玉川大学TSCP「マグネシウム空気電池と太陽電池を組み合わせたハイブリッド・ソーラーカーの可能性」（実証と展開）

玉川大学 工学部 エンジニアリングデザイン学科
TSCP(Tamagawa Sustainable Chemistry-powered –vehicle Project)
斉藤 純
2021/7/21 Mg-Day in Tokyo III 公開セミナー

目次

玉川大学TSCP• TSCP紹介• 開発車両ハイブリッド・ソーラーカー• 走行試験
ハイブリッド・ソーラーカー
Mg空気電池のみでの走行試験• 課題と今後の期待2玉川大学TSCP

玉川大学 TSCP

持続可能なエネルギー社会の実現を目指して有用なエネルギーを創生する
Tamagawa
Sustainable
創造的かつ実践的なエンジニアリング教育
Chemistry-powered-vehicleProject
再生可能エネルギーと資源循環型エネルギーを組み合わせた車両の開発• エネルギーの創生・有効利用の研究• もの作り• 環境やエネルギーへの意識向上

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車両製作

玉川大学TSCP

マスターモデル→メス型製作

骨組み

マスターモデル完成

FRP積層

メス型完成

CFRP積層・加熱成形

プリプレグ積層

加熱焼き上がり

4車両製作

玉川大学TSCP

シャーシ製作

プリプレグ積層

モノコック

モノコック 床面接着

足回り、電装 組み付け

各部補強

組み付け

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車両製作

玉川大学TSCP

ラッピング(絶縁)

電装システムの配線

太陽電池の貼り付け

Li-ion電池の組み立て
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玉川大学TSCP

ハイブリッド・ソーラーカー
EV・BEV

HV・HEV
シリーズパラレル型

ハイブリッド・ソーラーカー
太陽電池+Mg空気電池

モーター

モーター

インバータ

インバータ

動力分割
機構

変速機

モーター

エンジン

モーター
発電機

インバータ
インバータ

バッテリー
コンバータ

インバータ

バッテリー

ガソリン

バッテリー
MPPT

太陽電池

コンバータ

Mg空気電池H2O

Mg

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玉川大学TSCP

マグネシウム空気電池
e－e－
電流

空気極

Mg

O2

OH－

Mg2+Mg(OH)2

負極
電解液(食塩水)

正極

出力特性例(1セル)

マグネシウム空気電池の反応(負極)Mg ➡ Mg2+ + 2e－(正極)O2 + 2H2O + 4e－ ➡ 4OH－

(全体)2Mg + O2 + 2H2O ➡ 2Mg(OH)2↓•

負極にマグネシウム、正極に空気極(炭素が主材料)•

電解液は主に食塩水•

海水中でナトリウムに次いで2番目に多く、地球の海水中に1800兆トンあると言われている•

循環利用可能な燃料(エネルギーキャリア)への期待•

容量や出力可能な電流は大きいが、単体では瞬間的に大きなパワーを取り出すには不向き•

出力電流を制限し、長時間出力する
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マグネシウム空気電池による車両の走行

玉川大学TSCP『未来叶い』
太陽電池とマグネシウム空気電池のハイブリッドシステム
・太陽電池の発電の変動をマグネシウム空気電池で補う
・スマートフォン充電用電池のセル本体は市販状態のまま無改造『Mg空気電池実験車両』
市販EVベース
2017年 蓄電池無し、マグネシウム空気電池による発電のみで走行
2018年 太陽電池とマグネシウム空気電池のハイブリッドシステム
マグネシウム空気電池は車載型と据置型で試験『S-Mg concept』
小型実験用車両 開発中
メカニカル充電方式
・マグネシウムを燃料にして走行
・太陽電池とマグネシウム空気電池のハイブリッドシステム
9玉川大学TSCP

未来叶い
ソーラーカーの弱点を太陽電池とマグネシウム空気電池の組み合わせで克服■全長3,700×全幅1,500×全高1,125mm■乗車人数 ：2名
■車両重量 ：360kg■モーター ：ダイレクトドライブ1.5kW ×2輪■最高速度 ：100km/h

降り注ぐ太陽光から発電して電力を得る。

太陽電池

Mg空気電池市販されているスマートフォン充電用電源を使用

天候に左右されない、夜間も走行できるソーラーカー
10World Green Challenge

玉川大学TSCP

秋田県大潟村ソーラースポーツライン(一周25km)
グリーンフリートクラス(新技術開発車両)にエントリー

大会日程
・入村・車検・予選
・大会1日目(9:00～17:00)
・大会2日目(8:00～16:00)
・大会3日目(8:00～16:00)
3日間

8時間＋8時間+8時間 = 24時間

出典：大潟村ソーラースポーツライン,
http://www.ogata.or.jp/sightseeing/solar_sports_line.html
11玉川大学TSCP

大会成績

未来叶い

2016年 22周(7周,8周,7周)＝550km
グリーンフリートチャレンジクラス 優勝
2017年 15周(7周,8周,7周)＝375km
グリーンフリートチャレンジクラス 3位
2018年 32周(11周,11周,10周)＝800km
グリーンフリートチャレンジクラス 2位
2019年 27周(9周,10周,8周)＝675km
グリーンフリートチャレンジクラス 優勝
12玉川大学TSCP

エネルギー収支 (未来叶い WGC2018 全期間)

周回数

11周

11周

10周

14周

走行距離

275[km]275[km]250[km]800[km]

平均走行速度41.2[km/h]

38.6[km/h]

40.8[km/h]

40.2[km/h]

電費60.8[km/kWh]13

Mg空気電池の出力 (未来叶い WGC2018 全期間)

玉川大学TSCP• 3日間で3セットのスマートフォン充電用Mg空気電池を使用• 市販状態よりも2.6倍でオーバードライブ• 定格容量の8割程度を出力することができている
14玉川大学TSCP

Mg空気電池実験車両(蓄電池非搭載)
マグネシウム空気電池でどれだけ走ることができるだろうか(30セル直列)■全長2,345×全幅1,260×全高1,510mm■乗車人数：1名■車両重量：460kg■モーター出力 ：4kW

24直列3並列 150[F],60[V]
市販のスマートフォン充電用電源と、エネルギーバッファとして電気二重層キャパシタを搭載。

走行前に電力を充電しておくための蓄電池を市販電気自動車から外して、蓄電池

Mg空気電池マグネシウム空気電池の発電のみで走行する。

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試験走行 Mg空気電池実験車両(蓄電池非搭載)

玉川大学TSCP

一般財団法人 日本自動車研究所(JARI)

周回路
郊外道路を模擬1周約5.7[km]
最大勾配5.9%の起伏

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Mg空気電池実験車両(ハイブリッド・ソーラーカー)

玉川大学TSCP

マグネシウム空気電池で走る電気自動車の走行性能を向上■全長2,345×全幅1,260×全高1,510mm■乗車人数：1名■車両重量：460kg■モーター出力 ：4kW

Mg空気電池太陽電池
太陽光で発電キャパシタ
必要なパワーをアシスト

消費パワーが多い
車両でも、安定走行消費パワーが多い市販電気自動車ベースで走行性能を高めるためにハイブリッドシステムに拡張。
変動する消費パワーを補い、エネルギーを安定供給。

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S-Mg concept

玉川大学TSCP(開発中)

マグネシウムをエネルギーキャリア(=燃料)としたインフラモデルの構築・実証試験

メカニカル
充電太陽電池充電試作
Mg空気電池LiFePO4
バッテリー■全長3,000×全幅690×全高630mm■乗車人数：1名■モーター出力 ：150W×2【メカニカル充電方式】
出力が完了したマグネシウム空気電池のマグネシウム電極を差し替えることで実質的な充電ができる。

＝

・マグネシウムを燃料にして発電・送電網に依らないインフラ(離島・遠隔地・災害時など)→マグネシウムによるエネルギー貯蔵・輸送・地産地消の実現

18玉川大学TSCP

課題
スマートフォン充電用電池を無改造/電極流用試作電池 で使用してきて• 出力特性
低電圧(1.4～0[V/cell])
大電流(数十[A])⇒低電圧で動作する高効率DC-DCコンバータ⇒

キャパシタで出力の平滑化• 電解液(NaCl水溶液)
副生成物(Mg(OH)2)は不動態→内部抵抗増、出力低減

発電領域の不純物濃度低減→約40%出力容量増(実験より)副生成物を含むとスラリー状になる→除去が困難⇒排出物を散布してしまうことなく回収できる⇒

副生成物からの再精錬・資源循環利用への期待• 空気極のライフ19玉川大学TSCP

10kWhのエネルギーで走行できる距離（シミュレーション）
10[kWh] ＝

マグネシウム 約10[kg]程度●想定車両1(ハイブリッド・ソーラーカー「未来叶い」)
2人乗り実験プラットホーム車両

久米島

ハイブリッドシステム
Mg空気電池1周 約39km
高低差 約210m

標高

太陽電池

走行距離

想定走行路(久米島)●想定車両2(軽トラック)

10[kWh]のエネルギーで走行できる距離【シミュレーション】
想定車両

ハイブリッド・ソーラーカー

車両＋乗員1名＋荷物50kg = 950kg※その他の車両諸元は推定値を用いて計算

未来叶い
軽トラック

久米島一周
消費エネルギー( 平均速度:40km/h )電源10kWhでの走行可能距離0.99kWh

約10周( 電費:39km/kWh )( 393km )4.1kWh

約2.4周( 電費:9.3km/kWh )( 93km )※勾配を含んで平均速度40km/hになるように調整して算出した概算値

玉川大学TSCP

マグネシウムを燃料とした電力供給
メカニカル充電Mg空気電池

ハイブリッドシステム

太陽電池

Mg

Mg

Mg
Mg

メカニカル充電Mg空気電池Mg

蓄電池

オフグリッド充電ステーション
軽自動車サイズ、超小型モビリティ、
L7e/L6e/L5e(EU)、電動バイク、マイクロモビリティ(ミニカー)

車載式
高容量を活かして使用時以外でも発電継続「自己回復するモビリティ」
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エネルギーキャリアへの期待

玉川大学TSCP

EVシフト・電動化➡エネルギー変換効率向上と、CO2排出低減
走行するためのエネルギー➡エネルギー資源の多様化
再生可能エネルギーは低密度・不安定・エネルギーキャリアへの変換による貯蔵・輸送⇒ 再生可能エネルギーの有効活用⇒ 未利用エネルギーの有効活用⇒ 地域環境に適合したエネルギー調達・生成・循環利用可能なエネルギーキャリアとして期待
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玉川大学TSCP

World Green Challenge
再生可能エネルギー有効活用の技術
新しいエネルギーの創生に向けての技術実験の場
若い技術者にとってのチャレンジの場
競技を通じた技術・人間力の切磋琢磨

23玉川大学TSCP

ご清聴ありがとうございました。

玉川大学TSCP

玉川大学 工学部 エンジニアリングデザイン学科•TSCP代表•

持続可能なエネルギー社会の実現を目指して有用なエネルギーを創生する共に考え、共に創り出す。創造的かつ実践的なエンジニ
アリング教育斉藤 純
E-mail saitoj@eng.tamagawa.ac.jp
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