Мембранно-электродная сборка для топливного элемента

Изобретение относится к области электротехники, в частности к мембранно-электродным (МЭС) сборкам для топливных элементов (ТЭ). Согласно изобретению МЭС для ТЭ содержит ионопроводящий электролит, каталитические слои, примыкающие к электролиту, и газодиффузионные слои, примыкающие к каталитическим слоям, при этом МЭС выполнена на основе монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, центральный слой которой выполнен из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим электролитом, а наружные газодиффузионные слои МЭС выполнены из пористого электропроводного материала, поры которого в зоне контакта с центральным слоем содержат катализатор. Центральный слой МЭС может иметь толщину 50÷150 мкм, пористость 60÷90% и средний размер пор 1÷10 мкм, а наружные газодиффузионные слои могут иметь толщину 150÷300 мкм, пористость 50÷60% и средний размер пор 10÷50 мкм, при этом размер пор наружных слоев уменьшается по направлению к центральному слою. В качестве ионопроводящего электролита можно использовать протонпроводящий или анионпроводящий электролит. Центральный пористый слой МЭС может быть выполнен из керамики и/или стекла. Наружные слои МЭС могут быть выполнены из углеродного материала или металла. Техническим результатом изобретения является снижение омического сопротивления. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к мембранно-электродным (МЭС) сборкам для топливных элементов (ТЭ), и может быть использовано при производстве ТЭ с МЭС.

Из известных МЭС наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является МЭС, содержащая ионопроводящий электролит, каталитические слои, примыкающие к электролиту, и газодиффузионные слои, примыкающие к каталитическим слоям (Заявка Японии № 2004139783, кл. Н01М 8/02, 2004).

Недостатком указанной известной МЭС является повышенное омическое сопротивление, связанное с наличием межграничных контактных омических сопротивлений между составляющими МЭС.

Задачей изобретения является создание МЭС, обладающей пониженным омическим сопротивлением.

Указанный технический результат достигается за счет использования монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, центральный слой которой выполнен из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим электролитом, а наружные газодиффузионные слои МЭС выполнены из пористого электропроводного материала, поры которого в зоне контакта с центральным слоем содержат катализатор. Использование указанной структуры исключает омические контактные сопротивления на границах раздела составляющих МЭС, что существенно снижает ее омическое сопротивление.

Целесообразно, чтобы центральный слой МЭС имел толщину 50÷150 мкм, пористость 60÷90% и средний размер пор 1÷10 мкм, а наружные слои имели толщину 150÷300 мкм, пористость 50÷60% и средний размер пор 10÷50 мкм, при этом размер пор наружных слоев уменьшается по направлению к центральному слою.

Указанные параметры составляющих МЭС являются оптимальными. При толщине центрального слоя меньше 50 мкм снижается механическая прочность МЭС и повышается вероятность короткого замыкания электродов и проникновения рабочих газов через электролит и их смешения с возможностью возгорания. При толщине более 150 мкм увеличивается омическое сопротивление МЭС. При пористости центрального слоя МЭС менее 60% повышается омическое сопротивление из-за уменьшения доли электролита. При пористости более 90% механическая прочность становится недостаточной. При толщине наружных слоев МЭС менее 150 мкм снижается механическая прочность МЭС, увеличение толщины наружных слоев МЭС более 300 мкм нецелесообразно, поскольку при этом возрастает масса МЭС и, следовательно, снижаются удельные электрические характеристики. Пористость и размер пор газодиффузионных слоев МЭС выбираются исходя из необходимости свободного доступа рабочих газов к каталитическим слоям. Убывающий размер пор наружных слоев в направлении центрального слоя выполнен с целью увеличения площади активной поверхности в зоне каталитических слоев МЭС.

Целесообразно, чтобы в качестве ионопроводящего электролита использовался протонпроводящий или анионпроводящий электролит. Использование того или иного электролита расширяет возможности использования МЭС в различных типах электрохимических устройств и топливных элементов (ТЭ).

Целесообразно, чтобы центральный пористый слой МЭС был выполнен из керамики и/или стекла. Указанные материалы являются непроводящими электрический ток, что исключает возможность короткого замыкания электродов, стойки при рабочих условиях использования МЭС, являются широко доступными и имеют невысокую стоимость.

Целесообразно, чтобы наружные газодиффузионные слои МЭС были выполнены из углеродного материала или металла. Указанные материалы хорошо проводят электрический ток, что снижает омическое сопротивление МЭС, широко доступны и химически стойки при рабочих условиях использования МЭС.

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 чертежом и примером практической реализации.

На чертеже показан разрез мембранно-электродной сборки.

МЭС включает центральный слой 3, наружные газодиффузионные слои 1, 5 и каталитические слои 2, 4, расположенные на границе раздела между центральным и наружными слоями.

Пример практической реализации

Методом пластичной нанокерамики изготовлена трехслойная градиентно-пористая структура толщиной 700 мкм. Центральный слой структуры толщиной 100 мкм, пористостью 70% и размером пор 5 мкм изготовлен из композиции стекловойлока и керамики из ZrO₂, Al₂О₃, TiO₂, наружные газодиффузионные слои толщиной 300 мкм, пористостью 50% и размером пор 20 мкм изготовлены из никеля. Средний размер пор наружных газодиффузионных слоев убывает по направлению к центральному слою от 20 до 5 мкм. Поры центрального слоя методом пропитки заполнены протонпроводящим электролитом на основе полимера Нафион, в наружные слои методом седиментации смеси катализатора и фторопластовой эмульсии введены соответственно анодный и катодный катализаторы на основе платины на углеродном носителе в количестве 0,5 мг/см². Полученная на основе градиентно-пористой структуры МЭС обладает достаточными гибкостью при радиусе изгиба 5÷10 мм и механической прочностью и высокой проводимостью 20÷200 мСм/см в зависимости от состава и влажности МЭС. МЭС технологична в производстве и не требует особых условий при ее хранении и использовании при сборке ТЭ.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленная МЭС может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. она соответствует критерию "промышленная применимость".

1. Мембранно-электродная сборка (МЭС) для топливного элемента, содержащая ионопроводящий электролит, каталитические слои, примыкающие к электролиту, и газодиффузионные слои, примыкающие к каталитическим слоям, отличающаяся тем, что МЭС выполнена на основе монолитной трехслойной градиентно-пористой структуры, центральный слой которой выполнен из пористого непроводящего материала, поры которого заполнены ионопроводящим электролитом, а наружные газодиффузионные слои МЭС выполнены из пористого электропроводного материала, поры которого в зоне контакта с центральным слоем содержат катализатор.

2. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что центральный слой имеет толщину 50÷150 мкм, пористость 60÷90% и средний размер пор 1÷10 мкм, а наружные газодиффузионные слои имеют толщину 150÷300 мкм, пористость 50÷60% и средний размер пор 10÷50 мкм, при этом размер пор наружных газодиффузионных слоев уменьшается по направлению к центральному слою.

3. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ионопроводящего электролита используется протонпроводящий электролит.

4. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ионопроводящего электролита используется анионпроводящий электролит.

5. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что центральный пористый слой выполнен из керамики и/или стекла.

6. МЭС по п.1, отличающаяся тем, что наружные слои выполнены из углеродного материала или металла.