УДК 541.136.1
МИКРОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ (ОБЗОР)
© 2010 г. В. А. Гринберг1, А. М. Скундин
Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 08.06.2009 г.
На основании анализа литературы последних 15 лет рассмотрены результаты исследований, ведущихся в области одного из наиболее актуальных направлений водородной энергетики — разработки портативных топливных элементов малой мощности (микротопливных элементов, МТЭ). На основе МТЭ, обладающих большой энергоемкостью и высоким КПД, создается новое поколение источников питания различных автономных электронных устройств. Рассмотрены новейшие кремниевые микро- и нанотехнологии, технологии получения наноструктурированных катализаторов, вопросы конструирования МТЭ мощностью 0.5—20 Вт, способы нанесения каталитических слоев в МТЭ, выбор топлива и способов его подачи в МТЭ, водный и температурный режим МТЭ. Особое внимание уделено боргидридным МТЭ, комбинированным (гибридным) системам и МТЭ со смешанным реагентом. Представлены результаты электрохимических испытаний макетов МТЭ.
Ключевые слова: микротопливный элементы, кремниевые микротехнологии, наноэлектрокаталити-ческие системы, борогидрид
ВВЕДЕНИЕ
История топливных элементов (ТЭ) насчитывает уже более 100 лет, начиная с программной статьи В. Оствальда [1]. Почти все это время ТЭ рассматривались как более или менее крупномасштабные источники энергии с мощностью от единиц киловатт до сотен мегаватт. В самое последнее время в литературе активно обсуждается идея создания на основе ТЭ элементов миниатюрных энергоустановок в качестве источников питания для портативной электроники, в первую очередь, для замены ни-кель-металлгидридных и литий-ионных аккумуляторов в сотовых телефонах, ноутбуках и т.п. [2]. Индустрия потребительской электроники спешит найти способы такой замены. Недостаток никель-металлгидридных и литий-ионных аккумуляторов состоит в том, что по мере дальнейшего роста потребностей в энергии со стороны все более быстродействующих процессоров, дисплеев с повышенным разрешением и других усовершенствований их характеристики все более будут отставать от требований таких устройств.
Предполагается, что уже в ближайшем будущем блоки питания на ТЭ смогут обеспечить в 2—3 раза большую длительность автономной работы телефонов и компьютеров, чем современные аккумуляторные батареи. По оптимистическим прогно-
1 Адрес автора для переписки: vgrinberg@phyche.ac.ru (В.А. Гринберг).
зам со временем это превышение может стать десятикратным.
Большое значение зарубежными исследователями придается разработке микротопливных элементов (МТЭ), в том числе для оснащения военнослужащих в рамках программы "Боец 21 века" [3]. Различные области применения требуют источники питания различной мощности. Так, для МРЗ-плей-еров и тому подобных устройств требуется источник питания мощностью от 0.1 до 1 Вт. В мобильных телефонах используются батареи мощностью от 2 до 5 Вт, в ноутбуках — мощностью от 15 до 30 Вт, оснащение солдата 21 века требует уже от 25 до 150 Вт.
В то же время, реальная разработка МТЭ сопряжена с необходимостью решить существенные проблемы. "Не все в микротопливном секторе усыпано розами", — говорится в заявлении директора по энергетическим исследованиям аналитической фирмы Allied Business Intelligence (ABI Research) Атакана Озбека. По его словам, состояние этого сектора трудно оценить, так как "большую часть информации, поступающей от компаний, невозможно проверить из-за новизны технологии". Чтобы гарантировать ее принятие массовым рынком, компаниям придется доказать, что перезарядка и замена топливных картриджей не будет непомерно дорогостоящей, говорится в отчете ABI.
В число компаний, активно исследующих МТЭ, входят Hitachi и Toshiba. Американские фирмы тоже продемонстрировали возможности технологии, но
в последнее время японцы добились значительных успехов в этой области.
В отчете ABI говорится, что, хотя большинство компаний по секрету демонстрируют производителям действующие образцы ТЭ, ни один из крупных поставщиков еще не заключил контракт на их производство.
Компания Toshiba, один из крупнейших производителей ноутбуков, разрабатывает технологию ТЭ прямого действия на основе метанола (direct methanol fuel cell, DMFC), который обеспечивает портативному компьютеру примерно 5 ч непрерывной работы от одного заряженного картриджа. Новый элемент размером 275 х 75 х 40 мм можно многократно перезаряжать картриджами с метанолом. По мнению аналитиков, в ближайшем будущем разработки Toshiba вряд ли окажут существенное влияние на рынок. Однако лучшие из современных технологий элементов питания в силу химических ограничений допускают усовершенствование всего на 15—25%, поэтому ТЭ представляются единственными более эффективными источниками питания для портативных устройств.
Прежде чем технологии ТЭ смогут получить широкое распространение, придется решить ряд технических и технологических проблем, таких как подача топлива, миниатюризация и дороговизна необходимых материалов.
Toshiba утверждает, что она решила проблему миниатюризации, изменив способ разбавления метанола водой для достижения оптимальной концентрации. Оптимальная концентрация метанола в ТЭ составляет 3—6%. Для хранения топлива с такой концентрацией требуется емкость, которая слишком велика для мобильных устройств. Компания вышла из положения, разработав систему разбавления метанола водой в процессе работы ТЭ, что позволяет хранить гораздо более концентрированное топливо в картриджах меньшего размера.
В числе других усовершенствований, которые потребовались для уменьшения габаритов ТЭ: датчики контроля концентрации метанола и уровня жидкостей, новый материал, позволяющий составлять элементы вплотную друг к другу, а также передача информации о состоянии компьютера в ТЭ с целью согласования количества вырабатываемой и потребляемой энергии.
Анализ материалов зарубежной периодической печати по МТЭ позволяет заключить, что они работают при низких температурах, диапазон мощностей для перечисленных областей применения не должен превышать сотен ватт, а нижний предел мощностей соответствует долям ватт. Диапазон мощностей определяют и размеры МТЭ. Если удельная мощность составляет 100 мВт/см2, то рабочая поверхность электродов должна варьироваться в пределах от единиц до тысяч квадратных сантиметров. Геометрические размеры элемента определяет
не только та поверхность, на которой происходят электрохимические реакции, но также и пространство, занимаемое топливом, средствами его подачи, средствами контроля и непосредственно корпусом ТЭ. В то же время, он не может быть объемнее и тяжелее такого агрегата, которые могут себе позволить перечисленные выше области применения МТЭ. МТЭ — это всегда сборка единичных ТЭ. При этом каждый отдельный ТЭ — это максимально тонкий элемент, состоящий из материала одного сорта, сочетающий в себе свойства газораспределительного и газодиффузионного слоев, коллектора тока, держателя электролитической мембраны и носителя электрокатализатора. Таким материалом может быть кремний, точнее — мелкопористый кремний.
В настоящем обзоре электрохимические проблемы МТЭ затронуты в небольшой степени, поскольку они в основном такие же как в традиционных ТЭ. Основное внимание уделено особенностям МТЭ (работа МТЭ при комнатной температуре, отсутствие внешнего увлажнения мембраны и др.), а также тем новым технологиям и подходам, которые в настоящее время являются перспективными для создания и коммерциализации МТЭ.
Основные принципы построения МТЭ
Среди различных вариантов конструкции МТЭ в плане используемого топлива в работе [4] продемонстрированы возможности использования источников водорода из водного раствора боргидрида натрия и из металл-гидридных систем. В литературе представлены МТЭ различных видов. Используется тонкопленочная техника для создания движущихся потоков топлива и окислителя [5—8], с токоподво-дами и каталитическими слоями [9—14] на кремниевой основе со свободно прикрепленным электролитом из пленки "Нафион". В последнее время большой интерес проявляется к использованию кремния в качестве конструкционной основы МТЭ. Использование кремния как конструкционного материала оказалось очень удобным, так как можно легко адаптировать в необходимом направлении хорошо разработанную полупроводниковую технологию по изготовлению коллекторных плат. В пластинах кремния вытравливают каналы для подвода топлива и отвода продуктов реакции, и между этими пластинами, служащими также токо-отводами, размещают мембранно-электродные блоки (МЭБ) [11]. Интересна также односторонняя конструкция, в которой на пластину из кремния с упомянутыми каналами наносят попеременно слои анодного и катодного катализаторов с межэлементными соединениями из нитрида кремния, а сверху на всю эту сборку наносится ионообменная мембрана [10]. В этом случае кремний, имеющий достаточно высокое сопротивление, препятствует появлению токов утечки. Морзе и соавторы [15] не использовали свободно прикрепленную пленку, а
вместо нее формировали мембрану непосредственно на кремниевой подложке.
Многослойные кремниевые чипы, пронизанные порами, используются в ТЭ компании Neah. Компания утверждает, что ее ТЭ на восьми пористых чипах, от которого может работать стандартный ноутбук, по габаритам будет не больше стандартной батареи для лэптопа. Несмотря на интригующую концепцию, компания признает, что работа пока находится на начальных стадиях. Neah продемонстрировала концепцию в лаборатории и надеется создать рабочую демонстрационную модель в ближайшее время. Аналитики заинтересовались подходом Neah. "Конечно, у них еще нет осязаемого продукта, но сама идея интересна, — говорит главный аналитик Mercury Research Дин Маккаррон (Dean McCarron). — Она решает многие проблемы ТЭ... На данном этапе подход Neah выглядит очень привлекательно".
Конструктивно-технологический вариант композиционного электрода МТЭ, основанный на применении современных методов кремниевой технологии
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.