Способ изготовления газодиффузионного электрода
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для изготовления источников тока (топливных элементов), систем жизнеобеспечения, для регенерации газов в замкнутых объемных, электролизеров для водородной энергетики, кислородных насосов, датчиков для метрологии и т.д. Техническим результатом является улучшение удельных характеристик и увеличение их стабильности во времени. В способе изготовления газодиффузионного электрода, при котором пропитывают высокопористую основу церий содержащими солями с последующим разложением их до окиси церия. Предварительно пропитанную основу прогревают до температур на 300°-400° выше рабочей температуры. После этого резко меняют парциальное давление кислорода. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом и может быть использовано при изготовлении газодиффузионных электродов для источников тока (топливных элементов), систем жизнеобеспечения, для регенерации газов в замкнутых объемах, электролизеров для водородной энергетики, кислородных насосов, датчиков для метрологии и т.д.
Известны способы обработки электродов газами с целью получения определенных структур окислов, например, никелевого электрода для создания гидроокиси никеля (Пат. США 
4064332, опубл. 20.12.77).
Полученные этим способом электроды могут работать только при низких температурах, т.к. гидроокись разлагается, еще не достигнув рабочей температуры высокотемпературных электрохимических устройств (800-1100°C).
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ изготовления электрода с высокими удельными характеристиками путем пропитки высокопористой основы (например, платиновой) насыщенным раствором соли нитрат церий-аммония Ce(NH4)(NO 3) с последующей прокалкой в процессе нагревания электрохимического устройства на воздухе до рабочей температуры (А.С. СССР 1840850).
Полученные этим способом электроды обладают следующими недостатками. После разложения соли нитрат церий-аммония в металлической основе остается меньше 45% вещества в виде окиси церия. Такое незначительное количество окиси церия не позволяет получить максимальных удельных характеристик электродов. Пропитывание с последующей прокалкой приходится проводить многократно, что усложняет технологию изготовления электродов. Поскольку рабочие температуры устройств выше температуры прокалки, в процессе работы наблюдается спекание, уплотнение окиси церия, что приводит к снижению удельных характеристик электродов и нестабильности их во времени. Причем, чем выше рабочая температура, тем быстрее наступает ухудшение характеристик.
Целью настоящего изобретения является способ изготовления электродов с высокими удельными характеристиками, которые остаются стабильными при увеличении срока службы в несколько раз.
Указанная цель достигается благодаря пропитыванию металлической основы электрода насыщенным водным раствором хлористого церия, после разложения которого в основе остается порядка 77% вещества в виде окиси церия. Последняя спекается до образования устойчивой микроструктуры, которая затем подвергается разрушению путем резкого изменения парциального давления кислорода в газовой фазе над окислом.
Предварительно сформированную высокопористую основу платинового электрода, припеченную к твердому электролиту 0,92ZrO2 + 0,1Se2O3, пропитывали насыщенным водным раствором хлористого церия квалификации "Ч". Затем производили термическое разложение и спекание окиси церия при температуре 1200-1250°C в среде воздуха в течение часа. Температура спекания на 300-400° превышает рабочую температуру электрода, благодаря этому создаются хорошие контакты окисла с металлом основы и электролитом. Кроме того, при рабочих температурах дальнейшее спекание окисла практически не наблюдается в течение длительных сроков службы. Однако полученный таким образом электрод еще не обладает высокими удельными характеристиками, т.к. окисел имеет недостаточно развитую поверхность контакта с газовой фазой. Существенное развитие ее осуществляют резким изменением парциального давления кислорода газовой среды, что приводит к растрескиванию и измельчению спеченного окисла церия внутри металлической основы электрода. Резкого изменения парциального давления кислорода достигают или сменой окружающей газовой атмосферы, например, с кислорода на водород, или пропусканием через электролит постоянного тока с быстрой сменой полярности, что приводит к нагнетанию или откачиванию кислорода из электрода. Наиболее целесообразным является комбинированное воздействие, т.к. газовую активацию можно рассматривать как более медленную и поверхностную, токовая же активация более резкая и глубинная, т.е. изменения парциального давления кислорода идут прежде всего на той трехфазовой границе, которая и обуславливает высокую эффективность проходящих реакций, высокие удельные характеристики электродов.
Использование предлагаемого способа изготовления газодиффузионного электрода для высокотемпературных электрохимических устройств с твердым электролитом позволяет получать электроды с большим содержанием в основе спеченной окиси церия, что приводит к снижению на 30÷50% поляризации электродов и к улучшению стабильности их характеристик во времени. Причем срок службы эффективно работающих электродов увеличивается в десять и более раз.
Формула изобретения
1. Способ изготовления газодиффузионного электрода, включающий пропитку высокопористой основы церийсодержащими солями с последующим разложением их до окиси церия, отличающийся тем, что, с целью улучшения удельных характеристик и увеличения их стабильности во времени, предварительно пропитанную основу нагревают до температур на 300÷400° выше рабочей, после чего резко меняют парциальное давление кислорода.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве церийсодержащих солей используют хлористый церий.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что резкое изменение парциального давления кислорода осуществляют изменением газовой среды и полярности пропускаемого тока.
