(57)【要約】      （修正有）【課題】電池寿命の向上した水活性化電力生成デバイスの提供。【解決手段】切れ目を有するシリコン・スライス１３０と、第１の水収納要素１５０と、シリコン・スライスおよび第１の水収納要素により挟まれ、かつ内部空間を有する固定リング１４０とを備える水活性化電力生成デバイス。シリコン・スライス、固定リング、および第１の水収納要素を貫通する導電性ロッド１６０をさらに備える。中空の円筒形状を有する電極構造２２０と、電極構造の内側面に隣接して配置される絶縁フィルム２１０とをさらに備える。電解粉末２４０は、絶縁層と導電性ロッドの間の空間に配置され、底部導電性プレート１９０は、電極構造の底部に配置され、かつ電極構造の内側面に電気的に接続される。【選択図】図３
2020013670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水活性化電力生成デバイス（１）であって、
導電性キャップ（１１０）と、
通気口（１２１）を有する上部プレート（１２０）と、
切れ目（１３１）を有するシリコン・スライス（１３０）と、
第１の水収納要素（１５０）と、
該シリコン・スライス（１３０）、および該第１の水収納要素（１５０）により挟まれ、かつ内部空間（１４０ｓ）を有する固定リング（１４０）と、
該上部プレート（１２０）、該シリコン・スライス（１３０）、該固定リング（１４０）、および該第１の水収納要素（１５０）を貫通し、かつ該導電性キャップ（１１０）に電気的に接続される導電性ロッド（１６０）と、
中空の電極構造（２２０）と、
該電極構造（２２０）の内側面（２２０１）に隣接して配置される絶縁フィルム（２１０）と、
該絶縁フィルム（２１０）と該導電性ロッド（１６０）の間の空間に配置される電解粉末（２４０）と、
該電極構造（２２０）の底部に配置され、かつ該電極構造（２２０）の内側面（２２０１）に電気的に接続される底部導電性プレート（１９０）と
を備えるデバイス。
【請求項２】
前記電極構造（２２０）の前記内側面（２２０１）は、マイクロパターンを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記電解粉末（２４０）は、炭素（Ｃ）およびニッケル（Ｎｉ）の微粒子を含み、また前記電極構造（２２０）は、マグネシウム（Ｍｇ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項４】
前記電解粉末（２４０）は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、超電導性のカーボンブラック、または黒鉛のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項３記載のデバイス。
【請求項５】
前記電解粉末（２４０）の微粒子は、それぞれ、２０から５０ナノメートル（ｎｍ）の範囲の直径を含む、請求項３記載のデバイス。
【請求項６】
前記電極構造（２２０）は、重量で２％から６％の範囲のアルミニウム（Ａｌ）を含む、請求項３記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１の水収納要素（１５０）は、木材パルプ綿を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１の水収納要素（１５０）は、麻、竹、マイクロファイバ、および合成樹脂繊維のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項７記載のデバイス。
【請求項９】
前記固定リング（１４０）は切欠き（１４１）を備え、該切欠き（１４１）は、前記電極構造（２２０）の前記内側面（２２０１）に対して平行な方向に、前記シリコン・スライス（１３０）の前記切れ目（１３１）および前記上部プレート（１２０）の前記通気口（１２１）と位置合わせされる、請求項１記載のデバイス。
【請求項１０】
前記導電性ロッド（１６０）は、石油コークス、石炭、黒鉛、およびカーボンブラックのうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項１１】
前記導電性プレート（１９０）に隣接して配置された、空間（１８０ｓ）を有する第２の固定リング（１８０）と、
該第２の固定リング（１８０）に隣接して配置される第２の水収納要素（１７０）と
をさらに備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第２の水収納要素（１７０）は、木材パルプ綿を含む、請求項１１記載のデバイス。
【請求項１３】
前記電極構造（２２０）の外側面上に配置され、かつ前記上部プレート（１２０）の一部分と前記底部導電性プレート（１９０）の一部分とを覆う外カバー（２３０）をさらに備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項１４】
前記電解粉末（２４０）は、前記第１の水収納要素（１５０）と前記第２の水収納要素（１７０）の間に配置される、請求項１１記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１の水収納要素（１５０）は、吸水性の紙をさらに含む、請求項７記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第２の水収納要素（１７０）は、吸水性の紙をさらに含む、請求項１２記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電力生成デバイスに関する。より詳細には、本発明は、水活性化電力生成デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボタンセル電池または亜鉛−炭素電池などの市販の家庭用電池は、概して一次電池と呼ばれる。これらの電池は、１回使用された後、廃棄されるように設計されている。一次電池が使用されるとき、電池内の化学反応により化学物質が使われて、電力を生成する。化学物質が使い尽くされたとき、電池は、電気の生成を停止する。一次電池は、概して製造するのに安価であり、小売価格が低い傾向がある。しかし、一次電池に含まれる重金属および電解液は環境に有害であり、廃棄されたとき、環境汚染を生ずる。例えば、一次電池に含まれる電解液が漏れた場合、水と化学反応を生じて、有毒な物質を生成するおそれがある。
【０００３】
近年、従来の一次電池に対する代替物を求める研究は大幅に進歩した。一般に、水電池として知られる水活性化電力生成デバイスは、その代替物の例である。水電池は、電解液を含まず、したがって、水に浸される、または満たされるまで、電圧を生成しない電池である。したがって、従来の一次電池と比較して、水が、水電池と接触しない場合は化学反応を生じないので、水電池の保管は容易である。水電池は、水電池内の化学物質のいずれも消費することなく、数年の間、倉庫または棚に保管することができる。さらに、水電池を製造するために使用される材料は、環境に優しいものであり、それは、水電池が廃棄されたとき水電池の構成要素を容易にリサイクルすることができて、有毒な物質を生成しないことを意味する。
【０００４】
水電池は、様々な形状に作ることができ、また様々な大きさおよび寸法を有することができる。しかし、現代の可搬型電子デバイスは、標準の一次電池を使用するように設計されているので、水電池は、一次電池の規格に従って作られるのが一般的である。例えば、国際電気標準会議（ＩＥＣ）、および米国国家規格協会（ＡＮＳＩ）などの標準化機構によって発行された、電池のサイズおよびタイプに関する技術的な規格に従って作られた水電池が最近市販されている。
【０００５】
従来の水電池はいくつかの欠点を有する。上記で述べたように、水電池は、水に浸される、または満たされると、電圧／電流の生成を開始する。水電池の中を満たす水は、漏出することがあり、したがって、水電池を含む電子デバイスを損傷する。加えて、化学反応中に生成された空気／気体は、電池の本体内に蓄積され、水電池が、気体の放出用の十分に機能する通気孔／チャネルを含まない場合、電池の本体内の圧力が増加し、したがって、最終的に電池を損傷することになる。水電池の寿命が別の懸念である。従来の水電池の寿命は一次電池よりも短いことがあり、したがって、水電池の市場における可能性に悪影響を及ぼす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、前述の問題を克服する水活性化電力生成デバイスを開発することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のデバイスは、それぞれいくつかの態様を有するが、そのうちのどの１つも、単独でその望ましい特質を担うものではない。本発明の範囲を限定することなく、そのより顕著な特徴を、次に簡単に論ずるものとする。この論議を検討した後、また特に、「いくつかの実施形態の詳細な説明」と題するセクションを読めば、いかに本発明の特徴が他の水電池よりも利点を提供するかが理解されよう。
【０００８】
本開示の実施形態は、水活性化電力生成デバイスを提供する。水活性化電力生成デバイスは、導電性キャップ、通気口を有する上部プレート、切れ目を有するシリコン・スライス、第１の水収納要素、およびシリコン・スライスと第１の水収納要素により挟まれ、かつ内部空間を有する固定リングを備える。水活性化電力生成デバイスは、上部プレート、シリコン・スライス、固定リング、および第１の水収納要素を貫通し、かつ導電性キャップに電気的に接続される導電性ロッドをさらに備える。水活性化電力生成デバイスは、中空の円筒形状を有する電極構造と、電極構造の内側面に隣接して配置される絶縁フィルムとをさらに備える。電解粉末が、絶縁層と導電性ロッドの間の空間に配置され、また底部導電性プレートが、電極構造の底部に配置され、かつ電極構造の内側面に電気的に接続される。
【０００９】
いくつかの実施形態では、電極構造の内側面はマイクロパターンを備える。
【００１０】
いくつかの実施形態では、固定リングは切欠きを備える。切欠きは、電極構造の内側面に対して平行な方向に、シリコン・スライスの切れ目および上部プレートの通気口と位置合わせされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による水活性化電力生成デバイスの概略図である。
【００１２】
【図２】本開示の実施形態による水活性化電力生成デバイスの分解図である。
【００１３】
【図３】本発明の実施形態による水活性化電力生成デバイスの概略図である。
【００１４】
【図３Ａ】本発明の実施形態による水活性化電力生成デバイスの一部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を対象としている。しかし、本発明は、多数の様々な方法で実施することができる。この説明において、図面に対して参照が行われるが、その全体を通して、対応する部分は数字で指定される。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態による水活性化電力生成デバイスの概略図である。図１で示される構成要素は、原寸に比例して描かれておらず、単に例示するためのものであることに留意されたい。図１を参照すると、水活性化電力生成デバイス１は、導電性キャップ１１０、上部プレート１２０、絶縁フィルム２１０．電極構造２２０、および外カバー２３０を含む。上部プレート１２０は、上部プレート１２０に形成される通気口１２１を含む。図１で示すように、水活性化電力生成デバイス１は、例えば、円筒形状とすることができる。いくつかの実施形態では、水活性化電力生成デバイス１は、別の形状を含むことができる。いくつかの実施形態では、水活性化電力生成デバイス１は、長方形の形状を含む。
【００１７】
図２は、本開示の実施形態による水活性化電力生成デバイスの分解図である。図２を参照すると、水活性化電力生成デバイス１は、シリコン・スライス１３０、固定リング１４０、第１の水収納要素１５０、導電性ロッド１６０、電解粉末２４０、第２の水収納要素１７０、第２の固定リング１８０、および底部導電性プレート１９０をさらに含む。
【００１８】
シリコン・スライス１３０は、空気／気体を通過させるための切れ目１３１を含む。シリコン・スライス１３０は可撓性であり、かつ厚さを有するので、切れ目１３１は、通常閉じており、液体または水が通過しないようにすることができる。固定リング１４０は、内部空間１４０ｓおよび切欠き１４１を含む。内部空間１４０ｓは、水活性化電力生成デバイス１の化学反応中に生成された空気／気体を保持することができる。内部空間１４０ｓに蓄積された空気／気体は、内部空間１４０ｓ内の圧力が増加したとき、切れ目１３１および通気口１２１を通って、ゆっくりと外に漏れる。したがって、内部空間１４０ｓは、圧力コントローラとして動作し、過剰な圧力に起因する水活性化電力生成デバイス１に対する損傷を防止することができる。
【００１９】
切欠き１４１は、通気口１２１および切れ目１３１と位置合わせされる。切欠き１４１は、電極構造２２０の内側面２２０１に平行な方向に、シリコン・スライスの切れ目１３１および上部プレートの通気口１２１と位置合わせされる。水は、通気口１２１、切れ目１３１、および切欠き１４１を通して水活性化電力生成デバイス１の中に入れることができ、次いで、水活性化電力生成デバイス１が電力の生成を開始することになる。
【００２０】
第１の水収納要素１５０および第２の水収納要素１７０は、水吸収材料から作られる。第１の水収納要素１５０および第２の水収納要素１７０は、水活性化電力生成デバイス１が電力を生成するために必要な水を保持するように設計される。いくつかの実施形態では、第１の水収納要素１５０および第２の水収納要素１７０は、木材パルプ綿を含む。いくつかの実施形態では、第１の水収納要素１５０および第２の水収納要素１７０は、吸水性の紙を含む。いくつかの実施形態では、第１の水収納要素１５０および第２の水収納要素１７０は、麻、竹、マイクロファイバ、および合成樹脂繊維のうちの少なくとも１つを含む。
【００２１】
図２を参照すると、導電性ロッド１６０は、上部プレート１２０、シリコン・スライス１３０、固定リング１４０、および第１の水収納要素１５０を貫通する。導電性ロッド１６０は、導電性キャップ１１０に電気的に接続される。導電性ロッド１６０は、金属、合金、または任意の他の適切な材料など、導電性材料から作られる。いくつかの実施形態では、導電性ロッド１６０は、石油コークス、石炭、黒鉛、またはカーボンブラックのうちの少なくとも１つを含む。導電性ロッド１６０は、水活性化電力生成デバイス１の化学反応中に消費されることはない。導電性ロッド１６０は、電流および／または電子／イオンを伝達するために使用される。
【００２２】
電解粉末２４０は、第１の水収納要素１５０と第２の水収納要素１７０の間に、かつ導電性ロッド１６０と絶縁フィルム２１０の間に配置される。絶縁フィルム２１０は、電解粉末２４０と電極構造２２０の間の直接接触を回避することができる。絶縁フィルム２１０は多孔質のものである。すなわち、絶縁フィルム２１０は、液体、空気、または電子／イオンが通過できる空間または孔を含む。絶縁フィルム２１０は、任意の適切な材料から作ることができる。いくつかの実施形態では、絶縁フィルム２１０は、ポリエチレン（ＰＥ）を含む。いくつかの実施形態では、絶縁フィルム２１０は、ポリプロピレン（ＰＰ）を含む。
【００２３】
いくつかの実施形態では、電解粉末２４０は、炭素（Ｃ）およびニッケル（Ｎｉ）の微粒子を含む。いくつかの実施形態では、電解粉末２４０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、超電導性のカーボンブラック、および黒鉛のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、電解粉末２４０の微粒子の直径は、２０から５０ナノメートル（ｎｍ）の範囲である。電解粉末２４０の微粒子が小径であるため、電解粉末２４０は、化学反応のための表面積が大きくなる。したがって、水活性化電力生成デバイス１の容量を増加させることができ、また水活性化電力生成デバイス１の電流量もまた増加させることができる。
【００２４】
第２の固定リング１８０は、実質的に固定リング１４０の同じ形状を含む。しかし、いくつかの実施形態では、切欠き１８１を第２の固定リング１８０からなくすことができる。第２の固定リング１８０の内部空間１８０ｓは、水活性化電力生成デバイス１の化学反応中に生成された空気／気体を留め置くことができる。内部空間１８０ｓは、圧力コントローラとして動作し、過剰な圧力から生ずる水活性化電力生成デバイス１に対する損傷を防止することができる。
【００２５】
図２を参照すると、電極構造２２０は、中空の円筒形状を含む。いくつかの実施形態では、電極構造２２０は、中空の長方形の形状を含む。電極構造２２０は、マグネシウム（Ｍｇ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含む。いくつかの実施形態では、電極構造２２０は、マグネシウム（Ｍｇ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含む合金である。いくつかの実施形態では、電極構造２２０は、マグネシウム合金から作られる。いくつかの実施形態では、電極構造２２０は、２％から６％の範囲のアルミニウム（Ａｌ）を含む。いくつかの実施形態では、電極構造２２０は、重量で２％から６％の範囲のアルミニウム（Ａｌ）を含む。いくつかの実施形態では、電極構造２２０は、容積で２％から６％の範囲のアルミニウム（Ａｌ）を含む。
【００２６】
図２を参照すると、電極構造２２０の内側面２２０１は平坦ではない。いくつかの実施形態では、電極構造２２０の内側面２２０１は、マイクロパターンを含む。いくつかの実施形態では、電極構造２２０の内側面２２０１は、マイクロエッチングにより形成されたパターンを含む。電極構造２２０の内側面２２０１上のマイクロパターンは、電極構造２２０の反応表面を増加させる。したがって、水活性化電力生成デバイス１の容量を増加させることができ、水活性化電力生成デバイス１の電流量もまた増加させることができる。
【００２７】
従来の水電池では、マグネシウム（Ｍｇ）が、電極構成要素の１つとして一般に使用される。Ｍｇの高い反応特性に起因して、従来の水電池におけるＭｇ電極は、化学反応中に膨張する／隆起する傾向がある。従来の水電池におけるＭｇ電極の変形は、従来の水電池の機能を破壊し、かつ寿命を減少させる短絡問題を生ずることになる。電極構造２２０の内側面２２０１上のマイクロパターン、および電解粉末２４０の微粒子が小径であることは、ゆるやかな化学反応の利点を有することになる。したがって、電極構造２２０の膨張を十分に制御することができる。いくつかの実施形態では、電極構造２２０の膨張は、従来の水電池で使用されるＭｇ電極と比較して、最高で６０％低減される。
【００２８】
底部導電性プレート１９０は、金属、合金、または任意の他の適切な材料など、導電性材料から作られる。底部導電性プレートは、電極構造２２０の底部に配置され、また電極構造２２０に電気的に接続される。水活性化電力生成デバイス１により生成される電流は、導電性キャップ１１０および底部導電性プレート１９０を介して、外部の電子デバイスに提供することができる。
【００２９】
図３は、本発明の実施形態による水活性化電力生成デバイスの概略図である。図３を参照すると、外カバー２３０が、電極構造２２０の外側面上に配置され、上部プレート１２０の一部分と、底部導電性プレート１９０の一部分とを覆う。図３を参照すると、通気口１２１および切れ目１３１は、水活性化電力生成デバイス１の化学反応中に生成される空気／気体のためのチャネルを形成する。化学反応中に生成された空気／気体は、まず空間１４０ｓ内に蓄積され、次いで、切れ目１３１および通気口１２１を介して徐々に漏出することになる。
【００３０】
図３を参照すると、電解粉末２４０は、第１の水収納要素１５０および第２の水収納要素１７０により挟まれる。水は、通気口１２１、切れ目１３１、および切欠き１４１を介して、水活性化電力生成デバイス１の中に注入することができる。注入された水は、第１の水収納要素１５０および第２の水収納要素１７０の中で保持される。注入された水はまた、電解粉末２４０の微粒子の間の空間内にも保持されることになる。電解粉末２４０と電極構造２２０の間の化学反応中、第１の水収納要素１５０と第２の水収納要素１７０の間に含まれる水は、電子／イオン伝達のための媒体として働く。
【００３１】
図３Ａは、図３の円Ａで示された水活性化電力生成デバイス１の一部分の拡大図である。図３Ａを参照すると、絶縁フィルム２１０は、電極構造２２０の内側面２２０１に隣接して配置される。
【００３２】
本発明の特定の実施形態が、本明細書で開示されてきたが、本発明を、開示された実施形態に限定することは意図されていない。当業者であれば、本発明の趣旨から逸脱することなく、修正および変形をこれらの実施形態に加えることができることを理解するはずである。本発明は、添付の請求の範囲に含まれるこのような修正および変形のすべてを包含することが意図されている。
【図１】
2020013670.tif 000003
【図２】
2020013670.tif 000004
【図３】
2020013670.tif 000005
【図３Ａ】
2020013670.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和1年11月28日(2019.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水活性化電力生成デバイス（１）であって、
導電性キャップ（１１０）と、
通気口（１２１）を有する上部プレート（１２０）と、
切れ目（１３１）を有するシリコン・スライス（１３０）と、
第１の水収納要素（１５０）と、
該シリコン・スライス（１３０）、および該第１の水収納要素（１５０）により挟まれ、かつ内部空間（１４０ｓ）を有する固定リング（１４０）と、
該上部プレート（１２０）、該シリコン・スライス（１３０）、該固定リング（１４０）、および該第１の水収納要素（１５０）を貫通し、かつ該導電性キャップ（１１０）に電気的に接続される導電性ロッド（１６０）と、
中空の電極構造（２２０）と、
該電極構造（２２０）の内側面（２２０１）に隣接して配置される絶縁フィルム（２１０）と、
該絶縁フィルム（２１０）と該導電性ロッド（１６０）の間の空間に配置される電解粉末（２４０）と、
該電極構造（２２０）の底部に配置され、かつ該電極構造（２２０）の内側面（２２０１）に電気的に接続される底部導電性プレート（１９０）と
を備えるデバイス。
【請求項２】
前記電極構造（２２０）の前記内側面（２２０１）は、マイクロパターンを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記電解粉末（２４０）は、炭素（Ｃ）およびニッケル（Ｎｉ）の微粒子を含み、前記電極構造（２２０）は、マグネシウム（Ｍｇ）およびアルミニウム（Ａｌ）を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項４】
前記電解粉末（２４０）は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、超電導性のカーボンブラック、または黒鉛のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項３記載のデバイス。
【請求項５】
前記電解粉末（２４０）の微粒子は、それぞれ、２０から５０ナノメートル（ｎｍ）の範囲の直径を含む、請求項３記載のデバイス。
【請求項６】
前記電極構造（２２０）は、重量で２％から６％の範囲のアルミニウム（Ａｌ）を含む、請求項３記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１の水収納要素（１５０）は、木材パルプ綿を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１の水収納要素（１５０）は、麻、竹、マイクロファイバ、および合成樹脂繊維のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項７記載のデバイス。
【請求項９】
前記固定リング（１４０）は切欠き（１４１）を備え、該切欠き（１４１）は、前記電極構造（２２０）の前記内側面（２２０１）に対して平行な方向に、前記シリコン・スライス（１３０）の前記切れ目（１３１）および前記上部プレート（１２０）の前記通気口（１２１）と位置合わせされる、請求項１記載のデバイス。
【請求項１０】
前記導電性ロッド（１６０）は、石油コークス、石炭、黒鉛、およびカーボンブラックのうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項１１】
前記導電性プレート（１９０）に隣接して配置された、空間（１８０ｓ）を有する第２の固定リング（１８０）と、
該第２の固定リング（１８０）に隣接して配置される第２の水収納要素（１７０）と
をさらに備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第２の水収納要素（１７０）は、木材パルプ綿を含む、請求項１１記載のデバイス。
【請求項１３】
前記電極構造（２２０）の外側面上に配置され、かつ前記上部プレート（１２０）の一部分と前記底部導電性プレート（１９０）の一部分とを覆う外カバー（２３０）をさらに備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項１４】
前記電解粉末（２４０）は、前記第１の水収納要素（１５０）と前記第２の水収納要素（１７０）の間に配置される、請求項１１記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１の水収納要素（１５０）は、吸水性の紙をさらに含む、請求項７記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第２の水収納要素（１７０）は、吸水性の紙をさらに含む、請求項１２記載のデバイス。
【外国語明細書】
2020013670000001.pdf