Новый микроэжектор весом всего 0,2 грамма заменил электрический воздушный насос в компактном водородном топливном элементе и полностью исключил затраты электроэнергии на подачу воздуха к катоду. Разработку представили исследователи из Токийского института науки в Японии и специалисты японской компании Futaba Industrial. Устройство использовало поток газа, выходившего из анодной части топливного элемента, чтобы засасывать окружающий воздух и подавать его к катоду. В испытаниях топливный элемент с такой системой развивал мощность до 0,28 Вт и стабильно проработал в течение 12 часов без внешнего воздушного насоса.
В протонно-обменном топливном элементе водород подается к аноду, а содержащий кислород воздух – к катоду. Обычно для подачи воздуха используются электрические насосы или вентиляторы, которые увеличивают массу и размеры установки и расходуют часть вырабатываемой энергии. В компактных системах потребление такого насоса может быть сопоставимо с мощностью самого топливного элемента или даже превышать ее. Поэтому отказ от него особенно важен для портативной электроники, датчиков, дронов и мобильных роботов.
Вместо насоса ученые предложили использовать газ, выходящий с анодной стороны топливного элемента. Он поступает в микроэжектор и проходит через узкое сопло, где резко ускоряется. В результате возникает область пониженного давления, которая засасывает окружающий воздух и направляет его к катоду. Эжектор не имеет движущихся частей и не требует электропитания.
Микроэжектор изготовили из фотополимерной смолы с помощью 3D-печати. Его длина составила менее 20 мм. Исследователи испытали варианты с соплами диаметром 0,02, 0,14 и 0,23 мм. Сначала работу устройства изучили с помощью компьютерного моделирования, а затем проверили в экспериментах. Расчеты показали, что скорость газа на выходе из сопла может достигать 231 м/с. Засасывание воздуха также удалось зафиксировать с помощью дыма, лазера и высокоскоростной камеры.
В экспериментах микроэжектор при определенных условиях засасывал примерно в 12 раз больше воздуха, чем через него проходило приводного газа. При этом важно было сохранить небольшой перепад давления между анодом и катодом: слишком большая разница может нарушить работу топливного элемента или повредить его. Наиболее подходящим для испытанной ячейки оказался вариант с соплом диаметром 0,23 мм, работавший при перепаде около 20-30 кПа.
Затем микроэжектор подключили к топливному элементу. Без принудительной подачи воздуха его максимальная мощность составляла около 0,02 Вт из-за нехватки кислорода. С микроэжектором она выросла до 0,28 Вт. Для сравнения: при подаче воздуха компрессором максимальная мощность достигала 0,33 Вт. Таким образом эжектор смог обеспечить ячейку воздухом практически без потери мощности по сравнению с принудительной подачей.
Систему также испытали в течение 12 часов при постоянном токе 50 мА. Колебания напряжения не превышали 5 мВ, а его постепенное снижение было практически таким же, как при использовании обычного воздушного насоса. В отдельном эксперименте топливный элемент с микроэжектором смог привести в движение небольшую игрушечную машину.
Микроэжектор оказался примерно в 75 раз легче использованного для сравнения миниатюрного насоса – 0,2 против 15,1 грамма. Насос потреблял от 0,37 до 1,35 Вт и подавал до 358 см³ воздуха в минуту. Микроэжектор же в разных режимах засасывал до 1628 см³ в минуту без затрат электроэнергии. Это позволяет уменьшить массу, размеры и собственное энергопотребление компактных топливных систем.
Пока разработка остается экспериментальной. В испытаниях водород подавался с большим избытком и в топливном элементе использовалось лишь около 3,5% поступавшего газа. Такой режим был нужен для создания достаточного потока через микроэжектор и пока далек от оптимального по расходу топлива. Ученым еще предстоит повысить эффективность использования водорода и обеспечить безопасный отвод анодного газа, в котором может оставаться непрореагировавший водород.
