Способ определения эффективности конструкции элементов электрохимических устройств

(72) Авторьбр зо етения Л. Кузин, А. С. Липилин, А, и М, В, Иноземцев заявители) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КО ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙ ТРУКЦИИСТВ еряем опреде Изобретение относится к электрохими. ческому анализу, а именно к оценке эффективности элементов электрохимических устройств по омическим потерям или к способу контроля электрических характеристик отдельных элементов электрохими- ф ческих батарей, и может быть использовано при отборе оптимальных конструкций элементов и для контроля качества отдельных элементов высокотемпературных источников тока (топливных элементов) и электролизеров для получения водорода и кислорода.Значительная доля потерь энергии в электрохимических устройствах связана с омическими потерями, которые обуслов 15 лены сопротивлением электролита элемен та, а также конечной проводимостью его электродов и проводников, обеспечивающих электрическое соединение элементов между собой. Ьмическое сопротивление эле 20 мента батареи (при данных температуре и составе электролита) зажсит от его размеров и формы, размеров и материала электродов, способов соединения с другими элементами, причем обшее сопротивление может значительно превышать сопротивление электролита, обусловленное размерами (толщиной стенки и плошадью под электродами) рабочей части элемента.Известен способ измерения отклонения величины сопротивления резисторов от но минального значения с помощью полуавтоматического процентного моста сопротивлений, Для этого образцовое сопротивление нужного номинала подсоединяют к зажимам номинального сопротивления процентного цифрового моста типа Ф 4206 или ф 4205,1, а к зажимам изм ого сопротивления подсоединяют ля емый резистор, Подключение может осуществляться как по двухзажимной, так и по четырехзажимной схеме. Автоматическое устройство прибора, уравновешивая неравноплечий мост, индицирует на цифровом индикаторе в десятичной системе процент отклонения величины измеряемого резистора от номинального 11.25 Однако способ не может быть использован для определения эффективности конструкции элементов, так как не предусматривает изменение величины номинальногосопротивления, разогрев номинального сопротивления и измеряемого сопротивленияэлемента до рабочих температур 8001100 С, Причем мост дает отклонениесопротивления от номинального значения,а эффективность конструкции равняется100% минус процент отклонения от номинала. Кроме того, данным способом и мостом невозможно установить начальную индикацию, т.е. требуемую балансировку неравноплечного моста с произвольными15значениями номинального и измеряемогосопротивления. Указанные недостатки непозволяют определить эффективность конструкции элементов,Наиболее близким способом определе 20ния эффективности конструкции элементовк предлагаемому является аналитическийметод расчета омических потерь, обусловленных конечным сопротивлением электродов 21.Однако данный способ применим только для очень простых по геометрии конструкций (пластины, диска, трубки и т.п.).Расчет сопротивлений элементов сложнойгеометрии практически невозможен и нецелесообразен, поскольку приводит к оченьбольшим ошибкам. Как и все аналитические способы, он усредняет свойства твердого электролита, электродов и токосъемов, отвлечен от конкретных элементов одной конструкции. В действительности же имеются и различия в геометрических размерах электролита и электродов,и отличия сопротивлений электродных слоев, и разные контактные сопротивления,и различного рода дефекты, которые так 40или иначе сказываются на эффективностиработы элемента. Известный аналитический способ в этом случае не применим.Цель изобретенияопределение эффективности конструкции высокотемпературных электрохимических устройств с твердым электролитом любой сложной конфигурации с реальными слоями припеченныхэлектродов и токоподводами.Указанная цель достигается тем, что,5 Опомещают реальный измеряемый элементи образец электролита в виде параллелепипеда с электродами на торцах меньшейплощади в нагревательное устройство. Производят измерение и построение температурных зависимостей проводимостей водной системе координат от низких (300400 С) до рабочих температур (80091100 С), Далее, пользуясь тем, что при низких температурах сопротивление электролита более чем на порядок превышает его сопротивление при высоких температурах, т,е. влияние электродов несущественно, проводят графическое совмещение низкотемпературных частей кривых и определяют эффективность конструкции в процентах при нужной рабочей температуре, приняв проводимость эталонного образца при этой температуре за 100%. Эту операцию можно упростить, дпя чего токоподводы образца подсоединяют к зажимам номинального сопротивления полуавтоматического цифрового процентного моста сопротивлений, а токоподводы элемента контролируемой конструкции - к зажимам измеряемого сопротивления. В процессе нагревания образца и элемента балансировкой моста устанавливают при 250-400 Со цифровую индикацию 99,99%, а при высоких рабочих температурах (80-1100 С) считывают процент эффективности реального элемента данной конструкции, что позволяет однозначно судить о его применимости в устройстве.На чертеже представлены результаты измерения проводимости элемента.Определяют эффективность конструкции элемента сложной конфигурации предлагаемым способом.Элемент выполнен в форме блока сканалами в форме щелей для разноименных электродов. Из таких элементов изготовляют и испытывают электролизеры. Электроды изготовляют вжиганием тонкодисперсной платиновой пасты, Толщина электродов составляет 30-40 мкм, Разноименные электроды выведены на торцы блока. гТокоподводом служат платиновая фольга толшиной 0,1 мм, Эталонный образец материала электролита в виде параллелепипеда размерами 0,93,0 Х 20,0 мм имеет тот же состав, что и электролит элемента. На торцы площадью 2,7 мм припекают платиновые электроды и проволочные токоподводы, Кроме того, на расстоянии 5 мм от каждого торца припекают проволочные зонды напряжения. Четырехзондовый (четырехэажимный) метод измерения сопротивления позволяет повысить точность, исключив возможное влияние электродов. С этой целью образец имеет удлиненную форму, Измеряемый образец и элемент сложной геометрии помещают в печь с радиационным нагревом, в зону температуры в непосредственной близости друг от друга. Для графического по строения измерения проводимостей в проЗаказ 8310/59 Тираж 910 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5филиал ППП "Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 цессе нагрева производят переменно-сточным электрохимическим мостом Р 5021, Построение ведут в прямоугольных координатах, по оси абцисс откладывая температуру, а по оси ординат логарифм проводимости, Измерения проводят до 900 С, Кривые после совмещения представлены на чертеже.С целью автоматического замера эффективности токоподводы образца соединя ют с зажимами номинального, а элементы - с зажимами измеряемого сопротивления доработанного цифрового, полуавтоматического процентного моста ф 4205,1 При 350 С производят ручную баланси- д0ровку, установив на цифровом табло99,99%. Дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению значения эффективности, которая при 900 фС составляет 63%, что .говорит о несовершенстве данной конструкции.Предлагаемый способ определения эффективности конструкции элементов позволяет проводить сравнение известных конструкций, отбирать лучшую или конструктировать новую, имеюшую меньшие энергопотери, которая эффективно работает в мошных энергоустановках и электролизерах. В процессе серийного выпуска батарей предлагаемый способ позволяет контрадировать качество изготовления элемеК-тов, т,е, комплекса: твердого электролита, электродов и токоподводов. формула изобретения 1. Способ определения эффективностиконструкции элементов электрохимическихустройств по величине омических потерь,отличавшийся тем,что,сцелью определения эффективности элементовсложной конфигурации, измеряемый и эталонный элементы нагревают в печи, измеряют изменение проводимости в процессе нагревания, а об эффективности судят посовпадению величин проводимости исследуемого и эталонного элементов в диапазоне температур 800-1100 С.2. Способпоп, 1, отли чаюш и й с я тем, что в качестве эталонного элемента используют электролит ввиде параллелепипеда.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Мардин В, В. и Кривоносов А. И.Справочник по электронным измерительнымприборам. МСвязь", 1978, с, 24.2.1 оер Соочагеоо 9 ег(авоь Эгей1976, 15, рр, 121 125 (прототип).