(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。【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、最大間欠循環発電量に達する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、
最大間欠循環発電量に達する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】
前記制御部は、
発電量を測定する発電量測定部を有することを特徴とする請求項１に記載の循環型のマグネシウム空気電池システム。
【請求項３】
前記最大間欠循環発電量は、
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発電量であ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】
前記最大間欠循環発電量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発電量との差分は、前記最大間欠循環発電量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４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６】
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４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】
本発明は、「運転時間」ではなく、「発電量」を基に非循環に切り替えるタイミングを決めることを特徴とするものである。「発電量」としては、積算電力量や電流積算値などをパラメータとすることができる。先の出願のように、「運転時間」だけによる制御ではなく、「発電量」も考慮して制御することにより、低負荷で発電した場合には非循環に切り替えるまでの時間を延ばすことができる。そして、負荷に応じて、より長時間の発電を可能にすると共に、システムの発電能力を余さず利用できる。
【０００９】
本発明の一観点によれば、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、最大間欠循環発電量に達する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が提供される。
【００１０】
前記制御部は、発電量を測定する発電量測定部を有することを特徴とする。発電量測定部としては、例えば、電流値を積算することで発電電力量を求める電流値測定部を有していても良い。
【００１１】
前記最大間欠循環発電量は、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発電量であることを特徴とする。
【００１２】
前記最大間欠循環発電量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発電量との差分は、前記最大間欠循環発電量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。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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】
【００１６】
【図１】本発明の第１の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の一構成例を示す図である。
【図２Ａ】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２Ｂ】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り、図２Ａの一構成例を示す図である。
【図３Ａ】発電セル構造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】発電セル構造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例のタイミングチャート図である。
【図４】発電量の時間変化を示す模式的な図であり、負荷依存性を示す図である。
【図５】循環型マグネシウム空気電池システムにおける設置状態（初期状態）の一例を示す図である。
【図６】循環型マグネシウム空気電池システムにおける始動途中の一構成例を示す図である。
【図７】発電セル構造内に電解液が満たされ、マグネシウム電極による発電処理が開始される様子を示す図である。
【図８】間欠循環動作の継続する様子を示す図である。
【図９】間欠循環動作の継続する様子を示す図である。
【図１０】間欠循環動作の継続する様子を示す図である。
【図１１】本発明の第２の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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
発明者は、先の出願において、以下の発明を提案した。
循環型のマグネシウム空気電池において、一定期間は電解液を循環するが、ある程度時間が経過した後は、電解液の循環を停止し、非循環での発電を行う。
【００１８】
ところで、先の出願においては、１００％負荷を前提とした運転時間に基づいて循環を停止し、無循環での発電に切り替えていた。すると、図４で後述するように、低負荷で運転した場合には、発電余力を残したまま、運転終了となってしまう可能性が高い。
【００１９】
循環を停止させた後は、セル内に残った電解液で発電するため、電池反応で徐々に電解液中の水分が少なくなり、反応が悪くなる。
【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（給水ポンプ）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８参照）を排水トレー２３に受けた電解液５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２Ａ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。図２Ｂは、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り、図２Ａの一構成例を示す図である。
【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、電動ポンプ３１をオンオフするスイッチ（３）１４を制御する。
【００２８】
図２Ａに示す制御部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、発電量を測定する発電量測定部１１−２を有する。
【００２９】
発電量測定部１１−２により、予め決めておいた最大間欠循環発電量（メモリなどに記憶させても良い）を超えたタイミングで循環を停止し、非循環で発電させるよう制御することができる。最大間欠循環発電量は、間欠循環運転を開始した直後から循環系が堆積物で詰まる直前までの発電量である。
【００３０】
尚、最大間欠循環発電量とは、間欠循環動作を行った場合における発電量の最大値である。最大間欠循環発電量の値には、マージンが含まれるようにしても良い。例えば、実際の最大値の９５％程度としても良い。
【００３１】
また、発電量測定部１１−２は、図２Ｂに示すように、例えば、電流値を測定する電流センサ１１−４と、測定した電流値を積算する電流値積算部１１−３であっても良い。図２Ｂの構成では、制御の一例として、負荷７１側に設けられる電流センサ１１−４で測定した電流値を電流値積算部１１−３で積算することで発電量を求めるようにしている。
【００３２】
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。
【００３３】
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は、発電量の時間変化を示す模式的な図であり、負荷依存性を示す図である。図５から図１０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。
【００３４】
図４に示すように、発電量は、時間とともに増加する。そして、１００％負荷の場合には、ｔ１００において循環を停止し、その後は無循環で発電終了まで発電を行う。
負荷が、１００％から小さくなるほど、循環停止時間と発電終了時間とは長くなる。
【００３５】
運転時間だけを基準として循環を停止すると、低負荷で運転した場合には、発電余力を残したまま、運転を終了することになる。また、負荷が変動する場合がある。このような場合において、時間を目安にして循環を停止すると、負荷の変動の具合に依存して総発電量が大きくならない場合が生じてしまう。
【００３６】
そこで、本実施の形態では、循環を停止するタイミングを、それまでの発電量を基準にして決めることを特徴とする。
【００３７】
図５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。
【００３８】
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。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６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を電動ポンプ３１により発電セル構造２１内に給水していく（始動途中）。電動ポンプ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（ｔ２）。
【００３９】
そして、ステップＳ３において、図７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。
【００４０】
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で下がり始め、ｔ１２から上がり始め、ｔ１３で一定となる。これを一定の発電量まで繰り返す。この間、例えば、電流センサ１１−４によりセンサリングした電流値に基づいて、電流値積算部で電流値を積算することで、発電量Ｗｘを求めておく。
【００４１】
ステップＳ５において、発電量Ｗｘが最大間欠循環発電量Ｗ１まで達していない場合には（Ｗｘ＜Ｗ１がＹｅｓ）、ステップＳ２に戻り、図８から図１０までに示されるように、間欠循環動作が継続される。
【００４２】
ステップＳ５において、発電量Ｗｘが所定の最大間欠循環発電量Ｗ１に達した場合には（Ｗｘ＜Ｗ１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の水位が下がり始め、その後のｔ２２で発電セル構造２１の電圧が下がり始め、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）。
【００４３】
尚、最大間欠循環発電量Ｗ１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。
例示的に示したＷ１は６００Ａｈである。
【００４４】
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（始動用バッテリ）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。
【００４５】
以上のように、循環系が詰って故障する前に、発電量に基づいて間欠循環動作（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、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。
【００４６】
また、本実施の形態では、スイッチ（１）１２により、いずれの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（始動用バッテリ）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。
【００４７】
以上のように、最大間欠循環発電量を基準として循環動作の停止タイミングを決めることで、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、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。
【００４８】
また、最大間欠循環発電量を基準としたため、経過時間を基準とした場合に比べて、負荷に依存せずに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。例えば、低負荷で発電した場合には非循環に切り替えるまでの時間を延ばすことができ、負荷に応じてより長時間の発電を可能にすると共に、システムの発電能力を余さず利用することができる。
【００４９】
（第２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（始動用バッテリ）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。
【００５０】
図１１は、本発明の第２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り、図２Ａに対応する図である。図２Ｂに対応する構成でも良い。
【００５１】
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２Ａ、図２Ｂのスイッチ（１）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。
【００５２】
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。
【００５３】
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】
【００５４】
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】
【００５５】
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
１１−１…スイッチ制御部
１１−２…発電量測定部
１１−３…電流値積算部
１１−４…電流センサ
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、６１ａ…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２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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