11 лет назад 24 июля 2009 в 16:31 387

В общем понятно сразу – штука весьма серьезная. И что немаловажно, крайне актуальная в эпоху прожорливых видеокарт, процессоров с кучей ядер и безумными частотами, МФУ с поддержкой GSM / 3G, и прочее, и прочее, и прочее… Энергия – она как воздух: пока ее достаточно, не задумываешься о природе ее происхождения. Действительно, элементам питания отведена, пожалуй, самая неблагодарная роль в мире высоких технологий. Приобретая, к примеру, персональный компьютер, среднестатистический обыватель если и уделяет внимание блоку питания, то исключительно на уровне беглого взгляда на количество ватт на этикетке, не более того. В то же время технологические прорывы в области «элитарных» комплектующих получают широкую огласку. Ну а удел всяких там аккумуляторов и батареек – не вякать да выполнять свою грязную работу, а именно обслуживать и удовлетворять все потребности системных компонентов «высшей касты».

Примерно так выглядела картина до недавнего времени. Возможностей существовавших и продолжающих существовать в наши дни источников энергии хватало практически на все. Однако прогресс и руки инженеров-разработчиков неуемны. Времена, когда обыкновенный среднестатистический мобильник проживал неделю «на одном дыхании», давно канули в Лету. Иго электросетей жестко контролирует свободу передвижения, кажется, что существующие ныне источники питания вот-вот окончательно исчерпают свои ресурсы, и тогда уж точно наступит … Но, нет, не все так мрачно. Ведь в такие моменты, когда невеселые мысли о судьбах планеты все чаще начинают посещать светлые головы, нестандартные решения перестают казаться такими уж нелепыми и утопическими. Итак, самое время развеять мифы о несостоятельности альтернативных источников энергии. По крайней мере, одного из них так точно. Знакомьтесь: очень перспективные топливные элементы…

История
Принципиальное отличие топливных элементов от других источников питания заключается в том, что вещества, необходимые для электрохимической реакции (они же «топливо» и окислитель), подаются в устройство откуда-то извне. Иными словами, если обычная солевая батарейка заканчивает свои дни в мусорном ведре, то ее топливный собрат в теории вечен, покуда есть это самое топливо. Итак, для начала небольшой общеобразовательный экскурс в историю происхождения топливных элементов. Вообще интерес наиболее прогрессивной части населения к искусственным источникам электричества приобрел массовый характер в начале XIX века. На рубеже двух столетий итальянским физиком Алессандро Вольтой был разработан, по сути, прототип современной солевой батарейки.

Полуметровая стопка гальванических элементов – медных и цинковых пластин, между которыми располагался слой пропитанной солевым раствором ткани, – стала первым в мире рукотворным источником постоянного тока. У итальянского ученого возникла естественная потребность показать общественности свое изобретение. Он опубликовал подробные инструкции по сбору устройства, и заинтересовавшиеся прибором английские естествоиспытатели Энтони Карлайл и Уильям Николсон оказались первыми свидетелями электролиза воды (после того как им удалось собрать батарейку по рецепту господина Вольты). На протяжении следующих четырех десятков лет все уважающие себя физики, мало-мальски желавшие самоутвердиться на поприще электродинамики, разрабатывали новые модификации вольтова столба.

К слову сказать, существовало две версии источников от создателя самого первого столба: помимо уже описанного имелась сборка, представлявшая собой батарею из сосудов, наполненных раствором, в которые и были погружены соединенные электроды (именно она приобрела большую популярность в научных и околонаучных кругах). Здесь возникает закономерный вопрос: почему же всякого рода промышленники не имели никакого желания применять эти достижения науки в производстве? Закономерный ответ: гальванических элементов хватало совсем ненадолго (время работы различных модификаций, безусловно, разнилось, но, к примеру, батарейки «первого поколения» жили не более десяти минут, после чего им нужно было давать тайм-аут).

Спустя еще какое-то время естествоиспытатели поняли, что происходит это из-за поляризации электродов, то есть в результате образования на электродах веществ, содержащихся в электролите и ослабляющих силу ионной проводимости. Независимо друг от друга два физика, англичанин Джон Дэниел и россиянин немецкого происхождения Борис (Мориц Герман фон) Якоби, практически одинаково реализовали уже витавшую в воздухе идею. Оптимальный вариант, предложенный Якоби, выглядел примерно так: сосуд чашечной батареи был разделен пористой перегородкой на две зоны. «Личное пространство» цинкового электрода было заполнено сульфатом цинка, тогда как медного – сульфатом меди. В результате электроды не вступали в реакцию с персональными электролитами, что и способствовало созданию стабильного источника электричества.

В общем-то тут уже и пора переходить к непосредственной теме статьи. Первый топливный элемент, вопреки сложившимся стереотипам, был собран отнюдь не каким-нибудь почтенным седовласым физиком, а молодым энтузиастом Уильямом Робертом Гроувом. Более того, основным родом деятельности этого молодого человека было судопроизводство. Так вот, однажды юноша, целомудренно и с пользой коротавший свой досуг за наблюдением электролиза воды, заметил нечто необычное. Вероятно, он был немало удивлен, когда, вдоволь наэкспериментировавшись и уже разбирая свою естествоиспытательскую установку, стал свидетелем случая, приведшего к решающему открытию. Ионы водорода на уже отключенном от источника аноде вызвали обратную электролизу реакцию, очевидным продуктом которой был собственно электрический ток. Отличие его источника от уже существовавших на тот момент заключалось лишь в том, что электроды были изготовлены из платины. В итоге, во-первых, был создан топливный элемент. Ну а во-вторых, выяснилось, что процесс электролиза оказался обратимым, благодаря чему и стало возможно, собственно говоря, «во-первых».

Физика и химия
По сути, топливные элементы являются такими же источниками электрохимической энергии, как и традиционные элементы питания. Однако технологические особенности обеспечили «альтернативщикам» безусловное преимущество – ТЭ преобразуют энергию топлива в электричество, минуя промежуточные процессы, свойственные другим источникам. А ведь именно в этих промежуточных процессах и теряется львиная доля энергии. Итак, коротко и ясно формулируем специфику топливных элементов: во-первых, необходимые для реакции вещества подаются извне, во-вторых, топливо магическим образом сразу же превращается в электричество. То бишь если батарейка – это симбиоз «горючего» и электрохимического генератора, то ТЭ представляет собой последний в чистом виде. Схема работы наиболее распространенного в «мирских» областях применения типа топливных элементов проста до гениальности. Ну или, по крайней мере, вполне доступна для понимания.

Водородно-кислородный ТЭ. Он же ТЭ с полимерным электролитом, он же низкотемпературный ТЭ, ячейки которого работают следующим образом.
В элемент со стороны анода попадает водород. Под действием катализатора атомы водорода расщепляются на положительные ионы и электроны.
Дальше вся ответственность падает на так называемую мембрану, которая по сути своей является аналогом электролита в обыденной батарейке. Свойство мембраны таково, что она пропускает протоны и задерживает электроны, в результате чего они скапливаются на аноде. Анод приобретает отрицательный заряд, тогда как катод, обросший прошедшими сквозь мембрану протонами, – положительный. Вот уже и появилось напряжение порядка 1 В.

Со стороны катода подается кислород. Когда ячейка подключена к нагрузке, электроны, скопившиеся на аноде, перемещаются к катоду. В результате протоны, электроны и кислород вступают в следующую, со школьной скамьи знакомую реакцию: 2H2 + O2 ® 2H2O. Не так уж сложно догадаться, что в результате реакции образуется вода и, естественно, электричество за счет бегущих по внешней цепи электронов. Ну и еще какая-то часть энергии все же уходит в тепло из-за несовершенности материалов и проводников (тепла вырабатывается на самом деле не так много, и рабочая температура держится в пределах 40-80 °С)… Вот и все тонкости. Надо отметить, что электроды чаще всего изготавливаются из угля. На поверхность угольных пластин наносится тонкий слой платины, являющейся катализатором.

На практике возникает, однако, довольно много вопросов, и первый из них – где брать водород? Конечно же, здесь можно вспомнить о водолазах: баллоны со сжатым водородом – как вариант это хорошо… не будь этот вариант опасным. Тогда, быть может, можно использовать водородные соединения по аналогии с Ni-MH-аккумуляторами? Вполне имеющий право на существование способ, если бы в любом супермаркете можно было не только положить на телефон деньги, но и зарядить на водородной заправке пару картриджей для его аккумулятора (и опять же, такие заправки могут представлять опасность). Щелочной ТЭ. Этот тип топливных элементов пока что не для простых смертных. Основная область его применения – космические станции и корабли. Главное отличие этого семейства элементов от предыдущего – применение щелочного электролита (чаще всего используется гидроксид калия, обладающий наибольшей ионной проводимостью).

Скорость катодной реакции щелочных топливных элементов больше оной кислородно-водородных где-то в пять раз. В конечном счете это влияет на КПД: в таких источниках он спокойно зашкаливает за 60%. Кроме всего прочего, ЩТЭ более демократичны и не требуют катализаторов, принадлежащих к группе благородных металлов. В качестве топлива можно использовать обыкновенный этиловый спирт. Читать лекции о других типах альтернативных батареек было бы бессмысленно. Но, думаю, интуиция никого не подвела, и вот она, закономерная ложка дегтя в бочке электролита. Итак, в отличие от низкотемпературного ТЭ, его щелочной собрат весьма неэкологичен из-за углекислого газа, являющегося одним из продуктов катодной реакции. Да и использование этилового спирта подразумевает его предварительное расщепление на водород и CO2, а это целая история, так как понятия «топливный преобразователь» и «портативность», может, когда-нибудь и будут совместимы, но только не в обозримом будущем…

Схема классического ТЭ. Анод за счет освободившихся электронов приобретает отрицательный заряд, а катод, обросший прошедшими сквозь мембрану ионами водорода, – положительный
Схема классического ТЭ. Анод за счет освободившихся электронов приобретает отрицательный заряд, а катод, обросший прошедшими сквозь мембрану ионами водорода, – положительный

Твердооксидный ТЭ. Этот тип топливных элементов – самый неприхотливый и нетребовательный в «уходе». Во-первых, у него нет жестких «гастрономических» ограничений, предписывающих какое-то конкретное топливо. Во-вторых, ни одну его деталь нельзя продать как драгметалл. Однако температурный режим ТОТЭ наводит на мысли, что это не только источник питания, но и отопительная система, которая всегда с тобой: слишком уж значительна нижняя граница температурного разброса – 600 °С…  Будущее твердооксидных элементов, безусловно, зависит от того, насколько сильно мотивированы инженеры, пытающиеся сделать эти источники менее темпераментными.

Твердополимерные метаноловые ТЭ. Долго мучились инженеры в поисках еще какой-нибудь модификации топливного элемента, которая могла бы избавить человечество от всех или почти всех энергетических проблем. И казалось, что вот оно, решение, – метаноловый ТЭ. От водородно-кислородного он выгодно отличается используемым катализатором и, как нетрудно заключить из названия, топливом. К тому же подобное устройство позволяет сразу забыть обо всем спектре недостатков водородных заправок и о неподъемных топливных преобразователях. Весь секрет, как уже было сказано, в используемом катализаторе: это чудесное приспособление позволяет выделять протоны водорода прямо из настойки токсичного технического метилового спирта. Да-да, не зря обращаете внимание на одно из прилагательных: метанол, так же как и углекислый газ, – вещество не очень-то полезное для хлипкого человеческого организма. Так что опять получается, что все законы жанра соблюдены: неидеален и этот источник энергии.

Фосфорно-кислотный ТЭ. Здесь в качестве электролита выступает бумажная матрица, пропитанная фосфорной кислотой. Фосфорная кислота, естественно, обладает тем же свойством, что и все прочие мембраны и драгметаллы, используемые в ТЭ, то есть задерживает электроны. Данный тип топливных элементов применяется для обеспечения теплом и электроэнергией жилых зданий (этому способствует высокий КПД – при использовании всего потенциала установки, включая образующийся пар, это порядка 80%) и к миниатюрной электронике вряд ли будет иметь отношение.

ТЭ на расплаве карбоната. Этот элемент является еще одним представителем альтернативных стационарных электростанций. Для общего образования скажу лишь, что работает он при 650 °С, чтобы «разогнаться» до такой температуры, установке нужно сравнительно немалое время. В качестве электролита используется смесь лития и калия. Ну а высокий градус позволяет экономить на покрытии электродов: в данном случае используют никель.

Итак, главная фишка топливных элементов становится видна невооруженным глазом – это высокий, не имеющий жестких ограничений коэффициент полезного действия (те, кто еще кое-как ориентируется в школьном курсе физики, вероятно, вспомнят о тепловых машинах, «потолком» производительности которых является цикл Карно). Падает КПД из-за сопротивления электролитов, потерь при диффузии и прочих «механических» препятствий, влияние которых в теории можно бесконечно приближать к нулю. Причем в основном коэффициент зависит не столько от различий в технологии производства, сколько от используемых в ТЭ материалов.

Очень прикладная экономика
В общем-то задумываться о применении топливных элементов в реальной жизни инженеры начали относительно недавно: слишком уж много здесь подводных камней, включая высокую себестоимость и сложность разработки. Если масштабность и научная ценность «Бурана» еще позволяла так безбожно тратиться, то вряд ли платиновая «соска» для мобильника имеет отдачу, сопоставимую с отдачей космического корабля… Итак, цена. Кто виноват, и что делать? Одним из самых дорогостоящих компонентов альтернативной батарейки является высокотехнологичная мембрана (она же по совместительству обладает и наибольшим омическим сопротивлением). Наименьшие потери, проходя сквозь мембрану, демонстрируют жидкости, поэтому в ТЭ, работающих на газообразном топливе, ставят дополнительные устройства, увлажняющие газ, а это еще некоторое количество овальных портретов Франклина. О том, что применение платиновых катализаторов также существенно сказывается на конечной стоимости продукта, думаю, напоминать было бы излишне.

Конструкционные сложности начинаются на этапе охлаждения системы. Если в больших элементах можно с чистой совестью использовать циркуляцию образующейся воды, то при разработке маленьких батареек это уже не получится. Здесь приходится прибегать к хорошо знакомым кулерам. В итоге изящная система в реальной жизни превращается в сложное устройство, состоящее из многих компонентов. Самое время для нескольких цифр: стоимость киловатта топливной энергии в 2005-2006 годах составляла порядка $500-1000. По некоторым прогнозам, эта цифра должна будет снизиться до каких-нибудь $30 к 2020-му. Но и здесь на помощь могут прийти достижения нанотехнологий – пожалуй, самая модная научная тенденция действительно может повлиять на бюджетное будущее тепливных элементов. Несколько ведущих производителей, занимающихся исследованиями в области ТЭ, уже заявили о разработке новых катализаторов на основе наночастиц. Из всего этого можно сделать вывод, что инженерам предстоит в одном устройстве совместить абсолютно несовместимые вещи: миниатюрные габариты и высокую производительность. И главное, сделать конфетку доступной.

Эпилог
Производители, изобретатели, энтузиасты, просто интересующиеся источниками энергии люди смогли в фоновом режиме в своих статьях убедить меня, что топливные элементы – это единственная имеющаяся технология, которая может обеспечить выживание прожорливого электронного семейства. То, что она единственная из уже имеющихся, так это вообще перестало вызывать у меня какие бы то ни было сомнения. В принципе не могу сказать, чтобы я из-за этого сильно огорчилась: уж больно красив принцип действия ТЭ. Если к нему добавится экономичность, будет совсем замечательно. Ну а если бы еще разработчики направили все свои силы на развитие водородно-кислородных систем, успокоились бы и «зеленые».

Настораживает только одно: нежелание производителей открыто афишировать развитие технологии в целом. Пользователи – как это ни странно, люди довольно консервативные. Поэтому приучать их ко всякого рода новшествам, да тем более к каким-то непонятным колбочкам, в которых плещется вода, надо заблаговременно. Самое время начать заниматься этим сейчас, пока еще не настал тот самый переломный момент, когда «обычные и необычные» солевые батарейки займут заслуженное место в музеях.

Самая маленькая…
С амая маленькая на данный момент топливная ячейка появилась на свет в январе этого года в США: ее размеры составляют 3 х 3 х 1 мм. В модуле реализована водородно-кислородная система выработки электричества. ТЭ состоит из двух камер: в одной находится вода, в другой – металл-гидрид. Между камерами находится двуслойная пористая мембрана, которая позволяет молекулам пара перемещаться из верхней камеры в нижнюю только тогда, когда снизу на нее не оказывается давление. В результате реакции между паром и металл-гидридом образуется водород, который и давит на нижний слой мембраны, перекрывая таким образом доступ новым молекулам пара. Под металл-гидридом находятся электроды. Водород в наличии, кислород тоже имеется – и когда ячейка подключена к нагрузке, начинает течь ток. Первый тестовый экземпляр показал следующие результаты: напряжение – 0,7 В, ток – 0,1 мА, а длительность этого действа не превышает получаса. Разработчики утверждают, что уже существует модификация, генерирующая ток силой в 1 мА, и что подобные элементы питания уже можно спокойно применять в простых электронных устройствах со скромными запросами.

Panasonic и Samsung
К омпания Panasonic, в отличие от других производителей электроники, придерживается той политики, что достижения в области топливных элементов должны становиться достоянием общественности из доступных пресс-релизов. Если о большинстве сторонних разработок в этой сфере становится известно только на высокотехнологичных выставках, то «Панасоник» не считает необходимым шифроваться. Итак, стало доподлинно известно, что японцы развивают ряд компактных моделей топливных элементов, которые даже сейчас вполне могли бы применяться в ноутбуках. Продолжительность работы уже существующих экземпляров батарей для ноутбуков – 20 ч. В качестве топлива используется метанол.

Также доводится до ума внешний элемент, который можно будет подключить практически к любому небольшому устройству вроде мобильника, КПК или камеры. Разработчики не торопятся радовать пользователей, прогнозируя начало продаж подобных устройств аж в 2012 году. Корейская же компания уже продемонстрировала свои достижения в области развития альтернативных источников электричества на примере работающего тандема – нового топливного элемента и ноутбука серии Q35. Батарея, которая в два раза толще самого лэптопа, способна, согласно официальной информации, питать устройство в течение месяца. Элемент из семейства твердополимерных метаноловых использует уже описанную мной мембрану, которая выделяет протоны прямо из топлива. Габариты оставляют желать лучшего, разработчики это понимают, а посему серийный выпуск налажен не будет.

Толковый словарь
Поскольку не все помнят школьный курс химии, я позволила себе сделать маленький словарик химических терминов.
Электролиты – вещества, в которых электрический ток осуществляется за счет ионной проводимости.
Ионная проводимость – упорядоченное движение ионов под действием электрического поля.
Ионы – атомы или молекулы, имеющие заряд (напомню, что наличие заряда обусловлено присоединением или потерей энного количества электронов).
Электроды – проводники, соединенные с источником тока. Таким образом они создают электрическое поле, провоцирующее ионную проводимость.
Анод – положительно заряженный электрод.
Катод – отрицательно заряженный электрод.
Электролиз – электрохимический процесс, сопровождающий прохождение тока через жидкость. В результате электролиза на электродах образуются вещества, входящие в состав электролита.

Никто не прокомментировал материал. Есть мысли?