JP5799980B2 - マグネシウム電池およびマグネシウム電池システム - Google Patents

Description

本発明は、マグネシウム電池およびマグネシウム電池システムに関する。

近年において、リチウムイオン電池に代わる次世代の大容量電池として、マグネシウム電池が注目されている。

一般的なマグネシウム電池は、特許文献１に開示されるように、アルミニウムおよびカルシウムを含むマグネシウム合金からなる負極燃料と取出し電極で構成される負極と、負極燃料からマグネシウムイオンを溶出させる電解液と、電解液を保持しておくセパレータと、正極の取出し電極とで構成され、負極燃料と電解液が化学反応を起こすことで電力が発生する。

マグネシウム電池の利点として次の点が挙げられている。
（１）マグネシウムは資源的に豊富な元素であり、比較的安価である。
（２）単位体積当たりのエネルギー容量が大きい。
（３）コンパクトで高容量の電池を実現できる。
（４）再生可能エネルギーでありエコである。

特開２０１２−２３４７９９号公報

従来のマグネシウム電池では、上に述べたように、マグネシウム合金と電解液が接触することで化学反応が起こって起電力が生じ、電池として電力の供給が可能になる。

ところが、従来のマグネシウム電池では、化学反応が一旦起き始めるとその反応を停止させることが困難であり、電池容量を一度に消費してしまうこととなる。そのため、場合によっては、電力が必要なときに必要な電力量を安定して供給することが困難となる。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、必要なときに必要電力を安定的に供給することが可能であり、マグネシウム燃料を有効利用することが可能なマグネシウム電池を提供することを目的としている。

本発明に係るマグネシウム電池の１つの形態によると、正極と、マグネシウム合金が用いられた負極と、電解液を保持することが可能であって前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、を有し、前記セパレータは、多孔質の材料により形成されて前記電解液を保持しており、前記正極の側から前記負極の側へ押圧されることによって弾性的に変形し、その変形量に応じて前記負極との接触面積が可変に構成されてなる。

本発明に係るマグネシウム電池システムの１つの形態によると、正極、マグネシウム合金が用いられた負極、電解液を保持することが可能であって前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータ、および、前記負極と前記セパレータとの間の接触面積を可変するための駆動部を備えたマグネシウム電池と、前記正極および前記負極から取り出された電力によって動作する負荷機器の動作状態に応じて前記駆動部を制御するための制御部と、を有し、前記制御部は、前記負荷機器による負荷が大きくなるほど前記負極と前記セパレータとの間の接触面積を大きくするように、前記駆動部を制御する。前記セパレータは、例えば、多孔質の材料により形成されて前記電解液を保持しており、前記正極の側から前記負極の側へ押圧されることによって弾性的に変形し、その変形量に応じて前記負極との接触面積が可変となっている。

本発明によると、必要なときに必要電力を安定的に供給することが可能であり、マグネシウム燃料を有効利用することが可能なマグネシウム電池を提供することができる。

本発明に係る第１の実施形態のマグネシウム電池を説明するための図である。 第１の実施形態のマグネシウム電池の一実施例を示す図である。 本発明に係る第２の実施形態のマグネシウム電池を説明するための図である。 第２の実施形態のマグネシウム電池の一実施例を示す図である。 本発明に係る第３の実施形態のマグネシウム電池を説明するための図である。 本発明に係る第４の実施形態のマグネシウム電池を説明するための図である。 第４の実施形態のマグネシウム電池の一実施例を示す図である。 本発明に係る第５の実施形態のマグネシウム電池を説明するための図である。 マグネシウム電池の一般的な構造を説明するための図である。 マグネシウム電池システムの一実施形態を示すブロック図である。

〔マグネシウム電池の説明〕
まず、マグネシウム電池の一般的な構造について説明する。マグネシウム電池の構造については特開２０１２−２３４７９９号公報に詳しく説明されているが、以下において簡単に説明する。

図９において、電池（マグネシウム電池）１００は、マグネシウム合金からなる負極材１１２と、正極材としての空気（酸素）に電子を供給する正極集電体１１６と、負極材１１２と正極集電体１６との間に配置されるセパレータ１１４と、負極で発生したマグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）を溶出させるための電解液１１８と、電解液１１８を貯留しておくための電解液槽１２０とを備えている。

負極材（負極）１１２は、マグネシウム合金によって構成される。マグネシウム合金とは、マグネシウム（Ｍｇ）を主成分とする合金、例えば、マグネシウムを５０重量％以上含有する合金のことである。マグネシウム合金としては、例えば、Ｍｇ−Ａｌ系、Ｍｇ−Ｍｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系などが知られている。マグネシウム合金には、アルミニウムおよびカルシウム以外の元素を添加してもよい。例えば、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、などの他の元素を添加してもよい。

負極材１１２として用いるマグネシウム合金の形状は特に制限されるものではなく、例えば、板状、粒状、または粉体状に加工されたマグネシウム合金を用いることができる。ここでは、アルミニウム（Ａｌ）およびカルシウム（Ｃａ）を含有するマグネシウム合金を用いる。

セパレータ１１４は、負極材１１２と正極集電体１１６との間に配置されている。セパレータ１１４は、負極材１１２と正極集電体１６の間での短絡を防止するとともに、電解液槽１２０に貯留されている電解液１１８を吸い上げて当該電解液１１８を保持する役割を有している。セパレータ１１４としては、特に制限するものではないが、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、濾紙等を用いることができる。

正極集電体（正極）１１６は、正極材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１１６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や、鉄、銅などの金属材料などを用いることができる。正極集電体１１６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。

電解液１１８は、負極材１１２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（Ｈ₂ Ｏ）を正極に供給する役割を有している。電解液１１８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、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、または過炭酸ナトリウム水溶液などを用いることができる。または、フッ化物の水溶液、ハロゲンを含む水溶液などを用いることができる。または、特開２０１０−１８２４３５号公報に開示されているような多価カルボン酸の水溶液などを用いることができる。複数の溶液を混合して用いることも可能である。

電解液槽１２０の形状や材料などは特に制限されるものではなく、電解液１１８を貯留することができればよい。例えば、ポリプロピレンなどの合成樹脂によって形成された容器を電解液槽１２０として用いることができる。

正極集電体１１６の空気に接する側の表面に対して、銅などの導電性材料からなるワイヤなどを取り付けてもよい。これにより、酸素と正極集電体１１６との接触面積を増加させることが可能であり、電池１００の正極における集電効率をさらに高めることができる。

なお、図９においては、負極材１１２、セパレータ１１４、および正極集電体１１６が順番に積層されることで電池１００が構成されている例を示しているが、電池１００の構成はこれに限定されるものではない。例えば、板状の負極材１１２の周囲に、セパレータ１１４および正極集電体１１６を順番に巻き付けることで電池１００を構成することもできる。

電池１００の正極および負極でのそれぞれの反応式は以下の通りである。

正極：Ｏ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ＋４ｅ^- →４ＯＨ^- 負極：２Ｍｇ→２Ｍｇ²⁺＋４ｅ^-
全体：２Ｍｇ＋Ｏ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ→２Ｍｇ（ＯＨ）₂ ↓
つまり、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り、電解液中に溶出する。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 ）が生成することにより、両極間に起電力が発生する。
〔本発明の実施形態におけるマグネシウム電池〕
図９で説明した電池１００について、本発明の実施に当たっては種々の形態をとることができる。以下において、本発明の実施形態のマグネシウム電池について説明する。

ここで述べる実施形態において、上の反応式における負極は、マグネシウム合金からなってセパレータと接触可能な燃料部材、および、燃料部材と接触するように配置されて電流を取り出すための負極電極部材を備える。ここでの燃料部材および負極電極部材は負極を形成し、これが図９で述べた負極材１１２に相当する。

燃料部材は、負極電極部材とセパレータとによって挟まれており、これらの間において摺動可能である。つまり、燃料部材は、負極電極部材およびセパレータに対し接触状態を維持しながら、挿入または離脱の方向に移動可能である。燃料部材であるマグネシウムは、使用することにより電解液中に溶出して減少するので、燃料部材を下方へ押し込んで移動させることにより、使用済みとなった古い部分に代えて新しい部分を負極として供給するのである。

このように、本実施形態のマグネシウム電池では、燃料部材を徐々に押し込んで負極として追加供給することにより、必要なときにしかも長時間に渡って必要電力を安定的に取り出して負荷に供給することができる。特に、燃料部材の挿入量（移動量）を調整して追加供給量を調整することにより、電池として取り出す電力量を調整することができる。

正極は、図９で述べた正極集電体としての機能を果たすための電流取出し電極部材である。正極は、電解液を保持したセパレータと接触した状態で配置される。したがって、正極と負極との間はセパレータによって仕切られており、セパレータによって正極と負極との間の短絡が防止されている。

このように、セパレータを介して負極の燃料部材と電解液とが接触することで、上に述べた化学反応が起こり、電池の起電力が発生する。本実施形態では、負極とセパレータとの間の接触部の面積が可変に構成されており、これによって任意の発電量を得ることが可能となっている。

ところで、電池の特性は次の２つの値を用いて表すことができる。
（１） 単位重量当たりの燃料部材（負極）から取り出すことができる総電流（＝電気容量Ａｈ/ ｇ）
（２） 総電流に電圧を乗じた総電力（＝エネルギー密度Ｗｈ/ ｇ）
ここで、電気容量（Ａｈ/ ｇ）は、燃料部材に用いられる金属の原子量、イオンの電荷数、電子の電荷から求まる値であって、燃料部材である金属の特性が直接的に反映される。純粋なマグネシウムの理論電気容量は２. ２Ａｈ/ ｇである。本実施形態では、マグネシウム合金（マグネシウムを例えば９２重量％含む合金）を用いた場合に、このマグネシウム合金の電気容量は１. ６３Ａｈ/ ｇとなり、理論電気容量の約８０％となって高効率で電気を取り出すことが可能となる。

また、エネルギー密度は、電池で発生する電圧に関係している。金属のイオン化電位によれば、マグネシウム電池は、２. ３７Ｖの電位を得られる可能性がある。しかしながら、電池で発生する電圧、したがって利用できるエネルギー密度は、正極の特性に大きく影響される。特に、燃料電池は、空気中の酸素が正極物質であるため、いかにマグネシウムイオンを酸素と反応させて効率よく電荷を取り出すかが課題となる。このために、エネルギー密度は、金属極である燃料部材（負極）の性能と同様に、正極の材質、触媒、構造などの影響を受ける。

上で述べたように、本実施形態のマグネシウム電池は、負極（燃料部材＋負極電極部材）と、正極（電流取出し電極部材）と、電解液を保持するセパレータとを含んで構成される。負極と正極との間はセパレータで仕切られており、セパレータを介して負極の燃料部材と電解液とが接触することで、電池の起電力が発生する。つまり、燃料部材の供給量、または燃料部材とセパレータとの接触面積（燃料部材が電解液に接触する部分の面積）を調整することにより、マグネシウム電池の化学反応量自体を制御し、任意の電力量を取り出すことが可能である。燃料部材の供給量または燃料部材とセパレータとの接触面積と、電池が供給できる電力量との関係性は、マグネシウム電池の実際の構成によって決定される。

そこで、本実施形態において、燃料部材とセパレータとの接触面積の調整方法の例として、接触面積と供給電力量との対応関係を示すテーブルに基づいて制御を行う。具体的な一例としては、マグネシウム電池から電力供給を行う電子機器の電源のオン／オフや、電子機器の動作モードの遷移に合わせて、その時々の消費電力と対応した電力が得られるように、接触面積を自動的に可変する。
〔第１の実施形態〕
図１には、本発明に係る第１の実施形態のマグネシウム電池３を説明するための図が示されている。

図１において、マグネシウム電池３は、正極電極部材１１、セパレータ１２、燃料部材１３、および負極電極部材１４などを備える。

正極電極部材１１は、正極集電体としての機能を果たすための電流取出し電極部材であり、銅または鉄などの金属材料、または、活性炭、炭素繊維、カーボンフェルト、炭素粉末などの炭素質材料などが用いられる。正極電極部材１１の形状は、板状、帯状、ブロック状など、種々の適当な形状とすることができる。正極電極部材１１は、それ自体が正極ＰＫとなっている。

セパレータ１２は、電解液を保持することが可能なよう、多孔質の材料によって形成され、正極電極部材１１に接触した状態に配置される。つまり、セパレータ１２は、内部に無数の微細な孔を持つことにより、表面積が大きくなっており、気体や液体分子、イオンなどに対する高い吸着力を持つ。セパレータ１２の内部には電解液が含浸して保持されている。

このようなセパレータ１２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、または濾紙などを用いて作製される。

セパレータ１２は、適当な弾力性を持ち、正極電極部材１１の側から燃料部材１３の側へ押圧されることによって弾性的に変形し、その変形量に応じて燃料部材１３との接触面積が可変となっている。

セパレータ１２は、例えば、スポンジ状の材料で作製される。または、セパレータ１２を、不織布の両端を正極電極部材１１の両端に固定するとともに、当該不織布の内部にソフトパットを配置し、当該ソフトパットを移動可能とすることで、接触面積を正確に調整でき、かつ耐久性も確保することが可能である。

燃料部材１３は、マグネシウム合金からなってセパレータ１２と接触可能に配置され、セパレータ１２と負極電極部材１４との間において接触した状態で移動可能である。燃料部材１３の形状は、帯状、板状、粒状、粉体状など、種々の形状のもの、または種々の形状に加工されたものを用いることが可能である。

負極電極部材１４は、負極集電体としての機能を果たすための電流取出し電極部材であり、銅または鉄などの金属材料、または炭素などを含んだ導電材料が用いて構成される。負極電極部材１４は、燃料部材１３と接触して１つの電極（負極）として作用するように配置される。つまり、燃料部材１３と負極電極部材１４とによって負極ＮＫが形成される。

図１（Ａ）の状態では、セパレータ１２が正極電極部材１１によって燃料部材１３の方に押しつけられ、セパレータ１２が弾性的に大きく変形し、燃料部材１３とセパレータ１２との接触部分ＳＢの面積（接触面積）ＳＳ１は、当該マグネシウム電池３において最大となっている。

図１（Ｂ）の状態では、正極電極部材１１が燃料部材１３から少し離れ、これによってセパレータ１２の変形量は減少し、接触面積ＳＳ２は図１（Ａ）の状態よりも小さくなっている。

図１（Ｃ）の状態では、正極電極部材１１が燃料部材１３から最も離れており、これによってセパレータ１２の変形量はさらに減少し、接触面積ＳＳ３は当該マグネシウム電池３において最小となっている。

このように、正極電極部材１１の移動によるセパレータ１２の変形によって、接触面積ＳＳが可変される。接触面積ＳＳが可変されることにより、マグネシウム電池３における化学反応量または化学反応速度が変更され、それに応じた電力をマグネシウム電池３から取り出せることとなる。

なお、図１（Ａ）〜（Ｃ）の例では、正極電極部材１１の全体が燃料部材１３に対して平行移動しているが、これ以外の態様で移動してもよい。例えば、正極電極部材１１が、特定の位置を軸として回転し、回転した正極電極部材１１と燃料部材１３とにより挟まれたセパレータ１２が変形して接触面積ＳＳが可変されるように構成してもよい。

図２には、第１の実施形態のマグネシウム電池３について、正極電極部材１１の移動機構を具体的に示した一実施例が示されている。

図２において、マグネシウム電池３Ａは、上に述べたマグネシウム電池３における正極電極部材１１を移動させるために、軸２１ａを中心として回転するカム部材２１が設けられている。

カム部材２１は、略楕円形状であり、軸２１ａを中心として回転することにより、その短径と長径との差と同じ距離だけ正極電極部材１１の位置が移動されるようになっている。

つまり、図２（Ａ）の状態では、正極電極部材１１は燃料部材１３から最も離れた位置にあり、接触面積ＳＳ４は小さい。図２（Ｂ）の状態では、正極電極部材１１は燃料部材１３に近づいた位置にあり、接触面積ＳＳ５は大きい。

カム部材２１の回転角度位置を任意に設定することにより、接触面積をＳＳ４〜ＳＳ５の範囲の任意の値に調整することができる。

なお、正極電極部材１１を移動させるための機構は、カム部材２１以外の種々の機構を用いてもよい。

なお、図１および図２において、燃料部材１３の中央部に示す斜めの破線は、使用済み部分１３Ｓと未使用部分１３Ｍとの境界部分ＫＢである。つまり、燃料部材１３は、セパレータ１２と接触した部分が使用済みになると、手動によりまたは適当な駆動装置により図の下方へ移動され、未使用部分１３Ｍがセパレータ１２に接触して電池としての化学反応がそのときの接触面積ＳＳに応じて生じるようになっている。なお、使用済み部分１３Ｓについては、例えば燃料部材１３の全体に可撓性を持たせてそれを巻き取るようにすれば、スペースを取らない。
〔第２の実施形態〕
図３には、本発明に係る第２の実施形態のマグネシウム電池３Ｂを説明するための図が示されている。なお、図３において、図１に示す要素と同じ機能を有する要素には図１で用いた符号と同じ符号を付し、その説明を省略しまたは簡略化する。以下同様である。

図３において、マグネシウム電池３Ｂは、正極電極部材１１、セパレータ１２Ｂ、燃料部材１３、および負極電極部材１４などを備える。

セパレータ１２Ｂは、負極ＮＫである燃料部材１３の表面に沿った平面上において区画されて配置された複数のセパレータ小室１２Ｒ１、１２Ｒ２、…１２Ｒ５を含んでいる。これら複数のセパレータ小室１２Ｒ１〜５に対し、選択的に電解液を注入して保持させることにより、燃料部材１３との接触面積ＳＳが可変となっている。

つまり、セパレータ１２Ｂは、正極電極部材１１および燃料部材１３の表面に対し垂直な面によって区画された複数のセパレータ小室１２Ｒ１〜５からなり、各セパレータ小室１２Ｒへの電解液の注入の有無によって接触面積ＳＳの変更が可能となっている。

図４を参照して、各セパレータ小室１２Ｒの間は、仕切り部材１６，１６…によって区切られている。それぞれのセパレータ小室１２Ｒに対し、電解液槽２３内の電解液ＤＥが、ポンプＰの駆動によってチューブ２２を介して注入される。これにより、各セパレータ小室１２Ｒへの電解液ＤＥの注入の有無を制御することが可能となっている。なお、ポンプＰは、各セパレータ小室１２Ｒに対して個別に設けられており、各ポンプＰの駆動を制御することにより、各セパレータ小室１２Ｒへの電解液ＤＥの注入と、各セパレータ小室１２Ｒからの電解液ＤＥの排出とを行うことができる。

電解液ＤＥが注入されたセパレータ小室１２Ｒを通して、電解液ＤＥが燃料部材１３に行き渡って接触することにより、化学反応が起こって電池の起電力が発生する。また、電解液ＤＥが排出されたセパレータ小室１２Ｒは、燃料部材１３に電解液ＤＥを接触させることができず、したがってその部分では電池の起電力は発生しない。

図３（Ａ）の状態では、中央の１つのセパレータ小室１２Ｒ３のみに電解液ＤＥが注入され、したがって１つのセパレータ小室１２Ｒ３のみが燃料部材１３に接触し、接触面積ＳＳ６は最小となっている。

図３（Ｂ）の状態では、中央部の３つのセパレータ小室１２Ｒ２〜４に電解液ＤＥが注入され、したがって３つのセパレータ小室１２Ｒ２〜４が燃料部材１３に接触し、接触面積ＳＳ７は接触面積ＳＳ６よりも大きく、その約３倍となっている。

図３（Ｃ）の状態では、５つ全部のセパレータ小室１２Ｒ１〜５に電解液ＤＥが注入され、したがって５つ全部のセパレータ小室１２Ｒ１〜５が燃料部材１３に接触し、接触面積ＳＳ８は最大となっている。

このように、複数のセパレータ小室１２Ｒ１〜５に対する電解液ＤＥの注入の有無を制御することにより、接触面積ＳＳが可変される。接触面積ＳＳが可変されることにより、マグネシウム電池３Ｂにおける化学反応量が可変され、それに応じた電力をマグネシウム電池３Ｂから取り出すことができる。

なお、セパレータ小室１２Ｒの個数を５つとしたが、４つ以下または６つ以上であってもよい。各セパレータ小室１２Ｒによる接触面積を互いに同一としてもよく、互いに異ならせてもよい。各セパレータ小室１２Ｒによる接触面積を互いに異ならせる場合に、各セパレータ小室１２Ｒの接触面積の比が順次２の倍数となるようにすると、それらの組み合わせによって全体の接触面積ＳＳの大きさを階調的に細かく制御することができる。以下の実施形態においても同様である。

また、仕切り部材１６として、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどの合成樹脂などによって板状に形成されたものを用いることができるが、これ以外の材料または形状であってもよい。また、ポンプＰ、チューブ２２、および電解液槽２３として、種々の構造または形状のものを用いることができる。

また、各セパレータ小室１２Ｒへの電解液ＤＥの注入または排出のために、ポンプＰを用いたが、ポンプＰ以外の方法によってもよい。
〔第３の実施形態〕
図５には、本発明に係る第３の実施形態のマグネシウム電池３Ｃを説明するための図が示されている。

図５において、マグネシウム電池３Ｃは、正極電極部材１１、セパレータ１２Ｃ、燃料部材１３、および負極電極部材１４などを備える。

セパレータ１２Ｃは、上に述べたセパレータ１２Ｂと同様に、燃料部材１３の表面に沿った平面上において区画されて配置された複数のセパレータ小室１２Ｒ１、１２Ｒ２、…１２Ｒ５を含んでいる。

各セパレータ小室１２Ｒ１〜５には、いずれも電解液が注入されて保持されている。これら複数のセパレータ小室１２Ｒ１〜５に対し、燃料部材１３との間の接触部分に遮蔽部材１７を選択的に挿入することにより、燃料部材１３との全体的な接触面積ＳＳが可変となっている。

図５（Ａ）の状態では、４つのセパレータ小室１２Ｒ１、２、４、５のそれぞれに遮蔽部材１７が挿入されて燃料部材１３に非接触とされており、残りの中央の１つのセパレータ小室１２Ｒ３のみが燃料部材１３に接触している。したがって、接触面積ＳＳ９は最小となっている。

図５（Ｂ）の状態では、２つのセパレータ小室１２Ｒ１、５に遮蔽部材１７が挿入されており、中央部の３つのセパレータ小室１２Ｒ２〜４が燃料部材１３に接触している。したがって、接触面積ＳＳ１０は、接触面積ＳＳ９よりも大きく、その約３倍となっている。

図５（Ｃ）の状態では、いずれのセパレータ小室１２Ｒ１〜５にも遮蔽部材１７が挿入されておらず、５つ全部のセパレータ小室１２Ｒ１〜５が燃料部材１３に接触している。したがって、接触面積ＳＳ１１は最大となっている。

このように、複数のセパレータ小室１２Ｒ１〜５に対する遮蔽部材１７の挿入の有無を制御することによって、接触面積ＳＳが可変される。接触面積ＳＳが可変されることにより、マグネシウム電池３Ｃにおける化学反応量が可変され、それに応じた電力をマグネシウム電池３Ｃから取り出せることとなる。

なお、遮蔽部材１７として、合成樹脂などによって板状に形成されたものを用いることができるが、これ以外の材料または形状であってもよい。遮蔽部材１７の挿入または離脱のために、ソレノイド、モータ、その他の種々の駆動機構を用いてもよい。
〔第４の実施形態〕
図６には、本発明に係る第４の実施形態のマグネシウム電池３Ｄを説明するための図が示されている。

図６において、マグネシウム電池３Ｄは、正極電極部材１１、セパレータ１２Ｄ、燃料部材１３、および負極電極部材１４などを備える。

セパレータ１２Ｄは、上に述べたセパレータ１２Ｂと同様に、燃料部材１３の表面に沿った平面上において区画されて配置された複数のセパレータ小室１２Ｒ１、１２Ｒ２、…１２Ｒ５を含んでいる。各セパレータ小室１２Ｒ１〜５には、いずれも電解液が注入されて保持されている。

図７を参照して、これら複数のセパレータ小室１２Ｒ１〜５は、それぞれの端部に、正極部材１１Ｍ１〜５および伸縮駆動部材１８Ｚ１〜５が取り付けられている。各伸縮駆動部材１８Ｚ１〜５の他方の端部は、正極電極部材１１に固定されている。

正極部材１１Ｍ１〜５は、正極ＰＫの一部を構成し、いずれも銅または鉄などの金属材料、または、活性炭、炭素繊維、カーボンフェルト、炭素粉末などの炭素質材料などによって形成されている。正極部材１１Ｍ１〜５は、いずれも、正極電極部材１１に対して移動可能となっているが、正極電極部材１１とは図示しない導電材料によって電気的に接続されている。

伸縮駆動部材１８Ｚ１〜５は、各セパレータ小室１２Ｒ１〜５と各正極部材１１Ｍ１〜５とからなるそれぞれのユニットを、燃料部材１３に対して接触位置または離脱位置に移動駆動するためのものである。伸縮駆動部材１８Ｚ１〜５として、例えば、ピエゾ素子などの電気的なアクチュエータ、またはソレノイドまたはモータなどの電磁的なアクチュエータなどが用いられる。

伸縮駆動部材１８Ｚ１〜５を選択的に駆動することにより、それに対応するセパレータ小室１２Ｒ１〜５が燃料部材１３と接触し、これによってセパレータ１２Ｄと燃料部材１３との接触面積ＳＳが可変となっている。

図６（Ａ）の状態では、中央の１つのセパレータ小室１２Ｒ３のみが接触位置に移動されて燃料部材１３に接触している。したがって接触面積ＳＳ１２は最小となっている。

図６（Ｂ）の状態では、中央部の３つのセパレータ小室１２Ｒ２〜４が接触位置に移動されて燃料部材１３に接触している。したがって、接触面積ＳＳ１３は接触面積ＳＳ１２よりも大きく、その約３倍となっている。

図６（Ｃ）の状態では、５つ全部のセパレータ小室１２Ｒ１〜５が接触位置に移動されて燃料部材１３に接触している。したがって接触面積ＳＳ１４は最大となっている。

このように、複数のセパレータ小室１２Ｒ１〜５に対する伸縮駆動部材１８Ｚ１〜５の選択的な駆動によって、接触面積ＳＳが可変される。接触面積ＳＳが可変されることにより、マグネシウム電池３Ｄにおける化学反応量が可変され、それに応じた電力をマグネシウム電池３Ｄから取り出せることとなる。
〔第５の実施形態〕
図８には、本発明に係る第５の実施形態のマグネシウム電池３Ｅを説明するための図が示されている。

図８において、マグネシウム電池３Ｅは、正極電極部材１１、セパレータ１２、燃料部材１３Ｅ、および負極電極部材１４などを備える。

燃料部材１３Ｅは、マグネシウム合金からなっており、セパレータ１２と接触可能に配置され、セパレータ１２と負極電極部材１４との間において接触した状態で移動可能である。

燃料部材１３Ｅは、その使用履歴によって、使用済み部分１３Ｓと未使用部分１３Ｍとに分かれており、その境目が境界部分ＫＢである。燃料部材１３Ｅは、セパレータ１２と接触した部分が使用済みになると、手動によりまたは適当な駆動装置により図の下方へ移動され、未使用部分１３Ｍがセパレータ１２に接触して電池として必要な化学反応が起こるようになっている。

このように、燃料部材１３Ｅを移動することにより、当該燃料部材１３Ｅの未使用部分１３Ｍがセパレータ１２と接触する面積、つまり接触面積ＳＳを変更することが可能となっている。

図８（Ａ）の状態では、境界部分ＫＢは上方に位置し、セパレータ１２と未使用部分１３Ｍとの接触面積ＳＳ１５はほぼ最小となっている。

図８（Ｂ）の状態では、境界部分ＫＢは中央部に位置し、セパレータ１２と未使用部分１３Ｍとの接触面積ＳＳ１６は接触面積ＳＳ１５よりも大きくなっている。

図８（Ｃ）の状態では、境界部分ＫＢは下方に位置し、セパレータ１２と未使用部分１３Ｍとの接触面積ＳＳ１７はほぼ最大となっている。

このように、燃料部材１３Ｅの移動によって未使用部分１３Ｍとセパレータ１２との接触面積ＳＳが可変される。接触面積ＳＳが可変されることにより、マグネシウム電池３Ｅにおける化学反応量が可変され、それに応じた電力をマグネシウム電池３Ｅから取り出せることとなる。
〔マグネシウム電池システムの実施形態〕
図１０には、マグネシウム電池３Ａを用いたマグネシウム電池システム１の一実施形態のブロック図が示されている。

図１０において、マグネシウム電池システム１は、マグネシウム電池３Ａ、負荷機器である電子機器ＤＫ、および制御部３０を有する。

マグネシウム電池３Ａは、図２で説明したように、正極電極部材１１、セパレータ１２、燃料部材１３、負極電極部材１４、およびカム部材２１などからなる。さらに、カム部材２１を回転させるための駆動部であるモータＭ１およびギヤ２１ｂなどを備える。モータＭ１の回転量または回転角度に応じて、マグネシウム電池３Ａにおけるセパレータ１２と燃料部材１３との接触面積ＳＳが可変され、その発電量が制御される。

電子機器ＤＫは、マグネシウム電池３Ａを電源として動作可能なものであり、マグネシウム電池３Ａから電力の供給を受けて動作する。電子機器ＤＫは、例えば、パーソナルコンピュータ、タブレット、携帯電話、スマ−トフォン、その他の端末機器、通信機器、データ処理装置、画像表示機器、その他の機器などである。

電子機器ＤＫは、消費電力の大小の関連する種々の動作モードを持つ。例えば、通常モード、スリープモード、待機モード、省電力モードなどの動作モードである。電子機器ＤＫは、その時点での動作モードが何であるかを示す信号Ｓ１を、制御部３０に対して出力する。

制御部３０は、電子機器ＤＫの動作状態に応じて、駆動部であるモータＭ１を制御する。制御部３０は、電子機器ＤＫによる負荷が大きくなるほど、マグネシウム電池３Ａにおける接触面積ＳＳを大きくするように、モータＭ１を制御する。

すなわち、制御部３０は、マグネシウム電池３Ａを電源として動作し、電子機器ＤＫから出力される信号Ｓ１に基づいて、マグネシウム電池３Ａのカム部材２１の回転角度位置を制御する。

そして、電子機器ＤＫの動作モードに応じて、マグネシウム電池３Ａの発電量を制御する。例えば、マグネシウム電池３Ａの発電量の最小値を０とし最大値を１００とすると、電子機器ＤＫの動作モードに応じて、発電量を１０〜１００の間の適当な値となるように制御する。マグネシウム電池３Ａの発電量の最小値を１０とするのは、制御部３０自体のの動作に必要な電力を確保するためである。

具体的には、例えば、電子機器ＤＫが通常モードである場合に発電量を１００とし、スリープモードまたは待機モードである場合に発電量を１５とし、電子機器ＤＫの電源がオフの場合に発電量を１０とする。

このように、マグネシウム電池システム１では、電子機器ＤＫの動作状態を検出し、その検出信号をフィードバック信号とし、制御対象であるマグネシウム電池３Ａのカム部材２１の回転角度位置を制御する。そして、電子機器ＤＫおよび制御部３０により消費される電力量に対して、マグネシウム電池３Ａにより発電される電力量が最適値となるように制御が行われる。

なお、上に述べた例では、電子機器ＤＫの動作モードをフィードバック信号として制御を行ったが、電子機器ＤＫに流れ込む電流を検出し、その電流値をフィードバック信号として制御を行ってもよい。また、モータＭ１を制御して、マグネシウム電池３Ａの発電量、出力電力、出力電流、または出力電圧など、種々のパラメータが目標値に近づくように制御を行ってもよい。

また、マグネシウム電池システム１において、マグネシウム電池３Ａに代えて、マグネシウム電池３Ｂ〜３Ｅのいずれかを用いることも可能である。負荷機器として、電子機器ＤＫ以外の種々の電気製品または機械製品を用いることが可能である。

上に述べた各実施形態のマグネシウム電池３、３Ａ〜３Ｅによると、必要なときに必要電力を安定的に供給することが可能であり、マグネシウム燃料を有効利用することが可能なマグネシウム電池を提供することができる。

また、上に述べたマグネシウム電池システム１によると、負荷機器である電子機器ＤＫの動作状態に応じて、マグネシウム電池３Ａの発電量などを最適値となるように制御することができる。

上に述べた２つまたはそれ以上の複数の実施形態を互いに組み合わせて実施することも可能である。

１ マグネシウム電池システム
３，３Ａ〜３Ｅ マグネシウム電池
１１ 正極電極部材（正極）
１２ セパレータ
１２Ｒ１〜５ セパレータ小室
１３ 燃料部材（負極）
１３Ｍ 未使用部分（負極）
１３Ｓ 使用済み部分
１４ 負極電極部材（負極）
１６ 仕切り部材
１７ 遮蔽部材
１８Ｚ１〜５ 伸縮駆動部材
２１ カム部材
３０ 制御部
ＰＫ 正極
ＮＫ 負極
ＳＳ 接触面積
ＤＥ 電解液
ＤＫ 電子機器（負荷機器）
Ｍ１ モータ（駆動部）

Claims (6)

1. 正極と、
   マグネシウム合金が用いられた負極と、
   電解液を保持することが可能であって前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、を有し、
   前記セパレータは、
   多孔質の材料により形成されて前記電解液を保持しており、
   前記正極の側から前記負極の側へ押圧されることによって弾性的に変形し、その変形量に応じて前記負極との接触面積が可変となっている、
   ことを特徴とするマグネシウム電池。
2. 正極と、
   マグネシウム合金が用いられた負極と、
   電解液を保持することが可能であって前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、を有し、
   前記セパレータは、
   前記負極の表面に沿った平面上において区画されて配置された複数のセパレータ小室を含んでおり、
   前記複数のセパレータ小室に対して選択的に前記電解液を注入して保持させることにより、前記負極と前記電解液との接触面積が可変となっている、
   ことを特徴とするマグネシウム電池。
3. 正極と、
   マグネシウム合金が用いられた負極と、
   電解液を保持することが可能であって前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、を有し、
   前記セパレータは、
   前記負極の表面に沿った平面上において区画されて配置された複数のセパレータ小室を含んでおり、
   前記複数のセパレータ小室に対して前記負極との間に選択的に仕切り部材を挿入することにより、前記負極との接触面積が可変となっている、
   ことを特徴とするマグネシウム電池。
4. 正極と、
   マグネシウム合金が用いられた負極と、
   電解液を保持することが可能であって前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、を有し、
   前記セパレータは、
   前記負極の表面に沿った平面上において区画されて配置された複数のセパレータ小室を含んでおり、
   前記複数のセパレータ小室に対して前記負極との間で選択的に接触位置または離間位置に移動させることにより、前記負極との接触面積が可変となっている、
   ことを特徴とするマグネシウム電池。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のマグネシウム電池と、
   前記負極と前記セパレータまたは前記電解液との間の接触面積を可変するための駆動部と、
   前記正極および前記負極から取り出された電力によって動作する負荷機器の動作状態に応じて前記駆動部を制御するための制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記負荷機器による負荷が大きくなるほど前記負極と前記セパレータまたは前記電解液との間の接触面積を大きくするように、前記駆動部を制御する、
   ことを特徴とするマグネシウム電池システム。
6. 前記制御部は、前記負荷機器の動作モードに応じて前記駆動部を制御する、
   請求項５記載のマグネシウム電池システム。

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