JP2005267867A - ナトリウム−硫黄電池における絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁リングの寸法精度を所定以上には高めず、絶縁リングと陽極筒状金具との接合部の接合強度を所定以上に大きくしてより強度信頼性を向上し、接合部の破損を防止することが可能な接合構造を提供する。
【解決手段】固体電解質管５の開口端に絶縁リング４を接合し、絶縁リング４に、円筒部３ａとその下端から内部方向に張り出したフランジ部３ｂとを有する陽極筒状金具３を、フランジ部３ｂの上面が絶縁リング４の下端面に接合されるように熱圧接合したナトリウム−硫黄電池の絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造である。陽極筒状金具３の円筒部３ａの内周面と絶縁リング４の外周面とのクリアランス１３の値Ｃを０．６ｍｍ以下とするとともに、絶縁リングとして焼成品で未研磨のものを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ナトリウム−硫黄電池における絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造に係り、特に、電池昇降温時に固体電解質管と陽極容器との熱収縮膨張差により生じる荷重に対する、絶縁リングと陽極筒状金具との接合部の強度信頼性を向上することができる接合構造に関する。

ナトリウム−硫黄電池は、一方に陰極活性物質である溶融金属ナトリウム、他方には陽極活性物質である溶融硫黄を配し、両者をナトリウムイオンに対して選択的な透過性を有するβ−アルミナ固体電解質で隔離し、３００〜３５０℃で作動させる高温二次電池である。

このようなナトリウム−硫黄電池の構造は、例えば図２に示すように、カーボンフェルト等に含浸された溶融硫黄Ｓを収容する円筒状の陽極容器１と、溶融金属ナトリウムＮａを収容するカートリッジ(ナトリウム保護管)６と、このカートリッジ６を内部に収納し、ナトリウムイオンＮａ⁺を選択的に透過させる機能を有する有底円筒状の固体電解質管５と、カートリッジ６と固体電解質管５の間の間隙部に、そのカートリッジ６及び固体電解質管５からそれぞれ所定の間隔をおいて配設された有底円筒状の隔壁管１１とからなる。

固体電解質管５はその開口端にガラス接合されたα−アルミナ製の絶縁リング４及び陽極筒状金具３を介して陽極容器１と結合されている。また、絶縁リング４の上端面には陰極金具８が熱圧接合され、この陰極金具８に陰極蓋９が溶接固定されている。陽極容器１の外周上部と陰極蓋９の上面には、それぞれ陽極側端子２と陰極側端子１０が設けられている。カートリッジ６の上部空間には、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスＧが所定の圧力で封入され、この不活性ガスＧによりカートリッジ６内のナトリウムＮａがカートリッジ底部に設けられた小孔７から流出する方向へ加圧されている。

かかる構造を有するナトリウム−硫黄電池において、放電時にはカートリッジ６の小孔７から供給されるナトリウムＮａが、隔壁管１１とカートリッジ６との間隙内で上方に移動した後、隔壁管１１の上端を乗り越えて、隔壁管１１と固体電解質管５との間隙内で下方に移動し、更に、固体電解質管５をナトリウムイオンとなって透過して、陽極容器１内の硫黄Ｓ及び外部回路を通ってきた電子と反応し多硫化ナトリウムを生成する。充電時には放電とは逆にナトリウム及び硫黄の生成反応が起こる。

図３は、このような従来のナトリウム−硫黄電池における絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造を示す要部断面図である。陽極筒状金具３は、円筒部３ａと円筒部３ａ下端から円筒部３ａの内部方向に張り出したフランジ部３ｂとを有する。絶縁リング４は、この陽極筒状金具３の円筒部３ａ内に挿入され、金属ロウ材等の接合材１２を介して、フランジ３ｂの上面と絶縁リング４の下端面とが熱圧接合されている。

ここで、陽極筒状金具３の円筒部３ａ内への絶縁リング４の挿入については、円筒部３ａの内周面と絶縁リング４の外周面とのクリアランス１３の値Ｃが大きい方が作業が容易であり、特に大量生産や組立作業の自動化等を考慮した場合に好ましい。一方で、このクリアランス１３の値Ｃが大きすぎる場合には、芯ズレ等の問題が生じるので、従来においては、クリアランス１３の値Ｃを１ｍｍ程度となるように設定していた。

また、ナトリウム−硫黄電池は、電池作動時と停止時の間に温度差があり、停止時の低温状態においては、多硫化ナトリウム又は硫黄が固化し、固体電解質管５と陽極容器１とは互いに拘束することになる。したがって、電池降温時には、固体電解質管５と陽極容器１とを結合させている絶縁リング４と陽極筒状金具３との接合部に下方への荷重が働く（図３の矢印方向）。そのため、従来においては、この荷重に起因する絶縁リング４と陽極筒状金具３の接合部の破損を防ぐために、陽極容器１の周面の一部に軸方向に収縮する内周面方向へのくびれを形成してバネ効果を持たせ、前記荷重を提言する対策等が行われていた。

しかしながら、上記の対策を施した場合であっても、絶縁リング４と陽極筒状金具３の接合部に割れなどが生じることがあり、本出願人は、先に、陽極筒状金具の円筒部の内周面と絶縁リングの外周面とのクリアランスを０．１５ｍｍ以下と極めて狭く設定することで高い接合強度を達成し得ることを提案した（特許文献１参照）。
この提案は上記従来の問題を解決できて好ましい解決手法であるが、クリアランスが０．１５ｍｍ以下と極めて狭く、絶縁リング４と陽極筒状金具３はともに極めて高い寸法精度が要求されるという問題があり、更なる改善の要請がある。
特開２０００−９０９６７号公報

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セラミックスから構成される絶縁リングの寸法精度を所定以上には高めず、しかも絶縁リングと陽極筒状金具との接合部の接合強度を所定以上に大きくしてより強度信頼性を向上し、接合部の破損を防止することが可能な接合構造を提供することにある。

本発明によれば、固体電解質管の開口端に絶縁リングを接合し、当該絶縁リングに、円筒部と当該円筒部下端から当該円筒部の内部方向に張り出したフランジ部とを有する陽極筒状金具を、前記フランジ部の上面が前記絶縁リングの下端面に接合されるように熱圧接合したナトリウム−硫黄電池の絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造において、前記陽極筒状金具の円筒部の内周面と前記絶縁リングの外周面とのクリアランスを０．６ｍｍ以下とするとともに、前記絶縁リングとして焼成品で未研磨のものを用いることを特徴とするナトリウム−硫黄電池における絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造、が提供される。

本発明の接合構造においては、前記陽極筒状金具の円筒部の内周面と前記絶縁リングの外周面とのクリアランスを０．１５ｍｍ超、０．４５ｍｍ以下とすることが好ましい。

本発明の接合構造によれば、陽極筒状金具の円筒部の内周面と絶縁リングの外周面とのクリアランスを０．６ｍｍ以下、好ましくは０．１５ｍｍ超、０．４５ｍｍ以下と、通常α−アルミナ等のセラミックスから構成される絶縁リングの寸法精度を所定以上には高めないため、絶縁リングとして焼成品で未研磨のものを用いることができ、その結果、クリアランスを０．１５ｍｍより大きくしても、絶縁リングと陽極筒状金具との接合部の接合強度を所定以上に大きくすることができ、より高い強度信頼性を達成することができるという顕著な効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもない。
本発明のナトリウム−硫黄電池における絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造においては、図１の要部断面図に示すように、陽極筒状金具３の円筒部３ａの内周面と、絶縁リング４の外周面とのクリアランス１３の値Ｃが０．６ｍｍ以下、好ましくは０．１５ｍｍ超、０．４５ｍｍ以下としており、かつ、絶縁リングとして焼成品で未研磨のものを用いるものである。

本出願人が先に提案した特開２０００−９０９６７号公報の技術においては、陽極筒状金具３の円筒部３ａの内周面と、絶縁リング４の外周面とのクリアランスが０．１５ｍｍ以下と極めて狭いことから、絶縁リング４と陽極筒状金具３はともに極めて高い寸法精度が要求され、特に絶縁リング４は通常α−アルミナなどのセラミックスから構成されるため、焼成収縮などを考慮すると、高い寸法精度を出すために、焼成後に外周加工を行うことがほとんど必須となっている。そして、外周加工を行うことは、絶縁リング４の外周面に微細な加工傷を付けることになると推定される。

本発明者は、上記と逆の発想をし、クリアランスを少し緩和し０．６ｍｍ以下とすることによって、絶縁リングについて焼成後における外周加工を必要とせず、しかも、絶縁リングとして焼成品で未研磨のものを用いることで、絶縁リングと陽極筒状金具との接合部の接合強度を、特開２０００−９０９６７号公報のものと比べても同等以上と大きくすることができたのである。

なお、上記のように、陽極筒状金具３の円筒部３ａの内周面と絶縁リング４の外周面とのクリアランス１３の値Ｃが０．６ｍｍ以下となるようにし、かつ絶縁リングとして焼成品で未研磨のものを用いた以外は、本発明の接合構造は上述した従来の接合構造と変わるところはない。すなわち、従来と同様に、絶縁リング４は、陽極筒状金具３の円筒部３ａ内に挿入され、陽極筒状金具３のフランジ部１３ｂの上面と絶縁リング４の下端面とが、金属ロウ材等の接合材１２を介して熱圧接合される。

以下、本発明を実施例に基いてさらに詳細に説明する。
（実施例１）
陽極筒状金具３の円筒部３ａの内周面と絶縁リング４の外周面とのクリアランス１３の値Ｃが、０．１〜０．６ｍｍとなるように、アルニミウム合金製の陽極筒状金具３、及びα−アルミナ製の焼成品で未研磨の絶縁リング４、α−アルミナ製で焼成後外周加工を行った絶縁リング４を作製し、それらを熱圧接合して試験片を作製した。こうして作製した各試験片について、図４のように陽極筒状金具３の上部から押し治具２０を介して荷重をかけるとともに、絶縁リング４の下部において受け治具２１により荷重を受けるようにして、陽極筒状金具３と絶縁リング４との接合部の破壊強度を測定した。その結果を図５に示す。図５において、ラインＡは焼成・未研磨の絶縁リングの結果、ラインＢは焼成後外周加工を行った絶縁リングの結果を示す。

（実施例２）
次に、絶縁リング４に関し、α−アルミナ製の焼成品で未研磨のものと、α−アルミナ製で焼成後外周加工を行ったものについて、抗折強度を測定した。その結果を図６に示す。

図５に示すとおり、焼成・未研磨の絶縁リングの場合、その破壊強度は、クリアランスを０．１ｍｍから０．６ｍｍと大きくしても０．１ｍｍの方が多少大きいものの０．６ｍｍのクリアランスでもほとんど低下せず、焼成後外周加工を行った絶縁リングと比べると、クリアランスを多少大きくしても、破壊強度が同等以上と大きいことがわかる。
また、図６に示すごとく、絶縁リングの抗折強度は、研磨品に比べて未研磨品の方が１００ＭＰａ程度大きいことがわかる。

本発明は、ナトリウム−硫黄電池における絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造として好ましく適用することができる。

本発明の接合構造の一実施形態を示す要部断面図である。 ナトリウム−硫黄電池の一般的な構造を示す断面図である。 従来のナトリウム−硫黄電池における絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造を示す要部断面図である。 実施例における接合部の破壊強度の測定法を示す説明図である。 実施例１の結果を示すグラフである。 実施例２の結果を示すグラフである。

符号の説明

１…陽極容器、２…陽極側端子、３…陽極筒状金具、４…絶縁リング、５…固体電解質管、６…カートリッジ、７…小孔、８…陰極金具、９…陰極蓋、１０…陰極側端子、１１…隔壁管、１２…接合材、１３…クリアランス。

Claims (2)

1. 固体電解質管の開口端に絶縁リングを接合し、当該絶縁リングに、円筒部と当該円筒部下端から当該円筒部の内部方向に張り出したフランジ部とを有する陽極筒状金具を、前記フランジ部の上面が前記絶縁リングの下端面に接合されるように熱圧接合したナトリウム−硫黄電池の絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造において、
   前記陽極筒状金具の円筒部の内周面と前記絶縁リングの外周面とのクリアランスを０．６ｍｍ以下とするとともに、前記絶縁リングとして焼成品で未研磨のものを用いることを特徴とするナトリウム−硫黄電池における絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造。
2. 前記陽極筒状金具の円筒部の内周面と前記絶縁リングの外周面とのクリアランスを０．１５ｍｍ超、０．４５ｍｍ以下とする請求項１記載のナトリウム−硫黄電池における絶縁リングと陽極筒状金具との接合構造。

Images