JPH0237266B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属を黒鉛に接続する方法に係り、
詳細には電気化学槽において使用される黒鉛電極
対間を接続する母線の形成方法に関する。

黒鉛は多くの工業分野で使用され、化学、電
気、冶金、電気化学、原子力及びロケツト分野で
使用されている。これらの製造方法において、金
属と黒鉛とを接合する要請がある。電気化学の分
野において、黒鉛は電極材料として広範に使用さ
れており、それは黒鉛の電気的特性及び耐熱性が
優れており、又化学的耐性の点からも黒鉛は最も
活性のない物質の１つだからである。さらに、こ
の分野において、低い電気抵抗を有する好適な金
属が２つ又はそれより多くの黒鉛電極を互いに接
続するための母線材料として使用されている。こ
の応用に際し接合される金属母線と黒鉛電極との
間の遷移（トランジツシヨン）抵抗又は接触抵抗
を小さくすることは電圧損失を最小にするために
重要である。

そのような電気化学における応用の１つに塩化
亜鉛蓄電池があり、ここでは黒鉛は正負両方の電
極に使用されている。蓄電池の充電中、金属亜鉛
は負すなわち亜鉛電極上に電着され、塩素ガスが
正すなわち塩素電極部で塩化亜鉛水溶液の電解液
から発生する。蓄電池の放電中、反応は反転し蓄
電池の端子から電気を発生する。亜鉛電極は細密
なすなわち細い粒子の黒鉛で構成されており、塩
素電極は液浸透性のある多孔性黒鉛で構成されて
いる。

金属を黒鉛に接合する１つの方法は米国特許第
4100332号で1978年７月11日付の「櫛型双極電極
素子及びそれを用いた蓄電池列」に記載されてお
り、ここでは参照として引用されている。この特
許において、黒鉛電極と、黒鉛又は真空金属母線
壁との間を圧着又は圧入適合する方法が示されて
いる。従つて電極は母線のみぞよりも少し厚く作
られており、これが圧入されるとかしめ刃によつ
てそこに保持される。又電極が母線に接合剤又は
接触点へのプラズマ照射又は溶接によつて接合さ
れることも述べられている。

もうひとつの塩化亜鉛蓄電池列の設計が米国特
許第4071660号で1978年１月31日付の「塩化亜鉛
蓄電池の電極及びその電極を含む蓄電池」に記述
されており、ここでは参照として引用されてい
る。この特許において、１つの例では黒鉛電極と
チタニウム母線との間のかしめ結合が示され、も
うひとつの例では黒鉛電極とチタニウム母線との
間の接合剤による接続が示されている。接合剤に
よる接続及びかしめによる接続に加えて、ボルト
接続も又金属と黒鉛とを結合するために使用され
ていることも注意されなければならない。

本発明は金属と黒鉛とを接続し、その結果低い
遷移（トランジツシヨン）又は接触抵抗が得られ
る新しい接続方法を用意している。詳細にはこの
方法は：接合される黒鉛部材に複数個の穴を開
け、黒鉛部材を２つの金属部材の間に挿入し金属
部材が黒鉛部材に開いた穴を覆うように配置し、
黒鉛部材の穴の部分で金属部材を黒鉛部材に抵抗
スポツト溶接することで構成されている。抵抗ス
ポツト溶接は、１つ又は複数対の対向する溶接電
極を用い、黒鉛部材の開口部において順番に又は
同時にスポツト溶接を行なうことで実施される。
溶接電極はあらかじめ定められた量の圧力を金属
部材のスポツト溶接のために選ばれた開口部分に
加えるために使用され、十分な電流が溶接電極を
通つて流され、金属部材を互いに開口を通して点
状に溶かす。

抵抗スポツト溶接の間２つの金属部材から金属
の少くとも１部が溶接電極の圧力によつて黒鋭部
材に開いた穴の中に流れ込み金属部材間の間隙を
橋絡する。金属が冷却するとそれ自身が収縮し２
つの金属部材を互いに引き寄せる力を発生させそ
の結果黒鉛部材との間に良好な電気的接触が得ら
れる。金属が黒鉛の細孔にしみ込む現象もまた発
生する。

塩化亜鉛蓄電池における応用において、チタニ
ウム又はタンタリウムが金属部材として使用され
ている。これらの個々の金属は黒鉛に較べて比較
的低い電気抵抗を有し、これらは一般に塩化亜鉛
電解液及びこれらが接触するその他の化学物質に
対し化学的耐性を有するか又は不活性である。チ
タニウムは、酸素及び窒素の雰囲気の中で540℃
以上になると非常に反応的になるが、抵抗スポツ
ト溶接に対して特別な雰囲気の遮へいは不要であ
ることがわかつている。

本発明のその他の特徴及び長所は添付図及び提
出された実施例に関する以下の詳細記述によつて
明白となろう。

第１図に塩化亜鉛蓄電池列１０の断面の透視図
が示されている。蓄電池列１０は一般的に、第２
図に個々に示されるような複数個の電極対１２
と、プラスチツク性のわく１４で構成されてい
る。各各の電極対１２は、亜鉛電極１６、塩素電
極構造１８、それに亜鉛電極を塩素電極構造に連
結する母線２０とで構成されている。塩素電極構
造１８は黒鉛わく２６に接合された１対の塩素電
極部材２２及び２４を含んでいる。亜鉛電極１６
は好適に細密で微細粒子化された黒鉛、例えばユ
ニオンカーバイド(株)のATJ又はEBP黒鉛が好例
である、によつて構成されている。亜鉛電極は又
電極の上部から突き出た耳状部分２８をも含み、
これは母線２０へ接続するための表面領域となつ
ている。

塩素電極部材２２及び２４は好適に液体透過性
を有し、ガス不透過性の多孔性黒鉛、例えばユニ
オンカーバイド(株)のPG−60又はAirco Speer 37
−Ｇ黒鉛が好例である、によつて構成されてい
る。黒鉛わく２６は又好適にち密な黒鉛により構
成されており、２つの塩素電極部材を分離し、電
気導管として働く。この黒鉛わくは塩素電極構造
の各々の端部に上部脚２６ａと側部脚２６ｂを含
んでいる。黒鉛わくは又耳状部分２９をも含み、
これは塩素電極構造１８を母線２０に電気的に接
続するために使用される。電極部材２２及び２４
と黒鉛わく２６との間の接続の詳細記述は係属の
米国特許出願「黒鉛と黒鉛を接続する方法」で本
発明の譲受人に委託されている、に記載されてお
りここで参照として引用されている。

合成樹脂わく１４は塩化亜鉛蓄電池の環境に対
して化学的な耐性のある加熱可塑性樹脂で好適に
作られており、前記樹脂の例としてジエネラルタ
イヤ及びゴム(株)（General Tire＆Rubber
Corp.）のボルトロンポリ塩ビニル（4008−2124）
（Boltron polyvinyl chloride）、デユポン・テフ
ロン（四弗化エチレン）及びペンウオルト・カイ
ナー（Pennwalt Kynar）（弗化ポリビニル）が
ある。合成樹脂わく１４は電極対１２を分離、整
列させる役割をはたす一方、電解液を塩素電極構
造１８に選ぶ装置をも構成している。塩素電極構
造は電極部材２２及び２４の間で底部が開いてお
りそこから電解液を受けるようになつている、し
たがつて黒鉛わく２６は底部脚を含んでいない。

母線２０は、その機械的強度、電気伝導性、及
び塩化亜鉛蓄電池の環境内での化学腐食に対する
耐性の点からチタニウム又はタンタリウムで好適
に構成されている。この母線は集電装置として働
き、蓄電池列１０の隣接した隔室同志を電気的に
直列接続する。電流の分配は隔室間において、は
さみ付け式のチタニウム片３０を並列配列するこ
とによつて促進される、このチタニウム片は同一
極性の母線を相互に接続するために使用される。
蓄電池列１０の各々の終端部では、電線管３２が
終端隔室の耳状部分に接続されている。これらの
電線管は蓄電池列の両側の外部端子に導かれてお
り、充電に際しては電源に、又蓄電池の放電に際
しては負荷に接続される。

第３図は電極１２の前面直立組立図を示し、母
線２０を亜鉛電極１６及び塩素電極構造１８の黒
鉛わく２６に接合する方法を示している。複数個
の開口３４の穴が亜鉛電極１６の耳状部分２８内
に用意されており、同様に複数個の開口３６が黒
鉛わく２６の耳状部分に用意されている。開口３
４及び３６は通常それぞれの耳状部分２８及び２
９の長さ方向に沿つて整列されており、蓄電池列
１０内での亜鉛電極１６と塩素電極構造１８の位
置は、開口３４が又開口３６と一列にならぶよう
になされている。母線２０は十分な長さと幅を有
し第２図に示す位置に置かれた時には開口３４及
び３６の片面を完全に覆いつくす。一対の支持部
材３８及び４０も又用意されていてその大きさは
これらの開口の反対側を覆うように作られてお
り、支持部材３８は開口３４を覆い、支持部材４
０は開口３６を覆う。従つてきり又はその他の方
法で亜鉛電極１６に開口３４を開けた後は耳状部
分２８は母線２０と支持部材３８の間に開口３４
が完全に覆われるように挿入される。同様に塩素
電極構造１８の耳状部分２９は母線２０と支持部
材４０の間に開口３６が完全に覆われるように挿
入される。次に母線２０と支持部材３８は開口３
４の亜鉛電極１６にスポツト溶接される。同様に
母線２０及び支持部材４０は開口３６の所で塩素
電極構造１８の黒鉛わく２６にスポツト溶接され
る。亜鉛電極１６と塩素電極構造１８の両方に６
個の開口が開けられているが、この数は特に重要
なものではなく、使用される材料及び接合される
表面の大きさによつて変え得るものである。

第４図は、抵抗スポツト溶接のための配列４２
を模式的に示している。黒鉛部材４４には複数個
の開口４６及び４８が開けられている。黒鉛部材
４４は２つの金属部材５０及び５２の間に挿入さ
れており、これらの金属部材は開口４６及び４８
を覆うように配置されている。一対の対向する溶
接電極５４及び５６が金属部材５０及び５２を開
口４６の所で黒鉛部材４４にスポツト溶接するよ
うに備えられている。溶接電極５４は金属部材５
０の上に又溶接電極５６は金属部材５２の下側に
それぞれの溶接電極が開口４６と一列に並ぶよう
に配置されている。溶接電極５４及び５６は変圧
器５８に電線管６０及び６２を経由して接続され
ている。変圧器５８は金属部材５０と５２を黒鉛
部材４４に抵抗スポツト溶接するのに十分高い電
流を発生できるように作られている。電流が溶接
電極５４と５６とを流れる前に、あらかじめ定め
られた大きさの圧力が溶接電極によつて金属部材
５０及び５２に加えられる。抵抗スポツト溶接中
に、金属部材５０及び５２の金属の一部は溶接電
極５４及び５６の圧力で元の開口４６の中に流れ
込む。そのようにして金属の柱が開口内に形成さ
れ、金属部材５０と５２との間の間隙が橋絡され
る。電流が止められた後、形成された金属の柱が
冷却されると、それは収縮し金属部材５０と５２
とを互いに引き合う力を発生する。従つて金属部
材５０と５２とを互いに溶接すると金属部材が黒
鉛部材に対して圧縮されるので金属部材と黒鉛部
材と間に良好な電気的接続が得られる。さらに金
属部材５０及び５２から溶けた金属が黒鉛部材４
４の孔に浸透する現象も又生じる。この浸透の程
度は黒鉛部材４４の多孔性に関係する。この浸透
は又金属部材５０と５２及び黒鉛部材４４との間
の電気的接続の程度を増大させる。熟練した技術
者にとつては開口４６内に形成された金属の柱は
金属部材５０と５２との間を直接電気的に接続す
ることは明白であろう。このことは金属部材の一
方が例えば第１図から第３図に示す母線２０のよ
うな集電母線として働く時に重要となる。従つて
溶接された後は支持部材３８及び４０は基本的に
母線２０の一部を構成し、それによつて電極及び
母線の間で電流を転送するために使用される接触
表面積が増加する。さらに、増加した接触表面積
は電気的接続の度合を増大させ蓄電池列１０内で
の電圧損失を減少させる。

熟練した技術者にとつては溶接電極５４及び５
６が金属部材５０及び５２を開口４８の所で黒鉛
部材４４にスポツト溶接するために使用できるこ
とは明白であろう。又反対に、別の溶接電極の組
を用意し、開口４６及び４８の所でスポツト溶接
を同時に行なえるようにもできよう。従つて電極
対１２内の開口３４及び３６での各々のスポツト
溶接を１組の溶接電極を用いて順に実施すること
もできるし、開口の数に対応する数の複数個の溶
接電極を用いて複数個の溶接を同時に実施するこ
ともできる。

細密な黒鉛を２つのチタニウム金属棒に下記の
方法で接合できた。ATJ級の黒鉛板に好適な個
数の開口が開けられた。２本のチタニウム棒に細
かい砂によつてサンドブラストをかけられ、その
表面に付着している可能性のある酸化塩又は油脂
が取り除かれた。技術的に良く知られたその他の
表面処理技術も又使用できることに注意された
い。黒鉛板及びチタニウム棒の厚さはそれぞれ１
mmであり、黒鉛板内の開口の直径は２mmであつ
た。チタニウム棒が黒鉛板内の開口を覆うように
配置された後、溶接するように選ばれた第１の開
口部のチタニウム棒に一対の対向する溶接電極か
ら100Kgの圧力が加えられた。スポツト溶接を行
なうために２〜３回の短い電流パルスが溶接電極
を通つて流された。使用された溶接設備はESAB
SVPR 753であり、溶接電極の溶接表面領域は30
mm²であつた。チタニウムは酸素及び窒素の雰囲気
の中で540℃以上になると非常に反応的になるが、
抵抗スポツト溶接に対して特別な雰囲気の遮へい
（例えばアルゴン又はヘリウムガスによる）は不
要であることがわかつた。使用した金属が気体に
対して不浸透性であること又使用した配置の面か
ら、極く少量の空気が黒鉛板の開口内に入り得る
だけであつた。おそらくいくらかの酸化も生じた
であろうが、それは得られた電気的接続の度合に
は影響を与えなかつた。

熟練した技術者にとつては、本明細書に記述さ
れた方法及び構造に対して、添付の特許請求の範
囲で定められた本発明の精神及び範囲から離れる
ことなく種々の変更及び修正を加え得ることは明
白であろう。例えば加えられる圧力の大きさ、開
口の寸法、及び、使用される電流の時間及び量は
選択された材料の選定、例えば細密な黒鉛の代わ
りに多孔性の黒鉛を使用するとか、又その寸法に
よつて変わり得る。記載された種々の実施例は図
示の目的のためだけであり本発明を制限する意図
はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により構成された塩化亜鉛蓄電
池列の断面透視図、第２図は第１図の蓄電池列の
一部を形成する電極対の透視図、第３図は第２図
の電極対の前面直立組立図、第４図は金属を黒鉛
に抵抗スポツト溶接するための配置の模式図であ
る。 １０……蓄電池列、１６……亜鉛電極、１８…
…塩素電極構造、２０……母線、２２，２４……
電極部材、２６……黒鉛わく、３４，３６，４
６，４８……開口、３８，４０，５０，５２……
支持部材、５４，５６……溶接電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低遷移抵抗を有する構造を形成するために２
   つの金属部材と黒鉛部材とを接合する方法におい
   て、 (a) 前記黒鉛部材に複数個の開口を開け； (b) 前記黒鉛部材を前記金属部材の間に挿入し前
   記金属部材が前記黒鉛部材の開いた前記開口を
   覆うように配置し； (c) 前記黒鉛部材の前記開口部で前記金属部材を
   前記黒鉛部材に抵抗スポツト溶接する； 上記手順で構成された金属部材と黒鉛部材とを
   接合する方法。 ２ 金属と黒鉛とを接合する方法において、 (a) 接合する黒鉛部材内に複数個の開口を開け； (b) 前記黒鉛部材を２つの金属部材の間に挿入
   し、前記金属部材を前記黒鉛部材内の前記開口
   を覆うように配置し； (c) あらかじめ定められた強さの圧力を前記金属
   部材に対して、前記黒鉛部材の前記開口の１つ
   と一列に並べられた一対の対向する溶接電極に
   よつて加え； (d) 十分な電流を前記溶接電極を通して流し、前
   記電極部材同志を前記開口を通してスポツト溶
   接し；そして (e) 前記黒鉛部材内の前記開口の各々において、
   前記金属部材が互いにスポツト溶接されるまで
   手順(c)と(d)とを繰り返す； 上記の手順で構成された金属と黒鉛とを接合す
   る方法。 ３ 電気化学槽列内で一般に端と端に配置された
   反対極性の黒鉛電極の対の間を電気的に接続する
   母線を形成する方法において、 (a) 前記黒鉛電極の両方に一列に並んだ複数個の
   開口を開け； (b) 前記黒鉛電極の両方に届き、前記開口の第１
   の側を覆うのに十分な寸法を有する金属母線部
   材を用意し、一対の金属支持部材でその各々が
   前記黒鉛電極の一方の前記開口の反対側の第２
   の側面を覆うのに十分な寸法を有する前記一対
   の金属支持部材を用意し； (c) 前記金属母線部材を前記黒鉛電極の両方の間
   に渡し、前記開口の前記第１の側を覆うように
   配置し、前記金属支持部材の１つを前記黒鉛電
   極の一方の前記開口の前記反対側の第２の側面
   を覆うように配置し、前記金属支持部材の残り
   の１つを前記黒鉛電極の残りの１つの前記開口
   の前記反対側の第２の側面を覆うように配置
   し； (d) 前記黒鉛部材内の前記開口の各々の所で前記
   金属母線部材と前記一対の金属支持部材とを前
   記一対の黒鉛電極に抵抗スポツト溶接を行な
   う； 上記の手順で構成された黒鉛電極対の間を電気
   的に接続する母線を形成する方法。