替代电池的各种小型发电器

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)。

图4  太阳能的波长分布

图5  透明太阳电池的光电电压

 

图6  试制的微振动发电机

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10×15mm2的、针对往复式发电器的燃烧引擎。比之燃气轮机发电器，虽输出低一个数量级，但却有结构简单、燃烧温度约600℃(不及其一半)的特点。这项开发证明了利用硅细微加工技术形成的活塞可在压缩空气下工作。最小加工尺寸为15mm，间隙加工精度为±1mm。测试结果是活塞工作速度为50Hz，位移0.3mm。最终，利用这种燃烧引擎的发电器将以50~500mW为目标，届时所需的活塞工作速度及位移分别为其10倍和4倍。今后，随着各种目标值的接近，将实际制作成燃烧、发电机构，最后还必须封装。对于这些技术课题，该大学人士称，3年后制定技术开发目标，5年后制作成样机。

美国麻省理工学院正在努力实现面向燃气轮机发电器的20mm见方的燃烧引擎。对硅的细微加工后再叠层形成的燃烧引擎，并经过了封装。为与锂离子电池及燃料电池抗衡，必须开发高效率的燃烧引擎和不漏泄热及燃料的封装。目前，该项开发处于将燃烧引擎按芯片尺寸小型化并进行燃烧测试的阶段。

 

自然能系效率低却有价值

自然能系其功率密度比之锂离子电池有数量级之差，似乎尤其不能作为电池之用。然而，近来却出现了积极进行开发的趋势。因为功率密度虽低，但只要功夫到家，价值会提高，用途也很广阔。

其典型例子是日本产业技术综合研究所开发的透明太阳电池。以往的太阳电池主要利用可见光及红外光来发电，典型的非晶体硅发电效率大约不过7%。而产综研的太阳电池利用紫外光发电，可见光照样通过，而且对红外光通过电压控制，在某一波长以上几乎能100%反射。比如将其用于窗户玻璃时，就可能达到既保证了作为照明的可见光，而在夏天反射成为热线的红外光，在冬天却引入室内获得暖房的效果(图4)。这样一来，可以说100%利用了太阳能。

产综研已试制了一种pn结器件，证明可以利用青色光和紫外光发电(图5)。光电压在波长400mm的青色光时显示最大值，之所以能利用紫外光发电，是因为利用了带隙大的透明半导体。N型半导体采用了ZnO，P型采用了CuAlO2，在玻璃基板上形成其pn结。通过电压等来控制该pn结的载流子浓度，便能因等离子振动而反射红外光。

日本的日立制作所提出了一种有效利用自然界的振动能的方案(图6)。微振子发电已在钟表上实际应用，但可以发现，迄今与钟表同样功耗低但非经常的携带的用途，便尤其不能安装它。日立成功地进行了存在于建筑物的振动的原理实验，比如说有可能用作埋入建筑物的无线探测芯片的电源。

该公司称，在中央研究所建筑物内测定，可确定发生了50Hz下约1mm的振动，从而试制了预定1mm振动的振动发电实验装置。它使用谐振型振子，将1mm的振动放大到30mm。它以2.5cm见方、厚度5mm的振子作为电容器，先对该振子充电，振子违反与相向电极的库仑力，而通过放电得到工作能量。

不过，充放电的电荷量及充放电的定时，由于受振子容量及电阻分量等多种参量的影响，理论上难以控制。日立通过调整时标控制电路，据说可达到最佳条件。其结果是输出0.12mm，发电效率为21%。

立命馆大学还对温差发电器采用硅的细微加工技术，实现了高输出。此种发电器基本上利用由温差产生电力的泽贝克效应。过去曾有过感知红外线(热线)的传感器在硅上形成温差发电器的例子，但由于器件与硅基板躺在同一平面上，面积效率不佳。这次的开发可以利用发电器本身的热膨胀差而直立在硅上，其结果增加了每单位面积的元件数，提高了输出。

而且该大学应用此技术与东海现化共同开发了一种柔性温差发电器。在使用78对Ni和Cu构成的发电元件时，输出达1.2mV/℃。据说，将来该项技术可发展成像衣服一样穿着的发电器。■(老蔡)

 

图1   小型发电机的位置

图2  小型发电机的特征

图3  Si加工形成的燃料电池的工作结果