(57)【要約】【課題】循環型のマグネシウム空気電池における発電可能時間（総発電時間）を長くすること。【解決手段】循環系を有する循環型のマグネシウム空気電池システムであって、最長間欠循環可能時間経過前に間欠循環運転を停止し、非循環運転に切り替える制御を行う制御部を有することを特徴とする循環型のマグネシウム空気電池システム。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環系を有する循環型のマグネシウム空気電池システムであって、
最長間欠循環可能時間経過前に間欠循環運転を停止し、非循環運転に切り替える制御を行う制御部を有することを特徴とする循環型のマグネシウム空気電池システム。
【請求項２】
前記最長間欠循環可能時間は、
前記間欠循環運転を開始した直後から前記循環系が堆積物で詰まる直前までの時間であることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム空気電池システム。
【請求項３】
前記最長間欠循環可能時間と間欠循環運転開始から間欠循環運転停止までの間欠循環運転時間との差分は、前記最長間欠循環可能時間を求めるための実験結果に対して設計マージンを考慮して得られた値とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネシウム空気電池システム。
【請求項４】
前記間欠循環運転終了後かつ前記非循環運転開始前に、電解液のみを供給する非循環運転電解液供給期間を設けることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池システム。
【請求項５】
前記非循環運転電解液供給期間において、電解液を間欠的に供給する期間を設けることを特徴とする請求項４に記載のマグネシウム空気電池システム。
【請求項６】
前記間欠循環運転の初期において前記循環系への電力供給は１次電池の電力を用い、その後は発電セルによる発電力を用いることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池システム。
【請求項７】
前記循環系への電力供給は１次電池の電力または２次電池に充電された電力を用い、発電力の余剰分を前記２次電池に充電することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のマグネシウム空気電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム空気電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気電池システムとして、例えばマグネシウム空気電池システムがある。マグネシウム空気電池は、空気中の酸素を正極活物質、マグネシウムを負極活物質、食塩水を電解液とするものである。特に、電解液を発電システムに供給し、発電システムにおいて生成した堆積物を排出するタンクを有する循環型空気電池システムは、継続して発電が可能であるという利点がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０４６６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
循環型のマグネシウム空気電池を用いてセル内で発電を行っていくと、発電反応として難溶性の水酸化マグネシウムが析出し、発電を阻害する要因となる。そのため、水酸化マグネシウムをセル内から排出する必要がある。
【０００５】
そこで、特許文献１等のように、ポンプ、バルブなどの機器を用いて、セル内の電解液を間欠循環する技術が提案されている。
【０００６】
しかしながら、間欠循環する技術を用いたとしても、発電時間の経過とともに、水酸化マグネシウムの析出量が増加するため、循環系（給水ポンプ、排水弁など）の詰りによる故障が発生するという問題があった。
【０００７】
本発明は、循環型のマグネシウム空気電池における発電可能時間（総発電時間）を長くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、循環系を有する発電セル内の電解液を間欠的に給排水する間欠循環運転が可能な循環型のマグネシウム空気電池システムであって、最長間欠循環可能時間（Ｔ４）経過前に間欠循環運転を停止し、非循環運転時間（Ｔ２）に切り替える制御を行う制御部を有することを特徴とする循環型のマグネシウム空気電池システムが提供される。
【０００９】
前記最長間欠循環可能時間（Ｔ４）は、前記間欠循環運転を開始した直後から前記循環系が堆積物（スラリー）で詰まる直前の電解液を用いて測定した実験結果の時間であることを特徴とする。
【００１０】
ここで、総発電時間をＴ３とすると、以下の関係となる。
【００１１】
Ｔ４＞Ｔ１
Ｔ１＋Ｔ２＝Ｔ３
【００１２】
前記最長間欠循環可能時間（Ｔ４）と間欠循環運転開始から間欠循環運転停止までの間欠循環運転時間（Ｔ１）との差分は、前記最長間欠循環時間（Ｔ４）を求めるための実験結果に対して設計マージンを考慮して得られた値とすることを特徴とする。
【００１３】
前記間欠循環運転終了後かつ前記非循環運転開始前に、電解液のみを供給する非循環運転電解液供給期間を設けることを特徴とする。
【００１４】
前記非循環運転電解液供給期間において、電解液を間欠的に供給する期間を設けることを特徴とする。
【００１５】
前記間欠循環運転の初期において前記循環系への電力供給は１次電池の電力を用い、その後は前記発電セルによる発電力を用いることを特徴とする。
【００１６】
前記循環系への電力供給は１次電池の電力または２次電池に充電された電力を用い、発電力の余剰分を前記２次電池に充電することを特徴とする。
【００１７】
本発明は、上記の制御を行う制御部の発明であっても良く、制御部による制御をコンピュータに実行させるためのプログラムであっても良く、当該プログラムを記憶するコンピュータ読み取り可能な記録媒体であっても良い。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、循環型のマグネシウム空気電池における発電可能時間（総発電時間）を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態による循環型マグネシウム空気電池システムの一構成例を示す図である。
【図２】本実施の形態による間欠制御系の一構成例を示す機能ブロック図である。
【図３Ａ】発電セル内の電解液を間欠的に給排水する間欠循環運転が可能な循環型のマグネシウム空気電池システムの制御部等による制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３Ｂ】発電セル内の電解液を間欠的に給排水する間欠循環運転が可能な循環型のマグネシウム空気電池システムにおける各装置の動作のタイミングチャート図である。
【図４】図３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。
【図５】図３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。
【図６】図３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。
【図７】図３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。
【図８】図３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。
【図９】図３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。
【図１０】間欠循環（発電）動作、非循環発電動作におけるポンプ電圧、電流、セル電圧の時間変化の一例を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施の形態による循環型マグネシウム空気電池システムにおける、図１０とは異なる間欠動作の一例を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態による間欠制御系Ｂの一構成例を示す機能ブロック図である。
【図１３Ａ】本発明の第４の実施の形態による循環型のマグネシウム空気電池システムの制御部等による制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１３Ｂ】間欠循環（発電）動作、非循環発電動作におけるポンプ電圧、電流、セル電圧の時間変化の一例を示す図である。
【図１４】図１３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。第１の実施の形態との相違点についてのみ示した図である。
【図１５】図１３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。第１の実施の形態との相違点についてのみ示した図である。
【図１６】図１３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。第１の実施の形態との相違点についてのみ示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施の形態によるマグネシウム空気電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態による循環系を有する循環型マグネシウム空気電池システムＡの一構成例を示す図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態による循環型マグネシウム空気電池システムＡは、電解液５と堆積物とを溜める給排水タンク１と、発電セル構造２１と、電解液５の給排水を行う給排水系と、給排水の動作やタイミング等の間欠循環動作等に関する制御等を行う制御部１１とを有する。
【００２３】
給排水タンク１内には食塩水などの電解液５が溜められている。電解液５内に吸入口が位置するように給水管３３を配置し、電動ポンプ３１により給水管３３、３５を介して発電システム（発電セル構造）２１内に電解液５を溜め、電解液５とマグネシウム電極２１ａとの以下の反応により電力を発生させることができる。
【００２４】
正極：  O2+ 2H2O + 4e-→4OH-(E0 = 0.4 V)
負極:  2Mg→2Mg2++4e-(E0 = -2.36 V)
【００２５】
発電の過程で生成される難溶性の水酸化マグネシウムＭｇ（ＯＨ）２の堆積物２５（図７参照）を排水トレー２３に受けた電解液と堆積物２５とを、排水弁４１を介して、配水管３７、４１ａによりタンク１内に排水可能とする。これにより、堆積物２５を発電セル構造２１内から排除する。このような循環型のマグネシウム空気電池システムによれば、発電可能な時間を長くすることができる。符号５１は、排水トレー２３からのオーバーフローを給排水タンク１内に移送する管である。
【００２６】
図２は、本実施の形態による間欠制御系Ｂの一構成例を示す機能ブロック図である。図１と共通の部材については、説明を省略する。
【００２７】
制御部１１は、１次電池や２次電池などの始動用バッテリ６１とマグネシウム空気電池２１との切り替えを行うスイッチ（１）１２を制御する。また、制御部１１は、排水弁４１を開閉するスイッチ（２）１３、ポンプ３１をオンオフするスイッチ（３）１４を制御する。
【００２８】
制御部１１には、これらのスイッチのオンオフ制御を行うスイッチ制御部１１−１と、後述するように実験結果等に基づく間欠循環動作と静止動作とを切り替えるタイミング等を記憶する記憶部１１−２等とを有している。
【００２９】
上記の構成により、例えば携帯電話などの負荷７１に対して、発電した電力を供給することができる。
【００３０】
図３Ａは、発電セル構造２１内の電解液５を間欠的に給排水する間欠循環運転が可能な循環型のマグネシウム空気電池システムの制御部１１等による制御処理の流れを示すフローチャート図である。図３Ｂは、発電セル構造２１内の電解液５を間欠的に給排水する間欠循環運転が可能な循環型のマグネシウム空気電池システムにおける各装置の動作例のタイミングチャート図である。図４から図９までは、図３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムＡにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。
【００３１】
また、図１０は、間欠循環（発電）動作、非循環発電動作におけるポンプ電圧、電流、セル電圧の時間変化の一例を示す図である。
【００３２】
図４は、循環型マグネシウム空気電池システムＡにおける設置状態（初期状態）の一例を示す図である。タイミング等に関し、図３Ｂを適宜参照する。
【００３３】
ここで、図３ＡのステップＳ１に示すように循環動作を開始すると（例えば手動の始動スイッチ（１）１２をオンする（ｔ１〜ｔ３）ことにより装置を起動させると、制御部（制御回路）１１の電源がオンする（ｔ１）。すると、始動用電池（バッテリ）６１がオンし電流が流れる（ｔ１〜ｔ４）。まず、図５に示すように、ステップＳ２で循環系が始動開始し、給排水タンク１内の電解液５をポンプ３１により発電セル構造２１内に給水していく（始動途中）。給水ポンプ３１の運転は、例えば、期間（ｔ２〜ｔ６）で行われる。この際、それまで開にされていた排水弁４１が閉となる（ｔ４）。
【００３４】
そして、ステップＳ３において、図６に示すように、発電セル構造２１内に電解液５が満たされ（水位上昇期間ｔ２〜ｔ５）、マグネシウム電極２１ａによる上記化学式に基づく発電処理が開始される（ステップＳ４、発電セル構造２１の電圧は、ｔ２からｔ３にかけて、０Ｖから定格電圧に向けて上昇する）。これらの制御は、スイッチ制御部１１−１により行われる。尚、発電セル構造２１からの電流は、例えば、ｔ４において流れ始める。そして、負荷７１に対して、例えば、給水ポンプ３１をオフしたタイミングｔ６から給電が可能となる。
【００３５】
循環動作中は、排水弁４１の開閉（タイミングｔ１１、ｔ１２）、給水ポンプ３１の動作、停止（動作期間は例えば、タイミングｔ１２からｔ１４）となり、発電セル構造２１の電解液水位は、タイミングｔ１１で下がり初め、ｔ１２から上がり初め、ｔ１３で一定となる。これを規定回数（例えば６０回）繰り返す。
【００３６】
ステップＳ５において、経過時間ｔが間欠循環時間Ｔ１まで達していない場合には（ｔ＜Ｔ１がＹｅｓ）、ステップＳ２に戻り、図７から図９までに示されるように、間欠循環動作が継続される。図１０に示す例では、間欠動作におけるポンプ３１の１回の動作時間は９０〜１２０秒であり、ポンプ３１の非動作時間は、５８分から５８分３０秒であり、これらの合計を１周期＝６０分としている。この時間は例示であり、これらの値に限定されるものではない。
【００３７】
ステップＳ５において、経過時間ｔが間欠循環時間Ｔ１まで達した場合には（ｔ＜Ｔ１がＮｏ）、ステップＳ６において、循環動作を停止する。そして、ステップＳ７において、非循環発電動作を開始する。非循環発電動作は、例えば、ｔ２１で、発電セル構造２１の水位が下がり初め、その後のｔ２２で発電セル構造２１の電圧が下がりはじめ、０Ｖになった時点（ｔ２３）で終了させ、負荷への給電が停止し、処理が終了する（ｅｎｄ）。
【００３８】
図１０に示すように、間欠循環時間（Ｔ１）は、その装置で間欠循環動作が可能な最大の時間、すなわち、循環動作が停止するほど堆積物（スラリー）２５によるポンプ３１や排水弁４１の詰りが発生するまでの時間である最長間欠循環可能時間（Ｔ４）以下の時間である。
【００３９】
最長間欠循環可能時間（Ｔ４）は、同様の構造のマグネシウム空気電池２１において行った実験結果などに基づいて求められ、例えば記憶部１１−２に記憶しておけば良い。
【００４０】
すなわち、以下の関係が成り立つようにする。
【００４１】
Ｔ４＞Ｔ１
Ｔ１＋Ｔ２＝Ｔ３
尚、Ｔ４は、設計マージンを考慮して、例えば、最大値（限界値）よりも短めに設定しておいても良い。
【００４２】
例示的に示したＴ１は８０時間、Ｔ２は３６時間であり、Ｔ４は、例えば、８８時間である。
【００４３】
また、本実施の形態では、スイッチ（１）１２により、いずれの発電力を用いるかを切り替えることで、間欠循環運転の初期において循環系への電力供給は１次電池又は２次電池６１の電力を用い、その後はＭｇ空気電池の発電セル構造２１による発電力を用いることが可能である。
【００４４】
以上のように、循環系が詰って故障する前に、間欠循環動作（運転）を停止し、循環なし（非循環）で発電する動作に切り替える制御方法を用いることで、間欠循環動作のみの場合に比べて、ほぼＴ２に相当する時間分だけ長時間の発電を行うことができる。従って、同じセル構造等の装置においても、仕様を満たすような長時間発電が可能になるという利点がある。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図１１（ａ）、（ｂ）は、図１０とは異なる間欠動作の一例を示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、間欠循環時間Ｔ１において、時間ｔの経過（循環回数ｎの増加）とともに、間欠動作の時間間隔を狭めるようにしても良い。
【００４６】
このようにすると、等間隔の間欠動作の場合よりも循環動作の総回数を少なくすることができる。従って、ポンプの動作回数を減らし、エネルギー消費を抑制することができる。
【００４７】
（第３の実施の形態）
第１の実施の形態では、スイッチ（１）１２により、いずれの発電力を用いるかを切り替えることで、間欠循環運転の初期において循環系への電力供給は１次電池又は２次電池６１の電力を用い、その後はＭｇ空気電池の発電セル構造２１による発電力を用いることを可能とした。
【００４８】
図１２は、本発明の第３の実施の形態による間欠制御系Ｂの一構成例を示す機能ブロック図である。
【００４９】
この構造では、始動用バッテリ６１ａとして２次電池を用い、図２のスイッチ１２の代わりに充放電回路１２ａを用いることで、循環系への電力供給は２次電池６１ａに充電された電力を用い、発電セル構造２１による発電力の余剰分を２次電池６１ａに充電することで、装置起動時に消費した電力を充電することが可能となる利点がある。
【００５０】
（第４の実施の形態）
第１の実施の形態においては、電解液５の粘度が上昇して循環系が堆積物により詰る前に、間欠循環運転を停止し、循環なし（非循環）で発電した。この方法では、電解液５の循環を停止した後は、発電セル構造２１内に残っている電解液５のみで発電する。
【００５１】
しかしながら、発電（電池反応）により、電解液５中の水分は徐々に少なくなるため、循環停止後は比較的急速に反応が悪くなっていく。
【００５２】
本発明の第４の実施の形態では、電解液５の循環を停止した後、電動ポンプ３１による電解液５の「給水」のみを行う運転により、発電のための反応により消費した電解液５を発電セル構造内に補充することを特徴とする。
【００５３】
図１３Ａは、本発明の第４の実施の形態による循環型のマグネシウム空気電池システムの制御部等による制御処理の流れを示すフローチャート図である。図１３Ｂは、間欠循環（発電）動作、非循環発電動作におけるポンプ電圧、電流、セル電圧の時間変化の一例を示す図である。図１４から図１６までは、図１３Ａに示す制御に基づく図１に示す循環型マグネシウム空気電池システムにおける各処理時における動作状態の一例を示す図である。第１の実施の形態との相違点についてのみ示した図であり、図９に続く図である。
【００５４】
図１３Ａにおいて、ステップＳ１からステップＳ６までは、図３Ａの処理と同様である。ステップＳ６において、循環動作を停止させると（ｔ３０）、ステップＳ１１に進み、図１４の状態で発電を行う。すると、図１５に示すように、電池反応により発電セル構造２１内の電解液５が減少する。そこで、図１６及びステップＳ１２に示すように、電動ポンプ３１をある時間だけ動作させて、発電セル構造２１内に電解液５を供給（給水）する。そして、発電を行う。
【００５５】
このような動作を、ｔ＜Ｔ１１（ステップＳ１３）の間継続する。
次いで、ステップＳ７に進み、非循環・発電動作を行う。
【００５６】
図１３Ｂに示すように、循環動作を停止させた後、時間ｔ３１からｔ３２まで、時間ｔ３３からｔ３４まで、時間ｔ３５からｔ３６まで、というように、ある程度の間隔を開けて給水のみを行う期間を設け、その後、発電により発電セル構造２１内の電解液５が減ると、次の、給水処理を行うようにしている。
【００５７】
この期間（ｔ３０〜ｔ３６）を、間欠循環運転終了後かつ非循環運転開始前の、電解液のみを供給する期間を、非循環運転電解液供給期間と称する。電解液を間欠的に供給する場合には、非循環運転電解液間欠供給期間と称する。
【００５８】
以上の動作により、発電セル構造２１内に電解液５が存在することで発電が可能な状態をある期間、回数だけ保つことができる。従って、給水のみの期間を設けることで、発電時間を延ばすことができる。
【００５９】
尚、本実施の形態では、給水期間を数回に分けたが、給水回数は１回でも良い。また、発電による電解液５の減少を補償する程度、給水を少しずつ行っていくようにしても良い。
【００６０】
電解液５の補充方法の実施例として、３時間に１回、１０秒程度、電動（給水）ポンプ３１を動作させ、電池反応で消費した分の電解液５だけ注入した。この方法によれば、循環停止後の発電時間を１４．５時間から２０時間まで、５．５時間延ばすことができた。
【００６１】
上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００６２】
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、マグネシウム空気電池システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
Ａ…循環型マグネシウム空気電池システム
１…給排水タンク
５…電解液
１１…制御部
１２…スイッチ
１２ａ…充放電回路
２１…Ｍｇ空気電池（発電セル構造）
２１ａ…マグネシウム電極
２３…排水トレー
２５…堆積物
３１…電動ポンプ
３３、３５…給水管
３７…配水管
４１…排水弁
４１ａ…配水管
６１…始動用バッテリ（１次電池、２次電池）
７１…負荷
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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