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.
Известен 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 генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах является наличие двух емкостей, одна из которых заполнена твердым реагентом в виде частиц активированного алюминия, вторая - водой. Для генератора водорода такого типа используется твердый гидрореагирующий реагент, в данном случае, в виде частиц алюминия, активированных галлием или другими легирующими веществами, образующими на поверхности частиц 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 активированным алюминием и водой. 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 частицами 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.
Наиболее близким техническим решением, к предложенному, является генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах, содержащий средства для получения водорода при химической реакции между твердым и жидким реагентами и подачи водорода на вход топливных элементов (см. патент РФ №72360, бюл. №10, 2008 г. - прототип).
Особенностью известного генератора водорода является то, что он имеет герметичный корпус, заполненный твердым реагентом в виде частиц активированного алюминия и снабженный средствами для подвода жидкого реагента и вывода газообразного водорода, причем в полости корпуса в контакте с частицами активированного алюминия размещена герметичная капсула, заполненная водой и снабженная средствами для ее разгерметизации, а поверхность частиц активированного алюминия имеет покрытие, материал которого представляет собой эвтектический сплав из группы металлов: галлий, индий, олово, цинк или висмут.
Недостатком известного генератора водорода является ограничение по его использованию для автономного источника питания маломощных потребителей аппаратуры приема и обработки информации из-за отсутствия интегрированной системы получения, накопления и равномерной подачи необходимых количеств водорода в анодные камеры топливных элементов в течение сравнительно большого промежутка времени, определяемого техническими характеристиками потребителей.
Решаемой задачей полезной модели является создание сравнительно простого и удобного в эксплуатации генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах для питания маломощной (единицы и десятки Вт) аппаратуры приема и обработки информации, в том числе, ноутбуков и сотовых телефонов. Дополнительной, к указанной, является задача оптимизации массовых и габаритных характеристик генератора водорода и автономного источника питания, повышения их эксплуатационных характеристик при работе в автономном режиме.
Указанная задача решается тем, что в генераторе водорода для автономного источника питания на топливных элементах, содержащем средства для получения водорода при химической реакции между твердым и жидким реагентами и подачи водорода на вход топливных элементов, согласно полезной модели, указанные средства включают первую камеру с пористым материалом, насыщенным водой, вторую камеру, заполненную частицами активированного алюминия, третью камеру, заполненную материалом, аккумулирующим водород, и управляемые редукционные клапаны, причем первая камера снабжена средствами для дозированного поступления воды в рабочем режиме во вторую камеру, третья камера снабжена блоком для ее охлаждения при поглощении водорода, между выходом второй и входом третьей камеры установлен первый промежуточный клапан, а на выходе третьей камеры установлен второй выходной клапан, вход которого соединен с выходом первого клапана через третий обходной клапан.
Кроме того, поверхность частиц активированного алюминия может иметь покрытие в виде, по крайней мере, двухкомпонентного эвтектического сплава из группы металлов: галлий, индий, олово, цинк, висмут, а материал, аккумулирующий водород, представляет собой порошок гидридообразующего сплава из группы металлов: лантан, никель, алюминий, кобальт.
Кроме того, первая, вторая и третья камеры могут быть выполнены с возможностью непосредственного размещения в них указанных реагентов и материала, аккумулирующего водород, и/или с возможностью размещения в них сменяемых капсул, заполненных указанными компонентами.
Кроме того, генератор водорода может содержать блок управления, снабженный средствами для регулирования проходного сечения указанных клапанов и режимов работы блока охлаждения третьей камеры.
Такое выполнение генератора водорода позволяет создать сравнительно простое и удобное в эксплуатации устройство для употребление в малогабаритных источниках питания на топливных элементах. Благодаря использованию готового к применению жидкого реагента - воды, находящейся в первой камере, размещенной в контакте с частицами активированного алюминия во второй камере, а также, благодаря наличию буферного накопителя водорода, содержащего порошок гидридообразующего сплава в третьей камере, решается указанная задача, связанная с созданием сравнительно простого, недорогого и компактного генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах.
При этом обеспечивается надежное получение, накопление и равномерная подача водорода в анодные камеры топливных элементов в течение необходимого промежутка времени, определяемого техническими характеристиками потребителей при работе в автономном режиме. Устройство выполнено с возможностью длительное время находиться в режиме простоя, оно снабжено средствами (управляемые редукционные клапаны и блок охлаждения третьей камеры) для обеспечения, в случае необходимости, возможности быстрого запуска и длительной эксплуатации.
В соответствии с предложением материалом для упомянутого покрытия частиц алюминия является двухкомпонентный, трехкомпонентный, четырехкомпонентный или пятикомпонентный эвтектический сплав галлия с указанными металлами. Данные эвтектические галлиевые сплавы прошли экспериментальную проверку в качестве активирующего покрытия алюминия и показали положительные результаты при генерации водорода в предложенном устройстве.
В качестве материала, аккумулирующего водород, в предложенном устройстве используется порошок гидридообразующего сплава из группы металлов: лантан, никель, алюминий, кобальт. Некоторые из указанных сплавов также прошли экспериментальную проверку и показали положительные результаты в процессах накопления и отдачи водорода с необходимыми термодинамическими и кинетическими параметрами для топливных элементов.
На фиг.1 представлена блок-схема генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах.
Генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах содержит первую камеру 1 с пористым материалом, насыщенным водой, вторую камеру 2, заполненную частицами активированного алюминия, третью камеру 3, заполненную порошком гидридообразующего сплава, аккумулирующего водород, и управляемые редукционные клапаны 4, 5, 6. Первая камера 1 снабжена средствами в виде решетки 7 с частично проницаемой полимерной пленкой для дозированного поступления воды в рабочем режиме во вторую камеру 2. Третья камера 3 снабжена блоком 8 в виде вентилятора с электроприводом для охлаждения материала, поглощающего водород. Между выходом второй 2 и входом третьей камеры 3 установлен первый промежуточный клапан 4, а на выходе третьей камеры 3 установлен второй выходной клапан 5, вход которого соединен с выходом первого клапана 4 через третий обходной клапан 6.
Поверхность частиц активированного алюминия может иметь покрытие, материал которого представляет собой, по крайней мере, двухкомпонентный эвтектический сплав из группы металлов: галлий, индий, олово, цинк, висмут, а материал, аккумулирующий водород, может представлять собой порошок гидридообразующего сплава из группы металлов: лантан, никель, алюминий, кобальт.
В предложенном устройстве первая, вторая и третья камеры 1, 2, 3 могут быть выполнены с возможностью непосредственного размещения в них указанных реагентов и материала, аккумулирующего водород, и/или с возможностью размещения в них сменяемых капсул, заполненных указанными компонентами (капсулы 1, 2, 3 на фиг.1 показаны тонкими линиями).
Предложенный генератор водорода содержит также блок управления 9, снабженный средствами для регулирования проходного сечения указанных клапанов и режимов работы блока охлаждения 8 третьей камеры 3. При этом выходной клапан 5 соединен с входом рабочей камеры 10 одного или группы топливных элементов. Камеры 1 и 2, как правило, объединены в одном корпусе 11, а блок 8 охлаждения и камера 3 - в другом корпусе 12.
Корпус топливных элементов обозначен поз.13, а вентиляционные каналы в корпусе 12 обозначены поз.14. При этом блок управления 9 имеет четыре управляющих выхода, три из которых соединены с управляющими входами редукционных клапанов 4, 5, 6, а четвертый - с управляющим входом блока 8 охлаждения камеры 3.
В полости корпуса 11 в контакте с частицами активированного алюминия размещена герметичная капсула 1 с водой. Капсула 1 выполнена в виде замкнутого баллона с размещенным внутри пористым или волокнистым наполнителем для более равномерной подачи воды в рабочий объем герметичного корпуса 2. Капсула 1 снабжена средствами (не показаны) для ее разгерметизации и подачи воды через решетку 7 с частично проницаемой полимерной пленкой для ее дозированного поступления во вторую камеру 2 с последующим осуществлением химической реакции между твердым и жидким реагентами.
Устройство выполнено с возможностью замены в корпусе 11 капсулы 2 с частицами активированного алюминия и капсулы 1, заполненной порцией воды, а также с возможностью замены в корпусе 12 капсулы 3 с указанным материалом, аккумулирующим водород. В конкретном случае реализации камера 2 устройства заполнена частицами активированного алюминия с размерами в диапазоне 0,1-0,5 мм. При этом материалом активного покрытия на алюминии является 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. Для указанного пятикомпонентного эвтектического сплава, образующего покрытие на частицах алюминия, требуется наименьше количество дорогостоящих индия и галлия. Камера 3 устройства заполнена порошком водород аккумулирующего гидридообразующего сплава La Ni 4,42 Al 0,08 Со 0,5. Указанные составы для активирования алюминия и аккумулирования водорода разработаны в МГУ и прошли необходимые испытания в ОИВТ РАН.
Элементная база для блока управления 9, а также комплектующие для топливных элементов 13, камер 1, 2, 3 и управляемых редукционных клапанов 4, 5, 6 являются стандартными для аппаратуры указанного назначения.
Генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах работает следующим образом.
Для приготовления алюминиевого картриджа предварительно механически смешивают и растирают частицы алюминия с заранее приготовленным пятикомпонентным галлиевым сплавом с индием, цинком, оловом и висмутом при указанном соотношении компонентов. При этом на поверхности частиц алюминия формируется покрытие эвтектического сплава. Необходимое количество активированного алюминия размещают в капсуле 2, которую устанавливают в полости корпуса 11 рядом с капсулой 1, заполненной водой и влагоудерживающим волокнистым наполнителем. При этом одна из стенок капсулы 1 контактирует с частицами активированного алюминия в капсуле 2 через решетку 7 с частично проницаемой для воды пленкой.
В момент подключения генератора водорода к потребителю обеспечивают разгерметизацию капсулы 1, из которой вода поступает через частично проницаемую пленку и решетку 7 в пространство капсулы 2 между частицами активированного алюминия и вступает с ним в химическую реакцию с выделением водорода, который сначала поступает в полость капсулы 3 буферного накопителя водорода и затем в водородную камеру 10 топливных элементов 13. После того как весь алюминий прореагировал с водой, выделение водорода прекращается. Для последующего включения в работу генератора водорода следует сменить капсулу 2 или вновь заполнить ее частицами активированного алюминия и снабдить корпус 11 новой капсулой 1 с водой.
В течение времени около 20 мин при открытом клапане 4 и закрытых клапанах 5, 6 осуществляется поглощение выделившегося водорода активным материалом указанного гидридообразующего сплава в капсуле 3 буферного накопителя 12. Затем при закрытых клапанах 4, 6 и открытом клапане 5 в течение одной минуты осуществляют подачу водорода в камеру 10 топливных элементов 13 для ее освобождения от воздуха путем продувки выделяющимся водородом. После этого, при закрытых клапанах 4, 6 и открытом клапане 5, осуществляется рабочая подача водорода в топливную камеру 9 с определенным значением расхода, который зависит от свойств используемого гидридообразующего сплава. В некоторых случаях возникает необходимость подачи водорода в анодную камеру 10 топливных элементов 13 напрямую из капсулы 2 через обходной клапан 6 и выходной клапан 5, минуя буферный накопитель 12.
При этом блок управления 9 запрограммирован на своевременное управление указанными клапанами в каждый из подготовительных или рабочих периодов эксплуатации источника питания. 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 13.
При выходе топливных элементов 13 на рабочий режим давление водорода в топливной камере 10 должно находиться в диапазоне 0,01 - 0,1 МПа при температуре до 30°С. Давление в капсулах 2, 3 генератора водорода при его функционировании может изменяться в широких пределах, по этой причине генератор водорода должен быть снабжен средствами для сброса избыточного давления (не показаны).
Запас энергоемкости картриджа 2 определяется массой алюминия, при взаимодействии 1 г которого с водой выделяется около 1,2 л водорода. Массовое соотношение вода - алюминий должно быть порядка 5/1 при удельной энергоемкости картриджа около 300 Втч/кг. Буферный накопитель водорода на порошке гидридообразующего сплава предназначен для поглощения в течение указанного времени выделившегося в капсуле 2 водорода с его последующей подачей в течение нескольких часов на топливные элементы потребителя. Таким образом, использование в предложенном генераторе буферного накопителя водорода существенно уменьшает его стоимость, увеличивает надежность и энергоемкость. Необходимый объем активного порошка в буферном накопителе рассчитываются, исходя из массы алюминия в капсуле 2, определяющей потребное количество водорода.
Генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах с предложенной интегрированной системой его функционирования разработан в ОИВТ РАН совместно с МГУ для использования в аппаратуре приема и обработки информации и, в частности, в качестве внешнего источника питания сотовых телефонов и ноутбуков различных модификаций. Испытания подтвердили основные тактико-технические данные и эффективность предложенного решения.