JPWO2019012714A1 - 冷却装置、冷却システム及び車両 - Google Patents

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明博 織田
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祐一 利光
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Abstract

内部に発熱体を収納するための収納部と、酸化還元可能な活物質を含む作動流体が流通する流通経路と、前記流通経路内を流通する前記作動流体の流れを調整する送液部と、前記発熱体からの熱を前記流通経路を介して前記作動流体が受け取る受熱部と、前記作動流体を放熱する放熱部と、前記流通経路と接続し、前記作動流体に含まれる前記活物質を反応させるセル部と、を備える冷却装置。

Description

本発明は、冷却装置、冷却システム及び車両に関する。
データセンタ等に設置されるサーバーなどの電子機器は熱を発する。その熱はサーバーの故障の原因となるため、サーバー周辺の温度は50℃以下に抑えることが推奨されている(例えば、非特許文献1参照)。そのため、サーバー周辺の温度を50℃以下、例えば、28℃付近とするために空調を使用しているが、空調の消費電力が大きく、コスト面及び環境面で課題がある。
また、サーバー等の電子機器を収納するコンテナ内部の気温を一定範囲に維持するために、水媒体を用いるコンテナ型データセンタが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、フロー電池は、大規模蓄電装置として有望であり、特にバナジウムイオンを活物物質に用いたフロー電池は実証試験されている。5価のバナジウムイオンは高温、例えば50℃にてVとして析出するため、電解液の温度を管理すること、電解液が50℃を超えないように冷却する装置を備えること等が推奨されている(例えば、特許文献2、特許文献3及び特許文献4参照)。この温度上昇は、電池抵抗によるジュール熱等によって引き起こされる。フロー電池としては、例えば、電解液の流路が放熱部を有し、温度が上昇した電解液を放熱部にて冷却し、流路周辺の空気の温度が上昇する構成がある。これは、オイルヒーター等と同じような原理で、流路の表面積を増やす等の工夫をしている。
また、ガソリン自動車に搭載されるエンジンは、ガソリン燃料の燃焼過程における発熱を冷却するラジエータにより、オーバーヒートが抑制されている。また、電気自動車は高出力のモータ、高容量の電池等が搭載されており、モータを冷却したり、電池、例えばリチウムイオン二次電池の高温での劣化を抑制するために高温にさらされないようにしたりする冷却システムが必要である(例えば、特許文献5及び特許文献6参照)。また、ハイブリッド車及び電気自動車では、直流電流を交流に変換してモータに供給するインバータの冷却が必要になる(例えば、特許文献7参照)。
特開2015−60485号公報 特開2006−313691号公報 特開2013−37776号公報 特開2013−206566号公報 特開2007−253691号公報 特開2013−28323号公報 特開2016−208687号公報
"Failure Trends in a Large Disk Drive Population", Proceedings of the 5th USENIX Conference on File and Storage Technologies (FAST’07), February 2007.
サーバー周辺の温度を調整する際、空調の消費電力を効率的に抑える等によりコストを削減できる冷却装置が求められている。
特許文献1のようにコンテナ内部の冷却に水媒体を用いる場合、水媒体としては、雨水、川水、海水、水道水、下水等を利用することが一般的である。このように外部からの水を利用する場合、ろ過装置が必要になり、また、使用後の水を川、海等に戻す場合、生態系を破壊しないために洗浄装置、温度調節等が必要となり、コスト増加の原因となる。
特許文献2、特許文献3及び特許文献4では、電池の性能維持のために電解液の温度上昇を防ぐための手段が提案されている。しかし、放熱された熱の用途、冷却された電解液を利用して蓄電すること等が提示されているに過ぎない。
また、特許文献5〜7では、車両における発熱体を冷却する場合、水、ポリエチレングリコール等をクーラント冷媒に用いており、クーラント冷媒を循環させるため、ポンプ、冷媒タンク、配管等が必要となる。特に電気自動車では軽量化及び小型化が求められており、冷却装置の軽量化及び小型化を図ることが望ましい。
本発明の一形態は、蓄電機能及び冷却機能を有する冷却装置、並びにそれを備える冷却システムを提供することを目的とする。
また、本発明の他の形態では、蓄電機能及び冷却機能を有し、かつ車両に搭載した際に軽量化及び小型化が可能な冷却装置、並びにそれを備える冷却システム及び車両を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための具体的な手段には、以下の実施態様が含まれる。
<1> 内部に発熱体を収納するための収納部と、酸化還元可能な活物質を含む作動流体が流通する流通経路と、前記流通経路内を流通する前記作動流体の流れを調整する送液部と、前記発熱体からの熱を前記流通経路を介して前記作動流体が受け取る受熱部と、前記作動流体を放熱する放熱部と、前記流通経路と接続し、前記作動流体に含まれる前記活物質を反応させるセル部と、を備える冷却装置。
<2> 発熱体と、酸化還元可能な活物質を含む作動流体が流通する流通経路と、前記流通経路内を流通する前記作動流体の流れを調整する送液部と、前記発熱体からの熱を前記流通経路を介して前記作動流体が受け取る受熱部と、前記作動流体を放熱する放熱部と、前記流通経路と接続し、前記作動流体に含まれる前記活物質を反応させるセル部と、を備える冷却装置。
<3> 前記冷却装置は車両に取り付けられ、前記流通経路内を流通する前記作動流体は、前記車両における前記発熱体の冷却、及び前記セル部での蓄電に用いられる<2>に記載の冷却装置。
<4> 前記受熱部における前記流通経路の熱伝導率は1W/(m・K)以上である<1>〜<3>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<5> 前記流通経路の少なくとも一部は、前記作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料を含む<1>〜<4>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<6> 前記受熱部以外の少なくとも一部において、前記流通経路は、前記作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料を含む<1>〜<5>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<7> 前記作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料は、塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂、ニトリル樹脂、シリコーン樹脂、エチレンプロピレン樹脂、クロロプレン樹脂、アクリル樹脂、ブチルゴム樹脂、ウレタン樹脂、クロロスルホン化ポリエチレン樹脂、エピクロルヒドリンゴム樹脂、天然ゴム樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、及びポリアセタール樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一種である<5>又は<6>に記載の冷却装置。
<8> 前記受熱部において、前記流通経路はニッケル合金、ライニング鋼、ステンレス鋼、チタン、シリコン及びグラッシーカーボンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む<1>〜<7>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<9> 前記流通経路は、内壁面の少なくとも一部に、前記活物質を含む前記作動流体に対して耐食性を有するコーティング層を備える<1>〜<8>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<10> 前記コーティング層は、ガラス、酸化アルミニウム、フッ素樹脂、塩化ビニル樹脂、カーボン、シリコン、シリコーン樹脂、窒化ホウ素、窒化ケイ素、亜鉛、鉛、銅及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む<9>に記載の冷却装置。
<11> 前記流通経路の少なくとも一部の電気抵抗率が12Ω・m〜1043Ω・mである<1>〜<10>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<12> 前記セル部は、正極及び負極を備え、前記正極及び前記負極の少なくとも一方は炭素電極である<1>〜<11>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<13> 前記炭素電極は、カーボンフェルト電極又はカーボンペーパー電極である<12>に記載の冷却装置。
<14> 前記セル部は、前記正極と前記負極との間にセパレータを備える<12>又は<13>に記載の冷却装置。
<15> 前記流通経路内を流通する前記作動流体の流量を調整する調整弁を備える<1>〜<14>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<16> 前記発熱体の温度を検知する温度センサを備える<1>〜<15>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<17> 前記活物質は、V2+、V3+、V4+、V5+、VO 、VO2+、V(acac)、V−(EDTA)錯体イオン、Br、Br3−、臭素、Cl、Cl3−、塩素、I、I3−、ヨウ素、フェロシアン化物イオン、フェリシアン化物イオン、Fe2+、Fe3+、Fe3+−(EDTA)錯体、Fe2+−(EDTA)錯体、Cr3+、Cr4+、Cr5+、Ce3+、Ce4+、Zn金属、Li金属、Na金属、Zn2+、Li、Na、Pb金属、Pb2+、PbSO,PbO、Mn3+、Mn4+、Ti3+、Ti4+、Cu、Cu2+、Co3+、Co4+、ポリスルフィド、キノン化合物、アントラキノン化合物、アロキサジン化合物、フラビン化合物、リボフラビン化合物、リボフラビン燐酸エステル、ビオロゲン化合物、ニトロキシラジカル化合物、ヘテロポリ酸、フェロセン化合物、これらの錯体、酸素及び水素からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む<1>〜<16>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<18> 前記作動流体は、前記活物質を液状媒体に溶解又は分散させたものであり、前記液状媒体は、水及びイオン液体からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む<1>〜<17>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<19> 前記活物質は、少なくともバナジウムイオンを含む<1>〜<18>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<20> 前記受熱部における前記流通経路の熱伝導率は1W/(m・K)以上であり、かつ、前記受熱部以外の少なくとも一部において、前記流通経路の電気抵抗率は前記作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍である<1>〜<19>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<21> 前記作動流体は前記受熱部及び前記セル部の順に供給され、前記受熱部に前記作動流体が供給される前、又は前記セル部に前記作動流体が供給された後に前記作動流体が前記放熱部に供給される<1>〜<20>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<22> 充電反応及び放電反応を行う際の前記作動流体の平均温度差が10℃以上である<1>〜<21>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<23> 充電反応及び放電反応を行う際の前記作動流体の平均温度差が20℃以上である<1>〜<22>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<24> 前記流通経路内を流通する前記作動流体における複数箇所での温度の差を利用してエネルギーを取り出す熱電変換素子を更に備える<1>〜<23>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<25> 前記流通経路内を流通する温度の異なる前記作動流体の間に多孔質膜が配置され、浸透圧の差を利用してエネルギーを取り出す<1>〜<24>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<26> 前記作動流体の流通方向において、前記放熱部は前記受熱部の上流又は前記セル部の下流に位置し、前記流通経路における前記受熱部の作動流体流入側から前記セル部の作動流体流入側までの部分が、前記セル部の作動流体流入側に向かって鉛直上方向に傾斜している<1>〜<25>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<27> 前記受熱部はオリフィスを有する<1>〜<26>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<28> 前記受熱部は前記受熱部以外の前記流通経路と分離可能である<1>〜<27>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<29> 前記セル部は、充電反応又は放電反応の一方を行う第一セル部であり、前記流通経路と接続し、前記作動流体に含まれる前記活物質を反応させて充電反応又は放電反応の他方を行う第二セル部を更に備え、作動流体の流通方向において、前記第一セル部、前記放熱部、及び前記第二セル部の順に位置し、前記第一セル部に供給される前記作動流体の温度は、前記第二セル部に供給される前記作動流体の温度よりも高い<1>〜<28>のいずれか1つに記載の冷却装置。
<30> <1>〜<29>のいずれか1つに記載の冷却装置と、前記発熱体の冷却及び前記セル部の充放電の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える冷却システム。
<31> 発電装置を更に備える<30>に記載の冷却システム。
<32> <1>〜<29>のいずれか1つに記載の冷却装置を備える車両。
本発明の一形態によれば、蓄電機能及び冷却機能を有する冷却装置、並びにそれを備える冷却システムを提供することができる。
また、本発明の他の形態によれば、蓄電機能及び冷却機能を有し、かつ車両に搭載した際に軽量化及び小型化が可能な冷却装置、並びにそれを備える冷却システム及び車両を提供することができる。
本開示の冷却装置の例1を示す構成図である。 本開示の冷却装置の例2を示す構成図である。 セル部の構成例を表す断面図である。 流通経路の構成例を表す断面図である。 流通経路の他の構成例を表す断面図である。 流通経路の形状例である。 オリフィスの例を示す断面図である。 分離可能な受熱部を示す模式図である。 分離可能な受熱部を示す模式図である。 正極活物質/負極活物質がバナジウム/バナジウム系である場合において、作動流体(正極電解液及び負極電解液)の温度と、充電状態(SOC)50%における電池開回路電圧の関係を示すグラフである。 正極活物質/負極活物質が鉄/クロム系である場合において、作動流体(正極電解液及び負極電解液)の温度と、充電状態50%における電池開回路電圧の関係を示すグラフである。 正極活物質/負極活物質が鉄/バナジウム系である場合において、作動流体(正極電解液及び負極電解液)の温度と、充電状態50%における電池開回路電圧の関係を示すグラフである。 充電反応及び放電反応にて作動流体の温度が等しい場合における容量と電圧との関係を示すグラフである。 充電反応及び放電反応にて作動流体の温度を最適化した場合における容量と電圧との関係を示すグラフである。 本開示の冷却装置の例3を示す構成図である。
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。
本開示において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率は、特に断らない限り、当該複数種の物質の合計の含有率を意味する。
また、本開示において、「含有率」とは、特に断らない限り、作動流体の全量を100質量%としたときの、各成分の質量%を表す。
また、本開示に記載された具体的かつ詳細な内容の一部又は全てを利用せずとも本発明を実施可能であることは、当業者には明らかである。また、本発明をあいまいにすることを避けるべく、公知の点については詳細な説明又は図示を省略する場合もある。
<第一実施形態>
[冷却装置]
本開示の第一実施形態に係る冷却装置は、内部に発熱体を収納するための収納部と、酸化還元可能な活物質を含む作動流体が流通する流通経路と、前記流通経路内を流通する前記作動流体の流れを調整する送液部と、前記発熱体からの熱を前記流通経路を介して前記作動流体が受け取る受熱部と、前記作動流体を放熱する放熱部と、前記作動流体に含まれる前記活物質を反応させるセル部と、を備える。
本開示の冷却装置では、発熱体の冷媒としての機能のみを有していた作動流体が酸化還元可能な活物質を含むこと、及びセル部を備えることにより、作動流体に蓄電機能が付与されている。これにより、本開示の冷却装置は蓄電機能及び発熱体の冷却機能を有する。更に、冷媒としての作動流体の流通に使用されていたスペースを、蓄電にも利用することができるため、省スペース化が可能である。
冷媒としての作動流体は、ポンプ等の送液部によって配管等の流通経路内を流通し、受熱部にて電子機器等の発熱体からの熱を流通経路を介して受け取ることにより発熱体を冷却し、かつ、ラジエータ等の放熱部にて放熱される。
本開示の冷却装置では、セル部の正極に正極活物質を含む作動流体(正極電解液)が供給され、セル部の負極に負極活物質を含む作動流体(負極電解液)が供給される2液系の構成であってもよい。この場合、正極活物質を含む作動流体及び負極活物質を含む作動流体が別々の流通経路内を流通し、正極活物質を含む作動流体及び負極活物質を含む作動流体の少なくとも一方が受熱部にて発熱体からの熱を受け取り、発熱体の冷媒として機能すればよい。また、正極活物質を含む作動流体及び負極活物質を含む作動流体の両方が、受熱部にて発熱体からの熱を受け取り、発熱体の冷媒として機能してもよい。
正極活物質及び負極活物質の両方を含む作動流体(1液系の作動流体)を用いる場合、この作動流体が正極及び負極が配置されたセル部に供給されたとき、正極側に正極活物質が集まり、かつ負極側に負極活物質が集まるように、正極及び負極を配置することが好ましい。
放熱部にて放熱された熱は、コジェネレーションに利用してもよい。
(収納部)
本開示の冷却装置は、内部に発熱体を収納するための収納部を備える。発熱体は、作動時に熱を発生する電子機器等であればよく、より具体的には、データセンタ等に設置されるサーバーであってもよい。収納部内の発熱体からの熱を、受熱部にて流通経路を介して作動流体が受け取ることにより、収納部内及び発熱体が冷却される。また、作動流体による冷却機能をモニタリングする点から、発熱体の温度を検知する温度センサを備えていてもよい。また、温度センサの温度に基づき、流通経路内を流通する作動流体の流量を調整してもよい。温度センサは収納部内に配置されていればよい。なお、収納部は、電子機器等の発熱体を配置する電子機器ラックを内部に備えていてもよく、後述する受熱部、セル部等を内部に備えていてもよい。
(流通経路)
本開示の冷却装置は、酸化還元可能な活物質を含む作動流体が流通する流通経路を備える。流通経路は、受熱部、放熱部及びセル部に作動流体を供給可能な構成であればよく、例えば、配管等であってもよい。また、流通経路は循環経路であることが好ましい。
流通経路は、作動流体を流すことができれば特に制限されない。流通経路の材質としては、作動流体に対して安定であることが好ましい。流通経路は、塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン)樹脂、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂、ニトリル樹脂、シリコーン樹脂、エチレンプロピレン樹脂、クロロプレン樹脂、アクリル樹脂、ブチルゴム樹脂、ウレタン樹脂、クロロスルホン化ポリエチレン樹脂、エピクロルヒドリンゴム樹脂、天然ゴム樹脂、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、SUS316、SUS304等のステンレス鋼、アルミニウム、チタン、ハステロイ(登録商標)等のニッケル合金、シリコン、特殊ステンレス鋼(オーステナイト系、フェライト系)、炭素鋼、銅、ライニング鋼、グラッシーカーボンなどを含んでいればよく、これらを2種以上含んでいてもよい。なお、流通経路の詳細については、後述する。
(送液部)
本開示の冷却装置は、流通経路内を流通する作動流体の流れを調整する送液部を備える。送液部により、流通経路内を流通する作動流体の流れが調整され、受熱部、放熱部、セル部等に供給される作動流体の流量を調整することができる。送液部としては、ポンプが挙げられる。
(受熱部)
本開示の冷却装置は、発熱体からの熱を流通経路を介して作動流体が受け取る受熱部を備える。受熱部は、発熱体と作動流体との間で熱交換が生じる構成、すなわち、発熱体からの熱を作動流体が受け取ることにより、発熱体及び収納部内が冷却される構成であればよい。受熱部は、発熱体からの熱を作動流体が受け取ることができれば、その配置は特に制限されず、例えば、収納部内に配置されていてもよく、発熱体の周囲に配置されていてもよい。
受熱部は、公知の水冷式パーソナルコンピュータのように、CPU(Central Processing Unit)チップ、マザーボード等の周辺に、又はこれらに接触して配置され、これらを冷却する構成であってもよい。
(放熱部)
本開示の冷却装置は、作動流体を放熱する放熱部を備える。放熱部は、収納部内の発熱体からの熱を受け取った作動流体を放熱する構成であれば特に限定されない。放熱部としては、ラジエータ等の熱交換器、熱交換器と当該熱交換器を冷却するファンとの組み合わせなどが挙げられる。
ラジエータ等の熱交換器は、内部と外部との熱交換速度を上げるため、表面積の大きい構造にすることが好ましい。
以下、流通経路の好ましい態様について説明する。
受熱部における流通経路の熱伝導率は、1W/(m・K)以上であることが好ましく、2W/(m・K)以上であることがより好ましく、3W/(m・K)以上であることが更に好ましく、5W/(m・K)以上であることが特に好ましい。前述の熱伝導率が1W/(m・K)以上であることにより、流通経路を介して十分速い速度で作動流体が熱を受け取ることができ、発熱体及び収納部内の冷却性能に優れる傾向にある。例えば、フロー電池の配管として一般的であるゴム、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、熱伝導率が0.19W/(m・K))等のフッ素樹脂などのチューブを受熱部における流通経路として用いた場合よりも、発熱体及び収納部内の冷却性能に優れる傾向にある。
なお、受熱部における流通経路にて、熱伝導率が前述した数値範囲を満たしていることが好ましい。一方、流通経路におけるそれ以外の位置にて、熱伝導率が前述した数値範囲を満たしていてもよく、満たしていなくてもよい。
本開示において、流通経路の熱伝導率は、熱線法、周期加熱法、パルス加熱法、同心円筒絶対法、保護熱板法等によって測定することができる。流通経路の熱伝導率は、例えば、JIS A 1412−1:2016に記載の方法に従い、流通経路(例えば、配管)を板状に切り出して測定することができる。
受熱部における流通経路は、ニッケル合金、ライニング鋼、ステンレス鋼、チタン、シリコン及びグラッシーカーボンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。これにより、流通経路を介して十分速い速度で作動流体が熱を受け取ることができ、発熱体及び収納部内の冷却性能に優れる傾向にある。
受熱部では、例えば、流通経路が受熱部内に配置されていてもよく、流通経路が受熱部と接触するように配置されていてもよい。また、流通経路の少なくとも一部が受熱部であってもよく、流通経路において、その熱伝導率が前述した数値範囲を満たす部分が受熱部であってもよい。また、流通経路において、収納部内に配置された部分が受熱部であってもよい。
また、流通経路の少なくとも一部が放熱部を兼ねていてもよい。例えば、流通経路内を流通する作動流体が外気と熱交換することにより、作動流体が放熱される構成であってもよい。この場合、作動流体が外気と熱交換する位置にて、流通経路の熱伝導率は高いことが好ましく、例えば、前述した数値範囲を満たすことが好ましい。
流通経路の少なくとも一部は、作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料を含むことが好ましく、作動流体の電気抵抗率の2倍〜1013倍の電気抵抗率を示す材料を含むことがより好ましい。流通経路として電気抵抗率の低い材料を用いると、漏れ電流が大きくなり、セル部にて充電をしても自己放電が大きく、1サイクルの充放電過程における電流効率が約30%以下となる場合がある。この理由は、流通経路内にて離れた位置にある充電状態の作動流体と、放電状態の作動流体とが、電気抵抗率の低い材料を通してつながっている(導通している)場合、自己放電が起きる、つまり、充電状態の作動流体と放電状態の作動流体が反応してしまうため、と考えられる。一方、流通経路の少なくとも一部が作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料を含むことにより、流通経路における前述の材料を含む位置にて漏れ電流を抑制でき、自己放電をより効果的に抑制することができる。
漏れ電流を抑制するための流通経路の構成例を図4に示す。図4に示すように、電気抵抗率を規定しない流通経路7a(例えば、作動流体の電気抵抗率の1.2倍未満の電気抵抗率を示す材料を含む流通経路7a)と、作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料を含む流通経路7bとを組み合わせることにより、流通経路7aから流通経路7bへの漏れ電流を抑制でき、自己放電を抑えることができる。
流通経路7bの長さに特に制限はなく、例えば、1mm以上であれば、漏れ電流を好適に抑制できる傾向にあり好ましい。ここでいう、流通経路とは、漏れ電流が抑制できれば特に形状に制限はなく、パッキン、Oリング等の形状であってもよい。
また、受熱部以外の少なくとも一部(好ましくは、受熱部以外の全ての部分)において、流通経路は、作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料を含むことが好ましく、作動流体の電気抵抗率の2倍〜1013倍の電気抵抗率を示す材料を含むことがより好ましい。これにより、漏れ電流をより効果的に抑制できる。
作動流体の電気抵抗率は、例えば、10−7Ω・m〜10Ω・mであればよい。
前記材料の電気抵抗率は、漏れ電流を抑制する点から、12Ω・m〜1043Ω・mであることが好ましく、10Ω・m〜1042Ω・mであることがより好ましく、10Ω・m〜1040Ω・mであることが更に好ましく、10Ω・m〜1012Ω・mであることが特に好ましい。
また、流通経路の少なくとも一部の電気抵抗率は、漏れ電流を抑制する点から、12Ω・m〜1043Ω・mであることが好ましく、10Ω・m〜1042Ω・mであることがより好ましく、10Ω・m〜1040Ω・mであることが更に好ましく、10Ω・m〜1012Ω・mであることが特に好ましい。受熱部以外の少なくとも一部、好ましくは受熱部以外の全ての部分にて、流通経路の電気抵抗率は、前述の数値範囲を満たすことが好ましい。
作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料としては、樹脂が挙げられ、より具体的には、塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ABS樹脂、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂、ニトリル樹脂、シリコーン樹脂、エチレンプロピレン樹脂、クロロプレン樹脂、アクリル樹脂、ブチルゴム樹脂、ウレタン樹脂、クロロスルホン化ポリエチレン樹脂、エピクロルヒドリンゴム樹脂、天然ゴム樹脂、PTFE樹脂、ポリアミド樹脂、及びポリアセタール樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一種が挙げられる。このような材料としては、中でも、塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂及びポリスチレン樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一種であることがより好ましく、塩化ビニル樹脂であることが更に好ましい。
なお、受熱部における流通経路は、作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料を含んでいてもよく、作動流体の電気抵抗率の2倍〜1013倍の電気抵抗率を示す材料を含んでいてもよい。
前述の材料の電気抵抗率及び流通経路の電気抵抗率は、長さ方向の2点間の電気抵抗率、内側及び外側の2点間の電気抵抗率等を、テスター等により測定して求められる。
なお、本開示において、電気抵抗率は25℃にて測定したときの値をいう。
本開示の冷却装置では、発熱体及び収納部内の冷却性能に優れる点並びに自己放電の抑制の点から、受熱部における流通経路の熱伝導率は1W/(m・K)以上であり、かつ、受熱部以外の全ての部分において、流通経路の電気抵抗率は作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍であることが好ましい。
漏れ電流を抑制でき、かつ発熱体及び収納部内を好適に冷却できる流通経路の構成例を図5に示す。例えば、図5に示すように、受熱部21(例えば、受熱部と接触する位置、受熱部内等)にて、SUS等の熱伝導率に優れる材料を含む流通経路7dを用い、それ以外の位置にて、塩化ビニル等の電気抵抗率の高い材料を含む流通経路7cを用いてもよい。
発熱体及び収納部内を好適に冷却できる流通経路の構成例を図6に示す。例えば、図6に示すように、受熱部(例えば、受熱部と接触する位置、受熱部内等)にて、流通経路7の表面積が大きくなる形状(例えば、スパイラル形状)であってもよい。また、図6に示す形状の流通経路7を収納部内の側壁に配置したり、ファンを配置して図6に示す形状の流通経路7に収納部内の熱を送り込んだりしてもよい。
流通経路は、内壁面の少なくとも一部に、活物質を含む作動流体に対して耐食性を有するコーティング層を備えていてもよい。これにより、流通経路が、活物質を含む作動流体により腐食しやすい材料を含む場合であっても、流通経路の腐食が抑制される傾向にある。
また、流通経路の腐食を好適に抑制する点から、流通経路がライニング鋼及びステンレス鋼からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む場合、その位置において、内壁面にコーティング層を備えることが好ましい。
コーティング層は、ガラス、酸化アルミニウム、フッ素樹脂、塩化ビニル樹脂、カーボン、シリコン、シリコーン樹脂、窒化ホウ素、窒化ケイ素、亜鉛、鉛、銅及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。
コーティング層は、例えば、SUS等を含む流通経路の内壁面を、チタン、フッ素系樹脂、シリコーン樹脂等でコーティングしたり、SUS等を含む流通経路の内壁面を、亜鉛、チタン、鉛、銅等の金属によりめっきしたりして形成される。あるいは、コーティング層は、ゾルゲル法によりガラスコーティングしたり、蒸着処理等によりシリコン、窒化ホウ素、窒化ケイ素等でコーティングしたりして形成される。
受熱部における流通経路がコーティング層を有する場合、コーティング層を含む流通経路の熱伝導率が1W/(m・K)以上であることが好ましく、2W/(m・K)以上であることがより好ましく、3W/(m・K)以上であることが更に好ましく、5W/(m・K)以上であることが特に好ましい。
<活物質>
作動流体に含まれる酸化還元可能な活物質としては、酸化還元反応を示せば、特に制限はない。より具体的には、バナジウムイオン(V2+、V3+、V4+、V5+、VO 、VO2+、V(acac)、V−(EDTA)錯体イオン等)、臭素イオン(Br、Br3−等)、臭素(Br)、塩素イオン(Cl、Cl3−等)、塩素(Cl)、ヨウ素イオン(I、I3−等)、ヨウ素(I)、フェロシアン錯体(フェロシアン化物イオンともいう、[Fe(CN)]4−)、フェリシアン錯体(フェリシアン化物イオンともいう、[Fe(CN)]3−)、鉄イオン(Fe2+、Fe3+等)、Fe3+−(EDTA)錯体、Fe2+−(EDTA)錯体、クロムイオン(Cr3+、Cr4+、Cr5+等)、セリウムイオン(Ce3+、Ce4+等)、Zn金属、Li金属、Na金属、Zn2+、Li、Na、Pb金属、Pb2+、PbSO、PbO、マンガンイオン(Mn3+、Mn4+等)、チタンイオン(Ti3+、Ti4+等)、銅イオン(Cu、Cu2+等)、コバルトイオン(Co3+、Co4+等)、ポリスルフィド、キノン化合物、アントラキノン化合物、アロキサジン化合物、フラビン化合物、リボフラビン化合物、リボフラビン燐酸エステル、ビオロゲン化合物、ニトロキシラジカル化合物、ヘテロポリ酸、フェロセン化合物、これらの錯体、これらのイオン、これらの塩、酸素、水素などが挙げられる。例えば、活物質としては、バナジウムイオンを含んでいてもよい。
なお、acacはアセチルアセトナートを指し、EDTAはエチレンジアミン四酢酸を指す。
キノン化合物、アントラキノン化合物、アロキサジン化合物、フラビン化合物、リボフラビン化合物、リボフラビン燐酸エステル、ビオロゲン化合物、ニトロキシラジカル化合物、ヘテロポリ酸及びフェロセン化合物は官能基を有していてもよい。官能基としては、例えば、水酸基、スルホン酸基、カルボシキル基、アルキルアンモニウム基及びアンモニウム基が挙げられる。これらの官能基を付与することで、これらの活物質の溶解度が向上したり、可逆性が向上したりする傾向にある。
前述の官能基は、作動流体が水を含む場合、作動流体のpHに応じて適切に選ばれることが好ましい。作動流体のpHが3以下である場合、官能基はスルホン酸基、水酸基及びアルキルアンモニウム基からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。作動流体のpHが3を超え10未満である場合、官能基は水酸基、アルキルアンモニウム基及びアンモニウム基からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。作動流体のpHが10以上である場合、官能基は水酸基、アンモニウム基及びカルボキシル基からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。
正極活物質を含む作動流体及び負極活物質を含む作動流体を用いる場合、正極活物質としては、反応系の標準酸化還元電位が負極の標準酸化還元電位よりも高い物質であればよく、負極活物質としては、反応系の標準酸化還元電位が正極の標準酸化還元電位よりも低い物質であればよい。正極活物質及び負極活物質としては、前述の活物質から適宜選択すればよい。
作動流体は、活物質の酸化状態及び還元状態の少なくとも一方が液状媒体に溶解又は分散されたものであることが好ましい。液状媒体とは、室温付近(5℃〜50℃)において液体の状態の媒体をいう。液状媒体としては、活物質を分散又は溶解可能な媒体であれば特に限定されない。なお、活物質として、酸素、水素、金属等を用いる場合、酸素、水素、金属等は、液状媒体に溶解していなくてもよい。
<液状媒体>
液状媒体としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−n−プロピルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチル−n−ブチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−n−ペンチルケトン、メチル−n−ヘキシルケトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトン、トリメチルノナノン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、メチルシクロヘキサノン、2,4−ペンタンジオン、アセトニルアセトン等のケトン系溶剤;ジエチルエーテル、メチルエチルエーテル、メチル−n−プロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、ジメチルジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、エチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチルエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、テトラエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、プロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールジエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラプロピレングリコールジメチルエーテル、テトラプロピレングリコールジエチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチルエチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、テトラプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル等のエーテル系溶剤;プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート系溶剤;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸n−ペンチル、酢酸sec−ペンチル、酢酸3−メトキシブチル、酢酸メチルペンチル、酢酸2−エチルブチル、酢酸2−エチルヘキシル、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル、酢酸ベンジル、酢酸シクロヘキシル、酢酸メチルシクロヘキシル、酢酸ノニル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、酢酸ジエチレングリコールメチルエーテル、酢酸ジエチレングリコールモノエチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールメチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジ酢酸グリコール、酢酸メトキシトリエチレングリコール、プロピオン酸エチル、プロピオン酸n−ブチル、プロピオン酸イソアミル、シュウ酸ジエチル、シュウ酸ジ−n−ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸n−ブチル、乳酸n−アミル、エチレングリコールメチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールエチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールプロピルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等のエステル系溶剤;アセトニトリル、N−メチルピロリジノン、N−エチルピロリジノン、N−プロピルピロリジノン、N−ブチルピロリジノン、N−ヘキシルピロリジノン、N−シクロヘキシルピロリジノン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶剤;メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、sec−ブタノール、t−ブタノール、n−ペンタノール、イソペンタノール、2−メチルブタノール、sec−ペンタノール、t−ペンタノール、3−メトキシブタノール、n−ヘキサノール、2−メチルペンタノール、sec−ヘキサノール、2−エチルブタノール、sec−ヘプタノール、n−オクタノール、2−エチルヘキサノール、sec−オクタノール、n−ノニルアルコール、n−デカノール、sec−ウンデシルアルコール、トリメチルノニルアルコール、sec−テトラデシルアルコール、sec−ヘプタデシルアルコール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、ベンジルアルコール、エチレングリコール、1,2−プロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、トリプロピレングリコール等のアルコール系溶剤;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ヘキシルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールモノエーテル系溶剤;α−テルピネン、ミルセン、アロオシメン、リモネン、ジペンテン、α−ピネン、β−ピネン、ターピネオール、カルボン、オシメン、フェランドレン等のテルペン系溶剤;水;イオン液体などが挙げられる。液状媒体は1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
≪イオン液体≫
イオン液体の組成については特に制限はない。例えば、カチオンとして、アンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、ピロリジニウムイオン、ピロリウムイオン、オキサゾリウムイオン、オキサゾリニウムイオン、イミダゾリウムイオン、ホスホニウムイオン及びスルホニウムイオンが挙げられる。また、アニオンとしては、例えば、N(SOF) 、N(SOCF (TFSA)、N(SO 、BF 、PF 、CFSO 、CFCO 及びジシアンアミドイオンが挙げられる。イオン液体としては、これらのカチオンとアニオンとを組み合わせたものを用いることができる。イオン液体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのアニオンの中でも、特に疎水性のアニオンであるN(SOF) 、N(SOCF 、N(SO 、CFSO 又はCFCO 、ジシアンアミドイオンが好ましい。
疑似的なイオン液体として、リチウム塩(例えば、Li−TFSA)、ナトリウム塩(例えば、Na−TFSA)、亜鉛塩(例えば、Zn−(TFSA)、ZnCl)等と、グライム(例えば、トリグライム、テトラグライム)との混合物を用いてもよい。
液状媒体としては、水及びイオン液体からなる群より選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましく、少なくとも水を含むことがより好ましい。水を用いることで作動流体を低粘度化でき、セル部を高出力化できる傾向にある。
<支持電解質>
作動流体は、更に支持電解質を含んでいてもよい。支持電解質は、作動流体のイオン伝導率を高めるための助剤である。作動流体が支持電解質を含むことで、作動流体のイオン伝導率が高まり、作動流体の抵抗が低減する傾向にある。
支持電解質としては、液状媒体中で解離してイオンを形成する化合物であれば特に制限されない。支持電解質としては、HCl、HNO、HSO、HClO、NaCl、NaSO、NaClO、KCl、KSO、KClO、NaOH、LiOH、KOH、アルキルアンモニウム塩、アルキルイミダゾリウム塩、アルキルピペリジニウム塩、アルキルピロリジニウム塩等が挙げられる。支持電解質は1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
<pH緩衝剤>
作動流体は、更にpH緩衝剤を含んでいてもよい。pH緩衝剤としては、酢酸緩衝液、リン酸緩衝液、クエン酸緩衝液、ホウ酸緩衝液、酒石酸緩衝液、トリス緩衝液等が挙げられる。
<導電材>
作動流体は、更に導電材を含んでいてもよい。導電材としては、炭素材料、金属材料、有機導電性材料等が挙げられる。炭素材料及び金属材料は、粒子状であっても繊維状であってもよい。
炭素材料としては、活性炭(水蒸気賦活又はアルカリ賦活);アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック;天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛;カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンファイバー、ハードカーボン、ソフトカーボンなどが挙げられる。
金属材料としては、銅、銀、ニッケル、アルミニウム等の粒子又は繊維が挙げられる。
有機導電性材料としては、ポリフェニレン誘導体等が挙げられる。
これらの導電材は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、導電材としては、炭素材料粒子が好ましく、活性炭粒子がより好ましい。作動流体が導電材として活性炭粒子を含むことで、活性炭粒子表面における電気二重層形成によるエネルギーの貯蔵及び放出が可能となり、セル部のエネルギー密度及び出力密度が向上する傾向にある。
<作動流体の調製方法>
作動流体は、活物質と必要に応じてその他の成分とを液状媒体に加えることにより調製することができる。作動流体を調製する際には、必要に応じて加熱を行ってもよい。
<作動流体の組成>
作動流体における活物質の含有率は、1質量%〜80質量%であることが好ましく、3質量%〜70質量%であることがより好ましく、5質量%〜50質量%であることが更に好ましい。これら活物質の含有率を1質量%以上とすることで、作動流体が持つ電気量が高くなる傾向にある。
作動流体に含まれる白金族元素及び白金族元素イオンの合計濃度が10質量ppm以下であることが好ましい。白金族元素及び白金族元素イオンの合計濃度が10質量ppm以下とすることで、酸化還元反応に伴う水素発生、酸素発生等を抑制することができる。白金族元素が水の分解の触媒として機能することが抑制されるためである。
(セル部)
本開示の冷却装置は、作動流体に含まれる活物質を反応させるセル部を備える。セル部にて活物質を酸化還元反応させることにより、充放電が可能となる。
<正極及び負極>
セル部は、正極及び負極を備え、正極及び負極に活物質を含む作動流体が供給される構成であってもよい。正極及び負極としては、従来公知の電池(二次電池、フロー電池等)に用いられる正極及び負極を用いてもよい。
正極及び負極としては、使用する電位範囲において電気化学的に安定な材質を用いることが好ましい。正極及び負極の形状としては、特に限定されず、メッシュ、多孔体、パンチングメタル、平板等が挙げられる。正極及び負極としては、カーボンフェルト、グラファイトフェルト、カーボンペーパー等の炭素電極;カーボンブラックとバインダを用いて平板としたカーボンプラスチック電極;ステンレス鋼、アルミニウム、銅、亜鉛、チタン、ニッケル等の金属又は合金からなる金属板、金属メッシュ等の金属電極;などが挙げられる。中でも、正極及び負極の少なくとも一方は、炭素電極が好ましく、カーボンフェルト電極又はカーボンペーパー電極がより好ましい。
また、ガラス基材上又は高分子基材上に、InSnO、SnO、In、ZnO等の導電材、フッ素ドープ酸化錫(SnO:F)、Sbドープ酸化錫(SnO:Sb)、Snドープ酸化インジウム(In:Sn)、Alドープ酸化亜鉛(ZnO:Al)、Gaドープ酸化亜鉛(ZnO:Ga)等の不純物がドープされた導電材などを含有する少なくとも1つの層を形成した積層体を、正極及び負極として用いることもできる。
正極及び負極の少なくとも一方は、それらの表面積を増やすため、金属電極の表面にカーボンフェルト、グラファイトフェルト等を配置したものであってもよい。また、正極及び負極の少なくとも一方に作動流体が透過可能な孔が設けられ、この孔を介して電子の授受が行われるようにしてもよい。
グラファイトフェルト等の炭素電極を用いる場合、表面に溝を形成してもよい。溝の形状として、Serpentine形状、Interdigitated形状等が挙げられる(例えば、Journal of Power Sources 302 (2016) 369−377を参照)。
炭素電極表面に触媒を付与してもよい。触媒としては、CoO、Ni、NiO、Pt、Pd、Au、PtCo、PtFe、Fe、FeO等が挙げられる。
<セパレータ>
セル部は、正極と負極との間にセパレータを更に備えていてもよい。この場合、正極に活物質として正極活物質を含む作動流体が供給され、負極に活物質として負極活物質を含む作動流体が供給される。セパレータとしては、使用条件に耐え得る膜であれば特に制限されず、イオン伝導性高分子膜、イオン伝導性固体電解質膜、ポリオレフィン多孔質膜、セルロース多孔質膜等が挙げられる。
イオン伝導性高分子膜としては、例えば、カチオン交換膜及びアニオン交換膜が挙げられる。市販のカチオン交換膜としては、例えば、商品名Nafion(登録商標、アルドリッチ社)及び商品名Fumasep(登録商標、Fumatech社)が挙げられ、市販のアニオン交換膜としては、例えば、商品名セレミオン(旭硝子株式会社)及びネオセプタ(株式会社アストム)が挙げられる。
(その他の構成)
本開示の冷却装置は、前述した構成以外のその他の構成を備えていてもよい。例えば、作動流体を貯留する貯留部(例えば、貯留タンク)、流通経路内を流通する作動流体の流量を調整する調整弁(例えば、電磁弁)等を備えていてもよい。冷却装置が貯留部を備えることにより、多量の作動流体を流通させることができ、エネルギー容量を高めることができる。また、冷却装置が調整弁を備えることにより、流通経路内を流通する作動流体の流量を調整できる。
液密性の点からセル部内の部材をシールするためのガスケットを配置してもよい。ガスケットの材質としては特に制限はなく、フッ素系ゴム(バイトン、ハイパロン等)、エチレンプロピレンゴム、ノープレン(ネオプレン)ゴム、クロロプレン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。
セル部内に作動流体を流すためのフレームの材料に特に制限はなく、塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ABS樹脂、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂等が挙げられる。
(冷却装置の例1)
以下、冷却装置の例1を図1に示す。図1に示すように、冷却装置は、サーバー等の電子機器を収容する電子機器ラック2とセル部9とを有するモジュール1(収納部)を備える。また、正極活物質を含む作動流体が第一の流通経路7内を流通して電子機器ラック2内に配置された受熱部(図示せず)及びセル部9の正極(図示せず)に供給され、負極活物質を含む作動流体が第二の流通経路8内を流通して電子機器ラック2内に配置された受熱部(図示せず)及びセル部9の負極(図示せず)に供給される構成となっている。電気ケーブル10を通じてセル部9から電気エネルギーが電子機器ラック2内の電子機器に供給される。
更に、冷却装置は、正極活物質を含む作動流体を貯蔵する第一の貯留タンク3(貯留部)、負極活物質を含む作動流体を貯蔵する第二の貯留タンク4(貯留部)を備える。第一の貯留タンク3及び第二の貯留タンク4にそれぞれ貯留された作動流体は、第一の送液ポンプ5(送液部)及び第二の送液ポンプ6(送液部)を駆動させることで第一の流通経路7内及び第二の流通経路8内をそれぞれ流通する。第一の貯留タンク3及び第二の貯留タンク4は、モジュール1内に設置されていてもよい。正極活物質を含む作動流体は熱交換器11(放熱部)にて冷却され、負極活物質を含む作動流体は熱交換器12(放熱部)にて冷却される。
図1では、電子機器ラック2及びセル部9が並列に配置されているが、この構成に限定されず、電子機器ラック2及びセル部9が直列に配置されていてもよい。
活物質を含む作動流体が、受熱部、放熱部及びセル部に供給されながら循環する構成が好ましく、このとき、受熱部、放熱部及びセル部の配置順は特に制限されない。例えば、セル部での充放電におけるエネルギー効率を向上させる点から、活物質を含む作動流体は受熱部に供給された後、セル部に供給される構成(例えば、放熱部、受熱部及びセル部の配置順、又は受熱部、セル部及び放熱部の配置順)が好ましい。これにより、受熱部にて発熱体及び収納部内が冷却されて作動流体の温度が上がり、温度が上がった作動流体がセル部に供給されることになる。作動流体の温度が上がることにより、作動流体の粘度が下がり、作動流体中の活物質の拡散が促進されて拡散速度が向上し、また、支持電解質由来のイオンの拡散速度も向上し、作動流体のイオン伝導率は向上する傾向にある。その結果、セル部のオーミック抵抗が下がり、セル充放電におけるエネルギー効率が向上すると考えられる。
なお、本開示の冷却装置では、受熱部とセル部との間に放熱部を配置してもよい。
(冷却装置の例2)
以下、冷却装置の例2を図2に示す。なお、図1と共通する構成についてはその説明を省略する。図2に示すように、冷却装置は、受熱部としてラジエータ13を備え、第一の流通経路7及び第二の流通経路8を通じて作動流体がラジエータ13に供給され、ラジエータ13及び空調ファン14によりモジュール1内及び電子機器ラック2を冷却することができる。すなわち、空調ファン14を用いてラジエータ13周辺の冷却された空気をモジュール1内にて送風することにより、効果的にモジュール1内及び電子機器ラック2を冷却することができる。また、電気ケーブル10を通じてセル部9から電気エネルギーが照明15に供給される構成となっているが、電気エネルギーが第一の送液ポンプ5、第二の送液ポンプ6、空調ファン14等に供給される構成であってもよい。
図2に示すように、作動流体は受熱部であるラジエータ13に供給された後にセル部9に供給され、その後、放熱部である熱交換器11、12に供給される構成が好ましい。なお、ラジエータ13とセル部9との間に熱交換器11、12を配置してもよい。
(セル部の一例)
以下、セル部の一例について図3を用いて説明する。図3に示すように、セル部9は電源16、正極集電体18a、負極集電体18b、双極板17a、17b、正極電極19a、負極電極19b及びセパレータ20を備えている。セル部9では、正極活物質を含む作動流体が第一の流通経路7を通じて正極電極19aに供給され、負極活物質を含む作動流体が第二の流通経路8を通じて負極電極19bに供給される。セル部9では、正極活物質及び負極活物質を酸化還元反応させることで充放電することができる。
<第二実施形態>
本開示の第二実施形態に係る冷却装置は、発熱体と、酸化還元可能な活物質を含む作動流体が流通する流通経路と、前記流通経路内を流通する前記作動流体の流れを調整する送液部と、前記発熱体からの熱を前記流通経路を介して前記作動流体が受け取る受熱部と、前記作動流体を放熱する放熱部と、前記流通経路と接続し、前記作動流体に含まれる前記活物質を反応させるセル部と、を備える。
なお、前述の第一実施形態と共通する事項についてはその説明を省略する。
第二実施形態の冷却装置では、発熱体の冷媒としての機能のみを有していた作動流体が酸化還元可能な活物質を含むこと、及びセル部を備えることにより、作動流体に蓄電機能が付与されている。これにより、冷却装置は蓄電機能及び発熱体の冷却機能を有する。更に、冷媒としての作動流体の流通に使用されていたスペースを、蓄電にも併用することができるため、省スペース化が可能である。そのため、冷却装置を車両に搭載した際に軽量化及び小型化が可能となる。
そのため、冷却装置は車両に取り付けられ、流通経路内を流通する作動流体は、車両における発熱体の冷却、及びセル部での蓄電の両方に用いられる構成であってもよい。このとき、車両において、流通経路内を流通する作動流体は、発熱体の冷媒であるとともに、蓄電機能を有する。
発熱体としては、前述の第一実施形態にて記載した発熱体の他、特に冷却装置が車両に配置される場合、エンジン、モータ、インバータ、リチウムイオン二次電池等の二次電池等が挙げられる。
本開示において、車両とは、車輪を備える移動体を指す。車両の具体例としては、自動二輪車、自動三輪車、自動四輪車及び5つ以上の車輪を備える移動体が挙げられる。
(好ましい構成例)
以下、本開示の冷却装置の好ましい構成例について説明する。
作動流体の流通方向において、放熱部は受熱部の上流又はセル部の下流に位置し、流通経路は、受熱部の作動流体流入側からセル部の作動流体流入側までの部分にて、セル部の作動流体流入側に向かって鉛直上方向に傾斜していてもよい。これにより、受熱部にて流通経路内を流通する作動流体が熱を受け取ることにより、作動流体が昇温されて鉛直方向に上向流が生じるため、この上向流を、セル部への作動流体の供給に有効に利用できる。これにより、本開示の冷却装置では、作動流体を流通させる際に、ポンプ等の送液部の動力を低減できる傾向にある。
また、受熱部の作動流体流入側からセル部の作動流体流入側までの部分の傾斜角度は、水平面に対して0°を超え90°以下であればよい。また、前述の傾斜角度は、一定であっても、一定でなくてもよい。前述の傾斜角度が一定でない場合、もっとも傾斜の小さい領域における傾斜角度が水平面に対して0°を超えていればよい。
≪オリフィス≫
受熱部はオリフィスを有していてもよい。これにより、オリフィスでの作動流体の流速が大きくなり、受熱部にて作動流体が受熱する効率を高めることができる傾向にあり、発熱体の冷却効率にも優れる傾向にある。
なお、オリフィスは、その上流側の経路よりも断面積が減少している部分をいう。
オリフィスは、分岐経路であってもよく、分岐経路における断面積の合計がオリフィスの上流側の経路の断面積よりも小さければよい。例えば、図7に示すように、分岐した経路における断面積の合計S1+S2+S3+S4が、オリフィス22の上流側の経路の断面積Sよりも小さければよい(S1+S2+S3+S4<S)。
受熱部は受熱部以外の流通経路と分離可能であることが好ましい。例えば、受熱部をSUS配管等の熱伝導率に優れる構成とし、かつ受熱部以外の流通経路を塩化ビニル配管等の電気抵抗率の高い構成とした場合、受熱部が活物質を含む作動流体により腐食されて劣化してしまうといった問題が考えられる。このような問題に対処するため、受熱部を分離可能な構成とし、必要に応じて受熱部以外の流通経路と分けて受熱部を交換可能とすることが好ましい。
受熱部を受熱部以外の流通経路と分離して交換する具体的な方法としては、図8に示すように、流通経路31における受熱部30の上流側及び下流側に開閉弁32、33を設け、開閉弁32、33を閉じて作動流体の循環を停止させた後、受熱部30を交換する方法がある。
受熱部を受熱部以外の流通経路と分離して交換する他の方法について、図9を用いて説明する。図9に示すように、流通経路31における2つの受熱部30、40の上流側及び下流側に三方弁34、35を設ける。まずは、受熱部30に作動流体が供給され、かつ受熱部40に作動流体が供給されないように三方弁34、35を開閉する。そして、受熱部30を交換するときに、受熱部30に作動流体が供給されず、かつ受熱部40に作動流体が供給されるように三方弁34、35を開閉した後、受熱部30を交換すればよい。
なお、受熱部を交換するタイミングとしては、特に限定されず、セル部を作動させてから一定時間経過後に受熱部を交換してもよく、受熱部が劣化していると判断された後に受熱部を交換してもよい。受熱部が劣化しているか否かは、例えば、セル部、流通経路等に作動流体の温度を測定する温度測定部を配置し、温度測定部にて測定された温度によって判断してもよい。
(逆止弁)
本開示の冷却装置は、作動流体の逆流を抑制する観点から、逆止弁を備えていてもよい。逆止弁の位置は特に限定されず、例えば、逆止弁は、作動流体の流通方向において、流通経路における受熱部とセル部との間に配置されていてもよい。
(第二セル部)
本開示の冷却装置は、前述のセル部であり、充電反応又は放電反応の一方を行う第一セル部とともに、充電反応又は放電反応の他方を行う第二セル部を備えていてもよい。第二セル部は、流通経路と接続しており、正極及び負極が配置され、かつ活物質を含む作動流体が供給される。第二セル部の好ましい構成は、前述のセル部の好ましい構成と同様である。
なお、「充電反応又は放電反応の他方」とは、第一セル部が充電反応を行う場合、第二セルが放電反応を行うこと、及び、第一セルが放電反応を行う場合、第二セルが充電反応を行うことを意味する。
本開示の冷却装置は、前述のセル部である第一セル部とともに、第二セル部を備えることにより、充電反応を行うセル部と放電反応を行うセル部を相違させてもよい。更に、本開示の冷却装置が、作動流体の流通方向において、第一セル部と第二セル部との間に前述の放熱部を備えることにより、第一セル部に供給される作動流体の温度を、第二セル部に供給される作動流体の温度よりも高くすることができる。これにより、第一セル部にて作動流体の温度がより高い状態にて充電又は放電の一方が可能であり、かつ、第二セル部にて作動流体の温度がより低い状態にて充電又は放電の他方が可能となり、活物質の種類によっては、二次電池としても機能する冷却装置の電圧効率を向上させることが可能となる。
本開示の冷却装置では、第一セル部及び第二セル部の間に前述の放熱部が位置していてもよい。このとき、作動流体の流通方向において、第一セル部、放熱部、及び第二セル部の順に配置され、第一セル部に供給される作動流体の温度は、第二セル部に供給される作動流体の温度よりも高くなることが好ましい。また、本開示の冷却装置は、前述の受熱部を備えることが好ましく、作動流体の流通方向において、受熱部、第一セル部、放熱部及び第二セル部がこの順に配置されることが好ましい。
例えば、正極活物質及び負極活物質の組み合わせ(正極活物質/負極活物質)が、バナジウム/バナジウム系、鉄/クロム系、鉄/バナジウム系等である場合、第一セル部は充電反応を行い、かつ第二セル部は放電反応を行うことが好ましい。これにより、第一セル部にて作動流体の温度がより高い状態にて充電反応が行われ、かつ第二セル部にて作動流体の温度がより低い状態にて放電反応が行われる。
前述の正極活物質及び負極活物質の組み合わせでは、作動流体の温度がより高い状態にて充電反応が行われ、かつ作動流体の温度がより低い状態にて放電反応が行われることにより、冷却装置の電圧効率が向上する傾向にある。図10A〜図10Cは、正極活物質/負極活物質が、バナジウム/バナジウム系、鉄/クロム系、及び鉄/バナジウム系である冷却装置において、作動流体の温度と、充電状態(SOC、State of Charge)50%における電池開回路電圧の関係を示すグラフである。
図10A〜図10Cに示すように、いずれの系においても作動流体の温度が高いほど、電池開回路電圧(OCV)が低くなる傾向にある。電圧効率は、平均放電電圧を平均充電電圧で割った値、すなわち、電圧効率=平均放電電圧/平均充電電圧である。また、全体のエネルギー効率は電圧効率と電流効率とを掛け合わせ、かつ100を掛けた値、すなわち、エネルギー効率(%)=電圧効率×電流効率×100である。よって、本開示の冷却装置にて、前述の正極活物質及び負極活物質の組み合わせを用いる場合、作動流体の温度が高い状態にて充電反応を行い、かつ、作動流体の温度が低い状態にて放電反応を行うことにより、電圧効率が向上する傾向にあり、その結果、エネルギー効率も高くなる傾向にある。
また、作動流体の温度が高い状態にて充電反応を行い、かつ、作動流体の温度が低い状態にて放電反応を行うことにより、電圧効率が向上する傾向にあることを図11A及び図11Bを用いて示す。図11Aは、充電反応及び放電反応にて作動流体の温度が等しい場合における容量と電圧との関係を示すグラフである。図11Bは、充電反応及び放電反応にて作動流体の温度を最適化した場合、例えば、バナジウム/バナジウム系にて作動流体の温度が高い状態にて充電反応を行い、かつ、作動流体の温度が低い状態にて放電反応を行う場合における容量と電圧との関係を示すグラフである。
図11Aに示すように、充電反応及び放電反応にて作動流体の温度が等しい場合、平均放電電圧は平均充電電圧よりも低くなる。これは、オーミック抵抗成分が原因であり、電圧効率が100%を超えることは通常では起こらない。
一方、図11Bに示すように、例えば、バナジウム/バナジウム系にて作動流体の温度が高い状態にて充電反応を行い、かつ、作動流体の温度が低い状態にて放電反応を行う場合、平均放電電圧が平均充電電圧よりも高くなり、電圧効率が向上すると推測される。これは、図10Aに示すように、より高温では電池開回路電圧が低く、より低温では電池開回路電圧が高いという性質を利用している。
以下、一例として正極活物質/負極活物質が、バナジウム/バナジウム系である構成について説明する。まず、以下の式(1)に示す正極及び負極での放電反応のエンタルピー(ΔH)は負であるため、式(1)に示す放電反応は発熱反応であり、式(1)の逆反応である充電反応は吸熱反応である。
VO +2H+V2+→VO2++HO+V3+ ΔH=−156.1kJ/mol・・・式(1)
そのため、作動流体が第一セル部に供給され、充電反応が行われると作動流体の温度が低下する。その後、第一セル部から排出された作動流体が放熱部に供給されて放熱される。そして、温度が更に低下した作動流体が第二セル部に供給され、放電反応が行われる。このように充電反応時と放電反応時の作動流体の温度差が大きくなるように、第一セル部、冷却部及び第二セル部を配置し、かつこの順で作動流体を供給することにより、冷却装置のエネルギー効率が高まると推測される。また、冷却装置のエネルギー効率をより高める点から、流通経路の一部が受熱部であり、受熱部にて温度が上昇した作動流体が第一セル部に供給される構成が好ましい。
本開示の冷却装置は、流通経路内を流通する作動流体の温度の差を利用してエネルギーを取り出す熱電変換素子を備えていてもよい。例えば、熱電変換素子は、受熱部にて熱を受け取った高温の作動流体、受熱部にて熱を受け取る前の作動流体、放熱部にて放熱された低温の作動流体、放熱部にて放熱される前の作動流体等における温度差を利用して電気エネルギーを取り出す構成であってもよい。ここで、熱電変換素子とは、2種類の異なる金属又は半導体を接合して、接合した金属及び半導体の両端に温度差を生じさせると起電力が生じるゼーベック効果を利用してエネルギーを取り出す素子である。熱電変換素子としては、ビスマス−テルル合金、鉛−テルル合金、シリコン−ゲルマニウム合金等の無機物系、Poly(4−ethyleneoxythiophene(PEDOT)とperylene diimideとの組み合わせ等の有機物系などが挙げられる。
本開示の冷却装置は、流通経路内を流通する温度の異なる作動流体の間に多孔質膜を配置し、浸透圧の差を利用してエネルギーを取り出す構成を有していてもよい。このような構成は、Harvesting low−grade heat energy using thermo−osmotic vapour transport through nanoporous membranes, Nature Energy, 16090 (2016)等の文献に記載されている。
前述のように、作動流体の温度差を利用してエネルギーを取り出すことにより、冷却装置のエネルギー効率を高めることができ、省エネ、地球温暖化抑制、気候変動抑制等に貢献することが可能である。
また、本開示の冷却装置において、充電反応及び放電反応を行う際の作動流体の平均温度差は、温度差を利用する熱電変換素子等によりエネルギーを好適に取り出す点から、10℃以上であることが好ましく、20℃以上であることがより好ましい。また、セル部での酸化還元反応に寄与しない生成物の発生を抑制する点から、充電反応及び放電反応を行う際の作動流体の平均温度差は50℃以下であってもよく、40℃以下であってもよい。
なお、充電反応及び放電反応を行う際の作動流体の平均温度差は、例えば、正極活物質/負極活物質が、バナジウム/バナジウム系、鉄/クロム系、又は鉄/バナジウム系である場合、充電反応を行う際の作動流体の平均温度と、放電反応を行う際の作動流体の平均温度との差(充電反応時の平均温度−放電反応時の平均温度)であることが好ましい。
(冷却装置の例3)
以下、冷却装置の例3を図12に示す。図12に示すように、冷却装置200は、流通経路41、充電反応を行う第一セル部43A、放電反応を行う第二セル部43B、貯留タンク44、放熱部45を備える。図12中、流通経路41内を流通する作動流体は、矢印Z方向に流通する。また、流通経路41の一部が受熱部42である。なお、図12では1液系の作動流体が流通する流通経路を図示しているが、冷却装置は図1及び図2に示すように正極活物質を含む作動流体が流通する第一の流通経路7、及び負極活物質を含む作動流体が流通する第二の流通経路8をそれぞれ備える構成(2液系の構成)であってもよい。
冷却装置200は、第一セル部43A及び第二セル部43Bの間に流通経路41から供給された作動流体を冷却する放熱部45を備えており、第一セル部43Aにて作動流体の温度がより高い状態にて充電反応が行われ、かつ第二セル部43Bにて作動流体の温度がより低い状態にて放電反応が行われる。このような構成とすることにより、例えば、バナジウムイオンを活物質として含む作動流体を用いた場合に、冷却装置200のエネルギー効率が高まる傾向にある。
[冷却システム]
本開示の冷却システムは、前述の冷却装置と、発熱体の冷却及びセル部の充放電の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える。制御部は、例えば、前述の温度センサに基づいて作動流体の流量を調節する等により、発熱体の冷却を制御したり、セル部における充電電圧、正極及び負極の充電電位等を制御したりする構成であってもよい。
本開示の冷却システムは、発電装置を備えていてもよい。二次電池の機能を有する冷却システムが発電装置を備えることにより、電力変動を平準化及び安定化したり、電力の需給を安定化したりすることができる。
発電装置としては、特に制限されず、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置、水力発電装置、火力発電装置、原子力発電装置等が挙げられ、中でも再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置が好ましい。
再生可能エネルギーを用いた発電装置は、気象条件等によって発電量が大きく変動するが、冷却システムと組み合わせることで変動する発電電力を平準化して電力系統に平準化した電力を供給することができる。
再生可能エネルギーとしては、風力、太陽光、波力、潮力、流水、潮汐、地熱等が挙げられ、風力又は太陽光が好ましい。
風力、太陽光等の再生可能エネルギーを用いて発電した発電電力は、高電圧の電力系統に供給する場合がある。通常、風力発電及び太陽光発電は、風向、風力、天気等の気象によって影響を受けるため、発電電力は一定とならず、大きく変動する傾向にある。一定ではない発電電力を高電圧の電力系統にそのまま供給すると、電力系統の不安定化を助長するため好ましくない。本開示の冷却システムは、例えば、充放電波形を発電電力波形に重畳させることで、目標とする電力変動レベルまで発電電力波形を平準化させることができる。
[車両]
本開示の車両は、前述の冷却装置を備える。これにより、車両は蓄電機能及び発熱体の冷却機能を有しており、更に、冷媒としての作動流体の流通に使用されていたスペースを、蓄電にも併用することができるため、蓄電機能を持たせつつ小型化が可能となる。
本開示の車両は、前述の冷却装置とともに、発熱体の冷却及びセル部の充放電の少なくとも一方を制御する制御部と、を備えていてもよい。制御部は、例えば、発熱体周辺に配置された温度センサに基づいて作動流体の流量を調節する等により、発熱体の冷却を制御したり、セル部における充電電圧、正極及び負極の充電電位等を制御したりする構成であってもよい。
また、本開示の車両は、太陽電池等の発電装置を備えていてもよい。
2017年7月13日に出願された日本国特許出願2017−137412の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
1 モジュール(収納部)
2 電子機器ラック
3 第一の貯留タンク(貯留部)
4 第二の貯留タンク(貯留部)
5 第一の送液ポンプ(送液部)
6 第二の送液ポンプ(送液部)
7 第一の流通経路
7a〜7d、41 流通経路
8 第二の流通経路
9 セル部
10 電源ケーブル
11、12 熱交換器(放熱部)
13 ラジエータ(受熱部)
14 空調ファン
15 照明
16 電源
17a 双極板
17b 双極板
18a 正極集電体
18b 負極集電体
19a 正極電極
19b 負極電極
20 セパレータ
21、30、40、42 受熱部
22 オリフィス
32、33 開閉弁
34、35 三方弁
43A 第一セル部
43B 第二セル部
44 貯留タンク
45 放熱部
200 冷却装置

Claims (32)

  1. 内部に発熱体を収納するための収納部と、
    酸化還元可能な活物質を含む作動流体が流通する流通経路と、
    前記流通経路内を流通する前記作動流体の流れを調整する送液部と、
    前記発熱体からの熱を前記流通経路を介して前記作動流体が受け取る受熱部と、
    前記作動流体を放熱する放熱部と、
    前記流通経路と接続し、前記作動流体に含まれる前記活物質を反応させるセル部と、
    を備える冷却装置。
  2. 発熱体と、
    酸化還元可能な活物質を含む作動流体が流通する流通経路と、
    前記流通経路内を流通する前記作動流体の流れを調整する送液部と、
    前記発熱体からの熱を前記流通経路を介して前記作動流体が受け取る受熱部と、
    前記作動流体を放熱する放熱部と、
    前記流通経路と接続し、前記作動流体に含まれる前記活物質を反応させるセル部と、
    を備える冷却装置。
  3. 前記冷却装置は車両に取り付けられ、
    前記流通経路内を流通する前記作動流体は、前記車両における前記発熱体の冷却、及び前記セル部での蓄電に用いられる請求項2に記載の冷却装置。
  4. 前記受熱部における前記流通経路の熱伝導率は1W/(m・K)以上である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の冷却装置。
  5. 前記流通経路の少なくとも一部は、前記作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料を含む請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の冷却装置。
  6. 前記受熱部以外の少なくとも一部において、前記流通経路は、前記作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料を含む請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の冷却装置。
  7. 前記作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍の電気抵抗率を示す材料は、塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂、ニトリル樹脂、シリコーン樹脂、エチレンプロピレン樹脂、クロロプレン樹脂、アクリル樹脂、ブチルゴム樹脂、ウレタン樹脂、クロロスルホン化ポリエチレン樹脂、エピクロルヒドリンゴム樹脂、天然ゴム樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、及びポリアセタール樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一種である請求項5又は請求項6に記載の冷却装置。
  8. 前記受熱部において、前記流通経路はニッケル合金、ライニング鋼、ステンレス鋼、チタン、シリコン及びグラッシーカーボンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の冷却装置。
  9. 前記流通経路は、内壁面の少なくとも一部に、前記活物質を含む前記作動流体に対して耐食性を有するコーティング層を備える請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の冷却装置。
  10. 前記コーティング層は、ガラス、酸化アルミニウム、フッ素樹脂、塩化ビニル樹脂、カーボン、シリコン、シリコーン樹脂、窒化ホウ素、窒化ケイ素、亜鉛、鉛、銅及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む請求項9に記載の冷却装置。
  11. 前記流通経路の少なくとも一部の電気抵抗率が12Ω・m〜1043Ω・mである請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の冷却装置。
  12. 前記セル部は、正極及び負極を備え、
    前記正極及び前記負極の少なくとも一方は炭素電極である請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の冷却装置。
  13. 前記炭素電極は、カーボンフェルト電極又はカーボンペーパー電極である請求項12に記載の冷却装置。
  14. 前記セル部は、前記正極と前記負極との間にセパレータを備える請求項12又は請求項13に記載の冷却装置。
  15. 前記流通経路内を流通する前記作動流体の流量を調整する調整弁を備える請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の冷却装置。
  16. 前記発熱体の温度を検知する温度センサを備える請求項1〜請求項15のいずれか1項に記載の冷却装置。
  17. 前記活物質は、V2+、V3+、V4+、V5+、VO 、VO2+、V(acac)、V−(EDTA)錯体イオン、Br、Br3−、臭素、Cl、Cl3−、塩素、I、I3−、ヨウ素、フェロシアン化物イオン、フェリシアン化物イオン、Fe2+、Fe3+、Fe3+−(EDTA)錯体、Fe2+−(EDTA)錯体、Cr3+、Cr4+、Cr5+、Ce3+、Ce4+、Zn金属、Li金属、Na金属、Zn2+、Li、Na、Pb金属、Pb2+、PbSO,PbO、Mn3+、Mn4+、Ti3+、Ti4+、Cu、Cu2+、Co3+、Co4+、ポリスルフィド、キノン化合物、アントラキノン化合物、アロキサジン化合物、フラビン化合物、リボフラビン化合物、リボフラビン燐酸エステル、ビオロゲン化合物、ニトロキシラジカル化合物、ヘテロポリ酸、フェロセン化合物、これらの錯体、酸素及び水素からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む請求項1〜請求項16のいずれか1項に記載の冷却装置。
  18. 前記作動流体は、前記活物質を液状媒体に溶解又は分散させたものであり、
    前記液状媒体は、水及びイオン液体からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む請求項1〜請求項17のいずれか1項に記載の冷却装置。
  19. 前記活物質は、少なくともバナジウムイオンを含む請求項1〜請求項18のいずれか1項に記載の冷却装置。
  20. 前記受熱部における前記流通経路の熱伝導率は1W/(m・K)以上であり、かつ、前記受熱部以外の少なくとも一部において、前記流通経路の電気抵抗率は前記作動流体の電気抵抗率の1.2倍〜1050倍である請求項1〜請求項19のいずれか1項に記載の冷却装置。
  21. 前記作動流体は前記受熱部及び前記セル部の順に供給され、
    前記受熱部に前記作動流体が供給される前、又は前記セル部に前記作動流体が供給された後に前記作動流体が前記放熱部に供給される請求項1〜請求項20のいずれか1項に記載の冷却装置。
  22. 充電反応及び放電反応を行う際の前記作動流体の平均温度差が10℃以上である請求項1〜請求項21のいずれか1項に記載の冷却装置。
  23. 充電反応及び放電反応を行う際の前記作動流体の平均温度差が20℃以上である請求項1〜請求項22のいずれか1項に記載の冷却装置。
  24. 前記流通経路内を流通する前記作動流体における複数箇所での温度の差を利用してエネルギーを取り出す熱電変換素子を更に備える請求項1〜請求項23のいずれか1項に記載の冷却装置。
  25. 前記流通経路内を流通する温度の異なる前記作動流体の間に多孔質膜が配置され、浸透圧の差を利用してエネルギーを取り出す請求項1〜請求項24のいずれか1項に記載の冷却装置。
  26. 前記作動流体の流通方向において、前記放熱部は前記受熱部の上流又は前記セル部の下流に位置し、
    前記流通経路における前記受熱部の作動流体流入側から前記セル部の作動流体流入側までの部分が、前記セル部の作動流体流入側に向かって鉛直上方向に傾斜している請求項1〜請求項25のいずれか1項に記載の冷却装置。
  27. 前記受熱部はオリフィスを有する請求項1〜請求項26のいずれか1項に記載の冷却装置。
  28. 前記受熱部は前記受熱部以外の前記流通経路と分離可能である請求項1〜請求項27のいずれか1項に記載の冷却装置。
  29. 前記セル部は、充電反応又は放電反応の一方を行う第一セル部であり、
    前記流通経路と接続し、前記作動流体に含まれる前記活物質を反応させて充電反応又は放電反応の他方を行う第二セル部を更に備え、
    作動流体の流通方向において、前記第一セル部、前記放熱部、及び前記第二セル部の順に位置し、前記第一セル部に供給される前記作動流体の温度は、前記第二セル部に供給される前記作動流体の温度よりも高い請求項1〜請求項28のいずれか1項に記載の冷却装置。
  30. 請求項1〜請求項29のいずれか1項に記載の冷却装置と、
    前記発熱体の冷却及び前記セル部の充放電の少なくとも一方を制御する制御部と、
    を備える冷却システム。
  31. 発電装置を更に備える請求項30に記載の冷却システム。
  32. 請求項1〜請求項29のいずれか1項に記載の冷却装置を備える車両。
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