МИКРОТРУБЧАТЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

FUEL CELL

Статья поступила в редакцию 07.06.12. Ред. рег. № 1355 The article has entered in publishing office 07.06.12. Ed. reg. No. 1355

УДК 621.352.6:661.931

МИКРОТРУБЧАТЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИИ

Г.Н. Волощенко, В.П. Пахомов

НИЦ «Курчатовский институт» 123182 Москва, пл. академика Курчатова, д. 1 e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 20.06.12 Заключение совета экспертов: 30.06.12 Принято к публикации: 03.07.12

Проведен сравнительный анализ удельных характеристик планарной и трубчатой конструкций ТОТЭ. По результатам анализа показано, что трубчатые элементы и модули по удельной объемной мощности по крайней мере не уступают планарным элементам, обладая в то же время существенно более высокими характеристиками с точки зрения возможности быстрого нагрева до рабочей температуры, обеспечения малоградиентного температурного поля, механической прочности.

Ключевые слова: твердооксидный электролит, электролизер, топливный элемент, планарный элемент, трубчатый элемент.

MICROTUBULAR ELEMENTS AND PERSPECTIVES OF HIGH-TEMPERATURE ELECTROCHEMISTRY

G.N. Voloshchenko, V.P. Pakhomov

RSC "Kurchatov Institute" 1 Acad. Kurchatov sq., Moscow, 123182, Russia e-mail: [email protected]

Referred: 20.06.12 Expertise: 30.06.12 Accepted: 03.07.12

The comparative analysis of characteristics of SOFC planar and tubular design was conducted. Analysis results showed that tubular elements and modules do not give in to planar elements at least by energy-to-volume power; at the same time they possess essentially higher characteristics from the point of view of fast heating possibility to working temperature, small gradient temperature field provision, and mechanical strength.

Keywords: solid-oxide electrolyte, fuel cell, SOFC planar and tubular design.

Планарная конструкция элементов и модулей для высокотемпературных устройств с твердым оксидным электролитом в настоящее время является одним из наиболее развивающихся направлений. Разработчиков, видимо, привлекает простота получения устройства с высокой объемной плотностью мощности за счет плотной упаковки конструкции, что эффективно продемонстрировано в низкотемпературных устройствах, например, электролизерах с ТПЭ. Имеется и явное достоинство планаров, заключающееся в направлении переноса тока перпендикулярно поверхности электродов, что снижает требование

к высокой проводимости электродных материалов. Для трубчатых элементов, в которых высока степень переноса тока вдоль электродов, необходима хорошая проводимость вдоль электродов.

Вместе с тем нам представляется, что возможно -сти планарных конструкций по отношению к трубчатым сильно преувеличены.

Рассмотрим наиболее распространенную конструкцию планарного модуля с плоским электрод-электролитным блоком. Рабочая часть планара (рис. 1) состоит из двух основных элементов: коллектора (рис. 2) и электрод-электролитного блока (рис. 3).

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Рис. 1. Схема планарного модуля Fig. 1. Scheme of the planar element

Рис. 2. Коллектор планарного модуля Fig. 2. Collector of the planar element

Рис. 3. Электрод-электролитный блок Fig. 3. Electrode-electrolyte block

Определим основные конструкционные параметры планарной конструкции рабочей зоны. Толщина планара равна сумме толщин электрод-электролитной пластины и коллектора, т.е.:

Ддлан = 2Нсап + + &eeb, (1)

где Нсап - высота канала коллектора; Н^ - толщина перегородки коллектора; ЪееЬ - толщина электрод-электролитной пластины.

Линейная плотность планаров по оси у равна:

P/v - 1/Дплан = H(2hcan + hst + ЪееЬ).

(2)

У планаров часть поверхности электродов, перекрытых перегородками коллектора, может быть выключена из электрохимического процесса, поэтому необходимо ввести понятие коэффициента канала, равного

kcan shcan/(shcan + Zshper)^

(3)

где £ - степень экранирования, причем £ может иметь значение от 0 до 1; &Нсап - ширина канала; &Нрег - ширина перегородки.

С учетом выражений (1)-(3) удельная электродная поверхность на единицу объема планарной конструкции рабочей зоны будет определяться выражением

Sud kcaJ(2hcan + hst + Se,

(4)

Рис. 4. Элемент и шкала стейка Fig. 4. Cell and stack scale-up

Электрод-электролитный блок представляет собой плоскую пластину, состоящую из анода и катода, разделенных твердым электролитом. Коллектор представляет собой разделительную перегородку из проводника первого рода с взаимно перпендикулярными каналами. Каналы коллектора обеспечивают подвод и отвод реагентов, а выступы обеспечивают передачу тока между соседними элементами перпендикулярно к плоскости электрод-электролитного блока.

Развитие планарных конструкций в настоящее время идет в основном по пути увеличения площади единичного элемента, как это показано на рис. 4 [1]. Для специалистов, работающих в данном направлении, очевидны требования к равномерности технологических параметров по всей поверхности элементов и необходимость высокой степени воспроизводимости этих параметров для всех элементов стейка, а также отрицательные последствия отклонений их параметров.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

SOFC-MP Stack Simulation Code Nominal Stack Performance - H JCHA Fuels

Рис. 5. Неравномерность параметров ТОТЭ на поверхности планарного модуля Fig. 5. The irregularity of the parameters SOFC on the surface of the planar element

Очевидно, что увеличение единичной поверхности элемента увеличивает требования к равномерности характеристик, особенно с учетом существенно неравномерного температурного поля элементов (см. рис. 5 [2]).

Рис. 6. Расположение элементов треугольником Fig. 6. The location of the elements of the triangle

Несмотря на активное развитие планарных конструкций элементной базы высокотемпературных электрохимических устройств (ВТЭХУ), трубчатые конструкции остаются одним из основных типов элементов. Поэтому возникает естественный интерес к оценке возможностей этого типа конструкций и на этой основе к оптимизации размеров элементов, комбинированию элементов в модули и сборки и т.п.

Рассмотрим возможные варианты расположения трубчатых элементов в объеме рабочей зоны ВТЭХУ. Ниже представлены два основных варианта группирования элементов в пространстве рабочей зоны: треугольником («трио», рис. 6) и квадратом («квадро», рис. 7).

Проведем расчеты удельных параметров приведенных выше пространственных расположений элементов при следующих исходных геометрических данных: Б - диаметр трубки внешний; е - зазор между элементами.

Очевидно, что удельная поверхность элемента, определяемая как отношение электродной поверхности элемента к объему элемента, равна

Яуд-эл = nD/(nD2/4) = 4/D.

(5)

Удельная поверхность группы элементов «трио»: ^уд-грд = лБЛд =3,63Б/(Б + е)2. (6)

Удельная поверхность группы элементов «квадро»:

Рис. 7. Расположение элементов квадратом Fig. 7. The location of the elements of the square

= nD/sa =3,14D/(D + e)2.

(7)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Очевидно, что зазор между элементами должен быть оптимизирован по гидродинамическим и тепло-массообменным параметрам, обеспечивающим оптимальный режим функционирования электрохимических элементов.

Проведем сравнительные расчеты удельной поверхности планарных и трубчатых конструкций. Для проведения расчетов зададимся некоторыми разме-

рами планара. Из литературных данных следует, что толщина электролита может быть не менее 1020 мкм, а толщина перегородки коллектора - 100150 мкм. Результаты расчетов удельной поверхности рабочих зон для планарной конструкции Sud при значениях kcan 1, 0,9 и 0,8 и трубчатой конструкции конфигурации «трио» и «квадро» приведены на рис. 8.

Рис. 8. Зависимость удельной поверхности от толщины планара и диаметра трубки Fig. 8. The dependence of Sud of the thickness of the planar element and tube diameter

Рис. 9. Зависимость удельной мощности рабочей зоны от напряжения для планаров и трубчатых элементов Fig. 9. The dependence of Nud of the working zone of voltage for planar and tubular elements

Как следует из рис. 8, трубчатые конструкции рабочих зон как минимум не уступают по удельной поверхности планарам. Нами были проведены сравнительные расчеты с помощью разработанных нами программ [3] рабочей зоны электролизера для плана-ров толщиной 1 мм и трубчатых модулей диаметром

1, 2 и 3 мм при производстве водорода с напряжением на элементах 1,1 - 1,2 - 1,29 В. Один из параметров этих расчетов - удельная объемная мощность Ыуд -для рабочей зоны производительностью 100 нм3Н2/ч представлен на рис. 9. Как следует из рис. 9, планару толщиной 1 мм по удельной мощности уступает толь-

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

ко рабочая зона из трубчатых модулей диаметром 3 мм. Элементы диаметром менее 3 мм превосходят параметры планарной конструкции. Т.о., трубчатые элементы малого диаметра по крайней мере не уступают по удельной объемной мощности планарным конструкциям. Что касается других параметров, например, возможности быстрого нагрева до рабочей температуры, обеспечения малоградиентного температурного поля, механической прочности, трубчатые элементы существенно превосходят планары.

В настоящее время наиболее распространенным является диаметр трубчатых элементов порядка 1 см. Вместе с тем имеются работы с элементами существенно меньшего диаметра. В разработках Курчатовского института на рубеже 80-90-х годов были использованы элементы диаметром 5,6 мм (рис. 10, 11). Эти элементы применялись для создания электролизеров смеси диоксида углерода с водяным паром с целью создания системы регенерации атмосферы в замкнутых объемах. На рис. 11 представлена рабочая зона такого электролизера производительностью 1 кгО2/сут, что обеспечивает потребность одного человека.

Рис. 10. Группа элементов диаметром 5,6 мм Fig. 10. Group of elements with a diameter of 5.6 mm

Рис. 11. Рабочая зона электролизера смеси диоксида углерода с водяным паром Fig. 11. The working zone of the electrolyser mixture of H2O and CO2

С микротрубчатыми элементами активно работают в Японии. AIST (Японский Национальный Институт Продвинутой Индустриальной Науки и техники) совместно с NGK Spark Plug Co., Ltd сообщили о разработке микротрубчатого ТОТЭ и достижении удельной мощности 2 Вт/см3 при 550 °C [4]. Элементы диаметром менее 1 мм позволили производить нагрев до рабочей температуры менее чем за 5 секунд. Цель разработчиков - на этой элементной базе создать электрохимический генератор мощностью 1 кВт. Электрохимическая часть будет иметь объем около 0,5 литра. В основе конструкции лежат трубчатые элементы диаметром 1,6-0,8 мм (рис. 12).

Рис. 12. Микротрубчатые элементы AIST Fig. 12. Microtubular elements of AIST

Из этих элементов собирают миниатюрные секции и модули (рис. 12). Полученные результаты впечатляют. И хотя сами разработчики пишут о применении микротрубчатых модулей только для ТОТЭ малой мощности, однако совершенно очевидно, что ничего не мешает применять данный тип элементов для создания высокотемпературных электрохимических устройств (ВТЭХУ) любой мощности и любого типа.

По нашему мнению, именно микротрубчатые элементы могут обеспечить широкое применение ВТЭХУ как для производства электроэнергии, так и для широкомасштабного получения водорода в рамках атомно-водородной энергетики.

Список литературы

San

1. Материалы 8th Annuel SECA Workshop, Antonio, Texas, August 7-9, 2007.

2. Материалы 11th Annuel SECA Workshop, Pittsburgh, PA, July 27-29, 2010.

3. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ №2011617364.

4. Материалы сайта National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan.

— TATA — < >

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012