ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА ДЛЯ АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Полезная модель относится к устройствам для получения водорода в результате химической реакции твердого и жидкого реагентов, более конкретно, к конструкции генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах и может найти применение при создании малогабаритных источников питания, предназначенных, в том числе, для автономной зарядки аккумуляторов сотовых телефонов.
Известно устройство для получения водорода, включающее реактор для проведения химической реакции между твердым реагентом в виде гранул магния и жидким реагентом в виде 3% водного раствора хлористого натрия (см. патент РФ №2060928, опубл. в бюл. №15, 27.05.1996 г.).
Водород, получаемый в известном устройстве, предназначен для использования при газотермической обработке металлов. К недостаткам такого устройства следует отнести использование дополнительных средств стабилизации и регулирования расходных характеристик при отводе газа для уменьшения выброса жидкости и интенсификации теплоотвода в реакторе.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах, содержащий герметичный корпус, заполненный твердым реагентом в виде гранул активированного алюминия и снабженный средствами для подвода жидкого реагента и вывода газообразного водорода (см. Fuel Cells with Hydrogen Genaration Sistem by the Reaction of Alumihum and Water /AWING/ network, Nikon, Hitachi maxell - прототип).
Особенностью известного устройства, входящего в состав генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах является наличие двух емкостей, одна из которых заполнена твердым реагентом в виде гранул активированного алюминия, а вторая - водой. Для генератора водорода такого типа используется твердый гидрореагирующий реагент, в данном случае, в виде гранул алюминия, который может быть активирован галлием или другими легирующими веществами, образующими на поверхности гранул сравнительно тонкое покрытие для уничтожения оксидной пленки на поверхности основного металла.
К недостаткам известного устройства следует отнести конструктивную сложность средств для осуществления химической реакции между реагентами в виде гранул активированного алюминия и воды. Указанные реагенты размещены в независимых емкостях в форме пластиковых бутылей, снабженных трубопроводами, запорно-регулирующей арматурой и другими средствами для подачи дозированных количеств воды в бутыль с гранулами активированного алюминия и для отвода выделяющегося водорода. При этом устройство в целом имеет сравнительно большие габариты, ограничивающие его использование в автономных источниках питания на топливных элементах, в том числе, в малогабаритных устройствах для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов.
Одним из определяющих параметров технико-экономической эффективности известного генератора водорода является стоимость используемого твердого гидрореагирующего реагента. Для известного источника питания на топливных элементах мощностью до 20 Вт (объем около 2 л., масса около 1 кг) стоимость генератора водорода составляет до 50% стоимости всего устройства.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого и удобного в эксплуатации генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах, предназначенного для питания маломощной аппаратуры, в том числе, для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов. Дополнительной к указанной является задача снижения стоимости используемых твердых реагентов и устройства в целом, а также уменьшения его габаритов и повышение эксплуатационных характеристик при работе в автономном режиме.
Указанная задача решается тем, что в генераторе водорода для автономного источника питания на топливных элементах, содержащем, герметичный корпус, заполненный твердым реагентом в виде гранул активированного алюминия и снабженный средствами для подвода жидкого реагента и вывода газообразного водорода, согласно полезной модели, в полости корпуса в контакте с гранулами активированного алюминия размещена герметичная капсула, заполненная водой и снабженная средствами для ее разгерметизации, причем поверхность гранул активированного алюминия имеет покрытие, материал которого представляет собой эвтектический сплав из группы металлов: галлий, индий, олово, цинк или висмут.
Кроме того, герметичный корпус может быть выполнен в форме разборного цилиндра, снабженного съемной крышкой, на внутренней поверхности которой может быть размещена указанная капсула, причем гранулы активированного алюминия могут иметь размеры в диапазоне от 100 мкм до 10 мм, толщина указанного покрытия может находиться в диапазоне
0,5-50 мкм, а материалом покрытия является двухкомпонентный сплав галлия с индием, трехкомпонентный сплав галлия с индием, цинком или оловом, четырехкомпонентный сплав галлия с индием, цинком и оловом или пятикомпонентный сплав галлия с индием, цинком, оловом и висмутом при следующем соотношении компонентов, % масс.: индий 10-30, олово 1-20, цинк 1-20, висмут 1-5, остальное - галлий.
Такое выполнение генератора водорода позволяет создать сравнительно простое и удобное в эксплуатации устройство для использования в малогабаритных источниках питания на топливных элементах. Благодаря использованию в устройстве готового к применению жидкого реагента - воды, находящейся в герметичной капсуле, размещенной в контакте с гранулами алюминия, а также благодаря особому активирующему покрытию на гранулах активированного алюминия в виде эвтектического галлиевого сплава из упомянутых металлов решается указанная задача, связанная с созданием сравнительно простого, недорогого и компактного генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах. Устройство выполнено с возможностью длительное время находиться в режиме простоя. При этом оно снабжено средствами для обеспечения, в случае необходимости, возможности быстрого запуска генератора водорода для его подачи в топливные элементы.
Для решения указанной задачи гранулы активированного алюминия могут иметь размеры от 100 мкм до 10 мм. Нижний предел размеров гранул связан с дополнительным дроблением промышленно поставляемого алюминия в гранулах или пластинах. Гранулы большего размера имеют сравнительно малую эффективную поверхность и могут полностью не прореагировать в заданный период времени из-за отсутствия активации их внутренних частей. При этом указанная толщина покрытия из эвтектического галлиевого сплава формируется в указанном диапазоне 0,5-50 мкм при его механическом смешивании и растирании с гранулами алюминия. Большая длительность при механическом способе растирания галлиевого сплава и гранул алюминия с помощью ступки обеспечивает большую толщину покрытия и более глубокое проникновение эвтектического сплава внутрь гранул основного металла.
В соответствии с предложением материалом упомянутого покрытия является двухкомпонентный, трехкомпонентный, четырехкомпонентный или пятикомпонентный эвтектический сплав галлия с указанными металлами. Данные эвтектические галлиевые сплавы прошли экспериментальную проверку в ОИВТ РАН в качестве активирующего покрытия на гранулах алюминия и показали достаточно высокие положительные результаты при генерации водорода в предложенном устройстве.
Наиболее дорогим из указанных сплавов является двухкомпонентный эвтектический сплав галлий - индий при соотношении компонентов, % масс.: индий 30, остальное - галлий. Другие эвтектические сплавы для указанного активирующего покрытия требуют, соответственно, для трех-, четырех- и пяти компонентов все меньшего количества дорогостоящего индия и галлия. Вследствие этого данные эвтектические сплавы могут применяться в различных сочетаниях с учетом ряда известных условий, связанных с технологическими ограничениями или доступностью упомянутых металлов.
На фиг.1 представлено сечение генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах.
Генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах содержит герметичный корпус 1, заполненный твердофазным реагентом в виде гранул 2 алюминия, снабженных активирующим покрытием в виде слоя указанной толщины из эвтектического сплава на основе галлия. В полости корпуса 1 в контакте с гранулами активированного алюминия 2 размещена герметичная капсула 3, заполненная водой. Капсула 3 выполнена в виде замкнутого баллона из полимерной пленки 4 с размещенным внутри пористым или волокнистым наполнителем для более равномерной подачи воды в рабочий объем герметичного корпуса 1. Последний выполнен в форме разборного цилиндра, снабженного съемной крышкой 5, на внутренней поверхности которой размещена указанная капсула 3. Съемная крышка 5 герметично прижата к фланцу корпуса 1 гайкой 6. На крышке 5 установлен винт 7, снабженный на конце острием для разрушения стенок пленки капсулы 3 и подачи воды через полученное отверстие в полость корпуса 1 для взаимодействия с гранулами 2 активированного алюминия. Патрубок 8 в боковой части корпуса 1 предназначен для вывода газообразного водорода.
В рабочем режиме в данном устройстве обеспечивается генерация водорода и его подача к батарее топливных элементов или прекращение химической реакции получения водорода при отсутствии поступления воды из капсулы 3 к гранулам 2 активированного алюминия. Устройство выполнено с возможностью замены гранул 2 активированного алюминия и новой капсулы 3, заполненной порцией воды. В режиме простоя капсула 3 с водой остается герметичной вплоть до момента ее разгерметизации при необходимости генерации водорода.
В конкретном случае реализации корпус 1 устройства заполнен гранулами активированного алюминия с размерами в диапазоне 0,2-6,5 мм, толщина активирующего покрытия на различных гранулах практически находится в указанном диапазоне.
При этом материалом указанного покрытия является сравнительно дешевый пятикомпонентный галлиевый сплав с индием, цинком, оловом и висмутом, при следующем соотношении компонентов, % масс.: индий - 12, олово - 16, цинк - 18, висмут 2,5, остальное - галлий.
Габаритные размеры (диаметр и высота) предложенного генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах, разработанного в ОИВТ РАН, составляют 40×30 мм при массе до 60 г. При этом для получения 1,2 л водорода расходуется, как и в известном устройстве, около 1 г алюминия и 2 г воды.
Генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах работает следующим образом.
Предварительно механически смешивают и растирают гранулы алюминия с заранее приготовленным пятикомпонентным галлиевым сплавом с индием, цинком, оловом и висмутом при указанном соотношении компонентов. При этом на поверхности гранул алюминия формируется покрытие эвтектического сплава. Необходимое количество гранул 2 активированного алюминия размещают в рабочем объеме корпуса 1 генератора водорода. Затем на внутренней поверхности в полости съемной крышки 5 размещают герметичную капсулу 3 из полимерной пленки 4, заполненную водой и влагоудерживающим волокнистым наполнителем. При этом одна из стенок капсулы 3 контактирует с гранулами 2 активированного алюминия.
Съемную крышку 4 герметично прижимают к фланцу корпуса 1 гайкой 6. Винт 7, снабженный на конце острием, расположен в центре съемной крышки 4 так, чтобы его острие в режиме простоя не прорвало стенки пленки 4 капсулы 3. В случае, когда необходимо подключить к потребителю автономный источник питания на топливных элементах, винт 7 генератора водорода вкручивают по резьбе внутрь корпуса 1 до тех пор, пока острие не прорвет обе стенки пленки 4 капсулы 3. При этом вода из капсулы 3 поступает через образовавшиеся отверстия в пространство между гранулами 2 активированного алюминия и вступает с ним в химическую реакцию с выделением водорода, который поступает в водородную камеру топливного элемента через патрубок 8. После того, как весь активированный алюминий прореагировал с водой, выделение водорода прекращается. Для последующего включения в работу предложенный генератор водорода следует вновь заполнить гранулами активированного алюминия и снабдить новой капсулой с водой.
При выходе генератора водорода на рабочий режим давление водорода в камере 1 должно находиться в диапазоне 0,02-0,1 МПа при температуре около 30°С. Для заданной выходной мощности автономного источника питания 3 Вт, необходимой для подзарядки аккумуляторов сотовых телефонов, время работы генератора водорода должно составлять 0,5-1 час. В различные периоды работы генератора давление в нем может достигать 0,5 МПа, а температура корпуса 50°С.
Указанные выше параметры дисперсности частиц алюминия и материал активирующего покрытия в виде тонкого слоя эвтектического сплава для уничтожения оксидной пленки подобраны экспериментально в зависимости от физико-химических, технологических и экономических характеристик галлиевых сплавов. В частности, для указанного пятикомпонентного эвтектического сплава, образующего покрытие на гранулах алюминия, требуется сравнительно малое количество дорогостоящих индия и галлия.
Генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах предложенной конструкции разработан и испытан в Объединенном институте высоких температур РАН для использования в аппаратуре приема и обработки информации и, в частности, для зарядки блоков питания сотовых телефонов. Испытания подтвердили эффективность предложенного технического решения.