English

Исследование распределения электрических характеристик
по длине трубчатого твердооксидного топливного элемента

В.Ф. Чухарев, В.В. Кулаев, А.Д. Закутнев, И.Г. Лукашенко

Российский федеральный ядерный центр —
ВНИИ технической физики имени академика Е.И. Забабахина, г. Снежинск

При исследовании трубчатых ТОТЭ представляет интерес изучение равномерности распределения электрических характеристик, таких, как ЭДС, внутреннее сопротивление и поляризационные потери, по длине ТОТЭ. Наличие градиента свойств по длине ТОТЭ может привести к работе некоторых участков ТОТЭ на нисходящей ветви зависимости мощности от тока, что может отрицательно сказаться на работоспособности элемента. В данной работе были проведены исследования распределения электрических характеристик по длине ТОТЭ на элементе, в котором катод разделен на три участка, имеющих примерно одинаковую площадь рабочей поверхности. Было обнаружено, что внутреннее сопротивление и поляризационные потери минимальны в нижней трети элемента и максимальны в верхней его трети. Предполагаемой причиной неравномерного распределения характеристик является проникновение воздуха в анодное пространство при работе ТОТЭ.

Результаты исследований по разработке конструкции трубчатого ТОТЭ с катодом на наружной поверхности и засыпным анодным токосъемом и последующие измерения его электрических характеристик показали, что такая конструкция ТОТЭ обеспечивает высокую удельную мощность Руд = (100—150) мВт/см2. Однако приведенная величина является усредненной. В процессе работы ТОТЭ распределение снимаемой электрической мощности по длине может быть неравномерным, что обусловлено градиентом свойств (ЭДС, внутреннее сопротивление, поляризационные потери), а также изменением парциального давления топлива в анодном пространстве ТОТЭ. Это может приводить к работе некоторых участков ТОТЭ на нисходящей ветви зависимости мощности от тока, что может отрицательно сказаться на работе электродов.

Целью данной работы являлось исследование распределения электрических характеристик по длине трубчатого ТОТЭ с анодом на внутренней поверхности.

1. Методика эксперимента

Для проведения работ использовался ТОТЭ (рис. 1), в котором катод разделен на три участка, имеющих примерно одинаковую площадь рабочей поверхности. Токосъем с каждого участка катода осуществлялся при помощи четырех колец из платиновой проволоки. По аноду разбиение на участки не производилось, токосъем осуществлялся с помощью засыпки из гранулированного никель—кермета состава 80 % Ni + 20 % YSZ. В процессе экспериментов измерялись электрохимические характеристики каждого участка ТОТЭ: вольт–амперные характеристики, напряжение разомкнутой цепи, поляризационные потери, по которым рассчитывалось внутреннее сопротивление и максимальная мощность, строилась кривая мощности от тока. Температура измерялась на всех участках ТОТЭ. В качестве окислителя использовался воздух, в качестве топлива — водород, увлажненный при 20 ° С.

Во время разогрева ТОТЭ до рабочей температуры 950 ° С в анодное пространство подавался аргон с расходом 8 л/ч. При температуре 950 ° С аргон был замещен водородом с расходом 6 л/ч. В катодное пространство воздух подавался на протяжении всего эксперимента с расходом 100—120 л/ч. Скорость нагрева не превышала 300 ° С/ч.

Рис. 1. Схема сборки трехсекционного ТОТЭ

2. Результаты экспериментов

Установлено (табл. 1, рис. 2), что внутреннее сопротивление ТОТЭ и поляризационные потери минимальны в зоне дна и максимальны в зоне выхода топливного газа. Изменение температуры и расхода топлива в исследованном диапазоне не оказали влияния на характер распределения свойств. Градиент свойств приводит к несогласованной работе различных участков ТОТЭ и, как следствие, может привести к снижению электрических характеристик в процессе работы топливного элемента.

Таблица 1

Результаты испытаний ТОТЭ (эксперимент 1)


секции
Т, ° С Расход водорода, л/ч Напряжение разомкнутой цепи, В Максимальная мощность, Вт Внутреннее сопротивление, Ом Поляризационные потери,
В
1 950 6 1,053 2,76 0,075 0,149
950 6 1,058 2,61 0,086 0,147
15 1,058 2,61
2 944 6 1,055 2,16 0,093 0,177
950 6 1,058 2,16 0,095 0,169
15 1,058 2,16
3 920 6 1,057 1,72 0,110 0,199
950 6 1,056 1,70 0,113 0,179
15 1,058 1,75

Причинами возникновения градиента свойств могут являться:

Для определения доминирующего фактора был проведен эксперимент 2 по определению характеристик ТОТЭ с измененной схемой подачи водорода. С этой целью был использован ТОТЭ, аналогичный, испытывавшемуся в первом опыте. У изготовленного ТОТЭ отрезалось дно, а противоположная сторона герметизировалась заглушкой из YSZ путем пайки высокотемпературным герметиком. Таким образом, направление потока топлива в ТОТЭ в эксперименте 2 изменено на 180° по сравнению с экспериментом 1. Отличие методики испытаний заключалось в том, что при нагреве до рабочей температуры и в рабочем режиме использовался повышенный расход водорода (15 л/ч) с целью увеличения давления газов в анодном пространстве (табл. 2, рис. 3).

Рис. 2. Вольт–амперные характеристики и зависимости мощности от тока ТОТЭ (эксперимент 1):
опыт 1 — расход водорода 6 л/ч, температура нижней, средней и верхней секций 950, 944 и 920 ° С соответственно;
опыт 2 — расход водорода 6 л/ч, температура нижней, средней и верхней секций 950 ° С;
опыт 3 — расход водорода 15 л/ч, температура нижней, средней и верхней секций 950 ° С.

Таблица 2

Результаты испытаний ТОТЭ (эксперимент 2)

№ секции Т, ° С Расход H2 , л/час Напряжение холостого хода, В Максимальная мощность, Вт Внутреннее сопротивление, Ом Поляризационные потери, В
1 953 15 1,070 3,03 0,071 0,134
2 950 15 1,070 3,04 0,071 0,132
3 950 15 1,071 2,66 0,084 0,130

Рис. 3. Вольт–амперные характеристики и зависимость мощности от тока ТОТЭ (эксперимент 2)

Анализ данных, представленных в табл. 1 и 2, показал, что и при изменении схемы подачи водорода характер распределения характеристик ТОТЭ не изменился. По–прежнему внутреннее сопротивление минимально в зоне дна и максимально в зоне выхода водорода. По–видимому, неравномерное распределение характеристик по длине ТОТЭ в большей степени связано с особенностями распределения топлива в анодном пространстве для данной конструкции ТОТЭ и в меньшей степени — с технологическим фактором. Подтверждением этого предположения служит и то, что после разборки у ТОТЭ наблюдалось растрескивание и частичное отслоение анода в верхней части секций 3. Это связано с проникновением воздуха из катодного пространства в анодное и, предположительно, является основной причиной увеличения внутреннего сопротивления верхней зоны ТОТЭ. Для проверки этого предположения у ТОТЭ, испытывавшегося в эксперименте 1, была отрезана верхняя треть, на которой произошло отслоение анода. Топливный элемент с отрезанной верхней третью был испытан с выводом на режим по той же методике. По окончании испытания, после разборки было вновь обнаружено отслоение и растрескивание анода в верхней части ТОТЭ.

3. Выводы

Экспериментальным путем установлено:

  1. Электрические характеристики распределены неравномерно по длине трубчатого ТОТЭ с анодом на внутренней поверхности — внутреннее сопротивление и поляризационные потери минимальны в зоне дна и максимальны в зоне выхода водорода.
  2. причиной возникновения градиента характеристик может быть проникновение воздуха из катодного пространства в анодное при работе ТОТЭ, поскольку эти пространства в зоне выхода водорода не изолированы друг от друга.
  3. при проектировании электрохимических установок на основе ТОТЭ необходимо предусмотреть конструктивное разделение топливного и окислительного пространств в зоне выхода газов для предотвращения проникновения воздуха в анодное пространство ТОТЭ.