В чем состоит преимущество топливных элементов над обычными энергоустановками

Преимущества и недостатки электростанций на топливных элементах

• Топливные элементы просты по своей природе, долговечны и редко требуют технического обслуживания и ремонта.
• Топливные элементы эффективнее, чем обычные генераторы, для мелкомасштабного обеспечения электроэнергией.
• Водород — наиболее предпочтительный источник энергии для топливных элементов — нетоксичен.
• При соблюдении правил эксплуатации водородный топливный $ элемент производит пренебрежимо малое количество загрязняющих атмосферу газов и не делает пылевых загрязнителей вовсе. Даже если топливом для топливного элемента служат более привычные метан или пропан, уровень загрязнения окружающей среды все равно ниже, чем при работе с традиционным генератором на двигателе внутреннего сгорания.
• Использование топливных ячеек позволяет избежать зависимости от импорта нефти.
• Производство водорода для топливных ячеек может при наличии соответствующей инфраструктуры доставки и хранения — повысить запас топлива для обогрева.
• Действующие газопроводы можно использовать для подачи метана на электростанции с топливными элементами, применяющими этот газ.
• Некоторые виды топлива, подходящие для использования в топливных элементах, можно производить на небольших местных предприятиях.
• Иногда местные власти стимулируют применение альтернативной энергетики (включая топливные элементы) с помощью налоговых льгот и субсидий.

Недостатки электростанций на топливных элементах

• В некоторых районах обслуживание топливных элементов затруднительно из-за недостатка запчастей или опытных техников.
• Доставка и хранение топлива для водородных топливных элементов представляют собой главное технологическое препятствие широкому распространению малых электростанций такого типа, хотя это ограничение не касается жидких видов альтернативного топлива.
• Удельная энергия (энергоемкость) водорода по сравнению с другими видами топлива относительно низка. Это ограничение также не касается жидких видов альтернативного топлива.
• Водород чрезвычайно горюч и взрывоопасен. Это ограничение обычно не относится к жидким видам альтернативного топлива.
• Водородные топливные элементы достаточно дороги в эксплуатации, в основном из-за стоимости процессов, связанных с выделением свободного водорода из его природных форм. Жидкие виды альтернативного топлива, как правило, не имеют такого недостатка.
• Некоторые виды топлива, такие как дизельное или биодизель, в холодную погоду становятся более вязкими, что может вывести топливный элемент из строя.
• Другие виды топлива — метанол или бензин, например, — могут быть токсичны при прямом контакте.

Можно ли модифицировать систему, так, чтобы она могла использовать иные источники энергии — солнечные батареи, ветряные турбины или и то и другое? Как это можно сделать? Можно ли целиком обеспечить жилой дом электричеством за счет подобной системы, чтобы не зависеть от коммунальных электрических сетей?

Это возможно, но дорого. Так, солнечная батарея или солнечная панель может заряжать аккумуляторы, пока стоит солнечная погода. Ветряная турбина может использоваться в качестве вспомогательного источника электроэнергии, работая ветреными ночами или облачными, но ветреными днями. Топливный элемент будет подключаться к системе, когда энергии ветра и солнца недостаточно для обеспечения электричеством дома или предприятия. Компьютерная система управления энергообеспечением контролирует весь процесс, постоянно гарантируя наиболее эффективное использование энергии. Подобная гибридная система обеспечивает полную независимость от коммунальных электрических сетей, но для ее успешной работы необходимы разнообразные и изобильные источники энергии.

Технология преобразования энергии в виде топливных элементов

Топливный элемент-это электрохимическое устройство, подобное первичной или вторичной батарее, которое преобразует химическую энергию из топлива непосредственно в электрическую; но в отличие от батарей, процесс преобразования энергии в топливном элементе непрерывен при непрерывной внешней подаче топлива.

Топливные элементы-это устройства, которые преобразуют химическую энергию (часто в виде водорода) в электричество, не проходя через стадию горения.

Водород является наиболее распространенным топливом, но иногда используются углеводороды, такие как природный газ и спирты, такие как метанол.

Топливные элементы отличаются от батарей тем, что они требуют постоянного источника топлива и кислорода для работы, но они могут производить электричество непрерывно до тех пор, пока эти источники поставляются.

Виды топливных элементов

Существует несколько видов топливных элементов, и каждый работает немного по-разному.

Но в общих чертах принцип работы в том, что атомы водорода попадают в топливный элемент на аноде, где химическая реакция лишает их электронов. Атомы водорода теперь «ионизированы» и несут положительный электрический заряд. Отрицательно заряженные электроны обеспечивают ток через провода для выполнения работы. Если требуется переменный ток (AC), то выход постоянного тока топливного элемента должен быть направлен через преобразовательное устройство, называемое инвертором.
Кислород поступает в топливный элемент на катоде и там соединяется с электронами, возвращающимися из электрической цепи, и ионами водорода, прошедшими через электролит с анода. В других типах клеток кислород захватывает электроны и затем перемещается через электролит к аноду, где он соединяется с ионами водорода.
Электролит играет ключевую роль. Он должен пропускать только соответствующие ионы между анодом и катодом. Если бы свободные электроны или другие вещества могли проходить через электролит, они бы нарушили химическую реакцию.
Соединяются ли они на аноде или катоде, вместе водород и кислород образуют воду, которая вытекает из клетки. Пока топливный элемент снабжен водородом и кислородом, он будет вырабатывать электричество.

Щелочные

Щелочные топливные элементы работают на сжатом водороде и кислороде. В качестве электролита они обычно используют раствор гидроксида калия в воде. Эффективность около 70 процентов, и рабочая температура от 150 до 200 градусов C. Выходная мощность ячейки колеблется от 300 Вт (Вт) до 5 киловатт (кВт). Щелочные ячейки использовались в космических аппаратах «Аполлон» для обеспечения как электричества, так и питьевой воды. Однако им требуется чистое водородное топливо, а их платиновые электродные катализаторы стоят дорого. И как любой контейнер, наполненный жидкостью, они могут протекать.

Протонообменные мембранные

Протонообменные мембранные топливные элементы работают с полимерным электролитом в виде тонкого проницаемого листа. Для работы применяется водородное топливо и кислород из воздуха. Основой элемента является тонкая полимерная пленка, представляющая электролит.
КПД составляет от 40 до 50 процентов, а рабочая температура-около 80 градусов по Цельсию. Выходы ячеек обычно варьируются от о,о5 до 250 кВт. Твердый, гибкий электролит не будет протекать или трескаться, и эти ячейки работают при достаточно низкой температуре, чтобы делает их пригодными для домов и автомобилей. Автомобили на топливных элементах, в основном, применяют водород.

Как недостаток топливо должно быть чистым, а платиновый катализатор используется по обе стороны мембраны, что повышает затраты.

Твердооксидные

Твердооксидные топливные элементы используют в качестве электролита твердое керамическое соединение оксидов металлов (например, кальция или циркония). КПД составляет около 60 процентов, а рабочая температура-около 1000 градусов по Цельсию. Выход ячеек — до 100 кВт. При таких высоких температурах риформер не требуется для извлечения водорода из топлива, а отработанное тепло может быть переработано для получения дополнительной электроэнергии. Однако высокая температура ограничивает применение блоков, и они, как правило, довольно велики. В то время как твердые электролиты не могут протекать, они могут треснуть.
На основе расплавленного карбонатного электролита
Расплавленные карбонатные топливные элементы (MCFC) используют в качестве электролита высокотемпературные соединения карбонатов солей (таких как натрий или магний). КПД колеблется от 60 до 80 процентов, а рабочая температура составляет около 650 градусов по Цельсию. Построены энергоблоки мощностью до 2 мегаватт (МВт), имеются проекты энергоблоков мощностью до 100 МВт. Высокая температура ограничивает повреждение от «отравления» угарным газом и отработанное тепло может быть переработано для получения дополнительной электроэнергии. Их никелевые электроды-катализаторы стоят недорого по сравнению с платиной, используемой в других ячейках. Но высокая температура также ограничивает материалы и безопасное использование —они, вероятно, будут слишком горячими для домашнего использования.

Прямой метанольный

Прямой метанольный топливный элемент, как ожидается, получит место на рынке, потому что они имеют более высокий срок службы по сравнению с литий-ионным аккумулятором и могут быть заряжены простым изменением картриджа с топливом. Однако, применяется ядовитый метиловый спирт.
Эти типы топливных элементов разрабатываются компаниями Samsung (Корея), Toshiba, Hitachi, NEC и Sanyo (Япония). Анодный катализатор извлекает энергию из жидкого метанола, устраняя необходимость в топливном риформере. Они показывают эффективность около 40% и работают при температурах около 130 °C.

Преимущества:
1. Он использует жидкое топливо. Размер месторождений меньше и может воспользоваться преимуществами существующей инфраструктуры обеспечения.
2. Он не нуждается ни в каком процессе реформирования.
3. Его электролит представляет собой протонную обменную мембрану,

1. Недостатками прямого метанольного топливного элемента являются необходимость концентрированного токсичного метанола для достижения полезной плотности энергии и проблема перекрестного переноса метанола.
2. Имеет низкую эффективность по отношению к водородным элементам.
3. Нуждается в большом количестве катализатора для электроокисления метанола на аноде.

Тип топливного элемента	Температура (град. C)	Выходная мощность ( Kвт)	Применение
Щелочной топливный элемент	150-200	5-300	Космические и военные установки
Протонообменные мембранные топливные элементы (PEMFC)	50-100	0,05-250	Перспективная бытовая техника, портативные ноутбуки, сотовые телефоны, видеокамеры, автобусы, автомобили, железнодорожные локомотивы
Фосфорнокислотные элементы (PAFC)	160-210	5-200	Железные дороги
На основе расплавленного карбонатного электролита (MCFC)	650	100-2000	Электросети
Твердооксидный (SOFC)	800-1000	2,5-250	Коммерческая энергетика, мобильные приложения для железных дорог
Прямой метанольный топливный элемент (DMFC)	50-120	0.1- 1	Для портативных устройств

Существует также микробный топливный элемент (MFC) — это особый вид в котором используются микроорганизмы для преобразования химической энергии в электричество.

Микротопливные виды элементов

Система микротопливных ячеек (мощность < 1 Вт). Этот класс топливных элементов разработан как самый маленький в мире вид (металлгидридный блок размером 3 мм на 3 мм на 1 мм, нуждающийся в ограниченном внешнем топливе).
Установка способна генерировать 0,1-1 мА в течение 30 часов до тех пор, пока гидрид металла не будет исчерпан, и она использует поверхностное натяжение, а не насосы. Хотя в основном они все еще находятся на стадии разработки, эти устройства могут быть использованы для питания медицинских устройств, которые требуют только короткого времени работы.

Разработан микротопливный элемент, который использует дрожжи, питающиеся сахаром в крови человека, для выработки электроэнергии. Этот микробный топливный элемент производит около 40 нановатт энергии, и при использовании с конденсаторами, может быть достаточным для питания внутрипочечных электродов для лечения паралича или устройств, таких как кардиостимуляторы.
Топливный элемент является фактически живым источником энергии, способным самовосстанавливаться и устранять необходимость в регулярных операциях по замене батарей.

Еще одно новое приложение, которое в настоящее время находится в стадии разработки и, возможно, более коммерчески готово,-это печатный микротопливный элемент с ферментативным катализом. Активированный водой микробный топливный элемент размещается на упаковочной бумаге, которая содержит встроенные датчики для контроля, например, состояния пищевых продуктов в «интеллектуальной упаковке».
Эта технология имеет и другие применения; например, в биомедицинском мониторинге, когда она интегрирована в липкий пластырь, и имеет преимущество быть одновременно дешевой и способной к массовому производству.

Достоинства топливных элементов

• Электростанции на топливных элементах экологичны, бесшумны, не имеют вращающихся компонентов.
• Это децентрализованный завод, может работать изолированно для военных объектов и больниц, где шум и дым запрещены. Кроме того, никакая энергия не тратится впустую на передачу и распределение.
• Топливные источники энергии достигают высокого КПД до 55% , тогда как обычные тепловые станции работают с КПД 30%.
• Большая степень модульности, с мощностью от 5 кВт до 2 МВт.
• Существует широкий выбор топливных элементов. Они могут работать на природном газе, этаноле, метаноле, сжиженном газе и биогазе, поставляемых из местной биомассы
• В дополнение к электроэнергии , топливные элементы также поставляют горячую воду, тепло и пар.
• Топливные элементы обладают когенерационными возможностями. Когенерация — совместное производство электрической и тепловой энергии.
• Топливные элементы могут работать на газах из пивоваренных заводов (завод, где производится пиво), а также на газе из осадке сточных вод, доказав, что это самая чистая и наиболее экономичная технология преобразования вида энергии.
• Потребительская электроника может значительно увеличить заряд батареи с помощью технологии топливных элементов.
• Сотовые телефоны могут работать в течение 30 дней без подзарядки.
• Ноутбуки могут работать в течение 20 часов без подзарядки.
• Более 2500 систем топливных элементов были установлены по всему миру в больницах, домах престарелых, гостиницах, офисных зданиях, школах и коммунальных электростанциях.
  Большинство из этих систем либо подключены к электрической сети для обеспечения дополнительной мощности и резервного обеспечения, либо являются независимыми от сети генераторами в местах, недоступных для линий электропередач.
• Применение сложных коммуникационных сетей требует невероятно надежного источника питания. Было доказано, что топливные элементы надежны на 99 %.

В то время как немногие устройства на основе топливных элементов доступны потребителям, они имеют потенциал для использования в различных компоновках и типах для обеспечения электроэнергией таких разнообразных коммунальных служб, как автомобили, портативные компьютеры, мобильные телефоны или даже электрическая сеть в качестве электростанции.

В чем состоит преимущество топливных элементов над обычными энергоустановками

Топливный элемент является важной составляющей водородной энергетики. В данной статье будут рассмотрены основные принципы данной технологии, варианты ее реализации и флагманы индустрии

Топливный элемент представляет собой электрохимический источник электрического тока, осуществляющий превращение химической энергии в электрическую с высоким коэффициентом полезного действия, минуя малоэффективную и идущую с большими потерями стадию горения топлива, и обладающие практически нулевыми выбросами вредных веществ в окружающую среду [1,2,3,4].

Проще можно сказать, что ТЭ – это объединение в одном устройстве батареи, которая преобразует химическую энергию в электрическую и теплового двигателя, которому нужно непрерывно подавать топливо и окислитель (воздух). Поэтому иногда ТЭ называют электрохимическими генераторами. Отличия ТЭ от гальванической батареи в том, что изначально батарея заряжена, т.е. заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется, и батарея разряжается. В отличие от батареи ТЭ для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника. На рис.1 представлена схема работы ТЭ.

Топливный элемент: принцип работы

ТЭ состоит из анода, катода и электролита, что позволяет положительно заряженным ионам водорода (протонам) перемещаться между двумя сторонами топливного элемента. Топливо и окислитель непрерывно подводятся к электродам — аноду и катоду, а инертные компоненты и остатки окислителя, а также продукты окисления непрерывно отводятся от них. При работе ТЭ электролит и электроды не расходуются и не претерпевают каких-либо изменений, а химическая энергия топлива непосредственно превращается в электроэнергию. В ТЭ, используются чистый водород и кислород, поэтому на аноде происходит разложение водорода и его ионизация. Из молекулы водорода образуются два иона водорода и два электрона. На катоде водород соединяется с кислородом, и возникает вода. Фактически в этом и состоит главное экологическое преимущество: в атмосферу выбрасывается водяной пар вместо огромного количества углекислого газа, образующегося при работе традиционных тепловых электростанций.

Как и любой другой источник электроэнергии, ТЭ, характеризуется напряжением, мощностью и сроком службы. Из-за омического сопротивления электродов и электролита и поляризации электродов напряжение ТЭ оказывается ниже рассчитанной ЭДС. Поляризация электродов связанна с замедленностью протекания процессов на межфазной границе и возрастает с увеличением плотности тока, согласно уравнению:

где j– плотность тока (А/см 2 ), I – сила тока (А), S – площадь поверхности электрода (см 2 ). Существуют различные типы ТЭ, в зависимости от области их применения и материалов из которых они изготовлены. Ниже рассмотрим их подробнее.

Существуют различные типы ТЭ, в зависимости от области их применения и материалов из которых они изготовлены. Ниже рассмотрим их подробнее.

I. ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ: КАКОГО ТИПА ОН МОЖЕТ БЫТЬ?

На схеме представлена классификация типов ТЭ в зависимости от электролита:

Основные типы топливных элементов: ТОТЭ – твердооксидный ТЭ; КРТЭ – расплавкарбонатный ТЭ; ТПТЭ – ТЭ с протонпроводящей полимерной мембраной; ФКТЭ – фосфорнокислый ТЭ; ЩТЭ – щелочной ТЭ

Важной характеристикой разных типов ТЭ является рабочая температура. Часто именно температура определяет область применения ТЭ. Например, высокая температура критична для ноутбуков и портативных устройств, поэтому для этого разрабатываются ТЭ с протонообменной мембраной, которые работаю при низких температурах. Однако на сегодняшний день твердополимерные ТЭ стоят дорого. Высокая цена ТПТЭ связана с дороговизной материалов, а также из-за высокой стоимости топлива – водорода.

Рассмотрим более подробно различные типы ТЭ и принципы их действия.

Щелочной топливный элемент (ЩТЭ)

Проводником для ионов ЩТЭ является раствор гидроксида калия (KOH), который имеет высокую электропроводимость. В таких ТЭ используется недорогостоящий катализатор, и они имеют высокую эффективность. В зависимости от содержания щелочи такой ТЭ может функционировать в диапазоне температур от 65°С. Катализатором могут служить благородные металлы, никель и сложные оксиды.

Щелочной топливный элемент. Схема работы

Фосфорнокислые топливные элементы (ФКТЭ)

В ТЭ на основе ФКТЭ в роли электролита выступает раствор фосфорной кислоты (H₃PO₄). Электродом является бумага, которая покрыта углеродом, по которой рассеян платиновый катализатор. ТЭ работает при температуре 150- 200°С.

Топливный элемент на основе ортофосфорной кислоты. Схема работы

Недостатком являются высокие температуры работы ТЭ и КПД всего 55 %, однако если использовать пар образующийся во время работы, то можно достигать КПД до 80%.

Расплавкарбонатные топливные элементы (РКТЭ)

В ТЭ на основе РКТЭ электролитом является расплав смеси карбонатов щелочных металлов в керамической матрице. ТЭ этого типа работают при температурах 600-700°С. Высокая температура позволяет использовать топливо в РКТЭ напрямую без какой-либо дополнительной его подготовки, а никель в качестве катализатора. Достоинством является: отсутствие платины (катализатором может использоваться никель), КПД примерно 65%, в роли топлива выступает водород, природный газ, иногда дизельное топливо.

Топливный элемент с расплавленным карбонатным электролитом. Схема работы

Недостатком является: небольшой срок службы, который ведет за собой высокие расходы, и высокую стоимость. Для запуска КРТЭ требуется значительно времени из-за этого не получается оперативно регулировать выходную мощность, поэтому в основном они применяются для крупных стационарных источников тепловой и электрической энергии.

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ)

В ТЭ на основе ТОТЭ электролитом является плотная керамическая мембрана, сделанная из оксида циркония и оксида кальция, но иногда используются и другие оксиды. Внешне эти элементы выглядят как трубки или плоские платы, что позволяет при их изготовлении использовать технологии, широко применяемые в электронной промышленности. ТЭ этого типа работают в диапазоне высоких температур от 600 до 1000°C. Из-за высоких температур в ТОТЭ используется неочищенное топливо, и так же, как и в РКТЭ применяется для производства тепловой и электрической энергии.

Твердооскильный топливный элемент. Схема работы

Среди разнообразных типов ТЭ наиболее перспективными на наш взгляд для энергообеспечения разнообразных малогабаритных устройств являются ТЭ с протонообменной полимерной мембраной.

Топливный элемент с протонообменной мембраной (ТПТЭ)

Как говорилось ранее, одной из важнейших характеристик ТЭ является температура. Эти ТЭ функционируют при достаточно низких рабочих температурах (40…60 °C). Они отличаются высокой удельной мощностью, позволяют быстро регулировать выходную мощность, могут быть быстро включены. Недостаток этого типа элементов – высокие требования к качеству топлива, поскольку загрязненное топливо может вывести из строя мембрану. Кроме того, при температурах до 100 °C платина, используемая как катализатор на электродах, «отравляется» в присутствии СО, CH4, поэтому требуется высокоочищенное топливо.

ТПТЭ использует твердотельный полимерный электролит, названный протонообменной мембраной (PEM). Иногда в литературе говорят, твердотельный ТЭ. Через протонообменную мембрану могут перемещаться протоны, но через нее не проходят электроны, в результате чего между катодом и анодом возникает разность потенциалов. На анод ТПТЭ поступает топливо – водород (восстановитель). На катод поступает кислород или воздух (окислитель).

При работе ТПТЭ происходят следующие реакции:
на аноде: 2H₂→4H + + 4e –
на катоде: O₂ + 4H + + 4e →2H₂O
Суммарная реакция: 2H₂ + O₂→2H₂O

Рассмотрим принцип действия этого ТЭ. Полимерная мембрана, используемая в качестве электролита, помещена между анодом и катодом. Электроды обеспечивают контакт газа и электролита; перенос заряда происходит на границе трех фаз: электрода, газа и электролита. Электрон переходит с водорода на частицу углерода, а молекула водорода распадается на протоны согласно реакции:

Далее электроны движутся с одной частицы углерода на другую, на токосборник и во внешнюю цепь, а далее на катод, где происходит реакция образования воды за счет реакции:

Протоны движутся через электролит на катодную сторону. Устройство ТПТЭ показано на рисунке ниже.

Поперечное сечение небольшого фрагмента ТПТЭ. Покрытая катализатором мембрана зажата между двумя газодиффузионными слоями (Toray TGP-H-060), которые в свою очередь удерживаются двумя плоскими пластинами, содержащими каналы потока. Ширина островков составляет примерно 1.5 мм.

Ионообменная мембрана «Nafion». Строение и свойства

В качестве «электролита» ТПТЭ используется пленка – полимерная электролитная мембрана (ПЭМ), с торговым названием мембрана «Nafion», запатентованная фирмой DuPont в 1966 г. Позднее аналогичные ПЭМ стали выпускаться и в России под названием МФ-4СК [5].

Мембрана состоит из огромных молекул полимера, которые представляют собой разветвленные фторуглеродные цепочки, оканчивающиеся сульфонными группами [–SO₃]. Фторуглеродная цепочка обладает гидрофобными свойствами, а сульфонные группы — гидрофильными, которые могут взаимодействовать с водой, что дает возможность протонам свободно двигаться по полимеру (отсюда второе название «протонпроводящая мембрана»). В зависимости от степени полимеризации фторуглеродных фрагментов и концентрации сульфонных групп мембрана может иметь различный химический состав. На рисунке ниже приведено строение полимера «Nafion».

Строение молекулы полимера «Nafion»

Мембрана представляет собой тонкое (толщиной примерно в 2–7 листов обыкновенной бумаги) твердое органическое соединение, функционирующее как электролит: разделяет электроды и проводит заряженные ионы в присутствии воды. Структура мембраны «Nafion» активно изучается, с целью контроля и улучшения ее свойств. В настоящий момент нет единой точки зрения на устройство мембраны ПЭМ, наиболее распространенной структурной моделью «Nafion» является модель Гирке, представленная на рисунке ниже.

Наиболее распространенная структурная модель «Nafion»

Фторуглеродная основа полимера Согласно этой структуре можно сказать, что электролит является двухфазным. Основа полимера (гидрофобная фаза) состоит из фторуглеродных и эфирных цепей, расположенных в пространстве таким образом, что функциональные сульфогруппы группируются внутри сферических полостей диаметром порядка 4 нм. Система связанных узкими каналами полостей (1 нм), содержащих гидратированные катионы, представляет собой вторую, гидрофильную фазу мембраны.

Мембрана «Nafion» обладает следующими достоинствами: — высокая ионная проводимость; — устойчивость к химическому воздействию (согласно DuPont, только щелочные металлы (в частности, натрий) могут ухудшить работу «Nafion») при нормальной температуре и давлении; — проницаемость для воды.

Недостатком является то, что мембрана работает в узком интервале температур от 60 до 90°С, при температуре выше 140°С начинается ее деструкция. Также к недостаткам можно отнести высокую рыночную стоимость материала в силу ее монопольного производства фирмой DuPont.

Поскольку до сих пор не удалось установить точную структуру мембраны, в силу того, что возникает трудность несовместимости растворенной и кристаллической структуры среди различных ее типов, право на существование имеют другие теории/модели строения мембраны «Nafion».

МАТЕРИАЛЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГДС ТПТЭ

Одним из компонентов твердополимерных топливных элементов (ТПТЭ) являются биполярные пластины с каналами на каждой из сторон, предназначенными для распределения реагентов по поверхности электрода. На рис.10 показан поперечный разрез малого участка такого ТПТЭ [6]. В центре ТПТЭ находится мембрана, покрытая с каждой стороны слоем катализатора, имеются два диффузионных слоя (ГДС) толщиной примерно 200 мкм, изготовленных из углеродного материала и охватывающих мембрану сверху и снизу. Эти слои прилегают к двум секциям биполярных пластин, анода и катода. Каналы охлаждения соседствуют с воздушными каналами в катодной пластине. Область между каналами подачи реагентов состоит из островков, или, как их еще называют, ребер. Следовательно, около половины поверхности электрода приведено в контакт с островками, и около половины – с каналами. Роль диффузионного слоя заключается в том, чтобы с наименьшими потерями напряжения перенести потоки реагентов из области каналов и островков в область, насыщенную катализатором. Хотя основной ток идет через ту часть ГДС, которая соприкасается с островками, эффективная ГДС должна обеспечить однородное распределение тока в каталитическом слое.

Поперечное сечение небольшого фрагмента ТПТЭ. Покрытая катализатором мембрана зажата между двумя газодиффузионными слоями (Toray TGP-H-060), которые в свою очередь удерживаются двумя плоскими пластинами, содержащими каналы потока. Ширина островков составляет примерно 1.5 мм.

Газодиффузионный слой (ГДС) (Gas Diffusion Layer (GDL)) необходим для осуществления токосъема, подвода исходных реагентов и отвода продуктов реакции. ГДС обычно изготавливают из углеродной бумаги или углеродной ткани, которые представляют собой пористые структуры. Благодаря наличию пор газообразные реагенты беспрепятственно проникают к каталитическому слою. Также поры служат для отвода продуктов реакции (воды) из катодной области. Поскольку углерод является электронным проводником, ГДС служит одновременно и токовыми коллекторами.

Рассмотрим подробнее, ГДС имеет несколько характерных функций:
· Обеспечение проницаемости реагентов – газы должны поступать из каналов в каталитические слои, включая прохождение газов внутри диффузионного слоя в области возле островков;
· Обеспечение проницаемости продуктов реакции: должно осуществляться удаление образовавшейся воды из каталитического слоя в каналы, включая внутрислоевую проницаемость для отвода воды из областей возле островков;
· Обеспечение электронной проводимости: прохождение электронов от биполярных пластин в каталитические слои, включая внутрислоевую проводимость в области возле каналов;
· Обеспечение теплопроводности: эффективный отвод тепла от МЭБ к биполярным пластинам, в которых есть каналы для охлаждения
· Обеспечение механической прочности: механическая фиксация МЭБ при возникновении перепада давлений между газовыми каналами анода и катода, обеспечение при этом хорошего контакта (теплового и электрического) с каталитическим слоем, препятствование сжатию каналов, приводящему к блокировке потоков и большим перепадам давления в каналах.

Вышеописанные функции определяют требования к физическим свойствам ГДС. Внутрислоевые проводимость и проницаемость более важны по сравнению с междуслоевыми из-за аспектного соотношения ширин каналов и островков и толщины слоя. Более подробно это будет рассмотрено ниже, при описании требований к проводимости ГДС. Кроме оптимизации объемных свойств слоя, которые могут сильно зависеть от сжатия, следует уделить внимание повышению значений теплои электропроводности через поверхности раздела ГДС/биполярная пластина и ГДС/каталитический слой. Эти значения также сильно зависят от сжатия. Таким образом, ГДС, материалы смежных компонентов МЭБ и давление сжатия не должны рассматриваться независимо друг от друга.

Физика распределения потоков и задачи управления этим распределением также влияют на требования к ГДС. В случае развитых ГДС конвективная проницаемость слоя должна быть достаточно высокой, чтобы прохождение газов не вызывало значительных перепадов давлений. Даже в случае более традиционных исполнений в виде змеевика, конвективный перенос через ГДС за счет перепада давления в прилегающих каналах должен быть оптимизирован. Также существуют такие конструкции ТПТЭ, в которых каналы не используются для распределения потока, например в случае использования сетчатых структур. В таких конструкциях требования к ГДС претерпевают значительные изменения по сравнению с традиционными. В этой работе рассматриваются ГДС, используемых в ТПТЭ традиционного типа, где система каналов используется для распределения потоков.

Физика распределения потоков и задачи управления этим распределением также влияют на требования к ГДС.

В случае развитых ГДС [7] конвективная проницаемость слоя должна быть достаточно высокой, чтобы прохождение газов не вызывало значительных перепадов давлений. Даже в случае более традиционных исполнений в виде змеевика [8], конвективный перенос через ГДС за счет перепада давления в прилегающих каналах должен быть оптимизирован. Также следует заметить, что существуют такие конструкции ТПТЭ, в которых каналы не используются для распределения потока, например в случае использования сетчатых структур [9,10]. В таких конструкциях требования к ГДС претерпевают значительные изменения по сравнению с традиционными. В этой главе мы ограничимся рассмотрением ГДС, используемых в ТПТЭ традиционного типа, где система каналов используется для распределения потоков.

Наибольшие перспективы сулит применение в качестве ГДС в ТПТЭ продуктов из углеродного волокна, таких как неплетенные ткани из-за их высокой пористости (>=70%) и хорошей электропроводности. Они и раньше применялись в коммерчески доступных продуктах, а теперь исследуются как потенциальный материал для ГДС в ТПТЭ. Графитовая бумага на основе графитизированных углеродных волокон использовалась для изготовления газодиффузионных электродов в ТПТЭ, углеродное волокно – в элементах, функционирование которых связано с повышенным трением (автомобильных трансмиссиях и тормозах), а также при нанесении покрытий [6]. Типичные значения, характеризующие основные свойства этих материалов, представлены в таблице 1 и 2, а фотографии со сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) – на рис.11. Эти фотографии показывают, что углеволоконная бумага удерживается как единое целое вследствие обработки связующим агентом (карбонизированная термостойкая смола), в то время как ткань не требует связующего агента в силу своей специфической (переплетенной) структуры. Ниже будут описаны сырье и материалы для производства этих и некоторых других потенциальных ГДС на базе углеродного волокна.

Статья из третьего выпуска интернет-журнала «Стройка Века» «Энергетика в эпоху декарбонизации». Поблагодарить авторов и получить в подарок красивую версию можно по ссылке.
Читайте также следующую статью выпуска:

Подписывайтесь на нашу рассылку, чтобы ничего не пропустить:

Над статьей работали:
Авторы: Василенко А.А. (НИУ МЭИ)
Редактор: Тарасенко А.Б. (ОИВТ РАН)
Эксперт: Киселева С.В. (ОИВТ РАН)
Публикация: Овчинников К.А.

1. Лыкова С.А. Топливные элементы и гибридные установки на их основе // Общие вопросы электроэнергетики. 2002, вып. №7. С. 5-12.
2. Баготский В. С. Топливные элементы. Современное состояние и основные научно-технические проблем // Электрохимия. 2003, вып. №9. С. 919–934.
3. Арзуманян Н., Микаэлян А., Данелян А. Топливные элементы — вчера, сегодня, завтра. //Альтернативная энергетика и экология. — 2005. — №10. — с.65-68
4. Коровин Н. В. Топливные элементы // Соросовский образовательный журнал. 1998, вып. №10. С. 55-59.
5. Mauritz K.A. Moore R.B. State of Understanding of Nafion // Chem. Rev. 2004, вып. № 104. С. 4535.
   «Материалы и исследование свойств диффузионных сред (ДС)».
6. M.F.Mathias, J. Roth, J.Fleming, W.Lehlert, GM Global RD, Global Alternative Propulsion Centre, Honeywall Falls, NY, USA, Adam Opel AG — Global Alternative Propulsion Centre, Rữsselheim, Germany, Spectacorp, Inc., Lawrence, MA, Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Wữrtemberg, Ulm, Germany.

Источники изображений

Изображения сделаны командой журнала ”Стройка Века”, использование в любых целях разрешено при наличии активной ссылки на публикацию.

Топливные элементы: год надежд

В течение двух ближайших лет на рынке мобильных компьютеров и портативных электронных устройств ожидается появление большого количества серийно выпускаемых моделей, оснащенных источниками питания на базе химических топливных элементов.

Экскурс в историю

ервые эксперименты по созданию топливных элементов были проведены еще в XIX столетии. В 1839 году английский физик Гроув при проведении электролиза воды обнаружил, что после отключения внешнего источника тока между электродами возникает постоянный ток. Однако открытия в этой области, сделанные рядом выдающихся ученых XIX века, не нашли практического применения, став достоянием лишь академической науки.

К созданию топливных элементов для прикладного использования ученые вернулись лишь в начале 50-х годов XX века. В этот период возможности практического применения химических реакторов для получения электроэнергии начали активно изучать коллективы исследователей в США, Японии, СССР и ряде западноевропейских стран.

Первой областью практического применения топливных элементов стала космонавтика. Топливные элементы различных конструкций использовались на американских космических кораблях Gemini, Apollo и Shuttle, а также на созданном в СССР многоразовом космическом челноке «Буран».

Стационарная энергоустановка на базе химического топливного элемента

Следующая волна интереса к химическим топливным элементам была вызвана энергетическим кризисом 70-х годов. В тот период многие компании занялись исследованиями в области использования альтернативных источников энергии для транспорта, а также для бытового и промышленного применения. Кстати, именно на этом поприще начинала свою деятельность ныне известная компания АРС.

В настоящее время можно выделить четыре основные сферы применения энергоустановок на базе топливных элементов: энергоустановки для различных транспортных средств (от скутеров до автобусов), стационарные решения крупного и мелкого масштаба, а также источники питания для мобильных устройств. В этой статье мы рассмотрим главным образом решения для портативных устройств.

Что такое топливные элементы

режде всего необходимо уточнить, о чем пойдет речь. Топливные элементы представляют собой специализированные химические реакторы, предназначенные для прямого преобразования энергии, высвобождающейся в ходе реакции окисления топлива, в электрическую энергию.

Следует отметить, что топливные элементы имеют по крайней мере два принципиальных отличия от гальванических батарей, также относящихся к устройствам, преобразующим энергию протекающих в них химический реакций в электричество. Во-первых, в топливных элементах используются не расходуемые в процессе работы электроды, а во-вторых, необходимые для проведения реакции вещества подаются извне, а не закладываются внутрь элемента изначально (как это происходит в случае обычных батареек).

Один из прототипов топливного элемента для портативных устройств

Применение нерасходуемых электродов позволяет значительно увеличить срок службы топливных элементов по сравнению с гальваническими батареями. Кроме того, благодаря использованию внешней системы подачи топлива значительно упрощается и удешевляется процедура восстановления работоспособности топливных элементов.

Типы химических топливных элементов

Топливные элементы с ионообменной мембраной (Proton Exchange Membrane, PEM)

Технология изготовления элементов данного типа была разработана в 50-х годах XX века инженерами компании General Electric. Подобные топливные элементы использовались для получения электроэнергии на американском космическом корабле Gemini.

Отличительной особенностью PEM-элементов является применение графитовых электродов и твердополимерного электролита (или, как его еще называют, ионообменной мембраны — Proton Exchange Membrane). В качестве топлива в PEM-элементах используется чистый водород, а роль окислителя выполняет содержащийся в воздухе кислород. Водород подается со стороны анода, где происходит электрохимическая реакция:

2H₂ -> 4H + + 4e.

Ионы водорода перемещаются от анода к катоду через электролит (ионный проводник), в то время как электроны — через внешнюю цепь. На катоде, со стороны которого подается окислитель (кислород или воздух), происходит реакция окисления водорода с образованием чистой воды:

Рабочая температура PEM-элементов составляет около 80 °С. При таких условиях электрохимические реакции протекают слишком медленно, поэтому в конструкции элементов данного типа используется катализатор — обычно тонкий слой платины на каждом из электродов.

Одна ячейка такого элемента, состоящая из пары электродов и ионообменной мембраны, способна генерировать напряжение порядка 0,7 В. Для увеличения выходного напряжения массив отдельных ячеек соединяется в батарею.

PEM-элементы способны работать при относительно низкой температуре окружающей среды и обладают довольно высокой эффективностью (КПД составляет от 40 до 50%). В настоящее время на базе PEM-элементов созданы действующие прототипы энергоустановок мощностью до 50 кВт; в стадии разработки находятся устройства мощностью до 250 кВт.

Существует несколько ограничений, препятствующих более широкому распространению данной технологии. Это относительно высокая стоимость материалов для изготовления мембран и катализатора. Кроме того, в качестве топлива можно использовать только чистый водород.

Щелочные топливные элементы (Alkaline Fuel Cells, AFC)

Конструкция первого щелочного топливного элемента была разработана русским ученым П.Яблочковым в 1887 году. В качестве электролита в щелочных элементах используется концентрированный гидроксид калия (КОН) либо его водный раствор, а основным материалом для изготовления электродов является никель.

В качестве топлива применяется чистый водород, а качестве окислителя — чистый кислород. Реакция окисления водорода протекает через электроокисление водорода на аноде:

и электровосстановление кислорода на катоде:

O₂ + 2H₂O + 4e -> 4OH – .

Гидроксид-ионы двигаются в электролите от катода к аноду, а электроны — по внешней цепи от анода к катоду.

Щелочные элементы работают при температуре около 80 °С, однако значительно (примерно на порядок) уступают PEM-элементам по удельной мощности, вследствие чего их габариты (при сравнимых характеристиках) значительно больше. Однако себестоимость производства щелочных элементов значительно ниже, чем PEM. Основной недостаток щелочных элементов заключается в необходимости использования чистых кислорода и водорода, поскольку содержание в топливе или окислителе примесей углекислого газа (CO2) приводит к карбонизации щелочи.

Фосфорнокислые топливные элементы (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC)

В качестве электролита в фосфорнокислых элементах используется жидкая фосфорная кислота, обычно заключенная в порах матрицы из карбида кремния. Для изготовления электродов применяется графит. Происходящие в фосфорнокислых элемента реакции электроокисления водорода аналогичны тем, которые протекают в PEM-элементах.

Рабочая температура фосфорнокислых элементов несколько выше по сравнению с PEM- и щелочными и колеблется в пределах от 150 до 200 °С. Тем не менее для обеспечения необходимой скорости электрохимических реакций необходимо использовать катализаторы (платину либо сплавы на ее основе). Благодаря более высокой рабочей температуре фосфорнокислые элементы менее чувствительны к химической чистоте топлива (водорода), чем PEM- и щелочные элементы. Это позволяет применять топливную смесь, содержащую 1-2% оксида углерода. В качестве окислителя можно использовать обычный воздух, поскольку содержащиеся в нем вещества не вступают в реакцию с электролитом.

Фосфорнокислые элементы обладают относительно невысоким КПД (порядка 40%) и требуют некоторого времени для выхода на рабочий режим при холодном старте. Однако PAFC имеют и целый ряд преимуществ, в том числе более простую конструкцию, а также высокую стабильность и низкую летучесть электролита.

В настоящее время на базе фосфорнокислых элементов создано и запущено в коммерческую эксплуатацию большое количество энергоустановок мощностью от 200 кВт до 20 МВт.

Топливные элементы с прямым окислением метанола (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC)

Элементы с прямым окислением метанола являются одним из вариантов реализации элементов с ионообменной мембраной. Топливом для DMFC-элементов служит водный раствор метилового спирта (метанола). Необходимый для реакции водород (и побочный продукт в виде углекислого газа) получается за счет прямого электроокисления раствора метанола на аноде:

На катоде происходит реакция окисления водорода с образованием воды:

Рабочая температуры DMFC-элементов составляет примерно 120 °С, что немного выше по сравнению с водородными PEM-элементами. Недостатком низкотемпературного преобразования является более высокая потребность в катализаторах. Это неизбежно приводит увеличению стоимости таких топливных элементов, однако данный недостаток компенсируется удобством использования жидкого топлива и отсутствием необходимости в применении внешнего конвертора для получения чистого водорода.

Топливные элементы с электролитом из расплава карбоната лития и натрия (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC)

Данный тип топливных элементов относится к высокотемпературным устройствам. В них применяется электролит, состоящий из карбоната лития (Li₂CO₃) либо карбоната натрия (Na₂CO₃), находящегося в порах керамической матрицы. В качестве материала для анода используется никель, легированный хромом, а для катода — литированный оксид никеля (NiO + LiO₂). При нагревании до температуры порядка 650 °С компоненты электролита расплавляются, в результате чего образуются ионы углекислой соли, движущиеся от катода к аноду, где они вступают в реакцию с водородом:

Высвободившиеся электроны движутся по внешней цепи обратно к катоду, где происходит реакция:

Высокая рабочая температура данных элементов позволяет применять в качестве топлива природный газ (метан), преобразуемый встроенным конвертором в водород и монооксид углерода:

MCFC-элементы обладают высоким КПД (до 60%) и позволяют использовать в качестве катализатора не платину, а более дешевый и доступный никель. Вследствие большого количества выделяемого при работе тепла данный вид топливных элементов хорошо подходит для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии, однако малопригоден для эксплуатации в мобильных условиях. В настоящее время на базе MCFC-элементов уже созданы стационарные энергоустановки мощностью до 2 МВт.

Топливные элементы с твердым электролитом (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)

Данный тип элементов имеет еще более высокую рабочую температуру (от 800 до 1000 °С), чем вышеописанный MCFC. В SOFC применяется керамический электролит на основе оксида циркония (ZrO₂), стабилизированного оксидом иттрия (Y₂O₃). На катоде происходит электрохимическая реакция с образованием отрицательно заряженных ионов кислорода:

O₂ + 4e -> 2O 2– .

Отрицательно заряженные ионы кислорода движутся в электролите по направлению от катода к аноду, где происходит окисление топлива (обычно — смеси водорода с монооксидом углерода с образованием воды и углекислого газа:

CO + 2O 2– -> CO₂ + 2e.

Элементы типа SOFC обладают теми же достоинствами, что и MCFC, включая возможность использования в качестве топлива природного газа. Компоненты SOFC обладают более высокой химической стабильностью, однако себестоимость их производства несколько выше по сравнению с MCFC.

Работа химических топливных элементов поддерживается путем подачи двух применяемых для поддержания реакции компонентов — топлива и окислителя. В зависимости от типа топливного элемента, в качестве топлива могут использоваться газообразный водород, природный газ (метан), а также жидкое углеводородное топливо (например, метиловый спирт). В роли окислителя обычно выступает содержащийся в воздухе кислород, а некоторые типы топливных элементов могут работать только с чистым кислородом.

Конструкция любого химического топливного элемента состоит из двух электродов (катода и анода) и находящегося между ними слоя электролита — среды, обеспечивающей перемещение ионов от одного электрода к другому и блокирующей движение электронов. Для того чтобы реакция протекала с более высокой скоростью, в электродах часто используют катализаторы. В зависимости от химических и физических особенностей применяемого электролита топливные элементы подразделяются на несколько различных типов (подробнее см. во врезке «Типы химических топливных элементов»).

Преимущества топливных элементов

о сравнению с широко распространенными в настоящее время источниками автономного электропитания, используемыми в мобильных ПК и портативных устройствах, химические топливные элементы имеют ряд важных преимуществ.

В первую очередь стоит отметить высокий коэффициент полезного действия топливных элементов, составляющий, в зависимости от типа, от 40 до 60%. Высокий кпд позволяет изготавливать источники питания с более высокой удельной энергоемкостью, благодаря чему достигается уменьшение их массогабаритных показателей при сохранении мощности и времени автономной работы. Кроме того, более энергоемкие источники питания позволяют значительно продлить время автономной работы существующих устройств, не увеличивая их размеры и вес.

Другим важным достоинством химических топливных элементов является возможность практически мгновенного возобновления их энергоресурса даже при отсутствии внешних источников электропитания — для этого достаточно установить новую емкость (картридж) с используемым топливом. Применение не расходуемых в процессе реакции электродов позволяет создавать топливные элементы с очень большим сроком службы и малой совокупной стоимостью владения.

Структурная схема химического топливного элемента

Нельзя не отметить и значительно более высокую экологическую чистоту химических топливных элементов по сравнению с гальваническими батареями. Расходным материалом для топливных элементов служат лишь емкости с топливом, а основным продуктом реакции является обычная вода. Замена используемых в настоящее время батареек и аккумуляторов на топливные элементы позволит значительно сократить объем подлежащих переработке отходов, содержащих ядовитые и вредные для окружающей среды вещества.

Платиновая проблема

есмотря на очевидные преимущества химических топливных элементов перед многими ныне распространенными источниками электропитания портативных ПК и электронных устройств, на пути массового внедрения новой технологии имеются определенные препятствия.

Наиболее подходящими для применения в портативных устройствах относительно небольшого размера являются топливные элементы с низкой рабочей температурой — такие как PEM и DMCF. Однако для обеспечения приемлемой скорости прохождения химических реакций в таких элементах необходимо использовать катализаторы. В настоящее время в PEM- и DMCF-элементах применяются катализаторы из платины и ее сплавов. Учитывая относительно небольшие природные запасы этого вещества, а также его высокую стоимость, одной из главных задач разработчиков источников питания на базе топливных элементов является поиск и создание новых катализаторов. Другим возможным решением проблемы является использование высокотемпературных топливных элементов, однако по целому ряду причин в настоящее время подобные источники питания практически непригодны для эксплуатации в портативных устройствах.

Движение вперед: прототипы

есмотря на наличие ряда проблем, в течение двух последних лет активность коллективов разработчиков, занимающихся созданием топливных элементов для портативных ПК и электронных устройств, заметно возросла. Кроме того, увеличилось и количество компаний, ведущих подобные работы.

Если говорить об используемых технологиях, то наиболее популярными решения в рассматриваемом сегменте являются топливные элементы PEM и DMFC. Из компаний, занимающихся разработкой топливных элементов для мобильных устройств, около 45% сделали ставку на технологию PEM, примерно 40% — на DMFC и менее 10% — на SOFC. Удобство и простота использования жидкого топлива является значительным преимуществом DMFC перед PEM, и в прошедшем году стало очевидно, что большинство стоящих на пороге коммерциализации проектов базируется именно на технологии DMFC.

Прототип КПК с интегрированным топливным элементом, созданный разработчиками Hitachi

В начале прошлого года компания Hitachi продемонстрировала прототип КПК с интегрированным топливным элементом и заявила о своем намерении начать продажи пробной партии подобных устройств в 2005 году. Для перезаправки топливного элемента используется картридж цилиндрической формы (диаметром 1 см и высотой 5 см), содержащий 20-процентный водный раствор метанола. По словам разработчиков, содержащегося в картридже топлива достаточно для того, чтобы обеспечить активную работу с КПК в течение 6-8 часов.

В июне минувшего года компания Toshiba представила прототип компактного DMFC-элемента, предназначенного для использования в качестве источника питания цифровых медиаплееров и мобильных телефонов. Габариты этого блока — 22Ѕ56Ѕ4,5 мм, вес — 8,5 г. В качестве топлива в нем применяется концентрированный метанол (99,5%). Одной заправки топлива (2 см3) достаточно для обеспечения питанием нагрузки мощностью 100 мВт (например, портативного МР3-плеера) в течение 20 часов. При разработке данного прототипа было применено несколько новых решений, в частности была оптимизирована структура электродов и полимерной мембраны, позволяющая использовать в качестве топлива концентрированный метанол.

Известно, что один из производителей мобильных телефонов — компания KDDI — внимательно присматривается к разработкам Toshiba и Hitachi в области малогабаритных топливных элементов. KDDI планирует выпустить на рынок мобильные телефоны с питанием от топливных элементов в течение ближайших двух лет.

Прототип ноутбука с топливным элементом (Casio)

Некоторые компании уже продемонстрировали прототипы решений для портативных ПК. В частности, Casio представила прототип ноутбука, оснащенный источником питания, который содержит PEM-элемент и конвертор метанола. В начале минувшего года компания Samsung представила прототип ноутбука на мобильной платформе Centrino, оснащенный топливным элементом, обеспечивающим работу устройства в течение 10 часов.

В ноябре 2004 года сотрудники токийского института исследований в области материалов и энергетики (Materials and Energy Research Institute Tokyo, MERIT) обнародовали информацию о работах по созданию топливного элемента собственной конструкции, который будет более дешевым и компактным по сравнению с DMFC. В качестве топлива в нем будет использоваться борогидрид натрия. По мнению разработчиков, благодаря этому время работы топливного элемента увеличится в четыре раза по сравнению с заправленным таким же объемом метанола DMFC-элементом.

Прототип ноутбука Samsung, оснащенного топливным элементом

Представленный сотрудниками MERIT прототип топливного элемента выполнен в корпусе размером 80Ѕ84,6Ѕ3 мм и способен работать с нагрузкой мощностью до 20 Вт. Для питания более мощных устройств можно использовать батареи, состоящие из нескольких элементов. Согласно существующим планам развертывание серийного производства подобных элементов намечено на начало 2006 года.

Лед тронулся…

середине декабря компания Intermec Technologies начала продажи портативного прибора для считывания информации с радиочастотных индентификаторов — первого серийно выпускаемого устройства, оснащенного малогабаритным DMFC-элементом. Используемый в устройстве топливный элемент Mobion разработан компанией MTI MicroFuel Cells, которая планирует наладить выпуск подобных источников питания для КПК, смартфонов и других портативных устройств. Как отмечают разработчики MTI MicroFuel Cells, элемент Mobion позволяет в несколько раз увеличить время работы устройств без подзарядки по сравнению с литий-ионными аккумуляторами такого же размера.

По мнению многих экспертов, в наступившем году следует ожидать появления целого ряда серийно выпускаемых портативных устройств, оснащенных топливными элементами. И от того, насколько успешным окажется их дебют, во многом будет зависеть будущее рынка источников питания портативных устройств.