JP2020526159A - 摩擦電荷を回収する装置 - Google Patents

Abstract

装置は、複数のナノカーボン含有電極、イオン液体電解質、及び少なくとも１つのイオン透過性多孔質膜から構成された、スーパーキャパシタと、空気力学的誘起による摩擦力にさらされてその作用を受け、電荷の蓄積が生じ、一つの極性の上記電極のうちの少なくとも１つに接続されている第１の要素と、電荷収集要素よりも低い静電位を有し、別の極性の上記電極のうちの少なくとも１つに接続されている第２の要素と、第１及び／又は第２の要素とスーパーキャパシタとの間に配置された、電圧変更回路又はインピーダンス変換回路と、装置と動作構成要素を接続している手段と、エネルギー回収モードとエネルギー利用モードとの間の切り替えを行う制御装置とを備えることを特徴とする。装置は、特に、航空機の翼に配置され翼に発生する摩擦電荷を利用することに使用される。【選択図】 図２

Description

本発明は、移動している車両の外面に作用する空気力学的に発生する摩擦力から摩擦電荷を回収するのに適した装置に関する。

米国特許出願公開第２０１５０６１３７５号では、航空機の翼にある圧力変換器によって、高度の変化又は乱流に応じて生成される電気エネルギーを回収するように設計され構成された、エネルギー回収部材が教示されている。同様のアプローチは、米国特許出願公開第２０１２０２７４１４４号に採用されている。

米国特許出願公開第２００６００６１１０７号には、例えば空気である、衝突してくる流体材料によって駆動されるタービンを用いた、移動している車両からのエネルギーリカバリシステムが開示されている。

米国特許第７５９２７８３号では、スーパーキャパシタとは認められない明示されないキャパシタにエネルギーが蓄えられる航空機用の摩擦電気回収装置が教示されている。

摩擦電気を回収する他のアプローチは、米国特許出願公開第２０１５０１８０３７６号及び米国特許出願公開第２０１４０３３８４５８号において教示されている。

ここで、発明者らは、以下に記載の軽量タイプのスーパーキャパシタを用いることで、特に出力と重量の比の観点から、従来技術に比べて改善されたシステムを設計した。

本発明によれば、移動している車両の外面において発生する摩擦電荷を回収し蓄積する装置において、
複数のナノカーボン含有電極、イオン液体電解質、及び少なくとも１つのイオン透過性多孔質膜から構成された、スーパーキャパシタと、
空気力学的誘起による摩擦力にさらされてその作用を受け、電荷の蓄積が生じ、一つの極性の上記電極のうちの少なくとも１つに接続されている、少なくとも１つの第１の要素と、
電荷収集要素よりも低い静電位を有し、別の極性の上記電極のうちの少なくとも１つに接続されている、少なくとも１つの第２の要素と、
第１及び／又は第２の要素とスーパーキャパシタとの間に配置された、電圧変更回路又はインピーダンス変換回路と、
装置と電力が必要な動作構成要素を接続している手段と、
装置の動作を管理し、エネルギー回収モードとエネルギー利用モードとの間の切り替えを行う、制御装置と
を備えることを特徴とする装置が提供される。

一実施形態では、装置は、例えば自動車、トラック、トラム、列車、鉄道車両、航空機、ヘリコプタ、船又は潜水艦を含む高速移動することができる任意の車両の外面である、移動車両の外側本体パネルに取り付けられる、又はそれと一体化されるように設計される。他の実施形態では、表面は、航空機の翼の本体パネルの全体又は一部である。他の場合では、表面は、これらの車両のうちの一つの、１つ又は複数の空気力学的形状の本体パネルである。さらに他の実施形態では、空気力学的誘起による摩擦力は、水又は特に空気など、至るところに存在する流体媒体の中で本体パネルが動くことで発生する。これらの力は、例えば、流体の特性の変化、例えば局所的な気象状況によって決定されるような空気の特性の変化の理由で増大することがある。適切には、摩擦電荷は、事実上、静電荷である。

本発明の一実施形態では、スーパーキャパシタのナノカーボン含有電極は、ナノカーボン成分を含む炭素電荷搬送素子から構成される層でコーティングされた薄い可撓性シート（例えばアルミニウム、銀又は銅の箔）の形態の導電性金属集電体から本質的になるアノード表面とカソード表面とを含む。他の実施形態では、これらのアノード表面及びカソード表面の少なくとも一部は、同じシートの両側に配置されている。適切には、これらの電荷搬送素子のうちの少なくとも一部は、１０ミクロン未満の平均最大寸法を有する炭素の粒子である。これらの粒子は、メソ細孔のサイズが２〜５０ナノメートルの範囲内であるメソ孔性を呈することが好ましい。他の実施形態では、炭素電荷搬送素子には、最終スーパーキャパシタにおいてある程度の疑似容量挙動を与えることができる材料のナノ粒子、例えば、リチウムなどの金属、又は、ニッケル、マンガン、ルテニウム、ビスマス、タングステン若しくはモリブデンを含む１よりも大きい酸化数を有する遷移金属の、塩、水酸化物及び酸化物が添加され得る。

一実施形態では、層は、ポリマーバインダマトリックスに組み込まれた炭素粒子から構成され、粒子とバインダの重量比が０．２：１〜２０：１の範囲内であることを特徴とする。他の場合では、バインダは、導電性である。さらに他の実施形態では、炭素粒子は、グラフィン粒子を含み、さらに他の場合では、カーボンナノチューブを含む。好ましい一実施形態では、グラフィンとカーボンナノチューブの混合物が、任意選択で、存在する活性炭とともに使用される。他の適当な実施形態では、炭素粒子は、重量比０．５〜２０００：０．５〜１００：１、好ましくは０．５〜１５００：０．５〜８０：１で存在する活性炭、カーボンナノチューブ及びグラフィンの３成分の混合物を含む。

活性炭という用語は、表面積が典型的には５００ｍ^２ｇ^−１超、好ましくは１５００〜２５００ｍ^２ｇ^−１であり、１ミクロン未満の平均粒径を有する高純度アモルファスカーボンを意味する。そのような材料は、多くの供給元から容易に入手可能である。使用するカーボンナノチューブは、通常、平均長さ２〜５００ミクロン（好ましくは１００〜３００ミクロン）の範囲、平均直径１００〜１５０ナノメータの範囲である。ナノチューブは、単層、多層、又は両方の混合物とすることができる。

グラフィンという用語は、粒子が実質的に二次元構造である炭素の同素体を意味する。極限状態では、これらの粒子は、グラファイト構造を有する単一の原子層プレートレットを含む。但し、本発明の目的では、この成分は別の、例えば１〜２０個、好ましくは１〜１０個のプレートレットの最上部に積層した少量のプレートレットを含むことができる。一実施形態では、これらのプレートレットは、非酸化形態である。他の場合では、プレートレットは、透過電子顕微鏡で測定されるように、それぞれ独立に１〜４０００ナノメートル、好ましくは２０〜３０００又は１０〜２０００ナノメートルの範囲内の平均寸法を有する。任意の公知の方法を使用して、そのような材料を製造することができ、例えばさらに英国のＴｈｏｍａｓ Ｓｗａｎｎ Ｌｉｍｉｔｅｄからのエリカーブ（Ｅｌｉｃａｒｂ）（登録商標）の名称で市販されている。

他の実施形態では、炭素電荷搬送素子は、さらに、最大で２０重量％、好ましくは１〜２０重量％の導電性炭素を含むことができる。適切には、この導電性炭素は、多結晶構造を有し表面積が１〜５００ｍ^２ｇ^−１の高導電性非グラファイト系炭素を含む。一実施形態では、これはカーボンブラックであり、例えば、リチウムイオン電池（例えばティムカルスーパーＣ６５（Ｔｉｍｃａｌ ＳｕｐｅｒＣ６５）（登録商標）及び／又はティムカルスーパーＣ４５）中の導電性添加物として使用されてきた材料のうちの１つである。

一実施形態では、本発明の方法が実施された後の電極の残留水分含量は、１００ｐｐｍ未満、好ましくは５０ｐｐｍ未満でなければならない。

さらに他の実施形態では、炭素含有アノード（複数可）及びカソード（複数可）は、互いに非対称であり、換言すると、例えば異なる厚さの層である、異なる厚さを有する。

導電性バインダについては、適切には、導電性バインダは、１種又は複数の導電性ポリマーから構成され、セルロース誘導体、ポリマーエラストマー又はそれらの混合物から選択されることが好ましい。一実施形態では、セルロース誘導体は、例えばカルボキシメチルセルロースである、カルボキシアルキルセルロースである。他の実施形態では、エラストマーは、スチレン−ブタジエンゴム又は同等の特性を有する材料である。

適切には、複合層中の種々の成分の総電荷保有表面積は、２５０ｍ^２ｇ^−１より大きく、好ましくは２６０ｍ^２ｇ^−１より大きい。

他の実施形態では、電極は、金属集電体を用いない自立（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）電極であり、５〜１５重量％のポリマーバインダ中に均一に分散された７５〜９０重量％の活性炭と５〜２５重量％の導電性炭素のナノカーボン含有マトリックスから本質的になる剛性又は機械的に弾性の導電性シートを備えることを特徴とする。適当なそのようなシートは、０．４グラム／ｃｃ超の密度、１００ファラッド／グラム超の平均重量の（ａｖｅｒａｇｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ）静電容量、及びコイン型電池で測定した場合に３０オーム未満の等価直列抵抗（ＥＳＲ）を有する。

イオン液体電解質については、イオン液体電解質は、適切には、１００℃未満、好ましくは雰囲気温度又は雰囲気温度未満で溶融しているイオン性有機塩を含む。他の実施形態では、イオン液体電解質は、１つ又は複数のイオン液体から構成される混合物であり、混合物は、２５℃で、１０〜８０センチポアズ、好ましくは２０〜５０センチポアズの範囲内の粘度を有する。さらに他の実施形態では、電解質は、１成分がイオン液体である少なくとも２成分の共融又は共融に近い混合物である。適切には、これらの混合物は、１００℃未満、好ましくは５０℃未満、より好ましくは３０℃未満の融点を有する。共融挙動は、ラウールの法則に基づくと予想されるものに比べ、所与の組成物範囲で融点が大幅に低下する２つ以上の成分の混合物の周知の特性である。ここで、用語「共融又は共融に近い混合物」は、したがって、融点がそのような低下を示す本発明の成分の任意の混合物を含むと解釈されるべきであり、これには、最も好ましい実際の共融点で５０％超の低下、好ましくは９０％超の低下を有するものが含まれる。特に好ましい実施形態では、共融組成物自体が、電解質として使用される。他の実施形態では、使用するイオン液体のうちの少なくとも１つは、３ｖ超の電気化学窓を有する。

一実施形態では、使用する電解質は、混合物、例えば、読者に完全なリストを提供する米国特許第５８２７６０２号又は国際公開第２０１１／１００２３２号に記載されるイオン液体のうちの少なくとも１種から構成される、共融又は共融に近い混合物である。他の実施形態では、混合物は、前記イオン液体のうちの少なくとも２種の混合物から構成される。

適切には、電解質で使用するイオン液体又は使用するイオン液体の１種は、アルキル又は置換アルキルピリジニウム、ピリダジニウム、ピリミジニウム、ピラジニウム、イミダゾリウム、ピペリジニウム、ピロリジニウム、ピラゾリウム、チアゾリウム、オキサゾリウム、トリアゾリウム又はアゼパニウムカチオンの四級塩である。そのような場合、各カチオンと会合する対アニオンは、大きい多原子であり、５０又は１００オングストローム超のファンデルワールス体積を有することが好ましい（例えば、本発明の範囲内にあると考えられる例示的な例を提供する米国特許第５８２７６０２号を参照のこと）。カチオンに関して非対称であるようにアニオンが選択されることも好ましく、液体中のイオンが、容易に密接せず、結晶化を起こさないようになる。一実施形態では、対アニオンは、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロホスフェート、ジシアナミド、ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＦＳＩ）、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＴＦＳＩ）又はビス（パーフルオロＣ_２〜Ｃ_４アルキルスルホニル）イミド、例えば、ビス（パーフルオロエチルスルホニル）イミドアニオン又はその類似物質からなる群から選択される。他の好ましい実施形態では、イオン液体（複数可）は、これらのアニオンのＣ_１〜Ｃ_４アルキル置換イミダゾリウム、ピペリジニウム又はピロリジニウム塩から選択され、本明細書で開示されるように想起されるカチオンとアニオンの任意の順列が含まれる。この列挙の中で、以下の２成分系である、ピペリジニウム塩及びイミダゾリウム塩、ピペリジニウム塩及びピロリジニウム塩、並びにイミダゾリウム塩及びピロリジニウム塩が好ましい。代替実施形態では、２成分系は、（ａ）上述のアニオンの１つのピペリジニウム塩及び任意の置換された嵩高い四級アンモニウム塩、例えば、アルキル又はアルコキシ部分がそれぞれ独立に１個、２個、３個又は４個の炭素原子を有するトリアルキル（アルコキシルアルキル）アンモニウム塩、又は（ｂ）国際公開第２０１１／１００２３２号に例示される１種又は複数のアゼパニウム塩のいずれかを含み得る。上記のすべての場合で、使用する塩は、好ましくはそれぞれ３ボルト超の電気化学窓及び３０℃未満の融点を有するべきである。

使用することができる電解質の特定の非限定例には、以下のカチオン、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム（ＥＭＩＭ）、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム（ＢＭＩＭ）、１−メチル−１−プロピルピロリジニウム、１−メチル−１−ブチルピロリジニウム及び上述のアニオンから誘導される塩又は塩の混合物が含まれる。一実施形態では、電解質は、これらのカチオンの１種又は複数のテトラフルオロホウ酸塩である。他の場合では、電解質は、方法のステップ（ａ）で使用したものと同じ塩である。

他の実施形態では、イオン液体は、Ｎ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウム（ＤＥＭＥ）及びその同族体などの四級アンモニウムカチオンの塩である。

適切には、イオン液体の水分量は、１００ｐｐｍ未満、好ましくは５０ｐｐｍ未満である。

隣り合うアノード電極とカソード電極との間の電解質中に配置されるイオン透過性膜は、ポリマー又は多孔質様の材料から作られることが適切である。

本発明の装置は、スーパーキャパシタに取り付けられ充電のための電位差供給源をもたらす第１及び第２の要素を含む。この電位差は、表面自体、又は表面に引き寄せられる荷電粒子のどちらかにおいて増していく摩擦電荷から生じる。一実施形態では、第２の要素は、車両内に配置される非荷電接地構成要素である。第２の要素は、例えば、車両の、静電荷が蓄積されない構造部とすることができる。他の実施形態では、第２の要素は、第１の要素と比べて摩擦電荷を若干しか若しくは全く受けない又は逆の極性の摩擦電荷を収集する車両の外側領域に取り付けられる或いは一体化され得る。装置が航空機に用いられる場合、好都合には、装置自体を翼（複数可）内に配置し、任意選択で第１の要素を翼に配置された従来の静電気消散ピンに取り付けることができる。そのような場合、第２の要素は、例えば機体又は機室内の様々な位置に配置することができる。

一実施形態では、第１の要素（複数可）は、摩擦電荷の蓄積を促進するために、車両の１つ又は複数の外側本体パネルに異なる粗度を有する領域を備える。この意味で、装置は、そのような電荷の蓄積を積極的には推奨しないと考える従来の知識に反している。他の実施形態では、第１の部材（複数可）は、装置の外面に取り付けられる又はそれと一体化され、内部に取り付けられる又は組み込まれた回収電極を有する、１つ又は複数の誘電体シート又はコーティング領域を備える。一実施形態では、これらのシート又はコーティングは、装置の動作温度の包絡線に耐えることができるプラスチック又は誘電性複合材料からなる。

一実施形態では、車両は、複数の第１及び第２の要素、並びに／又は、直列若しくは並列に接続され必要に応じて動作エネルギー若しくは出力を提供するのに使用され得るかなり大きなバンクの電気エネルギーを供給する複数のスーパーキャパシタからそれぞれ構成され得る装置を、１つ又は複数備える。

装置は、第１及び／又は第２の要素とスーパーキャパシタとの間に配置され、第１及び第２の要素によって生成される一般的に何千ボルト程度である高電圧をスーパーキャパシタの効率的な充電が可能になるレベルにまで降圧するように設計される電圧変更回路又はインピーダンス変換回路をさらに含む。一実施形態では、この回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータであり、そこで関連のエネルギーが蓄積され、変圧器又はインダクタの磁界から解放される。

制御装置は、適切には、マイクロプロセッサ又は均等の回路であり、スーパーキャパシタの動作を自動的又は使用者の入力により管理できるようにする。一実施形態では、制御装置は、装置を、エネルギー回収モードとエネルギー利用モードとの間で切り替えることができる。他の実施形態では、以下にある、スーパーキャパシタの充電状態を示すメータ又は同様のディスプレイ、温度モニタ、及び装置の故障又は安全上の問題の際に使用者が忠告を受けられるようにするアラームのうちのいくつか又はすべてのアイテムをさらに含む。他の実施形態では、装置は、例えば電気嵐（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｔｏｒｍ）又は落雷の間に発生する電圧サージからスーパーキャパシタを保護する保護回路をさらに含む。一実施形態では、少なくとも、スーパーキャパシタは、密閉容器に収容される。密閉容器は、普通は電気的に絶縁され、可燃性（ｉｍｆｌａｍｍａｂｌｅ）であり極端な温度（高温及び低温の両方）に耐える材料で作られ、加えて、火災の危険を最低限に抑えるように全体を覆う窒素などの不活性ガスを収容する。装置は、動作が最適になる温度範囲内にスーパーキャパシタを維持するためにスーパーキャパシタによって電力供給される加熱器又は加熱回路をさらに備えることができる。そのような回路は、車両の外面に配置される温度センサ又は圧力変換器からの入力に応答して制御装置によって制御され得る。さらに他の実施形態では、装置は、ワイヤ、ブラシ、又は、過剰となった静電荷を通過する媒体に対して放電する同様のものを備えることができる。

本発明の装置は、需要が比較的低いときは一次エネルギー源として使用することができ、例えば車両の制御航行又は通信のシステムなどの動作要素に電力を供給する。或いは、これらは、緊急事態でバックアップを提供するアクセス可能電力として存在し得る。装置自体は、必要に応じて、例えば車両を使用していないとき、スーパーキャパシタによって充電され得る１つ又は複数のリチウムイオン電池をさらに含むことができる。一実施形態では、少なくともスーパーキャパシタ及び制御装置は、典型的な「ブラックボックス」記録装置に収容され、現在可能なよりも長い間遭難ビーコンに電力を供給することができるようにする。

次に、本発明を以下の例により説明する。

複数の帯電表面を上面に有する航空機の翼の図である。 図１の翼の断面図である。 帯電表面に接続され得る、弾性複合材料から作られた箱の図である。

図１は、航空機の翼１を概略的に示している。翼１は、上面に、１の他の部分と比べて粗く、高い高度で大気中にみられる荷電粒子を収集することができる、複数の帯電表面２（例えば、誘電性コーティングから構成される領域）を有する。図２は、１の内部に、弾性複合材料（例えばメッシュ補強エンジニアリングプラスチック）から作られ窒素ガス及び任意選択で難燃性化学物質４が充填された密閉箱３が配置されていることを示す、Ｘ−Ｘ’を含む平面に沿った１の断面を示している。３は、電気ケーブル４及び５によってそれぞれ、例えば２の電極、及び航空機の胴体（図示せず）内部にある非荷電構造部材に接続されている。図３は、３の内部を示しており、４及び５の他方の端部は、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ７との接続前にサージ対策回路６によって橋絡され、スーパーキャパシタバンク８は、直列に配置された複数のスーパーキャパシタセルから構成され、ナノカーボン含有アノード及びカソードを有し、アノードとカソードとの間には、上述したタイプのイオン液体電解質及びイオン透過性の誘電体膜が配置されている。アノード及びカソードはそれぞれ８の端子９及び１０に取り付けられており、したがって７及び１１に接続されている。マイクロプロセッサ１１は、９及び１０を動作可能に橋絡し、さらに、航空機の「フライバイワイヤ」システム（図示せず）に接続され、航空機のメインバッテリの故障の際のバックアップ電源を供給するように構成される。

Claims (15)

1. 移動している車両の外面において発生する摩擦電荷を回収し蓄積する装置において、
   複数のナノカーボン含有電極、イオン液体電解質、及び少なくとも１つのイオン透過性膜から構成された、スーパーキャパシタのセルと、
   空気力学的誘起による摩擦力にさらされてその作用を受け、電荷の蓄積が生じ、一つの極性の前記電極のうちの少なくとも１つに接続されている、少なくとも１つの第１の要素と、
   電荷収集要素よりも低い静電位を有し、別の極性の前記電極のうちの少なくとも１つに接続されている、少なくとも１つの第２の要素と、
   前記第１及び／又は前記第２の要素と前記スーパーキャパシタとの間に配置された、電圧変更回路又はインピーダンス変換回路と、
   前記装置と電力が必要な動作構成要素を接続している手段と、
   前記装置の動作を管理し、エネルギー回収モードとエネルギー利用モードとの間の切り替えを行う、制御装置と、
   を備えることを特徴とする、装置。
2. 電圧変更装置が、降圧ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記車両が、航空機であり、前記第１及び前記第２の要素が、異なる帯電の程度又は極性を有する、翼（複数可）の異なる表面領域であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記第１の要素（複数可）が、前記翼の静電気消散ピンに接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記異なる表面領域が、異なる程度の空気力学的な粗さを有することを特徴とする、請求項３に記載の装置。
6. 複数の装置が、前記翼に取り付けられている、又は前記翼と一体化していることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記制御装置が、前記車両の制御、航行又は通信のシステムのうちの１つ又は複数に電力を供給するように構成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記スーパーキャパシタを最適な動作温度の包絡線内に維持するために加熱器又は加熱回路をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 電圧サージの影響を軽減する保護回路をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記装置の構成要素が、全体を覆う不活性ガスを含む、可燃性の機械的及び熱的に弾力性のある容器内に収容されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 少なくとも１つのリチウムイオン電池をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記外面に少なくとも１つの静電放電器をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 移動している車両の動き又は構成要素に電力を少なくとも部分的に供給するために前記車両から摩擦電荷を回収するための請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置の使用。
14. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置を１つ又は複数含むことを特徴とする、航空機翼又は車体パネル。
15. 前記装置が組み込まれていることを特徴とする、請求項１４に記載の航空機翼又は車体パネル。

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