Газодиффузионный электрод для электрохимического источника тока

 

Использование: производство газодиффузионных электродов для воздушно-металлических батарей и топливных элементов. Сущность изобретения: газодиффузионный электрод для электрохимического источника тока содержит гидрофобный слой из углетканевого материала, пропитанного гидрофобизатором с общей пористостью 45 - 80%, каталитический слой, состоящий из катализатора и гидрофобизатора, и нанесенный на него гидрофильный слой из неметаллической матрицы пористостью 60 - 80%. В каталитическом слое в качестве катализатора использованы благородные металлы, выбранные из группы, содержащей серебро, платину, палладий, с легирующими добавками, выбранными из группы, содержащей магний, индий, кадмий, олово, свинец, при следующем соотношении компонентов, мас.%: благородные металлы 30 - 99; легирующие добавки 1 - 70, при этом содержание гидрофобизатора в гидрофобном слое составляет 50 - 90%, а в каталитическом слое 10 - 50%. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электрохимии и касается газодиффузионных электродов для воздушно-металлических батарей и топливных элементов.

Известен газодиффузионный электрод (заявка Японии N 60-22471, Н 01 М 4/00, 1985), содержащий электродную основу, на поверхности которой с газовой стороны смонтирована пористая пластина, выполненная из смеси политетрафторэтиленовой смолы и фторсодержащего графита.

Недостатком такого электрода является повышенное удельное сопротивление пористой пластины, что не позволяет организовать внешний токоотвод от электрода.

Известен газодиффузионный электрод для электрохимического источника тока (патент США N 4950561, Н 01 М 8/92, 1990 прототип), содержащий по меньшей мере один каталитический слой, состоящий из катализатора и гидрофобизатора. В качестве катализатора используются катализированные углеродные частицы, а в качестве гидрофобизатора гидрофобный полимерный материал. На одну из сторон каталитического слоя напрессована электродная сетка.

Недостатком данного электрода является забивание пор каталитического слоя твердым продуктом реакции, что ведет к снижению разрядных характеристик во времени и к уменьшению срока службы электрода.

Цель данного изобретения повышение стабильности разрядных характеристик за счет снижения падения напряжения во времени.

Поставленная цель достигается тем, что в известном газодиффузионном электроде для электрохимического источника тока, содержащем гидрофобный слой, каталитический слой, состоящий из катализатора и гидрофобизатора, и нанесенный на него гидрофильный слой, гидрофобный слой выполнен из углетканевого материала, пропитанного гидрофобизатором, с общей пористостью 45-80% в каталитическом слое в качестве катализатора использованы благородные металлы, выбранные из группы, содержащей серебро, платину, палладий, с легирующими добавками, выбранными из группы, содержащей магний, индий, кадмий, олово, свинец, при следующем соотношении компонентов, мас. благородные металлы 30 99; легирующие добавки 1 70. При этом содержание гидрофобизатора в гидрофобном слое составляет 50 90% а в каталитическом слое 10 50% а в качестве гидрофильного слоя использована неметаллическая матрица с пористостью 60 80% Общим признаком заявляемого изобретения является наличие гидрофобного, каталитического и гидрофильного слоев.

Отличительный признак выполнение гидрофобного слоя из углетканевого материала, пропитанного гидрофобизатором, с общей пористостью 45 80% в каталитическом слое в качестве катализатора использованы благородные металлы, выбранные из группы, содержащей серебро, платину, палладий, с легирующими добавками, выбранными из группы, содержащей магний, индий, кадмий, олово, свинец, при следующем соотношении компонентов, мас. благородные металлы 30 - 99; легирующие добавки 1 70. При этом содержание гидрофобизатора в гидрофобном слое составляет 50 90% а в каталитическом слое 10 50% Кроме того, в качестве гидрофильного слоя использована неметаллическая матрица с пористостью 60 80% Заявленный газодиффузионный электрод в известных источниках патентной и научно-технической литературы не обнаружен.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем.

Изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано в автономных источниках тока на основе воздушно-металлических батарей и топливных элементов.

Предлагаемый газодиффузионный электрод позволяет повысить стабильность разрядных характеристик химического источника тока благодаря применению углетканевого материала для изготовления гидрофобного слоя, позволяющего снизить удельное электрическое сопротивление, а также заданного соотношения степени гидрофобности гидрофобного и каталитических слоев и заданной пористости гидрофобного и гидрофильного слоев, обеспечивающих оптимальную границу трех фаз (газ электролит катализатор).

На чертеж представлен электрод в собранном виде.

Электрод содержит гидрофобный слой 1, выполненный из углетканевого материала, пропитанного гидрофобизатором, с общей пористостью 45 80% и являющийся подложкой для катализатора. На гидрофобный слой 1 фильтрационным способом нанесен каталитический слой 2, состоящий из смеси скелетного катализатора и гидрофобизатора. В некоторых случаях на гидрофобный слой 1 могут быть нанесены два или более каталитических слоя, отличающихся степенью гидрофобизации. Причем к гидрофобному слою 1 должен примыкать и каталитический слой 2 с большей степенью гидрофобизации. Содержание гидрофобизатора во всех каталитических слоях составляет 10-50% от общего его количества в электроде. На открытую поверхность каталитического слоя 2 с противоположной стороны от гидрофобного слоя 1 напрессована пористая гидрофильная неметаллическая матрица 3 с пористостью 60-80% проницаемая для электролита.

Скелетный катализатор готовят следующим образом. Один из благородных металлов (серебро, платина, палладий) сплавляют с магнием и с одним или несколькими элементами, выбранными из группы, содержащей индий, кадмий, олово, свинец. Из сплава химическим путем удаляется магний полностью или большая его часть. При этом формируется высокодисперсный скелетный катализатор заданного состава, который затем отмывают дистиллированной водой до РН 6 7 и сушат на воздухе при комнатной температуре.

Газодиффузионный электрод в элементе воздушно-алюминиевой батареи работает следующим образом. При подаче воздуха в элемент происходит катодное восстановление кислорода на границе трех фаз: O₂+2H₂O+4e⇄OH^-. Одновременно в элементе протекают электрохимические реакции: анодное растворение алюминия и электрохимическая коррозия с образованием твердого осадка Al(OH)₃, который может забивать поры катализатора в газодиффузионном электроде, уменьшая его активную поверхность, что неизбежно приводит к необратимому снижению разрядных характеристик элемента. Присоединенная к катализатору и обращенная к электролиту матрица заданной пористости пропускает электролит, обеспечивая образование трехфазной зоны, и препятствует прохождению твердого осадка Al(OH)₃ к катализатору. Последнее обстоятельство обеспечивается тем, что поры матрицы имеют радиус менее 10 мкм (более 80% пор имеют радиус от 0,01 до 1,00 мкм, а радиус остальных менее 20% находится в пределах от 1,00 до 10,00 мкм), а частицы Al(OH)₃ имеют размер от 10,0 до 45,00 мкм.

Предотвращение забивания пор катализатора частицами Al(OH)₃ наряду с применением высокоэффективного катализатора и обеспечением заданной степени гидрофобности каталитического и гидрофобного слоя позволяет создать оптимальную границу трех фаз и повысить стабильность разрядных характеристик во времени.

Далее приведены примеры выполнения электрода, используемого в элементе воздушно-алюминиевой батареи.

Пример 1. На гидрофобный слой с общей пористостью 60% наносят фильтрационным способом каталитический слой, состоящий из гидрофобизированного катализатора, легированного кадмием и магнием, при следующем содержании компонентов, мас. серебро 89,0; кадмий 10,0; магний 1,0. Содержание гидрофобизатора в электроде следующее: в гидрофобном слое 70% в катализаторе 30% Затем проводят сушку при температуре 160^oC и после сушки на каталитический слой напрессовывают матрицу из асбокартона пористостью 70% Пример 2. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 60% пористость матрицы 70% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 89,0; олово 10,0; магний 1,0 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 70% в каталитическом слое 30% Пример 3. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 60% пористость матрицы 70% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 99,0; магний 1,0 и следующем соотношении гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 70% в каталитическом слое 30% Пример 4. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 60% пористость матрицы 70% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 29,0; свинец 70,0; магний 1,0 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 70% в каталитическом слое 30% Пример 5. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 60% пористость матрицы 70% при следующем содержании компонентов, мас. платина 49,0; палладий 50,0; магний 1,0 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 70% в каталитическом слое 30% Пример 6. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 45% пористость матрицы 60% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 79,0; индий 20,0; магний 1,0 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 50% в каталитическом слое 50% Пример 7. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 45% пористость матрицы 60% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 86,0; кадмий 10,0; олово 3,0; магний 1,0 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 50% в каталитическом слое 50% Пример 8. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 80% пористость матрицы 80% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 80,0; индий 10,0; кадмий 10,0; и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 90% в каталитическом слое 10%
Пример 9. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 80% пористость матрицы 80% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 87,0; индий 10,0; олово 3,0 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 90% в каталитическом слое 10%
Пример 10. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 60% пористость матрицы 70% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 99,5; магний 0,5 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 70% в каталитическом слое 30%
Пример 11. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 60% пористость матрицы 70% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 27,0; свинец 72,0; магний 1,0 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 70% в каталитическом слое 30%
Пример 12. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 43% пористость матрицы 58% при следующем содержании компонентов, мас. серебро 89,0; кадмий 10,0; магний 1,0 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 48% в каталитическом слое 52%
Пример 13. Электрод, изготовленный по технологии примера 1, имеет общую пористость гидрофобного слоя 82% пористость матрицы 82% при следующем соотношении компонентов, мас. серебро 89,0; олово 10,0; магний 1,0 и следующем содержании гидрофобизатора в электроде: в гидрофобном слое 92% в каталитическом слое 8%
Результаты испытаний газодиффузионных электродов в воздушно-алюминиевой батарее приведены в таблице.

Сравнение характеристик, представленных в таблице, показывает, что применение предлагаемого газодиффузионного электрода в воздушно-алюминиевой батарее по сравнению с прототипом позволяет снизить падение напряжения элемента от максимального за рассматриваемое время разряда почти вдвое, что обеспечивает повышение стабильности разрядных характеристик электрода.

Падение напряжения рассчитывается по формуле

DU_τ, падение напряжения во времени, В;
U_макс напряжение максимальное, В;
U_кон напряжение на конец разряда, В;
t время разряда, ч.

Электроды, изготовленные с использованием запредельных параметров по пористости, составу катализатора и степени гидрофобности гидрофобного и каталитического слоев, не позволяют достичь оптимальных результатов.

Формула изобретения

Газодиффузионный электрод для электрохимического источника тока, содержащий гидрофобный слой, каталитический слой, состоящий из катализатора и гидрофобизатора, и нанесенный на него гидрофильный слой, отличающийся тем, что гидрофобный слой, служащий и токоотводящим слоем, выполнен из углетканевого материала, пропитанного гидрофобизатором, с общей пористостью 45 80% в каталитическом слое в качестве катализатора использованы благородные металлы, выбранные из группы, содержащей серебро, платину, палладий, с легирующими добавками, выбранными из группы, содержащей магний, индий, кадмий, олово, свинец, при следующем соотношении компонентов, мас.

Благородные металлы 30 99
Легирующие добавки 1 70
при этом содержание гидрофобизатора в гидрофобном слое составляет 50 - 90% а в каталитическом слое 10 50% а в качестве гидрофильного слоя использована неметаллическая матрица с пористостью 60 80%

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4