JPS5996671A - 改良電気化学装置 - 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】 本発明は電受化学Ｍｊ、池に関し、より詳細には車輌用
バッテリシステムにおいて有用となり得る、改良された
電池構造に関する。

近年、自動１１及びバッテリ業界にとって、軽ｔバッテ
リ材料及び原価効率の良いバッテリ構造を用いることは
主要な関心事となってきた。特に、憇近は分流防止シス
テムに閏、心が集まっている０米国特許抗９３グベ／、
ｔＯ号には、セパレータと１−棒を９互に含むフ０ラス
チックシートから構成された電池の積重ね体を特徴とす
るイ氏原価軽量分流防止バッテリが教示されている。

不発明は上記の米国特許に記ｆｔ！Ｓ’されたマニホル
ド保帥式オ＆造の改良である。本発明は、電池を作動さ
せるための補助ｌ“力要求を最適化するトンネル保防式
ｆｔ！’、　％化学装置、すなわち電池に電解液を水圧
圧送し且つ分流を牝、気的に防止するのに最小旬のエネ
ルギで済む電池を提供するものである。

マニホルド型分流防止ｔｒ池の坊１合、水圧圧送電力は
マニホルドの直径の増加につれて減少する傾向にある。

しかしながら、分流を防止するのに必要な電力はマニホ
ルドの直径の二乗に比例して増加する。かくして、マニ
ホルドに対する保腸電力と圧送５Ｗ力とは逆比例の関係
がある。

トンネル保訛電カシステムによって、保移籍力はマニホ
ルド保ｅ　Ｎ力よりも小さくなる。マニホルドの直径が
大きくなると（マニホルドと叩池間の接続体が幾何的に
固定している場合）、トンネルを通る保酔電力は漸近的
に最大値に近づく。トンネル係挿π［力はマニホルドの
直径値の大きな領域において本質的にマニホルドとは無
関係となる。

かくして、圧送電力とトンネル保護１に力との和はマニ
ホルドの場合よりも所要電力が俄くなり且つその最小値
はマニホルドシステムよりも低い値となる。

本発明は、マニホルド、トンネル及びチャンネルがシス
テムの作動中の補助電力消費量を最小とするように配設
されている、トンネル保騰式電気化学装置の設計を最適
化するものである。本発明はまた、所要保静電力と所要
水圧圧送電力とを分刻することに１ｐ１するものである
。

本発明は数多くの種類の電気化学電池の製造、構成及び
組立てに有用であり、且つ本発明は特定のシステムに限
定されるものでないと了解すべきである。

本発明は前言Ｐ米国特許（Ｍｅｔａｌ　Ｈａｌｏｇｅｎ
　Ｂａｔｔｅ−ｒｌｅｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｏｆ
　ＯｐｅｒａｔｌｎｇＳａｍｅ）　　においてなされた
教示に従って枝・成された循環亜鉛−臭素バツテリで使
用するのに非常に興味深いものである０ 上音ｅバッテリ／ステムは非常に興味深い。例となれば
、勘かるシステムはコストが安く、試薬の入手が容易で
あり、都電電圧が高く、更に可逆性が高いがらである。

我々の知る限りにおいて、本明細書に提示され且つ記齢
される種々の遊１却性は電気化学システムの設計並びに
構造の技術の範囲内において全く新しいものである。

熟練した従業者はここで展開される独特のｆＩＩｌ意並
びに如意の特別な恩恵を得ることとなろう。

本発明は、各々が隣接した電極の間に配設された一体的
なセパレータとスペーサとを含む電池の槓重ね体を含む
電気化学的構造に関する。

これらの電池は少なくとも部分的に電気的直列接続され
、且つ少なくとも部分的に並列接続されている。少なく
とも７つのマニホルドがこれらの電池と液達通している
。とのｔｔｉ化学装置に保峻流を与えるために該マニホ
ルドと該電池との間に少なくとも１つのトンネルが設け
られている。それぞれのチャンネルは各電池をマニホル
ドとトンネルとに連通せしめている。これらのチャンネ
ルはマニホルドよりも高い水圧降下と電気抵抗を有する
ように設計されている。斯かる設計は長くかつ細い寸法
を有するチャンネルを七ノ４レータもしくは電極に物理
的に配設することによって達成される。このようにチャ
ンネルを細長く設計することによって電池の水圧圧送電
力消費及び電気保護電力消費が最適化される。

トンネル係挿式システムを一層よく理解するためには、
米国特許第＠、２７’１３／７号を参照すべきである。

本発明の目的は改Ｒされた箪り化学装置を提供すること
Ｋある。

本発明の別の目的は分流防止聾気化学装置の補助電力要
求を最適化することにある。

本発明の更に別の目的は、水圧圧送電力などの補助電力
要求と當１気保Ｗ′１１Ｆカとを効果的に分離する賀り
化学装ｆ＆−用Ｐ−遺を提供することにある。

前記並びにそのイ０フの本発明の目的は、添付図を参照
しつつ詳述される以下の４己Ｉｔ７により一層よく狸卯
（されかつ−ｊヴ・明白となるであろう。

複数の市外？（イ、池を有し、月つΩつ又はそれ以上の
斯かる電池にとって共通の柘１解液である電解液を有し
且つ共有の電解液を含む多重電池５式電気化学装置の場
合、該電池の回りの宙、解做を通して電導バイ・やス径
路が形成される結果として分流接失が生ずる。本発明は
、Ｊ’ｊｒかるシステムにおける分流の最小化と期かる
目的を竣成するための装置をゝ苧 意図するものである。

本明細書に用いられているように、［’気化学装猶」と
いう用語は、水元分解電池製置、光化学電池装置、液体
太陽電池装置などの元電気化学装ｆｉｔ　ヲ含ミ、且つ
バッテリ、燃料電池装置、クロロアルカリ電池装置、金
属−空気装置、海水電池、電解槽、市り化学合成装軒、
電解採取装置、などの他の霊気化学装置、並びにバイポ
ーラ多重電池装置、モノポーラ多重電池装置及び複数の
■、電解液例えば、陰極液及び陽枦液）あるいは液体金
属を有する装置などの陰極、陽極及び共通の電解液を用
いる４１ｂの装置を含むものとする。

本明細書に用いられているように、「分流の最小化」と
いう表明は分流の減少すなわち分流の排除を意味するの
に用いられる。

一般的に言って、本発明は、必要補助電力要求を最小に
する、バッテリなどの装置に対する改良された電気化学
構造を特徴とする。第１図は、マニホルド保す式構造で
はなくトンネル保静式構造を用いた電気化学システムを
設酬することの利点をグラフで示したものである。

マニホルド併設式システムの場合、保Ｐｉ　Ｓｔカはマ
ニホルドの直径の二乗に比例して増加する。圧送電力は
直径に対するより高い宣カに比例し且つ直径が増加する
につれて減少する。が（して、マニホルドに対する保詠
耶カと圧送室、カは比例関係と逆比例口に係を有する。

一方での減少は４１か方での増加をきたし、雷カの総則
は最小になる。第１シ１のグラフにおいて、曲線＃／は
圧送′−１力とマニホルド保詐′歯力との相を声ゎす。

圧送電力曲線はり＝３６０曲紳であり、マニホルド７７
力曲シ泉は３番の曲線である。

トンネル仙（ｈζ°を定力システムを用いると、保診柘
゛力はマニホルド保；””Ｂｊカより小さくなる。マニ
ホルドの直径が増加するにつれて（−毎ニボルドと電池
の接続体が炒何的に固定している場合）、トンネルを通
ると保護電力は漸近的に最大値に近づく。

トンネル保ｇ％＝カはマニホルドの直径値が大きい領域
ではマニホルド直径には本質的に無関係となる。かくし
て、圧送電力とトンネル保詐電力の和はマニホルドの場
合よりも小さくなり、マニホルドシステムよりも帰小値
が小さくなる、これは第７図に曲線＃λとして示されて
いる。トンネル保簡雷、力は＃りである。従って、マニ
ホルド直径の大きい領域では、圧送電力とトンネル４Ｍ
護祐力とは分離され、且つ互いにある程度無関係になる
。

前駅のように、マニホルド保護式構造の代りにトンネル
保護式構造を用て電気化学システムを設計する場合は柔
軟性の高い設計が可能である。

トンネル保護式については、米国特許第ダ３グ乙、／Ｓ
０号に示すバッテリと類似の但−プロフィルバッテリを
得るために最速のパラメータが求められている。

所要保護電力はほぼ抵抗の関数であるため、電解液マニ
ホルドと電池とを連通している電解液チャンネルの幾何
の関数となる。他の設計要素と調和して細長いチャンネ
ルを有する設計が好ましい。

設計をする際、バッテリシステム全体の圧力降下を最小
に抑え、且つ分流防止電力を最小に抑えると同時に電池
に対する電解液の流れを均一にするための流通電解液用
水圧径路を考慮に入れる必要がある。トンネル保護式装
置を更に良く理解するためには米国特許第り２．２’１
３／７号を参照すべきである。

前に教示されたように、分流防Ｊトの７つの方法は、λ
つの電池１間のマニホルドセグメントにわたる電圧降下
が油′池りイ圧Ｖｃ　　Ｋ稗しくなるように、共通の電
解マニホルドに鏑″！３７’：Ｃ電流を辿すことである
。期かる条件に必要な保１ぐ・電流に０　は次式で表わ
さｈる。

ただし、 Ｒｍ　　＝マニホルドセグメントの抵抗Ｐｌ／ＡＰ　−
電解液の比折抗 ｌ　＝マニホルドセグメントの長さ Ａ　ニマニホルドの断面栢 Ｖｃ　　二Ｖｏ　＋ＩＲｅ　　二電池の電圧■０　−単
一の？［池の開放回路霜圧 １−笛４池積重ね体電流；光箪時の電流＋放電時の電流
− Ｒｅ　　＝乳池抵抗と分極との和 斯かる条件が達成されると、電池とマニホルドとの間に
は電位勾配が生じない。電流Ｋｏ　は電池が直列にＲ４
く配列していても無関係である。

別の方法はマニホルドと電池とを連通せしめるチャンネ
ル間に接続体（トンネル）を設けて、第１チヤンネル／
トンネルノードがら最終チャンネル／トンネルノードに
至る共通電解液ネットワークに適当な電流ｔ。を流すこ
とである。トンネルの寸法、従ってトンネルの抵抗は、
チャンネルとλつのＩも池とを連通しているトンネルに
わたる電圧降下が電池電圧Ｖｃ　＝　Ｖｏ　＋Ｉ　Ｒｅ
に等しくなるような勾配を有する。

斯かる条件を速成するためのトンネル保護電流及び λ’　”＝　Ｃ／２　＋（Ｃ／２）２−１（３）及び Ｃ＝　、２　＋　Ｒｍ　／　Ｒｃ　　　　　　　（４）
ただし、 Ｎ二直列電池の数 Ｒｃ＝）ンネルとマニホルドとの間のチャンネルの抵抗 ｔｎ／２　＝　：・ンネル中央部における電流これらの
条件が達成されると、′１＃、池とチャンネル／トンネ
ル点の間には１）り位勾配がな（、また電池から共通′
腎解液への電流、が流れない。中心トンネルが大きな抵
抗を有する時のマニホルド法とトンネル法による保：、
ニア、　／、１．：、　、−、＋、、に０　とｔｏ　　
（式（１１と式（２）〕Ｏ差は主に（λｔ　Ｎ／２−１
）　２／（λｔ　％１　）のように括弧で表わした表ワ
１．となる。この式は／より小さい値を有する。

電流ｔｏ　　は括弧の項が小さいと小さくなる。任音の
直列電池の個数Ｎに対して、括弧の項はＮの［直が小さ
いと小さくなる。所定のＲｍ　に対して、λｌ　はＲｍ
　が小さくなると、すなわちマニホルドυ断面積〔式（
３）と式（４）〕が大きくなると小さくなる。所定の即
ち固定されたＲｍ　については、Ｒｍ［直の教少を伴な
うｔｏ　　の値の変化は少な（なり、ｔｏ　　は一定に
なる。

ｔｏ　　の値は低Ｒｍ　　におけるＲｃ　　Ｏ値によっ
て制御される。Ｒｃ　　が大きい場合は、マニホルド断
面積（直径）はトンネル保護電流に影４ひを与えること
なく大きな飴になり得る。

直列に配列された電池に電解液を均一に供給しかつこれ
ら電池から爬°解液を均一に除去するには電池の洋重ね
体における圧力陵下が殆ど電池内にあることが要求され
る。マニホルド中の圧力簡、下が支配的な主圧力降下で
あってはならない。このためには、マニホルド断面積は
与えられた数の直列電池に対して比較的太きくシ、且つ
電池の数が大きくなるにつれて太き（なる必要がある。

マニホルド保護式構造が用いられる場合、保護電流に０
　とマニホルド面積との間には相互作用があり、且つ直
接的な関係がみられる（′に、流はマニホルドの直径の
二乗に比例して増加する）。トンネル保護式構造の場合
、チャンネルの抵抗が比較的太きいと、マニホルド面積
と保珍電流の間には直接的な関係がみられない。保護電
流値はマニホルド面積には本質的に無関係となる。水圧
回路と保護電流乱散回路との相互作用は無くなる。

トンネル仇昨式構造を糾込んだシステムはイバ電力使用
のためには小さなＲＷＲｃ比と比重や的大きなＲｃ　　
とを有するように設言」する必要がある。

あるＪ・１ｉの１ＩＩＩ鉛−臭素バッテリ構造のちＡ合
、小断面積を有する４そいチャンネルを必要とする。斯
かる構造の％Ｎ合、プラスチック利料を金型の断面の細
い部分を通鍋さ七る注入モールド成形工具の設計も考Ｉ
勘しなければならない。

Ｎ個の重油の′小解液ネットワークの塊合、（Ｎ−１）
個のマニホルドセグメントとトンネルがある。保護電流
を流す電圧はどちらの場合も（Ｎ−１）　（Ｖｏ　＋　
１Ｒｅ）である。かくして、マニホルド保護式構造の場
合の必要最小保欣電力は（Ｎ−１）　（Ｖｏ＋ＩＲｅ）
に０ となり、トンネル保腔式構造の場合は （Ｎ　７１　）　（Ｖｏ＋ＩＲｅ　）　ｔ。

となる。全保護電力はこれらの値にマニホルドの赦を乗
じたものとなる。

以上のことをまとめると、最適のトンネル保護式構造を
得るには、それぞれのチャンネル内の水圧降下と電気抵
抗（電解液による）をマニホルドの場合よりも高くすべ
きであるということになる。

第、２図について説明する。箔、２図には、パッチＩＪ
　Ｍ重ね体１０のセクションの部分分解図が示されてい
る。ｆ、′１重ね体１０は、夫々米国特許第り３グ４７
５０号に記載されているようなセ・ぐレータ１１とバイ
ポーラ電極１２のシートを交互に含んでいる。

本発明の情重ね体１０は、米国特許第各３ｔへ７３０号
に示すマニホルド保護式ｊＴ）　造ではなく、トンネル
派蔵式１２４造を目的に設８Ｉ−されている。

ハｙ　テ’Ｊ　、ニーｉ’２　’Ｕね体１０の作動用成
形及びアセンブリなどの池の教示は本明訓３に参照文１
欲として含まれる。

セ・ぐレータ１１及び電極１２は第２ａ図及び第、２ｂ
ｌ’Ｊにそれぞれ、より詳細に図示されている。

セ／ｌｚ−夕１１の内部にはマニホルド穴１４に７　＝
ｍしているチャンネル１３が形成されている。

櫃重ね体が組立てられると、マニホルド穴１４はマニホ
ルドセクションとなる。チャンネル１３はセノぐレータ
１１の前面と背面の頂部と底部にモルト成形されるか、
又は成形されるか、あるいは機誠加工されるかして、バ
イポーラ構造と調和している。

しかしながら、必要に応じて、チャンネル１３は′心、
極１２に成形するか、又はモルト成形するか、あるいは
機械加工しても良い。しかし、これを行なうには、電極
１２とセパレータエ１は中心アンダカットに対して成形
法を変える必要がある。斯かる成形法の変化は電顕１２
の電導性中心部１５への適切な電解液の流通を維詩する
ためである。

第３ｂ図には、第２図及び第λａ［てのセパレータ１１
が更に詳細に図示されている。チャンネル１３はモノ４
レータ１１の前面と背面の両面の頂部にモールド成形さ
れた状態で図示されている。底部は頂部に類似している
ため、簡潔を期すべく図示されていない。

チャンネル１３は前ａ己のようにマニホルド穴１４に連
通している。このチャンネルは中心部１６の巾を横断す
るように配設されている介在導管アンダカット１７によ
って電解液をマニホルドからセＡ？レータ１１の中心部
１６に送る。

釆Ｍ　ｊｉεは、マニホルドのゴ・口く成形されるか、
又はモールド成形されるか、あるいは機械加工された穴
１８であるトンネルをＺ予由して）商用される。

１（ｉ１重ね体１０が完全に１１立てられると、穴１８
はマニホルド穴１４がマニホルドセクションとす７．）
ように７ｄ池を通るトンネルとなる。

トンネルとマニホルドと１１これらのトンネル及びマニ
ホルドと１電ね４本ＩＯの電池（中心部）とのｉｌＵを
Ｓｊ＆　Ｅｌ：　ＥＮせしめているチャンネルを：。ｂ
ｉ斯するように１コ己設されている。

：ｊ’ｇ　Ｊ　ａ　’Ａ及び１７ｓ　３ＣＵＩＪはＳ　
３ｂ図に示すセパレータ１１の池の実施ｊ１喋を示す。

１票を期するために、哨３ａｆＪの２ｉＪｂ図のエレメ
ントと類似のエレメントにはプライム符号を付ケ、更に
第３ｃ図にはダブルプライム符号ヲ付けている。

これら３つの実施態様は実ス的に類似の方法で作動し且
つ機能することが、」屏されよう。七ノやレーク１１′
　は二重になっているため長さが大きいチャンネル１３
′　　を有する。セＡ？レータ１１′　　はマニホルド
（穴１４′）と１池（中心部１６１）の途中に配設され
たチャンネル１８／とを有す。

セパレータ１１．１１／及び１１’は全て、本発明の基
礎的原理を教示している。すなわち、その教示とは、最
適設計を得るには、水圧降下と電気抵抗とがマニホルド
より大きくなる細長いチャンネルを必要とするというこ
とにある。１青かる目的のために、マニホルド穴１４．
１４／及び１４′がそれぞれチャンネル１３．１３／及
び１ｙ　の巾よりもかなり大きくなることが注目されよ
う。

マニホルド、トンネル、穴及びチャンネルは公知の数多
くの方法によってグラスチック素材を成形、七−ルド成
形あるいは１嘔械加工して作ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１面は、マニホルドの寸法に対する電気化学績ｆａの
所ノ補助篭力ｌのグラフを示す図であり、第２図は、本
発明に係る電気化学装置における電池の構造の部分斜視
分解図であり、第、２ａ＠及び第２ｂ図は、第２図に示
す購造りセ・ぐレータエレメントと１玩極エレメントを
それぞれ示す平面図であり、第３ａ図、筒３ｂ１図及び
笥３０図は、第２図に示すエレメントの環々の実４ｍ　
態様を示す部分分ノ仔平」図である。 １３−１チヤンネル １４１・・マニホルド １８瞳・・トンネル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （Ｉｌａ）　　少なくとも部分的に直列で電伸的に接続
   され、且つ少なくとも部分的に並列で液接続されている
   複数の電池、 ｂ）上記電池を液連逆している少なくとも７つの共通マ
   ニホルド、 Ｃ）電気化学装置に保護流を適用するだめの上記マニホ
   ルドと上記電池との間に配設された少なくとも７つのト
   ンネル、及び ｄ）上記マニホルドよりも高い水圧降下及び電気抵抗を
   有し、各電池を上記マニホルドと上記トンネルとに連結
   せしめている各チャンふル、 を含むことを特命とする電気化学装置。 （２）前記電池に電解液を供給するための少なくとも７
   つのマニホルドと前記電池から上記電解液を取り出すた
   めの少なくとも１つのマニホルドがあることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の電り化学装置。 （３）　　前記チャンネルがそれぞれ各電池の七ノ９レ
   ータに配設されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載の電気化学装置。 （４）前記チャンネルが物理的に細くかつ長くなるよう
   忙設計され、これにより前記チャンネル内の水圧降下及
   び市り抵抗が前記マニホルドの水圧降下及び電気抵抗よ
   りも高くなることを特徴とする特許請求の範囲第（３１
   項記載の電気化学装置。 （５）前記マニホルドが前記チャンネルを横断するよう
   に配設されていることを特徴とする特許請求の範囲第（
   ３１Ｍ記載の電気化学装置。 （６）　　前記トンネルが前記′チャンネルを横断する
   ように配設されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第（３）項記載の電気化学装置。 （７）前記チャンネルが前記セパレータに隣接するよう
   に配設されていることを特徴とする特許請求の範囲第（
   ３）項記載の電気化学装置。 （８）前記セパレータがその両側面に配設されたチヤン
   ネルを有することを特徴とする特許請求の範囲第（３）
   項記載の電気化学装置。 （９）前記チャンネルが前記セパレータに重ねられてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（３）項記載の電
   気化学装置。 ００）前記チャンネルがそれぞれ各電池の霜１ｗｉ上に
   配設されていることを特徴とする特許請求の範囲第（３
   ）項記載の雷り化学装置。