АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к автономным источникам питания аппаратуры обработки информации на топливных элементах и может найти применение при создании компактных источников питания для потребителей малой мощности, в частности, ноутбуков.
Известен автономный источник питания, выполненный в виде первичной литиевой батареи, содержащей источники тока в количестве, необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости, причем каждый из корпусов источника тока имеет цилиндрическую форму и снабжен предохранительным средством для сброса избыточного давления (см. патент РФ №48111, бюл. №25, 2005).
Известные источники питания на основе литиевых батарей широко используются в современной портативной электронике, однако их удельные характеристики, в большинстве случаев, недостаточны для длительной автономной работы ноутбука с потребляемой мощностью 20-40 Вт.
Наиболее близким техническим решением является автономный источник питания на топливных элементах, содержащий, по крайней мере, одну мембранно-электродную сборку и средства для подвода к ней анодного и катодного газов (см. патент США №5902691, МПК 6 Н01М 8/00, 1997 г. - прототип).
К недостаткам известного устройства следует отнести ограничения по его использованию в качестве автономного источника питания для маломощных потребителей аппаратуры приема и обработки информации, в том числе, ноутбуков, из-за отсутствия интегрированной системы получения, накопления и подачи анодного газа в топливную камеру.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого и эффективного автономного источника питания на топливных элементах для питания маломощной (10-50 Вт) аппаратуры приема и обработки информации, в том числе, ноутбуков. Дополнительной, к указанной, является задача оптимизации массовых и габаритных характеристик автономного источника питания и повышения его эксплуатационных характеристик при работе мембранно-электродной сборки топливных элементов на водороде и воздухе.
Указанная задача решается тем, что в автономном источнике питания на топливных элементах, содержащем, по крайней мере, одну мембранно-электродную сборку и средства для подвода к ней анодного и катодного газов, согласно полезной модели, он содержит размещенные в первом корпусе блок управления, преобразователь напряжения и средства для подвода анодного газа, включающие последовательно соединенные генератор водорода, первый управляемый клапан, буферный накопитель водорода и второй управляемый клапан, выход которого через гибкий канал и разъем соединен с входом топливной камеры, снабженной на выходе третьим управляемым клапаном, причем топливная камера и мембранно-электродная сборка размещены во втором корпусе, выполненном в виде плоского модуля с возможностью размещения на крышке ноутбука, первый, второй, третий и четвертый выходы блока управления соединены с управляющими входами первого, второго и третьего клапанов и преобразователя напряжения, который снабжен первым кабелем для подключения к электродам мембранно-электродной сборки и вторым кабелем для соединения с входом блока питания ноутбука.
Кроме того, модуль второго корпуса может иметь толщину 3-6 мм и в плане размеры ноутбука, а его топливная камера может содержать разделительную решетку с каналами для протока водорода.
Такое выполнение автономного источника питания на топливных элементах позволяет создать сравнительно простое, компактное и эффективное устройство для питания аппаратуры приема и обработки информации. Благодаря использованию в предложенном устройстве первого корпуса с отдельно размещенными генератором водорода, буферным накопителем, клапанами, преобразователем напряжения и блоком управления, а также второго корпуса в виде плоского модуля, размещенного на крышке ноутбука с мембранно-электродной сборкой, имеющей катодную поверхность свободную для контакта с окружающим воздухом оказывается возможным оптимизировать массовые и габаритные характеристики внешнего автономного источника питания и повысить его эксплуатационные характеристики при работе мембранно-электродной сборки топливных элементов на водороде и воздухе.
Наличие в интегрированном автономном источнике питания буферного накопителя и генератора водорода, содержащего сменный картридж с камерами для взаимодействующих реагентов в виде активированного алюминия и воды, обеспечивают его полную автономность на период эксплуатации несколько часов до замены указанных картриджей
На фиг.1 представлена блок-схема автономного источника питания на топливных элементах для ноутбука.
Автономный источник питания на топливных элементах содержит первый корпус 1, включающий блок управления 2, преобразователь напряжения 3 и средства для подвода анодного газа, включающие последовательно соединенные генератор водорода 4, первый управляемый клапан 5, буферный накопитель 6 водорода и второй управляемый клапан 7, выход которого через гибкий канал 8 и разъем соединен с входом топливной камеры 9, снабженной на выходе третьим управляемым клапаном 10. Топливная камера 9 и мембранно-электродная сборка 11 размещены во втором корпусе 12, выполненном в виде плоского модуля с возможностью размещения на крышке ноутбука 13.
Первый, второй, третий и четвертый выходы блока управления 2 соединены, соответственно, с управляющими входами первого, второго и третьего клапанов 5, 7, 10 и с управляющим входом преобразователя напряжения 3. Последний снабжен первым кабелем 14 для подключения к электродам мембранно-электродной сборки 11 и вторым кабелем 15 для соединения с входом блока питания ноутбука 13. Модуль второго корпуса 12 может иметь толщину 3-6 мм и в плане размеры ноутбука 13, а его топливная камера 9 может содержать разделительную решетку 16 с каналами для протока водорода. Буферный накопитель 6 водорода заполнен порошком интерметаллического соединения на основе лантан никелевого сплава для поглощения водорода из генератора 4 и отдачи в рабочем режиме в топливную камеру 9. Для поддержания требуемой температуры буферный накопитель 6 водорода снабжен средствами для его охлаждения с помощью вентилятора 17. Кроме того, буферный накопитель 6 может быть снабжен линией байпаса с дополнительным клапаном (не показаны) для прямой подачи водорода из генератора 4 к топливной камере 9
3
Автономный источник питания на топливных элементах, благодаря использованию плоского модуля с мембранно-электродной сборкой большой площади, наличию указанных средств для подвода анодного газа и преобразователя напряжения, может быть выполнен на выходную электрическую мощность в несколько десятков Вт, достаточную для питания стандартного ноутбука. Объем первого корпуса 1, включающего указанные выше компоненты, для одного из вариантов исполнения автономного источника питания ноутбука, может составлять до 0,5 дм. В автономном источнике питания на топливных элементах используется водород давлением до 0,1 МПа и воздух при нормальной температуре. Протонобменная мембрана сборки 11 выполнена на основе материала NAFION толщиной 25-150 мкм. Газодиффузионные слои мембранно-электродной сборки 11 могут быть выполнены из нетканого или тканого углеграфитового материала, концевые пластины - из металла (титан, нержавеющая сталь), а разделительная решетка 16 - из диэлектрика. В качестве сменных картриджей для генератора 4 водорода используются емкости, заполненные активированным алюминием и водой (не показаны).
Элементная база для блока управления 2 является стандартной для аппаратуры указанного назначения, при этом блок 2 может быть снабжен встроенным микро аккумулятором и таймером (не показаны) для обеспечения функционирования до включения автономного источника питания.
Автономный источник питания на топливных элементах для ноутбука работает следующим образом.
Предварительно укрепляют корпус 2 на крышке ноутбука 13 и соединяют кабели 14, 15 и разъем гибкого канал 8 с соответствующими разъемами (не показаны) на корпусе 1. В генератор водорода 4 корпуса 1 вставляют подготовленные к работе сменные картриджи (не показаны), заполненные активированным алюминием и водой, при химическом взаимодействии между которыми происходит выделение водорода. В течение времени 10-20 мин при открытом клапане 5 и закрытых клапанах 7, 10 осуществляется поглощение выделившегося водорода активным материалом (порошок интерметаллического соединения на основе лантан никелевого сплава), размещенным в буферном накопителе 6. Затем при закрытом клапане 5 и открытых клапанах 7, 10 в течение одной минуты осуществляют подачу водорода с повышенным расходом в топливную камеру 9 модуля корпуса 12 для освобождения топливной камеры 9 от воздуха путем ее продувки выделяющимся водородом.
После этого при закрытых клапанах 5, 10 и открытом клапане 7 осуществляют подачу водорода в топливную камеру 9 с расчетным значением расхода для выхода источника питания ноутбука 13 на номинальный режим. Ноутбук 13 включается спустя указанное время автоматически. При выключении ноутбука 13 блок управления 2, по сигналу снижения нагрузки, перекрывает клапаном 7 подачу водорода в топливную камеру 9. При этом блок управления 2 запрограммирован на своевременное управление указанными клапанами в каждый из подготовительных или рабочих периодов эксплуатации источника питания
При выходе топливных элементов мембранно-электродной сборки 11 на рабочий режим давление водорода в топливной камере 9 должно находиться в диапазоне 0,01-0,1 МПа при температуре до 30°С. При заданной выходной мощности выходное напряжение на выходе преобразователя напряжения 3 составляет около 15 В с допустимым отклонением 10 мВ. Давление в генераторе водорода 4 при его функционировании может изменяться в широких пределах, по этой причине генератор водорода 4 должен быть снабжен средствами для сброса избыточного давления (не показаны).
Время открытия и закрытия указанных клапанов на различных режимах работы автономного источника питания подобрано экспериментально в зависимости от давления, расхода и влажности поступающего в топливную камеру водорода, а также от выходного тока и напряжения топливных элементов мембранно-электродной сборки 11.
2
2
Разработанный в ОИВТ РАН внешний источник питания на топливных элементах для ноутбука выполнен в двух корпусах, второй из которых представляет собой плоский модуль толщиной 3-6 мм и площадью 600-1200 см. Модуль имеет «свободно дышащую» конструкцию без специальных зазоров и каналов у катода, при этом воздух имеет открытый доступ к поверхности катода. При плотности тока на электродах 50-150 мА/см к.п.д. топливных элементов и ресурс максимальны, при этом мощность модуля может составлять 40 Вт и более. При снижении напряжения в рабочем режиме до минимального, источник питания на топливных элементах с помощью блока управления 2 автоматически отключается от нагрузки и ждет повышения напряжения до стартового значения.
Генератор водорода представляет собой устройство картриджного типа, состоящего из камер для воды и активированного алюминия с добавками эвтектики галлий-индий, которые при запуске приводятся в контакт друг с другом, вследствие чего начинается реакция взаимодействия активированного алюминия с водой с выделением водорода и тепла. После отработки картридж выбрасывается или отдается на переработку. Запас энергоемкости картриджа определяется массой алюминия, при взаимодействии 1 г которого с водой выделяется около 1,2 л водорода. Массовое соотношение вода - алюминий в картридже должно быть порядка 5/1, поэтому, при заправке алюминия 40 г удельная энергоемкость картриджа составит около 300 Втч/кг.
Буферный накопитель водорода на порошке интерметаллического соединения предназначен для того, чтобы генератор водорода мог вырабатывать весь водород в течение 20-30 мин и отсоединяться от источника питания ноутбука, затем топливный элемент, как указывалось, работает от водорода, запасенного в буферном накопителе в течение нескольких часов. Таким образом использование буферного накопителя водорода и двухкорпусной конструкции устройства существенно уменьшает его стоимость, увеличивает надежность и энергоемкость. Необходимый объем активного порошка в буферном накопителе составит около 400 мл и рассчитываются, например, исходя из массы 40 г алюминия в картридже, которая определяет количество выделяющегося водорода, в данном случае около 48 л.
Автономный источник питания на топливных элементах с предложенной интегрированной системой его функционирования разработан в Объединенном институте высоких температур РАН для использования в аппаратуре приема и обработки информации и, в частности, в качестве внешнего источника питания ноутбуков различных модификаций. Испытания подтвердили основные тактико-технические данные и эффективность предложенного решения.