JP2004319096A

JP2004319096A - ニッケル水素蓄電池

Info

Publication number: JP2004319096A
Application number: JP2003107257A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Takeda; 幸大武田; Masato Onishi; 正人大西
Original assignee: Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】相互に連通された単電池間で温度ばらつきが存在しても放電容量のばらつきの発生を防止できるニッケル水素蓄電池を提供する。
【解決手段】隔壁５を介して連接されかつ内部空間が相互に連通された複数の電槽４を有する角形電槽３と、水酸化ニッケルを有する正極板と水素を吸脱する水素吸蔵合金を有する負極板をセパレータを介して積層して構成された極板群６とを備え、各電槽４に極板群６を電解液とともに収容して単電池２を構成しかつ角形電槽３内で単電池２を直列接続したニッケル水素蓄電池１において、充放電中の電池温度の高い単電池２における負極板に、電池温度の低い単電池２における負極板の水素吸蔵合金に比して水素平衡圧の低い水素吸蔵合金を用いた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はニッケル水素蓄電池に関し、特に複数の単電池を内蔵するとともにその電槽が相互に連通されているニッケル水素蓄電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
所要の電力容量が得られるように複数の単電池を接続した集合型二次電池において、単電池間の接続抵抗を含む単電池当たりの内部抵抗を小さくして、電池の発熱を抑制し、高出力化や寿命特性の向上を図ることができるものとして、本出願人は先に、図１に示すように、複数（図示例では６つ）の単電池２を内蔵したニッケル水素蓄電池１を提案している。
【０００３】
図１において、３は角形電槽で、幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する直方体状の単電池２の電槽４をその短側面を隔壁５として共用して相互に一体的に連接して構成されている。各電槽４内には、水酸化ニッケルを有する矩形状の正極板と、水素を吸脱する水素吸蔵合金を有する矩形状の負極板を、セパレータを介して積層して構成された極板群６が電解液とともに収容され、単電池２が構成されている。極板群６はその両側に正極板と負極板のリード部が突出され、それぞれに集電体７が溶接等にて接続されている。
【０００４】
両端の電槽４の外側の短側面と各電槽４、４間の隔壁５の上部に接続穴８が形成され、隣接する単電池２の隔壁５の両側に位置する正極と負極の集電体７、７同士が接続穴８を介して接続されている。また、両端の電槽４の外側の短側面の接続穴８に正極又は負極の接続端子９が装着され、短側面を介して対向する集電体７と接続されている。かくして、角形電槽３に内蔵された複数の単電池２が直列接続され、両端の接続端子９、９間に出力される。
【０００５】
また、隣接する電槽４、４同士がその上端部で連通路１０にて互いに連通され、任意の電槽４の上端に電槽４の内部圧力が一定以上になったときに圧力を解放するための単一の安全弁１１が任意の電槽４の上端に配設されている。このように、隣接する電槽４、４同士を連通することで、安全弁１１の数を低減してコスト低下と冷却性能の向上を図っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２３１９１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような構成のニッケル水素蓄電池１を、冷却風を流通させるように構成された冷却チャンバに設置して充放電を行った場合、図１の下部に温度グラフで示すように、両端の単電池２（Ｅ）は接続端子９が冷却風や外気に晒されて効果的に冷却されるため、中央部の単電池２（Ｃ）よりも電池温度が低下し、両端の単電池２（Ｅ）と中央部の単電池２（Ｃ）との間で温度にばらつきが発生する。
【０００８】
その結果、低温の両端の単電池２（Ｅ）における負極板の水素吸蔵合金の水素平衡圧が、高温の中央部の単電池（Ｃ）における負極板の水素吸蔵合金の水素平衡圧よりも低下し、その状態で充放電を繰り返すと、上記のように各単電池２の電槽４が相互に連通されているので、水素平衡圧の低い両端の単電池２（Ｅ）側に逐次水素ガスが移動し、単電池２間で放電リザーブ量、したがって放電容量にばらつきが発生し、図６に示すように、温度の低い両端の単電池２（Ｅ）と温度の高い中央部の単電池２（Ｃ）の間で充電効率に差が生じ、最終的にばらつきが大きくなってニッケル水素蓄電池１全体の容量劣化を早期に引き起こす可能性を有していた。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、相互に連通された単電池間で温度ばらつきが存在しても放電容量のばらつきの発生を防止できるニッケル水素蓄電池を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のニッケル水素蓄電池は、隔壁を介して連接されかつ内部空間が相互に連通された複数の電槽を有する角形電槽と、水酸化ニッケルを有する正極板と水素を吸脱する水素吸蔵合金を有する負極板をセパレータを介して積層して構成された極板群とを備え、各電槽に極板群を電解液とともに収容して単電池を構成しかつ角形電槽内で単電池を直列接続したニッケル水素蓄電池において、充放電中の電池温度の高い単電池における負極板に、電池温度の低い単電池における負極板の水素吸蔵合金に比して水素平衡圧の低い水素吸蔵合金を用いたものであり、電池温度の高い単電池において水素平衡圧の低い水素吸蔵合金を用いていることで、電池温度が高くても水素平衡圧が電池温度の低い単電池の水素平衡圧と同等となり、水素平衡圧の差で単電池間で水素が移動することがなく、単電池間で吸蔵水素に偏りが生じて放電容量にばらつきが発生するのを確実に防止でき、ニッケル水素蓄電池の長寿命化を図ることができる。
【００１１】
また、水素吸蔵合金をミッシュメタルとＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌなどの金属との合金にて構成し、ミッシュメタルとＮｉなどの金属との組成比Ａ：Ｂを、１：５．１５〜５．４０とし、かつ電池温度の高い単電池における負極板の水素吸蔵合金のＢ／Ａを、電池温度の低い単電池における負極板の水素吸蔵合金のＢ／Ａよりも小さくすると、電池温度の高い単電池における水素吸蔵合金の水素平衡圧を確実にかつ適切に低くすることができる。なお、水素吸蔵合金の表面処理によって水素ガスの吸収能に差を持たせることで、水素平衡圧に差を持たせることもできる。
【００１２】
また、充放電中の電池温度の高い単電池における電槽の空間体積を、電池温度の低い単電池における電槽の空間体積より小さくすると、電池温度の高い単電池では電槽の空間体積が小さく水素分圧が相対的に高くなることで水素吸蔵合金に水素ガスがより多く吸収され、逆に電池温度の低い単電池では電槽の空間体積が大きく水素分圧が相対的に低くなることで水素ガスがより少なく吸収される状態となるため、上記のように低温の単電池における水素吸蔵合金の水素平衡圧が、高温の中央部の単電池における水素吸蔵合金の水素平衡圧よりも低下していても、単電池間で水素ガスの吸収の差を無くすことができ、単電池間で放電容量にばらつきが発生するのを確実に防止でき、ニッケル水素蓄電池の長寿命化を図ることができる。
【００１３】
また、電槽間の連通路に、充放電時に電池温度差に応じて電槽間に内圧差を発生させる狭窄通路部を設けると、上記作用をより確実に得ることができる。
【００１４】
さらに、電槽間の連通路に、内圧差が所定圧力を越えると破断して通路断面積を拡大する破断部を設けると、異常圧力の発生時に破断部の破断によって圧力を速やかにかつ円滑に安全弁から逃がすことができて角形電槽の破裂を確実に防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明のニッケル水素蓄電池の第１の実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。なお、ニッケル水素蓄電池の全体構成は、従来の技術の欄で図１を参照して説明したものと同じであるためその説明を援用し、以下では主として本実施形態の特徴部分について説明する。
【００１６】
本実施形態のニッケル水素蓄電池１における極板群６は、複数枚の正極板と複数枚の負極板とを交互に配置するとともに、各正極板に横方向に開口部を有する袋状のセパレータを被せることにより正極板と負極板の間にセパレータを介装した状態で積層して構成され、正極板と負極板の一側部を互いに反対側に突出させて正極と負極のリード部が設けられ、両側のリード部にそれぞれ集電体７が接合されている。なお、極板群６は、帯状の正極板と負極板を互いに反対側の側縁にリード部を突出させてセパレータを介して積層し、これを平たく巻回して構成してもよい。
【００１７】
正極板は、Ｎｉの発泡メタルにリード部を除いて水酸化ニッケルを充填して構成され、そのリード部は発泡メタルを加圧して圧縮するとともにその一面にリード板を超音波溶接でシーム溶接して構成されている。また、負極板は、Ｎｉのパンチングメタルにリード部を除いて水素吸蔵合金を含む負極構成物質を塗着して構成されている。水素吸蔵合金は、セリウム族希土類元素の混合物であるミッシュメタル（以下、Ｍｍと記す）と、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌなどの金属（Ｎｉに代表させてＮｉと表示する）との合金にて構成されている。その組成をＭｍ_ＡＮｉ_Ｂとしてその組成比Ａ：Ｂは、１：５．１５〜５．４０、好適には１：５．２５〜５．３５に設定されている。
【００１８】
そして、電池温度の高い中央部の単電池２（Ｃ）においては、その負極構成物質の水素吸蔵合金として、Ａ：Ｂ＝１：５．２５の水素吸蔵合金を用い、電池温度の高い両端の単電池２（Ｅ）においては、その負極構成物質の水素吸蔵合金として、Ａ：Ｂ＝１：５．３５の水素吸蔵合金を用いている。したがって、両端の単電池２（Ｅ）の水素吸蔵合金のＢ／Ａに対して、中央部の単電池２（Ｃ）のＢ／Ａは０．１小さく設定されている。
【００１９】
このように中央部の単電池２（Ｃ）の水素吸蔵合金のＢ／Ａを５．２５とし、両端の単電池２（Ｅ）の水素吸蔵合金のＢ／Ａを５．３５として、ほぼ０．１程度異ならせると、図２に示すように、それぞれの単電池２（Ｃ）と２（Ｅ）における水素平衡圧Ｐは、０．０１〜０．２５ＭＰａ程度の差を生じることになる。
【００２０】
以上の構成のニッケル水素蓄電池１においては、極板群６の負極板を、Ｍｍ_ＡＮｉ_Ｂの水素吸蔵合金を含む負極構成物質にて構成し、かつ電池温度の高い中央部の単電池２（Ｃ）における負極構成物質の水素吸蔵合金のＢ／Ａを、電池温度の低い両端の単電池２（Ｅ）における水素吸蔵合金のＢ／Ａよりも０．１程度小さくしていることで、図２に示すように、中央部の単電池２（Ｃ）の水素平衡圧は、両端の単電池２（Ｅ）における水素平衡圧よりも０．０１〜０．２５ＭＰａ程度低くなり、その結果、図３に示すように、中央部の単電池２（Ｃ）と両端の単電池２（Ｅ）との温度差が５〜１０°Ｃの温度差を生じていた時に、中央部の単電池２（Ｃ）と両端の単電池２（Ｅ）でほぼ同じ水素平衡圧となる。なお、温度と水素平衡圧Ｐは指数関数的に変化するが、部分的には図３に示すように線形と見なすことができる。
【００２１】
かくして、各単電池２、２間で水素平衡圧の差によって水素が移動するのを効果的に防止することができ、各単電池２、２間で吸蔵水素に偏りが生じて放電容量にばらつきが発生するのを確実に防止でき、ニッケル水素蓄電池１の長寿命化を図ることができる。
【００２２】
また、何れかの単電池２に異常が発生してその電槽４の内部圧力が所定値以上になった場合、各電槽４間に設けられた連通路１０にて圧力が各電槽４に伝達され、任意の電槽４の上端に配設された安全弁１１からその圧力を速やかにかつ円滑に逃がすことができ、角形電槽３の破裂を確実に防止することができる。また、隣接する電槽４、４同士を連通していることで、安全弁１１の数を低減でき、また各安全弁に接続される多数の排出チューブによって冷却媒体の流通が阻害されるということもないので、コスト低下を図れるとともに冷却性能の向上を図ることができる。
【００２３】
なお、上記実施形態では、負極構成物質の水素吸蔵合金の組成比Ｂ／Ａを変えて水素平衡圧を変えた例を示したが、水素吸蔵合金の表面処理によって水素ガスの吸収能に差を持たせることで、水素平衡圧に差を持たせることもできる。
【００２４】
（第２の実施形態）
次に、本発明のニッケル水素蓄電池の第２の実施形態について、図４、５を参照して説明する。
【００２５】
上記第１の実施形態では、中央部の単電池２（Ｃ）と両端の単電池２（Ｅ）の温度差に対応して、水素平衡圧の異なる水素吸蔵合金を用いた例を示したが、本実施形態では電槽の空間体積を異ならせて内部の水素ガス圧を異ならせることで、水素の吸収が均等に行われるようにしている。
【００２６】
図４を参照して説明すると、充放電中の電池温度の高い中央部の単電池２（Ｃ）における電槽４の空間体積を、電池温度の低い両端の単電池２（Ｅ）における電槽４の空間体積よりも小さく設定している。
【００２７】
すなわち、中央部の単電池２（Ｃ）の空間体積（電槽４の内容積から極板群６と集電体７と電解液が占める容積を減算したもの）をＶ１、両端の単電池２（Ｅ）の空間体積をＶ２とすると、Ｖ１とＶ２の関係は次式によって設定される。
【００２８】
Ｖ１＝Ｐ／（Ｐ＋ｐ）・Ｖ２
ここで、Ｐは充放電時の最高内圧、ｐは中央部の単電池２（Ｃ）と両端の単電池２（Ｅ）の内圧差である。Ｐは安全弁１１の作動圧に対応し、０．４〜１．５ＭＰａに設定されている。また、ｐは、中央部の単電池２（Ｃ）と両端の単電池２（Ｅ）の温度差が例えば５℃程度ある場合には、その温度差による水素吸蔵合金の水素平衡圧の差に対応して、０．００９〜０．０３ＭＰａに設定される。
【００２９】
また、電槽４、４間の連通路１０には、図５に示すように、充放電時に上記のような内圧差が確実に発生するように、小さな通路断面積Ｄの狭窄通路部１２が形成され、かつ狭窄通路部１２の周囲に、電槽４、４間の内圧差が所定圧力を越えると容易に破断して通路断面積を拡大する破断部１３が形成されている。図示例では、破断部１３は隔壁５に比して薄肉の膜壁にて構成され、さらに所定圧力で確実に破断するように狭窄通路部１２の周囲に放射状に複数の切込溝１４を形成して構成されている。なお、図４では、電池温度の高い中央部の単電池２（Ｃ）の電槽高さを、電池温度の低い両端の単電池２（Ｅ）の電槽高さよりも低くして空間体積を小さくしているが、すべての電槽高さを同一にして、電槽上部の空間に装填する充填物の容積によって空間体積を調整してもよい。
【００３０】
以上の構成のニッケル水素蓄電池１においては、電池温度の高い中央部の単電池２（Ｃ）では電槽４の空間体積が小さく水素分圧が相対的に高くなることで水素吸蔵合金に水素ガスがより多く吸収され、逆に電池温度の低い両端の単電池２（Ｅ）では電槽４の空間体積が大きく水素分圧が相対的に低くなることで水素ガスがより少なく吸収される状態となるため、低温の両端の単電池２（Ｅ）における水素吸蔵合金の水素平衡圧が、高温の中央部の単電池２（Ｃ）における水素吸蔵合金の水素平衡圧よりも低下していても単電池２、２間で水素ガスの吸収の差を無くすことができ、単電池２、２間で放電容量にばらつきが発生するのを確実に防止でき、ニッケル水素蓄電池１の長寿命化を図ることができる。
【００３１】
また、電槽４、４間の連通路１０に狭窄通路部１２を設けて充放電時に内圧差が発生するようにしているので、上記作用がより確実に得られる。しかも、連通路１０に、内圧差が所定圧力を越えると破断して通路断面積を拡大する破断部１３を設けているので、異常圧力の発生時に破断部１３の破断によって圧力を速やかにかつ円滑に安全弁１１から逃がすことができて角形電槽３の破裂を確実に防止することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のニッケル水素蓄電池によれば、充放電中の電池温度の高い単電池における負極板に、電池温度の低い単電池における負極板の水素吸蔵合金に比して水素平衡圧の低い水素吸蔵合金を用いたので、電池温度が高くても水素平衡圧が電池温度の低い単電池の水素平衡圧と同等となり、水素平衡圧の差で単電池間で水素が移動することがなく、単電池間で吸蔵水素に偏りが生じて放電容量にばらつきが発生するのを確実に防止でき、ニッケル水素蓄電池の長寿命化を図ることができる。
【００３３】
また、本発明のニッケル水素蓄電池によれば、充放電中の電池温度の高い単電池における電槽の空間体積を、電池温度の低い単電池における電槽の空間体積より小さくしたので、電池温度の高い単電池では電槽の空間体積が小さく水素分圧が相対的に高くなることで水素吸蔵合金に水素ガスがより多く吸収され、逆に電池温度の低い単電池では電槽の空間体積が大きく水素分圧が相対的に低くなることで水素ガスがより少なく吸収される状態となるため、低温の単電池における水素吸蔵合金の水素平衡圧が、高温の中央部の単電池における水素吸蔵合金の水素平衡圧よりも低下していても単電池間で水素ガスの吸収の差を無くすことができ、単電池間で放電容量にばらつきが発生するのを確実に防止でき、ニッケル水素蓄電池の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態及び従来例のニッケル水素蓄電池の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】同実施形態における両端と中央の単電池における水素吸蔵合金の組成とその水素平衡圧の関係を示すグラフである。
【図３】同実施形態における両端と中央の単電池における温度と水素平衡圧との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態のニッケル水素蓄電池の概略構成を示す縦断面図である。
【図５】同実施形態の電槽間の連通路を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＳ−Ｓ断面図である。
【図６】従来例のニッケル水素蓄電池における両端と中央の単電池における充電効率の差を示すグラフである。
【符号の説明】
１ニッケル水素蓄電池
２単電池
３角形電槽
４電槽
５隔壁
６極板群
１０連通路
１２狭窄通路部
１３破断部

Claims

隔壁を介して連接されかつ内部空間が相互に連通された複数の電槽を有する角形電槽と、水酸化ニッケルを有する正極板と水素を吸脱する水素吸蔵合金を有する負極板をセパレータを介して積層して構成された極板群とを備え、各電槽に極板群を電解液とともに収容して単電池を構成しかつ角形電槽内で単電池を直列接続したニッケル水素蓄電池において、充放電中の電池温度の高い単電池における負極板に、電池温度の低い単電池における負極板の水素吸蔵合金に比して水素平衡圧の低い水素吸蔵合金を用いたことを特徴とするニッケル水素蓄電池。
水素吸蔵合金がミッシュメタルとＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌなどの金属との合金から成り、ミッシュメタルとＮｉなどの金属との組成比Ａ：Ｂが、１：５．１５〜５．４０であり、かつ電池温度の高い単電池における負極板の水素吸蔵合金のＢ／Ａを、電池温度の低い単電池における負極板の水素吸蔵合金のＢ／Ａよりも小さくしたことを特徴とする請求項１記載のニッケル水素蓄電池。
隔壁を介して連接されかつ内部空間が相互に連通された複数の電槽を有する角形電槽と、水酸化ニッケルを有する正極板と水素を吸脱する水素吸蔵合金を有する負極板をセパレータを介して積層して構成された極板群とを備え、各電槽に極板群を電解液とともに収容して単電池を構成しかつ角形電槽内で単電池を直列接続したニッケル水素蓄電池において、充放電中の電池温度の高い単電池における電槽の空間体積を、電池温度の低い単電池における電槽の空間体積より小さくしたことを特徴とするニッケル水素蓄電池。
電槽間の連通路に、充放電時に電池温度差に応じて電槽間に内圧差を発生させる狭窄通路部を設けたことを特徴とする請求項３記載のニッケル水素蓄電池。
電槽間の連通路に、内圧差が所定圧力を越えると破断して通路断面積を拡大する破断部を設けたことを特徴とする請求項４記載のニッケル水素蓄電池。