JPH05326036A - 電 池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 空気孔(21)が設けられてなる正極容器(2) の
内側に酸素を活性物質とする空気極(5) が配設されてな
る電池(1) において、空気極(5) と正極容器(2)との間
隙には疎水性の多孔質膜(72)と保水性ゲル(71)からなる
複合膜が介在されている。保水性ゲル(71)に複数の透過
孔が穿設されていてもよい。保水性ゲル(71)を空気孔(2
1)側に、疎水性の多孔質膜(72)を空気極(5) 側に配設さ
せてもよい。また、保水性ゲルと疎水性の多孔質膜との
間隙に空気拡散多孔体を介在させておいてもよい。さら
に空気極(5) にポリテトラフルオロエチレン多孔膜(9)
を隣設させてもよい。 【効果】 保水性ゲル及び疎水性の多孔質膜からなる複
合膜を配設することにより、電池内外への水蒸気の透過
が阻止されるとともに、酸素のみを効率良く透過させる
ことができ優れた実用性を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電池に係り、その目的
は湿度等外気の環境条件が変化しても電池内の重量変化
や電池の持つ作動電圧等の変化が小さく、環境変化によ
る影響を受けにくい重負荷放電特性と高低湿の雰囲気下
での長期放電特性を兼ね備えた電池の提供にある。

【０００２】

【発明の背景】現在、マンガン乾電池に代わる強力タイ
プの電池として「アルカリ電池」の使用が主流となって
きている。この「アルカリ電池」は電解液として30〜40
％の水酸化カリウムを用いたもので、モータ用やランプ
用電源として続けて使用でき、大電流の連続放電にも適
した高性能の電池であり、正極に用いる活性物質の種類
により「酸化銀電池」、「アルカリマンガン電池」、或
いは「水銀電池」などに分別される。

【０００３】しかし、これらアルカリ電池においても種
々の問題が存在した。つまり、「酸化銀電池」では原料
とされる「銀」の価格の変動が大きいため、長期に渡っ
て安定した供給ができないという問題があり、また「ア
ルカリマンガン電池」では、使用している間に次第に電
圧が低下してくるといった問題があった。一方「水銀電
池」は、「酸化銀電池」や「アルカリマンガン電池」に
比べると容量が大きく、しかも放電すると正極の水銀が
還元されて内部抵抗が下がるので「酸化銀電池」より電
圧を一定に保ちやすいといった優れた性能を有するが、
使用済電池の回収方法や焼却処理などに充分な注意が必
要とされ、環境汚染上の問題から、この製造が控えられ
てきているのが現状である。そこで近年では水銀などの
重金属をほとんど使用せず、環境汚染等の問題のない電
池として、酸素を活性物質とする「燃料電池」や「空気
電池」に着目されるようになってきている。

【０００４】

【従来の技術】この「燃料電池」は、負極に送り込む水
素を燃料として、正極に送り込む酸素を酸化剤として電
解液の中で反応させる仕組みになっており、宇宙開発や
海底作業などの用途において非常に注目されている次世
代型の電池である。また、「空気電池」は前記した「燃
料電池」の負極の水素を亜鉛とした半燃料型のボタン電
池であり、図９に示すように内部に空気を拡散させる拡
散紙(k) 、空気の出入りを制御し、漏液の防止を行う撥
水膜(c) 、空気極(b) 、セロハンセパレーター(s) が配
設された正極容器(p) と、電解液と亜鉛粉末との混合体
からなる負極亜鉛(z) が設けられた負極容器(m) とがそ
れぞれガスケット(g) を介して封口された構成とされて
いる。この空気電池(E)では、正極容器(p) の底部に空
気孔(a) が設けられており、この空気孔(a) のシール
(t) を剥がして、空気を自然に取り入れ、その酸素を活
性物質として使用するものであった。

【０００５】このような構成からなる空気電池(E)は、
高エネルギー密度を有した優れた電池であったが、空気
を取り入れる開口部（空気孔(a) ）が設けられているた
め、蒸気圧の変化に応じて電解液が水蒸気として出入り
してしまい、外部環境変化による影響を受けやすく、特
に湿度の変化が電池の性能に大きく影響を与えてしまう
という欠点が存在した。つまり、電解液の持つ相対湿度
より外部の相対湿度の方が高い場合には、外気の湿気が
電池内に取り込まれてしまうため電解液濃度が低下し、
放電性能の低下、電解液の漏液等が生じてしまい、逆に
外部の相対湿度が電解液の相対湿度以下の場合には電解
液の蒸発が起こり、電池内内部抵抗が増大し電池寿命
（長期間放置した後の電池特性）が劣るなどの課題が生
じていた。あるいは、空気中の炭酸ガスの侵入により炭
酸塩が生成されてしまい、放電特性が著しく低下してし
まう場合も存在した。

【０００６】そこで、このような相対湿度等外部環境に
よる影響を軽減させるため、例えば空気孔(a) の周辺に
電解液と反応する物質を挿入したり、不織布等の電解液
吸収材料を設けて電解液の外部への流出を防止する手段
が用いられていた。しかし、これら手段では相対湿度等
の外部環境による電池への影響を効果的に防止できるこ
とはできなかった。

【０００７】また、最近では酸素を選択的に透過させる
疎水性の高分子膜や金属薄膜により空気孔(a) を閉塞し
て、空気極(b) に酸素を選択的に供給せんとする技術も
試みられるようになってきている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般に
高分子のフィルムや膜では、酸素よりも水蒸気をよく透
過させる性質があり、親水性の素材はもちろん、フッ素
樹脂のような疎水性の素材さえも選択的に水蒸気を通す
傾向にある。従って、酸素透過性を向上させるため薄膜
化したり、シリコン樹脂のような酸素透過性の高い高分
子膜を用いても、やはり水蒸気の方が酸素よりも多く透
過されてしまう結果となっていた。そのため、このよう
な膜を電池に用いた場合、前記したように、電池内外に
おける水蒸気の透過が避けられないため、たとえ活性物
質である酸素を多く取り入れて高い電流値を得ようとし
ても、長期保存性や寿命、放電特性などの性質が低下し
てしまうという課題が存在した。そこで業界では、水蒸
気の透過を抑制し、選択的に酸素のみを透過させること
ができ、且つ湿度等の外気の環境条件が変化しても優れ
た特性を示すことのできる電池の創出が望まれていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明では空気孔が設
けられてなる正極容器の内側に酸素を活性物質とする空
気極が配設されてなる電池であって、前記空気極と正極
容器との間隙には疎水性の多孔質膜と保水性ゲルからな
る複合膜が介在されてなることを特徴とする電池を提供
することにより上記従来の課題を悉く解消する。

【００１０】

【作用】保水性ゲルを耐アルカリ性に優れた疎水性の多
孔質膜に複合させた複合膜を正極容器内側と空気極との
間隙に配設することにより、アルカリ電解液による影響
が小さく、且つ外気からの水蒸気の電池内への流入が遮
断され、水蒸気の透過が阻止されるとともに、電池用と
しての十分な酸素透過速度が発現され、重負荷において
も優れた実用性能と安定した長期保存性が得られる。保
水性ゲルに多孔性を付与したり、或いは複数の透過孔を
穿設した場合には酸素透過性がより向上される。保水性
ゲルを空気孔側に配設し、疎水性の多孔質膜を空気極側
に配設させることにより、複合膜がアルカリ電解液によ
る影響を受けず、好適な電池特性を発現させることがで
きる。保水性ゲルの正極容器内側及び空気極側にそれぞ
れ疎水性の多孔質膜を複合させた場合にはより効果的な
電池特性を発現させることができる。保水性ゲルと疎水
性の多孔質膜との間隙に空気拡散多孔体を介在させた場
合には酸素をより効率良く空気極に送り込むことができ
る。疎水性の多孔質膜と空気拡散多孔体とを積層させた
場合には前記した耐アルカリ性の性能と酸素透過性とが
より好適に発現される。空気極にフッ素樹脂製多孔膜を
隣設させると、より高い撥水性が発現され、水蒸気の透
過を効果的に遮断することができる。疎水性の多孔質膜
をポリオレフィン系樹脂、フッ素樹脂等の耐アルカリ性
樹脂から形成させた場合には、水蒸気の透過を抑え、且
つ電解液の影響を受けずに膜の機能を発現させることが
できる。

【００１１】

【発明の構成】以下、この発明に係る電池の構成を図面
に基づいて説明する。図１はこの発明に係る電池の一実
施例を示した模式断面説明図であり、図示するように空
気孔(21)が設けられた正極容器(2) と負極亜鉛(31)が内
填された負極容器(3) とがガスケット(4) を介して封口
されている。正極容器(2) の内側には空気極(5) 、セパ
レータ(6) が設けられており、空気孔(21)を介して取り
入れられた空気中の酸素が活性物質とされる。(7) は疎
水性の多孔質膜(72)と保水性ゲル(71)からなる複合膜で
ある。

【００１２】この発明において疎水性の多孔質膜(72)と
しては、材質や孔径などは特に限定されず、酸素の透過
速度が充分に速く、孔より電解液が流出しないものであ
ればいずれのものでも使用されるが、ポリエチレン（Ｐ
Ｅ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹
脂、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレ
ン共重合体（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂、ポリスルホン（Ｐ
Ｓ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳ）等の耐アルカリ
性樹脂などが好適な実施例として例示される。

【００１３】保水性ゲル(71)としては、ポリアクリル
酸、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド或いは
これらの２種以上を組み合わせたもの等が好適な実施例
として例示されるが、特に限定はされない。このような
保水性ゲル(71)は架橋された構造を持ち、さらにポリマ
ー主鎖の極性基の作用によりゲルに保水性が発現され
る。保水性ゲル(71)は酸素の透過速度が充分に速けれ
ば、多孔性を有していても、或いは複数の透過孔が穿設
されていてもよく、特に限定はされない。保水性ゲル(7
1)の大部分は耐アルカリ性を有していないが、この発明
では前記した疎水性の多孔質膜(72)と複合させることに
より、電解液のアルカリ水溶液の影響を受けず、好適な
電池特性を発現させることが可能となる。このような保
水性ゲルの製法としては、放射線や光、熱等種々の手段
が用いられ、いずれの手段によっても同様な作用を持つ
保水性ゲルが得られる。

【００１４】この発明において前記した疎水性の多孔質
膜(72)と保水性ゲル(71)との複合膜(7) は、図１に示す
ように保水性ゲル(71)を空気孔(21)側に、疎水性の多孔
質膜(72)を空気極(5) に隣設するよう配置される。この
理由は、耐アルカリ性に優れた疎水性の多孔質膜(72)に
よるアルカリ電解液の影響を防止するためである。

【００１５】また、この発明の複合膜(7) では、図２に
示すように前記疎水性の多孔質膜(72)が保水性ゲル(71)
の正極容器(2)内側及び空気極(5)側にそれぞれ複合され
る構成としてもよく、或いは図３乃至図４に示すように
保水性ゲル(71)と疎水性の多孔質膜(72)との間隙に不織
布等の空気拡散多孔体(8) を介在させて、酸素の透過性
をより向上させてもよい。この際に、疎水性の多孔質膜
(72)と空気拡散多孔体(8) とを積層して一体化させてお
いてもよく、特に限定はされない。或いは図５乃至図８
に示すように撥水性の高いフッ素樹脂製多孔膜(9)を空
気極(5) に隣設させ、水蒸気の透過性をより効果的に遮
断させる構造としてもよく、電池の用途、性能等に応じ
て適宜設定すればよい。

【００１６】

【実施例】以下、この発明に係る電池の効果を実施例に
より、一層明確に説明する。 （実施例１）疎水性多孔質膜としてポリテトラフルオロ
エチレン（厚み70μm)を、空気拡散多孔体としてはポリ
プロピレン不織布（厚み 150μm)を用いて積層して一体
化させた。これに予め熱によって架橋させたポリアクリ
ル酸ゲルを保水性ゲルとして用い、貼り合わせて複合膜
を作成した。この複合膜を図３に示す電池と同様に設計
された（直径35ｍｍ、高さ13ｍｍ）電池に、保水性ゲル
を空気孔側に、疎水性多孔質膜を空気極側に配設して実
施例１の電池とした。

【００１７】（実施例２）保水性ゲルとして予め紫外線
によって架橋させたポリアクリルアミドゲルを用いた以
外は実施例１と同様の複合膜を作成し、実施例１と同様
の電池に同様に配設して実施例２の電池とした。 （実施例３）保水性ゲルとして予め架橋させたポリビニ
ルアルコールを用いた以外は実施例１と同様の複合膜を
作成し、実施例１と同様の電池に実施例１と同様に設し
て実施例３の電池とした。

【００１８】（実施例４）実施例１で作成した複合膜の
空気孔側にポリテトラフルオロエチレン多孔膜を貼り合
わせた以外は実施例１と同様の電池に実施例１と同様に
配設して実施例４の電池とした。 （実施例５）実施例２で作成した複合膜の空気孔側にポ
リテトラフルオロエチレン多孔膜を貼り合わせた以外は
実施例１と同様の電池に実施例１と同様に配設して実施
例５の電池とした。 （実施例６）実施例４で作成した複合膜の空気孔側にポ
リテトラフルオロエチレン多孔膜を貼り合わせた以外は
実施例１と同様の電池に実施例１と同様に配設して実施
例６の電池とした。

【００１９】（比較例１）保水性ゲルの代わりに、ポリ
テトラフルオロエチレンからなる多孔質膜を用いた以外
は実施例１と同様に作成して比較例１の電池とした。 （比較例２）複合膜として、ポリジメチルシロキサン薄
膜とポリイミド多孔質膜との複合膜を用いた以外は実施
例１と同様に作成して比較例２の電池とした。

【００２０】

【試験例】前記実施例１乃至６及び比較例１乃至２にて
得られた電池についてそれぞれ以下の各項目について試
験した。 湿度60％／25℃、負荷130Ωの条件における連続放電
持続時間(hr)及び平均作動電圧(V) 。 湿度35％／25℃及び湿度80％／25℃下でそれぞれ長期
( 1500時間)保存した後の、電池内の水分の出入りによ
る電池の重量変化(mg)及び作動電圧(V) 。 この結果を表１に示す。

【表１】

【００２１】

【発明の効果】以上詳述した如く、この発明は空気孔が
設けられてなる正極容器の内側に酸素を活性物質とする
空気極が配設されてなる電池であって、前記空気極と正
極容器との間隙には疎水性の多孔質膜と保水性ゲルから
なる複合膜が介在されてなることを特徴とする電池であ
るから、前記実施例からも明らかな如く、疎水性の多孔
質膜と保水性ゲルからなる複合膜により、電池内外への
水蒸気の透過が阻止され且つ酸素のみを効率よく透過さ
せることが明らかであり、重負荷における良好な放電特
性と高低湿の雰囲気下での長期放電特性といった優れた
実用性を示し、安定した長期保存性が可能な電池となる
優れた効果を奏する。さらに保水性ゲルに多孔性を付与
したり、或いは複数の透過孔を穿設した構成とすること
により酸素透過性がより向上され、また保水性ゲルを空
気孔側に、疎水性の多孔質膜を空気極側に配設させる構
成とすることにより、複合膜がアルカリ電解液による影
響を受けず、好適な電池特性を発現させることができ
る。保水性ゲルの正極容器内側及び空気極側にそれぞれ
疎水性の多孔質膜を複合させた構成とすることにより、
効果的な電池特性を発現させることができる。保水性ゲ
ルと疎水性の多孔質膜との間隙に空気拡散多孔体を介在
させる構成とすることにより、酸素をより効率良く空気
極に送り込むことができる。疎水性の多孔質膜と空気拡
散多孔体とを積層させる構成とすることにより前記した
耐アルカリ性の性能と酸素透過性とがより好適に発現さ
れる。空気極にフッ素樹脂製多孔膜を隣設させる構成と
することにより高い撥水性が発現され、水蒸気の透過を
効果的に遮断することができる。疎水性の多孔質膜をポ
リオレフィン系樹脂又はフッ素系樹脂或いは耐アルカリ
性樹脂から形成させた場合には水蒸気の透過を抑え、且
つ電解液の影響を受けずに膜の機能を発現させることが
できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る電池の一実施例を示した模式断
面説明図である。

【図２】この発明に係る電池の第一変更例を示した模式
断面説明図である。

【図３】この発明に係る電池の第二変更例を示した模式
断面説明図である。

【図４】この発明に係る電池の第三変更例を示した模式
断面説明図である。

【図５】この発明に係る電池の第四変更例を示した模式
断面説明図である。

【図６】この発明に係る電池の第五変更例を示した模式
断面説明図である。

【図７】この発明に係る電池の第六変更例を示した模式
断面説明図である。

【図８】この発明に係る電池の第七変更例を示した模式
断面説明図である。

【図９】従来の電池を示した模式断面説明図である。

【符号の説明】

１ 電池 ２ 正極容器 21 空気孔 ５ 空気極 ７ 複合膜 71 保水性ゲル 72 疎水性の多孔質膜 ８ 空気拡散多孔体 ９ フッ素樹脂製多孔膜

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気孔が設けられてなる正極容器の内側
   に酸素を活性物質とする空気極が配設されてなる電池で
   あって、前記空気極と正極容器との間隙には疎水性の多
   孔質膜と保水性ゲルからなる複合膜が介在されてなるこ
   とを特徴とする電池。
2. 【請求項２】 前記保水性ゲルが多孔性であることを特
   徴とする請求項１に記載の電池。
3. 【請求項３】 前記保水性ゲルに複数の透過孔が穿設さ
   れてなることを特徴とする請求項１に記載の電池。
4. 【請求項４】 前記保水性ゲルが空気孔側に、前記疎水
   性の多孔質膜が空気極側に配設されてなることを特徴と
   する請求項１乃至３に記載記載の電池。
5. 【請求項５】 前記疎水性の多孔質膜が前記保水性ゲル
   の正極容器内側及び空気極側に複合されてなることを特
   徴とする請求項１乃至３に記載の電池。
6. 【請求項６】 前記疎水性の多孔質膜と保水性ゲルとの
   間隙に空気拡散多孔体が介在されてなることを特徴とす
   る請求項１乃至５に記載の電池。
7. 【請求項７】 前記疎水性の多孔質膜に空気拡散多孔体
   が積層されてなることを特徴とする請求項６に記載の電
   池。
8. 【請求項８】 前記空気極にフッ素樹脂製多孔膜が隣設
   されてなることを特徴とする請求項１乃至７に記載の電
   池。
9. 【請求項９】 前記疎水性の多孔質膜がポリオレフィン
   系樹脂、フッ素樹脂、ポリスルホンあるいはポリフェニ
   ルスルホンの少なくとも一種以上の耐アルカリ性樹脂か
   らなることを特徴とする請求項１乃至８に記載の電池。