(57)【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た極板群と、極板群を収納する電槽と、電槽の開口部を覆う蓋とを備え、前記極板群は蓄電池外部端子に接続される鉛合金の極柱もしくは隣接する極板群と接続する鉛合金の接続体を備え、前記極柱もしくは前記接続体は鉛合金の棚部を介して正極板の耳部もしくは負極板の耳部に接合された密閉形鉛蓄電池において、正極側の前記棚部において少なくとも極柱もしくは接続体との接合部における鉛合金結晶は正極板の耳部の長手方向に沿って形成したことを特徴とする密閉形鉛蓄電池。
【請求項２】
前記の正極板の耳部はその長手方向が垂直方向となるよう正極板の上辺から突出して設けたことを特徴とする請求項１に記載の密閉形鉛蓄電池。
【請求項３】
前記の正極側の棚部と前記接続体もしくは極柱との接合部は１．０ｗｔ％以上の錫を含有する鉛合金を用いたことを特徴とする請求項１あるいは２のいずれかに記載の密閉形鉛蓄電池。
【請求項４】
前記正極板に用いる正極格子体として錫を１．０ｗｔ％以上含有する鉛−錫−カルシウム合金を用いたことを特徴とする請求項３に記載の密閉形鉛蓄電池。
【請求項５】
前記正極格子体として複数のスリットを形成した鉛合金圧延シートを展開伸張して形成して実質的に耳部の長手方向の枠骨のないエキスパンド格子体を用いたことを特徴とする請求項４に記載の密閉形鉛蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に通信機器や無停電電源装置等の非常用バックアップ電源に用いられる密閉形鉛蓄電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バックアップ用の密閉形鉛蓄電池は、放電容量が所定の値まで低下し寿命に達した後も交換されずに連続使用される場合がある。このとき、バックアップ電源に用いられる密閉形鉛蓄電池は常時トリクル充電により充電され、過充電状態となり、正極格子体が酸化腐食を受けて体積膨張してしまう。このような正極格子体の膨張によって正極板が上下及び左右に伸び、電槽を圧迫することによって電槽が変形したり亀裂が発生するものである。また、特に正極板の上方向の伸びは負極棚部と正極板との短絡を引き起こす。この短絡により電池電圧は低下するが、一般にトリクル充電においては定電圧充電が行われているために電池電圧の低下は充電電流の増加を招いて、さらに過充電を進行させることがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような場合には、正極板が膨張し電槽を圧迫することにより電槽が変形したり、微少な亀裂が生じて漏液を引き起こすことがある。また、膨張した正極板が負極棚部等の負極部材と短絡する場合もある。
【０００４】
このような正極板の膨張による電槽変形・亀裂や、正極板と負極棚部との短絡を抑制するには正極板寸法を小さくして正極板と電槽内壁、あるいは正極板と負極板棚部との間隔を大きくすることが行われるが、このような方法によれば正極板の寸法を小さくするため電池容量の低下が避けられないものであった。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するもので、従来の密閉形鉛蓄電池と比較して電池容量を低下させることなく、正極板の膨張に起因する電槽の変形や亀裂また、正極板と負極棚部との短絡を抑制することにより信頼性を高めた密閉形鉛蓄電池を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は正極板と負極板とをセパレータを介して積層した極板群と、極板群を収納する電槽と、電槽の開口部を覆う蓋とを備え、前記極板群は蓄電池外部端子に接続される鉛合金の極柱もしくは隣接する極板群と接続する鉛合金の接続体を備え、前記極柱もしくは前記接続体は鉛合金の棚部を介して正極板の耳部もしくは負極板の耳部に接合された密閉形鉛蓄電池の、正極側の前記棚部において少なくとも棚部と前記接続体もしくは前記極柱との接合部の鉛合金結晶は正極板の耳部の長手方向に沿って形成したことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は正極板の耳部はその長手方向が垂直方向となるよう正極板の上辺から突出して設けたことを特徴とするものであり、接合部の鉛合金結晶は垂直方向とするものである。
【０００８】
請求項３に記載の発明は請求項１もしくは請求項２の構成による密閉形鉛蓄電池において正極側の棚部と接続体もしくは極柱との接合部は１．０ｗｔ％以上の錫を含有する鉛合金を用いたことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４に記載の発明は前記正極板に用いる正極格子体として錫を１．０ｗｔ％以上含有する鉛−錫−カルシウム合金を用いたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５に記載の発明は請求項４に記載の構成による密閉形鉛蓄電池において正極板に用いる正極格子体として複数のスリットを形成した鉛合金圧延シートを展開伸張して形成し、実質的に耳部長手方向の枠骨のないエキスパンド格子体を用いたことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による密閉形鉛蓄電池を図面を用いて説明する。図１は本発明による密閉形鉛蓄電池の極板群を示す図である。正極板１はセパレータ３を介して負極板２と積層される。正極板１および負極板２はそれぞれ鉛合金からなる正極格子体（図示せず）と負極格子体（図示せず）に鉛粉（鉛及び鉛酸化物の混合粉体）にリグニン、硫酸バリウム、合成樹脂繊維等の所定の添加物を添加し、水および希硫酸で練合した活物質ペーストを充填して熟成乾燥したものである。
【００１２】
正極格子体および負極格子体にはそれぞれ正極耳部４、負極耳部５が設けられている。正極耳部４および負極耳部５は同極性の耳部同士が集合溶接されて正極棚部６、負極棚部７が形成されている。これらの棚部には極板群から蓄電池外部へ端子を取り出す正極柱８、負極柱９が接続されるか、隣接する極板群と接続する接続体（図示せず）がそれぞれの極性の棚部に接続されている。
【００１３】
本実施の形態においては、正極棚部６において正極棚部６と正極柱８もしくは接続体（図示せず）との接合部６ａの鉛合金結晶が、図２に示すように正極耳部４の長手方向に沿って配向した構成とするものである。このような構成によれば正極板が膨張して耳部がその長手方向への応力により正極棚部を圧迫することにより、接合部６ａには応力方向（耳部の長手方向）に沿った結晶粒界９が形成されているので、この結晶粒界９で滑りが発生し、接合部６ａが破断されて極板群の接続が遮断される。またこのような結晶粒界９を耳部の長手方向とするには結晶１０を耳部の長手方向に配向することが必要である。
【００１４】
このように、本実施の形態によれば極板群の接続を遮断することにより充電電流が遮断されるので正極板１が負極棚部７と短絡する以前に正極板１の膨張を停止することができる。また同様に正極板１による電槽内壁（図示せず）の圧迫を防止して電槽の変形や亀裂の発生を抑制することができる。
【００１５】
ここで接合部６ａの結晶の方向を耳部の長手方向（図１の構成においては垂直方向）に沿って形成させるためには接合部６ａを溶接により形成する際の冷却方向と冷却速度をコントロールすることが必要であり、例えば接合部６ａの垂直方向に結晶成長させるために接合部の上面もしくは下面のいずれかもしくは両方を側面より冷却する必要がある。例えば接合部を形成する際に用いる鋳型の冷却水用の配管を接合部の上面もしくは下面に隣接した位置に配置する、もしくは接合部の側面に対応する鋳型面を粗面処理等により熱伝導性を低下させて、相対的に上下方向での冷却がより速い速度で進行させることも可能である。
【００１６】
また、接合部６ａの結晶をある方向に優先的に配向させるためには接合部の鉛合金中に錫を１．０ｗｔ％以上添加することが好ましい。また正極格子体に用いる鉛合金としては錫を少なくとも１．０ｗｔ％以上含有する鉛−錫−カルシウム合金が好ましい。このような鉛合金は強度も大きく膨張速度も低い。よって、接合部６ａが破断する程度に応力が発生した場合における正極の膨張量をより小さくできるので、正極板寸法をより大きくしても必要な正極板−電槽内壁間距離あるいは正極板−負極棚部間距離を確保することができ、電池設計上、有利である。
【００１７】
また正極格子体としては耳部の長手方向への枠骨がないエキスパンド格子体を用いることが有効である。このようなエキスパンド格子体は耳部長手方向に優先的に膨張するからである。よって、正極板−電槽内壁間距離をより小さくとることが可能となる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。図１は本実施例による密閉形鉛蓄電池の極板群を示す図であり、０．０８ｗｔ％カルシウムと種々の含有量の錫を含む鉛−錫−カルシウム合金を用いて幅４０ｍｍ×高さ７０ｍｍ×厚み３．５ｍｍの正極格子体を鋳造法とエキスパンド法によって作成しいずれも実施の形態で記載した活物質ペーストを充填し、熟成乾燥して正極板とした。負極板２については幅４０ｍｍ×高さ７０ｍｍ×厚み２．６ｍｍのエキスパンド格子に活物質ペーストを充填し、熟成乾燥したものを用いた。エキスパンド格子体は耳部の長手方向、本実施例においては正極板の左右両側部に縦枠骨のない形状のものである。
【００１９】
これらの正極板１の３枚と負極板２の４枚とをガラスマットからなるセパレータ３を重ね合せた後、正極板１の正極耳部４を櫛状の鋳型に挿入し、この耳部の上に足し鉛を配置するとともに耳部に隣接して正極柱部品を配置した後、この足し鉛を用いて酸素−水素ガスバーナーで溶接し正極棚部６とした。この正極棚部６には外部端子と接続される正極柱８もしくは隣接する極板群との接続端子となる接続体（図示せず）が一体に設けられている。負極棚部７も同様にして作製し、極板群を作製した。この極板群を６個電槽に入れ、電解液である希硫酸を注入後充電して１２Ｖ６．５Ａｈの密閉形鉛蓄電池を作製した。なお、正極板１の幅と伝送内壁との空間は、一般的に用いられている正極板幅の６％とし、また正極板１の上辺と負極棚部までの寸法も正極板高さの６％に設定した。
【００２０】
この１２Ｖ６．５Ａｈの密閉形鉛蓄電池を表１に示す構成で作製した。正極格子合金中の錫濃度を従来の０．６ｗｔ％から１．０、および１．６ｗｔ％に変化させた。また正極格子体としては前記した鋳造法による正極格子もしくはエキスパンド法による正極格子を用いた。正極棚部６の溶接に用いる足し鉛としては錫濃度を０．５、０．８、１．０および２．５ｗｔ％を含む鉛−錫合金を用いた。
【００２１】
【表１】
0004221822.tif 000002
【００２２】
なお、正極棚部６における正極柱８との接合部６ａの鉛合金結晶が正極耳部の長手方向、すなわち垂直方向に成長するよう、棚部を作製する時の鋳型の冷却部、すなわち冷却水配管を棚部の下面に配置し、冷却水を流しながら棚部を溶接した。このようにして作製した正極棚部の特に極柱との接合部についてその結晶状態を観察した。
【００２３】
密閉形鉛蓄電池のトリクル充電寿命の評価としては６０℃の雰囲気中で１３．８Ｖ定電圧でトリクル充電を行い、２週間毎に０．２５ＣＡ放電で容量を確認して初期の１／２に低下した時点で寿命としたが、試験自体は電槽変形や正極板と負極棚との短絡が発生するまで継続した。なお、電槽の変形等の以上は目視で観察し、充電電流を記録計で監視することにより、急激に充電電流が増加した場合は電池内部短絡、充電電流が０となった場合には断線と判断し、試験終了して電池分解評価を行った。電池分解評価では電池の内部短絡や正極棚部と正極柱との断線状態や正極板と電槽内壁との余裕率を測定した。余裕率は電槽内壁−正極板間の寸法の試験前の正極板幅である４０ｍｍに対する百分率とした。これらの結晶状態の観察結果とトリクル充電寿命評価結果と電池分解結果を表２に示す。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
表１及び表２に示した結果から、正極棚部の極柱との接合部での結晶状態を耳部の長手方向とすることにより、電槽の変形・亀裂や正極と負極との短絡をする以前に正極棚部６における正極柱との接合部で結晶の方向に沿った結晶粒界でのすべりが発生して、正極棚部と正極柱との接続が遮断されて正極板の膨張が停止することがわかった。
【００２６】
また、正極棚部の合金組成としては１．０ｗｔ％以上の錫を含有する鉛−錫合金であることが好ましい。この組成によれば耳部の長手方向、すなわち、本実施例では垂直方向に結晶を容易に成長させることができ、より電槽の変形・亀裂や短絡の発生する以前に確実に正極棚部と正極柱部との接続を遮断することができる。
【００２７】
正極の格子合金組成としては１．０ｗｔ％以上の錫を含有する鉛−カルシウム−錫合金が好ましい。１．０ｗｔ％未満の錫含有量の場合、正極格子の伸びが発生しても正極格子自体の強度が弱い。このような場合、格子の伸びにより発生する応力は格子自体の変形により緩和され、応力が正極棚部に有効に伝達されず、正極棚部と正極柱との接続が遮断されない。１．０ｗｔ％以上の錫を含有する鉛−カルシウム−錫合金を正極格子体に用いた場合には格子の強度が十分に確保されているため、格子の膨張による応力が格子自体の変形によって緩和されることなく、正極棚部と正極柱に垂直方向の応力が伝達され、この部分での遮断が行われ、充電を停止してこれ以上の蓄電池の過充電を防止することができる。よって、１．０ｗｔ％以上の錫を含有する鉛−カルシウム−錫合金を正極格子体として用いた場合により確実に正極棚部と正極柱部との接続を遮断できる。
【００２８】
また、このことにより、正極板と電槽内壁間の寸法や正極板と負極棚部との寸法をより小さく、すなわち正極板の寸法をより大きくできることから電池容量を確保する上で有利である。正極格子体の製法としては鋳造格子体よりもエキスパンド格子体の方が正極板の膨張方向を耳部の長手方向に優先することができるために、より好ましい。
【００２９】
エキスパンド格子体は側部に格子枠骨が存在しないために格子の伸びは耳部の長手方向にほぼ限定されることから、正極棚部と正極柱との間の接続が遮断された時点では電槽内壁と正極板の寸法が依然として広く確保されていることから電槽変形・亀裂に対してより安全な構成を得ることができる。またこのことは前記したように電槽内壁と正極板との間の寸法を小さくすることができ、蓄電池の高容量化や小型化に結び付けることが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明による密閉形鉛蓄電池は寿命を過ぎて使用されることにより過充電となっても正極棚部と正極柱部での接続を遮断してさらに過充電された場合に発生する正極板の膨張とこれにより電槽内壁の変形・亀裂あるいは正極板と負極板との短絡を防止することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による密閉形鉛蓄電池の極板群を示す図
【図２】本発明の一実施形態による密閉形鉛蓄電池の正極棚部での正極柱との接合部の鉛合金結晶状態を示す図
【符号の説明】
１    正極板
２    負極板
３    セパレータ
４    正極耳部
５    負極耳部
６    正極棚部
６ａ  接続部
７    負極棚部
８    正極柱
９    負極柱
１０  結晶粒界
１１  結晶
【図１】
0004221822.tif 000004
【図２】
0004221822.tif 000005