Твердые оксидные электролиты

Отделение НТЦ «Исток» ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» разрабатывает технологию и производит чувствительные элементы датчиков содержания газов на основе твердых оксидных электролитов.

В твердых растворах оксидов металлов различной валентности ток создается отрицательными ионами кислорода. Эти твердые растворы — ионные кристаллы: в узлах кристаллической решетки которых находятся заряженные ионы. Они образуют две подрешетки — катионную и анионную. Ионы совершают колебательные движения, но перемещаться по кристаллу не могут.

Если к основному веществу добавить другое подобное соединение, в котором анионов меньше, а катионов — столько же, то катионная решетка этого твердого раствора остается прежней, а в анионной появляются свободные места — вакансии. Тогда под действием внешнего напряжения в них начнут переходить анионы с достаточно большой энергией, а вакансии «потекут» в противоположном направлении — к катоду. Возникнет электрический ток, обусловленный движением ионов только одного сорта.

Анионов при комнатной температуре очень мало, по мере нагрева подвижность анионов увеличивается очень быстро, основная их рабочая температура лежит между 700 и 1000оС. Твердые электролиты всегда находятся в атмосфере определенных газов, состав которой меняет их свойства. Ион кислорода в поверхностном слое превращается в нейтральный атом. Два атома соединяются в молекулу кислорода, которая отрывается от поверхности и переходит в газ. Возвращение кислорода из газа в твердое тело происходит в обратном порядке. Обе эти реакции идут одновременно: между электролитом и газом, содержащим определенное количество кислорода, существует динамическое равновесие. Оно нарушается, когда концентрация кислорода в газе меняется. На этом основан принцип работы датчика- пробирка с парой электродов на стенке, снаружи и внутри. Она помещена в нагреватель; внутрь пробирки и в пространство, ее окружающее, можно подводить газ, электроды в разных газах приобретают разные потенциалы. Если, скажем, внутри пробирки находится чистый кислород, а снаружи — газ с неизвестной его концентрацией, то по разности потенциалов электродов можно эту концентрацию определить.Такие датчики позволяют определять состав и более сложных газовых смесей, содержащих углекислый и угарный газы, водород и водяной пар.

Чувствительный элемент для первичного преобразователя ЭХДВ-(Н,Г)

Анализаторы электрохимические содержания водорода в натрии и инертном газе ЭХДВ-(Н,Г) (изготовитель — Протвинский филиал ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» ) предназначены для измерений объемной доли водорода в инертном газе (аргоне) над натрием и изменения массовой доли водорода в натрии второго контура реакторной установки типа БН-800 и работы в составе блоков ЭХДВ-Н(Г) в системе автоматической защиты парогенератора.

Первичным преобразователем ЭХДВ-(Н,Г) является электрохимический датчик, принцип действия которого основан на изменении проводимости твердого электролита на основе диоксида циркония в присутствии водорода в зависимости от его содержания в измеряемой среде. Водород, растворенный в натрии или присутствующий в инертном газе, диффундирует через никелевую мембрану датчика, изменяет активность кислорода в газовой смеси, которая поступает к чувствительному элементу датчика, вызывая изменение его электрических свойств, преобразующееся в выходной сигнал постоянного тока.

Особенностью разрабатываемых чувствительных элементов является использование специальных изоляционных керамических изделий на основе алюмомагнезиальной шпинели с возможностью регулирования коэффициента температурного линейного расширения керамики за счёт содержания оксида магния.

Свойства материала твёрдого электролита (оксид циркония стабилизированный оксадом иттрия):

Свойства материала изолятора (алюмомагнезиальная шпинель):

Метрологические и технические характеристики

Зависимость ЭДС от времени при изменении давления водорода (0,07-0,8) Па

Применение:

• чувствительные элементы для потенциометрических датчиков состава газа;
• кислородные насосы;
• электролизеры;
• топливные элементы.