JP7425819B2 - 蓄熱材 - Google Patents

Description

本発明は、潜熱を蓄える蓄熱材に関する。

近年は、二酸化炭素の排出を低減して地球環境上の悪影響を低減する等の観点から、ＥＶやＨＥＶ等の電動車両の普及が進んでいる。電動車両等には、リチウムイオン電池等のバッテリが搭載される。

特許第３４４２１５５号公報

通常、バッテリは、温度が高過ぎると、放電や劣化が進んでしまう。他方、温度が低過ぎると、充分な電圧を出力することができない。そのため、バッテリについては、温度制御が重要となる。

本発明者らは、蓄熱材を用いて、バッテリの温度を制御することを考えた。具体的には、例えばバッテリの高温時には、バッテリの熱によって蓄熱材を溶融させることによって、蓄熱材に潜熱を蓄えると共にその際の吸熱によってバッテリの温度上昇を抑制する。

バッテリの劣化抑制の観点からは、バッテリを６０℃以下に温度制御することが求められることが多い。蓄熱材としては、蓄熱密度が大きいことから、酢酸ナトリウム３水和物が有望だが、融点が５８℃と高く、６０℃の寸前でしか温度抑制効果を発揮できない。そのため、融点を下げる融点調整材を添加する必要がある。しかしながら、このように酢酸ナトリウム３水和物に別材料を添加すると、融点は下がっても融解温度域としての融解ピークが広がってしまうことによって、融解ピークが６０℃以下に収まらないおそれがある。また、このように酢酸ナトリウム３水和物に別材料を添加すると、酢酸ナトリウム３水和物の蓄熱密度が低下してしまうおそれもある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、酢酸ナトリウム３水和物を主成分とする蓄熱材において、蓄熱密度を充分確保しつつ、融点を充分降下させ且つ融解ピークを充分幅狭にすることを、目的とする。

本発明者らは、酢酸ナトリウム３水和物を主成分とする蓄熱材において、硝酸カリウム、塩化カリウム又は硝酸ナトリウムを１０重量％以上含有させれば、蓄熱容量を充分確保しつつ、融点を充分降下させ且つ融解ピークを充分幅狭にできることを見出して、本発明に至った。本発明は、以下の（１）～（４）の構成の蓄熱材である。

（１）主成分としての酢酸ナトリウム３水和物と、
硝酸カリウムと塩化カリウムと硝酸ナトリウムとのうちのいずれか１つとしての融点調整材と、
を含有し、前記融点調整材の含有率が１０重量％以上である蓄熱材。

本発明者らは、酢酸ナトリウム３水和物に、硝酸カリウム、塩化カリウム又は硝酸ナトリウムを添加すると、蓄熱容量を充分確保しつつも、融点を充分降下させることができることを確認した。しかも、融点調整材の含有率を１０重量％以上にすると、融解温度域としての融解ピークが充分幅狭になることを確認した。よって、本構成によれば、蓄熱密度を充分確保しつつ、融点を充分降下させ且つ融解ピークを充分幅狭にすることができる。

（２）前記融点調整材は、硝酸カリウムである、前記（１）に記載の蓄熱材。

本発明者らは、硝酸カリウムと塩化カリウムと硝酸ナトリウムとの中でも、硝酸カリウムを融点調整材として採用した場合に、最も融点が低くなることを確認した。そのため、本構成によれば、より効率的に融点を低く設定できる。

（３）前記硝酸カリウムの含有率は２０重量％以上である、前記（２）に記載の蓄熱材。

本発明者らは、硝酸カリウムの含有率を２０重量％以上にすると、硝酸カリウムの含有率が１０％以上かつ２０％未満の場合に比べて、融解ピークが幅狭になることを確認した。よって、本構成によれば、融解ピークをより幅狭にすることができる。

（４）前記蓄熱材は、バッテリの熱を吸収して溶融することによって、潜熱を蓄えると共に前記バッテリの温度上昇を抑制するバッテリ昇温抑制材である、前記（１）～（３）のいずれか１つに記載の蓄熱材。

前述の通り、バッテリについては、６０℃よりも低温に温度制御されることが求められることが多い。その点、本構成で引用する前記（１）の構成によれば、前述の通り、融点を充分降下させ且つ融解ピークを充分幅狭にすることができるので、融解ピークを６０℃以下に収め易くなって、バッテリを６０℃よりも低温に温度制御し易くなる。そのため、前記（１）の構成をより有効に活用できる。

（５）前記バッテリは、液体電解質を有するリチウムイオン電池である、前記（４）に記載の蓄熱材。

バッテリの中でも特に、液体電解質を有するリチウムイオン電池は、６０℃よりも低温に温度制御されることが求められることが多い。そのため、前記（１）の構成をさらに有効に活用できる。

以上、前記（１）の発明によれば、蓄熱密度を充分確保しつつ、融点を充分降下させ且つ融解ピークを充分幅狭にすることができる。さらに、前記（１）を引用する前記（２）～（５）の構成によれば、それぞれの追加の効果が得られる。

本実施形態の蓄熱材およびその周辺を示す構成図である。 融点調整材が異なる蓄熱材ごとに、特性を示すグラフである。 硝酸カリウムの添加量ごとに、温度と熱流との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施できる。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態の蓄熱材２０を示す概略図である。蓄熱材２０は、ＥＶ、ＨＥＶ等の電動車両１００に搭載されている。電動車両１００には、当該電動車両１００を走行させるモータ等の駆動装置４０と、駆動装置４０に電力を供給するバッテリ３０とが搭載されている。バッテリ３０は、液体電解質を有するリチウムイオン電池である。そのことから、バッテリ３０は、６０℃以下の温度制御が求められる。

蓄熱材２０は、バッテリ３０に対して設置されており、バッテリ３０との熱交換によって、バッテリ３０の温度上昇を抑制する。蓄熱材２０は、主成分２１としての酢酸ナトリウム３水和物と、融点調整材２５としての硝酸カリウムと、過冷却防止材２６としてのリン酸水素二ナトリウムと、を含有している。

酢酸ナトリウム３水和物は、バッテリ３０の熱を吸収して溶融することよって、潜熱を蓄えると共にバッテリ３０の温度上昇を抑制する。また、酢酸ナトリウム３水和物は、低温時に凝固することによって潜熱を放出する。硝酸カリウムは、酢酸ナトリウム３水和物を主成分とする蓄熱材２０の融点を降下させる。炭酸ナトリウムは、蓄熱材２０の低温時に蓄熱材２０における凝固の核となることによって、凝固を促して液体のままでの蓄熱材２０の過冷却を防止する。

蓄熱材２０において、硝酸カリウムの含有率は１０重量％以上、より好ましくは２０重量％以上であり、リン酸水素二ナトリウムの含有率は１％程度であり、残りは酢酸ナトリウム３水和物である。

次に、図２を参照しつつ、融点調整材２５として硝酸カリウムを採用する理由について説明する。

図２は、酢酸ナトリウム３水和物を主成分とする蓄熱材において、融点調整材を硝酸カリウムおよびそれ以外の各物質にした場合の試験結果を示すグラフである。以下、蓄熱材の単位重量当たりの潜熱量を、「蓄熱密度」という。また、単位重量あたりの蓄熱材の温度上昇もしくは温度下降または相変態に伴う、単位時間あたりの熱量の吸放出量を「熱流」という。また、後述する図３に示すように、蓄熱材の融解温度域において生じる凸型の熱流増加挙動を「融解ピーク」という。また、蓄熱材の融解反応が完了し、融解ピーク発生以前の挙動に戻った際の温度を「融解ピーク終了温度」という。融解ピーク終了温度は、具体的には、融解ピーク後半の熱流減少挙動の外挿線と融解ピーク前後の２点間を結んだ線との交点の温度である。

図２のグラフは、融点調整材が異なる蓄熱材ごとに、融解ピーク終了温度と蓄熱密度とを示している。下記の表１は、この図２のグラフの元データを示している。

図２のグラフからは、蓄熱材の融点調整材を硝酸カリウムにすれば、融点調整材を他の物質にする場合に比べて、蓄熱密度が大きくなり、かつ、融解ピーク終了温度がターゲット温度域に収まることが分かる。なお、ここでの「ターゲット温度」は、５５℃以下である。よって、蓄熱密度および融解ピークの観点、つまり、蓄熱密度を充分確保しつつ、融点を充分降下させる観点からは、融点調整材として硝酸カリウムが最も有望であることが伺える。そのことから、本実施形態では、前述の通り、融点調整材として硝酸カリウムを採用している。

次に、図３を参照しつつ、硝酸カリウムの含有率を１０重量％以上、より好ましくは２０％以上にする理由について、説明する。

図３は、酢酸ナトリウム３水和物を主成分とする蓄熱材において、融点調整材を硝酸カリウムとした場合において、硝酸カリウムの含有率ごとに、温度と熱流との関係を示すグラフである。つまり、図３の「１％」「３％」「５％」「１０％」「１５％」「２０％」の各値は、硝酸カリウムの含有率を示している。

下記の表２は、この図３の各場合の詳細を示している。すなわち、例えば図３に示す「１％」の曲線は、表２の最上段の場合、つまり、酢酸ナトリウム３水溶液が「９８」重量％、硝酸カリウムが「１」重量％、リン酸水素２ナトリウムが「１」重量％の場合を示している。また、例えば図３に示す「３％」の曲線は、表２の上から２段目の場合、つまり、酢酸ナトリウム３水溶液が「９６」重量％、硝酸カリウムが「３」重量％、リン酸水素２ナトリウムが「１」重量％の場合を示している。

図３のグラフにおける熱流が上方に突出している部分は融解ピークを示しており、「Ｐ１」「Ｐ３」「Ｐ５」「Ｐ１０」「Ｐ１５」「Ｐ２０」は、それぞれ、硝酸カリウムの含有率が１％，３％，５％，１０％，１５％，２０％の場合の融解ピークの頂点を示している。このグラフからは、硝酸カリウムの含有率が１％，３％，５％の場合に比べて、硝酸カリウムの含有率が１０％，１５％，２０％の場合の方が、融解ピークが顕著に幅狭になっていることが分かる。そのことから、硝酸カリウムの含有率が１０％以上であれば、融点の融解ピークに幅狭になることが伺える。

具体的には、１％，３％，５％の曲線、つまり硝酸カリウムの含有率が５％以下の場合では、６０℃以上まで融解ピークが広がっていることが分かる。他方、１０％，１５％，２０％の曲線、つまり硝酸カリウムの含有率が１０％以上の場合では、融解ピークが６０℃以下に収まっていることが分かる。そのことから、硝酸カリウムの含有率が１０重量％以上であれば、融解ピークが６０℃以下に収まることが伺える。さらに、１０％，１５％，２０％の中でも、２０％の場合に特に顕著に融解ピークが幅狭になっている。

以上のことから、本実施形態では、前述の通り、硝酸カリウムの含有率を１０重量％以上、より好ましくは２０重量％以上としている。なお、硝酸カリウムの含有率の上限については、特に限定されないが、例えば、硝酸カリウムの過剰によって蓄熱材２０の蓄熱密度が低下してしまわないように、当該硝酸カリウムの含有率は、４０重量％以下であることが好ましく、３０重量％以下であることがより好ましい。

以下に本実施形態の構成および効果をまとめる。

図２等に示す通り、酢酸ナトリウム３水和物を主成分とする蓄熱材において、融点調整材を硝酸カリウムにすると、蓄熱材の蓄熱密度を充分保ちつつも、融点を充分降下させることができる。しかも、図３等に示す通り、硝酸カリウムの含有率を１０重量％以上にすると、融解温度域としての融解ピークが充分幅狭になる。その点、本実施形態では、融点調整材が硝酸カリウムであり、その含有率が１０重量％以上であるため、蓄熱密度を充分確保しつつ、融点を充分降下させ且つ融解ピークを充分幅狭にすることができる。それによって、融解ピークを６０℃以下に収めることができる。

図３等に示す通り、硝酸カリウムの含有率を２０重量％以上にすると、１０％や１５％の場合に比べて、融解ピークがより幅狭になる。その点、本実施形態では、硝酸カリウムの含有率は、より好ましくは２０重量％以上である。そのため、当該２０重量％以上にすることによって、融解ピークをより幅狭にすることができる。

バッテリ３０については、低温に温度制御されることが求められることが多い。特に、本実施形態のようにバッテリ３０が、液体電解質を有するリチウムイオン電池である場合には、６０℃よりも低温に温度制御されることが求められることが多い。その点、本実施形態では、前述の通り、バッテリ３０を冷却する蓄熱材２０の融解ピークが６０℃以下に収まっている。そのため、バッテリ３０を６０℃よりも低温に温度制御し易い。

［変更形態］
以上の実施形態は、例えば次のように変更して実施できる。融点調整材２５を、塩化カリウム又は硝酸ナトリウムに変更してもよい。図２に示すように、塩化カリウムおよび硝酸ナトリウムについても、硝酸カリウム程ではないにしろ、蓄熱材の蓄熱密度を確保しつつ、融点を降下させることができるからである。

バッテリ３０および蓄熱材２０が、例えば船舶、ドローン等の、電動車両１００以外の移動体に搭載されていてもよいし、固定物に搭載されていてもよい。また、蓄熱材２０が、例えば発熱量の大きい各種回路等の、バッテリ３０以外のものに対して設置されていてもよい。

２０ 蓄熱材
２１ 主成分としての酢酸ナトリウム３水和物
２５ 融点調整材としての硝酸カリウム
３０ バッテリ

Claims (5)

1. 主成分としての酢酸ナトリウム３水和物と、
   硝酸カリウムと塩化カリウムと硝酸ナトリウムとのうちのいずれか１つとしての融点調整材と、
   を含有し、前記融点調整材の含有率が１０重量％以上である蓄熱材。
2. 前記融点調整材は、硝酸カリウムである、請求項１に記載の蓄熱材。
3. 前記硝酸カリウムの含有率が２０重量％以上である、請求項２に記載の蓄熱材。
4. 前記蓄熱材は、バッテリの熱を吸収して溶融することによって、潜熱を蓄えると共に前記バッテリの温度上昇を抑制するバッテリ昇温抑制材である、請求項１～３のいずれか１つに記載の蓄熱材。
5. 前記バッテリは、液体電解質を有するリチウムイオン電池である、請求項４に記載の蓄熱材。

Images