Автореферат (Автономные электрохимические энергоустановки летательных аппаратов с алюминием в качестве энергоносителя), страница 2

Для генератора водорода на базе гидронного ХИТ:– разработать функциональные схемы;– на основании полученных в работе экспериментальных данных провести расчёт иоценку удельных энергомассовых характеристик комбинированной ЭУ “Гидронный ХИТ +О2/Н2 электрохимический генератор (ЭХГ)” космического назначения.Научная новизна.В диссертационной работе впервые получены следующие научно-технические результаты:– исследованы вольтамперные характеристики (ВАХ) анодов из сплава АП4Н ввысококонцентрированном (8М) растворе NaOH с добавками в качестве ингибиторов коррозииряда органических анионов: ацетата-, оксалата-, бензоата-, тартрата-, цитрата;– исследованы ВАХ катодов гидронного ХИТ при многократном использовании вщёлочно-станнатном электролите (4М NaOH +0,06M SnO32-), ранее разработанном для О2/Al иВА ХИТ;– проведён анализ структуры поверхностного слоя никелевого катода послемногократного использования в щёлочно-станнатном электролите и сделан вывод онецелесообразности введения в щелочной электролит гидронного ХИТ в качестве ингибиторакоррозии неорганического станнат-иона, а также металлов-активаторов (In, Zn) в используемыйанодный алюминиевый сплав;– исследованы ВАХ катодов с покрытием MoS2 в 4M растворах NaOH и КОН ипроведена оценка каталитических свойств этого покрытия;– показано, что для гидронного ХИТ наиболее перспективной является комбинациярабочих компонентов "алюминий А995 + 4М КOH + 0,08M тартрат-ион + никель (Н-0)".– разработан способ плазменного нанесения на катоды гидронного ХИТ новогокаталитического покрытия на основе МоS2;– исследованы состав, структура и свойства полученного катодного покрытия МоS2;– для генератора водорода на базе гидронного ХИТ разработаны основныефункциональные схемы;– для комбинированной космической ЭУ на базе О2/Н2 ТЭ и гидронного ХИТ, какгенератора водорода, работающего по схеме с корректировкой состава электролита,рассчитаны удельные энергомассовые характеристики;– показано, что удельные массовые характеристики гидронного ХИТ, как генератораводорода, более чем в два раза превосходят таковые для системы хранения водорода встальных газовых баллонах под давлением 20 МПа, а, также, превосходят большинство изсуществующих систем связанного хранения водорода, например в составе гидридов металлов;– для ВА и гидронного ХИТ проведён анализ энергетического баланса и расчёт КПД;показано, что различие между эффективным и теоретическим КПД ВА ХИТ определяетсяразличным способом учёта энергии алюминия, израсходованного на коррозию, скоростькоторой зависит от состава электролита и плотности тока разряда;– рассчитаны энергетические характеристики комбинированной космической ЭУ"Гидронный ХИТ + О2/Н2 ЭХГ" и показано, что на протяжении всего времени5функционирования мощность комбинированной ЭУ на 20-30% больше, по сравнению смощностью ЭУ на основе только О2/Н2 ЭХГ и на 40-50% – при применении катодов скаталитическим покрытием MoS2.Теоретическая и практическая значимость работы.Получены новые экспериментальные данные по энергетическим характеристикам ХИТс алюминиевым энергоносителем.Даны рекомендации по составу наиболее эффективных композиций "анод-электролиткатод" с повышенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками для ВА ХИТс высококонцентрированным щелочным электролитом и для гидронного ХИТ.Предложен новый способ получения каталитического покрытия МоS2 для катодноговыделения водорода.Проведена расчётная оценка удельных энергомассовых характеристик и КПДгенератора водорода на базе гидронного ХИТ для космической ЭУ на базе О2/Н2 ЭХГ.Основные положения диссертации, выносимые на защиту.1.

Результаты электрохимических и коррозионных испытаний новых анодных материалов икомпозиций “анод-электролит” для ВА ХИТ с высококонцентрированным электролитом ирекомендации по выбору наиболее эффективной композиции.2. Способ получения каталитического покрытия из дисульфида молибдена на катодегидронного ХИТ плазмодинамическим методом.3. Результаты исследования состава, структуры и свойств каталитического покрытия издисульфида молибдена и электрохимические характеристики катодов гидронного ХИТ спокрытием МоS2.4.

Результаты электрохимических и коррозионных испытаний новых рабочих компонентов“анод-электролит-катод” для гидронного ХИТ и рекомендации по выбору наиболееэффективных композиций.5. Функциональные схемы генератора водорода на базе гидронного ХИТ.6. Результаты расчётов энергомассовых характеристик и КПД гидронного ХИТ, какгенератора водорода, для комбинированной ЭУ "Гидронный ХИТ + О2/Н2 ЭХГ"космического назначения.Степень достоверности и апробация результатов.Достоверность результатов, обоснованность выводов и рекомендаций обеспечиваютсяприменением современной сертифицированной и поверенной измерительной аппаратуры,использованием известных электрохимических и физико-химических аналитических методовисследования, большим объёмом результатов экспериментов, подвергнутых статистическойобработке и хорошей воспроизводимостью результатов экспериментов.Апробация работы.Материалы диссертационной работы представлены в 51 работе.

Материалы работыдоложены в 31 докладе на конференциях, научных школах, семинарах и симпозиумах,наиболее значимые из которых: международная конференция “Авиация и космонавтика”,Москва, МАИ (2009, 2012, 2013 годы); "Актуальные проблемы российской космонавтики,академические чтения по космонавтике", Москва, (2010, 2011, 2013, 2014, 2015 годы); II и IIIМеждународная научно-практическая конференция “Научно-техническое творчествомолодёжи – путь к обществу, основанному на знаниях”, Москва, (2010, 2011 годы); XXIIМеждународная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов(МИКМУС-2010) “Будущее машиностроения России” Москва, 2010 г.; Научно-практическаяконференция студентов и молодых ученых МАИ "Инновации в авиации и космонавтике",Москва (2010, 2011, 2012, 2014, 2015 годы); "Молодёжь и будущее авиации и космонавтики –2011, III Международный межотраслевой молодёжный научно-технический форум", Москва,2011 г.; "Седьмой международный аэрокосмический конгресс IAC’12", Москва, 2012 г.;"Молодёжь и будущее авиации и космонавтики", всероссийский межотраслевой молодёжныйнаучно-технический форум, конкурс научно-технических работ и проектов, Москва, 2012 г.;"9-ая международная студенческая конференция PEGASUS-AIAA" ("9th PEGASUS-AIAAStudent Conference"), Италия, Милан, 2013 г.; "29-ый конгресс международного советаавиационных наук (ICAS-2014)" (29th Congress of the International Council of the Aeronautical6Sciences), Россия, Санкт-Петербург, 2014 г.; Всероссийская молодёжная научно-практическаяконференция «Космодром «Восточный» и перспективы развития российской космонавтики»,Углегорск – Благовещенск – Москва, 2015 г.Представленные на конференциях и научно-технических конкурсах материалы работы иавтор были удостоены 15 почётных дипломов, медалей и наград.Результаты диссертационной работы использованы в ряде НИР: двух проектахРФФИ: № 08-08-00529, №14-08-01285, и 4-х государственных контрактах на выполнениеНИОКР.Публикации.По тематике диссертационной работы опубликовано в соавторстве: статей в журналах,входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК РФ − 18, тезисов докладов нароссийских и международных конференциях − 31.

Получено 2 патента РФ на полезнуюмодель.Личный вклад.Автором работы самостоятельно намечены основные пути повышения энергомассовыххарактеристик гидронного ХИТ, как генератора водорода, поставлена цель и определенызадачи данной диссертационной работы.Для проведения необходимых испытаний катодных материалов гидронного ХИТавтором модифицирована электрохимическая ячейка открытого типа, а такжеусовершенствован и автоматизирован испытательный стенд по измерению электрохимическихи коррозионных характеристик компонентов ХИТ с алюминиевым энергоносителем.Для плазменного нанесения каталитического покрытия дисульфида молибдена наникелевый катод автором предложена новая схема организации стенда "Плазматрон" иразработана методика проведения эксперимента.

При непосредственном участии авторапроведён анализ состава, структуры и свойств покрытия МоS2 методами сканирующейэлектронной спектроскопии (СЭМ) и рентгеноструктурного анализа. Все приведённые вдиссертационной работе результаты экспериментов по электрохимическим испытаниям,плазменному напылению покрытия дисульфида молибдена получены и обработаны авторомсамостоятельно. Также самостоятельно выполнены расчёты энергетических характеристик ЭУ.На основании полученных результатов работы автор самостоятельно подготовил ипредставил необходимую документацию по заявкам на получение патентов.Структура и объём работы.Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованныхисточников.

Работа изложена на 188 страницах, содержит 73 рисунка и 10 таблиц. Списокиспользованных источников содержит 190 наименований.Во введении даётся обоснование актуальности темы диссертации, и выбора объектаисследований.В первой главе проводится обзор современного состояния отечественных изарубежных разработок ХИТ с алюминием в качестве энергоносителя. Рассмотрены испрогнозированы пути повышения энергетических характеристик и снижения трудностейэксплуатации ХИТ с алюминиевым энергоносителем для повышения эффективности ЭУ на ихоснове.

Сформулированы цели и задачи работы.Во второй главе описаны основные использованные в работе методы и методикиисследований, экспериментальная техника, в том числе стенды и установки.Были применены основные электрохимические методы исследования: кулонометрия,вольтамперометрия (потенцио- и гальвано- статические/динамические). Для измерениякоррозии использовались волюмометрический (объёмный) и гравиметрический (массовый)методы. Для изучения структуры поверхности и определения её состава использовалисьрентгеноструктурный анализ и сканирующая электронная микроскопия.Статистический анализ результатов и проверка статистических гипотез осуществлялисьизвестными методами математической статистики. Отыскание аппроксимирующего уравненияосуществлялось методом наименьших квадратов, аппроксимация проводилась полиномами 1-4степеней, логарифмической и экспоненциальной функциями.7Для приводимых в работе зависимостей 95% доверительные интервалы не превышаютследующих величин: для ВАХ анодов ±35мВ; для ВАХ ГДК ±25мВ; для ВАХ катодовгидронного ХИТ ±20мВ; для плотности тока коррозии ±80 А/м2.В третьей главе приведены результаты исследований по поиску рабочих композиций"анод-электролит" ХИТ с алюминиевым энергоносителем.В качестве решения проблем ЭУ на основе ВА ХИТ, связанных с засорениеммежэлектродного зазора твёрдыми продуктами реакции (Sn и Al(OH)3) при использованииэлектролита 4М NaOH + 0,06М Na2SnO3, предлагается применение высококонцентрированногощелочного электролита, а именно 8М NaOH.Приведены ВАХ и коррозионные характеристики сплавов Al-In и АП4Н в 4М и 8Мрастворах NaOH, как чистых, так и с добавками ряда ингибиторов (рис.

1, 2).Рисунок 1. Вольтамперные характеристики анодов из сплавов Al-In и АП4Н вэлектролитах на основе 4М и 8М растворов NaOH при температуре 333 КПлотность тока коррозии, А/м2300012500220001500341000750065800500100015002000250030002Плотность тока, А/м2 - Al-In8 - Al-In1 - Al-In6 - Al-Inв 4М NaOHв 4М NaOH+0,06M Snв 8М NaOHв 8М NaOH+0,06M Sn4 - АП4Н в7 - АП4Н в3 - АП4Н в5 - АП4Н в4М NaOH4М NaOH+0,06M Sn8М NaOH8М NaOH+0,06M SnРисунок 2. Коррозионные характеристики анодов из сплава Al-In и сплава АП4Н вэлектролитах на основе 4М и 8М растворов NaOH при Т=333 КРезультаты показывают, что для сплава Al-In в 4М растворе NaOH характерна меньшаяполяризация по сравнению со сплавом АП4Н, но в чистой щёлочи Al-In анод энергично8корродирует, что делает невозможным применение данного сплава в ВА ХИТ со щелочнымэлектролитом без ингибирующих добавок.