东芝燃料电池内部结构拆开面面观

　　东芝一向致力于便携产品用燃料电池的开发。
　　虽在数个展会上公开过试制品，但却一直未曾投产。
　　不久前，东芝总算做出了上市燃料电池的决议。
　　这款电池以安全性为重，很多选用了不锈钢和铝合金等金属部件。
　　本文将结合燃料电池和便携产品开发技术人员的定见，剖析新产品。

　　“单是上市自身就令人敬佩”（便携产品技术人员）。

　　东芝在2009年10月底定量上市了3000块便携产品用燃料电池“Dynario”。对在惨淡局势下投放市场的燃料电池，便携产品及燃料电池技术人员宣布了惊叹和欣赏之声。

　　电池一经推出，不少燃料电池开发厂商随即抢购多块，对其进行了作业验证。比如“从进气口湿度稳定和闻不到甲醇燃料气味等，能够感到电池的完成度之高”、“尽管仅仅浴缸水温的程度，但发热仍是令人有些忧虑”等等，各种反应定见很快接连不断。

　　咱们也购买了刚上市的燃料电池，对其进行了特性剖析。并且在东芝的帮忙下，公开了内部部件。

其实超越3万日元？

　　Dynario是直接甲醇燃料电池（DMFC）（图1）。能够运用USB端子为便携产品充电。与内置的锂离子充电电池算计，最大功率可达2W（5V，400mA）。电池内可注入14mL甲醇。运用该燃料“能够将便携产品充溢2次左右”（东芝）。咱们运用功耗1W的LED灯承认的成果显现，发电可继续11小时左右，一次注入可发电估量为11Wh左右。

图1：能够运用USB端子为便携产品充电 东芝推出的燃料电池能够经由USB为便携产品充电。燃料运用50mL燃料瓶填充。（拍摄：山西 英二）

Dynario的价格为含税2.98万日元。从作为外置式充电器的视点来看，价格适当贵重。东芝虽表明“价格高是因为专门制做的部件多然后导致本钱高”，而实践拆解过程中，令人惊异的是部件数量多得超乎幻想（图2）。这是因为电池中加入了很多超小型泵和阀、MCU（微操控器）和操控IC、操控底板等燃料电池单元以外的电路部件。并且，由金属外装和强力加固件构成的外壳也过分健壮。大部分便携产品和燃料电池业开发者以为：“考虑到部件和制作本钱，3万日元真的不够本”。

图2：燃料电池的首要构成部件 有两个发电单元，二者反向贴合。除发电部分MEA外，发电操控系统用部件和用于保证结实性的部件之多有目共睹。

燃料阀煞费苦心

　　Dynario的根底部件——中心外壳部分表里各装备一个发电单元。除此之外，中心外壳上还装备了三洋电机出产的圆筒型锂离子充电电池和2片设备电源开关和输入输出端子的操控底板。

　　燃料罐装备于中心外壳旁边面，电池的外表和反面选用铝（Al）合金外装，上部和下部选用树脂外装。“因是第一批量产品，所以十分重视耐久性和强度，很多选用了金属部件”（燃料电池业内人士）。

　　发电单元是把发电设备安放在格子状不锈钢板和作为燃料供给板的树脂外壳之间。不锈钢板与燃料供给板因是用铆钉固定的，所以不打破则无法取出发电设备。

　　格子状不锈钢板一侧是发电设备的进气口，燃料供给板一侧则设置了发电设备的操控底板和供给燃料的燃料泵、燃料阀（图3）。操控底板上设备有燃料泵和燃料阀的操控IC和8bit MCU等。

图3：各部件的操控IC规整摆放 发电单元的主板上设备了燃料泵和燃料阀等与各部件对应的操控IC。IC大多是专为燃料电池开发。

　　发电单元的有目共睹之处在于装备了燃料阀和燃料泵（图4）。因为二者都为机械驱动，因而存在下降功耗、保证耐久性等课题。并且，便携产品用燃料电池对小型化和薄型化要求高，因而依照一般观点，“这一部分很费心思”（某燃料电池技术人员）。

图4：凭借运用压电元件的泵运送燃料 甲醇从燃料罐流入燃料供给板，运用泵向整个MEA供给（a）。燃料罐注入的甲醇量能够运用燃料阀调整（b）。振荡压电元件能够改动泵的内压，注入/排出燃料（c）。

　　东芝在燃料阀的规划上也煞费苦心。与其他部件比较，燃料阀凸出了约6mm。相对于燃料泵和操控底板等其他设备部件的悉数薄型化，好像只需燃料阀未能来得及开宣布薄型品。因而，燃料阀设备方位也与中心错开，经过将两个发电单元反向贴合，而缩小了电池厚度。

图5：设备的输出密度约为25mW/cm2 发电单元由4个单片设备串联而成的MEA组成。MEA的面积约为40cm2。因为有2个发电单元，所以输出密度估量为25mW/cm2左右。

　　别的，燃料泵运用了村田制作所产品。其因运用了压电元件，外形尺寸较薄，为24mm×33mm×1.325mm。排出流量为0.001mL/s，排出压力为35kPa。

　　向发电设备供给燃料时，甲醇首要经由燃料阀，从燃料供给板的注进口注入。然后，用燃料泵使之由板中心的两个小孔漫至整个设备。

输出密度约为25mW/cm2

　　发电设备由外形尺寸为81mm×52mm的MEA（膜电极复合体）和集电体组成。MEA运用4片81mm×9mm的单元（图5）。以为因每片单元的电动势约为0.3V，1个发电单元发生的电压应略超越1V。之后再凭借发电单元操控底板上的升压电路提升到5V左右。

　 试算设备的输出密度，只需25mW/cm2左右。也有观点以为，“或许是发热问题把输出密度约束到了这种程度”（某燃料电池技术人员）。关于固体高分子膜，已知“现在正在开发的有氟类和烃类两种”（东芝），此产品选用的是哪一种还不清楚。但大部分观点以为“选用氟类的或许性较大”（多位燃料电池技术人员）。

直接运用实验用底板

坐落电池下部的电源开关和输入输出端子分别设备在操控底板上（图6）。Dynario装备有锂离子充电电池。其效果是为发电单元的操控电路供给电力，及在从起动到发电单元的电力平稳前，向负载供给电力。

图6：操控燃料电池和锂离子充电电池 电源开关部分和输入输出端子部分的操控底板各自独立。两块底板凭借衔接器相连。电源开关底板上有承受发电单元电力的接口（a）。输入输出端子底板上有衔接锂离子充电电池的接口（b）。

　　操控锂离子充电电池和发电单元的看样子是电源开关操控底板上的内置闪存型8bit MCU。从MCU可改写、底盘上有很多测验焊盘的状况估测，“包含发电单元的操控底板在内，该产品或许直接沿用了实验用底板”（某燃料电池技术人员）。

除此之外，电源开关底板上还设备了2Mbit闪存，被以为是用于记载充电时刻和温度改变。锂离子充电电池与输入输出端子操控底板衔接，为该底板供给驱动发电单元电路的电力。

　　因为Dynario是最早量产的便携产品用燃料电池，东芝对保证安全下了大力。如其具有当电池温度升时主动停止作业的功用。为此而在发电单元的进气口部分装备了温度传感器，用以监测外表温度，使其不超越必定规模（图7）。咱们在实验中承认，当外表温度到达45℃左右时，电池会主动停止作业。

图7：进气口装备温度传感器作为进气口的格状面板与2块不锈钢板点焊贴合。温度传感器坐落面板中心，透过不锈钢板之间布线。

　　此外，该公司称，为了应对100℃以上的高温，该电池还装备了在该温度下制止起动的功用和屏蔽输入输出端子流入大电流的功用。

燃料瓶也重视安全性

　　Dynario现在需求运用50mL燃料瓶填充燃料。燃料瓶是与东瀛制罐合作开发，和电池相同，对保证安全性没有一点点懈怠（图8）。瓶身选用两层结构，契合IEC（世界电工委员会）的安全性规范（暂定规范）。“即便饱尝100kg的冲击力也不会损坏”（东芝）。别的，该公司表明，在特别形状的瓶嘴和内部组织的效果下，只需刺进电池燃料注进口的方法不正确，燃料就不会流出。（狩集 浩志，久米 秀尚）

图8：燃料瓶与东瀛制罐合作开发与东瀛制罐合作开发的燃料瓶具有特别形状的瓶嘴和内部组织。假如刺进电池燃料注进口的方法不正确，燃料无法流出。瓶身的外形尺寸约为62mm×122mm×29.1mm。