СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2012

В ВЕДЕНИЕ Более 100 лет назад Вильгельм Ост вальд (1853–1932) предложил источ ник тока в виде реактора, в который извне подаются топливо и окислитель и в котором в результате реакции окис ления восстановления происходит ге нерирование электрической энергии [1]. Большинство исследователей рас сматривали такие топливные элемен ты (ТЭ) как крупногабаритные источ ники энергии с мощностьюот единиц киловатт до сотен мегаватт. Однако в последние годы активно обсуждается идея создания миниатюрных ТЭ и энергоустановок на их основе для ис точников питания портативной элек троники, например, для замены тради ционных никель металлгидридных и литий ионных аккумуляторов в сото вых телефонах, навигаторах, ноутбу ках и т.п. [2]. Возможности совершенствования никель металлгидридных и литий ионных аккумуляторов в основномис черпаны, и по мере дальнейшего роста потребностей в энергии их характе ристики будут всё больше отставать от требований портативных устройств. Есть основания полагать, что создава емые блоки питания на основе ТЭ смо гут обеспечить в 2–3 раза большую длительность автономной работы те лефонов и компьютеров, чем совре менные аккумуляторные батареи. Со временем это превышение может стать десятикратным. Разработке микротопливных эле ментов (МТЭ) придаётся большое зна чение, в том числе, в рамках програм мы «Боец 21 века» [3]. Различные облас ти применения требуют источников питания разной мощности. Так, для МР3 проигрывателя требуется источ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 10 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2012 ник питания мощностьюот 0,1 до 1 Вт, в мобильных телефонах используются батареимощностьюот 2 до 5 Вт, в ноут буках – от 15 до 30 Вт; оснащение «Бой ца 21 века» требует от 25 до 150 Вт. Однако практическая разработка МТЭ сопряжена с решением сложных задач. Запас топлива предложено хра нить и доставлять в реакторную зону с помощью специальных картриджей. В качестве топлива в МТЭ рекомендован водород либо органические вещества, например метанол. В качестве окисли теля может использоваться кислород воздуха. В число компаний, активно разраба тывающих ТЭ, входят Hitachi и Toshiba. Американские фирмы тоже продемон стрировали возможности технологии, но в последнее время именно японс кие компании добились значительных успехов в этой области. Хотя большин ство компаний демонстрируют за казчикам действующие образцы ТЭ, ни один из крупных поставщиков ещё не заключил контракт на их произ водство. Один из крупнейших производите лей ноутбуков, компания Toshiba, раз рабатывает ТЭ прямого действия на ос нове метанола (direct methanol fuel cell, DMFC), который обеспечивает порта тивному компьютеру примерно 5 ч непрерывной работы от одного заря женного картриджа. Новый элемент размером 275 × 75 × 40 мм можно мно гократно перезаряжать картриджами с метанолом. По мнениюаналитиков, в ближайшем будущем разработки To shiba вряд ли окажут существенное влияние на рынок элементов питания. Однако лучшие из современных тех нологий традиционных элементов пи тания – в силу химических ограниче ний – допускают повышение их пара метров всего на 15…25%, поэтому ТЭ представляются более эффективными источниками питания для портатив ных устройств. Прежде чем технологии ТЭ смогут получить широкое распространение, разработчикам придётся решить ряд технических и технологических проб лем, таких как подача топлива, выве дение продуктов реакции, миниатю ризация узлов и высокая стоимость ма териалов. Фирма Toshiba сообщила, что она ре шила проблему миниатюризации, из менив способ разбавления метанола водой для достижения оптимальной концентрации. Оптимальная концен трация метанола в ТЭ составляет 3…6%. Для хранения топлива с такой концен трацией требуется ёмкость, которая слишком велика для мобильных уст ройств. Компания вышла из положе ния, разработав систему разбавления метанола водой в процессе работы топливного элемента, что позволяет хранить более концентрированное топливо в картриджах меньшего раз мера. Современные МТЭ могут работать при низких температурах. Верхний предел их мощностей не должен пре вышать сотен ватт, а нижний предел соответствует долям ватта. Диапазон мощностей определяет и сам МТЭ. Если удельная мощность составляет 100 мВт/см 2 , то рабочая поверхность электродов должна варьироваться в пределах от единиц до тысяч квадрат ных сантиметров. Геометрические раз меры элемента определяет не только поверхность, на которой происходят электрохимические реакции, но и пространство, занимаемое топливом, средствами его подачи, средствами контроля и непосредственно корпу сом ТЭ. В то же время нежелательно, чтобы элемент был объёмнее и тяже лее того агрегата, который он питает. Микротопливный элемент – это всегда сборка (батарея) единичных элементов. При этом каждый отдель ный ТЭ – это максимально тонкий эле мент, состоящий из материала, соче Современное состояние и тенденции развития микротопливных элементов Виталий Гринберг, Александр Скундин, Евгений Нижниковский (г. Москва) В статье представлены результаты исследований в области перспективных микротопливных элементов (МТЭ). Рассмотрены новейшие кремниевые микро и нанотехнологии, технологии получения наноструктурированных катализаторов, вопросы конструирования МТЭ мощностью 0,5…20 Вт. Описаны боргидридные МТЭ, комбинированные (гибридные) системы и МТЭ со смешанным реагентом. Представлены результаты электрохимических испытаний макетов МТЭ. © СТА-ПРЕСС