Матрица для топливного элемента

 

Использование: производство матриц топливных элементов с фосфорнокислым электролитом. Сущность изобретения: матрица для топливного элемента содержит порошкообразный фосфат циркония, карбид кремния и волокнистый фосфат кремния с удельной поверхностью 70-90 м²/г, при следующем соотношении компонентов (мас. %): карбид кремния 10-20, фосфат циркония 20-35, фосфат кремния 50-65. 1 табл.

Предполагаемое изобретение относится к области электрохимии, в частности к разделу прямого преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использовано в производстве матриц (электролитоносителей) для топливных элементов с фосфорнокислым электролитом.

Известна [1] матрица для топливного элемента с фосфорнокислым электролитом, содержащая порошкообразный фосфат металла, неорганический порошок, стойкий в горячем кислом электролите (например, карбид кремния или карбид бора) и связующее (например, политетрафторэтилен). Недостатком такой матрицы является низкое газозапорное давление, обусловленное гидрофобизацией пористой структуры, что приводит в топливном элементе к перетеканию рабочих газов через матрицу.

За прототип выбрана наиболее близкая к предложенной по технической сущности и достигаемым результатам матрица без гидрофобизатора [2] Такая матрица, согласно изобретению, состоит из стойкого в фосфорной кислоте вещества (например, карбида кремния или карбида циркония) и фосфата металла, образующегося из неорганического материала (оксида металла или соли, выбранной из группы, содержащей галогенид, гидроксид, оксихлорид или нитрат) по крайней мере одного из элементов, выбранного из группы, содержащей Zr, Ti, Sn, Si и Al. Как показали специально проведенные эксперименты, такие матрицы, содержащие 30-90 мас. карбида кремния и 10-70 мас. ZrHPO₄, имеют газозапорное давление не выше 0,08 МПа (см. опыт 1 таблицы). В качестве рабочей жидкости при определении газозапорного давления использовали воду, подкисленную фосфорной кислотой до рН 4, при температуре 20-30^oC.

Заявляемое техническое решение позволяет решить задачу повышения газозапорного давления матрицы без ухудшения ее остальных эксплуатационных характеристик в составе топливного элемента с фосфорнокислым электролитом.

Решение поставленной задачи достигается тем, что известная матрица, содержащая порошкообразный фосфат металла (например, фосфат циркония) и стойкое в горячем растворе фосфорной кислоты неорганическое вещество (например, карбид кремния), согласно предлагаемому техническому решению, дополнительно содержит волокнистый фосфат кремния с удельной поверхностью 70-90 м²/г при следующем соотношении компонентов (мас.): карбид кремния 10-20, фосфат циркония 20-35, фосфат кремния 50-65.

Введение в матрицу дополнительно высокодисперсного (диаметр волокон ≈0,01 мкм) волокнистого фосфата кремния, обладающего высокой коррозионной стойкостью в фосфорной кислоте, приводит к заметному улучшению пористой структуры матрицы по сравнению с грубопористой структурой прототипа, что подтверждается снижением на порядок и более ее газовой проницаемости по сравнению с прототипом и увеличением в 3 и более раз газозапорного давления заявляемой матрицы практически при той же пористости и толщине, что и у известной (сравни опыт 1 и опыты 4-8 таблицы).

В таблице приведены результаты работ по экспериментальному обоснованию состава матрицы по предлагаемому техническому решению. Как видно из таблицы, матрицы, которые содержат меньше 50 мас. фосфата кремния (опыты 2 и 3) или более грубые волокна фосфата кремния с удельной поверхностью меньше 70 м²/г (опыты 9 и 10), имеют газозапорное давление меньше 0,2 МПа. Увеличение содержания фосфата кремния свыше 65 мас. и использование более дисперсного фосфата кремния, с удельной поверхностью свыше 90 м²/г, хотя и позволяет дополнительно увеличить газозапорное давление, приводит к снижению механической прочности матрицы, поэтому нецелесообразно. Оптимальное содержание фосфата кремния, обуславливающее максимальные значения газозапорного давления матрицы (0,26-0,38 МПа), составляет 50-65 мас. а оптимальное значение удельной поверхности фосфата кремния 70-90 м²/г, при этом содержание карбида кремния 10-20 мас. и фосфата циркония 20-35 мас. (см. опыты 4-8).

Пример 1. Навески карбида кремния 1,01 г, фосфата циркония 1,67 г и волокнистого фосфата кремния 3,28 г заливали 3 л воды и подвергали ультразвуковой обработке при одновременном перемешивании суспензии. Затем из суспензии методом вакуумного прососа через пористую подложку формировали заготовку матрицы. После сушки и прессования определяли характеристики матрицы. Такая матрица, содержащая 17 мас. карбида кремния, 28 мас. фосфата циркония и 55 мас. фосфата кремния, имела толщину 403 мкм, пористость 65% и газозапорное давление 0,30 МПа.

Пример 2. Навески карбида кремния 0,72 г, фосфата циркония 1,5 г и волокнистого фосфата кремния 3,78 г заливали водой, подвергали ультразвуковой обработке при одновременном перемешивании суспензии. Затем из суспензии методом вакуумной фильтрации формировали заготовку матрицы. После сушки и прессования определяли характеристики матрицы. Матрица, содержащая 12 мас. карбида кремния, 25 мас. фосфата циркония и 63 мас. фосфата кремния, при толщине 399 мкм и пористости 63% имела газозапорное давление 0,36 МПа.

Матрицы по предлагаемому техническому решению были испытаны в составе топливного элемента с фосфорнокислым электролитом при температуре 180-200^oC, при этом при плотности тока 200 мА/см² напряжение топливного элемента составило 750 мВ, что несколько лучше, чем в случае матрицы-прототипа. Изменения газозапорного давления матрицы за 400 часов работы топливного элемента не отмечено.

Формула изобретения

Матрица для топливного элемента с фосфорнокислым электролитом, содержащая фосфат циркония и карбид кремния, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит волокнистый фосфат кремния с удельной поверхностью 70 90 м²/г, при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбид кремния 10 20 Фосфат циркония 20 35 Фосфат кремния 50 65и

РИСУНКИ

Рисунок 1