ЭЛЕМЕНТ С ВОЗДУШНОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЕЙ И СОБРАННАЯ БАТАРЕЯ С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Российский патент 2015 года по МПК H01M12/06 H01M2/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к элементу с воздушной деполяризацией. Настоящее изобретение также относится к собранной батарее, включающей в себя множество элементов с воздушной деполяризацией. Более конкретно, настоящее изобретение относится к элементу с воздушной деполяризацией, способному уменьшать внутреннее сопротивление собранной батареи с использованием элемента с воздушной деполяризацией.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Элементы с воздушной деполяризацией (также называемые металловоздушными элементами) представляют собой гальванические элементы, использующие кислород воздуха в качестве активного вещества, и являются экономичными источниками электроэнергии, пригодными для использования в течение длительного периода времени без технического обслуживания. В целом, известны кнопочные элементы, причем каждый обладает конструкцией, в которой металлический корпус отрицательного электрода сопряжен через прокладку с металлическим корпусом положительного электрода, имеющим отверстия для воздуха. Во внутреннем пространстве сопряженного корпуса размещены отрицательный электрод, сепаратор, воздушный электрод (положительный электрод), водоотталкивающая пленка и электролитический раствор. В таком кнопочном элементе внутреннее пространство сопряженного корпуса разделено сепаратором, пропитанным электролитическим раствором. Одно из отделенных пространств, заполненное цинком, служит отрицательным электродом, а другое пространство, снабженное катализатором, служит воздушным электродом (положительным электродом). Кроме того, с противоположной стороны сепаратора на стороне воздушного электрода помещена водоотталкивающая пленка из пористой пленки политетрафторэтилена (ПТФЭ).

[0003] В патентном документе 1 раскрыто, что пористую пленку ПТФЭ, составляющую водоотталкивающую пленку, подвергают определенной обработке для того, чтобы усилить обезвоживающие характеристики водоотталкивающей пленки и тем самым дополнительно продлить срок службы кнопочного элемента.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА

[0004] Патентный документ 1: Японский патент 3034110.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Однако исследования авторов выявили, что в используемом для собранной батареи элементе с воздушной деполяризацией нельзя гарантировать достаточную работоспособность собранной батареи, используя только водоотталкивающую пленку с высокими водоотталкивающими характеристиками, как раскрыто в патентном документе 1. Это происходит из-за того, что такая проблема возникает из-за увеличения внутреннего сопротивления, как правило, в водоотталкивающей пленке, о чем вовсе не упоминается в патентном документе 1, относящемся к кнопочной батарее.

[0006] Настоящее изобретение было сделано с учетом недавно возникшей проблемы, описанной выше. Задача настоящего изобретения состоит в предоставлении элемента с воздушной деполяризацией, позволяющего снизить внутреннее сопротивление, и собранной батареи, содержащей множество таких элементов с воздушной деполяризацией.

[0007] Элемент с воздушной деполяризацией согласно одному аспекту настоящего изобретения включает в себя: слой положительного электрода; слой электролита, наложенный на слой положительного электрода; слой отрицательного электрода, наложенный на слой электролита; и электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой, наложенный на слой положительного электрода на противоположной стороне от слоя электролита.

[0008] Собранная батарея согласно другому аспекту настоящего изобретения включает в себя множество элементов с воздушной деполяризацией согласно упомянутому аспекту настоящего изобретения. Между электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем первого элемента с воздушной деполяризацией и слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией, расположен проточный канал, через который протекает кислородсодержащий газ. Первый элемент с воздушной деполяризацией электрически соединен со слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] [Фиг.1] Фиг.1 представляет собой вид в поперечном сечении, показывающий схематичную конструкцию собранной батареи согласно первому варианту воплощения настоящего изобретения.

[Фиг.2] Фиг.2 представляет собой вид в поперечное сечение, показывающий схематичную конструкцию собранной батареи согласно второму варианту воплощения настоящего изобретения.

[Фиг.3] Фиг.3 представляет собой вид в поперечном сечении, показывающий схематичную конструкцию собранной батареи согласно третьему варианту воплощения настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

[0010] В дальнейшем элемент с воздушной деполяризацией и собранная батарея согласно настоящему изобретению будут объяснены подробно со ссылкой на чертежи. Следует отметить, что соотношения размеров на чертежах преувеличены для удобства объяснения и могут отличаться от действительных соотношений.

Элемент с воздушной деполяризацией

[0011] Элемент 10 с воздушной деполяризацией согласно варианту воплощения настоящего изобретения имеет строение, показанное на фиг.1, при котором слой 11 отрицательного электрода, слой 13 электролита и слой 12 положительного электрода последовательно наложены один поверх другого. Элемент 10 с воздушной деполяризацией дополнительно включает в себя электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой 14, наложенный на слой 12 положительного электрода с противоположной стороны от слоя 13 электролита. То есть, показанный на фиг.1 элемент 10 с воздушной деполяризацией включает в себя положительный электрод 12, проложенный между электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем 14 и слоем 13 электролита. Здесь «электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем» является слой, который обладает электропроводностью и воздухопроницаемостью и выполняет функцию изолирования жидкости в слое электролита и подавления ее перемещения, тем самым предотвращая вытекание жидкости из слоя электролита. Благодаря такому строению элемент 10 с воздушной деполяризацией имеет широкий путь проводимости для того, чтобы уменьшить внутреннее сопротивление. В данном описании «путь проводимости» представляет путь тока, протекающего в элементе с воздушной деполяризацией. То есть, направление, перпендикулярное наложенным поверхностям соответствующих слоев, входящих в состав элемента с воздушной деполяризацией данного варианта воплощения, называют «направлением пути проводимости», и путь проводимости простирается в этом направлении.

Собранная батарея

[0012] Собранная батарея согласно варианту воплощения настоящего изобретения включает в себя множество элементов с воздушной деполяризацией согласно настоящему изобретению. Собранная батарея снабжена проточным каналом, через который протекает кислородосодержащий газ, расположенным между электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем первого элемента с воздушной деполяризацией и слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией. Первый элемент с воздушной деполяризацией электрически соединен со слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой. Такое строение может снизить внутреннее сопротивление в электропроводящем непроницаемом для жидкости вентиляционном слое и увеличить ширину пути проводимости, и, следовательно, уменьшить внутреннее сопротивление. Здесь ″электрически соединен″ включает в себя и последовательное соединение, и параллельное соединение. В частности, последовательнее соединение может увеличить ширину пути проводимости и уменьшить длину пути проводимости с тем, чтобы дополнительно снизить внутреннее сопротивление.

[0013] Собранная батарея согласно настоящему изобретению предпочтительно включает в себя электропроводящее пористое тело внутри проточного канала. Благодаря такому строению слой положительного электрода первого элемента воздушной поляризации электрически соединен со слоем отрицательного электрода другого элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией, через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой и электропроводящее пористое тело в проточном канале. В результате внутреннее сопротивление может быть уменьшено. Направление толщины соответствующих слоев в элементах воздушной поляризацией предпочтительно является практически параллельным направлению пути проводимости в собранной батарее, что может уменьшить внутреннее сопротивление непроницаемого для жидкости вентиляционного слоя. Дополнительно, слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией может быть электрически соединен со слоем отрицательного электрода другого элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией, через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой и электропроводящее пористое тело в проточном канале. Такое строение содействует увеличению ширины пути проводимости и уменьшению длины пути проводимости, тем самым дополнительно снижая внутреннее сопротивление. Состояние соединения предпочтительно представляет собой параллельное соединение с учетом описанного выше аспекта.

[0014] В собранной батарее согласно данному варианту воплощения электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой предпочтительно является электропроводящим водоотталкивающим слоем, обладающим электропроводностью и воздухопроницаемостью с водонепроницаемостью. Здесь ″воздухопроницаемость с водонепроницаемостью″ представляет собой свойство воздухопроницаемости, которое изолирует водный раствор в слое электролита, предотвращая его вытекание наружу. Такое строение содействует снижению внутреннего сопротивления в непроницаемом для жидкости вентиляционном слое, даже если в качестве содержащейся в слое электролита жидкости использован водный раствор. Соответственно, ширина пути проводимости может быть увеличена с тем, чтобы уменьшить внутреннее сопротивление.

[0015] Собранная батарея согласно данному варианту воплощения предпочтительно включает в себя электропроводящий водоотталкивающий слой, который содержит по меньшей мере один из обладающего водоотталкиванием электропроводящего материала и материала, содержащего водоотталкивающий материал и электропроводящий материал. Такое строение может уменьшить внутреннее сопротивление в непроницаемом для жидкости вентиляционном слое без ограничения по конфигурации электропроводящего материала в электропроводящем водоотталкивающем слое. Соответственно, ширину пути проводимости можно увеличить с тем, чтобы снизить внутреннее сопротивление.

[0016] Собранная батарея согласно данному варианту воплощения предпочтительно включает в себя электропроводящий водоотталкивающий слой, который включает в себя микропористую пленку, совокупность волокон, волоконную структуру или их произвольное сочетание. Такое строение может снизить внутреннее сопротивление в непроницаемом для жидкости вентиляционном слое без ограничения по структуре электропроводящего водоотталкивающего слоя. Соответственно, можно увеличить ширину пути проводимости с тем, чтобы уменьшить внутреннее сопротивление.

[0017] Собранная батарея согласно данному варианту воплощения предпочтительно включает в себя электропроводящий материал, который содержит один из волокнистого электропроводящего материала и электропроводящего материала в виде частиц или их обоих. Внутреннее сопротивление в непроницаемом для жидкости вентиляционном слое можно уменьшить благодаря электропроводящему материалу, который является или волокнистым материалом, или материалом в виде частиц. Следовательно, ширину пути проводимости можно увеличить с тем, чтобы уменьшить внутреннее сопротивление.

[0018] Собранная батарея согласно данному варианту воплощения предпочтительно включает в себя электропроводящий материал, который содержит один из углерода и металла или их обоих. Углерод или металл, обладающий высокой электропроводностью, содействует дополнительному снижению внутреннего сопротивления в непроницаемом для жидкости вентиляционном слое. Соответственно, ширину пути проводимости можно увеличить с тем, чтобы дополнительно снизить внутреннее сопротивление.

[0019] Собранная батарея согласно данному варианту воплощения предпочтительно содержит водоотталкивающий материал, который содержит одну из олефиновой смолы и фтористой смолы или их обеих. Олефиновая смола или фтористая смола, обладающие высоким водоотталкиванием, содействуют снижению внутреннего сопротивления в непроницаемом для жидкости вентиляционном слое, не допуская уменьшения непроницаемости для жидкости. Соответственно, можно увеличить ширину пути проводимости с тем, чтобы снизить внутреннее сопротивление.

[0020] Собранная батарея согласно данному варианту воплощения предпочтительно содержит электропроводящее пористое тело, которое включает в себя совокупность частиц, совокупность волокон, волоконную структуру, пористую пластину или их произвольное сочетание. Такое строение может снизить внутреннее сопротивление в непроницаемом для жидкости вентиляционном слое. Кроме того, слой положительного электрода одного элемента с воздушной деполяризацией может быть электрически соединен со слоем отрицательного электрода другого элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к упомянутому одному элементу с воздушной деполяризацией, через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой, предусмотренный на слое положительного электрода, и через электропроводящее пористое тело в проточном канале. Такое строение способствует увеличению ширины пути проводимости и снижению длины пути проводимости, тем самым дополнительно уменьшая внутреннее сопротивление. Состояние соединения предпочтительно представляет собой последовательное соединение с учетом описанного выше аспекта.

[0021] Собранная батарея согласно данному варианту воплощения предпочтительно включает в себя электропроводящее пористое тело, которое содержит один из углерода и металла или их обоих. Использование углерода и металла, обладающих высокой электропроводностью, способствует дополнительному уменьшению внутреннего сопротивления электропроводящего пористого тела. Следовательно, ширину пути проводимости можно увеличить с тем, чтобы дополнительно снизить внутреннее сопротивление.

[0022] В собранной батарее согласно данному варианту воплощения один из обладающего водоотталкиванием электропроводящего материала и водоотталкивающего материала или они оба предпочтительно содержат материал, полученный таким образом, что неводоотталкивающий материал подвергнут водоотталкивающей обработке. Водоотталкивающей обработкой может быть обработка фтором. Обработка фтором конкретно не ограничена, и можно соответствующим образом использовать традиционную обработку фтором в зависимости от типа неводоотталкивающего материала. Такое строение способствует снижению внутреннего сопротивления в непроницаемом для жидкости вентиляционном слое без ограничения по обладающему водоотталкиванием материалу. Соответственно, ширину пути проводимости можно увеличить с тем, чтобы дополнительно снизить внутреннее сопротивление.

[0023] Далее будут подробно объяснены несколько вариантов воплощения настоящего изобретения со ссылкой на чертежи.

Первый вариант воплощения

[0024] Фиг.1 является видом в поперечном сечении, показывающим схематичную конструкцию собранной батареи согласно первому варианту воплощения настоящего изобретения. Стрелки, показанные на фиг.1, указывают направление пути проводимости.

[0025] Как показано на фиг.1, собранная батарея 1 по данному варианту воплощения включает в себя множество элементов с воздушной деполяризацией согласно настоящему изобретению. Первый элемент 10 с воздушной деполяризацией имеет строение, при котором слой 11 отрицательного электрода, слой 13 электролита, слой 12 положительного электрода и электропроводящий водоотталкивающий слой 14, служащий в качестве примера электропроводящего непроницаемого для жидкости вентиляционного слоя, последовательно наложены один поверх другого. Слой 11 отрицательного электрода наложен на токоотводный слой 21 отрицательного электрода. Второй элемент 10′ с воздушной деполяризацией, прилегающий к первому элементу 10 с воздушной деполяризацией, конечно, имеет такое же строение, как и первый элемент 10 с воздушной деполяризацией. Первый элемент 10 с воздушной деполяризацией и второй элемент 10′ с воздушной деполяризацией в этом варианте воплощения наложены поверх друг друга через пружины 22a и токоотводный слой 21′ отрицательного электрода второго элемента 10′ с воздушной деполяризацией. Пружины 22a являются примером токоотводной детали положительного электрода, а токоотводные слои 21, 21′ и 21′′ являются примером внешней детали слоя отрицательного электрода. Электропроводящий водоотталкивающий слой 14 наложен на слой 12 положительного электрода первого элемента 10 с воздушной деполяризацией на противоположной стороне от слоя 13 электролита. То есть, слой 12 положительного электрода электрически соединен с токоотводным слоем 21′ отрицательного электрода второго элемента 10′ с воздушной деполяризацией с проложенным между ними электропроводящим водоотталкивающим слоем 14. Благодаря пружинам 22a и токоотводному слою 21′ отрицательного электрода, предусмотренным между электропроводящим водоотталкивающим слоем 14, наложенным на слой 12 положительного электрода первого элемента 10 с воздушной деполяризацией, и слоем отрицательного электрода второго элемента 10′ с воздушной деполяризацией, образуется проточный канал (проток) AP, через который протекает кислородосодержащий газ. Такое строение может увеличить ширину пути проводимости при сохранении функций элементов с воздушной деполяризацией в собранной батарее, тем самым уменьшая внутреннее сопротивление. Данный вариант воплощения обладает конструкцией, при которой токоотводный слой 21′ отрицательного электрода проложен между электропроводящим водоотталкивающим слоем 14, наложенным на слой 12 положительного электрода первого элемента 10 с воздушной деполяризацией, и слоем 11 отрицательного электрода второго элемента 10′ с воздушной деполяризацией, что включено в объем настоящего изобретения. Данный вариант воплощения был описан в конфигурации с последовательным соединением, но не ограничивается ею, и параллельное соединение также включено в объем настоящего изобретения.

[0026] Соответствующие элементы дополнительно поясняются подробно ниже.

Слой отрицательного электрода

[0027] Слой 11 отрицательного электрода содержит активный материал отрицательного электрода, содержащий металлическое вещество или сплав, обладающее(ий) стандартным электродным потенциалом менее благородным, чем водород. В некоторых случаях может быть использован пористый материал. Примеры металлического вещества, обладающего стандартным электродным потенциалом менее благородным, чем водород, включают в себя литий (Li), цинк (Zn), железо (Fe), алюминий (Al), магний (Mg), марганец (Mn), кремний (Si), титан (Ti), хром (Cr) и ванадий (V). Альтернативно, можно использовать их сплавы. Здесь сплав является общим термином для элементов, обладающих металлическими свойствами, как правило полученный так, что по меньшей мере один элемент-металл или элемент-неметалл добавляют к еще иному элементу-металлу. В частности, можно использовать сплав, в котором по меньшей мере один элемент-металл или элемент-неметалл добавляют к перечисленному выше элементу-металлу. Примеры состава сплава включают эвтектический сплав, в котором элементы-компоненты кристаллизуются индивидуально и содержатся в виде смеси, вещество, в котором элементы-компоненты полностью растворяются с образованием твердого раствора, и соединение элементов-металлов или соединение металла и неметалла. Настоящее изобретение может использовать любые из таких составов сплава. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничено этими примерами, и можно использовать общеизвестные материалы, применимые в элементах с воздушной деполяризацией.

Слой положительного электрода

[0028] Слой 12 положительного электрода имеет пористую структуру и содержит, например, каталитический компонент, электропроводящий носитель катализатора, удерживающий на себе каталитический компонент, и связующее, связывающее каталитический компонент. Носитель катализатора и связующее добавляют в случае необходимости. В дальнейшем комплекс, в котором каталитический компонент нанесен на носитель катализатора, называют также ″электродным катализатором″.

[0029] В частности, каталитический компонент может быть выбран из металла, такого как платина (Pt), рутений (Ru), иридий (Ir), родий (Rd), палладий (Pd), осмий (Os), вольфрам (W), свинец (Pb), железо (Fe), хром (Cr), кобальт (Co), никель (Ni), марганец (Mn), ванадий (V), молибден (Mo), галлий (Ga) и алюминий (Al), и сплава этих металлов. Состав сплава является таким же, как описано выше.

[0030] Форма и размер каталитического компонента конкретно не ограничены и могут быть такими же, как и у общеизвестных каталитических компонентов. Однако каталитический компонент предпочтительно находится в состоянии частиц. Средний диаметр частиц у частиц катализатора предпочтительно находится в интервале от 1 нм до 30 нм. Частицы катализатора с таким средним диаметром частиц позволяют надлежащим образом управлять балансом эффективности использования катализатора и легкостью удерживания. Отметим, что эффективность использования катализатора относится к эффективной площади электродной поверхности электрода, на которой протекает электрохимическая реакция.

[0031] Здесь ″средний диаметр частиц катализатора″ может быть измерен как диаметр кристаллитов, полученный из полной ширины на половине максимума дифракционного пика каталитического компонента при рентгеновской дифракции, или измеренный как среднее значение диаметров частиц каталитического компонента, исследованного с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Носитель катализатора выполняет функцию носителя, предназначенного для удержания вышеупомянутого каталитического компонента, и функцию пути электронной проводимости, задействованного в перенос электронов между каталитическим компонентом и другими деталями конструкции. Носитель катализатора должен лишь иметь удельную площадь поверхности, достаточную для удерживания каталитического компонента в желательном диспергированном состоянии, и иметь достаточную электронную проводимость. Носитель катализатора предпочтительно содержит углерод в качестве основного компонента. Конкретным примером носителя катализатора могут быть частицы углерода, содержащие углеродную сажу, активированный углерод (активированный уголь), кокс, природный графит или искусственный графит.

[0032] Отметим, что ″содержащий углерод в качестве основного компонента″ означает, что в качестве основного компонента содержатся атомы углерода, и это понятие включает в себя случай ″состоящий только из атомов углерода″, а также случай ″практически состоящий из атомов углерода″. Здесь ″практически состоящий из атомов углерода″ означает, что может содержаться приблизительно от 2% до 3% по массе или менее примесей.

[0033] Удельная площадь поверхности носителя катализатора по методу БЭТ может быть удельной площадью поверхности, достаточной для того, чтобы удерживать каталитический компонент в высокодисперсном состоянии, и предпочтительно составляет в интервале от 20 до 1600 м²/г, более предпочтительно - в интервале от 80 до 1200 м²/г. Если удельная площадь поверхности носителя катализатора находится в таком интервале, то можно должным образом управлять балансом дисперсности каталитического компонента на носителе катализатора и фактической эффективности использования каталитического компонента.

[0034] Размер носителя катализатора тоже конкретно не ограничен. С учетом легкости удерживания, эффективности использования катализатора и регулирования толщины слоя катализатора в пределах нужного интервала, средний диаметр частиц носителя катализатора составляет приблизительно в интервале от 5 нм до 200 нм, предпочтительно - приблизительно в интервале от 10 нм до 100 нм. Удерживаемое в электродном катализаторе количество каталитического компонента предпочтительно составляет в интервале от 10% до 80% по массе, более предпочтительно - в интервале от 30% до 70% по массе, относительно общего количества электродного катализатора. Регулирование удерживаемого количества каталитического компонента в таком интервале может способствовать надлежащему управлению балансом дисперсности каталитического компонента на носителе катализатора и характеристиками катализатора. Удерживаемое в электродном катализаторе количество каталитического компонента можно измерить методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP). Тем не менее, данный вариант воплощения не ограничен описанными выше содержаниями, и можно использовать общеизвестные материалы, применяемые в элементах с воздушной деполяризацией.

[0035] Связующее конкретно не ограничено, но можно использовать следующие материалы. Примеры связующего включают полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиэфирнитрил (ПЭН), полиакрилонитрил (ПАН), полиимид (ПИ) и полиамид (ПА). Альтернативно, целлюлоза, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), сополимер этилена и винилацетата, поливинилхлорид (ПВХ), бутадиен-стирольный каучук (БСК), изопреновый каучук, бутадиеновый каучук, этилен-пропиленовый каучук, сополимер этилена, пропилена и диена и блок-сополимер стирол-бутадиен-стирол и блок-сополимер стирол-бутадиен-стирол с добавкой водорода. Еще другие примеры включают термопластичный полимер, такой как блок-сополимер стирол-изопрен-стирол и он же с добавкой водорода, и фтористую смолу, такую как поливинилиденфторид (ПВДФ), политетрафторэтилен (ПТФЭ), сополимер тетрафторэтилена-гексафторэтилена (ФЭП), сополимер тетрафторэтилена-перфтор(алкил-винилового простого эфира) (ПФА), сополимер этилена-тетрафторэтилена (ЭТФЭ), полихлортрифторэтилен (ПХТФЭ), сополимер этилена-хлортрифторэтилена (ЭХТФЭ) и поливинилфторид (ПВФ). Дополнительно, можно использовать фторкаучуки винилиденфторидной серии, такие как фторкаучук серии винилиденфторида-гексафторпропилена (фторкаучук серии ВДФ-ГФП), фторкаучук серии винилиденфторида-гексафторпропилена-тетрафторэтилена (фторкаучук серии ВДФ-ГФП-ТФЭ), фторкаучук серии винилиденфторида-пентафторпропилена (фторкаучук серии ВДФ-ПФП), фторкаучук серии винилиденфторида-пентафторпропилена-тетрафторэтилена (фторкаучук серии ВДФ-ПФП-ТФЭ), фторкаучук серии винилиденфторида-перфторметилвинилового простого эфира и тетрафторэтилена (фторкаучук серии ВДФ-ПФМВЭ-ТФЭ) и фторкаучук серии винилиденфторида-хлортрифторэтилена (фторкаучук серии ВДФ-ХТФЭ), и эпоксидную смолу. Из них более предпочтительны поливинилиденфторид, полиимид, бутадиен-стирольный каучук, карбоксиметилцеллюлоза, полипропилен, политетрафторэтилен, полиакрилонитрил и полиамид. Каждое из этих связующих можно использовать по отдельности, или же два или более из них можно использовать совместно.

Слой электролита

[0036] Слой 13 электролита включает в себя, например, электролитический раствор, а также пористый сепаратор в случае необходимости. Примеры применяемого электролитического раствора включают водный раствор и неводный раствор, например, хлорида калия, хлорида натрия и гидроксида калия. Тем не менее, электролитический раствор конкретно не ограничен и может быть общеизвестными электролитическими растворами, применимыми в элементах с воздушной деполяризацией. Если электролитический раствор является водным раствором, то примеры сепаратора включают стеклобумагу, не подвергнутую водоотталкивающей обработке, и микропористую пленку, содержащую полиолефин, например, полиэтилен и полипропилен. Тем не менее, данный вариант воплощения не ограничивается этими примерами, и можно использовать общеизвестные материалы, применимые в элементах с воздушной деполяризацией.

Электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой

[0037] В качестве подходящего примера электропроводящего непроницаемого для жидкости вентиляционного слоя 14 можно применить электропроводящий водоотталкивающий слой. Электропроводящий водоотталкивающий слой обладает водоотталкиванием, способным предотвращать вытекание электролитического раствора, содержащегося в элементе с воздушной деполяризацией, и в то же самое время имеет пористую структуру, позволяющую газу относительно легко протекать через него. Электропроводящий водоотталкивающий слой образует границу раздела трех фаз на положительном электроде для улучшения реакционной способности, обладает электропроводностью и служит путем проводимости. Примеры электропроводящего непроницаемого для жидкости вентиляционного слоя, имеющего такое строение, включают слой, содержащий обладающий водоотталкиванием электропроводящий материал, и слой, содержащий материал, содержащий водоотталкивающий материал и электропроводящий материал. Эти материалы можно использовать по отдельности, или же два или более из них можно использовать совместно. Типичным примером обладающего водоотталкиванием электропроводящего материала является электропроводящий полимерный материал. Типичным примером материала, содержащего водоотталкивающий материал и электропроводящий материал, является электропроводящий полимерный материал или смола, полученная таким образом, что к непроводящему полимерному материалу добавляют электропроводящий наполнитель в качестве электропроводящего материала.

[0038] Примеры электропроводящего полимерного материала включают полианилин, полипиррол, политиофен, полиацетилен, полипарафенилен, полифениленвинилен, полиакрилонитрил и полиоксадиазол. Эти электропроводящие полимерные материалы обладают достаточной электропроводностью, даже если в них не добавлен электропроводящий материал.

[0039] Примеры непроводящего полимерного материала включают полиэтилен (ПЭ), такой как полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) и полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), олефиновую смолу, например, полипропилен (ПП), фтористую смолу, например, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и поливинилиденфторид (ПВДФ), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиэфирнитрил (ПЭН), полиимид (ПИ), полиамид-имид (ПАИ), полиамид (ПА), бутадиен-стирольный каучук (БСК), полиакрилонитрил (ПАН), полиметилакрилат (ПМА), полиметилметакрилат (ПММА), поливинилхлорид (ПВХ) и полистирол (ПС). Эти непроводящие полимерные материалы обладают высокой устойчивостью к потенциалу или стойкостью к растворителям. Среди таких материалов предпочтительны олефиновая смола или фтористая смола.

[0040] При этом к электропроводящему полимерному материалу или непроводящему полимерному материалу может в случае необходимости быть добавлен электропроводящий материал. В частности, если смола, которая служит в качестве основы, содержит только непроводящий полимер, то к нему обязательно добавляют электропроводящий материал для того, чтобы придать смоле электропроводность. Электропроводящий материал конкретно не ограничен при условии, что он является веществом, обладающим электропроводностью. Например, материалом, обладающим высокой электропроводностью и устойчивостью к потенциалу, может быть металл или электропроводящий углерод. Предпочтительные примеры используемого металла включают по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из никеля (Ni), титана (Ti), алюминия (Al), меди (Cu), платины (Pt), железа (Fe), хрома (Cr), олова (Sn), цинка (Zn), индия (In), сурьмы (Sb) и калия (K), и сплав или оксид металла из этих металлов.

[0041] В качестве предпочтительного примера электропроводящим углеродом может быть по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из ацетиленовой сажи, сажи ″vulcan″, сажи ″black pearls″, углеродных нановолокон, сажи ″ketjen″, углеродных нанотрубок, углеродных рупорообразных нановыступов (нанорожков), углеродных наношариков, фуллерена и выращенного из паровой фазы углерода.

[0042] Конфигурация электропроводящего материала конкретно не ограничена, и можно использовать один из волокнистого электропроводящего материала и электропроводящего материала в виде частиц по отдельности, или же оба материала можно использовать вместе. Альтернативно, можно использовать электропроводящий водоотталкивающий слой, который получен таким образом, что формируют электропроводящий пористый слой, содержащий материал, используемый в качестве описанного выше электропроводящего полимерного материала, или материал, используемый в качестве электропроводящего наполнителя, а затем подвергают водоотталкивающей обработке, например, обработке фтором. Необходимо, чтобы электропроводящий водоотталкивающий слой был пористым слоем, как описано выше. Например, для электропроводящего водоотталкивающего слоя можно использовать микропористую пленку, содержащую материал, используемый в качестве электропроводящего наполнителя, или совокупность волокон, например, нетканое полотно, выполненное из электропроводящего полимерного материала или непроводящего полимерного материала. Другим примером может быть волоконная структура, например, тканое полотно, выполненное из электропроводящего полимерного материала или неэлектропроводящего полимерного материала.

Токоотводный слой отрицательного электрода

[0043] Токоотводный слой 21 отрицательного электрода конкретно не ограничен при условии, что он обладает электропроводностью и предотвращает вытекание электролитического раствора из элемента с воздушной деполяризацией. Его примеры включают нержавеющую сталь (SUS), медь, медный сплав и материал, в котором поверхность металла покрывают металлом, обладающим коррозионной стойкостью.

Пружина

[0044] Пружины 22a конкретно не ограничены при условии, что они выполняют функцию токоотводящего материала положительного электрода. Его примером может быть материал, содержащий металл, например, нержавеющая сталь (SUS), медь или никель. В данном варианте воплощения приведен пример конфигурации с использованием пружин 22a, но он не ограничивается таким упругим телом. То есть, в данном варианте воплощения может использоваться любой материал при условии, что он выполняет функцию электропроводящего непроницаемого для жидкости вентиляционного слоя. Пружины 22a можно заменить неупругим телом, обладающим аналогичной пружинам 22a формой и обладающим токоотводящей способностью.

[0045] Данный вариант воплощения может увеличить ширину пути проводимости и уменьшить длину пути проводимости с тем, чтобы уменьшить внутреннее сопротивление, благодаря следующим строениям (1)-(4):

(1) Электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой наложен на слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией на противоположной стороне от слоя электролита. Электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой содержит обладающий водоотталкиванием электропроводящий материал, который получен таким образом, что углерод с микропорами подвергают обработке фтором. Слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией электрически соединен со слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией, через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой.

(2) Проточный канал, через который течет кислородосодержащий газ, образован между электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем, наложенным на слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией, и слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией.

(3) Проточный канал снабжен внутри себя металлическими пружинами, а не электропроводящим пористым телом. Направление толщины соответствующих слоев в элементах воздушной поляризации является практически параллельным направлению пути проводимости в собранной батарее.

(4) Поскольку электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем является электропроводящий водоотталкивающий слой, обладающий электропроводностью и воздухопроницаемостью с водонепроницаемостью, в качестве содержащейся в слое электролита жидкости можно использовать обыкновенный водный раствор.

Второй вариант воплощения

[0046] Фиг.2 является видом в поперечном сечении, показывающим схематичную конструкцию собранной батареи согласно второму варианту воплощения. Стрелки, показанные на фиг.2, указывают направление пути проводимости. Те же элементы, как и описанные в первом варианте воплощения, обозначаются одинаковыми номерами позиций, а их совпадающие объяснения не повторяются.

[0047] Как показано на фиг.2, собранная батарея 1′ по данному варианту воплощения отличается от собранной батареи 1 согласно первому варианту воплощения строением токоотводной детали положительного электрода и строением электропроводящего водоотталкивающего слоя. То есть, в данном варианте воплощения в качестве электропроводящего пористого тела используются сетки 22b, выполненные из нержавеющей стали, в качестве примера токоотводной детали положительного электрода. Электропроводящий водоотталкивающий слой 14 получен таким образом, что смесь нетканого полотна из олефиновой смолы и углеродных волокон 14a подвергают обработке фтором.

[0048] Электропроводящим пористым телом 22b может быть совокупность частиц, например, спеченное тело из металлического порошка. Другие пригодные его примеры включают совокупность волокон, например, нетканое полотно из металлических волокон, углеродных волокон и электропроводящих волокон смолы, и волоконную структуру, например, тканое полотно или сетку из металлических волокон, углеродных волокон или электропроводящих волокон смолы. Дополнительно, можно использовать пористую пластину, например, перфорированный металл или тянутый металл. Тем не менее, электропроводящее пористое тело не ограничено этими примерами, и можно надлежащим образом использовать общеизвестные токоотводные детали.

[0049] Данный вариант воплощения может увеличить ширину пути проводимости и уменьшить длину пути проводимости с тем, чтобы уменьшить внутреннее сопротивление, благодаря следующим строениям (1)-(4):

(1) Электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой наложен на слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией на противоположной стороне от слоя электролита. Электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой содержит водоотталкивающий материал и электропроводящий материал. А именно, электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой получен таким образом, что нетканое полотно из олефиновой смолы смешивают с углеродными волокнами, и эту смесь подвергают обработке фтором. Слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией электрически соединен со слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией, через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой.

(2) Проточный канал, через который течет кислородосодержащий газ, образован между электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем, наложенным на слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией, и слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией.

(3) Проточный канал снабжен внутри себя сетками из нержавеющей стали (SUS) в качестве примера электропроводящего пористого тела. Направление толщины соответствующих слоев в элементах воздушной поляризации является практически параллельным направлению пути проводимости в собранной батарее.

(4) Поскольку электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем является электропроводящий водоотталкивающий слой, обладающий электропроводностью и воздухопроницаемостью с водонепроницаемостью, в качестве содержащейся в слое электролита жидкости можно использовать обыкновенный водный раствор.

Третий вариант воплощения

[0050] Фиг.3 является видом в поперечном сечении, показывающим схематичную конструкцию собранной батареи согласно третьему варианту воплощения. Стрелки, показанные на фиг.3, указывают направление пути проводимости. Те же элементы, как и описанные в первом варианте воплощения, обозначаются одинаковыми номерами позиций, а их совпадающие объяснения не повторяются.

[0051] Как показано на фиг.3 собранная батарея 1′′ по данному варианту воплощения отличается от собранной батареи 1 согласно первому варианту воплощения строением токоотводной детали положительного электрода и строением электропроводящего водоотталкивающего слоя. То есть, в данном варианте воплощения в качестве токоотводной детали положительного электрода используются сетки 22b, выполненные из нержавеющей стали (SUS). Электропроводящий водоотталкивающий слой 14 получен таким образом, что смесь 14b нетканого полотна из олефиновой смолы и углеродных частиц 14b подвергают обработке фтором.

[0052] Данный вариант воплощения может увеличить ширину пути проводимости и уменьшить длину пути проводимости с тем, чтобы уменьшить внутреннее сопротивление, благодаря следующим строениям (1)-(4):

(1) Электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой наложен на слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией на противоположной стороне от слоя электролита. Электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой содержит водоотталкивающий материал и электропроводящий материал. А именно, электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой получен таким образом, что нетканое полотно из олефиновой смолы смешивают с углеродными частицами, и эту смесь подвергают обработке фтором. Слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией электрически соединен со слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией, через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой.

(2) Проточный канал, через который течет кислородосодержащий газ, образован между электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем, наложенным на слой положительного электрода первого элемента с воздушной деполяризацией, и слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией.

(3) Проточный канал снабжен внутри себя сетками из нержавеющей стали (SUS) в качестве примера электропроводящего пористого тела. Направление толщины соответствующих слоев в элементах воздушной поляризации является практически параллельным направлению пути проводимости в собранной батарее.

(4) Поскольку электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем является электропроводящий водоотталкивающий слой, обладающий электропроводностью и воздухопроницаемостью с водонепроницаемостью, в качестве содержащейся в слое электролита жидкости можно использовать обыкновенный водный раствор.

[0053] Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на варианты воплощения, настоящее изобретение не ограничено их описаниями, и специалисту в данной области техники будет понятно, что могут быть проделаны различные модификации и усовершенствования.

[0054] Например, можно модифицировать конкретное строение электропроводящего водоотталкивающего слоя и токоотводной детали положительного электрода. Кроме того, строение из одного варианта воплощения настоящего изобретения можно скомбинировать со строением из любого другого варианта воплощения.

[0055] Полные содержания Японской заявки на патент № P2011-201704 (поданной 15 сентября 2011 г.) и Японской заявки на патент № P2012-196728 (поданной 7 сентября 2012 г.) включены в данное описание по ссылке.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0056] Согласно настоящему изобретению собранная батарея, включающая в себя множественные элементы с воздушной деполяризацией, каждый из которых включает в себя слой положительного электрода, слой электролита, слой отрицательного электрода и электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой, имеет следующие строения (1) и (2). Следовательно, настоящее изобретение может предоставить собранную батарею, способную снизить внутреннее сопротивление. Строения являются следующими: (1) проточный канал, через который протекает кислородосодержащий газ, расположен между электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем первого элемента с воздушной деполяризацией и слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией; и (2) первый элемент с воздушной деполяризацией электрически соединен со слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

[0057] 1, 1′, 1′′ СОБРАННАЯ БАТАРЕЯ

10, 10′ ЭЛЕМЕНТ С ВОЗДУШНОЙ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

11 СЛОЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА

12 СЛОЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА

13 СЛОЙ ЭЛЕКТРОЛИТА

14 ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЙ НЕПРОНИЦАЕМЫЙ ДЛЯ ЖИДКОСТИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ СЛОЙ (ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЙ ВОДООТТАЛКИВАЮЩИЙ СЛОЙ)

14a УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО

14b УГЛЕРОДНАЯ ЧАСТИЦА

21, 21′, 21′′ ТОКООТВОДНЫЙ СЛОЙ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА

22a ПРУЖИНА

22b ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЕ ПОРИСТОЕ ТЕЛО (СЕТКА)

AP ПРОТОЧНЫЙ КАНАЛ ДЛЯ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА

Изобретение относится к собранной батарее, включающей в себя множество элементов с воздушной деполяризацией. Техническим результатом является уменьшение внутреннего сопротивления. Согласно изобретению собранная батарея включает в себя слой положительного электрода, слой электролита, наложенный на слой положительного электрода, слой отрицательного электрода, наложенный на слой электролита, и электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой, наложенный на слой положительного электрода на противоположной стороне от слоя электролита. Собранная батарея включает в себя множество элементов с воздушной деполяризацией. Собранная батарея снабжена проточным каналом, через который протекает кислородосодержащий газ и который расположен между электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем первого элемента с воздушной деполяризацией и слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией. Первый элемент с воздушной деполяризацией электрически соединен со слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Собранная батарея, включающая в себя множество элементов с воздушной деполяризацией, причем каждый из элементов с воздушной деполяризацией включает в себя: слой положительного электрода, слой электролита, наложенный на слой положительного электрода; слой отрицательного электрода, наложенный на слой электролита; и электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой, наложенный на слой положительного электрода на противоположной стороне от слоя электролита,
при этом между электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем первого элемента с воздушной деполяризацией и слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией, прилегающего к первому элементу с воздушной деполяризацией, расположен проточный канал, через который протекает кислородосодержащий газ, и
первый элемент с воздушной деполяризацией электрически соединен со слоем отрицательного электрода второго элемента с воздушной деполяризацией через электропроводящий непроницаемый для жидкости вентиляционный слой.

2. Собранная батарея по п. 1, при этом проточный канал содержит внутри себя электропроводящее пористое тело, и направление толщины слоев в элементах с воздушной деполяризацией параллельно направлению пути проводимости в собранной батарее.

3. Собранная батарея по п. 2, при этом электропроводящим пористым телом является по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из совокупности частиц, совокупности волокон, волоконной структуры и пористой пластины.

4. Собранная батарея по п. 2 или 3, при этом электропроводящее пористое тело содержит по меньшей мере один из углерода и металла.

5. Собранная батарея по любому из пп. 1-3, при этом электропроводящим непроницаемым для жидкости вентиляционным слоем является электропроводящий водоотталкивающий слой, обладающий электропроводностью и воздухопроницаемостью с водонепроницаемостью.

6. Собранная батарея по п. 5, при этом электропроводящий водоотталкивающий слой содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из микропористой пленки, совокупности волокон и волоконной структуры.

7. Собранная батарея по п. 5, при этом электропроводящий водоотталкивающий слой содержит по меньшей мере один из обладающего водоотталкиванием электропроводящего материала и материала, содержащего водоотталкивающий материал и электропроводящий материал.

8. Собранная батарея по п. 7, при этом электропроводящим материалом является по меньшей мере один из волокнистого электропроводящего материала и электропроводящего материала в виде частиц.

9. Собранная батарея по п. 7, при этом электропроводящий материал содержит по меньшей мере один из углерода и металла.

10. Собранная батарея по п. 7, при этом водоотталкивающий материал содержит по меньшей мере одну из олефиновой смолы и фтористой смолы.

11. Собранная батарея по п. 7, при этом по меньшей мере один из обладающего водоотталкиванием электропроводящего материала и водоотталкивающего материала содержит материал, полученный таким образом, что неводоотталкивающий материал подвергнут водоотталкивающей обработке.

12. Собранная батарея по п. 11, при этом водоотталкивающей обработкой является обработка фтором.