(57)【要約】【課題】金属／空気二次電池を安定して運転可能とする。【解決手段】この発明の金属／空気二次電池制御システム１は金属／空気二次電池の本体部２であって、空気極８へ空気を供給するための空気導入部としての空気孔１４，１５を備える本体部２と、該本体部２の重量を測定する重量測定部３０と、本体部２の出力を測定する出力測定部としての電流計２１及び電圧計２３と、重量測定部３０の測定結果と出力測定部の出力結果とを比較し、空気導入部の開閉を制御する制御部４０と、を備えてなる。ここに空気孔１４及び１５はそれぞれ閉塞弁部１６及び１７でその開閉が制御される。閉塞弁部１６及１７による空気孔１４及び１５の開閉制御は、空気孔１４及び１５を完全に閉塞するばかりでなく、その開度調整でもよい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属／空気電池の本体部であって、空気極へ空気を供給するための空気導入部を備える本体部と、
該本体部の重量を測定する重量測定部と、
前記本体部の出力を測定する出力測定部と、
前記重量測定部の測定結果と前記出力測定部の測定結果とを比較し、前記空気導入部の開閉を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする金属／空気電池の制御システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記出力測定部の測定結果が実質的に出力ゼロであって、前記重量測定部の測定結果が前記本体部の重量増加を示すとき、前記空気導入部を閉塞する、ことを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記出力測定部の測定結果による第１の出力値と、前記重量測定部の測定結果による第２の出力値との差が、所定の閾値を超えているとき、前記空気導入部を閉塞する、ことを特徴とする第１又は第２の請求項に記載の制御システム。
【請求項４】
金属／空気電池の本体部の重量を測定するステップと、
前記本体部の出力を測定するステップと、
前記本体部の重量変化と前記本体部の出力とを比較して、前記本体部の空気極へ供給する空気導入部の開閉を制御する、
ことを特徴とする金属／空気電池の制御方法。
【請求項５】
前記本体部の出力が実質的にゼロであって、前記本体部の重量変化があったときに、前記空気導入部を閉塞する、ことを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
【請求項６】
前記本体部の重量変化に基づき前記本体部の出力を特定する出力特定ステップと、
前記本体部の出力が第１の出力であり、前記重量変化に基づく出力が第２の出力であり、該第１の出力と第２の出力との差が所定の閾値をこえているとき、空気導入部を閉塞する、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属／空気電池の制御システムおよび制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車や電気自動車等に搭載される車輌用のバッテリや携帯用電子機器のバッテリとしてＬｉイオン電池が利用されている。車輌用バッテリには航続距離の長距離化が求められ、携帯用電子機器には小型・軽量化が求められている。しかしながら、Ｌｉイオン電池のエネルギー密度には限界があるので、新たなタイプの二次電池の開発が求められている。
【０００３】
高いエネルギー密度を達成する二次電池として金属／空気二次電池が知られている。
本発明に関連する技術を開示する文献として特許文献１及び特許文献２を参照されたい。
【特許文献１】特開平０６−２６０２１７号公報
【特許文献２】特開２００２−１５８０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は金属／空気二次電池を車輌用バッテリや携帯電子端末のバッテリとして利用すべく検討を進めてきたところ、下記の課題を見出すに至った。
二次電池の使用に当たっては過充電や過放電を防止するため充放電深度の測定が不可避である。Ｌｉイオン電池では通電量とセル電圧からその充放電深度を正確に特定することができる。金属／空気二次電池において通電量とセル電圧から充放電深度を測定することが可能であるが、外部の空気から酸素を取り込む開放系であるため、自己放電の影響を無視することができない。即ち、通電量やセル電圧を測定するのみでは金属／空気二次電池の充放電深度を正確に特定することができない。
他方、自己放電は発熱反応であるため、高いエネルギー密度を達成する金属／空気二次電池では、活物質の高活性化及び高比表面積化が進むので、自己放電による熱影響も無視できなくなる。
従ってこの発明は、金属／空気二次電池における自己放電反応を検出し、過剰な自己放電反応の発生を未然に防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明者は金属／空気二次電池における充放電深度は金属／空気二次電池そのものの重量により特定されることに気がつき、この発明に想到した。この発明の技術思想は二次電池に限定されるものではなく、一次電池にも敷衍される。
この発明の第１の局面は次のように規定される。即ち、
金属／空気電池の本体部であって、空気極へ空気を供給するための空気導入部を備える本体部と、
該本体部の重量を測定する重量測定部と、
前記本体部の出力を測定する出力測定部と、
前記重量測定部の測定結果と前記出力測定部の測定結果とを比較し、前記空気導入部の開閉を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする金属／空気電池の制御システム。
【０００６】
このように規定される第１の局面の発明によれば、出力測定部は本体部から負荷（車両用バッテリではモータ等）への出力を測定するので、例えばその測定結果を積分することにより、一般的な二次電池と同様にその充放電深度（第１の充放深度）を求めることができる。しかしながら、当該出力には自己放電反応によるものは含まれていない。他方、重量測定部は電池反応に伴う重量変化を測定するので、金属／空気二次電池の充放電深度（第２の充放電深度）を正確に特定することができるが、負荷への出力と自己放電反応とを峻別できない。
そこで、第１の局面で規定するように、出力測定部の測定に基づく第１の充放電深度と、重量測定部の測定に基づく第２の充放電深度とを比較し、空気導入部の開閉を制御することにより、両者の値をできる限り一致させる。第１の充放電深度と第２の充放電深度との差はもっぱら自己放電反応に起因すると考えられ、その差が大きくなると金属／空気電池が異常運転状態となるので、空気導入部の開閉を制御して無駄な若しくは無秩序な自己放電反応の発生を防止する。これにより、金属／空気電池を安定して運転可能となる。
重量測定部と出力測定部の各出力結果の処理方法は特に限定されるものではなく、この発明の目的に応じて種々の処理方法を採択できる。例えば、出力測定部での測定した出力の単位時間当たりの変化量と、重量測定部で測定した本体部重量の単位時間当たりの変化量とを比較することによっても、金属／空気電池の正常運転／異常運転の判断をすることができる。
【０００７】
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面で規定される金属／空気電池システムにおいて、前記制御部は、前記出力測定部の測定結果が実質的に出力ゼロであって、前記重量測定部の測定結果が前記本体部の重量増加を示すとき、前記空気導入部を閉塞する。
出力測定部の測定結果として出力がゼロのときは、実質的に負荷側への電力供給が無い状態であるので、本体部の重量変化はもっぱら自己発電反応に起因する。したがって、空気導入部を閉塞して自己発電反応を抑制する。特に、異常な自己放電反応の発生を予防するためには、本体部の重量変化が所定の閾値（第１の閾値）を超えるとき、空気導入部を閉塞するようにしてもよい。
【０００８】
この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第１又は第２の局面で規定される金属／空気電池において、前記制御部は、前記出力測定部の測定結果による第１の出力値と、前記重量測定部の測定結果による第２の出力値との差が、所定の閾値を超えているとき、前記空気導入部を閉塞する。
本体部の重量変化が本体部の電池反応の結果であるので、その重量変化から金属／空気電池の出力値を求めることができる。したがって、出力測定部の測定結果による第１の出力値と重量測定部の測定結果による第２の出力値との差が定格（所定の閾値）を超えているとき、金属／空気電池が正常運転状態になく、異常運転状態（例えば自己放電反応の影響が過大である）と判断する。そして、空気導入部を閉塞して金属／空気電池の暴走を未然に防止する。
【０００９】
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
金属／空気電池の本体部の重量を測定するステップと、
前記本体部の出力を測定するステップと、
前記本体部の重量変化と前記本体部の出力とを比較して、前記本体部の空気極へ供給する空気導入部の開閉を制御する、
ことを特徴とする金属／空気電池の制御方法。
このように規定される第４の局面の発明によれば、第１の局面の発明について説明したことと同様の効果が得られる。
【００１０】
この発明の第５の局面は次のように規定される。即ち、
第４の局面で規定される金属／空気電池の制御方法において、前記本体部の出力が実質的にゼロであって、前記本体部の重量変化があったときに、前記空気導入部を閉塞する。
このように規定される第５の局面の発明によれば、第２の局面の発明について説明したことと同様の効果が得られる。
【００１１】
この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち、
第４又は第５の局面に記載の金属／空気電池の制御方法において、前記本体部の重量変化に基づき前記本体部の出力を特定する出力特定ステップと、
前記本体部の出力が第１の出力であり、前記重量変化に基づく出力が第２の出力であり、該第１の出力と第２の出力との差が所定の閾値を越えているとき、空気導入部を閉塞する。
このように規定される第６の局面の発明によれば、第３の局面の発明について説明したことと同様の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施の形態の金属／空気二次電池の制御システム１の構成を図１に示す。
この制御システム１は、金属／空気二次電池の本体部２、本体部２から負荷系への入出力を測定する入出力測定部２０、本体部２の重量を測定する重量測定部３０、及び制御部４０を備えている。
本体部２はセル部５とケーシング１０とを備えてなる。セル部５はセパレータ６を負極７と正極８とで挟持した構成である。
ここに、セパレータ６は正極と負極とを電気的に分離するとともに、電池反応に伴うイオンの伝導を許容する。例えば、水系の場合、充放電反応は次の通りとなる。
負極：４Ｍｅ  +  １２ＯＨ−  ⇔  ４Ｍｅ（ＯＨ）３  +  １２ｅ−
正極：３Ｏ２  +  ６Ｈ２Ｏ  +  １２ｅ−  ⇔  １２ＯＨ−
全体：４Ｍｅ  +３Ｏ２  +  ６Ｈ２Ｏ  ⇔  ４Ｍｅ（ＯＨ）３
この場合のセパレータ６には、無機材料性の多孔質板へ水酸化カリウム電解液等のアルカリ系水溶液を含浸させたものを使用することができる。
また、非水系の場合、充放電反応は次の通りとなる。
負極：４Ｍｅ  +  ６Ｏ２-  ⇔  ２Ｍｅ２Ｏ３  +  １２ｅ−
正極：１２Ｏ２  +  １２ｅ−  ⇔  １２Ｏ２-
全体：４Ｍｅ  +  ６Ｏ２  ⇔  ２Ｍｅ２Ｏ３
この場合のセパレータ６には、ポリオレフィン系の微多孔質高分子膜を適用できる。
【００１３】
負極７は電気化学的に活性な金属材料で形成される。金属材料として、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、リチウム、鉄若しくはこれらの合金を用いることができる。
空気極としての正極８はガス拡散性の基材へ触媒を担持させてなる。ガス拡散性の基材として、例えば耐食性の高い多孔質カーボン材料を用いることができる。触媒には酸素発生と酸素還元の機能が要求される。かかる二元機能を有する触媒として例えばイリジウムやイリジウム酸化物を用いることができる。その他、マンガンやセリウムの酸化物を用いることもできる。酸素発生機能を有する触媒及び上記二元機能触媒と酸素還元機能を有する触媒（白金等）とを併用することも可能である。
【００１４】
セル部５を覆うケーシング１０は絶縁性かつ耐薬品性の材料で形成される。かかる材料としてカーボン材料等を挙げることができる。このケーシング１０において正極８に対向する部分には空間部１２が形成され、かつ空間部１２を外部と連通する空気孔１４、１５が穿設されている。これにより、外部の空気が正極８へ供給可能となる。
空気極に対する空気導入部としての空気孔１４、１５には閉塞弁部１６、１７が取り付けられている。これら閉塞弁部１６、１７は制御部４０からの制御信号に基づいて空気孔１４、１５を開状態にしたり、閉状態にしたりする。かかる閉塞弁部１６，１７として電磁弁を用いることができる。閉塞弁部１６、１７は空気孔１４、１５の開度を調整するものでもよい。例えば、空気孔１４、１５を完全に閉塞しなくても、その開度を小さくして空気の導入量を制限すれば、セル部５の反応を制限できる。
【００１５】
正極７と負極８との間にモータその他の負荷１８が掛け渡される。符号１９は電源部であり、セル部５を充電するときに用いられる。電源部１９と負荷１８とはスイッチ部ＳＷにより選択的にセル部５へ接続される。
負荷１８若しくは電源部１９と直列に電流計２１が取り付けられ、負荷１８若しくは電源部１９と並列に電圧計２３が取り付けられる。これら電流計２１と電圧計２３とで入出力測定部２０が構成される。本体部２から負荷１８へ出力された総電力は電流計２１と電圧計２３との測定結果を積算することにより演算できる。他方、電源部１９から本体部２へ充電される電力の総計も電流計２１と電圧計２３の測定結果を積算することにより演算できる。本体部２の容量は予め定められているので、本体部２から負荷１８へ出力された電力の総量や電源部１９から本体部２へ充電された電力の総量を求めることにより、本体部２の充放電深度（第１の充放電深度）が求められる。
電流計２１及び電圧計２３の測定結果に基づく本体部２からの出力電力量又は本体部２への充電電力量の演算は制御部４０の演算装置が予め備えられたプログラムに基づき実行する。同様に、本体部２の充放電深度の演算も制御部４０で実行される。
【００１６】
金属／空気二次電池では放電が進行すると、金属負極の活物質（金属）が酸化されるので、その重量が増加する。他方、金属／空気二次電池の充電が進行すると、金属負極の金属から酸素が還元されて脱離するので、その重量が減少する。この関係を図２に示した。この重量変化は金属／空気二次電池の充放電深度（第２の充放電深度）を正確に反映する。
本体部２の重量を重量測定部３０で測定することにより当該第２の充放電深度を特定することができる。
制御部４０には、本体部２の重量とその充放電深度との関係がテーブル化され、または関数化されて、保存されている。
重量測定部３０は圧力センサから構成することができる。本体部２の下面へ少なくとも３個の圧力センサを配置する、配置された圧力センサの中心を本体部２の重心位置と一致させることが好ましい。
車両用の金属／空気二次電池では、本体部２の重量を測定する際に、本体部２自体の傾斜を考慮しなければならない。この場合、重量測定部３０に傾斜計３３を備え、当該傾斜計３３の測定結果を制御部４０へ送ることが好ましい。制御部４０は傾斜計の測定結果に基づき、重量測定部３０の圧力センサの出力を補正する。
【００１７】
次に、実施例の金属／空気二次電池の制御システム１の動作について、図３のフロー図を参照しながら、説明する。
ステップ１では、本体部２の単位時間当たりの重量変化ΔＧを重量測定部３０により測定し、制御部３０の所定のメモリに保存する。
ステップ３では、本体部２から負荷１８へ単位時間当たりに通電された電力（発電量変化）ΔＷを入出力測定部２０により測定し、制御部３０の所定のメモリへ保存する。
発電量変化ΔＷがゼロのとき、即ち本体部２が意図的に発電されていないとき、ステップ７へ進む。他方、本体部２が発電状態のときはステップ９へ進む。なお、充電状態（即ち、発電量変化ΔＷが負のとき）は考慮していない。即ち、この実施例の制御は本体部２が発電状態のときに動作している。
【００１８】
ステップ７では、本体部の重量変化ΔＧが第１の閾値以上であるか否かが検証される。通常の状態において閉塞弁部１６，１７はケーシング１０の空気孔１４，１５を開放している。従って、本体部２が非発電状態にあっても自己放電反応が進行するおそれがある。自己放電反応が進行すると、酸素が負極（金属極）の活物質と反応し、当該活物質を酸化する。これにより、負極の重量、ひいては本体部２の重量が増大する。この重量増大は、自己放電反応に由来しており、図２の関係から明らかなように、重量の増大分から自己放電反応の程度が把握される。
そこで、自己放電反応の許容できる範囲に対応する重量変化量を第１の閾値とし、測定した重量変化ΔＷがその第１の閾値以下である場合、ステップ１５へ進む。
測定した重量変化ΔＷが第１の閾値を超える場合、ステップ１１へ進む。
【００１９】
本体部２が発電状態のとき、即ちステップ９においては、発電量変化ΔＷと重量変化ΔＧとを比較する。発電量変化ΔＷと重量変化ΔＧとは原理的には対応しているので、制御部３０には発電量変化ΔＷに対応する重量変化ΔＧのとるべき範囲が予め定められている。この重量変化ΔＧのとるべき範囲は正常な自己放電反応による重量変化を包含することができる。
ステップ９に従えば、ステップ３において得られた発電量変化ΔＷに対してステップ１で得られた重量変化ΔＧの値が予め定められた範囲内にあるとき、ステップ１５へ進む。他方、ステップ３において得られた発電量変化ΔＷに対してステップ１で得られた重量変化ΔＧの値が予め定められた範囲外であると、ステップ１１へ進む。
【００２０】
ステップ１１では、重量変化ΔＧが異常値を示しているものとして、閉塞弁部１６、１７により空気孔１４、１５を閉塞し、空気極８への空気の供給を停止する。これにより、本体部２の発電反応が停止する。よって、本体部２が異常発熱することなどを防止できる。ステップ１３ではオペレータに警報を発令する。警報発令の態様として、ランプの点灯、ブザーを鳴らすことなどを挙げられる。
【００２１】
重量変化ΔＧが正常の範囲にあったとしても、空気極８が開放されている本体部２の特性上、自己放電反応は常に生じている。その結果、本体部２から抵抗１８へ送られた電力を入出力測定部２０で測定しているのみでは、本体部２から消費された電力を正確に特定することができない。
そこで、ステップ１５において、単位時間当たりの発電量変化ΔＷを単位時間当たりの重量変化ΔＧで補正することとした。補正の方法として、重量変化ΔＧから、図２の関係に基づき、電力量変化を特定し、この電力量変化を発電量変化ΔＷとして採用することができる。
ステップ１７では、補正された発電量変化ΔＷを発電操作開始より積算して、本体部２から放出された総電力を演算する。他方、本体部２が満充電時の電力量は既知であるので、放出総電力／満充電時の電力量より本体部２の充放電深度を演算できる。
ステップ１９では、ステップ１７で演算した充放電深度に基づき、本体部の充電量（満充電に対する現在充電量）を表示する。
【００２２】
上記の説明は本体部２が静置されていることを前提としている。本体部２が車輌等に載置される場合には、傾斜計３３で本体部２の傾きを計測し、当該計測結果に基づき重量計測部３０の計測結果を補正する必要がある。
また、セル部５の電池反応は環境温度や環境湿度によってもその特性（図２に示した関係）が変化することがある。その場合は、温度計や湿度計を予め設け、また制御部４０も温度や湿度による特性変位を補正するためのマップ若しくは関数を予め保存している。このようにして、温度計や湿度計の測定結果を利用して特性の変化を補正することができる。
【００２３】
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施例の金属／空気二次電池の制御システムの構成を示す。
【図２】金属／空気二次電池の出力特性を示すグラフ。
【図３】実施例のシステムの動作を説明するフローチャート。
【符号の説明】
【００２５】
１、１００  制御システム、  ２  本体部、  ５  セル部、  ６  セパレータ、  ７  金属正極、８空気負極、  １４，１５  空気孔、  １６，１７  閉塞弁部、  ２０  出力測定部、  ３０  重量測定部、  ４０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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