JPH03214561A - 電解液攪拌装置を備える蓄電池 - 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】 産業上の利用分野 本発明は電解液撹拌装置を備えた蓄電池に関するもので
ある。

従来の技術とその課題 蓄電池にとって電解液は直接反応に関与する物質である
ため、極板の活物質と同様、電解液が蓄電池内でいかに
有効に利用されるかによって蓄電池の容量を大幅に左右
することは周知の通りである。

しかるに鉛蓄電池の場合、充放電時には蓄電池上部の電
解液がよく利用されるため、蓄電池上部の電解液比重が
低くなり、蓄電池下部には常に比重の高い電解液が残留
する。

このような電解液の濃度差を解消するため、過充電を加
えてガスを発生させ、このガスの撹拌作用により上下電
解液比重の均一化を計っている。

この場合、蓄電池形状が上下に低いものでは過充電によ
って比較的簡単に電解液比重の均一化が計れるが、電気
車用蓄電池等背の高いものでは少々の過充電では均一に
ならないのが普通である。この結果、極板の上部では低
比重電解液となって容量が低下し、また下部では常に比
重の高い、酸化性に富む電解液が残留するため、極板下
端部が腐食され、短寿命を招く結果となっている。この
ような理由で蓄電池は充電毎に過充電が実施され、電力
が浪費されると共に、蓄電池の寿命を短くする結果とな
っている． また、据置用蓄電池の場合、蓄電池に各種負荷が接続さ
れ、中には充電による大幅な電圧変動を嫌う負荷がある
ため、充電電圧を一定値でカットする定電圧充電システ
ムがとられることがあり、この種用途の蓄電池において
は上述した現象は更に顕著となる。これらの問題点を解
消するため、１２〜２４時間の長時間にわたる均等充電
を実施しているが、均等充電電圧は低いため、上記の問
題点を十分に解決することができないのが現状である．
ロードレベリング用大容量据置電池では強制的に外部よ
り空気を送入し、定期的に撹拌を実施している。この結
果電池寿命は撹拌装置の有無により約２倍もの寿命差が
確認されている。また充電毎の充電量は１０％も節約で
き、この結果過充電による電解液中の水の消耗は極端に
減少し、この結果補水期間が５倍も伸び、保守コストが
大幅に低減されるなど多大な効果がある． しかし現在適用されている撹拌装置は外部装置による強
制液撹拌装！であるため、コンプレッサ一配管等を必要
とし、コストが高いため特殊な用オの電池に限られる。

課題を解決するための手段 本発明は、蓄電池外部装置による強制撹拌装置ではなく
、電池内で発生するガスを応用した自己エネルギーによ
る、上述の如き欠点を解消した電解液撹拌装置を提供す
るもので、中間部に小孔を有し、電解液中に上下方向に
配置された液循環筒と、前記液循環筒の小孔位置より下
方に下端開口部を有し、極板群上に配置されたガス捕集
室とを備え、前記小孔とガス捕集室とを逆Ｕ字状のサイ
ホンストラップにより連絡すると共に、前記液循環筒の
上端開口部にガス溜めを設け、又前記ガス捕集室にリブ
を設けたことを特徴とするものである。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。

第１図は本発明電解液撹拌装置を備えた蓄電池の一実施
例を示す断面図、第２図は電解液撹拌装置の一部欠截斜
視図である． 図において、Ａは極板群を収納した電槽、Ｂは極板群、
Ｃは電解液、Ｄは電解液撹拌装置である．電解液撹拌装
置Ｄは下端が電槽底部に、上端が電解液最低液面位付近
に開口し、中間部に小孔４を有する液循環筒１と、下端
開口部が前記小孔４より下方に配置され、極板群Ｂから
発生したガスを捕集するガス捕集室２を備え、前記ガス
捕集室２と液循環筒の小孔４とは逆Ｕ字状のサイホンス
トラップ３により連絡されている．また、前記液循環筒
１の上端開口部には、下面が開放されたキャップで覆っ
たり、あるいは液循環筒の上端部を逆Ｊ字状に折り返す
等の手段でガス溜め５が形成されている。

なお、図面に示した実施例においては、液循環筒１が小
孔４の部分においてズレて折れ曲がった形状になってい
るが、これは該撹拌装置を合成樹脂により一体に成型す
る場合に型抜きを容易にするためであり、作用的には直
線状のものと何ら変わるものではない。

さらに、ガス捕集室２には、タテリブ６とヨコリブ７が
設けてある。タテリブ６はサイホンストラップ３に向っ
て平行又は放射状方向にガス捕集室２の端からサイホン
ストラップ３への入口の手前まで設けてある．タテリブ
の高さは、ガス捕集室２とほぼ同じ高さになっている．
又、ヨコリブ７は、タテリブ６がサイホンストラップ３
の入口手前で切れている位置より５Ｉｌｌほとタテリブ
６に入った所にタテリブ６と直交方向に高さ１１１１程
度のリブが形成されている。

なお、実施例のようにガス捕集室の大きさによっては、
タテリブ６よりも高さの低いヨコリブ７をさらにタテリ
ブ６内に数本設けることもある．本発明撹拌装置は上述
の如き構造を有するものであり、蓄電池の充電時等に極
板群Ｂからガスが発生すると、このガスがガス捕集室２
に捕らえられ、蓄積される。ガスの蓄積に応じて逆Ｕ字
状サイホンストラップ３内に侵入している電解液が小孔
４から液循環筒１内におし戻される．ガス捕集室内の蓄
積ガスの量が増加し、小孔４の位置まで達するとこのガ
スが小孔４より液循環ｆｌｌ内へ気泡として押出され、
ガス気泡およびガス捕集室内のガス圧の大きさが液循環
ＦＪＩの小孔４より上部（１ａ》にある電解液の液圧に
打ち勝つ大きさになると、ガス気泡は小孔より上部の電
解液、すなわち液循環筒の１ａの部分にある電解液を押
し上げつつ上昇し、液循環筒１の上端開口部より電解液
と共に放出される。これと同時に液循環筒１内の液圧が
減少するので、液循環筒の下端開口部より電池底部の電
解液が侵入・上昇し、液循環ＦＪＩ内の比重の大きい電
解液が小孔４より上方まで押し上げられ、液循環筒の周
囲の電解液の液圧とバランスする位置で安定する。この
状態がら再度ガス捕集室２に極板群からの発生ガスが蓄
積され、上記の動作が繰り返される。

なお、本発明装置においては液循環筒１の上端開口部に
ガス溜め５を設け、液循環筒１内の電解液と周囲の電解
液とを気相によって遮断しているので、液循環筒１上端
開口部が電解液面下にあってもこの上端開口部周囲の電
解液が液循環筒内に逆流することはなく、電解液は常に
液循環筒の下，端より上端に向かって移動する。

また、本発明装１においてはガス捕集室２にタテリブ６
とヨコリブ７を設けることにより捕集されたガスは複数
に分割され、この状態でサイポンストラップ３へ移動す
る． 以下、本発明装置の動作を第３図を用いてさらに具体的
に説明する．第３図は本発明装置の動作説明図である。

説明に当って図中の記号を銘記する． ρ。・・・上部電解液比重 ρ　・・・電池底部電解液比重 Ｈ１・・・液面と小孔４との木頭 Ｈ２・・・液面とガス溜め下端との水頭Ｈ３・・・小孔
４と液循環ｖＪ１下端との水頭Ｈ４・・・小孔４とガス
捕集室２下端との水頭ｈ×　・−・小孔４と逆Ｕ字状サ
イホンストラップ３のガス捕集室側気相面との水頭 ｈｙ　　・・・液循環筒１内上端液面と小孔４との水頭
ΔＰ１・・・小孔４部で発生する表面張力△Ｐ２・・・
ガス溜め５下端部で発生する表面張力第３図Ａは充電等
によって発生ガスが逆Ｕ字状サイホンストラップ３内に
徐々に蓄えられ、液循環筒１内には電槽底部の重い比重
ρの電解液が侵入している状態を示す．サイホンストラ
ップ内の圧力の上昇によって小孔側管内の液は小孔４よ
り液循環筒内に押出され、管内のガスが小孔４より液循
環筒内に侵入しようとしている状態を示している。この
時の圧力バランスは、 （Ｈ．＋ｈｘ）ρ。

Ｈ２ρ。十ｈｙρ＋Δｐ１＋△ｐ２・・・《１》となる
．この状態において、ｈｘが若干でも大きくなると前記
関係式が破れ、第３図Ｂに示すごとく、液循環筒の１ａ
内の電解液はその上端から噴出する。この際、噴出電解
液量分だけ液循環筒内の圧力が低下するため、サイホン
ストラップのガス捕集室側管内の圧力も低下し、このた
め電解液が逆Ｕ字状サイホンストラップ内を上昇する．
このとき液面が上昇する位置は静止状態の圧力バランス
式では液循環筒上端となるが、液面上昇の勢いが強いた
め、慣性により液循環筒上端より上昇するため、逆Ｕ字
状サイホンストラップ上端部は液循環筒上端より上に取
ることが望ましい。

この電解液が噴出する際、ガス捕集室２に蓄積されたガ
スとサイホンストラップ３内のガスとは１つのかたまり
の状態で一気に外部へ出る。

ガス捕集室２にガスを分割するためのリブがないと電解
液のくみ上げ１回でガス捕集室２に蓄積されたガスの大
半が出てしまう．このため１回の電解液くみ上げ量に対
するガスの使用量は多く撹拌効率は著しく低いものとな
る。

本発明では以上の理由からガス捕集室２の形状を工夫し
リブを設けることで必要最小限のガス量で一回の電解液
のくみ上げを行うようにしたものである。これは、ガス
捕集室２内に設けたタテリブ６で捕集したガスを完全に
分割しておくとともに、ヨコリブ７によって蓄積された
ガスが一定の量になるまでにサイホンストラップ３に流
れ込まれないようにする。ヨコリブ７は高さ１ｌｌ程度
と低いため蓄積されたガスが一定量になると流れ出す．
又、ヨコリブ７位置はタテリブ６がサイホンストラップ
３の手前で切れている位置よりタテリブ６内にあるため
ガスはそこで止まる。これによりタテリプ６が切れてい
る先で１つのかたまりとなることを防止している。さら
にヨコリブ７の本数は捕集室２の大きさにより数本設け
サイホンストラップ３へ流れ込むガスの量を一定にする
ことができる。

この過渡状態が終わると第３図Ｃの状態となって安定し
、再度ガスの蓄積が始まる。

液循環ＩＦ！５１外の上部電解液比重ρ。は液循環筒内
の比重ρより軽いため、サイホンストラップ３のガス捕
集室側３ｂに侵入した電解液面は液循環筒１内の液面よ
り高い位置で静止する．このとき、ガス溜め５により液
循環筒１の上端部が覆われていないと比重の軽い上部電
解液が液循環筒上端より侵入する。液循環筒内に上部電
解液が混入すると、後述するように本装置の撹拌効率が
著しく低下する。

ガス溜め５の容積は大きいほど遮断効果が太きく、この
容積が小さい場合、液循環筒から電解液が噴出する際、
ガス溜め５内の残留ガスも一緒に排出され、その瞬間、
上部電解液が液循環筒内に入る可能性がある．また、こ
の部分の内径寸法を小さくすると該部分の間隙での表面
張力が大きくなり、発生ガスがサイホンストラップ３を
通して小孔４より液循環筒１内に侵入する際、前記表面
張力の分だけの水頭（圧力）が必要となり、ガス捕集室
下端と小孔位置の高低差を大きくする必要があり、これ
を誤ると発生ガスはガス捕集室下端から逃げることにな
る。このような理由で液循環筒の内断面積Ｓよりガス溜
め５の内断面積Ｓを十分大きくとることが望ましい．ガ
ス溜め５を設けることによって電解液面が、どの様な位
置にあっても安定した撹拌効果が得られる。

第３図Ａのガス溜めにおける圧力バランスは、（ｈｙ＋
Ｈ．）ρ＝ （ＨＩ　　Ｈ２　＋　Ｈｌ　）　／’。＋△ｐ２−（２
　）（１）．（２）式よりｈ×を求めると、ｈｘ＝　［
△ｐ１＋２Δｐ２−　＜ｐ−ｐｏ　＞　Ｈｚ　］／ρ０
・・・　（３　》 （３）式より理解できるようにｈｘの値が最大となるの
はρ＝ρ。の時で、小孔４部で発生する表面張力Δｐ１
およびガス溜め部５の下端部で発生する表面張力Δｐ２
は十分なガス通路を確保しているためこの表面張力の水
頭値は２〜３ＩＩＩＩ以下となるように間隙を設けてい
る。例えば△ｐ１＋△ｐ２キ５ｌ一　《水頭値》とし、
電解液比重をρ。中１．２とすると、ｈ×＝４〜５Ｉｌ
ｌとなった時逆Ｕ字状サイホンストラップ３内のガスが
上部液循環筒１ａ内に侵入し筒１ａ内の硫酸を筒外へ排
出する．この状態が第３図Ｂの状態である。

前述のようにｌ！ｊｌの内外の比重が等しい時気相面（
ａ　）は一番下方まで低下するが、ρ》ρ。の時（３）
式より理解できるようにｈｘは負となり、気相面（ａ）
は小孔４より上方になる．この状態で発生ガスが小孔４
に侵入できるのは（２）式から理解できるようにρの値
が大きくなるほどｈｙの値が小さくなる。つまり、上部
液循環筒１ａ内の電解液面が比重値ρの上昇によって徐
々に低下し、ρとρ０の比重差が一定値を越えるとｈｙ
＜ｏとな′り、上部液循環筒１ａ内に電解液が存在しな
い状態が発生する。この状態となると、気相面（ａ　）
は逆Ｕ字状サイホンストラップ最上部付近まで上昇し、
発生ガスは自由に小孔４より上部液循環筒１ａ内を通過
し筒外に排気される。

このように撹拌装置の電解液押し上げ量《撹拌能力》は
ｈ×に比例し、またｈｘは（ρ一ρ。）の値が一定値を
越えると前述の通りｈ×が負となって撹拌能力がなくな
る． 撹拌能力、ｈｘを大きくするには（２）式から理解でき
るように（Ｈｌ　−Ｈ２　）の値を大きく取る程ｈｙは
大きくなるが、この値を大きくとると撹拌装置の高さが
高くなる。

また、上部液循環ｆ！ｉｌｉｌａの内断面積を大きくと
る程電解液押し上げ量は増加するが、この内断面積が６
０〜８０ＩＩＩ１２を越えると簡１ａ内で電解液とガス
の置換現象が発生し、撹拌能力が低下する．この他逆Ｕ
字状サイホンストラップ３の内体積を小さくする程発生
ガス量に対する電解液押し上げ量が増加するが、サイホ
ンストラップ３内に水膜ができる程３ａ　，３ｂ部のガ
ス通路を狭くすると、《３》式の△ｐ１＋Δｐ２以外に
Δｐ３の表面張力が発生し、ｈ×が急激に増大しｈｘ）
Ｈ，となると発生ガスは撹拌装置ガス捕集室２下端部よ
り発生ガスが逃げ、撹拌装置は動作しなくなる。

第３図Ｂは発生ガスが小孔４より上部液循環筒１ａ内に
侵入し、筒内の電解液を筒外に排出した直後の過度状態
を示した図である。この過度状態の圧力分布を数式によ
り解析すると次の通りとなる。

第３図已に示すように上部液循環筒内に電解液が存在し
ない状態で、またサイホンストラップ内が減圧状態とな
っているため（１）式の△ｐ１，△ｐ２を無視できるた
め、（１）式よりｈｘ−（　Ｈ　＋−Ｈ２　）となる。

つまりサイホンストラップ３ｂ側の気相面（ａ）は筒１
ａの先端まで上昇する．この際ガス捕集室上部開口部６
と小孔４との間が逆Ｕ字状サイホンストラップ３で連結
されず直接ガス捕集室上部開口部と小孔４を連結すると
電池上部の比重の低い電解液ρ。が小孔４より液循環筒
丙に流入し、筒下端の比重の重い電解液ρを押し上げる
ことはない．このように本発明で最も重要な点は逆Ｕ字
状サイホンストラヅプを採用したことで、ガスはサイホ
ンストラップ３ｂから３ａ側に自由に移動できるものの
電解液の移動はこのサイホンストラップで完全に遮断し
ている。前述したように過度状態では逆Ｕ字状サイホン
ストラッグ３の３ｂ側気相面（ａ　）は液循環筒上端ま
で上昇するため、逆Ｕ字状サイホンストラップ３の頂点
は筒１上端より上方にあることが望ましい。

第３図Ｂの状態ではサイホンストラップ３内および上部
液循環ｌｉｉｉｊ　ｌ　ａ内も瞬間的には若干減圧状態
となっているなめ、気相面（ａ　）が上昇するのと同時
にガス溜めの下端から電解液が上部液循環筒内に侵入し
ようとするが、ガス溜めの下端に表面張力による膜によ
ってー△ｐ２の圧力が働き、筒１ａ内への電解液の逆流
を防止する。このため撹拌装置が水没していてもＦＪｌ
ａ内に電池上部の比重の低い電解液が混入することなく
下部電解液を押し上げることができる． 第３図Ｃは第３図Ｂでの過度状態が過ぎて電槽底部より
比重の重い電解液ρが液循環筒を通って押し上げられ安
定した状態図を示したもので、逆Ｕ字状サイホンストラ
ップ３内に発生ガスが蓄積されると第３図Ａの状態に戻
る． 第１図、第２図で示した液撹拌装置をバッテリーフォー
クリフト用電池に取り付けた液撹拌電池イと、リプを設
けないガス捕集室を用いた液撹拌電池口と、液撹拌装置
のない通常電池ハとを、通常使われている準定電圧充電
器で１００％放電後に充電したときの電解液比重の上昇
を第４図に示す。

通常電池ハの場合、充電時間１０時間で充電量は約１２
０％となり電解液比重は１　，　２８０の規定値まで上
昇している。液撹拌電池口は充電時間９時間、充電量約
１１４％で電解液比重は規定値まで上昇している。

一方、液撹拌電池イは、充電時間８時間、充電量約１１
０％で電解液比重は規定値まで上昇している。

このように、本発明になる液撹拌装置を取り付けた電池
は、過充電量が約半分で、充電量を完了することができ
る。

発明の効果 本発明装置は上述のごとき構造を有するものであり、電
解液撹拌装置を極めてコンパクトに構成することが可能
で、極板群上方に配置するガス捕集室は極板群で発生ず
るガスの一部を捕集できるものであればどのような形状
のものでもよく、また、液循環筒の上端にガス溜めを設
けたことにより液循環筒の上端が電解液中のどのような
位置にあっても撹拌効果が低下することはない．また、
ガス捕集室にリブを設けたことにより撹拌効率が高くな
り充電量が少ない時期に電解液の上下比重の均一化がは
かれる。これにより従来のような２０％以上の過充電は
必要なくなる．その効果は、第４図に示す。

また、電解液を吸い上げる液循環筒は内径が２〜３Ｉｌ
ｌ程度でよいため、電池内のどのような間隙にでも挿入
することが可能となり、あらゆる蓄電池に応用できるな
ど、その実用性は高い．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電解液撹拌装置を備える蓄電池の一実施
例を示す断面図、第２図は電解液撹拌装置の一部欠截斜
視図、第３図Ａ〜Ｃは本発明電解液撹拌装置を備える蓄
電池の動作説明図、第４図は実験による本発明装置とリ
ブのない電解液撹拌装置、撹拌装置のついていない従来
型電池の比教の結果である。 Ａ・・・電槽、Ｂ・・・極板群、Ｃ・・・電解液、Ｄ・
・・電解液撹拌装置、１・・・液循環筒、２・・・ガス
捕集室、３・・・逆Ｕ字状サイホンストラップ、４・・
・小孔、５・・・ガス溜め、６・・・タテリブ、７・・
・ヨコリブ 才４１】 才 １ 圃 ヲッラ 方 ７ 図 手続補正書訪式》 １．事件の表示 平成　２年 特 許 願 第 ７７８８号 ２．発明の名称 電解液撹拌装置を備える蓄電池 ３．補正をする者 事件との関係

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、中間部に小孔を有し、電解液中に上下方向に配置さ
   れた液循環筒と、前記液循環筒の小孔位置より下方に下
   端開口部を有し、極板群上に配置されたガス捕集室とを
   備え、前記小孔とガス捕集室とを逆Ｕ字状のサイホンス
   トラップにより連絡すると共に、前記液循環筒の上端開
   口部にガス溜めを設けた電解液撹拌装置において、前記
   ガス捕集室に複数のリブを設けたことを特徴とする電解
   液撹拌装置を備える蓄電池。