JP2015176659A

JP2015176659A - 鉛蓄電池

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Publication number: JP2015176659A
Application number: JP2014050145A
Authority: JP
Inventors: 小山　潔; Kiyoshi Koyama; 潔小山
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-10-05

Abstract

【課題】充電時に発生する気体による電解液の攪拌作用をより有効に利用して、成層化を抑制する。
【解決手段】正極板、負極板及びセパレータを有する極板群２と、流動可能な電解液３と、これらを収容する電槽４とを備えた鉛蓄電池１００であって、前記電槽４が、前記極板群２を収容する収容空間Ｓ１と、当該収容空間Ｓ１とは別に設けられ、前記収容空間Ｓ１の上部及び下部を連通する連通流路Ｓ２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛蓄電池に関するものである。

流動する電解液を持つ液式鉛蓄電池では、充放電を繰り返すと電解液の濃度が上下方向で異なってくる、いわゆる成層化が起こる。これは充電時に極板群内に生じる高濃度の硫酸がその重量によって下方に流動するために起こる現象である。そしてこの成層化は鉛蓄電池の寿命を低下させるため、従来様々な方法で成層化の緩和・抑制が図られてきた。

流動する電解液を持つ鉛蓄電池では、放電深度（ＤＯＤ）が８０％を超えるような深い放電を数回繰り返すと、直ちに電解液の成層化が起こる。これを解消する上で最も簡便な方法は、過剰に充電を行うことである。ＤＯＤが８０％程度なら放電電気量の１．２倍以上の充電を放電ごとに行えば、充電時に発生する気体（酸素及び水素）による電解液の攪拌作用により、電解液の成層化をほぼ解消することができる。

しかし、この方法では、放電電気量よりも２０％以上も過剰な量の電気を消費しなければならないため、電力コストの上昇が無視できない上、鉛蓄電池の正極格子体の腐食という、鉛蓄電池にとって重大な故障因子となる事象を加速させる恐れがある。このため、充電電気量を安易に増加する方法は避けることが望ましい。

その一方、充電電気量が放電電気量の１１０％を下回ると上記作用による電解液の攪拌が不充分となり、電解液の成層化を緩和できない。

そこで、例えば特許文献１では、充電時に発生する気体の圧力を利用して電解液の成層化を緩和する方法が提案されている。しかし、この方法では、電池内にいくつかの専用部品を装着する必要があり、その専用部品の使用と製造工程の煩雑化によりコストの上昇が避けられない。

また、特許文献２では、電池に加わる振動を利用して電解液の成層化を緩和する方法が提案されている。しかし、この方法には重力方向（縦方向）の寸法が長い電池の場合には充分な効果が得られないという問題点がある。

特開平３−２１６９５６号公報特開２００７−２４２３３３号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、充電時に発生する気体による電解液の攪拌作用をより有効に利用して、成層化を抑制することを主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る鉛蓄電池は、正極板、負極板及びセパレータを有する極板群と、流動可能な電解液と、これらを収容する電槽とを備えた鉛蓄電池であって、前記電槽が、前記極板群を収容する収容空間と、当該収容空間とは別に設けられ、前記収容空間の上部及び下部に連通する連通流路とを有することを特徴とする。ここで、連通流路が収容空間の上部及び下部に連通するとは、収容空間の上下方向において高さが互いに異なる少なくとも２つの部分に連通流路が連通していることをいう。

このようなものであれば、電槽が極板群を収容する収容空間と収容空間の上部及び下部を連通する連通流路とを有するので、充電時に極板群により発生する気体の上昇に伴う電解液の上方向への流れを収容空間内で発生させ、これに対応して発生する下方向への流れを連通流路内で発生させることができる。これにより、電解液の上方向への流れと電解液の下向きの流れとがぶつかって相互に打ち消し合わないようにすることができる。その結果、電槽内で、電解液の対流を効果的に発生させることができ、電解液の攪拌作用を高めて成層化を抑制することができる。

より詳細には、従来の鉛蓄電池では、正／負極板間の平衡電位は、電解液の成層化によって、電解液濃度が高い下部の平衡電位は上部の平衡電位より大きくなる。そのため、極板間の充電中の電圧と平衡電位との差は、下部でより小さくなる。そのために充電中の気体発生量は上部でより多く、下部でより少なくなる。すると、電池内の電解液の対流は、上部でより強く、下部ではより弱くなるので、下部の比重が高い電解液は攪拌されにくくなる。しかも、極板群の外部に向かう水平方向の対流にもエネルギーを奪われるとともに、極群の外部で下方向の対流と混ざり合うため、電池の上下全体を循環する対流が効果的に生まれない。

これに対して、本発明によれば、電槽が極板群を収容する収容空間と収容空間の上部及び下部を連通する連通流路とに仕切られているので、電解液の上方向への流れと電解液の下向きの流れとを分離し、これら上下の流れが互いにぶつかり合わず、弱め合わないようにして、電解液の有効な攪拌作用を発生、持続させることができる。

前記収容空間及び前記連通流路を仕切る具体的な実施の態様としては、前記極板群が、前記正極板及び前記負極板を前記セパレータを介して積層して構成されたものであり、前記極板群の積層方向に沿った側面と、前記電槽の内側面において前記極板群の積層方向に沿った側面に対向する対向内側面との間に、前記収容空間及び前記連通流路を仕切る仕切部が設けられていることが望ましい。これならば、従来の電槽の内部空間に仕切部を設けるだけで良く、製造が容易であり、製造コストの増大を避けることができる。

前記仕切部の下端の少なくとも一部が前記電槽の内底面から離間することにより、それらの間に隙間が形成されており、当該隙間により前記連通流路が前記収容空間の下部に連通していることが望ましい。ここで、仕切部の下端の少なくとも一部が電槽の内底面から離間しているとは、電槽の内底面の一部に凸部が形成されており、当該凸部が仕切部の下端に接触していることを妨げるものではなく、仕切部の下端の下方に隙間が形成される態様であれば良い。これならば、仕切部に貫通孔を形成することなく、連通流路を収容空間の下部に連通させることができ、仕切部の構成を簡単にすることができる。

また、仕切部の上端において、極板群の上端（例えば極板群を構成する極板の上端）よりも低い部分が形成されていることによって、前記連通流路が前記収容空間の上部に連通していることが望ましい。特に仕切部の上端全体が極板群の上端（例えば極板群を構成する極板の上端）よりも低いことが望ましい。これならば、仕切部に貫通孔を形成することなく、連通流路を収容空間の上部に連通させることができ、仕切部の構成を簡単にすることができる。

前記仕切部が、前記電槽と一体成形されたものであることが望ましい。これならば、電池の組み立て工程を複雑にすることなく、製造コストを抑えることができる。

前記仕切部が前記極板群の積層方向に沿った側面から離間することにより、それらの間に隙間が形成される。この隙間の寸法は、本発明の目的に鑑みれば小さい方が望ましいが、一方で電池組立の際の、極板群を電槽に組み入れる組立工程の効率を考えると、該隙間にはある程度の寸法を確保すべきである。従ってこの隙間の寸法には組立工程の能力に応じて好ましい範囲がある。

前記極板群が、略直方体状をなすものであり、前記仕切部が、前記極板群の積層方向に沿った側面と略平行となるように設けられていることが望ましい。これならば、極板群の積層方向に沿った側面と仕切部との間の空間全体に亘って、均一に電解液の上向きの流れを発生させることができ、電解液の攪拌作用を高めることができる。

また、仕切板と極板群の積層方向に沿った側面との隙間寸法が上から下へ向かって小さくなるように、仕切板を傾斜させて配置するか、仕切板に湾曲部又は屈曲部を設けることも可能である。この場合、極板群を電槽に組み入れる組立工程において、電槽と極板群の位置決めが容易となり、かつ当該組立工程の効率を低下させることなく隙間の寸法を小さくして極板の幅寸法を確保できるので、連通流路を設けたことによる放電性能の低下を緩和できる。

前記連通流路が、前記電槽の側壁内部に形成されていることが望ましい。このようなものであっても、本発明の効果を奏することができる。

前記収容空間及び前記連通流路を仕切る仕切部に、前記電解液の移動を許容する貫通孔が形成されていることが望ましい。これならば、放電時において連通流路からの電解液の移動を確保することができ、連通流路を設けたことによる放電性能の低下を防止することができる。

このように構成した本発明によれば、電槽が極板群を収容する収容空間と収容空間の上部及び下部を連通する連通流路とに仕切られているので、電槽内で、電解液の対流を効果的に発生させることができ、電解液の攪拌作用を高めて成層化を抑制することができる。

本実施形態の鉛蓄電池を極板群の積層方向から見た場合の構成を模式的に示す図。同実施形態の鉛蓄電池のＡ−Ａ線断面図。同実施形態の鉛蓄電池のＢ−Ｂ線断面図。仕切板の配置例を示す図。同実施形態の電槽の分解斜視図。同実施形態のスペーサ部材を示す斜視図。仕切板の変形例を示す図。各サンプル電池のサイクル試験における電解液の上下比重差を示すグラフ。各サンプル電池の６００サイクル目及び９００サイクル目の容量と１０１サイクル目の容量との比を示すグラフ。各サンプル電池の容量試験後の負極活物質中の硫酸鉛量を示すグラフ。

＜本実施形態の構成＞
以下に本発明に係る鉛蓄電池の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の鉛蓄電池１００は、液式のものであり、図１〜図３に示すように、略直方体形状をなす極板群２と、流動可能な電解液３と、これらを収容する略直方体形状をなす電槽４とを備えている。なお、図１〜図３に示す鉛蓄電池１００は、単セル構造のものであるが、本発明に係る鉛蓄電池はこれに限定されず、複数のセル室を有するモノブロック型のものであってもよい。

極板群２は、多孔質体からなるセパレータ２ｃを介して交互に積層された略矩形状をなす正極板２ａと略矩形状をなす負極板２ｂとを有するものである。正極板２ａには集電用の耳部２１ａが設けられており、当該耳部２１ａ同士は正極用ストラップ２２ａにより連結され一体化されている。負極板２ｂにも集電用の耳部２１ｂが設けられており、当該耳部２１ｂ同士は負極用ストラップ２２ｂにより連結され一体化されている。また、各ストラップ２２ａ、２２ｂの上部にはそれぞれ極柱５ａ、５ｂが設けられている。なお、本実施形態における正極板２ａはクラッド式のものであるが、本発明の実施に当たっては、正極板２ａの方式は特に限定されず、クラッド式ではなくペースト式のものであってもよい。

そして、本実施形態の鉛蓄電池１００において、図１〜図３に示すように、電槽４が、極板群２を収容する収容空間Ｓ１と当該収容空間Ｓ１の上部及び下部を連通する連通流路Ｓ２とに仕切られている。ここで、連通流路Ｓ２は、収容空間Ｓ１に対して、極板群２の側面のうち極板平面に垂直な側面の一方（極板群２の積層方向に沿った側面であり、以下、「極板群２の所定側面２ｘ」という。）側に、形成されている。

具体的には、極板群２の所定側面２ｘと、電槽４の内側面において極板群２の所定側面２ｘに対向する対向内側面４ｘとの間に、収容空間Ｓ１及び連通流路Ｓ２を仕切る仕切部６が設けられている。

この仕切部６は、略平板状をなすものであり、電槽４の対向内側面４ｘから離間して略平行に設けられるとともに、極板群２の所定側面２ｘから離間して略平行に設けられている（図１及び図３参照）。本実施形態では、仕切部６の極板群側側面と極板群２の所定側面２ｘとの隙間及び極板群２の所定側面２ｘとは反対側の側面と当該反対側の側面に対向する電槽４の内側面との隙間の合計（以下、この隙間の合計を単に「隙間Ｇ１」という。）が１４ｍｍよりも大きい場合には、当該隙間Ｇ１において電解液の上方向の流れとともに下方向の流れが発生して、双方がぶつかり合って弱め合ってしまう。また、仕切部６の電槽側側面（極板群側側面とは反対側の側面）と電槽４の対向内側面４ｘとの隙間Ｇ２が大きくなると放電に利用されない連通流路Ｓ２内の電解液量が多くなって、容量低下を招く。そこで、隙間Ｇ２を６ｍｍ以上１０ｍｍ以下として、隙間Ｇ１を、組立工程が許す範囲で極力小さくすることが望ましい。これにより、放電に有効な電解液量の減少を防ぎ、また、極板群２の幅寸法の減少を防ぎ、電池容量の低下を防ぐことができる。

また、仕切部６は、平面視において矩形状をなすものであり、その左右両端が電槽４の内側面（極板群２の積層方向に対向する内側面）に接続されている（図２及び図３参照）。そして、仕切部６の下端が電槽４の内底面から離間することにより、それらの間に隙間Ｇ３が形成されている（図１及び図２参照）。この隙間Ｇ３により、連通流路Ｓ２の下部が収容空間Ｓ１の下部に連通している。この隙間Ｇ３は、極板群２の積層方向に沿って略同一寸法である。また、本実施形態では、仕切部６の下端の電槽４の内底面からの高さ位置を、極板群２の底面、具体的には、極板群２を構成する極板の下端を同じ高さとしている。なお、仕切部６の下端の高さ位置は、これに限られず、種々変更可能である。

さらに、仕切部６の上端が、極板群２の上端、具体的には、極板群２を構成する極板の上端と同じ高さ又はそれよりも低い位置とされている（図１参照）。これにより、連通流路Ｓ２の上部が収容空間Ｓ１の上部に連通している。仕切部６の上端は、極板群２の積層方向に沿って略同一高さである。なお、仕切部６の上端に高さ位置は、これに限られず、電槽４内の電解液の移動を妨げない程度の高さ位置であれば良い。また、仕切部６の上端が電解液の移動を妨げる高さ位置であっても、仕切部６に電解液の移動を許容する貫通孔が形成されたものであれば良い。

仕切板の高さ方向の寸法は、図１及び図２では極板群の高さとほぼ同じとしているが、これに限定されず、当該高さ寸法が極群高さの概ね７０％以上あれば、本発明の効果を実現できる。またその際の仕切板の配置は、図４の（Ａ）に示すように、仕切板の下端高さが極板群の底面高さと同じとなるように配置する場合が最も本発明の効果をよく発揮するが、図４の（Ｂ）のように、仕切板の上端高さが極板群の上面高さと同じとなるように配置しても、図４の（Ｃ）に示すように、仕切板の上下中央位置が極板群の上下中央位置と同じとなるように配置しても、大きく性能が劣ることはない。

本実施形態の仕切部６は、電槽４と一体成形されている。具体的に電槽４が、ポリエチレン等の熱可塑性プラスチックを射出成形して得られたものであり、この射出形成時に仕切部６も成形される。より詳細には、図５に示すように、電槽４及び仕切部６の一体品を例えば二分割した電槽部品４０１、４０２を射出成形するとともに、それら電槽部品４０１、４０２を熱溶着することによって、電槽４及び仕切部６が形成される。このように電槽４に仕切部６を一体成形することにより、製造が容易であり、製造コストの増大を避けることができる。

なお、仕切部６の機能は、極板群２の保持ではなく、電解液の対流の調整であるため、鉛蓄電池１００の使用中に大きな隙間を生じなければ良く、そのために熱溶着による仕切部６の機械的強度は、電槽４の強度より小さくても良い。

電槽４の内底面には、図１及び図２に示すように、極板群２の底面と電槽４の内底面との間に隙間Ｇ４を形成するためのスペーサ部材４１が設けられている。このスペーサ部材４１は、１例として特に図６に示すように、電槽４の内底面に載置され、極板平面に平行に延在する一対の下側フレーム要素４１ａと、前記一対の下側フレーム要素４１ａの上部に架け渡されて、極板群２の底面に接触する複数本（図６では３本）の上側フレーム要素４１ｂとを有する。なお、各フレーム要素４１ａ、４１ｂは、直線状をなしている。このようにスペーサ部材４１によって極板群２の底面に隙間Ｇ４を形成することによって、電解液が対流し易くなる。

この極板群２の底面と電槽４の内底面との隙間Ｇ４（高さ寸法）は、５ｍｍ以上であり、好ましくは９ｍｍ以上である。つまり、電槽４の内底面に対するスペーサ部材４１の上側フレーム要素４１ｂの上面の高さ位置が９ｍｍ以上となるように構成されている。当該隙間Ｇ４の上限（上側フレーム要素４１ｂの上面の高さ位置）としては特に限定されないが、エネルギー密度の点から、１５ｍｍ以下であることが好ましい。また、上側フレーム要素４１ｂの高さ寸法は、下側フレーム要素４１ａの高さ寸法よりも小さく、極力小さくすることが望ましい。本実施形態では上側フレーム要素４１ｂの高さ寸法を２ｍｍとしている。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態によれば、電槽４が極板群２を収容する収容空間Ｓ１と収容空間Ｓ１の上部及び下部を連通する連通流路Ｓ２とに仕切られているので、充電時に極板群２により発生する気体の上昇に伴う電解液の上方向への流れを収容空間Ｓ１内で発生させ、これに対応して発生する下方向への流れを連通流路Ｓ２内で発生させることができる。これにより、電解液の上方向への流れと電解液の下向きの流れとがぶつかって相互に打ち消し合わないようにすることができる。その結果、電槽４内で、電解液の対流を効果的に発生させることができ、電解液の攪拌作用を高めて成層化を抑制することができる。

また、仕切部６の下端が電槽４の内底面から離間し、仕切部６の上端が極板群２の上端よりも低いので、仕切部６に貫通孔を形成することなく、連通流路Ｓ２を収容空間Ｓ１の上部及び下部に連通させることができ、仕切部６の構成を簡単にすることができる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、電槽４の内部空間を仕切部６により仕切ることによって連通流路Ｓ２が形成されているが、連通流路Ｓ２を、電槽４の側壁内部に形成しても良い。つまり、電槽４の側壁内部に上下に延びる内部流路を形成して、当該内部流路を連通流路Ｓ２としても良い。

また、前記実施形態の仕切部６に、電解液の移動を許容する１又は複数の貫通孔を形成しても良い。これならば、放電時において連通流路Ｓ２からの電解液の移動を容易にすることができ、連通流路Ｓ２を設けたことによる放電性能の低下を防止することができる。

さらに、仕切部６は、平板状をなす１枚の仕切板により構成し、その左右両端を電槽の内側面に接続しているが、左右両端の少なくとも一方を、内側面から離間するように構成しても良い。その他、仕切部６を複数枚の仕切板により構成しても良い。また、仕切部６の左右両端の両方が、電槽４の内側面から離間する構成の場合には、当該仕切部６を、電槽４の対向内側面４ｘに接する構成としても良い。

その上、前記実施形態では、仕切部６を電槽４と一体成形するものであったが、電槽の内面に仕切部となる仕切板を配置する位置に取付溝を形成しておき、当該取付溝に仕切板を差し込む構成としても良い。この場合、以下に記載するような仕切板の形状が可能となる。

一つは、仕切板に直径１ｍｍ程度の貫通孔を多数設ける形状である。この利点は上向きの電解液対流と下向きの対流とがほとんどぶつかり合うことなく、効果的に電解液の対流を発生できるとともに、流通流路Ｓ２にある電解液が放電に利用され、放電容量の減少を防止できることである。

また他の一つの形状は、長方形の枠または枠付き格子状の基体に多孔質薄膜を貼りつけた仕切板である。この利点は上向きの電解液対流と下向きの対流とが全くぶつかり合うことなく、効果的に電解液の対流を発生できるとともに、流通流路Ｓ２にある電解液が放電に利用され、放電容量の減少を防止できることである。

加えて、前記実施形態では、仕切部６の上端及び下端は、平面視において直線状をなすものであったが、平面視において凹凸形状をなすもの者であっても良い。

さらに加えて、前記実施形態では、極板群２の側面のうち極板平面に垂直な側面の一方側に連通流路Ｓ２を形成する構成としているが、極板群２の側面のうち極板平面に垂直な側面の両方側に連通流路Ｓ２を形成する構成としても良い。この場合、極板群２の側面のうち極板平面に垂直な２つの側面と、電槽４の内側面において極板群２の２つの側面それぞれに対向する内側面との間に、仕切部を設ける等により、連通流路Ｓ２を形成する。

また、図７に示すように、仕切部６と極板群２の積層方向に沿った側面２ｘとの隙間寸法が上から下へ向かって小さくなるように、仕切部６を傾斜させて配置するか、仕切部６に湾曲部又は屈曲部を設けることも可能である。なお、図７は、仕切部６の上部に屈曲部６１を設けた構成を示している。この場合、極板群２を電槽３に組み入れる組立工程において、電槽３と極板群２の位置決めが容易となり、かつ当該組立工程の効率を低下させることなく隙間Ｇ１の寸法を小さくして極板２ａ、２ｂの幅寸法を確保できるので、連通流路Ｓ２を設けたことによる放電性能の低下を緩和できる。

その他、本発明は上記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成してもよい。

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。

集電部（いわゆる耳部）を除く極板寸法が、長辺３５０ｍｍ、短辺１４２ｍｍ、厚み４ｍｍである化成済みペースト式負極板４枚と、厚み以外は負極板と略同じ寸法である化成済みクラッド式正極板３枚と、負極板を取り巻くように配置された帯状のセパレータ４枚とを積層して構成される極板群を備え、この極板群の正極板及び負極板の長辺を電解液面に垂直に配置する構造のフォークリフト用単セル鉛蓄電池を準備した。なお、以下の従来例、実施例、比較例の各電池の外寸は、端子を除く高さ寸法を４９０ミリ、厚み方向の寸法を６０ミリとし、幅寸法は各電池の構造に対応して変化させた。具体的には、各電池の電槽の幅方向の内寸は、極板群の幅寸法（１４４ミリ）にそれぞれの電池のＧ１、Ｇ２及び仕切板の厚みを加算した数値とした。そのため電槽の内寸は電池の各例毎に異なり、１５０ミリ〜１６９ミリである。各電池の電槽は合成樹脂板を貼りあわせて作った。また、極板群の積層方向の寸法は１５ｋｇｆ／ｄｍ^２の加圧下で当該積層方向に沿った電槽の内寸法より２ｍｍ小さく、積層方向において、極板群と電槽内側面との間には実質的な隙間はない。

これらの鉛蓄電池に電解液である濃度３７％（比重は２０℃で１.２８）の希硫酸を注入した。その体積はいずれもほぼ２．１リットルであった。これらの鉛蓄電池の公称容量は２００Ａｈである。いずれのサンプル電池も３セルずつ準備した。

これら電池の極板は、その長辺が該電解液面に垂直になるように配置されるので、その極板群のうち該長辺を含む４側面が電解液面に垂直になる。

表１に、本発明の実施例および比較例、従来例のサンプル電池を列挙する。ただし従来例Ｄ１、Ｄ２には仕切部となる仕切板がないので、「仕切板と極群側面との隙間Ｇ２（ｍｍ）」の欄の数値は、電槽内側面と極群側面との隙間の寸法である。

実施例Ａ１〜Ａ５は、その極板群の底面と電槽の内底面との隙間Ｇ４が９ｍｍ、仕切板及び電槽と極板群の側面との隙間Ｇ１（両側の合計）が６ｍｍ、仕切板の厚みが１ｍｍであり、Ａ１〜Ａ４では仕切板を電槽の片側（極板群の片側）に配置し、Ａ５では、仕切板を電槽の両側（極板群の両側）に配置した。仕切板と電槽内側面との間の隙間Ｇ２は表１に示すとおりである。

比較例Ｂ１及び実施例Ｂ２、Ｂ３は、その極板群の底面と電槽の内底面との隙間Ｇ４を表１に記載するとおりとし、仕切板及び電槽と極板群の側面との隙間Ｇ１（両側の合計）が６ｍｍ、仕切板と電槽の内側面Ｇ２との隙間は６ｍｍである。なお、仕切板の厚みは１ｍｍとし、電槽の片側に配置した。

実施例Ｃ１〜Ｃ４は、その極板群の底面と電槽の内底面との隙間Ｇ４が９ｍｍ、仕切板及び電槽と極板群の側面との隙間Ｇ１（両側の合計）を表１に記載する寸法とし、仕切板と電槽の内側面との隙間Ｇ２は６ミリである。なお仕切板の厚みを１ｍｍとし、電槽の片側に配置した。

従来例Ｄ１、Ｄ２は、電槽に仕切板を設けず、その極板群の底面と電槽の内底面との隙間Ｇ４を９ｍｍ、電槽と極板群の側面との隙間Ｇ１（両側の合計）はそれぞれ６ｍｍ又は１２ｍｍとした。

また、各例において、スペーサ部材における上側フレーム要素４１ｂの高さ寸法は、２ｍｍである。さらに、電槽は本実験用に、極板の幅方向の内寸を自在に変化させられるよう合成樹脂板による貼りあわせ電槽を使った。

これらの電池を５０Ａで３時間放電し、４０Ａで４時間充電するサイクルを１００サイクル繰り返した。このサイクルにおける充電電気量の放電電気量に対する割合は１０７％である。そしてその間に数回、充電後に電池上部と下部の電解液を採取し、比重差を測定した。この結果を図８に示す。

図８によると、比較例Ｂ１、従来例Ｄ１、Ｄ２の電解液の上下比重差は０サイクル目から１００サイクル目まで増加し続け、１００サイクル目で極板群上下の電解液の比重差が０.０６３〜０.０７８となった。実施例Ａ、Ｂ２、Ｂ３、Ｃでも電解液に上下比重差が生じたが、比較例及び従来例に比べると１００サイクル目にて実施例Ａ１、Ａ５、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ４でその１／２程度、実施例Ａ２〜４，Ｃ１〜３ではその１／３程度であった。これは本発明が、少ない過充電量でも鉛蓄電池の電解液の対流を効果的に発生させ、該電解液の成層化の防止に有効であることを示している。

その中で実施例Ａ２、Ｂ２、Ｂ３を比較すると、その極板群の底面と電槽の内底面との隙間Ｇ４を９ｍｍとした実施例Ａ２は、当該隙間Ｇ４が７ｍｍ以下である実施例Ｂ２、Ｂ３よりも、他の条件は同じでも、電解液の比重差がさらに小さくなった。これは隙間を９ｍｍ以上にすると、電解液の対流をより一層効果的に生ぜしめ、より好ましいことを示している。

実施例Ａ１〜Ａ５のうち、電槽の片側に仕切板を配置し、この仕切板と電槽の内側面の隙間Ｇ２を６ミリ以上としたＡ２〜Ａ４では、この隙間が４ミリである実施例Ａ１や、電槽の両側に仕切板を配置し、これらの仕切板と電槽の内側面の隙間Ｇ２を４ミリとした実施例Ａ５よりも、他の条件は同じでも、電解液の比重差がさらに小さくなった。これは隙間Ｇ２が、たとえ電槽の片側だけにしか無くても、６ミリ以上確保されると電解液の対流をより一層効果的に生ぜしめ、より好ましいことを示している。

また、実施例Ａ２、Ｃ１〜４を比較すると、仕切板及び電槽と極板群の側面との隙間Ｇ１（両側の合計）が１４ｍｍ以下である実施例Ａ２、Ｃ１〜３は、該隙間が１８ｍｍである実施例Ｃ４よりも、他の条件は同じでも、電解液の比重差がさらに小さくなった。これは隙間Ｇ１が１４ミリ以下であれば、電解液の対流をより一層効果的に生ぜしめ、より好ましいことを示している。

次に１００サイクル後にこれらサンプル電池のうち各実施例と従来例Ｄ１とで容量試験と寿命試験を実施した。容量試験はまず各電池に４０Ａで５時間の充電を施して十分に電解液を攪拌し、充電の末期に電解液比重を１.２８０（２０℃換算）に調整した後に、３０℃の水槽に１２時間保管した後、同水槽中で放電電流４０Ａ、終止電圧１.７０Ｖの条件で行った。

寿命試験は各サンプル電池の公称容量２００Ａｈの７５％を一定電流で３時間放電し、次に該放電量の９０％までを３時間で、さらに１１７％までを２時間で充電するサイクルにて行った。すなわち放電電流は５０Ａ、充電電流は前半の３時間は４５Ａ、後半の２時間は２０Ａである。これはなるべくフォークリフト用電池の使用条件に近い条件で充放電を行うためである。

容量試験は１０１サイクル目と６００サイクル目、９００サイクル目に行った。また９００サイクル目の容量試験後に各電池を解体し、負極活物質中の硫酸鉛量を測定した。それらの結果を以下の表２に示す。ただし従来例Ｄ１は６００サイクル目で１０１サイクル目容量の８０％を下回ったので、６００サイクル目の容量試験後に解体した。

なお寿命試験開始時に各電池の電解液面の位置を記録し、サイクル中に電解液面が、１０１サイクル目の開始時の位置から２５ｍｍ低下したら、次のサイクルの放電終了から２０分以内に開始時の液面位置まで精製水を注入した。

表２のように、１０１サイクル目では各電池の容量はいずれも２１９Ａｈから２４１Ａｈの間の値であった。最大値と最小値で約１０％の違いがあるのは、仕切板と極板群の側面との隙間Ｇ１の寸法の違いによって電池が抱える実質的に有効な電解液量が異なるためである。

各サンプル電池の６００サイクル目、９００サイクル目容量と１０１サイクル目容量との比を図９に示す。この図９より、従来例では６００サイクル目の容量比が７０％程度であるのに対して、実施例ではいずれもそれが８０％を超えた。また同図より、実施例Ａ１、Ａ５、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ３、Ｃ４では９００サイクル目の容量比が８０％を下回ったが、実施例Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｃ１、Ｃ２ではいずれもそれが８０％を上回った。また実施例Ｂ３とＣ３でもほぼ８０％であった。

さらに表２、図１０より、実施例Ａ１、Ａ５、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ４では解体時の負極活物質中の硫酸鉛量が１５％以上であったが、実施例Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ではいずれもそれが１２％以下で、より少なかった。

これらにより、仕切板と電槽の内側面との隙間Ｇ２が６ｍｍ以上であり、極板群の底面と電槽の内底面との隙間Ｇ４が９ｍｍ以上である場合に、鉛蓄電池が寿命においてより好ましい性能を発揮することが確認される。この条件を満たす各実施例電池では、充電中にその電解液の対流がより効果的に発生させられ、サイクル寿命試験中に電解液の成層化が効果的に抑制され、したがって負極での硫酸鉛の蓄積も効果的に抑制されるためである。

またこれらの実施例により、仕切板と極板群の側面との隙間Ｇ１（両側の合計）が１４ｍｍ以下である場合に、鉛蓄電池が寿命においてより好ましい性能を発揮することが確認される。これらの条件を満たす各実施例電池では、充電中にその電解液の対流がより効果的に発生させられ、サイクル寿命試験中に電解液の成層化が効果的に抑制され、したがって負極での硫酸鉛の蓄積も効果的に抑制されるためである。

次に、種々の仕切板を用いた場合のサンプル電池において、１００サイクル後の容量試験と、１００サイクル後の電解液の上下比重差の測定試験とを行った。これらの試験結果を以下の表３に示す。

実施例Ａ２の仕切板は、貫通孔が形成されていない厚さ１ｍｍのＰＰ製の平板である。実施例Ｅの仕切板は、長方形をなすＰＰ製の枠に多孔質薄膜を貼り付けた仕切板である。実施例Ｆ１の仕切板は、厚さ１ｍｍのＰＰ製の平板に、直径１ｍｍの貫通孔を１ｃｍ^３あたり５２個形成した仕切板（開口率約４１％）であり、実施例Ｆ２の仕切板は、厚さ１ｍｍのＰＰ製の平板に、直径０．８ｍｍの貫通孔を１ｃｍ^３あたり９９５個形成した仕切板（開口率約４８％）である。実施例Ｆ３の仕切板は、厚さ１ｍｍのＰＰ製の平板に、高さ寸法１ｍｍで幅寸法が仕切板の幅寸法の８５％のスリット孔を、高さ１０ｍｍあたり５本形成した仕切板（開口率約４３％）であり、実施例Ｆ４の仕切板は、厚さ１ｍｍのＰＰ製の平板に、高さ寸法２．５ｍｍで幅寸法が仕切板の幅寸法の８５％のスリット孔を、高さ１０ｍｍあたり２本形成した仕切板（開口率約４３％）であり、実施例Ｆ５の仕切板は、厚さ１ｍｍのＰＰ製の平板に、高さ寸法３．３ｍｍで幅寸法が仕切板の幅寸法の８５％のスリット孔を、高さ１０ｍｍあたり１本形成した仕切板（開口率約２９％）の仕切板である。

表３から分かるように、実施例Ｅ及び実施例Ｆ１〜Ｆ５の１０１サイクル目の容量は、実施例Ａ２と同様の容量を示している。また、実施例のいずれも、従来例Ｄ２に比べて、１００サイクル後の電解液の上下比重差が低減されている。

次に、配置態様の異なる仕切板を用いた場合のサンプル電池において、１００サイクル後の容量試験と、１００サイクル後の電解液の上下比重差の測定試験とを行った。これらの試験結果を以下の表４に示す。なお、各サンプル電池において、隙間Ｇ３は、９ｍｍとした。

実施例Ａ２の仕切板の高さ寸法は、極板群の高さ寸法と同じである。実施例Ｈ１〜Ｈ３の仕切板の高さ寸法は、極板群の高さ寸法の７０％であり、実施例Ｈ１の仕切板は、仕切板の上端高さが極板群の上面高さと同じとなるように配置し、実施例Ｈ２の仕切板は、仕切板の上下中央位置が極板群の上下中央位置と同じとなるように配置し、実施例Ｈ３の仕切板は、仕切板の下端高さが極板群の底面高さと同じとなるように配置した。比較例Ｈ４〜Ｈ６の仕切板の高さ寸法は、極板群の高さ寸法の５０％であり、比較例Ｈ４の仕切板は、仕切板の上端高さが極板群の上面高さと同じとなるように配置し、比較例Ｈ５の仕切板は、仕切板の上下中央位置が極板群の上下中央位置と同じとなるように配置し、比較例Ｈ６の仕切板は、仕切板の下端高さが極板群の底面高さと同じとなるように配置した。

表４から分かるように、実施例Ｈ１〜Ｈ３及び比較例Ｈ４〜Ｈ６の１０１サイクル目の容量は、実施例Ａ２と同様の容量を示している。また、比較例Ｈ４〜Ｈ６は、従来例Ｄ２の１００サイクル後の電解液の上下比重差に比べてそれほど低減されていないが、実施例Ａ２及び実施例Ｈ１〜Ｈ３は、従来例Ｄ２に比べて大きく低減されている。また、実施例Ｈ３は、その他の実施例Ｈ１、Ｈ２に比べて上下比重差が小さく、また、比較例Ｈ６は、その他の比較例Ｈ４、Ｈ５に比べて上下比重差が小さくなっており、仕切板の下端高さを極板群の底面高さと同じになるように、仕切板を配置することが好ましい。

なお本実施例では、電池の幅を自在に変更するよう合成樹脂板を貼り合わせた電槽を使用したが、量産電池では電池の幅寸法が規格で決められているために自在に変更はできない。そのため仕切板と電槽の内側面との隙間寸法Ｇ２を大きくするほど放電に有効な電解液量は減少し、また場合によっては極板群の幅寸法も減少せざるを得ない。また仕切板及び電槽と極板群の側面との隙間Ｇ１（両側の合計）が大きいとその分、極板の幅寸法を減少させざるを得ない。そうすると、少なくとも初期容量はそれらの分だけ減少するので、隙間Ｇ１、Ｇ２の寸法を不必要に大きく確保することは製品の性能上不利となる。そこで本発明に基づき電池を設計する際には、仕切板は電槽の片側のみに配置し、仕切板と電槽の内側面との隙間Ｇ２は６ミリ以上１０ミリ以下とし、かつ仕切板及び電槽と極板群の側面との隙間Ｇ１（両側の合計）を、組立工程の効率を低下させない限度内で極力小さくすることが望ましい。

また、上記の実施例では、帯状のセパレータが各負極板に巻き付けられた状態で配置されているが、セパレータの配置態様としてはこの態様に限定されず、例えば、セパレータを正極板と負極板との間にジグザグに配置してもよく、又は、正極板又は負極板の一方を袋状のセパレータで包むようにしてもよい。

１００・・・鉛蓄電池
２・・・極板群
２ａ・・・正極板
２ｂ・・・負極板
３・・・電解液
４・・・電槽
６・・・仕切部

Claims

正極板、負極板及びセパレータを有する極板群と、流動可能な電解液と、これらを収容する電槽とを備えた鉛蓄電池であって、
前記電槽が、前記極板群を収容する収容空間と、当該収容空間とは別に設けられ、前記収容空間の上部及び下部に連通する連通流路とを有する鉛蓄電池。
前記極板群が、前記正極板及び前記負極板を前記セパレータを介して積層して構成されたものであり、
前記極板群の積層方向に沿った側面と、前記電槽の内側面において前記極板群の積層方向に沿った側面に対向する対向内側面との間に、前記収容空間及び前記連通流路を仕切る仕切部が設けられている請求項１記載の鉛蓄電池。
前記仕切部の下端の少なくとも一部が前記電槽の内底面から離間することにより、それらの間に隙間が形成されており、当該隙間により前記連通流路が前記収容空間の下部に連通している請求項２記載の鉛蓄電池。
前記仕切部が、前記電槽と一体成形されたものである請求項２又は３記載の鉛蓄電池。
前記仕切部が前記極板群の積層方向に沿った側面から離間することにより、それらの間に隙間が形成されている請求項２乃至４の何れか一項に記載の鉛蓄電池。
前記極板群が、略直方体状をなすものであり、
前記仕切部が、前記極板群の積層方向に沿った側面と略平行となるように設けられている請求項２乃至５の何れか一項に記載の鉛蓄電池。
前記連通流路が、前記電槽の側壁内部に形成されている請求項１記載の鉛蓄電池。
前記収容空間及び前記連通流路を仕切る仕切部に、前記電解液の移動を許容する貫通孔が形成されている請求項１乃至７の何れか一項に記載の鉛蓄電池。
請求項１乃至８の何れか一項に記載の鉛蓄電池に用いられる電槽であって、
前記収容空間及び前記連通流路を仕切る仕切部が一体形成されていることを特徴とする電槽。