ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА

Электрохимическая ячейка относится к области электрохимии, в частности, к технологии и техническим средствам электрохимии и может быть использована в электрохимических производствах и электролизерах для получения кислорода, а также в топливных элементах для получения энергии. Кроме того, предлагаемая электрохимическая ячейка может быть использована в физико-химических системах регенерации газовой среды гермообъектов, в том числе, в космической отрасли в условиях невесомости.
Известна электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, пористые металлические электроды и щелочной электролит на основе водного раствора КОН. Основным недостатком ячейки является наличие примеси паров щелочи в выделяемых газах, что небезопасно при их использовании. Другим недостатком ячеек является нестабильность состава металлических электродов из-за образования на их поверхности оксидных пленок с пониженной электронной проводимостью, что замедляет и нарушает рабочий процесс получения кислорода (Л.М. Якименко Электродные материалы в прикладной электрохимии, 1977, М., Химия).
Известна электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, пористые электроды и твердый керамический электролит на основе двуокиси циркония. Недостатком такой ячейки является наличие высокой рабочей температуры и сложность решения в этой связи технологических проблем. Другим недостатком является длительное время пуска и останова из-за ограничений на градиент температуры при разогреве или остывании (Григорьев А.И., Б.Г., Зорина Н.Г. Электрохимическая ячейка, патент №39744 от 20.04.2004 г.).
Известна электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, пористые металлические электроды с поверхностным слоем на основе сплава платины, иридия и рутения и твердый полимерный электролит.
Недостатками такой ячейки являются нестабильность значений перенапряжения из-за постепенного растворения рутениевого компонента сплава, роста контактного сопротивления на границе «электрод-электролит», малой надежности и стабильности процесса получения кислорода (Бора Т., Сингх Н. Диметилсульфооксидные соединения рутения, ЖНХ, 1977, т.20, с.419-421).
Известна электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, пористые металлические электроды и твердый полимерный электролит. Электроды представляют собой токопроводящую основу с нанесенным подслоем смеси оксидов рутения, титана и олова, и слоем диоксида марганца, получаемого путем анодного осаждения из электролита, в состав которого входят хлорид марганца и соляная кислота.
Недостатками такой ячейки являются постепенное растворение компонента сплава рутения с последующим ростом напряжения, сложность приготовления поверхностного слоя электрода, нестабильность значений каталитической активности двуокиси марганца, высокое контактное сопротивление границы «электрод-электролит», что может привести к снижению надежности и нестабильности процесса получения кислорода и, соответственно, к уменьшению срока службы (Патент 2069239 от 20.11.1996 г., Россия).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, твердый полимерный электролит, покрытый слоем платины, иридия, родия или иридиево-родиевого сплава и пористые титановые электроды, покрытые слоем платины.
Недостатком прототипа является снижение каталитической активности за счет образующегося в процессе работы неактивного оксида платины, что приводит к увеличению напряжения, снижению надежности, нестабильности процесса получения кислорода, а также увеличению его стоимости (Патент №2005122026 от 20.11.2005, Япония).
Технический результат предлагаемого устройства выражается:
- в уменьшении затрат на процесс получения кислорода;
- увеличении срока службы в 2 раза;
0,1
0,9
3
- повышении надежности и стабильности работы, благодаря снижению величины контактного сопротивления «электрод-электролит», -снижении в 2 раза скорости коррозии материалов путем применения в качестве каталитических материалов оксида состава PrSr СоО.
В основу полезной модели положено создание электрохимической ячейки с твердым полимерным электролитом для получения кислорода из воды, в топливных элементах, в системе регенерации атмосферы гермообъектов различного назначения.
Поставленная задача достигается тем, что электрохимическая ячейка для получения кислорода включает корпус, твердый полимерный электролит, пористые металлические электроды, а согласно полезной модели на поверхность пористых титановых электродов нанесена смесь оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5, а на поверхность поверхности твердого полимерного электролита дополнительно нанесена смесь оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5.
Таким образом, в электрохимической ячейке предложена новая совокупность существенных признаков. Все предложенные признаки существенны, поскольку влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.
Так, например, в предпочтительном варианте рабочая поверхность электродов и рабочая поверхность твердого полимерного электролита активированы смесью оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5, что неизвестно, в связи с чем активация контактирующих поверхностей как пористых титановых электродов, так и твердого полимерного электролита снижает контактное сопротивление «электрод-электролит» и, следовательно, уменьшает затраты на процесс получения кислорода, повышает надежность, стабильность и срок службы.
Кроме этого, исходя из того, что предложенное устройство имеет низкое контактное сопротивление границы «электрод-электролит», появилась возможность снизить напряжение, уменьшить скорость коррозии путем применения оксидного каталитического материала и увеличить длительность срока службы. Ячейка безопасна в использовании, поскольку рабочей средой является вода.
На фиг.1 представлен общий вид электрохимической ячейки с твердым полимерным электролитом.
Устройство изготавливают из: пористого титанового электрода по известной технологии создания пористых металлических изделий (Порошковая металлургия в СССР. История, современное состояние, перспективы, М. Наука, 1986). Активация поверхности пористого титанового электрода смесью оксидов проводится известным методом соосаждения азотнокислых солей, взятых в стехиометрическом соотношении (Танганов Б.Б. Химические методы анализа 2005, Улан-Удэ, изд. ВСГТУ). Активация пористых титановых электродов платиной - методом осаждения хлоплатината на поверхность титана с последующим отжигом, при этом твердый полимерный электролит изготавливают по известной технологии, используемой для полимерных ионитов (Паншин Ю.А., Дрейман Н.А., Андреева А.И., Манечкина О.Н. Свойства перфторированных сульфокатионитовых мембран МФ-4СК, Пластические массы, 1977, №8, с.147-149). Далее, для снижения величины контактного сопротивления границы «электрод-электролит» на поверхность полимерного электролита с незавершенной технологии изготовления термохимическим способом наносят смесь оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5 с последующим завершением процесса изготовления электролита омылением его в 15% растворе NaOH на водяной бане, восстановлением в 18% растворе азотной кислоты и кипячением в дистиллированной воде.
Схема предлагаемой электрохимической ячейки представлена на фиг.1
0,1
0,9
3
0,1
0,9
3
Устройство состоит из: корпуса, пористых металлических электродов с поверхностным каталитическим слоем - смесью оксидов состава Pr Sr СоО в соотношении 0,05:0,45:0,5, токоподводов, твердого полимерного электролита с поверхностным каталитическим слоем состава Pr Sr СоОв соотношении 0,05:0,45:0,5.
Устройство работает следующим образом:
2
2
2
-
+
+
2е-
Пример: дистиллированная вода подается в анодное пространство ячейки, проникает через поры анода (пористый титан) к границе раздела «электрод-твердый полимерный электролит». На границе происходит электроокисление воды с выделением кислорода 2НО+4е---О+4Н. Кислород удаляется из реакционной зоны через поры электрода. Гидратированные протоны движутся через мембрану к катоду, где происходит их восстановление с выделением газообразного водорода 2Н+---Н.
Величина контактного сопротивления «электрод-электролит» оценивалась по величине импеданса, надежность - по стабильности работы в течение 55 суток, коррозионным свойствам и ресурсу.
Аналогичные измерения проведены с ячейкой по прототипу, включающей пористые титановые электроды и полимерный электролит с каталитическим платиновым покрытием.
0,1
0,9
3
Результаты испытаний представлены в табл.1. Электрохимическая ячейка с каталитическим покрытием РгSrСоО на электродах и полимерном электролите работала непрерывно в течение 55 суток с подпиткой водой со стороны катода и периодически со стороны анода.
Усредненные результаты весовых измерений на титановых анодах показали, что коррозионные потери на предлагаемой электрохимической ячейке ниже в 2 раза. Вольтамперные характеристики ячеек предлагаемой и по прототипу в процессе испытаний с течением времени показывали снижение величины клеммного напряжения, в среднем, на 30%. Величина импеданса определялась при частоте 3000 Гц, ослаблении 40 дБ, напряжении выхода 10 В и максимальной чувствительности. Результаты показали, что импеданс предлагаемой электрохимической ячейки составляет 9,07 Ом, что в 2 раза ниже ячейки по прототипу.
В течение 55 суток ресурсных испытаний предлагаемая ячейка показала стабильные характеристики, т.о. ресурс работы предлагаемой электрохимической ячейки в 55 суток превосходит ресурс ячейки по прототипу в 20 суток - в 2, 1 раза.
Исходя из вышеизложенного, использование нового технического решения показало в процессе испытаний ниже в 2 раза по сравнению с прототипом контактное сопротивление, ниже на 30% величину напряжения, высокую надежность и стабильность показателей процесса получения кислорода, а также более, чем в 2 раза увеличение длительности работы по сравнению с известными электрохимическими ячейками.
Полезная модель может быть использована:
- в топливных элементах;
- космических и подводных регенерационных системах;
- в клинической и профилактической медицине.