JP4541869B2 - 電気化学セル - Google Patents

Description

本発明は、電気化学セル、詳しくは、３電極方式の電気化学セルに関する。

電気化学セルは、電池材料やキャパシタ材料の性能評価に用いられ、互いに対向配置される作用極および対極と、作用極に印加する電圧の基準となる参照極とを備える３電極方式の電気化学セルが知られている。
このような電気化学セルとして、たとえば、少なくとも１組の作用極と対極をセパレーターを介して対向配置してなる電極体、該電極体を収納するための収納容器および該収納容器の蓋部からなる電気化学セルにおいて、加圧手段をさらに備え、該加圧手段により該蓋部を該収納容器側に押圧することにより該収納容器が密閉されるものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載される電気化学セルは、ネジ止めまたはかしめ操作がなく、容易且つ片締めなく組み立てることができ、分解も容易であるという利点を有する。
特開２００３−１０９６５３号公報

しかし、引用文献１に記載される電気化学セルでは、作用極、対極および参照極が、押圧手段の押圧方向において重なるように配置される。そのため、これらが浸漬するように、収納容器内に電解液を満たす必要があり、その分コストが上昇し、また、各極から電位を取り出すための構造が複雑となり、それによって作業性が低下するという不具合がある。また、このような配置においては、作用極と参照極との間にセパレータを介在させるために、内部抵抗が大きくなるという不具合を生じる。

そこで、本発明の目的は、簡易かつ確実な組み付けを確保し、必要経費を抑制でき、内部抵抗を低減することのできる電気化学セルを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の電気化学セルは、作用極と、前記作用極に対して対向配置される対極と、前記作用極と前記対極との間に介在されるセパレータと、前記作用極と前記対極との対向方向における前記作用極の投影面から離間するように配置され、かつ、前記作用極との間にセパレータが介在されずに配置される参照極とを備えており、前記作用極と前記対極との間に介在される前記セパレータは、前記作用極と前記対極との対向方向における前記作用極の投影面から、前記対向方向に対して直交する方向に、はみ出しており、前記作用極を前記対極に対して押圧する第１押圧部材と、前記参照極を前記セパレータに対して押圧する第２押圧部材とを備えていることを特徴としている。

本発明の電気化学セルでは、作用極および対極がセパレータを介して対向配置される一方で、参照極が、作用極と対極との対向方向における作用極の投影面から離間し、かつ、作用極との間にセパレータが介在されずに配置されている。そのため、対向方向において重なる作用極および対極の間に介在されるセパレータを少なくとも浸漬するように、電解液を満たせばよい配置を実現することができ、その結果、最低限費用で実施することができる。また、各極から電位を取り出すための構造を簡易化することができ、作業性の向上を図ることができる。また、参照極が、作用極と対極との対向方向における作用極の投影面から離間し、かつ、作用極との間にセパレータが介在されずに配置されているので、参照極を作用極の近傍に配置することができる。そのため、内部抵抗を低減することができる。

また、本発明の電気化学セルでは、第１押圧部材により、作用極を、セパレータを介して対極に密着させることができ、また、第２押圧部材により、参照極を、作用極と対極との間に介在されるセパレータに密着させることができる。その結果、簡易かつ確実な組み付けによって、作用極、対極および参照極をより確実に配置して、正確な測定を達成することができる。
また、本発明の電気化学セルでは、前記作用極、前記対極、前記参照極、前記作用極と前記対極との間に介在される前記セパレータおよび前記第１押圧部材を収容する収容部材を備え、前記収容部材内において、前記対極、前記セパレータ、前記作用極、前記第１押圧部材が、前記収容部材の深さ方向に沿って順次配置されており、前記参照極が、前記第１押圧部材の側方に配置されていることが好適である。

これによって、収容部材によって、対極、セパレータ、作用極および参照極を、コンパクトに収容しつつ、これらの簡易かつ確実な組み付けを達成することができる。
また、収容部材によって、その内部が閉塞されるので、電解液の漏れをより確実に防止することができる。

本発明の電気化学セルによれば、簡易かつ確実な組み付けによって、最低限費用で実施でき、内部抵抗を低減することができる。

図１は、本発明の電気化学セルの一実施形態である、３電極方式の電気化学セルの外観斜視図であり、図２は、図１に示す電気化学セルの中央断面図である。
図１および図２に示すように、この電気化学セル１は、ケーシング２と、そのケーシング２内に収容される作用極３、対極４、参照極５およびセパレータ６とを備えている。
ケーシング２は、作用極３と電気的に接続される上側ケーシング７と、対極４と電気的に接続される収容部材としての下側ケーシング８と、参照極５と電気的に接続され、上側ケーシング７と下側ケーシング８との間に介在される中間ケーシング９とを、それぞれ別体として備えている。

上側ケーシング７は、金属製（たとえば、ステンレス製、以下同様）であり、断面略逆Ｔ字形状に形成され、有底円筒形状の中央筒部１０と、中央筒部１０の下端部外周から径方向外方に延びる上側フランジ部１１とが一体的に形成されている。
中央筒部１０は、その内周面に、後述する押圧調整ボルト１２が螺着されるねじ山が形成されている螺着部１３が、軸方向（上下方向）に沿って形成されている。また、中央筒部１０の底部には、その底部を厚さ方向（上下方向）に貫通し、後述する押圧軸１５が挿通される挿通孔１４が形成されている。

下側ケーシング８は、金属製であり、断面逆ハット形状に形成され、断面凹形状の収容部１６と、収容部１６の上端部外周から径方向外方に延びる上側フランジ部１１と略同一外径の下側フランジ部１７とが一体的に形成されている。
中間ケーシング９は、金属製であり、上側フランジ部１１および下側フランジ部１７と、略同一外径の円板形状に形成されている。なお、中間ケーシング９の内径は、収容部１６の内径よりも小さく設定されている。

また、上側ケーシング７、中間ケーシング９および下側ケーシング８には、これらが軸方向（上下方向）に重なった状態において、同一位置に、厚さ方向を貫通する固定孔１８がそれぞれ形成されている。固定孔１８は、周方向に互いに等間隔（９０°間隔）を隔てて、複数（４つ）穿孔されている。
また、この電気化学セル１は、上側ケーシング７の螺着部１３に螺着される押圧調整ボルト１２と、圧縮ばねからなる第１コイルばね１９と、第１コイルばね１９に押圧される押圧軸１５と、押圧軸１５に押圧される第１押圧部材としての電極押圧部材２０と、電極押圧部材２０の周りに配置されるガイド部材２１および第２押圧部材としての圧縮ばねからなる第２コイルばね２２とを、それぞれ別体として備えている。

押圧調整ボルト１２は、金属製であり、頭部２３と、その頭部２３から突出し、ねじ山が形成されるねじ軸部２４とを一体的に備えている。ねじ軸部２４の遊端部（下端部）には、第１コイルばね１９を受け入れるばね受け凹部２５が形成されている。
押圧軸１５は、金属製であり、長手方向両端部が丸く形成される断面円形状の棒状をなし、その長手方向（上下方向）途中に、径方向外方に膨出する環状のリング部２６が形成されている。このリング部２６は、その外径が、挿通孔１４より大径に形成されている。

第１コイルばね１９は、押圧調整ボルト１２のばね受け凹部２５内に収容され、かつ、押圧軸１５のリング部２６に当接可能な直径を有する螺旋筒状の金属製のコイルばねから形成されている。
電極押圧部材２０は、金属製であり、その外径が収容部１６の内径よりも小さい円柱形状をなし、その上面には、押圧軸１５を受ける碗形状の受け部２７が一体的に形成されている。また、その下面は、平坦形状に形成されている。また、この電極押圧部材２０は、収容部１６に収容される程度の上下方向厚みで形成されている。

ガイド部材２１は、絶縁性の樹脂製であり、上面が閉鎖される略断面コ字形状が連続する環状をなし、組み付け状態において、収容部１６の内周面と電極押圧部材２０の外周面との間に介在される径方向厚みで形成されている。このガイド部材２１には、図３に示すように、周方向において互いに間隔を隔ててその上面に穿孔される複数の環状孔２８が形成されている。

第２コイルばね２２は、リング部材２１の上面に当接可能な直径を有する螺旋筒状の金属製のコイルばねから形成されている。
作用極３は、図２に示すように、電極押圧部材２０と同径の円板形状をなし、たとえば、炭素系材料、黒鉛、不定形炭素、有機高分子焼結体などの負極材料、たとえば、リチウム遷移金属化合物、二酸化マンガン、フッ化黒鉛などの正極材料など、作用極として評価する材料から、形成されている。

対極４は、作用極３と同径の円板形状をなし、たとえば、上記した材料と同様の材料など、対極として評価する材料から、形成されている。なお、対極４は、作用極３より大径の円板形状に形成することもできる。
参照極５は、図３に示すように、銀などの電極形成材料から形成されるワイヤーからなり、ガイド部材２１の環状孔２８に挿通させるようにして、設けられている。すなわち、参照極５は、互いに隣り合う環状孔２８の間において、ガイド部材２１の上面を通過するように配置される部分と、ガイド部材２１の内側において、ガイド部材２１の上面から、下方に向かって開放される下面に到達するように、略Ｕ字形状に配置される部分とが、交互に配置されるように、ガイド部材２１の環状孔２８に挿通され、固定されている。

セパレータ６は、電極押圧部材２０、作用極３および対極４よりも大径であって、収容部１６の内径と同径の円板形状をなし、たとえば、ガラス繊維からなる不織布またはポリオレフィン系微孔性フィルム、セルロース系フィルムなど、セパレータとして用いられる通常の材料から、形成されている。
次に、この電気化学セル１の組み付けについて説明する。

この電気化学セル１の組み付けにおいては、まず、下側ケーシング８の収容部１６内に、対極４、セパレータ６、作用極３、参照極５が固定されたガイド部材２１を配置する。
より具体的には、収容部１６内の底面中央部に、対極４を載置し、その対極４の上面に、セパレータ６を載置し、そのセパレータ６の上面周端部に、参照極５が固定されたガイド部材２１を配置する。その後、セパレータ６の上面中央部に、作用極３を載置した後、作用極３の上面に、電極押圧部材２０が上下方向において重なるように載置する。

なお、このような配置では、電極押圧部材２０の外周面と収容部１６の内周面との間に、環状のガイド溝２９が形成され、そのガイド溝２９に、参照極５が固定されたガイド部材２１が挿入されている状態となる。
これによって、収容部１６内においては、対極４、セパレータ６、作用極３および電極押圧部材２０が、収容部１６の深さ方向（上下方向）に沿って順次配置され、参照極５が固定されたガイド部材２１が、電極押圧部材２０に対して径方向外方側方に配置される。

また、セパレータ６は、電極押圧部材２０、作用極３および対極４の外径より大きく、収容部１６の内径と同径に形成されているため、このような配置において、上下方向における電極押圧部材２０、作用極３および対極４の投影面から、径方向（水平方向）外方にはみ出している。そして、ガイド部材２１に固定されている参照極５は、上下方向における電極押圧部材２０、作用極３および対極４の投影面から、径方向（水平方向）外方に離間して配置されており、はみ出した部分のセパレータ６の上面と、ガイド部材２１に固定されている参照極５の下端部とが、上下方向において対向する。

また、このような配置において、参照極５は、作用極３に対して径方向外方上方において、セパレータ６を介在させることなく配置されている。
その後、収容部１６内に、電解液を注入する。電解液は、その目的および用途によって、適宜公知のものが選択される。電解液は、組み付け後の電気化学セル１において、収容部１６内の少なくともセパレータ６が浸漬される程度に注入する。

次いで、ガイド部材２１の上面に、第２コイルばね２２の下端部を載置した後、中間ケーシング９を、その下面で第２コイルばね２２の上端部を押圧するようにして、下側ケーシング８の下側フランジ部１７の上面に重ね合わせる。なお、中間ケーシング９と下側ケーシング８との間には、ゴム製のＯリング３０および円板形状のリングシール板３３を介在させて、それらの間のシールを確保するとともに、中間ケーシング９と下側ケーシング８との間を絶縁する。

その後、上側ケーシング７を、中間ケーシング９の上面に重ね合わせる。なお、上側ケーシング７と中間ケーシング９との間には、ゴム製のＯリング３０および円板形状のリングシール板３３を介在させて、それらの間のシールを確保するとともに、上側ケーシング７と中間ケーシング９との間を絶縁する。
そして、上側ケーシング７、中間ケーシング９および下側ケーシング８に穿孔されている固定孔１８を位置合わせして、各固定孔１８に下側ケーシング８の下側フランジ部１７側から、固定ボルト３１を挿通させ、上側ケーシング７の上側フランジ部１１側に挿通された固定ボルト３１を、ナット３２で締め込む。なお、上側ケーシング７および中間ケーシング９の固定孔１８には、予め絶縁性のカラー部材３４を挿入しておき、固定ボルト３１によって、上側ケーシング７、中間ケーシング９および下側ケーシング８が導通することを防止する。

また、上側ケーシング７の中央筒部１０の挿通孔１４に、押圧軸１５を、リング部２６が挿通孔１４に対向し、押圧軸１５の下端部が電極押圧部材２０の受け部２７に当接するまで、挿通する。そして、挿通孔１４に挿通された押圧軸１５のリング部２６の上面に、第１コイルばね１９を載置した後、押圧調整ボルト１２のねじ軸部２４を、ばね受け凹部２４によって押圧軸１５の上端部が受けられるように、中央筒部１０の螺着部１３に螺着させ、螺締する。なお、押圧調整ボルト１２の頭部２３の下面と、中央筒部１０の上端面との間には、ゴム製のＯリング３０を介在させて、それらの間のシールを確保する。

このようにして組み付けられた電気化学セル１では、固定ボルト３１およびナット３２の締め付けによって、ガイド部材２１の上面と中間ケーシング９の下面の間に挟まれる第２コイルばね２２が圧縮されるので、その第２コイルばね２２の反力によって、ガイド部材２１が下方に押圧され、その結果、参照極５が、セパレータ６を押圧する。
そのため、この電気化学セル１では、固定ボルト３１およびナット３２の締め付けによって、セパレータ６に対する参照極５の押圧力を調整することができるので、簡易かつ確実な組み付けによって、参照極５を、セパレータ６に対して、最適の押圧力で均一に接触させることができる。

また、このようにして組み付けられた電気化学セル１では、押圧調整ボルト１２の締め付けによって、第２コイルばね２２を介して、押圧軸１５が下方に向かって弾性的に付勢される。そして、弾性的に付勢された押圧軸１５の下端部が、電極押圧部材２０を押圧するので、その結果、電極押圧部材２０が、セパレータ６を上下に挟んで対向配置される作用極３および対極４を押圧する。

そのため、この電気化学セル１では、押圧調整ボルト１２の締め付けによって、セパレータ６を上下に挟んで対向配置される作用極３および対極４の、互いの押圧力を調整することができるので、簡易かつ確実な組み付けによって、作用極３および対極４を、セパレータ６を介して、最適の押圧力で均一に接触させることができる。
とりわけ、この電気化学セル１では、電極押圧部材２０、作用極３および対極４が同径に形成され、かつ、電極押圧部材２０の押圧方向において重なって配置されていることから、電極押圧部材２０からの押圧により、作用極３および対極４は、同じ押圧力で均一に押圧される。

また、この電気化学セル１では、下側ケーシング７には、対極４に電圧を印加するための対極用端子３５が設けられている。対極用端子３５は、収容部１６の底面に接触している対極４と、下側ケーシング７を介して電気的に導通される。
また、中間ケーシング９には、参照極５に電圧を印加するための参照極用端子３６が設けられている。参照極用端子３６は、ガイド部材２１の上面において第２コイルばね２２と接触している参照極５と、中間ケーシング９を介して電気的に導通される。

また、上側ケーシング７には、作用極３に電圧を印加するための作用極用端子３７が設けられている。作用極用端子３７は、電極押圧部材２０の下面に接触している作用極３と、上側ケーシング７、押圧調整ボルト１２、第１コイルばね１９および押圧軸１５を介して電気的に導通される。
そして、このような電気化学セル１では、作用極３および対極４がセパレータ６を介して上下方向に対向配置される一方で、参照極５が、上下方向における作用極３の投影面から離間し、かつ、作用極３との間に他のセパレータが介在されず、作用極３および対極４によって挟まれるセパレータ６と接触するように、配置されている。そのため、収容部１６内においては、対極４の上面に載置されるセパレータ６を少なくとも浸漬するように、電解液を満たせばよく、その結果、最低限費用で実施することができる。また、各極から電位を取り出すための構造を簡易化することができ、作業性の向上を図ることができる。また、参照極５が、上下方向における作用極３の投影面から離間し、かつ、作用極３との間にセパレータが介在されずに配置されているので、参照極５を作用極３の近傍に配置することができる。そのため、内部抵抗を低減することができ、精度のよい測定を達成することができる。

また、この電気化学セル１では、押圧調整ボルト１２の締め付けによって、電極押圧部材２０が、セパレータ６を上下に挟んで対向配置される作用極３および対極４を押圧して、作用極３を、セパレータ６を介して対極４に密着させることができる。また、固定ボルト３１およびナット３２の締め付けによって、第２コイルばね２２が、参照極５を押圧して、参照極５を、セパレータ６に密着させることができる。その結果、簡易かつ確実な組み付けによって、作用極３、対極４および参照極５をより確実に配置して、正確な測定を達成することができる。

しかも、これら押圧調整ボルト１２による締め付け、および、固定ボルト３１による締め付けは、すべて上方（同一方向）から実施することができるので、より一層簡易な組み付けを実現することができる。
また、この電気化学セル１では、下側ケーシング８の収容部１６によって、対極４、セパレータ６、作用極３および参照極５を、コンパクトに収容しつつ、これらの簡易かつ確実な組み付けを達成することができる。

さらに、収容部１６によって、その内部が閉塞されるので、電解液の漏れをより確実に防止することができる。
また、この電気化学セル１は、上記した優れた組み付け性に起因して、優れた分解性もあり、そのため、短時間で分解および組み付けすることができる。

本発明の電気化学セルの一実施形態である、３電極方式の電気化学セルの外観斜視図である。 図１に示す電気化学セルの中央断面図である。 図１に示す電気化学セルの参照極が固定されているリング部材の斜視図である。

符号の説明

１ 電気化学セル
３ 作用極
４ 対極
５ 参照極
６ セパレータ
１６ 収容部
２０ 電極押圧部材
２２ 第２コイルばね

Claims (2)

1. 作用極と、
   前記作用極に対して対向配置される対極と、
   前記作用極と前記対極との間に介在されるセパレータと、
   前記作用極と前記対極との対向方向における前記作用極の投影面から離間するように配置され、かつ、前記作用極との間にセパレータが介在されずに配置される参照極とを備えており、
   前記作用極と前記対極との間に介在される前記セパレータは、前記作用極と前記対極との対向方向における前記作用極の投影面から、前記対向方向に対して直交する方向に、はみ出しており、
   前記作用極を前記対極に対して押圧する第１押圧部材と、
   前記参照極を前記セパレータに対して押圧する第２押圧部材とを備えていることを特徴とする、電気化学セル。
2. 前記作用極、前記対極、前記参照極、前記作用極と前記対極との間に介在される前記セパレータおよび前記第１押圧部材を収容する収容部材を備え、
   前記収容部材内において、前記対極、前記セパレータ、前記作用極、前記第１押圧部材が、前記収容部材の深さ方向に沿って順次配置されており、
   前記参照極が、前記第１押圧部材の側方に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学セル。

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