JPH04199503A - 不浸透炭素材料電極取出部を備えた電気二重層キャパシタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、電気エネルギ貯蔵用の大容量キャパシタに関
し、さらに詳細には電極引出し導電体として、不浸透炭
素材料を用いた電気二重層キャパシタを提供することを
目的とする。

［従来の技術］ 従来のこの種電気二重層キャパシタは、比較的小型、小
容量、低電圧のものがエレクトロニクス関連の部品とし
て使用されてきた。これらは、電解コンデンサと同様に
、充電した電荷を徐々に放電し、例えば半導体メモリの
バックアップ用の電源として、電池に代わるものとして
使用される例が多かった。電気二重層キャパシタは、耐
圧は低いが、体積当りの容量は大きく、小電流の負荷で
長時間にわたり電流を供給する目的には適している。従
って、その容器の外形も、従来からの電池あるいは電解
コンデンサの技術を踏襲し、コイン型あるいは円筒型の
構造で製品化している。充放電電流が小さいことから、
電極引出部に金属または導電ゴムを使用している。

上記の従来技術においては、電極引出部に金属を使用し
た場合、金属の平衡電圧に起因する耐電圧の低下、電圧
降下を生じる欠点がある。

また、導電ゴムを採用した場合には、有機溶剤を使用し
た場合に膨潤したり溶剤によって溶解するおそれがあり
、電解液の種類がきわめて制限を受ける欠点がある。ま
た、導電ゴムは電気抵抗が大きく、大電流を流す使用状
態には不適当である。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、電極引出部に金属または導電ゴムを使用せず
、電極引出し導電体として、不浸透炭素材料を用い、上
記の従来技術における欠点を解消した、大電力の貯蔵用
キャパシタを提供することを目的とする。

電力は、電気の形式で貯蔵することが困難であるため、
商用電力における揚水式発電所のように余剰電力を使用
して高所に水をポンプアップし、電気を位置のエネルギ
に変換して貯蔵し、ピーク電力を調整するために使用さ
れている。直接電気の形で貯蔵するためには、蓄電池を
利用する技術開発が行なわれているが、電池のエネルギ
密度が小さく、電池自体の価格が高価で重量も大きく、
保守費用も高くつくため、大電力用としては、実用化が
困難である。

中小規模では、局所的な電力貯蔵、あるいは電気自動車
の電源の応用がある。上記の揚水式発電所のように需要
地から遠く離れた場所に設けた負荷調整装置は、送電損
失が大きい。しかし、電力消費地のごく近傍に電力貯蔵
装置を設け、電力消費量が小さい時間帯に余剰電力を貯
蔵しておいて、電力消費のピーク時に電力貯蔵装置から
局所的な需要に対応する電力を供給することができれば
、電気エネルギ産業におけるピーク負荷時に備えるため
の設備投資を軽減できるだけでなく、電力需要の平均化
による電気料金のコスト上昇を防止できることから、消
費者が受ける利益も少なくない。

また、電気自動車の実用化が実現すれば、化石燃料に頼
る現状の問題点のかなりの部分が解決されるが、その反
面、現在のガソリンスタンドに相当するエネルギステー
ションが必要となり、短時間に電力を車に供給する需要
が、新たな電力需要のピークを発生させる問題を生じる
。

この点を解決するためには、ガソリンタンクに相当する
電力タンクの機能を設け、瞬間的な大電力負荷を送電網
に負担させないような工夫が必要となる。

また、コジェネレーシｅ　７　ｅシステムのようにロー
カルな電力及び熱供給システムは、それ自体は高いエネ
ルギ効率を持っているが、電力需要が大きく変動した場
合にはシステム全体のバランスが崩れ、運転上も好まし
くない。従って、この場合にも規模はさ程大きくないが
局所的な電力貯蔵装置の設置が好ましい。

本発明は、このような事情を背景として、中小規模の電
力を貯蔵し、短時間のピーク電力の消費にも対応できる
ことが可能な電力貯蔵装置に使用することが可能な大容
量の電気二重層キャパシタを経済的に提供しようとする
ものである。

このような目的に使用する大容量キャパシタは、静電容
量が上記従来技術で述べたバックアップ用キャパシタと
比較してはるかに大きく、充電及び放電電流も飛躍的に
大きくなるから、大電流に耐える構造を備えなければ実
用に耐えない。従ってこの目的に合致したキャパシタの
構造を実現するという解決しなければならない技術的な
問題点がある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記の課題を達成するために、活性炭を電極
材料として使用する電気二重層キャパシタにおいて、電
極引出し導電体として不浸透炭素材料を用いること、不
浸透炭素材料の板と活性炭電極を炭素接着剤で接着した
こと、不浸透炭素材料を電解液容器の壁面の一部として
使用すること、及び不浸透炭素材料の板の一面または両
面に活性炭ブロックを炭素接着剤で接着し直列電極を構
成することを手段としている。

ここで、不浸透炭素とは、気体、液体をほとんど通さな
い炭素であって、たとえばフルフリルアルコールやフェ
ノールホルムアルデヒド樹脂等の熱硬化性樹脂を成形し
炭化することによって製造することができる。

［作用］ 不ｑ４炭＝材料を容器の一部及び電極の引出し導電−と
して使用することにより、電解液に接触する部！Ａｔｅ
＠禽属を排除する。従って、金属が電解液に接触しり暉
に発生する平衡電圧によるキャパシタの耐電圧の制限を
受けることはなく、使用する電解液に制限を受けない。

また、電極の引出し導電体として不浸透炭素材料を使用
することによりキャパシタの内部抵抗が大幅に低下する
。

［実施例コ 本発明のキャパシタは、不浸透炭素材料の板に炭素接着
剤で活性炭電極を接着し、炭化したことにより、不浸透
炭素材料の板の電気抵抗が、キャパシタ全体の内部抵抗
と比較してほとんど無視できる位小さくする事ができる
。

また、容器及び活性炭電極を含めて、電解液が接触する
部分には、炭素材料のみが存在するだけで、金属はまっ
たく使用しない。

く第１実施例〉 Ａ、構造 第１図は、本発明の第１実施例のキャパシタの構造を示
す断面図であって、１１は不浸透炭素材料の板、１２は
活性炭電極、１３はガラス繊維濾紙のような材料で作製
したセパレータ、１４は耐熱絶縁材料製の枠、１５はセ
パレータを枠に接着する部材、１６はガラス繊維板の補
強板、１７はエポキシ樹脂接着剤を例とする封止部であ
る。

不浸透炭素材料は、例えば不浸透性のガラス状炭素を例
として挙げることができる。このような材料は耐熱性に
優れており、ガス及び液体に対し不透過性で、容器の一
部として用いた場合に気密封止が可能で、しかも電気的
に低抵抗の材料である。

２枚の活性炭電極１２は、セパレータ１３によって電気
的に分離されているが、セパレータは多孔質であるため
イオンは通過できる。

また、セパレータ１３は、枠１４の段部に接着部材１５
により接着されている。さらに、枠１４の開口部は、活
性炭電極１２を収容するために十分な大きさを持ち、活
性炭電極１２の厚みとほぼ等しい厚みを備えている。

不浸透炭素材料の板１１には、活性炭電極１２が接着さ
れ、接着後炭化処理を行う。そして、不浸透炭素材料の
板１１を、枠１４に接着することにより、キャパシタの
容器が構成される。また活性炭電極１２には電解液を注
入して含浸する。

枠１４の強度が十分である場合には必要ないが、補強す
る場合には、例えばガラスエポキシ樹脂板のような材料
を枠の凹部に充填し、エポキシ樹脂接着剤で接着するこ
とにより、薄い容器の曲げ強度を高めることができる。

図示していないが、枠の凹部を通して電解液の注入口を
設けることができる。

Ｂ、製造工程 第２図は、本発明のキャパシタを製造する工程を説明す
るための図である。

（１）活性炭電極の製造 活性炭電極１２は、活性炭繊維、活性炭粉末、あるいは
その両材料の混合物を焼結して薄いブロック状に調製す
る。試作例では縦及び横の寸法が８０Ｘ８０ｍｍ、　厚
さ２　ｍ　ｍｚ　　ブロックの嵩密度は０．３〜０．８
程度である。この寸法は、−例であって、容量を大きく
する場合には、例えば５００Ｘ５００ｍｍのように大き
くすることができる。また、容量を大きくするために、
活性炭電極の厚さを厚くすることができる。しかし、容
量はほぼ厚さに比例して増加するが、厚さが大きくなっ
た場合には、等価内部抵抗も大きくなるため、この点で
制限を受ける。

活性炭電極ブロックの抵抗は、通常は０．１Ωｃｍ前後
である。しかし、キャパシタの等価内部抵抗は、活性炭
電極の抵抗のみならず、電解液の抵抗が支配する。活性
炭自体の空隙、及びブロックが持っている空隙に電解液
が保持され、このような空隙内の電解液を通じてイオン
が移動するため、電荷の移動通路は直線的でなくなるか
ら、電解液が呈する等価抵抗あるいは見かけ状の抵抗は
、電解液自身の抵抗よりはるかに増大する。従って、キ
ャパシタの容量を大きくするために活性炭電極ブロック
の厚さを大きくすることは、この意味でも制限を受ける
。

（２）不浸透炭素材料板の調製 不浸透炭素材料の板１１は、キャパシタ内部の電解液の
漏洩を防止し、かつ、炭素材料のみで良好な導電性を持
たせるため使用される。従って、密閉効果が得られ、必
要な強度があれば、できるだけ薄い方が好ましい。ガラ
ス状炭素の薄板を用いて、後述の枠の外形寸法よりやや
大きい寸法の板を調製する。

本実施例では不浸透炭素として、東海カーボン（株）製
の不浸透炭素板を使用した。

（３）活性炭電極と不浸透炭素材料板との接着活性炭電
極ブロック１２は、不浸透炭素材料１１に炭素接着剤を
用いて接着し、炭化する。

ここで、炭素接着剤は、芳香族の液（例、フェノール）
を主材とする熱硬化性接着剤である。

まず、第２図（ａ）に示すように、不浸透炭素材料１１
上に炭素接着剤２１を薄く塗布する。次に活性炭電極ブ
ロック１２を炭素接着剤の所定位置に載置し、加熱圧接
し乾燥させる。

（４）炭素接着剤の炭化 活性炭電極と不浸透炭素材料電極取出部とを炭素接着剤
で接着、乾燥した後、これらの組み立て体は、第２図（
ｂ）に示すように、耐熱合金板またはセラミック板２２
で挟み、これらのセットを、必要に応じ複数組重ねて、
窒素、アルゴン、あるいはヘリウムのような不活酸ガス
雰囲気にした炉内で、加圧した状態で、１０００℃前後
の温度に加熱し、炭素接着剤の硬化と炭化を行なう。

これによって、炭素接着剤２１に含まれた有機溶剤は蒸
発し、すべて炭素材料のみで構成された活性炭電極１２
と不浸透炭素材料電極取出部工１との複合体が得られる
。また、これらの工程によって炭素接着剤の部分が最小
厚みとなり、活性炭電極１２と不浸透炭素材料電極取出
部１１とがほぼ密着するため電気抵抗成分が小さくなる
から、キャパシタの内部抵抗を低下することができる。

（５）枠付きセパレータの製造 ポリプロピレン等の材料により、第１図に示す枠１４を
製作する。この実施例では、枠１４は、活性炭電極ブロ
ックを２枚受は入れるための開口と、厚みを持っている
。

この枠１４の段部に、第２図（Ｃ）に示すように、たと
えばガラス濾紙のような無機質の材料のセパレータ１３
を置き、ポリプロピレン等の材料により形成した接着部
材１５を重ね、加熱したコテ２３を当てて溶接する。

耐熱性が十分であれば、ガラス濾紙のような無機質の材
料のセパレータ１３に代えて、例えば、ポリプロピレン
のような宵機材料製のセパレータを使用することができ
る。

（６）キャパシタ複合体の組み立て 枠付きセパレータの枠１４の両面にポリプロピレン接着
用フィルムを接着し、枠の両面から活性炭電極ブロック
１２を接着した不浸透炭素材料電極取出部１１を重ねて
、ホットプレスにより加熱圧接する。この場合、活性炭
電極ブロック１２は枠１４の開口部に収容され、不浸透
炭素材料電極取出部１１の周囲がポリプロピレン接着用
フィルムを介して枠１４の面に対向する。

ここで使用するポリプロピレン接着用フィルムは、マレ
イン酸化されたオレフィン（ポリエチレン等）を意味す
る（具体的には、三井石油化学製の商品名「アトマー」
あるいは三井東圧ファイン製の商品名「ロンプライＪを
例示する。）。これらのフィルムは、テープ状で貼着し
てもよいし、予め枠１４の開口部外周の面に合わせて打
ち抜いた形状で貼着してもよい。

なお、接着を良好にするため、必要に応じて、不浸透炭
素材料電極取出部１１の周囲を研磨し、あるいはこの部
分に接着剤を塗布しておくことができる。

（７）枠周囲の後処理 枠の材質、形状によっては、上記（６）の工程で完成と
なるが、さらに強度を増加するため、枠の凹部に、例え
ば、ガラスエポキシ板のような強度が大きな材料を充填
し、エポキシ樹脂のような耐熱製接着剤で接着する。

（８）電極取出部への金属膜被着 不浸透炭素材料板の電極取出部には、銅のような良導電
材料の金属膜を、電解メツキ、あるいは溶射等の手段で
被着する。不浸透炭素材料板からリード線を取り出す場
合、板表面全体から平均して電流を取り出すために金属
膜は有効に働く。

（９）電解液の注入 キャパシタ複合体の内部を、注液口を経由して真空状態
の雰囲気とした後、所定量の電解液を注入する。

〈第２実施例〉 Ｃ３構造 第３図は、本発明の第１実施例に示す電気二重層キャパ
シタを積層して直列接続した第２の実施例を示す断面図
である。第２実施例のキャパシタ１単位は、第１実施例
に示す電気二重層キャパシタと同一であり、同一部分に
は第１図と同一符号を付けている。

すなわち、１１は不浸透炭素材料、１２は活性炭電極、
１３はセパレータ、１４は耐熱絶縁材料製の枠、１５は
セパレータを枠に接着する部材、１６はエポキシガラス
板のような材料の補強板、１７はエポキシ樹脂接着剤を
例とする封止部である。補強板１６は、必要が無い場合
には省略することができる。

基本的には、第１図と同一の構造を持っているが、単純
にこのキャパシタを直列に接続した場合と比較して、第
３図の構造は、積層したキャパシタの中間の不浸透炭素
材料１１１が共用され、材料を節約できるだけでなく、
内部抵抗を低くできる。

電気二重層キャパシタの耐圧は、構造によって若干の差
はあるが、現在のところ、せいぜい３Ｖ前後が上限であ
る。従って、高い電圧のキャパシタを構成する場合には
、必然的に複数のキャパシタを直列に接続する必要があ
るが、直列のキャパシタのエレメントが大きい程、第３
図の構造は有利となる面が大きい。

複数のキャパシタを直列に接続した場合の問題点として
、各単位キャパシタの充電電圧を均一化する技術がある
。各キャパシタの容量をできるだけ等しくシ、充放電も
均一にしたとしても、直列に接続する限り電圧の不均衡
は避けられない。このため、定期的に直列素子の電圧を
検出し、充電電圧が不足する素子には個別に充電する。

この目的のため、第３図の直列キャパシタ素子の中間の
不浸透炭素材料１１１の端部は、外部と電気的な接続が
可能なようにする。

第１実施例では、不浸透炭素材料板の電極取出部には、
銅のような良導電材料の金属膜を、電解メツキ、あるい
は溶射等の手段で被着し、リード線の取り付は部として
いるが、第２実施例では、この手段は、最も外側の素子
に対して設ければよい。その代わり、中間の不浸透炭素
材料１１１については、上記の理由により端部の周囲に
良導電材料の金属膜を被着することが望ましい。

補助的な充電は、電流値が小さいから、不浸透炭素材料
１１１の端部に金属端子を接触させることにより電気的
な接続が可能であるが、より確実で部品な接続のために
は、端部周囲に被着した良導電材料の金属膜を設ける。

また、この金属膜にリード線を鑞付は等の手段で接続す
ることにより良好な電気接続と、単位素子への充電が容
易になる。

Ｄ、製造方法 基本的な製造方法は、第１実施例の場合と同一である。

第１実施例と異なる工程として、中間に位置する活性炭
電極１２については、１枚の不浸透炭素材料の板１１１
の両面に、それぞれ炭素接着剤を用いて接着し、炭化す
る。このように製造された不浸透炭素材料１１１と２枚
の活性炭電極１２の複合体は、直列キャパシタの中間活
性炭電極と電解液隔壁とを兼用する部材を構成する。

直列キャパシタの最も外側に位置する不浸透炭素材料１
１には、第１実施例と同様に外部への取り出し電極を構
成するが、この他に中間の不浸透炭素材料１１１には、
周囲に良導電材料の金属膜を設ける工程が加わる。簡単
な被着工程としては、複数の不浸透炭素材料１１１を積
み重ね、両端の開放面を適当な材料で被覆した後、露出
した端部に電解メツキ、あるいは溶射等の手段で銅のよ
うな良導電性金属を被着する。

その他の工程は、第１実施例に準じるので、説明を省略
する。

〈第３実施例〉 第４図は、本発明の第３実施例を示す断面図であって、
４１は不浸透炭素材料部材、１２は活性炭電極、１３は
セパレータ、４２は絶縁材料製のガスケット、４３は封
止部材で、ガスケット４２を介して不浸透炭素材料の端
部４１１を相互に締め付け、気密に封止する。

この実施例は、第１及び第２実施例において用いられた
枠１４を使用しない。その代わりに、不浸透炭素材料部
材４１は、端部４１１が２字状に整形されている。

第４図では、セパレータのみで２枚の不浸透炭素材料部
材を絶縁するように図示しているが、絶縁を良好にする
ため、セパレータの周囲に予め補助的な絶縁物を被着し
ておくことができる。

〈第４実施例〉 第５図は、不浸透炭素材料部材５１７）ｊ’ｌ囲部に同
一材料の突起部５２を設け、これらを対向させてセパレ
ータ部１３で絶縁する構造の容器を４成した実施例であ
る。不浸透炭素材料部材５１は一体に成型して製作する
ことが可能であり、また、第１実施例と類似した組み立
て工程であるが、枠１４を使用しないことから、単に不
浸透炭素材料部材の周囲の突起部５２の外周にエポキシ
樹脂接着剤５３を塗布し、固着して製造することができ
る利点がある。

［発明の効果コ 上記の説明から明らかなように、本発明は、本発明の第
１ないし第４の実施例に共通する構造として、キャパシ
タの電解液に接触する部分が、活性炭、不浸透炭素材料
、セパレータ、及び絶縁材料製の封止部材のみであって
、従来の技術において使用された金属材料の使用を回避
でき、金属部分が電解液に接触することはない。従って
、金属が電解液に接触した際に発生する平衡電圧にょる
キャパシタのｉ４電圧の制限を受けることはない。

そのため電解液の耐電圧まで使用できるキャパシタが実
現できる。また、電解液は、金属を腐食する性質のもの
でも選択することが可能であって、電解液を理想的な性
質のものに選択できる設計上の自由度が大きくなる利点
がある。

電気二重層キャパシタの電力貯蔵性能は、耐電圧の自乗
に比例し、また、電力充放電特性は、内部＠抗の自乗に
反比例する。従って、本発明の構成においては、耐電圧
を高められること、及び内部抵抗を低下できること、の
２点が達成できるため、相乗効果で性能を飛曜的に向上
する事が可能となる。

また、本発明の第２実施例に例示する構造においては、
直列構成にする場合、単一セルを積層する場合と比較し
て、隣接する不浸透炭素材料は１枚だけであり、材料の
節約効果が得られる。さらに、この結果、この部分の内
部抵抗は２分の１となるから、電力充放電特性の改善効
果が大きい。

さらに、本発明の第２実施例において、不浸透炭素材料
の両面に活性炭電極１２を接界した構造を採用した結果
、両材料の温度変化に伴う膨張係数の差に起因する不浸
透炭素材料の湾曲を防止する効果が得ることができる。

また、湾曲を防止する効果が期待できることから、不浸
透炭素材料は極限まで薄くすることが可能であり、この
ことは、不浸透炭素材料が呈する内部ｌｌｌ−抗を極め
て小さ（するという好ましい効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す断面図、第２図は
、本発明の第１実施例の製造工程を示す説明図、 第３図は、本発明の第１実施例に示す電気二重層キャパ
シタを積層して直列接続した一体化構造の第２の実施例
を示す断面図、 第４図及び第５図は、それぞれ本発明の第３実施例及び
第４実施例の構造を示す図、である。 ＩＬ４１・φ・不浸透炭素材料製の板、１２・・−活性
炭電極、 １３・・・セパレータ、 １４・・・絶縁材料製枠、 １５・・・接着部材、 ４２ｅの・絶縁材料製のガスケット、 ４３・・・封止部材、 １７．５３・・・絶縁材料製の封止部材。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極材料を活性炭により構成し、電極引出し導電
   体として、不浸透炭素材料を用いたことを特徴とする電
   気二重層キャパシタ。
2. （２）不浸透炭素材料と活性炭電極を炭素接着剤で接着
   したことを特徴とする第１項記載の電気二重層キャパシ
   タ。
3. （３）不浸透炭素材料を電解液容器の壁面の一部として
   使用することを特徴とする第１項または第２項記載の電
   気二重層キャパシタ。
4. （４）不浸透炭素材料の両面に活性炭を接着し直列電極
   を構成することを特徴とする第１項ないし第３項記載の
   電気二重層キャパシタ。