JPH0897100A - 電気二重層コンデンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大容量で内部抵抗の小さい電気二重層コンデ
ンサーを提供する。 【構成】 対向するニッケルの集電体１・１が、一セル
の内部に複数個並列に互いちがいに配設され、それぞれ
両端に接続集約される。この集電体１・１の周囲にそれ
ぞれ中空状の炭素繊維の分極性電極２・２が設けられ、
その分極性電極２・２間には電解液（ＫＯＨ＋ＬｉＯＨ
水溶液）を含浸させた多孔性のポリプロピレンのセパレ
ータ３を介在させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気二重層コンデンサ
ーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気二重層コンデンサーは、活性炭や炭
素繊維などからなる１対の分極性電極間に、電解液を含
浸させた多孔性セパレータを介在させて対向させた、１
つのセルから成り立つ素子で、電解コンデンサーに比べ
て大きな容量をもつものである。この電気二重層コンデ
ンサーの従来の代表的なセルは、図５に示すように、集
電体１・１の内側に接して多孔質の活性炭や炭素繊維の
微細な導電体よりなる分極性電極２ａ・２ａが設けら
れ、この分極性電極２ａ・２ａは電解液を含浸させたセ
パレータ３を挟んで対向している。また、図の４・４は
封口体であり、この封口体４・４は、前記電極２ａやセ
パレータ３を密封している。前記集電体１・１の外側に
は、それぞれ端子５・５があり、この端子５・５から
は、それぞれリード線６・６の一端がハンダ付けされて
いて外部回路へ接続することができる。このような電気
二重層コンデンサーにおいて、電荷は、前記分極性電極
２内の微細な導電体と電解液の境界面に蓄えられる。そ
のため、より大きな容量を実現するためには、同分極性
電極を形成する多孔質材料の表面積を増やすことが必要
である。その方法として、従来から、たとえば多孔質材
料である活性炭などを、不活性ガス中で熱処理する等の
手法が研究されてきた。また、充放電の速度向上には、
セルの内部抵抗を低減することが必要不可欠であり、そ
の方法として従来は、集電体１と分極性電極２との密着
性を増すために多大な圧力（例えば２５キログラム／立
方センチ）をかけて製造していた。さらに、内部抵抗を
低減させる公知技術として特開平５−３２６３２６号の
発明があるが、この公知発明は、集電体材料と分極性電
極材料との組成を連続的に変化させた傾斜機能材料を採
用することにより、集電体と分極性電極との接触抵抗を
低減させ、内部抵抗の小さい電気二重層コンデンサーを
実現させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、より大きな容
量を得るための、前記従来技術の活性炭を不活性ガス中
で熱処理する方法は、プロセスが複雑になるわりには、
表面積の増加は僅かしか望めない、という課題があっ
た。また、内部抵抗を低減させるための、前記従来技術
の多大な圧力をかける方法は、どうしても機械的強度の
強い大きいフレームが必要となり、コンデンサー装置の
軽量小型化の妨げになるので、もっと小さい圧力で容易
に密封可能な、より小さな内部抵抗の電気二重層コンデ
ンサーを得たいという課題があった。さらに、特開平５
−３２６３２６号の発明は、傾斜機能材料を用いて電極
と集電体との接触抵抗を低減させているが、その傾斜機
能材料を得るのに高度の技術を要し、安定した理想的な
特性のものを得ることが困難であるなどの課題があっ
た。本発明は、このような従来技術の課題を解決するこ
とを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のような電気二重層コンデンサーを提供
する。すなわち本発明は、中空状の導電性繊維製の対を
なす分極性電極と、この対をなす分極性電極と分極性電
極との間にあって同電極間を絶縁し且つイオンを通過さ
せるためのセパレータと、前記各分極性電極に発生する
電気を収集するための集電体とを備えた、電気二重層コ
ンデンサー、および前記中空状の導電性繊維は炭素繊維
であることを特徴とする、請求項１の電気二重層コンデ
ンサー、および、単位胞である１セルが、セパレータに
対向した１対の分極性電極を並列に積層化した構造を有
することを特徴とする、電気二重層コンデンサー、およ
び電源用バッテリーをバックアップするために、前記電
気二重層コンデンサーを前記電源用バッテリーに並列に
接続可能に構成したことを特徴とする、請求項１または
請求項２または請求項３の電気二重層コンデンサーであ
る。

【０００５】

【作用】上記構成において、中空状の分極性電極は表面
積が広くなり、容量（キャパシテー）が大きくなる作用
がある。セパレーターは両方の分極性電極を絶縁し、且
つイオンを通過させる作用がある。炭素繊維は導電性を
良くする作用がある。電気二重層コンデンサーを並列に
積層すると、内部抵抗が小さくなり、充放電が速くなる
作用がある。

【０００６】

【実施例】本発明の実施例について、以下、図面にした
がって本発明の構成が実際上どのように具体化されるか
を、その作用とともに説明する。図２は、本発明の基本
構成の説明図であり、図中、１・１は集電体で、この集
電体１・１の内側に接して炭素繊維などの微細な導電体
で形成される分極性電極（以下、単に電極ともいう）２
・２が設けられ、この電極２・２は、電解液を含浸させ
たセパレータ３を挟んで対向している。また、４・４は
封口体であり、この封口体４は、電極２やセパレータ３
を密封し、セパレータ３に含浸させた電解液が外部に漏
れないようにしている。前記集電体１・１の外側には、
それぞれ端子５・５があり、この端子５・５には、それ
ぞれリード線６・６の一端がハンダ付けされ、外部回路
と電気接続できるようになっている。このような電気二
重層コンデンサーにおいて、電荷は、前記電極２内の微
細な導電体と電解液の境界面に蓄えられるので、より大
きな容量を実現するためには、電極２を形成する多孔質
材料の表面積をできるだけ増やすことが必要であり、そ
のため本発明では、次に詳述するような中空の炭素繊維
よりなる電極２を用いている。図３は、電極２に用いら
れる炭素繊維の模型図であり、この図のうち、Ａは従来
技術の柱状の炭素繊維であるが、Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅは本発
明の中空状（円筒状）の炭素繊維を用いたものである。
すなわち、電極を構成する炭素繊維は、従来は、図のＡ
で示す柱状の炭素繊維Ｓ１であったのに対して、本発明
の電極を構成する炭素繊維は、図のＢ・Ｃ・Ｄ・Ｅで示
すように中空状（円筒状）のものまたはその組み合わせ
とし、表面積／体積の比の増大化によりコンデンサーの
大容量化を図っている。この本発明の中の、Ｂはマカロ
ニ状の一重の中空状の炭素繊維Ｗ１であり、また、Ｃは
前記一重の中空状の炭素繊維Ｗ１の中に柱状の炭素繊維
Ｓ２を入れて二重構造としたものである。さらに、Ｄは
中空状の炭素繊維Ｗ１の中に、もうひとつの中空状の炭
素繊維Ｗ２を入れて二重構造としたものである。そして
さらに、Ｅは中空状の炭素繊維Ｗ１のなかに、もうひと
つの中空状の炭素繊維Ｗ２を入れたうえ、さらに柱状の
炭素繊維Ｓ３を入れたものである。このように構成した
中空状の炭素繊維の表面積の増加率は、炭素繊維の直径
／長さの比や中空の位置などによって異なるが、同じ外
径を持つ炭素繊維で比較した場合の、中空状炭素繊維の
表面積の増加割合を数値で示すと、表１のようになる。
（円筒数／円柱数で０／１，１／０，１／１，２／０，
２／１はそれぞれ図３のＡ・Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅに対応す
る）。

【表１】 また、密度を比較した場合、従来の円柱状炭素繊維が、
０．６〜１．０グラム／立方センチ程度であるのに対し
て、本発明の中空状炭素繊維は、０．３２〜０．３５グ
ラム／立方センチと軽くなっている。即ち、中空状炭素
繊維の電極を用いることは、電極、ひいてはコンデンサ
ーの軽量化をもたらすものである。前記中空状炭素繊維
の製造方法としては、たとえば、気相成長法がある。具
体的には、基板上に鉄などの遷移金属微粒子を置き、ベ
ンゼンなどの炭化水素ガスを供給していくと、摂氏１０
００度程度に加熱された空間で炭化水素の熱分解が起こ
ると同時に、遷移金属微粒子の大きさを中空とする炭素
繊維が基板上に成長する。この繊維は、一重もしくは二
重以上の中空であることが知られている。この中空状炭
素繊維は、製法によって直径０．２マイクロメートルか
ら数マイクロメートルまで、また、長さも数十マイクロ
メートルから数十ミリメートルまで、さまざまなタイプ
のものが開発されている。

【０００７】図１は、本発明の一実施例を示す説明図で
あり、図中、１・１は対向するニッケルの集電体で、そ
の集電体１・１は、一セルの内部に複数個が並列に互い
ちがいに配設され、それが両端にそれぞれ接続集約され
ている。この複数個の集電体１の周囲には、それぞれ前
述の中空状の炭素繊維よりなる電極２が設けられ、その
電極２と電極２との間には、電解液（ＫＯＨ＋ＬｉＯＨ
水溶液）を含浸させた多孔性のポリプロピレンのセパレ
ータ３を介在させている。同セパレータ３は、イオンを
通すが、電極２・２間を絶縁するものである。このよう
な、一セル内に複数の電極２が並列に積層される構成と
したことにより、該セルにおける内部抵抗は容易に低減
される。この積層する数は２層以上何層でもよい。この
並列に積層する構成は、従来の集電体と電極の密着性を
増すために多大な圧力をかけていた方法にとって代わる
べきものである。この本発明によれば、たとえば１０層
を並列に積層した場合に、約０．２５キログラム／立方
センチメートルとなり、従来の約２５キログラム／立方
センチに較べて１００分の１程度の小さい圧力で済むよ
うになった。

【０００８】以上の請求項１〜請求項３の発明を用いて
下記のような構造を有する大容量の電気二重層コンデン
サーを実施例として試作しその性能を評価したので、そ
の結果を表２に示す。 構造 集電体：ニッケル 電極：中空状炭素繊維 セパレータ：ポリプロピレン 電解液：ＫＯＨ＋ＬｉＯＨ水溶液 並列積層数（１セル）：１８ セル直列数：１０

【表２】

【０００９】図４は、本発明の電気二重層コンデンサー
が大容量で且つ内部抵抗が小さい、という特性を生か
し、電源バッテリーをバックアップするための、電気二
重層コンデンサーであり、車両などの電源バッテリーが
機能低下して、エンジンがかからなくなった場合など
に、有効にその機能を発揮できるものである。図中、７
は車両のセルモーターで、このセルモーター７は、通常
は始動スイッチ８をいれることによって電源バッテリー
９との回路が閉じて、電流が流れ始動回転するものであ
る。この車両などのセルモーター７は、始動の際には大
電流を必要とするものであるが、前記電源バッテリー９
が機能低下すると、その電源バッテリー９の内部抵抗が
大きく作用して、始動スイッチ８を入れた際に電圧がド
ロップして大電流をセルモーター７に供給することがで
きず、エンジンがかからなくなる。そこで、その機能低
下した電源バッテリー９に対して、バックアップ用スイ
ッチ１０を介して、前記バックアップ用の電気二重層コ
ンデンサー１１を接続可能としておく。このバックアッ
プ用スイッチ１０と電気二重層コンデンサー１１は、鎖
線で示すように、電源バッテリー９のバックアップ用電
気二重層コンデンサー装置１２となるものである。この
ような、機能低下した電源バッテリー９をバックアップ
したいときは、まず、前記バックアップ用スイッチ１０
を入れ、前記電源バッテリー９と前記電気二重層コンデ
ンサー１１との回路を閉じて、その電源バッテリー９か
ら電気二重層コンデンサー１１に対し電流を流し充電し
ておく。電気二重層コンデンサー11はその内部抵抗が小
さいために、ごく短時間で充電することができる。ま
た、本発明の電気二重層コンデンサー１１は、前述のよ
うに大容量の電気を蓄えることができる。つぎに、前記
バックアップ用スイッチ１０を入れたまま、前記始動ス
イッチ８を入れると、前記電気二重層コンデンサー１１
〜バックアップ用スイッチ１０〜始動スイッチ８〜セル
モーター７の回路ができるので、前記大容量で且つ内部
抵抗の小さい電気二重層コンデンサー１１は、そのセル
モーター７に対して一度に大電流を供給することが可能
であり、同セルモーター７は容易に始動回転することが
できるものである。以上、実施例について説明したよう
に、本発明は分極性電極として中空状の炭素繊維（導電
性繊維）を用い、１セルがセパレータに対向した１対の
分極性電極を並列に積層化した構造を有することを特徴
としたもので、中空状の導電性繊維を電極とすることで
容量（キャパシテー）を増加させることができ、従来技
術の円柱状の炭素繊維や活性炭を不活性ガス中で熱処理
したものに較べ、容易に表面積が大きい電極が実現で
き、したがって大容量の電気二重層コンデンサーを得る
ことができるものである。また、一対の分極性電極を並
列に積層化する構成としたので、比較的小さな圧力でセ
ルを密封可能となり、したがって従来のように大きな圧
力、機械的強度の大きいフレームが必要ではなくなり、
軽量小型で、より小さな内部抵抗の電気二重層コンデン
サーを容易に実現できるものである。さらに、一対の分
極性電極を並列に積層化する構成としたので、従来の傾
斜機能材料を用いたものに較べ、内部抵抗の小さい、性
能の安定した電気二重層コンデンサーを容易に提供する
ことができるものである。その上、大容量性と内部抵抗
の微小性により、本発明は一度に大電流を供給すること
が可能であり、本発明は、セルを始動させるための電源
バッテリーのバックアップ用として、極めて有効に機能
するものである。

【００１０】

【発明の効果】以上本発明によれば、請求項１の発明は
中空状の導電性繊維よりなる分極性電極を備えたので、
電極の表面積を増大させることができ、大容量の電気二
重層コンデンサーを容易に得ることができる。また、請
求項２の発明は、中空状の導電性繊維は炭素繊維とした
ので、前記請求項１の効果を有するほか、導電性のよい
電極を得ることができる。さらに、請求項３の発明は、
セパレータに対向した一対の分極性電極を並列に積層し
たので、あまり圧力をかけずに安定的に内部抵抗の減少
化ができ、したがって前記請求項１の効果を有するほ
か、軽量・小型の安定した電気二重層コンデンサーを容
易に得ることができる。その上、請求項４の発明は、電
気二重層コンデンサーを電源用バッテリーに並列に接続
可能な構成とすることにより、同コンデンサーの大容量
性と内部抵抗の微小性から、電源用バッテリーに接続さ
れているセルモータに一度に大電流を供給してそのセル
モータを始動回転させることができるので、機能低下し
た電源バッテリーのバックアップを容易に行うことがで
きる、などの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の説明図である。

【図２】本発明の基本構成の説明図である。

【図３】電極に用いられる炭素繊維の模型図であり、こ
の図のうち、Ａは従来技術の柱状のもの、Ｂ・Ｃ・Ｄ・
Ｅは本発明の中空状のものである。

【図４】本発明の電源バッテリーバックアップ用の電気
二重層コンデンサーの回路説明図である。

【図５】従来例の説明図である。

【符号の説明】

１ 集電体 ２ 分極性電極 ３ セパレータ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中空状の導電性繊維製の対をなす分極性電
   極と、この対をなす分極性電極の分極性電極との間にあ
   って同電極間を絶縁し且つイオンを通過させるためのセ
   パレータと、前記各分極性電極に発生する電気を収集す
   るための集電体とを備えた、電気二重層コンデンサー。
2. 【請求項２】前記中空状の導電性繊維は炭素繊維である
   ことを特徴とする、請求項１の電気二重層コンデンサ
   ー。
3. 【請求項３】単位胞である１セルが、セパレータに対向
   した１対の分極性電極を並列に積層化した構造を有する
   ことを特徴とする、電気二重層コンデンサー。
4. 【請求項４】電源用バッテリーをバックアップするため
   に、前記電気二重層コンデンサーを前記電源用バッテリ
   ーに並列に接続可能に構成したことを特徴とする、請求
   項１または請求項２または請求項３の電気二重層コンデ
   ンサー。