JPH1140467A - 電気二重層コンデンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生産性の向上を図り、さらに信頼性も向上で
きる電気二重層コンデンサを提供する。 【解決手段】 硫酸などの電解質溶液９を浸み込ませた
多孔性のセパレータ４を介して対向する一対の分極性電
極１と分極性電極１に前記セパレータ４と反対の面で接
する集電体３および分極性電極１の周囲に配置したガス
ケット２とからなる電気二重層コンデンサを単数もしく
は複数積層したものにおいて、ガスケット２内部が、積
層方向に対して垂直方向に２つ以上に仕切られている構
成とした。

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、特に電極として固体状の分極性電極を用い
た大容量電気二重層コンデンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】電気二重層コンデンサについて図５〜図
７を用いて説明する。図５は、電気二重層コンデンサの
一例の構造を示す斜視図、図６は、図５のＡ−Ａ′線に
沿った断面図であり、図７は、電気二重層コンデンサの
基本セル５の断面を示したものである。

【０００３】図７を参照すると、分極性電極１には、特
開平４ー２８８３６１に示される活性炭／ポリアセン系
材料等の固体状の活性炭が用いられる。集電体３は、導
電性カーボン含有のゴム又はプラスチックであり、分極
性電極１と圧着されている。ただし、電解質溶液に酸系
の水溶液を使用する以外は、集電体３については、金属
箔を用いても問題は無い。

【０００４】一対の分極性電極１は、多孔性のセパレー
タ４を介して対向しており、図６に示すような枠状構造
のガスケット２と集電体３とで電解質溶液９を封止して
いる。電気二重層コンデンサは、耐電圧が電解質溶液９
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５を直列に接続し、さらに基本セ
ル５間、基本セル５と端子電極６間の接触抵抗を下げる
ために積層方向に圧力をかけ、図５に示すように加圧板
７により一定の圧力で保持される。

【０００５】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（ＥＳＲ）の低減により新しい
用途が見出され検討されてきている。

【０００６】一例としては、鉛蓄電池との組み合わせに
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
や太陽電池との組み合わせによる補助電源としての用途
などが挙げられる。

【０００７】どの用途の場合も、電気二重層コンデンサ
に対する要求としては、信頼性の確保が不可欠である
が、用途により、電気二重層コンデンサに要求される特
性は、異なっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の電気二重層コン
デンサの問題点は、信頼性の向上を図ることが難しいこ
とである。その理由は、従来の電気二重層コンデンサで
は、完全ではないが、密封構造である。また、電解質溶
液９の種類に関係なく所定電圧を印加すると、酸化還元
反応によりガスが発生する。そして、このガス発生量
は、イオン導電率など他の特性が良好な硫酸が一番多
く、他の電解質溶液９と比較し、長時間、高温下で評価
などを行うと、発生するガスと温度上昇による内圧増加
のためセル積層体８は、単時間で膨張し、破壊に至る確
率が高い。

【０００９】この問題を解決するために、ガス発生量の
少ない有機系などの電解質溶液９を使う方法もあるが、
イオン導電率が低くなるため、等価直列抵抗（以下、Ｅ
ＳＲと略す）が大きくなり、また、イオンの移動速度が
イオン径が大きくなる分遅くなるので、大電流用途での
使用が困難になり、あまり顕著な効果があるとはいえな
い。

【００１０】さらに、従来の電気二重層コンデンサは、
密封構造ではあるが、完全ではないので、封止の状態に
より、ガスケット２の間などから、電解質溶液９が水系
の時は、蒸発しやすい。

【００１１】本発明は、かかる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、生産性の向上を図
り、さらに信頼性も向上できる電気二重層コンデンサを
提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の電気二重層コンデンサでは、硫酸などの電
解質溶液９を浸み込ませた多孔性のセパレータ４を介し
て対向する一対の分極性電極１と分極性電極１に前記セ
パレータ４と反対の面で接する集電体３および分極性電
極１の周囲に配置したガスケット２とからなる電気二重
層コンデンサを単数もしくは複数積層したものにおい
て、ガスケット２内部が、積層方向に対して垂直方向に
２つ以上に仕切られている構成とした。その場合、ガス
ケット２の仕切部が、ガスケット２の中央部で２つ以上
に仕切られている構成とすることもできる。また、ガス
ケット２内部の仕切部が、ガスケット２の周囲と中心部
で同心円状に２つ以上に仕切られている構成とすること
もできる。また、ガスケット２で仕切られた電気二重層
コンデンサの基本セル５内に各々異なる電解質溶液９を
含む構成とすることもできる。また、電解質溶液９が、
硫酸、水酸化カリウム、塩化ナトリウムなどの水系の電
解質溶液同志からなる構成を採用することもできる。さ
らに、電解質溶液９が、水系の電解質溶液９とアンモニ
ウム塩などをジメチルホルムアミドなどに溶解した有機
系の電解質溶液とからなる構成とすることもできる。

【００１３】従来の電気二重層コンデンサでは、１つの
素子に対して電解質溶液９が、１種類しか使用できない
構造になっている。これに対し、本発明では、ガスケッ
ト２の内部が積層方向に対して垂直に２つ以上に仕切ら
れている。このため、１つの素子に対し、電解質溶液９
を分けることができる上、電気二重層コンデンサを生産
性良く作製する事ができる。

【００１４】また、仕切り方に工夫をし、例えば、ガス
ケット２の周囲に、電解質溶液９の蒸発の少ない有機系
の電解質溶液９、中心部に水系の電解質溶液９を配置す
る事により、電解質溶液９の経時的な蒸発が抑制され
る。

【００１５】ガスケット２で仕切られた電気二重層コン
デンサの基本セル５内に各々異なる電解質溶液９、例え
ば、左側には、ガス発生量は多いがイオン導電率の高い
硫酸、右側には、イオン導電率は低いが、自己放電特性
などは良く、ガス発生量が少ない塩化ナトリウムが含ま
れている。電解質溶液９として、硫酸を使用する部分の
電極面積が半分になる事から、発生するガスの絶対量が
抑制され、信頼性も向上する。また、電解質溶液９とし
て、異なる物（塩化ナトリウムなど）を使用する部分を
半分作ることで、ガス発生抑制の容量分をカバーするこ
とができる。

【００１６】さらには、左側の硫酸使用部分は、大電流
放電時用途に、右側は、小電流放電時の容量減少分を補
う部分として、使用する事ができ、用途に応じて電気二
重層コンデンサを個々に作製する必要がなくなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照して説明する。図１は、電気二重
層コンデンサの構造を示す断面図であり、図２は、集電
体３上に並べられた固体状の分極性電極１が多孔性のセ
パレータを介して面対称に配置されてなる電気二重層コ
ンデンサの基本セルの断面図を示す。 （実施例１）図２において、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。

【００１８】ガスケット２は、分極性電極１、集電体
３、多孔性のセパレータ４および電解質溶液９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
から成り、ここでは、耐熱性のＡＢＳ樹脂を用いた。
尚、ここで使用するガスケット２の内部は、図１で示す
ように中央部で２つに仕切られた構造のものである。

【００１９】集電体３は、使用する電解質溶液９によ
り、金属箔などを用いても問題ないが、ここでは、カー
ボン粉末、その他を練り込んだブチルゴムシートを用い
た。

【００２０】多孔性のセパレータ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ので、ここで
は、鉛蓄電池用のガラス繊維セパレータを用いた。

【００２１】次に、分極性電極１をセパレータ４を介し
て互いに向き合うように、ガスケット２の仕切られた左
右に各々収納し、この分極性電極１とセパレータ４の中
に、ガスケット２の仕切られた左側、右側に各々異なる
電解質溶液９を注入した後、集電体３で覆って、電気二
重層コンデンサの基本セル５を得た（図５参照）。

【００２２】次いで、基本セル５を図５に示すように直
列に所定数積層した後、端子電極６を介して左右のセル
積層体８を電気的に並列接続させて加圧板７を付け電気
二重層コンデンサを完成させた。

【００２３】サンプルは、分極性電極の大きさが、３０
（Ｌ）×５０（Ｗ）×１（Ｔ）ｍｍ、ガスケット２の内
周形状が、左右とも各３５（Ｌ）×５４（Ｗ）×２．２
（Ｔ）ｍｍ、セパレータ４の形状が、３２（Ｌ）×５２
（Ｗ）×０．２（Ｔ）ｍｍ、集電体３の形状が、７８
（Ｌ）×５８（Ｗ）×０．２（Ｔ）ｍｍである。

【００２４】このような形状の基本セル５を２０個直列
に積層して耐圧１８Ｖのセル積層体８を作製した。尚、
電解質溶液９は、積層方向に対して右側が、３０ｗｔ％
の希硫酸を、左側には、２０ｗｔ％の塩化ナトリウム溶
液を使用し、分極性電極１は、フェノール系の粉末活性
炭と粉末状フェノール系樹脂を重量比７０／３０で混合
し、粉砕、造粒、焼成して作製したものである。

【００２５】また、上述の実施例には、次の変形が可能
である。 変形１：ガスケット２の仕切りを挟んで左側の電解質溶
液９にアンモニウム塩を、ジメチルホルムアミドに溶解
した電解質溶液９を使用する。

【００２６】変形２：分極性電極１に、フェノール系の
粉末活性炭に変えて、やしがら系の粉末活性炭を用い
る。

【００２７】変形３：ガスケット２の仕切りを挟んで左
側の分極性電極１に、フェノール系の粉末活性炭、右側
にやしがら系の粉末活性炭を用いる。

【００２８】（実施例２）本発明の他の実施例に係るガ
スケット２の断面図を図３に、基本セル５の構造を示す
断面図を図４に示す。この実施例では、図３に示すよう
に、ガスケット２の構造が、周囲部分と中心部分に同心
円状に仕切られた形状のものである。

【００２９】電気二重層コンデンサの製造条件および方
法は、実施例１と同様である。サンプルは、分極性電極
１の大きさが、１つは、外周が７０（Ｌ）×５０（Ｗ）
×１（Ｔ）ｍｍ、内部が６０（Ｌ）×３０（Ｗ）×１
（Ｔ）ｍｍの枠状のもの、１つが、３５（Ｌ）×１５
（Ｗ）×１（Ｔ）ｍｍの長方形の物である。

【００３０】ガスケット２は、周囲部の内周形状が７４
（Ｌ）×５４（Ｗ）×２．２（Ｔ）ｍｍ、中心部の内周
形状が４０（Ｌ）×２０（Ｗ）×２．２（Ｔ）ｍｍ幅が
５ｍｍ、セパレータ４の形状が、７２（Ｌ）×５２
（Ｗ）×０．２（Ｔ）ｍｍ、幅１２ｍｍの枠状の物１つ
と、３７（Ｌ）×１７（Ｗ）×１（Ｔ）ｍｍの物を組み
合わせて基本セル５を実施例１と同様２０個直列に積層
して耐圧１８Ｖのセル積層体８を作製した。

【００３１】尚、分極性電極１、セパレータ４は、実施
例１と同様の物を使用したが、電解質溶液９は、周囲部
が２０ｗｔ％の塩化ナトリウム溶液、中心部は、３０ｗ
ｔ％の硫酸を使用した。

【００３２】また、上述の実施例には、次の変形が可能
である。 変形１：上記実施例２の周囲部の電解質溶液９をアンモ
ニウム塩をジメチルホルムアミドに溶解した物とする。

【００３３】変形２：上記実施例２の中心部に使用する
分極性電極１をやしがら系の粉末活性炭にする。

【００３４】（比較例）図６は、本比較例に使用する基
本セル５の構造を示す断面図である。電気二重層コンデ
ンサの製造条件および方法は実施例１〜２と同様であ
る。

【００３５】サンプルは、分極性電極１の大きさが７０
（Ｌ）×５０（Ｗ）×１（Ｔ）ｍｍ、ガスケット２の内
周が７４（Ｌ）×５４（Ｗ）×２．２（Ｔ）ｍｍ、セパ
レータ４は７２（Ｌ）×５０（Ｗ）×０．２（Ｔ）ｍｍ
とし、電解質溶液９は、３０ｗｔ％の希硫酸を用いた物
と、２０ｗｔ％の塩化ナトリウム水溶液を用いた物の２
種類作成した。尚、分極性電極１、およびセパレータ４
は実施例１〜２と同様の物である。

【００３６】上述のようにして作製した実施の形態１〜
２の電気二重層コンデンサと図６に示す比較例の電気二
重層コンデンサに対して、信頼性試験および大電流放
電、初期特性について検討を行った。

【００３７】信頼性試験は、７０℃の高温下、１８Ｖに
印加した状態で１０００ｈ置いた後、十分に放電させて
から静電容量を測定し、静電容量の変化量△Ｃの初期値
Ｃに対する割合△Ｃ／Ｃ（％）およびＥＳＲの変化量△
Ｅの初期値Ｅに対する割合△Ｅ／Ｅ（％）を求めた。静
電容量の測定は、１８Ｖで１時間充電させた後、定電流
放電を行い、コンデンサの端子電圧が９．６Ｖから８．
０Ｖへ変化するまでの時間を測定することにより行っ
た。

【００３８】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。また、同
時に電解質溶液の変化量△Ｗの初期量Ｗに対する割合△
Ｗ／Ｗ（％）も算出した。初期特性の比較は、静電容量
とＥＳＲについて、比較例の電解質溶液９が硫酸使用の
場合を１として行った。

【００３９】大電流放電特性については、標準の電流値
で放電させた時の静電容量値を１００として、その１０
倍の電流で放電させた時の静電容量値の変化を求めた。
尚、サンプル数は各水準３０個ずつとし、その平均を求
めた。以上の結果を表１及び表２に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】表１を参照すると、この発明による電気二
重層コンデンサは、静電容量の変化率は、実施した水準
により若干異なるが、−９．６〜−１９．２％を示して
おり比較対称の変化率（−４０．０〜−５５．３％）の
約１／６〜１／２であり、大幅な改善を示している。

【００４３】また、信頼性試験の後では、比較対称にお
けるＥＳＲが３２０．４％も増加しているのに対して、
本発明によるもののＥＳＲ変化は小さく、高い安定性を
示している。ただし、以上の事は、比較例の電解質溶液
９が塩化ナトリウムの時には当てはまらない。

【００４４】この理由について、以下に述べる。電解質
溶液９が塩化ナトリウムの場合は、硫酸の時と比較し、
電圧印加に伴う、酸化還元反応により発生するガス量が
少ない。従って、長期の信頼性評価を行った場合、ガス
発生に伴う、素子の膨張も小さく、接触抵抗の増加も少
ないためである。

【００４５】また、実施例１と実施例２は、比較例と比
べ△Ｃ／Ｃ、△Ｅ／Ｅの変化が小さい。これは、ガスケ
ット２の構造を工夫し、ガス発生量の多い電解質溶液９
の量を減少させている為と考える。

【００４６】次に、実施例２の変形１のＥＳＲ変化率が
小さい理由については、その構成によるものと考える。
つまり、実施例２の変形１は、中心部分に電解質溶液９
が蒸発しやすい水系の硫酸、周囲部に蒸発しにくい有機
系の電解質溶液９が用いられている。このように、周囲
に蒸発しにくい電解質溶液９を置くことで、中心部の電
解質溶液９の蒸発が抑制されるためと考える。これは、
電解質溶液の減少量からも裏付けられる。

【００４７】次に、表２を参照すると、初期特性の静電
容量の差は、活性炭種および電解質溶液９のイオン導電
率、イオン径などの違いによる二重層を形成するミクロ
孔へのイオンの入る割合の差によるものと考える。

【００４８】ＥＳＲの差は、電解質溶液９のイオン導電
率の違いによるものである。さらに、大電流放電時にお
ける容量低下分の差は、初期ＥＳＲの違いによるＩＲド
ロップ分および、各イオンの持つ移動度の違いによるも
のと考える。

【００４９】

【発明の効果】第１の効果は、従来の技術に比べて、生
産性の向上、および小型化ができるということである。
その理由は、ガスケットの構造を工夫することで、用途
別に素子を分けることなく、また、工程数および部材の
数を増やすことなく、標準の作業工程で大型化せず、電
気二重層コンデンサを製造することができるからであ
る。

【００５０】第２の効果は、電気二重層コンデンサの信
頼性の向上ができるということである。その理由は、ガ
スケットの構造を工夫することで、１つのセル積層体内
の電解質溶液の種類を変えられることにより、ガス発生
量を減少させることができるからである。さらに、ガス
ケットの構造や電解質溶液を配置する種類と位置を工夫
することにより、電解質溶液の蒸発を抑制することがで
きるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電気二重層コンデンサの構造を示
す断面図である。

【図２】本発明に係る電気二重層コンデンサの基本セル
の断面図である。

【図３】本発明に係る電気二重層コンデンサの他の例を
示すガスケットの断面図である。

【図４】本発明に係る電気二重層コンデンサの他の例を
示す基本セルの断面図である。

【図５】本発明に係る電気二重層コンデンサの全体構造
を示す斜視図である。

【図６】図５のＡ−Ａ′線に沿った断面図である。

【図７】電気二重コンデンサの基本セルの断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 分極性電極 ２ ガスケット ３ 集電体 ４ セパレータ ５ 基本セル ６ 端子電極 ７ 加圧板 ８ セル積層体 ９ 電解質溶液

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 硫酸などの電解質溶液を浸み込ませた多
   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
   分極性電極に前記セパレータと反対の面で接する集電体
   および分極性電極の周囲に配置したガスケットとからな
   る電気二重層コンデンサを単数もしくは複数積層したも
   のにおいて、前記ガスケット内部が、積層方向に対して
   垂直方向に２つ以上に仕切ら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】 前記ガスケットの仕切部が、ガスケット
   の中央部で２つ以上に仕切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。
3. 【請求項３】 前記ガスケット内部の仕切部が、ガスケ
   ットの周囲と中心部で同心円状に２つ以上に仕切られて
   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。
4. 【請求項４】 前記ガスケットで仕切られた電気二重層
   コンデンサの各基本セル内に各々異なる電解質溶液を含
   むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電気
   二重層コンデンサ。
5. 【請求項５】 前記電解質溶液が、硫酸、水酸化カリウ
   ム、塩化ナトリウムなどの水系の電解質溶液同志からな
   ることを特徴とする請求項４記載の電気二重層コンデン
   サ。
6. 【請求項６】 前記電解質溶液が、水系の電解質溶液と
   アンモニウム塩などをジメチルホルムアミドなどに溶解
   した有機系の電解質溶液とからなることを特徴とする請
   求項４記載の電気二重層コンデンサ。