English

Электрические характеристики трубчатых твердооксидных топливных элементов

И.Г. Лукашенко, В.В. Кулаев, В.Ф. Чухарев

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

Проведены испытания трубчатых ТОТЭ, разработанных во ВНИИТФ. Приведены результаты измерения электрических характеристик как единичных ТОТЭ, так и батарей на их основе при параллельном и последовательном соединении. Общее время испытания составило 160 часов. Мощность ТОТЭ и батарей ТОТЭ в течение первых 60 часов испытания росла, в течение последующих 100 часов оставалась постоянной.

Во ВНИИТФ с 1990 года ведется работа по созданию электрохимических установок на основе ТОТЭ. В соответствии с программой работ в 1996 году
были проведены испытания трубчатых ТОТЭ, изготовленных во ВНИИТФ при научном сопровождении Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН г. Екатеринбург.

Целью данных исследований являлось определение электрических характеристик единичных трубчатых ТОТЭ и батарей ТОТЭ при последовательном
и параллельном их соединениях.

1. Краткая характеристика ТОТЭ

Конструкция — трубчатая; 10 мм, l = 210 мм. Расположение электродов относительно электролита: анод — на наружной поверхности, катод — на внутренней (рис. 1, 2).

Рис. 1. Схема трубчатого ТОТЭ

Токосъем с катода осуществлялся с помощью платиновых токовыводов, выполненных из проволоки марки Пл–1 диаметром 0,3 мм, длиной 25 мм. Токосъем с анода осуществлялся с помощью никелевых токосъемов, выполненных из проволоки марки Нп–2 диаметром 0,2 мм, длиной 60 мм.

Рис. 2.  Схема коммутации воздушного электрода

2. Методика испытаний

Для длительных испытаний ТОТЭ было спроектировано и изготовлено шестиместное технологическое приспособление, позволяющее осуществлять параллельное и последовательное соединение ТОТЭ в батарее.

Испытания проводили в два этапа с промежуточным охлаждением до комнатной температуры с последующим выводом на рабочий режим (рис. 3).

Рис. 3. Временная диаграмма работы элементов

Фактическое время испытания составило 160 часов. Темпы изменения температуры при нагреве и охлаждении не превышали 5 °С/мин. В качестве топлива для ТОТЭ использовался технический водород, в качестве окислителя — воздух.

В ходе испытаний измерялось: напряжение холостого хода (Ux), а также зависимость напряжения на элементах при различных значениях тока в цепи нагрузки как для единичных ТОТЭ, так и для батарей ТОТЭ. По результатам измерения ВАХ рассчитывалась снимаемая электрическая мощность Pmax по формуле

где Uхр — расчетное напряжение холостого хода; r — внутреннее сопротивление ТОТЭ (или батареи ТОТЭ), определяемое как тангенс угла наклона ВАХ:

где I, U — текущие значения тока и напряжения.

Типичная ВАХ испытанных ТОТЭ приведена на рис. 6. Величина напряжения холостого хода определялась экспериментально при разомкнутой цепи нагрузки (Uхэ) и расчетным путем, при допущении линейности ВАХ. По данным эксперимента можно заключить, что ВАХ испытанных ТОТЭ близка к линейной в диапазоне токов от 0 до половины тока короткого замыкания (Iк.з). При расчетах электрических характеристик ТОТЭ, таких, как Uхр, r, Px, предполагалось, что ВАХ всех испытываемых ТОТЭ линейна во всем диапазоне токов от 0 до Iк.з.

3. Результаты измерений и их обсуждение

Результаты измерения электрических характеристик единичных ТОТЭ и батарей ТОТЭ представлены в таблице и на рис. 4—6.

Максимальная мощность единичных ТОТЭ и батарей ТОТЭ


элемента
Максимальная мощность, Вт Плотность мощности, мВт/см2 Плотность тока,    мА/см2
2 3,1 61,4 135,6
3 2,8 56,0 122,9
4 2,4 47,8 104,8
5 2,1 42,0 92,6
6 1,5 30,8 78,6
2, 3
 (послед.)
5,8 57,7 63,7
4, 5, 6 (парал.) 6,1 40,6 89,7

 

Величины расчетного напряжения холостого хода (Uхр), полученные экстраполяцией ВАХ на ось напряжений, лежали в пределах 0,86—0,95 В при фактической величине 0,88—0,93 В. Среднее отклонение расчетных значений Uхр от измеренных значений Uхэ составило ±0,02 В. Полученные значения близки к средней величине ЭДС водородно–воздушного элемента, которая при температуре 950 °С составляет ~0,93 В [1].

Рис. 4. Зависимость максимальной мощности ТОТЭ номер 2, 3 и батареи ТОТЭ (последовательное соединение) от времени их работы:
● — батарея ТОТЭ;  ■ — ТОТЭ № 2;  ▲ — ТОТЭ № 3

Рис. 5. Зависимость максимальной мощности ТОТЭ номер 4, 5, 6 и батареи ТОТЭ (параллельное соединение) от времени их работы:

Рис. 6. Вольт–амперная характеристика и зависимость мощности от тока элемента № 2 (время испытания 160 часов, температура 960 °С)

ВАХ всех ТОТЭ в пределах измерений были близки к линейным.

Электрические характеристики как единичных ТОТЭ, так и батарей ТОТЭ были стабильны во времени и не ухудшились в течение 160 часов испытаний. Отмечен значительный рост (до 36 %) снимаемой мощности в течение первых 60 часов испытаний, в дальнейшем характеристики стабилизировались и их изменения в оставшиеся 100 часов не наблюдалось. Колебания измеряемой мощности связаны в основном с колебаниями температуры электрохимической зоны.

Относительно невысокие удельные характеристики элементов связаны с недостаточной электропроводностью материалов электродов (sLaSrMnO3 = 45—65 См/см, sNi–кермета = 100—120 См/см) и большой толщиной электролита (~550 мкм), а также потерями мощности на коммутирующих элементах.

4. Выводы

Определены выходные характеристики трубчатых ТОТЭ при длительной работе (до 160 часов). Отмечено, что электрическая мощность элементов со временем возрастает на ~30 %

Относительно невысокие удельные характеристики элементов и батареи связаны с потерями мощности на коммутирующих элементах и с недостаточной электропроводностью материалов электродов и большой толщиной электролита.

Результаты проведенных испытаний позволяют приступить к следующему этапу работ — изготовлению и ресурсным испытаниям батареи ТОТЭ для макетного образца автономного источника питания.

Ссылка

1.  Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. — М. Энергоатомиздат, 1991. — 264 с.

Работа впервые опубликована на XI конференция по физической химии и электрохимии расплавленных и твердых электролитов. г. Екатеринбург, 1998.