JPH0782861B2 - 熱電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は電池内部に発熱剤を内蔵し、電池使用時に発熱
剤に点火することにより、電池内部を高温に加熱して活
性化させる熱電池に関するもので、高容量で長時間放電
可能な、エネルギー密度の高い熱電池を提供するもので
ある。

従来の技術 熱電池とは発熱剤を内蔵した、溶融塩を電解質とする電
池である。保存中は電解質が非電導性の固体塩であるた
めに、電池として不活性状態にあるが、発熱剤を燃焼さ
せて電池内部を高温に加熱することにより、電解質が溶
融して電導性を示すようになり、電池が活性化される。

熱電池は保存中の自己放電がほとんどなく、長期間の保
存が可能であり、必要なときは瞬時に活性化させること
ができる貯蔵型電池の一種である。また、−55〜100℃
というような広範囲な環境温度下でも使用が可能な、高
エネルギー密度の電池である。不活性状態の熱電池は内
部抵抗が高いために、負荷を端子に接続した状態で機器
に組み込むことが可能である。このような多くの特徴を
備えているために、熱電池は、ミサイル、ロケット等の
飛しょう体用の電源や各種緊急用電源として欠かせない
ものとなっている。

従来，この種の熱電池の活物質として、負極にカルシウ
ムを、正極にクロム酸カルシウムを用いた系が用いられ
てきたが、さらに高容量、高出力用として負極にリチウ
ムやリチウム合金を、正極に硫化物を用いた熱電池が開
発されている。

リチウム合金として、リチウムとホウ素、アルミニウ
ム、ケイ素、鉄、ガリウム、ゲルマニウム等との合金を
したものが使用可能である。

正極活物質の硫化物として、耐熱性の高い二硫化鉄がお
もに使用されているが、ニッケル、クロム、コバルト、
銅、タングステン、モリブデン等の硫化物や、これらの
金属を含むシュブレル相の硫化物も使用可能である。

電解質としてはJiCl−59モル％、KCl−41モル％の共晶
塩が一般に用いられている。この共晶塩は比較的に安価
で、融点が352℃と低く、常温での絶縁抵抗が高いとい
う特徴がある。電解質は負極のリチウムに耐食性のある
酸化マグネシウム、酸化ホウ素、酸化ジルコニウム等の
絶縁体粉末を混合して流動性をなくしたものが使用され
る。電解質層は、熱電池作動時のイオンの伝導体である
と同時に、正極と負極のセパレータとしても作用してい
る。

発熱剤として、鉄粉と過塩素酸カリウムの混合物を形成
したものがセルと交互に積層して用いられている。発熱
剤は電池活性化時に点火されることにより、酸化還元反
応を起こして発熱し、電池内を作動温度まで加熱する。
この発熱剤は鉄が発熱反応に必要な量よりも過剰に含ま
れており、発熱反応後も導電性が高く、隣接する素電池
間の接続体としても作用している。

熱電池の活性化手段として一般に点火玉が用いられてい
る。熱電池使用時に外部電源より熱電池に内蔵された点
火玉に通電することにより発火させ、発熱剤に点火する
ことができる。撃鉄の打撃により発火する撃発雷管によ
る活性化も可能である。この方式は外部電源が不要であ
り、機械的作用により熱電池の活性化が可能である。

発明が解決しようとする課題 熱電池は必要なときに瞬時に電力を得ることができる貯
蔵型の電池であり、高い信頼性を有するために、その用
途、使用量はますます増加の傾向にあり、更に高容量、
長時間放電可能なものが要求されている。しかし構造的
な制約により大面積のセルは製造が困難であり、高容
量、高出力の用途に対しては複数個の発電ブロック積層
体を電気的に並列に接続したものが使用されている。

熱電池の放電容量は、活物質の放電容量とともに電池内
の作動温度によっても制限されている。このため、熱電
池の設計は活物質の使用量のみでなく、断熱保温の方法
についても最適化を図らなければならない。熱電池の内
部は活性化時に均一に加熱されるが、時間が経過するに
つれ、周囲から温度が低下してくる。長時間放電の熱電
池は両端のセルの温度低下によりその放電寿命が制限さ
れる。放電時間の長い熱電池を設計するために両端のセ
ルの温度低下を防ぐ必要があるが、そのために多くの断
熱体を使用すれば、容積効率の低下を招く結果となっ
た。

課題を解決するための手段 本発明は保温のための断熱体を増やすことなく長時間放
電可能な熱電池を提供するもので、各々電気的に並列に
接続された３組以上の発電ブロックからなり、これらの
発電ブロックを同一容器内に積層した熱電池において、
両端の発電ブロックの内部抵抗は内側の発電ブロックの
内部抵抗より低いことを特徴とするものである。

作用 本発明は、活性化後の熱電池内部の温度分布の変化に着
目したものである。熱電池を活性化後、時間が経過する
につれて積層体両端から温度が徐々に低下し、中央部の
温度低下は最も緩やかである。すなわち、発電ブロック
積層体の両端の温度が作動温度以下に低下したあとも、
中央部は依然として高温であり、放電が可能である。し
たがって、両端の発電ブロックの放電を先におこない、
内側の発電ブロックの放電を後からおこなうようにすれ
ば保温のための断熱体を増やすことなく長時間の放電が
可能となる。

両端の発電ブロックは、内側の放電ブロックより内部抵
抗が低いために、放電初期には優先的に放電される。内
側の発電ブロックは、放電初期には放電電流の割合が少
ないが、両端の発電ブロックの温度が低下して放電能力
が下がるにつれて放電電流の割合が増加してくる。両端
の発電ブロックは、作動温度が低下するまでにその容量
の大部分を放電し、それ以後は内側の発電ブロックが放
電を続けるものである。両端の発電ブロックの保温時間
が短くてもよいので断熱体を減らすこともでき、熱電池
の小型化の可能である。

従来、発電ブロックのセル構成は端部も内部も同じもの
が用いられていた。そのため、並列構成の発電ブロック
は同じ割合で放電が進行し、両端の発電ブロックは温度
低下により活物質が残っているにもかかわらず放電可能
となった。また、内側の発電ブロックも同じ割合で放電
しているために、放電可能な温度状態にあるにもかかわ
らず、放電が早期に終了した。

実施例 以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。

第１図は複数の発電ブロックを電気的に並列に接続した
構成の熱電池の断面図である。１、２、３、４は複数個
のセルと発熱剤とを交互に積層した発電ブロックで、
１、４は両端の発電ブロック、２、３は内側の発電ブロ
ックである。両端の発電ブロックの内部抵抗は内側の発
電ブロックの内部抵抗より低く、各発電ブロックは互い
に電気的に並列に接続されている。５は正極側の接続リ
ード線、６は負極側の接続リード線である。配線を簡略
化するために、各発電ブロックは同極が対向するように
配置されている。７は発電ブロックの中心軸に設けた導
火薬で点火玉８の点火エネルギーを発電ブロック内の発
熱剤に伝えるものである。９は点火用の端子で、外部電
源より点火電流を流すことにより、点火型８を発火させ
ることができる。10、11は、電流を取り出すための正極
端子および負極端子である。12は熱電池の容器であり、
その内部には熱電池を保温するための断熱体13が充填さ
れている。

第２図は発電ブロックに使用したセルと発熱剤の組合せ
を示した図である。14はセルで、正極活物質層15、電解
質層16、負極活物質層17の３層で構成されている。18は
発熱剤、19はセルと発熱剤を分離する金属板である。

発電ブロックの内部抵抗は、このセル構成と発熱剤の組
合せを変更することにより変化させることができる。セ
ルの内部抵抗は電解質組成や活物質組成の変更により変
化するが、最も簡単な方法は電解質層16の厚さを変化さ
せることである。両端の発電ブロックに使用するセルの
電解質層の厚さを内側の発電ブロックより薄くすること
により、両端の発電ブロックの内部抵抗を下げることが
できる。

また、セルと発熱剤を分離する金属板19の厚さや材質を
変化させてもよい。たとえば、500℃におけるステンレ
ス鋼の電気抵抗率は1.03×10^-4Ω・cmと大きいが、モリ
ブデンは1.7×10^-5Ω・cmと低く、両端の発電ブロック
にモリブデン製の金属板を使用し、内側の発電ブロック
にステンレス鋼製の金属板を使用することにより、両端
の発電ブロックの内部抵抗を内側の発電ブロックより下
げることができる。

発熱剤18の使用量を変えてもよい。セルの内部抵抗は作
動温度が高いほど低くなる。両端の発電ブロックに使用
する発熱剤の量を、内側の発電ブロックより多くするこ
とにより、両端の発電ブロックの内部抵抗を下げること
ができる。

本発明の実施例として、直列に接続された５組の円板状
セルと発熱剤から構成される発電ブロックを同一容器内
に４組積層した熱電池について説明する。

正極に二硫化鉄を、負極にリチウム−アルミニウム合金
を使用し、電解質層としてLiCl−KCl共晶塩とMgOの混合
物を使用して直径50mmのセルを構成した。このセルの活
物質放電容量は150A・秒である。内側の発電ブロックに
使用したセルの電解質屋の厚さは0.5mmとし、両端の発
電ブロックのセルの電解質層の厚さは0.4mmとした。発
熱剤はすべて同じものを使用した。各発電ブロックは同
一容器内に直列に積層するが、電気的には並列に接続さ
れている。実施例熱電池の形状は、外径58mm、高さ65m
m、公称電圧は8.0Vで容量は600A・秒である。

比較例として、全ての発電ブロックに電解質層の厚さ0.
4mmのセルを使用した従来構成の熱電池を作製した。環
境温度−45℃において、40Aの電流で端子電圧6.8Vまで
放電したところ、本発明電池の放電時間は150秒、比較
例電池の放電時間は140秒であった。このような放電時
間の差は、比較例電池の両端の発電ブロックの活物質利
用率が低いためによる。

本発明実施電池の作用を確認するために、端の発電ブロ
ックと内側の発電ブロックからリード端子を取り出し、
放電電流の割合を測定した。第３図は各発電ブロックか
らの放電電流の変化であり、端の発電ブロック１の電流
ａは、放電初期に多く流れ、内側の発電ブロック２の電
流ｂは放電末期に多く流れており、各ブロックとも高い
利用率で放電していた。

発明の効果 以上述べたように、本発明電池は断熱体の量を増加する
ことなく、高容量化に必要な並列構成の熱電池の長寿命
化が可能なものであり、作動温度の低下により放電が制
限されるような長時間放電タイプの熱電池において、よ
り優れた効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は複数の発電ブロックを電気的に並列に接続した
構成の熱電池の断面図である。第２図は発電ブロックに
使用したセルと発熱剤の組合せを示した図、第３図は本
発明実施例電池の各発電ブロック毎の放電電流の変化で
ある。 １、４……両端の発電ブロック ２、３……内側の発電ブロック 10……正極端子 11……負極端子 14……セル 18……発熱剤 19……金属板 ａ……端の発電ブロック１の放電電流 ｂ……内側の発電ブロック２の放電電流

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各々電気的に並列に接続された３組以上の
   発電ブロックからなり、これらの発電ブロックを同一容
   器内に積層した熱電池において、両端の発電ブロックの
   内部抵抗は、内側の発電ブロックの内部抵抗より低いこ
   とを特徴とする熱電池。