ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к материалам для электродов химических источников тока, в том числе для топливных элементов с протонообменными мембранами, использующихся в качестве экологически чистых источников тока, например, в городском транспорте.
Известен газодиффузионный электрод [заявка Японии №60-22471, H01M 4/00, 1985 г.], содержащий электродную основу, на поверхности которой с газовой стороны смонтирована пористая пластина, выполненная из смеси политетрафторэтиленовой смолы и фторсодержащего графита.
Недостатком такого электрода является повышенное удельное сопротивление пористой пластины, что не позволяет эффективно обеспечить внешний токоотвод с электрода.
Известен газодиффузионный электрод для электрохимического источника тока [патент США №4950561, H01M 8/02, 1990 г.], состоящий из катализатора и гидрофобизатора. В качестве катализатора используются катализированные углеродные частицы, а в качестве гидрофобизатора гидрофобный полимерный материал. На одну из сторон каталитического слоя напрессована электродная сетка.
Недостатком данного решения является забивание пор каталитического слоя твердым продуктом реакции, что ведет к снижению разрядных характеристик во времени и к сокращению срока службы электрода.
Известен газодиффузионный электрод, включающий активный слой, состоящий из активированного угля и 2-15 мас.% полиэтилена, гидрофобный слой, состоящий из технического углерода и 5-40 мас.% полиэтилена, и токоотводящую металлическую сетку [патент на изобретение RU 2040832, H01M 4/86, 25.07.1995].
Недостатком данного решения является относительно высокая проницаемость электролита через его гидрофобный слой.
Известен газодиффузионный электрод для электрохимического источника тока [заявка RU 95104100/07, H01M 4/84, H01M 4/96, 10.06.1996], содержащий гидрофобный слой, каталитический слой, состоящий из катализатора и гидрофобизатора, и нанесенный на него гидрофильный слой, гидрофобный слой выполнен из углетканевого материала, пропитанного гидрофобизатором, с общей пористостью 45-80%, в каталитическом слое в качестве катализатора использованы благородные металлы, выбранные из группы, содержащей серебро, платину, палладий, с легирующими добавками, выбранными из группы, содержащей магний, индий, кадмий, олово, свинец, при следующем соотношении компонентов, мас.%: благородные металлы 30…99; легирующие добавки 1…70, при этом содержание гидрофобизатора в гидрофобном слое составляет 50…90%, а в каталитическом слое 10…50%, а в качестве гидрофильного слоя использована неметаллическая матрица с пористостью 60…80%.
Недостатком данного изобретения является высокая стоимость составляющих компонентов и трудоемкость технологии изготовления газодиффузионного электрода для электрохимического источника тока.
Известен газодиффузионный электрод для химических источников тока [патент на изобретение RU 2199799, H01M 4/86, H01M 4/96, 27.02.2003], включающий в себя гидрофобный слой, активный слой и токоотвод, гидрофобный слой содержит полиэтилен в количестве 41…70 мас.% и углеродный материал, состоящий на 50…100 мас.% из графита, а активный слой, состоящий из полиэтилена и активированного угля, содержит добавку графита в количестве 20…60 мас.% от содержания активированного угля. При этом фракционный состав графита, вводимого в гидрофобный слой, лежит в диапазоне от 0,5 до 100 мкм, а размер частиц графита, вводимого в активный слой, может изменяться от 5 до 500 мкм. Указанный газодиффузионный электрод, обладает структурой, обеспечивающей повышение электропроводности его углеродосодержащих слоев.
Недостатком данного газодиффузионного электрода является возможность проникновения через него электролита при работе углеродсодержащих слоев электрода химического источника тока.
Известны перфторированные сульфокатионитовые ионообменные мембраны «Nafion», производимые компанией Dupont (США), и их отечественный аналог мембрана «МФ-4СК» [ТУ6-05-04-944-87], обладающие высокой протонной проводимостью.
Недостатками таких мембран являются отсутствие асимметрии диффузионных свойств и недостаточно высокая проводимость, что не позволяет использовать их для интенсификации процессов очистки, разделения различного рода растворов и самопроизвольного концентрирования растворов без наложения электрического потенциала, а также понижает эффективность их использования в топливных элементах.
Известна конструкция мембранно-электродного блока, включающего протонопроводящую мембрану, в которой сульфоалкильные или сульфоарильные группы внедрены между слоями фосфата металла и катионообменные группы присутствуют в боковых цепях [патент на изобретение RU 2313859, H01M 8/02, H01M 8/10, 27.12.2007].
Недостатком данного решения является сложность технологии изготовления мембраны.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является электрод, содержащий коллектор электричества, на одну из поверхностей которого посредством электропроводящего клея уложены гранулы активированного угля, отличающийся тем, что коллектор снабжен биопленкой, уложенной на поверхность, содержащей гранулы активированного угля, которые закреплены неподвижно на слое электропроводящего клея без соприкосновения с коллектором, при этом биопленка расположена относительно слоя клея с образованием зазора между ними [патент на полезную модель RU 123231, H01M 4/96, 14.09.2012].
Недостатками указанной конструкции являются:
- невозможность применения электрода в электрохимических устройствах, использующих газообразные активные вещества, поскольку слой электропроводящего клея и коллектор электричества не обеспечивают доступ газа к участкам контакта биопленки с гранулами активированного угля;
- наличие электронной проводимости биопленки, что вызывает токи утечки, неравномерное распределение потенциала на коллекторе электричества и, как следствие, - снижение плотности тока электрода;
- вероятность затекания электролита между биопленкой и гранулами активированного угля по краям электрода, что снижает его надежность.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение применяемости электрода в электрохимических устройствах, где одним из активных веществ является газ, повышение плотности тока и стабильности разрядных характеристик за счет снижения скорости падения напряжения во времени, повышение надежности электрода и уменьшение себестоимости его изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что этого в электроде для электрохимического источника тока, включающем коллектор электричества, на одну из поверхностей которого посредством электропроводящего клея уложены гранулы активированного угля, снабженный биопленкой, уложенной на поверхность, содержащую гранулы активированного угля, которые закреплены неподвижно на слое электропроводящего клея, биопленка выполнена из протонопроводящего биополимера, на противоположную к поверхности с гранулами активированного угля поверхность коллектора электричества нанесен дополнительный слой частиц активированного угля, закрепленных неподвижно на втором слое электропроводящего клея, в указанных слоях электропроводящего клея содержатся сквозные поры, связывающие участки контакта биопленки и гранул активированного угля с внешней средой, а коллектор электричества снабжен полостями, связанными со сквозными порами в слоях электропроводящего клея и с внешней средой, причем указанный электрод для электрохимического источника тока содержит изоляционные пластины, предпочтительно из диэлектрического непроницаемого материала, герметично контактирующие с биопленкой, слоями электропроводящего клея, коллектором электричества, гранулами активированного угля и дополнительным слоем частиц активированного угля, по меньшей мере по двум краям указанного электрода. За счет этого создается доступ к участкам контакта биопленки с гранулами активированного угля газообразных активных веществ из внешней среды и только ионов водорода (протонов) из электролита, обеспечивается работа электрода в газовых электрохимических устройствах, интенсивность побочных химических реакций снижается до минимума, стабилизируется токообразующая реакция, снижается скорость падения напряжения во времени, увеличивается площадь активной поверхности и плотность тока электрода, а также предотвращается затекание электролита между биопленкой и гранулами активированного угля по краям электрода и, следовательно, повышается надежность электрода. Низкие затраты на приобретение протонопроводящего биополимера и его доступность позволяют уменьшить себестоимость изготовления электрода.
Полезная модель является промышленно применимой, так как может быть использована в автономных источниках тока на основе воздушно-металлических батарей и топливных элементов.
Сущность полезной модели поясняется рисунком.
На фиг. 1 изображен разрез предлагаемого электрода, отражающий его конструкцию.
Электрод для электрохимического источника тока содержит коллектор электричества 1, на поверхность 2 которого посредством электропроводящего клея 3 уложены гранулы активированного угля 4. На последние уложена биопленка 5, выполненная из протонопроводящего биополимера и образующая участки контакта 6 с гранулами активированного угля 4. На поверхность 7 коллектора электричества 1, противоположную поверхности 2, нанесен дополнительный слой частиц активированного угля 8, неподвижно закрепленных на втором слое электропроводящего клея 9. Слои 3 и 9 электропроводящего клея содержат сквозные поры 10 и 11, связывающие участки контакта 6 биопленки 5 и гранулы активированного угля 4 с внешней средой (на рисунке не показана). Коллектор электричества 1 снабжен полостями 12, связанными со сквозными порами 10, 11 и внешней средой. Электрод для электрохимического источника тока также содержит изоляционные пластины 13, выполненные, предпочтительно, из диэлектрического непроницаемого материала и герметично контактирующие с биопленкой 5, слоями электропроводящего клея 3 и 9, коллектором электричества 1, гранулами активированного угля 4 и дополнительным слоем частиц активированного угля 8, по меньшей мере по двум краям 14 электрода.
Предлагаемый электрод работает следующим образом. Протонопроводящий биополимер биопленки 5 пропускает ионы водорода из электролита (на рисунке не показан) к участкам контакта 6 биопленки 5 и гранул активированного угля 4. Одновременно через сквозные поры 11 второго слоя электропроводящего клея 9, полости 12 коллектора электричества 1 и сквозные поры 10 электропроводящего клея 3 к указанным участкам контакта 6 из внешней среды проходит газ, участвующий в токообразующей реакции (например, кислород). Отдаваемые в результате реакции восстановления кислорода электроны по пути «участки контакта 6 - гранулы активированного угля 4 - электропроводящий клей 3 - коллектор электричества 1 - внешняя цепь (на рисунке не показана)» проходят к окисляющемуся аноду электрохимического источника тока (на рисунке не показан). В электрохимическом источнике тока также протекает реакция электрохимической коррозии анода с образованием твердого осадка (на рисунке не показан), который не может пройти через биопленку 5 и уменьшить площадь активной поверхности электрода, что обеспечивает стабилизацию разрядных характеристик электрохимического источника тока. Дополнительный слой частиц активированного угля 8 и второй слой электропроводящего клея 9 позволяют увеличить площадь активной поверхности и, следовательно, плотность тока электрода. Изоляционные пластины 13 служат для предотвращения затекания электролита между биопленкой 5 и гранулами активированного угля 4 по краям 14 электрода и защиты его от размывания, а также для дополнительной механической фиксации биопленки 5 на электроде, что, в конечном счете, повышает его надежность.
Биопленка 5 выполнена из протонопроводящего биополимера, который обеспечивает доступ ионов водорода (протонов) к электроду и участвует в образовании участков контакта 6, а также препятствует прохождению твердых продуктов реакций (на рисунке не показаны) к гранулам активированного угля 4 и их смачиванию электролитом. Предотвращение протонопроводящим биополимером биопленки 5 прохождения частиц образовавшегося осадка защищает электрод от экранирования продуктами реакций и повышает стабильность разрядных характеристик во времени. При этом содержащийся в биопленке 5 протонопроводящий биополимер является легкодоступным материалом с относительно низкой стоимостью.