Автореферат (Разработка оптимальных композиций рабочих тел для энергетических установок на базе химических источников тока с алюминиевым анодом)

На правах рукописиОкорокова Надежда СергеевнаРАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ РАБОЧИХ ТЕЛ ДЛЯЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА БАЗЕ ХИМИЧЕСКИХИСТОЧНИКОВ ТОКА С АЛЮМИНИЕВЫМ АНОДОМСпециальность 05.14.08 − Энергоустановки на основевозобновляемых видов энергииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2012РаботавыполненавМосковскомавиационноминституте(национальномисследовательском университете)Научный руководитель:кандидат химических наук, профессор,Фармаковская Ариадна АлексеевнаОфициальные оппоненты:Тазетдинов Рустем Галятдинович,доктор технических наук, профессор,Московский авиационный институт(национальный исследовательскийуниверситет), профессор кафедры"Технология конструкционных материалов".Смирнов Сергей Евгеньевич,доктор технических наук, профессор,Национальный исследовательский университет"МЭИ", профессор кафедры "Химия иэлектрохимическая энергетика".Ведущая организация:Объединенный институт высокихтемператур Российской академии наукОИВТ РАНЗащита состоится «25» декабря 2012 г.

в 1500 часов на заседании диссертационногосоветаД212.125.08,(национальногосозданногоисследовательскогонабазеМосковскогоуниверситета),125993,авиационногоМосква,институтаА-80,ГСП-3,Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета)Автореферат разослан "" ноября 2012 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.08д.т.н., проф.Ю.В.Зуев2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена разработке и исследованию новых рабочих телдля энергоустановок на базе химических источников тока (ХИТ) с алюминиевым анодом сцелью повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик, а такжерасширения областей применения и функциональных возможностей.Актуальность темы.

В настоящее время одной из наиболее актуальных проблемэнергетики является проблема создания новых высокоэффективных автономных источниковэнергоснабжения на основе непосредственного преобразования химической энергии вэлектрическую. Особенно это актуально для таких сфер деятельности человека, как авиацияи космонавтика, где порой просто невозможно применять никакие иные источники энергии,а также для питания электроаппаратуры при отсутствии централизованногоэнергоснабжения.Одной из лучших электрохимических систем для ХИТ является система кислородалюминий.

Так как кислород для неё чаще всего поступает из атмосферного воздуха, еётакже называют воздушно-алюминиевой (ВА). По своим удельным энергомассовымхарактеристикам ХИТ со щелочным электролитом на основе этой системы уступают лишькислородно-водородным топливным элементам (О2/Н2 ТЭ) с криогенным хранениемкомпонентов и некоторым типам ХИТ с литиевым анодом.Большая распространённость на Земле и низкая стоимость, как алюминия, так икислорода, а так же экологическая чистота исходных компонентов и продуктов реакцииделают ВА ХИТ перспективным и конкурентоспособным источником тока.В авиации ВА ХИТ целесообразно использовать в качестве аварийных источниковэлектропитания на летательных аппаратах и для энергоснабжения наземноготехнологического оборудования.

Очень перспективно их применение в качестве основныхисточников энергии малоразмерных дистанционно пилотируемых летательных аппаратов(МДПЛА) (электролётов). По сравнению с используемыми в настоящее времяэнергетическими установками (ЭУ) для МДПЛА на основе никель-кадмиевых или литийполимерных (литий-ионных) аккумуляторных батарей, ЭУ на основе ВА ХИТ имеетследующие преимущества:- большую удельную энергоёмкость, что обеспечивает большее время полёта;- возможность механической перезарядки в полевых условиях;- меньшую стоимость.На космических аппаратах ВА ХИТ также могут служить аварийными источникамиэлектропитания, однако, наиболее перспективно их применение в тех случаях, когда началоактивной работы аппарата отодвинуто от момента старта на длительный илинеопределённый срок. Характерными примерами могут служить спускаемые аппараты дляисследования планет, их спутников и астероидов, а также средства автономногоперемещения космонавта в открытом космосе (“космический мотоцикл”).

Перспективнотакже применение ВА ХИТ и в других транспортных средствах, например, вэлектромобилях.ВА ХИТ до конца 70-х годов 20-го века всерьёз не разрабатывались, так как не быливостребованы техникой. Лишь с бурным развитием таких энергоёмких автономныхпотребителей, как авиация и космонавтика, военная техника и наземный транспорт, ситуацияизменилась, и в настоящее время исследование и разработка ХИТ с алюминием в качествеанода проводится довольно интенсивно.В мире разработке ВА ХИТ и ЭУ на их основе различных типов и назначенияуделяется большое внимание, и на эти цели выделяются крупные ассигнования.

К работепривлечены крупнейшие университеты и исследовательские центры в Канаде, США,Австрии. Канадская фирма Alupower Inc ведёт разработки установок для наземного иподводного транспорта, а также для телекоммуникационных сетей. В США создано3несколько типов ВА ХИТ со щелочным электролитом для замены дизельных илибензиновых генераторов, а также ЭУ для электромобиля.В России (ранее СССР) работы по созданию ВА ХИТ также стали серьёзнопроводиться, начиная с конца 70-х годов прошлого столетия, и, несмотря на низкие объёмыфинансирования, уровень российских разработок ЭУ на основе ВА ХИТ не уступаетмировомуПионером и одной из ведущих организаций по исследованию и разработке ВА ХИТ вРоссии является МАИ.

Эти работы долгое время институт вёл самостоятельно, а такжесовместно с ФГУП НПК “АльтЭн” (ныне ОАО НПК “АльтЭн”) и ГНПП “Квант”. Внастоящее время эти работы в МАИ осуществляются совместно с ОИВТ РАН.Электролитами в большинстве российских разработок служили щелочные растворы.Источники с солевым электролитом (15%-ный раствор NaCl) разрабатывались в ГНПП“Квант” и МЭИ. Там же были разработаны ХИТ, использующие морскую воду в качествеэлектролита.Несмотря на очевидные достижения, разработки ЭУ с ВА ХИТ и в мире, и в России, кнастоящему времени не доведены до начала их серийного выпуска. Расширение областейприменения ВА ХИТ и их внедрение в промышленность требует дополнительныхисследований и решения задач по разработке новой элементной базы таких источников исоздания оптимальных композиций рабочих тел для повышения их энергетических иэксплуатационных характеристик.Это в первую очередь анодные материалы.

Во многих отечественных образцах ЭУ вкачестве анодов использовался разработанный МАИ совместно с ГИПРОЦМОэкспериментальный анодный сплав Al-In, который изготавливается только по спецзаказам внебольших объёмах (до 500кг), практически в лабораторных условиях. Применение этогодовольно дорогого сплава при серийном выпуске ЭУ приведёт к повышеннымэксплуатационным расходам, следовательно, для их успешной коммерциализациинеобходимо исследовать возможность применения дешёвых анодных материалов, в томчисле из числа промышленных серийно выпускаемых алюминиевых сплавов.В ЭУ с ВА ХИТ, использующих щелочной электролит, для повышенияэнергомассовых и эксплуатационных характеристик необходимо снижение скоростикоррозии анода, что приводит к повышению коэффициента полезного использованияалюминия. Как показали наши предыдущие исследования, существенно снизить скоростькоррозии алюминия в щелочном электролите возможно путём введения в него олова в видестаннат-ионов.

Лучшими характеристиками аноды из сплава Al-In обладают в электролитесостава: 4М NaOH + 0,06M Na2SnO33H2O. Однако в процессе работы ХИТ металлическоеолово, контактно выделяясь из электролита на поверхности алюминия, в итоге выпадает ввиде металлического шлама в межэлектродном зазоре, что может приводить к короткомузамыканию источника. Поиск альтернативы станнатам в качестве ингибиторов щелочнойкоррозии алюминиевых анодов и исследование их влияния на характеристики источникасоставляет одну из задач настоящей работы.В процессе работы источника межэлектродный зазор засоряется твёрдым продуктомреакции ─ гидроксидом алюминия, выпадающим из пересыщенных алюминатных растворов.Для его удаления разрабатывались схемы ЭУ, содержащие, кроме собственно источниковтока, ряд вспомогательных систем, таких как система циркуляции и очистки электролита,каждая из которых сама по себе достаточно сложна.

Применение в ВА ХИТ болееконцентрированных щелочных электролитов позволит расширить метастабильную областьсуществования алюминатных растворов и избежать выпадения твёрдого гидроксида втечение длительного времени, что упрощает эксплуатацию источника.Для ВА ХИТ с солевым электролитом основной проблемой является то, что в ходереакции анодного окисления образующийся нерастворимый гидроксид алюминия Al(OH)3выпадает в виде геля. Он заполняет межэлектродный зазор, поры газодиффузионного катода,адсорбируется на поверхности анода, блокируя её, что приводит к падению мощности и4прекращению работы источника.

Борьба с гелеобразованием была одной из задач даннойработы.Ещё одной проблемой ВА ХИТ является необходимость утилизации водорода,выделяющегося при коррозии алюминиевых анодов. В диссертации предлагаетсяиспользовать этот водород как горючее для О2/Н2 ТЭ, поэтому задачей работы являетсярасширение функциональных возможностей источников тока с алюминиевым анодом. Дляэтого решалась задача оценки возможности и целесообразности создания комбинированнойЭУ на базе двух источников: гидронного ХИТ и О2/Н2 ТЭ.

В гидронном ХИТ (в отличие отВА ХИТ) окислителем является не кислород, а вода из электролита, котораявосстанавливается на электроде из инертного металла. Применение такого ХИТ,целесообразно не только, а возможно и не столько, как источника электроэнергии, но какэлектрохимически регулируемого источника водорода.Функционирование гидронного ХИТ как генератора водорода в такой ЭУ во многомопределяется работой катода, поэтому при создании гидронного ХИТ одной из основныхпроблем является поиск электродного материала с низким перенапряжением выделенияводорода, что также являлось задачей работы.Перечисленный выше ряд актуальных проблем алюминиевых ХИТ обусловил цельданной диссертации: разработку композиций рабочих тел ХИТ с алюминиевым анодомдля повышения их энергетических и эксплуатационных характеристик и расширенияфункциональных возможностей и областей применения.Для достижения данной цели в процессе выполнения работы были поставлены ирешены следующие задачи:1.