Способ определения эффективности конструкции элементов электрохимических устройств Советский патент 1981 года по МПК G01N27/02 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

1

Изобретение относится к электрохимическому анализу, а именно к оценке эффективности элементов электрохимических устройств по омическим потерям шш к способу контроля электрических характеристик отдельных элементов электрохимических 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 обусловлены сопротивлением электролита элемента, а также конечной проводимостью его электродов и проводников, обеспечивающих электрическое соединение элементов между собой. Ъмическое сопротивление элемента батареи (при данньи температуре и составе электролита) зависит от его раз- .меров и формы, размеров и материала

электродов, способов соединения с другими элементами, причем обшее сопротивление может значительно превышать сопротивление электролита, обусловленное раз- . мерами (толщиной стенки и площадью под электродами) рабочей части элемента.

Известен способ измерения отклонения величины йопротивления резисторов от но.минального значения с помощью полуавтоматического процентного моста сопроtoтивлений. Для этого образцовое сопрагив.ление нужного номинала подсоединяют к зажимам номинального сопротивления процентного цифрового моста типа Ф 42О6 или Ф 42О5.1, а к зажимам измеряемо15го, сопротивления подсоединяют определяемый резистор. Подключение может осуществляться как по двухзажимной, так и по четырехзажимной схеме. Автоматическое устройство прибора, уравновешивая

20 неравноплечий мост, индицирует на цифровом индикаторе в десятичной системе процент отклонения величины измеряемого резистора от номинального 11. Однако способ не может быть использован для определения эффективности конструкции элементов, так как не предусмат ривает изменение величины номинального сопротивления, разогрев номинального со- противления и измеряемого сопротивления элемента до рабочих температур 8ОО 1100°С. Причем мост дает отклонение сопротивления от номинального значения, а эффективность конструкции равняется 1ОО% минус процент отклонения от номинала. Кроме того, данным способом и мос том невозможно установить начальную индикацию, т.е. требуемую балансировку не- равноплечного моста с произвольными значениями номинального и измеряемого сопротивления. Указанные недостатки не позволяют определить эффективность конструкции элементов. Наиболее близким способом определения эффективности конструкции элементов к предлагаемому является аналитический метод расчета омических потерь, обусловленных конечным сопротивлением электродов 2. Однако данный способ применим только для очень простых по геометрии конструкций (пластины, диска, трубки и т.п.) Расчет сопротивлений элементов сложной геометрии практически невозможен и нецелесообразен, поскольку приводит к очен большим ошибкам. Как и все аналитические способы, он усредняет свойства твердого электролита, электродов и токосъемов, отвлечен от конкретных элементов одной конструкции, в действительноети 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 или иначе сказываются на эффективности работы элемента. Известный аналитический способ в этом случае не применим. Цель изобретения - определение эффективности конструкции высокотемпературных электрохимических устройств с твердым электролитом любой сложной конфигурации с реальными слоями припеченных электродов и токоподводами. Указанная цель достигается тем, что. помещают реальный измеряемый элемент и образец электролита в виде параллелепипеда с электродами на торцах меньшей площади в нагревательное устройство. Производет измерение и построение температурных зависимостей проводимостей в одной системе координат от низких (300400 С) до рабочих температур (8ОО 1100 с). Далее, пользуясь тем, что при низких температурах сопротивление элекролита более чем на порядок превышает его сопротивление при высоких темпераурах, т.е. влияние электродов несущественно, проводят графическое совмещение низкотемпературных частей кривых и опре- деляют эффективность конструкции в про центах при нужной рабочей температуре, приняв проводимость эталонного образца при этой температуре за 100%. Эту операцию можно упростить, для 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 25О-4ОО С цифровую индикацию 99,99%, а при высоких рабочих температурах (80-11ОО°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 с каналами 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. Токоподводом служат платиновая фольга толщиной 0,1 мм. Эталонный образец материала электролита в виде параллелепипеда размерами О, ,0х 20,О 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 (чеЧгырехзажимный) 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 построения измерения проводимостей в про-