RU201314U1

RU201314U1 - Device for rapid testing of tubular solid oxide fuel cells

Info

Publication number: RU201314U1
Application number: RU2019145105U
Authority: RU
Inventors: Илья Алексеевич Гвоздков; Николай Викторович Лысков; Александр Владимирович Сивак
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ")
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-12-09

Abstract

Полезная модель относится к области высокотемпературных исследований электрохимических устройств на основе трубчатых керамических (твердооксидных) топливных элементов. 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. 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 установлены на направляющей. Средство герметичной газовой коммутации выполнено в виде штуцеров. В качестве средства герметичной газовой коммутации используется трубка из эластичного материала. В качестве средства нагрева используют микропечь. 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. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.The utility model relates to the field of high-temperature research of electrochemical devices based on tubular ceramic (solid oxide) fuel cells. A device for express testing of a tubular solid oxide fuel cell (SOFC) includes a means for mechanical support of the SOFC to be tested, a heating means, an electrical switching means and a means for hermetically sealed gas switching of the SOFC to be tested. The mechanical support means is made in the form of two supporting elements, at least one of which is movable relative to the other in the direction of the longitudinal axis of the device. The supporting elements are made with stepped through holes, while the holes of the smaller diameter are intended to accommodate and support the SOFC to be tested, and the holes of the larger diameter are intended for fastening the heating means. One of the supporting elements has an additional opening for supplying an oxygen-containing agent. The supporting elements of the mechanical support are mounted on the rail. Means of sealed gas switching are made in the form of fittings. A tube made of elastic material is used as a means of sealed gas switching. A micro-oven is used as a heating means. The technical result of the proposed utility model is to increase its efficiency by simplifying the design and, as a consequence, reducing the time of the testing process and preserving the integrity of the sample to be tested. 4 p.p. f-ly, 5 dwg

Description

Полезная модель относится к области высокотемпературных исследований электрохимических устройств на основе трубчатых керамических (твердооксидных) топливных элементов.The utility model relates to the field of high-temperature research of electrochemical devices based on tubular ceramic (solid oxide) fuel cells.

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:In the development and mass production of electrochemical generators (ECH) of energy based on tubular, including microtubular solid oxide fuel cells (hereinafter SOFC), there is an urgent need to test the electrochemical characteristics of the produced batches of single fuel cells. Laboratory testing of single SOFC requires solving a complex problem, which includes:

- раздельный подвод топлива и окислителя в анодное и катодное пространства ТОТЭ, соответственно, а также их вывод из рабочего пространства исследуемого топливного элемента;- separate supply of fuel and oxidizer to the anode and cathode spaces of the SOFC, respectively, as well as their removal from the working space of the fuel cell under study;

- герметизацию газовых магистралей;- sealing of gas lines;

- организацию и герметичный вывод токосъемных контактов со стороны анода и катода;- organization and sealed output of current collector contacts from the anode and cathode sides;

- обеспечение химической и термической устойчивости вспомогательных материалов и технологических узлов к условиям рабочих температур ТОТЭ (600-900°С).- ensuring the chemical and thermal stability of auxiliary materials and technological units to the operating temperature conditions of the SOFC (600-900 ° C).

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.The generally accepted approach aimed at solving this complex problem is the creation of specialized measuring ceramic cells, in which high-temperature ceramic sealants are used, which ensure the switching of the investigated tubular fuel cell with gas supplying ceramic tubes. An example of the effective implementation of this approach is described in the utility model RU 2019139965 dated 06.12.2019.

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.However, the use of this approach requires a rather long cell assembly time, which is caused by the long (more than 24 h) curing time of the high-temperature ceramic sealant. In addition, there is one more significant drawback of the known technical solution: glued-in samples of fuel cells (or semi-cells) cannot be reused after measurements, since it is impossible to remove them from the measuring cell without destruction. In this regard, one of the priority conditions for testing tubular SOFCs is to preserve the integrity of the fuel cells under study for the possibility of their subsequent use as part of an ECH.

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.The technical result of the proposed utility model is to increase its efficiency by simplifying the design, and as a consequence, reducing the time of the testing process and maintaining the integrity of the SOFC sample to be tested.

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.The claimed technical result is achieved due to the fact that the device for express testing of a tubular solid oxide fuel cell (SOFC) includes means for mechanical support of the SOFC to be tested, heating means, means for electrical switching and means for hermetic gas switching of the SOFC to be tested. Moreover, the mechanical support means is made in the form of two supporting elements, at least one of which is movable relative to the other in the direction of the longitudinal axis of the device. The supporting elements are made with stepped through holes, while the holes of the smaller diameter are intended to accommodate and support the SOFC to be tested, and the holes of the larger diameter are intended for fastening the heating means. One of the supporting elements has an additional opening for supplying an oxygen-containing agent.

Опорные элементы средства механической поддержки могут быть установлены на направляющей, например, рельсе.The supporting members of the mechanical support can be mounted on a guide, for example a rail.

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.Means of sealed gas switching can be made in the form of fittings. In this case, each fitting is located at one end in the through hole of the support element and is intended for installation of the SOFC to be tested into it. The other end of each of the fittings is intended for attaching the gas fuel supply pipe to it. To ensure the tightness of the connection, gaskets, for example, made of elastic polymer sealing materials, can be used.

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.Also, a flexible tube made of an elastic polymer material can be used as a means of sealed gas switching. To ensure tightness, before testing, the specified tube is fitted with an interference fit directly on the end of the SOFC to be examined.

В качестве средства нагрева используют микропечь.A microfurnace is used as a heating medium.

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.The proposed implementation of the mechanical support in the form of two supporting elements, which (or at least one of them) have the possibility of mutual longitudinal movement, provides a reduction in the time for preparing a single SOFC for the testing process, due to the quick disconnect of the connection / assembly.

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.The implementation of the support elements with stepped holes in combination with their (support elements) mutual mobility provides, in addition to reducing the preparation time, also the optimal mutual placement of the SOFC to be tested and the heating means. Those. The support elements are simultaneously used to support both the heating means and the SOFC under test. Due to such a design and arrangement (mutual arrangement) of the elements of the claimed design, the SOFC is heated only in its central part, and the ends are not heated to high temperatures, therefore the tested SOFC is not deformed. In addition, since the fixation of the sample to be tested does not require the use of glue, the integrity of the sample to be tested is preserved, and, therefore, the possibility of its subsequent use in ECH.

В одном из опорных элементов выполняется отверстие для подвода кислородсодержащего агента.In one of the support elements, an opening is made for supplying an oxygen-containing agent.

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.Thus, an increase in the efficiency of the claimed utility model is ensured by the simplicity and, at the same time, the versatility of its constituent structural elements. As a result, the duration of the stage of preparatory operations is reduced and after the completion of the tests the integrity of the tested sample is preserved for its subsequent use.

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.The proposed technical solution is aimed at implementing the concept of non-destructive rapid testing of single fuel cells or a battery of fuel cells, which will improve the reliability and simplify the test procedure, reduce the duration of the preparatory stage and preserve the integrity of the measured sample after completion of tests for its subsequent use. The implementation of this concept is based on the ability of a ceramic tubular (microtubular) SOFC structure to withstand thermomechanical loads without destruction in the presence of a temperature gradient of several hundred degrees over a small sample length (up to 30 mm). In this case, a sample of tubular SOFC can be heated in the central zone to an operating temperature of 600-900 ° C, while the temperature of the edge areas will not exceed 200 ° C, which makes it possible to replace the high-temperature ceramic sealant with elastic polymer sealing materials for connection with gas inlets in the device express testing of single fuel cells or fuel cell stacks.

Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется графическими материалами, гдеThe essence of the claimed utility model is illustrated by graphic materials, where

на Фиг. 1 представлен общий вид исследуемого трубчатого ТОТЭ,in FIG. 1 shows a general view of the investigated tubular SOFC,

на Фиг. 2 - схема быстроразъемного узла подключения газа к ТОТЭ,in FIG. 2 - diagram of a quick-disconnect unit for connecting gas to SOFC,

на Фиг. 3 - изображения устройства неразрушающего экспресс-тестирования трубчатого ТОТЭ в собранном виде,in FIG. 3 - images of a device for non-destructive express testing of tubular SOFC in assembled form,

на Фиг. 4 - изображения устройства неразрушающего экспресс-тестирования трубчатого ТОТЭ, на котором средство нагрева не показано,in FIG. 4 - images of a device for non-destructive express testing of tubular SOFC, where the heating means is not shown,

на Фиг. 5 - средство нагрева (микропечка).in FIG. 5 - heating means (micro-oven).

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.The claimed device for express testing of a tubular solid oxide fuel cell (SOFC) includes a means of mechanical support for the SOFC to be tested, made in the form of two supporting elements 1, at least one of which is movable relative to the other in the direction of the longitudinal axis 2 of the device. The supporting elements 1 are made with stepped through holes 3. In this case, holes 4 of a smaller diameter are intended to accommodate and support the SOFC to be tested, and holes 5 of a larger diameter are intended for fastening the heating means 6. An additional opening 7 is made in one of the support elements for supplying an oxygen-containing agent. The supporting elements 1 of the mechanical support can be mounted on a guide 8, which, in an advantageous design, can be made in the form of a rail. The declared design assumes a hermetic connection of the tested SOFC with a gas fuel line in order to avoid leakage of a hydrogen-containing agent. Fittings 9 can be used as a means of sealed gas switching. In this case, one end 10 of each fitting is placed in the through hole 4 of the support element 1 and is intended for installing the SOFC 11 to be tested in it, and the other end 12 of each fitting is intended for attaching a tube to it (not shown in the drawing) supply of gas fuel. Numeral 13 designates a sealing element.

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.It is possible to use a gas fuel supply tube as a means of sealed gas switching without using a fitting 9. The tube can be made, for example, of an elastic polymer material and is intended to be directly put on the ends of the SOFC to be tested.

В качестве средства 6 нагрева используют микропечь.As the heating means 6, a microfurnace is used.

Под средством электрической коммутации (на чертеже не показано) понимаются, в частности, токоподводы к тестируемому ТОТЭ, выполненные, например, из платиновой и/или никелевой проволоки.Electrical switching means (not shown in the drawing) are understood as, in particular, current leads to the tested SOFC made, for example, of platinum and / or nickel wire.

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.At the first stage, a wire, for example platinum in the form of a spiral, is wound on the outer active surface of the SOFC (cathode space), and a twist made of, for example, nickel wire is placed in the inner SOFC cavity (anode space). Before testing, a previously prepared tubular SOFC is placed in a micro-oven and electrical and gas switching is carried out. After that, the resulting assembly is fixed in the supporting elements.

Эффективность работы полезной модели можно продемонстрировать на примере электрохимического тестирования микротрубчатого ТОТЭ следующего состава:The efficiency of the utility model can be demonstrated by the example of electrochemical testing of microtubular SOFC of the following composition:

анод NiO-8YSZ(60/40)NiO-8YSZ(40/60)/электролит 8YSZ/катод LSM-GDC(60/40).anode NiO-8YSZ (60/40) NiO-8YSZ (40/60) / electrolyte 8YSZ / cathode LSM-GDC (60/40).

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-Н₂, окислителем служил воздух. Измерение вольтамперных характеристик проводили в потенциодинамическом режиме при варьировании напряжения от 900 до 100 мВ со скоростью 20 мВ/с.To perform current collection functions during testing of tubular SOFC, a platinum wire with a diameter of 0.3 mm was used from the cathode side, and a twist of nickel wire with a diameter of 0.3 mm was used on the anode side. Measurement microtubular SOFC electrochemical characteristics was carried out at a temperature of 850 ° C using a potentiostat-galvanostat AutoLabPGSTAT302N with booster 20 A. The fuel used was a mixture of Ar-humidified H _2, oxidant air served. The current-voltage characteristics were measured in the potentiodynamic mode with voltage variation from 900 to 100 mV at a rate of 20 mV / s.

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.At the end of the testing process, the electrical and gas switching means are disconnected, after which a quick connection of the mechanical support means is carried out by pushing the supporting elements 1 in opposite directions, followed by removing from them (from the space between them) the heating means with the tested SOFC placed in it and then the SOFC is removed from the heating means. The extracted tubular SOFC is suitable for its further use in ECH.

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.Thus, the proposed device design provides not only a reduction in the preparation time of the device for the testing process, but also allows performing electrochemical studies without subsequent destruction of tubular SOFCs when they are dismantled from the proposed device, ensuring the integrity of the investigated single SOFC and the possibility of its further use in ECH, which is ultimately increases the efficiency of the claimed utility model.

Claims

1. A device for express testing of a tubular solid oxide fuel cell (SOFC), including a means for mechanical support of the SOFC to be tested, a heating means, an electrical switching means and a means for hermetic gas switching of the SOFC to be tested, and the means of mechanical support is made in the form of two support elements, according to at least one of which is movable relative to the other in the direction of the longitudinal axis of the device, and the supporting elements are made with stepped through holes, while the holes of a smaller diameter are intended to accommodate and support the SOFC to be tested, and the holes of a larger diameter are designed to fasten the heating means, moreover, in one of the support elements an additional opening is made for supplying an oxygen-containing agent.

2. The device according to claim 1, characterized in that the supporting elements of the mechanical support are mounted on the guide.

3. The device according to claim. 1, characterized in that the means of sealed gas switching is made in the form of fittings.

4. A device according to claim 1, characterized in that a tube made of an elastic material is used as a means of sealed gas switching.

5. The device according to claim. 1, characterized in that a microfurnace is used as a heating means.