|
|||
реклама у нас | |||
*** |
Батарейки на… горючемАвтор: Владимир СИРОТА Подвигло меня на написание данной статьи выступление президента компании ДКТ Виталия Милина на мероприятии, посвященном презентации новых ноутбуков «Тошиба» с технологией Centrino. Но не об этой технологии речь. Виталий рассказывал о новинках, разрабатываемых компанией «Тошиба», — гибких дисплеях и топливных элементах. Последние в скором времени призваны сменить привычные аккумуляторы ноутбуков. О гибких дисплеях мы поговорим как-нибудь в другой раз. А сегодня сосредоточим наше внимание именно на «мобильных» топливных элементах. Смесь бульдога с носорогом К какой категории элементов питания отнести топливные элементы (ТЭ)? Я, признаюсь, затрудняюсь ответить на этот вопрос. С одной стороны, у них много схожего с батарейками, так как они используют ресурс активного вещества (топлива) лишь единожды. Но с другой стороны, в топливном элементе достаточно сменить картридж с расходным материалом, и он снова, как ни в чем ни бывало, будет работать. Что уже позволяет отнести данное устройство к категории перезаряжаемых, то бишь эдакому аналогу аккумуляторов. Топливные истории Если вы подумали, что топливные элементы — это некое совершенно новое направление в развития источников питания, то вы глубоко заблуждаетесь. Идея далеко не нова. Честь открытия водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому Уильяму Гроуву. Исследуя процесс разложение воды на водород и кислород, он обнаружил интересный эффект — электролизер вырабатывал электрический ток. Произошло это открытие аж в 1838 году. Ученый, кстати, уже в 1839-м описал принцип работы открытого им топливного элемента. Многие исследователи, особенно начала прошлого (ХХ) века прочили ТЭ большое будущее. Однако жизнь вносила свои коррективы, топливные элементы долгое время оставались невостребованными — минуло боле 100 лет с момента открытия, прежде чем ТЭ наконец вошли в промышленную эксплуатацию. Трудности на пути прогресса встречаются всегда. Да и сейчас, для того чтобы разработать ТЭ для мобильных устройств, тех же ноутбуков, пришлось сначала создать используемые в конструкции новые материалы (полимеры) и технологии их промышленного производства. Пионером в применении ТЭ можно считать Американское космическое агентство NASA, которое еще в 60-х годах ХХ века осуществило разработку, а затем и занялось успешной эксплуатацией ТЭ, устанавливаемых в космические аппараты. На сегодняшний день прогресс в развитии этого типа источников питания более чем заметен — на их основе созданы целые электростанции мощностью в сотни кВт, проводятся работы по внедрению ТЭ в автомобильной промышленности. Но в силу ограниченности рамок статьи эти темы мы затрагивать не будем и вернемся к нашим «мобильным» топливным элементам. Предпосылки популярности Пока не изобретен миниатюрный вечный двигатель :-), великое множество современных мобильных электронных устройств нуждается в мобильных же источниках питания. На протяжении многих лет с этой задачей успешно справлялись традиционные батарейки и аккумуляторы. Казалось бы, зачем изобретать что-то новое? Однако вы, наверное, замечали на батарейках и аккумуляторах надписи, что дескать, не выбрасывайте сие устройство где попало — изделия содержат токсичные вещества. И в самом деле: цинк, кадмий, свинец и прочая «начинка» современных источников питания — это элементы явно не оказывают благотворного влияния на окружающую среду. И в начавшейся, наконец, борьбе человечества против испоганивания природы, раз уж род людской «дозрел» до этой идеи, самый лучший выход — в продуктах массового потребления вообще отказаться от применения губительно действующих на окружающую среду элементов. Главным достоинством ТЭ как раз и является то, что сами они (за исключением некоторых видов «горючего») и «отходы» их работы экологически безвредны. Работа ТЭ сопровождается управляемым «беспламенным» горением топлива. Поэтому никаких особых нюансов с процессами воспламенения нет, и особых проблем отвода избыточного тепла при работе таких элементов не возникает (как и из всякого правила, здесь есть свои исключения, но мы их рассматривать не будем). Кроме того, топливные элементы характеризует высокий коэффициент полезного действия (КПД). У ныне используемых ТЭ он примерно в два раза выше, чем у тех же ДВС (двигателей внутреннего сгорания), которые потребляют аналогичное топливо. Кроме того, ТЭ при работе не выделяют «спектр» токсичных веществ и работают практически бесшумно — движущихся частей в них либо вообще нет, либо их количество крайне мало. Немаловажным достоинством ТЭ является и то, что в отличие, скажем, от ДВС, они могут быть небольших размеров, то есть пригодными для использования в мобильной электронной технике. Конечно же, пока ТЭ не столь миниатюрны, как привычные аккумуляторы и батарейки, но прогресс в этом направлении ощутим. Что еще немаловажно, так это то, что топливный элемент в процессе эксплуатации практически не изнашивается (!). Да, как и у обычной батарейки, у него есть анод и катод. Но в отличие от привычной «батареечной» схемы работы, при прохождении химических реакций в ТЭ масса его электродов не меняется, они не подвержены коррозии. Ведь источником свободных электронов в топливных элементах служат вовсе не электроды (они выполняют роль катализатора), а само топливо. Сразу оговоримся, что из всего великого многообразия топливных элементов мы остановимся наше внимание лишь на одном их типе, разрабатываемом, в частности, и компанией «Тошиба». Самой перспективной технологией для создания источников питания портативных электронных устройств, таких как ноутбуки, КПК и т.п., является технология топливных элементов, использующих метанол. Именно о ней мы сегодня и поговорим. Как это работает
Схема работы приведенного ТЭ следующая: кислород и водный раствор метанола (топливо) разделены мембраной-катализатором, одна сторона которой как раз и выступает в роли катода, а другая — в качестве анода. Вступая в реакцию с анодным слоем, метанол ионизируется. Его электроны создают ток, а положительно заряженные ионы водорода взаимодействуют с кислородом и образуют воду. Как видим (рис. 1), в ходе своей работы ТЭ производит новые химические элементы, а также выделяет тепло. Дело в том, что реакция окисления, происходящая внутри топливного элемента, похожа на процесс горения. А поскольку такой процесс экзотермический, то как и при горении, выделяется тепло — топливные элементы нагреваются. При работе ТЭ могут разогреваться до 50–100°С. Так что же «нахимичивают» ТЭ в процессе своей работы? Фраза «отработанное (окисленное) топливо» почему-то навевает грустные мысли по поводу экологии :-). Однако как раз с этим у ТЭ на метаноле все в порядке — по формулам (рис. 1) хорошо заметно, что в отличие от отходов при других способах получения электроэнергии, химические отходы ТЭ безвредны. В качестве «отходов производства» ТЭ выделяют углекислый газ (именно только углекислый СО2, который перерабатывается растениями, а не угарный СО) и обыкновенную воду. Ну, скажете вы, вон, углекислый то газ попадает в атмосферу. Так чем ТЭ в экологическом плане лучше тех же ДВС? А в том, что в отличие от последних, топливные элементы работают при более низких температурах и не способны так загрязнять воздух, как ДВС. ТЭ не разогреваются до температуры, при которой, например, вырабатывается токсичная закись азота, выделяемая ДВС. Вряд ли кто сейчас сомневается в перспективности применения ТЭ в переносных электронных устройствах. Однако, надо признать, процесс развития топливных элементов даже в течение последнего десятилетии шел все же довольно неспешно (традиционно, что ли). Может, это связано с инерционностью индустрии, которая просто не в состоянии в одночасье отказаться от производства «традиционных» батарей (их выпускают многие заводы, где есть тысячи рабочих мест, и т.д.). Ведь еще в далеком 1990 году компания Energy Related Devices Inc демонстрировала свой экспериментальный мобильный телефон на топливных элементах. Устройство было способно непрерывно работать в течение 24 часов. Уже тогда некоторые предполагали, что при некоторых доработках продемонстрированные ТЭ могут быть запущены в массовое производство. Но за прошедшие 13 лет ни от одной компании так и не последовало заявления о начале массовых поставок топливных элементов питания для электронных устройств. И хотя многие фирмы с завидным постоянством публично демонстрировали свои достижения в этой области, «воз» ТЭ на поверку двигался очень медленно. А ведь помимо прочих достоинств, при массовом производстве и, что не менее актуально, в повседневной эксплуатации топливные элементы обещают быть очень недорогими. Единственным «расходным материалом» к ним служит метанол, стоимость которого примерно 20 центов за литр (и это в развитых странах). Будем надеяться, что хотя бы в недалеком будущем ТЭ станут распространенным и весьма экономичным способом «мобильного» получения электроэнергии. Однако при всех своих достоинствах топливные элементы не лишены недостатков. Основной из них для ТЭ на метаноле заключается в токсичности топлива . Существуют разработки с использованием этанола (спирт, полученный в результате переработки сельскохозяйственных культур, безвреден, широко используется как автомобильное топливо в Бразилии, где его делают из тростника), но эффективность таких элементов оказывается значительно ниже метаноловых. Недостатки — в топливе? Для объективности рассмотрения, конечно же, нельзя не остановиться и на недостатках ТЭ. Первое, о чем мы уже сказали выше, — это токсичность самого топлива (при полной безвредности продуктов его горения). Метанол, он же метиловый спирт, он же древесный спирт, он же CH3OH. На вид это бесцветная, прозрачная жидкость с запахом, напоминающим этиловый спирт. Однако жидкость эта легковоспламеняющаяся (температура вспышки 15.6°С (!)), да еще и образующая с воздухом в объемных концентрациях 6.72–36.5% взрывоопасные смеси. А это, по правде говоря, для электронных устройств, где «гуляют» токи и напряжения, не очень оптимальный вариант. Кроме того, метанол — сильнодействующий яд, вызывающий поражение центральной нервной и сердечно-сосудистой систем. Прием вовнутрь 5–10 мл такой жидкости приводит к тяжелому отравлению и слепоте, а 30 мл способны вызывать летальный исход. Промышленный метанол широко применяется в промышленности для получения карбамидных и ионнообменных смол, формальдегида, уксусной кислоты, диметилтерефталата, метилметакрилата, пентаэритрита, синтетического изопренового каучука, поливинилхлоридных, ацеталей, химикатов, как растворитель в производстве красителей и лакокрасочных продуктов и т.д. Транспортируют эту жидкость в специальных железнодорожных или автоцистернах, стальных бочках, при перевозке водным транспортом также используют специальные контейнеры. Потому возникает вопрос — удастся ли производителям создать миниатюрные, но в то же время надежные сменные контейнеры с топливом для ТЭ, способные надежно защитить пользователя от метанола и его паров?
Помимо того, единичный топливный элемент выдает напряжение лишь около одного вольта. Чего явно недостаточно для питания не то что ноутбука, но и КПК. Из положения выходят объединением нескольких элементов в одну конструкцию. Однако, хотя это и позволяет получить больший вольтаж, но ведет и к значительному увеличению габаритов и массы ТЭ. Что для мобильных устройств вряд ли можно посчитать удачным решением. Хорошо еще, что в качестве электролита в таких элементах (в частности, от «Тошиба») используется полимерная твердая мембрана, что дает возможность основательно уменьшить габариты ТЭ. Что имеем? Прогресс в области создания ТЭ идет стремительно. Многие компании ведут работы в этой перспективной области. Американская United Technology и японская Toshiba создали для исследований в этой области корпорацию International Fuel Cells. Европейская компания Siemens не так давно заявила о возможности значительного удешевления топливных элементов. Разработчики компании утверждают, что следующее поколение топливных элементов будет состоять из нескольких, до десятка плоских частей, установленных друг за другом. Это позволит сократить путь, проходимый электрическим током, и значительно снизить общее сопротивление элемента. Расчеты показывают, что новый конструктив даст возможность достичь почти трехкратного увеличения мощности ТЭ по сравнению с имеющимися сейчас элементами. Первые испытания, проведенные в лабораториях, подтвердили ожидания. Японская Casio не только представила в прошлом году новый прототип топливных элементов, но и показала ноутбук, КПК и цифровую камеру с питанием от них. Casio утверждает, что ноутбук с топливным элементом будет в два раза легче аналогичных ему устройств, использующих литий-ионные аккумуляторы. А по продолжительности работы новинка будет превосходить последние в 4 раза. Новый элемент от Casio содержит так называемый микрореактор, в котором, как сообщается, КПД химической реакции преобразования топлива на метаноле в электричество доходит до 98% (!). А в будущем компания якобы планирует увеличить эффективность своих элементов, по сравнению с современными аналогами, еще в 6–8 раз. Недавняя весенняя новинка от Toshiba в области ТЭ представляет из себя элемент типа DMFC (Direct Metanol Fuel Cell). Представленный компанией топливный элемент вырабатывает от 12 до 20 Вт, а его размеры составляют 275х75х40 мм. Для миниатюризации в нем применяется оригинальная система вторичного использования воды. В элементе DMFC оптимальной концентрацией метанола в воде является значение в 3–6%, то есть объем находящейся в устройстве воды во много раз превышает объем метанола. Инженерам Toshiba удалось вторично задействовать воду, получающуюся при химической реакции в ТЭ, что позволило сократить хранимый основной запас жидкости. Вот такие достижения в области «мобильных» ТЭ произошли за последнее время. Каковы ближайшие перспективы в этой области? По планам «Тошиба», промышленное производство элементов DMFC должно начаться уже в следующем году. Однако, учитывая исторический опыт, вряд ли стоит рассчитывать на быстрое распространение ТЭ. По некоторым оценкам, лишь к 2008 году этот тип источников питания будут использовать около 3% мобильных устройств, что в количественном выражении составит примерно 2 миллиона единиц техники. Источник: http://www.mycomp.com.ua/ |
*** | ||
|
||
*** | ||
|
||
Copyright © "Internet Zone", info@izcity.com. Условия использования материалов |