Способ подготовки к эксплуатации электродов матричных топливных элементов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскмк

Социалистические

Республик

< 873315 (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 301079 (2!) 2857363/24-07 с мрмсоедмнением заявки №

{23)!!рноритет

Опубликовано 15,1 08 !. Бюллетень ¹ 38 (53)M. Кл.

Н 0! М 4/92

ГОеудара ные кемнтет

СССР ае делам нзебретенн!! н открытн1! (53) УДК 621. .352.6(088.8) Дата опублмкованмя описания 18.1081 (72) Авторы изобретения

В.В. Витковский, Ю.Л. Голин, А.Т. Овчинииков

1 и О.В. Чумаковский

t г (7!) Заявитель (54) СПОСОБ ПОДГОТОВКИ К ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ

МАТРИЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к химическим источникам тока и касается способа подготовки к эксплуатации электродов топливных элементов.

Изготовление электродов топливных элементов включает в себя процесс формирования на газозапорном или буферном слое каталитически неактивных окислов металлов платиновой группы.

Подготовка электродов к эксплуатации

10 заключается в переводе каталитически неактивных окислов металлов платиновой группы в каталитически активное металлическое состояние в составе электродов путем обработки в каких1S либо восстановительных средах, например в растворах боргидрида калия, формалина и др.

Известен способ подготовки электродов топливных элементов к эксплуатации путем восстановления соединений окислов платины боргидридом натрия $13.

Однако такой способ не технологичен.

Известен также способ подготовки ,электродов к эксплуатации путем восстановления окислов платины водородом с одновременным охлаждением уксуснои кислотой в течение 48 ч (23.

Однако такой способ длителен, неприменим для электродов с металлическим газозапорным или буферным слоем, поскольку этот слой растворяется в кислоте. Кроме того, после восстановления каталитическая платина на воздухе отравляется.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к заявляемому является способ, по которому электроды, предварительно собранные в батарею, обрабатываются проточным водородом. В качестве охлаждающей жидкости берут водный раствор щелочи, циркулирующей в электролитной полости батареи, причем создают перепад давлений между водородом и охлаждающей жидкостью, находящейся под атмосферным давлением на !0-ЗОХ

8733

Цель изобретения - ускорение про- 35 цесса подготовки электродов к эксплуатации и предотвращение выхода из строя матричных топливных элементов нюке запорного давления электродов, а процесс ведут при 80-105 С 2-6 ч при непрерывной продувке водорода(3) .

Однако такой способ длителен и главное неприменим для электродов мат- . ричных топливных элементов, где объем электролита строго ограничен, а в конструкции элементов отсутствует электролитная полость с циркулирующим электролитом.

Проведение процесса восстановления электродов матричных элементов в течение 2-6 ч без.циркуляции электролита приводит к потере герметичиости матрицы вследствие.ее осушения из-за испарения води, вызванного продолжительной продувкой водорода при температуре 80-105 С. В результате нарушается работоспособность матричных элементов вследствие смешения че- 20 рез матрицу рабочих газов. С другой стороны, сокращение времени процесса

6бработки водородом при отсутствии контроля эа степенью восстановления укудшает качество подготовки элект- 25 родов к эксплуатации из-за возможно-, го неполного восстановления окислов.

Для топливных элементов с циркулирующим электролитом проведение процесса в течение 2-6 ч не приводит к заметному снижению объема электролита в эле.ментах, поскольку из контура циркуляции яроисходит восполнение утраченного объема электролита. Отсутствие в известном способе контроля за сте35 . пенью восстановления, а также то, что восстановление ведут при избыточном давлении водорода 0,05-0,07 ИПа, оп.ределяет необходимость проведения процесса в течение 2-6 ч для полного

40 восстановления всех окислов металлов.

Однако ускорение процесса восстановления электродов за счет увеличения избыточного давления водорода с целью улучшения доступа водорода в зону реакции восстановления недопустимо, 4S если одновременно не увеличивать давление электролита, в противном случае нарушается работоспособность батареи топливных элементов в результате rasosoro пробоя запорного слоя электродов. Для увеличения давления в .электролите требуется дополнительное: достаточно сложное оборудование.

l5 4 за счет контроля восстановления окислов каталитически активных металлов.

Для достижения цели согласно предлагаемому способу в газовых полостях создают избыточное давление водорода

0,25-0,35 MIa и процесс ведут 0,51,5 ч с контролем восстановления окислов, который осуществляют по средней величине поляризации элементов, для чего их через 15 мин после начала восстановления дополнительно от постороннего источника постоянного тока ,поляризуют током прямой и обратной полярности с периодичностью 15 мин в течение 15-30 с и прекращением продувки водорода при достижении контрольного значения средней поляризации каждого элемента процесс обработки водородом заканчивают.

При этом плотность поляризующего тока может быть 210-22 мА/си, а контрольное значение средней поляризации каждого элемента 50-100 мВ.

На чертеже представлен график зависимости поляризации водород-кислородного матричного элемента.

Контроль заключается в том, что в процессе обработки электродов водородом определяют их работоспособность путем поляризации постоянным током, при этом на электродах поочередно в зависимости от полярности поляризун щего тока происходит такая же электрохимическая реакция, как и реакция электрохимического окисления водорода на водородном электроде водородкислородного топливного элемента.

Причем, чем в большей степени восстановились каталитически неактивные окислы металлов платиновой группы, тем меньше величина поляризации водород-кислородного топливного элемента и значит водород-водородного топливного элемента, определенные при одинаковой плотности поляризующего тока. Контроль качества электродов в процессе их изготовления возможен за счет обнаруженной зависимости и поляризации водород-кислородного матричного элемента 1,„ от средней поляризации водород-водородного матричного элемента 1,, определенных при одинаковой плотности поляризующего тока,1 вычисляется как среднеарифметическое двух абсолютных значений поляризации водород-водородного матричного элемента, определенных при поляризующем токе прямой и обратной полярности. Для плотности поляризую

873315

10!

Формула изобретения

5 щего тока 215 мА/см эта зависимость представлена на графике. Из графика видно, что при достижении средней поляризации водород-водородного матричного элемента 50-100 мВ дальнейшего снижения поляризации водородкислородного элемента не наблюдается, что свидетельствует о завершении процесса восстановления окислов металлов.

Продолжительность,и периодичность поляризации постоянным током водородводородных матричных элементов с прекращением продувок водорода определены эксперйментально и ограничены тем, что при электрохимической реакции на электродах в результате выделения водорода происходит выброс электролита с электродов газовые полости элементов, что приводит к на- 20 рушению их работоспособности.

Пример 7. Продувают аргоном газовые полости заправленной электролитом батареи матричных элементов и разогревают ее до температуры 90100 С. Подают водород под избыточо ным давлением 0,3 МПа в газовые полости и ведут процесс восстановления

0,5 ч при непрерывной продувке водо- рода. При этом от постороннего источника постоянного тока поляризуют с периодичностью 15 мин и продолжительностью 15-30 с с прекращением продув.ки водорода батарею матричных элементов токов прямой и обратной олярносй 35 ти плотностью 215 мА/см и контролируют два соответствующих значения поляризации каждого элемента. По этим данным рассчитывают среднюю поляризацию каждого элемента как среднеариф40 метическое двух абсолютных значений поляризации водород-водородного матричного элемента, определенных при поляризующем токе прямой и обратной полярности. При достижении средней

45 поляризации каждого элемента 50100 мВ прекращают процесс обработки водородом. Вытесняют водород из кислородных газовых полостей батареи аргоном и после продувки подают кислород. Таким образом, батарея готова

50 к эксплуатации.

Контролируемый перевод катализатора в активное состояние непосредственно в батареи обеспечивает ускорение процесса изготовления электродов

55 по сравнению с известным в 1,3-12 раз и исключает возможность выхода из строя батареи матричных элементов sa счет потери герметичности электролитосодержащих матриц при.продолжительных продувках водорода, причем контроль осуществляется в течение 15- 30 с.

Предлагаемый способ позволяет в процессе подготовки электродов к эксплуатации контролировать степень восстановления окислов металлов и по мере их восстановления прекращать процесс обработки водородом, не допуская осушения электролитосодержащих матриц, снижая, таким образом, в сравнении с известным время обработки и ускоряя процесс изготовления .электродов.

Кроме того, увеличение (в сравнении с известным) давления водорода в газовых полостях позволяет улучшить доступ водорода в зону реакции восстановления окислов, что также ускоряет процесс изготовления электродов.

l. Способ подготовки к эксплуатации электродов матричных топливных элементов, предварительно собранных в батареи, заправленную электролитом, путем обработки окислов металлов платиновой группы проточным водородом при температуре 90-105 С о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью ускорения процесса подготовки элект.родов к эксплуатации и предотвращения выхода из строя матричных топливных элементов за счет контроля восстановления окислов, создают избыточное давление водорода 0,250,35 МЧа в газовых полостях и процесс ведут 0,5-1,5 ч с контролем восстановления окислов, который осуществляют по средней величине поляризации элементов, для чего их через

15 мин после начала восстановления дополнительно от постороннего источ:ника постоянного тока поляризуют то,ком прямой и обратной полярности с

"периодичностью 15 мин на время 1530 с и прекращением продувки водоро" да при достижении контрольного значения средней поляризации каждого элемента, процесс обработки водородом saканчивают.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что плотность поляризующего тока 210-220 мА/см, а

Х контрольное значение средней поляризации каждого элемента 50-100 мВ.

873315

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент CUA )) - 3305400, кл. 136-120, 1967.

220

Составитель К. Вейсбейн

Редактор Л. Тюрина Техред Ж.Кастелевич Корректор В. Синицкая;

Заказ 9062/79

Тираж 787 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5.Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ala

8

2. Патент США )) 3470031, кл. )36-)20, 1969.

3. Авторское свидетельство СССР

))- 568095, кл. Н 01 М 4/92, )974.