(57)【要約】      （修正有）【課題】電子機器の起動時に流れる大電流を安定供給すると共に、小型軽量化を行った電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池を提供する。  【解決手段】カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５を二次蓄電池１０３に接続する。電子機器負荷１０１の起動前にはこのカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタが二次蓄電池により充電され、電子機器負荷の起動時に電子機器にカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタから駆動電流を供給する。 カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタは、電子機器負荷に接続される。二次蓄電池も同様に電子機器負荷に接続されている。カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタと二次蓄電池とは接続電線を介して接続されている。接続電線の途中には補充電用の抵抗が設けられている。これにより当該キャパシタの電力を効率的に使って、当該キャパシタの電子機器負荷を駆動する。【選択図】図１
0003181140.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
電気二重層キャパシタ及び二次蓄電池を電子機器負荷に接続して電流供給を行う電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池において、前記電気二重層キャパシタは、前記二次蓄電池に接続される。二次蓄電池側に抵抗器を挿入して内部抵抗を高め、前記電気二重層キャパシタ及び二次蓄電池から電子機器負荷への電流供給を行う。急激な電流の入出力を上記電気二重層キャパシタに負担させることを特徴とした電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池。
【請求項２】
前記電気二重層キャパシタにカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いること特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池。
【請求項３】
前記電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池において、発電装置の発電電力によって充電可能なカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタであり、この電流出力端子と上記電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池との間に設けられた電流制限用抵抗を備えたことを特徴とする電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池。
【請求項４】
請求項1記載の電気二重層キャパシタにおいて、正極側の電極と負極側の電極をセパレータをはさんで対向密着させ、それぞれの電極の上に正極側の集電体と負極側の集電体を重ね、それぞれの電極の外周縁沿いに樹脂シール材を固着してシールしてなる電気二重層キャパシタ素子を、さらに積層してなるカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを請求項1記載の電気二重層キャパシタとして用いることを特徴とした電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この考案は、蓄電装置に関するもので、充電用電源装置から電流供給を受け蓄電する二次蓄電池として用いる電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車等の車両やサーバなどの蓄電装置では鉛二次蓄電池等の二次蓄電池（以下二次蓄電池と称する）を蓄電装置として備える構成が一般的である。二次蓄電池はエネルギ密度が大きいため比較的長時間の使用に耐え得る一方で、一旦過放電となると再充電に時間を要するため、電気二重層キャパシタを補助的な蓄電装置として利用するシステムが提案されている。たとえば、動作時に大電流を消費する電子機器負荷（エンジン始動装置）の駆動用に、二次蓄電池とは別に電気二重層キャパシタを接続する構成が提案されている（たとえば特許文献１および２）。
【０００３】
また、最近では、燃費の向上を目的として、エンジンをアイドリングストップする、いわゆるエコドライブシステムを搭載した車両が利用され始めた。そこでは、車両が一時的に停止した場合に、所定のエンジン条件でエンジンのアイドリングを強制的に止め、また再始動する。これにより、排気ガスの排出量が削減され、かつ燃費が向上する。この種のエコドライブ車においては、エンジンの再始動を迅速に行なう必要があるので、エンジンを電子機器負荷の起動するための電子機器負荷の電源として、従来の二次蓄電池に代えて、瞬時に大きい電力を放電できる電気二重層キャパシタを採用することが行われている。
【０００４】
このような、電気二重層キャパシタおよび二次蓄電池の両方を備えた蓄電装置において、電気二重層キャパシタの耐圧が１９V以上必要なため、現在使用されている活性炭電気二重層キャパシタでは大型になりエンジンルームに取り付けできないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２４７８５６号
【特許文献２】特開平１０−１９１５７６号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、図２に示す如く、電気二重層キャパシタを二次蓄電池の補助的な電源として利用するシステムが種々提案されている。電気二重層キャパシタは、単一のセルで例えば約２．５Ｖの電圧を発生する。従って、車両用の電源装置として利用する場合には、１９V程度の耐圧を得ることができるように、複数個の電気二重層キャパシタを直列に接続して使用していた。
【０００７】
上記のような電気二重層キャパシタを用いる電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池では、電気二重層キャパシタの耐圧が低いため直列並列構造をとって利用するため大型になる。
図２に示すものでは、二次蓄電池に電気二重層キャパシタを並列に接続することにより、二次蓄電池の負担の軽減を図っている。ここで、二次蓄電池の電気的な負担は、電気二重層キャパシタの内部抵抗と二次蓄電池の内部抵抗との関係によって定まる。二次蓄電池と電気二重層キャパシタとは、それぞれの内部抵抗に反比例した電流を分担する。従って、二次蓄電池の内部抵抗を大きくするか、あるいは電気二重層キャパシタの内部抵抗を二次蓄電池の内部抵抗よりも相対的に小さくすれば、二次蓄電池の電気的負担が少なくなる。電気二重層７キャパシタの内部抵抗は二次蓄電池よりも小さいので、電気二重層キャパシタから瞬時に大きな電力が供給されている。
【０００８】
一方、例えばエンジン等においては駆動初期時に大電流を必要とする。従って、電子機器負荷を駆動するときには、二次蓄電池からの放電電流が増大する。深く放電すると、二次蓄電池の寿命が低下する。また、電気二重層キャパシタをエンジンルーム内で実装しようとすると、その形状が大きく実装することが困難であった。
【０００９】
本考案は、上記のような課題を解決するためのものであり、その目的は、大電流を要求する大容量の電子機器負荷に対する安定した電流供給を行う、高耐圧で小型軽量なカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いた電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的達成のため、本考案に係るカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いた電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池は、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタから電子機器負荷への電流供給を行い、他の電子機器負荷には二次蓄電池から電流供給を行う。
【００１１】
すなわち、大きな電流（瞬間的に１００A〜３００A）が流れる電子機器負荷には専らパワー密度の高いカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタから給電を行い、他の電子機器負荷に対しては二次蓄電池から給電を行うことが抵抗の大きさにより自動的に行われる。すなわち、二次蓄電池とカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタとの間に介装された抵抗によって、二次蓄電池による電源系統とカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタによる電源系統とは分離される。
【００１２】
一方電気二重層キャパシタの小型軽量化のためカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いる。このカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタは従来の耐圧を格段に高くした素子で１９V以上の耐圧を有する。カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタは電極とセパレータ、集電材、金属箔から構成され、これにより、電子機器負荷駆動によってカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタの両端電圧が著しく低下しても、この電圧変動が直接的に二次蓄電池側の電源系統に影響を与えることがない。また、エンジン停止時、即ち、発電機の発電停止時には、二次蓄電池からの補充電流が抵抗体を介してカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタに流れ込み、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタの両端電圧が保持されるため、エンジン再始動に備えることができる。ここでは、応用の一例として自動車を説明しているが、特にこれに限らず蓄電装置と負荷の関係は同じである。
【００１３】
（カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ）
さらに小型軽量化のためカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いる。これは電気二重層キャパシタ素子において、正極側の電極と負極側の電極をセパレータをはさんで対向密着させ、それぞれの電極の上に正極側の集電体と負極側の集電体を重ね、それぞれの電極の外周縁沿いに樹脂シール材を固着してシールして電気二重層キャパシタ素子を構成し、この電気二重層キャパシタ素子を積層してなるカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタであり、従来の活性炭キャパシタ製品に比較して容積が数十分の1になる。ちなみに、３０Vで３Fの高耐圧電気二重層キャパシタを市販品から入手すると容積が３８０センチ立方、必要となるが、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いると80センチ立方ですむ。
【００１４】
（シール付き集電材）
次に、本考案に係るシール付き集電材について、図２を参照しながら説明する。
本考案に係るシール付き集電材は、樹脂シール材と正極側の集電体と負極側の集電体接合して、正極側の電極と負極側の電極表面に接合する。このようにしてシール付き集電材が構成される。
本考案に係るシール付き集電材を得るには、正極側の電極および負極側の電極の周囲に樹脂シール材を塗布し、さらに全体の上に。本考案に係る導電性集電層である正極側の集電体と負極側の集電体（以下まとめて導電性集電層と称して説明する）を塗布する。2時間程度放置すると導電性集電層が形成され、電極と密接したシール付き集電材が形成される。
【００１５】
本考案に係る導電性集電層は薄膜化が可能であり、導電性に優れ、かつ表面が平滑で密着性に優れる。本考案に係るシール付き集電材は本考案に係る導電性集電層を備えるため、導電性に優れ、全体を薄くすることができ、さらに樹脂シール材と導電性集電層とが良好に接着しており耐久性に優れる。本考案に係るシール付き集電材の樹脂シール材としては、例えば、シリコン、ポリイミド、ポリアミド、フッ素樹脂が挙げられる。これらの中では、強度が高く、耐熱性に優れ、かつ電気的特性にも優れたシリコンが好ましい。導電性集電層は、樹脂シール材の両面に設ける。
【００１６】
また、ここでは集電層にグラフェンの分散液を塗布する方法がある。シール付き集電材を得る方法はこれに限定されない。例えば、グラフェンをシート状に成形し、樹脂シール材と重ねた後、加熱及び加圧して成形してもよい
【００１７】
（導電性集電層の形成方法）
次に、本考案に係る導電性集電層の形成方法について説明する。本考案に係る導電性集電層の形成方法は、本考案に係るグラフェンの分散液を塗布し、加熱硬化する。
まず、グラフェンを溶媒に溶解・分散させて、これに超音波を照射してグラフェンを分散して分散液を得る。分散液は塗布方法及び形成しようとする薄膜の厚みに応じて任意に調整する。この分散液を被形成面に塗布し、被形成面に膜が形成される。次に、この膜を加熱することで、導電性集電層が形成される。
【００１８】
本考案に係るグラフェンは高い導電性を示すため、内部抵抗を小さくでき、柔軟性が保たれて薄膜化が容易である。本考案に係る導電性集電層などの形成方法によれば、薄く、導電性に優れ、密着性に優れた導電性集電層を形成することができる。
分散液の作成に用いられる溶媒は、通常有機溶媒が使用される、特に限定されない。
有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネート、メチルエチルケトンが挙げられる。
【００１９】
導電性集電体、樹脂シール材の硬化方法としては、プレス硬化、熱空気硬化等、公知の方法を用いることができるが、プレス硬化法は、膜の形状や厚みを制御しやすく、また、硬化時の酸素の影響を抑制できるため、好ましい。以上のように電気二重層キャパシタを構成する各要素がゲル状にして、ローラなどにより塗布して固めるという簡単な作業で製造できることがわかったので、量産可能な製造方法を確立することができた。
【００２０】
以下、図面に基づいて本考案の実施の形態について詳細に説明する。まず、図１には、本考案の実施の形態に係るカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いた電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池の回路構成が示されている。
【００２１】
電子機器負荷１０１の正極側端子は、スイッチ１０２を介して接続電線１２の途中に接続されている。従って、電子機器負荷１０１の正極側端子は、接続電線１２を介して二次蓄電池１０３及びカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５に接続されている。
【００２２】
二次蓄電池１０３の正極側端子は、ワイヤ１０８を介して補充電用の抵抗Ra１０６、抵抗Rb１０４が設けられている。従って、二次蓄電池１０３は、これら各ワイヤ１０８及び抵抗Ra１０６、抵抗Rb１０４を介してカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５の正極側端子に接続されている。
【００２３】
また、二次蓄電池１０３の正極側端子は、他の接続電線２６及びスイッチ１０２を介して電子機器負荷に接続されている。スイッチ１０２が閉じてオン状態となると、電子機器負荷１０１は、接続電線２６を介して二次蓄電池１０３に接続されると共に、接続電線を介してカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタの出力端子にも接続される。
【００２４】
一方、二次蓄電池１０３は接続電線を介して抵抗に接続されている。この補充電用の抵抗が設けられているため、抵抗値によって二次蓄電池１０３と接続電線、すなわち、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５との電気的接続状態が良好に定まる。
【００２５】
すなわち、抵抗の抵抗値が小さくなれば、二次蓄電池１０３とカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタとの接続性が向上し電流が流れやすくなる。従って、抵抗値を小さく設定した場合は、長期間放置時の自己放電によってカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタの両端電圧が低下したときに、二次蓄電池１０３からカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタに補充電流を速やかに供給してその電圧を短時間に回復することができる。
【００２６】
逆に、抵抗Ra１０６、抵抗Rb１０４の抵抗値を大きく設定した場合は、二次蓄電池とカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタとの電気的な接続性が低下するため、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタの電圧回復時間が長くなるが、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタの電圧降下が電子機器負荷に及ぼす影響を小さくすることができる。そこで、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタの両端電圧を保持しうる最低限の補充電流がカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタに流れ込むように、抵抗の抵抗値が決定される。
【００２７】
次に、上記構成の回路についてその作用を説明する。まず、電子機器スイッチが閉じて電子機器負荷が接続電線側と接続される。これにより、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタからの放電電流が接続電線及び電子機器スイッチを介して電子機器負荷に供給され、電子機器負荷の起動が開始される。
【００２８】
ここで、二次蓄電池と電子機器負荷とを結ぶ経路の途中には、二次蓄電池から接続電線側に向かう電流を制限し、最低限の補充電流の通過のみを許容する補充電用の抵抗とが介在している。従って、電子機器負荷が必要とする大電流は、専らカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタからの放電電流によって供給される。
【００２９】
従って、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５の両端電圧は、著しく低下するが、ダイオード３４及び抵抗Ra１０６、抵抗Rb１０４によってカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５と二次蓄電池１０３との間は実質的に遮断されているので、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５の急激な電圧降下の影響は、二次蓄電池１０３により電流供給される電子機器負荷１０１側には及ばない。
【００３０】
エンジン停止時には、二次蓄電池１０３から電子機器負荷１０１に対して給電が行われる。また、自己放電によってカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５の両端電圧が低下すると、二次蓄電池１０３からワイヤ１０８及び抵抗Ra１０６、抵抗Rb１０４を介して僅かな補充電流がカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５に流れ込み、この微少な補充電流によってカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５の両端電圧は回復し、維持される。
このように本実施の形態によれば第１に、大電流を要求する電子機器負荷１０１への電流供給は主としてカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５が行なう。
【００３１】
また、容積比パワー密度が二次蓄電池１０３よりも大きいカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５によって電子機器負荷１０１に電流供給を行うので、二次蓄電池１０３のみで電子機器負荷１０１に電流を供給する場合に比較して、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５の容積、重量をさらに少なくすることができる。これにより、電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池全体の小型化、軽量化を実現でき、エンジンルーム内空間の効率的使用や燃費の低減を図ることができる。
【００３２】
第２に、上記補充電用の抵抗Ra１０６、抵抗Rb１０４の作用により、電子機器負荷１０１に給電する電源系統と電子機器負荷１０１に給電する電源系統とが実質的に別個独立のものとされており、これにより、電子機器負荷１０１の駆動によるカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５の両端電圧の低下の影響が電子機器負荷１０１に及ぶのを回避することができる。また、この抵抗Ra１０６、抵抗Rb１０４を介しての、二次蓄電池１０３からカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５への微少な補充電流供給により、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ１０５の両端電圧を維持して負荷の再始動に備えることができる。
【００３３】
なお、本考案は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、本考案の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【考案の効果】
【００３４】
以上説明したように、本考案に係るカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いた電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池によれば、電子機器負荷への電流供給を行うカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ側の電源系統と他の電子機器負荷への電流供給を行う二次蓄電池側の電源系統との２個の独立した電源系統を得ることができる。これにより、大電流を消費する電子機器負荷に十分な電流を保持しつつ、カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタの電圧降下の影響が他の電子機器負荷に及ぶのを防止することができる。また、装置全体を小型化、軽量化して、設置空間の有効利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本考案の実施の形態に係る積層高耐圧カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いた電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池の概略回路構成図である。
【図２】従来技術による二次蓄電池及び電気二重層キャパシタを用いた電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池の要部を示す概略回路構成図である。
【図３】図１に示した電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池の構造を示す図。
【図４】カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ素子の構造を示す図。
【図５】カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ全体の構造を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１０１   電子機器負荷
１０２   スイッチ
１０３   二次蓄電池
１０４   抵抗Rb
１０５   カーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタ
１０６   抵抗Ra
１０７   電気二重層キャパシタ
１０８    ワイヤ
２００   電電気二重層キャパシタの電気二重層キャパシタ素子
２０１   正極側の電極
２０２   負極側の電極
２０３   セパレータ
２０４   正極側の集電体
２０５   負極側の集電体
２０６   金属箔
２０７   樹脂シール材２０７
２０８   導電性集電層
２０９  シール付き集電材
【図１】
0003181140.tif 000003
【図２】
0003181140.tif 000004
【図３】
0003181140.tif 000005
【図４】
0003181140.tif 000006
【図５】
0003181140.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月11日(2012.11.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
電気二重層キャパシタと、二次蓄電池とを並列接続した、電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池において、第１及び第２の抵抗を、前記電気二重層キャパシタおよび二次電池の正極側に接続したことを特徴とする電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池。
【請求項２】
請求項1記載の電気二重層キャパシタにカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタを用いること特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池。
【請求項３】
請求項1記載の電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池において、発電装置の発電電力によって充電可能なカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタであり、この電流出力端子と上記電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池との間に設けられた電流制限用抵抗を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池。
【請求項４】
請求項1記載の電気二重層キャパシタは、正極側の電極と負極側の電極をセパレータをはさんで対向密着させ、それぞれの電極の上に正極側の集電体と負極側の集電体を重ね、それぞれの電極の外周縁沿いに樹脂シール材を固着してシールし、さらに積層してなるカーボンナノチューブ積層電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項1記載の電気二重層キャパシタ複合二次蓄電池。