JP7285561B2

JP7285561B2 - 発電デバイスおよび発電方法

Info

Publication number: JP7285561B2
Application number: JP2019566510A
Authority: JP
Inventors: 陽田中; ヤシャイラヤリクン; 諭天谷
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2039-01-17
Also published as: US11831257B2; EP3742597A4; US20200343832A1; JPWO2019142882A1; EP3742597A1; WO2019142882A1; EP3742597B1

Description

本発明は、水流によって発電する発電デバイスおよび発電方法に関する。

Frank H. J. van der Heyden, Douwe Jan Bonthuis, Derek Stein, Christine Meyer, and Cees Dekker, 「Power Generation by Pressure-Driven Transport of Ions in Nanofluidic Cannels」, NANO LETTERS, 2007, vol.7, No.4, p1022-p1025（非特許文献１）は、細い流路に圧力をかけて水中で電離しているイオンの一方をより多く流すことにより発電させる技術を開示している。

Frank H. J. van der Heyden, Douwe Jan Bonthuis, Derek Stein, Christine Meyer, and Cees Dekker, 「Power Generation by Pressure-Driven Transport of Ions in Nanofluidic Cannels」, NANO LETTERS, 2007, vol.7, No.4, p1022-p1025

しかしながら、上記の非特許文献１に開示されている技術によれば、発電量が微弱である。実用化するためには、発電量を向上させることが望まれる。

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、細い流路への水流を利用しながら発電量を向上させることができる発電デバイスおよび発電方法を提供することである。

本開示のある局面に係る発電デバイスは、水で充填された容器と、容器内の第１空間と第２空間との間に配置された、板状の多孔質ガラスであるフィルタ部材とを備える。水流の方向は、フィルタ部材の厚み方向に沿っている。フィルタ部材は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすい。フィルタ部材に第１空間から第２空間に向いた水流が発生したときに、第１空間と第２空間との間の電位差に基づく電力を生成する。

好ましくは、発電デバイスは、フィルタ部材よりも第１空間側の流路に配置され、水の中の不純物を取り除くための別のフィルタ部材をさらに備える。

本開示の別の局面に係る発電デバイスは、水で充填された容器と、容器内の第１空間と第２空間との間に配置されたフィルタ部材と、外部からの押圧力を受けて移動することにより、第１空間に圧力を印加して、フィルタ部材に第１空間から第２空間に向いた第１水流を発生させる移動部材と、移動部材が押圧力から解放されたときに、フィルタ部材に第２空間から第１空間に向いた第２水流を発生させる付勢部材とを備える。フィルタ部材は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすい。フィルタ部材に水流が発生したときに、第１空間と第２空間との間の電位差に基づく電力を生成する。

好ましくは、発電デバイスは、第１空間および第２空間の各々に設けられた、水素分子および酸素分子からの水の生成反応を促進する触媒をさらに備える。

好ましくは、発電デバイスは、フィルタ部材に第１水流が発生したときに第１空間と第２空間との間の電位差に応じた電力を蓄電するための第１蓄電部と、フィルタ部材に第２水流が発生したときに第１空間と第２空間との間の電位差に応じた電力を蓄電するための第２蓄電部とをさらに備える。

フィルタ部材は多孔質ガラスであってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上５００μｍ以下であってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上２００μｍ以下であってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上１００μｍ以下であってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上５０μｍ以下であってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上４０μｍ以下であってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上３０μｍ以下であってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上２０μｍ以下であってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上１０μｍ以下であってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上５μｍ以下であってよい。多孔質ガラスの孔径は、１００ｎｍ以上１μｍ以下であってよい。

好ましくは、発電デバイスは、フィルタ部材における第１空間側に配置された第１支持体と、フィルタ部材における第２空間側に配置された第２支持体とをさらに備える。フィルタ部材は、第１支持体と第２支持体とで挟持される。

本開示の別の局面に係る発電方法は、水で充填された容器と、容器内の第１空間と第２空間との間に配置された、板状の多孔質ガラスであるフィルタ部材とを用いた発電方法である。フィルタ部材は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすい。発電方法は、第１空間に圧力を印加して、フィルタ部材に、第１空間から第２空間に向き、フィルタ部材の厚み方向に沿った水流を発生させるステップと、水流によって、第１空間と第２空間との間の電位差に基づく電力を生成するステップとを備える。

本開示の別の局面に係る発電方法は、水で充填された容器と、容器内の第１空間と第２空間との間に配置されたフィルタ部材と、移動部材とを用いた発電方法である。フィルタ部材は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすい。発電方法は、外部からの押圧力を受けて移動部材を移動させることにより、第１空間に圧力を印加して、フィルタ部材に第１空間から第２空間に向いた第１水流を発生させるステップと、移動部材を押圧力から解放させて、フィルタ部材に第２空間から第１空間に向いた第２水流を発生させるステップと、フィルタ部材に第１水流または第２水流が発生したときに、第１空間と第２空間との間の電位差に基づく電力を生成するステップとを備える。

本開示によれば、細い流路への水流を利用しながら発電量を向上させることができる。

本実施の形態に係る発電デバイスの構成を示す模式図である。本実施の形態に係る発電デバイスの構成の一適用例を示す図である。水流によって発電する原理を説明する図である。流路の入口と出口とを導電回路によって接続したときの電子の流れを説明する図である。移動部材が押圧力を受けたときに生じる水流および電流を示す図である。移動部材が押圧力から解放されたときに生じる水流および電流を示す図である。フィルタ部材を示す拡大平面図である。フィルタ部材を示す拡大断面図である。試料Ｎｏ．１～４のガラスフィルタ板を用いたときの電圧値および電流値の測定結果を示すグラフである。足の押圧力を図１に示すフィルタホルダー内の水に加えるための治具の断面を示す模式図である。５０ｍＬの純水が試料Ｎｏ．４のガラスフィルタ板を通過している間に発生した電圧の測定結果を示すグラフである。５０ｍＬの純水が試料Ｎｏ．４のガラスフィルタ板を通過している間に流れた電流の測定結果を示すグラフである。試料Ｎｏ．５のガラスフィルタ板の破断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像を示す図である。試料Ｎｏ．６のガラスフィルタ板の破断面のＳＥＭ画像を示す図である。試料Ｎｏ．７のガラスフィルタ板の破断面のＳＥＭ画像を示す図である。５０ｍＬの純水が試料Ｎｏ．６のガラスフィルタ板を通過している間に発生した電圧の測定結果を示すグラフである。５０ｍＬの純水が試料Ｎｏ．６のガラスフィルタ板を通過している間に流れた電流の測定結果を示すグラフである。変形例に係る発電デバイスの一例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。また、以下で説明する実施の形態または変形例は、適宜組み合わされてもよい。

（発電デバイスの構成）
図１は、本実施の形態に係る発電デバイスの構成を示す図である。図１に示す発電デバイス１Ａは、水で充填された容器であるフィルタホルダー８１と、フィルタ部材５０ａとを備える。フィルタ部材５０ａは、フィルタホルダー８１内のフィルタ部材５０ａより上流側の第１空間８１ａとフィルタ部材５０ａより下流側の第２空間８１ｂとの間に配置された、板状の多孔質ガラスである。フィルタ部材５０ａは、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすい。発電デバイス１Ａは、フィルタ部材５０ａに第１空間８１ａから第２空間（８１ｂ）に向かう水流が発生したときに、第１空間８１ａと第２空間８１ｂとの間の電位差に基づく電力を生成する。水流の方向は、フィルタ部材５０ａの厚み方向に沿っている。図１に示す発電デバイス１Ａにより、細い流路への水流を利用しながら発電量を向上させることができる。以下に、本実施の形態に係る発電デバイスの一適用例について説明する。

図２は、本実施の形態に係る発電デバイスの一適用例を示す図である。図２に示される発電デバイス１は、人体の歩行動作における足の運動エネルギーを電力に変換する。なお、発電デバイスは、歩行動作に限らず、人体の他の動作（たとえば着座動作など）による運動エネルギーを電力に変換してもよい。さらに、発電デバイスは、人以外の動物の運動エネルギーおよび機械の運動エネルギーを電力に変換してもよい。

発電デバイス１は、容器１０と、フィルタ部材５０と、支持体６１，６２と、移動部材２０と、第１回路３０と、第２回路４０とを備える。

容器１０は、上側容器１１と下側容器１２と可動板１３，１４とシール部材１５とを含む。下側容器１２は有底円筒状の部材である。上側容器１１は、平座金状の中空空間１６ａが形成されたリング部１６と、リング部１６の外周端から下方に延びた垂下部１７とから構成される。リング部１６の下面には、中空空間１６ａに繋がる環状のスリット１６ｂが形成されている。

下側容器１２の外周面には雄ねじ１２ａが形成されている。垂下部１７の内周面には、雄ねじ１２ａを螺合可能な雌ねじ１７ａが形成されている。上側容器１１と下側容器１２との間にシール部材１５を配置させた状態で、下側容器１２の雄ねじ１２ａと上側容器の雌ねじ１７ａとを螺合することにより、上側容器１１と下側容器１２とが一体化される。上側容器１１と下側容器１２とが一体化されたとき、リング部１６に形成された中空空間１６ａは、スリット１６ｂを介して下側容器１２の内部空間と連通する。さらに、リング部１６の内周壁１６ｃで囲まれた空間も下側容器１２の内部空間と連通する。

可動板１３は、円板状であり、リング部１６の内周壁１６ｃで囲まれた空間を閉じる。可動板１３は、リング部１６の内周壁１６ｃ上を上下方向に摺動可能である。

可動板１４は、平座金状であり、リング部１６の中空空間１６ａ内に配置される。可動板１４は、中空空間１６ａの側壁面上を上下方向に摺動可能である。

上側容器１１と下側容器１２と可動板１３，１４とシール部材１５とにより密閉空間１８が形成され、密閉空間１８内に水が充填される。

フィルタ部材５０は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすい板状の部材である。フィルタ部材５０は、たとえば板状の多孔質ガラス、ガラスで形成された毛細管を二次元状に配列したガラスプレート、複数の細孔が形成されたガラスプレートによって構成される。

支持体６１，６２は、板状のフィルタ部材５０を挟み込むことにより、フィルタ部材５０を支持する。これにより、フィルタ部材５０の破損を抑制することができる。支持体６１，６２は、フィルタ部材５０よりも水を通過させやすい部材であればよく、たとえばフィルタ部材５０よりも孔径の大きい多孔質ガラスなどによって構成される。

フィルタ部材５０と支持体６１，６２とは、下側容器１２内に収容され、密閉空間１８を第１空間１８ａと第２空間１８ｂとに区分けする。第１空間１８ａは、上側容器１１と可動板１３とシール部材１５と支持体６１とに囲まれた空間である。第２空間１８ｂは、上側容器１１と可動板１４とシール部材１５と下側容器１２と支持体６２とに囲まれた空間である。第２空間１８ｂは、中空空間１６ａの一部を含む。言い換えると、フィルタ部材５０は、第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間に配置される。支持体６１は、フィルタ部材５０の第１空間１８ａ側に配置され、支持体６２は、フィルタ部材５０の第２空間１８ｂ側に配置される。

移動部材２０は、人体の足の押圧力（つまり、人体の重力）を受けて下方に移動する。移動部材２０は、可動板１３に接続されている。そのため、移動部材２０が下方に移動することにより、可動板１３も下方に移動する。可動板１３が下方に移動すると、第１空間１８ａの水の一部が支持体６１、フィルタ部材５０および支持体６２を通過して第２空間１８ｂに流れ込む。これにより、可動板１４は上方へ移動する。このように、移動部材２０は、第１空間１８ａから第２空間１８ｂに向いた水流を発生させる水流発生部材である。

なお、移動部材２０と可動板１３とは一体に形成されていてもよい。また、移動部材２０は、リング部１６の内周壁１６ｃで囲まれた空間を閉じるとともに、内周壁１６ｃ上を上下方向に摺動するように構成されてもよい。この場合には、可動板１３を省略することができる。

複数のコイルばね２３は、中空空間１６ａの天井と可動板１４との間に配置される。移動部材２０が足の押圧力を受けることにより可動板１４が上方へ移動すると、コイルばね２３が縮み、コイルばね２３に弾性エネルギーが蓄えられる。移動部材２０が押圧力から解放されると、コイルばね２３は、蓄積された弾性エネルギーにより、可動板１４に対して下方への付勢力を加える。これにより、第２空間１８ｂの水の一部が支持体６２、フィルタ部材５０および支持体６１を通過して第１空間１８ａに流れ込む。

第１回路３０は、正極端子３１と、ダイオード３２と、コンデンサ３３と、負極端子３４とを含む。正極端子３１は、容器１０内の第２空間１８ｂ内に配置される。ダイオード３２は、正極端子３１に接続されたアノードと、コンデンサ３３の一方端に接続されたカソードとを有する。コンデンサ３３の他方端は負極端子３４に接続される。負極端子３４は、容器１０内の第１空間１８ａ内に配置される。正極端子３１および負極端子３４の表面にはＰｔ触媒が付着されている。

（発電デバイスによる発電原理）
図３は、水流によって発電する原理を説明する図である。図３には、ガラス製のフィルタ部材５０内の細い流路５１に純水が流れる様子が示される。水の一部は、熱的バランスによって、水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化物イオン（ＯＨ^－）に電離している。水に圧力が加えられ、水が細い流路５１に導かれると、水素イオンは流路５１を通りやすいものの、水酸化物イオンは流路５１内に入りにくい。これは、流路５１の壁面がシラノール基の存在により負に帯電されているためである。つまり、フィルタ部材５０は、その表面電荷により水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすい。その結果、流路５１の出口では水素イオン濃度が増大し、流路５１の入口では水酸化物イオン濃度が増大する。つまり、ガラス製のフィルタ部材５０内の細い流路５１は、イオンフィルタとして機能する。

図４は、流路５１の入口と出口とを導電回路８０によって接続したときの電子の流れを説明する図である。上記のように、流路５１の入口では水酸化物イオン濃度が増大し、流路５１の出口では水素イオン濃度が増大するため、流路５１の入口と出口との間に電位差が生じる。そのため、導電回路８０に電子の流れが発生する。流路５１の入口では、水酸化物イオンが以下の化学反応式（１）に従って反応し、酸素分子（Ｏ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）と電子（ｅ^－）とが生成される。
ＯＨ^－→１／４Ｏ_２＋１／２Ｈ_２Ｏ＋ｅ^－（１）
生成された電子は、導電回路８０に流れる。

流路５１の出口では、導電回路８０から電子を受け取った水素イオンが以下の化学反応式（２）に従って反応し、水素分子（Ｈ_２）が生成される。
Ｈ^＋＋ｅ^－→１／２Ｈ_２（２）
このようにして、導電回路８０に電流が流れ、水素イオンおよび水酸化物イオンは、上記化学反応式（１）および（２）に従って、それぞれ水素分子および酸素分子へと変化する。しかしながら、新たな水素イオンおよび水酸化物イオンが残存している水から熱的バランスによって生成される。さらに、生成された水素分子および酸素分子は、Ｐｔ触媒によって水に戻される。そのため、流路５１に水流が生じている限り、導電回路８０には永久的に電流が流れ続ける。

図５は、移動部材２０が押圧力Ａを受けたときに生じる水流および電流を示す図である。移動部材２０が人体の足から押圧力Ａを受けて下方に移動すると、可動板１３も下方に移動する。これにより、第１空間１８ａに圧力が印加される。第１空間１８ａに印加された圧力が、コイルばね２３によって第２空間１８ｂに印加される圧力よりも大きくなると、第１空間１８ａ内の水は、支持体６１、フィルタ部材５０および支持体６２を通って第２空間１８ｂに流れる。すなわち、フィルタ部材５０に第１空間１８ａから第２空間１８ｂに向いた第１水流Ｆ１が発生する。図５に示されるように、第１水流Ｆ１は、板状のフィルタ部材５０の厚み方向に沿っている。このとき第２空間１８ｂに水が流れ込むため、可動板１４は、コイルばね２３の付勢力に抗って上方に移動する。

第１水流Ｆ１により、第１空間１８ａにおいて水酸化物イオン濃度が増大し、第２空間１８ｂにおいて水素イオン濃度が増大する。これにより、第２空間１８ｂの電位が第１空間１８ａの電位よりも高くなり、第１回路３０において、第２空間１８ｂに設置された正極端子３１から第１空間１８ａに設置された負極端子３４へ向いた電流Ｉ１が生じる。その結果、コンデンサ３３に電力が蓄電される。一方、第２回路４０では、第１空間１８ａに設置された正極端子４１にアノードが接続され、第２空間１８ｂに設置された負極端子４４にコンデンサ４３を介してカソードが接続されたダイオード４２のために電流が流れない。

第１回路３０に電流Ｉ１が流れることにより、第１空間１８ａでは水酸化物イオンが酸素分子および水に変化し、第２空間１８ｂでは水素イオンが水素分子に変化する。

図６は、移動部材２０が押圧力Ａから解放されたときに生じる水流および電流を示す図である。移動部材２０が押圧力Ａ（図５参照）から解放されると、可動板１４は、コイルばね２３の付勢力を受けて下方に移動する。これにより、第２空間１８ｂに圧力が印加され、第２空間１８ｂ内の水は、支持体６２、フィルタ部材５０および支持体６１を通って第１空間１８ａに流れる。すなわち、フィルタ部材５０に第２空間１８ｂから第１空間１８ａに向いた第２水流Ｆ２が発生する。このとき第１空間１８ａに水が流れ込むため、可動板１３および移動部材２０は上方に戻される。

第２水流Ｆ２により、第１空間１８ａにおいて水素イオン濃度が増大し、第２空間１８ｂにおいて水酸化物イオン濃度が増大する。これにより、第１空間１８ａの電位が第２空間１８ｂの電位よりも高くなり、第２回路４０において、第１空間１８ａに設置された正極端子４１から第２空間１８ｂに設置された負極端子４４へ向いた電流Ｉ２が生じる。その結果、コンデンサ４３に電力が蓄電される。一方、第１回路３０では、第２空間１８ｂに設置された正極端子３１にアノードが接続され、第１空間１８ａに設置された負極端子３４にコンデンサ３３を介してカソードが接続されたダイオード３２のために電流が流れない。

第２回路４０に電流Ｉ２が流れることにより、第１空間１８ａでは水素イオンが水素分子に変化し、第２空間１８ｂでは水酸化物イオンが酸素分子および水に変化する。

人体の歩行動作に伴い、移動部材２０が押圧力Ａを受ける状態と移動部材２０が押圧力Ａから解放される状態とが繰り返される。これにより、コンデンサ３３，４３に交互に電力が蓄電され続ける。

第１空間１８ａでは、上述したように、第１回路３０に電流Ｉ１が流れたときに酸素分子が生成され、第２回路４０に電流Ｉ２が流れたときに水素分子が生成される。生成された水素分子と酸素分子とは、以下の化学反応式（３）に従って互いに反応して水に戻る。
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ（３）
当該反応は、正極端子４１および負極端子３４に付着されたＰｔ触媒によって促進される。

第２空間１８ｂでは、第１回路３０に電流Ｉ１が流れたときに水素分子が生成され、第２回路４０に電流Ｉ２が流れたときに酸素分子が生成される。生成された水素分子と酸素分子とは、化学反応式（３）に従って反応して水に戻る。当該反応は、正極端子３１および負極端子４４に付着されたＰｔ触媒によって促進される。

なお、発電デバイス１は、フィルタ部材５０のイオンフィルタ特性を適宜変更するなどして、フィルタ部材５０に第１水流Ｆ１が発生したときのみ第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間の電位差に基づく電力を生成するように構成されてもよい。もしくは、発電デバイス１は、フィルタ部材５０に第２水流Ｆ２が発生したときのみ第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間の電位差に基づく電力を生成するように構成されてもよい。

しかしながら、発電効率を考えれば、フィルタ部材５０に第１水流Ｆ１が発生したとき、および第２水流Ｆ２が発生したときの各々において電力を生成するように構成することが最も好ましいのは言うまでもない。

また、容器１０に充填される液体は、他の電解質の塩を含んでいる任意の電解質溶液でも良い。ただし、水以外の電解質溶液を用いた場合には、一般的には、水素イオンおよび水酸化物イオン以外の電解質イオンがガラス表面に付着することにより、フィルタ部材５０のデバイ長が短くなり、発電効率が低下する傾向がある。従って、水が最も好適である。

（発電性能）
図７は、フィルタ部材５０を示す拡大平面図である。図８は、フィルタ部材５０を示す拡大断面図である。図７および図８に示されるように、フィルタ部材５０の流路５１の直径を２ａ、長さをＬとする。水が半径ａ、長さＬの管に単位時間内に流れる量Ｑは、Hagen-Poiseuilleの法則に従って、以下の式（４）で示される。
Ｑ＝πａ^４ΔＰ／８μＬ（４）
式（４）において、ΔＰは管の入口と出口との圧力差であり、μは水の粘度である。

そのため、フィルタ部材５０の面積をＳ、フィルタ部材５０中の単位面積当たりの流路数をｐとするとき、体積ΔＶの水がフィルタ部材５０を通過するのに要する時間ｔは、以下の式（５）で示される。
ｔ＝８μＬΔＶ／ｐＳπａ^４ΔＰ（５）
図２に示す発電デバイス１において、移動部材２０が足から押圧力を受ける時間は、人体の歩行動作における足の着地時間に相当する。当該着地時間から、容器１０に収容する水の体積、流路５１の直径、長さを適宜設計すればよい。

さらに、流路５１の側壁と水との界面におけるゼータ電位をζ、水の誘電率をε、水の導電率をＫとするとき、フィルタ部材５０の入口と出口との間の電圧Ｕおよび電流Ｉは、以下の式（６）（７）で示される。
Ｕ＝εζΔＰ／μＫ（６）
Ｉ＝ｐＳπａ^２εζΔＰ／μＬ（７）
上記の式（６）（７）から発電デバイス１の発電量（＝Ｕ・Ｉ）を見積もることができる。

（発電量の検証実験）
図２に示す発電デバイス１による発電量を検証するための実験を行なった。図１には、検証実験に用いた発電デバイス１Ａが示される。図１に示す発電デバイス１Ａでは、水で充填された容器であるフィルタホルダー８１内に、フィルタ部材５０ａを配置し、水を加圧して、フィルタ部材５０ａに水を通過させた。言い換えると、フィルタ部材５０ａは、フィルタホルダー８１内のフィルタ部材５０ａより上流側の第１空間８１ａとフィルタ部材５０ａより下流側の第２空間８１ｂとの間に配置される。そして、フィルタ部材５０ａに、第１空間８１ａから第２空間８１ｂに向いた水流を発生させる。水流の方向は、フィルタ部材５０ａの厚み方向に沿っている。そして、フィルタ部材５０ａの下流側に設けた正極端子９１と、フィルタ部材５０ａの上流側に設けた負極端子９２との間の電圧および電流を測定器９３により測定した。フィルタホルダー８１として、Ｓｗｉｎｎｅｘフィルタホルダー２５ｍｍ（日本ミリポア社製）を用いた。

（実験１）
フィルタ部材５０ａの流路径による発電量の変化について確認した。具体的には、フィルタ部材５０ａとして、粉々にしたガラスを焼結することによって作製した、細孔径が異なる４種類の多孔質ガラスであるガラスフィルタ板（富士理化工業株式会社製）を用いた。圧力コンプレッサによって生成された水圧０．１ＭＰａをガラスフィルタ板にかけた。水は、メルクミリポア社製の超純水製造装置によって製造された純水（ミリＱ水）を用いた。４種類のガラスフィルタ板は、細孔径４０～５０μｍの試料Ｎｏ．１のガラスフィルタ板と、細孔径２０～３０μｍの試料Ｎｏ．２のガラスフィルタ板と、細孔径５～１０μｍの試料Ｎｏ．３のガラスフィルタ板と、細孔径１μｍ以下の試料Ｎｏ．４のガラスフィルタ板とである。試料Ｎｏ．１～４のガラスフィルタ板は、直径２０ｍｍ、厚み３ｍｍの円板状である。細孔径（孔径）は、水銀ポロシメータ（水銀圧入法）を用いて測定された平均孔径の値である。

図９は、試料Ｎｏ．１～４のガラスフィルタ板を用いたときの電圧値および電流値の測定結果を示すグラフである。図９に示されるように、水圧が一定であるにもかかわらず、細孔径が小さくなるにつれて電流値および電圧値が上昇することが確認された。

上記の式（６）に示されるように、電圧値は、理論的には細孔径に依存しない。しかしながら、細孔径の大きいガラスフィルタ板では、圧力コンプレッサによる水圧がガラスフィルタ板に集中せず、別の箇所（たとえば、配管など）において損失が生じたと推定される。その結果、ガラスフィルタ板にかかる実際の水圧が０．１ＭＰａよりも低下し、細孔径が大きいガラスフィルタ板では電圧値が低下したものと考えられる。一方、流量当たりの電流値は、上記の式（４）および（７）から導かれるように、細孔の半径ａの二乗に反比例するため、孔径が小さいほど流量当たりの発生電流が大きくなることがわかる。また、孔径が極端に大きくなると、シラノール基による壁面効果が低下し流路５１のイオンフィルタとしての機能が低下するため、発電効率が下がると考えられる。

図９に示す結果から、細孔径５０μｍ以下の試料Ｎｏ．１～４のガラスフィルタ板を用いることにより、ガラスフィルタ板に第１空間８１ａ（図１参照）から第２空間８１ｂ（図１参照）に向かう水流が発生したときに、第１空間８１ａと第２空間８１ｂとの間の電位差に基づく電力を発生させることができた。このことから、多孔質ガラスを用いる場合、一例として、本実験で発電効果が示された孔径５０μｍ以下のものを用いることができる。なお、上記の式（４）および（７）から、理論的には、孔径が小さい程発生電流が大きくなるため、孔径の下限は特に限定されない。ただし、孔径が小さくなりすぎると、水圧に対して破損する可能性が高まるため、ガラスフィルタ板の水圧への耐性を考慮して孔径の下限（例えば１００ｎｍ）が適宜定められる。

（実験２）
図１０は、足の押圧力を図１に示すフィルタホルダー８１内の水に加えるための治具の断面を示す模式図である。図１０では測定器９３の図示を省略している。フィルタホルダー８１内のフィルタ部材５０ａとして、上記の試料Ｎｏ．４のガラスフィルタ板を用いた。図１０に示されるように、治具１００は、フィルタホルダー８１を支持する土台部９４と、土台部９４の上に設けられたシリンジホルダー９５と、シリンジホルダー９５によって保持されたシリンジ９６と、シリンジ９６内を可動するピストン９７と、ピストン９７の上面に接する蓋部９８とを備える。シリンジ９６の出口は、フィルタホルダー８１の入口に接続されている。蓋部９８を足で踏み、体重（約６０ｋｇ）をピストン９７にかけることにより、シリンジ９６内に充填された５０ｍＬの純水（ミリＱ水）に圧力０．７ＭＰａをかけ、試料Ｎｏ．４のガラスフィルタ板を通過させた。

図１１は、５０ｍＬの純水が試料Ｎｏ．４のガラスフィルタ板を通過している間に発生した電圧の測定結果を示すグラフである。図１２は、５０ｍＬの純水が試料Ｎｏ．４のガラスフィルタ板を通過している間に流れた電流の測定結果を示すグラフである。圧力０．７ＭＰａによって５０ｍＬの純水がガラスフィルタ板を通過するのに要した時間は約１秒であった。そのため、図１１および図１２に示されるように、電圧５Ｖ、電流４μＡの電力２０μＷを約１秒間発生させることができた。電力２０μＷは、非特許文献１に開示されている電力よりも格段に大きい。さらに、約１秒間発電し続けることができるため、振動周波数の小さい人体の運動にも十分に対応できる。

（実験３）
図１０に示す治具１００を用いて、測定器９３（図１参照）の代わりに静電容量１μＦのコンデンサを接続した。シリンジ９６内に５０ｍＬの純水を供給して蓋部９８を踏みつける動作によりコンデンサに電力を蓄電した。その後、当該コンデンサに蓄電された電力をＬＥＤに供給したところ、ＬＥＤは、約０．１秒間明るく点灯した。

（実験４）
図１０に示す治具１００を用いて、測定器９３（図１参照）の代わりにＬＥＤを直接接続した。シリンジ９６内に５０ｍＬの純水を供給して蓋部９８を踏みつける動作を行なったところ、ＬＥＤは、弱い光ではあるが動作の間約１秒間点灯した。

（実験５）
実験１～４で用いた市販のガラスフィルタ板（富士理化工業株式会社製）の代わりに、ガラス粉末を焼結させたガラスフィルタ板（多孔質ガラス板）を用いて、実験２と同じ方法の測定を行なった。

ガラス粉末として、「ＩＷＡＫＩＣＴＥ３３ガラス管」（AGCテクノグラス株式会社製）を粉砕することにより得られたホウケイ酸ガラス粉末（粒径１６～４０μｍ）を用いた。ホウケイ酸ガラス粉末をカーボン製治具で成型し、アルミナおもりを載せた状態で真空炉にて焼結温度８００℃、保持時間０．５時間で焼結させることにより、直径２０ｍｍ、厚み２～３ｍｍの円板状の試料Ｎｏ．５のガラスフィルタ板を作製した。さらに、焼結時の保持時間を１．０時間とした点を除いて、試料Ｎｏ．５と同じ方法で、試料Ｎｏ．６のガラスフィルタ板を作製した。焼結時の保持時間を１．５時間とした点を除いて、試料Ｎｏ．５と同じ方法で、試料Ｎｏ．７のガラスフィルタ板を作製した。

図１３Ａは、試料Ｎｏ．５のガラスフィルタ板の破断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像を示す図である。図１３Ｂは、試料Ｎｏ．６のガラスフィルタ板の破断面のＳＥＭ画像を示す図である。図１３Ｃは、試料Ｎｏ．７のガラスフィルタ板の破断面のＳＥＭ画像を示す図である。図１３Ａ～図１３Ｃに示されるように、試料Ｎｏ．５～７のガラスフィルタ板は、多孔質である。

図１４は、５０ｍＬの純水が試料Ｎｏ．６のガラスフィルタ板を通過している間に発生した電圧の測定結果を示すグラフである。図１５は、５０ｍＬの純水が試料Ｎｏ．６のガラスフィルタ板を通過している間に流れた電流の測定結果を示すグラフである。図１４および図１５に示されるように、試料Ｎｏ．６のガラスフィルタ板を用いることにより、最大電圧値２．５Ｖ、最大電流値２．８μＡの比較的大きい電力が発生することが確認された。試料Ｎｏ．５～７の最大電圧値および最大電流値の計測結果を表１に示す。

（実験６）
純水（ミリＱ水）の代わりに水道水を用いて、実験２と同じ方法の測定を行なったところ、１００～２００ｍＶの電圧が発生し、実用可能なレベルで発電することが確認された。

従来、流動電流による発電デバイスは、非特許文献１に記載されているような、細く長い１本の流路を設けたものであり、電気抵抗が高いため、電流量はごくわずかであった。

発電量を増やすには、細く長い流路を大量並列集積して電流値を稼げばよい。この目的で、例えば、キャピラリープレート基板のような、複数の流路が互いに非接触で整然と並列しているデバイス等をフィルタ部材として設け、短流路の並列集積回路を構成することが考えられる。

本実施の形態は、このような短流路の並列集積に板状の多孔質ガラスを用いてもよいことを特徴の１つとしている。多孔質ガラスをフィルタ部材とすると、キャピラリープレート基板のような複数の流路が互いに非接触で整然と並列している構造をフィルタ部材としたときと比較し、水流は複雑になる。ガラスポアの生成パターンはランダムであるため、水の流路もその形状にそって複雑にくねって進んだり、回り込んだり、複数の流路が互いに接触している箇所もあり、或いは途中で流路が行き止まりの箇所もある。

そうすると、多孔質ガラスをフィルタ部材の並列回路として用いると、並列による電流値（電力値）の逓倍効果が期待できないことも一見予想される。しかし、多孔質ガラスをフィルタ部材として用いた上記の実験１～６を行った所、上記に示されるように、比較的大きい電力を発生させることが確認された。このように、多孔質ガラスをフィルタ部材として用いて、短流路を大量集積した並列回路の発電デバイスを構成できることが確認され、多孔質ガラスをフィルタ部材として用いた発電デバイスの完成に至った。

（作用・効果）
以上のように、本実施の形態に係る発電デバイス１は、水で充填された容器１０と、容器１０内の第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間に配置された、板状の多孔質ガラスであるフィルタ部材５０と、第１空間１８ａに圧力を印加して、フィルタ部材５０に第１空間１８ａから第２空間１８ｂに向いた水流を発生させる水流発生部材である移動部材２０とを備える。水流の方向は、フィルタ部材５０の厚み方向に沿っている。フィルタ部材５０は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすい。フィルタ部材５０に水流が発生したときに、第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間の電位差に基づく電力を生成する。

また、本実施の形態に係る発電デバイス１は、以下のようにも表現できる。水で充填された容器１０と、容器１０内の第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間に配置されたフィルタ部材５０と、移動部材２０と、付勢部材であるコイルばね２３とを備える。移動部材２０は、外部からの押圧力を受けて移動することにより、第１空間１８ａに圧力を印加して、フィルタ部材５０に第１空間１８ａから第２空間１８ｂに向いた第１水流Ｆ１を発生させる。コイルばね２３は、移動部材２０が押圧力から解放されたときに、フィルタ部材５０に第２空間１８ｂから第１空間１８ａに向いた第２水流Ｆ２を発生させる。フィルタ部材５０は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすい。フィルタ部材５０に水流が発生したときに、第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間の電位差に基づく電力を生成する。

上記の構成の発電デバイス１は、上記の実験１～５の結果から、細い流路への水流を利用しながら発電量を向上させることができる。

また、近年、人体の運動エネルギーを用いて発電するシステムが開発されている。このようなシステムとしては、電磁誘導、圧電効果、静電誘導のいずれかを用いた発電システムが知られている。しかしながら、電磁誘導、圧電効果、静電誘導のいずれかを用いた発電システムにおいて効率的に発電できる振動周波数は、人体の運動における一般的な振動周波数よりも高い。具体的には、電磁誘導、圧電効果、静電誘導のいずれかを用いた発電システムにおいて効率的に発電できる振動周波数は１０Ｈｚ以上であるのに対し、人体の運動における一般的な振動周波数はおよそ１Ｈｚ以下である。そのため、電磁誘導、圧電効果、静電誘導のいずれかを用いた発電システムでは、人体の運動エネルギーを効率的に電力に変換することができない。

上記の非特許文献１に開示されている技術によれば、人体の運動における一般的な振動周波数であっても、流路に圧力をかけている時間だけ効率的に発電可能である。しかしながら、非特許文献１には、人体の運動によって流路にイオンを流し、効率的に発電させる手法について一切開示されていない。

本開示は、上記の課題をも解決するためになされたものであって、人体を含む物体の運動エネルギーを効率的に電力に変換することができる発電デバイスを提供することを別の目的とする。

本実施の形態に係る上記の構成により、たとえば人体の動作による押圧力を受けて移動部材２０が移動することによりフィルタ部材５０に第１水流Ｆ１が発生する。さらに、移動部材２０が押圧力から解放されることによりフィルタ部材５０に第２水流Ｆ２が発生する。フィルタ部材５０が水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすいため、フィルタ部材５０に第１水流Ｆ１が発生すると、第１空間１８ａにおいて水酸化物イオン濃度が高くなり、第２空間１８ｂにおいて水素イオン濃度が高くなる。その結果、第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間に電位差が生じ、当該電位差に基づく電力を生成することができる。同様に、フィルタ部材５０に第２水流Ｆ２が発生すると、第１空間１８ａにおいて水素イオン濃度が高くなり、第２空間１８ｂにおいて水酸化物イオン濃度が高くなる。その結果、第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間に電位差が生じ、当該電位差に基づく電力を生成することができる。

フィルタ部材５０に第１水流Ｆ１または第２水流Ｆ２が発生している間中、発電デバイス１は発電することができる。そのため、人体の運動における一般的な振動周波数の押圧力が移動部材２０に印加されたとしても、発電デバイス１は、効率的に発電できる。さらに、移動部材２０が押圧力を受けたときにはフィルタ部材５０に第１水流Ｆ１が発生し、移動部材２０が押圧力から解放されたときにはフィルタ部材５０に第２水流Ｆ２が発生するため、人体の繰り返される運動に追従して発電できる。このように、発電デバイス１は、人体を含む物体の運動エネルギーを効率的に電力に変換することができる。

なお、付勢部材として、コイルばね２３ではなく、板ばね、ゴム等の弾性体、シーソー型の機構、部材同士を密閉するためのパッキング部材やシール部材などを用いてもよい。

発電デバイス１は、第１空間１８ａおよび第２空間１８ｂの各々に設けられた、水素分子および酸素分子からの水の生成反応を促進するＰｔ触媒をさらに備える。これにより、第１空間１８ａおよび第２空間１８ｂにおいて、水素イオンが電子を受けることにより生成された水素分子（Ｈ_２）と、水酸化物イオンが電子を放出することにより生成された酸素分子（Ｏ_２）とを水（Ｈ_２Ｏ）に戻すことができる。その結果、発電デバイス１が長期間使用されたとしても水を容器１０内に補充しなくてもよい。なお、水素分子および酸素分子の水への反応を促進する触媒として、Ｐｔ以外にも、銅その他の各種遷移元素が使用可能である。

発電デバイス１は、コンデンサ３３，４３をさらに備える。コンデンサ３３は、フィルタ部材５０に第１水流Ｆ１が発生したときに第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間の電位差に応じた電力を蓄電するための第１蓄電部として働く。コンデンサ４３は、フィルタ部材５０に第２水流Ｆ２が発生したときに第１空間１８ａと第２空間１８ｂとの間の電位差に応じた電力を蓄電するための第２蓄電部として働く。これにより、第１水流Ｆ１または第２水流Ｆ２が継続して発生する期間が短く、当該期間の発電力が小さくても、コンデンサ３３，４３から大きな電力を外部に供給することができる。なお、第１蓄電部および第２蓄電部として、コンデンサ３３，４３ではなく２次電池等を用いてもよい。

フィルタ部材５０は多孔質ガラスである。フィルタ部材５０は、直径５０μｍ以下の複数の孔が形成されたガラスであってもよい。フィルタ部材５０は、直径１μｍ以下の複数の孔が形成されたガラスであってもよい。

発電デバイス１は、フィルタ部材５０における第１空間１８ａ側に配置された支持体（第１支持体）６１と、フィルタ部材５０における第２空間１８ｂ側に配置された支持体（第２支持体）６２とをさらに備える。フィルタ部材５０は、支持体６１と支持体６２とで挟持される。これにより、フィルタ部材５０の破損等を抑制することができる。

図１に示す発電デバイス１Ａを用いて発電させてもよい。または、図１０に示す治具１００を発電デバイスとして用いてもよい。図１に示す発電デバイス１Ａ、または図１０に示す治具１００からなる発電デバイスであっても、上記の実験１～６の結果から、細い流路への水流を利用しながら発電量を向上させることができる。

図１０に示す治具１００では、ピストン９７が、フィルタ部材５０ａの上方の空間（第１空間）からフィルタ部材５０ａの下方の空間（第２空間）に向いた水流を発生させる水流発生部材として機能する。水流の方向は、板状のフィルタ部材５０ａの厚み方向である。なお、上記の図１０に示す治具を発電デバイスとして用いる場合、水流発生部材として、ピストン９７の代わりにポンプを用いてもよい。

上記の実験６の結果から、水として、水道水を用いてもよいし、純水（ミリＱ水）を用いてもよい。なお、不純物の多い水を用いる場合には、フィルタ部材５０，５０ａの上流側に、水中の不純物を取り除くための別のフィルタ部材を配置してもよい。

図１６は、変形例に係る発電デバイスの一例を示す図である。図１６に示す発電デバイス１Ｂは、図１０に示す治具１００と比較して、土台部９４、シリンジホルダー９５、シリンジ９６、ピストン９７及び蓋部９８の代わりに水流発生部材７０を備えるとともに、フィルタ部材７１をさらに備える点で相違する。

水流発生部材７０は、フィルタ部材５０ａに厚み方向の水流を発生させる部材であり、ポンプ等で構成される。例えば、水流発生部材７０は、公共の水道管に設置されるポンプであってもよい。もしくは、水流発生部材７０は、図１０と同じように、土台部９４、シリンジホルダー９５、シリンジ９６、ピストン９７及び蓋部９８で構成されてもよい。

フィルタ部材７１は、フィルタ部材５０ａの上流側（上方の空間側）の流路に配置され、水の中の不純物を取り除く。フィルタ部材７１は、例えば、メルクミリポア社製超純水製造装置等に装着可能なフィルタ（ミリＱフィルタ）、活性炭フィルタ、イオン交換フィルタなどで構成される。

図１６に示す例の発電デバイス１Ｂによれば、不純物の多い水であっても、フィルタ部材７１によって不純物を取り除くことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の発電デバイスは、水流で駆動する環境発電デバイスである。水がある限り発電を持続でき、圧力に応じて狭い範囲でも電流が得られる。また、本発明の発電デバイスは、直流型の水力発電システムである。直流電力としてそのままコンデンサや蓄電池への蓄電が可能であり、携帯電話、健康管理デバイス、介護用ベッド、歩行センサ、ポータブルプレーヤー等の電子デバイスに広く一般に適用できる。

１，１Ａ，１Ｂ発電デバイス、１０容器、１１上側容器、１２下側容器、１２ａ雄ねじ、１３，１４可動板、１５シール部材、１６リング部、１６ａ中空空間、１６ｂスリット、１６ｃ内周壁、１７垂下部、１７ａ雌ねじ、１８密閉空間、１８ａ第１空間、１８ｂ第２空間、２０移動部材、２３コイルばね、３０第１回路、３１，４１，９１正極端子、３２，４２ダイオード、３３，４３コンデンサ、３４，４４，９２負極端子、４０第２回路、５０，５０ａ，７１フィルタ部材、５１流路、６１，６２支持体、７０水流発生部材、８０導電回路、８１フィルタホルダー、９３測定器、９４土台部、９５シリンジホルダー、９６シリンジ、９７ピストン、９８蓋部、１００治具、Ａ押圧力、Ｆ１第１水流、Ｆ２第２水流、Ｉ１，Ｉ２電流。

Claims

水で充填された容器と、
前記容器内の第１空間と第２空間との間に配置されたフィルタ部材と、
外部からの押圧力を受けて移動することにより、前記第１空間に圧力を印加して、前記フィルタ部材に前記第１空間から前記第２空間に向いた第１水流を発生させる移動部材と、
前記第２空間に配置される可動部材と、
前記移動部材が前記押圧力から解放されたときに、弾性エネルギーにより前記可動部材に付勢力を加えて、前記フィルタ部材に前記第２空間から前記第１空間に向いた第２水流を発生させる付勢部材とを備え、
前記フィルタ部材は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすく、
前記フィルタ部材に前記第１水流または前記第２水流が発生したときに、前記第１空間と前記第２空間との間の電位差に基づく電力を生成する、発電デバイス。
発電デバイスであって、
水で充填された容器と、
前記容器内の第１空間と第２空間との間に配置されたフィルタ部材と、
外部からの押圧力を受けて移動することにより、前記第１空間に圧力を印加して、前記フィルタ部材に前記第１空間から前記第２空間に向いた第１水流を発生させる移動部材と、
前記移動部材が前記押圧力から解放されたときに、前記フィルタ部材に前記第２空間から前記第１空間に向いた第２水流を発生させる付勢部材とを備え、
前記フィルタ部材は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすく、
前記フィルタ部材に前記第１水流または前記第２水流が発生したときに、前記第１空間と前記第２空間との間の電位差に基づく電力を生成し、
前記発電デバイスは、
前記フィルタ部材に前記第１水流が発生したときに前記第１空間と前記第２空間との間の電位差に応じた電力を蓄電するための第１蓄電部と、
前記フィルタ部材に前記第２水流が発生したときに前記第１空間と前記第２空間との間の電位差に応じた電力を蓄電するための第２蓄電部とをさらに備える、発電デバイス。
前記第１空間および前記第２空間の各々に設けられた、水素分子および酸素分子からの水の生成反応を促進する触媒をさらに備える、請求項１または２に記載の発電デバイス。
前記フィルタ部材における前記第１空間側に配置された第１支持体と、
前記フィルタ部材における前記第２空間側に配置された第２支持体とをさらに備え、
前記フィルタ部材は、前記第１支持体と前記第２支持体とで挟持される、請求項１から３のいずれか１項に記載の発電デバイス。
水で充填された容器と、
前記容器内の第１空間と第２空間との間に配置されたフィルタ部材と、
移動部材と、
前記第２空間に配置される可動部材と、
付勢部材とを用いた発電方法であって、
前記フィルタ部材は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすく、
外部からの押圧力を受けて前記移動部材を移動させることにより、前記第１空間に圧力を印加して、前記フィルタ部材に前記第１空間から前記第２空間に向いた第１水流を発生させるステップと、
前記移動部材を前記押圧力から解放させ、前記付勢部材の弾性エネルギーにより前記可動部材に付勢力を加えて、前記フィルタ部材に前記第２空間から前記第１空間に向いた第２水流を発生させるステップと、
前記フィルタ部材に前記第１水流または前記第２水流が発生したときに、前記第１空間と前記第２空間との間の電位差に基づく電力を生成するステップとを備える、発電方法。
水で充填された容器と、
前記容器内の第１空間と第２空間との間に配置されたフィルタ部材と、
移動部材と、
第１蓄電部と、
第２蓄電部とを用いた発電方法であって、
前記フィルタ部材は、水酸化物イオンよりも水素イオンを通過させやすく、
外部からの押圧力を受けて前記移動部材を移動させることにより、前記第１空間に圧力を印加して、前記フィルタ部材に前記第１空間から前記第２空間に向いた第１水流を発生させるステップと、
前記移動部材を前記押圧力から解放させて、前記フィルタ部材に前記第２空間から前記第１空間に向いた第２水流を発生させるステップと、
前記フィルタ部材に前記第１水流または前記第２水流が発生したときに、前記第１空間と前記第２空間との間の電位差に基づく電力を生成するステップと、
前記フィルタ部材に前記第１水流が発生したときに前記第１空間と前記第２空間との間の電位差に応じた電力を前記第１蓄電部に蓄電するステップと、
前記フィルタ部材に前記第２水流が発生したときに前記第１空間と前記第２空間との間の電位差に応じた電力を前記第２蓄電部に蓄電するステップとを備える、発電方法。