Электрод с каталитически активным слоем для топливного элемента

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЭЛЕКТРОД С КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНЫМ СЛОЕМ ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жданок Сергей АлександровичФилатов Сергей АлександровичМохаммед ЮсевКучинский Георгий Станиславович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Электрод с каталитически активным слоем для топливного элемента, содержащий слой газодиффузионного материала, на котором расположен слой углеродного носителя с катализатором, отличающийся тем, что слой углеродного носителя выполнен из углеродных нанотрубок, причем углеродные нанотрубки выращены непосредственно на поверхности материала газодиффузионного слоя, а металлический катализатор в виде наноразмерных частиц расположен непосредственно на поверхности углеродных нанотрубок. 60672010.04.30 Полезная модель относится к электрохимическим источникам тока, в частности к электродам с каталитической активностью для топливного элемента, и может найти применение во многих отраслях промышленности. Известен электрод с каталитически активным слоем 1 для топливного элемента, содержащий слой газодиффузионного материала, на котором расположен слой смеси углеродного носителя и металлического катализатора. Углеродный носитель выполнен в виде пенографита и представляет собой неупорядоченную структуру микрочастиц графита. Между частицами графита располагаются частицы металлического катализатора. Однако такая конструкция электрода для топливного элемента обладает следующими недостатками. Он имеет повышенное электрическое сопротивление в поперечном направлении ввиду того, что микрочастицы пенографита имеют малую поверхность взаимного контакта. Кроме того, плотность тока самого топливного элемента ограничена из-за невысокой удельной площади поверхности углеродного носителя, которая ограничивает в свою очередь процентное содержание металлического катализатора по отношению к массе углеродного носителя, а также из-за низкой газовой проницаемости структуры пенографита. Перечисленные недостатки снижают эффективность работы электрода. Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы электрода за счет улучшения его характеристик. Задача решается следующим образом. Известный электрод с каталитически активным слоем для топливного элемента содержит слой газодиффузионного материала, на котором расположен слой углеродного носителя с металлическим катализатором. Согласно предлагаемому решению, слой углеродного носителя выполнен в виде углеродных нанотрубок, причем углеродные нанотрубки выращены непосредственно на поверхности материала газодиффузионного слоя, а металлический катализатор в виде наноразмерных частиц расположен непосредственно на поверхности углеродных нанотрубок. Предлагаемая конструкция электрода обеспечивает хороший электрический контакт углеродных нанотрубок, закрепленных на поверхности материала газодиффузионного слоя с материалом слоя. Высокая электрическая проводимость углеродных нанотрубок, а также контакт со слоем наночастиц катализатора, покрывающих поверхность углеродных нанотрубок, обеспечивают минимальное электрическое сопротивление каталитического слоя в поперечном направлении, а следовательно, повышение к.п.д. топливного элемента. Углеродный носитель, выполненный из углеродных нанотрубок, имеет высокую удельную площадь поверхности. Характер распределения углеродных нанотрубок в объеме определяет высокую газопроницаемость слоя при высоком процентном содержании наночастиц металлического катализатора по отношению к массе углеродного носителя. Эти факторы определяют высокую плотность тока предлагаемого электрода для топливного элемента. Таким образом, за счет улучшения характеристик электрода достигается повышение эффективности работы топливного элемента. На фигуре представлена схема предлагаемого электрода с каталитически активным слоем, поясняющая работу электрода в составе топливного элемента. Электроды в виде анода и катода, расположенные в топливном элементе, содержат слои газодиффузионного материала 1 и слои углеродного носителя 2, выполненные в виде углеродных нанотрубок, выращенных непосредственно на поверхности материала газодиффузионных слоев 1. Слои 2 углеродного носителя контактируют с анодной и катодной сторонами мембраны 3 топливного элемента. Поверхность углеродных нанотрубок, образующих слой 2 углеродного носителя, снабжена слоем 4, состоящим из наноразмерных частиц металлического катализатора. Внешняя сторона газодиффузионных слоев 1 электродов контактирует с канальными газораспределителями 5 топливного элемента. Газораспределители 5 предназначены для распределения топлива 6 и окислителя 7 в 60672010.04.30 газодиффузионных слоях 1, а также по анодной и катодной поверхностям мембраны топливного элемента. Электроды с каталитически активным слоем, установленные в топливном элементе,работают следующим образом. Через канальный газораспределитель 5 топливного элемента к внешней поверхности газодиффузионного слоя 1 анодного электрода подают топливо 6. Направление движения топлива указано стрелками. Через газодиффузионный слой 1 топливо 6 поступает в слой 2 углеродного носителя, состоящего из нанотрубок, выращенных непосредственно на поверхности материала газодиффузионного слоя 1, например углеродных волокон. Слой 2 с углеродными нанотрубками имеет характер многократного разветвления и удельную площадь поверхности свыше 500 м 2/г. При характерном интервале значений диаметра углеродных нанотрубок 1,2-20 нм сохраняется высокая степень проницаемости топлива к поверхности контакта с мембраной 3. При установке электродов в топливном элементе анодный электрод, мембрану топливного элемента и катодный электрод прессуют при повышенных давлении и температуре, что обеспечивает частичное проникновение углеродных нанотрубок с наноразмерными частицами и металлического катализатора в материал мембраны 3, а следовательно, многократное увеличение удельной площади поверхности контакта электрод - мембрана. Так как поверхность углеродных нанотрубок снабжена слоем 4 с наноразмерными частицами металлического катализатора, то поверхность контакта электрод - мембрана обогащена катализатором. Молекула газа топлива, например водорода, в присутствии катализатора расщепляется, при этом протоны проходят через мембрану 3, а электроны собираются массивом нанотрубок слоя 2, имеющего высокую проводимость, и с минимальным сопротивлением передаются во внешнюю электрическую цепь топливного элемента. Окислитель 7 поступает к поверхности контакта мембраны 3 и слоя 2 углеродных нанотрубок с наноразмерными частицами металлического катализатора слоя 4 катодного электрода, где происходит каталитическая реакция соединения окислителя 7 с протонами, прошедшими через мембрану 3, и электронами, пришедшими из внешней цепи топливного элемента. Высокая удельная площадь контакта при высокой концентрации наноразмерных частиц катализатора слоя 4 обеспечивает высокую плотность тока топливного элемента. Таким образом, достигается повышение к.п.д. топливного элемента за счет снижения электрического сопротивления в поперечном направлении, повышение рабочей плотности тока за счет увеличения удельной площади поверхности углеродного носителя с катализатором и повышения проницаемости для топлива и окислителя. Улучшение приведенных характеристик электрода повышает эффективность работы топливного элемента. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3