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

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

Известно использование для активирования кислородных электродов катализаторов на углеродных носителях, содержащих золото. Так в работе [1] исследована активность угольных электродов с Au-Pt катализатором, а в [2] показана повышенная активность золотого катализатора на пирографите по сравнению с чистым золотом. Так же в [3] запатентован золотой катализатор (или сплав Au) на углероде с подпотенциально (under potential deposition) нанесенным металлом, таким как Pt. Однако использование таких катализаторов для ЭХГ проблематично из-за электрохимической и химической коррозии углеродных материалов [4] , поскольку происходит карбонизация щелочного электролита, что приводит к снижению напряжения ТЭ. Так же логично было бы использовать в качестве носителя для золотого катализатора не растворяющегося в щелочах и электропроводного материала, такого как никель. Но, как определено в работе [5] , на никеле в области потенциалов 0.5 - 1.35 В (потенциалы приведены относительно водородного электрода в том же растворе) образуется пленка гидроксида никеля толщиной 0.7 - 20.0 нм, что ведет к снижению электропроводности активного слоя электрода и изменению его структуры и, в конечном счете, к снижению напряжения ТЭ.

Вышеуказанные причины коррозии углеродных материалов и никеля объясняют отсутствие ЭХГ со щелочным электролитом с подобными катализаторами.

Известно также использование для активирования кислородных электродов компактных катализаторов на основе золота: это - AuPt [6] и AuNi [7]. Недостатками данных катализаторов являются растворение и последующее осаждение платины Au-Pt катализатора и низкая активность Au-Ni катализатора (напряжение ТЭ 961 мВ [7] при содержании золота в электроде ≈ 40 - 50 мг/см²).

Задачей заявляемого технического решения является повышение активности катализатора и снижение расхода золота.

Для решения поставленной задачи заявляется катализатор кислородного электрода для ТЭ со щелочным электролитом, содержащий золото на носителе, отличающийся тем, что в качестве носителя взят оксид циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%: Zr-O₂ - 40 - 70, Au - 30 - 60.

Поскольку частицы оксида циркония покрыты золотом (см. чертеж - общий вид Х1800 (а), распределение Au (б) и Zr (в) в характеристическом рентгеновском излучении), то заявляемый катализатор можно отнести, с одной стороны, к катализатору на носителе, а, с другой стороны, достаточно большое (по сравнению с традиционными катализаторами на носителях) содержание золота характеризует его как компактный катализатор. В связи с этим для аналога и прототипа были выбраны источники информации как по нанесенным, так и по компактным катализаторам.

Нетрадиционным моментом в заявляемом решении является использование в качестве носителя для электрохимического катализатора материала, не являющегося в условиях работы ТЭ проводником первого рода, - оксида циркония. Подобрав оптимальное содержание золота в катализаторе с точки зрения достаточной электропроводности, удалось решить вопрос повышения активности и снижения содержания золота в кислородном электроде. За достаточную электропроводность принималось удельное сопротивление катализатора меньше 10^-2 Ом•см. Удельное сопротивление исследуемых порошков измеряли на таблетках, спрессованных усилием 20 МПа.

Активность катализаторов оценивали при их испытаниях в составе кислородного электрода водородно-кислородного матричного ТЭ при температуре (368 - 372)К, абсолютном давлении газов (0.39 - 0.41) МПа, используя в качестве электролита (8.0 - 9.0) М водный раствор едкого кали. За меру активности принималось напряжение ТЭ по отношению к платиносодержащему водородному электроду при плотности тока 215 мА/см². Золото на порошок оксида циркония наносили методом химического золочения из золотосодержащего раствора.

Экспериментальные данные по испытаниям катализаторов в зависимости от содержания золота приведены в таблице.

Как видно из таблицы, катализаторы кислородного электрода заявляемого состава для ТЭ со щелочным электролитом обладают высокой активностью. При содержании золота в электроде от 16 до 31 мг/см² напряжение элемента составляет 938 - 965 мВ. Снижение содержания золота от заявляемого состава ведет к уменьшению активности, а увеличение содержания золота нецелесообразно из-за повышенного его расхода.

Использование катализатора кислородного электрода заявляемого состава позволит увеличить удельную мощность ЭХГ на 1-4% и при этом снизить расход золота на 25 - 40%.

Список используемой литературы
1. Bayer F., Fabjon C. - In Troisieme journees intern. d'etude des piles a'combustible Bruxelles, 1969.

2. Патент США 4115322, кл. B 01 J 21/18; B 01 J 23/40; B 01 J 23/50; B 01 J 23/52, опублик. 1978.

3. Европейский патент 0117290, H 01 M 8/08, H 01 M 4/92 C 25 B 11/04, опублик. 1988.

4. Тарасевич М. Р. - Электрохимия углеродных материалов, Издательство "Наука", М., 1984, с. 86 - 93.

5. Пшеничников А.Г., Кудрявцева З.И., Буркальцева Л.А., Жучкова Н.А. - Электрохимия, 1987, 4, т. 4, с. 480.

6. Martin R.E., Mango M.A. - Alcaline fuel cell performance investigation. Proc/23 rd Jntersoc. Energy Convers Eng. Conf., Denver, Colo, July 31 - Aug. 5, 1988, vol. 2 - New York (N.Y.) 1988, p. 301 - 304.

7. Патент РФ 2066900, 6 H 01 M 4/90, опублик. 1996.

Изобретение относится к области электротехники, связанной с эксплуатацией топливных элементов. Катализатор кислородного электрода для водородно-кислородного топливного элемента со щелочным электролитом представляет собой порошок оксида циркония, покрытый золотом и имеющий состав, мас.%: оксид циркония 40-70, золото 30-60. Техническим результатом изобретения является повышение активности катализатора и снижение расхода золота. 1 табл., 1 ил.

Катализатор кислородного электрода для топливного элемента со щелочным электролитом, содержащий золото на носителе, отличающийся тем, что в качестве носителя взят оксид циркония при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Оксид циркония - 40 - 70
Золото - 30 - 60