Автореферат (Автономные электрохимические энергоустановки летательных аппаратов с алюминием в качестве энергоносителя)

На правах рукописиПушкин Константин ВалерьевичАВТОНОМНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С АЛЮМИНИЕМ В КАЧЕСТВЕЭНЕРГОНОСИТЕЛЯСпециальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели иэнергоустановки летательных аппаратовАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»Научный руководитель:доктор технических наук, профессор,Назаренко Игорь ПетровичОфициальные оппоненты:Смирнов Сергей Евгеньевич, доктор технических наук,профессор, федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего образования"Национальный исследовательский университет "МЭИ",профессор кафедры «Химия и электрохимическаяэнергетика»Алашкин Виталий Михайлович, кандидат техническихнаук, ОАО "НПК "АльтЭн", заместитель генеральногодиректораВедущая организация:федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт высокотемпературной электрохимииУральского отделения Российской академии наук (ИВТЭУрО РАН)Защита состоится «23» ноября 2015 г.

в 13:00 часов на заседании диссертационногосовета Д 212.125.08, созданного на базе федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего профессионального образования «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)», 125993, Москва, А80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета) www.mai.ru/events/defence/Автореферат разослан «____» _______________ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.08д.т.н., проф.Зуев Юрий Владимирович2Актуальность работы.Современное развитие авиационно-космической техники, автомобилестроения,различных робототехнических систем и портативной электроники требует создания новыхвысокоэффективных, экологически чистых автономных источников энергии.

Среди нихважное место занимают энергетические установки (ЭУ) на основе химических источников тока(ХИТ). Среди существующих электрохимических систем, ХИТ с алюминием в качествеэнергоносителя, в частности кислород-алюминиевые (О2/Al) ХИТ, занимают особое место, таккак обладают одним из наиболее высоких значений теоретической удельной энергии,доступностью, низкой стоимостью, безопасностью и экологической чистотой электродныхкомпонентов.В ЭУ на основе О2/Al ХИТ в зависимости от мощности, времени разряда, применяемогоэлектролита и конструктивного исполнения может быть реализована удельная энергия до 1,44МДж/кг (400 Вт·час/кг).Применение ЭУ на основе О2/Al ХИТ в космических программах наиболееперспективно в случаях, когда начало активной работы установки отодвинуто от моментастарта на длительный или неопределённый срок. Характерными примерами могут служитьспускаемые аппараты для исследования планет, их спутников и астероидов, а также средстваавтономного перемещения космонавта в открытом космосе.

В авиационной технике О2/Al ХИТцелесообразно использовать в качестве основных источников энергии для малоразмерныхдистанционно пилотируемых летательных аппаратов различного назначения. ПрименениеО2/Al ХИТ также перспективно и в качестве аварийных источников, и для энергоснабженияназемного оборудования.В России, исследования и разработки ХИТ с алюминиевым энергоносителем ведутся ужедолгое время.

В частности в МАИ, являющемся пионером в этой области, выполнен большойобъём экспериментальных, теоретических и проектных работ как по исследованию О2/Al, так ивоздушно-алюминиевых (ВА) ХИТ. Однако, несмотря на очевидные достижения, разработкиЭУ с алюминиевым энергоносителем и в России, и в мире к настоящему времени не доведеныдо начала их серийного производства.Внедрение О2/Al и ВА ЭУ требует дополнительных исследований и решения целого рядазадач, например, таких как удаление твёрдого продукта реакции (гидроксида алюминия),выпадающего в осадок из пересыщенного щёлочно-алюминатного электролита и засоряющегомежэлектродный зазор источника.

Удаление гидроксида представляет серьёзныетехнологические и эксплуатационные трудности и ведёт к усложнению конструкции ЭУ засчёт необходимости включения в её состав дополнительной системы очистки электролита.Применение более концентрированных щелочных электролитов позволяет избежать выпадениятвёрдого гидроксида в течение длительного времени, так как при этом расширяетсяметастабильная область существования алюминатных растворов.

Однако для решения вопросао возможности и целесообразности использования в О2/Al и ВА ХИТ щелочных электролитовповышенной концентрации необходимо проведение дополнительных экспериментальныхисследований.Стоит отметить, что применение в ХИТ любых алюминиевых сплавов требует введения вщелочной электролит ингибиторов коррозии алюминия. В настоящее время для подавления2коррозии алюминиевого анода, наиболее часто используется станнат-ион SnO 3 .

Он тормозиткатодную реакцию процесса электрохимической коррозии за счёт металлического олова,которое выделяется на катодных участках корродирующего алюминия. При растворенииалюминия, олово выпадает в межэлектродный зазор в виде металлического шлама, что можетприводить к короткому замыканию источника. Это обуславливает необходимость проведенияпоиска альтернативных олову ингибиторов щелочной коррозии алюминия срединеметаллических (органических) соединений.Поскольку при растворении алюминия в водных щелочных растворах выделяетсяводород, алюминий в составе электрохимической системы "Al-Н2О" может служитьпромежуточным энергоносителем для получения водорода, как целевого продукта, чтоявляется главной задачей алюмоводородной энергетики.

Ввиду этого большое научное ипрактическое значение приобретают исследования, доказывающие возможность создания3электрохимически регулируемого генератора водорода на базе гидронного ХИТ салюминиевым анодом. Это очень актуально для ЭУ на основе кислород-водородных (О2/Н2)топливных элементов (ТЭ), которые используют водород в качестве горючего.В этом случае применение гидронного ХИТ как генератора водорода являет собой методсвязанного хранения водорода и получения его непосредственно на месте потребления толькопо мере надобности.

Это целесообразно для повышения безопасности и надёжности О2/Н2 ТЭ.Кроме того, гидронный ХИТ, как источник тока, в составе комбинированной ЭУ (КЭУ)"Гидронный ХИТ + O2/H2 ТЭ" способен повысить энергомассовые характеристики всей ЭУ вцелом. Применение КЭУ целесообразно как в космосе, так и на земле. Для космическойтехники главным её достоинством является то, что в КЭУ отсутствуют потери водорода доначала функционирования, а также существует возможность длительных пауз в работе безснижения энергетических характеристик системы. В наземных технических системахподобные КЭУ могут применяться для систем автономного электроснабжения различноймощности и назначения, например, как ЭУ для портативной электроники, радиотехники,экологически безопасного транспорта на электрической тяге и т.п.Однако для реализации гидронного ХИТ на сегодняшний день необходимо решитьцелый ряд проблем.

Так, например, в гидронном ХИТ, для повышения его энергетическиххарактеристик необходимо использовать катоды из материалов, обладающих минимальным1перенапряжением выделения водорода . Чаще всего такими материалами являются металлыплатиновой группы, а также каталитические покрытия на их основе. Однако их применение вбольшинстве случаев экономически нецелесообразно ввиду высокой стоимости. Одним изнаиболее эффективных катализаторов, среди промышленно выпускаемых и широкодоступныхматериалов, является катализатор на основе дисульфида молибдена (MoS2).

Применениекаталитических покрытий MoS2 для катодов гидронного ХИТ, предположительно могло быбыть весьма эффективным, существенно увеличив энергетические характеристики всегоисточника в целом. Ввиду отсутствия в России технологии синтеза таких каталитическихпокрытий целесообразно исследовать возможность их получения.

Кроме того, на сегодняшнийдень достоверно не известна возможность применения в гидронном ХИТ уже разработанныхдля О2/Al ХИТ эффективных композиций "анод-электролит". Особенно остро стоит вопрос овозможности применения в гидронном ХИТ наиболее эффективных для О2/Al ХИТингибирующих коррозию алюминия добавок в электролит и их влияние на характеристикикатодов.Таким образом, актуальной задачей для гидронного ХИТ является поиск и разработканаиболее эффективных композиций "анод-электролит-катод" удовлетворяющих требованиямкак максимального подавления коррозии у наиболее электрохимически активногоалюминиевого сплава, так и повышения эффективности процесса выделения водорода накатоде.

Для внедрения гидронного ХИТ требуется также разработка функциональных схемгенератора водорода на его основе, и оценка его энергомассовых характеристик.Перечисленный выше ряд актуальных проблем обусловил цель данной диссертации.Цель работы.Повышение энергомассовых характеристик электрохимических энергоустановок на базеалюминия как энергоносителя путём разработки и применения новых композиций рабочихкомпонентов и катализаторов, а также разработка функциональных схем генератора водородана основе гидронного химического источника тока.Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:1.

Для О2/Al и ВА ХИТ с высококонцентрированным щелочным электролитом:– исследовать электрохимические и коррозионные характеристики новых анодныхматериалов в щелочном высококонцентрированном электролите с новыми ингибиторамикоррозии алюминия;– изучить влияние новых ингибиторов щелочной коррозии анодов наэлектрохимические характеристики газодиффузионных катодов (ГДК);1Здесь и далее под перенапряжением выделения водорода понимается поляризация электрода в процессекатодного выделения водорода на нём, а под поляризацией понимается любое отклонение потенциала электродаот его термодинамического равновесного значения.4– дать рекомендации по выбору наиболее эффективных композиций "анод-электролит";– провести расчёт баланса энергии и КПД.2. Для гидронного ХИТ:– исследовать возможность применения наиболее эффективных композиций "анодэлектролит", разработанных для О2/Al и ВА ХИТ, в частности влияние наиболее эффективногоингибитора щелочной коррозии анодов, станнат-иона SnO32-, на электрохимическиехарактеристики катодов гидронного ХИТ;– изучить электрохимические и коррозионные характеристики новых рабочихкомпонентов "анод-электролит-катод" и дать рекомендации по выбору наиболее эффективныхкомпозиций;– для катодов гидронного ХИТ разработать способ получения нового каталитическогопокрытия из дисульфида молибдена MoS2 плазмодинамическим методом, исследовать егосостав, структуру, свойства и электрохимические характеристики;– провести расчёт баланса энергии и КПД.3.