JP3617628B2 - Anode container for 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、ナトリウム−硫黄電池において、陽極活物質を含浸した陽極用導電材を収容するために用いられる陽極容器に関する。
【0002】
【従来の技術】
ナトリウム−硫黄電池は、一方に陰極活物質である溶融金属ナトリウム、他方には陽極活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、300〜360℃程度の温度で作動させる高温二次電池である。
【0003】
このようなナトリウム−硫黄電池の構造は、例えば図8に示すように、陽極活物質である溶融硫黄Sが含浸されたグラファイトマット等の陽極用導電材12を収容する有底円筒状の陽極容器1と、陰極活物質である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を内部に収容し、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からなる。
【0004】
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6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。
【0005】
このような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Na+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Na及び硫黄Sの生成反応が起こる。
【0006】
ナトリウム−硫黄電池用の陽極容器1は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属材料を円筒状に形成し、下端開口部に底蓋を嵌合するとともに、上端近傍部に、容器の熱変化に伴う膨張・収縮を吸収緩和するための径方向に屈曲するくびれ部13を形成することにより構成される。また、陽極容器1は、腐食性の活物質に対する耐食性を高めるため、容器本体の内周面に、クロム−鉄合金粉末等をプラズマ溶射して耐腐食性の高い金属からなる耐食皮膜が形成される。
【0007】
図6及び図7は従来の陽極容器の部分断面図であり、耐食皮膜14は、図6のように、くびれ部13を含めて陽極容器1の内周面全体を被覆するように形成されるか、図7のように、耐食皮膜14の上端が、くびれ部13の下側の屈曲が開始するくびれ最下端部13aより上方に位置するように形成されるのが一般的であった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記図6のように、くびれ部13の内周面全体にクロム−鉄合金のような硬質の耐食皮膜14が形成されていると、当該耐食皮膜14によりくびれ部13の変形が規制されて、陽極容器1の膨張・収縮を十分に吸収緩和できず、耐食皮膜14にクラックが発生しやすいという問題があった。
【0009】
また、陽極容器1の内周面は、耐食皮膜14との密着性を向上させる目的で、耐食皮膜14の溶射に先立って、ブラスト処理(粗面化処理)が施されるが、このように粗面化された陽極容器1の内周面は、活性化されるとともに多流化ナトリウムとの濡れ性が良くなっている。このため、クロム−鉄合金のような多流化ナトリウムとの濡れ性が非常に良い耐食皮膜14の上端が、前記図7のようにくびれ最下端部13aより上方に位置するように形成されていると、多硫化ナトリウムが短期間でくびれ部13まで浸み上がって、粗面化されたくびれ部13内周面の凹部に残存し、化学的な局部腐食を進行させるという問題もあった。
【0010】
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、くびれ部が熱変化による陽極容器の膨張・収縮を十分に吸収緩和できるとともに、くびれ部の腐食が進行しにくく寿命が向上したナトリウム−硫黄電池用陽極容器を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、金属材料よりなる有底円筒状の容器の上端近傍部位に径方向に屈曲するくびれ部を備えるとともに、容器の内周面に耐腐食性の高い金属からなる耐食皮膜が形成されたナトリウム−硫黄電池用陽極容器であって、前記耐食皮膜の上端が、陽極容器に収容される陽極活物質を含浸した陽極用導電材の上端面より上方で、前記くびれ部の下側の屈曲が開始するくびれ最下端部より下方に位置するとともに、前記くびれ部の下側の屈曲が開始するくびれ最下端部から陽極容器上端までの内周面が、粗面化処理を施されておらず、その表面の算術平均粗さRaが1.0μm以下であることを特徴とするナトリウム−硫黄電池用陽極容器、が提供される。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態の一例を示す部分断面図である。陽極容器1の内周面に形成された耐食皮膜14の上端は、陽極容器1に収容される陽極活物質を含浸したグラファイトマット等の陽極用導電材12の上端面よりも上方に位置し、これにより、腐食しやすいアルミニウムやアルミニウム合金からなる陽極容器1が、陽極用導電材12と直接接触するのを防止する。
【0013】
そしてまた、耐食皮膜14の上端は、くびれ部13の下側の屈曲が開始するくびれ最下端部13aより下方、すなわちくびれ部13の下の直管部に位置するので、従来のように耐食皮膜14の上端がくびれ最下端部13aより上方まで達している場合に比して、多硫化ナトリウムがくびれ部13まで浸み上がりにくく、多硫化ナトリウムによるくびれ部13の腐食が著しく減少する。
【0014】
更に、陽極容器1のくびれ最下端部13aより上方の部分の内周面は、耐食皮膜形成のための溶射が必要ないので、溶射時間の短縮及び溶射材料の使用量の削減が可能になる。
【0015】
本発明においては、くびれ部13の下側の屈曲が開始するくびれ最下端部13aから陽極容器1の上端までの内周面が、粗面化処理を施されておらず、その表面の算術平均粗さRaが1.0μm以下であり、0.3〜0.6μmであるとより好ましい。なお、本発明における「算術平均粗さRa」とは、JIS B 0601−1994に定義される値である。
【0016】
通常、陽極容器は、引き抜き加工によって円筒状に形成されるが、引き抜き加工後の加工面は、その算術平均粗さRaが1.0μm以下の平滑な表面状態となっている場合が多いので、引き抜き加工後にブラスト処理等の粗面化処理を施さなければ、前記のような表面粗さが満たされる。
【0017】
図3はくびれ最下端部から陽極容器1の上端までの内周面に粗面化処理(ブラスト処理)が施されている場合における、くびれ部13の腐食状態を示す概要図である。陽極容器は、通常、アルミニウム又はアルミニウム合金から構成されており、これらの材質にブラスト処理を施すと、その表面に凹凸が形成されるとともに著しく活性化して、多硫化ナトリウムとの濡れ性が向上する。そして、このような状態となったくびれ部の内周面に多硫化ナトリウムが浸み上がってくると、その多硫化ナトリウムが凹部に残存して科学的な局部腐食が生じ、短期間の内にかなりの深さまで腐食が進行する。
【0018】
これに対し、くびれ最下端部から陽極容器1の上端までの内周面が、粗面化処理を施されておらず、その表面の算術平均粗さRaが1.0μm以下である場合には、図2のように、くびれ部13の内周面全体が、均一な平滑面となっているため、浸み上がってきた多硫化ナトリウムが内周面上に残存しにくく、図に示すような位置に極浅い腐食が生じる程度で、局部的な腐食は発生しにくい。更に、当該範囲に粗面化処理を施さない場合には、陽極容器内周面全体に粗面化処理を施す場合に比して処理時間が短縮するので、電池の製造費用が低減される。
【0019】
また、本発明においては、耐食皮膜14の上端部分が、上方に向かって漸次肉薄になるように形成されていることが好ましい。図5のように、耐食皮膜14の厚みが、その上端までほぼ一定である場合には、耐食皮膜14の上端と陽極容器1との接触部分に溶射時の残留応力が作用して、耐食皮膜14の剥離が生じたり、当該接触部分に異種金属の接触による深い腐食が発生しやすい。
【0020】
これに対し、図4のように耐食皮膜14の上端部分が漸次肉薄になるよう肉厚に勾配を持たせると、溶射時の残留応力が軽減されて、耐食皮膜14の剥離が生じにくくなるとともに、異種金属の接触による腐食も極浅い腐食に抑えられる。
【0021】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0022】
(試験No.1)
長さ490mm、外径80mm、厚み2.3mmのアルミニウム合金からなる容器を引き抜き加工により形成し、その上端近傍部位に径方向に屈曲するくびれ部を設けた。次いで、くびれ部の下側の屈曲が開始するくびれ最下端部から陽極容器上端までの範囲を除く容器内周面に、ブラスト処理を施して粗面化した後、容器の内周面にクロム−鉄合金(クロム含有量が72質量%)を溶射し、図1に示すように、その上端が、陽極容器1に収容される陽極用導電材12の上端面より上方で、くびれ最下端部13aより下方に位置するような、厚さ60μmの耐食皮膜14を形成した。なお、当該耐食性皮膜14の上端部分には、上方に向かって漸次肉薄になるように、皮膜の肉厚に勾配を持たせた。
【0023】
こうして得られた陽極容器を使用して図8に示すような構造のナトリウム−硫黄電池を5本作製し、運転時の最高温度を360℃として5年間の試験運転を行い、2年運転後と5年運転後とにおける陽極容器くびれ部の腐食状態(腐食発生数、最大腐食深さ)を光学顕微鏡で観察した。その結果を表1に示す。
【0024】
(試験No.2)
長さ490mm、外径80mm、厚み2.3mmのアルミニウム合金からなる容器を引き抜き加工により形成し、その上端近傍部位に径方向に屈曲するくびれ部を設けた。次いで、容器の内周面全体にブラスト処理を施して粗面化した後、クロム−鉄合金(クロム含有量が72質量%)を溶射し、図7に示すように、その上端が、くびれ最下端部13aより上方に位置するような、厚さ60μmの耐食皮膜14を形成した。こうして得られた陽極容器を使用して図8に示すような構造のナトリウム−硫黄電池を5本作製し、前記試験No.1と同様に試験運転及び観察を行った。その結果を表1に示す。
【0025】
【表1】
【0026】
表1に示す試験運転後の観察結果より、くびれ最下端部から陽極容器上端までの範囲については内周面に粗面化処理を施さず、耐食性皮膜の上端がくびれ最下端部より下方に位置するようにした試験No.1の陽極容器は、容器の内周全面に粗面化処理を施し、耐食性皮膜の上端がくびれ最下端部より上方に位置するようにした試験No.2の陽極容器に比して、くびれ部が腐食しにくいことが確認された。
【0027】
(試験No.3)
前記試験No.1と同様にして作製した陽極容器を使用して図8に示すような構造のナトリウム−硫黄電池を5本作製し、運転時の最高温度を340℃として5年間の試験運転を行い、2年運転後と5年運転後とにおける陽極容器くびれ部の腐食状態(腐食発生数、最大腐食深さ)を光学顕微鏡で観察した。その結果を表2に示す。
【0028】
(試験No.4)
容器の内周面全体にブラスト処理を施して粗面化した以外は、前記試験No.1と同様にして作製した陽極容器を使用して図8に示すような構造のナトリウム−硫黄電池を5本作製し、前記試験No.3と同様に試験運転及び観察を行った。その結果を表2に示す。
【0029】
【表2】
【0030】
表2に示す試験運転後の観察結果より、くびれ最下端部から陽極容器上端までの範囲については内周面に粗面化処理を施さなかった試験No.3の陽極容器は、容器の内周全面に粗面化処理を施した試験No.4の陽極容器に比して、くびれ部が腐食しにくいことが確認された。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のナトリウム−硫黄電池用陽極容器は、くびれ部が陽極容器の熱変化による膨張・収縮を十分に吸収緩和できるだけの変形の自由度を有するとともに、従来の陽極容器に比して、多硫化ナトリウムの浸み上がりによるくびれ部の腐食が著しく低減されるので、電池の耐久性と信頼性が向上し、長期に渡って安定して使用できる。また、溶射時間や粗面化処理時間の短縮、溶射材料使用量の削減が可能となり、電池製造費用の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の一例を示す部分断面図である。
【図2】くびれ最下端部から陽極容器の上端までの内周面に粗面化処理が施されておらず、その表面の算術平均粗さRaが1.0μm以下である場合における、くびれ部の腐食状態を示す概要図である。
【図3】くびれ最下端部から陽極容器の上端までの内周面に粗面化処理が施されている場合における、くびれ部の腐食状態を示す概要図である。
【図4】耐食皮膜の上端部分が漸次肉薄になるよう肉厚に勾配を持たせた場合における、陽極容器の腐食状態を示す概要図である。
【図5】耐食皮膜の厚みが、その上端までほぼ一定である場合における、陽極容器の腐食状態を示す概要図である。
【図6】従来のナトリウム−硫黄電池用陽極容器を示す部分断面図である。
【図7】従来のナトリウム−硫黄電池用陽極容器を示す部分断面図である。
【図8】ナトリウム−硫黄電池の構造の一例を示す断面図である。
【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…陽極用導電材、13…くびれ部、13a…くびれ最下端部、14…耐食皮膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an anode container used for accommodating a conductive material for an anode impregnated with an anode active material in a sodium-sulfur battery.
[0002]
[Prior art]
A sodium-sulfur battery is a β-alumina solid electrolyte that has molten metal sodium as a cathode active material on one side and molten sulfur as an anode active material on the other side, and both of them are selectively permeable to sodium ions. It is a high temperature secondary battery that is isolated at a temperature of 300 to 360 ° C.
[0003]
The structure of such a sodium-sulfur battery is, for example, as shown in FIG. 8, a bottomed cylindrical anode container that accommodates an anode
[0004]
The
[0005]
In the sodium-sulfur battery having such a structure, the sodium Na supplied from the small hole 7 of the cartridge 6 at the time of discharging moves upward in the gap between the
[0006]
An
[0007]
6 and 7 are partial sectional views of a conventional anode container, and the corrosion-
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown in FIG. 6, when a hard corrosion-
[0009]
In addition, the inner peripheral surface of the
[0010]
The present invention has been made in view of such conventional circumstances, and the object of the present invention is that the constricted portion can sufficiently absorb and mitigate expansion / contraction of the anode container due to thermal change, and the constricted portion is corroded. It is an object of the present invention to provide an anode container for a sodium-sulfur battery that is difficult to progress and has an improved life.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a constricted portion that is bent in the radial direction is provided in the vicinity of the upper end of a bottomed cylindrical container made of a metal material, and a corrosion-resistant film made of a highly corrosion-resistant metal is formed on the inner peripheral surface of the container. An anode container for a sodium-sulfur battery, wherein the upper end of the corrosion-resistant film is above the upper end surface of the anode conductive material impregnated with the anode active material accommodated in the anode container and below the constricted portion. The inner peripheral surface from the lowermost part of the constriction where the lower part of the constriction starts to the upper end of the anode container is subjected to a roughening treatment, and is positioned below the lowermost part of the constriction where the constriction starts. In addition , there is provided an anode container for a sodium-sulfur battery , wherein the surface has an arithmetic average roughness Ra of 1.0 μm or less .
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an example of an embodiment of the present invention. The upper end of the corrosion-
[0013]
Further, the upper end of the corrosion-
[0014]
Furthermore, since the inner peripheral surface of the portion above the constricted lowermost end portion 13a of the
[0015]
In the present invention, the inner peripheral surface from the constricted lowermost end portion 13a where the
[0016]
Usually, the anode container is formed into a cylindrical shape by drawing, but the processed surface after drawing is often in a smooth surface state with an arithmetic average roughness Ra of 1.0 μm or less. If a roughening process such as blasting is not performed after the drawing process, the surface roughness as described above is satisfied.
[0017]
FIG. 3 is a schematic diagram showing the corrosion state of the
[0018]
On the other hand, when the inner peripheral surface from the bottom end of the constriction to the upper end of the
[0019]
Moreover, in this invention, it is preferable that the upper end part of the corrosion-
[0020]
On the other hand, if the thickness is given a gradient so that the upper end portion of the corrosion-
[0021]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
[0022]
(Test No. 1)
A container made of an aluminum alloy having a length of 490 mm, an outer diameter of 80 mm, and a thickness of 2.3 mm was formed by drawing, and a constricted portion bent in the radial direction was provided in the vicinity of the upper end. Next, the inner peripheral surface of the container excluding the range from the lowermost end of the constriction where the lower side of the constriction starts to the upper end of the anode container is roughened by blasting, and then the chromium- An iron alloy (chromium content is 72 mass%) is sprayed, and as shown in FIG. 1, the upper end of the iron alloy is above the upper end surface of the anode
[0023]
Using the anode container thus obtained, five sodium-sulfur batteries having a structure as shown in FIG. 8 were produced, and the test was conducted for 5 years at a maximum temperature of 360 ° C. during operation. The corrosion state (the number of corrosion occurrences and the maximum corrosion depth) of the constricted portion of the anode container after 5 years of operation was observed with an optical microscope. The results are shown in Table 1.
[0024]
(Test No. 2)
A container made of an aluminum alloy having a length of 490 mm, an outer diameter of 80 mm, and a thickness of 2.3 mm was formed by drawing, and a constricted portion bent in the radial direction was provided in the vicinity of the upper end. Next, after blasting the entire inner peripheral surface of the container to roughen it, a chromium-iron alloy (chromium content is 72 mass%) is sprayed, and as shown in FIG. A corrosion-
[0025]
[Table 1]
[0026]
From the observation results after the test operation shown in Table 1, the inner peripheral surface is not roughened in the range from the lowermost end of the constriction to the upper end of the anode container, and the upper end of the corrosion-resistant film is positioned below the lowermost constriction. Test no. No. 1 was subjected to a roughening treatment on the entire inner periphery of the container, and the upper end of the corrosion-resistant film was constricted so that it was positioned above the lowest end. It was confirmed that the constricted part is less likely to corrode than the anode container of No. 2.
[0027]
(Test No. 3)
The test No. Five sodium-sulfur batteries having the structure shown in FIG. 8 were produced using the anode container produced in the same manner as in No. 1, and the test was conducted for 5 years at a maximum temperature of 340 ° C. for 2 years. The corrosion state (the number of corrosion occurrences and the maximum corrosion depth) of the constricted portion of the anode container after operation and after 5 years of operation was observed with an optical microscope. The results are shown in Table 2.
[0028]
(Test No. 4)
Except that the entire inner peripheral surface of the container was roughened by blasting, the test no. Five sodium-sulfur batteries having a structure as shown in FIG. The test operation and observation were performed in the same manner as in 3. The results are shown in Table 2.
[0029]
[Table 2]
[0030]
From the observation results after the test operation shown in Table 2, in the range from the lowest end of the constriction to the upper end of the anode container, test No. in which the inner peripheral surface was not roughened. The anode container of No. 3 has a test No. 1 in which the entire inner peripheral surface of the container is roughened. It was confirmed that the constricted portion was less likely to corrode than the anode container of No. 4.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, the anode container for a sodium-sulfur battery of the present invention has a degree of freedom of deformation in which the constricted portion can sufficiently absorb and mitigate expansion and contraction due to the heat change of the anode container, and the conventional anode container. In contrast, since the corrosion of the constricted part due to the soaking of sodium polysulfide is remarkably reduced, the durability and reliability of the battery are improved, and the battery can be used stably over a long period of time. In addition, the spraying time and the surface roughening treatment time can be shortened and the amount of sprayed material used can be reduced, and the battery manufacturing cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a constricted portion when the inner peripheral surface from the lowest end of the constriction to the upper end of the anode container is not roughened and the arithmetic average roughness Ra of the surface is 1.0 μm or less. It is a schematic diagram which shows the corrosion state of.
FIG. 3 is a schematic view showing a corrosion state of the constricted portion when a roughening treatment is performed on the inner peripheral surface from the lowermost end portion of the constricted portion to the upper end of the anode container.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the corrosion state of the anode container when the thickness is given a gradient so that the upper end portion of the corrosion-resistant film gradually becomes thinner.
FIG. 5 is a schematic diagram showing the corrosion state of the anode container when the thickness of the corrosion-resistant film is substantially constant up to its upper end.
FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a conventional anode container for a sodium-sulfur battery.
FIG. 7 is a partial sectional view showing a conventional anode container for a sodium-sulfur battery.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a sodium-sulfur battery.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記耐食皮膜の上端が、陽極容器に収容される陽極活物質を含浸した陽極用導電材の上端面より上方で、前記くびれ部の下側の屈曲が開始するくびれ最下端部より下方に位置するとともに、前記くびれ部の下側の屈曲が開始するくびれ最下端部から陽極容器上端までの内周面が、粗面化処理を施されておらず、その表面の算術平均粗さRaが1.0μm以下であることを特徴とするナトリウム−硫黄電池用陽極容器。A sodium-sulfur battery having a constricted portion that is bent in the radial direction in a portion near the upper end of a bottomed cylindrical container made of a metal material, and a corrosion-resistant film made of a highly corrosion-resistant metal is formed on the inner peripheral surface of the container An anode container,
The upper end of the corrosion-resistant film is located above the upper end surface of the anode conductive material impregnated with the anode active material accommodated in the anode container and below the lowermost end of the constriction where the lower side of the constricted portion starts to bend. At the same time, the inner peripheral surface from the lowermost end of the constriction where the lower part of the constriction starts to bend to the upper end of the anode container is not roughened, and the arithmetic average roughness Ra of the surface is 1. An anode container for a sodium-sulfur battery, characterized by being 0 μm or less .
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