Топливные элементы сегодня рассматриваются ведущими производителями электронных устройств в качестве альтернативы современным аккумуляторным батареям, ведь они позволяют не только в разы увеличить время автономной работы портативных аппаратов, но и позволяют отказаться от такой процедуры, как подзарядка батареи. Для начала стоит уделить внимание типовой конструкции топливных элементов, предусматривающая наличие двух электродов – на один (анод) подается само топливо, а на второй (катод) – окислитель, между которыми находится электролит. Схема работы устройства следующая: на аноде осуществляется разложение молекулы водорода на два положительно заряженных иона, при этом образуются два свободных электрона. Образовавшиеся ионы диффундируют через электролит к катоду, где осуществляется реакция окисления с образованием воды, при этом происходит «поглощение» двух электронов, полученных из внешней цепи. Конструкция топливных элементов предусматривает также наличие мембраны, разделяющей положительные ионы и электроны, причем последние отводятся во внешнюю цепь. Для ускорения химических реакций на катодах используются различные катализаторы.
Такая схема, с одной стороны, довольно проста, и в то же время позволяет конструировать целый спектр устройств, существенно различающихся друг от друга как по типу используемых материалов, так и характеристикам. Нас же интересуют топливные элементы для портативной электроники, на которые накладывается целый ряд ограничений, наиболее важным из которых с потребительской точки зрения является габаритные размеры. Именно поэтому основные усилия сотрудников ведущих исследовательских лабораторий направлены на разработку миниатюрных источников питания, и в этой области уже есть определенные достижения. Так, мы уже рассказывали об компактных гибридных источниках питания компании Sony, на этот раз поговорим об успехах MTI MicroFuel Cells и Motorola. Первая представила общественности прототип GPS-навигатора, питание которого осуществляется посредством топливного элемента, работающего на метаноле, более того, источник питания в этом случае гибридный, то есть имеет еще и встроенную литий-ионную аккумуляторную батарею. При этом размеры топливного элемента не превышают размеры обычных аккумуляторов. Это позволило увеличить время автономной работы до 60 часов, но самое интересное, что разработчики оснастили навигатор USB-портом, для… подзарядки других мобильных устройств – мобильного телефона, цифровой камеры и пр. Но только лишь представлением «топливного» навигатора MTI MicroFuel Cells не ограничилась – в разработке находятся топливные элементы для зеркальных камер, мобильных телефонов (компания заключила эксклюзивный контракт Samsung Electronics для разработки ТЭ для телефонов южнокорейского производителя) и даже подзарядка на их основе.
Теперь стоит сказать о разработке сотрудников компании Motorola, которые сообщили об уникальном решении – ультракомпактных топливных элементах с трехмерной структурой. Основное нововведение заключается в структуре электродов, которые представляют собой следующую конструкцию: топливный электрод имеет форму цилиндра, и размещается внутри кольцевого катода, между которыми размещена электролитическая мембрана. Размеры такой структуры очень малы – высота электродов составляет 50 – 100 мкм, а диаметр катода – около 100 мкм, а это в свою очередь позволяет разместить целый массив топливных ячеек на кремниевой пластине. Необычна и схема подачи топлива – водород поступает к аноду через миниатюрные отверстия в кремниевой подложке, окислитель же подается в качестве газа через торцевую поверхность катода. Разумеется, такая микроструктура топливных элементов требует разработки особой технологии ее формирования на кремниевой пластине. И такая технология уже разработана – на первом этапе формируется проводящий слой на поверхности подложки, и уже затем сухим травлением создаются микроотверстия для подачи топлива. Но основной этап – формирование структуры электродов, которые изготавливаются с применением коллоидного материала с микрочастицами полистирола, что необходимо для создания пористых электродов для возможности диффузии как водорода, так и окислителя. В последнюю очередь осуществляется формирование электролитической мембраны из фторированного полимерного материала производства компании DuPont. Разумеется, такая микроструктура топливных элементов требует разработки особой технологии ее формирования на кремниевой пластине. И такая технология уже разработана – на первом этапе формируется проводящий слой на поверхности подложки, и уже затем сухим травлением создаются микроотверстия для подачи топлива. Но основной этап – формирование структуры электродов, которые изготавливаются с применением коллоидного материала с микрочастицами полистирола, что необходимо для создания пористых электродов для возможности диффузии как водорода, так и окислителя. В последнюю очередь осуществляется формирование электролитической мембраны из фторированного полимерного материала производства компании DuPont. К сожалению, пока компания Motorola не предоставляет информации относительно характеристик элементов с трехмерной микроструктурой топливной ячейки. Однако причина вполне уважительная – необходимо провести оптимизацию технологии изготовления устройств, после чего все интересующие общественность данные будут обнародованы.
: 2