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置いておくだけで発電できる、「湿度変動電池」の開発に成功

2021年6月4日

産業技術総合研究所が、空気中の湿度変化を利用して発電を行うことができる「湿度変動電池」を開発。空気にさらしておくだけで、昼と夜の湿度差を用いて発電することができるという。

産業技術総合研究所(産総研)は2021年6月3日、空気中の湿度変化を利用して発電を行うことができる「湿度変動電池」を開発したと発表した。空気にさらしておくだけで昼と夜の湿度差を用いて発電することができるため、IoT機器などの極低電力電源への応用が期待できるという。

開発した湿度変動電池は、潮解性無機塩水溶液の吸湿作用と、塩分濃度差発電の技術を組み合わせて実現した。これまでにも吸湿する際に電圧を発生する酸化グラフェンなどを利用した発電素子が研究されていたが、これらの素子は内部抵抗が数kΩ以上と高く、mAレベルの電流を取り出すことが難しかったという。

開発した湿度変動電池は、大気に開放された開放槽と密閉された閉鎖槽で構成。2つの槽には水と潮解性を有するリチウム塩からなる電解液が封入されている。この電池が低湿度環境にさらされると、開放槽からは水分が蒸発して濃度が上昇する一方、閉鎖槽は密閉されているため濃度変化は生じない。これによって開放槽と閉鎖槽間で濃度差が生じ、電極間に電圧が発生する仕組みだ。

湿度変動電池が動作する仕組み 出典:産総研

また、高湿度環境にさらされた場合は、逆に開放槽内の水溶液が空気中の水分を吸収して濃度が減少する。これにより先程とは逆向きの濃度差が発生し、逆向きの電圧が発生する。この過程が繰り返されるのであれば、理論的には半永久的に湿度の変動から電気エネルギーを取り出せるという。

実際に湿度変動電池を作製し、温湿度が制御できる恒温恒湿槽内で2時間ごとに湿度30%と90%を繰り返したところ、湿度30%のときには22~25mV程度、湿度90%のときには-17mV程度の電圧が発生した。電圧が最大となっているときに負荷を接続して出力測定を行ったところ、最大で30µW(3.3µW/cm2)の出力が得られた。この際の短絡電流は5mA(0.56mA/cm2)であり、1mA以上の電流を1時間以上継続して出力することもできた。湿度を用いたこれまでの発電技術では、これほど大きな電流を長時間継続して出力できるものは報告されていないという。

開発した湿度変動電池(左)と湿度を変化させたときの湿度変動電池の電圧(右) 出典:産総研

また、省電力機器の動作デモとして10µW以下で駆動が可能な低消費電力モーターを作製し、湿度変動電池で駆動させることにも成功した。湿度を20~30%に保った密閉容器に湿度変動電池を入れ、電圧が一定の値になったところでモーターと接続すると、たまったエネルギーによりモーターを2時間半以上回転させることができたという。

研究グループは、空気中の湿度は昼夜の温度変化などに伴って一日の中で数十%変動があるため、これを利用すれば「置いておくだけでどこでも発電できる」技術が実現できるとしている。今後はさらなる出力向上や長期間使用時の耐久性など、実用化に向けた研究を進める方針だ。

 

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