JP2015198029A - 鉛蓄電池、蓄電システム - Google Patents

Abstract

【課題】大型機器用の電池であっても成層化を解消することができる鉛蓄電池を提供する。
【解決手段】電槽とは別に電解液を貯留可能な貯留容器３と、一端が貯留容器内に開口するとともに他端が電槽の下部において開口する送液管４を備える。電槽内に収容された電解液を貯留溶液内に入れる電解液供給機構５を有し、供給機構は一端が貯留容器内または貯留容器の上方に配置されるとともに、他端が貯留容器外であり、一端よりも下方に配置された連通管５ａと、連通管内に空気を圧送する空気用配管５ｂから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解液を用いた鉛蓄電池及び蓄電システムに関するものである。

鉛蓄電池は、充電時に電槽の上部における電解液（以下、上部電解液ともいう）の濃度が薄くなるとともに電槽の下部における電解液（以下、下部電解液ともいう）の濃度が濃くなる成層化が発生する。成層化が発生すると、下部電解液の硫酸比重が高くなり負極板の下方にサルフェーションが発生するので、極板の上方でしか充放電反応が起きなくなり、極板が劣化して電池のサイクル寿命が短くなってしまう。
そこで、従来では、過充電を行い、過充電時に発生するガス（水素ガスや酸素ガス）で、上部電解液と下部電解液とを混合するガッシングにより成層化を解消している。

しかし、成層化を解消するための過充電電気量が増えると、格子腐食が進行したり、過充電によって電解液中の水分が減少してしまう。また、過充電電気量が増えると、電解液の温度が上昇して極板の劣化を早める原因ともなる。

そこで、過充電を行わずに成層化を解消する鉛蓄電池として、例えば特許文献１に記載のものがある。この鉛蓄電池は、電極群が収容される電槽と、電解液を混合するための混合体と、該混合体の底面から延長された支持台とを具備する。混合体は板上に複数の仕切りが設けられるとともに、板の互いに対向する両端に起立する両側面が設けられたものである。支持台は、短冊形状の部材を長手方向の略中央で折り曲げたものであり、該部材の長手方向が電槽の側面に沿って配置されるとともに、該部材の長手方向に配置する両側端が電槽に密着固定されて垂直流路を形成している。

この特許文献１記載の装置では、車両が移動する際に発生する慣性力によって、混合体に上部電解液が流入するとともに、垂直流路を上昇した下部電解液が混合体に流入して、混合体で上部電解液と下部電解液とが混合される。次に、車両が停止する際に発生する慣性力によって、混合された電解液が混合体から流出する。

特開２０１３−２３２３９５号公報

しかしながら、例えばフォークリフト等の大型機器用の電池は、電池そのものの大きさも大型化してその高さ方向の長さが長くなる。そのため、特許文献１記載の装置において、車両が移動する際に発生する慣性力が小さいと、下部電解液が垂直流路を上昇しないので、上部電解液と下部電解液とを混合することができず、成層化を解消することができないという問題が生じる。

本発明は上記問題に鑑みて成されたものであり、大型機器用の電池であっても成層化を解消することができる鉛蓄電池を提供することをその主たる目的とするものである。

本発明にかかる鉛蓄電池は、電極群及び電解液を電槽内に収容してなる鉛蓄電池であって、前記電槽とは別に電解液を貯留可能な貯留容器と、一端が前記貯留容器内に開口するとともに他端が前記電槽の下部において開口する送液管と、を具備することを特徴とする。

上述した構成によれば、振動等によって、貯留容器に電槽から電解液が流入し、この貯留容器に貯留された電解液の液面が電槽に貯留された電解液の液面よりも高くなると、電槽の液面よりも高い位置にある電解液の体積の自重によって、貯留容器内に貯留された電解液が貯留容器に連結された送液管を通って下方へと移動して流出する。
ここで、貯留容器に流入する電解液は比較的濃度の薄い電解液であり、送液管の流出先にある電解液は比較的濃度の濃い電解液であるので、貯留容器及び送液管によって、この比較的濃度の薄い電解液と比較的濃度の濃い電解液とを混合することができ、成層化を解消することができる。
また、電池の大きさ等に関わらず、貯留容器に電解液が流入して液面が高くなれば電解液を混合することができるので、大型機器用の電池であっても成層化を解消することができる。

本発明にかかる鉛蓄電池の具体的な一態様としては、前記電槽内に収容された電解液を前記貯留容器内に入れる電解液供給機構をさらに具備するものを挙げることができる。

このように構成すれば、電解液供給機構によって電槽内に収容された電解液を貯留容器内に適宜入れることができるので、成層化をより効果的に解消することができる。

上述した電解液供給機構の具体的な一態様としては、前記電解液供給機構が、一端が前記貯留容器内または前記貯留容器の上方に配置されるとともに、他端が前記貯留容器外であり前記一端よりも下方に配置された連通管と、前記連通管内に空気を圧送する空気用配管とから構成されるものを挙げることができる。

このように構成すれば、連通管内に送り込まれた空気が電解液を押し上げて、貯留容器内に電解液を供給することができる。

また上述した電解液供給機構において、前記空気用配管の空気が排出される排出口が、前記連通管内に配置されていることが望ましい。

このように構成すれば、空気を効率よく空気用配管から連通管内に送り込むことができるので、貯留容器に効率よく電解液を供給することができる。

さらに、上述した電解液供給機構の具体的な一態様としては、前記連通管の外径が、前記空気用配管の内径よりも大きく、前記連通管が、前記貯留容器の底壁を貫通して鉛直方向に延在しており、前記空気用配管が、前記連通管内に挿入されて、前記電槽の上方に延在しているものを挙げることができる。

このように構成すれば、空気用配管と連通管との隙間に流入した電解液が、空気用配管から圧送された空気によって押し上げられて空気用配管と連通管との隙間を通って貯留容器に貯留される。そのため、簡便な装置構成で効率よく貯留容器に電解液を供給することができ、成層化をより効果的に解消することができる。

ここで、本発明の鉛蓄電池は、組電池や蓄電システムにおいても好適に用いることができるので、その理由を以下に述べる。

従来、複数の鉛蓄電池を接続することで構成される組電池や蓄電システムにおいて、各鉛蓄電池の成層化を解消するために、各鉛蓄電池には空気供給配管が設けられている。この空気供給配管は、上端が一本の空気が流れる配管に接続されるとともに、下端が電槽の下部で開口する。
そして、各鉛蓄電池に空気供給配管から電槽の下部に空気が供給されることにより、電槽内の電解液を空気でバブリングして、電解液の混合を行い成層化を解消している。
しかし、各空気供給配管は、その上端が一本の配管に直列に接続されるものであったため、配管の上流側に接続された空気供給配管には、バブリングを行うのに十分な空気を送り込むことができるが、配管の下流側に接続された空気供給配管には、配管や各空気供給配管等の圧損により、バブリングを行うのに十分な空気を送り込むことができず、電解液の混合を行って成層化を解消することができないという問題が生じていた。

これに対し、本発明の蓄電システムは、上述した複数の鉛蓄電池と、前記空気用配管に空気を送りこむための空気供給手段とを具備することを特徴とする。

上述した構成を備える本発明の蓄電システムでは、各々の鉛蓄電池に設けられ、連通管に空気を圧送する空気用配管が、電槽の下部で開口するものではないので、従来の空気供給配管に比べて管長が短くすることができ、空気供給手段から供給される空気の圧損を低減して好適に圧送を行うことができる。そのため、各鉛蓄電池間の攪拌のバラツキを防いで、成層化を効果的に解消することができる。

本発明の鉛蓄電池によれば、貯留容器に貯留される電槽上部の電解液の液面が、電槽に貯留される電解液の液面よりも高くなると、電槽上部の電解液を送液管から電槽下部に流出させることができるので、電槽上部の比較的濃度の薄い電解液を電槽下部の比較的濃度の濃い電解液と混合することができ、過充電を行わずとも成層化を解消ことができる。また、上述した構成は、電池の大きさに関係ないので、大型機器用の電池であっても成層化を解消することができる。

本実施形態における鉛蓄電池を示す斜視図。 同実施形態における鉛蓄電池の電解液供給機構を示す斜視図。 同実施形態における鉛蓄電池の電解液供給機構近傍の断面図。 同実施形態における鉛蓄電池を用いた蓄電システムの模式図。

以下、本発明の鉛蓄電池の一実施形態について図面を用いながら説明する。

図１に示すように、本実施形態における鉛蓄電池１は、電極群２及び電解液を電槽６内に収容してなる鉛蓄電池１であって、例えばフォークリフト用等に用いられ、その電槽６高さが例えば７００ｍｍ等の比較的背の高い電池である。

電極群２は、複数の正極及び負極が交互に配置されるとともに、正極と負極との間にはセパレータが配置されたものである。そして、正極の耳部及び負極の耳部はそれぞれ正極ストラップ７ａ及び負極ストラップ７ｂで一体となっており、正極ストラップ７ａ及び負極ストラップ７ｂの上面には、それぞれ鉛直方向に延在する正極柱８ａ及び負極柱８ｂが設けられている。

電槽６は、電極群２及び電解液等を収容するものであって、上方に開口する直方体形状をなし、この開口は図示しない電槽蓋により閉塞される。なお、電槽蓋には、正極柱８ａ及び負極柱８ｂが挿通する貫通孔が設けられている。

そして、電槽６内部には、電極群２よりも上方に設けられ、電解液を貯留可能な貯留容器３と、一端が貯留容器３内に開口するとともに、他端が電槽６の下部において開口する送液管４と、電槽６内に収容された電解液を貯留容器３内に入れる電解液供給機構５とが設けられている。

貯留容器３は、電解液を貯留するためのものであって、電極群２の上方、より具体的には、正極ストラップ７ａ及び負極ストラップ７ｂの上方に設けられている。この貯留容器３は、正極柱８ａまたは負極柱８ｂの周囲を囲むように、電槽６の角部に設けられた例えば上面視Ｌの字形状をなしており、上方に開口するものである。そして、この開口端は、電槽６に貯留される最高液面高さよりも高くなるように配置されている。ここで、最高液面高さとは、予め鉛蓄電池１に規定された電解液の最大量を電槽６に収容したときの液面高さのことを指す。

送液管４は、貯留容器３に貯留された電解液を電槽６へと流出させるためのものであって、図１及び図２に示すように、一端が貯留容器３の底面から連通して貯留容器３内で開口するとともに、他端が電槽６の下部、具体的には電槽６の底面近傍で開口する。
また、本実施形態において、貯留容器３が電槽６角部に設けられているので、送液管４を電槽６角部に配置させて、送液管４を、電極群２と接触しづらい位置に構成することができる。

電解液供給機構５は、電槽６内の電解液を貯留容器３に供給するものであって、図２及び図３に示すように、電槽６内の電解液を貯留容器３内に送るための連通管５ａと、連通管５ａ内に空気を圧送する空気用配管５ｂとを具備する。

連通管５ａは、貯留容器３の底壁を貫通して鉛直方向に延在するものであって、上端が貯留容器３の液面Ｌ２よりも常に高い位置にあるように貯留容器３内に配置されるとともに、下端が貯留容器３の底面から突出して貯留容器３外に配置される。このとき、貯留容器３から突出する連通管５ａの管長は、貯留容器３の底面に接続された送液管４の管長に比べると十分短いものである。

空気用配管５ｂは、連通管５ａを介して電槽６に空気を圧送するものであって、連通管５ａの上端から下端に向かって連通管５ａ内に挿入されて、電槽６の上方に延在している。そして、上端が空気が圧送される配管９に接続継手１０を介して接続されるとともに、下端が連通管５ａの下端よりも上方に位置するように配置されている。そして、この下端が、空気が排出される排出口となる。なお、空気用配管５ｂの外径は、連通管５ａの内径よりも小さいものである。

また、連通管５ａ及び空気用配管５ｂの下端は、ともに電槽６に貯留された電解液の液面Ｌ１よりも低い位置に配置されている。

本実施形態における鉛蓄電池１の動作について以下説明する。

本実施形態の鉛蓄電池１は、図３に示すように、配管９に空気が圧送されると、この配管９に接続された空気用配管５ｂに空気が圧送されて空気用配管５ｂの下端から流出する。

このとき、空気用配管５ｂの下端は、連通管５ａの下端よりも上方に配置しているので、連通管５ａ内に空気が流出する。この流出した空気は連通管５ａと空気用配管５ｂの隙間から液面Ｌ２に向かって上昇するが、この上昇時に周囲にある電解液を押し上げながら上昇し、連通管５ａと空気用配管５ｂの隙間を通過した電解液を、貯留容器３に供給する。

そして、貯留容器３内には電解液が貯留されていき、貯留容器３内の電解液の液面Ｌ２が電槽６に貯留された電解液の液面Ｌ１よりも高くなると、自重によって貯留容器３に貯留された電解液が、貯留容器３内に挿通する送液管４を通って電槽６へ流出される。

ここで、電池の充電または放電が進行するにつれて、電槽６上部に停留する電解液は濃度が薄くなるとともに、電槽６下部に停留する電解液は濃度が濃くなる。
そのため、貯留容器３に貯留されるのは、電槽６上部の濃度が薄い電解液となる。そして、自重によって貯留容器３から流出される濃度が薄い電解液が、送液管４を介して電槽６下部で流出されて、電槽６下部の濃度が濃い電解液と混合される。

次に、本実施形態の鉛蓄電池１を用いた蓄電システムについて説明する。

図４に示すように、この蓄電システム２０は、上述した構成を備える本実施形態の鉛蓄電池１が配管９に接続継手１０を介して直列に接続されたものである。この配管９は、配管９に空気を送りこむための図示しない空気供給手段に接続されている。そして、各鉛蓄電池１に、上述した貯留容器３、送液管４及び電解液供給機構５が設けられている。

このように構成された本実施形態における蓄電システム２０では、空気供給手段から配管９を介して個々の鉛蓄電池１に空気が圧送されると、この空気が空気用配管５ｂを通ってその下端で流出される。そして、空気が空気用配管５ｂと連通管５ａとの隙間を上昇するときに周囲にある電解液を押し上げながら上昇するため、電解液が汲み上げられて貯留容器３に貯留される。そして、貯留容器３の貯留された電解液の液面Ｌ２が電槽６に貯留された電解液の液面Ｌ１よりも高くなると、貯留容器３に貯留された電解液が送液管４を通って電槽６下部へ流出される。

以上のように構成した本実施形態における鉛蓄電池１は、以下のような格別の効果を有する。

本実施形態における鉛蓄電池１は、電解液供給機構５によって電槽６内に収容された電解液を貯留容器３内に適宜流入させて、この貯留容器３に貯留された電解液の液面Ｌ２が電槽６に貯留された電解液の液面Ｌ１よりも高くなると、貯留容器３内に収容される液面Ｌ１から液面Ｌ２までの体積分の電解液が、自重によって送液管４を通って電槽６下部へ流出する。
このとき、電槽６上方には比較的濃度の薄い電解液が配置するとともに、電槽６下方には比較的濃度の濃い電解液が配置されているので、比較的濃度の薄い電解液が電解液供給機構５によって貯留容器３に流入し、送液管４の流出先にある比較的濃度の濃い電解液と混合されることになる。そのため、電解液の成層化を解消することができる。また、この電解液供給機構５によって電解液が貯留容器３に入る回数や量を増やすことができるので、成層化をより効果的に解消することができる。

さらに、電池の大きさ等に関わらず、貯留容器３に電解液が流入して液面Ｌ２が高くなれば電解液を混合することができるので、大型機器用の電池であっても成層化を解消することができる。

加えて、空気用配管５ｂの周囲を覆うように配置する連通管５ａの下端面が空気用配管５ｂの下端面よりも突出するように配置されているので、空気用配管５ｂと連通管５ａとの隙間に流入した電解液が、空気用配管５ｂから圧送された空気によって押し上げられて空気用配管５ｂと連通管５ａとの隙間を通って貯留容器３に貯留される。そのため、空気用配管５ｂから流出された空気は、連通管５ａ内を移動するので、正極や負極の活物質が空気によって巻き上げられることを防ぎ、ショートの発生を防止することができる。

また、送液管４は電槽６と電極群２との間であって電極群２と接触しずらい位置に配置されるので、送液管４が電極群２の上部に設けられる場合と比べて電極群２を迂回するように構成する必要がなく、送液管４の管長を短く構成することができ、速やかに電解液を電槽６下部へ流出させることができる。

さらに、本実施形態における鉛蓄電池１を用いた蓄電システム２０は、以下のような格別の効果を有する。

本実施形態における蓄電システム２０は、連通管５ａに空気を圧送する空気用配管５ｂが、電槽６の下部で開口するものではないので、従来の空気供給配管に比べて管長が短くすることができ、圧損を低減して好適に空気を圧送することができる。そのため、各鉛蓄電池１間の攪拌のバラツキを防いで、成層化をより効果的に解消することができる。

本発明は上記実施形態に限られたものではない。

上記実施形態においては、貯留容器内に電槽内の電解液を供給するために電解液供給機構を有していたが、電解液供給機構を有していなくてもよい。この場合、振動等によって電槽内の電解液が貯留容器に流入して、貯留容器内の電解液の液面が電槽の液面よりも高くなると、貯留容器内に収容される液面から液面までの体積分の電解液が、自重によって送液管を通って電槽下部へ流出する。

上述した構成によれば、貯留容器に流入する比較的濃度の薄い電解液と、送液管の流出先にある比較的濃度の濃い電解液とを混合することができるので、成層化を解消することができる。また、電池の大きさ等に関わらず、貯留容器に電解液が流入して液面が高くなれば電解液を混合することができるので、大型機器用の電池であっても成層化を解消することができる。

また、上記実施形態において、貯留容器は電槽の角部に設けられたものであったが、電極群の上方に配置されていれば貯留容器に設けられる場所は特に制限されず、何処に設けられていてもよい。

さらに、電解液供給機構は上述した構成に限られたものではなく、例えば電槽の貯留液をモーターやポンプ等によって汲み上げる水車やコンベアなどであってもよい。

加えて、本実施形態の鉛蓄電池において、空気用配管は、連通管の上端から下端に向かって連通管内に挿入して設けられるものであったが、例えば、連通管の下端から上端に向かって連通管内に空気用配管を挿入したものであってもよい。このように構成しても、空気用配管から連通管内に送り込まれた空気が電解液を押し上げて、貯留容器に電解液を供給することができる。また、空気用配管は、連通管内に空気を供給可能であれば、連通管内に挿入されなくてもよく、例えば、近接していてもよい。

また、空気用配管は、従来の電解液のバブリングを行うための空気を供給する空気供給配管とは異なり、電槽の下部で開口するものではないので、管長を短く構成することができる。そのため、空気用配管に供給するエア量が少なくて済むので、空気用配管の管径を細くすることができ、空気用配管を配置するスペースを小さくして、電槽内のスペース効率を向上させることができる。

上記実施形態の鉛蓄電池では、貯留容器が電槽内に一つしか設けられていないが、複数設けられたものであってもよい。また、貯留容器に複数の送液管が接続されていてもよい。このように構成すれば、複数の貯留容器により、電槽上部の電解液と電槽下部の電解液とを混合する回数をさらに増やすことができるとともに、複数の送液管により、電槽の様々な箇所で電解液を混合することができるので、より効果的に成層化を解消することができる。

また、上記実施形態の鉛蓄電池では、貯留容器の形状が筐体形状をなし、上面に開口が形成されたものであったが、その開口が電槽に貯留される電解液の最高液面高さよりも高くなるように設けられ、電解液を収容することができるものであれば、どのような形状をなしていても構わない。例えば、貯留容器と送液管とを１つの中空の筒状部材などで構成してもよい。

本発明の鉛蓄電池における別の実施形態としては、鉛蓄電池の使用当初は、貯留容器、送液管及び電解液供給機構が電槽の最高液面高さよりも低くなり、電解液内に沈んでいるように構成されているものを挙げることができる。そして、鉛蓄電池の充放電を繰り返して電解液が減少すると、貯留容器の開口が電槽の液面よりも高い位置に配置されるようになり、この状態になると、上記実施形態と同様に電解液を混合する動作を行うように構成してもよい。

本発明は、その趣旨に反しない範囲で様々な変形が可能である。

１・・・鉛蓄電池
２・・・電極群
３・・・貯留容器
４・・・送液管
５・・・電解液供給機構
５ａ・・連通管
５ｂ・・空気用配管

Claims (6)

1. 電極群及び電解液を電槽内に収容してなる鉛蓄電池であって、
   前記電槽とは別に電解液を貯留可能な貯留容器と、
   一端が前記貯留容器内に開口するとともに他端が前記電槽の下部において開口する送液管と、を具備する鉛蓄電池。
2. 前記電槽内に収容された電解液を前記貯留容器内に入れる電解液供給機構をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の鉛蓄電池。
3. 前記電解液供給機構が、一端が前記貯留容器内または前記貯留容器の上方に配置されるとともに、他端が前記貯留容器外であり前記一端よりも下方に配置された連通管と、
   前記連通管内に空気を圧送する空気用配管とから構成されることを特徴とする請求項２記載の鉛蓄電池。
4. 前記空気用配管の空気が排出される排出口が、前記連通管内に配置されている請求項３記載の鉛蓄電池。
5. 前記連通管の外径が、前記空気用配管の内径よりも大きく、
   前記連通管が、前記貯留容器の底壁を貫通して鉛直方向に延在しており、
   前記空気用配管が、前記連通管内に挿入されて、前記電槽の上方に延在している請求項４記載の鉛蓄電池。
6. 請求項３乃至５の何れかに記載の複数の鉛蓄電池と、
   前記空気用配管に空気を送りこむための空気供給手段とを具備する蓄電システム。