УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТРУБЧАТЫХ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к области исследований электрохимических устройств на основе высокотемпературных трубчатых керамических топливных элементов, в том числе и микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).
Важной проблемой, возникающей при массовом производстве высокотемпературных трубчатых керамических топливных элементов, в том числе и микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), является аттестация электрохимических свойств единичных топливных ячеек (ЭДС в режиме разомкнутой цепи, вольтамперные и мощностная характеристики, импедансные характеристики и т.д.) в реальных условиях функционирования ТОТЭ (Т~+600…+1000°С). В настоящее время на рынке научного оборудования как в России, так и за рубежом отсутствуют коммерчески доступные испытательные стенды, которые бы могли быть использованы для решения этой проблемы. Большинство исследователей используют самодельные лабораторные электрохимические ячейки, обладающие некоторыми конструкционными недостатками, в результате которых при нагревании трубчатой топливной ячейки до области высоких температур происходит появление избыточных механических напряжений, приводящих либо к частичному разрушению самого тестируемого топливного элемента, либо к нарушению целостности разделения газовых пространств со стороны анода и катода. Эти причины приводят к невозможности аттестации электрохимических свойств индивидуальных трубчатых ТОТЭ.
Таким образом, для лабораторных испытаний единичных ТОТЭ требуется решение задачи по созданию надежной поддерживающей конструкции, в которой реализована возможность варьирования в широких пределах геометрических параметров исследуемых образцов с сохранением их химической стабильности в условиях высоких температур при сведении к минимуму возможных механических напряжений.
Вышеуказанная задача решается за счет того, что устройство для электрохимического исследования трубчатых керамических топливных элементов, в том числе микротрубчатых твердооксидных топливных элементов, включает трубчатый корпус с фланцами и, размещенные в нем коаксиально, несущую трубчатую основу с секторным вырезом и две газоподводящие трубки. В обоих фланцах выполнены отверстия под токосъемные провода, газоподводящие трубки (для подвода топливного газа) и, соответственно, для подвода и отвода кислородсодержащего агента (кислород/воздух). В одном из упомянутых фланцев может быть выполнено отверстие под термопару. При этом взаимное расположение этих отверстий (за исключением отверстий для газоподводящих трубок) не имеет принципиального значения.
Концы газоподводящих трубок, размещенные внутри корпуса и предназначенные для установки в них исследуемого ТОТЭ, выполнены скошенными и расположены в зоне секторного выреза несущей трубчатой основы. Другие (противолежащие) концы газоподводящих трубок, как правило, выведены наружу корпуса через отверстия в соответствующих фланцах. Причем в одном из фланцев отверстие под газоподводящую трубку предпочтительно выполнено ступенчатым. По меньшей мере, один фланец оснащен резьбовым фиксатором.
Кроме того, один из фланцев предпочтительно выполнен ступенчатой формы, причем меньший его диаметр будет соответствовать внутреннему диаметру трубчатого корпуса, а больший - внешнему.
Фланцы предпочтительно изготавливают из тефлона.
Газоподводящие трубки и трубчатую основу предпочтительно выполняют из газоплотной алундовой керамики.
Трубчатый корпус является защитным кварцевым термореактором.
Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется графическими материалами, где на Фиг. 1 представлен общий вид исследуемых микротрубчатых ТОТЭ, на Фиг. 2 - общий вид устройства в сборе, на Фиг. 3 и Фиг. 4 - левый и правый фланцы, монтируемые по краям трубчатого корпуса, на Фиг. 5 - представлены экспериментальные данные измерений вольтамперных характеристик микротрубки ТОТЭ, состоящего из шести функциональных керамических слоев состава:
NiO-8YSZ(60/40)/NiO-8YSZ(40/60)/8YSZ/GDC/LSM-GDC(40/60)/LSM-GDC(60/40)
2
2
при варьировании концентрации водорода в топливном газе (Ar-Н(5%) и Н) в анодной области.
Устройство (Фиг. 2) является разборным и состоит из простых в изготовлении элементов, не выделяющих токсичные и вредные вещества, при этом в нем отсутствуют расходуемые компоненты. В условиях эксплуатации не происходит химического взаимодействия между элементами конструкции, которое могло бы приводить к необратимым деградационным процессам, искажающим результаты измерений. Несущая трубчатая основа 1 обеспечивает минимизацию механических напряжений, воздействующих на исследуемый образец. Это позволяет без нарушения его механической целостности проводить многократное термоциклирование и тестовые испытания в режимах резкого изменения температуры как на нагрев, так и на охлаждение. Геометрия устройства позволяет варьировать в широких пределах параметры тестируемых микротрубчатых топливных элементов как по длине (от 10 до 500 мм), так и по диаметру (от 1 до 10 мм). Трубчатый ТОТЭ, являющийся объектом исследований, изображен на Фиг. 1. Геометрия устройства позволяет также работать с микротрубчатыми ТОТЭ с искривленной формой по длине трубки. Концы газоподводящих трубок 2, в которые осуществляется фиксация, преимущественно вклеивание, топливного элемента, срезаны под углом. Это обеспечивает герметичную вклейку трубчатого ТОТЭ, а также, при необходимости, удобство вывода токосъемных контактов при его монтаже. Срезанные под углом газоподводящие трубки обеспечивают надежную поддержку и вклейку исследуемого ТОТЭ. Такой сборке (газоподводящие трубки - ТОТЭ) можно дать название «керамическая ячейка». Для сохранения абсолютной механической фиксации всех основных элементов конструкции возможно осуществление точечной фиксации газоподводящих трубок 2 к несущей трубчатой основе 1, например, керамическим клеем. Подбор керамического клея, обладающего термомеханическими свойствами, сопоставимыми с характеристиками топливного элемента, обеспечивает минимизацию механических напряжений при термоциклировании и в случаях резкого изменения температуры - как на нагрев, так и на охлаждение.
«Керамическую ячейку» помещают во внешний защитный трубчатый корпус 5. Корпус 5, изолирует «керамическую ячейку» от теплоизоляционных материалов трубчатой печи, с помощью которой в дальнейшем будет осуществляться разогрев ячейки. Также корпус обеспечивает равномерное распределение тепловых потоков в зоне разогрева.
По краям трубчатого корпуса расположены фланцы 3 и 4, изготовленные из термостойкого материала, например, тефлона, выдерживающего нагрев до 250°С. Во фланцах выполнены отверстия 8 для газоподводящей трубки, отверстие 9 для подводв и отвода кислородсодержащего агента (катодную область), отверстия 7 для токоподводов. В одном из фланцев, при необходимости, выполняют отверстие 10 для термопары.
Конструкция фланцев 3 и 4 обеспечивает коммутацию основных механических компонент устройства, необходимых для измерения электрохимических параметров тестируемого микротрубчатого топливного элемента.
Следует отметить, что фланцы 3 и 4 могут иметь некоторые конструктивные отличия для удобства коммутации и надежной фиксации между собой элементов устройства. Так, один из фланцев (фиг. 3) может иметь ступенчатую конфигурацию. При этом его меньший диаметр будет соответствовать внутреннему диаметру трубчатого корпуса 5, а больший - внешнему, таким образом, создается упор, который препятствует проваливанию фланца 3 в корпус 5 с одной стороны. Напротив, другой фланец (Фиг. 4) является однородным по диаметру, величина которого соответствует внутреннему диаметру трубчатого корпуса 5, при этом в средней области фланца нарезана резьба. Такая конфигурация фланца 4 обеспечивает возможность его свободного прохождения в трубчатый корпус 5 и жесткую фиксацию его в корпусе 5 с помощью гайки 6. Также следует отметить, что отверстие 8 под газоподводящую трубку во фланце выполнено ступенчатым. При этом при затягивании гайки 6 трубчатая основа 1 упирается во внутреннюю ступень отверстия 8. Таким образом, получается комплексное устройство с жесткой фиксацией всех его основных элементов.
Однако, не исключен вариант использования двух одинаковых фланцев с резьбой. В таком случае фиксация будет осуществляться равномерным натяжением гаек с обеих сторон
Эффективность работы полезной модели можно продемонстрировать одним из многочисленных примеров. Для электрохимического тестирования микротрубчатого ТОТЭ, состоящего из шести функциональных керамических слоев состава:
NiO-8YSZ(60/40)/NiO-8YSZ(40/60)/8YSZ/GDC/LSM-GDC(40/60)/LSM-GDC(60/40)
на первом этапе сборки осуществляли коммутацию анода и катода топливного элемента с платиновыми токоподводами. Во внутреннюю часть трубки ТОТЭ (анодное пространство) помещали скрутку из двух платиновых проволочек таким образом, чтобы они образовывали хороший контакт с керметной несущей основой. Для осуществления токосъема с катода топливного элемента на всю внешнюю активную сторону трубки ТОТЭ наматывали платиновую проволоку.
На втором этапе осуществляли процедуру вклейки микротрубчатого ТОТЭ. Для этого помещали исследуемый образец ТОТЭ между соосно направленными скошенными газоподводящими алундовыми трубками таким образом, что концы трубчатого ТОТЭ погружались внутрь этих алундовых трубок. При этом газоподводящие трубки со вставленным в них исследуемым ТОТЭ будут находиться внутри поддерживающей их несущей трубчатой основы, к которой они точечно фиксируются керамическим клеем. Для герметизации мест сочленения использовали керамический клей Ceramabond 885 производства компании Aremco (США).
2
Исследование электрохимических характеристик микротрубчатого ТОТЭ проводили с помощью потенциостата-гальваностата Bio-Logic SP-240 (Франция) со встроенным модулем анализатора частотных характеристик в температурном интервале 800-900°С. В качестве топлива была использована увлажненная смесь Ar-Н, окислителем служил воздух. Измерение вольтамперных характеристик проводили в потенциодинамическом режиме при варьировании потенциала от величины ЭДС разомкнутой цепи до 100 мВ со скоростью 20 мВ/с.
Исследование электрохимических свойств микротрубчатого ТОТЭ с помощью предлагаемого устройства показало, что его конструкция обеспечивает герметичное разделение газовых пространств, о чем свидетельствует величина ЭДС разомкнутой цепи, которая составила около 1 В (фиг. 5). Варьирование концентрации водорода в топливной смеси также показало закономерное увеличение удельной мощности топливной ячейки с повышением концентрации водорода.
Таким образом, предложенная конструкция устройства универсальна, в ней сведены к минимуму возможные механические напряжения за счет поддерживающей конструкции. Также данное устройство позволяет осуществлять исследование электрохимических свойств ТОТЭ трубчатой конструкции при варьировании в широких пределах геометрических параметров исследуемых образцов (как длины, так и диаметра) в широком температурном интервале (до 1000°С). Вместе с тем, конструкция заявленной полезной модели надежна, идентична по физико-химическим свойствам используемых материалов, которые обладают высокой химической стабильностью в условиях высоких температур, что обеспечивает длительный срок ее эксплуатации при решении задач электрохимического тестирования трубчатых ТОТЭ.