Электрохимическое устройство для дозирования кислорода в газовой среде и одновременного контроля кислородосодержания газа на входе и выходе из кислородного насоса
ELECTROCHEMICAL DEVICE FOR OXYGEN DOSING IN GAS MEDIUM AND SIMULTANEOUS CONTROL OF OXYGEN CONTENT OF GAS AT INLET AND OUTLET OF OXYGEN PUMP

Электрохимическое устройство для дозирования кислорода в газовой среде и одновременного контроля кислородосодержания газа на входе и выходе из кислородного насоса
Изобретение относится к области прикладной химии и может быть использовано для очистки газовых смесей от кислорода, а также для обогащения газовых смесей кислородом.
Для этих целей известен электрохимический модуль для твердоэлектролитного кислородного насоса (RU 133653, публ. 20.10.13) [1]. Модуль содержит металлический корпус, в который помещены трубчатый твердый электролит с нанесенными на него анодом и катодом, токоотвод, установленный внутри трубчатого твердого электролита, а также электропроводные гранулы, расположенные между внутренним электродом и токоотводом, которые заполняют все внутреннее пространство корпуса между электролитом и токоотводом. Торцы трубки твердого электролита закрыты сетчатыми заглушками с центральным отверстием, через которые проходят токоотводы, а два противолежащих торца корпуса выполнены в виде сетки.
В данном модуле и трубчатый твердый электролит, и металлический корпус, в который он помещен, не герметичны по отношению к окружающей среде, следовательно, этот модуль требует разделения газового пространства между газовой средой, из которой откачивается кислород и средой, в которую он накачивается. Проблемным является использование электропроводящих гранул, т.к. гранулы из металла или металлизированной керамики в кислородной среде будут окисляться и их проводимость будет падать. Однако основным недостатком данного модуля является то, что в реальном процессе откачки (накачки) кислорода модуль должен быть дополнительно снабжен сенсором, контролирующим кислородосодержание газа на входе в модуль и сенсором для контроля кислородосодержания газа на выходе из модуля.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является электрохимический элемент (RU 2379670, публ. 20.10.2010) [2].
Электрохимический элемент состоит из совместно обожженных слоев и содержит кислородный насос, измерительную ячейку с плоскими твердыми электролитами из стабилизированного диоксида циркония с нанесенными на него внутренним и наружным пористыми платиновыми электродами, слой платинового нагревателя, расположенный между изолирующими слоями, слой, препятствующий диффузии ионов кислорода между твердыми электролитами измерительной ячейки и кислородного насоса.
Кислородный насос данного электрохимического элемента обладает очень малой производительностью и может обеспечить только накачку кислорода в очень малом количестве в объем полости электрохимического элемента, что является необходимым условием работы измерительной ячейки. Иными словами, в данном устройстве работу измерительной ячейки обеспечивает кислородный насос, без которого измерительная ячейка работать не может. Кроме того, измерительная ячейка в конструкции данного устройства может измерять концентрацию кислорода только в окружающей среде, то есть, по сути она представляет собой потенциометрический кислородный сенсор с кислородным насосом. И, наконец, составы твердого электролита, изолирующего слоя и слоя, препятствующего диффузии кислорода между измерительной ячейкой и насосом, выполнены из разных материалов, что усложняет изготовление устройства и делает его ненадежным в части герметизации из-за необходимости сочленения материалов разного состава и коэффициентов линейного расширения.
Задача настоящего изобретения заключается в расширении возможностей устройства, упрощении технологии его изготовления, повышении компактности, надежности работы устройства и надежности герметизации.
Для этого предложено электрохимическое устройство, которое, как и устройство - прототип, содержит измерительную ячейку и кислородный насос, каждый из которых имеет твердый электролит из стабилизированного диоксида циркония с нанесенными на него внутренним и наружным пористыми платиновыми электродами и соответствующими токосъемниками, при этом электролиты измерительной ячейки и кислородного насоса электрически изолированы друг от друга с помощью материала, препятствующего диффузии ионов кислорода между ними. Заявленное устройство отличается тем, что содержит заглушенную с одного конца трубку из твердого электролита, обладающего кислородно-ионной проводимостью, трубка с помощью материала, препятствующего диффузии ионов кислорода между электролитами ячеек и насоса, разделена на последовательно размещенные, электрически изолированные друг от друга, две измерительные ячейки и кислородный насос между ними.
Материал, препятствующий диффузии ионов кислорода между ячейками и насосом, имеет коэффициент линейного расширения, как у твердого электролита.
В отличие от прототипа, имеющего одну измерительную ячейку, электрически изолированную от кислородного насоса, заявленное устройство с последовательно размещенными, электрически изолированными друг от друга двумя измерительными ячейками и кислородным насосом между ними, что позволяет не только производить откачку (накачку) кислорода из газовой смеси, но и обеспечивать при этом контроль за кислородосодержанием газа, как на входе, так и на выходе из кислородного насоса.
Кроме того, в отличие от прототипа, в котором и измерительная ячейка и кислородный насос имеют твердый электролит в виде пластины, в заявленном устройстве, две измерительные ячейки и кислородный насос имеют электролит, полученный разделением объединяющей их твердоэлектролитной трубки, что обеспечивает электрохимическому устройству компактность. Заглушенная с одного конца твердоэлектролитная трубка не требует герметизации от окружающей среды, что упрощает конструкцию и повышает надежность работы устройства. То, что материал, препятствующий диффузии ионов кислорода между ячейками и насосом, имеет коэффициент линейного расширения, как у твердого электролита, также повышает надежность устройства в части герметизации из-за необходимости сочленения материалов разного состава и коэффициентов линейного расширения.
Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в возможности электрохимического устройства не только производить откачку (накачку) кислорода из газовой смеси, но и обеспечивать при этом контроль за кислородосодержанием газа, как на входе, так и на выходе из кислородного насоса при упрощении технологии его изготовления, повышении компактности, а также надежности работы устройства и надежности герметизации.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 - устройство в разрезе.
2
2
3
Предлагаемое устройство содержит трубку 1 из твердого электролита состава 0,9ZrO+0,1YO, обладающего кислородно-ионной проводимостью. С помощью материала 2 трубка разделена на электрически изолированные друг от друга, последовательно размещенные измерительную ячейку 3, кислородный насос 4, измерительную ячейку 5 таким образом, что материал трубки является одинаковым для обеих ячеек и насоса твердым электролитом. При этом материал 2 препятствует диффузии ионов кислорода между электролитами ячеек и насоса, а также выполняет функцию электрического изолятора между измерительными ячейками и насосом.
Помимо электролита измерительная ячейка 3 содержит внутренний электрод 6, наружный эталонный электрод 7, токосъемник 8 с электрода 7, газоподводящую трубку 9, токосъемник 10 с внутреннего электрода 6. Кислородный насос 4 также имеет электролит из трубки 1, внутренний электрод 11, наружный электрод 12, токоподвод 13 к наружному электроду 12, токоподвод 14 к внутреннему электроду 11. Измерительная ячейка 5, как и ячейка 3, имеет электролит из трубки 1, внутренний электрод 15, наружный эталонный электрод 16, токосьемник 17 с внутреннего электрода 15, токосьемник 18 с наружного электрода 16. Твердоэлектролитная трубка 1 соединена с источником постоянного тока - ИТ, измерительная ячейка 3-е потенциометром В1 для снятия потенциала с ячейки 3, измерительная ячейка 5-е потенциометром В2 для снятия потенциала с ячейки 5.
2
2
3
2
3
2
3
2
В качестве материала 2, электрически изолирующего друг от друга электролиты измерительной ячейки и кислородного насоса, препятствующего диффузии ионов кислорода между электролитами ячеек и насоса, имеющего коэффициент линейного расширения, как у твердого электролита состава 0,9ZrO+0,1YO, может быть использован, например, стекло состава: 15%СаО, 35%ВаО, 5%AlO, 10%ВО, 35%SiO.
Электрохимическое устройство находится в рабочем режиме в высокотемпературном поле, которое создается термостатом.
Электрохимическое устройство прогревается в термостате до рабочей температуры 600°C и выше. Через газоподводящую трубку 9 внутрь устройства подается газ, из которого необходимо откачать кислород (или который необходимо насытить кислородом). Газ омывает внутренний электрод 6 измерительной ячейки 3 и далее поступает во внутреннюю полость насоса 4 и измерительной ячейки 5. ЭДС возникающая между внутренним 6 и наружным эталонным электродом 7 измерительной ячейки 3, снимаемая посредством токосьемников 8 и 10 измеряется потенциометром В1. Величина ЭДС будет равна:
где: Е - ЭДС;
R - газовая постоянная;
Т - температура расплава в градусах Кельвина;
F - число Фарадея;
- парциальное давление кислорода в подаваемом в устройство газе;
- парциальное давление кислорода в воздухе, окружающем устройство снаружи и являющимся эталонным газом.
Далее газ поступает в кислородный насос 4. На электроды 11 и 12 насоса через токоподводы 13 и 14 от источника постоянного тока ИТ подается напряжение для откачки или накачки кислорода в поток газа. Накачка кислорода происходит при подаче на внутренний электрод 11 минуса, а откачка при подаче минуса на наружный электрод 12. Откачка или накачка кислорода происходит вследствие того, что при подаче разности потенциалов на электроды через твердый электролит происходит перемещение только ионов кислорода, т.к. этот электролит обладает чисто кислородной проводимостью.
Далее газ поступает в измерительную ячейку 5 и омывает ее внутренний электрод 15. Снимаемое с электродов 15 и 16 через токосъемники 17 и 18 измерительной ячейки 5 значение ЭДС позволяет рассчитать кислородосодержание газа после прохождения им насоса 4. Величина ЭДС регистрируется потенциометром В2. Величина ЭДС второй измерительной ячейки будет равна:
где: Е - ЭДС,
R - газовая постоянная;
Т - температура расплава в градусах Кельвина, К;
F - число Фарадея;
- парциальное давление кислорода в подаваемом в газе после насоса, атм;
- парциальное давление кислорода в воздухе, окружающем устройство снаружи и являющемся эталонным газом, атм.
Таким образом, заявленное электрохимическое устройство позволяет не только производить откачку (накачку) кислорода из газовой смеси, но и обеспечивать при этом контроль за кислородосодержанием газа, как на входе, так и на выходе из кислородного насоса при упрощении технологии его изготовления, повышении компактности, а также надежности работы устройства и надежности герметизации.