RU2073287C1

RU2073287C1 - Fuel cell mould

Info

Publication number: RU2073287C1
Application number: RU9494006051A
Authority: RU
Inventors: С.Ю. Серых; С.К. Кабанов
Original assignee: Уральский электрохимический комбинат
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 1997-02-10

Abstract

FIELD: fabrication of fuel cell moulds with electrolyte phosphate. SUBSTANCE: fuel cell mould contains powdered zirconium phosphate, silicon carbide and fibrous silicon phosphate with a specific surface of 70 to 90 sq. m/g at the following relation of components, percent by mass: silicon carbamide - 10 to 20; zirconium phosphate - 20 to 35, silicon phosphate - 50 to 65. EFFECT: improved design. 1 tbl

Description

Предполагаемое изобретение относится к области электрохимии, в частности к разделу прямого преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использовано в производстве матриц (электролитоносителей) для топливных элементов с фосфорнокислым электролитом. The alleged invention relates to the field of electrochemistry, in particular to the section of direct conversion of chemical energy into electrical energy, and can be used in the manufacture of matrices (electrolyte carriers) for fuel cells with phosphate electrolyte.

Известна [1] матрица для топливного элемента с фосфорнокислым электролитом, содержащая порошкообразный фосфат металла, неорганический порошок, стойкий в горячем кислом электролите (например, карбид кремния или карбид бора) и связующее (например, политетрафторэтилен). Недостатком такой матрицы является низкое газозапорное давление, обусловленное гидрофобизацией пористой структуры, что приводит в топливном элементе к перетеканию рабочих газов через матрицу. A matrix for a phosphoric acid electrolyte fuel cell is known [1], which contains powdered metal phosphate, an inorganic powder, resistant to hot acidic electrolyte (for example, silicon carbide or boron carbide) and a binder (for example, polytetrafluoroethylene). The disadvantage of such a matrix is the low gas pressure caused by hydrophobization of the porous structure, which leads to the flow of working gases through the matrix in the fuel cell.

За прототип выбрана наиболее близкая к предложенной по технической сущности и достигаемым результатам матрица без гидрофобизатора [2] Такая матрица, согласно изобретению, состоит из стойкого в фосфорной кислоте вещества (например, карбида кремния или карбида циркония) и фосфата металла, образующегося из неорганического материала (оксида металла или соли, выбранной из группы, содержащей галогенид, гидроксид, оксихлорид или нитрат) по крайней мере одного из элементов, выбранного из группы, содержащей Zr, Ti, Sn, Si и Al. Как показали специально проведенные эксперименты, такие матрицы, содержащие 30-90 мас. карбида кремния и 10-70 мас. ZrHPO₄, имеют газозапорное давление не выше 0,08 МПа (см. опыт 1 таблицы). В качестве рабочей жидкости при определении газозапорного давления использовали воду, подкисленную фосфорной кислотой до рН 4, при температуре 20-30^oC.For the prototype, the matrix that is closest to the one proposed in terms of technical nature and the results achieved is without hydrophobizing agent [2]. Such a matrix, according to the invention, consists of a substance resistant in phosphoric acid (for example, silicon carbide or zirconium carbide) and metal phosphate formed from inorganic material ( metal oxide or a salt selected from the group consisting of a halide, hydroxide, oxychloride or nitrate) of at least one of the elements selected from the group consisting of Zr, Ti, Sn, Si and Al. As shown by specially conducted experiments, such matrices containing 30-90 wt. silicon carbide and 10-70 wt. ZrHPO ₄ , have a gas shut-off pressure of not higher than 0.08 MPa (see experiment 1 of the table). As the working fluid in the determination of gas pressure used water, acidified with phosphoric acid to pH 4, at a temperature of 20-30 ^o C.

Заявляемое техническое решение позволяет решить задачу повышения газозапорного давления матрицы без ухудшения ее остальных эксплуатационных характеристик в составе топливного элемента с фосфорнокислым электролитом. The claimed technical solution allows to solve the problem of increasing the gas shut-off pressure of the matrix without impairing its other operational characteristics as part of a phosphoric acid electrolyte fuel cell.

Решение поставленной задачи достигается тем, что известная матрица, содержащая порошкообразный фосфат металла (например, фосфат циркония) и стойкое в горячем растворе фосфорной кислоты неорганическое вещество (например, карбид кремния), согласно предлагаемому техническому решению, дополнительно содержит волокнистый фосфат кремния с удельной поверхностью 70-90 м²/г при следующем соотношении компонентов (мас.): карбид кремния 10-20, фосфат циркония 20-35, фосфат кремния 50-65.The solution of this problem is achieved by the fact that the known matrix containing powdered metal phosphate (for example, zirconium phosphate) and inorganic substance (for example, silicon carbide) that is stable in a hot phosphoric acid solution, according to the proposed technical solution, additionally contains fibrous silicon phosphate with a specific surface of 70 -90 m ² / g in the following ratio of components (wt.): Silicon carbide 10-20, zirconium phosphate 20-35, silicon phosphate 50-65.

Введение в матрицу дополнительно высокодисперсного (диаметр волокон ≈0,01 мкм) волокнистого фосфата кремния, обладающего высокой коррозионной стойкостью в фосфорной кислоте, приводит к заметному улучшению пористой структуры матрицы по сравнению с грубопористой структурой прототипа, что подтверждается снижением на порядок и более ее газовой проницаемости по сравнению с прототипом и увеличением в 3 и более раз газозапорного давления заявляемой матрицы практически при той же пористости и толщине, что и у известной (сравни опыт 1 и опыты 4-8 таблицы). The introduction of an additionally finely dispersed (fiber diameter ≈0.01 μm) fibrous silicon phosphate into the matrix, which has high corrosion resistance in phosphoric acid, leads to a noticeable improvement in the porous structure of the matrix in comparison with the rough porous structure of the prototype, which is confirmed by a decrease in its gas permeability by an order of magnitude or more. compared with the prototype and an increase of 3 or more times the gas pressure of the inventive matrix with almost the same porosity and thickness as the known one (compare experiment 1 and experiments 4-8 ABLE).

В таблице приведены результаты работ по экспериментальному обоснованию состава матрицы по предлагаемому техническому решению. Как видно из таблицы, матрицы, которые содержат меньше 50 мас. фосфата кремния (опыты 2 и 3) или более грубые волокна фосфата кремния с удельной поверхностью меньше 70 м²/г (опыты 9 и 10), имеют газозапорное давление меньше 0,2 МПа. Увеличение содержания фосфата кремния свыше 65 мас. и использование более дисперсного фосфата кремния, с удельной поверхностью свыше 90 м²/г, хотя и позволяет дополнительно увеличить газозапорное давление, приводит к снижению механической прочности матрицы, поэтому нецелесообразно. Оптимальное содержание фосфата кремния, обуславливающее максимальные значения газозапорного давления матрицы (0,26-0,38 МПа), составляет 50-65 мас. а оптимальное значение удельной поверхности фосфата кремния 70-90 м²/г, при этом содержание карбида кремния 10-20 мас. и фосфата циркония 20-35 мас. (см. опыты 4-8).The table shows the results of work on the experimental justification of the composition of the matrix according to the proposed technical solution. As can be seen from the table, matrices that contain less than 50 wt. silicon phosphate (experiments 2 and 3) or coarser fibers of silicon phosphate with a specific surface area of less than 70 m ² / g (experiments 9 and 10) have a gas shut-off pressure of less than 0.2 MPa. The increase in the content of silicon phosphate over 65 wt. and the use of more dispersed silicon phosphate, with a specific surface area of more than 90 m ² / g, although it allows you to further increase the gas pressure, leads to a decrease in the mechanical strength of the matrix, therefore, it is impractical. The optimal content of silicon phosphate, which determines the maximum values of the gas blocking pressure of the matrix (0.26-0.38 MPa), is 50-65 wt. and the optimal value of the specific surface of silicon phosphate is 70-90 m ² / g, while the content of silicon carbide is 10-20 wt. and zirconium phosphate 20-35 wt. (see experiments 4-8).

Пример 1. Навески карбида кремния 1,01 г, фосфата циркония 1,67 г и волокнистого фосфата кремния 3,28 г заливали 3 л воды и подвергали ультразвуковой обработке при одновременном перемешивании суспензии. Затем из суспензии методом вакуумного прососа через пористую подложку формировали заготовку матрицы. После сушки и прессования определяли характеристики матрицы. Такая матрица, содержащая 17 мас. карбида кремния, 28 мас. фосфата циркония и 55 мас. фосфата кремния, имела толщину 403 мкм, пористость 65% и газозапорное давление 0,30 МПа. Example 1. Weighed portions of silicon carbide 1.01 g, zirconium phosphate 1.67 g and fibrous silicon phosphate 3.28 g were poured with 3 l of water and subjected to ultrasonic treatment while stirring the suspension. Then, a matrix preform was formed from the suspension by vacuum suction through a porous substrate. After drying and pressing, the characteristics of the matrix were determined. Such a matrix containing 17 wt. silicon carbide, 28 wt. zirconium phosphate and 55 wt. silicon phosphate, had a thickness of 403 μm, porosity of 65% and a gas shut-off pressure of 0.30 MPa.

Пример 2. Навески карбида кремния 0,72 г, фосфата циркония 1,5 г и волокнистого фосфата кремния 3,78 г заливали водой, подвергали ультразвуковой обработке при одновременном перемешивании суспензии. Затем из суспензии методом вакуумной фильтрации формировали заготовку матрицы. После сушки и прессования определяли характеристики матрицы. Матрица, содержащая 12 мас. карбида кремния, 25 мас. фосфата циркония и 63 мас. фосфата кремния, при толщине 399 мкм и пористости 63% имела газозапорное давление 0,36 МПа. Example 2. Weighed portions of silicon carbide 0.72 g, zirconium phosphate 1.5 g and fibrous silicon phosphate 3.78 g were poured with water, subjected to ultrasonic treatment while stirring the suspension. Then, a matrix preform was formed from the suspension by vacuum filtration. After drying and pressing, the characteristics of the matrix were determined. Matrix containing 12 wt. silicon carbide, 25 wt. zirconium phosphate and 63 wt. silicon phosphate, with a thickness of 399 μm and a porosity of 63%, had a gas shut-off pressure of 0.36 MPa.

Матрицы по предлагаемому техническому решению были испытаны в составе топливного элемента с фосфорнокислым электролитом при температуре 180-200^oC, при этом при плотности тока 200 мА/см² напряжение топливного элемента составило 750 мВ, что несколько лучше, чем в случае матрицы-прототипа. Изменения газозапорного давления матрицы за 400 часов работы топливного элемента не отмечено.The matrices according to the proposed technical solution were tested as part of a phosphoric acid electrolyte fuel cell at a temperature of 180-200 ^o C, while at a current density of 200 mA / cm ^{2 the} voltage of the fuel cell was 750 mV, which is somewhat better than in the case of the prototype matrix. Changes in the gas shut-off pressure of the matrix for 400 hours of operation of the fuel cell were not noted.

Claims

A matrix for a fuel cell with a phosphate electrolyte containing zirconium phosphate and silicon carbide, characterized in that it further comprises fibrous silicon phosphate with a specific surface area of 70 to 90 m ² / g, in the following ratio of components, wt.

Silicon Carbide 10 20
Zirconium Phosphate 20 35
Silicon Phosphate 50 65i