№ 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 661.961.3;662.76.032
© 2008 г. ШЕЙНДЛИН А.Е., ШКОЛЬНИКОВ Е.И., ПАРМУЗИНА A.B., ТАРАСОВА С.А., ЯНУШКО С.А., ГРИГОРЕНКО A.B.
МИКРОГЕНЕРАТОРЫ ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ ОКИСЛЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ВОДОЙ ДЛЯ ПОРТАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Работа посвящена описанию принципа действия, способов регулирования производительности и конструктивных особенностей разработанных оригинальных микрогенераторов водорода для портативных источников тока. Приведены результаты исследования закономерностей работы микрогенератора водорода и изучения кинетики реакции в нем по сравнению с реакцией окисления активированного алюминия водой в свободном объеме.
Введение. Используемые в настоящее время литий-ионные и никель-металлгидрид-ные аккумуляторы не удовлетворяют потребностям портативной микроэлектроники, так как работают на пределе своей энергоемкости. Поэтому крупные фирмы и научно-исследовательские институты заняты решением проблем источников питания для портативной электроники.
В настоящее время в качестве топлива для создаваемых прототипов портативных топливных элементов (ТЭ) используют главным образом водород и метанол. Первыми до уровня практического использования были разработаны водородно-воздушные топливные элементы (ВВТЭ). Однако они не получали широкого применения именно для портативных источников питания, в первую очередь, из-за отсутствия адекватного по размерам и по массе источника водорода.
На сегодняшний день наиболее технически разработаны портативные источники тока с ТЭ, работающими на прямом преобразовании метанола. Созданы прототипы ТЭ, предназначенные для использования в качестве зарядного устройства мобильных телефонов, источников питания для ноутбуков, плееров, карманных фонарей и т.д. Однако метанол, будучи огнеопасным и токсичным, является опасным материалом и пока запрещен для авиационных перевозок. Кроме того, метанол имеет меньшую энергоемкость по сравнению с водородом, а побочные продукты его электрохимического окисления отравляют катализаторы. Несмотря на значительные успехи в этой области, не удается полностью решить проблему, связанную с неспособностью ТЭ с прямым преобразованием метанола обеспечить достаточную мощность при пиковых нагрузках.
Поэтому портативные источники тока на основе ВВТЭ остаются объектом исследования. В качестве источника водорода в них используется процесс реформинга жидкого топлива, в первую очередь, метанола. Для этих же целей используется боргидрид натрия. Он менее токсичен и огнеопасен, чем метанол, но не ясна возможность его хранения вследствие выброса токсичных веществ при воздействии высоких температур. Кроме того, цена боргидрида натрия весьма высокая. Тем не менее, в ряде фирм разрабатываются каталитические системы и генераторы водорода на основе боргидрида натрия.
В течение ряда лет разрабатываются портативные системы с интерметаллидным хранением водорода, несмотря на плохие удельные, объемные и весовые характери-
стики емкостей с водородом. Недостатками таких систем являются их довольно ограниченный ресурс и высокая стоимость, но главное - необходимость создания специальной инфраструктуры для заправки водородом интерметаллидных картриджей.
С точки зрения доступности и стоимости, наиболее перспективными источниками водорода для портативных систем могут быть алюминий или магний в сочетании с обычной водой. Несмотря на интенсивное развитие направления генерирования водорода при низких температурах, в литературе (в связи с тем, что многие из разрабатываемых способов и методов получения водорода являются патентоспособными) имеется весьма скудная информация о последних разработках и ограниченное число публикаций. Некоторая информация, касающаяся проблемы получения водорода при взаимодействии алюминия (или алюминиевых сплавов) с водой, есть в работах [1-7]. Над разработкой прототипов портативных систем, использующих источники водорода на основе окисления легких металлов водой, работают компании Hitachi Maxell (портативные ТЭ для ноутбуков и другой переносной электроники) и DoCoMo совместно с Aquafairy Co. (разработали портативный ТЭ для зарядки мобильного телефона).
Настоящая работа посвящена описанию принципа действия, способов регулирования производительности и конструктивных особенностей оригинальных микрогенераторов водорода (МГВ) для портативных источников тока. Приведены результаты исследования закономерностей работы разрабатываемого микрогенератора водорода и изучения кинетики реакции в МГВ по сравнению с проведением реакции окисления активированного алюминия водой в свободном объеме.
Концепция создания компактных источников питания
В ОИВТ РАН разрабатываются прототипы компактных источников питания (КИП) на основе топливных элементов и микрогенераторов водорода [8, 9]. Концепция создания данных устройств включает, в т.ч., базовые положения о применяемом в них топливе:
1. Экологическую безопасность ИП обеспечивает использование во дородно-воздушных ТЭ с твердым полимерным электролитом.
2. Снабжение водородом должно производиться с помощью встроенных микрогенераторов водорода (МГВ), соизмеримых по объему с остальными компонентами КИП.
3. Основным элементом МГВ является безопасный при хранении, легко сменяемый и дешевый картридж. Картридж должен иметь минимальный объем, быть надежным и простым в эксплуатации.
4. Производство необходимого количества водорода должно осуществляться главным образом в момент его потребления и быть экологически чистым, безопасным для здоровья человека процессом по используемым исходным реагентам и продуктам реакции.
5. Производство водорода должно происходить при температуре и давлении, обеспечивающих применение КИП без специальных средств защиты.
Одним из эффективных способов получения водорода для КИП является способ, основанный на реакции окислении алюминия водой:
Al + 3H2O —► Al(OH)3 + 1,5H2.
К достоинствам алюминия можно отнести то, что это дешевый, легкодоступный материал, экологически чистый и нетоксичный реагент. Конечным продуктом реакции окисления алюминия в водной среде является гидроксид алюминия, который экологически безопасен. Однако известно, что алюминий пассивен к реакции окисления его водой и покрывается тонкой, но прочной оксидной пленкой. При комнатной температуре он реагирует только с кислотами и щелочами. Известные способы активации алюминия, такие, как метод щелочного гидролиза, амальгамирование, высокотемпературное окисление, мало пригодны при создании источника водорода для КИП. Исполь-
Рис. 1. Принципиальная схема алюмоводного микрогенератора водорода
зование щелочи и применение ртути в качестве активатора небезопасно для человека и неприемлемо для устройств бытового назначения. Проведение процесса высокотемпературного окисления алюминия требует объемного, дорогостоящего, сложного оборудования и средств безопасности.
Известно, что взаимодействие металлического алюминия с галлием, индием, оловом, цинком и другими металлами приводит к увеличению реакционной способности активированного алюминия по отношению к воде [10-12]. Кроме того, такое действие приводит к разрушению металлического алюминия и его охрупчиванию до ультрадисперсного состояния. Образовавшийся порошок может легко и быстро реагировать с водой при комнатной и при более высоких температурах.
Устройство, принцип действия и характеристики МГВ
Микрогенератор водорода (МГВ) представляет собой устройство (рис. 1) с одноразовым заменяемым картриджем, помещенным в герметичный корпус (1), который имеет штуцер (2) для выхода водорода, направляющегося в топливный элемент. Картридж состоит из контейнера (3) с водой и основной части - ячейки (4) с водородгене-рирующим веществом (активированным алюминием в виде порошка). Вода находится в специальных влаговпитывающих материалах, расположенных в контейнере (3). Части картриджа разделены мембранным элементом (5) с заданной пористой структурой. На пути выхода водорода расположены водоудерживающие сепараторы (6) для улавливания влаги, уносимой из картриджа вместе с водородом.
Картриджи различных конструкций могут отличаться формой, размерами, объемом и энергоемкостью. Однако принцип действия МГВ одинаков и заключается в следующем. В режиме хранения реагенты находятся в составном картридже и разделены специальной влагонепроницаемой перегородкой во избежание контакта алюминия с водой или ее парами. Для получения водорода необходим контакт двух частей картриджа, в результате этого вода через мембрану начинает поступать к реагенту с определенной скоростью, которая и определяет производительность МГВ. Скорость поступления воды определяется разностью потенциалов массопереноса (в простейшем случае, разностью капиллярных давлений) пористых сред в обеих частях картриджа. Она зависит от ряда факторов, в т.ч.: давления сжатия, длины пути воды, пористой структуры и площади открытой поверхности мембраны (площади контакта), температуры и др. После установления контакта воды и реагента начинается реакция окисления алюминия, и выделяется водород.
Номинальная скорость выделения водорода задается конструктивно (площадью контакта, введением влагопроводящих компонентов и др.). Однако первоначальная скорость образования водорода всегда должна быть выше номинальной за счет пер-
вой порции воды, попадающей в активную массу при сжатии. Образующийся при этом водород с повышенным давлением обеспечивает первичную продувку водородом батарей ТЭ, необходимую для удаления воздуха из рабочих полостей при запуске КИП.
При необходимости в МГВ можно конструктивно реализовать способность к авторегулированию. При отсутствии потребления водорода происходит выдавливание воды из активной зоны через разделительную мембрану в контейнер с водой за счет повышения давления водорода. При этом водород при правильной организации пористой структуры мембраны, выдавив частично воду из пор, остается запертым в мембране, препятствует переносу воды в активную массу и не покидает водородную полость. По мере истощения остатков воды в активной зоне реакция останавливается, рост давления водорода прекращается.
Важнейшими
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.