Диссертация (Автономные электрохимические энергоустановки летательных аппаратов с алюминием в качестве энергоносителя), страница 8

Это условиенакладывает ограничения на количество элементов в батарее гидронного45ХИТ, так как оно уже не может быть произвольным, а определяется с учётомколичества элементов в батарее О2/Н2 ТЭ по соотношению:nгидрnтэj гидрjтэ  S тэ jгидр  jкор  S гидр jгидр  jкор ,(1.9)где n тэ - число топливных элементов в установке; j тэ - разрядная плотностьтока топливного элемента; S тэ - площадь электрода топливного элемента;nгидр - число элементов гидронного ХИТ; S гидр - площадь электрода элементагидронного ХИТ;j гидр - плотность тока разряда гидронного ХИТ;j кор -плотность тока коррозии анода гидронного ХИТ.В уравнении (1.9) округление значения nгидр до целого осуществляется вбольшую сторону.Вторым достоинством этой схемы является возможность расширениядиапазона регулирования расходов водорода сверх режима короткогозамыкания гидронного ХИТ.

Достигается эта возможность за счёт того, чтопри токах, больших тока короткого замыкания гидронного ХИТ, он начинаетпотреблять недостающую для выделения водорода энергию от ЭХГ,превращается в электролизёр и создаёт дополнительную нагрузку в цепи.Ввиду перечисленных достоинств, вторая схема КЭУ "Гидронный ХИТ +О2/Н2 ЭХГ" (рис. 1.5) является наиболее перспективной для практическойреализации.Однако для внедрения гидронного ХИТ, как управляемого генератораводородавзависимостиотпоставленныхтребований,необходимопредусмотреть ряд основных подсистем, нужных для его полноценнойработы и разработать принципиальные функциональные схемы генератораводорода на его основе, а также рассчитать и оценить его энергомассовыехарактеристики.461.5. Постановка задачиПроведенный обзор литературных данных показал, что на сегодняшнийдень при разработке ХИТ с алюминием как энергоносителем существует рядважных нерешённых проблем.1.

Засорениемежэлектродногозазоратвёрдымпродуктомреакциигидроксидом алюминия, выпадающим из пересыщенных алюминатныхрастворов,чтопредставляетсерьезныетехнологическиеиэксплуатационные трудности и ведёт к усложнению конструкции ХИТ.Решением проблемы может быть применение более концентрированногощелочного электролита. Это позволит расширить метастабильную областьсуществования алюминатных растворов и избежать в течение длительноговременивыпадениятвёрдогогидроксида.Поэтомунеобходимодополнительно исследовать электрохимические и коррозионные свойстваалюминиевыханодоввщелочномэлектролитесповышеннойконцентрацией щёлочи и ингибирующими коррозию добавками.2.

Засорение межэлектродного зазора источника металлическим оловом,которое, сначала контактно выделяется на поверхности алюминиевогоанода, ингибируя катодную стадию электрохимической коррозии анода, азатем при растворении последнего выпадает в виде металлического шлама,чтоможетприводитьккороткомузамыканиюисточника.Этообуславливает необходимость провести поиск альтернативных станнатуингибиторовщелочнойкоррозииалюминиясредиорганическихингибиторов.3. Влияние новых электролитов и ингибирующих коррозию алюминиевогоанода добавок на характеристики ГДК.4. Возможность применения для катодов гидронного ХИТ каталитическогопокрытия на основе дисульфида молибдена. Для этого необходимо:получить это покрытие, исследовать его структуру и свойства, изучить47электрохимические характеристики катодов с полученным покрытием исравнить с другими, уже исследованными катодами гидронного ХИТ.5.

Возможность применения в гидронном ХИТ наиболее эффективныхкомпозиций "анод-электролит", найденных для ВА ХИТ, так как не ясно,каким образом вводимый в щелочной электролит станнат-ион влияет накатодгидронногоХИТ,поэтомунеобходимыдополнительныеисследования по поиску оптимальной композиции рабочих компонентов"анод-электролит-катод" для гидронного ХИТ.6. Для внедрения гидронного ХИТ как генератора водорода необходимаразработка его новых функциональных схем и оценочный расчёт егоэнергомассовых характеристик.Перечисленный выше ряд актуальных проблем обусловил цель даннойдиссертации: повышение энергомассовых характеристик электрохимическихэнергоустановок на базе алюминия как энергоносителя путём разработки иприменения новых композиций рабочих компонентов и катализаторов, атакже разработка функциональных схем генератора водорода на основегидронного химического источника тока.Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:1.ДляО2/AlХИТсвысококонцентрированнымщелочнымэлектролитом:– исследовать электрохимические и коррозионные характеристикиновыханодныхматериаловвщелочномвысококонцентрированномэлектролите с новыми ингибиторами коррозии алюминия;– изучить влияние новых ингибиторов щелочной коррозии анодов наэлектрохимические характеристики газодиффузионных катодов (ГДК);– дать рекомендации по выбору наиболее эффективных композиций"анод-электролит";– провести расчёт баланса энергии и КПД.2.

Для гидронного ХИТ:48– исследовать возможность применения наиболее эффективныхкомпозиций "анод-электролит", разработанных для О2/Al ХИТ, в частностивлияние наиболее эффективного ингибитора щелочной коррозии анодов,станната натрия (Na2SnO3), на электрохимические характеристики катодовгидронного ХИТ;– получить электрохимические и коррозионные характеристики новыхрабочих компонентов "анод-электролит-катод" и дать рекомендации повыбору наиболее эффективных композиций;– для катодов гидронного ХИТ разработать способ получения новогокаталитического покрытия из дисульфида молибдена плазмодинамическимметодом, исследовать его состав, структуру, свойства и электрохимическиехарактеристики;– провести расчёт баланса энергии и КПД.3.

Для генератора водорода на базе гидронного ХИТ:– разработать функциональные схемы;– на основании полученных в работе экспериментальных данныхпровестирасчётикомбинированной ЭУоценкуудельныхэнергомассовыххарактеристик“Гидронный ХИТ + О2/Н2 электрохимическийгенератор (ЭХГ)” космического назначения.49ГЛАВА 2.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯТЕХНИКАЭлектрохимические ЭУ с алюминием как энергоносителем, выбранныекак объект исследования, а именно ВА ХИТ и гидронный ХИТ салюминиевым анодом, являются сложными техническими системами,требующими изучения процессов, протекающих как в их отдельныхподсистемах, так и во взаимосвязи подсистем друг с другом.Для решения поставленных в данной работе задач, необходимо выбратьметодыисследования,которыепозволялибыполучитьнадёжныесистематические данные для построения и анализа моделей процессов,протекающих в ХИТ.Ввиду необходимости исследования протекающих в ХИТ процессов,как по отдельности, так и комплексно, с учётом их взаимосвязей, имеетсмыслиспользоватьметододнофакторногоэксперимента.Прииспользовании данного метода, в том числе и для большого количестваэкспериментов, прослеживается физическая связь между исследуемымипараметрами и есть возможность установить функциональные зависимостииспользуя дисперсионный и регрессионный анализ.В ходе исследований проводились:- измерение электрохимических и коррозионных характеристик рабочихкомпонентов ВА и гидронного ХИТ;- разработка способа напыления каталитического покрытия катодагидронного ХИТ плазменным методом и подбор его основных параметров;- исследование фазового состава и структуры поверхности.502.1.

Методы экспериментального исследования2.1.1. Электрохимические методы исследованийВ работе используются электрохимические методы исследованиякинетики электродных процессов, которые позволяют определить основныеэнергетические характеристики ХИТ.Исследования электрохимических характеристик электродов в работепроводится методами кулонометрии и вольтамперометрии [167, 168].Кулонометрический метод позволяет определять массовый расходреагентов в электрохимических реакциях.Среди вольтамперометрических методов для проведения исследованийв работе применяются гальваностатические и потенциостатические.

Онииспользуются для построения зависимостей потенциал-ток (плотность тока) иопределения влияния состава электролита, его концентрации, количествапродуктов анодного растворения или специальных добавок в электролит нахарактеристики исследуемого электрода.Гальваностатические измерения – это измерения, проводимые приконтролируемом токе. В работе используется два гальваностатическихрежима: ступенчатое изменение тока и линейная по времени развёртка тока.Приведенные в работе вольтамперные характеристики (ВАХ) являютсястационарными, т.е. построены по установившимся стационарным значениямпотенциалов электродов.

Продолжительность одной ступени тока дляизмерения потенциала исследуемого электрода составляла не менее 3 минут,так как предварительные измерения показали, что этого времени достаточнокак для установления стационарного значения потенциалов, так и дляизмерения коррозии.Потенциостатические измерения - это измерения, проводимые приконтролируемом потенциале исследуемого (рабочего) электрода. В работе51используется также два режима этого метода: ступенчатое изменениепотенциала и линейная по времени развёртка потенциала. При проведенииисследованийвгальваностатическихрежимахучитывалось,чтополяризационные кривые алюминиевых анодов в щелочном электролитемогут иметь S-образный характер [169] с наличием ярко выраженных дляподобных кривых участков пассивации и перепассивации.2.1.2.