JP2009252625A - 鉛蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力及び高入力時の極柱による電圧降下の低減をはかり電池性能の向上と同時に、電池短絡による極柱の溶断及び強い振動が加わる状態でも極柱破断を抑制し、質量低減が可能となる信頼性に優れた鉛蓄電池を提供する。
【解決手段】正極板、負極板及びセパレータで構成された極板群からなる鉛蓄電池の、端セルを構成する極板群より導出された鉛合金からなる極柱の内部に、極柱母材よりも電気抵抗が低く機械的強度に優れた材質からなる筒状体を存在させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉛蓄電池に関するものである。

近年、地球環境の観点より車両の燃費向上が求められており、アイドリングストップ自動車の開発が進められ、それに対応する鉛蓄電池が要求されている。アイドリングストップ自動車における鉛蓄電池の使用状態は、エンジン始動及び停車後の再始動にともない大電流の放電と車両制動時の回生エネルギによる大電流の充電等のように、大電流による充放電が頻繁に繰り返されることになる。

このため、鉛蓄電池には高出力及び高入力特性及び軽量化が求められている。これに対応する鉛蓄電池を構成する一部品に極柱が挙げられ、従来の鉛合金製では高出力、高入力を要求される場合に電気抵抗が大きく、電気抵抗を低下させるために使用鉛量を増やすと重量増加となることから改良すべき部品の一つとなっている。一方、近年の鉛蓄電池は、補水を低減するため極板を低くして極板群上の電解液を多く保有させるため液面の高低差が大きくなり、極柱は長くなる傾向にある。

電池が寿命末期になるにつれ電解液面が大幅に低減するとセル室中の極柱の露出部分が多くなり、このような状態で外部短絡等が起きた場合、電池エネルギが一気に流れて極柱自体が発熱して主材の鉛合金の融点に達すると溶断してしまうことがある。一方、極柱が電解液中に浸かっている部分は、発熱分が電解液中に放熱することで温度上昇を抑制できるので溶断に至ることはない。

特に電池が充電中や充電直後などで内部に発生ガスが充満している場合には、極柱の溶断する際の火花により蓄電池の破裂につながる可能性も存在していた。また、強い振動が電池に加わる使用環境では長い極柱に直接応力が加わり、鉛合金を主材とする極柱では機械的強度が不足し、強振動が長期間加わることで極柱自体が破断することもある。この破断の際の火花により同様に電池破裂を生ずることもある。

現在、一般的に使用されている極柱は、極柱全体が鉛合金からなるために鉛合金の使用量が多く質量的に重いものである。引用文献１には、大電流放電する蓄電池の極柱兼端子部分に銅または銅合金製の芯金をインサートし、電気抵抗の低減を図ることが提案されており、一般的にこの方式は、据え置して使用される大型鉛蓄電池に用いられているが、軽量化を念頭においた設計となっていないため、軽量化において十分とは云えなかった。

しかしながら、始動用鉛蓄電池の極柱は、極板群の棚部の形成前に極柱部品を準備する溶接方法と、極板群棚部を形成する際に同時に極柱を形成するキャストンストラップ方法との差はあるが、いずれの場合でも極柱は、鋳造方式により製造されており極板群から導出された単一の鉛合金からなる円柱状で形成されているに過ぎない。
特開平 １０−１７２５３５号公報

上記のように、大電流による充放電の電池特性向上を図りつつ電池短絡による極柱溶断及び強振動が加わる状態でも極柱破断を抑制し、質量低減が可能となる信頼性に優れた鉛蓄電池を提供するものである。

上記の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、負極板及びセパレータで構成した極板群を有した鉛蓄電池において、端セルを構成する極板群より導出した鉛合金よりなる極柱の内部には、前記極柱母材よりも電気抵抗の低い筒状体が存在することを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。

本発明の請求項２に係る発明は、前記筒状体が、極柱母材よりも高融点の金属を用いたことを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池を示すものである。

本発明の請求項３に係る発明は、前記筒状体が、極柱母材よりも高い機械的強度を有した金属を用いたことを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池を示すものである。

本発明の請求項４に係る発明は、前記筒状体の表面には、鉛めっきを施したことを特徴とする請求項２及び３記載の鉛蓄電池を示すものである。

本発明の請求項５に係る発明は、前記筒状体の全表面は、極柱母材により被覆されていることを特徴とする請求項１〜４記載の鉛蓄電池を示すものである。

前記した本発明の構成によれば、極柱の内部には、極柱母材よりも低い電気抵抗の物質を存在させることで高出力及び高入力特性が向上し、融点の高い金属の存在により大電流が流れても極柱の溶断及び高い強度の金属の存在による破断も防止できるため、溶断又は破断の際に生じる火花に起因した電池の破裂を抑制できるとともに、極柱を構成する鉛合金量を低減できることから軽量化も可能となるという顕著な効果を得ることができる。

本発明の実施の形態による鉛蓄電池の構成を説明する。

図１は、本発明の鉛蓄電池の部分断面を示す斜視図である。電槽１には正極板、負極板及びセパレータで構成された極板群２が各セルに挿入され、一列にセルが並ぶモノブロック電槽の両端に存在する端セル３の極板群２には複数極板を接続した棚部４より外部へ電気を導出する極柱５と、隔壁を介して隣接セルと電気接続する接続体６が設けられている。さらに、極柱５は、電槽１と蓋７が一体に溶着される際に蓋に一体に設けた外部端子８の中央に存在する円筒部８ａに挿入され、電槽と蓋の溶着後に外部端子８の上端を溶接することによって接続されている。

図２は、本発明の鉛蓄電池の極柱と端子の断面を示す図である。極柱５の内部には上下に開口する銅製の筒状体９が埋め込まれ、前記筒状体表面は全て極柱の母材である鉛合金９ａにて完全に覆われおり、銅製の筒状体９が埋め込まれた極柱５の内部には下方に開口する空間部９ｂが存在する。この極柱５の先端は、蓋７に一体に設けられた鉛合金の端子ブッシングと溶接されることで外部端子８が形成されている。

電池外装を構成するポリプロピレンを主体とする合成樹脂からなる蓋７に存在する外部端子８は、テーパ形状を有する鉛−アンチモン合金よりなる鉛合金製の端子ブッシングを蓋成型時に型内に配置してインサート成型により一体成型して作成する。

筒状体９は、極柱５の外部を覆う鉛合金よりも低電気抵抗、高融点及び高い機械的強度を有する材料を選定する必要があり、銅、アルミ及び鋼を適応することが可能であるが、電気抵抗を重視する観点より銅を用いるのが好ましい。

極柱５の一例として外径寸法が高さ９０ｍｍ、直径１０ｍｍの場合、銅製の筒状体は外径６ｍｍ、内径４ｍｍとし筒部の厚みを１ｍｍの筒を用意するが、この外径及び内径は電池の形状により変化させることができる。さらに、筒状体９の高さ（長さ）は極柱５の高さより若干短めに８５ｍｍとし、筒状体には後工程の鉛合金で筒状体の表面を覆う際の密着性を良好にするため鉛６０質量％と錫４０質量％のはんだメッキを施す。

図３は、筒状体の表面に鉛合金を覆う説明用断面図である。鋳造鋳型１０の中央空間部１０ａに銅製の筒状体９を配置し、鋳造鋳型１０の上部より溶融鉛−アンチモン合金を注湯１１して冷却固化することにより形成された極柱の前駆体５ａを得る。

図４は、極柱前駆体の断面図であり、この極柱前駆体５ａは、実際に極板群に使用する際には上下方向を反転させた位置で使用する。筒状体９の表面を鉛合金９ａで被覆され極柱５としての外形を形成するとともに極柱５の中心に相当する部分は上下に開口する円柱状の空間部９ｂを有し、ここで、鋳造鋳型１０の上部に位置した部分の筒状体の先端（極板群と接続される部分）は、鉛合金で覆われるとともに平坦部１２を一体に有しているが、他方の鋳型の底面に接していた筒状体の接触部分では極柱前駆体に銅の露出部分５ｂが存在している。

端セル３の極板群２において、極柱前駆体５ａを反転し、銅の露出部分５ｂを上部に位置させ、下部に存在する平坦部１２が棚部４と接続されるとともに、一方の対極の棚部４は、接続体６を介して隣接セルに接続される。他の中間セルの極板群は同様に各セルに収納して隔壁を介して隣接するセルと接続した後に、端セルの極板群２に存在する極柱前駆体５ａの先端が蓋７に一体化された外部端子８の中央に存在する円筒部８ａに挿入され、外部端子の上部をバーニング溶接することで極柱前駆体の銅の露出部分５ｂは外部端子の鉛合金で覆われる。

以後、電解液となる希硫酸を注液して化成する常法により本発明の鉛蓄電池を作成する。

本発明の鉛蓄電池の極柱および端子部の断面において、極柱の直径を一定の１０ｍｍとした銅製の筒状体を用い、極柱表面と筒状体の間隔、筒状体厚み、筒状体内面と極柱内面間隔及び極柱内面と極柱中心間隔をそれぞれ変化させ、本発明例及び比較例による１２Ｖ３６Ａｈの始動用鉛蓄電池を作成した。

なお、比較例は従来の極柱として同寸法形状の鉛合金を用いた。これらの構成条件を表１に示す。

表１で示した各試験電池について、下記の４項目について評価試験を行った。
（１）電池組立前段階での極柱部品の質量（２本分）
（２）雰囲気温度２５℃にて３００Ａの電流で放電した際の５秒目での電圧の降下
（３）振動方向は前後、加速度は４９．０ｍ／Ｓ²、振動時間は２時間の条件で振動試験を行った際の電池分解による極柱の断線状況の確認
（４）外形約４．２ｍｍ²の電線及びナイフスイッチを用いて作成した回路による短絡試験を行った後の、電池分解による極柱の溶断状況の確認
上記の表１に示した供試電池について実施した試験結果を表２に示した。

表２に示した結果から、本発明の構成によれば以下のような効果が得られる。

極柱の質量は、比較例の電池Ａに対して本発明の構成の電池は約７６〜９８％へ質量を低減することができた。

電圧降下は、比較例の電池Ａに対して本発明の構成の電池Ｈは、約１３％にまで低下しており最も高い効果が得られた。効果の少ない電池Ｃにおいても４２％にまで低下しているのが確認されており、大幅な電圧降下の改善が確認された。

ここで質量と電圧降下の二つの観点では、電池Ｄと電池Ｆを比較すると電圧降下の大きさは同じであるが、電池Ｆの方が質量をより低減させることができ、同形状の筒状体を用いた場合は、内部に空間を有する方が同じ電圧降下の低減を実現したうえ質量低減をも図ることができた。

振動試験は、試験終了後の電池分解による観察結果から、比較例の従来構成の電池Ａ及び電池Ｂに極柱の断線が確認されたのに対し、本発明の構成による電池Ｃ〜Ｈではいずれも極柱の断線は確認されなかった。よって本発明の構成の電池は極柱部分の機械的強度が上昇していることが分かる。

短絡試験は、同様に試験終了後の電池分解による観察結果から、比較例の電池Ａが電解液から露出している外部接続端子部の直ぐ下で溶断したのに対して、本発明の構成による電池Ｃ〜Ｈでは、いずれも極柱の断線が確認されなかった。外部接続端子直下の溶断は、電解液面からの距離が離れており発生した熱を電解液へ放出することができなかったためであった。

これは、従来構成の電池Ａ及び電池Ｂでは、電池の充電中など水素ガス及び酸素ガスが存在する状態では火花がガスに引火して電池が破裂することになるため、これに対し本発明の構成の電池Ｃ〜Ｉについては、例え電池内部にガスが滞留していても極柱の溶断に起因した破裂を生じないことを意味している。

なお本実施例においては極柱の内部の筒状体を銅製にして埋め込んだが、軽量化のためにアルミニウム及びコスト追及のために鋼等のように目的に応じて鉛合金より電気抵抗の低い材料を用いた筒状体の全表面を鉛合金で覆う極柱を用いることで同様な効果を得ることができる。

本発明によれば、質量軽減、大電流での充放電時の電圧降下の抑制、耐振動性を有し、外部短絡時にも電解液から露出した部分の極柱溶断を生じないという顕著な効果が得られる。

本発明は、上記のように極柱を改善することで大電流による電池特性向上が図れ、電池短絡及び大きな振動による極柱溶断及び破断が抑制され、質量低減も可能となる高い信頼性を有した鉛蓄電池が得られるもので、その工業的、価値は、高い。

本発明の鉛蓄電池の部分断面を示す斜視図 本発明の鉛蓄電池の極柱と端子の断面を示す図 本発明の筒状体の表面に鉛合金を覆う説明用断面図 本発明の極柱前駆体の断面図

符号の説明

１ 電槽
２ 極板群
３ 端セル
４ 棚部
５ 極柱
５ａ 極柱前駆体
５ｂ 露出部分
６ 接続体
７ 蓋
８ 外部端子
８ａ 円筒部
９ 筒状体
９ａ 鉛合金
９ｂ 空間部
１０ 鋳造鋳型
１０ａ 中央空間部
１１ 注湯
１２ 平坦部

Claims (5)

1. 正極板、負極板及びセパレータで構成した極板群を有した鉛蓄電池において、端セルを構成する極板群より導出した鉛合金よりなる極柱の内部には、前記極柱母材よりも電気抵抗の低い筒状体が存在することを特徴とする鉛蓄電池。
2. 前記筒状体が、極柱母材よりも高融点の金属を用いたことを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池。
3. 前記筒状体が、極柱母材よりも高い機械的強度を有した金属を用いたことを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池。
4. 前記筒状体の表面には、鉛めっきを施したことを特徴とする請求項２及び３記載の鉛蓄電池。
5. 前記筒状体の全表面は、極柱母材により被覆されていることを特徴とする請求項１〜４記載の鉛蓄電池。

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