JP5018023B2

JP5018023B2 - 鉛蓄電池

Info

Publication number: JP5018023B2
Application number: JP2006302350A
Authority: JP
Inventors: 宗良野田; 明俊平松; 哲芦塚; 靖平川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: JP2008117724A

Description

本発明は、防爆機能を向上させた鉛蓄電池に関するものである。

一般的に鉛蓄電池の構造は、電槽内の隔壁によって区画されたセル室内に極板群が電解液とともに収納され、電槽上部を蓋で覆った構造を有している。通常、鉛蓄電池では、電解液量確保や、寿命期の正極板の腐食伸び代確保などの理由から、内部の極板群と、セル室内壁との間には空間が設けられている。

一方、鉛蓄電池の電解液は希硫酸であり、充電末期に、電解液中の水が電気分解して生じた酸素・水素ガスが、セル室内の空間に滞留する。

このような、滞留した酸素ガスおよび水素ガスに、電池外部あるいは、内部で発生したスパーク等の火点が引火し、そのエネルギーによって、電槽や蓋等の鉛蓄電池の外装部材を破損させることがあり、このような酸素・水素ガスへの引火による鉛蓄電池の破損事故を防止し、より安全性の高い鉛蓄電池を得るための、種々の検討が行われてきた。

例えば特許文献１には、蓋裏面に設けた筒状体の内部を、複数の小区画に細分割することにより、電池破損を防止することが示されている。さらに特許文献２には、蓋裏空間内に連続気泡を有し、上下方向に貫通孔を備えた多孔体を配置することにより、電池内空間容積を少なくし、電池破損を防止することが示されている。
特開平６−３４９４６７号公報特開平７−２２０６２号公報

上記したような、特許文献１および特許文献２に示された構成を採用することにより、セル室内の空間体積が少なくできるため、電池内部の酸素・水素ガスに引火した場合のエネルギーを抑制し、電池の破損を防止することができる。

特許文献１および特許文献２に示された構成において、電解液は、極板群上に配置された筒状体や、連続気泡体および連続気泡体中に設けられた貫通孔内を満たすことになる。しかしながら、前記したように、電解液中の水分が電気分解によって電解液面が低下した場合、特許文献２の構造では、貫通孔内に酸素・水素ガスが滞留するため、酸素・水素ガスへの引火時の爆発力を低減できない。

また、特に、電解液面が筒状体よりも低い位置となった場合、筒状体内の空間が連続空間となるため、引火爆発防止効果が著しく低下するという課題があった。

さらに、特許文献２に示された構成では、連続気泡体中の電解液、もしくは小空間内の電解液が、充電末期に発生する酸素・水素ガスと置換して溢液の要因となる。したがって、電解液量をあらかじめ少なくする必要がある。鉛蓄電池において、電解液は放電容量を決定する活物質であり、また過充電や蒸発等により電解液が減少するため、できるだけ多くの電解液を確保するという観点で、特許文献２の構成は好ましくない。

本発明は、電解液量を十分確保しつつ、電解液面が低下した場合においても、酸素・水素ガスへの引火と、これによる電槽・蓋等の破損を抑制し、より安全性に優れた鉛蓄電池を提供するものである。

前記した課題を解決するために、本発明は、電槽内の隔壁によって区画されたセル室内に収納された極板群が、電解液で浸漬されている液式鉛蓄電池において、前記セル室内には、前記極板群とともに前記極板群の上部に多孔部材が配置され、前記多孔部材は、多数の小室が集合してなるとともに、隣接する前記小室間および前記小室と前記セル室空間との間に隙間を有し、前記小室の容積を２０〜４０ｃｍ³とし、かつ、前記隙間の隙間寸法を０．２〜０．８ｍｍとしたことを特徴とする鉛蓄電池を示すものである。なお、前記した小室の形状は、立方体または直方体であることが好ましい。また、さらに好ましくは、前記隙間寸法を０．２〜０．５ｍｍとする。

本発明によれば、電解液量を、従来の電池と同等に確保できるため、放電容量といった電池特性を低下させることがない。また、電気分解や蒸発等で電解液量が減少した場合でも、防爆性に優れた安全性の高い鉛蓄電池を得ることができる。

本発明の実施の形態による鉛蓄電池（以下、電池）の構成を説明する。図１は、本発明の電池１を破載した状態を示す図であり、電槽５、蓋６および液口栓７については、それぞれの断面が示されている。本発明の電池１は、セル室３内に極板群２および電解液４が収納されている点は、従来の鉛蓄電池と変わるところはない。なお、極板群２は、正極板２ａ、負極板２ｂ、セパレータ２ｃ、および同極性極板同士を集合溶接するストラップ２ｄ、およびセル間接続のための接続体（図示せず）や、電池端子１ａとストラップ２ｄとを接続するための極柱（図示せず）を必要に応じて有していることは言うまでもない。

セル室３は、電槽５を必要に応じた数の隔壁（図示せず）で区画されている。一例として、１２Ｖ系の始動用鉛蓄電池では、電槽５内が、５枚の隔壁によって、６つのセル室３に区画されている。

なお、電槽５上端の開口部は、蓋６で閉じられ、蓋６には、セル室３内に電解液や水を注液するための液口６ａと、この液口６ａに装着された液口栓７を有する。液口栓７には、セル室内部に滞留した酸素・水素ガスを、電池外部に放出するための排気孔７ａが設けられている。また、電池外部スパークの電池内部への引火を抑制するための、多孔質の防爆フィルタ７ｂを液口栓７内に装着することができる。さらに、液口栓７内に、振動等によって、電解液４が電池外部へ漏出することを抑制するための、防沫体７ｃを配置することができる。

本発明の電池１では、セル室３の空間内に、多孔部材８を配置する。図２は、この多孔部材８の構成例を示す組立図である。図２に示したように、多孔部材８は、内部が隔壁２０によって区画された箱体２１が、複数個（図２の例では、２個）積層され、最上部を天板２２で覆った構成を有している。なお、箱体２１同士、および箱体２１と天板２２とは、互いに、熱溶着等の手段によって接合されている。

箱体２１同士、および箱体２１と天板２２とが、互いに接合された状態とした多孔部材８の内部は、隔壁２０によって小室９に区画されている。隔壁２０には、互いに隣接する小室９間を連通する隙間１０が設けられている。また、箱体２１の側壁２３にも、小室９と多孔部材８の外部、すなわちセル室３の空間と連通する隙間１０を設ける。

さらに、箱体２１の底壁２４にも、小室９に対応して隙間１０を設ける。上方の箱体２１の底壁２４に設けた隙間１０は、上下に隣接する小室９間を連通することとなる。下方に位置する箱体２１においては、底壁２４に設けた隙間１０は、小室９と、多孔部材８の外部とを連通させる。

本発明では、小室９の容積を２０〜４０ｃｍ³とし、隙間１０の隙間寸法（図２における寸法ｘ）を０．２〜０．８ｍｍ、好ましくは、０．２〜０．５ｍｍとする。なお、本発明は、隙間１０の長さ寸法（図２における寸法ｙ）を規定するものではないが、この寸法を１０ｍｍ以下とすることができる。

前記した小室９の容積を、２０ｃｍ³未満とした場合、小室９からのガス抜けが悪くなり、発生した酸素・水素ガスが小室９に滞留して、電池内の電解液収納容積が小さくなるため、好ましくない。また、小室９の容積が４０ｃｍ³を越えた場合は、小室９内に滞留した酸素・水素ガスが引火爆発した際の、爆発エネルギーが、急激に増大し、電槽５や蓋６の破損に至るため、この小室９の容積は２０〜４０ｃｍ³の範囲とする。

また、小室９とこれに隣接する小室９、および小室９とセル室３空間とは、多孔部材８とセル室３間での酸素・水素ガスと電解液の移動を可能とすることを目的として、隙間１０を通じてつながっている。隙間１０の隙間寸法ｘを０．２ｍｍ未満とした場合、この隙間１０を通した酸素・水素ガスの移動と、電解液４の移動が抑制される。また、隙間寸法ｘが０．８ｍｍを越える値とした場合、隙間１０を通して酸素・水素ガスへの引火火炎が隣接する小室９に火炎が伝播することによって、爆発力が増大する。

したがって、この火炎の伝播による爆発力増大を抑制するため、隙間１０の隙間寸法ｘは０．８ｍｍ以下とする。なお、この隙間寸法ｘを０．５ｍｍ以下とすることによって、この引火伝播がより顕著に抑制されるため、より好ましい。したがって、本発明では、隙間１０の隙間寸法ｘを０．２〜０．８ｍｍ、より好ましくは０．２〜０．５ｍｍとする。

また、隙間１０を介して隣接しあう小室９間の距離および隙間１０を介して隣接しあう小室９とセル室３間の距離（図２におけるｚ寸法）、すなわち多孔部材８を小室９に区画する隔壁２０の厚みは、少なくとも０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。特に、０．２ｍｍ以上とすることにより、防爆性能を向上することができる。また、このｚ寸法を過大なものとすると、セル室３内の電解液容積が低下するとともに、隙間１０を介した電解流動が妨げられるため、このｚ寸法を１．０ｍｍ以下程度の値とすることが好ましい。

さらに、本発明では、前記したような２０〜４０ｃｍ³の小室９の形状を立方体または直方体、すなわち６面体とすることで、小室９がより形成しやすく、小室９を球形、あるいは、６面体を超える多面体としたものを比較して、同一容積において、小室９内部に滞留する酸素・水素ガスへの引火時の破壊力が、より弱くなる。なお、小室９を４面体とすることにより、破壊力がより弱くなると考えられるが、小室９間の隙間１０の形成が、成型部品では困難となるため、小室９を６面体とすることが最も好ましい。

なお、図２では、小室９を２段積層した例を示したが、前記した小室９の容積の設定、あるいは、セル室３空間の容積に応じて、段数、列数、行数を調整することで、多種、多様な電池サイズにあった多孔部材８を得ることができる。なお、本実施形態では、多孔部材８は、その内部が区画された箱体２１を積層した構造例を示したが、多孔部材８中に小室９が形成され、小室９同士と、小室９と多孔部材８の外部とを連通する隙間１０を有しておれば、どのような構造のものでもよい。

本発明によれば、多孔部材８内を容易に電解液および酸素・水素ガスが通過できるため、多孔部材８の、電解液面以下の部位に、酸素・水素ガスが滞留することがなく、従来の電池と同様の電解液量を確保でき、電解液量に影響される、電池放電容量や寿命特性等を低下させることがない。

また、多孔部材８を構成する小室９の容積および隙間１０の隙間寸法ｘを前記した値とすることにより、多孔部材８内での引火火炎の伝播が顕著に抑制されるため、セル室３内に滞留した酸素・水素ガスに引火した場合でも、このときの燃焼エネルギーが顕著に抑制され、電槽５や蓋６といった、電池外装を構成する部材の破損を顕著に抑制することができる。

なお、多孔部材８は、一例として、ポリプロピレン樹脂といった、耐酸性を有した合成樹脂の成型品とすることができる。また、図１に示した例では、多孔部材８を２個配置した例を示したが、これらを一体としてもよい。多孔部材８はセル室３の空間のなるべく大部分を占めることが好ましい。したがって、図１において、液口栓７の左右の空き空間にも多孔部材８を配置することが好ましい。また、多孔部材８を一体ものとし、液口栓７等の、セル室３内部に突出する部材に対応した逃げ部をあらかじめ多孔部材８に設けておいてもよい。このような構成によれば、セル室３内の空間の大部分を多孔部材８で占めることができ、本発明の作用効果をより顕著に得る上で好ましい。

前記した本発明および比較例による電池を作成し、これら各電池について防爆性能試験と、溢液性能試験を実施した。なお、本発明例および比較例の電池は、ともに、ＪＩＳＤ５３０１（始動用鉛蓄電池）で規定する９５Ｄ３１形電池（１２Ｖ６４Ａｈ）である。

本実施例の電池の構成を説明する。負極板２ｂは鉛−カルシウム−錫合金からなる厚み０．７ｍｍの圧延鉛合金シートをエキスパンド加工し、ボールミル式による鉛粉（一酸化鉛と金属鉛の混合物）とリグニン、硫酸バリウムおよびカーボンを水と希硫酸で練合して得た負極用ペーストを充填し、熟成乾燥したものを用いた。

正極板２ａも、負極板２ｂ同様に鉛−カルシウム−錫合金からなる厚み１．１ｍｍの圧延鉛合金シートをエキスパンド加工しボールミル式による鉛粉（一酸化鉛と金属鉛の混合物）を水と希硫酸で練合して得た正極用ペーストを充填し、熟成乾燥したものとした。

上記の正極板２ａの８枚と、負極板２ｂの９枚、およびこれら正極板を２ａ収納する微孔性ポリエチレンシートからなる袋状のセパレータ２ｃの８枚とを組み合わせて極板群２を作成し、この極板群２を用いて本実施例の電池を作成した。

本実施例では、極板群２上に、図２で示した多孔部材８を配置したもの、および配置しないものを作成した。また、多孔部材８は、液口栓７の左右にも配置することによって、多孔部材８の見掛け体積が、セル室３のストラップ２ｄより上部の空間体積の８０％を占有する設定とした。

さらに、多孔部材８を配置したものについては、小室９の容積と隙間１０の隙間寸法ｘを様々に変化させて作成した。なお、多孔部材８は、ポリプロピレン樹脂の成型部品を熱溶着により接合して得たものである。なお、小室９の形状は、立方体であり、隙間１０の長さ寸法ｙは、１０．０ｍｍで一定とした。なお、ｚ寸法は０．５ｍｍとした。

表１に、本実施例に用いた電池における多孔部材８の有無、および、多孔部材８を有した電池については、多孔部材８を構成する小室９の容積および隙間１０の隙間寸法ｘを示す。

表１に示した各電池について、以下の２つの実験を行った。第１の実験は、充電時のガス発生によって、セル室内に酸素・水素ガスが溜まり、電池外に電解液が溢液しないかどうかの確認実験である。具体的な実験方法としては、各電池を満充電状態にした後、電解液面を最高液面線に調整し、１０Ａの定電流で１２時間連続充電を行い、液口栓に設けた排気孔から溢液がないかを目視で確認した。

第２の実験は、防爆機能の確認実験である。具体的には、各電池を満充電状態にした後、電解液４を極板群２のストラップ２ｄ下面の位置まで抜き取り、電解液面を故意に低下させた状態で１０Ａの定電流で１０時間連続充電を行い、セル室３内が、十分、酸素・水素ガスで満たされた状態とした。

そして、セル室３内に配置した１Ａの糸ヒューズを、別途準備した１２Ｖ２．０Ａｈの電池端子間に接続することにより、糸ヒューズを故意に溶断させ、この時に発生するスパークによって、セル室３内に滞留した酸素・水素ガスへの引火の有無、および、電槽５や蓋６の破損状況を目視にて確認を行った。これらの実験結果を表２に示す。

表２に示した結果から、過充電時の溢液に関しては、小室９の容積が２０ｃｍ³以上で、かつ、隙間寸法ｘが０．２ｍｍ以上の場合、溢液が発生しないことがわかる。これは極板群２で発生した酸素・水素ガスが小室９内に入っても、小室９の容積と隙間寸法ｘを本発明のように、それぞれ２０ｃｍ³以上かつ、０．２ｍｍ以上とすることによって、酸素・水素ガスと電解液は隙間１０を介して小室９を容易に通過できるため、小室９内での酸素・水素ガスの滞留が抑制され、結果として、電解液面が上昇しないためである。

換言すれば、本発明によれば、多孔部材８を用いた場合においても、過充電時のガス抜けがよく、電解液面上昇が抑制されるため、予め電解液上昇分を見込んだ分、初期の電解液面を低下させる必要がないため、多孔部材８を用いない電池Ｆと同等レベルの電解液量がセル室３内に確保可能である。その結果、本発明では、従来の電池と同様の、放電特性および寿命特性を発揮することができる。

さらに防爆性能に関しては、表２に示したように、小室９の容積が４０ｃｍ³以下、かつ隙間１０の隙間寸法ｘが０．８ｍｍ以下とすることにより、酸素・水素ガスへの引火による電槽と蓋の破損が抑制され、実用上の安全が確保されることがわかる。特に、小室９の容積が４０ｃｍ³以下、かつ隙間１０の隙間寸法ｘが０．５ｍｍ以下とすることにより、酸素・水素ガスへの引火時に生じる燃焼音が確認できなかったことから、引火がより顕著に抑制されたことが確認できた。これは単一の小室９の容積が小さい場合は引火しても生じるエネルギーは小さく、電槽や蓋を破損するまでには至らないこと、また、隙間寸法ｘが十分に小さい場合は、小室９の内外での隙間を通じての火炎の伝播が抑制されたことによるためである。

また、電池Ｄ５と同様、小室９の容積を４０ｃｍ³、隙間寸法ｘを０．８ｍｍとし、小室９の形状を円筒形した電池Ｄ５´と、電池Ｄ６と同様、小室９の容積を４０ｃｍ³、隙間寸法ｘを１．０ｍｍとし、小室９の形状を円筒形した電池Ｄ６´を新たに作成して、上記と同様の防爆性能試験を行った。その結果、電池Ｄ５´については電槽・蓋の破損が抑制され、また、酸素・水素ガスへの引火時に発生する小音響も確認できたなかった。

一方、電池Ｄ６´については、電槽と蓋の両方に破損が認められた。電池Ｄ６が蓋のみ破損したことから、小室９において酸素・水素ガスの燃焼が生じる場合、そのときに放出エネルギーは、小室９の形状に影響を受け、これによる電池破損の度合いは、小室９の形状が円筒形の場合、立方体の場合と比較して、より大きくなることがわかった。この詳細理由は不明であるが、立方体、直方体の面同士が交わる隅の領域はガスが燃焼し難いため、燃焼エネルギーが円筒形の場合に比較して低下するためではないかと推測される。

また、本実施例でもわかるように多孔部材８は小室９を積み重ねて構成するので立方体、または直方体のほうが構成しやすく都合がいい。なお本実施例ではポリプロピレン樹脂を用いて熱溶着による方法で多孔部材８を作成したが、本発明による、多孔部材の防爆メカニズムから、材料は耐酸性があり、最終的な形状、寸法が請求項に示すものであれば別工法によるものでも、本発明の作用効果が得られることは明らかである。

隙間１０の長さ寸法（図２における寸法ｙ）は、本実施例の１０．０ｍｍから変化させて、１．０〜２１．０ｍｍとした場合でも、本実施例と同様の結果が得られた。

なお、本実施例においては、隔壁２０および側壁２３の厚みであるｚ寸法を０．５ｍｍとしたが、この寸法を０．２〜１．５ｍｍとした場合でも同様の防爆性能と溢液の状態に変化はなかった。ただし、隔壁２０の厚みを増大させると、多孔部材８の体積が増大し、セル室３内に注液可能な電解液量が低下するため、上記の範囲内において、ｚ寸法を薄くすることが望ましい。

なお、本実施例では、多孔部材８の見掛け体積が、セル室３のストラップ２ｄより上部の空間体積の８０％を占有する設定としたが、この占有度合いが高い程、本発明の作用効果をより顕著に得ることができる。本発明の効果をより顕著に得るために、この占有度合い、すなわち、多孔部材８の見掛け体積が、セル室３のストラップ２ｄより上部の空間体積に占める割合は、少なくとも、５０％以上、好ましくは、７０％以上とするが、占有度合いが５０％未満であっても、多孔部材８の上方に位置する空間と、下方に位置する空間間での火炎の伝播が抑制されるため、電槽５や蓋６の破損度合いを、著しく低減するという顕著な効果を有するものである。

以上、説明してきたように、本発明によれば、電解液量を従来の電池と同等レベルまで維持しつつ、顕著な防爆性能が得られることから、鉛蓄電池の安全性を顕著に高めることができる。

本発明は、鉛蓄電池の防爆性能を顕著に向上することから、始動用鉛蓄電池をはじめとする、様々な鉛蓄電池に適用することができる。

本発明の鉛蓄電池を破載した状態を示す図多孔部材の構成を示す組立図

符号の説明

１電池
１ａ電池端子
２極板群
２ａ正極板
２ｂ負極板
２ｃセパレータ
２ｄストラップ
３セル室
４電解液
５電槽
６蓋
６ａ液口
７液口栓
７ａ排気孔
７ｂ防爆フィルタ
７ｃ防沫体
８多孔部材
９小室
１０隙間
２０隔壁
２１箱体
２２天板
２３側壁
２４底壁

Claims

電槽内の隔壁によって区画されたセル室内に収納された極板群が、電解液で浸漬されている液式鉛蓄電池において、前記セル室内には、前記極板群とともに前記極板群の上部に多孔部材が配置され、前記多孔部材は、多数の小室が集合してなるとともに、隣接する前記小室間および前記小室と前記セル室との間に隙間を有し、前記小室の容積を２０〜４０ｃｍ³とし、かつ、前記隙間の隙間寸法を０．２〜０．８ｍｍとしたことを特徴とする鉛蓄電池。
前記小室の形状が立方体または直方体である請求項１に記載の鉛蓄電池。
前記隙間寸法を０．２〜０．５ｍｍとしたことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の鉛蓄電池。