Введение к работе
Актуальность работы. Разработка методов прогнозирования поведения электрохимических систем и устройств - важная задача, для решения которой необходима оценка состояния их параметров в процессе длительной эксплуатации. Использующиеся в настоящее время стандартные методы диагностики не являются универсальными: каждый из типов существующих электрохимических систем и устройств, в силу своей специфики, требует индивидуальных научно-технических подходов. В большинстве случаев применение этих методов сопряжено с большими временными затратами, необходимостью использования широкого спектра исследовательской аппаратуры, сложных и трудоемких методических подходов, а также с невозможностью применения их в условиях автономной эксплуатации.
В работе рассматривались следующие типы электрохимических устройств: химические источники тока, электрохимические преобразователи информации и катоды щелочного электролизера для получения водорода.
Химические источники тока являются одними из основных источников питания автономной аппаратуры. Контроль их состояния традиционно проводится по спаду разрядной кривой. Однако он может успешно использоваться лишь в тех случаях, когда зависимость напряжения от электрического разряда системы монотонна и первая производная заметно отличается от нуля. Существенный прогресс в области химических источников тока связан с разработкой литий тионил-хлоридных химических источников тока (ЛХИТ), где такой контроль невозможен из-за отсутствия наклона разрядной кривой.
Электрохимические преобразователи информации в настоящее время нашли широкое применение в различных областях, в частности, в нефтегазовой промышленности, являющейся глобальной отраслью мировой экономики и требующей устойчивого роста разведанных запасов нефти и газа. Ускорению геологоразведки и добыче нефти и газа способствует широкое использование микросейсмической поисково-разведочной технологии (технологии АНЧАР), где в качестве базового элемента используется электрохимический преобразователь информации - первичный инфразвуковой электрохимический датчик колебаний (ЭДК). Традиционно определение технического состояния аппаратурного комплекса
с ЭДК осуществляется путём Государственной метрологической аттестации (ГОССТАНДАРТ) с использованием специальных виброизмерительных стендов. Но в связи с необходимостью эксплуатации аппаратурного комплекса в полевых условиях в тяжёлых климатических зонах, требуется мобильное проведение его диагностики.
Обострение проблемы охраны окружающей среды и серьезное ухудшение мировой энергетической ситуации усилили интерес к производству водорода методом электролиза, который обеспечивает получение очень чистых продуктов, не отравляя воздушный и водный бассейны. Эффективность электролизера и стабильность его электрохимических характеристик определяется активностью каталитического покрытия катода, степени отравления катализатора, адгезионной прочности его активного слоя. При этом исследование электрохимической активности катодов щелочного электролизера для получения водорода -длительный и трудоемкий процесс.
В связи с вышеизложенным, весьма актуальным становится решение принципиально новой задачи, связанной с обеспечением оперативного и надежного определения состояния электрохимических систем и устройств с использованием универсального и автоматизированного метода.
Судя по научным публикациям и результатам проведенных предварительных исследований, наиболее перспективным для решения поставленной задачи является использование методов импедансной спектроскопии.
Результаты работы были использованы при выполнении Федеральной Целевой программы (Госконтракт № 02.515.11.5096) и научно-исследовательской работы по Государственному оборонному заказу на 2009г. (Постановление правительства № 1036-55 от 29.06.2009г., Госконтракт № 131/2009-620к от 11.06.2009г.)
Цель настоящей работы состоит в разработке методов оперативного и надежного неразрушающего контроля состояния электрохимических систем и устройств с использованием универсального и автоматизированного метода, которым является метод импедансной спектроскопии.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить ряд научно-технических задач:
- проанализировать спектры электрохимического импеданса химических
источников тока, электрохимических преобразователей информации и катодов
щелочного электролизера для получения водорода с целью определения наиболее
информативной области частот с точки зрения нахождения корреляторов их
состояния и импедансных характеристик;
включить в рассмотрение в качестве корреляторов не только отдельные параметры импеданса, но и их функционально связанные сочетания;
разработать методические подходы для определения состояния различных электрохимических систем и устройств с помощью нмпедансной спектроскопии;
разработать алгоритмы работы и программного обеспечения специальной аппаратуры для автоматизированного определения состояния тестируемых объектов на основе анализа частотных спектров их электрохимического импеданса.
На защиту выносятся:
1. Общая характеристика объектов и методов исследования.
2. Методические подходы для определения состояния различных электрохимических
систем и устройств с помощью нмпедансной спектроскопии.
3. Анализ спектров электрохимического импеданса электрохимических
преобразователей информации, химических источников тока и катодов щелочного
электролизера для получения водорода.
-
Определение наиболее информативной области частот с точки зрения нахождения корреляторов состояния электрохимических систем и импедансных характеристик.
-
Алгоритм работы измерительной аппаратуры. Способы обработки данных для автоматизированного определения состояния тестируемых объектов на основе анализа частотных спектров их электрохимического импеданса.
Научная новизна состоит в том, что разработанные методы неразрушающего контроля электрохимических систем позволяют оценивать как состояние исследуемого объекта в целом, так и каждого из его элементов. Для оценки использована импедансная спектроскопия с последующими различными способами обработки полученных результатов. Установлена корреляция между параметрами импеданса и состоянием электрохимических систем, позволяющая выявлять причины их выхода из строя и делать вывод о возможности «реанимации» без
полной разборки. Показано, что разработанные методы не только менее трудоемки по сравнению со стандартными, но и являются более оперативными и информативными.
Практическая ценность работы заключается в том, что: результаты работы представляют как научный, так и практический интерес для оценки состояния и прогнозирования дальнейшего поведения широкого круга электрохимических систем и устройств, в особенности при их эксплуатации в режиме автономного использования, когда подтверждение работоспособности системы в реальных условиях позволяет сэкономить огромные средства. Апробация работы.
РеЗУЛЬТйТЫ ^абоТЫ ^ОКЛа^ЫЕЗЛИ^Ь На KQH'^wanSFTmM //PpQvni.TaTt.T
фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение», ОИВТ РАН, М. 2008; VI Международном совещании по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте», ИМАШ РАН, М., 2008; Международной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2008 г.); Международном научно-техническом семинаре «Водородная энергетика как альтернативный источник энергии», МИТХТ им.М.В.Ломоносова, М., 2009.; Евразийском симпозиуме по инновациям в катализе и электрохимии Алматы, 2010. На 2-ой Международной специализированной выставке приборов и оборудования для научных исследований «SIMEXPO-Научное приборостроение-2008» (Москва, 13-15 октября 2008 г.) Многофункциональный исследовательский прибор ЭЛ-02 награжден Почетным Дипломом. На X Международном Экологическом форуме «Экология большого города» (Санкт-Петербург, 17-20 марта 2010 г.) портативный программно-аппаратурный инфразвуковой комплекс для геоэкологического мониторинга (в состав которого входит переносной контрольный прибор) награжден Почетным Дипломом.
Публикации. По материалам диссертации получено 2 патента, опубликовано 11 работ, в том числе 6 статей в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы, выводы, список цитируемой литературы. Общий объем составляет 127 страниц, включая 58 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 112 наименований. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
