Saturday, August 10, 2013

Mg Soleil Project-11

V.  Magnesium Fuel Cell Technology
5.1 Self-Discharging
5.2 Kohama MgFC technology

5.3 Present Status of MgFC
5.4 Resistive to Disaster
5.5 Major Advantages of MgFC
       H2FC major Advantages

5.3 Present Status of MgFC
The description to be given is based on the information gathered at the end of May 2012.  When gaining new information, I will add them to the description soon.

Major specs of Kohama MgFC at the end of May 2012:
Rated capacity: 60Ah
Rated voltage: 1.5V/cell
Cell size: 42 x 225x 15 mm
Mass: 470 g/cell
Mass energy density: 200Wh/kg
For details, reference is made to pdf file, 7 to14 pages.

In the pdf file, description is made about the construction of the MgFC, home-use permanent power source example, performance test examples, applications of MgFC, and others. The MgFC could continuously power a small motor for 3 weeks or longer. The basic performances of the MgFC have already been secured (Prof. Kohama said). The MgFC successfully charged 120 mobile phones at 360 W as its output. In use, the salt water (electrolytic solution) was set to the FC body. The MgFC normally operates its rated output power even after it is left for several tens years in a state that the solution is not set to the FC body. The Mg FC was designed for emergency use at medical facilities, communication stations, homes, etc. Its application includes power sources for automobiles, as a matter of course. Commercialization of the Mg FC for automobiles is scheduled within one year. There will be somewhat less time lag from the targeted time.

An advanced MgFC (4 kWh) was tested in the early of December 2012. The MgFC, which was combined with an L-ion battery, was used for powering a trike. The trike succeeded in running a distance of 100 km on the public road. A schematic circuit for powering the trike will resemble the circuit diagram illustrated on page 11 of a pdf file.
It is recently revealed that the MgFC succeeds in continuously feeding current for 10 hours.
The price of the MgFC will be significantly low. The price of the MgFC will be almost half of that of the lead-acid battery currently and widely used by the automobile (Prof. Kohama said).

Prof. Kohama has long developed the next generation transportation system, called "AeroTrain". The AeroTrain will be described in detail later. For his academic specialities, please refer to a list of academic papers.
During the AeroTrain development, he accidentally found the fact that the flame-retardant magnesium alloy exhibits an excellent corrosion resistance against seawater. Upon the discovery, an MgFC was manufactured: negative electrode = flame-retardant magnesium alloy, positive electrode = air (oxygen), and electrolytic solution = 18 wt% salt water. Unexpected good results were produced: 1.5 V & 60 Ah/cell. The battery continuously and stably operated. This is a new finding. He also found another fact that the magnesium can store electric energy. It is a common that it is impossible to store electricity. The fact completely denies the opinion commonly accepted.

5.4 MgFC is resistant to disasters
In the case of the hydrogen-based fuel cells currently used, for example, the residential CHP (ENEFARM) reforms city gas to produce hydrogen and uses the produced hydrogen for its fuel. In a disaster situation, if the city-gas pipeline is damaged, the H2FC-contained CHP will be inoperable even if the CHP itself is not damaged and is normally operable.
In this situation, however, the Mg FC is normally operable if the FC itself is not damaged and seawater (electrolytic solution) is available. The MgFC has a long life span (several tens years) as already described.

The MgFC may be used in the following way (see a photograph given below) in preparation for a disaster situation. A simple power supply system includes an MgFC, a controller, a switch and others. An output line of the power supply system is connected to a load, for example, TV in a state that a detecting line of the same for detecting an electric state of a power line in a house is coupled with the power line. When a grid power supply stops in an emergency, the controller detects the power supply stop, instructs a related portion of the system to inject the electrolyte into the MgFC body, while at the same time operate the switch to connect the output line to the TV. The MgFC in turn operates to start power supply to the TV. TV is ceaselessly operating and presenting a TV program, for example, news.
In the test conducted at the end of April 2012, the MgFC could continuously power a 9-inch TV and 96 LEDs for 25 hours for 25 hours. See [PDF. pages 9 & 10] [PDF. page 10]

See coresponding photo
Model of MgFC Emergency use

Prof. Kohama has experienced "Japan 2011 earthquake/tsunami disaster". He saw real disaster scenes with his own eyes. When power outage occurred, time is critical.  In the earthquake/tsunami disaster, victims could not know tsunami/earthquake information. This partly led to expansion of the damages. The following crossed his mind: If electric power supply could be continued for several days, the damage expansion would be minimized. Victims could get moment-to-moment changing disaster conditions from broadcasts. Air-conditioners, if operable, would help patients and sick persons keep their health conditions good. This would spur him on to accelerate his MgFC development having thus far been made, I suppose.

5.6 MgFC major advantages
MgFC has the following advantages. It seems to me that MgFC may relegate H2FC to a supporting role.
1) Energy density of the MgFC is high: 2 kWh/kg = about 5 times or higher than of the current L-ion battery and is comparable with that of the current H2FC. 1464mAh/g(MgFC)、150mA/g (L-ion battery) ←experimental values.
2) Non-toxic and clean, and safe.
Flame-retardant Mg alloy is used. It is significantly safe so as to allow its welding in air
3) MgFC is simple in structure, light in weight, and cheap in price.
The price is negligibly low compared to that of the hydrogen fuel cell (H2FC).
4) The lifespan of MgFC is significantly long, almost semi-permanent. It is 60 to 70 years if the salt water as the electrolyte is removed.
5) There is no need of using expensive infrastructure to supply fuel to the fuel cell. In the case of H2FC, 6 Oku Yen/one hydrogen station.
6) Mg as fuel can be transported in safe and simple way.
7) The Mg resource is almost limitless.
8) Used Mg is recyclable by its smelting.
9) Mg transportation is easy. The smelted Mg takes the form of grain.
10) Mg is also used as the light metal material. With its application development, Mg will supersede other metal materials currently used.

H2FC major advantages
In Japan, some types of the H2FC have entered the early market phase. At least 20,000 ENEFARM residential CHP) systems are now operating at ordinary homes. Fuel cell vehicles (FCVs) will be launched in around 2015 in the world.
Those types of the H2FC involve the following serious problems:
1) The price of H2FC CHP is still too high.
2) Large-scale infrastructure such as hydrogen stations, gas pipelines is essentially needed.
3) Hydrogen embrittlement problem is not yet solved.
4) H2FC still involves serious problems in generation, storage and transportation of hydrogen
>> To be continued to Mg Soleil Project-12

New technology on H2FC was developed. 
New technology: a catalyst to efficiently extract hydrogen from the MCH into hydrogen gas. The catalyst continues its function for about one year.
H2FC involves problems in 1) generation (of hydrogen), 2) storage and 3) transportation. 
The new technology substantially solved the problems 2) and 3) of those problems.  
Hydrogen is fixed to methylcyclohexane (MCH) through a chemical reaction of toluene and hydrogen (known technology).
The hydrogen is stored in the MCH and transported in this state. 
To use the hydrogen, it is extracted from the MCH (dehydrogenation). 
The hydrogen fixing and transportation are allowed to be performed at normal temperature and pressure. 
The volume is reduced to 1/500. 
Developer: Chiyoda-corp.

5.3 Kohama MgFCの現状
5.4 MgFCは災害に強い
5.5 マグネシウム燃料電池の主な利点

5.3 Kohama MgFCの現状
以下の記述はend of May 2012に収集した情報に基づいています。新しい情報が入り次第、追加、修正を行ないます。

Pdfでは、MgFCの構成について書かれている。家庭用永久電源の例、性能試験例、MgFCの適用例などについて書かれている。小型モーターを3週間以上駆動できた。MgFCの基本性能はすでに確保してある。このMgFCを用い360 W で120 mobile phonesを充電した。使用時に、食塩水(電解液)をMgFC本体にセットした。 数十年間放置しておいても、電解液を本体より外しておけば、このMgFCはそのセット後正常に作動する。このMgFCは医療、通信、家庭などでの緊急時の使用を想定して開発されている。自動車などへの利用も想定して開発が進められている。その完成を約1年後と想定しているようだ。
昨年12月の初旬、4kWhのMgFCをtrikeに積んで100 kmを走行し、成功している。公道での試験だ。L-ion batteryを駆動源とし、それにMgFCでchargeさせながらの走行にようである。駆動系の概略回路はpdf fileの11 pageに記したものに類似するものだろう。
最近、10 Aの電流を10時間流し続けたことを発表している。
価格は非常に低くなるようだ。現在使用されている自動車用の鉛電池(lead-acid battery)と比較するとその半値と言っている。

Prof. Kohamaは次世代高速輸送システム(AeroTrain)の開発に長い間携わっている。車体軽量化のため、最軽量金属材料である難燃性マグネシウム合金を車体に使用した。氏のご専門についてはa list of academic papers。この開発中に難燃性マグネシウムが海水に対する腐食性が非常に高いことを発見見した。 この発見を機に、金属―空気電池の負極に難燃性マグネシウムを使用することを試しみた。マグネシウム - 空気電池を作製した: 負極 = 難燃性マグネシウム合金、正極 = 空気(酸素)、電解液 = 18 wt% 食塩水。この電池は、1.5 V & 60 Ah/cellで連続して、安定的に動いた。予想外の結果である。新しい発見である。氏はもう一つの事実に気が付いた。マグネシウムは電気を貯蔵する、ということ。電気は貯蔵できない、これが一般的な意見である。これが見事に否定された。

5.4 MgFCは災害に強い
現在使用されている水素ベースの家庭用燃料電池 (ENEFARM) の場合、一般に都市ガスを改質し、水素を作り、それを燃料としている。災害が発生し、ガス供給用パイプラインが損傷を受けた場合、ENEFARMが正常でも使用できない。こういった場合、MgFCはそれ自身が損傷を受けない限り、海水など(電解液)があれば、そのまま動作する。 電解液(食塩水)をはずしておけば、数十年は持つ。

このMgFCを緊急用として使用する場合、次のような形で使用可能(下図)。MgFC、 コントローラ、切り替え器などを持つ簡単な電源システムを作る。電源システムの出力線をTVなどに、感知線を屋内の系統電力線に接続しておく。災害などで停電が発生した場合、コントローラが系統の断を感知線の状態から感知し、電解液のMgFC本体への注入の開始を関連箇所に指示し、同時に切り替え器を作動させ、電源システムの出力線をTVに電気的に接続する。MgFCが作動し、TVに電力の供給を開始する。TVは停止することなく、そのまま番組、例えば、ニュースを流し続ける。継続使用時間については、April 2012の下旬に行われた試験では、9-inch TVと96個のLEDを25時間駆動している。詳しくは、[PDF. page 10]

See coresponding photo
Model of MgFC Emergency use

Prof. Kohamaは"Japan 2011 earthquake/tsunami disaster"を経験し、その悲惨さを目の辺りにしている。停電が発生し、被災者が 出る地震/津波情報を知ることができず、これが被害拡大の一因となった。こういった場合、数日間はTVなどを、さらに冷暖房機器を稼動させ、病人などの体調維持を可能とする電源が必要であると考えた。これが氏のMgFCの開発意欲をさらに刺激したようである。

5.5 マグネシウム燃料電池の主な利点
1) MgFCのエネルギー密度が非常に高い。2kWh/kg ←現在のリチウム電池の5倍以上、水素燃料電池並み。1464mAh/g(MgFC)、150mA/g (Li電池) ←実験値。
2) 無害、クリーン、安全。
3) 構造が簡単、軽量、価格が安い (H2FCと比べると無視しうるほどに安い)。
4) 寿命が半永久である、実用レベルで見た場合。
現在開発中のもの:約60 to 70年、電解液(塩水)を外しておけば)。
5) 電池への燃料供給のために高額なインフラがいらない。6億円/水素ステーション。
6) 燃料であるMgの運搬が安全で、かつ容易である。
7) 燃料としてのMg資源はほぼ無限である。
8) その資源の再利用が可能→ Mg精錬
9) 燃料の輸送が容易→ 精錬したMgは粒状物。
10) Mgの軽量金属材料としても使用可能。その用途開発に伴い、他の金属材料を置きかえてゆくものと思われる。

H2FCの一部(例:エネファーム)は早期マーケットに入っている。FCV (燃料電池自動車) は2015ごろを目処に早期マーケットに入る。
1) 価格が高い。
2) 水素ステーション、ガス供給などの大規模なインフラが必要である。
3) 水素脆化の問題が完全に解決されたとの話は聞かない。
4) 水素の発生、貯蔵、運搬に問題を抱えている。

1) 水素の製造、2) 水素の貯蔵、3) 水素の輸送にH2FCの問題があるとされています。
この中の2) & 3)の問題が実質解決された。
Developer: 千代田化工建設


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