СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 26 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 Алюмо-водородные источники тока для портативных электронных устройств Источники тока ограничивают во времени использование портативных электронных устройств. Расширение функциональных возможностей смартфонов и планшетных компьютеров обычно влечёт за собой рост энергопотребления. Удобство пользования мобильными устройствами существенно зависит от энергоёмкости аккумуляторных батарей. Характерное время работы смартфона без подзарядки 1…2 дня, ноутбука – 4…8 часов. В современном мире, где время получения и обработки информации ценится всё дороже, становятся востребованными более энергоёмкие источники питания для поддержания непрерывной и автономной работы устройств в течение более длительного времени. Евгений Школьников (Москва) О 2 Н 2 О 2 DC-DC 1,4 В → 2,4 В Al Топливный элемент Топливный элемент Al(OH) 3 В ВЕДЕНИЕ Развитие литий-ионных и других распространённых типов батарей близ- ко подошло к теоретическому пределу энергоёмкости. К тому же цена литий- ионных батарей довольно высока. В связи с этим активно прорабатыва- ются в качестве источников питания для портативной электроники энерго- установки на основе топливных эле- ментов (ТЭ). Предполагается, что уже в ближайшем будущем источники пита- ния на основе ТЭ смогут увеличить, по сравнению с современными аккуму- ляторными батареями, длительность автономной работы телефонов и ком- пьютеров в 2…3 раза. Одной из основных проблем соз- дания компактных портативных систем на основе ТЭ является адекват- ность механизма снабжения топли- вом и выбор топлива: метанол, водо- род из интерметаллидных или метал- логидридных накопителей, водород, полученный реформингом метанола. Развивается направление получения водорода гидролизом лёгких метал- лов (алюминий, магний) или водо- родсодержащих соединений – гидри- дов алюминия и магния, боргидрида натрия. Разрабатываются также систе- мы, использующие прямое окисление этанола или боргидрида натрия. Каждая из схем имеет свои пре- имущества и недостатки. Интерметал- лиды и металлогидриды обеспечива- ют относительно безопасное хране- ние водорода в связанном состоянии, однако их массогабаритные характери- стики (массовая сорбционная ёмкость по водороду 1…3%), ресурс, стоимость и зависимость десорбционных харак- теристик от внешних условий наравне с требуемой инфраструктурой переза- рядки заставляют искать альтернативу. Топливные элементы с прямым окисле- нием метанола являются самыми раз- работанными на сегодняшний день портативными системами, но токсич- ность метанола является неблагопри- ятным фактором для их применения. Реформинг метанола (и этанола) тре- бует наличия в системе мощного пери- ферийного устройства и специальных схем теплообмена. Часть вырабатывае- мой мощности будет идти на разогрев топливного процессора, что для требу- емого диапазона мощностей (0,1…5 Вт) неприемлемо. Развитие ТЭ с прямым окислением этанола и боргидрида натрия сдерживается отсутствием эффективных электрокатализаторов. Кроме того, в отличие от доступного этанола и относительно дешёвого, но ядовитого метанола, боргидрид натрия является достаточно дорогим и обычно используется в специальных системах. Алюминий является одним из самых энергоёмких химических элементов. Способ использования энергии алю- миния, описываемый в данной рабо- те, состоит из двух стадий. Первая – восстановление водорода из воды при помощи алюминия. Вторая – окисле- ние полученного водорода в водород- но-воздушных топливных элементах с получением электрической энер- гии. По совокупности факторов имен- но этот способ представляется наибо- лее перспективным, в первую очередь, для портативных источников тока. П РИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ПОРТАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА Для зарядки мобильных телефо- нов разработаны прототипы источ- ников тока мощностью 2 Вт и нахо- дятся в стадии разработки – 5 Вт. Принцип действия источников тока основан на использовании водород- но-воздушных топливных элементов (ВВТЭ). Источником водорода являет- ся реакция активированного алюми- ния с водой (1), которая осуществля- ется в алюмо-водном микрогенерато- ре водорода (АМГВ): 2Al + 6H 2 O → 2Al(OH) 3 + 3H 2 . (1) Выделяющийся водород поступа- ет в топливные элементы (см. рис. 1). Выходноенапряжениеповышаетсяиста- билизируетсяDC/DC-преобразователем. Концепция разработки портативных источников тока основывается на сле- дующих положениях [1–8]: ● наиболее экологически безопасными являются ВВТЭ с источником водо- рода «on demand» (по требованию) из воды восстановлением лёгкими металлами; ● восстановление водорода из воды организуется в АМГВ, встроенном в источник тока и соизмеримом с остальными компонентами устрой- ства; ● основным элементом АМГВ являет- ся безопасный при хранении, лег- ко сменяемый и дешёвый картридж, содержащий необходимое количе- ство алюминия и воды; ● картридж должен иметь минималь- ный объём, быть надёжным и про- стым в эксплуатации; Рис. 1. Схема работы источника питания