Топливные элементы идут на смену традиционным гальваническим элементам и аккумуляторам

Одна из проблем, стоящих перед разработчиками мобильных устройств, заключается в создании автономного источника питания, который мог бы обеспечить длительный период работы устройства без подзарядки. Сокращением энергопотребления портативных ПК заняты разработчики большинства компонентов электронных устройств. Технологии, созданные за последние годы, включая экраны из органических материалов, процессоры, регулирующие свое быстродействие, накопители с малым потреблением и энергетически эффективное ПО, привели к значительному снижению потребляемой энергии и тем самым продлили срок службы источников тока в мобильных устройствах.

Схема базового топливного элемента

Фирмы - производители источников электропитания также совершенствовали свои технологии, постоянно улучшая характеристики существующих химических элементов питания. Так, с момента выпуска литиево-ионных батарей их емкость увеличилась более чем в два раза. Если пять лет назад аккумуляторы в ноутбуках работали всего два часа, то теперь они могут служить по пять часов и более. Длительный срок службы источников тока стал одним из основных преимуществ, называемых пользователями. Однако сами устройства, потребляющие электроэнергию, становятся все сложнее и требуют все больше и больше энергии.

Кроме того, многие эксперты говорят о том, что совершенствовать ионно-литиевую технологию скоро будет практически невозможно, так как теоретический максимум может быть достигнут буквально через пару лет. Дело в том, что лучшие из современных технологий изготовления элементов питания в силу химических ограничений допускают усовершенствование всего на 15-25%. Для дальнейшего улучшения характеристик фирмам - производителям подобных устройств придется комбинировать традиционные источники тока с другими технологиями.

Таким образом, несмотря на то что производители электроники добились значительных успехов, заставляя свои устройства обходиться меньшими запасами энергии, одной из главных причин недовольства потребителей по-прежнему остается малый срок службы источников питания, особенно в портативных устройствах. При этом функциональность мобильных устройств в последние годы растет просто взрывными темпами и приближается к функциональности обычных, стационарных решений.

Именно поэтому фирмы-производители спешат найти способы замены традиционных никель-кадмиевых и литиево-ионных аккумуляторов, от которых сегодня питается большинство портативных электронных устройств. Во многих научно-исследовательских центрах, университетских и корпоративных лабораториях ведутся активные исследования в области так называемых топливных элементов (fuel cell). Эксперты полагают, что, когда коммерческие топливные элементы станут повседневной реальностью, индустрия сможет существенно видоизменить ноутбуки, КПК и сотовые телефоны, сделав их компактнее и в то же время мощнее. Ведь новые технологии смогут продлить время непрерывной работы портативных ПК более чем в три раза по сравнению с тем, на что способны современные аккумуляторы.

Что такое "топливный элемент"

Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию химическим путем, почти так же, как гальванические элементы и аккумуляторы. Отличие состоит в том, что в них используются другие химические вещества (водород и кислород), а продуктом химической реакции является вода. Считается, что первый топливный элемент создал сэр Уильям Роберт Гроув (William Robert Grove). Еще в 1839 г. этот выпускник Оксфорда показал, что процесс электролиза - расщепление воды на водород и кислород под действием электрического тока - является обратимым. Иными словами, водород и кислород могут быть соединены химическим путем с образованием электрических зарядов. Построенная Гроувом установка была довольно проста: два электрода размещались в камере, в которую подавались под давлением ограниченные порции чистого водорода и кислорода. В силу небольших объемов газа, а также благодаря химическим свойствам угольных электродов в камере происходил не взрыв, а медленная реакция с выделением тепла, воды и, самое главное, с образованием разности потенциалов между электродами.

Дальнейшие исследования выявили преимущества такого необычного элемента перед простыми химическими источниками тока (гальваническими элементами и аккумуляторами). Дело в том, что топливные элементы обладали в 5-10 раз большей энергоемкостью. К тому же во время реакции не происходило изменений материала электродов и электролита. Топливный элемент теоретически может работать неограниченно долго - необходимо лишь регулярно подавать исходные газовые компоненты.

Надо заметить, что поскольку топливные элементы могут работать с высоким КПД и без вредных выбросов, с ними связаны большие надежды на создание экологически рационального источника энергии, который мог бы способствовать снижению выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. До недавнего времени основным препятствием на пути широкомасштабного использования топливных элементов была их высокая стоимость по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими электричество или приводящими в движение транспортные средства.

Всплеск развития топливных элементов пришелся на середину прошлого столетия, когда специалисты НАСА обратились к ним в связи с возникшей потребностью в компактных электрогенераторах для использования во время космических полетов. В частности, космические корабли Apollo и Gemini были оснащены подобными источниками энергии.

К концу XX века было разработано множество конструкций топливных элементов, различавшихся своими параметрами. За счет применения различных материалов для электродов, специального электролита, а также добавления катализаторов, стимулирующих протекание главной реакции, ученые нашли способ изменить конструкцию топливных элементов так, чтобы использовать вместо чистого водорода содержащие его вещества - углеводороды (природный газ и спирты). Так появились щелочные (Аlkaline Fuel Cell, AFC), твердотельные (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC), полимерные (PEFC), фосфорно-кислотные (PEFC) и даже спиртсодержащие (Direct Alcohol Fuel Cell, DAFC) топливные элементы. Рабочая температура для разных топливных элементов варьируется в довольно широком диапазоне, а КПД некоторых из них может достигать 80%.

Как это работает

Как уже отмечалось, топливные элементы похожи на традиционные химические источники тока (гальванические батареи и аккумуляторы): все они вырабатывают электричество в результате химической реакции. Однако при этом аккумуляторные батареи и топливные элементы выполняют две совершенно разные функции. Обычные химические источники тока - устройства с накопленной энергией. Электричество, которое они вырабатывают, является результатом химической реакции вещества, которое уже находится внутри них. Топливные элементы не хранят, а преобразуют часть энергии топлива, поставляемого извне, в электричество. В этом отношении топливный элемент скорее похож на обычную электростанцию. Таким образом, можно выделить два основных отличия топливных элементов:

- они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника;

- химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке).

Простейший топливный элемент состоит, например, из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. Такая конструкция (электролит, окруженный двумя электродами) представляет собой отдельный элемент. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) - на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции. На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, способствующих протеканию реакции диссоциации:     

где H2 - двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H+ - ионизированный водород (протон); е- - электрон.

Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу (нагрузка, например, лампочка).

Ноутбук Portege M100 с топливным элементом DMFC

С катодной стороны топливного элемента протоны (прошедшие через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) воссоединяются и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды:     

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:     

В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород из воздуха. Водород может подаваться непосредственно или путем выделения его из внешнего источника топлива (природного газа, бензина или метилового спирта - метанола. В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.

Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, при котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в отдельных типах топливных элементов процесс может быть обратимым: приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, собираемые на электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в нормальном режиме.

По отдельности топливные элементы создают электродвижущую силу около 1 В каждый. Чтобы увеличить напряжение, элементы соединяют последовательно. Если требуется выдать больший ток, наборы каскадных элементов соединяют параллельно.

Стоит еще раз отметить, что КПД топливных элементов может оставаться на довольно высоком уровне, даже когда они работают не на полную номинальную мощность. Для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электричество. Модульный принцип устройства топливных элементов означает, что мощность источника на них можно увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Это обеспечивает минимизацию коэффициента недоиспользования мощности, что позволяет приводить в соответствие спрос и предложение. При применении топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. Ведь при работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар.

Технология Mobion и другие

Сегодня существуют различные типы топливных элементов. Их можно классифицировать, например, по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, а также по характеру применения. Одним из типов элементов, способных работать на водороде и кислороде при нормальных температуре и давлении, являются элементы с ионообменными мембранами. В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами располагается полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. В таких элементах наряду с кислородом может использоваться воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и легко удаляется. Именно поэтому особый практический интерес на сегодняшний день представляют топливные элементы прямого действия на основе метанола (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Над их созданием работают свыше тридцати различных научных центров, однако впечатляющих успехов удалось добиться специалистам японских корпораций Fujitsu (jp.fujitsu.com), Hitachi (www.hitachi.co.jp), Toshiba (www.toshiba.co.jp) и американской компании MTI MicroFuel Cells (www.mtimicrofuelcells.com).

До сих пор основные усилия исследователей направлены на поиски методов использования растворов с высокой концентрацией метанола, что увеличивает предельную емкость батареи (либо снижает ее габариты при тех же параметрах). До недавнего времени в промышленном производстве применялись растворы с содержанием метанола от 3 до 10%. В прошлом году специалистам MTI MicroFuel Cells (чуть позже о своих успехах в этой области сообщила Toshiba) удалось добиться того, что в лабораторных исследованиях топливные элементы уже работали на чистом метаноле, а прототипы коммерческих устройств - КПК и мобильный телефон - использовали элементы с 50%-ным раствором.

Напомним, что в элементах типа DMFC кислород и водный раствор метанола разделены мембраной-катализатором. Одна сторона этой мембраны играет роль катода, а другая - анода. Метанол, вступив в реакцию с анодом, ионизируется, и его электроны создают ток. Положительно заряженные ионы при этом взаимодействуют с кислородом, образуя воду. В традиционных топливных ячейках сгенерированная вода собирается и при помощи миниатюрного насоса доставляется к аноду, где смешивается с метанолом для получения раствора нужной концентрации. В элементах MTI MicroFuel Cells, созданных по фирменной технологии Mobion, такие насосы отсутствуют, за счет чего, собственно, и удалось уменьшить габариты ячеек. Теоретически элементы Mobion позволят увеличить время автономной работы портативных устройств чуть ли не в 10 раз по сравнению с обычными аккумуляторами тех же размеров. По словам представителей компании, уже сегодня на их элементах DMFC ноутбук в состоянии проработать вдвое больше, чем на равном по размеру штатном аккумуляторе. В дальнейшем время работы ученые намереваются увеличить чуть ли не в 10 раз, что при обычном времени разряда батареи 3-5 ч в будущем даст впечатляющие 30-50 ч. Кроме этого в MTI MicroFuel Cells полагают, что использованные элементы не надо будет выбрасывать, поскольку технология Mobion предусматривает их повторное применение.

Стоит также отметить, что в конце прошлого года топливные элементы Mobion получили сертификаты безопасности от Underwriter’s Laboratories и CSA International. Иными словами, это означает, что MTI MicroFuel Cells теперь может поставлять свои топливные элементы Mobion для военных и промышленных предприятий.

В развитие топливных элементов DMFC внесла существенную лепту и небольшая компания PolyFuel (www.polyfuel.com), расположенная в Калифорнии. Именно она первой запустила в коммерческое производство ячеистую мембрану для метанольных топливных элементов. Как известно, ячеистая мембрана в топливном элементе разделяет отсеки, наполненные раствором метанола и катализатором. Если катализатор (различные компании предлагают разный химический состав) и раствор метанола смешать, то в результате химической реакции образуются свободные заряды, которые и можно использовать для питания портативного или карманного ПК. До недавнего времени мембраны, применяемые в метанольных топливных элементах DMFC, не отличались высокой плотностью, т. е. разделительный слой между метанолом и катализатором не был достаточно непроницаемым. В результате определенное количество химических реакций происходило спонтанно, что расходовало драгоценную энергию, повышало температуру топливного элемента и требовало от разработчиков использования растворов с низкой концентрацией метанола. Последний фактор, в свою очередь, влиял на срок работы метанольной батареи. Благодаря технологии, предложенной специалистами PolyFuel, стало возможным повысить концентрацию метанола до 50-100%. Как утверждают инженеры этой калифорнийской компании, данная разработка сможет существенно продлить срок действия батареи и позволит получить те же функциональные характеристики, что и сегодня, при трехкратном уменьшении габаритов топливного элемента.