(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体電解質バッテリであって、
・側壁（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ）、ケース底部（１ｅ）および蓋を備えたケース（１）と、
・対になってセル内に垂直に配置されるプレート電極（２）と、
・前記セル内の水位（３ａ）が前記プレート電極（２）の上辺部（２ａ）の上方にまで達している、液体電解質（３）と、
・液体電解質循環装置と、
を有している液体電解質バッテリにおいて、前記液体電解質循環装置が、
・前記プレート電極の前記上辺部に対して平行に配置されるかまたは内方に傾斜して前記水位（３ａ）の下方に配置される、第１のプレート状要素（４）と、
・垂直流れチャンネル（５）を形成するため前記プレート電極（２）の側辺部（２ｃ）に対して平行に配置されると共に、前記第１のプレート状要素（４）と一緒にアングル材として一体に構成されている、第２のプレート状要素（６）と、
・前記ケース底部（１ｅ）に配置されるかまたは該ケース底部に対して近い位置関係において前記側壁（１ｂ，１ｄ）に配置されると共に、加熱に際して電解質の流れを生じるように構成される、加熱要素（１２）とを有している、ことを特徴とする液体電解質バッテリ。
【請求項２】
前記第１のプレート状要素（４）の上方隅部の近くに、電解質の逆流の防止のために第１の逆流防止装置（７）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体電解質バッテリ。
【請求項３】
前記第１の逆流防止装置（７）は前記第１のプレート状要素（４）に棒状の突起（４ｂ）として形成されていることを特徴とする請求項２に記載の液体電解質バッテリ。
【請求項４】
前記第１の逆流防止装置（７）は蝶番弁（８）として形成されていることを特徴とする請求項２に記載の液体電解質バッテリ。
【請求項５】
前記液体電解質循環装置が前記ケース（１）の両側で対向して配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体電解質バッテリ。
【請求項６】
対向して配置された前記液体電解質循環装置が互いにＵ−形に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の液体電解質バッテリ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、例えば、ＰＫＷ（乗用車）、ボートまたは飛行機のごとき可動の乗り物に搭載するのが好ましい液体電解質バッテリに関する。
背景技術
軽量構造方式の航空機産業で特に行われている試みはバッテリ重量の削減に関する。しかしながら、同時に、乗り物の始動のための通常のエネルギに加えて、電気式窓昇降機、座席調整用の調整モータまたは同様に座席暖房用の追加の装置のためのエネルギも必要とされるので、より高いバッテリ性能の要求が増大している。さらに、バッテリの性能を、バッテリの耐用期間にわたって一定の高いレベルに保持することが好ましい。
従来技術は、従来の鉛−酸バッテリの性能を高めるために種々の手段を開示している。“性能”という用語は、ここではバッテリの容量並びにバッテリの電流出力及び消耕能力を意味すると理解されたい。
鉛−酸バッテリの特別な問題はプレート電極面のできるだけ完全な利用である。図１〜３は、従来技術から知られている問題を説明するものである。図１は、この構造において格子形状を有するプレート電極２に沿うＰＫＷのバッテリ１の断面図を示している。バッテリの電解質３の水位は参照符号３ａにより示さている。試験は、バッテリの電解質の化学的特性がａ，ｂ，ｃにより印が付された範囲において著しく互いに異なることを示した。範囲ａにおいて電解質の濃度が高くなり、そのことは腐食および最後にプレート電極の崩壊に至る。範囲ｃにおいて電解質の濃度は低くなる、すなわち、バッテリの作動に必要な電解質の特性は認められない。
ただ、中間の範囲ｂにおいて、電解質は最適な化学量論比を有している。それゆえ、範囲ａおよびｃにおける不十分な電解質の特性のため、現存するプレート電極面は最適に利用されていない。これらの範囲が図示のように明瞭に区切られないことは専門家には明らかである。
また、範囲ａおよびｃにおける化学量論比を改善するために、従来技術から、良好な混合を得るべくバッテリの酸、すなわち、電解質もしくは電解液を循環させることが知られている。この循環は、同時に、バッテリの作用および耐用期間を減ずる沈着物の形成を阻止する。
ドイツ連邦共和国実用新案ＤＥＵ１９１１４９０９において、圧力ガス源からのガスの導入によって電解質循環が強制される、蓄電池バッテリが明らかにされている。かかる装置は、その複雑な構造のために、また特に圧力ガス源を必要としているので、乗り物用バッテリに適していない。
さらに、従来技術は、流体静力学的ポンプと呼ぶことができる電解質循環装置を開示している。図２９ａ、図２９ｂおよび図２９ｃはこの電解質循環装置の原理的な作動方法を示している。図２９ａは、二重に屈曲されたプレート２１を有する、電解質で満たされたバッテリケースの断面図を示しており、そのさいアングル材の一部は電解質の上面を超えて突出している。より望ましい観察のために、プレート電極は図示されてない。乗り物に組み込まれたバッテリケースが一定の速度で移動すれば、すなわち、乗り物がブレーキも掛けず加速もしなければ、電解質の表面は平らでかつ水平である。図２９ｂは、ブレーキ操作の間、慣性質量モーメントのために、電解質が走行方向に波を形成すると共にプレートの縁部の上方部分を超えてはね散ることを示している。そうするとアングル材とケースの壁との間の液体レベルは高いので、図２９ｃによると、電解質は両方の水位が同化するまで下方に流れる。矢印は電解質の流れ方向を示している。
この原理は、例えば、米国特許第４，９６３，４４４号；同第５，０９６，７８７号および同第５，０３２，４７８号明細書に記載されている。しかしながら、本発明の発明者は、従来技術から知られた装置では、最適な電解質混合を実現することが可能ではないことを突き止めた。
発明の開示
本発明の課題は、所要の高いバッテリ性能および耐用期間が主として改良式電解質混合によって達成されるべきである乗り物用液体電解質バッテリの提供に存する。
この課題は、請求項１によるバッテリによって解決される。
請求項１による本発明の利点は、液体電解質循環装置が高い混合度をもたらし、それによりバッテリの性能が本質的に増大されると共に、同時にバッテリの耐用期間が延長されることに存する。液体電解質循環装置は、電解質の沈着物により運動を阻害される可能性のある自由な可動部分を有していない。かくして、この装置は非常に信頼し得るように作動する。さらに、液体電解質循環装置は、非常に安価に製造できかつこのバッテリの製造技術に良好に統合させられうる。従来技術の流体静力学的電解質ポンプとは異なり、この液体電解質循環装置は電解質を下方から上方に汲み上げる。本発明者は、このようにして混合が本質的に改善されることを証明した。濃密な底部の酸が上方に強制されかつ薄い上面の酸と混合されるように電解質循環装置の水平部分を介して流されれば、混合に有利であることは明らかである。
また、請求項１による液体電解質バッテリは、垂直流れチャンネルを形成するためプレート電極の側辺に対して平行に対になって配置されると共に、第１のプレート状要素と一緒にアングル材として一体に構成されている、第２のプレート状要素を備えている。そのため、流れ状態がもっと明確に規定された方法で調整されかつ最適化され得ると共に、容易な取り付けが可能である。
さらに請求項１による液体電解質バッテリにおいては、液体電解質循環装置が、ケース底部に配置されるかまたは該ケース底部に対して近い位置関係において側壁に配置されると共に、加熱に際して電解質の流れを生じるように構成される、加熱要素を有しており、それによる利点は、熱の対流によって、バッテリが僅かだけであるかまたは作動されないとき、混合を生じ、そのさい加熱要素が力強い電解質の流れが発生し得るように配置されるということに存する。
請求項２による液体電解質バッテリにおいては、第１のプレート状要素の上辺部の近くに、電解質の逆流の防止のために第１の逆流防止装置が設けられており、このことは混合を改善する。
請求項３による液体電解質バッテリにおいては、第１の逆流防止装置が第１のプレート状要素の棒状材料突起として形成されており、このことはとくに安価な構造を実現する。
請求項４による液体電解質バッテリにおいては、第１の逆流防止装置が蝶番弁として形成されており、このことは逆流をとくに良好に防止する。
請求項５による液体電解質バッテリにおいては、液体電解質循環装置がケースの両側に配置されており、このことは混合の改善をもたらす。
本発明の他の手段および利点は添付の概略図面に関連する実施例の以下の説明から分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は従来技術による液体電解質バッテリを示す側面長手方向断面図である。
図２は従来技術による開放された液体電解質バッテリを示す平面図である。
図３は、液体電解質バッテリが加速を受け電解質の水位が傾いている、図１に相当する図である。
図４は本発明の第１実施例を示す図である。
図５は加速中の電解質の上面の第１の運動段階を示す図である。
図６は加速後の電解質の上面の第２の運動段階を示す図である。
図７は加速後の電解質の上面の第３の運動段階を示す図である。
図８は本発明の第２実施例を示す図である。
図９は片側だけに電解質循環装置を備えた、本発明による開放された液体電解質バッテリを示す平面図である。
図１０は両側に電解質循環装置を備えた、本発明による開放された液体電解質バッテリを示す平面図である。
図１１は本発明の第３の実施例を詳細に示す図である。
図１２は本発明の第４の実施例を示す図である。
図１３は本発明の第５の実施例を示す図である。
図１４は本発明の第６の実施例を示す図である。
図１５は、循環が加熱により生じる本発明の他の実施例を示す図である。
図１６は、循環が冷却により生じる本発明の他の実施例を示す図である。
図１７は機械的および熱的循環の組み合わせを示す図である。
図１８は機械的および熱的循環の他の組み合わせを示す図である。
図１９は冷却による機械的および熱的循環の組み合わせを示す図である。
図２０は流れスリットを備えたアングル材形状の電解質循環装置を示す図である。
図２１は特別に形成された流れチャンネルに関連してアングル材形状の電解質循環装置を示す図である。
図２２は電解質循環装置の他の形状を示す図である。
図２３は電解質循環装置の他の形状を示す図である。
図２４は電解質循環装置の他の形状を示す図である。
図２５は電解質循環装置の他の形状を示す図である。
図２６は電解質循環装置の他の形状を示す図である。
図２７は電解質循環装置の他の形状を示す図である。
図２８は、異なる酸状態に自動的に適合する、電解質循環装置の他の形状を示す図である。
図２９は一番分かり易い従来技術を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
図１および図２は，側壁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと、ケース底部１ｅと、蓋１ｆとを備えたケース１を有する従来技術による液体電解質バッテリを示している。個々のセル１ｇにはプレート電極２が対になって垂直に配置され、各セル１ｇに、プレート電極２の上辺部２ａよりもほぼ１ｃｍ上方まで液体の電解質３が入っている。
図３は、液体電解質バッテリが加速を受け電解質の水位が傾いている、図１に相当する図である。この状況は、バッテリが、例えばＰＫＷに、プレート電極が、この例において図の平面において左から右へ延びる乗り物の走行方向に延びるように、組み込まれていれば起きる。走っている乗り物が減速もしくは制動されると、電解質の慣性の質量モーメントの結果として、電解質は走行方向におし寄せ、そのことは斜めの水位レベルにより概略的に示されている。走行中、電解質は、取り立てて言うほどの混合を生じることなくプレート電極間で僅かだけ動く。
図４は本発明の第１実施例を示す。第１のプレート状要素４及び第２のプレート状要素６からなるアングル材は、その垂直脚部である第２のプレート状要素６がプレート電極の側辺部に対して平行であるように挿入されている。第１のプレート状要素４であるその水平脚部は、電解質３の水位３ａの近傍においてプレート電極２の上辺部２ａに対して平行である。
上述した減速状況が起きると、水平脚部４が電解質３の上述のおし寄せ運動を阻止する。図５は、電解質に対して上述のアングル材によって強制される運動を略示している。とくに、電解質は、アングル材の垂直脚部とセルの壁との間に形成される垂直の流れチャンネル５内で強く上方に押され、これは上向きの矢印によって略示されている。
図６には、次の期間の状態が示されている。この期間において、波頂３ｂは、既にアングル材の水平脚部上に形成されており、続いて波として矢印方向に流れ、側壁１ｄに再び突き当たり、そして再び電解質の波頂３ｂ（第７図）を形成することができる。この記載から、バッテリケース内のアングル材またはその空間的配置が電解質に対して循環を強制し、そのさい循環は下から上に生じるので、それにより非常に強力な混合が引き起こされることが分かる。長期間の試験は、電解質濃度が範囲ａ，ｂおよびｃにおいてほとんど等しくかつまた正しい化学量論比を有することを明らかにした。そのため、従来のバッテリにおいて部分的にのみ利用可能であった範囲ａおよびｃのプレート電極部分も完全に利用される。
バッテリの性能向上のほかに本発明は多数の他の利点を有している。混合が良好なことは、従来のバッテリにおいては性能の低下および耐用期間の短縮になる、電解質の固い沈着物の形成がないことを確実にする。とくに言及に値することは、本発明によるバッテリの実質上改善された寒冷時始動能力である。
当業者に明らかであることは、本発明によるバッテリが好適な組み込み方向を有しており、そしてこの組み込み方向は電解質が最適に循環されるような方法で選ばれていることである。したがって、ＰＫＷにおいて、バッテリは、プレート電極が走行方向に向けられるように組み込まれねばならない。
図８および図１０〜図１４は本発明の他の実施例を示している。図８は、上述のアングル材にある棒状の突起４ｂを示しており、この突起４ｂは垂直であってもまたは傾斜していてもよい。この突起４ｂは、電解質の迅速な逆流を阻止し、結果的にその混合を改善する。
図９は、６個のセルを有する開放式バッテリの平面図を示しており、各セルに上述のアングル材が各々配置される。
バッテリは、とくにＰＫＷにおいて、制動動作および加速動作により両方向に加速されるので、図１０に示されるように、セル毎に２つのアングル材が対向して組み込まれれば、混合が改善される。同種の動作のため専門家にはさらなる説明は必要としない。
図１１は、電解質の逆流を阻止するための他のおよび／または追加の可能性を示している。上述のアングル材には、図１１に示されるように、弁作用が付与されるように、屈曲し易いプレート８を配置し得る。電解質が流れチャンネル５内を上昇するとき、屈曲し易いプレート８は、壁に当たってそこに固定される、すなわち弁が開放される。電解質が逆流すると、弁は閉じる。構造の詳細および開閉段階は、図１１ａないし図１１ｃに示されており、当業者には追加の説明は必要としない。
図１２は図１１による原理の変形例を示す。この蝶番弁の構造および作用は図面から察知し得る。
図１３は、ＰＫＷのバッテリにおいて走行方向に対向して挿入される、第２の逆流防止装置９を示している。この逆流防止装置９は水平脚部に代えて後方で開放された空間部１０を有している。図７のように、逆流する波が生じると、この波は、傾斜１０ａを越えそして開放された空間部１０により抑止されるので、電解質は垂直脚部６に沿って下方に沈み、その結果、混合が起きる。
強調すべきことは、図示の逆流防止装置９はさらに変更され得るということである。そこで、死角の形成、すなわち不適切な混合が起きる領域の形成を阻止するために、アングル材の例えば特定位置に、通孔を設けることができる。特定のバッテリタイプに対する逆流防止装置の寸法決めは、技術的教示を知った際に当業者に対する発明の働きを何ら必要としない。また、当業者は、本発明において明白に言及しない混合促進手段を必要とするであろう。例えば、バッテリの運動によって強制された流れの中に僅かな流れ抵抗を生じるように、電解質の流れ通路を構造的に設計する利点があり、そのことは、例えばできるだけ滑らかな壁によりかつ渦をそこに形成する突起の回避により、達成される。
図１４には、図１０に基づいて両側に設けられた実施例が示されており、この実施例において、両方のアングル材は孔明きプレート１１を介して互いに接続されている。この実施例は、プレート電極がクランプ又はクリップ式に互いに保持されると共に自動的に容易に取り付けられるので、組立ての観点から利点がある。孔明きの作用は図５を参照することにより当業者に明らかである。
図１５は、電解質の循環が加熱によって引き起こされる、本発明の他の実施例を示している。このために、バッテリケースの下方領域に電気的加熱要素１２が配置されている。その加熱の結果、周囲の電解質も加熱して温度が上がり、その結果、混合を引き起こす。電気的加熱要素１２は、箔片加熱器のような非常に平らなタイプのものが好ましい。当業者は、この電気的加熱要素１２を必要に応じて従来技術から採用することができる。電気的加熱要素１２の動作は簡単であるから、その操作に関するさらなる説明は必要ではない。強調することは、電気的加熱装置１２は、主として電解質の加熱のためだけでなく、混合を引き起こす対流の発生のために設けられるということである。そのため、電気的加熱要素１２は、底面全体にわたって一様に割り当てられるのではなく、できるだけ強力な流れが発生されるように予め定められた位置に配置される。
より高い性能を有する１または複数の電気的加熱要素が設置されるのであれば、プレート電極２の保護のために、該プレート電極２と電気的加熱要素との間に熱保護手段を設けることが必要かも知れない。この熱保護手段は、プレート電極２が熱で損傷する可能性があるので、強く加熱された電解質がプレート電極２と接触するのを確実に阻止する。図１７において、熱保護手段は、第１のプレート状要素４のように寸法決めされることができる平らなプレートとして形成されている。確実でなければならないのは、加熱された電解質が熱保護手段の上方隅部を超えて流れるかまたは該プレートにある開口を通過しうることである。
熱妨害による対流混合の特別な利点は、バッテリが動かされなくてもよいということに存する。低い外気温度に際して、同時に電解質が加熱され、そのことも望ましい。
運転技術の理由からバッテリの加熱が望ましくなければ、図１６に基づいて、対流混合が冷却要素によって引き起こされてもよい。対向方向に延びる対流のため、冷却要素は、バッテリケースの上方の縁部領域に、すなわち、好ましくは電解質水位の下に配置することができる。
図１８は加熱による機械的および熱的循環の組み合わせを示している。機械的混合のためのアングル材の垂直脚部は、熱的混合に際して、同時に熱保護手段として作用する。上方に流れる加熱電解質の流出を可能にするため、垂直脚部は孔４ｃを有している。
図１８の実施例と同様に、図１９は、冷却による機械的および熱的循環の組み合わせを示しており、その構造は図面から容易に察知し得る。冷却のためにペルチェ素子１３が使用されている。このペルチェ素子の作用はすでに説明された内容および図面から明らかである。
図２０には、流れスリット１４を有する混合用のアングル材が示されている。流れスリット１４は異なる電解質レベルに対する流れの状態を改善する。
図２１には、異なる流れチャンネル５ａの形成に適する混合用のアングル材が示されており、図２１ａは該混合用のアングル材の斜視図を示し、図２１ｂおよび図２１ｃは組み込まれたアングル材を平面図で示している。図２１ｃによる配置の場合、Ｕ形状の流れチャンネル断面を生じ、図２１ｂによる配置の場合、２つの対向流れチャンネルを生じる。
図２２は混合プレート（電解質循環装置）４’を示しており、図２２ａにはバッテリの側方向横断面が示されている。混合プレート４’は、プレート電極アセンブリに取り付けられると共に、上述した水平脚部４と同様の方法で、バッテリの中心に対して好ましくは僅かに傾斜している。この実施例において、バッテリの壁はアングル材の垂直脚部６の作用を引き受ける。
図２３および図２４に示された電解質循環装置においては、左右のアングル材が相互に接続されてＵ−またはケース形のユニット１５，１６を形成している。スリット１４は電解質の流入および流出に使用する。
図２５に示された混合用のアングル材は、その垂直脚部６の下方部に、バッテリの中心に向けられた長さＬの水平な脚部１７を有している。この構造的手段により、流れチャンネル５への電解質の導入に際して流れ条件を最適化することができる。脚部１７は、流れ条件が改善されるのなら、孔またはスリットを有することができる。
図２６には、その流れチャンネルが２本の管１８からなる、混合用のアングル材が示されている。
図２７には、図２２と同様の混合用のアングル材が示されている。このアングル材は、プレート電極アセンブリ中へのアングル材の係止を可能にすると同時に該プレート電極アセンブリを機械的に安定させる部分１９を有している。これは単なる構造的特徴に過ぎない。
図２８には、箔状継ぎ手（Foliengelenk）２０を介して垂直脚部６と揺動可能に接続される、可動の脚部４ａを有する混合用のアングル材が示されている。この可動の脚部４ａは電解質の水位３ａの上方に浮いている。この構造は、適切な寸法決めを行った場合、流れチャンネル５を通り上方に流れる電解質の流出を改善し、それにより混合が改善される。
当業者は、構造的および技術的な周辺条件を考慮して、上述した諸実施例の１つを選択するであろうし、また、発明的に活動することなしに、選択した変形例を随意に変更するであろう。
記載された実施例に基づいて、当業者は、本発明の技術的教示を完全に理解することができる。これらの実施例が発明の教示に助けられて当業者によってさらに開発されかつ変更されるかまたは組み合わされ得ることは自明である。それゆえ、詳しく述べられてないかまたは示されていない他の実施例も以下の特許請求の範囲の保護範囲内に含まれる。
【図１】
0004605827.tif 000002
【図２】
0004605827.tif 000003
【図３】
0004605827.tif 000004
【図４】
0004605827.tif 000005
【図５】
0004605827.tif 000006
【図６】
0004605827.tif 000007
【図７】
0004605827.tif 000008
【図８】
0004605827.tif 000009
【図９】
0004605827.tif 000010
【図１０】
0004605827.tif 000011
【図１１】
0004605827.tif 000012
【図１２】
0004605827.tif 000013
【図１３】
0004605827.tif 000014
【図１４】
0004605827.tif 000015
【図１５】
0004605827.tif 000016
【図１６】
0004605827.tif 000017
【図１７】
0004605827.tif 000018
【図１８】
0004605827.tif 000019
【図１９】
0004605827.tif 000020
【図２０】
0004605827.tif 000021
【図２１ａ】
0004605827.tif 000022
【図２１ｂ】
0004605827.tif 000023
【図２１ｃ】
0004605827.tif 000024
【図２２ａ】
0004605827.tif 000025
【図２２ｂ】
0004605827.tif 000026
【図２３】
0004605827.tif 000027
【図２４】
0004605827.tif 000028
【図２５】
0004605827.tif 000029
【図２６ａ】
0004605827.tif 000030
【図２６ｂ】
0004605827.tif 000031
【図２７】
0004605827.tif 000032
【図２８】
0004605827.tif 000033
【図２９ａ】
0004605827.tif 000034
【図２９ｂ】
0004605827.tif 000035
【図２９ｃ】
0004605827.tif 000036