(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、該ハウジング内に設けられた電池セルとを備えており、使用時に前記ハウジング内に注水することによって作動する水電池であって、
前記電池セルは、マグネシウムよりイオン化傾向の小さい金属材料から構成される正極と、前記正極に電気的に接続された正極引出し電極と、マグネシウム材料から構成される負極と、該負極に電気的に接続された負極引出し電極と、前記正極と前記負極との間に設けられた集電電極と、前記集電電極に密着して設けられた吸水性及び保水性を有するシート材と、前記正極、前記集電電極、前記シート材及び前記負極を互いに圧着し固定する固定部材とを備え、
前記シート材には、０．１〜０．５ｗｔ％のニトロフェノール、１〜２６ｗｔ％のナトリウム、０．５〜８ｗｔ％のクエン酸及び０．１〜１．０ｗｔ％のポリビニールアルコールを含有する電解質が含まれていることを特徴とする水電池。
【請求項２】
前記正極は、金属板から構成され、前記集電電極は前記正極の表面に密着して設けられ、
前記シート材は、前記集電電極の外側に密着して設けられた保水性を有する保水性シート材と、前記保水性シート材の外側に密着して設けられた吸水性を有する吸水性シート材とから構成され、
前記負極は、前記吸水性シート材の外側にそれぞれ密着して設けられている２つのマグネシウム板から構成され、前記負極引出し電極は、前記２つのマグネシウム板に電気的に接続され、
前記吸水性シート材には、０．１〜０．５ｗｔ％のニトロフェノール、１〜２６ｗｔ％のナトリウム、０．５〜８ｗｔ％のクエン酸及び０．１〜１．０ｗｔ％のポリビニールアルコールを含有する電解質が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の水電池。
【請求項３】
前記負極は、マグネシウム板から構成され、
前記シート材は、前記負極の側表面に密着して設けられた保水性を有する保水性シート材と、前記保水性シート材の外側に密着して設けられた吸水性を有する吸水性シート材とから構成され、
前記正極は、前記吸水性シート材の外側にそれぞれ密着して設けられている２つの金属板から構成され、前記負極引出し電極は、前記２つの金属板に電気的に接続され、
前記吸水性シート材には０．１〜０．５ｗｔ％のニトロフェノール、１〜２６ｗｔ％のナトリウム、０．５〜８ｗｔ％のクエン酸及び０．１〜１．０ｗｔ％のポリビニールアルコールを含有する電解質が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の水電池。
【請求項４】
前記ハウジング内に前記電解質が充填された電解質セルがさらに備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水電池。
【請求項５】
前記電解質セルは、前記ハウジング内の底面に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の水電池。
【請求項６】
前記電解質セルは、前記ハウジングの側壁と電池セルとの間に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の水電池。
【請求項７】
前記ハウジング内に前記電解質の溶液が充填された電解液セルがさらに備え、該電解液セルは、前記ハウジングに対して着脱可能なカセット式であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水電池。
【請求項８】
前記負極は、円柱又は角柱形マグネシウム材から形成され、前記負極引出し電極は、前記負極の上部に設けられた穴に装着され、 
前記シート材は、前記負極の側表面に密着して設けられ、
前記集電電極は、前記シート材の外側に密着して設けられ、
前記正極は、前記集電電極の外側に密着して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水電池。
【請求項９】
前記ハウジング内の下部に前記電解質が充填されていることを特徴とする請求項６に記載の水電池。
【請求項１０】
ハウジングと、該ハウジング内に設けられた複数の電池セルからなる電池セルユニットとを備えており、使用時に前記ハウジング内に注水することによって作動する水電池であって、
前記複数の電池セルは、電気的に直列又は並列接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の水電池。
【請求項１１】
前記複数の電池セルのうち互いに隣接する２つの電池セルの間には、共通の正極又は負極が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の水電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極及び負極にイオン化傾向の異なる異種電極を用い、水又は電解液を注入することによって、電気化学反応を起こし発電する水電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン化傾向が互いに異なる異種電極を水や海水中に浸漬して起電力を得る水電池や海水電池は従来から良く知られており、この種の水電池や海水電池において、より高い性能を得るための提案も多数なされている。
【０００３】
例えば、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小型の水電池が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に開示された水電池は、正極電極板と負極電極板との間において、正極電極板の内面に当接する正極活物質の層と、正極電極板と負極電極板の内面との間に電気絶縁体の層とが介在し、正極電極板と負極電極板の両外面が外包シートによって被包されている。
【０００５】
また、本出願人は、複数の電池セルを有し、長期間の保存ができ、非常用電源として使用可能な水電池を提案した（特許文献２）。
【０００６】
特許文献２に開示された水電池の各電池セルは、正極を構成する炭素化布と、炭素化布に電気的に接続された正極引出し電極と、炭素化布に密着して設けられた塩含有布と、塩含有布に密着して設けられた吸水性を有する紙シートと、紙シートに密着して設けられていると共に負極を構成しており、正極よりイオン化傾向が高い材料で形成された金属板と、金属板に電気的に接続された負極引出し電極と、炭素化布、正極引出し電極、塩含有布、紙シート、金属板及び負極引出し電極を互いに圧着する収縮カバー部材とを備えており、塩含有布は、複数層織綿布に塩を含浸させた布で構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２２２２３６号公報
【特許文献２】特許第４７５９６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の水電池は、例えば負極としてマグネシウム金属が使用されている水電池の場合、電気化学反応で生じた水酸化マグネシウムが負極の表面に析出するため、電解水の濃度が低い場合には、正負電極間での電気化学反応は非常に緩慢になり起電力が低下し、一方、電解水の濃度が高い場合には、正負電極間での電気化学反応は急激に起こり、負極の表面に析出した水酸化マグネシウムにより新たな電気化学反応が阻害されるという問題点があった。
【０００９】
また、特許文献１の水電池は、所要の起電力を速やかに生じさせることができるが、それを長時間に維持することができないという問題点があった。
なお、近年では災害などの非常時用の緊急電池として、長期間の保存が可能であり、災害等の緊急時に水等の液体を注入するだけで発電できる水電池が期待されている。
【００１０】
従って、本発明の目的は、起電力を向上し、長時間に安定した放電を維持できる水電池を提供することにある。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、長期間の保存ができ、放置特性を改善した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】
【００１２】
本発明によれば、ハウジングと、ハウジング内に設けられた電池セルとを備えており、使用時にハウジング内に注水することによって作動する水電池であって、電池セルは、マグネシウムよりイオン化傾向の小さい金属材料から構成される正極と、正極に電気的に接続された正極引出し電極と、マグネシウム材料から構成される負極と、負極に電気的に接続された負極引出し電極と、正極と負極との間に設けられた集電電極と、集電電極に密着して設けられた吸水性及び保水性を有するシート材と、正極、集電電極、シート材及び負極を互いに圧着し固定する固定部材とを備え、シート材には、ニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールを含有する電解質が含まれている。
【００１３】
このように本発明の水電池によれば、吸水性及び保水性を有するシート材を備え、シート材には、ニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールを含有する電解質が含まれていることにより、電気化学反応で生じた水酸化マグネシウムが負極の表面に析出することを抑制することができ、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００１４】
正極は、金属板から構成され、集電電極は正極の表面に密着して設けられ、シート材は、集電電極の外側に密着して設けられた保水性を有する保水性シート材と、保水性シート材の外側に密着して設けられた吸水性を有する吸水性シート材とから構成され、負極は、吸水性シート材の外側にそれぞれ密着して設けられている２つのマグネシウム板から構成され、負極引出し電極は、２つのマグネシウム板に電気的に接続され、吸水性シート材には、ニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールを含有する電解質が含まれていることが好ましい。これにより、１つの正極に対して、２つの負極が設けられているので、集電電極、電解質含有シート及び負極の面積が大きくなり、水電池の起電力を向上することができる。また、吸水性シート材に含有される電解質には、ニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールを含むことにより、電気化学反応で生じた水酸化マグネシウムが負極の表面に析出することを抑制することができ、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００１５】
負極は、マグネシウム板から構成され、シート材は、負極の側表面に密着して設けられた保水性を有する保水性シート材と、保水性シート材の外側に密着して設けられた吸水性を有する吸水性シート材とから構成され、正極は、吸水性シート材の外側にそれぞれ密着して設けられている２つの金属板から構成され、負極引出し電極は、２つの金属板に電気的に接続され、吸水性シート材には、ニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールを含有する電解質が含まれていることが好ましい。これにより、１つの負極に対して、２つの正極が設けられているので、集電電極、電解質含有シート及び正極の面積が大きくなり、水電池の起電力を向上することができる。また、吸水性シート材に含有される電解質には、ニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールを含むことにより、電気化学反応で生じた水酸化マグネシウムが負極の表面に析出することを抑制することができ、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００１６】
ハウジング内に電解質が充填された電解質セルがさらに備えていることが好ましい。これにより、ハウジング内に注水することによって電解質を補充することができ、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００１７】
電解質セルは、ハウジング内の底面に配置されていることが好ましい。これにより、電解液がハウジングの底面に分布することができ、吸水性シート材により均等に吸い上げることが可能である。
【００１８】
電解質セルは、ハウジングの側壁と電池セルとの間に配置されていることが好ましい。これにより、電解質セルの容量を大きくすることができ、電解質の充填量を確保することができる。
【００１９】
ハウジング内に電解質の溶液が充填された電解液セルがさらに備え、電解液セルは、ハウジングに対して着脱可能なカセット式であることが好ましい。これにより、注水することなく、発電を開始させ、電解質を補給することができ、かつ電解液セルを交換することができる。
【００２０】
負極は、円柱又は角柱形マグネシウム材から形成され、負極引出し電極は、負極の上部に設けられた穴に装着され、シート材は、負極の側表面に密着して設けられ、集電電極は、シート材の外側に密着して設けられ、正極は、集電電極の外側に密着して設けられていることが好ましい。また、ハウジング内の下部に電解質が充填されていることが好ましい。これにより、コンパクトな構成を得ることができ、かつ制作が容易になる。
【００２１】
ハウジングと、ハウジング内に設けられた複数の電池セルからなる電池セルユニットとを備えており、使用時にハウジング内に注水することによって作動する水電池であって、複数の電池セルは、電気的に直列又は並列接続されていることが好ましい。これにより、水電池の起電力を向上することができ、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００２２】
複数の電池セルのうち互いに隣接する２つの電池セルの間には、共通の正極又は負極が設けられていることが好ましい。これにより、電池セルユニットがコンパクトになり、コストの削減を図ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の水電池は、起電力を向上し、長時間に安定した放電を維持できる。また、正極と負極との間に吸水性及び保水性を有するシート材及び集電電極を配置することにより、水電池の放置特性を改善することができ、非常時用の緊急電池として、災害等の緊急時に水等の液体を注入するだけで発電できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態における水電池の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１の実施形態における電池セルユニットの構成を示す斜視図である。
【図３】図１の実施形態における電池セルの具体的な構造を詳しく示す斜視図（その１）である。
【図４】図１の実施形態における電池セルの具体的な構造を詳しく示す斜視図（その２）である。
【図５】図１の実施形態における電池セルの初期出力特性を示す図である。
【図６】図１の実施形態における電池セルの放置特性を示す図である。
【図７】図１の実施形態における電池セルの集電電極の巻き数と初期出力特性の関係を示す図である。
【図８】図１の実施形態における電池セルの出力の経時変化を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における水電池の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態における水電池の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態における水電池の構成を概略的に示す平面図である。
【図１２】本発明に係る水電池の電解液補給方法による出力電流の差異を示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態における水電池の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１４】電池セルの他の構成例を概略的に示す断面図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態における水電池の構成を概略的に示す斜視図及び断面図である。
【図１６】電池セルユニットの他の構成を示す斜視図である。
【図１７】電池セルのさらに他の構成例を概略的に示す平面図及び断面図である。
【図１８】カーボンシートを用いた電池セルと、カーボンシートとカーボンアルミ箔の複合体を用いた電池セルとの放置特性の比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る水電池の実施形態を、図を参照して説明する。
【００２６】
図１は本発明の第１の実施形態における水電池１００の構成を示しており、図２は電池セルユニット２０Ａの基本的な構成を示しており、図３及び図４は電池セル２０の具体的な構造を詳しく示している。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係る水電池１００は、ハウジング１０と、ハウジング１０内に設けられた複数（例えば２つ）の電池セル２０を有する電池セルユニット２０Ａとを備えている。複数の電池セル２０は、電気的に並列又は直列接続されている。
【００２８】
ハウジング１０は、例えばプラスチック材料を成型して直方体形状に構成されており、上面が開口した箱体１０ａとその上面を閉止する蓋体１０ｂとを備えている。箱体１０ａは、電池セルユニット２０Ａを格納する空間を有し、電池セルユニット２０Ａを固定する保持部（図示せず）を有している。蓋体１０ｂには、注水口１１と、正のリード線１２ａ及び負のリード線１２ｂが挿通する貫通孔１２とが開口している。この貫通孔１２は正のリード線１２ａ及び負のリード線１２ｂを引き出した状態で、必要に応じて、接着剤等で封止されている。また、ハウジング１０は、注水口１１を除いて水密となる。なお、ハウジング１０の寸法は、内部に収容される電池セルユニット２０Ａの寸法及び数によって適宜選択されるが、本実施形態では、例えば縦８５ｍｍ、横５５ｍｍ、高さ５０ｍｍに設定されている。ハウジング１０の形状も直方体形状に限定されることなく、筒形形状、錐体形状、球形形状又はその他の任意の形状とすることができる。
【００２９】
水電池１００への給水は、注水口１１から、例えば、専用の注水器又はスポイト等を用いて、所定量の水を注入する。また、水電池１００内の液体が減少して起電力が低下した場合は、注水口１１から水を新たに注入することにより、起電力は回復する。このように、注水口１１から繰り返して給水操作を行うことができる。なお、注水口１１は換気口としても機能する。注水口１１を介して電気化学反応により生成したガスを排出し、新しい空気を導入することができる。また、注水の代わりに、電解液を注入することにしてもよい。この場合、電解質を補充することができ、これにより電気化学反応による負極電極板２６表面の電解質濃度の低下を解消し、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００３０】
電池セルユニット２０Ａは、図２に示すように、２つの電池セル２０から構成されている。この場合、２つの電池セル２０の間に１枚の負極電極板２６が配置され、共通に使用されている。１つの電池セル２０としては、図３及び図４に示すように、正極としての正極電極板２１と、正極電極板２１に電気的に接続された正極引出し電極２２と、正極電極板２１に密着して設けられた集電電極２３と、集電電極２３に密着して設けられた保水性シート材２４と、保水性シート材２４に密着して設けられた吸水性を有する吸水性シート材２５と、吸水性シート材２５の外側にそれぞれ密着して設けられている２つのマグネシウム金属板から構成される負極としての負極電極板２６と、２つの負極電極板２６に電気的に接続された負極引出し電極２７と、正極電極板２１、正極引出し電極２２、集電電極２３、保水性シート材２４、吸水性シート材２５、負極電極板２６及び負極引出し電極２７を互いに圧着し固定する固定部材２８とを備えている。
【００３１】
正極電極板２１は、電池セル２０の中心部に位置された正極支持板２１ｂの両面に略長方形の金属薄板２１ａを固着して構成されたものである。本実施形態において、正極電極板２１は、比較的に導電性が強くマグネシウムよりイオン化傾向の小さい材料、例えば高純度アルミ又は高純度銅から形成されている。本実施形態では、銅板を用いている。また、正極支持板２１ｂは例えばプラスチック等の絶縁材料による平板である。なお、正極支持板２１ｂを設けずに、比較的に厚みのある銅板のみを用いてもよい。
【００３２】
正極引出し電極２２は、銅等の導電性金属材料による長方形板状又は線状に形成され、正極電極板２１の金属薄板２１ａに固着されている。本実施形態では、３本の線状材を用いて、スポット溶接により所定間隔で正極電極板２１の表面に固着されている。また、３本の正極引出し電極２２は、一端がハウジング１０から引き出した正のリード線１２ａの他端に接続されている。
【００３３】
集電電極２３は、布状のカーボンシートから形成されている。本実施形態では、集電電極２３は、帯状に形成され、正極電極板２１の外側に複数層に巻き付けされている。
【００３４】
保水性シート材２４は、保水性を有する不織布（紙）から形成されている。保水性シート材２４は、帯状に形成され、集電電極２３の外側に複数層に巻き付けされている。
【００３５】
吸水性シート材２５は、吸水性を有する布から構成されている。この吸水性シート材２５は、保水性シート材２４の両面と下端を覆うように保水性シート材２４に密着して設けられている。また、吸水性シート材２５は、０．１〜０．５ｗｔ％のニトロフェノール、１〜２６ｗｔ％のナトリウム、０．５〜８ｗｔ％のクエン酸及び０．１〜１．０ｗｔ％のポリビニールアルコールを含有する電解質を含浸させた後、乾燥させて構成されている。吸水性シート材２５は、注水されハウジング内の底部にわずかに溜まった液体を毛細管現象により吸い上げて、全体を湿潤させ、湿潤状態となると、その電解質が溶出して正極及び負極間の電解液媒体として機能する。この場合、電解液のｐＨは、７〜１３の範囲となる。ニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールを含有する電解質を用いることで、電気化学反応による水酸化マグネシウムが負極の表面に析出し、蓄積することを抑制することができ、非常に良好な電圧及び電流特性を得ることができる。なお、吸水性シート材２５には、吸水性を有する不織布を用いてもよい。
【００３６】
負極電極板２６は、正極電極板２１よりイオン化傾向が高い材料、例えば高純度マグネシウムから形成されている。この負極電極板２６は、２枚であり、それぞれ吸水性シート材２５の外側に密着して設けられている。各負極電極板２６は、正極電極板２１とほぼ同じ面積を有している。
【００３７】
負極引出し電極２７は、銅等の導電性金属材料による長方形板状又は線状に形成され、負極電極板２６に固着されている。本実施形態では、３本の線状材を用いて、スポット溶接により所定間隔で負極電極板２６の表面に固着されている。３本の負極引出し電極２７は、一端がハウジング１０から引き出した負のリード線１２ｂの他端に接続されている。
【００３８】
固定部材２８は、テープ又は熱収縮チューブであり、以上述べた正極電極板２１、正極引出し電極２２、集電電極２３、保水性シート材２４、吸水性シート材２５、負極電極板２６、及び負極引出し電極２７を互いに積層した積層体を圧着し固定するように電池セル２０（又は電池セルユニット２０Ａ）外表面に装着されている。
【００３９】
このような構成の水電池１００の電池セル２０の発電特性を測定した結果を図５〜図８に示している。ここで、比較例としての電池セルは、負極電極板が一枚で、かつ電解質にニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールが含有しないものを用いた。参考例としての電池セルは、負極電極板が一枚であり、また、電解質にニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールを含有するものを用いた。
【００４０】
図５は電池セル２０の初期出力特性を示しており、同図（ａ）は初期出力電流の比較であり、（ｂ）は初期出力電圧の比較である。図５（ａ）に示すように、電池セル２０の初期電流は明らかに大きい。また、図５（ｂ）に示すように、電池セル２０の初期電圧は比較例よりわずかに低い。
【００４１】
図６は電池セル２０の放置特性を示しており、同図（ａ）は放置時間と放電電流との関係を示しており、（ｂ）は放置時間と放電電圧との関係を示している。図６（ａ）に示すように、電池セル２０及び参考例の放電電流は放置時間に対してほぼ変化しない。一方、比較例では、放置時間が長くなると、放電電流が小さくなる。また、図６（ｂ）に示すように、電池セル２０の放電電圧は放置時間に対応して増加する傾向となっている。一方、比較例及び参考例の放電電圧は放置時間に対してほぼ変化しない。
【００４２】
図７は電池セル２０の集電電極２３の巻き数と初期出力特性の関係を示しており、同図（ａ）は集電電極２３の巻き数と初期出力電圧との関係を示しており、（ｂ）は集電電極２３の巻き数と初期出力電流との関係を示している。図７に示すように、集電電極２３の巻き数が多い場合（３．５巻き）は、初期出力電圧と初期出力電流が共に増える。
【００４３】
図８は電池セル２０の出力の経時変化を示しており、同図（ａ）は集電電極２３の巻き数が１．５巻きと３．５巻きの電池セル２０の電圧経時変化を示しており、（ｂ）は集電電極２３の巻き数が１．５巻きと３．５巻きの電池セル２０の電流経時変化を示しており、図８に示すように、集電電極２３の巻き数が１．５巻きと３．５巻きの電池セル２０の電圧経時変化及び電流経時変化はほぼ同じ傾向である。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の水電池１００は、ハウジング１０と、ハウジング１０内に設けられた複数の電池セル２０とを備え、電池セル２０は、正極電極板２１と、正極引出し電極２２と、正極電極板２１に密着して設けられた集電電極２３と、集電電極２３に密着して設けられた保水性シート材２４と、保水性シート材２４に密着して設けられた吸水性シート材２５と、吸水性シート材２５にそれぞれ密着して設けられた２枚の負極電極板２６と、２つの負極電極板２６に電気的に接続された負極引出し電極２７と、固定部材２８とを備えている。吸水性シート材２５は、０．１〜０．５ｗｔ％のニトロフェノール、１〜２６ｗｔ％のナトリウム、０．５〜８ｗｔ％のクエン酸及び０．１〜１．０ｗｔ％のポリビニールアルコールを含有する電解質を含浸させた後、乾燥させて構成されている。
【００４５】
これにより、各電池セル２０の起電力を向上し、長時間に安定した放電を維持できる。また、水電池１００の放置特性を改善することができる。
【００４６】
図９は本発明の第２の実施形態における水電池２００の構成を示している。同図に示すように、本実施形態に係る水電池２００は、ハウジング１０と、ハウジング１０内に設けられた複数の電池セル２０と、ハウジング１０の底面に配置された電解質が充填された電解質セル３０とを備えている。
【００４７】
本実施形態の水電池２００において、ハウジング１０及び電池セル２０の構成は、前述した図１及び図２の実施形態の水電池１００の構成と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００４８】
本実施形態における電解質セル３０は、ハウジング１０の底面に配置され上下面は電解液が通過可能なろ過膜３１から構成されたものであり、電解質セル３０には、電解質が充填されて、例えば密度０．４〜０．５ｍｇ／ｍ３で電解質を包み込んだ。
【００４９】
本実施形態の水電池２００によれば、ハウジング１０の底面に電解質セル３０が配置されることで、注水口１１から水を注入すると、電解質セル３０内の電解質が溶解し、電解液となり、吸水性シート材２５の下部により吸い上げ、吸水性シート材２５の内部に電解質を補充することができ、これにより電気化学反応による負極電極板２６表面の電解質濃度の低下を解消し、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００５０】
本実施形態における水電池２００のその他の作用効果は、前述した第１の実施形態における水電池１００の場合と同様である。
【００５１】
図１０及び図１１は本発明の第３の実施形態における水電池３００の構成を示している。図１１において、（ａ）は上から見た図であり、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）はＢ−Ｂ線断面図である。図１０及び図１１に示すように、本実施形態に係る水電池３００は、ハウジング１０と、ハウジング１０内に設けられた複数の電池セル２０と、ハウジング１０の側壁と電池セル２０との間に配置された電解質が充填された電解質セル３０Ａとを備えている。
【００５２】
本実施形態の水電池３００において、ハウジング１０及び電池セル２０の構成は、前述した実施形態の水電池１００の構成と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００５３】
本実施形態における電解質セル３０Ａは、ハウジング１０の側壁と電池セル２０との間に配置されている。電解質セル３０Ａの上下面は電解液が通過可能なろ過膜３１Ａから構成されたものである。
【００５４】
本実施形態の水電池３００によれば、ハウジング１０の側壁と電池セル２０との間に電解質セル３０Ａが配置されることで、注水口１１から水を注入すると、電解質セル３０Ａ内の電解質が水に溶解し電解液となり、電解質セル３０Ａ下面のろ過膜３１Ａを介してハウジング１０の底部に流出した後、吸水性シート材２５の下部により吸い上げ、吸水性シート材２５の内部に電解質を補充することができ、これにより電気化学反応による負極電極板２６表面の電解質濃度の低下を解消し、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００５５】
本実施形態における水電池３００のその他の作用効果は、前述した第１の実施形態における水電池１００の場合と同様である。
【００５６】
図１２は電解液補給方法による出力電流の差異を示している。測定条件は、５Ｖ昇圧回路及びＬＥＤ（赤色ＬＥＤ５０ｐｃｓ）負荷を接続している場合の出力電流を測定した。図８に示すように、ハウジング１０の底面に電解質セル３０が配置される場合のショート電流、及び負荷時の出力電流が最も大きい。また、ハウジング１０の側壁と電池セル２０との間に電解質セル３０Ａが配置される場合のショート電流、及び負荷時の出力電流も直接電解液を注入する場合より大きいことが分かった。即ち、電解質が充填された電解質セル３０又は３０Ａを設けることで、水電池２００及び３００において、起電力を向上し、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００５７】
図１３は本発明の第４の実施形態における水電池４００の構成を示している。同図に示すように、本実施形態に係る水電池４００は、ハウジング１０と、ハウジング１０内に設けられた複数の電池セル２０と、ハウジング１０の側壁と電池セル２０との間に配置された電解液が充填された電解液セル４０とを備えている。
【００５８】
本実施形態の水電池４００において、ハウジング１０及び電池セル２０の構成は、前述した実施形態の水電池１００の構成と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００５９】
電解液セル４０は、電解質を水に溶かしてからなる電解液が充填される箱体であり、ハウジング１０に対して着脱可能なカセット式に構成されている。この電解液セル４０は、本体部４１と、本体部４１の上部を封止する蓋４２とを備えている。蓋４２に穴４２ａが設けられている。蓋４２の表面に穴４２ａを封止するための剥離可能な粘着性封止テープ４４が設けられている。本体部４１の底板に細長の開口４１ａが設けられている。開口４１ａには、開口４１ａを覆うろ過膜４３が設けられている。ろ過膜４３は、電解液が通過可能なものである。また、本体部４１の底面に開口４１ａを封止するための剥離可能な粘着性封止テープ４５が設けられている。この電解液セル４０をハウジング１０に装着する際に、まず、本体部４１の底面の粘着性封止テープ４５を剥がす（図１３中矢印Ａ参照）。次に、電解液セル４０をハウジング１０に挿入する。電解液セル４０をハウジング１０に挿入した後、蓋４２の表面の粘着性封止テープ４４を剥がす（図１３中矢印Ｂ参照）と、電解液がろ過膜４３を介して開口４１ａから流出し、ハウジング１０の底部に電解液層が形成される。この電解液は、吸水性シート材２５の下部により吸い上げ、吸水シート材２５の内部に電解質を補充する。なお、電解液の流出を止めるには、粘着性封止テープ４４を再度貼り付けておく。このように直接に電解液を導入し、電池セル２０内部の電解質を補給することができる。また、電解液セル４０を交換することができる。なお、穴４２ａから電解液を電解液セル４０内に注入することも可能である。
【００６０】
本実施形態の水電池４００によれば、ハウジング１０の側壁と電池セル２０との間に電解液セル４０が配置されることで、水を注入することなく、電解液セル４０がハウジング１０の底部に流出した後、吸水性シート材２５の下部により吸い上げ、吸水性シート材２５の内部に電解質を補充することができ、これにより電気化学反応による負極電極板２６表面の電解質濃度の低下を解消し、長時間に安定した放電を維持することができる。また、電解液セル４０をカセット式にしたことで、新しい電解液セル４０に交換することができ、水電池４００が長時間に亘って利用することができる。
【００６１】
図１４は、電池セルの他の構成例を示している。図１４に示すように、電池セル２０ａは、マグネシウム金属板から構成される負極としての負極電極板２６と、この負極電極板２６に電気的に接続された負極引出し電極２７と、負極電極板２６に密着して設けられた保水性シート材２４と、保水性シート材２４に密着して設けられた集電電極２３と、集電電極２３に密着して設けられた吸水性を有する吸水性シート材２５と、吸水性シート材２５の外側にそれぞれ密着して設けられている２つの金属板（例えば、銅板）から構成される正極としての正極電極板２１と、正極電極板２１に電気的に接続された正極引出し電極２２と、正極電極板２１の外側にそれぞれ密着して設けられている２つの金属板からなる補強板２９と、正極電極板２１、正極引出し電極２２、集電電極２３、保水性シート材２４、吸水性シート材２５、負極電極板２６及び負極引出し電極２７を互いに圧着し固定する固定部材２８とを備えている。
【００６２】
この場合、負極電極板２６は、積層された電池セル２０ａの中心部に配置されている１つの所定厚さのマグネシウム金属板である。負極引出し電極２７は、負極電極板２６の上部に設けられた穴に装着されている。正極電極板２１は、積層された電池セル２０ａの外層部に配置されている２つの金属板であり、補強板２９により補強されている。このような電池セル２０ａを用いた場合、上述した第１の実施形態と同様な効果を得られる。
【００６３】
図１５は本発明の第５の実施形態における水電池５００の構成を示している。同図（ａ）は水電池５００の構成を概略的に示す斜視図であり、（ｂ）は電池セル２０ｂの構成を概略的に示す断面図である。同図に示すように、本実施形態に係る水電池５００は、円筒形のハウジング１０Ａと、ハウジング１０Ａ内に設けられた円柱形の電池セル２０ｂとを備えている。水電池５００においては、ハウジング１０Ａの内部に電解質が充填されている。ここで、電解質は直接にハウジング１０Ａに充填されているが、上述した第２の実施形態における水電池２００のように、電解質セルにして配置するようにしてもよい。
【００６４】
電池セル２０ｂは、円柱形のマグネシウム金属材から構成される負極電極２６Ａと、この負極電極２６Ａに電気的に接続された負極引出し電極２７と、負極電極２６Ａの外周に密着して設けられた吸水性及び保水性を有するシート材Ｓと、シート材Ｓの外周に密着して設けられた集電電極２３と、集電電極２３の外周に密着して設けられている金属板（例えば、銅板）から構成される正極としての正極電極板２１と、正極電極板２１に電気的に接続された正極引出し電極２２と、正極電極板２１、正極引出し電極２２、集電電極２３、シート材Ｓ、負極電極２６Ａ及び負極引出し電極２７を互いに圧着し固定する固定部材２８とを備えている。シート材Ｓは、例えば、吸水性及び保水性を有する不織布を用いて、０．１〜０．５ｗｔ％のニトロフェノール、１〜２６ｗｔ％のナトリウム、０．５〜８ｗｔ％のクエン酸及び０．１〜１．０ｗｔ％のポリビニールアルコールを含む電解質を含浸させた後、乾燥させて構成されている。
【００６５】
本実施形態の水電池５００によれば、円柱形に形成された電池セル２０ｂを円筒形のハウジング１０Ａに配置することで、コンパクトで、かつ制作が容易になる。また、本実施形態における水電池５００のその他の作用効果は、前述した第１の実施形態における水電池１００の場合と同様である。
【００６６】
なお、実施形態の水電池５００において、複数の電池セル２０ｂをハウジング１０Ａに配置するようにしてもよい。この場合、図１６に示すように、複数（例えば２つ）の半円柱形の電池セル２０ｂを一つの電池セルユニット２０Ａとして形成されている。図１６中（ａ）は２つの電池セル２０ｂを直列に接続されている。２つの電池セル２０ｂの間に絶縁板５０が設けられている。図１６中（ｂ）は２つの電池セル２０ｂを並列に接続されている。２つの電池セル２０ｂの間に共通正極引出し電極６０が設けられている。
【００６７】
図１７は、電池セルのさらに他の構成例を示している。同図（ａ）は電池セル２０ｃの外形を示しており、（ｂ）は電池セル２０ｃの断面を示している。図１７に示すように、電池セル２０ｃは、コイン形であり、金属板（例えば、銅板）から構成される正極としての正極電極板２１と、正極電極板２１に電気的に接続された正極引出し電極２２Ａと、集電電極２３と、正極電極板２１と集電電極２３との間に密着して設けられた保水性シート材２４と、集電電極２３の他方の面に密着して設けられているマグネシウム金属板から構成される負極としての負極電極板２６と、この負極電極板２６に電気的に接続された負極引出し電極２７Ａと、正極引出し電極２２Ａ及び負極引出し電極２７Ａの内側に設けられている吸水性シート材２５とを備えている。ここで、正極電極板２１と吸水性シート材２５との間、及び負極電極板２６と吸水性シート材２５との間に導電性ペースト７０が設けられている。吸水性シート材２５は、０．１〜０．５ｗｔ％のニトロフェノール、１〜２６ｗｔ％のナトリウム、０．５〜８ｗｔ％のクエン酸及び０．１〜１．０ｗｔ％のポリビニールアルコールを含む電解質を含浸させた後、乾燥させて構成されている。
【００６８】
この場合、正極引出し電極２２Ａ及び負極引出し電極２７Ａは、キャップ状に形成されている。正極引出し電極２２Ａ及び負極引出し電極２７Ａにより、正極電極板２１と、集電電極２３と、保水性シート材２４と、吸水性シート材２５と、負極電極板２６とを互いに圧着し固定する。吸水性シート材２５は、正極引出し電極２２Ａと負極引出し電極２７Ａとの間から外部へ露出するように構成されている。これにより、外部から吸水することが可能となる。このような電池セル２０ｃを用いた場合、上述した第１の実施形態と同様な効果を得られる。また、より小型の水電池を得ることができる。
【００６９】
以上述べた実施形態の水電池１００、２００、３００及び４００においては、電池セルユニット２０Ａは、２つの電池セル２０から構成されている例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つ又は３以上の電池セル２０から構成するようにしてもよい。
【００７０】
また、実施形態の水電池１００、２００、３００、４００及び５００において、集電電極２３には、布状のカーボンシートを用いた例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。しかしながら、布カーボンシートを用いることが望ましい。図１８は、カーボンシートを用いた電池セル２０と、カーボンシートとカーボンアルミ箔の複合体を用いた電池セル２０との放置特性の比較を示している。ここで、５０ｍｍ×８０ｍｍの正極電極板１枚と、負極電極板２枚とを備える電池セルを用いた。また、電解液として精製食塩２０％の電解液を９ｃｃ注入した場合の特性を測定した。図中のＣは、カーボンシートを示しており、ＣＡＬは、カーボンシートとカーボンアルミ箔の複合体を示している。同図（ａ）は放置時間と放電電流との関係を示しており、（ｂ）は放置時間と放電電圧との関係を示している。図１８に示すように、集電電極２３には布状のカーボンシートのみを用いた電池セル２０の場合は、放電電流及び放電電圧が比較的に大きい。
【００７１】
また、実施形態の水電池１００、２００、３００、４００及び５００において、負極電極板２６の表面に対して防食処理を施すようにしてもよい。これにより、電気化学反応で生じた水酸化マグネシウムが負極の表面に析出することを抑制でき、長時間に安定した放電を維持することができる。
【００７２】
また、実施形態の水電池１００、２００、３００、４００及び５００において、予め電解液をハウジング１０、１０Ａに充填し、電池セル２０、２０ａ、２０ｂを電解液に浸漬するようにしてもよい。
【００７３】
さらに、以上述べた実施形態の水電池１００、２００、３００及び４００において、貫通孔１２から正のリード線１２ａ及び負のリード線１２ｂを引き出す構成例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。貫通孔１２を設けずに、蓋体１０ｂ上に正の端子及び負の端子を設け、内部で電池セルユニット２０Ａの正極及び負極にそれぞれ接続するようにしてもよい。
【００７４】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨を逸脱しない範囲内での種々、設計変更した形態を技術的範囲に含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、災害等の緊急時に水等の液体を注入するだけで発電できる水電池を低コストで容易に製造し、かつ保存性を改良する目的に利用できる。
【符号の説明】
【００７６】
１０、１０Ａ  ハウジング
１０ａ  箱体
１０ｂ  蓋体
１１  注水口
１２  貫通孔
１２ａ  正のリード線
１２ｂ  負のリード線
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  電池セル
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ  電池セルユニット
２１  正極電極板
２２、２２Ａ  正極引出し電極
２３  集電電極
２４  保水性シート材
２５  吸水性シート材
２６  負極電極板
２６Ａ  負極電極
２７、２７Ａ  負極引出し電極
２８  固定部材
２９  補強板
３０、３０Ａ  電解質セル
３１、４３  ろ過膜
４０  電解液セル
４１  本体部
４１ａ  開口
４２  蓋
４２ａ  穴
４４、４５  粘着性封止テープ
５０  絶縁板
６０  共通正極引出し電極
７０  導電性ペースト
１００、２００、３００、４００、５００  水電池
Ｓ  シート材
【要約】
【課題】起電力を向上し、長時間に安定した放電を維持できる水電池を提供する。
【解決手段】ハウジングと、ハウジング内に設けられた電池セルとを備えており、使用時にハウジング内に注水することによって作動する水電池であって、電池セルは、マグネシウムよりイオン化傾向の小さい金属材料から構成される正極と、正極に電気的に接続された正極引出し電極と、マグネシウム材料から構成される負極と、該負極に電気的に接続された負極引出し電極と、正極と負極との間に設けられた集電電極と、集電電極に密着して設けられた吸水性及び保水性を有するシート材と、正極、集電電極、シート材及び負極を互いに圧着し固定する固定部材とを備え、シート材には、ニトロフェノール、ナトリウム、クエン酸及びポリビニールアルコールを含有する電解質が含まれている。
【選択図】図１【図１】
0005451923.tif 000002
【図２】
0005451923.tif 000003
【図３】
0005451923.tif 000004
【図４】
0005451923.tif 000005
【図５】
0005451923.tif 000006
【図６】
0005451923.tif 000007
【図７】
0005451923.tif 000008
【図８】
0005451923.tif 000009
【図９】
0005451923.tif 000010
【図１０】
0005451923.tif 000011
【図１１】
0005451923.tif 000012
【図１２】
0005451923.tif 000013
【図１３】
0005451923.tif 000014
【図１４】
0005451923.tif 000015
【図１５】
0005451923.tif 000016
【図１６】
0005451923.tif 000017
【図１７】
0005451923.tif 000018
【図１８】
0005451923.tif 000019