Способ изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов

Изобретение относится к области электрохимии, в частности к разделу прямого преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использовано в производстве сепараторов для топливных элементов со щелочным электролитом (ТЭЩЭ). Согласно изобретению способ изготовления сепаратора для топливных элементов со щелочным электролитом заключается в приготовлении суспензии асбеста, отфильтровывании жидкости, сушке и прессовании, причем в волокнистый нетканый материал внедряются частицы гидрооксида магния методом осаждения гидроксида калия из растворов, содержащих ионы магния с концентрацией раствора солей магния от 10 до 40%. Техническим результатом является снижение трудоемкости изготовления сепаратора. 6 з.п. ф-лы.

 

Предполагаемое изобретение относится к области электрохимии, в частности к разделу прямого преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использовано в производстве сепараторов для топливных элементов со щелочным электролитом (ТЭЩЭ).

Известен способ изготовления пористой диафрагмы [1], который включает фильтрацию суспензии волокнистого материала на сетке вращающегося перфорированного цилиндра, полностью погруженного в ванну с суспензией, уплотнение полученной влажной заготовки прикатным валиком, опирающимся на перфорированный цилиндр и расположенным над цилиндром параллельно его оси, и сушку при вауумировании до постоянной массы. Процесс фильтрации ведут непрерывно, фильтрат постоянно возвращают в ванну, при этом окружную скорость вращения цилиндра поддерживают 0,8-3,8 м/мин. Процесс заканчивают при достижении требуемой толщины диафрагмы при ее постоянном уплотнении контактным валиком.

Недостатком данного способа является то, что процесс ведут непрерывно в течение 8 часов. С учетом сушки и прессования заготовки время изготовления диафрагмы составляет до 24 часов. Попытки снизить время фильтрации не дали положительных результатов из-за снижения механической прочности диафрагмы.

Известна диафрагма из волокна хризотилового асбеста для топливного элемента со щелочным электролитом [2]. Описан способ изготовления диафрагмы путем приготовления суспензии из асбестового волокна, фильтрации ее через пористую подложку, сушки и прессования заготовки. Недостатком известного способа является то, что сформированные по нему диафрагмы характеризуются большой длительностью технологического процесса, к тому же асбестовое волокно, используемое по описанному способу, требует дополнительной длительной переработки для доведения товарного асбеста по химическому составу и структурным характеристикам. С учетом сложности технологического процесса подготовки асбеста и изготовления по известному способу асбестового сепаратора время изготовления сепаратора составляет 24 часа.

Задачей заявляемого технического решения является снижение трудоемкости изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов по сравнению с прототипом.

Поставленная задача выполняется за счет того, что в способе изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов, включающем пропитку, сушку и прессование заготовки, согласно заявляемому техническому решению сепаратор изготавливается способом внедрения частиц гидроксида магния в волокнистый нетканый материал, например, полисульфон.

Решение поставленной задачи достигается тем, что для получения гидроксида магния методом осаждения гидроксидом калия из растворов, содержащих Mg⁺², используется водный раствор солей магния с концентрацией раствора 10-40%. Частицы гидроксида магния сорбируются на поверхности волокон полисульфона, образуя агломераты с требуемой пористостью и распределением пор по размерам. Затем заготовки подвергают прессованию или прокатке между валками до получения требуемой толщины.

Опытным путем было установлено, что при использовании солей магния с концентрацией раствора меньше 10% снижается количество внедренного гидроксида магния за одну пропитку и, следовательно, увеличивается количество пропиток. Повышение концентрации раствора солей магния свыше 40% приводит к большой неоднородности заготовки и к дополнительному расходованию материалов. Наилучший результат получен при использовании растворов солей магния с концентрацией 10-40%.

Примеры осуществления предлагаемого технического решения.

Пример 1. Заготовку волокнистого полисульфона помещали в 10%-ный раствор магния сернокислого, а затем в раствор гидроксида калия. В результате реакции в порах волокнистого полисульфона образовывался белый осадок гидроксида магния. После пропиток заготовку отмывали в обессоленной воде. После окончания пропиток заготовки сушили, прессовали до заданной толщины. Полученный сепаратор имеет необходимые пористость 59% и средний радиус пор 0,03 мкм. Напряжение щелочного топливного элемента с использованием сепаратора по примеру 1 при плотности тока 215 мА/см² составляет 950 мВ. Время изготовления сепаратора составляет 8,2 часа.

Пример 2. Заготовку волокнистого полисульфона помещали в 40%-ный раствор магния сернокислого, а затем в раствор гидроксида калия. В результате реакции в порах волокнистого полисульфона образовывался белый осадок гидроксида магния. После пропиток заготовку отмывали в обессоленной воде. После окончания пропиток заготовки сушили, прессовали до заданной толщины. Полученный сепаратор имеет необходимые пористость 60,1% и средний радиус пор 0,02 мкм. Напряжение щелочного топливного элемента с использованием сепаратора по примеру 2 при плотности тока 215 мА/см² составляет 945 мВ. Время изготовления сепаратора составляет 8,5 часов.

Пример 3. Заготовку волокнистого полисульфона помещали в 10%-ный раствор магния хлористого, а затем в раствор гидроксида калия. В результате реакции в порах волокнистого полисульфона образовывался белый осадок гидроксида магния. После пропиток заготовку отмывали в обессоленной воде. После окончания пропиток заготовки сушили, прессовали до заданной толщины. Полученный сепаратор имеет необходимые пористость 58,5% и средний радиус пор 0,03 мкм. Напряжение щелочного топливного элемента с использованием сепаратора по примеру 3 при плотности тока 215 мА/см² составляет 940 мВ. Время изготовления сепаратора составляет 8 часов.

Пример 4. Заготовку волокнистого полисульфона помещали в 40%-ный раствор магния азотнокислого, а затем в раствор гидроксида калия. В результате реакции в порах волокнистого полисульфона образовывался белый осадок гидроксида магния. После пропиток заготовку отмывали в обессоленной воде. После окончания пропиток заготовки сушили, прессовали до заданной толщины. Полученный сепаратор имеет необходимые пористость 61,3% и средний радиус 0,04 пор мкм. Напряжение щелочного топливного элемента с использованием сепаратора по примеру 4 при плотности тока 215 мА/см² составляет 952 мВ. Время изготовления сепаратора составляет 8 часов.

Пример 5. Заготовку волокнистого полисульфона помещали в 40%-ный раствор магния азотнокислого, а затем в раствор гидроксида калия. В результате реакции в порах волокнистого полисульфона образовывался белый осадок гидроксида магния. После пропиток заготовку отмывали в обессоленной воде. После окончания пропиток заготовки сушили, прокатывали в валках до заданной толщины. Полученный сепаратор имеет необходимые пористость 63% и средний радиус пор 0,02 мкм. Напряжение щелочного топливного элемента с использованием сепаратора по примеру 5 при плотности тока 215 мА/см² составляет 953 мВ. Время изготовления сепаратора составляет 7 часов.

Применение заявляемого технического решения позволяет сократить время изготовления сепаратора с 24 часов до 7-8,5 часов по сравнению с прототипом. Следовательно, уменьшаются трудозатраты при изготовлении сепаратора для щелочных топливных элементов.

Источники информации

1. Патент РФ №1718687, МПК H01M 2/16, H01M 4/96, приоритет 04.07.1989.

2. Авторское свидетельство СССР №1774798, МПК H01M 2/16, H01M 4/94, приоритет 15.06.1990.

1. Способ изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов путем приготовления суспензии асбеста, отфильтровывания жидкости, сушки и прессования, отличающийся тем, что в волокнистый нетканый материал внедряются частицы гидрооксида магния методом осаждения гидроксида калия из растворов, содержащих ионы магния с концентрацией раствора солей магния от 10 до 40%.

2. Способ изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов по п.1, отличающийся тем, что в качестве волокнистого нетканого материала используется полисульфон.

3. Способ изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов по п.1, отличающийся тем, что после внедрения частиц гидроксида магния в поры полисульфона проводят прессование сепаратора.

4. Способ изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов по п.1, отличающийся тем, что после внедрения частиц гидроксида магния в поры полисульфона проводят прокатку между валками.

5. Способ изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов по п.1, отличающийся тем, что в качестве солей магния используется магнийсернокислый MgSO₄·7H₂O.

6. Способ изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов по п.1, отличающийся тем, что в качестве солей магния используется магний азотнокислый Mg(NO₃)₂·6H₂O.

7. Способ изготовления сепаратора для щелочных топливных элементов по п.1, отличающийся тем, что в качестве солей магния используются магний хлористый MgCl₂·6H₂O.