JPH0157463B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は蓄電池内における液体電解質の成層化
を除去することに関し、さらに詳細には、より稠
密な電解質をセルの下方部分から上方部分まで移
動させるように圧縮空気を印加することにより電
池セル内で電解質を循環せしめるための改良され
た装置に関するものである。

電池の技術分野では、セルのサイクル時に二次
セル内における液体電解質の成層が不可避的に生
じ、セルの底により稠密で濃度の高い電解質が沈
澱することになることがよく知られている。鉛・
酸セルにおいては、そのような成層によつて底部
においてより高濃度となる酸電解質がセルの下方
部分において電極板の腐蝕を事実上生ぜしめるこ
とになる。この腐蝕はセルのサイクル寿命（放
電・充電サイクルの回数）に対して直接悪影響を
及ぼし、最悪の場合には、セルの底に腐蝕された
極板材料が蓄積し、それによつて隣接陽極板と陰
極板との間に短絡を生ぜしめることになりうる。

電解質の成層を防止するかあるいはそれを軽減
するためには、機械的なミキサあるいは撹拌器や
液圧または空気圧式の循環方式および装置等のよ
うな多数の装置が用いられている。しかしなが
ら、機械的なミキサは厄介で複雑かつ高価である
がために実用性に欠けるのが常である。それより
も能率的でかつ価格の点でも有利な液圧式および
空気式の方式が開発されてはいるが、種々の重大
な欠点があるがため、商業的に実用化されるには
至つていない。

例えば米国特許第3166447号、第3247024号およ
び第3664876号には、外部のまたは独立の溜めか
らのある容積の電解質が閉塞通路内においてセル
中を循環せしめられる電解質循環方式が開示され
ている。これらの方式ではすべて、セル内に入つ
ている電解質以上の相当な付加的な容量の電解質
が必要とされ、その電解質を保持するために必要
とされる溜めのために、電池パツケージの全容積
が相当に大きくなる。さらに、液体電解質を循環
させるのに必要とされるポンプが相当な電力を消
費する。

米国特許第2584117号、第3040116号および第
3083253号に例示されている他の方式では、表面
よりも下方において電解質に気泡を導入するため
に圧縮空気が用いられ、その気泡が、表面に上昇
するにつれ、セルの底部から頂部により稠密な電
解質を運搬する。これらの方式は非常に能率的で
あり、かつ一般的に軽量であり、空間が小さくて
すみ、しかも液体ポンプ循環方式よりも消費電力
が少ない。しかしながら、これらの方式には、電
解質表面において釈放される気泡によつても電解
質がある程度その表面よりも上方における空気中
に分散せしめられるという重大な欠点がある。こ
の現在は「ミステイング」（misting）と呼ばれる
こともあり、これによつてセル内に電解質の欠乏
が生ぜしめられる。

電解質中に空気を導入することなしに空気圧力
によつて電解質を循環せしめる１つの従来技術の
試みが米国特許第3290176号に開示されている。
その米国特許に開示されている装置では、溜めの
頂部における開口からセルの上方部分に空気圧に
よつて電解質を押し込むことと、その空気圧が釈
放されるとともに同じ開口を通じて電解質を溜め
に復帰せしめることとが交互に行なわれる。しか
しながら、セルの底部から稠密な電解質を直接循
環せしめることは行なわれないどころか、電解質
レベルが開口よりもずつと下方に低下しても電解
質を循環せしめるための手段も設けられていな
い。

本発明は、セル内の電解質中に空気を導入する
ことなしに圧縮空気を印加することによつてセル
内の液体電解質を積極的に循環させる新規な装置
を提供するものである。溜めからセルの上方部分
まである容積の電解質をポンプで送るためにその
溜め内の電解質に圧縮空気のパルスが印加され
る。それらのパルス間において、稠密な電解質が
静水圧によつて溜め内に押し込まれ、次のパルス
のためにその溜めを再び充満せしめる。圧縮空気
回路内のアキユムレータがパルスの間に小さい空
気ポンプによつて充填され、所要の空気流速が生
ぜしめられ、かつ大型の重い空気ポンプの必要が
回避される。

図面において、第１図は電解質循環装置１０が
装着されている電池の１つのセルの断面を示して
いる。その循環装置はセル隔壁１２間において電
池容器の側壁１１に対接して存在しておりかつ容
器の底１３からカバー１４まで垂直方向に延長し
ている。この装置は、鉛・酸電池に用いられる場
合には、ポリプロピレンまたは硫酸電解質による
腐蝕に対して抵抗力を有する他の任意適当な材料
でブローモールド法または同様の方法によつて都
合よく形成されうる。

第１図、第２図および第３図に示された好まし
い実施例においては、循環装置１０は、細長いま
たはだ円形の横断面を有しかつ実質的に装置の全
長にわたつて延長している電解質溜め１５を具備
している。この溜め１５に隣接しかつそれに対し
て一般的に平行に延長して、溜めよりも実質的に
小さい面積の円形横断面を有する電解質取出導管
１６が設けられている。溜め１５と取出導管１６
は、それらの下端において、溜め１５の横断面か
ら取出導管１６の横断面に向つてテーパ状に細径
となる横断面を有する平滑な遷移領域１７を形成
する連通部を介して流体連通している。溜めと取
出導管は一体的な中間フランジ１８によつて分離
されており、かつ溜めと、遷移領域１７と、取出
導管は一体的な外部フランジ１９によつて包囲さ
れている。

溜め１５の上方部分は、頂部が円筒状のガス開
口２１に開放した拡大室２０を有している。ガス
開口の上端は、後述するガス供給系統に連結する
ための電池カバー１４における穴を通じて開放し
ている。

取出導管１６の頂部の近傍に取出開口２２が設
けられている。この取出開口は任意適当な形状を
有していてもよいが、取出導管１６の横断面にほ
ぼ等しい面積を有していることが好ましい。

溜め１５と取出導管１６との間の遷移領域に
は、電解質取入口２３が設けられている。この電
解質取入口は前記遷移領域の壁に形成された穴で
あり、それは軸線を垂直方向に対し鋭角をなして
配向せしめられた状態で一般的に上方に開放する
ように配置されている。

第１図および第３図に最もよく示されているよ
うに、循環装置１０は非常に狭い輪郭を有してお
り、セルの幅にまたがつており、かつ電池極板と
セパレータのサンドイツチ状積み重ね（全体とし
て数字24で示されている）の縁端から隣接離間さ
れて配置されている。極板とセパレータは典型的
な公知の構造を有しうるものであり、それらの下
部縁端が容器底１３と一体的に成形された一連の
垂直支持体２５上に載置されるようにしてセル内
に配置されている。極板とセパレータの上部縁端
は、公知の電池製造技術に従つて、セル間および
端子接続と陽極板および陰極板接続のための空間
を確保するために容器カバー１４から離間されて
いる。極板とセパレータが装着されて後に、循環
装置１０がセル内の所定位置に滑り込まされ、そ
して各セル隔壁１２から一体的に延長している傾
斜リブ２６によつて外部フランジ１９の両対向面
に加えられる力によりしつかりと保持される。リ
ブ２６は容器底１３から室２０の下表面まで垂直
に延長していることが好ましい。循環装置１０の
本体は全セル容積のうちの非常に小さい部分しか
占有しておらず、拡大された上部室２０は極板と
セパレータの上部縁端上を延長している。従つ
て、有効極板面積の損失が非常に小さい。

電池セルには極板・セパレータ積重ね体２４を
被うのに十分な正常レベル２７まで電解質が充填
される。その電解質は取入口２３を通じて循環装
置に入る静水圧の正常な作用によつて流動し、溜
め１５と取出導管を前記レベル２７まで充満す
る。電解質を周期的に循環させるために、加圧さ
れたガス（好ましくは空気）のパルスがガス開口
２１を通じて溜め１５内の電解質の表面に印加さ
れる。電解質はある程度取入口２３から流出する
ように押し出されることもあるであろうが、取入
口が取出開口２２よりも実質的に小さいのでその
取出開口よりもはるかに大きい抵抗を電解質の流
れに与えるがために、溜めからの電解質の全体の
流れのうちのはるかに大きい部分が取出開口２２
を通ることになるであろう。

加圧されたガスのパルスの存続期間は、電解質
の流れを、溜め１５から、溜め１５の底の近傍で
あるが遷移領域１７よりも上方の、特に電解質取
入口２３および取出導管１６の下端よりも上方で
あることが重要である第２の電解質レベル２８ま
でに制限するように制御される。溜めからの流れ
をこのように制御することによつて、ガスは取入
口２３から逃げることも取出導管１６に入ること
もできず、これによつてセル内の電解質または取
出導管１６内の電解質の何れの中にもガス気泡が
形成されることが阻止される。

溜め内の電解質に印加されるガスのパルスは、
取出開口２２から水平方向にかつ極板・セパレー
タ積重ね体２４上におけるセルの長さの実質的な
部分を横切つて電解質を排斥するのに十分なだけ
高い圧力を有していなければならない。あるい
は、取出開口は垂直方向に配置されるかあるいは
正常な電解質レベル２７よりも下に沈没せしめら
れていてもよいが、そのようにした場合には、電
解質の循環は効果的であるとは認められなかつ
た。また、取出開口２２からの放出は、その取出
開口内に逆止弁を装着することによつて取入口２
３を通る逆流を阻止することにより増大せしめら
れうる。しかしながら、取入口を通る少量の逆流
を許容することにより少なくとも２つの有利な効
果が得られ、これらの効果があいまつて、逆流を
完全に制限することにより得られる効果を相当に
うわまわるのである。第一に、取入開口が小さい
（好ましくは0.10インチまたは2.5ミリメートル）
ので、その取入開口がセルの底に不可避的に蓄積
する沈澱物で詰まることがありうるが、逆流が取
入口の清掃を助長することになる。第二に、特に
本発明の好ましい実施例におけるごとく上方に方
向づけられた場合には、逆流がセル内における電
解液の全体的な循環を向上せしめることが認めら
れた。

加圧されたガスのパルスが消えると、溜め内の
圧力は、ガス開口２１を通じて大気に通気するこ
とにより緩和される。その通気と同時に、セル内
の正常な電解質レベル２７と溜め内の第２の電解
質レベル２８との間の差圧力ヘツドによつて、電
解質がそのセルから取入口２３を通つて流動せし
められ、溜め１５をレベル２７まで再び充満す
る。勿論、取出導管１６内のレベルも同じレベル
２７にもどる。

上述の説明から容易に理解されるように、溜め
に対する加圧と通気とを交互に行なうことによ
り、その溜めから電解質が、稠密度がより小さく
より軽い電解質が通常存在しているセルの上方部
分に送り出され、溜めにセルの下方部分からの稠
密度がより大きく、より重い電解質が再び充満さ
れる。さらに、取出開口２２からの流れの容量と
速度は、より濃度の高い電解質がセル内における
電解質の実質的に全表面にわたつて放出され、そ
こからその電解質が極板・セパレータ積重ね体２
４間において自然に下方へと流動しうる。

溜めと取出導管は常により稠密な電解質を再充
満されかつその電解質を入れられているから、取
出導管１６は溜め１５との流体連通に限定される
こともそれらの下端に近接していることも必要で
はない。というより、取出導管は、第２の電解質
レベル２８が流体連結または連通手段まで低下し
ないかぎり、任意のレベルにおいて溜めへの連結
を通じて電解質の流れを受取りうる。溜めと取出
導管との間における放出容量を減少せしめること
なしにそれらの間の流体連通を増大せしめる（従
つて取出導管の長さを実効的に減少せしめる）１
つの手段は、溜めの頂部における室２０の容積を
増大せしめることであろう。そのように室容積を
増大せしめれば、電解質レベル２７および２８間
により小さいパルス端差をともなつて同等の容積
の電解質が送り出されうる。それに対応して、取
入口２３もそれの好ましい場所からある程度上昇
せしめられうるが、正常なレベル２７と第２のレ
ベル２８（この第２のレベルは好ましい実施例の
場合のものより高い）との間の差圧力ヘツドがよ
り低いがために、溜め再充満時間とより高いレベ
ルにおいて取入れられる電解質の密度がある程度
犠牲になされることになるであろう。

他方、室２０を完全に除去し、全長にわたつて
均一な横断面を有する溜めを設けてもよい。しか
しながら、溜めからガス開口２１までの遷移を与
えるには室２０を用いるのが便利でかつ実際的で
あり、その場合、ガス開口２１は容器カバー１４
に対する連結を助長するために溜めからある程度
横方向に偏倚されている。

取入口と取出開口の寸法は電解質の取出流を最
大にするという主目標に基づいて選択される。し
かしながら、同時に、取入開口が電解質内の固体
物で容易に詰まつてしまうことがなくかつ相当に
迅速さをもつて溜めを再充満せしめるのに十分な
だけその取入開口を大きくすることに考慮が払わ
れなければならない。本発明のこの好ましい実施
例では、１つのパルス当りに0.7f．oz.（20c.c.）
の電解質が放出される約0.05平方インチ（0.3平
方センチメートル）の取出開口２２が、0.09イン
チ（2.29ミリメートル）の直径または0.006平方
インチ（0.04平方センチメートル）の面積を有す
る円形の取入口２３と一緒に用いられる。

第４図は上述の循環装置と他の要素を具備した
電解質循環系統と、多セル電池パツクに加圧さた
ガスのパルスを周期的に印加するための回路内に
おける上記装置および他の要素の配置とを示す概
略図である。それぞれ６個のセル３０を有する８
つの蓄電池２９を１つの組としたものが示されて
いる。各セル３０内には循環装置１０が配置され
ているが、第４図には１つだけが概略的に示され
ている。各電池２９には空気マニホルド３１が設
けられており、その空気マニホルドは電池カバー
上に配置されるかあるいはそれの一体的な部分と
して形成されうる。このマニホルドは各ガス開口
２１に対して１つの空気取出口を有しており、か
つ好ましくは、複数対の隣接マニホルドが直列に
連結される。

この系統に対する加圧された空気は空気ポンプ
３４から管３３を通じて空気を受取るアキユムレ
ータ３２によつて供給される。アキユムレータ取
出口３５から電池２９への加圧された空気の流れ
は三位置弁３６によつて制御される。この弁３６
は、中央位置の右または左において、圧縮空気の
パルスを供給管３７を通じて１つの電池グループ
の４つのマニホルド３１に送つて各循環装置１０
を通じて電解質を流動せしめるように作用し、か
つ図示されている中央位置では、各アキユムレー
タ取出口３５からの空気の供給を中断せしめかつ
供給管３７、弁３６および通気管３８を通じて大
気に通気せしめることにより溜め１５内の圧力を
緩和せしめるように作用する。１個の三位置弁に
代えて、それと同じ機能を発揮する１対の三位置
二方弁を用いてもよい。いずれの場合にも、それ
らの弁はソレノイド作動型であり、空気圧供給分
配系統を動作させるための電気的制御回路内に組
み込まれる。１個または複数個の弁３６の動作
は、２つの供給管３７に対して交互にアキユムレ
ータ３２から存続期間の短い空気パルスを与える
ためにその弁を周期的に開放するようにセツトさ
れる電気的リセツト・タイマー３９によつて制御
される。パルスの間で、両方の管３７が大気に通
気されて循環装置１０が電解質を再充満せしめら
れる。

第４図に示されている系統では、0.2cfm（５
／分）の平均出力を有する小型の連続動作ダイ
ヤフラム空気ポンプ３４がアキユムレータ３２を
4psi（280ｇ／cm²）まで加圧する。逃し弁４０はア
キユムレータ内の最大圧力を4psi（280ｇ／cm²）に
制限する。アキユムレータの容積は0.17立方フイ
ート（1.3）である。タイマー３９は40秒毎に
各供給管３７に対して独別に0.5秒のあいだ圧縮
空気のパルスを与えるようにセツトされる。パル
スの間で、アキユムレータは再び充填され、循環
装置に電解質が再び充満され、それがためには、
この系統では各循環装置は約20秒を要する。この
系統によつて与えられる時間間隔での電解質循環
容積は電解質成層を防止するのに十分であること
が認められた。しかしながら、セル３０および循
環状装置１０の寸法および容量に応じて広い範囲
の再循環容積、パルス間隔およびパルス存続時間
を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電解質循環装置を装着さ
れた電池の１つのセルの一部分を示す垂直断面
図、第２図は第１図に示された循環装置を第１図
の線２−２上でみた正面立面図、第３図は循環装
置とセルを第３図の線３−３上でみた水平断面
図、第４図は本発明の装置を具備した系統を示す
概略図である。 図面において、１０は循環装置、１３は容器
底、１４はカバー、１５は電解質溜め、１６は取
出導管、２０は室、２１はガス開口、２２は取出
開口、２３は電解質取入口、２４は極板・セパレ
ータ積重ね体、２７，２８は電解質レベル、２９
は蓄電池、３０はセル、３１は空気マニホルド、
３２はアキユムレータ、３５はアキユムレータ取
出口、３６は弁、３７は供給管、３８は通気管、
３９はタイマー、４０は逃し弁をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (1) 蓄電池のセル３０から分離して設けら
   れ、かつ前記セル３０内における電解質の正常
   なレベルにほぼ等しい上方の第１のレベル２７
   まで電解質を溜めるように構成された電解質溜
   め１５と、 (2) 前記セル３０の下方部分から前記電解質溜め
   １５内に電解質を導入するための電解質取入口
   ２３と、 (3) 前記電解質溜め１５から前記セル３０の上方
   部分に向つて電解質を流すための取出導管１６
   と、 (4) 前記電解質取入口２３と前記取出導管１６と
   を、前記第１のレベル２７の下方において前記
   電解質溜め１５に連通させる連通部１７と、 (5) 前記第１のレベル２７の上方において前記電
   解質溜め１５に設けられたガス開口２１と、 (6) このガス開口２１に供給される加圧されたガ
   スの供給源と、 (7) 前記加圧されたガスを前記電解質溜め１５の
   表面に周期的に供給して、前記連通部１７の上
   方の第２のレベル２８まで電解質の表面を低下
   させるとともに前記電解質溜め１５内の電解質
   の少なくとも一部を前記取出導管１６を通じて
   流動させるガス供給手段と を備えていることを特徴とする蓄電池のセル内に
   おける液体電解質を循環させる装置。 ２ 前記セル３０内の電解質レベルと前記第２の
   レベル２８との間の差圧力ヘツドが、前記加圧さ
   れたガスを周期的に供給する前記ガス供給手段の
   動作とは交互に、前記電解質取入口２３および前
   記連通部１７を通る電解質の流れを発生させる特
   許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ (1) 前記電解質溜め１５が前記セル３０内に
   配置されており、 (2) 前記連通部１７が前記電解質溜め１５にその
   底部近傍において接続されている特許請求の範
   囲第２項記載の装置。 ４ 前記電解質溜め１５の底部が前記セル３０の
   底部近傍に配置されている特許請求の範囲第３項
   記載の装置。 ５ 前記取出導管１６が、前記セル３０内におけ
   る電解質の表面の近傍に配置された取出開口２２
   を備えたほぼ垂直な導管よりなる特許請求の範囲
   第２項記載の装置。 ６ 前記取出導管１６の取出開口２２が前記セル
   ３０内における電解質レベルよりも上方に設けら
   れている特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７ 前記電解質取入口２３を通る電解質流に対す
   る抵抗が前記取出導管１６を通る電解質流に対す
   る抵抗よりも大きくされている特許請求の範囲第
   ６項記載の装置。 ８ 前記取出導管１６が、それを通る電解質の逆
   流を阻止する逆止弁を備えている特許請求の範囲
   第６項記載の装置。 ９ 前記加圧されたガスを周期的に供給するガス
   供給手段が、 (1) 空気ポンプ３４と、 (2) (a)空気流を前記ポンプ３４から受取る取入口
   と、(b)前記電解質溜め１５のガス開口２１に連
   通している取出口とを有するアキユムレータ３
   ２と、 (3) (a)このアキユムレータ３２の取出口から前記
   ガス開口２１へ調時化されたパルス状圧縮空気
   を供給し、(b)前記電解質溜め１５内の圧縮空気
   の圧力を除去するための制御手段３６，３９と
   よりなる特許請求の範囲第１項記載の装置。