JP4040315B2 - Sodium-sulfur battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力貯蔵用等の二次電池として利用されるナトリウム−硫黄電池に関して、陰極金具の熱サイクルによる疲労劣化を緩和し、かつ陰極金具と絶縁リングとの接合面の剥離によるナトリウムの侵入を防止したことを特徴とするナトリウム−硫黄電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電力の平準化やピークカットなどの機能を実現するための電力貯蔵システムにナトリウム−硫黄電池が使用されているが、そのナトリウム−硫黄電池の構造は、図6にその断面図を模式的に示した通りのものである。
【0003】
製造時におけるその電池構造は、有底筒状のベータアルミナ固体電解質管9がその上端外周面でα−アルミナの絶縁リング1の内周面とガラス接合され、更に、絶縁リング1の上面に接合された陰極金具2及びその陰極金具2に溶接された陰極蓋4と絶縁リング1とベータアルミナ固体電解質管9とで区画された陰極室が、有底筒状の金属製安全管12とその安全管12内側にナトリウム及び少量のアジ化ナトリウムを収納したナトリウム収納容器13を配設しており、一方、陽極室は、絶縁リング1の下面に接合された陽極金具8と、その陽極金具8に溶接された陽極容器10と、更にはその陽極容器10に溶接された底蓋11と、絶縁リング1と、ベータアルミナ固体電解質管9とで区画され、硫黄を含浸したカーボンマットが配設され、その上部には窒素などの不活性ガスが充填された構造である。
【0004】
各部材による単電池組み立て後、電池作動温度までの昇温過程で、ナトリウム収納容器13内のナトリウムは溶融し、ナトリウム収納容器13内の上部に内包されていたアジ化ナトリウムの分解で発生した窒素ガスの圧力によりナトリウム収納容器13の底部に設けられている小孔より溶融ナトリウムが陰極室内に流出して陰極室内を充填状態にする。
【0005】
290℃〜385℃の温度で電池は作動し、ナトリウムはベータアルミナ固体電解質管9中をナトリウムイオンとしてイオン伝導し、陽極室の溶融硫黄と反応し、多硫化ナトリウムを生成して放電反応が進行する。充電の際は逆の反応が進み、陰極室に溶融ナトリウムが戻される。
【0006】
上述の構成のナトリウム−硫黄電池において、その構成部材であるα−アルミナ製の絶縁リング1とAl又はAl合金製の陰極金具2は熱圧接合されて単電池が組立てられる。
【0007】
熱圧接合部材の要部断面図を図3に示す。絶縁リング1と陰極金具2の熱圧接合方法は、絶縁リング1の上面にリング状の金属とセラミックの接合部材16を載置した後、絶縁リング1に陰極金具2を挿嵌し、陰極金具2の外フランジ部2bの底面を金属とセラミックの接合部材16上面に当接させる。次いで、ステンレス製リング板14を挿嵌して陰極金具2の外フランジ部2b上面に載置する。加熱した炉内雰囲気中で押圧治具15によって絶縁リング1の上面に陰極金具2の外フランジ部2bを加圧接合する。
【0008】
この際、陰極金具2の外フランジ部2bはAl合金であるから柔らかく、金属とセラミックの接合部材16と共に圧延されながら絶縁リング1の上面に熱圧接合される。絶縁リング1の内周面上部に位置する絶縁リング1と陰極金具2の下方円筒部2cとの隙間は、加圧の際にはみ出した金属とセラミックの接合部材16で充填される。
【0009】
熱圧接合後、押圧治具15を陰極金具2から離脱させる際、ステンレス製リング板14と押圧治具15は接合しないので、押圧治具15は容易に離脱できる。一方、ステンレス製リング板14は陰極金具2と接合した状態であり、図4に示される通り、ステンレス製リング板14は陰極金具2の外フランジ部2bに接合されたままの状態で残る。その後、図5に示される通り、陰極蓋4が陰極金具2の上端縁に溶接され、電池として組立てられてきた。
【0010】
ステンレス製リング板14は押圧治具15との離脱性の改善のみを目的としたものであり、本発明者らは、経済性から厚み0.12mm〜0.2mmのSUS304製リング板14を用いてきた。電池組立て後は何らの機能を有せず電池としては無用の部材である。
【0011】
この様にして組立てられた単電池を集合電池として7年間運転させ、7年間運転後の電池を解体し、調査解析した。その結果、図7に示される通り、陰極金具2の上方円筒部2aから外フランジ部2bへの屈曲部近傍B点に微細な亀裂が発生しており、又絶縁リング1内周面上端部近傍A点においても接合部にナトリウムの侵入が発生していた。図8に局部拡大断面図を示す。陰極金具2の上方円筒部2aから外フランジ部2bへの屈曲部近傍B点に発生する微細な亀裂は斜め下方方向に入っており、更に、陰極金具2は絶縁リング1の内周面上端部近傍A点で少し上方に離脱し、陰極金具2と絶縁リング1の熱圧接合部にナトリウムの侵入が観察された。尚、用いる陰極金具2はアルミニウム合金の冷間鍛造品であり、円筒部と外フランジ部は一体品である。
【0012】
この様な屈曲部近傍B点における微細な亀裂の発生、及び絶縁リング1の内周面上端部近傍A点における陰極金具2の離脱とそれに伴うナトリウムの侵入についての発生原因は、α−アルミナ絶縁リング1の膨張係数が7〜8×10-6/℃に対し、アルミニウム合金製の陰極金具2及び陰極蓋4は25〜26×10-6/℃と極めてその差は大きく、電池の運転時における充電及び放電に伴う昇降温、及び電池立ち上げ時の昇温、更には定期点検修理時の室温までの降温及び作動温度までの昇温のヒートサイクルの際に、その温度変化に伴って陰極金具2の上方円筒部2aが膨張、収縮するが、絶縁リング1内に挿嵌されている部分の下方円筒部2cは熱膨張係数の小さい絶縁リング1で拘束され、膨張収縮の動きが抑止される。
【0013】
この結果、陰極金具2の屈曲部近傍B点を起点として陰極金具2の上方円筒部2aが傾動を繰返し、屈曲部近傍B点に金属疲労を生じ、その結果、亀裂が発生したものと推定される。又、絶縁リング1の内周面上端部近傍A点における陰極金具2の離脱も同じ要因によるものと推定される。
【0014】
特開平3−187160号公報では、リング状のα−アルミナ製抑止体を陰極金具の円筒部外周面に当接する発明を提案しているが、リング状のα−アルミナ製抑止体はそれ自体極めてコストが高く、又、陰極金具の円筒部に当接させるには高度な寸法精度を要求され、リング状のα−アルミナ製抑止体は高強度であるから、その研磨加工コストも極めて高い。この様な理由から適用することは困難である。又、比較的低コストなムライト製抑止体の適用は強度不足のためムライト製抑止体にクラックが発生するとの問題を生じ適用できない。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
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、電池として長期間運転しても、陰極金具に亀裂が発生せず、又、陰極金具と絶縁リングの接合部にもナトリウムが侵入せず、低コストであって、長期の耐久性と信頼性に優れたナトリウム−硫黄電池を提供するものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、有底筒状の固体電解質管と固体電解質管の開口端部の外周面と接合された絶縁リングと絶縁リングの上面に接合された陰極金具と陰極金具に溶接された陰極蓋とで区画された陰極室内にナトリウムが収納され、一方、該固体電解質管外周面と絶縁リングと絶縁リングの底面に接合された陽極金具と陽極金具に溶接された円筒状の陽極容器とで区画された陽極室に電子導電材と共に硫黄が収納されて構成されるナトリウム−硫黄電池において、陰極金具がアルミニウム又はアルミニウム合金製で、その形状が円筒部の途中に外フランジ部を有する形状であり、外フランジ部底面で絶縁リングの上面と接合した陰極金具であって、電池運転時における熱膨張収縮による陰極金具円筒部の傾動を抑止する板厚3.0〜8.0mmのリング状の金属製抑止体を陰極金具円筒部の外周面に当接又は近接させて設けると共に、金属製抑止体の底面が外フランジ部の上面に接合されていることを特徴とするナトリウム−硫黄電池が提供される。
【0017】
本発明においては、前記リング状の金属製抑止体の板厚が4.0〜6.0mmの範囲であることが最も好ましい。
【0018】
又、本発明においては、前記リング状の金属製抑止体の内周面上端縁及び下端縁に面取りが施されていることが好ましい。又、前記リング状の金属製抑止体がフェライト系ステンレスであることが好ましい。又、前記リング状の金属製抑止体と陰極金具の外フランジ部との接合がろう付け接合であることが好ましい。
【0019】
【発明の実施の形態】
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。
本発明をその一実施態様である図1に基づいて説明する。
【0020】
図1は、本発明のナトリウム−硫黄電池の構成部材であるα−アルミナ製の絶縁リング1と、陰極金具2と、リング状の金属製抑止体3との電池組み立て後の要部拡大断面図を示す。陰極金具2の形状は、円筒部(上方を2a、下方を2cと符号)の途中に外フランジ部2bを有する形状であって、冷間鍛造で製作されたアルミニウム又はアルミニウム合金の一体品である。
【0021】
本発明のナトリウム−硫黄電池の特徴は、ステンレス製リング板14を用いる代わりにリング状の金属製抑止体3を用いる点を特徴とするものである。
【0022】
リング状の金属製抑止体3は、厚み(t)が2.0〜8.0mmの範囲にある肉厚状のリング状金属体であって、そのリング状の金属製抑止体3の内周面3aは陰極金具2の上方円筒部2aに当接しているか又は近接した状態にあり、かつ底面で陰極金具2の外フランジ部2bの上面に接合している。
尚、リング状の金属製抑止体3の陰極金具2の上方円筒部2aへの挿入の容易性と金属加工コストの点から近接した状態が好ましい。
【0023】
厚みが2.0〜8.0mmの範囲にある肉厚状であってリング状の金属製抑止体3の内周面3aが陰極金具2の上方円筒部2aに当接しているか又は近接した状態にあって、かつ底面が陰極金具2の外フランジ部2bの上面に接合した構成であることにより、電池の運転時における充電及び放電に伴う昇降温及び室温と電池作動温度間の熱サイクルにより発生する陰極金具2の屈曲点B点を起点とした上方円筒部2aの傾動が金属製抑止体3によって抑止される。
【0024】
その結果、屈曲点B点における金属疲労により生じる亀裂の発生がおさえられ、更に、絶縁リング1の内周面上端部近傍A点における陰極金具2の離脱も防止され、陰極金具2と絶縁リング1の接合面6にNaが侵入するのを防止するとの格別の効果が得られる。
【0025】
この場合、金属製抑止体3の厚み(t)が2mmより薄い場合は陰極金具2の上方円筒部2aの傾動に対する抑止効果が低下し、8mmを超えると電池の重量が増加し、又、コストの点で好ましくない。上方円筒部2aと当接又は近接状態にする際も寸法精度を要求される。厚みが4.0〜6.0mmの範囲であることが最も効果が高くかつ経済的であり好ましい。
【0026】
又、リング状の金属製抑止体3の内周面3a上端縁C点及び下端縁D点に半径1mm〜3mmの面取りを施すことが好ましい。上方円筒部2aの傾動が金属製抑止体3によって抑止される際の上方円筒部2aへの金属製抑止体3の当たりが緩和され、陰極金具円筒部に亀裂が発生することを防止するからである。更に、絶縁リング1の内周面上端部近傍A点に対応する陰極金具2の屈曲部E点に半径0.2mm以上の面取りを施すことが好ましい。
【0027】
尚、近接とは、電池組立て後、電池として運転した際に、電池の運転時における充電及び放電に伴う昇降温及び室温と作動温度間の熱サイクルにより、陰極金具2の屈曲部近傍B点を起点として発生する陰極金具2の傾動をリング状の金属製抑止体3が抑止する程度の隙間が得られるように陰極金具2の上方円筒部2a外周面とリング状の金属製抑止体3の内周面3aが配設された状態を意味する。
【0028】
図1に示す本発明のナトリウム−硫黄電池における中間組立て部材の製造方法は、図3に示す従来の熱圧接合方法において、ステンレス製リング板14を用いる代わりにリング状の金属製抑止体3を用いる点を除いて全て同一である。リング状の金属製抑止体3も押圧治具15に対する離脱性効果を有する。
【0029】
図1に示す本発明のナトリウム−硫黄電池における中間組立て部材において、リング状の金属製抑止体3の材質は、廉価である所定厚さのオーステナイト系ステンレス(SUS304)を用いても良いが、熱膨張係数がα−アルミナ絶縁リングに近く、剛性の高いものが好ましい。例えば、フェライト系ステンレス(例えばSUS430)熱膨張係数11×10-6/℃が廉価であり、特に好ましい。他にはコバール(Fe−Ni−Co)熱膨張係数4.4〜5.2×10-6/℃、42合金(Fe−42Ni)熱膨張係数4.0〜4.7×10-6/℃、などが挙げられる。
【0030】
尚、リング状の金属製抑止体3と陰極金具2の外フランジ部2bの上面との接合面5は、圧着接合でも良いが、ろう材を用いたろう付け接合が接合強度を向上し、陰極金具2の上方円筒部2aの傾動を長期に亘り安定して抑止できる点で好ましい。
【0031】
本発明のナトリウム−硫黄電池を構成する他の構成部材による電池構造は図6に示すナトリウム−硫黄電池と同一である。即ち、絶縁リング1に陰極金具2を熱圧接合した後、有底筒状の金属製安全管12とその安全管12内側にナトリウム及び少量のアジ化ナトリウムを収納したナトリウム収納容器13を配設し、次いで、減圧雰囲気中で陰極金具2に陰極蓋4を溶接する。
【0032】
陽極室に関しては、絶縁リング1の底面に陽極金具8を熱圧接合し、有底筒状のベータアルミナ固体電解質管9の上端部外周面を絶縁リング1の内周面にガラス接合し、陽極金具8に円筒状の陽極容器10を溶接後、硫黄を含浸したカーボンマット(電子導電材)を陽極陽器10内に配設し、次いで、底蓋11を溶接して電池を組立てる。
【0033】
【実施例】
図1において、リング状の金属製抑止体3のみを4通りに変えて製作した本発明のナトリウム−硫黄電池を実施例1〜4として各2本作製し、試験した。実施例1〜4において、陰極金具2の構成及び絶縁リング1との接合状態、更に、リング状の金属製抑止体3と陰極金具2の外フランジ部2bとの接合状態も各々同一条件で熱圧接合して製作したものであり同一である。
【0034】
即ち、陰極金具2は、円筒部(2a,2b)の肉厚が2.5mm、上方円筒部(2a)から外フランジ部(2b)への屈曲部B点が半径0.3mmの面取りが施されたものを用い、絶縁リング1との接合面6における接合距離(S)は3.0mmである。
【0035】
ここで、絶縁リング1との接合面6における接合距離(S)は、外フランジ部2bの先端までの距離ではない。熱圧接合の際、金属とセラミックの接合部材16も陰極金具2の外フランジ部2bと共に絶縁リング1上面に圧延により押し伸ばされるが、陰極金具2の外フランジ部2bと絶縁リング1の接合は、この接合部材16が介在されている箇所で行われる。従って、接合距離(S)は圧延により押し伸ばされた接合部材16の先端までの距離である。
リング状の金属製抑止体3の底面と陰極金具2の外フランジ部2b上面との接合面5は金属間接合用ろう材を用いてろう付け接合した。
【0036】
本発明の実施例1〜4について各2本の電池を、400℃で7年間運転した後、各電池を解体し、観察調査した結果を各々表1に示す。
尚、表1に示す測定値は、各部位の状態を光学顕微鏡で観察し、Naの侵入距離及び亀裂の長さについて測定した測定値の内、最大測定値を示す。又、この7年間の運転の間に400℃から室温までの降温、及び室温から400℃までの昇温、即ち、室温⇔400℃のヒートサイクルを7回行った。
【0037】
実施例1はSUS304、板厚3.0mmのリング状の金属製抑止体3を用いた実施例であって、絶縁リング1の内周面上端部近傍A点における陰極金具2の剥離は小さく、Naの侵入は0.11mmと僅かであった。又、陰極金具2の上方円筒部2aから外フランジ部2bの屈曲部近傍B点に発生した亀裂の長さは0.02mmと微細な亀裂にとどまっている。実施例2はSUS304、板厚5.0mmのリング状の金属製抑止体3を用いた実施例であって、絶縁リング1の内周面上端部近傍A点における接合面6へのNaの侵入は0.07mmと極めて僅かであった。又、陰極金具2の上方円筒部2aから外フランジ部2bの屈曲部近傍B点には亀裂の発生が観察されなかった。
【0038】
実施例3はSUS430、板厚3.0mmのリング状の金属製抑止体3を用いた実施例であって、絶縁リング1の内周面上端部近傍A点における接合面6へのNaの侵入は0.07mmと極めて僅かであり、又、陰極金具2の上方円筒部2aから外フランジ部2bへの屈曲部近傍B点に発生した亀裂の長さは0.01mm極めて小さな亀裂であった。実施例4はSUS430、板厚5.0mmのリング状の金属製抑止体3を用いた実施例であって、絶縁リング1の内周面上端部近傍A点における接合面6へのNaの侵入は観察されなかった。又、陰極金具2の上方円筒部2aから外フランジ部2bの屈曲部近傍B点においても亀裂の発生は観察されなかった。
【0039】
【表1】
【0040】
一方、リング状の金属製抑止体3の代わりに従来のステンレス製リング板14を用いて作成した従来のナトリウム−硫黄電池についても、実施例1と同一の各部材を用い、同一条件で熱圧接合し、同一期間運転した後、電池を解体し、観察調査した。その結果を表1に示す。尚、表1に示す数値は各部位の状態を光学顕微鏡で観察し、Naの侵入距離及び亀裂の長さを測定し、最大測定値を示す。
【0041】
従来例1は、SUS304,板厚0.5mm、従来例2は、SUS304,板厚1.5mm、従来例3は、SUS430,板厚0.5mm、従来例3は、SUS430で板厚1.5mmのリング板14を用いた実施態様であって、各実施態様について電池各2本作製し、供試体とした。
【0042】
従来例1〜4について、いずれも図8に示す通りの状態に損傷を受けていた。絶縁リング1の内周面上端部近傍A点にはNaがかなり侵入しており、各従来例における最大Na侵入距離は2.11〜2.52mmの範囲であった。又、陰極金具2の上方円筒部2aから外フランジ部2bへの屈曲部近傍B点にも亀裂が発生しており、亀裂の各従来例における最大長さは0.21〜0.28mmの範囲であった。
【0043】
リング状の金属製抑止体3は本発明の主旨を逸脱しない範囲において、各種の実施態様が可能である。例えば、図2に示す通りの円筒部とフランジ部を有した形状とすることも可能である。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、電池運転時における熱膨張収縮による陰極金具の上方円筒部の傾動を抑止するリング状の金属製抑止体を陰極金具円筒部に当接又は近接させて設けると共にリング状の金属製抑止体を絶縁リング上面に接合させたことにより、長期に亘り電池を運転しても、陰極金具と絶縁リングとの熱圧接合部へのNaの侵入は防止され、更に、陰極金具円筒部から外フランジ部への屈曲部における亀裂の発生が防止される。又、抑止体は金属製であり、α−アルミナリングなどの高強度セラミック製品に比較し、安価であり、加工も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の絶縁リングと陰極金具とリング状の金属製抑止体とから構成される電池局部構造の要部断面図を示す。
【図2】 本発明の別の実施態様である電池局部構造の要部断面図を示す。
【図3】 従来の熱圧接合する工程において、絶縁リングと、金属とセラミックスの接合材と、陰極金具と、ステンレス製リング板とを配設し、押圧治具で押圧する要部断面図を示す。
【図4】 従来の熱圧接合後の絶縁リングと陰極金具とステンレス製リング板とから構成される中間電池部材の要部断面図を示す。
【図5】 従来の陰極金具に陰極蓋を溶接して電池を組立てることを説明する要部断面図を示す。
【図6】 従来のナトリウム−硫黄電池を示す模式的断面図である。
【図7】 従来のナトリウム−硫黄電池を長年運転した際に、陰極金具に発生する亀裂及び陰極金具と絶縁リングの熱圧接合面へのNaの侵入を説明する図である。
【図8】 亀裂が発生した部位及び陰極金具と絶縁リングの熱圧接合面へのNaの侵入部位を示す局部拡大断面図を示す。
【符号の説明】
1…絶縁リング、2…陰極金具、2a…上方円筒部、2b…外フランジ部、2c…下方円筒部、3…リング状の金属製抑止体、3a…内周面、4…陰極蓋、5…陰極金具と金属製抑止体の接合面、6…陰極金具と絶縁リングとの接合面、7…陰極金具と陰極蓋の溶接箇所、8…陽極金具、9…固体電解質管、10…陽極容器、11…底蓋、12…安全管、13…ナトリウム収納容器、14…ステンレス製リング板、15…押圧治具、16…金属とセラミックの接合部材。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sodium-sulfur battery used as a secondary battery for power storage or the like, which alleviates fatigue deterioration due to the thermal cycle of the cathode metal fitting and invades sodium due to peeling of the joint surface between the cathode metal fitting and the insulating ring. The present invention relates to a sodium-sulfur battery characterized in that
[0002]
[Prior art]
A sodium-sulfur battery is used in a power storage system for realizing functions such as power leveling and peak cut. The structure of the sodium-sulfur battery is schematically shown in FIG. That's right.
[0003]
The battery structure at the time of manufacture is such that a bottomed cylindrical beta-alumina
[0004]
After assembling the cell by each member, the sodium in the
[0005]
The battery operates at a temperature of 290 ° C. to 385 ° C., and sodium conducts ions in the beta alumina
[0006]
In the sodium-sulfur battery having the above-mentioned configuration, the α-
[0007]
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the main part of the hot-pressure bonding member. The insulating
[0008]
At this time, since the
[0009]
Since the stainless
[0010]
The stainless
[0011]
The unit cell assembled in this way was operated as an assembled battery for 7 years, and the battery after 7 years of operation was disassembled and investigated and analyzed. As a result, as shown in FIG. 7, a fine crack is generated at the point B near the bent portion from the upper cylindrical portion 2a to the
[0012]
The occurrence of such fine cracks at the point B near the bent portion and the cause of the detachment of the cathode metal fitting 2 at the point A near the upper end of the inner peripheral surface of the
[0013]
As a result, it is estimated that the upper cylindrical portion 2a of the cathode metal fitting 2 repeatedly tilted starting from the point B near the bent portion of the
[0014]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-187160 proposes an invention in which a ring-shaped α-alumina deterring body is brought into contact with the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the cathode metal fitting. The cost is high, and a high degree of dimensional accuracy is required to contact the cylindrical portion of the cathode metal fitting. Since the ring-shaped α-alumina deterrent has high strength, its polishing cost is extremely high. For this reason, it is difficult to apply. Moreover, the application of a relatively low cost mullite deterrent cannot be applied due to the problem of cracking in the mullite deterred due to insufficient strength.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is that no cracks occur in the cathode metal fittings even when the battery is operated for a long period of time. The present invention provides a sodium-sulfur battery that does not allow sodium to enter the junction, is low in cost, and has excellent long-term durability and reliability.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a bottomed cylindrical solid electrolyte tube, an insulating ring joined to the outer peripheral surface of the open end of the solid electrolyte tube, a cathode fitting joined to the upper surface of the insulating ring, and a cathode welded to the cathode fitting Sodium is housed in a cathode chamber partitioned by a lid, and on the other hand, an outer peripheral surface of the solid electrolyte tube, an insulating ring, an anode fitting joined to the bottom of the insulating ring, and a cylindrical anode container welded to the anode fitting In a sodium-sulfur battery configured by storing sulfur together with an electronic conductive material in a partitioned anode chamber, the cathode fitting is made of aluminum or an aluminum alloy, and the shape thereof has an outer flange portion in the middle of the cylindrical portion. , a cathode bracket joined with outer flange bottom surface and the upper surface of the insulating ring, the thickness 3.0~8.0mm to suppress tilting of the cathode metal cylinder due to thermal expansion and contraction during battery operation A metal-containing deterrent body is provided in contact with or close to the outer peripheral surface of the cylindrical part of the cathode metal fitting, and the bottom surface of the metal deterrent body is joined to the upper surface of the outer flange portion. A battery is provided.
[0017]
In the present invention, it is most preferable that the thickness of the ring-shaped metal inhibitor is in the range of 4.0 to 6.0 mm.
[0018]
Moreover, in this invention, it is preferable that the chamfering is given to the inner peripheral surface upper end edge and lower end edge of the said ring-shaped metal suppression body. Moreover, it is preferable that the said ring-shaped metal inhibitor is a ferritic stainless steel. Moreover, it is preferable that joining of the said ring-shaped metal suppression body and the outer flange part of a cathode metal fitting is brazing joining.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, although embodiment of this invention is described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the following embodiment.
The present invention will be described with reference to FIG.
[0020]
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a main part after assembling a battery of an α-
[0021]
The feature of the sodium-sulfur battery of the present invention is that a ring-shaped
[0022]
The ring-shaped
It is preferable that the ring-shaped
[0023]
Thickness in the range of 2.0 to 8.0 mm, and the inner peripheral surface 3a of the ring-shaped
[0024]
As a result, generation of cracks caused by metal fatigue at the bending point B is suppressed, and further, the
[0025]
In this case, if the thickness (t) of the
[0026]
Further, it is preferable to chamfer the inner peripheral surface 3a of the ring-shaped
[0027]
The proximity means that when the battery is assembled and then operated as a battery, the point B near the bent portion of the
[0028]
The manufacturing method of the intermediate assembly member in the sodium-sulfur battery of the present invention shown in FIG. 1 uses a ring-shaped
[0029]
In the intermediate assembly member of the sodium-sulfur battery of the present invention shown in FIG. 1, the material of the ring-shaped
[0030]
The
[0031]
The battery structure of other constituent members constituting the sodium-sulfur battery of the present invention is the same as that of the sodium-sulfur battery shown in FIG. That is, after the
[0032]
As for the anode chamber, the
[0033]
【Example】
In FIG. 1, two sodium-sulfur batteries of the present invention manufactured by changing only the ring-shaped
[0034]
That is, the
[0035]
Here, the joining distance (S) at the joining
The
[0036]
Table 1 shows the results of disassembling and observing each of the two batteries for Examples 1 to 4 of the present invention after operating at 400 ° C. for 7 years.
In addition, the measured value shown in Table 1 shows the maximum measured value among the measured values which observed the state of each site | part with the optical microscope, and measured about the penetration | invasion distance of Na and the length of the crack. Further, during this 7-year operation, the temperature was lowered from 400 ° C. to room temperature and the temperature was raised from room temperature to 400 ° C., that is, a heat cycle from room temperature to 400 ° C. was performed 7 times.
[0037]
Example 1 is an example using SUS304, a ring-shaped
[0038]
Example 3 is an example using SUS430 and a ring-shaped
[0039]
[Table 1]
[0040]
On the other hand, for the conventional sodium-sulfur battery prepared using the conventional stainless
[0041]
Conventional Example 1 is SUS304, plate thickness 0.5 mm, Conventional Example 2 is SUS304, plate thickness 1.5 mm, Conventional Example 3 is SUS430, plate thickness 0.5 mm, Conventional Example 3 is SUS430 and
[0042]
About the prior art examples 1-4, all were damaged in the state as shown in FIG. Na penetrates considerably at the point A in the vicinity of the upper end of the inner peripheral surface of the insulating
[0043]
Various embodiments of the ring-shaped
[0044]
【The invention's effect】
As described above, the ring-shaped metal depressing body that suppresses the tilt of the upper cylindrical portion of the cathode metal fitting due to thermal expansion and contraction during battery operation is provided in contact with or close to the cathode metal fitting cylindrical portion, and the ring-shaped metal By joining the manufacturing restrainer to the upper surface of the insulating ring, even if the battery is operated for a long time, the intrusion of Na into the hot-pressure bonded portion between the cathode metal fitting and the insulating ring is prevented. Occurrence of cracks at the bent portion from the outer flange portion to the outer flange portion is prevented. Further, the restraining body is made of metal, and is inexpensive and easy to process as compared with high-strength ceramic products such as α-alumina rings.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a battery local structure composed of an insulating ring, a cathode metal fitting, and a ring-shaped metal deterrent body according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a battery local structure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part in which an insulating ring, a metal / ceramic bonding material, a cathode metal fitting, and a stainless steel ring plate are disposed and pressed by a pressing jig in a conventional hot-pressure bonding process. Show.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of an intermediate battery member composed of an insulating ring, a cathode fitting, and a stainless steel ring plate after conventional hot-pressure bonding.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an essential part for explaining that a battery is assembled by welding a cathode lid to a conventional cathode metal fitting.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a conventional sodium-sulfur battery.
FIG. 7 is a diagram for explaining cracks that occur in the cathode metal fitting and Na intrusion into the hot-press bonding surface of the cathode metal fitting and the insulating ring when a conventional sodium-sulfur battery is operated for many years.
FIG. 8 is a local enlarged cross-sectional view showing a site where a crack has occurred and a site where Na penetrates into the hot-press bonding surface of the cathode metal fitting and the insulating ring.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該陰極金具がアルミニウム又はアルミニウム合金製で、その形状が円筒部の途中に外フランジ部を有する形状であり、該外フランジ部底面で該絶縁リングの上面と接合した陰極金具であって、電池運転時における熱膨張収縮による該陰極金具円筒部の傾動を抑止する板厚3.0〜8.0mmのリング状の金属製抑止体を該陰極金具円筒部の外周面に当接又は近接させて設けると共に、該金属製抑止体の底面が外フランジ部の上面に接合されていることを特徴とするナトリウム−硫黄電池。A bottomed cylindrical solid electrolyte tube, an insulating ring joined to the outer peripheral surface of the open end of the solid electrolyte tube, a cathode fitting joined to the upper surface of the insulating ring, and a cathode lid welded to the cathode fitting Sodium is stored in the partitioned cathode chamber, and on the other hand, an outer peripheral surface of the solid electrolyte tube, the insulating ring, an anode fitting joined to the bottom surface of the insulating ring, and a cylindrical anode container welded to the anode fitting In a sodium-sulfur battery configured by storing sulfur together with an electronic conductive material in a partitioned anode chamber,
The cathode fitting is made of aluminum or an aluminum alloy, and the shape of the cathode fitting is a shape having an outer flange part in the middle of the cylindrical part, and the cathode fitting joined to the upper surface of the insulating ring at the bottom of the outer flange part. A ring-shaped metal deterrent body having a plate thickness of 3.0 to 8.0 mm that suppresses tilting of the cathode fitting cylindrical portion due to thermal expansion and contraction at the time is provided in contact with or close to the outer peripheral surface of the cathode fitting cylindrical portion. A sodium-sulfur battery characterized in that the bottom surface of the metallic deterrent body is joined to the upper surface of the outer flange portion.
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