(57)【要約】      （修正有）【課題】攪拌用モータや気泡発生装置といった複雑な機構を用いることなく、鉛蓄電池の電解液の成層化を抑制可能な鉛蓄電池の提供。【解決手段】鉛蓄電池１０１において、極板群１０７の両側面１０７ａと、両側面に対応する電槽側壁間１０８ａ及び前記極板群の底面１０７ｃと電槽底壁間１０８ｂに電解液１１０が流動するのに十分な空間を設ける。そして、極板群上部に設けられた正極ストラップ１０５−負極ストラップ１０６間に、蓋１０９内面から極板群上面１０７ｂの間に設けられ、かつ、電解液面上１１０ａの空間を二分する仕切り壁１１３を設け、かつ分割された空間部を互いに連通する連絡経路１１３ａを仕切り壁の電解液面よりも上方の位置に設ける。【選択図】図２
2007242333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板と負極板とをセパレータを介して積層し、かつ、同極性の極板耳部を接続する正極ストラップ及び負極ストラップを有した極板群が電槽に収納され、
電槽開口部に蓋が装着され、
前記極板群の両側面と、前記両側面に対応する電槽側壁間及び前記極板群の底面と電槽底壁間に電解液が流動するのに十分な空間を有し、
かつ、前記正極ストラップ−前記負極ストラップ間において前記蓋内面から極板群上面の間に設けられ、かつ、電解液面上の空間を二分する仕切り壁を設け、かつ分割された空間部を互いに連通する連絡経路を前記仕切り壁の前記電解液面よりも上方の位置に設けた鉛蓄電池。
【請求項２】
前記仕切り壁を前記蓋より垂下するよう前記蓋に一体に設けた請求項１に記載の鉛蓄電池。
【請求項３】
前記仕切り壁の下端と前記極板群上面とを接合した請求項２に記載の鉛蓄電池。
【請求項４】
前記極板群上面に配置された仕切り壁基部と前記仕切り壁基部より蓋内面に向かって立ち上がる仕切り壁を備えた請求項１に記載の鉛蓄電池。
【請求項５】
前記仕切り壁上端部を前記蓋内面と接合した請求項４に記載の鉛蓄電池。
【請求項６】
前記極板群の両側面と底面にそれぞれ対向する側部と底部を有した収納体に前記極板群が収納され、前記側部と電槽側壁間に電解液流通のための間隙を有し、
かつ前記底部に開口部を設けるとともに、前記底部−前記電槽底壁間に電解液流通のための間隔を確保するよう、前記底部もしくは前記電槽底部の少なくとも一方より他方に向かって足部等の間隔保持のための部材を設けた請求項１〜５のいずれかに記載の鉛蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉛蓄電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉛蓄電池の充電反応は以下の化１によって進行し、充電反応によって正極及び負極で硫酸が生成する。
【０００３】
【化１】
2007242333.tif 000003
【０００４】
正極および負極で生成した硫酸は重力に従って沈降するため、電解液の攪拌が行われない場合、電池下部の硫酸濃度が電池上部に比較して高くなる、いわゆる、成層化現象が生じる。
【０００５】
一方、鉛蓄電池の充電反応は化１の右辺から左辺へ進行する反応であり、放電生成物である硫酸鉛が分解して正極活物質である２酸化鉛、負極活物質である鉛、そして硫酸を生成する。そのため、電解液中の硫酸濃度が低ければ充電反応がし易くなり、逆に、電解液中の硫酸濃度が高ければ充電反応がし難くなる。
【０００６】
また、電池下部では硫酸濃度が高いがために活物質の自己放電が進行しやすく、硫酸鉛が生成しやすい。また、成層化によって電池下部では充電反応が進行し難くなっていることも相まって電池下部に生成した硫酸鉛は充電されづらく、電池下部で充電されない硫酸鉛が蓄積（サルフェーション）し、電池寿命が著しく低下する要因の一つとなっていた。
【０００７】
電解液の成層化を抑制する手段として、例えば特許文献１には、電池内に羽根車を設け、この羽根車を電池出力によって駆動するモータで回転させ、内部の電解液を攪拌し、電解液中の硫酸濃度を上下で均一化することが示されている。
【０００８】
また、特許文献１における従来の技術の例として、電池下部に気泡を排出する吹き込みパイプを配置し、このパイプから排出された気泡の浮力によって、電解液の攪拌を行うことが示されている。
【０００９】
これらの手法はいずれも電解液を直接的に攪拌するため、成層化抑制効果は高いが、羽根車、その駆動用モータや駆動モータと羽根車間の動力伝達機構が必要となったり、電池内へ空気を吹き込むためのファンやこれを駆動する駆動モータが必要となる。その結果、構造が複雑化し、部品点数の増大により電池の価格低減の面で障害となる。
【００１０】
さらには、駆動モータへの電力供給が必要となるため、電池電力を流用する場合には使用可能な電池容量がその分目減りしてしまう。また、外部電源を利用する場合には当然のことながら、外部電源と接続可能な用途でないと、蓄電池を用いることができない。
【００１１】
またさらに、自動車に用いる始動用鉛蓄電池では、互換性の面で電池の寸法形状をＪＩＳ規格やＩＥＣ規格で定められた範囲内とすることが必要不可欠であり、特許文献１のような、外部動力によって電解液攪拌を行う手法の採用は、電池の寸法形状面で極めて困難であった。
【００１２】
一方、特許文献２では、電池充電時に発生するガスを捕集する機構を有し、この捕集ガスの圧力を利用して、電池下部の電解液を上部に還流させ、電解液を攪拌することが示されている。このような機構は駆動用モータや電源が不要なため、比較的安価なものである。
【００１３】
しかしながら、近年では、充電時のガス発生とこれによる電解液の減液を抑制することを目的として、正極および負極の格子体に、Ｓｂを含まないＰｂ−Ｃａ合金を用いることがごく一般的となっており、充電時のガス発生が抑制されるがために、電解液の攪拌効果が低下し、電解液の成層化を解消するのに十分な攪拌効果が得られないという課題があった。
【特許文献１】特開平１１−１８５７３０号公報
【特許文献２】特開平３−２１６９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、簡便安価な構成により、鉛蓄電池の電解液の成層化を抑制するものであり、さらには、成層化によって発生しうる電池容量低下や寿命低下といった性能低下を抑制するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して積層し、かつ、同極性の極板耳部を接続する正極ストラップ及び負極ストラップを有した極板群が電槽に収納され、電槽開口部に蓋が装着され、前記極板群の両側面と、前記両側面に対応する電槽側壁間及び前記極板群の底面と電槽底壁間に電解液が流動するのに十分な空間を有し、かつ、前記正極ストラップ−前記負極ストラップ間において前記蓋内面から極板群上面の間に設けられ、かつ、電解液面上の空間を二分する仕切り壁を設け、かつ分割された空間部を互いに連通する連絡経路を前記仕切り壁の前記電解液面よりも上方の位置に設けた鉛蓄電池を示すものである。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１の構成を有した鉛蓄電池において、前記仕切り壁を前記蓋より垂下するよう前記蓋に一体に設けたものである。
【００１７】
また、本発明の請求項３に係る発明は、請求項２の構成を有した鉛蓄電池において、前記仕切り壁の下端と前記極板群上面とを接合したものである。
【００１８】
さらに、本発明の請求項４に係る発明は、請求項１の構成を有した鉛蓄電池において、前記極板群上面に配置された仕切り壁基部と前記仕切り壁基部より蓋内面に向かって立ち上がる仕切り壁を備えたものである。
【００１９】
また、本発明の請求項５に係る発明は、請求項４の構成を有した鉛蓄電池において、前記仕切り壁上端部を前記蓋内面と接合したものである。
【００２０】
そして、本発明の請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかの構成を有した鉛蓄電池において、前記極板群の両側面と底面にそれぞれ対向する側部と底部を有した収納体に前記極板群が収納され、前記側部と電槽側壁間に電解液流通のための間隙を有し、かつ前記底部に開口部を設けるとともに、前記底部−前記電槽底壁間に電解液流通のための間隔を確保するよう、前記底部もしくは前記電槽底部の少なくとも一方より他方に向かって足部等の間隔保持のための部材を設けたものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、簡便安価な構成により、電解液の成層化が抑制された鉛蓄電池を提供できるという顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の鉛蓄電池１０１では従来のものと同様、正極板１０２と負極板１０３とをセパレータ１０４を介して積層し、かつ、同極性の極板耳部を接続する正極ストラップ１０５及び負極ストラップ１０６を有した極板群１０７が電槽１０８に収納される。なお、図示していないが、本発明では、電解液の減少を抑制するために、正極格子および負極格子に、従来から用いられている、Ｐｂ−Ｃａ合金を用いることができる。
【００２３】
電槽１０８の開口部には蓋１０９が装着される。極板群１０７の両方の側面１０７ａとこの側面１０７ａに対応する電槽側壁１０８ａとの間には間隔を設けることによって、電解液１１０の流動を可能する通路１１１を確保する。
【００２４】
本発明の鉛蓄電池１０１では、正極ストラップ１０５−負極ストラップ間１０６において蓋１０９の内面から極板群１０７の上面１０７ｂの間に設けられ、かつ、電解液面１１０ａ上の空間を空間１１２ａおよび空間１１２ｂに二分する仕切り壁１１３を設け、かつ分割された空間１１２ａ，１１２ｂを互いに連通する連絡経路１１３ａを仕切り壁１１３の電解液面１１０ａに相当する位置よりも上方の位置に設ける。
【００２５】
そして、さらに極板群１０７の底面１０７ｃと電槽底壁１０８ｂ間に電解液１１０が流動するのに十分な通路１１１を確保する。このような通路１１１を確保するために、電槽底壁１０８ｂに突起１１４を設けることができる。また、この突起１１４を極板群１０７側に形成することができる。
【００２６】
次に本発明の鉛蓄電池１０１の作用効果を説明する。本発明の鉛蓄電池１０１を自動車用として用いた場合、車両の走行時に発生する様々な方向の加速度（（１）車両の加速、（２）車両の減速、（３）車両旋回時の向心加速度、（４）車両振動時の加速度）によって電解液面１１０ａが揺動する。
【００２７】
図３に示したように、電解液面１１０ａの揺動によって、一方の空間１１２ａの電解液面１１０ａが破線ｘまで上昇し、もう一方の空間１１２ｂの電解液面１１０ａが破線ｙまで低下した場合、空間１１２ａおよび空間１１２ｂの容積が変化するため、空間１１２ａ内のガスが連絡経路１１３ａを通して空間１１２ｂに移動する。
【００２８】
このような電解液面１１０ａの差が生じる際、図３に示した矢印Ａのような、電解液１１０の流れが生じる。具体的には電解液面１１０ａが下降する空間１１２ｂ側では電解液は電池上部から下部に流れ、電解液面１１０ａが上昇する空間１１２ａ側では、電解液は電池下部から電池上部に流れる。
【００２９】
このような電池上部および電池下部間の電解液の流動によって電解液の攪拌がなされ、成層化が抑制される。
【００３０】
本発明では、仕切り壁１１３を設けることにより、電解液面１１０ａの揺動時に電解液を電池上部−電池下部間で流動させることができる。なお、仕切り壁１１３を設けない場合、電解液面の揺動による電解液１１０の流動は、主に極板群１０７の上面１０７ｂよりも上部の電解液内で発生し、電池上部−電池下部間の電解液流動が殆どなくなるため、電解液攪拌の効果は殆ど得ることができない。
【００３１】
なお、本発明では、電池上部−電池下部間の電解液流動が円滑に行われるよう、極板群１０７の側面１０７ａ−電槽側壁１０８ａ間、極板群１０７の底面１０７ｃ−電槽底壁１０８ｂ間に間隙を設けて電解液の通路１１１とする。なお底面１０７ｃから突起（図示せず）を設けることにより、底面１０７ｃ−電槽底壁１０８ｂ間に間隙を形成することができる。なお、突起に替えて極板群１０７に足部を設ける、あるいはスペーサを配置してもよい。なお、突起、足部あるいはスペーサ等の間隔保持用の部材は、電解液の通路１１１での流動を妨げないよう、少なくとも極板群１０７の厚みにわたって不連続に形成することがより好ましい。
【００３２】
本発明の鉛蓄電池１０１では、電池に加わる加速度により、２つの空間１１２ａ，１１２ｂで、一時的に電解液面１１０ａ間に差が発生し、それとともに電池上部−電池下部間で電解液が流動し、これにより電解液の攪拌が行われる。
【００３３】
一時的に発生した電解液面１１０ａの差は仕切り壁１１３に設けた連絡経路１１３ａを通してガスが移動することによって、減少していく。それにともない、図３において矢印Ｂで示した電池上部−電池下部間の電解液の流動が発生する。これは前記した矢印Ａとは逆方向の流動となる。これにより、電解液の攪拌がさらに行われ成層化がさらに抑制される。
【００３４】
本発明では、電解液面１１０ａの差が解消するときに発生する電解液流動を電池上部−電池下部間に発生させる。仕切り壁１１３がない場合、極板群上部に存在する電解液が主に攪拌され、その攪拌効果は電池上部から電池下部に渡って得られず、成層化抑制効果を殆ど奏さない。
【００３５】
なお、電解液面差の発生時および電解液面差が解消されるときに電池上部−電池下部間で発生する電解液流動をより大きくし、より大きな成層化抑制効果を得るためには、仕切り壁１１３の下端１１３ｂと上面１０７ｂ間の電解液の通過量をより少なくなるような構成をとることがより好ましい。具体的には、下端１１３ｂと上面１０７ｂ間の寸法を極力小さく設定したり、下端１１３ｂと上面１０７ｂとを圧接するよう配置する。また、下端１１３ｂと上面１０７ｂをホットメルト等の接合材を用いて互いに接合し、この間の隙間を塞ぐことによってもよい。
【００３６】
なお、仕切り壁１１３の配置方法として、図２に示したように、仕切り壁１１３を蓋１０９に一体成型し、あるいは仕切り壁１１３と蓋１０９とを個別に成型したのちに互いに接合し、仕切り壁１１３と蓋１０９とが互いに接合された状態で電池組立を行えばよい。
【００３７】
また、他の仕切り壁１１３の配置方法として、図４に示したように、極板群１０７の上面１０７ｂ上に仕切り壁１１３´を載置する構成とすることもできる。この場合、仕切り壁１１３´下部に仕切り壁基部３０１を設ければよい。なお、極板群１０７の上面１０７ｂに仕切り壁１１３´を配置する場合、この仕切り壁１１３´の先端３０２と蓋１０９間の間隙３０３を空間１１２ａ−空間１１２ｂ間の連絡経路とすることができる。
【００３８】
なお、仕切り壁１１３´の先端３０２と蓋１０９間を溶着等により接合する場合、先端３０２に切欠（図示せす）を形成しておき、この切欠を連絡経路としてもよく、仕切り壁１１３´の電解液面１１０ａ上の位置に孔（図示せず）を設けて、この孔を連絡経路としてもよい。
【００３９】
なお、仕切り壁基部３０１と極板群１０７の上面１０７ｂとをホットメルト等の接合材で接合すれば、仕切り壁基部３０１と上面１０７ｂ間の電解液流動がより抑制されるため、結果的に電池上部−電池下部間での電解液流動がより行われ、成層化抑制の効果をより顕著に得ることができる。
【００４０】
また、仕切り壁１１３，１１３´の他の構成としては、図示しないものの、極板群１０７を構成する正極板１０２および負極板１０３と平行な一対の電槽内壁に仕切り壁を固定してもよい。
【００４１】
電解液の成層化およびこれによるサルフェーションの原因としては、充電時に極板より放出された硫酸分が沈降して電池下部が電池上部に比較して電解液の硫酸濃度が著しく高くなり、その結果として、電池下部で活物質中に硫酸鉛が固定化するものであるから、電池上部と下部で硫酸濃度の差を小さくすることが必要である。しかしながら、始動用等の車両に搭載される鉛蓄電池は、車両の動きに合わせて３次元の振動が加わり、電解液に振動エネルギーが与えられるものの、一旦、電池上部と下部で成層化した硫酸濃度差を小さくさせる、あるいは解消することは極めて困難であった。
【００４２】
ところが、前記した本発明の鉛蓄電池によれば、車両振動によって電解液に加えられた振動エネルギーを有効に活用して電解液の攪拌を行うことができる。すなわち、前記した仕切り壁１１３，１１３´の作用により、電池上部−電池下部間で電解液流動を発生させ、これより、電解液を上下間で攪拌し、成層化を抑制するものである。
【００４３】
したがって、車両が走行し、電池に何らかの加速度や振動が加えられている間、電池上部−下部間の電解液の循環が自動的におこる。これによって、電解液の成層化とこれによるサルフェーションを顕著に抑制し、さらにはサルフェーションに起因する電池の容量劣化や寿命低下を抑制するという顕著な効果が得られる。
【００４４】
本発明のさらに好ましい実施形態としては、前記した構成に加えて、図５に示した、極板群１０７の両側の側面１０７ａと底面１０７ｃにそれぞれ対向する２つの側片４０１と底片４０２の３面からなるＵ字型の収納体４０３に、極板群１０７を収納し、その状態で電槽１０８に収納することができる。
【００４５】
なお、底片４０２には、開口部４０２ａを有し、かつ底片４０２に足部４０４を設けることにより、極板群１０７の底面１０７ｃと電槽底壁１０８ｂ間に電解液流動のための通路１１１を設けることができる。なお、足部４０４に替えて電槽底壁１０８ｂに突起（図示せず）を形成し、この突起により、底面１０７ｃと電槽底壁１０８ｂ間に電解液流動の通路１１１を確保してもよい。なお、足部や突起でなくとも、電解液の通路１１１を確保できればよいので、例えば、スペーサを配置してもよい。足部４０４や突起あるいはスペーサといった間隔保持用の部材は、電解液の通路１１１での流動を妨げないよう、少なくとも極板群１０７厚みにわたって不連続に形成することがより好ましい。
【００４６】
なお、電池充電時に発生し、電池下部に沈降する硫酸を底面１０７ｃと電槽底壁１０８ｂ間の電解液流動の通路１１１に導出するため、底片４０２には開口部４０２ａを設けることが好ましい。
【００４７】
前記した収納体４０３を用いることにより、電槽側壁１０８ａ−側面１０７ａ間での電解液流動が側片４０１で整流されるため、より電解液の上下間の攪拌を効率的に行うことができる。
【００４８】
なお、側片４０１には電解液の上下の流動を大きく妨げない程度の孔４０５を選択的にを設けることができる。これにより電槽側壁１０８ａ−側面１０７ａ間の電解液を孔４０５を介して極板群１０７に取り込まれるため、極板群１０７への電解液拡散がより良好となる。
【００４９】
さらには、極板群１０７の特に成層化によってサルフェーションが生じやすい下部に対応し、側片４０１に開口部４０１ａを設けることができる。極板群下部では電解液中の硫酸濃度が上部に比較して高くなる。このような硫酸濃度が高い電解液は、電池上部−電池下部間の電解液流動が発生した際に、負圧により、極板群１０７から収納体４０３外に排出されるため、より成層化抑制効果を高めることができる。
【００５０】
前記した本発明の構成によれば、電池に加えられた加速度によって生じた電解液の振動エネルギーを用いて電池上部−電池下部間の電解液攪拌を行うため、特許文献１で示されたような攪拌回転羽根やこれを駆動するモータ、さらにはモータ用の電源が不要となる。また、本質的に仕切り壁１１３，１１３´によって本発明の作用効果を得ることができるため、機構的にも簡便であり、その結果として成層化が抑制された鉛蓄電池を安価に提供することができる。
【実施例】
【００５１】
前記した実施形態において図２に示した構成を有した本発明による電池Ａ、図３に示した構成を有した本発明による電池Ｂおよび、電池Ａにおいて、図４に示した収納体４０３を付加的に用いた電池Ｃを作成した。また、従来例として電池Ｂにおいて、仕切り壁１１３´を除去した電池Ｄを作成した。なお、これらの各電池は３４Ｂ１９形の始動用鉛蓄電池であり、各電池で極板群は全く共通のものを用いている。
【００５２】
上記の各電池を静置状態で充放電し、電池内部の電解液を意図的に成層化させ、その後、電池に振動を加えることによって、成層化がどの程度まで解消されるかの評価を行った。
【００５３】
充放電後の成層化の状態を確認するために、電池上部と下部の電解液をサンプリングし、その密度を測定した。その後、各電池を加振機に実装して、２乗平均加速度（ＲＭＳＧ）が３．２Ｇで電池の上下、左右および前後の３軸で各軸５分のランダム加振を行うサイクルを４サイクル行った後、再度、各電池内にスポイトを挿入して電池上部と電池下部の電解液をサンプリングした。加振前後の電解液密度と、電解液密度の変化量を表１に示す。なお、電解液密度はすべて２０℃換算値である。なお、希硫酸電解液の密度と電解液濃度とは一義的な相関があるため、電解液濃度測定に替えて電解液密度測定を行った。
【００５４】
【表１】
2007242333.tif 000004
【００５５】
表１に示した結果から、本発明によれば、電池に振動を加えることによって、電解液の攪拌が行われ、電解液密度の上下差がほぼ解消されていることがわかる。一方、従来例によるものは、本実施例の振動によっては電解液密度の上下差が殆ど解消されていないことがわかった。
【００５６】
なお、本発明の電池Ａ〜Ｃの加振後の電解液密度差のレベル（０．０２〜０．０３ｇ／ｃｍ3）であれば、実使用において、サルフェーションによる容量劣化や寿命低下を生じる可能性は極めて少ない。一方で、従来例の電池Ｄのレベル（０．１４ｇ／ｃｍ3）の場合、サルフェーションが進行し、早期に容量劣化や寿命低下が進行する。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、電解液の成層化を抑制できることから、主に自動車用の液式鉛蓄電池に極めて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】極板群を示す図
【図２】本発明の鉛蓄電池を示す図
【図３】他の本発明の鉛蓄電池を示す図
【図４】収納体を示す図
【図５】好ましい本発明の鉛蓄電池を示す図
【符号の説明】
【００５９】
１０１    鉛蓄電池
１０２    正極板
１０３    負極板
１０４    セパレータ
１０５    正極ストラップ
１０６    負極ストラップ
１０７    極板群
１０７ａ  側面
１０７ｂ  上面
１０７ｃ  底面
１０８    電槽
１０８ａ  電槽側壁
１０８ｂ  電槽底壁
１０９    蓋
１１０    電解液
１１０ａ  電解液面
１１１    通路
１１２ａ  空間
１１２ｂ  空間
１１３    仕切り壁
１１３´  仕切り壁
１１３ａ  連絡経路
１１３ｂ  下端
１１４    突起
３０１    仕切り壁基部
３０２    先端
３０３    間隙
４０１    側片
４０１ａ  開口部
４０２    底片
４０２ａ  開口部
４０３    収納体
４０４    足部
４０５    孔
【図１】
2007242333.tif 000005
【図２】
2007242333.tif 000006
【図３】
2007242333.tif 000007
【図４】
2007242333.tif 000008
【図５】
2007242333.tif 000009