Abstract
전기 기술의 증가는 유체의 흐름에 따라, 종종 그 유체는 불투명하다. 광학적 방법을 적용하지 않기 때문에 불투명 한 유체의 흐름을 측정하는 것은, 투명한 액체의 흐름을 측정하는보다 본질적으로 더 어렵다. 초음파뿐만 아니라, 고립 점에서 불투명 유체의 속도를 측정하는데 사용될 수 있지만, 양호한 시간 해상도와, 선을 따라 배열 된 점 수백 또는 수천. 고온, 화학적 활성과 전기 전도도 : 액체 금속 전극에인가하면, 초음파 유속계 추가적인 어려움을 포함한다. 여기서 우리는 실험 장치 및 이러한 과제를 극복하고 작동 온도에서, 전류를 전도 같이, 액체 금속 전극에서의 흐름을 허용 측정 방법을 설명한다. 온도는 그 힘 맞춤형로 비례 - 적분 - 미분 (PID) 컨트롤러를 사용하여 ± 2 ℃ 내에서 조절된다. 화학 활성은 사람이다조심스럽게 용기 재료를 선택하고 아르곤 가득한 글로브 박스에있는 실험 장치를 둘러싸 세. 마지막으로, 의도하지 않은 전기적 경로는 신중하게 방지된다. 자동화 시스템은 디바이스를 동기화 하드웨어 트리거 신호를 이용하여, 제어 설정 및 실험 측정치를 기록. 이러한 장치 및 이러한 방법은 다른 방법으로 불가능 측정을 생성 및 최적화와 액체 금속 전지와 같은 전기 화학 기술의 제어를 허용 할 수있다.
Introduction
액체 금속 전지는 세계적인 전기 그리드 (1) 상에 대규모 에너지 저장을 제공하기위한 유망한 기술이다. 이 배터리는 그리드 스케일 에너지 저장 3 이상적, 높은 에너지 밀도, 높은 출력 밀도, 긴 수명, 및 낮은 비용을 제공한다. 피크 면도을 허용 그리드의 안정성을 향상시키고, 태양 광, 풍력 및 조력 발전과 같은 간헐적 신 재생 에너지 원의 훨씬 더 광범위한 사용을 가능하게 할 에너지 그리드에 액체 금속 배터리를 소개합니다. 이전 작업 1에서 더 상세히 설명한 바와 같이 액체 금속 전지, 용융 염 전해에 의해 분리 된 두 개의 액체 금속 전극으로 구성되어있다. 금속과 전해액의 많은 상이한 조합이 작동 액체 금속 전지 초래할 수 있지만, 동작 원리는 동일하게 유지. 금속은 그들 합금을 형성하기 위해 에너지 적으로 유리한 것으로 선택된다; 따라서, 합금은 배터리를 배출하고, 탈 합금화 전하 그것. SA그것이하여 전기 제어 시스템을 수득 금속 이온이 두 개의 전극 사이를 통과하도록 허용하지만, 중성 종의 블록 전송되도록 LT 층이 선택된다.
이 작품은 정량화 및 물질 전달 효과를 제어하여 액체 금속 배터리 기술을 진출하게됩니다. 여기에 설명 된 방법은 Sadoway 등으로 액체 금속 배터리 개발 전기 화학적 방법으로 통보한다. 1-4뿐만 아니라 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 5,6에서 이전 액체 금속 배터리 작업, 그리고 광범위한 전기 공동체의 일 (바드와 포크너를 7) 많은 관련 참조를 제공합니다. 여기서 설명하는 방법은 이전에 유체 역학 연구에 구축 할 수 있습니다. 초음파 유속계 개발과 처음으로 물 8, 9에 사용 된 이후 갈륨 10, 11, 12, 13 나트륨, 수은 (14)를 포함하는 액체 금속에 적용되었습니다했다, 구리 - 주석 (15) (15) <납 - 비스무스/ SUP>, 납 - 리튬 다른 사람의 사이에서 (16). 커트 등. 액체 금속 (17)에 속도계의 유용한 리뷰를 제공합니다.
여기에 18 설명한 것과 유사한 최근 작업 사용 방법은 배터리 전류가 액체 금속 전극에 대량 전송을 향상시킬 수 있음을 보여 주었다. 정극 대량 수송이 액체 금속 배터리 충 방전에서 속도 제한 단계이기 때문에, 혼합 따라서 달리 가능한 것보다 더 빠른 충전 및 방전을 허용한다. 또한, 혼합은 전지의 사이클 수명을 제한 고형물을 형성 할 수있는 전극, 로컬 불균일성을 방지한다. 진행중인 연구에서는 때문에 열적 전자기력 발생 액체 금속 전지의 양극에서의 유체 유동의 역할을 연구하는 것을 계속한다. 열 구배는 부력을 통한 대류 흐름을 이용시, 배터리 전류는 반죽에 의한 자계와의 상호 작용에 의해 유동을 이용시Y 전류 자체. 후술하는 방법을 사용하여 실험에서는 전극 깊이 제곱 평균 속도로부터 산출 레이놀즈 수 50 <재 <200으로 흐름을 관찰했다. 철저한 실험 특성화 수행되는 예측 배터리 모델을 구축하기 위해 생성 된 데이터 세트를 사용한다. 이 원고의 포커스는 실험 디자인과 같은 데이터를 생성하기 위해 필요한 절차에있다. 초음파 유속계는 측정의 벌크를 제공하고, 실험 조건은 신중 액체 금속에서 초음파를 성공적으로 사용하기 위해 제어되어야한다. 고온, 화학 활동 및 전기 전도도는 모든 신중하게 관리해야합니다.
첫째, 액체 금속 배터리는 반드시 고온에서 작동 금속 및 그 용융해야 분리 소금 모두 있기 때문이다. 긍정적 인 ELEC과 음극으로 리튬을 사용하는 재료 중 하나는 유망한 선택은, 납, 안티몬trode 및 전해질로서 리튬 염의 공융 혼합물은, 550 ° C의 주위 온도를 요구한다. 이러한 높은 온도에서 불투명 유체의 흐름을 측정하는 것은 매우 곤란하다. 음향 도파로 시험액으로부터 섬세 전기 음향 부품을 분리 고온 초음파 트랜스 듀서 (15)를 증명 및 상용화되고있다. 트랜스 듀서는 40dB 근처 때문에 이러한 온도에서 작업의 일반적인 어려움의 삽입 손실을 가지고 있기 때문에, 대리 시스템은 초기의 연구를 위해 선택되었다 : 액체 금속 전지는 음극, 공융으로 나트륨을 사용하여 제조 될 수있다 44 % 56 정극 %에 비스무트 (이하, ePbBi) 및 전해질로서 나트륨 염 (10 % 요오드화 나트륨, 38 % 수산화 나트륨, 52 % 나트륨 아미드)의 트리플 공융 혼합물 리드. 이러한 배터리는 실험실 연구에 훨씬 더 순종하고, 127 ° C 이상 완전히 용융입니다. 그것은 세 가지 액체로 구성되어 있기 때문에밀도에 의해 분리 된 층은, 다른 액체 금속 배터리와 같은 물리학이 적용됩니다. 그리고 어떠한 도파로 손실을 수반하지 않고, 고온 센서보다 훨씬 적은 비용으로, 230 ° C로 평가하고 쉽게 구할 초음파 트랜스 듀서와 호환된다. 이 실험은 일반적으로 150 ℃에서 이루어집니다. 그 프란 틀 수가되도록 상기 온도에서, ePbBi는 점도 ν를 갖는다 = 2.79 X 10-7 m 2 / 초, 열 확산율의 κ = 6.15 × 10 -4 m 2 / 초, 자기 확산 η = 0.8591 m 2 / 초, PR = ν / κ = 4.53 × 10 -2과 자기 프란 틀 수는 오후 = ν / η = 3.24 × 10 -7입니다.
이 저온 액체 금속 배터리 화학 그들이 뜨거운 배터리의 것보다 흐름 연구 훨씬 쉽게하지만, 온도는 그럼에도 불구하고 신중하게 관리해야합니다. 민감한 전기 음향 장치이기 때문에, 초음파 트랜스 듀서이다 susceptibl전자는 열 충격에 의해 손상하기 때문에 점차적으로 가열해야합니다. 고품질 초음파 측정은 또한 조심 온도 조정을 필요로한다. 그림 1과 같이 초음파 유속계는, 수중 음파 탐지기처럼 작동 : 변환기는 다음 에코를 수신 (여기서, 주파수 8 MHz의 경우)에서 경고음이 발생합니다. 에코의 비행 시간을 측정함으로써, 반향 체까지의 거리를 산출 할 수있어, 에코의 도플러 이동을 측정함으로써, 인체의 속도 성분 중 하나는 계산 될 수있다. 물에서, 트레이서 입자 에코를 생성하기 위해 추가되어야하지만 트레이서 입자는 액체 금속 않고 상세히 이해 되나 통상적으로 작은 금속 산화물 입자의 존재에 기인 사실 요구되지 않는다. 각각의 측정은 심문 볼륨의 모든 추적 입자에 비해 평균; 이 연구에서, 최소 직경은 프로브으로부터의 거리 30mm에서 2 mm이다. 비록 산화 결국 제를 사용하여, 실험 기간을 제한 할 수있다전자의 방법은 우리는 긴 팔과 같은 시간 동안 연속 측정을 한, 아래에 설명.
거리 또는 속도를 계산하는 시험 유체의 소리의 속도를 알고 있어야하고, 그 속도는 온도에 따라 달라진다. 여기에 설명 된 작품은 140 ° C (19) 160 ° C에서 1,765m / 초, 그리고 1,767m / 초, 소리의 속도는 150 ° C에서 1,766m / 초이다 ePbBi 음극의 흐름에 초점을 맞추고 있습니다. 따라서 불충분 한 온도 제어가 초음파 측정 체계적인 에러를 도입한다. 장치 (아래 참조) 원자력 에너지기구 (19)에 의해 출판이를 수락와 일치 값을 찾는 ePbBi에서 소리의 속도를 측정하기 위해 건설되었다. 열대 류는 액체 금속 전지의 흐름의 기본 드라이버 모두 평균 온도 및 ePbBi 전극의 상부 및 하부 사이의 온도차 때문에 마지막으로, 직접 관찰에 영향을 미친다. 일관된 결과를 들어, 정확한 열제어는 필수적이다.
따라서, 온도가 컴퓨터 기반의 획득 장치 및 맞춤 기록 LabVIEW 프로그램과 전자적 측정 로깅, 적어도 세 K 형 열전대 계속 측정된다. 프로그램은 또한 USB 접속을 통해, 배터리 전류를 제공하는 전원을 제어한다; 배터리 전류와 전압을 기록; 그 데이터는 다른 측정치와 동기화 될 수 있도록하고, 초음파 장비에 트리거 펄스를 전송한다. 시스템도가도 2에 도시되어있다. 열은 비례 - 적분 - 미분에 의해 전환 릴레이에 의해 구동 두 500-W 산업용 가열 요소를 포함한다 (PID) (또한,도 2에 도시 됨) 맞춤형 노에 의해 제공된다 컨트롤러. 전지 셀을 지원하는베이스 플레이트 고체 알루미늄으로 제조되고; 열전도율은 크기 순서는 스테인레스 명세서의 열전도율보다 높기 때문에장어 전지 셀 용기 (19)가 포함 ePbBi는 노 바닥의 온도가 대략 균일하다. 또한 알루미늄베이스 전극을 통과하는 전기 전류 경로 두배. 그 전기 전도도는 스테인리스 스틸 또는 ePbBi보다 높은 크기의 순서이므로, 노 바닥의 전위는 대략 균일하다. 절연 다리 화상과 반바지를 방지 맨 아래 벤치에서 받침대를 분리합니다. 전지 용기의 측면 밀접 용기 적합하지만 세포의 초음파 포트에 액세스하기위한 공간을 확보하기 위해 절단 실리카 세라믹 절연체로 절연된다. 마지막으로, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 뚜껑 위에서 세포를 단열 제자리에 음의 전류 집 전체 및 열전대를 보유하고있다. 시판 핫 플레이트는이 실험에 필요한 온도를 달성 할 수 있지만, 우리의 맞춤형로는 크기가 작은 변화,의 순서로 온도를 유지ND는 우리가 직접 열 전력을 측정 할 수 있습니다.
온도와 관련된 문제뿐만 아니라, 화학적 활성과 관련된 문제점들이있다. 150 ° C에서 ePbBi 양극 많은 일반적인 물질과 화학적으로 호환 가능하다. 음극은 나트륨, 그러나, 많은 재료를 부식 쉽게 산화 및 수분과 격렬하게 반응한다. 리튬 계 액체 금속 전지는 일반적으로 훨씬 더 높은 온도를 실행하기 때문에, 특히 리튬 음극, 공격적이다. 이러한 높은 온도 시스템이 일의 범위 밖에 있지만, 화학적 활성을 관리하기위한 동일한 수단의 대부분은 이들 시스템에서와 같이 여기에 사용된다. 여기에 기재된 모든 실험은 산소 또는 수분의 미량 함유 아르곤 충진 글로브 박스에서 일어난다. 배터리 용기 합금 최소라도 550 ℃에서 리튬과 부식 304 스테인레스 스틸, 이루어진다. 열전대 및 음의 전류콜렉터는 스테인레스 스틸로 만들어집니다. 용기의 형상은, 액체 금속의 전기 화학 전지에 사용되는 시험 용기에 맞게 최대한 가깝게 상용화되고있는 시스템을 모델링하기 위해 선택된다. 도 2에 도시 된 용기는 88.9 mm, 내경 67mm의 깊이와, 원통형이다. 모든 용기의 벽 두께는 6.4 mm이다. 용기는 초음파 포트를 갖는 것을 그러나, 이전 실험에서 사용 된 것과 상이하다. 포트 실린더의 직경을 따라 수평 측벽을 통과하여 포트의 중심은 용기 바닥 위에 6.6 mm이다. 포트는 스웨이지와 변환기 약 8 8mm 초음파 변환기를 수용 mm 직경, 및 밀봉된다. 이들 실험에서, 액체 금속 전극은 초음파 변환기 전형적 13mm 다루 단지 충분히 깊다.
강한 초음파 신호를 달성하기 위해, 하나의 양호한 음향 전송해야초음파 변환기 및이를 유체 프로브 (ePbBi) 사이. 변환기 재료의 음향 임피던스 및 시험 유체가 동일한 경우 탄성 최대 전력 송신된다; 임피던스가 다른 경우, 신호는 고통. (상술 한 포트에 의해 가능해진 바와 같이) 깨끗한 ePbBi 직접 접촉 초음파 변환기를 배치하는 것은 종종 시간에 시간, 충분한 신호를 제공한다. 금속 산화물은, 그러나, 매우 다른 임피던스를 가지며, 또한 표면 장력을 변화시켜 습윤성을 방해 할 수있다. ePbBi가 실질적으로 산화되는 경우, 초음파 신호가 저하 곧 사라. 또, 불활성 분위기는 필수적이다. 산소의 미량 그럼에도 일부 산화를 야기하는 경우, 금속 산화물의 표면은 전지 용기에 ePbBi 전송하기 전에 탈지된다.
마지막으로 인해 전기 전류의 존재의 실험 본 과제. 전류는 우리의 중앙 과학 기술 간 비록EST, 그들은 잘못 전달하면 손상을 일으킬 수있을만큼 (30) 크다. 접지되지 열전대 접지 열전대 중 하나를 신호선에 보호 덮개로부터 내부의 전기적 연결이 없기 때문에 그 유해한 전기 전류가, 데이터 수집 장치 또는 지원하는 컴퓨터를 통과하지 않도록. 마찬가지로 그것은 유용한 초음파 장비 (신호 처리 SA, DOP 3010)를 손상 표유 전류를 방지하기 위해 접지 초음파 트랜스 듀서 (신호 처리 SA, TR0805LTH)를 사용하는 것이 필수적이다. 앞서 언급 한 바와 같이, 용광로의 바닥은 전류를 전도하는 역할을하고, 또한 그 주변으로부터 전기적으로 분리되어야한다.
ePbBi 전극에서 전류는 잠재적으로 온도를 방해, 저항 가열이 발생합니다. 따라서 자동화 열 제어 시스템은 열 입력의 변화에 적응할 수 있어야한다.도 3은 ePbBi 전극의 온도가 어떻게 변하는지를로서 CUR임대가 흐르는 방법과 PID 제어기는 보상을 조정합니다. 대전류 (50 A = 800mA / cm)와 일정한 온도를 유지하는 것은 추가의 냉각을 필요로하지만, 산업용 액체 금속 전지보다 현실적인 낮은 전류에서 (일반적으로 (17)은 = 275mA / cm 1), 제어기 수 것 저항 가열에 대한 보상과 2 ℃로 온도 변화를 개최합니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 시스템 설치 및 조립
- 이소프로판올와 초음파 변환기를 청소합니다.
- 글러브 박스를로드합니다.
- 로드 필요한 장비와 산소 및 수분의 유입을 최소화하기 위해 글러브 박스 제조업체의 지침에 따라, 글러브 박스에 (초음파 변환기, ePbBi, 볶음 스틱 및 열전대 포함) 소재.
- 글러브 박스에 들어가기 전에 12 시간 동안 글러브 박스의 대기실에서 진공 상태에서 다공성 물질을 보관하십시오.
- 조정 PID 제어기 (만 처음).
- 실험 (840g)에 사용되는 배터리 용기에 고체 ePbBi의 같은 양을 놓습니다.
- 이 있지 않은 경우 배터리 용기 주위로 절연을 놓고 부정적인 집과 열전대와 함께 배터리 용기 위에 뚜껑을 놓습니다.
- 에 나타낸 바와 같이, 열전대와로 전력에 대한 모든 전기 연결 확인
- 설정 점 150 ° C를 사용하여, PID 제어기의 자동 튜닝을 시작합니다. 참고 :이 단계의 세부 사항은 PID 제어기 제조 업체와 모델에 따라 다를 수 있습니다. 시간에 걸쳐, RT에서 작동 온도 네 전체 냉열 사이클을 제어함으로써, 자동 동조 여기서 사용되는 제어기를 포함한다.
- 150 ° C 내지 (제어기 튜닝 후 기본적으로 표시) 세트 포인트를 조절하기 위해 화살표 키를 사용한다.
- 눌러 숨겨진 루프를 입력 할 3 초 동안 루프 버튼을 누르고 있습니다. 컨트롤러 화면이 "조정"이 표시 될 때까지 반복 루프 버튼을 누릅니다. YES로 변경하려면 화살표 키를 사용합니다.
- 열전대를 삽입하고 모니터링하고 온도를 기록하는 워크 스테이션을 사용합니다.
- 자동 조정이 완료되면, t를 따라, PID 제어기는 자동 컨트롤러 인터페이스를 이용하여 선택한, 비례, 적분 및 미분 파라미터를 기록제조업체의 지시 오.
2. 음속 측정
- 실험을 위해 적어도 400g을 충분히 ePbBi을 녹여 노를 사용합니다. 주 : 필요한 양은 다른 장비에 따라 달라질 것이며, ePbBi은 125 ℃에서 녹는다.
- 필요한 경우, 교반 스틱을 사용하여 ePbBi의 상부면에서 그것을 감추고에 의해 초과 산화물을 제거합니다.
- 소리의 속도 측정 장치에 초음파 변환기를 삽입하고 누수를 방지하기 위해 스웨이지 연결을 강화하고 열전대를 삽입하고 모니터링하고 온도를 기록하는 워크 스테이션을 사용합니다.
- 소리의 속도 측정 장치에 용탕을 전송.
- 노베이스 음속 측정 장치를 배치하고, 점차적으로 온도를 증가 및 열적 충격을 방지하기 위해 2 분 동안 거기에두고.
- 지역에서 열에 민감한 장비 나 물질을 제거하여 안전한 전송을 위해 준비합니다.
- 작은 오전 추가열충격이 초음파 변환기를 손상시킬 수 있기 때문에 시간에 용탕 ounts. 트랜스 듀서의 얼굴과 마이크로 미터 헤드가 모두 완전히 침수 될 때까지 ePbBi를 추가합니다.
- 소리의 속도는 온도에 의존하기 때문에 온도가 측정 시작하기 전에 최소 5 분 동안 1 ° C 내에서 안정적으로 유지 될 때까지 기다립니다.
- 측정 초음파는 두 위치에서 메아리.
- 임의하지만 알려진 위치로 마이크로 미터 팁을 설정합니다. 장비 제조업체에서 제공 한 지침에 따라 기록 초음파 에코 측정.
- 마이크로 미터 다이얼을 사용하여, 공지의 마이크로 미터의 거리만큼 팁을 이동. 녹음 초음파 에코 측정.
- 음속 측정 장치에서 용융 금속을 제거하고 열 내성 용기에 보관.
- 소리의 속도, 두 측정마다 에코 시간의 함수로서 플롯 에코 진폭을 결정한다. 가우스 곡선 피팅하여 에코를 찾습니다각 그림의 URE 4에서와 같이 피크를 에코. 에코 피크 시간에서의 차이에 의해 변위량 나눈 사운드 속도를 계산한다.
3. 초음파 속도 측정
- 실험 (840g)에 대한 충분한 ePbBi 용융 필요한 경우 초과 산화물을 제거하는 단계를 포함한다. 참고 : 최상의 결과, 조정 PID 제어기를 사용 ePbBi의 동일한 양을 사용하십시오.
- 배터리 용기에 초음파 변환기를 삽입하고 노베이스 수준 보장, 누수를 방지하기 위해 스웨이지 연결을 조입니다.
- 배터리 용기에 용융 금속을 전송합니다.
- 노베이스에 배터리 용기를 놓고 서서히 온도를 증가시키고 열 충격을 방지하기 위해 5 분 동안 거기에 둡니다. 지역에서 열에 민감한 장비 나 물질을 제거하여 안전한 전송을 위해 준비합니다.
- 열충격이 UL에 손상을 줄 수 있기 때문에, 한 번에 용융 금속을 소량 추가잰 솔리드 씨는 변환기.
- 소리의 속도는 온도에 의존하기 때문에 온도가 측정 시작 전에 150 ° C를 도달 할 때까지 기다립니다.
- 장치의 조립 완료.
- 이 있지 않은 경우 배터리 용기 주위로 절연을 놓습니다. 음극 집 전체 및 열전대와 함께, 배터리 용기 위에 뚜껑을 놓습니다. 모두가 정확하고 반복적으로 배치되어 있는지 확인; 샤프트 목걸이이 잘 작동합니다.
- 도의 URE의 (b)에 도시 된 바와 같이, 전원 및 신호들 모두에 대한 모든 전기적 연결을 확인하십시오. , 의도하지 않은 전기 경로 즉, 존재하지 않는 것을 확인하기 위해 저항계를 사용하여 음의 집과 모든 신호 리드 사이의 전기 저항이 최소 1 MΩ되어 있는지 확인합니다.
- 측정을 시작합니다.
- 로깅 및 모니터링 온도, 히터 전원, 배터리 전압, 배터리 시작현재. 참고 : 여기에, 워크 스테이션 실행 사용자 정의 LabVIEW 코드는 모든 측정 값을 기록하는 데 사용 된, 해당 타임 스탬프와 함께.
- 필요에 따라 초음파 장비 설정을 조정합니다.
- 수용 모델 (19)에 따라 적절한 온도를 사용하여 사운드 속도를 설정해야합니다. 아래에 사용 된 150 ° C에서 ePbBi를 들어, 1,760m / 초 속도를 설정합니다.
- 펄스 반복 주파수 울림 깊이는 근접하게 이격되어 (일반적으로 0.25 mm)를 조정한다.
- 용기의 벽으로부터 멀리 강한 에코가 최후의 게이트에 표시되도록 게이트 수를 조정한다; 이 문제 해결의 신호 강도 문제에 대한 유용한 전성 검사를 제공합니다.
- 제조업체에서 제공 한 지침을 사용하여, 하드웨어 트리거링 악기를 설정합니다.
- 워크 스테이션에서 트리거 시작하여 초음파 장비와 로깅 및 모니터링 속도를 시작합니다. 30 초당 기록 네 속도 프로파일분.
- 5의 배터리 전류를 설정, 흐름이 안정을 위해 5 분을 기다린 다음 30 분 동안 초당 네 속도 프로파일을 기록합니다.
- 10, 15, 20, 25, 30 (A) 단계를 반복 3.5
참고 : 다른 많은 실험 계획은 온도 변화와 현재의 부드러운 변화를 포함하여, 또한 가능하다. 산소와 수분에 대기 낮은 시간 이상 좋은 신호 품질 실험을 할 수 있습니다. - 실험이 완료되면, 데이터 로깅 중지로 전원을 끄십시오. 전기 연결을 분리하고 노 뚜껑을 제거합니다. 용기를 충전 할 때 사용 된 안전한 전송을위한 동일한 방법을 사용하여, 배터리 용기로부터 용융 금속을 제거한다. 열 허용 용기에 용융 ePbBi를 저장합니다. 글러브 박스에 추가 아르곤을 추가; 그 분위기가 냉각로의 압력이 떨어질 것이다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
(위에서 상세히 설명 된) 사운드의 속도를 측정하기위한 절차는 신호 처리 방법을 사용하여 SA에서 적응시켰다. 원칙적으로, 음속 쉽게 공지 범위에 벽에서 에코의 비행 시간을 측정함으로써 얻을 수있다. 그러나 정확하게 변환기면의 유효 위치를 측정하는 것은 어려운 일이므로, 그 대신 하나의 측정치 사이의 공지 된 거리에 의해 벽을 변위시키는 마이크로 미터를 사용하여, 두 배의 비행 시간을 측정 할 수있다. 즉 변위량 및 비행의 측정 시간의 차이는 서로 음속을 얻었다. 이들 실험에서 음속의 측정에 이용하는 장치는도 4a에 도시된다. ePbBi 사운드 속도의 측정은 그림 (b)에 나타나있다. 측정 된 에코를 보여주는 각각의 곡선은 7.4 초에 걸쳐 98 프로파일에 비해 평균입니다. 각 피크 에코 많은 데이터 포인트를 사용한다 가우시안 곡선 (도시)에 적합하기 때문에 훨씬 더 정확하게 반향 벽을 찾아 단일 최대를 찾는 것보다. 에코 시간을 알고, 그리고 반향 벽 측정 사이에 2.54 mm의 변위 된 것을 알고, 계산 된 사운드 속도가 1,768m 인 원자력 에너지기구 (19)에 의해 허용 값과 잘 일치, 138 ° C에서 1,793m / 초입니다 / 초. 이하의 측정에는, NEA의 음속을 사용 하였다.
전극에서의 전류없이 저장 한 초음파 속도 추적은,도 5a에 도시되어있다. 여기서 좌표 공간 시스템은 전지 용기의 중심에 원점과 플러스 속도 멀리 변환기로부터 흘러 의미하고, 음의 속도는 트랜스 듀서를 향해 유동을 의미하도록 기원의 마이너스 측의 변환기를 갖는다. 하나의 직경에 따라 초음파 측정은 모든 곳에서 우리에게 흐름의 지식을 제공하지 않습니다하지만 그림 5C에 스케치로, 측정, 대류 롤의 모음과 일치한다.
블루, 시간의 그늘에 붉은 색과 음의 속도의 그늘에서 긍정적 인 속도를 표시하여 ve_content은 "> 흐름의 시간적 변화를 전달하는 그림 6a에 도시 정렬의 공간 - 시간 그래프를 만들기 위해, 수직 축에 표시 할 수 있습니다. 여기서도, 전류가 제로이다. 적색 및 청색 영역의 다양한 형상으로부터 명백한 바와 같이, 이러한 흐름은 평균 흐름은도 6b에 도시된다. 무질서하고 불규칙한 난류 대류로부터 예상되는 것과 일치하고, 하나의 표준 편차 또한 표시됩니다.마지막으로,도 7의 (이 경우, 125mA / cm)에 흐르는 전류를 전극과 초음파 속도 측정을 도시한다. 다른 곳에서 더 상세히 설명 된 바와 같이 18, 대류 유동 세포를 조직, 전기적 전류에 의해 생성 된 자기장 라인과 정렬하는 경향이있다. 증가 된 조직은 그림 7A는 그림과 비교하면 알 수있다 도 6a 및 유동이 꾸준 사실은 전류없이보다 작은 시간에 따른 표준 편차에 의해 정량화 될 수있다. 자계의 존재하에 증가 된 조직은 액체 금속 대류 실험 20-22 및 23에서 이론적 예측 종래 관측과 일치한다.
그림 1. 초음파 유속계 개요. (A) 초음파 변환기는 경고음을 생산하고 에코를 수신합니다. 움직이는 입자 (적색) 에코를한다면, 비행 DT의 반향 시간은 입자의 위치를 밝혀, 및 도플러 시프트 DF는 속도의 하나의 구성 요소를 보여준다. 많은 입자가 존재하는 경우, (B), 하나의 트랜스 듀서는 라인을 따라 여러 장소에서 하나의 구성 요소의 속도를 측정 할 수있다. (확장 할 수 없습니다.)TPS : //www.jove.com/files/ftp_upload/52622/52622fig1highres.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 실험 설정. (A)로 어셈블리. 알루미늄 플레이트는 스테인리스 전지 용기를 지원하며 (알루미늄, 스테인레스 스틸보다 훨씬 도체) 균일 한 온도를 유지한다. 전지 용기를 열적 안정성 실리카 세라믹 단열재로 둘러싸여; 추가 실리카 세라믹 절연 화로 전체 어셈블리를 둘러싼 다. 용기의 상부는 또한 양의 전류 집 전체 인 용기에 대한 전기적 접속을하지 않고, 열전대뿐만 아니라 음의 전류 집 전체 (미도시)을 지원 PTFE 뚜껑으로 덮여있다. 여기 기재된 실험을 위해, 노의 전원으로 원하는 경우, 두 개의 저항 히터는 두 개의 추가 설계가 가능하게 각 히터 500 W. 포함한다. (B) 용기의 단면. 용기는 접촉 음의 집 전체를 용융 ePbBi의 얇은 층을 포함한다. 열전대는 또한 ePbBi과의 접촉을합니다. PID 제어기는 시스템 온도를 유지하고, 워크 스테이션은 배터리 전류, 초음파 측정 및 데이터 수집을 제어한다. (C) 글로브 박스 설치. 실험은 아르곤 충전 글러브 박스에서 이루어집니다. 조립 된 퍼니스는 컴퓨터 기반 획득 장치와 히터 컨트롤러와 함께, 중앙의 바로 볼 수있다. 초음파 기기는 위의 선반에 달려있다. (여기에는 변환기가 연결되지 않습니다.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
52622 / 52622fig3.jpg "/>
도 3. 온도 조정. 실험 기간 동안 상부 및 ePbBi 전극의 아래쪽 (A) 온도. 온도 조절은 전류 펄스 (B)의 연속 적용, 전극을 가열에 의해 증명된다. 퍼니스 제어기는 가열 전력 (C)를 조절함으로써 대응했다. 배터리 작동의 일반적인 전류 밀도에서 (400mA / ㎠까지), 온도가 약 3 ℃ 내에서 안정적이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 사운드 속도 측정. () 사운드 속도를 측정하는 데 사용하는 용기 (초음파 포트가 내장 된오른쪽 높은 진폭 에코를 발생시키고 높은 정밀도로 위치 설정 될 수 마이크로 미터 헤드 (왼쪽)에 접함). (B) 측정 된 두 에코 프로필, 가우시안 곡선에 가장 잘 맞는 최소 제곱 각. 가우스의 센터를 사용하여 이동 시간으로 적합하고, 벽 측정 사이 2.54 센티미터 이동 한 것을 알고, 그것은 소리의 속도는 138 ° C에서 1,793m / 초는 것을 알 수있다. 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의.
도 5. 초음파 속도 추적 및 해석. (A) 하나의 추적에서, 변환기의 시선을 따라 (이 경우, 440)는 많은 위치에서 초음파 기기를 측정 속도. 여기서 위치 R은 m은컵의 중심에서 easured, 트랜스 듀서는 왼쪽에 위치하고 있으며, 0 의미 멀리 트랜스 듀서에서 흐름 속도는 u는 <U 반면, 0 의미는 트랜스 듀서를 향해 흐름>가. (B) 거리에 트랜스 듀서 대한 흐름과 지역의 스케치. 이러한 측정과 일치 한 흐름 패턴의 (C) 스케치. 트랜스 듀서는 전극의 하단에 위치하고 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
전류없이 열 대류에 의해 구동되는 액체 금속 전극, 그림 6. 초음파 속도 측정. (A) 레이디 얼 속도 u는 색상으로 표시 속도, 공간과 시간 모두 다릅니다. 여기서 R은 라디에이터입니다알 좌표 t는 시간이다. (B) (검은 색으로 그려진)의 평균 흐름과 (회색) 주위에 하나의 표준 편차는 5도 유사한 기능을 보여줍니다.
색상으로 표시 속도와 대류 열 및 전류 밀도 u는 공간 및 시간 모두에서 변화 125mA / cm. (A) 래디얼 속도로 구동 액체 금속 전극의도 7. 초음파 속도 측정. 여기서 r은 반경 방향 좌표와 t는 시간이다. (B) 그 (회색) 주변의 평균 (검은 색으로 플롯)의 흐름과 하나의 표준 편차가 빠르게 전류 (그림 6)의 부재보다 시간이 덜 변화와 흐름을 보여줍니다. 이의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 figu다시.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
초음파 기술은 투명 또는 불투명 한 액체에 수백 또는 위치의 수천, 초당 여러 번에서 속도 측정을 생성 할 수 있습니다. 액체 금속 전극에인가, 초음파 기술은 높은 온도, 화학적 활성 및 전기 전도성의 문제가 발생. 이러한 문제점을 극복하고 활성화 된 액체 금속 전극의 흐름을 측정하기위한 방법이 설명되었다. 첫째, 동일한 물리학 고온 액체 금속 전지 전극 (550 ° C)에서 작동하지만, 훨씬 낮은 온도 (150 ° C)에 전극 재료 주제는, 온도와 관련된 문제를 완화. 고객의 주문에 따라 만들 수로 및 조정 제어 시스템은 2 ° C의 내 정상 전극 온도를 유지하기 위해 사용되었다. 바람직하지 않은 화학적 활성을 완화하기 위해, 모든 실험은 아르곤 충전 글러브 박스에서 일어날 및 시스템 구성 요소 (주로 스테인레스 스틸)에 대한 화학적으로 비활성 물질을 선택합니다. 최적의 초음파 응답, transd 들어ucers은 액체 금속 시험 유체와 직접 접촉하여 배치되어있다. 그리고 전기 전류는 가치있는 악기가 손상 될 수 있습니다 접지 루프를 방지하기 위해주의 깊게 연결됩니다.
초음파 유속계 액체 금속에 한계가있다. 표준 프로브는 많은 금속의 용융에 사용을 제외하고, 250 ℃ 이상의 온도에 대한 평가되지 않습니다. 데이터를 생성하지 않는 초음파 속도계는 24,25 추적 입자와 같은 광학 기술을 이용 가능한 것과 같은 다양한 설정하고, 여기에 설명 된 종류의 단일 트랜스 듀서 초음파 기술은 속도의 한 성분만을 따라 하나의 라인을 측정한다. 해결할 수없는 (8 MHz의 배출과 150 ° C에서 ePbBi 209 μm의) 초음파의 파장보다 더 작은 특징. 대형 시스템에서 초음파 측정을 위해, 신호 감쇠는 도전이다 8 MHz의 배출량 ePbBi에 어려움이 300mm보다 더 먼 거리에 대한 예상된다. 주파수를 줄이면 감쇠를 감소 시키지만에서해상도에 대응하는 비용을 감소. 시스템 전체의 비행 시간이 크기 때문에 대형 시스템은 또한, 낮은 샘플링 레이트를 요구한다. 그리고 여기에 기술 된 장치 (40)는 이상 전류의 150 ° C를 유지하지 못할 것이다.
본 방법은 실질적으로 앞으로 확장 될 수있다. 전지 셀에 부가 초음파 트랜스 듀서를 통합하면 이상의 위치에서 속도를 측정 및 / 또는 속도의 하나 이상의 성분을 측정 할 수있다. 추가 열전대는 온도의 공간적 변화에 대한 자세한 정보를 제공 할 수있다. 초음파 변환기 및 시험 유체 수율 강한 신호들 사이의 직접 접촉하지만, 탄성 신중한 설계 변환기 열적 또는 화학적 손상에 대한 기회를 감소, 혈관 벽을 통해 초음파를 통과 할 수 있습니다. 변환기 및 시험 유체 사이의 벽은 또한 치료 또는 부작용을 줄이기 위해 조절 될 수있다시험 유체의 산화. 본 방법은 또한 금속 주조 및 산업용 처리와 같은 애플리케이션에 광범위하게 적용될 수있다. 마지막으로, 우리는 그들이 충전 및 방전으로 활성 세 계층 액체 금속 배터리의 속도 측정에 우리의 작업을 확장 할 계획입니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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/ |
References
- Kim, H., et al. Liquid metal batteries: Past, present, and future. Chem. Rev. 113 (3), 2075-2099 (2013).
- Bradwell, D. J., Kim, H., Sirk, A. H. C., Sadoway, D. R. Magnesium-antimony liquid metal battery for stationary energy storage. J. Am. Chem. Soc. 134, 1895-1897 (2012).
- Kim, H., et al. Thermodynamic properties of calcium–bismuth alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta. 60 (0), 154-162 (2012).
- Kim, H., Boysen, D. A., Ouchi, T., Sadoway, D. R. Calcium–bismuth electrodes for large-scale energy storage (liquid metal batteries). J. Power Sources. 241 (0), 239-248 (2013).
- Cairns, E. J., Crouthamel, C. E., Foster, A. K., Foster, M. S., Hesson, J. C. Galvanic cells with fused salts. Technical Report ANL-7316. , Argonne National Laboratory. (1967).
- Cairns, E. J., Shimotake, H. High-temperature batteries. Science. 164 (3886), 1347-1355 (1969).
- Bard, A., Faulkner, L. Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , 2nd edition, Wiley. New York. 2nd edition (2001).
- Takeda, Y. Development of an ultrasound velocity profile monitor. Nucl. Eng. Des. 126 (2), 277-284 (1991).
- Takeda, Y. Velocity profile measurement by ultrasonic Doppler method. Exp. Therm. Fluid Sci. 10 (4), 444-453 (1995).
- Brito, D., Nataf, H. -C., Cardin, P., Aubert, J., Masson, J. -P. Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium. Exp. Fluids. 31, 653-663 (2001).
- Yanagisawa, T., Yamagishi, Y., Takeda, Y. Structure of large-scale flows and their oscillation in the thermal convection of liquid gallium. Phys. Rev. E. 82, 016320 (2010).
- Eckert, S., Gerbeth, G. Velocity measurements in liquid sodium by means of ultrasound Doppler velocimetry. Exp. Fluids. 32 (5), 542-546 (2002).
- Brawn, B. E., Joshi, K., Lathrop, D. P., Mujica, N., Sisan, D. R. Visualizing the invisible: Ultrasound velocimetry in liquid sodium. Chaos. 15, 041104 (2005).
- Takeda, Y., Kikura, H. Flow mapping of the mercury flow. Exp. Fluids. 32 (2), 161-169 (2002).
- Eckert, S., Gerbeth, G., Melnikov, V. I. Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide. Exp. Fluids. 35, 381-388 (2003).
- Ueki, Y., et al. High-temperature ultrasonic Doppler velocimetry for lead-lithium flows. Zero-Carbon Energy Kyoto 2011, Green Energy and Technology. Yao, T. , Springer. Japan. 267-272 (2012).
- Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows. Magnetohydrodynamics. , Springer. Netherlands. 275-294 (2007).
- Kelley, D. H., Sadoway, D. R. Mixing in a liquid metal electrode. Phys. Fluids. 26 (5), (2005).
- NEA. Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials compatibility, thermal-hydraulics, and technologies. , Nuclear Energy Agency. (2007).
- Fauve, S., Laroche, C., Libchaber, A. Effect of a horizontal magnetic field on convective instabilities in mercury. J. Physique Lett. 42 (21), 455-457 (1981).
- Cioni, S., Ciliberto, S., Sommeria, J. Strongly turbulent Rayleigh-Bénard convection in mercury: Comparison with results at moderate Prandtl number. J. Fluid Mech. 335, 111-140 (1997).
- Burr, U., Müller, U. Rayleigh-Bénard convection in liquid metal layers under the influence of a horizontal magnetic field. J. Fluid Mech. 453, 345-369 (1997).
- Bojarevičs, V., Freibergs, Y., Shilova, E. I., Shcherbinin, E. V. Electrically induced vortical flows. , Kluwer Academic Publishers. Dordrecht. (1989).
- Ouellette, N. T., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Am. Exp. Fluids. 40, 301-313 (2006).
- Kelley, D. H., & Ouellette, N. T. Using particle tracking to measure flow instabilities in an undergraduate laboratory experiment. Am. J. Phys. 79, 267-273 (2011).
