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公開番号2024162933
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-21
出願番号2023087298
出願日2023-05-10
発明の名称層状熱素子
出願人個人
代理人
主分類H10N 10/17 20230101AFI20241114BHJP()
要約【課題】温度差不要な熱電素子であっても100℃以下の低温で安定して作動し、積層可能なものを提供する。
【解決手段】非晶性強誘電体として、アルミニウム基材12を、pKa値2.5未満の強酸基を持つ多塩基酸浴中で電解してできた酸化皮膜11を基材とともに煮沸し、残留電解質を除去するとともに非晶質常誘電体として擬ベーマイトを酸化皮膜表面に生成させる。そして、その酸化皮膜内の自発分極を促すような仕事関数を有する対極9を、イオン液体を含む合成樹脂10を介して皮膜表面に被覆する。この構成により、100℃以下の低温でも温度差なく安定した電力を得ることができる。また、こうした構成物を積層することで積層数に比例した電力を得ることができる。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
アルミニウム純度９６％以上９９．８５％未満の純アルミニウムまたはアルミニウム合金を、酸基の少なくとも一つ以上のｐＫａ値が２．５未満の多塩基酸浴中で形成させた電解酸化皮膜に、熱水処理または加熱水蒸気による蒸煮処理を施し、その皮膜表面に典型元素からなるアルミニウムの仕事関数以下の仕事関数を持つ金属、または典型元素を主体としたアルミニウムの仕事関数以下の仕事関数を持つ合金もしくは導電性無機化合物を、合成樹脂層を介して配した層状熱素子。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
高純度アルミニウムを、酸基の少なくとも一つ以上のｐＫａ値が２．５未満の多塩基酸浴中で形成させた電解酸化皮膜に、熱水処理または加熱水蒸気による蒸煮処理を施し、その皮膜表面に黒鉛型炭素を、合成樹脂層を介して配した層状熱素子。
【請求項３】
酸基の少なくとも一つ以上のｐＫａ値が２．５未満の多塩基酸が、シュウ酸である請求項１及び２の層状熱素子。
【請求項４】
電解酸化皮膜が、電解電圧実効値で１０Ｖより大きく２０Ｖ未満の交流波によって形成される請求項１及び２の層状熱素子。
【請求項５】
合成樹脂層が、常温での体積抵抗率が１０
８
Ωｃｍ以上１０
１２
Ωｃｍ以下からなる合成樹脂、または常温での体積抵抗率が１０
８
Ωｃｍ以上１０
１４
Ωｃｍ以下からなる合成樹脂にイオン液体を１％以上５％以下添加してなるものである請求項１及び２の層状熱素子。
【請求項６】
純アルミニウムまたはアルミニウム合金、および高純度アルミニウムが、板材または箔材からなり、その片面または両面に電解酸化皮膜を形成した請求項１及び２の層状熱素子。
【請求項７】
熱水処理または加熱水蒸気による蒸煮処理が、９０℃以上の熱水への浸漬、または２気圧以上５気圧以下の加熱水蒸気への暴露である請求項１及び２の層状熱素子。
【請求項７】
典型元素からなるアルミニウムの仕事関数以下の仕事関数を持つ金属が、マグネシウムである請求項１の層状熱素子。
【請求項８】
典型元素を主体としたアルミニウムの仕事関数以下の仕事関数を持つ合金が、マグネシウムアルミニウム亜鉛合金、マグネシウムリチウム亜鉛合金、マグネシウムアルミニウムカルシウム合金、マグネシウムリチウム合金、アルミニウムリチウム合金、アルミニウムカルシウム合金の内少なくとも一つである請求項１の層状熱素子。
【請求項９】
典型元素を主体としたアルミニウムの仕事関数以下の仕事関数を持つ導電性無機化合物が、１２ＣａＯ・７Ａｌ
２
Ｏ
３
の電子化物である請求項１の層状熱素子。
【請求項１０】
黒鉛型炭素が、等方性黒鉛、グラファイトの内少なくとも一つである請求項２の層状熱素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解酸化皮膜を用いた発電体、および発電方法に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
テルル・ビスマス系の汎用のゼーベック素子に８５℃の温度差を設けると、低温下でも２．５ｋＷ／ｍ
２
と太陽光発電の１０倍もの電力に変換できる。しかし、温度差を作るための冷却方法が補機動力性の小さい常温での空冷あるいは地下水やクーリングタワーによる水冷では数℃程度の温度差しか得られない。大きな温度差をつくるには逆に膨大なエネルギーを必要とし有効な冷却方法がない。
【０００３】
そこで、小さな温度差でも高電力を得るため、特許文献１に示すようなアルミニウムの陽極酸化皮膜の多孔質性を利用し、皮膜上に熱電材料を堆積して多孔質化することで熱伝導率を低下させる技術が開発された。また、冷却すなわち温度差を必要としない、配向分極を利用した熱電素子（特許文献２）やバンドギャップ幅の違いを利用した熱電素子（特許文献３）、熱電子放出現象を利用した熱電素子（特許文献４）も開発された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１３－１０２１５６号公報
特許第６９４４１６８号公報
特許第６５５１８４９号公報
特許第６１４７９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の多孔質熱電材料は、高温で熱電性能が発揮できるような熱電材料を用いなければならない。特許文献２の熱電素子は、片端または両端を絶縁体で構成するため、積層して直列化するなどした立体的な構成は難しく、平面的な構成による微小電力用途しか見込めない。特許文献３の熱電素子では、２００～５００℃の高温での使用が限定されている。特許文献４の熱電素子は、金属ナノ粒子の分散が不安定で安定した発電が得られない懸念がある。熱電変換を求められる環境の多くは１００℃以下であり、常温に近いほどその用途は広がる。こうしたことから低い温度で安定して作動し、かつ大きな電力を生み出すことのできる熱電変換技術が求められている。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みて開発したものであり、１００℃以下の低温下で温度差なしに安定して発電するとともに、積層して大きな電力を生み出すことのできる素子を開発することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、純アルミニウム電解酸化皮膜中に厚み方向の巨大な電子密度傾斜が存在することを確認した。それを電力に有効に結び付けるため、熱水処理や蒸煮処理を施すとともに、基材の電解条件や不純物の影響、対極となる導電性物質の影響、対極を仲介する合成樹脂の条件などを検討することで、温度差を必要とせず低温で安定して発電し、さらに積層することで積層数に比例した電力を得ることのできる層状構成物を見出した。
【０００８】
その層状構成物とは、アルミニウム純度９６％以上９９．８５％未満の純アルミニウムまたはアルミニウム合金を、酸基の少なくとも一つ以上のｐＫａ値が２．５未満の多塩基酸浴中で形成させた電解酸化皮膜に、熱水処理または加熱水蒸気による蒸煮処理を施し、その皮膜表面に典型元素からなるアルミニウムの仕事関数以下の仕事関数を持つ金属、または典型元素を主体としたアルミニウムの仕事関数以下の仕事関数を持つ合金もしくは導電性無機化合物を、合成樹脂層を介して配したものである、ことを特徴としている。
【０００９】
また、別の層状構成物は、高純度アルミニウムを、酸基の少なくとも一つ以上のｐＫａ値が２．５未満の多塩基酸浴中で形成させた電解酸化皮膜に、熱水処理または加熱水蒸気による蒸煮処理を施し、その皮膜表面に黒鉛型炭素を、合成樹脂層を介して配したものである、ことを特徴としている。
【００１０】
酸基の少なくとも一つ以上のｐＫａ値が２．５未満の多塩基酸が、好ましくはシュウ酸であっても良い。シュウ酸浴での皮膜は他の多塩基酸に比べ高い電力密度が得られる。
（【００１１】以降は省略されています）

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