№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 66.02;536.7;661.961
© 200S г. ШКОЛЬНИКОВ Е.И., BЛACKИH M.C., ИЛЮХИН A.C., TAPACEHKO A.B., ЖУК A.3.
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ МОЩНОСТЬЮ г Вт НА ОСНОВЕ
ВОДОРОДНО-ВОЗДУШНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
Статья посвящена описанию разработанного в Лаборатории микротопливных элементов OИBT РАН альтернативного источника питания мощностью 2 Вт для портативной электроники на основе водородно-воздушных топливных элементов и алюмоводного генератора водорода. В работе приведены состав источника питания, конструктивные схемы его основных составных частей - топливных элементов и генератора водорода, а также результаты исследования различных режимов работы топливных элементов и источника питания в целом.
Введение. Результатом роста рынка электроники стал увеличившийся спрос на источники питания (ИП) с большей энергоемкостью на единицу массы и объема, что увеличило интерес к технологии создания микротопливных элементов (ГЭ), как альтернативных источников электроэнергии. Поэтому многие ведущие компании и исследовательские институты, такие, как Angstrom, DoCoMo, Hitachi Maxell, Canon, Protonex, DICP China, SAIT Korea и т.д. [1, 2], разрабатывают TЭ для портативной электроники. Основными задачами для разработчиков являются определение оптимальной конфигурации TЭ и выбор пути аккумулирования топлива. В настоящее время в качестве топлива для создаваемых прототипов портативных TЭ используют водород и метанол [3]. Не принимая во внимание TЭ, работающие на прямом окислении метанола (как экологически небезопасные), как основные способы получения водорода (осуществимые при наличии воды и веществ, вытесняющих из нее водород прямо на месте потребления при обычных условиях) в портативных ИП, главным образом, рассматривают три системы: получение водорода в реакции взаимодействия магния и сплавов на его основе с водой [4, 5], получение водорода в реакции взаимодействия активированного алюминия и его сплавов с водой [6-10] и вытеснение водорода из боргидрида натрия в присутствии воды и соответствующих катализаторов [11-17].
В данной работе приведено описание разработанного авторами прототипа ИП мощностью 2 Вт на основе TЭ с твердым полимерным электролитом типа Nafion (ГПЭ TЭ), в котором в качестве источника водорода использован алюмоводный микрогенератор водорода (АВМГВ). Водород получается из воды в ходе реакции прямого окисления алюминия. Щелочи или другие добавки к воде не используются.
Цель работы - разработка ИП и исследование различных режимов работы его составных частей и ИП в целом.
Разрабатываемое устройство должно было отвечать следующим требованиям:
1) ИП должен быть экологически безопасным и простым в применении;
2) ИП должен иметь небольшие габариты и высокие удельные характеристики;
3) водород должен производиться со скоростью, соответствующей скорости его потребления в Tro TЭ [18];
Контейнер с водой
Пористая мембрана
Ячейка с активированным алюминием
Герметичный корпус
Водоудерживающий сепаратор
Выходной штуцер
И9
Рис. 1. Структура АВМГВ
4) основным элементом генератора должен быть недорогой легкосменяемый картридж [19];
5) стеки из ТЭ должны быть двухэлементными для обеспечения работы ТЭ в "свободно дышащем" (СД) режиме [20], т.е. без принудительной подачи воздуха.
При создании компактных ИП необходимо учитывать особенности работы СДТЭ в условиях ограниченного объема, например, при размещении СДТЭ в корпусе зарядного устройства. Поэтому одной из основных задач экспериментов авторов было определение изменения в удельных характеристиках после заключения СДТЭ в малый объем и определение в этом случае возможного выигрыша от использования вспомогательных устройств (например вентиляторов), создающих принудительный обдув катодов. В работе решалась задача оптимального сопряжения АВМГВ и ТЭ.
Описание ИП. Состав ИП. ИП мощностью 2 Вт был разработан для зарядки аккумуляторов мобильных телефонов любого типа при невозможности использовать зарядку от электросети. Такие устройства, при небольшой модификации, могут использоваться в качестве ИП для любого портативного прибора с нагрузочными характеристиками, аналогичными характеристикам мобильного телефона. Этот тип ИП включает в себя сменный генератор водорода, два двухэлементных стека СДТЭ, DC/DC согласующий преобразователь-стабилизатор напряжения и электромагнитный клапан.
Генератор водорода состоит из сменного картриджа (рис. 1), помещенного в герметичный корпус, который имеет штуцеры для выхода водорода. Картридж состоит из двух частей: контейнера с водой и ячейки с активированным алюминием. Вода находится в специальном пористом материале. Обе части разделены мембранным элементом, имеющим заданную пористую структуру. На выходе водорода расположены сепараторы для улавливания влаги, уносимой из картриджа вместе с водородом. Для зарядки мобильного телефона пользователь должен вставить картридж в корпус, активировав генератор водорода (что в данной конструкции происходит автоматически), и присоединить телефон к выходному кабелю ИП.
При запуске АВМГВ давление в системе АВМГВ + ТЭ быстро возрастает. Большое избыточное давление может повредить ТЭ, поэтому для его регулирования используется предохранительный электромагнитный клапан. Он обеспечивает сброс газа в случае превышения заданного давления и начальную продувку газового тракта для удаления воздуха, первоначально заполняющего систему.
Электромагнитный клапан управляется с помощью DC/DC-конвертора, основная функция которого - преобразование напряжения ТЭ до заданного выходного напряжения. Все указанные составные части объединены в единый корпус плоской прямоугольной формы. Технические характеристики микро ИП даны в табл. 1.
Конструкция СДТЭ. Стек составлен из трехэлементных мембранно-электродных блоков (МЭБ) и газодиффузионных слоев (толщиной 200 мкм) фирмы "Golden Energy Fuel Cell" ("GEFC", Китай [21]). Протонпроводящая мембрана имеет толщину 25 мкм.
Токосъемная пластина катода
Уплотнение МЭБ
где
Токосъемная пластина анода
где
где
Токосъемная пластина анода
Водородная рамка
Уплотнение
где
МЭБ
Токосъемная пластина катода
Рис. 2. Конструктивная схема двухэлементного стека еДТЭ
Конструктивная схема двухэлементного стека приведена на рис. 2. Двухэлементный стек состоит из двух водородно-воздушных ТПЭ ТЭ с общей водородной камерой. Водородная камера представляет собой рамку из полимера с полем течения для водорода И-образной формы. Толщина водородной рамки составляет 2,5 мм, габаритный размер 58 х 24 мм. Водород подается в камеру с помощью штуцеров диаметром 1,6 мм, вклеенных в рамку.
Токосъем с катодов осуществляют титановые пластины толщиной 1,2 мм с прорезями для подачи воздуха к катодам. еоотношение открытой части активной поверхности катода к закрытой - 3:2. Пластины поджимаются с помощью винтов. Габаритный размер внешних титановых пластин и внешних газодиффузионных слоев 58 х 24. Этот размер определяется условиями общей конструкции ИП и условием механического поджима, необходимого для уменьшения контактного сопротивления. Чем больше отношение длины к ширине ТЭ, тем меньше расстояние от какой-либо точки активной поверхно-
Таблица 1
Технические параметры микро ИП мощностью 2Вт
Техническая характеристика
Величина
Номинальная мощность, Вт Максимальная мощность, Вт Рабочее напряжение, В Рабочий ток, мА
Энергоемкость алюмоводного картриджа, Вт/г(А1) ереднее время запуска картриджа, с Рабочая температура, °С Габаритные размеры батареи, см х см х см Масса, г
6,5 х 13,6 х 2,5 280
2 3
4.6 440
1.7 10
5-45
Рис. 3. Типичные значения КПД и плотности мощности для исследованных СДТЭ
сти до ближайшего винта и тем больше прижим в этой точке. За счет выбора такой формы ТЭ, толщины и материала внешних пластин удалось отказаться от силовых концевых плит. Токосъем с анодов осуществляют титановые пластины толщиной 0,8 мм с прорезями для подачи водорода к аноду. Соотношение открытой части активной поверхности анода к закрытой - 1:1. Габаритный размер внутренних титановых пластин и газодиффузионных слоев 52 х 12 мм.
Площадь активной поверхности элемента составляет 6,24 см2, т.е. стек, состоящий из двух ТЭ, имеет активную поверхность 12,5 см2, а ИП, состоящий из двух двухэлементных стеков - 25 см2. Толщина стека от одной внешней титановой пластины до другой в поджатом состоянии составляет 6,8 мм. Расстояние от шляпок винтов до гаек 11,4 мм. Вес стека - 25 г. Все элементы соединяются последовательно для повышения выходного напряжения.
Методика эксперимента
Методика испытаний СДТЭ. Эксперименты проводились на одном из элементов двухэлементного стека, чтобы избежать влияния одного из элементов на другой, когда они соединены последовательно. Внешние условия, в которые помещался ТЭ, были модельными и в точности не соответствовали тем, в которых находились двухэлементные стеки в составе микро ИП. Водород в ТЭ подавался из электролизера при постоянном давлении 1,5 атм. Характеристиками, по которым сравнивались между собой ТЭ в режимах, задаваемых различными внешними условиями, были стационарные значения плотности мощности при постоянных внешней нагрузке или напряжении и вольт-амперные кривые.
Область плотностей тока для СДТЭ, работающих при комнатной температуре, делилась на три диапазона: область малых плотностей <200 мА/см2, область средних плотностей 200-500 мА/см2, и область больших плотностей >500 мА/см2. При создании прототипа ИП авторы стремились получить максимальные значения плотностей мощности при сравнительно высоких напряжениях на ТЭ, чтобы обеспечить приемлемый КПД ТЭ, который прямо пропорционален его напряжению [22]. Область больших плотностей тока этому условию не удовлетворяет, так как в этом случае ТЭ работает при больших диффузионных потерях и низком КПД (рис. 3). Поэтому все эксперименты проводились в области плотностей тока <250 мА/см2.
Предполагаемый режим работы ИП представляет собой периодические его запуски на время до 1 ч и перерыв между запусками. Для моделирования этого режима каждый измерительный цикл длился не менее 6
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.