JP2004288837A

JP2004288837A - 電解コンデンサ及びこれを用いた燃料電池駆動車

Info

Publication number: JP2004288837A
Application number: JP2003078404A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Ishii; 一雄石井
Original assignee: Jelmax Co Ltd
Current assignee: Jelmax Co Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14
Also published as: EP1469492A2; US6853537B2; US20040184220A1

Abstract

【課題】燃料電池車の補助電源として利用可能な高電圧大容量電解コンデンサを提供すること。
【解決手段】陰極４と、この陰極箔４側の面に誘導体膜２を設けた陽極箔３とを、互に対向させ、さらに、この陽極３と前記陰極４との間に、電解液と一部に導電性微粒子を分散させた複合セパレータ５ーを介して一体的に捲回した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧大容量の電荷を急速に充放電する電解コンデンサに関し、特に燃料電池を動力源とする自動車その他の車両の補助電源として使用する電解コンデンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガソリン車に代わる動力源として高圧水素を燃料とする燃料電池車（ＦＣ車）の開発が急速に進展している。このＦＣ車は、燃料電池で発生した直流電力で、直接、直流モータを駆動するため、最も効率のよい動力源として世界的に注目されている。このようなＦＣ車においては、車両のスタート時に要する大きな起動力を補助するために、大容量の電解コンデンサを補助動力源として使用する方式が提案されている。この大容量の電解コンデンサは、車両の走行時には燃料電池からの電力を蓄えるとともに、ブレーキ時に発生する運動エネルギーを電気エネルギーとして回収蓄積し、車両のスタート時に、燃料電池からの電力に電解コンデンサの放電電力を加えて直流モータを起動するように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の一般の電解コンデンサはイオン伝導構造のため、起動時において、瞬時に電気エネルギーを使い切る構造のものは少ない。すなわち、現状の電解コンデンサは一般に、電荷の充放電時間が長く、また、大電荷の瞬時の移動は陰極に強いイオン衝撃を与え、そのために、内部が発熱し、特に陰極面からは多量の水素ガスが発生して、コンデンサの寿命を著しく短くする。さらに、従来は、５００Ｖを超える高耐圧を多く使用することはなく、耐圧技術の面でも未だ改善の余地があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、燃料電池の補助電源としてのコンデンサに不可欠な高電圧大容量充放電特性を持ち、同時に、内部電子の充放電移動速度が他の如何なるコンデンサよりも高速であり、しかも、電荷移動時に発生する陰極へのイオン衝撃もなく、さらに、回収した電荷も超高速で回収補充できる新規な高電圧大容量の電解コンデンサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の電解コンデンサは、互いに対向して設けた陽極箔および陰極箔と、前記陽極箔面に設けられた誘電体膜と、前記陽極箔および前記陰極箔との間に配置された第１及び第２のセパレータからなるイオン透過性複合セパレータと、これらの複合セパレータに含浸された電解液と、前記イオン透過性複合セパレータの前記陰極箔に接する第２のセパレータ内に分散された導電性微粒子とを備え、前記陽極箔、誘電体膜、陰極箔、およびイオン透過性複合セパレータが一体的に筒状に巻回されてなることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の電解コンデンサにおいては、前記イオン透過性複合セパレータは、主として天然繊維からなる第１及び第２の紙を重合して一体に漉き上げて形成され、前記陽極箔面に設けられた誘電体膜に接する第１の紙の繊維密度は前記第２の紙の繊維密度より大きいことを特徴とするものである。
【０００７】
さらに、本発明の電解コンデンサにおいては、前記陽極箔および前記陰極箔はアルミ箔であり、前記誘電体膜は、前記陽極アルミ箔の表面に形成された酸化膜であり、前記導電性微粒子はグラファイト微粒子であることを特徴とするものである。
【０００８】
次に、本発明の燃料電池駆動車両は、駆動車輪を有する車両と、この車両に搭載された燃料電池と、この燃料電池により駆動されるモータと、このモータ及び前記燃料電池に極性切り替えスイッチを介して接続される請求項１乃至３のいずれかに記載された電解コンデンサとを備え、前記車両のスタート時に前記極性切換え手段を介して前記電解コンデンサの充電電流を前記モータに放電供給し、前記車両の走行時および前記車両の制動時には、前記燃料電池出力電流あるいは前記モータの発電電流を前記電解コンデンサに供給し充電することを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明による電解コンデンサの内部構成を示す図で、同図（Ａ）は展開斜視図、（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ^’線に沿う断面図である。
【００１１】
同図（Ａ）に示すように、下面側に誘電体膜２が設けられている陽極箔３と陰極箔４とを、互に対向して配置し、これらの陽極箔３と陰極箔４との間には、イオン透過性の複合複合セパレータ５が配置されている。陽極箔３および前記陰極箔４は例えばアルミ箔であり、誘電体膜２は、前記陽極アルミ箔の表面を酸化する事により形成された酸化膜である。
【００１２】
イオン透過性複合セパレータ５は、また、主として天然繊維からなる２枚の紙を重合して一体に漉き上げてなる第１および第２のセパレータ紙５Ａおよび５Ｂにより形成されている。そして、誘電体膜２に接する第１のセパレータ紙５Ａの繊維密度は前記第第２のセパレータ紙５Ａの繊維密度より大きくなっている。そして複合セパレータ５を構成する第１および第２のセパレータ紙５Ａおよび５Ｂには、電解液が含浸されるが、陰極箔４に接する第２のセパレータ紙５Ｂには、その内部に導電性微粒子が相互に非接触状態で分散されている。
【００１３】
図１（Ｂ）は、かかる構造を同図（Ａ）のＡ−Ａ^’線に沿う断面図により示したもので、陽極箔３の誘電体膜２が設けられている側と陰極箔４との間に、２枚のセパレータ紙５Ａおよび５Ｂが一体に漉き上げられた複合セパレータ５が挟まれている状態になっている。
【００１４】
そして、これらの陽極箔３、陰極箔４、その間に介在するイオン透過性の複合複合セパレータ５は、同図（Ａ）に示すように、例えば円筒のような筒状に捲回され、陽極箔３、陰極箔４にそれぞれ接続されたリード線であるタブ６Ａおよび６Ｂが外部に導出されている。
【００１５】
図２は上記のように構成された電解コンデンサの動作機能を説明する模式図である。同図において、陽極３および陰極４はそれぞれ図１の陽極箔３および陰極箔４を表し、陽極３の内面には誘電体膜２が設けられている。この誘電体膜２と陰極４との間には、複合セパレータ５が介在しており、陽極３に接する側は、主として、天然繊維からなる第１のセパレータ紙５Ａが、また、陰極４に接する側には第２のセパレータ紙５Ｂが一体的に漉き上げられている。これらのセパレータ紙５Ａ、５Ｂの内部には、電解液が含浸され、第２のセパレータ紙５Ｂ内には導電性微粒子１２がほぼ均一に分散されている。すなわち、導電性微粒子１２は天然繊維からなる第１のセパレータ紙５Ａにより、陽極３の誘電体膜２から隔離された位置に分散されている。そしてこの導電性微粒子１２の粒度あるいは分散度を所定の値に設定することにより、複合セパレータ５に含浸された電解液内のイオン（図示せず。）の移動は停止し、イオンとともに移動していた電子１３がイオンから分離して陽極３および陰極４間の電位差に応じて、超高速に移動する。このような現象は、本発明者により開発され、商品名“ＢｌａｃｋＧａｔｅ”として市販されている電解コンデンサにより確認されている。
【００１６】
一方、第１のセパレータ紙５Ａの部分には、導電性微粒子１２が存在しないため、そこにイオンと電子が共存し、瞬間大電流を流すための電子流の貯蔵庫となっている。
【００１７】
このように本発明の電解コンデンサ内部ではイオンの移動は停止しているので、イオンによる陰極電極への衝撃、あるいは陰極面での水素の発生も一切生じない。したがって、陰極電極の消耗もなく、長寿命を確保できる。
【００１８】
さらに、高圧大電流の場合、７００Ｖ〜８００Ｖの正電圧が陽極３に印加されるが、第１のセパレータ紙５Ａの部分には導電性微粒子１２が分散していないため、耐電圧を損なうことは全くない。したがって、陽極３および陰極４からはリード６Ａおよび６Ｂを介して高圧放電電流が取り出される。
【００１９】
図３は、このように製造され本発明の電解コンデンサとほぼ同規格に製造された、３３０Ｖ、３３μＦの従来の電解コンデンサとの放電特性を比較したグラフであり、曲線１Ａは本発明による電解コンデンサの特性曲線で、曲線１Ｂは従来品の特性曲線である。
【００２０】
この放電特性の測定はストロボ装置を用いた光学的方法で行われ、その測定による曲線は発光（放電）時間に対する発光量を示したカーブで示されている。この測定結果を示すグラフには、極めて注目すべき相違が現れている。すなわち、曲線１Ａによれば、放電時間が極めて短く、そのピークエネルギーは極めて大である。これに対して、従来品である曲線１Ｂによれば、放電時間は曲線１Ａに較べ数倍も長く、また、ピークエネルギーも曲線１Ａに較べ数倍以下と極端に小さい。そして、曲線１Ａおよび曲線１Ｂ内の面積は電気量が等しく同面積となるので、曲線の尖頭値の比較では、実際には、曲線１Ｂは曲線１Ａのほぼ１０倍の値となる。
【００２１】
この測定データーから、本発明による電解コンデンサは燃料電池車のスタート時の電力要求である、短時間に大電流を供給するという要求を充分に満足させていることが分かる。
【００２２】
なお、曲線１Ａの放電特性を有する電解コンデンサとして、前述した商品名“ＢｌａｃｋＧａｔｅ”電解コンデンサの技術を応用したが、このような超高速の放電特性に注目したのは本発明者が初めてである。
【００２３】
本発明の電解コンデンサにおいては、前述したように、セパレータ内に導電性微粒子の粒度や分散度を、ある値に設定すると、イオンの移動は止まり、イオンとともに運ばれていた電子が、突如、イオンから離れて超高速に移動を始めることが確認されている。そして、この現象は、イオン伝導の際の周波数特性が、通常１００ｋＨｚ程度の値を限界としているのに対して、一挙に１０ＧＨｚ（１０万倍）に上昇することから、本発明者はこの新現象を「超絶電子伝導」と称している。図３の放電曲線もこのような現象によるものと考えられる。
【００２４】
次に、本発明による電解コンデンサと従来の電解コンデンサとのパワー比較を、図４により説明する。同図によれば、放電エネルギーはコンデンサのインピーダンスおよび“Ｅ．Ｓ．Ｒ．”（等価抵抗）などの特性対比によって明らかになる。同図において、電解コンデンサＡは例えば、６３Ｖ２２００μＦの比較的容量の大きな、上述した構造の本発明の電解コンデンサであり、一般市場で販売された３社製の電解コンデンサＢ（日本ケミコン製）、Ｃ（エルナー製）およびＤ（松下製）の周波数特性曲線である。比較対象の４電解コンデンサＡ乃至Ｄのサイズは、下記のとおりである。
【００２５】
Ａ：３０ｍｍ×５０ｍｍ
Ｂ：２５ｍｍ×４０ｍｍ
Ｃ：３０ｍｍ×７０ｍｍ
Ｄ：３５ｍｍ×５４ｍｍ
これらはほぼ同一寸法であるが、その周波数特性は著しく異なる。すなわち、インピーダンスおよび“Ｅ．Ｓ．Ｒ．”特性ともに曲線Ａの値は最低値を示しているのに対して、他の曲線Ｂ、Ｃ、Ｄはいずれも一桁程度高い。特に、燃料電池車に必要な極低周波数帯域での“Ｅ．Ｓ．Ｒ”値の比較においては、曲線Ａは曲線Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれに対してもほぼ１／１０の値である。このことは、同一容量の充電電荷に対してはその放電電流に約１０倍の差があることを示している。その理由は、前記した本発明の電解コンデンサにおける超絶電子伝導の成果と考えられる。
【００２６】
次に、本発明の電解コンデンサを応用した燃料電池車について図５を用いて説明する。同図は、本発明による電解コンデンサを実装した燃料電池車の電気系統を示す回路図である。
【００２７】
同図において、燃料電池１６により発生した直流電圧は、極性切換えスイッチ１７の開閉接点１８を介して、駆動輪１９を駆動する直流モータ２０に印加される。極性切換えスイッチ１７は、燃料電池１６の出力電流が供給される第１の切換え接点２１−１、２１−２と、これらに交叉接続される第２の切換え接点２２−１、２２−２および切換えレバー２３を備えている。切換えレバー２３は、本発明の電解コンデンサ２４の両端子が接続される支点２５−１、２５−２を軸として、矢印Ａ、Ｂの方向に回動し、これによって第１の切換え接点２１−１、２１−２と第２の切換え接点２２−１、２２−２に選択的に接続される。
【００２８】
次にこのように構成された燃料電池車の動作を説明する。燃料電池車のスタート時には、極性切換えスイッチ１７の切換えレバー２３は矢印Ａの方向に回動して、第１の切換え接点２１−１、２１−２に接続されるとともに、開閉接点１８を閉じる。これによって、燃料電池１６の出力電流が直流モータ２０に供給されるとともに、予め電解コンデンサ２４に充電されていた電荷が一挙に放電され、直流モータ２０に供給される。これによって直流モータ２０が回転し、車両は走行を開始する。走行状態においては、燃料電池１６の出力電流が第１の切換え接点２１−１、２１−２および切換えレバー２３を介して電解コンデンサ２４に供給され、電解コンデンサ２４を再び充電する。
【００２９】
燃料電池車の走行中にブレーキがかけられると、これに連動して切換えレバー２３が矢印Ｂの方向に回動して、第２の切換え接点２２−１、２２−２に接続される。ブレーキがかけられることによって燃料電池車が減速するとその制動力により、直流モータ２０は発電機として動作し、その端子間に逆極性の電圧を発生する。この電圧は極性切換えスイッチ１７によりその極性が逆転されて、電解コンデンサ２４の両端子間に印加され、これを充電する。これによって、ブレーキ時の燃料電池車の運動エネルギーが電気エネルギーとして回収される。
【００３０】
燃料電池車においては、スタート及びブレーキ操作は通常手動により行われるが、これに連動する極性切換えスイッチ１７の切換えによる電解コンデンサ２４の充放電は、前述したように、超高速で行われるので、手動による操縦機構の作動速度より遅れることはない。したがって、将来予想される各種の自動操縦にも十分に対応可能である。
【００３１】
【発明の効果】
上述した本発明の電解コンデンサによれば、特殊な複合セパレータ構造により、コンデンサ内部でイオンの移動が生じないため、イオンによる陰極への衝撃がなく、陰極の消耗もない。また、陰極面から多量の水素ガスが発生する恐れもないため、コンデンサの長寿命を確保できる。
【００３２】
さらに、この複合セパレータの陽極側には導電性微粒子が分散されていないため、耐圧を損なうことなく、車両のスタート時に必要な高圧大電流の放電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電解コンデンサの内部構成を示す図で、（Ａ）は展開斜視図、（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ^’線に沿った断面図である。
【図２】本発明による電解コンデンサの動作機能を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明による電解コンデンサの放電特性を従来の電解コンデンサと比較して示すグラフである。
【図４】本発明による電解コンデンサの特性を従来の電解コンデンサと比較して示すグラフで、（Ａ）は周波数対インピーダンス特性図、（Ｂ）は周波数対Ｅ．Ｓ．Ｒ特性図である。
【図５】本発明による電解コンデンサを実装した燃料電池車の電気系統を示す回路図である。
【符号の説明】
２誘電体酸化膜
３陽極箔
４陰極箔
５複合セパレータ
５Ａ第１のセパレータ紙
５Ｂ第２のセパレータ紙
６Ａ，６Ｂタブ
１３電子
１６燃料電池
１７極性切換えスイッチ
１８開閉接点
１９駆動輪
２０直流モータ
２１−１、２１−２第１の切換え接点
２２−１、２２−２第２の切換え接点
２３切換えレバー
２５−１、２５−２支点

Claims

互いに対向して設けた陽極箔および陰極箔と、前記陽極箔面に設けられた誘電体膜と、前記陽極箔および前記陰極箔との間に配置された第１及び第２のセパレータからなるイオン透過性複合セパレータと、これらの複合セパレータに含浸された電解液と、前記イオン透過性複合セパレータの前記陰極箔に接する第２のセパレータ内に分散された導電性微粒子とを備え、前記陽極箔、誘電体膜、陰極箔、およびイオン透過性複合セパレータが一体的に筒状に巻回されてなることを特徴とする電解コンデンサ。
前記イオン透過性複合セパレータは、主として天然繊維からなる第１及び第２の紙を重合して一体に漉き上げて形成され、前記陽極箔面に設けられた誘電体膜に接する第１の紙の繊維密度は前記第２の紙の繊維密度より大きいことを特徴とする請求項１記載の電解コンデンサ。
前記陽極箔および前記陰極箔はアルミ箔であり、前記誘電体膜は、前記陽極アルミ箔の表面に形成された酸化膜であり、前記導電性微粒子はグラファイト微粒子であることを特徴とする請求項２記載の電解コンデンサ。
駆動車輪を有する車両と、この車両に搭載された燃料電池と、この燃料電池により駆動されるモータと、このモータ及び前記燃料電池に極性切り替えスイッチを介して接続される請求項１乃至３のいずれかに記載された電解コンデンサとを備え、前記車両のスタート時に前記極性切換え手段を介して前記電解コンデンサの充電電流を前記モータに放電供給し、前記車両の走行時および前記車両の制動時には、前記燃料電池出力電流あるいは前記モータの発電電流を前記電解コンデンサに供給し充電することを特徴とする電解コンデンサを用いた燃料電池駆動車。