[論文レビュー] Electrokinetic Energy Harvesting using Paper and Pencil

Sankha Shuvra Das, Shantimoy Kar+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2018

Electrowetting and Microfluidic TechnologiesEngineering参考文献 47被引用数 17

ひとこと要約

本論文では、ろ紙と黒鉛ペンで描かれた電極を用いた低コストで耐久性のある電気渇きエネルギー発電素子を提案する。微小流路内の細胞膜ネットワークと電気渇き流れを活用することで、単一チャネルモードでは最大640 pW、20チャネルアレイでは64 nWの出力を達成し、資源が限られた環境におけるポイント・オブ・ケア診断の持続可能な電力供給を可能にする。

ABSTRACT

We exploit the combinatorial advantage of electrokinetics and tortutosity of cellulose-based paper network on a laboratory grade filter paper for the development of a simple, inexpensive, yet extremely robust (shows constant performance till 12 days) paper-and-pencil-based device for energy harvesting application. We successfully achieve to harvest maximum output power of 640 pW in single channel, while the same is significantly improved (by about 100 times) with the use of multichannel microfluidic array (maximum up to 20 channels). We envisage that such ultra-low cost devices may turn out to be extremely useful in energizing analytical microdevices in resource limited settings, for instance for extreme point of care diagnostics applications.

研究の動機と目的

• リソースが限られた環境に適した超低コストで耐久性のあるエネルギー発電素子の開発を目的とする。
• セルロースを基盤とするろ紙の固有の電気渇き特性を活用して持続可能な電力生成を実現することを目的とする。
• 黒鉛ペンで描かれた電極を用いた微小流路アレイを用いて、スケーラブルな性能を実証することを目的とする。
• 環境中の流体の流れを活用して分析用マイクロデバイスの自己駆動を可能とすることを目的とする。
• 長期間にわたり（最大12日間）高い安定性と一貫性のある性能を維持することを目的とする。

提案手法

• 電気渇き効果を強化するための多孔質でねずみの巣状の媒体としての実験室用ろ紙の利用。
• 紙表面に直接パターンされた黒鉛ペンで描かれたグラファイト電極を用いて微小流路を形成。
• 電気渇き現象（ゼータ電位駆動のストリーミング電流）を活用し、流体の流れを電気エネルギーに変換。
• 出力電力を拡大するための単一チャネルおよびマルチチャネル微小流路アレイの設計。
• 圧力駆動流によりストリーミング電流を発生させるために、脱イオン水を作動媒体として使用。
• 外部負荷を介した出力電圧および電流の測定により、発電された電力を定量する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペーパーとペンを用いたデバイスが、電気渇き効果によって利用可能な電気的出力を生成できるか？
• RQ2 デバイス内の微小流路の数が増加するにつれて、出力電力はどのように変化するか？
• RQ3 長期間にわたり、エネルギー発電性能に安定性が保たれるか？
• RQ4 このシステムは、リソースが限られた環境において、低消費電力の分析用マイクロデバイスを信頼性高く駆動できるか？
• RQ5 セルロースネットワークのねずみの巣構造が、電気渇きエネルギー変換効率にどのように影響するか？

主な発見

• 最適な流量条件下で、単一チャネルデバイスは最大640 pWの出力電力を達成した。
• 20チャネルのマルチチャネルアレイでは、最大出力電力が64 nWに増加し、約100倍の改善が達成された。
• 12日間連続して安定した性能を示し、高い耐久性と安定性を確認した。
• ろ紙上に黒鉛ペンで描かれたグラファイト電極は、簡易的で低コストかつスケーラブルなプロセスを可能にした。
• セルロースネットワークの固有のねずみの巣構造が電気渇き効果を強化し、エネルギー変換効率の向上に寄与した。
• 本システムは、ポイント・オブ・ケア診断用途における低消費電力マイクロ流体分析デバイスの駆動に適している。