JP2743574B2 - 電 池 - Google Patents
電 池Info
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- JP2743574B2 JP2743574B2 JP2289152A JP28915290A JP2743574B2 JP 2743574 B2 JP2743574 B2 JP 2743574B2 JP 2289152 A JP2289152 A JP 2289152A JP 28915290 A JP28915290 A JP 28915290A JP 2743574 B2 JP2743574 B2 JP 2743574B2
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- oxygen
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- air
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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- Cell Separators (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、酸素を活物質に用いるガス拡散電極と、ア
ルカリ水溶液等の電解液と、亜鉛，マグネシウム，アル
ミニウム等の金属、もしくはアルコール，ヒドラジン，
水素等の負極活物質とを備えた電池に関するものであ
る。
ルカリ水溶液等の電解液と、亜鉛，マグネシウム，アル
ミニウム等の金属、もしくはアルコール，ヒドラジン，
水素等の負極活物質とを備えた電池に関するものであ
る。
従来の技術 ガス拡散電極を備え、酸素を活物質とする電池として
は、空気電池，燃料電池等がある。特にアルカリ水溶
液，中性水溶液を電解質として使用する電池において
は、ガス拡散電極（酸素極）から内部の蒸気圧に応じて
水蒸気の出入りがあり、電池内電解液の濃度変化，体積
変化が起こり、これが電池諸特性に影響を与えていた。
ボタン型空気亜鉛電池を例にとり、第２図を用いてその
状況を説明する。
は、空気電池，燃料電池等がある。特にアルカリ水溶
液，中性水溶液を電解質として使用する電池において
は、ガス拡散電極（酸素極）から内部の蒸気圧に応じて
水蒸気の出入りがあり、電池内電解液の濃度変化，体積
変化が起こり、これが電池諸特性に影響を与えていた。
ボタン型空気亜鉛電池を例にとり、第２図を用いてその
状況を説明する。
図中１は酸素極（空気極）、２はガス拡散性はあるが
液体は阻止するポリテトラフルオロエチレン（PTFE）よ
りなる酸素極を支持する多孔膜である。３は外部からの
空気取り入れ孔、４は酸素極の支持と空気の拡散を行な
う多孔体、5,6はセパレータ、７は水酸化カリウム水溶
液と汞化亜鉛粉末との混合体から成る負極である。一般
にアルカリ電解液は水酸化カリウム水溶液を使用し、そ
の濃度は30〜35％で使用されている。
液体は阻止するポリテトラフルオロエチレン（PTFE）よ
りなる酸素極を支持する多孔膜である。３は外部からの
空気取り入れ孔、４は酸素極の支持と空気の拡散を行な
う多孔体、5,6はセパレータ、７は水酸化カリウム水溶
液と汞化亜鉛粉末との混合体から成る負極である。一般
にアルカリ電解液は水酸化カリウム水溶液を使用し、そ
の濃度は30〜35％で使用されている。
このため相対湿度が47〜59％より高いと外部の湿気を
取り込み電解液濃度の低下と体積膨張とが起こり、放電
性能の低下、電解液の漏液を生じていた。一方、相対湿
度が前記の範囲以下の場合には電解液の蒸発が起こり、
内部抵抗の増大や放電性能の低下をもたらしていた。従
って、環境雰囲気によって著しい影響を受け易いため長
期間保存後の特性に問題があり、空気電池や燃料電池は
ある特定の分野用に設計されるにとどまり、汎用化を図
る上で大きな課題を有していた。なお、図中８は負極容
器、９は絶縁ガスケット、10は正極容器である。
取り込み電解液濃度の低下と体積膨張とが起こり、放電
性能の低下、電解液の漏液を生じていた。一方、相対湿
度が前記の範囲以下の場合には電解液の蒸発が起こり、
内部抵抗の増大や放電性能の低下をもたらしていた。従
って、環境雰囲気によって著しい影響を受け易いため長
期間保存後の特性に問題があり、空気電池や燃料電池は
ある特定の分野用に設計されるにとどまり、汎用化を図
る上で大きな課題を有していた。なお、図中８は負極容
器、９は絶縁ガスケット、10は正極容器である。
発明が解決しようとする課題 これらの課題を改善するため、従来より種々の対策が
検討されてきた。例えば空気孔周辺の一部に電解液と反
応する物質を挿入し、電池外部への電解液漏出を防止す
る。あるいは紙または高分子材料よりなる不織布等の電
解液吸収材を設けて、電池外部への電解液漏出を防止す
る。さらに、空気孔に極端に小さくして酸素の供給量を
制限してまでも、水蒸気や炭酸ガスの電池内部への浸入
を防止する等の提案がなされているが、いずれの方法も
漏液防止や放電性能、特に長期間放電での性能に大きな
課題を残していた。これらの主要原因は空気中の水蒸気
の電池内への浸入による電解液の希釈と体積膨張、およ
び炭酸ガスの浸入による炭酸塩の生成に基づく放電反応
の阻害と空気流通経路の閉塞によるもので、外気が低湿
の場合には、逆に電解液中の水分の蒸発が性能低下の原
因となっていた。この原因を取り除くため、近年では、
水蒸気や炭酸ガスの透過を制御し、選択的に酸素を優先
して透過する膜を介して空気を酸素極に供給する方法、
例えばポリシロキサン系の無孔性の均一な薄膜や金属酸
化物あるいは金属原子を含有する有機化合物の薄膜と適
宜な多孔性膜とを一体化させた膜を用いる方法が提案さ
れていた。
検討されてきた。例えば空気孔周辺の一部に電解液と反
応する物質を挿入し、電池外部への電解液漏出を防止す
る。あるいは紙または高分子材料よりなる不織布等の電
解液吸収材を設けて、電池外部への電解液漏出を防止す
る。さらに、空気孔に極端に小さくして酸素の供給量を
制限してまでも、水蒸気や炭酸ガスの電池内部への浸入
を防止する等の提案がなされているが、いずれの方法も
漏液防止や放電性能、特に長期間放電での性能に大きな
課題を残していた。これらの主要原因は空気中の水蒸気
の電池内への浸入による電解液の希釈と体積膨張、およ
び炭酸ガスの浸入による炭酸塩の生成に基づく放電反応
の阻害と空気流通経路の閉塞によるもので、外気が低湿
の場合には、逆に電解液中の水分の蒸発が性能低下の原
因となっていた。この原因を取り除くため、近年では、
水蒸気や炭酸ガスの透過を制御し、選択的に酸素を優先
して透過する膜を介して空気を酸素極に供給する方法、
例えばポリシロキサン系の無孔性の均一な薄膜や金属酸
化物あるいは金属原子を含有する有機化合物の薄膜と適
宜な多孔性膜とを一体化させた膜を用いる方法が提案さ
れていた。
しかしながら、現在までのところ、充分に有効な酸素
ガス選択透過性が得られないことや水蒸気，炭酸ガスの
透過阻止能が充分でないことなどから、満足な放電性能
が得られず、長期の使用や貯蔵に耐えられないという技
術課題を持っていたので、実用化に至っていない。
ガス選択透過性が得られないことや水蒸気，炭酸ガスの
透過阻止能が充分でないことなどから、満足な放電性能
が得られず、長期の使用や貯蔵に耐えられないという技
術課題を持っていたので、実用化に至っていない。
そこで、本発明は上記の電池の貯蔵性，長期使用にお
ける性能を改善するとともに低負荷から高負荷に至る放
電条件で満足な放電性能を得るために、大気中の酸素ガ
スを選択的に充分な速度で電池内に取り入れ、大気中の
水蒸気及び炭酸ガスの電池内への浸入を長期にわたり防
止する有効な手段を提供することを目的とするものであ
る。
ける性能を改善するとともに低負荷から高負荷に至る放
電条件で満足な放電性能を得るために、大気中の酸素ガ
スを選択的に充分な速度で電池内に取り入れ、大気中の
水蒸気及び炭酸ガスの電池内への浸入を長期にわたり防
止する有効な手段を提供することを目的とするものであ
る。
課題を解決するための手段 本発明は酸素を活物質とするガス拡散電池と、外気に
通じる空気取り入れ孔を有する電池容器を備えた電池の
ガス拡散電極の空気取り入れ側と電池容器の内面との間
に、フッ素化ポリイミドの膜を酸素選択性透過膜として
介在させたものである。
通じる空気取り入れ孔を有する電池容器を備えた電池の
ガス拡散電極の空気取り入れ側と電池容器の内面との間
に、フッ素化ポリイミドの膜を酸素選択性透過膜として
介在させたものである。
さらにこの膜を支持する多孔質基材として耐アルカリ
性に優れたポリプロピレン，ポリエチレン等のポリオレ
フィン，フッ素樹脂，ポリスルフォン等を選び、検討を
深めて完成した。なお微多孔膜は単層であっても良い
が、取扱いや製造時あるいは使用時の強度を確保するた
めに、必要に応じた耐アルカリ性不織布をさらに一体化
した二層以上の構成としても良い。
性に優れたポリプロピレン，ポリエチレン等のポリオレ
フィン，フッ素樹脂，ポリスルフォン等を選び、検討を
深めて完成した。なお微多孔膜は単層であっても良い
が、取扱いや製造時あるいは使用時の強度を確保するた
めに、必要に応じた耐アルカリ性不織布をさらに一体化
した二層以上の構成としても良い。
ポリイミドをフッ素化すると気体透過性が大きくなる
ことが知られている。
ことが知られている。
本発明は、フッ素化ポリイミド膜を電池用として鋭意
検討の結果、上述の諸特性を総合的に満たし、これを適
用した電池の性能が極めて優れていることを見い出し完
成したものである。
検討の結果、上述の諸特性を総合的に満たし、これを適
用した電池の性能が極めて優れていることを見い出し完
成したものである。
作用 この構成により後述の実施例における電池試験の結果
からも明らかなように、電池用としての酸素透過速度と
同時に、水蒸気や炭酸ガスを大気から遮断する効果も共
に満足すべき状態であることにより、実用的な電池に要
求される高負荷放電性能と、高湿度や低湿度の雰囲気下
で長時間放電した場合の性能も共に満足することとな
る。
からも明らかなように、電池用としての酸素透過速度と
同時に、水蒸気や炭酸ガスを大気から遮断する効果も共
に満足すべき状態であることにより、実用的な電池に要
求される高負荷放電性能と、高湿度や低湿度の雰囲気下
で長時間放電した場合の性能も共に満足することとな
る。
実施例 本発明の一実施例を示す。
フッ素化ポリイミド膜を酸素選択性透過膜として使用
した電池およびさらに支持体としてポリプロピレン膜を
複合して使用した電池、比較例として上記膜を使用しな
い電池を試作評価して検討した。
した電池およびさらに支持体としてポリプロピレン膜を
複合して使用した電池、比較例として上記膜を使用しな
い電池を試作評価して検討した。
比較例の場合は第２図と全く同一に構成した。フッ素
化ポリイミド膜を使用した実施例1,2も第２図とほぼ同
様であり、第１図に示すようにPTFEの多孔膜２と酸素の
拡散を行なう多孔体４との間にそれぞれの実施例の複合
膜11が介在し、複合膜はフッ素化ポリイミド膜の側が空
気取り入れ孔３の側に対向するように配接した点が、第
２図と異なるのみである。
化ポリイミド膜を使用した実施例1,2も第２図とほぼ同
様であり、第１図に示すようにPTFEの多孔膜２と酸素の
拡散を行なう多孔体４との間にそれぞれの実施例の複合
膜11が介在し、複合膜はフッ素化ポリイミド膜の側が空
気取り入れ孔３の側に対向するように配接した点が、第
２図と異なるのみである。
試作した電池の形状は直径11.6mm,総高5.4mmであり、
比較的高負荷（75Ω）で20℃、常湿（60％RH）での連続
放電により電池内への空気中の酸素の取り込み速度の充
足性を評価し、比較的低負荷（3KΩ）で20℃、高湿度
（90％RH）及び低湿度（20％RH）での長期間連続放電に
より、長期の放電期間中の、雰囲気中の水蒸気の取り込
みや電池内の水分の蒸発、及び炭酸ガスの取り込みなど
電池性能への影響度を評価した。
比較的高負荷（75Ω）で20℃、常湿（60％RH）での連続
放電により電池内への空気中の酸素の取り込み速度の充
足性を評価し、比較的低負荷（3KΩ）で20℃、高湿度
（90％RH）及び低湿度（20％RH）での長期間連続放電に
より、長期の放電期間中の、雰囲気中の水蒸気の取り込
みや電池内の水分の蒸発、及び炭酸ガスの取り込みなど
電池性能への影響度を評価した。
試作した電池の内訳は第１表に示す通りである。また
第２表に試作電池の性能試験結果を示す。
第２表に試作電池の性能試験結果を示す。
第２表において放電止終電圧はいずれも0.9Vであり、
重量変化は放電試験前後の増減を示しており、主として
放電中の水分の取り込み、あるいは蒸発の多少を示唆す
る数値である。
重量変化は放電試験前後の増減を示しており、主として
放電中の水分の取り込み、あるいは蒸発の多少を示唆す
る数値である。
本発明の複合膜の支持体は耐アルカリ性の材料で構成
されている。これらの電池の特性を複合膜を使用してい
ない比較例と対比すると最も端的に本発明の効果が説明
できる。まず20℃、常湿での高負荷試験では放電期間が
短く、水分の取り込みや蒸発の影響や炭酸ガスの影響が
少ないので、電池の性能は酸素の供給速度が充分であれ
ば水分や炭酸ガスの透過阻止はあまり考慮する必要がな
い。従って、このような条件では比較例でも優れた特性
が得られる。これに対し前述の実施例1,2は比較例と同
等の放電特性が得られており、複合膜を透過する酸素の
速度が放電反応により消費される酸素の速度に充分追従
していることを示している。
されている。これらの電池の特性を複合膜を使用してい
ない比較例と対比すると最も端的に本発明の効果が説明
できる。まず20℃、常湿での高負荷試験では放電期間が
短く、水分の取り込みや蒸発の影響や炭酸ガスの影響が
少ないので、電池の性能は酸素の供給速度が充分であれ
ば水分や炭酸ガスの透過阻止はあまり考慮する必要がな
い。従って、このような条件では比較例でも優れた特性
が得られる。これに対し前述の実施例1,2は比較例と同
等の放電特性が得られており、複合膜を透過する酸素の
速度が放電反応により消費される酸素の速度に充分追従
していることを示している。
一方、低負荷放電の場合は放電期間が長く、しかも外
気が高湿度あるいは低湿度の場合には酸素の供給速度よ
りも水分や炭酸ガス、特に水分の透過防止が優れた電池
特性を得るために重要となる。水分や炭酸ガスの透過阻
止機構を持たない比較例の電池は水分の枯渇、あるいは
逆に水分の過剰取り入れによる漏液による空気孔の閉塞
などにより、放電の途中で電圧が低下し、高負荷試験で
得られた放電容量の一部分に相当する容量が得られるに
過ぎない。また放電途中での漏液は実用面で致命的な問
題であることは言うまでもない。これに対し実施例は極
めて優れた性能を示し、これら高負荷試験の放電容量と
ほぼ等しい容量が得られている。これらの傾向は試験雰
囲気が高湿度，低湿度、いずれの場合とも同様である。
このことは、実施例の場合、複合膜の水分の透過阻止効
果が充分に発揮されていることを示している。
気が高湿度あるいは低湿度の場合には酸素の供給速度よ
りも水分や炭酸ガス、特に水分の透過防止が優れた電池
特性を得るために重要となる。水分や炭酸ガスの透過阻
止機構を持たない比較例の電池は水分の枯渇、あるいは
逆に水分の過剰取り入れによる漏液による空気孔の閉塞
などにより、放電の途中で電圧が低下し、高負荷試験で
得られた放電容量の一部分に相当する容量が得られるに
過ぎない。また放電途中での漏液は実用面で致命的な問
題であることは言うまでもない。これに対し実施例は極
めて優れた性能を示し、これら高負荷試験の放電容量と
ほぼ等しい容量が得られている。これらの傾向は試験雰
囲気が高湿度，低湿度、いずれの場合とも同様である。
このことは、実施例の場合、複合膜の水分の透過阻止効
果が充分に発揮されていることを示している。
以上を総合して、微多孔質膜上にフッ素化ポリイミド
膜を設けた複合膜を用いた試作電池は、高負荷特性，低
負荷特性ともに優れ、外部雰囲気の変化も良好であり、
特に耐アルカリ性の微多孔質膜を支持体に用いた場合に
優れた電池を提供できることが結論できる。さらに実施
例に示したフッ素化ポリイミド膜を支持する微多孔質膜
は、他のアルカリ性を有する微多孔質膜、例えばナイロ
ン製微多孔膜でも同様の効果が得られる。
膜を設けた複合膜を用いた試作電池は、高負荷特性，低
負荷特性ともに優れ、外部雰囲気の変化も良好であり、
特に耐アルカリ性の微多孔質膜を支持体に用いた場合に
優れた電池を提供できることが結論できる。さらに実施
例に示したフッ素化ポリイミド膜を支持する微多孔質膜
は、他のアルカリ性を有する微多孔質膜、例えばナイロ
ン製微多孔膜でも同様の効果が得られる。
なお、実施例では複合膜の薄膜側を空気取り入れ孔側
に当接させた場合でもほぼ同一の結果となることを確認
している。
に当接させた場合でもほぼ同一の結果となることを確認
している。
また、上記実施例では本発明の複合膜を電池容器との
間に空気拡散用の多孔体を介して設置したが、本発明の
複合膜は微多孔膜、場合によってはさらに不織布を一体
化した支持体より構成されており、前記空気拡散用の多
孔体を除いても電池特性の差異はない。また塩化アンモ
ニウム，塩化亜鉛などの中性塩の水溶液を電解液に用い
た空気電池に対しても、実施例で示したアルカリ性の電
解液に用いた電池と同様の効果があることも確認してお
り、実施例と同様の理由で本発明の作用を説明できる。
間に空気拡散用の多孔体を介して設置したが、本発明の
複合膜は微多孔膜、場合によってはさらに不織布を一体
化した支持体より構成されており、前記空気拡散用の多
孔体を除いても電池特性の差異はない。また塩化アンモ
ニウム，塩化亜鉛などの中性塩の水溶液を電解液に用い
た空気電池に対しても、実施例で示したアルカリ性の電
解液に用いた電池と同様の効果があることも確認してお
り、実施例と同様の理由で本発明の作用を説明できる。
発明の効果 以上の説明で明らかなように、本発明によるフッ素化
ポリイミド膜によれば、中性もしくはアルカリ性の水溶
液を電解液とする電池の高負荷から低負荷にわたる優れ
た実用性能と、優れた耐漏液性，長期貯蔵性を具備させ
ることができるという効果が得られる。
ポリイミド膜によれば、中性もしくはアルカリ性の水溶
液を電解液とする電池の高負荷から低負荷にわたる優れ
た実用性能と、優れた耐漏液性，長期貯蔵性を具備させ
ることができるという効果が得られる。
第１図は本発明の実施例及び比較例の検討に用いたボタ
ン形空気亜鉛電池の断面図、第２図は複合膜を使用して
いない従来のボタン形空気亜鉛電池の断面図である。 １……酸素極（空気極）、２……撥水膜、３……空気取
り入れ孔、４……多孔膜、5,6……セパレータ、７……
負極亜鉛、８……負極容器、９……絶縁ガスケット、10
……正極容器、11……複合膜。
ン形空気亜鉛電池の断面図、第２図は複合膜を使用して
いない従来のボタン形空気亜鉛電池の断面図である。 １……酸素極（空気極）、２……撥水膜、３……空気取
り入れ孔、４……多孔膜、5,6……セパレータ、７……
負極亜鉛、８……負極容器、９……絶縁ガスケット、10
……正極容器、11……複合膜。
Claims (2)
- 【請求項１】酸素を活物質とするガス拡散電極と、外気
に通じる空気取り入れ孔を有する電池容器を備え、前記
ガス拡散電極の空気取り入れ側と前記電池容器の内面と
の間に、フッ素化ポリイミドの薄膜を設けたことを特徴
とする電池。 - 【請求項２】前記フッ素化ポリイミド膜の支持体として
ポリオレフィン，フッ素樹脂，ポリスルフォンのいずれ
かを主成分とする耐アルカリ性微多孔膜を用いたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2289152A JP2743574B2 (ja) | 1990-10-25 | 1990-10-25 | 電 池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2289152A JP2743574B2 (ja) | 1990-10-25 | 1990-10-25 | 電 池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04162373A JPH04162373A (ja) | 1992-06-05 |
| JP2743574B2 true JP2743574B2 (ja) | 1998-04-22 |
Family
ID=17739439
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2289152A Expired - Fee Related JP2743574B2 (ja) | 1990-10-25 | 1990-10-25 | 電 池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2743574B2 (ja) |
-
1990
- 1990-10-25 JP JP2289152A patent/JP2743574B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04162373A (ja) | 1992-06-05 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |