[go: up one dir, main page]

RU2735584C1 - Device for electrochemical analysis of tubular fuel cells, preparation method for electrochemical analysis and method of investigation - Google Patents

Device for electrochemical analysis of tubular fuel cells, preparation method for electrochemical analysis and method of investigation Download PDF

Info

Publication number
RU2735584C1
RU2735584C1 RU2019139965A RU2019139965A RU2735584C1 RU 2735584 C1 RU2735584 C1 RU 2735584C1 RU 2019139965 A RU2019139965 A RU 2019139965A RU 2019139965 A RU2019139965 A RU 2019139965A RU 2735584 C1 RU2735584 C1 RU 2735584C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas supply
flanges
tubular
supply tubes
fuel cell
Prior art date
Application number
RU2019139965A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Викторович Лысков
Кирилл Игоревич Сергеенко
Виталий Витальевич Синицын
Александр Владимирович Сивак
Юрий Анатольевич Добровольский
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр "ТОПАЗ" (ООО "НИЦ "ТОПАЗ")
Priority to RU2019139965A priority Critical patent/RU2735584C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2735584C1 publication Critical patent/RU2735584C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention can be used for investigation of electrochemical devices based on high-temperature tubular ceramic fuel cells, including microtubular solid oxide fuel cells (SOFC). Essence of the invention consists in that the device for electrochemical examination of high-temperature tubular fuel cells includes a protective reactor with flanges and a coaxially carrying tubular base with a sector cut-out and two gas supply tubes, wherein in both flanges there are holes for current-collecting wires, gas supply tubes and, respectively, for supply and discharge of oxygen-containing agent, and at least one flange is equipped with threaded retainer.
EFFECT: technical result is providing the possibility of creating a reliable supporting structure, in which possible mechanical stresses are minimized, the possibility of varying the geometric parameters of the analysed samples within a wide range is realized with preservation of their chemical stability under high temperatures.
16 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области исследований электрохимических устройств на основе высокотемпературных трубчатых керамических топливных элементов.The invention relates to the field of research of electrochemical devices based on high-temperature tubular ceramic fuel cells.

Важной проблемой, возникающей при массовом производстве высокотемпературных трубчатых топливных элементов, в том числе и микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), является аттестация электрохимических свойств единичных топливных ячеек (ЭДС в режиме разомкнутой цепи, вольтамперные и мощностная характеристики, импеданс и т.д.) в реальных условиях функционирования ТОТЭ (Т~+-600…+1000°С). В настоящее время на рынке научного оборудования как в России, так и за рубежом отсутствуют коммерчески доступные испытательные стенды, которые бы могли быть использованы для решения этой проблемы. Большинство исследователей используют самодельные лабораторные электрохимические ячейки, обладающие некоторыми конструкционными недостатками, в результате которых при нагревании трубчатой топливной ячейки до области высоких температур происходит появление избыточных механических напряжений, приводящих либо к частичному разрушению самой тестируемой топливной ячейки, либо к нарушению целостности разделения газовых пространств со стороны анода и катода. Эти причины приводят к невозможности аттестации электрохимических свойств индивидуальных трубчатых высокотемпературных топливных элементов.An important problem arising in the mass production of high-temperature tubular fuel cells, including microtubular solid oxide fuel cells (SOFCs), is the certification of the electrochemical properties of single fuel cells (EMF in open circuit mode, current-voltage and power characteristics, impedance, etc.) in real conditions of SOFC functioning (Т ~ + -600… + 1000 ° С). Currently, there are no commercially available test benches on the scientific equipment market both in Russia and abroad that could be used to solve this problem. Most researchers use homemade laboratory electrochemical cells, which have some design flaws, as a result of which, when a tubular fuel cell is heated to a high temperature region, excessive mechanical stresses appear, leading either to partial destruction of the tested fuel cell itself, or to a violation of the integrity of the separation of gas spaces from the side anode and cathode. These reasons lead to the impossibility of certifying the electrochemical properties of individual tubular high-temperature fuel cells.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить функциональные возможности конструкции керамической ячейки для аттестации электрохимических свойств трубчатых ТОТЭ за счет создания надежной поддерживающей конструкции, в которой сведены к минимуму возможные механические напряжения, реализована возможность варьирования в широких пределах геометрических параметров исследуемых образцов с сохранением их химической стабильности в условиях высоких температур.The proposed technical solution makes it possible to increase the functional capabilities of the ceramic cell design for certifying the electrochemical properties of tubular SOFCs by creating a reliable supporting structure, in which possible mechanical stresses are minimized, the possibility of varying the geometric parameters of the samples under study in a wide range while maintaining their chemical stability under high temperatures.

Немаловажными является также подготовка устройства к проведению исследования и само исследование.It is also important to prepare the device for the study and the study itself.

Вышеуказанная задача решается за счет того, что устройство для электрохимического исследования трубчатых, в том числе микротрубчатых твердооксидных топливных элементов включает защитный реактор с фланцами и, размещенные в нем коаксиально, несущую трубчатую основу с секторным вырезом и две газоподводящие трубки. В обоих фланцах выполнены отверстия под токосъемные провода, газоподводящие трубки (для подвода топливного газа) и, соответственно, для подвода и отвода кислородсодержащего агента (кислород/воздух). В одном из упомянутых фланцев может быть дополнительно выполнено отверстие под термопару. При этом взаимное расположение этих отверстий (за исключением отверстий для газоподводящих трубок) не имеет принципиального значения.The above problem is solved due to the fact that the device for the electrochemical study of tubular, including microtubular solid oxide fuel cells includes a protective reactor with flanges and, coaxially located in it, a supporting tubular base with a sector cut and two gas supply tubes. In both flanges, holes are made for current-collecting wires, gas supply pipes (for supplying fuel gas) and, accordingly, for supplying and removing an oxygen-containing agent (oxygen / air). An additional hole for a thermocouple can be made in one of the mentioned flanges. In this case, the relative position of these holes (with the exception of the holes for the gas supply pipes) is of no fundamental importance.

Концы газоподводящих трубок, размещенные внутри защитного реактора и предназначенные для установки в них исследуемого ТОТЭ, должны распологаться предпочтительно в зоне секторного выреза несущей трубчатой основы. Другие (противолежащие) концы газоподводящих трубок, как правило, выведены наружу реактора через отверстия в соответствующих фланцах. Причем в одном из фланцев отверстие под газоподводящую трубку выполнено предпочтительно ступенчатым. Также, по меньшей мере, один из фланцев оснащен резьбовым фиксатором.The ends of the gas supply tubes, located inside the protective reactor and intended for installing the investigated SOFC in them, should preferably be located in the zone of the sector cut of the supporting tubular base. The other (opposite) ends of the gas supply tubes are usually led out of the reactor through holes in the corresponding flanges. Moreover, in one of the flanges, the hole for the gas supply pipe is preferably made stepwise. Also, at least one of the flanges is equipped with a thread lock.

Один из фланцев предпочтительно выполнен ступенчатой формы, причем меньший его диаметр будет соответствовать внутреннему диаметру защитного реактора, а больший - внешнему.One of the flanges is preferably stepped, and its smaller diameter will correspond to the inner diameter of the protective reactor, and the larger one will correspond to the outer one.

Фланцы предпочтительно изготавливают из тефлона.The flanges are preferably Teflon.

Газоподводящие трубки и трубчатая основа предпочтительно выполнены из газоплотной алундовой керамики.The gas supply tubes and tubular base are preferably made of a gas-tight alundum ceramic.

Защитный реактор является кварцевым термореактором.The safety reactor is a quartz thermoreactor.

Сущность заявленного изобретения иллюстрируется графическими материалами, где на Фиг. 1 представлен общий вид исследуемых микротрубчатых ТОТЭ, на Фиг. 2 - общий вид устройства в сборе, на Фиг. 3 и Фиг. 4 - левый и правый фланцы, монтируемые по краям защитного реактора (трубчатого корпуса), на Фиг. 5 - представлены экспериментальные данные измерений вольтамперных характеристик трубчатого ТОТЭ, состоящего из шести функциональных керамических слоев состава:The essence of the claimed invention is illustrated by graphic materials, where Fig. 1 shows a general view of the investigated microtubular SOFCs, FIG. 2 is a general view of the assembled device; FIG. 3 and FIG. 4 - left and right flanges mounted on the edges of the protective reactor (tubular body), Fig. 5 - experimental data of measurements of current-voltage characteristics of tubular SOFC, consisting of six functional ceramic layers of the composition:

NiO-8YSZ(60/40)/NiO-8YSZ(40/60)/8YSZ/GDC/LSM-GDC(40/60)/LSM-GDC(60/40)NiO-8YSZ (60/40) / NiO-8YSZ (40/60) / 8YSZ / GDC / LSM-GDC (40/60) / LSM-GDC (60/40)

при варьировании концентрации водорода в топливном газе (Ar-Н2(5%) и Н2) в анодной области.by varying the concentration of hydrogen in the fuel gas (Ar-H 2 (5%) and H 2 ) in the anode region.

Устройство (Фиг. 2) является разборным и состоит из простых в изготовлении элементов, не выделяющих токсичные и вредные вещества, при этом в нем отсутствуют расходуемые компоненты. При этом в условиях эксплуатации не происходит химического взаимодействия между элементами конструкции, которое могло бы приводить к необратимым деградационным процессам. Несущая трубчатая основа 1 обеспечивает минимизацию механических напряжений, воздействующих на исследуемый образец. Это позволяет без нарушения его механической целостности проводить многократное термоциклирование и тестовые испытания в режимах резкого изменения температуры как на нагрев, так и на охлаждение. Геометрия устройства позволяет варьировать в широких пределах параметры тестируемых трубчатых топливных элементов как по длине (от 10 до 500 мм), так и по диаметру (от 1 до 10 мм). Трубчатый ТОТЭ изображен на Фиг. 1. Также геометрия устройства позволяет работать с микротрубчатыми ТОТЭ с искривленной формой по длине. ТОТЭ своими концевыми частями фиксируется, преимущественно вклеивается, в соответствующие концы газоподводящих трубок 2. Такой сборке (газоподводящие трубки - ТОТЭ) можно дать название «керамическая ячейка». Для сохранения абсолютной механической фиксации всех основных элементов конструкции возможно осуществление точечной фиксации, например, керамическим клеем газоподводящих трубок к несущей трубчатой основе. Подбор керамического клея, обладающего термомеханическими свойствами сопоставимыми с характеристиками ТОТЭ, обеспечивает минимизацию механических напряжений при термоциклировании и в случаях резкого изменения температуры как на нагрев, так и на охлаждение.The device (Fig. 2) is collapsible and consists of easy-to-manufacture elements that do not emit toxic and harmful substances, while there are no consumable components in it. At the same time, under operating conditions, there is no chemical interaction between structural elements, which could lead to irreversible degradation processes. The carrier tubular base 1 ensures the minimization of mechanical stresses acting on the sample under study. This allows, without violating its mechanical integrity, to carry out multiple thermal cycling and test tests in the modes of sharp temperature changes, both for heating and cooling. The geometry of the device makes it possible to vary within a wide range the parameters of the tested tubular fuel cells both in length (from 10 to 500 mm) and in diameter (from 1 to 10 mm). A tubular SOFC is shown in Fig. 1. Also, the geometry of the device allows working with microtubular SOFCs with a curved shape along the length. The SOFC is fixed with its end parts, predominantly glued into the corresponding ends of the gas supply tubes 2. Such an assembly (gas supply tubes - SOFC) can be called "ceramic cell". To maintain the absolute mechanical fixation of all the main structural elements, it is possible to carry out point fixation, for example, with ceramic glue of the gas supply tubes to the supporting tubular base. The selection of a ceramic adhesive with thermomechanical properties comparable to those of SOFCs ensures the minimization of mechanical stresses during thermal cycling and in cases of a sharp change in temperature for both heating and cooling.

Фланцы 3 и 4, расположенные по краям несущей трубчатой основы и находящиеся, при осуществлении непосредственно измерений, вне зоны высокотемпературной печи, изготовлены из термостойкого материала, например, тефлона, выдерживающего нагрев до 250°С. Во фланцах выполнены отверстия 8 для газоподводящей трубки, отверстие 9 для подвода и отвода кислородсодержащего агента (катодную область), отверстия 7 для токоподводов. В одном из фланцев, при необходимости, выполняют отверстие 10 для термопары.Flanges 3 and 4, located at the edges of the supporting tubular base and located, during direct measurements, outside the zone of the high-temperature furnace, are made of heat-resistant material, for example, Teflon, which can withstand heating up to 250 ° C. The flanges have holes 8 for a gas supply tube, a hole 9 for supplying and removing an oxygen-containing agent (cathode region), holes 7 for current leads. In one of the flanges, if necessary, make a hole 10 for a thermocouple.

Конструкция фланцев 3 и 4 обеспечивает коммутацию основных механических компонентов ячейки, необходимых для измерения электрохимических параметров тестируемого трубчатого топливного элемента.The design of flanges 3 and 4 provides switching of the main mechanical components of the cell required for measuring the electrochemical parameters of the tested tubular fuel cell.

Полученная сборка помещается во внутрь внешнего защитного кварцевого реактора (трубчатого корпуса) 5, который изолирует «керамическую ячейку» от теплоизоляционных материалов трубчатой печи, с помощью которой в дальнейшем будет осуществляться ее разогрев, а также обеспечивает равномерное распределение тепловых потоков в зоне разогрева.The resulting assembly is placed inside an external protective quartz reactor (tubular body) 5, which isolates the "ceramic cell" from the heat-insulating materials of the tubular furnace, with which it will be further heated, and also provides a uniform distribution of heat fluxes in the heating zone.

Следует отметить, что для удобства коммутации сборки («керамическая ячейка» - несущая трубчатая основа) с реактором (трубчатым корпусом) и надежной их фиксацией между собой фланцы могут иметь некоторые конструктивные отличия. Выполнение левого фланца (фиг. 3) возможно ступенчатой конфигурации. При этом меньший диаметр будет соответствовать внутреннему диаметру защитного реактора (трубчатого корпуса), а больший - внешнему, таким образом, создается упор, который препятствует проваливанию фланца в реактор с одной стороны. Напротив, правый фланец (Фиг. 4) является однородным по диаметру, величина которого соответствует внутреннему диаметру кварцевого ректора, при этом в средней области фланца прорезана резьба. Такая конфигурация фланца обеспечивает возможность его свободного прохождения в защитный реактор (трубчатый корпус) и жесткую фиксацию его в реакторе (трубчатом корпусе) с помощью гайки 6. Также следует отметить, что отверстие под газоподводящую трубку во фланце может быть выполнено ступенчатым. При затягивании гайки, трубчатая основа будет упираться во внутреннюю ступень отверстия. Таким образом, получается комплексное устройство с жесткой фиксацией всех его основных элементов.It should be noted that for the convenience of commutation of the assembly ("ceramic cell" - the supporting tubular base) with the reactor (tubular body) and their reliable fixation to each other, the flanges may have some structural differences. Execution of the left flange (Fig. 3) is possible with a stepped configuration. In this case, the smaller diameter will correspond to the inner diameter of the protective reactor (tubular body), and the larger one - to the outer one, thus creating a stop that prevents the flange from falling into the reactor from one side. On the contrary, the right flange (Fig. 4) is uniform in diameter, the value of which corresponds to the inner diameter of the quartz reactor, with a thread cut in the middle region of the flange. This configuration of the flange allows it to freely pass into the protective reactor (tubular body) and rigidly fix it in the reactor (tubular body) using nut 6. It should also be noted that the hole for the gas supply tube in the flange can be made stepped. When tightening the nut, the tubular base will abut against the inner step of the hole. Thus, a complex device is obtained with rigid fixation of all its main elements.

Однако, не исключен вариант использования двух одинаковых фланцев с резьбой. В таком случае фиксация будет осуществляться равномерным натяжением гаек с обеих сторон.However, the option of using two identical threaded flanges is not excluded. In this case, the fixation will be carried out by evenly tightening the nuts on both sides.

Эффективность работы устройства можно продемонстрировать на одном из многочисленных примеров. Для электрохимического тестирования микротрубчатого ТОТЭ, состоящего из шести функциональных керамических слоев состава:The effectiveness of the device can be demonstrated in one of the many examples. For electrochemical testing of microtubular SOFC, consisting of six functional ceramic layers of the composition:

NiO-8YSZ(60/40)/NiO-8YSZ(40/60)/8YSZ/GDC/LSM-GDC(40/60)/LSM-GDC(60/40)NiO-8YSZ (60/40) / NiO-8YSZ (40/60) / 8YSZ / GDC / LSM-GDC (40/60) / LSM-GDC (60/40)

на первом этапе сборки осуществляли коммутацию анода и катода ТОТЭ с платиновыми токоподводами. Для этого была использована платиновая проволока диаметром 0.3 мм. В одном из вариантов во внутреннюю часть ТОТЭ (анод) помещали скрутку из двух платиновых проволочек таким образом, чтобы они образовывали хороший контакт с керметной несущей основой. Для осуществления токосъема с катода ТОТЭ на всю внешнюю активную сторону трубки наматывали платиновую проволоку в виде спирали. Для улучшения контакта между намотанной Pt проволокой и катодом места контакта можно точечно промазать платиновой пастой. В таком случае необходимо будет ТОТЭ просушить, например, при температуре 130°С в течение 30 минут.At the first stage of the assembly, the SOFC anode and cathode were switched with platinum current leads. For this, a platinum wire 0.3 mm in diameter was used. In one embodiment, a twist of two platinum wires was placed in the inner part of the SOFC (anode) so that they made good contact with the cermet support base. To carry out current collection from the SOFC cathode, a platinum wire in the form of a spiral was wound on the entire outer active side of the tube. To improve the contact between the wound Pt wire and the cathode, the contact points can be spotted with platinum paste. In this case, it will be necessary to dry the SOFC, for example, at a temperature of 130 ° C for 30 minutes.

На втором этапе осуществляли процедуру вклейки микротрубчатого ТОТЭ. Для этого помещали исследуемый образец ТОТЭ между соосно направленными газоподводящими алундовыми трубками таким образом, что концы микротрубчатого ТОТЭ погружались внутрь этих алундовых трубок на 10-20 мм. При этом газоподводящие трубки со вставленным в них исследуемым ТОТЭ будут находиться внутри поддерживающей их несущей трубчатой основы, к которой они точечно фиксируются керамическим клеем. Платиновые токосъемные контакты с анодной и катодной сторон выводили на внешнюю сторону алундовых трубок (один из вариантов). Для герметизации мест сочленения использовали керамический клей Ceramabond (США).At the second stage, the procedure of pasting microtubular SOFC was carried out. For this, the SOFC sample under study was placed between the coaxially directed gas-supplying alundum tubes in such a way that the ends of the microtubular SOFC were immersed inside these alundum tubes by 10-20 mm. In this case, the gas supply tubes with the investigated SOFC inserted into them will be located inside the supporting tubular base, to which they are pointwise fixed with ceramic glue. Platinum collector contacts from the anode and cathode sides were brought out to the outer side of the alundum tubes (one of the options). Ceramabond ceramic glue (USA) was used to seal the joints.

На третьем этапе сборку помещают в защитный реактор (трубчатый корпус), обеспечивая ее жесткую фиксацию в реакторе (корпусе) посредством фланцев и фиксатора. Полученную конструкцию помещают в программируемую трубчатую печь и проводят сушку мест склейки.At the third stage, the assembly is placed in a protective reactor (tubular body), ensuring its rigid fixation in the reactor (body) by means of flanges and a retainer. The resulting structure is placed in a programmable tubular oven and the gluing points are dried.

Далее осуществляют коммутацию внешней газовой системы с устройством, подключив гибкие шланги подвода газа к одному из фланцев. Регулятор подачи окислителя (кислород/воздуха) соединяется со входом катодного газового пространства, а регулятор подачи топливного газа (Ar 95%-5% Н2, Н2) - со входом анодного газового пространства.Next, the external gas system is switched with the device by connecting flexible gas supply hoses to one of the flanges. The oxidizer (oxygen / air) supply regulator is connected to the inlet of the cathode gas space, and the fuel gas supply regulator (Ar 95% -5% H 2 , H 2 ) is connected to the anode gas space inlet.

Необходимо открыть клапаны редукторов подачи газов (Ar 95%-5% Н2, воздух) к регуляторам расхода газов и убедиться в наличии давления соответствующих газов в системе. После чего включить персональный компьютер и запустить программу управления регуляторами расхода газов, где необходимо выставить скорость потоков топливного газа (Ar 95%-5% Н2) в анодное пространство и окислителя (воздух) в катодное пространство 20 мл/мин.It is necessary to open the valves of the gas supply reducers (Ar 95% -5% H 2 , air) to the gas flow regulators and make sure that the pressure of the corresponding gases is present in the system. Then turn on the personal computer and start the program for controlling the gas flow regulators, where it is necessary to set the flow rate of the fuel gas (Ar 95% -5% H 2 ) to the anode space and oxidizer (air) to the cathode space to 20 ml / min.

На следующем этапе включают электрическую трубчатую печь в сеть, задают на термоконтроллере необходимую температуру (как правило это 750-900°С), время нагрева, например, 3 часа, время изотермической выдержки, например, 10 часов и нажатием кнопки "Пуск" включают нагрев.At the next stage, the electric tube furnace is connected to the network, the required temperature is set on the thermocontroller (as a rule, it is 750-900 ° C), the heating time, for example, 3 hours, the isothermal holding time, for example, 10 hours and by pressing the "Start" button, heating is turned on ...

Далее следует провести следующие действия:Next, you should carry out the following actions:

1. Подключить силовые провода потенциостата-гальваностата, например, Bio-Logic SP-240 (Франция) со встроенным модулем анализатора частотных характеристик, к токоподводам измерительной ячейки.1. Connect the power wires of a potentiostat-galvanostat, for example, Bio-Logic SP-240 (France) with a built-in frequency response analyzer module, to the current leads of the measuring cell.

2. После нагрева измерительной ячейки до заданной температуры необходимо повысить скорости потоков топлива и окислителя, провести изотермическую выдержку измерительной ячейки в течение 30 минут.2. After heating the measuring cell to the specified temperature, it is necessary to increase the flow rates of the fuel and oxidizer, to hold the measuring cell isothermal for 30 minutes.

3. После выдержки системы и достижения ею стационарного состояния необходимо запустить программу управления потенциостата-гальваностата на персональном компьютере, в которой задать режим измерения ЭДС разомкнутой цепи топливной ячейки, величина которой должна соответствовать ~ 1 В.3. After holding the system and reaching a stationary state, it is necessary to run the control program of the potentiostat-galvanostat on a personal computer, in which the mode of measuring the EMF of the open circuit of the fuel cell, the value of which must correspond to ~ 1 V.

4. После проверки величины ЭДС разомкнутой цепи топливной ячейки необходимо перейти в потенциодинамический режим и провести измерение вольтамперных характеристик (ВАХ) топливной ячейки.4. After checking the EMF value of the open circuit of the fuel cell, it is necessary to switch to the potentiodynamic mode and measure the current-voltage characteristics (VAC) of the fuel cell.

5. Далее снова следует переключить потенциостат-гальваностат в режим измерения ЭДС разомкнутой цепи и провести мониторинг величины ЭДС топливной ячейки.5. Next, switch the potentiostat-galvanostat to the open-circuit EMF measurement mode again and monitor the EMF value of the fuel cell.

6. После этого необходимо осуществить импедансные измерения топливной ячейки в режиме ЭДС разомкнутой цепи и при смещении напряжения топливной ячейки от величины ЭДС на 200 мВ.6. After that, it is necessary to carry out impedance measurements of the fuel cell in the open-circuit EMF mode and when the fuel cell voltage is displaced from the EMF value by 200 mV.

7. После завершения измерений снизить скорости потока анодного и катодного газов.7. After completion of measurements, reduce the flow rates of the anode and cathode gases.

8. Отключить питание потенциостата-гальваностата.8. Disconnect power supply of potentiostat-galvanostat.

9. Отключить питание электрической трубчатой печи.9. Disconnect the power supply to the electric tube furnace.

10. После охлаждения печи до комнатной температуры выставить потоки газов на нулевое значение, выйти из программы управления регуляторов расхода газа.10. After the furnace has cooled down to room temperature, set the gas flows to zero, exit the control program for gas flow regulators.

11. Раскоммутировать силовые провода потенциостата-гальваностата с токоподводами измерительной ячейки.11. Disconnect the power wires of the potentiostat-galvanostat with the current leads of the measuring cell.

12. Раскоммутировать внешную газовую систему с измерительной ячейкой, отключив гибкие шланги подвода газа от измерительной ячейки.12. Disconnect the external gas system with the measuring cell by disconnecting the flexible gas supply hoses from the measuring cell.

13. При необходимости провести математическую обработку результатов измерений.13. If necessary, carry out mathematical processing of the measurement results.

Исследование электрохимических свойств микротрубчатого ТОТЭ с помощью предлагаемого устройства показало, что его конструкция обеспечивает герметичное разделение газовых пространств, о чем свидетельствует величина ЭДС разомкнутой цепи, которая составила около 1,05 В (фиг. 5). Варьирование концентрации водорода в топливной смеси также показало закономерное увеличение удельной мощности топливной ячейки с повышением концентрации водорода.The study of the electrochemical properties of microtubular SOFC using the proposed device showed that its design provides a hermetic separation of gas spaces, as evidenced by the magnitude of the open circuit EMF, which was about 1.05 V (Fig. 5). Varying the hydrogen concentration in the fuel mixture also showed a regular increase in the specific power of the fuel cell with an increase in the hydrogen concentration.

Таким образом, предложенная конструкция устройства универсальна и позволяет осуществлять исследование электрохимических свойств высокотемпературных топливных элементов трубчатой конструкции, в том числе трубчатых и микротрубчатых ТОТЭ при варьировании в широких пределах геометрических параметров исследуемых образцов (как длины, так и диаметра) в широком температурном интервале (до 1000°С). Вместе с тем, конструкция заявленного устройства надежна, состоит из совместимых ТОТЭ по физико-химическим свойствам материалов, которые обладают высокой химической стабильностью в условиях высоких температур, что обеспечивает длительный срок ее эксплуатации при решении задач электрохимического тестирования высокотемпературных трубчатых топливных элементов.Thus, the proposed design of the device is universal and makes it possible to study the electrochemical properties of high-temperature fuel cells of a tubular structure, including tubular and microtubular SOFCs, while varying the geometric parameters of the samples under study (both length and diameter) over a wide range of temperatures (up to 1000 ° C). At the same time, the design of the claimed device is reliable, consists of materials compatible with the physical and chemical properties of SOFCs, which have high chemical stability at high temperatures, which ensures a long service life when solving problems of electrochemical testing of high-temperature tubular fuel cells.

Claims (16)

1. Устройство для электрохимического исследования высокотемпературных трубчатых топливных элементов, включающее защитный реактор с фланцами и размещенные в нем коаксиально несущую трубчатую основу с секторным вырезом и две газоподводящие трубки, при этом в обоих фланцах выполнены отверстия под токосъемные провода, газоподводящие трубки и соответственно для подвода и отвода кислородсодержащего агента, а по меньшей мере один фланец оснащен резьбовым фиксатором.1. A device for the electrochemical study of high-temperature tubular fuel cells, including a protective reactor with flanges and placed in it a coaxially supporting tubular base with a sector cut and two gas supply tubes, with holes for current collector wires, gas supply tubes and, respectively, for supplying and the oxygen-containing agent is removed, and at least one flange is equipped with a thread lock. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере в одном из фланцев отверстие под газоподводящую трубку выполнено ступенчатым.2. The device according to claim 1, characterized in that at least one of the flanges the opening for the gas supply tube is made stepwise. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что один из фланцев выполнен ступенчатой формы.3. The device according to claim 1, characterized in that one of the flanges is stepped. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что у ступенчатого фланца меньший диаметр соответствует внутреннему диаметру защитного реактора, а больший - внешнему.4. The device according to claim 3, characterized in that the smaller diameter of the stepped flange corresponds to the inner diameter of the protective reactor, and the larger one to the outer diameter. 5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что в одном из упомянутых фланцев дополнительно выполнено отверстие под термопару.5. Device according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that one of the mentioned flanges additionally has a hole for a thermocouple. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фланцы выполнены из тефлона.6. The device according to claim 1, characterized in that the flanges are made of Teflon. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газоподводящие трубки и трубчатая основа выполнены из керамики, предпочтительно алундовой.7. A device according to claim. 1, characterized in that the gas supply tubes and the tubular base are made of ceramic, preferably alundum. 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что защитный реактор является кварцевым.8. The device according to claim 1, characterized in that the protective reactor is quartz. 9. Способ подготовки высокотемпературных трубчатых топливных элементов к электрохимическому исследованию, заключающийся в том, что в трубчатую основу с секторным вырезом помещают газоподводящие трубки, в которые вводят исследуемый топливный элемент, предварительно скоммутированный с токосъемными проводами, причем исследуемый топливный элемент жестко соединяют с концами газоподводящих трубок, а затем полученную сборку помещают в защитный реактор, обеспечивая ее жесткую фиксацию в реакторе посредством фланцев и фиксатора.9. A method for preparing high-temperature tubular fuel cells for electrochemical research, which consists in placing gas supply tubes into a tubular base with a sector cutout, into which the investigated fuel cell is introduced, which is pre-connected to the collector wires, and the investigated fuel cell is rigidly connected to the ends of the gas supply tubes , and then the resulting assembly is placed in a protective reactor, ensuring its rigid fixation in the reactor by means of flanges and a retainer. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что в качестве фиксатора используют гайку.10. The method according to claim 9, characterized in that a nut is used as the retainer. 11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что газоподводящие трубки фиксируют в трубчатой основе.11. The method according to claim 9, characterized in that the gas supply tubes are fixed in the tubular base. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что под фиксацией понимают точечную фиксацию, например, клеем/герметиком.12. A method according to claim 11, characterized in that fixation is understood to mean point fixation, for example, with an adhesive / sealant. 13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что жесткое скрепление топливного элемента с газоподводящими трубками осуществляют посредством клея (герметика).13. The method according to claim 9, characterized in that the rigid attachment of the fuel cell to the gas supply tubes is carried out by means of an adhesive (sealant). 14. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что после нанесения клея осуществляют сушку в печи.14. A method according to claim 12 or 13, characterized in that after applying the glue, drying is carried out in an oven. 15. Способ электрохимического исследования высокотемпературных трубчатых топливных элементов, заключающийся в том, что защитный реактор с подготовленным к исследованию топливным элементом коммутируют с внешней газовой системой посредством гибких шлангов и помещают в трубчатую печь, открывают клапаны подачи газов с управлением расходами газов и выставляют скорость потока топливного газа в анодное пространство и окислителя в катодное пространство, включают трубчатую печь, подключают провода измерительного прибора с токоподводами, после нагрева исследуемого топливного элемента до температуры 750-900°С проводят изотермическую выдержку до достижения сборкой стационарного состояния, производят измерения электрохимических характеристик и обработку полученных результатов.15. A method for electrochemical research of high-temperature tubular fuel cells, which consists in the fact that a protective reactor with a fuel cell prepared for research is switched to an external gas system by means of flexible hoses and placed in a tubular furnace, gas supply valves are opened with gas flow control and the fuel flow rate is set. gas into the anode space and oxidizer into the cathode space, turn on the tubular furnace, connect the wires of the measuring device with current leads, after heating the investigated fuel cell to a temperature of 750-900 ° C, carry out isothermal holding until the assembly reaches a stationary state, measure the electrochemical characteristics and process the results ... 16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что под электрохимическими характеристиками понимают, например, ЭДС разомкнутой цепи, вольтамперные характеристики, ЭДС топливного элемента под нагрузкой, импедансные характеристики топливного элемента.16. The method according to claim 15, characterized in that the electrochemical characteristics mean, for example, the EMF of an open circuit, current-voltage characteristics, EMF of a fuel cell under load, impedance characteristics of a fuel cell.
RU2019139965A 2019-12-06 2019-12-06 Device for electrochemical analysis of tubular fuel cells, preparation method for electrochemical analysis and method of investigation RU2735584C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019139965A RU2735584C1 (en) 2019-12-06 2019-12-06 Device for electrochemical analysis of tubular fuel cells, preparation method for electrochemical analysis and method of investigation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019139965A RU2735584C1 (en) 2019-12-06 2019-12-06 Device for electrochemical analysis of tubular fuel cells, preparation method for electrochemical analysis and method of investigation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2735584C1 true RU2735584C1 (en) 2020-11-03

Family

ID=73398253

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019139965A RU2735584C1 (en) 2019-12-06 2019-12-06 Device for electrochemical analysis of tubular fuel cells, preparation method for electrochemical analysis and method of investigation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2735584C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006250878A (en) * 2005-03-14 2006-09-21 Hideichiro Hirai Optical measurement method and optical measurement apparatus
KR20100075295A (en) * 2008-12-24 2010-07-02 주식회사 포스코 Apparatus and method for testing defects of electrolyte membrane and cell for sofc using fluorescent liquid
US8928328B2 (en) * 2011-10-18 2015-01-06 Institute Of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan Testing device for solid oxide fuel cell
RU165785U1 (en) * 2015-09-17 2016-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) DEVICE FOR RESEARCH OF ELECTROCHEMICAL AND OPTICAL CHARACTERISTICS OF SOFC
US20170363689A1 (en) * 2016-06-16 2017-12-21 University Of South Carolina Accelerated Testing Protocols For Solid Oxide Fuel Cell Cathode Materials

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006250878A (en) * 2005-03-14 2006-09-21 Hideichiro Hirai Optical measurement method and optical measurement apparatus
KR20100075295A (en) * 2008-12-24 2010-07-02 주식회사 포스코 Apparatus and method for testing defects of electrolyte membrane and cell for sofc using fluorescent liquid
US8928328B2 (en) * 2011-10-18 2015-01-06 Institute Of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan Testing device for solid oxide fuel cell
RU165785U1 (en) * 2015-09-17 2016-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) DEVICE FOR RESEARCH OF ELECTROCHEMICAL AND OPTICAL CHARACTERISTICS OF SOFC
US20170363689A1 (en) * 2016-06-16 2017-12-21 University Of South Carolina Accelerated Testing Protocols For Solid Oxide Fuel Cell Cathode Materials

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105319253B (en) A sensor and measurement method for measuring hydrogen content in molten metal
CN111458305A (en) An in-situ high temperature spectroscopic test device
TWI427308B (en) Testing device for solid oxide fuel cell
CN111413255B (en) Microelectrode system and method for testing oxygen mass transfer coefficient of proton exchange membrane
CN212622378U (en) A device for testing proton conductivity of proton exchange membrane
CN108732084B (en) Corrosion fatigue performance testing device
Bandlamudi et al. Study on electrode carbon corrosion of high temperature proton exchange membrane fuel cell
RU2735584C1 (en) Device for electrochemical analysis of tubular fuel cells, preparation method for electrochemical analysis and method of investigation
Cumming et al. Development of a diffuse reflectance infrared fourier transform spectroscopy (DRIFTS) cell for the in situ analysis of co-electrolysis in a solid oxide cell
JP5094114B2 (en) Operation method of fuel cell
US11296342B2 (en) Universal tubular solid oxide fuel cell testing kit
CN205488356U (en) A device for testing the structural stability of fuel cell stacks through thermal cycling
CN109802159B (en) Fuel cell gas sampling system and sampling method
RU200605U1 (en) DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL RESEARCH OF TUBULAR SOLID OXIDE FUEL CELLS
JP2009252561A (en) Testing device
Rasmussen et al. Study of internal and external leaks in tests of anode‐supported SOFCs
JPH0417387B2 (en)
CN113340967A (en) Device and method for analyzing gas production components of battery through electrochemistry-gas chromatography-mass spectrometry
CN105510264B (en) The complete quick temperature control high pressure micro-volume catalysis of temperature range is online to characterize reactor
JP5107643B2 (en) Tube type cell evaluation holder
JP5487503B2 (en) Holder for electrochemical cell evaluation
CN206420726U (en) Gas absorption is desorbed test device
RU201314U1 (en) Device for rapid testing of tubular solid oxide fuel cells
TWI384678B (en) Rapid set-up, double chamber detecting device of solid oxide fuel cell positive-electrolyte-negative (pen) plate
US20220181653A1 (en) Universal tubular solid oxide fuel cell testing device