JP4170627B2

JP4170627B2 - ナトリウム−硫黄電池

Info

Publication number: JP4170627B2
Application number: JP2002015262A
Authority: JP
Inventors: 孝志安藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: JP2003217650A

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、更に詳しくは、アルミニウム又はアルミニウム合金製の陽極金具の外面にステンレス製の外筒部材を設けたナトリウム−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８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６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７及びその陰極金具に溶接された陰極蓋８と絶縁リング１とベータアルミナ固体電解質管６とで区画された陰極室が、有底筒状の金属性安全管９とその安全管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１０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２と、その陽極金具２に溶接された陽極容器４と、更にはその陽極容器４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６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１０内のナトリウムは溶融し、ナトリウム収納容器１０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１０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６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合金製の陽極金具２は熱圧接合され、固体電解質管６と絶縁リング１とのガラス接合工程を経た後、陽極金具２に陽極容器４が溶接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９に示す。絶縁リング１と陽極金具２の熱圧接合方法は、内フランジ部２ａと円筒部２ｂと円筒部の上端縁に鍔部２ｃとを有した陽極金具２内に絶縁リング１を載置し、加熱して押圧治具１２によって絶縁リング１の底面に陽極金具の内フランジ部２ａを加圧接合する。
【０００８】
この際、陽極金具の内フランジ部２ａはＡｌ合金であるから柔らかく、圧延されながら絶縁リング１の底面に熱圧接合される。熱圧接合後、押圧治具１２を陽極金具２から離脱させる際、押圧治具１２にＡｌ合金製の陽極金具２が接合し、押圧治具１２が離脱できないとか陽極金具２と絶縁リング１との接合部を剥離させると言った問題があり、このため、本発明者らは、陽極金具２と押圧治具１２の接する面間にステンレスキャップ１４を使用してきた。
【０００９】
ステンレスキャップ１４と押圧治具１２は接合しないので熱圧接合後、押圧治具１２は容易に離脱できる。しかしながら、ステンレスキャップ１４は陽極金具２と接合した状態であり、ステンレスキャップ１４が陽極金具２に接合されたままの状態で陽極容器４が陽極金具の鍔部２ｃに溶接され、電池として組立てられてきた。
【００１０】
この際、用いるステンレスキャップ１４は押圧治具１２との離脱性の改善のみを目的としたものであり、ステンレスキャップ１４の円筒部１４ａの長さは短く、３〜５ｍｍ程度のものが用いられてきた。
【００１１】
この様にして組立てられた単電池を集合電池として６年間近く運転させ、６年間運転後の電池を解体し、調査解析した。その結果、図１０に示される通り、ステンレスキャップ１４の円筒部１４ａ上端部Ａ点を起点として陽極金具２と陽極容器４の隙間に腐蝕生成物１５が堆積し、その堆積部に対応する陽極金具２の円筒部２ｂ外面は腐蝕で肉薄になり、陽極容器４の外表面は凸状に変形し、更に、陽極金具の鍔部２ｃと陽極容器４の溶接部５にも腐蝕が発生していることが判明した。
【００１２】
腐蝕生成物１５の発生原因は、電池運転時に多硫化ナトリウムの蒸気１７が陽極金具２と陽極容器４の隙間に侵入し、ステンレスキャップ１４の円筒部１４ａ上端部Ａ点において、アルミニウム合金の陽極金具２とステンレスキャップ１４との間に発生する異種金属間の電池作用により、陽極金具２の腐蝕が促進されたことによるものと推定される。更に、電池運転時の昇降温による腐蝕生成物（堆積物）１５の膨張により陽極容器４の外表面が凸状に変形したものと推定される。
【００１３】
特に、Ａ点近傍及び陽極金具２と陽極容器４の溶接部（箇所）５は、電池の運転時に応力が加わることも考えられ、従って、長期間集合電池として問題なく使用されてきたが、更に長い耐久性、信頼性を高めるためにはＡ点近傍及び陽極金具２と陽極容器４の溶接部５にこの様な局部腐食が発生しないか腐蝕速度が著しく遅延化されることが望まれる。
【００１４】
【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、電池として長期間使用しても、陽極金具及び陽極金具と陽極容器の溶接部に発生する局部腐食が著しく遅延化されたナトリウム−硫黄電池を提供するものである。
【００１５】
【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その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、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てなるナトリウム−硫黄電池において、陽極金具がアルミニウム又はアルミニウム合金製であって、その形状が円筒部の下端に内フランジ部を、上端に鍔部を有した形状であって、さらに陽極金具の円筒部外面の下部には切り欠け部が設けられて下部よりも上部が肉厚の形状とされており、内フランジ部の上面が陽極金具内に配設された絶縁リングの底面と接合し、鍔部で陽極容器と溶接されていると共に、フランジ部と円筒部からなり該円筒部はその下端が該フランジ部に接続され該陽極金具の切り欠け部に係合する段差形状とされて切り欠け部よりも上方まで延出され、その上部が下部よりも拡径とされているステンレス製の外筒部材が陽極金具の内フランジ部及び円筒部の外面に接合していると共に、外筒部材の円筒部上端位置が陽極金具の鍔部と陽極容器との溶接位置に近傍した位置であることを特徴とするナトリウム−硫黄電池が提供される。
【００１６】
本発明においては、上記陽極金具の鍔部と陽極容器との溶接位置が絶縁リングの上面より上方であることが好ましい。
【００１７】
又、本発明においては、外筒部材の円筒部の長さが１０ｍｍ以上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。
本発明をその実施態様の一例である図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とアルミニウム又はアルミニウム合金製の陽極金具２と陽極金具２の外面に接合されたステンレス製の外筒部材３と陽極金具の鍔部２ｃに溶接された陽極容器４の電池組立て後の要部拡大断面図を示す。
【００２１】
本発明のナトリウム−硫黄電池の特徴は、ステンレスキャップ１４を用いる代わりにステンレス製の外筒部材３を用いる点にある。ステンレス製の外筒部材３はステンレスキャップ１４と比較し、円筒部３ｂの長さが少なくとも１０ｍｍ以上と長く、電池組立て後の外筒部材の円筒部３ｂの上端部３ｃが陽極金具２の鍔部２ｃと陽極容器４との溶接部５の近傍に位置する点で特徴を有する。
【００２２】
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８に示すナトリウム−硫黄電池と同一である。即ち、有底筒状のベータアルミナ固体電解質管６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７及びその陰極金具７に溶接された陰極蓋８と絶縁リング１とベータアルミナ固体電解質管６とで区画された陰極室が、有底筒状の金属性安全管９とその安全管９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１０を配設しており、一方、陽極室は、絶縁リング１の底面に接合された陽極金具２と、その陽極金具２に溶接された陽極容器４と、更にはその陽極容器４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６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。
【００２３】
本発明の特徴とするステンレス製の外筒部材３を用いることにより、長期に亘り電池を運転しても陽極金具２及び陽極金具２と陽極容器４との溶接部５の腐蝕は極めて少なく、陽極容器４の凸状変形は発生せず、更に、絶縁リング１と陽極金具２の接合部の剥離が防止されるとの格別の効果が得られる。尚、電池製造時における熱圧接合工程において、押圧治具１２との離脱性、即ち、陽極金具２と押圧治具１２の接合防止効果も併せて有している。
【００２４】
次に、図１に示す絶縁リング１と陽極金具２と外筒部材３と陽極容器４から構成される電池構造の製造組立て工程について説明する。絶縁リング１と陽極金具２は熱圧接合によって接合される。図２は、絶縁リング１と陽極金具２と外筒部材３と押圧治具１２を各々所定の位置に配置して熱圧接合する際の要部断面図を示す。図３は、各部材を所定の順にセットした要部分解斜視図を示す。尚、絶縁リング１と陽極金具２との間に使用するろう材は図示を省略する。陽極金具２は、内フランジ部２ａと円筒部２ｂと鍔部２ｃを有しており、絶縁リング１は陽極金具２内に載置される。
【００２５】
陽極金具２はＡｌ合金製であるから柔らかく、圧延されながら絶縁リング１に熱圧接合される。尚、図示しないが、ろう材を使用して熱圧接合強度を高める。押圧治具１２には側部拡張規制部１２ａが設けられており、陽極金具２の内フランジ部２ａが圧延されると同時に円筒部２ｂ下部も拡張する応力を受けるが、側部拡張規制部１２ａによって円筒部２ｂ下部及び外筒部材の円筒部３ｂ下部の拡張が防止される。又、押圧治具１２は、外筒部材３と接合しないので、熱圧接合後容易に離脱できる。
【００２６】
この様にして製造された絶縁リング１と陽極金具２と外筒部材３とからなる熱圧接合部材１３を図４に示す。尚、この熱圧接合工程において図示しないが陰極金具７と絶縁リング１も同時に熱圧接合される。熱圧接合工程後、固体電解質管６と絶縁リング１のガラス接合工程を経た後、陽極金具２と陽極容器４の溶接が行われる。
【００２７】
熱圧接合工程において、押圧治具１２の側部拡張規制部１２ａにより外筒部材の円筒部３ｂ下部の拡張が防止され、更に、陽極金具２の外周面に切り欠け部２ｄが施され、この切り欠け部２ｄに外筒部材３が外周面を面一状に嵌挿されているので、図１に示される通り、陽極容器４の上部円筒内に熱圧接合部材１３を容易に挿入でき、陽極容器４上端面を陽極金具の鍔部２ｃ底面に寸法精度良く、容易に当接できる。横方向から溶接部５を溶接して陽極金具２と陽極容器４の接合が行われる。陽極容器４を溶接後、従来と同じ製造方法でナトリウム−硫黄電池を組立てる。
【００２８】
この様にして組立てた本発明のナトリウム−硫黄電池を２本作製し、４００℃で６年２ヶ月運転した後、電池を解体し、観察調査した結果を参考例１として表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、腐蝕深さ及び変形量の最大箇所の測定値を示す。表１に示す通り、陽極金具２は腐蝕されておらず、陽極金具２と陽極容器４との溶接部５においても腐蝕深さは２μｍと僅かな程度であった。又、陽極容器の凸状変形も２μｍ程度と測定誤差範囲であり、殆ど変形していなかった。
【００２９】
【表１】

【００３０】
一方、外筒部材３の代わりにステンレスキャップ１４を用いた従来のナトリウム−硫黄電池についても参考例１と同様、２本作製し、同一条件、同一期間運転し、同じく解体、観察調査した結果を従来例として表１に示す。
【００３１】
陽極金具２は図１０に示す通りの状態に腐蝕され、陽極金具の円筒部２ｂの腐蝕深さは１８μｍ、陽極金具２と陽極容器４との溶接部５においても腐蝕深さは１１μｍ観察された。又、陽極容器４の腐蝕生成物１５の堆積部に対応する陽極容器凸状変形部１６は１６μｍふくらみ変形（凸状変形）していた。
【００３２】
ステンレス製外筒部材３の円筒部３ｂ上端位置を陽極金具２と陽極容器４との溶接部５近傍、即ち、溶接に支障のない程度に溶接部５に近接させたことにより、何故、陽極金具２及び陽極金具２と陽極容器４の溶接部５の腐蝕が極めて遅延化されるかについてのメカニズムについては明白ではない。しかし、本発明者らは、電池の運転時において、多硫化ナトリウム蒸気１７が陽極金具２と陽極容器４の隙間に侵入しても、異種金属間に発生する電池反応による腐蝕部位が陽極金具２と陽極容器４との溶接部５近傍に位置させたことにより、腐蝕され得る面積が著しく減少したこと、及び、多硫化ナトリウム蒸気侵入経路が延長され、多硫化ナトリウム蒸気の侵入量及び滞留量が減少したことにより腐蝕が著しく遅延化され、減少したものと推定している。
【００３３】
電池運転時において、膨張係数が７〜８×１０^-6／℃程度のα−アルミナ製の絶縁リング１と膨張係数が２５〜２６×１０^-6／℃程度のアルミニウム合金製の陽極金具２との熱膨張収縮率の大きな差により発生する歪は絶縁リング１の底面と陽極金具２の内フランジ２ａ面との熱圧接合面を剥離する方向に応力を発生するが、ステンレス製外筒部材３の熱膨張収縮率は小さく、アルミナ絶縁リングとの熱膨張係数の差は小さく、アルミニウム合金製の陽極金具２の円筒部２ｂの傾動、伸縮の動きを規制するため、この熱圧接合面を剥離する方向に発生する応力が低減され、電池の長期耐久性に関する信頼性が更に向上するとの効果も得られる。
【００３４】
又、該陽極金具の鍔部２ｃと該陽極容器４との溶接部５が該絶縁リング１の上面より上方であることが好ましい。このことにより溶接の際の熱が陰極金具７と絶縁リング１との熱圧接合部及び陽極金具２と絶縁リング１の熱圧接合部及び固体電解質管６と絶縁リング１のガラス接合部に悪影響を及ぼすことを防止するからである。
【００３５】
本発明のナトリウム−硫黄電池において、絶縁リング１、陽極金具２、外筒部材３及び陽極容器４によって構成される電池構造は、図１に示される構造に限定されるものではない。例えば、参考例２として、図５に示す構造とすることもできる。参考例２においては、陽極金具２の外周面に切り欠け部が施されていない実施態様である。又、実施例１として図６に示す構造とすることもできる。実施例１においては、陽極金具２の切り欠け部２ｄを陽極金具円筒部２ｂの下部に施した実施態様である。又、参考例３として、図７に示す構造とすることもできる。参考例３においては、陽極金具２の外周面が上部ほど肉厚のテーパー状である実施態様である。
【００３６】
実施例１、参考例２〜３の構造のナトリウム−硫黄電池についても参考例１と同じく、各２本作製し、同一条件、同一期間運転したものについて解体、観察調査した結果を夫々表１に示した。実施例１、参考例２〜３として示すナトリウム−硫黄電池はいずれも陽極金具２における腐蝕は生じておらず、陽極金具２と陽極容器４の溶接部５における腐蝕深さも０〜３μｍと極めて小さく、陽極容器４の凸状変形も０〜３μｍと極めて小さい範囲であった。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のナトリウム−硫黄電池によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金製の陽極金具の内フランジ部と円筒部との外周面に外筒部材を設け、外筒部材の円筒部上端位置を陽極金具と陽極金具との溶接部近傍にしたことにより、長期に亘り電池を運転しても陽極金具の腐蝕及び陽極金具と陽極容器との溶接部の腐蝕は極めて遅延化され、陽極容器の凸状変形は発生せず、更に、絶縁リングと陽極金具の熱圧接合部の剥離が防止され、耐久性について長期信頼性を著しく向上するとの格別の効果が得られる。更に、電池製造時における熱圧接合工程において、押圧治具との離脱性、即ち、陽極金具と押圧治具の接合防止効果も併せて有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の絶縁リングと陽極金具と外筒部材と陽極容器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】熱圧接合する工程において、絶縁リングと陽極金具と外筒部材を押圧治具内にセットした要部断面図を示す。
【図３】熱圧接合する際に、各部材を所定の順にセットした要部分解斜視図を示す。
【図４】本発明の熱圧接合後の絶縁リングと陽極金具と外筒部材とから構成される熱圧接合部材の要部断面図を示す。
【図５】本発明の参考例２の要部断面図を示す。
【図６】本発明の実施例１の要部断面図を示す。
【図７】本発明の参考例３の要部断面図を示す。
【図８】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９】従来のアルミナ製絶縁リングとＡｌ又はＡｌ合金製陽極金具とステンレスキャップとを押圧治具によって熱圧接合する際の要部断面図である。
【図１０】従来のナトリウム−硫黄電池を長年運転した際の陽極金具及び陽極金具と陽極容器との溶接部における局部腐蝕状態を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１：絶縁リング、２：陽極金具、２ａ：内フランジ部、２ｂ：円筒部、２ｃ：鍔部、２ｄ：切り欠け部、３：外筒部材、３ａ：フランジ部、３ｂ：円筒部、３ｃ：円筒部上端部、４：陽極容器、５：溶接部（箇所）、６：ベータアルミナ固体電解質管、７：陰極金具、８：陰極蓋、９：安全管、１０：ナトリウム収納容器、１１：底蓋、１２：押圧治具、１２ａ：側部拡張規制部、１３：熱圧接合部材、１４：ステンレスキャップ、１４ａ：円筒部、１５：腐蝕生成物（堆積物）、１６：陽極容器凸状変形部、１７：多硫化ナトリウム蒸気。

Claims

有底筒状の固体電解質管と該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該絶縁リングの上面に接合された陰極金具と該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該絶縁リングと該絶縁リングの底面に接合された陽極金具と該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てなるナトリウム−硫黄電池において、
該陽極金具がアルミニウム又はアルミニウム合金製であって、その形状が円筒部の下端に内フランジ部を、上端に鍔部を有した形状であって、さらに該陽極金具の円筒部外面の下部には切り欠け部が設けられて下部よりも上部が肉厚の形状とされており、該内フランジ部の上面が該陽極金具内に配設された該絶縁リングの底面と接合し、該鍔部で該陽極容器と溶接されていると共に、フランジ部と円筒部からなり該円筒部はその下端が該フランジ部に接続され該陽極金具の切り欠け部に係合する段差形状とされて切り欠け部よりも上方まで延出され、その上部が下部よりも拡径とされているステンレス製の外筒部材が該陽極金具の内フランジ部及び円筒部の外面に接合していると共に、該外筒部材の円筒部上端位置が該陽極金具の鍔部と該陽極容器との溶接位置に近傍した位置であることを特徴とするナトリウム−硫黄電池。
該陽極金具の鍔部と該陽極容器との溶接位置が該絶縁リングの上面より上方であることを特徴とする請求項１に記載のナトリウム−硫黄電池。
該外筒部材の円筒部の長さが１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のナトリウム−硫黄電池。