(57)【要約】  【課題】二次電池を使用することによる制御および構成の複雑化を回避することができる。  【解決手段】外部からの商用電力が供給される端子と、マグネシウム電池と、交流電力出力端子と、マグネシウム電池の出力を交流電力へ変換するＤＣ−ＡＣインバータと、商用電力の供給の停止を検出し、交流電力出力端子に対して、商用電力に代えてＤＣ−ＡＣインバータの出力電力を出力するように制御するコントローラとを有する電力供給装置である。【選択図】図１
2016073149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの商用電力が供給される端子と、
マグネシウム電池と、
交流電力出力端子と、
前記マグネシウム電池の出力を交流電力へ変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記商用電力の供給の停止を検出し、前記交流電力出力端子に対して、前記商用電力に代えて前記ＤＣ−ＡＣインバータの出力電力を出力するように制御するコントローラとを有する電力供給装置。
【請求項２】
前記交流電力を直送するバイパス回路を有する請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項３】
外部からの商用電力が供給される端子と、
二次電池と、
マグネシウム電池と、
交流電力出力端子と、
前記二次電池の出力を交流電力へ変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記商用電力の供給の停止を検出し、前記交流電力出力端子に対して、前記商用電力に代えて前記ＤＣ−ＡＣインバータの出力電力を出力するように制御するコントローラとを有し、
前記二次電池の残容量がしきい値より小となる場合に、前記マグネシウム電池を起動して前記マグネシウム電池から出力を取り出すことを可能とする電力供給装置。
【請求項４】
前記しきい値は、前記二次電池の残容量が殆どない値に設定される請求項３に記載の電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、停電等の電力障害が発生した時に、電力を供給することが可能な電力供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部電力系統（商用電源、グリッド等と称される）の電力供給量が事故等によって減少したり、電力需要量が季節的に増加したりすると、電力供給量に対して電力需要量が大きくなり、突発的な停電のおそれが生じることがある。それ以外にも、集中豪雨、落雷などの災害により停電になることが想定される。
【０００３】
従来では、コンピュータや周辺機器に対して停電等の電力障害が発生した時に、電力を供給する無停電電源装置(Uninterruptable Power Supply:以下、ＵＰＳと適宜称する）を用いることが知られている。従来のＵＰＳは、短時間の停電に対して有効であり、コンピュータ、周辺機器に対して一時的に電力を供給するものであった。最近では、ＵＰＳとして二次電池を組み合わせたものも実用化されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２３３０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
二次電池を使用するＵＰＳの場合には、二次電池の過充電対策、過放電対策、過負荷保護についての考慮が必要であった。その結果、二次電池の充放電に関する構成および制御が複雑化するおそれがあった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、簡単な制御と構成によって電力障害時に電力を供給することができる電力供給装置および電力供給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明の第１の発明は、外部からの商用電力が供給される端子と、
マグネシウム電池と、
交流電力出力端子と、
マグネシウム電池の出力を交流電力へ変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
商用電力の供給の停止を検出し、交流電力出力端子に対して、商用電力に代えてＤＣ−ＡＣインバータの出力電力を出力するように制御するコントローラとを有する電力供給装置である。
【０００８】
本発明の第２の発明は、外部からの商用電力が供給される端子と、
二次電池と、
マグネシウム電池と、
交流電力出力端子と、
二次電池の出力を交流電力へ変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
商用電力の供給の停止を検出し、交流電力出力端子に対して、商用電力に代えてＤＣ−ＡＣインバータの出力電力を出力するように制御するコントローラとを有し、
二次電池の残容量がしきい値より小となる場合に、マグネシウム電池を起動してマグネシウム電池から出力を取り出すことを可能とする電力供給装置である。
【発明の効果】
【０００９】
少なくとも一つの実施形態によれば、二次電池を使用することによる制御および構成の複雑化を回避することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本発明の実施の形態中に記載されたいずれかの効果であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による電力供給装置の第１の実施の形態のブロック図である。
【図２】本発明による電力供給装置の第２の実施の形態のブロック図である。
【図３】本発明による電力供給装置に使用できるマグネシウム電池の一例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
本発明の説明は、以下の順序にしたがってなされる。
＜１．第１の実施の形態＞
＜２．第２の実施の形態＞
＜３．マグネシウム電池の一例＞
＜４．変形例＞
【００１２】
＜１．第１の実施の形態＞
「電力供給装置の構成」
図１を参照して本発明による電力供給装置（電源システム）について説明する。電力供給者の発電所にて発電した電力が図示しない送電網、配電網を介して家庭の電力量計に供給され、電力量計から図１における外部電力系統（商用電力）入力端子１に交流電力が供給される。
【００１３】
商用電力がスイッチＳＷ１およびＳＷ２を介して交流電力出力端子２に供給される。交流電力出力端子２に対して電子機器が接続される。商用電力がスイッチＳＷ１を介してＡＣ−ＤＣコンバータ３に供給される。ＡＣ−ＤＣコンバータ３は、商用電力から直流電力を形成する。ＡＣ−ＤＣコンバータ３の出力直流電力がＤＣ−ＡＣインバータ４に供給される。ＤＣ−ＡＣインバータ４は、商用電力と同様のレベル、位相および周波数の交流電力を形成する。ＤＣ−ＡＣインバータ４の出力交流電力がスイッチＳＷ３を介して交流電力出力端子２に取り出される。スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、コントロール信号によってオン／オフが制御されるものである。
【００１４】
ＡＣ−ＤＣコンバータ３の出力側とＤＣ−ＡＣインバータ４の入力側との間に昇圧回路５を介してマグネシウム電池６が接続される。マグネシウム電池６は、空気電池の一種である。空気電池は、正極活物質として空気中の酸素を使う電池である。負極に環境安全性に優れているマグネシウムを使用したものがマグネシウム電池である。マグネシウム電池は、例えば特開２０１２−２３４７９９号公報に記載されている。さらに、マグネシウム電池６のより具体的な例については後述する。
【００１５】
昇圧回路５は、マグネシウム電池６の出力直流電圧を昇圧するものである。昇圧回路５によって、より高い電圧をＤＣ−ＡＣインバータ４に入力することができ、ＤＣ−ＡＣ変換の効率を向上させることができる。昇圧回路５としては、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを使用することができる。なお、昇圧回路５を設けることは、必須ではなく、マグネシウム電池６の放電路を設ければ良い。
【００１６】
電源システムを制御するためのコントローラ７が設けられている。コントローラ７に対して商用電力が供給され、停電をコントローラ７が検出し、停電を検出すると、マグネシウム電池６を起動する。例えばマグネシウム電池６に付属する給水タンクに設けられた電磁弁等を制御して、停電になると、注水を行い、マグネシウム電池６を動作状態とする。コントローラ７は、商用電力から形成される直流電力を電源としている。停電時には、直ちにコントローラ７の電源が断たれずに、所定時間は、コントローラ７が動作可能とされている。
【００１７】
さらに、コントローラ７は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を制御するためのコントロール信号を発生する。さらに、コントローラ７は、ＡＣ−ＤＣコンバータ３、ＤＣ−ＡＣインバータ４、昇圧回路５を制御する。なお、これらの回路に対する制御は、例えば回路の動作電源のオン／オフによってなされる。
【００１８】
「第１の実施の形態の動作モード」
本発明においては、コントローラ７の制御によって、下記の動作モード（運転モード）が可能とされている。
通常動作モード：ＡＣ−ＤＣコンバータ３およびＤＣ−ＡＣインバータ４を通って形成される商用電力のみが負荷に供給される。スイッチＳＷ１およびＳＷ３がオンとされ、スイッチＳＷ２がオフとされる。なお、スイッチＳＷ２を含む経路は、バイパス回路（バイパス系統）である。通常動作時には、スイッチＳＷ２がオフのままである。さらに、昇圧回路５がオフとされる。
【００１９】
停電動作モード：コントローラ７が停電を検出すると、マグネシウム電池６を動作させると共に、昇圧回路５をオンとする。マグネシウム電池６からの電力が昇圧回路５によって昇圧され、昇圧回路５の出力がＤＣ−ＡＣインバータ４を通って交流電力が形成される。この交流電力がスイッチＳＷ３を通じて交流電力出力端子２に出力される。スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオフとされ、スイッチＳＷ３がオンとされる。スイッチＳＷ１は、オンのままでも良い。
【００２０】
マグネシウム電池６の容量に応じて交流電力が交流電力出力端子２に取り出される。ＤＣ−ＡＣインバータ４は、通常モードにおいても交流電力を出力するのに使用されているので、通常動作モードから停電動作モードへの切り替わりが生じた場合に、周波数、位相の不連続が発生しない。したがって、停電時に交流電力出力端子２に接続される電子機器に対して所定の期間電力を供給することができる。マグネシウム電池６を使用するので、二次電池を使用するのと比較して、構成および制御を簡単とすることができる。
【００２１】
保守モード：マグネシウム電池の交換等の保守のための保守モードが可能とされている。保守モードは、ＡＣ−ＤＣコンバータ３、ＤＣ−ＡＣインバータ４、昇圧回路５等の各部の電源をオフとして、入力商用電力をそのまま交流電力出力端子２に取り出す動作モードである。
【００２２】
＜２．第２の実施の形態＞
「電力供給装置の構成」
図２を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態は、二次電池を備える電力供給装置に対してマグネシウム電池６を追加するものである。入力端子１からの商用電力がスイッチＳＷ１１およびＳＷ１２を介して交流電力出力端子２に供給される。交流電力出力端子２に電子機器が接続される。
【００２３】
商用電力がスイッチＳＷ１１を介してＡＣ−ＤＣコンバータ１３に供給される。ＡＣ−ＤＣコンバータ１３は、商用電力から直流電力を形成する。ＡＣ−ＤＣコンバータ１３の出力直流電力がＤＣ−ＡＣインバータ１４に供給される。ＤＣ−ＡＣインバータ１４は、商用電力と同様のレベル、位相および周波数の交流電力を形成する。ＤＣ−ＡＣインバータ１４の出力交流電力がスイッチＳＷ１３を介して交流電力出力端子２に取り出される。スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３は、コントロール信号によってオン／オフが制御されるものである。
【００２４】
ＡＣ−ＤＣコンバータ１３の出力側とＤＣ−ＡＣインバータ１４の入力側との間に充電回路１５を介して蓄電装置例えば電池モジュール１６が接続される。電池モジュール１６として、例えばリチウムイオン二次電池を複数個接続したものを使用できる。電池モジュール１６に限らず、電気二重層、大容量キャパシタ等からなる蓄電装置を使用しても良い。ＡＣ−ＤＣコンバータ１３の出力直流電力が充電回路１５を通じて電池モジュール１６を充電する。
【００２５】
電池モジュール１６の出力直流電力が放電回路としての昇圧回路１７を介してＤＣ−ＡＣインバータ１４に供給される。昇圧回路１７は、電池モジュール１６の出力直流電圧を昇圧するものである。
【００２６】
電源システムを制御するためのコントローラ１８が設けられている。コントローラ１８は、電池モジュール１６の充放電を制御する機能、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４を制御するためのコントロール信号を発生する。さらに、コントローラ１８は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１３、ＤＣ−ＡＣインバータ１４、充電回路１５、昇圧回路１７を制御する。なお、これらの回路に対する制御は、例えば回路の動作電源のオン／オフによってなされる。さらに、コントローラ１８は、電池モジュール１６の状態（残容量、電池電圧、電池温度等）を監視し、適切な充放電動作が行われるように、充電回路１５および昇圧回路１７を制御する。取得した電池モジュール１６の残容量の情報を使用して動作モードの切り換えに使用される。
【００２７】
さらに、マグネシウム電池６とマグネシウム電池６の出力を昇圧する昇圧回路５が設けられている。マグネシウム電池６の起動は、コントローラ１８によって制御される。マグネシウム電池６の直流出力がスイッチＳＷ１４を介して直流電力出力端子８に取り出される。
【００２８】
「第２の実施の形態の動作モード」
第２の実施の形態においては、コントローラ１８の制御によって、下記の動作モード（運転モード）が可能とされている。
第１の動作モード：ＡＣ−ＤＣコンバータ３およびＤＣ−ＡＣインバータ１４を通って形成される商用電力ＡＣ１のみが負荷に供給されると共に、ＡＣ−ＤＣコンバータ３が出力する直流電源によって電池モジュール１６が充電される。スイッチＳＷ１１およびＳＷ１３がオンとされ、スイッチＳＷ１２がオフとされる。さらに、充電回路１５がオンとされ、昇圧回路１７がオフとされる。
【００２９】
第２の動作モード：電池モジュール１６の出力のみを使用する。電池モジュール１６の出力を昇圧し、ＤＣ−ＡＣインバータ１４によって形成する交流電力ＡＣ２を交流電源出力とする。ＵＰＳと同様の動作を行うもので、停電時等に有効な動作モードである。スイッチＳＷ１１およびＳＷ１３がオンとされ、スイッチＳＷ１２がオフとされる。さらに、ＡＣ−ＤＣコンバータ１３および充電回路１５がオフとされ、ＤＣ−ＡＣインバータ１４および昇圧回路１７がオンとされる。
【００３０】
第３の動作モード：入力商用電力をそのまま交流電力出力端子２に取り出す動作モードである。スイッチＳＷ１１およびＳＷ１２がオンとされ、スイッチＳＷ１３がオフとされる。各回路の動作状態は、オンとされている。上述した保守モードと同様の動作モードである。
【００３１】
第４の動作モード：マグネシウム電池６がコントローラ１８によって起動され、直流電力出力端子８に直流電力が取り出される動作モードである。コントローラ１８は、第２の動作モードにおいて、電池モジュール１６の出力を監視しており、電池モジュール１６の残容量がしきい値より小の場合例えば残容量がほとんどない場合には、電池モジュール１６の放電を停止するように制御する。この放電停止と殆ど同時に、マグネシウム電池６が起動される。すなわち、マグネシウム電池６に対して注水がなされる。スイッチＳＷ１４以外のスイッチがオフとされる。
【００３２】
マグネシウム電池６の容量に応じた直流電力が直流電力出力端子８に取り出される。したがって、直流電力出力端子８に接続された携帯電話機、スマートフォン、携帯ラジオ受信機等の比較的小型の電子機器を充電することが可能となる。例えば災害によって停電が長引いたりする場合には、電池モジュール１６の容量が枯渇し、交流電力出力端子２から交流電力が取り出せなくなる。そのような非常時でも、直流電力を得ることができれば、携帯機器の充電等を行うことが可能となる。
【００３３】
＜３．マグネシウム電池の一例＞
図３に示すように、マグネシウム電池６は、筐体１２０内に収容されるとともに、筐体１２０内において所定の高さに保持されている。マグネシウム電池６を発電させる際には、筐体１２１内に電解液１１５が供給される。マグネシウム電池６は、負極１１１、セパレータ１１２、正極集電体１１３、セパレータ１１４を、この順序で繰り返し積層した構成を有している。負極１１１、セパレータ１１２、１１４および正極集電体１１３のうちセパレータ１１２のみが、マグネシウム電池６の下端からはみ出している。このセパレータ１１２のはみ出した部分が、筐体１２０に供給される電解液１１５に浸される。なお、電解液１１５の液面は、マグネシウム電池６の全体のうちセパレータ１１２のはみ出した部分のみが電解液１１５に浸るように設定される。
【００３４】
マグネシウム電池６は、空気中の酸素を正極活物質（電子を受け取る物質）とし、マグネシウムを負極活物質（電子を放出する物質）とする。負極のマグネシウムは、電子を放出してマグネシウムイオンとなって電解液中に溶出する。一方、正極では、酸素と水が電子を受け取って水酸化物イオンとなる。電池全体で見ると、マグネシウム、酸素、および水から水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）2）が生成 することで両極間に起電力が発生する。正極および負極でのそれぞれの反応式は、以下の通りとなる。
【００３５】
正極：Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ-
負極：２Ｍｇ→２Ｍｇ2+＋４ｅ-
全体：２Ｍｇ＋Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ →２Ｍｇ（ＯＨ）2
【００３６】
以下、マグネシウム電池６を構成する負極１１１、正極集電体１１３、セパレータ１１２、１１４について順次説明する。
【００３７】
（負極）
負極１１１は、負極材（負極活物質）としてマグネシウム（Ｍｇ）またはマグネシウム合金を含んでいる。マグネシウム合金は、例えばマグネシウムを主成分とする合金、すなわちマグネシウムを５０重量％以上含有する合金である。マグネシウム合金としては、例えば、マグネシウムと、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）およびジルコニウム（Ｚｒ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素とを含むものが挙げられ、これらのうちでも特にマグネシウムとカルシウムとを含むもの、またはマグネシウムとカルシウムとアルミニウムとを含むものが好ましい。負極１１１の自己放電を抑制できるとともに、長期間に渡って安定的に電流を流すことができるからである。マグネシウム合金の具体例としては、Ｍｇ−Ｃａ系、Ｍｇ−Ａｌ系、Ｍｇ−Ｍｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ系、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系などの合金が挙げられるが、これらの材料に限定されるものではない。
【００３８】
負極１１１が、ナノポーラス構造またはメソポーラス構造などの多孔質構造を有していてもよい。必要に応じて、酸化還元電位が負極材よりも貴な金属を含む導体層を負極１１１の表面にさらに設けるようにしてもよい。これにより、電流集中や望ましくない位置における負極反応の進行を抑制し、負極材の脱落や欠損を抑制することができる。導体層は、例えば、負極１１１の表面のうちの少なくともセパレータ１１２に対向しない領域に設けられる。酸化還元電位が負極材よりも貴な金属としては、例えば、金（Ａｕ）、白金
（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、水銀（Ｈｇ）、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）などが挙げられる。
【００３９】
（正極集電体）
正極集電体１１３は、空気電極とも称される部材であり、正極材（正極活物質）としての空気中の酸素に電子を供給する役割を有している。正極集電体１１３の材料は、導電性を有する材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、活性炭、炭素繊維、カーボンフェルトなどの炭素質材料、鉄、銅などの金属材料等を用いることができる。正極集電体１１３の材料としては、空気中の酸素との接触面積が大きく集電効率に優れているという観点から、炭素粉末を用いることが特に好ましい。
【００４０】
（電解液）
電解液１１５は、負極１１１で発生したマグネシウムイオン（Ｍｇ2+）を溶出させるともに、酸素と反応する水（Ｈ2Ｏ）を正極集電体１１３に供給する役割を有している。電
解液１１５としては、酸性、アルカリ性、あるいは中性の水溶液を用いることができる。例えば、水、塩化ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、および過炭酸ナトリウム水溶液からなる群から選ばれる少なくとも１つを用いることができる。また、フッ化物の水溶液、ハロゲンを含む水溶液、多価カルボン酸の水溶液などを用いることもできる。
【００４１】
（セパレータ）
セパレータ１１２、１１４は、負極１１１と正極集電体１１３との間に交互に配置されている。セパレータ１１２は、負極１１１と正極集電体１１３の間での短絡を防止するとともに、筐体１２０に収容された電解液１１５を吸い上げて当該電解液１１５を保持する役割を有している。セパレータ１１２としては、例えば、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ガラス繊維、樹脂不織布、ガラス不織布、濾紙などを用いることができるが、これらの材料に特に制限されるものではない。
【００４２】
セパレータ１１４は、負極１１１と正極集電体１１３の間での短絡を防止するとともに、正極集電体１１３に空気（具体的には酸素）を供給する役割を有している。セパレータ１１４の材料としては、セパレータ１１２と同様のものを例示することができる。
【００４３】
正極集電体１１３に空気を効率良く供給する観点からすると、セパレータ１１４の空孔率は、セパレータ１１２のものよりもの高いことが好ましい。また、上記と同様の観点から、セパレータ１１４の厚さは、セパレータ１１２のものよりも厚いことが好ましい。
【００４４】
＜４．変形例＞
以上、本発明の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。例えば上述した第２の実施の形態においては、自動的に交流電力出力状態から直流電力出力状態に移行するようにしたが、電池モジュールの残容量が少なくなったことを通知するようにし、通知を受けた場合、マニュアル操作でマグネシウム電池６を起動するようにしても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・外部交流電力（商用電力）入力端子
２・・・交流電源出力端子
３，１３・・・ＡＣ−ＤＣコンバータ
４，１４・・・ＤＣ−ＡＣインバータ
５，１７・・・昇圧回路
６・・・マグネシウム電池
７，１８・・・コントローラ
１５・・・充電回路
【図１】
2016073149.tif 000003
【図２】
2016073149.tif 000004
【図３】
2016073149.tif 000005