TWI853523B - 濕度變動電池用整流元件及整流方法 - Google Patents

Abstract

本發明的課題在於提供一種用於利用濕度變動的濕度變動電池的高效率的整流元件及整流方法。本發明的解決手段之用於利用濕度變動的濕度變動電池的整流元件係包含藉由電路接點的開閉動作而使極性反轉的繼電部，且藉由濕度變動而賦予開閉動作的驅動力。本發明的解決手段之濕度變動電池用整流方法係於包含藉由電路接點的開閉動作而使極性反轉的繼電部的濕度變動電池用整流元件中，藉由濕度的變動而賦予開閉動作的驅動力。

Description

濕度變動電池用整流元件及整流方法

本發明係關於一種用於利用濕度變動的濕度變動電池的整流元件及整流方法。

濕度變動電池係主要利用大氣中的濕度的變動來進行發電的電池，其係由對於大氣開放的開放槽與密閉的閉鎖槽、將上述兩槽隔開的離子交換槽、以及電極所構成。並且，於開放槽與閉鎖槽置入含有潮解性材料的水系電解液，使開放槽內的電解液濃度隨著空氣中的濕度而改變，藉由開放槽、閉鎖槽之間產生的濃度差來產生電力(非專利文獻1)。

雖有新提案的濕度變動電池，然而至今為止，多數的提案係以感測器來檢測濕度的變化。

例如，專利文獻1中揭示了於杜邦公司(DuPont de Nemours，Inc.)製造的商品名稱Naflon N-110的氟樹脂離子交換膜的兩側具有夾著該膜的電極的濕敏結露元件。此元件中，隨著大氣中的相對濕度的上升，電極間測量到的電阻值單調地減少，100%濕度下的電阻值至結露時的電阻值之間的變化急劇且變化大，因而可有效地以開關方式的元件功能來動作。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本特開昭56-14147號公報

[非專利文獻]

非專利文獻1："Energy harvesting by ambient humidity variation with continuous milliampere current output and energy storage", Y. Komazaki et al., Sustain. Energy Fuels, 2021,5, pp.3570-3577

在此，為了將濕度變動電池作為電源來使用，必須將最大為150mV左右的低輸出電壓升壓。另一方面，由於會因濕度的高低造成正負的極性的反轉，所以在輸入到升壓電路之前必須整流，然而，即使順向亦有數百mV左右壓降的二極體等被動半導體元件無法利用於輸出電壓低的濕度變動電池。此外，雖亦有可接受雙極輸入的升壓電路，然而，此種升壓電路相較於單極輸入的升壓電路效率低，故不適用。

本發明係有鑒於如上所述的狀況而完成者，其目的在於提供一種用於利用濕度變動的濕度變動電池的高效率的整流元件及整流方法。

本發明的整流元件係用於利用濕度變動的濕度變動電池，其包含藉由電路接點的開閉動作而使極性反轉的繼電部，且該濕度變動電池用整流元件藉由濕度變動而賦予前述開閉動作的驅動力。

再者，本發明的整流方法係於包含藉由電路接點的開閉動作而使極性反轉的繼電部的濕度變動電池用整流元件中，藉由濕度變動而賦予前述開閉動作的驅動力。

如上所述，即使是輸出電壓低的濕度變動電池亦可建構整流電路，且不須要特別的驅動源亦可獲得高效率的整流動作。

1:整流元件

2:基板

2’:輔助基板

3,3’,3”:繼電部

11a,11b:開關安裝基板

12a:磁簧開關(右側)

12b:磁簧開關(左側)

13:變形構件

13a:板體

13b:濕敏材料

14:永久磁鐵

15,15’:固定台

16a,16b:限制構件

19:電路

20:濕度變動電池

21a:第一電極

21b:第二電極

22a:正電極

22b:負電極

31:桿

32:轉動軸

33:變形構件

34:拉伸彈簧

35:變形構件

35a:板體

35b:濕敏材料

41:微動開關

41a:致動部

51,52,53:整流元件

圖1係依據本發明一實施例的整流元件的立體圖。

圖2係同整流元件的俯視圖(a)及A一A剖面圖(b)。

圖3係同整流元件的電路圖。

圖4係顯示同整流元件的動作的俯視影像。

圖5係連接於濕度變動電池時的賦予濕度變化的圖表(a)及整流前後的電壓的圖表(b)。

圖6係顯示同整流元件的繼電部的構成的變更例的剖面圖。

圖7係另一實施例的整流元件的俯視圖。

圖8係又一實施例的整流元件的俯視圖。

圖9係再一實施例的整流元件的俯視圖。

以下使用圖1至圖6來說明本發明一實施例的濕度變動電池用整流元件及使用該整流元件的整流方法。

[實施例1]

如圖1所示，整流元件1係包含基板2及建構在其上的繼電部3。繼電部3係如後所述，具有藉由電路接點的開閉動作而使極性反轉的切換功能(Switching)。

繼電部3係包含：對於基板2分別立設於左右側的兩片開關安裝基板11a及11b、分別於雙方各安裝兩個的右側的磁簧開關12a及左側的磁簧開關12b、隨著濕度變動而改變形狀的變形構件13、以及安裝於變形構件13的永久磁鐵14。右側的磁簧開關12a及左側的磁簧開關12b係具有機械性地開閉的電路接點，藉由永久磁鐵14增強電路接點附近的磁場而使電路接點關閉，藉由使永久磁鐵14離開來減弱磁場而使電路接點開放。亦即，藉由磁場的變化而可進行電路的切換。

一併參照圖2，就變形構件13而言，例如可使用包含板體13a及濕敏材料13b的帶狀體，該板體13a係由樹脂構成，該濕敏材料13b係藉由塗布而固定於該板體13a的一方的主表面。濕敏材料係隨著濕度變動而改變形狀的材料，濕度高時會膨脹而濕度低時會收縮。就此種濕敏材料而言，例如可使用矽膠及氯化鋰的混合物。就板體13a而言，例如可使用PET等不會因濕度而變形的材料。

變形構件13係以其長邊方向的基端側對於固定台15固定成為其主表面的法線朝向水平方向。由於板狀體的主表面的法線朝向水平方 向，故可容易地在水平面內彎曲變形而不致發生上下方向的彎曲變形。藉此，變形構件13係構成為從基端側的端部至前端側的端部為止維持相對於基板2的高度且大致水平地延伸的懸臂部。再者，變形構件13係在其前端側的端部附近安裝永久磁鐵14，且配置成插入於兩片的開關安裝基板11a及11b之間。就永久磁鐵14而言，例如使用釹磁鐵時，由於可使磁場大幅變動而較佳。

變形構件13係從紙面下側的固定台15朝向紙面上側延伸並且朝左彎曲。再者，濕敏材料13b係對於板體13a固定於彎曲的內側，藉此，變形構件13係藉由在濕度較高時吸收水分而膨脹的濕敏材料13b以及維持原尺寸的板體13a使彎曲拉伸變形，而可使前端側的端部的永久磁鐵14往右側移動。並且，變形構件13係藉由在濕度較低時釋出水分而收縮的濕敏材料13b以及維持原尺寸的板體13a使彎曲部分更彎曲變形，而可使前端側的端部的永久磁鐵14往左側移動。特別是，變形構件13由於構成為此種將濕度變化所致的變形量不同的材料貼合而成的帶狀體，故可放大變形量而可增大前端側的永久磁鐵14的移動量。

特別是，如同圖2的(b)所示，紙面右側的開關安裝基板11a安裝有兩個磁簧開關12a，且紙面左側的開關安裝基板11b安裝有兩個磁簧開關12b。因此，濕度較高時，可使永久磁鐵14往右側移動而使右側的兩個磁簧開關12a雙方皆成為ON(導通)，而使左側的兩個磁簧開關12b雙方皆成為OFF(關斷)。相對於此，濕度較低時，可使永久磁鐵14往左側移動而使左側的兩個磁簧開關12b雙方皆成為ON，而使右側的兩個磁簧開關12a雙方皆成為OFF。

在此，右側的磁簧開關12a及左側的磁簧開關12b的中央側分別具有限制構件16a及16b。限制構件16a及16b係由樹脂等非磁性體構成的板狀體，且配置成將永久磁鐵14與磁簧開關12a及磁簧開關12b之間分別區隔。並且，限制構件16a及16b係將變形構件13的變形量限制於預定量以下，防止永久磁鐵14過度接近磁簧開關，而作為限制永久磁鐵14的移動範圍的移動限制部來發揮功能。例如，就限制構件16a及16b而言，使用厚度1mm的壓克力板且配置成使其主表面接於各磁簧開關時，永久磁鐵14相對於磁簧開關的距離將成為1mm以上。

藉此，可防止永久磁鐵14吸附於磁簧開關12a或12b而無法移動的事態。在此，就限制構件而言，不限於如上所述地直接限制永久磁鐵14的移動範圍者，例如亦可相較於變形構件13的前端側的端部配置於偏靠基端側而限定變形構件13的變形量。在此，將永久磁鐵14配設於右側的磁簧開關12a與左側的磁簧開關12b之間亦有助於以左右的吸引力相互抵消而防止吸附於一方。

如圖3所示，整流元件1的繼電部3係具有由配線構成的電路19。電路19係具有輸入側的第一電極21a與第二電極21b以及輸出側的正電極22a與負電極22b。在此，右側的磁簧開關12a之中的一者與輸入側的第一電極21a及輸出側的正電極22a相連，右側的磁簧開關12a之中的另一者與輸入側的第二電極21b及輸出側的負電極22b相連。再者，左側的磁簧開關12b之中的一者與輸入側的第一電極21a及輸出側的負電極22b相連，左側的磁簧開關12b之中的另一者與輸入側的第二電極21b及輸出側的正電極22a相連。因此，右側的兩個磁簧開關12a成為ON時， 會使輸入側的第一電極21a與輸出側的正電極22a連接，且使輸入側的第二電極21b與輸出側的負電極22b連接。相對於此，左側的兩個磁簧開關12b成為ON時，會使輸入側的第一電極21a與輸出側的負電極22b連接，且使輸入側的第二電極21b與輸出側的正電極22a連接。亦即，藉由使右側與左側成為ON的磁簧開關的切換，可相對於輸出側的電極替換輸入側的電極的極性。如此，繼電部3可藉由機械性地開閉的磁簧開關所致的電路接點的開閉動作，對於輸出側使輸入側的極性反轉。

並且，整流元件1係連接於濕度變動電池20來使用。濕度變動電池20係利用濕度變動而發電的電池，例如可使用非專利文獻1所揭示者。

濕度變動電池20在濕度高時與濕度低時的各別的情形下，產生互為反向的電動勢。對此，將濕度變動電池20的高濕度時成為正極(低濕度時成為負極)之側的電極連接於整流元件1的輸入側的第一電極21a，而將濕度變動電池20的高濕度時成為負極(低濕度時成為正極)之側的電極連接於整流元件1的輸入側的第二電極21b。

接著說明整流元件1之伴隨濕度變化的動作且一併說明使用整流元件1的整流方法。

首先，從低濕度變化成高濕度時，整流元件1中，連接於濕度變動電池20的輸入側的第一電極21a接受正的電動勢，而第二電極21b接受負的電動勢。並且，高濕度時，如上所述，變形構件13係以使彎曲拉伸的方式變形而使前端部的永久磁鐵14往右側移動。如此，藉由永久磁鐵14使右側的兩個磁簧開關12a皆成為ON，而使左側的兩個磁簧開關12b 皆成為OFF。結果，使輸入側的第一電極21a連接於輸出側的正電極22a，且使輸入側的第二電極21b連接於輸出側的負電極22b。藉此，濕度變動電池20與整流元件1連接成為濕度變動電池20輸出的電動勢的正極側對應於輸出側的正電極22a，而電動勢的負極側對應於輸出側的負電極22b。

另一方面，從高濕變化成低濕度時，整流元件1中，連接於濕度變動電池20的輸入側的第一電極21a接受負的電動勢，而第二電極21b接受正的電動勢。並且，低濕度時，如上所述，變形構件13係以使彎曲部分更彎曲的方式變形而使前端部的永久磁鐵14往左側移動。如此，藉由永久磁鐵14使右側的兩個磁簧開關12a皆成為OFF，而使左側的兩個磁簧開關12b皆成為ON。結果，使輸入側的第一電極21a連接於輸出側的負電極22b，且使輸入側的第二電極21b連接於輸出側的正電極22a。藉此，濕度變動電池20與整流元件1連接成為濕度變動電池20輸出的電動勢的正極側對應於輸出側的正電極22a，而電動勢的負極側對應於輸出側的負電極22b。

如此，整流元件1可藉由伴隨著濕度的變化而從變形構件13獲得的驅動力使由磁簧開關12a及12b的電路接點機械性地開閉，而藉由該開關動作使繼電部3的極性反轉。藉此，可切換極性而整流成為不論是高濕度還是低濕度時，濕度變動電池20輸出的電動勢的正極側及負極側皆可分別連接於相同的輸出側電極。

一般而言，濕度變動電池的輸出電壓低，無法利用二極體等被動半導體元件作為濕度變動電池用的整流元件。相對於此，依據本實施例的整流元件1，由於利用由濕度變動獲得的驅動力並利用機械性地開閉 的電路接點，故不須要特別的驅動源即可獲得作為濕度變動電池用的整流元件的整流動作。

如圖4所示，依據實際製作的整流元件1，可觀察到永久磁鐵14在濕度為30%時往左側移動(同圖(a))；在濕度為60%時往中央移動(同圖(b))；在濕度為75%時往右側移動(同圖(c))的情形。並且，永久磁鐵14往左側移動時，左側的兩個磁簧開關12b成為ON(同圖(a)，左側電路導通)；往中央移動時，磁簧開關12a及12b皆成為OFF(同圖(b)，兩側電路非導通)；往右側移動時，右側的兩個磁簧開關12a成為ON(同圖(c)，右側電路導通)。在此，如同圖(b)所示，藉由預設可使兩側的磁簧開關皆成為OFF的狀態，可防止左右切換之際左右兩側皆成為ON而無法整流的事態。

如圖5所示，將此整流元件1連接於濕度變動電池20，且對兩者賦予相同濕度變動。例如將兩者置入恆溫恆濕槽中，每隔四小時反覆地交替設定為濕度40%及濕度80%(參照同圖(a))時，整流元件1的輸入側的電壓(濕度變動電池20的輸出電壓，「整流前」所示線段)對應於每隔四小時的正負反轉，整流元件1的輸出側的電壓(「整流後」所示線段)恆常為正電壓(≧0)(參照同圖(b))，藉此可確認可將來自濕度變動電池20的輸出整流。

在此，如圖6所示，亦可變更上述繼電部3的構成。例如，設置與基板2平行的輔助基板2’且組合成藉由限制構件16a及16b保持彼此的間隔，而於輔助基板2’與基板2雙方分別安裝磁簧開關12a及12b之其中一方。結果，如此獲得的繼電部3’係與上述繼電部3為同樣的配置而可獲得同樣的整流元件。

接著，使用圖7至圖9來說明本發明的其他實施例的整流元件。

[實施例2]

如圖7所示，整流元件51係使用一端被軸支而於另一端側安裝永久磁鐵14之可轉動的桿31來使永久磁鐵14移動。在此，桿31不會變形而可繞轉動軸32的周圍轉動，然而，若配置為於水平面內轉動，則永久磁鐵14的移動不易受到重力的影響而較佳。於桿31之距其轉動軸32預定距離的位置，安裝略具繩狀或略具帶狀的變形構件33與拉伸彈簧34。變形構件33及拉伸彈簧34的端部係於基板2上固定成為變形構件33會將桿31往左拉引，拉伸彈簧34會將桿31往右拉引，而彼此的拉引平衡。就變形構件33而言，與上述同樣地，可使用高濕度時膨脹而低濕度時收縮的濕敏材料，例如尼龍膜。藉此，高濕度時變形構件33伸展而使桿31順時針方向轉動，使永久磁鐵14往右移動。相對於此，低濕度時變形構件33收縮而使桿31反時針方向轉動，使永久磁鐵14往左移動。亦即，將變形構件33及拉伸彈簧34作為桿31的驅動源來使用。除此之外係與上述整流元件1相同。

依據上述整流元件51亦同樣地可獲得濕度變動電池的整流動作。在此，依據變形構件33的安裝位置，可調整永久磁鐵14的移動量相對於變形構件33的變形量的放大率。亦即，將距轉動軸32的預定距離縮短時，放大率變大，而將預定距離增長時，放大率變小。

[實施例3]

如圖8所示，整流元件52係不使用永久磁鐵而藉由雙極雙擲(雙電路 雙接點)的微動開關41來獲得與繼電部3同樣的功能。桿31及其驅動源係與上述者相同，但未具有永久磁鐵。並且，將微動開關41的致動部41a配設於桿31的靠前端的右側，高濕度時使桿31的前端往右側移動時進行按壓。致動部41a係例如為銷鍵，在受到按壓時與未受按壓時，進行電路接點的切換。依據此種整流元件52亦與上述同樣地可獲得濕度變動電池的整流動作。

[實施例4]

如圖9所示，整流元件53與上述整流元件1係驅動永久磁鐵14的方法有所不同。整流元件53係具備兩端支持構造的變形構件35來取代懸臂型的變形構件。變形構件35係兩端固定在紙面的上下所配置的固定台15’的帶狀體，且於板體35a的一方的主表面固定濕敏材料35b。板體35a係使兩個主表面分別朝向左右方向而將兩端於固定台15’固定成為使中央產生凹入，並且將濕敏材料35b固定於紙面左側的主表面。

藉此，變形構件35係藉由濕度較高時吸收水分而膨脹的濕敏材料35b以及維持原尺寸的板體35a，產生使濕敏材料35b朝向外側移動的彎曲，亦即產生朝向紙面左側凸出的彎曲。藉此，使永久磁鐵14往左移動而使左側的兩個磁簧開關12b成為ON。相對於此，變形構件35係藉由濕度較低時釋出水分而收縮的濕敏材料35b以及維持原尺寸的板體35a，產生使濕敏材料35b朝向內側移動的彎曲，亦即產生朝向紙面右側凸出的彎曲。藉此，使永久磁鐵14往右移動而使右側的兩個磁簧開關12a成為ON。依據上述整流元件53亦與上述同樣地可獲得濕度變動電池的整流動作。在此，由於整流元件53的高濕度時與低濕度時的永久磁鐵的移動方向 與整流元件1左右相反，故以相反的極性來與濕度變動電池20連接。

[實施例5]

亦可利用依據濕度變化使電阻值大幅變化的元件來取代上述磁簧開關、微動開關。例如，可利用日本特開平11-345551號公報所揭示的切換元件。此切換元件係在梳齒型的電極彼此的間隙具有乾濕層。此乾濕層係於高分子樹脂中分散配置導電性物質以及具有中間空間的吸濕性物質，隨著濕度的變化而使電阻大幅地變化。藉此，可不進行機械性的動作而藉由濕度變動所致的物性變化來進行電路接點的開閉動作，而可賦予與上述繼電部3同樣的切換功能。

以上已說明了本發明的代表性的實施例及變形例，然而本發明不限於上述實施例及變形例，若為所屬技術領域中具有通常知識者，應可在不脫離本發明的要旨或申請專利範圍的情形下，思及各式各樣的代替性的實施例及改變例。

1:整流元件

2:基板

3:繼電部

11a,11b:開關安裝基板

12a:磁簧開關(右側)

12b:磁簧開關(左側)

13:變形構件

14:永久磁鐵

15:固定台

16a,16b:限制構件

Claims (9)

1. 一種濕度變動電池用整流元件，係用於利用濕度變動而在濕度高時與濕度低時的各別的情形下產生互為反向的電動勢的濕度變動電池，該濕度變動電池用整流元件係包含：藉由電路接點的開閉動作而使極性反轉的繼電部、因移動而切換前述開閉動作的永久磁鐵或一端被軸支而可轉動的桿、以及隨著前述濕度變動而改變形狀的變形構件，因前述變形構件的形狀改變使前述永久磁鐵或前述桿的可轉動的前端移動而切換前述開閉動作。
2. 如請求項1所述之濕度變動電池用整流元件，其中，前述電路接點係機械性地開閉。
3. 如請求項2所述之濕度變動電池用整流元件，其中，前述變形構件係由濕敏材料構成，該濕敏材料會因為濕度變動而以膨脹收縮之方式改變形狀。
4. 如請求項3所述之濕度變動電池用整流元件，其具有懸臂部，該懸臂部係放大因濕度的變動所致的前述濕敏材料的變形量。
5. 如請求項4所述之濕度變動電池用整流元件，其具有移動限制部，該移動限制部係將前述變形量限制於預定量以下。
6. 一種濕度變動電池用整流方法，係用於利用濕度變動而在濕度高時與濕度低時的各別的情形下產生互為反向的電動勢的濕度變動電池， 該濕度變動電池用整流方法係於包含：藉由電路接點的開閉動作而使極性反轉的繼電部、因移動而切換前述開閉動作的永久磁鐵或一端被軸支而可轉動的桿、以及隨著前述濕度變動而改變形狀的變形構件的濕度變動電池用整流元件中，因前述變形構件的形狀改變使前述永久磁鐵或前述桿的可轉動的前端移動而切換前述開閉動作。
7. 如請求項6所述之濕度變動電池用整流方法，其中，前述電路接點係機械性地開閉。
8. 如請求項7所述之濕度變動電池用整流方法，其中，前述變形構件係由濕敏材料構成，該濕敏材料會因為濕度變動而以膨脹收縮之方式改變形狀。
9. 如請求項8所述之濕度變動電池用整流方法，其中，該濕度變動電池用整流元件係具有懸臂部，該懸臂部係放大因濕度的變動所致的前述濕敏材料的變形量。

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