Анисин А. В., Горелов А. М., Давыдов А. И., Давыдов И. А.,Кожухарь Н. Г., Кондрашенко А. В., Сметанин Л. Н.
Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики.
85
Начиная с 1991 года в РФЯЦ-ВНИИЭФ проводятся работы по созданию батареи топливных элементов (БТЭ) для энергетических установок (ЭУ) мощностью ~1 кВт на основе планарных расплав-карбонатных топливных элементов.
Конструктивно планарный РКТЭ представляет собой слоистую структуру, состоящую из пластины пористого никеля (анода), матрично-электро-литной пластины (МЭП), пластины пористой окиси никеля (катода) (рис. 1). Указанные компоненты электрохимической группы располагаются между двумя газораспределительными пластинами сложного профиля (сепараторами), которые служат для подвода топлива и окислителя к зонам электрохимической реакции, для токосъема и являются несущим элементом всей конструкции РКТЭ. Такая конструкция, называемая планарной, является традиционной для отечественных и зарубежных разработчиков РКТЭ.
Для разработки полномасштабной батареи пла-нарных топливных элементов для коммерческих электрохимических генераторов киловаттного класса мощности требуется решение следующих задач: 1) разработка технологии производства матричной электролитной пластины, устойчивой к растрескиванию при циклах «запуск - остановка», обладающей высокой удерживающей способностью и газоплотностью на протяжении ~4000 часов;
2) разработка коррозионностойких сепараторов, имеющих высокоточную геометрию для обеспечения надежного контакта с электродами и исключающих местные «пережатия» электродов;
3) обеспечение надежной герметичности по периметру сепараторов с одновременным отсутствием проводимости между ними;
4) оптимизация соотношения пористости катода и анода с учетом их смачиваемости;
5) повышение устойчивости анодов к спеканию и ползучести;
6) уменьшение растворимости катодов;
7) снижение поляризационных потерь в электродах;
8) обеспечение подпитки батареи топливных элементов электролитом в период эксплуатации энергоустановки;
9) оптимизация режима технологического запуска полномасштабной батареи топливных элементов, для обеспечения выжига органической связки из матричной электролитной пластины и удаления продуктов разложения органической связки. Решение большинства перечисленных задач требует продолжительных и материалоемких физико-химических исследований.
Нами предлагается к разработке конструктивная схема топливного элемента с расплав- карбонатным электролитом на основе трубчатых электродов. Общий вид конструктивной схемы показан на рис. 2.
Рис. 1. Планарный топливный элемент.
Анисин А. В., Горелов А. М., Давыдов А. И., Давыдов И. А.,Кожухарь Н. Г., Кондрашенко А. В., Сметанин Л. Н. Батарея топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом на основе трубчатых газодиффузионных электродов.
4) Оптимизация распределения электролита между электродами, так же как и в планарном элементе, достигается экспериментально-расчетным путем.
5) Спекаемость в трубчатой схеме предотвращается, так же как и в плоском элементе, введением в материал анода добавок хрома или алюминия. В трубчатой схеме эффект ползучести анода отсутствует, так как отсутствует сжатие анода другими конструктивными элементами.
6) Растворимость катода предотвращается, так же как в планарном элементе, легированием катодного материала и подбором альтернативных катодных материалов.
7) В трубчатой схеме возможно снижение поляризационных потерь путем побора оптимального соотношения суммарной рабочей поверхности анодов и катодов. Так, например, известно, что в расплавкарбонатных элементах поляризацион-
фф ные потери в катодах, как правило, преобладают
над анодными поляризационными потерями.
8) Использование большей суммарной рабочей поверхности катодов по сравнению с суммарной поверхностью анодов (см. рисунок 3) позволяет реализовать такой режим работы электродов, при котором плотность тока анода больше плотности катодного тока, и следовательно, катодные потери напряжения меньше, чем в элементе с одинаковыми рабочими поверхностями анода и катода, что имеет место в планарной схеме.
9) В предлагаемой конструкции легко реализуется подпитка элемента электролитом в процессе эксплуатации, что позволяет компенсировать его потери на испарение и тем самым увеличить ресурс и повысить временную стабильность электрических характеристик батареи.
10) Отсутствие матричной электролитной пластины на органическом связующем в предлагаемой схеме исключает из регламента технологического запуска батареи элементов этап выжига органической связки, что существенно повышает кондиционность электродов и электролита в батарее топливных элементов.
Рис. 2. Трубчатый топливный элемент. 1-трубчатый анод, 2- трубчатый катод, 3- трубчатый газоподвод, 4- расплавленный электролит, 5- корпус, 6-устройство газораспределения.
Трубчатые электроды (1) и (2) герметично закреплены в корпусе (5). Пространство между электродами заполнено смесью (4) расплавленного электролита и загустителя. Рабочие газы (топливо и окислитель) подаются через трубчатые газоподводы (3) в полости соответственно анодов (1) и катодов (2) из устройств газораспределения (6) и отводятся через полости трубчатых электродов также устройствами газораспределения.
На трубчатую конструктивную схему РКТЭ получен патент на изобретение (Патент №2145751, публикация 20.02.2000 БИ №5/2000, авторы: Давыдов А.И., Кондрашенко А.В., Давыдов И.А.)
В описанной конструкции батареи топливных элементов на основе трубчатых электродов перечисленные выше задачи решаются следующим образом (последовательность задач сохранена):
1) Матричная пластина в предлагаемом элементе отсутствует. Удержание и перераспределение электролита осуществляется не силами капиллярного давления в тонкой матричной пластине (как в планарном элементе), а собственно корпусом установки и давлением рабочих газов соответственно. В результате становится возможным использование более крупнодисперсного загустителя.
2) Сепараторная пластина в трубчатой конструктивной схеме отсутствует. Ее функции выполняют сами трубчатые электроды. Это позволяет снизить материалоемкость и в некоторых вариантах конструктивной схемы улучшить массога-баритные параметры батареи.
3) В отличие от планарной конструкции (где герметизация элемента достигается использованием «мокрого контакта», подбором герметиков и другими сложными и дорогими методами) в трубчатой конструкции герметизация осуществляется традиционными способами (герметичный сварной корпус, сварные или паяные газоподводы к электродам).
Рис. 3. Возможное расположение электродов.
© «TATA» Scientific Technical Centre
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE) #4 2002
Для подтверждения технической реализуемости перечисленных преимуществ предлагаемой трубчатой конструктивной схемы топливного элемента требуется проведение экспериментальных исследований, преследующих следующие главные цели:
1) выбор конструктивного исполнения трубчатых электродов, обеспечивающего их сохранность при проведении не менее 2 циклов «запуск-остановка»;
2) выбор пористости электродов, дисперсности загустителя и рабочего давления газов в электродах, обеспечивающих оптимальные электрические характеристики батареи;
3) выбор технических решений, повышающих технологичность процесса изготовления трубчатых электродов и батареи на их основе. Перечисленные исследования не требуют значительных затрат времени и материальных ресурсов. К настоящему времени осуществлена проработка плана экспериментов и конструктивной схемы экспериментальной ячейки, а также проведены первые эксперименты на трубчатых ячейках.
ЦЕЛИ ПРОВЕДЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
определение сохранности электродов после проведения циклов нагрев-охлаждение; определение степени затопления электродов расплавленным карбонатом;
определение электрического сопротивления
сварного и упругого контактов;
определение электропроводности пористых трубок.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
■ Во время проведения циклов запуск-остановка не разрушился ни один из образцов трубчатых электродов в ячейках.
■ Показана возможность удержания расплавленного карбоната в порах электрода и предотвращения его затекания в газовую полость электрода.
■ Существенного увеличения омических потерь в местах сварного контакта электрод-токосъем за время экспериментов не отмечено. Не отмечено существенного уменьшения электропроводности материала трубчатого электрода.
Таким образом, первые эксперименты, проведенные на трубчатых ячейках, показали возможность решения обозначенных проблем. Отметим, что из 9 вышеперечисленных задач (стоящих в настоящее время перед разработчиками планарных РКТЭ), 7 в трубчатой конструкции либо решаемы достаточно просто, либо отсутствуют. Общими являются две задачи, связанные, в основном, с обеспечением стабильности поровой структуры электродов в период эксплуатации ТЭ.
Следующим шагом в исследованиях должны быть эксперименты на электрохимических трубчатых ячейках (топливных элементах с трубчатыми электродами).
При удачном испытании трубчатых ТЭ существует серьезная предпосылка к разработке во ВНИ-ИЭФ в достаточно короткие сроки коммерческого образца ЭУ киловаттного класса мощности.
87
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.