Топливный элемент: электростанция в твоем мобильнике

На родине атомной бомбы, в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, физик Боб Хокадей разрабатывает новый источник энергии - долговечный источник питания, который может совершить революцию в портативной электронике. Хокадей не сомневается, что сумеет отправить обычные аккумуляторные батарейки на свалку, а взамен мы должны получить топливные микроэлементы. Иными словами, миниатюрные электростанции, в основу которых положена технология с историей в 160 лет. Еще немного, и они в течение нескольких недель подряд будут питать PDA-компьютеры, ноутбуки, сотовые телефоны и любую другую портативную технику. "Наша цель – создать для мобильного телефона источник питания, который не нужно будет перезаряжать в течение месяца", - говорит Хокадей. Он уже основал научно–исследовательскую компанию Energy Related Devices, став одним из пионеров данного направления. Топливными элементами увлеклись и гиганты в области электронной промышленности - Samsung, Toshiba, Motorola.

Обычные источники питания, применяемые в портативных приборах, то есть ионно-литиевые аккумуляторные батареи, садятся в самый не подходящий момент, после чего надо потратить несколько часов для их перезарядки, хорошо, если есть где, а о весе батарей для ноутбука и говорить не приходится. И этот далеко не полный список проблем призваны исправить "Микроэлектростанции". Как и обычные топливные элементы, они вырабатывают ток за счет реакции водорода с кислородом, в процессе которой получается вода. Только в качестве первичного топлива водород не годится, возникает проблема с хранением. Поэтому в качестве реагента было решено использовать метанол - метиловый спирт. И уже из него извлекать водород. Этот способ, правда, не лишен недостатков. Реакция реформинга, в результате которой метанол и вода превращаются в водород и углекислый газ, лучше всего происходит при температуре 250 градусов. Достаточно приличная температура для ношения в кармане, да и сам реактор не миниатюрен. Однако за последние годы ученые разработали топливные элементы с "прямым" преобразования метанола – DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Благодаря платиновому катализатору, реакция по извлечению водорода может проистекать при комнатной температуре, и, что не маловажно, эта технология не требует большой емкости.

В начале 2002 года мюнхенская компания SFC (Smart Fuel Cell) объявила о создании "самого компактного топливного элемента с прямым преобразованием метанола". Вес установки – два килограмма, размер – с обычный кирпич. В ходе экспериментов в установку залили чуть меньше 200 мл метилового спирта и в течение восьми часов получали напряжение мощностью в 40 ватт. Этого вполне достаточно, чтобы одновременно питать ноутбук, сотовый телефон и принтер. На данный момент известно, что компания уже имеет опытный образец, который в два раза меньше и легче своего предшественника при той же вырабатываемой мощности. Испытание новинки пройдут в этом году. Йенс Миллер, технический директор SFC, прогнозирует, что с началом производства топливные элементы будут ничуть не дороже ионно-литиевых батарей того же размера. Преимущество DMFC перед обычными аккумуляторами очевидно. У топливных элементов есть еще один плюс, в отличие от обычных аккумуляторов их мощность не рассеивается, пока устройство выключено. К тому же, со временем они не утрачивают аккумулирующих свойств. "С топливным элементом все гораздо проще: продолжительность его работы зависит от количества "горючего"", - говорит Хокадей.

Но несмотря на все явные преимущества, топливные элементы пока не могут заменить литиевые батареи, по крайней мере, в телефонах. Первостепенная задача, стоящая перед SFC, - обеспечить метаноловыми картриджами возможных потребителей. Т.е. SFC необходимо насытить рынок, сделать, чтобы картриджи продавались везде, и человек мог придти в магазин и без проблем купить раходник для своей станции. "Распределение товара – это препятствие, которое мы обязательно преодолеем", - обещает Мюллер.

Но есть и другие проблемы, одна из них – удельная мощность, то есть мощность, производимая на единицу массы или объема. Этот параметр очень важен для портативных устройств, поскольку от него зависит размер и вес. Чем выше удельная мощность, тем меньше вес и соответственно размеры.

"Я уверен, что топливные элементы найдут применение в современных мобильных телефонах, - говорит Дэвид Харт, глава подразделения по исследованиям в области топливных элементов в Центре энергетической политики и технологии (Centre for Energy Pilicy and Technology) при Имперском колледже в Лондоне. – Технически очень трудно изготовить миниатюрные топливные элементы, которые смогут уместиться в корпусе мобильника и одновременно обеспечить пользователя таким же объемном мощности, что и обычные батареи".

Ионно-литиевая батарея выдает 150 ватт-часов на килограмм, а топливный элемент SFC - 160, неплохой показатель. Однако за счет контейнера с топливом масса и объем элемента увеличиваются. Таким образом, изготовить малогабаритный источник питания, который сможет вместить достаточно топлива и одновременно стать меньше обычной батареи, не так просто. Стоимость – еще одно препятствие для данной технологии. Хотя литр метанола вряд ли превышает стоимость десяти центов, это вещество обладает коррозийными свойствами, поэтому упаковка обойдется недешево. За одну 250- миллиметровую ампулу спирта придется отдать три доллара. Запредельная цена, если сравнивать с подзарядкой телефона от обычной розетки. Кроме того, в процессе работы SMFC потребляют кислород, выделяя при этом углекислый газ. Это вынуждает к принудительному "проветриванию". Но мобильники, как правило, носят либо в карманах брюк, либо в сумочках. "Это не лучшая среда для топливного элемента", - считает Мюллер. Хокадей соглашается: "Топливному элементу нужно дышать". И, наконец, топливные элементы лучше всего работают, когда жидкость течет свободно. К тому же у элемента есть подвижные части, чувствительные к ударам и толчкам, которым часто подвержен телефон. "Это все равно, что проектировать живое существо", - объясняет Хокадей и предлагает некоторые решения.

Его последняя разработка с прямым преобразованием метанола по размерам не больше кредитной карты. Соответственно, элемент все же можно вместить в мобильник. Хокадей также утверждает, что смог избавиться от подвижных частей. Вместо них он применяет специально сконструированную ампулу, в которой метанол диффундирует в рабочую камеру через пористую поверхность, а отработанная вода уходит из камеры благодаря капиллярному эффекту. "В топливном элементе для мобильного телефона все будет зависеть от диффузии, - объясняет он. - Его можно повернуть вверх дном и даже уронить, и ничего не случится". Хокадей придумал своему изобретению и первое применение, сделал зарядное устройство для мобильного телефона, которое можно носить на ремне. Своего рода заряжающая кобура. "По сути, это гибридный подход. Ваш телефон по прежнему работает на литиевой батарее, которая постоянно заряжается, пока вы ее носите в кобуре". В ходе лабораторных испытаний образец устройства Хокадея в течение полугода работал непрерывно.

Пока не удается убедить производителей в преимуществах топливных элементов для мобильных телефонов. Но ноутбуки открывают более широкие перспективы. Короткое время работы батарей ноутбука - общеизвестный факт. Новомодные модели, снабжены энергоемкими функциями, включая беспроводной доступ в Интернет, и более ярким дисплеем, в результате современные аккумуляторы едва ли дотягивают до трех часов работы. А топливные элементы могут увеличить это время в пять раз, говорит Мюллер.

Компания SFC разрабатывает гибридную батарею для лэптопа, которая содержит подзаряжающий топливный элемент. Опять же возникает проблема перевозки. "Сегодня ни одна авиакомпания не разрешает брать ампулы с чистым метанолом в салон", - объясняет Харт. Ну, а если невозможно брать их с собой, то и покупать их никто не будет. Мюллер соглашается, но считает, что дело лишь во времени. "Уже есть разрешение от международной ассоциации авиатранспорта на перевозку наших картриджей в багажном отделении. И теперь мы добиваемся, чтобы можно было брать их в салон, - говорит он. - Метанол не более опасен чем духи, которые продают во время полета".

У исследователей есть стимул. Один из них - создание мобильных телефонов третьего поколения. Телекоммуникационные фирмы вкладывают в них огромные средства. Первые образцы уже существуют в Японии, однако принимают их с прохладно и причина вот в чем. Используемая в них батарея выдерживает только от двадцати до сорока минут работы. Ведь устройство в десять раз быстрее обычного телефона передает большие объемы данных по высокочастотному радиоканалу. "Все гиганты японской электронной промышленности, включая такие фирмы, как NEC, Sony и Toshiba, разрабатывают топливные элементы для телефонов третьего поколенья", - говорит Харт.