Пористая электродная подложка

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к газодиффузионным электродам химических источников тока, в том числе для топливных элементов с полимерным мембранным электролитом. Пористая электродная подложка тканого и нетканого типа образована волокнами трех типов: гидрофобными, гидрофильными и металлическими. В качестве гидрофобных волокон используются волокна из плавких фторопластов или полисульфона, в качестве гидрофильных волокон - углеродные волокна, в качестве металлических волокон - волокна из титана или других металлов с покрытием из титана, платины, золота, причем диаметр всех типов волокон находится в пределах от 5 до 50 мкм, а длина не менее 5 мм. Техническим результатом предложенного изобретения является улучшение тепломассообменных характеристик электродов, а также повышение их электропроводности. 7 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к газодиффузионным электродам химических источников тока, в том числе для топливных элементов с полимерным мембранным электролитом (ТЭ с ПМЭ).

Подложка для газодиффузионного электрода ТЭ с ПМЭ должна выполнять следующие функции: - обеспечить подвод рабочих газов к активному слою; - обеспечить отвод реакционной воды из зоны реакции и подвод воды для увлажнения мембраны; - обеспечить эффективный токоотвод из зоны электрохимической реакции и минимальные токовые потери в контакте с токовым коллектором - газовым сепаратором; - обеспечить равномерное распределение активного слоя и контакт электрода с мембраной.

В настоящее время разработаны многочисленные варианты подложек, однако все они базируются либо на углеграфитовой волокнистой ткани, либо на углеграфитовой бумаге.

Известен газодиффузионный электрод для ТЭ с ПМЭ (заявка 19544323, Германия, МКИ Н 01 М 4/94, Н 01 М 4/88, Н 01 М 4/92, заявл. 28.11.95 г., опубл. 05.06.97 г. ), в котором в качестве электродной подложки используется углеродная волокнистая ткань, на которую с целью ее гидрофобизации наносится слой сажи с фторопластом. Данный слой формируется из суспензии сажи и фторопласта в растворителе. Суспензия наносится на углеродную волокнистую ткань с последующей сушкой и подпрессовкой полученного слоя при температуре 200^oС и давлении до 500 кг/см². Содержание сажи и фторопласта в суспензии варьируется от 10:1 до 1:1.

Также известен газодиффузионный слой для ТЭ с ПМЭ (см. патент 6127059, США, МПК Н 01 М 4/86, заявл. 17.03.1998 г., опубл. 03.10.2000 г.), включающий ткань из углеродных волокон, покрытых фторопластом, содержащим сажу на поверхности. Для придания ткани водоотталкивающих свойств она может быть покрыта фторированной смолой или смесью указанной смолы и сажи.

Предложенные технические решения принципиально позволяют выполнить вышеприведенные функции подложки. Однако в таких подложках невозможно обеспечить высокую равномерность структуры по всей поверхности, т.к. имеют место неравномерность распределения частиц сажи и фторопласта в суспензии, неравномерность ее нанесения на подложку, неравномерность структуры самой ткани. Ввиду этого получить требуемую равномерность массообмена и токосъема по поверхности подложки затруднительно. Кроме того, такого рода подложки имеют низкую электропроводность, высокое контактное сопротивление как с мембраной, так и с токовым коллектором - газовым сепаратором. В целом указанные недостатки приводят к снижению вольт-амперных характеристик ТЭ с ПМЭ.

Наиболее полно поставленным задачам отвечает подложка, предложенная в патенте 6083638, США, МПК Н 01 М 2/02, заявл. 04.10.1998 г., опубл. 04.07.2000 г. Подложка выполнена в виде тонкого пористого листа, в структуре которой содержатся гидрофильные области для транспортировки воды и гидрофобные области для подвода рабочих газов в зону реакции.

Данное техническое решение по сравнению с вышеприведенными позволяет более четко регламентировать функции, связанные с массообменном, однако проблема высокоэффективного токоотвода и контактных потерь остается нерешенной.

Цель настоящего изобретения - исключить вышеуказанные недостатки и создать пористую электродную подложку, структура которой может быть рассчитана и выполнена в соответствии с требованиями по массообмену и токосъему. При этом должна обеспечиваться высокая равномерность работы подложки по всем вышеизложенным функциям по всей ее поверхности.

Поставленная цель достигается тем, что пористая электродная подложка выполняется из трех видов волокон: волокон, обладающих гидрофильными свойствами; волокон, обладающих гидрофобными свойствами; металлических волокон. Возможно также использование волокон со смешанными свойствами, например гидрофобно-гидрофильными.

При этом объемное содержание гидрофобных волокон составляет от 0,3 до 0,7, гидрофильных волокон - от 0,2 до 0,6 и металлических волокон - от 0,05 до 0,3.

Указанная цель достигается также тем, что пористая электродная подложка выполнена в виде нетканого листового материала толщиной от 0,05 до 0,5 мм из гидрофильных и гидрофобных волокон, при этом лист прошит металлическими волокнами в направлении, перпендикулярном плоскости листа.

Для выравнивания температурных и токовых полей лист может быть прошит металлическими волокнами в направлении плоскости листа.

Данная цель достигается и в случае выполнения пористой электродной подложки в виде ткани.

Возможен вариант, при котором волокна трех типов чередуются в основе и в утке с равномерным распределением.

Возможен вариант, при котором основа выполнена из гидрофильных и металлических волокон, а уток - из гидрофобных и металлических волокон и наоборот.

Возможен вариант, при котором основа выполнена из гидрофильных волокон, а уток - из гидрофобных волокон или наоборот, а ткань прошита металлическими волокнами в направлении, перпендикулярном ее плоскости.

Предлагается в качестве гидрофильных волокон использовать углеродные волокна, в качестве гидрофобных - волокна из плавких фторопластов, полисульфона и др. полимерных материалов, а в качестве металлических волокон - волокна из титана или др. металлов с покрытием из титана, платины, золота.

Целесообразно использовать волокна всех трех типов диаметром от 5 до 50 мкм и длиной не менее 5 мм.

Введение в структуру пористых электродных подложек трех типов волокон позволяет регламентировать ее функции по каждому виду волокон, а именно: функцию подвода газов обеспечивают гидрофобные волокна, функцию транспорта воды - гидрофильные волокна, функцию токоотвода и теплопередачи - металлические волокна. Изменяя соотношение количества и диаметры используемых волокон, можно в широком диапазоне регулировать параметры пористых электродных подложек.

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

Для проверки соответствия заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Установлено, что заявляемое изобретение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявленная структура пористой электродной подложки частично была проверена на макетных образцах ТЭ с ПМЭ диаметром 50 мкм. Подложка из углеграфитовой пирографитизированной ткани была прошита на иглопрошивной машине титановыми волокнами диаметром 50 мкм с шагом 2-3 мм по всей площади. По сравнению с контрольным образцом при рабочей плотности тока 100 мА/см² приращение напряжения составило 0,06 В.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое изобретение может быть использовано на практике с достижением положительного результата и, следовательно, соответствует критерию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Пористая электродная подложка из волокнистого материала, отличающаяся тем, что волокнистый материал содержит волокна трех типов, а именно, волокна, обладающие гидрофобными свойствами, волокна, обладающие гидрофильными свойствами, и металлические волокна, при этом объемное содержание гидрофобных волокон составляет от 0,3 до 0,7, гидрофильных волокон от 0,2 до 0,6 и металлических волокон от 0,05 до 0,3.

2. Пористая электродная подложка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что волокнистый материал представляет собой нетканый листовой материал толщиной от 0,05 до 0,5 мм из гидрофильных и гидрофобных волокон, прошитых металлическими волокнами в направлении, перпендикулярном плоскости листового материала.

3. Пористая электродная подложка по п.2, отличающаяся тем, что листовой материал прошит в направлении плоскости листового материала.

4. Пористая электродная подложка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что выполнена в виде ткани.

5. Пористая электродная подложка по п.4, отличающаяся тем, что волокна трех типов чередуются в основе и в утке с равномерным распределением.

6. Пористая электродная подложка по п.5, отличающаяся тем, что основа выполнена из гидрофильных и металлических волокон, а уток из гидрофобных металлических волокон или наоборот.

7. Пористая электродная подложка по п.4, отличающаяся тем, что основа выполнена из гидрофильных волокон, а уток из гидрофобных волокон или наоборот, а ткань прошита металлическими волокнами в направлении, перпендикулярном ее плоскости.

8. Пористая электродная подложка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве гидрофильных волокон используются углеродные волокна, в качестве гидрофобных волокон - волокна из плавких фторопластов или полисульфона, а в качестве металлических волокон - волокна из титана или других металлов с покрытием из титана, платины, золота, причем диаметр всех типов волокон находится в пределах от 5 до 50 мкм, а длина составляет не менее 5 мм.

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.03.2007

Извещение опубликовано: 10.03.2007        БИ: 07/2007