JP2010500727A - 液体電解質バッテリを製造する方法 - Google Patents

Abstract

混合装置を備える鉛蓄電池を製造する方法において、
混合プレート（５ａ’）をバッテリケース（１）へ該ケースの２つの向かい合う側で１つずつ挿入し、その際に前記混合プレートは若干斜めに向いているステップと、前記バッテリケース（１）に設置された２つの前記混合プレート（５ａ’）の間へ電極プレートパッケージ（２）を挿入し、その際に該混合プレートが垂直の位置へと押しやられ、前記バッテリケース（１）、前記電極プレートパッケージ（２）、および前記混合プレート（５ａ’）の幾何学寸法は、前記電極プレートパッケージの挿入時にこれが設計上事前設定された前記バッテリケース内の位置に配置され、その際に意図される流動通路断面が実現されるように設計されているステップと、垂直に向く２つの前記混合プレート５ａ’を、近似的に中央に電解質通過のための切欠きを有し、中央に向かって若干下方に傾いた電解質の流出面を有する混合ブリッジプレート５ｂ’と直角に結合するステップとを有している方法である。

Description

本発明は、特にたとえば車両、ボート、航空機などの可動の装置で使用される液体電解質バッテリを製造する方法に関するものである。

軽量の設計形態を求める、特に車両産業の模索は、バッテリ重量の節約にも対象を広げている。しかしながら同時に、いっそう高いバッテリ出力を求める要請もある。車両を始動させるためのエネルギーに加えて、電気式のパワーウインド、シートを位置調節するための調節用モータ、あるいはシートの電気加熱といった追加の設備のためにもエネルギーが必要とされるからである。さらに、バッテリの耐用寿命全体を通じて、バッテリ出力をできるだけ一定の高いレベルに保つことが望まれる。

従来型の鉛蓄電池の出力を高めるために、さまざまな方策が従来技術から公知となっている。以下において出力とは、電力の放出ないし電力の消費をするバッテリの能力を意味している。

鉛蓄電池における１つの特別な問題は、電極面をできるだけ完全に活用することにある。電極表面の領域で酸の濃度が高すぎると、このことは腐食につながり、最終的に電極プレートの分解につながる。酸の濃度が低すぎると、バッテリの確実な作動のために必要な電解特性が不足する。従来技術から知られているさまざまな現象に基づき、バッテリの内部では酸比重が不均等になる。こうした欠点を取り除くために、電解質の混合をする装置が開発されている。それにより、バッテリの機能や耐用寿命を同じく損なう堆積物が形成されることも同時に防止される。

米国実用新案第Ｕ１９１１４９０９号明細書（特許文献１）には、圧力ガス源からのガスの導入によって電解質の循環が強制される、蓄電池バッテリが開示されている。この循環方法は循環装置の構造が複雑であるために、車両用バッテリには限定的にしか適していない。その大きな理由は、圧力ガス源が追加的に必要となるからである。さらに従来技術より、静圧式ポンプと呼ばれる電解質混合装置が知られており、その機能について以下に説明する。車両が均等な速度で動いているとき、すなわち制動も加速もしていないとき、車両で使用されるバッテリの液体電解質の表面は平坦で水平になっている。制動プロセスまたは加速プロセスのとき、電解質は慣性に基づいて上下に揺れる。このときに発生する電解質流が、バリアやチャネルを通じて、できるだけ良好な混合が実現されるように誘導される。

このような原理は、特に米国特許第４，９６３，４４４号明細書（特許文献２）、米国特許第５，０９６，７８７号明細書（特許文献３）、米国特許第５，０３２，４７６号明細書（特許文献４）、およびもっとも近縁の従来技術をなすドイツ実用新案第２９７１８００４．５号明細書（特許文献５）に記載されている。このもっとも近縁の従来技術の対象物は、図１に示すように、各電極の間でバッテリケースの中に配置された山形状の混合装置である。

混合装置のない従来式のバッテリ、または混合装置を備えるバッテリのこれまでの製造では、まず、電極プレートパッケージ２が空のバッテリケースへ挿入される。混合装置を備えるようにバッテリを構成したいときには、電極プレートパッケージの垂直方向エッジとバッテリケース壁との間の隙間が、両方の側で等しい幅を有するようにするために、電極プレートパッケージを正確にバッテリケースの中心に位置決めしなくてはならない。しかしながらこれを確保するのは難しい。ロボットやこれに類する取扱技術を適用するのは高価になりすぎるため、重量のある電極プレートパッケージの挿入が手作業で行われるからである。

電極プレートは、以下において電極ポケットと呼ぶプラスチックフィルムで覆われる。電極ポケットは機械的にきわめて影響をうけやすい。引き続いて、山形状の混合プレートを左右それぞれの隙間へ差し込む作業は、電極ポケットの損傷を回避するために、きわめて慎重に行わなくてはならない。損傷した電極ポケットは、当該バッテリセルの早期の不具合につながり、そのためにバッテリの出力低下につながる。

図２に示す事例では、電極プレートパッケージがバッテリケースで大きく左寄りに位置決めされており、それにより、電極プレートパッケージの垂直方向エッジとバッテリケース壁との間の隙間は、左側のほうが右側より狭くなっている。

従来式の製造方法は、図３に模式的に示す別の欠点をさらに有している。図３ａに示すように、電極プレートパッケージが設計上意図される位置から外れていると、バッテリ壁と、混合プレートの垂直方向の脚部との間に形成される流動通路が、左側で右側よりも細くなる。しかし、この流動通路はその幅に関して最適化されているので、幅の変化は混合の効率を下げることになる。図３ｂに示す事例では、流動通路が両方の側で等しい幅になっているので、流動の矢印で図示しているように、良好な混合が行われる。

米国実用新案第Ｕ１９１１４９０９号明細書 米国特許第４，９６３，４４４号明細書 米国特許第５，０９６，７８７号明細書 米国特許第５，０３２，４７６号明細書 ドイツ実用新案第２９７１８００４．５号明細書

このような製造技術の１つの特別な欠点は、バッテリを最終点検するときに、電極ポケットの損傷をもはや発見することができないという点にある。したがって、電極ポケットの損傷は絶対に回避しなくてはならない。それと同時に、この組立ステップのためのコストが増大してはならない。つまり、簡単かつそれにもかかわらず確実な解決法が求められている。したがって本発明の課題は、従来技術の特徴である欠点を取り除くことにある。特に、電極ポケットの損傷が防止されるのが望ましい。

この課題は、請求項１に記載された、混合装置を備える液体電解質バッテリを製造する製造方法によって解決される。

この方法は次のステップを有している：
−バッテリハウジングの意図される２つの向かい合う壁部に沿って混合プレートを手作業でそれぞれ挿入し、このとき混合プレートは若干斜めに向いており、すなわち従来技術で使用される混合山形材は、この方法においては垂直区域と水平区域とに分割される。垂直区域のことを、以下においては混合プレートと呼ぶ。混合プレートはバッテリケースの中で若干斜めに向いており、すなわち、バッテリの設計形態に応じて約１０から２５度の間の傾きを有している。
−バッテリケースの中で位置決めされた２つの混合プレートの間へ電極プレートパッケージを挿入し、このときに混合プレートが押されて垂直な位置となり、すなわち、電極プレートパッケージを手作業でバッテリケースへ挿入するときに、混合プレートは意図される垂直な位置へと押圧され、ないしは変位する。混合プレートは軽量かつ平滑なので、この手順のときに電極ポケットを損傷させる危険はない。さらに、センタリング補助具としての役目をする混合プレートによって、電極プレートパッケージを挿入時に正しい位置まで手作業で押すことができる。
−垂直に向いている両方の混合プレートの上へ混合ブリッジプレートを水平に載せる。

バッテリ製造にあたってのこのような技術的ステップによって、以下に述べる利点が得られる。

まず、分割された混合装置の垂直の混合プレートがバッテリハウジングへ挿入されてから、それぞれの混合プレートの間へ電極プレートパッケージの挿入が行われるので、電極プレートの敏感な側方エッジの損傷がほぼ回避される。これは自動調心的なプロセスである。バッテリケースがローラ軌道の上に載っていれば、こうした自動調心をいっそうサポートすることができる。

さらに本発明による製造方法では、両側へすでに挿入されている混合プレートによって、電極プレートが事前設定された位置で正確にバッテリケースに配置される。このことは、各々の電極プレートの電気接続部が、厳密に事前設定された空間的位置にあるという別の利点も有している。次いで、溶接ロボットによって接続部が相互に溶接され、それによって個々のバッテリセルが直列につながれる。従来、電極プレートが相互に最善に位置決めされていなくてもこれらを相互に溶接できるようにするために、接続部は比較的頑丈に施工されていなくてはならなかった。本発明では電極プレートが互いに正確にアライメントされ、それによって大きな公差を補償しなくてもよくなるので、接続部の小型化が可能であり、それにもかかわらず、接続部相互の正確な溶接が可能である。小型の接続部によって、バッテリ１台あたり約２００グラムまたはそれ以上の鉛を節減することができる。

混合プレートと電極プレートパッケージを挿入した後、垂直に向いている混合プレートの上へ混合ブリッジプレートが載せられて、これと直角に結合され、それによってコンパクトな混合ユニットが成立する。この混合ブリッジプレートは、垂直に配置された混合プレートの上へ載置されるときに、射出成形時に発生したバッテリケースの変形を再び均等にするとともに、バッテリケースを全体的に補強することにも貢献する。従来技術と比べたときのさらに別の利点は、電解質流出面としての役目をする混合ブリッジプレートの上面が、両方の端面側から中心部に向かって事前設定された傾斜を有しているという点にもあり、この傾斜は、混合ブリッジプレートを組み付けるときやバッテリケースの蓋を載せるときにも変化することがなく、バッテリケースの製造公差にほぼ左右されないので、最善の混合作用が実現される。本発明による製造方法について、図面を参照しながら詳しく説明する。

従来技術に基づく混合山形材を備える鉛蓄電池を示す側面図である。 図２ａ〜図２ｃは、従来技術に基づく製造方法の方法段階を示す説明図である。 図３ａ〜図３ｂは、従来技術と本発明の機能比較を示す説明図である。 図４ａ〜図４ｄは、本発明による組立ステップを示す説明図である。 図５ａ〜５ｂは、混合ブリッジを示す斜視図である。

図４と図５を参照しながら本発明について説明するが、従来技術を示す図１から図３も援用する。

図１は、鉛電極プレート２と、機械的な静止状態のときの水位が符号４で図示された酸性充填液３とを備えるバッテリケース１を示している。符号５ａと５ｂは、山形状の混合装置の垂直方向と水平方向の脚部を表している。バッテリがたとえば矢印Ａで図示する方向へ動く車両に組み付けられている場合、制動プロセスのときに垂直脚部５ａとハウジング壁との間で上方に向かって酸が押圧され、水平脚部５ｂを介して流出する。このように通常発生するプロセスは、所望の酸混合につながる。混合装置は、図１ではバッテリケース１の側でのみ図示されている。

図２には、このような従来式のバッテリを製造するための関連する方法ステップが示されている。空のバッテリケース１の中に、まず鉛電極プレートパッケージ２が挿入される。このとき、図２ｂに示すように、鉛電極プレートパッケージ２が完全に中心にあるのではないという事態が起こる。次の方法ステップで、両側に混合山形材５ａ，５ｂが挿入される。このとき、鉛電極プレートパッケージ２が図２ｃに示すようにバッテリケース１の壁部にあまりに近づいているために、鉛電極プレート２のプラスチック外套が左側で損傷するという事態が起こり得る。電極プレートのプラスチック外套の損傷は、当該セルおよびこれに伴なうバッテリ全体の早期の不具合につながる。

図３は、従来の製造方法のさらに別の欠点を示している。図３ａに示すように、電極プレートパッケージが設計上意図される位置にないとき、それぞれのバッテリ壁と、それぞれの混合山形材の垂直脚部との間に形成される２つの流動通路は異なる幅になる。しかし、これらの流動通路はその幅に関して最適化されており、そのため、幅の変化は混合の効率を引き下げてしまう。図３ｂでは流動通路が両側で等しい幅になっているので、矢印によって図示される良好な混合が行われる。

図４には、本発明による方法が説明されている。２つの混合プレート５ａ’と１つの混合ブリッジプレート５ｂ’という３つの部分からなる新しい種類の混合装置が用いられる。まず、混合プレート５ａ’が若干斜めにバッテリケース１へ挿入され（図４ｂ）、その後で初めて電極プレートパッケージ２の挿入が行われる（図４ｃ）。この方策により、電極プレートパッケージ２がバッテリケース１の正確に中央に位置するようにすることができる。本発明による最後の作業工程では、図４ｄに示すように、垂直に向く混合プレートの上に混合ブリッジプレートが載せられ、これらに対して直角に結合される。

図５ａと図５ｂは、２つの混合プレート５ａ’と１つの混合ブリッジプレート５ｂ’とが組み合わされてなる混合装置を斜視図として示しており、図５ａは混合装置を分解図として示しており、図５ｂはこれを組み立てられた状態で示している。本発明による方法は、たとえばトラック用のバッテリの場合に当てはまるように、図面の説明とは異なる形態をもつ混合装置を有する液体電解質バッテリの製造にも適していることを強調しておく。

１ バッテリケース
２ 鉛電極プレートパッケージ
３ 酸性充填液
４ 機械的な静止状態のときの水位
５ａ 垂直脚部
５ｂ 水平脚部
５ａ’ 混合プレート
５ｂ’ 混合ブリッジプレート

Claims (3)

1. 混合装置を備える鉛蓄電池を製造する方法において、
   混合プレート（５ａ’）をバッテリケース（１）へ該ケースの２つの向かい合う側で１つずつ挿入し、その際に前記混合プレートは若干斜めに向いているステップと、
   前記バッテリケース（１）に設置された２つの前記混合プレート（５ａ’）の間へ電極プレートパッケージ（２）を挿入し、その際に該混合プレートが垂直の位置へと押しやられ、前記バッテリケース（１）、前記電極プレートパッケージ（２）、および前記混合プレート（５ａ’）の幾何学寸法は、前記電極プレートパッケージの挿入時にこれが設計上事前設定された前記バッテリケース内の位置に配置され、その際に意図される流動通路断面が実現されるように設計されているステップと、
   垂直に向く２つの前記混合プレート５ａ’を、近似的に中央に電解質通過のための切欠きを有し、中央に向かって若干下方に傾いた電解質の流出面を有する混合ブリッジプレート５ｂ’と直角に結合するステップとを有している方法。
2. 前記混合ブリッジプレート（５ｂ’）は垂直に向く２つの前記混合プレート（５ａ’）の上に嵌装またはクリップ留めされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記バッテリケースは前記電極プレートパッケージ（２）の挿入時にローラ軌道に載っていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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