СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОДИФФУЗИОННОГО ЭЛЕКТРОДА Советский патент 2013 года по МПК H01M4/04 H01M4/02 

Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым высокотемпературным электролитом и может быть использовано при изготовлении газодиффузионных электродов для источников тока (топливных элементов), систем жизнеобеспечения, для регенерации газов в замкнутых объемах, электролизеров для водородной энергетики, кислородных насосов, датчиков для метрологии и т.д.

Известны способы обработки электродов газами с целью получения определенных структур окислов, например, никелевого электрода для создания гидроокиси никеля (Пат. США №4064332, опубл. 20.12.77).

Полученные этим способом электроды могут работать только при низких температурах, т.к. гидроокись разлагается, еще не достигнув рабочей температуры высокотемпературных электрохимических устройств (800-1100°C).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ изготовления электрода с высокими удельными характеристиками путем пропитки высокопористой основы (например, платиновой) насыщенным раствором соли нитрат церий-аммония Ce(NH₄)(NO₃) с последующей прокалкой в процессе нагревания электрохимического устройства на воздухе до рабочей температуры (А.С. СССР № 1840850).

Полученные этим способом электроды обладают следующими недостатками. После разложения соли нитрат церий-аммония в металлической основе остается меньше 45% вещества в виде окиси церия. Такое незначительное количество окиси церия не позволяет получить максимальных удельных характеристик электродов. Пропитывание с последующей прокалкой приходится проводить многократно, что усложняет технологию изготовления электродов. Поскольку рабочие температуры устройств выше температуры прокалки, в процессе работы наблюдается спекание, уплотнение окиси церия, что приводит к снижению удельных характеристик электродов и нестабильности их во времени. Причем, чем выше рабочая температура, тем быстрее наступает ухудшение характеристик.

Целью настоящего изобретения является способ изготовления электродов с высокими удельными характеристиками, которые остаются стабильными при увеличении срока службы в несколько раз.

Указанная цель достигается благодаря пропитыванию металлической основы электрода насыщенным водным раствором хлористого церия, после разложения которого в основе остается порядка 77% вещества в виде окиси церия. Последняя спекается до образования устойчивой микроструктуры, которая затем подвергается разрушению путем резкого изменения парциального давления кислорода в газовой фазе над окислом.

Предварительно сформированную высокопористую основу платинового электрода, припеченную к твердому электролиту 0,92ZrO₂ + 0,1Se₂O₃, пропитывали насыщенным водным раствором хлористого церия квалификации "Ч". Затем производили термическое разложение и спекание окиси церия при температуре 1200-1250°C в среде воздуха в течение часа. Температура спекания на 300-400° превышает рабочую температуру электрода, благодаря этому создаются хорошие контакты окисла с металлом основы и электролитом. Кроме того, при рабочих температурах дальнейшее спекание окисла практически не наблюдается в течение длительных сроков службы. Однако полученный таким образом электрод еще не обладает высокими удельными характеристиками, т.к. окисел имеет недостаточно развитую поверхность контакта с газовой фазой. Существенное развитие ее осуществляют резким изменением парциального давления кислорода газовой среды, что приводит к растрескиванию и измельчению спеченного окисла церия внутри металлической основы электрода. Резкого изменения парциального давления кислорода достигают или сменой окружающей газовой атмосферы, например, с кислорода на водород, или пропусканием через электролит постоянного тока с быстрой сменой полярности, что приводит к нагнетанию или откачиванию кислорода из электрода. Наиболее целесообразным является комбинированное воздействие, т.к. газовую активацию можно рассматривать как более медленную и поверхностную, токовая же активация более резкая и глубинная, т.е. изменения парциального давления кислорода идут прежде всего на той трехфазовой границе, которая и обуславливает высокую эффективность проходящих реакций, высокие удельные характеристики электродов.

Использование предлагаемого способа изготовления газодиффузионного электрода для высокотемпературных электрохимических устройств с твердым электролитом позволяет получать электроды с большим содержанием в основе спеченной окиси церия, что приводит к снижению на 30÷50% поляризации электродов и к улучшению стабильности их характеристик во времени. Причем срок службы эффективно работающих электродов увеличивается в десять и более раз.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для изготовления источников тока (топливных элементов), систем жизнеобеспечения, для регенерации газов в замкнутых объемных, электролизеров для водородной энергетики, кислородных насосов, датчиков для метрологии и т.д. Техническим результатом является улучшение удельных характеристик и увеличение их стабильности во времени. В способе изготовления газодиффузионного электрода, при котором пропитывают высокопористую основу церий содержащими солями с последующим разложением их до окиси церия. Предварительно пропитанную основу прогревают до температур на 300°-400° выше рабочей температуры. После этого резко меняют парциальное давление кислорода. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления газодиффузионного электрода, включающий пропитку высокопористой основы церийсодержащими солями с последующим разложением их до окиси церия, отличающийся тем, что, с целью улучшения удельных характеристик и увеличения их стабильности во времени, предварительно пропитанную основу нагревают до температур на 300÷400° выше рабочей, после чего резко меняют парциальное давление кислорода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве церийсодержащих солей используют хлористый церий.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что резкое изменение парциального давления кислорода осуществляют изменением газовой среды и полярности пропускаемого тока.