JPH088095B2 - 電解液攪拌装置を備える蓄電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は電解液攪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
電解液を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、このガスの攪拌作用により上下
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、定期的に攪拌を実施している。この
結果電池寿命は攪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攪拌装置は外部装置による
強制液攪拌装置であるため、コンプレッサー配管等を必
要とし、コストが高いため特殊な用途の電池に限られ
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攪拌装置ではな
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攪拌装置を提供
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図は本発明電解液攪拌装置を備えた蓄電池の一実
施例を示す断面図、第２図は電解液攪拌装置の一部欠截
斜視図である。

図において、Ａは極板群は収納した電槽、Ｂは極板
群、Ｃは電解液、Ｄは電解液攪拌装置である。

電解液攪拌装置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、これは該攪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5mmほどタテリブ
６に入った所にタテリブ６と直交方向に高さ1mm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。

本発明攪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、この前記がガス捕集室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２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
筒１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筒１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
筒１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。この状態から再度ガス捕集室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、本発明装置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、この状態でサイホンストラップ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_０…上部電解液比重 ρ…電池底部電解液比重 H₁…液面と小孔４との水頭 H₂…液面とガス溜め下端との水頭 H₃…小孔４と液循環筒１下端との水頭 H₄…小孔４とガス捕集室２下端との水頭 hx…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 Δp2…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、 （H₁＋hx）ρ_０＝ H₂ρ_０＋hyρ＋Δp1＋Δp2 …（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内上端となるが、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攪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1mm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。これによりタテリブ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。

液循環筒１外の上部電解液比重ρ_０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攪拌効率が著しく
低下する。

ガス溜め５の容積は大きいほど遮断効果が大きく、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攪拌効果が得られる。

第３図Ａのガス溜めにおける圧力バランスは、 （hy＋H₃）ρ＝ （H₁-H₂+H₃）ρ_０＋Δp2 …（２） （１），（２）式よりhxを求めると、 hx＝［Δp1＋２Δp2−（ρ−ρ_０）H₃］／ρ_０…（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_０の時で、小孔４部で発生する表面張力Δp1お
よびガス溜め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
２〜3mm以下となるように間隙を設けている。例えばΔp
1＋Δp2≒5mm（水頭値）とし、電解液比重をρ_０≒1.2
とすると、hx＝４〜5mm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。

前述のように筒１の内外の比重が等しき時気相面
（ａ）は一番下方まで低下するが、ρ≫ρ_０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ρ_０の比重差が一定値を越えるとhy＜０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。

このように攪拌装置の電解液押し上げ量（攪拌能力）
はhxに比例し、またhxは（ρ−ρ_０）の値が一定値を越
えると前述の通りhxが負となって攪拌能力がなくなる。

攪拌能力、hxを大きくするには（２）式から理解でき
るように（H₁-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攪拌装置の高さが高くなる。

また、上部液循環筒1a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60〜80mm²
を越えると筒1a内で電解液とガスの置換現象が発生し、
攪拌能力が低下する。

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Δp1＋Δp2以外
にΔp3の表面張力が発生し、hxが急激に増大しhx＞H₄と
なると発生ガスは攪拌装置ガス捕集室２下端部より発生
ガスが逃げ、攪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Ｂ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Δp1,Δp2を無視できるた
め、（１）式よりhx＝−（H₁-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1a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_０が小孔４より液循環筒内に流入し、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
ラッ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プ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
部液循環筒1a内も瞬間的には若干減圧状態となっている
ため、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−Δp2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
め攪拌装置が水没していても筒1a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図で示した液攪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攪拌電池イと、リブを
設けないガス捕集室を用いた液攪拌電池ロと、液攪拌装
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120％となり電解液比重は1,280の規定値まで
上昇している。液攪拌電池ロは充電時間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、液攪拌電池イは、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、本発明になる液攪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、
電解液攪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
す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
な位置にあっても攪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攪拌効率
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２〜3mm
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図は本発明電解液攪拌装置を備える蓄電池の一実施
例を示す断面図、第２図は電解液攪拌装置の一部欠截斜
視図、第３図Ａ〜Ｃは本発明電解液攪拌装置を備える蓄
電池の動作説明図、第４図は実験による本発明装置とリ
ブのない電解液攪拌装置、攪拌装置のついていない従来
型電池の比較の結果である。 Ａ……電槽、Ｂ……極板群、Ｃ……電解液、Ｄ……電解
液攪拌装置、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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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攪拌装置におい
   て、前記ガス捕集室に複数のリブを設けたことを特徴と
   する電解液攪拌装置を備える蓄電池。