JPH0782860B2 - 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、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積層セル数は内側の発電ブロック
の積層セル数より多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。

本発明電池においては両端の発電ブロックの積層セル数
が多いために、放電電圧が高く、内側の発電ブロックよ
り優先的に放電され、先に放電が終了する。内側の発電
ブロックの放電割合は初期には少ないが、両端の発電ブ
ロックの放電能力が低下し、端子電圧が低下するにつれ
て放電電流の割合が増加してくる。両端の発電ブロック
の温度が作動温度以下になるまでに両端の発電ブロック
の放電を終了し、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
小型化も可能である。

従来、発電ブロックのセル数は端も中央部も同じものが
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不能と
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。

一般の電池系においては、積層セル数の異なる、すなわ
ち電圧の異なる積層セルを並列に接続するということは
考えられないことである。しかしながら熱電池において
は、溶融塩を電解質に用いているために、活性化前の電
導性はほとんどなく、保存中に自己放電が起こることは
ない。また活性化時も負荷を端子に接続した状態で活性
化されるために、活性化時は常に外部にたいして放電状
態にあり、内部の発電ブロック間での放電と充電による
自己放電は起こりにくい状態にある。すなわち、内側の
発電ブロックの開路電圧が両端の発電ブロックの放電電
圧以上であれば全く問題はない。しかし、積層セル数が
少ない場合や放電電流が少ない場合は、放電の初期にお
いて、内側の発電ブロックが両端の発電ブロックの電流
によって一時的に充電されることがある。したがって、
この場合はリチウム合金のような充電可能な電極の使用
が好ましい。

一般に内側の発電ブロックのセル数７セル以上につい
て、両端の発電ブロックのセル数を１セル増加させるの
が好ましい。しかし、二硫化鉄／リチウム合金系のよう
な充電可能な電極系を使用した場合は５セルについて１
セル増加させても問題は生じなかった。

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セル数は内側の発電
ブロックのセル数より多く用いられ、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。両端の発電ブロックは
６セルの直列構成であり、内側の発電ブロックは５セル
の直列構成である。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
池の形状は、外形58mm、高さ70mm、公称電圧は、8.8Vで
容量は600A・秒である。

比較例として、実施例と同じセルを使用し、全ての発電
ブロックを５セル直列とした従来構成の熱電池Ａと、全
ての発電ブロックを６セル直列とした従来構成の熱電池
Ｂを作製した。比較例熱電池Ａの形状は、外形58mm、高
さ65mm、公称電圧は8.0Vで容量は600A・秒である。比較
例電池Ｂの形状は、外径58mm、高さ75mm、公称電圧は9.
6Vで、容量は同じく600A・秒である。使用したセル数の
違いにより公称電圧と高さが異なっている。

環境温度−45℃において、公称電圧の85％の電圧まで40
Aの電流で放電したところ、本発明電池の放電時間は155
秒、比較例電池Ａの放電時間は139秒、比較例電池Ｂの
放電時間は141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
温度低下により設計値の85％前後しかないのに対し、実
施例電池は100％放電したことによる。容積効率で比較
すると本発明電池は82wh/lとなり、比較例電池Ａは72wh
/l、比較例電池Ｂは76wh/lであり、本発明電池が最も高
い値を示した。

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。発電ブロック内の積層セル
数や、発電ブロックの並列数は必要とされる熱電池の電
圧と放電容量によって適宜変更可能である。従来熱電池
の放電電圧は発電ブロックの直列セル数に比例したのに
対し、本発明熱電池の放電電圧は各発電ブロック内の直
列セル数の加重平均に比例する。従来熱電池の放電電圧
が素電池の電圧の整数倍で、等差数列であったのに対
し、本発明においては発電ブロックの並列数の変更によ
り、整数倍の中間の電圧も設計可能である。

【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、両端の発電ブロックの
   積層セル数は内側の発電ブロックの積層セル数より多い
   ことを特徴とする熱電池。