JP4056234B2 - 密閉型蓄電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル機器などに用いられる密閉型蓄電池に関し、特に、電池内部で発生する反応ガスを外部に放出するガス放出弁を備えた封口板を改良する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池といったアルカリ蓄電池は、ポータブル機器をはじめとして様々な機器に用いられている。こうしたアルカリ蓄電池においては、密閉構造をとる密閉型蓄電池と開放構造をとる開放型蓄電池とが存在するが、この中で密閉型蓄電池は、開放型蓄電池と異なり、ガス発生、漏液などの欠点が少ない点で優れている。
【０００３】
この密閉型蓄電池は、通常の充電時に発生する反応ガスは電池内で消費されるようになっているが、低温過充電時においては、電解液の電気分解および電解液の気化に伴なって過剰に発生した反応ガスを電池内部で消費しきれず、電池内部の圧力が上昇するという問題がある。このように圧力が上昇した場合に圧力が高くなりすぎるのを防止するため、一般的に密閉型蓄電池の封口体には、所定圧力以上になると電池内部と外部とを連通するように開放して、電池内部の圧力を低下させるガス放出弁が備えられている。
【０００４】
図８は、ガス放出弁を備える封口体３００の要部断面図である。同図を参照しながら従来の封口体３００の構成について説明する。
封口体３００は、封口板３０１、正極キャップ３０２、弁板３０３、およびスプリング３０４を備える。
封口板３０１の中央部には、正極キャップ３０２がかしめや溶接により被装されている。この正極キャップ３０２には、その内部に弁板３０３、およびスプリング３０４からなる弁体が形成されているとともに、反応ガスを排出するガス抜き孔３０５を備えている。上記弁体は、封口板３０１の中央に開口された孔を塞ぐための弁板３０３が、スプリング３０４により押圧された構造をしており、電池内部の圧力が高まったときには、内部の反応ガス（矢印Ａ）が弁板３０３を押し上げ、ガス抜き孔３０５から大気中に反応ガスを放出（矢印Ｂ）するようになっている。
【０００５】
他方、図９に示すように、弁体として、弁板３０３およびスプリング３０４の代わりに、ゴム弾性体３１４を用いる技術もある。これによっても、電池内部の反応ガス圧力が高まったときには、内部の反応ガスがゴム弾性体３１４を押し上げ、ガス抜き孔３０５から大気中に反応ガスを放出するようになっている。
このような技術によれば、密閉型蓄電池の内部における反応ガスの圧力が高まったとしても、スプリングやゴムの弾性力に応じて反応ガスを大気中に放出することができるので、その圧力を一定以下に保持することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、異物の混入など何らかのトラブルによって弁板３０３が動かなくなったり、ゴム弾性体３１４が封口板３０１と癒着したりして、ガス放出弁が機能しなくなった場合に反応ガスが発生すると、密閉型蓄電池内部の圧力が次第に高まり、電池が破損する可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、ガス放出弁が機能しなくなった場合においても電池の破損を抑制することができる密閉型蓄電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る密閉型蓄電池は、電極体と、前記電極体を収納する筒形有底部材と、前記筒型有底部材の開口部を封口する封口体とを備え、前記封口体には、その一部を電池外方へ膨出して電極端子が形成されているとともに、当該電極端子の周壁に形成されたガス抜き孔よりも電極体に近い側の電極端子内壁を屈曲して弁座が形成され、かつ、当該弁座に対して弾性付勢された状態で電極端子内空間に弁体が設けられており、前記弁座は、電池内部に前記弁体が作動する圧力よりも高い圧力が掛かった場合に延伸し、前記弁体を除く封口体と筒型有底部材とから構成される密閉容器中で、変形開始荷重が最も低く設定されており、前記ガス抜き孔は、前記屈曲した弁座が延伸された場合に電池内部が直接大気開放される位置に配されていることを特徴とする。
【０００９】
これによれば、ガス放出弁が正常に作動するときには弁座は延伸しないが、異物の混入などによって弁体が動かなくなり、ガス放出弁が機能しなくなった場合に、電池内部の圧力がガス放出弁の作動圧力を越えた圧力において、電極端子の周壁が屈曲して形成された弁座が電池内部の圧力によって延伸され、ガス抜き孔を介して電池内部が直接大気開放されるので、密閉型蓄電池の破損は抑制される。
【００１０】
また、前記弁座が、前記弁体を除く封口体と筒型有底部材とから構成される密閉容器中で、変形開始荷重が最も低く設定されていれば、密閉容器を構成する部材の中で弁座が最初に延伸されるので、他の部材が変形される前に電池内部を直接大気開放して電池内部の圧力上昇が抑えられる。したがって、密閉型蓄電池の破損が抑制される。
【００１１】
また、前記封口体が、一の板状部材から構成されていれば、密閉型蓄電池の部品点数を減らすことができるので、コスト的に好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る密閉型蓄電池の一例として、円筒形アルカリ蓄電池に本発明を適用した場合の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
＜円筒形アルカリ蓄電池の全体構成＞
図１は、本実施の形態に係る円筒形アルカリ蓄電池の構成を示す要部分解斜視図である。
【００１３】
同図に示すように円筒形アルカリ蓄電池は、渦巻電極体１、外装缶２、封口体３などを備える。
渦巻電極体１は、正極板１０、負極板２０、セパレータ３０を備え、正極板１０と負極板２０とをセパレータ３０を介して巻回したものである。
正極板１０は、例えば、水酸化ニッケルを活物質として含む電極であり、負極板２０は、例えば、水酸化カドミウムや水素吸蔵合金を活物質として含む電極である。
【００１４】
セパレータ３０は、例えば、ポリアミドなどからなる不織布であり、微多孔フィルムなども用いることができる。
渦巻電極体１は、正極板１０と負極板２０とがセパレータ３０を介して渦巻状に巻回された後、アルカリ電解液が含浸されて電極体となり外装缶２に収容される。
【００１５】
外装缶２は、有底円筒形の形状をしており、その開口部はガスケット４を介して封口体３をかしめることによって封口されている。ガスケット４は、外装缶２と封口体３とを絶縁した状態に保持する。
封口体３は、封口板３１、凸状に正極端子部３２ａが形成された正極キャップ３２、弁板３３、およびスプリング３４を備え、正極端子部３２ａ内部に弁板３３、スプリング３４からなる弁体が設けられている。
【００１６】
ここで、スプリング３４は、弁板３３を弁座３１２（図２）に対して弾性付勢しており、電池内部の圧力が第１の基準圧力よりも高まったときには、スプリング３４に弾性付勢された弁板３３が押し上げられて、反応ガスは、正極端子部３２ａの周壁に設けられたガス抜き孔３１１を通して大気中に排出されるようになっている。
【００１７】
＜封口体３の構成＞
次に、封口体３の構成について説明する。
図２は、封口体３の要部断面図である。
封口板３１は、中央部に孔３１ａの開いた円板状部材からなり、その孔３１ａを覆うように、正極キャップ３２がかしめや溶接によって被装されている。
【００１８】
正極キャップ３２は、円板状部材にプレス加工を施して、その中央部が電池外方に膨出した正極端子部３２ａを形成したものである。
正極端子部３２ａの周壁には、反応ガスを外部に排出するためのガス抜き孔３１１が形成されるとともに、ガス抜き孔３１１よりも渦巻電極体１（図１）に近い側に、電池内部方向に湾曲して突出した弁座３１２が円周状に形成されている。
【００１９】
弁座３１２は、その内径が弁板３３の外径よりも小さくなるように突出しており、支点３１２ａにおいて弁板３３を載架している。この弁座３１２は、上記第１の基準圧力よりも高い第２の基準圧力まで電池内部の圧力が高まったときに弁板３３が上方に押し上げられるのに伴なって延伸するように、その板厚や形状が設定されている。ガス抜き孔３１１は、正極端子部３２ａの周壁における支点３１２ａよりも端子部先端側に穿設されている。
【００２０】
弁板３３は、スプリング３４により弾性付勢された状態となっており、これによって、弁板３３の全外周部分と弁座３１２とが支点３１２ａにおいて密着し、密閉型蓄電池内部は気密状態に保持される。
上記密閉型蓄電池は、ガス放出弁が異物の混入など何らかの原因によって機能せず、電池内部の圧力が第２の基準圧力よりも上昇した場合に、正極端子部３２ａの弁座３１２が延伸される。ガス抜き孔３１１の位置は、弁座３１２が延伸された場合に、その孔が電池内部を直接大気開放し、反応ガスを外部に放出するように設定されている。
【００２１】
図３は、正極端子部３２ａの弁座３１２が延伸したときの封口体３の一部断面図である。
正極端子部３２ａにおいて、ガス放出弁が機能せずに電池内部の圧力が上昇した場合には、弁座３１２が反応ガスの圧力によって延伸されるので、同図に示す正極端子部３２ａが電池外方にさらに膨出し、ガス抜き孔３１１が穿設された周壁３１１ａにおいて弁板３３を支持するように塑性変形する。このような形状に正極端子部３２ａが変形するためには、弁座３１２の湾曲部分が、密閉型蓄電池を構成する密閉容器（外装缶２、および弁体を除く封口体３）の中で一番最初に変形・延伸されやすいように構成する必要がある。すなわち、弁座３１２の湾曲部分が変形をし始める変形開始荷重（ここでは、第２の基準圧力）が、外装缶２（図１）の周壁および底部分、および封口板３１における弁座３１２湾曲部分（図２）以外の部分や、封口板３１と正極キャップ３２、封口板３１と外装缶２（図１）におけるかしめ・溶接部分が変形を開始する変形開始荷重（電池内部の圧力）に比べて低くなるように設定する必要がある。
【００２２】
これは、弁座３１２の湾曲部分となる正極端子部３２ａの周壁において、ガス抜き孔３１１の数を多くあけたり、ガス抜き孔３１１の孔径を大きくしたり、弁座３１２部分の厚みを薄くしたりすることによって、弁座３１２の湾曲部分における変形開始荷重が密閉型蓄電池の密閉容器の中で一番低くなるように設定することができる。
【００２３】
このように、正極端子部３２ａが反応ガスによって延伸された後においては、周壁３１１ａの電極体側にガス抜き孔３１１が開口した状態となっており、これによって密閉型蓄電池内部は、直接大気開放される。
したがって、電池内部に過剰に発生した反応ガスは、図中矢印Ｂで示すように電池外部に放出され、電池内部の圧力を大気圧まで減圧することができるので、弁板３３が動かなくなったとしても電池の破損を抑制することができる。
【００２４】
上述したような構成を有する封口体３の製造方法は、以下に示す５工程を必要とする。
▲１▼ 封口板加工工程：金属板にプレス加工を行うことにより封口板形状に加工する。
▲２▼ 正極キャップ加工工程：金属板にプレス加工を行うことにより正極端子部３２ａが突出するように加工するとともに、ガス抜き孔３１１を穿設する。そして、正極キャップ３２の弁座３１２となる部分において、その変形開始荷重を密閉型蓄電池の密閉容器の中で一番低くするために、その部分をプレスして厚みを薄くしたり、ガス抜き孔３１１を数多くあけたり、ガス抜き孔３１１の面積を大きくしたりする加工を行う。なお、ここではまだ、弁座３１２を形成しない。
【００２５】
▲３▼ スプリング加工工程：鋼線等をスプリングに加工する。
▲４▼ 弁板加工工程：金属板をプレス加工などにより、弁板３３の形状に加工する。
▲５▼ 組み立て・溶接加工工程：スプリング３４と弁板３３とを正極端子部３２ａの内部先端側に押し当てた状態を保持しながら、正極端子部３２ａの周壁における付け根付近に対してシーム加工を施すことにより、湾曲した弁座３１２を形成し、正極キャップ３２を形成する。この後、正極キャップ３２と封口板３１とを重ね併せて、その接触面を溶接もしくはかしめによって固定し、封口体３を形成する。
【００２６】
このように、正極端子部３２ａの周壁がその内部に湾曲して弁座３１２が形成され、この弁座３１２の変形開始荷重が、密閉型蓄電池の密閉容器の中で一番低く設定されているので、弁体が何らかの原因によって機能しなくなった場合においても反応ガスを外部に放出することができるので、電池内部の圧力上昇に伴なう電池の破損を抑制することができる。
【００２７】
さらに、上述したような構成によって、電池内部の電極体を除く空間の体積を図８に示す従来例に比べて増加させることができるので、低温過充電時など、反応ガスが過剰に発生しやすい場合においても電池内の圧力上昇が抑えられ、電解液のリーク発生を抑制することができる。
なお、上記実施の形態においては、弁体に弁板とスプリングを用いていたが、図４に示すように、弁体としてゴムなどからなる弾性体３４０を用いるようにしても良い。このようにすれば、密閉型蓄電池を構成する部品点数を上記実施の形態に比べて減らすことができるので、コスト的にも好ましい。
【００２８】
（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態においては、封口体を正極キャップ、封口板、弁体とから構成していたが、本第２の実施の形態においては、正極キャップと封口板を一の板状部材から一体的に形成した封口正極板を用いている点が異なっている。
＜密閉型蓄電池の全体構成＞
図５は、本第２の実施の形態に係る密閉型蓄電池の分解斜視図である。なお、本第２の実施の形態に係る密閉型蓄電池は、第１の実施の形態において図１を用いて説明した密閉型蓄電池における封口体３の構成が異なるのみであり、図１と同じ番号を付したものは同じ構成要素であるので、これについては説明を省略し、異なる部分について主に説明する。
【００２９】
同図に示すように、封口体５は、封口正極板５１、弁板５３、スプリング５４を備え、封口正極板５１に形成された正極端子部５２内部に弁板５３、スプリング５４からなる弁体が設けられている。
ここで、スプリング５４は、弁座５１２に対して弁板５３を弾性付勢しており、電池内部の圧力が高まったときには、スプリング５４に弾性付勢された弁板５３が押し上げられて、正極端子部５２の周壁に設けられたガス抜き孔３１１を通じて反応ガスが大気中に放出されるようになっている。
【００３０】
＜封口体５の構成＞
次に、封口体５の構成について説明する。
図６は、封口体５の要部断面図である。
封口正極板５１は、一の円板状部材に対してプレス加工を施して、その中央部において、電池外方へ膨出した中空の正極端子部５２を形成したものである。
【００３１】
正極端子部５２の周壁には、反応ガスを外部に排出するためのガス抜き孔５１１が形成されるとともに、ガス抜き孔５１１よりも渦巻電極体１（図５）に近い側に、電池内部方向に湾曲して突出した弁座５１２が円周状に形成されている。
ここで、弁座５１２は、その内径が弁板５３の外径よりも小さくなるように突出しており、これにより弁板５３を載架している。
【００３２】
この弁板５３は、スプリング５４により弾性付勢された状態となっており、これによって、弁板５３の外周付近における対向面と弁座５１２とが密着し、密閉型蓄電池内部は気密状態に保持される。
ここで、正極端子部５２における弁座５１２の湾曲部分は、上記第１の実施の形態と同様、密閉型蓄電池の密閉容器において、変形開始荷重が一番低く設定されている。これによって、第１の実施の形態と同様、弁体が何らかの原因によって機能しなくなり電池内部の圧力が弁体の作動圧力を越えて上がったとしても、弁座５１２が延伸するとともに、弁板５３がガス抜き孔５１１の穿設された正極端子部５２の周壁によって保持されるので、弁板５３の電極体側においてガス抜き孔５１１が電池外部に開放された状態となる。
【００３３】
したがって、上記第１の実施の形態と同様、電池の破損を抑制することができる。
さらに封口体５は、弁板５３、スプリング５４とからなる弁体と、封口正極板５１との２点から構成されるので、上記第１の実施の形態に比べて封口体の部品点数を少なくすることができる。
【００３４】
この封口体５の製造方法としては、例えば、以下のような製造方法を挙げることができる。
▲１▼ 封口正極板加工工程：金属板にプレス加工を施すことにより、正極端子部５２、ガス抜き孔５１１を有する封口正極板５１の形状（ここでは、まだ弁座５１２を形成しない）に加工する。そして、正極端子部５２の弁座５１２となる部分において、その変形開始荷重が密閉型蓄電池の密閉容器の中で一番低くするために、プレスその部分の厚みを薄くしたり、ガス抜き孔５１１の数を多くあけたり、その孔の面積を大きくしたりする加工を行う。
【００３５】
▲２▼ スプリング加工工程：鋼線等をスプリングに加工する。
▲３▼ 弁板加工工程：金属板をプレス加工などにより、弁板形状に加工する。
▲４▼ 組み立て・溶接加工工程：正極キャップの内部にスプリング５４と弁板５３とを正極端子部５２内部先端側に押し当てた状態を保持しながら、正極端子部５２の周壁における付け根付近に対して押圧して、シーム加工を施すことにより湾曲した弁座５１２を形成し、封口正極板５１を形成する。
【００３６】
上述したように、封口正極板５１を、二つ以上の部品を溶接やかしめによって接合することなく形成された一の部材から構成することによって、第１の実施の形態のように、封口材を正極キャップと封口板の２つの部材から構成する場合と比べて封口体の部品点数を減らすことができる。
すなわち、第１の実施の形態の封口体３においては、封口板３１、正極キャップ３２、弁板３３、スプリング３４の４点が必要となっていたが、本第２の実施の形態における封口体５においては、封口正極板５１、弁板５３、スプリング５４の３点のみと、従来に比べて少ない部品で構成することができる。そのため、コスト的にも有利である。
【００３７】
他方、封口体５の部品点数を第１の実施の形態に比べて減らすことができるので、電池の製造工程における工程数も減らすことができる。そのため、コスト的にも優れる。
（変形例）
（１）上記第２の実施の形態においては、弁体を弁板とスプリングから構成していたが、弁体をゴムなどの弾性体から構成してもよい。
【００３８】
図７は、本変形例における封口体６の要部断面図である。なお、図６と同じ番号を付したものについては、同じ構成要素であるので詳細な説明を省略する。同図に示すように、ゴムなどからなる弾性体５４０が、正極端子部５２内部先端側に装填されており、その底面の周縁部が弁座５１２により支持されている。ここで、弾性体５４０は、その底面の周縁部が全周にわたって弁座５１２と密着するように弾性付勢された状態となっており、上記第２の実施の形態における弁板５３とスプリング５４の役割を果たすように構成されている。そのため、上記実施の形態よりもさらに、封口体を構成する部品数を減らすことができる。
【００３９】
（２）上記実施の形態および変形例においては、弁体をスプリングと弁板、もしくはゴム状弾性体としたが、これに限られるものではなく、スプリングの代わりに板ばねやゴム状弾性体を用いることができる。また、円筒型蓄電池以外にも角型蓄電池などにも本発明を適用する事ができる。さらに、アルカリ蓄電池以外であっても、電池内部の反応ガスが外部に放出するタイプのものであれば、本発明を適用することができる。
【００４０】
（実験）
本発明に係る密閉型蓄電池の耐圧信頼性試験を行うために、１３００ｍＡｈのニッケル−カドミウム密閉型蓄電池（ＳＣサイズ）において、封口体の形状のみが異なる実施例サンプルおよび比較例サンプルを作製し、過充電時の電池破損率の評価実験を行った。
【００４１】
実施例サンプル１としては、図２を用いて説明した封口体を備えた密閉型蓄電池を作製した。
比較例サンプル１，２としては、従来の技術においてそれぞれ図８，９を用いて説明した封口体を有する密閉型蓄電池を作製した。
ここで、上記実施例サンプル１、比較例サンプル１，２については、各サンプルにおける弁板およびゴム状弾性体を弁座に接着することによって、安全弁が作動しない状態に設定しておいた。このような各実施例、比較例サンプルをそれぞれ１０個ずつ作製し、これらを反応ガスが多量に発生しやすい過充電となる条件（室温下、１０Ｉｔの定電流状態で１時間）で充電を行い、その間に電池の破損が起こった数をカウントすることにより、各サンプルの電池破損率を算出した。
【００４２】
その結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】

【００４４】
この結果から分かるように、従来の封口体を有する比較例サンプル１，２は、低温過充電を行った場合に１００％の割合で電池が破損する。しかし、本発明に係る密閉型蓄電池によれば、低温過充電時においても電池破損が全く発生していない。
これは、たとえ弁板が弁座に固定されていようとも、電池内部の圧力が上昇した際には、弁座部分が延伸するとともに、ガス放出孔が外部と連通するように構成されているので、圧力上昇が緩和され、電池破損が起こりにくくなったためであると考えられる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係る密閉型蓄電池は、電極体と、前記電極体を収納する筒形有底部材と、前記筒型有底部材の開口部を封口する封口体とを備え、前記封口体には、その一部を電池外方へ膨出して電極端子が形成されているとともに、当該電極端子の周壁に形成されたガス抜き孔よりも電極体に近い側の電極端子内壁を屈曲して弁座が形成され、かつ、当該弁座に対して弾性付勢された状態で電極端子内空間に弁体が設けられており、前記弁座は、電池内部に前記弁体が作動する圧力よりも高い圧力が掛かった場合に延伸し、前記弁体を除く封口体と筒型有底部材とから構成される密閉容器中で、変形開始荷重が最も低く設定されており、前記ガス抜き孔は、前記屈曲した弁座が延伸された場合に電池内部が直接大気開放される位置に配されているので、異物の混入などによって弁体が動かなくなり、ガス放出弁が機能しなくなったとしても、電池内部の圧力が弁体が作動する圧力よりも高い所定の圧力まで高まった場合には、電極端子の周壁が屈曲して形成された弁座が延伸されて電池内部が直接大気開放される。したがって、電池内部の圧力が大気圧まで下がるので、密閉型電池の破損発生が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るアルカリ蓄電池の分解斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係るアルカリ蓄電池の封口体の要部断面図である。
【図３】図２における正極端子部が延伸した状態を示す封口体の要部断面図である。
【図４】第１の実施の形態の変形例におけるアルカリ蓄電池の封口体の要部断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るアルカリ蓄電池の分解斜視図である。
【図６】第２の実施の形態に係るアルカリ蓄電池の封口体の要部断面図である。
【図７】第２の実施の形態の変形例おけるアルカリ蓄電池の封口体の要部断面図である。
【図８】従来のアルカリ蓄電池の封口体の要部断面図である。
【図９】従来のアルカリ蓄電池の封口体の要部断面図である。
【符号の説明】
１ 渦巻電極体
２ 外装缶
３ 封口体
４ ガスケット
１０ 正極板
２０ 負極板
３０ セパレータ
３１ 封口板
３１ａ 孔
３２ 正極キャップ
３２ａ 正極端子部
３３ 弁板
３４ スプリング
３１１ 孔
３１１ａ 周壁
３１２ 弁座
３１２ａ 支点

Claims (2)

1. 電極体と、前記電極体を収納する筒形有底部材と、前記筒型有底部材の開口部を封口する封口体とを備え、
   前記封口体には、その一部を電池外方へ膨出して電極端子が形成されているとともに、当該電極端子の周壁に形成されたガス抜き孔よりも電極体に近い側の電極端子内壁を屈曲して弁座が形成され、かつ、当該弁座に対して弾性付勢された状態で電極端子内空間に弁体が設けられており、
   前記弁座は、電池内部に前記弁体が作動する圧力よりも高い圧力が掛かった場合に延伸し、前記弁体を除く封口体と筒型有底部材とから構成される密閉容器中で、変形開始荷重が最も低く設定されており、
   前記ガス抜き孔は、前記屈曲した弁座が延伸された場合に電池内部が直接大気開放される位置に配されている
   ことを特徴とする密閉型蓄電池。
2. 前記封口体は、一の板状部材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池。

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