JP5784186B1 - High-power electric double layer capacitor with mesh-shaped collector electrode - Google Patents

High-power electric double layer capacitor with mesh-shaped collector electrode Download PDF

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Abstract

【課題】集電極の形状、幾何学的配置、大きさ、吸着用被膜などの電気二重層キャパシタ固有の選択の自由度を高くし大電力用キャパシタを設計する。【解決手段】好ましい形態では、電解液を収容した電解液槽と、電解液に浸漬された平板状金網基体を実効大表面積を有する被膜で覆った複数個の平面状メッシュ電極を平行に配置しそれらを電気的に連結した正極用電極と、同様な同数個の平面状メッシュ電極を平行に配置しそれらを電気的に連結した負極用電極と、を備えた大容量電気二重層キャパシタである。【選択図】図２A high power capacitor is designed by increasing the degree of freedom of selection inherent to an electric double layer capacitor, such as the shape, geometrical arrangement, size, and adsorption coating of a collecting electrode. In a preferred embodiment, an electrolytic solution tank containing an electrolytic solution and a plurality of planar mesh electrodes in which a flat metal mesh substrate immersed in the electrolytic solution is covered with a coating having an effective large surface area are arranged in parallel. A high-capacity electric double layer capacitor comprising a positive electrode in which they are electrically connected and a negative electrode in which the same number of planar mesh electrodes are arranged in parallel and electrically connected to each other. [Selection] Figure 2

Description

本発明は電気二重層キャパシタに関し、特に大電力用電気二重層キャパシタに関するものである。   The present invention relates to an electric double layer capacitor, and more particularly to a high power electric double layer capacitor.

電気二重層キャパシタは従来小電力用の電子機器に使われているにすぎなかったが、最近はハイブリッド型自動車のスタート電源に使われるなど大電力方面にも広がってきた。   Electric double layer capacitors have traditionally been used only in low-power electronic devices, but recently they have also been used in high-power applications, such as being used as starting power sources for hybrid vehicles.

しかし、短時間に大電流を流せる長所がある反面、エネルギー密度が低いことが欠点になって、さらなる大電力への利用の展望は広がっていない。また、従来電気二重層キャパシタに補助的な役割しか与えられなかったもう１つの理由は、負荷をつないだ際、出力電圧電流が時間とともに直線的に低下することであった。もし、電気二重層キャパシタが本発明のように大容量になれば、出力をＡＣに変換後、電圧調整を外部回路で行うことで、化学電池のように負荷をつないでも電圧をある時間まで一定にすることが可能であり、独立した電池的機能値を有することになる。そうすれば、短時間に大電流の供給が可能であるという電気二重層キャパシタの本来の性質から化学電池に対して優位に立つこともできる。   However, although there is an advantage that a large current can flow in a short time, the low energy density is a drawback, and the prospect of further use for high power has not spread. Another reason that the electric double layer capacitor has been given only a supplementary role is that the output voltage current decreases linearly with time when a load is connected. If the electric double layer capacitor has a large capacity as in the present invention, the output is converted to AC, and the voltage is adjusted by an external circuit, so that the voltage is constant until a certain time even if a load is connected like a chemical battery. And has an independent battery function value. If it does so, it can also stand out over a chemical battery from the original property of the electric double layer capacitor that a large current can be supplied in a short time.

電気二重層キャパシタはパーソナルコンピュータや自動車向けのように積載重量や体積の制限がある用途よりも、後述（段落［０００８］）するように、むしろ据置き型の大電力用に向いている。最近自然エネルギーの利用が叫ばれ大型の太陽光、風力利用も企画されているが、これらの出力は天気まかせであるから従来の電力網に組み入れるためには、据置き型の大電力用電池を使用して出力の平準化を行うことが絶対に必要である。   The electric double layer capacitor is more suitable for a stationary type of high power, as will be described later (paragraph [0008]), rather than an application in which the load weight and volume are limited as in personal computers and automobiles. Recently, the use of natural energy has been screamed, and the use of large-scale solar and wind power is also planned, but since these outputs are left to the weather, a stationary high-power battery is used for incorporation into the conventional power grid. Therefore, it is absolutely necessary to perform output leveling.

通常、電気二重層キャパシタは正負の電極板の間にセパレータを入れ電解液に浸している。現在市販されている１００ファラドぐらいのキャパシタでも極間距離は小さく、１ｍｍ以下である。通常、電気化学電池では集電極の間にかかる電界は液中のイオンを輸送する手段ともなっているが、同時に電界は電極板から電解液中へ電荷移動を起こさせる役割も兼ねているので極性の異なる電極板を対向させて配置した正負交互配置の並行電極板の形式は絶対に必要である。従来の電気二重層キャパシタでもこの発想の範囲内にあり正負交互配置の並行電極板の形式を採用している（特許文献１、２参照。）。   Usually, an electric double layer capacitor is immersed in an electrolytic solution by inserting a separator between positive and negative electrode plates. Even a capacitor of about 100 farads currently on the market has a small distance between the electrodes and is 1 mm or less. Normally, in an electrochemical cell, the electric field applied between the collector electrodes is also a means for transporting ions in the liquid, but at the same time, the electric field also serves to cause charge transfer from the electrode plate to the electrolyte, A form of parallel electrode plates of alternating positive and negative arrangement in which different electrode plates are arranged to face each other is absolutely necessary. Conventional electric double layer capacitors are also within the scope of this idea, and adopt the form of parallel electrode plates with positive and negative alternating arrangements (see Patent Documents 1 and 2).

特開平１１−１２１３０５号公報JP-A-11-121305 特開２００９−８１４３４号公報JP 2009-81434 A

電気二重層電池でもリチウムイオン電池でも効率のよい充放電作用をさせるためには電解液中のイオン移動抵抗が小さくなくてはならない。この抵抗は電極間距離に比例し電極面積に反比例する。このため，従来は電極間距離がせいぜいセパレータ膜の厚さぐらいにしたので正負電極がショートして電解液が発火するという問題がしばしば起こった。   In both the electric double layer battery and the lithium ion battery, the ion transfer resistance in the electrolyte must be small in order to achieve an efficient charge / discharge action. This resistance is proportional to the distance between the electrodes and inversely proportional to the electrode area. For this reason, conventionally, the distance between the electrodes is at most about the thickness of the separator film, so that a problem often occurs that the positive and negative electrodes are short-circuited and the electrolyte is ignited.

本来、電池の動作原理が同様に物理的であるリチウムイオン電池と比べると電気二重層電池は、（１）構造の単純さ、したがってコスト安にできる可能性、（２）サイクル寿命、（３）安全性、（４）充放電時間で勝るが、従来のように小型で且つ運搬可能というような要請があるところでは貯蔵可能エネルギー密度で劣っており、従来では尖頭電流を分担するぐらいの用途しかなかった。しかし、近年据え置き型大容量電池の要請が出てきて上述（段落０００７）したイオンの移動抵抗の条件は電極面積が大きくなるためやや緩和されるので、貯蔵エネルギーを上げる可能性が出てきた。電気二重層電池でエネルギー密度を上げるためには並行電極板を増設して電極方向と直角方向にエネルギーを蓄える領域を増すようにすればよい。   Compared to lithium ion batteries, where the operating principle of the battery is also physically similar, the electric double layer battery has (1) the simplicity of the structure and therefore the possibility of lowering the cost, (2) cycle life, (3) Safety, (4) Superior in charge / discharge time, but where there is a demand for compactness and transportability as in the past, storage energy density is inferior, and in the past it was used to share the peak current There was only. However, in recent years, there has been a demand for stationary large-capacity batteries, and the above-mentioned conditions for ion migration resistance (paragraph 0007) are somewhat relaxed due to the increase in electrode area, which may increase the storage energy. In order to increase the energy density in the electric double layer battery, it is only necessary to increase the number of parallel electrode plates to increase the area for storing energy in the direction perpendicular to the electrode direction.

本発明は、電極配置として正負交互配置の並行集電極だけでなく、他の配置形式も採用することができて電極配置に関して自由度が高く、大電力用にするのも容易な電気二重層キャパシタを提供することを目的とするものである。   The present invention can employ not only parallel collector electrodes with positive and negative alternating arrangements as electrode arrangements, but also other arrangement types, and has a high degree of freedom with respect to electrode arrangements and can be easily used for high power. Is intended to provide.

本発明ではメッシュ状電極を使用する。すなわち、本発明の電気二重層キャパシタは、電解液を収容した電解液槽と、電解液に浸漬され複数個の並列メッシュ状電極が互いに電気的に接続された正極用電極と、電解液に浸漬され複数個のメッシュ状電極が互いに電気的に接続された負極用電極と、を備えている。   In the present invention, mesh electrodes are used. That is, the electric double layer capacitor of the present invention includes an electrolyte bath containing an electrolyte, a positive electrode in which a plurality of parallel mesh electrodes are electrically connected to each other, and immersed in the electrolyte. And a plurality of mesh electrodes, each having a negative electrode electrically connected to each other.

メッシュ状電極の一形態は、集電極として金網を平板状にした基体を備えたものである。メッシュ状集電極の利点の一つは基板集電極の表面積が大きいことである。例えは、半径１００μｍの線で１インチに４０本の縦横のアルミニウムのメッシュ基板の表面積は同じサイズのアルミニウム板の表裏の表面積の和に等しい。また、電極はイオン吸着表面積が大きいほど好ましいことは当然である。そのためには、集電極である基体の表面に、その表面積よりも大きい実効吸着表面積をもつカーボン系のイオン吸着層が形成されたものが好ましい。例えば、活性化カーボンで通常信じられている実効表面積は２０００ｍ2／ｇであり、市販の５０ｆ電気二重層キャパシタでは０．０２ｇ／ｃｍ2の被膜重量があった。適当な重さのこのような被膜は充電量を激増せしめながら充放電に要する時間を短くすることができる。また、小径の線状電極の周囲の電界は電極からの距離に反比例して増大するので電極直近のイオンを引き付ける速度を大きくするのに有効である。 One form of the mesh electrode is provided with a base having a metal mesh as a flat plate as a collecting electrode. One advantage of the mesh collector is that the substrate collector has a large surface area. For example, the surface area of 40 vertical and horizontal aluminum mesh substrates per inch with a line having a radius of 100 μm is equal to the sum of the front and back surface areas of the same size aluminum plate. Of course, the larger the ion adsorption surface area, the better the electrode. For this purpose, it is preferable that a carbon-based ion adsorption layer having an effective adsorption surface area larger than the surface area is formed on the surface of the substrate as a collector electrode. For example, the effective surface area normally believed for activated carbon was 2000 m 2 / g, and a commercially available 50f electric double layer capacitor had a coating weight of 0.02 g / cm 2 . Such a coating having an appropriate weight can shorten the time required for charging and discharging while increasing the amount of charge drastically. Further, since the electric field around the small-diameter linear electrode increases in inverse proportion to the distance from the electrode, it is effective to increase the speed of attracting ions in the immediate vicinity of the electrode.

メッシュ状電極の基体として金網を使用する場合は、金網の材質、線径、ネット面間隔、カーボン被膜層の厚さ、電解液の種類と濃度を入出力性能が最高になるように選べる大きな自由度がある。   When using a wire mesh as the base of the mesh electrode, the freedom to choose the wire mesh material, wire diameter, net surface spacing, carbon coating layer thickness, electrolyte type and concentration to maximize input / output performance There is a degree.

メッシュ状電極のもう１つの利点はネット状であるから板状の電極板に無数の開口部があり、どのネットからでも対向の異符号ネット間のイオン移動抵抗は充分低くなる。これにより貯蔵電気密度が大きく、かつイオン移動抵抗が低いという条件が同時に満足される。   Another advantage of the mesh electrode is that it is net-like, so that the plate-like electrode plate has innumerable openings, and the ion transfer resistance between the opposite nets facing each other is sufficiently low. This simultaneously satisfies the condition that the stored electrical density is high and the ion transfer resistance is low.

電解液としては水系電解液と非水系電解液のいずれも使用することができる。水系電解液としては、例えばＫＦなどの１価イオン又は多価イオンの水溶液を使用することができる。非水系電解液としては、例えば有機電解液を使用することができる。有機電解液は、使用可能電圧、したがって貯蔵エネルギーを上昇させることができる利点がある。しかし、電解液の種類はこれらに限定されるものではない。例えば、陰イオンと陽イオンがイオン結合状態で存在する液体であるイオン性液体など、従来の電気二重層キャパシタに使用されている電解液であればいずれも使用することができる。   As the electrolytic solution, either an aqueous electrolytic solution or a non-aqueous electrolytic solution can be used. As the aqueous electrolyte solution, for example, an aqueous solution of monovalent ions or multivalent ions such as KF can be used. As the nonaqueous electrolytic solution, for example, an organic electrolytic solution can be used. Organic electrolytes have the advantage that the usable voltage and thus the stored energy can be increased. However, the type of the electrolytic solution is not limited to these. For example, any electrolytic solution that is used in a conventional electric double layer capacitor, such as an ionic liquid that is a liquid in which anions and cations exist in an ion-bonded state, can be used.

電気二重層キャパシタでは電極と電解液との間で電荷移動をしないで、界面で正負の電荷がクーロン力により向きあうだけであるから、単に電解液中のイオンを電極の近くにもってくる機構があればよく、本発明ではその機構は単純な電界駆動であるが、メッシュ状電極は、段落［００１４］に述べたように、異符号ネット間のイオン移動抵抗を小さくすることに有効である。   In an electric double layer capacitor, there is no charge transfer between the electrode and the electrolyte, and the positive and negative charges just face each other by the Coulomb force at the interface, so there is a mechanism that simply brings ions in the electrolyte close to the electrode. In the present invention, the mechanism is simple electric field driving. However, as described in paragraph [0014], the mesh electrode is effective in reducing the ion movement resistance between the different sign nets.

電解液中に正負の電極があるので、電解液中のある場所ではある定まった電位を示す筈で、その場所での電位Ｖａと電極の電位Ｖ０との差でイオンは電極に泳動してくるが、電極のすぐ近傍のイオンには電極の余剰電子との間のクーロンカが働き、電気二重層ができる。一般の電気二重層キャパシタはモデル的には正負の電極の向かい合った界面のそれぞれがキャパシタとなっていると考えられ、その間を電解液がつないでいる。もっとも単純な２枚の正負電極をもつ電気二重層キャパシタでは、外部回路を流れる電子電流、電解液中を流れるイオン電流、界面を流れる変位電流はみな等しく一つの閉回路を作る。数枚の平行電極があるときは、定性的にいえば、もっとも内側のペア電極界面への充電がもっとも速い。ここでチャージアップが完了すると電解液中ではこの内側電極が作る電界はゼロになる。界面での電子とイオンの電荷ダイポールが作る電界はあるが、短距離で減衰する。すると、その隣接した外側の電極からの電気力線は支障なくメッシュの開口部を通って隣接したペア電極の表面にあるキャパシタを充電する。このため、どうしても全体の充電時間は最内側のペアの場合より長くなるが、貯蔵能力は電極と直角方向に増大する。 Since there are positive and negative electrodes in the electrolytic solution, the ion should migrate to the electrode due to the difference between the potential Va at that location and the potential V0 of the electrode at a certain location in the electrolytic solution. However, a coulomb between the surplus electrons of the electrode acts on ions in the immediate vicinity of the electrode, and an electric double layer is formed. In general, an electric double layer capacitor is considered to have a capacitor at each of the opposing interfaces of the positive and negative electrodes, and an electrolytic solution is connected between them. In the simplest electric double layer capacitor having two positive and negative electrodes, the electronic current flowing through the external circuit, the ionic current flowing through the electrolyte, and the displacement current flowing through the interface are all equal to form a closed circuit. When there are several parallel electrodes, qualitatively speaking, charging to the innermost pair electrode interface is the fastest. Here, when the charge-up is completed, the electric field created by the inner electrode becomes zero in the electrolyte . Although there is an electric field created by the charge dipole of electrons and ions at the interface, it decays over a short distance. Then, the electric lines of force from the adjacent outer electrode charge the capacitor on the surface of the adjacent pair electrode through the mesh opening without hindrance. For this reason, the total charging time is inevitably longer than that of the innermost pair, but the storage capacity increases in a direction perpendicular to the electrodes.

好ましい形態では、例えば後で説明する図２の実施例に示されるように、正極用電極と負極用電極はそれぞれ複数個の電極が集合した電極ユニットとして構成されており、電極は各電極ユニット内で互いに電気的に接続されている。そして、正極用電極ユニットと負極用電極ユニットは接触する可能性がない程度で、しかもなるべく近い位置に設置されている。電極が電極ユニットとして構成されている場合は、同符号の電極ユニット内では隣接するメッシュ平面とは接触してもかまわないので、電極間の間隔は非常に小さく選べるので全体サイズを小さくすることができる。   In a preferred mode, for example, as shown in an embodiment of FIG. 2 described later, the positive electrode and the negative electrode are each configured as an electrode unit in which a plurality of electrodes are assembled, and the electrode is in each electrode unit. Are electrically connected to each other. And the electrode unit for positive electrodes and the electrode unit for negative electrodes are installed in the position as close as possible to the extent that there is no possibility of contact. If the electrodes are configured as electrode units, they may be in contact with adjacent mesh planes within the electrode units of the same sign, so the distance between the electrodes can be chosen very small, so the overall size can be reduced. it can.

この形態では、例えば後で説明する図３の実施例に示されるように、正極用電極ユニットと負極用電極ユニットは、電解液槽内にそれぞれが複数ユニットずつ配置されていてもよい。この場合は、正極用電極ユニットどうしが電気的に接続され、負極用電極ユニットどうしも電気的に接続されており、しかも必ずひとつのユニットに隣接して異符号のユニットがくるようになっている。この場合、ある一対のユニットの最外側の電極は隣接した異符号のユニットに対しては最内側になるので、全体としては、見掛けよりも正負電極間のイオン移動が速い。このように、電極ユニットを連結することによりいくらでも大容量にできる。   In this mode, for example, as shown in an embodiment of FIG. 3 to be described later, a plurality of positive electrode units and negative electrode units may be disposed in the electrolytic solution tank. In this case, the positive electrode units are electrically connected to each other, the negative electrode units are also electrically connected to each other, and units having different signs are always adjacent to one unit. . In this case, the outermost electrode of a pair of units is the innermost side with respect to adjacent units of different signs, and as a whole, ion movement between the positive and negative electrodes is faster than apparent. Thus, the capacity can be increased by connecting the electrode units.

本発明の電気二重層キャパシタでは、（１）メッシュ状電極を使用したので、吸着の実効表面積が大きく貯蔵電気密度が大きく、かつ全体の貯蔵量も大きくなる。また、イオン移動抵抗が低くなるので大電力用に適したものとなる。（２）正負極間は接触する可能性を排除した距離が取れるので安全性が向上する。（３）本来、電気二重層キャパシタはイオンの表面着脱のみに関係するのでサイクル寿命が長い。（４）構造が単純で、低コストの制作、運転費が期待できる。   In the electric double layer capacitor of the present invention, (1) since a mesh electrode is used, the effective surface area of adsorption is large, the stored electric density is large, and the total stored amount is also large. Further, since the ion transfer resistance is low, it is suitable for high power use. (2) Since the distance which excludes the possibility of contact between positive and negative electrodes can be taken, safety improves. (3) Originally, the electric double layer capacitor has only a long cycle life because it is related only to the surface attachment / detachment of ions. (4) The structure is simple and low-cost production and operating costs can be expected.

一実施例における電極を示す概念図であり、（Ａ）は正極用と負極用の電極ユニットを示す概略斜視図、（Ｂ）はメッシュ電極の一部を示す概略平面図、（Ｃ）はメッシュ電極の一部を拡大して示す概略断面図であり、図１（Ｂ）のＸ−Ｘ線位置での断面図を表している。It is a conceptual diagram which shows the electrode in one Example, (A) is a schematic perspective view which shows the electrode unit for positive electrodes and negative electrodes, (B) is a schematic plan view which shows a part of mesh electrode, (C) is a mesh It is a schematic sectional drawing which expands and shows a part of electrode, and represents sectional drawing in the XX line position of FIG. 1 (B). 一実施例を示す図であり、（Ａ）は概略断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線位置での断面図である。It is a figure which shows one Example, (A) is a schematic sectional drawing, (B) is sectional drawing in the AA line position of (A). 正極用と負極用にそれぞれ複数の電極ユニットを備えた実施例の電気接続の例を示す結線図である。It is a connection diagram which shows the example of the electrical connection of the Example provided with the some electrode unit for each for positive electrodes and negative electrodes. 参考例を示す概略断面図である。 It is a schematic sectional drawing which shows a reference example .

一実施例における電極の概略を図１に示す。図１（Ａ）に示されるように、電極は正極用電極ユニット２ａと負極用電極ユニット２ｂを備えている。各電極ユニット２ａ、２ｂはそれぞれ複数枚、例えば４−６枚程度、のメッシュ電極４を備えている。メッシュ電極４は各電極ユニット２ａ、２ｂ内で互いに平行に配置されている。各電極ユニット２ａ、２ｂ内ではメッシュ電極４間は接触してもよいので、隣接するメッシュ電極４、４間の距離ｂは例えば１ｍｍ程度にすることができる。一方、正極用電極ユニット２ａと負極用電極ユニット２ｂは接触してはならないので、その間の距離ａは例えば２−３ｍｍ程度とする。   The outline of the electrode in one Example is shown in FIG. As shown in FIG. 1A, the electrode includes a positive electrode unit 2a and a negative electrode unit 2b. Each electrode unit 2a, 2b includes a plurality of mesh electrodes 4, for example, about 4-6. The mesh electrode 4 is arranged in parallel with each other in each electrode unit 2a, 2b. Since the mesh electrodes 4 may be in contact with each other in the electrode units 2a and 2b, the distance b between the adjacent mesh electrodes 4 and 4 can be set to about 1 mm, for example. On the other hand, since the positive electrode unit 2a and the negative electrode unit 2b should not be in contact with each other, the distance a between them is, for example, about 2-3 mm.

メッシュ電極４は、集電用金属線６の表面に多孔質で実効表面積の大きいカーボン層８が形成されたものである。カーボン層８は例えば活性化炭素やハードカーボンなどである。多孔質のカーボン層８は多数の細孔をもつ。カーボン層８の外表面だけでなく、それらの細孔の内部の表面も吸着に寄与するので、カーボン層８を形成することによりメッシュ電極４の表面積が非常に大きなものとなる。   The mesh electrode 4 is formed by forming a porous carbon layer 8 having a large effective surface area on the surface of the current collecting metal wire 6. The carbon layer 8 is, for example, activated carbon or hard carbon. The porous carbon layer 8 has a large number of pores. Since not only the outer surface of the carbon layer 8 but also the surfaces inside the pores contribute to the adsorption, the surface area of the mesh electrode 4 becomes very large by forming the carbon layer 8.

一実施例を図２により説明する。絶縁性材質からなり、上部が開口した箱型の電解液槽１２内に電解液１４が収容されている。電解液槽１２の開口は絶縁性材質からなる蓋１３により閉じられている。電解液１４は上部にいくらかの空間が残るような液面１５の高さになるように、電解液１４の量が設定されている。   One embodiment will be described with reference to FIG. An electrolytic solution 14 is accommodated in a box-shaped electrolytic solution tank 12 made of an insulating material and opened at the top. The opening of the electrolytic solution tank 12 is closed by a lid 13 made of an insulating material. The amount of the electrolytic solution 14 is set so that the electrolytic solution 14 is at the level of the liquid level 15 so that some space remains in the upper part.

電解液１４は、例えば高濃度のイオンを含むＫＦ水溶液である。その濃度は特に限定されるものではないが、高濃度の方がイオン濃度が高くなり、好都合である。他の溶質水溶液を使用することもでき、また、有機電解液やイオン性液体を使用することもできる。   The electrolytic solution 14 is, for example, a KF aqueous solution containing a high concentration of ions. The concentration is not particularly limited, but a higher concentration is more convenient because the ion concentration becomes higher. Other solute aqueous solutions can also be used, and organic electrolytes and ionic liquids can also be used.

電解液１４に正極用電極ユニット１６と負極用電極ユニット１８が浸漬されている。電極ユニット１６、１８は、それぞれの上部の一部が電解液１４から露出する状態に浸漬されている。正極用電極ユニット１６と負極用電極ユニット１８は、この実施例ではそれぞれ１ユニットずつ設けられている。   A positive electrode unit 16 and a negative electrode unit 18 are immersed in the electrolytic solution 14. The electrode units 16 and 18 are immersed in a state in which a part of each upper part is exposed from the electrolytic solution 14. In this embodiment, one unit for each of the positive electrode unit 16 and the negative electrode unit 18 is provided.

電極ユニット１６、１８はそれぞれ複数のメッシュ状電極２０が集合して構成されたものであり、各電極ユニット１６、１８内ではそれぞれの電極２０が互いに電気的にも機械的にも接続されるように一体化されている。電極２０はその平面図が（Ｂ）に示されるように矩形であり、例えば１辺が例えば１ｍの正方形をなしている。   Each of the electrode units 16 and 18 is configured by a plurality of mesh-like electrodes 20 being assembled, and the respective electrodes 20 are electrically and mechanically connected to each other in each of the electrode units 16 and 18. Is integrated. The electrode 20 has a rectangular shape as shown in a plan view (B). For example, one side has a square shape of, for example, 1 m.

電極２０は、集電極として金網を平板状にした基体を備えたものである。基体としては、例えば、１インチで６０本の線で縦横に編まれている市販の６０メッシュステンレス金網を使用することができる。この６０メッシュの金網は同じサイズの板の表裏の表面積の和にほぼ等しい。アルミニウムの場合は段落［００１１］に記載されている。   The electrode 20 is provided with a base having a metal mesh in a flat plate shape as a collecting electrode. As the substrate, for example, a commercially available 60 mesh stainless steel wire mesh that is knitted vertically and horizontally by 60 lines per inch can be used. This 60 mesh wire mesh is approximately equal to the sum of the front and back surface areas of the same size plate. In the case of aluminum, it is described in paragraph [0011].

基体の表面には、その表面よりも大きい実効表面積をもつカーボン系のイオン吸着層として、ハードカーボン、活性炭粒子や活性炭繊維などの活性炭材料が塗布又は被覆されている。それらのカーボン系のイオン吸着層は、カーボン材料をバインダとともに基体に塗布したものである。   The surface of the base is coated or coated with hard carbon, activated carbon particles, activated carbon fibers, or the like as a carbon-based ion adsorption layer having an effective surface area larger than that surface. These carbon-based ion adsorption layers are obtained by applying a carbon material to a substrate together with a binder.

カーボンファイバやカーボンナノチューブは、基体を被覆しても、イオン吸着層の表面積をより大きくすることができるので、電極体積を小さくして小型で大電力用の電気二重層キャパシタの実現のためにより好都合である。 Carbon fibers or carbon nanotubes, even when coating a substrate, it is possible to further increase the surface area of the ion-adsorbing layer by for a small by reducing the volume of the electrode of the realization of the electric double layer capacitor for large power Convenient.

各電極ユニット１６、１８はそのような電極２０を一定間隔、例えば１−２ｍｍ間隔で互いに平行に複数の電極２０を垂直方向に配置して固定したものである。各電極ユニット１６、１８に含まれる電極２０の数が例えば５枚の場合、各電極ユニット１６、１８の厚みは約１ｃｍ以下である。各電極ユニット１６、１８はそれぞれのユニットに含まれる電極２０の少なくとも上端部を金属板、例えばアルミニウム板に溶接により固着したものである。図２の実施例では電極２０の下端側も連結用金属板、例えばアルミニウム板に溶接により固着されている。電極２０の両側方も金属の枠で保持しておくのが好ましい。各電極ユニット１６、１８の上端側を固定する金属板は表面を絶縁処理してもよいが、電解液１４と接触しないので絶縁処理をしなくてもよい。各電極ユニット１６、１８の下端側も連結用金属板で固定する場合、及び電極２０の両側方を金属の枠で保持する場合は、それらの連結用金属板と保持枠は電解液１４と接触しているのでそれらの表面を絶縁被膜で被覆しておくのが好ましい。   Each of the electrode units 16 and 18 is configured such that a plurality of electrodes 20 are arranged in a vertical direction and fixed in parallel to each other at a constant interval, for example, a 1-2 mm interval. When the number of electrodes 20 included in each electrode unit 16, 18 is, for example, five, the thickness of each electrode unit 16, 18 is about 1 cm or less. Each of the electrode units 16 and 18 has at least the upper end portion of the electrode 20 included in each unit fixed to a metal plate, for example, an aluminum plate by welding. In the embodiment of FIG. 2, the lower end side of the electrode 20 is also fixed to a connecting metal plate, such as an aluminum plate, by welding. It is preferable to hold both sides of the electrode 20 with a metal frame. Although the metal plate which fixes the upper end side of each electrode unit 16 and 18 may insulate the surface, since it does not contact the electrolyte solution 14, it does not need to insulate. When the lower end side of each electrode unit 16, 18 is also fixed with a connecting metal plate, and when both sides of the electrode 20 are held with a metal frame, the connecting metal plate and the holding frame are in contact with the electrolytic solution 14. Therefore, it is preferable to cover those surfaces with an insulating coating.

このようにユニットに含まれる電極２０の上端側と下端側を固定することによりユニットに含まれる電極２０の配置が安定する。さらに側方も枠で保持されている場合は電極２０の配置がさらに安定する。各電極ユニット１６、１８はそれぞれの少なくとも上端側が金属板で固定されていることにより電気的にも接続され、各電極ユニット１６、１８に含まれるそれぞれの電極２０は同電位となる。   Thus, by fixing the upper end side and the lower end side of the electrode 20 included in the unit, the arrangement of the electrode 20 included in the unit is stabilized. Further, when the sides are also held by the frame, the arrangement of the electrodes 20 is further stabilized. The electrode units 16 and 18 are also electrically connected by at least the upper end side being fixed by a metal plate, and the electrodes 20 included in the electrode units 16 and 18 have the same potential.

この実施例では各電極ユニット１６、１８内の電極２０は同電位であるので、各電極ユニット１６、１８内の電極２０間の距離は十分に短くすることができ、たとえ接触しても差し支えない。そのため、電極ユニット１６、１８内には絶縁のためのセパレータは設ける必要がない。電極ユニット１６と１８の間は接触がないような距離にしなければならない。電極ユニット１６と１８の間には絶縁のためのセパレータを設けてもよい。   In this embodiment, since the electrodes 20 in the electrode units 16 and 18 are at the same potential, the distance between the electrodes 20 in the electrode units 16 and 18 can be made sufficiently short, even if they are in contact with each other. . Therefore, it is not necessary to provide a separator for insulation in the electrode units 16 and 18. The distance between the electrode units 16 and 18 must be such that there is no contact. A separator for insulation may be provided between the electrode units 16 and 18.

各電極ユニット１６、１８は電極２０を固着している端部が上端と下端になるように配置されて、それぞれの上端部が電解液槽１２の蓋１３の内側に当接して固定されている。電解液槽１２の内側の幅、すなわち図２（Ａ）では紙面垂直方向の寸法、図２（Ｂ）では横方向の寸法、は電極２０の横方向の寸法より大きく、電解液槽１２に電極ユニット１６、１８を収納した状態で、図２（Ｂ）に示されるように、電解液槽１２の内側の側面に隙間がある。   Each of the electrode units 16 and 18 is arranged so that the ends to which the electrodes 20 are fixed are the upper end and the lower end, and the respective upper ends are fixed in contact with the inner side of the lid 13 of the electrolyte bath 12. . The inner width of the electrolyte bath 12, that is, the vertical dimension in FIG. 2A and the lateral dimension in FIG. 2B is larger than the lateral dimension of the electrode 20, and the electrolyte bath 12 has an electrode. In a state where the units 16 and 18 are accommodated, there is a gap on the inner side surface of the electrolytic solution tank 12 as shown in FIG.

各電極ユニット１６、１８の上面には電極端子２８、３０が設けられており、それらの電極端子２８、３０が電解液槽１２の蓋１３の上面を貫通して外部に延在している。蓋１３から突出した電極端子２８、３０は充電時と放電時に外部回路に接続される外部接続端子となる。   Electrode terminals 28 and 30 are provided on the upper surfaces of the electrode units 16 and 18, and the electrode terminals 28 and 30 extend outside through the upper surface of the lid 13 of the electrolytic solution tank 12. The electrode terminals 28 and 30 protruding from the lid 13 serve as external connection terminals connected to an external circuit during charging and discharging.

電極端子２８、３０の外面にはネジが形成されており、電解液槽１２から突出した電極端子２８、３０のネジをナットで固定することにより、電極ユニット１６、１８の上端部が電解液槽１２の蓋１３の内側に当接した状態で、電極ユニット１６、１８が電解液槽１２内に固定されている。   Screws are formed on the outer surfaces of the electrode terminals 28 and 30, and the upper ends of the electrode units 16 and 18 are fixed to the electrolyte bath by fixing the screws of the electrode terminals 28 and 30 protruding from the electrolyte bath 12 with nuts. The electrode units 16 and 18 are fixed in the electrolytic solution tank 12 in contact with the inside of the 12 lids 13.

この実施例において、充電時は外部接続端子２８、３０を太陽光発電装置や他の発電装置の給電線に接続して電流を供給する。外部から供給された電流が電極２０の表面界面に速やかに電気二重層を形成して充電がなされていく。   In this embodiment, at the time of charging, the external connection terminals 28 and 30 are connected to a power supply line of a solar power generation device or another power generation device to supply current. The electric current supplied from the outside quickly forms an electric double layer on the surface interface of the electrode 20 and is charged.

放電時は外部接続端子２８、３０を家庭や施設の負荷に接続する。放電時の動作は従来の電気二重層キャパシタと同様である。ＡＣ変換の後、必要とあれば出力電圧を一定にする回路を加えることができる。   At the time of discharging, the external connection terminals 28 and 30 are connected to a load of a home or facility. The operation at the time of discharging is the same as that of a conventional electric double layer capacitor. After AC conversion, if necessary, a circuit for making the output voltage constant can be added.

図２の実施例は電解液槽１２内に正極用電極ユニット１６と負極用電極ユニット１８がそれぞれ１ユニットずつ配置されたものであるが、電解液槽１２内に配置される電極ユニットの数はそれに限ったものではなく、正極用電極ユニット１６と負極用電極ユニット１８を複数ユニットずつ配置してもよい。   In the embodiment of FIG. 2, the positive electrode unit 16 and the negative electrode unit 18 are arranged one by one in the electrolytic solution tank 12, but the number of electrode units arranged in the electrolytic solution tank 12 is as follows. The present invention is not limited to this, and a plurality of positive electrode units 16 and negative electrode units 18 may be arranged.

図３は電解液槽１２内に正極用電極ユニット１６と負極用電極ユニット１８を２ユニットずつ配置した実施例を表わしたものである。   FIG. 3 shows an embodiment in which two units of the positive electrode unit 16 and the negative electrode unit 18 are arranged in the electrolytic solution tank 12.

図３の実施例では正極用電極ユニット１６ａ、負極用電極ユニット１８ａ、正極用電極ユニット１６ｂ、負極用電極ユニット１８ｂの順になるように、正極用電極ユニットと負極用電極ユニットが交互に配置されている。正極用電極ユニット１６ａと１６ｂが相互に接続されて外部接続端子２８に接続され、負極用電極ユニット１８ａと１８ｂが相互に接続されて外部接続端子３０に接続されている。   In the embodiment of FIG. 3, the positive electrode unit and the negative electrode unit are alternately arranged so that the positive electrode unit 16a, the negative electrode unit 18a, the positive electrode unit 16b, and the negative electrode unit 18b are arranged in this order. Yes. The positive electrode units 16a and 16b are connected to each other and connected to the external connection terminal 28, and the negative electrode units 18a and 18b are connected to each other and connected to the external connection terminal 30.

正極用電極ユニット１６と負極用電極ユニット１８を３ユニット以上ずつ配置する場合も図３と同様に配置して外部接続端子２８、３０に接続すればよい。このように、電極ユニットはいくらでも同じものを連結してキャパシタの容量を増やすことができる。   Even when three or more positive electrode units 16 and negative electrode units 18 are arranged, they may be arranged in the same manner as in FIG. 3 and connected to the external connection terminals 28 and 30. In this way, the same number of electrode units can be connected to increase the capacitance of the capacitor.

図４は電極配置として正負交互配置の並行電極構造とした参考例を表わしたものである。 FIG. 4 shows a reference example in which a parallel electrode structure with positive and negative alternating arrangements is used as the electrode arrangement.

電極ユニット４６、４８を構成する電極２０は図２に実施例に示されたものである。各電極ユニット４６、４８はそのような電極２０を一定間隔、例えば２−３ｍｍ間隔で互いに平行に配置して固定したものである。   The electrodes 20 constituting the electrode units 46 and 48 are those shown in the embodiment in FIG. Each of the electrode units 46 and 48 has such electrodes 20 fixed in parallel with each other at a constant interval, for example, a 2-3 mm interval.

電極ユニット４６、４８はそれぞれのユニットに含まれる電極２０の一端部が連結用金属板、例えばアルミニウム板に溶接により固着されている。電極２０の間隔を一定に保つために各電極ユニット４６、４８の側面側においても電極２０が連結用金属板、例えばアルミニウム板に溶接により固着されていることが好ましい。その場合、例えば電極ユニット４６は紙面の手前側の側面を固着すると、電極ユニット４８は紙面の奥側の側面を固着する。各電極ユニット４６、４８はそれぞれの少なくとも一端側が連結用金属板で固定されていることにより電気的にも連結され、各電極ユニット４６、４８に含まれるそれぞれの電極２０は同電位となる。連結用金属板で電解液と接触するものはその表面を絶縁被膜で被覆しておくのが好ましい。   In the electrode units 46 and 48, one end of the electrode 20 included in each unit is fixed to a connecting metal plate, for example, an aluminum plate by welding. In order to keep the distance between the electrodes 20 constant, it is preferable that the electrodes 20 are also fixed to a connecting metal plate, for example, an aluminum plate, by welding on the side surfaces of the electrode units 46 and 48. In that case, for example, when the electrode unit 46 fixes the front side surface of the paper, the electrode unit 48 fixes the back side surface of the paper. The electrode units 46 and 48 are electrically connected to each other by fixing at least one end thereof with a connecting metal plate, and the electrodes 20 included in the electrode units 46 and 48 have the same potential. It is preferable that the surface of the connecting metal plate that comes into contact with the electrolytic solution is covered with an insulating film.

各電極ユニット４６、４８は電極２０が垂直方向を向き、電極ユニット４６では上端面が電解液槽１２の内側上面に当接して固定されている。電極ユニット４６を電解液槽１２に固定するために、図２の実施例と同様に電極ユニット４６の上端面に電極端子２８が設けられ、その電極端子２８が電解液槽１２の蓋１３の上面から突出している。電極端子２８にはネジが形成され、蓋１３の外部で電極端子２８のネジがナットで固定されていることにより、電極ユニット４６が蓋１３に固定されている。電極ユニット４８は下端に電極２０を固着している端部が位置するように配置され、電極ユニット４８は支持部材２６によって電解液槽１２の内側底面から離れた位置に固定されている。   In each electrode unit 46, 48, the electrode 20 faces in the vertical direction, and the upper end surface of the electrode unit 46 is fixed in contact with the inner upper surface of the electrolytic solution tank 12. In order to fix the electrode unit 46 to the electrolytic solution tank 12, an electrode terminal 28 is provided on the upper end surface of the electrode unit 46 as in the embodiment of FIG. 2, and the electrode terminal 28 is the upper surface of the lid 13 of the electrolytic solution tank 12. Protruding from. A screw is formed on the electrode terminal 28, and the electrode unit 46 is fixed to the lid 13 by fixing the screw of the electrode terminal 28 with a nut outside the lid 13. The electrode unit 48 is disposed so that the end portion to which the electrode 20 is fixed is located at the lower end, and the electrode unit 48 is fixed at a position away from the inner bottom surface of the electrolyte bath 12 by the support member 26.

電極ユニット４８の電極端子３０も電解液槽１２の蓋１３上に配置されている。蓋１３上の電極端子２８、３０が充電時と放電時に外部回路に接続される外部接続端子となっている。   The electrode terminal 30 of the electrode unit 48 is also disposed on the lid 13 of the electrolytic solution tank 12. The electrode terminals 28 and 30 on the lid 13 are external connection terminals that are connected to an external circuit during charging and discharging.

２ａ、１６、１６ａ、１６ｂ 正極用電極ユニット
２ｂ、１８、１８ａ、１８ｂ 負極用電極ユニット
４、２０ メッシュ状電極
６ 集電用金属線
８ カーボン層
１２ 電解液槽
１４ 電解液
２８、３０ 電極端子 2a, 16, 16a, 16b Electrode unit for positive electrode 2b, 18, 18a, 18b Electrode unit for negative electrode 4, 20 Mesh electrode 6 Metal wire for current collection 8 Carbon layer 12 Electrolyte tank 14 Electrolyte solution 28, 30 Electrode terminal

Claims (2)

電解液を収容した電解液槽と、前記電解液に浸漬され複数個のメッシュ状電極が互いに電気的に接続された正極用電極と、前記電解液に浸漬され複数個のメッシュ状電極が互いに電気的に接続された負極用電極と、を備え、
前記両メッシュ状電極は、集電用金属線からなる金網を平板状にし、同サイズの平面電極の表裏の表面積の合計とほぼ同じ大きさの表面積をもつ基体を備え、前記基体の前記集電用金属線の表面に更にその表面積よりも大きい実効吸着表面積をもつカーボン系のイオン吸着層が形成されたものであり、かつ、隣接する前記集電用金属線間にはイオンが移動するように前記イオン吸着層により覆われていない開口部が存在するものであり、
前記正極用電極と負極用電極はそれぞれ複数個の電極が集合した電極ユニットとして構成されており、電極は各電極ユニット内で互いに電気的に接続されており、
正極用電極ユニットと負極用電極ユニットは互いに電気的に接触する可能性がない程度の近距離に離れた位置に接置されていることを特徴とする電気二重層キャパシタ。 An electrolytic bath containing the electrolytic solution, a positive electrode immersed in the electrolytic solution and electrically connected to each other, and a plurality of meshed electrodes immersed in the electrolytic solution and electrically connected to each other Connected negative electrode,
Each of the mesh electrodes includes a base having a surface area that is approximately the same as the total surface area of the front and back surfaces of a flat electrode of the same size. A carbon ion adsorbing layer having an effective adsorption surface area larger than the surface area is further formed on the surface of the metal wire, and ions move between the current collecting metal wires. There is an opening that is not covered by the ion adsorption layer ,
The positive electrode and the negative electrode are each configured as an electrode unit in which a plurality of electrodes are assembled, and the electrodes are electrically connected to each other in each electrode unit,
An electric double layer capacitor characterized in that the positive electrode unit and the negative electrode unit are placed in a position separated at a short distance so as not to be in electrical contact with each other . 前記正極用電極ユニットと負極用電極ユニットは、前記電解液槽内にそれぞれが複数ユニットずつ配置され、正極用電極ユニットどうしが電気的に接続され、負極用電極ユニットどうしも電気的に接続されている請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。 The positive electrode unit and the negative electrode unit are each arranged in a plurality of units in the electrolyte bath, the positive electrode units are electrically connected, and the negative electrode units are electrically connected. The electric double layer capacitor according to claim 1 .
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