КОЛЛЕКТОР ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА ВОДЫ ИЛИ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CURRENT COLLECTOR FOR WATER ELECTROLYTIC CELL OR FUEL ELEMENT WITH SOLID POLYMER ELECTROLYTE AND ASSOCIATED METHOD OF PRODUCTION

Настоящие изобретения относятся к коллектору тока и способу его изготовления. Коллекторы тока используются в электрохимических устройствах, в частности в электролизерах воды, предназначенных для получения водорода и кислорода, а также в топливных элементах с твердым полимерным электролитом.
Известны коллекторы тока на основе спеченной губки или титанового порошка сферической формы, состоящие из нескольких слоев различного фракционного состава, причем каждый из слоев имеет однородный фракционный состав, а именно один слой состоит из мелких частиц, другой из средних, а третий из крупных частиц (см. ЕР №1361010, B01D 39/20, 2003; ЕР №1683594, B22F 5/00, 2006).
Известен способ получения коллектора тока, включающий послойную засыпку титанового порошка в форму и последующее спекание слоев при температурах 650-1200°С (см. ЕР №1361010, B01D 39/20, 2003).
2
Недостатком известных коллекторов тока является ограниченный поток воды по направлению к полимерной мембране вследствие неоптимальной пористой структуры коллекторов. Особенно этот эффект проявляется при работе электролизера воды при высоких плотностях тока (более 2 А/см), в электролизных системах с катодной подачей воды. Кроме того, данное свойство во многом снижает параметры работы электрохимической системы с твердым полимерным электролитом в режиме обратимого топливного элемента.
Технический результат, который может быть получен от использования заявленных изобретений, заключается в улучшении пористой структуры коллектора, обеспечивающей решение проблемы водного снабжения электрохимических систем, и повышение эффективности их работы.
Указанный технический результат достигается при использовании коллектора тока для электролизера воды или топливного элемента с твердым полимерным электролитом из спеченного титанового порошка сферической формы, выполненный многослойным, причем первый слой порошка, который располагается к мембране, имеет однородные по размеру частицы порошка, выбранные из интервала 5÷20 мкм, а последующие слои содержат различные по размеру частицы порошка, выбранные из интервала 5÷250 мкм, при этом максимальный размер частиц в каждом последующем слое больше максимального размера частиц предыдущего слоя, а содержание в слоях частиц с размером 5÷20 мкм снижается от 100% мас. в первом слое до 5-10% мас. в последнем слое.
Способ изготовления коллектора тока включает послойную засыпку титанового порошка в форму и последующее спекание слоев, при этом после засыпки каждого слоя осуществляют промежуточное его спекание при 800-950°С и затем проводят окончательное спекание всех слоев при 1000-1200°С.
Промежуточное и окончательное спекание осуществляют без нагружения, при этом промежуточное спекание осуществляют в течение 15-20 мин, а окончательное спекание проводят в течение 50-60 мин.
Способ изготовления коллектора тока для электролизера воды или топливного элемента с твердым полимерным электролитом поясняется следующим примером.
-3
Засыпают первый слой сферического порошка титана марки ВТ-1.0 фракции 10 мкм в форму, толщина слоя составляет ≈0,04 мм. Производят выравнивание слоя пресс-шайбой и осуществляют предварительное спекание слоя нагревом в вакууме (вакуум не хуже 5·10 Па) или в среде инертного газа при температуре 920-940°С в течение 15 мин без нагружения.
-3
Засыпают второй слой сферического порошка титана марки ВТ-1.0, состоящего на 15% мас. из фракции 5 мкм, 15% мас.% из фракции 20 мкм и на 70% мас.% из фракции 50 мкм, в форму поверх первого слоя, толщина слоя составляет ≈0,1 мм. Производят выравнивание слоя пресс-шайбой и осуществляют предварительное спекание второго слоя нагревом в вакууме (вакуум не хуже 5·10 Па) или в среде инертного газа при температуре 920-940°С в течение 20 мин без нагружения.
-3
Засыпают третий слой сферического порошка титана марки ВТ-1.0, состоящего на 20% мас. из фракции 20 мкм, 30% мас.50 мкм и на 50% мас. из фракции 125 мкм, в форму поверх второго слоя, толщина третьего слоя ≈0,2 мм. Производят выравнивание слоя пресс-шайбой и осуществляют предварительное спекание третьего слоя нагревом в вакууме (вакуум не хуже 5·10 Па) или в среде инертного газа при температуре 920-940°С в течение 15 мин без нагружения.
-3
Засыпают четвертый слой сферического порошка титана марки ВТ-1.0, состоящего на 5% мас. из фракции 20 мкм, 15% мас. из фракции 50 мкм и на 80% мас. из фракции 200 мкм, в форму поверх третьего слоя, толщина четвертого слоя составляет ≈0,4 мм. Производят выравнивание слоя пресс-шайбой и осуществляют предварительное спекание четвертого слоя нагревом в вакууме (вакуум не хуже 5·10 Па) или в среде инертного газа при температуре 920-940°С в течение 15 мин без нагружения.
-3
Затем проводят окончательное спекание образца коллектора тока с бипористой структурой в вакуумной печи (вакуум не хуже 5·10 Па или в среде инертного газа) при температуре 1060-1080°С в течение 60 мин без нагружения. После остывания извлекают образец из формы.
Полученный коллектор тока имеет бипористую структуру, т.е. в нем имеются системы пор с различными диаметрами, обеспечивающие заполнение пор водой при различных режимах работы. Такой эффект достигается оптимизированным распределением пористой структуры в поперечном сечении за счет использования в слоях титанового порошка переменного фракционного состава от 5 до 250 мкм.