Активный слой электродов для топливных элементов

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к газодиффузионным электродам топливных элементов с полимерным мембранным электролитом. Техническим результатом изобретения является повышение вольт-амперных характеристик топливных элементов и уменьшение стоимости топливных элементов. Активный слой для электродов топливных элементов с полимерным мембранным электролитом содержит частицы катализатора на углеродном носителе и частицы дисперсного полимерного ионопроводящего электролита. Дополнительное введение в активный слой агломератов частиц фторопласта с концентрацией агломерата на единицу объема активного слоя от 0,2 до 0,65 об.%, а также выполнение условия, когда диаметр агломератов и частиц катализатора на углеродном носителе не превышают 3 мкм позволяют заявителю достичь указанного технического результата. 3 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к газодиффузионным электродам топливных элементов с полимерным мембранным электролитом.

Решение проблемы создания высокоэффективных электродов для топливных элементов с полимерным мембранным электролитом связано с решением задачи разработки эффективных газодиффузионных электродных подложек и активных слоев. Предлагаемое по данной заявке техническое решение относится к активному слою электродов.

Известно техническое решение (см. пат. 5472799 США от 5.12.1995 г, Н 01 М 8/10, "Топливный элемент с твердополимерным электролитом"), в котором предложен активный слой, размещаемый между электродной подложкой и мембраной. В состав активного слоя входят частицы катализатора на углеродном носителе и дисперсные частицы полимерного ионопроводящего электролита. В активном слое имеются сквозные поры, через которые происходит увлажнение мембраны.

В таком активном слое рабочие газы поступают практически только к его поверхности со стороны электродной подложки, являющейся газодиффузионной частью электродов. Внутренняя часть активного слоя фактически не работает.

Известен также способ повышения характеристик топливных элементов с полимерным мембранным электролитом и обеспечивающий самоувлажнение мембраны (см. J.Eltctrjchem. Soc. Vol. 143 12, December, 1996 г). Способ заключается в диспергировании в объем мембраны гигроскопических частиц TiO₂ и/или SiО₂ размером от 2-х до 7-ми нм и частиц Pt-го катализатора размером от 1 до 2 нм. Введение в структуру мембраны указанных компонентов способствует поддержанию влагосодержания мембраны, позволяет упростить систему поддержания водного баланса, обеспечивать холодный запуск топливных элементов, а также уменьшить толщину, а следовательно, и стоимость мембраны.

Однако раздельное введение частиц Pt и SiО₂, ТiO₂ не позволяет полностью использовать эффект, т. к. указанные частицы, как правило, находятся в мембране в разных областях. Более эффективно описанный механизм будет работать, если частицы катализатора будут находиться в непосредственном контакте с гигроскопическими частицами. Кроме того, процесс диспергирования требует сложного оборудования и дорогостоящих технологических сред и компонентов, ввиду чего данный процесс весьма дорогостоящий.

Целью настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно обеспечить работу активного слоя по всему объему, а также удешевить процесс создания структур по самоувлажнению мембраны и повысить эффективность их работы.

Поставленная цель достигается тем, что в состав активного слоя, толщина которого порядка 20 мкм, вводятся агломераты квазигомогенно перемешанных и спеченных между собой частиц фторопласта. При этом концентрация агломератов в активном слое должна находиться в пределах от 0,2 до 0,65 (концентрация увеличивается с ростом плотности рабочего тока). Кроме того, должно выполняться соотношение С_агл/d_агл =k x С_пкэ/d_пкэ, где С_агл и d_aгл соответственно концентрация и диаметр агломератов, а С_пкэ = 1-С_агл и d_пкэ соответственно концентрация и диаметр пространств, заполненных частицами катализатора на углеродном носителе и частицами дисперсного полимерного ионопроводящего электролита, k - коэффициент, изменяющийся от 0,2 до 5. Исходя из того, что характерные размеры активного слоя от 10 до 20 мкм, размеры d_aгл и d_пкэ не должны превышать 3-х мкм. Данная цель достигается также тем, что со стороны полимерного мембранного электролита на активном слое сформирован дополнительный слой, содержащий гигроскопические частицы диоксидов титана и/или кремния или др. гигроскопичных материалов размером от 0,005 мкм до 6 мкм или волокон диаметром не более 6 мкм, на которые нанесены частицы Pt размером от 1 до 10 нм в количестве от 0,005 до 6 мкм. Указанные частицы в дополнительном слое перемешены с дисперсными частицами полимерного ионопроводящего электролита размером от 20 до 70 нм в соотношении от 1:9 до 4:6.

Введение агломератов фторопластовых частиц обеспечивает подвод рабочих газов по всему объему активного слоя, вследствие чего увеличивается эффективность его работы и повышаются вольт-амперные характеристики топливных элементов. А введение дополнительного слоя существенно удешевляет процесс создания структур, обеспечивающих самоувлажнение мембраны, т.к. при этом исключается применение дорогостоящих технологических сред и компонентов. Нанесение дополнительного слоя производится на том же оборудовании и теми же методами, что и при нанесении активного слоя. При этом появляется возможность применять более тонкие и, следовательно, более дешевые мембраны. Одновременно снижается внутреннее сопротивление мембранно-электродного блока.

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 соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявленное техническое решение было проверено на макетных образцах единичных топливных элементов диаметром 50 мм. По сравнению с контрольным образцом рабочее напряжение при плотности тока 200 мА/см² увеличилось с 0,74 В до 0,785 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. Активный слой для электродов топливных элементов с полимерным мембранным электролитом, содержащим частицы катализатора на углеродном носителе и частицы дисперсного полимерного ионопроводящего электролита, отличающийся тем, что в состав активного слоя дополнительно вводятся агломераты частиц фторопласта с концентрацией агломератов на единицу объема активного слоя от 0,2 до 0,65 об. %, при этом диаметры агломератов и частиц катализатора на углеродном носителе не превышают 3 мкм.

2. Активный слой по п.1, отличающийся тем, что агломераты частицы фторопласта получают путем предварительного спекания частиц фторопласта до формирования активного слоя.

3. Активный слой по п.1 отличающийся тем, что формирование активного слоя производится при условии выполнения соотношения С_агл/d_агл = k•С_кэ/d_кэ, где С_агл, d_агл - соответственно объемная концентрация и диаметр агломератов, а С_кэ, d_кэ - соответственно концентрация и диаметр частиц катализатора на углеродном носителе и частиц дисперсного полимерного ионопроводящего электролита, k - коэффициент, изменяющийся от 0,2 до 5.

4. Активный слой по п.1, отличающийся тем, что на нем со стороны полимерного мембранного электролита сформирован дополнительный слой, содержащий частицы TiO₂ и/или SiO₂ или других гигроскопических материалов размером от 0,005 до 6 мкм или волокон диаметром не более 6 мкм, на которые нанесены частицы Pt размером от 1 до 10 нм в количестве от 0,01 до 0,05 г/см² активной поверхности, и которые перемешаны с дисперсными частицами полимерного ионопроводящего электролита размером от 20 до 70 нм в соотношении от 1: 9 до 4: 6.

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