Mesure de la vitesse des ultrasons dans un Liquid Metal électrode
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 nombre croissant de technologies électrochimiques dépendent de l'écoulement du fluide, et souvent que le fluide est opaque. La mesure de l'écoulement d'un fluide opaque est intrinsèquement plus difficile que de mesurer l'écoulement d'un fluide transparent, étant donné que les méthodes optiques ne sont pas applicables. L'échographie peut être utilisé pour mesurer la vitesse d'un fluide opaque, non seulement à des points isolés, mais à des centaines ou des milliers de points répartis le long des lignes, avec une bonne résolution temporelle. Lorsqu'il est appliqué à une électrode de métal liquide, échographie velocimetry implique des défis supplémentaires: haute température, l'activité chimique et la conductivité électrique. Ici, nous décrivons le dispositif expérimental et les méthodes qui permettent de surmonter ces défis et permettent la mesure de l'écoulement dans une électrode de métal liquide, car il conduit le courant, à la température de fonctionnement. La température est réglée à ± 2 ° C en utilisant un contrôleur Proportionnel-Intégral-Dérivé (PID) qui alimente un four construit sur mesure. Activité chimique est l'hommevieilli en choisissant avec soin les matériaux de récipient et entourant le dispositif expérimental dans une boîte à gants remplie d'argon. Enfin, les chemins électriques involontaires sont soigneusement évités. Un système automatisé enregistre les paramètres de contrôle et les mesures expérimentales, en utilisant des signaux de déclenchement matériel de synchroniser des périphériques. Cet appareil et ces méthodes peuvent produire des mesures qui sont impossibles avec d'autres techniques, et permettre l'optimisation et le contrôle des technologies électrochimiques comme les piles de métal liquide.
Introduction
Piles de métal liquide sont une technologie prometteuse pour assurer un stockage de l'énergie à grande échelle sur les réseaux électriques à travers le monde 1. Ces batteries offrent une haute densité d'énergie, densité de puissance élevée, longue durée de vie et faible coût, ce qui les rend idéal pour les grille-échelle stockage d'énergie 3. Présentation de piles de métal liquide à la grille de l'énergie permettrait écrêtement des pointes, d'améliorer la stabilité du réseau, et permettre une utilisation plus répandue de sources renouvelables intermittentes comme le solaire, le vent et l'énergie marémotrice. Batteries de métal liquide sont constitués de deux électrodes métalliques liquides séparés par un électrolyte de sel fondu, comme décrit plus en détail dans les travaux antérieurs 1. Bien que de nombreuses combinaisons différentes de métaux et d'électrolyte peuvent se traduire par une batterie au métal liquide de travail, les principes de fonctionnement restent les mêmes. Les métaux sont choisis de telle sorte qu'il est énergétiquement favorable pour eux pour former un alliage; ainsi alliage évacue la batterie, et de-alliage charges informatiques. La SAlt couche est choisie de sorte qu'elle permet à des ions métalliques passent entre les deux électrodes, mais le transport de blocs d'espèces neutres, donnant ainsi le contrôle électrochimique du système.
Ce travail fera progresser la technologie de batterie liquide métallique par quantifier et contrôler les effets de transport de masse. Les méthodes décrites ici sont informés par des procédés électrochimiques développés pour les batteries de métal liquide par Sadoway et al 1-4 ainsi que plus tôt liquide travail métallique de la batterie au Laboratoire national d'Argonne 5,6, et le travail de la communauté plus large électrochimique (Bard et Faulkner. 7 fournir de nombreuses références pertinentes). Les méthodes décrites ici construisent aussi sur des études antérieures de dynamique des fluides. Ultrason velocimetry a été développé et utilisé pour la première dans l'eau de 8,9 et a depuis été appliqué aux métaux liquides, notamment de gallium 10,11, 12,13 sodium, le mercure 14, plomb-bismuth 15, cuivre-étain 15 </ Sup>, et conduire au lithium-16, entre autres. Eckert et al. Fournir un avis utile de vélocimétrie dans les métaux liquides 17.
Travail en utilisant des méthodes récentes similaires à celles décrites ici 18 a montré que les courants de la batterie peuvent améliorer le transport de masse dans les électrodes de métal liquide. Parce que le transport de masse dans l'électrode positive est l'étape de limitation de vitesse en charge et décharge des batteries de métal liquide, de mélange permet donc de charge plus rapide et de décharge que cela ne serait possible. Par ailleurs mélange empêche inhomogénéités locales dans l'électrode, qui peut former des solides qui limitent la durée de vie d'une batterie. Dans les travaux en cours, nous continuons à étudier le rôle de l'écoulement du fluide dans l'électrode positive de la batterie de métal liquide, qui se pose en raison des forces thermiques et électromagnétiques. Les gradients thermiques voiture écoulement par convection à travers la flottabilité, et les courants de batterie voiture flux en interagissant avec les champs magnétiques induits par la pâtey courants eux-mêmes. Dans des expériences en utilisant les méthodes décrites ci-dessous, nous avons observé les flux avec nombre de Reynolds 50 <Re <200, calculée à partir de la profondeur de l'électrode et de la vitesse racine carrée moyenne. Une caractérisation expérimentale approfondie est en cours et va utiliser l'ensemble de données résultant de construire des modèles prédictifs de la batterie. L'objectif de ce manuscrit est sur la conception et les procédures nécessaires pour produire ces données expérimentales. Ultrason velocimetry fournit la majeure partie des mesures, et les conditions expérimentales doit être soigneusement contrôlée afin d'utiliser les ultrasons avec succès en métal liquide. Haute température, l'activité chimique, et la conductivité électrique doivent être gérés avec soin.
Tout d'abord, les piles de métal liquide fonctionnent nécessairement à haute température, parce que les deux métaux et le sel qui les sépare doit être fondu. Un choix de matériaux prometteurs, qui utilise le lithium comme l'électrode négative, le plomb-antimoine comme positif electrode, et un mélange eutectique de sels de lithium comme electrolyte, nécessite des températures d'environ 550 ° C. La mesure de l'écoulement d'un fluide opaque à des températures aussi élevées est assez difficile. Transducteurs ultrasonores à haute température, qui séparent les composants électro-acoustiques délicates à partir du fluide d'essai avec un guide d'ondes acoustiques, il a été démontré 15 et commercialisé. Cependant, parce que les transducteurs ont une perte de près de 40 dB, et en raison de la difficulté générale de travailler à de telles températures insertion, un système de substitution a été choisi pour l'étude initiale: une batterie de métal liquide peut également être faite en utilisant sodium comme l'électrode négative, eutectique 44% de plomb 56% de bismuth (ci-après, ePbBi) comme électrode positive, et un eutectique mélange triple de sels de sodium (iodure de sodium à 10%, de l'hydroxyde de sodium à 38%, l'amidure de sodium 52%) sous l'électrolyte. Une telle batterie est entièrement fondu au-dessus de 127 ° C, ce qui rend beaucoup plus favorable à l'étude de laboratoire. Parce qu'il est composé de trois liquidecouches séparées par densité, il est soumis à la même physique que les autres piles de métal liquide. Et il est compatible avec facilement disponibles transducteurs à ultrasons, qui sont évalués à 230 ° C, impliquer aucune perte de guide d'ondes, et coûtera beaucoup moins que les transducteurs à haute température. Ces expériences ont généralement lieu à 150 ° C. A cette température, la viscosité a ePbBi ν = 2,79 x 10 -7 m 2 / s, κ la diffusivité thermique = 6,15 x 10 -6 m 2 / s, et la diffusivité magnétique η = 0,8591 m 2 / s, telle que son nombre de Prandtl est Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 et son nombre de Prandtl magnétique est Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7.
Bien que ce liquide chimie métallique de la batterie à basse température fait des études de flux beaucoup plus facile qu'ils ne le seraient dans des batteries plus chauds, la température doit néanmoins être gérée avec soin. Être dispositifs électro-acoustiques délicates, transducteurs à ultrasons sont susceptible aux dommages par choc thermique, et donc doit être chauffé progressivement. Mesures par ultrasons de haute qualité exigent également la régulation de température prudent. Ultrason velocimetry fonctionne comme un sonar, comme le montre la Figure 1: le capteur émet un signal sonore (ici, la fréquence est de 8 MHz), puis à l'écoute des échos. En mesurant le temps de vol de l'écho, la distance par rapport au corps écho peut être calculé, et en mesurant le décalage Doppler de l'écho, une composante de la vitesse du corps peut également être calculé. Dans l'eau, les particules de traceurs doivent être ajoutés pour produire des échos, mais pas de particules de traceur sont tenus dans des métaux liquides, un fait qui ne sont pas compris en détail, mais est généralement attribuée à la présence de petites particules d'oxyde de métal. Chaque mesure est une moyenne sur toutes les particules de traceur dans un volume d'interrogation; dans ce travail, son diamètre minimum est de 2 mm, à une distance de 30 mm de la sonde. Bien que l'oxydation peut éventuellement limiter la durée des expériences, en utilisant ee méthodes décrites ci-dessous, nous avons effectué des mesures en continu aussi longtemps que 8 heures.
Le calcul de la distance ou de la vitesse, il faut connaître la vitesse du son dans le fluide d'essai, et que la vitesse varie avec la température. Les travaux décrits ici se concentre sur les flux dans l'électrode négative ePbBi, où la vitesse du son est 1766 m / sec à 150 ° C, 1 765 m / sec à 160 ° C et 1 767 m / sec à 140 ° C 19. Ainsi le contrôle insuffisant de la température serait d'introduire des erreurs systématiques dans les mesures échographiques. Un dispositif a été construit pour mesurer la vitesse du son dans ePbBi, trouver des valeurs cohérentes avec celles publiées et accepté par l'Agence pour l'énergie nucléaire 19 (voir ci-dessous). Enfin, étant donné que la convection thermique est un conducteur primaire d'écoulement dans les batteries de métal liquide, à la fois la température moyenne et la différence de température entre le haut et le bas de l'électrode ePbBi affecter directement observations. Pour des résultats cohérents, thermique précisecontrôle est essentiel.
En conséquence, la température est mesurée en permanence avec au moins trois thermocouples de type K, connectant leurs mesures par voie électronique avec un dispositif d'acquisition par ordinateur et un programme LabView écrite sur mesure. Le programme contrôle également l'alimentation en énergie qui fournit du courant de la batterie, par l'intermédiaire d'une connexion USB; enregistre le courant de la batterie et de la tension; et envoie des impulsions de déclenchement à l'instrument ultrasonore, de sorte que les données peuvent être synchronisées avec les autres mesures. Un schéma du système est représenté sur la figure 2. La chaleur est fournie par un four intégré personnalisé (également représenté sur la figure 2), qui contient deux éléments de chauffage industriel de 500 W alimenté par un relais à commutation par une différentielle intégrale proportionnelle (PID) contrôleur. La plaque de base qui prend en charge des cellules de batterie est en aluminium solide; car sa conductivité thermique est d'un ordre de grandeur plus élevé que la conductivité thermique de la r inoxydableBatterie anguille récipient de la cellule et il contient ePbBi 19, la température de la sole du four est à peu près uniforme. En outre, la base en aluminium se double d'un chemin d'accès pour les courants électriques passant à travers l'électrode. Sa conductivité électrique est également un ordre de grandeur plus élevée que celle de l'acier inoxydable ou ePbBi, de sorte que la tension de la sole du four est à peu près uniforme. Jambes isolantes séparent la base de la paillasse ci-dessous, la prévention des brûlures et des shorts. Les côtés de la cuve de la batterie sont isolés avec de la silice isolation en céramique, couper pour adapter le navire de près, mais laisser de la place pour l'accès au port de l'échographie de la cellule. Enfin, un couvercle de polytétrafluoroéthylène (PTFE) isole la cellule à partir de ci-dessus et maintient le collecteur de courant négatif et thermocouples en place. Bien plaques disponibles dans le commerce peuvent atteindre les températures requises pour ces expériences, nos fours sur mesure maintient la température à un ordre de grandeur moins de variation, unnd nous permet également de mesurer la puissance de la chaleur directement.
En plus de défis liés à la température, il ya des défis associés à l'activité chimique. A 150 ° C, une électrode positive ePbBi est chimiquement compatible avec de nombreux matériaux courants. A sodium électrode négative, cependant, corrode de nombreux matériaux, oxyde facilement et réagit vivement avec l'humidité. Une électrode négative de lithium est aussi agressive, en particulier parce que les piles de métal liquide à base de lithium fonctionnent généralement à des températures beaucoup plus élevées. Bien que ces systèmes à température plus élevée sont en dehors de la portée de ce travail, un grand nombre des mêmes mesures de gestion de l'activité chimique sont utilisés ici comme dans ces systèmes. Toutes les expériences décrites ici ont lieu dans une boîte à gants remplie d'argon contenant seulement des traces d'oxygène ou à l'humidité. Le récipient de la batterie est en alliage d'acier inoxydable 304, qui corrode peu à même de lithium à 550 ° C. Les thermocouples et courant négatifcollecteur est également réalisé en acier inoxydable. La géométrie de la cuve est choisi pour correspondre navires utilisés pour le test électrochimique de piles de métal liquide, de modéliser le plus fidèlement possible les systèmes qui sont commercialisés. Le récipient représenté sur la figure 2, est cylindrique, avec un diamètre intérieur de 88,9 mm et une profondeur de 67 mm. Toutes les parois des vaisseaux sont de 6,4 mm d'épaisseur. Le récipient est différente de celles utilisées pour les expériences antérieures, cependant, en ce qu'elle présente un orifice d'ultrasons. Le port passe à travers la paroi latérale le long d'un diamètre horizontal du cylindre, et le centre de l'orifice est de 6,6 mm au-dessus du plancher de la cuve. Le port est de 8 mm de diamètre pour accueillir un transducteur à ultrasons de 8 mm, et les joints autour du transducteur avec un sertissage. Dans ces expériences, l'électrode de métal liquide est juste assez profonde pour couvrir le capteur de pression ultrasonore, typiquement 13 mm.
Afin d'atteindre signaux ultrasonores fortes, on exige une bonne transmission acoustiqueentre le transducteur à ultrasons et les sondes de fluide (il) ePbBi. Puissance acoustique maximum est transmise lorsque l'impédance acoustique du matériau de transducteur et le fluide de test sont identiques; quand les impédances sont différentes, les signaux souffrent. Placer un transducteur à ultrasons en contact direct avec propre ePbBi (rendu possible par le port décrit ci-dessus) offre amplement de signal, souvent pendant des heures à la fois. Des oxydes métalliques, cependant, ont une impédance très différents, et peuvent également interférer avec mouillage par modification de la tension superficielle. Si le ePbBi est sensiblement oxydé, signaux ultrasonores se dégradent et disparaissent bientôt. Encore une fois, une atmosphère inerte est essentiel. Si des traces d'oxygène provoquent néanmoins une certaine oxydation, la surface de l'oxyde métallique est ePbBi écrémé avant le transfert dans le récipient de batterie.
Enfin, les difficultés de ces expériences présentes en raison de la présence de courants électriques. Bien que les courants sont notre inter scientifique et technologique centraleest, ils sont assez (30 A) grande pour causer des dommages si mal acheminé. Thermocouples UNGROUNDED veiller à ce que les courants électriques nuisibles ne passent pas par le dispositif d'acquisition de données ou l'ordinateur qui prend en charge, parce que non fondées thermocouples ont pas de connexion électrique interne de la gaine de protection à un des fils de signal. De même, il est essentiel d'utiliser infondées transducteurs à ultrasons (traitement du signal SA, TR0805LTH) pour empêcher le courant parasite d'endommager l'instrument à ultrasons précieuse (traitement du signal SA, DOP 3010). Comme mentionné précédemment, la base du four sert à conduire le courant électrique, et doit également être isolé électriquement de son environnement.
Dans l'électrode ePbBi, courant provoque chauffage ohmique, potentiellement perturber la température. Ainsi, le système de contrôle thermique automatisé doit être en mesure d'adapter aux changements dans l'apport de chaleur. La figure 3 montre comment la température de l'électrode ePbBi varie curlouer coule à travers elle, et comment le régulateur PID adapte pour compenser. Le maintien de la température stable avec des courants importants (50 A = 800 mA / cm) nécessiterait un refroidissement supplémentaire, mais à des courants inférieurs plus réalistes pour les batteries de métal liquide dans les applications industrielles (typiquement 17 A = 275 mA / cm 1), le contrôleur est capable pour compenser pour le chauffage ohmique et maintenez variation de température à 2 ° C.
Protocol
Representative Results
Discussion
techniques d'ultrasons peuvent produire des mesures de vitesse à des centaines ou des milliers de sites dans un fluide transparent ou opaque, plusieurs fois par seconde. Appliqué à une électrode de métal liquide, les techniques ultrasonores rencontrent défis de la température élevée, l'activité chimique, et la conductivité électrique. Les procédés pour surmonter ces problèmes et à mesure de l'écoulement de métal liquide électrodes actives ont été décrits. Tout d'abord, un matériau …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We are grateful for the design and fabrication assistance of D. De La Cruz, for equipment borrowed from M. Zahn, and for insightful discussions with D. R. Sadoway and the talented electrochemists of his group.
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/ |
Referências
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