Самая маленькая топливная ячейка в мире

Инженерами-химиками США был создан самый компактный в мире элемент питания на основе топливной ячейки, размером 3 мм. Будущие модификации крошечного водородного модуля питания могут заменить батареи в портативных устройствах.

Топливные ячейки способны запасать большее количество энергии, чем существующие батареи, занимая такое же пространство. Даже самые передовые батареи имеют на порядок меньшее значение удельной энергии, чем у накопителя водородного топлива. Однако пока проще создавать именно батареи малого размера, а не помпы и контролирующую электронику для топливных ячеек. А малоразмерные помпы часто потребляют больше энергии, чем производят.

"Установка помпы, датчика давления и электроники для контроля системы в таком малом объеме не практична", — говорит Саид Могхаддам (Saeed Moghaddam) из Университета Иллинойса. "К тому же, если они все-таки смогут вырабатывать энергию, их потребление вероятно будет превышать объем генерируемой энергии". Поэтому Могхадамм вместе со своими университетскими коллегами включился в работу над созданием такой конструкции крошечных топливных элементов, которая бы позволяла генерировать энергию, не потребляя ее на собственные нужды.

Новое устройство имеет всего 4 элемента. Тонкая мембрана отделяет водный резервуар сверху от камеры с металл-гидридом, расположенной под ним. Еще ниже расположены электроды. Небольшие отверстия в мембране позволяют молекулам воды проникать в соседнюю камеру в виде пара. Затем пары воды вступают в реакцию с металл-гидридом, в результате которой образуется водород. Он заполняет эту камеру и оказывает давление на мембрану снизу, и отверстия в мембране перекрываются. Водород постепенно расходуется в результате протекания реакций на электродах для получения электрического тока. Затем давление водорода падает, и вода снова начинает поступать в камеру для совершения дальнейших реакций.

Это устройство размером всего 3 х 3 мм и толщиной в 1 мм невесомо, а контроль над поступлением воды осуществляется автоматически. При этом ячейка сохраняет работоспособность при тряске, что дает возможность использовать ее в карманных устройствах. Первый образец генерировал напряжение 0,7 В и ток величиной 0,1 мА в течение 30 часов, но Могхаддам говорит, что последние версии выдают уже 1 мА при том же напряжении. Но этого не хватит для питания мобильных телефонов, которые используют батареи на несколько вольт, а вот в простых электронных системах и микророботах их уже вполне можно использовать.

"Всего 9 мм3 — это безусловно очень немного", — говорит Стив Арскотт (Steve Arscott) из Университета Лилля, эксперт в топливных микроячейках. "Однако мощность этих ячеек слишком мала, чтобы они могли быть действительно полезны", — добавляет Арскотт. Его собственные топливные микроячейки используют метанол, а не воду качестве источника водорода, как делают многие микроячейки. При этом ее объем в 3 раза больше размеров ячейки Могхаддама, а ее удельная мощность превышает более чем в 10 раз и составляет 0,13 мВт/мм2.

Но эксперты указывают, что эти два устройства нельзя между собой сравнивать. Большинство топливных ячеек получают питание извне, в то время как новое устройство расходует топливо, помещенное внутри него. При этом большой запас топлива в ячейке требует много пространства, что приводит к падению удельной мощности. Однако в зависимости от размеров удельная мощность нового топливного элемента все же сравнительно высока — 100 ватт на литр.

По материалам: 3D News