Авторизация
Наша группа Вконтакте
Наши партнеры
КРЫМ. СТРОЙИНДУСТРИЯ. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ВЕСНА — 2016
23 фев 01:41Технологии

Безмембранные топливные элементы

Опытный образец топливных элементов для ноутбуков «ThinkPad»

Компании «IBM» и «SANYO Electric» сообщили о своих планах по созданию опытного образца метаноловой топливной системы микроэлементов для ноутбуков серии «IBM ThinkPad». Это является продолжением работы компании «SANYO» по усовершенствованию топливных элементов, позволяющих продлить долговечность батарей для ноутбуков. «IBM» и «SANYO» совместно разработали базовую конструкцию источника питания для топливных элементов. На основе этой конструкции ими был разработан опытный образец системы топливных элементов, с которой ноутбуки могут работать до 8 часов. При этом система компании SANYO совместима с наиболее распространенными современными моделями ноутбуков «ThinkPad», и менять их конструкцию не требуется. Система топливных элементов также включает в себя дополнительный отсек с батареей «Ultrabay Slim Battery» компании «IBM», которая обеспечивает дополнительную пиковую мощность для бизнес-приложений. Кроме того, электроснабжение может быть еще более универсальным, стоит лишь зарядить батарею «Ultrabay Slim Battery».

Топливный элемент – это электрохимическое устройство, похожее на батарею, но отличающееся от нее тем, что оно разработано для непрерывного пополнения расходуемых реагентов, т.е. оно производит электричество из внешнего источника питания в отличие от батареи, которая вмещает ограниченное количество внутренней энергии. Обычные реагенты, используемые в топливных элементах, - это водород на стороне анода и кислород на стороне катода (водородный топливный элемент). Единственный побочный продукт такого элемента – водяной пар.

С помощью системы топливных элементов ноутбуки серии «ThinkPad» могут работать с интенсивными бизнес-приложениями, такими как мультимедиа, графика и вычислительные программы, и выполнять такие задачи, как плановое обслуживание и безопасные обновления без использования питания от батареи PC. Эти возможности обеспечат дополнительную стабильность, увеличение производительности, доступ к информации и службе по работе с покупателями.

«Некоторые компании разрабатывают опытные образцы батарей на топливных элементах для персональных компьютеров и мобильных устройств, но сочетание первоклассных ноутбуков «IBM» серии «ThinkPad» и ведущей технологической позиции «SANYO» ускорит исследования и разработки в этой области», - говорит Питер Гортензиус, вице-президент Отделения вычислительной техники «IBM». «Мы не стремимся сделать сенсацию из топливных элементов, мы просто рассматриваем их как превосходную возможность поддержки широкого спектра бизнес-приложений. Наши компании сотрудничают для того, чтобы обеспечить ноутбуки «ThinkPad» новым поколением источников питания и поддержать высочайший уровень бизнес-производительности».

Группа специалистов отдела «РС ThinkPad» компании «IBM» сконцентрировалась на разработке новых моделей топливных элементов для функционального использования в мобильных компьютерных средах, таких как док-станции, используемые при хотелинге (система организации труда, при которой работник, желающий поработать в офисе, заранее заказывает себе место в офисе на определенный период времени), и установка ноутбуков в местах, расположенных далеко от традиционных источников питания.

«SANYO» является мировым лидером в технологии аккумуляторных батарей. Она проводит исследования и разработки топливных элементов. «Я горжусь тем, что работаю вместе с «IBM» над созданием системы топливных элементов для ноутбуков конструкции «ThinkPad», которые являются эталоном вычислительной техники для бизнеса», - говорит Мицуру Хомма, руководитель отделения «SANYO» по энергоснабжению. «Это новая идея использования и топливных элементов, и аккумуляторных батарей. Такая гибридная система позволит потребителям работать с ноутбуками «ThinkPad» дольше по сравнению с системами, в которых используются только топливные элементы. Она также позволит работать без сетевых проводов».

Разработка мобильных технологий «ThinkPad» ведется в лаборатории «Yamato» в префектуре Канагава, Япония, и в конструкторских отделениях в Исследовательском треугольнике (Силиконовая долина), Северная Калифорния. Во втором квартале 2005 года к ним присоединится новая группа Леново, занимающаяся научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами и расположенная в Пекине и Шанхае.

«SANYO» является ведущим мировым производителем аккумуляторных батарей, обеспечивающих энергоснабжение мобильных телефонов, ноутбуков и других мобильных устройств. Отдел энергетических исследований «SANYO» - оплот исследований и разработок в области мобильной энергетики. Компания заложила прочную основу нового поколения мобильной энергетики. Она постоянно осуществляет теоретические и прикладные технологические исследования и работает с широким рядом технологий мобильной энергетики.

Безмембранный топливный элемент – крошечный и универсальный

Топливный элемент, сконструированный исследователями из Университета Иллинойса в Урбана-Шампэйн, может работать без твердой мембраны, разделяющей топливо и окислитель, при этом задействована щелочная химия в дополнение к более распространенной кислотной химии.

Как и батарея, топливный элемент преобразует химическую энергию в электрическую. В то время как в большинстве топливных элементов используется физический барьер для разделения топлива и окислителя, в микроструйном топливном элементе, разработанном в Иллинойсе, для той же цели используется мульти-потоковое ламинарное течение.

«В системе используется Y-образный микроструйный канал, в котором две струи, содержащие топливо и окислитель, сливаются и текут между покрытыми катализатором электродами, не смешиваясь», - говорит Пол Кенис, профессор химии и биомолекулярной инженерии и исследователь в Институте современной науки и технологий Бекмана.

Безмембранные топливные элементы
Система, разработанная Полом Кенисом


«Жидкости, текущие по микроскопическим каналам, ведут себя не так, как жидкости, текущие по таким большим трубам, как, например, внутридомовая система водоснабжения. На микроуровне нет турбулентности. Ламинарный поток означает, что струи топлива и окислителя могут течь рядом без разделяющего их физического барьера».

Обычный топливный элемент состоит из двух электродов (катод и анод), источника топлива и окислителя. Реакции происходят, когда анод высвобождает протоны и электроны из атомов водорода. Протоны проходят через элемент к катоду, где они рекомбинируются с электронами, текущими по внешней цепи. В большинстве топливных элементов для разделения катода и анода используется полимерная электролитическая мембрана.

В Иллинойском топливном элементе физическая мембрана заменена ламинарным потоком. Топливо и окислитель сливаются в виде струй жидкости в микроканале. Протоны и электроны рассеиваются в среде жидкость-жидкость.

Такая конструкция имеет ряд преимуществ по сравнению с другими топливными элементами, включая меньший размер и упрощенную конструкцию. Кроме того, безмембрановые топливные элементы совместимы с щелочной химией.

Так же как щелочные батареи превосходят кислотные, щелочные топливные элементы будут, по словам Кениса, превосходить кислотные топливные элементы. Однако несколько проблем препятствуют распространению щелочных топливных элементов. К ним относятся плохая проницаемость мембран к ионам водорода (которые занимают место протонов в кислотных топливных элементах) и засорение мембран за счет образования солей угольной кислоты. Иллинойский топливный элемент не страдает этими недостатками, потому что у него нет мембраны.

Топливные элементы должны быть внедрены в такие технологические области, как производство источников питания для портативных компьютеров, чтобы достичь высоких уровней мощности.

«Поскольку безмембранный топливный элемент основан на эффекте, который происходит только на микроуровне, мы не можем просто увеличить его, - говорит Кенис, - Вместо этого нам придется соединять много топливных элементов по порядку и параллельно».

Над проектом работают профессор химии Анджей Вичковски, пост-докторант Лайос Ганкс, Джайашри Ранга и Петр Ващук, а также аспиранты Эрик Чобан и Джейкоб Спенделоу и студент Аджай Виркар.

Работа финансировалась Военным исследовательским департаментом, Институтом Бекмана и Университетом Иллинойса. Исследователи подали заявку на патент.

Новый топливный элемент наступает на водородную экономику

«Водородная экономика – это не идеально чистая система, - говорит Скотт А. Барнетт, профессор материаловедения и инженерии, - Для производства водородного топлива необходимо перерабатывать на заводе ископаемое топливо и развивать инфраструктуру для доставки топлива. Мы обошли все эти технологические препятствия, соединив водородоперабатывающий завод и высокотемпературный топливный элемент в одном компактном устройстве, которое работает с кпд топлива до 59%.

В работе, опубликованной он-лайн 31 марта в журнале «Сайенс» («Science»), Барнетт и аспирант Джонлян Джан сообщили о разработке нового твердого оксидного топливного элемента или ТОТЭ, который преобразует жидкое топливо – изо-октан, высокоочищенное соединение, похожее на бензин, - в водород, который топливный элемент затем использует для производства энергии. Использование этих элементов, возможно, приведет к созданию прибыльных, чистых и эффективных источников электрической энергии для универсального использования: от самолетов и домов до автомобилей и грузовиков.

Хотя топливный элемент Барнетта и Джана продемонстрирован пока только в маленьком масштабе, предполагается, что его топливный кпд будет 50% при использовании в генераторе на топливных элементах нормальной величины. Большая эффективность означает, что он будет потреблять меньше драгоценного топлива и производить меньше углекислого газа, который вызывает парниковый эффект и глобальное потепление. Двигатели внутреннего сгорания работают с эффективностью от 10 до 15%. Подсчитано, что современные водородные топливные элементы, требующие заводов по переработке водорода и инфраструктуры, работают с топливным кпд 29%, в то время как коммерческие гибридные транспортные средства, работающие на газе/электричестве, уже достигли 32%.

«Появление гибридных транспортных средств потрясло сообщество, занимающееся топливными элементами, и заставило исследователей заново рассмотреть идею об использовании водорода в качестве топлива», - говорит Барнетт. Он водит машину «Toyota Prius» и предвидит, что его новые топливные элементы будут использоваться для батарей и ТОТЭ в двигателях транспортных средств или дополнительных блоках питания. «Необходимо обратить внимание на ТОТЭ – это единственный вид топливных элементов, которые могут работать не только с водородом».

Топливный элемент – это батарея, которую можно снова наполнить топливом. Он состоит из двух электродов, помещенных в электролитический материал, который проводит между ними ионы. Кислород вводится у катода, там он соединяется с электронами и расщепляется на ионы, которые двигаются через электролит к аноду и вступают там в реакцию с топливом. Топливные элементы экологически безопасны: их побочные продукты – только вода и углекислый газ. В топливном элементе ионы кислорода, проходящие через электролит, производят полезный ток, а также тепло.

Поскольку традиционные ТОТЭ действуют при высоких температурах, Барнетт счел, что тепло может использоваться для внутренних целей – для химического процесса преобразования водорода. Таким образом, отпадает нужда в заводах для переработки водорода, топливная эффективность которых достаточно мала. Барнетт и Джан выяснили, что оптимальная температура для их системы - от 600 до 800 градусов Цельсия.

Настоящий ключ к новому топливному элементу – специальный тонко-пленочный каталитический слой, через который углеводородное топливо течет к аноду. Пористый слой содержит стабилизированную двуокись циркония и небольшое количество металлов рутений и церий и химически, чисто преобразует топливо в водород.

«Основной недостаток при использовании ТОТЭ – то, что из-за высокой температуры углерод из топлива оседает по всему аноду, - рассказывает Барнетт, - Но наш тонко-пленочный катализатор и добавление небольшого количества кислорода удаляет эти отложения. Таким образом, технология становится жизнеспособной и пригодной для дальнейших исследований. Мы доказали, что с катализатором и воздухом топливный элемент гораздо более стабилен, чем без них».

«Основными недостатками топливных элементов являются сложность и высокая цена. Поэтому простая конструкция нашей системы, с помощью которой можно преобразовывать водород не на заводе, - это большое преимущество. Она может использоваться во многих областях. Например, представьте, что блок питания будет настолько дешевым, что его можно использовать для автомобилей или дизельных грузовиков. Он будет вырабатывать электричество непрерывно, чисто, тихо и эффективно, даже если двигатель не работает. Мы будем работать в этом направлении».

Исследователи из Университета Северной Каролины изучают топливные элементы. Акцент на портативность

Университет Северной Каролины в Чэпел Хилл – один из новых участников альянса, созданного прошлым летом в масштабе штата для изучения возобновляемых и эффективных источников энергии. Работу для Альянса Северной Каролины по топливным элементам в УСК проводят лаборатория проф. Джозефа ДеСимона и В.Р. Кенан мл., выдающийся профессор химии и химического машиностроения в УСК и госуниверситете Северной Каролины. Недавно ДеСимон был избран членом Национальной академии машиностроения.

Топливные элементы были изобретены в 1839 году, но до сих пор не используются в коммерческой промышленности. Исследователи полагают, что они смогут обеспечивать энергией различные устройства, такие как портативные компьютеры, обогревать и освещать дома, а также приводить в движение автомобили.

«Топливные элементы можно использовать везде, где используются батареи. Например, при использовании топливного элемента портативный компьютер может работать неделю, в отличие от трех-четырех часов с батареей, - говорит проф. Эверетт Боком, заместитель директора Научно-Технологического центра и адъюнкт-профессор в УСК, - Потом, вместо того, чтобы менять весь топливный элемент, вы просто замените картридж с топливом».

По словам проф. ДеСимона, исследование топливных элементов, проводимое УСК, сконцентрировано на портативных технологиях их использования, включая портативные компьютеры, сотовые телефоны и нужды Министерства обороны и национальной безопасности США.

Согласно Бокому, топливные элементы могут обеспечить высокую топливную эффективность автомобилей (особенно в условиях городского транспорта), низкий уровень выхлопа и бесшумную работу. Кроме того, в нескольких проводящихся в настоящее время демонстрационных проектах топливные элементы задействованы в городских автобусах США, Канады и Европы.

Боком работал управляющим технологическим процессом отделения компании «DuPont» и присоединился УСК в 2000 году. По его словам, работа ведется в области химии – по созданию нового типа мембраны с большей площадью поверхности и лучшей производительностью на единицу объема. Это позволит использвать мембрану более эффективно.

По словам ДеСимона, исследователи УСК работают в новом направлении: «Большинство производимых топливных элементов твердые. Мы первые разрабатываем жидкие. Это может открыть новые пути производства топливных элементов».

Ученые из УСК будут работать с департаментом тефлона компании «DuPont» в Файеттвилле. Институт улучшенных материалов и нанотехнологий УСК и Научно-Технологический центр УСК сосредоточат свои усилия на этом виде технологий.

Опытный образец топливного элемента для мобильных телефонов с высокой выходной мощностью

Компании «Nippon Telegraph» и «Telephone Corporation» разработали опытный образец полимерно-электролитического микро-топливного элемента (ПЭТЭ)1, который использует водородный газ в качестве топлива и настолько мал, что подойдет для мобильного телефона. Были проведены испытания с использованием промышленной модели мобильного телефона. Опытный образец ПЭТЭ успешно обеспечил топливом пуск и прием и передачу сигнала (т.е. видео, голосовые звонки и доступ в Интернет по внутреннему модему). Кроме того, мы разработали устройство для дозарядки микро ПЭТЭ водородом.

В настоящее время метаноловый топливный элемент (МТЭ), в котором метанол используется как водородное топливоснабжение, это основная разработка в области батарей для мобильных телефонов. Однако у МТЭ есть две важные проблемы: во-первых, во время производства энергии выделяется CO2; во-вторых, поскольку плотность мощности на единицу площади производящей энергию части недостаточна, батарею трудно уменьшить.

В свете этой проблемы, разработанный ПЭТЭ, который использует водородный газ в качестве топлива, достигает высокой выходной мощности, сравнимой с мощностью литиево-ионной батареи, и не производит CO2. Кроме того, в результате объединения элемента, вырабатывающий электроэнергию, и емкости для хранения водородного топлива, а также упрощения электрической схемы, наш ПЭТЭ имеет компактный размер (внешние габариты: 42*80*13 мм, вес – 104 г) и, таким образом, подходит для использования в мобильном телефоне. С ним можно разговаривать в течение девяти часов. Более того, изменив площадь поверхности производящей электроэнергию части ПЭТЭ, можно применять его для широкого спектра мобильных электронных устройств, таких как видеокамеры, цифровые камеры, карманные компьютеры и персональные ноутбуки.

Предпосылки разработки

В последние годы увеличилась производительность и мульти-функциональность мобильных электронных устройств (таких как мобильные телефоны и ноутбуки), и проблема недостаточной емкости батарей как источников питания этих устройств вышла на передний план.

В этих обстоятельствах продолжаются исследования источников энергии, способных заменить литиево-ионные батареи, которые подошли к пределу усовершенствований по увеличению плотности энергии. А от топливных элементов ожидают многого, так как эта технология является прорывом и не загрязняет окружающую среду. Разработками в этой области занимаются многие производители.

Компании «Nippon Telegraph» и «Telephone Corporation» прилагают огромные усилия для создания экологически чистых технологий, направленных на формирование устойчивого общества, проводят исследования и разработки мощных, высокоэффективных, чистых технологий топливных элементов, уменьшающих выброс CO2.

Характеристики микро ПЭТЭ

ПЭТЭ использует в качестве топлива водород, выхлоп состоит только из воды. Это означает, что даже в окружающей среде с высокой энергетической плотностью ПЭТЭ является чистым и мягко действующим источником энергии. Поэтому ПЭТЭ называют источником энергии следующего поколения, настолько маленьким, что его можно прямо установить в мобильный телефон. Основные характеристики ПЭТЭ следующие:

1. Высокая плотность мощности. По сравнению с МТЭ, производительность ПЭТЭ выше, поскольку использует водород, хотя его область производства энергии меньше.

2. Компактные размеры. Высокая плотность энергии обеспечивает компактные размеры.

3. Простая конструкция. Благодаря усовершенствованной технологии, традиционное «наложение» элементов не требуется. С помощью соединения емкости для хранения водорода и области производства энергии количество частей и размер были уменьшены.

4. Долгосрочное производство энергии. В дополнение к этому, микро ПЭТЭ можно адаптировать даже к такому мобильному устройству, как ноутбук, у которого довольно высокое энергопотребление, простым увеличением его генерирующей энергию части.

Дальнейшие разработки

Что касается дальнейшего практического применения топливных элементов, на этом пути предстоит еще преодолеть некоторые трудности, например, сделать системы на водородном топливе частью социальной инфраструктуры. Даже если энергопотребление устройств будущего увеличится за счет более высокой производительности и функциональности, микро ПЭТЭ будут соответствовать требованиям коммерческого применения.

Компания «NTT» стремится создать новое поколение топливных элементов и с этой целью продолжает исследования и разработки в направлении безопасности и оптимальных условий применения элементов с точки зрения обычного потребителя.

Обзор подготовлен Шленчак С. А.
по материалам сайта www.physorg.com
Рейтинг:
14
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Вопрос:
От чего дают энергию солнечные батареи?
Ответ:*
Важно ваше мнение
Какая на Ваш взгляд самая перспективная технология в энергетике?