(57)【要約】  本発明の電解コンデンサ（Ａ１）は、陽極（２）および陰極（３）と、陽極（２）と陰極（３）との間に介在する電解液（４）と、を備え、陽極（２）は、表面に誘電体層（２３）としての酸化膜が形成された弁作用を有する金属の多孔質焼結体（２１）と、この多孔質焼結体（２１）を外部接続用の正端子（７Ａ）に導通させる陽極ワイヤ（２２）とからなり、陰極（３）は、電解液（４）との界面に電気二重層を生じさせる分極電極（３１）と、この分極性部材（３１）を外部接続用の負端子（７Ｂ）に導通させる集電極（３２）とからなる。（代表図１）【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極および陰極と、
上記陽極と陰極との間に介在する電解液と、
を備えた電解コンデンサであって、
上記陽極は、表面に誘電体層としての酸化膜が形成された弁作用を有する金属の多孔質焼結体と、この多孔質焼結体を外部接続用の正端子に導通させる第１の導電部材とからなり、
上記陰極は、上記電解液との界面に電気二重層を生じさせる分極性部材と、この分極性部材を外部接続用の負端子に導通させる第２の導電部材とからなることを特徴とする、電解コンデンサ。
【請求項２】
上記電気二重層における静電容量は、上記誘電体層における静電容量よりも大きい、請求項１に記載の電解コンデンサ。
【請求項３】
上記弁作用を有する金属は、ニオブ、タンタル、またはこれらの化合物である、請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
【請求項４】
上記陰極の分極性部材は、活性炭により形成されている、請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
【請求項５】
上記陽極と上記陰極との間には、上記電解液を通過させることが可能とされた隔壁が設けられている、請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
【請求項６】
複数の分室に区切られたケースを有し、このケースの各分室に上記陽極、陰極および電解液が設けられ、かつ、隣接する分室の陽極と陰極とが電気的に直列に接続されている、請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
【請求項７】
複数の分室に区切られたケースを有し、このケースの各分室に上記陽極、陰極および電解液が設けられ、かつ、各陽極の第１の導電部材は同士が相互に電気的に接続されるとともに、各陰極の第２の導電部材は相互に電気的に接続されている、請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
【請求項８】
上記陽極および陰極は、複数個設けられ、各陽極の第１の導電部材は相互に電気的に接続されるとともに、各陰極の第２の導電部材は相互に電気的に接続されている、請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば携帯電話機などの携帯電子機器のバックアップ電源に、電気二重層コンデンサが用いられている。電気二重層コンデンサは、太陽電池を備えた蓄電デバイス、いわゆるハイブリッド自動車におけるモータ用電源または回生エネルギデバイスなどにも用いられている。【０００３】
図７は、このような電気二重層コンデンサの一例を示している。この電気二重層コンデンサＸは、陽極９１および陰極９２を備えている。陽極９１は、活性炭の微粉末により形成された分極性電極９１ａを有し、陰極９２は、活性炭の微粉末により形成された分極性電極９２ａを有している。分極性電極９１ａ，９２ａの間には、電解液９３が充填されている。電気二重層コンデンサＸにおいては、電解液９３と分極性電極９１ａ，９２ａとの界面、より具体的には、活性炭の微粉末と電解液９３との界面に、その界面を挟んで正負のイオンが分布する電気二重層が生じ、蓄電デバイスに利用される場合は、この電気二重層を利用して蓄電がなされ、電源に利用される場合は、この電気二重層に蓄電された電荷が負荷に供給される。【０００４】
電気二重層コンデンサＸは、分極性電極９１ａ，９２ａに生じる電気二重層の正負のイオン間の距離が一分子程度と極めて小さいので、その電気二重層の単位面積当たりの静電容量が大きく、しかも活性炭微粉末を用いて分極性電極９１ａ，９２ａを構成することにより電気二重層の単位体積当たりの表面積を大きくしているので、小型であっても比較的大きな静電容量が得られる特徴を有している。このため、近年、上述した電源や蓄電の用途に用いられている。【０００５】
ところで、コンデンサの蓄積エネルギは、ＣＶ2／２（Ｃ：容量，Ｖ：電圧）で表され、高電圧かつ高容量であるほど蓄積エネルギが大きい。コンデンサをバックアップ電源などの電源用に用いる場合は、体積当たり若しくは重量当たりの蓄電量（エネルギー密度）を大きくしてトータルの蓄積エネルギを大きくするとともに、可及的に供給電圧を高くすることが望ましい。特に、コンデンサの高電圧化は、同一の電力を供給する場合、供給電圧が高ければ、出力電流を小さくすることができるので、コンデンサの内部抵抗などによるロスを抑制でき、電源供給の効率を高めることができる点で重要である。【０００６】
しかしながら、電気二重層は耐電圧以上の電圧が印加されると、電気分解により電解液中に気泡が生じ、キャパシタとして機能しなくなるので、電気二重層コンデンサＸ単体を耐電圧以上の電源として使用することはできず、そのような高電圧の電源に対応するには、電気二重層コンデンサからなるセルを所要数直列に接続して電気二重層コンデンサを構成する必要がある。【０００７】
たとえば、電解液９３として希硫酸水溶液が用いられた場合には、分極性電極９１ａ，９２ａに生じる電気二重層の耐電圧は、それぞれ１．０〜１．２Ｖ程度となるので、この耐電圧以上の電圧に高電圧化するには、所要数の電気二重層コンデンサからなるセルを直列に接続する必要がある。【０００８】
この場合、電気二重層コンデンサＸの機能を適切に発揮させるためには、各セルの電圧をできるだけ同じにすることが好ましいが、静電容量のばらつきなどにより、セル間での電圧が大きくばらつき、各セルの電圧配分を均一にすることは容易でない。このため、電気二重層コンデンサでは、多数のセルを要する高電圧化の要請には十分に応えられない場合があった。【０００９】
一方、タンタル電解コンデンサや酸化ニオブコンデンサなどの固体電解コンデンサにおいては、近年、高ＣＶ値を有する微粉末が開発され、これらの微粉末の焼結体を用いて高容量化が図られている。しかしながら、微粉末の比表面積を大きくすることによって高ＣＶ化を図ると、逆に耐電圧が低くなるので、この種の高容量の固体電解コンデンサでも高電圧化は困難となっている。【００１０】
高ＣＶ値を有する微粉末を用いた電解コンデンサの高電圧化を図る方法として、例えば湿式の電解コンデンサの陰極構造を採用することが考えられるが、この種の陰極構造では大電流を流すことができないという問題が生じる。すなわち、従来の湿式の電解コンデンサの陰極構造を採用すると、耐電圧は向上するが、大電流が流れると、陰極の耐電圧を超えてしまい、コンデンサに流すことができる電流に対して一定の制限が生じる。【００１１】
高電圧かつ高容量、より望ましくは大電流を流すことができるコンデンサが要望されるが、上記のように、従来の乾式コンデンサ及び湿式コンデンサの構造ではいずれも実現することが困難であった。【００１２】
【特許文献１】特開２００３−９２２３４号公報
【発明の開示】
【００１３】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、大容量であり、かつ高電圧化、大電流化が可能な電解コンデンサを提供することをその課題とする。
【００１４】
本発明によって提供される電解コンデンサは、陽極および陰極と、上記陽極と陰極との間に介在する電解液と、を備えた電解コンデンサであって、上記陽極は、表面に誘電体層としての酸化膜が形成された弁作用を有する金属の多孔質焼結体と、この多孔質焼結体を外部接続用の正端子に導通させる第１の導電部材とからなり、上記陰極は、上記電解液との界面に電気二重層を生じさせる分極性部材と、この分極性部材を外部接続用の負端子に導通させる第１の導電部材とからなることを特徴としている。
【００１５】
好ましくは、上記電気二重層における静電容量は、上記誘電体層における静電容量よりも大きい。
【００１６】
好ましくは、上記弁作用を有する金属は、ニオブ、タンタル、またはこれらの化合物である。
【００１７】
好ましくは、上記陰極の分極性部材は、活性炭により形成されている。
【００１８】
好ましくは、上記陽極と上記陰極との間には、上記電解液を通過させることが可能とされた隔壁が設けられている。
【００１９】
好ましくは、複数の分室に区切られたケースを有し、このケースの各分室に上記陽極、陰極および電解液が設けられ、かつ、隣接する分室の陽極と陰極とが電気的に直列に接続されている。
【００２０】
好ましくは、複数の分室に区切られたケースを有し、このケースの各分室に上記陽極、陰極および電解液が設けられ、かつ、各陽極の第１の導電部材は同士が相互に電気的に接続されるとともに、各陰極の第２の導電部材は相互に電気的に接続されている。
【００２１】
好ましくは、上記陽極および陰極は、複数個設けられ、各陽極の第１の導電部材は相互に電気的に接続されるとともに、各陰極の第２の導電部材は相互に電気的に接続されている。
【００２２】
本発明に係る電解コンデンサによれば、誘電体層の耐電圧は電気二重層の耐電圧よりも大きく、しかもこの誘電体層における電圧を大きくすることが可能である。したがって、この電解コンデンサが電源供給に用いられる場合に、誘電体層の耐電圧を大きくすることにより、その電源の高電圧化に適切に対応することができる。
【００２３】
また、電気二重層における静電容量が誘電体層における静電容量よりも大きくなるように構成すれば、充電時に印加される電圧のうち、電気二重層の部分に印加される電圧を当該電気二重層の耐電圧以下に抑えて、誘電体層に蓄えられる静電エネルギと同等の静電エネルギを電気二重層に蓄えることができる。したがって、電気二重層における電圧をその耐電圧以下としつつ、この電解コンデンサ全体の耐電圧を大きくすることができる。
【００２４】
また、本発明に係る電解コンデンサによれば、分極性部材を活性炭によって構成しているので、陰極の表面積が広く、蓄積した静電エネルギを放出する際も、電気二重層における単位面積あたりの電流を小さくしつつ、電解コンデンサとしての出力電流を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る電解コンデンサの一例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る電解コンデンサの一例の要部拡大図である。
【図３】本発明に係る電解コンデンサの一例の要部拡大図である。
【図４】本発明に係る電解コンデンサの他の例を示す断面図である。
【図５】本発明に係る電解コンデンサの他の例を示す断面図である。
【図６】本発明に係る電解コンデンサの他の例を示す断面図である。
【図７】従来の電解コンデンサの一例を示す要部断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施例につき、図面を参照して具体的に説明する。【００２７】
図１〜図３は、本発明に係る電解コンデンサの一例を示している。この電解コンデンサＡ１は、図１に示すように、陽極２、陰極３、電解液４、隔壁５、およびこれらを収容するケース１を備えている。【００２８】
ケース１は、絶縁性樹脂により形成されており、その両側壁に陽極２および陰極３が付設されている。【００２９】
陽極２は、弁作用を有する金属としてのニオブの多孔質焼結体２１と、この多孔質焼結体２１に一部が埋設された陽極ワイヤ２２とを具備している。陽極２としてニオブの多孔質焼結体を用いるのは、この多孔質焼結体に化成処理を施すことなどにより、後述する誘電体層２３としての酸化膜を適切に形成することが可能だからである。また、この酸化膜は、その耐電圧を比較的大きくすることが可能で、電解コンデンサＡ１を容易に高電圧化することができるからである。【００３０】
図２に示すように、多孔質焼結体２１は、多数のニオブの微粒子体２１ａが結合させられたものである。これらのニオブの微粒子体２１ａは、陽極ワイヤ２２と導通している。ニオブの微粒子体２１ａおよび陽極ワイヤ２２の表面には、五酸化ニオブなどの酸化膜からなる誘電体層２３が形成されている。【００３１】
陽極２は、たとえば以下のようにして作成することができる。まず、ニオブの微粉末を金型に充填し、この微粉末中に陽極ワイヤ２２の一部を埋設した状態でプレス加工することによりニオブの多孔質体を作成し、この多孔質体を焼結してニオブの多孔質焼結体２１を得る。この多孔質焼結体２１をリン酸水溶液などの化成液中に浸漬させ、この状態で直流電流を通電させて陽極酸化処理を行うことにより、多孔質焼結体２１の内表面、外表面および陽極ワイヤ２２の表面に誘電体層２３を形成する。【００３２】
陽極ワイヤ２２は、多孔質焼結体２１と同様にニオブにより形成されている。この陽極ワイヤ２２は、電解コンデンサＡ１の外部接続に用いられる外部接続用の端子７Ａ（正端子）に導通している。【００３３】
陰極３は、分極性電極３１と集電極３２とを具備している。図３に示すように、分極性電極３１は、たとえば活性炭の微粉末３１ａをバインダ（図示略）とともに混練して形成されており、集電極３２に接合されている。なお、活性炭の微粉末３１ａどうしの導通性を高めるために、いわゆるカーボンナノブラックを添加しても良い。活性炭の微粉末３１ａは、その表面が微細な凹凸状となっており、たとえばニオブの多孔質焼結体２１と比較して、単位体積当りの表面積が大きい。【００３４】
陰極３に、活性炭からなる分極性電極３１を設けているのは、活性炭は、たとえばニオブ、タンタルなどの多孔質焼結体と比べて単位体積当りの表面積が広く、陰極３に生じる電気二重層の単位面積あたりの静電容量を大きくすることができるからである。【００３５】
分極性電極３１と後述する電解液４との界面に電圧が印加されると、この界面を挟んで、分極性電極３１の表面に固定されている荷電イオンと分極性電極３１の表面に接した電解液４中のイオンとが分布された状態となり、いわゆる電気二重層が形成される。【００３６】
この電気二重層においては、たとえば多孔質焼結体２１のように、誘電体層２３などの物理的に形成された膜を介在させて帯電するものと異なり、正負のイオンどうしの距離（電気二重層の厚さに相当）が一分子程度の大きさとなる。したがって、電気二重層では、単位面積当たりの静電容量が大きいという特性を有する。【００３７】
集電極３２は、導電性樹脂（図示略）などにより分極性電極３１と接合されている。この集電極３２は、この電解コンデンサＡ１の外部接続に用いられる外部接続用の端子７Ｂ（負端子）に導通している。【００３８】
電解液４は、ケース１内に充填されており、陽極２の多孔質焼結体２１や陰極３の分極性電極３１内に含浸している。この電解液４としては、たとえば硫酸水溶液を用いることができる。電解液４と多孔質焼結体２１との界面においては、誘電体層２３を挟んで、多孔質焼結体２１の表面に正電荷が、電解液４に負電荷がそれぞれ帯電することにより、蓄電機能が発揮される。すなわち、誘電体層２３によってコンデンサが形成される。一方、電解液４と分極性電極３１との界面においては、上述した電気二重層が形成され、電解液４側に正電荷が、分極性電極３１側に負電荷が帯電することにより蓄電機能が発揮される。すなわち、電気二重層によってコンデンサが形成される。【００３９】
隔壁５は、陽極２の多孔質焼結体２１と陰極３の分極性電極３１とが不当に接触するなどして導通することを防止するためのものである。この隔壁５は、複数の細孔を有する絶縁性材料のプレートにより形成されており、電解液４を通過させることが可能である。【００４０】
封止樹脂６は、ケース１の上方開口部を覆うように設けられており、電解液４が漏れることや、多孔質焼結体２１や分極性電極３１が、この電解コンデンサＡ１以外の導通部材と不当に導通することなどを防止するためのものである。【００４１】
次に、電解コンデンサＡ１の作用について説明する。【００４２】
誘電体層２３は、上述したように、電気二重層よりも単位面積当たりの静電容量が小さいので、電気二重層と比較して耐電圧が高い。電解コンデンサＡ１の端子７ａと端子７ｂとの間の電圧は、陰極３の電気二重層の耐電圧と陽極２の誘電体層２３の耐電圧とを加算したものとなるから、従来の電気二重層だけを利用した電気二重層コンデンサよりも電圧を高くすることができる。【００４３】
したがって、従来の電気二重層コンデンサでは複数個の電気二重層コンデンサからなるセルを直列接続して高電圧化を図る必要がある場合でも、電解コンデンサＡ１では電解コンデンサＡ１単体によって十分な高電圧化が可能になる。【００４４】
例えば、１００ＫＣＶ／ｇのニオブ粉末を用いた１ｃｍ2、１ｍｍ厚の多孔質焼結体では、１ペレット当たりの容量は３０ＫＣＶとなるので、この焼結体を１００Ｖで化成処理すると、３０００μＦの誘電体層を構成することができる。一方、活性炭微粉末を用いた分極性電極３１では、例えば２００，０００μＦ以上の電気二重層を形成することができる。【００４５】
したがって、３０００μＦの誘電体層２３と２００，０００μＦの電気二重層を形成可能な分極性電極３１とを用いて電界コンデンサＡ１を作成すると、この電解コンデンサＡ１では、例えば誘電体層２３に５０Ｖが印加されるように、端子７ａ，７ｂ間に電圧を印加すると、陰極３に生じる電気二重層には約０．７５Ｖ（＝５０・Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２），Ｃ１は誘電体層２３の容量、Ｃ２は電気二重層の容量）の電圧が印加されることになり、電気二重層を耐電圧（約１．０Ｖ）以下に保持しながら、５０Ｖ以上の高電圧で充電することができ、電源として利用する場合には５０Ｖ以上の電圧で電力供給が可能となる。【００４６】
また、電解コンデンサＡ１からなるセルを複数個、直列接続しなければ所望の高電圧が得られない場合であっても、電解コンデンサＡ１では、従来の電気二重層コンデンサからなるセルを複数個、直列接続する場合に比して、より少ない個数のセルを直列接続することにより所望の高電圧化を実現することができる。【００４７】
電解コンデンサＡ１では、直列接続されるセルの個数を少なくできるので、セル間で電圧がばらついたとしても、各セルの電圧配分の均一化を比較的容易に図ることができる。【００４８】
また、上述したように、陰極３の電気二重層における単位面積当たりの静電容量は、陽極２の誘電体層２３における単位面積当たりの静電容量よりも大きい。このことは、端子７Ａと端子７Ｂとの間に電圧を印加した場合、陰極３の電気二重層の部分に印加される電圧は陽極２の誘電体層２３の部分に印加される電圧よりも小さくなるということであるから、電解コンデンサＡ１では、上記電気二重層に印加される電圧を、誘電体層２３に印加される電圧よりも小さくしつつ、陰極３の電気二重層と陽極２の誘電体層２３とに略同等の静電エネルギを蓄積することができる。【００４９】
したがって、電解コンデンサＡ１では、上記電気二重層における電圧をその耐電圧以下としつつ、陽極２の誘電体層２３における高電圧化により、電源供給の高電圧化に対応することが可能である。【００５０】
また、陽極２に多孔質焼結体２１を用いて比較的表面積の大きい誘電体層２３を形成するとともに、陰極３に活性炭の微粉末を用いた分極性電極３１を設けて比較的表面積の大きい電気二重層を形成しているので、両電極での静電容量が大きく、大容量化が可能となっている。【００５１】
そして、電界コンデンサＡ１としては、大容量、高電圧のコンデンサが実現されるので、高電圧供給用の電源として適用される場合は、同一の電力を供給するときは供給電圧を高くして供給電流を小さくすると、電源の内部抵抗による損失を小さくすることができることから、電源供給の効率を高くすることができる。【００５２】
また、電界コンデンサＡ１の陽極２及び陰極３における単位面積当たりの電流量を小さくすることができるので、比較的に大きな充電電流で蓄電が可能であるとともに、大電流供給用の電源としても十分に適用することができる。【００５３】
図４および図５は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。【００５４】
図４に示された電解コンデンサＡ２は、図１に示した電界コンデンサＡ１をセルとして複数個のセルを直列接続したものである。【００５５】
ケース１は、２つの中板１１により３つの分室１ａに区切られている。各分室１ａに図１に示した電界コンデンサＡ１が構成されている。すなわち、各分室１ａには、１つずつの陽極２および陰極３が付設され、これらを絶縁する隔壁５が設けられている。各分室１ａには、電解液４が充填されている。この実施形態においては、中板１１を挟むように設けられた陽極２の陽極ワイヤ２２と陰極３の集電極３２とが導通されている。このことにより、この電解コンデンサＡ２においては、複数の陽極２および陰極３が電気的に直列に接続されている。【００５６】
このような実施形態によれば、この電解コンデンサＡ２の電圧、つまり外部接続用の端子７Ａ，７Ｂ間の電圧を高くすることができる。したがって、電源供給用途などにおける高電圧化に対応するのに有利である。なお、上記分室１ａの数は、３つに限るものではない。【００５７】
図５に示された電解コンデンサＡ３は、複数の陽極２および陰極３，３’を備えており、複数の陽極２は相互に接続されて端子７Ａに接続され、複数の陰極３，３’は相互に接続されて端子７Ｂに接続されている。２つの陰極３は、ケース１の両側壁に付設されており、これらの間に複数の陽極２と陰極３’とが交互に配置されている。陰極３’は、陰極３と異なり、集電極３２の両側に分極性電極３１が形成されている。３つの陽極ワイヤ２２と４つの集電極３２とはそれぞれ外部接続用の端子７Ａ，７Ｂに導通している。このことにより、この電解コンデンサＡ３においては、複数の陽極２および陰極３，３’のそれぞれが電気的に並列に接続されている。【００５８】
図５に示された電解コンデンサＡ３は、実質的に複数の電界コンデンサＡ１からなるセルを並列接続したものと同一の効果を有する。【００５９】
したがって、このような実施形態によれば、この電解コンデンサＡ３に蓄電される静電エネルギを大きくすることができ、電源供給用途などにおける大容量化に対応するのに有利である。【００６０】
なお、図５の構成に代えて、図６に示すように、図４に示す構成において、複数の陽極ワイヤ２２を端子７Ａに接続し、複数の集電極３２を端子７Ｂに接続して各セルを並列接続した構成としてもよい。【００６１】
本発明に係る電解コンデンサは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る電解コンデンサの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。【００６２】
多孔質焼結体２１の材料としては、ニオブに限定されず、たとえばタンタルなどの弁作用を有する金属、またはこれらの弁作用金属の酸化物若しくは窒化物などの化合物を用いても良い。【００６３】
分極性電極３１は、活性炭を用いて形成することが、静電容量を大きくするのに好ましいが、これに限定されず、電気二重層を適切に形成可能な材料であれば良い。また、陰極３についても、電気二重層を形成可能な構成であれば良く、分極性電極３１と集電極３２を具備した構成に限定されるものではない。【００６４】
電解液４は、硫酸水溶液に限定されず、これ以外の水溶液、あるいは有機溶媒が用いられた有機電解液としてもよい。例えば、湿式アルミ電界コンデンサに使用されている周知の電解液を使用することができる。
【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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【国際調査報告】
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