(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セル、生成物分離機構、電解液冷却機構、電解液貯留タンク、１以上の電解液ポンプ、切替機構、ならびにこれらを接続する複数の配管と電解液を構成要素とし、
該電池セルは、正極となる活性炭層、良導体層ならびに空気を取り入れる多孔体層をこの順にならべて一体化し、負極となるマグネシウム層と対向させ、一括して筐体に収めたものであり、
該生成物分離機構は、該電池セルが発電するときに発生する水酸化マグネシウム等の生成物および廃棄物を、電解液が循環するとき、該電解液から分離し、
該電解液冷却機構は、該電池セルが発電するときの発熱によって昇温した該電解液が循環するとき、その温度を適正な温度まで冷却し、
該電解液貯留タンクは該電池セルが発電するときに必要な所定量に等しい量以上の該電解液を貯留することができ、
該電池セル、第１の該電解液ポンプ、該生成物分離機構、該電解液冷却機構ならびに該切替機構を該配管で接続して該電解液が循環する環状の第１の経路の構成要素となし、
該第１の電解液ポンプの電解液送出側で、該切替機構によって、環状の該第１の経路から離れて該電解液貯留タンクへ該電解液を導くことができる分岐路を形成して第２の経路となし、
システム内の該電解液がほぼすべて該電解液貯留タンクに移送・貯留され、該電池セルには発電に必要な量の該電解液が存在せず発電運転が行なえない運転停止モードと、
該第１の経路内を該電解液が循環していないが、該電池セルに発電に必要な所定量の該電解液が存在し、該電池セルの両極に負荷を接続さえすれば、直ちに発電を開始できる発電可能モードと、
該第１の経路内を該電解液が循環していないが、該電池セルに発電に必要な所定量の該電解液が存在し、該電池セルの両極に負荷が接続され、発電し、接続された該負荷に電気を供給している発電中モードと、
該第１の経路内を該電解液が循環し、それによって該電池セル内を発電に必要な所定量の該電解液が循環し、該生成物分離機構及び該電解液冷却機構により循環する該電解液に対し該生成物分離と該冷却処理を行い、該電池セルの両極に負荷を接続さえすれば、直ちに発電を開始できる連続発電可能モードと、
該第１の経路内を該電解液が循環し、それによって該電池セル内を発電に必要な所定量の該電解液が循環し、該生成物分離機構及び該電解質冷却機構により循環する該電解液に対し該生成物分離と該冷却処理を行い、該電池セルの両極に負荷が接続され、発電開始し、接続された該負荷に電気を供給している連続発電中モードとの５つのモードを有し、
該運転停止モードにおいて、該電解液貯留タンクに貯留されている該電解液を該電解液貯留タンクより該第１の経路の構成要素のすべてを充填するように誘導し、該電池セルを発電に必要な所定量の該電解液で充填することによって、該電池セルの両極に負荷を接続さえすれば、発電のための化学反応が可能な該発電可能モードに状態遷移することができ、
また逆に、該発電可能モードにおいて、該第１の経路の構成要素である該電池セルに充填されていた該電解液を、該第１の経路から分岐した該第２の経路を通じて、該電解液貯留タンクに移送・貯留し、各該電池セル内の該電解液を空することによって、発電のための化学反応が不可能な該運転停止モードに遷移させることができ、
さらにまた、該発電可能モードにおいて該電池セルの両極に負荷を接続することによって、発電を開始し、接続された該負荷に電力を供給する該発電中モードに遷移させることができ、
また逆に、該発電中モードにおいて該電池セルの両極より負荷を切り離すことによって、発電を停止し、負荷を接続すればいつでも、発電開始可能な該発電可能モードに状態遷移させることができ、
さらにまた、発電中モードにおいて、該第１の電解液ポンプを動作させて該電解液を該第１の経路を循環させることによって、該電解液に対して該生成物分離機構ならびに該電解液冷却機構により該生成物分離ならびに該冷却処理を施す連続発電中モードに状態遷移させることができ、
また逆に、該連続発電中モードにおいて、該第１の電解液ポンプを停止し該電解液が該第１の経路を循環することを停止することによって、該電解液に対して該生成物分離並び該冷却処理を行わない該発電中モードに状態遷移させることができ、
さらにまた、該連続発電中モードにおいて、該電池セルの両極から負荷を切り離すことによって、発電を停止し、負荷を接続すればいつでも発電開始可能な連続発電可能モードに状態遷移させることができ、
また逆に、連続発電可能モードにおいて、該電池セルの両極に負荷を接続することによって、該連続発電中モードに状態遷移させることができ、
さらにまた、該連続発電可能モードにおいて、該第１の電解液ポンプを停止し、該電解液が該第１の経路を循環するのを停止することによって、該電解液に対する該生成物分離並びに該冷却処理を行わない該発電可能モードに状態遷移させることができ、
また逆に、該発電可能モードにおいて、該第１の電解液ポンプを動作させて該電解液を該第１の経路を循環させることによって、該電解液に対し該生成物分離並びに冷却処理を行う連続発電可能モードに状態遷移させることができ、
該５つの各モードにおいて適宜状態遷移させることによって、発電の開始・停止及び運転停止を行うことを特徴とするマグネシウム発電池システム。
【請求項２】
請求項１に示したマグネシウム発電池システムであって、
該第１ならびに第２の経路を形成するための該切替機構が切替弁であって、
該電解液貯留タンクは該電解液の入口と出口を個別に備えており、
該入口は該切替弁に接続され、
該出口は第２の電解液ポンプを経由して、該第１の経路の該切替弁と該電解液冷却機構を接続する配管に接続されており、
該電解液の貯留時は該第１の電解液ポンプによって、該第１の経路の途中から分岐する該第２の経路を経由して該電解液貯留タンクに移送され、
該電解液の充填時は、該電解液貯留タンクの出口から該第２の電解液ポンプによって、該電解液が該第１の経路に戻されて、該電池セル以下の該第１の経路の該構成要素に充填されることを特徴とするマグネシウム発電池システム。
【請求項３】
請求項１に示したマグネシウム発電池システムであって、
該第１ならびに第２の経路を形成するための該切替機構が切替弁であって、
該電解液貯留タンクは該電解液の唯一の出入口を底部に備えており、かつ上部が密閉されていて、
該出入口は、該第１の電解液ポンプの電解液送出側に配置された該切替弁に接続され、
該電解液の貯留時は該電解液ポンプの圧送によって、該切替弁により該第１の経路より分岐する該第２の経路を通って、該電解液貯留タンクの上部に形成される空間に蓄積された気体の圧力に抗して該電解液が該電解液貯留タンクに押し込まれ、
該電解液の充填時は、前記の気体の圧力で、該電解液が該電解液貯留タンクから該第２の経路を通って、該第１の経路に戻されて該第１の経路を構成する該構成要素のすべてに充填されることを特徴とするマグネシウム発電池システム。
【請求項４】
請求項１に示したマグネシウム発電池システムであって、
第２の経路を形成するための該切替機構が切替弁であって、
該電解液貯留タンクは該電池セルより高い位置に設置され、該電解液の唯一の出入口を底部に備えており、
該電解液の貯留時は該電解液ポンプによって、該第１の経路から該第２の経路
を経由して該電解液が重力に抗して押し上げられて該電解液貯留タンクに貯留され、
該電解液の充填時は、該電解液貯留タンクに貯留された電解液が重力によって該第２の経路を経由して、該第１の経路に戻されて、該第１の経路の該構成要素のすべてに充填されることを特徴とするマグネシウム発電池システム。
【請求項５】
請求項１に示したマグネシウム発電池システムであって、
複数の該電池セルを備えて、電気的に直列に接続してあり、
複数の該電池セルはそれぞれ電解液の入口弁ならびに出口弁を備えており、
複数の該電池セル、該電解液ポンプ、該生成物分離機構、該電解液冷却機構を接続して該第１の経路を構成するための該配管は、該電解液冷却機構の出側より、複数の該電池セルの複数の該入口弁側において、複数の該電池セルに分配可能となるように分岐し、複数の該入口弁の入側に該分岐先がそれぞれ接続され、
また複数の該電池セルの複数の該出口弁の出側は一つの該配管に集約され、
複数の該電池セルの内、多くても一つの該電池セルの該電解液のみが該第１の経路を循環でき、残る他のすべての該電池セルのそれぞれの該第１の経路を構成する該配管又は該電池セル内に該電解液の存在しない空間を有することによって、該他の電池セルの該電解液は相互に、かつ該第１の経路中の該電解液と電気的に切り離されていることを特徴とするマグネシウム発電池システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウムまたはマグネシウム合金を陰極活物質として使う電池（以下マグネシウム電池）を主体とし、特に、発電にともなう熱を冷却する機構、発電にともなう生成物や廃棄物を分離する機構、また発電および停止が任意に選択できる機構を持ち、また複数の電池セルを直列に接続して高電圧を得るマグネシウム発電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム電池は、エネルギー密度が高く、安全性も高く、また軽量である。材料のマグネシウムは資源的に極めて豊富で安価である。
【０００３】
マグネシウム電池では、発電することで水酸化マグネシウムを生成するが、これは電解液から分離後に高温にすることで再びマグネシウムに転換することが可能であり、循環型の電池材料として期待されている。
【０００４】
マグネシウム電池の反応は下記の化学式によって表せる。
２Ｍｇ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ  →  ２Ｍｇ（ＯＨ）２↓・・・・・化学反応式１
または、電極の周囲に酸素が無い場合の反応は下記の化学式によって表せる。
Ｍｇ＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｍｇ（ＯＨ）２↓＋Ｈ２    ・・・・・化学反応式２
実際には、両方の反応が混合して発電がおこなわれる。
【０００５】
マグネシウムは活性が高く、空気に曝されていると酸素と反応して表面に被膜を作ってしまい、また電解液があると自己放電が大きい。電解液をアルカリ性にすると自己放電を防ぐことができるが、マグネシウムの表面に不動態を形成してしまい反応が悪くなる。そこで、マグネシウムをカルシウム等との合金とすると自己放電が少なく、また発電によって生成される水酸化マグネシウムは電解液に溶け出し、表面の不動態層も形成されず安定に発電できる電池が構成できる。
【０００６】
金属−空気電池において、発電のとき、電解液に溶け出した水酸化金属などの濃度が増加して発電性能が落ちるのを防ぐため、これを取り除くために、電池セルと濾過手段を循環する経路で接続して運転する方法が提案されている。（特許文献１）
【０００７】
また、金属−空気電池を使用するとき、電極の発熱による昇温で耐久性が低下することなどを避けるため電池を冷却する必要がある。電解液を電池セルの外部に導いて、電池セルと放熱手段を循環する経路で連結して発電する方法が提案されている。（特許文献２）
【０００８】
これらの技術による電池は、単一のセルについての発明である。高い電圧を得るためには、複数の電池セルを直列に接続することになるが、複数の電池セルにおいて生成物分離機構や電解液冷却機構を共通で使うと、電解液が電気的に導通してしまい、電解液を通じた短絡（以下では液絡と称する）が発生してしまうという問題点がある。
【０００９】
また、電解液を一旦注入して、発電が始まってしまうと、負極のマグネシウムが消耗するまで発電を続けることを想定しており、途中で発電を一時停止することは考慮されていないという問題が有る。マグネシウム発電池システムを電気自動車の電源として使うとき、自動車の運転中に発電モードと、駐車中の停止モードを繰り返し切替えられることは必須である。
【００１０】
また、これらの技術による電池では、発電中に電池セルから発生する水素の処理は考慮されていないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−１７０８１９号
【特許文献２】特開２０１１‐２５８４８９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする第１の課題は、マグネシウム発電池システムにおいて、発電中の状態から適宜、発電を止め運転停止とし、また適宜、発電を再開して運転中にすることが可能なマグネシウム発電池システムを提供することである。
【００１３】
また、第２の課題は、電解液に溶け出した水酸化マグネシウムを濾過し、発電中に電解液の温度が上昇しすぎないように冷却して、長時間に渡って電解液を交換することなく、連続的に運転する事が可能なマグネシウム発電池システムを提供することである。
【００１４】
また、第３の課題は、複数の発電セルを直列に接続するときに発生する電解液による液絡を防止する構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の発明は、
電池セル、生成物分離機構、電解液冷却機構、電解液貯留タンク、１以上の電解液ポンプ、切替機構、ならびにこれらを接続する複数の配管を構成要素とし、
該電池セルは、正極となる活性炭層、良導体層ならびに空気を取り入れる多孔体層をこの順にならべて一体化し、負極となるマグネシウム層と対向させ、一括して筐体に収めたものであり、
該生成物分離機構は、該電池セルが発電するときに発生する水酸化マグネシウム等の生成物および廃棄物を、電解液が循環するとき、該電解液から分離し、
該電解冷却機構は、該電池セルが発電するときの発熱によって昇温した該電解液が循環するとき、その温度を適正な温度まで冷却し、
該電解液貯留タンクは該電池セルが発電するときに必要な量に等しい量以上の電解液を貯留することができ、
該電池セル、第１の該電解液ポンプ、該生成物分離機構、該電解液冷却機構ならびに該切替機構を該配管で接続して電解液が循環する環状の第１の経路の構成要素となし、
第１の該電解液ポンプの電解液送出側で、切替機構によって、環状の経路から離れて該電解液貯留タンクへ該電解液を導くことができる分岐路を形成して第２の経路となし、
発電の準備のときは、該電解液貯留タンクに貯留してあった該電解液を該電解液貯留タンクより外部に誘導し、第１の経路の構成要素のすべてを該電解液が充填された状態として、発電のための化学反応が可能な状態と、
発電のときは、該電解液が充填された状態で該電池セルの両極に負荷を接続して発電する状態と、
必要に応じて第１の該電解液ポンプで該電解液を第１の経路を循環させて、該電解液に対して該生成物分離機構ならびに該電解液冷却機構により生成物分離ならびに冷却の処理を施す状態と、
発電を止めるときは、該電池セルの両極から負荷を切り離した状態と、
さらに該電池セルに充填していた該電解液を、第１の経路から分岐した第２の経路を通じて、該電解液貯留タンクに移送し、各該電池セル内で発電のための化学反応が不可能な状態とし、移送された該電解液貯留タンクに貯留された状態と、
を有し、その状態を記載の順で切り替え、発電の運転開始・停止を随時できることを特徴とするマグネシウム発電池システムである。
【００１６】
第２の発明は、
第１の発明に示したマグネシウム発電池システムであって、
第１ならびに第２の経路を形成するための切替機構が切替弁であって、
該電解液貯留タンクは該電解液の入口と出口を個別に備えており、
該入口は該切替弁に接続され、
該出口は第２の電解液ポンプを経由して、第１の経路の該切替弁と該電解液冷却機構を接続する配管に接続されており、
該電解液の貯留時は第１の該電解液ポンプによって、該第１の経路の途中から分岐する第２の経路を経由して該電解液貯留タンクに移送され、
該電解液の充填時は、該電解液貯留タンクの出口から第２の該電解液ポンプによって、該電解液が該第１の経路に戻されて、該電池セル以下の第１の経路の構成要素に充填されることを特徴とするマグネシウム発電池システムである。
【００１７】
第３の発明は、
第１の発明に示したマグネシウム発電池システムであって、
第１ならびに第２の経路を形成するための切替機構が切替弁であって、
該電解液貯留タンクは該電解液の唯一の出入口を底部に備えており、かつ上部が密閉されていて、
該出入口は、該第１の電解液ポンプの電解液送出側に配置された切替弁に接続され、
該電解液の貯留時は該電解液ポンプの圧送によって、該切替弁により該第１の経路より分岐する該第２の経路を通って、該電解液貯留タンクの上部に形成される空間に蓄積された気体の圧力に抗して該電解液が該電解液貯留タンクに押し込まれ、
該電解液の充填時は、前記の気体の圧力で、該電解液が該電解液貯留タンクから該第２の経路を通って、該第１の経路に戻されて該第１の経路を構成する構成要素のすべてに充填されることを特徴とするマグネシウム発電池システムである。
【００１８】
第４の発明は、
第１の発明に示したマグネシウム発電池システムであって、
第２の経路を形成するための切替機構が切替弁であって、
該電解液貯留タンクは該電池セルより高い位置に設置され、該電解液の唯一の出入口を底部に備えており、
該電解液の貯留時は該電解液ポンプによって、該第１の経路から該第２の経路を経由して該電解液が重力に抗して押し上げられて該電解液貯留タンクに貯留され、
該電解液の充填時は、該電解液貯留タンクに貯留された電解液が重力によって該第２の経路を経由して、該第１の経路に戻されて、第１の経路を構成する構成要素のすべてに充填されることを特徴とするマグネシウム発電池システムである。
【００１９】
第５の発明は、
第１の発明に示したマグネシウム発電池システムであって、
複数の該電池セルを備えて、電気的に直列に接続してあり、
該複数の電池セルはそれぞれ電解液の入口弁ならびに出口弁を備えており、
該入口弁の入側ならびに該出口弁の出側は、それぞれ複式接続されて一つに集約され、該電解液ポンプ、該生成物分離機構、該電解液冷却機構と該配管により接続され、該第１の経路を構成し、
該複数の電池セルの内、多くても一つの該電池セルの該電解液のみが第１の経路を循環でき、残る他のすべての該電池セルのそれぞれの第１の経路を構成する該配管又は該電池セルに該電解液の存在しない空間を有することによって、該他の電池セルの該電解液は相互に、かつ該電池セルを除く該第１の経路中の該電解液と電気的に切り離されていることを特徴とするマグネシウム発電池システムである。
【発明の効果】
【００２０】
図１７は本発明のマグネシウム発電池システムの動作を示す状態遷移図である。マグネシウム発電池の動作は「運転停止モード」、「発電可能モード」、「連続発電可能モード」、「発電中モード」、「連続発電中モード」と称する５つのモードを有する。「運転停止モード」は電池セル内の極板を電解液が浸漬しておらず、電解液ポンプの運転をはじめ全ての機能を停止しているモードである。
【００２１】
「運転停止モード」のとき、電池セルに電解液を充填すると「発電可能モード」に移行する。「発電可能モード」のとき、電池セルの両極に負荷を接続すれば直ちに「発電中モード」に移って発電を行う。また、「発電可能モード」のとき、電池セルの両極に負荷を接続しないまま電解液の循環を開始すると、「連続発電可能モード」に移行する。
【００２２】
「連続発電可能モード」のとき、電池セルの電解液が第１の経路を循環して生成物分離と電解液冷却の処理を行っており、電池セルの両極に負荷を接続すれば直ちに「連続発電中モード」に移行して、電解液を交換することなく連続的に発電を継続できる。
これらのモードを適切に順次切り替えることでマグネシウム発電池システムの運転を制御することができる。
【００２３】
ここで、運転停止モードでは、化学反応を完全に停止してマグネシウムの損耗を防ぐことができる。また、これらモードの切り替えを適切に行うことで、複数の電池セルを直列に接続しても液絡を発生しないマグネシウム発電池システムを実現できるが、詳細については後述する。なお、発電可能モードでは、負荷には接続されていないので、発電は正規には行われないが、漏えい電流の存在により、微小ではあるが化学反応が進み、長時間では、マグネシウムの消耗を招くことがある。
【００２４】
また、発電中モードで、さらに電解液を循環させ、連続発電中モードとすることで生成物分離機構が働き、電解液に溶け出す水酸化マグネシウムや廃棄物を取り除くので、電解液を長期間交換する必要がなく、また電解液冷却機構により電解液の温度を適正に保つので、安定に動作するマグネシウム発電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】マグネシウム発電池システムの第１の全体構成図
【図２】第１の構成の電解液のフロー図
【図３】マグネシウム発電池システムの第２の全体構成図
【図４】第２の構成の電解液のフロー図
【図５】マグネシウム発電池システムの第３の全体構成図
【図６】第３の構成の電解液のフロー図
【図７】電池セルの断面図
【図８】マグネシウム発電池システムの全体外観図
【図９】ハイブリッド電池の概念図
【図１０】複数の電池セルを直列接続した全体構成図
【図１１】コントローラの図
【図１２】電池セルを直列接続するコントローラの図
【図１３】電解液充填のシーケンスチャート
【図１４】連続発電中のシーケンスチャート
【図１５】電解液貯留のシーケンスチャート
【図１６】電池セルを直列接続した場合の処理のタイミングチャート
【図１７】マグネシウム発電池の状態遷移図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２６】
第1の実施例を図によって説明する。図1はマグネシウム発電池システムの第１の全体構成図であり、図２は第１の構成の電解液のフロー図であり、図７は電池セルの断面構造図であり、図１１は電池を制御するコントローラを示すものである。
【００２７】
図１に示すように、この実施例では、電池セル１１、第１の電解液ポンプ４１、生成物分離機構２１１、ならびに電解液冷却機構２１２を、記載の順にそれぞれの出口と入口の間を絶縁物で形成された配管７１で接続して、電解液３が循環する環状の経路を形成する。これを第１の経路と呼ぶ。また、生成物分離機構２１１と電解液冷却機構２１２を結ぶ配管７１の途中に、切替機構である切替弁５１を設置してあり、その１つの出口を電解液貯留タンク２１３の底部に位置する電解液入口２１５に接続してある。
【００２８】
電解液３は環状の第１の経路を、第１の電解液ポンプ４１によって、図で左回りに循環する。また、電解液３が右回りに循環されることのないように、循環する第１の経路上の適宜な位置に図示しない逆止弁が設置されている。
【００２９】
電解液貯留タンク２１３の電解液出口をなす配管２１６は、該貯留タンクの上部から内部に差し込まれていて開口部が底部近くに達し、該配管２１６の該貯留タンクの外部の部分は、第２の電解液ポンプ４２を経由して、切替弁５１と電解液冷却機構２１２を結ぶ配管７１に接続して、環状の第１の経路に合流している。この配管２１６の経路を第２の経路と呼ぶ。第２の経路上においても、配管２１６の該貯留タンクの底部開口部から第２の電解液ポンプ４２の順に電解液３を流す必要があるので、万が一にも逆流することのないように図示しない逆止弁が設置されている。
【００３０】
電解液貯留タンク２１３は、電池セル１１、生成物分離機構２１１、電解液冷却機構２１２、第１の電解液ポンプ４１ならびにそれぞれを接続する配管のすべての容積を満たし、かつ電池セル１１が発電中に消費される電解液３を補充するのに十分な量の電解液を貯蔵することができる容量を持っている。
【００３１】
図７に断面図を示すように、電池セル１１は電池セル筐体１３の内部に、マグネシウム合金１２２を負極とし、活性炭１１３、銅などの良導体１１２ならびに多孔体１１４を記載の順に重ねて一体化したものを正極として、一定の隙間を空けて、対向して配置する。
【００３２】
図７に示すように、電池セル筐体１３の１面（図で左側の面）に多数の微小な空気穴１３１を開口してある。正極の多孔体１１４を、この空気穴１３１に対向して、開口のある範囲を覆うように設置する。マグネシウム発電池システム１が発電するとき、正極側で酸素が必要であるが、この空気穴１３１、多孔体１１４を経由して空気中の酸素が電池セル１１の内部に供給される。
【００３３】
多孔体１１４は、気体は通過させるが液体は通過させない材質である。液体を通過させないために材料の持つ撥水性などが利用される。たとえば、フッ素樹脂多孔膜、あるいはクロロプレン、シリコーン樹脂、ポリトリメチルシリルプロピン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリイソプレン、ポリブタジエン、クロロプレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、シリコンポリカーボネート共重合体、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステルなどの発泡シートを使うことができる。
【００３４】
また、電池セル筐体１３は、電解液３に接する面が絶縁物で形成されている。マグネシウム合金１２２の上部には、負極リード部が設置されている。良導体１１２の上部には、正極リード部が設置されている。両極リード部と電池セル筐体１３との間は絶縁されている。
【００３５】
図１に示すように、電池セル筐体１３の外側に、液面検出器１４ならびに１５が設置してある。液面検出器は既知の超音波方式のもの、静電容量方式のもの、あるいはその他の方式のものである。液面検出器１４は、電池セル１１の上部でほぼ電解液入口１３５の高さと同じ高さの位置に設置される。液面検出器１５は、電池セル１１の下部で電極類の下端より下側の高さの位置に設置される。液面検出器１４ならびに１５は取付位置の水平方向に対向する位置に電解液３が有るときＯＮ信号を、無いときにはＯＦＦ信号を発生する。
【００３６】
図１１に示すコントローラ８は、操作盤８１からの操作信号と、液面検出器１４ならびに１５からの信号を受け取る。操作信号は、「電解液充填」、「電解液循環」、「電解液貯留」の３つである。それらの入力に基づいて、第１の電解液ポンプ４１ならびに第２の電解液ポンプ４２を運転するための電源と、切替弁５１の切替信号を出力する。
【００３７】
電池セル１１は電池セル筐体１３の内部に電解液３を充填すれば、発電が可能な状態（発電可能モード）となる。電解液３は塩水である。電解液３を充填した状態で負極リードと正極リードの間に図示しない負荷を接続すれば、電池としての化学反応により発電（発電中モード）が始まる。
【００３８】
発電状態のとき、水素ガスが発生するので、これを外部に導くように電池セル筐体１３の上部にガス放出口１３２を設けてある。また、後に述べる電解液貯留時において電解液３が電池セル１１から抜き取られるときはガス放出口１３２を通って内部に空気が入る。電解液充填時に電解液３を電池セル１１に充填するときは、ガス放出口１３２より、内部の空気が出て行く。
【００３９】
図１に示すマグネシウム発電池システム１の動作を説明する。図１（ａ）は、本マグネシウム発電池システムが連続発電中モードにある状態を示している。すなわち、電池セル１１に電解液３が充填された発電可能モードから、図示しない負荷が接続されて発電中モードとなり、かつ電解液が循環されて連続発電中モードであることを示す。これらのモード切り替えは、図１１に示したコントローラによって制御される。詳細は後述する。
【００４０】
この図１（ａ）連続発電中モードにおいて、図１の下方の「切替弁の動作」の図に示す切替弁は、「（ｗ）電解液循環」の位置にあって、電解液３は切替弁の左側から入って、上側へ出て行く。図１（ａ）の配管７１および切替弁５１の近傍に矢印で示したように、第１の電解液ポンプ４１の運転により、圧送された電解液３は図で左回り方向に流れて第１の経路上を循環する。
【００４１】
図２は電解液３のフローを示すもので、各モードの概念が理解しやすいように適宜省略して表示した図である。図の矢印が電解液３の流れの方向を示している。
【００４２】
図２（ａ）連続発電中モードで示す通り、第１の電解液ポンプ４１によって、電解液３が環状の第１の経路を左回りに循環する。すなわち、電池セル１１、電解液ポンプ４１、生成物分離機構２１１、電解液冷却機構２１２の順である。ここで切替弁５１は表示を省略してある。
【００４３】
電解液３が生成物分離機構２１１を通過するとき内部に含まれている水酸化マグネシウムなどの発電生成物が分離される。生成物分離機構２１１から出た電解液３は切替弁５１によって、上向きの配管に向かって出て行き、次に電解液冷却機構２１２を通過する。電解液３が電解液冷却機構２１２を通過するとき、適当な温度に冷却される。冷却には、水冷または空冷など適切な方法が使われる。
【００４４】
電解液冷却機構２１２を出た電解液３は電池セル１１に戻る。電解液３がこの環状の第１の経路を循環するとき、該経路外には出て行かないので、該経路内の電解液３の量は一定である。だが発電が行われると電解液３の中の水は化学反応式１及び／又は２によって消費される。したがって電池セルの電解液３の量を一定に保つために電解液の補充が必要である。
【００４５】
そのため、電池セル１１内の電解液３の上面の位置を液面検出器１４で監視しておき、電解液３が減少して液面の位置が下がり、液面検出器１４がＯＦＦになると、短時間だけ第２の電解液ポンプを運転して電解液貯留タンク２１３から電解液３を補充して、電解液３の液面の高さは常にある範囲に保たれるよう制御する。こうすることによって、電極に接続してある図示していない負荷に継続的に電力を供給できる。
【００４６】
次にマグネシウム発電池システムが運転停止モードに移る動作を説明する。図２（ｂ）は電解液３を電池セル１１から抜き取って、電解液貯留タンク２１３に移送する電解液貯留の動作を示している。
【００４７】
マグネシウム発電池システムが連続発電中モードのとき、図示しない負荷を電池セル１１から切り離して負荷への電源供給を止めてから、図１１に示した操作盤８１で「電解液貯留」を入力すると、コントローラ８から切替弁に対して切替信号が出力され、当該信号によって切替弁５１は図１の下部に示した「切替弁の動作」の図の内で、「（ｗ）電解液循環」から「（ｘ）電解液貯留」で示される位置に切替えられて、電解液３は、切替弁の左側から入って右側から出て行くように変わる。
【００４８】
すなわち、切替弁５１は電解液ポンプ４１の出口と電解液貯留タンク２１３の電解液入口２１５を接続し、電解液フローは、図２（ｂ）に示す電解液貯留の動作となる。電池セル１１からの電解液３の流れは、環状の第１の経路上の循環を止めて、電解液貯留タンク２１３に向かい、電解液３は電解液貯留タンクに移送され、貯留される。
【００４９】
電解液３の液面が電池セル１１の電極類の下端より上に有って、電池セル１１に設置した液面検出器１５がＯＮの状態にある限り、この電解液貯留の動作が継続する。電解液３の液面が電極類の下端より下の液面検出器１５の取り付けられた位置まで低下すると、液面検出器１５がＯＦＦとなって、電解液貯留の動作が終了する。電解液貯留の動作が終了するとき、コントローラ８の切替信号によって切替弁は図１の下側の「切替弁の動作」の図で「（ｘ）電解液貯留」から「（ｚ）停止」の位置に切り替えられ、また電解液ポンプ４１への電源供給は停止される。
【００５０】
図１（ｂ）は運転停止モードを示す。電解液貯留の動作が終了して、電解液３が電池セル１１の底部と配管７１に残った部分を除いてほとんど電解液貯留タンク２１３に貯留されている状態を示している。このとき、図から見てとれるように、電池セル１１では電解液３は各電極に接していないので、電池は発電できず、自己放電することもないので、完全な運転停止モードとなる。
【００５１】
次に、この運転停止モードにあるとき操作盤８１で「電解液充填」を入力すると、コントローラ８から出力された電源により第２の電解液ポンプ４２が起動される。このとき切替弁５１は（ｚ）停止の位置のままである。
【００５２】
すなわち、電解液のフローは図２（ｃ）電解液充填となり、電解液３を電解液貯留タンク２１３から電池セル１１に充填する動作になる。電解液貯留タンク２１３に貯留されていた電解液３は第２の電解液ポンプ４２によって抜き取られ、電解液冷却機構２１２を経由して電池セル１１の内部に充填される。
【００５３】
この電解液充填の動作は、電池セル１１の内部の電解液３の上面が電池セル筐体１３に設置された液面検出器１４のレベルを越えて上昇したとき、液面検出器１４がこれを検出し、ＯＦＦからＯＮに変わり、それをコントローラ８が認識して、第２の電解液ポンプ４２への電源供給を停止して、終了し、発電可能モードとなる。負荷を接続すれば、電解液３が循環していなくても発電中モードとなる。
【００５４】
次に、図１１に示した操作盤８１で「電解液循環」を入力すると、電解液ポンプ４１への電源が出力され、コントローラ８の出力する切替信号によって切替弁５１は「（ｚ）停止」の位置から、「（ｗ）電解液循環」の位置に切り替わり、電解液３は第1の経路を循環開始し、電解液循環の動作となる。上に述べたように、発電可能モードで負荷を接続すれば、発電を開始するが、電解液の生成物分離、冷却を担保するために電解液循環の動作が開始するまで、負荷の接続を待って、発電を開始してもよい。以上で動作状態の一巡を説明した。
【００５５】
なお、図１（ａ）連続発電中モードから説明したが、常時は発電中モードとしておき、電解液中の生成物の濃度や電解液の温度が基準値を超えて高くなった時だけ連続発電モードとして電解液を循環しても良い。
【００５６】
この実施例では、電解液貯留タンク２１３を生成物分離機構２１１と電解液冷却機構２１２の間を接続する配管に設置したが、これに限らず電解液ポンプ４１の電解液送出側であれば、電解液ポンプ４１と生成物分離機構２１１の間でも、電解液冷却機構２１２と電池セル１１の間でも、いずれの位置に設置しても良い。
【００５７】
また、本実施例では第１の経路に電解液ポンプ、生成物分離機構、電解液冷却機構の順に接続されているとしたが、電解液ポンプ、電解液冷却機構、生成物分離機構の順でも良い。
【００５８】
図８（ａ）はマグネシウム発電池システム１の全体の外観図である。電池セル１１以外の要素は別の筐体に電解液処理モジュール２１としてまとめてある。図８（ｂ）は電池セル１１と電解液処理モジュール２１を組み合わせることで、複数のマグネシウム発電池システム１を密接並列して設置することができる様子を示したものである。複数のマグネシウム発電池システム１は直列もしくは並列に接続して運転ができる。
【００５９】
発電中は電池セル１１から水素ガスが発生する。図９はマグネシウム発電池システム１と水素燃料電池９を組み合わせてハイブリッド電池としたものを示す。マグネシウム発電池システム１の電池セル１１のガス放出口を水素燃料電池９のガス流入口９１１に気密に接続し、発生した水素ガスの圧力で水素燃料電池９に送る。複数のマグネシウム発電池システム１の出口を１つの水素燃料電池９に気密に接続してもよい。
【００６０】
また、この場合電池セル１１の電池セル筐体１３に、空気が出入りする空気弁１３４を有する空気流通口１３３を設置して、電解液３の貯留または充填の場合の空気の流通ができるように空気弁１３４を開けておく。一方、マグネシウム発電池システム１が発電中は発生する水素を逃がさないように空気弁１３４を閉じておく。
【実施例２】
【００６１】
第２の実施例を図３、４によって説明する。図３はマグネシウム発電池システムの第２の全体構成図であり、図４は第２の構成の電解液のフロー図である。
【００６２】
図３に示すように、この実施例では、発電状態で電池セル１１、電解液ポンプ４１（本実施例では、ポンプは一つしか必要ないので、単に電解液ポンプ４１と称する）、生成物分離機構２１１、ならびに電解液冷却機構２１２を、記載の順にそれぞれ配管で接続して循環する環状の第１の経路を形成している点は第１の実施例と同じである。
【００６３】
生成物分離機構２１１と電解液冷却機構２１２を結ぶ配管７１の途中に、切替機構である切替弁５１を設置してあり、その１つの出口を電解液貯留タンク２１３の底部に有る唯一の電解液出入口２１７に接続してある。
【００６４】
電解液貯留タンク２１３には、その他には電解液３の出入口は無く、電解液３が底部から入るとその上部は密閉された空間を形成する点が第１の実施例と異なる。該空間にはあらかじめ空気または不活性ガスなどを適当な圧力で封入しておく。
【００６５】
また、本実施例では、図１１に示した実施例１のコントローラ８において第２の電解液ポンプ４２への出力が無い点を除けば、第１の実施例と同じである。
【００６６】
図４によって電解液のフローを詳しく説明する。図４（ａ）に示す連続発電中モードは第１の実施例の図２（ａ）と同じである。すなわち、発電可能モードまたは発電中モードのとき、操作盤８１で「電解液循環」を入力すると、コントローラ８から電解液ポンプ４１への電源が出力されて運転を始め、かつ切替弁５１への切替信号の出力により、図３の下部の「切替弁の動作」の図で示されるように切替弁５１が「（ｚ）停止」から、「（ｗ）電解液循環」に切替えられ、切替弁５１の左側から入った電解液３は右側に出るようになる。これによって、図４（ａ）に示す連続発電中モードとなり、生成物分離機構２１１の出口は電解液冷却機構２１２の入口に接続され、第１の経路を電解液３が循環する。
【００６７】
次に、連続発電中モードのとき、負荷を切り離すと連続発電可能モードに移行し、さらに操作盤８１で「電解液貯留」を入力すると、発電可能モードに移行し、コントローラ８から切替弁５１に対して切替信号が出力されて、図３の下部に示す「切替弁の動作」の図で示されるように、切替弁５１が「（ｗ）電解液循環」から「（ｘ）電解液貯留」の位置に切替えられ、切替弁５１の左側から入った電解液３は上方に出るようになる。
【００６８】
すなわち、図４（ｂ）電解液貯留のフロー図に示されるように、電解液ポンプ４１の出口と電解液貯留タンク２１３の電解液出入口２１７が接続される。これにより、電解液３の流れは環状の循環する第１の経路から離れて、電解液ポンプ４１によって圧送された電解液３は電解液出入口２１７を経由して電解液貯留タンク２１３に移送され、貯留される。
【００６９】
この時、電解液貯留タンク２１３には、電解液出入口２１７以外に出入口が無く密閉されているので、電解液３が電解液ポンプ４１で電解液貯留タンク２１３内に圧入されて、貯留される量が多くなるほど上部の空間に有る気体は圧縮されていく。
【００７０】
この電解液貯留の動作は、電解液３の液面が電池セル１１内の電極類の下端より上にあって、電池セル筐体１３に設置した液面検出器１５がＯＮの状態あるかぎり継続する。電解液３の液面が電極類の下端より下になったことを液面検出器１５が検出してＯＦＦになると、コントローラ８がそれを認識して、コントローラ８から切替弁５１に対して切替信号が出力されて切替弁５１は「（ｘ）電解液貯留」から「（ｚ）停止」の位置となり、電解液ポンプ４１への電源供給は切断されてポンプは停止して、電解液貯留の動作が終了する。
【００７１】
このとき電池セル１１において、正負の電極は、いずれも電解液３と接触することはなくなるので、発電は停止し、また、自己放電も行われないので、完全に停止する運転停止モードとなる。図３（ｂ）運転停止モードは、電解液貯留の動作が終了し、運転停止モードとなった時の電解液３の状況を示している。
【００７２】
次に、発電を再開する手順について説明する。運転停止モードのとき、操作盤８１で「電解液充填」を入力すると、コントローラ８から切替弁５１に対して切替信号が出力されて、図３の下部の「切替弁の動作」の図で示されるように切替弁５１が「（ｚ）停止」から「（ｙ）電解液充填」の位置に切替えられ、切替弁５１の上側から入った電解液３は右方に出るようになる。
【００７３】
すなわち、図４（ｃ）電解液充填のフロー図に示すように、切替弁５１を切り替えることによって電解液貯留タンク２１３の電解液出入口２１７と電解液冷却機構２１２の入口が接続され、電解液充填モードになる。電解液３は電解液冷却機構２１２を経由して電池セル１１の電解液の入口から電池セル筐体１３の内部に充填される。
【００７４】
このとき、電解液貯留タンク２１３に貯留されていた電解液３は、電解液貯留タンク２１３の上部の空間に有る気体の圧力を予め適当に高めておくことで、電解液３は圧力で押し出され、電解液冷却機構２１２を経由して、電池セル１１に流入する。電解液３がある程度電解液貯留タンクから流出しても、継続して電解液が電解液貯留タンク２１３より流出し、電池セルに供給されるように、タンク内は十分な圧力を維持するようにタンク内の気体の初期圧力を設定してあるので、電池セル１１が高い位置にあってもその上部にある電解液入口１３５より電解液を充填することができるのでポンプなどの特別な移送装置は必要ない。
【００７５】
この電解液充填の動作は、電池セル１１の内部の電解液３の上面が電池セル筐体１３に設置された液面検出器１４が設置された位置を越えて上昇したとき、液面検出器１４が検出して、ＯＦＦからＯＮに変わり、これをコントローラ８が認識して、切替弁５１に切替信号を送り、切替弁５１を図３の下側にある「切替弁の動作」の図の「（ｙ）電解液充填」から「（ｚ）停止」の位置に切り替えることによって電解液充填モードは終了する。
【００７６】
その他の動作については、実施例１と同じであるので説明を省略する。
【実施例３】
【００７７】
第３の実施例を図によって説明する。図５はマグネシウム発電池システムの第３の全体構成図であり、図６は第３の構成の電解液のフロー図である。
【００７８】
図５に示すように、この実施例では、電池セル１１、電解液ポンプ４１（本実施例でもポンプは一つしか必要ないので、単に電解液ポンプ４１と称する）、生成物分離機構２１１、ならびに電解液冷却機構２１２を、記載の順にそれぞれ配管で接続して循環する環状の第１の経路を形成している点は第１の実施例と同じである。
【００７９】
また、生成物分離機構２１１と電解液冷却機構２１２を結ぶ配管７１の途中に、切替機構である切替弁５１を設置してあり、その１つの出口を電解液貯留タンク２１３の底部に有る電解液出入口２１７に接続してある点は、第２の実施例と同じである。
【００８０】
本実施例では、電解液貯留タンク２１３には上部に空気流通口２１４が有って、大気に流通しているので、電解液３が下部の電解液出入口２１７から出入りしても電解液貯留タンク２１３の内部の圧力は変わらない。
【００８１】
また、図５の記載から分かる通り、電解液貯留タンク２１３の底部に有る電解液出入口２１７は、電池セル１１の上部に存在する電解液の流入口より高い位置に設置される。したがって、電解液貯留タンク２１３より低い位置に電池セル１１を配置してあるので、重力によって電解液３を電解液冷却機構２１２を経由して電池セル１１に充填することができるので、ポンプなどの特別な移送装置は必要ない。
【００８２】
したがって、本実施例では、実施例１で存在した第２の電解液ポンプ４２は必要性が無く、図１１に示した実施例１のコントローラ８において電解液ポンプ４２への出力が無い点を除けば、第１の実施例と同様である。
【００８３】
図６によって電解液３のフローを詳しく説明する。図６（ａ）に示す連続発電中モードは第１の実施例と同じである。すなわち、発電可能モード（電解液３が電池セル１１、生成物分離機構２１１、電解液冷却機構２１２及びそれらを接続する配管７１等に充填されて、発電可能な状態にある。）か、または発電中モード（発電可能モードで負荷が接続され、発電状態にある。）のとき、操作盤８１で「電解液循環」を入力すると、コントローラ８から電解液ポンプ４１への電源が出力されて運転を始め、かつ切替弁５１に対する切替信号の出力により、図３の下部に切替弁の「動作の図」で示されるように切替弁５１が「（ｚ）停止」から、「（ｗ）電解液循環」の位置に切替えられ、切替弁の下側から入った電解液３は左方に出るようになる。
【００８４】
これによって、生成物分離機構２１１の出口が電解液冷却機構２１２の入口に接続され、電池セル１１−電解液ポンプ４１−生成物分離機構２１１−電解液冷却機構２１２の第１の経路を電解液３が循環する。この状態で電池セル１１に負荷が接続されると発電開始し、または負荷が接続さていると発電を継続し、負荷への電源が継続的に供給されるのは、実施例１、２と同様である。
【００８５】
次に、連続発電中モードにあるとき、負荷を切り離して、操作盤８１で「電解液貯留」を入力すると、コントローラ８から切替弁５１に対して切替信号が出力されて、図３の下部に示した「切替弁の動作」の図で示されるように切替弁５１が「（ｗ）電解液循環」又は「（ｚ）停止」から「（ｘ）電解液貯留」の位置に切替えられ、切替弁の下側から入った電解液３は右方に出るようになる。
【００８６】
すなわち、切替弁５１を「（ｘ）電解液貯留」に切り替えることによって、図６（ｂ）のフロー図の電解液貯留で示すように、生成物分離機構２１１の出口と電解液貯留タンク２１３の電解液出入口２１７が接続される。これにより、電解液３の流れは環状の循環する第１の経路から離れて、電解液ポンプ４１によって圧送された電解液３が生成物分離機構２１１を経由し、さらに電解液貯留タンク２１３の電解液出入口２１７を経由して電解液貯留タンク２１３に移送され、貯留される。
【００８７】
この電解液貯留の動作は、電解液３の液面が電極類の下端より上にあって、電池セル１１に設置した液面検出器１５がＯＮの状態あるかぎり継続する。電解液３の液面が電極類の下端より下になり、液面検出器１５がこれを検知しＯＦＦとなると、コントローラ８がこれを認識し、切替弁に対して切替信号が出力されて切替弁５１は「（ｚ）停止」の位置となり、電解液ポンプ４１への電源供給は切断されて電解液ポンプ４１はその動作を停止する。
【００８８】
このとき、電池セル１１内で、正負の電極は電解液３に接触することがないので、発電は停止し、また、自己放電も起きないので、完全に停止し、運転停止モードとなるのは、実施例１、２と同様である。図５（ｂ）運転停止モードは、電解液貯留の動作が終了し、運転停止モードになった時の電解液３の状況を示している。
【００８９】
次に、発電を再開する手順について説明する。運転停止モードのとき操作盤８１で「電解液充填」を入力すると、コントローラ８から切替弁５１に対して切替信号が出力されて、図３の下部に示した「切替弁の動作」の図で示されるように切替弁５１が「（ｚ）停止」の位置から「（ｙ）電解液充填」の位置に切替えられ、切替弁の右側から入った電解液３は左方に出るようになる。
【００９０】
すなわち、図６（ｃ）電解液充填モードでは切替弁５１を切り替えることによって電解液貯留タンク２１３の電解液出入口２１７と電解液冷却機構２１２の入口が接続される。電解液貯留タンク２１３内の電解液３は、重力の働きにより、電解液冷却機構２１２を経由して電池セル１１の電解液入口１３５から電池セル筐体１３の内部に充填される。このとき、電解液３を移送するのは重力であるので、ポンプなどの電解液３移送のための特別な移送装置は必要ない。
【００９１】
この電解液充填の動作は、電池セル１１の内部の電解液３の上面が電池セル筐体１３に設置された液面検出器１４のレベルを越えて上昇したとき、液面検出器１４がこれを検知し、ＯＦＦからＯＮに変わり、これをコントローラ８が認識して、切替弁５１に対して切替信号を送り、「切替弁の動作」を示す図の「（ｚ）停止」の位置に切り替えることによって終了し、発電可能モードに移行する。
【００９２】
その他の動作については、実施例１と同じであるので、説明は省略する。
【実施例４】
【００９３】
第４の実施例を図によって説明する。本実施例は、複数の発電セルを直列に接続して高電圧の出力を実現するための構成である。図１０は電池セルの直列接続の全体構成図である。すでに述べたように、マグネシウム発電池システムの構成をコスト低減のために、生成物分離機構や電解液冷却機構を、複数の電池セルで共通化しようとすると液絡という問題が発生する。本実施例は液絡の問題を解決するものである。
【００９４】
図１０では、図示しない電気配線により複数の電池セル１１（電池セル１１ａ〜電池セル１１ｎ）が直列に接続されていて、図示しない負荷に接続あるいは切り離しできる。図の都合で複数の電池セル１１ａ〜１１ｎは縦に並んでいるように書かれているが、実際には底面を同じ高さとして水平に並べて配置されている。また、電極端子を上にした姿勢で置かれている。
【００９５】
また、これ以降の説明に現れる各符号の中のａ〜ｎのアルファベットは、その符号の部品、部位が対応するアルファベットの電池セル１１ａ〜１１ｎに関係するものであることを示している。ここでｎは、電池セルが例えば１４個の場合を一例として示したものであって、実際のセルの数によって、ｍ（１３個）、ｐ（１６個）他であってもよい。
【００９６】
それぞれの電池セル１１には電解液３の入口弁６１と出口弁６２が備えられていて、出口弁６２は、複数の電池セル１１で複式接続され集約されて一つとなり、電解液ポンプ４１、生成物分離機構２１１および電解液冷却機構２１２の順に接続され、電解液冷却機構２１２の出力側は、複数の電池セル１１の入口弁６１に分配されるように複式接続され、電解液３が循環する第１の経路を構成している。
【００９７】
本実施例では、電解液貯留タンク２１３は、第３の実施例と同じに、生成物分離機構２１１と電解液冷却機構２１２の間の配管７１に接続されており、また、電池セル１１への電解液の充填は重力によって行われる構造である。
【００９８】
各出口弁６２の出側には、それぞれ逆Ｕ字型管７３が設置されている。逆Ｕ字型管７３の頂点（Ｕ字の底の位置）には電池セル１１の高さより上まで伸びる空気導通管７２がつながっており、各空気導通管７２は複式接続され１つに集約されて、常時は閉じられている大気解放弁６３を経由して大気に解放されている。
【００９９】
入口弁６１ａ〜６１ｎならびに出口弁６２ａ〜６２ｎを絶縁物で形成して、かつ電池セル１１の電解液３の通路を入口弁６１ならびに出口弁６２で遮断することによって、基本的には同時に電気的にも遮断することができる。しかし、入口弁６１ならびに出口弁６２において、それぞれ弁の入側と出側は距離的に近接しており、弁機構の隙間を通る電流リークにより通電するおそれがある。本発明では、電解液の通路の途中に電解液の存在しない部分を設けて、前後の電解液間に十分な離隔距離を取ることによって、複数電池セル内の電解液を完全に電気的絶縁を取るように工夫したものである。
【０１００】
すなわち、ある瞬間においては複数の電池セルの内の多くても１つが電解液の第１の経路に接続されていて、他の電池セルは、電解液のない部分によって第１の経路からは電気的に切り離されており、その結果、全ての電池セルの電解液は発電中は常にお互いに電気的に絶縁されている。したがって、液絡を発生することなく直列接続で発電運転ができる。
【０１０１】
図１０は、第１の電池セル１１ａだけが電解液の循環する第１の経路に接続されていて、他の電池セル１１ｂ〜１１ｎは電解液の循環する第１の経路からは切り離されている状態を示している。すなわち、第１の電池セル１１ａの入口弁６１ａならびに出口弁６２ａは開となっていて、電解液３は自由に循環できる。それ以外の電池セル１１ｂ〜１１ｎの入口弁６１ｂ〜６１ｎ、出口弁６２ｂ〜６２ｎは全て閉となっている。
【０１０２】
第１の電池セル１１ａ以外の電池セル１１ｂ〜１１ｎにおいては、入口弁６１ｂ〜６１ｎの電池セル側の弁口と電池セル１１ｂ〜１１ｎの電解液３のそれぞれの上面との間に電解液の存在しない空間を設け、さらに出口弁６２ｂ〜６２ｎにおいて、各電池セル１１と反対側の弁口側にそれぞれ設置された逆Ｕ字型管７３ｂ〜７３ｎの上部に電解液３の存在しない空間を設けることによって、複数の電池セル１１の各電解液３は、第１の経路より電気的に完全に絶縁されていて、液絡を起こすことの無いように構成されている。
【０１０３】
この状態で、第１の電池セル１１ａの電解液３は、第１の経路を流れることはできるが、第１の経路は電解液としては、他の電池セル１１ｂ〜１１ｎとは繋がっていない。したがって、第１の電池セル１１ａは、第３の実施例と同じく単独で循環する第１の経路を構成している状態にあるので、液絡の発生しない状態で、電池セル１１ａの電解液３は環状の第１の経路を循環して、電解液中の生成物を分離し、また電解液自身を冷却することできる。
【０１０４】
第１の電池セル１１ａの電解液３の電解液中の生成物の濃度を十分に下げ、また電解液の温度を十分に低温にして、当該の処理が終わったとき、第１の電池セル１１ａを電解液の循環する第１の経路から切り離したうえで、第２の電池セル１１ｂを第１の経路に接続して、これまで電池セル１１ａからの電解液について処理を行っていた生成物分離機構２１１や電解液冷却機構２１２をそのまま利用して、第２の電池セル１１ｂからの電解液３を処理することができる。
【０１０５】
このように、生成物分離機構２１１や電解液冷却機構２１２を複数の電池セル１１ａ〜１１ｎで時分割して使用することができる。図１６は、複数個の電池セル１１ａ〜１１ｎを直列に接続し、各電池セル１１内の電解液を順に処理するタイミングチャートである。
【０１０６】
図１６の電解液循環の欄に示した複数の電池セル１１ａ〜１１ｎの時間軸上において、パルス状に立ち上がっている個所が、当該電池セル１１の電解液を処理している時間ｔｘを示している。時間ｔｗ毎に１つの電池セルの電解液の処理が行われる。１つの電池セルの電解液を処理するのに必要な時間はｔｘ（ｔｘ＜ｔｗ）である。１つの電池セルの電解液の処理が終了すると、次の電池セルの処理が始まる。最終の電池セル１１ｎの電解液の処理が終わると、１番目の電池セル１１ａに戻って、最初に１番目について処理を始めた時から時間Ｔ（Ｔ＞１４ｔｗ、電池セルが１１ａ〜１１ｎの１４個の場合）だけ経過すると一番目の電池セル１１ａより、同じように電解液処理を繰り返し開始する。
【０１０７】
ここで、時間ｔｘは時間ｔｗより短くなるように、かつ１４ｔｗ（電池セル１１ａ〜１１ｎの場合）はＴより短くなるように生成物分離機構２１１や電解液冷却機構２１２の処理能力を決定することが重要であることは言うまでもない。このようにして複数個の電池セルが直列に接続された構成であっても、順次電解液の生成物分離、冷却を担うことで、途中で止まることなく発電を継続することができる。
【０１０８】
これを、図１３〜１５のシーケンスチャートを参照しながら、先に述べたように電解液の通路の途中で電解液３が存在しない空間を得る手順を詳しく説明する。図１０で示す第１の電池セル１１ａのように電解液３が循環している状態から始めるものとする。
【０１０９】
図１４は運転中（発電中かつ電解液循環モード）のシーケンスチャートを示したものである。枠外にシーケンス番号Ｓ０１と付記してある個所で、電池セル１１ａの入口弁６１ａならびに出口弁６２ａを開くと、電解液ポンプ４１は既に起動してあるので、電解液３は第１の経路において循環を開始する。電解液３を生成物分離機構並びに電解液冷却機構で必要な処理する完了する時間ｔｘが経過する（Ｓ０２、ＹＥＳ）と、入口弁６１ａを閉じて、同時に切替弁を「（ｘ）電解液貯留」の位置とする（Ｓ０３）。
【０１１０】
電解液の液面が下がり液面検出器１４ａがＯＦＦになる（Ｓ０４、ＹＥＳ）と、出口弁６２ａを閉じる。このとき、入口弁６１ａと液面の間に電解液３の存在しない空間が生じて、その結果電池セル１１ａの電解液３と入口弁６１aとの間の絶縁が確立する。
【０１１１】
その後、大気解放弁６３を短時間だけ開いて、閉じる（Ｓ０６）。大気解放弁６３を閉じるとき、同時に切替弁５１を「（ｗ）電解液循環」の位置に切り替える（Ｓ０７）。このとき、逆Ｕ字型管７３の図で右側の部分の内部に有る電解液３が電解液ポンプ４１の吸引力により、抜き取られて、逆Ｕ字型管７３の図で左側の部分の電解液３の間に電解液３の存在しない空間が生じる。その結果電池セル１１ａの電解液３は、この逆Ｕ字型管に生じた空間によって、他の電池セル１１ｂ〜１１ｎの電解液３との絶縁が確立する。
【０１１２】
以上で電池セル１１ａの内部の電解液の処理を終り、電池セル１１aの処理を開始して時間ｔｔｗが経過すると、次の第２の電池セル１１ｂの処理に移行する。全ての電池セル１１の電解液３の処理を終ったあと、第１の電池セル１１ａの処理を開始してから時間Ｔを経過するのを待って、再び第１の電池セル１１ａの処理を開始する。この手順を繰り返すことで、発電を継続することができる。
【０１１３】
次に、発電を止めて電解液３を貯留する場合の手順を図１５のシーケンスチャートに沿って説明する。まず、マグネシウム発電池システムに接続されている負荷を切り離す。切替弁５１を「（ｘ）電解液貯留」の位置に切り替えて、それと同時にそのときに開いている入口弁６１を閉じ（すべての入口弁が閉じられることになる）、全ての出口弁６２を開く。電解液３は第１の経路を循環するのを停止して、電解液貯留タンク２１３へ向かう第２の経路に向かう。
【０１１４】
この手順は、どの電池セルにおいて電解液の処理中であっても開始できる。図１６に示したタイミングチャートでは電池セル１１ｎのひとつ前の電池セル１１ｍの処理中に貯留の動作が開始されている。
【０１１５】
全ての電池セル１１内の電解液３の液面が徐々に低下するので、液面検出器１５の位置まで下がってきて各液面検出器１５ａ〜１５ｎの出力がＯＦＦになったら、対応する各電池セル１１の出口弁６２ａ〜６２ｎを個々に素早く閉じる。全ての液面検出器１５ａ〜１５ｎがＯＦＦになったとき、電解液貯留モードは終了するので、電解液ポンプを停止、切替弁５１を「（z）停止」の位置に切り替える。
【０１１６】
次に、発電に備えて電池セル１１に電解液３を充填する場合の手順を図１３のシーケンスチャートに沿って説明する。まず、全ての入口弁６１ａ〜６１ｎを開き、同時に切替弁５１を「（ｚ）停止」より「（ｙ）電解液充填」の位置に切り替える。電解液貯留タンク２１３に貯留されていた電解液３は重力によって、電解液冷却機構２１２を通過して各電池セル１１に流入する。
【０１１７】
図１６の「電池セル内の電解液容量」で見て取れるように、各電池セル１１ａ〜１１ｎ内の電解液３の液面が徐々に上昇する。液面検出器１４の位置まで上がってきて、各液面検出器１４ａ〜１４ｎの出力がＯＮになったら、電池セル１１の各入口弁６１ａ〜６１ｎを個々に閉じる。全ての液面検出器１４ａ〜１４ｎがＯＮになったとき切替弁を「（ｚ）停止」の位置に切り替える。
【０１１８】
次に、電池セル１１に電解液３が充填されているとき、発電を開始する手順を図１４のシーケンスチャートの前半に沿って説明する。まず、電解液ポンプ４１を起動する。続いて、切替弁５１を「（ｗ）電解液循環」の位置に切り替える。続いて、負荷を接続する。その後は、既に説明したＳ０１のステップ以降に従って、各電池セル１１a〜１１nの電解液３の処理を順に開始する。
【０１１９】
ここで説明した直列に接続したマグネシウム発電池システムの動作は図１２に示すコントローラによって自動制御が可能である。図１１に示した電池セルが１個の場合のコントローラとのハードウェアの差は、液面検出器からの入力ならびに入口弁、出口弁への出力が、電池セルの数量に合わせて複数個（本実施例では１４個）になっている点である。ソフトウェアの差は、上記で説明した、複数の電池セルで生成物分離機構と電解液冷却機構を時分割で使用するためのロジックが追加されている点である。
【０１２０】
その他の点は実施例３と同じである。このようにして、複数の電池セルが同じポンプ、生成物分離機構および電解液冷却機構を時分割的に共用することができ、簡素な構成が実現できた。
【０１２１】
第４の実施例は、電解液貯留タンクが生成物分離機構と電解液冷却機構の間に設置されている実施例３と同じとして説明したが、実施例１あるいは実施例２と同じとしても、複数の電池セル１１ａ〜１１ｎの電解液の入口弁の入口を複式接続した一つに集約して、電解液冷却機構２１２の出口に接続し、かつ逆Ｕ字型管の出口を複式接続して一つに集約して電解液ポンプ４１に接続し、使用する電解液貯留タンクの特性に合った制御ロジックとすれば、同様に適用できる。
【０１２２】
また、入口弁、出口弁ならびに逆Ｕ字型管を一体とするマニホールド型に集約して小型化することができる。
【０１２３】
また、大気圧の代わりに適宜な空気圧源と空気弁を利用して、空気導通管に置換えることができる。
【０１２４】
また、電解液貯留タンクを２台設置すれば、第１のタンクを未処理の電解液の貯留用としておき、第２のタンクには処理済みで温度の低い電解液を貯留しておき、１つづつの電池セルから生成物で汚損された電解液を抜き取って第１のタンクに貯留してから、処理済みの電解液を第２のタンクから電池セルに充填するサイクルを行って発電し、一方、発電とは無関係に第１のタンクの電解液を処理して、第２のタンクに貯留することができる。この分離運転方法によれば全体のサイクルタイムＴを短縮することができる。または、生成物分離機構ならびに電解液冷却機構の処理能力を小さくできる。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
電解液の貯留、充填をすることにより、発電したり停止したりすることのできるマグネシウム発電池システムとして利用できる。電池の活物質であるマグネシウムは、還元して再使用できる循環型エネルギー資源として利用できる。
【符号の説明】
【０１２６】
１      マグネシウム発電池システム
１１    電池セル
１１１  正極
１１２  良導体
１１３  活性炭
１１４  多孔体
１２１  負極
１２２  マグネシウム合金
１３    電池セル筐体
１３１  空気穴
１３２  ガス放出口
１３３  空気流通口
１３４  空気弁
１３５  電解液入口
１３６  電解液出口
１４    液面検出器
１５    液面検出器
２１    電解液処理モジュール
２１１  生成物分離機構
２１２  電解液冷却機構
２１３  電解液貯留タンク
２１４  空気流通口
２１５  電解液入口
２１６  配管
２１７  電解液出入口
３      電解液
４１    第１の電解液ポンプ
４２    第２の電解液ポンプ
５１    切替弁
６１    入口弁
６２    出口弁
６３    大気解放弁
６４    逆止弁
７１    配管
７２    空気導通管
７３    逆Ｕ字型管
８      コントローラ
８１    操作盤
９      燃料電池
９１１  ガス流入口
【要約】
【課題】マグネシウム発電池システムにおいて、発電中の任意の時点で発電を停止し、再開することが可能であり、また、電解液に溶け出した水酸化マグネシウムを分離し、同時に発電中に電解液の温度が上昇しすぎないように冷却して、長時間に渡って電解液を交換することなく、連続的に運転する事が可能であって、複数の発電セルを直列に接続するときの電解液による液絡を防止する構造を提供することである。
【解決策】電解液貯留タンクを備えて、電池セルとの間で電解液を移送することで発電運転を自在に停止できるようにし、複数の電池セルで生成物分離機構、電解液冷却機構を時分割で共用し、液絡を防止する機構を備えた。
【選択図】図１０【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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