JP3175558B2 - 密閉形蓄電池 - Google Patents
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Description
るものである。
リーや据え置き用電池として主に鉛酸蓄電池が用いられ
ている。また、小型民生機器用の電源としては、ニッケ
ル/カドミウム蓄電池、さらに近年ではエネルギー密度
の点でより優れたニッケル/水素蓄電池などのアルカリ
蓄電池が広く普及している。
排出ガスの問題が取り上げられている。この問題に対処
するため、電気自動車の開発が急速に進められている
が、電気自動車の開発にはその電源の開発が成否の鍵を
握っている。これらの駆動用電源として、現在、鉛酸蓄
電池が主として使われている。しかしながら、鉛酸蓄電
池は活物質に鉛を使用しているため電池重量が重く、エ
ネルギー密度も低い。そのため、鉛蓄電池より高出力、
高エネルギー密度、さらには長寿命で大型、高容量タイ
プのニッケル/カドミウム蓄電池もしくはニッケル/水
素蓄電池などのアルカリ蓄電池の開発に対する要望が非
常に高い。また、安全性の確保、及び保守を容易とする
為に、電池内部で発生したガスを電池系外へ放出しない
密閉形蓄電池が要望されている。
は、可逆的に水素を吸蔵・放出する水素吸蔵合金やその
水素化物を用いた水素吸蔵合金を負極とし、酸化金属を
正極とする。通常充電中、特に過充電領域に入ると正極
から酸素ガスが多く発生する。この正極と負極の化学的
な反応から反応熱が発生し、この反応熱により、電池温
度は急激に上昇する。また、電気自動車の駆動用電源で
あるため、加速時においては、200A以上の大電流が
極柱上部に集中し、ジュール熱によって極柱部の温度が
上昇する。
号公報では、密閉鉛蓄電池内に温度検知機を極板付近に
配置するかまたは極板に接触させて、極柱付近の電池内
温度を温度検知機で検知し、その検知温度の情報を利用
して充電時の過熱逸脱を防止するという提案がなされて
いた。
は、電槽の外表面の一部または極柱の部分の何れか少な
くとも一箇所に温度検知機を配置し、電池温度を制御す
るという提案がなされていた。
は、温度検知機を極柱に埋設するかまたは極柱表面に温
度検知機を設置し、その上に断熱層を設けるかもしくは
電池の電槽内に配置したポリプロピレンチューブ内に温
度検知機を設けて充電制御を行う方法が提案されてい
た。
一部または極柱の部分の何れか少なくとも一箇所に温度
検知機を配置させて電池温度を測定する場合や温度検知
機を極柱に埋設したり、極柱表面に設置してその上に断
熱層を設ける場合には、以下の問題がある。 (1)中容量移動用密閉形アルカリ蓄電池では、通常、
夜間電力を使用して充電を行う。この場合、比較的低電
流10〜20Aで充電を行うが、この充電においては、
正極と負極の化学的な反応によって発生する反応熱によ
り電極群で発熱し、電池内部の温度が充電末期に上昇す
る。しかし、極柱部の温度は、電極群で発熱した熱が伝
わって温度上昇するのに時間を要しレスポンスが悪いの
で適切ではない。かつ、極柱部の温度は外部の環境雰囲
気によって放熱される場合があり、正確に電極群の温度
を測定することができない。
は、200A以上の大電流が流れる。この場合、正極と
負極の化学的な反応によって発生する反応熱よりも電池
の極柱部で発熱するジュール熱の方が大きい。つまり、
電池の極柱の温度が急上昇する場合でも電極群の温度は
追従しない。よって、電極群の温度と電池の極柱部の温
度のどちらかを検知して、その温度情報により制御する
ことは望ましくない。 (2)電槽の外表面の温度を測定した場合、電極群の温
度上昇および極柱部の温度上昇は電槽の外表面の温度上
昇より大きく、また電槽外表面の温度はレスポンスもよ
くない。つまり、異常事態により電池温度が急上昇した
際でも、電池の温度上昇を電槽の外表面温度でレスポン
スよく捕らえることが難しく、電池の状態を把握するこ
とができない。このため、電池の安全性を確保すること
が困難である。
またはこれに接触させる場合として、極柱付近の電池内
に温度検知機を設けて電池の温度を測定する場合やポリ
プロピレンチューブを電池内に配置した場合は、以下の
問題がある。 (3)温度検知機を電池内部に挿入した場合、電池の密
閉が困難であり、電池の気密生の確保に劣る。つまり温
度検知機とケースとの接合部の気密性を保持するのが難
しく、接合部より電解液が漏液し、液枯れを引き起こし
て容量低下をきたす。また、安全性の面からも長期信頼
性を確保することができない。 (4)電極群の内部に温度検知機を挿入した場合、温度
検知機を固定させるのが困難である。また、この電池は
充放電を繰り返すと電極群が膨張と収縮を繰り返す。こ
の行為によって、温度検知機が異物としてセパレータを
突き破り、電極内部で正負極を短絡させる恐れがある。
したがって、電極群の内部温度を測定する場合に、直
接、電極群に温度検知機を挿入することは望ましくな
い。
とを課題とするものであり、電極群およびリード部を含
む極柱全体の温度を電池外部から測定可能とすることで
電池の気密性を保持することができる密閉形蓄電池を提
供することを目的とする。また、電極群およびリード部
を含む極柱全体の温度を環境に左右されることがなく測
定し、測定温度のばらつきが小さく、前記測定部の温度
をレスポンスよく測定することができる密閉形蓄電池を
提供することを目的とする。
傍に電池内方向に突出する有底の中空突出部を少なくと
も1ヵ所に形成し、前記中空突出部に温度検知機を挿入
することができるようにしたものであり、この手段によ
り電極群およびリード部を含む極柱全体部の温度を電池
外部から測定可能とするものである。
タを介して正極板と負極板を交互に配した電極群と電解
液とを電槽に収容し、電極群で接続された正負極両極柱
が固着された蓋により気密に封口された密閉形蓄電池に
おいて、前記蓋の極柱部近傍に電池内方向に突出する有
底の中空突出部を少なくとも1ヵ所に形成し、前記中空
突出部に温度検知機を挿入することができるようにした
ことにより蓄電池の気密性を保持した侭、環境による温
度の影響を少なくして極柱の温度を温度検知機によって
電池外部から検知し得るものである。従ってその検知し
た温度情報を充電制御などの電池制御に利用できる。
が、電極群もしくはリード部を含む極柱部の一部に当接
するか、もしくは極柱部に対して2mm以内の位置に近
接させたことにより、また、請求項3記載の発明は、有
底の中空突出部の肉厚は0.5mm以上2mm以下とし
たことにより、また、請求項4記載の発明は、有底の中
空突出部の内径は、1mm以上6mm以下としたことに
より、また、請求項5記載の発明は、有底の中空突出部
は、電池の正極極柱と負極極柱との間に設けたことによ
り、また、請求項6記載の発明は、温度検知機を有底の
中空突出部の底部と当接するか、もしくは前記有底の中
空突出部から1mm以内の位置に設置したことにより、
夫々、蓄電池の気密性を保持した侭、環境による温度の
影響少なく極柱の温度を温度検知機によって測定し得る
ものであり、その温度情報によって蓄電池として必要な
制御に利用することができるものである。
参照しながら説明する。図1は密閉形アルカリ蓄電池1
を示す。セパレータを介して正極板と負極板を交互に配
した電極群2とアルカリ電解液をポリプロピレン製の矩
形の電槽3に収容し、電槽3の上部開口部に接続された
同合成樹脂製の蓋4から構成されている。
5mm×120mm×160mmである。
て接続されている。その溶着部5の溶着強度は母材強度
の95%以上である。ここでの母材強度は、電槽3およ
び蓋4に用いているポリプロピレン樹脂の引張強度を示
す。
突出する有底の中空突出部6が形成されている。
極柱7と負極極柱8および安全弁9が固定されている。
安全弁9の固定は、蓋4と電槽3との溶着と同様、合成
樹脂製の蓋4との加熱溶着によって接続され、接続部の
溶着強度は母材強度の95%以上である。また、安全弁
9の作動圧は、2Kg/cm2以上8Kg/cm2以下に
設定されている。
片10を溶接によって接続し、負極極柱8の上部は蓋4
に液密および気密に接続されいてる。
発泡状ニッケル多孔体に充填し、所定の寸法に圧延、切
断して極板1枚当たりの容量が8Ahのニッケル正極を
作成する。また、MmNi3.6Co0.7Mn0.4Al
0.4(Mm:ミッシュメタル)の組成の水素吸蔵合金粉
末を結着剤とともにパンチングメタルに塗着し、所定の
寸法に圧延、切断して極板1枚当たりの容量が12Ah
の水素吸蔵合金負極を作成する。これら正・負極板をそ
れぞれ袋状のポリオレフィン製のセパレータで包み、正
極板と負極板を交互に複数枚積層し、正・負極板には、
それぞれのリードを極柱に接続し、上記の電槽3に挿入
し、電槽3と蓋4を加熱溶着する。電解液には、40g
/リットルの水酸化リチウムを含有した濃度27%の水
酸化カリウム水溶液を用いた。電解液を170cm3注
液して密閉し、図3に示すような密閉形アルカリ蓄電池
を構成した。電解液量は、サイクル特性、電池内圧を総
合的に考慮した液量である。
雰囲気中で初充放電として10Aの電流で15時間充電
を行い、20Aの電流で1.0Vまで放電を行った。初
充放電の放電容量を標準容量とする。このアルカリ蓄電
池は、正極によって容量が規制され、100Aの電池容
量を有する。
に突出する有底の中空突出部6について説明し、各請求
項記載の特定条件の設定根拠を述べることとする。 (1)有底の中空突出部の設置位置の検討1 有底の中空突出部6の位置は、正極極柱7と安全弁9と
の間に設けた。まず、ポリプロピレン製の蓋4に設けた
有底の中空突出部6は、電極群2に当接する位置まで電
池内方向に突出させ、中空突出部6の厚みは1.0mm
とした。そして、有底の中空突出部6の内径は2mmと
した。この電池内方向に突出する有底の中空突出部6に
温度検知機を中空突出部の底部に固定した。
極柱に温度検知機を固定した。温度検知機の固定位置
は、図2に示す。
温度検知機の固定位置は正極柱部の先端とし、図2
(B)において斜線で示すように、電槽の短辺側表面に
おいてその表面温度を測定する位置を電槽と蓋との接合
部より30mm下部とした。
を形成した位置と同様の位置に蓋に穴を貫通させ、温度
検知機を電極群の表面に装着させ、気密性を保持するた
めに温度検知機を固定させて電槽と温度検知機の接合部
の貫通穴を密閉した蓄電池を構成した。
た。つまり、25℃の雰囲気下で10Aの電流で充電容
量100Ahの充電を行い、その時の温度上昇を図3に
示す。
度上昇カーブは一致している。しかし、電池の極柱部の
温度は電極群の温度よりも緩やかに温度が上昇する。こ
れは、充電時において、正極と負極の化学的な反応によ
って発生する反応熱により電極群が発熱し、電池内部の
温度が充電末期に上昇する。しかし、極柱部の温度は、
電極群が発熱した熱を測定するには熱伝導に時間を要
し、温度に対するレスポンスが悪い。
電槽の熱伝導は極柱部の熱伝導よりさらに悪く、電槽表
面まで熱源の温度が伝わりにくいためである。
の電流で充電容量100Ahの充電を行いこの時の温度
上昇を図4に示す。図4に示す通り、0℃の環境雰囲気
下で充電を行うと、極柱部の温度は、充電末期でも温度
は上昇しなかった。これは、環境温度が低く極柱部から
放熱されたため、温度が上昇しなかったと考えられる。
った。つまり、25℃の雰囲気下で100Aの電流で充
電容量80Ahの充電を行い、その時の温度上昇を図5
に示す。
極群と中空突出部の温度上昇カーブは一致している。極
柱および電槽の外表面温度は10A充電と比較して、温
度上昇がみられるが、極柱部は電極群よりも温度上昇カ
ーブが緩やかであり、電槽の外表面は時間的に遅れて温
度が上昇する。つまり、高率充電においても10A充電
と同様、極柱および電槽の外表面温度では電極群の温度
上昇を検知することができない。
で初期の標準容量の105%を充電し、高率放電を行っ
た。その時の温度上昇を図6に示す。
中空突出部の温度上昇カーブとはほぼ一致している。し
かし、電極群の温度は電池の極柱部ほど温度上昇がみら
れない。これは、正極と負極の化学的な反応によって発
生する反応熱よりも電池の極柱部で発生するジュール熱
の方が大きいためである。
温度上昇も電池の極柱部の温度上昇よりはるかに遅れて
検知され、レスポンスが悪い。
方向に突出する有底の中空突出部の底部に温度検知機を
固定することで、温度上昇率の大きい電極群の温度また
は電池の極柱部の温度を検知できる。
突出部を設けた本発明における電池と前記の中空突出部
を形成した位置と同様の位置に蓋に穴を貫通させ、温度
検知機を電極群の表面に装着させ、気密性を保持するた
めに温度検知機を固定させて蓋と温度検知機の接合部の
貫通穴を密閉した比較電池の2セルの寿命試験を行っ
た。本発明における電池の有底の中空突出部は電極群に
当接する位置まで電池内方向に突出させ、前記中空突出
部の厚みは1.0mmとした。そして、有底の中空突出
部の内径は2mm、有底の中空突出部の位置は、正極極
柱と安全弁との間に設けた。
後、20Aの電流で初期の標準容量の105%もしくは
安全弁の作動しない領域で充電を行うために電池電圧が
0.15MPaとなるまで充電を行い、50Aの電流で
1.0Vまで放電した。ここでの安全弁の作動しない領
域とは、充放電サイクルによって電池内圧が上昇し、寿
命途中で安全弁が作動しガスが放出されると電池重量が
減少し、ひいては電池寿命に大きく影響する。これを防
ぐために、寿命途中から充電容量を電池内圧で制御し、
電池内圧が作動圧に達しないような充電領域で充電を行
った。この充放電サイクルを1サイクルとして、放電容
量が標準容量の60%となった時点で、寿命試験を終了
した。図7に25℃雰囲気下での充放電サイクルと放電
容量の結果と蓄電池の重量変化を示す。
度検知機を挿入した比較電池は、放電容量の低下が大き
く、電池重量の減少量も多い。これは、蓋と温度検知機
の接合部の貫通穴が充放電サイクルの疲労により完全に
密閉できていなかったためと思われる。 (2)有底の中空突出部の肉厚の検討 本発明における蓋に設けた有底の中空突出部の形状につ
いて検討する。
の中空突出部の厚みを0.1mm、0.5mm、1.0
mm、2.0mm、3.0mmとした。有底の中空突出
部は、電極群に当接する位置まで電池内方向に突出さ
せ、有底の中空突出部の内径は2mmとした。この蓋を
用いて、電池を構成し、この電池内方向に突出する有底
の中空突出部の底部に温度検知機を固定して、前記載の
高率放電を行った。つまり、25℃の雰囲気下で100
Aの電流で放電し、その時の放電末期の温度を測定し
た。その結果を図8に示す。
みが3.0mmの場合、放電末期の温度は2.0mm以
下の中空突出部の厚みと比較して放電末期の温度が約3
℃低い。これは、電槽の熱伝導率が遅く、電池の内部温
度を電池外部までレスポンスよく伝導することができな
い。また、有底の中空突出部の厚みが0.1mmの場
合、強度的に弱く、電池を構成する際に中空突出部が折
れることがある。よって、中空突出部の温度のレスポン
スのよさと電池構成面から考慮すると、有底の中空突出
部の厚みは0.5mm以上2mm以下が適当である。 (3)有底の中空突出部の内径の検討 次に、ポリプロピレン製の蓋に設けた有底の中空突出部
の内径であるが、1.0mm以下であると温度検知機を
挿入が容易にできない。また、この蓄電池は、電気自動
車等に使用される密閉形蓄電池であるため、蓄電池の冷
却は不可欠である。蓄電池の冷却には、空冷もしくは水
冷を行っているが、有底の中空突出部の内径が6.0m
m以上であると、一般的に市販されている温度検知機で
は、送風等の環境雰囲気に左右され、測定時の温度のば
らつきが大きい。よって、蓋に設けた有底の中空突出部
の内径は1.0mm以上6.0mm以下が適当である。 (4)有底の中空突出部の設置位置の検討2 次には、さらに蓋に設けた有底の中空突出部の位置につ
いて検討する。
突出部の位置を電池の正極極柱と短側面の間、電池の正
極極柱と安全弁との間、電池の負極極柱と安全弁との
間、負極極柱と短側面の間の計4ヵ所に設けた。この4
ヵ所に設けた有底の中空突出部は、電極群に当接する位
置まで電池内方向に突出させ、中空突出部の厚みは1.
0mmとした。また有底の中空突出部の内径は2mmと
した。この蓋を用いて、電池を構成し、この電池内方向
に突出する有底の中空突出部の底部に温度検知機を固定
して、前記載の高率放電を行った。この結果を図9に示
す。
負極極柱と短側面との間の2ヵ所は、温度上昇が小さ
い。これは、両極柱の発熱による温度をレスポンスよく
測定することができないためであり、よってポリプロピ
レン製の蓋に設けた有底の中空突出部の位置は電池の正
極極柱と負極極柱との間に設けるのが適切である。 (5)有底の中空突出部の設置位置の検討3 次に、蓋に設けた有底の中空突出部の電池内部での位置
について検討する。
ン製の有底の中空突出部を前記貫通孔に通した電池と極
柱の横にポリプロピレン製の有底の中空突出部を設けた
電池の中空突出部の温度を測定した。前記載の電池を図
10に、後記載の電池は図1に示した通りてある。
極柱と安全弁との間および負極極柱と安全弁との間の2
ヵ所に設け、電極群に当接する位置まで電池内方向に突
出させ、厚みは1.0mmとした。そして、有底の中空
突出部の内径は2mmとした。そして、前記2種類の極
柱形状の電池を構成し、この電池内方向に突出する有底
の中空突出部の底部に温度検知機を固定して、前記載の
高率放電を行った。この結果を図11に示す。
度上昇の差はない。よって、極柱に貫通孔を開け、ポリ
プロピレン製の有底の中空突出部を前記貫通孔に通した
電池と極柱の横にポリプロピレン製の有底の中空突出部
を設けた電池は、蓋に設けた有底の中空突出部の電池内
部での位置は両電池とも温度測定が可能である。 (6)有底の中空突出部と温度検知機の位置との検討 ここでは、ポリプロピレン製の有底の中空突出部の底部
と電極群との距離について検討する。
の中空突出部を電池内方向に突出させ、中空突出部の底
部と電極群との距離を0mm、1mm、2mm、3mm
とした。有底の中空突出部の厚みは1.0mmとし、そ
の内径は2mmとした。この蓋を用いて、電池を構成
し、この電池内方向に突出する有底の中空突出部の底部
に温度検知機を固定して、前記載の10A充電を行っ
た。つまり、25℃の雰囲気下で10Aの電流での充電
を行い、その時の温度上昇を図12に示す。
極群との距離を3mmにすると、電極群の温度を感知す
るのが遅く、電極群の温度を電池外部でレスポンスよく
感知できない。よって、有底の中空突出部は、電極群も
しくは極柱部に当接するもしくは2mm以内の近接位置
とする。
部に温度検知機を挿入する場合、中空突出部の先端と当
接するかもしくは前記中空突出部の先端から1mm以内
に温度検知機を挿入していないと、温度のばらつきが大
きく、中空突出部の先端と電極群との距離からの結果が
レスポンスよく得ることができない。よって、中空突出
部の先端まで温度検知機を挿入し固定する方法を考慮す
る必要がある。中空突出部の先端まで温度検知機を挿入
し固定する方法としては、下記の方法を用いるとよい。
し、樹脂によって固定する。 2 有底の中空突出部に温度検知機を挿入し、溶剤によ
って接着する。
に溶着する。 4 有底の中空突出部の定位置に温度検知機が固定でき
るように、有底の中空突出部の近傍に温度検知機の固定
用フックを設ける。
空突出部の深さに合わせて形成する。
は、蓋の極柱部近傍に電池内方向に突出する有底の中空
突出部を少なくとも1ヵ所に形成し、前記中空突出部に
温度検知機を挿入して電極群およびリード部を含む極柱
全体部の温度を電池外部から測定可能とする手段を有す
ることにより電池の気密性を保持することができる密閉
形蓄電池を提供するのである。
突出部の定位置に温度検知機を固定することにより、環
境に左右されることがなく電極群およびリード部を含む
極柱全体部の温度を測定し、温度のばらつきが小さく、
前記載の温度をレスポンスよく測定することができる密
閉形蓄電池を提供するものである。
カリ蓄電池の一部断面を示した斜視図 (B)同要部断面図
正面図 (B)同側面図
電池の25℃での充電と温度上昇との関係を示した図
した図
した図
の結果と蓄電池の重量変化を示す図
空突出部の肉厚と温度上昇との関係を示す図
昇を示す図
る密閉形アルカリ蓄電池の一部断面を示した斜視図 (B)同要部断面図
示した図
た図
形アルカリ蓄電池の要部断面図
Claims (5)
- 【請求項1】 セパレータを介して正極板と負極板を交
互に配した電極群と電解液とを電槽に収容し、電極群で
接続された正負極両極柱が固着された蓋により気密に封
口された密閉形蓄電池において、前記蓋の前記電極群も
しくはリード部を含む極柱部の一部に当接するかもしく
は極柱部に対して2mm以内の位置に近接する位置に有
底の中空突出部を少なくとも1ヵ所に形成し、前記有底
の中空突出部に温度検知機を挿入することができるよう
にした密閉形蓄電池。 - 【請求項2】 有底の中空突出部の肉厚は、0.5mm
以上2mm以下としたことを特徴とする請求項1記載の
密閉形蓄電池。 - 【請求項3】 有底の中空突出部の内径は、1mm以上
6mm以下としたことを特徴とする請求項1記載の密閉
形蓄電池。 - 【請求項4】 有底の中空突出部は、電池の正極極柱と
負極極柱との間に設けたことを特徴とする請求項1記載
の密閉形蓄電池。 - 【請求項5】 温度検知機を有底の中空突出部の底部と
当接するかもしくは、前記有底の中空突出部の底部から
1mm以内の位置に設置したことを特徴とする請求項1
記載の密閉形蓄電池。
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