Миниатюрное устройство было создано в стенах университета Иллинойса (University of Illinois at Urbana-Champaign). Однако особый интерес вызывают не столько размеры топливного элемента, сколько его строение.
Размеры устройства составляют всего лишь 3 x 3 x 1 миллиметр.
Отметим, что химики могут значительно уменьшить размеры стандартных батареек, но делать это с составляющими топливных ячеек не имеет смысла. Результатом такой работы становится устройство, которое потребляет больше энергии, чем производит.
Эту проблему решили химики Саид Мохаддам (Saeed Moghaddam) и Марк Шэннон (Mark Shannon).
«Непрактично создавать миниатюрный насос, датчик давления, электронику, которая контролировала бы все части механизма в столь малом объёме», — рассказывает Мохаддам.
Он и его коллега создали водородный топливный элемент, который не требует производства сложных миниатюрных деталей и при этом генерирует ток, не потребляя его для своих собственных нужд.
Внутри устройства всего четыре компонента: мембрана, разделяющая ёмкости с водой и гидридом металла, и электроды, расположенные под ячейкой с гидридом.
Через микроскопические отверстия в мембране молекулы воды попадают в смежную ячейку в виде пара. Пар реагирует с соединением металла, образуя водород, который, наполняя камеру, перекрывает поток воды. По мере прохождения реакции на электродах количество водорода уменьшается (а вместе с ним и давление этого вещества), мембрана возвращается в начальное положение и молекулы воды снова начинают попадать в ячейку с гидридом.
Таким образом, осуществляется автоматическое регулирование реакции воды с гидридом металла (и беспрерывное её продолжение).
Благодаря особенным размерам созданного устройства приток молекул воды определяют не гравитационные силы (как в классических топливных элементах), а поверхностное натяжение. Это означает, что устройство может работать в движении и даже при вращении.
Первые модели миниатюрного топливного элемента были способны генерировать напряжение 0,7 вольта (ток 0,1 миллиампера в течение 30 часов). Новые образцы устройств дают ток до одного миллиампера при том же напряжении.
Конечно, и этого недостаточно для питания портативных устройств. К примеру, мобильные телефоны «съедают» до нескольких вольт. Однако микроробот на таком топливном элементе был бы вполне жизнеспособен.
Ныне созданное устройство (объёмом 9 кубических миллиметров) действительно мало, но Стивен Арскотт (Stephen Arscott), эксперт в области малых топливных элементов из университета Лилля (Université des Sciences et Technologies de Lille), считает, что ему не хватит мощности для питания.
В качестве хорошего примера он, конечно же, приводит своё детище (о нём читайте эту статью). Устройство Арскотта почти в три раза больше, работает на метаноле (более типичный для топливных элементов источник водорода) и при этом выдаёт удельную мощность в десять раз большую, нежели элемент Мохаддама.
Впрочем, Шеннон отмечает, что устройства сравнивать некорректно. В рабочей модели Арскотта топливо поступает извне, в то время как у нового устройства всё необходимое находится на борту. Таким образом, в перерасчёте на общий объём получается, что удельная мощность миниатюрного топливного элемента составляет относительно большое значение (около ста ватт на литр).
В любом случае в будущем подобные усовершенствованные элементы способны потеснить батареи в мобильных устройствах. И дело не только в том, что топливные элементы способны поставлять на порядок больше энергии. Важно, что новый источник тока прекрасно работает в любом положении.
Подробнее о работе Мохаддама и Шэннона читайте в статье, опубликованной в Journal of Microelectromechanical Systems.
Узнайте также о крошечном топливном элементе без мембраны.
