Перспективы применения топливных элементов в портативных устройствах

В статье дан краткий обзор нынешнего состояния в области разработки топ­ливных элементов и приведена оценка перспектив их применения в портатив­ных устройствах.

А. Мельниченко

Практическое воплощение идеи, давшей толчок развитию топливных элементов, проде­монстрировал в 1839 г. выпускник Оксфор­дского университета William Robert Grove. Его установка представляла собой два электрода, размещенных в камере, в которую подавались порции водорода и кислорода. В результате хи­мической реакции с выделением тепла и воды между электродами возникала разность потен­циалов.

УСТРОЙСТВО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

В общем виде топливный элемент (рис. 1) представляет собой электрохимическую ячей­ку, в которой для производства электричества используется реакция окисления топлива с выделением продуктов окисления и тепла. Он состоит из анода и катода, на которые нанесен слой катализатора (например, платины). Меж­ду ними находится электролитическая мемб­рана, пропускающая ионы и задерживающая электроны. Поступающее со стороны анода топливо (например, водород), соприкасаясь с катализатором, расщепляется на положитель­ные ионы и электроны. Ионы свободно прохо­дят через мембрану к катоду, а электроны по­ступают во внешнюю электрическую цепь. На катоде ионы топлива вступают в реакцию с окислителем (например, кислородом), при­соединяющим к его атомам электроны, посту­пающие из внешней цепи. Образующаяся в ре­зультате реакции вода (в виде пара или жид­кости) отводится наружу.

Приведенная схема дает лишь общее пред­ставление о принципе работы топливных эле­ментов. В действительности существует много разновидностей топливных элементов.

Рис. 1. Устройство топливного элемента

В процессе совершенствования технологии топливных элементов были выявлены их поло­жительные качества: более высокая, чем в ак­кумуляторах, энергоемкость, возможность ав­тономной работы при отсутствии электричес­кой сети, отсутствие вредных выбросов в окру­жающую среду и высокая надежность. По этой причине наиболее интенсивное развитие топ­ливные элементы получили в эпоху пилотиру­емых космических полетов. В частности, кос­мическое агентство NASA использовало топ­ливные элементы при осуществлении про­граммы Apollo для полета человека на Луну.

РАЗНОВИДНОСТИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Оставив за рамками статьи топливные эле­менты большой мощности, ограничимся рас смотрением маломощных топливных элемен­тов, пригодных для питания ноутбуков и пор­тативных электронных устройств. Наиболее подходящими для этой цели являются топлив­ные элементы двух типов: PEM (Proton Ex­change Membrane – с протонообменной мем­браной) и DMFC (Direct Methanol Fuel Cells – ячейки с прямым окислением метанола).

В элементах PEM-типа (рис. 1) используют­ся покрытые платиной графитовые электроды, расположенные по обе стороны от ионнообмен­ной мембраны. Топливом для элементов дан­ного типа служит водород, окислителем – со­держащийся в воздухе кислород. Рабочая тем­пература элементов составляет порядка 80 °С, их выходное напряжение – около 0.7 В.

Отличием элементов DMFC-типа от выше­упомянутых является то, что топливом для них служит метанол или его раствор, а водо­род, необходимый для выработки электричест­ва, получается в результате окисления метано­ла на аноде топливной ячейки (при этом выде­ляется углекислый газ). Рабочая температура этих элементов составляет около 120 °С. И хо­тя в DMFC-элементах наблюдается просачива­ние метанола через мембрану, что снижает их эффективность при увеличении мощности, для питания маломощных устройств они ока­зываются наиболее оптимальными.

ПОСЛЕДНИЕ РАЗРАБОТКИ

В течение последних лет наибольшие успехи в разработке топливных элементов достигнуты японскими компаниями Fujitsu, Hitachi и Toshi­ba и американской MTI MicroFuel Cells. Для ил­люстрации нынешнего состояния в области топ­ливных элементов приведем сведения о несколь­ких последних разработках ведущих фирм.

В конце прошлого года компания MTI Mi­croFuel Cells разработала зарядное устройство с топливным элементом DMFC-типа Mobion . В качестве топлива для этих элементов ис­пользуется метанол, помещенный в сменные картриджи. Особенностью технологии Mobion является отсутствие необходимости в миниа­тюрных насосах для перекачивания образую­щейся в результате работы элемента воды на вход топливного элемента с целью понижения концентрации метанола. Это позволило умень­шить габариты топливного элемента. От одно­го картриджа можно получить до 25 Вт-ч электроэнергии, чего достаточно для десяти циклов зарядки аккумулятора мобильного те­лефона.

Компании MTI MicroFuel Cells и Samsung Electronics недавно заключили контракт, пре­дусматривающий разработку топливных эле­ментов для мобильных телефонов.

Компания Sony представила гибридный ис­точник питания размерами 30×50 мм (рис. 2).

Рис. 2. Гибридный источник питания мобильных телефонов, разработанный компанией Sony

В корпусе источника находятся ионно-литие­вый аккумулятор, топливный элемент DMFC- типа и микропроцессор. Подача метанола из картриджа производится при помощи миниа­тюрного насоса. Как утверждают разработчи­ки, мощность, отдаваемая источником в наг­рузку, может достигать 3 Вт. Одного картрид­жа, вмещающего 10 мл топлива, достаточно для просмотра телевизионных программ на мобильном телефоне в течение 14 ч.

Компания NTT (Япония) представила топ­ливный элемент PEM-типа собственной разра­ботки. При габаритах 65x40x8 мм его макси­мальная выходная мощность составляет около 4 Вт, выходное напряжение 0.7 В. Необходи­мое для питания внешних устройств напряже­ние 5 В образуется на выходе DC/DC-преобразователя, встроенного в корпус топливного элемента.

Автономный источник питания для порта­тивных ПК, работающий на метаноле, проде­монстрировала компания Panasonic. Макси­мальная мощность, отдаваемая им в нагрузку, достигает 10 Вт. По словам разработчиков, он обеспечивает питание портативных компьюте­ров в течение 20 ч. Емкость картриджа с топ­ливом составляет 200 мл.

Еще одна новинка компании Panasonic – образец зарядного устройства для портативных плееров, мобильных телефонов и др. Его объем составляет 360 см³, масса – 350 г. Для подключения внешних устройств на нем уста­новлены два разъема USB.

Оригинальную разработку представила компания Motorola . На поверхности крем­ниевой пластины был сформирован массив топливных элементов с высотой электродов порядка 100 мкм (рис. 3). Между электродами находится электролитическая мембрана из по­лимерного материала. Подача водорода для ра­боты элементов осуществляется через отверс­тия в кремниевой подложке, а окислителя – через торцевую поверхность пористого катода. О параметрах топливных элементов не сооб­щается.

Рис. 3. Массив миниатюрных топливных элементов компании Motorola

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Хотя работы в области топливных элемен­тов ведутся уже давно, производители элект­ронных устройств не торопятся использовать их в своих изделиях. Так, компания Sony пока не называет ориентировочные сроки их появ­ления в продаже. В компании Panasonic прог­нозируют появление на рынке серийных уст­ройств с топливными элементами не ранее конца 2012 года. Чтобы понять причины нес­колько прохладного отношения к топливным элементам, остановимся более подробно на их особенностях.

К преимуществам топливных элементов следует, прежде всего, отнести их высокую энергоемкость. Это позволяет обеспечить го­раздо большее время автономного питания электронной аппаратуры по сравнению с акку­муляторами тех же габаритов. Кроме того, в отличие от аккумуляторов, для работы топливных элементов не требуется наличие элект­рической сети для подзарядки, они готовы к работе сразу после заправки топливом. Следу­ет также отметить, что во время работы они не загрязняют окружающую среду, а при их про­изводстве не используются тяжелые металлы.

Однако с применением топливных элемен­тов связан ряд неудобств. Во-первых, они срав­нительно дороги из-за применения катализа­тора из редкоземельных металлов, в частнос­ти, платины. Во-вторых, необходимо следить за пополнением запасов топлива, к тому же не­безопасного (метанол – легковоспламеняюще­еся и ядовитое вещество). Поэтому пока массо­вый потребитель будет иметь доступ к розетке с дешевой электроэнергией, он вряд ли захочет приобретать новые источники питания, к тому же более дорогие, чем аккумуляторы (по край­ней мере, на этапе их внедрения). Хотя при правильной маркетинговой политике, доста­точных финансовых вложениях и умелой рек­ламе можно надеяться, что применение топ­ливных элементов станет массовым явлением. Этому также может способствовать изменение цен на энергетические ресурсы.

Как бы там ни было, появления топливных элементов на рынке можно ожидать уже в бли­жайшее время. Так, например, японская ком­пания Toshiba в скором времени планирует на­чать выпуск зарядных устройств на топлив­ных элементах DMFC-типа, предназначенных для аккумуляторных батарей карманных пле­еров, мобильных телефонов, портативных иг­ровых консолей и иных устройств. В перспек­тиве она также планирует освоить массовый выпуск компактных источников питания на топливных элементах, которые смогут заме­нить аккумуляторы в ноутбуках и мобильных телефонах.