(57)【要約】【課題】マグネシウム電池の発電能力の向上を図ることができる、マグネシウム電池システムを提供する。【解決手段】マグネシウム電池システム１は、マグネシウム電池２と、両端がマグネシウム電池に接続される電解液循環路３と、マグネシウム電池２の電解液を電解液循環路３を通して循環させる循環ポンプ４とを含む。循環ポンプ４が駆動されると、マグネシウム電池２の電解液２６が電解液循環路３を通して循環する。マグネシウム電池２の発電中に、電解液２６が循環されることにより、マグネシウム電池２の発電能力を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム電池と、
両端が前記マグネシウム電池に接続される電解液循環路と、
前記マグネシウム電池の電解液を前記電解液循環路を通して循環させる循環ポンプとを含む、マグネシウム電池システム。
【請求項２】
前記マグネシウム電池の底部における電解液の電気抵抗率を検出する抵抗率検出器と、
前記抵抗率検出器により検出される電気抵抗率に基づいて、前記循環ポンプの駆動を制御する制御部とをさらに含む、請求項１に記載のマグネシウム電池システム。
【請求項３】
一端が前記マグネシウム電池における電解液が貯留されている部分に接続されるエア供給路と、
前記エア供給路にその他端からエアを送り込むエアポンプとをさらに含む、請求項１または２に記載のマグネシウム電池システム。
【請求項４】
前記電解液循環路を流通する電解液を濾過し、電解液から水酸化マグネシウムを除去するフィルタをさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマグネシウム電池システム。
【請求項５】
前記マグネシウム電池は、アルミニウムからなる導電板の両面にマグネシウムを主成分とする薄膜状の負極材を接合してなる負極を備え、
前記導電板に前記負極から電子を取り出すためのリード線が接続される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のマグネシウム電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム電池を備えるマグネシウム電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属マグネシウムまたはその合金を負極材として用いたマグネシウム電池が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５３７１５１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
最近、マグネシウム電池が実用化されつつある。しかしながら、高出力のマグネシウム電池は、提供に至っておらず、マグネシウム電池の発電能力の向上は、マグネシウム電池の開発に携わる者に共通の課題である。
【０００５】
本発明の目的は、マグネシウム電池の発電能力の向上を図ることができる、マグネシウム電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するため、本発明に係るマグネシウム電池システムは、マグネシウム電池と、両端がマグネシウム電池に接続される電解液循環路と、マグネシウム電池の電解液を電解液循環路を通して循環させる循環ポンプとを含む。
【０００７】
この構成によれば、循環ポンプが駆動されると、マグネシウム電池の電解液が電解液循環路を通して循環する。電解液の循環により、マグネシウム電池の発電能力（出力）を向上させることができる。
【０００８】
電解液の循環が発電能力の向上につながる仕組みは、明らかではないが、電解液を循環させると、マグネシウム電池内に電解液の流れが生じ、その流れにより、負極で発生した電子の正極への到達率が上がるのではないかと予想され、本願発明者らの実験では、電解液の循環による発電能力の向上が確認されている。
【０００９】
マグネシウム電池の発電中、循環ポンプは、常に駆動されていてもよいが、マグネシウム電池の出力が低下する状況下で限定的に駆動されてもよい。
【００１０】
たとえば、マグネシウム電池から負荷への電力の供給の開始時、つまりマグネシウム電池の発電開始時は、マグネシウム電池の出力が低いので、発電開始から一定時間が経過するまでの間、循環ポンプが駆動されてもよい。これにより、マグネシウム電池の発電開始時の出力を向上させることができる。
【００１１】
マグネシウム電池では、発電反応に伴い、水酸化マグネシウムが発生する。電解液中の水酸化マグネシウムの量が増えると、電解液の電気抵抗率が上昇し、マグネシウム電池の出力が低下する。そこで、電解液の電気抵抗率が所定の基準抵抗率以上である場合に、循環ポンプが駆動され、電解液の電気抵抗率が基準抵抗率未満である場合には、循環ポンプの駆動が停止されてもよい。この場合、マグネシウム電池システムは、マグネシウム電池の底部における電解液の電気抵抗率を検出する抵抗率検出器と、抵抗率検出器により検出される電気抵抗率に基づいて、循環ポンプの駆動を制御する制御部とを備える。
【００１２】
電解液循環路の途中部または電解液循環路とマグネシウム電池との接続部には、電解液循環路を流通する電解液を濾過し、電解液から水酸化マグネシウムを除去するフィルタが介在されていることが好ましい。
【００１３】
これにより、電解液の循環時に、電解液中の水酸化マグネシウムを除去することができる。その結果、マグネシウム電池の発電能力をさらに向上させることができる。
【００１４】
また、マグネシウム電池システムは、一端がマグネシウム電池における電解液が貯留されている部分に接続されるエア供給路と、エア供給路にその他端からエアを送り込むエアポンプとを備えていてもよい。
【００１５】
この構成によれば、エアポンプが駆動されると、エア供給路にエアが送り込まれ、そのエアがエア供給路を通してマグネシウム電池内の電解液中に供給される。これにより、正極にエアを良好に供給することができ、正極での発電反応を促進させることができる。その結果、マグネシウム電池の発電能力をさらに向上させることができる。
【００１６】
マグネシウム電池は、アルミニウムからなる導電板の両面にマグネシウムを主成分とする薄膜状の負極材を接合してなる負極を備え、導電板に、負極から電子を取り出すためのリード線が接続されてもよい。
【００１７】
これにより、リード線が接続された部分でマグネシウムの局所的な酸化が進むことを抑制できる。その結果、短期間の使用でリード線が負極から外れることを防止でき、ひいては、マグネシウム電池の長寿命化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、マグネシウム電池の発電能力（出力）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るマグネシウム電池システムの構成を示す図である。
【図２】マグネシウム電池システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図３】発電能力調整処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２１】
＜システム構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るマグネシウム電池システム１の構成を示す図である。
【００２２】
マグネシウム電池システム１は、マグネシウム電池２を備えている。
【００２３】
マグネシウム電池２は、負極２１にマグネシウムを用いた燃料電池である。
【００２４】
負極２１は、薄板状の導電板２２の両面に薄膜状の負極材２３を接合した構成を有している。導電板２２は、アルミニウムからなり、負極材２３は、１．５〜２．５重量％のカルシウムが添加されたマグネシウムからなる。導電板２２と負極材２３とは、たとえば、圧着により接合されている。
【００２５】
マグネシウム電池２では、正極２４が負極２１の一方面に対して間隔を空けて対向配置されている。正極２４は、銅または銅合金（たとえば、砲金）からなる。
【００２６】
負極２１および正極２４は、容器２５内に配置されている。容器２５内には、電解液２６が貯留されており、負極２１および正極２４は、その少なくとも一部が電解液２６に浸漬されている。電解液２６には、クエン酸、塩化ナトリウムおよび水が含まれる。クエン酸の濃度は、たとえば、３〜５重量％、好ましくは、５重量％である。
【００２７】
負極２１の導電板２２および正極２４には、それぞれリード線２７，２８の一端が半田付けにより接続されている。リード線２７，２８の他端は、電気負荷（図示せず）に接続される。
【００２８】
マグネシウム電池２では、発電反応が生じ、その発電反応による起電力が発生する。具体的には、マグネシウム電池２では、負極２１の負極材２３のマグネシウムが電子（ｅ−）を放出して、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）が電解液中に溶出する。一方、正極では、酸素（Ｏ２）と水（Ｈ２Ｏ）が電子を受け取って水酸化物イオンとなる。マグネシウム電池２の全体で見ると、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）が生成し、負極２１と正極２４との間に、起電力が発生する。
【００２９】
正極：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−
負極：２Ｍｇ→２Ｍｇ２＋＋４ｅ−
全体：２Ｍｇ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ→２Ｍｇ（ＯＨ）２↓
【００３０】
そして、マグネシウム電池システム１は、電解液循環路３、循環ポンプ４、エア供給路５、エアポンプ６、排ガス路７、排ガス弁８および抵抗率検出器９を備えている。
【００３１】
電解液循環路３の一端は、マグネシウム電池２の容器２５の底部に接続されている。電解液循環路３の他端は、マグネシウム電池２の容器２５の上部に接続されている。
【００３２】
循環ポンプ４は、電解液循環路３の途中部に介装されている。
【００３３】
循環ポンプ４が駆動されると、マグネシウム電池２の容器２５内に貯留されている電解液２６が容器２５の底部から電解液循環路３に吸い出される。電解液循環路３に吸い出された電解液は、電解液循環路３を流通し、容器２５の上部から容器２５内に戻される。これにより、マグネシウム電池２および電解液循環路３を電解液２６が循環する。
【００３４】
また、電解液循環路３の途中部には、フィルタ１０が介装されている。マグネシウム電池２では、発電反応に伴って、水酸化マグネシウムが生成する。水酸化マグネシウムは、電解液に溶解せず、その一部は、マグネシウム電池２の容器２５の底部に沈殿する。そのため、循環ポンプ４の駆動時には、電解液循環路３に、水酸化マグネシウムが電解液２６とともに流出する。フィルタ１０により、電解液循環路３を流通する電解液２６を濾過して、電解液２６から水酸化マグネシウムを除去することができる。
【００３５】
なお、フィルタ１０は、循環ポンプ４に対して電解液循環路３における電解液２６の流通方向の上流側に介装されていてもよいし、下流側に介装されていてもよい。フィルタ１０が循環ポンプ４の上流側に介装されている場合、水酸化マグネシウムが循環ポンプ４に入ることを防止できる。また、フィルタ１０は、マグネシウム電池２の容器２５と電解液循環路３との接続部分に介装されていてもよい。
【００３６】
エア供給路５の一端は、マグネシウム電池２の容器２５の底部に接続されている。エア供給路５の他端は、エアポンプ６の吐出口に接続されている。
【００３７】
エアポンプ６の吸込口には、エア吸込管１１の一端が接続されている。エア吸込管１１の他端は、エアフィルタ１２を介して、大気に開放されている。
【００３８】
エアポンプ６が駆動されると、エアフィルタ１２を通して、エア吸込管１１にエア（大気）が吸い込まれる。エア吸込管１１に吸い込まれたエアは、エアポンプ６からエア供給路５に送り込まれ、エア供給路５を通して、マグネシウム電池２の容器２５の底部から容器２５内の電解液２６中に供給される。
【００３９】
排ガス路７の一端は、マグネシウム電池２の容器２５の上部、具体的には、容器２５における電解液２６が貯留されてない部分に接続されている。排ガス路７の他端は、大気に開放されている。
【００４０】
排ガス弁８は、排ガス路７の途中部に介装されており、排ガス路７を開閉する。マグネシウム電池２では、負極材２３のマグネシウムが電子を放出して、マグネシウムイオンが電解液中に溶出するが、その放出される電子と電解液２６中の水素イオンが反応して水素が発生する。排ガス弁８が適当なタイミングで開かれることにより、容器２５内に滞留した水素を排ガス路７を通して排出することができる。たとえば、マグネシウム電池システム１が水素を燃料とする内燃機関である水素燃料エンジンを搭載した車両に適用される場合、排ガス路７を通して排出される水素が水素燃料エンジンに供給されてもよい。これにより、マグネシウム電池２で発生する水素を水素燃料エンジンの燃料として使用することができ、水素燃料エンジンを搭載した車両の燃費を向上させることができる。
【００４１】
抵抗率検出器９は、マグネシウム電池２の容器２５の底部に取り付けられて、容器２５内の底部における電解液２６の電気抵抗率を検出する。
【００４２】
＜電気的構成＞
図２は、マグネシウム電池システム１の電気的構成を示すブロック図である。
【００４３】
マグネシウム電池システム１は、ＣＰＵおよびメモリを含む構成の制御部１３を備えている。
【００４４】
制御部１３には、抵抗率検出器９が接続されており。抵抗率検出器９の検出信号が入力される。また、制御部１３には、制御対象として、循環ポンプ４、エアポンプ６および排ガス弁８が接続されている。
【００４５】
制御部１３は、メモリに格納されたプログラムに従って、抵抗率検出器９から入力される検出信号に基づいて、循環ポンプ４およびエアポンプ６の駆動を制御し、排ガス弁８の開閉を制御する。
【００４６】
＜発電能力調整処理＞
図３は、発電能力調整処理の流れを示すフローチャートである。
【００４７】
制御部１３は、マグネシウム電池２の発電の開始に伴って、発電能力調整処理を開始する。たとえば、電気負荷への電力の供給を制御する電力制御装置からマグネシウム電池システム１の制御部１３に発電要求が入力されると、これに応答して、マグネシウム電池２の発電が開始される。
【００４８】
発電能力調整処理では、まず、循環ポンプ４が駆動（オン）される（ステップＳ１）。循環ポンプ４の駆動により、マグネシウム電池２および電解液循環路３を電解液２６が循環する。
【００４９】
また、エアポンプ６が駆動（オン）される（ステップＳ２）。エアポンプ６の駆動により、マグネシウム電池２の電解液２６中にエアが供給される。
【００５０】
次に、循環ポンプ４およびエアポンプ６の駆動開始、つまりマグネシウム電池２の発電開始から一定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ３）。マグネシウム電池２の発電開始から一定時間が経過するまで、循環ポンプ４およびエアポンプ６の駆動が継続される。
【００５１】
マグネシウム電池２の発電開始から一定時間が経過すると（ステップＳ３のＹＥＳ）、抵抗率検出器９の検出信号が参照されて、抵抗率検出器９により検出される電解液２６の電気抵抗率が所定の基準抵抗率以上であるか否かが判断される（ステップＳ４）。
【００５２】
抵抗率検出器９により検出される電気抵抗率が基準抵抗率以上である場合には（ステップＳ４のＹＥＳ）、循環ポンプ４の駆動が停止していれば、循環ポンプ４が再び駆動（オン）され、循環ポンプ４が駆動していれば、その駆動状態が維持される（ステップＳ５）。
【００５３】
一方、抵抗率検出器９により検出される電気抵抗率が基準抵抗率未満である場合（ステップＳ４のＮＯ）、循環ポンプ４の駆動が停止していれば、その停止状態が維持され、循環ポンプ４が駆動していれば、その駆動が停止（オフ）される（ステップＳ６）。
【００５４】
つづいて、マグネシウム電池２の出力値（出力電圧値または出力電流値）が所定の基準出力値未満であるか否かが判断される（ステップＳ７）。
【００５５】
マグネシウム電池２の出力値が基準出力値未満である場合には（ステップＳ７のＹＥＳ）、エアポンプ６の駆動が停止していれば、エアポンプ６が再び駆動（オン）され、エアポンプ６が駆動していれば、その駆動状態が維持される（ステップＳ８）。
【００５６】
一方、マグネシウム電池２の出力値が基準出力値以上である場合には（ステップＳ７のＮＯ）、エアポンプ６の駆動が停止していれば、その停止状態が維持され、エアポンプ６が駆動していれば、その駆動が停止（オフ）される（ステップＳ９）。
【００５７】
その後、マグネシウム電池２の出力が停止されたか否か、たとえば、電気負荷の電力制御装置から制御部１３への発電要求が停止したか否かが判断される（ステップＳ１０）。
【００５８】
マグネシウム電池２の出力が継続している間は（ステップＳ１０のＮＯ）、抵抗率検出器９により検出される電解液２６の電気抵抗率が基準抵抗率以上であるか否かが繰り返し判断され（ステップＳ４）、その判断結果に基づいて、循環ポンプ４の駆動が制御される（ステップＳ５，Ｓ６）。また、マグネシウム電池２の出力値が基準出力値未満であるか否かが繰り返し判断され（ステップＳ７）、その判断結果に基づいて、エアポンプ６の駆動が制御される（ステップＳ８，Ｓ９）。
【００５９】
そして、マグネシウム電池２の出力が停止されると（ステップＳ１０のＹＥＳ）、たとえば、電気負荷の電力制御装置から制御部１３への発電要求が停止すると、循環ポンプ４およびエアポンプ６が駆動中であれば、それらの駆動が停止されて（ステップＳ１１，Ｓ１２）、発電能力調整処理が終了される。
【００６０】
＜作用効果＞
以上のように、マグネシウム電池システム１は、マグネシウム電池２と、両端がマグネシウム電池に接続される電解液循環路３と、マグネシウム電池２の電解液を電解液循環路３を通して循環させる循環ポンプ４とを含む。循環ポンプ４が駆動されると、マグネシウム電池２の電解液２６が電解液循環路３を通して循環する。マグネシウム電池２の発電中に、電解液２６が循環されることにより、マグネシウム電池２の発電能力を向上させることができる。
【００６１】
マグネシウム電池２から負荷への電力の供給の開始時、つまりマグネシウム電池２の発電開始時は、マグネシウム電池２の出力が低いので、発電開始から一定時間が経過するまでの間、循環ポンプ４が駆動される。これにより、マグネシウム電池２の発電開始時の発電能力を向上させることができる。
【００６２】
また、マグネシウム電池２では、発電反応に伴い、水酸化マグネシウムが発生する。電解液２６中の水酸化マグネシウムの量が増えると、電解液２６の電気抵抗率が上昇し、マグネシウム電池２の発電能力が低下する。そこで、電解液２６の電気抵抗率が所定の基準抵抗率以上である場合に、循環ポンプ４が駆動され、電解液２６の電気抵抗率が基準抵抗率未満である場合には、循環ポンプ４の駆動が停止される。これにより、マグネシウム電池２の発電能力が低下する状況下で、マグネシウム電池２の発電能力を向上させることができる。
【００６３】
さらに、電解液循環路３を電解液２６が流通すると、フィルタ１０により、電解液２６から水酸化マグネシウムが除去される。そのため、マグネシウム電池２の発電能力をさらに向上させることができる。
【００６４】
また、マグネシウム電池２の出力値が基準出力値未満である場合に、エアポンプ６が駆動され、マグネシウム電池２の出力値が基準出力値以上である場合には、エアポンプ６の駆動が停止される。エアポンプ６が駆動されると、エア供給路５にエアが送り込まれ、そのエアがエア供給路５を通してマグネシウム電池２内の電解液２６中に供給される。これにより、正極２４にエアを良好に供給することができ、正極２４での発電反応を促進させることができる。その結果、マグネシウム電池２の発電能力をさらに向上させることができる。
【００６５】
マグネシウム電池２の負極２１は、アルミニウムからなる導電板２２の両面にマグネシウムを主成分とする負極材２３を接合してなる。負極２１から電子を取り出すためのリード線２７は、導電板２２に接続される。これにより、リード線２７が接続された部分で負極材２３（マグネシウム）の局所的な酸化が進むことを抑制できる。その結果、短期間の使用でリード線が負極２１から外れることを防止でき、ひいては、マグネシウム電池２の長寿命化を図ることができる。
【００６６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００６７】
たとえば、抵抗率検出器９が設けられて、電解液２６の電気抵抗率が検出される構成を取り上げたが、抵抗率検出器９に代えて、導電率検出器が設けられて、電解液２６の導電率（電気伝導率）が検出されてもよい。電気伝導率は、電気抵抗率の逆数である。したがって、導電率検出器が設けられた構成では、導電率検出器により検出される電解液２６の導電率が所定の基準導電率未満であるか否かが判断されて、電解液２６の導電率が基準導電率未満である場合に、循環ポンプ４の駆動が停止していれば、循環ポンプ４が再び駆動（オン）され、循環ポンプ４が駆動していれば、その駆動状態が維持されるとよい。一方、電解液２６の導電率が基準導電率以上である場合には、循環ポンプ４の駆動が停止していれば、その停止状態が維持され、循環ポンプ４が駆動していれば、その駆動が停止（オフ）されるとよい。
【００６８】
また、負極２１の導電板２２の材料は、アルミニウムに限らず、導電性を有する材料であればよい。負極２１の導電板２２の材料は、たとえば、銅であってもよい。ただし、導電板２２がアルミニウムからなる構成では、銅からなる構成と比較して、導電板２２と負極材２３との良好な密着性を発揮することができ、負極材２３が導電板２２から剥離することを抑制できる。
【００６９】
また、電解液２６には、クエン酸、塩化ナトリウムおよび水が含まれるとした。しかしながら、電解液２６は、塩化ナトリウムを含まないクエン酸水溶液であってもよいし、クエン酸を電解質として含まない溶液、たとえば、硫酸銅水溶液、酢酸銅水溶液、塩化銅水溶液、塩化アンモニウム水溶液などであってもよい。
【００７０】
前述の実施形態では、抵抗率検出器９により検出される電気抵抗率が基準抵抗率以上である場合に、循環ポンプ４が駆動（オン）され、その電気抵抗率が基準抵抗率未満である場合に、循環ポンプ４の駆動が停止（オフ）されるとした。これに限らず、抵抗率検出器９により検出される電気抵抗率が第１基準抵抗率以上である場合に、循環ポンプ４が駆動（オン）され、その電気抵抗率が第１基準抵抗率とは異なる第２基準抵抗率以下である場合に、循環ポンプ４の駆動が停止（オフ）されてもよい。
【００７１】
また、前述の実施形態では、マグネシウム電池２の出力値が基準出力値未満である場合に、エアポンプ６が駆動（オン）され、マグネシウム電池２の出力値が基準出力値以上である場合に、エアポンプ６の駆動が停止（オフ）されるとした。これに限らず、マグネシウム電池２の出力値が第１基準出力値以下である場合に、エアポンプ６が駆動（オン）され、マグネシウム電池２の出力値が第１基準出力値とは異なる第２基準出力値以上である場合に、エアポンプ６の駆動が停止（オフ）されてもよい。
【００７２】
その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１    マグネシウム電池システム
２    マグネシウム電池
３    電解液循環路
４    循環ポンプ
５    エア供給路
６    エアポンプ
９    抵抗率検出器
１０  フィルタ
１３  制御部
２１  負極
２２  導電板
２３  負極材
２６  電解液
２７  リード線
【図１】
2016081932.tif 000003
【図２】
2016081932.tif 000004
【図３】
2016081932.tif 000005