JP2020126709A

JP2020126709A - 鉛蓄電池用補充液、鉛蓄電池補充液ボトル製品、鉛蓄電池のメンテナンス方法、鉛蓄電池の再生方法及び鉛蓄電池用補充液の製造方法

Info

Publication number: JP2020126709A
Application number: JP2019016643A
Authority: JP
Inventors: 忠行今中; Tadayuki Imanaka; 竹本　正; Tadashi Takemoto; 正竹本
Original assignee: It Giken Co Ltd
Current assignee: It Giken Co Ltd
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2039-02-01
Also published as: JP7378080B2

Abstract

【課題】安価でありながら鉛蓄電池の長寿命化が可能な鉛蓄電池用補充液を提案する。【解決手段】鉛蓄電池用補充液は、弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低いことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、鉛蓄電池用補充液に関する。

鉛蓄電池は、陽極板、陰極板にそれぞれ二酸化鉛、鉛を用い、電解液として希硫酸を用いた二次電池である。そして充電中は陽極板、陰極板のそれぞれから電解液中に硫酸イオンが移動し、放電中は電解液から陽極板、陰極板のそれぞれに硫酸イオンが移動する現象が生じている。しかし鉛蓄電池の使用時間が長くなると、陰極板の表面に電気絶縁性の硫酸鉛が蓄積していくので（サルフェーション、白色硫酸塩化）、蓄電容量が低下する等の性能劣化が生じてくる。このような性能劣化を抑えて鉛蓄電池を長寿命化させるための従来技術として、例えば次の特許文献では、マイクロカーボンを含有するマイクロカーボン水を電解液に添加することが記載されている。

特開2007-335322号公報

しかしながら前記特許文献に記載のカーボン水は、円形又は球形状の特殊なマイクロカーボンを含むものなので、その製造コストが高くなってしまうという問題があった。これに対して本発明は、安価でありながら鉛蓄電池の長寿命化が可能な鉛蓄電池用補充液、及びその利用方法を提案するものである。

本発明による鉛蓄電池用補充液は、水を光照射されている光触媒に接触させその後逆浸膜によって不純物除去することで製造される。こうして製造された鉛蓄電池用補充液は、弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低いという特徴を有する。
この鉛蓄電池用補充液は、鉛蓄電池に対応した注ぎ口を備えたボトルに充填した鉛蓄電池補充液ボトル製品として消費者に提供してもよい。
また本発明による鉛蓄電池のメンテナンス方法は、鉛蓄電池に対して前記鉛蓄電池補充液を定期的に補充することを特徴とする。
また本発明による鉛蓄電池の再生方法は、サルフェーションが生じた鉛蓄電池に対して前記鉛蓄電池補充液を所定濃度に補充してから充放電を繰り返すことを特徴とする。

本発明による鉛蓄電池用補充液は、安価でありながら鉛蓄電池の長寿命化が可能であり、その使用法も簡単である。

本発明による鉛蓄電池用補充液を製造する製造設備の基本構成図である。（ａ）、（ｂ）は鉛蓄電池の放電、充電における化学反応を示す概念図である。鉛蓄電池用補充液と硫酸鉛との反応を示す概念図である。鉛蓄電池用補充液を車載用鉛蓄電池に補充している状態を示す斜視図である。

図１は、本発明による鉛蓄電池用補充液を製造する製造設備の基本構成図である。
製造設備１０は、水を活性化させる光触媒装置１１と、活性化された水の不純物を濾過する濾過装置１２とを管路１３によって連結した基本構成になっている。管路１３には、光触媒装置１１に水を循環させる循環ポンプ１４と、濾過装置１２に対して水を高圧供給する高圧ポンプ１５とが配置されている。
光触媒装置１１は、紫外線を透過させる例えばガラス管１１ｂの内部に光触媒１１ａを配置し、その光触媒１１ａに、ガラス管１１ｂの外側に紫外線ランプ１１ｃを配置した構成になっている。光触媒は、酸化チタンや酸化タングステン等の光触媒活性物質の微粒子を多孔質セラミックやゼオライト等の担体に固定した独自のもので、水との接触面積が非常に広いことが特徴である。なおガラス管１１ｂは、アクリル管、石英管、塩化ビニル管等で代用してもよい。

光触媒装置１１は、紫外線ランプ１１ｃから紫外線を光触媒１１ａに照射した状態として、ガラス管１１ｂに水を通じさせると、光触媒１１ａの作用によって水が活性化される。具体的には、水分子が分解されて水素分子、酸素分子と共に、スーパーオキシド、過酸化水素、一重項酸素、ヒドロキシラジカル等の活性酸素が生じる。活性酸素の内でもフリーラジカルは非常に活性度が高く短時間で消失するが、それよりも活性度が低いものは長時間残存すると考えられる。また循環ポンプ１４によって水は光触媒装置１１を複数回通過することになるので最大限活性化されることになる。

濾過装置１２は、逆浸透膜１２ａを用いたクロスフロー方式のものである。具体的には、複数の孔が形成された集水チューブ１２ｂに対してシート状の逆浸透膜１２ａが海苔巻き状に固定された膜エレメントとして耐圧容器１２ｃに収容されている。耐圧容器１２ｃの一端外周部に注水口１２ｄが形成され、他端中心部、外周部にそれぞれ出水口１２ｅ、排水口１２ｆが形成されている。なお注水口１２ｄ、排水口１２ｆは膜エレメントの始端、終端に連通され、出水口１２ｅは集水チューブ１２ｂに連通されている。

濾過装置１２は、高圧ポンプ１５によって注水口１２ｄに水を高圧で供給すると、逆浸透膜１２ａを逆浸透した清浄水が集水チューブ１２ｂに集約されて出水口１２ｅから放出され、逆浸透膜１２ａを逆浸透せずに結果として不純物が濃縮された濃縮水が排水口１２ｆから放出される。こうして不純物が純水相当に除去された清浄水が、本発明による鉛蓄電池用補充液である。

前記のような製造設備１０は、紫外線ランプ１１ｃを点灯させながら、循環ポンプ１４、高圧ポンプ１５を適切に運転すれば、鉛蓄電池用補充液を連続的に製造することが可能である。なお原料とする水は、例えば水道水等の淡水がコスト的に適している。

またこのようにして製造された鉛蓄電池用補充液は、弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低いことを特徴としたものになる。具体的には、蓄電池用補充液のｐＨは７〜１０、望ましくはｐＨ７．３〜９．７である。また不純物濃度は、基本的に測定限界以下である。例えば水道の塩素含有量は０．４ｍｇ／Ｌ程度であるが、蓄電池用補充液の塩素含有量は０．００００２ｍｇ／Ｌ以下である。つまり鉛蓄電池用補充液は、水に由来する成分のみを含むものであって、その製造工程において、例えばマイクロカーボンや有機物等を添加する必要がないので、安価に提供できる。また特殊な添加物が鉛蓄電池に予期しない悪影響を及ぼすという心配もなく、人体や環境に対する安全性も高い。

そしてこの鉛蓄電池用補充液が弱アルカリ性を呈するのは、光触媒１１ａによる活性化の結果として、純水等に比較して水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が過剰になっているためであると現時点では考察している。このような水酸化物イオンの作用によって、この鉛蓄電池用補充液は、鉛蓄電池の陰極板に蓄積されている硫酸鉛溶解することが可能になり、鉛蓄電池の長寿命化が実現できる。
具体的には、鉛蓄電池に対して鉛蓄電池用補充液を定期的に補充する鉛蓄電池のメンテナンス方法によって、サルフェーションの発生が抑えられる。また既にサルフェーションが生じた鉛蓄電池に対して鉛蓄電池補充液を所定濃度に補充してから充放電を繰り返す鉛蓄電池の再生方法によって、サルフェーションが除去できる。具体的には、サルフェーションが既に生じた鉛蓄電池に対して、希硫酸（電解液）と、本発明の鉛蓄電池用補充液とを、補充後の硫酸濃度が３０〜３８％、望ましくは３５〜３８％になるように補充して、充放電を繰り返すとよい。このようなメンテナンス法、再生方法を適宜実行することによって、陽、陰極板の脱落等、物理的な故障によって使用不能になるまで鉛蓄電池が長期間利用できるようになる。この効果については、発明者らの実験として、同一の鉛蓄電池を継続して１５年以上使用し続けていることから明らかである。

次いで、鉛蓄電池の放充電における化学反応、鉛蓄電池用補充液のサルフェーションに対する化学反応を説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は鉛蓄電池の放電、充電における化学反応を示す概念図である。これらの図では、消費される化合物等を灰色で、生成される化合物等を白色で示している。また図３は鉛蓄電池用補充液と硫酸鉛との反応を示す概念図である。

鉛蓄電池２０は、筐体２４の内部に酸化鉛からなる陽極板２１と、鉛からなる陰極板２２とが配置されており、これらの極板２１、２２は希硫酸の電解液２３に水没された状態になっている。

鉛蓄電池２０の放電中は、図２（ａ）に示すように、陽極板側では、陽極板２１の酸化鉛と電解液２３の硫酸とが反応して硫酸鉛と水とが生成される。化学式では次のように表される。
ＰｂＯ_２＋Ｈ_２ＳＯ_４＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → ＰｂＳＯ_４＋２Ｈ_２Ｏ …（式１）
この反応では反応で生成された硫酸鉛が陽極板２１に付着すると共に陽極板２１の電子が消費される。これに対して陰極板側では、陰極板２２の鉛と電解液２３の硫酸とが反応して硫酸鉛が生成される。化学式では次のように表される。
Ｐｂ＋Ｈ_２ＳＯ_４ → ＰｂＳＯ_４＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（式２）
この反応では生成された硫酸鉛が陰極板２２に付着すると共に陰極板２２に電子が生成される。このようにして陰極板２２で生成された電子が負荷回路３０を通じて陽極板２１に移動して消滅することによって負荷電流が流れる。なお電解液２３は硫酸が消費されるために比重が下がる。

一方鉛蓄電池２０の充電中は、図２（ｂ）に示すように、陽極板側では、陽極板２１に付着している硫酸鉛と水とが反応して酸化鉛と硫酸とが生成される。化学式では次のように表される。
ＰｂＳＯ_４＋２Ｈ_２Ｏ → ＰｂＯ_２＋Ｈ_２ＳＯ_４＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（式３）
この反応では生成された酸化鉛は陽極板２１に吸収されると共に陽極板２１に電子が生成される。これに対して陰極板側では、陰極板２２に付着している硫酸鉛が分解されて鉛と硫酸とが生成される。化学式では次のように表される。
ＰｂＳＯ_４＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｐｂ＋Ｈ_２ＳＯ_４ …（式４）
この反応では生成された鉛は陰極板２２に吸収されると共に陰極板２２の電子が消費される。このようにして陽極板２１で生成された電子が充電回路４０を通じて陰極板２２に移動して消滅することによって充電電流が流れる。なお電解液２３は硫酸が生成されるため比重が上がる。

ところで陽極板２１、陰極板２２に付着する硫酸鉛は非導体でありかつ水に難溶性なので、その一部は時間経過と共に結晶化して化学変化しない状態（サルフェーション）になる。すると電解液２３の比重は下がったままになり電気容量が低下する。そして更にその結晶が負極板を覆った状態になると電解液２３との接触面積が減るので充電速度も遅くなることになり、最終的には鉛蓄電池２０が使用できなくなってしまう。

しかしながら本発明の鉛蓄電池用補充液を電解液２３に混ぜ入れると、結晶化した硫酸鉛を溶かすことが可能になる。すなわち図３に示すように、陽極板２１、陰極板２２の双方で、硫酸鉛と、鉛蓄電池用補充液の水酸イオンとが反応して鉛酸塩と硫酸とが生成される。化学式では次のように表される。
ＰｂＳＯ_４＋３ＯＨ⁻＋２Ｈ^＋ → ［Ｐｂ（ＯＨ）_３］⁻＋Ｈ_２ＳＯ_４ …（式５）
生成された鉛酸塩は水に溶解するので、硫酸鉛が陽極板２１、陰極板２２の双方から除去されるという効果が得られる。また電解液２３の比重も回復する。

更に、前記鉛蓄電池用補充液を鉛蓄電池に補充する方法を具体的に説明する。
図４は、鉛蓄電池用補充液を車載用鉛蓄電池に補充している状態を示す斜視図である。この鉛蓄電池２０は、一対の陽極、陰極端子２７、２８が設けられた長方体形状の筐体２４の内部を複数区画に区分し、そのそれぞれを独立した複数の電池として直列接続させた基本構造である。そして電池のそれぞれには補水口２５が設けられてキャップ２６によって封止されている。鉛蓄電池用補充液の補充は、これらの電池のそれぞれに対して行うようにする。図では、補水口２５の一つからキャップ２６が外されて、樹脂製のボトル５０の鉛蓄電池用補充液が補水口２５の奥に注がれている。
このような作業を容易に行うため、鉛蓄電池用補充液は、鉛蓄電池２０に対応した注ぎ口を備えたボトル５０に充填されたボトル製品として消費者に提供するとよい。特にこのボトル５０は円錐状の注ぎ口５１を備え、その先端を小さな蓋５２で封止した構造としているので、蓋の着脱が簡単にでき使い勝手に優れる。

１０製造設備１０
１１光触媒装置
１２濾過装置
１３管路
２０鉛蓄電池
２１陽極板
２２陰極板
５０ボトル

Claims

弱アルカリ性を呈しかつ不純物含有率が純水相当に低いことを特徴とする鉛蓄電池用補充液。
請求項１に記載の鉛蓄電池用補充液が鉛蓄電池に対応した注ぎ口を備えたボトルに充填されていることを特徴とする鉛蓄電池補充液ボトル製品。
鉛蓄電池に対して請求項１に記載の鉛蓄電池補充液を定期的に補充することを特徴とする鉛蓄電池のメンテナンス方法。
サルフェーションが生じた鉛蓄電池に対して請求項１に記載の鉛蓄電池補充液を所定濃度に補充してから充放電を繰り返すことを特徴とする鉛蓄電池の再生方法。
水を光照射されている光触媒に接触させその後逆浸膜によって不純物除去することを特徴とする鉛蓄電池用補充液の製造方法。