JPH0782859B2 - 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。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、ガリウム、ゲルマニウム等との合金とした
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LiCl−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成形
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
つれ中心部が高く、周囲が低いという温度分布を生じて
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、該発電ブ
ロックを同一容器内に積層した熱電池において、内側の
発電ブロックの活物質放電容量を両端の発電ブロックの
活物質放電容量より多くしたことを特徴とするものであ
る。

作用 本発明は、活性化後、長時間経過した熱電池内部の温度
分布に着目したものである。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後も、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、内側
の発電ブロックの放電容量を両端の発電ブロックの放電
容量より多くすることにより、断熱体を増加することな
く長時間の放電が可能となった。すなわち、温度低下の
大きな両端の発電ブロックのセルの活物質量を減らし、
温度低下の少ない内側の発電ブロックのセルの活物質量
を増やすことにより、両端の発電ブロックの放電が終了
した後も内側の発電ブロックで放電を続けるもので、長
時間の放電が可能となった。

従来、発電ブロックのセルは端も中央部も同じものが用
いられていた。このため、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不能と
なり、内側の発電ブロックは放電可能な温度状態にある
にもかかわらず、活物質の不足により放電が終了した。

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。内側の発電ブロックは必要とされる容量に
応じて１個以上が用いられ、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、点火玉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。

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。本発明熱電池
には２種類のセルと発熱剤を使用する。両端の発電ブロ
ック用のセルの活物質放電容量は130A・秒であり、内側
の発電ブロック用のセルの活物質放電容量は170A・秒で
ある。発熱剤の量は使用するセルの熱容量に合わせて調
整される。この様なセルと発熱剤の５組を直列に積層し
た発電ブロックを４個作製した。各発電ブロックは同一
容器内に積層するが、電気的には並列に接続されてい
る。実施例熱電池の公称電圧は8V、容量は600A・秒であ
る。

比較例として、活物質放電容量150A・秒のセルを全ての
発電ブロックに使用した従来構成の熱電池を作製した。
実施例電池と比較例電池は、発電ブロック内の活物質量
の配分が異なるだけで、活物質の使用量、断熱体の使用
量、公称電圧、設計容量、電池形状、電池重量等は同じ
である。

環境温度−45℃において、40Aの電流で放電したとこ
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。本発明実施電池は活物質放電容
量の100％の放電ができたのに対し、従来電池は93％し
か放電できなかったた。

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、並列構成の熱電池の高容量化や長寿命化が可
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

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、内側の発電ブロックの
   活物質放電容量は両端の発電ブロックの活物質放電容量
   より多いことを特徴とする熱電池。