JPH10294127A

JPH10294127A - ナトリウム−硫黄電池の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JPH10294127A
Application number: JP9102897A
Authority: JP
Inventors: Riyuujirou Udou; 竜二郎有働; Yoshimi Sato; 善美佐藤; Saburo Usami; 三郎宇佐美; Akiomi Kono; 顕臣河野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 1998-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】ナトリウム−硫黄電池を効率よく生産するこ
とを目的に、陽極部材及び陰極部材とセラミックス製絶
縁体を高周波を用いて加熱し、加圧接合する方法におい
て、接合部の信頼性の確保を図る。【解決手段】高周波を用いて加熱し、加圧接合する際
に、複数個の加熱コイルを用いて陽極側及び陰極側を個
別に加熱して、温度分布を均一に制御する。さらに高周
波によりヒートシンクを加熱し、そのヒートシンクによ
り被接合体を加熱することにより、被接合体内部の温度
勾配を抑制する。接合温度を高精度に制御でき、さらに
接合時にセラミックス絶縁体内に発生する温度勾配を抑
制できるため、接合部の信頼性が向上し、セラミックス
絶縁体の破損を防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、陽極部材と陰極部
材とをセラミックスを用いて電気的に絶縁する構造をも
ってなるナトリウム−硫黄電池の製造法及び製造装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、量産性を考慮したセラミックスと
金属との接合装置としては、特開昭６３−２１００７４
号公報に記載の装置が示されている。一方、局部加熱に
よってナトリウム−硫黄電池におけるセラミックスと金
属との接合を行う装置としては、特開平２−２２９６８
３号公報に記載の装置が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前者の接合装置では、
加熱炉内の雰囲気全体の温度が接合温度となるように加
熱する必要があり、エネルギー効率を向上させることが
非常に困難であった。一方、後者の装置を用いると加熱
時のエネルギー効率を向上させることが可能である。後
者の装置では加熱のために通常のヒータを使用している
と思われるが、更なる加熱時のエネルギー効率向上及び
加熱時間の短縮を目的として、後者の装置と同様の構成
の装置において高周波加熱を用い、本発明者らが採用し
た形状の陽極部材及び陰極部材とセラミックスを加熱加
圧接合すると、以下の２つの課題が生じた。

【０００４】即ち、（１）加熱時に、陽極側及び陰極側
を等しい温度とすることが非常に困難である。（２）加
熱時にセラミックス内部で破損する場合がある。本発明
は上述する問題点を解決するものである。本発明の目的
は、接合部の信頼性が高いナトリウム−硫黄電池を、高
効率かつ量産的に製造する方法及び装置を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記（１）の課題は、主
として陽極部材及び陰極部材の形状の相違が原因である
と考えられる。即ち、単一の加熱コイルを用いて本発明
者らが採用した形状の陽極部材及び陰極部材の両方を同
時に加熱すると、陽極部材の方が陰極部材より加熱コイ
ルに近接している部分が多いため、陽極部材の方がより
強く加熱され、陰極部材よりも速く温度が上昇する。

【０００６】一方、前記（２）の課題は、主として接合
部における温度勾配が原因である。即ち、金属製の陽極
部材及び陰極部材には誘導電流が流れて発熱するが、絶
縁体であるセラミックスには誘導電流が流れないため発
熱しない。したがって、セラミックス内では陽極部材及
び陰極部材と接触している表面近傍のみが熱伝導により
高温に加熱され、セラミックスの内部はあまり加熱され
ない。その結果、この温度勾配に起因するセラミックス
内部の熱応力により、セラミックスが破損する。

【０００７】本発明者らの検討の結果、前記（１）の課
題は、被接合体の陽極部及び陰極部の温度を、それぞれ
独立して精度良く調節することにより克服できることが
わかった。これは加熱コイルを陽極部用及び陰極部用の
少なくとも２個に分割し、それぞれに印加する電源を細
かく制御することにより実現できる。また、前記（２）
の課題は、セラミックス内部の温度勾配が過大にならな
いように、金属製の陽極部材及び陰極部材とセラミック
スの双方を加熱することにより克服できることがわかっ
た。これは加熱コイルを用いてまずヒートシンクを加熱
し、次いでヒートシンクからの熱により接合部を加熱す
るにより実現できる。さらに、いずれも雰囲気調整装置
を有する準備室、接合室、及び搬出室からなる接合装置
を使用することにより、接合部信頼性の高いナトリウム
−硫黄電池を、高効率かつ量産的に製造することができ
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて詳細に説明する。実施例１図１は、本発明によるナトリウム−硫黄電池の一部を構
成する部材及びこれらを加熱加圧接合するための装置の
断面の一部である。αアルミナ製セラミックスリング４
の上面及び下面に、アルミニウム合金製インサート材３
を介してステンレス鋼製陰極部材１及びステンレス鋼製
陽極部材２をそれぞれ配置する。インサート材は、厚さ
０．５５ｍｍのＪＩＳ−Ａ３００３板材の両表面に０．
０３ｍｍのＪＩＳ−ＢＡ４００４板材を張り合わせた３
層クラッド材である。以下これらのセラミックスリン
グ、陽極部材、陰極部材及びインサート材を総称して接
合部材と呼称する。

【０００９】陰極部材１及び陽極部材２の外側には銅製
の加熱コイル５を配置する。この加熱コイル５はパイプ
状になっており、内部に冷却水等を流すことによりコイ
ル自身及び雰囲気を冷却することができる。また、この
加熱コイル５の接合部材と対向する側面に小穴を設け、
加熱終了時にこの小穴から冷却された気体を噴出するこ
とにより、接合後の接合部材を冷却することも可能であ
る。接合部材の陰極側接合部の上側には加圧治具６ａ、
陽極側接合部の下側には加圧治具６ｂ及び６ｃを同図に
示すように配置する。加圧治具は接合温度で接合荷重を
負荷されても塑性変形してはならないので、材質として
は炭化ケイ素セラミックスを用いた。加圧治具６ａの側
面には、加熱コイル５の結線のための穴が設けてある。
陽極及び陰極接合部には、それぞれ独立して温度測定が
できる図示しない温度計を取り付けた。

【００１０】以下に本発明における接合法を示す。前記
の接合部材及び加圧治具を図示しない炉内の加圧軸に装
着し、加熱コイル５を図示しない高周波電源装置に接続
する。前記炉内の雰囲気は大気、真空、不活性ガス、還
元性ガスなど任意に調整することが可能であり、本実施
例ではアルゴン雰囲気とした。

【００１１】加熱コイル５に周波数２．１ｋＨｚ、出力
２ｋＷの高周波電源を印加して、５分経過したとき、陽
極側接合部が目標の接合温度である５４０℃に到達し
た。そこで陽極部及び陰極部の両方が５４０℃となるよ
うに高周波電源の出力を微調整した。接合部が目標温度
に到達したところで、接合部材の上下から３ｔｏｎの荷
重を負荷し、３分間保持した。その後、接合部が１５０
℃程度となるまで冷却し、炉から接合部材を取り出し
た。ヘリウムリークテストを行ったところ、リークは検
出されず、良好な接合体が得られたことが明らかとなっ
た。

【００１２】実施例２前記実施例１の方法で信頼性の高い接合体が得られるこ
とが明らかとなったが、同方法では陽極部と比較して陰
極部の温度上昇が遅い。これは陰極用の加熱コイル５が
接合部を直接加熱していないからである。そこで、生産
速度を向上させるために図２に示す方法を考案した。本
実施例２では、陰極側の加熱コイル５は陰極部材１の内
側に配置されており、このことによって加熱コイル５が
接合部を直接加熱することができる。

【００１３】前記実施例１と同様の手順で接合を実施し
たところ、陰極側の昇温速度は顕著に向上し、約３分で
接合温度の５４０℃に到達した。なお、高周波電源の周
波数及び出力を調整することにより昇温速度をさらに増
大させることが可能であるが、本方法では基本的にセラ
ミックスは直接加熱されないため、昇温速度を過度に上
昇させると陽極部材１または陰極部材２とセラミックス
リング４の間に過大な温度差が生じる可能性がある。そ
の場合、セラミックスリング４の内部にも過大な温度差
が生じ、熱応力のためにセラミックスリング４の内部で
破損するおそれがある。

【００１４】実施例３前記実施例２の方法で生産速度を向上させることができ
たが、同方法では昇温速度および接合部材の形状等によ
ってはセラミックスリング４が破損するおそれがあるこ
とがわかった。この点を改善するために図３に示す方法
を考案した。本実施例３では、加熱コイル５に印加した
高周波電源により接合部材を直接加熱するのではなく、
まず加熱コイル５に近接して設置したヒートシンク７を
加熱し、ヒートシンク７内に発生する熱で接合部を加熱
する。本方法によると接合部材の昇温速度は前記実施例
２と比較して遅くなるが、陰極フランジ１、セラミック
ス４、及び陽極フランジ２をほぼ均等に加熱することが
でき、接合部材内の温度差は抑制できるので、セラミッ
クスリング４の破損は生じにくくなる。

【００１５】実施例４ヒートシンクを用いた別の実施例を図４を用いて説明す
る。同実施例ではステンレス鋼製の加圧治具６ａ及び６
ｂを使用し、陰極側の加熱コイル５は加圧治具６ａの外
側に設置されている。加熱コイル５に高周波電源を印加
すると加圧治具６ａ及び６ｂには誘導電流が流れ、発熱
する。接合部材の加熱はこの加圧治具６ａ及び６ｂから
の熱で行う。このことにより、接合面の径方向の温度差
が小さくなり、接合部の信頼性がさらに向上する。

【００１６】実施例５ヒートシンクを用いたさらに別の実施例を図５を用いて
説明する。本実施例における４個の加熱コイル５に印加
される高周波電源は、それぞれ独立して制御することが
可能である。本実施例においては、陽極及び陰極の両方
の接合部材を、内側及び外側から精度良く加熱すること
ができるため、品質の安定した接合体を得ることが可能
である。

【００１７】実施例６本発明による接合装置と、接合手順の実施例を図６を用
いて説明する。図６では、図１ないし５に示したセラミ
ックスリング４に、ナトリウム容器１７を装着した部材
を使用した場合を示す。但しこの段階ではナトリウム容
器１７にナトリウムは注入されていない。同図におい
て、まず接合前の接合部材に陽極側の加圧治具６ｂを装
着したワーク８を接合装置のコンベア９に搭載する。次
にゲートバルブ１０ａを経てワーク８を導入室１１に搬
入する。導入室１１の内部には、ワーク８の搬入に伴い
大気が導入されるが、ゲートバルブ１０ａを閉じた後、
雰囲気調整装置１４を用いて導入室１１内を一旦真空排
気し、次に接合室１２内と同様の雰囲気に調整する。接
合室１２内の雰囲気は、真空、不活性ガス、還元性ガス
などのいずれか、接合に悪影響を及ぼさない雰囲気とす
ることが好適である。その後、ゲートバルブ１０ｂを経
てワーク８を接合室１２に搬入する。接合室１２には接
合機構としてワーク８の陽極部を加熱するための加熱コ
イル５とワーク８の陰極部を加熱するための加熱コイル
５を有する加圧装置１５があり、ワーク８の上下から加
圧しながら接合部を高周波加熱することができる。

【００１８】接合時における加熱コイル及び加圧治具の
動作を図７に示す。同図において、陰極部用の加熱コイ
ル５ａと加圧治具６ａは固定し、陽極部用の加熱コイル
５ｂと加圧治具６ｃは連動して可動とし、加熱と加圧を
同時に行うことを可能とした。

【００１９】図６に戻り、所定の温度、加圧力で所定の
時間加圧を行った後、接合されたワーク８を加圧装置１
５から取り外し、ゲートバルブ１０ｃを経て搬出室１３
に導入する。搬出室１３内部の雰囲気は、雰囲気調整装
置１４によって接合室１２と同様の雰囲気となっている
が、次にゲートバルブ１０ｃを閉じ、ゲートバルブ１０
ｄを開いてワーク８を搬出室１３の外部に搬出すること
により、搬出室１３内部には大気が導入される。したが
って、ワーク８の搬出後はゲートバルブ１０ｄを閉じ、
雰囲気調整装置１４を用いて搬出室１３内部を一旦真空
排気し、接合室１２と同様の雰囲気に戻す必要がある。
このようにして接合が完了したワーク１６を装置から取
り外し、陽極側の加圧治具６ｂを取り外してナトリウム
注入等の次の工程に送る。尚、ワーク８が接合完了後、
接合室１２内でＵターンするような機構を設け、図６に
おける導入室１１と搬出室１３とを兼用することによ
り、搬送機構は多少複雑となるが気密室は２室に減少さ
せることができる。

【００２０】また、図６における導入室１１と接合室１
２の間に予備加熱室を設け、一旦２００〜３００℃程度
に加熱した後、接合室に導入して加熱加圧接合してもよ
い。この場合、ワーク８の昇温速度は緩やかになり、セ
ラミックス４が破損する可能性をさらに低下させること
ができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、まず接合部の信頼性を
低下させることなく接合のための加熱に要する時間を従
来よりも短縮でき、また電気エネルギーを大幅に節約す
ることができる。これは、本発明の製造方法及び製造装
置を用いることにより、被接合体の接合部周辺のみを局
部的に精度良く加熱できるからである。本発明の方法及
び装置によりナトリウム−硫黄電池の陽極部材及び陰極
部材と絶縁用セラミックスを接合する場合、陽極部材及
び陰極部材のみを直接加熱するかまたは最小限のヒート
シンクを加熱することになり、接合装置内の雰囲気全体
を加熱する場合に比較して格段にエネルギー効率及び生
産速度を高めることができる。さらに、陽極部及び陰極
部の温度は独立して高精度に制御できることから、接合
部の信頼性の確保に最適な接合温度を適用することが容
易となり、ナトリウム−硫黄電池の信頼性を確保するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る接合部、加熱コイル、及
び加圧治具の断面図。

【図２】本発明の別の実施例に係る接合部、加熱コイ
ル、及び加圧治具の断面図。

【図３】本発明の別の実施例に係る接合部、加熱コイ
ル、及び加圧治具の断面図。

【図４】本発明の別の実施例に係る接合部、加熱コイ
ル、及び加圧治具の断面図。

【図５】本発明の別の実施例に係る接合部、加熱コイ
ル、及び加圧治具の断面図。

【図６】本発明の実施例に係る接合装置の透視図。

【図７】本発明の実施例に係る接合装置を使用する場合
の接合の加熱コイル及び加圧治具の動作説明図。

【符号の説明】

１陰極部材２陽極部材３インサート材４セラミックスリング５加熱コイル６ａ加圧治具６ｂ加圧治具６ｃ加圧治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河野顕臣茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも陽極及び陰極を構成する金属
部材とセラミックス製絶縁体とからなる被接合体を加熱
することにより接合一体化してナトリウム−硫黄電池を
製造する方法において、前記接合の際の加熱は、１組の
前記被接合体に対して複数個配設される高周波加熱コイ
ルで加熱されることを特徴とするナトリウム−硫黄電池
の製造方法。
【請求項２】前記請求項１において、まず前記被接合
体に近接または密着して設置したヒートシンクを加熱
し、次に該ヒートシンクを熱源として前記被接合体の加
熱を行うことを特徴とするナトリウム−硫黄電池の製造
方法。
【請求項３】前記請求項２において、高周波加熱で前
記セラミックス製絶縁体に近接した前記ヒートシンクを
加熱し、前記ヒートシンクを熱源として主に前記セラミ
ックス製絶縁体を加熱して接合することを特徴とするナ
トリウム−硫黄電池の製造方法。
【請求項４】少なくとも陽極及び陰極を構成する金属
部材とセラミックス製絶縁体とからなる被接合体を加熱
することにより接合一体化してナトリウム−硫黄電池を
製造する装置において、１組の前記被接合体に対して複
数個配設される加熱コイルを有する高周波加熱装置を備
えることを特徴とするナトリウム−硫黄電池の製造装
置。
【請求項５】前記請求項４において、前記被接合体は
リング形状を有し、前記加熱コイルの少なくとも１つを
前記被接合体の内側に設置することを特徴とするナトリ
ウム−硫黄電池の製造装置。
【請求項６】前記請求項４又は５において、前記被接
合体に近接または密着して設置したヒートシンクを有す
ることを特徴とするナトリウム−硫黄電池の製造装置。
【請求項７】前記請求項６において、接合時に前記被
接合体に接触して加圧力を負荷するための部材を有し、
該加圧力を負荷するための部材のうちの少なくとも１つ
と、前記ヒートシンクのうちの少なくとも１つを兼用す
ることを特徴とするナトリウム−硫黄電池の製造装置。
【請求項８】前記請求項４ないし７のいずれかの請求
項において、少なくとも前記被接合体を加熱することに
より接合するための真空又は不活性ガスを充填した雰囲
気を有する接合室と、該接合室の雰囲気を維持した状態
で前記被接合体を前記接合室に導入するための予備室
と、前記接合室の雰囲気を維持した状態で前記被接合体
を前記接合室から搬出するための搬出室を有するナトリ
ウム−硫黄電池の製造装置。
【請求項９】前記請求項８において、前記予備室と、
前記搬出室とを兼用することを特徴とするナトリウム−
硫黄電池の製造装置。
【請求項１０】前記請求項４ないし９のいずれかの請
求項において、前記被接合体に接触して加圧力を負荷す
るための複数の部材を有し、該加圧力を負荷するための
複数の部材の内の少なくとも一つを固定し、前記圧力を
負荷するための複数の部材の内の可動な部材と前記複数
の加熱コイルの内の少なくとも一つを連動させることに
より、前記接合部材を加熱しながら加圧する手段を備え
ることを特徴とするナトリウム−硫黄電池の製造装置。