JPH03201519A - 電気二重層コンデンサ - 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） 本発明は、活性炭微粒子により構成した多孔質焼結体を
分極性電極として用いた電気二重層コンデンサとその分
極性電極の製造方法に関する。

（従来の技術） 乗用車など内燃機関を搭載した車両には、内燃機関を始
動するためのスタータモータ、内燃機関の回転力を用い
て発電する発電機、及び該発電機の発電電力を一時的に
蓄えておき始動時にスタータそ一夕に電力供給し或は他
の電気機器に電力供給する鉛バッテリなどが搭載されて
いる。

一方、近年になって電気二重層型の大容量コンデンサが
開発され、一部でバッテリの用途に使用されるものが現
われており、該大容量のコンデンサを内燃機関の始動用
に用いる提案が車両用電源装置として特許願昭和６３年
第３２９．８４６号に明示されている。

第８図は、一般にスラリー状のペースト電極を用いて形
成される電気二重層コンデンサを示している。これは、
米国特許第３，５３６，９６３号公報に示されるもので
あって、一対の集電電極となる電子導電体の電流コレク
タ１０１、活性炭粒子よりなる炭素電極１０２、非導電
性ガスケット１０３、電極１０２の間で電子が移動する
ことを防止するための隔離板１０４から単一の基本セル
が構成されている。

上記炭素電極は、粉末または微粉末の形状にある活性炭
と電解質とを混合した濃厚スラリーとして製造される。

ここで電解質は、３つの機能を果す。つまりイオン伝導
の促進剤としての作用、イオン源としての作用、および
炭素粒子の結合剤としての作用である。

（発明が解決しようとする課題） こうした電気二重層コンデンサを車両用の電源に使用す
るには、例えば１００Ｆ（ファラッド）〜１５０Ｆ（フ
ァラッド）程度の大静電容量値を有するものが要求され
る。しかし、セルの集積数を多くすることにより必要な
容量値を実現しようとすれば、その重量や体積が大きく
なり、車両に積載するには適当でない。そこでエネルギ
ー密度、つまり単位体積当りの容量値、あるいは単位重
量当りの容量値を高めるための新規な電気二重層コンデ
ンサが要求される。

また、こうした電気二重層コンデンサを車両用の電源に
使用する際には、一対の集電電極となる上記電流コレク
タ１０１と、活性炭粒子よりなる上記炭素電極１０２と
の接触抵抗も問題となる。

上記集電電極は、例えば金属あるいは導電性のゴム等で
形成され、多孔質の焼結体の炭素電極１０２がこの集電
電極に密着していないと、集電々極と分極性電極との接
触抵抗などにより、大きく影響されるから、こうした接
触抵抗を低減するためには、基本セルにその上下方向か
ら圧力を加えて、ペースト状となった活性炭粒子との接
触を良好にする必要がある。

そこで、本発明は、活性炭と電解質の界面で形成される
電気二重層を利用する電気二重層コンデンサにおいて、
活性炭の焼結体の炭素電極が集電電極に対して小さな接
触抵抗となるような電気二重層コンデンサを得ようとす
るものである。

（課題を解決するための手段） 上述の如き本発明の目的を達成するために、本発明は、
活性炭と電解質の界面で形成される電気二重層を利用す
る電気二重層コンデンサにおいて、活性炭微粒子を焼結
結合せしめた互いに密度の異なる第１活性炭と第２活性
炭からなる多孔質焼結体を分極性電極とし、密度の高い
第２活性炭からなる多孔質焼結体を集電電極に密着させ
ている電気二重層コンデンサを提供する。そしてこの種
のコンデンサの電極を製造する方法として、平均粒径が
互いに異なる活性炭微粒子からなる第１、第２の粉体を
焼結型に順次積層しそれぞれに５０　Ｋｇｆ／ｃｍ　”
　〜８００　Ｋｇｆ／ｃ＋＊　２の範囲の圧力を印加す
るステップと、圧力を印加された粉体の微粒子間にパル
ス状電圧を印加せしめて各粒子間に放電を発生せしめる
とともに加圧した活性炭微粒子を７００″Ｃ〜ｔｏｏｏ
”ｃに保持して、活性炭微粒子を焼結するステップとを
有する電気二重層コンデンサに使用する分極性電極の製
造方法も提供する。

（作用） 平均粒径が互いに異なる活性炭微粒子からなる第１、第
２の粉体を焼結型に順次投入して５０にｇｆ／ｃｍ　”
〜８００　Ｋｇｆ／ｃｍ　”の範囲の圧力を印加し、圧
力を印加された粉体の微粒子間にパルス状電圧を印加せ
しめて各粒子間に放電を発生せしめるとともに加圧した
活性炭微粒子を７００″Ｃ〜ｔｏｏｏ℃に保持して活性
炭微粒子を焼結させ、互いに密度の異なる積層された２
層の多孔質焼結体からなる電極を形成する。このように
形成されに２枚の電極に電界質を含浸させて分極性電極
を作威し、かつ電解液を含浸させたセパレータをこれら
２枚の分極性電極の間に挟んで電気二重層コンデンサを
製作する。

（実施例） 次に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明に係る電気二重層コンデンサに用いる
分極性電極の構造を示す図である。ここで活性炭と電解
質の界面で形成される電気二重層を利用して電気二重層
コンデンサを構成するために、多孔質焼結体からなる分
極性電極が、互いに密度の異なる活性炭微粒子を焼結結
合せしめた第１活性炭と第２活性炭からなる多孔質焼結
体として形成されている。

つまりこの分極性電極１は、密度の低い第１活性炭を焼
結した焼結層２と、密度の高い第２活性炭を焼結した焼
結層３とからなる多孔質焼結体であって、例えば第２図
に示すように焼結層３の側に集電電極４が密′着して設
けられる。そして、この集電電極４との間の接触抵抗を
更に低減するために、焼結層３の表面が研摩されている
。

第３図は、上記集電電極４との間の接触抵抗の測定結果
を示しており、焼結に先立って印加される加重を横軸に
とって、従来の分極性電極と比較している。ここでは、
分極性電極１は直径が２０ｍｍで、厚さが４ｍｍの円筒
形状のものである。

この図から理解されるように、加重が低い場合でも、本
実施例の分極性電極１は集電電極４との間の接触抵抗が
小さくなる。

第４図は、活性炭微粒子の平均粒径の相違による多孔質
焼結体の密度を示す図である。ここに示される平均粒径
、焼結後の密度は、いずれも同一の焼結条件のもとで測
定されたものであり、同じ素材を使用しながら、その粒
径が小さくなると、高密度に焼結が行なえることを示し
ている。

この場合の焼結条件としては、活性炭からなる微粒子に
放電ａｊ撃力を与えるパルス電流値は７５０Ａ、その印
加時間は９０　ｓｅｃ　、焼結型の表面温度はａｏｏ”
ｃ、活性炭微粒子に印加される圧力は３００　Ｋｇｆ／
ｃｍ　２である。つまり、活性炭に通電して、粒子間の
発熱を利用して、分極性を有する多孔質の焼結体を得る
ときに、粒子が小さいほうが全体に加熱され、より高密
度な多孔質焼結体となるということである。なお圧縮焼
結中の活性炭微粒子の温度が７００℃以下の場合には、
多孔質焼結化しない、また、活性炭微粒子を固体を保持
した状態で、かつ比表面面積を維持するには、５０　Ｋ
　ｇｆ／ｃｏ＋　”〜８００　Ｋｇｆ／ｃｍ　２の範囲
の圧力が印加できる。

第５図は、本発明に係る電気二重層コンデンサに用いる
多孔質焼結体からなる分極性電極を製造するための装置
を示す概略構成図である。同図において、１０は活性炭
の微粒子の粉末を収容する焼結型である。該型１０はタ
ングステン鋼のような強度のある金属からなり中央には
微粒子を収容する穴が形成されている。該穴の周囲には
、絶縁物である、酸化シリコン（Ｓ　ｉ　０２　）また
は窒化けい素（Ｓ　ｉｇ　Ｎ４　）が気相成長法などの
周知の方法でコーティングされていて、絶縁［１１が形
成されている。１２は上部電極、１３は下部電極であり
、これら電極の上下先端は型１０に形成された穴に挿入
されている。なお、これら上下電極は耐熱性の金属たと
えばタングステン、モリブデン等から形成されている。

また、上下電極１２．１３の間には、活性炭の微粒子１
４が封入されている。なお、第５図には示されていない
が、これら上下電極１２．１３は、油圧プレスで矢印方
向に圧力を印加することができるように構成されていて
、微粒子１４に所定の圧力を自由に印加できるようにな
っている。そしてまた、型１０を含めた微粒子１４は、
所望の雰囲気内に保持できる構造になっている。上下電
極１２．１３には、スイッチＳＷ１とＳＷ２とコンデン
サＣの直列回路が接続され、さらに、コンデンサＣとス
イッチＳＷ２の直列回路には、可変抵抗器Ｒと可変電源
ＥＡの直列回路が並列接続されている。なお、１５はス
イッチＳＷＩ、ＳＷ２のオン、オフ時間を制御するスイ
ッチ制御回路である。なお、スイッチＳＷ１は常開スイ
ッチであり、スイッチＳＷ２は常閉スイッチである。

上記の型１０は金属により形成されているが、酸化シリ
コン（Ｓｉ０２）、窒化けい素（ｓｉｇＮ４）、炭化け
い素（Ｓ　ｉ　Ｃ）などのニューセラミックスで構成す
ることもできる。

次に第５図に示す装置の動作を説明する。

まず、上下電極１２．１３に電圧が印加されていない状
態で上下電極１２．１３を駆動して微粒子１４に加わる
圧力を次第に上昇せしめる。

第５図に示す状態では、コンデンサＣに電荷が充分に充
電されている。微粒子１４に加わる圧力が所定値となっ
た所で、スイッチＳＷ１をオン、オフ制御する。

このスイッチのオン時間ｔｏｎは、３４６図に示すよう
に、コンデンサＣに充電されている電荷が上下電極間に
放電する放電時間ｔｄと同じかこれよりも少ない時間の
範囲で制御する。またオフ時間ｔ　ｏｆｆはコンデンサ
Ｃの充電時間ｔｃとほぼ同じかこれよりも長い時間で制
御する。すなわち、上下電極間に梳れる電流（ｉ）を最
大値から最小値まで可変で流せるようにする。

スイッチＳＷＩのオン、オフ動作の繰り返しで、上下電
極間には、鋭いパルス状の衝撃電流が流れる。なお、第
６図において、ＥｃはコンデンサＣの両端電圧を示す。

このパルス衝撃電流は、上下電極間に挟まれた活性炭の
微粒子のほとんどのもの同志が接触融着するまでの時間
だけ印加される。その後、時間ｔｃにおいて微粒子１４
に印加する圧力を一定圧力に保持したまま、スイッチＳ
Ｗ２をオフとし、スイッチＳＷ１をオンするとともに、
可変抵抗器Ｒの値と可変電源ＥＡの電圧値を調節し、所
定値の加熱電流を連続して流す。

しかし、加熱電流通電の初期には微粒子同志の接触融着
が浅い部分や不安定な融着をしている部分が崩れたり、
接着位置がずれたりし局部的に高温となるため、加熱電
流を制御しゆるやかに温度を上昇させる。

そして、目標温度に到達した後、加熱電流を一定に流し
、上昇し続けた活性炭からなる多孔質焼結体の温度を一
定値に保つ。

このような状態になれば、多孔質焼結体を構成する活性
炭微粒子同志も安定して接着しているので、上下電極１
２．１３間に印加される放電電圧をオフとするとともに
、加圧力もオフする。そして多孔質焼結体の温度が常温
にまで低下した所で型１０から多孔質焼結体を取り出す
。

第７図には、本発明に係る多孔質焼結体の製造方法を示
す。

まず、焼結型１０内に、平均粒径が２０μｍの活性炭を
投入し、上下電極上より加圧する（同図（ａ））、次に
、平均粒径５μｍ以下の活性炭、あるいは黒鉛粉末、ア
セチレンブラック等の高融点金属を投入して、更に加圧
する（同図（ｂ））、その後、前記第５図で説明した焼
結装置によって焼結する。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、活性炭微
粒子を焼結結合せしめた互いに密度の異なる第１活性炭
と′Ｍ２活性炭からなる多孔質焼結体を分極性電極とし
、密度の高い第２活性炭からなる多孔質焼結体が集電電
極に密着して電気二重層コンデンサが形成されている。

このため、従来例のようにペースト状の分極性電極に大
きな圧力を印加することなしに、ペースト状となった活
性炭粒子と集電電極の接触を良好にした電気二重層コン
デンサを得ることができる。

また、平均粒径が互いに異なる活性炭微粒子からなる第
１、第２の粉体を焼結型に順次投入して、互いに密度の
異なる積層された２層の多孔質焼結体からなる分極性電
極を形成するようにしたので、同一の焼結条件の下で、
しかも１回の焼結によって活性炭の焼結体の炭素電極が
集電電極に対して小さな接触抵抗となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明Ｃ係る分極性電極の構造を示す図、第２
図は同分極性電極に集電電極を設けた状態を示す図、第
３図は集電電極１３との間の接触抵抗の測定結果を示す
図、第４図は活性炭微粒子の平均粒径の相違による多孔
質焼結体の密度を示す図、第５図は本発明に係る多孔質
焼結体を製造するための装置を示す概略構成図、第６図
は放電状態を示すタイムチャート、第７図は本発明に係
る多孔質焼結体の製造方法を示す説明図、′ｓ８図はス
ラリー状のペースト電極を用いて形成される従来形の電
気二重層コンデンサの断面図である。 １・・分極性電極、４・・集電電極、１０・・焼結型。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性炭と電解質の界面で形成される電気二重層を
   利用する電気二重層コンデンサにおいて、活性炭微粒子
   を焼結結合せしめた互いに密度の異なる第１活性炭と第
   ２活性炭からなる多孔質焼結体を分極性電極とし、密度
   の高い第２活性炭からなる多孔質焼結体が集電電極に密
   着していることを特徴とする電気二重層コンデンサ。
2. （２）平均粒径が互いに異なる活性炭微粒子からなる第
   １、第２の粉体を焼結型に順次積層しそれぞれに５０Ｋ
   ｇｆ／ｃｍ＾２〜８００Ｋｇｆ／ｃｍ＾２の範囲の圧力
   を印加するステップと、圧力を印加された粉体の微粒子
   間にパルス状電圧を印加せしめて各粒子間に放電を発生
   せしめるとともに加圧した活性炭微粒子を７００℃〜１
   ０００℃に保持して、活性炭微粒子を焼結するステップ
   とを有することを特徴とする電気二重層コンデンサに使
   用する分極性電極の製造方法。