JP2008091056A - 鉛蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛蓄電池内部に滞留した水素ガスの引火による、電池破損を抑制するために、電池内部に中空球体等の充填体を配置した場合、電解液量の減少によって、放電容量が低下する。本発明は、放電容量の低下を抑制し、かつ、滞留ガスの燃焼によっても、破損しない、鉛蓄電池を提供する。
【解決手段】セル室の極板群上方の空間に、貫通孔を有した充填体を充填する。充填体の外寸は、極板群側部と電槽内壁との間隙寸法よりも大とし、この部分に充填体が入り込まないようにすることが好ましい。充填体に設けた貫通孔によって、充填体間の電解液流動が促進されるため、電解液量の減少による放電容量の低下が抑制され、また、充填体による燃焼火炎の伝播抑制によって、燃焼エネルギーが減少するため。電池の破損を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛蓄電池に関するものである。

正極板、負極板およびセパレータで構成された極板群が、電解液中に浸漬された、いわゆる液式の鉛蓄電池は、その充電末期において、負極板および正極板から、水素ガス及び酸素ガスがそれぞれ発生し、電槽化成直後や、充電直後に電池セル内は、これらの水素ガスや酸素ガスで充満している。

このような状況下で、セル室内での内部短絡、静電気、あるいはその他の要因によって、セル室内部にスパーク等の発火源が生じると、セル室内部で、水素ガスの急激な燃焼が起こり、場合によっては電池が破損することもある。電池破損の程度は電池セル内の水素ガスと酸素ガスの量に大きく左右される。

液式の鉛蓄電池では、発生した水素ガスと酸素ガスの一部は、液口栓より電池外に放出され、空気の主成分である窒素と置換される。しかしながら、水素ガスや酸素ガスが発生している充電末期では、電池内圧が、大気圧よりも若干高くなるため、このような空気（窒素）と水素ガスの置換は起こり難い。また、電池を放置している間、密度の低い水素ガスは、拡散によって、液口栓をとおして電池外に放出されるものの、このような水素ガスの放出も、自然拡散によるので短時間では起こり難く、結果として長時間鉛蓄電池の内部に水素ガスが滞留することになる。

液式の鉛蓄電池内で発生する、水素ガスの滞留と、この滞留水素ガスの燃焼による、電池の破損といった課題を解決するために、特許文献１では、極板群の一部である接続棚上に弾力性の高い材質からなるスペーサを配置した鉛蓄電池が提案されている。弾力性の高いスペーサを接続棚上に設けることによって、セル室内の接続棚よりも上方の空間体積を減少させ、滞留水素ガスの体積を減少させることによって、滞留水素ガスの燃焼によって発生するエネルギーを低下させ、電池の破損を抑制する。

また、このスペーサとして、弾力性の高い材質のものを用いることにより、水素ガスの急激な燃焼によって発生する、急激な電池内圧上昇を緩衝でき、電池の破損抑制をさらに得ることができる。

また、特許文献２では、セル室内に接続棚上の空間に、中空の小球を充填した鉛蓄電池が提案されている。接続棚上に充填された中空の小球は、水素ガスの燃焼時に圧壊することによって、燃焼時に電池本体に加わる衝撃を吸収・緩和して、電池の破損を抑制することができる。

しかしながら、これらの構成では接続棚上の空間体積が減少するため、この減少分だけ、電解液量を少なくする必要が生じる。鉛蓄電池は正・負極活物質とともに電解液中の硫酸も活物質になるため、スペーサや中空の小球を充填して電解液を減らすことは、鉛蓄電池の容量を低下させることになる。
特開昭６１−２５０９７４号公報 特開平７−２３５３２５号公報

本発明は、前記したような電池内に滞留する水素ガスへの引火による電池破損を抑制しつつ、電池容量の低下を抑制することを目的とする。

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、正極板と負極板及びセパレータで構成された極板群がセル室に収納され、前記セル室内において、前記極板群の上方空間には、貫通孔を有する充填体を配置したことを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。

また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１の構成を有した鉛蓄電池において、前記充填体の外寸を、少なくとも、前記極板群の側部と、前記セル室の内壁との間隙寸法を越える寸法とする。

さらに、本発明の請求項３に係る発明は、請求項２の構成を有した鉛蓄電池において、 前記充填体は、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂からなるものである。

前記した本発明の構成によれば、極板群の上方の空間に充填体を均一に充填でき、電池内部に滞留する水素ガス及び酸素ガスの量を削減することによって、水素ガスへの引火による燃焼エネルギーを低減させて電池破損を抑制することができる。また、充填体の貫通孔内部に電解液を保持することができる。また、貫通孔が電解液流動に寄与するため、電池容量低下を抑制できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、本実施形態では、本発明を公称電圧１２Ｖの、始動用鉛蓄電池に適用した例について述べる。

本発明の実施形態による鉛蓄電池１は、電槽３内に設けたセル室２に、正極板７ａ、負極板７ｂおよびセパレータ７ｃで構成された極板群７が収納されるとともに、セル室２は蓋４で閉じられる。蓋４には電解液注液のための注液口５が設けられ、この注液口５には液口栓６が装着されている。電解液１２は、正極板７ａおよび負極板７ｂの全面を浸漬する量を有している。液口栓６内には、電解液飛沫の漏出抑制のための防沫体６ａや、電池外部スパークの電池内への引き込みを抑制する、防爆フィルタ６ｂを配置することが好ましい。

本発明の鉛蓄電池１では、セル室２において、極板群７の上方の空間８に貫通孔１０を有した充填体９が配置される。図１は、充填体９として、貫通孔１０を有した球状ビーズを用いた例を示している。

貫通孔１０を有した充填体９を空間８に充填することにより、空間８の容積の減少を抑制しつつ、空間８を小空間８ａに分割できる。また、小空間８ａ同士は、貫通孔１０や充填体９間の隙間で連続する場合があるものの、貫通孔１０や隙間によって、滞留した水素ガスが燃焼した場合においても、その燃焼の空間８全体への伝播が抑制される。したがって、燃焼エネルギーが低下するため、電槽３や蓋４の破損を抑制することができる。

また、充填体９に設けた貫通孔１０が電解液１２を保持するため、充填体９による電解液量の減少を抑制することができる。また、貫通孔１０をとおした電解液の流動によって、放電反応が促進されるため、充填体による電池容量の低下を抑制できる。

空間８に充填される充填体９は、図１に示した球状のほか、図２（ａ）および図２（ｂ）に示したような形状のものを用いることができる。他の主な充填体の形状としては、樽形充填体９ａ、筒形充填体９ｃであり、それぞれ電解液を保持し、かつ拡散することが可能な貫通孔１０を有する。

空間８に充填体９（樽形充填体９ａ、筒形充填体９ｂ）を効率良く充填するために、これらの充填体９（樽形充填体９ａ、筒形充填体９ｂ）の外寸は、共に５〜２０ｍｍ程度とする。また、さらに好ましくは、充填体９（樽形充填体９ａ、筒形充填体９ｂ）の外寸を、極板群７と電槽３の内壁３ａの間の隙間１５寸法を越える寸法とし、隙間１５に充填体９（樽形充填体９ａ、筒形充填体９ｂ）が入り込まないようにする。

極板面は、電解液１２で浸漬されるため、極板面間で短絡したとしても、スパークの発生確率は極めて低い。また、極板面に近接した部位の電解液１２は、極板群７の上方に位置する電解液１２よりも、放電反応に寄与する。したがって、極板群７の側部に充填体９を配置することは、電池容量の確保の面で好ましくない。したがって、隙間１５に充填体９が入り込まないよう、充填体９の外寸を決定することが、より好ましい。

充填体９（樽形充填体９ａ、筒形充填体９ｂ）の材質としては、安価で耐酸性を有した、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂材料とすることが好ましい。

また、本発明の電池は、充填体を用いない電池に比較して、電解液体積が減少するため、電池の使用中における電解液の減液による液面低下が進行しやすい。したがって、このような減液を抑制するために、正極板７ａおよび負極板７ｂに用いる格子や、これらの極板を、それぞれ同極性極板毎に集合溶接する正極ストラップ１１ａおよび負極ストラップ１１ｂとして、ともにアンチモンを含まない、鉛−錫合金、鉛−カルシウム合金等の鉛合金を用いることが好ましい。

さらに、電解液中の水分が蒸発し、液口栓６に配置された排気口６ｃをとおして、電池外へ散逸することによっても、電解液の減液は進行する。このような水分蒸発による減液を抑制するために、排気口６ｃに対向するよう、ポリプロピレン樹脂等の耐酸性を有したシート１３を粘着剤１４等によって蓋４に貼り付けることが極めて有効である。

以下、実施例により、本発明の効果を説明する。

（実施例１）
本実施例では、始動用鉛蓄電池（ＪＩＳ Ｄ５３０１における８０Ｄ２６形始動用鉛蓄電池）において、各セル室内にポリエチレン樹脂製の充填体を充填した電池を作成し、各電池の５時間率容量と、充電後のセル室内に電気スパークを発生させたときの、電池破損の有無を確認した。

（本発明例の電池Ａ）
本発明例の電池Ａは、充填体として、直径３．０ｍｍの球状のものであり、内径１．２ｍｍの貫通孔を有したものをセル室内に充填したものである。なお、この充填体は、極板群と電槽内壁との隙間の寸法よりも外寸が小さく、この隙間に充填体が入り込んだ状態となる。

（本発明例の電池Ｂ）
本発明例の電池Ｂは、充填体として、直径７．０ｍｍの球状のものとし、この充填体に内径３．０ｍｍの貫通孔を設けたものである。なお、この充填体は、極板群と電槽内壁との隙間の寸法よりも外寸が大きく、この隙間に充填体は入り込まない。

（本発明例の電池Ｃ）
本発明例の電池Ｃは、充填体として、直径２０．０ｍｍの球状のものとし、この充填体に内径３．０ｍｍの貫通孔を設けたものである。電池Ｂと同様、この充填体は、極板群と電槽内壁との隙間の寸法よりも外寸が大きく、この隙間に充填体は入り込まない。

（本発明例の電池Ｄ）
本発明例の電池Ｄは、充填体として、高さ１３．０ｍｍ、最大外径１２．０ｍｍ、最小外径８．０ｍｍの樽形としたものであり、図２（ａ）に示した樽形充填体９ａと同様の形状を有している。また、内径６．０ｍｍの貫通孔を有している。

（本発明例の電池Ｅ）
本発明例の電池Ｅは、充填体として、高さ１３．０ｍｍ、外径１２．０ｍｍの筒形としたものであり、図２（ｂ）に示した筒形充填体９ｂと同様の形状を有している。また、内径６．０ｍｍの貫通孔を有している。

（比較例の電池Ｆ）
比較例の電池Ｆは、本発明例の電池Ａにおいて、充填体に貫通孔を有さないものである。

（比較例の電池Ｇ）
比較例の電池Ｇは、本発明例の電池Ｂにおいて、充填体に貫通孔を有さないものである。

（比較例の電池Ｈ）
比較例の電池Ｈは、本発明例の電池Ｃにおいて、充填体に貫通孔を有さないものである。

（比較例の電池Ｉ）
比較例の電池Ｉは、本発明例の電池Ｄにおいて、充填体に貫通孔を有さないものである。

（比較例の電池Ｊ）
比較例の電池Ｊは、本発明例の電池Ｅにおいて、充填体に貫通孔を有さないものである。

（比較例の電池Ｋ）
比較例の電池Ｋは、充填体として、直径２０．０ｍｍの中空の球体を充填したものである。充填体内部に内径１９．０ｍｍの空間が内包されている。

（比較例の電池Ｌ）
比較例の電池Ｌは、セル室内に極板群および電解液を収納したのみであって、前記したような、充填体を有さない。

前記した各電池Ａ〜Ｌについて、電解液量に大きく影響される５時間率容量を測定した。また、５時間率容量を測定後、各電池を満充電状態とし、満充電状態からさらに３Ａで定電流充電し、充電開始１０分後、充電によって発生た酸素・水素ガスがセル室内に滞留した状態で、電気スパークによって、水素ガスを燃焼させたときの、各電池の破損状態を評価した。表１に各電池の構成を、表２にこれら各電池の評価結果を示す。

表１に示した結果から、本発明例の電池Ａ〜Ｅは、充填体を全く用いない比較例の電池Ｌと遜色のない、５時間率容量が得られる。ただし、本発明例の電池Ａに関しては、比較例の電池Ｇ〜Ｋよりもはるかに優れた容量を有するものの、比較例の電池Ｌ、および本発明例の電池Ａ〜Ｅに比較して、容量に若干の低下が見られた。

この電池Ａでは、その外形寸法上、充填体が電槽の内壁と、極板群側部との間の隙間に充填されていた。極板群側部の電解液も、極板間の電解液と同様、５時間率放電容量に大きく寄与するため、５時間率容量の低下を最小限に抑制するために、充填体の外寸を、極板群の側部と電槽内壁との間隙寸法未満とし、この間隙に充填体が入り込むことを抑制することが、より好ましい。

貫通孔を有さない充填体をセル室内に配置した、比較例の電池Ｆ〜電池Ｋについては、本発明例の電池Ａ〜Ｅ、および比較例の電池Ｌに対して５時間率容量の低下が著しく、実用的ではない。これは、充填体間の隙間に存在する電解液の量が、本発明例の電池に比較して少なくなるとともに、充填体間の隙間に存在する電解液の流動が充填体によって妨げられるために、この隙間の電解液が放電反応に殆ど寄与できなかったことによると考えられる。

一方、本発明例によるものは、比較例の電池Ｌに比較して、電解液量が減少するために、その５時間率容量は若干低下するものの、充填体に設けた貫通孔によって、充填体間に電解液の流動経路が形成されるため、５時間率容量の低下が、比較例の電池Ｆ〜Ｋほど顕著にあらわれなかったと推測される。

一方、電池の破損については、比較例の電池Ｌのみで破損が見られ、他の充填体をセル室内に配置した、本発明例の電池Ａ〜Ｅ、および比較例の電池Ｆ〜Ｋについては、スパークによる、内部着火によっても破損は生じなかった。

これらのことから、充填体に設けた貫通孔は、電解液流動を促進し、５時間率容量の低下を抑制する一方で、充填体による、電池破損抑制の効果を低下させることがない。貫通孔が存在した場合においても、引火炎の伝播が、貫通孔を有さないものと同様に抑制されることとがわかる。

以上、説明してきたように、本発明の構成によれば、電池内に滞留した水素ガスが、静電気等に起因する電気スパーク等の着火源によって急激に燃焼した場合によっても、電池の破損が抑制される。また、充填体をセル室内に配置することによる、放電容量の低下も顕著に抑制することができる。

本発明の構成によれば、放電容量を低下させることなく、滞留ガスへの引火による、電池破損を抑制できることから、始動用鉛蓄電池をはじめとする、様々な用途の鉛蓄電池に好適である。

本発明の鉛蓄電池を示す断面図 （ａ）充填体の形状を示す図（ｂ）他の充填体の形状を示す図

符号の説明

１ 鉛蓄電池
２ セル室
３ 電槽
３ａ 内壁
４ 蓋
５ 注液口
６ 液口栓
６ａ 防沫体
６ｂ 防爆フィルタ
６ｃ 排気口
７ 極板群
７ａ 正極板
７ｂ 負極板
７ｃ セパレータ
８ 空間
８ａ 小空間
９ 充填体
９ａ 樽形充填体
９ｂ 筒形充填体
１０ 貫通孔
１１ａ 正極ストラップ
１１ｂ 負極ストラップ
１２ 電解液
１３ シート
１４ 粘着剤
１５ 隙間

Claims (3)

1. 正極板と負極板及びセパレータで構成された極板群がセル室に収納され、前記セル室内において、前記極板群の上方空間には、貫通孔を有する充填体を配置したことを特徴とする鉛蓄電池。
2. 前記充填体の外寸を、少なくとも、前記極板群の側部と、前記セル室の内壁との間隙寸法を越える寸法とした請求項１に記載の鉛蓄電池。
3. 前記充填体は、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂からなる、請求項２に記載の鉛蓄電池。

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