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(kāi)發(fā)正在蓬勃開(kāi)展，一旦這些小型發(fā)電器得以普遍采用，便可實(shí)現不用電池的環(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(chǎng)所的限制。不僅如此，當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械引擎的燃料或自然現象得以保證，而且只要采用半導體的細微加工技術(shù)，就能安裝在LSI芯片上實(shí)現小型化。

小型發(fā)電器的分類(lèi)

　　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械引擎燃料的往復式/轉缸式發(fā)電器或燃氣輪機發(fā)電器，和以甲醇及氫為燃料的燃料電池。兩者均能在瞬間達到高的輸出。其功率密度指標以燃氣輪機發(fā)電器最大，其后依次為往復式/轉缸式發(fā)電器、燃料電池。因此，燃氣輪機及往復式/轉缸式發(fā)電器對追求高輸出的機器人用電源有利，輸出較低但作為長(cháng)壽命指標的能量密度更高的燃料電池，則適合用于便攜式設備的電源。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(wèn)題的對策。為了把燃氣輪機或往復式/轉缸式發(fā)電器小型化到芯片的尺寸，必須跨過(guò)許多難關(guān)。首先，如何讓葉輪及活塞等機械部分高速運動(dòng)而不剮破周?chē)谋?，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)生反應的直接甲醇方式因其結構簡(jiǎn)單，有利于小型化。不過(guò)，要把能量密度提高到與鋰離子電池相當，甲醇濃度必須濃到40%以上。而成問(wèn)題的是甲醇穿透過(guò)固體電解質(zhì)的竄渡(Cross-over)現象。因此，開(kāi)發(fā)既傳導發(fā)電所必要的粒子又不通過(guò)甲醇的高分子材料是重要的。此外，在補充燃料的球管及泵浦等機械部件方面，也必須實(shí)現小型和高性能。

　　自然能系是利用陽(yáng)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(shuō)能量密度無(wú)限之大。它們已用于鐘表之類(lèi)的超低電力工作的設備，以及經(jīng)長(cháng)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(guò)，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(shuō)，對于太陽(yáng)電池，如在被分隔的空間內，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。

燃料系運用硅的細微加工技術(shù)

　　燃料系發(fā)電器相繼開(kāi)發(fā)了運用半導體細微加工實(shí)現小型化的主要技術(shù)。

　　日本早稻田大學(xué)在大約20mm見(jiàn)方的硅底板上形成了直接甲醇型的燃料電池，其特點(diǎn)是能以半導體一樣的思路實(shí)現高度集成。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)膜的雙極結構，而它則是把燃料極的空氣極并排在固體電解質(zhì)一側同一平面上的平板結構，既節省空間，又能簡(jiǎn)單地串并行連接。這種小型燃料電池的實(shí)現兼用了硅的細微加工、催化劑的電鍍、電化學(xué)材料等多種技術(shù)。

　　這項開(kāi)發(fā)中基本單元的發(fā)電作用已得到證明(圖3)。今后，通過(guò)最佳設計燃料極與空氣極之間筋拱(間壁)的長(cháng)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。據稱(chēng)，改善催化劑的結構及接觸面積，將來(lái)疊層至50~100層，就可能達到移動(dòng)電話(huà)機可以工作的1~2W。

　　日本立命館大學(xué)試制了10