Мобильная электроника с каждым годом, если не месяцем, становится все доступнее и распространеннее. Тут вам и ноутбуки, и КПК, и цифровые фотоаппараты, и мобильники, и еще масса всяких полезных и не очень устройств. И все эти устройства постоянно обзаводятся новыми функциями, более мощными процессорами, большими цветными экранами, беспроводной связью, одновременно уменьшаясь в размерах. Однако, в отличие от полупроводниковых технологий, технологии питания всего этого мобильного зверинца идут отнюдь не семимильными шагами. Обычных аккумуляторов и батарей становится явно недостаточно для прокорма последних достижений hi-tech индустрии в течение сколько-нибудь существенного времени. А без надежных и емких батарей пропадает весь смысл мобильности и беспроводности.

Так что, компьютерная индустрия все активнее и активнее работает над проблемой альтернативных источников питания. И самым перспективным, на сегодняшний день, направлением здесь являются топливные элементы. Такое впечатление, что финальный рывок, после которого эти устройства, наконец, попадут на рынок в массовом порядке, уже близок. Компании одна за другой сообщают о технологических прорывах и демонстрируют многообещающие прототипы, а даты выхода коммерческих продуктов становятся все ближе. Так что, по-моему, настало время познакомиться с этой технологией поближе. Что же представляет собой топливный элемент (известный в английском языке как Fuel cell). В самом общем смысле, это электрохимический источник энергии, использующий для получения электричества окислительно-восстановительные реакции. Впрочем, то же самое можно сказать и об обычных батарейках и аккумуляторах. Однако топливный элемент существенно от них отличается.

Возьмем, для примера, обычную одноразовую цинковую батарею. Состоит она из, как ни странно, цинка (анод), двуокиси марганца (катод) и водного раствора хлорида цинка (электролит). Реакция, которая протекает при разряде батареи, выглядит так:

Анод (окислительная реакция): Zn + 2 OH^- -> Zn(OH)₂+ 2 e^-

Катод (восстановительная реакция): 2 MnO₂ + H₂O + 2 e^- -> Mn₂O₃ + 2 OH^-

Вот эти-то 2 e^-, идущие от анода к катоду, и создают ток в цепи, в которую включена батарея. Причем, все активные вещества изначально заложены в батарею, а идущие в ней реакции необратимы. То есть, когда все вещества прореагируют, ток закончится, и батарейку можно выбрасывать. В аккумуляторах происходит практически то же самое, но вещества подобраны таким образом, что возможен обратный процесс. То есть, приложив напряжение к самой батарее, ее химические компоненты можно восстановить до начального состояния - зарядить. Однако и в этом случае все исходные вещества изначально содержатся внутри аккумулятора.

В топливном элементе все устроено наоборот - и горючее, и окислитель подаются в него извне. Топливный элемент является только посредником в реакции и в идеальных условиях мог бы служить практически вечно. Красота этой технологии в том, что фактически в элементе происходит сжигание топлива и прямое превращение выделяющейся энергии в электричество. При прямом сжигании топлива оно непосредственно окисляется кислородом, а выделяющееся при этом тепло идет на совершение полезной работы. В топливном элементе, как и батареях, процессы окисления топлива и восстановления кислорода пространственно разделены, и процесс "сжигания" происходит, только если элемент отдает ток в нагрузку. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора. А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД. Последнее объясняется тем, что, во-первых, отсутствуют промежуточные механические устройства и, во-вторых, топливный элемент не является тепловой машиной и поэтому не подчиняется закону Карно (то есть, его эффективность не определяется разницей температур).

В качестве окислителя в топливных элементах используется кислород. Причем, поскольку кислорода вполне достаточно в воздухе, то беспокоиться о подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. Таким образом, в топливном элементе происходит реакция 2H₂ + O₂^-= 2H₂O + электричество + тепло. В результате получается полезная энергия и водяной пар - идеально с точки зрения эффективности и экологии. Вопрос в том, как провести эту реакцию контролируемо? И тут мы переходим к тонкостям устройства топливных элементов.

Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной (proton exchange membrane fuel cell или PEMFC). Работает он следующим образом: поступающий в элемент водород разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы водорода H+. Далее в действие вступает специальная мембрана, выполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 1 Вольта). Если включить элемент в нагрузку, то электроны пойдут через нее к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве катализатора в PEMFC обычно используются микрочастицы платины, нанесенные на углеродное волокно. Благодаря своей структуре такой катализатор хорошо пропускает газ и электричество. Мембрана обычно изготавливается из серосодержащего полимера нафиона (nafion). Толщина мембраны составляет десятые доли миллиметра. При реакции, естественно, выделяется и тепло, однако его не так уж много, так что рабочая температура PEMFC находится в пределах 40-80°C.

Существуют и другие типы топливных элементов, в основном, различающиеся типом используемого электролита. Практически все они требуют в качестве топлива водород, так что встает логичный вопрос: где его взять. Конечно, идеально было бы использовать сжатый водород из баллонов, однако тут сразу же возникают проблемы с транспортировкой и хранением этого весьма огнеопасного газа под большим давлением. Конечно, можно использовать водород в связанном виде - та же платина может растворять в своем объеме до нескольких сотен объемов водорода. Однако остается задача его добычи и транспортировки, ведь инфраструктуры водородных заправок не существует.

Впрочем, тут тоже есть решение - в качестве источника водорода можно использовать жидкое углеводородное топливо. Например, этиловый или метиловый спирт. Правда, тут уже требуется специальное дополнительное устройство - топливный преобразователь (fuel reformer), при высокой температуре (для метанола это будет где-то 240°C) преобразующее спирты в смесь газообразных H₂ и CO₂. Однако в этом случае уже не приходится говорить о портативности - такие устройства хорошо использовать в качестве стационарных или автомобильных генераторов, а вот для компактной мобильной техники нужно что-нибудь попроще.

И тут мы приходим именно к тому устройству, разработкой которого со страшной силой занимаются практически все крупнейшие производители электроники - метаноловому топливному элементу. По-английски он называется direct-methanol fuel cell (DMFC), что как раз и подчеркивает возможность непосредственного использования жидкого метанола. Принципиальная разница между PEMFC и DMFC заключается в используемом катализаторе. Катализатор в DMFC позволяет отрывать протоны непосредственно от молекулы спирта. Таким образом, решается вопрос с топливом - метиловый спирт массово производится для химической промышленности, его легко хранить и перевозить, а для зарядки метанолового топливного элемента достаточно просто заменить картридж с топливом. Правда, есть один существенный минус - метанол весьма токсичен. К тому же эффективность DMFC значительно ниже, чем у водородных. Самый заманчивый вариант - использовать в качестве топлива спирт этиловый, благо, производство и распространение алкогольных напитков любого состава и крепости хорошо налажено по всему земному шару. Но эффективность этаноловых топливных элементов, к сожалению, еще ниже, чем у метаноловых.

Это, так сказать, теоретическая часть вопроса. В следующем номере мы рассмотрим, какие практические проблемы возникают на пути внедрения топливных элементов, как их решают производители и насколько близко все это к реальному массовому применению.

(Окончание следует)

Константин АФАНАСЬЕВ