(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極（１３）と、
第２の電極（１４）と、
前記第１の電極との間でイオンを受け渡しするための第１のイオン伝導経路を形成するために前記第１の電極と接触するように構成された第１のイオンキャリア（１５）であって、ゲル又は溶液の形態の第１の高分子電解質を含む第１のイオンキャリア（１５）と、
前記イオンを供給するために前記第１の電極（１３）と前記第２の電極（１４）との間に分散された電解質（２０）と、
膜の形態の第１の保持層（１７）であって、該第１の保持層（１７）と接触する電解質（２０）から前記第１の電極（１３）に向かって移動するイオンは通過可能であるが、前記第１の高分子電解質は通過できず、前記第１の電極（１３）と第１の保持層（１７）との間に前記第１のイオンキャリア（１５）を保持する第１の保持層（１７）と、
ゲル又は溶液の形態の第２の高分子電解質を含む第２のイオンキャリア（１６）と、
膜の形態の第２の保持層（１８）であって該第２の保持層（１８）と接触する電解質（２０）から前記第２の電極（１４）に向かって移動するイオンは通過可能であるが、前記第２の高分子電解質は通過できない第２の保持層（１８）と、
前記第１の電極（１３）と接触するように構成された第１の集電器（１１）と、
前記第２の電極（１４）と接触するように構成された第２の集電器（１２）と
を備えるスーパーキャパシタ（１０）であって、前記第２のイオンキャリア（１６）が、前記第２の電極（１４）との間で前記イオンを受け渡しするための第２のイオン伝導経路を形成するために前記第２の電極（１４）と接触するように構成され、且つ前記第２の保持層（１８）が、前記第２の電極（１４）と前記第２の保持層（１８）との間に前記第２のイオンキャリア（１６）を保持するように構成される、スーパーキャパシタ（１０）。
【請求項２】
前記第１の保持層（１７）と前記第２の保持層（１８）との間に配設されたスペーサ（１００）を更に備える、請求項１記載のスーパーキャパシタ。
【請求項３】
前記第１の高分子電解質がポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）を含んでおり、前記第２の高分子電解質がポリスチレン硫酸ナトリウムを含む、請求項１又は請求項２記載のスーパーキャパシタ（１０）。
【請求項４】
前記第１の保持層（１７）及び前記第２の保持層（１８）がイオン交換膜を備えているとともにそれぞれ前記第１のイオンキャリア（１５）及び前記第２のイオンキャリア（１６）が有効性を損失するのを防止するように構成される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項請求項３記載のスーパーキャパシタ（１０）。
【請求項５】
スーパーキャパシタ脱塩セルであって、
前記セルの充電状態においてイオンを吸着し且つ前記セルの放電状態においてイオンを離脱するように構成された第１の電極（１３）と、
前記セルの充電状態においてイオンを吸着し且つ前記セルの放電状態においてイオンを離脱するように構成された第２の電極（１４）と、
前記第１の電極との間で前記イオンを受け渡しするための第１のイオン伝導経路を形成するために前記第１の電極と接触するように構成された第１のイオンキャリア（１５）であって、ゲル又は溶液の形態の第１の高分子電解質を含む第１のイオンキャリア（１５）と、
膜の形態の第１の保持層（１７）であって、該第１の保持層（１７）と接触する電解質（２０）から前記第１の電極（１３）に向かって移動するイオンは通過可能であるが、前記第１の高分子電解質は通過できず、前記第１の電極（１３）と第１の保持層（１７）との間に前記第１のイオンキャリア（１５）を保持するように構成された第１の保持層（１７）と、
ゲル又は溶液の形態の第２の高分子電解質を含む第２のイオンキャリア（１６）と、
膜の形態の第２の保持層（１８）であって該第２の保持層（１８）と接触する電解質（２０）から前記第２の電極（１４）に向かって移動するイオンは通過可能であるが、前記第２の高分子電解質は通過できない第２の保持層（１８）と、
前記第１の電極（１３）と接触するように構成された第１の集電器（１１）と、
前記第２の電極（１４）と接触するように構成された第２の集電器（１２）と
を備えていて、前記第２のイオンキャリア（１６）が、前記第２の電極（１４）との間で前記イオンを受け渡しするための第２のイオン伝導経路を形成するために前記第２の電極（１４）と接触するように構成され、且つ前記第２の保持層（１８）が、前記第２の電極（１４）と前記第２の保持層（１８）との間に前記第２のイオンキャリア（１６）を保持するように構成される、スーパーキャパシタ脱塩セル。
【請求項６】
前記第１のイオン伝導経路及び前記第２のイオン伝導経路が、それぞれ対応する電極と保持層との間の抵抗を減少するように構成される、請求項５記載のスーパーキャパシタ脱塩セル。
【請求項７】
前記第１の保持層（１７）と前記第２の保持層（１８）との間に配設されたスペーサ（１００）を更に備える、請求項５又は請求項６記載のスーパーキャパシタ脱塩セル。
【請求項８】
前記第１の高分子電解質がポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）を含んでおり、前記第２の高分子電解質がポリスチレン硫酸ナトリウムを含む、請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載のスーパーキャパシタ脱塩セル。
【請求項９】
前記第１の保持層（１７）及び前記第２の保持層（１８）がイオン交換膜を備えているとともにそれぞれ前記第１のイオンキャリア（１５）及び前記第２のイオンキャリア（１６）が有効性を損失するのを防止するように構成される、請求項５乃至請求項８のいずれか１項記載のスーパーキャパシタ脱塩セル。
【請求項１０】
前記第１のイオンキャリア（１５）及び前記第２のイオンキャリア（１６）が溶液の形態である、請求項５乃至請求項９のいずれか１項記載のスーパーキャパシタ脱塩セル。
【請求項１１】
前記第１のイオンキャリア（１５）及び前記第２のイオンキャリア（１６）がゲルの形態である、請求項５乃至請求項９のいずれか１項記載のスーパーキャパシタ脱塩セル。
【請求項１２】
請求項５乃至請求項１１のいずれか１項記載のスーパーキャパシタ脱塩セルと、
前記第１の電極（１３）及び前記第２の電極（１４）を逆の電気的極性に付勢するように構成された電源（１９）と、
脱塩のために前記セルに液体を通すように構成された液体源（３０）と
を備えるスーパーキャパシタ脱塩デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にスーパーキャパシタ及びその製造方法に関する。特に、本発明は、スーパーキャパシタ脱塩セル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スーパーキャパシタはエネルギー貯蔵電池として一般に使用される。一般に、スーパーキャパシタは二重層形であり、微粒子活性炭から通常形成される１対の電極が細孔質電子絶縁性イオン伝導セパレータ素子により分離される。セパレータ素子は均一に分散された電解質成分から形成される。通常のスーパーキャパシタの構造は、それぞれの電極と密接に接触する導電性集電器素子を更に具備する。
【０００３】
電極に電位を印加すると、電極と電解質の境界面に存在する二重層に電荷が蓄積する。スーパーキャパシタの電極とセパレータ素子との間及び電極の内部に内部抵抗が存在する場合が多い。従って、スーパーキャパシタ、特にスーパーキャパシタ脱塩セルの充電時に電解質中のアニオン及びカチオンをそれぞれ対応する電極へ移動し、放電時にはアニオン及びカチオンを電極から離脱させて電解質に戻すように内部抵抗を超える力を得るために、大量のエネルギーが消費される。
【０００４】
微粒子活性炭電極組成と導電性集電器を何らかの方法で一体化することにより、スーパーキャパシタの内部抵抗を減少しようとする試みが実行されてきた。この目的を達成するために素子を高温焼結する方法が米国特許第５１１５３７８号に記載されているが、’３７８号特許の中でも明らかなように、処理工程の規模が大きく且つ大量のエネルギーが消費されるため、経済的な面からこの方法は望ましくない。更に、この方法によって製造された中実の成形キャパシタ本体は柔軟さに欠け、扱いにくく、キャパシタを利用する種々のデバイスの特定の条件に合わせて整形することは容易ではないので、この方法の一般利用は限られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５１１５３７８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／１０３６３４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／１４４２５６号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０７３２８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、スーパーキャパシタの内部抵抗を減少するための改良された新たなスーパーキャパシタ構造及びその製造方法が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態に係るスーパーキャパシタが提供される。スーパーキャパシタは、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極との間でイオンを受け渡しするための第１のイオン伝導経路を形成するために第１の電極と接触するように構成された第１のイオンキャリアと、第１の電極との間に第１のイオンキャリアを保持するように構成された第１の保持層とを具備する。スーパーキャパシタは、イオンを供給するために第１の電極と第２の電極との間に分散された電解質と、第１の電極と接触するように構成された第１の集電器と、第２の電極と接触するように構成された第２の集電器とを更に具備する。
【０００８】
本発明の別の実施形態に係るスーパーキャパシタ脱塩セルが提供される。スーパーキャパシタ脱塩セルは、電池の充電状態においてイオンを吸着し且つ電池の放電状態においてイオンを離脱するように共に構成された第１の電極及び第２の電極を具備する。スーパーキャパシタ脱塩セルは、第１の電極との間でイオンを受け渡しするための第１のイオン伝導経路を形成するために第１の電極と接触するように構成された第１のイオンキャリアと、第１の電極との間に第１のイオンキャリアを保持するように構成された第１の保持層とを更に具備する。更に、スーパーキャパシタ脱塩セルは、第１の電極と接触するように構成された第１の集電器と、第２の電極と接触するように構成された第２の集電器とを具備する。
【０００９】
本発明の更に別の実施形態に係るスーパーキャパシタ脱塩デバイスが提供される。スーパーキャパシタ脱塩デバイスは、電池の充電状態においてイオンを吸着し且つ電池の放電状態においてイオンを離脱するように共に構成された第１の電極及び第２の電極を具備するスーパーキャパシタ脱塩セルを具備する。スーパーキャパシタ脱塩セルは、第１の電極との間でイオンを受け渡しするためのイオン伝導経路を形成するために第１の電極と接触するように構成された第１のイオンキャリアと、第１の電極との間に第１のイオンキャリアを保持するように構成された第１の保持層と、第１の電極と接触するように構成された第１の集電器と、第２の電極と接触するように構成された第２の集電器とを具備する。スーパーキャパシタ脱塩デバイスは、第１の電極及び第２の電極を逆の極性に付勢するように構成された電源と、脱塩のために電池に液体を通すように構成された液体源とを更に具備する。
【００１０】
本発明の更なる実施形態に係る方法が提供される。方法は、第１の電極及び第２の電極を設けることと、第１の電極との間でイオンを受け渡しするための第１のイオン伝導経路を形成するために第１の電極と接触するように構成された第１のイオンキャリアを設けることと、第１の電極との間に第１のイオンキャリアを保持するように構成された第１の保持層を設けることとを含む。方法は、第１の電極と接触するように構成された第１の集電器及び第２の電極と接触するように構成された第２の集電器を設けることを更に含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の上記の態様、特徴及び利点並びに他の態様、特徴及び利点は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を考慮することにより更に明らかになるだろう。
【図１】図１は本発明の一実施形態に係るスーパーキャパシタを示した概略横断面図である。
【図２】図２は本発明の別の実施形態に係るスーパーキャパシタを示した概略横断面図である。
【図３】図３は本発明の一実施形態に係るスーパーキャパシタ脱塩セルを示した斜視図である。
【図４】図４はイオンキャリアを含まないスーパーキャパシタ脱塩セルを示した実験曲線である。
【図５】図５はＰＳＳ及びＰＤＤＡを含むスーパーキャパシタ脱塩セルを示した実験曲線である。
【図６】図６はＰＳＳ及びＰＤＤＡを含むスーパーキャパシタ脱塩セルの安定性を示した実験図である。
【図７】図７は複数のスーパーキャパシタ脱塩セルを示した概略組み立て平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。以下の説明中、開示内容を無用に詳細に説明することにより理解を妨げるのを避けるために、周知の機能及び構成は詳細に説明されない。
【００１３】
図１に示されるように、スーパーキャパシタ１０は、第１の集電器１１、第２の集電器１２、第１の電極１３、第２の電極１４、第１のイオンキャリア１５、第２のイオンキャリア１６、第１の保持層１７及び第２の保持層１８を含む。第１の集電器１１は電源１９の正端子に接続されてもよく、第２の集電器１２は電源１９の負端子に接続されてもよい。一実施形態において、スーパーキャパシタ１０の第１の電極１３と第２の電極１４との間に塩化ナトリウムなどの電解質溶液２０が分散されてもよい。
【００１４】
図示される実施形態において、第１の電極１３が正電極（アノード）として動作し且つ第２の電極１４が負電極（カソード）として動作するように、第１の集電器１１は第１の電極１３と密接に接触し且つ第２の集電器１２は第２の電極１４と密接に接触している。第１のイオンキャリア１５は、アニオンを搬送するために第１の電極１３と第１の保持層１７との間に配置される。第２のイオンキャリア１６は、カチオンを搬送するために第２の電極１４と第２の保持層１８との間に配置される。第１の保持層１７及び第２の保持層１８は、共にイオン交換層であり、電極２０の中のアニオン及びカチオンの双方を通過可能であってもよい。すなわち、保持層１７及び１８は、保持層と接触する溶液２０から電極へイオンを移動させてもよい。特に、第１の保持層１７はアニオンのみを通過可能であってもよく、第２の保持層１８はカチオンのみを通過可能であってもよい。第１の保持層１７及び第２の保持層１８は、高分子電解質などのイオンキャリア１５及び１６が保持層を通って漏れ出すことによる有効性の損失を防止できる。ある特定の実施形態において、第１のイオンキャリア１５及び第２のイオンキャリア１６はアニオン及びカチオンの双方を搬送してもよい。
【００１５】
特に、スーパーキャパシタ１０はスペーサ１００を更に具備する。スペーサ１００は、第１の保持層１７と第２の保持層１８とを分離するための膜、多孔質材料及び非多孔質材料を含む任意のイオン透過性電子非導通材料であってもよい。スペーサ１００は、特に第１の保持層１７と第２の保持層１８との離間距離が短い場合に電解質２０を受け入れるための空間又は２つの保持層１７及び１８の間に液体を通すための流路を有してもよいが、スペーサ１００自体がそのような空間又は流路であってもよい。
【００１６】
スーパーキャパシタ１０の充電状態において、電源１９からの正電荷は第１の電極１３の表面に蓄積され、電源１９からの負電荷は第２の電極１４の表面に蓄積される。それらの正電荷及び負電荷は、電離電解質２０の中のアニオン及びカチオンを吸引することにより、第１の電極１３及び第２の電極１４の表面にアニオン及びカチオンをそれぞれ吸着させる。スーパーキャパシタ１０の放電状態において、吸着されていたアニオン及びカチオンは、第１の電極１３及び第２の電極１４の表面からそれぞれ離脱し、電解質２０の中に戻る。その際に放出されたエネルギーは、電球などの電気器具を駆動するために使用されてもよいが、双方向ＤＣ／ＤＣ変換器などのエネルギー回収電池を介して回収されてもよい。
【００１７】
図示される実施例において、アニオンキャリア１５の一方の面はアノード１３と接触し、他方の面は第１の保持層１７と接触する。カチオンキャリア１６の一方の面はカソード１４と接触し、他方の面は第２の保持層１８と接触する。特に、イオンキャリア１５及び１６はアノード１３及びカソード１４にそれぞれ分散してもよい。すなわち、イオンキャリア１５及び１６は、それぞれ対応する電極の隙間空間の中へ浸透し、隙間空間から保持層１７及び１８へ延在してもよい。本発明の実施形態において、イオンキャリア１５及び１６は、充電サイクル中及び放電サイクル中にそれぞれ対応する電極１３及び１４と保持層１７及び１８との間の内部抵抗を減少するために電極１３及び１４との間に第１のイオン伝導搬送経路及び第２のイオン伝導搬送経路をそれぞれ形成する。従って、充電状態にある場合、電解質２０中のアニオン及びカチオンを第１の電極１３及び第２の電極１４の表面にそれぞれ吸着するために消費されるエネルギーの量は相対的に少なくて済む。放電状態の場合、吸着されていたアニオン及びカチオンは電極１３及び１４から離脱して電解質２０に戻るが、その際に消費されるエネルギーはごく少量である。
【００１８】
ある特定の実施形態において、第１のイオンキャリア１５は、アニオンを透過するために第四アミン基などのカチオン基を含むイオンポリマーであってもよい。第２のイオンキャリア１６は、カチオンを搬送するためにスルホン酸基（ＳＯ３Ｈ）又はカルボン酸基（ＣＯＯＨ−）などのアニオン基を含むイオンポリマーであってもよい。図示される実施形態において、第１のイオンポリマー１５は第１の高分子電解質溶液を含んでもよく、第２のイオンポリマー１６は第２の高分子電解質溶液を含んでもよい。第１の高分子電解質溶液はポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）（ＰＤＤＡ）溶液を含んでもよく、第２の高分子電解質溶液はポリスチレン硫酸ナトリウム（ＰＳＳ）溶液を含んでもよい。ＰＳＳはスルホン化ポリスチレンのナトリウム形態と呼ばれてもよい。更に、電解質２０中のアニオン及びカチオンの双方を電極１３及び１４へ搬送するのを容易にするために、イオンキャリア１５及び１６は、ポリリン酸塩のような高分子両性電解質などのイオンポリマーであってもよい。
【００１９】
スーパーキャパシタ１０の素子を組み立てる場合、それぞれの電極１３及び１４に高分子電解質溶液を満たすか又は電極１３及び１４を高分子電解質溶液に２時間又は２日程度の所定の時間にわたり浸漬し、次に処理済み電極１３及び１４に保持層１７及び１８をそれぞれ圧接することにより、スーパーキャパシタ１０の構造を形成できる。
【００２０】
充電中又は放電中、電解質２０のアニオン又はカチオンの搬送を容易にし且つエネルギー消費を減少するために電極１３又は１４と保持層１７又は１８との間にＰＳＳ又はＰＤＤＡが封じ込められるように、保持層１７又は１８はＰＳＳ溶液中又はＰＤＤＡ溶液中の高分子イオンの漏出を阻止できる。
【００２１】
一実施形態において、イオンポリマー１５又は１６は、ゲル又は半硬化形のような溶液以外の形態である。高分子電解質モノマーのその場重合により又は高分子電解質モノマーを架橋するためにＮ，Ｎ‐メチレンビスアクリルアミド又はジビニルベンゼンなどの架橋剤を添加することにより、電極１３又は１４の表面及び内部に高分子電解質ゲル１５又は１６が形成されてもよい。この処理は当業者により実現可能である。いくつかの実施形態において、イオンポリマー１５及び１６がゲル形態である場合、保持層１７及び１８は不要になってもよい。特定の実施形態において、脆弱な高分子電解質ゲル層が剥落し、それにより有効性を失うのを阻止するために、保持層１７及び１８が使用される。更に、スペーサ１００も使用されてよい。
【００２２】
ある特定の実施形態において、保持層１７及び１８は膜であり、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、テフロン（登録商標）、ナイロン又はそれらの任意の組み合わせなどの電気絶縁性イオン伝導ポリマーから製造される。更に、保持層１７及び１８はメッシュ又はシートの形態であってもよい。
【００２３】
更に、集電器１１及び１２は板、メッシュ、箔又はシートとして構成されてもよく且つ金属又は合金から形成されてもよい。金属はチタン、プラチナ、イリジウム又はロジウムを含んでもよい。合金はステンレス鋼を含んでもよい。一実施形態において、集電器１１及び１２はグラファイトから形成される。あるいは、集電器１１及び１２は、ポリエチレンを含んでもよいポリオレフィンなどのプラスチック材料から形成される。必要とされる導電率レベルを実現するために、プラスチックの集電器１１及び１２は導電性カーボンブラック又は金属粒子と混合されてもよい。
【００２４】
図示される実施形態の場合のように、電極１３及び１４は、積層構造を形成するために互いに平行に配設された複数の板の形態である。ある特定の実施形態において、第１の電極１３及び第２の電極１４はシート、ブロック又は円筒などの種々の形状を有してもよい。更に、それらの電極は種々の構成で配置されてよい。例えば、第１の電極及び第２の電極は、電極の間に連続する螺旋形の空間を挟んで同心に配設されてもよい。
【００２５】
第１の電極１３及び第２の電極１４は導電性材料を含んでもよく、導電性材料は熱伝導性であってもよいが、熱を伝導しなくてもよい。一実施形態において、導電性材料は炭素又は炭素系材料を含んでもよい。更に、炭素系材料は活性炭粒子、多孔質炭素粒子、炭素繊維又はそれらの組み合わせを含んでもよい。また、導電性材料は、マンガン又は鉄の酸化物、又はマンガン及び鉄の双方の酸化物、チタン、ジルコニウム、バナジウム、タングステンの炭化物、あるいはそれらの組み合わせを含んでもよい。
【００２６】
導電性材料は、粒径が小さく且つ表面積の広い粒子を有してもよい。導電性材料の表面積が広いため、スーパーキャパシタ１０の吸着容量が大きくなり、エネルギー密度は高くなり且つキャパシタンスも高くなることが理解されるだろう。本発明の実施形態において、電極１３及び１４の導電性材料は、スパッタリング、吹付、スピンコーティング、カレンダリング又はプリントなどの１つ以上の堆積技術を採用することにより集電器１１及び１２の上に堆積されてもよい。
【００２７】
図２に示されるように、本発明の別の実施形態に係るスーパーキャパシタ２１が提供される。図１及び図２に示される実施形態において共通する図中符号は同一の素子を示す。本実施形態において、スーパーキャパシタ２１は、第１の集電器１１、第２の集電器１２、第１の集電器１１に結合された第１の電極１３、第２の集電器１２に結合された第２の電極１４、第１の電極１３と第２の電極１４との間に配置されたイオンキャリア２２及び第１の電極１３と保持層２３との間にイオンキャリア２２を保持するためにイオンキャリア２２に結合された保持層２３を具備する。集電器１１は電源１９（図１に示される）の正端子に接続されてもよく、集電器１２は電源１９の負端子に接続されてもよい。電解質２０（図１に示される）はスーパーキャパシタ２１の中に分散されてもよい。
【００２８】
一実施形態において、イオンキャリア２２は、電解質２０のアニオン及びカチオンの双方の搬送を容易にするポリリン酸塩又はポリケイ酸塩を含む高分子両性電解質などのイオンポリマーであってもよい。あるいは、ある特定の状況において、例えば、液体中のイオン不純物などの特定のイオン種の吸着を加速するために、イオンキャリア２２はアニオン交換のみ又はカチオン交換のみに使用されてもよい。図２に示される実施形態において、イオンキャリア２２はゲル又は溶液の形態であってもよい。特に、保持層２３と第２の電極１４とを分離するために、スペーサ１００（図１に示される）が採用されてもよい。
【００２９】
本発明の実施形態において、スーパーキャパシタはエネルギー貯蔵デバイスとして使用されてもよい。あるいは、スーパーキャパシタはスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）デバイスとして使用されてもよい。ＳＣＤデバイスは、塩の量を家庭用及び工業用として許容できるレベルまで減少するために海水の脱塩又は他の汽水の脱イオンに使用されるスーパーキャパシタである。更に、ＳＣＤデバイスは、廃水又は農業処理、工業処理又は都市廃棄物処理の排水などの液体から他の帯電不純物又はイオン不純物を除去又は減少してもよい。
【００３０】
図３は、スーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）デバイスを示した斜視図である。スーパーキャパシタ１０を一例にとると、ＳＣＤデバイス３はＳＣＤ電池１０を具備する。第１の電極１３及び第２の電極１４を逆極性に付勢するために電源１９が設けられる。充電状態の間、荷電化学種を含む塩化ナトリウムなどの液体源３０からの入力液体が電極１３及び１４の間を通過すると、カチオン３１はカソード１４に向かって移動し、アニオン３２はアノード１３に向かって移動する。このようにしてＳＣＤ電池１０の内部に電荷が蓄積した結果、ＳＣＤ電池１０から流出する希釈液体である出力流れ３３に含まれる帯電種の濃度は、入力液体と比較して低くなる。ある特定の実施形態において、希釈液体３３は、別のＳＣＤ電池を通過することにより更に脱イオンされてもよい。一実施形態において、第１の保持層１７と第２の保持層１８との離間距離が狭い場合に入力液体が通過できるように流路（図示せず）を規定するために、スペーサ１００が使用される。
【００３１】
放電状態の間、吸着されていたイオンは第１の電極１３及び第２の電極１４の表面から離脱する。一実施形態において、ＳＣＤ電池１０の放電状態の間、第１の電極１３及び第２の電極１４の極性は同一に維持されてもよく、アニオン３２が第１の電極１３から離脱し且つカチオン３１が第２の電極１４から離脱するように２つの電極が短絡されてもよい。別の実施形態において、第１の電極１３及び第２の電極１４の極性は反転されてもよい。従って、第２の電極１４に蓄積していたカチオン３１は第１の電極１３に向かって移動し、第１の電極１３に蓄積していたアニオン３２は第２の電極１４に向かって移動する。その結果、出力流れ３３の帯電種の濃度は、入力液体と比較して高くなってもよい。
【００３２】
図４は、イオンキャリアを含まないスーパーキャパシタ脱塩セルの実験曲線を示した図である。図５は、ＰＳＳ及びＰＤＤＡを含むスーパーキャパシタ脱塩セルの実験曲線を示した図である。図４において、イオンキャリアを含まないスーパーキャパシタ脱塩セルに流体を流しながら８０ｍＡの電流を印加した場合、電池の電圧ジャンプＶＡＣは約０．４Ｖであり、開回路電圧（ＯＣＶ）ＶＡＢは約０．１Ｖである。従って、電池抵抗は（０．４Ｖ  -  ０．１Ｖ）／０．０８Ａ  ＝  ３．７５Wと表すことができる。図５において、ＰＳＳ及びＰＤＤＡを含むスーパーキャパシタ脱塩セルに同一の流体を流しながら同じ８０ｍＡの電流を印加した場合、電圧ジャンプＶＤＥは約０．２Ｖであり、ＯＣＶは非常に小さく、計算できないほどである。従って、電池抵抗は０．２Ｖ／０．０８Ａ  ＝  ２．５Wと表すことができる。イオンキャリアを含まないスーパーキャパシタ脱塩セルの内部抵抗と比較して、ＰＳＳ及びＰＤＤＡを含むスーパーキャパシタ脱塩セルの内部抵抗が３０％減少することは明らかである。このように、イオンキャリア１５及び１６はＳＣＤ電池１０の内部抵抗を減少できる。従って、特に大量の入力液体を処理する場合、著しく多くのエネルギーを節約できる。
【００３３】
図６に示されるように、本発明により提供されるＰＳＳ及びＰＤＤＡを具備するスーパーキャパシタ脱塩セルは、６００サイクルを超えても動作可能な耐性を有し、電池抵抗は２．０〜２．６Wの範囲にとどまることがわかる。図６に示されるデータは、ＰＳＳ及びＰＤＤＡを含むスーパーキャパシタ脱塩セル１０の効率が相当に安定していることを実証する。
【００３４】
図７は、複数のスーパーキャパシタ脱塩セルの組み立て概略平面図である。スーパーキャパシタ脱塩構体は容器７１を使用する。スーパーキャパシタ脱塩セル７２は容器７１の中に並列して配置され、各電池７２は電源１９に類似するそれぞれ対応する電源（図示せず）に接続されてもよい。更に、２つの隣接する電池７２を電気的に絶縁するために、構体７０は、隣接する２つの電池７２ごとにその間に配設された絶縁セパレータ７３を有する。あるいは、スーパーキャパシタ脱塩セル７２は１つの電源に接続されてもよく、その場合、すべての電池７２は直列に接続されてもよい。容器７１は、入力液体を受け入れる入口７４及び出力流れ３３（図３に示される）を排出する出口７５を規定する。図示される実施形態において、スーパーキャパシタ脱塩セル７２は、電池１０又は２１、あるいは先に説明した他の実施形態と同一であってもよい。ポンプによる注入などの外部の力を使用することにより入力液体が容器７１に導入されてもよいことは理解されるだろう。更に、一方の電池からの出力流れが他方の電池に対する入力液体として使用可能であるような構成で電池７２が配列されてもよい。
【００３５】
典型的な実施形態により本発明を例示し且つ説明したが、本発明の趣旨から逸脱することなく種々の変形及び代替がを実施可能であるので、以上の説明は本発明を示される詳細に限定することを意図しない。従って、日常の実験作業を超えない作業を経て実現される本明細書の開示内容の更なる変更及び同等物は当業者には明らかであり、そのような変更及び同等物のすべては添付の特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨及び範囲に含まれると考えられる。
【符号の説明】
【００３６】
３    スーパーキャパシタ脱塩デバイス
１０    スーパーキャパシタ
１１    第１の集電器
１２    第２の集電器
１３    第１の電極、アノード
１４    第２の電極、カソード
１５    第１のイオンキャリア
１６    第２のイオンキャリア
１７    第１の保持層
１８    第２の保持層
１９    電源
２０    電解質溶液
２１    スーパーキャパシタ
２２    イオンキャリア
２３    保持層
３０    液体源
３１    カチオン
３２    アニオン
３３    出力流れ
７１    容器
７２    スーパーキャパシタ脱塩セル
７３    絶縁セパレータ
７４    入口
７５    出口
１００    スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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