JP6001429B2

JP6001429B2 - 水電池

Info

Publication number: JP6001429B2
Application number: JP2012261719A
Authority: JP
Inventors: 石川　忠; 忠石川; 良明長谷部
Original assignee: Aqua Power System Japan
Current assignee: Aqua Power System Japan
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: JP2014107243A

Description

本発明は、水を注入して発電する水電池に関する。

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、活性炭等からなる粉末充填材と、粉末充填材に差し込まれたロッド状の正極集電体と、水を粉末充填材に供給するための吸収部材とを含む水電池が開示されている。

実用新案登録第３１１２８６９号公報

特許文献１に開示された水電池では、負極外筒体の底面に位置する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粉末充填材に浸透し、両電極間に起電力を生じさせることができる。また、使用によって水電池が放電した後に、注水口から水をさらに注入することによって、再び電気を発生させることができる。

しかし、非常時や災害時等において、水を予め用意することができない状況においては、直ちに発電することができない。また、スポイト内に水を注入し、それを注水口から水電池の内部に注入するという作業は比較的に手間であり、素早い対応が求められる緊急時においては、より迅速に最初の発電がおこなわれることが求められていた。

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、注水口から水を注水することなく、ワンプッシュで最初の発電を行うことのできる水電池の提供にある。

前記課題を解決するために、本発明は、長さ方向と、前記長さ方向において互いに対向する第１側及び第２側とを有し、負極筒体と、前記負極筒体の内部に充填された粉末充填材と、前記第１側に位置する端子とを含む水電池に関する。

本発明に係る水電池は、前記端子は、前記第１側の前記負極筒体の端部と離間してその外側に位置する押圧部と、前記押圧部から延出して前記負極筒体の前記端部から内部へ延びる脚部とを有し、前記負極筒体の前記第１側の内部には、内部に液体が収容された液収容部が配置されており、前記液収容部は、弾性を有する前記第１側の第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面と、前記第１面に位置して前記脚部と当接する支持部と、前記内部において前記支持部から前記第２側へ先鋭状に延びる針部とを有し、前記押圧部を押圧することによって、前記支持部が前記第２側へ移動して前記第１面が前記第２側へ凸曲状に弾性変形し、前記針部の先端が前記第２面を貫通することを特徴とする。

本発明の好ましい実施態様の一つとして、前記端子の前記押圧部と前記負極筒体の前記端部との間には、軟質プラスチック製のストッパーリングが取り外し可能に配置される。

本発明の他の好ましい実施態様の一つとして、前記ストッパーリングは、前記脚部が貫通する透孔を有する円筒部と、円筒部から延出する摘持部とを有する。

本発明のさらに他の好ましい実施態様の一つとして、前記脚部と前記針部とは別体に形成されており、前記脚部は金属製であって、前記針部はプラスチック材料から形成される。

本発明のさらに他の好ましい実施態様の一つとして、前記液収容部の前記第１面は、外周縁から前記支持部が位置する中央部に向かって次第に肉薄になるように形成される。

本発明のさらに他の好ましい実施態様の一つとして、前記液収容部の前記第２面は、外周縁から前記支持部から前記第２側へ延出する前記針部と対向する中央部に向かって次第に肉薄になるように形成される。

本発明のさらに他の好ましい実施態様の一つとして、前記粉末充填材に挿抜可能に挿入された正極集電体をさらに有し、前記正極集電体の一端が前記負極筒体の前記第２側の端部から外側へ延出して正極端子に被嵌される。

本発明のさらに他の好ましい実施態様の一つとして、前記負極筒体の前記第２側の端部には、複数の注水口を有して前記負極筒体内へ延びる封止栓が位置し、前記封止栓の内方には貯水スペースが位置する。

本発明のさらに他の好ましい実施態様の一つとして、前記針部は、前記支持部に固定された基端部と、前記基端部から前記第２側へ延びる先鋭部とを有し、前記先鋭部には液収容部内の液体を誘導するための複数の溝が形成される。

本発明に係る水電池は、負極筒体の内部に水等の液体が収納された袋状の液収容部を有し、負極端子（端子）の押圧部を押圧することによって、脚部が液収容部の第１面に位置する支持部を第２側へ移動させ、支持部から第２側に延びる針部の先端が液収容部の第２面を貫通して液体が粉末充填材に浸透して発電する。したがって、災害等の緊急時において水を用意して注水口から注水する必要がなく、ワンプッシュで速やかに最初の発電をすることができる。

水電池の斜視図。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面図。水電池の分解斜視図。図２のＩＶ線で囲む拡大図。ストッパーリングの拡大斜視図。液収容部の拡大破断斜視図。負極端子の拡大斜視図。針部の拡大斜視図。図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う模式的断面図。使用状態における図４と同様の拡大図。水電池の使用状態を示す、照明・電力供給装置の斜視図。照明・電力供給装置の分解図。

図１及び２を参照すると、水電池１０は、長さ方向及び周方向と、縦方向において離間対向する第１及び第２端側１１，１２と、第１及び第２側１１，１２との間において、水電池１０の長さ方向に延びる筒状の外周面部１３とを有する。

水電池１０は、円筒状の外形を形成する、例えば、鉄とニッケルの合金系のステンレス等から形成された外筒体１４と、外筒体１４の内周面に接する筒状の負極筒体１５と、負極筒体１５の内部に充填された酸化物質（正極活物質）からなる粉末充填材１６と、負極筒体１５の内部中央において、粉末充填材１６に挿入された、電荷を集めるための主として炭素から形成されたロッド状の正極集電体１７とを含む。正極集電体１７は、第２側１２において、外筒体１４の縦外方へ突出し、その突出部がステンレス製等の正極端子１８で被嵌されている。

図３及び７を参照すると、第１側１１には、平坦状の押圧部２０と、押圧部２０の中央から延出する脚部２１とを有する負極端子２２が位置する。脚部２１には、押圧部２０に近接して、その外周から突出する鍔状の返し部２１ａが位置する。負極端子２２の押圧部２０と、外筒体１４の第１側１１の端部との間には、硬質プラスチック製のストッパーリング２４が配置される。図３及び５を参照すると、ストッパーリング２４は、中央部に負極端子２２の脚部２１を挿通するための開口２５を有する円筒部２６と、円筒部２６から延出して指を引っ掛けるための突起２７ａを有する摘持部２７とを有する。円筒部２６の一部には、開口２５と連通するスリット２８が設けられており、スリット２８の幅寸法は負極端子２２の脚部２１の幅寸法よりも小さくなっている。また、円筒部２６の開口２５は、その内径が負極端子２２の脚部２１の直径よりも僅かに小さいものであって、該開口２５に脚部２１が挿入された状態において脚部２１は回転不能に保持されており、負極端子２２は、ストッパーリング２４によってその外筒体１４側への移動が規制される。

操作者は、水電池１０の使用時において、ストッパーリング２４の摘持部２７を摘んで外筒体１４の周方向の外側へ引っ張ることによって、円筒部２６の一部を弾性変形させながら負極端子２２の脚部２１をスリット２８に通過させ、ストッパーリング２４を負極端子２２と外筒体１４の開口１４ａとの間から取り外すことができる。水電池１０の使用前の状態において、ストッパーリング２４は、負極端子２２の押圧部２０と外筒体１４とに挟持された状態であるので、不用意に取り外れることはない。本実施形態において、ストッパーリング２４の円筒部２６は断面円形であるが、三角形や四角形等の矩形状であってもよい。また、ストッパーリング２４が、クリップのように、一対の摘持部と、それらに連接された内周壁部とを有し、一対の摘持部を互いに近づくように操作することによって、周壁部が互いに離隔する方向へ移動することによって、脚部に容易に着脱させることもできる。

図３及び５を参照すると、負極筒体１５の内部の第１側１１には、水や食塩水等の電気化学反応の触媒となりうる液体（本実施形態では水Ｗ）が収容された袋状の液収容部（液収容袋）３０が位置する。液収容部３０は、弾性材料、例えば、シリコン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂等の各種公知の熱可塑性樹脂から形成される。液収容部３０は、中空であって、第１側１１に位置する第１面３１及び第２側１２に位置する第２面３２と、第１面３１の外周縁壁を形成する突出縁部３３と、第１面３１の中央に位置する支持部３４とを有する。支持部３４は、第１面３１から第１側１１へ突出する第１嵌合部３４ａと、第１面３１の内面から第２側１２へ突出する、第２嵌合部３４ｂとを有する。第１嵌合部３４ａには負極端子２２の脚部２１の先端部が嵌合され、第２嵌合部３４ｂには針部３５の基端部３５ｂが嵌合されている。第１嵌合部３４ａの内径は負極端子２２の脚部２１の外径と同じ大きさ又はそれよりも僅かに小さく、脚部２１は第１嵌合部３４ａに圧入された状態で保持されている。また、第２嵌合部３４ｂの内径は、針部３５の基端部３５ｂの外径と同じ大きさ又はそれよりも僅かに小さく、針部３５の基端部３５ｂは第２嵌合部３４ｂに圧入された状態で保持されている。脚部２１及び針部３５の基端部３５ｂとは、それらが安定的に支持部３４に固定されるために、第１及び第２嵌合部３４ａ，３４ｂの底面に接着又は溶着されていてもよい。

図４を参照すると、液収容部３０の第１面３１は、ダイアフラムのような柔軟性を有し、支持部３４を第１側１１から第２側１２へ向かって押圧することによって、第２側１２へ凸曲する。液収容部３０の各種寸法について言えば、水電池が３単電池の大きさである場合において、全体の直径Ｄ１が約８．０〜１２．０ｍｍ、支持部３４の直径Ｄ２が約１．５〜３．５ｍｍ、第１，第２嵌合突出部３４ａ，３４ｂの直径Ｄ３が約０．７〜１．０ｍｍである。また、図４を参照すると、液収容部３０の第１面３１は、所要の可撓性を発揮するために、中央に位置する支持部３４に向かうにつれて肉薄になっており、第１面３１の外周縁側の最も肉厚部位の厚さＴ１は約０．４〜０．６ｍｍ、第1面３１の支持部３４近傍の肉薄部位の厚さＴ２は約０．２〜０．４ｍｍである。第２面３２は、外周縁側が第１面３１と同様に肉厚であるのに対し、その内周部分が第２側１２へ移動する針部３５が貫通できる程度に肉薄であって、肉厚部位の厚さＴ３は約０．４〜０．６ｍｍ、肉薄部位の厚さＴ４は約０．２〜０．４ｍｍである。

図８及び９を参照すると、針部３５は、負極端子２２の脚部２１及び液収容部３０とは、別体の金属製又はプラスチック製であって、液収容部３０の支持部３４の第２嵌合部３４ｂに圧入、接着又は溶着によって固定される基端部３５ｂと、基端部３５ｂから先細状に延びる先鋭部３５ａとを有する。先鋭部３５ａは、断面略十字状であって、液収容部３０の第２面１２を貫通したときに、その内部の液体を粉末充填材１６に供給するためのガイドとなる複数の溝（ガイド溝）３６が設けられている。本実施形態において、負極端子２２の脚部２１と針部３５とは、別体に形成されているが、支持部３４の第１及び第２嵌合部３４ａ，３４ｂを貫通させて、一体に形成してもよい。ただし、別体に形成する場合には、金属製の負極端子２２と異なり、針部３５をプラスチック材料から形成することができ、他の金属が粉末充填材１６と接触することによって生じるおそれのある起電力への影響を避けることができる。

再び、図２及び３を参照すると、水電池１０の第２側１２は、封止栓４０で形成されており、封止栓４０には、２回目以降の発電において、水電池１０内部に水を注入するための一対の注水口４１が設けられる。封止栓４０は、プラスチック、ガラス、セラミック等の各種の絶縁材料から形成された、中央に正極端子１８が貫通するための透孔４２ａを有するリング状の蓋部４２と、中央に正極集電体１７が貫通するための透孔４３ａを有し、かつ、蓋部４２とそれを貫通する正極端子１８のフランジ部位とが配置される受部４３とを含む。封止栓４０によって負極筒体１５と正極集電体１７との導通が遮断される。注水口４１は、一対ではなく複数形成されていてもよいし、電気反応によって内部に発生して充満した気体を外部へ放出するための排気口としての役割を兼ねる。

封止栓４０の内面には、ＰＥＴシールからなる透水性シールと不織布シートとを貼り合せ形成された、通気透液性を有する逆止弁シート４４が配置される。逆止弁シート４４の中央部には透孔４４ａが形成されており、該透孔４４ａを正極集電体１７が貫通する。逆止弁シート４４の内方には、逆止弁シート４４と保水シート４６とを離間させ、かつ、正極集電体１７を支持するためのリング状のスペーサ４５が配置される。

スペーサ４５の周縁には、注入された水を貯水するための貯水スペース４７が設けられており、スペーサ４５の内面に接して保水シート４６が嵌挿されている。保水シート４６は、熱圧縮されたシート状のスポンジから形成されており、注水口４１から注入された水を吸収、保持することによって貯水スペース４７に膨張し、粉末充填材１６が外部に漏れるのを防止する。

負極筒体１５は、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、亜鉛等またはそれらを少なくとも２種以上含む合金から作られており、その外周面が、外筒体１４の内周面に当接し、接着又は溶着される。外筒体１４の第２側１２の端縁は内方へ延び、負極筒体１５の端縁上に重なって位置する。

粉末充填材１６は、比較的に酸化力が強い導電体、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る。これらの物質は減極機能をも有するものであって、混合物の種類、混合比率等は、所要の酸化力に応じて自由に設計される。粉末充填材１６は、透液性の繊維不織布シートによって形成されたセパレータ１９によって全体が被包される。正極集電体１７は、この種の分野で一般的に使用される、例えば、導電性が比較的に強い、電気化学的に安定な、炭素棒、エボナイト棒等から形成される。

図２及び１０を参照すると、使用者がストッパーリング２４の摘持部２７を摘んで引っ張り、ストッパーリング２４を取り外した後、負極端子２２の押圧部２０を内方へ押すことによって、液収容部３０の第１面３１の支持部３４が下方に移動し、第１面３１が第２側１２へ凸曲状に弾性変形して、針部３５の先鋭部３５ａがそれに対向する第２面３２の中央部を貫通する。針部３５が液収容部３０の第２面３２を貫通することによって、針部３５の先鋭部３５ａのガイド溝３６に沿って水Ｗがセパレータ１９を介して粉末充填材１６に浸透して拡散される。負極筒体１５を構成するマグネシウムは浸透した水の酸素と結びついて酸化反応を生じ、水素が粉末充填材１６を構成する活性炭、二酸化マンガンと結合することによって、起電力が発生する。液収容部３０内の水Ｗが排出されることによって、内部の水位ＷＬは低くなる。

図４及び５を参照すると、ストッパーリング２４の厚さ寸法Ｔ５は約１．５〜３．５ｍｍであって、ストッパーリング２４を取り外した後、負極端子２２を押圧したときには、該厚さ寸法Ｔ５とほぼ同じ分だけ針部３５は下方に移動するので、図４に示すとおり、先鋭部３５ａの先端と液収容部３０との離間寸法Ｒは、ストッパーリング２４の厚さ寸法Ｔ５とほぼ同じ大きさまたはそれよりも僅かに小さいことが好ましい。離間寸法Ｒが約１．５ｍｍよりも小さい場合には、水電池１０が搬送されているときや比較的に衝撃を受けたとき等に、先鋭部３５ａの先端が第２面３２に触れて貫通し、不用意に水が粉末充填材１６に注入されるおそれがある。一方、離間寸法Ｒが３．５ｍｍ以上、すなわち、ストッパーリング２４の厚さ寸法Ｔ５よりも大きい場合には、負極端子２２を強く押圧しても、針部３５が液収容部３０の第２面３２を貫通せず、起電力を発生させることができないおそれがある。

この種のマグネシウムを使用した水電池は、水を注入しない限りは電気化学反応を生じないので、長期保存が可能であり、通常、２０年近く保存が可能であるが、緊急時や災害時の迅速性が求められる際に、水を用意して、スポイトで注水口に水を注入するという作業が手間であった。本実施形態の水電池１０によれば、内部に水が予め収容されているので、緊急時に水を用意することなく、ストッパーリング２４を取り外した後に、ワンプッシュで、より簡易かつ迅速に、発電可能な状態とすることができる。液収容部３０に収容されている水を使用することによって、水電池１０は約１．５Ｖの起電力を約２時間程度持続させることができる。水電池１０は、水を注入することによって何回も使用可能であるところ、２回目以降の注水は、第２側１２の注水口４１からスポイト等を使用して内部に水を注入することによって行うことができる。注水口４１から注入された水は保水シート４６に迅速に吸収され、セパレータ１９に浸透して粉末充填材１６に拡散される。

既述のとおり、負極端子２２の脚部２１には、外周縁から外部に突出して第２側１２へ向かって幅狭となる鍔状の返し部（上方抜け止め手段）２１ａが位置する。返し部２１ａは、外筒体１４の開口１４ａの開口縁の内方に位置しており、起電後に負極端子２２が外筒体１４から脱落するのを防止する。負極筒体１５の第１側１１の端部は外周縁がフランジ状であって、負極端子２２の押圧部２０は、負極筒体１５の端部に押し当てられた状態でその内面が端部の該フランジ部位に囲まれた中央の凹部に嵌合されており、水電池１０の第１側１１の端部は全体として平坦状を有する。

＜使用例＞
図１１を参照すると、水電池１０は、例えば、ＬＥＤ照明を有する照明・電力供給装置６０の電力源として使用することができる。照明・電力供給装置６０は、本体６１と本体に取り外し可能に取り付けられた上下蓋体６２，６３とを有する。本体６１は、台座部６４と、台座部６４に配置された、透明又は半透明のプラスチック又はガラス管等から形成された筒状体６３と、台座部６４に取り付けられ、筒状体６３の内部に位置する複数のＬＥＤランプから形成された光源６５と、光源６５からの光を反射するための光源６５に向かって先鋭状に延びる略円錐状の反射体６６とを有する。上蓋体６２には、枠状の手持ち部６７と、光源６５のオンオフや光の強弱を調整するためのつまみ部６８が配置される。また、下蓋体６４には、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ポータブル音楽プレーヤー等を充電するためのプラグ差し込み口を有するコンセント部７０が位置する。

図１２を参照すると、台座部６４の内部には、下蓋体６４に支持されたソケット部材７２が配置される。ソケット部材７２は、複数の分離壁７３を有し、分離壁７３によって区分されたスペースには複数の水電池１０が各端子７４に電気的に接触して配置される。照明・電力供給装置６０は、手持ち部６７を有することによって持ち運び可能であって、災害などの緊急時に光源として使用することができる。また、複数の水電池１０を用いることによって、携帯電話等の電源としても利用することができる。なお、図示していないが、例えば、反射体６６を中空に形成してその内部に単数又は複数の水電池１０を配置し、上蓋体６２に形成された開口から水を水電池１０の注水口４１に直接供給することによって、２回目以降の発電をスムーズに行うようにしてもよい。

１０水電池
１１第１側
１２第２側
１５負極筒体
１６粉末充填材
１７正極集電体
１８正極端子
２０押圧部
２１脚部
２２負極端子（端子）
２４ストッパーリング
２６円筒部
２７摘持部
３０液収容部
３１第１面
３２第２面
３４支持部
３５針部
３５ａ先鋭部
３５ｂ基端部
４０封止栓
４１注水口
４７貯水スペース
Ｗ水（液体）

Claims

長さ方向と、前記長さ方向において互いに対向する第１側及び第２側とを有し、負極筒体と、前記負極筒体の内部に充填された粉末充填材と、前記第１側に位置する端子とを含む水電池において、
前記端子は、前記第１側の前記負極筒体の端部と離間してその外側に位置する押圧部と、前記押圧部から延出して前記負極筒体の前記端部から内部へ延びる脚部とを有し、
前記負極筒体の前記第１側の内部には、内部に液体が収容された液収容部が配置されており、前記液収容部は、弾性を有する前記第１側の第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面と、前記第１面に位置して前記脚部と当接する支持部と、前記内部において前記支持部から前記第２側へ先鋭状に延びる針部とを有し、
前記押圧部を押圧することによって、前記支持部が前記第２側へ移動して前記第１面が前記第２側へ凸曲状に弾性変形し、前記針部の先端が前記第２面を貫通することを特徴とする前記水電池。
前記端子の前記押圧部と前記負極筒体の前記端部との間には、軟質プラスチック製のストッパーリングが取り外し可能に配置される請求項１に記載の水電池。
前記ストッパーリングは、前記脚部が貫通する透孔を有する円筒部と、円筒部から延出する摘持部とを有する請求項２に記載の水電池。
前記脚部と前記針部とは別体に形成されており、前記脚部は金属製であって、前記針部はプラスチック材料から形成される請求項１〜３のいずれかに記載の水電池。
前記液収容部の前記第１面は、外周縁から前記支持部が位置する中央部に向かって次第に肉薄になるように形成される請求項１〜４のいずれかに記載の水電池。
前記液収容部の前記第２面は、外周縁から前記支持部から前記第２側へ延出する前記針部と対向する中央部に向かって次第に肉薄になるように形成される請求項１〜５のいずれかに記載の水電池。
前記粉末充填材に挿抜可能に挿入された正極集電体をさらに有し、
前記正極集電体の一端が前記負極筒体の前記第２側の端部から外側へ延出して正極端子に被嵌される請求項１〜６のいずれかに記載の水電池。
前記負極筒体の前記第２側の端部には、複数の注水口を有して前記負極筒体内へ延びる封止栓が位置し、前記封止栓の内方には貯水スペースが位置する請求項１〜７のいずれかに記載の水電池。
前記針部は、前記支持部に固定された基端部と、前記基端部から前記第２側へ延びる先鋭部とを有し、前記先鋭部には前記液収容部内の液体を誘導するための複数の溝が形成される請求項１〜８のいずれかに記載の水電池。