JP2012129101A

JP2012129101A - 過充電検知方法

Info

Publication number: JP2012129101A
Application number: JP2010280569A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takano; 洋高野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】過充電状態を高精度に検知することができる過充電検知方法を提供することを目的とする。
【解決手段】検知極２１とニッケル水素蓄電池１の負極端子１１との間の電圧を電圧計２２により計測することで、過充電により正極２から発生した酸素の電解液７中の濃度を測定することができる。そのため、充電中のニッケル水素蓄電池１が過充電状態に至ったことを高精度に検知することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池及びニッケルカドミウム蓄電池の過充電検知方法に関する。

ニッケル水素蓄電池は鉛蓄電池に比べてエネルギー密度が大きく、電池寿命の長さや環境負担の少ないことが特長であり、近年、ハイブリッド自動車、携帯機器等の電源用途、また、電力貯蔵用途等として注目されている。一方、鉛蓄電池は安価であるため、自動車の電源用途等に広く用いられている。
ニッケル水素蓄電池や鉛蓄電池では、充電時に正極から酸素が発生し、充電が進むに従がって発生する酸素量が増大するため、特に過充電時には電池内圧の過大な増大や、発生した酸素が負極にて水素や鉛と反応して水や酸化鉛に転換することによる電池温度の上昇が起こる。このため、過充電すると電池の劣化の加速や最悪のケースでは爆発が生じてしまう恐れがあった。

そこで、過充電を防止するために、蓄電池の充電の完了を検知する方法が知られている。例えば、特許文献１には、電池の電圧降下（−ΔＶ）を検出することにより蓄電池の満充電状態を検知する方法が記載されている。また、特許文献２には、単位時間当たりの電池温度の変化量（ΔＴ／Δｔ）を検出することにより過充電状態を検知する方法が記載されている。

特許文献１に記載の方法は、ニッケル水素蓄電池が定電流で充電される時に、満充電状態になると電池電圧がピーク値から下降する性質を利用するものであり、一般的に−ΔＶはピーク電圧から１セル当たり数十ｍＶに設定される。一方、特許文献２に記載の方法は、前述したように過充電時に正極から発生する酸素と水素との反応に伴い発生する熱による電池温度の上昇を利用するものであり、一般的にΔＴ／Δｔは１〜２℃／分に設定される。

特開２００２−３５９９３４号公報特開平０８−９８４２１号公報

しかしながら、上記の検出方法では、満充電状態を判定する−ΔＶやΔＴ／Δｔを小さく設定すると、蓄電池を過充電することなく満充電状態とすることができるが、ノイズ等の影響で実際には満充電状態でない蓄電池を間違えて満充電状態と判定しやすくなる恐れがある。一方、−ΔＶやΔＴ／Δｔを大きく設定すると、間違えて満充電状態と判定することは少なくなるが、実際には過充電状態となっているのに過充電状態と判定されない恐れがある。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、充電中のニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池及びニッケルカドミウム蓄電池が過充電状態に至ったことを高精度に検知することができる過充電検知方法を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の一態様に係る過充電検知方法は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配された電解液とを備える蓄電池の過充電検知方法であって、前記蓄電池は、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池又はニッケルカドミウム蓄電池であり、前記蓄電池の充電に伴って前記正極から発生する酸素を検出することにより過充電状態を検知することを特徴とする。

上記過充電検知方法においては、前記電解液中の酸素濃度を測定することにより過充電状態を検知することが好ましい。
また、上記過充電検知方法においては、酸素還元触媒を含む第三電極を前記電解液と接するように前記蓄電池内に配し、該第三電極及び前記負極間の電圧及び電流のうち少なくとも１つを計測することにより酸素濃度を測定することが好ましい。
さらに、上記過充電検知方法においては、前記酸素還元触媒は酸素を選択的に還元する性質を有する触媒であることが好ましい。

本発明の過充電検知方法によれば、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池及びニッケルカドミウム蓄電池の充電に伴って正極から発生する酸素を検出することにより、蓄電池の過充電状態を高精度に検知することができる。

本発明の実施形態に係る酸素センサを備えたニッケル水素蓄電池の縦断面図である。ニッケル水素蓄電池の充電時の電池電圧及び検知極の電圧の挙動を示した図である。

以下、本発明に係る過充電検知方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態における過充電検知方法は、ニッケル水素蓄電池について、充電に伴って正極から発生する酸素を検出することにより、ニッケル水素蓄電池の過充電状態を検知する。
酸素を検出する手段は特に限定されるものではないが、酸素センサを用いて酸素を検出する手段が好ましい。

酸素を検出する酸素センサとしては、磁気式、限界電流式、ガルバニ電池式等が広く用いられている。いずれの酸素センサを用いても酸素を検出することは可能であるが、ニッケル水素蓄電池の作動温度、雰囲気下で精度良く酸素を検出し、過充電状態を高精度に検知することができる酸素センサを用いることが好ましい。このような酸素センサを用いた過充電検知方法を、過充電状態を検知するのに用いられる酸素センサ２０を備えたニッケル水素蓄電池１の縦断面図である図１を参照しながら説明する。

ニッケル水素蓄電池１は、水酸化ニッケルからなる正極２と、水素吸蔵合金からなる負極３と、正極２と負極３を隔離するセパレータ４と、正極２の負極３と対向する面の反対側の面を覆うように配置される正極集電体５と、負極３の正極２と対向する面の反対側の面を覆うように配置される負極集電体６と、所定量の電解液７を収容できる大きさを有する電池外装缶８と、この電池外装缶８を塞ぐ正極端子となる封口体９と、正極集電体５と封口体９を連結する集電タブ１０とを備える。なお、電池外装缶８の底部は負極端子１１となっている。

負極３に使用する水素吸蔵合金としては特に限定されるものではないが、遷移元素（チタン、マンガン、ジルコニウム、ニッケルなど）の合金をベースとしたＡＢ２型や、希土類元素、ニオブ、ジルコニウム１に対して触媒効果を持つ遷移元素（ニッケル、コバルト、アルミニウムなど）５を含む合金をベースとしたＡＢ５型等が挙げられる。また、マグネシウム合金、チタン−鉄系合金、パラジウム系合金、カドミウム系合金等が挙げられる。

また、セパレータ４は正極２と負極３の間に介在して、両極活物質の接触に伴う短絡の防止や、電解液７を保持しイオンを通過させ導電性を確保する役割を果たすものであれば特に限定されるものではないが、不織布等が挙げられる。
さらに、電解液７はアルカリ性の水溶液である。アルカリ性の水溶液としては特に限定されるものではないが、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液等が挙げられる。

また、酸素センサ２０は、検知極２１（本発明の構成要件である第三電極に相当する）と、電圧計２２とを備え、検知極２１は、正極２及び負極３とは接触せず、電解液７と接するようにニッケル水素蓄電池１内に配されている。そして、電圧計２２の正極端子２３は、検知極２１と電圧計２２との電気的接続を良好にするために用いられている検知極集電体２５を介して検知極２１に接続され、電圧計２２の負極端子２４は負極端子１１に接続されている。

検知極２１は、アルカリ燃料電池のカソード触媒に用いられている電極であり、具体的には酸素還元触媒を含む電極である。検知極２１において酸素が還元されると、検知極２１から電圧計２２に電流が流れ、検知極２１と負極端子１１との間の電圧が計測される。
酸化還元触媒としては特に限定されるものではないが、白金、酸化コバルト等が挙げられる。これらの酸化還元触媒は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。

また、酸素還元触媒としては、特に酸素を選択的に還元する性質を有する触媒であることがより好ましい。酸素を選択的に還元することにより酸素の検出精度が高められ、過充電状態をより高精度に検知することができるからである。酸素を選択的に還元する性質を有する触媒としては特に限定されるものではないが、ＮａＣｏ₂Ｏ₄やＬａＦｅ₃Ｓｒ₃Ｏ₁₀等が挙げられる。これらの酸素を選択的に還元する性質を有する触媒は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。

本実施形態の過充電検知方法においては、酸素センサ２０の電圧計２２により、検知極２１とニッケル水素蓄電池１の負極端子１１との間の電圧を計測することで、正極２から発生した酸素の濃度を測定し、測定した酸素濃度に基づいてニッケル水素蓄電池１の過充電状態を検知する。具体的には、ニッケル水素蓄電池１が満充電状態となった後にさらに充電を行い過充電状態となると、ニッケル水素蓄電池１内の電解液７中の酸素濃度が高くなり、酸素濃度の上昇に伴って電圧計２２において計測される電圧の値も高くなる。そのため、計測した電圧の値に基づいて酸素濃度を測定することで、充電中のニッケル水素蓄電池１が過充電状態に至ったことを検知することが可能となる。従がって、過充電状態を高精度に検知することができる。

なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、酸素センサ２０は電圧を計測することにより酸素濃度を測定することとしたが、電圧計の代わりに電流計を用いて、電流を測定することにより酸素濃度を計測することも可能である。また、電圧と電流の両方を測定してもよい。

また、本実施形態の過充電検知方法は、ニッケル水素蓄電池に限定されるものではなく、正極から発生する酸素の量が過充電に伴い増大するような電池に適用することが可能であり、例えば鉛蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池等に適用することが可能である。
さらに、本実施形態の過充電検知方法により過充電状態を検知した際には、音や光を発すること（例えばアラーム等）により過充電状態を報知するような構造にしてもよく、また、自動的に充電を終了するような構造とすることも可能である。

以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に示すように、正極及び負極とは絶縁され且つ電解液に浸漬される位置に、酸素還元触媒を含む検知極を配することにより、ニッケル水素蓄電池に酸素センサを設けた。検知極は、ＮａＣｏ₂Ｏ₄の粉末１ｇに、三井・デュポンフロロケミカル株式会社製のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ディスパージョン（銘柄：３１−ＪＲ）を５ｇ加えて混合したペーストを、検知極集電体としてのニッケル板上に厚さが１００μｍになるように塗布し、２８０℃に熱処理を行うことで作製した。

ニッケル水素蓄電池の充電中の電池電圧と、上記のように作製した検知極とニッケル水素蓄電池の負極との間の電圧とを計測し、その測定結果を図２に示した。なお、充電はニッケル水素蓄電池の放電容量と同じ電流で１時間かけて行った。
図２に示すように、満充電状態から過充電状態に変化する際の電池電圧の変化に比して、本実施例における酸素センサの検知極とニッケル水素蓄電池の負極との間の電圧の変化が大きかった。そのため、本実施例の過充電検知方法によれば、高精度に、且つ、容易に過充電状態を検知することが可能である。

１ニッケル水素蓄電池
２正極
３負極
７電解液
２０酸素センサ
２１検知極
２２電圧計

Claims

正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配された電解液とを備える蓄電池の過充電検知方法であって、
前記蓄電池は、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池又はニッケルカドミウム蓄電池であり、
前記蓄電池の充電に伴って前記正極から発生する酸素を検出することにより過充電状態を検知することを特徴とする過充電検知方法。
前記電解液中の酸素濃度を測定することにより過充電状態を検知することを特徴とする請求項１に記載の過充電検知方法。
酸素還元触媒を含む第三電極を前記電解液と接するように前記蓄電池内に配し、該第三電極及び前記負極間の電圧及び電流のうち少なくとも１つを計測することにより酸素濃度を測定することを特徴とする請求項２に記載の過充電検知方法。
前記酸素還元触媒は酸素を選択的に還元する性質を有する触媒であること特徴とする請求項３に記載の過充電検知方法。