JP7398144B2 - 電位差発生デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、互いに異なる水素吸蔵金属等からなり、かつ厚さがナノサイズ（１０００ｎｍ未満）でなる第１層と第２層とが積層されたナノ構造体を備えた電位差発生デバイスに関する。
近年、水素吸蔵金属等により形成されたナノ構造体が水素の吸蔵と放出とを行うことにより熱を発生する発熱現象が報告されている（非特許文献１参照）。この発熱現象は、化学反応よりも大きい熱エネルギーを得ることができるため、有効な熱源あるいは電源への利用が期待されている。
本願発明者等は、水素吸蔵金属等からなる台座と、台座の表面に形成された多層膜とを有する発熱体を備えた発熱装置を先に提案した（特許文献１参照）。多層膜は、水素吸蔵金属等からなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第１層と、第１層とは異種の水素吸蔵金属等からなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第２層とが積層され、第１層と第２層との間に異種物質界面が形成された構成を有している。上記のような水素吸蔵金属等により形成された発熱体は、ヒータにより加熱されることで、異種物質界面を水素が量子拡散により透過または拡散し、熱を発生させる。
A. Kitamura, A. Takahashi, K. Takahashi, R. Seto, T. Hatano, Y. Iwamura, T. Itoh, J. Kasagi, M. Nakamura, M. Uchimura, H. Takahashi, S. Sumitomo, T. Hioki, T. Motohiro, Y. Furuyama, M. Kishida, H. Matsune, "Excess heat evolution from nanocomposite samples under exposure to hydrogen isotope gases", International Journal of Hydrogen Energy 43 (2018) 16187-16200.
特許文献１の発熱体が発生する熱は、例えばタービンを用いることで電力に変換して利用することができる。しかしながら、熱を電力に変換する際に熱損失が発生するという問題がある。このため、熱を介さず、直接的に発電を行うことができる新たな発電デバイスの開発が望まれている。
本願発明者等は、様々な研究の結果、水素吸蔵金属等により形成されたナノ構造体に水素を吸蔵させ、水素を量子拡散させることにより、ナノ構造体の表面から荷電粒子が放出されるという新たな知見を得た。本発明は、このような新たな知見に基づいてなされたものであり、直接発電を行うことができる電位差発生デバイスを提供することを目的とする。
本発明の電位差発生デバイスは、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体からなる台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有するナノ構造体と、前記ナノ構造体に設けられた第１の電極と、前記多層膜に対向して設けられた第２の電極とを備え、前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第１層と、前記第１層とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第２層とが積層され、前記第１層と前記第２層との間に異種物質界面が形成された構成を有し、前記ナノ構造体が加熱されることで、前記異種物質界面を水素が量子拡散により透過または拡散し、前記多層膜から荷電粒子を放出し、前記荷電粒子を前記第２の電極に捕捉させることで、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を生じさせる。
本発明によれば、水素吸蔵金属等により形成されたナノ構造体に水素を吸蔵させ、水素を量子拡散させることにより直接発電を行うことができる電位差発生デバイスを提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。以下の説明および図面では、共通の構成については共通の符号を付している。共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。
［電位差発生デバイス］
図１において、電位差発生デバイス１０は、容器１１、ヒータ１２、電源１３、温度センサ１４、制御部１５、ナノ構造体１６Ａ、第１の電極１７、および第２の電極１８を備えている。電位差発生デバイス１０は、ナノ構造体１６Ａが水素を吸蔵した状態でヒータ１２による加熱が行われることで、水素の量子拡散が起きる過程で放出された荷電粒子を捕捉し、第１の電極１７と第２の電極１８との間に電位差を生じさせるように構成されている。第１の電極１７と第２の電極１８との間に電力で駆動する各種電気機器等の負荷が接続されることで、電位差に起因した電流が負荷に流れる。「電位差発生デバイス」は、互いに異なる水素吸蔵金属等からなり、かつ厚さがナノサイズ（１０００ｎｍ未満）でなる第１層と第２層とが積層されたナノ構造体に水素を吸蔵させ、第１層と第２層との間に形成された異種物質界面に水素を量子拡散させることにより直接発電を行うことができる新規な発電デバイスであり、「量子水素電池」とも言う。電位差発生デバイス１０の詳細な構成を以下に説明する。
図１において、電位差発生デバイス１０は、容器１１、ヒータ１２、電源１３、温度センサ１４、制御部１５、ナノ構造体１６Ａ、第１の電極１７、および第２の電極１８を備えている。電位差発生デバイス１０は、ナノ構造体１６Ａが水素を吸蔵した状態でヒータ１２による加熱が行われることで、水素の量子拡散が起きる過程で放出された荷電粒子を捕捉し、第１の電極１７と第２の電極１８との間に電位差を生じさせるように構成されている。第１の電極１７と第２の電極１８との間に電力で駆動する各種電気機器等の負荷が接続されることで、電位差に起因した電流が負荷に流れる。「電位差発生デバイス」は、互いに異なる水素吸蔵金属等からなり、かつ厚さがナノサイズ（１０００ｎｍ未満）でなる第１層と第２層とが積層されたナノ構造体に水素を吸蔵させ、第１層と第２層との間に形成された異種物質界面に水素を量子拡散させることにより直接発電を行うことができる新規な発電デバイスであり、「量子水素電池」とも言う。電位差発生デバイス１０の詳細な構成を以下に説明する。
容器１１は、上部１１ａと底部１１ｂと側部１１ｃにより構成された中空の容器である。容器１１は、上部１１ａと底部１１ｂの少なくともいずれかが側部１１ｃに対し着脱自在に構成されており、側部１１ｃに対し上部１１ａと底部１１ｂとが取り付けられることにより密閉される。本実施形態では、容器１１の内部に、ヒータ１２、電源１３、温度センサ１４、制御部１５、ナノ構造体１６Ａ、第１の電極１７、および第２の電極１８が収容されるが、電源１３と制御部１５は容器１１の外部に設けてもよい。容器１１の内部には、当該容器１１の内部の圧力を検出する圧力センサ（図示なし）が設けられている。真空ポンプ等の真空発生装置（図示なし）を用いることで、容器１１の内部が真空状態とされる。水素系ガスを貯蔵した水素タンク等の水素導入装置（図示なし）を用いることで、容器１１の内部に水素系ガスが導入される。水素系ガスとは、水素の同位体を含むガスのことである。水素系ガスとしては、重水素ガスと軽水素ガスとの少なくともいずれかが用いられる。軽水素ガスは、天然に存在する軽水素と重水素の混合物、すなわち、軽水素の存在比が９９．９８５％であり、重水素の存在比が０．０１５％である混合物を含む。以降の説明において、軽水素と重水素とを区別しない場合には「水素」と記載する。
容器１１は、正極端子２１と負極端子２２とを有する。図１では、上部１１ａに負極端子２２が設けられ、底部１１ｂに正極端子２１が設けられているが、正極端子２１と負極端子２２の位置は特に限定されず適宜設計することができる。容器１１は、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、耐熱性非鉄合金鋼等の耐熱性および耐圧性を有する材料や、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ等の輻射熱を反射する材料により形成される。容器１１の形状は、特に限定されず、円筒状、楕円筒状、角筒状等としてよい。
ヒータ１２は、供給される電力に応じて昇温し、ナノ構造体１６Ａを加熱する。ヒータ１２は、本実施形態では、セラミックスで形成された基体の内部に導体が設けられた構成を有する板状のセラミックヒータである。電源１３は、ヒータ１２と電気的に接続されており、ヒータ１２に対し電力を供給する。温度センサ１４は、ナノ構造体１６Ａの温度を検出する。温度センサ１４は、本実施形態では、ヒータ１２に内蔵された熱電対であり、ヒータ１２を介してナノ構造体１６Ａの温度を検出するように構成されている。制御部１５は、電源１３および温度センサ１４と電気的に接続されており、温度センサ１４の検出結果に基づき電源１３の出力を制御し、ナノ構造体１６Ａを所望の温度とする。
ナノ構造体１６Ａは、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体からなる台座２４と、台座２４に設けられた多層膜（ナノ構造膜とも言う）２５Ａとを有する。図１では台座２４の一方の面に多層膜２５Ａが設けられているが、台座２４の両面に多層膜２５Ａが設けられてもよい。
ナノ構造体１６Ａは、本実施形態では板状の部材である。ナノ構造体１６Ａは、遮蔽板２７を介して、ヒータ１２の両面に設けられている。遮蔽板２７は、一方の面がナノ構造体１６Ａの台座２４と接触し、他方の面がヒータ１２と接触している。遮蔽板２７は、例えばＳｉＯ２板が用いられる。ナノ構造体１６Ａは、ホルダー２８により、ヒータ１２および遮蔽板２７と一体化されている。ホルダー２８は、ナノ構造体１６Ａの多層膜２５Ａの表面（図１における台座２４と反対側の面）が露出するように、ナノ構造体１６Ａを保持する。ホルダー２８は、例えばセラミックスにより形成される。
第１の電極１７は、ナノ構造体１６Ａに設けられている。図１ではナノ構造体１６Ａの台座２４に第１の電極１７が設けられている。第１の電極１７は、負極端子２２と電気的に接続されている。第１の電極１７は、導電性、耐熱性、および耐圧性を有する材料により形成される。第１の電極１７の材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）等とこれらの金属をベースとした合金が挙げられる。
第２の電極１８は、多層膜２５Ａに対向して設けられている。第２の電極１８は、多層膜２５Ａの表面に対し直交する方向（図１における紙面左右方向）に所定の隙間をあけて配置されている。本実施形態では、第２の電極１８は、容器１１の内壁に固定された図示しない支持部材により支持されている。第２の電極１８は、正極端子２１と電気的に接続されている。第２の電極１８は、導電性、耐熱性、および耐圧性を有し、かつ、後述する多層膜２５Ａの表面から放出された荷電粒子を捕捉できる材料により形成される。第２の電極１８の材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）等とこれらの金属をベースとした合金が挙げられる。
［ナノ構造体］
図２を用いて、ナノ構造体１６Ａの構成を詳細に説明する。
図２を用いて、ナノ構造体１６Ａの構成を詳細に説明する。
台座２４を構成する材料の一例を以下に記載する。水素吸蔵金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ等が用いられる。水素吸蔵合金としては、例えば、ＬａＮｉ５、ＣａＣｕ５、ＭｇＺｎ２、ＺｒＮｉ２、ＺｒＣｒ２、ＴｉＦｅ、ＴｉＣｏ、Ｍｇ２Ｎｉ、Ｍｇ２Ｃｕ等が用いられる。プロトン導電体としては、例えば、ＢａＣｅＯ３系（例えばＢａ（Ｃｅ０．９５Ｙ０．０５）Ｏ３－６）、ＳｒＣｅＯ３系（例えばＳｒ（Ｃｅ０．９５Ｙ０．０５）Ｏ３－６）、ＣａＺｒＯ３系（例えばＣａＺｒ０．９５Ｙ０．０５Ｏ３－α）、ＳｒＺｒＯ３系（例えばＳｒＺｒ０．９Ｙ０．１Ｏ３－α）、βＡｌ２Ｏ３、βＧａ２Ｏ３等が用いられる。台座２４は、多孔質体または水素透過膜により構成してもよい。多孔質体は、水素系ガスの通過を可能とするサイズの孔を有する。多孔質体は、例えば、金属、非金属、セラミックス等により形成される。多孔質体は、水素系ガスと多層膜２５Ａとの反応を阻害しない材料により形成されることが好ましい。水素透過膜は、例えば、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成される。水素透過膜は、メッシュ状のシートを有するものを含む。
多層膜２５Ａは、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第１層３１と、第１層３１とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第２層３２とが積層され、第１層３１と第２層３２との間に異種物質界面３６が形成された構成を有する。
多層膜２５Ａは、図２では、台座２４の表面に第１層３１と第２層３２とがこの順で交互に積層された構成を有しているが、これに限られず、台座２４の表面に第２層３２と第１層３１とがこの順で交互に積層された構成を有するものでもよい。第１層３１および第２層３２の各層数は適宜変更してもよい。多層膜２５Ａとしては、第１層３１と第２層３２とをそれぞれ１層以上有し、異種物質界面３６が１つ以上形成されていればよい。
第１層３１は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金のうち、いずれかにより形成される。第１層３１を形成する合金は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第１層３１を形成する合金として、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
第２層３２は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金、ＳｉＣのうち、いずれかにより形成される。第２層３２を形成する合金とは、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第２層３２を形成する合金として、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
第１層３１と第２層３２との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層３１－第２層３２」として表すと、Ｐｄ－Ｎｉ、Ｎｉ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃｒ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｍｇ、Ｎｉ－Ｃｏであることが好ましい。第２層３２をセラミックスとした場合は、「第１層３１－第２層３２」が、Ｎｉ－ＳｉＣであることが好ましい。
第１層３１の厚みと第２層３２の厚みは、それぞれ１０００ｎｍ未満であることが好ましい。第１層３１と第２層３２の各厚みが１０００ｎｍ以上となると、水素が多層膜２５Ａを透過し難くなる。また、第１層３１と第２層３２の各厚みが１０００ｎｍ未満であることにより、バルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。第１層３１と第２層３２の各厚みは、５００ｎｍ未満であることがより好ましい。第１層３１と第２層３２の各厚みが５００ｎｍ未満であることにより、完全にバルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。
ナノ構造体１６Ａに対し水素系ガスが供給することで、ナノ構造体１６Ａの台座２４および多層膜２５Ａに水素が高密度に吸蔵される。ナノ構造体１６Ａは、水素系ガスの供給が停止されても、台座２４および多層膜２５Ａに水素を吸蔵した状態を維持できる。ナノ構造体１６Ａが加熱されると、台座２４および多層膜２５Ａに吸蔵されている水素がホッピングしながら量子拡散する。水素は軽く、ある物質Ａと物質Ｂの水素が占めるサイト（オクトヘドラルやテトラヘドラルサイト）をホッピングしながら量子拡散していくことが分かっている。
図３は、面心立法構造の水素吸蔵金属により形成された第１層３１および第２層３２を有するナノ構造体１６Ａにおいて、第１層３１の金属格子中の水素原子が、異種物質界面３６を透過し、第２層３２の金属格子中に移動する様子を示している。
図３に示すように、ナノ構造体１６Ａが加熱されることで、第１層３１と第２層３２との間に形成された異種物質界面３６を水素が量子拡散により透過または拡散し、多層膜２５Ａから荷電粒子ＣＰが放出される。本実施形態において、荷電粒子ＣＰは、正の電荷を帯びたイオンである。荷電粒子ＣＰは、ナノ構造体１６Ａを構成する元素（Ｎｉ、Ｃｕ等）の原子核が飛び出したものと考えられる。多層膜２５Ａから放出された荷電粒子ＣＰは、多層膜２５Ａに対向して設けられた第２の電極１８（図１参照）に捕捉される。この結果、荷電粒子ＣＰを捕捉した第２の電極１８が正電位となり、ナノ構造体１６Ａの台座２４に設けられた第１の電極１７が負電位となり、第１の電極１７と第２の電極１８との間に電位差が生じる。
また、ナノ構造体１６Ａが加熱されることで、異種物質界面３６を水素が量子拡散により透過または拡散し、当該ナノ構造体１６Ａを加熱するときの温度以上の熱（以下、過剰熱という）が発生する。
ナノ構造体１６Ａの製造方法の一例を説明する。まず板状に形成された台座２４を準備し、次にスパッタリング法を用いて台座２４上に多層膜２５Ａを形成する。これにより、板状のナノ構造体１６Ａを製造できる。台座２４を形成する際は、第１層３１と第２層３２の各層よりも厚めに形成することが好ましい。台座２４の材料としてはＮｉが好ましい。第１層３１と第２層３２は、真空状態で連続的に形成することが好ましい。これにより第１層３１と第２層３２との間に自然酸化膜が形成されず、異種物質界面３６のみが形成される。ナノ構造体１６Ａの製造方法としては、スパッタリング法に限られず、蒸着法、湿式法、溶射法、電気めっき法等を用いることができる。
ナノ構造体１６Ａは、本実施形態では板状に形成されているが、これに限定されない。ナノ構造体は、例えば、筒状または有底筒状に形成されてもよい。有底筒状のナノ構造体の製造方法の一例を説明する。まず有底筒状に形成された台座を準備し、次に湿式成膜法を用いて台座の外面に多層膜を形成する。これにより、有底筒状のナノ構造体を製造できる。湿式成膜法としては、スピンコート法、スプレーコート法、ディッピング法等が用いられる。また、多層膜は、ＡＬＤ法（Atomic Layer Deposition）を用いて形成してもよいし、台座を回転させる回転機構を備えたスパッタリング装置を用いて、台座を回転させながら、台座に多層膜を形成してもよい。なお、多層膜は、台座の外面に設ける場合に限られず、台座の内面、または台座の両面に設けてもよい。筒状のナノ構造体も同様の製造方法により製造することができる。
ナノ構造体１６Ａは、本実施形態では、台座２４と多層膜２５Ａとで構成されているが、これに限られない。
図４は、別のナノ構造体１６Ｂの構成を示す断面図である。図４に示すように、ナノ構造体１６Ｂは、台座２４と、台座２４に設けられた多層膜２５Ｂとを有する。図４では台座２４の一方の面に多層膜２５Ｂが設けられているが、台座２４の両面に多層膜２５Ｂが設けられてもよい。
多層膜２５Ｂは、第１層３１と、第２層３２と、第１層３１および第２層３２とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第３層３３とが積層され、第１層３１と第３層３３との間に異種物質界面３７が形成された構成を有する。
多層膜２５Ｂは、図４では、台座２４の表面に、第１層３１、第２層３２、第１層３１、第３層３３が順に積層された構成を有しているが、これに限られず、台座２４の表面に第２層３２と第３層３３とが任意の順に配され、かつ第２層３２と第３層３３との間に第１層３１が設けられた構成を有するものであればよい。例えば、多層膜２５Ｂは、台座２４の表面に、第１層３１、第３層３３、第１層３１、第２層３２が順に積層された構成を有するものでもよい。第１層３１、第２層３２、および第３層３３の各層数は適宜変更してもよい。多層膜２５Ｂとしては、第３層３３を１層以上有し、異種物質界面３７が１つ以上形成されていればよい。
第３層３３は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金、ＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちいずれかにより形成される。第３層３３を形成する合金は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第３層３３を形成する合金として、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
特に、第３層３３は、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかにより形成されることが好ましい。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかにより形成される第３層３３を有するナノ構造体１６Ｂは、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面３６および異種物質界面３７を透過する水素の量が増加し、荷電粒子ＣＰの放出量が増加するとともに、過剰熱の高出力化を図れる。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかにより形成される第３層３３は、厚みが１０ｎｍ以下であることが好ましい。第３層３３の厚みが１０ｎｍ以下であることにより、水素を容易に透過させ、かつ、透過する水素の量をより増加できる。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかにより形成される第３層３３は、完全な膜状に形成されずに、アイランド状に形成されてもよい。また、第１層３１と第３層３３は、真空状態で連続的に形成することが好ましい。これにより第１層３１と第３層３３との間に自然酸化膜が形成されず、異種物質界面３７のみが形成される。
第１層３１と第２層３２と第３層３３との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層３１－第３層３３－第２層３２」として表すと、Ｐｄ－ＣａＯ－Ｎｉ、Ｐｄ－Ｙ２Ｏ３－Ｎｉ、Ｐｄ－ＴｉＣ－Ｎｉ、Ｐｄ－ＬａＢ６－Ｎｉ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｕ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｕ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｃｕ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｒ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｒ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｒ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｒ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｆｅ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｍｇ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｍｇ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｍｇ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｍｇ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｏ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｏ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｏ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｏ、Ｎｉ－ＣａＯ－ＳｉＣ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－ＳｉＣ、Ｎｉ－ＴｉＣ－ＳｉＣ、Ｎｉ－ＬａＢ６－ＳｉＣであることが好ましい。
ナノ構造体１６Ｂが加熱されることで、異種物質界面３６および異種物質界面３７を水素が量子拡散により透過または拡散し、多層膜２５Ｂから荷電粒子ＣＰが放出されるとともに、過剰熱が発生する。ナノ構造体１６Ｂは、ナノ構造体１６Ａと同様の製造方法により製造できる。電位差発生デバイス１０は、ナノ構造体１６Ａの代わりに、ナノ構造体１６Ｂを備えてもよい。
図５は、更に別のナノ構造体１６Ｃの構成を示す断面図である。図５に示すように、ナノ構造体１６Ｃは、台座２４と、台座２４に設けられた多層膜２５Ｃとを有する。図５では台座２４の一方の面に多層膜２５Ｃが設けられているが、台座２４の両面に多層膜２５Ｃが設けられてもよい。
多層膜２５Ｃは、第１層３１と、第２層３２と、第３層３３と、第１層３１、第２層３２および第３層３３とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第４層３４とが積層され、第１層３１と第４層３４との間に異種物質界面３８が形成された構成を有する。
多層膜２５Ｃは、図５では、台座２４の表面に、第１層３１、第２層３２、第１層３１、第３層３３、第１層３１、第４層３４が順に積層された構成を有しているが、これに限られず、台座２４の表面に第２層３２と第３層３３と第４層３４とが任意の順に配され、かつ第２層３２と第３層３３と第４層３４との間に第１層３１がそれぞれ設けられた構成を有するものであればよい。例えば、多層膜２５Ｃは、台座２４の表面に、第１層３１、第４層３４、第１層３１、第３層３３、第１層３１、第２層３２の順に積層された構成を有するもの等でもよい。第１層３１、第２層３２、第３層３３、および第４層３４の各層数は適宜変更してもよい。多層膜２５Ｃとしては、第４層３４を１層以上有し、異種物質界面３８が１つ以上形成されていればよい。
第４層３４は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金、ＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちいずれかにより形成される。第４層３４を形成する合金は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第４層３４を形成する合金として、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
特に、第４層３４は、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかにより形成されることが好ましい。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかにより形成される第４層３４を有するナノ構造体１６Ｃは、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面３６、異種物質界面３７、および異種物質界面３８を透過する水素の量が増加し、荷電粒子ＣＰの放出量が増加するとともに、過剰熱の高出力化を図れる。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかにより形成される第４層３４は、厚みが１０ｎｍ以下であることが好ましい。第４層３４の厚みが１０ｎｍ以下であることにより、水素を容易に透過させ、かつ、透過する水素の量をより増加できる。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかにより形成される第４層３４は、完全な膜状に形成されずに、アイランド状に形成されてもよい。また、第１層３１と第４層３４は、真空状態で連続的に形成することが好ましい。これにより第１層３１と第４層３４との間に自然酸化膜が形成されず、異種物質界面３８のみが形成される。
第１層３１と第２層３２と第３層３３と第４層３４との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層３１－第４層３４－第３層３３－第２層３２」として表すと、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｒ－Ｆｅであることが好ましい。
ナノ構造体１６Ｃが加熱されることで、異種物質界面３６、異種物質界面３７、および異種物質界面３８を水素が量子拡散により透過または拡散し、多層膜２５Ｃから荷電粒子ＣＰが放出されるとともに、過剰熱が発生する。ナノ構造体１６Ｃは、ナノ構造体１６Ａと同様の製造方法により製造できる。電位差発生デバイス１０は、ナノ構造体１６Ａの代わりに、ナノ構造体１６Ｃを備えてもよい。
［作用および効果］
電位差発生デバイス１０は、水素吸蔵金属等により形成され、かつ厚さがナノサイズ（１０００ｎｍ未満）でなる第１層３１と第２層３２とが積層されたナノ構造体１６Ａを備え、ナノ構造体１６Ａの台座２４に第１の電極１７が設けられ、ナノ構造体１６Ａの多層膜２５Ａに対向するように第２の電極１８が設けられている。ナノ構造体１６Ａが加熱されることで、第１層３１と第２層３２との間に形成された異種物質界面３６を水素が量子拡散により透過または拡散し、多層膜２５Ａから荷電粒子ＣＰが放出される。放出された荷電粒子ＣＰが第２の電極１８に捕捉されることで、第１の電極１７と第２の電極１８との間に電位差が生じる。第１の電極１７と第２の電極１８との間に負荷を接続することで、電位差に起因した電流が負荷に流れる。以上のように、電位差発生デバイス１０は、ナノ構造体１６Ａに水素を吸蔵させ、水素を量子拡散させることにより直接発電を行うことができる。
電位差発生デバイス１０は、水素吸蔵金属等により形成され、かつ厚さがナノサイズ（１０００ｎｍ未満）でなる第１層３１と第２層３２とが積層されたナノ構造体１６Ａを備え、ナノ構造体１６Ａの台座２４に第１の電極１７が設けられ、ナノ構造体１６Ａの多層膜２５Ａに対向するように第２の電極１８が設けられている。ナノ構造体１６Ａが加熱されることで、第１層３１と第２層３２との間に形成された異種物質界面３６を水素が量子拡散により透過または拡散し、多層膜２５Ａから荷電粒子ＣＰが放出される。放出された荷電粒子ＣＰが第２の電極１８に捕捉されることで、第１の電極１７と第２の電極１８との間に電位差が生じる。第１の電極１７と第２の電極１８との間に負荷を接続することで、電位差に起因した電流が負荷に流れる。以上のように、電位差発生デバイス１０は、ナノ構造体１６Ａに水素を吸蔵させ、水素を量子拡散させることにより直接発電を行うことができる。
［検証試験］
図６に示す実験装置５０を作製し、多層膜２５Ａから荷電粒子ＣＰが放出されているか否かについて検証試験を行った。
図６に示す実験装置５０を作製し、多層膜２５Ａから荷電粒子ＣＰが放出されているか否かについて検証試験を行った。
実験装置５０は、容器１１、ヒータ１２、電源１３、温度センサ１４、制御部１５、ナノ構造体１６Ａ、ガス導入部５１、ガス排出部５２、圧力センサ５３、および温度センサ５４を備えている。実験装置５０では、２つのナノ構造体１６Ａを用いた。各々のナノ構造体１６Ａは、板状の部材であり、平面視において一辺の長さが２５ｍｍの正方形に形成されている。図６では、２つのナノ構造体１６Ａのうち、一方のナノ構造体１６Ａのみが示されており、他方のナノ構造体１６Ａは紙面奥側に隠れている。
容器１１は、コバールガラス等の赤外線透過材料で形成されたビューポート１１ｄを有している。ヒータ１２は、厚さ２．２ｍｍの板状のセラミックヒータであり、平面視において一辺の長さが２５ｍｍの正方形に形成されている。ヒータ１２は、温度センサ１４を内蔵している。ヒータ１２は、容器１１の外部に設けられた電流電圧計５６を介して、電源１３と接続している。電流電圧計５６は、電源１３からヒータ１２へ印加する入力電力を検出する。
ガス導入部５１は、水素系ガスを貯留するガス貯留部５７と、ガス貯留部５７と容器１１とを接続するガス導入管５８と、ガス導入管５８に設けられ、水素系ガスの流量および圧力を調整する調整バルブ５９、６０とを有している。
ガス排出部５２は、ドライポンプ等の真空発生装置６１と、真空発生装置６１と容器１１とを接続するガス排出管６２と、水素系ガスの流量および圧力を調整する調整バルブ６３とを有している。
圧力センサ５３は、容器１１の内部の圧力を検出する。圧力センサ５３は、図示していないが制御部１５と電気的に接続されている。制御部１５は、図示していないが真空発生装置６１と電気的に接続されており、圧力センサ５３の検出結果に基づき真空発生装置６１を制御し、容器１１の内部の真空排気を行う。これにより、容器１１の内部の圧力が制御される。
温度センサ５４は、容器１１の外部に設けられた赤外線放射温度計であり、容器１１のビューポート１１ｄを介して、ナノ構造体１６Ａの表面の温度を検出する。温度センサ５４は、２つのナノ構造体１６Ａの温度をそれぞれ検出するために２つ設けられている。図６では、２つのナノ構造体１６Ａのうちの一方のナノ構造体１６Ａの温度を検出する温度センサ５４を示している。２つのナノ構造体１６Ａのうちの他方のナノ構造体１６Ａの温度を検出する温度センサ５４については図示を省略している。
図７は、図６に示す実験装置５０のナノ構造体１６Ａおよびヒータ１２の構成を説明するための説明図である。図７に示すように、ナノ構造体１６Ａは、ヒータ１２の両面に１つずつ配置した。ヒータ１２と各々のナノ構造体１６Ａとの間には遮蔽板２７を設けた。遮蔽板２７は、厚さ０．３ｍｍのＳｉＯ２板を用いた。ナノ構造体１６Ａは、台座２４をヒータ１２側に向け、遮蔽板２７に接触させた状態で、ホルダー２８を用いてヒータ１２と一体化した。台座２４は、Ｎｉからなり、厚さ０．１ｍｍのＮｉ基板を用いた。ホルダー２８は、フェローテックセラミックス社製のホトベール（登録商標）を用いた。ホルダー２８は、ナノ構造体１６Ａを構成する多層膜２５Ａの表面を露出させる円形の開口を有している。ホルダー２８の厚みｔは１．５ｍｍとし、開口の半径ｒは１０ｍｍとした。
検証試験の方法について説明する。まず、ナノ構造体１６Ａを容器１１に導入し、容器１１の内部の真空排気を行った。次に、ヒータ１２でナノ構造体１６Ａをベーキングし、ナノ構造体１６Ａの表面に付着した水等を除去した。次に、容器１１の内部へ水素系ガスを導入し、ナノ構造体１６Ａに水素を吸蔵させた。水素系ガスを導入する際の条件は、８０℃～５００℃、１００Ｐａ以上とした。次に、容器１１の内部の真空排気を行うとともに、ヒータ１２を昇温し、ナノ構造体１６Ａの表面温度を６００℃とした。
検証試験では、水素系ガスの純度またはナノ構造体１６Ａの構成を変えて、実験１～実験４を行った。実験１に用いたナノ構造体１６Ａは、台座２４の表面に、Ｃｕからなり厚さ２ｎｍの第１層３１とＮｉからなり厚さ１４ｎｍの第２層３２とをそれぞれ６層積層した多層膜２５Ａを形成したものである。実験１に用いた水素系ガスの純度は、７Ｎ（９９．９９９９９％以上）とした。実験２は、実験１と同じ条件で行った。実験３は、水素系ガスの純度を５Ｎ（９９．９９９％以上）としたこと以外は、実験１および実験２と同じ条件で行った。実験４は、Ｃｕからなる第１層３１の厚みを３ｎｍとし、Ｎｉからなる第２層３２の厚みを１３ｎｍとしたこと以外は、実験１および実験２と同じ条件で行った。
検証試験では、上記のようにヒータ１２を用いてナノ構造体１６Ａを加熱することで、水素を量子拡散させ、荷電粒子ＣＰを放出させた。荷電粒子ＣＰの放出時間は、１０日間とした。荷電粒子ＣＰは、多層膜２５Ａの表面の中心から半球状に放出されると仮定した。ホルダー２８の厚みｔを１．５ｍｍ、開口の半径ｒを１０ｍｍとしたので、立体角Ωは、２πｒｔ／（４πｒ２／２）＝ｔ／ｒ＝０．１５と求められる。荷電粒子ＣＰがホルダー２８に付着する付着率η（検出効率とも言う）は０．１とした。よって、立体角Ωに付着率ηを乗じて求められるΩηは、０．０１５である。
ナノ構造体１６Ａから放出されてホルダー２８に付着した荷電粒子ＣＰを、ＩＣＰ－ＭＳ（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry）法により分析した。ＩＣＰ－ＭＳ法では、多摩化学工業（株）製のTAMAPURE 硝酸AA-10を純水で５倍希釈した２０ｍＬの硝酸水溶液を用いて、ホルダー２８に付着（捕捉）されている荷電粒子ＣＰを溶離し、溶離液中の金属の濃度を測定した。この測定の結果、荷電粒子ＣＰとしてＣｕとＮｉが多く放出されていること分かった。
（１）実験１の測定結果
表１は、実験１の測定結果をまとめたものである。
表１は、実験１の測定結果をまとめたものである。
表１において、「Ｃｕ（Ａ）」と「Ｎｉ（Ａ）」は一方のナノ構造体１６ＡにおけるＣｕとＮｉについての測定結果を示し、「Ｃｕ（Ｂ）」と「Ｎｉ（Ｂ）」は他方のナノ構造体１６ＡにおけるＣｕとＮｉについての測定結果を示す。濃度（ｐｐｂ）は、ＩＣＰ－ＭＳ法で検出された濃度である。濃度（ｍｇ／Ｌ）は、濃度（ｐｐｂ）から算出した。溶液量は、ＩＣＰ－ＭＳ法に用いた硝酸水溶液の量である。検出元素は、濃度×溶液量として算出した。検出元素モル数は、６．０２×１０２３×検出元素／原子量として算出した。放出元素モル数は、検出元素モル数／立体角／付着率として算出した。
評価試験では、電流に基づく平均電気出力の評価（電流評価）と、総電力量に基づく平均電気出力の評価（エネルギー評価）とを行った。
表２は、実験１における電流評価とエネルギー評価の条件と結果をまとめたものである。平均のエネルギーを５ＭｅＶと想定し、電力への変換効率を１０％とした。
電流評価において、電流は、１．６×１０－１９×放出元素モル数×平均イオン価数／総放出時間として算出した。電流評価における平均電気出力は、想定エネルギー×電力変換効率×電流として算出した。エネルギー評価において、総電力量（Ｊ）は、電気素量（１．６×１０－１９）×放出元素モル数×平均イオン価数×想定エネルギーとして算出した。エネルギー評価における平均電気出力（Ｗ）は、総電力量×電力変換効率／総放出時間として算出した。実験１では、電流評価とエネルギー評価とのいずれにおいても、「Ｃｕ（Ａ）」と「Ｎｉ（Ａ）」と「Ｃｕ（Ｂ）」と「Ｎｉ（Ｂ）」との各平均電気出力を合計した電気出力は１５．４（Ｗ）と求められた。
実験１の結果から、ナノ構造体１６Ａから荷電粒子ＣＰが放出されることが確認できた。ナノ構造体１６Ａを用いて電位差発生デバイス１０を構成することで、放出された荷電粒子ＣＰが第２の電極１８に捕捉され、第１の電極１７と第２の電極１８との間に電位差を生じさせることができる。
（２）実験２の測定結果
表３は、実験２の測定結果をまとめたものである。
表３は、実験２の測定結果をまとめたものである。
表４は、実験２における電流評価とエネルギー評価の条件と結果をまとめたものである。
実験１と同様に、電流評価における平均電気出力と、エネルギー評価における平均電気出力とを算出した。実験２では、電流評価とエネルギー評価とのいずれにおいても、「Ｃｕ（Ａ）」と「Ｎｉ（Ａ）」と「Ｃｕ（Ｂ）」と「Ｎｉ（Ｂ）」の各平均電気出力を合計した電気出力は８．０（Ｗ）と求められた。
実験２の結果から、実験１と同様に、ナノ構造体１６Ａから荷電粒子ＣＰが放出されることが確認できた。ナノ構造体１６Ａを用いて電位差発生デバイス１０を構成することで、放出された荷電粒子ＣＰが第２の電極１８に捕捉され、第１の電極１７と第２の電極１８との間に電位差を生じさせることができる。
（３）実験３の測定結果
表５は、実験３の測定結果をまとめたものである。
表５は、実験３の測定結果をまとめたものである。
表６は、実験３における電流評価とエネルギー評価の条件と結果をまとめたものである。
実験３では、電流評価とエネルギー評価とのいずれにおいても、「Ｃｕ（Ａ）」と「Ｎｉ（Ａ）」と「Ｃｕ（Ｂ）」と「Ｎｉ（Ｂ）」の各平均電気出力を合計した電気出力は０．７（Ｗ）と求められた。
実験３の結果から、実験１および実験２と同様に、ナノ構造体１６Ａから荷電粒子ＣＰが放出されることが確認できた。ナノ構造体１６Ａを用いて電位差発生デバイス１０を構成することで、放出された荷電粒子ＣＰが第２の電極１８に捕捉され、第１の電極１７と第２の電極１８との間に電位差を生じさせることができる。
水素系ガスの純度を５Ｎ（９９．９９９％以上）とした実験３は、水素系ガスの純度を７Ｎ（９９．９９９９９％以上）とした実験１と比べると、得られる電気出力が低い。この結果から、水素系ガスに含まれるＨ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２等の不純物が荷電粒子ＣＰの発生に影響を与えていることが分かった。水素系ガスに含まれる不純物の濃度を変えることで、荷電粒子ＣＰの放出量を制御できる。電位差発生デバイス１０を設計する際に、水素系ガスに含まれる不純物の濃度を変えることで、所望の電気出力を得ることができる。実験１～実験３の結果から、水素系ガスの純度は、５Ｎ以上７Ｎ以下が好ましいことが分かる。
（４）実験４の測定結果
表７は、実験４の測定結果をまとめたものである。
表７は、実験４の測定結果をまとめたものである。
表８は、実験４における電流評価とエネルギー評価の条件と結果をまとめたものである。
実験４では、電流評価とエネルギー評価とのいずれにおいても、「Ｃｕ（Ａ）」と「Ｎｉ（Ａ）」と「Ｃｕ（Ｂ）」と「Ｎｉ（Ｂ）」の各平均電気出力を合計した電気出力は１．９（Ｗ）と求められた。
実験４の結果から、実験１～実験３と同様に、ナノ構造体１６Ａから荷電粒子ＣＰが放出されることが確認できた。ナノ構造体１６Ａを用いて電位差発生デバイス１０を構成することで、放出された荷電粒子ＣＰが第２の電極１８に捕捉され、第１の電極１７と第２の電極１８との間に電位差を生じさせることができる。
第１層３１の厚みを３ｎｍとし、第２層３２の厚みを１３ｎｍとした実験４は、第１層３１の厚みを２ｎｍとし、第２層３２の厚みを１４ｎｍとした実験１と比べると、得られる電気出力が低い。この結果から、第１層３１の厚みと第２層３２の厚みの比率が荷電粒子ＣＰの発生に影響を与えていることが分かった。第１層３１の厚みと第２層３２の厚みの比率を変えることで、荷電粒子ＣＰの放出量を制御できる。電位差発生デバイス１０を設計する際に、第１層３１の厚みと第２層３２の厚みの比率を変えることで、所望の電気出力を得ることができる。
本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
電位差発生デバイス１０は、上記実施形態ではヒータ１２を用いてナノ構造体１６Ａを加熱するように構成されているが、これに限定されない。電位差発生デバイス１０は、ヒータ１２と電源１３を用いる代わりに、車両や発電プラント等の廃熱を利用してナノ構造体１６Ａを加熱するように構成してもよい。例えば、廃熱により加熱された熱媒体が流れる流路を備えることで、熱媒体によりナノ構造体１６Ａを加熱することができる。この場合、制御部１５は、温度センサ１４で検出されたナノ構造体１６Ａの温度に基づき、熱媒体の流量を制御することで、ナノ構造体１６Ａを所望の温度とする。
ヒータ１２は、上記実施形態では板状のセラミックヒータであるが、これに限定されず、筒状のヒータでもよい。ナノ構造体１６Ａが筒状または有底筒状に形成されている場合は、ナノ構造体１６Ａの内部に筒状のヒータを配置することで、ナノ構造体１６Ａを効率的に加熱できる。
第１の電極１７は、上記実施形態ではナノ構造体１６Ａの台座２４に設けられているが、これに限定されない。第１の電極１７は、多層膜２５Ａに設けてもよい。第１の電極１７は、例えば、シリコン基板に不純物をドープして導電性を付与したものを用いてもよい。また、台座２４を導電性の材料で形成することにより、当該台座２４を第１の電極として用いてもよい。
第２の電極１８は、上記実施形態では容器１１の内壁に固定された図示しない支持部材により支持されているが、これに限定されない。第２の電極１８は、例えばホルダー２８に支持されるように構成してもよい。また、ナノ構造体の多層膜の表面と第２の電極との間に絶縁体を別途設け、この絶縁体により第２の電極が支持されるように構成してもよい。第２の電極１８は、例えば、シリコン基板に不純物をドープして導電性を付与したものを用いてもよい。
電位差発生デバイス１０により得られる電力は各種の用途に用いることができる。例えば、コンパクトで可動部(回転体等)がないという電位差発生デバイス１０の特徴を生かして、電気自動車等の移動体で現在バッテリー駆動している機器を常に充電する用途が考えられる。電位差発生デバイス１０の容量を適切に選択することで、充電の必要が無いドローン、ロボット、電気自動車、潜水艦、飛行機、宇宙船等が実現することが期待できる。また、離島やジャングル、深海等のアクセスが容易でない場所での通信インフラ用の電源等への応用も可能である。
ナノ構造体１６Ａが発生する熱（過剰熱）は各種の用途に用いることができる。ナノ構造体１６Ａと熱的に接続された熱電変換部を用いることで、ナノ構造体１６Ａの熱を熱電変換部で電力に変換できる。熱電変換部で変換された電力は、ヒータ１２に供給してもよい。電位差発生デバイス１０は、熱電変換部で変換された電力をヒータ１２に供給することで、省電力化が図れる。電位差発生デバイス１０の始動時にのみ電源１３をＯＮとし、ナノ構造体１６Ａから荷電粒子ＣＰが放出された後に電源１３をＯＦＦとした場合でも、熱電変換部で変換された電力を用いて電位差発生デバイス１０を動かし続けることが可能となる。
ナノ構造体１６Ａが発生する過剰熱は、熱媒体を用いて回収することができる。熱媒体は、ナノ構造体１６Ａにより加熱され、高温となる。高温の熱媒体は、例えば、家庭用暖房、家庭用給湯器、自動車用ヒータ、農業用暖房機、ロードヒータ、海水淡水化用熱源、地熱発電補助熱源等に用いられる。熱媒体としては、気体または液体を用いることができ、熱伝導率に優れかつ化学的に安定したものが好ましい。気体としては、例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、水素ガス、窒素ガス、水蒸気、空気、二酸化炭素等が用いられる。液体としては、例えば、水、溶融塩（ＫＮＯ３（４０％）－ＮａＮＯ３（６０％）等）、液体金属（例えばＰｂ）等が用いられる。また、熱媒体として、気体または液体に固体粒子を分散させた混相の熱媒体を用いてもよい。固体粒子は、金属、金属化合物、合金、セラミックス等である。金属としては、銅、ニッケル、チタン、コバルト等が用いられる。金属化合物としては、上記金属の酸化物、窒化物、ケイ化物等が用いられる。合金としては、ステンレス、クロムモリブデン鋼等が用いられる。セラミックスとしては、アルミナ等が用いられる。
ナノ構造体１６Ａが発生する過剰熱の用途としては、熱交換機や動力ユニット等が挙げられる。熱交換機としては、例えば、熱媒体と気体との間で熱交換を行う装置、熱媒体と液体との間で熱交換を行う装置、熱媒体と固体との間で熱交換を行う装置が挙げられる。熱媒体と気体との間で熱交換を行う装置は、空調、燃焼装置に供給する空気の予熱、乾燥用熱風や加熱用熱風の生成等に用いられる。燃焼装置としては、ボイラー、ロータリーキルン、金属の熱処理炉、金属加工用加熱炉、熱風炉、窯業用焼成炉、石油精製塔、乾留炉、乾燥炉等が挙げられる。熱媒体と液体との間で熱交換を行う装置は、ボイラーの熱源、油加熱、化学反応槽等に用いられる。熱媒体と固体との間で熱交換を行う装置は、二重管式ロータリー加熱機、二重管内における粒子状物質の加熱等に用いられる。動力ユニットとしては、ガスタービン、蒸気タービン、スターリングエンジン、ＯＲＣＳ（Organic Rankine Cycle System）等が挙げられる。
１０ 電位差発生デバイス
１１ 容器
１２ ヒータ
１３ 電源
１４ 温度センサ
１５ 制御部
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ ナノ構造体
１７ 第１の電極
１８ 第２の電極
２４ 台座
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ 多層膜
３１ 第１層
３２ 第２層
３３ 第３層
３４ 第４層
３６，３７，３８ 異種物質界面
１１ 容器
１２ ヒータ
１３ 電源
１４ 温度センサ
１５ 制御部
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ ナノ構造体
１７ 第１の電極
１８ 第２の電極
２４ 台座
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ 多層膜
３１ 第１層
３２ 第２層
３３ 第３層
３４ 第４層
３６，３７，３８ 異種物質界面
Claims (3)
- 水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体からなる台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有するナノ構造体と、
前記ナノ構造体に設けられた第１の電極と、
前記多層膜に対向して設けられた第２の電極と
を備え、
前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第１層と、前記第１層とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなり、かつ厚さが１０００ｎｍ未満でなる第２層とが積層され、前記第１層と前記第２層との間に異種物質界面が形成された構成を有し、
前記ナノ構造体が加熱されることで、前記異種物質界面を水素が量子拡散により透過または拡散し、前記多層膜から荷電粒子を放出し、
前記荷電粒子を前記第２の電極に捕捉させることで、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電位差を生じさせる電位差発生デバイス。 - 前記ナノ構造体に供給される水素系ガスの純度は、５Ｎ以上７Ｎ以下である請求項１に記載の電位差発生デバイス。
- 前記ナノ構造体の温度を検出する温度センサと、
前記ナノ構造体を加熱するヒータと、
前記温度センサにより検出された温度に基づき、前記ヒータを制御する制御部と
を備える請求項１に記載の電位差発生デバイス。
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