способ изготовления газового электрода для химического источника тока

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОВОГО ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА, включающий нанесение на поверхность пористой основы гидрофобизированного катализатора путем фильтрации суспензии, содержащей катализатор и гидрофобизатор, и последующее выдерживание основы при температуре плавления гидрофобизатора, отличающийся тем, что катализатор и гидрофобизатор наносят раздельно: сначала на одну из поверхностей основы наносят слой катализатора, содержащий поливиниловый спирт, путем фильтрации водной суспензии порошка катализатора и поливинилового спирта, затем на поверхность катализатора наносят слой гидрофобизатора путем распыления водной суспензии гидрофобизатора на нагретую основу до температуры, исключающей кипение суспензии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химическим источникам тока.

Известен способ изготовления газового электрода для химического источника тока [1] путем распыления на поверхность пористой основы водной суспензии, содержащей катализатор и гидрофобизатор при температуре основы 200-300^оС.

Недостатками известного способа являются неравномерность распределения и большие потери катализатора при напылении, сложность технологического оборудования, длительность подготовки и трудоемкость технологического процесса.

В качестве прототипа использован способ изготовления газового электрода для химического источника тока, включающий нанесение на поверхность пористой основы гидрофобизированного катализатора путем фильтрации суспензии, содержащей катализатор и гидрофобизатор, и последующее выдерживание основы при температуре плавления гидрофобизатора [2]. Cуспензия содержит в качестве катализатора порошок углерода и волокна графита, а в качестве гидрофобизатора - политетрафторэтиленовый порошок. Растворителем является пропанол, изопропан, бутанол или дихлорметан. После фильтрации образовавшейся слой нагревают до температуры около 330^оС.

Недостатком прототипа является невозможность его использования в случае применения высокопористых основ с крупными порами, через которые проскакивают частицы тефлона. В результате этого катализатор не гидрофобизируется и отслаивается. Часть тефлона задерживается в порах основы, поэтому она гидрофобизируется и не связывает достаточное количество электролиты для обеспечения ионной проводимости.

Сущность изобретения заключается в том, что катализатор и гидрофобизатор наносят сначала на одну из поверхностей основы наносят слой катализатора, содержащий поливиниловый спирт, путем фильтрации водной суспензии порошка катализатора и поливинилового спирта, затем на поверхность катализатора наносят слой гидрофобизатора путем распыления водной суспензии гидрофобизатора на нагретую основу до температуры, исключающей кипение суспензии.

Технический результат заключается в улучшении характеристик водородного электрода с применением крупнопористых основ: повышается электролитоемкость, электропроводность и фитильные свойства электрода, благодаря чему повышается рабочий ток и понижается поляризуемость. Суммарным результатом является повышение активности электрода и связанных с этим удельных характеристик аккумулятора.

Введение тефлона на поверхность катализатора усиливает гидрофобность поверхности катализатора, при этом повышается каталитическая активность катализатора, так как внутри активного слоя катализатор менее блокирован тефлоном. Степень гидрофобизации слоя катализатора понижается при переходе от поверхностных частиц к частицам, расположенным на поверхности пористой основы. Это достигается тем, что напыление тефлона проводят при температуре основы до 100^оС. При попадании водной суспензии тефлона на поверхность нагретой основы вода мгновенно испаряется, а тефлон в основном остается на поверхности катализатора. В отсутствие нагрева частицы тефлона вместе с водой (под действием капиллярных сил) проникают в объем основы, подвергая ее гидрофобизации, что недопустимо, так как основа должна быть гидрофильной. Температура основы в процессе напыления не должна достигать температуры кипения тефлоновой суспензии (выше 100^оС), что исключает разбрызгивание катализатора и тефлона.

Добавка поливинилового спирта в суспензию порошка катализатора (перед фильтрованием) способствует предварительному связыванию катализатора. Без этой добавки отфильтрованный и высушенный катализатор не удерживается на поверхности основы и выдувается струей суспензии тефлона. После напыления и высушивания гидрофобизатора электрод выдерживается при температуре плавления гидрофобизатора (для спекания частиц катализатора между собой и с основой). При этой температуре поливиниловый спирт разлагается, а его продукты разложения улетучиваются.

П р и м е р. При изготовлении водородного электрода предлагаемым способом в качестве пористой гидрофильной основы был использован бахит (асбестовая бумага), имеющий объемную пористость 80% , толщину 90 мк, средний диаметр пор 1,5 мк; электролитоемкость 300 (ТУ 137308001 - 712-85). В качестве катализатора использована смесь порошков платины и палладия (50% платины и 50% палладия) с диаметром частиц 2-30 мк. Гидрофобизатором служит выпускаемая промышленностью фторопластовая суспензия МРТУ Ф4ДВ, ТУ6-05-1246-81 г., имеющая диаметр частиц 0,1-0,3 мк. При сопоставлении диаметров частиц применяемых материалов видно, что если использовать для изготовления водородного электрода известный метод (прототип), то в процессе фильтровании суспензии, содержащей катализатор и тефлон, катализатор отфильтровывается на поверхности основы, а тефлон вместе с маточным раствором пройдет через поры основы, что установлено экспериментально.

Способ осуществляют в следующей последовательности.

Листы бахита размером 80 х 115 отжигают при 400^оС, затем последовательно промывают в ацетоне, воде и высушивают.

200 мл водной суспензии, содержащей 0,45 г катализатора и 0,038 г поливинилового спирта фильтруют на поверхность бахита под вакуумом, затем основу с катализатором высушивают и взвешивают.

Основу с катализатором нагревают до 90^оС и при этой температуре на поверхность катализатора напыляют 15 мл 5%-ной водной эмульсии тефлона, затем образец высушивают.

Основы, содержащие катализатор, поливиниловый спирт и тефлон, выдерживают при температуре плавления тефлона 335-340^оС в течение 10 мин.

Анализ полученных электродов показал, что количество платины и тефлона составляет соответственно 4 и 0,34 г/см². Поливиниловый спирт отсутствует.

Для сравнения с прототипом изготовляют также электроды известным способом, описанным в прототипе. При этом используют пористые основы с теми же характеристиками. Электроды, полученные двумя способами, подвергают электрохимическим измерениям.

Активность водородного электрода характеризуется зависимостью потенциала электрода от плотности тока. Чем ниже потенциал (перенапряжение) электрода при заданной плотности тока, тем активнее водородный электрод.

На фиг. 1 приведены вольт-амперные кривые водородных электродов прототипа (кривые 1₁ и 1₂ по предлагаемому способу и кривые 2₁ и 2₂); кривые 1₁ и 2₁ соответствуют катодной поляризации, а кривые 1₂ и 2₂ - анодной поляризации электрода; на фиг.2 показаны зарядно-разрядные характеристики двух аккумуляторов, в состав одного входят водородные электроды, изготовленные по известному способу (кривые 1₁, 1₂ и 1₃, а в состав второго - водородные электроды, изготовленные предлагаемым способом (кривые 2₁, 2₂ и 2₃).

Кривые 1₁ и 2₁ соответствуют процессу заряда аккумулятора, а кривые 1₂ и 2₂ - разряду. Кривые 1₃, 2₃ и 1₄, 2₄ показывают зависимость потенциала водородного электрода от зарядной и разрядной емкостей.

Как видно из фиг.1, активность водородного электрода, изготовленного предлагаемым способом, приблизительно в 2,4 раза выше активности электрода, изготовленного известным способом, т.е. в 2,4 раза более низкой поляризуемости. При одинаковом потенциале рабочий ток на водородном электроде при использовании изобретения оказывается в 2,4 раза выше, чем прототипа.

Как следует из фиг.2, водородные электроды, изготовленные предлагаемым способом, обеспечивают аккумулятору более высокую разрядную емкость (55 А ч), чем прототип (44 А ч). При этом и напряжение разряда у первого аккумулятора оказывается на 70 мв. выше, чем у второго. Так как вес и конструкции обоих аккумуляторов одинаковы, то удельная энергия первого аккумулятора на 25% выше, чем второго (прототип).

Таким образом, нанесение на основу фильтрованием катализатора с ПВС с последующим напылением слоя тефлона при температуре основы до 100^оС позволяет повысить активность водородного электрода приблизительно в 2,5 раза, благодаря чему удельная энергия серебряно-водородного аккумулятора повышается на 25%. Кроме того, упрощается технология изготовления газовых электродов, так как она основана на применении промышленно-выпускаемых материалов.

Изобретение может использоваться в производстве металло-водородных аккумуляторов. Электрод может изготавливаться на промышленном оборудовании, которое в настоящее время используется для изготовления металлокерамических водородных электродов путем фильтрования суспензии катализатора и гидрофобизатора.