RU178293U1 - Водородный электрод из композитной модифицированной пленки - Google Patents

Водородный электрод из композитной модифицированной пленки Download PDF

Info

Publication number
RU178293U1
RU178293U1 RU2017132903U RU2017132903U RU178293U1 RU 178293 U1 RU178293 U1 RU 178293U1 RU 2017132903 U RU2017132903 U RU 2017132903U RU 2017132903 U RU2017132903 U RU 2017132903U RU 178293 U1 RU178293 U1 RU 178293U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrogen
palladium
membrane
electrode
film
Prior art date
Application number
RU2017132903U
Other languages
English (en)
Inventor
Илья Сергеевич Петриев
Владимир Юрьевич Фролов
Михаил Геннадьевич Барышев
Лариса Владимировна Ломакина
Степан Сергеевич Джимак
Татьяна Ивановна Белянкова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН), Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВО "КубГУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН)
Priority to RU2017132903U priority Critical patent/RU178293U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU178293U1 publication Critical patent/RU178293U1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/94Non-porous diffusion electrodes, e.g. palladium membranes, ion exchange membranes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Техническое решение относится к области электрохимии, а именно к устройству конструкционных элементов водородных насосов и топливных элементов, конкретно к устройству водородных электродов. Водородный электрод для кислородно-водородного топливного элемента включает пористую никелевую основу с нанесенной на нее активной массой в виде тонкой палладиевой пленки, выполняющей роль мембраны, покрытой с двух сторон слоем наноразмерного металлического порошка, хемосорбирующего водород, из палладиевой черни, и мембрана с модифицированной пленкой палладия закреплена контактной точечной сваркой на пористой никелевой основе. При этом мембрана выполнена из тонкой трехслойной композитной модифицированной пленки, внутренний слой которой изготовлен из металла, хорошо растворяющего водород, такого как уран, титан, торий, церий, ванадий или тантал, а наружные слои - из палладия или его сплавов, при этом соотношение толщины внутреннего и наружных слоев составляет 4:1-500:1. На основе предлагаемого электрода можно создавать дешевые кислородно-водородные топливные элементы и водородные насосы, эффективно работающие с высокой удельной мощностью при температурах окружающей среды. 2 ил.

Description

Заявляемое техническое решение относится к области электрохимии, а именно к устройству конструкционных элементов водородных насосов и топливных элементов, конкретно к устройству водородных электродов.
Актуальной задачей развития альтернативной энергетики является разработка кислородно-водородного топливного элемента с цельнометаллическим палладийсодержащим водородопроницаемым водородным электродом, работающих при низких (20-100°С) температурах. Это позволит использовать в топливном элементе жидкий электролит и приведет (за счет изменения трехфазной границы газ - металл токоотвода - электролит на двухфазную палладиевый сплав - электролит) к улучшению вольтамперных характеристик элемента, снижению поляризации, уменьшению внутреннего сопротивления и к увеличению удельной мощности. Кроме того, палладий является катализатором электродного процесса по всей двухфазной границе, поэтому не требуется дополнительного нанесения катализатора. Также возможно применение водородного электрода в составе двухэлектродной ячейки с протоносодержащим электролитом в составе водородного насоса или компрессора [К.А. Джусь, И.Г. Штатный, С.А. Григорьев / Наноструктурные электрокатализаторы для водородного компрессора с твердым полимерным электролитом // Вестник МИТХТ Химия и технология неорганических материалов», 2009, т. 4, №6 (90)].
Палладий и его сплавы применяют для получения мембран, способных пропускать газообразный водород [Rothenberger K.S., Cugini A.V., Howard В.Н., Killmeyer R.P., Ciocco M.V., Morreale B.D. // Journal of Membrane Science. 2004. V. 244. P. 55-68.]. Такие мембраны имеют рабочие температуры в интервале 200-800°С, так как в первую очередь предназначены для разделения высокотемпературных водородных смесей получаемых пирогенетическими методами из органических водородосодержащих топлив. Легирование палладия влияет на диффузию водорода внутри мембраны, на скорость растворения и выделения атомов водорода, на рекомбинацию и диссоциацию молекул и, в меньшей степени, на адсорбцию и десорбцию.
Основными характеристиками палладиевых мембран для выделения водорода из газовых смесей являются скорость проникновения водорода через мембрану, ее прочность и стойкость при эксплуатации. Для мембраны же выполняющей роль диффузионного электрода добавляется важная характеристика скорость электроэкстракции растворенного водорода на границе мембрана / электролит.
Процесс водородопроницаемости палладия и его сплавов состоит из трех основных стадий [Байчток Ю.К., Соколинский Ю.А., Айзенбуд М.Б. / О лимитирующей стадии проницаемости водорода через мембраны из палладиевых сплавов. // Журнал физической химии. 1976. Т. 50. N 6. С. 1543-1546.]:
- диссоциация водорода на входной поверхности мембраны, протекающая со скоростью νi,
- диффузия атомарного водорода через мембрану, протекающая со скоростью νД,
- рекомбинация атомов водорода в молекулы на выходной стороне мембраны, протекающая со скоростью νО.
Лимитирование той или иной стадии является предметом многочисленных исследований и зависит от многих факторов, например в случае особо чистого водорода лимитирующей является стадия диффузии, а в случае незначительных примесей серы, углеводородов и т.д. лимитирующими становятся стадии диссоциации на газовой стороне мембраны и(или) электроэкстракции на электролитной стороне. Последний случай является наиболее вероятным для патентуемого мембранного электрода, так как он будет работать не на чистом водороде. В таких условиях повысить скорость переноса водорода через мембрану можно модификацией поверхности палладиевой мембраны специальными «водородными переносчиками» повышающими скорости диффузии водорода на газовой стороне мембранного электрода и электроэкстракции на электролитной стороне.
Уровень техники мембранных металлических электродов представлен рядом патентов: US Patents №№7955491; 9044715; 8778058; 8119205; 7611565; 7255721; 7022165; 9246176; RU №№74242; 130987; 168869, 2521382; 2256981; 2334310 и др.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является патент RU №168869 «Водородный электрод из тонкой модифицированной палладиевой пленки». Согласно прототипу заявлен водородный электрод для кислородно-водородного топливного элемента, включающий пористую никелевую основу с нанесенной на нее активной массой в виде тонкой палладиевой пленки, выполняющей роль мембраны и мембрана с двух сторон покрыта слоем наноразмерного металлического порошка, хемосорбирующего водород, из палладиевой черни, а мембрана с модифицированной пленкой палладия закреплена контактной точечной сваркой на пористой никелевой основе.
Основным недостатком описанного электрода является его изготовление из чистого палладия или сплава с высоким содержанием палладия (75%) - драгоценного металла с высокой рыночной стоимостью и, как следствие, высокая стоимость устройств водородного насоса и низкотемпературного топливного элемента на его основе.
Технической задачей является удешевление устройства мембранного водородного электрода для кислородно-водородных топливных элементов и водородных насосов, работоспособных при температурах окружающей среды и имеющих стабильные электрические характеристики.
Указанная техническая задача решается за счет снижения содержания в устройстве дорогостоящего палладия при сохранении им сопоставимых с прототипом электрических характеристик.
Для решения технической задачи предлагается водородный электрод для кислородно-водородного топливного элемента, включающий пористую никелевую основу с нанесенной на нее активной массой в виде тонкой палладиевой пленки, выполняющей роль мембраны, покрытой с двух сторон слоем наноразмерного металлического порошка из палладиевой черни, хемосорбирующего водород, и мембрана с модифицированной пленкой палладия закреплена контактной точечной сваркой на пористой никелевой основе. При этом мембрана выполнена из тонкой трехслойной композитной пленки, внутренний слой которой изготовлен из металла хорошо растворяющего водород, такого как уран, титан, торий, церий, ванадий или тантал, а наружные слои - из палладия или его сплавов, при этом соотношение толщины внутреннего и суммарной толщины наружных слоев составляет 4:1-500:1.
На фиг. 1 изображен заявляемый водородный электрод в разрезе, а на фиг. 2 мембрана из тонкой трехслойной композитной модифицированной пленки.
Электрод включает мембрану 1 выполненную из тонкой трехслойной композитной фольги толщиной 2-50 мкм, покрытой слоем палладия или палладиевого сплава толщиной 0,1-0,5 мкм. На обе стороны мембраны 1 нанесен слой мелкодисперсного (наноразмерного) металлического порошка 2 из палладиевой черни. Трехслойная композитная модифицированная мембрана 1, с одной стороны методом контактной точечной сварки - точки 3, закреплена на поверхности пористой никелевой основы 4. Основа 4 электрически контактирует с металлической газораспределительной плитой 5. В объеме и на поверхности плиты 5 с газовой стороны мембраны 1 сформирована система газораспределительных (продувочных) каналов 6 оканчивающаяся концевыми газовыми штуцерами 7 с кранами.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
В составе топливного кислородно-водородного элемента водородный электрод приводится в контакт с жидким, матричным или полимерным электролитом со стороны противоположной металлической плите 5 таким образом, чтобы мелкодисперсное покрытие на электролитной стороне служило электрокатализатором электродного процесса окисления водорода. Путем открытия кранов на концевых газовых штуцерах 7 осуществляется продувка системы газораспределительных каналов 6 и пор пористой никелевой пластины 4 водородом. Через определенное время, когда в системе газораспределительных каналов 6 и порах пористой никелевой пластины остается чистый водород, один из кранов выходного штуцера 7 закрывается и система переходит в рабочий режим. Водород, поступающий через поры пористой никелевой пластины 4, подается к газовой поверхности трехслойной композитной мембраны 1, покрытой мелкодисперсным палладием, который хемосорбирует водород на поверхности своих частиц и ускоряет его поступление в объем композитной мембраны 1 - абсорбцию. Далее абсорбированный водород диффундирует через все три фазы композитной мембраны и на электролитной поверхности покрытой мелкодисперсным палладием переходит в адсорбированную атомную фазу. Затем адсорбированный водород вступает в электродную реакцию на границе мелкодисперсный палладий/электролит с образованием протонсодержащих частиц в электролите и отдачей электронов во внешнюю цепь на электрическую нагрузку через металлическую плиту 5, которая также является токоотводом.
Мембрана для предлагаемого электрода Фиг. 2 может быть изготовлена путем последовательного магнетронного напыления в вакууме первого внешнего слоя палладия или палладиевого сплава толщиной 0,1-0,5 мкм, дальнейшего напыления на него второго - внутреннего слоя металла, выбранного из ряда: уран, титан, торий, церий, ванадий или тантал толщиной 2-50 мкм и заключительного напыления третьего внешнего слоя палладия или палладиевого сплава толщиной 0,1-0,5 мкм., с последующим покрытием обеих ее поверхностей наноразмерным металлическим порошком из палладиевой черни, с дальнейшим соединением трехслойной композитной модифицированной пленки с пористой металлической, например, никелевой основой, путем точечной контактной сварки. Тонкая трехслойная композитная модифицированная пленка может быть покрыта слоем палладиевой черни известными способами нанесения дисперсных металлов на гладкую металлическую поверхность, например: химическим восстановлением из водных растворов солей; электролитическим осаждением из водных растворов солей; магнетронным напылением пленки сплава Ренея с последующим диффузионным спеканием полученного «сэндвича» и вытравливанием неактивного компонента из поверхности пленки [Петриев И.С., Болотин С.Н., Фролов В.Ю., Барышев М.Г., Исаев В.А., Копытов Г.Ф. Модифицирование поверхности водородопроницаемой палладий-серебряной мембраны // Известия РАН. Серия физическая. 2016. Т. 80. №6].
Изготовление мембраны в виде тонкой композитной модифицированной пленки из трех металлических слоев позволяет при сохранении общей водородопроницаемости на уровне мембраны из химически чистого палладия, значительно, в 4-500 раз, снизить содержание дорогостоящего палладия в мембране той же толщины и резко удешевить ее, что может быть важно при массовом производстве топливных элементов на основе такого водородного электрода.
Таким образом, на основе предлагаемого электрода можно создавать дешевые кислородно-водородные топливные элементы и водородные насосы, эффективно работающие с высокой удельной мощностью при температурах окружающей среды.

Claims (1)

  1. Водородный электрод для кислородно-водородного топливного элемента, включающий пористую никелевую основу с нанесенной на нее активной массой в виде тонкой палладиевой пленки, выполняющей роль мембраны, покрытой с двух сторон слоем наноразмерного металлического порошка, хемосорбирующего водород, из палладиевой черни, при этом мембрана с модифицированной пленкой палладия закреплена контактной точечной сваркой на пористой никелевой основе, отличающийся тем, что мембрана выполнена из тонкой трехслойной композитной пленки, внутренний слой которой включает металл, хорошо растворяющий водород, такой как уран, титан, торий, церий, ванадий или тантал, а наружные слои - палладий или его сплавы, при этом соотношение толщины внутреннего и суммарной толщины наружных слоев составляет 4:1-500:1.
RU2017132903U 2017-09-20 2017-09-20 Водородный электрод из композитной модифицированной пленки RU178293U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017132903U RU178293U1 (ru) 2017-09-20 2017-09-20 Водородный электрод из композитной модифицированной пленки

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017132903U RU178293U1 (ru) 2017-09-20 2017-09-20 Водородный электрод из композитной модифицированной пленки

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU178293U1 true RU178293U1 (ru) 2018-03-29

Family

ID=61867775

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017132903U RU178293U1 (ru) 2017-09-20 2017-09-20 Водородный электрод из композитной модифицированной пленки

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU178293U1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009166005A (ja) * 2008-01-21 2009-07-30 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 水素透過膜の製造方法
US7611565B1 (en) * 2005-10-20 2009-11-03 Los Alamos National Security, Llc Device for hydrogen separation and method
RU1840840C (ru) * 1985-04-10 2012-08-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российсикой академии наук Способ получения сплавов иридий-платина
RU168869U1 (ru) * 2016-03-28 2017-02-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН) Водородный электрод из тонкой модифицированной палладиевой пленки

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1840840C (ru) * 1985-04-10 2012-08-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российсикой академии наук Способ получения сплавов иридий-платина
US7611565B1 (en) * 2005-10-20 2009-11-03 Los Alamos National Security, Llc Device for hydrogen separation and method
JP2009166005A (ja) * 2008-01-21 2009-07-30 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 水素透過膜の製造方法
RU168869U1 (ru) * 2016-03-28 2017-02-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН) Водородный электрод из тонкой модифицированной палладиевой пленки

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4977338B2 (ja) プロトン導電性酸化物膜−水素透過膜複合膜型電解質およびこれを用いた電気化学デバイス
RU168869U1 (ru) Водородный электрод из тонкой модифицированной палладиевой пленки
Cherevko et al. Nanoporous palladium with sub-10 nm dendrites by electrodeposition for ethanol and ethylene glycol oxidation
Arjona et al. AuPd/polyaniline as the anode in an ethylene glycol microfluidic fuel cell operated at room temperature
CN113337844B (zh) 电解水膜电极及其制备方法、制氢装置
EP2810325A1 (en) Methods and devices for generating electricity from a fuel and an oxidant using a capacitor
JP2005019041A (ja) 固体電解質層と水素透過性金属膜を用いた電池、燃料電池及びその製造方法
WO2009125716A1 (ja) ガス分解素子およびガス分解方法
Kim Nanoporous gold for energy applications
Adams et al. Hydrogen electrosorption into Pd− Cd nanostructures
JP5428109B2 (ja) 燃料電池
DK2803101T3 (en) SELECTIVE BRÆNDSELSCELLEELEKTRODEKATALYSATOR, ESPECIALLY FOR ELECTRO REDUCTION OF OXYGEN, electrochemical system CONTAINING THIS, AND USE THEREOF AS WELL AS A METHOD FOR ENHANCING lattice OF METALLIC PALLADIUM
RU2624012C1 (ru) Способ изготовления водородного электрода для кислородно-водородных топливных элементов
JP4482352B2 (ja) 固体高分子型燃料電池
US20210292162A1 (en) Palladium-platinum system for use as hydrogen storage material and/or electrocatalyst, preferably in fuel-cells
CN106611859A (zh) 抗腐蚀催化剂
RU2674748C1 (ru) Способ изготовления композитного водородного электрода для кислородно-водородных топливных элементов
RU178293U1 (ru) Водородный электрод из композитной модифицированной пленки
JP2015159021A (ja) 多孔質集電体及び電気化学装置
RU2724609C1 (ru) Способ изготовления композитного водородного электрода для кислородно-водородных топливных элементов, модифицированного наноструктурированным палладием
RU2694431C1 (ru) Способ изготовления композитного водородного электрода для кислородно-водородных топливных элементов
Ooi et al. A mechanistic study of dissolution of Pt–Fe binary alloys in 0.5 M H2SO4 solution by channel flow triple electrode
RU187061U1 (ru) Водородный электрод из тонкой модифицированной палладиевой пленки
KR20150025614A (ko) 원자층 증착방법을 이용하여 형성된 안정층을 포함하는 고분자 전해질 연료전지
RU198021U1 (ru) Водородный электрод из палладиевой пленки модифицированной наноструктурированным палладием

Legal Events

Date Code Title Description
PD9K Change of name of utility model owner
QB9K Licence granted or registered (utility model)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200605

Effective date: 20200605