Газодиффузионный катод и способ его изготовления

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении катодов для химических источников тока. Техническим результатом изобретения является повышение срока службы катода. Согласно изобретению газодиффузионный катод содержит активный слой из активированного угля и связующего, гидрофобный слой из технического углерода и связующего и токоотводящую сетку, при этом активный слой дополнительно содержит технический углерод, а в качестве связующего активный и гидрофобный слои содержат фторопласт при следующем соотношении компонентов (масс.%): гидрофобный слой: технический углерод - 60÷80, фторопласт - 20÷40, активный слой: технический углерод - 20÷30, активированный уголь - 60÷70, фторопласт - 5÷10. Способ изготовления катода включает приготовление массы для гидрофобного слоя, приготовление массы для активного слоя, изготовление токоотводящей сетки, нанесение активной и гидрофобной масс на токоотводящую сетку, при этом гидрофобную массу готовят из смеси (масс.%): технического углерода - 60÷80 и фторопласта - 20÷40, а активную массу готовят из смеси (масс.%): технического углерода - 20-30, активированного угля - 60÷70, фторопласта - 5÷10, указанные смеси прессуют на разные стороны токоотводящей сетки. Активную массу в заданном количестве наносят на технологическую подложку, разравнивают, поверх активной массы укладывают токоотводящую сетку, на сетку наносят заданное количество гидрофобной массы, разравнивают, поверх массы укладывают технологическую подложку, подвергают прессованию, после чего удаляют технологические подложки. Прессование ведут при давлении 460-480 кг/см², а спекание - при температуре 340-360°С в течение 20-40 минут. 2 н. и 7 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве газодиффузионных катодов для первичных химических источников тока (ХИТ), например для металловоздушных ХИТ.

Известен газодиффузионный катод для (ХИТ), содержащий активный слой из активированного углерода и гидрофобного полимера и гидрофобный слой из полиэтилена, и токоотводящую сетку (см. а.с. СССР 445947, кл. Н 01 М 4/86, 1974).

Недостатком данного катода является низкий срок службы из-за потери гидрофобности и промокания катода.

Из известных газодиффузионных катодов для ХИТ наиболее близким по совокупности существенных признаков является газодиффузионный катод для химического источника тока, содержащий активный слой из активированного угля и связующего, гидрофобный слой из технического углерода и связующего и токоотводящую сетку (см. патент РФ 2040832, кл. Н 01 М 4/86, 4/96, 1995).

Недостатком известного катода является недостаточный срок службы, связанный с деструкцией гидрофобного слоя и промоканием катода.

Известен способ изготовления газодиффузионного катода, при котором на токопроводящую подложку наносят с двух сторон смесь углеродного материала и полиэтилена (см. патент СССР №357774, кл. Н 01 М 4/96, 12.01.1973).

Недостатком указанного способа изготовления являются низкие удельные электрические характеристики.

Из известных способов изготовления газодиффузионных катодов наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ изготовления газодиффузионного катода, включающий приготовление массы для гидрофобного слоя, приготовление массы для активного слоя, изготовление токоотводящей сетки, нанесение на токоотводящую сетку активной и гидрофобной масс, прессование указанных смесей при повышенной температуре и экстрагирование индустриального масла из катода растворителем (см. патент РФ 2040832, кл. Н 01 М 4/86, 4/96, 1995).

Недостатком указанного способа являются технологическая сложность изготовления катода, связанная с удалением масла, нестабильные характеристики и низкий срок службы изготовленных катодов.

Задачей изобретения является создание газодиффузионного катода для ХИТ и способа его изготовления, обеспечивающего изготовление катодов, обладающих повышенным сроком службы.

Указанный технический результат достигается тем, что газодиффузионный катод содержит активный слой из активированного угля и связующего, гидрофобный слой из технического углерода и связующего и токоотводящую сетку, при этом согласно изобретению активный слой дополнительно содержит технический углерод, а в качестве связующего активный и гидрофобный слои содержат фторопласт при следующем соотношении компонентов (масс.%): гидрофобный слой: технический углерод - 60÷80, фторопласт - 20÷40, активный слой: технический углерод - 20÷30, активированный уголь - 60÷70, фторопласт - 5÷10.

Катод указанного состава обладает стабильными характеристиками и повышенным сроком службы.

Целесообразно, чтобы в качестве активированного угля был взят уголь активный марки УАФ или уголь древесный, предварительно измельченный. Указанные виды угля являются доступными, широко используются в электротехнической промышленности и обеспечивают требуемую активность катода.

Целесообразно, чтобы в качестве технического углерода был взят углерод технический элементный марки А 144-Э. Указанный углерод широко используется в электротехнической промышленности при изготовлении ХИТ и обеспечивает требуемые характеристики катода.

Целесообразно, чтобы в качестве фторопласта была взята фторопластовая суспензия марки Ф-4Д. Использование фторопласта в виде суспензии упрощает изготовление активной и гидрофобной масс и катода в целом.

Что касается способа изготовления газодиффузионного катода, то указанный технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления газодиффузионного катода, включающем приготовление массы для гидрофобного слоя, приготовление массы для активного слоя, изготовление токоотводящей сетки, нанесение активной и гидрофобной масс на токоотводящую сетку, согласно изобретению, гидрофобную массу готовят из смеси (масс.%): технического углерода - 60÷80 и фторопласта - 20÷40, а активную массу готовят из смеси (масс.%): технического углерода - 20÷30, активированного угля - 60÷70, фторопласта - 5÷10, указанные смеси прессуют на разные стороны токоотводящей сетки.

Целесообразно, чтобы активную массу в заданном количестве наносили на технологическую подложку, в качестве которой используют, например, лист кальки заданного размера, массу разравнивают, поверх активной массы укладывают токоотводящую сетку, на сетку наносят заданное количество гидрофобной массы, разравнивают, поверх массы укладывают лист кальки заданного размера в качестве технологической подложки и подвергают прессованию, после чего удаляют технологические подложки.

Целесообразно, чтобы прессование вели при давлении 460-480 кг/см².

Целесообразно, чтобы после прессования электрод подвергли спеканию при температуре 340÷360°C в течение 20÷40 минут. Указанные диапазон давлений и режим спекания являются оптимальными с точки зрения механической прочности и пористости катода.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения.

Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". Сущность изобретения поясняется примером практической реализации.

Пример практической реализации.

Изготовлен газодиффузионный катод для ХИТ на основе никелевой токоотводящей сетки. Исходная никелевая сетка толщиной 0,42 мм была подкатана до толщины 0,28-0,32 мм. Гидрофобную массу готовят из смеси 50 г технического углерода, 350 см³ водного раствора этилового спирта (1:6) и 350 см³ водного раствора фторопластовой суспензии Ф-4Д (1:8). К техническому углероду сначала добавляют раствор спирта, перемешивают, затем добавляют раствор суспензии и перемешивают в высокоскоростном смесителе в течение 15-20 мин. Полученную массу отфильтровывают, сушат в течение 34 ч при температуре 110-120°С, измельчают в вихревой мельнице и отжигают в течение 4-х ч при температуре 290-310°С. Активную массу готовят из 10 г полученной гидрофобной массы путем добавления 25 г активированного угля УАФ и перемешивания в смесителе в течение 2-5 мин. В матрицу устанавливают рамку, укладывают лист кальки заданного размера, насыпают заданное количество активной массы, разравнивают шпателем, укладывают, предварительно обезжиренную, токоотводящую сетку, насыпают гидрофобную массу в заданном количестве, сверху укладывают кальку и устанавливают пуансон. Прессование ведут при давлении 465 кг/см². Электрод извлекают из пресс-формы, удаляют кальку и подвергают спеканию при температуре 350-360°С. Изготовленные катоды в ячейках с магниевыми анодами ставились на ресурсные испытания, по ускоренной методике. Она включала испытания под нагрузкой 20 мА/см² в течение 7 часов и 17 часов при напряжении разомкнутой цепи. Время работы в таком режиме составило 700 часов. Время работы катодов, изготовленных по прототипу, не превышало 200 часов.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленные газодиффузионный катод и способ его изготовления могут быть реализованы на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. они соответствуют критерию \промышленная применимость\.

1. Газодиффузионный катод, содержащий активный слой из активированного угля и связующего, гидрофобный слой из технического углерода и связующего и токоотводящую сетку, отличающийся тем, что активный слой дополнительно содержит технический углерод, а в качестве связующего активный и гидрофобный слои содержат фторопласт при следующем соотношении компонентов (мас.%): гидрофобный слой: технический углерод - 60÷80, фторопласт - 20÷40, активный слой: технический углерод - 20÷30, активированный уголь - 60÷70, фторопласт - 5÷10.

2. Газодиффузионный катод по п.1, отличающийся тем, что в качестве активированного угля взят уголь активный марки УАФ или уголь древесный, предварительно измельченный.

3. Газодиффузионный катод по п.1, отличающийся тем, что в качестве технического углерода взят углерод технический элементный марки А 144-Э.

4. Газодиффузионный катод по п.1, отличающийся тем, что в качестве фторопласта взята фторопластовая суспензия марки Ф-4Д.

5. Способ изготовления газодиффузионного катода, включающий приготовление массы для гидрофобного слоя, приготовление массы для активного слоя, изготовление токоотводящей сетки, нанесение активной и гидрофобной масс на токоотводящую сетку, отличающийся тем, что гидрофобную массу готовят из смеси (мас.%) технического углерода - 60÷80 и фторопласта - 20÷40, а активную массу готовят из смеси (мас.%) технического углерода - 20÷30, активированного угля - 60÷70, фторопласта - 5÷10, указанные смеси прессуют на разные стороны токоотводящей сетки.

6. Способ изготовления газодиффузионного катода по п.5, отличающийся тем, что активную массу в заданном количестве наносят на технологическую подложку, разравнивают, поверх активной массы укладывают токоотводящую сетку, на сетку наносят заданное количество гидрофобной массы, разравнивают, поверх массы укладывают технологическую подложку, подвергают прессованию, после чего удаляют технологические подложки.

7. Способ изготовления газодиффузионного катода по п.6, отличающийся тем, что в качестве технологической подложки используют лист кальки заданного размера.

8. Способ изготовления газодиффузионного катода по п.6, отличающийся тем, что прессование ведут при давлении 460÷480 кг/см².

9. Способ изготовления газодиффузионного катода по п.7, отличающийся тем, что после прессования электрод подвергают спеканию при температуре 340÷360°С в течение 20÷40 мин.