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东芝一直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，但却始终未曾投产。
不久前，东芝终于做出了上市燃料电池的决定。
这款电池以安全性为重，大量采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意见，剖析新产品。
“单是上市本身就令人敬服”（便携产品技术人员）。
东芝在2009年10月底限量上市了3000块便携产品用燃料电池“Dynario”。对在萧条形势下投放市场的燃料电池，便携产品及燃料电池技术人员发出了惊叹和赞赏之声。
电池一经推出，不少燃料电池开发厂商随即抢购多块，对其进行了工作验证。诸如“从进气口湿度恒定和闻不到甲醇燃料气味等，可以感到电池的完成度之高”、“虽然只是浴缸水温的程度，但发热还是令人有些担心”等等，各种反馈意见很快纷至沓来。
我们也购买了刚上市的燃料电池，对其进行了特性分析。并且在东芝的协助下，公开了内部部件。
其实超过3万日元？
Dynario是直接甲醇燃料电池（DMFC）（图1）。能够使用USB端子为便携产品充电。与内置的锂离子充电电池合计，最大功率可达2W（5V，400mA）。电池内可注入14mL甲醇。使用该燃料“可以将便携产品充满2次左右”（东芝）。我们使用功耗1W的LED灯确认的结果显示，发电可持续11小时左右，一次注入可发电估计为11Wh左右。
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图1：能够使用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。燃料使用50mL燃料瓶填充。（摄影：山西 英二） |
Dynario的售价为含税2.98万日元。从作为外置式充电器的角度来看，价格相当昂贵。东芝虽表示“价格高是因为专门制做的部件多从而导致成本高”，而实际拆解过程中，令人惊异的是部件数量多得超乎想象（图2）。这是由于电池中加入了大量超小型泵和阀、MCU（微控制器）和控制IC、控制底板等燃料电池单元以外的电路部件。而且，由金属外装和强力加固件构成的外壳也太过结实。大部分便携产品和燃料电池业开发者认为：“考虑到部件和制造成本，3万日元真的不够本”。
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图2：燃料电池的主要构成部件
有两个发电单元，二者反向贴合。除发电部分MEA外，发电控制系统用部件和用于确保牢固性的部件之多引人注目。 |
燃料阀煞费苦心
Dynario的基础部件——中央外壳部分内外各配置一个发电单元。除此之外，中央外壳上还配备了三洋电机生产的圆筒型锂离子充电电池和2片安装电源开关和输入输出端子的控制底板。
燃料罐配置于中央外壳侧面，电池的表面和背面采用铝（Al）合金外装，上部和下部采用树脂外装。“因是首批量产品，所以非常注重耐久性和强度，大量采用了金属部件”（燃料电池业内人士）。
发电单元是把发电装置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装置。
格子状不锈钢板一侧是发电装置的进气口，燃料供给板一侧则设置了发电装置的控制底板和供应燃料的燃料泵、燃料阀（图3）。控制底板上安装有燃料泵和燃料阀的控制IC和8bit MCU等。
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图3：各部件的控制IC整齐排列
发电单元的主板上安装了燃料泵和燃料阀等与各部件对应的控制IC。IC大多是专为燃料电池开发。 |
发电单元的引人注目之处在于配备了燃料阀和燃料泵（图4）。由于二者都为机械驱动，因此存在降低功耗、保证耐久性等课题。而且，便携产品用燃料电池对小型化和薄型化要求高，因此按照一般看法，“这一部分很费心思”（某燃料电池技术人员）。
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图4：借助使用压电元件的泵输送燃料
甲醇从燃料罐流入燃料供给板，使用泵向整个MEA供应（a）。燃料罐注入的甲醇量可以利用燃料阀调整（b）。振动压电元件可以改变泵的内压，注入/排出燃料（c）。 |
东芝在燃料阀的设计上也煞费苦心。与其他部件相比，燃料阀凸出了约6mm。相对于燃料泵和控制底板等其他安装部件的全部薄型化，似乎只有燃料阀未能来得及开发出薄型品。因此，燃料阀安装位置也与中心错开，通过将两个发电单元反向贴合，而缩小了电池厚度。
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图5：装置的输出密度约为25mW/cm2
发电单元由4个单片装置串联而成的MEA组成。MEA的面积约为40cm2。因为有2个发电单元，所以输出密度估计为25mW/cm2左右。 |
另外，燃料泵使用了村田制作所产品。其因使用了压电元件，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。
向发电装置供应燃料时，甲醇首先经由燃料阀，从燃料供给板的注入口注入。然后，用燃料泵使之由板中央的两个小孔漫至整个装置。
输出密度约为25mW/cm2
发电装置由外形尺寸为81mm×52mm的MEA（膜电极复合体）和集电体组成。MEA使用4片81mm×9mm的单元（图5）。认为因每片单元的电动势约为0.3V，1个发电单元产生的电压应略超过1V。之后再借助发电单元控制底板上的升压电路提升到5V左右。
试算装置的输出密度，只有25mW/cm2左右。也有看法认为，“可能是发热问题把输出密度限制到了这种程度”（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），此产品采用的是哪一种还不清楚。但大部分看法认为“采用氟类的可能性较大”（多位燃料电池技术人员）。
直接使用实验用底板
位于电池下部的电源开关和输入输出端子分别安装在控制底板上（图6）。Dynario配备有锂离子充电电池。其作用是为发电单元的控制电路供应电力，及在从起动到发电单元的电力平稳前，向负载供应电力。
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图6：控制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控制底板各自独立。两块底板借助连接器相连。电源开关底板上有接受发电单元电力的接口（a）。输入输出端子底板上有连接锂离子充电电池的接口（b）。 |
控制锂离子充电电池和发电单元的看样子是电源开关控制底板上的内置闪存型8bit MCU。从MCU可改写、底盘上有大量测试焊盘的情况推测，“包括发电单元的控制底板在内，该产品可能直接沿用了实验用底板”（某燃料电池技术人员）。
除此之外，电源开关底板上还安装了2Mbit闪存，被认为是用于记录充电时间和温度变化。锂离子充电电池与输入输出端子控制底板连接，为该底板提供驱动发电单元电路的电力。
由于Dynario是最先量产的便携产品用燃料电池，东芝对确保安全下了大力。如其具有当电池温度升时自动停止工作的功能。为此而在发电单元的进气口部分配备了温度传感器，用以监测表面温度，使其不超过一定范围（图7）。我们在试验中确认，当表面温度达到45℃左右时，电池会自动停止工作。
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| 图7：进气口配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。温度传感器位于面板中央，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，该电池还配备了在该温度下禁止起动的功能和屏蔽输入输出端子流入大电流的功能。
燃料瓶也注重安全性
Dynario目前需要使用50mL燃料瓶填充燃料。燃料瓶是与东洋制罐合作开发，和电池一样，对确保安全性没有丝毫松懈（图8）。瓶身采用双重结构，符合IEC（国际电工委员会）的安全性标准（暂定标准）。“即使经受100kg的冲击力也不会损坏”（东芝）。另外，该公司表示，在特殊形状的瓶嘴和内部机构的作用下，只要插入电池燃料注入口的方式不正确，燃料就不会流出。（狩集 浩志，久米 秀尚）
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| 图8：燃料瓶与东洋制罐合作开发与东洋制罐合作开发的燃料瓶具备特殊形状的瓶嘴和内部机构。如果插入电池燃料注入口的方式不正确，燃料无法流出。瓶身的外形尺寸约为62mm×122mm×29.1mm。 | | 