Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии диагностирования функционального состояния электрохимических устройств (химических источников тока, генераторов водорода, сенсоров) на основе методов флуктуационно-шумового анализа.

Номер контракта: 14.604.21.0087

Руководитель: Графов Борис Михайлович

Должность: советник Российской академии наук

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
фликкер-шумовая спектроскопия, перемежаемость, факторы нестационарности, тестирование и характеризация наноматериалов, электрохимическая шумовая диагностика.

Цель проекта:
Существующие методы анализа батарей не дают нужной однозначной информации об их состоянии, т.к. невозможно разобрать элемент и исследовать функционирование его частей отдельно, поскольку современные ХИТ используют в качестве электродов наноструктуры, т.е. отдельные «части» устройства соединены на наноуровне. Поэтому так нужна разработка неразрушающих методов контроля состояния наноструктурированных электродов ХИТ и других электрохимических устройств. Соотвественно основной идеей Проекта является разработка методов контроля качества электрохимических систем и приборов, стандартизация и тестирование элементов в процессе работы/хранения - на основе анализа и соответствующей параметризации электрохимического шума электродов этих устройств. Конкретной целью Проекта является разработка технологии диагностирования функционального состояния электрохимических устройств (химических источников тока, генераторов водорода, сенсоров) на основе методов флуктуационно-шумового анализа и создание экспериментального образца измерительного приборного комплекса для обеспечения ускоренного развития в стране таких перспективных отраслей, как разработка и выпуск электрохимических устройств, использующих наноструктурированные и композитные электроды Кроме того в Проекте предусмотрена разработка методики флуктуационно-шумового анализа, принципов конструирования аппаратуры нового поколения для регистрации электрохимического шума. Также проводятся работы по исследованию других возможных способов определения степени деградации электродов химических источников тока.

Основные планируемые результаты проекта:
Основным результатом Проекта должна быть разработка конкретных методик оценки состояния электродов топливных элементов, и прогнозирования их остаточного срока службы с помощью анализа генерируемого ими электрохимического шума.
Методы анализа предполагают применение к этой задаче и дальнейшую разработку теоретических методов:
- Метод определения параметров электрохимических систем с помощью анализа шумового электрохимического импеданса (метод ШЭИ)
- Метод анализа изменений (эволюции) параметров наноструктур во времени на основе анализа фликкер-шума – метод фликкер-шумовой спектроскопии (ФШС)
а также разработка аппаратной реализации измерения слабых шумовых сигналов на фоне большой ЭДС источников тока на основе собственных теоретических разработок и принципиально новых схемных решений.
Разрабатываемая аппаратура должна позволять запись электрохимического шума электродов с амплитудой ~1 мВ на фоне постоянной ЭДС не менее 1 В (а в перспективе – не менее 4-х вольт) и дрейфа величины ЭДС до 50 мВ.
Также измерительная аппаратура не должна вносить собственного коррелированного шума в пределах частотного диапазона 10-6….1 Гц
Доступная сегодня серийная аппаратура не удовлетворяет этим требованиям.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения Проекта должны быть разработаны
1. Методики анализа фликкер-шума наноструктурных электродов электрохимических систем
2. Компактная электронная аппаратура, позволяющая проводить измерения шума ХИТ, и ПО для экспресс-анализа полученных корреляционных спектров электрохимического шума.
Сегодня в мире ведутся аналогичные работы, но законченных разработок в конкретной области просто не существует. Таким образом выполнение Проекта может обеспечить российской продукции (временное) лидерство в данной области.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основной областью применения конкретных результатов Проекта является водородная энергетика. Методика, ПО и приборы для анализа электрохимического шума каталитических электродов, которые должны быть разработаны в результате выполнения Проекта, предназначены в первую очередь для постоянного или периодического мониторинга состояния как батарей топливных элементов, так и отдельных ячеек, с заблаговременным выявлением элементов, вероятность отказа которых высока, или ресурс которых близок к пределу. Таким образом, будет резко повышена надёжность всего энергетического комплекса, включающего топливные элементы как основной источник энергии. Вследствие появления подобных средств контроля топливные элементы окажутся более привлекательными для использования, особенно в качестве резервных источников, и, таким образом, внедрение водородной энергетики получит дополнительный импульс.

Однако значимость результатов выполнения Проекта намного шире его конкретной задачи. Развитие методов флуктуационно-шумового анализа, выход их в техническую практику, означает развитие всего научно-технического направления исследования шумов, а также новые результаты окажутся весьма ценными для развития нелинейной динамики и теории стохастических процессов. В будущем это может привести к появлению совершенно новых практических применений этого относительно молодого научного направления.

В области международного сотрудничества решающим является то, что сегодня это направление начало развиваться в РФ немного раньше, чем за рубежом, и, таким образом, сегодня важно удержать возникшее лидерство.

Текущие результаты проекта:
1. Разработана и проверена лабораторная методика измерения шумовых сигналов экспериментальных образцов электродов, т.е. как специальных модельных объектов, так и коммерческих каталитических электродов.
2. Разработана принципиально новая аппаратура для регистрации электрохимических шумов – т.е. шума наноструктурированных электродов в диапазоне инфранизких частот, до 10-4 Гц, на фоне значительного дрейфа и большого постоянного смещения.
3. По разработанной методике проведены измерения шумовых сигналов, в 2-х и 3-х электродных системах, моделирующих электрохимические устройства
4. Разработаны две методики анализа измеренных шумовых сигналов, с помощью спектроскопии шумового электрохимического импеданса, и с помощью фликкер-шумовой спектроскопии. Обнаружены значимые отличия спектральных характеристик шума новых электродов и после нескольких циклов ускоренной электрохимической деградации.
5. Также продемонстрировано значительное преимущество разработанной аппаратуры по сравнению с коммерческой (конкретно тестировалась аппаратура измерения электрохимических шумов Autolab)