(57)【要約】【課題】車載その他内燃機関と併用されるバッテリ装置に溶融塩電池を使用した場合に、全体としてのエネルギー効率を高める。【解決手段】例えばハイブリッド車において走行用の電動機を駆動するためのバッテリ装置のように、内燃機関と併用されるバッテリ装置１００において、溶融塩を電解液とし、電池容器を備える溶融塩電池Ｂと、内燃機関６０の冷却水の循環経路に挿入され、溶融塩電池Ｂに対して、冷却水との熱交換が可能な熱交換部３０とを備えたものである。熱交換部３０は、例えば、溶融塩電池Ｂの組電池を収容する容器２０の一部として、内壁部２１及び多数のフィン２２によって構成することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と併用されるバッテリ装置であって、
溶融塩を電解液とし、電池容器を備える一又は複数の溶融塩電池と、
前記内燃機関の冷却水の循環経路に挿入され、前記溶融塩電池に対して、前記冷却水との熱交換が可能な熱交換部と
を備えていることを特徴とするバッテリ装置。
【請求項２】
前記熱交換部は、一又は複数の前記電池容器を収容する容器の一部として形成されている請求項１記載のバッテリ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のバッテリ装置と、内燃機関を水冷する冷却装置とを含むバッテリ加熱システムであって、
前記熱交換部は、前記冷却装置内のラジエータと並列の経路を構成しているバッテリ加熱システム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のバッテリ装置と、内燃機関を水冷する冷却装置とを含むバッテリ加熱システムであって、
前記熱交換部は、前記冷却装置内のラジエータと直列に、かつ、当該ラジエータの上流に設けられているバッテリ加熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融塩電池を用いたバッテリ装置及びその加熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のエンジンと電動機とを併用するハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。ハイブリッド車における電動機駆動用のバッテリとしては、主として、ニッケル水素電池が使用されている。また、近年、溶融塩を電解液とする溶融塩電池が開発され、注目されている（特許文献１及び非特許文献１参照。）。
【０００３】
溶融塩電池は、不燃性材料で構成されており、稼働温度領域は５７℃〜１９０℃と広い。そのため、排熱スペースや防火等の装備が不要であり、個々の素電池を高密度に集めて組電池を構成しても全体としては比較的コンパクトである、という利点がある。そこで、このような溶融塩組電池は、ニッケル水素電池に代わって、ハイブリッド車の車載用のバッテリとして期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６７６４４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「ＳＥＩ  ＷＯＲＬＤ」２０１１年３月号（ＶＯＬ．４０２）、住友電気工業株式会社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、溶融塩電池の電解質を溶融させるには５７℃以上の温度が必要であり、より安定して動作させるためには、８０℃以上が望ましい。このような温度を得るための電気ヒータに対して、他のバッテリ（例えば鉛蓄電池）から電力を供給すると、その分、車両全体としてのエネルギー効率が低下する。
かかる課題に鑑み、本発明は、車載その他内燃機関と併用されるバッテリ装置に溶融塩電池を使用した場合に、全体としてのエネルギー効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、内燃機関と併用されるバッテリ装置であって、溶融塩を電解液とし、電池容器を備える一又は複数の溶融塩電池と、前記内燃機関の冷却水の循環経路に挿入され、前記溶融塩電池に対して、前記冷却水との熱交換が可能な熱交換部とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
上記のように構成されたバッテリ装置では、内燃機関の始動によって冷却水は高温（例えば８０℃以上）になり、熱交換によって、溶融塩電池は加熱される。従って、溶融塩電池は安定して動作することができる。このようにして、内燃機関の排熱を利用して溶融塩電池を稼働させることができるので、内燃機関と併用されるバッテリ装置に溶融塩電池を使用した場合に、必要な加熱のためのエネルギーを節約して、全体としてのエネルギー効率を高めることができる。
【０００９】
（２）また、上記（１）のバッテリ装置において、熱交換部は、一又は複数の電池容器を収容する容器の一部として形成されていてもよい。
この場合、電池容器を収容する容器（外容器）が熱交換部を兼ねるので構造的に無駄が無く、高温水から効率よく熱交換部に熱伝導させ、溶融塩電池を加熱することができる。
【００１０】
（３）また、本発明は、上記（１）又は（２）のバッテリ装置と、内燃機関を水冷する冷却装置とを含むバッテリ加熱システムであって、熱交換部は、冷却装置内のラジエータと並列の経路を構成しているものであってもよい。
この場合、既存の冷却装置内の経路に与える影響を少なく抑えつつ、付加的な並列の経路を容易に設けることができる。
【００１１】
（４）また、本発明は、上記（１）又は（２）のバッテリ装置と、内燃機関を水冷する冷却装置とを含むバッテリ加熱システムであって、熱交換部は、冷却装置内のラジエータと直列に、かつ、当該ラジエータの上流に設けられているものであってもよい。
この場合、高温水が、熱交換部とラジエータとの２段階で放熱させられるので、水温を効率よく低下させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のバッテリ装置及びバッテリ加熱システムによれば、内燃機関と併用されるバッテリ装置に溶融塩電池を使用した場合に、必要な加熱のためのエネルギーを節約して、全体としてのエネルギー効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。
【図２】溶融塩電池本体（電池としての本体部分）の積層構造を簡略に示す斜視図である。
【図３】図２と同様の構造についての横断面図である。
【図４】電池容器に収容された状態の溶融塩電池の外観の概略を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は、溶融塩電池を容器内で複数個並べてバッテリ装置とした状態を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるｂ−ｂ線断面に相当する図である。
【図６】車載用のバッテリ加熱システムとしての接続図の一例である。
【図７】図６の接続図に水の流れを書き込んだ図である。
【図８】車載用のバッテリ加熱システムとしての接続図の他の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係る、溶融塩電池を含むバッテリ装置について、図面を参照して説明する。
《溶融塩電池の基本構造》
まず、溶融塩電池の基本構造から説明する。
図１は、溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。図において、発電要素は、正極１、負極２及びそれらの間に介在するセパレータ３を備えている。正極１は、正極集電体１ａと、正極材１ｂとによって構成されている。負極２は、負極集電体２ａと、負極材２ｂとによって構成されている。
【００１５】
正極集電体１ａの素材は、例えば、アルミニウム不織布（線径１００μｍ、気孔率８０％）である。正極材１ｂは、正極活物質としての例えばＮａＣｒＯ２と、アセチレンブラックと、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）と、Ｎ−メチル−２−ピロリドンとを、質量比８５：１０：５：１００の割合で混練したものである。そして、このように混練したものを、アルミニウム不織布の正極集電体１ａに充填し、乾燥後に、１００ＭＰａにてプレスし、正極１の厚みが約１ｍｍとなるように形成される。
一方、負極２においては、例えば、アルミニウム製の負極集電体２ａ上に、負極活物質としての錫層が、メッキにより形成される。
【００１６】
正極１及び負極２の間に介在するセパレータ３は、ガラスの不織布（厚さ２００μｍ）あるいはポリオレフィンシート（厚さ５０μｍ）に、電解質としての溶融塩を含浸させたものである。この溶融塩は、例えば、ＮａＦＳＡ（ナトリウム  ビスフルオロスルフォニルアミド）５６ｍｏｌ％と、ＫＦＳＡ（カリウム  ビスフルオロスルフォニルアミド）４４ｍｏｌ％との混合物であり、融点は５７℃である。融点以上の温度では、溶融塩は溶融し、高濃度のイオンが溶解した電解液となって、正極１及び負極２に触れている。また、この溶融塩は不燃性である。この溶融塩電池の稼働温度領域は５７℃〜１９０℃であるが、前述のように、８０℃以上が望ましい。
【００１７】
なお、上述した各部の材質・成分や数値は好適な一例であるが、これらに限定されるものではない。
例えば、溶融塩としては、上記の他、ＮａＦＳＡと、ＬｉＦＳＡ、ＫＦＳＡ及びＣｓＦＳＡとの混合物も好適である。また、他の塩を混合する場合もあり（有機カチオン等）、一般には、溶融塩は、（ａ）ＮａＦＳＡを含む混合物、（ｂ）ＮａＴＦＳＡ（ナトリウム  ビストリフルオロメチルスルフォニルアミド）を含む混合物、（ｃ）ＮａＦＴＡ（ナトリウム  フルオロスルフォニル−トリフルオロメチルスルフォニルアミド）を含む混合物、が適する。これらの場合、各混合物の溶融塩は、比較的低融点となるので、少ない加熱で溶融塩電池を作動させることができる。
【００１８】
次に、より具体的な溶融塩電池の発電要素の構成について説明する。図２は、溶融塩電池本体（電池としての本体部分）１０の積層構造を簡略に示す斜視図、図３は同様の構造についての横断面図である。
図２及び図３において、複数（図示しているのは６個）の矩形平板状の負極２と、袋状のセパレータ３に各々収容された複数（図示しているのは５個）の矩形平板状の正極１とが、互いに対向して図３における上下方向すなわち積層方向に重ね合わせられ、積層構造を成している。
【００１９】
セパレータ３は、隣り合う正極１と負極２との間に介在しており、言い換えれば、セパレータ３を介して、正極１及び負極２が交互に積層されていることになる。実際に積層する数は、例えば、正極１が２０個、負極２が２１個、セパレータ３は「袋」としては２０袋であるが、正極１・負極２間に介在する個数としては４０個である。なお、セパレータ３は、袋状に限定されず、分離した４０個であってもよい。
【００２０】
なお、図３では、セパレータ３と負極２とが互いに離れているように描いているが、溶融塩電池の完成時には互いに密着する。正極１も、当然に、セパレータ３に密着している。また、正極１の縦方向及び横方向それぞれの寸法は、デンドライトの発生を防止するために、負極２の縦方向及び横方向の寸法より小さくしてあり、正極１の外縁が、セパレータ３を介して負極２の周縁部に対向するようになっている。
【００２１】
上記のように構成された溶融塩電池本体１０は、例えばアルミニウム合金製で直方体状の電池容器に収容され、素電池すなわち、電池としての物理的な一個体を成す。
図４は、このような電池容器１１に収容された状態の溶融塩電池Ｂの外観の概略を示す斜視図である。なお、図２，図３における正極１及び負極２のそれぞれからは、端子１ｐ及び１ｎが電池容器１１の外部へ、電池容器１１との絶縁を保って引き出される。また、電池容器１１の上部には、内部の気圧が過度に上昇したときに放圧するための安全弁１２が設けられている。なお、電池容器１１の内面には絶縁処理が施されており、電池容器１１は、内部の電解質と電気的に絶縁されている。
【００２２】
上記のような溶融塩電池Ｂは、通常、用途に応じて必要な電圧や電流容量を得るべく、複数個が集まって互いに直列又は直並列に接続され、組電池を構成した状態で使用される。但し、基本的には、１個での使用も可能である。
【００２３】
《バッテリ装置》
図５の（ａ）は、溶融塩電池Ｂを容器（外容器）２０内で複数個（図示する数は単なる一例）並べて組電池としたバッテリ装置１００を示す断面図である。このバッテリ装置１００は、水冷の冷却装置を有する内燃機関と併用されるものである。
図において、図４に示した溶融塩電池Ｂが、複数個並んで、蓋付きの容器２０に収容されている。なお、「蓋付き」というのは保温効果を考慮した形態の一例であるが、「蓋無し」でもよい。また、蓋付きの場合でも、密閉ではなく、蓋にガス抜き孔が設けられるが、ここでは細部は省略している。
【００２４】
図５の（ｂ）は、（ａ）におけるｂ−ｂ線断面に相当する図である。この容器２０は、ジャケット構造を成す熱交換部３０を含んでいる。熱交換部３０は、容器２０の内壁部２１と、この内壁部２１と外壁部２３とによって区画される通水空間（水を通す空間）内において内壁部２１の外面４面にわたって多数形成されたフィン２２と、によって構成されている。溶融塩電池Ｂに接する内壁部２１及びフィン２２は、銅やアルミニウム等の熱伝導性に優れた金属製である。容器２０のその他の部分は、例えばアルミニウム合金製である。
【００２５】
容器２０の外壁部２３と、内壁部２１及びフィン２２との間には隙間があり、水の流通が可能である。外壁部２３の一箇所にはパイプ状の給水口２４が形成され、他の箇所にはパイプ状の排水口２５が形成されている。給水口２４から水（高温水）が導入されると、その水と、内壁部２１及びフィン２２との間で熱交換が行われる。内壁部２１及びフィン２２が受け取った熱は、溶融塩電池Ｂに伝導する。熱交換後の水は、排水口２５から排水される。なお、給水口２４及び排水口２５の位置は、一例に過ぎない。
【００２６】
このように構成されたバッテリ装置１００が、電源として、動力源である内燃機関６０と併用される場合、内燃機関６０に付属する冷却装置５０の冷却水を、熱媒体として利用することができる。すなわち、図５の（ｂ）に示すように、冷却装置５０における冷却水の循環経路に、バッテリ装置１００が挿入されるよう、配置する。このように配置されたバッテリ装置１００では、内燃機関６０の始動によって冷却水は高温（例えば８０℃以上）になり、熱交換部３０による冷却水との熱交換によって、溶融塩電池Ｂは加熱される。従って、溶融塩電池Ｂは安定して動作することができる。
【００２７】
このように、内燃機関６０の排熱を利用して溶融塩電池Ｂを稼働させることによって、溶融塩電池Ｂの加熱のためのエネルギーを節約し、全体としてのエネルギー効率を高めることができる。
また、熱交換部３０は容器２０の一部として形成されているので、言い換えれば、容器２０が熱交換部３０を兼ねることになる。これにより、構造的に無駄が無く、高温水から効率よく熱交換部３０に熱伝導させ、溶融塩電池Ｂを加熱することができる。
【００２８】
《車載用のバッテリ装置についての水路の構成》
次に、内燃機関の一例が自動車のエンジンである場合の、冷却水の水路の構成例について説明する。なお、自動車はハイブリッド車であり、バッテリ装置は、主として、走行用の電動機駆動用に用いられる。
【００２９】
図６は、車載用のバッテリ加熱システムＳの一例として、上記のように構成されたバッテリ装置１００における、熱交換部３０を含む容器２０を、エンジン冷却用の水の循環経路に挿入した状態を示す接続図である。図において、ハイブリッド車は、従来の燃料エンジンのみの車と同様に、エンジン（図示せず。）を搭載するため、エンジンを水冷する冷却装置５０を有している。冷却装置５０は、エンジンと一体的に形成された冷却用のウオータジャケット５１と、水を循環させるためのウオータポンプ５２と、水温を感じて開閉する弁機能を有するサーモスタット５３と、空冷の熱交換器であるラジエータ５４とを備え、これらによって水の循環経路が構成されている。また、ラジエータ５４には、並列に容器２０（熱交換部３０）が接続されている。
【００３０】
上記のようなエンジン冷却用の水の循環経路を有する車両において、エンジン始動用のバッテリ（図示せず。）を用いてエンジンを始動させてからしばらくの間（気温により異なる）は、水の温度が低い。この状態では、サーモスタット５３は開弁せず、図７の（ａ）における斜線で示すように、水はウオータポンプ５２と、ウオータジャケット５１との間を循環している。
【００３１】
水温が所定値まで上昇してサーモスタット５３が開弁すると、図７の（ｂ）に示すように、高温水は、サーモスタット５３からラジエータ５４に流れ込むとともに、バッテリ装置１００の容器２０にも流れ込む。従って、熱交換部３０による吸熱により各溶融塩電池Ｂが加熱され、融点を容易に超えて８０℃以上に達する。これによって、各溶融塩電池Ｂは安定して動作可能な状態となり、車両の電動機にバッテリ装置１００から電力を供給することが可能となる。
【００３２】
このようにして、エンジンの排熱を利用して溶融塩電池Ｂを稼働させることができるので、溶融塩電池Ｂを車載用のバッテリとした場合に必要な加熱のためのエネルギーを節約して、車両全体としてのエネルギー効率を高めることができる。
また、図６に示すように、熱交換部３０が、循環経路に設けられているラジエータ５４と並列の経路を構成しているので、既存のエンジン冷却の経路に与える影響を少なく抑えつつ、付加的な並列の経路を容易に設けることができる。
【００３３】
図８は、バッテリ加熱システムＳの接続図の他の例である。
図６との違いは、容器２０が、ラジエータ５４と並列ではなく、直列に、かつ、ラジエータ５４より上流に設けられている点である。その他は、図６と同様である。
【００３４】
図８において、水温が所定値まで上昇してサーモスタット５３が開弁すると、高温水は、サーモスタット５３から、まず容器２０へ流れ込み、熱交換部３０の吸熱により各溶融塩電池Ｂが加熱され、融点を容易に超えて８０℃以上に達する。これによって、各溶融塩電池Ｂは安定して動作可能な状態となり、車両の電動機にバッテリ装置１００から電力を供給することが可能となる。また、熱交換部３０を通過した水は温度が低下し、さらに、ラジエータ５４に流れ込むことにより放熱が行われる。
すなわちこの場合、高温水が、熱交換部３０とラジエータ５４との２段階で放熱させられるので、水温を効率よく低下させることができる。
【００３５】
《その他》
なお、上記実施形態における容器２０や熱交換部３０の構成は一例に過ぎず、種々の変形が可能である。例えば、複数個の溶融塩電池Ｂを互いに密着させて並べた組電池に柔軟性のある銅のパイプを密着して複数回巻き付け、このパイプに高温の冷却水を通すことにより、組電池全体を加熱するようにしてもよい。この場合は、パイプを巻き付けて構成したジャケットが熱交換部となる。また、高温の冷却水を通す銅パイプを蛇行するように設けた平板状のパネルヒータを、組電池に対して側面や底面から押し当てるようにしてもよい。この場合は、パネルヒータが、熱交換部となる。
【００３６】
また、上記実施形態では組電池の容器を加熱する構成を示した。これは、組電池全体を効率よく暖めるのに好適である。但し、基本的には溶融塩電池Ｂを、１個単位で加熱する構成とすることも可能であり、また、組電池全体を小ブロックに分けてブロックごとに加熱する構成も可能である。
【００３７】
なお、図５に示したバッテリ装置１００は、ハイブリッド車への適用が代表的な用途となるが、その他、燃料エンジン及び水冷の冷却装置を有する各種車両（鉄道車両や産業車両も含む。）にも適用可能である。また、車両に限らず、船舶、航空機、発電装置、据え置き型の動力機関、熱機関等も含む各種の内燃機関と、バッテリ装置１００とが併用される場合に、当該内燃機関の冷却水を利用して、溶融塩電池に必要な加熱を行うことができる。
【００３８】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３９】
１１  電池容器
２０  容器
３０  熱交換部
５０  冷却装置
５４  ラジエータ
６０  内燃機関
１００  バッテリ装置
Ｂ  溶融塩電池
Ｓ  バッテリ加熱システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013161598.tif 000009
【図８】
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