JPS5923458A - 電解液の流れ制限器を備えた一次バツテリ - Google Patents

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】 発明の分野 本発明は、双極性電解セルおよびバッテリの構造に関し
、いかなる−次バツテリ、または水で作用し、流動電解
液を使用し、あるいは水と流動電解液の両者を使用する
他の形態の電解セルに適しているものである。特に、一
連の重ねられた極板、特に比較的間隔が狭い多くの双極
極板を流動電解液とともに使用する高電力用のバッテリ
構造に応用されるものである。一つの特殊な応用は、循
環電解液、例えば海水あるいは貯蔵容器からの電解液を
使用した魚雷の推進用のバッテリである。

従来技術 Ｍｅｒａｈｏｎの米国特許第１，５７２，４０３号、Ｌ
ｕｃａｓの米国特許第２，７０６，２１．３号、Ｈａｒ
ｔｎｇの米国特許第２，９８８，５８７号、Ｖａｎ　Ｂ
１１１ｉａｒｄなどの米国特許第３．０１２，０８７号
および５ｈａｈの米国特許第４．１９８，４７４号には
、循環電解液バッテリ分野の従来技術が示されている。

米国特許第３，０１２，０８７号には、マグネシウムと
鉛化銀の電解セルを有し、その米国特許の第２図に示す
ように各々が一枚の銀箔によって分離されたマグネシウ
ム層と錯化銀層とを有する一連の極板によってバッテリ
積層構造が構成されている海水バッテリが開示されてい
る。隣接した極板同志は、鉛化銀の中へ埋まれたガラス
ピーズによって間隔をあけて配設され、これにより電解
セルを構成する極板間の電解液の流れを自由にしている
。米国特許第１，５７２，４０３号および第２，７０６
，２１３号には、特定の電解セルの化学的性質によって
陽極、陰極または両者を構成する接近して重ねられた極
板間に電解液を連続的に循環させる一部セルシステムが
開示されている。米国特許第２．９８８゜５８７号は、
循環電解液を使用するのに適したバッテリ構造（すなわ
ち複数の極板で組みたてられた構造）を示している。米
国特許第４．１９８，４７４号はその概要に、流れを制
御し、方向づけを行う手段を有する１１最犬電力用の所
望の゛濃度の電解液を均一に分配する装置゛Ｉを有する
一部セルバツテリを示している。

関連するセルについての他の情報は、”ＴｈｅＰｒｉｍ
ａｒｙ　Ｂａｔｔｅｒｙ　”　、　　Ｃａｈｏｏｎおよ
び）ｉｅｉａｅ著、編集ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅ
ｃｈａｎｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ。

Ｉｎｃ　、、　　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　　著作権１９７
６、ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ　ａｕｄ　５ｏｎｓ、　Ｉｎｃ
　、、　　第２、第７章（第７．７図、３１１ページ参
照） ”　Ｗａｔｅｒ　Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　Ｂａｔｔｅｒｉ
ｅｓ　”　（Ｄ　、　Ｊ　。

１）ｏａｎ著）から入手可能である。

発明の概要 本発明は、高電流密度で使用する双極性の一部電解セル
およびバッテリの構造、および電解液の処理、特に比較
的多くの極板を有する構造に適用される電解液処理の改
良に関する。特に、この改良は、機構的手段を使用して
、電解液の流れをバッテリのすべてのセルに対して均一
にして電解液の分布をよくし特定の部分の電解液の消耗
によるセルに対する電解液の欠乏を排除し、電流漏洩損
を減らすために流路の断面積を小さくしているのである
。これらは、流路入口とセル中の流路との間のバッテリ
の中に、障害物を挿入することによって達成され、これ
によって障害物のところに圧力降下を形成して種々のセ
ルを通過する流れを均一化することができるのである。

また、障害物は、障害物を通過する流れ速度を除々に変
化させることによって、流路入口からセルまでの距離に
関係なく種々のセルを通過する流れを均一化する。

詳細な説明 概要 本発明によって作られた流れ制限器が適用されたバッテ
リは、通常、米国特許第２，９８８，５８７号の第２図
に示すような総合バッテリに基づき、あるいは米国特許
第４，１９８，４７４号に示されているような個別セル
構造または極板内におけるように面と面とが合わされて
圧縮状態で保持されている一連の積み重ねられた極板す
なわち平坦な電極、多くの場合は双極性極板で構成され
ている。

組み立てられたセル構造体は、電解液を導入し、循環さ
せる装置とともに、例えば、米国特許第１゜５７２．４
０３号または第２，７０６，２１３号に示すような容器
の中に保持される。また、組み立てられたセル構造体は
、例えば、米国特許第２．９８８゜５８７号の個別容器
２５の中に、あるいは単に魚雷またはブイの本体部分、
あるいは米国特許第４゜１９８．４７４号で示すような
他の本体内に取り付けるように構成されてもよい。

流路の形状、例えば、流動電解液をセル構造体へ運んだ
り、またはセル構造体から流動電解液を運ぷ流路の断面
形状と相対面積とは、バッテリのセルを通過する電解液
の流れを均一化すべく処理されていたけれども、この形
状の効果は、バッテリの長さ、すなわちセルの数が増加
するにつれて、低下するものである。より長い流路を必
要とするセルの追加やバッテリの長さの増加は、一般に
流路の断面積をより大きくし、流路自体における電流漏
洩損をより大きくする。このため、計算されたバッテリ
の寿命より前にセルのいくつかが消耗したり、または他
の好ましくない結果を引き起す原因となる傾向にある局
部的な電解液の停滞やその他の不均一な流れを無くすた
めに、種々のセルおよび各セルのすべての部分を通過す
る電解液の流れを均一化する他の手段を考えることが必
要である。本発明の技術は、障害物構造を使用し、障害
物に沿った圧力降下を調整することによって、セルを通
過する電解液の流れ速度を均衡にしているのである。ま
た、一般的に、障害物、即ち流れ制限器を使用すること
によって、流路の断面積を小さくすることができ、これ
によって流路を通過する電解液による電流漏洩損を低下
させるということもわかった。

本発明 前述したように、循環電解液を使用した一部バツテリの
流路とセル構造体の間に障害物構造体を使用して、各セ
ルを通過する電解液の流れをセルの数に関係なく均一化
すべく流動電解液の流れ速度および圧力降下を制御する
本発明は、図示の実施例において、流路とセルとの間の
電解液の流れ用の孔を有する平坦な流れ制限器によって
実施されており、前記孔の大きさは、入口近くで小さく
、流路の閉端部近くでより大きくなるように変化して形
成されているものである。第１図は、本発明の実施例を
示す一部バツテリ構造の部分断面斜視図である。第１図
において、符号１は、バッテリケース２の流路とセル構
造体３との間に配設された流れ制限器である。バッテリ
ケース２は、個別ケースまたは魚雷またはブイのような
媒介物本体の一部であってもよく、このケース２は、説
明のために破断されている外殻２１によっておおわれた
壁２０を有して示されている。この様な壁構造を持った
ケースは、どのような形状のものでもよく、図示の実施
例においては、魚雷用のバッテリカートリッジを構成し
ているものである。１つの可能なものとして、外殻２１
の構造を金属また（ま絶縁を考えた場合にはグラスファ
イバーあるいは他の合成樹脂材で構成してもよく、又壁
２０の材料として、製作を容易にし、電気的には非絶縁
のエポキシまたは熱可塑性合成樹脂を使用している。壁
２０の構造としては、バッテリの長手方向に沿って延び
る四部２３を有し、四部２３は側壁面２４および２５と
共にバッテリ構造体を流れる電解液の入流路２２を形成
している。前記側壁面２４および２５は、第２図により
明確に示されているように、電解液の流れを促進し、か
つ電解液が流路な流れる時の乱流を減らすべく、図示の
ように角度を付されるが、または形作られうるのである
。第１図に使用されている矢印は、簡単な魚雷を流れる
海水バッテリの場合には、外部スクープによって形成さ
れる力、またはバッテリを通って貯蔵容器あるいは他の
電解液処理装置から貯蔵容器あるいは他の電解液処理装
置に電解液を再循環させるより複雑な装置においてポン
プによって形成された力により電解液が装置中を移動す
る時の電解液の流れを示しているものである。図示のセ
ル構造体３は、例えば陽極３２および陰極３３を有する
複数の双極性バッテリ極板３１で構成されている。陽極
３２と陰極３３は、使用される一次電池の形式によって
、電解液としての水酸化カリウムとともに使用されるア
ルミニウムと酸化銀のような組み合わせ、または海水の
ような塩溶解液電解液とともに使用されるマグネシウム
と酸化銀あるいはマグネシウムと塩化銅のような組み合
わせで構成されうる。図に示すように平坦な極板３１は
、流路２２の電解液の流れの方向に直角にバッテリ内に
設定され、例えば、米国特許第２，９８８．５８７号の
構造で示すような、あるいは符号２０で示すような壁構
造物として使用されるエポキシ詰物材に端部を埋めこん
だり接合して単に適当に保持された圧縮とセパレータと
を組み合わせた形式のバッテリに通常使用される手段に
より固定されうる。この種の一部セルバツテリの臨界パ
ラメータは、極板３１が互いに非常に近接した時には、
０．０２０−０．０３０インチのオーダーの間隔で配設
され、厚さはできうる限り非常に薄く００４インチのオ
ーダーである。電解作用の間、一方の極板物質の化学的
な溶解によって消耗するとれらの゛°単発式″−次セル
バツテリの性質のために、サービス寿命および平方イン
チあたり６アンペアを超えることができる電流密度を最
大にすべく、プレートの全表面にわたって化学反応が均
等におこるように電解液を処理することが特に重要であ
る。

流れ制限器１は流路２２とセル構造体３との間に設けら
れたセパレータであり、壁構造体の段部２６に載置して
適切に保持され、極板３１の端部３６によってそこに維
持されうる。この構造を使用するいかなるシステムにお
けろ貯蔵容器からセルへの電解液の流れは、本発明の流
れ制限器１を通る電解液の通路によって制御される。図
示の実施例において、第３図に示すように、流れ制限器
を構成するシート１１は、浸透性がなく、使用される電
解液に対して耐抗性があり、非導電体である材料からな
り、このシートの材料は、適切に固定され、電解液の移
動による変動によって乱流を生じないように充分剛性を
有することが望ましい。

制限器上の厚い縁部１３およびスペーサ部とじて立ち上
った突起部】２は、極板３１の端部３６と流れ制限器の
平坦部分１１ａの面との間にスペースを置き、制限器と
セルとの間に電解液を流し、必要により、制限器に剛性
を追加する機能を果たしているものである。また、突起
部１２は流れ制限器とセルとの間の電解液の流れを実質
的にマニホールドを形成している流路の流れの方向に向
けさせる機能を果たしており、前記マニホールドは、各
セル毎に一組の孔を備えさせたとき、孔が他の物質でつ
まった場合に、流れを均等化する必要性を排除している
ものである。

流れ制限器１を通る電解液の流れは平坦部分１１ａの孔
すなわち開口部の大きさおよび位置によって制御される
。前記孔すなわち開口部は、図示のように孔１４によっ
て示されており、そのいくつかは図面においては省略さ
れているが、孔の各列の中央線を示す一点鎖線によって
示されている。

孔の大きさは、制限器の長手方向に沿って変化し、制限
器の入口端１５に近づくほど小さく、内端部１６におい
てはより大きくなっていて、その大きさは所望の流れを
生ずべく計算に従って、直線的または非直線的に変化し
ているのである。この構造は、取入口流路から、流路の
内端部または終端部におけるセル構造体内への電解液の
流れに対する抵抗を流路への入口近くにおけるよりも小
さくしているのである。孔すなわち開口部の大きさ、す
なわち絶対的な大きさと相対的な大きさとは、すべての
セルを通る流れ速度を均一にし、その流れ速度を電解液
の滞留時間のパラメータに合うように、セルおよび流路
の電解液の容量、装置の圧力および所望の電解液流れ速
度とともに考慮して評価することが必要である。これら
の値を適切に選ぶことによって、装置の種々の点におけ
る圧力降下が決定され、セルにおける圧力降下に比較し
て制限器における圧力降下を比較的大きな圧力降下、例
えばセル自身における圧力降下の１０倍の大きさの圧力
降下にすることによってすべてのセルを通る流れを均一
にすることができるということがわかった。さらに、セ
ルの圧力降下に対する制限器の圧力降下の比率を高くす
ればするほど、電解液の流れの分布はより均一になるこ
とは明らかである。６０個ないし２４０個の多くのセル
を有するバッテリの実際の放電は、ここに開示された制
限器を使用して行なわれ、この使用したバッテリの試験
によって、セル領域およびセルの間に渡つズ放電が均一
になされたことが確認された。

結論 種々のセルを通過する電解液の流れを均一にすることに
よって、流動電解液を使用した高電流密度の多種セル−
次バッテリの効率および寿命は改良される。他で使用さ
れていた形状の流路は、約６０個のセルまでを有するバ
ッテリに対してはかなり良く作動していたが、セルの数
が増加するにつれて流路の断面積がより大きくなって、
流路における電流漏洩損をより大きくする。本出願人は
、流路の形状が従来の方法のものでは、約６０ケ以上の
セルを有するバッテリには実用上むずかしいということ
がわかった。実験すなわち試験装置の測定および計算に
よって、本出願人は、セル中における圧力降下に比較し
て、電解液がセルの中−・流れ入ろうとするちょうど手
前の流路の取入１］部分に電解液の高い比率の圧力降下
を生じるように電解液の流れを制御することによって、
ひじように多くの数のセルを有した多重セルバッテリに
おいても流れの分布を均一に維持することができること
を知った。また、流路とセルとの境界領域における圧力
降下の比率をセル自身における圧力降下の１０倍の大き
さにすることによって、２４０個の多くのセルを有する
バッテリにおいても電解液の流れ速度を所望通り均一に
しうろことがわかった。さらに、本出願人は、全体的な
流れ速度および圧力降下に対して所定の大きさを有する
と共にその大きさが流路とセルとの接触面の位置によっ
て変化する孔１４のような通路を有した障害物を使用す
ることによって所望の結果を得ることができることもわ
かった。

従って、本願で記載された制限器を使用することによっ
て開示された規範および事項を実際に行うことができる
と結論される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による流れ制限器を示すバッテリ構造
の一部およびバッテリ容器とバッテリのセルとの関係を
示す部分断面斜視図であり、第２図は、本発明による流
れ制限器を示すバッテリの入流路とセル領域との間の部
分断面図、第３図は　゛、本発明による一部バッテリ用
の流れ制限器の斜視図である。 １・・・流れ制限器、　　　２・・・バッテリケース、
３・・・セル構造体、　　　　１１・・・シート、１２
・・・突起部、　　　　　１３・・・縁部、１４・・・
孔、　　　　　　　１５・・・入端部、１６・・・内端
部、　　　　　２ｏ・・・壁、２１・・・外殻、　　　
　　２２・・・入流路、２３・・・凹部、　　　　　　
３１・・・プレート、３２・・・陽極、　　　　　　３
３・・・陰極。 図面の浄書（内容に変更なし） 手続補正書　（方式） 昭和遠年２２月１６日 特許庁長官 若杉和夫殿 ■、事件の表示 昭和５８年特許願第１２テロ０４ｒ号 ２　発明の名称 電解液の流れ制限器を備えた一部バツテリ３　補正をす
る者 事件との関係　　出願人 住所（居所）　アメリカ合衆国　１２３０５　　ニュー
ヨーク州スケネクタデイ　リバーロード　１番 氏名（名称）　ゼネラル　エレクトリック　カンパニイ
代表者　　　サムソン　へルフゴット ４イ【代理人　　郵便番号１０５ 住所　東京都港区虎ノ門１丁目２番３号虎ノ門第１ビル
５階′ （発送日　昭和　　年　　月　　日） ６　補正の対象 （１）図面 別紙正式図面の通り（内容に変更はありません）。 （２）委任状および訳文 別紙の通り （３）復代理委任状 別紙の通り 中侵梵４Ｈｚ鯛↓よより叙（ ８’ｌ　Ｉｌｃ　−１ｉり ３０７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）複数の電解セルを画定する近接して並行に配設さ
   れた多数のバッテリ極板と、前記セルを取り囲むケース
   と、前記ケース内にあって前記セルから電解液処理装置
   の他の構成部分へおよび他の構成部分から前記セルへ電
   解液を循環させる経路とを有する双極性−次バツテリに
   おいて。 前記ケース内に形成された前記経路の１つは、すべての
   セルに電解液を分配すべく、前記極板の端部な通って前
   記極板にほぼ直角な方向へ電解液を導く入流路を構成し
   。 すべてのセルを通る電解液の流れを均一化すべく、前記
   流路から前記セルへの電解液の流れを制御する流れ制限
   器を前記流路と前記セルとの間に設け、前記流れ制限器
   は、本質的に障害物であるが、流れ制限器を貫通する通
   路を有し、電解液の流れの分布を制限し、圧力降下を生
   ぜしめ、前記セル間の流れを均一化すべく、流れの柿布
   と圧力降下はあらかじめ決められており。 前記通路の大きさは、特定の通路に対向するセルに対し
   て適切な流れ速度と圧力降下を得るべく必要に応じて変
   化している双極性−次バツテリ。 （２）前記流れ制限器は、一般に平坦であって、前記流
   路の一方の壁を形成し、制限器と前記極板との間に電解
   液を流すべく、制限器のセル側の面から突起したスペー
   サ部を有し。 前記流路は、長く伸びていて、前記制限器と前記ケース
   の一部とによって形成され、電解液が流入する開口取入
   口端を有するとともに、内閉端を有し。 これにより、圧力下で前記流路に流れ入る電解液は、前
   記通路を通って前記セル内に流入している特許請求の範
   囲第１項記載のバッチ１几（３）前記制限器を貫通する
   前記通路は、孔であって、この孔の大きさと位置は、セ
   ル内に生じる圧力降下の約１０倍の圧力降下を制限器の
   所に生ぜせしめるべく、セルの大きさと数および電解液
   の圧力と容量を含んだ装置の他のパラメータとともに調
   整される特許請求の範囲第２項記載のバッテリ。 （４）前記孔は、前記流路の長手方向に沿って走る複数
   の間隔をおいて配設された列に形成され。 前記孔の大きさは、前記流路の前記取入端付近において
   より小さく、前記閉端付近でより大きくなるように除々
   に変化している特許請求の範囲第３項記載のバッテリ。 （５）複数の電解セルを形成する一連の近接して配設さ
   れた電極板と。 前記電極板を取り囲むとともに保持し、前記極板の選ば
   れた端部とによって前記セルから電解液処理装置の他の
   構成部分へおよび他の構成部分から前記セルへの電解液
   の移動経路を画定するバッテリケースであって、前記経
   路の１つは前記バッテリの一端に近接した開口取入端か
   ら各電極板の端部を通って前記バッテリの他端に近接し
   た閉端部へ通じている入流路を形成している前記バッテ
   リケースと。 前記電極板と前記入流路との間に伸延していて、前記セ
   ルに近接した前記流路の境界を構成し、前記入流路から
   前記セルへの電解液の流れの障害物を形成しているセパ
   レータと。 前記入り通路から前記セルへの電解液の流れを許容し、
   制限し、分配すべく、前記セパレータを貫通して制限さ
   れた通路と。 を有していて、これにより複数のセルを通過する電解液
   の流れを均一にするように、前記通路の大きさと位置を
   選択することによって前記通路を通過する電解液の所定
   の圧力降下、流れ速度および流れパターンが確立されつ
   る循環電解液装置とともに使用する一部バツテリ構造。 （６）前記セパレータは、一般に平坦であって、かつ前
   記電極板に直角であり、前記セパレータと前記電極板の
   隣接端部との間に電解液を流すべく、セパレータのセル
   側上に少くともいくつかの前記電極板の端部と当接する
   立ち上がり部分を有し。 前記セパレータは、比較的堅く、電気の導電体でなく、
   電解液およびセル内の電解作用の生成物を通さない材質
   で構成されている特許請求の範囲第５項記載の一部バッ
   テリ構造。 （力　前記流路は、前記バッテリケースの内壁内の凹部
   であって、前記セパレータによって被われ。 前記セパレータは、障害物プレートであり。 前記セパレーク上の前記立ち上がり部分は、電解液の流
   れの方向に並行にスペースをあけて配設された列を形成
   する個々の突起部を構成し。 前記通路は、前記障害物プレートを貫通して、前記突起
   部の列間に列状に配設されたある範囲の大きさの孔であ
   る特許請求の範囲第６項記載の一部バツテリ構造。 （８）前記障害物プレートを貫通する通路を形成する前
   記穴の各々は、複数のセルを通過する電解液の流れを均
   一にすべく、電解液の流れおよび障害物プレートにおけ
   る圧力降下に適当に寄与する電解液の量、圧力、流れ速
   度および圧力降下の装置パラメータに応じて各位置に対
   して所定の大きさであり。 前記電極板は双極性である特許請求の範囲第７項記載の
   一部バツテリ構造。 （９）前記孔の大きさは、前記流路の取入端においてよ
   り小さく、前記流路の前記閉端部においてより大きくな
   るように除々に変化し。 前記孔の大きさは、前記セルにおける圧力降下以上の大
   きさの圧力降下を生じる特許請求の範囲第８項記載の一
   部バツテリ構造。