JPH0215581A - ニッケル・カドミウムアルカリ蓄電池の残存容量の判定方法 - 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、常時は定電圧で浮動充電して待機し、停電な
どの非常時に放電して電力を供給する非常用電源装置な
どの用途に用いられるニッケル・カドミウムアルカリ蓄
電池の残存容量の判定方法に関するものである。

従来の技術とその課題 ニッケル・カドミウムアルカリ蓄電池は、単独の電池と
して、または複数の電池を電気的に直列または並列に接
続した組電池として、定電圧浮動充電状態で待機する非
常用電源装置などの用途に使用される。

ところが、浮動充電電圧が低かったり、均等および回復
充電の不足等の使用状態により、蓄電池の容量が少なく
なることがある。蓄電池の容量が少なくなった場合には
、停電などの非常時に負荷へ電力を供給出来なくなり、
使用上問題となる。

このような問題が生じないようにするには、適宜、簡単
に短時間に蓄電池の残存容量を判定し充電不足等の事態
が生じないようにする必要がある。

ニッケル・カドミウムアルカリ蓄電池の残存容量を判定
する従来の方法には、その電池を実際に放電して残存容
量を測定する方法、蓄電池の開回路電圧を測定して残存
容量を推定する方法および短時間の放電を行なって、そ
の放電特性がら残存容量を推定する方法などがあった。

これらの方法で残存容量を測定する際には、いずれの場
合も、浮動充電を中止する必要がある。

したがって、例えば非常用などの電源装置に用いている
ニッケル・カドミウムアルカリ蓄電池の残存容量を判定
する場合にも、電池をこの電源装置の電気回路から切り
離していた。ところが、この判定を行なっているときに
停電が発生する場合には、電池から負荷へ電力を瞬時に
供給することができなくなり、非常用電源装置などの本
来の機能が損なわれるという欠点がある。

そこで、非常用電源装置などの機能を損なうことがない
ように、ニッケル・カドミウムアルカリ＠電池を定電圧
で浮動充電しながら、その蓄電池の残存容量を判定する
方法が望まれていた。

課題を解決するための手段 本発明では、上述の課題を解決するために、ニッケル・
カドミウムアルカリ蓄電池を定電圧で浮動充電しながら
、参照極を用いてその蓄電池の正極または負極の単極電
位を測定し、その測定値を用いてこの蓄電池の残存容量
を判定することを特徴とする。

発明者らは、同一の種類の多数のニッケル・カドミウム
アルカリ蓄電池を用意し、温度や通電時間を変えてこれ
らの電池を定電圧で浮動充電し、残存容量が異なる電池
を作った。その後に、これらの電池を同一の温度で定電
圧で浮動充電しながら、酸化第２水銀電極からなる参照
極を用いてこれらの蓄電池の正極および負極の単極電位
を測定した０次に、これらの蓄電池を放電して残存容量
を調べた。この実験の結果、蓄電池の残存容量は、正極
の単極電位の値および負極の単極電位の値と極めてよい
相関関係にあることを見いだした。本発明は、このこと
を直接利用する。

すなわち、本発明では、非常用電源装置などに用いられ
ているニッケル・カドミウムアルカリ蓄電池を定電圧で
浮動充電している状態のままで、参照極を用いてその蓄
電池の正極または負極の単［！電位を測定する。そして
、この測定値を、上述の実験によって予め調べておいた
残存容量と単極電位との関係と比較することによってこ
の蓄電池の残存容量を判定する。

なお、本発明の方法でニッケル・カドミウムアルカリ蓄
電池の単ｆ！電位を測定する際に、参照極を測定用の全
ての電池に設置する方法と、１つの参照極を用いて、こ
の参照極の電解液と測定用の電池の電解液とを順次結合
する方法とがある。後者の方法は、測定用の電池が多い
場合に、前者の方法のような多数の参照極を必要としな
い点で、前者の方法よりも経済的に有利である。

しかし、ニッケル・カドミウムアルカリ蓄電池の浮動充
電を長期間続けていると、電池の電解液の濃度が変化し
たり、組電池を構成する素電池間で電解液の濃度にばら
つきが発生したり、セパレータなどの電池構成要素の分
解などによって不純物が電解液中に蓄積することがある
。この場合に、１つの参照極を用い、この参照極の電解
液と測定用の電池の電解液とを順に直接結合して単極電
位を測定すると、参照極の電解液と電池の電解液との混
合が進んで、参照極の電解液の濃度が変化したり、電池
の不純物が参照極に混入して、参照、ｆ５の電位が不安
定になることがある。そして、単極電位の測定値の精度
が低下する。

このような不都合を解決するためには、ニッケル・カド
ミウムアルカリ蓄電池の単８ｉ＋電位を測定する際に、
この電池の電解液と参照極の電解液とをイオンの移動が
可能な液絡部で結合する。このようにすると、参照極の
電解液の１度の変化や参照極への不純物の混入を防止で
きるので、参照極の電位が安定に保たれ、単極電位の測
定値の精度が高くなる。

なお、この方法によると、電池の電解液と参照極の電解
液とに濃度差がある場合には、濃淡電池の起電力が発生
する。そして、この状態で測定した単極電位は真の値で
はなく、真の単極電位に濃淡電池の起電力を加えた値で
ある。そこで、単極電位を測定する場合には、アルカリ
蓄電池の電解液の濃度を測定し、この濃度および参照極
の電解液の濃度から濃淡電池の起電力を計算して、単極
電位の測定値を補正するとよい。このようにすると、残
存容量の推定値の精度が高くなる。なお、電池の電解液
の濃度を簡単に測定する方法には、電解液の比重を測定
して、その測定値を濃度に換算する方法がある。

実施例 本発明を好適な実施例によって以下で説明する。

実施例１ 多孔度８２％の焼結ニッケル基板に、比重１．７０（７
０°Ｃ）で硝酸ニッケルを主体とする水７８凍を減圧含
浸し、次に比重１．２００（２０°Ｃ）のＮａＯＨ水溶
液で中和し、その後に水洗し、乾燥するという工程を６
回繰り返して、寸法１２０＋９１１　ｘ１３０ｎｎ　ｘ
ｏ、８ｎｎの正極板を製作した。この正極板１枚に含ま
れる水酸化ニッケルの１電子反応に相当する理論容量は
、約６Ａｈであった。そして、多孔度８５％の焼結ニッ
ケル基板に、比重１．５５（２０℃）の硝酸カドミウム
水溶液を減圧含浸し、比重１．２００（２０°Ｃ）のＮ
ａ０１１水溶液で中和し、水洗し、乾燥する工程を６回
繰り返して、寸法１２０ｎｍ　ｘ１３０１ｎ　ｘＯ，６
１１１の負極板を製作した。この負極板１枚に含まれる
水酸化カドミウムの理論容量は、約７Ａｈであった。こ
れらの極板を比重１．２００（２０℃）のＮａＯＨ水溶
液中で充放電を２回行なって化成し、洗浄し、乾燥した
。

次にこの正極板９枚と負極板８枚とをセパレータを介し
て、交互に積層して極板群を製作した。そして、この極
板群を外径寸法１４３１ｎ　ｘ２３９１ｎ＋　ｘ５１ｆ
ｕｌｌのポリスチレン−アクリル樹脂製の角形電槽に収
納し、次に、この電槽の上蓋に取り付けた排気孔から、
比重１．２８＋２０　’Ｃ）のＫＯＨ電解液を極板群の
上端から５ｃｎ上まで注入し、公称容量３０Ａｈのニッ
ケル・カドミウムアルカリ蓄電池Ａを３０個組み立てた
。

次に、０．ＩＣＡの電流で２０時間充電し、０．２ＣＡ
の電流で０．６Ｖまで放電するという条件で充放電を２
回行なって、電池Ａの化成を行なった０次に、０．２０
への電流で端子電圧１．５０Ｖまで充電した後に、これ
らの電池な０℃から７０°Ｃ間での種々の温度の恒温槽
に設置し、各電池に１．３６Ｖの定電圧を印加しながら
、期間を１週間から１ケ月の範囲で変えて浮動充電を行
なった。その後に、これらの電池を２０°Ｃの恒温槽に
設置し、各電池に１．３６Ｖの定電圧を印加して浮動充
電を行なった。このときに、これらの電池の電解液は比
重１．２５（２０℃）のＫＯＨ水溶液であった。

次に、比重１．２５（２０°Ｃ）のＫＯＨ電解液を有し
、カラス製の容器を用いた酸化第２水銀電極を３０個用
意しな。そして、この参照極を上記のニッケル・カドミ
ウムアルカリ蓄電池の上蓋に取り付けた排気孔から電池
内に挿入し、参照極の電解液と電池の電解液とを内径２
１１１のガラス管で直接結合した。そして、電池の浮動
充電を続けながら、９照極の電位を基準として、電池の
正極板および負極板の単極電位を測定した。この場合に
は、参照極の電解液と電池の電解液とが混合するが、こ
れらの濃度が同一であるので、参照極の電位は変化せず
、また濃淡電池の起電力は発生しない。

その後に、ＩＯＡの電流で端子電圧が１．Ｏｖになるま
でこれらの電池を放電して残存容量を調べた。

そして、この残存容量と前述の正極および負極の単８ｉ
！電位との関係を調べた。その結果得られた残存容量と
正極の単極電位との関係および残存容量と負極の単極電
位との関係を、それぞれ第１図および第２図に丸印で示
す、これらの図から、ニッケル・カドミウムアルカリ蓄
電池の残存容量は、定電圧で充電しながら参照電極を用
いて測定した正極の単極電位または負極の単極電位とほ
ぼ直線的な関係があり、しかもばらつきが小さいことが
わかる。したがって、この方法で正ｉｔたは負極の単極
電位を測定すれば、残存容量と単極電位との関係を利用
することによって、ニッケル・カドミウムアルカリ蓄電
池を浮動充電したままで残存容量を判定できることがわ
かる。

実施例２ 実施例１の電池Ａと同じ様にして電池Ｂを２０個組み立
てた。そして、実施例１と同じ条件で電池Ｂを化成し、
０．２０＾の電流で端子電圧１．５０Ｖまで充電した。

そして、これらの電池を４セル×５セルの矩形に並べて
、電気的に直列に接続して組電池を構成・した０次に、
この組電池を７０℃の恒温槽に設置し、組電池に２７゜
２Ｖ（素電池当り１．３６Ｖ）の定電圧を印加しながら
、浮動充電を２ケ月間行なった、その後に、この組電池
を２０’Ｃの恒温槽に設置し、組電池に２７．２Ｖ（素
電池当り１．３６Ｖ）の定電圧を印加して浮動充電を行
なった。このときに、これらの電池のＫＯＨ電解液の比
重（２０°Ｃ）は、１．２５から１．３０の範囲でばら
ついていた。電解液の比重がこのようにばらついた原因
は、組電池の中央部で放熱が不十分になって温度が上昇
し、この部分の素電池の電解液の水分の蒸発量が増加し
たことにあるものと思われる。

次に、２０℃における比重が１．２５のＫＯＨ電解液を
有し、ガラス製の容器を用いた酸化第２水５Ｎ電極を１
個用意した。そしてこの参照極を上記のニッケル・カド
ミウムアルカリ蓄電池の上蓋に取り付けた排気孔から電
池内に挿入し、参照極の電解液と電池の電解液とを内径
２ｎｎのガラス管で直接結合した。そして、電池の浮動
充電を続けながら、参照極の電位を基準として、電池の
正極板および負極板の単極電位を測定した。この操作を
２０個の電池について順次行なった。その結果、単極電
位を測定している途中で、測定値が変化し、安定な測定
値が得られなかった。この現象は、電位を測定している
ときに、濃度の異なる電池の電解液と参照極の電解液と
の混合が進んで、参照極の電解液の濃度が変動したり、
電池の活物質が参照極に混入して、参照極の電位が不安
定になったことに起因するものと思われる。

そこで、上述の不都合を解決するために、２０°Ｃにお
ける比重が１．２５のＫＯＨ電解液を有し、ガラス製の
容器を用いた酸化第２水銀電極を上述のものとは別に１
個用意した。そして、組電池の浮動充電を続けながら、
電解液が混合することなくイオンの直接移動が可能な液
分を形成する液絡部を用いて、この参照極の電解液と各
素電池の電解液とを順に結合し、参照極の電位を基準と
して、各素電池の正極板および負、短板の単［！電位を
測定した。この場合には、測定中の電位は安定していた
。

電位が安定していた原因は、電池と参照極との電解液の
混合が進まなかったことにあるものと思われる。なお、
参照極の電解液と素電池の電解液との結合は、具体的に
は次のようにして行なった。

すなわち、ポリエチレン製のチューブの°端部にＪＩＳ
　Ｒ３５０３−１９７８に定められた細孔記号４（細孔
の大きさ５−１０μｍ）のグラスフィルターを取り付け
、このチューブの内部を比重１．２５（２０’Ｃ）のＫ
ＯＨ水溶液で満たして液絡部を作った。そして、チュー
ブの先端の一方を参照極の電解液に浸漬し、他端を素電
池の上蓋に取り付けた排気孔から素電池内に挿入し、素
電池の電解液に浸漬して両者の電解液を結合した。電解
液が混合することなくイオンの直接移動が可能な前述の
液分は、このグラスフィルターの部分で形成される。

その後に、ＩＯＡの電流でそれぞれの素電池の端子電圧
がｉ、ｏｖになるまで、これらの素電池を個別に放電し
て残存容量を調べた。そして、この残存容量と前述の正
極および負極の単極電位の測定値との関係を調べた。そ
の結果得られた残存容量と正極の単極電位の測定値との
関係および残存容量と負極の単極電位の測定値との関係
を、それぞれ第３図および第４図に丸印で示す、また、
これらの図には、それぞれ第１図および第２図に示した
測定値の回帰直線を合わせて示す、第３図および第４図
から、本実施例の電池の残存容量と単極電位との関係が
、実施例１のものと一致せず、しかもばらついているこ
とがわかる。これらの現象は、参照極の電解液と、電池
の電解液の濃度が異なるために発生した濃淡電池の起電
力が、単極電位の測定値に加算されていることに起因す
るものと思われる。

そこで、濃淡電池の起電力の寄与を補正して、真の単ｆ
ｌ！電位の値を求めるために、次の実験を行なった。ま
ず、濃淡電池の起電力を次の方法で測定した。すなわち
、２０℃における比重が１．１０．１．２０．１．２５
．１．３０．１．４０および１．５０の６種類のＫＯＨ
′ｒ４解液を有し、ガラス製の容器を用いた酸化第２水
銀電極をそれぞれ１個用意した。そして、比重が１．２
５の電解液を有する参照極の電解液とそのほかの参照極
の電解液とを、前述の電解液が混合することなくイオン
の直接移動が可能な液介を形成する液絡部を用いて結合
し、濃淡電池の起電力を測定した。その起電力を第５図
に示す。この図から、濃淡電池の起電力と電解液の比重
とが直線的な関係にあり、比重が０．１増加すると、起
電力が約２Ｅｉ、　３ｎＶ増加することがわかる。

次に、単ｉ電位を測定する際に調べた素電池の電解液の
比重と第５図の関係とを用いて、各素電池の単極電位の
測定値に含まれる濃淡電池の起電力を計算した。そして
、この濃淡電池の起電力を前述の単極電位の測定値から
差し引いて、残存容量と袖正後の正極および負極の単極
電位との関係を、それぞれ第３図および第４図にＸ印で
示す。

第３図および第４図から、正極の単位電位および負極の
単ｆ！電位のいずれを測定する場合にも、次のことがわ
かる。すなわち、残存容量と濃淡電池の起電力を補正し
た後の単極電位との関係は、実施例１で測定したように
、単極電位の測定値に濃淡電池の起電力が含まれない場
合の残存容量と単極電位との関係とよく一致する。この
ことから、複数のニッケル・カドミウムアルカリ蓄電池
が電気的に直列に接続され、しかもこれらの素電池の電
解液の濃度が異なる場合にも、単極電位の測定値を電池
と参照極との間に発生する濃淡電池の起電力に関して補
正すれば、わずか１個の参照極を用いるだけで、浮動充
電中の電池の残存容量を判定できるといえる。

なお、実施例では、酸化第２水銀電極を参照極に用いる
場合に就いて説明したが、金属カドミウム／水酸化カド
ミウム電極、半充電状態の水酸化ニッケル電極、酸化銀
（Ｉ）電極、飽和カロメル電極なども参照極として使用
できることはいうまでもない。また、実施例では、電解
液の比重を測定する場合に就いて説明したが、このほか
に電解液の屈折率、水蒸気圧、導電率などを測定したり
、中和滴定分析を行なって電解液の濃度を測定し、濃淡
電池の起電力を補正することが可能であることはいうま
でもない。

発明の効果 まず、本発明の方法によれば、ニッケル・カドミウムア
ルカリ蓄電池を非常用電源装置などの回路から切り離す
ことなく、定電圧で浮動充電した状態のままで残存容量
を判定することが可能になるので、停電などの非常時に
電池を直ちに放電することが可能であり、非常用電源装
置の本来の機能を損なうことがない。

次に、本発明の方法によれば、実際に測定するのは単極
電位だけであるので、電池を実際に放電する従来の方法
と比較して、極めて短時間で残存容量を判定できる。

さらに、本発明の方法では、参照極および電圧計を用い
て電位を測定するので、放電用の負荷抵抗や放電電流の
制御装置を用いて電池を放電する従来の方法と比較して
、極めて簡単で安価な器具を用いて残存容量を判定でき
る。また、残存容量を測定すべき電池が複数で、しかも
それらの電解液の濃度が異なる場合にも、１個の参照極
を用いるだけで残存容量を精度よく判定できるという効
果がある。このように本発明のニッケル・カドミウムア
ルカリ蓄電池の残存容量の判定方法は工業的価値が極め
て大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の電池の残存容量と正極の単極電位と
の関係をあられす図、第２図は実施例１の電池の残存容
量と負極の単極電位との関係をあられす図、第３図は実
施例２の電池の残存容量と正極の単極電位との関係をあ
られす図、第４図は実施例２の電池の残存容量と負極の
単Ｆｉ！電位との関係をあられす図、第５図は濃淡電池
の起電力とＫＯＨ電解液の比重との関係をあられず図で
ある。 ｆ〜脣？ｈ−王 （Ａん→ 偽　　偽　　＋＋　　偽　　匂　　も　　−）？＼・ｂ 塾１ （ＡＡン 片昏シｉ （Ａル） ラ一′１）か量 （Ａん）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ニッケル・カドミウムアルカリ蓄電池を定電圧で浮
   動充電しながら、参照極を用いてその蓄電池の正極また
   は負極の単極電位を測定し、その測定値を用いてこの蓄
   電池の残存容量を判定することを特徴とするニッケル・
   カドミウムアルカリ蓄電池の残存容量の判定方法。 ２、前記の単極電位を測定する際に、電解液が混合する
   ことなくイオンの直接移動が可能な液介を形成する液絡
   部を用いて参照極および蓄電池の電解液を結合すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のニッケル・カ
   ドミウムアルカリ蓄電池の残存容量の判定方法。