Катализатор кислородного электрода для топливного элемента с щелочным электролитом

 

Использование: изготовление кислородных электродов топливного элемента. Сущность изобретения: катализатор кислородного электрода для топливного элемента со щелочным электролитом представляет собой сплав никеля и золота при следующем соотношении, мас. %: никель 0,2 - 4,0; золото 96,0 - 99,8. Катализатор обладает повышенными активностью и коррозионной стойкостью. 1 табл.

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, связанной с разработкой электрохимических генераторов тока (ЭХГ), и может быть использовано при изготовлении активного катализатора с высокой коррозионной устойчивостью, предназначенного для формирования кислородного электрода топливного элемента с высокими удельными характеристиками, работающего со щелочным электролитом.

Известно использование для активации кислородных электродов топливных элементов как золото-платинового катализатора [1] так и золото-никелевого катализатора [2] нанесенного на углеродный носитель. Известно также, что платина, содержащаяся в катализаторах, в условиях работы кислородного электрода, растворяясь в щелочных растворах, мигрирует по топливному элементу и, восстанавливаясь до металлического состояния, образует электропроводные отложения в матрице и на аноде [3, 4] Следствием этого процесса является ухудшение характеристик кислородных электродов, а также сокращение сроков эксплуатации ЭХГ за счет увеличения вероятности появления короткого замыкания между электродами через образовавшиеся во время работы топливных элементов металлические отложения в матрице. Использование же катализаторов на углеродных носителях в топливных элементах с высокими удельными характеристиками невозможно (требуется повышенная температура и концентрация электролита [1] ) ввиду интенсивного окисления углерода, карбонизации щелочного электролита и механического разрушения катализатора в этих условиях. Поэтому создание активного и одновременно коррозионно-устойчивого катализатора кислородного электрода для топливного элемента с высокими удельными характеристиками является важной задачей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является коррозионно-устойчивый золото-никелевый катализатор, содержащий кроме золота 11-14 мас. никеля [5] Однако основным недостатком такого катализатора является его недостаточно высокая активность.

Задача заявляемого технического решения связана с повышением активности катализатора при сохранении большого срока эксплуатации топливных элементов.

Для решения поставленной задачи заявляется катализатор кислородного электрода для топливного элемента со щелочным электролитом, представляющий собой сплав никеля и золота, отличающийся от известного тем, что катализатор содержит указанные металлы в следующем соотношении, мас.

Никель 0,2 4,0 Золото 96,0 99,8 Необходимо отметить, что, сокращая до минимума количество никеля в сплаве, удалось при определенном соотношении золота и никеля значительно увеличить активность, однородность катализатора и его термодинамическую устойчивость. Согласно диаграмме состояния сплав указанного состава является термодинамически устойчивым как при высоких, так и при низких температурах, в отличие от состава, приведенного в [5] который является термодинамически неустойчивым при низких температурах. Подобрав состав сплава, удалось решить вопрос повышения активности и устойчивости катализатора во времени, сохранив при этом его уникально высокую коррозионную стойкость.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава было подготовлено несколько вариантов катализаторов с различным содержанием в них никеля и золота, девять наиболее характерных из которых приведены в таблице. Образцы катализаторов готовились путем сплавления золота и никеля в инертной атмосфере с последующим распылением такого сплава в дистиллированной воде. Полученный порошок отфильтровывали и тщательно смешивали со связующим порошкообразным фторопластом (5 мас. от веса катализатора), образующуюся смесь термообрабатывали и формировали из нее электроды путем напрессовывания катализатора на никелевую пористую подложку в количестве 40 50 мг на квадратный сантиметр поверхности электрода.

Активность катализаторов оценивали при испытании их в составе кислородного электрода в матричном водород-кислородном топливном элементе при температуре 363 373 K и абсолютном давлении газов 0,39 0,41 МПа, используя в качестве электролита 8-9 М водный раствор гидроксида калия (KOH). За меру активности принималось напряжение исследуемого кислородного электрода по отношению к платиносодержащему водородному электроду при плотности тока 0,2 А/см².

Коррозионная устойчивость таких электродов определялась по методике, аналогичной [3] в 8-9 М растворе KOH при температуре 363-373 K в диапазоне всех возможных потенциалов работы кислородного электрода в топливном элементе. За меру коррозионной устойчивости катализаторов принималась максимальная скорость их растворения, рассчитанная по скорости накопления этих металлов в растворе электролита. Однако ни в одном из опытов при указанных потенциалах концентрация ни золота, ни никеля не превысила предела обнаружения этих металлов (0,1 мг/л).

Экспериментальные данные по испытанию различных золото-никелевых катализаторов в составе кислородных электродов щелочного топливного элемента, а также данные о максимальной скорости растворения этих катализаторов в таком же электролите представлены в виде таблицы. Для сравнения приведены соответствующие данные для золотого и лучшего из золото-никелевых катализаторов из прототипа 5, приготовленных также вышеописанным способом.

Как видно из таблицы, катализаторы кислородного электрода заявляемого состава для топливного элемента со щелочным электролитом обладают одновременно высокой активностью и коррозионной устойчивостью, которые подтверждаются и во время многочисленных испытаний в реальных рабочих условиях.

Оптимальное количество никеля в сплаве с золотом составляет 0,2 4,0 мас. Уменьшение количества никеля в сплаве ниже 0,2 мас. и увеличение его количества выше 4,0 мас. ведет к снижению активности катализаторов, хотя во всех случаях сохраняется их высокая коррозионная устойчивость.

Использование катализатора кислородного электрода заявляемого состава позволит увеличить удельную мощность ЭХГ в среднем на 10 80% при сохранении большого срока эксплуатации топливных элементов.

Формула изобретения

Катализатор кислородного электрода для топливного элемента со щелочным электролитом, представляющий собой сплав никеля и золота, отличающийся тем, что катализатор содержит указанные металлы в следующем соотношении, мас.

Никель 0,2 4,0 Золото 96,0 99,8

РИСУНКИ

Рисунок 1