КАТАЛИЗАТОР КИСЛОРОДНОГО ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА СО ЩЕЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ Российский патент 1999 года по МПК H01M4/90 H01M8/08 B01J23/52 

Техническое решение относится к области электротехники, связанной с эксплуатацией электрохимических генераторов тока (ЭХГ), и может быть использовано при изготовлении активного катализатора с высокой коррозионной устойчивостью, предназначенного для формирования кислородного электрода (катода) водородно-кислородного топливного элемента (ТЭ) со щелочным электролитом.

Известно использование для активации катодов ТЭ золотоникелевых катализаторов, полученных путем нанесения на пирографитную подложку сплавов из золота и никеля [1], а акже катализаторов, полученных путем распыления золото-никелевых сплавов в воде [2] Известно также, что пиролитический графит в условиях работы катода ТЭ подвержен сильной коррозии, в то время, как, и золото и никель, а также их сплавы в этих же условиях практически не растворяются, но обладают недостаточно высокой активностью [2]. Поэтому создание активного и одновременно коррозионно-устойчивого катализатора кислородного электрода для ТЭ является актуальной задачей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является золотоникелевый катализатор, представляющий собой сплав золота и никеля, и содержащий от 0.2 до 4.0 мас.% никеля [3]. Этот катализатор обладает очень высокой коррозионной устойчивостью, но не является достаточно активным (среднее напряжение ТЭ при плотности тока 0.2 А/см² в этом диапазоне содержаний никеля составляет 938 мВ).

Оптимизация режимов получения катализатора путем распыления золотоникелевого сплава в воде также не позволяет существенно улучшить его характеристики, кроме того, в процессе длительной эксплуатации ТЭ сплав постепенно распадается на отдельные элементы.

Целью заявляемого технического решения является повышение активности золотоникелевого катализатора и уменьшение количества золота в кислородном электроде при сохранении высокой коррозионной устойчивости катализатора.

Поставленная цель достигается путем изготовления катализатора, содержащего золото и никель и представляющего собой равномерно распределенную по объему смесь сцепленных между собой частиц золота и никеля при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Никель - 0,03 - 40,0
Золото - 60,0 - 99,97
Сцепление частиц золота и никеля между собой обеспечивается применением метода электрохимического осаждения золота из раствора на частицы никеля, а равномерность их распределения по объему катализатора может быть оценена при помощи энергодисперсионного анализатора электронного микроскопа JSM-5400.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава катализатора были приготовлены 13 вариантов золотоникелевых порошков с различным содержанием никеля. С использованием этих порошков были изготовлены электроды диаметром 50 мм (по 3-5 штук на каждый вариант) путем зафильтровывания активной массы в пористую никелевую пластину в количестве 40 мг катализатора на квадратный сантиметр электрода. Активность катализаторов оценивали при испытании их в составе кислородного электрода в матричном водород-кислородном ТЭ, используя в качествен электролита 8...9 М водный раствор гидроксида калия при температуре 363. ..373 K и абсолютном давлении газов 0,39...0,41 МПа. В качестве водородных электродов использовались пластиносодержащие электроды. За меру активности принималось напряжение исследуемого кислородного электрода по отношению к водородному электроду при плотности тока 0,2 А/см².

Коррозионная устойчивость таких электродов определялась по методике, аналогичной [4]. За меру коррозионной устойчивости катализаторов принималась максимальная начальная скорость растворения их компонентов в 8...9 M растворе гидроксида калия при температуре 363...373 K в диапазоне всех возможных потенциалов работы кислородного электрода в топливном элементе. Скорость растворения катализаторов рассчитывалась по скорости накопления металлов в растворе электролита. При этом золото и никель при пределе их обнаружения менее 0,1 мг/л, ни в одном из растворов обнаружены не были (аналогичные результаты были получены в работах [2, 3].

Экспериментальные данные по испытанию золотоникелевых катализаторов различных составов в составе катодов щелочных ТЭ представлены в виде таблицы. Для сравнения приведены усредненные результаты испытаний золотоникелевых катализаторов, полученных путем распыления соответствующих сплавов [2, 3].

Как видно из таблицы, катализаторы катода ТЭ заявляемого состава обладают более высокой активностью при меньшей навеске катализатора (а соответственно и золота) на электроде. Оптимальное содержание никеля в катализаторе составляет 0.03...40.0 мас.%. Уменьшение количества никеля ниже 0.0-3 мас.% ведет к увеличению степени скатываемости (т.е. уменьшение (закрытие) активной поверхности) катализаторов в процессе их приготовления и изготовления электродов, а также к увеличению скорости спекания частиц золота в процессе эксплуатации в ТЭ. Увеличение же количества никеля выше 40 мас.% снижает активность катализатора в целом, а также уменьшает электропроводность активного слоя электрода. Во всех случаях сохраняется достаточно высокая коррозионная устойчивость катализаторов.

Использование катализаторов заявляемого состава позволит увеличить напряжение ТЭ по сравнению с прототипом в среднем на 19 мВ, а удельную мощность ЭХГ в среднем на 40% при снижении количества золота в электроде и сохранении большого срока эксплуатации ТЭ.

Список используемой литературы
1. Патент США 4115322, кл. B 01 21/18, опублик. 1978 (аналог).

2. Патент РФ N 1806006, кл. B 01 J 23/89 (прототип).

3. Патент РФ 2066900, кл. H 01 M 4/90, B 01 J 23/89 (прототип).

4. Вишнякова Л.П., Голин Ю.Л., Данченко Н.М. и др. Электрохимия, 1978, т.14. N 4, с.582.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к катализаторам топливных элементов. Согласно изобретению катализатор кислородного электрода представляет собой равномерно распределенную по объему смесь сцепленных между собой частиц золота и никеля при следующем соотношении компонентов: никель - 0,03 - 40,0 мас.%; золото - 60,0 - 99,97 мас.%. Техническим результатом изобретения является повышение активности катализатора и уменьшение содержания золота. 1 табл.

Катализатор кислородного электрода для топливного элемента со щелочным электролитом, содержащий золото и никель, отличающийся тем, что он представляет собой равномерно распределенную по объему смесь сцепленных между собой частиц золота и никеля при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Никель - 0,03 - 40,0
Золото - 60,0 - 99,97