RU2396641C1 - Катод для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах - Google Patents
Катод для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2396641C1 RU2396641C1 RU2009117279/09A RU2009117279A RU2396641C1 RU 2396641 C1 RU2396641 C1 RU 2396641C1 RU 2009117279/09 A RU2009117279/09 A RU 2009117279/09A RU 2009117279 A RU2009117279 A RU 2009117279A RU 2396641 C1 RU2396641 C1 RU 2396641C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- porous
- borohydride
- fuel cells
- diffusion layer
- Prior art date
Links
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 16
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims description 16
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims description 16
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 claims abstract description 13
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 9
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 11
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 claims description 4
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 claims description 4
- 241000872198 Serjania polyphylla Species 0.000 claims description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 3
- 239000002585 base Substances 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 22
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 7
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 6
- 229910020599 Co 3 O 4 Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- -1 PdFe Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021118 PdCo Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002837 PtCo Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003738 black carbon Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- PPNAOCWZXJOHFK-UHFFFAOYSA-N manganese(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Mn+2] PPNAOCWZXJOHFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Изобретение относится к новому катоду со стабильным потенциалом для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах. Согласно изобретению катод представляет собой многослойную градиентно-пористую структуру с пористостью до 40% и содержит конструктивную металлическую основу электрода с газодиффузионным слоем, например никелевую сетку с напрессованным тефлоном, на обратной стороне которой нанесена активная катодная масса, включающая наноразмерный электрокатализатор, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе. Активная масса обычно содержит в качестве пористого углеродного носителя сажу Ketjen Black с удельной поверхностью 600-1500 м2/г. Техническим результатом является высокая толерантность к борогидриду щелочного металла. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к новому катоду, снабженному наноструктурным бесплатиновым катализатором, для электровосстановления кислорода в щелочной среде, и может быть использовано для создания автономного зарядного устройства (АЗУ) на основе боргидридных топливных элементов с градиентно-пористыми матричными структурами.
Имеется большое количество работ по разработке топливных элементов с прямым окислением борогидрида. Разработка катодных неплатиновых катализаторов является одним из важных аспектов при электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах. Одним из основных критериев для выбора катодных материалов является толерантность к борогидриду. При использовании боргидридного топлива в щелочном электролите на аноде происходит окисление боргидрида:
E1 0=-1.24 B.
На катоде протекает электровосстановление кислорода
Суммарная реакция в элементе имеет вид:
Е°3=1.64 В,
где E1 0 и Е2 0 - стандартные потенциалы реакций (1) и (2), Е3 0 - потенциал разомкнутой цепи элемента (ЭДС).
А.Ю.Цивадзе и др. в статье «Новые электрокатализаторы для топливного элемента (ТЭ) с прямым окислением боргидридов (Доклады Академии Наук, 2007, том 414, №2, с.211-214) описаны катализаторы, такие как PdCo, PtCo, PdFe, CoN4 с низкой активностью по отношению к анодному окислению борогидрида и, вероятно, толерантные к нему. Наличие высокой активности при электровосстановлении кислорода позволит использовать их в качестве катодных электрокатализаторов. Было исследовано влияние концентрации NaBH4 на стационарные потенциалы указанных выше катализаторов в 6М NaOH. Видно, что стандартный катализатор Pt ETEK реагирует на присутствие борогидрида уже при концентрации 10-4 М. Однако структуры катода на основе указанных катализаторов не описано.
Указанные в этой статье катоды являются наиболее близкими по составу и назначению.
Задачей настоящего изобретения является разработка неплатиновых катодов с высокой толерантностью к борогидриду на основе наноразмерных катализаторов электровосстановления кислорода воздуха
Согласно изобретению предлагается наноразмерный бесплатиновый катализатор электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах, содержащий оксид металла на пористом углеродном носителе.
Отличием предлагаемого катализатора от известного является использование в качестве оксида металла оксида марганца в форме наночастиц.
Можно использовать в качестве носителя, носители выбранные из пористых углеродных носителей (Vulkan XC-72, active carbon RBDA, standard R-5000, NSM-III, Ketjen black and Raven-1020, graphite, и др.).
Преимущественно катализатор содержит в качестве углеродного носителя сажу Ketjen Black с удельной поверхностью 600-1500 м2/г.
Изобретение также относится к катоду для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах (ТЭ), содержащему оксид металла на пористом углеродном носителе.
Согласно настоящему изобретению катод для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах представляет собой многослойную градиентно-пористую структуру с пористостью до 40%, и содержит конструктивную основу электрода с газодиффузионным слоем, например никелевую сетку с напрессованным тефлоном, на обратной стороне которой нанесена активная масса наноразмерного катодного катализатора, содержащего оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе.
Указанная структура катода является гидрофобно-гидрофильной системой.
Газодиффузионный слой должен обеспечивать электровосстановление кислорода воздуха со скоростью, равной скорости электроокисления борогидридов щелочных металлов.
В качестве конструктивной основы с газодиффузионным слоем катод обычно содержит никелевую сетку с напрессованным тефлоном. Активная масса наноразмерного катодного катализатора содержит как правило в качестве углеродного носителя сажу Ketjen Black с удельной поверхностью 600-1500 м2/г.
Однако активная масса в качестве пористого носителя может содержать и другие носители, выбранные из других углеродных носителей (Vulkan XC-72, active carbon RBDA, standard R-5000, NSM-III, Ketjen black and Raven-1020, graphite, и др.).
1. Методика изготовления градиентно-пористой многослойной структуры (ГПМС) газодиффузионных положительных электродов (катодов)
Изготовление газодиффузионных положительных электродов (катодов) включает в себя 2 стадии: 1) изготовление газодиффузионной основы (диффузионный слой) с токоотводом; 2) нанесение активной массы на конструктивную основу, т.е. формирование активного слоя.
2. Методика изготовления газодиффузионной основы (диффузионный слой) с токоотводом.
Конструктивную основу катода - никелевую сетку толщиной 150-300 микрон предварительно обезжиривают в органическом растворителе (уайт спирите), высушивают и прессуют с пористым тефлоном толщиной 300-600 микрон (покупное изделие, пористость до 30%). Условия прессования подбираются и описаны в соответствующей технологической карте на изготовление ГПМС катода.
3. Методика приготовления активной массы для ГПМС катода. Определенное количество (около 20-35 мг) катализатора на углеродном носителе (сажа Kejen black) смешивают с определенным количеством дважды перегнанной воды. Далее смесь обрабатывают на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-4 в течение 5 мин. После этого добавляют суспензию ПТФЭ (рассчитывается исходя из навески катализатора) допускается до 40 весовых% в расчете на политетрафторэтилен (ПТФЭ) от массы катализатора. Полученную массу вновь обрабатывают на УЗДН-4 в течение 10 мин. Далее массу сушат при температуре 100°С до постоянного веса и наносят на конструктивную основу катода - никелевую сетку (толщиной 150-300 микрон) со стороны, обратной напрессованному газодиффузионному слою, или спрэй-методом (путем распыления с помощью аэрографа), или намазыванием. После высыхания толщина каталитического слоя катода не должна превышать 50 мкм. Далее нанесенный каталитический слой прессуют давлением 50-300 кг/см2 в течение 1-2 мин. и сушат при температуре 340°С. Термообработка при высокой температуре необходима для удаления поверхностно-активных веществ - стабилизаторов суспензии ПТФЭ. Готовые электроды хранят на воздухе и исследуют электрохимические характеристики в реакции электровосстановления кислорода воздуха в полуэлементе.
4. Использование нанесенных наноразмерных катализаторов на основе оксидов марганца и других металлов, повышающих толерантность по отношению к боргидриду.
Результаты исследований представлены в таблице. Из таблицы видно, что наибольшую каталитическую активность в реакции электровосстановления кислорода воздуха проявил образец №31, который представлял собой наночастицы оксидов марганца на саже Ketjen Black. Плотность тока при поляризации 200 мВ составила 98.9 мА см-2.
| Таблица. | |||||
| Каталитическая активность катодных катализаторов в реакции электровосстановления кислорода воздуха в режиме газодиффузионных электродов при различных поляризациях в 6 М КОН | |||||
| №№ образцов | Катализатор на носителе Ketjen Black | Основа для нанесения катализатора | Плотность тока при поляризации 100 мВ, мА см-2 | Плотность тока при поляризации 150 мВ, мА см-2 | Плотность тока при поляризации 200 мВ, мА см-2 |
| 25 | АП-2041+1%Co3O4 | кп | 18 | 45.8 | 79.5 |
| 26 | Уголь NORIT | кп | 6.8 | 19 | 35.8 |
| 27 | Угорь NORIT+I%Co3O4 | кп | 8.4 | 17.1 | 27.9 |
| 28 | 1%Co3O4 на саже Ketjen Black | кп | 30 | 63.2 | 95.8 |
| 29 | АП-2041 1% Co3O4 на саже Ketjen Black из мет.орг.соед. Со | кп | 13.6 | 36.8 | 66.3 |
| 30 | Уголь NORIT+I% Co3O4 | кп | 10.5 | 20.5 | 32 |
| 31 | 6.7% MпxOy на саже Ketjen Black | кп | 1имп 29 | 58 | 90.5 |
| 2имп 33.2 | 63 | 98.9 | |||
| 32 | 6.7% МпxОy на саже Ketjen Black | кп | 28 | 50 | 78 |
| ФП - фторопласт | |||||
Исследованные катализаторы №25-32 содержали 20% ФП и наносились на КП (углеродная бумага), содержащую 30% ФП. Для удаления ПАВ из эмульсии фторопласта образцы отжигались при 350°С 10 минут. Близкие результаты по каталитической активности в электровосстановлении кислорода воздуха были получены на катализаторах 1% CО3O4 (образец 28) на саже Ketjen Black. Плотность тока при поляризации 200 мВ составила 95.8 мА см-2. Дополнительными опытами было установлено, что прямого электроокисления боргидрида на таких материалах не наблюдается. И, таким образом, синтезированные катализаторы имеют повышенную толерантность по отношению к боргидриду. Длительные испытания образца 32 в условиях поддержания постоянного потенциала (при поляризации 200 мВ положительное бестокового потенциала) показали, что плотность тока электровосстановления кислорода воздуха возрастает от значения 78 мА см-2 до значений, превышающих 90 мА см-2 (см. чертеж). Последнее свидетельствует о высокой стабильности и хорошей каталитической активности этого материала в исследованной реакции.
Claims (3)
1. Катод для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах, который представляет собой многослойную градиентно-пористую структуру с пористостью до 40% и содержит конструктивную металлическую основу электрода с газодиффузионным слоем, на которую нанесена активная катодная масса, включающая наноразмерный электрокатализатор, содержащий оксид марганца в форме наночастиц на пористом носителе.
2. Катод по п.1, который содержит в качестве конструктивной металлической основы электрода с газодиффузионным слоем никелевую сетку с напрессованным тефлоном.
3. Катод по п.1, в котором активная масса содержит в качестве пористого углеродного носителя сажу Ketjen Black с удельной поверхностью 600-1500 м2/г.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009117279/09A RU2396641C1 (ru) | 2009-05-07 | 2009-05-07 | Катод для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009117279/09A RU2396641C1 (ru) | 2009-05-07 | 2009-05-07 | Катод для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2396641C1 true RU2396641C1 (ru) | 2010-08-10 |
Family
ID=42699180
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009117279/09A RU2396641C1 (ru) | 2009-05-07 | 2009-05-07 | Катод для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2396641C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004349029A (ja) * | 2003-05-20 | 2004-12-09 | Materials & Energy Research Institute Tokyo Ltd | 燃料電池システム |
| RU2329571C1 (ru) * | 2004-04-19 | 2008-07-20 | ЭлДжи ЭЛЕКТРОНИКС ИНК. | Топливный элемент |
| RU2334784C2 (ru) * | 2002-07-30 | 2008-09-27 | Мо Энерджи Лтд | Суспензии для применения в качестве топлива для электрохимических топливных элементов |
-
2009
- 2009-05-07 RU RU2009117279/09A patent/RU2396641C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2334784C2 (ru) * | 2002-07-30 | 2008-09-27 | Мо Энерджи Лтд | Суспензии для применения в качестве топлива для электрохимических топливных элементов |
| JP2004349029A (ja) * | 2003-05-20 | 2004-12-09 | Materials & Energy Research Institute Tokyo Ltd | 燃料電池システム |
| RU2329571C1 (ru) * | 2004-04-19 | 2008-07-20 | ЭлДжи ЭЛЕКТРОНИКС ИНК. | Топливный элемент |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7029420B2 (ja) | 二酸化炭素電解セル用電極触媒層、ならびにそれを具備する、電解セルおよび二酸化炭素電解用電解装置 | |
| JP5055788B2 (ja) | 電極触媒 | |
| JP5587797B2 (ja) | 選択透過性膜のない直接燃料電池及びその構成要素 | |
| JP3920374B2 (ja) | 電極作成用の改良されたインク | |
| CN113493917B (zh) | 二氧化碳电解池用电极催化剂层、及具备其的电解池和二氧化碳电解用电解装置 | |
| RU2414772C2 (ru) | Структуры для газодиффузионных электродов | |
| US20050282061A1 (en) | Catalyst support for an electrochemical fuel cell | |
| JP2018522365A (ja) | 燃料電池電極材料及び装置 | |
| CN1659732A (zh) | 燃料电池及燃料电池催化剂 | |
| JP6143788B2 (ja) | 触媒電極を製造するための方法、電気化学セルを製造するための方法、及び、電気化学セル | |
| Chetty et al. | Characterisation of thermally deposited platinum and palladium catalysts for direct formic acid fuel cells | |
| Sambandam et al. | Platinum-carbon black-titanium dioxide nanocomposite electrocatalysts for fuel cell applications | |
| JP5326585B2 (ja) | 金属触媒担持カーボン粉末の製造方法 | |
| RU2396641C1 (ru) | Катод для электровосстановления кислорода воздуха в боргидридных топливных элементах | |
| Zhuang et al. | Investigation on a novel direct liquid fuel cell feeding on oxalyl dihydrazide | |
| JP2023128449A (ja) | カソード、膜電極接合体及び有機ハイドライド製造装置 | |
| Kim et al. | Fabrication of an ionomer-free electrode containing vertically aligned one-dimensional nanostructures for alkaline membrane fuel cells | |
| JP2006252797A (ja) | 燃料電池用酸素極触媒、直接メタノール型燃料電池及び触媒の製造方法 | |
| JP2014049304A (ja) | 空気電池用ガス拡散電極およびその作製方法ならびに空気電池 | |
| CN1973391A (zh) | 甲酸燃料电池和催化剂 | |
| Kim et al. | Carbon‐Neutralized Direct Methanol Fuel Cell Using Bifunctional (Methanol Oxidation/CO2 Reduction) Electrodes | |
| EP4570963A1 (en) | Gas diffusion electrode for electrochemical processes | |
| Hawut et al. | Platinum electroless deposition on Nafion membrane for PEM fuel cells | |
| EP4570959A1 (en) | Gas diffusion electrode for the electrochemical reduction of carbon dioxide | |
| JP2006179412A (ja) | 燃料電池用電極触媒層、およびこれを用いた燃料電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140508 |