JP6284030B2 - 鉛蓄電池のシステム - Google Patents

Description

この発明は、鉛蓄電池のシステムに関し、特に液式の鉛蓄電池のシステムに関する。

液式の鉛蓄電池には、充放電中に電解液である希硫酸の濃度（比重）の偏りが発生し、比重が大きい部分の硫酸が下部に沈降し、電解液の濃度が上下で不均一になる成層化との問題がある。成層化への対策として、電解液へ気体を注入することにより、電解液を撹拌することが知られている（例えば特許文献１：特公平8-8096）。

特許文献１は鉛蓄電池内で生成した気体を捕集し、バブリングに用いることを開示しているが、一般的にはコンプレッサを用いて、空気を吹き込むことが行われている。48V，12V等の出力に応じて、鉛蓄電池では複数のセルが直列に接続されている。すると複数のセルに直列に気体を吹き込むことが自然で、セルを直列に接続すると、コンプレッサに要求される圧力も増し、高圧で出力できるコンプレッサは大形になる。このため充電システムには、直流電源以外に、強力なコンプレッサが必要となる。またコンプレッサを用いると、機械油等による鉛蓄電池の汚染が生じ得る。

特公平8-8096

この発明の基本的課題は、コンプレッサ無しで、簡単に鉛蓄電池へ気体を吹き込めるようにすることにある。

この発明の鉛蓄電池のシステムは、液式の鉛蓄電池へ気体の吹き込みを行うシステムであって、鉛蓄電池へ吹き込む気体を発生する電気化学セルを備えている。

好ましくは、鉛蓄電池のシステムは、液式の鉛蓄電池へ気体の吹き込みを行うシステムであって、鉛蓄電池への充電用の直流電源と、鉛蓄電池へ吹き込む気体を発生する電気化学セル、とを備えている。鉛蓄電池は液式であれば良く、極板がクラッド式かペースト式か等を問わない。気体の吹き込みは充電時に行うことが好ましい。

この発明ではコンプレッサが不要で、電気化学セルからは所望の圧力の気体を生成させることができる。鉛蓄電池への充電と気体の吹き込みは原則として同時に行われるので、操作も簡単である。特に充電用の直流電源を、直接にもしくはコンバータ等を介して間接的に、電気化学セルの電源とすると、追加の電源も不要になる。

好ましくは、電気化学セルの個数、容量等は、鉛蓄電池のセルの容量100Ah当たり、100mL／分以上の流量で鉛蓄電池のセルへ気体を吹き込むように選択されている。図１に気体の吹込量と１６週目の鉛蓄電池の容量との関係を示し、吹込量がセルの容量100Ah当たり、100mL／分以上で電池容量を高く保つことができる。なおこれは、鉛蓄電池の電解液の底部付近から吹き込みを行い、電解液の循環流を形成した際の結果である。

電気化学セルから連続的に気体を吹き込んでも良いが、弁を介して断続的に気体を吹き込むとより効果的である。例えば電気化学セルから発生した気体をタンク等に蓄え、内圧が上昇すると弁を開いて吹き込むようにする。すると高圧の気体を断続的に吹き込むことになり、より効果的に鉛蓄電池の電解液を撹拌できる。

気体を吹き込む位置、ノズルの形状等は任意であるが、鉛蓄電池での極板の両端部と電槽とのスペースの一方から気体を吹き込んで電解液の上昇流を形成することが好ましい。極板の背面と電槽とのスペースは一般に小さいので、極板の両端部と電槽との一対のスペースの一方に上昇流を形成すると、一対のスペースの他方に下降流が形成される。そして鉛蓄電池のセル内に電解液の循環流が形成され、効率的に電解液を撹拌できる。

鉛蓄電池に吹き込む気体流量と１６週間目の電池容量との関係を示す特性図 鉛蓄電池の鉛直長手方向断面を模式的に示す図 鉛蓄電池の鉛直短辺方向断面を模式的に示す図 鉛蓄電池での正極等の配置を模式的に示す図 鉛蓄電池のセル間での気体吹込用のパイプの接続を示す図 鉛蓄電池の高さ方向の中間から気体を吹き込む例を模式的に示す図 実施例の組電池と充電装置とを示す図 実施例のシステムでの配線を示す図 実施例のシステムでの配線の変形例を示す図 電気化学セルを模式的に示す図 変形例の組電池と充電装置とを示す図

以下に、本願発明の最適実施例を示す。本願発明の実施に際しては、当業者の常識及び先行技術の開示に従い、実施例を適宜に変更できる。

図１及び表１に実施例の性能を示し、図２〜図６に鉛蓄電池内の電池セル２への気体の吹き込みを示す。図７に、鉛蓄電池３０への充電用の配線と、気体吹込み専用液口栓４１、及びチューブ４０の配置とを示す。図８，図９は直列に接続した電気化学セル３８への配線を示し、図１０は電気化学セル３８を示す。なお通常の液口栓はセル内部に発生した気体をセル外に放出する通路と孔を持っている。気体吹込み専用液口栓４１も気体放出通路を持つが、放出された気体を次のセルに吹き込むために、孔ではなくチューブ４０に接続する排気管４３を有し、排気管４３以外からは気体を放出しないよう気密構造である。

負極板１２の水平方向の両端と電槽１６の内壁との間には一対のスペース２１，２２があり、一方のスペース２１にパイプ２０が配置され、さらに整流板１８が配置されていてもよい。パイプ２０は電池セル２の底面近くから気体を電解液１４内へ吹き込む。整流板１８は極板間領域２４とスペース２１間での電解液の移動を制限し、後述の循環流が形成されやすくする。

この状態でパイプ２０から気体を電解液１４内へ吹き込むと、スペース２１内に電解液の上昇流が形成される。電池セル２内で電解液が移動しやすい領域は、スペース２１，２２と電池セル２の底部２５及び電解液の上部２６なので、上昇した高比重の電解液は上部２６へ流れ込み、これに伴って他方のスペース２２から底部２５を経由して、スペース２１へ流れる下降流が形成される。このようにして形成される電解液の循環流を矢印で図２に示す。電解液１４は循環する間に、一部が上部２６から極板間領域２４へ沈み込み、電池セル２内の電解液が均一に撹拌される。

図５は、電池セル２，２間の接続を示し、パイプ４０，２０を介して気体を吹き込み、吹き込んだ気体と電池セル２で発生した気体とを、気体吹き込み専用液口栓４１に取り付けた気体放出管４３からチューブ４０を介して、次のセルへ吹き込む。このようにして気体の吹き込みを直列に行う複数のセルを、セルの系列と呼ぶ。

図３に示すように、パイプ２０の先端の開口部２０’を上向きにし、上向きに気体を吹き込むことが好ましく、例えば開口部２０’の付近でパイプ２０を１８０度曲げておく。開口部２０’が上向きであると、吹き込んだ気体はスペース２１の電解液を効率的に上方へ移動させ、電解液の撹拌が効率的になる。なお図３では整流板１８を除いて示す。またパイプ２０からの吹込位置は、電解液１４の底面付近が好ましいが、図６に示すように、電解液１４の高さ方向の中央部付近から吹き込んでも良い。図６の変形例は、図２の実施例と比較して、
・ 同じ量の循環流を形成するには、より多量の気体を吹き込む必要があり、
・ 小さな圧力で気体を吹き込めるとの利点があるが、電気化学セルを用いると、この点は余り重要ではない。

図４に極板の図示数を一部省略して模式的に示すように、電池セル２はクラッド式の正極４を備え、複数個の正極４により正極板を構成する。６は芯金、８は正極活物質で、二酸化鉛以外の物質を含むことがあるため、厳密には正極電極材料である。１０はガラス繊維等のチューブで、その内部に正極活物質８が充填されている。１２はペースト式の負極板で、図示しない格子に負極活物質（厳密には負極電極材料）が充填され、１４は硫酸から成る電解液で、１６は電槽である。なお正極４と負極板１２との間に、セパレータ１７を配置する。

図７は、充電システムの全体を示し、３０は液式でクラッド式の鉛蓄電池で、ペースト式でも良く、ここでは48V出力のフォークリフト用電池とする。なお鉛蓄電池３０は、パイプ２０等の気体の吹き込み用の部材を備えており、フォークリフト用に限らず、電気自動車用等でも同様である。３２は＋の端子、３４は−の端子で、直流電源３６から充電電圧を加え、電気化学セル３８から発生させた気体を、チューブ４０と前記のパイプ２０とを介して、各電池セル２に吹き込む。電池セル２を複数個チューブ４０で直列に接続し、例えば鉛蓄電池３０のセルの数に合わせて、電気化学セル３８の個数等を定める。図１に示すように、電池セル２の容量100Ah当たり、電気化学セル３８から100mL/分以上の気体を発生させることが好ましく、これは電池セル２の容量100Ah当たり9A以上の電解電流に相当する。

鉛蓄電池３０に気体を吹き込むには、電池セル２の液口栓を気体吹込み専用液口栓４１に取り換えるとともに、チューブ４０をパイプ２０に接続する手間が必要である。そこで、フォークリフトが平日に稼動し、週末に満充電を受けるものとして、平日は電気化学セル３８を動作させずに、放電量と同程度の電気量を充電する。そして土日に満充電を行い、この時に電気化学セル３８とチューブ４０などとを接続して、電解液の撹拌を行う。

図８，図９は、電気化学セル３８と直流電源３６との２つの接続形態を示す。図８では電気化学セル３８を鉛蓄電池３０と直列に接続し、鉛蓄電池３０への充電電流で気体を発生させる。Ｓはスイッチで、電気化学セル３８を経由して充電するかどうかを切り替える。図８の例では、スイッチＳと電気化学セル３８以外の追加は不要で、操作も簡単である。図９の例では、直流電源４２から電気化学セル３８に電圧を加える。ただし直流電源３６の出力を定電圧回路で降圧しても良い。いずれの場合も、満充電時に、
・ 気体吹込み専用液口栓４１とチューブ４０を着脱し、
・ スイッチＳをONするか、コンバータ４２をONすると、
気体の吹き込みができ、高圧のコンプレッサ及びその制御回路は不要である。

図１０は電気化学セル３８の構造を示し、５０は陽極板、５１は陰極板、５２はセパレータ、５４は希硫酸、硫酸塩の水溶液、水酸化アルカリ等の水溶液、炭酸塩の水溶液等の水性の電解液で、５５はハウジング、５６はチューブ４０に接続するパイプ、５８は気体をためるタンクである。なお陽陰の極板枚数は任意であり、またその形状も板状、膜状、線状、網状等任意である。より効果的に電解液１４を撹拌するため、タンク５８に定圧弁６０等の弁を設けて、発生した気体をタンク５８に蓄え、内圧が所定値に達すると、弁を開いて吹き込みを行うことが好ましい。タンク５８は電気化学セル３８と１：１の個数で設けても、複数の電気化学セル３８に対してタンク５８を１個設けても、あるいはタンク５８を設けず、気体を電気化学セルから直接に吹き込んでも良い。

図１と表１とに、電気化学セル３８から発生する気体の電池セル２の公称容量100Ah当たりの気体の吹込流量と、１６週間目の鉛蓄電池３０の５時間率容量との関係を示す。鉛蓄電池３０は公称容量が200Ahで、電池の高さは500mm、電解液１４の深さは400mmで、48V出力の、フォークリフト用であった。月曜日から木曜日は、容量の80%の放電と、放電量の110％の電気量の充電（充電電流40A）とを、毎日行った。金曜日は、容量の80%の放電後に、図２，図４のパイプ配置で６セル直列に気体を吹き込みながら、充電電流40Aで容量の130%までの満充電を行った。気体の吹き込みは、図１０の弁６０を設けない連続吹き込みと、弁６０を用い高圧の気体を吹き込む断続吹き込みの双方を行った。気体の吹き込み開始から、セルの内圧が電解液の深さ40cm相当の50KPaまで上昇する時間は2.5分〜10分以内で、充電開始後15分以内に全てのセルへの吹き込みが始まった。また断続吹き込みの流量は、平均流量を示す。なお表１の気体の流量は、充電開始後１時間目に、気体の各最終出口で測定した数値の平均である。その際の温度は30℃であった。

気体の吹き込みにより容量の低下を抑制でき、特に150mL/（100Ah・分）以上では１６週間経過しても公称容量を維持することができた。断続吹き込みは、連続吹き込むよりも、同じ吹込量でより効果的であった。また断続でも連続でも、60mL/（100Ah・分）までは効果が小さく、100mL/（100Ah・分）以上で大きな効果が得られた。これらのことから、吹き込み量が100mL/（100Ah・分）以上で高い効果が得られ、150mL/（100Ah・分）以上では容量の低下が充分に小さいことが分かった。吹き込み量の上限は、例えば250mL/（100Ah・分）以上に増やしてももはや効果が期待できないので、250mL/（100Ah・分）以下が好ましい。

実施例には、以下の特徴がある。
・ コンプレッサを用いずに鉛蓄電池への気体の吹き込みができる。
・ 高圧の気体を断続的に吹き込むと、一定圧の気体を連続的に吹き込むよりも効果的である。電気化学セルには例えば連続的に電流を加えて、発生した気体をタンクに蓄え、内圧が所定値以上に達すると弁を開いて、鉛蓄電池へ吹き込むと良い。
・ 吹き込み量の好ましい範囲は、100mL/（100Ah・分）以上、特に150mL/（100Ah・分）以上で、上限を加えると100mL/（100Ah・分）以上で250mL/（100Ah・分）以下、115mL/（100Ah・分）以上で250mL/（100Ah・分）以下が好ましい。

なお、１つの電気化学セルが発生させる気体量は電解電流に比例する。そのため充電電流を変えずにセルに吹き込む気体量を増やすには、複数個の電気化学セルを直列に配線するか、または直列に気体を吹き込むセルの数を増せばよい。ただし後者の場合、１系列の直列セル数を増やすと、その分の内圧が高くなり、チューブ４０やタンク５８に負担がかかるので、直列セル数を増やすことには限界がある。本実験では充電電流が４０Aで一定であったので、直列セル数は１系列あたり６セルに固定し、電気化学セルを０個〜４個として気体の吹き込み量を変えた。

ところでこの実験では、充電電流を一定に固定した。放電電気量とほぼ同量の電気量を充電した充電開始後４時間目（充電率がほぼ100%）までは、各セル自体が発生する気体がほとんどゼロなので、セルをチューブ４０で直列につないでも各セルに吹き込まれる気体流量は殆ど同じである。しかし充電率が100%を超える４時間目以降は、各セルから発生する気体が直列の系列に沿って加算されるので、系列に沿ってセル毎に気体流量が増加する。例えば表１の実施例２の場合、図７のタンク５８と直接につながるセルでは、気体吹き込み量は４時間後もほぼ115mL/100Ah・分だが、直列に接続された最後のセルでは約1300mL/100Ah・分となり、10倍以上である。このため気体吹き込みの過多によるセルの劣化の可能性がある。

そこで同じ40Aの定電流で充電する場合には、図１１のように、気体の直列系列の数を、６セルから３セルに半減するなどにより、充電末期に気体流量が過剰にならないようにする。ただしこの場合、直列の系列が４系列から８系列に増えるので、115mL/100Ah・分の気体き込み量を確保するには、電気化学セルが実施例２の２倍の４個必要である。なお電気化学セル３８に加える電流を特に制御せずに、充電末期での過剰な流量で気体が吹き込まれることを防止し、かつ電気化学セル３８の個数を少なくするため、２個以上で４個以下の電池セル２へ直列に気体を吹き込むことが好ましい。

または充電の進行に伴って充電電流が減少する充電方法を採用することも可能である。実際のフォークリフト用電池の充電器は、電池の充電電圧の増加に伴って充電電流が減少するよう設計されている。たとえば充電の進行とともに電流値が減少し、充電率80％の時点までの充電電流が40Ａ程度に、充電率が105％で10Ａ程度になる充電器を使用すれば、図７の接続方法で実施例２の場合、充電率0％〜80％の気体吹き込み量はどのセルも一様に115mL/100Ah・分であり、それ以降はセル毎に吹き込み量が変動するが、充電率105％の時点では、タンク５８と直接に接続されるセルでは約30mL/100Ah・分、直列系列の最後のセルでも175 mL/100Ah・分であり、セルの劣化のおそれは解消する。

なおこの場合、充電率が概ね85％を超える領域では、充電電流の減少に伴い気体の吹き込み量も漸減するが、実際に電解液の成層化が発生するのは、極板から硫酸が電解液に放出される時期、すなわち充電率が100%以下の領域であり、この時期に気体をセルあたり100mL/100Ah・分以上吹き込めば、効果は十分に得られる。従って、例えば100%以下等の所定の充電率の範囲でのみ、図７，図８，図１１のスイッチＳから電気化学セル３８に電流が流れるようにすると、充電末期の過剰な吹き込みを軽減できる。

２ 電池セル
４ 正極
６ 芯金
８ 正極活物質
１０ チューブ
１２ 負極板
１４ 電解液
１６ 電槽
１７ セパレータ
１８ 整流板
２０ パイプ
２１，２２ スペース
２４ 極板間領域
２５ 底部
２６ 上部
３０ 鉛蓄電池
３２，３４ 端子
３６ 直流電源
３８ 電気化学セル
４０ チューブ
４１ 気体吹込み専用液口栓
４２ 直流電源
４３ 気体放出官
５０ 陽極板
５１ 陰極板
５２ セパレータ
５４ 電解液
５５ ハウジング
５６ パイプ
５８ タンク
６０ 定圧弁
Ｓ スイッチ

Claims (3)

1. 液式の鉛蓄電池へ気体の吹き込みを行うシステムであって、
   液式の鉛蓄電池及び前記鉛蓄電池へ吹き込む気体を発生する電気化学セルを備え、鉛蓄電池のセルの容量100Ah当たり、100mL／分以上の流量で鉛蓄電池のセルへ気体を吹き込むように構成されている鉛蓄電池のシステム。
2. 前記電気化学セルから、弁を介して、断続的に気体を吹き込むように構成されていることを特徴とする、請求項１の鉛蓄電池のシステム。
3. 鉛蓄電池での極板の両端部と電槽とのスペースの一方から気体を吹き込んで電解液の上昇流を形成することにより、極板の両端部と電槽とのスペースの他方から電解液の下降流を形成して、電解液の循環流を形成するように構成されていることを特徴とする、請求項１または２の鉛蓄電池のシステム。