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JP7643970B2 - Exterior materials and buildings with exterior materials - Google Patents
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JP7643970B2 - Exterior materials and buildings with exterior materials - Google Patents

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Description

本発明の実施形態の一つは、外装材に関する。例えば、本発明の実施形態の一つは、建築物の外壁や屋根、屋上などに用いることができ、かつ、発電と充電の機能を併せ持つ外装材に関する。 One embodiment of the present invention relates to an exterior material. For example, one embodiment of the present invention relates to an exterior material that can be used on the exterior walls, roofs, and rooftops of buildings and has both power generation and charging functions.

ジオポリマーは、アルカリシリカ溶液とアルミナシリカ粉体との反応によって形成される非晶質の縮重合体であり、セメントを原料とするコンクリートとは異なる優れた特性を示す材料として近年注目を集めている。また、ジオポリマーは全固体電池の電解質としても機能することが知られている(非特許文献1、2参照)。 Geopolymers are amorphous condensation polymers formed by the reaction of an alkaline silica solution with alumina-silica powder, and have been attracting attention in recent years as a material that exhibits excellent properties different from those of concrete, which is made from cement. Geopolymers are also known to function as electrolytes in solid-state batteries (see Non-Patent Documents 1 and 2).

チャオリ,メン、外1名、「セメント-マトリックス複合体の形態の電池(Battery in the form of a cement-matrix composite)」、セメントとコンクリート複合体(Cement & Concrete Composite)、エルセビア(米国)、2010年、第32巻、p.829-839Chaoli, Meng, et al., "Battery in the form of a cement-matrix composite," Cement & Concrete Composite, Elsevier (USA), 2010, Vol. 32, pp. 829-839 M.サーフィ、他5名、「電気エネルギー貯蔵および自己検知構造材料としての固有的多官能性ジオポリマーセメント質複合体(Inherently multifunctional geopolymeric cementitious composite as electrical energy storage and self-sensing structural material)」、複合構造(Composite Structures)、エルセビア(米国)、2018年、第201巻、p.766-778M. Safi, et al., "Inherently multifunctional geopolymeric cementitious composite as electrical energy storage and self-sensing structural material," Composite Structures, Elsevier (USA), 2018, Vol. 201, pp. 766-778

本発明の実施形態の一つは、ジオポリマーを含む外装材を提供することを課題の一つとする。あるいは、本発明の実施形態の一つは、発電機能と蓄電機能を兼ね備える外装材を提供することを課題の一つとする。 One of the embodiments of the present invention aims to provide an exterior material that contains a geopolymer. Alternatively, one of the embodiments of the present invention aims to provide an exterior material that combines power generation and storage functions.

本発明の実施形態の一つは、外装材である。この外装材は、平板形状を有する架台、および架台の主面上に設けられる太陽電池アレイを備える。架台は、正極、正極に対向する負極、および正極と負極を埋め込むジオポリマーを有する。太陽電池アレイは、正極と負極に電気的に接続される。 One embodiment of the present invention is an exterior material. This exterior material includes a platform having a flat plate shape, and a solar cell array provided on the main surface of the platform. The platform has a positive electrode, a negative electrode facing the positive electrode, and a geopolymer in which the positive electrode and the negative electrode are embedded. The solar cell array is electrically connected to the positive electrode and the negative electrode.

本発明の実施形態の一つは、外装材が備えられた建築物である。外装材は、平板形状を有する架台、および架台の主面上に設けられる太陽電池アレイを備える。架台は、正極、正極に対向する負極、および正極と負極を埋め込むジオポリマーを有する。太陽電池アレイは、正極と負極に電気的に接続される。 One embodiment of the present invention is a building equipped with an exterior material. The exterior material includes a platform having a flat plate shape, and a solar cell array provided on the main surface of the platform. The platform has a positive electrode, a negative electrode facing the positive electrode, and a geopolymer in which the positive electrode and the negative electrode are embedded. The solar cell array is electrically connected to the positive electrode and the negative electrode.

本発明の実施形態の一つに係る外装材の模式的斜視図。FIG. 1 is a schematic perspective view of an exterior material according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る外装材の模式的上面図。FIG. 1 is a schematic top view of an exterior material according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る架台の模式的斜視図。FIG. 1 is a schematic perspective view of a stand according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る架台の模式的上面図と端面図。1A and 1B are schematic top and end views of a rack according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る架台の模式的上面図と端面図。1A and 1B are schematic top and end views of a rack according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る架台の模式的上面図と端面図。1A and 1B are schematic top and end views of a rack according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る架台の模式的上面図と端面図。1A and 1B are schematic top and end views of a rack according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る架台の作製方法を説明するフローチャート。4 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a gantry according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る架台の作製方法を示す模式的端面図。1A to 1C are schematic end views illustrating a method of making a pedestal according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る架台の作製方法を示す模式的端面図。1A to 1C are schematic end views illustrating a method of making a pedestal according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の一つに係る建築物の模式的斜視図。1 is a schematic perspective view of a building according to an embodiment of the present invention;

以下、本発明の各実施形態について、図面などを参照しつつ説明する。ただし、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Each embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in various forms without departing from the spirit of the invention, and should not be interpreted as being limited to the description of the embodiments exemplified below.

図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状などについて模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。 In order to clarify the explanation, the drawings may show the width, thickness, shape, etc. of each part in a schematic manner compared to the actual embodiment, but this is merely an example and does not limit the interpretation of the present invention. In this specification and each figure, elements having the same function as those explained in the previous figures may be given the same reference numerals and duplicate explanations may be omitted.

以下、「ある構造体が他の構造体から露出する」という表現は、ある構造体の一部が他の構造体によって覆われていない態様を意味し、この他の構造体によって覆われていない部分は、さらに別の構造体によって覆われる態様も含む。 Hereinafter, the expression "a structure is exposed from another structure" means that a part of a structure is not covered by the other structure, and includes a case where the part not covered by the other structure is covered by yet another structure.

1.外装材の構造
本発明の実施形態の一つに係る外装材100の模式的斜視図を図1に示す。外装材100は建築物に用いることができる建築資材である。外装材100は建築物の屋根、屋上の床、外壁などに限られず、太陽光が照射され得る部分であれば、建築物の任意の部分に取り付けることができる。
1. Structure of the exterior material Fig. 1 shows a schematic perspective view of an exterior material 100 according to one embodiment of the present invention. The exterior material 100 is a building material that can be used in buildings. The exterior material 100 is not limited to the roof, rooftop floor, exterior wall, etc. of a building, and can be attached to any part of a building as long as it is a part that can be irradiated with sunlight.

図1に示すように、外装材100は架台110と太陽電池アレイ102を備える。架台110は太陽電池アレイ102が発電した電気を蓄電する機能を有するとともに、外装材として強度を確保するための部材である。架台110は平板形状を有しており、太陽電池アレイ102は架台110の主面上に設けられる。架台110は、その主面の面積が太陽電池アレイ102の面積と同一、またはそれよりも大きくなるように構成される。これにより、外装材100を建築物に取り付ける際、外装材100を隙間なく配置することができる。外装材100は太陽電池アレイ102が屋外に対して露出するよう、建築物に取り付けられる。外装材100の平面形状に制約はなく、建築物の形状に適合するように適宜設定することができる。例えば、図1に示すように、外装材100の平面形状は長方形や正方形などの四角形でもよく、図2(A)と図2(B)に示すように、台形でも円でもよい。図示しないが、外装材100は三角形や四角形を含む多角形、星形、楕円など、様々な平面形状を有してもよい。なお、架台110の主面とは、架台110の平坦な表面のうち最大面積を有する面であり、建築物に取り付けられたときに建築物の外表面に平行になる面である。外装材100の平面形状とは、この主面に平行な面における形状を指す。 As shown in FIG. 1, the exterior material 100 includes a mount 110 and a solar cell array 102. The mount 110 has a function of storing electricity generated by the solar cell array 102, and is a member for ensuring the strength of the exterior material. The mount 110 has a flat plate shape, and the solar cell array 102 is provided on the main surface of the mount 110. The mount 110 is configured so that the area of its main surface is the same as or larger than the area of the solar cell array 102. This allows the exterior material 100 to be placed without gaps when attached to a building. The exterior material 100 is attached to a building so that the solar cell array 102 is exposed to the outdoors. There are no restrictions on the planar shape of the exterior material 100, and it can be appropriately set to fit the shape of the building. For example, as shown in FIG. 1, the planar shape of the exterior material 100 may be a quadrangle such as a rectangle or a square, or as shown in FIG. 2(A) and FIG. 2(B), it may be a trapezoid or a circle. Although not shown, the exterior material 100 may have various planar shapes, such as polygons including triangles and rectangles, stars, and ellipses. The main surface of the mount 110 is the surface that has the largest area among the flat surfaces of the mount 110, and is the surface that is parallel to the outer surface of the building when it is attached to the building. The planar shape of the exterior material 100 refers to the shape on a plane parallel to this main surface.

1-1.太陽電池アレイ
太陽電池アレイ102は、フレーム104およびフレーム104に固定される複数の太陽電池モジュール106を備える。各太陽電池モジュール106はカバーガラスとバックフィルムを有し、これらの間に複数の太陽電池セルが配置される。太陽電池セルとしては、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、化合物半導体を含む太陽電池などを利用することができる。各太陽電池セルは、太陽光を吸収することで発電して直流電流を出力し、この電流が電力として架台110に蓄電される。
1-1. Solar Cell Array The solar cell array 102 includes a frame 104 and a plurality of solar cell modules 106 fixed to the frame 104. Each solar cell module 106 has a cover glass and a back film, between which a plurality of solar cell cells are arranged. As the solar cell, a single crystal silicon solar cell, a polycrystalline silicon solar cell, an amorphous silicon solar cell, a solar cell including a compound semiconductor, or the like can be used. Each solar cell generates electricity by absorbing sunlight, outputs a direct current, and this current is stored in the frame 110 as electric power.

1-2.架台
図3と図4(A)に架台110の模式的斜視図と上面図をそれぞれ示す。図4(B)と図4(C)は、図4(A)の鎖線A-A´に沿った端面の模式図である。これらの図に示すように、架台110は、互いに対向し、かつ離隔する正極130と負極132を有しており、正極130と負極132は、いずれも少なくとも一部がジオポリマー112に埋め込まれている。ジオポリマー112は、完全にまたは実質的に流動性を示さない電解質として機能するため、架台110は全固体電池として機能する。
1-2. Frame Figures 3 and 4(A) show a schematic perspective view and a top view of the frame 110, respectively. Figures 4(B) and 4(C) are schematic end views along the dashed line A-A' in Figure 4(A). As shown in these figures, the frame 110 has a positive electrode 130 and a negative electrode 132 that face each other and are spaced apart from each other, and both the positive electrode 130 and the negative electrode 132 are at least partially embedded in the geopolymer 112. The geopolymer 112 functions as an electrolyte that does not exhibit any or substantially any fluidity, so that the frame 110 functions as an all-solid-state battery.

架台110の平面形状は、その上に配置される太陽電池アレイ102と同一、または太陽電池アレイと略相似形の形状を有することができる。架台の平面形状の大きさは、太陽電池アレイ102のそれと同一でもよく、太陽電池アレイ102の平面形状よりも大きくてもよい。架台110の厚さは、5mm以上10cm以下、1cm以上、5cm以下、または1cm以上3cm以下の範囲から適宜選択すればよい。 The planar shape of the mount 110 can be the same as that of the solar cell array 102 placed thereon, or can have a shape that is approximately similar to that of the solar cell array. The size of the planar shape of the mount can be the same as that of the solar cell array 102, or can be larger than the planar shape of the solar cell array 102. The thickness of the mount 110 can be appropriately selected from the range of 5 mm to 10 cm, 1 cm to 5 cm, or 1 cm to 3 cm.

ここで、「ジオポリマー」とは、アルカリシリカ溶液とアルミナシリカ粉末との反応によって形成される非晶質の重縮合体である。このため、ジオポリマー112は、酸化ケイ素を含む微粒子、酸化アルミニウムを含む微粒子、および酸化ケイ素と酸化アルミニウムを含む微粒子の少なくとも一つを含む。ジオポリマー112はさらに、酸化鉄や酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ナトリウム、酸化カリウムなどに例示される、アルカリ金属、第2族金属、または遷移金属の酸化物を含む微粒子を含んでもよい。また、ジオポリマー112は、ケイ素-酸素-アルミニウム(Si-O-Al)結合を有し、さらに、ケイ素-酸素-ケイ素(Si-O-Si)結合、ケイ素-酸素-金属-酸素-ケイ素(Si-O-M-O-Si)結合、ケイ素-酸素-金属-酸素-アルミニウム(Si-O-M-O-Al)結合を有してもよい。上述した微粒子は、上記結合によって形成される非晶質無機質によって固定される。ここで、Mは金属であり、リチウムやナトリウム、カリウム、セシウムなどのアルカリ金属、マグネシウムやカルシウムなどの第2族金属、コバルトや銅、鉄などの遷移金属などから選択される。 Here, the term "geopolymer" refers to an amorphous polycondensate formed by the reaction of an alkali silica solution with an alumina silica powder. Therefore, the geopolymer 112 includes at least one of fine particles containing silicon oxide, fine particles containing aluminum oxide, and fine particles containing silicon oxide and aluminum oxide. The geopolymer 112 may further include fine particles containing an oxide of an alkali metal, a group 2 metal, or a transition metal, such as iron oxide, calcium oxide, magnesium oxide, sodium oxide, or potassium oxide. The geopolymer 112 may also have silicon-oxygen-aluminum (Si-O-Al) bonds, silicon-oxygen-silicon (Si-O-Si) bonds, silicon-oxygen-metal-oxygen-silicon (Si-O-M-O-Si) bonds, or silicon-oxygen-metal-oxygen-aluminum (Si-O-M-O-Al) bonds. The fine particles described above are fixed by the amorphous inorganic material formed by the above bonds. Here, M is a metal selected from alkali metals such as lithium, sodium, potassium, and cesium, Group 2 metals such as magnesium and calcium, and transition metals such as cobalt, copper, and iron.

ジオポリマー112はさらに、ジオポリマー112中で金属イオンとして存在する、あるいはイオン化してカチオンを与える材料を添加剤として含むことができる。金属イオンとしては、アルカリ金属または第2族元素のイオンが例示される。カチオンを与える材料は、例えば遷移金属から選択することができる。遷移金属としては、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、または亜鉛などが挙げられる。好ましい遷移金属は、例えば鉄、コバルト、銅であり、所謂銅スラグや鉄鋼スラグを用いることもできる。 Geopolymer 112 may further include, as an additive, a material that exists as a metal ion in geopolymer 112 or that ionizes to give a cation. Examples of metal ions include ions of alkali metals or group 2 elements. The material that gives the cation may be selected, for example, from transition metals. Examples of transition metals include scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, and zinc. Preferred transition metals are, for example, iron, cobalt, and copper, and so-called copper slag and steel slag may also be used.

カチオンを与える材料は炭素材料でもよい。炭素材料は、導電性を有してもよい。ここで、炭素材料とは、実質的にsp2炭素原子によって構成される材料であり、カーボンナノチューブやグラフェン、フラーレンが挙げられる。カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブでも多層カーボンナノチューブでもよい。カーボンナノチューブの直径や長さにも限定はない。また、カーボンナノチューブの一方または両方の端部がキャップされていてもよく、一方、あるいは両方の端部が開いた構造を有していてもよい。あるいは、カーボンナノチューブは、ピーポットなど、他の分子やイオンを内包したカーボンナノチューブでもよく、表面が分子修飾されていてもよい。炭素材料としてグラフェンを用いる場合、独立した単層のグラフェンでもよく、複数のグラフェンが積層したオリゴグラフェン、もしくはグラファイトを用いてもよい。また、基本骨格の一部が酸化された酸化グラフェンを用いてもよい。炭素材料としてフラーレンを用いる場合、C60やC70のみならず、C74、C76、C78などを用いてもよい。また、スカンジウムやランタン、セリウムなどの金属イオンを内包したフラーレンを用いてもよく、あるいは一部の炭素が修飾され、エステル基などの官能基を有するフラーレンを用いてもよい。 The material that gives the cation may be a carbon material. The carbon material may be conductive. Here, the carbon material is a material substantially composed of sp 2 carbon atoms, and examples thereof include carbon nanotubes, graphene, and fullerene. The carbon nanotube may be a single-walled carbon nanotube or a multi-walled carbon nanotube. There is no limitation on the diameter or length of the carbon nanotube. In addition, one or both ends of the carbon nanotube may be capped, or one or both ends may have a structure in which they are open. Alternatively, the carbon nanotube may be a carbon nanotube that contains other molecules or ions, such as peapots, and the surface may be molecular-modified. When graphene is used as the carbon material, it may be an independent single-layer graphene, or it may be an oligographene in which multiple graphenes are stacked, or graphite. In addition, graphene oxide in which a part of the basic skeleton is oxidized may be used. When fullerene is used as the carbon material, not only C 60 and C 70 but also C 74 , C 76 , C 78 , etc. may be used. Further, fullerenes containing metal ions such as scandium, lanthanum, and cerium may be used, or fullerenes in which some of the carbon has been modified and which have functional groups such as ester groups may be used.

あるいは、絶縁性の炭素含有材料として、セルロースやセルロースナノチューブを用いてもよい。 Alternatively, cellulose or cellulose nanotubes can be used as insulating carbon-containing materials.

上述した添加剤をジオポリマー112に添加することにより、電池特性が大幅に改善され、架台110は優れた充放電特性を示す全固体電池として機能する。このため、本発明の実施形態を適用することにより、発電機能と大容量の蓄電機能を兼ね備える外装材を提供することが可能となる。 By adding the above-mentioned additives to the geopolymer 112, the battery characteristics are significantly improved, and the stand 110 functions as an all-solid-state battery that exhibits excellent charge/discharge characteristics. Therefore, by applying the embodiment of the present invention, it is possible to provide an exterior material that combines power generation function and large-capacity power storage function.

正極130と負極132は、それぞれ銅、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、パラジウム、銀、クロム、マンガンなどの金属を含む電極である。正極130と負極132に含まれる金属材料は、互いに異なる。正極130と負極132は、よりイオン化傾向が小さい金属が正極130に含まれるように構成すればよい。 The positive electrode 130 and the negative electrode 132 are electrodes that each contain a metal such as copper, nickel, aluminum, zinc, palladium, silver, chromium, or manganese. The metal materials contained in the positive electrode 130 and the negative electrode 132 are different from each other. The positive electrode 130 and the negative electrode 132 may be configured so that the metal with the smaller ionization tendency is contained in the positive electrode 130.

図3や図4(A)に示すように、正極130と負極132には、それぞれ入力端子114-1と114-2が接続され、入力端子114-1と114-2は、いずれも少なくとも一部がジオポリマー112から露出する。太陽電池アレイ102は、入力端子114-1と114-2を介して正極130と132に電気的に接続される。 As shown in Figures 3 and 4(A), input terminals 114-1 and 114-2 are connected to the positive electrode 130 and the negative electrode 132, respectively, and at least a portion of each of the input terminals 114-1 and 114-2 is exposed from the geopolymer 112. The solar cell array 102 is electrically connected to the positive electrodes 130 and 132 via the input terminals 114-1 and 114-2.

正極130と負極132には、さらに、それぞれ出力端子116-1と116-2が接続され、出力端子116-1と116-2は、いずれも少なくとも一部がジオポリマー112から露出する。出力端子116-1と116-2は、架台110に蓄積された電気を出力するための端子であり、様々な負荷を接続するための配線(図示しない)が接続されるように構成される。 The positive electrode 130 and the negative electrode 132 are further connected to output terminals 116-1 and 116-2, respectively, and at least a portion of each of the output terminals 116-1 and 116-2 is exposed from the geopolymer 112. The output terminals 116-1 and 116-2 are terminals for outputting electricity stored in the frame 110, and are configured to be connected to wiring (not shown) for connecting various loads.

なお、入力端子114-1と出力端子116-1のいずれか一方のみを設け、太陽電池アレイ102からの入力と負荷に対する出力を行ってもよい。同様に、入力端子114-2と出力端子116-2のいずれか一方のみを設け、太陽電池アレイ102からの入力と負荷に対する出力を行ってもよい。また、入力端子114と出力端子116をジオポリマー112に設けられる開口内に配置し、太陽電池アレイ102からの入力と負荷に対する出力に用いられる配線をこの開口内に挿入することで電気的接続を行ってもよい。 It is also possible to provide only one of the input terminal 114-1 and the output terminal 116-1, and to provide input from the solar cell array 102 and output to the load. Similarly, it is also possible to provide only one of the input terminal 114-2 and the output terminal 116-2, and to provide input from the solar cell array 102 and output to the load. Furthermore, the input terminal 114 and the output terminal 116 may be placed in an opening provided in the geopolymer 112, and electrical connection may be made by inserting wiring used for input from the solar cell array 102 and output to the load into this opening.

正極130と負極132の形状や大きさも任意に選択することができ、例えば、正極130と負極132は、図5(A)に示すように板状(フィルム状)でもよく、あるいは、棒状、ワイヤー状の形状を有してもよい。板状の場合、正極130と負極132の少なくとも一方は、メッシュ状の形態を有してもよい(図5(B))。あるいは図5(C)に示すように、正極130と負極132は襞状の形状を有してもよい。すなわち、正極130と負極132のそれぞれの架台110の上面に垂直な端面の形状は、ジグザグ形状または波形状であってもよい。このような形状・配置を採用することで、ジオポリマー112の上面の単位面積当たりの正極130と負極132のジオポリマー112との接触面積が増大するため、架台110のエネルギー密度を増大させることができる。 The shape and size of the positive electrode 130 and the negative electrode 132 can be selected arbitrarily. For example, the positive electrode 130 and the negative electrode 132 may be plate-shaped (film-shaped) as shown in FIG. 5(A), or may have a rod-shaped or wire-shaped shape. In the case of a plate-shaped electrode, at least one of the positive electrode 130 and the negative electrode 132 may have a mesh-shaped form (FIG. 5(B)). Alternatively, as shown in FIG. 5(C), the positive electrode 130 and the negative electrode 132 may have a pleated shape. That is, the shape of the end surface perpendicular to the upper surface of the base 110 of each of the positive electrode 130 and the negative electrode 132 may be zigzag or wavy. By adopting such a shape and arrangement, the contact area of the positive electrode 130 and the negative electrode 132 with the geopolymer 112 per unit area of the upper surface of the geopolymer 112 is increased, so that the energy density of the base 110 can be increased.

さらに、架台110は、正極130と負極132の接触を防止するためのスペーサ134や、正極130または負極132と鉄筋ユニット118との接触を防止するためのスペーサ136などを含んでもよい。スペーサ134、136は、樹脂やゴム、木材などの絶縁材料を含んでもよく、あるいはジオポリマーを含んでもよい。 Furthermore, the stand 110 may include a spacer 134 for preventing contact between the positive electrode 130 and the negative electrode 132, and a spacer 136 for preventing contact between the positive electrode 130 or the negative electrode 132 and the reinforcing bar unit 118. The spacers 134 and 136 may include an insulating material such as resin, rubber, or wood, or may include a geopolymer.

正極130と負極132の間隔も任意に選択することができ、架台110の厚さや接続される負荷に必要とされる電力を考慮し、例えば0.1mm以上9cm以下、1mm以上5cm以下、1mm以上3cm以下または5mm以上3cm以下の範囲から適宜選択すればよい。 The distance between the positive electrode 130 and the negative electrode 132 can also be selected arbitrarily, taking into consideration the thickness of the stand 110 and the power required by the connected load, and may be appropriately selected from the range of, for example, 0.1 mm to 9 cm, 1 mm to 5 cm, 1 mm to 3 cm, or 5 mm to 3 cm.

正極130と負極132の配置も任意に決定すればよい。例えば、図4(A)や図4(B)に示すように、板状の正極130と負極132の主面が架台110の上面と平行または実質的に平行となるように配置することができる。この場合、負極132と太陽電池アレイと102に挟まれるように正極130を配置してもよく(図4(B))、図示しないが、正極130と太陽電池アレイに102と挟まれるように負極132を配置してもよい。 The arrangement of the positive electrode 130 and the negative electrode 132 may be determined arbitrarily. For example, as shown in FIG. 4(A) and FIG. 4(B), the plate-shaped positive electrode 130 and the negative electrode 132 may be arranged so that their main surfaces are parallel or substantially parallel to the upper surface of the stand 110. In this case, the positive electrode 130 may be arranged so as to be sandwiched between the negative electrode 132 and the solar cell array 102 (FIG. 4(B)), and although not shown, the negative electrode 132 may be arranged so as to be sandwiched between the positive electrode 130 and the solar cell array 102.

あるいは、図6(A)とその鎖線B-B´に沿った端面の模式図(図6(B))に示すように、正極130と負極132の主面は架台110の主面から傾いてもよい。ここで、正極130の主面とは、正極130が有する平坦な表面のうち、最も広い面積を有する面を指す。負極132についても同様である。正極130と負極132の主面の各々と架台110の主面がなす角度は、90°でもよく、80°以上90°未満でもよい。この場合、例えば図6(A)に示すように、正極130と負極132の平面形状(架台110の主面と平行な面における形状)は櫛歯状でもよい。櫛歯状の正極130と負極132を配置した場合には、正極130の一部が負極132の一部に挟まれ、負極132の一部も正極130の一部に挟まれる。図示しないが、正極130と負極132は、ジオポリマー112内で折りたたまれた構造を有してもよく、渦巻形状を有してもよい。さらに、架台110は複数対の正極130と負極132を備えてもよい。例えば図7(A)とその鎖線C-C´に沿った端面の模式図(図7(B))に示すように、複数対の正極130と負極132を互いに平行に配置してもよい。このような配置を採用することで、架台110の単位体積当たりの正極130と負極132の体積が増大するため、架台110のエネルギー密度をさらに増大させることができる。 Alternatively, as shown in FIG. 6(A) and a schematic diagram of the end surface along the dashed line B-B' (FIG. 6(B)), the main surfaces of the positive electrode 130 and the negative electrode 132 may be inclined from the main surface of the base 110. Here, the main surface of the positive electrode 130 refers to the surface having the widest area among the flat surfaces of the positive electrode 130. The same applies to the negative electrode 132. The angle between each of the main surfaces of the positive electrode 130 and the negative electrode 132 and the main surface of the base 110 may be 90°, or may be 80° or more and less than 90°. In this case, for example, as shown in FIG. 6(A), the planar shape of the positive electrode 130 and the negative electrode 132 (shape in a plane parallel to the main surface of the base 110) may be comb-shaped. When the comb-shaped positive electrode 130 and negative electrode 132 are arranged, a part of the positive electrode 130 is sandwiched between a part of the negative electrode 132, and a part of the negative electrode 132 is also sandwiched between a part of the positive electrode 130. Although not shown, the positive electrode 130 and the negative electrode 132 may have a folded structure in the geopolymer 112, or may have a spiral shape. Furthermore, the base 110 may have multiple pairs of positive electrodes 130 and negative electrodes 132. For example, as shown in FIG. 7(A) and the schematic diagram of the end surface along the chain line C-C' (FIG. 7(B)), multiple pairs of positive electrodes 130 and negative electrodes 132 may be arranged parallel to each other. By adopting such an arrangement, the volume of the positive electrode 130 and the negative electrode 132 per unit volume of the base 110 increases, so that the energy density of the base 110 can be further increased.

架台110にはさらに、外装材100の強度を増大させるために、鉄筋ユニット118を含むことができる。鉄筋ユニット118は複数の鉄筋により構成され、その構造や配置に制約はない。例えば、図4(A)から図4(C)に示すように、鉄筋ユニット118は、互いに平行に延伸する複数の主筋120、互いに平行に延伸し、主筋120と交差する複数の吊材122などによって構成することができる。図4(B)に示すように、鉄筋ユニット118は正極130と負極132の上(太陽電池アレイ102側)に配置してもよく、図示しないが、正極130と負極132の下に配置してもよい。あるいは、図4(C)に示すように、正極130と負極132の間に鉄筋ユニット118を配置してもよい。 The frame 110 may further include a reinforcing bar unit 118 to increase the strength of the exterior material 100. The reinforcing bar unit 118 is composed of multiple reinforcing bars, and there are no restrictions on its structure or arrangement. For example, as shown in Figures 4(A) to 4(C), the reinforcing bar unit 118 may be composed of multiple main bars 120 extending parallel to each other, multiple hanging members 122 extending parallel to each other and intersecting with the main bars 120, etc. As shown in Figure 4(B), the reinforcing bar unit 118 may be arranged above the positive electrode 130 and the negative electrode 132 (on the solar cell array 102 side), or, although not shown, may be arranged below the positive electrode 130 and the negative electrode 132. Alternatively, as shown in Figure 4(C), the reinforcing bar unit 118 may be arranged between the positive electrode 130 and the negative electrode 132.

2.外装材の作製方法
外装材100の作製方法の一例を図8のフローチャートを用いて説明する。
2. Method for Producing the Exterior Material An example of a method for producing the exterior material 100 will be described with reference to the flow chart of FIG.

まず、ジオポリマー112の原料となる、アルカリ溶液、フィラーを混合し、流動性を有する混合物(以下、前駆体)を調製する。添加剤を用いる場合には、さらに添加剤を加えて前駆体を調製すればよい。混合時の温度は、例えば室温(20℃から25℃)でもよいが、制約はない。例えば、混合時の温度は、-20℃以上40℃以下、0℃以上35℃以下、または15℃以上30℃以下の範囲から任意に選択すればよい。混合時には、ジオポリマー112に要求される強度を考慮し、適宜水を加えてもよい。 First, the raw materials for geopolymer 112, an alkaline solution and a filler, are mixed to prepare a mixture with fluidity (hereinafter referred to as a precursor). When an additive is used, the additive is further added to prepare the precursor. The temperature during mixing may be, for example, room temperature (20°C to 25°C), but there are no restrictions. For example, the temperature during mixing may be selected from the range of -20°C to 40°C, 0°C to 35°C, or 15°C to 30°C. When mixing, water may be added appropriately, taking into account the strength required for geopolymer 112.

アルカリ溶液としては、ケイ酸アルカリ溶液やアルカリ金属の水酸化物水溶液が例示される。ケイ酸アルカリ溶液としては、所謂水ガラスが例示される。したがって、ケイ酸アルカリ溶液は、具体的には、ナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属のケイ酸塩水溶液が挙げられる。アルカリ金属の水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが挙げられる。アルカリ金属の水酸化物水溶液の濃度は、例えば5質量%以上30質量%以下、または10質量%以上20質量%以下の範囲から選択すればよい。 Examples of the alkaline solution include an alkaline silicate solution and an aqueous solution of an alkali metal hydroxide. An example of the alkaline silicate solution is so-called water glass. Therefore, the alkaline silicate solution is specifically an aqueous solution of an alkali metal silicate such as sodium or potassium. Examples of the alkali metal hydroxide include lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide. The concentration of the aqueous solution of the alkali metal hydroxide may be selected from the range of, for example, 5% by mass or more and 30% by mass or less, or 10% by mass or more and 20% by mass or less.

フィラーとしては、酸化アルミニウムと酸化ケイ素を含む任意の材料を用いることができる。典型的な例としては、フライアッシュ、製鉄スラグまたは鉄鋼スラグとも呼ばれるスラグ、下水汚泥、シリカヒューム、もみ殻灰、一般焼却灰、メタカオリン、粘度などが挙げられる。フライアッシュは石炭灰とも呼ばれ、石炭火力発電所において石炭を燃焼させた際の残渣である。スラグとは、鉄鉱石などの鉱石から金属を精錬する際、鉱石に含まれる酸化ケイ素や酸化アルミニウムとコークス中の灰分が溶融して生成する残渣である。シリカヒュームとは、金属シリコンや電融ジルコニアなどを製造する際に発生するダストを集塵する際に得られる粉塵であり、高純度の酸化ケイ素を含む。一般焼却灰とは、ごみ焼却炉においてゴミを燃焼させた際の残渣である。メタカオリンとは、粘土鉱物であるカオリナイトを700℃前後で加熱して非晶質化することで得られる材料である。 Any material containing aluminum oxide and silicon oxide can be used as the filler. Typical examples include fly ash, slag also called iron and steel slag, sewage sludge, silica fume, rice husk ash, general incineration ash, metakaolin, clay, etc. Fly ash, also called coal ash, is the residue left over from burning coal at a coal-fired power plant. Slag is the residue left over from melting silicon oxide or aluminum oxide contained in ore and ash in coke when refining metals from ore such as iron ore. Silica fume is dust obtained when collecting dust generated during the manufacture of metal silicon, electrofused zirconia, etc., and contains high-purity silicon oxide. General incineration ash is the residue left over from burning garbage in a garbage incinerator. Metakaolin is a material obtained by heating kaolinite, a clay mineral, at around 700°C to make it amorphous.

アルカリ溶液とフィラーの組成も適宜決定すればよいが、アルカリ溶液とフィラーの総量に対してアルカリ溶液が20質量%以上50質量%以下、または30質量%以上50質量%以下とすればよい。一方、前駆体の全量に対してフィラーが50質量%以上80質量%以下、または50質量%以上70質量%以下とすればよい。添加剤を用いる場合、その添加量は、例えば0.001重量%以上10重量%以下、0.01質量%以上10質量%以下、または0.1質量%以上10質量%以下とすればよい。 The composition of the alkaline solution and filler may be appropriately determined, but the amount of the alkaline solution may be 20% by mass or more and 50% by mass or less, or 30% by mass or more and 50% by mass or less, based on the total amount of the alkaline solution and the filler. On the other hand, the amount of the filler may be 50% by mass or more and 80% by mass or less, or 50% by mass or more and 70% by mass or less, based on the total amount of the precursor. When an additive is used, the amount of the additive may be, for example, 0.001% by weight or more and 10% by weight or less, 0.01% by weight or more and 10% by mass or less, or 0.1% by weight or more and 10% by mass or less.

前駆体を形成する際、モルタルやコンクリートに用いられる砂や砂利、砕石などの骨材(細骨材、粗骨材)を別途添加してもよい。 When forming the precursor, aggregates (fine aggregate, coarse aggregate) such as sand, gravel, crushed stone, etc. used in mortar and concrete may be added separately.

得られた前駆体の一部は、流動性を有した状態で所望の形状を有する型枠内に注がれる。具体的には、図4(A)の端面図に相当する図9に示すように、前駆体142の一部を型枠140に打設し、前駆体142が硬化する前に正極130(または負極132)を配置し、さらに前駆体142を加える。引き続き、前駆体142が硬化する前に負極132(または正極130)を配置し、さらに前駆体142を加える。その後、鉄筋ユニット118を正極130と負極132上に配置し、さらに前駆体142を加えて硬化すればよい。必要に応じ、スペーサ134、136を配置してもよい(図5(C)参照。)。型枠140に用いられる材料は任意に選択でき、例えば鉄やステンレス、アルミニウムなどの金属材料、木材、樹脂材料、ガラスでもよい。 A part of the obtained precursor is poured into a form having a desired shape in a fluid state. Specifically, as shown in FIG. 9, which corresponds to the end view of FIG. 4(A), a part of the precursor 142 is cast into the form 140, and the positive electrode 130 (or the negative electrode 132) is placed before the precursor 142 hardens, and the precursor 142 is added. Next, the negative electrode 132 (or the positive electrode 130) is placed before the precursor 142 hardens, and the precursor 142 is added. After that, the reinforcing bar unit 118 is placed on the positive electrode 130 and the negative electrode 132, and the precursor 142 is added and hardened. Spacers 134 and 136 may be placed as necessary (see FIG. 5(C)). The material used for the form 140 can be selected arbitrarily, and may be, for example, a metal material such as iron, stainless steel, or aluminum, wood, a resin material, or glass.

あるいは、図6(B)に相当する図10に示すように、正極130、負極132、鉄筋ユニット118を予め型枠140に配置する。この時、絶縁性のピラー144、146などを用いて正極130、負極132、鉄筋ユニット118が互いに接触しないように正極130、負極132、鉄筋ユニット118が配置される。その後、前駆体142を型枠140内に打設、硬化することで、架台110が得られる。なお、この方法では、ピラー144、146が外装材100の架台110に含まれることになる。この後、型枠140が除去される。 Alternatively, as shown in FIG. 10, which corresponds to FIG. 6(B), the positive electrode 130, the negative electrode 132, and the reinforcing bar unit 118 are placed in advance in a formwork 140. At this time, the positive electrode 130, the negative electrode 132, and the reinforcing bar unit 118 are placed using insulating pillars 144, 146, etc., so that the positive electrode 130, the negative electrode 132, and the reinforcing bar unit 118 do not come into contact with each other. Then, the precursor 142 is cast into the formwork 140 and hardened to obtain the frame 110. Note that in this method, the pillars 144, 146 are included in the frame 110 of the exterior material 100. After this, the formwork 140 is removed.

なお、入力端子114と出力端子116が予め正極130と負極132に接続した状態で正極130と負極132を型枠140に配置してもよく、あるいは前駆体142が完全に硬化する前に正極130と負極132に達する開口を設け、入力端子114と出力端子116を正極130と負極132に接続してもよい。 The positive electrode 130 and the negative electrode 132 may be placed in the formwork 140 with the input terminal 114 and the output terminal 116 already connected to the positive electrode 130 and the negative electrode 132, or openings reaching the positive electrode 130 and the negative electrode 132 may be provided before the precursor 142 is completely cured, and the input terminal 114 and the output terminal 116 may be connected to the positive electrode 130 and the negative electrode 132.

架台110の形成後、入力端子114と出力端子116に太陽電池アレイ102を接続することで、外装材100が得られる。 After the frame 110 is formed, the solar cell array 102 is connected to the input terminal 114 and the output terminal 116 to obtain the exterior material 100.

上述したように、この方法では、フィラーとしてフライアッシュ、製鉄スラグまたは鉄鋼スラグとも呼ばれるスラグ、下水汚泥、シリカヒューム、もみ殻灰、一般焼却灰、メタカオリン、粘度などを用いることができる。これらのフィラーは、所謂産業廃棄物の一種であるため、本発明の実施形態に係る外装材100の作製方法は、産業廃棄物を有効に活用する一つのツールとしても位置付けることができる。 As described above, in this method, fly ash, slag also known as iron and steel slag, sewage sludge, silica fume, rice husk ash, general incineration ash, metakaolin, clay, and the like can be used as fillers. Since these fillers are types of so-called industrial waste, the method for producing the exterior material 100 according to the embodiment of the present invention can also be positioned as a tool for effectively utilizing industrial waste.

3.建築物
本発明の実施形態の一つである建築物150の一例を図11に模式的に示す。建築物150の形状、デザイン、大きさなどに制約はなく、建築物150の目的や用途に応じて適宜設計すればよい。外装材100は、例えば建築物150の外壁や屋上の床面、屋根など、太陽光が照射される部分に設置すればよい。上述したように、ジオポリマー112は、電池の電解質としての機能を有するため、正極130と負極132がジオポリマー112の内部に埋め込まれた構造を有する架台110は蓄電池として機能する。このため、架台110が太陽電池アレイ102と電気的に接続される外装材100は、建築物の外装としての建築資材として機能するとともに、発電と充電機能を有することができる。このことは、本発明の実施形態の一つを適用することで、太陽電池アレイと蓄電池を新たに設置することなく省エネルギー型の建築物を構築することが可能であり、外装材100が地球環境保全に寄与する建築資材として有効であることを示している。
3. Building An example of a building 150 according to one embodiment of the present invention is shown in FIG. 11. There are no restrictions on the shape, design, size, etc. of the building 150, and the building 150 may be appropriately designed according to the purpose and use of the building 150. The exterior material 100 may be installed in a portion of the building 150 that is irradiated with sunlight, such as the exterior wall, rooftop floor, or roof. As described above, the geopolymer 112 functions as an electrolyte for a battery, so that the frame 110 having a structure in which the positive electrode 130 and the negative electrode 132 are embedded inside the geopolymer 112 functions as a storage battery. Therefore, the exterior material 100 in which the frame 110 is electrically connected to the solar cell array 102 functions as a building material as the exterior of the building, and can have a power generation and charging function. This shows that by applying one of the embodiments of the present invention, it is possible to build an energy-saving building without newly installing a solar cell array and a storage battery, and that the exterior material 100 is effective as a building material that contributes to global environmental conservation.

本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。 The above-described embodiments of the present invention may be combined as appropriate to the extent that they are not mutually inconsistent. Any embodiment in which a person skilled in the art appropriately adds or deletes components or modifies the design is also included within the scope of the present invention as long as it contains the gist of the present invention.

上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。 Even if there are other effects and advantages different from those provided by the above-mentioned embodiments, those that are clear from the description in this specification or that can be easily predicted by a person skilled in the art are naturally understood to be provided by the present invention.

100:外装材、102:太陽電池アレイ、104:フレーム、106:太陽電池モジュール、110:架台、112:ジオポリマー、114:入力端子、114-1:入力端子、114-2:入力端子、116:出力端子、116-1:出力端子、116-2:出力端子、118:鉄筋ユニット、120:主筋、122:吊材、130:正極、132:負極、134:スペーサ、136:スペーサ、140:型枠、142:前駆体、144:ピラー、146:ピラー、150:建築物 100: Exterior material, 102: Solar cell array, 104: Frame, 106: Solar cell module, 110: Frame, 112: Geopolymer, 114: Input terminal, 114-1: Input terminal, 114-2: Input terminal, 116: Output terminal, 116-1: Output terminal, 116-2: Output terminal, 118: Reinforcing bar unit, 120: Main bar, 122: Hanging material, 130: Positive electrode, 132: Negative electrode, 134: Spacer, 136: Spacer, 140: Formwork, 142: Precursor, 144: Pillar, 146: Pillar, 150: Building

Claims (10)

陽電池アレイを有する発電機能部と、
正極、前記正極に対向する負極、前記正極と前記負極を埋め込むジオポリマーと、を有する蓄電機能部とを備え、
前記蓄電機能部は、前記太陽電池アレイが主面上に設けられ、かつ前記正極と前記負極とが前記太陽電池アレイに電気的に接続される入力端子及び出力端子を備えた、平板形状の架台であることを特徴とする外装材。
A power generation function unit having a solar cell array;
A storage function unit having a positive electrode, a negative electrode facing the positive electrode, and a geopolymer in which the positive electrode and the negative electrode are embedded ;
The storage function unit is an exterior material characterized in that it is a flat-plate-shaped stand having the solar cell array provided on its main surface and having input terminals and output terminals to electrically connect the positive electrode and the negative electrode to the solar cell array .
平板形状を有する架台、および前記架台の主面上に設けられる太陽電池アレイを備え、The solar cell array includes a flat-plate-shaped stand and a solar cell array provided on a main surface of the stand,
前記架台は、The frame is
正極、Positive electrode,
前記正極に対向する負極、およびa negative electrode facing the positive electrode; and
前記正極と前記負極を埋め込むジオポリマーを有し、A geopolymer is embedded in the positive electrode and the negative electrode;
前記太陽電池アレイは、前記正極と前記負極に電気的に接続される太陽電池を有し、the solar cell array includes a solar cell electrically connected to the positive electrode and the negative electrode,
前記正極と前記負極は、互いに異なる金属を含む、外装材。The positive electrode and the negative electrode each contain a different metal.
前記架台は、前記正極と電気的に接続される第1の端子、および前記負極と電気的に接続される第2の端子をさらに備え、
前記太陽電池アレイは、前記第1の端子と前記第2の端子を介して前記正極と前記負極に電気的に接続される、請求項に記載の外装材。
The base further includes a first terminal electrically connected to the positive electrode and a second terminal electrically connected to the negative electrode,
The exterior packaging material according to claim 2 , wherein the solar cell array is electrically connected to the positive electrode and the negative electrode via the first terminal and the second terminal.
前記第1の端子と前記第2の端子は、いずれも前記ジオポリマーから露出する、請求項に記載の外装材。 The cladding material of claim 3 , wherein both the first terminal and the second terminal are exposed from the geopolymer. 前記ジオポリマーは添加剤を含み、
前記添加剤は、金属イオンまたはイオン化されてカチオンを与える材料である、請求項1または2に記載の外装材。
The geopolymer comprises an additive;
3. The exterior material according to claim 1 , wherein the additive is a metal ion or a material that is ionized to provide a cation.
前記架台の厚さは、5mm以上10cm以下である、請求項1または2に記載の外装材。 The exterior material according to claim 1 or 2 , wherein the thickness of the mount is 5 mm or more and 10 cm or less. 前記正極の主面と前記負極の主面は、いずれも前記架台の主面と平行である、請求項1または2に記載の外装材。 The packaging material according to claim 1 , wherein a principal surface of the positive electrode and a principal surface of the negative electrode are both parallel to a principal surface of the stand. 前記正極の主面と前記負極の主面は、いずれも前記架台の主面から傾く、請求項1または2に記載の外装材。 The exterior packaging material according to claim 1 , wherein a principal surface of the positive electrode and a principal surface of the negative electrode are both inclined from a principal surface of the stand. 前記正極と前記負極の前記架台の主面に垂直な端面はジグザグ形状を有する、請求項1または2に記載の外装材。 The packaging material according to claim 1 or 2 , wherein end faces of the positive electrode and the negative electrode perpendicular to the main surface of the support have a zigzag shape. 請求項1または2に記載の前記外装材が備えられた建築物であり、
前記外装材は、前記太陽電池アレイが屋外に露出するように設けられる、建築物。
A building equipped with the exterior material according to claim 1 or 2 ,
The exterior material is provided so that the solar cell array is exposed to the outdoors.
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