替代電池的各種小型發(fā)電器

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(chǎng)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)。

圖4  太陽(yáng)能的波長(zhǎng)分布

圖5  透明太陽(yáng)電池的光電電壓

圖6  試制的微振動(dòng)發(fā)電機(jī)

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(duì)追求高輸出的機(jī)器人用電源有利，輸出較低但作為長(zhǎng)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(wèn)題的對(duì)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(guò)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(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(dāng)，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(xiàn)象。因此，開發(fā)既傳導(dǎo)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(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(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的超低電力工作的設(shè)備，以及經(jīng)長(zhǎng)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(duì)于太陽(yáng)電池，如在被分隔的空間內(nèi)，即可利用LED光，而對(duì)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(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(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(jiǎn)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(guò)最佳設(shè)計(jì)燃料極與空氣極之間筋拱(間壁)的長(zhǎng)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(lái)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10×15mm2的、針對(duì)往復(fù)式發(fā)電器的燃燒引擎。比之燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電器，雖輸出低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但卻有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃燒溫度約600℃(不及其一半)的特點(diǎn)。這項(xiàng)開發(fā)證明了利用硅細(xì)微加工技術(shù)形成的活塞可在壓縮空氣下工作。最小加工尺寸為15mm，間隙加工精度為±1mm。測(cè)試結(jié)果是活塞工作速度為50Hz，位移0.3mm。最終，利用這種燃燒引擎的發(fā)電器將以50~500mW為目標(biāo)，屆時(shí)所需的活塞工作速度及位移分別為其10倍和4倍。今后，隨著各種目標(biāo)值的接近，將實(shí)際制作成燃燒、發(fā)電機(jī)構(gòu)，最后還必須封裝。對(duì)于這些技術(shù)課題，該大學(xué)人士稱，3年后制定技術(shù)開發(fā)目標(biāo)，5年后制作成樣機(jī)。

美國(guó)麻省理工學(xué)院正在努力實(shí)現(xiàn)面向燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電器的20mm見(jiàn)方的燃燒引擎。對(duì)硅的細(xì)微加工后再疊層形成的燃燒引擎，并經(jīng)過(guò)了封裝。為與鋰離子電池及燃料電池抗衡，必須開發(fā)高效率的燃燒引擎和不漏泄熱及燃料的封裝。目前，該項(xiàng)開發(fā)處于將燃燒引擎按芯片尺寸小型化并進(jìn)行燃燒測(cè)試的階段。

自然能系效率低卻有價(jià)值

自然能系其功率密度比之鋰離子電池有數(shù)量級(jí)之差，似乎尤其不能作為電池之用。然而，近來(lái)卻出現(xiàn)了積極進(jìn)行開發(fā)的趨勢(shì)。因?yàn)楣β拭芏入m低，但只要功夫到家，價(jià)值會(huì)提高，用途也很廣闊。

其典型例子是日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開發(fā)的透明太陽(yáng)電池。以往的太陽(yáng)電池主要利用可見(jiàn)光及紅外光來(lái)發(fā)電，典型的非晶體硅發(fā)電效率大約不過(guò)7%。而產(chǎn)綜研的太陽(yáng)電池利用紫外光發(fā)電，可見(jiàn)光照樣通過(guò)，而且對(duì)紅外光通過(guò)電壓控制，在某一波長(zhǎng)以上幾乎能100%反射。比如將其用于窗戶玻璃時(shí)，就可能達(dá)到既保證了作為照明的可見(jiàn)光，而在夏天反射成為熱線的紅外光，在冬天卻引入室內(nèi)獲得暖房的效果(圖4)。這樣一來(lái)，可以說(shuō)100%利用了太陽(yáng)能。

產(chǎn)綜研已試制了一種pn結(jié)器件，證明可以利用青色光和紫外光發(fā)電(圖5)。光電壓在波長(zhǎng)400mm的青色光時(shí)顯示最大值，之所以能利用紫外光發(fā)電，是因?yàn)槔昧藥洞蟮耐该靼雽?dǎo)體。N型半導(dǎo)體采用了ZnO，P型采用了CuAlO2，在玻璃基板上形成其pn結(jié)。通過(guò)電壓等來(lái)控制該pn結(jié)的載流子濃度，便能因等離子振動(dòng)而反射紅外光。

日本的日立制作所提出了一種有效利用自然界的振動(dòng)能的方案(圖6)。微振子發(fā)電已在鐘表上實(shí)際應(yīng)用，但可以發(fā)現(xiàn)，迄今與鐘表同樣功耗低但非經(jīng)常的攜帶的用途，便尤其不能安裝它。日立成功地進(jìn)行了存在于建筑物的振動(dòng)的原理實(shí)驗(yàn)，比如說(shuō)有可能用作埋入建筑物的無(wú)線探測(cè)芯片的電源。

該公司稱，在中央研究所建筑物內(nèi)測(cè)定，可確定發(fā)生了50Hz下約1mm的振動(dòng)，從而試制了預(yù)定1mm振動(dòng)的振動(dòng)發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置。它使用諧振型振子，將1mm的振動(dòng)放大到30mm。它以2.5cm見(jiàn)方、厚度5mm的振子作為電容器，先對(duì)該振子充電，振子違反與相向電極的庫(kù)侖力，而通過(guò)放電得到工作能量。

不過(guò)，充放電的電荷量及充放電的定時(shí)，由于受振子容量及電阻分量等多種參量的影響，理論上難以控制。日立通過(guò)調(diào)整時(shí)標(biāo)控制電路，據(jù)說(shuō)可達(dá)到最佳條件。其結(jié)果是輸出0.12mm，發(fā)電效率為21%。

立命館大學(xué)還對(duì)溫差發(fā)電器采用硅的細(xì)微加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高輸出。此種發(fā)電器基本上利用由溫差產(chǎn)生電力的澤貝克效應(yīng)。過(guò)去曾有過(guò)感知紅外線(熱線)的傳感器在硅上形成溫差發(fā)電器的例子，但由于器件與硅基板躺在同一平面上，面積效率不佳。這次的開發(fā)可以利用發(fā)電器本身的熱膨脹差而直立在硅上，其結(jié)果增加了每單位面積的元件數(shù)，提高了輸出。

而且該大學(xué)應(yīng)用此技術(shù)與東?，F(xiàn)化共同開發(fā)了一種柔性溫差發(fā)電器。在使用78對(duì)Ni和Cu構(gòu)成的發(fā)電元件時(shí)，輸出達(dá)1.2mV/℃。據(jù)說(shuō)，將來(lái)該項(xiàng)技術(shù)可發(fā)展成像衣服一樣穿著的發(fā)電器。■(老蔡)

圖1   小型發(fā)電機(jī)的位置

圖2  小型發(fā)電機(jī)的特征

圖3  Si加工形成的燃料電池的工作結(jié)果