(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔性炭素材料からなる少なくとも１つの分極性電極と、
硫酸鉛を含有する材料からなる非分極性電極と、
硫酸を含有する水溶液として現れる電解質と、
電流リードと、
を備え、前記分極性電極が前記非分極性電極に対して前記電解質を介して離れた位置に設けられており、前記電流リードが前記分極性電極に接続されている二重電気層コンデンサにおいて、
前記電流リードが、前記分極性電極と接続する表面に耐酸性ポリマーを含浸させたグラファイト箔からなる導電性保護被膜を有する
ことを特徴とする二重電気層コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、電気工学、特にコンデンサ製造工業に関し、二重電気層（ＤＥＬ）を用いる大容量電気コンデンサの製造に適用することができる。ＤＥＬを備えるコンデンサは、無停止サイクル製造プロセスにおいて計算工学、通信装置、数値制御機械ツールなど、無停電電源装置を必要とするシステムでの待機電源として、あるいはディーゼル・エンジンの電気スタータ用、または病人搬送車、ゴルフ用搬送車などの電源供給用の待機電源として適用されてきた。
【０００２】
（背景技術）
現在、当技術分野では、二重電気層（ＤＥＬ）コンデンサの外観をした電気エネルギー蓄電器、例えば米国特許４３１３０８４号（１９８２）や４５６２５１１号（１９８５）に開示されたものが知られている。前記コンデンサはそれぞれ、２つの多孔性分極可能電極と、誘電体材料からなり、それらの間に配置された多孔性セパレータと、電流リードとを備える。水成電解質または非水成電解質（水成硫酸を含む）が使用される容量における液体電解質溶液は、電極およびセパレータの孔内、ならびにコンデンサ・ケーシング内部のある自由空間内に含有される。電荷は、電極材料と電解質との間にある孔内のインターフェースに蓄積される。分極可能電極の材料として、様々な通常の多孔性炭素材料が使用される。二重電気層を用いてコンデンサ静電容量を増加させるために、前記炭素材料は、その比表面積を３００〜３０００ｓｑ．ｍ／ｇまで増加させるように、前以って活性化される。
【０００３】
ＤＥＬコンデンサは、通常のフィルム型コンデンサおよび電解コンデンサに比べはるかに大きい静電容量を有し、活性電極材料がグラムあたり数十ファラドに達する。しかし、前記コンデンサは、比較的低い、すなわち３Ｗ−ｈ／ｌｉｔ．程度の比エネルギーを有するという欠点がある。この場合、最大比エネルギー値は、最大電圧が３〜３．５Ｖの範囲内にある非水性電解質を使用する二重層コンデンサによって達成可能である。しかし、そのようなコンデンサでは、非水性電解質の非常に低い伝導値により、非常に低い充電および放電電流値が得られるようになる。最大電圧値０．８Ｖを特徴とする水性電解質を使用する二重層コンデンサでは、さらに低い比エネルギー値、すなわち０．５〜２Ｗ−ｈ／ｌｉｔ．が達成可能である。このような二重層コンデンサは、０．８Ｖを超える電圧で比較的長時間充電状態にあると、炭素正極の著しい酸化が起こる。
【０００４】
技術的核心および達成可能な効果に関して、２つの電極と、液体電解質（すなわち、濃度３〜７ｍｏｌｅ／ｌｉｔの水性アルカリ金属水酸化物）とを備え、炭素繊維材料からなる分極性電極（負極）と、ニッケル酸化物からなる非分極性電極とを有するＤＥＬコンデンサが、提案される発明に最も近い。前記コンデンサの最大電圧は１．４Ｖであり、比静電容量および比エネルギーは、それぞれ４６Ｆ／ｃｕ．ｃｍおよび４５Ｊ／ｃｕ．ｃｍである（１９９７年２月２７日付のＷＯ９７／０７５１８号）。
【０００５】
しかし、このコンデンサは、不十分な高さの比エネルギーや、多量のニッケル酸化物を使用することによってもたらされる高コストなど、いくつかの欠点がある。
【０００６】
（発明の開示）
本発明の目的は、より高い比エネルギーを特徴とするＤＥＬコンデンサを提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、関係するコンデンサの製造コストを低減することである。
【０００８】
以下に開示される本発明によって上記の目的が達成され、その核心は、当該のコンデンサが、多孔性炭素材料からなる分極性電極と、活性成分として硫酸鉛を含む材料からなる非分極性電極とを有する点、および電解質として硫酸を含有する水溶液が使用される点にある。
【０００９】
コンデンサは、耐酸性ポリマーを含浸したグラファイト箔からなる保護被膜を備える電流リードを有することが好ましい。
【００１０】
コンデンサはまた、２つの分極性電極と、１つの非分極性電極と、２つのセパレータとを含み、前記全ての構成要素が、第１の分極性電極／第１のセパレータ／非分極性電極／第２のセパレータ／第２の分極性電極の順序で配置され、両負極が、互いに短絡されていることが好都合である。電極およびセパレータをこのように配置すると、分極性電極（負極）の比静電容量は、非分極性電極（正極）の比静電容量よりも実質的に小さく、それにより、負極の全厚さが、正極の全厚さよりもはるかに大きくなる。したがって、本明細書で提案される、１つの負極をそれぞれ半分の厚さを有する２つの電極へ分割することにより、比較的高い電流密度値を有するエネルギーのオーム損失はほぼ２分の１に減少する。
【００１１】
また、１つまたは全ての電極の材料が、ポリテトラフルオロエチレンやポリエチレンなどの粒子状材料でドープされていることが好都合である。第１に、これは、繊維性炭素材料（例えば、知られているコンデンサでは炭素織物（ＷＯ出願＃９７／０７５１８参照）からだけでなく、ポリマー・バインダを用いた炭素粉末に基づく材料からも負極を生成することを可能にする。後者の電極の方が、はるかに安価な電極である。第２に、ポリマー・バインダを使用することが、負極および正極（硫酸鉛電極）の強度の増大を達成することを可能にする。
【００１２】
１つのコンデンサまたはコンデンサ要素のバンクが、ケーシングの耐荷重カバー間で圧縮されることが好都合であり、それにより、特に炭素織物またはフェルトからなる負極を使用するときにコンデンサ内部抵抗を大幅に減少させ、正極の活性材料が、ＷＯ出願９７／０７５１８号によって作成されたＤＥＬコンデンサの循環性を制約する主な原因の１つである目こぼれ（ｓｈｅｄｄｉｎｇ）をすることを防止する。上で指定された技術的解決策によって、比エネルギーを本質的に増大させること、およびコンデンサのコストを低減させることが可能になる。比エネルギーを２．０Ｖまで増加させることは、アルカリ電解質に比べて硫酸電解質の電気伝導が１．５倍に増大することによって提供される。本発明によって作成されるＤＥＬコンデンサのコストは、ニッケル酸化物電極よりもはるかに安価な硫酸鉛電極を使用することにより低減する。正極の活性材料として硫酸鉛を使用することが、電解質として希硫酸を使用できる可能性を提供し、関係するＤＥＬコンデンサの組立てをはるかに容易にする。
【００１３】
（発明の例示的実施形態）
（例１）
本発明により、比表面積が１２００ｓｑ．ｍ／ｇであり、各層が厚さ３００ミクロンである活性炭織物、タイプ「Ｖｉｓｃｕｍａｃ」１６層からなる負極（５）と、硫酸鉛を含有する活性材料を有し、鉛９５％とアンチモン５％を含有する合金からなるグリッド内に圧入された２ｍｍ厚の正極（７）と、全厚さ１２０ミクロンのペルクロロビニルからなる多孔性セパレータ（６）、グレードΦΠΠ−２０ＣＡと、鋼板製の電流リード（３、４）と、ケーシングの３ｍｍ厚の鋼製耐荷重カバー（１）と、ケーシングの０．３ｍｍ厚の耐荷重側面パネル（９）と、誘電性密閉剤（８）とを備えるＤＥＬコンデンサ（図１）が作成される。
【００１４】
負および正の多孔性電極および多孔性セパレータは、電解質、すなわち密１．０５ｇ／ｃｕ．ｃｍの硫酸水溶液を含浸されている。電流リードの保護被膜（４）は、耐酸性ポリマーを含浸され、電流リードの金属電極に数ヶ所で接着結合された０．３ｍｍ厚グラファイト箔からなる。両電極は、それぞれ１２３×１４３ｍｍの寸法を有する極板として現れる。１組の電極、およびセパレータが圧力１０ｋｇ／ｓｑ．ｃｍで圧縮される。
【００１５】
図２は、電圧Ｕｃと、（同一溶液中の水素電極に対する）正極電位Ｅａおよび負極電位Ｅｃ対放電時間ｔのグラフ表現を示す。特性曲線は、２０℃、１０Ａの電流で測定される。前述した関係により、以下の推論を導くことが可能になる。
（１）正極電位は、放電プロセス中、ほんのわずかしか減少しない。
（２）負極電位は、放電プロセス中、Ｅが１．０Ｖになるまでほぼ線形に増加する。
（３）その結果、１．８Ｖを下回る電圧の間隔での放電曲線は、コンデンサに固有の線形アスペクトに近づく。
（４）最大電圧（Ｕｍａｘ）は、約２Ｖである。
【００１６】
１Ｖを超える電位を有する限り、炭素電極は比較的高い割合で酸化しやすく、そのため、最小放電電圧Ｕｍｉｎは、（Ｅ）ｍａｘ＝１Ｖのときに生じる。図２から、所与のコンデンサについては、Ｕｍｉｎ＝０．７Ｖであることが明らかである。
【００１７】
試験の結果、以下の特性が得られる。比エネルギー、５３．４Ｗ−ｈ／ｌｉｔ；得られる充電放電サイクルの回数、６５００（その後、試験が継続された）。
【００１８】
（例２）
本発明によって作成され、ケーシングの耐荷重カバーと側面パネルとの間でまとめて圧縮された、７つの同様な直列接続基本コンデンサを備えるＤＥＬコンデンサのバンクが製造される。図３は、そのようなコンデンサのバンクの概略図を示す。各基本コンデンサは、２つの同一の負極と、それらの間に配置された正極とからなる。正極は、外囲形セパレータ内に置かれる。両負極は、外部スイッチングにより、一体として電気的に閉じられる。アセンブリ全体の総寸法は、１３０×１５０×６４．４ｍｍである。負極は、粉末ポリエチレンを８ｗｔ．％、比表面積１００ｃｕ．ｍ／ｇを有するグレードＡΓ−３粉末活性炭を９２ｗｔ．％を含有する混合物を成形し、焼結することによって作成され、負の厚さは、３ｍｍである。正極は、鉛９５％とアンチモン５％を含有する合金からなるグリッドを備える。グリッド・セル内部に、硫酸鉛９３％とポリテトラフルオロエチレン７％を備える混合物が入れられる。厚さ６０ミクロンの、グレードΦΠΠ−２０ＣＡ、ペルクロロビニル・セパレータが使用される。負極の電流リードの保護被膜は、例１のものと同様である。
【００１９】
試験の結果、以下の特性が得られる。比エネルギー、２．５Ａの放電電流で５１Ｗ−ｈ／ｌｉｔ；得られる充電放電サイクルの回数、６５００；内部抵抗１８ｍＯｈｍ。
【００２０】
（産業上の利用可能性）
本発明の使用により、知られているＤＥＬコンデンサの比エネルギーを数倍上回る、提案されるコンデンサの比エネルギーを達成することが可能になり、そのコストは、知られているコンデンサのコストの数分の１である。提案されるコンデンサは、要素の直列および並列接続を行うことを可能にし、かつ、それに基づいて様々なコンデンサ・バンクを提供することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるコンデンサを示す図である。
【図２】  電極の電圧および電位対放電時間のグラフ表現を示す図である。
【図３】  本発明によるコンデンサ要素から組み立てられたコンデンサのバンクの概略図である。
図中の以下の参照符号は、以下のものを示す。
１−耐荷重コンデンサ・カバー；２−コンデンサ電極が互いに電気的に接触するのを防止する絶縁体；３−金属電流リード；４−グラファイト箔からなる電流リード保護被膜；５−分極性多孔性炭素負極；６−誘電性セパレータ；７−正極；８−耐酸性密閉剤；９−コンデンサ・ケーシングの耐荷重壁。
【図１】
0004264198.tif 000002
【図２】
0004264198.tif 000003
【図３】
0004264198.tif 000004