ГАЗОДИФФУЗИОННЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА

Полезная модель относится к газодиффузионным электродам (ГДЭ) пригодным для использования в электрохимических устройствах, таких как топливные элементы, электролизеры, сенсоры и т.п.
Известен ГДЭ, содержащий пористую металлическую подложку и каталитический слой из оксидов кобальта со структурой шпинели (АС СССР №537124, кл. С23В 11/00, 1976). Недостатком этого электрода являются низкие коррозионная стойкость и каталитическая активность.
Из известных ГДЭ наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ГДЭ, содержащий пористую металлическую подложку и каталитический слой на основе платины или палладия, осажденный из раствора электролита (AC CCP №1203130А, кл. С25В 11/00, 1986).
Недостатком этого известного ГДЭ являются низкие коррозионная стойкость и каталитическая активность.
Техническим результатом полезной модели является создание коррозионно-стойкого ГДЭ с высокой каталитической активностью.
Указанный технический результат достигается тем, что ГДЭ для электрохимического устройства содержит пористую металлическую подложку и каталитический слой, при этом, в качестве подложки взят пористый титановый лист толщиной 0,8÷1,0 мм, пористостью 25÷35%, покрытый слоем платины толщиной 0,8÷1,0 мкм, нанесенной методом магнетронного распыления. Указанные толщина и пористость титанового листа являются оптимальными. При толщине менее 0,8 мм подложка имеет недостаточную механическую прочность, толщина более 1,0 мм нежелательна, т.к. при этом неоправданно увеличиваются габариты и масса
электрохимического устройства с указанным ГДЭ. При пористости менее 25% затрудняется подвод (для топливного элемента) реагентов в зону реакции или отвод реагентов из зоны реакции (для электролизера). При пористости более 35% увеличивается омическое сопротивление подложки, что сказывается на характеристиках электрохимического устройства. Слой платины толщиной 0,8÷1,0 мкм обеспечивает защиту подложки от коррозии. При толщине слоя менее 0,8 мкм не вся поверхность подложки защищена платиной, при толщине более 1,0 мкм слой платины перекрывает поры подложки, что приводит к снижению характеристик ГДЭ. Нанесение слоя платины методом магнетронного распыления обеспечивает прочное сцепление слоя с подложкой. При нанесении слоя из раствора электролита слой имеет недостаточное сцепление с подложкой.
2
2
Целесообразно, чтобы каталитический слой был выполнен дискретным из наночастиц платиновой черни близких к сферической форме с диаметром 10÷200 нм в количестве 0,4÷0,5 мг/см. При размерах частиц менее 10 нм трудно обеспечить равномерное нанесение платиновой черни, при размере более 200 нм снижается эффективная площадь поверхности каталитического слоя, что приводит к снижению характеристик ГДЭ. При количестве платины менее 0,4 мг/см2 снижаются характеристики ГДЭ, при количестве более 0,5 мг/см характеристики практически не улучшаются, но, при этом, растет стоимость ГДЭ.
Целесообразно, чтобы площадь поверхности дискретного слоя в 100÷1000 раз превышала видимую поверхность ГДЭ. Такое соотношение поверхностей каталитического слоя и видимой поверхности ГДЭ обеспечивает высокие каталитические характеристики. При соотношении поверхностей менее 100 снижаются характеристики ГДЭ, соотношение более 1000 трудно обеспечить технологически. Наличие дискретного покрытия из платиновой черни повышает каталитическую активность за счет увеличения активной поверхности в зоне реакции.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".
Сущность полезной модели поясняется чертежами и примером практической реализации.
На Фиг.1 показан поперечный разрез электрода.
На Фиг.2 показан дискретный каталитический слой.
На Фиг.3 показана магнетронная установка для изготовления электрода.
Электрод (Фиг.1) включает пористую подложку 1, слой платины 2 и каталитический дискретный слой из платиновой черни 3. Увеличенные частицы дискретного каталитического слоя 3 показаны на Фиг.2. Магнетронная установка (Фиг.3) включает рабочую камеру 10, магнетронный узел 11, систему откачки 4, магнитный блок 5, блок питания 6, распыляемую мишень 7, плазму 8, анод 9 и подложку электрода 1.
Пример практической реализации.
Подложка электрода из пористого титана толщиной 0,9 мм обрабатывалась растворителем в ультразвуковой ванне для удаления органических веществ с поверхности. В целях удаления оксидного слоя, активации поверхности и исключения возможности образования поверхностного слоя, насыщенного газообразными компонентами, проводилось химическое травление подложек с периодической промывкой водой. Затем на подложку наносится сплошное платиновое покрытие толщиной 1 мкм в установке (Фиг.3). Покрытие такой толщины еще не закрывает поры подложки, и в то же время обеспечивает надежную защиту подложки от пассивации в процессе нанесения дискретного каталитического покрытия и при эксплуатации. Затем наносится дискретное каталитическое покрытие путем распыления мишени 7. Основное отличие указанного покрытия заключается в том, что покрытие должно состоять из отдельных
частиц платиновой черни близких к сферической форме, диаметром 10-200 нм. При этом поверхность покрытия должна превышать видимую поверхность основы не менее чем в 1000 раз. Покрытие, помимо обладания дискретно структурой, должно находиться в активной форме, а это - чистая поверхность с активными незаблокированными центрами. Поэтому предпочтительно нанесение покрытия в вакууме. Электроды изготавливались вакуумно-плазменным методом с использованием магнетронного узла. Процесс осуществляется в вакуумной камере. Принцип действия устройства магнетронного напыления основан на таких физических явлениях, как ионизация плазмообразующего газа, тлеющий разряд в вакууме и распыление материала мишени бомбардировкой ускоренными ионами. Подлежащий распылению материал в виде мишени 7 имеет потенциал катода. Анод располагается между подложкой и распыляемой мишенью на расстоянии нескольких сантиметров от последней. Анод имеет либо потенциал земли, либо 30-100 в относительно распыляемой мишени. За мишенью расположен магнитный блок. При подаче отрицательного потенциала на мишень в прилежащей к ней области образуется зона скрещенных магнитного и электрического полей, в которой концентрируется аргоновая плазма. При этом положительные ионы ускоряются в направлении катода-мишени, бомбардируя и распыляя ее поверхность. Частицы материала, покидающие мишень, осаждаются на подложке. Локализация электронов вблизи мишени предотвращает бомбардировку ими подложек, в результате чего снижается температура и уменьшаются радиационные дефекты покрытий. Адгезионная прочность покрытий, полученных этим методом, много больше, чем у пленок, получаемых, например, химическим осаждением или вакуумным испарением. Это объясняется высокой энергией конденсирующихся частиц. Режимы нанесения покрытия - ток разряда - 4÷6 А, напряжение разряда -400÷500 В; рабочее давление смеси газов Аr-O2-1÷5 Па, соотношение аргон: кислород=0,5÷1.