(57)【要約】  【課題】電気二重層コンデンサの充放電の高速応答性を大幅に改善する手段を提供する。  【解決手段】電気二重層コンデンサを、セパレーターを挟んで両側に一対の通液型集電電極を配置し、該通液型集電電極の両外側にそれぞれ分極性電極を配置した構成にする。この通液型集電電極としては、導電性のメッシュ構造のもの、例えば金網、導電性ペーパー又は導電性クロスを用いることができる。あるいは、通液型集電電極として、セパレーターの少なくとも片面に導電パターンとして一体的に形成されたもの、例えば導電性インクで印刷された導電パターンを用いることもできる。【選択図】図２
2006324516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレーターを挟んで両側に一対の通液型集電電極を配置し、該通液型集電電極の両外側にそれぞれ分極性電極を配置した構成を有する電気二重層コンデンサ。
【請求項２】
セパレーターの片側に通液型集電電極を配置し、該通液型集電電極の外側に分極性電極を配置し、前記セパレーターの他方の側に分極性電極を配置し、該分極性電極の外側に集電電極を配置した構成を有する電気二重層コンデンサ。
【請求項３】
前記通液型集電電極は、導電性のメッシュ構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項４】
前記通液型集電電極が導電性ペーパー、導電性クロス又は金網で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項５】
前記通液型集電電極が、前記セパレーターの少なくとも片面に、導電パターンとしてセパレーターと一体に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項６】
前記導電パターンが、導電性インクで印刷されたもの、または導電性インクをエッチングして形成されたものであることを特徴とする請求項５に記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項７】
前記通液型集電電極の少なくとも一部が、前記分極性電極の少なくとも一部に貫入していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項８】
前記通液型集電電極と前記分極性電極をプレスして、一体的に成形したことを特徴とする請求項７に記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項９】
充電パターンが大電力へと急激に増加しその後減衰する電力が減少するエネルギー利用システムに用いられる請求項１乃至８のいずれかに記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項１０】
放電パターンが小電力から大電力へ増大し、その後急激に減少するエネルギー利用システムに用いられる請求項１乃至８のいずれかに記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項１１】
前記のエネルギー利用システムが、運動エネルギーの回生を目的とするものである請求項９又は１０記載の電気二重層コンデンサ。
【請求項１２】
自動車の加減速における運動エネルギーの回生を目的とするものである請求項１１記載の電気二重層コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気二重層コンデンサに関し、とくに充放電の高速応答性に優れ、自動車等の運動エネルギーの回生に適した電気二重層コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気二重層コンデンサは、電荷を有する固体とそれに接触する電解液の界面に形成される電気二重層を誘電体として利用するもので、単位面積当り容量は小さくても、比表面積のきわめて大きい活性炭を電極（分極性電極）として用いることにより、大きな容量を得ることが可能になっている。
【０００３】
この電気二重層コンデンサは、他の形式のコンデンサと比較して容量が格段に大きく、化学反応を伴わないため充放電の速度が大きく、かつ繰り返し充放電しても、性能劣化が起こりにくいという特徴があるため、近年各種用途への利用が図られている。例えば、携帯端末の補助電源、無停電電源装置、太陽電池応用機器、自動車の動力回生等に応用されるようになり、コンデンサの大容量化、大型化のための技術が種々検討されている。
【０００４】
かかる電気二重層コンデンサの課題の一つとして、コンデンサの内部抵抗により充放電特性が低下するという問題があげられる。すなわち、活性炭粉末を主体とする分極性電極層中の電気抵抗がかなり大きく、これに分極性電極層と集電体との間の接続抵抗が加わって、電気二重層コンデンサの内部抵抗が大きくなり、大電流での急速な充放電に十分対応できないという問題である。
【０００５】
この問題を解消するために、従来から数多くの検討が行われており、分極性電極層自体の電気抵抗を低下させる手段（下記特許文献１など）、分極性電極層と集電体との接続抵抗を低下させる手段（特許文献２など）や電解液の導電性を高める手段等について、多数の提案がなされている。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５６−６７９２０号公報
【特許文献２】特開昭６４−９６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
動力回生の用途に用いられる電気二重層コンデンサは、充放電の高速応答性を求められることが多い。とくに、自動車ブレーキのエネルギーを回収するような場合には、コンデンサへの入力エネルギーは、パルス状に急速に立上って減衰する鋭いピーク状になるが、コンデンサの充放電の高速応答性（高周波応答性）が低い場合には、立上りと減衰がともに鈍化したブロードな充電パターンにならざるを得ない。ブロードな充電パターンでは、充電電力にキャパシタの応答が追いつかずその分のエネルギーがロスになり、入力されたエネルギーの全てを回収することができない。
【０００８】
このように、コンデンサへの入力エネルギーが鋭いピーク状で、充放電のサイクルタイムに制限があるような場合に、エネルギーの利用効率を理想的に高めるためには、コンデンサの充放電の高周波応答性を抜本的に改善することが望まれる。しかし、従来の充放電特性改善の方策、例えばコンデンサの内部抵抗や接続抵抗を低減するというような方策では、その低減効果に限界があり、充放電の高周波応答性を抜本的に改善することは難しいと考えられる。
【０００９】
そこで本発明は、電気二重層コンデンサの構造自体を見直して、その充放電の高周波応答性を飛躍的に改善する手段を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明の電気二重層コンデンサは、セパレーターを挟んで両側に、一対の電解液が流通可能な通液型集電電極を配置し、さらにその両外側にそれぞれ分極性電極を配置した構成を有することを特徴とするものである。
【００１１】
かかる構成にすれば、電流経路が従来の電気二重層コンデンサとは全く相違することになる。これにより、分極性電極の内部抵抗が充放電の高速応答性を阻害していた従来方式の問題点を、抜本的に改善することができる。
【００１２】
また、本発明の電気二重層コンデンサは、セパレーターの一方の側に通液型集電電極とその外側に分極性電極を配置し、他方の側に分極性電極とその外側に集電電極を配置してなるものであってもよい。
【００１３】
セパレーターの一方の側が本発明の電極構造であれば、他方が従来と同じ電極構造であっても、かなりの程度の改善効果が期待されるためである。
【００１４】
本発明においては、前記通液型集電電極は導電材料からなるメッシュ構造のもので構成してもよい。メッシュ構造のものとしては、金網、導電性ペーパー又は導電性クロスがあげられる。
【００１５】
また、前記通液型集電電極は、前記セパレーターの両面又は片面に、これと一体的に形成された導電パターンからなるものであってもよい。かかる導電パターンは、導電性インクで印刷すること、または塗布された導電性インクをエッチングすることによって形成することができる。
【００１６】
さらに、前記通液型集電電極は、その一部又は全部が前記分極性電極の内部に食い込んで、これと一体的に形成されているものであれば、通液型集電電極の厚みに起因する抵抗を下げることができる。かかる一体構造は、通液型集電電極と分極性電極を一体にプレス成形することによっても、形成することができる。
【００１７】
本発明の電気二重層コンデンサは、充電パターンが、大電力へと急激に増加しその後減衰するエネルギー利用システムに用いられることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の電気二重層コンデンサは、放電パターンが、小電力から大電力へ増大し、その後急激に減少し、又は０となるエネルギー利用システムに用いられることが好ましい。あるいは、充電パターンと放電パターンがともに上記のようなエネルギー利用システムに用いられることが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明の電気二重層コンデンサは、運動エネルギーの回生を目的とするエネルギー利用システムに用いられることが好ましく、とくに、自動車の加減速における運動エネルギーの回生に用いられることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、電気二重層コンデンサの充放電の高周波応答性を飛躍的に高めることが可能になった。本発明のコンデンサを、運動エネルギーの回生システム、とくに自動車の回生ブレーキシステムに用いることにより、エネルギーの回収効率を大幅に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の原理を説明するための図で、図１(ａ)は従来の電気二重層コンデンサの構造を示す模式図であり、図１(ｃ)はこれに対応する等価回路のモデルを示す図である。また、図１(ｂ)は本発明の電気二重層コンデンサの構造例を示す模式図、図１(ｄ)はこれに対応する等価回路のモデル図である。
【００２２】
従来の電気二重層コンデンサは、図１(ａ)に示すように、セパレーター１を挟んでその両側に一対の分極性電極２ａ，２ｂが配され、さらにその両外側に集電電極３ａ，３ｂが配されており、電解液（図示していない）は多孔質のセパレーター１を透過して、両分極性電極間を自由に流通できるようになっている。
【００２３】
一方、本発明の電気二重層コンデンサは、図１(ｂ)に示すように、セパレーター１を挟んでその両側に一対の通液型集電電極４ａ，４ｂが配され、さらにその両外側に分極性電極２ａ，２ｂが配されている点が、従来のコンデンサと相違する。
【００２４】
かかる電気二重層コンデンサをモデル化して、等価回路として表現した例が図１(ｃ)と図１(ｄ)である。これらの図において、Ｒｓはセパレーターのイオン導電抵抗、Ｒ１は分極性電極内の電解液のイオン導電抵抗、Ｒ２は分極性電極を構成する活性炭内の電子導電抵抗で、Ｃは電気二重層コンデンサの容量（片側電極総キャパシタ）である。図１(ｃ)と図１(ｄ)では、モデルの構成は同じで、充放電を行なうための集電端子５の位置が相違するのみである。
【００２５】
しかし、この両者について、集電端子間のインピーダンスＺ(ω)の計算式を導出してみると、図１(ｃ)と図１(ｄ)では大きな差がある。まず、図１(ｃ)のモデルの場合には、Ｚ(ω)は下記(１)式で与えられる。
Ｚ(ω)＝Ｒｓ＋２(Ｒ１２＋Ｒ２２)／(Ｒ１＋Ｒ２)(１／ｋａ)coth(ｋａ)
＋２Ｒ１・Ｒ２／(Ｒ１＋Ｒ２){１＋(１／ｋａ)cosech(ｋａ)}
…………(１)
ｋａ＝{(Ｒ１＋Ｒ２)ｊωＣ}１／２
なお、上式のｋは波数、ａは電極厚さである。
【００２６】
(１)式において、右辺第３項はω→∞で有限の抵抗を持つため、速い周期の電流の変化に対してインピーダンスが大きくなる。すなわち、従来型の電気二重層コンデンサでは、充放電の高周波応答性が低下するのが避けられないことが理解される。
【００２７】
これに対して、図１(ｄ)のモデルの場合には、Ｚ(ω)は下記(２)式のようになる。
Ｚ(ω)＝Ｒｓ＋２(Ｒ１２＋Ｒ２２)／(Ｒ１＋Ｒ２)(１／ｋａ)coth(ｋａ)
＋２Ｒ１・Ｒ２／(Ｒ１＋Ｒ２)(１／ｋａ)coth(ｋａ)
＝Ｒｓ＋２(Ｒ１＋Ｒ２)(１／ｋａ)coth(ｋａ)    …………(２)
ここで、ｋａ＝{(Ｒ１＋Ｒ２)ｊωＣ}１／２
【００２８】
(１)式と(２)式で相違するのは、右辺第３項のみであるが、(２)式ではω→∞で有限の抵抗を持つ項が無くなり、高周波域でのインピーダンスの増大が無いことになる。したがって、このモデルからは、高周波応答性が大幅に改善されるものと考えられる。
【００２９】
以上の考察は、本発明の方式の原理的な有利性を示すものであるが、実際に後記実施例に示すように、パルス状の充放電を繰り返す場合に、本発明の方式により、高周波応答性が改善されることが確かめられている。
【００３０】
図２は、本発明の一実施例である電気二重層コンデンサの構成を分解して示す斜視図である。この例においては、薄いシート状のセパレーター１を挟んで、その両側に通液型集電電極として金網６ａ，６ｂが配され、さらにその外側を薄いシート状の分極性電極２ａ，２ｂで挟んで、単位セルが構成されている。金網６ａ，６ｂには、リード線７ａ，７ｂが取り付けられて、充放電の入出力端子となる。なお、この実施例においては、セパレーター１にはセルロースのフィルターが用いられ、分極性電極には、粉末状の活性炭、導電性カーボン及びポリ４ふっ化エチレン（ＰＴＦＥ）を混練してシート状に加工したものを用いている。また、図示していないが、通常かかるセルは容器内に収容して、電解液を注入して使用される。
【００３１】
図３は、本発明の第二の実施例である電気二重層コンデンサの構成を分解して示す斜視図である。この例においては、薄いシート状のセパレーター１の両面に金の導電パターン８（片面のみ図示）が印刷されており、この導電パターン８にリード線７ａ，７ｂが接続されて、これが通液型集電電極を構成している。この例では、導電パターン７は、０．１ｍｍ太さの格子状のパターンで、そのピッチは０．３ｍｍである。なお、導電パターン８は表裏で重なるように印刷されている。
【００３２】
図４は、本発明の第三の実施例である電気二重層コンデンサの構成を分解して示す斜視図で、図４(ｂ)は、図４(ａ)のＡ部の拡大図である。この例においては、薄いシート状のセパレーター１を挟んで、その両面に分極性電極２ａ，２ｂが配置されているが、この分極性電極２ａ，２ｂの内側に食い込んで通液型集電電極が配置されていることが特徴である。この例では金網が集電電極として用いられ、図４(ｂ)に示すように、金網６ａ，６ｂが分極性電極２ａ，２ｂの内部に食い込んで、これと一体となるように構成されている。かかる構成にすることにより、図２に示した場合よりも、両分極性電極２ａと２ｂの間隔を小さくすることができ、これにより高速応答性をさらに向上させることができる。
【００３３】
次に、本発明の電気二重層コンデンサを、自動車の運動エネルギーの回生に利用する場合について説明する。図５は、自動車の回生ブレーキシステムの説明図である。回転駆動される機械系９に直結した電動機／発電機１０により、機械エネルギーと電気エネルギー間の変換が行われ、電気エネルギーは電気二重層コンデンサ１１に蓄積される。コンデンサ１１の電圧は、充電量や充放電電流によって変動するので、コンデンサ１１と電動機／発電機１０の間にはインバーター１２を挿入する。インバーター１２と電動機／発電機１０により、コンデンサ１１の電圧が変動しても、機械系９とコンデンサ１１間のエネルギーの授受を効率良く行なうことができる。
【００３４】
しかし、インバーター１２と電動機／発電機１０はエネルギーの蓄積がほとんどできないから、機械系９の運動エネルギーとコンデンサ１１の充放電エネルギーの差は、熱エネルギーとして損失する。したがって、機械系９の運動エネルギーの変動に対するコンデンサ１１の充放電の応答性が、エネルギーの利用効率を高める上できわめて重要である。
【００３５】
まず、自動車のブレーキ時に等加速度で減速するとして、その運動エネルギーの変動について考察する。減速時の自動車の速度は次式で表される。
ｖｔ＝ｖ(ｔ)＝ｖ０−ａｔ
ここで、ｖｔは時刻ｔにおける自動車の速度、ｖ０は時刻０における自動車の速度、ａは加速度である。
【００３６】
この時の自動車の運動エネルギーＴ(ｔ)は次式で表される。
Ｔ(ｔ)＝Ｍｖｔ２／２
＝Ｍ(ｖ０−ａｔ)２／２
＝Ｍ{ｖ０(１−ｔ／ｔ０)}２／２
ここで、Ｍは自動車の質量、ｔ０は減速時間である。
【００３７】
電動機／発電機１０とインバーター１２でのエネルギーロスを無視すると、コンデンサ１１に投入されるパワー（エネルギーの時間変化）Ｐ(ｔ)は下式のようになる。
Ｐ(ｔ)＝−ｄＴ(ｔ)／ｄｔ
＝Ｍｖ０２／ｔ０(１−ｔ／ｔ０)
＝２Ｔ０／ｔ０(１−ｔ／ｔ０)
ここで、Ｔ０＝Ｍｖ０２／２である。このＰ(ｔ)を図示すると、図６(ａ)のようになる。
【００３８】
一方、充電時のコンデンサは当初電荷が少ないので電圧が低く、エネルギーを蓄積するには大きな電流が必要となる。このために、パルス性を帯びた電流波形になる。その後電荷が蓄積されて電圧が上がり、電流は徐々に減る。そのため高周波成分が増大し、高周波数応答性の高いコンデンサを用いなければ、エネルギーロスが増大することになる。本発明の電気二重層コンデンサは、このように当初充電電流が急速に増大し、その後電流が減少するような用途にとくに好適である。
【００３９】
また、コンデンサ１１の放電時（機械系に駆動エネルギーを付与する時）の電流の変動について同様の考察を行なうと、図６(ｃ)に示すようなパターンになることが予想される。この場合は、放電終了間際に電流が集中し、同様にパルス性を帯びてくる。したがって、この場合も高周波数応答性の高い電気二重層コンデンサが望まれる。
【００４０】
自動車の回生ブレーキは、減速時に運動エネルギーを電気エネルギーとして蓄積し、加速時にこの電気エネルギーを運動エネルギーとして利用するものであるが、乗り心地や機械的強度の問題から、等加速度運動により加減速を行なうのが一般的と考えられる。そのため、上記のように充放電のパターンがパルス性を帯びることになり、エネルギーの利用効率を高めるためには、電気二重層コンデンサの高周波数応答性が重要になる。したがって、本発明のコンデンサは、かかるパルス状に充放電が行われるエネルギー利用の用途に、とくに好適である。
【実施例】
【００４１】
図２に示したようなシート状の電気二重層コンデンサの単位セルを試作した。分極性電極は、表面積２０００ｍ２／ｇの活性炭、導電性カーボン及びＰＴＦＥの粉末を、重量比で８：１：１で混合して練り上げ、厚さ２ｍｍのシート状に加工したものを用いた。通液型集電電極である金網は、網目サイズ８０メッシュ／ｃｍで、太さ０．０８ｍｍの金属線からなるものである。また、セパレーターには繊維径４．５μｍで厚さ５０μｍのセルロースのフィルターを用いた。セパレーター、分極性電極、金網のサイズは１ｃｍ平方とし、これらを密着・積層させて容器内に収容し、電解質溶液として０．５ｍｏｌ／Ｌの硫酸を充填した。
【００４２】
一方、比較例である従来法の単位セルは、上記と同じセパレーター、分極性電極、金網、容器及び電解質溶液を用い、分極性電極と金網の位置関係のみ変えたものを用いた。すなわち、比較例のセルは、セパレーターを挟んで両側に分極性電極を配置し、その両外側に集電電極として金網を配置したものである。
【００４３】
上記の本発明と比較例のセルで、集電電極である金網間に２００ｍＡの定電流を流して充放電を行い、集電電極間の電圧波形を測定した結果を図７に示す。なお、充電時に電圧が上昇して８００ｍＶになった時点で放電に切り替え、放電時電圧が下降して２００ｍＶになった時点で充電に切り替えるという方式で、２００ｍＡのパルス状の充放電電流を流している。
【００４４】
図７における電圧波形は、本発明、比較例ともに、急激に変動する部分と、緩やかに変動する部分がある。この急変部の落差は、本発明より比較例の方が大きくなっている。
【００４５】
図７の電圧波形から、本発明および比較例のセルにおける、リアクタンスとキャパシタンスの大きさを推定してみる。電圧波形には経時的な変動はないから、本発明および比較例のそれぞれの波形が、模式的に図８(ａ)に示すような形状であるとして、それぞれのＶ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｔ１，Ｔ２を求めることができる。また、このセルの等価回路を最も簡単に考えて、図８(ｂ)に示すような抵抗Ｒと容量Ｃのコンデンサの直列結合であると想定すると、ＲとＣは近似的に下記の式から求めることができる。
【００４６】
容量Ｃ１（充電）＝（電流Ｉ）×（Ｔ１／Ｖ１）
容量Ｃ２（充放電）＝（電流Ｉ）×（Ｔ２／Ｖ２）
抵抗Ｒ            ＝（電流Ｉ）／Ｖ０／２
時定数            ＝（容量Ｃ１）×（抵抗Ｒ)
【００４７】
本発明および比較例について、上記のようにして求めたＣ１，Ｃ２，Ｒ及び時定数の値を表１に示す。
【００４８】
【表１】
2006324516.tif 000003
【００４９】
この結果から、本発明の方式は、比較例よりもＲが小さく内部抵抗が小さいこと、時定数が小さいため高速応答性に優れることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の原理を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施例である電気二重層コンデンサの構成を示す図である。
【図３】本発明の他の実施例である電気二重層コンデンサの構成を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例である電気二重層コンデンサの構成を示す図である。
【図５】自動車の回生ブレーキシステムの構成を示す概念図である。
【図６】自動車の回生ブレーキシステムにおける出力パワーと充放電電流の特性を示す概念図である。
【図７】本実施例における充放電時の電圧波形の測定結果を示す図である。
【図８】充放電時の電圧波形の解析方法の説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  セパレーター
２ａ，２ｂ  分極性電極
３ａ，３ｂ  集電電極
４ａ，４ｂ  通液型集電電極
５  集電端子
６ａ，６ｂ  金網
７ａ，７ｂ  リード線
８  導電パターン
９  機械系
１０  電動機／発電機
１１  電気二重層コンデンサ
１２  インバーター
【図１】
2006324516.tif 000004
【図２】
2006324516.tif 000005
【図３】
2006324516.tif 000006
【図４】
2006324516.tif 000007
【図５】
2006324516.tif 000008
【図６】
2006324516.tif 000009
【図７】
2006324516.tif 000010
【図８】
2006324516.tif 000011