Устройство для изготовления модулей батарей трубчатых твердооксидных топливных элементов

Полезная модель относится к области высокотемпературной обработки изделий и может быть использована при изготовлении модулей батарей на основе трубчатых керамических (твердооксидных) топливных элементов.
Одной из важных задач, возникающих при изготовлении модуля батареи на основе трубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), является соосная вклейка трубчатых элементов в несущие основы, имеющие параллельное расположение с их центрированием на одной вертикальной оси. При этом сам процесс вклейки осуществляется в условиях высоких температур (Т~1000°С), когда формируется жесткая фиксация элементов такого изделия. К числу основных факторов, осложняющих процессы синхронной вклейки большого количества трубчатых изделий и их последующей фиксации, следует отнести неидеальность формы единичных трубчатых элементов (в особенности изгиб относительно центральной оси) и некоторый разброс их размеров относительно друг друга. Следует отметить, что для трубных досок, предназначенных для размещения трубчатых ТОТЭ, предъявляются достаточно жесткие требования по соосности, поскольку впоследствии вся сборка должна помещаться в цилиндрический реактор, имеющий ограниченные допуски по размерам. Таким образом, вышеизложенное приводит к выводу, что наиболее благоприятными условиями изготовления модуля батареи на основе трубчатых ТОТЭ является реализация данного процесса в режиме одного технологического цикла высокотемпературной обработки. Важным моментом, который хотелось бы отметить, является то, что данная полезная модель, предназначенная для решения описанной выше проблемы, предлагается впервые и аналогов и прототипов по известным нам источникам не имеет.
Задачей полезной модели является обеспечение эффективности изготовления модулей батарей трубчатых твердооксидных топливных элементов.
Поставленная задача решается устройством для изготовления модулей батарей трубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), изготовленным из керамики или жаропрочных сплавов, состоящим из четырех центрирующих направляющих, двух внешних опорных трубок, опорной стенки, нижней и верхней опорных пластин, снабженных отверстиями для размещения центрирующих направляющих, при этом две внешние опорные трубки имеют одинаковую с опорной стенкой высоту и размещены на передних центрирующих направляющих, высота опорной стенки определяется исходя из разности между длиной трубчатого топливного элемента и суммы толщин верхней опорной пластины и трубной доски модуля топливного элемента, нижняя и верхняя опорные пластины снабжены специальными пазами, размер которых соответствует размеру трубных досок модуля топливного элемента, обеспечивающими их точное размещение друг относительно друга на одной вертикальной оси в параллельных плоскостях на заданном расстоянии друг от друга, при этом толщина нижней и верхней опорных пластин выбрана в пределах 5-25 мм, а опорная стенка расположена на расстоянии не менее 2/3 длины опорных пластин от внешних опорных трубок.
Устройство может быть выполнено разборным.
В устройстве в качестве керамики или жаропрочных сплавов выбраны материалы, обладающие схожим с модулем батарей трубчатых ТОТЭ термомеханическим поведением.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность соосной вклейки трубчатых керамических топливных ячеек в трубные доски, центрированные на одной вертикальной оси и располагающиеся параллельно, в режиме одного технологического цикла высокотемпературной обработки за счет использования специальной поддерживающей конструкции, которая нивелирует возможные механические напряжения, вызванные возможным отклонением геометрических параметров образцов трубчатых ТОТЭ друг относительно друга.
Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется графическими материалами, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства в сборе для соосной вклейки нескольких трубчатых ТОТЭ в трубные доски, основными составляющими элементами которого являются: (1) - центрирующие направляющие (4 шт.); (2) - внешние опорные трубки (2 шт.); (3) - опорная стенка (1 шт.); (4) - нижняя опорная пластина (1 шт.); (5) - верхняя опорная пластина (1 шт.); на фиг. 2 - пример модуля батареи трубчатых твердооксидных топливных элементов, состоящий из двух трубных досок (7) с четырьмя трубчатыми ТОТЭ (2).
Вышеуказанное достигается за счет того, что составные компоненты устройства, изготовленные из керамики (например, алундовой или циркониевой) или жаропрочных сплавов (например, хромистых сталей), образуют устойчивую монолитную конструкцию, которая обеспечивает необходимую соосную механическую поддержку трубных досок, располагающихся в параллельных плоскостях на заданном расстоянии друг от друга (фиг. 2(7)), и размещаемых в них трубчатых ТОТЭ (фиг. 2(2)). Устройство, изготовленное из керамических или жаропрочных материалов, не будет окисляться при высокотемпературном нагреве на воздухе, т.е. в условиях высоких температур обеспечивается необходимая химическая стабильность. Оно является разборным и состоящим из элементов, не выделяющих токсичные и вредные вещества, при этом в нем отсутствуют расходуемые компоненты. Кроме того, в качестве керамики или жаропрочных сплавов выбраны материалы, обладающие схожим с модулем батарей трубчатых ТОТЭ термомеханическим поведением. Для жесткой фиксации нижней (фиг. 1(4)) и верхней (фиг. 1(5)) опорных пластин, снабженных отверстиями для размещения центрирующих направляющих, предусмотрены опорная стенка (фиг. 1(5)), выполняющая также функцию противовеса, а также центрирующие направляющие (фиг. 1(7)), располагающиеся по углам опорных пластин. Высота опорной стенки определяется исходя из разности между длиной трубчатого топливного элемента и суммы толщин верхней опорной пластины и трубной доски. Кроме того, для выравнивания в параллельных плоскостях нижней и верхней опорных пластин предусмотрены две внешние опорные трубки (фиг. 1(2)), имеющие одинаковую с опорной стенкой высоту и одеваемые на передние центрирующие направляющие. Для центрирования трубных досок в нижней (фиг. 1(4)) и верхней (фиг. 1(5)) опорных пластинах предусмотрен специальный паз, обеспечивающий их точное размещение друг относительно друга. Свободное пространство, образуемое между опорной стенкой и передними центрирующими направляющими, расположенными на расстоянии не менее 2/3 длины опорных пластин от внешних опорных трубок, позволяет устанавливать единичные трубчатые ТОТЭ в соответствующие соосные пазы нижней и верхней трубных досок, а также осуществлять нанесение стеклокерамических клеевых составов для герметизации в места соприкосновения трубчатых ТОТЭ как со стороны нижней, так и верхней трубных досок.
После сборки устройства, размещения в нем трубных досок с трубчатыми ТОТЭ и нанесения стеклокерамического клея на герметизируемые участки вся конструкция переносится в муфельную печь, в которой осуществляется ее термическая обработка в режиме, соответствующем условиям применения стеклокерамического клея. Важно отметить, что соосная вклейка трубчатых керамических топливных ячеек в трубные доски осуществляется в режиме одного технологического цикла высокотемпературной обработки. В качестве примера режима термической обработки стеклокерамического клея можно привести данные для стеклокерамического клея Schott GO 18-265 (Германия): нагрев со скоростью 10°/мин до 930°С, выдержка при 930°С в течение 30 мин, охлаждение со скоростью 57 мин до 25°С. По окончании режима термообработки конструкция вынимается из печи, после чего из устройства вынимается склеенный моль батареи ТОТЭ, состоящий из двух параллельных трубных досок, между которыми располагаются герметично вклеенные трубчатые ТОТЭ (Фиг. 2).
Отличительной особенностью предложенной конструкции является универсальность, что позволяет легко ее адаптировать под синхронную вклейку трубчатых ТОТЭ в трубные доски, имеющие различные типоразмеры (диаметры), за счет использования специальных вставок, размещаемых в пазовом пространстве нижней и верхней опорных пластин. Кроме того, варьирование высоты опорной стенки и внешних опорных трубок позволяет адаптировать устройство под требуемую длину трубчатых ТОТЭ, а также работать с трубчатыми ТОТЭ, обладающими искривлениями по длине. Таким образом, конструкция заявленного устройства надежна, универсальна, и химически стабильна в условиях высоких температур.