JP4983925B2 - 電気二重層キャパシタ、車両用電源システム、据置用電源システムおよび極板枚数決定方法 - Google Patents

Description

本発明は電気二重層キャパシタ、車両用電源システム、据置用電源システムおよび極板枚数決定方法に係り、特に、両面に電解液層が配置されたバイポーラ極板をセパレータを介して積層した電気二重層キャパシタであって、電解液に水を含む電気二重層キャパシタ、該電気二重層キャパシタと車両用電池とを備えた車両用電源システム、該電気二重層キャパシタとトリクル使用電池とを備えた据置用電源システムおよび該電気二重層キャパシタの極板枚数決定方法に関する。

電気二重層キャパシタ（Electric Double Layer Capacitor、以下、ＥＤＬＣと略称する。）は、高出力密度、高速応答特性等により、産業用、車両用、据置用等種々のエネルギデバイスとして着目されている。

ＥＤＬＣの設計パラメータの一つに適用電圧（外部印加電圧）がある。ＥＤＬＣは、電池とは異なり、外部印加電圧により電気二重層領域に電荷を充電し、外部印加電圧が低下した場合、その電圧低下に応じた電荷量の変化分を放出し、外部に対して仕事をする。外部印加電圧は、ＥＤＬＣに使用される電解液の分解条件に制約を受ける。電解液が分解すると、電気二重層を充電するイオンが消失して容量が低下し、最終的には機能喪失となる。このため、ＥＤＬＣの設計上、電解液の分解電圧はＥＤＬＣの基本構造、とりわけ、極板枚数を決定する基本因子である。ＥＤＬＣを高耐圧とするためには、極板枚数を増やして一組の正負極間に印加される電圧を小さくし、電解液の分解を抑制すればよい。

電解液の分解電圧は温度の上昇によって低下するため、一般に、硫酸系に代表される電解液を用いた水系ＥＤＬＣや、プロピレンカーボネート、アセトニトリルなどの有機電解液を用いた非水系ＥＤＬＣの高温側における使用上限温度は７０°Ｃ程度である。また、ＥＤＬＣは充放電過程でジュール熱等による発熱があり、この温度上昇も使用上限温度付近では問題となる。なお、常温領域で機能するＥＤＬＣの低温側での問題は、分解電圧ではなく、電解液の粘度変化による出力低下や電解液の凝固による機能停止等である。

ＥＤＬＣには、高温域において急激に容量が低下し性能が低下する、という問題がある。例えば、西野敦、直井勝彦、エレクトロニクス材料・技術シリーズ「大容量キャパシタ技術と材料ＩＩＩ」−ユビキタス対応の超小型要素技術と次世代大型要素技術−シーエムシー出版、ｐｐ１４−１４４、（２００６）（以下、非特許文献１という。）では、高温での性能低下のメカニズムとして一つの電気化学反応速度定数の温度依存性をアレニウス式を用いて解釈しており、７０°Ｃを超える高温域では無理があると結論付けている。ＥＤＬＣの設計耐電圧（外部印加電圧）は基本的に使用する電解液の分解電圧に基づき設計される。設計耐電圧は電解液が完全に分解しない条件である必要はないが、設計寿命内での全分解量が許容できる量か否かが理論的には重要である。このため、高温域での電解液の分解電圧に関し、電解液の分解速度、分解電圧が定義され、ＥＤＬＣの使用温度に応じた極板設計ができることが望ましい。また、例えば、日本国特開２００２−２０３７５５号公報に示されるように、バイポーラ極板の両面に電解液層が配置され、セパレータを介してバイポーラ極板が積層されたバイポーラ積層構造のＥＤＬＣが高耐圧化には向いている。

バイポーラ積層構造のＥＤＬＣの中には、上述したように電解液溶液に水を含む水系ＥＤＬＣがある。現在、水系ＥＤＬＣの分解電圧は２５°Ｃで１．２３Ｖであると言われている。しかし、この値はＥＤＬＣの耐圧設計には実用をなさず、実際には、水系ＥＤＬＣの一つのセル（一つの正極と一つの負極間）の耐圧は０．９Ｖレベルで設計されている。すなわち、例えば、５．５Ｖ耐圧仕様のＥＤＬＣの場合は、一組のセルを６つ直列に積層して、合計の耐圧を５．５Ｖとしている。

１．２３Ｖと０．９Ｖとが不一致となる理由は明確である。すなわち、後述するように、常温における水の分解電圧を１．２３Ｖとする場合は、水から酸素、プロトン（Ｈ^＋）から水素が生成する電気化学反応の平衡電位を与える各種濃度（酸素、水素、プロトン、気圧など）がすべて標準状態での熱力学的な平衡電位を示している。現実のＥＤＬＣ内には酸素、水素等活量が１の状態で存在することがないため、一般に言われる１．２３Ｖの分解電圧は理論的には明確に定義でき計測も可能であるが、現実のＥＤＬＣの使用環境とは異なっている。

従って、室温域から高温域までの電解液の分解電圧を定量的、理論的に取り扱うためには、水分解の電気化学反応に関する、反応速度を平衡論的な知見、速度論的な知見をベースに体系化し、各温度で水の分解速度を評価できる技術の確立が必要である。そのためには、平衡論的な取り扱いの限界を明確に示し、速度論的な取り扱いが設定温度におけるＥＤＬＣの極板枚数決定条件、すなわち、設定（使用上限）温度における電解液の分解電圧に関する値を定量化できることが望ましい。これを実現するためには、平衡論、速度論に必要な種々のパラメータの温度依存性に関する情報を基にした理論的な評価が必要となる。

D.
D. Macdonaldらは、原子炉内の材料信頼性として冷却水中の酸化剤、還元剤の反応を検討するために、酸素、過酸化水素、水素などの拡散係数の温度依存性に関する情報を提供している（Corrosion, Vol. 46, No.5, p384 (1990)、以下、非特許文献２という。）。また、ＵＳＰ５，５７９，３５４（Method of
Measuring a Corrosion Potential, Method of Simulating Potential Characteristics
of Reaction Rate and Plant Monitoring System Adopting them）や日本国特許第３，０５３，３２５号（腐食電位のシミュレーション方法および原子炉プラントの運転監視装置）では、原子炉内で進行する冷却水中の酸素、過酸化水素等の放射線分解生成物の還元反応のメカニズムに関して理論的な解を与えている。しかしながら、これらは、水が分解する方向の反応とは逆の反応のメカニズムであり、ＥＤＬＣの極板間の分解電圧評価には使用できない。

玉虫伶太は、水の分解反応に関する標準水素電極電位（Standard Hydrogen Electrode Potential、以下、ＳＨＥと略称する。）に対しての標準電極電位の温度依存性に関するデータを開示している（玉虫伶太、電気化学、第２版、東京化学同人、ｐ３００、ｐ３０２（２０００）、以下、非特許文献３という。）。さらに、玉虫は、電気化学反応の標準速度定数の温度依存性データも示している（玉虫伶太、電気化学、第２版、東京化学同人、ｐｐ３０３−３０６（２０００）、以下、非特許文献４という。）。

また、ＥＤＬＣは、上述したように、高出力密度、高速応答特性に優れるため、例えば、自動車のｘ−ｂｙ−ｗｉｒｅシステム（ｘ：ブレーキ、ステアリングなど）において、重要なエネルギデバイスとなっている。しかし、自動車のエンジンルーム内は場所によって運転中温度が１００°Ｃを超える状況が発生する。今日、自動車のスタータ用電源として一般に普及している電池はできるだけ換気がしやすい場所に設置されているが、それでも渋滞時など電池周辺温度は８０°Ｃを超える状況になりやすい。特に、夏場や熱帯方面ではエンジンルーム、トランクルーム内ともに高温になる。

さらに、近年、環境保全等の見地から、車が停止中にエンジンを停止させるアイドリングストップシステムや、ブレーキ動作時の回生電力で電池充電し、電池の電力をさらに効率よく活用して燃費向上を図るブレーキ回生システム、さらには電池のエネルギでモータを動かして走行をサポートし、燃費向上を図るパワーアシストシステムが開発されている。フルハイブリッド走行システムでは、さらなる高圧電池電圧系、昇圧システムを用いて高燃費走行を達成している。これらのハイブリッド車両において、電池の入出力特性が課題となっている。電池は、ＥＤＬＣが得意とする短時間領域での高出力、高入力特性がＥＤＬＣと比べて低い。従って、学会等においてもＥＤＬＣは早くからハイブリッド車への利用が期待されている（The 7th International Advance Automotive Battery &
Ultracapacitor Conference, May 16-18, 2007, Long Beach, California, USA）。

ＥＤＬＣと電池の並列接続によるハイブリッド電源は原理的にもそれぞれの短所を補い合う優れた電源であり、ハイブリッド車両への適用が進められてきた。例えば、日本国特許第３，８９６，２５８号には、スイッチング回路を設け、電池とＥＤＬＣとを自動車始動時に使い分けをする技術が開示されている。なお、ＥＤＬＣは満充電状態からの放電、空の状態からの充電が最も電荷の出入りが多いため、通常、スイッチング回路等の制御回路がないと、ＥＤＬＣの最高性能は発揮できない。

さらに、ＥＤＬＣは、上述したように、高速応答特性に優れるため、瞬間電力停止などにおいて優れた電力バックアップ機能を有している。この応答速度は原理的なもので、電池の応答が電気二重層の変化の後進行し始めるが、ＥＤＬＣはこの電気二重層の変化そのものであるため、応答速度が電池よりも速い。無停電電源装置（Uninterruptible Power System、以下、ＵＰＳと略称する。）等に用いられる電池は自動車等の鉛蓄電池に比べ設計寿命長いため、ＥＤＬＣを直接電池に接続し続けるとこの長期間の直接トリクル充電電圧により電解され続ける、いわゆるトリクル充電されている状態が続くことにより、ＥＤＬＣの構造が不十分であるとＥＤＬＣの電解液が分解され、機能が喪失する。従って、ＥＤＬＣの電解液の分解速度に関する十分な理論的な評価技術が必要である。

また、ＵＰＳや、太陽光／風力発電・電力貯蔵システムなどの据置用電源システムでは、屋外、屋内問わず、電池の周辺温度は高温になる場合がある。従って、常時ＥＤＬＣをＵＰＳ用電池などに並列接続し瞬間電力停止の高効率、高信頼性応答バックアップシステムとして使う場合、長期トリクル充電に対する設計方法、温度が高い条件の場合のＥＤＬＣの信頼性、ＥＤＬＣの構造として基本になるＥＤＬＣ一個当たり極板枚数等を決定する方法が必要である。

上記の通り、使用温度に対するＥＤＬＣの電解液の分解に関する評価技術が確立されていないため、現在、幅広い温度領域において有効に機能するＥＤＬＣの設計技術はない。すなわち、ＥＤＬＣを構成する極板枚数はＥＤＬＣ使用上限温度を基準に設定されるが、理論的な基盤が不明瞭であるため、高温域で有効に機能するか不明であり、機能するとしてもかなり高コストのＥＤＬＣとなってしまう。

特に、原子力プラント、火力プラント、化学プラント、鉄鋼業など、高温環境において必要とされるエネルギデバイスは今後、バックアップ電源等含め、制御システムにおいても必要とされてくる。

また、車両用電源システムでは、以下のメリットを考慮すると、ＥＤＬＣを電池に直接並列接続できることが好ましい。すなわち、ｉ）車両における頻繁な充放電に伴う電池の電圧変動に対して、特に充放電初期に流れる電流を並列回路のＥＤＬＣが受け持つ役割があり、これにより電池への付加を低減でき、車載電力の安定供給とシステムの安定化、高信頼化が図れる。ｉｉ）スイッチング等の制御デバイスが不要であるため、低コストで車載電力及び電源システムの安定化、高信頼化が図れる。ｉｉｉ）リチウムイオン電池等の高付加価値電池を、より低コスト電池で代替できる可能性があり、自動車市場でのハイブリッド化が促進でき、地球全体としてハイブリッド車両の数が増えることにより、ＣＯ_２削減を加速することができる。なお、自動車発電制御において、発電制御時スイッチング動作時に発生するパルス状の高電圧ノイズに対してもＥＤＬＣの直接並列接続は基本的にノイズ吸収機能を有する。

しかしながら、ＥＤＬＣを電池に直接並列接続する場合には、以下の課題がある。（１）電池への直接続であるため、電池の電圧が常時ＥＤＬＣに印加され、常時電解液が分解にさらされ、ＥＤＬＣ寿命設計が難しい。（２）常時充電される状態にあるため、ＥＤＬＣの最高入力性能は発揮できない。（３）エンジン系統は高温にさらされるため、基本的に高温系で有効に作動するＥＤＬＣ設計が困難である。上記の直接ハイブリッドを達成するには課題である（１）と（３）を解決できればよい。（２）は接続回路上本質的なものであり、直接接続では避けられない。（１）、（２）を解決するためには、上記のように、高温系でのＥＤＬＣの構造を決定するための基盤である電解液の分解電圧に関する理論とこれに基づく設計指針が必要である。

さらに、据置用電源システムでは、車両用電源システムで主な課題となる使用温度の他に、長期にわたるトリクル充電に対するＥＤＬＣの分解速度および分解速度に対応する分解電圧に関する理論的な評価技術が必要である。

本発明は上記事案に鑑み、使用温度と水の分解電圧との論理的関係により極板枚数が設定されたＥＤＬＣ、該ＥＤＬＣと車両用電池とを備えた車両用電源システム、該ＥＤＬＣとトリクル使用電池とを備えた据置用電源システムおよび該ＥＤＬＣの極板枚数決定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、両面に電解液層が配置されたバイポーラ極板をセパレータを介して積層した電気二重層キャパシタであって、電解液に水を含む電気二重層キャパシタにおいて、外部印加電圧Ｅ（ボルト）を正負極一対の組数で定義される構成セル数Ｎで割った電圧が、使用温度に対する、水素とプロトン系の電気化学反応、水と過酸化水素系の電気化学反応、過酸化水素と酸素系の電気化学反応に基づいて求められた水の分解電圧Ｖ（ボルト）未満となるように前記構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が決定され、前記水の分解電圧Ｖは、使用温度に対する、水素とプロトン系の電気化学反応、水と過酸化水素系の電気化学反応および過酸化水素と酸素系の電気化学反応の標準電極電位、標準速度定数、酸素、水素、過酸化水素の拡散係数の温度依存性を有する関数を用いて求められたことを特徴とする。

本発明において、構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数は、使用温度に対する、水素とプロトン系の電気化学反応、水と過酸化水素系の電気化学反応、過酸化水素と酸素系の電気化学反応に基づいて水の分解電圧を求め、外部印加電圧Ｅ（ボルト）を正負極一対の組数で定義される構成セル数Ｎで割った電圧が、水の分解電圧未満となるように決定され、水の分解電圧Ｖは、使用温度に対する、水素とプロトン系の電気化学反応、水と過酸化水素系の電気化学反応および過酸化水素と酸素系の電気化学反応の標準電極電位、標準速度定数、酸素、水素、過酸化水素の拡散係数の温度依存性を有する関数を用いて求められる。

このような電気二重層キャパシタは、種々の産業用システムに利用できる他、車両用電池に直接並列接続された車両用電源システムや、トリクル使用電池に直接並列接続された据置用電源システムとしても利用することができる。

本発明によれば、電気二重層キャパシタが使用温度と水の分解電圧との論理的関係により極板枚数が決定されるので、電気二重層キャパシタを有する種々のシステムの高信頼性を確保できる、という効果を得ることができる。なお、以下に述べる実施の形態および実施例では、この他に種々の効果を奏するが、それらについては後述する。

以下、本発明が適用可能な円柱状電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）の実施の形態について説明する。

（ＥＤＬＣの基本構造）
図１および図２に示すように、本実施形態のＥＤＬＣ２０は、正負極一対で定義されるセルが複数積層されている。図１に示すＥＤＬＣ２０は常温域（例えば、２５°Ｃ）で使用されるもので、構成セル数Ｎは６であり、図２に示すＥＤＬＣ２０は高温域（例えば、２００°Ｃ）で使用されるもので、構成セル数Ｎは１０である。

ＥＤＬＣ２０は、構成セル数Ｎより１だけ少ないバイポーラ極板７を有している。バイポーラ極板７の材質としては、使用上限温度が７０°Ｃくらいまでは、例えば、導電性ゴム等で対応可能であるが、使用上限温度が７０°Ｃを超える高温域では、ステンレスやチタンなどの金属導電集電材料とすることが好ましい。

バイポーラ極板７の両面には、カーボンブラック等の導電助剤を含む活性炭に硫酸を含む電解液を浸潤させた電解液層６が配置されている。活性炭、導電助剤の混合比は構成セル数Ｎの決定上は重要な要素ではなく、混合比は通常のＥＤＬＣの範囲のものが使用できる。活性炭も木質系原料であってもよいが、不純物が少なく細孔サイズが制御しやすいフェノール樹脂系を原料とする活性炭が望ましい。電解液層６に注液される電解液には、例えば、２Ｍ希硫酸を用いることができる。隣り合う電解液層６同士はセパレータ５によって隔離されている。

積層方向端部には、それぞれ、正極集電部３、負極集電部４が配置されている。これらの集電部はバイポーラ極板７と同一の材質を用いることができるが、バイポーラ極板７が両面で正負極の極性を有するのに対し、一方の極性しか有していないため、名称上の相違が生じている。バイポーラ極板７と同様に、正極集電部３、負極集電部４の内側には、それぞれ、電解液層６が配置されており、セパレータ５により隣り合う電解液層６（バイポーラ極板７の一面側に配置された電解液層６）と隔離されている。

正極集電部３、負極集電部４の外側には、それぞれ、ステンレススチール等の金属製の正極端子１、負極端子２が配置されている。外部印加電圧は、これらの正極端子１、負極端子２に印加される。この外部印加電圧は、正負極一対の組数で定義される構成セル数Ｎで均等に分割される。本実施形態では、分割された電圧が使用上限温度における水の分解電圧を超えないように構成セル数Ｎが決定されている。なお、図１、２から明らかなように、バイポーラ極板７の極板枚数は構成セル数Ｎより１だけ小さい数となる。

正極集電部３、負極集電部４、セパレータ５、電解液層６、バイポーラ極板７の周面および正極集電部３、負極集電部４の端面には、高温耐圧樹脂製絶縁材１０が配置されている。高温域で使用されるＥＤＬＣ２０の絶縁材１０としては、例えば、フッ素系の樹脂材料等を使用することができる。なお、セパレータ５は、隣り合う電解液層６同士が短絡しないように、絶縁材１０に形成された溝まで延出されている。

絶縁材１０は高耐圧金属ケース９で被覆されている。金属ケース９には、例えば、ステンレススチール、ニッケル基合金等、耐圧強度があるものが好ましい。本実施形態では、金属ケース９は負極端子２と同電位とされており、正極端子１とは電気的に絶縁されている。

また、本実施形態のＥＤＬＣ２０は電解液注入口８を有している。電解液注入口８は金属ケース９および絶縁材１０を貫通し、電解液層６まで連通されている。高温域で使用されるＥＤＬＣ２０の電解液注入口８としては、例えば、ステンレススチール等の金属材料を用いることができる。本実施形態では、電解液注入口８は図示しないコックを有しており、電解液注液時にはコックを開き電解液を加圧注入する構成となっているが、使用用途に応じて、図３に示すように、電解液注入口８をめくら栓とするような構成であってもよい。

従って、本実施形態のＥＤＬＣ２０について一言すれば、両面に電解液層６が配置されたバイポーラ極板７をセパレータ５を介して積層し、電解液に水を含むＥＤＬＣである。なお、本実施形態では、円柱状ＥＤＬＣを例示したが、本発明は例示した形状に限らず、例えば、多角形、楕円状、角型ＥＤＬＣ等にも適用可能である。

本実施形態のＥＤＬＣ２０の特徴の一つは、外部印加電圧Ｅを構成セル数Ｎで割った電圧が、使用温度に対する、水素／プロトンの電気化学反応、水／過酸化水素の電気化学反応、過酸化水素／酸素の電気化学反応に基づいて求められた水の分解電圧Ｖ未満となるように構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が決定されていることである。以下、この理論背景について説明する。

（水の分解電圧）
これまでに述べたように、電解液が外部印加電圧Ｅに対して安定に電気二重層充電に必要なイオンを供給できるか否かは、ＥＤＬＣが最適に機能するか否かと表裏一体である。一般に言われるリーク電流は水の電気分解による電気化学反応によって消費される電流成分である。水の分解反応は下式（１）、（２）で示すことができる。

一般に言われる水の分解電圧１．２３Ｖをここで明確に定義し、この意味が現実のＥＤＬＣの設計に役に立っていない理論的背景について整理する。

＜平衡論＞
式（１）、（２）の電気化学反応はいわゆるネルンストの式で、それぞれの反応の電極電位とそれぞれの酸化体、還元体の濃度の関係は下式（３）、（４）で与えられる。

式（３）において、Ｅ（Ｈ^＋／Ｈ_２）は式（１）の電気化学電位、［Ｈ^＋］は水素イオン濃度（活量）、Ｐ（Ｈ_２）は水素分圧を示している。Ｅ^０（Ｈ^＋／Ｈ_２）は式（３）の自然対数項がゼロ、すなわち水素イオン濃度、水素分圧がそれぞれ１の場合に対応する、いわゆる標準電極電位である。電気化学電位は国際的な取り決めとしてこのＥ^０（Ｈ^＋／Ｈ_２）＝０とし、標準水素電極電位を基準として電気化学電位を表示をする。標準電極電位は任意の温度で異なる値を持ち、温度一定であれば一定の値をもつ。Ｌｎは自然対数である。

式（４）において、Ｅ（Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ）は式（２）の電気化学電位、［Ｈ^＋］は水素イオン濃度（活量）、Ｐ（Ｏ_２）は酸素分圧を示している。Ｅ^０（Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ）は式（３）の場合と同様に式（４）の自然対数項がゼロ、すなわち水素イオン濃度、酸素分圧がそれぞれ１の場合に対応する、標準電極電位である。なお、Ｒ、Ｔ、Ｆはそれぞれ気体定数、絶対温度、ファラデー定数である。

式（４）と式（３）の差分が平衡論から見た理論分解電位差に相当する。下式（５）における△Ｅは式（４）から式（３）を差し引いた結果である。

式（５）の△Ｅを超える電圧を外部から印加すると水はｐＨとは無関係に水素と酸素に分解されて行く。ｐＨに無関係な理由は式（５）においては式（３）と式（４）中のプロトン濃度項がキャンセルされてしまうからである。式（５）で酸素分圧、水素分圧が１の場合、式（５）は下式（６）となる。

この場合、水の分解電圧は各温度における式（３）、（４）の標準電極電位の差に対応する値となる。任意の温度における式（３）、（４）の標準電極電位が得られれば、式（６）により一つの理論的な分解電圧の指針となる。

しかし、式（３）、（４）で示されるように、水素とプロトンの平衡電位、酸素と水の間の平衡電位には水素、酸素の分圧がパラメータとなる。ＥＤＬＣを作製する場合、通常、予め水素を注入することはない。大気圧下では８ｐｐｍの酸素が混入するが、ＥＤＬＣ使用中に溶存酸素は負極で水まで還元される。この結果、理論的な分解電圧は数式上では標準電極電位の差（式（６））とはならない。従って、ネルンストの式による平衡電位は一方のプロトンにとっては還元体の水素、水（後述するように電子移動を受けるのはＯＨ⁻イオン）の酸化種である酸素が定量存在しないため、平衡電位は不安定で定まらない。上記の電気化学反応の酸化還元平衡は酸化反応と還元反応の速度が等しい動的な平衡状態である。数式上は式（５）において定義されるものの、一方の反応速度があまりにも小さいか、存在していない場合は電位が現実的に定まらない。

平衡論での議論はここまでが限界である。一般的に言われる水の分解電位は式（６）に基づく値であり、この値が意味する内容は上記のように標準状態を意味する。１．２３Ｖは現実のＥＤＬＣの分解電圧とは異なる条件での値であるため、実際の水系の設計分解電圧（約０．９Ｖ）と大きく異なる。このため、平衡論のみで現実のＥＤＬＣ理論分解電圧を定めることには現実意味がない。

＜速度論＞
次に、水の酸化分解反応速度、還元分解反応速度について理論的取り扱いを試みる。

（Ａ）水の酸化分解反応速度
式（２）に示す水の酸化分解反応は、下式（７）、（８）の２つの反応の分割評価ができる。式（７）（８）それぞれで、標準電極電位が定義され、非特許文献３に示されるように電気化学反応として標準電極電位が定義、計測できる反応式である。式（７）、（８）を直接速度式で表現し、方程式を解き、任意の温度における水の酸化分解による酸素の発生速度を表すこととする。

式（７）、（８）は２段の連続した電気化学反応であり、以下の境界条件、絶対反応速度論を基にした電気化学反応速度の関係式を基に式（７）、（８）の全反応速度を得るための連立方程式を得ることができる。

ただし、式（９）、（１０）において、Ａ_１１＝ｅｘｐ｛（２α_１Ｆ／ＲＴ）（Ｅ−Ｅ_１０）｝、Ａ_１２＝ｅｘｐ｛−（２（１−α_１）／ＲＴ）（Ｅ−Ｅ_１０）｝、Ａ_２１＝ｅｘｐ｛（２α_２Ｆ／ＲＴ）（Ｅ−Ｅ_２０）｝、Ａ_２２＝ｅｘｐ｛−（２（１−α_２）／ＲＴ）（Ｅ−Ｅ_２０）｝、ａ_１＝２Ｆ／Ｄ_Ｈ２Ｏ２／δ_Ｈ２Ｏ２、ａ_２＝２Ｆ／Ｄ_Ｏ２／δ_Ｏ２と定義される。

ここに、ｉ_１は式（７）の反応の速度に対応する電流（Ａ／ｃｍ^２）、ｉ_２は式（８）の反応の速度に対応する電流（Ａ／ｃｍ^２）、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデー定数である。ｋ_１０、ｋ_２０はそれぞれ式（７）の酸化反応、還元反応に関する標準速度定数（ｃｍ^４／（モル・ｓ）、ｃｍ^７／（モル^２・ｓ））、ｋ_３０、ｋ_４０は式（７）の酸化反応、還元反応に関する標準速度定数（ｃｍ／ｓ）、ｃｍ^７／（モル^２・ｓ））である。〔Ｈ_２Ｏ〕は極板界面の水の濃度（モル／ｃｍ^３）、［Ｈ^＋］は極板界面のプロトンの濃度（モル／ｃｍ^３）である。極板界面の水の濃度、プロトン濃度は一定とみなすことができる。α_１は式（７）の酸化反応方向の遷移係数、α_２は式（８）の酸化反応方向の遷移係数である。Ｅ_１０、Ｅ_２０はそれぞれ式（７）、（８）の標準電極電位である。Ｄ_Ｈ２Ｏ２、Ｄ_Ｏ２はそれぞれ過酸化水素、酸素の拡散係数（ｃｍ^２／ｓ）である。δ_Ｈ２Ｏ２、δ_Ｏ２はそれぞれ過酸化水素、酸素の拡散層厚（ｃｍ）で、無撹拌状態で下式（１１）で示すことができる。

式（１１）において、ｉはｉ種の化学種に関する値、ｔは拡散層が成長し始めてからの時間を示す。通常、ＥＤＬＣ内極板近傍の拡散層厚が自然対流などの影響で頭打ちになる定常厚レベル近似とし、通常ｔ＝３０秒が使用される。

ところで、式（９）、（１０）中の電流項（ｉ_１／ａ_１−ｉ_２／ａ_１）は水分解で酸素が発生する反応の中間体である過酸化水素Ｈ_２Ｏ_２の極板界面の濃度に対応する項である。式（９）、（１０）は、下式（１２）〜（１４）に示される境界条件を基にして導かれる。拡散方程式に関するフィックの第二法則で、∂Ｃ_ｉ／∂ｔ＝∂^２Ｃ_ｉ／∂ｘ^２＝０（定常状態近似）、初期条件として、ＥＤＬＣ中には過酸化水素、酸素濃度はゼロと仮定する（大気圧下の酸素は、現実負極で還元消費され水に戻る。）。

式（１２）〜（１４）において、Ｃ_ｉはｉ化学種（ここでは、水、過酸化水素、酸素）の濃度、ｘはＥＤＬＣ極板面をゼロとして極板から対極方向（垂直方向）への距離（ｃｍ）を示す。ここで、偏導関数に関してはｔ時間後の定常状態を仮定し、式（９）、（１０）を導くことができる。式（９）、（１０）の連立方程式を解き、ｉ_１，ｉ_２を求めると、下式（１５）、（１６）の通りとなる。ただし、式（１５）、（１６）におけるψ、ξは式（１７）、（１８）で表される。

従って、水の酸化反応速度、ｉ（Ａ／ｃｍ^２）は、下式（１９）に示すように、式（１５）、（１６）の総和で表される。

（Ｂ）水の還元分解反応速度
水が分解する場合、高電位の正極において酸化反応によって酸素が発生し、低電位の負極においてプロトンＨ^＋の還元反応が進行し、水素が発生する。両方の反応速度が等しく進行して初めて水の分解反応となる。以下、プロトンの還元反応の速度についての式を示す。式（１）を直接速度式で表現すると下式（２０）となる。

ただし、式（２０）において、Ｈ_１１＝ｅｘｐ｛−（２α_ｈＦ／ＲＴ）（Ｅ−Ｅ_ｈ０）｝、Ｈ_１２＝ｅｘｐ｛２（１−α_ｈ）Ｆ／ＲＴ）（Ｅ−Ｅ_ｈ０）｝、ｂ_１＝２Ｆ／Ｄ_Ｈ２／δ_Ｈ２と定義される。

ここに、ｊ（Ａ／ｃｍ^２）は式（１）の全反応速度（還元反応を正とする）、ｋ_ｈ１０（ｃｍ^４／モル・ｓ）、ｋ_ｈ２０（ｃｍ／ｓ）はそれぞれ式（１）の還元反応、酸化反応の標準速度定数に対応する。Ｄ_Ｈ２は水素の拡散係数（ｃｍ^２／ｓ）、δ_Ｈ２は水素の拡散層厚（ｃｍ）である。α_ｈは式（１）の還元方向の遷移係数、Ｅ_ｈ０は式（１）の標準電極電位である。電気化学電位表示の取り決めで、式（１）に対応する標準電極電位の値をゼロとするため、Ｅ_ｈ０＝０である。式（２）をｊについて解くと、式（１）、すなわち水の還元分解に関する分解速度を表す式（２１）が得られる。

式（１９）、（２１）より任意の水の分解速度、分解量に対応する酸化分解反応、還元分解反応の電位から分解電圧が得られる。任意の分解速度に対応する分解電圧はｉ＝ｊ（符号は絶対値）の条件で与えられた分解速度に対応する式（１９）の電位Ｅ_ｏｘ、式（２１）の電位Ｅ_ｒｅｄを求め、下式（２２）から分解電圧Ｖを求めることができる。

また、水の分解量は下式（２３）で求めることができる。

＜温度依存性＞
式（１９）、（２１）、（２２）、（２３）より、任意の分解速度に対応した水の分解電圧および分解量を求める関係式を得ることができる。以下、任意の温度に対する分解電圧を評価する方法を示す。

上記の速度式中で重要な温度依存性を含む独立パラメータは標準電極電位、速度定数、拡散係数が重要である。拡散係数、拡散係数の温度依存性に関しては非特許文献２より、標準電極電位、速度定数に関してはそれぞれ非特許文献３、非特許文献４を引用することとする。標準速度定数の温度依存性については非特許文献４の値を基に平均データを求め、標準速度常数の温度係数は４０ｋＪ／モルとした。標準電極電位の温度依存性に関しては非特許文献３を引用した。これらを基にそれぞれのパラメータを温度（絶対温度）関数で表し、式（１９）、（２１）に代入し、任意の温度における分解電圧を求める関係式を得ることができる。

ここで、式（２６）〜（３１）中の定数項ｋ_１〜ｋ_ｈ２は実際の水系ＥＤＬＣの耐圧電圧を基に決定することとした。すなわち、式（２４）から式（３４）を式（１９）、式（２１）に代入し、設計寿命、水の分解量を仮定し２５°Ｃにおける分解電圧を式（２２）より求め、通常の水系ＥＤＬＣの耐電圧から、定数項ｋ_１〜ｋ_ｈ２を決定する。次元は異なるが、絶対値として標準速度定数の定義からｋ_１＝ｋ_２、ｋ_３＝ｋ_４、ｋ_ｈ１＝ｋ_ｈ２の関係がある。ｋ_１〜ｋ_ｈ２の次元はそれぞれに関して標準速度定数ｋ_１０〜ｋ_ｈ２０の次元と一致する。

以上の通り、水の分解電圧は、使用温度に対する、水の分解電圧を水素とプロトン系の電気化学反応、水と過酸化水素系の電気化学反応および過酸化水素と酸素系の電気化学反応の標準電極電位、標準速度定数、酸素、水素、過酸化水素の拡散係数の温度依存性を有する関数を用いて求められる。

（構成セル数の決定）
次に、設定評価温度における電解液の分解電圧を求め、それぞれの温度で機能できるＥＤＬＣの設計条件である極板枚数を決定する。図４はこの手順を模式的に示したものである。なお、図４において、「水の理論酸化分解、還元分解評価」および「常温常圧、標準状態理論電流電位」については、上記（水の分解電圧）で既に述べたので、以下では、図４における「任意の温度における理論電流電位曲線」以降について説明する。

上記式（１９）、（２１）、（２２）、（２３）を用い、分解速度、分解電圧、分解量を求める。ここでは、上記の理論計算に必要な設計条件を設定する。設計条件には、例えば、（ａ）設計寿命、（ｂ）設計寿命の全電解液の分解許容量、（ｃ）外部印加電圧Ｅ、（ｄ）ＥＤＬＣ２０を構成する極板の全面積、（ｅ）使用（上限）温度を挙げることができる。

分解速度が従属変数となり、上記条件に合う分解速度に対応した水の分解電圧が決定される。次に、外部印加電圧Ｅを構成セル数Ｎで割った電圧が、使用温度に対して求められた水の分解電圧Ｖ未満となるように構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が決定される。本実施形態のＥＤＬＣ２０はこのように構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が決定されたものである。なお、後述する実施例ではより具体的にこれらの決定手順について説明する。

本実施形態のＥＤＬＣ２０は、産業用、車両用、据置用ＥＤＬＣとして広く使用することができる。とりわけ、本実施形態のＥＤＬＣ２０は、スイッチング回路を設けることなく電池と直接並列接続が可能である。このような構成についても以下の実施例でさらに詳しく説明する。

以下、具体的にＥＤＬＣ２０の構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数の決定手順、ＥＤＬＣ２０の用途等について説明する。

（実施例１−ＥＤＬＣ）
上記理論計算に必要な設計条件を次の通りとした：（ａ）設計寿命：５年、（ｂ）設計寿命の全電解液の分解許容量：０．１ｇ未満、（ｃ）外部印加電圧：５．５Ｖ、（ｄ）ＥＤＬＣを構成する極板の全面積：１００ｃｍ^２、（ｅ）使用温度：２５°Ｃ、７０°Ｃ、１００°Ｃ、２００°Ｃ、３００°Ｃ。なお、ＥＤＬＣ２０の電解液として２Ｍ希硫酸を用いた。

式（１９）、（２１）、（２２）、（２３）のプログラムを設け、上記の条件を満たす（２６）〜（３１）式中の定数項ｋ_１〜ｋ_ｈ２を求めると、２つの場合が存在する。一つはすべての定数項ｋ_１〜ｋ_ｈ２が１０^５の場合、他はｋ_１＝ｋ_２が１０^２〜１０^５、他の定数項が１０^５の場合に上記条件が満たされる。

２つの場合が速度論的に存在する理由は、式（７）、（８）の標準電極電位の違いが大きく影響し、全体の速度への影響が始めの分解反応ステップ、すなわち過酸化水素を生成する式（７）ではなく、過酸化水素が酸素に分解する式（８）が全酸化反応速度ｉを決定する影響が強いからである。２５°Ｃにおいて、式（７）のＥ_１０＝１．７７Ｖｖｓ．ＳＨＥ（標準水素電極電位）であるのに対し、式（８）のＥ_２０＝０．６８Ｖｖｓ．ＳＨＥである。

従って、水分解の最初のステップである式（７）の反応が進行し始めた時点では、式（８）は既に大きな印加電圧が発生しているため、一気に反応が加速され酸素発生まで行く。このため、電気化学反応速度が印加電圧に対して指数関数的に大きくなり、印加電圧が大きい式（８）の反応速度が結果として水の酸化分解速度に大きく影響する。

以上の条件で各温度における分解速度、分解電圧、分解量をそれぞれ式（１９）、（２１）、（２２）、（２３）を用いて求める。下表１はこれらの結果を整理したものである。

表１に示すように、分解速度は大変小さく１０^−７．５Ａ／ｃｍ^２となり、それぞれの温度における分解電圧は温度の上昇につれて小さくなり、ＥＤＬＣ２０の構成に必要な構成セル数Ｎは３００°Ｃでは２５°Ｃの倍以上必要になる。

また、表１から、従来の理論分解電圧である標準電極電位の温度依存性は明らかに分解電圧と異なり、特に高温になるに従い両者の隔たりが大きい。従来の理論分解電圧の３００°Ｃでの値は標準電極電位で０．９９２Ｖであるのに対して、実際の設計条件（７０°Ｃまでは現状の水系ＥＤＬＣの耐圧条件を満たす）で見た、分解電圧は３００°Ｃでは標準電極電位の半分に満たない値０．４１１Ｖである。

さらに、印加電圧５．５Ｖに対して設定分解速度を満足するバイポーラ積層構造は２５°Ｃではバイポーラ極板５枚で構成できるのに対して、７０°Ｃでは６枚が必要である。５枚のバイポーラ極板枚数では構成セル（正負極の１対１の組数：最小構成単位）あたりの印加電圧は５．５／（５＋１）＝０．９２Ｖ＞０．８９４（表１）となり、５枚のバイポーラ極板枚数（構成セルは６つ）では分解速度は設計条件を逸脱する。従って、７０°Ｃでは７つの構成セル（バイポーラ極板枚数：７−１＝６枚）でＥＤＬＣを構成するためには、バイポーラ極板は構成セル数より１つ少ない６枚でＥＤＬＣを作製する必要がある。構成セル数はバイポーラ枚数よりも１つ多くなる。

図１に示すＥＤＬＣ２０は５枚のバイポーラ極板で構成され、構成セル（正負極の組数）は５＋１＝６となる。構成セルへの印加電圧は５．５／６＝０．９２Ｖ＜０．９７８Ｖ（表１）となり設計条件を満たす。

一方、２００°Ｃでは表１に示すように分解電圧が０．９７８Ｖから０．６１８Ｖへと低下する。必要な構成セル数は５．５Ｖ／１０＝０．５５Ｖ＜０．６１８Ｖ（表１）となり４つ増やして１０個の構成セルにすれば設計条件が満たされ、設計寿命５年が得られる。構成セル数９個（バイポーラ極板数８枚）では５．５Ｖ／９＝０．６２Ｖ＞０．６１８Ｖとなり設計条件は満たされない。

３００°Ｃでは、分解電圧はさらに低下するため、バイポーラ極板枚数は１３枚、構成セル数は１４となる。上述したように、ＥＤＬＣ２０には、電解液を加圧注入し、封止するための電解液注入口８が設けられている。３００°Ｃでは２Ｍ希硫酸の沸騰を防ぐために１００気圧レベルの加圧が必要である。このため、図１、２に示すように、ＥＤＬＣ２０は、金属ケース９を高耐圧とし、正負極端子はテーパ状で、構成され内部からの圧力に耐えられる構造が採られている。

図５は式（１９）を用いて得られた、２００°Ｃにおける水の酸化分解による酸素発生反応の理論電流電位曲線を示したものである。また、図６は式（２１）を用いて得られた２００°Ｃにおける水素発生反応に関する理論電流電位曲線を示したものである。表１における正極電位０．８５３１Ｖｖｓ．ＳＨＥ、負極電位０．２３４８Ｖｖｓ．ＳＨＥは図５、図６の電流値１０^−７．５Ａ／ｃｍ^２における電位に対応している。

水分解によって生成する酸素、水素の体積比は１：２であるが、酸素はＥＤＬＣの使用期間中に還元され、水に戻るが、水素は戻りにくい。水素が表１に示す条件ですべてＥＤＬＣ内に残存したときの圧力は全圧を１としたとき、２５°Ｃで、０．０４５、３００°Ｃで０．０８７となり、圧力変化は沸騰抑制圧に比べれば無視できる。

ところで、表１において分解速度と分解速度から得られる分解電圧と分解量と設計寿命（リーク電流が流れ続ける時間）とはそれぞれ独立に決めることができない。例えば、（ｉ）始めに許容分解量を決めると分解速度の決定から設計寿命が決まり、制御すべき最大印過電圧である、表１の分解電圧が決まる。これにより構成セル数Ｎが決まる。（ｉｉ）設計寿命を始めに設定すると、必要なＥＤＬＣ容量に対応したＥＤＬＣのサイズ（極板面積、電解液相の体積）による水の許容分解量から、分解速度が決まり、分解速度に対応する分解電圧が決定される。これにより構成セル数Ｎが決まる。（ｉｉｉ）始めにシステム電圧、すなわち外部印加電圧Ｅが設定され、必要な設計寿命が付加された場合、必要なＥＤＬＣ容量、ＥＤＬＣサイズに対応した電解液の許容分解量から分解速度を決定し、これに対応した分解電圧を決定し、構成セル数Ｎの決定が行われる。以上（ｉ）〜（ｉｉｉ）の例で示される手順でＥＤＬＣに要求される使用温度での分解電圧が決定され必要なＥＤＬＣの構成セル数Ｎが決まる。これらの例でも明らかなように、ＥＤＬＣサイズ（容量（ファラッド）、体積）をスタートとして設計してもよい。このように、上記手順により、分解電圧と温度、分解速度と分解電圧、分解速度と分解量、分解電圧とシステム電圧、などの関係を定量化でき、ＥＤＬＣ設計ができる。

表１の結果より、７０°Ｃにおける水の分解電圧は０．８９４（ボルト）、３００°Ｃにおける水の分解電圧は０．４１１（ボルト）であり、ＥＤＬＣ２０の構成セル数Ｎは、Ｎ１≧（外部印加電圧／０．８９４）、Ｎ２≧（外部印加電圧／０．４１１）を満たす最小の整数Ｎ１、Ｎ２において、Ｎ１≦Ｎ≦Ｎ２の範囲内にある。

また、７０°Ｃにおける水の分解電圧は０．８９４（ボルト）、１００°Ｃにおける水の分解電圧は０．８４７（ボルト）であり、ＥＤＬＣ２０の構成セル数Ｎは、Ｎ１≧（外部印加電圧／０．８９４）、Ｎ３≧（外部印加電圧／０．８４７）を満たす最小の整数Ｎ１、Ｎ３において、Ｎ１≦Ｎ≦Ｎ３の範囲内にある。

さらに、７０°Ｃにおける水の分解電圧は０．８９４（ボルト）、２００°Ｃにおける水の分解電圧は０．６１８（ボルト）であり、ＥＤＬＣ２０の構成セル数Ｎは、Ｎ１≧（外部印加電圧／０．８９４）、Ｎ４≧（外部印加電圧／０．６１８）を満たす最小の整数Ｎ１、Ｎ４において、Ｎ１≦Ｎ≦Ｎ４の範囲内にある。

すなわち、７０°Ｃ〜１００°Ｃまでの使用環境条件ではバイポーラ極板枚数が氷点下〜７０°Ｃの使用環境における構成枚数よりも少なくとも１枚以上多い構造である必要がある。同様に、１００°Ｃ〜２００°Ｃまでの使用環境条件ではバイポーラ極板枚数が氷点下〜７０°Ｃの使用環境における構成枚数よりも少なくとも２枚以上多い構造である必要がある。さらに、２００°Ｃ〜３００°Ｃまでの使用環境条件ではバイポーラ極板枚数が氷点下〜７０°Ｃの使用環境における構成枚数よりも少なくとも５枚以上多い構造である必要がある。

上述したように、図４は任意の使用温度におけるＥＤＬＣの基本構造を本発明の評価検討方法で決定するためのフロー例である。温度が常温より低い領域（氷点下）では分解電圧は上がらないので、極板枚数を増やす必要はない。従って、ＥＤＬＣ２０の使用上限温度に対して求められた水の分解電圧をＶｈ（ボルト）とすると、ＥＤＬＣ２０の構成セル数Ｎは、外部引加電圧を水の分解電圧Ｖｈで除することにより求められた数値の小数を切り上げた整数として決定することができる。

以上のように、本実施例のＥＤＬＣ２０は、高信頼性を有する電源システムの要素として、エレクトロニクス分野を初めとする広い分野で使用することができる。このような分野には、例えば、原子力プラント、火力プラント、化学プラント、鉄鋼業関連プラント等の高温環境において用いられる電源システムも含まれる。また、特殊な環境、昼夜の温度変化が大きい宇宙空間等での電源システムにも使用可能である。

なお、上記技術は、水を含む電解工業の電解セル内の水の分解電圧の決定も同様に適用できる。すなわち、バッチ式の電解層の場合は、電解液の減量レベルを設計基準として用いれば、電解時間との関係で、分解速度が決定され、電解槽内の極板枚数が決定される。電解セル内の水の分解速度を基準に電極枚数を決定する場合は直接分解電圧を求め、上記の方法で極板枚数を決定できる。

（実施例２−ＥＤＬＣ）
実施例２のＥＤＬＣ２０では、リーク電流として分解速度を実施例１のＥＤＬＣ２０より１００倍以上を大きく設定した場合の設計寿命の変化、分解電圧の変化、各温度におけるバイポーラ極板枚数の変化、ＥＤＬＣ構成セル数の変化について検討する。

実施例１と同様に式（１９）、（２１）、（２２）、（２３）を用い、分解速度、分解電圧、分解量を求める。設計条件は次の通りとする：（ａ）分解速度：１０^−５Ａ／ｃｍ^２、（ｂ）設計寿命の全電解液の分解許容量：０．１ｇ未満、（ｃ）外部印加電圧：５．５Ｖ、（ｄ）ＥＤＬＣを構成する極板の全面積：１００ｃｍ^２、（ｅ）使用温度：２５°Ｃ、７０°Ｃ、１００°Ｃ、２００°Ｃ、３００°Ｃ。これらの設計条件を満たすＥＤＬＣを構成するのに必要な各温度における必要な構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数を決定する。なお、実施例１と同様に、ＥＤＬＣ２０の電解液を２Ｍ希硫酸とした。

表２に検討結果を示す。表２から明らかなように分解速度（許容リーク電流）を１０^−５Ａ／ｃｍ^２とすると、許容分解電圧は各温度で分解速度１０^−７．５Ａ／ｃｍ^２の条件に比べて大きくなる。これに伴い、ＥＤＬＣ２０の構成セル数Ｎも少なくてすむ。しかし、設計寿命は０．０１６年と大幅に短くなり、１４０時間レベルの寿命設計となる。

（実施例３−１４Ｖ系車両用電源システム）
図７に示すように、実施例３の車両用電源システム５０は、ＥＤＬＣ２０、自動車用電池３０、オルターネータ、モータジェネレータ３１、エンジン３２で構成されている。本例では、通常車の金属ボディー、シャーシをグランドとしている。この構成で重要な点は、スイッチング回路等を介さず、ＥＤＬＣ２０が電池３０に直接並列接続されていることである。なお、図７では、説明を簡単にするために、ＤＣ・ＤＣコンバータ、インバータ等を省略している。

実施例３の車両用電源システム５０では、電池３０に１２Ｖ鉛蓄電池を用い、電池３０にＥＤＬＣ２０を直接並列接続し、アイドリングストップシステム、ブレーキ回生システム、パワーアシストシステム等のガソリンエンジンと電動モータとの併用によるいわゆるハイブリッド車両で電池３０からの電力供給をＥＤＬＣ２０でバックアップするための基本構成を採用している。本実施例における課題は（１）ＥＤＬＣが常時、車停止中も電池電圧で常時充電され続ける接続状態であること、（２）停止中（駐車中）、運転中等エンジンルーム、トランクルーム、車室内、特にエンジンルーム内は高温にさらされるため、このような状況下でも機能停止しないＥＤＬＣ２０を提供することである。

ＥＤＬＣ２０は、１２Ｖ鉛蓄電池３０に直接並列接続されているため、常時鉛蓄電池３０の電圧に対応する外部印加電圧で充電される状態にある。なお、オルターネータ、モータジェネレータ３１はベルトでエンジン回転軸と連結されている場合とベルトを用いずに直接エンジン回転軸とを共有するタイプがある。エンジンボンネット内での最高温度領域を１００°Ｃ〜１３０°Ｃと設定した場合、下表３の解析結果に示すように、分解電圧は最低０．７６４Ｖとなり構成セル数Ｎは１９、バイポーラ極板枚数は１８枚で構成されるＥＤＬＣ２０が必要となる。

以下に、構造決定のための詳細内容を示す。実施例１と同様に、設定評価温度における電解液の分解電圧を求め、それぞれの温度で機能できるＥＤＬＣの設計条件である極板枚数を決定した。式（１９）、（２１）、（２２）、（２３）を使い、分解速度、分解電圧、分解量を求めた。ここでは、上記の理論計算に必要な設計条件を次の通りとした：（ａ）設計寿命：５年、（ｂ）設計寿命の全電解液の分解許容量：０．２ｇ未満。（ｃ）外部印加電圧：１４Ｖ、（ｄ）ＥＤＬＣを構成する極板の全面積：２００ｃｍ^２、（ｅ）使用温度：２５°Ｃ、７０°Ｃ、１００°Ｃ、１３０°Ｃ。なお、電解液として２Ｍ希硫酸を用いた。

表３に示すように、分解速度は１０^−７．５Ａ／ｃｍ^２で、それぞれの温度における分解電圧は温度の上昇につれて小さくなり、ＥＤＬＣ構成に必要な構成セル数Ｎは１３０°Ｃでは２５°Ｃの場合より４つ多い。

また、表３から明らかに、従来一般に言われてきた理論分解電圧である標準電極電位の温度依存性は明らかに分解電圧と異なり、特に高温になるに従い両者の隔たりが大きい。１３０°Ｃにおける従来の理論分解電圧の値は標準電極電位で１．１３６２Ｖであるのに対して、実際の設計条件で見た、分解電圧は１３０°Ｃでは標準電極電位から大きく低下し０．７６４Ｖである。印加電圧１４Ｖに対して設定分解速度を満足するバイポーラ積層構造は２５°Ｃではバイポーラ極板１４枚で構成できるのに対して、７０°Ｃでは１５枚が必要である。７０°Ｃで１４枚のバイポーラ極板枚数では構成セルあたりの印加電圧は１４／（１４＋１）＝０．９３Ｖ＞０．８９４（表３）となり、１４枚のバイポーラ極板枚数（構成セルは１５）では分解速度は設計条件を逸脱する。従って、７０°Ｃでは１６の構成セル数ＮでＥＤＬＣを構成するために、バイポーラ極板は構成セル数より１つ少ない１５枚でＥＤＬＣを作製する必要がある。さらに、使用上限温度を１３０°Ｃとした場合は、１８枚のバイポーラ極板で構成され、構成セル数Ｎは１８＋１＝１９となる。構成セルへの印加電圧は１４／１９＝０．７３６Ｖ＜０．７６４Ｖ（表３）となり設計条件を満たす。

図８は式（１９）を用いて得られた、１３０°Ｃにおける水の酸化分解による酸素発生反応の理論電流電位曲線を示す。図９は式（２１）を用いて得られた１３０°Ｃにおける水素発生反応に関する理論電流電位曲線である。表３における正極電位０．９７１９Ｖｖｓ．ＳＨＥ、負極電位０．２０７５Ｖｖｓ．ＳＨＥは図８、９の電流値１０^−７．５Ａ／ｃｍ^２における電位に対応している。

表３の結果より、２５°Ｃにおける水の分解電圧は０．９７８（ボルト）、１３０°Ｃにおける水の分解電圧は０．７６４（ボルト）であり、ＥＤＬＣ２０の構成セル数Ｎは、Ｎ５≧（外部印加電圧／０．９７８）、Ｎ６≧（外部印加電圧／０．７６４）を満たす最小の整数Ｎ５、Ｎ６において、Ｎ５≦Ｎ≦Ｎ６の範囲内にある。

すなわち、７０°Ｃ〜１００°Ｃまでの使用環境条件ではバイポーラ極板枚数が氷点下〜７０°Ｃの使用環境における構成枚数よりも少なくとも１枚以上多い構造である必要がある。同様に１００°Ｃ〜１３０°Ｃまでの使用環境条件ではバイポーラ極板枚数が氷点下〜７０°Ｃの使用環境における構成枚数よりも少なくとも２枚以上多い構造である必要がある。

（実施例４−４２Ｖ系車両用電源システム）
図７に示した車両用電源システム５０は４２Ｖ系システムにも適用可能である。このような構成では、鉛蓄電池３０の公称電圧は３６Ｖであり、システム電圧４２Ｖに対応したＥＤＬＣ２０が設計される。

設計寿命は５年間。最低３６Ｖ以上のフロート充電電圧が５年間連続印加され、自動車のエンジンが作動中はオルターネータ、モータジェネレータ３１から４２Ｖの電圧が印加される。エンジンルーム、トランク等の最大環境温度を安全サイドで１３０°Ｃと仮定し、常温２５°Ｃ、７０°Ｃ、１００°Ｃ、１３０°Ｃの４点の温度における水の分解電圧を求め、ＥＤＬＣの構成セル数、バイポーラ極板枚数を決定し、使用するＥＤＬＣ構造を決定する。これまでと同様に式（１９）、（２１）、（２２）、（２３）を使い、分解速度、分解電圧、分解量を求めた。設計条件は次の通りとした：（ａ）分解速度：１０^−７．５Ａ／ｃｍ^２、（ｂ）設計寿命の全電解液の分解許容量を２００ｃｍ^２あたり：０．２ｇ未満、（ｃ）外部印加電圧：４２Ｖ、（ｄ）使用温度：２５°Ｃ、７０°Ｃ、１００°Ｃ、１３０°Ｃ。

表４に検討結果を示す。表４から明らかなように外部印過電圧が４２Ｖになると、外部印過電圧が１４Ｖ系電源システム電圧に比べ、構成セル数は多くなり４０を超える。同様に、バイポーラ極板枚数も構成セル数Ｎより１つずつ少ないが４０を超える。ＥＤＬＣ２０の基本的なバイポーラ積層構造は実施例３のＥＤＬＣ２０と同様であり、構成セルの繰り返し数が１４Ｖ系に比べて多くなる。なお、電解液には２Ｍ希硫酸を用いた。

表４より明らかに、７０°Ｃの場合のＥＤＬＣ２０の構成セル数Ｎとすると、４２Ｖ系の場合、４２Ｖ／０．８９４Ｖ＝４６．９７となり、これよりＮはＮ≧４６．９７を満たす最小の整数となることより、Ｎ＝４７となる。１３０°Ｃの場合は同様に４２Ｖ／０．７６４Ｖ＝５４．９７となり、これよりＮはＮ≧５４．９７を満たす最小の整数となることより、Ｎ＝５５となる。ＥＤＬＣ２０を構成するバイポーラ極板数は７０°Ｃ、１３０°Ｃの場合それぞれの構成セル数より一つずつ少ない４６と５４枚となる。

表４に示す構成セル数より少ないセル数で、それぞれの温度でＥＤＬＣを設計するとＥＤＬＣは設計寿命を満たさない。なお、高温となるエンジンルーム内よりもトランクルーム等にＥＤＬＣが配置される方が、温度に対する信頼性が高まることは解析結果からも明らかである。

実施例３、４の車両用電源システムによれば、種々の温度条件において理論的な電解液の分解電圧を基に電気二重層キャパシタの機能信頼性をＥＤＬＣの極板構成に反映させることができる。従って、車載電池に直接並列接続できるＥＤＬＣを作製できるため、ハイブリッド車両に用いられる電池へのＥＤＬＣ直接並列接続が可能になる。ハイブリッド車両における頻繁な充放電に伴う電池の電圧変動に対して、特に充放電初期に流れる電流を並列回路のＥＤＬＣが受け持つ役割があり、これにより電池への付加が低減でき、車載電力の安定供給とハイブリッド自動車システムの安定化、高信頼化を図ることができる。また、スイッチング回路が不要なためコスト低減によるハイブリッド車の普及を促進し、ＣＯ_２排出対策にも寄与できる。さらに、スイッチング時に発生するパルス状の高電圧ノイズに対してもＥＤＬＣの直接並列接続はノイズ抑制機能を有している。

なお、バッテリを使った電動フォークリフト車両についても、上記の決定手順と同様に、ＥＤＬＣを直接接続する場合の極板枚数等を決定することができる。電動（バッテリ）フォークリフト車、電動ゴルフカートなどの電動車両搭載の電池への直接ＥＤＬＣ並列接続についても同様である。電動フォークリフト車、電動ゴルフカートのシステム電圧をＶとし、最高周辺温度を７０°Ｃとすれば、ＥＤＬＣの構成セル数ＮはＮ≧Ｖ／０．８９４Ｖを満たす最小の整数と決定できる。また、実施例３、４では車両用電池に鉛蓄電池３０を例示したが、本発明はこれに限らず、例えば、バイポーラ電池、リチウム電池、ニッケル水素電池、これらを組み合わせた電池、またはこれらと鉛電池を組み合わせた電池を用いるようにしてもよい。

（実施例５−据置用電源システム）
図１０は、ＵＰＳに用いられる鉛蓄電池３０に直接ＥＤＬＣ２０を並列接続した据置用電源システム６０を示している。据置用電源システム６０は、交流入力５１、整流器５２、鉛蓄電池３０、ＥＤＬＣ２０、インバータ５３、スイッチ回路５４、交流出力５５で構成される。本実施例において、鉛蓄電池３０には、例えば、組電池として１２Ｖ回回路電圧のシール式鉛蓄電池が用いられる。充電電圧は１３．３８Ｖである。ＵＰＳとしての設計寿命は自動車用鉛蓄電池と比べて長く１０年以上である。ＥＤＬＣ２０をこのような長期にわたって直接電源電池に接続した場合の電解液の分解量、許容分解量、設計寿命を基にＥＤＬＣの極板構成を求め、ＵＰＳに直接並列接続するためのＥＤＬＣ構造を決定した。

設定評価温度における電解液の分解電圧を求め、それぞれの温度で機能できるＥＤＬＣ２０の設計条件である極板枚数を決定した。式（１９）、（２１）、（２２）、（２３）を使い、分解速度、分解電圧、分解量を求めた。ここでは、上記の理論計算に必要な設計条件を次の通りとした：（ａ）設計寿命：１５年、（ｂ）設計寿命の全電解液の分解許容量：０．２ｇ未満、（ｃ）外部印加電圧：１３．４Ｖ、（ｄ）ＥＤＬＣを構成する極板の全面積：２００ｃｍ^２、（ｅ）キャパシタボリューム：５０ｃｍ^３ _、（ｆ）使用温度設定：２５°Ｃ、７０°Ｃ、８０°Ｃ、１００°Ｃ。なお、電解液として２Ｍ希硫酸を用いた。上記の条件では分解速度が従属変数となり、上記条件に合う分解速度に対応した分解電圧を決定し、ＥＤＬＣの構成単位である構成セル数、バイポーラ極板枚数などを決定するフローになる。表５に検討結果を示す。

表５より、分解速度は１０^−８．０Ａ／ｃｍ^２で、それぞれの温度における分解電圧は温度の上昇につれて小さくなり、ＥＤＬＣ構成に必要な構成セル数は１００°Ｃでは２５°Ｃの場合より３つ多い。

また、表５から明らかに、従来一般に言われてきた理論分解電圧である標準電極電位の温度依存性は明らかに分解電圧と異なり、特に高温になるに従い両者の隔たりが大きい。１００°Ｃにおける従来の理論分解電圧の値は標準電極電位で１．１６１Ｖであるのに対して、実際の設計条件で見た、分解電圧は１００°Ｃでは標準電極電位から大きく低下し０．８２２７Ｖである。印加電圧１３．３８Ｖに対して設定分解速度を満足するバイポーラ積層構造は２５°Ｃではバイポーラ極板１３枚で構成できるのに対して、７０°Ｃでは１４枚が必要である。７０°Ｃで１枚少ない１３枚のバイポーラ極板枚数では構成セルあたりの印加電圧は１３．３８／（１３＋１）＝０．９５５Ｖ＞０．８９２（表５）となり、１３枚のバイポーラ極板枚数（構成セルは１５）では分解速度は設計条件を逸脱する。従って、７０°Ｃでは１５の構成セルでＥＤＬＣを構成するために、バイポーラ極板は構成セル数より１つ少ない１４枚でＥＤＬＣを作製する必要がある。構成セル数はバイポーラ枚数よりも１つ多い。

使用上限温度が１００°Ｃの場合、１６枚のバイポーラ極板で構成され、構成セル数Ｎは１６＋１＝１７であるが、構成セルひとつあたりの印加電圧は１３．３８／１７＝０．７８７０Ｖ＜０．８２２７Ｖ（表５）となり設計条件を満たす。構成セル数が１少ない場合は１３．３８／１６＝０．８３６＞０．８２２７Ｖとなるため、１５年の設計寿命は得られない。従って、最も厳しい温度環境設定条件を１００°Ｃとし、１５年等の寿命を得るためには場合、ＥＤＬＣの構成セル数は１７必要であり、バイポーラ極板数は１６となる。

図１１は式（１９）を用いて得られた、１００°Ｃにおける水の酸化分解による酸素発生反応の理論電流電位曲線を示す。図１２は式（２１）を用いて得られた１００°Ｃにおける水素発生反応に関する理論電流電位曲線である。表５における正極電位１．０２３１Ｖｖｓ．ＳＨＥ、負極電位０．２００３Ｖｖｓ．ＳＨＥは図１１、１２の電流値１０^−８．０Ａ／ｃｍ^２における電位に対応している。

表５の結果より、２５°Ｃにおける水の分解電圧は０．９６５（ボルト）、１００°Ｃにおける水の分解電圧は０．８２２（ボルト）であり、ＥＤＬＣ２０の構成セル数Ｎは、Ｎ７≧（外部印加電圧／０．９６５）、Ｎ８≧（外部印加電圧／０．８２２）を満たす最小の整数Ｎ７、Ｎ８において、Ｎ７≦Ｎ≦Ｎ８の範囲内にある。７０°Ｃ〜１００°Ｃまでの使用環境条件ではバイポーラ極板枚数が氷点下〜７０°Ｃの使用環境における構成枚数よりも少なくとも１枚以上多い構造である必要がある。

（実施例６−据置用電源システム）
図１３は、太陽光発電・電力貯蔵システムの鉛蓄電池３０にＥＤＬＣ２０を直接並列接続した据置用電源システム７０を示している。実施例６の据置用電源システム７０は、太陽電池１６、パワーコンディショナ１７、受電電力検出ユニット１８、系統１９、鉛蓄電池３０、ＥＤＬＣ２０、負荷２２で構成される。パワーコンディショナ１７は単相３線、電圧形電流制御／電圧形電圧制御方式のインバータ、太陽電池電圧：２２０Ｖ（直流）、鉛蓄電池電圧は組電池１個１６Ｖで８直列の１２８Ｖ（直流）である。系統１９は２００Ｖで構成される。

これまでと同様に鉛蓄電池３０に直接並列接続するためのＥＤＬＣの極板構成、構成セル数、バイポーラ極板枚数を決定する。寿命は１５年、１５年間のＥＤＬＣの電解液量の分解量を０．２ｇ未満とする。このシステムにおける電池周りの使用環境温度を最大８０°Ｃと設計し、式（１９）（２１）（２２）（２３）、図４に示す評価フローに基づきＥＤＬＣの極板枚数、構成セル数を求めると下表６の結果となる。

１５年の設計寿命を設けた場合、２５°Ｃ標準状態で、ＥＤＬＣ１個あたりの構成セル数は１９であり、８０°Ｃでは２５°Ｃよりも２個多い２１の構成セルが必要になる。

実施例５、６の据置用電源システムでは、温度および長期にわたるトリクル充電に対する水系ＥＤＬＣの電解液の分解電圧に関する理論的な評価が明瞭であり、高信頼性の据置用電源システムを得ることができる。

なお、風力発電で用いられる蓄電システムの電池へのＥＤＬＣの直接並列接続の場合も同様アルゴリズムで、１５年設計寿命に必要なトリクル使用でのＥＤＬＣを設計することができる。

以上実施例を挙げて説明したように、本実施形態のＥＤＬＣ２０によれば、種々の温度条件において理論的な電解液の分解電圧を基に電気二重層キャパシタの機能信頼性をＥＤＬＣの極板構成に反映させることができる。このため、いわゆる電解液が大気圧下で沸騰するような高温超環境においても機能できるエネルギデバイスとしてのＥＤＬＣの設計を可能とし、過酷な環境においても信頼性が確保できるＥＤＬＣを製作する方法を提供することができる。従って、極限環境においても高い信頼性で作動するＥＤＬＣを得ることができ、高温におけるＥＤＬＣの活用ができるようになり、種々のシステムの高機能化、高信頼化に寄与することができる。また、設計寿命を考慮して理論的にＥＤＬＣ２０を設計することも可能である。さらに、本実施形態のＥＤＬＣ２０は電池３０と直接並列接続されるため、電源システムに使用した場合に、スイッチング時にパルス状の高電圧ノイズを発生させるスイッチング素子が不要なため、ノイズ抑制機能を有している。

なお、上記実施例では、種々の電源システムについて例示したが、本発明はこれらに制限されるものではなく、特許請求の範囲において、種々の変形が可能である。

本発明は使用温度と水の分解電圧との論理的関係により極板枚数が設定された高信頼性のＥＤＬＣを提供するものであるため、ＥＤＬＣの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態のＥＤＬＣの断面図である。 本発明が適用可能な他の実施形態のＥＤＬＣの断面図である。 本発明が適用可能な別の実施形態のＥＤＬＣの断面図である。 任意使用温度におけるＥＤＬＣ基本構造決定のための評価フローを模式的に示す説明図である。 ２００°Ｃ水の酸化分解による酸素発生反応に対応する理論電流電位曲線である。 ２００°Ｃ水の還元分解による水素発生反応に対応する理論電流電位曲線である。 ＥＤＬＣが電池に直接並列接続された車両用電源システムのブロック図である。 １３０°Ｃ水の酸化分解による酸素発生反応に対応する理論電流電位曲線である。 １３０°Ｃ水の還元分解による水素発生反応に対応する理論電流電位曲線である。 ＥＤＬＣが電池に直接並列接続された据置用電源システム（ＵＰＳ）のブロック図である。 １００°Ｃ水の酸化分解による酸素発生反応に対応する理論電流電位曲線である。 １００°Ｃ水の還元分解による水素発生反応に対応する理論電流電位曲線である。 ＥＤＬＣが電池に直接並列接続された据置用電源システム（太陽光発電・電力貯蔵システム）のブロック図である。

符号の説明

５ セパレータ
６ 電解液層
７ バイポーラ極板
２０ ＥＤＬＣ
３０ 鉛電池
５０ 車両用電源システム
６０ 据置用電源システム（ＵＰＳ）
７０ 据置用電源システム（太陽光発電・電力貯蔵システム）

Claims (30)

1. 両面に電解液層が配置されたバイポーラ極板をセパレータを介して積層した電気二重層キャパシタであって、電解液に水を含む電気二重層キャパシタにおいて、外部印加電圧Ｅ（ボルト）を正負極一対の組数で定義される構成セル数Ｎで割った電圧が、使用温度に対する、水素とプロトン系の電気化学反応、水と過酸化水素系の電気化学反応、過酸化水素と酸素系の電気化学反応に基づいて求められた水の分解電圧Ｖ（ボルト）未満となるように前記構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が決定され、前記水の分解電圧Ｖは、使用温度に対する、水素とプロトン系の電気化学反応、水と過酸化水素系の電気化学反応および過酸化水素と酸素系の電気化学反応の標準電極電位、標準速度定数、酸素、水素、過酸化水素の拡散係数の温度依存性を有する関数を用いて求められたことを特徴とする電気二重層キャパシタ。
2. ７０°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_７０（ボルト）、３００°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_３００（ボルト）としたときに、前記構成セル数Ｎは、Ｎ１≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_７０）、Ｎ２≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_３００）を満たす最小の整数Ｎ１、Ｎ２において、Ｎ１≦Ｎ≦Ｎ２の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
3. 前記水の分解電圧Ｖ_７０、Ｖ_３００は、それぞれ、０．８９４（ボルト）、０．４１１（ボルト）であることを特徴とする請求項２に記載の電気二重層キャパシタ。
4. 使用上限温度が７０°Ｃを超え１００°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が、使用上限温度が７０°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数よりそれぞれ１枚以上多い構造であることを特徴とする請求項２に記載の電気二重層キャパシタ。
5. ７０°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_７０（ボルト）、１００°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_１００（ボルト）としたときに、前記構成セル数Ｎは、Ｎ１≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_７０）、Ｎ３≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_１００）を満たす最小の整数Ｎ１、Ｎ３において、Ｎ１≦Ｎ≦Ｎ３の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
6. 前記水の分解電圧Ｖ_７０、Ｖ_１００は、それぞれ、０．８９４（ボルト）、０．８４７（ボルト）であることを特徴とする請求項５に記載の電気二重層キャパシタ。
7. 使用上限温度が１００°Ｃを超え２００°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が、使用上限温度が７０°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数よりそれぞれ２枚以上多い構造であることを特徴とする請求項５に記載の電気二重層キャパシタ。
8. ７０°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_７０（ボルト）、２００°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_２００（ボルト）としたときに、前記構成セル数Ｎは、Ｎ１≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_７０）、Ｎ４≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_２００）を満たす最小の整数Ｎ１、Ｎ４において、Ｎ１≦Ｎ≦Ｎ４の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
9. 前記水の分解電圧Ｖ_７０、Ｖ_２００は、それぞれ、０．８９４（ボルト）、０．６１８（ボルト）であることを特徴とする請求項８に記載の電気二重層キャパシタ。
10. 使用上限温度が２００°Ｃを超え３００°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が、使用上限温度が７０°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数よりそれぞれ５枚以上多い構造であることを特徴とする請求項８に記載の電気二重層キャパシタ。
11. ２５°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_２５（ボルト）、１３０°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_１３０（ボルト）としたときに、前記構成セル数Ｎは、Ｎ５≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_２５）、Ｎ６≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_１３０）を満たす最小の整数Ｎ５、Ｎ６において、Ｎ５≦Ｎ≦Ｎ６の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
12. 前記水の分解電圧Ｖ_２５、Ｖ_１３０は、それぞれ、０．９７８（ボルト）、０．７６４（ボルト）であることを特徴とする請求項１１に記載の電気二重層キャパシタ。
13. 使用上限温度が７０°Ｃを超え１００°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が、使用上限温度が７０°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数よりそれぞれ１枚以上多い構造であることを特徴とする請求項１１に記載の電気二重層キャパシタ。
14. 使用上限温度が１００°Ｃを超え１３０°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が、使用上限温度が７０°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数よりそれぞれ２枚以上多い構造であることを特徴とする請求項１１に記載の電気二重層キャパシタ。
15. ２５°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_２５（ボルト）、１００°Ｃにおける前記水の分解電圧をＶ_１００（ボルト）としたときに、前記構成セル数Ｎは、Ｎ７≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_２５）、Ｎ８≧（前記外部印加電圧Ｅ／前記水の分解電圧Ｖ_１００）を満たす最小の整数Ｎ７、Ｎ８において、Ｎ７≦Ｎ≦Ｎ８の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
16. 前記水の分解電圧Ｖ_２５、Ｖ_１００は、それぞれ、０．９６５（ボルト）、０．８２２（ボルト）であることを特徴とする請求項１５に記載の電気二重層キャパシタ。
17. 使用上限温度が７０°Ｃを超え１００°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数が、使用上限温度が７０°Ｃ以下の電気二重層キャパシタの構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数よりそれぞれ１枚以上多い構造であることを特徴とする請求項１５に記載の電気二重層キャパシタ。
18. 電気二重層キャパシタの使用上限温度に対して求められた前記水の分解電圧をＶｈ（ボルト）としたときに、前記構成セル数Ｎは、前記外部印加電圧Ｅを前記水の分解電圧Ｖｈで除することにより求められた数値の小数を切り上げた整数として決定されたことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
19. 前記バイポーラ極板枚数は前記構成セル数Ｎより１だけ小さい数であることを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
20. 車両用電池と、請求項１に記載の電気二重層キャパシタであって、前記車両用電池に直接並列接続された電気二重層キャパシタとを備えたことを特徴とする車両用電源システム。
21. 前記車両用電池は１４Ｖ系電池であり、前記電気二重層キャパシタは前記構成セル数Ｎが１６〜１９、バイポーラ極板枚数が１５〜１８枚であることを特徴とする請求項２０に記載の車両用電源システム。
22. 前記水の分解電圧Ｖは、電気二重層キャパシタの使用上限温度として１００°Ｃないし１３０°Ｃに対して求められたものであり、前記構成セル数Ｎは、前記外部印加電圧Ｅを前記使用上限温度における水の分解電圧Ｖで除することにより求められた数値の小数を切り上げた整数、前記バイポーラ極板枚数は前記構成セル数Ｎより１だけ小さい数として決定されたことを特徴とする請求項２１に記載の車両用電源システム。
23. 前記車両用電池は４２Ｖ系電池であり、前記電気二重層キャパシタは前記構成セル数Ｎが４７〜５５、バイポーラ極板枚数が４６〜５４枚であることを特徴とする請求項２０に記載の車両用電源システム。
24. 前記水の分解電圧Ｖは、電気二重層キャパシタの使用上限温度として１００°Ｃないし１３０°Ｃに対して求められたものであり、前記構成セル数Ｎは、前記外部印加電圧Ｅを前記使用上限温度における水の分解電圧Ｖで除することにより求められた数値の小数を切り上げた整数、前記バイポーラ極板枚数は前記構成セル数Ｎより１だけ小さい数として決定されたことを特徴とする請求項２３に記載の車両用電源システム。
25. 前記車両用電池は、鉛蓄電池、バイポーラ電池、リチウム電池、ニッケル水素電池のいずれか、または、これらを組み合わせた電池であることを特徴とする請求項２０に記載の車両用電源システム。
26. トリクル使用電池と、請求項１に記載の電気二重層キャパシタであって、前記トリクル使用電池に直接並列接続された電気二重層キャパシタとを備えたことを特徴とする据置用電源システム。
27. 前記トリクル使用電池は、無停電電源システム、発電システムまたは電力貯蔵システムに用いられる据置用電池であることを特徴とする請求項２６に記載の据置用電源システム。
28. 両面に電解液層が配置されたバイポーラ極板をセパレータを介して積層した電気二重層キャパシタであって電解液に水を含む電気二重層キャパシタの極板枚数を決定する極板枚数決定方法において、
    使用温度に対する、水素とプロトン系の電気化学反応、水と過酸化水素系の電気化学反応、過酸化水素と酸素系の電気化学反応に基づいて水の分解電圧を求める分解電圧算出ステップと、
    外部印加電圧Ｅ（ボルト）を正負極一対の組数で定義される構成セル数Ｎで割った電圧が、前記分解電圧算出ステップで求めた水の分解電圧未満となるように前記構成セル数Ｎおよびバイポーラ極板枚数を決定する枚数決定ステップと、
    を含み、
    前記分解電圧算出ステップにおいて、前記水の分解電圧は、使用温度に対する水の分解電圧を水素とプロトン系の電気化学反応、水と過酸化水素系の電気化学反応、過酸化水素と酸素系の電気化学反応の標準電極電位、標準速度定数、酸素、水素、過酸化水素の拡散係数の温度依存性を有する関数を用いて求めたことを特徴とする極板枚数決定方法。
29. 前記分解電圧算出ステップは、
    水が酸化分解されて酸素を発生する速度ｉを求める第１ステップと、
    水が還元分解されて水素を発生する速度ｊを求める第２ステップと、
    任意の水の分解速度に対応した分解電圧が前記第１ステップで求めた速度ｉを与える電位Ｅｏｘを求める第３ステップと、
    前記第２ステップで求めた速度ｊを与える電位Ｅｒｅｄを求める第４ステップと、
    前記第３ステップで求めた電位Ｅｏｘと前記第４ステップで求めた電位Ｅｒｅｄとから、水の分解電圧Ｖ＝Ｅｏｘ−Ｅｒｅｄを求める第５ステップと、
    を有することを特徴とする請求項２８に記載の極板枚数決定方法。
30. 前記第１ステップは、水が酸化分解されて酸素を発生する速度が水が酸化分解されて過酸化水素を経由する反応ステップと過酸化水素から酸素に酸化分解される反応ステップそれぞれの反応速度によって構成される全酸化反応速度ｉを求めることを特徴とする請求項２９に記載の極板枚数決定方法。

Images