Ogniwo paliwowe w Twoim telefonie

W parku przemysłowym w Los Alamos w stanie Nowy Meksyk, niedaleko laboratoryjnego miejsca narodzin bomby atomowej, Robert Hockaday siedzi w zagraconym laboratorium swojej startowej firmy Manhattan Scientifics, trzymając w dłoni plasterek przezroczystego plastiku wielkości wizytówki. Bliższe przyjrzenie się pokazuje podobny do płytki drukowanej wzór czarnej platyny i rutenu wydrukowany po obu stronach. Urządzenie to jest wnętrzem elektrowni o wymiarach pięć na 13 centymetrów, która wytwarza własną energię elektryczną przy użyciu metanolu jako paliwa. Na pierwszy rzut oka może nie wyglądać na dużo, ale jest to jeden z członków nowej klasy małych zasilaczy, który jest gotowy do wybuchu na rynku – i który może po prostu unicestwić jedną z najbardziej wszechobecnych technologii na świecie, baterię.

Te miniaturowe elektrownie, zwane mikroogniwami paliwowymi, obiecują ogromny wzrost mocy dla przenośnej elektroniki, od telefonów komórkowych przez laptopy po przyszłe generacje energochłonnych urządzeń podręcznych z dostępem do Internetu. Najlepsze dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe do telefonów komórkowych zapewniają średnio tylko cztery godziny rozmów; mikroogniwa paliwowe mogą zapewnić do 20 godzin rozmów. A potem, zamiast podłączać telefon komórkowy na noc lub wymieniać baterie, po prostu wkładasz nowy wkład z metanolem.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2001 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Oczywiście ogniwa paliwowe już pojawiają się na rynku w innych formach – io znacznie większych rozmiarach. Swoje pierwsze pojawiają się autobusy zasilane ogniwami paliwowymi, a kolejne są auta ( zobaczyć Wypełnij „er Napełnij wodorem , TR listopad/grudzień 2000 ). Dostępne stają się również ogniwa paliwowe, które zapewniają zasilanie awaryjne w domach i biurach ( zobaczyć Moc dla ludzi , TR maj 2001 ). Electrolux stworzył nawet prototyp bezprzewodowego odkurzacza z ogniwami paliwowymi. Ogniwa paliwowe wykorzystują między innymi łatwo dostępne źródła energii, a mianowicie wodór lub metanol, a jako produkty odpadowe wytwarzają jedynie wodę, dwutlenek węgla i ciepło.

Obecnie przemysł przygotowuje się do wytwarzania wystarczająco małych ogniw paliwowych dla elektroniki użytkowej. Budowanie praktycznych ogniw paliwowych, tych małych urządzeń, które wytwarzają od jednej dziesiątej do 50 watów, stanowi ogromne wyzwanie inżynieryjne i materiałowe, ale możliwości rynkowe są ogromne. Atakan Ozbek, wiceprezes ds. badań energetycznych w Allied Business Intelligence, firmie badawczej zajmującej się technologią w Oyster Bay w stanie Nowy Jork, mówi Atakan Ozbek, wiceprezes ds. badań energetycznych w Allied Business Intelligence, firmie badawczej zajmującej się technologią. Za pięć lat może to być rynek o wartości miliarda dolarów rocznie. Ta branża będzie kopać.

Nic dziwnego, że wyścig o komercjalizację tej technologii trwa w najlepsze i obejmuje wszystkich, od Motoroli i koreańskiego giganta elektronicznego Samsunga po start-upy, takie jak Hockaday's. Konkurenci obstawiają różne projekty – a nawet nieco inną chemię – ale mają wspólny cel: ugryźć warty 6 miliardów światowy rynek akumulatorów.

Pierwszym udanym zastosowaniem będą prawdopodobnie ogniwa paliwowe na metanol, które wytwarzają około jednej dziesiątej wata i mogą ładować konwencjonalne akumulatory, uwalniając konsumentów od zapalniczki na desce rozdzielczej lub gniazdka ściennego. Następnie będą ogniwa paliwowe wystarczająco małe, aby zmieściły się w komorach baterii istniejących telefonów, a jednocześnie wystarczająco mocne – jeden wat dla telefonów komórkowych, 50 watów dla laptopów – do bezpośredniego zasilania.

Jeszcze dalej na horyzoncie mikroczipy będą zasilane bezpośrednio przez wbudowane ogniwa paliwowe. Te ogniwa paliwowe zapewnią dobrodziejstwo miniaturyzacji, eliminując potrzebę oddzielnych źródeł zasilania. Zostaną zaprojektowane na zamówienie, aby zapewnić precyzyjne zapotrzebowanie na energię. A koszty produkcji powinny spaść, gdy zarówno chip, jak i źródło zasilania są produkowane jako jedna jednostka. Z kolei chipy z własnym zasilaniem mogą umożliwić przyszłej generacji samowystarczalne gadżety, takie jak małe czujniki sieciowe, które mogą działać na odległych obszarach, wykrywając zanieczyszczenia, toksyny broni biologicznej lub cokolwiek innego, co wymaga wykrycia i wysyłanie danych przez miesiące.

Stanie się mały

Problem z konwencjonalnymi bateriami polega na tym, że opierają się na elektrochemii z końca XVIII wieku i mają pewne poważne ograniczenia. Przede wszystkim, gdy dopływ chemikaliów do akumulatora przestanie reagować, akumulator się rozładowuje. Musisz podłączyć go do ładowarki podłączonej do gniazdka ściennego lub wyrzucić – najlepiej do kosza ze względu na toksyczne składniki, takie jak kadm i rtęć. A baterie prawdopodobnie nie będą dużo lepsze; Praktycznie każda kombinacja chemiczna została wypróbowana, mówi Shimshon Gottesfeld, dyrektor ds. technologii w Albany w stanie Nowy Jork Mechanical Technology, firmie opracowującej mikroogniwa paliwowe. Nawet najlepsze akumulatory mają niewielkie szanse na zwiększenie mocy, jaką mogą wytworzyć na wagę, mówi.

Ogniwa paliwowe są bardziej złożone, ale mają podstawowe zalety. Dopóki istnieje zapas wodoru lub metanolu, ogniwo paliwowe będzie wytwarzać energię elektryczną. Co więcej, dzięki wysokoenergetycznym paliwom, ogniwa paliwowe wytwarzają więcej energii na swoją wagę niż baterie kiedykolwiek.

Ale ogniwa paliwowe są trudne do zaprojektowania, a te mniejsze są najtwardsze ze wszystkich. Wyzwania projektowe dla mikroogniw paliwowych zaczynają się od wyboru paliwa. Wodór jest niepraktyczny; to gaz i musi być sprężony pod bardzo wysokim ciśnieniem, a nawet wtedy wymaga zbiorników zbyt dużych dla przenośnej elektroniki. Mieszanki metanolu i wody łatwiej przechowuje się w małym ogniwie paliwowym, ale używanie ich stwarza nowe przeszkody inżynieryjne. Do zarządzania paliwem płynnym potrzebne są maleńkie pompy i rury. Potem jest ścieki. Nawet najbardziej zagorzali użytkownicy telefonów komórkowych nie tolerują zasilania kapiącego im na ramiona, więc ogniwa paliwowe muszą odparować z wody. Wszystkie ogniwa paliwowe wytwarzają ciepło; małe wersje działają w temperaturach od 15 stopni C do 60 stopni wrzących. Chociaż zapewnia to możliwość odparowywania ścieków, wymaga również odpowiedniej równowagi między izolacją a wentylacją.

Umieszczenie tego wszystkiego w zgrabnym opakowaniu wielkości kilku ogniw AA stanowi prawdziwe wyzwanie. A biorąc pod uwagę zaciekłą konkurencję o komercjalizację mikroogniwa paliwowego, większość graczy korporacyjnych nie wie, jak zaczęli rozwiązywać te problemy. Wśród firm jest wiele pozowania, ale tego można się spodziewać na wczesnych etapach, gdy starają się utrzymać swoją pozycję, mówi obserwator ogniw paliwowych, Chris Dyer, redaktor Journal of Power Sources. Ale dodaje: To nie jest dym i lustra. To prawdziwa technologia i wymaga tylko sprytnej inżynierii, aby działała.

Większość obserwatorów przewiduje, że pierwszym mikroogniwem paliwowym na sklepowych półkach będzie urządzenie ładujące przy użyciu metanolu. Nad wariacjami na ten temat pracuje pół tuzina firm, w tym Manhattan Scientifics. W projekcie Hockadaya komponenty ogniwa paliwowego nie są ułożone w stos, jak w tradycyjnych samochodowych ogniwach paliwowych. Są one raczej ułożone obok siebie, jak komponenty w mikroprocesorze, dzięki czemu można je stosować w technikach wytwarzania półprzewodników.

Mechanical Technology już współzałożył firmę, która sprzedaje komercyjne i mieszkaniowe elektrownie paliwowe wielkości lodówki. Teraz Mechanical Technology skupia się na mniejszych rzeczach, zaczynając od urządzeń ładujących. Jesteśmy bardzo optymistycznie nastawieni do perspektyw komercjalizacji tego, mówi Gottesfeld z Mechanical Technology, były dyrektor programu badawczego nad ogniwami paliwowymi laboratorium Los Alamos. Przyglądamy się nie tylko ładowarkom, ale kompletnemu systemowi do telefonów komórkowych. Przyglądamy się również innym możliwościom, takim jak laptopy, rynek zabawek i elektronarzędzia.

Motorola i koreański Samsung również aktywnie rozwijają prototypy. Hyuk Chang, główny badacz w Samsung Advanced Institute of Technology poza Seulem, mówi, że celem firmy jest zademonstrowanie działających modeli w ciągu roku, ponownie z urządzeniami ładującymi na czele. Myślę, że dostanie się z laboratorium w ręce klientów zajmie kolejne dwa lata, mówi Chang. Trudne pytanie brzmi, jaka będzie pierwsza aplikacja.

W firmie Motorola, lider projektu ogniw paliwowych, Jerry Hallmark, realizuje strategię, która obiecuje mniejsze wkłady paliwowe. Mówi, że firma opracowała maleńkie układy płynów, które w sposób ciągły przetwarzałyby wodę z mieszanki paliwowej metanol-woda. Wymienne wkłady mogą zawierać nierozcieńczony metanol. Ogniwo paliwowe nie może działać na stężonym metanolu; potrzebuje rozcieńczonego roztworu. Ale nie chcesz nosić rozcieńczonego paliwa, mówi. Hallmark dodaje, że rozpoczęcie sprzedaży produktu przez każdą firmę, w tym Motorolę, zajmie prawdopodobnie od trzech do pięciu lat.

Pakowanie ponczu

Motorola i inne firmy chcą jednak przede wszystkim podobnych do baterii ogniw paliwowych, które można podłączyć bezpośrednio do telefonów i innych urządzeń elektronicznych, aby bezpośrednio je zasilać. Telefon komórkowy jest jednym z najtrudniejszych, ponieważ ludzie chcieliby wymienić baterię na ogniwo paliwowe tej samej wielkości. Bardzo chciałbym móc im to dać, ale daleko nam do tego, mówi Hallmark.

Aby zrealizować tę wizję, firmy realizują zróżnicowane strategie. Medis Technologies z siedzibą w Nowym Jorku wierzy, że może wyprodukować ogniwo paliwowe, które mogłoby zastąpić baterię w telefonie komórkowym, zapewniając 20 godzin rozmów telefonicznych i setki godzin czuwania na jednym wkładzie paliwowym. Robert K. Lifton, dyrektor generalny Medis, mówi, że firma korzysta z zastrzeżonego ciekłego elektrolitu, który może działać przy wyższych stężeniach paliwa i zapewniać odpowiednio większą moc niż konwencjonalne alternatywy. Ale Medis nie mówi dokładnie, jak to działa. Mamy około 17 zgłoszonych patentów i czekamy na ich uzyskanie, zanim omówimy szczegóły, mówi Lifton. Jednak strategia biznesowa nie może być jaśniejsza: to podejście do żyletki. Zapłatą dla nas byłyby wkłady, około 1 dolara za wkład, wyjaśnia Lifton. Mówi, że Medis będzie miał prototyp do końca tego roku.

Inna strategia polega na przenoszeniu metanolu jako paliwa, a następnie przekształceniu go w razie potrzeby w wodór. Ponieważ wodór ma większą moc masy niż metanol, system może produkować mocniejsze i wydajniejsze ogniwa paliwowe. Robert Savinell, profesor inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Case Western Reserve, próbuje zbudować właśnie takie małe ogniwo paliwowe; do tej pory jego grupa zbudowała prototyp o powierzchni 25 centymetrów kwadratowych.

Chemiczna konwersja metanolu w wodór – często nazywana przez inżynierów reformowaniem – jest technologicznie dość prosta, z wyjątkiem sytuacji, gdy próbuje się to zrobić na urządzeniu o rozmiarach miniatury. Ludzie budowali reformery na dużą skalę do zastosowań kilowatowych, więc pytanie nie brzmi, czy to działa. Pytanie brzmi, czy można go zrobić na tyle mały, aby zmieścił się w telefonie komórkowym lub laptopie, mówi Hallmark firmy Motorola.

Moc chipa

Poza dniem, w którym elektronika będzie miała wbudowane ogniwa paliwowe zamiast baterii, nadchodzi kolejna granica technologii: budowanie ogniw paliwowych bezpośrednio na chipach. Już teraz grupa Savinella w Case Western zbudowała prototyp zaledwie 1,5 centymetra na dwa centymetry. Jego grupa wykorzystała techniki mikrowytwarzania do drukowania pięciu do sześciu warstw komponentów ogniw paliwowych – membrany, elektrody i katalizatora – na waflach ceramicznych i krzemowych, a ostatnio na elastycznym materiale polimerowym. W tej skali używa wodoru jako paliwa, przechowywanego jako borowodorek sodu i uwalnianego za pomocą katalizatora platynowego. Nadzieja polega na zapewnieniu zasilania chipowi z czujnikiem i nadajnikiem - całkowicie samowystarczalnym urządzeniem, mówi Savinell.

Naukowcy z Georgia Institute of Technology, MIT, Stanford University i Sandia National Laboratories w Livermore w Kalifornii pracują również nad budową ogniw paliwowych w skali chipowej. Aby urządzenia te działały na łatwym do przechowywania metanolu, Paul A. Kohl, profesor inżynierii chemicznej w Georgia Tech, wytwarza maleńkie kanały na krzemie, przez które może przechodzić metanol i woda. Kanały te mogą być tworzone na konwencjonalnej linii montażowej chipów krzemowych. Ogniwo paliwowe można zaprojektować tak, aby dostarczało dokładnie taką moc, jaką chcesz, i miało żądany rozmiar, mówi Kohl.

Oprócz zmniejszania ogniw paliwowych do skali chipa, innym długoterminowym celem jest umożliwienie ogniwom paliwowym bezpośredniego wykorzystywania mocy wodoru, ale unikanie zbiorników wysokociśnieniowych. Jedno ambitne podejście polegałoby na wykorzystaniu nanorurek węglowych: rurkowatych cząsteczek węgla, które mają zdolność magazynowania i uwalniania wodoru. Naukowcy wyobrażają sobie nanokanistry wypełnione wodorem, które mogą powodować szum ogniw paliwowych, ale będzie to wymagało przełomu w materiałach i metodach produkcji, mówi Michael Heben, lider grupy materiałów nanostrukturalnych w Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej Departamentu Energii USA w Golden, CO. Może być tak, że ktoś dotknie tego w przyszłym tygodniu, albo może to zająć 20 lat, mówi.

Według Davida Tomanka, profesora fizyki na Michigan State University, najbardziej wiarygodne, powtarzalne wyniki zostały osiągnięte przez Mildred Dresselhaus, fizyka z MIT i kolegów z Chińskiej Akademii Nauk, którzy poinformowali o znalezieniu sposobu na przechowywanie nanorurek węglowych. 4,2 procent ich wagi w wodorze. To może wystarczyć w przypadku mikroogniw paliwowych – mówi Tomanek. Będzie lżejszy, mniejszy i bezpieczniejszy niż czołg, nawet przy czterech procentach, a można to zrobić za kilka lat. Ale jestem optymistą, mówi. Sama Dresselhaus jest bardziej strzeżona: w tej chwili nie mamy magicznej różdżki. Mamy otwarcie, które mówi: „To jest coś, czego należy szukać”. Nadal brakuje następnego kroku. Dodaje, że kolejny krok może nastąpić w ciągu tej dekady, ale musimy dokonać wielkiego przełomu.

Inni giganci elektroniki również eksperymentują z cząsteczkami węgla, aby ulepszyć mikroogniwa paliwowe. Firma NEC poinformowała, że ​​jako podłoże dla katalizatorów platynowych stosuje się cząsteczki w kształcie rogów, znane jako nanorogi węglowe, zapewniając większą powierzchnię dla silniejszych reakcji chemicznych i większą moc. Sony twierdzi, że używa cząsteczek węgla w kształcie piłki nożnej, znanych jako fulereny – podstawowych składników nanorurek węglowych – do budowy lepszych elektrolitów.

Tymczasem pierwsze mikroogniwa paliwowe szybko zbliżają się do rynku. Oczywiście prototypy wymagają ciągłego dopracowywania, aby mieć pewność, że paliwo nie będzie wyciekać i zwiększyć ich wydajność. Jednak te przeszkody są stosunkowo niewielkie, twierdzą obserwatorzy branży. W końcu baterie miały też swój udział w problemach rozwojowych. Pierwsze wysokoenergetyczne baterie litowe miały tendencję do zapalania się, a nawet eksplodowania. Jak wie każdy właściciel telefonu komórkowego, te problemy zostały rozwiązane.

Istnieje wiele powodów – wartych około 6 miliardów dolarów – by sugerować, że to samo stanie się z mikroogniwami paliwowymi, umieszczając te niezwykłe, maleńkie zasilacze w kieszeniach milionów konsumentów. Rzeczywiście, gdy mikroogniwa paliwowe wyłaniają się z zagraconych laboratoriów, takich jak placówka Los Alamos w Manhattan Scientifics, mogą wkładać baterie o ograniczonej mocy i bólach głowy związanych z usuwaniem ciężkich odpadów metalowych do kosza technologicznego.

ukryć