偶看新闻song z3 断触 解决:能源技术：大容量电容（エネルギー技術 大容量キャパシタ）
来源：百度文库 编辑：偶看新闻 时间：2024/04/28 22:03:47
第1部 動向、なぜキャパシタなのか
キャパシタは電池とは異なる原理で電気エネルギーを蓄積する。電池に比べて寿命が長く、使用環境の制限が少ない。大容量キャパシタの用途は今後3種類に分かれる。まず、瞬間的に大電力が必要な用途、次に、二次電池と大容量キャパシタを組み合わせてそれぞれの欠点を補い合う用途、最後に二次電池の代替だ。
[畑陽一郎，EE Times Japan] キャパシタ＊1）（コンデンサ）は電池とは異なる原理で電気エネルギーを蓄積する。容量が非常に小さいため、長い間、蓄電用途には用いられていなかった。状況が変わるきっかけを作ったのが、米General Electoric社のH.L.Becker氏とV.Ferry氏だ。2人が1957年に開発した電気2重層キャパシタは、80万μF（0.8F）もの静電容量を備えていた。
＊1） コンデンサは、英語ではcapacitorと呼ばれる。一方、condenserは凝縮器の意味を持つ。日本国内では誘電体を電極に挟む従来のコンデンサは、そのままコンデンサと呼ばれているが、電気2重層を用いる特に大容量品についてはキャパシタ（electric double layer capasitor、EDLC）と呼ばれる傾向にある。本文では、大容量の品種はキャパシタと表記した。
日本国内では、1978年にNECと当時の松下電器産業が電気2重層キャパシタを相次いで製品化した。当初は1F以下の品種が電卓や腕時計などで蓄電用途に用いられた。1990年代に入ると、各種家電に採用が広がり、100F以下の品種が登場した。その後、徐々に静電容量が高い品種が開発されていく。2000年代に入ると、携帯電話機やデジタルカメラの負荷変動を吸収する用途が広がるとともに、数百Fを超える品種も現れてきた。
現在では、携帯型機器の負荷変動の吸収といった小容量用途から、大容量が求められる鉛蓄電池代替まで幅広い用途で利用されるようになった。
キャパシタが進む道
大容量キャパシタの用途は3つに分かれる（図1）
図1 大容量キャパシタの可能性 大容量キャパシタの今後の用途は3種類に分かれる。パワー密度など本来の強みを生かした使い方（左端）や二次電池と組み合わせた使い方（中央）は狙いやすいが、高いエネルギー密度が必要な用途（右端）は実現が難しい。
まずは現在の二次電池では実現できない蓄電用途だ。単位重量単位時間当たりに出力できる電力量（パワー密度）が二次電池は100W/kg程度と少ない。入力（充電）できるパワー密度も同様だ。瞬間的に大電力が必要な用途には、1000W/kgを超えるキャパシタが適する。充放電を頻繁に繰り返す用途にも向く。大容量キャパシタの内部抵抗が数mΩ程度と低いためだ。損失が少なく、発熱しにくい。安全性や温度特性の高さを要求される用途でも有利である。さらに、二次電池では蓄電が難しい低い電圧を印加しても蓄電できる。このようなキャパシタの強みを伸ばす方向で新しい用途を開拓できる。
次の可能性は二次電池と大容量キャパシタを組み合わせる手法だ。エネルギー密度に優れる電池とパワー密度に優れる大容量キャパシタを組み合わせることで、それぞれの欠点を補うことができる。ハイブリッド自動車や電気自動車など車載用途はこの手法を採るだろう。
3番目の可能性は、これまで二次電池が担ってきた用途に食い込み、代替することだ。電池が大容量キャパシタに比べて優れている点は、重量当たりのエネルギー量（重量エネルギー密度）が10倍程度高いことだ。キャパシタのエネルギー密度を今よりも10倍高めることは難しいというのが、ほとんどのキャパシタメーカーの主張である。ただし、第2部で紹介するように電池並みのエネルギー密度が実現できるという主張もある。
電池は大容量キャパシタよりも出力電圧が高い。電気2重層キャパシタの定格電圧は1セル当たり2.5～3V程度だが、リチウムイオン二次電池では例えば3.7V、鉛蓄電池では12Vもの電圧が得られる。これらの電池を代替するには同程度の電圧を出力する必要がある。
パワー密度が高い
以下、大容量キャパシタの3つの用途について、それぞれ採用する利点を解説する。
高いパワー密度が必要な用途ではエネルギー回生とエネルギーバックアップが主要な位置を占める。
運動している装置を停止させる際には、一般に運動エネルギーを熱に変換している。ここに何らかのエネルギー回生装置を組み込めば、運動エネルギーを電気エネルギーに変えて蓄え、装置を再び動かし始める際に利用できる。鉄道など質量が大きな物体であればエネルギーを回収しやすいが、質量が小さい場合は回収可能なエネルギーが小さく、蓄電装置の内部抵抗を低くする必要がある。「エレベータの運動エネルギーを回収する用途には、二次電池は内部抵抗が高すぎて使えない。既存の電気2重層キャパシタでもまだ高いため、さらに内部抵抗の低い品種を開発した（図2）」（指月電機製作所）。内部抵抗が低いとエネルギー回収効率が高まる他、充放電を繰り返した場合でも熱が発生しにくいため、放熱用の器具が不要になるというメリットも生まれる。
図2 指月電機が開発した低抵抗品 1F当たりの内部抵抗が0.5ΩFと低い「FML-XX」を開発した。図3 明電舎の瞬低補償装置「Meiposs-MCP」 出典：明電舎
エネルギーバックアップ用途では、無停電電源装置が有望だ。無停電電源装置は一般に容量（バックアップ時間）が重視されるが、パワー密度が重要な場合もある。例えば、半導体製造工程や液晶パネル製造工程では、電源電圧が瞬間的に低下しただけでも仕掛品が損なわれてしまう。「当社の『Meiposs-MCP』（図3）では2ms以下で製造ライン全体の電源を大容量キャパシタ側に切り替えられる」（明電舎でコンポーネント事業部キャパシタ事業開発部部長を務める安藤保雄氏）。このような比較的大規模な製造ラインに向けた無停電電源装置を二次電池で作ると、とても大きくなってしまい現実的ではない。
充放電回数が多い
頻繁な充放電が要求される用途は、フォークリフト（図4）や港湾用クレーン（図5）、太陽光発電の平準化装置、コピー機などである。
図4 コマツユーティリティのキャパシタ内蔵電動フォークリフト「ARION HYBRID FB25HB」 発進?停止や前後進の切り替えが多いフォークリフトでは、大容量キャパシタと鉛蓄電池を組み合わせることで、回生エネルギーを有効に利用でき、電力消費量を最大30％削減できるという。出典：コマツユーティリティ。図5 TCMのキャパシタ内蔵港湾用クレーン 大容量キャパシタを用いないときよりも燃費を40％減らすことができた。ディーゼル?エンジンと日本ケミコンの大容量キャパシタを用いた。出典：TCM
太陽光発電は、天気によって出力電圧が細かく変動するため、これを平準化する装置が組み合わされる。例えば、新エネルギー?産業技術総合開発機構（NEDO）の実証試験「太陽光発電システム等高度化系統連系安定化技術国際共同実証開発事業/マイクログリッド高度化系統連系安定化システム実証研究（PV＋補償装置）」がある。中国の杭州電子科技大学に120kWの太陽光発電装置を設置し、120kWのディーゼル発電機や50kWhの二次電池と併せて数秒以内の変動を吸収する100kWの電気2重層キャパシタなどを接続した。「電圧の変動のうち、大きなものは電池で、小さいが頻度の高いものは電気2重層キャパシタで吸収する」（明電舎の安藤保雄氏）。
コピー機ではリコーが「imagio Neoシリーズ」に電気2重層キャパシタを採用している。リコーの方式では印刷中に転写ローラーの温度を高温に維持する必要がある。ところが、75枚/分の速度で印刷を続けると、転写ローラーの温度が低下し一時的に温度維持に必要な電力が増加する。このときに電力を供給するために、電気2重層キャパシタを用いた。コピー機のメンテナンスを考えて、充放電可能回数が多いキャパシタを選んだという。
単純に充電と放電の繰り返し回数が多いだけでなく、電池交換の手間を考えて大容量キャパシタが選択される場合もある。工場内で基板や材料を運ぶ無人搬送車は当初、電源として鉛蓄電池を備えていた。しかし、鉛蓄電池では寿命が短く、工場内に大量に存在する鉛蓄電池をそれぞれ管理、交換しなければならない。そこで、電源に大容量キャパシタを利用するようになってきた。「クリーンルーム内の無人搬送車では非接触充電が求められる。少しずつ継ぎ足し充電しながら動かすには充放電可能回数が100万回に達する電気2重層キャパシタが最も適する」（日清紡ホールディングスで取締役常務執行役員と新規事業開発本部長を務める五十部雅昭氏）。
温度特性が良い
電池は電気化学反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するため、低温では出力が低下する。高温では材料の変形などが起こる。そのため、動作温度範囲は鉛蓄電池が－15～50℃、リチウムイオン二次電池は0～50℃である。なお、充電時、放電時、保存時の温度特性はそれぞれ異なる。
一方、電気2重層キャパシタは物理的な過程によって蓄電するため、メーカーによって多少異なるものの、動作温度範囲は－30～60℃と広い（図6）。低温側、高温側とも電池より動作範囲が広いため、動作温度範囲の狭さが原因で電池の採用が難しかった機器にも搭載できる。「建設機械に用いる場合を考えると、周囲の温度が40℃の場合、自己発熱などにより、さらに20℃は温度が上昇する可能性がある。乗用車に搭載する場合も、高温でも動作すれば設置位置の自由度が高くなり、自動車メーカーの設計が楽になる」（日本ケミコンでキャパシタ事業本部事業企画部事業企画グループ長を務める宇野達也氏）。
図6 日本ケミコンが開発した動作温度範囲の広い大容量キャパシタ 低温側に加え、高温側の動作範囲を広げた電気2重層キャパシタのサンプル出荷を2009年4月に開始した。－40～85℃の範囲で動作する。
低い電圧の充電が可能
エネルギーハーベスティング技術では、一般に回収対象電力の電圧が低い。しかし、二次電池は比較的内部抵抗が高く、充電に必要な電圧が電池ごとに決まっており、一定値以下の電圧を印加しても充電できない。ASTIは電気自動車に向けて、電気2重層キャパシタも利用することで、従来走行速度が時速6km以上の場合のみ回収できていたエネルギーを、時速2km以上にまで広げる装置「スーパーキャパシタ用マネジメントユニット」を試作した（図7）。「低速時に回生先を電気2重層キャパシタに切り替えることで、従来よりも回収できるエネルギーが2％増えた」（同社の技術本部技術?開発部開発第一グループに所属する横倉圭氏）。
図7 ASTIが開発したエネルギー回生装置と回路構成 ニチコンの電気2重層キャパシタ（2.5V、1600F）を4本直列に接続して用いた。図8 太陽電池とLEDを利用したキャパシタ内蔵の街灯 変動する太陽電池の出力を効率よく蓄積できる。
太陽光発電との組み合わせでも利点がある。例えばアドバンスト?キャパシタ?テクロノジーズは太陽電池と照明用LEDを組み合わせた街灯用に大容量キャパシタを供給している（図8）。「曇り空、さらには雨天であっても太陽電池からは微弱な電力が得られる。大容量キャパシタであれば、このような微弱な電力も蓄電でき、LEDの点灯時間を延長できる」（アドバンスト?キャパシタ?テクノロジーズで専務取締役を務める江口純一氏）。
二次電池と組み合わせる
電池の高いエネルギー密度と大容量キャパシタのパワー密度を組み合わせる手法も有効だ。例えば、パルス負荷の吸収やパワーアシストといった用途である。
パルス負荷は携帯電話機やデジタルカメラなどで発生する。これらの機器は多くの場合二次電池で駆動しているが、パルス負荷が発生することで電池の出力電圧が低下し、電池の利用率が低下してしまう。電池は出力電流を一定に保った場合に最も利用効率が高まるからだ。パルス負荷が発生した際に、瞬時に電流を供給できるキャパシタと組み合わせることで、電池の容量が同じ場合でも機器の動作時間が長くなる。「ガム型の電気2重層キャパシタ（図9）を通信カード向けに出荷している。現在の寸法はまだ大きいが、携帯電話機への採用も狙う」（NECトーキンでマーケティング本部ソリューション技術部部長を務める堀仁孝氏）。
図9 パルス負荷を吸収する用途に向けたNECトーキンのキャパシタ 出典：NECトーキン
電気自動車では、パワー密度が要求される。例えば、停止状態にある自動車が動き始める短い時間に大量のエネルギーが必要になるからだ。「車輪を1/4回転させる程度の容量を備えた電気2重層キャパシタを補助電源として二次電池と組み合わせると、始動時に必要な電力がキャパシタから供給でき、電池に要求される最大パワー密度を削減できる。そのため、電池だけを搭載した場合よりも総体積を減らせる」（指月電機製作所）。車載用途では体積をいかに減らすかが重要である。
二次電池を超える
二次電池の強みはエネルギー密度の高さにある。エネルギー密度が特に重要になる用途には、携帯型機器の主電源、長距離走行を条件とした電気自動車の車載用主電源などがある。いずれも現在の大容量キャパシタではエネルギー密度が足りず、これらの用途はまだ見えていない。携帯型機器では、電源に利用できる体積や重量が限られているため、革新的な技術が開発されないかぎり、大容量キャパシタを主電源として用いることはできない。
乗用車の補助電源としての見込みはある（別掲記事「乗用車に大容量キャパシタを搭載する」を参照）。大都市圏など特定の条件を満たす場合は、主電源にもなり得るようだ。「キャパシタは充電時間が秒単位と短く、継ぎ足し充電しても寿命が低下しない。従って、多数の自動車メーカーが主張するような1回充電したら100km単位の走行距離を保証しなければならないという条件を除外すれば採用が広がる」（東京大学生産技術研究所情報?エレクトロニクス部門電気制御システム工学の教授で、IEEE Fellowでもある堀洋一氏）。
同氏はキャパシタを内蔵した電気自動車も試作した（図10）。「家庭用電源でも充電可能であり、充電スタンドを新たに建設しなくても、継ぎ足し充電が可能な社会的な仕組みを作ればよい。有料駐車場でのサービス充電や交差点などで非接触充電を試みるという手法もある」（同氏）という。「上海の電気バスは大容量キャパシタを用いて2006年から商用運転されている。トロリーバスが運行していた路線に導入し、充電ポイントを確保した」（同氏）。なお、充電ポイントは各バス停に用意されており、乗客の乗降時間の充電だけで走行できるという。
図10 東京大学生産技術研究所が試作した電気自動車「C-COMS」 日清紡ホールディングスやパワーシステムのキャパシタを用いた。3V、1500Fのセルを直列に5個つなぎ、これを3列並列に接続したものを7つ直列に接続したことで100V、100Fのモジュールを構成した。30秒充電することで、20分間、時速40kmで走行できる。出典：東京大学生産技術研究所
量産計画が相次ぐ
二次電池に直接対抗することは難しいとはいえ、それ以外の用途が多数見えており、市場は広い。このように考えるキャパシタメーカーが増えており、各社とも生産設備の増強を進めている。特に電気2重層キャパシタよりも静電容量が大きいリチウムイオンキャパシタについて量産計画が出揃っている。アドバンスト?キャパシタ?テクノロジーズは、2009年内に月産2万セルの生産体制を確立するとした。リチウムイオンキャパシタの価格は、電気2重層キャパシタよりも高価だが、「リチウムイオンキャパシタでは高価な活性炭を正極のみに用いる。量産規模が同じになれば、同程度の価格になるだろう」（同社の江口純一氏）という。
FDKは2009年に入ってから、瞬低対策装置に向けリチウムイオンキャパシタの量産を開始した。3年後をめどに生産規模を最大月産50万セルまで拡大する。
JMエナジーは、2008年11月、約20億円を投じ、リチウムイオンキャパシタの量産工場が完成したと発表。月産2万5000セルの規模で稼働を開始するとした（図11）。同社のリチウムイオンキャパシタは、例えば風力発電での出力電圧変動を吸収するために使われている。「主な用途は建設機械である」（同社）という。
図11 3000Fと容量の大きいJMエナジーのリチウムイオンキャパシタ
日立エーアイシーと共同でリチウムイオンキャパシタを開発する新神戸電機は、2009年内に月産数万セルの規模で量産を開始するとした。
電気2重層キャパシタは、リチウムイオンキャパシタよりも生産規模で先行しており、例えば日本ケミコンは、電気2重層キャパシタについて既に600F品換算で、月産20万セル/月の生産規模を確立している。
乗用車に大容量キャパシタを搭載する
キャパシタを主電源や補助電源として利用した乗用車は、コンセプトカーであっても数少ない。例えば、本田技研工業は1999年に燃料電池車「FCX」のコンセプトを発表後、2000年発表の圧縮水素ガスを利用する燃料電池車FCX-V3で大容量キャパシタを搭載し、走行テストを実施した。2002年にリース販売が始まった同社の車種でも大容量キャパシタが搭載されていた。しかしながら2006年に同社が発表した「FCXクラリティ」では大容量キャパシタではなくリチウムイオン二次電池が搭載されている。大容量キャパシタの方がわずかに占有体積が大きいことが理由のようだ。
スズキは2008年に開発した圧縮水素ガスを利用する燃料電池車に大容量キャパシタを搭載した。エネルギー回生のしやすさとパワー密度の高さを生かした補助電源という位置付けである。
2009年4月に中国で開催された展示会「Auto Shanghai」では、中国の一汽海馬汽車（Haima）社が、リチウムイオン二次電池と大容量キャパシタの両方を主電源として用いた電気自動車「Mpe」を出展した。Mpeの場合もエネルギー密度はリチウムイオン二次電池が、パワー密度は大容量キャパシタが担っている。
日産自動車はリチウムイオン二次電池を主電源とする電気自動車の実験車「EV-01」に、2009年時点では大容量キャパシタを利用している（図A-1）。「採用した理由はエネルギー回生と、急加速時に必要となるパワー密度の高さである」（日産自動車で企画?先行技術開発本部テクノロジーマーケティング室に所属する加納詳子氏）だとした。
図A-1 日産自動車の電気自動車「EV-01」 リチウムイオン二次電池と組み合わせて、エネルギー回生と急加速時の補助電源のために、実験車に大容量キャパシタを組み込んだ。
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キャパシタは電池とは異なる原理で電気エネルギーを蓄積する。電池に比べて寿命が長く、使用環境の制限が少ない。大容量キャパシタの用途は今後3種類に分かれる。まず、瞬間的に大電力が必要な用途、次に、二次電池と大容量キャパシタを組み合わせてそれぞれの欠点を補い合う用途、最後に二次電池の代替だ。
[畑陽一郎，EE Times Japan] キャパシタ＊1）（コンデンサ）は電池とは異なる原理で電気エネルギーを蓄積する。容量が非常に小さいため、長い間、蓄電用途には用いられていなかった。状況が変わるきっかけを作ったのが、米General Electoric社のH.L.Becker氏とV.Ferry氏だ。2人が1957年に開発した電気2重層キャパシタは、80万μF（0.8F）もの静電容量を備えていた。
＊1） コンデンサは、英語ではcapacitorと呼ばれる。一方、condenserは凝縮器の意味を持つ。日本国内では誘電体を電極に挟む従来のコンデンサは、そのままコンデンサと呼ばれているが、電気2重層を用いる特に大容量品についてはキャパシタ（electric double layer capasitor、EDLC）と呼ばれる傾向にある。本文では、大容量の品種はキャパシタと表記した。
日本国内では、1978年にNECと当時の松下電器産業が電気2重層キャパシタを相次いで製品化した。当初は1F以下の品種が電卓や腕時計などで蓄電用途に用いられた。1990年代に入ると、各種家電に採用が広がり、100F以下の品種が登場した。その後、徐々に静電容量が高い品種が開発されていく。2000年代に入ると、携帯電話機やデジタルカメラの負荷変動を吸収する用途が広がるとともに、数百Fを超える品種も現れてきた。
現在では、携帯型機器の負荷変動の吸収といった小容量用途から、大容量が求められる鉛蓄電池代替まで幅広い用途で利用されるようになった。
キャパシタが進む道
大容量キャパシタの用途は3つに分かれる（図1）
図1 大容量キャパシタの可能性 大容量キャパシタの今後の用途は3種類に分かれる。パワー密度など本来の強みを生かした使い方（左端）や二次電池と組み合わせた使い方（中央）は狙いやすいが、高いエネルギー密度が必要な用途（右端）は実現が難しい。まずは現在の二次電池では実現できない蓄電用途だ。単位重量単位時間当たりに出力できる電力量（パワー密度）が二次電池は100W/kg程度と少ない。入力（充電）できるパワー密度も同様だ。瞬間的に大電力が必要な用途には、1000W/kgを超えるキャパシタが適する。充放電を頻繁に繰り返す用途にも向く。大容量キャパシタの内部抵抗が数mΩ程度と低いためだ。損失が少なく、発熱しにくい。安全性や温度特性の高さを要求される用途でも有利である。さらに、二次電池では蓄電が難しい低い電圧を印加しても蓄電できる。このようなキャパシタの強みを伸ばす方向で新しい用途を開拓できる。
次の可能性は二次電池と大容量キャパシタを組み合わせる手法だ。エネルギー密度に優れる電池とパワー密度に優れる大容量キャパシタを組み合わせることで、それぞれの欠点を補うことができる。ハイブリッド自動車や電気自動車など車載用途はこの手法を採るだろう。
3番目の可能性は、これまで二次電池が担ってきた用途に食い込み、代替することだ。電池が大容量キャパシタに比べて優れている点は、重量当たりのエネルギー量（重量エネルギー密度）が10倍程度高いことだ。キャパシタのエネルギー密度を今よりも10倍高めることは難しいというのが、ほとんどのキャパシタメーカーの主張である。ただし、第2部で紹介するように電池並みのエネルギー密度が実現できるという主張もある。
電池は大容量キャパシタよりも出力電圧が高い。電気2重層キャパシタの定格電圧は1セル当たり2.5～3V程度だが、リチウムイオン二次電池では例えば3.7V、鉛蓄電池では12Vもの電圧が得られる。これらの電池を代替するには同程度の電圧を出力する必要がある。
パワー密度が高い
以下、大容量キャパシタの3つの用途について、それぞれ採用する利点を解説する。
高いパワー密度が必要な用途ではエネルギー回生とエネルギーバックアップが主要な位置を占める。
運動している装置を停止させる際には、一般に運動エネルギーを熱に変換している。ここに何らかのエネルギー回生装置を組み込めば、運動エネルギーを電気エネルギーに変えて蓄え、装置を再び動かし始める際に利用できる。鉄道など質量が大きな物体であればエネルギーを回収しやすいが、質量が小さい場合は回収可能なエネルギーが小さく、蓄電装置の内部抵抗を低くする必要がある。「エレベータの運動エネルギーを回収する用途には、二次電池は内部抵抗が高すぎて使えない。既存の電気2重層キャパシタでもまだ高いため、さらに内部抵抗の低い品種を開発した（図2）」（指月電機製作所）。内部抵抗が低いとエネルギー回収効率が高まる他、充放電を繰り返した場合でも熱が発生しにくいため、放熱用の器具が不要になるというメリットも生まれる。
図2 指月電機が開発した低抵抗品 1F当たりの内部抵抗が0.5ΩFと低い「FML-XX」を開発した。図3 明電舎の瞬低補償装置「Meiposs-MCP」 出典：明電舎エネルギーバックアップ用途では、無停電電源装置が有望だ。無停電電源装置は一般に容量（バックアップ時間）が重視されるが、パワー密度が重要な場合もある。例えば、半導体製造工程や液晶パネル製造工程では、電源電圧が瞬間的に低下しただけでも仕掛品が損なわれてしまう。「当社の『Meiposs-MCP』（図3）では2ms以下で製造ライン全体の電源を大容量キャパシタ側に切り替えられる」（明電舎でコンポーネント事業部キャパシタ事業開発部部長を務める安藤保雄氏）。このような比較的大規模な製造ラインに向けた無停電電源装置を二次電池で作ると、とても大きくなってしまい現実的ではない。
充放電回数が多い
頻繁な充放電が要求される用途は、フォークリフト（図4）や港湾用クレーン（図5）、太陽光発電の平準化装置、コピー機などである。
図4 コマツユーティリティのキャパシタ内蔵電動フォークリフト「ARION HYBRID FB25HB」 発進?停止や前後進の切り替えが多いフォークリフトでは、大容量キャパシタと鉛蓄電池を組み合わせることで、回生エネルギーを有効に利用でき、電力消費量を最大30％削減できるという。出典：コマツユーティリティ。図5 TCMのキャパシタ内蔵港湾用クレーン 大容量キャパシタを用いないときよりも燃費を40％減らすことができた。ディーゼル?エンジンと日本ケミコンの大容量キャパシタを用いた。出典：TCM太陽光発電は、天気によって出力電圧が細かく変動するため、これを平準化する装置が組み合わされる。例えば、新エネルギー?産業技術総合開発機構（NEDO）の実証試験「太陽光発電システム等高度化系統連系安定化技術国際共同実証開発事業/マイクログリッド高度化系統連系安定化システム実証研究（PV＋補償装置）」がある。中国の杭州電子科技大学に120kWの太陽光発電装置を設置し、120kWのディーゼル発電機や50kWhの二次電池と併せて数秒以内の変動を吸収する100kWの電気2重層キャパシタなどを接続した。「電圧の変動のうち、大きなものは電池で、小さいが頻度の高いものは電気2重層キャパシタで吸収する」（明電舎の安藤保雄氏）。
コピー機ではリコーが「imagio Neoシリーズ」に電気2重層キャパシタを採用している。リコーの方式では印刷中に転写ローラーの温度を高温に維持する必要がある。ところが、75枚/分の速度で印刷を続けると、転写ローラーの温度が低下し一時的に温度維持に必要な電力が増加する。このときに電力を供給するために、電気2重層キャパシタを用いた。コピー機のメンテナンスを考えて、充放電可能回数が多いキャパシタを選んだという。
単純に充電と放電の繰り返し回数が多いだけでなく、電池交換の手間を考えて大容量キャパシタが選択される場合もある。工場内で基板や材料を運ぶ無人搬送車は当初、電源として鉛蓄電池を備えていた。しかし、鉛蓄電池では寿命が短く、工場内に大量に存在する鉛蓄電池をそれぞれ管理、交換しなければならない。そこで、電源に大容量キャパシタを利用するようになってきた。「クリーンルーム内の無人搬送車では非接触充電が求められる。少しずつ継ぎ足し充電しながら動かすには充放電可能回数が100万回に達する電気2重層キャパシタが最も適する」（日清紡ホールディングスで取締役常務執行役員と新規事業開発本部長を務める五十部雅昭氏）。
温度特性が良い
電池は電気化学反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するため、低温では出力が低下する。高温では材料の変形などが起こる。そのため、動作温度範囲は鉛蓄電池が－15～50℃、リチウムイオン二次電池は0～50℃である。なお、充電時、放電時、保存時の温度特性はそれぞれ異なる。
一方、電気2重層キャパシタは物理的な過程によって蓄電するため、メーカーによって多少異なるものの、動作温度範囲は－30～60℃と広い（図6）。低温側、高温側とも電池より動作範囲が広いため、動作温度範囲の狭さが原因で電池の採用が難しかった機器にも搭載できる。「建設機械に用いる場合を考えると、周囲の温度が40℃の場合、自己発熱などにより、さらに20℃は温度が上昇する可能性がある。乗用車に搭載する場合も、高温でも動作すれば設置位置の自由度が高くなり、自動車メーカーの設計が楽になる」（日本ケミコンでキャパシタ事業本部事業企画部事業企画グループ長を務める宇野達也氏）。
図6 日本ケミコンが開発した動作温度範囲の広い大容量キャパシタ 低温側に加え、高温側の動作範囲を広げた電気2重層キャパシタのサンプル出荷を2009年4月に開始した。－40～85℃の範囲で動作する。低い電圧の充電が可能
エネルギーハーベスティング技術では、一般に回収対象電力の電圧が低い。しかし、二次電池は比較的内部抵抗が高く、充電に必要な電圧が電池ごとに決まっており、一定値以下の電圧を印加しても充電できない。ASTIは電気自動車に向けて、電気2重層キャパシタも利用することで、従来走行速度が時速6km以上の場合のみ回収できていたエネルギーを、時速2km以上にまで広げる装置「スーパーキャパシタ用マネジメントユニット」を試作した（図7）。「低速時に回生先を電気2重層キャパシタに切り替えることで、従来よりも回収できるエネルギーが2％増えた」（同社の技術本部技術?開発部開発第一グループに所属する横倉圭氏）。
図7 ASTIが開発したエネルギー回生装置と回路構成 ニチコンの電気2重層キャパシタ（2.5V、1600F）を4本直列に接続して用いた。図8 太陽電池とLEDを利用したキャパシタ内蔵の街灯 変動する太陽電池の出力を効率よく蓄積できる。太陽光発電との組み合わせでも利点がある。例えばアドバンスト?キャパシタ?テクロノジーズは太陽電池と照明用LEDを組み合わせた街灯用に大容量キャパシタを供給している（図8）。「曇り空、さらには雨天であっても太陽電池からは微弱な電力が得られる。大容量キャパシタであれば、このような微弱な電力も蓄電でき、LEDの点灯時間を延長できる」（アドバンスト?キャパシタ?テクノロジーズで専務取締役を務める江口純一氏）。
二次電池と組み合わせる
電池の高いエネルギー密度と大容量キャパシタのパワー密度を組み合わせる手法も有効だ。例えば、パルス負荷の吸収やパワーアシストといった用途である。
パルス負荷は携帯電話機やデジタルカメラなどで発生する。これらの機器は多くの場合二次電池で駆動しているが、パルス負荷が発生することで電池の出力電圧が低下し、電池の利用率が低下してしまう。電池は出力電流を一定に保った場合に最も利用効率が高まるからだ。パルス負荷が発生した際に、瞬時に電流を供給できるキャパシタと組み合わせることで、電池の容量が同じ場合でも機器の動作時間が長くなる。「ガム型の電気2重層キャパシタ（図9）を通信カード向けに出荷している。現在の寸法はまだ大きいが、携帯電話機への採用も狙う」（NECトーキンでマーケティング本部ソリューション技術部部長を務める堀仁孝氏）。
図9 パルス負荷を吸収する用途に向けたNECトーキンのキャパシタ 出典：NECトーキン電気自動車では、パワー密度が要求される。例えば、停止状態にある自動車が動き始める短い時間に大量のエネルギーが必要になるからだ。「車輪を1/4回転させる程度の容量を備えた電気2重層キャパシタを補助電源として二次電池と組み合わせると、始動時に必要な電力がキャパシタから供給でき、電池に要求される最大パワー密度を削減できる。そのため、電池だけを搭載した場合よりも総体積を減らせる」（指月電機製作所）。車載用途では体積をいかに減らすかが重要である。
二次電池を超える
二次電池の強みはエネルギー密度の高さにある。エネルギー密度が特に重要になる用途には、携帯型機器の主電源、長距離走行を条件とした電気自動車の車載用主電源などがある。いずれも現在の大容量キャパシタではエネルギー密度が足りず、これらの用途はまだ見えていない。携帯型機器では、電源に利用できる体積や重量が限られているため、革新的な技術が開発されないかぎり、大容量キャパシタを主電源として用いることはできない。
乗用車の補助電源としての見込みはある（別掲記事「乗用車に大容量キャパシタを搭載する」を参照）。大都市圏など特定の条件を満たす場合は、主電源にもなり得るようだ。「キャパシタは充電時間が秒単位と短く、継ぎ足し充電しても寿命が低下しない。従って、多数の自動車メーカーが主張するような1回充電したら100km単位の走行距離を保証しなければならないという条件を除外すれば採用が広がる」（東京大学生産技術研究所情報?エレクトロニクス部門電気制御システム工学の教授で、IEEE Fellowでもある堀洋一氏）。
同氏はキャパシタを内蔵した電気自動車も試作した（図10）。「家庭用電源でも充電可能であり、充電スタンドを新たに建設しなくても、継ぎ足し充電が可能な社会的な仕組みを作ればよい。有料駐車場でのサービス充電や交差点などで非接触充電を試みるという手法もある」（同氏）という。「上海の電気バスは大容量キャパシタを用いて2006年から商用運転されている。トロリーバスが運行していた路線に導入し、充電ポイントを確保した」（同氏）。なお、充電ポイントは各バス停に用意されており、乗客の乗降時間の充電だけで走行できるという。
図10 東京大学生産技術研究所が試作した電気自動車「C-COMS」 日清紡ホールディングスやパワーシステムのキャパシタを用いた。3V、1500Fのセルを直列に5個つなぎ、これを3列並列に接続したものを7つ直列に接続したことで100V、100Fのモジュールを構成した。30秒充電することで、20分間、時速40kmで走行できる。出典：東京大学生産技術研究所量産計画が相次ぐ
二次電池に直接対抗することは難しいとはいえ、それ以外の用途が多数見えており、市場は広い。このように考えるキャパシタメーカーが増えており、各社とも生産設備の増強を進めている。特に電気2重層キャパシタよりも静電容量が大きいリチウムイオンキャパシタについて量産計画が出揃っている。アドバンスト?キャパシタ?テクノロジーズは、2009年内に月産2万セルの生産体制を確立するとした。リチウムイオンキャパシタの価格は、電気2重層キャパシタよりも高価だが、「リチウムイオンキャパシタでは高価な活性炭を正極のみに用いる。量産規模が同じになれば、同程度の価格になるだろう」（同社の江口純一氏）という。
FDKは2009年に入ってから、瞬低対策装置に向けリチウムイオンキャパシタの量産を開始した。3年後をめどに生産規模を最大月産50万セルまで拡大する。
JMエナジーは、2008年11月、約20億円を投じ、リチウムイオンキャパシタの量産工場が完成したと発表。月産2万5000セルの規模で稼働を開始するとした（図11）。同社のリチウムイオンキャパシタは、例えば風力発電での出力電圧変動を吸収するために使われている。「主な用途は建設機械である」（同社）という。
図11 3000Fと容量の大きいJMエナジーのリチウムイオンキャパシタ日立エーアイシーと共同でリチウムイオンキャパシタを開発する新神戸電機は、2009年内に月産数万セルの規模で量産を開始するとした。
電気2重層キャパシタは、リチウムイオンキャパシタよりも生産規模で先行しており、例えば日本ケミコンは、電気2重層キャパシタについて既に600F品換算で、月産20万セル/月の生産規模を確立している。
乗用車に大容量キャパシタを搭載する
キャパシタを主電源や補助電源として利用した乗用車は、コンセプトカーであっても数少ない。例えば、本田技研工業は1999年に燃料電池車「FCX」のコンセプトを発表後、2000年発表の圧縮水素ガスを利用する燃料電池車FCX-V3で大容量キャパシタを搭載し、走行テストを実施した。2002年にリース販売が始まった同社の車種でも大容量キャパシタが搭載されていた。しかしながら2006年に同社が発表した「FCXクラリティ」では大容量キャパシタではなくリチウムイオン二次電池が搭載されている。大容量キャパシタの方がわずかに占有体積が大きいことが理由のようだ。
スズキは2008年に開発した圧縮水素ガスを利用する燃料電池車に大容量キャパシタを搭載した。エネルギー回生のしやすさとパワー密度の高さを生かした補助電源という位置付けである。
2009年4月に中国で開催された展示会「Auto Shanghai」では、中国の一汽海馬汽車（Haima）社が、リチウムイオン二次電池と大容量キャパシタの両方を主電源として用いた電気自動車「Mpe」を出展した。Mpeの場合もエネルギー密度はリチウムイオン二次電池が、パワー密度は大容量キャパシタが担っている。
日産自動車はリチウムイオン二次電池を主電源とする電気自動車の実験車「EV-01」に、2009年時点では大容量キャパシタを利用している（図A-1）。「採用した理由はエネルギー回生と、急加速時に必要となるパワー密度の高さである」（日産自動車で企画?先行技術開発本部テクノロジーマーケティング室に所属する加納詳子氏）だとした。
図A-1 日産自動車の電気自動車「EV-01」 リチウムイオン二次電池と組み合わせて、エネルギー回生と急加速時の補助電源のために、実験車に大容量キャパシタを組み込んだ。Tweet
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