CN116529933A - 利用了湿度变动的发电方法以及发电元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发电方法以及发电元件，利用环境中的湿度变动来得到电动势，动作稳定性卓越。将具有潮解性的离子性化合物的水溶液通过离子透过膜分隔，在其两侧分别插入电极，使一方与外部大气阻断地密闭，并使另一方与外部大气连接，通过外部大气中的湿度变化，夹着离子透过膜使源自水溶液中的离子性化合物的离子浓度差产生，来使电极间产生电动势。

Description

利用了湿度变动的发电方法以及发电元件

技术领域

本发明涉及利用环境中的湿度变动得到电动势的发电方法以及发电元件，特别涉及利用了使用潮解性材料的湿度变动的发电方法以及发电元件。

背景技术

伴随IoT技术的普及，庞大数量的小型的传感器、电子设备设置于所有的场所。作为这些小型传感器等的驱动源，分别装入需要从电源布线或交换电线的大型的电池是不现实的。为此，谋求利用能长时间得到稳定的动作的作为一次电池的微型蓄电池。

例如，在专利文献1中，公开了一种微型蓄电池，能与供给电力的器件在相同基板上直接一体化的使用了离子液体凝胶电解质。采用如下结构：在室温下使离子液体电解质膨润成聚合物来形成非水性凝胶，并将锌-金属氧化物蓄电池的现有的碱性以及酸性液体电解质(以及间隔件)置换。相关的单体每1个能稳定地得到1.5V、5mAh程度的电力。

然而，提出大量以太阳能电池(太阳能面板)这样的光-电变换元件、将热变换成电的热电元件为首，将振动、电磁波等存在于环境中的能量变换成电力的发电方法。这些也称作环境发电、能量收集等。关于利用了相关的发电方法的发电装置，也考虑用于上述的IoT传感器等驱动源。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2018-49833号公报

发明内容

-发明所要解决的课题-

关于环境发电，例如若是太阳能电池，由于环境能量源而在电池动作中较大受到环境变化的影响，以使得动作被天气左右，被指出成为间歇动作等欠缺稳定性的问题。另一方面，若能将空气中的湿度的变化变换成电动势，则由于在整个1日连续经历某种程度的变化，因此，认为能得到作为一次电池的一定的稳定性。

本发明鉴于上述那样的状况而提出的，提供一种利用环境中的湿度变动来得到电动势、动作稳定性卓越的发电方法以及发电元件。

-用于解决课题的手段-

本发明的发电方法利用环境中的湿度变动来得到电动势，将具有潮解性的离子性化合物的水溶液通过离子性透过膜分隔，在其两侧分别插入电极，将一方与外部大气阻断地密闭，并且使另一方与外部大气连接，通过外部大气中的湿度变化，来夹着所述离子透过膜地使源自所述水溶液中的所述离子性化合物的离子浓度差产生，使所述电极间产生电动势产生。

此外，本发明的发电元件利用环境中的湿度变动来得到电动势，具有将有潮解性的离子性化合物的水溶液分隔的离子透过膜和在其两侧的所述水溶液分别插入的电极，将以离子透过膜分隔的所述水溶液的一方与外部大气阻断地密闭，并且使另一方与外部大气连接，通过外部大气中的湿度变化，来夹着所述离子透过膜地使源自所述水溶液中的所述离子性化合物的离子浓度差产生，使所述电极间产生电动势。

在上述的发明中，利用日内变动大的环境中的湿度变动来得到电动势，动作稳定性卓越。并且，由于湿度变动在环境中的所有的场所产生，因此，也不依赖于其设置场所，便利性也卓越。

附图说明

图1是本发明的发电元件的截面图。

图2是本发明的发电元件的截面图。

图3是本发明的其他发电元件的截面图。

图4是本发明的又一发电元件的截面图。

图5是本发明的又一发电元件的截面图。

图6是本发明的又一发电元件的截面图。

图7是对本发明的发电元件给予湿度变化时的开路电压的图表。

图8是对本发明的发电元件给予湿度变化时的开路电压的图表。

图9的(a)是在发电元件连接负载时的电压以及电流的图表，以及(b)是根据所得到的电压以及电流算出的输出的图表。

图10是将本发明的发电元件串联连接2个时的截面图。

图11是对本发明的发电元件给予湿度变化时的开路电压的图表。

具体实施方式

[实施例1]

以下，使用图1来说明本发明的1个实施例的发电元件。

如图1所示那样，发电元件10具备分别收容水溶液9a以及水溶液9b的闭锁槽1以及开放槽2。闭锁槽1以及开放槽2相互用离子透过膜3分隔。在闭锁槽1以及开放槽2，分别插入电极4a以及电极4b，以使得与水溶液9a以及9b接触。此外，闭锁槽1与外部大气阻断地密闭，开放槽2与外部大气连通，使收容的水溶液与外部大气连接。另外，电极4a以及电极4b与用于将在它们之间产生的电动势取出到外部的布线等连接。

水溶液9a、水溶液9b是具有潮解性的离子性化合物的水溶液。为此，通过在开放槽2与外部大气连接，通过外部大气中的湿度变化而吸收或排出水分，从而使水溶液9b的离子浓度变化。此外，作为具有潮解性的离子性化合物，能适合地使用例如氯化物、溴化物等卤化物。另外，由于开放槽2只要能与外部交换水分即可，因此，也可以设置基于透过水蒸气且不使水溶液9b透过的膜体等的盖。能抑制开放槽2内的水溶液9b向外部的流出，能使发电元件10的处置容易。

在此，将具备用于形成闭锁槽1的凹部的板体11和具备离子透过膜3和用于形成开放槽2的孔的板体12按该顺序重叠，将板体11与板体12之间用衬垫14密封，并将离子透过膜3的外周固定于板体11以及板体12，从而形成用于得到发电元件10的单体。

接下来，使用图2来说明利用了发电元件10的发电方法。在此，说明如下情况：作为水溶液9a、9b而使用氯化锂水溶液，作为电极4a、4b而使用银-氯化银电极，作为离子透过膜3而使用阳离子交换膜。

在使发电元件10的外部大气的湿度低的情况下，开放槽2的水溶液9b使水分蒸发，来提高作为溶质的氯化锂的浓度。另一方面，在闭锁槽1中，由于没有水分的进出，因此，水溶液的浓度没有变化。其结果，开放槽2的水溶液9b与闭锁槽1的水溶液9a相比变得浓厚。这时，关于水溶液9b的阳离子即Li⁺的浓度，与水溶液9a相比也变高，夹着离子透过膜3产生Li⁺的浓度差。将相关的离子浓度差作为驱动力，Li⁺向闭锁槽1的水溶液9a透过离子透过膜3。

在开放槽2中，水溶液9b中的阴离子即Cl^-与阳离子即Li⁺相比变得过多，为了得到平衡，如以下的化学反应式(式1)所示那样与电极4b的银进行反应，生成氯化银和电子。

Ag+Cl^-→AgCl+e^- (式1)

另一方面，在闭锁槽1中，Cl^-与Li⁺相比变少，为了得到平衡，如以下的化学反应式(式2)所示那样，使用电子分解电极4a的氯化银，生成银和Cl^-。

AgCl+e^-→Ag+Cl^- (式2)

在该情况下，(式1)中得到的电子从开放槽2的电极4b向闭锁槽1的电极4a流过回路13。换言之，从电极4a向电极4b流过电流。即，能使电极4a以及电极4b的电极间产生电动势。

另一方面，在使发电元件10的外部大气的湿度高的情况下，开放槽2的水溶液9b因其潮解性而吸收水分，使溶质即氯化锂的浓度低。另一方面，在闭锁槽1中，由于没有水分的进出，因此，水溶液9a的浓度没有变化。其结果，开放槽2的水溶液9b与闭锁槽1的水溶液9a相比变得稀薄。这时，关于水溶液9b的阳离子即Li⁺的浓度，也与水溶液9a相比变低，为了使其平衡，Li⁺向开放槽2的水溶液9b透过离子透过膜3。

于是，与上述相反，在闭锁槽1中引起(式1)的反应，在开放槽2中引起(式2)的反应。即，能与上述反向地推进反应，得到反向的电动势。

如此地，根据发电元件10，因外部大气中的湿度变动，在闭锁槽1与开放槽2之间，使源自水溶液中的离子性化合物的离子产生浓度差，能使电极间产生电动势。特别是，在外部大气中的湿度变高时和变低时，能使化学反应的方向相反来分别产生电动势。由于通过重复这样的可逆反应，能得到电动势，因此，通过利用日内变动大的环境中的湿度变动，动作稳定性卓越。并且，由于湿度变动在环境中的所有的场所产生，因此，也不依赖于发电元件10的设置场所，便利性也卓越。另外，由于没有从发电元件10失去的反应物质，因此，理论上通过具有完全的可逆性的反应来得到电动势。

另外，在如(式1)以及(式2)那样对溶解于水溶液的离子性化合物使用氯化物的情况下，通过在电极中也包含氯化物，能得到上述那样的可逆反应。即，成为包含水溶液中所用的离子性化合物和基于与电极的材料相同离子的化合物的组合。

此外，作为发电元件，优选使其内部电阻小，例如优选设为10欧姆以下。根据上述的氯化锂水溶液、银-氯化银电极的组合，能使内部电阻为数欧姆程度。

[实施例2]

接下来，使用图3来说明作为其他实施例的纵型的发电元件。

如图3所示那样，发电元件10a与上述的发电元件10同样地，在发电元件10a中，也将具备用于形成闭锁槽1的凹部的板体11和具备离子透过膜3和用于形成开放槽2的孔的板体12重叠，将板体11与板体12之间用衬垫14密封，并且将离子透过膜3的外周固定于板体11以及板体12。在此，在形成开放槽2的板体12中，具备壁部12b，以使其覆盖孔的开口的下侧的一部分，即使设为纵型也能在开放槽2内保持所收容的水溶液9b。此外，电极4b一体地设于能使水溶液9b浸透来保持的多孔质体5b的板状的主面上。多孔质体5b从开放槽2内的下端延续到上端而延伸，能使水溶液9b浸透至上端来保持。为此，电极4b能在多孔质体5b上与水溶液9b可靠地相接。在闭锁槽1中，也同样地将电极4a一体地设于多孔质体5a的主面上，可靠地进行电极4a的接液。在此，作为多孔质体5b而使用滤纸，在滤纸进行印刷来形成电极，设为一体。

根据发电元件10a，即使设为纵型的配置，也能通过多孔质体5a以及多孔质体5b来可靠地进行电极9a以及电极9b的接液，能得到电动势。由此，即使在开放槽2中保持因重力而流向下方的水溶液9b，关于发电元件10a，也能使配置的自由度比较高。

[实施例3]

进而，作为其他实施例，使用图4以及图5来说明3室型的发电元件。

如图4所示那样，发电元件10b使开放槽2b以及开放槽2c这2者夹着密闭槽1而配置，在密闭槽1与这2者各自之间，作为离子透过膜而配置阴离子交换膜3b以及阳离子交换膜3c。即，通过设于板体11’的孔来形成密闭槽1，由隔着阴离子交换膜3b以及阳离子交换膜3c配置成夹着板体11’的2个板体12所设置的孔来形成开放槽2b以及2c。在开放槽2a以及开放槽2b内，板状的多孔质体5b以及多孔质体5c分别配置成从下端延伸到上端，使水溶液9b以及水溶液9b浸透。多孔质体5b以及多孔质体5c分别一体地形成电极4b以及电极4c，确保电极4b以及电极4c的接液。

进而，参考图5以及图6来说明利用了发电元件10b的发电方法。在此，说明如下情况：作为水溶液9a、9b、9c而使用氯化锂水溶液，作为电极4b、4c而使用银-氯化银电极。

如图5所示那样，在使发电元件10b的外部大气的湿度低的情况下，开放槽2b以及开放槽2c的水溶液9b以及水溶液9c使水分蒸发，使溶质即氯化锂的浓度高。另一方面，在闭锁槽1中，由于没有水分的进出，因此，水溶液的浓度没有变化。其结果，开放槽2b以及开放槽2c的水溶液9b以及水溶液9c与闭锁槽1的水溶液9a相比变得浓厚。这时，关于水溶液9b以及水溶液9c的阳离子即Li⁺的浓度以及阴离子即Cl^-的浓度，也与水溶液9a相比而变高，夹着阴离子交换膜3b以及阳离子交换膜3c产生Li⁺以及Cl^-的浓度差。以相关的离子浓度差为驱动力，Cl^-向闭锁槽1的水溶液9a从开放槽2b透过阴离子交换膜3b，Li⁺向闭锁槽1的水溶液9a从开放槽2c透过阳离子交换膜3c。

在开放槽2b中，水溶液9b中的阳离子即Li⁺与阴离子即Cl^-相比变得过多，为了得到平衡，如上述的化学反应式(式2)所示那样，分解电极4b的氯化银，生成银和Cl^-。

另一方面，在开放槽2c中，水溶液9c中的阴离子即Cl^-与阳离子即Li⁺相比变得过多，为了得到平衡，如上述的化学反应式(式1)所示那样，与电极4c的银进行反应来生成氯化银和电子。

在该情况下，(式1)中得到的电子从开放槽2c的电极4c向开放槽2b的电极4b流过回路13。换言之，从电极4b向电极4c流过电流。即，能使电极4b以及电极4c的电极间产生电动势。

另一方面，如图6所示那样，在使发电元件10b的外部大气的湿度高的情况下，开放槽2b以及开放槽2c的水溶液9b以及水溶液9c因其潮解性而吸收水分，使溶质即氯化锂的浓度低。另一方面，在闭锁槽1中，由于没有水分的进出，因此，水溶液9a的浓度没有变化。其结果，开放槽2b以及开放槽2c的水溶液9b以及水溶液9c与闭锁槽1的水溶液9a相比变得稀薄。这时，关于水溶液9b以及水溶液9c的阳离子即Li⁺的浓度以及阴离子即Cl^-的浓度，与水溶液9a相比也变低，为了使其平衡，Cl^-从闭锁槽1内的水溶液9a向开放槽2b的水溶液9b透过阴离子交换膜3b，Li⁺向开放槽2c的水溶液9c透过阳离子交换膜3c。

于是，与上述相反，在开放槽2b中引起(式1)的反应，在开放槽2c中引起(式2)的反应。即，与上述反向地推进反应，能得到反向的电动势。

如此地，根据3室型的发电元件10b，也因外部大气中的湿度变动而在闭锁槽1与开放槽2b以及开放槽2之间，使源自水溶液中的离子性化合物的离子产生浓度差，能使电极4b以及电极4c间产生电动势。此外，在外部大气中的湿度变高时和变低时，能使化学反应的方向相反地分别产生电动势。

[制造试验]

使用图7以及图8来说明实际制造上述那样的发电元件并对其性能进行调查的结果。

在此，制造上述的发电元件10、发电元件10a这样的2室型和发电元件10b这样的3室型的发电元件，进行改变水溶液与离子透过膜的组合的试验。水溶液使用氯化锂水溶液或氯化钙水溶液。氯化锂水溶液调整成20％的浓度，在闭锁槽以及开放槽分别各收容0.75mL。氯化钙水溶液调整成30％的浓度，在闭锁槽以及开放槽分别各收容0.75mL。在2室型的发电元件中，阳离子交换膜使用NEOSEPTA CSE(注册商标、株式会社ASTOM公司制)或Nafion117(注册商标、Sigma-Aldrich公司制)。在3室型的发电元件中，使用与下列相同阳离子交换膜，并且，作为阴离子交换膜而使用NEOSEPTA ASE(注册商标、株式会社ASTOM公司制)。此外，作为电极而使用银-氯化银电极。在滤纸上网格状印刷银膏后，在氯化锂水溶液中进行阳极氧化，来制作电极。

在图7以及图8中示出测定对得到的发电元件给予湿度变化时的开路电压的结果。将发电元件放入恒温恒湿槽，在维持在25℃的基础上，给予每4小时以湿度30％和90％交替重复的湿度变化。其结果，在2室型中，氯化锂水溶液和作为阳离子交换膜而使用NEOSEPTACSE的方案能得到最高的电压。相关的电压在湿度30％时为26～28mV程度，在湿度90％时为-18～-19mV程度。在使用氯化钙水溶液的情况下，也是在利用了NEOSEPTA CSE的2室型的发电元件中能得到最高的电压。

在图9中示出从2室型且利用了氯化锂水溶液和NEOSEPTA CSE的发电元件得到28mV的电压时连接负载并测定输出的结果。短路电流为4.6mA(图9的(a))。此外，根据从电流以及电压算出的输出，最大值在将负载设为5Ω时得到，为34μW(图9的(b))。

如图10所示那样，将2个纵型的发电元件10a相互背对背配置，制造串联连接的发电元件。即，将一方(图中观察右侧)的发电元件10a-1的开放槽2内的电极4b设为GND连接，将闭锁槽1内的电极4a与另一方(图中观察左侧)的发电元件10a-2的开放槽2内的电极4b连接。然后，进行布线，以使得能测定发电元件10a-2的闭锁槽1内的电极4a的电压。另外，水溶液使用氯化锂水溶液，阳离子交换膜3使用NEOSEPTA CSE。

在图11中示出测定对所得到的发电元件给予湿度变化时的开路电压的结果。将发电元件放入恒温恒湿槽，在维持在25℃的基础上，给予每4小时以湿度30％和90％交替重复的湿度变化。其结果，确认能得到通过1个发电元件得到的电压的约2倍的电压。

以上，说明了本发明的代表性的实施例，但并不意在限定于此，只要是本领域技术人员，则能不脱离本发明的主旨或添附的权利要求书地找出各种代替实施例以及改变例。

-符号说明-

1 闭锁槽

2 开放槽

3 离子透过膜

4a、4b 电极

9a、9b 水溶液

10 发电元件。

Claims (11)

1.一种发电方法，利用环境中的湿度变动来得到电动势，其特征在于，

所述发电方法利用了湿度变动，将具有潮解性的离子性化合物的水溶液通过离子透过膜分隔，在其两侧分别插入电极，使一方与外部大气阻断地密闭，并且使另一方与外部大气连接，通过外部大气中的湿度变化，来夹着所述离子透过膜地使源自所述水溶液中的所述离子性化合物的离子浓度差产生，使所述电极间产生电动势。

2.根据权利要求1所述的发电方法，其中，

所述离子透过膜是阳离子交换膜。

3.根据权利要求1或2所述的发电方法，其中，

所述离子性化合物是卤化物，所述电极是银-卤化银电极。

4.根据权利要求3所述的发电方法，其中，

所述卤化物是锂的卤化物。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的发电方法，其中，

所述水溶液浸透保持在多孔质体中。

6.一种发电元件，利用环境中的湿度变动来得到电动势，所述发电元件的特征在于，

具有：将具有潮解性的离子性化合物的水溶液分隔的离子透过膜；和在其两侧的所述水溶液分别插入的电极，

所述发电元件利用了湿度变动，将以所述离子透过膜分隔的所述水溶液的一方与外部大气阻断地密闭，并且使另一方与外部大气连接，通过外部大气中的湿度变化，夹着所述离子透过膜地使源自所述水溶液中的所述离子性化合物的离子浓度差产生，使所述电极间产生电动势。

7.根据权利要求6所述的发电元件，其中，

所述离子透过膜是阳离子交换膜。

8.根据权利要求6或7所述的发电元件，其中，

所述离子性化合物是卤化物，所述电极是银-卤化银电极。

9.根据权利要求8所述的发电元件，其中，

所述卤化物是锂的卤化物。

10.根据权利要求7～11中任一项所述的发电元件，其中，

所述水溶液浸透保持在多孔质体中。

11.根据权利要求6～10中任一项所述的发电元件，其中，

内部电阻为10欧姆以下。