JP4028671B2 - 熱電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの熱によって活性化する熱電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池内部に発電部を加熱するための手段を有する従来の熱電池は、加熱手段を一度使用して電池を活性化すると、再び使用することができないという問題があったことから、従来の外部加熱方式の熱電池が提案されている（例えば、特開平１０−１７２５８２号公報）。
図１に、従来の外部加熱方式の熱電池の概略縦断面図を示す。
図１に示すように、従来の外部加熱方式の熱電池においては、金属ケース１０が径の異なる２つの同心状の円筒１１および１２、ならびにこの２つの円筒の間に形成される空間部の上下を封じる上面部１３および底面部１４を溶接することによって作製される。
この金属ケース１０は、中央に上下に貫通する空洞部１５を有しており、上面部１３には絶縁体（例えば、ガラス）１７を介して負極端子１６ａと正極端子１６ｂとが取り付けられている。そして、この金属ケース１０内に素電池１の積層体が収納されており、素電池１の積層体と金属ケース１０との間には、アルミナを主成分とするファイバからなる絶縁材９が挿入されて絶縁層を構成している。
素電池１は直列に接続されており、積層体の正極端子はリード片８ｂによって金属ケース１０の正極端子１６ｂに接続され、積層体の負極端子はリード片８ａによって金属ケース１０の負極端子１６ａに接続されている。
【０００３】
以上のような外部加熱方式の熱電池においては、特に、金属ケース１０と素電池１の積層体とを絶縁するための絶縁材９について種々の検討がなされてきた。
従来の内部加熱方式の熱電池にあっては、マイカからなる絶縁材やガラス繊維からなる絶縁材も用いられていたが、外部加熱方式の熱電池にマイカからなる絶縁材やガラス繊維からなる絶縁材を用いると、発電部の温度上昇率が低く、熱電池の出力が可能な電圧に到達するまでの所要時間（以下「起動時間」という。）が長くなるので、活物質の利用効率も劣るという問題があった。
そこで、上述した従来の外部加熱方式の熱電池においては、素電池１の積層体と金属ケース１０を絶縁するための絶縁材として、アルミナを主成分とするファイバから構成された絶縁材が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、アルミナを主成分とするファイバから構成された絶縁材を用いても、起動時間の短縮化は不充分であり、また活物質の利用率も不充分であるという問題があった。
したがって、本発明は、上記絶縁材を構成する材料を選択することにより、起動時間が短くかつ活物質の利用率に優れる外部加熱方式の熱電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、本発明は、正極端子および負極端子を設けるとともに軸方向に貫通する少なくとも１つの空洞部を有する筒状の密封された金属ケース、前記金属ケース内にその軸方向に積層されて収納され、かつ前記空洞部に対応した空洞部を有する素電池積層体、前記金属ケースと素電池積層体とを絶縁する絶縁層、および素電池積層体の正極端子および負極端子を金属ケースの正極端子および負極端子に接続するリードを具備する熱電池であって、前記絶縁層が、少なくとも表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材からなることを特徴とする熱電池を提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る外部加熱方式の熱電池の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
本発明の熱電池は、図１に示す従来の外部加熱方式の熱電池と同じ構造を有していてよい。すなわち、図１に示すように、金属ケース１０は、径の異なる２つの同心状の円筒１１および１２、ならびにこの２つの円筒の間に形成される空間部の上下を封じる上面部１３および底面部１４を溶接することによって作製される。そして、金属ケース１０は、中央に上下に貫通する空洞部１５を有しており、上面部１３には絶縁層を構成する絶縁体１７を介して負極端子１６ａと正極端子１６ｂとが取り付けられる。
素電池１は直列に接続されており、積層体の正極端子はリード片８ｂによって金属ケース１０の正極端子１６ｂに接続され、積層体の負極端子はリード片８ａによって金属ケース１０の負極端子１６ａに接続されている。
【０００７】
そして、金属ケース１０内に素電池１の積層体が収納されており、素電池１の積層体と金属ケース１０との間には、絶縁材９が配される。
本発明の最大の特徴はこの絶縁材９にあり、この絶縁材９として、表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材を用いる。
図２に素電池１の積層体の概略斜視図を示す。図２に示すように、素電池１の積層体は、中心部分に空洞部ａを有する中空円柱（円筒）の形状を有している。そのため、素電池１の積層体と金属ケース１０の間を絶縁する絶縁材９を設ける際には、例えば絶縁材９を、図３に示すように、互いに高さの等しい径の細い円筒状の絶縁材９ａおよび径の太い円筒状の絶縁材９ｂ、ならびに上面および下面を覆う２つのリング状の絶縁材９ｃの４つの部材で構成することができる。
径の細い円筒状の絶縁材９ａを素電池１の積層体の中心にある空洞部１５に挿入し、その内側面を覆い、径の太い円筒状の絶縁材９ｂで積層体の外側面を覆う。ついで、上面と下面には、上記２つの円筒状絶縁材の径の差に対応する幅をもつリング状の絶縁材９ｃを配設する。
【０００８】
ここで、本発明の絶縁材９は、表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材からなる点に特徴がある。本発明者らは、外部加熱方式の熱電池において、絶縁材に用いる材料について鋭意検討した結果、表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材を用いると、上述したように、起動時間を短縮化でき、さらに活物質の利用率を向上させることを見出したのである。これは、出力が可能な電圧に到達するまでの間においても、活物質が高温雰囲気（５００℃以下）にあり、この起動時間内における活物質の熱分解作用を低減させることができるためである。
このような表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材は、アルミニウム金属製の円筒状またはリング状基材を、陽極酸化し、その表面にベーマイト（γ−Ａｌ2Ｏ3・Ｈ2Ｏ）からなる酸化被膜を形成することによって得られる。
【０００９】
つぎに、素電池１について説明する。
図４は、素電池１の構造を示している。負極は、鉄製カップ２にリチウムシート３を挿入した後、鉄粉４を入れ、成形してカップの端部を内側にかしめ、ついで５５０℃の熱板に挟んでリチウムを溶融し、鉄粉成形体に含浸させて作製する。
電解質層５は、電解質と吸着材の混合物を成形することによって得ることができる。電解質としては、例えば塩化カリウムと塩化リチウムの共融塩などを用いることができ、また、無機吸着材としては、例えば酸化マグネシウム粉末などを用いることができる。
電解質と吸着材の混合比は例えば７０：３０〜４０：６０（重量比）とすればよい。
【００１０】
また、正極６は、活物質と前記電解質および吸着材との混合物を成形することによって得ることができる。
活物質としては、例えば二硫化鉄などがあげられる。
正極６における活物質と電解質との混合比は１００：５０〜１００：１５（重量比）であればよい。
そして、正極６の下部にはモリブデン板からなる集電体７が配される。
また、素電池１を作製するには、まず上述のような負極を治具に挿入して中央に所定の大きさの穴あけ加工をし、これを穴形状が同一の成形治具に挿入し、電解質と吸着材との混合物を入れて一次成形する。ついで、正極および穴あけ加工を施した集電体７を入れて二次成形する。こうして、中央部に空洞部ａを有する素電池１が作製される。
【００１１】
図５は、素電池１の積層体を組み合わせるための治具を示す。治具１８は、円盤１９およびその中央から突設した円柱２０からなる。
素電池１の積層体を構成するためには、例えば、まず円盤１９上にリング状の絶縁材９ｃを敷き、その上に素電池１を空洞部ａの中央に円柱２０が位置するように積み上げる。そして、素電池１の空洞部ａ内に径の細い円筒状の絶縁材９ａを配設し、さらに素電池１の積層体の外側面に径の太い円筒状の絶縁材９ｂを配設した後、上部にリング状の絶縁材９ｃを被せる。
一方、金属ケース１０としては、上面部１３を溶接する前の上部が開口した状態のものを用意する。そして、治具１８から抜き取った素電池１の積層体を絶縁材９とともに金属ケース１０内に挿入し、端子１６ａおよび１６ｂとリード片８ａおよび８ｂとを溶接した後、金属ケース１０の開口部に上面部１３を溶接して密閉する。
【００１２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
《実施例１および比較例１》
図４に示す絶縁材９として、少なくとも表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材を用い、図１に示す構造を有する本発明の熱電池を作製した。
一方、絶縁材９としてマイカ板およびガラス繊維板を複数枚重ね合わせたものを用い、図１に示す構造を有する比較用熱電池を作製した。
これら２種の熱電池を、雰囲気温度が５７０℃の電気炉内に配置し、各々の熱電池の発電部の中央部にあらかじめ設置した熱電対型温度計により、電池内発電部の温度上昇を測定した。また、発電部の温度が、熱電池の出力可能な温度である５００℃に到達するまでの時間を計測した。
その結果、比較熱電池について５００℃に到達するまでの時間を１００とした場合、本発明の熱電池については、６５であった。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、絶縁材を構成する材料を選択することにより、起動時間が短くかつ活物質の利用率に優れる外部加熱方式の熱電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱電池の一実施の形態の概略縦断面図である。
【図２】本発明における素電池の積層体の概略斜視図である。
【図３】本発明における絶縁材の分解斜視図である。
【図４】本発明における素電池の部分縦断面図である。
【図５】本発明における素電池の積層体を組み立てるための治具の斜視図である。
【符号の説明】
１ 素電池
２ 鉄製カップ
３ リチウムシート
４ 鉄粉
５ 電解質層
６ 正極
７ 集電体
８ａ リード片
８ｂ リード片
９ 絶縁材
１０ ケース
１１ 円筒
１２ 円筒
１３ 上面部
１４ 底面部
１５ 空洞部
１６ａ 端子
１６ｂ 端子
１７ 絶縁体
１８ 治具
１９ 円盤
２０ 円柱
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの熱によって活性化する熱電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電池内部に発電部を加熱するための手段を有する従来の熱電池は、加熱手段を一度使用して電池を活性化すると、再び使用することができないという問題があったことから、従来の外部加熱方式の熱電池が提案されている（例えば、特開平１０−１７２５８２号公報）。
図１に、従来の外部加熱方式の熱電池の概略縦断面図を示す。
図１に示すように、従来の外部加熱方式の熱電池においては、金属ケース１０が径の異なる２つの同心状の円筒１１および１２、ならびにこの２つの円筒の間に形成される空間部の上下を封じる上面部１３および底面部１４を溶接することによって作製される。
この金属ケース１０は、中央に上下に貫通する空洞部１５を有しており、上面部１３には絶縁体（例えば、ガラス）１７を介して負極端子１６ａと正極端子１６ｂとが取り付けられている。そして、この金属ケース１０内に素電池１の積層体が収納されており、素電池１の積層体と金属ケース１０との間には、アルミナを主成分とするファイバからなる絶縁材９が挿入されて絶縁層を構成している。
素電池１は直列に接続されており、積層体の正極端子はリード片８ｂによって金属ケース１０の正極端子１６ｂに接続され、積層体の負極端子はリード片８ａによって金属ケース１０の負極端子１６ａに接続されている。
【０００３】
以上のような外部加熱方式の熱電池においては、特に、金属ケース１０と素電池１の積層体とを絶縁するための絶縁材９について種々の検討がなされてきた。
従来の内部加熱方式の熱電池にあっては、マイカからなる絶縁材やガラス繊維からなる絶縁材も用いられていたが、外部加熱方式の熱電池にマイカからなる絶縁材やガラス繊維からなる絶縁材を用いると、発電部の温度上昇率が低く、熱電池の出力が可能な電圧に到達するまでの所要時間（以下「起動時間」という。）が長くなるので、活物質の利用効率も劣るという問題があった。
そこで、上述した従来の外部加熱方式の熱電池においては、素電池１の積層体と金属ケース１０を絶縁するための絶縁材として、アルミナを主成分とするファイバから構成された絶縁材が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、アルミナを主成分とするファイバから構成された絶縁材を用いても、起動時間の短縮化は不充分であり、また活物質の利用率も不充分であるという問題があった。
したがって、本発明は、上記絶縁材を構成する材料を選択することにより、起動時間が短くかつ活物質の利用率に優れる外部加熱方式の熱電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、本発明は、正極端子および負極端子を設けるとともに軸方向に貫通する少なくとも１つの空洞部を有する筒状の密封された金属ケース、前記金属ケース内にその軸方向に積層されて収納され、かつ前記空洞部に対応した空洞部を有する素電池積層体、前記金属ケースと素電池積層体とを絶縁する絶縁層、および素電池積層体の正極端子および負極端子を金属ケースの正極端子および負極端子に接続するリードを具備する熱電池であって、前記絶縁層が、少なくとも表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材からなることを特徴とする熱電池を提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る外部加熱方式の熱電池の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
本発明の熱電池は、図１に示す従来の外部加熱方式の熱電池と同じ構造を有していてよい。すなわち、図１に示すように、金属ケース１０は、径の異なる２つの同心状の円筒１１および１２、ならびにこの２つの円筒の間に形成される空間部の上下を封じる上面部１３および底面部１４を溶接することによって作製される。そして、金属ケース１０は、中央に上下に貫通する空洞部１５を有しており、上面部１３には絶縁層を構成する絶縁体１７を介して負極端子１６ａと正極端子１６ｂとが取り付けられる。
素電池１は直列に接続されており、積層体の正極端子はリード片８ｂによって金属ケース１０の正極端子１６ｂに接続され、積層体の負極端子はリード片８ａによって金属ケース１０の負極端子１６ａに接続されている。
【０００７】
そして、金属ケース１０内に素電池１の積層体が収納されており、素電池１の積層体と金属ケース１０との間には、絶縁材９が配される。
本発明の最大の特徴はこの絶縁材９にあり、この絶縁材９として、表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材を用いる。
図２に素電池１の積層体の概略斜視図を示す。図２に示すように、素電池１の積層体は、中心部分に空洞部ａを有する中空円柱（円筒）の形状を有している。そのため、素電池１の積層体と金属ケース１０の間を絶縁する絶縁材９を設ける際には、例えば絶縁材９を、図３に示すように、互いに高さの等しい径の細い円筒状の絶縁材９ａおよび径の太い円筒状の絶縁材９ｂ、ならびに上面および下面を覆う２つのリング状の絶縁材９ｃの４つの部材で構成することができる。
径の細い円筒状の絶縁材９ａを素電池１の積層体の中心にある空洞部１５に挿入し、その内側面を覆い、径の太い円筒状の絶縁材９ｂで積層体の外側面を覆う。ついで、上面と下面には、上記２つの円筒状絶縁材の径の差に対応する幅をもつリング状の絶縁材９ｃを配設する。
【０００８】
ここで、本発明の絶縁材９は、表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材からなる点に特徴がある。本発明者らは、外部加熱方式の熱電池において、絶縁材に用いる材料について鋭意検討した結果、表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材を用いると、上述したように、起動時間を短縮化でき、さらに活物質の利用率を向上させることを見出したのである。これは、出力が可能な電圧に到達するまでの間においても、活物質が高温雰囲気（５００℃以下）にあり、この起動時間内における活物質の熱分解作用を低減させることができるためである。
このような表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材は、アルミニウム金属製の円筒状またはリング状基材を、陽極酸化し、その表面にベーマイト（γ−Ａｌ2Ｏ3・Ｈ2Ｏ）からなる酸化被膜を形成することによって得られる。
【０００９】
つぎに、素電池１について説明する。
図４は、素電池１の構造を示している。負極は、鉄製カップ２にリチウムシート３を挿入した後、鉄粉４を入れ、成形してカップの端部を内側にかしめ、ついで５５０℃の熱板に挟んでリチウムを溶融し、鉄粉成形体に含浸させて作製する。
電解質層５は、電解質と吸着材の混合物を成形することによって得ることができる。電解質としては、例えば塩化カリウムと塩化リチウムの共融塩などを用いることができ、また、無機吸着材としては、例えば酸化マグネシウム粉末などを用いることができる。
電解質と吸着材の混合比は例えば７０：３０〜４０：６０（重量比）とすればよい。
【００１０】
また、正極６は、活物質と前記電解質および吸着材との混合物を成形することによって得ることができる。
活物質としては、例えば二硫化鉄などがあげられる。
正極６における活物質と電解質との混合比は１００：５０〜１００：１５（重量比）であればよい。
そして、正極６の下部にはモリブデン板からなる集電体７が配される。
また、素電池１を作製するには、まず上述のような負極を治具に挿入して中央に所定の大きさの穴あけ加工をし、これを穴形状が同一の成形治具に挿入し、電解質と吸着材との混合物を入れて一次成形する。ついで、正極および穴あけ加工を施した集電体７を入れて二次成形する。こうして、中央部に空洞部ａを有する素電池１が作製される。
【００１１】
図５は、素電池１の積層体を組み合わせるための治具を示す。治具１８は、円盤１９およびその中央から突設した円柱２０からなる。
素電池１の積層体を構成するためには、例えば、まず円盤１９上にリング状の絶縁材９ｃを敷き、その上に素電池１を空洞部ａの中央に円柱２０が位置するように積み上げる。そして、素電池１の空洞部ａ内に径の細い円筒状の絶縁材９ａを配設し、さらに素電池１の積層体の外側面に径の太い円筒状の絶縁材９ｂを配設した後、上部にリング状の絶縁材９ｃを被せる。
一方、金属ケース１０としては、上面部１３を溶接する前の上部が開口した状態のものを用意する。そして、治具１８から抜き取った素電池１の積層体を絶縁材９とともに金属ケース１０内に挿入し、端子１６ａおよび１６ｂとリード片８ａおよび８ｂとを溶接した後、金属ケース１０の開口部に上面部１３を溶接して密閉する。
【００１２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
《実施例１および比較例１》
図４に示す絶縁材９として、少なくとも表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材を用い、図１に示す構造を有する本発明の熱電池を作製した。
一方、絶縁材９としてマイカ板およびガラス繊維板を複数枚重ね合わせたものを用い、図１に示す構造を有する比較用熱電池を作製した。
これら２種の熱電池を、雰囲気温度が５７０℃の電気炉内に配置し、各々の熱電池の発電部の中央部にあらかじめ設置した熱電対型温度計により、電池内発電部の温度上昇を測定した。また、発電部の温度が、熱電池の出力可能な温度である５００℃に到達するまでの時間を計測した。
その結果、比較熱電池について５００℃に到達するまでの時間を１００とした場合、本発明の熱電池については、６５であった。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、絶縁材を構成する材料を選択することにより、起動時間が短くかつ活物質の利用率に優れる外部加熱方式の熱電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱電池の一実施の形態の概略縦断面図である。
【図２】本発明における素電池の積層体の概略斜視図である。
【図３】本発明における絶縁材の分解斜視図である。
【図４】本発明における素電池の部分縦断面図である。
【図５】本発明における素電池の積層体を組み立てるための治具の斜視図である。
【符号の説明】
１ 素電池
２ 鉄製カップ
３ リチウムシート
４ 鉄粉
５ 電解質層
６ 正極
７ 集電体
８ａ リード片
８ｂ リード片
９ 絶縁材
１０ ケース
１１ 円筒
１２ 円筒
１３ 上面部
１４ 底面部
１５ 空洞部
１６ａ 端子
１６ｂ 端子
１７ 絶縁体
１８ 治具
１９ 円盤
２０ 円柱
Claims (1)
- 正極端子および負極端子を設けるとともに軸方向に貫通する少なくとも１つの空洞部を有する筒状の密封された金属ケース、前記金属ケース内にその軸方向に積層されて収納され、かつ前記空洞部に対応した空洞部を有する素電池積層体、前記金属ケースと素電池積層体とを絶縁する絶縁層、および素電池積層体の正極端子および負極端子を金属ケースの正極端子および負極端子に接続するリードを具備する熱電池であって、
前記絶縁層が、少なくとも表面にベーマイト層を有するアルミニウム基材からなることを特徴とする熱電池。
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