(57)【要約】    【課題】温度変化に伴って電荷を発生する発電デバイスであって、発電効率が高く、使用温度条件によっても発電性能に悪影響を受け難く、しかも製造方法が簡単で低コストである発電デバイス、それを用いた発電装置、センサー並びに発熱体を提供すること。    【解決手段】起電力層２と、前記起電力層２表面に設けた電極層３Ａ、３Ｂと、を備えており、前記起電力層２が、極性高分子と、前記極性高分子のマトリックス中に含まれる極性低分子とからなることを特徴とする。  【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度変化に伴って電荷を発生する発電デバイスであって、
起電力層と、
前記起電力層表面に設けた電極層と、
を備えており、前記起電力層が、
極性高分子と、
前記極性高分子のマトリックス中に含まれる極性低分子と、
からなることを特徴とする発電デバイス。
【請求項２】
極性高分子が、フッ素系高分子、ポリアミド系高分子、塩素系高分子、或いはアクリル系高分子の中から選ばれるいずれか１種若しくは２種以上であることを特徴とする請求項１記載の発電デバイス。
【請求項３】
極性低分子が、分子量が１０００以下である含硫化合物、含窒素化合物、フェノール系化合物、或いはアクリル系化合物の中から選ばれるいずれか１種若しくは２種以上であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の発電デバイス。
【請求項４】
含硫化合物が、Ｎ−シクロへキシル−２−ベンゾチアゾールスルフェンアミド、Ｎ−オキシジエチレン−２−ベンゾチアゾールスルフェンアミド、及びＮ−ｔ−ブチル−２−ベンゾチアゾールスルフェンアミドから選ばれるいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の発電デバイス。
【請求項５】
含窒素化合物が、２−［２'−ヒドロキシ−５'−メチルフェニル］−ベンゾトリアゾール、２−［２'−ヒドロキシ−３'−ｔ−ブチル−５'−メチルフェニル］−５−クロロベンゾトリアゾール、及びｐ−（ｐ−トルエンスルホニルアミド）ジフェニルアミンから選ばれるいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の発電デバイス。
【請求項６】
フェノール系化合物が、２，２'−メチレンビス（４−エチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、２，２'−メチレンビス（４−メチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−チオビス（２−メチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−メチレンビス（２，６−ジターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−エチレンビス（２，６−ジターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−プロピリデンビス（２−メチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−ブチリデンビス（３−メチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、及び４，４'−イソプロピリデンビス（２，６−ジターシャリ−ブチルフェノール）から選ばれるいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の発電デバイス。
【請求項７】
アクリル系化合物が、ベンジル（メタ）アクリレート、４−ブチルシクロヘキシル（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、及びトリメチロールプロパントリオキシエチル（メタ）アクリレートから選ばれるいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の発電デバイス。
【請求項８】
極性高分子１００重量部に対して極性低分子が１０〜２００重量部の割合で含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発電デバイス。
【請求項９】
起電力層がフィルム状をなすことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の発電デバイス。
【請求項１０】
電極層が、銀、アルミ、銅、白金、金から選ばれる金属膜、或いはカーボン、導電性プラスチックから選ばれる導電性シートからなることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の発電デバイス。
【請求項１１】
請求項１〜１０記載の発電デバイスを使用したことを特徴とする発電装置。
【請求項１２】
ソーラーシステムに併用したことを特徴とする請求項１１記載の発電装置。
【請求項１３】
燃料電池、発電機構に併用したことを特徴とする請求項１１記載の発電装置。
【請求項１４】
請求項１〜１０記載の発電デバイスを使用したことを特徴とするセンサー。
【請求項１５】
請求項１〜１０記載の発電デバイスを使用したことを特徴とする発熱体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度変化に伴って電荷を発生する発電デバイスであって、発電効率が高く、使用温度条件によっても発電性能に影響を受け難く、しかも製造方法が簡単で低コストである発電デバイス、それを用いた発電装置、センサー並びに発熱体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことができる変化システムとして熱電変換素子が知られている（例えば特許文献１参照）。熱電変換素子は、排熱を利用して電気エネルギーに変換したり、屋外で簡単に電気を得る発電デバイスとして大きく期待されている反面、変換効率が低く、製造方法が煩雑であり、材料コストも高いことから実用化には至っていない。
【０００３】
一方、近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池が新しいエネルギー供給源として注目されている。この燃料電池は、高分子電解質であるイオン交換樹脂膜をアノード極とカソード極とで挟持した接合体と、該接合体の各電極間に燃料である水素ガスを供給する燃料供給路と酸化剤ガスを供給するガス供給路とを形成するセパレータとから構成されている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
ところが、この燃料電池にあっては、１００℃を超える高温領域では、水分が気化してしまうため、高分子電解質であるイオン交換樹脂膜の保水力を維持することが困難となり、高温領域での使用は困難とされていた。
【特許文献１】特開平１１−１９５８１７号公報
【特許文献２】特開平６−２５１７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、温度変化に伴って電荷を発生する発電デバイスであって、発電効率が高く、使用温度条件によっても発電性能に悪影響を受け難く、しかも製造方法が簡単で低コストである発電デバイス、それを用いた発電装置、センサー並びに発熱体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は、温度変化に伴って電荷を発生する発電デバイスであって、
起電力層と、
前記起電力層表面に設けた電極層と、
を備えており、前記起電力層が、
極性高分子と、
前記極性高分子のマトリックス中に含まれる極性低分子と、
からなることを特徴とする発電デバイス、それを用いた発電装置又はセンサーをその要旨とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の発電デバイス、それを用いた発電装置またはセンサーは、上述の構成を備えることで、温度変化に伴って電荷を発生するようになっていることから、発電効率が高く、使用温度条件によっても発電性能に悪影響を受け難く、しかも製造方法が簡単で低コストである。また、本発明の発熱体は、温度変化に伴って電荷を発生する発電デバイスに電荷を負荷することで、当該発電デバイスの両面に強制的に温度変化（温度差）を発生させ、発熱させるものであり、電荷の負荷に即時対応し、電荷の負荷量に応じた発熱量を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の発電デバイスは、起電力層と前記起電力層表面に設けた電極層とを備えている。起電力層は、極性高分子と、極性高分子のマトリックス中に含まれる極性低分子とからなる。
【０００９】
極性高分子としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系高分子、ナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６６、アラミド樹脂などのポリアミド系高分子、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、塩素化ポリエチレンなどの塩素系高分子、或いはアクリル酸、メタクリル酸、アクリロニトリル、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）などのアクリル系高分子の中から選ばれるいずれか１種若しくは２種以上を挙げることができる。
【００１０】
尚、極性高分子の選定にあたっては、極性高分子の価格、取り扱い性、極性低分子との相溶性の他、該発電デバイスの用途や使用状態（用途や使用状態における熱伝導性、耐候性、耐熱性など）を考慮して適宜決定するとよい。
【００１１】
上記極性高分子のマトリックス中に極性低分子が含まれる。極性低分子としては、分子量が１０００以下である含硫化合物、含窒素化合物、フェノール系化合物、或いはアクリル系化合物の中から選ばれるいずれか１種若しくは２種以上を用いることができる。
【００１２】
含硫化合物としては、例えばＮ−シクロへキシル−２−ベンゾチアゾールスルフェンアミド、Ｎ−オキシジエチレン−２−ベンゾチアゾールスルフェンアミド、Ｎ−ｔ−ブチル−２−ベンゾチアゾールスルフェンアミドを挙げることができ、含窒素化合物として、例えば２−［２'−ヒドロキシ−５'−メチルフェニル］−ベンゾトリアゾール、２−［２'−ヒドロキシ−３'−ｔ−ブチル−５'−メチルフェニル］−５−クロロベンゾトリアゾール、ｐ−（ｐ−トルエンスルホニルアミド）ジフェニルアミンなどを挙げることができる。
【００１３】
フェノール系化合物としては、２，２'−メチレンビス（４−エチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、２，２'−メチレンビス（４−メチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−チオビス（２−メチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−メチレンビス（２，６−ジターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−エチレンビス（２，６−ジターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−プロピリデンビス（２−メチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−ブチリデンビス（３−メチル−６−ターシャリ−ブチルフェノール）、４，４'−イソプロピリデンビス（２，６−ジターシャリ−ブチルフェノール）などを挙げることができる。
【００１４】
アクリル系化合物としては、、ベンジル（メタ）アクリレート、４−ブチルシクロヘキシル（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリオキシエチル（メタ）アクリレートなどを挙げることができる。
【００１５】
本発明の発電デバイスにおける起電力層は、上記極性高分子のマトリックス中に極性低分子が含まれることで、温度変化に伴って電荷が発生するようになっている。そのメカニズムは以下のとおりと考えられる。すなわち、図１に示すように、起電力層２を構成する極性高分子２ａにおける極性基（例えばフッ素や塩素など）の電荷に対応して、極性高分子２ａのマトリックス中に含まれる極性低分子２ｂの極性基が配向して分散し、電気的に安定した状態となっている。
【００１６】
ところが、該デバイスにおける起電力層２の、例えば一方面と他方面とにおいて温度変化（温度差）があると、温度の低い側面では、極性低分子２ｂの回転や位相のズレが少なく、電気的に安定な状態が保たれるが、温度の高い側面における極性低分子２ｂは、図２に示すように、極性高分子２ａのマトリックス内で回転したり、位相がズレたりし、極性高分子２ａの極性基との間で電気的な変動が生じ、これに伴って電荷が生じることになる。この起電力層２における温度変化に伴って発生した電荷を図３に示す起電力層２表面に設けた電極３Ａまたは３Ｂから取り出すようにしたのが、本発明の発電デバイス１なのである。
【００１７】
本発明の発電デバイスは、以上の発電メカニズムを有することから、温度変化が大きければ大きいほど、生じる電荷も大きくなる。また、当然のことながら、発電デバイス（起電力層）の面積が大きければ大きいほど、起電力も大きくなる。また、温度変化により発生する起電力は直流電圧であり、温度変化がマイナスからプラスへ変化した場合の起電力を＋としたとき、温度変化がプラスからマイナスに変化したときの起電力は−となる。
【００１８】
極性高分子における極性低分子の含有量としては、極性高分子１００重量部に対して極性低分子が１０〜２００重量部の割合で望ましい。極性低分子の含有量が１０重量部を下回る場合、上述の十分な発電性能を得ることができず、極性低分子の含有量が２００重量部を上回る場合には、含有量を多くした分だけの効果が期待できず、不経済となる。
【００１９】
起電力層は、上記極性高分子に極性低分子を配合し、混練することで得ることができるが、その使用形態としては、フィルム状、板状、棒状、粒状、あるいは繊維状などに成形するのが望ましく、高面積を確保して高性能化するため、又は取り扱い性を良好ならしめるため、フィルム状とするのがより望ましい。
【００２０】
上記起電力層表面には電極層が設けられ、該電極層を通して起電力層内で発生した電荷が取り出されるようになっている。電極層としては、銀、アルミ、銅、白金、金から選ばれる金属膜、或いはカーボン、導電性プラスチックから選ばれる導電性シートを用いることができる。電極層として金属膜を適用する場合には、起電力層表面に銀、アルミ、銅、白金、金などの金属を蒸着するなど成膜法を用いることができる。カーボンや導電性プラスチックなどの導電性シートを用いる場合には、起電力層表面に接着剤を介して接着する方法を用いると良い。
【００２１】
本発明の発電デバイスは、例えばフィルム状に成形したものを自動車、列車、船舶、飛行機などの輸送機のボディ（特にはボンネット、エンジンカバー部、船底、甲板）に貼り付けて複合化することで、ボディ（ボンネット、エンジンカバー部、船底、甲板）がエンジンルームから伝わる熱や太陽熱で暖められたとき、或いはそれらの熱が伝わらなくなって冷えるときの温度変化を利用した発電システムとすることができ、駆動源停止時のエアコンやステレオなどの電源に代えることができる。
【００２２】
また本発明の発電デバイスは、例えばフィルム状に成形したものを建物の壁面、ガラス面、或いは屋根面に貼り付けて複合化することで、壁面、ガラス面、或いは屋根面が太陽熱で暖められたとき、或いはそれらの熱が伝わらなくなって冷えるときの温度変化を利用した発電システムとすることができる。
【００２３】
また本発明の発電デバイスは、例えばフィルム状に成形したものを建物の給湯システムの循環系に適用して複合化することで、給湯システムの循環系にお湯が循環して暖められたとき、或いはそれらの熱が伝わらなくなって冷えるときの温度変化を利用した発電システムとすることができる。
【００２４】
また本発明の発電デバイスは、例えばフィルム状に成形したものを道路の防音壁、標識やガードレールに適用して複合化することで、標識やガードレールが昼間、太陽熱で暖められたとき、或いは夜間、太陽熱が伝わらなくなって冷えるときの温度変化を利用した発電システムとすることができる。
【００２５】
また本発明の発電デバイスは、例えばフィルム状に成形したものをパーソナルコンピュータ（ＰＣ）の筐体またはＣＰＵのカバーに適用して複合化することで、ＰＣ又はＣＰＵの駆動による発熱によって生じる温度変化、或いはＰＣ又はＣＰＵの停止によって生じる温度変化を利用した発電システムとすることができ、これをＰＣ内部又はＣＰＵの冷却ファンの駆動電源とすることができる。
【００２６】
また本発明の発電デバイスは、例えばフィルム状に成形したものを携帯電話の電池ケースに適用して複合化することで、電池の発熱に伴ってケースが暖められ、或いは電池が冷えるのに伴ってケースが冷える温度変化を利用した発電システムとすることができ、得られた電気を電池のバッテリー充電に利用することができる。
【００２７】
また本発明の発電デバイスは、建物のソーラーシステムと併用することもできる。この場合、昼間は太陽熱でソーラーシステムが働き、夜は外気の温度変化を利用した本発明の発電デバイスを用いた発電システムが働いて、昼夜に渡って発電がなされるようにすることができる。
【００２８】
燃料電池、原子力発電機、火力発電機は、発電時に大きな熱が発生する。従来は、この熱を冷媒等で冷却し、該熱はそのまま利用されずにおかれていた。そこで、本発明の発電デバイスをこれら燃料電池、原子力発電機、火力発電機の筐体、仕切り壁などに適用することで、該発電デバイスは、これらの発電システムからの莫大な熱による温度変化を捉えて発電し、従来の発電システムにおけるエネルギーロスを大幅に削減することができるようになる。
【００２９】
また本発明の発電デバイスは、これをセンサーとして用いることもできる。例えば焦電センサーや赤外線センサーの代替として、また、ＩＴＳ用道路センサーとして使用することができる。
【００３０】
また本発明の発電デバイスは、これを発熱体として用いることもできる。例えば従来、トイレのホット便座は、便座の暖かさを保つため、常時通電しておかねばならない。このため、エネルギーロスが大きく省エネが求められていた。本発明の発電デバイスを発熱体として便座に用いた場合、当該発電デバイスは、電荷の負荷により、デバイスの両面に強制的に温度変化（温度差）を発生させて発熱することから、電荷の負荷によって瞬時に負荷した電荷の量に応じて発熱し、便座を暖めるので、常時通電しておくというエネルギーロスを解消させることができる。
【００３１】
尚、本発明の発電デバイス、それを用いた発電装置、センサー並びに発熱体は、上述の例に限定されず、例えば起電力層中に染料、消泡剤、防腐剤等を含有させるなど、特許請求の範囲に記載された範囲で自由に変更して実施することができる。
【実施例】
【００３２】
実施例１
ＰＶＤＦ１００重量部にＮ−シクロへキシル−２−ベンゾチアゾールスルフェンアミド５０重量部を配合し混練した後、カレンダーロールにて厚さ１ｍｍのシート状に成形して起電力層を得た。次いで、図３に示すように、得られた起電力層の両表面に銀メッキを施して電極層を設け発電デバイスを得た。
【００３３】
実施例２
ＰＶＤＦ１００重量部に対し、ｐ−（ｐ−トルエンスルホニルアミド）ジフェニルアミンを５０重量部の割合で配合した以外は、実施例１と同様にして発電デバイスを得た。
【００３４】
比較例
Ｎ−シクロへキシル−２−ベンゾチアゾールスルフェンアミド５０重量部を配合しない以外は実施例１と同様にして発電デバイスを作成した。
【００３５】
次いで、図４に示すように、得られた実施例１及び２並びに比較例の各サンプルを机上に置き、これら各サンプル表裏の電極にテスターに繋がるリード線を接続し、各サンプルからの電圧を測定した。尚、各サンプル表面の雰囲気温度は２５℃であった。
【００３６】
測定の結果、比較例に係るサンプルの電圧が１９．０ｍＶであったのに対し、実施例１に係るサンプルの電圧は１５１．３ｍＶ、実施例２に係るサンプルの電圧は３０２．６ｍＶとなり、実施例１及び２に係る発電デバイスが優れた発電性能を有していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の発電デバイスの起電力層を構成する極性高分子のマトリックス中に極性低分子が配列している状態を示した模式図。
【図２】本発明の発電デバイスに温度変化が加わったときの極性高分子のマトリックス中における極性低分子の状態を示す模式図。
【図３】本発明の発電デバイスを示す分解斜視図。
【図４】実施例又は比較例に係るサンプルについて、温度変化に伴う発電性能を評価する実験装置を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・発電デバイス
２・・・起電力層
２ａ・・・極性高分子
２ｂ・・・極性低分子
３Ａ、３Ｂ・・・電極
４Ａ、４Ｂ・・・リード線
５・・・テスター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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