産総研、湿度の変動さえあればどこででも発電できる「湿度変動電池」を開発

産業技術総合研究所(産総研)は6月2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再生可能エネルギーであり環境発電技術でもある「湿度変動電池」を開発したことを発表した。

今回開発された「湿度変動電池」 (出所:産総研Webサイト)

同成果は、産総研センシングシステム研究センター兼人間拡張研究センターの駒﨑友亮研究員らの研究チームによるもの。詳細は、英国王立化学会の学術誌「Sustainable Energy & Fuels」に掲載された。

IoT時代に入り、さまざまな場所でのセンサの活用が期待されているが、電源をどうするか、という課題がある。その解決策の1つとして考えられているのが、環境中の微小なエネルギーを集約して自立的に発電を行う「環境発電」であり、さまざまな電池技術、発電技術の研究が進められている。「湿度変動電池」という言葉はなかなか耳なじみがないが、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きたという。ただし、そ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。

そこで研究チームは今回、湿度センサの技術を基に、湿度変動電池の開発に取り組むことにしたという。具体的には、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発電を行うという、これまでとは異なる原理で動作することが特徴だという。

湿度変動電池の動作原理 (出所:産総研Webサイト)

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からなり、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。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塩分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塩分濃度差が生じ、電極間に電圧が発生。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、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という仕組みとなっている。

今回、実際に湿度変動電池が作製され、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％を繰り返すことで、実際に発電できるかどうかの試験が行われた。その結果、湿度30％のときには22～25mV程度、湿度90％のときには-17mV程度の電圧が確認されたという。

(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湿度変動電池の出力 (出所:産総研Webサイト)

また、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)の出力が得られたとするほか、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確かめられたという。

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おらず、今回の湿度変動電池は高い電流供給能力を有しているといえると研究チームでは説明している。これは、湿度変動電池が溶液からなる素子であり、従来の素子に比べて内部抵抗が低いことに起因していると考えられるとしている。

また今回、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が作製され、湿度変動電池によって駆動テストが行われた。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、溜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。