Водородный электрод из тонкой модифицированной паладиевой пленки

Номер документа 2320170036

РУБРИКА:
6. Патентное дело, изобретательство, рационализаторство

РУБРИКА ГРНТИ:
31.15.33. Электрохимия

АТРИБУТЫ:
Отрасли: Электроэнергетика Химическая
Тепловая энергия:
Электрическая энергия:
Виды топлива:
Водные ресурсы:

РЕКВИЗИТЫ:
Вид документа: Патент
Номер: 168869
Автор (принявший орган): ФГБОУ ВО "КубГУ" 350040 г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149 Тел.(861) 219 95 04
Дата: 22.02.2017
Регион: Краснодарский край
Источник информации: www.fips.ru

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ ДОКУМЕНТА:

Актуальной задачей развития альтернативной энергетики является разработка кислородо-водородного топливного элемента с цельнометаллическим палладийсодержащим водородопроницаемым водородным электродом, работающих при низких (20-100°С) температурах. Это позволит использовать в топливном элементе жидкий электролит и приведет (за счет изменения трехфазной границы газ - металл токоотвода - электролит на двухфазную палладиевый сплав - электролит) к улучшению вольтамперных характеристик элемента, снижению поляризации, уменьшению внутреннего сопротивления и к увеличению удельной мощности. Кроме того, палладий является катализатором электродного процесса по всей двухфазной границе, поэтому не требуется дополнительного нанесения катализатора. Также возможно применение водородного электрода в составе двухэлектродной ячейки с протоносодержащим электролитом в составе водородного насоса или компрессора .
Для решения технической задачи предлагается водородный электрод для кислородно-водородного топливного элемента, включающий пористую никелевую основу с нанесенной на нее активной массой в виде тонкой палладиевой пленки, выполняющей роль мембраны. При этом мембрана с двух сторон покрыта слоем наноразмерного металлического порошка, хемосорбирующего водород, из палладиевой черни, а мембрана с модифицированной пленкой палладия закреплена контактной точечной сваркой на пористой никелевой основе.
На фиг. 1 изображен заявляемый водородный электрод в разрезе.
Электрод включает палладиевую мембрану 1, выполненную в виде фольги толщиной 1-30 мкм На обе стороны мембраны 1 нанесен слой мелкодисперсного (наноразмерного) металлического порошка 2 из палладиевой черни. Палладиевая мембрана 1, с одной стороны, методом контактной точечной сварки - точки 3 закреплена на поверхности пористой никелевой основы 4. Основа 4 электрически контактирует с металлической газораспределительной плитой 5. В объеме и на поверхности плиты 5 со стороны мембраны 1 сформирована система газораспределительных (продувочных) каналов 6, оканчивающаяся концевыми газовыми штуцерами 7 с кранами.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
В составе топливного кислородно-водородного элемента водородный электрод приводится в контакт с жидким, матричным или полимерным электролитом со стороны, противоположной металлической плите 5 таким образом, чтобы мелкодисперсное покрытие на электролитной стороне служило электрокатализатором электродного процесса окисления водорода. Путем открытия кранов на концевых газовых штуцерах 7 осуществляется продувка водородом системы газораспределительных каналов 6 и пор пористой никелевой пластины 4. Через определенное время, когда в системе газораспределительных каналов 6 и в порах пористой никелевой пластины остается чистый водород, один из кранов выходного штуцера 7 закрывается и система переходит в рабочий режим. Водород, поступающий через поры пористой никелевой пластины 4, подается к газовой поверхности палладиевой мембраны, покрытой палладиевой чернью, которая хемосорбирует водород на поверхности своих частиц и ускоряет его поступление в объем палладиевой мембраны - абсорбцию. Далее абсорбированный водород диффундирует через фазу палладиевой мембраны и на электролитной поверхности, покрытой палладиевой чернью, переходит в адсорбированную атомную фазу. Затем адсорбированный водород вступает в электродную реакцию на границе пористый металл/электролит с образованием протонсодержащих частиц в электролите и отдачей электронов во внешнюю цепь на нагрузку через металлическую газораспределительную плиту 5, которая также является токоотводом.
Мембрана для предлагаемого электрода может быть изготовлена путем прокатки металлического палладия с промежуточными вакуумными отжигами до толщины 1-30 мкм, с последующим покрытием обеих ее поверхностей наноразмерным металлическим порошком из палладиевой черни, с последующим соединением покрытой палладиевой пленки с пористой металлической никелевой основой, путем точечной контактной сварки. Тонкая палладиевая пленка может быть покрыта слоем палладиевой черни известными способами нанесения дисперсных металлов на гладкую металлическую поверхность, например: химическим восстановлением, электролитическим осаждением из водных растворов солей; магнетронным напылением пленки сплава Ренея с последующим диффузионным спеканием полученного «сэндвича» и вытравливанием неактивного компонента из поверхности пленки [Петриев И.С., Болотин С.Н., Фролов В.Ю., Барышев М.Г., Исаев В.А., Копытов Г.Ф. Модифицирование поверхности водородопроницаемой палладий-серебряной мембраны // Известия РАН. Серия физическая. 2016. Т. 80. №6 (статья принята в печать)].
Двустороннее покрытие поверхности мембраны слоем наноразмерного металлического порошка палладия позволяет за счет
уменьшения энергии активации лимитирующей стадии хемосорбции на газовой стороне и увеличения скорости электроэкстракции на электролитной стороне увеличить общую скорость процесса переноса водорода и, как следствие, электрические характеристики топливного кислородо-водородного элемента и(или) водородного насоса, например, удельную мощность при температурах окружающей среды. Кроме того, в вышеописанных устройствах с заявляемым водородным электродом возможно использование матричного, и жидкого щелочного или кислотного электролита вместо традиционно используемых в последнее время твердополимерных электролитов на основе мембраны «Нафион», что позволит применить их как в топливных элементах, так и в водородных насосах (компрессорах) и удешевить их в разы.
Таким образом, на основе предлагаемой водородного электрода, можно создавать кислородо-водородные топливные элементы и водородные насосы, эффективно работающие с высокой удельной мощностью при температурах окружающей среды.