RU2208271C1 - Active electrode layer for fuel cells - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering; gas-diffusion electrodes for fuel cells. SUBSTANCE: active layer for electrodes of fuel cells using polymeric membrane electrolyte has catalyst particles on carbon carrier and particles of dispersed ion-conducting polymeric electrolyte. Novelty is introduction of fluoroplastic particles into active layer of agglomerates, agglomerate concentration per unit of active layer volume being from 0.2 to 0.65 volume percent; in addition diameter of agglomerates and catalyst particles on carbon carrier was kept within maximum 3 mcm to attain desired effect. EFFECT: improved current-voltage characteristics and reduced cost of fuel cells. 4 cl

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к газодиффузионным электродам топливных элементов с полимерным мембранным электролитом. The invention relates to the field of electrical engineering, namely to gas diffusion electrodes of fuel cells with a polymer membrane electrolyte.

Решение проблемы создания высокоэффективных электродов для топливных элементов с полимерным мембранным электролитом связано с решением задачи разработки эффективных газодиффузионных электродных подложек и активных слоев. Предлагаемое по данной заявке техническое решение относится к активному слою электродов. The solution to the problem of creating highly efficient electrodes for fuel cells with a polymer membrane electrolyte is associated with the solution to the problem of developing effective gas diffusion electrode substrates and active layers. The proposed technical solution for this application relates to the active layer of electrodes.

Известно техническое решение (см. пат. 5472799 США от 5.12.1995 г, Н 01 М 8/10, "Топливный элемент с твердополимерным электролитом"), в котором предложен активный слой, размещаемый между электродной подложкой и мембраной. В состав активного слоя входят частицы катализатора на углеродном носителе и дисперсные частицы полимерного ионопроводящего электролита. В активном слое имеются сквозные поры, через которые происходит увлажнение мембраны. A technical solution is known (see US Pat. No. 5472799 dated December 5, 1995, N 01 M 8/10, "Fuel cell with a solid polymer electrolyte"), in which an active layer is proposed that is placed between the electrode substrate and the membrane. The active layer consists of carbon-supported catalyst particles and dispersed particles of a polymer ion-conducting electrolyte. The active layer has through pores through which the membrane is moistened.

В таком активном слое рабочие газы поступают практически только к его поверхности со стороны электродной подложки, являющейся газодиффузионной частью электродов. Внутренняя часть активного слоя фактически не работает. In such an active layer, the working gases flow almost exclusively to its surface from the side of the electrode substrate, which is the gas diffusion part of the electrodes. The inside of the active layer does not actually work.

Известен также способ повышения характеристик топливных элементов с полимерным мембранным электролитом и обеспечивающий самоувлажнение мембраны (см. J.Eltctrjchem. Soc. Vol. 143 12, December, 1996 г). Способ заключается в диспергировании в объем мембраны гигроскопических частиц TiO₂ и/или SiО₂ размером от 2-х до 7-ми нм и частиц Pt-го катализатора размером от 1 до 2 нм. Введение в структуру мембраны указанных компонентов способствует поддержанию влагосодержания мембраны, позволяет упростить систему поддержания водного баланса, обеспечивать холодный запуск топливных элементов, а также уменьшить толщину, а следовательно, и стоимость мембраны.There is also a method of increasing the performance of fuel cells with a polymer membrane electrolyte and providing self-humidification of the membrane (see J.Eltctrjchem. Soc. Vol. 143 12, December, 1996). The method consists in dispersing in the membrane volume hygroscopic particles of TiO ₂ and / or SiO _{2 with a} size of from 2 to 7 nm and particles of a Pt catalyst with a size of from 1 to 2 nm. The introduction of these components into the membrane structure helps to maintain the moisture content of the membrane, simplifies the water balance maintenance system, ensures the cold start of fuel cells, and also reduces the thickness and, consequently, the cost of the membrane.

Однако раздельное введение частиц Pt и SiО₂, ТiO₂ не позволяет полностью использовать эффект, т. к. указанные частицы, как правило, находятся в мембране в разных областях. Более эффективно описанный механизм будет работать, если частицы катализатора будут находиться в непосредственном контакте с гигроскопическими частицами. Кроме того, процесс диспергирования требует сложного оборудования и дорогостоящих технологических сред и компонентов, ввиду чего данный процесс весьма дорогостоящий.However, the separate introduction of particles of Pt and SiO ₂ , TiO ₂ does not allow the full use of the effect, since these particles, as a rule, are in the membrane in different areas. A more efficiently described mechanism will work if the catalyst particles are in direct contact with hygroscopic particles. In addition, the dispersion process requires sophisticated equipment and expensive technological environments and components, which makes this process very expensive.

Целью настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно обеспечить работу активного слоя по всему объему, а также удешевить процесс создания структур по самоувлажнению мембраны и повысить эффективность их работы. The aim of the present invention is to eliminate the above disadvantages, namely, to ensure the operation of the active layer throughout the volume, as well as reduce the cost of the process of creating structures for self-humidification of the membrane and increase their efficiency.

Поставленная цель достигается тем, что в состав активного слоя, толщина которого порядка 20 мкм, вводятся агломераты квазигомогенно перемешанных и спеченных между собой частиц фторопласта. При этом концентрация агломератов в активном слое должна находиться в пределах от 0,2 до 0,65 (концентрация увеличивается с ростом плотности рабочего тока). Кроме того, должно выполняться соотношение С_агл/d_агл =k x С_пкэ/d_пкэ, где С_агл и d_aгл соответственно концентрация и диаметр агломератов, а С_пкэ = 1-С_агл и d_пкэ соответственно концентрация и диаметр пространств, заполненных частицами катализатора на углеродном носителе и частицами дисперсного полимерного ионопроводящего электролита, k - коэффициент, изменяющийся от 0,2 до 5. Исходя из того, что характерные размеры активного слоя от 10 до 20 мкм, размеры d_aгл и d_пкэ не должны превышать 3-х мкм. Данная цель достигается также тем, что со стороны полимерного мембранного электролита на активном слое сформирован дополнительный слой, содержащий гигроскопические частицы диоксидов титана и/или кремния или др. гигроскопичных материалов размером от 0,005 мкм до 6 мкм или волокон диаметром не более 6 мкм, на которые нанесены частицы Pt размером от 1 до 10 нм в количестве от 0,005 до 6 мкм. Указанные частицы в дополнительном слое перемешены с дисперсными частицами полимерного ионопроводящего электролита размером от 20 до 70 нм в соотношении от 1:9 до 4:6.This goal is achieved by the fact that in the composition of the active layer, whose thickness is about 20 μm, agglomerates of quasi-homogeneously mixed and sintered fluoroplastic particles are introduced. In this case, the concentration of agglomerates in the active layer should be in the range from 0.2 to 0.65 (the concentration increases with increasing operating current density). In addition, the relation C _agl / d _agl = kx C _pke / d _pke , where C _agl and d _agl, respectively, is the concentration and diameter of the agglomerates, and C _pke = 1-C _agl and d _pke, respectively, the concentration and diameter of the spaces filled with particles the catalyst on a carbon carrier and particles of a dispersed polymer ion-conducting electrolyte, k is a coefficient varying from 0.2 to 5. Based on the fact that the characteristic dimensions of the active layer are from 10 to 20 μm, the dimensions d _agl and d _pke should not exceed 3 microns. This goal is also achieved by the fact that from the side of the polymer membrane electrolyte on the active layer an additional layer is formed containing hygroscopic particles of titanium dioxide and / or silicon or other hygroscopic materials ranging in size from 0.005 microns to 6 microns or fibers with a diameter of not more than 6 microns, on which Pt particles from 1 to 10 nm in size in an amount of from 0.005 to 6 microns are deposited. These particles in an additional layer are mixed with dispersed particles of a polymer ion-conducting electrolyte with a size of from 20 to 70 nm in a ratio of 1: 9 to 4: 6.

Введение агломератов фторопластовых частиц обеспечивает подвод рабочих газов по всему объему активного слоя, вследствие чего увеличивается эффективность его работы и повышаются вольт-амперные характеристики топливных элементов. А введение дополнительного слоя существенно удешевляет процесс создания структур, обеспечивающих самоувлажнение мембраны, т.к. при этом исключается применение дорогостоящих технологических сред и компонентов. Нанесение дополнительного слоя производится на том же оборудовании и теми же методами, что и при нанесении активного слоя. При этом появляется возможность применять более тонкие и, следовательно, более дешевые мембраны. Одновременно снижается внутреннее сопротивление мембранно-электродного блока. The introduction of agglomerates of fluoroplastic particles provides the supply of working gases throughout the volume of the active layer, as a result of which its efficiency increases and the current-voltage characteristics of fuel cells increase. And the introduction of an additional layer significantly reduces the cost of the process of creating structures that provide self-hydration of the membrane, because this eliminates the use of expensive technological environments and components. The additional layer is applied using the same equipment and the same methods as when applying the active layer. In this case, it becomes possible to use thinner and, therefore, cheaper membranes. At the same time, the internal resistance of the membrane-electrode block is reduced.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна". The analysis of the prior art showed that the claimed combination of essential features is unknown. This allows us to conclude that the claimed invention meets the criterion of "novelty."

Для проверки соответствия заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Установлено, что заявляемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". To verify the conformity of the claimed technical solution to the criterion of "inventive step", an additional search was carried out for known technical solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention from the prototype. It is established that the claimed invention meets the criterion of "inventive step".

Заявленное техническое решение было проверено на макетных образцах единичных топливных элементов диаметром 50 мм. По сравнению с контрольным образцом рабочее напряжение при плотности тока 200 мА/см² увеличилось с 0,74 В до 0,785 В.The claimed technical solution was tested on prototype single fuel cells with a diameter of 50 mm. Compared with the control sample, the operating voltage at a current density of 200 mA / cm ² increased from 0.74 V to 0.785 V.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое изобретение может быть использовано на практике с достижением положительного результата и, следовательно, соответствует критерию "промышленная применимость". Based on the foregoing, we can conclude that the claimed invention can be used in practice with the achievement of a positive result and, therefore, meets the criterion of "industrial applicability".

Claims (4)

1. Активный слой для электродов топливных элементов с полимерным мембранным электролитом, содержащим частицы катализатора на углеродном носителе и частицы дисперсного полимерного ионопроводящего электролита, отличающийся тем, что в состав активного слоя дополнительно вводятся агломераты частиц фторопласта с концентрацией агломератов на единицу объема активного слоя от 0,2 до 0,65 об. %, при этом диаметры агломератов и частиц катализатора на углеродном носителе не превышают 3 мкм. 1. An active layer for fuel cell electrodes with a polymer membrane electrolyte containing catalyst particles on a carbon carrier and particles of a dispersed polymer ion-conducting electrolyte, characterized in that the composition of the active layer additionally introduces agglomerates of fluoroplastic particles with a concentration of agglomerates per unit volume of the active layer from 0, 2 to 0.65 vol. %, while the diameters of the agglomerates and catalyst particles on a carbon carrier do not exceed 3 μm. 2. Активный слой по п.1, отличающийся тем, что агломераты частицы фторопласта получают путем предварительного спекания частиц фторопласта до формирования активного слоя. 2. The active layer according to claim 1, characterized in that the agglomerates of the fluoroplastic particles are obtained by preliminary sintering of the fluoroplastic particles until the formation of the active layer. 3. Активный слой по п.1 отличающийся тем, что формирование активного слоя производится при условии выполнения соотношения С_агл/d_агл = k•С_кэ/d_кэ, где С_агл, d_агл - соответственно объемная концентрация и диаметр агломератов, а С_кэ, d_кэ - соответственно концентрация и диаметр частиц катализатора на углеродном носителе и частиц дисперсного полимерного ионопроводящего электролита, k - коэффициент, изменяющийся от 0,2 до 5.3. The active layer according to claim 1, characterized in that the formation of the active layer is performed provided that the ratio C _agl / d _agl = k • C _ke / d _ke , where C _agl , d _agl are the volume concentration and diameter of the agglomerates, respectively, and C _ke , d _ke -, respectively, the concentration and diameter of the catalyst particles on a carbon carrier and particles of a dispersed polymer ion-conducting electrolyte, k is a coefficient varying from 0.2 to 5. 4. Активный слой по п.1, отличающийся тем, что на нем со стороны полимерного мембранного электролита сформирован дополнительный слой, содержащий частицы TiO₂ и/или SiO₂ или других гигроскопических материалов размером от 0,005 до 6 мкм или волокон диаметром не более 6 мкм, на которые нанесены частицы Pt размером от 1 до 10 нм в количестве от 0,01 до 0,05 г/см² активной поверхности, и которые перемешаны с дисперсными частицами полимерного ионопроводящего электролита размером от 20 до 70 нм в соотношении от 1: 9 до 4: 6.4. The active layer according to claim 1, characterized in that on it from the side of the polymer membrane electrolyte an additional layer is formed containing particles of TiO ₂ and / or SiO ₂ or other hygroscopic materials ranging in size from 0.005 to 6 μm or fibers with a diameter of not more than 6 μm on which Pt particles with a size of from 1 to 10 nm in an amount of from 0.01 to 0.05 g / cm ^{2 of the} active surface are deposited, and which are mixed with dispersed particles of a polymer ion-conducting electrolyte with a size of from 20 to 70 nm in a ratio of 1: 9 to 4: 6.