压力驱动玻璃发电机-使用微细玻璃过滤器的小型环境发电机的开发- 理化学研究所(理研)生命功能科学研究中心集成生物装置研究小组组长田中阳(研究当时)、客座研究员雅利安·雅夏拉(奈良尖端科学技术大学院大学尖端科学技术研究科物质创建科学领域生物过程工学研究室副教授)、 东京电机大学未来科学部机器人机电一体化系的釜道纪浩教授等人的共同研究小组，开发出了利用玻璃和水的电气相互作用，通过使水在压力下流动，可以产生电力的压力驱动型小型发电机。 本研究成果可用于利用人类行走等缓慢动作的环境发电，有望作为身边电子设备的电源发挥作用。 作为随着IoT[1]的普及而向数量巨大的信息终端和传感器供电的手段，从热、光、压力等中获得电力的环境发电[2]技术备受瞩目。 其中，压力能产生比较大的电力，但存在相对于步行这样的缓慢的反复压力(振动)，发电效率稍低的问题。 此次，联合研究小组开发的发电设备通过使水流过带负电的玻璃表面使离子分离，即使动作缓慢，只要水流持续，发电也能持续。 此外，通过制作集成了多个流路的微细玻璃过滤器，使其即使施加压力也不易损坏，且能够获得较大的电力，实际上被证实可以用于LED点亮、风扇旋转、通信等。 本研究刊登在科学杂志《Scientific Reports》在线版( 10月20日:日本时间10月20日)上。 另外，理研作为“发电元件及发电方法”申请了专利。  使用微细玻璃过滤器的振动环境发电机的理念 背景随着身边所有物品都连接到互联网的IoT(Internet of Things )的普及，作为驱动无数传感器类的电源，利用热、光、压力的环境发电技术备受瞩目。 其中，作为能在身边获得较大能量的东西，列举了利用步行时等产生的压力(振动)进行振动发电。 作为从振动中获得电的方法，使用电磁感应[3]和压电元件[4]的方法广为人知，但电磁感应难以小型化，压电元件在步行这样的缓慢运动中存在效率降低的问题。 因此，本研究提出了利用水和玻璃流路壁的电气相互作用，对流路施加压力使水流动，通过分离离子来利用电力产生。 因为只要有水就能持续发电，所以即使像步行一样缓慢的动作也能充分产生电力。 玻璃是田中阳团队负责人一直以来擅长的材料，基于该见解，进行了制作条件优化的讨论和面向压力驱动型玻璃发电机的利用的实证实验。 研究方法和成果这次提出的发电机的原理是利用了水( H2O )自发地解离成氢离子( H+ )和氢氧根离子( OH-)。 另外，玻璃具有表面的H+在水中解离，带负电的性质。 因此，如果用玻璃制作微细流路，并在此处以压力使水流动，则H+容易进入流路，但OH-难以进入，因此会产生离子的分离。 在此用电线连接流路的入口和出口，在出口产生氢气( H2 )，在入口产生氧气( O2 )，流过电流(图1a )。 此时产生的氢气非常少，残留的水再次以一定比例产生离子的电离，所以只要将水送回流路就可以反复发电。 由于电压与压力成正比，电流与流路数成正比，因此为了提高其乘积的电力，需要集成大量耐压性高的流路。 作为实现这一点的发电机设计，研究了制作圆形状的微细玻璃过滤器，在其上安装橡胶垫片，组装到耐压性能高的支架上。 在过滤器的上下安装了网状电极，用电线连接到外部的测量机上，形成了可以从大面积回收电流的结构(图1b )。  图1采用微细玻璃滤波器的发电机原理与设计 - 微细玻璃过滤器的制作方法。 直接使用粉末状硼硅酸玻璃，或者用乳鉴粉碎后装入碳制模具中，在施加压力的同时在真空炉中进行烧成。
( b )玻璃过滤器烧成成型用碳制模具。 孔的直径为2cm，深为3mm。
( c ) ( b )中填充了玻璃粉末的状态。
( d )将氧化铝(氧化铝)的重物放置在装满玻璃粉末的碳模具上，放入炉中的状态。
( e )在炉中烧成后，从模具上取下的玻璃过滤器。
( f )在680~720℃下烧成的玻璃过滤器表面的电子显微镜照片。
( g )在0~40分钟的玻璃粉末磨碎条件下制作的玻璃过滤器表面的电子显微镜照片(烧成温度均为700℃)。
接着，向在各种条件下制作的玻璃过滤器中实际流动水，测量了电力。 通过PC控制控制负荷，构筑使活塞往返的水循环系统(图3a )，安装了组装有制作的玻璃过滤器的发电机(图3b、c )。 使用它，使水以20mm/s的流速流入发电机时，水流动期间持续发电，可以多次反复进行(图3d )。 重复一遍后电压稍微下降，可能是因为重复使用同一杯水导致的污染，但没有大的变化，过滤器也没有损坏。 使用在各温度、磨碎时间条件下制作的过滤器使水流动时，发现电压也与流速成比例地变大(图3e、g )。 从不同温度来看，烧成温度680~700℃时电压几乎没有变化，但710~720℃时电压变得相当小。 这可能是因为，如前项的实验中所看到的，高温下流路的一部分溶解而堵塞(图3f )。 另一方面，电流是根据外部电容器中电荷积累的速度进行逆运算测定的，结果700℃达到峰值，用电压和电流的乘积表示的功率也有同样的趋势。 这可能是因为在680~700℃时，流路在不损坏的范围内变小，发电效率提高。 从不同的研磨时间来看，电压、电流、功率都以5分钟的研磨时间为峰值(图3g )。 这可能也是因为，到5分钟为止，流路会变小，效率会提高，但如果再磨碎的话，流路会被压坏。 如上所述，以恒速( 50mm/s )流动水时，电力最大的是烧成温度700℃、磨碎时间5分钟(平均细孔径12μm )的过滤器(电压27V、电流0.14mA、电力0.8mW )，发电效率为0.021%。  图3发电的实证实验和玻璃过滤器的评价
发电实证评价系统的设置。 用PC控制的机械使活塞恒速往复，在发电机上通过止回阀使水始终向一定方向流动，测量了其前后的电压。 用应变测量器测量活塞上的负荷，在确认有无泄漏的同时进行了测量。
( b )装有试制的玻璃过滤电极的发电机。
( c )装有注射器的水循环系统。
( d )使用在700℃烧成、5分钟磨碎条件下制作的玻璃过滤器，以20mm/s反复流动水时的电压测定结果。 通过反复试验，电压略有下降。
( e )使用在700℃的烧成温度条件下制作的玻璃过滤器，以流速4、6、8、10、20、30、40、50mm/s依次流动水，重复3次时的电压测量结果。
( f )各烧成温度条件下电压、电流、功率测量结果的总结。 在680~700℃时几乎没有差异，但在710~720℃时出现了下降。
( g )使用磨碎时间5分钟制作的玻璃过滤器，以流速4、6、8、10、20、30、40、50mm/s依次流动水，重复3次时的电压测量结果。
( h )各磨碎条件下电压、电流、功率测量结果总结。 均以磨碎时间5分钟为高峰。基于以上基础性验证结果，结合环境发电的验证，构建了使用电容器的蓄电电路，进行了利用脚踏的能量发电，驱动各种电子设备的验证实验(图4a )。 为了让水通过脚踏流向发电机，用3D打印机制作了压力机(图4b、c )。 用它在700℃、各磨碎时间制作的玻璃过滤器中，以60kg体重负荷下的0.8兆帕斯卡( MPa，1MPa为100万帕斯卡)的恒压流通50mL的水时，电压与前项的实验(图3h左)接近。 结果，电力方面，磨碎时间5分钟和10分钟的电力几乎没有差别，但电力乘以发电持续时间的能量方面，10分钟(平均细孔径8μm )的电力达到最大(图4d右)，发电性能为电压18V、电流0.26mA、电力4.8mW时持续时间1.7秒、能量6.8mJ、发电效率0.017%。 使用该滤波器进行了3种APP应用实证实验。 在LED点亮实验中，将小型LED(3mm，3.3V以上点亮)直接连接在发电机上时，发现在冲压过程中点亮(图4e )。 在旋转小型风扇的实验中，可以看到反复冲压50次，向电容器充电5.2V，打开开关的瞬间旋转近1秒(图4f )。 无线通信实验是在电容器积累0.2V以上的电压时，自动将信号发送到距离发射器3米远的PC，经过两次按压后，在监视器上确认了接收(图4g )。  图4使用压力机的脚踏发电和APP应用实证
为了验证APP应用，此次使用的包括发电机、电容器、器件在内的电路图。 发电机(电压: v )设置在端口0和1之间，直接连接设备时，无电容器始终连接端口2和3，为电容器蓄电时，在蓄电后(电容器电压: Vc )连接端口2和3 (开关)。
( b )压力机的结构和工作原理。
( c )脚踩新闻单元的样子。
( d )各磨碎条件下电压、电流、发电持续时间、电能测量结果汇总。 在电力上花费发电持续时间的能源量中，10分钟的达到了最大。
( e ) LED直接点亮实验。 上段为整体图，中下段为冲压开始前和冲压中的发电机和LED的情况。
( f )风扇旋转实验。 上段为整体图，下段为开关ON前后，电容器上的电压( Vc )电压表的显示数值和风扇情况。
( g )无线通信实验。 上段为整体图，下段为新闻开始前后，软件上接收信号的显示监视器的情况。
今后的期待将此次开发的脚踏型发电机的性能与使用压电元件作为使用相同机械振动的小型环境发电机的性能进行比较，电力和发电效率大致相同，但压电元件的持续时间为0.1秒以下，与此相对，脚踏型发电机的特点是振动缓慢，长达1秒以上，可以持续发电。 另外，此次的发电方法是利用玻璃的表面电位来过滤离子，与基于相同原理并使用不同材料的发电方法(半导体、合金、木材等)进行性能比较，相对于传统材料产生的数mW以下的电动势，大幅提高到了数mW。 这被认为是因为使用玻璃兼具表面电位的高度和健壮性。 这次作为样机比较大型，但原理上更小，也可以做成能装入鞋中的程度的尺寸。
综上所述，此次开发的发电机，作为高效利用步行中的电子设备的无电源驱动和椅子或床上的人的动作检测等缓慢动作的环境发电，很有效果。 例如，可以考虑在这次的实证实验中所示的，利用LED在黑暗的道路上进行照明，以及在炎热的场所使用风扇的空冷装置等。 而且，在IoT的应用中，有望用于健康管理设备等各种场景，用于始终传感、通信、监视行走和椅子床上等的人的动作。 补充说明
IoT
意思是物品通过网络进行通信。 通过连接至今为止未连接到互联网的物品，可以交换测量数据、传感器数据、控制数据，迅速应对监护、护理、机械故障和问题，期待着建立安全安心的社会。 IoT是Internet of Things的缩写。
2 .环境发电
也被称为能量收获( Energy Harvesting )，是将太阳光、室内光、振动、热量、电磁波等能量转换为电力的发电方法。 因为不需要更换电池，所以对环境友好，设置一次就可以半永久使用。 作为众多传感器的电源备受期待。
3 .电磁感应
是在磁通变动的环境下存在的导体产生电位差的现象，成为发电机、感应电动机、变压器等许多电气设备的工作原理。 利用这一工作原理的身边的例子有自行车车轮旋转发电和车灯点亮，虽然规模稍大，但也有通过安装在人体上从步行开始发电的例子。
4 .压电元件
将施加于压电体的力转换为电压，或者将电压转换为力，利用压电效应的元件，也称为压电元件。 除了传感器以外，还可以在扬声器、耳机、点火装置等各种各样的地方使用。 小型化也很容易，也有装在鞋子里发电的例子。
5 .光刻法
将涂布了感光性物质的物质表面曝光为图案状，从而生成由曝光部分和未曝光部分构成的图案的技术。 是半导体加工的基础技术，用于集成电路和微细流路的制作等。
6 .硼硅酸盐玻璃
混合硼酸进行熔融，提高了软化点和硬度的玻璃。 耐热性、耐化学药品性优异，在理化用途中使用最普遍的玻璃。
7 .汞孔隙率法
一种方法，是为了使水银浸入要测量的物体的细孔而施加压力，在连续增加的同时，检测侵入细孔的水银侵入量，测量试样表面细孔的大小及其体积来求出细孔分布。 细孔容积变化为峰值直径为平均细孔径。 可测量数百μm~数nm大范围的细孔径分布。
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