替代电池的各种小型发电器

2004年6月A版

　　替代通常使用电池的技术开发正在蓬勃开展，一旦这些小型发电器得以普遍采用，便可实现不用电池的环境。

　　迄今，谈及携带式电源便是电池，而如考虑到电池寿命，便需用商用电源或AC适配器，可又有使用场所的限制。不仅如此，当今显示出最高性能的锂离子电池，其技术进步已到饱和状态，难以实现小型化。

　　受到人们关注的取代锂离子电池的电源是自己产生电能的发电器。其能源可以由某种机械引擎的燃料或自然现象得以保证，而且只要采用半导体的细微加工技术，就能安装在LSI芯片上实现小型化。

小型发电器的分类

　　取代锂离子电池的小型发电器大致要分为燃料系和自然能系两种(图1、图2)。

　　燃料系有使用汽油或丙烷气等普通机械引擎燃料的往复式/转缸式发电器或燃气轮机发电器，和以甲醇及氢为燃料的燃料电池。两者均能在瞬间达到高的输出。其功率密度指标以燃气轮机发电器最大，其后依次为往复式/转缸式发电器、燃料电池。因此，燃气轮机及往复式/转缸式发电器对追求高输出的机器人用电源有利，输出较低但作为长寿命指标的能量密度更高的燃料电池，则适合用于便携式设备的电源。这些燃料系发电器由于有越小型其发电效率越低的倾向，因此必须要有解决这个问题的对策。为了把燃气轮机或往复式/转缸式发电器小型化到芯片的尺寸，必须跨过许多难关。首先，如何让叶轮及活塞等机械部分高速运动而不剐破周围四壁，进而为提高效率，必须提高燃料压缩部与由燃烧而动作的部分的绝热性。

　　燃料电池已被制成在芯片上发电的元件，直接让甲醇发生反应的直接甲醇方式因其结构简单，有利于小型化。不过，要把能量密度提高到与锂离子电池相当，甲醇浓度必须浓到40%以上。而成问题的是甲醇穿透过固体电解质的窜渡(Cross-over)现象。因此，开发既传导发电所必要的粒子又不通过甲醇的高分子材料是重要的。此外，在补充燃料的球管及泵浦等机械部件方面，也必须实现小型和高性能。

　　自然能系是利用阳光、微振动、温差等自然产生的能量的发电器。虽然功率密度低于锂离子电池，但由于其能量在自然界大量存在，可以说能量密度无限之大。它们已用于钟表之类的超低电力工作的设备，以及经长时间蓄存于电容器后再放电的辅助电源等。比如，利用微振动和温差的发电，都已实际用于手表中了。

　　不过，这种自然的能量源由于受环境的左右，要确保恒定的能量还需要付出努力。比如说，对于太阳电池，如在被分隔的空间内，即可利用LED光，而对于温差发电器，便可利用人的体温与外部空气的温差。

燃料系运用硅的细微加工技术

　　燃料系发电器相继开发了运用半导体细微加工实现小型化的主要技术。

　　日本早稻田大学在大约20mm见方的硅底板上形成了直接甲醇型的燃料电池，其特点是能以半导体一样的思路实现高度集成。普通的燃料电池采用供给甲醇的燃料极和供给O2的空气极从两边夹住固体电解质膜的双极结构，而它则是把燃料极的空气极并排在固体电解质一侧同一平面上的平板结构，既节省空间，又能简单地串并行连接。这种小型燃料电池的实现兼用了硅的细微加工、催化剂的电镀、电化学材料等多种技术。

　　这项开发中基本单元的发电作用已得到证明(图3)。今后，通过最佳设计燃料极与空气极之间筋拱(间壁)的长度，以及加在固体电解质膜上的力，便能抑制甲醇的窜渡和固体电解膜的电阻分量引起的输出降低。据称，改善催化剂的结构及接触面积，将来叠层至50~100层，就可能达到移动电话机可以工作的1~2W。

　　日本立命馆大学试制了10