもよい。この場合には、分極性電極の賦活方法は、上述した例と同様であるが、電解液と、賦活処理に用いる水溶液とが異なるため、洗浄作業と乾燥をより念入りに行う必要がある。

さらに、分極性電極８を集電極６に押圧して密着させているが、導電接着剤によって、両者を密着させてもよい。具体的には、上述の活性炭の粉末、鉄粉又はニッケル粉末を混合して得られた導電性の接着剤である導電性接着剤によって、上述した集電極６に接着させる。

具体的には、スチレンブタジエンゴム（４３％）をジクロヘキサン、アセトン又はこれらの混合物等の有機溶剤（５７％）で溶かした接着剤（商品名：コニシ株式会社製、ＧＰクリアー）に、分極性電極８で用いる活性炭を粉砕したものを重量比で１：９となるように混練することにより、接着剤を製造し、これを前記導電接着剤として用いる。そして、この導電接着剤を集電極６に塗布した後、シート状の活性炭を集電極６側へ圧着し、１００℃程度の温度で２時間程かけて乾燥させることによって、導電接着剤中の有機溶剤を揮発させることにより、集電極６と分極性電極８とを一体化させる。

また、シート状活性炭８は、１枚毎に形成してもよいが、シート状の繊維物質を、予め複数枚重ねた状態で、炭化処理及び賦活処理することにより、複数枚重ね合されたシート状活性炭８をまとめて一体形成してもよい。

図６は、図１及び図２に示すキャパシタユニットの変形例を示す平面図である。図示する例では、キャパシタユニットを構成する複数の電気二重層キャパシタ１が、平面視で、同一姿勢になるように厚み方向に並列させている。

これによって、隣接する電気二重層キャパシタ１，１同士において、対向面同士の接続端子１１，１１が、幅方向で隣接して側面視ラップするように配置される。ちなみに、幅方向で隣接する接続端子１１，１１同士を電気的に接続する配線を施すことにより、並べられた複数の電気二重層キャパシタが電気的に直列接続される。

次に、図７乃至図９に基づき、電気二重層キャパシタの別実施形態について説明する。

図７及び図８は、電気二重層キャパシタの別実施形態の構成を示す側断面図及び分解側断面図であり、図９は、図７及び図８に示す集電極の平面図である。各集電極６は、一端が開放され且つ他端が閉塞された筒状（さらに具体的には円筒状）の電極容器からなる。この導電性の電極容器６の開放端側には、円形リング状のフランジ部１７が一体形成され、この電極容器６の内周側には、上述した収容部９が形成されている。

この収容部９内には、綿状活性炭からなる分極性電極８または複数枚のシート状活性炭が重ね合わされることによりなる分極性電極８（図示する例では綿状活性炭からなる分極性電極８）が、電解液を最大限含浸された状態で、圧縮充填されている。このようにして、分極性電極８が収容された一対の電極容器６，６は、互いの開放端側が向き合うようにして、フランジ部１７，１７同士が締着固定される。この際、収容部９，９同士は、電極容器６，６間に介在されたシート状の１枚又は２枚のセパレータ７によって、区切られる。

また、フランジ部１７，１７同士を締着固定する固定部材は、図示する例では、締着ボルト１８及び締着ナット１９になり、このフランジ部１７及びセパレータ７には、該フランジ部１７の周方向に沿って所定間隔毎に取付孔１７ａ，７ａが穿設され、この取付孔１７ａ，７ａに挿通された締着ボルト１８の先端部に締着ナット１７がネジ係合されて、フランジ部１７，１７同士が締着固定される。

さらに、締着ボルト１８又は締着ナット１９が、集電極６，６同士を導通させることがないように、締着ボルト１８又は締着ナット１９と、集電極６とを絶縁させる絶縁手段が設けられている。具体的には、締着ボルト１８のボルトヘッドとフランジ部１７との間、及び締着ナット１９とフランジ部１７との間に、締着ボルト１８の軸部が挿通される絶縁リング２１が介挿されるとともに、締着ボルト１８の軸部には、絶縁スリーブ２２が外装され、これらの絶縁リング２１や絶縁スリーブ２２が上述の絶縁手段を構成している。なお、固定部材自体を絶縁体で構成することにより、絶縁手段を構成してもよい。

以上のように構成される電気二重層キャパシタ１によれば、集電極６によって、収容部９を形成するため、分極性電極８や電解液を収納する収容体１２を、別途設ける必要がなく、部品点数が減少して、製造コストが低減される。また、集電極６が外部に露出するため、接続端子１１も不要になり、さらにコストが低減される。

次に、図１０に基づき、電気二重層キャパシタ１の静電容量と内部抵抗を測定する方法について説明する。

図１０（Ａ）は電気二重層キャパシタの測定回路であり、（Ｂ）は電気二重層キャパシタの充放電の特性グラフである。図示する測定回路３１は、２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２を有し、この２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２は、両方とも同時にＯＮされることはなく、何れか一方がＯＮで且つ他方がＯＦＦ、或いは、両方ともＯＦＦに操作される。

スイッチＳＷ１がＯＮ且つスイッチＳＷ２がＯＦＦの場合、測定対象の電気二重層キャパシタ１と、充電電流検知抵抗Ｒ_ｃとは、直列接続されて電源Ｅに直結された状態になり、充電電流検知抵抗Ｒ_ｃにかかる電圧Ｖ_ｃと、電気二重層キャパシタ１にかかる電圧であるキャパシタ電圧Ｖとは電圧計で測定される。また、充電電流検知抵抗Ｒ_ｃに流れる充電電流Ｉ_ｃは以下の式から求める。

一方、スイッチＳＷ１がＯＦＦ且つスイッチＳＷ２がＯＮの場合、測定対象の電気二重層キャパシタ１と、放電抵抗Ｒ_Ｄとが直結されてＲＣ回路を構成し、キャパシタ電圧Ｖがダイレクトに放電抵抗Ｒ_Ｄにかかる状態になり、放電抵抗Ｒ_Ｄにかかる電圧Ｖ_Ｄと、キャパシタ電圧Ｖとは電圧計で測定される。また、放電抵抗Ｒ_Ｄに流れる充電電流Ｉ_Ｄは以下の式から求める。

また、測定回路３１の動作としては、まず、スイッチＳＷ１をＯＮするとともにスイッチＳＷ２をＯＦＦにする充電工程を行い、充電工程が完了すると、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２をＯＦＦして電気二重層キャパシタ１を非接続とする自己放電工程を経て、スイッチＳＷ１をＯＦＦするとともにスイッチＳＷ２をＯＮする放電工程を行う。

上記充電工程では、充電電流Ｉ_ｃが減少して０又はそれに近い値になるとともに、キャパシタ電圧Ｖが増加して電源Ｅと同一の最大値（最大電圧Ｖ_ｍａｘ）になり、その値で一定値又して時点で、電気二重層キャパシタ１への充電が完了する。

充電工程後の自己放電工程では、電気二重層キャパシタ１の自己放電によって、キャパシタ電圧Ｖが最大電圧Ｖ_ｍａｘよりも減少電圧ΔＶ_ＳＤ分だけ減少する。この自己放電工程後に下記放電工程に移行するが、この移行直前のキャパシタ電圧Ｖを初期電圧Ｖ_０とする。

放電工程では、初期段階で、一気にキャパシタ電圧Ｖが降下電圧ΔＶ_Ｄ分だけ減少して、その後、徐々に放電され、キャパシタ電圧Ｖが減少していく。放電開始からｔ秒後のキャパシタ電圧Ｖは、測定対象の電気二重層キャパシタの静電容量をＣとした場合、以下の式で表される。

また、時定数τは次の式が表される。

こので、ｔ＝τの場合のキャパシタ電圧は以下の式で求まる。

すなわち、キャパシタ電圧Ｖが初期電圧Ｖ_０から１／ｅ倍に減少する時間が時定数τとなり、この時定数τが求まれば、放電抵抗Ｒ_Ｄも既知であるため、上述の式から電気二重層キャパシタの静電容量Ｃを測定することが可能になる。

また、放電工程を開始した瞬間に流れる放電電流Ｉ_Ｄである初期電流Ｉ_０を測定すれば、この初期電流Ｉ_０から電気二重層キャパシタ１の内部抵抗ｒも算出することができる。ちなみに、その際の算出式は以下の式に基づく。

以上のように単純な測定回路３１で、電気二重層キャパシタ１の静電容量Ｃや内部抵抗ｒを測定できる。

続いて、上述のように構成された電気二重層キャパシタ１の静電容量Ｃ及び内部抵抗ｒを測定した実験結果について説明する。

＜実験１＞
繊維物質としては、タオル地の木綿を用い、炭化時の温度が４５０℃に設定され、賦活温度が７５０〜８５０℃に設定され、水酸化カリウムを用いたアルカリ賦活によって賦活処理を行い、その後、酸性の水溶液等で洗浄したものを乾燥させることにより、繊維状のシート状活性炭を製造し、これを一辺の長さが５ｃｍとなる正方形状に切断したもの分極性電極８として用い、集電極１としては鉄、電解液としては、水酸化カリウムの濃度が３０重量％の水酸化カリウム水溶液をそれぞれ使用して、電気二重層キャパシタ１を製造した。

この電気二重層キャパシタ１は、図３乃至図５に示すものであり、器具等によって集電極６，６同士を近づく方向に圧縮した状態で実験を行った。

ちなみに、電気二重層キャパシタ１としては、各分極性電極８がシート状活性炭を１枚用いて構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を２枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を３枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を５枚積層して構成されたものとの４種類を用いた。

そして、それぞれの種類の電気二重層キャパシタ１毎に、図１０に示す方法により、一日毎に５回づつで５日間、計２５回測定し、その測定値の平均値を、各電気二重層キャパシタ１の静電容量Ｃ及び内部抵抗ｒとした。その測定結果を下記に示す。

上記表の結果によれば、シート状活性炭の枚数を増加させることにより、静電容量Ｃが比例的に増加している状態が観察された。また、シート状活性炭の枚数の増加によって、内部抵抗ｒが増加しないことも観察された。

＜実験２＞
繊維物質としては、織布の木綿を用い、その他の条件は実験１と同一にして実験を行った。電気二重層キャパシタ１としては、各分極性電極８がシート状活性炭を１枚用いて構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を２枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を３枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を５枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を１０枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を１５枚積層して構成されたものとの６種類を用いた。その測定結果を下記に示す。

＜実験３＞
一辺の長さが２．５ｃｍとなる正方形状に切断した繊維状のシート状活性炭を分極性電極８として用いた以外は、実験２同一条件で、実験を行った。ちなみに、電気二重層キャパシタ１としては、各分極性電極８がシート状活性炭を１枚用いて構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を２枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を３枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を５枚積層して構成されたものとの４種類を用いた。その測定結果を下記に示す。

＜実験４＞
一辺の長さが７．５ｃｍとなる正方形状に切断した繊維状のシート状活性炭を分極性電極８として用いた以外は、実験２と同一条件で、実験を行った。ちなみに、電気二重層キャパシタ１としては、各分極性電極８がシート状活性炭を１枚用いて構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を２枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を３枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を５枚積層して構成されたものとの４種類を用いた。その測定結果を下記に示す。

＜実験５＞
縦１０ｃｍ且つ横１７ｃｍとなる長方形状に切断した繊維状のシート状活性炭を分極性電極８として用いた以外は、実験２と同一条件で、実験を行った。ちなみに、電気二重層キャパシタ１としては、各分極性電極８がシート状活性炭を１枚用いて構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を２枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を３枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を５枚積層して構成されたものとの４種類を用いる。その測定結果を下記に示す。

さらに、実験２〜実験５の結果から、シート状活性炭の積層数だけでなく、シート状活性炭の面積についても、静電容量Ｃに比例関係または略比例関係にあることが明らかになった。これらからシート状活性炭の静電容量Ｃは、活性炭の体積に比例すると考えられる。この実験結果から、安価に体積を大きくできる綿屑から活性炭を製造し、これを分極性電極８に使用できる可能性について、下記実験６を行った。

＜実験６＞
繊維物質としては、綿屑を用い、アルカリ賦活には炭酸カリウムを使用し、それ以外は、実験１と同一の方法で炭化及び賦活処理し、一辺の長さが５ｃｍとなる正方形状に切断した厚板状のもの分極性電極８として用い、他の実験条件は、実験１と同一にして実験を行った。ちなみに、電気二重層キャパシタ１としては、各分極性電極８がシート状活性炭を１つ用いて構成されたものを用いた。その測定結果を下記に示す。

上記表の結果によれば、綿状活性炭を用いても、織布の木綿と同程度の体積当りの静電容量Ｃが得られた。また、内部抵抗ｒも小さいことも観察された。この実験では、アルカリ賦活には、炭酸カリウム水溶液を用い、電解液には水酸化カリウムを用いたが、この２つの物質によって化学的反応は起こらなかったため、これらの性質が異なる物質を用いても、電機二重層キャパシタ１としては、問題がないことが確認された。

＜実験７＞
アルカリ賦活には炭酸カリウムを使用するとともに、電解液として、濃度が５０重量％の炭酸カリウム水溶液を用い、その他の条件は実験２と同一にして実験を行った。ちなみに、電気二重層キャパシタ１としては、各分極性電極８がシート状活性炭を１枚用いて構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を２枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を３枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を５枚積層して構成されたものとの４種類を用いた。その測定結果を下記に示す。

上記表の結果によれば、電解液に炭酸カリウムを用いても、シート状活性炭の枚数を増加させることにより、静電容量Ｃが比例的に増加している状態が観察された。また、シート状活性炭の枚数の増加によって、内部抵抗ｒが増加しないことも観察された。しかしながら、電解液に炭酸カリウムを用いた場合には、水酸化カリウムを用いた場合に比べ、体積当りの静電容量が小さいことも明らかになった。

＜実験８＞
アルカリ賦活には炭酸カリウムを使用するとともに、その他の条件は実験２と同一にして実験を行った。ちなみに、電気二重層キャパシタ１としては、各分極性電極８がシート状活性炭を１枚用いて構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を２枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を５枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を１０枚積層して構成されたものとの４種類を用いる。その測定結果を下記に示す。

上記表の結果によれば、シート状活性炭の枚数を増加させることにより、静電容量Ｃが比例的に増加している状態が観察された。また、実験２の結果と比較すると、水酸化カリウムを電解液に使用した場合、炭酸カリウムで賦活された織布の木綿も、水酸化カリウムで賦活されたものと同等の静電容量を持つことが明らかになった。

＜実験９＞
炭酸カリウムを用いたアルカリ賦活によって賦活処理を行い、その他の条件は実験１と同一にして実験を行った。ちなみに、電気二重層キャパシタ１としては、各分極性電極８がシート状活性炭を１枚用いて構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を３枚積層して構成されたものと、各分極性電極８がシート状活性炭を５枚積層して構成されたものとの３種類を用いる。その測定結果は下記に示す。

上記表の結果によれば、シート状活性炭の枚数を増加させることにより、静電容量Ｃが比例的に増加している状態が観察された。また、シート状活性炭の枚数の増加によって、内部抵抗ｒが増加しないことも観察された。炭酸カリウムで賦活したタオル地の木綿も、水酸化カリウムで賦活で賦活したものと同等の静電容量を持つことが明らかになった。

６集電極
７セパレータ
８分極性電極（活性炭）
１２収容袋（収容体）
１７フランジ部

Claims

一対の集電極（６，６）間に電解液を介在させるとともに、該集電極（６，６）間のスペースをイオンの通過を許容する絶縁体であるセパレータ（７）によって区切り、繊維物質を炭化して賦活することにより得られる活性炭である分極性電極（８）を、各集電極（６）のセパレータ（７）側の面に設けた電気二重層キャパシタであって、シート状の繊維物質から得られるシート状活性炭を複数枚重ね合せてなる分極性電極（８）、或いは綿状の繊維物質から得られる綿状活性炭からなる分極性電極（８）に、電解液を含浸させ、該分極性電極（８）を集電極（６）に押付けて設けた電気二重層キャパシタ。
繊維物質がセルロース繊維である請求項１記載の電気二重層キャパシタ。
セルロース繊維が木綿である請求項２記載の電気二重層キャパシタ。
木綿が不織布又は織布である請求項３記載の電気二重層キャパシタ。
シート状の繊維物質を、予め複数枚重ねた状態で、炭化処理及び賦活処理することにより、複数重ね枚合されたシート状活性炭を形成する請求項１乃至４の何れかに記載の電気二重層キャパシタ。
分極性電極（８）を、セパレータ（７）と集電極（６）との間のスペースに圧縮した状態で充填した請求項１乃至５の何れかに記載の電気二重層キャパシタ。
各集電極（６）を、開口部を有する導電性の電極容器によって構成し、分極性電極（８）を電極容器（６）内に充填し、一対の電極容器（６，６）の内部同士がセパレータ（７）で仕切られるようにして、該電極容器（６，６）の開口部側同士を接続した請求項１乃至６の何れかに記載の電気二重層キャパシタ。
各電極容器（６）の開口部にフランジ部（１７）を形成し、一対の電極容器（６，６）のフランジ部（１７，１７）同士を、互いに絶縁させた状態で、締着固定した請求項７記載の電気二重層キャパシタ。
セパレータ（７）と、一対の集電極（６，６）及び分極性電極（８，８）とを、収容体（１２）に収容した請求項１乃至６の何れかに記載の電気二重層キャパシタ。
収容体（１２）をフレキシブルに変更可能な収容袋によって構成した請求項９記載の電気二重層キャパシタ。