Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время наметилась тенденция к возрастанию энергетических потребностей портативных электронных устройств малой и средней мощности, которые получают все более широкое распространение. На данный момент в качестве источников питания для автономных электронных устройств используются, в основном, никель-металлогидридные (Ni-MH) и литий-ионные аккумуляторы (ЛИА).
Главный недостаток аккумуляторов заключается в том, что они уже не обеспечивают необходимой энергии для длительной непрерывной работы портативных электронных устройств. Например, время непрерывной работы современных ноутбуков без подключения к электрической сети составляет около 4 -5 часов, что является совершенно недостаточным в условиях, когда электрическая сеть недоступна, например, в автономных пеших экспедициях. Для увеличения времени работы ноутбука необходимо брать с собой несколько заряженных литий-ионных аккумуляторов про запас, что значительно увеличивает массу поклажи.
Таким образом, возникает потребность в портативном источнике тока, который обеспечивал бы длительное время работы устройства без подзаряда, заряд которого можно было бы осуществить быстро и в любом удаленном месте. Перечисленным требованиям удовлетворяют портативные источники тока (ПИТ) на основе топливных элементов (ТЭ), которые имеют высокие удельные параметры и длительное время непрерывной работы. Наиболее подробно на настоящий момент исследованы метанольные портативные ТЭ, однако их существенными недостатками являются низкая скорость реакции на аноде, высокое содержание платиновых катализаторов, кроссовер, токсичность метанола. Применение ТЭ с непрямым окислением метанола позволяет решить часть этих проблем, однако конверсия метанола протекает при сравнительно высоких температурах (более 200 С), а продукты конверсии могут отравлять катализатор или приводить к карбонизации электролита (при использовании ТЭ с щелочным электролитом). Борогидрид натрия не токсичен, в отличие от метанола, а также характеризуется
более высоким значением теоретической удельной энергии, что делает его перспективным топливом для использования в ПИТ. Прямое окисление борогидрида натрия в ТЭ сопряжено с рядом трудностей (низкая скорость реакции, кроссовер). Более перспективным представляется использование ТЭ с непрямым окислением борогидрида натрия, при котором из него путем гидролиза получают водород, который затем окисляется в водородо-воздушных топливных элементах. Процесс гидролиза борогидрида натрия протекает при значительно более низких температурах, чем конверсия метанола, а генерируемый водород характеризуется высокой степенью чистоты.
Большинство существующих ПИТ с непрямым окислением топлива созданы на основе ТЭ с твердополимерным электролитом (ТПЭ), однако ТПЭ имеет высокую стоимость, а ТЭ с ТПЭ характеризуются высоким содержанием платиновых металлов. Использование топливных элементов с щелочным электролитом позволяет отказаться от дорогостоящего твердополимерного электролита и уменьшить содержание платиновых металлов на электродах.
В связи с этим в настоящее время является актуальной разработка портативного химического источника тока на основе топливных элементов с щелочным электролитом с непрямым окислением борогидрида натрия.
Цель работы заключалась в разработке научно-технических основ создания ПИТ на основе ТЭ с непрямым окислением борогидрида натрия, предназначенного для питания зарядного устройства для аккумуляторов ноутбуков и других портативных устройств.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить ряд научно-технических задач:
1. Выявить факторы, влияющие на процесс гидролиза борогидрида натрия и
выбрать наиболее активный катализатор этого процесса.
2. Установить наличие примесей (если таковые имеются), которые могут являться
каталитическими ядами, в водороде, полученном в ходе гидролиза борогидрида
натрия.
3. Разработать конструктивную схему ПИТ на основе топливных элементов с
непрямым окислением борогидрида натрия.
4. Решить проблему отвода тепла от всех компонентов ПИТ.
5. Определить влияние использования рециркуляции водорода и водяного пара
через анодные камеры БТЭ и картридж-генератор водорода на удельные
энергетические характеристики ПИТ.
Научная новизна работы:
Предложен новый способ получения водорода из борогидрида натрия для использования в ПИТ, заключающийся в том, что гидролиз борогидрида натрия проводится на металлических катализаторах, осажденных из раствора прекурсоров в начале процесса гидролиза.
Впервые исследовано влияние различных факторов на процесс гидролиза борогидрида натрия, протекающий на свежеосажденных металлических катализаторах в слабокислой среде (рН = 4,8-5,2). Установлено, что скорость выделения водорода в процессе гидролиза зависит от величины удельной площади поверхности катализатора.
3. Разработан новый принцип работы ПИТ на основе ТЭ, который заключается в
том, что водород и водяной пар циркулируют через картридж-генератор водорода и
анодные камеры батареи ТЭ, таким образом пополняя запас воды в картридже. Это
стало возможным благодаря использованию ТЭ с щелочным электролитом.
На защиту выносятся:
Способ изготовления катализаторов процесса гидролиза борогидрида натрия в слабокислой среде для использования в ПИТ.
Влияние структуры катализаторов процесса гидролиза борогидрида натрия на скорость выделения водорода в этом процессе.
Конструктивная схема ПИТ на основе топливных элементов с щелочным электролитом, основными особенностями которой являются использование рециркуляции водорода и водяного пара через анодные камеры батареи топливных элементов и картридж-генератор водорода и использование для очистки воздуха,
подающегося в батарею ТЭ, специального фильтра, выполненного в одном блоке с картриджем и заменяемого вместе с ним.
Практическая ценность работы.
Подобран наиболее активный катализатор процесса гидролиза борогидрида натрия в картридже генераторе водорода ПИТ на основе топливных элементов.
Разработана и запатентована конструктивная схема ПИТ на основе топливных элементов, основной особенностью которой является использование рециркуляции водорода и водяного пара через батарею топливных элементов и картридж-генератор водорода.
Рассчитаны параметры системы охлаждения, необходимой для отвода тепла от элементов ПИТ, в зависимости от параметров окружающей среды.
На основе проведенных исследований показана возможность создания ПИТ на основе топливных элементов с щелочным электролитом с непрямым окислением борогидрида натрия, имеющего удельную энергию до 1000 Втеч/кг.
Апробация работы.
Результаты работы представлены на Международной молодежной конференции «Школа-семинар молодых ученых в области Водородных технологий для производства энергии» (Москва, 2006); на II и III Международных симпозиумах по водородной энергетике (Москва, 2007, 2009); на II Международном форуме «Водородные технологии для развивающегося мира» (Москва, 2008); на Международном молодежном научном экологическом форуме стран балтийского региона «Экобалтика'2008», (Санкт-Петербург); на 14, 15 международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2008, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 статьи в рекомендованных ВАК журналах и 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы, общие выводы, список цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 175 страницах, включая 42 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 121 ссылки.
