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May 17, 2023

マイクロエネルギーを利用した圧力駆動の​​電気エネルギー発生装置

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16827 (2022) この記事を引用

2346 アクセス

19 オルトメトリック

メトリクスの詳細

私たちは、水を使用し、多孔質チャネルを備えたガラスフィルターを備えた圧力駆動の​​エネルギーハーベスティングデバイスをデモンストレーションしました。 ホウケイ酸ガラス粒子の粉末をカーボン製の型に充填し、700℃で加圧加熱融着する粉末焼結法によりガラスフィルター（直径2cm、厚さ3mm）を作製しました。 定流量実験において、発電に最適なフィルターの平均細孔半径は12μmであった。 このフィルターを使用すると、水流速度 50 mm/s で 3.8 mW (27 V、0.14 mA、エネルギー効率 0.021%) の電力が生成されました。 定圧実験では、発電機に重さ 60 kg (830 kPa) と水 50 mL を備えたフット プレス ユニットを装備しました。 この実験での発電に最適な平均細孔半径は 12 μm で、1.7 秒の継続時間で 4.8 mW (18 V、0.26 mA、エネルギー効率 0.017%) の電力が生成されました。 これは直接 LED 照明を行うのに十分な電力であり、コンデンサはファンを回転させて無線通信機を動作させるのに十分なエネルギーを蓄えることができました。 当社の圧力駆動デバイスは、歩行など人間の特定の生理学的機能のようなゆっくりとした動きからのエネルギー収集に適しています。

エナジーハーベスティングは、将来のモノのインターネット (IoT) 社会において複数の小型電子機器に電力を供給する有望な技術です1。 通常、エネルギーハーベスティングには光、熱、機械エネルギーが使用されます。 中でも、振動や振動といった機械的な運動から電気エネルギーを得るメカニカル・エナジー・ハーベスティングは誰にとっても馴染み深いものであり、大量のエネルギーを得ることができます2,3。 例えば、電磁誘導デバイス 4、5、6、圧電（電気機械材料）デバイス 7、8、9、10、11、静電デバイス 12、13、14 が開発され、使用されています。 しかしながら、小型の電磁誘導装置は一般に効率が低く、望ましくない。 圧電デバイスや静電デバイスは小型化が可能ですが、振動周波数が小さい（例えば10Hz未満）と変換効率が低下します。 したがって、これらのデバイスが人間の通常のゆっくりとした生理学的動作、たとえば歩行を十分に活用することは困難です。

この論文では、純水と表面荷電固体 (ガラスフィルター) との相互作用によって圧力駆動型の電気エネルギー発生デバイス内で発生する現象に焦点を当てます。 詳細な原理を以下に説明します。 このアプローチは、デバイス内に水が存在する限りエネルギー生成が続くため、小さな周波数の振動に役立ちます。 この原理に基づいて、ガラスコーティングされたシリコン15、金属と炭素の複合材料16、またはセルロース17を使用した発電デバイスがいくつか報告されています。 しかし、これらの材料は脆いため高い圧力をかけることが難しく、発生する電力はそれほど高くありません。

一方、ガラスは硬くて丈夫なため、高い圧力をかけることができます。 トップダウンのマイクロまたはナノ製造法で作られたガラスチャネルを使用した水圧駆動の発電が報告されています18、19、20、21。 しかし、そのような発電デバイスは、チャネルあたりの生成電流が一般に非常に小さい（ピコアンペアオーダー）ため、エネルギーハーベスティングには十分強力ではありません。

デバイス製造プロセスの調査と最適化に基づいて、多孔質ガラスを使用して細孔チャネルの数を増やしました。 以前は多孔質ガラスが発電に使用されていました22が、多孔質ガラスフィルターの製造が発電用に最適化されていないため、出力は依然として低いです。 さまざまな種類のガラスベースのマイクロ流体デバイスを製造するための多くの技術が存在します23。 これらの概念と技術に基づいて、本研究の目的は、発電性能に及ぼす細孔径の影響を調査し、実験者の足の力を伝達する多孔質ガラスフィルターとフットプレスユニットからなる実際のエネルギーハーベスティングデバイスを開発することでした。実際のエネルギーハーベスティングを実証するために発電機に圧力をかけます。

同様の発電方法として、ナノ細孔膜による浸透圧発電がよく知られている24。 この方法では、炭素 25、酸化アルミニウム 26、または窒化ケイ素 27 を含むナノ多孔質材料を使用して、さまざまな濃度の塩溶液を混合することで電力を抽出します。 重要な違いは、浸透圧発電にはイオン濃度勾配が必要であり、外部圧力を使用できないことです。

水圧による発電の原理を図1aに示します。 ナノまたはマイクロサイズのガラス流路に純水が流入すると考えられる。 水分子は熱平衡により部分的に解離され、プロトン（H+）とヒドロキシルイオン（OH-）にイオン化されます。 小さな水路に水を導入すると、生成されるH+は水路に入りやすいが、OH－は入りにくい。 これは、H+ 種が水中に分離された後、ガラス チャネルの表面が表面のシラノール基によりマイナスに帯電するためです。 その結果、出口では H+ 濃度が増加し、入口では OH- 濃度が増加します。 つまり、チャネルサイズが非常に小さい場合、ガラスチャネルはイオンフィルターとして機能します。

多孔質ガラスフィルターを用いた圧力駆動発電機の設計と原理。 (a) マイクロからナノスケールのガラスチャネル内の圧力による発電の原理。 これらの上部と下部の回路図の現象は同時に発生します。 式で使用されるパラメータ (1) と (2) も定義されます。 (b) 試作発電機の断面設計。

この状況では、入口と出口をワイヤで電気的に接続することによって、電気エネルギーの伝達が行われます。 入口電極では、OH- が酸素と水分子を形成し、電子を生成します。 出口電極では、H+ が電子を受け取り、水素分子を形成します。 これらの反応により電流が流れます。 イオンが反応してガス分子の生成に消費された後、残った水から新しいイオンが生成され、熱バランスが維持されます。 生成された水素と酸素のガス分子が触媒反応によって水に再結合できれば、この反応サイクルを継続的に行うことができ、ガスをエネルギー源としても利用できる可能性があります。 実際には、発生する水素ガスと酸素ガスの量はそれほど多くありません（通常、数分間の反応サイクルでナノグラムオーダー未満です）。 そこで本報告ではイオンフィルターで発生した電力を使用しました。

理論的には、生成電圧 (V) は式 1 で表されます。 (1)、ヘルムホルツ・スモルコウスキー方程式28:

ここで、ε は誘電率、ξ はゼータ電位、μ は粘度、K は水の伝導率、ΔP は加えられる圧力です。 ε、ξ、μ、K は表面と水の性質によって決まる固定パラメータであり、流路の形状には関係しないため、V は単純に ΔP に比例します。 また、ΔP は式 (1) で表されます。 (2)、ハーゲン・ポワズイユの法則29:

ここで、D は相対的なチャネル直径、L はチャネル長、Q は流量です。 方程式から。 (1) と (2) から、Q が一定の場合、電圧を改善するには D を小さくする必要があることは明らかです。 発電性能を向上させるには、並列の小さなチャネルをできるだけ大きな面積で設計する必要があります。 この文脈では、多孔質ガラスの使用は合理的な設計選択です。

図 1b は、プロトタイプの発電装置の設計を示しています。 ゴム製パッキンリングを使用して、多孔質ガラスフィルター（直径2cm、厚さ3mm）を、わずかに改造した（例えば、チューブ取り付け用の開口部を削って拡大した）市販のフィルターホルダーにしっかりと取り付けました。 銅メッシュ電極をガラスフィルターの上下に配置しました。 入口チューブと出口チューブは、図に示されている場所にエポキシ接着剤を使用して取り付けられました。

まず多孔質ガラスフィルターの作製プロセスを確立し、次に様々な作製条件における構造を検討しました。 製造の詳細は、図 2a と「方法」セクションで説明されています。 図2b～dに示すように、ホウケイ酸ガラス粒子の粉末をカーボン製の型に詰め、重りで圧力を加えて熱融着する粉末焼結法を採用しました。 ガラスフィルターの製造にはレーザー加工 30、31、32 が一般的に使用されますが、焼結の方が簡単で、多数のチャンネルを備えた堅牢なフィルターが得られます。 ホウケイ酸ガラスフィルタープレート（直径2cm）を作製しました（図2e）。 通常、ガラスの熱融着による密着には 750 °C の温度が使用されます 33,34。 しかし、この温度ではホウケイ酸ガラス粒子が完全に溶けて灰色になり、水が通過できなくなりました。 これまでの経験 35,36 に基づいて、より低い温度でも圧力を加えればガラスとガラスを接着できるため、ここでは 680 ～ 720 °C の焼結温度を使用しました。 この条件下では劣化による変色のない良好なガラスフィルターが得られました。 しかし、顕微鏡で観察すると、710℃と720℃でガラス粒子の端がわずかに溶けていることがわかりました（図2f）。 また、フィルターは 680 および 690 °C で焼結するとかなり脆くなりました。

多孔質ガラスフィルターの作製と構造調査。 (a) ガラスフィルターの作製手順。 (b) ガラスフィルターを製造するためのカーボンモールド。 (c) 金型の穴にガラス粉末を充填します。 (d) アルミナ重りを備えた炉内に設置します。 (e) 作製したガラスフィルター。 (f) 各画像の上部に示されている温度で焼結した後の多孔質ガラス フィルター表面の SEM 画像。 (g) さまざまな温度で焼結した多孔質ガラスフィルターの水銀ポロシメトリーの結果。 黒線と赤線はそれぞれ、質量あたりの細孔容積 (V) と細孔半径 (R) の分布 (R による V の導出) を示します。 (h) すりガラス粉末を使用して 700 °C で焼結した多孔質ガラスフィルター表面の SEM 画像と、各画像の上部に粉砕時間を示します。 (i) すりガラス粉末を使用して 700 °C で焼結した多孔質ガラスフィルターの水銀ポロシメトリーの結果と、各画像の上部に示されている粉砕時間。 スケールバーは (f) および (h) の SEM 画像に示されています。

細孔径分布は、さまざまな焼結温度で調製されたフィルターについて水銀圧入法によって測定され、結果は図2gにプロットされています。 細孔径分布のピークは、温度が異なってもそれほど違いはありませんでした。 すべての温度で、ピークは 20 μm (平均細孔半径) でした。 しかし、温度が高くなるとピークの高さは減少しました。 これは、焼結温度が上昇すると、細孔が溶融ガラスで満たされることを意味しました。 調査結果を考慮し、脆弱性を避けるために、最適な焼結温度は 700 °C であると結論付けました。 次に、この条件を使用して、ガラスフィルター製造における粒子サイズの影響を調査しました。

ガラスの粒子サイズを制御するために、粒子を粉砕しました。 さまざまな粉砕時間で粉砕された粒子の走査型電子顕微鏡（SEM）画像と直径ヒストグラムを図S1に示します。 平均フェレ直径は、その方向に垂直な物体を制限する 2 つの平行な平面間の距離として定義され、4 ～ 150 μm の間で制御できます。

粉砕された粒子を使用して、700 °C で焼結してガラスフィルターを製造しました。 SEM画像（図2h）から、特に長時間の粉砕では小さな粒子が部分的に溶けていることが観察されましたが、ほとんどの粒子はその形状を維持していることがわかりました。 これは細孔径分布の結果と一致していました（図 2i）。 ０、５、１０、２０および３０分の粉砕時間では、それぞれ２０、１２、８、５および１μｍ（平均細孔半径）にピークがあった。 40 分の粉砕時間では、ピークを見つけるのが困難でした。 これは、粉砕時間を増やすと細孔径は小さくなるが、小さな粒子の溶融により細孔容積（ピークの高さ）が減少することを示しています。 特に 30 分と 40 分の粉砕時間では、細孔サイズはナノメートルスケールであり、ピーク高さは非常に小さくなりました。 これらの性質は次に調べる発電性能と深く関係しています。

作製した多孔質ガラスフィルターを使用して、発電機を実証し、一定速度の水供給システムを使用して細孔サイズの効果を調査しました（図3a〜c）。 発電装置は市販のフィルターホルダーを改造してガラスフィルターをセットし、フィルターの上下に電極を挿入することで作製した（図S2）。 水供給システムを使用したすべての実験は室温で実行されました。 Milli-Q システムを使用して生成された脱イオン純水が発電機に導入され、電圧が生成されました (図 3d)。 繰り返し電圧が発生することも確認されました。 若干の電圧低下が見られましたが、これは水を再利用したためと考えられます。 メッシュ数とガラスフィルターとメッシュ電極間の距離が最適化され、これらの結果が図S3にまとめられています。

作製したガラスフィルターの発電性能の特性評価。 (a) ガラスフィルターの特性評価のためのセットアップ。 水は給水システムによって発電機に導入され、逆止弁を使用して循環されます。 測定された電圧は、I/O ボードを介して PC に記録されます。 (b) ガラスフィルターと電極を備えた発生器の写真。 (c) 給水システムの写真。 (d) 700 °C で焼結し、ガラス粉末の粉砕時間を 5 分間行ったフィルターを使用した繰り返し発電の電圧時間経過。 水供給システムの速度は 20 mm/s でした。 (e) 各グラフの上部に示された温度で焼結された多孔質ガラスフィルターを使用した電圧の時間経過。 各グラフは、水供給システム速度 4、6、8、10、20、30、40、および 50 mm/s での 3 つの加圧サイクル中の電圧を示しています。 (f) 50 mm/s の水供給システム速度での、発電機の電圧、電流、および推定電力対ガラス フィルターの焼結温度。 電圧と電流のプロットは平均 ± SD (n = 3) を表します。 （g）700℃で焼結した多孔質ガラスフィルターを使用した電圧の時間経過。平均細孔半径は各グラフの上部に示されています。 水の供給条件は（ｅ）と同じであった。 (h) 発電機の電圧、電流、推定電力と平均細孔半径の関係。 電圧と電流のプロットは平均 ± SD (n = 3) を表します。

図3eとfに示すように、電圧は水流の速度に比例しました。 同じ速度では、680、690、700 °C で焼結したフィルターを使用した電圧発生性能はほぼ同等でしたが、710 °C と 720 °C で焼結したフィルターでは低下しました。 これは、焼結温度が高くなると小さな細孔が消失することを意味しました。 電流は、水が流れる間にコンデンサに保存された電圧の傾きから測定されました（図S4）。 この発生電流は電圧と同様の傾向を示しましたが、ピーク性能は 700 °C で焼結したフィルターに見られました。 これは単純に、700 °C までの温度上昇に伴って小さな細孔サイズの数が増加したが、それより高い温度では細孔がほぼ完全に閉じられたためです。 700 °C で焼結したフィルターでは、電圧、電流、および電圧と電流の積によって計算された電力にはピーク (それぞれ 11 V、74 μA、および 0.80 mW) がありました。 この結果から、発電機に最適なフィルタは焼結温度700℃であると判断した。

次に、粉砕粒子を700℃で焼結させたフィルタを発電実験に使用した。 図3gとhに示すように、5分間のミリング時間（平均細孔半径12μm）を使用して作成されたフィルターは、それぞれ27V、0.14mA、および3.8mWのピーク電圧、電流、および電力値を提供しました。

また、水圧発電方式のデータ妥当性を評価するため、力測定結果を用いて発電機の性能を詳細に解析しました。 水供給システムによってシリンジに加えられる力と圧力は力変換器によって測定され、結果は図S5に示されています。 力は一般に速度とフィルターの細かさに比例しました。

これらの結果から、ミリングなしで製造されたフィルタ（平均細孔半径 20 μm）からミリング時間 5 分（平均細孔半径 12 μm）まで、式（1）および（2）による圧力の増加に応じて発生電圧が増加したことは合理的です。 (1)と(2)は同様ですが、加工時間を長くして作製したフィルタでは細孔が閉塞するため発生電圧が低下しました。 特に粉砕時間が 30 分以上（平均細孔半径 5 μm 以下）の場合、フィルターは圧力に耐えられず、実験中に破損してしまいました。 したがって、これらの条件に関するデータはありませんでした。 別の理由は、サブマイクロスケールのチャネル内の水の電気的特性がバルク空間内のものとは異なることである可能性があります 37,38。 水に加えられる力 350 N とシリンジの押し速度 (50 mm/s) を考慮して、5 分の粉砕時間で製造されたフィルター (平均細孔半径 12 μm) を使用したピーク電力効率は 0.021% と計算されました。

前項で発電機の検証を行いましたが、ホウケイ酸ガラスに含まれる不純物によって電流が発生するのではないかと懸念していました。 この発生がガラス表面と水との相互作用のみによって発生していることを確認するため、フィルターには不純物をほとんど含まない溶融シリカ粒子を使用しました。 結果は図S6にまとめられています。 製造された石英ガラスフィルターを図S6bに示します。 このフィルターはホウケイ酸ガラスフィルターに比べて壊れやすいものの、20mm/s以下の低水流速度での発電実験には使用可能でした。 繰り返し電圧が発生することが確認され、力測定データが示すように水の流れはスムーズでした（図S6d）。 この結果から、ホウケイ酸ガラス中の不純物が発電の原因ではないことが確認できた。

前節の基礎検討に続き、図4a～cに示すようなフットプレスユニットを備えた発電装置を試作しました。 電力と発電継続時間を測定した。 フットプレスユニット（図4b）には、注射器とそのホルダー、発電機用のホルダー、およびカバーが含まれていました。 このユニットは、加えられた外力をシリンジ内の水に簡単かつ効果的に伝えるように設計されています。 本体にセットしたシリンジに純水（Milli-Q水）50mLを注入しました。 実験者がこのユニットを足で押すと、約60 kg（588 N、830 kPaの圧力に相当）の重さがかかりました（図4c）。 電気的測定および記録方法は、サイズ効果実験の場合と同じでした。

フットプレスユニットを搭載した発電機のデモンストレーションと応用。 (a) コンデンサの蓄積およびデバイス駆動アプリケーション用の回路。 ポート 0 と 1 には発電機を接続しました。省エネ用途のため、ポート 2 と 3 は接続せずに発電機を使用しました。 (b) フットプレスユニットの動作を示す概略図。 (c) フットプレスユニットの写真。 （ d ）各グラフの上部に示されている平均細孔半径について、すりガラス粉末を使用して700℃で焼結した多孔質ガラスフィルターを使用した電圧の時間経過。 各グラフは、約 2 秒から始まる 60 kg の重り (実験者による足押し) を使用した 1 押しサイクル中の電圧を示しています。 (e) 平均細孔半径に対する発電機の電圧、電流、発電時間、推定電力およびエネルギー。 電圧と電流のプロットは平均 ± SD (n = 3) を表します。 (f) LED を発電機に接続することによる LED 直接照明の適用 (スイッチとコンデンサなし)。 上の写真は全体のセットアップを示し、下の2枚の写真はフットプレスの前後です。 (g) コンデンサのエネルギーを節約することによる回転子の駆動への応用。 上の写真は全体のセットアップを示し、下の 2 つの写真は回転子 (ファン) と、スイッチをオンにしてコンデンサ内のエネルギーを放出する前後のコンデンサ内の蓄積電圧を示すマルチメータの表示画面を示しています。 (h) コンデンサに蓄えられたエネルギーを利用した無線通信ツールへの応用。 エネルギーが蓄積されると、通信ツールは自動的に PC に信号を送信します。 右上の写真は全体のセットアップを示し、左上の写真はコンデンサとセンダの拡大画像です。 中央と下の写真は、信号の送受信を確認するためにソフトウェアによって生成された画面キャプチャです。

フットプレスユニットは実験者の足踏み動作に合わせてスムーズに駆動し、実験中少なくとも100回の連続使用が可能でした。 実験では、５０ｍＬの水は、押圧動作終了後に回収し、最大５０回繰り返し使用した。 図4dとeは発電実験結果を示しています。 電圧は圧力を加えた直後 (t = 2 ～ 3 秒) に増加し、シリンジ内の水がすべて空になるとゼロに下がりました。 発生した電圧と電流は、ミリング時間 5 分 (平均細孔半径 12 μm) で作製したフィルターを使用するとピークに達しました。 これは、定速送水システムを用いた実験で得られた結果と同じであった。 ただし、この実験では一定の発電圧力（実験者の足踏み）で行ったため、粉砕時間が長くなると発電時間は長くなりました。 逆に、細孔サイズが小さくなると、流量は減少しました（図S7a）。 したがって、継続時間を考慮すると、収集エネルギー対粉砕時間のグラフは、電力グラフと比較して右にシフトしたピークを持ちました（図4e）。 １０分間の粉砕時間（平均細孔半径８μｍ）で作製したフィルタでは、電圧、電流、電力のピークはそれぞれ１８Ｖ、０．２６ｍＡ、４．８ｍＷであった。 このフィルターではエネルギーが 1.7 秒間生成されたため、収集されたエネルギーは 6.8 mJ でした。 加えられた力 (588 N) とシリンジを押す変位 (70 mm) を考慮して、10 分の粉砕時間で作成したフィルター (平均細孔半径 8 μm) のピーク電力効率を計算すると、0.017% でした。

得られた電力が回路や電子機器を駆動できることを実証するため、発光ダイオード（LED）の点灯試験、ファンの回転試験、無線通信ツールの試験を実施しました。 まずはコンデンサを使わずに直結でLEDライトを点灯させてみました。 実験セットアップを図4fおよび補足ムービー1に示します。ガラスフィルターを通してシリンジからすべての貯蔵水を絞り出すためのプレス時間は約2秒でした。 この押圧時間中にLEDが点灯しました。 このアプリケーションは理解しやすく、人が暗い場所を歩いているときの照明に使用できます。

ミニファンはミニモーターと他の3Dプリント部品から組み立てられ、LED照明と同様の方法で図4gに示すように駆動されました。 ただし、LED照明とは異なり、ファンの回転にはより多くの電力が必要でした。 そこで、大容量（4700μF）のコンデンサを使用し、50回のフットプレスでコンデンサを充電しました。 コンデンサに蓄えられた電圧は 5.2 V と測定されました。ガラス フィルター発電機はミニ ファンを回転させるのに十分な電力を生成しました。 関連する実験結果は補足ムービー 2 に示されています。人が歩いているときに冷却に使用できるミニファンのようなものを駆動することが可能であることを実証しました。

最後に、図4hに示すように、無線通信ツールが駆動されました。 このようなツールは、温度、光、動きの変化など、周囲に関する信号を常に送信することにより、スマートな監視に広く使用されています39。 信号発生器はコンデンサ (2200 µF) に接続されており、エネルギー (約 0.2 V) が蓄えられた後、自動的に信号を送信します。 フットプレスユニットを2回踏むと、無線通信ツールから信号受信機に信号が送信され、PCで監視されます。 実際の信号をキャッチする動作を補足ムービー 3 に示します。信号発生器とコンデンサで構成されるワイヤレス キットにガラス フィルター発電デバイスから電力が供給されると、同時に信号がトリガーされ、受信機に送信されます。 信号が受信されると、コンデンサ内の電圧がすべて消費されるまで、その受信がモニターに反映されます。 この実験では 3 m の距離にわたって信号を送信しました。 このアプリケーションは、個人の健康状態を監視するのに実用的です。

発電原理により、水素ガスと酸素ガスが発生します。 ここでは、どのくらいの量が生成されるかを推定しました。 水素の物質量(nh)は式(1)で計算できます。 (3):

ここで、I は電流、t は発電時間、F はファラデー定数 (9.6 × 104 C/mol) です。 フットプレス実験では、最大電流 (I) は 0.26 mA、対応する持続時間 (t) は 1.7 秒でした。 この条件では、nh は 24 nmol (48 ng) と計算されました。 酸素（no）の物質量はnhの半分で、12 nmol（380 ng）と計算されました。 この実験では水の量が 50 mL であるため、水素と酸素の濃度はそれぞれ 0.96 ppb と 7.7 ppb と推定されます。 このような低濃度は、市販の高感度ガス監視装置を使用しても測定することが困難です。 ガスを測定するには、電流を大幅に増加する必要があります。

ただし、現在の世代が他の理由 (振動や騒音など) によって引き起こされたものではないことを確認することが重要です。 したがって、ネガティブコントロールデータを取得しました。 発電機にガラスフィルターを取り付けずにプレスユニットを使用して830 kPaの圧力を加えた場合の発生電圧を図S7bに示します。 それは 0.12 ± 0.04 V (n = 3、± SD) であり、ガラスフィルターを使用したデータよりも大幅に小さくなりました。 この結果から、発生原理が確認された。

さらに、ガラスフィルターの抵抗に対する流れの影響を調査しました。 流れることにより抵抗値が大きく変化すると、漏れ電流により電流が正しく測定できない場合があります。 シミュレーションは図S8に追加されました。 流れの有無に関わらず抵抗値はほぼ同じであることが分かります。 また、プレスユニットと平均細孔半径８μｍのフィルターを用いて電気抵抗を実測した。 流れ（35 mL/秒）なしおよび流れありの抵抗は、1.50 ± 0.14 MΩ（n = 3、± SD）および 1.41 ± 0.10 MΩ（n = 3、± SD）でした。 有意な差は観察されなかった。 また、図4eの測定した電圧と電流から計算した外部回路の抵抗値（68kΩ）と比較すると、フィルタの抵抗値はリーク電流を防ぐのに十分な大きさでした。 これらの結果から、流れは電気抵抗に影響を及ぼさないと結論付けました。

フットプレスユニットを用いたこの実験における圧力駆動発電機の最大性能は、平均孔径8μmのフィルターを使用した場合の持続時間1.7秒で4.8mW（18V、0.26mA、エネルギー効率0.02％）でした。 700℃で焼結されていました。 私たちはその性能を、以前に報告された機械式エネルギーハーベスティングデバイスの性能と比較しました。 表 1 は、水圧駆動という同じ原理を備えたデバイス間の比較に特に重点を置き、原理、材質、性能の比較としてそれらをまとめたものです。

電磁装置６は大きな電力を発生するが、サイズが大きい。 圧電8および静電14デバイスはかなり小さいですが、エネルギーの生成期間は短いです。 そのため、1秒以上の長い周期の動作には使用できません。 一方、本装置は装置内に水が存在する限り発電が続くため、発電持続時間が長くなります。 水圧ベースの発電アプローチのうち、ガラスコーティングされたシリコン 15、金属と炭素の複合材料 16、セルロース 17 などのガラス以外の材料は、壊れやすいために高い圧力を加えることができないため、小さな電力（数マイクロワット未満）しか提供できません。材料を使用しているため、発生する電圧はそれほど高くありません（1 V 未満）。

同じ原理による従来の発電のほとんどは、フォトリソグラフィーによって作製されたマイクロチャネルまたはナノチャネルを使用していました18、19、20、21。 フォトリソグラフィーによって作成されたガラスチャネルを使用するデバイスの発電量ははるかに小さくなります (1 μW 未満)。 ガラスは高圧に耐えることができるため、他の材料よりも高い電圧を生成できますが、電流は非常に低いです (数マイクロアンペア以下)。 これらの研究の主な目的は、表面と流体の特性を調査することです。 そのためにはフォトリソグラフィーによってチャネル形状を定義することが重要ですが、チャネルの三次元集積が難しいため、電流は小さくなります。 焼結ガラスフィルターを用いた報告もある22。 ただし、この研究では市販のフィルターを使用しました。 これは発電用に最適化されていません。 したがって、多孔質ガラスの脆さのせいで、電圧は低く（22 mV）、それに応じて出力もまだ低い（20 nW）。 一方、ガラスフィルターはゼロから製作しました。 私たちは、焼結時に圧力を加えてガラスとガラスを低温接合する技術35,36を応用し、830 kPaの液圧でも使用可能な強固なガラスフィルターの作製に成功した。 したがって、発電電力は 4 桁以上向上しました。

全体として、作製プロセスを最適化した多孔質ガラスフィルターを用いた発電装置を作製し、1秒以上の発電を実証しました。 コンデンサによる電力の凝縮や電圧の昇圧など、通常の回路用途にはこれで十分であり、エナジーハーベスティング発電機としての有用性を実証しました。 このシステムは、人間の機械的行動変換システムに基づくさまざまなヒューマンインターフェースデバイスのエネルギー源としての電気エネルギー生成装置のプロトタイプモデルとなり得る。 このシステムはエネルギー源として低周波作動を使用するため、クリーンで安全なエネルギー供給であり、将来的には多くの用途が考えられます。

さらに、このイオンベースの発生は、以前に実証した電気線発生器 40 と基本的に同様です。 その発生装置は、イオンを輸送するためのエネルギー源としてアデノシン三リン酸（ATP）を使用して特定のイオンを通過させる多数のイオンポンプ（膜タンパク質）を統合した光線の電気器官を使用しました。 当社の圧力駆動発電機も、このような機械生命融合装置から発想を得た製品の一つといえる41,42,43。

ガラスフィルターは 2 つの方法で製造されました。 最初に、ホウケイ酸ガラスフリット（古内化学工業株式会社、東京、日本）をカーボンモールド（北京京龍特殊炭素有限公司、中国北京）の穴に入れました（穴の直径2cm、深さ3cm） mm) フリットは焼結していました。 2 番目の方法では、粉砕されたガラス粒子の粉末が使用されました。 3 g の粗粒子を乳鉢 (As One、大阪、日本) で手動で粉砕し、回転速度は 120 rpm で一定でした。 粉砕時間はストップウォッチで監視した。 粉末をカーボンモールド全体に入れ、次にアルミナ重り（60 g/プレート、Yunyi Electronic Co., Ltd、広州、中国）を粒子が充填された各穴（治具あたり 3 プレート）に配置して圧力を加えました。 ガラス粉末を真空炉 (KDF-900GL、Denken、京都、日本) で焼結してフィルターを作成しました。 温度を 2 時間かけて所望の温度 (680 ～ 720 °C) まで上昇させ、その後その温度で 5 時間維持しました。 次に、焼結フィルターを含む型を 8 時間かけて室温まで冷却しました。 すべての焼結手順は真空条件で実行されました。

溶融シリカフィルターは、SiO2 粉末 (フルウチ化学株式会社) を使用して同様の手順で製造されました。 溶融シリカは軟化温度が非常に高いため、非真空炉（KDF-S80）を使用し、真空中で焼結温度1100℃・10時間で仮固化し、その後1150℃・5時間で硬化させました。 、デンケン、京都、日本）カーボンモールドなし。 なお、仮固化は金型内で行い、その後金型を外し、非真空炉を用いてフィルタのみを硬化させた。

この手順は他の場所で説明されています44。 簡単に言うと、焼結ガラスフィルターを小さな断片（直径 1 cm 未満）に砕きました。 次に、それらを自動水銀ポロシメータ（低圧の場合はパスカル 140、高圧の場合はパスカル 240、MicrotracBEL、大阪、日本）にセットしました。 この測定で用いた水銀の表面張力および接触角は、それぞれ０．４８Ｎ／ｍおよび１４１．３°であった。

フィルターホルダー（Swinnex Filter Holder Φ25mm、Merck、MA、USA）、ルアーフィッティング（VPRM406、ISIS、大阪、日本）、銅メッシュシート（#100、Eggs Store、東京、日本）およびシリコーンチューブを準備しました。 フィルターホルダーの出口をホビールーター（HRT-86、新潟県高木市）を使用して削り、開口部を広げました。 ルアーフィッティングをフィルターホルダーの上部に取り付け、シリコンチューブ（直径4 mm）に接続しました。 ホルダーの底部を別のシリコンチューブ(直径10mm)に取り付けた。 銅メッシュから 2 つの円 (直径 20 mm) を切り出し、1 つの円を電極用のフィルターの上に置き、もう 1 つの円をその下に置きました。 最後に、シリコーンチューブに開けられた穴を通してはんだを使用して、導線を電極に取り付けました。

水は、50 mL シリンジ (SS-50ESZ、テルモ、東京、日本) からリニア アクチュエーターによって一定の速度で発電機に導入されました。 リニア アクチュエータ (LEY32C-150、SMC、東京、日本) の速度は、ACT コントローラ (バージョン 1.2.0.0、SMC) によって制御されました。 逆止弁を介したリニアアクチュエータ（AS-1022、ASOH、大阪、日本）によるシリンジピストンの押し引き運動により、水を一方向に循環させました。

電圧、電流、および力の信号は、I/O ボード (MF644、Humusoft、プラハ、チェコ共和国) を介して PC に送信されました。 MATLAB R2020a (バージョン 9.9.01467702、MathWorks、MA、米国) および Simulink (バージョン 10.2、MathWorks) が PC にインストールされました。 ひずみゲージセンサー (LSM-50K-B、ミネベアミツミ、長野県、日本) をシリンジピストンの上部に設置しました。 力信号は、ひずみアンプ (DPM-951A、協和電子計器、東京、日本) を介して I/O ボードにも送信されました。 測定された電圧範囲に従って選択された、2、5、および10 MΩの直列接続された抵抗を備えた1 MΩを使用する分圧器が使用されました。 電流は、実験者が足を押している間にコンデンサ (200 μF) に蓄えられた電圧の傾きによって計算されました。 プレス機用には、高速アナログ測定システム (NR-HA08、キーエンス) とソフトウェア (WAVE LOGGER PRO (バージョン R4.02.00)、キーエンス) を備えたデータロガー (NR-600、キーエンス、大阪、日本)レコーディングに使用されました。 データは 1 ミリ秒の時間間隔で記録されました。

発電のデモンストレーション用に、大型の足踏み動力駆動ユニット（図4b）を設計・製作しました。 このユニットにはシリンジ ホルダー (直径 59 mm) とシリンジ (直径 31 mm) がありました。 また、角形カバー（100mm×100mm）に内筒形状（シリンジホルダーが嵌合する直径85mm）を設け、力の作用範囲を拡大し、作業方向を制限するとともに、内筒型スタンド（34mm）を備えていました。直径mm）でユニット全体を安定させます。 ユニットのコンポーネントは、3D 溶融堆積モデリング (FDM) プリンター (Black knight、Magicmaker、重慶、中国) を使用して製造されました。 このユニットの素材にはポリ乳酸（PLA）が使用されています。 デザインはデザイン ソフトウェア (Fusion 360、Autodesk、CA、USA) を使用して描画されました。

照明テストには LED ライト (3 mm、3.3 ～ 3.6 V、18 mA) が使用され、抵抗は使用されませんでした。 コンデンサに蓄積されたエネルギーは、マルチメーター (MS8233D、Crenova、中国) で測定されました。 ミニファンの回転には、ミニモーター (DC 1.5 ～ 3 V/40 mA、11 × 4 mm、Uxcell マイクロ振動モーター (OEM)、香港、中国) およびその他の 3D プリント部品が使用されました。 無線通信ツールのテストでは、信号発生器 (STM320、EnOcean、オーバーハヒング、ドイツ) を信号受信機 (USB 400 J、EnOcean) および無線キット (ESK300U、EnOcean) とともに使用しました。

ガラス粒子の SEM 画像は走査型電子顕微鏡 (VE-8800、Keyence) によって取得され、ImageJ (バージョン 1.8.0_172)45 オープンソース ソフトウェアを使用して分析されました。 平均フェレ直径は、画像データを白黒に二値化した後、ソフトウェアによって自動的に測定されました。 アプリケーション実験用に取得したビデオと画像は、市販のソフトウェア (PowerDirector 16 (バージョン 16.0)、Cyber​​Link、台湾新北市) で編集されました。

フィルターの静電気抵抗は、高精度マルチメーター (Fluke 83 マルチメーター、ワシントン、米国) を使用して測定されました。 フロー状態では、電流を安定させ、生成された総電圧を基準抵抗 (2.05 MΩ) に分離するための単純な回路が構築されました。 これは、マルチメーターを直接使用して抵抗を測定することが難しいためです。 単純なオームの法則に従って、流動状態での抵抗を推定しました。 数値シミュレーションは、市販ソフトウェア (COMSOL Multiphysics (バージョン 6.0)、COMSOL Inc.、バーリントン、マサチューセッツ州、米国) の AC および CFD モジュールを使用して実行されました。

著者らは、この研究の結果を裏付けるすべてのデータが論文および補足情報内で入手可能であることを宣言します。

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本研究は、日本学術振興会（JSPS）の科学研究費補助金基盤研究（B）（20H02596）および新学術領域研究（21H00334）の助成を受けて行われました。 立石科学技術財団および東京電力記念財団の財政的支援に感謝いたします。 また、細孔径測定に関する技術支援をしていただいた大阪産業技術研究所のスタッフにも感謝いたします。

理化学研究所 生命機能科学研究センター (BDR) 〒565-0871 大阪府吹田市山田丘 1-3

Yo Tanaka, Satoshi Amaya, Shun-ichi Funano, Yuri Ito, Yusufu Aishan & Yaxiaer Yalikun

Department of Robotics and Mechatronics, Tokyo Denki University, 5 Senju-Asahi-Cho, Adachi-Ku, Tokyo, 120-8551, Japan

Hisashi Sugawa, Wataru Nagafuchi & Norihiro Kamamichi

奈良先端科学技術大学院大学〒630-0192 奈良県生駒市高山町8916-5

Xun Liu & Yaxiaer Yalikun

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YT、SA、SF、NK、YY が調査を設計しました。 YT、SA、SF、HS、WN、YI、YA、XL、YY が調査を実施し、結果を解釈しました。 YTさんが原稿を用意してくれました。

田中陽さんへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足動画１．

補足動画２．

補足動画３．

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転載と許可

田中裕也、天谷真司、船野思、 他。 マイクロからナノスケールのガラス多孔質フィルターと水由来のイオン流を利用した圧力駆動の​​電気エネルギー発生装置です。 Sci Rep 12、16827 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-21069-8

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受信日: 2022 年 7 月 6 日

受理日: 2022 年 9 月 22 日

公開日: 2022 年 10 月 20 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21069-8

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