Всего несколько лет назад обычный мобильный телефон позволял совершать звонки, отправлять и получать текстовые сообщения и, возможно, позволял просматривать текстовые веб-страницы. Сегодня смартфоны напичканы функциями. Вы можете играть в игры, слушать музыку, переходить по адресу, просматривать веб-страницы и активировать одно из миллиона различных приложений. Но вся эта функциональность может привести к перенапряжению питания вашего телефона. В то время как сотовый телефон десятилетней давности мог работать несколько дней без подзарядки, смартфон может не прожить больше дня без необходимости в дополнительной подзарядке.
Это может не быть большой проблемой, если у вас всегда есть зарядное устройство и возможность подключить телефон к источнику питания. Но если вы в пути и не можете подключить телефон к электрической розетке или USB-порту компьютера, вам могут понадобиться другие варианты. Вы можете носить с собой дополнительные батареи, чтобы менять их на лету, но это только увеличивает количество батарей, которые вам нужно заряжать каждый день.
У вас есть другие варианты. На рынке есть продукты, которые преобразуют кинетическую энергию в электричество. Но что делать, если вы не хотите крутить полчаса, чтобы отправить текст? Существуют также решения, использующие солнечную энергию для подзарядки электроники. Но тогда вам придется надеяться на солнечный день, чтобы воспользоваться ими.
Что насчет топливных элементов? Как и батарея, топливный элемент использует химическую реакцию для выработки электроэнергии. Но в отличие от батареи, вы можете заправить отработавший топливный элемент. Просто добавьте еще немного топлива, и вы готовы производить больше электроэнергии. Водородные топливные элементы производят только два побочных продукта - тепло и воду. Топливные элементы, которые мы будем использовать для зарядки нашей портативной электроники, скорее всего, будут работать на таком топливе, как бутан.
Основы топливных элементов
Секрет работы топливных элементов лежит в химии. Некоторые атомы имеют тенденцию связываться с другими атомами, образуя молекулы. Хорошим примером являются водород и кислород - пара атомов водорода может соединиться с атомом кислорода, чтобы сформировать H2O, молекулу воды. Сделав пару ступеней между соединением водорода и кислорода, мы можем использовать электроны.
Типичный метод включает две камеры. В одной камере находится газообразный водород под давлением (H2). В другом у вас есть кислород (O2). Между этими двумя камерами у вас есть катализатор и мембрана.катализаторзаставляет газообразный водород расщепляться на электроны и положительные ионы водорода.мембрана похожа на вышибалу в клубе: симпатичные положительно заряженные ионы могут пройти сквозь них, но занудные отрицательные частицы, такие как электроны, не могут.
Из-за этого вышибала положительно заряженные ионы водорода проходят через мембрану, чтобы добраться до атомов кислорода на другой стороне. Затем водород и кислород соединяются вместе. Но эти молекулы пропускают те электроны, которые остались позади. А вот как топливный элемент может обеспечить электричество.
Секрет в том, чтобы создать путь от водородной камеры топливного элемента к кислородной камере. Этот путь соединяется с цепью. Электроны будут следовать по пути, чтобы снова соединиться с ионами водорода на другой стороне мембраны. По пути электроны будут совершать работу, проходя через любую схему, которая окажется на пути. На дальней стороне пути находится кислородная камера, где электроны воссоединятся с ионами водорода. Двумя побочными продуктами этой конкретной реакции являются тепло и вода.
Есть несколько различных типов топливных элементов. Хотя в приведенном выше примере мы использовали чистый водород и кислород, большинство топливных элементов используют другие виды топлива. Это связано с тем, что получить чистый водород сложно, и это увеличивает стоимость производства и эксплуатации топливных элементов. Другие виды топлива могут создавать водород, необходимый для топливного элемента, но также производить и другие побочные продукты.
Некоторые из этих топливных элементов могут работать только при температурах намного выше, чем было бы практично для топливного элемента, который может поместиться в вашем кармане. Другие полагаются на катализаторы, изготовленные из редких материалов, таких как платина, что увеличивает стоимость топливного элемента. Некоторые не могут работать ниже определенного температурного порога, потому что мембрана замерзнет. Очень важно найти правильный топливный элемент для мобильной электроники.
Так какой топливный элемент мы можем использовать для подзарядки наших телефонов?
Карманный топливный элемент
Несколько компаний работают над выводом на рынок карманных топливных элементов. Не все из них используют один и тот же подход. У Lilliputian Systems есть топливный элемент, который использует бутан в качестве топлива. Бутан - это углеводород, а это значит, что он состоит из атомов водорода и углерода. Химическое обозначение бутана C4H10 - в молекуле бутана четыре атома углерода и 10 атомов водорода.
Внутри топливного элемента молекулы бутана под давлением расщепляются на ионы и электроны при контакте с катализатором. Ионы перемещаются через мембрану в кислородную камеру. Там ионы объединяются с атомами кислорода, образуя воду и углекислый газ. Электроны, отделившиеся от ионов, проходят через электронный путь, чтобы воссоединиться с ионами на дальней стороне топливного элемента.
Углекислый газ является парниковым газом. Поскольку это побочный продукт топливного элемента на углеводородной основе, многие считают эти топливные элементы менее экологичными, чем топливные элементы, работающие исключительно на водороде. Но как обойти проблему получения чистого водорода?
Одним из возможных решений может быть получение водорода из воды. Мы можем использовать водород, заменяя воду электричеством, чтобы разорвать молекулярные связи и разделить воду на водород и кислород. Это процесс под названиемэлектролиз Хотя он даст нам доступ к водороду, он не имеет смысла с точки зрения выработки электроэнергии - мы должны использовать энергию только для того, чтобы получить водород и так далее. мы работаем с чистым убытком с точки зрения мощности. Но вы также можете получить водород из воды посредством химической реакции.
Используя порошок щелочных металлов, можно создать химическую реакцию с водой, в результате которой будет выделяться газообразный водород. Обычно введение щелочного металла в воду вызывает взрывную реакцию, побочными продуктами которой являются водород и гидроксид металла.
Химик по имени Майкл Лефенфельд создал смесь порошка щелочи и других добавок, которые реагируют с обычной водопроводной водой с образованием водорода без сопровождающего взрыва. Подавая этот водород в топливный элемент, вы можете получить метод производства электроэнергии, основанный исключительно на водороде.
Использование этого щелочного порошка и топливного элемента означает, что вы можете питать электронные устройства, просто налив в зарядное устройство немного воды из-под крана. Вода будет реагировать с порошком щелочи с образованием водорода. Водород перемещается в камеру топливного элемента и соединяется с кислородом, образуя воду и вырабатывая электричество. Вам придется заменить картриджи с порошком в вашем устройстве, чтобы генерировать больше водорода, поскольку щелочь превращается в гидроксид металла.
Это безопасно?
Топливные элементы используют довольно летучие химические вещества. Водород - легковоспламеняющееся вещество. Бутан также является легковоспламеняющимся материалом. И щелочные металлы тоже могут быть опасны. Но при правильной конструкции топливных элементов эти материалы могут оставаться относительно безопасными. Вы бы не хотели бросать топливный элемент в бушующий огонь, но вам не нужно беспокоиться о том, что ваши штаны самовозгораются из-за неконтролируемой химической реакции.
В зависимости от имеющегося в вашем распоряжении топливного элемента, вы можете сделать одолжение окружающей среде. Топливные элементы, как правило, оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные методы выработки электроэнергии. Если вы получаете электроэнергию от коммунального предприятия, которое в основном использует уголь или другие ископаемые виды топлива, переход на топливные элементы может уменьшить ваше собственное воздействие на окружающую среду. Если вы получаете электроэнергию из возобновляемых источников, таких как энергия ветра или солнечная энергия, ваше воздействие на окружающую среду возрастет.
Технология топливных элементов может революционизировать не только мобильную электронику. Мы могли видеть топливные элементы, используемые во всем, от аварийных источников питания до транспортных средств. Возможно, вскоре мы перестанем думать о подзарядке наших мобильных устройств - вместо этого мы будем думать о их заправке.
Примечание автора
Я очарован топливными элементами. Мне нравится идея использования химической реакции для выработки электричества. Это почти похоже на то, как будто мы обманываем физику, чтобы она работала за нас - мы разделяем счастливый атом на ион и электрон. Эти две частицы действительно хотят снова быть вместе из-за их противоположных зарядов. Затем мы проталкиваем ион через барьер, через который электрон не может пройти. Этот маленький электрон больше всего на свете хочет перейти к этому иону. Затем мы даем электрону дорогу, чтобы добраться до этого иона, но по пути он должен выполнять работу. Электрон делает то, что мы хотим, и в результате мы получаем энергию. Мы не только освоили физику, но и в процессе антропоморфизировали субатомные частицы! Мне это нравится.