Ultrasuoni misura di velocità in un metallo elettrodo Liquid

Summary

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

Abstract

Un numero crescente di tecnologie elettrochimiche dipende flusso del fluido, e spesso che il fluido è opaco. Misurazione del flusso di un fluido opaca è intrinsecamente più difficile di misurare il flusso di un fluido trasparente, poiché i metodi ottici non sono applicabili. Ultrasuoni può essere utilizzato per misurare la velocità di un fluido opaco, non solo in punti isolati, ma a centinaia o migliaia di punti disposti lungo linee, con buona risoluzione temporale. Quando viene applicato a un elettrodo metallico liquido, ecografia velocimetria comporta ulteriori sfide: alta temperatura, attività chimica e conducibilità elettrica. Qui si descrive l'apparecchiatura e metodi che consentono di superare queste sfide e consentire la misurazione del flusso in un elettrodo di metallo liquido, come conduce corrente, alla temperatura di esercizio sperimentale. La temperatura è regolata a ± 2 ° C con un controllore proporzionale-integrale-derivativo (PID) che i poteri di una fornace custom-built. L'attività chimica è uomoinvecchiato scegliendo accuratamente materiali nave e che racchiude il setup sperimentale in un cassetto portaoggetti argon-riempita. Infine, percorsi elettrici non intenzionali sono accuratamente evitati. Un sistema automatizzato registra le impostazioni di controllo e misure sperimentali, utilizzando i segnali di trigger hardware per sincronizzare i dispositivi. Questo apparecchio e questi metodi possono produrre misurazioni che sono impossibili con altre tecniche, e consentire l'ottimizzazione e il controllo delle tecnologie elettrochimiche come le batterie metallo liquido.

Introduction

Batterie metallo liquido sono una tecnologia promettente per la fornitura di accumulo di energia su larga scala di reti elettriche in tutto il mondo ^1. Queste batterie offrono alta densità di energia, ad alta densità di potenza, vita di ciclo lunga, ed il basso costo, che li rende ideali per la griglia scala accumulo di energia ^3. L'introduzione di batterie metallo liquido per la rete energetica permetterebbe peak shaving, migliorare la stabilità della rete e consente un uso molto più diffuso delle fonti rinnovabili intermittenti come quella solare, eolica e delle maree. Batterie metallo liquido sono composti da due elettrodi metallici liquidi separati da un elettrolita sale fuso, come descritto in maggior dettaglio nella precedente lavoro ^1. Sebbene molte combinazioni diverse di metalli e di elettrolita può provocare una batteria di metallo liquido di lavoro, i principi di funzionamento rimangono gli stessi. I metalli sono scelti in modo tale che è energeticamente favorevole per loro per formare una lega; quindi lega scarichi la batteria, e de-lega spese IT. La sastrato lt è scelto in modo da consentire ioni metallici di passare tra i due elettrodi, ma blocca il trasporto di specie neutre, offrendo così il controllo del sistema elettrochimico.

Questo lavoro avanzerà tecnologia delle batterie a metallo liquido quantificando e controllo degli effetti di trasporto di massa. I metodi qui descritti sono informati con metodi elettrochimici sviluppate per le batterie metallo liquido per Sadoway et al. ^1-4, così come liquido precedente lavoro della batteria in metallo presso Argonne National Laboratory ^5,6, e il lavoro della comunità elettrochimica ampio (Bard e Faulkner ⁷ fornire molti riferimenti rilevanti). I metodi descritti qui costruiscono anche su precedenti studi di fluidodinamica. Ultrasuoni velocimetria è stato sviluppato e la prima volta nel acqua ^8,9 e da allora è stato applicato ai metalli liquidi, tra cui gallio ^10,11, sodio ^12,13, mercurio ^14, piombo-bismuto ^15, rame-stagno ^{15 <}/ Sup>, e il piombo-litio ^16, tra gli altri. Eckert et al. Fornire una revisione utile velocimetry in metalli liquidi ^17.

Lavoro con metodi recenti analoghe a quelle qui descritte ¹⁸ ha dimostrato che le correnti batteria possono potenziare il trasporto di massa a elettrodi metallici liquidi. Poiché il trasporto di massa nella elettrodo positivo è il fattore limitante in carica e scarica delle batterie metallo liquido, mescolando quindi permette carica veloce e scarico di quanto sarebbe altrimenti possibile. Inoltre miscelazione impedisce disomogeneità locali dell'elettrodo, che può formare solidi che limitano la durata di ciclo di una batteria. Nel lavoro in corso, continuiamo a studiare il ruolo del flusso del fluido nella elettrodo positivo della batteria metallo liquido, che sorge a causa di forze termiche ed elettromagnetiche. Gradienti termici auto flusso convettivo attraverso galleggiamento e correnti batteria auto flusso interagendo con i campi magnetici indotti dal battitorey stesse correnti. In esperimenti utilizzando i metodi descritti di seguito, abbiamo osservato i flussi con numero di Reynolds 50 <Re <200, calcolata dalla profondità degli elettrodi e della velocità root-mean-square. Una caratterizzazione sperimentale approfondita è stata intrapresa e utilizzerà il set di dati risultante di costruire modelli di batteria predittivi. L'obiettivo di questo manoscritto è sulla progettazione e procedure richieste per produrre tali dati sperimentali. Ultrasound velocimetry fornisce la maggior parte delle misurazioni e condizioni sperimentali deve essere attentamente controllata in modo da utilizzare correttamente ultrasuoni in metallo liquido. Ad alta temperatura, attività chimica, e la conducibilità elettrica devono essere tutte gestite con cura.

In primo luogo, le batterie metallo liquido operano necessariamente ad alta temperatura, in quanto entrambi i metalli e il sale che li separa devono essere fuso. Una scelta promettente dei materiali, che usa litio come l'elettrodo negativo, piombo-antimonio come elet positivaelettrodo, e una miscela eutettica di sali di litio come elettrolita, richiede temperature intorno a 550 ° C. Misurazione del flusso di un fluido opaca a temperature così elevate è piuttosto difficile. Trasduttori ad ultrasuoni ad alta temperatura, che separano i componenti elettro-acustici delicati dal fluido di prova con una guida d'onda acustica, sono stati dimostrati ¹⁵ e commercializzati. Tuttavia, poiché i trasduttori hanno perdita di inserzione vicino 40 dB, sia per la difficoltà generale di lavorare a tali temperature, un sistema surrogata è stato scelto per studio iniziale: una batteria di metallo liquido può anche essere realizzata con sodio come elettrodo negativo, eutettico 44% piombo 56% di bismuto (di seguito, ePbBi) come elettrodo positivo, e una miscela eutettica tripla di sali di sodio (10% di ioduro di sodio, idrossido di sodio 38%, 52% di ammide di sodio) come elettrolita. Tale batteria è completamente fusa sopra 127 ° C, il che rende molto più suscettibili di studio di laboratorio. Poiché si compone di tre liquidostrati separati da densità, è soggetto alla stessa fisica come altre batterie metallo liquido. Ed è compatibile con trasduttori ad ultrasuoni prontamente disponibili, che sono valutati a 230 ° C, comporta perdite guida d'onda, e costano molto meno di trasduttori ad alta temperatura. Questi esperimenti si svolgono normalmente a 150 ° C. A questa temperatura, ePbBi ha viscosità ν = 2.79 x 10 ^-7 m ² / sec, diffusività termica κ = 6,15 x 10 ^-6 m ² / sec, e diffusività magnetico η = 0,8591 m ² / sec, tale che il suo numero di Prandtl è Pr = ν / κ = 4.53 x 10 ^-2 e il suo numero di Prandtl magnetico è Pm = ν / η = 3.24 x 10 ^-7.

Anche se questo a bassa temperatura del liquido di chimica della batteria in metallo rende studi sul flusso molto più facile di quanto lo sarebbero in batterie più caldi, la temperatura deve essere comunque gestita con attenzione. Essere delicati dispositivi elettroacustici, trasduttori ad ultrasuoni sono susceptible ai danni da shock termico, e quindi deve essere riscaldata gradualmente. Misure ultrasuoni di alta qualità richiedono un'attenta regolazione della temperatura. Ultrasound velocimetry funziona come sonar, come mostrato in Figura 1: il trasduttore emette un segnale acustico (qui, la frequenza è di 8 MHz), quindi attende echi. Misurando il tempo di volo dell'eco, la distanza dal corpo eco può essere calcolata, e misurando lo spostamento Doppler dell'eco, un componente della velocità del corpo può anche essere calcolato. In acqua, particelle traccianti devono essere aggiunti per produrre echi, ma senza particelle traccianti sono richiesti in metalli liquidi, un fatto che non è compreso in dettaglio, ma è tipicamente attribuito alla presenza di piccole particelle di ossido di metallo. Ogni misura è una media di tutte le particelle traccianti in un volume di interrogatorio; in questo lavoro, il suo diametro minimo è di 2 mm, ad una distanza di 30 mm dalla sonda. Sebbene ossidazione può eventualmente limitare la durata degli esperimenti, utilizzando thMetodi e descritti di seguito, abbiamo fatto misure continuamente finché 8 ore.

Calcolo distanza o velocità richiede la conoscenza della velocità del suono nel fluido di prova, e che la velocità varia con la temperatura. Il lavoro qui descritto si concentra sul flusso nell'elettrodo negativo ePbBi, dove la velocità del suono è 1.766 m / sec a 150 ° C, 1.765 m / sec a 160 ° C e 1.767 m / sec a 140 ° C ^19. Così il controllo della temperatura inadeguata introdurrebbe errori sistematici nelle misure ultrasuoni. Un dispositivo è stato costruito per misurare la velocità del suono in ePbBi, trovando valori coerenti con quelle pubblicate e accettato dalla Energy Agency nucleare ¹⁹ (vedi sotto). Infine, poiché la convezione termica è un fattore primario di flusso nelle batterie metallo liquido, sia la temperatura media e la differenza di temperatura tra la parte superiore e inferiore dell'elettrodo ePbBi influenzare direttamente osservazioni. Per risultati coerenti, precisi termicocontrollo è essenziale.

Di conseguenza, la temperatura viene misurata continuamente con almeno tre termocoppie tipo K, accedendo loro misurazioni elettronicamente con un dispositivo di acquisizione computerizzata e un programma LabView custom-written. Il programma controlla anche l'alimentatore che fornisce corrente della batteria, tramite una connessione USB; registra la corrente della batteria e la tensione; e invia impulsi di comando allo strumento ad ultrasuoni, in modo che i dati possano essere sincronizzati con le altre misurazioni. Un diagramma di sistema è illustrato in figura 2. Il calore è fornito da un forno su misura (anche mostrato in figura 2), che contiene due elementi riscaldanti industriali 500-W alimentati da un relè commutato da un proporzionale-integrale-differenziale (PID) controllore. La piastra di base che supporta batterie è realizzato in alluminio solido; perché la sua conduttività termica è un ordine di grandezza superiore alla conducibilità termica del acciaio stnave cellula di batteria anguilla e il ePbBi contiene ^19, la temperatura del fondo del forno è approssimativamente uniforme. Inoltre la base di alluminio raddoppia come un percorso per la corrente elettrica attraverso l'elettrodo. La conducibilità elettrica è anche un ordine di grandezza superiore a quella dell'acciaio inossidabile o ePbBi, quindi la tensione del pavimento del forno è approssimativamente uniforme. Gambe isolanti separano la base dal banco superiore sotto, evitando bruciature e pantaloncini. I lati del vaso batteria sono isolati con isolamento in ceramica silice, tagliato per adattarsi nave da vicino, ma lasciare spazio per l'accesso la porta ad ultrasuoni della cellula. Infine, un coperchio politetrafluoroetilene (PTFE) isola la cella dall'alto e tiene il collettore di corrente negativo e termocoppie in posto. Sebbene piastre disponibili in commercio possono raggiungere le temperature richieste per questi esperimenti, il nostro forno fuoriserie mantiene la temperatura con un ordine di grandezza inferiore variazione, unnd anche permette di misurare direttamente il potere di calore.

Oltre a problemi associati con la temperatura, ci sono problemi associati con attività chimica. A 150 ° C, un elettrodo positivo ePbBi è chimicamente compatibile con molti materiali comuni. Un elettrodo negativo di sodio, tuttavia, corrode molti materiali, ossida facilmente, e reagisce energicamente con l'umidità. Un elettrodo negativo di litio è anche aggressivo, soprattutto perché le batterie metallo liquido al litio in genere eseguite a temperature molto più elevate. Anche se i sistemi più alta temperatura sono al di fuori del campo di applicazione di questo lavoro, molte delle stesse misure per la gestione attività chimica sono usati qui come in quei sistemi. Tutti gli esperimenti descritti si svolgono in un cassetto portaoggetti argon-riempita contenente solo tracce di ossigeno o umidità. Il vaso batteria è costituito da lega di acciaio inossidabile 304, che corrode minimamente anche con litio a 550 ° C. Le termocoppie e corrente negativacollettore sono anche in acciaio inox. La geometria del serbatoio viene scelto per abbinare navi utilizzate per i test elettrochimico di batterie metallo liquido, per modellare il più fedelmente possibile i sistemi che vengono commercializzati. La nave, illustrata in figura 2, è cilindrica, con un diametro interno 88,9 millimetri e una profondità 67 mm. Tutte le pareti dei vasi hanno uno spessore di 6,4 millimetri. Il vaso differisce da quelli utilizzati per gli esperimenti precedenti, tuttavia, dal fatto che presenta una porta ultrasuoni. La porta passa attraverso la parete laterale lungo un diametro orizzontale del cilindro, ed il centro del porto è di 6,6 mm dal pavimento recipiente. La porta è di 8 mm di diametro ad ospitare un trasduttore ad ultrasuoni 8 mm e guarnizioni attorno al trasduttore con un swage. In questi esperimenti, l'elettrodo di metallo liquido è abbastanza profonda da coprire il trasduttore a ultrasuoni, tipicamente 13 mm.

Per conseguire forti segnali ad ultrasuoni, si richiede buona trasmissione acusticatra il trasduttore a ultrasuoni e le sonde fluidificandolo (ePbBi). Massima potenza acustica viene trasmesso quando l'impedenza acustica del materiale trasduttore e il fluido di prova sono identici; quando le impedenze diverse, segnali soffrono. Posizionando un trasduttore ad ultrasuoni in contatto diretto con pulito ePbBi (resa possibile dalla porta sopra descritto) fornisce ampio segnale, spesso per ore alla volta. Ossidi metallici, però, hanno differenti impedenze, e possono anche interferire con l'irrorazione modificando la tensione superficiale. Se il ePbBi è sostanzialmente ossidato, segnali a ultrasuoni degradano e presto scompaiono. Ancora una volta, atmosfera inerte è essenziale. Se tracce di ossigeno causano alcuni ossidazione tuttavia, la superficie dell'ossido di metallo è scremato prima di trasferire ePbBi nel recipiente della batteria.

Infine, questi esperimenti presentano sfide per la presenza di correnti elettriche. Anche se le correnti sono la nostra tra scientifico e tecnologico centraleest, sono abbastanza (30 A) grande da causare danni se indirizzato in modo errato. Termocoppie senza messa a terra assicurano che le correnti elettriche pericolose non passare attraverso il dispositivo di acquisizione dati o il computer che lo sostiene, perché termocoppie senza messa a terra non hanno alcun collegamento elettrico interno dalla guaina protettiva ad uno dei fili del segnale. Allo stesso modo è indispensabile utilizzare trasduttori ad ultrasuoni senza messa a terra (Signal-Processing SA, TR0805LTH) per evitare correnti vaganti di danneggiare lo strumento ad ultrasuoni prezioso (Signal-Processing SA, DOP 3010). Come accennato in precedenza, la base del forno serve a condurre corrente elettrica, e deve anche essere elettricamente isolata dal suo ambiente.

In dell'elettrodo ePbBi, corrente provoca riscaldamento ohmico, potenzialmente interrompendo la temperatura. Così il sistema automatizzato di controllo termico deve essere in grado di adattarsi alle variazioni di apporto di calore. La figura 3 mostra come la temperatura dell'elettrodo ePbBi varia come curaffitto scorre attraverso di essa, e come il regolatore PID regola per compensare. Mantenere la temperatura costante con correnti grandi (50 A = 800 mA / cm) richiederebbe raffreddamento addizionale, ma le correnti inferiori più realistiche per batterie metallo liquido in applicazioni industriali (tipicamente 17 A = 275 mA / cm ^1), il controllore è in grado per compensare il riscaldamento ohmico premuto variazione di temperatura di 2 ° C.

Protocol

1. Installazione del sistema e montaggio Pulire il trasduttore ad ultrasuoni con isopropanolo. Caricare il cassetto portaoggetti. Carico attrezzature necessarie e materiali (compresi gli ultrasuoni trasduttore, ePbBi, bastoncino, e termocoppie) nel cassetto portaoggetti, seguendo le istruzioni del produttore del cassetto portaoggetti per ridurre al minimo l'ingresso di ossigeno e di umidità. Tenere i materiali porosi sotto vuoto in anticamera cassetto portaoggetti per 12 ore …

Representative Results

La procedura per misurare la velocità del suono (descritta in dettaglio sopra) è stato adattato da metodi utilizzati da Signal Processing-SA. In linea di massima, la velocità del suono può essere facilmente ottenuta misurando il tempo di volo di un eco da una parete a distanza nota. Ma misurare con precisione la posizione effettiva della faccia del trasduttore è difficile, così invece si può misurare il tempo di volo due volte, utilizzando un micrometro per spostare la parete da una distanza nota tra le misurazio…

Discussion

Tecniche ad ultrasuoni in grado di produrre misure di velocità a centinaia o migliaia di sedi in un liquido trasparente o opaco, molte volte al secondo. Applicato ad un elettrodo di metallo liquido, tecniche ecografiche incontrano problemi di alta temperatura, attività chimica, e la conducibilità elettrica. Sono stati descritti i metodi per superare queste sfide e misurazione del flusso in elettrodi metallici liquidi attivi. In primo luogo, un materiale elettrodico soggetto alla stessa fisica come ad alta temperatura…

Materials

K Type Thermocouple Probe	McMaster-Carr	3856K83	http://www.mcmaster.com/
Red Lion PID Controller	Red Lion	P1610000	http://store.redlion.net/store/p16.html
Measurement Computing Data Acquisition Device	Measurement Computing Corporation	USB-2408	http://www.mccdaq.com/index.aspx
Power Supply	TDK-Lambda	GEN 8-90-USB-U	http://us.tdk-lambda.com/hp/
Ultrasound Instrument	Signal Processing SA	DOP3010	http://www.signal-processing.com/index.html
Ultrasound Transducer	Signal Processing SA	TR0805LTH	http://www.signal-processing.com/index.html
Bismuth-Lead Eutectic	VWR	AA40949-P2	https://us.vwr.com/