Блок сборок твердооксидных топливных элементов с коэффициентом температурного расширения (ктр), превышающим ктр их электролита

Блок сборок твердооксидных топливных элементов с коэффициентом температурного расширения (ктр), превышающим ктр их электролита

Реферат

 

Изобретение относится к высокотемпературным твердооксидным топливным элемента /ТОТЭ/, сборке и блоку сборки на его основе, техническим результатом изобретения является улучшение технологичности изготовления, снижение массогабаритных характеристик и повышение электрических и ресурсных характеристик. Согласно изобретению ТОТЭ представляет собой полый цилиндр из твердого электролита с электродами, нанесенными на его поверхность. Наружный электрод выполнен из материала с КТР, превышающим КТР электролита. Сборка содержит множество ТОТЭ, концевые анодные и катодные втулки и промежуточные втулки, используемые для электрической коммутации. КТР втулок равен КТР наружного электрода ТОТЭ. Блок содержит по меньшей мере две сборки ТОТЭ, наружные дистанционирующие кольца из электроизоляционного материала, камеры подвода и отвода анодного газа в виде трубной доски с крышкой, соединенных герметично между собой, токоподводы. Сборка в блоке соединена параллельно электрически и по анодному газу. 3 с. и 13 з.п. ф-лы, 24 ил.

Изобретение относится к электрохимическим генераторам (ЭХГ), в которых химическая энергия топлива непосредственно преобразуется в электрическую энергию, а именно к высокотемпературным ЭХГ (ВТ ЭХГ) с твердооксидными топливными элементами (ТОТЭ), использующими в качестве топлива углеводородный газ (УГ), а в качестве окислителя кислород - воздуха.

Характерной особенностью ВТ ЭХГ с ТОТЭ являлся то, что большинство составляющих его частей, таких как батарея, конвертор, преобразующий УГ в водород - и оксид углерода содержащий анодный газ (АГ), камера дожигании непрореагирующих в батарее горючих составляющих АГ, теплообменник передачи выделяющейся в ВТ ЭХГ тепловой энергии к теплоносителю утилизационной установки, регенеративный теплообменник подогрева поступающего воздуха - катодного газа (КГ) отходящими газами, детали, узлы и оборудование, образующие анодное (АП) и катодное (КП) пространства и каналы для УГ и отходящих газов, обеспечивающие циркуляцию АГ и КГ, электрическую коммутацию и электроизоляцию, крепление оборудования и другие, работают в довольно узком диапазоне высоких температур порядка 1173-1273К. Это обусловлено тем, что при минимальной температурной неоднородности (при температурах составных частей, близких к максимальной температуре эксплуатации, определяемой их термостойкостью) достигаются наилучшие электрические характеристики ТОТЭ, наивысшая температура передаваемого на утилизатор тепла, а следовательно, наивысший КПД ВТ ЭХГ, а также уменьшаются термические напряжения в деталях и узлах и повышается их надежность.

Совокупность указанных составных частей ВТ ЭХГ образует высокотемпературную зону (ВТЗ), которая компонуется с обеспечением минимальной наружной поверхности и теплоизолируется для уменьшения температурной неоднородности и отдачи тепла в окружающую среду.

Конструкция ВТЗ, используемые в ее составных частях материалы в значительной степени определяются типом ТОТЭ и, в частности, их КТР. Последнее обусловлено тем, что для надежного соединения деталей и узлов между собой, особенно с требованием газоплотности и (или) электропроводности, необходима идентичность (близость) КТР их материалов, так как в противном случае из-за высокого значения максимальной температуры эксплуатации, а следовательно, высокой разности максимальной и минимальной температуры эксплуатации, например температуры хранения выведенного из действия ВТ ЭХГ, в этих соединениях возникают значительные термические напряжения, уменьшающие надежность. Особенно это относится к соединениям деталей и узлов из керамики ввиду их низкой пластичности и прочности при растяжении. Так, например, в патентах [1] и [2] приведены конструкции ВТЗ с ТОТЭ в виде трубок, с несущим электролитом, т.е. с КТР, равным КТР их электролита. В качестве конструкционных материалов составляющих частей этих ВТЗ применена керамика, так как ее КТР наиболее близок к КТР электролита. В большинстве известных конструкций ТОТЭ в качестве электролита применяется окись циркония, стабилизированная окисью иттрия или окисью скандия [3], имеющая КТР в диапазоне температур 300...1273 К, равный 9.5. ..10.510^-6 1/К [10]. По-видимому, не существует кислородионопроводящих материалов, пригодных для электролита и имеющих КТР, по крайней мере существенно больше указанных выше, так как с ростом КТР растет и их электронная проводимость, например, кобальтиты редкоземельных элементов [11].

Применение керамики в качестве конструкционных материалов составных частей ВТЗ, особенно ВТ ЭХГ большой мощности, имеет, в дополнение к указанным выше, следующие недостатки: - низкие массогабаритные характеристики теплообменного оборудования ВТЗ из-за низкой теплопроводности керамики и трудностей изготовления тонкостенных деталей; -сложность монтажа деталей и узлов составных частей ВТЗ и ВТЗ в целом, особенно обеспечение газоплотности и (или) электропроводности монтажных соединений и их контроль. Последнее связано с необходимостью применения высокотемпературных клеев (герметиков), требующих термообработки при температурах, превышающих максимальную температуру эксплуатации; -низкие значения допустимых скоростей изменения температуры в ВТЗ на режимах эксплуатации из-за возникновения значительных термических напряжений вследствие низкой теплопроводности, разнотолщинности деталей и узлов и низкой прочности на растяжение, что ухудшает маневренные характеристики ВТ ЭХГ.

Если не считать входящие в ВТЗ электроизоляторы, футеровку, например, в камере дожигания, то практически единственной ее составной частью с необходимостью изготовления из керамических материалов является ТОТЭ. А с точки зрения технологичности изготовления остальных составных частей ВТЗ и их монтажа, улучшения массогабаритных характеристик, обеспечения прочности и надежности, улучшения маневренных характеристик ВТ ЭХГ предпочтительнее, по сравнению с керамикой, в качестве их конструкционных материалов использовать металлы, обладающие необходимой жаропрочностью, жаростойкостью и технологичностью, в частности, возможностью изготовления из них полуфабрикатов (листов, труб и т.п.), а также хорошей свариваемостью. Последнее обусловлено тем, что при таких высоких температурах эксплуатации наиболее надежным соединением деталей и узлов с обеспечением газоплотности и (или) электропроводности является сварное соединение. Хорошая свариваемость особенно важна для монтажных соединений при сборке составных частей ВТЗ и ВТЗ в целом, так как, в противном случае, требования предварительного подогрева последующей термообработки сварных соединений трудновыполнимы.

Одним из наиболее приемлемых металлических конструкционных материалов для ВТЗ, в том числе и для батареи, является жаропрочный сплав ХН55МВЦ(ЧС-57), освоенный в опытном производстве, обладающий хорошей технологичностью (освоено опытное производство поковок, листов, труб, фасонных деталей, в том числе холодным деформированием) и хорошей свариваемостью (разработаны сварочные материалы и отработаны различные способы и режимы сварки), см., например, [4] , [5] ,[6]. КТР этого сплава в диапазоне температур 300...1273К составляет величину ок.16.210^-6 1/К, т.е. существенно больше, чем КТР электролита ТОТЭ, В патентах [7] и [8] предложены металлические сплавы титана с хромом и добавками и хрома с железом и добавками соответственно для металлических деталей сборки планарных ТОТЭ, в частности, для биполярных пластин, КТР которых превышает КТР электролита в диапазоне температур 300...1273К не более чем на 10%. Однако даже такое отличие КТР приводит к весьма высоким значениям термических напряжений в элементах конструкции сборки ТОТЭ - порядка 250 МПа при минимальной температуре эксплуатации 273 К. Кроме того, такие характеристики технологичности, как способность к деформированию и свариваемость, не приведены, но известно, что высокохромистые жаростойкие стали или сплавы обладают низкой пластичностью и трудно или ограниченно свариваемые [9] . Тем не менее имеется по крайней мере принципиальная возможность изготовления деталей из этих сплавов с обеспечением технологичности сварки монтажных соединений, например, путем предварительной (до сборки) приварки к ним переходных деталей из сплава с хорошей свариваемостью с разработкой необходимых сварочных материалов, режимов сварки и термообработки, подтверждением работоспособности этого сварного соединения в условиях работы в составе ВТЗ в течение заданного ресурса.

Таким образом, из изложенного выше следует, что при создании ВТ ЭХГ с ТОТЭ необходимо преодолеть существующее несоответствие, заключающееся в превышении КТР наиболее приемлемых конструкционных материалов для составных частей ВТЗ (жаропрочных сплавов, например сплава ЧС-57) над КТР электролита ТОТЭ.

Разрешение этого несоответствия и является одной из основных задач группы предполагаемых изобретений. Эта задача решается путем создания такой конструкции ТОТЭ, в которой его КТР превышает КТР используемого в нем электролита и идентичен КТР сплава деталей, непосредственно соприкасающихся с ТОТЭ в сборке. К этим деталям относятся: - токовые коллекторы, подводящие или отводящие электроны от электродов ТОТЭ; - токопроходы, обеспечивающие электропроводное соединение разноименных электродов соседних ТОТЭ; - токоподводы, обеспечивающие подвод или отвод электронов от сборок ТОТЭ; - детали, образующие АП и КП для движения АГ и КГ вдоль соответствующих электродов ТОТЭ.

Первое из группы предполагаемых изобретений относится к блокам сборок ТОТЭ, из которых батарея ВТ ЭХГ собирается, как из унифицированных узлов. Под блоком понимается технологически законченный, прошедший контроль качества узел с оформленными АП и КП, входами и выходами из него АГ и КГ, с токоподводами, обеспечивающими электрическую коммутацию блоков в батарее.

Техническим результатом первого из группы предполагаемых изобретений является создание блока сборок ТОТЭ с высоким КПД по току (долей электрохимического окисления топлива), с высоким КПД по напряжению, с обеспечением конверсии УГ в АП блока, минимальных термических напряжений в деталях при одинаковой разности температур АГ и КГ на выходе и входе в блок и его надежности, хороших массогабаритных характеристик и технологичности, а также с обеспечением вибро- и ударостойкости конструкции блока.

Для достижения указанного технического результата блок сборок ТОТЭ с КТР, превышающим КТР их электролита, содержащий множество ТОТЭ, катодный и анодный токоподводы, электроизоляторы, детали, образующие катодное и анодное пространство, подводы и отводы катодного и анодного газа, и узлы крепления, согласно предполагаемому изобретению снабжен по меньшей мере двумя сборками, содержащими по меньшей мере два ТОТЭ с КТР, превышающим КТР их электролита, в виде круглого полого цилиндра, наружный электрод которых имеет функции несущего слоя и катода, а внутренний электрод - функцию анода, промежуточные втулки по количеству ТОТЭ, уменьшенному на единицу, и концевые анодную и катодную втулки с токовыми коллекторами, выполненными из жаропрочного или жаростойкого сплава с КТР, идентичным КТР ТОТЭ, например из сплава ЧС-57 или высокохромистого сплава, с помощью которых и высокотемпературных клеев ТОТЭ в сборках соединены последовательно электрически и по анодному газу с обеспечением возможности газоплотного и электропроводного соединения концевых втулок с деталями подвода или отвода анодного газа и с токоподводами сборки, например, с помощью сварки, и наружные дистанционирующие кольца из электроизоляционного материала, установленные снаружи всех промежуточных втулок и концевой анодной втулки или части втулок, например, концевой анодной втулки и части равномерно расположенных по длине сборки промежуточных втулок, и имеющие размеры и форму наружной поверхности, обеспечивающие дистанционирование сборок в блоке с требуемым шагом, камерами подвода и отвода анодного газа в виде трубной доски с крышкой, соединенных между собой с обеспечением газоплотности и электропроводности, например, с помощью сварки, а также с возможностью подсоединения к последней деталей подвода или отвода анодного газа и (или) токоподвода к блоку с обеспечением газоплотности и (или) электропроводности, например, с помощью сварки, гнутыми трубками по удвоенному количеству сборок с наружным диаметром, приблизительно два раза меньшим, чем требуемый шаг дистанционирования сборок в блоке, с величинами их отгибки, обеспечивающими совместно с расположением соответствующих им отверстий в трубных досках камер подвода и отвода анодного газа требуемый шаг дистанционирования, и охватывающим сборки кожухом, образующим катодное пространство блока при продольном движении катодного газа вдоль сборок с входом и выходом его из блока в районе камер, с деталями крепления камер, ограничивающими их перемещение вдоль оси блока, при этом камеры, гнутые трубки и кожух с деталями крепления камер выполнены из жаропрочного сплава с хорошей свариваемостью, например из сплава ЧС-57, сборки соединены параллельно электрически и по анодному газу одноименными концевыми анодными и катодными втулками с трубными досками камер подвода или отвода анодного газа соответствующими гнутыми трубками с обеспечением газоплотности и электропроводности соединений, например, с помощью сварки, а между деталями крепления камер и камерами установлены электроизоляторы.

Использование в блоке ТОТЭ, в которых внутренний электрод имеет функцию анода, т. е. размещение АП блока внутри сборок, а КП - снаружи сборок и внутри кожуха, имеет преимущества по сравнению с размещением КП внутри сборок: - улучшаются массогабаритные характеристики блока. Как показывают расчеты расходов АГ и КГ с учетом обеспечения требуемой температурной неоднородности ВТЗ при приемлемых затратах мощности на их циркуляцию, объемный расход КГ превышает объемный расход АГ не менее чем в 60 раз, а требуемая площадь проходного сечения КП превышает аналогичную величину АП не менее чем в 10 раз. Таким образом, требуемый объем АП блока составляет не более 10% от требуемого объема КП. Это соотношение объемов конструктивно наиболее рационально реализуется, когда в объеме КП "островками" размещено АП, т.е. когда АП размещено внутри сборок с требуемым внутренним диаметром ТОТЭ, а КП - снаружи сборок, размещаемых внутри кожуха с требуемым шагом дистанционирования; - используемые в сборках, блоках и батарее в целом электроизоляторы из оксидных материалов в этом случае работают в окислительной атмосфере, что повышает их электроизолирующие и прочностные характеристики; - сокращается поверхность АП, при этом в нем практически исключаются застойные зоны, а указанная поверхность в основном образуется анодами ТОТЭ, на которых в результате электрохимического окисления АГ образуется вода и двуокись углерода, являющиеся реагентами в процессе конверсии УГ. Это облегчает решение задачи конверсии УГ не в конверторе ВТЗ, а непосредственно в АП блока (в его начале по ходу АГ), что повышает концентрацию топливных составляющих в АГ, а следовательно, термодинамическое напряжение (ТДН) и КПД по напряжению [1], [10]. Исключение в АП застойных зон снижает вероятность образования угольных отложений, обладающих избирательностью каталитического пиролиза УГ, и облегчает продувку АП инертным газом на режимах вывода ВТ ЭХГ из действия; - существенно проще обеспечивается равномерность раздачи АГ по параллельно включенным сборкам, требование к которой весьма жесткое, особенно при КПД по току, близких к единице, например, путем установки дроссельных устройств в гнутых трубках в районе их соединения с трубными досками камер или способом, изложенным ниже. Равномерность раздачи КГ по сборкам при продольном их смывании, требование к которой менее жестко вследствие небольших разностей концентраций кислорода и температур КГ на входе и выходе из блока (обеспечение требуемой температурной однородности ВТЗ) и высоких значений коэффициента теплоотдачи от ТОТЭ излучением (тепловой поток от тепловыделений в ТОТЭ обеспечивается излучением при разности температур между ТОТЭ и окружающими сборками не более 10...15 К), достигается обычным способом, например дистанционированием сборок в блоке.

Последовательное электрическое соединение ТОТЭ в сборках обеспечивает наибольшее значение КПД по напряжению сборки по сравнению с параллельным соединением ТОТЭ при остальных одинаковых условиях. Это связано с тем, что по ходу движения АГ в АП сборки уменьшается концентрация горючих составляющих (водорода и оксида углерода), а следовательно, уменьшается ТДН на ТОТЭ. Различие между ТДН первого и последнего ТОТЭ по ходу движения АГ становится значительным при больших КПД по току сборки, особенно близких к единице. При параллельном электрическом соединении ТОТЭ в сборках, т.е. работе их на общие токоподводы сборки, или при одинаковых напряжениях на ТОТЭ, это различие ТДН приводит к неравномерности генерации тока ТОТЭ (плотности тока в них) - наибольшая плотность тока в первых ТОТЭ и наименьшая в последних ТОТЭ по ходу АГ, а следовательно, к дополнительным поляризационным потерям и к снижению КПД по напряжению [10]. При последовательном электрическом соединении ТОТЭ в сборках и достаточно большом их количестве каждый из них работает в узком диапазоне изменения концентраций горючих составляющих (изменения ТДН), и указанные неравномерности плотности тока и дополнительные поляризационные потери в ТОТЭ существенно ниже, а следовательно, выше КПД по напряжению как каждого ТОТЭ, так и сборки в целом при любом, в том числе близком к единице КПД по току. Это соединение позволяет также получить на сборках ТОТЭ требуемое напряжение батареи или по крайней мере его значительную часть.

Параллельное электрическое и по анодному газу соединение сборок ТОТЭ в блоке существенно упрощает конструкцию и улучшает массогабаритные характеристики и технологичность блока по сравнению с последовательным электрическим и параллельным по анодному газу их соединением, т.к. при последовательном электрическом соединении необходима дополнительная установка на концевых втулках сборок или гнутых трубках газоплотных электроизоляторов с функцией подвода или отвода АГ от сборок и токоподводов для последовательного электрического соединения сборок в блоке и соединения блоков между собой в батарее.

Дистанционирование сборок в блоке с требуемым шагом с помощью наружных колец из электроизоляционного материала, охватывающего сборки кожуха и выбора соответствующих величин отгибки гнутых трубок и расположения отверстий в трубных досках камер обеспечивает -вибро- и ударостойкость конструкции блока в поперечном оси блока направлении за счет отстройки частот собственных колебаний сборок от частот внешних, в том числе ударных нагрузок, путем выбора расстояний расположения дистанционирующих колец по длине сборок, т.е. их количества. При этом количество колец выбирается минимально необходимым, так как их увеличение приводит к росту гидравлического сопротивления блока по КГ и затрат мощности на его циркуляцию. Под осью блока понимается прямая линия, проходящая через центры тяжести поперечных сечений блока перпендикулярная им, т.е. параллельная осям сборок; -уменьшение неравномерности расхода КГ по ячейкам продольного обтекания сборок в блоке, -электрическую изоляцию сборок от кожуха блока, а следовательно, от деталей крепления батареи в ВТЗ; Требуемая величина шага дистанционирования сборок в блоке выбирается оптимальной с точки зрения массогабаритных характеристик блока и батареи в целом и затрат мощности на циркуляцию КГ в батарее.

Продольное обтекание сборок КГ и расположение входа и выхода его из блока в районе камер обеспечивает по сравнению с поперечным обтеканием: - улучшение габаритных характеристик батареи и ВТЗ, т.к. необходимое для подвода и отвода АГ от блоков пространство батареи и ВТЗ одновременно используется и для подвода и отвода КГ от блоков; - уменьшение различия температурных удлинении сборок, а следовательно, и термических напряжений в них.

Охватывающий сборки кожух с деталями крепления камер, ограничивающими их перемещения вдоль оси блока, обеспечивает крепление токонесущей части блока (сборок и камер) в кожухе при любом положении оси блока в пространстве, возможность свободных относительных их перемещений под действием возможных разности температур сборок и кожуха и различия КТР их материалов, т.е. при минимальных термических напряжениях в них, а также обеспечивает ударостойкость конструкции, в том числе при составляющих ударной нагрузки, параллельных оси блока.

Меньший приблизительно в два раза диаметр гнутых трубок, чем шаг дистанционирования сборок в блоке, например, по треугольной решетке, обеспечивает при приемлемых размерах мостиков между отверстиями в трубных досках камер с точки зрения их прочности и возможности выполнения газоплотных и электропроводных соединений гнутых трубок с трубными досками, например, с помощью сварки, непревышение поперечных габаритов камер над габаритами охватывающего сборки кожуха. Это позволяет компоновать блоки в батарее практически без зазоров между их кожухами, что, с одной стороны, сокращает габариты батареи и обеспечивает практически равенство объемных характеристик батареи и блока, и, с другой стороны, обеспечивает возможность использования кожухов в качестве несущих деталей крепления блоков в батарее и батареи в ВТЗ, например, соединением их между собой при монтаже батареи с помощью сварки.

Установка электроизоляторов между деталями крепления камер и камерами обеспечивает электрическую изоляцию токонесущих частей блока от кожуха, а следовательно, и от деталей крепления батареи в ВТЗ.

Указанные выше преимущества конструкции блока сборок ТОТЭ, в том числе его технологичность, практически могут быть реализованы при использовании в качестве конструкционного материала жаропрочного сплава с хорошей свариваемостью, например сплава ЧС- 57, и ТОТЭ с КТР, превышающим КТР их электролита, в виде круглого полого цилиндра, наружный электрод которых имеет функции несущего слоя и катода, а внутренний электрод - функцию анода.

Кроме того, ось блока расположена в пространстве вертикально, а детали крепления камеры подвода или отвода анодного газа расположены в нижней части кожуха с исключением перемещения нижней камеры вниз относительно кожуха.

При таком расположении блока и опоре нижней камеры на детали ее крепления к кожуху в сборках и ТОТЭ под действием силы тяжести возникают в основном сжимающие напряжения, которые меньше, чем изгибные напряжения, возникающие, например, при горизонтальном расположении оси блока, а допустимая величина их особенно для ТОТЭ и высокотемпературных клеев существенно выше, чем изгибных и растягивающих напряжений, что повышает надежность блока.

Кроме того, в блоке, ось которого расположена в пространстве вертикально, подвод и отвод анодного газа осуществлен соответственно к верхней камере и из нижней камеры.

В случае поступления в блок АГ после конвертора ВТЗ, в котором осуществляется, например, паровая конверсия УГ, при его движении по АП сборки сверху вниз обеспечивается устойчивость потока вследствие увеличения плотности АГ при его электрохимическом окислении, когда более плотные слои находятся ниже менее плотных. При противоположном движении наоборот более плотные слои оказываются выше менее плотных и возникает конвективный ток, который при малых скоростях движения АГ приводит совместно с диффузией к дополнительному к ней переносу в основном водорода по потоку АГ и выравниванию его концентрации по длине сборки, а следовательно, и выравниванию ТДН. Как любой процесс смешения, выравнивание ТДН приводит к росту энтропии и к уменьшению КПД по напряжению сборки при прочих одинаковых условиях.

Рассмотрим случай поступления в блок УГ и его паровой и углекислотной конверсии в начале АП сборок, где одновременно с конверсией происходит электрохимическое окисление АГ и концентрации воды и двуокиси углерода близки к нулю. На этом участке АП сборки ТДН имеет максимальное значение, а следовательно, достигается максимальный при прочих одинаковых условиях КПД по напряжению. При этом плотность по ходу АГ уменьшается. При движении АГ сверху вниз, как указано выше, возникает конвективный ток, который при малых скоростях движения приводит совместно с диффузией к дополнительному к ней переносу водорода против потока. Этот процесс благоприятно сказывается на процессе конверсии вследствие тормозящего влияния водорода на процесс пиролиза (см., например, [12]) и позволяет уменьшить или исключить содержание воды и (или) двуокиси углеродов в УГ на входе в блок, вводимых в него для исключения процесса пиролиза, что расширяет зону АП сборки с максимальным значением ТДН, повышает КПД по напряжению сборки, уменьшает объемный расход АГ и гидравлическое сопротивление сборки при прочих одинаковых условиях. На остальной части АП (после окончания конверсии) течение AT происходит, как и в случае поступления АГ, после конвертора ВТЗ.

Движение АГ или УГ сверху вниз обеспечивает устойчивую работу сборок, соединенных в блоке параллельно по АГ и электрически, без установки специальных дроссельных устройств в сборках. Это объясняется увеличением средней по длине сборки плотности АГ с ростом ее КПД по току. Для чистого УГ это имеет место при КПД по току выше ок. 0.4, с ростом содержания в нем воды и (или) двуокиси углерода эта величина уменьшается и при определенных значениях этого содержания становится равной нулю, т.е. УГ становится аналогичным АГ после конвертора ВТЗ с этой точки зрения. Действительно, если предположить, что через какую-либо сборку увеличился расход АГ, то это приведет к уменьшению КПД по току этой сборки, что, в свою очередь, во-первых, приведет к повышению ТДН и напряжения сборки, а следовательно, к повышению генерируемого ею тока и КПД по току в ней, и во-вторых, к уменьшению средней по ее длине плотности АГ, к уменьшению веса столба АГ в ней по сравнению с другими параллельными сборками и к уменьшению расхода через эту сборку АГ, и наоборот.

При противоположном движении АГ (снизу вверх) вследствие этого же механизма возможны, если не приняты специальные меры, например не установлены дроссельные устройства на каждой сборке с необходимым гидравлическим сопротивлением, неустойчивость и автоколебания. Действительно, если предположить, что черта какую- либо сборку увеличивается расход АГ, то это приведет к уменьшению веса столба АГ по сравнению с другими сборками, а следовательно, к дальнейшему увеличению расхода через нее, и наоборот. Правда, при параллельном электрическом соединении сборок в блоке указанные процессы несколько стабилизируются, так как при увеличении расхода АГ увеличивается напряжение и генерируемый сборкой ток, что повышает КПД по току и среднюю плотность АГ, т.е. параллельное электрическое соединение сборок ограничивает амплитуды колебаний расходов АГ в сборках. Установка дроссельных устройств не исключает автоколебаний на промежуточных и особенно на малых нагрузках ВТ ЭХГ, т.к. их гидравлические сопротивления на этих нагрузках значительно меньше. Указанные автоколебания отрицательно влияют на электрические и ресурсные характеристики сборок и блока в целом.

Кроме того, в блоке с вертикальным расположением его оси в пространстве и с подводом и отводом анодного газа соответственно к верхней и из нижней камеры, внутренний диаметр сборок выполнен с обеспечением требуемой величины неравномерности КПД по току сборок в блоке, например, превышающим величину, пропорциональную корню кубическому из произведения суммы длины сборки и длины проекции на ось блока нижней гнутой трубки на среднюю по сборке плотность тока через электролиты ТОТЭ на максимальной нагрузке, с коэффициентом пропорциональности, возрастающим с увеличением концентрации в АГ на входе в блок негорючих составляющих, с увеличением различия гидравлических и электрических характеристик сборок, обусловленного технологией их изготовления, и с уменьшением требуемой величины неравномерности КПД по току сборок в блоке.

Под величиной неравномерности КПД по току сборок в блоке (_ТСБ) понимается положительная максимальная разница между КПД по току сборок и его средним значением, равным КПД по току блока (_ТБЛ) , отнесенная к последнему. Она зависит от различия гидравлических и электрических характеристик, установленных в блоке сборок, обусловленного допусками на технологию изготовления ТОТЭ, сборок, и блока в целом, геометрических размеров сборок, состава АГ на входе в блок, средней плотности тока через электролиты ТОТЭ и _ТБЛ на максимальной электрической нагрузке. Уменьшение величины _ТСБ повышает экономичность и улучшает маневренные характеристики ВТ ЭХГ при прочих одинаковых условиях, т.е. одинаковых величинах предельного КПД по току сборки на стационарных нагрузках ([_ТСБ]^СТ) и на переходных режимах ([_ТСБ]^Д). Под первой величиной понимается максимальное значение КПД по току сборки, не оказывающее отрицательного влияния на работоспособность сборки в течение заданного ресурса и обеспечивающее непревышение генерируемой электрической мощности сборки так называемого максимума, обусловленного падающим видом вольтамперной характеристики сборки, когда вследствие падения напряжения увеличение тока приводит не к росту, а к снижению мощности, и работа за максимумом не выгодна. При выполнении первого условия второе в определенной степени обеспечивается увеличением суммарной площади электролита ТОТЭ сборки, т.е. снижением плотности тока и повышением КПД по напряжению на максимальной нагрузке.

Под величиной [_ТСБ]^Д понимается максимальное значение КПД по току сборки, не оказывающее отрицательного влияния на работоспособность сборки в течение заданного ресурса. Необходимость рассмотрения этой величины связана с тем, что на переходных режимах работы ВТ ЭХГ величина _ТБЛ не остается постоянной и кратковременно (в течение переходного режима) отличается от значений на стационарных режимах. Например, если программирование параметров ВТ ЭХГ на различных нагрузках выполнено при постоянной величине _ТБЛ ,т.е. при переменных расходах АГ и КГ на входе в блоки, то на переходном режиме увеличение нагрузки в каком-либо диапазоне в случае превышения скорости увеличения электрической нагрузки над скоростью увеличения расхода АГ (наиболее частый случай), величина _ТБЛ сначала будет увеличиваться, достигая максимальной величины превышения над значением на стационарном режиме (_ТБЛД) , а затем уменьшаться до этого значения. Величина _ТБЛД увеличивается с ростом диапазона повышения нагрузки и скорости изменения, то есть с улучшением маневренных характеристик ВТ ЭХГ. Повышение величины _ТБЛ на этом переходном режиме вплоть до достижения какой-либо сборкой величины [_ТСБД] , сопровождаемое снижением ее напряжения и возможным превышением генерируемой ею мощности максимума, практически не оказывает влияние на экономичность ВТ ЭХГ вследствие кратковременности переходного режима.

Из изложенного выше следует, что [_ТСБД] превышает величину [_ТСБСТ]. При известных этих величинах, а также величинах _ТБЛД и _ТСБ величина [_ТБЛ] на стационарных нагрузках, в том числе на максимальной нагрузке, выбирается из условия непревышения ее минимальной величины, определяемой по формуле Из этого выражения видно, что с уменьшением _ТСБ растет величина [_ТБЛ] , а следовательно, и экономичность ВТ ЭХГ, а в случае, если [_ТСБ]^Д-_ТБЛД > [_ТСБ]^СТ , уменьшение _ТСБ позволяет увеличить _ТБЛД на соответствующую величину и тем самым улучшить маневренные характеристики ВТ ЭХГ при прочих одинаковых условиях.

Таким образом, требуемая величина неравномерности КПД по току сборок в блоке [_ТСБ] определяется на основании анализа требований, предъявляемых к ВТ ЭХГ, в том числе по экономичности и маневренности.

Рассмотрим процессы, определяющие предельные величины КПД по току сборки. При постоянном расходе АГ и КГ через сборку будем увеличивать ток, а следовательно, и КПД по току сборки вплоть до достижения последним величины, равной единице. При этом концентрация горючих составляющих в АГ на выходе из сборки будет уменьшатся до нулевого значения. При дальнейшем увеличении тока последний ТОТЭ сборки по ходу АГ, а затем предпоследний и т.д., начинает работать в так называемом режиме кислородного насоса, когда проходящие через электролит ионы кислорода, разряжаясь на аноде, поступают в АП сборки в виде молекул кислорода из-за отсутствия там восстановителя. При этом, поскольку давления в АП и КП обычно близки, например, при наличии в составе ВТЗ камеры дожигания, а концентрация кислорода в КП выше, чем в АП, то на этом (этих) ТОТЭ ТДН направлено в ту же строну, что и в остальных ТОТЭ сборки, но меньше по величине [10] . Работоспособность этих ТОТЭ и расположение генерируемой сборкой электрической мощности относительно максимума мощности в этом случае, т. е. является ли КПД по току сборки предельной величиной на стационарном или переходном режиме зависит от свойств материалов анода последнего (последних) по ходу АГ ТОТЭ и электропроводящего клея, соединяющего его с анодными токовыми коллекторами соответствующих концевой и промежуточных втулок сборки. Если они изготовлены из окисляющихся материалов, например, на основе никель - кермета, то при наличии кислорода с АП происходит их окисление, сопровождаемое существенным снижением электропроводности последних ТОТЭ и сборки в целом, снижением напряжения и сдвигом максимума мощности в область малых токов. В этом случае даже если процессы периодического окисления и восстановления анода и электропроводящего клея не влияют на работоспособность сборки, то величина КПД по току сборки, равная единице, является предельной на стационарном режиме, а если влияние на работоспособность сборки оказывается, то и на переходном режиме. В случае, когда анод и электропроводящий клей выполнены из материалов, стойких как в восстановительной, так и в окислительной средах, например, на основе композиционного оксидного материала, содержащего оксиды циркония, кобальта, иттрия и некоторых других металлов, или из смеси окиси церия и платины, то предельная величина КПД по току сборки по крайней мере на переходном режиме будет больше единицы. Если в этом случае еще увеличивать ток, то н