JP2005536019A - フラットケーシングと脱気孔とを備える電気化学電池 - Google Patents

Abstract

放電中に水素ガスを発生する電気化学電池であって、外部ケーシング（８９）と、このケーシングの壁を貫通する脱気孔（７０）と、この脱気孔を覆う破断可能膜（２０）とを含む。外部ケーシング（８９）が電池の長手方向に沿って延びる平らな壁と、この壁を貫通する脱気孔とを有すると好ましい。この電池は、典型的には直平行六面体形状のアルカリ電池でよい。ケーシングの平らな壁の内がわ面に面して脱気孔に正確な位置で隣接するリング（２５）によって、破断可能膜が固定される。破断可能膜は、好ましくはポリスルホンフィルムである。この膜を通って水素ガスが周辺に透過でき、さらにこの膜は、電池内部の水素ガスが急速に増加してしきい値圧力レベルになったときに、破断可能となっている。任意選択的に先細穿刺部材（７５）が脱気孔内に延びて、破断時に膜が裂けるようにしている。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、外部ケーシングの壁の脱気孔と、この脱気孔を覆う破断可能膜とを有する電気化学電池に関する。さらに本発明はフラット電池に関し、これは、亜鉛を含むアノードと二酸化マンガンを含むカソードと水酸化カリウム水溶液を含む電解質とを有するアルカリ電池でよい。

従来のアルカリ電池（アルカリ電気化学単電池）は、亜鉛を含むアノードと二酸化マンガンを含むカソードとを有する。この種の典型的な電池では、細長円筒状の外部ケーシングが形成される。また未使用電池の開路電圧（EMF; electromotive force）は約１．５ボルトであり、動作中の典型的な平均電圧は、中程度の電流ドレイン使用で（１００から３００ミリアンペア）約１．０から１．２ボルトである。円筒状ケーシングは最初、一方の端部を広く開口し他方の端部を閉じて形成する。次に電池内容物を入れた後、絶縁プラグを有する端部蓋をケーシングの開口端部にはめて、マイナス端子とする。そして絶縁プラグの縁にケーシングの縁をかぶせて締め、さらに絶縁プラグを取り囲んだケーシングを径方向に圧して緊密に封ずることによって、この電池の開口端部を閉じる。電池のケーシングにおけるこの開口端部と反対側の閉じていた端部のところが、プラス端子となる。

典型的な一次アルカリ電気化学電池は、亜鉛アノード活物質と、アルカリ電解質と、二酸化マンガンカソード活物質と、電解質が透過可能で典型的にはセルロースやセルロース系のポリビニルアルコール繊維でできたセパレーターフィルムとを含む。アノード活物質はたとえば、カルボキシルメチルセルロースナトリウムやアクリル酸共重合体ナトリウム塩のような従来からのゲル化剤と電解質に混合させた亜鉛粒子を含むことができる。このゲル化剤の働きは、亜鉛粒子を懸濁させ、さらに亜鉛粒子どうしの接触を維持することである。そして典型的には、アノード活物質に挿入された導電金属爪がアノードの集電体として働き、この集電体はマイナス端子の端部蓋と電気的に接続している。また電解質としては、たとえば水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムのようなアルカリ金属水酸化物の水溶液が可能である。さらに典型的なカソードは、粒子状二酸化マンガンを電気化学的活物質として含み、この活物質に、導電添加物、典型的には黒鉛材料と混ぜ合わせて、導電性を高めている。またこのカソードに、任意選択的に、ポリマー系のバインダーたとえばポリエチレンバインダーや、他の添加物たとえばチタニウムを含有する化合物を、少量添加できる。

カソードでの使用に好適な二酸化マンガンとしては、硫酸マンガンと硫酸の浴の直接電解によって製造される電解二酸化マンガン（EMD; electrolytic manganese dioxide）がある。EMDは高密度かつ高純度であるから望ましい。しかしEMDは導電性がかなり低いため、個々の二酸化マンガン粒子どうしの導電性を高めるために、このカソード混合物に導電物質が添加される。この導電添加物はさらに、二酸化マンガン粒子と、従来の円筒状アルカリ電池ではカソード集電体としても働く電池のハウジングとの間の導電性を高めるものでもある。適切な導電添加物として、たとえば、黒鉛、黒鉛系の物質、アセチレンブラックを含むカーボンブラックのような導電炭素粉末が含まれ得る。好適な導電物質としてはさらに、鱗片状結晶天然黒鉛や、膨張黒鉛、層剥離黒鉛を含む鱗片状結晶合成黒鉛、あるいは黒鉛系のナノ炭素繊維、そしてこれらの混合物などが含まれる。

現在、角形の小型充電式電池が、MP３オーディオプレーヤーやミニディスク（MD）プレーヤーのような小型電気機器の動力に利用されている。この種の典型的な電池は、小型で直平行六面体（直方体）形状のチューインガムひとパック程度のサイズである。これらの電池は、典型的にはたとえば、交換可能で充電も可能なニッケル水素（NiMH）電池サイズ、国際電気標準会議（International Electrotechnical Commission; IEC）で設定されたこのような電池の規格サイズに従えばF６または７/５F６サイズの、直平行六面体の形状をとることができる。F６サイズであれば、厚さは６．１mm、幅は１７．３mmそして長さは３５．７mmである。F６サイズのバージョンがあり、長さを約４８．０mmにできる。また７/５F６サイズであれば、厚さは６．１mm、幅は１７．３mmそして長さは６７．３mmである。IEC規格によれば、７/５F６サイズでは、厚さが＋０mm、−０．７mm、幅が＋０mm、−１mm、そして長さが＋０mm、−１．５mmまでの偏差は認められている。そしてF６または７/５F６サイズの充電式NiMH電池を小型MP３オーディオプレーヤーやミニディスク（MD）プレーヤーの動力に使用したときの作動中の平均電圧は約１．１から１．４ボルトで、典型的には約１．１２ボルトである。

この電池をミニディスク（MD）プレーヤーの動力に使用すると消費電流は約２００から２５０milliAmpである。MP３プレーヤーの場合は約１００milliAmpである。

直平行六面体（直方体）形状の小型ニッケル水素電池と同サイズ同形状の小型フラットアルカリ電池があると、ミニディスクプレーヤーやMP３プレーヤーのような小型機器の動力として、ニッケル水素電池と交換可能に使えるので望ましい。

そして直方体形状の小型充電式電池、特に小型充電式ニッケル水素電池の交換用に、一次（非充電式）アルカリ電池が使えると望ましい。

主となるひとつの形態において本発明の目指すところは、放電に際して水素ガスを発生する電気化学電池であって、外部ケーシング、望ましくは金属製外部ケーシングと、このケーシングの壁を貫通する脱気孔と、この脱気孔を覆う破断可能膜とを有することを特徴とする電池である。この外部ケーシングが、電池の長手方向に沿って延びる平らな壁と、この平らな壁を貫通する脱気孔とを有してよい。さらにこの外部ケーシングの材質は金属が好ましいが、プラスチックでもよい。この電池は典型的には、直平行六面体形状のアルカリ電池でよい。任意選択的に、先細の穿孔部材が脱気孔内に延びている。この先細穿孔部材により、膜は破断の瞬間に裂けるようになる。

主となる別の形態において本発明の目指すところは、金属製外部ケーシングを備える一次アルカリ電池（アルカリ単電池）であり、この外部ケーシングが、この長手方向に沿って延びる少なくともひとつの平らな壁と、この平らな壁を貫通する脱気孔とを有する。本明細書で用いられる用語「脱気孔」とはケーシングの壁に開けられた開口部のことであり、この脱気孔によって、電池内部からのガスがここを通過して外側周辺に出ることができる。この電池は典型的には細長で、外部ケーシングの長手方向に沿って延びる平らな壁と、この平らな壁を貫通する脱気孔とを備える。このアルカリ電池が、亜鉛を含むアノードと、二酸化マンガンを含むカソードと、水酸化カリウム水溶液を含む電解質とを有すると好ましい。破断可能膜は脱気孔に面してそれを覆うように、ケーシングの内側表面に固定することができる。あるいはまた破断可能膜は脱気孔内に位置し脱気孔を横切って延びそれによって脱気孔を覆うように、固定することもできる。

電池の金属製外部ケーシングが、二部品からできていると、つまり、ケーシングの長手方向に沿う一面が開口している底側ハウジングと、金属製上蓋とからできていると、好都合である。この上蓋は平らな主要壁を含み、この主要壁が上蓋本体の表面を成している。さらにこの金属製上蓋は、その縁沿いに絶縁リングを有すると好ましい。そしてこの上蓋は、ハウジングにアノードとカソードと電解質とセパレーターを入れた後、ハウジングの開口面を覆うように固定する。脱気孔は、上蓋の平らな主要壁を貫通するように位置付けると好ましい。アノードとカソードとは、セパレーターを挟んで、これらが層状あるいはスラブ状に（硬貨を積み重ねたように）面で接しながら積み重なって配され、アノードが金属製上蓋と面し、カソードが底側ハウジングの閉じた面と面するようになっていると、好ましい。そしてアノードは金属製上蓋と電気的に接触し、カソードは底側ハウジングと電気的に接触する。またアノードとカソードとは、プラスチック材ケースに入っていないほうが好ましい。したがって、好適な実施態様においては、アノードは金属製上蓋と物理的に直接接触できるようになっており、さらにカソードは金属製底側ハウジングと物理的に直接接触できるようになっている。このような実施態様では、金属製上蓋のいずれかの面が電池のマイナス端子として機能し、さらに金属製底側ハウジングのいずれかの面が電池のプラス端子として機能することが可能となる。

破断可能膜は、水素ガス透過可能で、５０psig（３４５×１０³パスカルゲージ）を超えるしきい値ガス圧、より典型的には約２００psig（１３７９×１０³パスカルゲージ）を超えるガス圧、より一般的には約５０psig（３４５×１０³パスカルゲージ）から２００psig（１３７９×１０³パスカルゲージ）のガス圧において、確実に破断可能な高分子フィルムから選択できる。（本明細書では、圧力はゲージ圧として、つまり大気圧に対する差圧として記述されている。）好適なフィルムとしては、高い水素透過係数を有するポリスルホンフィルムがあるが、ポリエチレン、ポリプロピレン、あるいはナイロンのような他の水素透過可能膜も利用できる。ポリスルホンフィルムの場合、望ましくは約１から１．５ミル（０．０２５４mmから０．０３８１mm）の厚さを有し、典型的には約５．５から７．５mmの直径を有する脱気孔に、隣接して位置する。このような設計条件のもとで、このポリスルホン膜は、電池内の水素ガス圧が約９０から２００psig（６２０×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）、典型的には約９０から１２０psig（６２０×１０³から８２７×１０³パスカルゲージ）のレベルまで増加したとき、破断することが判った。通常の使用状態あるいは貯蔵状態のもとで電池内部の中で水素ガスが増加するあいだに、この水素ガス増加は緩やかになっていく傾向があり、膜を通って少しずつ散逸することになる。このような通常状態のもとで、電池内の水素ガス圧は約２００psig（１３７９×１０³パスカルゲージ）、より一般的には約１２０psig（６２０×１０³パスカルゲージ）、望ましくは５０psig（３４５×１０³パスカルゲージ）より低い圧レベルに維持される。ガス圧が、２００psig（１３７９×１０³パスカルゲージ）を超えるレベルに急激に増加すると、典型的には約５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）のレベルに急激に増加すると、より典型的には約９０から１２０psig（６２５×１０³から８２７×１０³パスカルゲージ）のレベルに急激に増加すると、膜は破断し、それによって水素ガスは急速に電池内部から周辺に逃れることになる。

この電池は、好ましくは、全体形状が多面体の、典型的には各表面もしくは各面が平らな多角形である細長多面体の、金属製外部ケーシングを有する。平らな多角形面を含む外部ケーシングの全体形状として、プリズム形も可能である。さらにこの外部ケーシングの形状が直平行六面体（直方体）であると好ましい。すなわちこのような実施態様では、金属製外部ケーシングの本体表面が長方形の両側面を二対と長方形の両端面を一対含むことになる。

ひとつの形態において、脱気孔が電池の外部ケーシングの長手方向に沿って延びる平らな壁のひとつを貫通し、破断可能膜がこの脱気孔を覆っている。この破断可能膜は、脱気孔に隣接あるいは脱気孔内に位置することができ、この脱気孔を覆うようになっている。外部ケーシングの平らな壁の一体形成部分が、ケーシング壁内の脱気孔内に突出する先細部材を有することができ、膜が破断するあいだに、この部材に膜が接触しこの部材によって膜が裂けるあるいは切れ目が入るようになっている。あるいはまた、開口部を有するディスクを用いて、破断可能膜を覆うことも可能である。すると破断可能膜が脱気孔を覆うことになる。さらにディスクの一体部分を形成する先細部材が、ディスク開口部内に突出することも可能となる。そして膜が破断するあいだに、ディスクの先細部材に膜が接触し、膜はこの部材によって裂けるもしくは切れ目が入る。破断の時点で膜表面がこのように裂けて切れ目が生じると、膜はこの裂け目に沿って破け、それによってガスがその裂け目に沿って逃れるため、液状の電解質が大量にガスと共に取り出されることはないということが判った。

別の形態において、電池における外部ケーシングの平らな壁を貫通する脱気孔内に脱気装置が位置付けられ、破断可能膜がこの脱気装置の一部を成すことができる。この場合、脱気孔を含む平らな壁は、電池の外部ケーシングの長手方向に沿って延びることができる。そして膜は、外部ケーシングに溶接された、あるいは外部ケーシングの一体部分を形成する、金属製クリンプリングによって、正確な位置で保持できる。さらに弾性絶縁リングを、クリンプリングと破断可能膜との間に挿入できる。あるいはまた、絶縁リングの中央部を一体的に形成するように膜を成形することもできる。これらのクリンプリングや絶縁リングによって膜は、ケーシングの平らな壁の内側表面に沿って、あるいはそれに近接して、正確な位置で保持され、脱気孔を覆うようになっている。さらに、膜の上側に位置付けられて脱気孔内に延びる先細部材を設けることもできる。この先細部材は、外側ケーシングの一体部分になることができる。あるいはまた先細部材が別に設けられたディスクの一部として形成され、このディスクは、破断可能膜の上側の正確な位置で、脱気孔内に溶接することができる。いずれの場合も、電池内の水素ガス圧が急激に上昇して、設計上のしきい値圧力、これは約５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）レベルが望ましいのだが、それを超えたときに、先細部材によって、膜は破断の時点でその表面に裂け目が生じる。このことによって、水素ガスが裂け目を通って逃れても、膜はじゅうぶんにその原型をとどめているため、逃れた水素ガスに伴われて大量の電解質液体が周辺に持ち込まれることはないという有益な効果がもたらされる。

本発明によるフラットアルカリ一次電池（アルカリ単電池）１０の実施態様が図１から１Bに示されている。アルカリ電池１０（図１から１B）は、金属製外部ケーシング８９を有し、このケーシングの金属製細長本体における表面は、その大部分が平らな多角形となっている。外部ケーシング８９の全体形状が、平らな多角形を有する多面体になっていてもよい。ひとつの好適な実施態様において、電池１０の完成品の全体形状は直平行六面体（直方体）である。電池１０はたとえば、７/５F６サイズ（IEC規格）の充電式電池と同じあるいは類似の全体サイズおよび全体形状をとりうる。このような電池の全体形状は図１Bに示されたような直平行六面体であり、その長さは約６７mm、幅は１７mmそして厚さは６mmである。本発明による電池１０は、このような形状およびサイズで、ソニーのミニディスク（MD）プレーヤー、MZ−９００モデルのような電気機器の電源としての７/５F６サイズの充電式ニッケル水素電池の交換用に使うことができる。なお、このような交換電池として使用するというのは、例として示したのであって、これに限定しようとするものではない。図１から１Bに示された電池の実施態様は、そのサイズを大きくすることも小さくすることも可能である。

アルカリ電池１０（図１および１B）は、金属製外部ケーシング８９を有し、その金属製細長本体表面の大部分は、少なくともひとつの平らな多角形を有する。そして外部ケーシング８９の全体形状は、平らな多角形表面を有する多面体でよい。図１および１Bに示された特定の実施態様においては、アルカリ電池１０の全体形状は、直平行六面体（直方体）である。そして電池１０の外部ケーシング８９はハウジング９０を含み、電池内容物を入れたあとに、このハウジング９０は上蓋１５によって密閉する。ハウジング９０は、ニッケルめっきされた冷間圧延鋼またはステンレス鋼であると好ましい。そして上蓋１５は、スズめっきされた冷間圧延鋼またはステンレス鋼であると好ましい。電池内容物は、亜鉛粒子を含むアノード４０と、二酸化マンガンを含むカソード６０と、アノードとカソードとの間のセパレーター５０とを含む。上蓋のいずれかの部分が電池のマイナス端子（−）として機能でき、ハウジング９０のいずれかの部分が電池のプラス端子（＋）として機能できる。

金属製ハウジング９０は、平らな底面９２と、ハウジングの両端面を成す垂直端壁９４aおよび９４bの一対と、ハウジングの長手方向の両側面を成す垂直側壁９４cおよび９４dの一対とを有する（図１B）。こうしてハウジング９０は、細長の最上開口部９３（図１）を有し、この開口９３を上蓋１５によって閉じる。両端壁９４aおよび９４bと両側壁９４cおよび９４dとが（図１B）すべて底面９２と一体となっていると、すなわちハウジング９０が一体部品であると好ましい。上蓋１５は、平らな上表面１６を有し、この表面は外周縁１８まで延びて下降傾斜縁１７を成す（図１）。外側絶縁シール８５が、上蓋１５の外周縁１８を取り囲むように設けられている。この外側絶縁シール８５が、成形されたプラスチックリングとして、上蓋１５の外周縁１８を覆い付けて成形されていると、あるいはまた別に設けられた「独立型の」成形プラスチックリングとして上蓋１５の外周縁１８にかぶせて配されていると好ましい。電池内容物をハウジング９０内部に入れた後、蓋１５をハウジング９０の最上開口部９３にかぶせてはめ、ハウジング９０の外周縁９６を、外側絶縁シール８５にかぶせて締める。

図１に示されたように、蓋１５が脱気孔７０を有し、この脱気孔は、その下に電池内部の途中まで延びる脱気スペース７０aを提供する。さらに脱気シール装置８０が脱気孔７０の下側に配される。このシール装置８０は図1に示されたように、破断可能脱気膜２０を、脱気孔７０直下の脱気スペース７０aを横切って正確な位置で気密的に保持できるように設計されたものである。また図1および１Aにもっともよく示されているように、シール装置８０は、絶縁シールリング２５と、クリンプリング３０と、破断可能膜２０とを含む。そしてこのシール装置８０は、破断可能膜２０を上蓋１５の内側表面を横切って配し脱気孔７０の下に位置するようにして、構成されたものである。絶縁シールリング２５は、膜２０の縁に沿って配されている。またシールリング２５の材質は、ナイロンが望ましいが、ゴム状あるいは他のプラスチック材で、それが圧縮可能で弾性がありアルカリ電解質にさらされても耐性を有して変わらないものであればよい。金属製クリンプリング３０は、シールリング２５の周りに位置付けられる。この金属製クリンプリング３０の最上縁３０aは、上蓋１５の内側表面に溶接されているが、これはレーザー溶接や超音波溶接が好ましい。次いでクリンプリング３０の底周縁３０bは、シールリング２５のまわりで折り込み、それによってシールリング２５を上蓋１５の内側表面に抗して気密的に圧縮する。こうして圧縮されたシールリング２５は、膜２０の縁を、上蓋の内側表面に抗して、正確な位置で気密的に保持する。

図１Aの分解図にもっともよく示されているように、上表面１６の一体部分を形成し脱気孔７０内に突出する小片７５がある。この突出片７５の突端は穿刺点７８で、これは脱気孔７０の中心まで入り込んでいる。放電中に、さらに貯蔵中も起こり得ることとして、アルカリ電池１０内で水素ガスが次第に増加する。そして膜２０が水素透過可能な材質であるため、この膜によって、水素ガスは電池から少しずつ逃れることができる。膜２０の望ましい材質には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスルホン、あるいは水素透過可能な他の材質がある。とくにポリスルホンは、任意の厚さで水素透過率が高くしかも本質的に酸素不透過であるため、膜２０として好適な材質であることが判った。ポリスルホン膜２０の水素透過係数は、２５℃において、約１．０６９×１０^−８（H_２cm^３＊厚さcm）/（面積cm^２＊圧cm Hg＊秒）である。ここで圧cm Hgとは、任意のポリスルホン膜を通るH_２の透過率が決定されるときの、水銀柱のcmで測定した圧力のことである。（大気圧でテストすると水銀柱７６．０cmになる）。大気中の酸素が大量に電池内部に入ると、アノードの亜鉛と反応し、酸化亜鉛を生成し、こうしてできた酸化亜鉛により電池の性能や容量が低下してしまう。したがって、ポリスルホンの酸素に対する不透過性は、望ましい特性である。電池の通常の放電状態や貯蔵状態において、電池の製造した水素は膜２０を通って少しずつ透過し、脱気孔７０を通って周辺に放出される。しかしたとえば電池を故意にあるいは誤ってショートさせる、また極端に高温の環境条件下で貯蔵するといったような誤使用により、急激に水素が増加し、それに伴い電池内のガス圧も急激に高まる。このような場合、電池内部圧が所定の設計上のしきい値に急激に増加するあいだに、膜２０は破断し、それによって上昇したガス圧を即座に電池から放つ。このような状況下では、膜２０は、破断直前の時点で脱気孔７０内まで膨張し、突出部材の穿刺点７８に衝突する。そして破断の瞬間に、穿刺点７８が膜表面に切れ目あるいは裂け目を生じさせる。こうして、ガスは裂け目を通って迅速に逃れるので、このガスに伴われて、環境上の害になるはずの大量の液状電解質が持ち出されるということはない。

脱気孔７０のサイズおよび膜２０の厚さは、電池内の水素ガスが所望のしきい値圧力まで増加したときに、膜２０が確実に破断するように調整することができる。従来の亜鉛/MnO₂アルカリ電池では、その全体形状は円筒形である。このような円筒形状電池の場合、内部の水素ガス圧は、典型的には約６００から１２００psig（４１３７×１０³から８２７４×１０³パスカルゲージ）のレベルに、あるいはこれよりいくらか高圧レベルにさえ、増加するままにされることがある。結局、脱気孔の膜が吹き飛ぶ、あるいは他の脱気メカニズムが作動して電池から上昇した圧を放つに至る。このような円筒状電池は、通常、外部ケーシングの壁厚さを典型的には約６から１５ミル（０．１５２から０．３８１mm）にして、このような内部のガス圧増加に耐えられるようになっている。しかし、本発明のようなフラット電池の設計では、特に直平行六面体（直方体）形状電池１０では、壁の公称厚さが約６から１５ミル（０．１５２および０．３８１mm）の外部ケーシングは、内部ガス圧が２００psig（１３７９×１０³パスカルゲージ）を超えてさらに大きな値に至るにつれ、外向きに膨張する傾向がある。（１５ミルを超えてさらに大きな厚さを有する外部ケーシングの場合、電池のコストが高くなるばかりでなくアノード活物質およびカソード活物質を入れるための内部容積を減らさなければならず、不利である）。かくして図１および１Bに描かれたようなフラット電池（直平行六面体）の設計においては、約２００psig（１３７９×１０³パスカルゲージ）より低い圧で、望ましくは約５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）の圧で、好ましくは約１００から２００psig（６８９×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）の圧で、膜２０が破断するように、脱気孔７０および膜２０が設計されていると望ましいことが判った。図１に示された本発明による実施態様においては、金属製ハウジング９０とハウジング蓋１５とでケーシング８９を形成しており、また金属製ハウジング９０の材質はニッケルめっきされた冷間圧延鋼やステンレス鋼が、そしてハウジング蓋１５の材質は、スズめっきされた冷間圧延鋼やステンレス鋼が望ましく、どちらもその壁の厚さは約１０から１５ミル（０．２５から０．３８mm）になっている。

脱気孔７０の径「R」と膜２０の厚さ「t」の組み合わせに関して、以下の公式を用いて、膜が望ましい破断圧P_rにおいて破断するように調整可能になっている。

P_r＝t/R×S （I）
ここで、Sは破断可能膜の極限引張強さである。

図１および１Aに描かれたシール装置８０の設計によれば、膜２０がシール装置とは別に設けられた連続シートなので、非常に薄くなるようにたとえば押出し成形などによって製造できるため、厚さの極めて小さい膜を使えるという有利性がもたらされる。つまり、厚さの極めて小さい膜を使うことで、脱気孔７０を過度に大きくしなくとも、約５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）という、望ましいとされる相対的に低い破断圧を達成することが容易となる。

さらに、ポリスルホン膜２０を用いた場合、脱気孔７０の径は約５．５mmから７．５mmが望ましく、好ましくは約０．２５インチ（６．３５mm）で、膜の厚さは約1から１．５ミル（０．０２５４mmから０．０３８１mm）である。このような脱気孔７０の径とポリスルホン膜２０の厚さの組み合わせにより、電池内のガス圧が増加し、約２００psig（１３７９×１０³パスカルゲージ）より低いしきい値レベルに、望ましくは約５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）のレベルに達したときに、膜２０が破断できるようになっている。このような厚さのポリスルホン膜は、UDELフィルムという商標でAmoco社から入手可能である。０．２５インチ（６．３５mm）の径の脱気孔７０と、約1から１．５ミル（０．０２５４mmから０．０３８１mm）の厚さのポリスルホン膜２０とに対して、この膜がもっとも破断しやすい破断圧は、約９０から１２０psig（６２０×１０³から８２７×１０³パスカルゲージ）である。なお、この脱気孔の径は、脱気孔７０を円形形状とみなしている。脱気孔形状として、円形が好ましくはあるものの、本明細書で述べる本発明によるいずれの実施態様においても、円形に限定しようとするものではない。つまり、他の楕円形や多角形の脱気孔７０でもよい。したがって本明細書の脱気孔径という用語は、このような変形形状の脱気孔の場合も、円形の径に相当させている。すなわち、断面積がSの非円形脱気孔７０における相当径Dは、公式１/４πD^２＝Sを使って計算したものとなる。さらに、脱気孔のサイズと膜２０の厚さは、他の組み合わせ、一般的には上記の公式P_r＝t/R×Sにしたがって、望ましい破断圧を達成するように調整されてもよい。このようなサイズ調整に際して、脱気孔７０が大きすぎると外部物質が誤って入りやすくなることや、破断可能膜２０を薄くしすぎると膜の取り扱いが困難になるとともに、シール装置８０にとりつける際に破損しやすくなることなどが、他の限定要因となる。

電池の中の内容物についても、図１に示されている。完成品としての電池１０（図１および１B）は、単電池より構成される。この単電池は、MnO_２を含むカソード６０と、亜鉛を含むアノード４０と、カソードとアノードとの間のセパレーター５０とを備える。セパレーター５０は、アルカリ電解質、好ましくは水酸化カリウム水溶液を、透過できる。アノード４０とカソード６０とは、ほぼ直方体の薄いスラブである。図１に示されたように、アノードスラブ４０とセパレーター５０とカソードスラブ６０とが、（硬貨を積み重ねたように）面で接しながら積み重なって配される。図１に示されたように、アノード４０と上蓋１５との間には、電池の放電中に起こり得るアノードやカソードの膨張を受け入れられるような、いくらかの空所が存在しうる。本明細書で用いられるアノードスラブとカソードスラブの「面で接しながら積み重なって」というのは、すべての実施態様に関して、アノードとカソードとが、アノードの表面の大部分とカソードの表面の大部分が（セパレーターを間に挟んで）隣接しあい互いに面するように（硬貨を積み重ねたように）積み重なっているという意味であることを理解すべきである。カソード６０自体は、圧縮されたMnO_２粒子を含む長方形または正方形の複数枚の薄いスラブから便宜よく作成される。先ずMnO_２スラブ、たとえば、４枚のスラブ６０aから６０dをハウジング９０の中に入れて、そのときに、両端の２枚のスラブ６０aおよび６０dをハウジング９０に当接させ、真中の２枚のスラブ６０cおよび６０dを４枚のスラブが等距離で並ぶように置いて、配する。そしてこれら４枚のスラブ６０aから６０dを下向きに圧縮して、カソード６０の完成品を形成する。カソード６０の厚さは、それぞれのスラブが圧縮されて、スラブとスラブとの間の間隔がこれらの圧縮されたカソード材で埋まるために、もとのスラブ厚より小さくなる。カソード６０は、一本の細長MnO_２スラブから製造するのではなく、別々のMnO_２スラブを複数枚使ってこのように作成するほうが、有利であることが判った。つまり、ハウジング９０とほぼ同じ長さの一本のMnO_２スラブから製造した場合、その最中にスラブが折れてしまう場合が多くなるからである。そして、別々のMnO_２スラブを複数枚使って作成しても、スラブ６０aから６０dを側方から押圧すれば、できあがったカソード６０は一本である。いっぽう、アノード４０は、粒状亜鉛を含む長方形のスラブが好ましい。そしてセパレーター５０は、アノード４０とカソード６０との間に介在する、長方形の平らな表面を有する。セパレーター５０は、亜鉛/MnO_２アルカリ電池で使われる材料から便宜よく構成されてもよい。このような場合のセパレーターの材質は、典型的にはセルロース系で、たとえばポリビニルアルコールとセルロース繊維とを含み、これらはアルカリ電解質が透過可能である。

本発明による別の特定実施態様のフラット電池（アルカリ単電池）１００が図２から２Bに示されている。アルカリ電池１００（図２から２B）は、金属製外部ケーシング１８９を有し、その金属製細長本体表面の大部分は、平らな多角形を有する。そして外部ケーシング１８９の全体形状は、平らな多角形表面を有する多面体でよい。図２および２Bに示された特定の実施態様においては、アルカリ電池１００の全体形状は直平行六面体（直方体）である。そして電池１００の外部ケーシング１８９はハウジング１９０を含み、このハウジング１９０は上蓋１１５によって密閉する。ハウジング１９０は、ニッケルめっきされた冷間圧延鋼またはステンレス鋼であると好ましい。そして上蓋１１５は、スズめっきされた冷間圧延鋼またはステンレス鋼であると好ましい。電池内容物は、図２に示されたように、亜鉛粒子を含むアノード４０と、二酸化マンガンを含むカソード６０と、アノードとカソードとの間のセパレーター５０とを含む。上蓋１１５のいずれかの部分が電池のマイナス端子（−）として機能でき、ハウジング１９０のいずれかの部分が電池のプラス端子（＋）として機能できる。

金属製ハウジング１９０は、平らな底面１９２と、ハウジングの両端面を成す垂直端壁１９４aおよび１９４bの一対と、ハウジングの長手方向の両側面を成す垂直側壁１９４cおよび１９４dの一対とを有する（図２B）。こうしてハウジング１９０は細長の最上開口部１９３（図２）を有する。両端壁１９４aおよび１９４bと両側壁１９４cおよび１９４dとが（図１B）すべて底面１９２と一体となっていると、すなわちハウジング１９０が一体部品であると好ましい。上蓋１１５は、平らな上表面１１６を有し、この表面は外周縁１１８まで延びて下降傾斜縁１１７を成す。外側絶縁シール１８５が上蓋１１５の外周縁１１８を取り囲むように設けられている。この外側絶縁シール１８５が、成形されたプラスチックリングとして、上蓋１１５の外周縁１１８を覆い付けて成形されていると、あるいはまた別に設けられた「独立型の」成形プラスチックリングとして上蓋１１５の外周縁１１８にかぶせて配されていると好ましい。電池内容物をハウジング１９０内部に入れた後、蓋１１５をハウジング１９０の最上開口部１９３にかぶせてはめ、ハウジング１９０の外周縁１９６を、外側絶縁シール１８５にかぶせて締める。

蓋１１５は、その上表面１１６に脱気孔１７０を有する。この脱気孔１７０が、脱気スペース１７０aを提供する。そして水素ガスは、このスペースを通って膜１２０を透過することによって、周辺に少しずつ放出できる。電池内部のガス圧が突然上昇した場合、膜１２０は脱気孔１７０に至るまで破断してガスは周辺に放出する。上表面１１６の脱気孔１７０は、二段の円形にくられた縁１３０によって、境界を定められている。この二段の円形にくられた縁１３０は、図１の前述した実施態様で示されたクリンプリング３０に類似したクリンプリングを形成している。両者の違いは、クリンプリング１３０（図２）は、蓋１１５の上表面１１６の一体部分であり、いっぽうクリンプリング３０（図１）は、蓋１５とは別に設けられた部品で、蓋１５には溶接で取り付けなければならない。つまり図２に示された電池１００の実施態様の場合、クリンプリング１３０は上表面１１６の一体部分であるから、上表面１１６に固定するための溶接が不要となる。さらにクリンプリング１３０は、脱気スペース１７０aの境界を成す周縁１３０bまで至る一体部品として、内側脚１３０aを含む。また、クリンプリング１３０は下向きに傾斜して、その周縁１３０bが上蓋１１５の表面１１６の高さより下の位置になる。このクリンプリング１３０は、所望の構造にくられた型を用いた型押しによって、容易にその構造に形成される。

図２および２Aにもっともよく示されているように、シール装置１８０は、クリンプリング１３０と、絶縁シールリング１２５と、破断可能膜１２０と、脱気ワッシャー１４０とを含む。そして図２に示されたように、このシール装置１８０は、破断可能脱気膜１２０を、脱気スペース１７０aを横切って正確な位置で気密的に保持できるように設計されたものである。破断可能膜１２０は、絶縁リング１２５と脱気蓋１４０とに挟まれている。クリンプリング１３０のクリンプ縁１３０bは絶縁リング１２５を押圧し、それによって膜１２０を脱気蓋１４０に抗して正確な位置で気密的に保持する。脱気蓋１４０は、脱気孔１７０が通るワッシャー１４０（図２および２A）形状を取りうる。ワッシャー１４０は縁に沿ってクリンプリング１３０に、好ましくはリング１３０の内側脚１３０aに溶接することによって固定させる。またシールリング１２５の材質は、ナイロンが望ましいが、ゴム状あるいは他のプラスチック材で、それが圧縮可能で弾性がありアルカリ電解質にさらされても耐性を有して変わらないものであればよい。図２に示された実施態様においては、破断可能膜１２０の外がわ面は、脱気ワッシャー１４０の脱気孔１７０に面している。いっぽう破断可能膜１２０の内がわ面は、クリンプリング１３０の周縁１３０bによって形成された脱気スペース１７０aに面している。こうして、電池内部の中の水素ガス圧が突然上昇して膜の破裂圧を超えると、膜１２０が破断し水素ガスは安全に周辺に逃れることができる。

本発明によるさらに別の特定実施態様のフラット電池（アルカリ電池）２００が図３から３Bに示されている。アルカリ電池２００（図３から３B）は、金属製外部ケーシング２８９を有し、その金属製細長本体表面の大部分は、平らな多角形を有する。そして外部ケーシング２８９の全体形状は、平らな多角形表面を有する多面体でよい。図３および３Bに示された特定の実施態様においては、アルカリ電池２００の全体形状は直平行六面体（直方体）である。そして電池２００の外部ケーシング２８９はハウジング２９０を含み、このハウジング２９０は上蓋２１５によって密閉する。ハウジング２９０は、ニッケルめっきされた冷間圧延鋼またはステンレス鋼であると好ましい。そして上蓋２１５は、スズめっきされた冷間圧延鋼またはステンレス鋼であると好ましい。電池内容物は、図３に示されたように、亜鉛粒子を含むアノード４０と、二酸化マンガンを含むカソード６０と、アノードとカソードとの間のセパレーター５０とを含む。上蓋２１５のいずれかの部分が電池のマイナス端子（−）として機能でき、ハウジング２９０のいずれかの部分が電池のプラス端子（＋）として機能できる。

金属製ハウジング２９０は、平らな底面２９２と、ハウジングの両端面を成す垂直端壁２９４aおよび２９４bの一対と、ハウジングの長手方向の両側面を成す垂直側壁２９４cおよび２９４dの一対とを有する（図３B）。こうしてハウジング２９０は、細長の最上開口部２９３（図３）を有する。両端壁２９４aおよび２９４bと両側壁２９４cおよび２９４dとが全面的に底面２９２と一体となっていると、すなわちハウジング２９０が一体部品であると好ましい。上蓋２１５は、平らな上表面２１６を有し、この表面は外周縁２１８まで延びて下降傾斜縁２１７を成す。外側絶縁シール２８５が上蓋２１５の外周縁２１８を取り囲むように設けられている。この外側絶縁シール２８５が、成形されたプラスチックリングとして、上蓋２１５の外周縁２１８を覆い付けて成形されていると、あるいはまた別に設けられた「独立型の」成形プラスチックリングとして上蓋２１５の外周縁２１８にかぶせて配されていると好ましい。電池内容物をハウジング２９０内部に入れた後、蓋２１５をハウジング２９０の最上開口部２９３にかぶせてはめ、ハウジング２９０の外周縁２９６を、外側絶縁シール２８５にかぶせて締める。

図３に示されたように、蓋２１５がその上表面２１６に脱気孔２７０を有する。上表面２１６の脱気孔２７０は、二段の円形にくられた縁２３０によって、境界を定められている。この二段の円形にくられた縁２３０は、図２の前述した実施態様で示されたクリンプリング１３０に類似したクリンプリングを形成している。このクリンプリング２３０は、蓋２１５の上表面２１６の一体部分である。したがって図３に示された電池２００の実施態様において、クリンプリング２３０は、上表面２１６に固定するための溶接が不要となる。さらにクリンプリング２３０は、脱気スペース２７０aの境界を成す周縁２３０bに至る一体部品として、内側脚２３０aを含む。また、クリンプリング２３０は下向きに傾斜して、その周縁２３０bが上蓋２１５の表面２１６の高さより下の位置になる。このクリンプリング２３０は、所望の構造にくられた型を用いた型押しによって、容易にその構造に形成される。

図３および３Aにもっともよく示されているように、シール装置２８０は、絶縁シールリング２２０a（２２５）と、クリンプリング２３０と、破断可能膜２２０と、脱気蓋２４０とを含む。そして図３に示されたように、このシール装置２８０は、破断可能脱気膜２２０を、脱気スペース２７０aを横切って正確な位置で気密的に保持できるように設計されたものである。破断可能膜２２０は、クリンプリング２３０の周縁２３０bと脱気蓋２４０とに挟まれている。この実施態様（図３および３A）においては、絶縁シールリング２２５は、破断可能膜２２０を囲い付けて一体的に成形されている。こうして破断可能膜２２０は、これより厚みのある絶縁シールリング２２５によって囲まれて、その中心部分を成す薄膜を形成する。これら絶縁シールリング２２５と破断可能膜２２０とは、同一の成分で一体的に成形され、単一の一体部品を形成している。

脱気蓋２４０は、ワッシャーまたはディスク２４０（図３および３A）形状を取りうる。ディスク２４０はその縁２４０aに沿って、好ましくはクリンプ縁２３０の内側脚２３０aに、溶接することによって固定する。組み立ての際には、破断可能膜２２０付きの絶縁リング２２５を、クリンプリング２３０と脱気蓋２４０の縁との間に挿入する。またシールリング２２５およびそれと一体化された破断可能膜２２０の材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンあるいはポリスルホンのような、水素に対して十分に透過性を有するものである。なかでもポリスルホンは、水素に対する透過性が高く、周辺からの酸素の導入を制限するので、好ましい。次いでクリンプリング２３０の周縁２３０bを、絶縁シールリング２２５に抗して機械的に締め付けて、それによって絶縁リング２２５をクリンプリング２３０と脱気蓋２４０との間に正確な位置で確実に固定する。脱気蓋２４０は、図３および３Bにもっともよく示されているように、一固体のディスクであって、その表面の小さな一部分が切れ目２７５aに沿って内側に切り込まれて先細突出片２７５を形成し、この突出片２７５がディスク２４０の底面を突き抜けていると望ましい。ただしこの突出片２７５はディスク２４０の底表面を通って突き抜けてはいても、ディスク２４０に物理的につながったままである。切れ目２７５aは、突出片２７５の形状の小さなスリットとしてディスク２４０にできたものである。図３に示された実施態様において、破断可能膜２２０の外がわ面は、脱気孔２７０に面し、さらにまた下向きに突出する先細片２７５にも面している。いっぽう破断可能膜２２０の内がわ面は、クリンプリング２３０の周縁２３０bによって形成された脱気スペース２７０aに面している。電池の水素ガスが非常にゆっくりと増加すると、水素は、破断可能膜２２０を透過して、突出片２７５によって成されたディスク２４０表面上のスリット２７５aを通って、周辺に出る。また電池内部の中の水素ガス圧が急激に増加して膜２２０の破裂圧を超えると、膜２２０は外向きに膨張する。膜２２０は破断の直前に、突出刺片２７５に衝突する。そして破断の瞬間に、突出片２７５の先端となる穿刺点２７８により、膜２２０の表面に裂け目ができる。これによって、水素ガスはその裂け目を通って迅速に逃れるので、この水素ガスに伴われて大量の液状電解質が持ち出されるということはない。

本発明によるさらにまた別の特定実施態様のフラット電池（アルカリ電池）３００が図４から４Cに示されている。アルカリ電池３００（図４から４C）は、金属製外部ケーシング３８９を有し、その金属製細長本体表面の大部分は、平らな多角形を有する。そして外部ケーシング３８９の全体形状は、平らな多角形表面を有する多面体でよい。図４および４Cに示された特定の実施態様においては、アルカリ電池３００の全体形状は直平行六面体（直方体）である。そして電池３００の外部ケーシング３８９はハウジング３９０を含み、このハウジング３９０は上蓋３１５によって密閉する。ハウジング３９０は、ニッケルめっきされた冷間圧延鋼またはステンレス鋼であると好ましい。そして上蓋３１５は、スズめっきされた冷間圧延鋼またはステンレス鋼であると好ましい。電池内容物は、図４に示されたように、亜鉛粒子を含むアノード４０と、二酸化マンガンを含むカソード６０と、アノードとカソードとの間のセパレーター５０とを含む。上蓋３１５のいずれかの部分が電池のマイナス端子（−）として機能でき、ハウジング３９０のいずれかの部分が電池のプラス端子（＋）として機能できる。

金属製ハウジング３９０は、平らな底面３９２と、ハウジングの両端面を成す垂直端壁３９４aおよび３９４bの一対と、ハウジングの長手方向の両側面を成す垂直側壁３９４cおよび３９４dの一対とを有する（図４C）。こうしてハウジング３９０は、ハウジングの長手方向に沿って延びる細長の最上開口部３９３を有する。両端壁３９４aおよび３９４bと両側壁３９４cおよび３９４dとがすべて底面３９２と一体となっていると、すなわちハウジング３９０が一体部品であると好ましい。上蓋３１５は、平らな上表面３１６を有し、この表面は外周縁３１８まで延びて下降傾斜縁３１７を成す。外側絶縁シール３８５が上蓋３１５の外周縁３１８を取り囲むように設けられている。この外側絶縁シール３８５が、成形されたプラスチックリングとして、上蓋３１５の外周縁３１８を覆い付けて成形されていると、あるいはまた別に設けられた「独立型の」成形プラスチックリングとして上蓋３１５の外周縁３１８にかぶせて配されていると好ましい。電池内容物をハウジング３９０内部に入れた後、蓋３１５をハウジング３９０の最上開口部３９３にかぶせてはめ、ハウジング３９０の外周縁３９６を、外側絶縁シール３８５にかぶせて締める。

上蓋３１５は、その上表面３１６に脱気孔３７０を有する。上表面３１６の脱気孔３７０は、二段の円形にくられた縁３３０によって、境界を定められている。この二段の円形にくられた縁３３０は、図２の前述した実施態様で示されたクリンプリング１３０に類似したクリンプリングを形成している。このクリンプリング３３０は、蓋３１５の上表面３１６の一体部品である。したがって図４に示された電池３００の実施態様において、クリンプリング３３０は、上表面３１６に固定するための溶接が不要となる。さらにクリンプリング３３０は、脱気スペース３７０aの境界を成す周縁３３０bに至る一体部品として、内側脚３３０aを含む。また、クリンプリング３３０は下向きに傾斜して、その周縁３３０bが上蓋３１５の表面３１６の高さより下の位置になる。このクリンプリング３３０は、所望の構造にくられた型を用いた型押しによって、容易にその構造に形成される。

図４Aおよび４Bにもっともよく示されているように、シール装置３８０は、最上絶縁シールリング３２５aと、破断可能膜３２０と、底部絶縁シールリング３２５bと、脱気ディスク３４０とを含む。絶縁シールリング３２５aおよび絶縁シールリング３２５bは、弾性および熱可塑性がありアルカリ電解質にさらされても耐性を有する材質で形成される。つまり絶縁シールリング３２５aおよび絶縁シールリング３２５bの材質は、ポリエチレンやポリプロピレン、好ましくはポリスルホンやナイロンでよい。また破断可能膜３２０の材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンあるいはポリスルホンのような、水素に対して十分に透過性を有するものである。なかでもポリスルホンは、水素に対する透過性が高く、周辺からの酸素の導入を制限するので好ましい。シール装置３８０を作成するには、破断可能脱気膜３２０を最上絶縁シールリング３２５aと底部絶縁シールリング３２５bとの間に配して、加熱および加圧し、これら三個の構成部品をあわせて積層化し、半組立て品としての積層体３８８を形成させる（図４A）。そして、この積層体３８８を脱気ディスク３４０（図４A−１）にはめこむ。ここで脱気ディスク３４０とは、一方の開口端部３７３および他方の一部開口端部３７４とこれら両端に挟まれた周壁とから成る一体的に形成された金属製ディスクである。そしてこの脱気ディスク３４０は、ニッケルめっきされた冷間圧延鋼やステンレス鋼であると好ましい。脱気ディスク３４０の一部開口端部３７４は、脱気ディスクと一体形成され孔３７０が通る端面３７６から成る。さらに端面３７６から、一体形成された突出片３７５がその先端に穿刺点３７８を有して、脱気孔３７０内に突き出ている。積層体３８８を、最上絶縁シールリング３２５aが脱気孔３７０と穿刺点３７８とに隣接するように、脱気ディスク３４０の開口端部３７３から入れる。次いで脱気ディスク３４０の縁３４２を積層体３８８にかぶせて締めて、脱気装置３８０を（図４B）完成する。そして完成した脱気装置３８０（図４）を、クリンプリング３３０の周縁３３０bに載るように、上蓋３１５の上表面３１６に入れる。つづいて、図４に示されたように、脱気ディスク３４０の締めた縁３４２を、クリンプリング３３０の周縁３３０bに溶接することによって、脱気装置３８０をクリンプリング３３０に固定する。

電池の水素ガスが非常にゆっくりと増加すると、水素は脱気スペース３７０aから破断可能膜３２０を通って、そして最上の脱気孔３７０を通って周辺に至る。また電池内部の中の水素ガス圧が急激に上昇して膜３２０の破裂圧を超えると、膜３２０は外向きに膨張する。膜３２０は破断直前に、突出している穿刺点３７８に衝突する。そして破断の瞬間に、突出片３７５の先端となる穿刺点３７８により、膜の表面に裂け目ができる。これによって、ガスはその裂け目を通って迅速に逃れるので、水素ガスに伴われて大量の液状電解質が持ち出されるということはない。

脱気孔径および破断可能膜の厚さ
これまで述べてきた実施態様に関して、つまり、電池１０、１００、２００および３００に関して、破断可能膜２０、１２０、２２０および３２０がそれぞれポリスルホンフィルムであり、脱気孔７０、１７０、２７０および３７０がそれぞれ円形であるとき、膜の径は約０．２５インチ（６．３５mm）で膜の厚さは約１から１．５ミル（０．０２５４mmから０．０３８１mm）であると望ましい。それぞれの場合において、破断可能膜２０、１２０、２２０および３２０は、脱気孔７０、１７０、２７０および３７０のそれぞれに隣接しそれぞれを覆う。このような、約０．２５インチ（６．３５mm）の脱気孔径および約１から１．５ミル（０．０２５４mmから０．０３８１mm）のポリスルホン破断可能膜厚さであれば、この膜は、約９０から１２０psig（６２０×１０³から８２７×１０³パスカルゲージ）という望ましい破断圧で、破断することになる。また、上述の式（I）を適用することによって、脱気孔径および膜厚さを他の数値の組み合わせで調整して、同一の破断圧や他の望ましい破断圧にできることが理解されよう。ただし脱気孔径が大きすぎた場合、外部物質が誤って入りやすくなるという限定要因がある。さらに破断可能膜２０を薄くしすぎた場合、膜の取り扱いが困難になるとともに、シール装置にとりつける際に破損しやすくなるという限定要因もある。このような限定要因を考慮して、約５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）の破裂圧では、脱気孔径の範囲は約４から１０mmが望ましく、膜厚さについては約０．５から２ミルが望ましい。そして約９０から２００psig（６２０×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）の破裂圧では、脱気孔径の範囲は約４から７mmが望ましく、膜厚さについては約０．７から１．５ミルが望ましい。これらの目的を達成するのに適した破断可能膜はポリスルホンである。

代表的電池の化学的組成
以下に述べる電池の組成、つまりアノード４０、カソード６０およびセパレーター５０の化学的組成は、すでに開示した特定の実施態様で述べられた電池１０、１００、２００および３００のいずれに対しても、適用可能である。

上記の電池の特定実施態様のそれぞれにおいて、カソード６０は二酸化マンガンを含み、アノード４０は亜鉛と電解質とを含む。電解質水溶液は、KOH、酸化亜鉛およびゲル化剤から成る従来どおりの混合物を含む。アノード材４０は、水銀不使用（水銀添加量がゼロ）の亜鉛合金粉末を含有するゲル化された混合物の形態をとることができる。すなわち、電池の水銀含有総量は、電池の総重量に対して１００万部中５０部より低く、好ましくは電池の総重量に対して１００万部中２０部より低い。電池はまた、いかなる添加量の鉛も含有せずに本質的に鉛不使用というのが望ましく、つまり鉛総含有量は、アノードの金属含有総量に対して３０ppmより低く、望ましくは１５ppmより低い。以上のような混合物は、典型的には、KOH電解水溶液、ゲル化剤（例、登録商標CARBOPOL C９４０としてBFグッドリッチ社（B.F.Goodrich）より入手可能なアクリル酸系の共重合体）および界面活性剤（例、登録商標GAFAC RA６００としてローヌプラン社（Rhone Poulenc）より入手可能な有機リン酸エステル系の界面活性剤）を含有する。このような混合物は、単に例として示したのであって、本発明を限定しようとするものではない。亜鉛アノード用の他の代表的なゲル化剤は、USP４，５６３，４０４に開示されている。

カソード６０は次のような組成物を有していると好ましい。

８７から９３重量％の電解質の二酸化マンガン（例、カーマギー社（Kerr-McGee）からのTronaD）と、２から６重量％（総量）の黒鉛と、約３０から４０重量％のKOH濃度を有する５から７重量％の７から１０規定KOH水溶液、そして任意選択的に０．１から０．５重量％のポリエチレンバインダーである。この電解質の二酸化マンガンの平均粒径は、典型的には約１から１００ミクロン、望ましくは２０から６０ミクロンである。黒鉛は典型的には天然黒鉛や、膨張黒鉛あるいはそれらの混合物である。さらに黒鉛は、黒鉛状炭素ナノファイバーだけを含んでいるものも可能で、あるいはこれに天然黒鉛や膨張黒鉛を混合させたものも可能である。このようなカソード混合物は、例として示したのであって、本発明を限定しようとするものではない。

アノード材４０は、６２から６９重量％の亜鉛合金（インジウムを含む９９．９重量％亜鉛）粉末と、３８重量％のKOHおよび約２重量％のZnOを含むKOH水溶液と、架橋型ポリアクリル酸のゲル化剤、B.F.Goodrich社から市場で入手可能な登録商標「CARBOPOL C９４０」（例、０．５から２重量％）およびポリアクリロニトリルを幹としてのデンプンにグラフト共重合させた後加水分解したもの、Grain Processing社から入手可能な登録商標「Waterlock A−２２１」（０．０１から０．５重量％）と、ジノニルフェノールリン酸エステル界面活性剤、ローヌプラン社（Rhone-Poulenc）から入手可能な登録商標「RM−５１０」（５０ppm）とを含む。亜鉛合金粉末の平均粒径は、望ましくは、約３０から３５０ミクロンである。アノード中の亜鉛の嵩密度（アノード空隙率）はアノード１立方センチメートルあたり約１．７５から２．２グラムである。そしてアノード中の電解水溶液の容量パーセントは、好ましくは、アノードの約６９．２から７５．５容量パーセントである。

電池は、（MnO_２のグラムあたり３０８ミリアンペア時に基づく）MnO_２のミリアンペア時容量を、（亜鉛合金のグラムあたり８２０ミリアンペア時に基づく）亜鉛合金のミリアンペア時容量で割ると１になるようにして、従来の方法でバランスをとることができる。

セパレーター５０は、従来どおりのイオンの通過できる多孔セパレーターで、セルロース繊維とポリビニルアルコール繊維との不織材の内側層と、セロファンの外側層とから成るものが可能である。このような材料は単に例として示したのであって、本発明を限定しようとするものではない。

外部ケーシングの外側容積に対するアノード/カソードの総容積百分率
これまで述べてきた実施態様において、つまり、電池１０、１００、２００および３００に関して、電池がF６サイズで、アノード４０、カソード６０に電解質の総容積を加えて、外部ケーシング（例、ケーシング８９、１８９、２８９および３８９）の外側容積で割ると、結果は約６６．３％であった。電池がF６サイズで、アノード４０、カソード６０、電解質の総容積にセパレーターの容積を加えて、外部ケーシングの外側容積で割ると、結果は約６９．１％であった。

金属製外部ケーシングの外側容積に対するアノードおよびカソードの総容積百分率についての上記の値は、最適化設計に基づいていないので、非常に旧態なものと理解されよう。金属製外部ケーシングの外側容積に対するアノードとカソードとの総容積の百分率は、約７５パーセント、そして約８０パーセント、そして約８５パーセントという大きさにさえできることが確信されている。これは、たとえば、アノード材４０を上蓋（１５、１１５、２１５および３１５）の内側表面に抗して圧縮されるようにアノードを充填することによって、脱気装置（８０、１８０、２８０および３８０）の深さを減らすことによって、そして脱気孔（７０、１７０、２７０および３７０）の径を減らすことによって、達成される。外部ケーシング８９、１８９、２８９および３８９の壁厚さも、約４から１０ミル（０．１０２から０．２５４mm）という薄さまで減らして金属製外部ケーシングの外側容積に対するアノードおよびカソードの総容積百分率をさらに向上させることができる。

上記特定実施態様における外部ケーシング、たとえば、ケーシング８９、１８９、２８９および３８９は金属製であるが、本発明による電池の外部ケーシングを必然的に金属に限定しようとするものではない。外部ケーシングの材質は、アルカリ電解質に耐性のある耐久プラスチック材、たとえばポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなどのようなものでも可能である。

さらにまた本発明の好適な実施態様において、全体形状が直平行六面体（直方体）のフラットアルカリ電池に関して述べてきたが、このような全体形状の変形も可能であり、さらに本発明の概念に含めようとするものであることが、理解されよう。たとえば、上記特定実施態様において述べた脱気装置の実施態様を、円筒状の電池、たとえばAAAA、AAA（単４）、AA（単３）、C（単２）およびD（単１）サイズの円筒状アルカリ電池にも適用できる。さらにフラット電池の場合、たとえば、直平行六面体（直方体）でも、直方体の両端面がわずかに外向きあるいは内向きに湾曲していても可能である。このような変形形状も全体的な外観では、なお実質的には直平行六面体であり、意味上は直平行六面体に含めようとするもの、もしくは特許法的に均等なものである。全体形状に対する他の変形も、たとえば電池の端面が電池本体を構成する平行四辺形の面々のいずれかひとつと作る角度をいくらか変えて、その平行四辺形が厳密な直方体とは偏差があるといった変形も、意味上は本明細書で用いられる直平行六面体（直方体）に含めようとするものである。

さらに本発明は、外部ケーシングの長手方向に沿ったケーシングの一面が実質的に平らであるということで全体電池形状をフラット（平らな）であるとする電池にも望ましくは及ぼうとするものである。したがって、用語「フラット（平ら）」は、湾曲度がわずかであるということで実質的に平らであるとする表面にも及ぼうとするものであり、含めようとするものである。また電池ケーシングの深さは、典型的には電池の長さより短い。特に本発明の概念は、電池ケーシングの長手方向に沿った面が平らな多角形であるフラット電池に及ぼうとするものである。また電池の全体形状が、外部ケーシングのすべての面が多角形であってもよい。本発明はさらにまた、電池ケーシングの長手方向に沿った一面が平行四辺形の平らな表面であり全体形状はプリズム形という電池にも、及ぼうとするものである。

本発明によるフラットアルカリ電池の第1実施態様の縦断面図である。 図１に示されたフラットアルカリ電池の実施態様における脱気装置を示す分解図である。 図１に示された構成部品を含む電池の斜視図である。 本発明によるフラットアルカリ電池の第２実施態様の縦断面図である。 図２に示されたフラットアルカリ電池の実施態様における脱気装置を示す分解図である。 図２に示された構成部品を含む電池の斜視図である。 本発明によるフラットアルカリ電池の第３実施態様の縦断面図である。 図３に示されたフラットアルカリ電池の実施態様における脱気装置を示す分解図である。 図３に示された構成部品を含む電池の斜視図である。 本発明によるフラットアルカリ電池の第４実施態様の縦断面図である。 図４に示されたフラットアルカリ電池の実施態様における脱気装置を示す分解図である。 図４Aに示された構成部品のための脱気ディスク蓋の斜視図である。 上蓋内の脱気孔にはめることになっている脱気装置完成品の分解図である。 図４に示された構成部品を含む電池の斜視図である。

Claims (34)

1. 放電中に水素ガスを発生する電気化学電池であって、外部ケーシングと、プラス端子およびマイナス端子と、前記ケーシングの壁を貫通する脱気孔とを備え、破断可能膜が前記脱気孔を覆うことを特徴とする電気化学電池。
2. 前記外部ケーシングがこのケーシングの長手方向に沿って延びる平らな壁を有し、前記脱気孔がこの平らな壁を貫通する請求項１記載の電気化学電池。
3. 前記電池が、亜鉛を含むアノードと二酸化マンガンを含むカソードとを備える一次アルカリ電池であり、前記電池が、さらに水酸化カリウム水溶液を含む電解質を備える請求項１記載の電気化学電池。
4. 電池内の水素ガスが実質的に５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）のしきい値レベルまで上昇したとき、前記膜が破断する請求項１記載の電気化学電池。
5. 前記破断可能膜が水素ガス透過可能である請求項１記載の電気化学電池。
6. 前記破断可能膜がポリスルホンフィルムを含む請求項１記載の電気化学電池。
7. 前記ケーシングが直平行六面体形状である請求項２記載の電気化学電池。
8. 前記ケーシングの前記平らな壁の一体形成部分が前記脱気孔内に突出する先細部材を含み、前記膜が破断するあいだに前記先細部材に接触して切れ目が入るようになっている請求項２記載の電気化学電池。
9. 前記破断可能膜の厚さが実質的に1から１．５ミル（０．０２５４mmから０．０３８１mm）である請求項１記載の電気化学電池。
10. 前記脱気孔の径が実質的に５．５mmから７．５mmである請求項９記載の電気化学電池。
11. 前記ケーシングが金属製ハウジングと金属製蓋とを含み、このハウジングが一対の平行で平らな両端面と、これら端面と端面との間の一対の平行で平らな両側面と、そして前記の端面と端面との間でありかつ前記の側面と側面との間でもあるところの平らな底面とを含み、さらに前記ハウジングがこの平らな底面と反対側に開口最上部を有し、そしてアノードとカソードと電解質とを前記ハウジング内に入れたあとに、前記ハウジングの前記開口最上部に前記蓋をはめて密封する請求項２記載の電気化学電池。
12. 前記電池が直平行六面体形状で、前記蓋の周縁とハウジングとの間に電気絶縁材を備える請求項１１記載の電気化学電池。
13. 前記蓋が平らな細長壁を有し、前記脱気孔がこの平らな細長壁を貫通する請求項１１記載の電気化学電池。
14. 前記蓋が平らな細長壁を有し、前記脱気孔がこの平らな細長壁を貫通し、さらに前記破断可能膜が平らな前記細長壁の前記脱気孔を覆って、そして金属製ディスクがディスク自体を通る開口部を有し前記破断可能膜を覆って、電池内部の中からの水素ガスが前記膜と前記ディスク開口部を通過することにより、周辺に逃れることができるようになっている請求項１１記載の電気化学電池。
15. 前記金属製ディスクの一体部分を形成する先細部材が、前記ディスクの前記開口部内に延びて、水素ガスが実質的に５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）のしきい値圧力まで増加したとき、前記膜が破断し、その破断中に前記先細部材によって前記膜に切れ目が入るようになっている請求項１４記載の電気化学電池。
16. 前記アノードとカソードが、前記ケーシング内で、セパレーターを挟んで、これらが面で接しながら積み重なって配されて、アノードが前記金属製蓋に面して電気的に接触し、カソードが前記ハウジングに面して接触するようになっている請求項１１記載の電気化学電池。
17. 放電中に水素ガスを発生する電気化学電池であって、外部ケーシングと、プラス端子およびマイナス端子と、前記ケーシングの壁を貫通する脱気孔と、この脱気孔を覆う破断可能膜とを備え、脱気装置が前記脱気孔内に固定され、さらにこの脱気装置が前記破断可能膜とこの膜に上側で隣接する金属製ディスクとを含み、このディスクが前記膜に面してディスク自体を通る開口部を有し、前記電池内部の中の水素ガスが増加するあいだにこの水素ガスが前記膜と前記ディスク開口部とを通過することによって周辺に逃れるようになっていることを特徴とする電気化学電池。
18. 前記外部ケーシングが、このケーシングの長手方向に沿って延びる平らな壁を有し、この平らな壁を前記脱気孔が貫通する請求項１７記載の電気化学電池。
19. 前記金属製ディスクが、このディスク内の前記開口部内に延びてディスクと一体の先細部材を有し、ガス圧が電池内で急速に増加すると、前記膜が膨張し前記先細部材に衝突し、それによって前記膜に裂け目が生じて、水素ガスがこの裂け目を通って逃れることができるようになっている請求項１７記載の電気化学電池。
20. 前記電池が、亜鉛を含むアノードと、二酸化マンガンを含むカソードとを備え、前記電池がさらに水酸化カリウム水溶液を含む電解質を備える請求項１７記載の電気化学電池。
21. 前記電池が直平行六面体形状である請求項１８記載の電気化学電池。
22. 電池内の水素ガスが実質的に５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）のしきい値レベルまで上昇したとき、前記膜が破断する請求項１７記載の電気化学電池。
23. 前記破断可能膜がポリスルホンフィルムを含む請求項１７記載の電気化学電池。
24. 前記破断可能膜の厚さが実質的に1から１．５ミル（０．０２５４mmから０．０３８１mm）である請求項１７記載の電気化学電池。
25. 前記外部ケーシングが金属製である請求項１７記載の電気化学電池。
26. 放電中に水素ガスを発生する電気化学電池であって、金属製外部ケーシングと、プラス端子およびマイナス端子と、前記ケーシングの壁を貫通する脱気孔と、この脱気孔を覆う破断可能膜とを備え、脱気装置が前記脱気孔内に固定され、さらにこの脱気装置が一対の金属製ディスクの間に締められた前記破断可能膜を含み、前記金属製ディスクのそれぞれがディスク自体を通る孔を有し、それによって前記膜の少なくとも一部が外側周辺にさらされ、電池内部の中の水素ガスが増加するあいだに、水素ガスが前記膜と前記金属製ディスクの前記孔を通って周辺に逃れるようになっていることを特徴とする電気化学電池。
27. 前記外部ケーシングがこのケーシングの長手方向に沿って延びる平らな壁を有し、この壁を前記脱気孔が貫通する請求項２６記載の電気化学電池。
28. 前記電池が、亜鉛を含むアノードと、二酸化マンガンを含むカソードとを備え、前記電池がさらに水酸化カリウム水溶液を含む電解質を備える請求項２６の電気化学電池。
29. 前記電池が直平行六面体形状である請求項２６記載の電気化学電池。
30. 前記脱気装置がさらに、前記膜と前記金属製ディスクとを中に保持するハウジングを含み、そしてこの脱気装置ハウジングがその表面に開口部を有する請求項２６記載の電気化学電池。
31. 前記脱気装置ハウジングが、このハウジング内の前記開口部内に延びてハウジングと一体の先細部材を有し、ガス圧が電池内で急速に増加するとき、前記膜が膨張し前記先細部材に衝突し、それによって前記膜に裂け目が生じて、水素ガスがこの裂け目を通って逃れることができるようになっている請求項３０記載の電気化学電池。
32. 電池内の水素ガスが実質的に５０から２００psig（３４５×１０³から１３７９×１０³パスカルゲージ）のしきい値レベルまで上昇したとき、前記膜が破断する請求項２６記載の電気化学電池。
33. 前記破断可能膜がポリスルホンフィルムを含む請求項２６記載の電気化学電池。
34. 前記破断可能膜の厚さが実質的に1から１．５ミル（０．０２５４mmから０．０３８１mm）である請求項２６記載の電気化学電池。

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