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東芝一直致力于便攜產(chǎn)品用燃料電池的開發(fā)。
雖在數(shù)個(gè)展會上公開過試制品，但卻始終未曾投產(chǎn)。
不久前，東芝終于做出了上市燃料電池的決定。
這款電池以安全性為重，大量采用了不銹鋼和鋁合金等金屬部件。
本文將結(jié)合燃料電池和便攜產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)人員的意見，剖析新產(chǎn)品。
“單是上市本身就令人敬服”（便攜產(chǎn)品技術(shù)人員）。
東芝在2009年10月底限量上市了3000塊便攜產(chǎn)品用燃料電池“Dynario”。對在蕭條形勢下投放市場的燃料電池，便攜產(chǎn)品及燃料電池技術(shù)人員發(fā)出了驚嘆和贊賞之聲。
電池一經(jīng)推出，不少燃料電池開發(fā)廠商隨即搶購多塊，對其進(jìn)行了工作驗(yàn)證。諸如“從進(jìn)氣口濕度恒定和聞不到甲醇燃料氣味等，可以感到電池的完成度之高”、“雖然只是浴缸水溫的程度，但發(fā)熱還是令人有些擔(dān)心”等等，各種反饋意見很快紛至沓來。
我們也購買了剛上市的燃料電池，對其進(jìn)行了特性分析。并且在東芝的協(xié)助下，公開了內(nèi)部部件。
其實(shí)超過3萬日元？
Dynario是直接甲醇燃料電池（DMFC）（圖1）。能夠使用USB端子為便攜產(chǎn)品充電。與內(nèi)置的鋰離子充電電池合計(jì)，最大功率可達(dá)2W（5V，400mA）。電池內(nèi)可注入14mL甲醇。使用該燃料“可以將便攜產(chǎn)品充滿2次左右”（東芝）。我們使用功耗1W的LED燈確認(rèn)的結(jié)果顯示，發(fā)電可持續(xù)11小時(shí)左右，一次注入可發(fā)電估計(jì)為11Wh左右。
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圖1：能夠使用USB端子為便攜產(chǎn)品充電
東芝推出的燃料電池能夠經(jīng)由USB為便攜產(chǎn)品充電。燃料使用50mL燃料瓶填充。（攝影：山西 英二） |
Dynario的售價(jià)為含稅2.98萬日元。從作為外置式充電器的角度來看，價(jià)格相當(dāng)昂貴。東芝雖表示“價(jià)格高是因?yàn)閷ｉT制做的部件多從而導(dǎo)致成本高”，而實(shí)際拆解過程中，令人驚異的是部件數(shù)量多得超乎想象（圖2）。這是由于電池中加入了大量超小型泵和閥、MCU（微控制器）和控制IC、控制底板等燃料電池單元以外的電路部件。而且，由金屬外裝和強(qiáng)力加固件構(gòu)成的外殼也太過結(jié)實(shí)。大部分便攜產(chǎn)品和燃料電池業(yè)開發(fā)者認(rèn)為：“考慮到部件和制造成本，3萬日元真的不夠本”。
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圖2：燃料電池的主要構(gòu)成部件
有兩個(gè)發(fā)電單元，二者反向貼合。除發(fā)電部分MEA外，發(fā)電控制系統(tǒng)用部件和用于確保牢固性的部件之多引人注目。 |
燃料閥煞費(fèi)苦心
Dynario的基礎(chǔ)部件——中央外殼部分內(nèi)外各配置一個(gè)發(fā)電單元。除此之外，中央外殼上還配備了三洋電機(jī)生產(chǎn)的圓筒型鋰離子充電電池和2片安裝電源開關(guān)和輸入輸出端子的控制底板。
燃料罐配置于中央外殼側(cè)面，電池的表面和背面采用鋁（Al）合金外裝，上部和下部采用樹脂外裝?！耙蚴鞘着慨a(chǎn)品，所以非常注重耐久性和強(qiáng)度，大量采用了金屬部件”（燃料電池業(yè)內(nèi)人士）。
發(fā)電單元是把發(fā)電裝置安放在格子狀不銹鋼板和作為燃料供給板的樹脂外殼之間。不銹鋼板與燃料供給板因是用鉚釘固定的，所以不打破則無法取出發(fā)電裝置。
格子狀不銹鋼板一側(cè)是發(fā)電裝置的進(jìn)氣口，燃料供給板一側(cè)則設(shè)置了發(fā)電裝置的控制底板和供應(yīng)燃料的燃料泵、燃料閥（圖3）?？刂频装迳习惭b有燃料泵和燃料閥的控制IC和8bit MCU等。
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圖3：各部件的控制IC整齊排列
發(fā)電單元的主板上安裝了燃料泵和燃料閥等與各部件對應(yīng)的控制IC。IC大多是專為燃料電池開發(fā)。 |
發(fā)電單元的引人注目之處在于配備了燃料閥和燃料泵（圖4）。由于二者都為機(jī)械驅(qū)動，因此存在降低功耗、保證耐久性等課題。而且，便攜產(chǎn)品用燃料電池對小型化和薄型化要求高，因此按照一般看法，“這一部分很費(fèi)心思”（某燃料電池技術(shù)人員）。
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圖4：借助使用壓電元件的泵輸送燃料
甲醇從燃料罐流入燃料供給板，使用泵向整個(gè)MEA供應(yīng)（a）。燃料罐注入的甲醇量可以利用燃料閥調(diào)整（b）。振動壓電元件可以改變泵的內(nèi)壓，注入/排出燃料（c）。 |
東芝在燃料閥的設(shè)計(jì)上也煞費(fèi)苦心。與其他部件相比，燃料閥凸出了約6mm。相對于燃料泵和控制底板等其他安裝部件的全部薄型化，似乎只有燃料閥未能來得及開發(fā)出薄型品。因此，燃料閥安裝位置也與中心錯(cuò)開，通過將兩個(gè)發(fā)電單元反向貼合，而縮小了電池厚度。
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圖5：裝置的輸出密度約為25mW/cm2
發(fā)電單元由4個(gè)單片裝置串聯(lián)而成的MEA組成。MEA的面積約為40cm2。因?yàn)橛?個(gè)發(fā)電單元，所以輸出密度估計(jì)為25mW/cm2左右。 |
另外，燃料泵使用了村田制作所產(chǎn)品。其因使用了壓電元件，外形尺寸較薄，為24mm×33mm×1.325mm。排出流量為0.001mL/s，排出壓力為35kPa。
向發(fā)電裝置供應(yīng)燃料時(shí)，甲醇首先經(jīng)由燃料閥，從燃料供給板的注入口注入。然后，用燃料泵使之由板中央的兩個(gè)小孔漫至整個(gè)裝置。
輸出密度約為25mW/cm2
發(fā)電裝置由外形尺寸為81mm×52mm的MEA（膜電極復(fù)合體）和集電體組成。MEA使用4片81mm×9mm的單元（圖5）。認(rèn)為因每片單元的電動勢約為0.3V，1個(gè)發(fā)電單元產(chǎn)生的電壓應(yīng)略超過1V。之后再借助發(fā)電單元控制底板上的升壓電路提升到5V左右。
試算裝置的輸出密度，只有25mW/cm2左右。也有看法認(rèn)為，“可能是發(fā)熱問題把輸出密度限制到了這種程度”（某燃料電池技術(shù)人員）。關(guān)于固體高分子膜，已知“現(xiàn)在正在開發(fā)的有氟類和烴類兩種”（東芝），此產(chǎn)品采用的是哪一種還不清楚。但大部分看法認(rèn)為“采用氟類的可能性較大”（多位燃料電池技術(shù)人員）。
直接使用實(shí)驗(yàn)用底板
位于電池下部的電源開關(guān)和輸入輸出端子分別安裝在控制底板上（圖6）。Dynario配備有鋰離子充電電池。其作用是為發(fā)電單元的控制電路供應(yīng)電力，及在從起動到發(fā)電單元的電力平穩(wěn)前，向負(fù)載供應(yīng)電力。
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圖6：控制燃料電池和鋰離子充電電池
電源開關(guān)部分和輸入輸出端子部分的控制底板各自獨(dú)立。兩塊底板借助連接器相連。電源開關(guān)底板上有接受發(fā)電單元電力的接口（a）。輸入輸出端子底板上有連接鋰離子充電電池的接口（b）。 |
控制鋰離子充電電池和發(fā)電單元的看樣子是電源開關(guān)控制底板上的內(nèi)置閃存型8bit MCU。從MCU可改寫、底盤上有大量測試焊盤的情況推測，“包括發(fā)電單元的控制底板在內(nèi)，該產(chǎn)品可能直接沿用了實(shí)驗(yàn)用底板”（某燃料電池技術(shù)人員）。
除此之外，電源開關(guān)底板上還安裝了2Mbit閃存，被認(rèn)為是用于記錄充電時(shí)間和溫度變化。鋰離子充電電池與輸入輸出端子控制底板連接，為該底板提供驅(qū)動發(fā)電單元電路的電力。
由于Dynario是最先量產(chǎn)的便攜產(chǎn)品用燃料電池，東芝對確保安全下了大力。如其具有當(dāng)電池溫度升時(shí)自動停止工作的功能。為此而在發(fā)電單元的進(jìn)氣口部分配備了溫度傳感器，用以監(jiān)測表面溫度，使其不超過一定范圍（圖7）。我們在試驗(yàn)中確認(rèn)，當(dāng)表面溫度達(dá)到45℃左右時(shí)，電池會自動停止工作。
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| 圖7：進(jìn)氣口配備溫度傳感器作為進(jìn)氣口的格狀面板與2塊不銹鋼板點(diǎn)焊貼合。溫度傳感器位于面板中央，透過不銹鋼板之間布線。 |
此外，該公司稱，為了應(yīng)對100℃以上的高溫，該電池還配備了在該溫度下禁止起動的功能和屏蔽輸入輸出端子流入大電流的功能。
燃料瓶也注重安全性
Dynario目前需要使用50mL燃料瓶填充燃料。燃料瓶是與東洋制罐合作開發(fā)，和電池一樣，對確保安全性沒有絲毫松懈（圖8）。瓶身采用雙重結(jié)構(gòu)，符合IEC（國際電工委員會）的安全性標(biāo)準(zhǔn)（暫定標(biāo)準(zhǔn)）。“即使經(jīng)受100kg的沖擊力也不會損壞”（東芝）。另外，該公司表示，在特殊形狀的瓶嘴和內(nèi)部機(jī)構(gòu)的作用下，只要插入電池燃料注入口的方式不正確，燃料就不會流出。（狩集 浩志，久米 秀尚）
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| 圖8：燃料瓶與東洋制罐合作開發(fā)與東洋制罐合作開發(fā)的燃料瓶具備特殊形狀的瓶嘴和內(nèi)部機(jī)構(gòu)。如果插入電池燃料注入口的方式不正確，燃料無法流出。瓶身的外形尺寸約為62mm×122mm×29.1mm。 | | 