替代電池的各種小型發(fā)電器

2004年6月A版

　　替代通常使用電池的技術(shù)開發(fā)正在蓬勃開展，一旦這些小型發(fā)電器得以普遍采用，便可實(shí)現(xiàn)不用電池的環(huán)境。

　　迄今，談及攜帶式電源便是電池，而如考慮到電池壽命，便需用商用電源或AC適配器，可又有使用場所的限制。不僅如此，當(dāng)今顯示出最高性能的鋰離子電池，其技術(shù)進(jìn)步已到飽和狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)小型化。

　　受到人們關(guān)注的取代鋰離子電池的電源是自己產(chǎn)生電能的發(fā)電器。其能源可以由某種機(jī)械引擎的燃料或自然現(xiàn)象得以保證，而且只要采用半導(dǎo)體的細(xì)微加工技術(shù)，就能安裝在LSI芯片上實(shí)現(xiàn)小型化。

小型發(fā)電器的分類

　　取代鋰離子電池的小型發(fā)電器大致要分為燃料系和自然能系兩種(圖1、圖2)。

　　燃料系有使用汽油或丙烷氣等普通機(jī)械引擎燃料的往復(fù)式/轉(zhuǎn)缸式發(fā)電器或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電器，和以甲醇及氫為燃料的燃料電池。兩者均能在瞬間達(dá)到高的輸出。其功率密度指標(biāo)以燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電器最大，其后依次為往復(fù)式/轉(zhuǎn)缸式發(fā)電器、燃料電池。因此，燃?xì)廨啓C(jī)及往復(fù)式/轉(zhuǎn)缸式發(fā)電器對追求高輸出的機(jī)器人用電源有利，輸出較低但作為長壽命指標(biāo)的能量密度更高的燃料電池，則適合用于便攜式設(shè)備的電源。這些燃料系發(fā)電器由于有越小型其發(fā)電效率越低的傾向，因此必須要有解決這個(gè)問題的對策。為了把燃?xì)廨啓C(jī)或往復(fù)式/轉(zhuǎn)缸式發(fā)電器小型化到芯片的尺寸，必須跨過許多難關(guān)。首先，如何讓葉輪及活塞等機(jī)械部分高速運(yùn)動(dòng)而不剮破周圍四壁，進(jìn)而為提高效率，必須提高燃料壓縮部與由燃燒而動(dòng)作的部分的絕熱性。

　　燃料電池已被制成在芯片上發(fā)電的元件，直接讓甲醇發(fā)生反應(yīng)的直接甲醇方式因其結(jié)構(gòu)簡單，有利于小型化。不過，要把能量密度提高到與鋰離子電池相當(dāng)，甲醇濃度必須濃到40%以上。而成問題的是甲醇穿透過固體電解質(zhì)的竄渡(Cross-over)現(xiàn)象。因此，開發(fā)既傳導(dǎo)發(fā)電所必要的粒子又不通過甲醇的高分子材料是重要的。此外，在補(bǔ)充燃料的球管及泵浦等機(jī)械部件方面，也必須實(shí)現(xiàn)小型和高性能。

　　自然能系是利用陽光、微振動(dòng)、溫差等自然產(chǎn)生的能量的發(fā)電器。雖然功率密度低于鋰離子電池，但由于其能量在自然界大量存在，可以說能量密度無限之大。它們已用于鐘表之類的超低電力工作的設(shè)備，以及經(jīng)長時(shí)間蓄存于電容器后再放電的輔助電源等。比如，利用微振動(dòng)和溫差的發(fā)電，都已實(shí)際用于手表中了。

　　不過，這種自然的能量源由于受環(huán)境的左右，要確保恒定的能量還需要付出努力。比如說，對于太陽電池，如在被分隔的空間內(nèi)，即可利用LED光，而對于溫差發(fā)電器，便可利用人的體溫與外部空氣的溫差。

燃料系運(yùn)用硅的細(xì)微加工技術(shù)

　　燃料系發(fā)電器相繼開發(fā)了運(yùn)用半導(dǎo)體細(xì)微加工實(shí)現(xiàn)小型化的主要技術(shù)。

　　日本早稻田大學(xué)在大約20mm見方的硅底板上形成了直接甲醇型的燃料電池，其特點(diǎn)是能以半導(dǎo)體一樣的思路實(shí)現(xiàn)高度集成。普通的燃料電池采用供給甲醇的燃料極和供給O2的空氣極從兩邊夾住固體電解質(zhì)膜的雙極結(jié)構(gòu)，而它則是把燃料極的空氣極并排在固體電解質(zhì)一側(cè)同一平面上的平板結(jié)構(gòu)，既節(jié)省空間，又能簡單地串并行連接。這種小型燃料電池的實(shí)現(xiàn)兼用了硅的細(xì)微加工、催化劑的電鍍、電化學(xué)材料等多種技術(shù)。

　　這項(xiàng)開發(fā)中基本單元的發(fā)電作用已得到證明(圖3)。今后，通過最佳設(shè)計(jì)燃料極與空氣極之間筋拱(間壁)的長度，以及加在固體電解質(zhì)膜上的力，便能抑制甲醇的竄渡和固體電解膜的電阻分量引起的輸出降低。據(jù)稱，改善催化劑的結(jié)構(gòu)及接觸面積，將來疊層至50~100層，就可能達(dá)到移動(dòng)電話機(jī)可以工作的1~2W。

　　日本立命館大學(xué)試制了10