專利名稱：半淹沒蓄電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對蓄電池在工作和使用過程中減少水耗的改進(jìn)。更具體一點講，它涉及簡單而可靠的封閉式或閥控蓄電池的設(shè)計，該設(shè)計具有現(xiàn)有一切設(shè)計式樣所沒有的優(yōu)點。本發(fā)明的闡述將以固定式應(yīng)用中使用的鉛酸性類蓄電池為例，但可由任何熟悉本領(lǐng)域的人推廣至別種蓄電池和別的應(yīng)用。
a．傳統(tǒng)淹沒蓄電池如

圖1所示的傳統(tǒng)淹沒蓄電池含有至少兩塊浸入電解質(zhì)溶液的板狀電極。極板間有剛硬但卻多孔的隔板，可防止它們之間的電接觸。一極板帶正電，而另一極板則帶負(fù)電。兩極板由電線接至電池外部的正、負(fù)終端并可進(jìn)一步與電路接通。
上述蓄電池的一個典型用途便是作為計算機(jī)或通訊系統(tǒng)的備用電源。這里，將蓄電池放在架子上串聯(lián)，然后在控制的電壓下連續(xù)充電或“浮充”。
這種連續(xù)充電具有通常電解來消耗水的效果；即水在正極被分解成氧氣(O2)，在負(fù)極則得到氫氣(H2)。這些氣體作為氣泡上升到電解質(zhì)表面，通過電池上部的通氣孔排出。
盡管淹沒蓄電池的水耗可通過在最低電壓下進(jìn)行充電來減至最小，但仍需要不斷加水。例如，大型固定式蓄電池在某些應(yīng)用中可能需要每年加水，而這對于遠(yuǎn)離城市的用戶來說，可能會因日益增長的勞務(wù)費用而變得不合算。
因此，不用加水的蓄電池具有商業(yè)上的好處，且特別是在過去的十年里，蓄電池工業(yè)界花費巨大努力研制封閉式“閥控”蓄電池。這些閥控蓄電池采用不同的技術(shù)來減小水耗。
b．閥控蓄電池圖2所示的傳統(tǒng)閥控蓄電池(VR)具有與淹沒蓄電池所含類型相同的極板。但是，這些極板不是浸在電解質(zhì)中，而是夾在由微細(xì)玻璃纖維制成的吸收性海綿狀隔板間。實際上所有電解質(zhì)吸附于海綿狀隔板中，蓄電池中基本上無“自由”電解質(zhì)。閥控蓄電池還用卸壓閥來代替常見的通氣孔，可讓壓縮氣體逸出，但卻不允許大氣中的氧氣進(jìn)入蓄電池。
傳統(tǒng)閥控蓄電池VR與淹沒蓄電池相比有兩個優(yōu)點。第一個優(yōu)點表現(xiàn)在不動電解質(zhì)。電解質(zhì)被吸附于海綿狀隔板里，因而即使容器穿孔或蓄電池倒置也不會外泄。該優(yōu)點在某些場合(如玩具)非常重要，在另一些場合(如固定式備用電源系統(tǒng))則不重要。
第二個優(yōu)點則為水耗降低。閥控蓄電池里的吸收性海綿狀隔板設(shè)計時故障使其不到100％飽和，從而在極板間留下了可通過氣體的通道。這一特點使得一個叫作“氧氣循環(huán)”(見后述)的過程得以實現(xiàn)，該過程使蓄電池水耗顯著降低，且至少從理論上講可讓蓄電池在整個設(shè)計使用期內(nèi)不需加水。
對大多數(shù)工業(yè)用戶來說，這第二個優(yōu)點更為重要，這是因為對于一個使用壽命為20年的蓄電池，第二個優(yōu)點所致的維修費用的降低是相當(dāng)可觀的。
c．氧氣循環(huán)圖2還大略地表示出充電時的閥控蓄電池。在正極板上產(chǎn)生的氧氣，不是象在淹沒蓄電池里那樣作為氣泡冒出電解質(zhì)表面，而是穿過隔板直接與負(fù)極板接觸。如此產(chǎn)生的氧氣“去極化”或減小負(fù)極板的電壓，使得氫氣的產(chǎn)量保持最低。由此，蓄電池的水耗便得以降低。
d．閥控蓄電池存在的問題鉛酸類閥控蓄電池在過去幾年里取得了商業(yè)上的成功，并廣泛用于大型固定式應(yīng)用場合。這些電池當(dāng)較新時性能通常優(yōu)良。但隨著電池的老化，性能變差，目前已有許多報道涉及設(shè)計使用壽命為20年的蓄電池在用了四、五年后便報廢。
我公司對不同廠家生產(chǎn)的閥控蓄電池的大量測試證實這些電池在工作性能上存在嚴(yán)重的差異。相信這些問題的產(chǎn)生與海綿狀玻璃纖維隔板有關(guān)；隨著電池不斷老化，這些隔板變得越來越干，致使越來越多的氧氣穿過隔板抵達(dá)負(fù)極板。最后，氧氣的“傳輸”速率變得如此大以致負(fù)極板放電。
換言之，盡管少量氧氣傳輸有好處，且為氧氣循環(huán)運作所需，但太多則對蓄電池十分有害。因而，從某種意義上講，負(fù)極板若要生存就得受保護(hù)以免遭氧氣的“進(jìn)攻”。然而，工業(yè)界對此狀況并不理解。
因此，本發(fā)明的第一個目的便是提供這樣一種蓄電池，它在保護(hù)負(fù)電極不受過量氧氣作用的同時使水耗保持最低。
本發(fā)明的第二目的是提供一種可靠性顯著提高的蓄電池。
第三個目的是提供一種需要較少維修的蓄電池。
第四個目的是提供一種能延長使用壽命的蓄電池。
本發(fā)明的其余的目的、優(yōu)點和新特征將在下面的描述中給出，對于那些熟悉本領(lǐng)域人在閱讀下述論述過程中將變得顯而易見或通過本發(fā)明的實際運用而知道。本發(fā)明的目標(biāo)和優(yōu)點可借助于如所附權(quán)利要求中所指出的那些手段和組合來實現(xiàn)和獲得。
概括地說，本發(fā)明的目的和優(yōu)點是由一個帶內(nèi)裝有液體電解質(zhì)的封閉箱的蓄電池來實現(xiàn)的。電解質(zhì)液面上方為一氣室。氣室收集包括蓄電池里產(chǎn)生的氧氣在內(nèi)的氣體。
正、負(fù)電極浸入電解質(zhì)中。負(fù)電極部分地露出液面并與氧氣接觸。設(shè)于蓄電池中的卸壓閥允許過量氣體排出箱，但卻不讓箱外空氣入內(nèi)。
由此，水耗降至最低，而蓄電池的無修理壽命延長了。
附圖用來圖解本發(fā)明的最佳實施例，將它們插入說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。與前述一般性描述及下面將要給出的最佳實施例的詳細(xì)描述一道，這些附圖可用來解釋本發(fā)明的原理。
圖1為一傳統(tǒng)淹沒蓄電池的示意圖。
圖2為一傳統(tǒng)閥控蓄電池的示意圖。
圖3為按本發(fā)明制造的蓄電池示意圖。
圖4為另一按本發(fā)明制造的蓄電池(第二個實施例)示意圖，其中正電極完全浸入電解質(zhì)中。
圖5為本發(fā)明的第三個實施例的示意圖。
圖6為本發(fā)明的第四個實施例的示意圖，其中正、負(fù)電極之間有一海綿狀隔板。
圖7為一與圖3所示類似的蓄電池示意圖，包括一催化劑。
圖8為本發(fā)明又一個實施例示意圖，其中導(dǎo)線均完全浸入電解質(zhì)中。
圖9為兩個傳統(tǒng)蓄電池及按照本發(fā)明的一個半淹沒蓄電池的氣體排出量對時間的曲線圖。
現(xiàn)在，將通過一以“半淹沒”蓄電池形式的實施例來說明本發(fā)明。
該蓄電池結(jié)合了傳統(tǒng)淹沒蓄電池的一些特點及傳統(tǒng)閥控蓄電池所用的氧氣循環(huán)。
圖3展示了這樣一種鉛酸性類半淹沒蓄電池的最簡單形式。半淹沒蓄電池10含有一本領(lǐng)域常見的不透氣密封箱12。箱內(nèi)裝有液體電解質(zhì)14，其液面標(biāo)記為16。一個由液面16和箱12的上方內(nèi)壁圍成的氣室18收集自電解質(zhì)14冒出的氣體。
圖中的具有活性材料正電極20支撐并浸在電解質(zhì)14里。正電極20可以本領(lǐng)域典型的板狀構(gòu)成。圖中的具有活性材料的負(fù)電極22中也支撐并浸在電解質(zhì)14里。負(fù)電極也可類似地做成板狀。這里所描述的各類蓄電池中所用的電極通常都做成板狀，因而在本領(lǐng)域常稱為極板?？梢?，本文中的電極和極板可相互換用，但應(yīng)明白本發(fā)明并不限于板狀電極。
正負(fù)極板20和22分別由導(dǎo)線28和30與正、負(fù)端24和26相接。正、負(fù)極板20和22間有一傳統(tǒng)的剛性但卻是多孔的隔板32以防正、負(fù)極板20、22之間的電接觸。
如圖所示，電解質(zhì)14的液面16設(shè)定為稍低于極板20和22的頂部，其中負(fù)極板22處于液面之上的那一板段36暴露在氣室18中的氧氣里。也即，這些極板被設(shè)定為部分地暴露于電解質(zhì)14上面的氣室18中。
通常，對于如圖1所示的傳統(tǒng)淹沒蓄電池，如果極板露出電解質(zhì)，空氣中的氧氣會經(jīng)通氣蓋進(jìn)入電池，使負(fù)極板露出的部分氧化而放電。這就解釋了為什么在大多數(shù)淹沒蓄電池的容器邊上刻有一最低水平線，電解質(zhì)降至此線以下是不允許的。
然而，在如圖3所示的本發(fā)明中，因配置有一單向卸壓閥，就象在閥控蓄電池中一樣，可防止外面的氧氣進(jìn)入，并可讓過量氣體放出而不讓其電池內(nèi)超壓。
在充電過程中，在半淹沒蓄電池中所進(jìn)行的氧體循環(huán)與在傳統(tǒng)的閥控蓄電池內(nèi)所進(jìn)行的一樣，但只有負(fù)極露出的那部分參加反應(yīng)，且氧氣循環(huán)是在電解質(zhì)表面上方進(jìn)行，而不象在傳統(tǒng)的閥控蓄電池里那樣穿過隔板。這樣做最明顯的好處是每一負(fù)極板的大部分是浸在電解質(zhì)里，從而免遭電池大氣中的氧氣的破壞性作用。
圖4展示一個對本設(shè)計進(jìn)行的修改結(jié)構(gòu)，電池38與圖3所示電池10類似，其相同部件對應(yīng)的標(biāo)號也相同。這里，正極板20完全浸入電解質(zhì)14中。由于只有負(fù)極板露出的部分參加氧氣循環(huán)反應(yīng)，正電極20如果有必要可一直浸埋在電解質(zhì)里。
參看圖5，對基本設(shè)計的另一修改就是將負(fù)極板22做成如下形狀與氧氣接觸的板段36從電解質(zhì)液面向上伸展為一凸板40。這方便了對電解質(zhì)液面的調(diào)控，特別是對于那些靠邊放置或含短而寬極板的蓄電池。如果凸板置于整個負(fù)極中部，則無液面安裝效應(yīng)同樣會被降至最低。要注意的是與氧氣接觸的板段36并不限于圖中所示的具體例子，可以包含部分浸于電解質(zhì)14部分與液面16上部的氧氣接觸的獨立小極板。當(dāng)然，這種小極板應(yīng)與負(fù)極電連接。
圖6所示為本發(fā)明另一實施例，在其半淹沒設(shè)計中使用了海綿狀隔離器。對于較大充電電流，通常用較短充電時間，可暴露較大負(fù)極板表面區(qū)域。在后種情況下，離子路徑可能太長，致使不能保證電極的均勻充、放電。為了克服這一缺陷，可添加海綿狀隔離器或用以取代傳統(tǒng)隔板，其安置方式與含玻璃纖維板的傳統(tǒng)閥控蓄電池中的情形相同。
參見圖6，半淹沒蓄電池44的構(gòu)造類似于圖3所示，在正、負(fù)極板間增加了海綿狀隔離器46，部分浸于電解質(zhì)14中、部分延伸出電解質(zhì)14的液面之上。
用作海綿狀隔離器46的合適材料最好用直徑為10微米以上的粗玻璃纖維或別的具有合適性質(zhì)的材料。這里選用的玻璃纖維板不必象閥控蓄電池所要求的那樣是有很強(qiáng)的吸收性能(通常閥控蓄電池所用的玻璃隔板是用很細(xì)的玻璃纖維做的)，而是只要有相對較弱的吸收性便可。舉例來說，圖2所示的傳統(tǒng)閥控蓄電池就沒有可定義的電解質(zhì)液面，這是因為海綿狀隔板起著類似吸墨水紙的作用-將電解質(zhì)液面分散至整個蓄電池。電池箱內(nèi)無游離電解質(zhì)，因為即使蓄電池倒置也無電解質(zhì)溢出。
與此相反，在本實施方案中，酸液面的定義十分明確?！叭跣疚钡挠靡庠谟趯㈦娊赓|(zhì)往上吸幾厘米為兩極板之間提供額外的離子路徑。這好比油燈的芯，它自液體里出來后帶有一定的液面。如果將油燈制造成類似于傳統(tǒng)的閥控蓄電池，那么所有的油就全包含在燈芯里了。
與傳統(tǒng)閥控蓄電池不同，電解質(zhì)的固定化在本例中不是所希望的。本發(fā)明的蓄電池如果穿孔會象淹沒蓄電池一樣有外泄，這里的目標(biāo)是制造一種保留全動電解質(zhì)的真正有益之處的重組蓄電池，這些益處包括與極板更好的離子接觸、更好的熱傳遞以及別的后面將要論述的好處。本變形實例中的額外海綿狀隔離器只是幫助為高于通常電解質(zhì)液面的極板間的離子路徑提供較通常范圍要大的極板與氣室的接觸。除了弱吸收材料在閥控蓄電池中用到的強(qiáng)吸收材料也可使用，只要飽和度減小或提供如孔道一樣的穿過材料至極板的氧氣通道即可。
具體到技術(shù)細(xì)節(jié)上來講，盡管傳統(tǒng)閥控蓄電池要求90％～95％的隔板飽和度，且低于此便不工作，人們卻要瞄準(zhǔn)20％～70％的飽和度，最好是約40％。目標(biāo)是一種盡可能有利于極板間的氧氣傳遞的海綿狀隔離器。例如，多孔隔離器即可。在本發(fā)明的蓄電池中，是定義的電解質(zhì)液面之上的外露程度控制著氧氣循環(huán)的程度，而非隔離物的平均飽和度。
進(jìn)一步改進(jìn)可通過催化劑來實現(xiàn)。圖7所示為本發(fā)明的蓄電池48，具有類似圖3所示的半淹沒結(jié)構(gòu)。催化劑50可與氣室18中的氣體產(chǎn)生作用，能將氫氣和氧氣化合成水。在本實施例中，將催化劑置于氣室18中。任何能化合氫氣和氧氣的催化劑都行，例如，貴金屬中的鈀、鉑和銠以及非貴金屬中的碳化鎢。最好將氣室18中的催化劑包上一層限制爆炸的陶瓷材料。催化劑應(yīng)置于氣室18中或與之相接，一個較好的例子是將催化劑與卸壓閥合在一起形成可移動塞。
由我公司進(jìn)行的測試清楚地表明可化合氫和氧的催化劑裝置能顯著延長一般閥控蓄電池的壽命，特別是對半淹沒式結(jié)構(gòu)。許多設(shè)計人員可能會認(rèn)為由于閥控蓄電池本身可“化合”，故催化劑是多余的。然而，這里的“化合”這一術(shù)語非常有誤導(dǎo)性，這是因為閥控蓄電池只化合氧氣而不能化合氫氣。另一方面，催化劑可化合這兩種氣體，正是這種差異使得它非常有益。
下面讓我們來看一看一次測試的結(jié)果的例子。其任務(wù)是比較5個帶催化劑的閥控蓄電池與5個標(biāo)準(zhǔn)閥控蓄電池的排氣量，后者如前所述與水耗直接相關(guān)，從而牽涉到使用壽命，測試在90°F(華氏)和每個電池2．25伏充電電壓下進(jìn)行；這些條件對于通常的應(yīng)用是非常典型的。將所有蓄電池的排氣收集起來，可得如下令人吃驚的結(jié)果
標(biāo)準(zhǔn)蓄電池的預(yù)測使用壽命5年帶催化劑蓄電池的預(yù)測使用壽命25年造成如此非常大的改進(jìn)的原因?qū)嵸|(zhì)上歸功于催化劑氧化氫氣的能力。加上半淹沒式構(gòu)造，提供了獨一無二、嶄新且大有改進(jìn)的VR蓄電池。
進(jìn)一步的改進(jìn)可參見圖8，其中將正、負(fù)導(dǎo)電片均浸沒于電解質(zhì)里。連接負(fù)極板和電池外面的負(fù)終端的負(fù)片會腐蝕掉。與導(dǎo)片54接觸的氧氣可與導(dǎo)片54的濕表面上的氫離子化合而變成水。生成的純水會溶解導(dǎo)片54。因此，象圖示那樣將導(dǎo)片54完全浸埋于電解質(zhì)14里可保護(hù)導(dǎo)片54免遭腐蝕。
實驗數(shù)據(jù)為了對傳統(tǒng)蓄電池與那些根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)的電池的性能進(jìn)行比較，在我公司作了若干測試。在其中一次測試中，三個鋁酸性蓄電池串接以便充電時收到等量電流。電池屬小型固定式，具有36安培小時標(biāo)稱額。極板是用鋁-鈣合金制造的。這種合金在目前美國的淹沒和閥控蓄電池設(shè)計中應(yīng)用相當(dāng)普遍，它是特意用來使氫氣的產(chǎn)量降至最低。
上述蓄電池中的兩個屬傳統(tǒng)淹沒式構(gòu)造，具有淹沒蓄電池的通常電解質(zhì)標(biāo)高。第三個基本一樣，只是電解質(zhì)標(biāo)高有所降低，從而像上面對本發(fā)明的半淹沒蓄電池所作的討論那樣部分暴露了負(fù)極板。電解質(zhì)標(biāo)高降低以便讓負(fù)極板高度7％的那部分板段露出液面。
卸壓閥(單向閥)裝在所有蓄電池的通風(fēng)系統(tǒng)中以防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)。
三個蓄電池串聯(lián)放置并在固定的24毫安電流充電。兩個未經(jīng)改動的蓄電池的電壓分別為2．37和2．41伏。經(jīng)改動的，成半淹沒蓄電池的電壓為2．22伏，表明通過氧氣循環(huán)引起了顯著的去極化。
對蓄電池配備有氣體收集裝置，從而將自每個蓄電池排出的氣體收集在位于水槽中的倒置量筒里。氣體收集耗時12天，所得數(shù)據(jù)被作成如圖9所示的曲線圖。眾所周知，由于排氣量與水耗無關(guān)，故放出的氣體量減少，電池的水耗也就越少。
根據(jù)法拉弟定律，每安培小時的過量充電在室溫下產(chǎn)生大約770立方厘米氫氣和氧氣。由于三個測試電池中的每一個每天接收相同的0．56安培小時過量充電，其理論最大放氣速率可推測為大約每天400立方厘米。實際上，實測值總是低于理論值，這是因為負(fù)極板即使浸入酸中也會吸附部分氧氣。
正如所料，兩個未改動的蓄電池以較接近理論值的速率放氣。高壓電池放氣的速度較低伏電池為高，這同樣是在預(yù)料中。
以下為以每天、每100安培小時電容量下產(chǎn)生多少毫升氣來計量放氣量半淹沒蓄電池#1=12．7毫升／天／100安培小時淹沒蓄電池#2=246毫升／天／100安培小時淹沒蓄電池#3=316毫升／天／100安培小時由上可見，半淹沒蓄電池的放氣量為淹沒式的近28倍，其表現(xiàn)接近最好的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的閥控蓄電池。在所有情形下，在12天的測試周期內(nèi)，放氣速率穩(wěn)定且均勻。毫無疑問，半淹沒蓄電池的設(shè)想非常見效。
在本測試中，將電池里的電解質(zhì)標(biāo)高降低以便占負(fù)極板高度7％的那部分板段露出液面。一般地，傳統(tǒng)閥控蓄電池按設(shè)計只將其表面的5％外露，這是通過調(diào)節(jié)其隔板的飽和程度來達(dá)到的。顯然，這是在相同的數(shù)量級上。對于較低的充電電流(或電壓)，可少露極板。注意，對不同縱橫比的極板來說，其最佳液面下降幅度不同外露極板面積百分比相同時，高、窄板比起短、寬板需要較大幅度的液面下降。實際上，合適的負(fù)極板暴露程度取決于所期望的電池性能，最好能落在起作用的極板面積的約0．25％到約25％之間。
甚至更鼓舞人和令人驚訝的是我們的半淹沒蓄電池比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)用閥控蓄電池的性能還要好。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，值得進(jìn)一步加以說明。
傳統(tǒng)閥控蓄電池幾乎無一例外地消耗水，盡管其速率比起淹沒式要低得多。當(dāng)電池中的水的10％被消耗掉后，電池的電容即下降至壞死點，這時的電池可以認(rèn)為已接近使用壽命的終點。對于本發(fā)明的鉛酸性結(jié)構(gòu)，每年每100安培小時電容量下可失水約5克。
應(yīng)用周知的計算方法，這水耗可換算成蓄電池一生的平均氣體(氫氣)排放速率(計算結(jié)果表明目前的閥控蓄電池結(jié)構(gòu)每天每100安培小時下不可損失超過約20毫升的氣體，否則便會因干枯而提前報廢。
為了檢查閥控蓄電池的實際性能，我們測試了6個由大蓄電池公司制造的傳統(tǒng)閥控蓄電池，發(fā)現(xiàn)只有一個達(dá)到了目標(biāo)速度。也即6個蓄電池中有5個不可能完成其設(shè)計壽命。這些蓄電池中大多數(shù)的放氣速率一般高于允許值20毫升／天的二或三倍，表明其實際壽命將遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于20年的設(shè)計壽命。
相反地，本發(fā)明的半淹沒蓄電池放氣的速率只有12．7毫升／天／100安培小時，遠(yuǎn)小于允許值并對應(yīng)于約30年的預(yù)計壽命。該數(shù)據(jù)顯示，半淹沒蓄電池不僅化合得令人滿意，且化合得比大多數(shù)傳統(tǒng)閥控蓄電池要好。由此可得出結(jié)構(gòu)，就少維修這一主要要求來講，半淹沒蓄電池超過了傳統(tǒng)閥控蓄電池。
半淹沒蓄電池的其它好處即時放氣穩(wěn)定性。半淹沒蓄電池在開始運作后即刻取得較低的放氣速率非常重要；該電池并不象傳統(tǒng)閥控蓄電池那樣通常需要數(shù)月時間才能穩(wěn)定放氣。這表明半淹沒蓄電池操作起來比傳統(tǒng)閥控蓄電池少變。由于放出的氣體主要為氫氣且是有爆炸性，這種穩(wěn)定性就給蓄電池使用者保證了安全。如果新的傳統(tǒng)閥控蓄電池初用時段過量放氣，就可能會在電池房引起爆炸事故。
不易發(fā)生熱量失控積聚。半淹沒蓄電池的另一好處是引出的電流比通常的閥控蓄電池要小，從而降低了電池溫度。結(jié)果，也就更不易發(fā)生熱量失控積聚，即發(fā)生升溫引起電流增大，繼而又進(jìn)一步升溫等等這一死循環(huán)，直至電池報廢。較低的溫度還會增加電池壽命。
更好的熱傳遞。半淹沒蓄電池超過傳統(tǒng)閥控蓄電池的另一優(yōu)越之處是具有較高的由內(nèi)向外的熱傳遞速率。這是因為前者的液體電解質(zhì)與電池容器的接觸要好于后者的海綿狀玻璃纖維隔板。
更易檢查。半淹沒蓄電池與傳統(tǒng)閥控蓄電池相比的一個非常重要的好處是檢查起來容易。計算機(jī)和電信系統(tǒng)的緊急備份需要用到備用電池；蓄電池失效是完全不能容許的，用戶需要一種估計電池健康狀態(tài)的方法。在傳統(tǒng)的閥控蓄電池里，通過不透明的墻壁既看不見電解質(zhì)液面也看不清電極板狀況，且至今還未有不經(jīng)過昂貴的放電測試就可對電池進(jìn)行檢驗的滿意的方法。(注目前正提倡在傳統(tǒng)閥控蓄電池上配備十分昂貴的自動數(shù)據(jù)記錄儀，以便嘗試著預(yù)報即將臨近的電池失靈)。相反，對于半淹沒結(jié)構(gòu)，可將容器做成透明的，且只需稍作改動便可將用于淹沒蓄電池的嘗試和測試程序借過來用。由于易于檢查，半淹沒蓄電池的系統(tǒng)可靠性將會得到改善。
低壓化合。另一好處是半淹沒蓄電池的氧氣循環(huán)非常有效率，因而可在電池蓋內(nèi)無明顯壓力(即小于0．5psi)下進(jìn)行。這與傳統(tǒng)閥控式結(jié)構(gòu)中需將卸壓閥設(shè)在1．5psi到10psi之間形成鮮明對比。這樣，電池容器并不需要像在傳統(tǒng)閥控蓄電池里那樣用鋼加固以防凸出。因而，半淹沒蓄電池的造價會較傳統(tǒng)的為低。
更多可用電解質(zhì)。與傳統(tǒng)閥控蓄電池的海綿狀隔板所含電解質(zhì)的量有限不同，半淹沒蓄電池是有潛在的更多可用電解質(zhì)。例如，極板可置于超大容器中有目的的提供更多的水。換言之，與傳統(tǒng)閥控蓄電池相比，半淹沒蓄電池同時具有較大的存水量和較低的水耗。
較低酸度。更進(jìn)一步，對于鋁酸性蓄電池，由于有了較大的可用水儲備，酸的強(qiáng)度(或密度)自然減小，從而更有利于長壽。因此，半淹沒蓄電池的預(yù)計壽命比傳統(tǒng)閥控式長。
可調(diào)液面。半淹沒蓄電池的又一優(yōu)點是可改變電解質(zhì)液面使得或多一點或少一點的極板面積外露，以此達(dá)到調(diào)節(jié)電池性能-特別是化合性能的目的。這種改變可在出廠前做也可就地進(jìn)行。因此，半淹沒蓄電池可根據(jù)應(yīng)用需要定做，這一特點是傳統(tǒng)閥控蓄電池所不具備的。
可預(yù)報的老化模式。傳統(tǒng)閥控蓄電池的水耗模式非常復(fù)雜，幾乎不可能加以控制。例如，水耗可能在海綿狀隔板的某一區(qū)高，但在另一處卻不高，形成無數(shù)分布的干點；水耗也可因隔板受壓而受到影響(因為壓縮影響孔徑尺寸)；水還可能從隔板流至極板(因為后者的孔徑小)，進(jìn)而影響電池的電容量。
半淹沒蓄電池消耗水是按照可預(yù)測的方式進(jìn)行的-標(biāo)高像在淹沒蓄電池里的情形一樣只是下降(但慢很多)。電解質(zhì)液面以下的所有極板部分都均勻地淹沒在電解質(zhì)里，與隔板的受壓或孔徑或類型無關(guān)。此外，計算這種液面下降不難，因此也就容易預(yù)報電池壽命。對我們的試驗用蓄電池，我們計算出在20年使用期內(nèi)電解質(zhì)液面將下降負(fù)極板高度的7％。由于電池通常預(yù)料會在此期間由于正極板的限制失去20％的電容量，這是一個相當(dāng)可以接受的數(shù)字。不管怎樣，如果在蓄電池的整個使用壽期內(nèi)要求負(fù)極板電容量是滿的，可很容易地將初始負(fù)極電容量增加7％來補(bǔ)償。
簡化了的緊急加水。如果閥控蓄電池漏水-一種十分常見的毛病，電池就會干涸。這時，只要加水，蓄電池又恢復(fù)工作。傳統(tǒng)閥控蓄電池中存在的問題是沒有可見的液面標(biāo)高，因而無法方便地估計出要加的水量。半淹沒蓄電池則不然，這里標(biāo)高是可見的，因而可清楚知道該加多少水。
改變?yōu)樽詈玫某潆婋妷喝绻麑⒀蜎]蓄電池轉(zhuǎn)換成半淹沒式，最好降低充電電壓以獲得最高電池壽命。一個典型的電話用淹沒蓄電池(鋁酸性)充有約100毫伏的過壓。一般地，這個電壓數(shù)由正、負(fù)兩電極分擔(dān)，各得50毫伏。
對于半淹沒蓄電池，負(fù)極板受到氧氣循環(huán)的“去極化”，以致正常運作時在負(fù)極板上很少或沒有電壓。因此，如果用分配給淹沒蓄電池的同樣充電電壓，則正極板將獲得整個100毫伏過壓。這會增加正極板的腐蝕速率，因而在一定程度上影響了電池的壽命。
因此，半淹沒蓄電池的浮動電壓最好有所降低，其下降幅度視應(yīng)用和電池結(jié)構(gòu)而定。為了獲得最長壽命(最小的正極板腐蝕)，正極板電壓應(yīng)維持在30～70毫伏間。
應(yīng)當(dāng)指出上述描述用于說明本發(fā)明的某些實施方案，而不是框定本發(fā)明的應(yīng)用范圍。本發(fā)明只受其權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1．一種蓄電池，包括密封箱；置于上述密封箱內(nèi)的液體電解質(zhì)，該電解質(zhì)的液面構(gòu)成密封箱內(nèi)收集氧氣的氣室的底部。淹沒于所述電解質(zhì)中的正電極，浸于所述電解質(zhì)中的負(fù)電極，其中一部分負(fù)電極露出液面；以及裝在所述蓄電池上的卸壓閥，可讓氣體自箱內(nèi)逸出，但卻不讓箱外的氧氣與負(fù)極板接觸。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的蓄電池，其中正電極完全浸入電解質(zhì)中。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的蓄電池，其中負(fù)電極包括一板塊，該塊板有一延伸至液面以上的板段。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的蓄電池，其中所述板段系所述板整體的一部分。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的蓄電池，其中暴露于液面之上的負(fù)電極的面積應(yīng)為負(fù)極板總面積的0．25％到25％之間。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的蓄電池，其中所說的電池系鋁酸性蓄電池，其電解質(zhì)包括硫酸。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的蓄電池，進(jìn)一步包括聯(lián)結(jié)負(fù)極板和裝在箱外的負(fù)端的負(fù)片，該片浸埋于電解質(zhì)中。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的蓄電池，進(jìn)一步包括可化合氫氣和氧氣并與氣室接觸的催化劑。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的蓄電池，其中所述催化劑選自一組包括鈀、鉑、銠或碳化鎢的物質(zhì)。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的蓄電池，其中所述催化劑與卸壓閥合并為一通氣塞。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的蓄電池，進(jìn)一步包括置于正、負(fù)電極間的隔板。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的蓄電池，其中隔板包括由弱吸收性材料制成的海綿狀隔離器，該隔離器的一部分浸埋于電解質(zhì)中，另一部分則與液面之上的所述正、負(fù)電極接觸。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的蓄電池，其中所述海綿狀隔板包括至少10微米厚的玻璃纖維。
14．一種蓄電池，包括密封箱；置于該箱內(nèi)的流體電解質(zhì)；位于箱內(nèi)的氣室，用于收集蓄電池內(nèi)產(chǎn)生的氧氣；安裝在所述箱內(nèi)并浸埋于所述電解質(zhì)中的正電極；安裝在所述箱內(nèi)并浸于所述電解質(zhì)中的負(fù)電極，其中一段暴露于所述氣室內(nèi)的氧氣中；以及置于所述箱內(nèi)的單向閥，可使過量氣體自箱內(nèi)逸出。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的蓄電池，其中所述正、負(fù)電極以正、負(fù)極板的形式構(gòu)成。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的蓄電池，其中暴露于氣室里的氧氣中的負(fù)極板面積為負(fù)極板總面積的0．25％到25％之間。
17．根據(jù)權(quán)利要求15的蓄電池，進(jìn)一步包括一位于所述正、負(fù)極板之間的隔板。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的蓄電池，其中隔板包括海綿狀隔離器，該隔離器的一部分浸埋于電解質(zhì)中，另一部分則與液面之上的正、負(fù)電極接觸。
19．根據(jù)權(quán)利要求15的蓄電池，進(jìn)一步包括可化合氫氣和氧氣并安裝得與氣室相通的催化劑。
20．根據(jù)權(quán)利要求16的蓄電池，進(jìn)一步包括位于所述正、負(fù)極板間的隔板，以及還包括與氣室相通的催化劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含正(20)、負(fù)(22)電極的蓄電池(38),其中兩電極均浸于液體電解質(zhì)(14)中。負(fù)極(22)部分地袒露于電池箱(12)內(nèi)的氣相空間或氣室(18)。安全卸壓閥(34)允許氣體自蓄電池(38)逸出,同時又可防止電池外的空氣進(jìn)入氣室(18)中的氧氣間。將負(fù)電極(22)的一部分暴露于氣室(18)中的氧氣間,可使電池(38)的水耗降低,從而延長蓄電池的無修理使用壽命。
文檔編號H01M10/52GK1204421SQ9619907
公開日1999年1月6日 申請日期1996年10月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月27日
發(fā)明者威廉·E·M·瓊斯 申請人:威廉·E·M·瓊斯