(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平らな多孔性ＰＴＦＥシートからなる第一シート部材と、ポリプロピレンシートからなる第二シート部材とを具備する電気化学式電池であって、前記第一シート部材は、一つ以上の平らな電極が配置されたガス透過性部分を有し、前記第一及び第二シート部材の周囲部は、電解質を収納する収納部を形成するように共に密着され、前記第一シート部材は、外部電気接続のために各前記電極から延在して前記シート部材の密着部を横断する電気接続手段を有している電気化学式電池。
【請求項２】
前記第一及び第二シート部材の間に配置された第三シート部材を有する請求項１に記載の電池。
【請求項３】
複数の電極が第一シート部材上に並んで配置されている請求項１又は２に記載の電池。
【請求項４】
前記電池は、ガスセンサを作動させるための電気回路手段と共に、強固な平らな基質部材上に取り付けられる請求項１から３のいずれかに記載の電池。
【請求項５】
前記第一及び第二シート部材は、圧力及び熱の使用によって共に接着される請求項１から４のいずれかに記載の電池。
【請求項６】
前記電極は、前記電気接続手段を区画形成するために、前記シート部材の共に密着される部分を通り延在する部分を有する請求項１から５のいずれかに記載の電池。
【請求項７】
前記電解質は、液体の形状であり、芯部材構造内に保持され、又は、ゲル又はポリマーの形状であり、前記電極の表面に付着される請求項１から６のいずれかに記載の電池。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、電気化学式電池に関するが、ガスセンサに使用される電気化学式電池及び燃料電池を除外するものではない。
関連技術
大気中の酸化又は還元可能なガス（例えば、一酸化炭素）を検知するための電気化学式ガスセンサは、一般的に、検知又は作動電極と、対立電極と、大気が検知電極へ侵入することを可能とするための入口部（通常は拡散障壁）とを有している。両方の電極は、第一に、検知されるガスによって検知電極で電気化学反応をもたらすように、第二に、大気中の酸素、電解質、又は他のガス源によって対立電極で電気化学反応をもたらすように、電解質と接触している。電流は、反応でもたらされるイオン及び外部回路を通る電子によって電解質を通り運ばれ、この回路内の電流がガス濃度を表している。参照電極は、動作の安定性を増加するために、検知電極と電池電解質との間の電位を維持するように、定電位回路と組み合わせて使用されても良い。
物理的な構造によって、センサは、一般的に、電解質との電極との接触を保持するために、電解質、芯部材、又は基盤の収納部として機能する外部ハウジングと、電極との電気的な接続を形成する外部電気端子とを具備している。このセンサ電池の大部分は、例えば、米国特許第４４０６７７０号の積層電極構造を使用している。
例えば、ガスセンサを開示する米国特許第５１８３５５０号に見られる形状の簡素化のための近年の提案が存在し、このガスセンサにおいて、検知電極、対立電極、及び参照電極は、共通のセラミック基質上の共通平面に取り付けられ、電気接続のために電極から基質の他表面へ延在するリードと接触している。
我々の継続中の国際特許出願公開ＷＯ９６／１４５７６（我々の参照番号ＰＱ１２６２２）は、一つのガスセンサを開示及び請求しており、このガスセンサは、基質と、基質上の多孔性の平らな要素として形成された電極と、ハウジングとを具備し、この基質は、周囲から電極へのガスの侵入を可能とするように多孔性であり、ハウジングは、電解質の収納部と、ハウジングへ取り付けられた外部端子とを有し、基質は、圧力及び熱の提供によってハウジングに接着され、それにより、単一の組み立て作業によって、ハウジングは密閉され、電気接続が電極にもたらされ、その一方で、電極を通して電気接続部の領域へ浸透する電解質を防止するために電極の孔部を閉鎖する。
上述の構造は、コスト低減によってかなりの進歩を示すが、それにもかかわらず、品質を犠牲にすることなくコスト低減の不変の要求が、さらなる形状の簡素化を強要する。
発明の概要
本発明は、二つの可撓プラスチックシート部材を設ける概念を基礎とし、一方のシート部材はそれ上に印刷された電極領域を有し、二つのシート部材は、ティーバッグの形状に、電解質のための収納部を形成するために縁部回りで共に接合される。
それにより、本発明は一つの態様を提供し、この電気化学式電池は、少なくとも第一シート部材及び第二シート部材を具備し、シート部材の少なくとも一方は、ガス透過部分を有し、このガス透過部分上に一つ以上の平らな電極が配置され、第一シート部材及び第二シート部材の周囲領域は、電解質を収納する収納部を形成するために共に密着され、外部電気接続のために各電極から延在してシート部材の密着部を横断する電気接続手段を有している。
さらなる態様において、本発明は、複数の部分から形成される電気化学式電池組立体を提供し、これらの各部分が第一シート部材及び第二シート部材を有しており、各シート部材はガス透過部分を有し、このガス透過部分上に一つ以上の平らな電極が配置され、第一シート部材及び第二シート部材の周囲領域は、電解質を収納する収納部を形成するために共に密着され、外部電気接続のために各電極から延在してシート部材の密着部を横断する電気接続手段を有し、この組立体は、第一シート部材及び第二シート部材に接触するように、各部分へ第一ガス及び第二ガスを導くためのマニホルド手段を有している。
本発明の後者の実施形態において、異なるシート部材に電極を形成することによって、第一シート部材上に第一ガスが、第二シート部材上に第二ガスが流入する構造を可能とする。例えば、適当なマニホルド構造によって、この組立体は燃料電池を構成する。
本発明の構造は、ガスセンサとして又は燃料電池として、極めて簡単であり、実質的なコスト節約を可能とする。
種々の特定構造形状が可能である。両方のシート部材を可撓としても良く、この可撓性は、それらの間への電解質の挿入を可能とする。両方のシート部材を単一のシート部材の一部分としても良く、このシート部材は、対向するように折り重ねられる。択一的に、一方又は両方のシート部材を、三次元形状を有するように形成されたシート部材から形成しても良く、例えば、このシート部材は、収納空間を区画形成するために、それに形成された壁部を有していても良い。択一的に、一つの好適な構造において、一つのシート部材は、要求された形状の電極を坦持する多孔性ＰＴＦＥの平らなシート部材として形成されても良く、可撓プラスチックの閉鎖シート部材が、収納部を区画形成するためにＰＴＦＥシート部材の縁部へ接合されても良い。
第三シート部材、例えば、二つの外側シート部材を密着するための低い融点の中間層を使用しても良い。この第三シート部材は、電解質を保持するような高い多孔性の材料としても良い。さらなる形状において、第三シート部材は、第二の電気化学式電池のための第二収納空間を区画形成しても良い。
こうして、本発明は、種々の形状に構造される非常に薄い組立体（１から２ｍｍの単位）を可能とする。これは、取り付け空間が、例えば、人の衣類内又はそれ上に制限されるガスセンサへの適用を可能とする。極めて安価な製造は、一度又は数回だけの使用で破棄されても良い”使い捨て”センサの可能性を提供する。
こうして、製造及び組み立ては、可撓な基質材料のシート部材上に電極を印刷することによって簡単化されても良く、このシート部材は、次に一度以上折り重ねられるか、又は、もう一つのシート部材に当接させられ、次いで、”ティーバッグ”のような構造を形成するために、縁部回りで密着させられる。芯部材と電解質とは、バッグ内に収納され、密着は、加熱、粘着、又は機械的な力によって成される。このような装置は、不規則な形状とされ、コスト低減のための高い自動化レベルにとって適している。
完全に可撓な構造のセンサが製造される場合において、これらのセンサは、実際問題として、一般的に、曲げによる不要ノイズを防止するために、強固な支持部材に取り付けられ、又は強硬なハウジング内に配置される。薄いセンサの小型の性質のために、このセンサは、単一の基質上に電子制御部品と共に配置される。この基質は、さらに、組み付けられる拡散及び制限ガス通路を有している。
本発明による電気化学式電池は、製造ラインでの自動製造及び組み立てに適している。こうして、一つ以上のローラに収納されたシート材料が、繰り出されて重ねられ、次に押圧される電池形状が、同時作業でシート材料から切断されて密着させられる。燃料電池のためには、電池は、例えば、シート材料上に４＊４に平らに整列されるように形成される。
電池の電解質は、一般的に、液体の形状であるが、ゲル、固体ポリマー、ペースト、又は電極に付着する他の形状であっても良い。
ガス透過性の膜上に印刷された電極にとって、それを電気化学式電池に組み立てるために、三つの機能が実現されなければならない。この三つの機能は、１）機械的な電極への取り付けと、２）電解質の密閉と、３）電極から電池外側への導電通路の提供とである。
国際特許出願公開ＷＯ／１４５７６に開示されていると同様な好適な製造方法は、電池本体要素へ多孔性のＰＴＦＥシート部材（電極）を加熱密着する技術を使用している。印刷電極は、この密着部分を貫通するために、三つ全ての要求は、さらなる構成要素を追加することなく満足され、加えて、自動化の可能性が提供される。
シート部材は、共に密着されても良く、この方法は、電池組立体のための三つ全ての要求を実現可能である。実際的に、多孔性のＰＴＦＥ膜の使用が接着を実現させる。この製造方法は、脆弱な又は複雑な電極の組み立てを可能とするのに重要である。脆弱な電極は、例えば、コスト低減を結果的にもたらす。複雑な電極は、不規則な形状、多重印刷、又は、例えば、型成形部の外側回りの一平面以上の密閉を有している。この組み立て方法は、小さな使い捨てセンサ（制限寿命）にとって重要である。利点は、電極インク構造がほとんど破損しないことであり、接着材は、多孔性の電極インクへ侵入可能であり、また、基質の強度が高められ、この方法は非常に順応性が高い。この方法によって、電極への電気接続の他の方法が使用可能であり、例えば、電極は電極から延在するワイヤで外部電気接続部へ導かれる。
低コストで多重電池組立体を製造する可能性は、燃料電池組立体にとって理想的である。帯形状の電池の製造は、配列（３＊４）を与えるために適しており、この配列は、単一の積層組立体を形成する。簡単なマニホルド装置を介して空気及び燃料ガスが関連する電極へ供給されることを可能とするために、各電池の一方の電極は層の上部にあり、他方の電極は層の下部にある。
好適な積層組立体は、電池の層の間に挿入される強固なスペーサ装置を有し、適当なガスの流入を可能とするように各層の両側にマニホルド構造を提供する。層の一方側の第一マニホルドは、第一方向から第一ガスの流入を可能とするように配置され、第二マニホルドは、層の他方側に配置され、第一方向と直角をなす方向から第二ガスの流入を可能とするように第一マニホルドと直角をなして配置されている。マニホルドの大きさ及び形状を調整することによって、二つのガスの量又は流量は所望に設定可能である。
各層において、電池は、電池によって発生する電圧を選択するために直列に接続され、複数の層は、組立体の最大電流を確定するために共に並列に接続される。
第二の積層組立体は、”ジグザグ”状に折り重ねられる一つの長い帯状に製造された全ての層を有している。強固なマニホルド及びスペーサ構造は、空気が折り重ね形状と直角をなして積層を通過することを可能とするように使用される。
燃料電池の場合において、シート部材は、その周囲回りを完全に密着させなくても良く、小さな不密着領域が、電池内で作動中に発生する水又は他の液体の出口を提供するために設けられる。
【図面の簡単な説明】
本発明の好適な実施形態が、添付図面を参照して述べられる。
図１は、本発明によるガスセンサとして使用される電気化学式電池の実施形態の断面図である。
図２は、図１のセンサの平面図である。
図３は、個人使用のためのガスセンサに組み込まれる図１及び２のガスセンサの分解断面図である。
図４は、本発明による燃料電池として使用される電気化学式電池の実施形態の断面図である。
図５は、どのように燃料電池要素がこのような要素の積層燃料電池に取り付けられるかを示す図４の燃料電池要素の一部の斜視図である。
好適な実施形態の説明
図１及び２を参照すると、０．２５ｍｍの厚さの可撓な多孔性ＰＴＦＥ基質２を具備するガスセンサの形状の電気化学式電池が示されており、この基質上には、参照電極４と、作動電極６と、対立電極８とが印刷されている。図２に示すように、これらの電極は、一般的に、矩形であり、中央に配置された作動電極６と並んで配置され、それにより、参照電極と対立電極とは、互いに干渉することなくそれらの機能を実施することができる。印刷された電極４１，６１，８１の一部は、外部電気接続を形成するために基質２の一方の縁部へ延在している。
各電極は、例えば、スクリーンプリンティング、基質上に配置された懸濁液から選択された領域の吸引堆積、スプレー被覆、又は固体材料の形状堆積をもたらすための任意の他の適当な方法によって、基質２上に堆積させられる。堆積は、単一材料であっても良く、又は、例えば、その厚さに渡る電極材料の特性を変化させるように、又は、ガス反応の主領域である層の上側又は下側の導電性を高める第二層を追加するように、複数材料の結果的に層状としても良い。
電極は、自立するガス透過性の基質２に印刷される。これは、電極を、より強固にし、振動及び衝撃に対して鈍感にし、電極を裂く又は突き通すことを非常に困難にする。
高吸収材料で充填された液体及びゲルの電解質を含む芯部材１０が電極上に配置され、０．１ｍｍの厚さのポリプロピレンの可撓なプラスチックシート部材１２が、ＰＴＦＥより低い融点を有し、電解質のための収納空間１４を区画形成するために、芯部材及び基質上に配置されている。シート部材１２は、設計上において、基質２と同じ形状及び大きさを有し、シート部材の縁部は、適当な押圧工具によって矩形の接着線１６において共に接着させられ、この工具は、接着をもたらすために、シート部材へ適当な熱及び圧力を提供するものである。接着線が接続領域４１，６１，８１上を延在する領域において、密着処理は、電極材料の多孔性が、塞がれることを引き起こし、これは、芯部材１０からの電解質の出口の遮蔽を形成する。この結果としてもたらされるセンサは、２ｍｍ以下の厚さを有している。
使用において、検知されるガスは、ＰＴＦＥ基質２を通り作動電極６へ浸透する。検知されるガスの拡散割合は、基質２の多孔性によって制御され、こうして、基質は、電池のための拡散制御となる。
図３を参照すると、これは、個人使用のために作られたガスセンサとしての使用に適した電気化学式電池を示しており、このガスセンサは、人の衣服のポケット内に配置されるか、又は、衣服の外側に取り付けられるカード形状である。このカードは、強固なプラスチック基質２０を具備し、この基質上に図１及び２に示した形状の電気化学式電池２２が取り付けられている。電子チップ２６が、さらに、基質２０上に取り付けられ、電池２２へ電気的に接続される。この電子チップ２６は、ＣＭＯＳ処理によって製造され、電源供給（バッテリ又は太陽電池が設けられる）と、電池の電極へ電圧印加するための制御回路と、警報信号をもたらすための出力手段とを提供する。カバー２８が、電池２２及びチップ２６を覆うように設けられる。穴部３０が、電池２２のＰＴＦＥ基質２への拡散及び制限されたガス通路のために基質に設けられる。
図４及び５を参照すると、本発明により構成された燃料電池として使用されるための電気化学式電池４０が示されている。この電池４０は、第一及び第二の可撓なシート部材４２，４４を具備し、各シート部材は、ガス透過性のＰＴＦＥから形成され、各シート部材の内側表面には、それぞれ電極領域４６，４８が印刷されている。充填された電解質材料を有する芯部材５０が、電極間に配置されている。二つのシート部材４２，４４は、矩形の形状であり、電解質のための密閉外被又は収納部を形成するために、その四つの縁部に沿って互いに接着される。図示されていないが、電極領域の一部は、図１及び２に示されたと同様な外部電気接続のために、接着領域を貫通してシート部材の縁部へ延在している。第一及び第二の矩形のガスマニホルド５２，５４が、マニホルドの間に燃料電池４０を挟持するための側壁５８のフランジ５６を有して、燃料電池４０の上側及び下側に配置される。これらのマニホルドは、第一及び第二ガスとして、一般的に、一方が燃料で他方が空気を、それぞれ、電池４０の片側へガス接近させることを可能とする。燃料及び空気は、各シート部材４２，４４を通り拡散し、各電極４６，４８で反応する。こうして、電気化学反応が、電極４６，４８で行われ、外部電気接続部に電気出力を発生する。
図５に示したように、多重電池４０は垂直積層体６０に積層され、第一ガスは、第二ガスが流入する積層体の一方側６４と直角をなす積層体の一方側６２から積層体へ流入する。電池４０への外部接続は、電池４０の積層体からの組み合わされた電気出力を提供するように、相互接続される。
【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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