ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА ДЛЯ АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Полезная модель относится к устройствам для прямого преобразования химической энергии в электрическую, 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 средства для совмещенного проведения процессов электролиза воды и конверсии углеводородов с водяным паром (см. патент США №5176809, МКИ 5 С25В 1/04, опубл. 05.01.93 г.).
Водород, получаемый в известном устройстве, предназначен для использования в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. К недостаткам такого устройства следует отнести сложность конструкции и значительные габариты. Это связано с использованием средств для электролиза водного раствора NaOH и углеводородов (бензин, природный газ и др.), взаимодействующих с водяным паром в присутствии платинового катализатора с образованием водорода и окиси углерода.
Наиболее близким техническим решением является генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах, содержащий, по крайней мере, две камеры, заполненные реагентами и снабженные средствами для осуществления между ними химической реакции с выделением водорода (см. Fuel Cells with Hydrogen Genaration Sistem by the Reaction of Alumihum and Water\AWING/network, Nikon, Hitachi maxell - прототип).
К недостаткам известного устройства следует отнести конструктивную сложность средств для осуществления химической реакции между реагентами в виде 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 алюминием 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.
Для источника питания на топливных элементах мощностью до 20 Вт габариты известного генератора водорода составляют 160×100×60 мм при массе 920 г. При этом для получения 1,2 л водорода расходуется около 1 г алюминия и более 2 г воды.
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 уменьшения габаритов и повышение эксплуатационных характеристик генератора водорода при работе в данных условиях.
Указанная задача решается тем, что в генераторе водорода для автономного источника питания на топливных элементах, содержащем, по крайней мере, две камеры, заполненные реагентами и снабженные средствами для осуществления между ними химической реакции с выделением водорода, согласно полезной модели, первая и вторая камеры генератора водорода размещены в открытом корпусе и выполнены с возможностью герметизации зоны выделения водорода, причем первая камера заполнена гранулированным алюминием, освобожденным от оксидной пленки, вторая камера заполнена пористым материалом, насыщенным водой, в стенке первой камеры, обращенной к второй, размещено, по крайней мере, одно отверстие, закрытое полимерной гидрофильной пленкой для дозированного поступления воды в рабочем режиме из второй камеры в первую, а корпус снабжен патрубком для вывода водорода и средством для прекращения указанного поступления воды в режиме простоя.
Кроме того, корпус, первая и вторая камеры генератора водорода могут иметь цилиндрическую форму и могут быть выполнены с возможностью замены указанных камер или реагентов, причем первая и вторая камеры могут быть выполнены с возможностью взаимного смещения в осевом и/или азимутальном направлении.
Такое выполнение генератора водорода позволяет создать сравнительно простое, удобное в эксплуатации и эффективное устройство для использования в малогабаритных автономных источниках питания на топливных элементах, в том числе, в устройствах для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов. Благодаря использованию в устройстве первой и второй камер описанной конструкции с указанными реагентами появилась возможность резко уменьшить общие габариты устройства и снизить время замены отработанных реагентов при прочих равных условиях.
Наличие в интегрированном источнике питания на топливных элементах предложенного генератора водорода, содержащего сменные картриджи для взаимодействующих реагентов, обеспечивают его полную автономность на период эксплуатации при сохранении возможности длительное время находиться в режиме простоя до очередного подключения к потребителю.
На фиг.1 представлено сечение генератора водорода для автономного источника питания на топливных элементах.
Генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах содержит первую и вторую камеры 1, 2, размещенные в открытом корпусе 3. Камеры 1, 2 выполнены с возможностью герметизации зоны выделения водорода в камере 1, которая заполнена гранулами или частицами 4 алюминия, освобожденных от оксидной пленки. Вторая камера 2 заполнена пористым материалом, насыщенным водой. В качестве такого материала в данном устройстве используются несколько круглых вставок 5 из синтетического волокна толщиной 1-2 мм.
В стенке камеры 1, обращенной к камере 2, размещено, в данном случае, одно отверстие 6, закрытое полимерной гидрофильной пленкой 7 марки ММФК для дозированного поступления воды в рабочем режиме из камеры 2 в камеру 1 и осуществления химической реакции с реагентом в виде гранул 4 активированного алюминия. Гидрофильная пленка 7 имеет сквозные поры размером 0,1-1 мкм для транспортировки через нее молекул воды и для предотвращения проникновения сквозь нее газов, в частности, водорода. Таким образом, гидрофильная пленка 7 выполняет роль мембранного сепаратора.
При этом корпус 3 снабжен патрубком 8 для вывода водорода. Корпус 3, первая и вторая камеры 1, 2 в конкретном случае выполнения устройства имеют цилиндрическую форму и выполнены с возможностью замены указанных камер или реагентов в данных камерах. Для этого в открытый с одной стороны корпус 3 могут быть вставлены или изъяты из него камеры 1, 2, в том числе, для замены реагентов.
Герметизация зоны выделения водорода в рабочем режиме осуществлена с помощью силиконовой прокладки 9, которая прижата к юбке 10, принадлежащей камере 2. Камера 2 также снабжена рукояткой 11 и выступами 12 для ее перемещения вдоль фигурных пазов 13 в цилиндрической части корпуса 3 до соприкосновения пористого материала вставок 5 с гидрофильной пленкой 7.
Таким образом, камеры 1, 2 выполнены с возможностью сближения в осевом направлении, при этом, за счет поворота камеры 2 в азимутальном направлении, обеспечивается фиксация взаимного расположения камер 1, 2 в режиме выделения водорода. Указанные элементы устройства также предназначены и для удаления камер 1, 2 друг от друга в осевом направлении, при котором прекращается поступление воды из камеры 2 в камеру 1 в режиме простоя. Прекращение дозированной подачи воды из камеры 2 в камеру 1 в режиме простоя можно осуществить также за счет одного вращательного перемещения камеры 2 относительно камеры 1. В таком случае в области нижних вставок 5 на камере 2 необходимо установить герметизирующую заслонку для перекрытия смещенного относительно оси камеры 1 отверстия с гидрофильной пленкой (не показаны).
Таким образом, 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 к активированному алюминию в режиме простоя до подключения источника питания на топливных элементах к потребителю.
Габаритные размеры (диаметр и высота) одного из вариантов 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 более 2 г воды.
Генератор водорода для автономного источника питания на топливных элементах работает следующим образом.
В корпус 3 генератора водорода вставляют подготовленные к работе сменные камеры или картриджи 1, 2, заполненные соответственно активированными гранулами 4 алюминия и водой, при химическом взаимодействии между которыми происходит выделение водорода. В начальный момент времени при наличии зазора (как это показано на фиг.1) между пористым материалом вставок 5 и гидрофильной пленкой 7 отсутствуют условия для подачи воды из камеры 2 в камеру 1 и для осуществления химической реакции активированного алюминия с водой. При смещении камеры 2 по направлению к камере 1 с помощью рукоятки 11, за счет зацепления выступов 12 и пазов 13 в корпусе 3 (с последующей фиксацией камеры 2 в данном положении), происходит соприкосновение вставок 5 пористого материала, пропитанного водой, с гидрофильной пленкой 7 и одновременная герметизация зоны выделения водорода при смыкании нижнего ребра юбки 10 камеры 2 с прокладкой 9.
При этом гидрофильная пленка 7 контактирует с водой, находящейся внутри пор материала вставок 5, и с гранулами 4 активированного алюминия. Это обеспечивает необходимые условия для выделения водорода в камере 1 и его поступления через патрубок 8 к анодной камере батареи топливных элементов (не показаны). После выработки ресурса реагентов камеры 1, 2 меняют на новые или производят замену находящихся в них реагентов.
При выходе генератора водорода на рабочий режим давление водорода в камере 2 должно находиться в диапазоне 0,02-0,1 МПа при температуре около 30°С. Для заданной выходной мощности автономного источника питания 3 Вт 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.
Параметры дисперсности частиц алюминия и способы активации его поверхности для уничтожения оксидной пленки подобраны экспериментально в зависимости от давления, расхода и влажности получаемого водорода.
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.