JP2006114316A - 制御弁式鉛蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】トリクル充電を行った場合に発生する負極板での酸素ガス吸収能力の低下と、電池内圧の上昇を抑制した長寿命の制御弁式鉛蓄電池を提供する。
【解決手段】制御弁式鉛蓄電池において、正極板２と負極板３とをセパレータ４を介してなる極板群５の少なくとも一方の端板が負極板であり、前記極板群が電槽６のセル室７に収納されてなり、前記端板である負極板に対向するセル室の壁面８に複数本の線状リブ９を平行に設け、隣接する前記線状リブ間の距離をＤ、前記負極板の厚みをＴとしたときに、比率（Ｄ／Ｔ）を２．０〜８．０とし、かつ前記線状リブの高さを０．８ｍｍ以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御弁式鉛蓄電池に関するものである。

制御弁式鉛蓄電池は一つまたは複数のセル（単電池）室から構成されている。セル室の中は正極板、負極板、セパレータ（隔離板）および希硫酸を主成分とする電解液から構成されており、セル室にはセル内で発生したガスを外部へ放出するための制御弁が設けられている。正極板と負極板の間にガラス繊維を主成分とするセパレータがあり、このセパレータに電解液が含浸されている。また、一般的に正極板の枚数は負極板の枚数より一枚少なく、セルの端に負極板が位置している。

負極板は、過充電中に正極板から発生する酸素ガスを吸収する、いわゆるガス吸収反応に関与している。過充電によって正極板から発生した酸素ガスはセパレータ中を拡散して負極板に達する。また、一方では、セル室の内壁に０．５ｍｍ程度の高さのリブを設けることによって、セルの端に位置する負極板（負極端板）とセル室の壁面との間に空間を設け、この空間をガス拡散のための空間として作用させることが知られている。

例えば、特許文献１には、合成樹脂電槽の内面にリブを設け、このリブの突出長さ（リブ高さ）が電槽上部において大きく、下部において小さくした密閉式鉛蓄電池が示されている。また、このようなリブにより、充電時に正極から発生する酸素ガスを負極に導きやすくし、負極と反応させて吸収しやすくすることが示されている。
特開昭６１−１３８４５１号公報

前記したようなリブを電槽内壁に設けることにより、負極端板と電槽内壁の間にガス拡散のための空間を設け、負極端板でのガス吸収反応を促進させることができる。一方、密閉式鉛蓄電池をバックアップ用途で用い、トリクル充電する場合には、正極板が酸化により膨張変形する。このような正極板の膨張変形により、負極端板が変形して、負極端板と電槽内壁との間に設けた空間容積が減少してゆく。また、最終的には、変形した負極端板がリブ間の電槽内壁で密着し、ガス拡散のための有効な空間容積が失われてしまう。

負極端板と電槽内壁との間の空間容積減少により、負極端板でのガス吸収反応が阻害され、十分にガス吸収反応に関与できなくなっていた。このため、従来の制御弁式鉛蓄電池ではトリクル充電や過充電時に発生した酸素ガスが多くなった場合に十分に酸素ガスを吸収できなくなるので電池内圧が上昇する。その結果、所定の電池内圧で制御弁が開いて酸素ガスはセル外へ放出される。

酸素ガスのセル外への放出は電解液中の水分減少を意味し、電池の内部抵抗の増大や電解液中の硫酸濃度の増大による電池の短寿命を引き起こす。また、連続充電中、常に酸素ガスにより電池内圧が上昇した状態となる。このような状態で電池を長期間使用した場合に、この電池内圧により、セル室の膨張変形が起こり、極板とセパレータとの密着性が低下する。このような極板とセパレータの密着性の低下により、電池の内部抵抗が上昇して容量低下を起こし、短寿命を引き起こしていた。

また、電池容量の増大を目的とし、電解液量を増量することによって、極板群に吸収しきれず、極板群から遊離した遊離電解液を有した制御弁式鉛蓄電池では、電槽内壁と負極端板間の空間容積が減少し、この空間が狭溢となるにしたがい、毛管現象により空間が遊離電解液によってその一部あるいはすべてが満たされてしまい、この部分でのガス拡散が全く行われず、ガス吸収反応が極端に阻害されるという問題があった。

本発明は、制御弁式鉛蓄電池を連続して充電する、いわゆるトリクル充電を行った場合に発生する負極板での酸素ガス吸収能力の低下と、これによる電池内圧の上昇を抑制することにより、長寿命の制御弁式鉛蓄電池を提供するものである。

前記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、正極板と負極板とをセパレータを介してなる極板群の少なくとも一方の端板が負極板であり、前記極板群が電槽のセル室に収納されてなり、前記端板である負極板に対向するセル室の壁面に複数本の線状リブを平行に設け、隣接する前記線状リブ間の距離をＤ、前記負極板の厚みをＴとしたときに、比率（Ｄ／Ｔ）を２．０〜８．０とし、かつ前記線状リブの高さを０．８ｍｍ以上としたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１の鉛蓄電池において、前記比率（Ｄ／Ｔ）を２．０〜５．５とすることを特徴とするものである。

さらに、本発明の請求項３に係る発明は、請求項１もしくは２の鉛蓄電池において、前記極板群から遊離した遊離電解液を有することを特徴とするものである。

本発明の制御弁式鉛蓄電池は、上記の構成を有し、負極端板の使用期間中での変形を抑制し、負極端板と電槽内壁間にガス拡散のための空間を確保することにより、負極端板もガス吸収反応に関与させ、セル全体として適正なガス吸収反応が起こるようにする。その結果、トリクル充電によってもセル内圧の上昇を抑制し、セル室の膨張変形を抑制することにより、極板とセパレータとの密着性と、これによる電池内部抵抗の増大を抑制し、特に、トリクル使用において長寿命の制御弁式鉛蓄電池を得ることができる。

本発明の実施形態による制御弁式鉛蓄電池（以下、電池）の断面図を図１に示す。

本発明の電池１は正極板２と負極板３とをセパレータ４を介して構成した極板群５が電槽６のセル室７に収納されている。極板群５の最外側に位置する極板（端板）の少なくともいずれか一方が負極板である。なお、図１の例では、両方の端板が負極板３である例を示している。

本発明では、図１および図２に示したように、端板である負極板３に対向するセル室７の壁面８に複数本の線状リブ９を平行に設けている。そして、隣接する線状リブ９間の距離をＤ、負極板３の厚みをＴとしたときに、比率（Ｄ／Ｔ）を２．０〜８．０、好ましくは２．０〜５．５とし、かつ線状リブ９の高さ寸法Ｈを０．８ｍｍ以上に構成するものである。

このような本発明の構成により、端の負極板３の電池使用期間中における変形を抑制し、さらにはセル室７と壁面８との密着を抑制することによって線状リブ９と壁面８によって形成されたガス拡散のための空間１０の空間容積を確保し、端板の負極板３もガス吸収反応に関与させ、セル全体として適正なガス吸収反応が起こるようにする。これにより、トリクル充電や過充電時においても電池内に吸収されずに滞留する酸素ガス量は抑制され、電池内圧の上昇が抑制されるため、セル室７の膨張変形を抑制できる。また、膨張変形が抑制されることにより、極板とセパレータとの密着性が確保され、優れたトリクル寿命特性を得ることができる。

セル室７の壁面に設けられた線状リブ９の高さＨが０．８ｍｍ未満であると、空間１０の容積は小さく、十分なガス吸収反応が行われず、電池内圧上昇を引き起こす。結果、セル室の膨張変形が助長され、寿命低下するため適切ではない。また電池１の使用中における端の負極板３の微小な変形によっても、この負極板３と壁面８とが容易に密着し、空間１０の容積がさらに減少するため、好ましくない。

また、セル室７内に極板群５に吸収されずに遊離した電解液が存在する場合、線状リブ９の高さＨが０．８ｍｍ未満であると、毛管現象により空間１０が遊離電解液によってその一部もしくはすべてが満たされ、端の負極板３によるガス吸収反応が阻害されるため、これら線状リブ９の高さ寸法Ｈは少なくとも０．８ｍｍ以上とする。

また、線状リブ９の高さ寸法Ｈは高くするほど、ガス吸収反応の面では好ましいが、セル室７に収納可能な極板群の体積を低く設定せざるを得ず、それに従い、電池容量が低下するため、所望する電池容量に応じて線状リブ９の上限値が決定づけられる。また、線状リブ９の高さが増加するほど、線状リブ９が変形しやすくなるため、線状リブ９の高さ寸法の上限値は５．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、隣接する線状リブ９間の距離をＤ、負極板３の厚みをＴとしたときに、比率（Ｄ／Ｔ）を２．０未満とした場合、端の負極板３と壁面８との空間１０の容積が十分に確保されないため、好ましくない。また、この比率（Ｄ／Ｔ）の値が８．０を超える場合、負極板３の壁面８方向への変形が著しくなり、この空間１０の容積が徐々に減少するため適切ではない。特に比率（Ｄ／Ｔ）が２．０〜５．５で電池がトリクル充電等の過充電を受けた場合においても、この空間１０の容積が十分に確保され、ガス吸収反応が適切に行われるため、極めて良好なトリクル寿命特性を得ることができる。

また、本発明において、極板群から遊離した遊離電解液を有することも好ましい。遊離電解液の存在は、電池容量を増大させるという効果を有するものの、空間１０が毛管現象によりその一部やすべてが遊離電解液によって満たされ、空間１０を介してのガス吸収反応が損なわれ、トリクル寿命が低下するという問題があった。本発明の構成では、線状リブ９の高さ寸法Ｈと隣接しあう線状リブ９間の距離Ｄと負極板３の厚みＴの比率（Ｄ／Ｔ）を規定することによって、空間１０が毛管現象によって遊離電解液によって満たされない程度の容積が確保されるため、この空間１０を介してのガス吸収反応が適切に行われ、良好なトリクル寿命を得ることができる。したがって、前記したような遊離電解液による課題を解決できるため、本発明の構成を遊離電解液を有した制御弁式鉛蓄電池に適用することは極めて効果的である。

図１に示すように、２枚の正極板２と３枚の負極板３をガラスマットセパレータを介して積層した極板群５を作成し、電槽６のセル室７に収納して１２Ｖ１０Ａｈの制御弁式鉛蓄電池を作成した。ここで、線状リブ９の高さ寸法Ｈ、線状リブ９間の距離Ｄと負極板３の厚みＴの比率（Ｄ／Ｔ）と極板群からの遊離電解液量を変化させ、表１、表２および表３に示す構成の試験電池を作成した。なお、遊離電解液量は０（遊離電解液無し）のものと、負極板３下部の負極板３高さ寸法の５％に相当する部分が浸漬される量の遊離電解液を有したもの（遊離電解液有り）を作成した。

表１、表２および表３に示した各電池について、５０℃のトリクル寿命試験を行った。試験条件は４５℃雰囲気中で１３．８Ｖの定電圧充電を１カ月連続して行い、５時間率放電容量を確認するサイクルを繰り返して行った。５時間率放電容量が初期の５０％となった時点で試験終了とした。試験終了時の試験月数をＮとし、このときの５時間率放電容量Ｃ_N、前月（Ｎ−１月）での５時間率放電容量Ｃ_N-1とし、横軸（試験月数Ｔ）−縦軸（５時間率放電容量Ｃ）としたグラフ上に２点の座標（Ｎ−１，Ｃ_N-1）および（Ｎ，Ｃ_N）をプロットし、これら２点を結んだ直線Ｌと初期の５時間率容量Ｃ₀の５０％に相当する放電容量を０．５Ｃ₀としたきに、グラフ上において前記の直線Ｌと直線Ｃ＝０．５Ｃ₀との交点の横軸座標を寿命月数とした。

これら各電池のトリクル寿命試験結果を表４、表５および表６に示す。

表４〜表６に示した結果から、線状リブ９の高さＨが０．７ｍｍの比較例の電池は５〜８カ月程度の寿命サイクルであり、遊離電解液有りの電池の方が無しの電池に比較して寿命性能に劣る傾向が認められていた。また、これらの電池を分解調査したところ、負極板が変形し、線状リブ間の空間の大部分が変形した負極板によって占められていた。また、電槽の極板群積層方向の厚みも初期の１３０％まで膨張していた。

これらの電池は、線状リブ９の高さ寸法を確保しないがために、線状リブによって形成される空間容積が不十分でなく、また、負極板の変形によってさらにこの空間が減少し、ガス吸収反応が妨げられたと推測される。またガス吸収反応が進行しないため、電池内圧が上昇し、これにより電槽の膨張が助長され、さらに電池容量低下を促進したと考えられる。

一方、線状リブ９の高さ寸法Ｈを０．８ｍｍ以上とし、かつ比率（Ｄ／Ｔ）を２．０〜８．０とした本発明例の電池は優れた寿命特性を有していた。その中でも特に、比率（Ｄ／Ｔ）を２．０〜５．５とすることによって極めて良好な寿命特性が得られた。

比率（Ｄ／Ｔ）を１．５とした比較例の電池では、壁面８と線状リブ９間に形成される空間１０の容積が十分なガス吸収反応に必要な容積に満たないため、早期に寿命低下したと推測できる。また、この比較例の電池において、遊離電解液が有りの電池ではさらに早期に寿命低下していた。これは空間１０に毛管現象によって遊離電解液が充填されるため、ガス吸収反応がさらに低下したためと考えられる。

一方、遊離電解液を有した本発明例の電池は、遊離電解液を有さない本発明例の電池よりもむしろ優れたトリクル寿命特性を有していた。これは本発明では、遊離電解液が存在した状態でも、ガス吸収に必要な空間が確保されるため、放電容量増大効果とガス吸収反応促進による寿命伸長効果とが両立したためである。また、本発明例の電池の寿命試験終了後の電槽寸法は初期の１０６％であり、比較例の電池の１３０％に比較して膨張が抑制されていた。これはガス吸収反応が活発に進行することにより、電池内圧の上昇が抑制されたことによると考えられる。

また、比率（Ｄ／Ｔ）を１０とした比較例の電池は本発明例の電池に比較して寿命特性が低下していた。これは線状リブ９間の距離Ｄが長くなることにより、負極板が撓むように変形し、空間１０の容積が減少したためと推測できる。

以上、説明してきたように、線状リブ９の高さ寸法Ｈを０．８ｍｍ以上、比率（Ｄ／Ｔ）を２．０〜８．０、好ましくはこの比率を２．０〜５．５、さらに好ましくは遊離電解液を存在させることにより、極めて優れたトリクル寿命特性を有した制御弁式鉛蓄電池が得られることがわかる。

本発明は、制御弁式鉛蓄電池のトリクル寿命特性を顕著に改善することから、特にバックアップ用の制御弁式鉛蓄電池として好適である。

本発明の制御弁式鉛蓄電池の断面を示す図 電槽および線状リブを示す図

符号の説明

１ 電池
２ 正極板
３ 負極板
４ セパレータ
５ 極板群
６ 電槽
７ セル室
８ 壁面
９ 線状リブ
１０ 空間

Claims (3)

1. 正極板と負極板とをセパレータを介してなる極板群の少なくとも一方の端板が負極板であり、前記極板群が電槽のセル室に収納されてなり、前記端板である負極板に対向するセル室の壁面に複数本の線状リブを平行に設け、隣接する前記線状リブ間の距離をＤ、前記負極板の厚みをＴとしたときに、比率（Ｄ／Ｔ）を２．０〜８．０とし、かつ前記線状リブの高さを０．８ｍｍ以上としたことを特徴とする制御弁式鉛蓄電池。
2. 前記比率（Ｄ／Ｔ）を２．０〜５．５とすることを特徴とする請求項１に記載の鉛蓄電池。
3. 前記極板群から遊離した遊離電解液を有することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の制御弁式鉛蓄電池。