JP4234936B2 - Sodium-sulfur battery anode container, method for forming spray coating on inner surface of anode container, and method for determining quality of spray coating - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食性、耐久性に優れた溶射皮膜を内周面に有するナトリウム−硫黄電池用陽極容器及びその高品質な溶射皮膜を形成する方法、及び溶射皮膜の品質良否判定方法に関する。
【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5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14の内周面とガラス接合され、更に、絶縁リング14の上面に接合された陰極金具15及びその陰極金具15に溶接された陰極蓋16と絶縁リング14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14の下面に接合された陽極金具17と、その陽極金具17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14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、アルミニウム合金製の陽極容器は、陽極活物質の多硫化ナトリウムに対する耐食性の問題から、その内周面に防食用の溶射皮膜を有するものが用いられている。溶射皮膜は溶射条件によりその溶射皮膜の品質は大きく影響される。従って、従来、陽極容器の内周面に溶射した溶射皮膜について、樹脂に埋め込み、鏡面研磨し、溶射皮膜断面を光学顕微鏡で観察し、溶射粒子の溶融程度(溶融、未溶融)、気孔の大きさ、分布及び基材との密着性を調べ、更に、溶射皮膜と基材との接合強度測定により溶射皮膜の品質の良否を判定していた。
【0007】
従来、図6及び図7に示すような低気孔率で、緻密で、基材との密着性に優れた良好な品質の溶射皮膜を内周面に形成した陽極容器を用いて、図5に示すナトリウム−硫黄電池を組立て、作製してきた。電池として長期間運転し、運転後の電池を解体し、陽極容器内周面の溶射皮膜を調査、測定したところ、予想以上に溶射皮膜が薄い状態にあることが判明した。
【0008】
【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、耐食性、耐久性に優れた防食用溶射皮膜を内周面に有するナトリウム−硫黄電池用陽極容器を提供するものである。又、その様な耐食性、耐久性に優れた防食用溶射皮膜を陽極容器の内周面に溶射する方法および溶射皮膜の品質良否判定方法を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内周面に防食用溶射皮膜を形成したナトリウム−硫黄電池用陽極容器において、溶射皮膜の厚み10μm単位の断面金属組織が、少なくとも3個以上の溶射粒子からなる緻密な層状組織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。
【0010】
本発明においては、溶射皮膜の厚みが30μm〜80μmの範囲であることが好ましい。
【0011】
また、本発明によれば、ナトリウム−硫黄電池用陽極容器の内周面に溶射皮膜を形成する方法において、溶射用金属粉末がCrを65%以上含有するCr−Fe合金粉末であって、該金属粉末中のO2量が1.5%以下であり、かつ金属粉末が粒子径を75μm以下とする粉砕による塊状の粉末であるとともに、円筒状の陽極容器を回転させながら、溶射ガンを上下に移動させて大気中でプラズマ溶射する際、溶射ガンのアルゴンガスを用いた1次ガスの流量が30〜45 l/min、水素を用いた2次ガスの流量が3.5〜5.0 l/min、金属粉末を運ぶアルゴンを用いたキャリアガスの流量が2.5〜3.5 l/min、溶射ガン出力が12〜15KW、溶射距離が35〜42mm、金属粉末供給量が70〜81g/min、陽極容器の回転数が380〜450rpm、溶射ガントラバース速度が8〜15mm/secの範囲で溶射することを特徴とするナトリウム−硫黄電池用陽極容器の内周面に溶射皮膜を形成する方法が提供される。
【0013】
更に、本発明によれば、ナトリウム−硫黄電池用陽極容器の内周面に形成した溶射皮膜の品質良否判定方法において、切削研磨した溶射皮膜断面を化学的に腐蝕し、溶射金属粒子からなる層状組織の数に基づき溶射皮膜の良否を判定することを特徴とするナトリウム−硫黄電池用陽極容器の内周面に形成した溶射皮膜の品質良否判定方法が提供される。
【0014】
本発明においては、前記溶射金属粒子からなる層状組織の数が厚み10μm内に3個以上存在する場合を良好な品質として判定することが好ましい。
【0015】
【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。
【0016】
図1は、本発明のナトリウム−硫黄電池用陽極容器において、その内周面を防食する溶射皮膜の断面金属組織を示す写真である。図2は、図1の写真で示す断面金属組織を模式的に示す局部的拡大図である。
図1及び図2に示す通り、本発明の特徴は、陽極容器の内周面に形成された溶射皮膜4の金属組織が、扁平溶射粒子1,1が層状に互いに結合し、単位厚み10μm内に少なくとも3個以上の扁平溶射粒子1からなる層状組織である点である。
【0017】
例えば外径95mm、肉厚1.7mmのアルミニウム合金製陽極容器円筒体2の内周面に厚み70μmの溶射皮膜4を形成した場合、図3に示す通り、厚み70μmの任意の箇所で10μmを単位厚み(t)とし、その単位厚み(t)における層状組織3が少なくとも3個以上の扁平溶射粒子1からなる層状組織3であることを意味する。即ち、厚み70μm全体は21個以上の扁平溶射粒子1からなる層状組織である。ナトリウム−硫黄電池として用いられる陽極容器内周面の溶射皮膜4としては、Crを65%含有するCr−Fe合金膜が好ましい。又、溶射皮膜の厚みは30〜80μmが好ましい。
【0018】
本発明のこの特徴により、ナトリウム−硫黄電池として長期に亘り運転しても、陽極容器内周面の溶射皮膜4の厚みの減少は少なく、耐食性、耐久性を維持し、ナトリウム−硫黄電池の更なる長期運転を可能にする。又、信頼性を向上する。
【0019】
本発明者らは、陽極容器内周面の溶射皮膜4の品質良否判定方法として、従来の光学顕微鏡による溶射皮膜断面における気孔率などの観察によらず、本発明の新しい判定方法に基づいたことにより、更に、耐久性に優れた溶射皮膜4を陽極容器内周面に形成させることを可能としたものである。
【0020】
長期に亘り運転した電池を解体し、陽極容器内周面の残存する溶射皮膜4について、鏡面研磨した断面を化学的に腐蝕し、金属組織を観察し、扁平溶射粒子からなる層状組織に着目し、溶射皮膜4の残存厚みと層状組織について調査した。その結果、残存厚みと扁平溶射粒子1からなる層状組織には相関関係があることを見出し、本発明を完成したものである。
【0021】
陽極容器内周面に形成した溶射皮膜4の品質判定方法について説明する。溶射皮膜4を形成した陽極容器を切断し、樹脂埋めした後、研磨し、鏡面研磨した断面を所定の条件で化学的に腐蝕すれば溶射金属粒子からなる金属組織を観察できる状態にすることが可能となる。
【0022】
例えば、Crを65%以上含有するCr−Fe合金膜の場合、HCl−HNO3混合溶液内で常温で15分間浸漬すれば、溶射皮膜断面の金属組織を観察できる。溶射皮膜の金属の種類に応じて、腐蝕溶液、腐蝕時間を適宜設定すれば、溶射皮膜断面の金属組織を観察できる。溶射条件によって溶射皮膜の金属組織は種々変化する。
【0023】
溶射用金属粉末の種類、粒度、粒形状、ガス流量、溶射距離などの溶射条件により、溶射皮膜の金属組織を、例えば、比較的丸みを有した溶射粒子が互いに緻密に積層した組織とすることもできる。又、扁平度の大きい溶射粒子が緻密に積層した組織とすることもできる。この両者共、従来の溶射断面の気孔率を観察する溶射皮膜品質判定方法によれば、緻密で、低気孔率である場合、高品質溶射皮膜と判定される。しかしながら、電池として長期に亘り運転した場合、この両者に大きな差を生じる。
【0024】
本発明の品質良否判定方法は、溶射金属粒子からなる層状組織の数に基づき良否を判定する方法であって、特に、溶射皮膜の厚み方向で、単位厚み10μm内に扁平の溶射金属粒子が3個以上存在する場合を良質な溶射皮膜と判定する方法である。
【0025】
単位厚み10μm内に扁平の溶射金属粒子が3個以上存在する場合に良質な溶射皮膜となるメカニズムについては明確ではない。長期に亘り電池を運転した場合、陽極容器内周面の溶射皮膜の厚みが減少するメカニズムは、単に陽極活物質による高温下での腐蝕ではなく、ナトリウム−硫黄電池特有の腐蝕条件が関連しているものと本発明者らは推定している。
【0026】
即ち、電池として組立てた後、室温から電池作動温度までの昇温、長期に亘り繰返される充電・放電による昇温・降温の熱サイクル、定期点検時の室温までの降温、再度立ち上げる際の室温から電池作動温度までの昇温など各種の熱サイクルにより、溶射粒子間に熱膨張差(熱歪)による微細な亀裂が発生し、その亀裂に多硫化ナトリウムが侵入し、多硫化ナトリウムによる腐蝕により溶射金属粒子間の結合が弱まり、溶射粒子が順次剥離して溶射皮膜の厚みが減少しているものと本発明者らは推定している。
【0027】
特に、定期点検時の電池が室温まで降温する際、或いは作動温度まで昇温する過程では、溶射金属粒子間の亀裂に侵入した多硫化ナトリウムの凝固或いは膨張により溶射金属粒子間の結合は弱められ、溶射粒子が更に剥離し易くなると本発明者らは推定している。
【0028】
従って、溶射皮膜が、扁平度の小さい溶射金属粒子からなる金属組織の場合は、溶射粒子間の結合性が弱く、電池として長期に運転した場合、本発明の溶射皮膜に比べ比較的速く溶射皮膜の厚みが減少したものと本発明者らは推定している。
【0029】
次に、本発明の陽極容器内周面に溶射皮膜を形成する方法について説明する。本発明の溶射皮膜を形成する方法によれば、溶射皮膜の厚み方向で、単位厚み10μm内に扁平の溶射金属粒子が3個以上存在する良質な溶射皮膜を形成することが出来る。
【0030】
本発明の溶射皮膜を形成する方法は、プラズマ域で溶射用金属粉末が過剰に酸化されない程度に充分溶融化させ、高速度で基材に溶射して、扁平度の高い溶射金属粒子からなる緻密で低気孔率の層状組織を有する溶射皮膜を形成する方法である。
【0031】
具体的には、図4に示す通り、アルミニウム合金製であって、外径95mm、肉厚1.5mmの陽極容器円筒体2を回転治具7により380〜450rpmの速度で回転させ、陽極容器円筒体2内に溶射ガン5をトラバース速度8〜15mm/secで降下させながら、陽極容器円筒体2内周面に大気中でプラズマ溶射する。溶射皮膜の厚みに応じて溶射ガン5は陽極容器円筒体2内を上下往復移動させ溶射する。
【0032】
用いる溶射用金属粉末は、Crを65%以上含有するCr−Fe合金粉末であって、その金属粉末中のO2量が1.5%以下、即ち金属酸化物の含有量が低く、かつ金属粉末が粉砕によって製造された塊状粉末であり、その粉末粒子径が75μm以下に篩い通しされたものである。
【0033】
溶射ガン5は1次ガスにアルゴンガス、2次ガスに水素を用い、1次ガス流量を30〜45 l/min、2次ガス流量を3.5〜5.0 l/minに設定して水素燃焼によりプラズマジェット18をつくり、そのプラズマジェット域に供給パイプ6から金属粉末を吹き込む。この際、金属粉末を運ぶアルゴンを用いたキャリアガスの流量は2.5〜3.5 l/min、金属粉末供給量を70〜81g/minに設定する。又、溶射ガン出力を12〜15KWに設定する。更に、溶射ガン5と陽極容器円筒体2との距離(S)、即ち、溶射距離(S)を35〜42mmに設定する。
【0034】
溶射距離(S)の設定が本発明の溶射皮膜を形成させるには特に重要な溶射条件である。溶射距離が長すぎれば、プラズマジェットに吹き込まれた金属粉末は充分に溶融化するが、金属粉末の酸化が過剰に進むため好ましくない。又、短ければ溶融が不充分となり扁平溶射金属粒子1とならないか、又は、単位厚み10μm内に存在する扁平溶射金属粒子の数が減少する。
本発明の溶射皮膜の品質良否判定方法に基づいて溶射条件を設定することが重要である。
【0035】
【実施例】
(実施例1)
アルミニウム合金製であって、外径95mm、肉厚1.5mmの陽極容器円筒体の内周面にCrを65%以上含有するCr−Fe合金からなる溶射皮膜を形成した陽極容器を作成した。溶射条件は、本発明の溶射皮膜の品質良否判定方法に基づいて良質と判定される溶射皮膜が得られる溶射条件で行った。因みに溶射距離を40mmとした。
【0036】
この陽極容器を用いて、ナトリウム−硫黄電池を組立て、所定期間電池として運転した。この運転期間に電池が受けたヒートサイクル条件は、室温から410℃までの昇温、410℃から室温までの降温を1サイクルとして40サイクルである。
所定期間運転後の電池を解体し、陽極容器内周面溶射皮膜の残存厚みを測定した。その結果を表1に示す。
【0037】
(実施例2)
同一寸法、同一材質の陽極容器円筒体を用い、溶射距離を36mmとすること以外は実施例1と同一溶射条件で陽極容器を作成し、これらの容器を用いて組立てた電池についても実施例1と同一条件で同一期間運転した。運転後の電池を解体し、陽極容器内周面溶射皮膜の残存厚みを測定した。その結果を表1に示す。
【0038】
(比較例)
同一寸法、同一材質の陽極容器円筒体を用い、単位厚み10μm内に存在する扁平溶射粒子からなる層状組織が実施例1又は2と異なる点以外は全て実施例1又は2と同一条件で作製した陽極容器を作製し、これらの容器を用いて組立てた電池についても実施例1と同一条件で同一期間運転した。運転後の電池を解体し、陽極容器内周面溶射皮膜の残存厚みを測定した。その結果を比較例1として表1に示す。
【0039】
【表1】
【0040】
単位厚み10μm内に存在する扁平溶射粒子数が6〜8個の範囲となる溶射条件で溶射した初期溶射皮膜の厚みが62μmの実施例1における陽極容器溶射皮膜の残存厚みは、59〜60μmであり、厚みの減少は極めて小さい。また、単位厚み10μm内に存在する扁平溶射粒子数が3〜5個の範囲となる溶射条件で溶射した初期溶射皮膜の厚みが61μmの実施例2における陽極容器溶射皮膜の残存厚みは、54〜58μmであり、実施例1に比べ若干厚みの減少は大きいものの、充分な残存厚みである。一方、実施例1とほぼ同じ厚みに溶射し、単位厚み10μm内に存在する扁平溶射粒子数が1〜2個の範囲になる溶射条件で溶射した比較例1における陽極容器溶射皮膜の残存厚みは、28〜35μmであり、実施例1又は2に比べて大幅な厚み減少を生じていた。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように、陽極容器内周面に形成された溶射皮膜において、溶射皮膜の厚み10μm単位の断面金属組織が、少なくとも3個以上の扁平溶射粒子からなる層状組織である本発明の陽極容器を用いてナトリウム−硫黄電池を組立てれば、長期に亘り運転しても、陽極容器内周面の溶射皮膜の減少が少なく、更なる長期の運転を可能にする。又、本発明の溶射皮膜品質良否判定方法に基づいて良質と判定される本発明の溶射条件で溶射する溶射方法によれば、溶射皮膜の厚み10μm単位の断面金属組織が、少なくとも3個以上の扁平溶射粒子からなる層状組織である溶射皮膜を内周面に有する陽極容器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のナトリウム−硫黄電池用陽極容器に係り、陽極容器内周面に形成された溶射皮膜の断面金属組織を示す写真である。
【図2】 図1の断面金属組織写真を模式的に示す図である。
【図3】 本発明の陽極容器内周面に形成された溶射皮膜の断面金属組織を説明する図である。
【図4】 本発明の陽極容器内周面に溶射皮膜を形成する方法を説明する図である。
【図5】 ナトリウム−硫黄電池を示す模式的断面図である。
【図6】 従来の溶射皮膜良否判定方法で良質と判定される溶射皮膜の断面金属組織を示す写真である。
【図7】 図6の溶射皮膜断面金属組織写真の模式図である。
【符号の説明】
1…扁平溶射金属粒子、2…陽極容器円筒体、3…扁平溶射金属粒子からなる層状組織、4…溶射皮膜、5…溶射ガン、6…溶射用金属粉末供給パイプ、7…回転治具、8…未溶融粒子、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…絶縁リング、15…陰極金具、16…陰極蓋、17…陽極金具、18…プラズマジェット、19…気泡。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an anode container for a sodium-sulfur battery having a thermal spray coating excellent in corrosion resistance and durability on its inner peripheral surface, a method for forming the high-quality thermal spray coating, and a quality determination method for the thermal spray coating.
[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-described configuration, an anode container made of an aluminum alloy has a corrosion sprayed coating on its inner peripheral surface because of the problem of corrosion resistance against sodium polysulfide as an anode active material. The quality of the thermal spray coating is greatly affected by the thermal spraying conditions. Therefore, conventionally, the sprayed coating sprayed on the inner peripheral surface of the anode container is embedded in a resin, mirror-polished, the sprayed coating cross section is observed with an optical microscope, the degree of melting of the sprayed particles (melted, unmelted), the size of the pores Then, the distribution and the adhesion to the substrate were examined, and the quality of the sprayed coating was judged by measuring the bonding strength between the sprayed coating and the substrate.
[0007]
Conventionally, an anode container having a low-porosity, dense, and excellent quality sprayed coating with excellent adhesion to a substrate as shown in FIGS. 6 and 7 is used in FIG. The sodium-sulfur battery shown has been assembled and fabricated. When the battery was operated for a long time, the battery after operation was disassembled, and the sprayed coating on the inner peripheral surface of the anode container was examined and measured. As a result, it was found that the sprayed coating was thinner than expected.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an anode container for a sodium-sulfur battery having an anticorrosion spray coating excellent in corrosion resistance and durability on the inner peripheral surface. To do. It is another object of the present invention to provide a method for spraying such an anticorrosion spray coating excellent in corrosion resistance and durability on the inner peripheral surface of the anode container and a method for determining the quality of the spray coating.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the inner circumferential surface of sodium to form a sacrificial sprayed coating in - at the anode container sulfur battery, sectional metal structure in the thickness 10μm units of the thermal spray coating is composed of at least three or more soluble morphism particles dense An anode container for a sodium-sulfur battery characterized by having a layered structure is provided.
[0010]
In the present invention, the thickness of the sprayed coating is preferably in the range of 30 μm to 80 μm.
[0011]
Further, according to the present invention, sodium - a method of forming a thermal spray coating on the inner peripheral surface of the anode container sulfur batteries, thermal spraying metal powder is a Cr-Fe alloy powder containing more than 65% of Cr, the While the amount of O 2 in the metal powder is 1.5% or less and the metal powder is a lump powder by pulverization with a particle diameter of 75 μm or less , the spray gun is moved up and down while rotating the cylindrical anode container. When the plasma spraying is performed in the atmosphere by moving the gas to the gas, the flow rate of the primary gas using the argon gas of the spray gun is 30 to 45 l / min, and the flow rate of the secondary gas using hydrogen is 3.5 to 5.0. l / min, flow rate of carrier gas using argon carrying metal powder is 2.5 to 3.5 l / min, spray gun output is 12 to 15 kW, spray distance is 35 to 42 mm, metal powder supply amount is 70 to 81g / min, anode capacity There is provided a method for forming a sprayed coating on the inner peripheral surface of an anode container for a sodium-sulfur battery, characterized in that spraying is performed in a range of 380 to 450 rpm and a spray gun traverse speed of 8 to 15 mm / sec. The
[0013]
In a further, according to the present invention, sodium - in quality determining method of thermal spray coating formed on the inner peripheral surface of the anode container sulfur battery, chemically corrode cutting polished thermal spray coating section, made of sprayed metal particles A quality determination method for a thermal spray coating formed on the inner peripheral surface of an anode container for a sodium-sulfur battery, wherein the quality of the thermal spray coating is determined based on the number of layered structures is provided.
[0014]
In the present invention, it is preferable to determine a case where the number of layered structures made of the sprayed metal particles is 3 or more within a thickness of 10 μm as a good quality.
[0015]
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.
[0016]
FIG. 1 is a photograph showing a cross-sectional metallographic structure of a sprayed coating that protects the inner peripheral surface of an anode container for a sodium-sulfur battery according to the present invention. FIG. 2 is a locally enlarged view schematically showing the cross-sectional metal structure shown in the photograph of FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the feature of the present invention is that the metallographic structure of the sprayed
[0017]
For example, when the sprayed
[0018]
Due to this feature of the present invention, even if the sodium-sulfur battery is operated for a long period of time, the thickness of the sprayed
[0019]
The inventors of the present invention based on the new determination method of the present invention as a method for determining the quality of the
[0020]
Disassemble the battery that has been operated for a long period of time, and chemically etch the mirror-polished section of the sprayed
[0021]
A method for determining the quality of the
[0022]
For example, in the case of a Cr—Fe alloy film containing 65% or more of Cr, the metal structure of the sprayed coating cross section can be observed if immersed in a HCl—HNO 3 mixed solution at room temperature for 15 minutes. If the corrosion solution and the corrosion time are appropriately set according to the type of metal of the thermal spray coating, the metal structure of the cross section of the thermal spray coating can be observed. The metallographic structure of the sprayed coating varies depending on the spraying conditions.
[0023]
Depending on the spraying conditions such as the type, particle size, particle shape, gas flow rate, spraying distance, etc. of the metal powder for thermal spraying, the metallographic structure of the thermal spray coating shall be, for example, a structure in which sprayed particles with relatively roundness are densely laminated together. You can also. Moreover, it can also be set as the structure | tissue where the thermal spray particle | grains with large flatness were densely laminated | stacked. In both cases, according to the conventional thermal spray coating quality determination method for observing the porosity of the sprayed cross section, if it is dense and has a low porosity, it is determined to be a high quality thermal spray coating. However, when the battery is operated for a long period of time, a large difference is produced between the two.
[0024]
The quality pass / fail judgment method of the present invention is a method for judging pass / fail based on the number of layered structures made of sprayed metal particles. In particular, in the thickness direction of the sprayed coating, there are 3 flat sprayed metal particles within a unit thickness of 10 μm. This is a method for determining a case where there are more than one as a good quality thermal spray coating.
[0025]
It is not clear about the mechanism that provides a high-quality sprayed coating when three or more flat sprayed metal particles are present within a unit thickness of 10 μm. When the battery is operated for a long period of time, the thickness of the sprayed coating on the inner surface of the anode container is not simply corroded under high temperature by the anode active material, but is related to the corrosion conditions peculiar to sodium-sulfur batteries. The present inventors presume that this is the case.
[0026]
That is, after assembling as a battery, the temperature rises from room temperature to the battery operating temperature, the thermal cycle of temperature rise / fall due to repeated charging / discharging over a long period of time, the temperature drop to room temperature during periodic inspection, the room temperature when restarting again Due to various thermal cycles such as temperature rise from the battery to the battery operating temperature, fine cracks are generated between the sprayed particles due to the difference in thermal expansion (thermal strain), and sodium polysulfide penetrates into the cracks. The present inventors presume that the bond between the sprayed metal particles is weakened, and the sprayed particles are sequentially peeled to reduce the thickness of the sprayed coating.
[0027]
In particular, when the battery during regular inspection is cooled to room temperature or in the process of raising the temperature to the operating temperature, the bond between the sprayed metal particles is weakened by solidification or expansion of sodium polysulfide that has entered the cracks between the sprayed metal particles. The present inventors presume that the spray particles are more easily peeled off.
[0028]
Therefore, in the case where the thermal spray coating is a metal structure composed of thermal spray metal particles having a low flatness, the bondability between the thermal spray particles is weak, and when operated as a battery for a long time, the thermal spray coating is relatively faster than the thermal spray coating of the present invention. The present inventors presume that the thickness of the film is reduced.
[0029]
Next, a method for forming a sprayed coating on the inner peripheral surface of the anode container of the present invention will be described. According to the method for forming a thermal spray coating of the present invention, it is possible to form a high-quality thermal spray coating in which three or more flat thermal spray metal particles exist within a unit thickness of 10 μm in the thickness direction of the thermal spray coating.
[0030]
The method for forming a sprayed coating of the present invention is a method in which a metal powder for thermal spraying is sufficiently melted in a plasma region so as not to be excessively oxidized, sprayed onto a substrate at a high speed, and a dense coating composed of sprayed metal particles having high flatness. This is a method for forming a sprayed coating having a low porosity layered structure.
[0031]
Specifically, as shown in FIG. 4, an anode container
[0032]
The metal powder for thermal spraying used is a Cr-Fe alloy powder containing 65% or more of Cr, and the amount of O 2 in the metal powder is 1.5% or less, that is, the content of metal oxide is low, and the metal The powder is a lump powder produced by pulverization, and the powder particle diameter is sieved to 75 μm or less.
[0033]
The spray gun 5 uses argon gas as the primary gas and hydrogen as the secondary gas, and the primary gas flow rate is set to 30 to 45 l / min and the secondary gas flow rate is set to 3.5 to 5.0 l / min. A
[0034]
The setting of the spraying distance (S) is a particularly important spraying condition for forming the sprayed coating of the present invention. If the spraying distance is too long, the metal powder blown into the plasma jet is sufficiently melted, but this is not preferable because oxidation of the metal powder proceeds excessively. On the other hand, if the length is shorter, the melting is insufficient and the flat sprayed metal particles 1 are not formed, or the number of flat sprayed metal particles existing within a unit thickness of 10 μm is reduced.
It is important to set the thermal spraying conditions based on the method for determining quality of the thermal spray coating of the present invention.
[0035]
【Example】
Example 1
An anode container made of an aluminum alloy and having a sprayed coating made of a Cr—Fe alloy containing 65% or more of Cr on the inner peripheral surface of an anode container cylindrical body having an outer diameter of 95 mm and a wall thickness of 1.5 mm was prepared. The thermal spraying conditions were the thermal spraying conditions under which the thermal spray coating determined to be of good quality based on the quality determination method for thermal spray coating of the present invention was obtained. Incidentally, the spraying distance was 40 mm.
[0036]
Using this anode container, a sodium-sulfur battery was assembled and operated as a battery for a predetermined period. The heat cycle conditions received by the battery during this operation period are 40 cycles, with one cycle consisting of a temperature increase from room temperature to 410 ° C. and a temperature decrease from 410 ° C. to room temperature.
The battery after operation for a predetermined period was disassembled, and the remaining thickness of the inner peripheral surface sprayed coating of the anode container was measured. The results are shown in Table 1.
[0037]
(Example 2)
An anode container was prepared under the same thermal spraying conditions as in Example 1 except that an anode container cylindrical body having the same dimensions and the same material was used and the spraying distance was set to 36 mm. And operated for the same period under the same conditions. The battery after operation was disassembled, and the remaining thickness of the inner peripheral surface spray coating of the anode container was measured. The results are shown in Table 1.
[0038]
(Comparative example)
A cylindrical structure of the same size and the same material was used, and the layered structure composed of flat spray particles existing within a unit thickness of 10 μm was prepared under the same conditions as in Example 1 or 2 except that Example 1 or 2 was different. The anode container was produced and the batteries assembled using these containers were also operated for the same period under the same conditions as in Example 1. The battery after operation was disassembled, and the remaining thickness of the inner peripheral surface spray coating of the anode container was measured. The results are shown in Table 1 as Comparative Example 1.
[0039]
[Table 1]
[0040]
The residual thickness of the anode container sprayed coating in Example 1 in which the thickness of the initial sprayed coating sprayed under the spraying condition in which the number of flat sprayed particles existing in the unit thickness of 10 μm is in the range of 6 to 8 is 59 to 60 μm. There is very little reduction in thickness. Further, the remaining thickness of the anode container sprayed coating in Example 2 in which the thickness of the initial sprayed coating sprayed under the spraying conditions in which the number of flat sprayed particles existing within the unit thickness of 10 μm is in the range of 3 to 5 is 54 to Although it is 58 μm and the thickness is slightly decreased as compared with Example 1, it is a sufficient remaining thickness. On the other hand, the remaining thickness of the sprayed coating on the anode container in Comparative Example 1 was sprayed to substantially the same thickness as in Example 1 and sprayed under spraying conditions in which the number of flat sprayed particles existing within a unit thickness of 10 μm was in the range of 1 to 2. 28 to 35 μm, which is a significant reduction in thickness compared to Example 1 or 2.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, in the sprayed coating formed on the inner peripheral surface of the anode container, the cross-sectional metal structure having a thickness of 10 μm is a layered structure composed of at least three flat sprayed particles. When a sodium-sulfur battery is assembled using the battery, even if it is operated for a long period of time, the thermal spray coating on the inner peripheral surface of the anode container is less reduced, and further long-term operation is possible. In addition, according to the thermal spraying method for thermal spraying under the thermal spraying conditions of the present invention determined to be good based on the thermal spray coating quality determination method of the present invention, the cross-sectional metal structure having a thickness of 10 μm unit of the thermal spray coating has at least three or more. An anode container having a thermal spray coating on the inner peripheral surface, which is a layered structure made of flat spray particles, is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a photograph showing a cross-sectional metallographic structure of a sprayed coating formed on the inner peripheral surface of an anode container according to the anode container for a sodium-sulfur battery of the present invention.
2 is a diagram schematically showing a cross-sectional metallographic photograph of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a view for explaining a cross-sectional metal structure of a sprayed coating formed on the inner peripheral surface of the anode container of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a method for forming a sprayed coating on the inner peripheral surface of the anode container of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a sodium-sulfur battery.
FIG. 6 is a photograph showing a cross-sectional metallographic structure of a thermal spray coating that is determined to be of good quality by a conventional thermal spray coating quality determination method.
FIG. 7 is a schematic diagram of a photograph of a cross-sectional metallographic structure of a thermal spray coating in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Flat sprayed metal particle, 2 ... Cylindrical body of anode container, 3 ... Laminar structure which consists of flat sprayed metal particle, 4 ... Sprayed coating, 5 ... Spraying gun, 6 ... Metal powder supply pipe for thermal spraying, 7 ... Rotating jig, DESCRIPTION OF
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