JPS5824907B2 - ダンカイデンアツセルオヨビバツテリ− - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気的上ノペ特に放電中にその始めのエネルギ
容量から所定の点即ち所定レベルに達したことをそれ自
体で指示し、それによって未だに利用可能な保存エネル
ギ量を指示する新規なセルに係るものである。

本発明はまたこれらのセルを含むバッテリーにも係るも
のであって、本発明の新規なセルを１つ或はそれ以上の
従来のセルと組合わせてバッテリーを作ると新規なセル
にバッテリー全体としての有効寿命が終りに近づいてい
ることを指示させることができる。

このようなセル或はこのようなバッテリーには多くの用
途及び作用がある。

多くの用途ではセル或はバッテリーの寿命が終っても特
に有害な効果はなく、随意に新らしいセル或はバッテリ
ーと取替えればよい。

しかし連続的な動作及び、効力の信頼性をバッテリーに
おいているような場合も多く、これらの場合にはセル或
はバッテリーの状態を知って、もしセル或はバッテリー
が計画された性能を発揮できない程度まで枯渇している
ようであれば適当に交換しなければならない。

このようなセル或はバッテリーの用途の１つに監視或は
警報システムがあり、この場合には指示装置或はアクチ
ュエータを作動させるためにセル或はバッテリーは常に
充分な保存エネルギを持っていなければならない。

従ってエネルギ源としてのセル或はバッテリーは常に動
作できる状態にしておくこと、またセル或はバッテリー
のエネルギ状態を指示させてシステムの状態を完全なも
のとしておくために必要ならば交換できるようにするこ
とが重要である。

本発明の１つの目的は、セルのエネルギが徐々に減少す
るにつれてその端子間に一連の連続して低下する段階電
圧を発生し、セル内に丑だ残っているエネルギの量の尺
度としてセルの状態を指示するようになっているセルを
提供することである。

本発明の別の目的は、若干の従来型セルと、セル内にま
だ残っているエネルギの量の尺度として減少する段階的
電圧特性を有し且つ前記の従来型セルの１つと所定のエ
ネルギ関係を有している改造されたセルとを含むバッテ
リーを提供することであり、このバッテリーの電圧は改
造されたセルの変化する段階的電圧によって変化してバ
ッテリー内の丑だ利用できるエネルギの量の尺度として
バッテリー全体の状態を指示するようになっている。

本発明の別の目的は、若干の異なる成分を用いて一方の
或は両方の電極を作り、各成分を引続いて電気化学的に
利用して電気エネルギに変換した時に異なる電気化学的
電位が得られるようになっているセルを提供することで
ある。

本発明の別の目的は、若干のセルの中の１つ或はそれ以
上が始めの電気化学的エネルギから所定の量を電気エネ
ルギに変換した時に電極間電位が降下するように作られ
ていて、それによってそのバッテリーの状態が新らしい
バッテリーと交換の必要があるレベルにあることをバッ
テリーの総合電圧降下として指示するようになっている
バッテリーを提供することである。

本発明の別の目的は、改造されたセルにおいて、セルの
放電動作中の各電圧段階の持続時間或は大きさを予め定
め得るように成分の割合を予め配合しておくことである
。

本発明の別の目的は、１つ或はそれ以上の改造されたセ
ルを１つ或はそれ以上の従来セルを用いた場合に、改善
されたセルの改造された電極が従来セルの対応する従来
電極と同じ電気エネルギ量を有し、従って放電率及び放
電持続時間が可能な限り類似し、等しくなるように若干
の成分を組合わせであることである。

本発明の特徴及び用途を示すだめに、警報システムに用
いる場合の動作モードを説明しよう。

従来の警報システム用バッテリーは直列に接続された複
数の同一のセルからなっていて、与えられた用途に必要
なバッテリ一端子電圧を得ている。

このバッテリーは、例えば煙検出装置、温度検知装置、
或は呼吸速度検知装置のような警報システム検知回路に
絶えず電力を供給する。

一般に検知回路を付勢するのに必要な連続電力は極く低
いレベルにあり、従ってバッテリーに要求される電流供
給能力も低いレベル、例えば２０乃至７５マイクロアン
ペアである。

しかしバッテリーには、検知回路が緊急事態を検出した
時にバッテリーが例えば可聴ホーン、ブザー等のような
警報装置を付勢するのに充分な電力を供給せねばならな
いという別の要求が附加される。

一般に警報装置を付勢するのに必要な電力は検知回路を
付勢するのに必要な電力の何倍かであり、バッテリーの
電力供給能力も同様に例えば５０乃至７５ミリアンペア
まで増加する。

この量は検知回路用の量の１０００倍にも達している。

従って任意の用途においてはバッテリーの寸法、容量及
び電流供給能力は、遥かに大きい警報装置の要求によっ
てきまってしまう。

バッテリーの連続放電によって検知回路に給電している
警報システムの動作中、バッテリーが検知回路に必要な
僅かな電力を寸だ供給していても、枯渇に近いだめに、
もし求められてもバッテリーが警報装置を付勢するのに
充分な電力を供給できなくなった時がバッテリーの寿命
の終りである。

従ってこの時点では、交換を必要とするか否かを管理す
る方法を変えてしまうようなバッテリーの状態の警告手
段が設けられていないだめに、動作不良となり極めて惨
めな結果を招来するようになる。

本発明は、警報システムによって連続的に監視された時
にバッテリーがその寿命の終りに近づいていることを指
示し、警報装置を付勢させるような特性をバッテリー内
に発生させることによって、予告なしに、この動作不良
の可能性を解消するものである。

この寿命終了警報のだめには別の警報装置を用いてもよ
いし、或は連続した信号ではなく例えば間欠的な信号を
発生させるようにして緊急事態と区別させることもでき
る。

このようにしてバッテリー交換の時期及び必要性は、バ
ッテリーの枯渇によるバッテリー事故の発生よりも充分
以前に指示されることになり、この時点になっても緊急
事態が発生した場合には充分な時間の間警報装置に給電
するだめの余力を充分に残しており、適切なバッテリー
交換ができるようになっている。

本発明によるバッテリーは、バッテリ一端子電圧が急峻
に且つ制御された大きさだけ低下することによって警報
システムのバッテリー監視回路にその寿命が終りの状態
に近づいたことをバッテリーが枯渇する充分以前の所定
の時期に指示する。

この電圧の低下は多セル・バッテリーの１つ或はそれ以
上のセルの正の電極の成分を変えることによって得てい
る。

本発明を例えばマロリーバッテリーコンパニーのセルを
改造して実施してまた。

このセルの標準正電極成分は酸化第二水銀 ＨｇＯが８
９パーセント、二酸化マンガンＭｎＯ２が６パーセント
、黒鉛Ｃが５パーセントであり、またその定格容量は９
００ミリアンペア時である。

本発明によれば、４５パーセントの酸化第二水銀、３パ
ーセントの二酸化マンガン、４５パーセントの酸化カド
ミウムＣｄＯ及び７パーセントの黒鉛を成分とする新ら
しい正電極を用いることによって、所望の電圧降下、即
ち１つのセル（望む場合には１つ以上のセル）において
約１．２５ボルトから約０．５０ボルトまでの０．７５
ボルトの電圧降下が４６５ミリアンペア時の放電後に得
ることができる。

ここに確立され、使用されている電気化学的原理は、２
つ或はそれ以上の電気化学的活性材料をよく混合しそれ
らを共通の電極内に圧縮するととによって、この電極が
対極に対して放電する時に始めに対極に対して最高の相
対電位を有する活性材料が完全に枯渇し次で段階的に順
次低電位を有する材料が完全に枯渇して行くように放電
が進行するように上記の特別な正電極成分の機能を制御
することにある。

以上のように、本発明の特別に改造されたセルは、正電
極の３パーセントの二酸化マンガン及ヒ４５パーセント
の酸化第二水銀成分が完全に枯渇するまで１．３６ボル
ト乃至１．２５ボルトの電圧範囲内で亜鉛Ｚｎの負電極
に対して放電する。

次でバッテリ一端子電圧は約１．２５ボルトから約０．
５０ボルトまで急激に降下する。

最後に４５パーセントの酸化カドミウムが枯渇するま−
ｅ０．５０ボルト乃至０．４０ボルトの電圧範囲内で亜
鉛負電極に対して放電する。

この例では定格容量が９００ミリアンペア時のセルの５
１．７パーセントに当る４６５ミリアンペア時の放電容
量で電圧段階が発生するように設計されている。

しかし、成分である酸化第二水銀、二酸化マンガン、及
び酸化カドミウムの相対的な比率を再配合することによ
って、所望の放電容量の±５パーセントの精度で電圧段
階を発生させるように設計することが可能である。

現在考えられる始んどの用途に対しては２２５乃至６７
５ミリアンペア時の範囲の放電容量、即ち定格容量の２
５乃至７５パーセントで満足できるものと考えられる。

警報システム用バッテリーの放電特性に電圧段階を導入
するようにここで用いている特別なセル、或は複数のセ
ルが多セルバッテリーの重要且つ必要な要求を満足して
いることに注意されたい。

この要求とは、直列に接続されている多セルバッテリー
においては、全てのセルが大体同一の合計放電容量即ち
エネルギ含有量を有しているべきことである。

これはバッテリーが寿命の終りに近づいた時に、全ての
セルをできる限り同様に枯渇させるようにするためであ
る。

もし寿命の終りが一致していないと、始めに枯渇したセ
ルの電圧が０となり、もし放電々流を流し続けると、エ
ネルギ容量が残っている他のセルが放電を続行するので
、枯渇してしまったセルの電圧が逆転するようになる。

もしこのセル電圧の逆転を極く短時間以上に続けるとバ
ッテリーを破壊してしまう。

一般にはこの逆転によって電解質内の水分が電気分解さ
れ、水素及び酸素の両者或は何れか一方のガスが放出さ
れ、セルの内圧が増加し、そしてセルの密封容器が破裂
して電解質が漏洩したり、警報システムを破損したりす
る恐れがある。

従って従来の標準セルと共に作動する本発明の１つ或は
それ以上の改造されたセルを含む本発明のバッテリーで
は、本発明の改造されたセルの正電極の３つの活性成分
即ち酸化第二水銀、二酸化マンガン及び酸化カドミウム
の合計活性電気化学容量が、各成分の相対的な比率には
関係なく、他の標準セルの正電極の合計活性電気化学容
量にほぼ等しくなるように作られている。

この型のセルを設計する場合、負電極（この場合には亜
鉛）の電気化学容量は平衡関係を保っており、そして正
電極の電気化学容量よりやや少なくしてあり、従って特
別に改造されたセル及び標準セルの両者に対して均一に
容量制限をしている。

従って両方の型のセルからなるバッテリーを枯渇するま
で放電させたとしても、全てのセル（標準セル及び改造
されたセル）は可能な限り同時に枯渇に達する。

まだ寿命終了警告信号に応答して使用者が枯渇よりも充
分以前にバッテリーを交換すれば、過放電により生ずる
諸問題は完全に避けることができる。

本明細書ではセルの放電特性に０．７５ボルトの単一段
階を与える例について述べているが、セル或は幾つかの
セルからなるバッテリーの中の選択されたセルの正電極
の成分の配合によって所望する所定容量、従って所望の
所定時間間隔においてセル或は多セル・バッテリーの放
電特性に種々の段階的低下を与えることができる。

以下に添付図面を参照して改造したセル或はバッテリー
の動作を説明する。

本発明は、その−・面において、セルのエネルギ含有量
即ち容量が特定の所定レベル（このレベルにおいてはバ
ッテリーが給電している装置を動作させるエネルギ含有
量を充分に残していないかもしれない）或はそれ以下ま
で低下すると、端子間電圧が急激にしかも充分に低下す
るようになっているセルをも目指すものである。

本発明の第２の面は、１つ或はそれ以上の改造されたセ
ルを群として用い、丑だ１つ或はそれ以上の改造された
セルを１群の従来セルと共に用いる多セル・バッテリー
を目指すことである。

従来セルを用いたバッテリーと組合わされた改造された
セルは、バッテリーの寿命が終りに近い状態であり新ら
しいバッテリーと交換すべきことを指示するように電圧
を急激に低下させるのに用いられる。

前述のように、電圧降下の時間及び大きさはセルの正電
極を構成している成分の量及び電気化学的関係によって
制御される。

第１図は改造されたセル或は改造されたバッテリーを用
い得る典型的なシステムを示すものである。

多セル・バッテリー１０は緊急事態検知回路１４が監視
している状態に応答した場合に警報装置１２を作動させ
る。

この目的のために、図では単なるブロックで示してはあ
るが、検知回路１４は、所定の動作を遂行して検知すべ
き状態が実際に発生するとスイッチ或はリレーを閉じる
回路を作動させる適当な状態検知システムを含んでいる
。

監視され、検知すべき状態は警報を鳴らすという所望の
動作に対して微妙であるから、状態検知回路によって求
められた時に警報装置１２を作動させ木バッテリーの能
力もまた微妙である。

従ってバッテリー１０もまだ監視しなければならない。

このバッテリー監視回路１６は本質的に、バッテリー電
圧が所定のレベルを超えている限り開き続けている電圧
応答リレー或はスイッチである。

バッテリー電圧がある所定の電圧値或はそれ以下まで低
下し７辷時この低電圧がバッテリーを交換すべきことを
指示し、バッテリー監視回路１６は警報装置１２を付勢
するように作動しバッテリーに注意を向けるように指示
する。

別の警告装置を用いてもよいことは明白である。

バッテリー１０が緊急事態検知回路１４及びその成分を
作動するのに充分なエネルギを有している状態である限
り、バッテリー監視回路１６は休止している。

緊急事態検知回路１４は自由であバ監視中の状態が発生
すると作動するように利用することができる。

ブロック１４内のシステムは警報装置１２を付勢するこ
とによってこの動作を遂行し、指示する。

前述のように、緊急事態検知回路１４が例えば連続信号
のような１つの型の信号を警報装置１２に送るように制
御することができ、バッテリー監視回路１６が間欠信号
を警報装置１２に送るように制御することができる。

これらの２つの型の信号のだめの回路は本発明の一部を
なすものではなく、また公知である。

また前述の如く、２つの別々の警報（警告）装置を用い
てもよい。

本発明によるバッテリーの動作の状態を第２図に示す。

曲線２０はマロリーバッテリーコンパニー製の従来のセ
ルを７個用いたＲＭ−８２８０Ｔ型バツテリーの放電特
性である。

最低の放電々流を流している正常の状態でのバッテリー
電圧は、第１図に示すシステムの緊急事態検知回路１４
に約１・・・０ミリアンペアの電流を保持するのと等価
な値の負荷抵抗を用いた時、約１１００時間の間曲線２
０に示すレベルを保っている。

このシステムに用いている警報装置１２は約５０ミリア
ンペアを消費するものである。

若干の用途では、曲線２０に示すようにバッテリーの全
寿命に亘ってその効力を受けるものであると思っている
ことがある。

このような用途では、例えばある量のエネルギが引出さ
れ使用された時点を知ることが望ましい。

勿論逆説的にまだ残っているエネルギの量を意味してい
るのである。

しかし第一義的には安全率が重要なのであり、これは既
にバッテリーから引出された所定量のエネルギを示すも
のである。

この目的のために、所定量のエネルギが引出された時に
バッテリーの電圧が段階的に低下するように作ることが
できる。

これを遂行するだめに本発明は、この場合、第２図の曲
線２２に元すような電圧段階３０を与える２個の改造さ
れたセルと、曲線２０を呈するバッテリーに用いられて
いる７個の従来セルとを１つのバッテリー内で組合せて
、最終的なバッテリーが第２図の曲線２４に示すように
作動させるようにしている。

前述のように、改造されたセルの正電極は二酸化マンガ
ン、酸化第二水銀及び酸化カドミウムを含む成分で作ら
れている。

始めに二酸化マンガンが転換され、次に酸化第二水銀が
転換されて酸化カドミウムがセルの正電極の残留エネル
ギ成分となりセル電圧は１セル当り０．５或は０．６ボ
ルト附近まで低下する。

例えば電圧曲線２０の７個の従来セルと曲線２２の２個
のセルとからなるバッテリーでは、バッテリーの複合電
圧は電圧曲線２４を呈するようになる。

電圧の低下の段階３０は二酸化マンガン及び酸化第二水
銀が化学的に転換され、それらのエネルギが抽出された
時点を表わしている。

第３図は本発明のセルのある所定量の有効放電エネルギ
と、所望するエネルギの所定量が引出されたことを指示
する段階電圧３０を発生せしめる電極内のカドミウム成
分のパーセンテージ量との関係を得るのに、第２図の曲
線２０および２４に現われる段階電圧、すなわち電圧段
階負荷線特性３０をどのように用いるかを示す図である
。

例えば破線３２で示す４６５．８ミリアンペア時の所定
の保証された出力をセルから得ようとする場合には、破
線３４及び３６で示す６７５及び２２５ミリアンペア時
の間の放電についして段階電圧を表示する働きをする放
電容量負荷線３０を用いると、正電極の成分として含ま
れる酸化カドミウムは４５重量パーセントであることが
知れる。

従って他の成分は電極の合計重量の５５パーセントとな
り、セル交換が必要であることを表わす値まで段階電圧
が低下するまではセル内には所定の所望する利用可能な
量のエネルギが充分に含まれることになる。

第３図の段階電圧負荷線８０は、曲線２２及び２４の一
部として第２図に示されている段階電圧３０を用いたも
のでこれと一致している。

以上に説明したように、本発明によるセルは選ばれた成
分（この場合には例として酸化第二水銀、二酸化マンガ
ン、酸化カドミウム及び黒鉛が示されている）の均質混
合体で作られた正電極を有している。

酸化第二水銀及び二酸化マンガンは、酸化カドミウムだ
けが黒鉛充填材と共に残されるまで、始めに高めの電圧
段階において転換される。

次でセル電圧は酸化カドミウムと負電極との間の電圧差
まで負荷線３０に沿って低下する。

従って電圧低下の軌跡は電極混合体内に含まれる酸化カ
ドミウムのパーセンテージによって変化させることがで
き、制御することができる。

まだ放電させて利用できる保証されたエネルギ量はセル
の他の成分の量の関数である。

全てのセル、即ち従来のセルも本発明によるセルも始め
の容量即ちエネルギ含有量は同じになるように設計され
ているから、改造されたセルの段階電圧によってバッテ
リーの端子電圧に段階的な電圧降下が発生してバッテリ
ー交換の必要が指示されるまでの間に予め選定した量の
放電かバッテリーによって確保されるものであり、しか
［〜本発明のバッテリーにあっては、従来のセルだ、パ
アを複数個直列接続して成る通常のバッテリーの端子電
圧が放電量の増加に従って除徐に直線的に低下するのと
は異り、予め選定した量の放電が行なわれた時点におい
てその端子電圧が段階的降下を示すだめに、バッテリー
のエネルギー含有量が例えば警報装置のような所定の装
置を作動させるに不充分となりバッテリーの交換を必要
とするに至ったことを容易かつ明確に検知することがで
きるものである。

セル或はバッテリー交換の必要を指示する電圧段階が発
生する曲線上の点を決定するだめに、所望電圧に応じて
異なる成分を選定してもよいし、また引出したいエネル
ギ量に応じて成分の量を変えてもよい。

本発明は本発明の範囲から逸脱することなく成分或はそ
れらのパーセンテージを変えることができるから、前述
の成分或はパーセンテージに限定するものではないこと
を理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は警報システム検知回路、警報装置、・（ツテリ
ー監視回路及びバッテリーの関係を示す回路図であり、
第２図は７個のマロリーバッテリーコンパニー製標準セ
ル（ＲＭ−８２８ＤＴ ）と２個の特別に改造されたマ
ロリーバッテリーコンパ二−製セル（ＣＭ−８２８ＤＴ
）を直列に組合せたバッテリーの典型的な警報システム
・バッテリー放電特性であって、１ミリアンペアの公称
放電率で行なった加速放電試験の結果であり（実際の警
報システム検知回路ではバッテリー交換の必要を告知す
るまでに約１年の間５０マイクロアンペアで放電が行な
われるであろう）、そして第３図は電圧段階の中心点が
正電極内の酸化カドミウムの割合の関数として発生する
ようなミリアンペア放電容量を示すＣＭ−８２８Ｉ）’
ｌ’セルの特性である。 １０：複合バッテリー、１２：警報装置、１４：緊急事
態検知回路、１６：バッテリー監視回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ それぞれ実質的に同じ放電容量および作動寿命時間
   を有する直列接続された複数個の電気的セルを具備する
   バッテリーであって、直列接続された複数個の電気的セ
   ルの全てが、それぞれ単一の活性材料から成りバッテリ
   ーの作動寿命時間の全期間に亘り実質的に固定された電
   位を有しその電気化学的容量が実質的に互に同じである
   第１電極と、それぞれ第１電極の電気化学的容量より僅
   かに大きい電気化学的容量を有する第２電極とを有して
   おり、全ての電気的セルではなくて少くとも１個の電気
   的セルの第２電極が、それぞれ酸化第二水銀および酸化
   カドミウムを含み第１電極の固定電位に対し異る電位を
   有する複数の活性材料から成り、これら複数の異る第２
   電極材料のうち第１電極に対し最高の相対的電位を有す
   る材料の化学的エネルギーは他の何れの材料の化学的エ
   ネルギーが電気的エネルギーに変換されるよりも以前に
   実質的に電気的エネルギーに変換され、上記高電位材料
   の化学的エネルギーの電気的エネルギーへの変換は実質
   的に一定の電流放電状態の下で起生じ、高電位材料の化
   学的エネルギーの電気的エネルギーへの変換から低電位
   材料の化学的エネルギーの電気的エネルギーへの変換へ
   の変化はバッテリーの作動寿命時間の期間中の予定され
   た時間に起生じて上記複数の異る活性材料から成る第２
   電極を備えた各電気的セルに対して約０．７５ボルトの
   急峻な電圧降下を与え、それによってバッテリーの端子
   電圧に著しい電圧変化を発生させる、ことを特徴とする
   バッテリー。 ２ 前記全てではなくて少くとも１個の電気的セルの第
   ２電極は、他の電気的セルの第２電極と同じ化学的活性
   から成る少くとも１種の成分を含んでいる、特許請求の
   範囲第１項記載のバッテリー９