СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 а б Напол- нитель Корпус МГВ Вода Активированный алюминий Контейнер с водой Контейнер с водой Корпус МГВ Al-контейнер Контейнер с алюминием Герметизи- рованная плёнка Мембранный элемент нием картриджа. Вода находится в спе- циальных влаговпитывающих матери- алах, расположенных в контейнере. Активированный алюминий нахо- дится в виде порошка. Обе части раз- делены мембранным элементом, име- ющим заданную пористую структуру. На пути выхода водорода расположе- ны водоудерживающие сепараторы для удерживания конденсата, уносимого из картриджа вместе с водородом. В режиме хранения контейнеры с реагентами разделены специальной влагонепроницаемой перегородкой во избежание контакта алюминия с водой или её парами. При установке картрид- жа в источник тока контейнер с водой вдавливается внутрь картриджа, пере- городка разрывается, и вода начина- ет поступать к реагенту с определён- ной скоростью, которая и определяет производительность АМГВ. Скорость поступления воды определяется раз- ностью потенциалов массоперено- са (в простейшем случае, разностью капиллярных давлений) пористых сред в обеих частях картриджа. Она зави- сит от давления сжатия, длины пути воды, пористой структуры и площа- ди открытой поверхности мембра- ны (площади контакта), температуры и других факторов. После приведения в контакт воды и реагента начинается реакция окисления алюминия, и выде- ляется водород. Номинальная скорость выделения водорода задаётся конструктивно (пло- щадью контакта, введением влагопро- водящих компонентов и другими эле- ментами конструкции). Однако пер- воначальная скорость образования водорода всегда оказывается выше номинальной за счёт первой порции воды, попадающей в активную массу при сжатии. Образующийся при этом водород с повышенным давлением обе- спечивает первичную продувку водо- родом ВВТЭ, необходимую для удале- ния воздуха из рабочих полостей при запуске источника тока. За счёт мембранного элемента в АМГВ реализована способность к авторегули- рованию. При отсутствии потребления водорода его давление в алюминиевом контейнере повышается и выдавливает из него воду. Вода сохраняется в порах мембранного элемента, но перестаёт поступать к алюминию за счёт капил- лярных сил. Причём, в случае мембраны с большим давлением точки пузырька, водород не проходит через мембрану насквозь в контейнер с водой и остаётся запертым в зоне реакции. По мере исто- щения остатков воды в активной зоне реакция останавливается и рост давле- ния водорода прекращается. Важнейшими выходными характе- ристиками АМГВ являются его номи- нальная производительность и энер- гоёмкость. Производительность АМГВ задаётся требуемой мощностью источ- ника тока и должна быть на уровне 11…15 мл/Вт·мин, в зависимости от напряжения и КПД топливного эле- мента. Энергоёмкость МГВ регули- руется количеством закладываемо- го в картридж алюминия и составля- ет 1,3…1,8 Вт  ч/г алюминия, т.е. также зависит от эффективности работы ТЭ. Например, для зарядки полностью раз- ряженного аккумулятора мобильного телефона требуется 3…4 Вт·ч, т.е. кар- тридж должен содержать 2…3 г Al. Производительность АМГВ (ско- рость выделения водорода) в ходе рабо- ты показана на рисунке 3. В картридж закладывалось 1 г активированного алюминия и 4 мл дистиллированной воды. В начале реакции скорость воз- растает, что связано с поступлением первой порции воды в зону реакции. Затем наблюдается равномерная ско- рость выделения водорода в течение двух часов (в среднем 15 мл/мин), что достаточно для питания ВВТЭ мощно- стью1 Вт. Постоянная скорость выделе- ния водорода обеспечивается специаль- ныммембранным элементом, имеющим пористую структуру и пропускающим воду с определённой скоростью. По стехиометрии реакции (1) на 1 г алюминия требуется 2 г воды. Однако реально часть воды расходуется не на реакцию, а впитывается в продукты реакции, задерживается в пористых материалах, испаряется вместе с отхо- дящим водородом. Поэтому требуется закладывать большее количество воды, чем по стехиометрии. Эксперименталь- но было установлено, что в принятой конструкции на 1 г алюминия требует- ся 4 г воды. Исследование баланса воды показало, что около 5% воды уносит- ся с водородом, 50% идёт на реакцию и около 45% воды впитывается в про- дукты реакции и остаётся в пористых материалах картриджа. На основе вышеприведённой кон- цепции были разработаны экспери- ментальные образцы источников тока, включающие АМГВ и батарею ВВТЭ (см. рис. 4а). Для повышения эффективно- сти его работы в экспериментальные образцы был введён металлогидрид- ный буферный накопитель водорода (БНВ), который поглощает водород при его избыточном выделении из АМГВ и отдаёт его при недостатке водорода для питания ВВТЭ. При согласованно- сти скорости производства водорода в АМГВ и его потребления в ТЭ, в буфер- ном накопителе нет жёсткой необхо- димости, однако он может повысить общую эффективность устройства. В этом случае источник тока состоит из АМГВ, стека ВВТЭ, металлогидрид- ного БНВ и DC/DC-преобразователя (см. рис. 4б). Для коммерческой реали- зации зарядного устройства был дора- ботан его дизайн и изготовлена кон- цепт-модель HandyPOWER мощностью 5 Вт, подключаемая к гаджетам через USB-разъём (см. рис. 5). Маленький кор- пус представляет собой запасной кар- тридж (алюминий с водой). З АКЛЮЧЕНИЕ Результаты исследований показыва- ют перспективность концепции созда- ния компактных источников тока ново- Рис. 2. Устройство алюмо-водного картриджа: а – схема, б – составные части Рис. 3. Изменение параметров источника питания в процессе работы 60 50 40 30 20 10 0 0 30 60 90 120 150 Время, мин Скорость выделения водорода Температура МГВ Н 2 , мл/мин 20 30 40 50 60 ° С 70