空気中の湿度変化をエネルギー源として発電する湿度変動電池を開発――mAレベルの電流を取り出すことに成功 産総研

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産業技術総合研究所は2021年6月2日、空気中の湿度変化を利用して発電する「湿度変動電池」を開発したと発表した。新原理の発電方式でmAレベルの電流を連続して取り出せる。

小型電子機器用の自立電源として、熱電素子、太陽光発電、振動発電など環境中に存在する微小なエネルギーを使った環境発電技術の開発が続けられているが、エネルギー源とされる熱、光、振動などは存在する場所が限られ、どこでも発電できる技術とは言い難かった。

そこで地球上であればほとんどどこにでも存在する湿度(空気中の水蒸気)をエネルギー源とした環境発電技術の開発が進められているが、湿度を利用した既存の発電素子は得られる電流がnA~μAレベルで実用的ではなかったという。

今回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ることで湿度変動を用いた発電ができ、これまでとは異なる原理で動作する。内部抵抗が低いため、連続してmAレベルの電流を取り出すことができるという。

湿度変動電池の動作原理

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されており、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。低湿度環境にこの電池がさらされると、開放槽からは水分が蒸発して濃度が上昇するが、密閉されている閉鎖槽は濃度変化が生じないため、開放槽と閉鎖槽間で濃度差が生じて電極間に電圧が発生する。

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ため、先程とは逆向きの濃度差が発生して逆向きの電圧が発生する。理論的にはこの過程が繰り返されると、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。

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%の変動があることから、利用することで「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いう。

実際に湿度変動電池を作製して、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%を繰り返した結果、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た出力測定では、最大30μW(3.3μW/cm2)の出力が得られた。また、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という。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。

左:湿度を変化させたときの湿度変動電池の電圧、右:負荷を接続した際の出力

今回、省電力機器の動作デモとして10μW以下で駆動する低消費電力モーターを作製しており、湿度変動電池で駆動させている。湿度変動電池を湿度20~30%に保った密閉容器に入れ、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、溜まったエネルギーでモーターを2時間半以上回転させることができた。

湿度変動電池は、湿度変動から比較的大きなエネルギーを長時間安定して取り出すことができる。IoT機器などの電源としての応用が期待されるという。

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