JPH0371569A

JPH0371569A - 不凍性蓄電池

Info

Publication number: JPH0371569A
Application number: JP2204957A
Authority: JP
Inventors: Howard H Rogers; ハワード・エイチ・ロジャース; Steven J Stadnick; ステイーブン・ジェイ・スタドニク
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-08-01
Filing date: 1990-08-01
Publication date: 1991-03-27
Also published as: CA2019740A1; EP0415533A1; US4965145A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は蓄電池、特にニッケル水素電池などの化学反応
中に水を生成する電池に関するものである。

［従来の技術］再充電可能なセルまたはバッテリは蓄電してそれを保持
し、その後にその電力を供給する電気化学的装置である
。よく知られている再充電可能な電池の例を挙げると、
鉛酸電池は自動車に利用され、ニッケル力ドリウム電池
は種々のポータプルな電子装置に利用されている。その
重量に対して多量の蓄電容積を有する別の型の電池はニ
ッケル酸化物加圧水素電池である。主要な型は普通ニッ
ケル水素電池と呼ばれ、宇宙船の蓄電池に利用されてい
る。宇宙船の蓄電池は必要な特性水準を達成してしかも
、最小限の重量にしなければならない。なぜなら、地球
の軌道上およびそれを越えて重力を上昇させるコストを
減少させるためである。

ニッケル水素電池は電気化学的に蓄電し、その後に圧力
容器内に蓄えられた電流として有用な電荷を放出する一
連の活性プレートセットを含み、圧力容器はプレートセ
ットおよび水素ガスを含み、ガスは電池に必要な活性要
素である。各プレートセットは陽極と、陰極と、電解質
を含浸された２つの電極の間の隔離板を含む。典型的な
電池において、約４０個のプレートセットは軽くて圧縮
された荷重のもとてコアに支持される。各プレートセッ
トの間のガス放出スクリーンおよび電気コネクタリード
は各プレートセットの電極に延在する。

ニッケル水素蓄電池は約１．３ボルトで電流を出力し、
多数の電池は普通宇宙船システムによって必要とされる
電圧における電流を生成するように直列に接続される。

人工衛星が太陽光中にあるとき、人工衛星で利用されて
いるニッケル水素電池は宇宙船のソーラーパネルによっ
て生成された電流により周期的に充電される。その後、
宇宙船が影にあるとき、またはピーク電力が必要とされ
るεき、電力を供給するために放電される。低い軌道に
おける人工衛星は電池を充放電するサイクルの相当数に
対して、明るい状態から暗い状態にまで１年当り約８，
０００サイクルまで経験する可能性がある。典型的に利
用可能な産業界の目的は３０．０００サイクルの充放電
で満足な動作が達成される。これは低い軌道の人工衛星
に対して５年の動作寿命に相当し、または少ない電池サ
イクルが毎年に経験される他の軌道の人工衛星に対して
５年以上の動作寿命に相当する。

電池に使用される電解質は約−６５℃の凍結点を有する
典型的な３１％の水酸化カリウム水溶液である。電池の
模擬空間運動の条件のもとで、電解質の凍結は通常の凝
結点より高い温度の約−１５℃で行われたがそれは予期
された宇宙船の動作の範囲内である。電解質が凍ったり
、その凍結が避けられないとき、電池特性は悪影響を受
ける。

［発明の解決すべき課ｍｌこの問題の１つの解決方法は電池の動作温度範囲を制限
することである。しかし、この解決方法は相当な重量の
増加が必要である。なぜなら、温度範囲は本質的に空間
環境によって決定されるからである。特定の絶縁体およ
び発熱器は適切な温度の維持を確実にするために必要と
され、これらの変更は欠点である重量の増加および恐ら
く消費エネルギの増加をもたらす。

したがって、周囲温度が電解質の通常の凍結点より少し
高い温度条件下で、ニッケル水素型の蓄電池の放電中に
電解質が凍結する問題を最小限にする方法が必要である
。本発明はこの必要性を満足にし、さらに関連する利点
を提供する。

［発明の解決のための手段］本発明はニッケル水素および類似の型の電池の変更され
た蓄電池の構造を提供する。本発明は最適の電解質を利
用することを可能にし、さらに電解質を凍結する温度よ
り数度高い環境動作温度で放電中に電解質の凍結を避け
る。すなわち、電池が凍らないように改善された低い温
度特性を達成するために、電気特性が最良である電解質
は変更されない。電池の電気特性は悪影響を受けない。

したがって、動作温度範囲は増えるが、重量に対する性
能の比率は維持される。

本発明にしたがって、不凍性蓄電池は複数の活性プレー
トセットを含み、各活性プレートセットは陽極と、多孔
性水素陰極と、陽極と陰極の間の隔離板とを含み、水素
陰極は少なくとも約０．００フインチの厚さを有する。

そして圧力容器はプレートセットを備える。

従来のニッケル水素蓄電池の陰極はそこに付着された層
を有する典型的なエツチングまたはメツシュニッケル基
体である。付着された層はテフロン（ポリテトラフルオ
ロエチレン）などの接着材料中のプラチナ粉末から形成
されている。陰極全体の厚さは重量を省くために非常に
薄い構造である。基体は約０．００３インチの厚さであ
り、接着材のプラチナの層は約０．００３インチの厚さ
であり、ゆえに全体の厚さは約ｏ、ｏｏｅインチである
。

電池がそのサイクルの放電部分中に放電するとき、化学
反応は陰極で生じる。陰極での半分の電池反応は以下の
ように表される。

Ｈ２＋２０Ｈ−−Ｈ２０＋２ｅしたがって、水は陰極で生成される。

本発明はそのようにして生成された水は陰極中および陰
極の直ぐ近くで電解質を薄める傾向があることをを発見
した。電解質は一定量の溶質の水溶液（典型的な３１％
濃度の水酸化カリウム水溶液）である。余分な水が陰極
で生成された水から加えられるので、電解質は溶液中の
濃度は低下する。

（したがって、例えば、電解質の濃縮は３１％の溶液か
ら２０〜２５％の溶液に減少される。）薄められた電解
質は薄込られない電解質よりも高い凍結点を有する。そ
れは濃度の低い溶液では凍結点の降下が少ないためであ
る。たとえ陰極で生成された水の量が比較的に少ないと
しても、それは電極中および電極の直ぐ近くで電解質を
実質上溝めることが可能である。放電が急速であるとき
、この希釈は特に関係がある。なぜなら、動作温度が電
解質の公称の凍結点よりわずか数度高い温度であるとき
、生成された水がバルクに拡散して離れる時間が不十分
のためである。

その結果、たとえ溶液の公称の濃度を有する電解質が公
称の濃度の溶液の凍結点より高い温度で凍ることを予期
しないとしても、局部的に薄められた電解質はその凍結
点より低い温度であり、凍結するであろう。その条件の
組合わせでは約−１５℃の動作温度で通常の電池の凍結
を生じさせる。

本発明は多量な電解質の容積を含む厚い陰極を提供する
。放電によって電解質に加えられた水の量は通常の陰極
中の水と同量である。なぜなら、放電中に生成された水
の総量は生成された電気の総量（放電中に電池から得ら
れた電子の数）によって制御される。一定量の水による
電解質の多量の容積の希釈は通常の薄い陰極よりも濃く
ない。

そのため、電解質中の溶液の濃度は電池の厚い陰極を有
する通常の値とほとんど変らない。凍結点降下は高いま
まであり、凍結点より少し高い温度で電解質が凍結する
可能性は減少する。

厚い陰極を利用する方法は基体に接着される接着材中の
プラチナ粉末の混合物を有する通常の構成の電極で実施
されることが可能である。そのような厚い陰極は電池の
凍結を避けるのに十分であるが、それはまた電池の重量
を加える。改善された陰極の構造は濃度の厚い形態に処
理することを可能にするが、重量において極小の増加を
有するように開発されている。

本発明のより明確な見解において、不凍性の蓄電池は複
数の活性プレートセットを備え、各プレートセットはニ
ッケル陽極と、多孔性の水素陰極ε、陽極と陰極の間の
隔離板とを含み、陰極は少なくとも０．００フインチの
厚さを有し、焼結されたニッケル基体と、基体に接着さ
れる接着材中の導電性粉末上に付着されたプラチナ混合
物の層を具備することを特徴とする。そしてプレートセ
ットはコアに支持され、圧力容器はプレートセットおよ
びコアを含む。

接着材中の導電性粉末上に付着されたプラチナ混合物の
層は従来の電池に使用された接着材中のプラチナ粉末の
層に代る。導電性粉末はプラチナよりも低密度を有する
ために選択される。それは電極中のプラチナの水準を保
持するが、陰極の重量を減少させる。その粉末は電気を
伝えるという点において活性であるが、多少の充填剤に
なる。

炭素、ニッケル粉末またはその２つの混合物が好ましい
。プラチナは粉末粒子の表面に付着され、使用されるプ
ラチナの量を減少し、電極の密度およびコストを低くす
る。接着材はテフロンとして知られているポリテトラフ
ルオロエチレンであるのが好ましい。

本発明はまた電池内で使用される個々のプレートセット
に拡張される。この点において、蓄電池に利用される多
孔性水素陰極は接着材中の導電性粉末上に付着されたプ
ラチナ層を含む。その層の厚さは少なくとも約０．００
フインチである。

本発明の電極は特性を劣化させず、電池構成部分の重量
の少しの増加または増加なして、蓄電池が従来の方法よ
り低い温度で動作することを可能にする。本発明のその
他の特徴および利点は実施例および原理を通して添付図
面と共に下記の詳細な説明から明らかになるであろう。

［実施例］本発明は第１図および第２図に示されるように、加圧さ
れたガス金属型電池のニッケル水素蓄電池１０に関する
ものである。そのような電池ｌＯは典型的に複数の個々
のプレートセット１２を含む。各プレートセット１２は
アノードまたは陽極１４と、カソードまたは陰極１４と
、陽極１４と陰極ｉＢを物理的に隔離する電解質を含む
隔離板１８を含む。またイオンおよび電子の伝送を生じ
る電解質媒体を供給する。プレートセット１２の充電お
よび放電は電気リード２０を通って行われる。

種々のニッケル水素電池および構成部分の構造は米国特
許第４．ｌ３８３．１７８号、第４．８８９，５４４号
、第４．２８３．８４４号、第４，２８２，０６１号、
第４．２５０，２３５号、第４，０００，３５０号、お
よび第３，６８９．７４４号明細書に記載されている。

陽極１４は水酸化ニッケルをニッケルスクリーン電極基
体に支持される多孔性の焼結されたニッケルに含浸させ
ることによって形成される。それは約０．０３０インチ
の厚さである。以下より詳細に説明するように、陰極１
Ｇはボリテ］・ラフルオロエチｌノン接着材中の導電性
粒子上に付着されたプラチナブラックの焼結された混合
物によって片側に被覆され、反対側はポリテトラフルオ
ロエチレン１９の多孔性の層によって被覆される。これ
らの層は陰極ｉＢを形成するために、エツチングシート
または織ったメツシュ形式のニッケル基体に設けられる
。

隔離板１８は種々の型で利用されている。例えば、アス
ベスト、ナイロンおよび酸化ジルコニウム−酸化イツト
リウムのクロスを含む。電解質はこの航空用電池の隔離
板１８に飽和される。その典型的な隔離板１８は約０．
０１２インチの厚さである。

個々のプレートセット１２はプレート積層と呼ばれる積
重ねられたアレイを形成するように中心のコア２２上に
組立てられる。コア２２は典型的にはポリサルフオンプ
ラスチックである。プレート積層２４の形成において、
各陽極１４における過剰な充電中に遊離された酸素が陽
極１４から水素と結合する陰極１Ｂへ拡散することがで
きるように、約０．０１Ｇインチの厚さのポリプロピレ
ンスクリーン２６は各プレートセラ１１２間に配置され
ている。

第３図はより詳細に陰極１Ｂを示している。陰極１６は
メツシュ板またはエツチングされた板から形成される基
体５０を有する。例えば、基体５０はそれを通る四角形
の開口のアレイを有する０、００３インチの厚さのニッ
ケル板をエツチングすることによって形成されるのが好
ましい。開口を限定するニッケル材料は約０．００５イ
ンチの幅を有し、各開口は側部が約０．００４インチで
ある。

電極ｔ６の片面は層１９を形成するために多孔性ポリテ
トラフルオロエチレン（テフロン）で被覆されている。

テフロンはゴルテツクスの薄い多孔性フィルムの形態で
構成され、テフロン３０を用いて陰極ｉＢに接着される
。それはプラウエア州、ウイルミントンにあるＥ、１．
Ｄｕｐｏｎｔ　ｄｅＮｅＩＩ！ｏｕｒｓ社製のトリトン
Ｘ１００などの少量の沈殿防止剤を有する水中において
ポリテトラフルオロエチレンの混合物３０％のテフロン
３０で電極１Ｇに接着されている。この混合物は１平方
インチ当り約１５ボンドの供給圧力でエアブラシを用い
て基体の片面に形成される。

層１９の厚さは臨界的ではないが、ある程度の範囲を成
すべきであり、約０．００１インチ程度が好ましい。典
型的に、基体の表面上に約４個の層が必要である。テフ
ロンフィルムが設けられ、基体が乾燥され、３０秒間に
１平方インチ当り１００ボンドの圧力でアルミニウム板
間で圧力をかけられる。その結果、層１９は必須の多孔
性テフロン基体を有することがわかった。

一方、基体５０の反対側には焼結された混合物の粒子５
４およびポリテトラフルオロエチレン５５から構成され
る層５２がある。粒子５４の１つは第４図に記載されて
いる。粒子５４は導電性粉末粒子５８上に被覆されたプ
ラチナの層５６を有する。粉末粒子５８は直径０．００
１インチ以下の純粋な炭素またはニッケルであるのが好
ましい。最も市販されている粉末製品は寸法の範囲の粉
末粒子を有する混合物でのみ入手可能であり、そのよう
な混合物は本発明を実施するのに好都合である。プラチ
ナ層５Ｇの厚さは臨界的なものではなく、変化できる。

第３図および第４図に記載されている層５２およびプラ
チナ層５６は実例において簡明にするために示されてい
るが、通常、粒子のプラチナ層５６および全体の層５２
との両方が多孔性である。

層５２はポリテトラフルオロエチェン接着材と粒子５４
の混合物である。好ましい方法として、粒子と接着祠の
混合物は、（１）ミシガン州、ミツドランドのダウ・ケミカル社製
の１．２０立方センチメートルのメトセルと３．５％の
メチルセルロース水溶液と、（２）プラウエア州、ライ
ルミイントンのＥ、１゜Ｄｕｐｏｎｔ　ｄａＮｅｍｏｕ
ｒｓ社製の０．３７立方センチメートルＴＦＥ３０をト
リトンｘ　１００などの少量の沈殿防止剤を含む３０％
のポリテトラフルオロエチレン混合水溶液と、（３）被覆されたプラチナを有する３重量パーセントの
炭素粒子のＭａｌｌｉｎｅｋｒｏｄｔ　Ｃｈｅａ＋Ｉｅ
ａ１社のＣａｌｓｉｃａｔ部製の４グラムのＥ　１３７
と７０，８％重量パーセントの水の混合液とを周囲温度
で一猪に混合することによってできる。この混合液は周
囲温度でペースト状であり、この粘度を保持することが
必要ならば、氷の入った浴中で冷却されることができる
。

陰極ｔ６はペースト状の混合物の層を上述の基体５０上
に付着することによって形成される。焼結されない被覆
層は少なくともｏ、ｏｔｏインチの厚さで構成されるの
が好ましい。基体５０に適用される被覆の量は、焼結役
得られる層５２の厚さは約０．００７から０．０１４イ
ンチであるがもっと厚い層でも許容できる。不凍性電池
に利用する場合、層５２は約０．００フインチより薄い
層５２は利用できない。それはそこに含まれた電解質の
希釈を避けるのには薄くなりすぎるためである。動作温
度が電極の凍結点より数度高いとき、特に、急速に放電
するとき、この媒体の最小の寸法は陰極の凍結点の低下
に対して重要である。従来の通常の実行において、接着
材中のプラチナ粒子層は典型的に約０．００３インチで
、この厚さは凍結を避けるのに全く不十分であった。層
内の電解質は水によって過剰に薄められないので、放電
中に生成された水は比較的大きな容積の電解質と混合す
ることができる。

被覆された基体は少なくともｉ２時間乾燥され、焼結さ
れる。焼結は下記の好ましい焼結サイクルで空気中に行
われる。

（１）３０分間周囲温度から１００℃まで次第に加熱さ
せる。

（２）１時間１００℃に保つ。

（３）４０分間以上３３５℃まで次第に加熱する。

（４）１０分間３３５℃を保つ。

（５）周囲温度までオーブンを冷却する。

電極は必要に応じるように寸法および形を調整される。

今、述べられたように陰極１６は電池のプレートセット
１２およびプレート積層２４を形成することにより使用
される。

例えば、初めにプレート積層２４は積重ねたアレイ２４
の各端部に接触する圧縮プレート２８を固定することに
よって外側から１平方インチ当り約ｌＯボンドの縦方向
の圧力下で配置される。圧縮プレート２８の固定は積層
２４を圧縮し、ねじでコア２２にナツト３０を固定し、
それによって、プレート積層２４の位置を保持するため
に圧縮プレート２８に接触するベジエビジエ（Ｂｅｌｌ
ｅｖｉｌｌｅ）ワッシャーセット３２を圧縮することに
よって達成されることが好ましい。

プレート積層２４は水素の侵入による破損または電解質
による腐食を生じることなく　、１．．０００　ｐｓｌ
の程度の内部圧力に耐えることができるインコネル（Ｉ
ｎｃｏｎｅｌ　）　７１８ニツケルベースの合金などの
材料から製造された圧力容器３４内に密封される。

必要に応じて、ガス充填チューブ３５は制御される圧力
容器３４内のガス成分および圧力を供給する。

圧力容器３４は典型的にドーム形の端部を有する円筒形
チューブの形態に構造される。実例で示すと、外側の寸
法が直径３６５インチ、縦１３インチの圧力容器３４を
有する電池１０は約４０個の各々のプレートセット１２
を含むことが可能である。電池の蓄電容量は約５０アン
ペア時間である。充電および放電が適切に行われると、
電池ＩＯは構成要素に対する明白な物理的損傷がなく、
多くのサイクルにわたって充電および放電されることが
できる。多数の電池ｉｏは必要な電流および電圧の供給
特性で電池を生成する直列および並列配置に典型的に接
続される。

電池１０は通常その動作状態を監視する手段をとる。ニ
ッケル水素電池が充電されるεき、水素は放出され、密
封された圧力容器３４内の圧力は上昇する。圧力の上昇
は圧力容器３４内の圧力を測定する圧力変換器３Ｇによ
って測定できる。或は、圧力の上昇はまた圧力に対応す
る量、特に圧力容器３４の壁３８の変形を測定すること
によって推測することもできる。すなわち、圧力容器３
４内の圧力は上昇するので、圧力容器は少し拡大し膨脹
する傾向がある。圧力容器３４の壁３８に固定された歪
計４０は計器の機能である壁３８の膨脹を測定する。そ
れは圧力容器３４の内部のガス圧力に比例するのが好ま
しい。

電子が陰極１Ｂから陽極１４へ流れるために、充電は各
プレートセット１２を横切るリード２ｏを通って電圧を
供給することによって成し遂げられる。したがって、電
気エネルギは使用に適した電流を生成するように次に放
電するために化学反応の形態において各プレートセット
１２に蓄電される。上述のニッケル水素電池は、例えば
１．５ボルトで約５アンペアの電流を使用して、放電さ
れた状態から約１４時間の充電期間を経て、約５０アン
ペア時間の容量に太陽電池アレイによって十分に充電で
きる。

電圧および充電時間は太陽電池から利用できる電力およ
び宇宙船の軌道によって定められたサイクルに応じて変
化する。

本発明の陰極は従来の型の陰極よりも密度が高くない。

結果的に厚い電極は従来の電極に相当する重量を有する
ように処理されることができる。

本発明の特定の実施例が説明のために詳細に述べられた
が、種々の変更は本発明の技術的範囲から逸脱すること
なく行われる。したがって、本発明は添付特許請求の範
囲によってのみ制限されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は航空用ニッケル水素電池の断面図である。第２図はプレートセットを示す２−２線に沿った第１図
の細部の拡大断面図である。第３図は陰極の拡大断面図である。第４図は陰極上に被覆されたプラチナ導電粒子の拡大断
面図である。ｌＯ・・・ニッケル水素蓄電池、１２・・・プレートセ
ット、１４・・・陽極、１６・・・陰極、２２・・・コ
ア、３４・・・圧力容器、５０・・・基体、５５・・・
ポリテトラフルオロエチレン、５Ｂ・・・プラチナ層、
５８・・・粉末粒子。Ｆ／Ｇ、２

Claims

【特許請求の範囲】

（１）それぞれ陽極と、多孔性水素陰極と、陽極と陰極
の間の隔離板とを含む複数の活性プレートセットを具備
し、水素陰極は導電性粒子および接着材の焼結された混
合物の層を有する基体を具備し、焼結された混合物の層
は少なくとも約０．００７インチの厚さを有し、さらにこれらのプレートセット収容する圧力容器を具備
する不凍性蓄電池。
（２）導電性粒子は導電性粉末上に付着されたプラチナ
を具備する請求項１記載の蓄電池。
（３）導電性粉末はニッケル、炭素およびそれらの混合
物からなる群から選択される請求項２記載の蓄電池。
（４）陰極は、エッチングされたニッケル基体と、基体に接着されたポリテトラフルオロエチレンおよびプ
ラチナで被覆された導電性粉末を含む焼結された混合物
とを具備する請求項１記載の蓄電池。
（５）導電性粉末はニッケル、炭素およびそれらの混合
物からなる群から選択される請求項４記載の蓄電池。