Устройство для экспресс-тестирования трубчатых твердооксидных топливных элементов

Полезная модель относится к области высокотемпературных исследований электрохимических устройств на основе трубчатых керамических (твердооксидных) топливных элементов.
При разработке и массовом производстве электрохимических генераторов (ЭХГ) энергии на основе трубчатых, в том числе и микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (далее ТОТЭ) возникает острая необходимость осуществления тестирования электрохимических характеристик производимых партий единичных топливных элементов. Проведение лабораторных испытаний единичных ТОТЭ требует решения комплексной задачи, которая включает в себя:
- раздельный подвод топлива и окислителя в анодное и катодное пространства ТОТЭ, соответственно, а также их вывод из рабочего пространства исследуемого топливного элемента;
- герметизацию газовых магистралей;
- организацию и герметичный вывод токосъемных контактов со стороны анода и катода;
- обеспечение химической и термической устойчивости вспомогательных материалов и технологических узлов к условиям рабочих температур ТОТЭ (600-900°С).
Общепринятым подходом, направленным на решение данной комплексной задачи, является создание специализированных измерительных керамических ячеек, в которых применяются высокотемпературные керамические герметики, обеспечивающие коммутацию исследуемого трубчатого топливного элемента с газоподводящими керамическими трубками. Пример эффективной реализации данного подхода описан в полезной модели RU 2019139965 от 06.12.2019 г.
Однако использование данного подхода требует достаточно продолжительного времени сборки ячейки, что вызвано длительным (более 24 ч) временем отверждения высокотемпературного керамического герметика. Кроме того, имеется еще один существенный недостаток известного технического решения: вклеенные образцы топливных элементов (или полу-элементов) невозможно повторно использовать после измерений, так как извлечь их из измерительной ячейки без разрушения невозможно. В связи с этим, одним из приоритетных условий при тестировании трубчатых ТОТЭ является сохранение целостности исследуемых топливных элементов для возможности их последующего использования в составе ЭХГ.
Техническим результатом предложенной полезной модели является повышение ее эффективности за счет упрощения конструкции, и как следствие, сокращение времени процесса тестирования и сохранение целостности подлежащего тестированию образца ТОТЭ.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для экспресс-тестирования трубчатого твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) включает средство механической поддержки подлежащего тестированию ТОТЭ, средство нагрева, средство электрической коммутации и средство герметичной газовой коммутации подлежащего тестированию ТОТЭ. Причем средство механической поддержки выполнено в виде двух опорных элементов, по меньшей мере, один из которых является подвижным относительно другого в направлении продольной оси устройства. Опорные элементы выполнены со сквозными отверстиями ступенчатой формы, при этом отверстия меньшего диаметра предназначены для размещения и поддержки подлежащего тестированию ТОТЭ, а отверстия большего диаметра предназначены для крепления средства нагрева. В одном из опорных элементов выполнено дополнительное отверстие для подачи кислородсодержащего агента.
Опорные элементы средства механической поддержки могут быть установлены на направляющей, например, рельсе.
Средство герметичной газовой коммутации может быть выполнено в виде штуцеров. При этом каждый штуцер одним концом размещен в сквозном отверстии опорного элемента и предназначен для установки в него, подлежащего тестированию, ТОТЭ. Другой конец каждого из штуцеров предназначен для крепления к нему трубки подвода газового топлива. Для обеспечения герметичности соединения могут быть использованы прокладки, например, из эластичных полимерных уплотнительных материалов.
Также, в качестве средства герметичной газовой коммутации может использоваться гибкая трубка из эластичного полимерного материала. Для обеспечения герметичности, перед началом тестирования, указанная трубка надевается с натягом непосредственно на конец ТОТЭ, подлежащего исследованию.
В качестве средства нагрева используют микропечь.
Предложенное выполнение средства механической поддержки в виде двух опорных элементов, которые (или как минимум один из них) имеют возможность взаимного продольного перемещения, обеспечивает сокращение времени на подготовку единичного ТОТЭ к процессу тестирования, за счет быстроразъемности соединения/сборки.
Выполнение опорных элементов с отверстиями ступенчатой формы в совокупности с их (опорных элементов) взаимной подвижностью обеспечивает помимо сокращения времени подготовки, еще и оптимальное взаимное размещение подлежащего тестированию ТОТЭ и средства нагрева. Т.е. опорные элементы одновременно используются для поддержки, как средства нагрева, так и тестируемого ТОТЭ. За счет такого выполнения и размещения (взаимного расположения) элементов заявленной конструкции, нагрев ТОТЭ осуществляется только в центральной его части, а концы не нагреваются до высоких температур, поэтому тестируемый ТОТЭ не деформируется. Кроме того, поскольку фиксация, подлежащего тестирования образца, не требует использования клея, то обеспечивается сохранение целостности подлежащего тестированию образца, а, следовательно, возможность его последующего использования в ЭХГ.
В одном из опорных элементов выполняется отверстие для подвода кислородсодержащего агента.
Таким образом, повышение эффективности заявленной полезной модели обеспечивается простотой и в то же время универсальностью составляющих ее конструктивных элементов. В результате чего сокращается длительность этапа подготовительных операций и после завершения испытаний сохраняется целостность тестируемого образца для его последующего использования.
Предлагаемое техническое решение направлено на реализацию концепции неразрушающего экспресс-тестирования единичных топливных элементов или батареи топливных элементов, в рамках которой будет обеспечиваться повышение надежности и упрощение методики проведения испытаний, сокращение длительности этапа подготовительных операций и сохранение целостности измеряемого образца после завершения испытаний для его последующего использования. В основе реализации данной концепции лежит способность керамической трубчатой (микротрубчатой) конструкции ТОТЭ выдерживать термомеханические нагрузки без разрушения при наличии градиента температуры в несколько сотен градусов на участке образца небольшой длины (до 30 мм). В этом случае образец трубчатого ТОТЭ можно нагреть в центральной зоне до рабочей температуры 600-900°С, при этом температура краевых областей не будет превышать 200°С, что позволяет заменить высокотемпературный керамический герметик на эластичные полимерные уплотнительные материалы для соединения с газовыми подводами в устройстве экспресс-тестирования единичных топливных элементов или батареи топливных элементов.
Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется графическими материалами, где
на Фиг. 1 представлен общий вид исследуемого трубчатого ТОТЭ,
на Фиг. 2 - схема быстроразъемного узла подключения газа к ТОТЭ,
на Фиг. 3 - изображения устройства неразрушающего экспресс-тестирования трубчатого ТОТЭ в собранном виде,
на Фиг. 4 - изображения устройства неразрушающего экспресс-тестирования трубчатого ТОТЭ, на котором средство нагрева не показано,
на Фиг. 5 - средство нагрева (микропечка).
Заявленное устройство для экспресс-тестирования трубчатого твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) включает средство механической поддержки подлежащего тестированию ТОТЭ, выполненное в виде двух опорных элементов 1, по меньшей мере, один из которых является подвижным относительно другого в направлении продольной оси 2 устройства. Опорные элементы 1 выполнены со сквозными отверстиями 3 ступенчатой формы. При этом отверстия 4 меньшего диаметра предназначены для размещения и поддержки подлежащего тестированию ТОТЭ, а отверстия 5 большего диаметра предназначены для крепления средства 6 нагрева. В одном из опорных элементов выполнено дополнительное отверстие 7 для подачи кислородсодержащего агента. Опорные элементы 1 средства механической поддержки могут быть установлены на направляющей 8, которая, в преимущественном исполнении может быть выполнена в виде рельса. Заявленная конструкция предполагает герметичное соединение тестируемого ТОТЭ с газовой топливной магистралью, с целью исключения утечки водородсодержащего агента. В качестве средства герметичной газовой коммутации могут быть использованы штуцеры 9. При этом один конец 10 каждого штуцера размещен в сквозном отверстии 4 опорного элемента 1 и предназначен для установки в него подлежащего тестированию ТОТЭ 11, а другой конец 12 каждого штуцера предназначен для крепления к нему трубки (на чертеже не показана) подвода газового топлива. Позицией 13 обозначен уплотнительный элемент.
Возможно в качестве средства герметичной газовой коммутации использование трубки подвода газового топлива без использования штуцера 9. Трубка может быть выполнена, например, из эластичного полимерного материала и предназначена для непосредственного надевания на концы подлежащего тестированию ТОТЭ.
В качестве средства 6 нагрева используют микропечь.
Под средством электрической коммутации (на чертеже не показано) понимаются, в частности, токоподводы к тестируемому ТОТЭ, выполненные, например, из платиновой и/или никелевой проволоки.
На первом этапе на внешнюю активную поверхность ТОТЭ (катодное пространство) наматывают проволоку, например, платиновую в виде спирали, а во внутреннюю полость ТОТЭ (анодное пространство) помещают скрутку из, например, никелевой проволоки. Перед началом тестирования, предварительно подготовленный трубчатый ТОТЭ помещают в микропечку и осуществляют электрическую и газовую коммутацию. После чего фиксируют полученную сборку в опорных элементах.
Эффективность работы полезной модели можно продемонстрировать на примере электрохимического тестирования микротрубчатого ТОТЭ следующего состава:
анод NiO-8YSZ(60/40)NiO-8YSZ(40/60)/электролит 8YSZ/катод LSM-GDC(60/40).
2
Для выполнения токосъемных функций при испытании трубчатого ТОТЭ со стороны катода была использована платиновая проволока диаметром 0.3 мм, а с анодной стороны -скрутку из никелевой проволоки диаметром 0.3 мм. Измерение электрохимических характеристик микротрубчатого ТОТЭ проводили при температуре 850°C с помощью потенциостата-гальваностата AutoLabPGSTAT302N с бустером 20 А. В качестве топлива была использована увлажненная смесь Ar-Н, окислителем служил воздух. Измерение вольтамперных характеристик проводили в потенциодинамическом режиме при варьировании напряжения от 900 до 100 мВ со скоростью 20 мВ/с.
По окончании процесса тестирования, производят отключение средств электрической и газовой коммутации, после чего осуществляют быстрый разъем средства механической поддержки, путем раздвигания опорных элементов 1 в противоположные стороны, с последующим удалением из них (из пространства между ними) средства нагрева с помещенным в него тестируемым ТОТЭ, а затем извлекают ТОТЭ из средства нагрева. Извлеченный трубчатый ТОТЭ пригоден для дальнейшего его использования в ЭХГ.
Таким образом, предлагаемая конструкция устройства обеспечивает не только сокращение времени подготовки устройства к процессу тестирования, но и позволяет выполнять электрохимические исследования без последующего разрушения трубчатых ТОТЭ при их демонтаже из заявляемого устройства, обеспечивая целостность исследуемого единичного ТОТЭ и возможность его дальнейшего использования в ЭХГ, что в конечном итоге повышает эффективность заявленной полезной модели.