发电体

1.本发明涉及利用摩擦起电而进行发电的发电体。


背景技术：

2.作为以往的发电体，已知有下述发电体，其具备：具有被第1带电膜覆盖的第1面的第1部件和具有被第2带电膜覆盖的第2面的第2部件，且通过上述第1面与上述第2面彼此的接触状态的变化来进行发电(例如，参见专利文献1)。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2018-191454号公报


技术实现要素：

6.发明要解决的课题
7.就上述发电体而言，在为了能够向消耗电力大的电气设备供给电力而要增大发电量的情况下，考虑使第1部件的第1面与第2部件的第2面彼此的接触面积增大。在该情况下，上述发电体变得大型化，能够设置发电体的场所受限，可能导致通用性的降低。
8.本发明的目的在于提供能够在抑制大型化的同时使发电量增加的发电体。
9.用于解决课题的手段
10.本发明涉及的发电体具备：具有被第1带电膜覆盖的第1面的第1部件；和，具有被第2带电膜覆盖的第2面的第2部件，并且是通过上述第1面与上述第2面彼此的接触状态的变化来进行发电的发电体，在上述第1面及上述第2面中的至少一者的整个面形成有凹凸结构，上述第1带电膜及上述第2带电膜中的至少一者由具有多孔质结构的部件形成。
11.另外，就本发明涉及的发电体而言，优选的是，在上述第1面及上述第2面中的仅一者形成有上述凹凸结构的情况下，上述凹凸结构的从底部至顶部的高度为0.3mm以上，在上述第1面及上述第2面两者形成有上述凹凸结构的情况下，形成于上述第1面的上述凹凸结构的从底部至顶部的高度、与形成于上述第2面的上述凹凸结构的从底部至顶部的高度的合计为0.3mm以上。
12.另外，就本发明涉及的发电体而言，优选的是，上述第1带电膜及上述第2带电膜中的一者由具有多孔质结构的聚酰亚胺形成，另一者由聚酰胺形成。
13.另外，就本发明涉及的发电体而言，优选的是，上述具有多孔质结构的部件的孔隙的平均孔径为200nm以上400nm以下。
14.发明的效果
15.根据本发明，通过使用具有多孔质结构的带电膜，能够增加带电膜所带的电量，因此能够在抑制大型化的同时增加发电量。
附图说明
16.[图1]为本发明的一个实施方式涉及的发电体的截面图。
[0017]
[图2]为示出从外侧对本发明的一个实施方式涉及的第1部件及第2部件施加了力的状态的发电体的截面图。
[0018]
[图3]为本发明的一个实施方式涉及的第2带电膜的主要部分的截面图。
[0019]
[图4]为示出与不具有本发明的一个实施方式涉及的凹凸结构的比较例的发电体的发电电压有关的试验的结果的图表。
[0020]
[图5]为示出与具有本发明的一个实施方式涉及的凹凸结构的实施例及比较例的发电体的发电电压有关的试验的结果的图表。
[0021]
[图6]为示出本发明的一个实施方式涉及的发电次数与发电量的关系的图表。
[0022]
[图7]为示出本发明的一个实施方式涉及的凹凸结构的高度之和与输出变化率的关系的图表。
[0023]
[图8]为示出本发明的一个实施方式涉及的第2带电膜的孔隙直径与发电电压的关系的图表。
[0024]
附图标记说明
[0025]
1 发电体
[0026]
10 第1部件
[0027]
11 第1电极部
[0028]
11a 第1面
[0029]
11a1 凹凸结构
[0030]
12 第1带电膜
[0031]
20 第2部件
[0032]
21 第2电极部
[0033]
21a 第2面
[0034]
21a1 凹凸结构
[0035]
22 第2带电膜
具体实施方式
[0036]
图1至图8示出本发明的一个实施方式。图1为发电体的截面图，图2为示出从外侧施加力的状态的发电体的截面图，图3为第2带电膜的主要部分的截面图，图4为示出与不具有凹凸结构的比较例的发电体的发电电压有关的试验的结果的图表，图5为示出与具有凹凸结构的实施例及比较例的发电体的发电电压有关的试验的结果的图表，图6为示出发电次数与发电量的关系的图表，图7为示出凹凸结构的高度之和与输出变化率的关系的图表，图8为示出第2带电膜的孔隙直径与发电电压的关系的图表。
[0037]
本实施方式的发电体1例如设置于车辆的轮胎，在车辆行进时受到施加于轮胎的力而发电。
[0038]
发电体1利用摩擦起电进行发电，具备：通过彼此的接触状态的变化而带彼此相反的电荷的第1部件10及第2部件20；和，用于将第1部件10与第2部件20一体地保持的保持部件30。
[0039]
第1部件10具有：第1电极部11；和，将第1电极部11的位于第2部件20侧的第1面11a覆盖的第1带电膜12。
[0040]
第1电极部11由具有导电性且具有弹性的部件形成。第1电极部11由具有导电性的弹性体构成，或者通过利用银、铜等导电膜将丁腈橡胶、硅橡胶等具有绝缘性的弹性体的表面被覆而构成。导电膜例如由导电性无纺布形成。
[0041]
在第1电极部11的第1面11a的整个面形成波型形状连续的凹凸结构11a1。凹凸结构11a1的从底部至顶部的高度h1形成为规定的大小。
[0042]
第1带电膜12由具有绝缘性、且带电呈与后述第2带电膜相反的极性的软质部件形成。第1带电膜12例如选自由聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双酚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等组成的组。第1带电膜12形成为厚度尺寸t1，以沿着凹凸结构11a1的方式覆盖第1面11a。
[0043]
第2部件20具有：第2电极部21；和，将第2电极部21的位于第1部件10侧的第2面21a覆盖的第2带电膜22。
[0044]
第2电极部21由具有导电性且具有弹性的部件形成。第2电极部21由具有导电性的弹性体构成，或者通过利用银、铜等导电膜将丁腈橡胶、硅橡胶等具有绝缘性的弹性体的表面被覆而构成。导电膜例如由导电性无纺布形成。
[0045]
在第2电极部21的第2面21a的整面形成波型形状连续的凹凸结构21a1。凹凸结构21a1的从底部至顶部的高度h2形成为规定的大小。
[0046]
第2带电膜22由具有绝缘性并且带电呈与第1带电膜12相反的极性的软质部件形成。第2带电膜22例如由聚酰亚胺形成。第2带电膜22形成为厚度尺寸t2，以沿着凹凸结构21a1的方式将第2面21a覆盖。另外，如图3所示，第2带电膜22具有多孔质结构，所述多孔质结构具有大量孔隙22a、和将邻接的孔隙22a彼此连通的连通孔22b。第2带电膜22的孔隙22a的平均孔径d优选为200nm以上400nm以下的范围内的大小，连通孔22b的平均孔径d优选为平均孔径d的三分之一以下的大小。另外，第2带电膜22的空隙率优选为50％以上，从为了提高带电性而增大比表面积的观点考虑，优选在表面开孔。空隙率的上限没有特别限定，例如为85％以下，从膜强度等方面考虑，优选为80％以下。
[0047]
第2带电膜22例如可以通过下述方式制造：从包含成为基材的树脂或成为基材的树脂的前体树脂、和微粒的复合膜中，为了形成孔隙22a而将微粒除去。作为成为基材的树脂或其前体树脂，可举出聚酰亚胺系树脂或聚酰亚胺系树脂的前体树脂。构成第2带电膜22的多孔质膜可利用已知的方法制作，例如，可以利用日本专利第5745195号公报、或日本专利第6147069号公报中记载的制造方法制造。第2带电膜22为聚酰亚胺多孔质膜的情况下，可以含有聚酰亚胺的酰亚胺键的一部分开环而成的酰胺键，从本发明涉及的发电体的加工性的方面考虑，优选为不含酰胺键的聚酰亚胺，可以利用ft-ir装置进行确认。
[0048]
此处，第1面11a的凹凸结构11a1的高度h1与第2面21a的凹凸结构21a1的高度h2的合计优选为0.3mm以上，更优选为0.6mm以上。就凹凸结构11a1的高度h1与凹凸结构21a1的高度h2的合计而言，也包括第1面11a及第2面21a中的仅一者形成有凹凸结构、另一者形成为平面状的情况。例如，在第1面11a具有凹凸结构11a1、且第2面21a为平面状的情况下，凹凸结构11a1的高度h1优选为0.3mm以上，更优选为0.6mm以上。另外，在第1面11a为平面状、
且第2面21a具有凹凸结构21a1的情况下，凹凸结构21a1的高度h2优选为0.3mm以上，更优选为0.6mm以上。
[0049]
第1带电膜12的厚度尺寸t1、或第2带电膜22的厚度尺寸t2优选为80μm以下。此外，更优选第1带电膜12的厚度尺寸t1、及第2带电膜22的厚度尺寸t2各自为80μm以下。
[0050]
另外，第1电极部11与第2电极部21介由被供给有经发电而得的电力的外部负荷而彼此电连接，若在第1电极部11与第2电极部21之间产生电位差，则电子在第1电极部11与第2电极部21之间流动。
[0051]
如图1所示，保持部件30是在使第1部件10的第1面11a与第2部件20的第2面21a彼此相对的状态下将第1部件10及第2部件20一体地保持的部件。
[0052]
以上述方式构成的发电体1通过切换下述第1状态和第2状态来发电，第1状态是在使第1带电膜12与第2带电膜22彼此按压的方向上未从外侧对第1部件10及第2部件20施加力的状态，第2状态是在使第1带电膜12与第2带电膜22彼此按压的方向上从外侧对第1部件10及第2部件20施加了力的状态。
[0053]
在第1状态下，虽然第1带电膜12与第2带电膜22彼此接触，但由于沿着凹凸结构11a1形成的第1带电膜12与沿着凹凸结构21a1形成的第2带电膜22彼此对置，因此，第1带电膜12与第2带电膜22的接触面积小。
[0054]
另一方面，在第2状态下，通过在使第1带电膜12与第2带电膜22彼此按压的方向上施加力，从而如图2所示，具有弹性的第1电极部11的凹凸结构11a1及第2电极部21的凹凸结构21a1各自变形，第1带电膜12与第2带电膜22的接触面积大于第1状态下的接触面积。此时，通过第1带电膜12与第2带电膜22彼此摩擦，从而第1部件10带正电荷，第2部件20侧带负电荷。
[0055]
另外，若从第2状态释放在使第1面11a与第2面21a彼此按压的方向上施加的力，则通过第1电极部11及第2电极部21各自的弹性力，成为第1状态。此时，在第1电极部11与第2电极部21之间，电在电位同等的方向上流动。
[0056]
实施例
[0057]
以下，通过实施例具体地说明本发明。
[0058]
如表1所示，构成各自变更了第1部件10的第1带电膜12的材质及凹凸结构11a1的高度h1、第2部件20的第2带电膜22的材质及凹凸结构21a1的高度h2的比较例1-7、实施例1-5的发电体，进行用于评价各发电体的性能的试验。
[0059]
[表1]
[0060][0061]
pu：聚氨酯，pi：聚酰亚胺，ppi：多孔质聚酰亚胺
[0062]
fep：四氟乙烯
·
六氟丙烯共聚物
[0063]
pa：聚酰胺
[0064]
＜比较例1》
[0065]
就比较例1而言，在第1部件10的第1面11a未形成凹凸结构11a1，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚氨酯，第2部件20的第2面21a未形成凹凸结构21a1，第2带电膜22为不具有多孔质结构的聚酰亚胺。
[0066]
＜比较例2》
[0067]
就比较例2而言，在第1部件10的第1面11a，凹凸结构11a1的高度h1为0.2mm，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚氨酯，第2部件20的第2面21a未形成凹凸结构21a1，第2带电膜22为不具有多孔质结构的聚酰亚胺。
[0068]
＜比较例3＞
[0069]
就比较例3而言，在第1部件10的第1面11a未形成凹凸结构11a1，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚氨酯，第2部件20的第2面21a未形成凹凸结构21a1，第2带电膜22为不具有多孔质结构的四氟乙烯
·
六氟丙烯共聚物。
[0070]
＜比较例4＞
[0071]
就比较例4而言，在第1部件10的第1面11a，凹凸结构11a1的高度h1为0.5mm，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚氨酯，第2部件20的第2面21a的凹凸结构21a1的高度h2为0.2mm，第2带电膜22为不具有多孔质结构的四氟乙烯
·
六氟丙烯共聚物。
[0072]
＜比较例5＞
[0073]
就比较例5而言，在第1部件10的第1面11a，凹凸结构11a1的高度h1为0.5mm，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚氨酯，第2部件20的第2面21a的凹凸结构21a1的高度h2为0.5mm，第2带电膜22为不具有多孔质结构的四氟乙烯
·
六氟丙烯共聚物。
[0074]
＜比较例6＞
[0075]
就比较例6而言，在第1部件10的第1面11a未形成凹凸结构11a1，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚氨酯，第2部件20的第2面21a的凹凸结构21a1未形成，第2带电膜22为具有多孔质结构的聚酰亚胺。
[0076]
＜实施例1＞
[0077]
就实施例1而言，在第1部件10的第1面11a，凹凸结构11a1的高度h1为0.5mm，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚氨酯，第2部件20的第2面21a的凹凸结构21a1的高度h2为0.2mm，第2带电膜22为具有多孔质结构的聚酰亚胺。
[0078]
＜实施例2＞
[0079]
就实施例2而言，在第1部件10的第1面11a，凹凸结构11a1的高度h1为0.5mm，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚氨酯，第2部件20的第2面21a的凹凸结构21a1的高度h2为0.5mm，第2带电膜22为具有多孔质结构的聚酰亚胺。
[0080]
＜实施例3＞
[0081]
就实施例3而言，在第1部件10的第1面11a，凹凸结构11a1的高度h1为0.2mm，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚酰胺，第2部件20的第2面21a的凹凸结构21a1的高度h2为0.2mm，第2带电膜22为具有多孔质结构的聚酰亚胺。
[0082]
＜实施例4＞
[0083]
就实施例4而言，在第1部件10的第1面11a，凹凸结构11a1的高度h1为0.2mm，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚酰胺，第2部件20的第2面21a的凹凸结构21a1的高度h2为0.5mm，第2带电膜22为具有多孔质结构的聚酰亚胺。
[0084]
＜实施例5＞
[0085]
就实施例5而言，在第1部件10的第1面11a，凹凸结构11a1的高度h1为0.5mm，第1带电膜12为不具有多孔质结构的聚酰胺，第2部件20的第2面21a的凹凸结构21a1的高度h2为0.5mm，第2带电膜22为具有多孔质结构的聚酰亚胺。
[0086]
图4为示出关于比较例1、3及6的发电体1的与发电电压有关的试验的结果的图表。就比较例1、3及6而言，在第1电极部11的第1面11a未形成凹凸结构11a1，关于第2电极部21的第2面21a，也未形成凹凸结构21a1。因此，比较例1、3及6中的任一个均显示发电电压小于20伏。
[0087]
图5为示出关于比较例2、4及5、实施例1、2、3及4的与发电电压有关的试验的结果的图表。就比较例2、4及5、实施例1、2、3及4而言，在第1面11a及第2面21a中的至少一者形成有凹凸结构。因此，比较例2、4及5、实施例1、2、3及4中显示，即使发电电压低，也为50伏以上。另外，关于第2带电膜22为具有多孔质结构的聚酰亚胺的实施例1、2、3及4，通过第2带电膜22的表面积变大而使所带的电量变多，因此，发电电压成为至少200伏以上，与作为第2带电膜22不具有多孔质结构的材料的比较例2、4及5相比，发电电压变高。
[0088]
图6为示出关于比较例5、实施例3、4及5的对发电次数(重复进行第1状态与第2状态的切换)与发电量的关系进行测定的试验的结果的图表。可知实施例3、4及5与第2带电膜22不具有多孔质结构的比较例5相比，即使发电次数变多，发电量的降低率也小。另外可知，在实施例3、4及5中，随着凹凸结构11a1的高度h1与凹凸结构21a1的高度h2的合计变大，可维持第1状态与第2状态下第1带电膜12与第2带电膜22的接触面积的变化大的状态，相对发电量的降低率变低。
[0089]
图7为示出关于实施例3、4及5的凹凸结构11a1的高度h1与凹凸结构21a1的高度h2的合计、与输出变化率(其表示重复进行第1状态与第2状态的切换时的发电量相对最小时的发电量的最大降低比例)的关系的图表。图7中示出，随着凹凸结构11a1的高度h1与凹凸结构21a1的高度h2的合计变大，输出变化率变小。
[0090]
图8示出在实施例2中使多孔质结构的孔隙22a的平均孔径d的大小为100nm、300nm、2500nm时的发电电压。使平均孔径d为100nm时，发电电压成为约170伏，使平均孔径d为300nm时，发电电压成为约370伏，使平均孔径d为2500nm时，发电电压成为约80伏。如此，使孔隙22a的平均孔径d为300nm时，与使平均孔径d为100nm或2500nm的情况相比，发电电压变高。
[0091]
如此，根据本实施方式的发电体1，具备：具有被第1带电膜12覆盖的第1面11a的第1部件10；和，具有被第2带电膜22覆盖的第2面21a的第2部件20，并且通过第1面11a与第2面21a彼此的接触状态的变化来进行发电，在第1面11a及第2面21a的整个面形成有凹凸结构11a1、21a1，第2带电膜22由具有多孔质结构的部件形成。
[0092]
由此，通过使用具有多孔质的部件作为第2带电膜22，能够使第2带电膜所带的电量增加，因此，能够在抑制大型化的同时增加发电量。
[0093]
另外，在第1面11a及第2面21a中的仅一者形成有凹凸结构11a1、21a1的情况下，优选凹凸结构11a1、21a1的顶部与底部的距离为0.3mm以上，在第1面11a及第2面21a两者形成有凹凸结构11a1、21a1的情况下，优选形成于第1面11a的凹凸结构11a1的顶部与底部的距离h1、与形成于第2面21a的凹凸结构21a1的顶部与底部的距离h2的合计为0.3mm以上。
[0094]
由此，在重复进行发电的情况下，相对发电量的降低率变低，并且输出变化率变小，实现耐久性的提高，同时能够实现输出稳定性的提高。
[0095]
另外，上述第1带电膜12由聚酰胺形成，第2带电膜22由多孔质的聚酰亚胺形成。
[0096]
由此，能够提高发电电压，能够进一步提高发电量。
[0097]
另外，第2带电膜22的孔隙的平均孔径d为200nm以上400nm以下。
[0098]
由此，与其他平均孔径d相比，能够增大发电电压，因此，能够实现发电量的增大。
[0099]
需要说明的是，上述实施方式中，示出了由不具有多孔质结构的部件形成第1带电膜12、且由具有多孔质结构的部件形成第2带电膜22的例子，但不限于此。例如，也可以由具有多孔质结构的部件形成第1带电膜12、且由不具有多孔质结构的部件形成第2带电膜22，或者由具有多孔质结构的部件形成第1带电膜及第2带电膜两者，第1带电膜及第2带电膜中的至少一者由具有多孔质结构的部件形成即可。
[0100]
另外，上述实施方式中，示出了聚酰亚胺作为具有多孔质结构的部件，但不限于此，只要为能够构成多孔质结构的部件即可，可以为聚酰亚胺以外的部件。
[0101]
另外，上述实施方式中，示出了发电体1是通过在使第1带电膜12与第2带电膜22彼此按压的方向上从外侧对第1部件10及第2部件20施加力而发电的制品，但不限于此。下述发电体也可以应用本发明，即，通过在第1带电膜与第2带电膜接触的状态下、在使第1部件及第2部件分别沿着第1面及第2面移动的方向上从外侧施加力从而进行发电的发电体。