JP3673275B2 - 電気化学セル用電流コレクタ組立体 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は電気化学セル用電流コレクタ組立体及びその組立体を内蔵したセルに関する。
発明の背景
円筒形アルカリ電気化学セルは、普通、中心にアノードが配置されその周りに管状のカソードが配置されたボビン形構造を用いている。アノードとの電気的接続は、一般に、電気化学的に活性な構成要素を収容したカップ状容器の開放端を閉じる抵抗性不導体シール本体を通して強制的に駆動される爪のような細長い金属部材を用いて行われる。電流コレクタの一端は外部回路との電気的接続のためにシールの上方へ突出している。電流コレクタとして作用する場合にはそのシャンクがアノードに挿入される。電流コレクタの小さな部分がシール本体内にあり、シール本体とシール係合している。
通常、セルを製造する前に、電流コレクタとシール本体とが予め組み立てられて電流コレクタ組立体を形成する。シール組立体は中心に開口が配置され、その開口を通して電流コレクタが突き出ている。シール本体の外縁及びシール本体の中心開口を囲む部分は、通常、シール本体の材料を厚くすることにより強化されている。セルの内圧が所定限界を超えた場合にシールが破れるように、少なくとも強化領域の間のシール本体の一部分の横断面積は強化領域の横断面積よりも厚く作られている。
中央開口を囲んでその開口を形成するシールの強化部分は、普通、「ハブ」と呼ばれる。シールのハブと、シール本体の開口の内径よりも大きな直径を有する電流コレクタとの間に締り嵌めがなされるように開口を通して電流コレクタが挿入されている。本発明の目的は、電解液が電流コレクタの表面に沿ってはい回ることによりセルから漏れ出ることがないように電流コレクタとハブとの間に締り嵌めをなすことである。締りの程度は、注意深く制御されなければならない。締り嵌めによってシールのハブの半径方向フープ強度を超える接線張力を生じることになる場合には、シールが割れて電解液が漏れ出ることになろう。締り嵌めが不十分な場合には、電解液は電流コレクタの表面に沿ってはい回ってセルから漏れ出ることがある。
米国特許第３，７４０，２７１号明細書は、スリーブに挿入されたとき導電性ロッドに圧縮力が働くようにプラグのスリーブ部分の周りに配置されたクランプリングを使用することを開示している。導電性ロッドはプラグの外部において開口に挿入され、プラグとそのプラグの反対側（例えば内側）のリングで強化されたスリーブを介して駆動される。
米国特許第５，００８，１６１号明細書は、両側がプラスチックで囲まれ、そのプラスチックを電流コレクタに対して圧縮して電解液が電流コレクタの表面に沿って漏れ出ないようにするためにシール本体の内面上に配置された金属シールから成るキャップ組立体を開示している。
米国特許第５，０５１，３２３号明細書は、電流コレクタを囲む直立壁が内部カバーとして知られている金属部品に対して外方に押しつけられるように、電流コレクタがシールの中心開口を通して挿入される従来のシール設計を開示している。内部カバーはシール本体の外周を支持しているけれども、電流コレクタ組立体の寿命を通じてシールの直立壁に対して接線張力を働かせる。
別の例では、市販されているバッテリはシール本体の外面の周りに配置された平坦な金属リングを開示している。電流コレクタがシール本体の中心開口を通して押し込められるにつれてシールは電流コレクタとリングとの間で圧縮される。
従来の電流コレクタ組立体は、次の欠点を有する。第１に、ハブ（すなわち、電流コレクタが挿入されるシール本体の強化部分）の周りに支持体を全く持っていないシール本体では、電解液が漏出する傾向がある。このシール不能のモードは、電流コレクタとハブとの間に形成される締り嵌めによって生じる過剰な接線張力のためにハブが割れるので、「ハブ割れ」と呼ばれる。第２に、リングがセルの部品に対して露出するようにシール本体の内面に圧縮リングが使用されるとき、リングがセルの部品の一つもしくはそれ以上と反応してセル内に気体を発生する。この気体発生問題は、一般に、水銀がアルカリセルで腐蝕防止剤として使用されるときは許容できる程度の低レベルであるが、水銀をセルから除去するときは過剰なものとなる。バッテリの製造者にとって水銀を除去しなければならないという必要性が、セルの内側における金属性圧縮リングの使用を排除する。第３に、圧縮リングがシールの外部に配置され電流コレクタがシール本体の外面からシール本体の開口内に挿入されるとき、挿入運動はシールを圧縮リングから下方へ押し出す傾向がある。これによって電流コレクタ組立体が不適当に製造されることになり、電流コレクタ組立体をセルに組み込んだとき電流コレクタの表面に沿って電解液がはい回るようになる。
多年にわたって既知の電流コレクタ組立体が使用されているが、（１）シール本体のハブに接線張力を作用させずにハブ割れを避けると同時に（２）シールのハブに十分な半径方向圧縮ストレスと接線圧縮ストレスを与えて電流コレクタの表面に沿って電解液がはい回らないようにする改良された電流コレクタ組立体が要望されている。圧縮手段はセル内部で気体が発生するのを避けるためにセルの内部環境の外側に配置され、シールは電流コレクタ製造工程中に圧縮手段内に押し込まれるのが好ましい。
発明の概要
本発明は、カップ状容器内に電気化学的に活性な構成要素を密封し且つ該構成要素から電流を集めるための電流コレクタ組立体である。この組立体は、開口を定める直立壁を有する弾性があり且つ非導電性のシール本体を備える。その開口を通して且つ電気化学的に活性な構成要素のうちの１つへと挿入されるコレクタは、その電気化学的に活性な構成要素とその容器の外部との間に電気的連続性を与える。圧縮手段が、その直立壁に接触する。コレクタと圧縮手段とは、該圧縮手段によって圧縮された前記開口を通して前記コレクタを挿入した後は前記直立壁に対して半径方向の圧縮ストレスおよび接線方向の圧縮ストレスを及ぼすが、前記直立壁に対する接線方向の張力は前記コレクタの挿入前の該直立壁に対する接線方向の張力と等価のままであるように、協動する。
別の観点においては、本発明は、カップ状容器内に電気化学的に活性な構成要素を密封し且つ該構成要素から電流を集めるための電流コレクタ組立体である。この組立体は、開口を定める直立壁を有する弾性があり且つ非導電性のシール本体を備える。その開口を通して且つ電気化学的に活性な構成要素のうちの１つへと挿入されるコレクタは、その電気化学的に活性な構成要素とその容器の外部との間に電気的連続性を与える。圧縮素子が、その直立壁に接触する。コレクタと圧縮素子とは、該圧縮素子によって圧縮された前記開口を通して前記コレクタを挿入した後は前記直立壁に対して半径方向の圧縮ストレスおよび接線方向の圧縮ストレスを及ぼすが、前記直立壁に対する接線方向の張力は前記コレクタの挿入前の該直立壁に対する接線方向の張力と等価のままであるように、協動する。
さらに別の観点においては、本発明は、電気化学的に活性な構成要素を収容し且つ電流コレクタ組立体によって密閉される容器を備えた電気化学セルである。その組立体は、ある表面から突き出し開口の周辺を定める直立壁を有する弾性があり且つ非導電性のシール本体を備える。導電性のコレクタが、シール本体の開口を通して延長する。このコレクタは、セルの内部と外部との間に電気的な連続性を与える。圧縮手段が、直立壁に接触する。そのコレクタと圧縮手段とは、協動して、直立壁に対して半径方向の圧縮ストレスおよび接線方向の圧縮ストレスを及ぼすが、直立壁に対する接線方向の張力は、コレクタの挿入前のその直立壁に対する接線方向の張力より大きくないままとする。
本発明のシール組立体によれば、コレクタに接触するシールの部分に対して十分な半径方向の圧縮ストレスおよび接線方向の圧縮ストレスを及ぼすことにより、シールを貫通しているコレクタの表面にそう路を通してのセルからの電解質の洩れを最少とすることができる。シールが裂けて、その結果電解質の洩れが生じてしまうようなことは、シールに対して接線方向の張力が及ぼされないようにすることにより、防止される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明にかかる電流コレクタ組立体の断面図、
図２は、アルカリ電気化学セルの一部を形成する副組立体の断面図、
図３は、組立段階にあるセルの断面図、
図４は、本発明にかかるセルの断面図である。
発明の詳細な説明
図面、特に図１を参照すると、本発明にかかる電流コレクタ組立体が示されている。電流コレクタ組立体１０は、シール本体１２、圧縮手段１３及びロッド状の電流コレクタ１４を有する。シール本体は、通常ディスク状を成し、非導電性材料からなる。この部品は、頂部表面３６と底部表面３８とを備えている。第１直立壁４０はシール本体の周方向境界面を構成する。第２直立壁４１は、シール本体の頂部表面３６上に位置し、シール本体の中央領域の近傍位置する開口を画成し、底部表面３８に頂部表面３６を接続する。第２直立壁４１は、内側表面４２と外側表面４３とを有している。シール本体が製造される適当な材料は、例えばナイロン、ポリプロピレン、充填剤入りポリプロピレン及びポリスルホンなどのプラスチックを含んでいる。好ましい材料は、ナイロンである。
圧縮部材として公知の圧縮手段１３は、管状の金属部品である。好ましい圧縮手段は、アイレットである。圧縮手段の内径は、第２直立壁４１の元の外径よりも小さい。本書では、部品の元の大きさは“通常”の大きさとして定義される。したがって、壁４１の元の外径は、壁４１の通常の外径に等しい。圧縮手段の一端は外方にフレア状に拡がっており、エッジ５８を構成する。このエッジ５８に対して、シール本体１２の薄肉部６０がセルの内部圧力が所定圧力を越えたとき剪断力を生じる。好ましくは、圧縮手段１３は、第２直立壁４１よりも長くなっており、これによって、圧縮手段１３は直接第１外部カバー１６に接触する。圧縮手段の長さよりも短い直立壁の高さを保持することによって第２直立壁４１の自由端が第１外部カバー１６と圧縮手段１３に入り込まないことを保証する。
電流コレクタ１４は、細長い導電体である。好ましくは、コレクタは対称形状を成している。好ましくは、コレクタはロッド状を成し、２つの同一形状の端部を備えている。コレクタのシーリング表面は、バー（bur）、ニック（nick）あるいはひっかき傷と言った欠陥がないことが好ましい。対称形状でないコレクタはコレクタが１つの端部を有するかぎり使用できる。コレクタの中間部は曲線状を成しており、及び／または表面仕上げを変えることによって修正されている。好ましくは、コレクタは、所望の長さに切断されたワイヤから造られる。それぞれの端部は、僅かに面取りされ、小さなバーを除去して、シールへの導入部を与える。コレクタが作られる材料は、セルにおける腐食性環境のなかで安定な、黄銅、亜鉛、亜鉛合金、ニッケルメッキされたスチール、鉛メッキされたスチール及び他の電気的に導電性の高い材料を含む。好ましい材料は、黄銅である。
コレクタ組立方法において、圧縮手段１３がシール本体１２の頂部表面上にある第２の直立壁４１の外部表面４３上に押しつけられる。シール本体１２の頂部表面３６は、コレクタ組立体がセルに組み付けられるときにセルの内部から離れる表面であると定義づけられる。シール本体１２の底部表面３８はセルの内部に向いている。シールと圧縮手段とが整合したとき、圧縮手段は、第２直立壁４１を内部に押し、これによって、シール本体１２の開口２０の内径はコレクタ１４の径よりも小さくなって、コレクタ１４が開口２０を通過することとなる。第２の直立壁４１が圧縮された後、コレクタ１４の一端１８は、コレクタをシール本体の底部表面３８から開口２０に挿入し、シール本体１２を介してコレクタ１４の端部１８を押すことによってシール本体の中央開口２０から押し込まれ、コレクタの小さい部分をシールの上方の領域に露出させ、これによって、シール本体１２の頂部表面３６の上方の領域とシール本体１２の底部表面３８の下方の領域との間の電気的連続性を達成する。
コレクタ１４をシール開口２０を介して挿入することによって、半径方向の圧縮応力及びシール本体の第２の直立壁４１の接線方向の圧縮ストレスが増大する。半径方向のストレスは、コレクタがハブを介して挿入されるとき直立壁４１に周囲に発生する単位面積当たりの力として定義される。この力は、直立壁に対して垂直である。接線方向のストレスは、コレクタのハブを介しての挿入によって第２直立壁４１の外部表面と同心上に発生する単位面積当たりの力として定義される。
十分な半径方向の圧縮ストレスと接線方向のストレスをハブに与えることに加えて、コレクタと圧縮手段はハブ上に接線方向の十分な張力を生じ、これによって、ハブを分離するようになってはならない。コレクタ組立体が製造された後においては、ハブ上に接線方向の張力を発生させないことが好ましい。
接線方向の張力は、コレクタとハブとの締り嵌めが開口の通常直径を越える開口の最終直径になるとき、ハブの単位面積当たりに生じる“引き離し”力として定義される。ハブに対する引き離し接線張力を解消するために、コレクタ１４の直径と直立壁４１で定義される開口２０の内径は以下のように選定しなければならない。（１）圧縮手段で直立壁を圧縮する前にコレクタがシールの開口を介して挿入される場合に、コレクタと直立壁との間に締り嵌めが殆どあるいは好ましくは、全く生じないこと。（２）圧縮手段によって直立壁が圧縮された後コレクタがシールの開口を介して挿入されるときに実質的な締り嵌めがコレクタと直立壁との間にかならず発生すること。言い換えれば、シールの開口の元のすなわち“通常”の内径に対して圧縮されたハブ内の開口の内径を維持あるいは減少せしめる締り嵌めはハブの接線方向の張力を発生しない。接線方向の張力の発生を有効に防止することによってハブが割れることを防止できるとともに、圧縮手段とコレクタの間でハブを圧縮することによってコレクタとハブとの間に液密を与えることができる。
シール上に加えられた半径方向の圧縮ストレス、接線方向の圧縮ストレス、及び／又は、接線方向の張力の量を測定するため、圧縮手段による圧縮、及び／又は、コレクタの挿入、を行う前のシールの大きさが、直立壁が圧縮されてコレクタが挿入された後のシールの大きさと比較される。ストレス、及び／又は、張力の程度は、機械工学の分野で知られる手順によって計算され得る。
シール剤５４は、コレクタ１４の前端１８付近のコレクタの円形表面に、コレクタのその部分にシールを通じて力を加える前に、設けられる。また、シール剤は、シール本体の開口の内部表面に設けられてもよい。コレクタをシールの開口２０の中へ挿入することにより、コレクタとシール本体との間の界面に沿ってシール剤の薄膜が塗布される。シール剤を少し余分に使用すると、シール剤の円形ビードが、電流コレクタ１４とシール本体１２の内部表面との接合部に形成される。適当な材料としては、アスファルト、ポリアミド、ポリアクリルがある。
図２は参照符号２１で示された副組立体を示す。この組立体の内部へ図１に示された電流コレクタ組立体を挿入し、図３に示された部分的に組み立てられたバッテリを形成する。図３を参照すれば、副組立体は、二酸化マンガンのような第１の電気化学的活性物質３０と亜鉛のような第２の電気化学的活性物質２８を含んでいる。更に、セパレータ３２がこれらの電気化学的活性物質の間に配置されている。水酸化カリウムのような電解液がこれらの電気化学的活性物質の両方と接触している。これらの構成要素は、第１の電気化学的活性物質と第２の電気化学的活性物質間に電導路が確立されたときに電流を発生させるように配列されている。アスファルトのような粘着性の基層５６を容器２６内部の上部表面に付与して、容器表面に沿ったセルの電解液のクリープ現象に対するバリアとして機能させる。
図３に示されているのは部分的に組み立てられたセルである。このセルは、副組立体の容器２６の開端部２４の中へ挿入された電流コレクタ組立体１０を含む。電流コレクタ組立体のシール本体１２が容器２６の開端部を閉じる。シール本体１２の底表面３８から延びるコレクタ１４の部分が副組立体内部に配置された粉状亜鉛混合物２８の中へ挿入され、これにより、シール本体の上部表面３８上部の領域に露出されたコレクタの一部と亜鉛との間に電気的連続性を確立する。第１の外部カバー１６が電流コレクタの露出端部に溶接され、セルの負極端子を形成する。
図４に示されているように、容器２６のリム４４をシール本体に向かって内部方向に曲げることにより、密封したシールを形成する。こうして形成された電気化学セルが２２に示されている。このセルは、シール本体の上部表面の上部の領域に露出されたコレクタの一部と容器との間に電導路が確立されたときに、電流を発生することができる。バッテリは、第２の外部カバー４６を容器２６の閉じた端部４５に溶接しバッテリの正極端子を形成することによって仕上げられる。ラベル５０がセルの円形表面に付される。
電流コレクタ組立体やこれを含む電気化学セルが前述の記述から理解されると考えられる。ここに記述された形態や物質は単により好ましい実施例を記述したものであるから、本発明の意図および範囲から逸脱することなく、本明細書に記述された形態および物質に関して更に様々な変更を行うことが可能である。

Claims (17)

1. カップ状容器内に電気化学的に活性な構成要素を密封し且つ該構成要素から電流を集めるための電流コレクタ組立体において、
   （ａ）開口を定める直立壁を有する弾性があり且つ非導電性のシール本体と、
   （ｂ）前記開口を通して且つ前記電気化学的に活性な構成要素のうちの１つへと挿入され、その電気化学的に活性な構成要素と前記容器の外部との間に電気的連続性を与えるコレクタと、
   （ｃ）前記直立壁に接触する圧縮手段と、
   を備えており、前記コレクタと前記圧縮手段とは、該圧縮手段によって圧縮された前記開口を通して前記コレクタを挿入した後は前記直立壁に対して半径方向の圧縮ストレスおよび接線方向の圧縮ストレスを及ぼすが、前記直立壁に対する接線方向の張力は前記コレクタの挿入前の該直立壁に対する接線方向の張力と等価のままであるように協働し、前記コレクタの直径は、前記圧縮手段による圧縮前の前記シール本体の前記開口の内側直径よりも大きくなく、前記シール本体の直立壁の通常の外側直径は、前記圧縮手段の内側直径より大きいことを特徴とする電流コレクタ組立体。
2. 前記シール本体の開口の内側直径は、前記圧縮手段による前記直立壁の圧縮前で且つ前記コレクタの挿入前での前記シール本体の開口の内側直径より大きくない請求項１記載の電流コレクタ組立体。
3. 前記シール本体は、底部表面および頂部表面を備えており、前記直立壁は、前記頂部表面から突き出している請求項１記載の電流コレクタ組立体。
4. 前記直立壁は、内側表面および外側表面を備えており、前記圧縮手段は、前記直立壁の前記外側表面に接触する請求項３記載の電流コレクタ組立体。
5. 前記シール本体は、ディスク状であり、前記開口は、円形である請求項１記載の電流コレクタ組立体。
6. 前記シール本体は、ナイロン、ポリプロピレンおよび充填剤入りポリプロピレンからなる群から選ばれた材料から形成されている請求項５記載の電流コレクタ組立体。
7. 前記圧縮手段の一部分は、前記直立壁の端部を越えて延長している請求項１記載の電流コレクタ組立体。
8. 前記圧縮手段は、アイレットである請求項１記載の電流コレクタ組立体。
9. 前記圧縮手段は、管状である請求項１記載の電流コレクタ組立体。
10. 前記コレクタは、対称形状である請求項１記載の電流コレクタ組立体。
11. 前記コレクタは、２つの同一の端部を有している請求項１０記載の電流コレクタ組立体。
12. 前記コレクタの小部分は、前記シールより上の領域に対して露出されている請求項１１記載の電流コレクタ組立体。
13. 電気化学的に活性な構成要素を収容し且つ電流コレクタ組立体によって密閉される容器を備えた電気化学セルにおいて、
    （ａ）ある表面から突き出し開口を定める直立壁を有する弾性があり且つ非導電性のシール本体と、
    （ｂ）該シール本体における前記開口を通して延長して前記セルの内部と外部との間に電気的な連続性を与える導電性のコレクタと、
    （ｃ）前記直立壁に接触する圧縮手段と、
    を備えており、前記圧縮手段と前記コレクタとは、協働して、前記直立壁に対して半径方向の圧縮ストレスおよび接線方向の圧縮ストレスを及ぼすが、前記直立壁に対する接線方向の張力は、前記コレクタの挿入前のその直立壁に対する接線方向の張力より大きくないままとし、前記コレクタの直径は、前記圧縮手段による圧縮の前での前記シール本体の開口の内側直径より大きくなく、前記シール本体の直立壁の通常の外側直径は、前記圧縮手段の内側直径を越えていることを特徴とする電気化学セル。
14. 前記シール本体の開口の内側直径は、前記圧縮手段による前記直立壁の圧縮前で且つ前記コレクタの挿入前での前記シール本体の開口の内側直径より大きくない請求項１３記載の電気化学セル。
15. 前記シール本体は、底部表面および頂部表面を備えており、前記直立壁は、前記頂部表面から突き出している請求項１３記載の電気化学セル。
16. 前記直立壁は、内側表面および外側表面を備えており、前記圧縮手段は、前記直立壁の外側表面に接触する請求項１３記載の電気化学セル。
17. カップ状容器内に電気化学的に活性な構成要素を密封し且つ該構成要素から電流を集めるための電流コレクタ組立体において、
    （ａ）開口を定める直立壁を有する弾性があり且つ非導電性のシール本体と、
    （ｂ）前記開口を通して且つバッテリの前記電気化学的に活性な構成要素のうちの１つへと挿入され、その電気化学的に活性化な構成要素と前記容器の外部との間に電気的連続性を与えるコレクタと、
    （ｃ）前記直立壁に接触する圧縮手段と、
    を備えており、前記コレクタと前記圧縮手段とは、該圧縮手段によって圧縮された前記開口を通して前記コレクタを挿入した後は前記直立壁に対して半径方向の圧縮ストレスおよび接線方向の圧縮ストレスを及ぼすが、前記直立壁に対する接線方向の張力は前記コレクタの挿入前の該直立壁に対する接線方向の張力と等価のままであるように協働し、前記コレクタの直径は、前記圧縮手段による圧縮前の前記シール本体の前記開口の内側直径よりも大きくなく、前記シール本体の直立壁の通常の外側直径は、前記圧縮手段の内側直径より大きいことを特徴とする電流コレクタ組立体。

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