(57)【要約】【課題】  二次電池の自己放電等に起因する無駄な電力消費を低減することが可能なバックアップ電源装置を提供する。【解決手段】  二次電池が、主電源から供給される電力によって駆動される負荷に電力を供給する。負荷に電力を供給する予備電源として、電解液が注入されていない状態で待機する複数の金属空気電池が準備されている。貯蔵タンクが、金属空気電池に注入される電解液を、大気から遮断した状態で貯蔵する。制御装置から指令を受けることにより、注入機構が、貯蔵タンクに貯蔵されている電解液を金属空気電池に注入する。【選択図】  図１
2014191861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電源から供給される電力によって駆動される負荷に電力を供給する二次電池と、
前記負荷に電力を供給する予備電源として、電解液が注入されていない状態で待機する複数の金属空気電池と、
前記金属空気電池に注入される電解液を、大気から遮断した状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
制御装置と、
前記制御装置から指令を受けることにより、前記貯蔵タンクに貯蔵されている電解液を前記金属空気電池に注入する注入機構と
を有するバックアップ電源装置。
【請求項２】
前記注入機構は、
前記金属空気電池の各々と、前記貯蔵タンクとを接続する流路と、
前記流路に挿入された開閉弁と
を含み、
前記制御装置は、前記開閉弁の開閉動作を制御する請求項１に記載のバックアップ電源装置。
【請求項３】
さらに、前記貯蔵タンクに取り付けられ、前記貯蔵タンク内に大気を導入する開放弁を有し、
前記制御装置は、前記金属空気電池に電解液を注入する期間に、前記開放弁を開く請求項２に記載のバックアップ電源装置。
【請求項４】
前記貯蔵タンクは、前記金属空気電池に対応して準備された複数の収容室を含み、
複数の前記収容室は、相互に隔壁で仕切られ、前記収容室の各々に、対応する前記金属空気電池に注入すべき体積の電解液が貯蔵されており、
前記注入機構は、前記収容室に貯蔵されている電解液を、対応する前記空気電池に注入する請求項２または３に記載のバックアップ電源装置。
【請求項５】
さらに、複数の前記金属空気電池の各々の内部インピーダンスを測定する測定装置を有し、
前記開閉弁が、前記金属空気電池の各々に対応して準備されており、
前記制御装置は、前記内部インピーダンスが規定値以下になったことを検出すると、内部インピーダンスが規定値以下になった前記金属空気電池に対応する前記開閉弁を閉じる請求項２または３に記載のバックアップ電源装置。
【請求項６】
さらに、前記金属空気電池の各々の重量を測定する重量計を有し、
前記開閉弁が、前記金属空気電池の各々に対応して準備されており、
前記制御装置は、前記重量計で測定された重量が規定値以上になったことを検出すると、重量が規定値以上になった前記金属空気電池に対応する前記開閉弁を閉じる請求項２または３に記載のバックアップ電源装置。
【請求項７】
さらに、前記金属空気電池の各々に注入される電解液の流量を測定する流量計を有し、
前記開閉弁が、前記金属空気電池の各々に対応して準備されており、
前記制御装置は、前記流量計で測定された流量の積分値が規定値以上になったことを検出すると、流量の積分値が規定値以上になった前記金属空気電池に対応する前記開閉弁を閉じる請求項２または３に記載のバックアップ電源装置。
【請求項８】
前記注入機構は、
複数の前記金属空気電池に対応して準備され、前記貯蔵タンクから流出した電解液を一時的に蓄えるとともに、一時的に蓄えられた電解液を、対応する前記金属空気電池に注入する複数のサブタンクと、
前記サブタンクに、対応する金属空気電池に注入すべき電解液の体積に対応した体積の電解液が蓄積されると、それ以上の電解液の、前記サブタンクへの蓄積を制限する蓄積量制限機構と
を有する請求項１に記載のバックアップ電源装置。
【請求項９】
前記蓄積量制限機構は、前記サブタンクの容積を、対応する前記金属空気電池に注入すべき電解液の体積に対応した容積とすることにより実現されている請求項８に記載のバックアップ電源装置。
【請求項１０】
前記蓄積量制限機構は、前記貯蔵タンクから流出する電解液が流れる傾斜した流路を含み、
前記複数のサブタンクが、前記流路に接続されており、
相対的に上流側の前記サブタンクが電解液で満杯になると、上流側の前記サブタンクから溢れた電解液が、相対的に下流側の前記サブタンクに流入する請求項９に記載のバックアップ電源装置。
【請求項１１】
前記蓄積量制限機構は、対応する前記サブタンクに規定量の電解液が蓄積されると、規定量以上の電解液の、前記サブタンクへの流入を停止させる請求項８に記載のバックアップ電源装置。
【請求項１２】
前記蓄積量制限機構は、前記サブタンクに蓄積された電解液の液面が規定のレベルに達すると閉じるフロート弁を含む請求項９に記載のバックアップ電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主電源が喪失したときのためのバックアップ電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
停電時のバックアップ電源として、鉛蓄電池等の二次電池が用いられている。また、特許文献１に、商用電源が利用できないときに少なくとも２系統の乾電池からの電気エネルギの和を受信機に供給するバックアップ電源が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１８９８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
鉛蓄電池等の二次電池をバックアップ用の電源に用いる場合、商用電源から正常に電力が供給されている期間は、二次電池が満充電状態に維持される。二次電池が充電された状態に維持されていると、二次電池を使用しない期間も、自己放電によって電力が無駄に消費される。さらに、満充電状態が維持されると、二次電池の劣化が進行するため、定期的に電池を交換しなければならない。
【０００５】
乾電池をバックアップ用の電源に用いる場合には、自己放電等により乾電池の残量が低下する場合がある。乾電池の残量が低下すると、当初の目標の動作時間が得られない状況が生じ得る。規格通りの動作時間を保証するために、乾電池を定期的に交換しなければならない。
【０００６】
本発明の目的は、二次電池の自己放電等に起因する無駄な電力消費を低減することが可能なバックアップ電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、
主電源から供給される電力によって駆動される負荷に電力を供給する二次電池と、
前記負荷に電力を供給する予備電源として、電解液が注入されていない状態で待機する複数の金属空気電池と、
前記金属空気電池に注入される電解液を、大気から遮断した状態で貯蔵する貯蔵タンクと、
制御装置と、
前記制御装置から指令を受けることにより、前記貯蔵タンクに貯蔵されている電解液を前記金属空気電池に注入する注入機構と
を有するバックアップ電源装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
待機状態のとき、金属空気電池に電解液が注入されていないため、金属空気電池の劣化や自己放電を低減することができる。また、二次電池のみならず、金属空気電池が予備電源として備えられているため、二次電池の容量を小さくすることができる。二次電池の容量が小さくなると、自己放電による電力の無駄な消費が抑制されるとともに、二次電池の容積が小さくなり、重量が軽くなる。金属空気電池は、鉛蓄電池等の二次電池に比べてエネルギ密度が高いため、バックアップ電源装置を二次電池のみで構成する場合に比べて、
バックアップ電源装置全体としても、容積を小さくし、かつ重量を軽くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施例１による電源装置のブロック図である。
【図２】図２は、実施例１による電源装置に用いられている一次電池の断面図である。
【図３】図３は、実施例１による電源装置の等価回路図である。
【図４】図４は、実施例１による電源装置のバックアップ中の電圧の変化を示すグラフである。
【図５】図５は、実施例１による電源装置のバックアップ中のブロック図である。
【図６】図６は、実施例１による電源装置のバックアップ中のブロック図である。
【図７】図７は、実施例１による電源装置のバックアップ中のブロック図である。
【図８】図８は、実施例１による電源装置のバックアップ中のブロック図である。
【図９】図９は、１つの一次電池ユニットの概略図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施例２によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット３０の概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、電解液を金属空気電池に注入している状態の一次電池ユニットの概略図である。
【図１１】図１１は、実施例３によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニットの概略図である。
【図１２】図１２は、実施例４によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニットの概略図である。
【図１３】図１３は、実施例４によるバックアップ電源装置に用いられる複数の金属空気電池のうち２つの金属空気電池の内部インピーダンスの時間変化、金属空気電池に対応する開閉弁の開閉状態の変化を示すグラフである。
【図１４】図１４は、実施例５によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニットの概略図である。
【図１５】図１５は、実施例５によるバックアップ電源装置に用いられる複数の金属空気電池のうち２つの金属空気電池の重量の時間変化、金属空気電池に対応する開閉弁の開閉状態の変化を示すグラフである。
【図１６】図１６は、実施例６によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニットの概略図である。
【図１７】図１７は、実施例６によるバックアップ電源装置に用いられる複数の金属空気電池のうち２つの金属空気電池に注入されている電解液の流量の積分値の時間変化、金属空気電池に対応する開閉弁の開閉状態の変化を示すグラフである。
【図１８】図１８は、実施例７によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニットの概略図である。
【図１９−１】図１９Ａ〜図１９Ｃは、実施例７によるバックアップ電源装置に用いられているサブタンクの断面図である。
【図１９−２】図１９Ｄ〜図１９Ｇは、実施例７によるバックアップ電源装置に用いられているサブタンクの断面図である。
【図２０】図２０は、実施例８によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニットの概略図である。
【図２１−１】図２１Ａ及び図２１Ｂは、実施例８によるバックアップ電源装置に用いられているサブタンクの断面図である。
【図２１−２】図２１Ｃ及び図２１Ｄは、実施例８によるバックアップ電源装置に用いられているサブタンクの断面図である。
【図２２】図２２は、実施例８によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニットの概略図である。
【図２３】図２３は、実施例８によるバックアップ電源装置において、電解液をサブタンクに充填させているときの一次電池ユニットの概略図である。
【図２４】図２４は、実施例８によるバックアップ電源装置において、電解液をサブタンクに充填させているときの一次電池ユニットの概略図である。
【図２５】図２５は、実施例８によるバックアップ電源装置において、電解液がサブタンクに満杯になった状態の一次電池ユニットの概略図である。
【図２６】図２６は、実施例８によるバックアップ電源装置において、電解液をサブタンクから金属空気電池に注入しているときの一次電池ユニットの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［実施例１］
図１に、実施例１によるバックアップ電源装置のブロック図を示す。入力端子１０に商用電源１２（主電源）から交流電力が供給される。出力端子１１に電気負荷１３が接続されている。電気負荷１３は、例えば移動体通信網の無線基地局の送受信機である。ＡＣ−ＤＣコンバータ２０が、入力端子１０に入力された交流電力を直流電力に変換する。この直流電力は、電力輸送回路２１を経由して出力端子１１に出力されるとともに、電力輸送回路２１及びスイッチング素子２６を経由して二次電池２５に供給される。これにより、二次電池２５が、常時、満充電の状態に維持される。二次電池２５には、例えば鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等が用いられる。
【００１１】
電力輸送回路２１に、複数の一次電池ユニット３０が、それぞれスイッチング素子３１を介して接続されている。一次電池ユニット３０の各々は、直列または並列に接続された複数の金属空気電池５０、及び貯蔵タンク５５を含む。貯蔵タンク５５に、金属空気電池５０で用いられる電解液が貯蔵されている。金属空気電池には、例えば亜鉛空気電池が用いられる。亜鉛空気電池に代えて、アルミニウム空気電池、マグネシウム空気電池等を用いてもよい。
【００１２】
一次電池ユニット３０の各々に含まれる金属空気電池５０は、正極集電体、負極集電体、及び負極活物質を含む。待機中は、電解液が貯蔵タンク５５に貯蔵されており、金属空気電池５０には電解液が注入されておらず、電解液が負極活物質から分離されている。電解液が負極活物質から分離された状態を「待機状態」ということとする。一次電池ユニット３０は、電気負荷１３に電力を供給する予備電源として待機している。電解液を金属空気電池に注入して負極活物質に接触させると、起電力が発生する。電解液が負極活物質に接触して起電力が発生している状態を「動作状態」ということとする。
【００１３】
入力端子１０に印加されている電圧、二次電池２５の端子間電圧、複数の一次電池ユニット３０の各々の端子間電圧の測定値が、制御装置４０に入力される。制御装置４０は、入力された電圧の測定値に基づいて、スイッチング素子２６、３１のオンオフ制御、及び一次電池ユニット３０の待機状態から動作状態への切換制御を行う。
【００１４】
図２に、実施例１による一次電池ユニット３０（図１）に含まれる金属空気電池５０の断面図を示す。袋状のセパレータ３６内に負極集電体３３及び負極活物質３４が充填されている。負極活物質３４には、例えば金属亜鉛粒子が用いられる。金属空気電池５０としてアルミニウム空気電池またはマグネシウム空気電池を用いる場合には、負極活物質３４として、それぞれ金属アルミニウム粒子または金属マグネシウム粒子が用いられる。負極集電体３３には、例えばニッケル等の金属板が用いられる。セパレータ３６には、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜、または樹脂不織布、ガラス繊維不織布等が用いられる。
【００１５】
セパレータ３６の外側の表面に正極集電体３２が貼りつけられている。正極集電体３２
は、カーボンクロス、カーボンペーパー等のベースにカーボンブラック等の導電材を塗布した構造を有する。導電材には、触媒及び結着剤が含まれる。触媒には、例えば二酸化マンガンが用いられる。結着剤には、例えばポリフッ化ビニリデン等が用いられる。正極集電体３２は、酸素を透過させる多数の微細な孔を有する。大気中の酸素が正極活物質として作用する。負極集電体３３と正極集電体３２とが、金属空気電池５０の出力端子３７に接続される。
【００１６】
セパレータ３６に設けられた電解液注入口５１から、セパレータ３６内の空間に電解液が注入される。電解液には、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液が用いられる。セパレータ３６内に電解液が注入されると、出力端子３７の間に電圧が発生する。
【００１７】
図３に、実施例１によるバックアップ電源装置の等価回路図を示す。入力端子１０に印加されている商用電源１２（図１）の電圧を、電圧計２４が測定する。電圧計２４の測定結果が制御装置４０に入力される。制御装置４０は電圧計２４の測定値（入力端子１０に印加されている商用電源１２の電圧）を監視している。制御装置４０は、電圧計２４の測定値と規定電圧値とを比較し、電圧計２４の測定値が規定電圧値以下になると、商用電源１２（図１）からの正常な電力供給が停止したと判定する。
【００１８】
電力輸送回路２１が、バスライン２２及びダイオード２３を含む。ＡＣ−ＤＣコンバータ２０の出力直流電圧がバスライン２２に印加される。二次電池２５の入出力端子が、スイッチング素子２６を介してバスライン２２に接続されている。電圧計２７が、二次電池２５の端子間の電圧を測定する。電圧計２７の測定結果が制御装置４０に入力される。特段の事情がない限り、スイッチング素子２６は常時オンにされている。このため、電圧計２７で測定される電圧は、バスライン２２に現れている電圧と等しい。
【００１９】
一次電池ユニット３０が、それぞれスイッチング素子３１を介してバスライン２２に接続されている。ダイオード２３は、一次電池ユニット３０ごとに配置され、一次電池ユニット３０と直列に接続されている。ダイオード２３は、一次電池ユニット３０からの放電電流の向きが順方向になるように接続されている。このため、一次電池ユニット３０への充電電流の流入が禁止される。なお、一次電池ユニット３０の正極の電位がバスライン２２の電位より低くなったときに、スイッチング素子３１をオフにして、充電電流の流入を防止する制御を行ってもよい。この制御を行う場合には、ダイオード２３を省略してもよい。
【００２０】
複数の電圧計３８が、それぞれ一次電池ユニット３０の端子間の電圧を測定する。測定結果が制御装置４０に入力される。一次電池ユニット３０を示す破線内に記載したスイッチ３０Ａは、一次電池ユニット３０が待機状態と動作状態との２つの状態を有することを意味する。スイッチ３０Ａのオフ状態及びオン状態が、それぞれ待機状態及び動作状態に対応する。
【００２１】
二次電池２５は、電気負荷１３で必要とされる電圧に応じた個数の鉛蓄電池を直列接続することにより、必要な電圧を出力する。一次電池ユニット３０は、その開路電圧が二次電池２５の開路電圧よりもやや高くなるように、直列接続された複数の金属空気電池を含む。
【００２２】
図４〜図８を参照して、実施例１によるバックアップ電源装置の動作について説明する。
図４に、バスライン２２（図３）の電圧、及び一次電池ユニット３０（図１）の端子間電圧の時間変化の一例を示す。図４において上段の実線ｖ１がバスライン２２（図３）の電圧を示し、中段の実線ｖ２が、最初に動作する一次電池ユニット３０（図１）の端子間
電圧を示し、下段の実線ｖ３が、２番目に動作する一次電池ユニット３０（図１）の端子間電圧を示す。スイッチング素子２６（図３）が常時オン状態であるため、バスライン２２の電圧ｖ１は、電圧計２７（図３）で測定することができる。
【００２３】
時刻ｔ０において、商用電源１２（図１）からの電力の供給が停止したとする。電圧計２４（図３）の測定値が規定電圧値以下になることにより、制御装置４０が、商用電源１２からの電力供給の停止を検知する。時刻ｔ０の時点で、図５に示すように、二次電池２５からの放電が開始され、電力輸送回路２１を経由して電気負荷１３に電力が供給される。二次電池２５が放電することにより、図４に示すように、二次電池２５の端子間電圧ｖ１が時間の経過とともに低下する。
【００２４】
図４に示した時刻ｔ１において、バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が電圧閾値Ｖａまで低下する。電圧ｖ１が電圧閾値Ｖａまで低下したことが、制御装置４０（図１）により検出されると、制御装置４０は、最初に動作させる一次電池ユニット３０の各金属空気電池５０（図２）に電解液を注入する。一次電池ユニット３０に電解液が注入されることにより、一次電池ユニット３０の端子間電圧ｖ２が上昇し始める。二次電池２５の放電電流が定格値の範囲内のとき、二次電池２５の端子間電圧は、二次電池２５の充電状態（ＳＯＣ）に対応するため、バスライン２２（図３）の電圧ｖ１を監視することは、実質的に、二次電池２５のＳＯＣを監視することと等価である。
【００２５】
時刻ｔ２において、電解液が注入された一次電池ユニット３０の端子間電圧ｖ２が定格開路電圧Ｖｂに達する。端子間電圧ｖ２が定格開路電圧Ｖｂに達したこと（すなわち、一次電池ユニット３０が待機状態から動作状態になったこと）を制御装置４０（図１）が検出すると、電解液が注入された一次電池ユニット３０に接続されているスイッチング素子３１（図１、図３）をオンにする。一次電池ユニット３０から放電電流が流れ始め、バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が上昇する。一次電池ユニット３０の内部抵抗に起因する電圧降下ΔＶｂが生じるため、バスライン２２（図３）の上昇後の電圧ｖ１は、Ｖｂ−ΔＶｂになる。
【００２６】
図６に示すように、動作状態の一次電池ユニット３０から電気負荷１３に電力が供給される。バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が二次電池２５の端子間の開路電圧よりも高い場合、すなわち、バスライン２２（図３）の正極の電位が、二次電池２５の正極の電位より高い場合には、動作状態の一次電池ユニット３０からの放電電力により、二次電池２５が充電される。電気負荷１３の消費電力が大きくなると、一次電池ユニット３０の放電電流が大きくなる。これにより、一次電池ユニット３０の内部抵抗に起因する電圧降下が大きくなり、バスライン２２の電圧ｖ１が低下する。バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が二次電池２５の端子間の開路電圧より低くなると、図７に示すように、二次電池２５が放電する。このため、一次電池ユニット３０及び二次電池２５の両方から電気負荷１３に電力が供給される。電気負荷１３の消費電力に応じて二次電池２５の充放電が行われ、全体として、バスライン２２の電圧ｖ１が時間の経過とともに低下する。電気負荷１３による消費電力の瞬間的な変動によっても、二次電池２５の充電と放電とが切り替わる。
【００２７】
図４の時刻ｔ３において、バスライン２２の電圧ｖ１が電圧閾値Ｖａまで低下すると、制御装置４０（図１）が、２番目に動作させる一次電池ユニット３０に、電解液の注入を開始する。これにより、２番目に動作する一次電池ユニット３０の端子間電圧ｖ３が上昇する。端子間電圧ｖ３が定格開路電圧Ｖｂに達すると、制御装置４０（図１）は、２番目に動作させる一次電池ユニット３０に接続されたスイッチング素子３１（図１、図３）をＯＮにするとともに、最初に動作させた一次電池ユニット３０に接続されているスイッチング素子３１（図１）をオフにする。最初に動作させた一次電池ユニット３０からの放電電流が流れなくなるため、一次電池ユニット３０の端子間電圧ｖ２は、ほぼ一定の値を維
持する。
【００２８】
図８に示すように、時刻ｔ４以降は、２番目に動作状態になった一次電池ユニット３０が放電する。電気負荷１３の消費電力に応じて、二次電池２５の充放電が行われる。時刻ｔ４以降も、バスライン２２（図３）の電圧ｖ１が電圧閾値Ｖａまで低下するごとに、次に動作させる一次電池ユニット３０への電解液の注入を開始する。これにより、電気負荷１３に、継続して電力を供給することができる。
【００２９】
図９に、１つの一次電池ユニット３０の概略図を示す。一次電池ユニット３０は、複数の金属空気電池５０、貯蔵タンク５５、及び注入機構６０を含む。貯蔵タンク５５の上部に開放弁５６が取り付けられている。開放弁５６が閉じられた状態で、貯蔵タンク５５は、金属空気電池５０に注入される電解液７０を、大気から遮断した状態で貯蔵する。注入機構６０は、制御装置４０から指令を受けることにより、貯蔵タンク５５に貯蔵されている電解液７０を金属空気電池５０に注入する。金属空気電池５０へ電解液７０を注入する期間は、制御装置４０が開放弁５６を開いた状態にする。
【００３０】
注入機構６０は、金属空気電池５０の各々と貯蔵タンク５５とを接続する流路６２、及び流路６２に挿入された開閉弁６１を含む。制御装置４０は、開閉弁６１の開閉動作を制御する。開閉弁６１を開くと、貯蔵タンク５５内の電解液７０が重力によって落下し、金属空気電池５０に注入される。
【００３１】
貯蔵タンク５５は、金属空気電池５０に対応して準備された複数の収容室５７を含む。複数の収容室５７は、隔壁５８によって相互に仕切られている。貯蔵タンク５５の内部空間の上部において、収容室５７同士が繋がっている。収容室５７の各々に、対応する金属空気電池５０に注入すべき体積（目標とすべき体積）の電解液７０が貯蔵される。収容室５７に貯蔵されている電解液７０が、対応する金属空気電池５０に注入される。
【００３２】
貯蔵タンク５５が複数の収容室５７に仕切られていない場合、金属空気電池５０に注入される電解液の流量が、金属空気電池５０ごとに同一になるとは限らない。流量にばらつきが生じると、金属空気電池５０に注入される体積がばらついてしまう。相対的に大きな流量で電解液が注入された金属空気電池５０から、電解液７０が溢れてしまうことが懸念される。
【００３３】
実施例１においては、金属空気電池５０に対応して準備された収容室５７に、対応する金属空気電池５０に注入すべき体積の電解液７０が貯蔵されているため、各金属空気電池５０に、注入すべき体積の電解液７０を注入することができる。
【００３４】
電解液を金属空気電池５０に注入する直前に、電解質を溶媒に溶解させる方法では、溶解熱の発生によって、金属空気電池５０に注入される前に電解液の温度が高くなってしまう場合がある。実施例１においては、予め電解質を溶媒に溶解させて、電解液として準備されている。このため、ほぼ室温の電解液を金属空気電池５０に注入することができる。電解液７０は、大気から遮断された状態で貯蔵タンク５５に貯蔵されているため、電解液の劣化を抑制することができる。
【００３５】
実施例１においては、一次電池ユニット３０（図１）が待機状態の期間は、負極活物質３４（図２）と電解液とが接触していない。このため、自己放電や、電池の劣化を防止することができる。一次電池ユニット３０に電解液が注入されて定格開路電圧Ｖｂ（図４）を発生するまでの期間（図４の時刻ｔ０〜ｔ２）は、二次電池２５により電気負荷１３に電力が供給される。このため、電力供給の継続性が保証される。
【００３６】
二次電池２５の容量は、一次電池ユニット３０が動作し始めるまでの期間、電気負荷１３に電力を供給できる程度に設定しておけばよい。このため、二次電池２５のみでバックアップを行う場合に比べて、二次電池２５の容量を小さくすることができる。二次電池２５の容量を小さくすると、自己放電に起因する電力損失を低減することができる。
【００３７】
［実施例２］
図１０Ａに、実施例２によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット３０の概略図を示す。以下、実施例１との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００３８】
実施例２においては、注入機構６０が、流路６２、昇降機構６３、及び止水栓６４を含む。止水栓６４は、収容室５７ごとに配置されており、収容室５７の底面に形成された開口を塞ぐことができる。この開口に流路６２の上端が接続される。昇降機構６３は、止水栓６４に対して貯蔵タンク５５を昇降させる。例えば、止水栓６４は金属空気電池５０に固定されている。貯蔵タンク５５を昇降させると、貯蔵タンク５５の移動量に応じて流路６２の長さが変動する。
【００３９】
制御装置４０が昇降機構６３を制御する。一次電池ユニット３０が待機状態のとき、止水栓６４が収容室５７の底面に設けられている開口を塞いでいる。このため、貯蔵タンク５５内の電解液７０は、貯蔵タンク５５内に貯蔵された状態を維持する。
【００４０】
図１０Ｂに、電解液７０を金属空気電池５０に注入している状態の一次電池ユニット３０の概略図を示す。制御装置４０が昇降機構６３を制御して、貯蔵タンク５５を止水栓６４に対して下降させるとともに、開放弁５６を開く。貯蔵タンク５５が下降すると、止水栓６４が収容室５７の底面から離れ、電解液７０が、収容室５７の底面に設けられている開口、及び流路６２を通って金属空気電池５０に注入される。
【００４１】
実施例２においても、実施例１と同様に、各金属空気電池５０に、注入すべき体積の電解液７０を注入することができる。
【００４２】
［実施例３］
図１１に、実施例３によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット３０の概略図を示す。以下、実施例１との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００４３】
実施例３においては、注入機構６０が、１つの開閉弁７５と、金属空気電池５０ごとに準備された流路６２とを含む。１つの開閉弁７５に複数の流路６２が接続されている。開閉弁７５の開閉動作は、制御装置４０によって制御される。貯蔵タンク５５に、複数の金属空気電池５０に注入すべき体積の総和に相当する体積の電解液７０が貯蔵されている。
【００４４】
開閉弁７５を開くと、貯蔵タンク５５内の電解液７０が、複数の流路６２に分岐されて金属空気電池５０に注入される。各流路６２を流れる電解液７０の流量が等しくなるように、流路６２の形状及び寸法が設定されている。例えば、相対的に長い流路６２の流路断面が、相対的に短い流路６２の流路断面より太い。各流路６２を流れる電解液７０の流量が等しくなるため、各金属空気電池５０に注入される電解液７０の体積がほぼ等しくなる。
【００４５】
実施例３においても、実施例１と同様に、各金属空気電池５０に、注入すべき体積の電解液７０を注入することができる。
【００４６】
［実施例４］
図１２に、実施例４によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット３０の概略図を示す。以下、実施例１との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００４７】
貯蔵タンク５５から導出された１本の流路が、複数の流路６２に分岐している。複数の流路６２は、金属空気電池５０に対応して準備されている。流路６２の各々に、開閉弁７７が挿入されている。複数の内部インピーダンス測定装置７８が、それぞれ金属空気電池５０の出力端子３７に接続されている。内部インピーダンス測定装置７８は、金属空気電池５０の内部インピーダンスを計測する。内部インピーダンスの計測結果が制御装置４０に入力される。開閉弁７７、流路６２、及び内部インピーダンス測定装置７８により、注入機構６０が構成される。
【００４８】
図１３を参照して、実施例４によるバックアップ電源装置の金属空気電池５０に電解液を注入するときの制御装置４０の処理について説明する。図１３は、複数の金属空気電池５０のうち２つの金属空気電池５０Ａ、５０Ｂ（図１２）の内部インピーダンスＺＡ、ＺＢの時間変化、金属空気電池５０Ａ、５０Ｂに対応する開閉弁７７Ａ、７７Ｂ（図１２）の開閉状態の変化のグラフを示す。
【００４９】
時刻ｔ１１において、制御装置４０がすべての開閉弁７７を開く。時刻ｔ１１は、図４に示した時刻ｔ１、ｔ３等の電解液の注入開始時刻に相当する。金属空気電池５０に電解液の注入が開始されると、金属空気電池５０の内部インピーダンスが徐々に低下する。内部インピーダンスは、金属空気電池５０に注入された電解液の体積に依存する。予め定められた規定量の電解液が注入されると、内部インピーダンスが規定値まで低下する。金属空気電池５０Ａ、５０Ｂの内部インピーダンスＺＡ、ＺＢが、それぞれ時刻ｔ１２、ｔ１３において規定値Ｚｔまで低下する。
【００５０】
金属空気電池５０によって、電解液の注入の流量にばらつきが生じるため、時刻ｔ１２と時刻ｔ１３とは必ずしも一致しない。制御装置４０は、時刻ｔ１２において、金属空気電池５０Ａの内部インピーダンスＺＡが規定値Ｚｔまで低下したことを検出すると、開閉弁７７Ａを閉じる。同様に、時刻ｔ１３において、開閉弁７７Ｂを閉じる。
【００５１】
実施例４においては、金属空気電池５０の内部インピーダンスに基づいて電解液の注入量を制御するため、金属空気電池５０の各々に、予め定められた規定量（注入すべき体積）の電解液を注入することができる。
【００５２】
［実施例５］
図１４に、実施例５によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット３０の概略図を示す。以下、実施例４との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例５においては、実施例４の内部インピーダンス測定装置７８（図１２）に代えて、重量計８０が準備されている。重量計８０は、金属空気電池５０に対応して準備されており、対応する金属空気電池５０の重量を測定する。流路６２よりも上流側の部品の重量が、重量計８０による計測結果に影響を与えないように、流路６２として柔軟性を有するチューブ等が用いられる。重量計８０による測定結果が、制御装置４０に入力される。
【００５３】
図１５を参照して、実施例５によるバックアップ電源装置の金属空気電池５０に電解液を注入するときの制御装置４０の処理について説明する。図１５は、複数の金属空気電池５０のうち２つの金属空気電池５０Ａ、５０Ｂ（図１４）の重量ＷＡ、ＷＢの時間変化、金属空気電池５０Ａ、５０Ｂに対応する開閉弁７７Ａ、７７Ｂ（図１４）の開閉状態の変
化のグラフを示す。
【００５４】
時刻ｔ２１において、制御装置４０がすべての開閉弁７７を開く。時刻ｔ２１は、図４に示した時刻ｔ１、ｔ３等の電解液の注入開始時刻に相当する。金属空気電池５０に電解液の注入が開始されると、金属空気電池５０の重量が徐々に増加する。金属空気電池の重量は、注入された電解液の体積に依存する。予め定められた規定量の電解液が注入されると、金属空気電池５０の重量が規定値まで上昇する。金属空気電池５０Ａ、５０Ｂの重量ＷＡ、ＷＢが、それぞれ時刻ｔ２２、ｔ２３において規定値Ｗｔに達する。
【００５５】
金属空気電池５０によって、電解液の注入の流量にばらつきが生じるため、時刻ｔ２２と時刻ｔ２３とは必ずしも一致しない。制御装置４０は、時刻ｔ２２において、金属空気電池５０Ａの重量が規定値Ｗｔまで増加したことを検出すると、開閉弁７７Ａを閉じる。同様に、時刻ｔ２３において、開閉弁７７Ｂを閉じる。
【００５６】
実施例５においては、金属空気電池５０の重量が規定値に到達した時点で電解液の注入を停止させるため、金属空気電池５０の各々に、予め定められた規定量の電解液を注入することができる。
【００５７】
［実施例６］
図１６に、実施例６によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット３０の概略図を示す。以下、実施例４との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例６においては、実施例４の内部インピーダンス測定装置７８（図１２）に代えて、流量計８３が準備されている。流量計８３は、金属空気電池５０に対応して準備されており、対応する金属空気電池５０に注入される電解液の流量を測定する。流量計８３による測定結果が、制御装置４０に入力される。
【００５８】
図１７を参照して、実施例６によるバックアップ電源装置の金属空気電池５０に電解液を注入するときの制御装置４０の処理について説明する。図１７は、複数の金属空気電池５０のうち２つの金属空気電池５０Ａ、５０Ｂ（図１６）に注入されている電解液の流量の積分値ＶＡ、ＶＢの時間変化、金属空気電池５０Ａ、５０Ｂに対応する開閉弁７７Ａ、７７Ｂ（図１６）の開閉状態の変化のグラフを示す。
【００５９】
時刻ｔ３１において、制御装置４０がすべての開閉弁７７を開く。時刻ｔ３１は、図４に示した時刻ｔ１、ｔ３等の電解液の注入開始時刻に相当する。金属空気電池５０に電解液の注入が開始されると、電解液の流量の積分値ＶＡ、ＶＢが単調に増加する。電解液の流量の積分値は、金属空気電池５０に注入された電解液の体積に相当する。金属空気電池５０Ａ、５０Ｂに注入されている電解液の積分値ＶＡ、ＶＢが、それぞれ時刻ｔ３２、ｔ３３において、金属空気電池５０に充填すべき電解液の体積（規定値）Ｖｆまで増加する。
【００６０】
金属空気電池５０によって、電解液の注入の流量にばらつきが生じるため、時刻ｔ３２と時刻ｔ３３とは必ずしも一致しない。制御装置４０は、時刻ｔ３２において、金属空気電池５０Ａに注入されている電解液の流量の積分値が規定値Ｖｆまで増加したことを検出すると、開閉弁７７Ａを閉じる。同様に、時刻ｔ３３において、開閉弁７７Ｂを閉じる。
【００６１】
実施例６においては、金属空気電池５０に注入された電解液の体積が規定値Ｖｆに到達した時点で電解液の注入を停止させるため、金属空気電池５０の各々に、予め定められた注入すべき体積の電解液を注入することができる。
【００６２】
［実施例７］
図１８に、実施例７によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット３０の概略図を示す。以下、実施例１との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００６３】
実施例７によるバックアップ電源装置の注入機構６０について説明する。貯蔵タンク５５から、開閉弁８４を通って１本の共通流路８５に電解液が流出する。複数の金属空気電池５０が、それぞれサブタンク８６及び開閉弁８７を介して共通流路８５に接続されている。貯蔵タンク５５から流出した電解液が、共通流路８５を通って、サブタンク８６に流入する。サブタンク８６は、電解液を一時的に蓄える。サブタンク８６に一時的に蓄えられた電解液が、開閉弁８７を通って金属空気電池５０に注入される。開閉弁８４、及び複数の開閉弁８７の開閉動作は、制御装置４０によって制御される。
【００６４】
図１９Ａにサブタンク８６の断面図を示す。サブタンク８６が、蓄積量制限機構９０を介して共通流路８５に接続されている。蓄積量制限機構９０は、サブタンク８６に、対応する金属空気電池５０に注入すべき電解液の体積（規定値）の電解液が蓄積されると、それ以上の電解液の、サブタンクへの蓄積を制限する。実施例７においては、蓄積量制限機構９０が、フロート弁で構成される。フロート弁は、フロート９１、蓋９２、及び開口９３を含む。共通流路８５内の空間とサブタンク８６内の空間とが、開口９３を介して繋がっている。フロート９１は、サブタンク８６内に蓄積された電解液の液面の高さに応じて昇降する。蓋９２は、フロート９１と共に上昇することにより、開口９３を塞ぐ。
【００６５】
図１９Ｂ〜図１９Ｇを参照して、蓄積量制限機構９０の動作について説明する。制御装置４０が開閉弁８４（図１８）を開くと、図１９Ｂに示すように、共通流路８５に電解液７０が流れる。共通流路８５内の電解液７０は、開口９３を通ってサブタンク８６内に流入する。サブタンク８６内への電解液７０の流入が継続すると、電解液７０の液面が上昇し、図１９Ｃに示すようにフロート９１の底面の高さまで達する。
【００６６】
さらに電解液７０がサブタンク８６内に流入すると、図１９Ｄに示すように、フロート９１が上昇し、蓋９２が開口９３を塞ぐ。これにより、サブタンク８６内への電解液７０の流入が停止する。蓋９２が開口９３を塞いだ時点で、サブタンク８６への電解液の充填が完了する。
【００６７】
貯蔵タンク５５（図１８）には、すべてのサブタンク８６を電解液で満たすのに必要十分な量の電解液７０が貯蔵されている。すべてのサブタンク８６への電解液７０の充填が完了した時点で、図１９Ｅに示すように、貯蔵タンク５５及び共通流路８５内が空になる。開閉弁８４（図１８）を開いてから、すべてのサブタンク８６への電解液７０の充填が完了するまでの時間（充填所要時間）が、予め測定されている。この充填所要時間は、制御装置４０に予め記憶されている。
【００６８】
制御装置４０（図１８）は、開閉弁８４（図１８）を開いてから、充填所要時間が経過したした時点で、図１９Ｆに示すように開閉弁８７を開く。これにより、サブタンク８６内の電解液７０が金属空気電池５０に注入される。図１９Ｇに示すように、サブタンク８６が空になると、金属空気電池５０への電解液７０の注入が停止する。
【００６９】
実施例７では、金属空気電池５０に電解液７０を注入する前に、サブタンク８６に電解液７０が一時的に蓄積される。サブタンク８６に一時的に蓄積される電解液７０の体積は、サブタンク８６の容量によって制限される。サブタンク８６の容量は、金属空気電池５０に注入すべき電解液７０の体積と等しくされている。このため、各金属空気電池５０に、注入すべき量（規定量）の電解液７０を注入することができる。
【００７０】
電解液７０は強アルカリ性であり、タンパク質に対して強い腐食性を示す。このため、電解液７０を長期間貯蔵しておくための貯蔵タンクには、高い難漏性及び耐腐食性が求められる。実施例７においては、１つの貯蔵タンク５５に電解液７０が長期間貯蔵されるため、貯蔵タンク５５の難漏性及び耐腐食性を高くすることが望まれる。これに対し、複数のサブタンク８６には、電解液７０が一時的に蓄えられるのみである。このため、サブタンク８６には、貯蔵タンク５５ほどの高い難漏性及び耐腐食性が要求されない。電解液７０を複数のサブタンク８６に分散させて貯蔵する構成に比べて、実施例７においては、バックアップ電源装置の安全性を確保し易い。
【００７１】
［実施例８］
図２０に、実施例８によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット３０の概略図を示す。以下、実施例７との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００７２】
実施例７では、共通流路８５（図１８）に開閉弁８４が取り付けられていたが、実施例８では、共通流路８５とサブタンク８６との間に、開閉弁８４が取り付けられている。また、実施例８では、フロート９１（図１９Ａ）に代えて、液面レベルセンサ９５が用いられる。液面レベルセンサ９５は、サブタンク８６内の電解液の液面が規定の高さ（レベル）に達すると、制御装置４０に検出信号を送信する。
【００７３】
液面レベルセンサ９５として、例えば一対の電極と、電極間の導通状態を検出する検出回路を用いることができる。電解液の液面が上昇して電解液が一対の電極に接触すると、電極間が導通する。電極間の導通が検出回路で検出され、制御装置４０に検出信号が送信される。
【００７４】
図２１Ａ〜図２１Ｄを参照して、金属空気電池５０に電解液を注入する手順について説明する。金属空気電池５０が待機状態のとき、開閉弁８４が閉じられている（図２１Ａ）。このとき、共通流路８５内は電解液７０で満たされている。金属空気電池５０に電解液７０を注入するときには、制御装置４０（図２０）が開閉弁８４を開ける。開閉弁８４が開けられると、共通流路８５からサブタンク８６に電解液７０が流入する（図２１Ｂ）。電解液７０の液面が規定の高さに達すると、液面レベルセンサ９５から制御装置４０（図２０）に検出信号が送信される（図２１Ｃ）。
【００７５】
制御装置４０（図２０）は、液面レベルセンサ９５から検出信号を受信すると、当該液面レベルセンサ９５が取り付けられているサブタンク８６に電解液を流入させる開閉弁８４を閉じる。これにより、サブタンク８６への電解液の流入が停止する。
【００７６】
開閉弁８４を閉じた後、サブタンク８６と金属空気電池５０との間に挿入された開閉弁８７を開ける（図２１Ｄ）。これにより、サブタンク８６から金属空気電池５０に電解液７０が注される。
【００７７】
実施例８においては、液面レベルセンサ９５及び開閉弁８４が、蓄積量制限機構９０としての役割を担う。実施例８においても、実施例７と同様に、サブタンク８６内に規定量の電解液７０が一時的に蓄えられるため、各金属空気電池５０に規定量の電解液７０を注入することができる。
【００７８】
［実施例９］
図２２に、実施例９によるバックアップ電源装置に用いられる一次電池ユニット３０の概略図を示す。以下、実施例７との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【００７９】
共通流路８５が、開閉弁８４から遠ざかるに従って低くなるように傾斜している。共通流路８５に、上流から下流に向かって順番に複数のサブタンク８６が接続されている。実施例７では、共通流路８５とサブタンク８６との接続箇所にフロート弁が取り付けられていたが、実施例９では、電解液の流入を止めるフロート弁等の機構は取り付けられていない。
【００８０】
図２３に示すように、開閉弁８４を開くと、貯蔵タンク５５から共通流路８５に電解液７０が流出する。共通流路８５を流れる電解液７０は、最も上流側に配置されたサブタンク８６に流入する。電解液７０の流入が継続することにより、最も上流側のサブタンク８６が電解液７０で満杯になる。図２４に示すように、相対的に上流側のサブタンク８６が電解液７０で満杯になると、上流側のサブタンク８６から溢れた電解液７０が、共通流路８５を経由して、相対的に下流側のサブタンク８６に流入する。
【００８１】
図２５に示すように、最終的には、すべてのサブタンク８６が電解液７０で満たされる。電解液７０の注入開始前には、貯蔵タンク５５に、すべてのサブタンク８６を満杯にするのに必要十分な電解液７０が貯蔵されている。このため、すべてのサブタンク８６が満杯になったとき、貯蔵タンク５５が空になる。開閉弁８４を開いてから、すべてのサブタンク８６が満杯になるまでの時間（充填所要時間）は予め求められており、制御装置４０に記憶されている。
【００８２】
図２６に示すように、制御装置４０は、開閉弁８４を開いた後、充填所要時間が経過した時点で、開閉弁８７を開く。サブタンク８６に一時的に蓄えられていた電解液７０が、開閉弁８７を通って金属空気電池５０に注入される。
【００８３】
サブタンク８６の容積は、対応する金属空気電池５０に注入すべき電解液７０の体積に対応している。これにより、各金属空気電池５０に、注入すべき体積（規定量）の電解液７０を注入することができる。実施例９においては、サブタンク８６が電解液７０で満杯になった後、サブタンク８６から傾斜した共通流路８５に電解液７０が溢れ出す構造が、蓄積量制限機構としての役割を担う。
【００８４】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００８５】
１０  入力端子
１１  出力端子
１２  商用電源
１３  電気負荷
２０  ＡＣ−ＤＣコンバータ
２１  電力輸送回路
２２  バスライン
２３  ダイオード
２４  電圧計
２５  二次電池
２６  スイッチング素子
２７  電圧計
３０  一次電池ユニット
３１  スイッチング素子
３２  正極集電体
３３  負極集電体
３４  負極活物質
３５  電解液
３６  セパレータ
３７  出力端子
３８  電圧計
４０  制御装置
４１  記憶装置
５０  金属空気電池
５１  電解液注入口
５５  貯蔵タンク
５６  開放弁
５７  収容室
５８  隔壁
６０  注入機構
６１  開閉弁
６２  流路
６３  昇降機構
６４  止水栓
７０  電解液
７５  開閉弁
７７  開閉弁
７８  内部インピーダンス測定装置
８０  重量計
８３  流量計
８４  開閉弁
８５  共通流路
８６  サブタンク
８７  開閉弁
９０  蓄積量制限機構
９１  フロート
９２  蓋
９３  開口
９５  液面レベルセンサ
【図１】
2014191861.tif 000003
【図２】
2014191861.tif 000004
【図３】
2014191861.tif 000005
【図４】
2014191861.tif 000006
【図５】
2014191861.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014191861.tif 000009
【図８】
2014191861.tif 000010
【図９】
2014191861.tif 000011
【図１０Ａ】
2014191861.tif 000012
【図１０Ｂ】
2014191861.tif 000013
【図１１】
2014191861.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2014191861.tif 000017
【図１５】
2014191861.tif 000018
【図１６】
2014191861.tif 000019
【図１７】
2014191861.tif 000020
【図１８】
2014191861.tif 000021
【図１９−１】
2014191861.tif 000022
【図１９−２】
2014191861.tif 000023
【図２０】
2014191861.tif 000024
【図２１−１】
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【図２１−２】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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