(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦方向及び横方向と、正極端子を有する正極電極板と、負極端子を有する負極電極板と、前記正極電極板及び前記負極電極板と間接的に当接する正極活物質とを含む水電池において、
電気絶縁性及び透水性の外包シートをさらに含み、
前記正極電極板と前記負極電極板の両外面が前記外包シートによって被包されており、
前記正極電極板と前記負極電極板との間に電気絶縁体の層が介在されており、
前記正極電極板が前記正極端子と連なる本体部を有し、前記負極電極板が前記負極端子と連なる枠状本体部を有しており、
前記負極電極板の前記枠状本体部が、その内周縁に囲まれた配置スペースを有し、前記正極電極板の前記本体部が前記配置スペースに配置されている前記水電池。
【請求項２】
前記負極電極板が切欠を有し、前記切欠から前記正極電極板の前記正極端子が前記縦方向へ延出している請求項１記載の水電池。
【請求項３】
前記負極電極板の前記切欠を形成し、かつ、前記横方向において互いに離間対向する一対の内端部が、前記正極電極板の前記本体部と前記縦方向において離間対向している請求項２記載の水電池。
【請求項４】
前記外包シートが第１面及びそれに対向する第２面を有し、前記正極電極板、前記負極電極板及び前記正極活物質がそれぞれ前記横方向に所与寸法離間して前記外包シートの前記第１面に配置されており、前記外包シートにおける前記縦方向へ延びる複数の折曲線に沿って前記外包シートを折り曲げることによって、前記正極電極板と前記正極活物質とが互いに当接して重なり合い、かつ、前記正極活物質と前記負極電極板とが前記外包シートの一部を介して重なり合っており、前記正極電極板と前記負極電極板とが厚さ方向において互いに重なり合うことなく前記外包シートに被包されている請求項２又は３に記載の水電池。
【請求項５】
前記負極電極板の前記枠状本体部が円形のリング状であって、前記枠状本体部の内周縁によって画成された前記配置スペースに、前記正極電極板の円形状を有する前記本体部が配置されており、前記負極電極板と前記正極電極板の両外面が円形状の前記外包シートによって被包されている請求項１〜４のいずれかに記載の水電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を注入することによって発電する水電池、特に、比較的に薄型の水電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水を注入することによって発電する水電池は公知である。例えば、特許文献１には、水電池の外形を形成する、金属製の負極外筒体と、活性炭からなる正極活物質と、正極活物質に差し込まれたロッド状の正極集電体と、水を正極活物質に供給するための吸水部材とを含む水電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実用新案登録第３１１２８６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された水電池では、円筒状の負極外筒体の底面に形成された注水口から負極外筒体の内部に注入された水が吸収部材を介して正極活物質に浸透し、両電極間に起電力を生じさせることによって、一定時間所要の電流を発電することができる。
【０００５】
本発明の課題は、従来の技術における水電池の改良であって、微量の水分の供給によって所定の起電力を発生させることのできる比較的に薄型かつ小型の水電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明が対象とするのは、縦方向及び横方向と、正極端子を有する正極電極板と、負極端子を有する負極電極板と、前記正極電極板及び前記負極電極板と間接的に当接する正極活物質とを含む水電池である。
【０００７】
本発明が特徴とするところは、電気絶縁性及び透水性の外包シートをさらに含み、前記正極電極板と前記負極電極板の両外面が前記外包シートによって被包されており、前記正極電極板と前記負極電極板との間に電気絶縁体の層が介在されており、前記正極電極板が前記正極端子と連なる本体部を有し、前記負極電極板が前記負極端子と連なる枠状本体部を有しており、前記負極電極板の前記枠状本体部が、その内周縁に囲まれた配置スペースを有し、前記正極電極板の前記本体部が前記配置スペースに配置されている。
【０００８】
本発明における他の実施態様の一つは、前記負極電極板が切欠を有し、前記切欠から前記正極電極板の前記正極端子が前記縦方向へ延出している。
【０００９】
本発明における他の実施態様の一つは、前記負極電極板の前記切欠を形成し、かつ、前記横方向において互いに離間対向する一対の内端部が、前記正極電極板の前記本体部と前記縦方向において離間対向している。
【００１０】
本発明における他の実施態様の一つは、前記外包シートが第１面及びそれに対向する第２面を有し、前記正極電極板、前記負極電極板及び前記正極活物質がそれぞれ前記横方向に所与寸法離間して前記外包シートの前記第１面に配置されており、前記外包シートにおける前記縦方向へ延びる複数の折曲線に沿って前記外包シートを折り曲げることによって、前記正極電極板と前記正極活物質とが互いに当接して重なり合い、かつ、前記正極活物質と前記負極電極板とが前記外包シートの一部を介して重なり合っており、前記正極電極板と前記負極電極板とが厚さ方向において互いに重なり合うことなく前記外包シートに被包されている。
【００１１】
本発明における他の実施態様の一つは、前記負極電極板の前記枠状本体部が円形のリング状であって、前記枠状本体部の内周縁によって画成された前記配置スペースに、前記正極電極板の円形状を有する前記本体部が配置されており、前記負極電極板と前記正極電極板の両外面が円形状の前記外包シートによって被包されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る水電池によれば、外包シート内において、負極電極板と正極電極板とが互いに重なることなく被包されているので、両電極板がほぼ同一平面状に位置し、それらを互いに重ねて積層した場合に比して、より薄型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態における水電池の斜視図。
【図２】図１の水電池の展開図。
【図３】正極電極板と負極電極板との配置関係を示す平面図。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線断面図。
【図５】図１のＶ−Ｖ線断面図。
【図６】本発明の第２実施形態における水電池の一部破断平面図。
【図７】第２実施形態における正極電極と負極電極との配置関係を示す平面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１及び２に示すとおり、水電池１０は、縦方向Ｙ及び横方向Ｘと、外包シート１１と、外包シート１１に被包された電荷を集めるための正極電極板１２と、負極電極板１３と、外包シート１１内において正極電極板１２と当接する正極活物質１４とを含む。図４、５に示すとおり、正極電極板１２と、負極電極板１３および正極活物質１４は、外包シート１１に積層された状態で被包されている。
【００１５】
水電池１０は、縦方向Ｙへ互いに並行に延びる第１及び第２側縁部１６，１７と、縦方向Ｙにおいて離間対向して位置する第１及び第２開口端部１８，１９とによって画成された矩形であって、第１開口端部１８の横方向Ｘの略中央部から正極電極板１２の正極端子１２ａが縦方向Ｙの外方に突出し、また、第１開口端部１８の第１側縁部１６側から負極電極板１３の負極端子１３ａが縦方向Ｙの外方向へ突出している。なお、第１及び第２開口端部１８，１９は、外包シート１１から発電に要する所定の水分が吸収される限りにおいて、接着剤またはヒートシール加工によって封止されていてもよく、外包シート１１に被包された各構成部材の脱落を防止するためには、第１及び第２開口端部１８，１９のうちの少なくともいずれか一方が封止されていることが好ましい。また、本実施形態では、正極端子１２ａと負極端子１３ａとは、縦方向Ｙの外方へ凸となる形状を有しているが、全体が外包シート１１内に位置する形状であってもよいし、外包シート１１内に位置する正極電極板１２の本体と負極電極板１３の本体とがそれぞれ正負極端子１２ａ，１３ａの役割を有していてもよい。
【００１６】
外包シート１１は、電気絶縁性及び透液性のシート材料から作られており、たとえば、透水性の繊維不織布、多孔質のプラスチックフィルムなどから形成されている。外包シート１１は、発電に要する水分を吸収するとともに、正極電極板１２と負極電極板１３との接触を避けるためのセパレータとしての役割を果たしている。
【００１７】
また、外包シート１１は、図２に示すとおり、その展開状態において、第１面２１Ａ及び第２面２１Ｂと、横方向Ｘにおいて互いに離間対向して縦方向Ｙへ延びる第１及び第２端縁２２，２３と、縦方向Ｙにおいて互いに離間対向して横方向Ｘへ延びる第１及び第２側縁２４，２５とによって画成された略長方形状であって、第１端縁２２と第２端縁２３との間には、縦方向Ｙへ延びる第１〜３折曲線２６，２７，２８が形成されている。
【００１８】
外包シート１１は、第１及び第２端縁２２，２３と、第１〜第３折曲線２６，２７，２８とによってその横方向Ｘにおいて４つの区域に区分されている。具体的には、第１端縁２２と第１折曲線２６との間に画成された第１区域３０と、第１折曲線２６と第２折曲線２７との間に画成された第２区域３１と、第２折曲線２７と第３折曲線２８との間に画成された第３区域３２と、第３折曲線２８と第２側縁２３との間に画成された第４区域３４とに区分されている。第１〜第３区域３０，３１，３２は、横方向Ｘにおいてほぼ均等の幅寸法を有している。第４区域３４は、第１〜第３区域３０，３１、３２に比して横方向Ｘの幅寸法の小さい幅狭であって、その第１面２１Ａには、縦方向Ｙに延びる、接着剤を間欠的に塗布してなる接着域３５が形成されている。なお、水電池１０内部に水分が浸透するのを阻害しない限りにおいて、接着域３５は、接着剤ではなく、ヒートシール加工によって接合されていてもよい。
【００１９】
図２及び３に示すとおり、正極電極板１２は、外包シート１１の第１区域３０に配置された凸状の薄板であって、比較的に導電性が強くイオン化傾向の小さい、電気化学的に比較的安定な、例えば、ニッケル、銅、銀等の金属またはこれらの金属を主体とする合金から作られている。また、正極電極板１２は、本体部３６と、本体部３６よりも幅狭であって、かつ、本体部３６から縦方向Ｙの外方へ延びる正極端子１２ａとを有する。本体部３６と正極端子１２ａとの間には、段差３７が形成されている。
【００２０】
負極電極板１３は、外包シート１１の第３区域３２に配置された、凹状の薄板であって、イオン化および／または酸化傾向が比較的に大きな電極活物質、例えば、金属マグネシウム、アルミニウム、亜鉛などまたはそれらを少なくとも２種以上含む合金作られている。負極電極板１３は、第１側縁２４側に位置する切欠３９を有する枠状本体部４０と、枠状本体部４０と連なり第１側縁２４から縦方向Ｙの外方向へ延びる負極端子１３ａとを有する。枠状本体部４０の切欠３９は、横方向Ｘにおいて互いに離間する一対の内端部４１ａ，４１ｂによって形成されており、また、枠状本体部４０の中央部には、その内側縁４０ａに囲まれた略矩形の配置スペース４２が画成されている。また、負極電極板１３は、所要の酸化還元反応を生じさせるべく、正極電極板１２よりも厚みがあり、具体的には、正極電極板１２の約１．１〜１．５倍の厚さを有している。
【００２１】
正極活物質１４は、外包シート１１の第２区域３１の第１面２１Ａにスプレー状に塗布された接着剤を介して固定された粉末状であって、比較的に酸化力が強い酸化物質、例えば、活性炭、二酸化マンガン、酸化鉄、結晶性の酸化銀などの混合物から作られており、混合物の種類や混合比率は、所要の酸化力に応じて自由に設定することができる。また、全体として比較的に薄型の水電池１０を形成するために、少ない量で所要の起電力の発生を可能とすべく、活性炭に用いる材料の種類を複数使用したり、加工処理したものを用いることもできる。なお、本発明では、正極活物質１４は、粉末状であるが、活性炭などの各種粉末をシート状に成形して、第２区域３１に接着剤を介して固定してもよい。
【００２２】
図３に示すとおり、水電池１０の組立状態において、正極電極板１２は、外包シート１１を介して負極電極板１３に囲堯された状態で配置されている。具体的には、正極電極板１２の本体部３６は負極電極板１３の枠状本体部４０の内側縁４０ａによって画成された配置スペース４２に配置されており、枠状本体部４０の切欠３９から正極電極板１２の正極端子１２ａが負極電極板１３の負極端子１３ａと横方向Ｘにおいてほぼ並ぶように突出している。かかる態様では、図４に示すとおり、正極電極板１２と負極電極板１３とが水電池の厚さ方向において互いに重なり合うことがないので、いわば、正極電極板１２と負極電極板１３とがほぼ同一平面上に位置し、より薄型の水電池１０を得ることができる。
【００２３】
また、負極電極板１３の枠状本体部４０の内端部４１ａ，４１ｂと正極電極板１２の段差３７とは、ほぼ同一の平面上において縦方向Ｙに互いに離間対向している。したがって、第２開口端部１９が封止されている状態において、正極電極板１２が第１開口端部１８側へ位置ずれをしても、その移動が枠状本体部４０によって規制されるので、正極電極板１２が外包シート１１内において大きく位置ずれして負極電極板１３に上にせり上がったり、本体部３６が外包シート１１の外部に露出するおそれはない。
【００２４】
＜水電池１０の組立手順＞
水電池１０を図２に示した展開状態から図１の組み立て状態とするためには、まず、第１折曲線２６に沿って外包シート１１の第１区域３０を（正極電極板１２が第１区域３０に固定されていない場合には、組立者が外包シート１１と正極電極板１２とを指で抑えながら）第２区域３１の第１面２１Ａに向かって折り曲げて、第２区域３1の第１面２１Ａに固定された正極活物質１４と正極電極板１２とを当接させた状態で重ね合わせる。
【００２５】
次に、第２折曲線２７に沿って第３区域３２を第２区域３１と折り重ねられた状態における第１区域３０の第２面２１Ｂに向かって折り曲げて、第３区域３２の第１面２１Ａと第１区域３０の第２面２１Ｂとを互いに当接した状態で重ねあわせる。最後に、第３折曲線２８に沿って第４区域３４の第１面２１Ａを第２区域３１の第２面２１Ｂに向かって折り曲げて、接着域３５を介して固定させることによって、水電池１０を組み立てることができる。なお、かかる組立操作を容易にするために、正極電極板１２を予め正極活物質１４上の所要の位置に直接配置させた状態で第１区域３０と折り重ねてもよいし、正極電極板１２と負極電極板１３との位置ずれを防止するために、それらの全体または一部を間欠的に塗布した接着剤を介して固定してもよい。
【００２６】
このように組み立てられた水電池１０では、図４及び５に示すとおり、その内部において、正極電極板１２と正極物質１４とは当接した状態であって、正極活物質１４は、それが固定された外包シート１１を介して負極電極板１３と間接的に当接している。かかる態様を有する水電池１０において、外包シート１１の第２面２１Ｂ及び／または第１及び第２開口端部１８，１９からその内部に水分が浸透したときには、外包シート１１の第１区域３０を画成する部位を介して正極活物質１４に水分が拡散され、拡散された水分が酸化反応触媒として作用して両電極板１２，１３間にイオン化反応が生じることによって、起電力が発生する。
【００２７】
本発明にかかる水電池１０は、外包シート１１によって各構成材料が積層された状態で被包されているので、従来の筒状の水電池に比べて薄く、かつ、軽量で小型である。また、水電池１０に微量の水分のみが供給された場合であっても、各構成材料間に介在された外包シート１１を通じて正極活物質１４に水分を供給して拡散させることができ、所要の起電力を速やかに生じさせることができる。
【００２８】
以下に本発明の実施例を説明する。なお、本実施例は、あくまでも発明の理解を容易にするためのものであり、各種条件は実施例に制限されるものではない。
【実施例】
【００２９】
本実施例の水電池１０は、その縦方向Ｙの寸法、すなわち、第１及び第２側縁部１６，１７の縦方向Ｙの長さ寸法が約１５ｍｍ，第１及び第２開口端部１８，１９の横方向Ｘにおける長さ寸法が約１０ｍｍ、また、その厚さが約０．４ｍｍである。さらに、表面積が約３０ｍｍ２の正極電極板１２と、表面積が約５５ｍｍ２の負極電極板１３と、活性炭等を所定比率で混合してなる約０．０５ｇの正極活物質１４とを使用した。
【００３０】
かかる条件において、外包シート１１の第２面２１Ｂに約１００ｍｇの水分を浸透させたところ、正極端子１２ａと負極端子１３ａとの間に約１５ｍＡの電流が１５秒間流れた。なお、正極電極板１２と負極電極板１３とは、正極活物質１４を０．０５ｇ以上用いる場合には、その表面積が５０ｍｍ２程度であることが好ましい。また、所要の大きさの電流を生じさせるために、正極電極板１２と負極電極板１３との表面積の大きさ、形状は種々変更することができる。特に、５ｍＡ以下の電流を生じさせる場合には、正極電極板１２と負極電極板１３との表面積をさらに小さくすることができ、水電池１０全体の大きさをより小さくすることによってさらに小型化することができる。
【００３１】
なお、本実施形態のほかに、正極電極板１２、正極活物質１４及び負極電極板１３を積層した状態で、正極活物質１４と負極電極板１３との間に外包シート１１とは別体のシート部材からなる電気絶縁体の層を介在させて、外包シート１１でそれらを被包した態様、すなわち、図４で示す断面構造を有するものであれば、一枚の外包シート１１を折り曲げて形成したものでなくともよい。
【００３２】
＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態における水電池１０の一部破断平面図、図７は、第２実施形態における、正極電極板１２と負極電極板１３との配置関係を示す平面図である。本実施形態における水電池１０の基本的構成は、第１実施形態とほぼ同様であるので、相違する点についてのみ以下に説明する。
【００３３】
本実施形態における水電池１０は、略円形状を有しており、その外形をなす円形状の外包シート１１と、外包シート１１の一部又はそれとは別体の透液性及び電気絶縁性のシート部材からなるセパレータ４５を介して外包シート１１内に積層された正極電極板１２と負極電極板１３とを含む。
【００３４】
正極電極板１２は、本体部３６が略円形であって、本体部３６から延出する正極端子１２ａが外包シート１１の開口端部１８から縦方向Ｙの外方へ延出している。また、正極電極板１２と対向する外包シート１１の内面には接着剤を介して固定された正極活物質１４が配置されている。
【００３５】
負極電極板１３は、正極電極板１２を取り囲むように配置された略円形のリング状であって、負極端子１３ａが正極端子１２ａの側方から縦方向Ｙの外方へ延出しており、また、枠状本体部４０の内周縁４０ａ内に画成された配置スペース４２には、正極電極板１２の本体部３６が配置されている。
【００３６】
本実施形態における水電池１０では、第１実施形態と同様に、正極電極板１２と負極電極板１３とがほぼ同一の平面状に位置することから、それらを水電池１０の厚さ方向に重ねた状態で外包シート１１に被包させる場合に比してより薄型にすることができる。また、正極電極板１２の本体部３６全体が負極電極板１３の枠状本体部４０に囲まれていることから、その移動が規制されて、水電池の搬送中又は使用中に、正極電極板１２が大きく位置ずれをするおそれはない。
【００３７】
さらに、水電池１０が円形状であるので、固定テープなどを介して使用者の肌に当接させた状態で使用する場合であっても、肌を妄りに刺激したり、不快感を与えるおそれはない。すなわち、本発明の水電池１０は、その機能が発揮される限りにおいて様々な分野に用いることができるが、例えば、使い捨ておむつの内部にセンサ機能を有する超小型機器とともに水電池１０を配置し、排出された尿が外包シート１１に浸透することによって水電池１０が発電してセンサ機能を作動させたり、湿度の変化する限られた空間に水電池を配置し、該空間が所定以上の湿度に達したときに、発生した水分を吸収して水電池が発電し、センサ機能を作動させたりすることなどに用いることができる。さらに、医療現場等において、点滴時の点滴液の漏れや採血時の血液の漏出を早期に感知するために、水電池１０を医療用の固定テープや絆創膏の内面又は外面に配置して、漏出するそれらの液体を触媒として発電させ、その起電力を利用して付随するセンサ機器によって信号を発信することによって、それらの医療事故を未然に防ぐためのツールとしても活用できる。
【００３８】
なお、水電池１０を構成する各部材としては、前記の材料以外に、この種の物品に用いられる材料を制限なく用いることができる。また、水電池１０の形状は、第１及び第２実施形態の形状に限定されるものではなく、所要の起電力を生じる限りにおいて、扁平状、楕円形状などの各種公知の形状を有していてもよい。また、図示していないが、本発明に係る水電池１０を複数個並列に積層させることによって、１つの水電池１０による起電力よりも数倍〜数百倍の起電力を生じさせることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１０    水電池
１１    外包シート
１２    正極電極板
１２ａ  正極端子
１３    負極電極板
１３ａ  負極端子
１４    正極活物質
２１Ａ  外包シートの第１面
２１Ｂ  外包シートの第２面
１６    第１側縁
１７    第２側縁
２６    第１折曲線
２７    第２折曲線
３６    正極電極板の本体部
３９    切欠
４０    負極電極板の枠状本体部
４０ａ  内周縁
４１ａ，４１ｂ  内端部
４２    配置スペース
Ｘ      横方向
Ｙ      縦方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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