СЕПАРАТОР ДЛЯ ЩЕЛОЧНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ALKALINE FUEL CELL SEPARATOR

Предполагаемое изобретение относится к области электрохимии, в частности к разделу прямого преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использовано в производстве сепараторов для топливных элементов со щелочным электролитом (ТЭЩЭ).
Для матричного топливного элемента со щелочным электролитом (ТЭЩЭ), в котором электролит находится в связанном состоянии в порах сепаратора, важным свойством последнего является его способность разделять рабочие газы. Показателем, характеризующим такую способность, является газозапорное давление - максимальная разность давлений на противоположных сторонах сепаратора, при которой не происходит газовый пробой. Повышение коррозионной стойкости сепаратора с целью снижения деградации характеристик и увеличения ресурса является важной задачей разработки ТЭЩЭ.
Известна диафрагма из волокна хризотилового асбеста для топливного элемента со щелочным электролитом [1]. Недостатком такого сепаратора является низкая коррозионная стойкость, обусловленная выщелачиванием из асбеста оксида кремния. Этот коррозионный процесс приводит, во-первых, к повышению сопротивления электролита и, в конечном счете, к снижению характеристик ТЭЩЭ, во-вторых, к изменению пористой структуры сепаратора и, как следствие, снижению газозапорного давления.
За прототип выбран наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению сепаратор из более коррозионно-стойкого, чем асбест, материала - полисульфона, выполняющего роль связующего, и диоксида циркония [2]. Такой сепаратор имеет высокую коррозионную стойкость, однако недостатком его, как показала экспериментальная проверка, является низкое (0,05 МПа) газозапорное давление, поэтому при эксплуатации в составе топливного элемента возможно смешение рабочих газов.
Задачей заявляемого технического решения является достижение требуемой величины газозапорного давления (более 0,1 МПа) при сохранении высокой коррозионной стойкости.
Решение поставленной задачи достигается тем, что известный сепаратор, содержащий полимер - полисульфон, согласно предлагаемому техническому решению, дополнительно содержит гидроксид магния, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
гидроксид магния - 60-90
полисульфон - 10-40.
Введение в сепаратор 60-90% гидроксида магния приводит к повышению его газозапорного давления по сравнению с прототипом.
В таблице 1 приведены результаты работ по экспериментальному обоснованию состава сепаратора по предлагаемому техническому решению.
Таблица 1
Состав сепаратора, мас.%
Пористость, %
Газозапорное давление*, МПа
Гидроксид магния
Полисульфон
51
49
49
0,06
62
38
49
0,12
71
29
54,8
0,15
75
25
54,5
0,20
80
20
55,1
0,20
83
17
54,8
0,30
90
10
55,3
0,31
92
8
54,5
0,30
* - В качестве рабочей жидкости при определении газозапорного давления использован 7 н. раствор гидроксида калия.
Как видно из таблицы 1, максимальный эффект повышения газозапорного давления сепараторов достигается при содержании гидроксида магния от 60% и выше. Превышение содержания гидроксида магния более 90% не дает заметного увеличения газозапорного давления и приводит только к дополнительному расходованию материалов.
В таблице 2 приведены результаты коррозионных испытаний асбестового сепаратора и сепаратора по предлагаемому техническому решению. Скорость коррозии такого сепаратора в три раза ниже, чем у асбеста.
Таблица 2
Материал
Уменьшение массы образца в результате коррозионных испытаний в 7 н. растворе гидроокиси калия, %
50 часов
100 часов
Диафрагма из волокна хризотилового асбеста
2,1
2,7
Сепаратор по предлагаемому техническому решению
0,6
0,6
Сепаратор для топливных элементов со щелочным электролитом по предлагаемому техническому решению отличается высокой коррозионной стойкостью и имеет газозапорное давление (0,1-0,3) МПа.
Примеры осуществления предлагаемого технического решения.
Пример 1. 2,014 г порошка гидроксида магния вводили в заготовку волокнистого полисульфона (массой 0,564 г) методом пропитки. Затем заготовку сушили, прессовали до требуемой толщины и определяли характеристики образцов. Полученный сепаратор, содержащий 78 мас.% порошка гидроксида магния и 22 мас.% волокнистого полисульфона при пористости 55% имел газозапорное давление 0,2 МПа. При коррозионных испытаниях (в 7 н. растворе гидроксида калия, нагретом до 110°С) потеря массы за 50 часов составила 0,6 мас.%, что почти в 3 раза меньше, чем у прототипа.
Пример 2. 5,417 г порошка гидроксида магния вводили в заготовку волокнистого полисульфона (массой 0,586 г) методом пропитки. Затем заготовку сушили, прессовали до требуемой толщины и определяли характеристики образцов. Полученный сепаратор, содержащий 90 мас.% порошка гидроксида магния и 10 мас.% волокнистого полисульфона при пористости 55,3% имел газозапорное давление 0,31 МПа. При коррозионных испытаниях потеря массы за 100 часов составила 0,6 мас.%, что существенно меньше, чем у прототипа.
Применение заявляемого технического решения позволяет изготавливать сепараторы, обладающие низкой скоростью коррозии, что обеспечивает надежную работу топливного элемента со щелочным электролитом и увеличивает срок службы как топливного элемента в целом, так и всей батареи топливных элементов.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР № 888780, Н01М 4/94, приоритет 03.05.1979.
2. Патент США № 3713890, Н01М 3/02, приоритет 13.04.1970.