МОБИЛЬНИК С ПОЛНЫМ БАКОМ-1
Альтернативные источники энергии давно уже волнуют человечество. Простой пользователь хочет получить больше энергии "здесь и сейчас", чтобы от одной зарядки устройство, будь это автомобиль или наручные часы, работало намного дольше, нежели теперь, и чтобы энергия эта была дешевле используемой нынче, да и об экологии подумать не мешает: по всему миру трубят о том, сколько миллионов тонн свинцовых и никелевых аккумуляторов выбрасываются на помойку, загрязняя окружающую среду. Какие только светлые идеи не приходили в не менее светлые головы изобретателей! Многие из них пытались применить и к мобильным телефонам. Мы уже рассказывали вам о телефонах, подзаряжающихся мускульными устройствами, и о мобильниках на солнечных батареях. Сегодня тема рассказа - топливные элементы. Несмотря на то, что технология массового производства топливных элементов еще относительно молода, автомобили на таком виде топлива получили признание, особенно в Японии и Калифорнии, где действуют самые суровые экологические законы в США. "Получили признание" - это значит, что подобные автомобили выпускают промышленными партиями, но все же удельный процент их крайне невелик. Впрочем, последние вести с мировых автосалонов позволяют быть уверенным, что еще какой пяток лет - и автомобилей на топливных элементах будет колесить по всему свету превеликое множество. Но не всякую автомобильную технологию можно вот так просто применить к мобильным телефонам хотя бы по той причине, что мобильники в 250 тысяч раз меньше по размерам, соответственно, и элементы питания имеют намного меньшие весогабаритные показатели. Но раз уж мы эту тему затеяли - значит, нам есть о чем порассказать. Сегодня вы узнаете о водородных топливных элементах для портативной электроники.
Английский ученый Уильям Гроув еще в далеком-далеком 1839 году поместил полоски платины в пробирки с кислородом и водородом, а пробирки те окунул в емкости с кислотным электролитом. Получился электролиз наоборот: процесс образования воды использовался для генерации электричества. Впрочем, тогда технология не получила должного распространения. Но сейчас, с поиском новых энергетических решений, вопрос снова стал актуален. Про автомобили мы уже сказали. Интересующий нас вопрос - встраивание топливных элементов в мобильные телефоны - пытаются разрешить уже более пяти лет, и пока серьезных и массовых успехов нет, хотя отдельные победы, конечно же, случались. Как устроены современные топливные элементы? Как и в обычных гальванических элементах питания, есть анод и катод - полюсы батареи. В зоне анода при помощи катализатора окисляется метиловый спирт, в результате чего выделяются протоны - положительные ионы водорода. Через мембрану они проникают в зону катода, и там (снова не без помощи катализатора) соединяются с кислородом, который берется прямо из воздуха. Соединив катод с анодом, получаем свободные электроны, которые активно участвую в реакции восстановления, то есть и создают электрический ток. Результат этой реакции - вода в чистом виде. Почему бы сразу не отправлять на реакцию чистый водород? Да потому, что его очень проблематично хранить, он занимает немало места да еще и взрывоопасен впридачу (катастрофу "Гинденбурга" до сих пор помнят). Поэтому и приходится идти на такой дополнительный шаг. А метанол - сырье достаточно дешевое и безопасное (если, конечно, его не пить). Вторая трудность - реакция происходит только при определенной концентрации топлива, а это значит, что его надо подавать строго дозированно, что влечет за собой необходимость применения специальных насосов. Но головастые японцы разработали специальную мембранную помпу, в которой нет движущихся частей. Этот насос-мембрана может перегонять чистый метанол в "камеру сгорания" и поддерживать постоянную его концентрацию; кислород при этом нагнетается по принципу градиентного насоса: за счет градиента концентрации его в воздухе и образующейся в ходе реакции воде. Третья препона - реакция реформинга (в результате которой метанол и вода превращаются в водород и углекислый газ) лучше всего происходит при температуре 250 градусов, а такая жарища в кармане, согалситесь, мало кому понравится. Но и с этой напастью удалось справиться: ученые разработали топливные элементы с так называемым прямым преобразованием метанола - DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Теперь при помощи платинового катализатора для извлечения водорода из метанола достаточно и комнатной температуры. Когда все основные проблемы топливных элементов были разрешены, наступила пора максимально уменьшить рабочие поверхности материалов и попробовать уместить все элементы батареи в компактный корпус. В 2002 году компания из Мюнхена Smart Fuel Cell сообщила о том, что ей удалось создать самый компактный топливный элемент с прямым преобразованием метанола. Правда, "самый компактный" не означает, что его можно встраивать в телефоны, разве что в NMT-аппараты 25-летней давности: по размерам установка мало отличалась от кирпича, а вес составлял 2 килограмма. В "бак" залили 200 "кубиков" метанола, пошла реакция - и агрегат в течение 8 часов выдавал мощность в 40 ватт. Такой мощности вполне достаточно, чтобы запитывать в течение указанного времени ноутбук, служащий ему модемом сотовый телефон и еще и принтер в придачу или какое-нибудь другое устройство. А ведь современные ноутбуки нечасто работают больше трех часов от одной зарядки стандартной литиевой батареи. Позже компании удалось собрать прототип батареи, которая вдвое меньше и легче при аналогичной вырабатываемой мощности. Директор компании Йенс Миллер сказал, что с началом массового производства таких батарей их стоимость будет не выше чем у литиевых аккумуляторов соответствующих габаритов. Понятное дело, трудностей все еще хватает. Взять хотя бы удельную мощность, то есть мощность на килограмм массы. Чтобы создать компактную батарею, нужно довести этот показатель до невиданных высот. Сегодня обычная литиевая батарея обладает удельной мощностью в 150 Вт/кг, а батарея компании Smart Fuel Cell - 160 Вт/кг. Казалось бы, очень даже неплохо, но не стоит забывать, что батарее на топливных элементах нужна емкость для топлива, - а это значит, что весогабаритные показатели цельной конструкции увеличиваются, а удельная мощность падает. Что же касается КПД таких батарей, то принято считать, что он достигает 95% против 35% у обычных энергоустановок. Правда, из этих 95% сами топливные элементы обеспечивают лишь 75%, а остальное добирается за счет выделяемого при химической реакции тепла. Это тепло расходуется впустую, и до тех пор, пока его не нацчатся утилизировать и преобразовывать в электричество, реальный КПД нужно считать за 75%. Топливо для ячеек - метиловый спирт - достаточно дешево: на доллар можно получить несколько литров. Но если технология будет массово внедрена, то потребуются и особые емкости с метанолом, которые можно будет подсоединять к топливному элементу любой модели любого производителя. Такая унификация наложит свои рамки на форму и объем "бензобака", в результате чего не исключается такая ситуация, когда 250-милилитровая емкость будет стоить целых 3 доллара. По сравнению со стоимостью электричества из розетки - гигантская сумма. И чтоб уж совсем закончить с мелкими неприятностями, осложняющими жизнь разработчикам мобильных топливных элементов, скажем еще раз, что для протекания реакции нужен кислород, который берется напрямую из воздуха. То есть - топливный элемент должен "дышать": потреблять кислород, "выдыхать" углекислый газ и побочно вырабатывать воду. Население же чаще всего носит свои мобильные телефоны в сумках и карманах одежды, что сильно препятствует доступу свежего воздуха. Теоретически может сложиться такая ситуация, что мобильник просто задохнется в тесных карманах и отключится от энергетического голодания. Так что нужно разработать батарею, которая могла бы получать кислород в любых условиях; самый простой выход - сделать как можно больше вентиляционных щелей. Ах да, мы же забыли о преимуществах! Помимо указанных высокого КПД и удельной мощности, надо сказать о том, что когда батарея не работает на отдачу тока, ее мощность не рассеивается в пустоту (как это бывает у обычных литиевых и никелевых батарей, а для зарядки нужно потратить не несколько часов, а несколько минут: залил метанол в бачок - и готово. Кроме этого, топливные батареи имеют в несколько раз больший срок службы: электролит и электроды "изнашиваются" намного слабее.
Трудности, видимо, потихоньку решались, потому что в июне 2003 года представители японского оператора NTT DoCoMo объявили о планах по выпуску мобильных телефонов на топливных элементах уже в 2004 году. В то время Япония переживала рост пользователей сетей третьего поколения, и за короткое время абонентская база оператора выросла до 480.000 человек. Впрочем, серьезным сдерживающим фактором была именно малая жизнь аккумуляторных батарей: видеоконференции и скоростной интернет опустошают АКБ очень, очень быстро. Так, в режиме ожидания сила потребляемого сотовиком тока составляет 2 мА, а при просмотре мобильных телевизионных программ - 200 мА. Представители оператора не слишком витали в облаках и понимали, что полностью встроить топливные элементы в корпуса мобильных телефонов им пока не удастся, и поэтому пользователям придется носить с собою контейнерчик для заправки батареи, по габаритам чуть более бензиновой зажигалки.
Кстати, о зажигалках. В декабре того же года Hitachi и японский производитель зажигалок Tokai сказали, что начнут продажи топливных элементов для КПК в 2005 году. По их словам, они даже изготовили рабочий прототип. В будущем они хотят довести габариты топливной установки до размеров обычной пальчиковой батарейки АА.
По их задумке, в "бак" будет заливаться 20%-ый раствор метанола, а вырабатываемая вода снизит его концентрацию до 3-6%, - такое "октановое число" наиболее подходит для выработки электричества. Работы продолжились.
Еще через год, во второй половине июня 2004-го, американская компания MTI MicroFuel Cells представила топливные элементы семейства Mobion, вполне пригодные для использования на портативных устройствах. Компания даже показала две такие батареи вместе с крышками батарейного отсека - для коммуникатора и портативной игровой приставки.
Топливные элементы имеют объем около 40 кубических сантиметров, поэтому на задней части устройств образовался внушительных размеров выступ. Фирменная технология micro-plumbing позволяет отказаться от топливных насосов и вместо этого использовать эффект электроосмоса в капиллярах, благодаря чему вода с катода и доставляется к аноду. Показатели работы этих батарей имеют большую разбежку: указывается, что в зависимости от энергопотребления каждой конкретно модели, батарейки способны обеспечить ее питанием на срок от 4 до 20 часов активной работы.
Буквально через несколько дней компания Toshiba сообщила о разработке нового топливного элемента для использования в портативных устройствах. Как утверждали представители компании, их батарейка была самой маленькой в мире топливной ячейкой - габариты составляли 56х22х4,5 мм, а масса - 8,5 грамма.
Согласитесь, с такими показателями батарею можно страивать в мобильные телефоны. Правда, при таких габаритах удалось добиться мощности не более чем в 100 мВт, а на одну заправку требуется всего два "кубика" метанола. Казалось бы - мало, и отдача невысока, но, как заверяют в компании, этого достаточно для того, чтобы МР3-плеер непрерывно работал в течение 20 часов. Высказывались мысли, что эти топливные элементы поступят в продажу в 2005 году.
Через два месяца компания KDDI, владелец популярного японского сотового оператора au, разглядев потенциал новинки, подписала соглашения с корпорациями Toshiba и Hitachi о совместной разработке элементов питания нового типа для мобильников и смартфонов, в первую очередь тех, которые способны воспроизводить передачи мобильного телевидения. По условиям соглашения, две компании станут вести разработки каждая своим путем, но конечные продукты должны быть унифицированы: у них будет одинаковый интерфейс для подключения к мобильному телефону и идентичные горловины для заправки топливом. На первом этапе топливные элементы будут выпускаться в виде отдельных модулей (их прототипы должны появиться до конца года), а затем, ближе к концу 2005-го, должны появиться уже и встраиваемые версии ячеек, которые смогут обеспечить до 10 часов непрерывной работы мобильника в самом энергозатратном режиме.
Позже Toshiba представила образец коммерческого зарядного устройства на топливных элементах. От одной заправки оно может работать до 20 часов, генерируя 1 Вт мощности. Масса коробочки - 130 граммов.
Тем временем конкуренты шли вперед. Уже упоминавшийся крупнейший оператор NTT DoCoMo и Fujitsu Laboratories в октябре того же года объявили о разработке прототипа зарядника на топливных элементах. Что заряжать? Конечно же, сотовики третьего поколения, работающие в сетях FOMA вышеназванного оператора. Коробочка по размерам вышла ощутимо больше, чем сам мобильник: 152х57х16 мм при массе в 190 граммов.
Картриджа объемом 18 см3 с тридцатипроцентным раствором метанола хватает на одну зарядку штатного аккумулятора телефона, при этом на выходе топливная батарея выдает напряжение в 5,4 В и 700 мA тока.
В октябре на выставке Ceatec Japan 2004 три компании показали свои наработки. Версия от Hitachi использует 46-процентный метанол и в течение 5 часов может выдавать электричество напряжением 3,5 В и мощностью в 700 мВт.
А прототип от Toshiba использует 100-процентный метанол и обеспечивает устройство энергией в течение 10 часов.
Также в портфолио Toshiba есть медиаплеер размерами примерно 4х9 сантиметров, на всей задней поверхности которого располагается топливная батарея.
Окончание здесь:
http://artykul.livejournal.com/46326.html
Английский ученый Уильям Гроув еще в далеком-далеком 1839 году поместил полоски платины в пробирки с кислородом и водородом, а пробирки те окунул в емкости с кислотным электролитом. Получился электролиз наоборот: процесс образования воды использовался для генерации электричества. Впрочем, тогда технология не получила должного распространения. Но сейчас, с поиском новых энергетических решений, вопрос снова стал актуален. Про автомобили мы уже сказали. Интересующий нас вопрос - встраивание топливных элементов в мобильные телефоны - пытаются разрешить уже более пяти лет, и пока серьезных и массовых успехов нет, хотя отдельные победы, конечно же, случались. Как устроены современные топливные элементы? Как и в обычных гальванических элементах питания, есть анод и катод - полюсы батареи. В зоне анода при помощи катализатора окисляется метиловый спирт, в результате чего выделяются протоны - положительные ионы водорода. Через мембрану они проникают в зону катода, и там (снова не без помощи катализатора) соединяются с кислородом, который берется прямо из воздуха. Соединив катод с анодом, получаем свободные электроны, которые активно участвую в реакции восстановления, то есть и создают электрический ток. Результат этой реакции - вода в чистом виде. Почему бы сразу не отправлять на реакцию чистый водород? Да потому, что его очень проблематично хранить, он занимает немало места да еще и взрывоопасен впридачу (катастрофу "Гинденбурга" до сих пор помнят). Поэтому и приходится идти на такой дополнительный шаг. А метанол - сырье достаточно дешевое и безопасное (если, конечно, его не пить). Вторая трудность - реакция происходит только при определенной концентрации топлива, а это значит, что его надо подавать строго дозированно, что влечет за собой необходимость применения специальных насосов. Но головастые японцы разработали специальную мембранную помпу, в которой нет движущихся частей. Этот насос-мембрана может перегонять чистый метанол в "камеру сгорания" и поддерживать постоянную его концентрацию; кислород при этом нагнетается по принципу градиентного насоса: за счет градиента концентрации его в воздухе и образующейся в ходе реакции воде. Третья препона - реакция реформинга (в результате которой метанол и вода превращаются в водород и углекислый газ) лучше всего происходит при температуре 250 градусов, а такая жарища в кармане, согалситесь, мало кому понравится. Но и с этой напастью удалось справиться: ученые разработали топливные элементы с так называемым прямым преобразованием метанола - DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Теперь при помощи платинового катализатора для извлечения водорода из метанола достаточно и комнатной температуры. Когда все основные проблемы топливных элементов были разрешены, наступила пора максимально уменьшить рабочие поверхности материалов и попробовать уместить все элементы батареи в компактный корпус. В 2002 году компания из Мюнхена Smart Fuel Cell сообщила о том, что ей удалось создать самый компактный топливный элемент с прямым преобразованием метанола. Правда, "самый компактный" не означает, что его можно встраивать в телефоны, разве что в NMT-аппараты 25-летней давности: по размерам установка мало отличалась от кирпича, а вес составлял 2 килограмма. В "бак" залили 200 "кубиков" метанола, пошла реакция - и агрегат в течение 8 часов выдавал мощность в 40 ватт. Такой мощности вполне достаточно, чтобы запитывать в течение указанного времени ноутбук, служащий ему модемом сотовый телефон и еще и принтер в придачу или какое-нибудь другое устройство. А ведь современные ноутбуки нечасто работают больше трех часов от одной зарядки стандартной литиевой батареи. Позже компании удалось собрать прототип батареи, которая вдвое меньше и легче при аналогичной вырабатываемой мощности. Директор компании Йенс Миллер сказал, что с началом массового производства таких батарей их стоимость будет не выше чем у литиевых аккумуляторов соответствующих габаритов. Понятное дело, трудностей все еще хватает. Взять хотя бы удельную мощность, то есть мощность на килограмм массы. Чтобы создать компактную батарею, нужно довести этот показатель до невиданных высот. Сегодня обычная литиевая батарея обладает удельной мощностью в 150 Вт/кг, а батарея компании Smart Fuel Cell - 160 Вт/кг. Казалось бы, очень даже неплохо, но не стоит забывать, что батарее на топливных элементах нужна емкость для топлива, - а это значит, что весогабаритные показатели цельной конструкции увеличиваются, а удельная мощность падает. Что же касается КПД таких батарей, то принято считать, что он достигает 95% против 35% у обычных энергоустановок. Правда, из этих 95% сами топливные элементы обеспечивают лишь 75%, а остальное добирается за счет выделяемого при химической реакции тепла. Это тепло расходуется впустую, и до тех пор, пока его не нацчатся утилизировать и преобразовывать в электричество, реальный КПД нужно считать за 75%. Топливо для ячеек - метиловый спирт - достаточно дешево: на доллар можно получить несколько литров. Но если технология будет массово внедрена, то потребуются и особые емкости с метанолом, которые можно будет подсоединять к топливному элементу любой модели любого производителя. Такая унификация наложит свои рамки на форму и объем "бензобака", в результате чего не исключается такая ситуация, когда 250-милилитровая емкость будет стоить целых 3 доллара. По сравнению со стоимостью электричества из розетки - гигантская сумма. И чтоб уж совсем закончить с мелкими неприятностями, осложняющими жизнь разработчикам мобильных топливных элементов, скажем еще раз, что для протекания реакции нужен кислород, который берется напрямую из воздуха. То есть - топливный элемент должен "дышать": потреблять кислород, "выдыхать" углекислый газ и побочно вырабатывать воду. Население же чаще всего носит свои мобильные телефоны в сумках и карманах одежды, что сильно препятствует доступу свежего воздуха. Теоретически может сложиться такая ситуация, что мобильник просто задохнется в тесных карманах и отключится от энергетического голодания. Так что нужно разработать батарею, которая могла бы получать кислород в любых условиях; самый простой выход - сделать как можно больше вентиляционных щелей. Ах да, мы же забыли о преимуществах! Помимо указанных высокого КПД и удельной мощности, надо сказать о том, что когда батарея не работает на отдачу тока, ее мощность не рассеивается в пустоту (как это бывает у обычных литиевых и никелевых батарей, а для зарядки нужно потратить не несколько часов, а несколько минут: залил метанол в бачок - и готово. Кроме этого, топливные батареи имеют в несколько раз больший срок службы: электролит и электроды "изнашиваются" намного слабее.
Трудности, видимо, потихоньку решались, потому что в июне 2003 года представители японского оператора NTT DoCoMo объявили о планах по выпуску мобильных телефонов на топливных элементах уже в 2004 году. В то время Япония переживала рост пользователей сетей третьего поколения, и за короткое время абонентская база оператора выросла до 480.000 человек. Впрочем, серьезным сдерживающим фактором была именно малая жизнь аккумуляторных батарей: видеоконференции и скоростной интернет опустошают АКБ очень, очень быстро. Так, в режиме ожидания сила потребляемого сотовиком тока составляет 2 мА, а при просмотре мобильных телевизионных программ - 200 мА. Представители оператора не слишком витали в облаках и понимали, что полностью встроить топливные элементы в корпуса мобильных телефонов им пока не удастся, и поэтому пользователям придется носить с собою контейнерчик для заправки батареи, по габаритам чуть более бензиновой зажигалки.
Кстати, о зажигалках. В декабре того же года Hitachi и японский производитель зажигалок Tokai сказали, что начнут продажи топливных элементов для КПК в 2005 году. По их словам, они даже изготовили рабочий прототип. В будущем они хотят довести габариты топливной установки до размеров обычной пальчиковой батарейки АА.
По их задумке, в "бак" будет заливаться 20%-ый раствор метанола, а вырабатываемая вода снизит его концентрацию до 3-6%, - такое "октановое число" наиболее подходит для выработки электричества. Работы продолжились.
Еще через год, во второй половине июня 2004-го, американская компания MTI MicroFuel Cells представила топливные элементы семейства Mobion, вполне пригодные для использования на портативных устройствах. Компания даже показала две такие батареи вместе с крышками батарейного отсека - для коммуникатора и портативной игровой приставки.
Топливные элементы имеют объем около 40 кубических сантиметров, поэтому на задней части устройств образовался внушительных размеров выступ. Фирменная технология micro-plumbing позволяет отказаться от топливных насосов и вместо этого использовать эффект электроосмоса в капиллярах, благодаря чему вода с катода и доставляется к аноду. Показатели работы этих батарей имеют большую разбежку: указывается, что в зависимости от энергопотребления каждой конкретно модели, батарейки способны обеспечить ее питанием на срок от 4 до 20 часов активной работы.
Буквально через несколько дней компания Toshiba сообщила о разработке нового топливного элемента для использования в портативных устройствах. Как утверждали представители компании, их батарейка была самой маленькой в мире топливной ячейкой - габариты составляли 56х22х4,5 мм, а масса - 8,5 грамма.
Согласитесь, с такими показателями батарею можно страивать в мобильные телефоны. Правда, при таких габаритах удалось добиться мощности не более чем в 100 мВт, а на одну заправку требуется всего два "кубика" метанола. Казалось бы - мало, и отдача невысока, но, как заверяют в компании, этого достаточно для того, чтобы МР3-плеер непрерывно работал в течение 20 часов. Высказывались мысли, что эти топливные элементы поступят в продажу в 2005 году.
Через два месяца компания KDDI, владелец популярного японского сотового оператора au, разглядев потенциал новинки, подписала соглашения с корпорациями Toshiba и Hitachi о совместной разработке элементов питания нового типа для мобильников и смартфонов, в первую очередь тех, которые способны воспроизводить передачи мобильного телевидения. По условиям соглашения, две компании станут вести разработки каждая своим путем, но конечные продукты должны быть унифицированы: у них будет одинаковый интерфейс для подключения к мобильному телефону и идентичные горловины для заправки топливом. На первом этапе топливные элементы будут выпускаться в виде отдельных модулей (их прототипы должны появиться до конца года), а затем, ближе к концу 2005-го, должны появиться уже и встраиваемые версии ячеек, которые смогут обеспечить до 10 часов непрерывной работы мобильника в самом энергозатратном режиме.
Позже Toshiba представила образец коммерческого зарядного устройства на топливных элементах. От одной заправки оно может работать до 20 часов, генерируя 1 Вт мощности. Масса коробочки - 130 граммов.
Тем временем конкуренты шли вперед. Уже упоминавшийся крупнейший оператор NTT DoCoMo и Fujitsu Laboratories в октябре того же года объявили о разработке прототипа зарядника на топливных элементах. Что заряжать? Конечно же, сотовики третьего поколения, работающие в сетях FOMA вышеназванного оператора. Коробочка по размерам вышла ощутимо больше, чем сам мобильник: 152х57х16 мм при массе в 190 граммов.
Картриджа объемом 18 см3 с тридцатипроцентным раствором метанола хватает на одну зарядку штатного аккумулятора телефона, при этом на выходе топливная батарея выдает напряжение в 5,4 В и 700 мA тока.
В октябре на выставке Ceatec Japan 2004 три компании показали свои наработки. Версия от Hitachi использует 46-процентный метанол и в течение 5 часов может выдавать электричество напряжением 3,5 В и мощностью в 700 мВт.
А прототип от Toshiba использует 100-процентный метанол и обеспечивает устройство энергией в течение 10 часов.
Также в портфолио Toshiba есть медиаплеер размерами примерно 4х9 сантиметров, на всей задней поверхности которого располагается топливная батарея.
Окончание здесь:
http://artykul.livejournal.com/46326.html