RU2331145C1 - Diaphram-elecrode block (deb) for fuel cell and method of its production - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention concerns the creation of DEB for the hydrogen-air and alcohol-air fuel cells (FC) with the use of polymeric proton-conducting electrolyte on the basis of polybenzimidazole film doped phosphoric acid and two gas-diffusion electrodes. According to the invention the polymeric proton-conducting electrolyte for manufacturing the membrane FC is made of the polymer "ПБИ-О-ФТ" doped with a strong acid, phosphoric or sulfuric.

EFFECT: creation of simple in assembling the diaphragm-electrode block for the fuel cell with high electrochemical characteristics.

6 cl, 3 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к области топливных элементов (ТЭ). Более точно изобретение относится к МЭБ для воздушно-водородных или воздушно-спиртовых ТЭ (с жидким топливом) с использованием протонпроводящих мембран на основе полимерных соединений с рабочими температурами до 220°С.The invention relates to the field of fuel cells (FC). More precisely, the invention relates to the OIE for air-hydrogen or air-alcohol fuel cells (with liquid fuel) using proton-conducting membranes based on polymer compounds with operating temperatures up to 220 ° C.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Известен МЭБ, содержащий мембрану из ионопроводящего электролита, каталитические слои, примыкающие к электролиту, и газодиффузионные слои, примыкающие к каталитическим слоям (Заявка Японии №2004139783, кл. Н01М 8/02, 2004).Known OIE containing a membrane of an ion-conducting electrolyte, catalytic layers adjacent to the electrolyte, and gas diffusion layers adjacent to the catalytic layers (Japanese Application No. 2004139783, class N01M 8/02, 2004).

Недостаток указанного МЭБ связан с низкой проводимостью мембраны, зависящей от влажности, и низкой рабочей температурой, что ограничивает области возможного использования.The disadvantage of this OIE is due to the low conductivity of the membrane, depending on humidity, and low operating temperature, which limits the area of possible use.

Из известных МЭБ наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является МЭБ, содержащий электролитную мембрану из протонпроводящего полибензимидазола (ПБИ), каталитические слои, примыкающие к мембране, и газодиффузионные слои, примыкающие к каталитическим слоям (патент США №6946211, Н01М 8/10, 2005). Использование в МЭБ мембраны из ПБИ позволяет повысить рабочую температуру, исключить необходимость ее увлажнения. Однако данная мембрана обладает недостаточной проводимостью. Что снижает электрические характеристики.Of the known OIEs, the closest in the set of essential features and the technical result achieved is the OIE containing an electrolyte membrane made of proton-conducting polybenzimidazole (PBI), catalytic layers adjacent to the membrane, and gas diffusion layers adjacent to the catalytic layers (US patent No. 6946211, НММ 10, 2005). The use of a membrane from PBI in the OIE allows increasing the operating temperature and eliminating the need for its moistening. However, this membrane has insufficient conductivity. Which reduces electrical performance.

Из известных способов изготовления МЭБ наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ изготовления МЭБ, который включает изготовление мембраны на основе ПБИ, допированной кислотой, газодиффузионных электродов с каталитическими слоями, сборку МЭБ путем размещения мембраны между газодиффузионными электродами (патент США №6946211, Н01М 8/10, 2005). Данный способ изготовления МЭБ сложен в сборке, поскольку мембрана обладает малой механической прочностью и не обеспечивает получения требуемых электрических характеристик.Of the known methods for manufacturing OIE, the closest in combination of essential features and technical result achieved is a method for manufacturing OIE, which includes manufacturing a membrane based on PBI doped with acid, gas diffusion electrodes with catalytic layers, assembling the OIE by placing the membrane between gas diffusion electrodes (US patent No. 6946211 , H01M 8/10, 2005). This method of manufacturing the OIE is difficult to assemble, since the membrane has low mechanical strength and does not provide the required electrical characteristics.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Задачей изобретения является создание МЭБ и способа его изготовления, имеющего рабочую температуру до 200°С и обладающего высокими электрическими характеристиками и простотой сборки.The objective of the invention is the creation of the OIE and a method for its manufacture having an operating temperature of up to 200 ° C and having high electrical characteristics and ease of assembly.

Указанный технический результат достигается тем, что МЭБ для топливного элемента содержит протонпроводящую мембрану из полимера ПБИ в качестве электролита, газодиффузионные электроды с каталитически активными слоями, примыкающими к противоположным сторонам мембраны, при этом мембрана выполнена из полимера ПБИ-О-ФТ с общей формулойThe specified technical result is achieved by the fact that the OIE for the fuel cell contains a proton-conducting membrane made of PBI polymer as an electrolyte, gas diffusion electrodes with catalytically active layers adjacent to opposite sides of the membrane, while the membrane is made of PBI-O-FT polymer with the general formula

допированного сильной кислотой, газодиффузионные электроды выполнены из гидрофобизированного углеродного материала, а каталитические слои содержат платиновый катализатор на углеродном носителе в количестве 0,4÷0,5 мг/см². МЭБ с указанными ПБИ и катализатором обладает высокими электрическими характеристиками и рабочей температурой до 200°C.doped with strong acid, gas diffusion electrodes are made of hydrophobized carbon material, and the catalytic layers contain a platinum catalyst on a carbon support in an amount of 0.4 ÷ 0.5 mg / cm ² . The OIE with the indicated PBI and catalyst has high electrical characteristics and an operating temperature of up to 200 ° C.

Целесообразно, чтобы мембрана МЭБ была допирована фосфорной или серной кислотой. Допирование указанными кислотами повышает проводимость мембраны и не требует ее увлажнения.It is advisable that the OIE membrane be doped with phosphoric or sulfuric acid. Doping with these acids increases the membrane conductivity and does not require moisture.

Целесообразно, чтобы газодиффузионные электроды МЭБ по периметру были снабжены рамками из полимерного материала. Наличие рамок упрощает сборку МЭБ и предохраняет мембрану от механических повреждений.It is advisable that the gas diffusion electrodes of the OIE along the perimeter be equipped with frames of polymer material. The presence of frames simplifies the assembly of the OIE and protects the membrane from mechanical damage.

Целесообразно, чтобы рамками газодиффузионных электродов МЭБ были снабжены отверстиями для размещения крепежных элементов при сборке. Наличие отверстий в рамках электродов существенно облегчает технологию сборки МЭБ.It is advisable that the frames of the gas diffusion electrodes of the OIE be provided with holes for accommodating fasteners during assembly. The presence of holes in the electrodes greatly facilitates the assembly technology of the OIE.

Что касается способа изготовления МЭБ, то указанный технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления МЭБ по любому из п.п.1-4, при котором изготавливают допированную кислотой мембрану на основе ПБИ, газодиффузионные электроды с каталитическими слоями, собирают МЭБ путем размещения мембраны между газодиффузионными электродами, мембрану изготавливают из полимера ПБИ-О-ФТ с общей формулойRegarding the method of manufacturing the OIE, the technical result is achieved due to the fact that in the method of manufacturing the OIE according to any one of claims 1 to 4, in which an acid-doped membrane based on PBI is made, gas diffusion electrodes with catalytic layers are collected by the OIE by placing the membrane between the gas diffusion electrodes, the membrane is made of PBI-O-FT polymer with the general formula

путем допирования в сильной кислоте при повышенной температуре, газодиффузионные электроды изготавливают из гидрофобизированного углеродного материала, а в каталитические вводят платиновый катализатор на углеродном носителе в количестве 0,4÷0,5 мг/см². Изготовление мембраны из ПБИ-О-ФТ, газодиффузионных электродов из гидрофобизированного углеродного материала и введение в каталитические платинового катализатора на углеродном носителе в количестве 0,4÷0,5 мг/см² позволяет получить МЭБ с заданными характеристиками.by doping in a strong acid at an elevated temperature, gas diffusion electrodes made of hydrophobized carbon material and the catalyst is introduced platinum catalyst on a carbon support in an amount of 0.4 ÷ 0.5 mg / cm ^2. The manufacture of a membrane from PBI-O-FT, gas diffusion electrodes from hydrophobized carbon material and the introduction of a platinum catalyst on a carbon support in an amount of 0.4 ÷ 0.5 mg / cm ² allows you to get the OIE with the specified characteristics.

Целесообразно, чтобы газодиффузионные электроды МЭБ были изготовлены с рамками из полимерного материала, расположенными по периметру. Наличие рамок по периметру электродов упрощает сборку МЭБ и предотвращает мембрану от механических повреждений.It is advisable that the gas diffusion electrodes of the OIE be made with frames made of polymer material located around the perimeter. The presence of frames around the perimeter of the electrodes simplifies the assembly of the OIE and prevents the membrane from mechanical damage.

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

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". Сущность изобретения поясняется чертежами и примером практической реализации способа изготовления заявленного электрода.To verify the conformity of the claimed invention with 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 technical solution from the prototype. It is established that the claimed technical solution does not follow explicitly from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step". The invention is illustrated by drawings and an example of a practical implementation of the method of manufacturing the claimed electrode.

Перечень чертежейList of drawings

На фиг.1 представлена схема МЭБ для среднетемпературного воздушно-водородного ТЭ.Figure 1 presents the diagram of the OIE for medium temperature air-hydrogen fuel cells.

На фиг.2 - результаты испытаний МЭБ воздушно-водородного ТЭ при площади электродов 25 см² и температуре 160°С.Figure 2 - test results of the OIE air-hydrogen fuel cells with an electrode area of 25 cm ² and a temperature of 160 ° C.

На фиг.3 - результаты испытаний МЭБ воздушно-спиртового ТЭ при температуре 200°С.Figure 3 - test results of the OIE air-alcohol fuel cells at a temperature of 200 ° C.

МЭБ (фиг.1) содержит нижнюю силовую пластину 1, катод с прикрепленной рамкой 2, мембрану из ПБИ 3, анод с прикрепленной рамкой 4, верхнюю силовую пластину 5.The OIE (figure 1) contains a lower power plate 1, a cathode with an attached frame 2, a membrane of PBI 3, an anode with an attached frame 4, and an upper power plate 5.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Пример реализации 1. Согласно изобретению МЭБ воздушно-водородного ТЭ был изготовлен с использованием следующих компонентов:Implementation Example 1. According to the invention, the OIE of an air-hydrogen fuel cell was manufactured using the following components:

1) полимерная пленка общей формулой ПБИ-О-ФТ толщиной 40 мкм;1) a polymer film with the general formula PBI-O-FT with a thickness of 40 microns;

2) платиновый катализатор на углеродном носителе с массовым содержанием платины 40% (коммерческий катализатор производства Е-ТЕК);2) a carbon-supported platinum catalyst with a mass content of platinum of 40% (commercial catalyst manufactured by E-TEK);

3) водная суспензия фторопласта PTFE ТЕ^® 3859 (DuPont);3) an aqueous suspension of PTFE PTFE TE ^® 3859 (DuPont);

4) полиимидная пленка ПМФ-А толщиной 0,05 мм;4) a polyimide film PMF-A with a thickness of 0.05 mm;

5) фторопластовый лист (Ф-4) толщиной 0,26 мм;5) fluoroplastic sheet (F-4) 0.26 mm thick;

6) углеродная бумага Toray TGP-H-090 толщиной 0,28 мм;6) carbon paper Toray TGP-H-090 with a thickness of 0.28 mm;

7) фосфорная кислота марки х.ч.7) phosphoric acid brand H.P.

Допирование ПБИ пленки осуществлялось путем погружения пленки в стакан с концентрованной (85%) фосфорной кислотой, доведением температуры фосфорной кислоты до 90-100°С на водяной бане, выдержке при этой температуре в течение 1 часа. В результате допирования линейные размеры пленки увеличились на 30-40%. После этого стакан, содержащий ПБИ-О-ФТ пленку и фосфорную кислоту, охлаждали до комнатной температуры. Пленку извлекли из стакана с фосфорной кислотой и укладывали на гладкую поверхность полимерной пленки. Предпочтительно использовать плоское стекло, покрытое тонкой 40-100 мкм полиэтиленовой пленкой. С поверхности удаляли капли фосфорной кислоты фильтровальной бумагой. Продопированную таким образом ПБИ-О-ФТ пленку использовали для сборки МЭБ среднетемпературного ТЭ.Doping of the PBI film was carried out by immersing the film in a glass with concentrated (85%) phosphoric acid, adjusting the temperature of phosphoric acid to 90-100 ° C in a water bath, holding at this temperature for 1 hour. As a result of doping, the linear dimensions of the film increased by 30–40%. After that, a glass containing PBI-O-FT film and phosphoric acid was cooled to room temperature. The film was removed from a glass with phosphoric acid and laid on a smooth surface of the polymer film. It is preferable to use flat glass coated with a thin 40-100 microns polyethylene film. Drops of phosphoric acid were removed from the surface with filter paper. The PBI-O-FT film doped in this way was used to assemble the MEA of medium-temperature TE.

Гидрофобизированные газодиффузионные слои для газодиффузионных электродов изготовили с использованием углеродной бумаги Toray и водной суспензии фторопласта. Для изготовления электрода рабочей площадью 25 см² из углеродной бумаги вырезали 2 квадрата размером 56×56 мм. Гидрофобизацию газодиффузионного слоя из углеродной бумаги проводили следующим способом. Углеродную бумагу пропитали водной суспензией фторопласта окунанием в водный раствор с содержанием фторопласта 0,14 кг/литр. Бумагу вынули из раствора и удалили с ее поверхности капли суспензии фильтровальной бумагой. Испарением при медленном нагреве до 120°С удалили воду из объема бумаги, после чего температуру углеродной бумаги в течение 2 часов поднимали до 400°С с выдержкой при этой температуре 30 минут. Полученный газодиффузионный слой с содержанием фторопласта 20 мас.% применили для изготовления электродов. Изготовление газодиффузионных слоев завершалось нанесением микропористого гидрофобного слоя на одну из поверхностей гидрофобизированной углеродной бумаги. Микропористый слой состоял из сажи XC72R и фторопласта в массовом соотношении сажа/фторопласт 1/1. Общее количество сажи и фторопласта в микропористом слое составляло 0,5 мг/см². Нанесение микропористого слоя осуществляли напылением аэрографом. Для приготовления 13 мл чернил в полиэтиленовую емкость с крышкой, содержащую навеску 40 мг сажи XC72R, добавляли 13 мл дважды дистиллированной воды, 0,1 мл глицерина, 0,16 мл 10% водного раствора ПАВ Triton Х-100. Полученную смесь механически перемешивали и подвергали ультразвуковому перемешиванию в течение 1 часа. Напыление чернил проводили на гидрофобизированную углеродную бумагу, помещенную на нагретый до 120°С столик. После напыления микропористого слоя углеродную бумагу подвергали температурной обработке с целью проплавления фторопласта и удаления ПАВ. Обработка заключалась в нагреве гидрофобизированной углеродной бумаги с нанесенным микропористым слоем до 360°С с выдержкой при этой температуре 1 час на воздухе.Hydrophobized gas diffusion layers for gas diffusion electrodes were made using Toray carbon paper and an aqueous fluoroplastic suspension. For the manufacture of an electrode with a working area of 25 cm ^2, 2 squares 56 × 56 mm in size were cut out of carbon paper. The hydrophobization of the gas diffusion layer of carbon paper was carried out as follows. Carbon paper was impregnated with an aqueous suspension of fluoroplastic by dipping into an aqueous solution with a fluoroplastic content of 0.14 kg / liter. The paper was removed from the solution and droplets of the suspension were removed from its surface with filter paper. Evaporation during slow heating to 120 ° C removed water from the volume of the paper, after which the temperature of the carbon paper was raised to 400 ° C for 2 hours with holding at this temperature for 30 minutes. The obtained gas diffusion layer with a fluoroplastic content of 20 wt.% Was used for the manufacture of electrodes. The production of gas diffusion layers was completed by applying a microporous hydrophobic layer to one of the surfaces of hydrophobized carbon paper. The microporous layer consisted of carbon black XC72R and fluoroplastic in a mass ratio of carbon black / fluoroplast 1/1. The total amount of carbon black and fluoroplastic in the microporous layer was 0.5 mg / cm ² . The microporous layer was applied by airbrushing. To prepare 13 ml of ink, 13 ml of twice distilled water, 0.1 ml of glycerol, 0.16 ml of a 10% aqueous solution of Triton X-100 surfactant were added to a polyethylene container with a lid containing 40 mg of XC72R carbon black. The resulting mixture was mechanically mixed and subjected to ultrasonic stirring for 1 hour. Ink spraying was carried out on hydrophobized carbon paper placed on a table heated to 120 ° C. After spraying the microporous layer, the carbon paper was subjected to heat treatment in order to melt the fluoroplastic and remove the surfactant. The treatment consisted in heating hydrophobized carbon paper coated with a microporous layer to 360 ° C with exposure at this temperature for 1 hour in air.

Изготовление газодиффузионных электродов проводили путем напыления активного слоя на микропористый слой газодиффузионного слоя. Нанесение активного слоя осуществляли напылением водной суспензии, содержащей платиновый катализатор и фторопласт. Соотношение фторопласт/сажа в каталитических чернилах было 1/0,4. Для напыления использовали аэрограф. В аэрограф заливали чернила следующего состава. Для изготовления одного электрода рабочей площадью 25 см² готовили 5 мл чернил. Для приготовления 5 мл чернил брали 4,4 мл дважды дистиллированной воды, 75 мг платинового катализатора на углеродном носителе с содержанием платины 40 мас.%, 0,128 мл водной суспензии фторопласта с содержанием фторопласта 0,14 кг/литр и 0,5 мл глицерина. Полученную смесь перемешивали с использованием ультразвуковой ванны в течение 40 минут. Непосредственно перед напылением чернила разбавляли этанолом в объемном соотношении 1 часть чернил + 2 части этанола. Перед нанесением активных слоев готовый, взвешенный ГДС помещали на нагреваемый до 120°С стол. На поверхность ГДС напылили 5 мл приготовленных чернил с помощью аэрографа. После нанесения активного слоя электрод поместили в печь и включили нагрев. Температуру поднимали до 250°С в течение 1 часа с выдержкой при этой температуре в течение 1 часа. Затем температуру подняли до 360°С в течение 20 минут. По достижении этой температуры готовый электрод извлекли из печи и взвесили с целью уточнения количества катализатора, нанесенного на электрод. Взвешиванием было установлено, что масса ГДС после нанесения на нее активного слоя увеличилась на 48,5 мг. За вычетом массы сажи-носителя катализатора и фторопласта это составляет 0,49 мг платины на 1 см² поверхности полученного электрода.The production of gas diffusion electrodes was carried out by spraying the active layer on a microporous layer of a gas diffusion layer. The active layer was applied by spraying an aqueous suspension containing a platinum catalyst and fluoroplastic. The fluoroplast / carbon black ratio in the catalytic ink was 1 / 0.4. For spraying, an airbrush was used. The following composition was poured into the airbrush. For the manufacture of one electrode with a working area of 25 cm ² , 5 ml of ink was prepared. To prepare 5 ml of ink, 4.4 ml of twice distilled water, 75 mg of a platinum catalyst on a carbon carrier with a platinum content of 40 wt.%, 0.128 ml of an aqueous fluoroplastic suspension with a fluoroplast content of 0.14 kg / liter and 0.5 ml of glycerol were taken. The resulting mixture was stirred using an ultrasonic bath for 40 minutes. Immediately before spraying, the ink was diluted with ethanol in a volume ratio of 1 part ink + 2 parts ethanol. Before applying the active layers, the prepared, weighed GDS was placed on a table heated to 120 ° C. 5 ml of the prepared ink was sprayed onto the surface of the GDS using an airbrush. After applying the active layer, the electrode was placed in a furnace and the heating was turned on. The temperature was raised to 250 ° C for 1 hour with exposure at this temperature for 1 hour. Then the temperature was raised to 360 ° C for 20 minutes. Upon reaching this temperature, the finished electrode was removed from the furnace and weighed to determine the amount of catalyst deposited on the electrode. By weighing it was found that the mass of GDS after applying the active layer to it increased by 48.5 mg. Subtracting the mass of the carbon black carrier of the catalyst and fluoroplastic, this is 0.49 mg of platinum per 1 cm ^{2 of the} surface of the obtained electrode.

Прикрепление рамки из пленки ПМФ-А к газодиффузионному электроду. Из пленки ПМФ-А по шаблону вырезали два квадратных листа пленки размером 10×10 см в соответствии с размерами графитовых блоков макета ТЭ. В центре листов вырезали окна 50×50 мм, а по периметру - отверстия, для стяжных болтов макета ТЭ. Электрод поместили на титановую пресс-форму активным слоем вверх. На электрод накладывали пленку ПМФ-А так, чтобы окно в пленке располагалось над электродом. При этом рамка должна перекрывать электрод по всему периметру электрода полосой шириной по 3 мм по каждой стороне окна в пленке. Пуансон с окном размером 50×50 мм, накладывали сверху на электрод с рамкой так, чтобы окно в пленке совпало с окном в пуансоне. Пресс-форму поместили в автоматический гидравлический пресс, платформы которого были предварительно нагреты до 190°С. Произвели прессование при усилии 4000 Н в течение 4 минут. После раскрытия пресса электрод с прикрепленной рамкой извлекли из пресс-формы.Attaching a frame from a PMF-A film to a gas diffusion electrode. Two square sheets of film 10 × 10 cm in size were cut from a PMF-A film according to the template in accordance with the sizes of the graphite blocks of the TE layout. Windows 50 × 50 mm were cut out in the center of the sheets, and holes were made around the perimeter for the tie bolts of the TE layout. The electrode was placed on the titanium mold with the active layer up. A PMF-A film was applied to the electrode so that the window in the film was located above the electrode. In this case, the frame should overlap the electrode along the entire perimeter of the electrode with a strip of 3 mm wide on each side of the window in the film. A punch with a window 50 × 50 mm in size was placed on top of the electrode with a frame so that the window in the film coincided with the window in the punch. The mold was placed in an automatic hydraulic press, the platforms of which were preheated to 190 ° C. Pressed with a force of 4000 N for 4 minutes. After opening the press, the electrode with the attached frame was removed from the mold.

Процедуру повторили со вторым электродом.The procedure was repeated with a second electrode.

Вырезание прокладок из фторопласта. Рассчитали толщину прокладок из условия: толщина прокладок + толщина двух рамок должна быть на 20-30 мкм меньше толщины рабочей части МЭБ. Рабочая часть МЭБ имела толщину 660 мкм. Для изготовления прокладок использовали фторопластовый лист толщиной 260 мкм. Вырезание прокладок вели по шаблону с отверстиями, соответствующими макету ТЭ. В центре прокладок вырезали окно размером 32×32 мм для электродов.Fluoroplastic gasket cutting. The thickness of the gaskets was calculated from the condition: the thickness of the gaskets + the thickness of the two frames should be 20-30 microns less than the thickness of the working part of the OIE. The working part of the OIE had a thickness of 660 μm. For the manufacture of gaskets, a fluoroplastic sheet with a thickness of 260 μm was used. The gaskets were cut according to the template with holes corresponding to the TE layout. A 32 × 32 mm window for electrodes was cut out in the center of the gaskets.

Сборка МЭБ. На стеклянную пластину поместили первую прокладку из фторопласта. На прокладку поместили катодный газодиффузионный электрод с полиимидной рамкой так, чтобы электрод оказался полностью в окне прокладки. Продопированную ПБИ мембрану, находящуюся на полиэтиленовой пленке, опустили на катод полиэтиленовой пленкой вверх так, чтобы мембрана полностью закрыла окно в пленке ПМФ-А, перекрыв дополнительно 2-4 мм рамки по всем сторонам окна. Удалили полиэтиленовую пленку с мембраны. На мембрану опустили анод с прикрепленной рамкой, добиваясь совпадения отверстий в обеих рамках для стяжных болтов, и плотно прижимали анод к мембране. После наложения второй фторопластовой прокладки МЭБ готов.OIE assembly. The first fluoroplastic gasket was placed on the glass plate. A cathode gas diffusion electrode with a polyimide frame was placed on the gasket so that the electrode was completely in the gasket window. The doped PBI membrane located on the polyethylene film was lowered upward on the cathode so that the membrane completely closed the window in the PMF-A film, covering an additional 2-4 mm of frame on all sides of the window. Removed the plastic film from the membrane. An anode with an attached frame was lowered onto the membrane, achieving matching holes in both frames for the coupling bolts, and pressed the anode tightly against the membrane. After applying the second fluoroplastic gasket, the OIE is ready.

Готовый МЭБ поместили на нижний графитовый блок макета, накрыли верхним графитовым блоком, вставили и затянули стяжные болты. Макет установили в испытательный стенд и включили подачу сухих газов (водорода и кислорода) и начинали нагрев. Испытания проведены при расходах водорода 0,5 л/мин и воздуха 2 л/мин.The finished OIE was placed on the lower graphite block of the prototype, covered with the upper graphite block, inserted and tightened the coupling bolts. The model was installed in a test bench and turned on the supply of dry gases (hydrogen and oxygen) and heating began. The tests were carried out at a flow rate of hydrogen of 0.5 l / min and air 2 l / min.

Пример реализации 2. Изготовление МЭБ воздушно-спиртового ТЭ. МЭБ был изготовлен согласно последовательности операций, использованной в примере 1. МЭБ имел электроды рабочей площадью 5 см². Соответственно были уменьшены размеры всех деталей МЭБ и количества приготавливаемых чернил. В отличие от примера 1 анодный газодиффузионный электрод был изготовлен с применением электрокатализатора на основе сплава платина-рутений. Использовали коммерческий катализатор PtRu 30% на углеродном носителе Е-ТЕК. Содержание сплава на аноде составляло 1 мг/см². Для изготовления катодного газодиффузионного электрода использовали платиновый катализатор с содержанием платины 40 мас.% на углеродном носителе Е-ТЕК. Количество платины на катоде составляло 1 мг/см². В пространство анодного газодиффузионного электрода подавали азот с содержанием паров этанола около 10% мольных при атмосферном давлении. В пространство катодного газодиффузионного электрода подавали чистый кислород под атмосферным давлением.Implementation example 2. Production of an OIE of an air-alcohol fuel cell. The OIE was made according to the sequence of operations used in example 1. The OIE had electrodes with a working area of 5 cm ² . Accordingly, the dimensions of all parts of the OIE and the amount of ink being prepared were reduced. In contrast to Example 1, an anode gas diffusion electrode was manufactured using an electrocatalyst based on a platinum-ruthenium alloy. A 30% commercial PtRu catalyst on an E-TEK carbon support was used. The alloy content on the anode was 1 mg / cm ² . For the manufacture of a cathode gas diffusion electrode, a platinum catalyst with a platinum content of 40 wt.% On an E-TEK carbon support was used. The amount of platinum at the cathode was 1 mg / cm ² . Nitrogen was supplied to the space of the anode gas diffusion electrode with an ethanol vapor content of about 10 mol% at atmospheric pressure. Pure oxygen was supplied to the space of the cathode gas diffusion electrode under atmospheric pressure.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленные электрод и способ его изготовления могут быть реализованы с достижением заявленного технического результата, т.е. они соответствуют критерию «промышленная применимость».Based on the foregoing, we can conclude that the claimed electrode and the method of its manufacture can be implemented with the achievement of the claimed technical result, i.e. they meet the criterion of "industrial applicability".

Claims (6)

1. Мембранно-электродный блок (МЭБ) для топливного элемента, содержащий полимерную протонпроводящую мембрану из полибензимидазола (ПБИ) в качестве электролита, газодиффузионные электроды с каталитически активными слоями, примыкающими к противоположным сторонам мембраны, отличающийся тем, что мембрана выполнена из полимера ПБИ-О-ФТ с общей формулой1. A membrane-electrode block (OIE) for a fuel cell, comprising a polybenzimidazole (PBI) polymer proton-conducting membrane as an electrolyte, gas diffusion electrodes with catalytically active layers adjacent to opposite sides of the membrane, characterized in that the membrane is made of PBI-O polymer FT with the general formula

допированного сильной кислотой, газодиффузионные электроды выполнены из гидрофобизированного углеродного материала, а каталитические слои содержат платиновый катализатор на углеродном носителе в количестве 0,4÷0,5 мг/см².doped with strong acid, gas diffusion electrodes are made of hydrophobized carbon material, and the catalytic layers contain a platinum catalyst on a carbon support in an amount of 0.4 ÷ 0.5 mg / cm ² . 2. МЭБ по п.1, отличающийся тем, что допирование полимера мембраны выполнено фосфорной или серной кислотой.2. The OIE according to claim 1, characterized in that the doping of the membrane polymer is made with phosphoric or sulfuric acid. 3. МЭБ по п.1, отличающийся тем, что газодиффузионные электроды МЭБ по периметру снабжены рамками из полимерного материала.3. The OIE according to claim 1, characterized in that the gas diffusion electrodes of the OIE along the perimeter are provided with frames of a polymer material. 4. МЭБ по п.3, отличающийся тем, что рамки электродов из полимерного материала снабжены отверстиями, равномерно расположенными по периметру.4. The OIE according to claim 3, characterized in that the frame of the electrodes of a polymeric material are provided with holes evenly spaced around the perimeter. 5. Способ изготовления МЭБ по любому из пп.1-4, при котором изготавливают допированную кислотой мембрану на основе ПБИ, газодиффузионные электроды с каталитическими слоями, собирают МЭБ путем размещения мембраны между газодиффузионными электродами, отличающийся тем, что мембрану изготавливают из полимера ПБИ-О-ФТ с общей формулой5. The method of manufacturing the OIE according to any one of claims 1 to 4, wherein an acid-doped PBI-based membrane is made, gas diffusion electrodes with catalytic layers are assembled by the OIE by placing the membrane between gas-diffusion electrodes, characterized in that the membrane is made of PBI-O polymer FT with the general formula

путем допирования в сильной кислоте при повышенной температуре. газодиффузионные электроды изготавливают из гидрофобизированного углеродного материала, а в каталитические вводят платиновый катализатор на углеродном носителе в количестве 0,4÷0,5 мг/см².by doping in strong acid at elevated temperature. gas diffusion electrodes are made of hydrophobized carbon material, and a platinum catalyst on a carbon support in the amount of 0.4 ÷ 0.5 mg / cm ² is introduced into the catalytic ones. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что по периметру газодиффузионные электроды МЭБ изготавливают с рамками из полимерного материала, расположенными по периметру.6. The method according to claim 5, characterized in that around the perimeter the gas diffusion electrodes of the OIE are made with frames of polymer material located along the perimeter.

Images