Топливные элементы: обещанного три года ждут

Сергей Асмаков

Топливные элементы: за и против

Новые разработки

Перспективы

Заключение

 

Уже не первый год мы обращаемся к теме компактных топливных элементов. По мнению многих экспертов, именно эти источники питания придут на смену литиевым аккумуляторам, широко используемым в портативных электронных устройствах в настоящее время. Однако до сих пор нет однозначного ответа на главный вопрос: когда же наступит долгожданное будущее?

Для начала напомним, что представляют собой топливные элементы. Это специализированные химические реакторы, предназначенные для прямого преобразования энергии, высвобождающейся в ходе реакции окисления топлива, в электричество. Используемые уже в течение многих десятилетий гальванические батареи тоже преобразуют энергию протекающих в них химический реакций в электричество, однако у топливных элементов есть по крайней мере два принципиальных отличия. Во-первых, в них применяются не расходуемые в процессе работы электроды, а во-вторых, необходимые для поддержания реакции вещества подаются извне, а не закладываются внутрь элемента изначально.

К настоящему времени разработано довольно много топливных элементов, различающихся по конструкции, размерам, мощности, типу применяемого топлива и окислителя. В этой статье мы рассмотрим лишь небольшую их часть, а именно малогабаритные топливные элементы, предназначенные для использования в мобильных ПК и портативных электронных устройствах.

Для создания подобных источников питания обычно применяется один из двух типов топливных элементов: либо с ионообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM), либо с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC).

В PEM-элементах используются графитовые электроды и твердополимерный электролит (его часто называют ионнообменной мембраной). Топливом для элементов данного типа служит чистый водород, а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород. Рабочая температура PEM-элементов составляет около 80 °С, а для ускорения электрохимической реакции применяется катализатор (обычно тонкий слой платины на каждом из электродов). Одна ячейка такого элемента, состоящая из пары электродов и ионнообменной мембраны, способна генерировать напряжение порядка 0,7 В. Для создания источников питания с более высоким напряжением можно объединить несколько соединенных последовательно ячеек в батарею.

Элементы типа DMFC по сути являются усложненным вариантом PEM. Топливом для элементов DMFC служит метиловый спирт (метанол) или его водный раствор. Необходимый для проведения электрохимической реакции водород (и побочный продукт в виде углекислого газа) получается за счет прямого электроокисления метанола на аноде топливной ячейки. Рабочая температура DMFC-элементов составляет примерно 120 °С, однако для поддержания реакции, как и в случае PEM, нужно использовать катализаторы.

Топливные элементы: за и против

Какие же преимущества имеют компактные топливные элементы по сравнению с современными литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами? Обычный аккумулятор для возобновления запаса энергии необходимо подключать к внешнему источнику питания — как правило, работающему от электросети. Процесс подзарядки требует определенного времени (для современных устройств — порядка нескольких часов). Для того же, чтобы продлить работу топливного элемента, необходимо лишь пополнить запас топлива. Как утверждают разработчики, сделать это будет не сложнее, чем поменять картридж в струйном принтере. Еще одно важное отличие компактных топливных элементов от аккумуляторов заключается в том, что пользователю не придется ждать, пока накопится достаточный для продолжения работы заряд: выработка электроэнергии возобновится сразу же после запуска заправленного элемента.

В числе достоинств топливных элементов и большая продолжительность автономной работы. По этому показателю они значительно превосходят литий-ионные аккумуляторы сопоставимых размеров.

Разумеется, у топливных элементов есть и определенные недостатки. Так, необходимость использования жидкого топлива предъявляет особые требования к герметичности сменных картриджей и заправочных клапанов — ведь метанол является легковоспламеняющимся и к тому же ядовитым веществом. Водород требует не менее пристального внимания: его утечка может привести к взрыву, да и перегрев заправленного газом баллончика чреват весьма неприятными последствиями.

До недавнего времени действовал запрет на перевозку любых емкостей с метанолом и бутаном на самолетах гражданской авиации, поскольку эти вещества относятся к классу легковоспламеняющихся. По словам консультанта в области энергетических систем аналитического агентства Frost & Sullivan, именно этот запрет был одним из наиболее серьезных сдерживающих факторов для развития рынка источников питания на базе топливных элементов. Лишь в 2008 году Министерство транспорта США утвердило новую редакцию правил воздушных перевозок, в которой сделано исключение для картриджей топливных элементов.

Второй недостаток — это цена, которую придется заплатить конечным пользователям за возможность навсегда забыть о необходимости подключения гаджетов к электрической розетке. Хотя точных данных пока нет, вряд ли можно надеяться на то, что в обозримом будущем топливные элементы станут дешевле, чем литиевые аккумуляторы. И дело не только в том, что производителям надо возвращать средства, которые они на протяжении многих лет инвестировали в научно-исследовательские работы. В силу специфики условий эксплуатации компактные топливные элементы работают при относительно низкой (для подобных химических реакторов) температуре. Как уже было упомянуто в начале статьи, для поддержания электрохимической реакции в таких условиях необходимо использовать катализаторы, наиболее эффективными из которых являются сплавы на основе дорогих редкоземельных металлов, в частности платины. К тому же пользователям придется регулярно приобретать специальное топливо, а это неизбежно увеличит стоимость владения оборудованием.

Новые разработки

Для того чтобы читатели могли получить более полное представление о современном уровне развития технологий для создания компактных топливных элементов, приведем информацию о некоторых новинках, представленных ведущими разработчиками в минувшем году.

Результатом сотрудничества компании Sharp и коллектива ученых из французского Института электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (Institute of Electronics, Microelectronics and Nanotechnology, IEMN) стал миниатюрный топливный элемент типа DMFC. Его толщина — всего 1,7 мм, объем — 0,03 см3, а вес — 110 г. Выдающимся качеством этого элемента является высокая эффективность: используя всего один литр топлива, компактная энергоустановка может выработать до 385 Вт электроэнергии.

 

Рисунок

Зарядное устройство Mobion

В декабре 2008 года компания MTI MicroFuel Cells объявила о создании зарядного устройства с топливным элементом, построенным на базе чипа Mobion третьего поколения. Прибор работает на жидком топливе (метаноле), которое подается из сменных картриджей. Подключение портативных устройств осуществляется через стандартную розетку USB типа А. Как утверждают разработчики, емкости одного картриджа достаточно для выработки 25 Вт·ч электроэнергии, что позволит полностью зарядить аккумулятор современного мобильного телефона как минимум десять раз.

На международных выставках, проходивших в 2008 году, компания MTI MicroFuel Cells показала еще несколько интересных прототипов, иллюстрирующих различные сферы применения чипов Mobion. В качестве одного из примеров можно привести GPS-навигатор с гибридной системой питания, в которой объединены компактный топливный элемент и литий-ионный аккумулятор. Благодаря такому сочетанию время автономной работы навигатора удалось увеличить до 60 ч. Кроме того, встроенный топливный элемент навигатора можно использовать для подзарядки других портативных устройств, подключаемых к стандартной розетке USB.

 

Рисунок

Установка топливного картриджа
в зарядное устройство Mobion

Еще одно интересное устройство — съемный батарейный отсек для цифровых зеркальных фотоаппаратов. Место штатных аккумуляторов в привычном на вид корпусе заняли топливный элемент и сменный картридж с метанолом. По данным разработчиков, модифицированный отсек позволяет вдвое увеличить время автономной работы фотоаппарата, при том что его размеры остались прежними. Это весьма интересное устройство, поскольку его можно использовать как с новыми, так и с ранее выпускавшимися моделями цифровых зеркальных камер. Именно такие изделия могут оказать производителям компактных энергоустановок на базе топливных элементов помощь в завоевании своей доли рынка и симпатий пользователей на начальном этапе.

 

Рисунок

Сердце топливного элемента —
чип Mobion третьего поколения

Недавно стало известно, что MTI MicroFuel Cells заключила эксклюзивный контракт с компанией Samsung Electronics, в рамках которого будут разрабатываться топливные элементы для мобильных телефонов.

Кстати говоря, другие производители сотовых трубок тоже внимательно изучают возможности источников питания нового типа. Например, разработчики компании Motorola создали источник питания, который состоит из множества микроскопических PEM-элементов (размер каждого из них — всего 0,1x0,1x0,1 мм), размещенных на кремниевой подложке. Такая структура позволяет использовать для его изготовления литографический процесс, широко применяемый в настоящее время при производстве микросхем. Подача топлива (газообразного водорода) осуществляется через микроскопические отверстия в подложке, а окислителем служит кислород, содержащийся в воздухе. Информации о характеристиках этого элемента пока нет.

 

Рисунок

Этот GPS-навигатор оснащен гибридной
системой питания: топливный элемент
соседствует с литий-ионным аккумулятором

В ходе международной конференции Small Fuel Cells 2008, которая состоялась весной минувшего года, компания Sony продемонстрировала гибридный источник питания размером всего 30x50 мм, созданный сотрудниками исследовательской группы из подразделения Sony Material Laboratory. В миниатюрном корпусе им удалось разместить компактный литий-ионный аккумулятор, топливный элемент типа DMFC и управляющий их работой микропроцессор. Подача жидкого топлива (метанола) из картриджа емкостью 10 мл производится при помощи миниатюрного насоса. Как утверждают разработчики, данный источник питания способен работать с нагрузкой, потребляющей до 3 Вт мощности, а 10 мл топлива хватит для того, чтобы просматривать ТВ-передачи на экране мобильного телефона в течение 14 ч. По мнению инженеров, в перспективе источники питания нового типа могут найти применение в карманных медиаплеерах, сотовых телефонах, мобильных интернет-устройствах и прочих гаджетах.

 

Рисунок

Съемный батарейный отсек для зеркальных цифровых
фотоаппаратов, оснащенный топливным элементом

Японская компания NTT (Nippon Telegraph and Telephone) представила топливный элемент типа PEM собственной разработки. Весьма компактный прибор (65x40x8 мм) способен питать нагрузку мощностью до 4 Вт. Поскольку в этом элементе используется лишь одна топливная ячейка, напряжение на выходе которой составляет всего 0,7 В, разработчики установили в приборе преобразователь типа DC/DC, повышающий напряжение до более «удобоваримых» 5 В постоянного тока.

Пару интересных прототипов продемонстрировала в октябре 2008 года компания Panasonic. Один из них представляет собой автономный источник питания для подзарядки портативных ПК. Это устройство, работающее на метаноле, может питать нагрузку мощностью до 10 Вт. При подключении литий-ионного аккумулятора предельная нагрузка увеличивается до 20 Вт. Емкость топливного картриджа составляет 200 мл, вес зарядного устройства без картриджа — 320 г. Как утверждают создатели прототипа, он обеспечивает питание портативного ПК в течение 20 ч.

 

Рисунок

Гибридный источник питания для мобильных телефонов,
созданный инженерами Sony

Второй прототип Panasonic — это зарядное устройство для портативных медиаплееров, мобильных телефонов и т.д. Объем данного аппарата составляет 360 см3, вес — 350 г. Для подключения заряжаемых устройств предусмотрены две стандартные розетки USB.

Перспективы

Еще в 2004-2005 годах было анонсировано немало «практически готовых к запуску в серийное производство» устройств с компактными топливными элементами, и многие ожидали, что в 2006-м новая технология дебютирует на массовом рынке. Однако в силу целого ряда причин этого не произошло.

С тех пор минуло уже три года, а воз, как говорится, и ныне там. Вопрос о внедрении топливных элементов в коммерческие продукты для массового рынка и по сей день остается открытым. Что же говорят представители компаний о перспективах внедрения новых технологий в серийно выпускаемых продуктах?

Недостатка в комментариях по этому поводу нет, однако мнения производителей расходятся. Так, представители компании MTI MicroFuel Cells полны оптимизма и заявляют, что серийное производство зарядных устройств Mobion будет начато уже в конце текущего года. Представители Sony более осторожны в своих прогнозах: не отрицая, что компания планирует наладить массовый выпуск гибридных топливных элементов, они пока хранят упорное молчание относительно ориентировочных сроков их появления в продаже. В Panasonic считают, что процесс внедрения топливных элементов в серийно выпускаемые устройства потребует еще немало времени, и прогнозируют появление подобных продуктов на рынке не ранее конца 2012 года.

В начале августа 2008 года появились сведения о том, что компания Canon запатентовала конструкцию цифровой зеркальной фотокамеры, в которой в качестве источника питания используется топливный элемент. Информации о том, что Canon планирует в ближайшее время приступить к серийному выпуску фотоаппаратов подобного типа, пока нет. Видимо, данная конструкция запатентована с прицелом на долгосрочную перспективу.

Судя по всему, первыми серийными изделиями на базе компактных топливных элементов станут портативные зарядные устройства. Во всяком случае, с учетом реалий современного рынка портативных электронных устройств, такой сценарий выглядит наиболее предпочтительным. Пользователи получат возможность самостоятельно убедиться в достоинствах и недостатках нового решения с минимальными затратами, а производители смогут опробовать новые технологии в доступных продуктах.

Если обкатка новых технологий в портативных зарядных устройствах пройдет успешно, наиболее логичным шагом в дальнейшей экспансии станет выпуск топливных элементов для ноутбуков. Ведь не секрет, что сегодня аккумуляторные батареи портативных ПК являются самым настоящим расходным материалом. Зачастую уже после полутора-двух лет активного использования ноутбука штатный аккумулятор приходит в полную негодность. Естественно, что в таком случае топливный элемент, способный проработать без замены в течение всего срока эксплуатации ноутбука, предпочтителен — ведь расходы на покупку топлива вряд ли окажутся выше, чем затраты на приобретение новых аккумуляторов. Кроме того, даже на современном этапе развития технологий топливные элементы позволяют увеличить время автономной работы ноутбука до 14-20 ч, что значительно превосходит показатели лучших литий-ионных аккумуляторных батарей.

Что касается встроенных источников питания портативных электронных устройств, то здесь ситуация сложнее. Штатные аккумуляторы современных цифровых фотоаппаратов и портативных медиаплееров служат достаточно долго и во многих случаях вообще не требуют замены. По большому счету, потребности большинства покупателей вполне удовлетворяют и современные аккумуляторы, так что убедить их приобрести довольно дорогую вещь, оснащенную совершенно новым типом источника питания, будет весьма непросто. К тому же вместо «почти бесплатного» электричества, потребляемого подключаемым к розетке зарядным устройством, придется регулярно раскошеливаться на топливные картриджи.

Не стоит забывать и о том, что топливным элементам необходим приток воздуха извне, а следовательно, они не подходят для некоторых видов портативных устройств — например всепогодных цифровых фотоаппаратов, рассчитанных в том числе и на работу под водой.

Заключение

Итак, можно с уверенностью констатировать, что привычные литий-ионные аккумуляторы успеют еще немало времени послужить нам, прежде чем топливные элементы начнут всерьез теснить их позиции в сегментах портативных ПК и электронных устройств. Помимо чисто технических сложностей перед производителями стоит еще одна непростая задача: наладить каналы распространения топливных картриджей, которые должны стать таким же доступным товаром, каким сегодня являются батарейки. Но, тем не менее, можно не сомневаться в том, что эра топливных элементов рано или поздно наступит.

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 3'2009