ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД ИЗ ТОНКОЙ ПАЛЛАДИЕВОЙ ПЛЕНКИ
HYDROGEN ELECTRODE FROM THIN PALLADIUM FILM

Предлагаемое изобретение относится к проблеме непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую с помощью топливных элементов и касается конструкции электродов последних.
В литературе имеется ряд сообщений об использовании палладия в качестве материала водородного электрода топливного элемента [1-9]. Палладий используется в виде сплошной беспористой мембраны. Водород при этом диффундирует через металл и участвует в электрохимической реакции со стороны электролита.
Использование палладиевых мембран в качестве водородного электрода имеет ряд преимуществ перед пористыми никелевыми электродами. Так, например, применение электродов из палладия позволяет снимать с единицы поверхности электрода значительно большие плотности тока, чем на никелевых электродах. Способность палладия пропускать через себя только водород позволяет повысить коэффициент использования водорода практически до 100% и применять вместо электролитического водорода - конвертированный. Кроме того, палладий обладает высокой коррозионной устойчивостью.
При использовании палладия в качестве материала электрода скорость протеканий электрохимической реакции на границе электрод-электролит зависит от скорости диффузии водорода через металл. Известно, что скорость диффузии водорода через металл обратно пропорциональна толщине стенки этого материала [10-11]. Очевидно, что для увеличения скорости электрохимической реакции, а значит и снимаемых с единицы площади плотностей тока, необходимо до минимума снизить толщину стенки палладия. При этом, однако, возникают больше годности, связанные с механической прочностью таких электродов. Опыт показывает, что при уменьшении толщины стенки электрода ниже 0,15 мм наступает резкое снижение его прочности. Это обстоятельство ограничивает получение еще более высоких плотностей тока за счет значительного уменьшения толщины электрода.
В предлагаемой нами конструкции тонкие пленки палладия (15-20 м) наносятся на пористую никелевую основу, которая является жестким несущим каркасом, и одновременно служит газоподводом и токоотводом. Указанные пленки можно наносить на пористые никелевые электроды (основы) любой конструкции.
Так, электроды (основы) могут быть изготовлены обычными способами прессования в пресс-формах или прокаткой порошка через валки - для плоских электродов, либо методом мундштучного прессования - для электродов трубчатой конструкции. Приготовленные одним из указанных выше способов электроды (основы) спекаются в атмосфере водорода при температуре 800-900°C, после чего имеют достаточную пористость и высокую механическую прочность.
2
Тонкие пленки палладия наносятся на пористые основы с помощью известных способов химического или электрохимического палладирования [12-15]. Первым из этих способов позволяет получить на пористых основах совершенно беспористые покрытия толщиной 15-25 м. При использовании электрохимического палладирования толщина беспористых покрытий получается не менее 30-40 м. Авторами испытывались электроды, толщина пленки на которых достигала 20-30 м. Электроды работали в ячейках с расплавленным карбонатным электролитом при температуре 700°C и при избыточном давлении рабочего газа внутри электрода 1,0 ати. При этом были получены плотности тока выше 1 А/см.
На рис.1 - кривая 3 приведены результаты испытаний одного из электродов при поляризации его от внешнего источника тока.
Предлагаемая конструкция водородного электрода имеет следующие преимущества перед известными конструкциями:
2
1. Уменьшение толщины палладиевой пленки до 15-25 приводит к получению устойчивой плотности тока выше 1 А/см в условиях длительной работы высокотемпературного элемента с расплавленным карбонатным электролитов.
2. Уменьшение количества палладия, необходимого для изготовления электродов, приводит к значительному удешевлению их стоимости.
3. Электроды обладают высокой механической прочностью.
Электроды предлагаемой конструкции могут быть использованы не только в высокотемпературных топливных элементах, но и в элементах, работающих при низких и средних температурах.
Литература
1. Lederer L., Grene N.D. Elektrochimica. Acta, 1963, 8, N-11, 883
2. G.V.Elmor, H.A.Tanner J. Elektrochem. Soc., 1961, 108, N-7, 669
3. Англ. пат. №928499 от 12.07.63.
4. Oswin H.G. Амер. пат. №3092517 от 04.07.63.
5. Oswin H.G., Chodosh S.M. 145-th National Meeting American chemical Soc., Division of Feul Chemistry. 1963, 7, N-4, 84-108.
6. Polart J. Comtes Rendus. 1963, 256, N-10, 2159.
7. Barde R., Buvet R. J. Chimie Physique, 1963, 60, N-11-12, 1365.
8. Polart J. CITGE XIV, Москва.
9. Baker B.S., Marianawski и др. 17-th Procedings of Ann Power Sourse Conferences 1963, 17, 72-75.
10. Галактионова Н.А. Водород в металлах. Металлургиздат, 1958.
11. Смителлс К. Газы и металлы. Металлургиздат, 1940.
12. R.N.Rhoda. Trans. Inst. Met. Finishing, 1959, 36, 82.
13. J.H.Johnson. J. Electrochem. Soc., 1961, 108, N-7, 632.
14. R.N.Rhoda. J. Electrochem. Soc. 1961, 108, N-7, 707.
15. R.N.Rhoda, A.M.Madison. Амер. пат. №2915406 от 01.12.59.