Биполярный электрод для электрохимических окислительно- восстановительных реакций

Биполярный электрод для электрохимических окислительно- восстановительных реакций

Реферат

 

Изобретение относится к электродам на угольной основе. Согласно изобретению биполярный электрод на углеродной основе предназначен для электрохимических окислительно-восстановительных реакций в кислом электролите. Электрод выполнен в виде не проницаемой для текучих сред и электропроводящей перегородки, по меньшей мере, поверхность которой состоит, по меньшей мере частично, из проницаемого для текучих сред тканого или нетканого электродно-активного материала из углеродных волокон или из пряжи из углеродных волокон, имеет электропроводящую, не проницаемую для текучих сред перегородку, состоящую из композиционного материала из матричной ткани в виде плотно связанной или сотканной ткани из углеродных волокон или из пряжи из углеродных волокон, поры которой гидравлически загерметизированы электропроводящим углеродсодержащим материалом, по меньшей мере, частично заполняющим поры матричной ткани. Углеродсодержащий электропроводящий материал может представлять собой стеклоуглерод, образованный на месте путем термической конверсии исходного материала, которым предварительно пропитана матричная ткань, или полимеризованную термоусадочную смолу, наполненную частицами и/или волокнами из углерода и/или графита, или термически оплавленный наполнитель из термопластичной смолы и частиц и/или волокон из углерода и/или графита. Проницаемый материал на поверхности электрода может представлять собой вспушенный стоячий ворс из углеродных волокон. 3 с. и 9 з.п.ф-лы, 8 ил.

Область изобретения Настоящее изобретение относится к электродам для электрохимических реакций в кислых электролитах и, более точно, к электродам на угольной основе.

Существуют бесчисленные процессы, в которых целесообразно или удобно восстанавливать или окислять вещество, присутствующее в ионном виде (растворенное) в электролите. Наиболее часто электролит представляет собой водный раствор кислоты, содержащий ионы растворенного вещества, подлежащего восстановлению или окислению.

Наиболее характерным технологическим элементом такого типа является так называемая окислительно-восстановительная ячейка с проточным электролитом, решительный сдвиг в сторону разработки которой был обусловлен тем, что эти ячейки обеспечивают реализацию потенциально эффективного и простого способа накопления избыточной или возвращаемой электрической энергии в химическом виде (системы вторичных батарей).

Естественно, это не единственная область использования электрохимических окислительно-восстановительных процессов; во многих процессах химического синтеза, регенерации отработанных травильных растворов и борьбы с загрязнениями существует необходимость восстановления или окисления некоторых растворимых соединений.

В электрохимических окислительно-восстановительных процессах всех этих видов условия на полуэлементах на одном или обоих электродах должны предотвратить нежелательные паразитные окислительные или восстановительные реакции, чтобы гарантировать высокую отдачу (и, следовательно, высокий энергетический кпд) конкретной окислительной или восстановительной реакции, подлежащей выполнению на определенном электроде (полуэлементе). Наиболее стандартным требованием является требование предотвращения электролиза растворителя. В случае водного электролита важно предотвратить электролиз воды и при этом может потребоваться эффективное предотвращение или выделения кислорода на положительном электроде и/или выделения водорода на отрицательном электроде.

Стремление к выполнению этих требований приводит к исключению использования в качестве электродов в таких системах из полуэлементов проводящих материалов, имеющих от природы низкое перенапряжение для нежелательной реакции. В случае водного электролита это приводит к исключению материалов, имеющих особо низкое кислородное и/или водородное перенапряжение.

Эти требования в сочетании с требованием, заключающимся в том, что электрод должен быть чрезвычайно стойким к агрессивным кислым электролитам и промежуточным ионным частицам (находящимся в процессе образования частицам), возникающим в процессе реакции на полуэлементах, существенно ограничивают число пригодных материалов.

Одним из материалов для электродов, который более широко используется при этих особых условиях, остается углерод в его различных видах.

Уровень техники Графит, аморфный углерод, активированный уголь, стеклоуглерод являются основными электропроводящими материалами, используемыми для изготовления электродов для данных случаев применения.

В качестве биполярных электродов часто используют пластины из твердого графита или механически более прочного стеклоуглерода. Однако эксплуатационные качества таких электродов довольно низкие.

Соображения относительно факторов, ограничивающих скорость окислительно-восстановительных реакций на полуэлементах, как правило, диктуют необходимость использования электродов, имеющих большую активную зону на единицу площади выступающего элемента (электрода), чтобы обеспечить возможность поддержания реакции на полуэлементе с приемлемой скоростью, не вызывая внезапного повышения напряжения на полуэлементе вследствие препятствующих эффектов "насыщения", обусловленных механизмами массопереноса к активным участкам и от активных участков на поверхности электрода, в конце концов, через так называемый двойной слой электрода, часто выражаемыми в виде эмпирически определенных потенциальных коэффициентов. Повышение напряжения на полуэлементе, в свою очередь, будет способствовать паразитным реакциям на полуэлементе, например, выделению кислорода и/или водорода на соответствующих положительных и отрицательных электродах.

Пористые угольные электроды в виде тефлона (Тефлон, зарегистрированный товарный знак Е. Du Рont de Nemours), присоединенного с помощью пористого слоя частиц углерода, непосредственно присоединенных к ионообменной мембране или микропористому сепаратору химического источника тока, были предложены для окислительно-восстановительных батарей с проточным электролитом (см. GB-A-2 030 349-А), однако, несмотря на то, что эти присоединенные электродные структуры обеспечивают действительно сведенный к минимуму зазор в элементе, ширина которого может соответствовать толщине ионообменной мембраны или микропористой диафрагмы, используемой в качестве сепаратора элемента (в так называемых элементах с твердым полимерным электролитом (SPE - аббревиатура от Solid Polymer Electrolyte)), подобные структуры создают серьезную и часто не поддающуюся решению проблему эффективного и надежного распределения электрического тока по присоединенному слою электрода и токосъема с этого слоя. Ограниченная удельная электропроводность этих присоединенных с помощью полимера пористых слоев из углеродных частиц и трудность создания на практике надежных точечных контактов между соответствующим распределителем тока и электродно-активным присоединенным слоем за счет давления делает такую конструкцию элемента не пригодной к использованию, особенно в случае элементов с относительно большими поверхностями, уложенных вместе в стопу в устройстве из биполярных элементов, которое может включать в себя до одной сотни или даже до нескольких сотен ячеек, соединенных электрически последовательно.

Несмотря на то, что использование пористых углеродных тканей или войлоков, проложенных между сепаратором элемента и токосъемником вместо присоединенных углеродных слоев, обеспечивает хорошую проводимость пористого электродного слоя, представленного углеродной тканью или войлоком, в поперечном направлении, такое использование, тем не менее, создает проблемы с точки зрения создания надежных поддерживаемых за счет давления электрических контактов с токораспределительной конструкцией, особенно в многокамерных комплектах.

Как правило, поддерживаемые за счет давления электрические контакты между углеродными материалами в электролитах характеризуются чрезвычайно нестабильными контактными сопротивлениями, которые со временем стремятся к увеличению, возможно, вследствие наращивания толщины образующих пленку соединений, химически связанных с углеродным материалом.

С целью преодоления проблем надежного распределения и отвода тока из пористой (трехмерной) активной электродной структуры и надежного создания имеющего низкое сопротивление пути электрического тока к потенциально активным участкам и от потенциально активных участков относительно пористой электродной структуры (трехмерной) было предложено непосредственно присоединять обладающую соответствующей пористостью (имеющую большую удельную поверхность) трехмерную углеродную электродную структуру, проницаемую для электролита, к соответствующей электропроводящей подложке, которая может образовывать концевую стенку камеры электрода (или полуэлемента) или не проницаемую для текучих сред биполярную перегородку, которая обеспечивает электрическую непрерывность между положительным электродом, присоединенным к одной ее стороне, и отрицательным электродом, присоединенным к другой ее стороне, при этом указанные электроды соответственно принадлежат двум отдельным элементам из комплекта элементов.

Образованная таким путем биполярная электродная структура гидравлически отделяет камеру отрицательного полуэлемента ячейки от камеры положительного полуэлемента соседней ячейки в стопе или батарее ячеек, соединенных электрически последовательно друг с другом.

Электропроводящая разделительная перегородка может быть изготовлена из пригодной термопластичной смолы, например из полиэтилена высокой плотности, смешанного с блоксополимерами стирола и этана/бутила и стирола или с сополимером стирола, изопрена и стирола, наполненными углеродными графитированными волокнами и/или угольным порошком или порошком из другого коррозионностойкого проводящего материала для обеспечения надлежащей электрической проводимости.

В альтернативных вариантах были предприняты попытки приклеить войлок из углеродных волокон к поверхности твердой пластины из стеклоуглерода, графита или угля с помощью наполненных углеродом проводящих клеящих веществ. Однако эти попытки не удались из-за недостаточно надежного приклеивания, а, кроме того, использование твердой пластины из графита или стеклоуглерода для элементов с большими поверхностями является дорогостоящим и может привести к образованию разрушительных трещин.

Было установлено, что при приспосабливании известных биполярных электродных структур для конкретного использования в окислительно-восстановительных элементах с проточным электролитом проявляются их серьезные недостатки.

Даже процесс присоединения обладающих высокой пористостью и проницаемостью углеродных электродных слоев к термопластичному наполнителю путем ламинирования является чрезвычайно трудным из-за невозможности приложения необходимого для ламинирования давления с одной стороны для того, чтобы способствовать надежному прилипанию войлока или ткани к частично флюидизированному термопластичному наполнителю без постоянного сплющивания войлока или ткани и/или заделывания их в термопластичный наполнитель. Кроме того, условия, которые необходимы для такого процесса последующего ламинирования для соединения термопластичного наполнителя с пористыми электродными структурами вместе и с обеспечением непрерывности пути тока, входят в противоречие с требованиями низкого удельного электрического сопротивления наполнителя, что на практике приводит к серьезному ограничению количества проводящего порошка, который может быть введен без оказания отрицательного воздействия на возможность последующего присоединения пористых электродов к поверхности предварительно изготовленного проводящего листа путем ламинирования.

Другим ограничением, которое связано с этими полученными горячим прессованием композиционными материалами из-за присущих им свойств, является то, что часто на практике только относительно малое количество элементарных волокон или волокон электрода из войлока или ткани приклеивается с обеспечением электропроводности к листу электропроводящего термопластичного наполнителя.

Распределение электрического тока по остальному пористому слою войлока или ткани происходит с помощью случайных электрических путей среди макроскопически удаленных точек пористой структуры войлока или ткани. Большинство этих случайных электрических путей через массу пористой электродной структуры созданы и ограничены волокнами, которые ориентированы в основном параллельно плоскости композиционного материала и которые образуют или способствуют образованию довольно извилистых и длинных путей, которые неизбежно представляют собой электрические пути с высоким сопротивлением.

Вне зависимости от используемой конструкции другим серьезным недостатком припресованной таким горячим способом углеродной ткани или войлоков из углеродных волокон является то, что они обладают ограниченной остаточной "проницаемостью" по отношению к текущему электролиту, проходящему через камеру электрода.

Действительно, несмотря на то, что ткань или войлок можно сделать совершенно гидрофильной (-ым) с помощью соответствующих обработок с тем, чтобы они стали легко проницаемыми для жидкого электролита, их переплетенная структура создает путь со сравнительно большим падением давления для текущего электролита, прокачиваемого через камеру полуэлемента.

С другой стороны, переплетенная структура не может быть слишком рыхлой или иметь неограниченно большую пористость, поскольку в этом случае объемная электропроводность может упасть до недопустимых значений. Следовательно, текущий электролит неизбежно будет стремиться проходить почти исключительно по предпочтительным "обходным" путям, как правило, через пространства или каналы для потока, образованные структурой распределителя тока и/или через зазоры, которые могут образовываться между поверхностью ионообменной мембраны или микропористого сепаратора и электродом из ткани или войлока.

На практике электролит внутри массы перепутанных углеродных волокон или элементарных волокон электрода из войлока или ткани будет "обновляться" практически только за счет процессов локальной диффузии, вызванных имеющими место градиентами концентраций, вместо того, чтобы более эффективно и равномерно "обновляться" за счет гидравлического течения, обусловленного закачиванием.

Действительно, перенапряжение, возникающее на полуэлементе при увеличении плотности тока, может в значительной мере быть обусловлено совершенно недостаточным механическим переносом (распределением) вступающих в реакцию частиц к популяции активных участков внутри трехмерной электродной структуры.

Все эти признаки известных углеродных электродных структур и присущие им, имеющие решающее значение свойства и ограничения, связанные с ними, подтверждают большую трудность реализации электродной структуры, имеющей низкое электрическое сопротивление и способной выдерживать большие плотности тока до 1000 А/м² или даже выше без серьезного снижения напряжения на электрохимическом окислительно-восстановительном элементе.

В завершение можно указать на то, что известные биполярные электродные устройства являются довольно тяжелыми, при этом основной вклад в их вес дает проводящая термопластичная перегородка или основа.

Общее описание изобретения Задача настоящего изобретения заключается в создании особо эффективной биполярной электродной структуры для окислительно-восстановительных реакций в кислом электролите, которая позволяет преодолеть ограничения электродов по предшествующему техническому уровню, указанные выше, а также в разработке практических способов ее изготовления.

Первым существенным аспектом изобретения, который позволяет преодолеть недостатки, связанные с хрупкостью и относительно большим весом твердой угольной пластины, является то, что электропроводящая и не проницаемая для текучих сред перегородка представляет собой композиционный материал на основе ткани, выполняющей функцию основы (матричной ткани) с плотным вязаным переплетением или материала с тканой основой из углеродных волокон или из пряжи из углеродных волокон, который отличается хорошей прочностью и отличной гибкостью в сочетании с хорошей электрической проводимостью в поперечном направлении и в высшей степени малым весом.

Перегородку делают не проницаемой по отношению к текучим средам путем герметизации пор матричной ткани плотного вязаного переплетения или электропроводящим стеклоуглеродом, получаемым на месте путем карбонизации исходного вещества, которым предварительно пропитана матричная ткань.

В альтернативном варианте матричная ткань может быть предварительно пропитана термореактивной смолой или смесью исходных веществ в виде термореактивных и термопластичных смол, обычно наполненной угольным порошком и/или углеродными волокнами с тем, чтобы образовать электропроводящий, герметизирующий поры наполнитель при полимеризации смолы.

В соответствии с другим альтернативным вариантом свойство непроницаемости по отношению к текучим средам придают путем изготовления слоистого материала горячим способом за счет присоединения матричной ткани, по меньшей мере, к одной тонкой пленке или, предпочтительно, размещения матричной ткани между двумя тонкими пленками из электропроводящей термопластичной смолы, наполненной угольным порошком и/или углеродными волокнами, при температуре, достаточной для того, чтобы вызвать оплавление термопластичной смолы. Происходит "приспосабливание" оплавленного наполнителя к морфологии поверхности подложки из матричной ткани, при этом осуществляется эффективная герметизация ее с помощью пленки из проводящей смолы, частично проходящей в поры, открытые к поверхности матричной ткани.

Второй аспект изобретения характеризуется тем обстоятельством, что какой бы электропроводящий материал ни использовался для того, чтобы сделать электропроводящую матричную ткань не проницаемой по отношению к текучим средам, в соответствии с вышеуказанными альтернативными вариантами, герметик также расплавляется и/или сцепляется с не проницаемой для текучих сред и электропроводящей перегородкой, сформированной таким образом, а также с поверхностными углеродными волокнами или пряжей из углеродных волокон проницаемой для текучих сред ткани или мата, зафиксированного в контакте с поверхностью предварительно пропитанной матричной ткани или в контакте со способной к оплавлению, расположенной между матричной тканью и проницаемой для текучих сред тканью пленкой из электропроводящего термопластичного наполнителя во время процесса герметизации пор электропроводящим материалом.

В том случае, когда матричная ткань представляет собой плотный тканый материал или полотно плотного вязаного переплетения и имеет ограниченную пористость в поперечном направлении и высокую прочность на растяжение, наиболее предпочтительно, если проницаемые для текучих сред ткани, присоединенные к противоположным сторонам герметизированной перегородки, состоят из ткани или трикотажного полотна, имеющего сравнительно редкое переплетение, или из нетканого, имеющего неплотную структуру мата или войлока из углеродных волокон или из пряжи из углеродных волокон, который является легко проницаемым для электролита и фактически обеспечивает возможность сквозного прохода электролита через него.

Биполярная структура по изобретению имеет очень хорошую механическую прочность, позволяющую воспринимать деформации от умеренных до больших без образования трещин, имеет сравнительно небольшой вес и обеспечивает очень хорошую электрическую проводимость в поперечном направлении. Структура по изобретению обладает этим последним и имеющим очень важное значение свойством благодаря тому, что в отличие от известных структур наличие и влияние диэлектрических связующих (смолы) или устраняется, как в случае выполняемого на месте превращения пропитывающего исходного вещества в электропроводящий стеклоуглерод, заполняющий пустоты и сплавляющий волокна вместе, или в значительной степени минимизируется, как в случае матричной ткани, предварительно пропитанной наполненной углеродом термореактивной смолой или расположенной между тонкой пленкой из способного к оплавлению, наполненного углеродом термопластичного наполнителя.

Основным признаком электродной структуры по изобретению является особое строение не проницаемой для текучих сред и электропроводящей перегородки, на поверхностях которой имеются электродно-активные пористые материалы из углеродных волокон или пряжи. Действительно, композиционная перегородка выполнена по существу не проницаемой для текучих сред, чтобы предотвратить смешивание положительно и отрицательно заряженных электролитов, имеющихся в камерах, принадлежащих двум отдельным гальваническим элементам, соединенным электрически последовательно друг с другом. В то же время перегородка обеспечивает электрический путь для тока, характеризующийся низким омическим падением напряжения. В том случае, когда биполярная электродная структура обязательно или наиболее предпочтительно представляет собой полностью углеродную структуру, довольно значительное удельное сопротивление углерода диктует абсолютную необходимость уменьшения, насколько это возможно, электрической проводимости биполярной электродной структуры в ее поперечном направлении.

В этой связи непроницаемая электропроводящая перегородка на углеродной основе играет определяющую роль.

В соответствии с изобретением электрическая проводимость в поперечном направлении значительно повышается за счет того, что по существу устраняется наличие электрически непроводящего связующего, подобного широко используемому в биполярных углеродных электродных структурах по предшествующему техническому уровню. Ткань из углеродных волокон или из пряжи из углеродных волокон образует механически прочную и электропроводящую основу или матрицу, поры в которой герметизируются путем заполнения матрицы обладающим очень высокой электрической проводимостью стеклоуглеродом согласно варианту осуществления, который образуется на месте внутри пор матричной ткани путем карбонизации исходного вещества, которым предварительно пропитана ткань.

Основа из матричной ткани обеспечивает механическую прочность, в достаточной степени уравновешивая хрупкость стеклоуглерода. Следовательно, композиционный материал становится по существу жестким, хотя в то же время его можно немного согнуть без растрескивания.

Матричная ткань может быть изготовлена из углеродных волокон, полученных путем карбонизации, или из полиакрилонитрила, или из пека, или другого пригодного исходного вещества.

Ткань может представлять собой тканый материал или трикотажное полотно или даже может представлять собой нетканый мат или войлок, и в любом случае она имеет предпочтительно плотную структуру. В том случае, если ткань изготовлена из пряжи из углеродных волокон, эта пряжа может иметь умеренную или довольно сильную крутку для повышения степени плотности и микропористости в сочетании с относительно высокой прочностью на растяжение.

Ткань может быть соткана или связана из углеродных волокон или пряжи или она может исходно представлять собой ткань из исходного вещества, такую как ткань из полиакрилонитрила, которая впоследствии карбонизируется.

В случае тканого материала или трикотажного полотна ткань может представлять собой ткань полотняного переплетения или иметь более сложное переплетение.

Толщина матричной ткани может находиться в диапазоне от 0,5 до 2 мм или более в зависимости от площади элемента, для которого предназначен биполярный электрод. В альтернативном варианте два или более кусков одинаковой углеродной ткани могут быть уложены друг на друга для получения заданной толщины перегородки из композиционного материала.

Исходное вещество может представлять собой любой пригодный растворимый или суспендируемый, частично полимеризованный материал или форполимеры сложного полиэфира, простого полиэфира, полиуретана, форполимер фурилового спирта и т.п. Для пропитывания матричной ткани предпочтительно может быть использована частично полимеризованная фенолоальдегидная смола, возможно, но не обязательно, растворенная в соответствующем растворителе, таком как ацетон, с целью регулирования вязкости, или фурановая смола, такая как фуриловый спирт, и форполимер фурилового спирта с низкой молекулярной массой, в конечном счете смешанный со сложным эфиром, простым эфиром или с частицами простого полиэфира и/или полиуретана, суспендированными в нем.

Обработка путем карбонизации может быть проведена при температуре около 1000^oС или даже при более высокой температуре в неокислительной атмосфере, например в азотной среде в течение нескольких часов.

Перед подверганием матричной ткани пропитыванию раствором исходного вещества для получения стеклоуглерода или смесью термореактивной смолы и проводящего угольного порошка ткань может быть подвергнута термообработке в регулируемой газовой среде для кондиционирования (предварительной обработки) поверхности углеродных волокон путем стимулирования образования химически связанных активных групп на поверхности углеродных волокон с целью повышения способности к смачиванию и с тем, чтобы способствовать наиболее полному пропитыванию всех пор матричной ткани раствором исходного вещества или наполненной полимерной смесью.

В том случае, когда используются разные ткани, первая - в качестве матричной ткани и другая ткань - в качестве проницаемого для текучих сред открытого электрода, проницаемая для текучих сред ткань из углеродных волокон или из пряжи из углеродных волокон, подлежащая присоединению с обеспечением электрической непрерывности к противоположным поверхностям гидравлически герметизированной матричной ткани, также может представлять собой тканый материал, трикотажное полотно или нетканый войлок или мат из углеродных волокон или из пряжи из углеродных волокон, полученных или из полиакрилонитрила, или из пека другого пригодного исходного вещества. Даже в этом случае ткань может быть выполнена с углеродными волокнами или может представлять собой тканый материал или войлок из волокон исходного вещества, которое впоследствии карбонизируется.

В отличие от матричной ткани эта другая ткань выполнена со сравнительно неплотной структурой с тем, чтобы сделать ее легко проницаемой для электролита, и ткань предпочтительно подвергается термическим обработкам в регулируемой газовой среде с целью кондиционирования поверхности углеродных волокон путем стимулирования образования химически связанных активных групп, таких как карбоксильные, лактонные, фенольные и карбонильные группы, на поверхности углеродных волокон. Это кондиционирование улучшает каталитические и гидрофильные свойства углеродных волокон, которые могут сохранять преобладающую графитоподобную структуру, сильно ориентированную в направлении оси волокна, которая придает волокнам высокую электрическую проводимость.

Ткань с неплотной структурой, используемая для изготовления двух проницаемых для текучих сред, по существу, трехмерных электродов, может иметь толщину от 1,0 до 10,0 мм, хотя, как правило, толщина таких тканей составляет от 2,0 до 5,0 мм.

Ткани из активированного угля также чрезвычайно эффективны благодаря отличным каталитическим свойствам углеродных волокон, из которых они получены. Как правило, эти ткани не сотканы и не связаны из пряжи из углеродных волокон, а они изготовлены непосредственно из исходного текстильного материала с помощью процесса карбонизации.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения, после того как матричная ткань будет полностью пропитана, два куска имеющей сравнительно редкое переплетение, проницаемой для текучих сред ткани из углеродных волокон размещают на противоположных поверхностях пропитанной матричной ткани и плотно удерживают вместе в виде многослойной конструкции с помощью специальных ажурных решетчатых приспособлений, выполненных в виде имеющих форму сеток или сот металлических зажимов, которые сдавливают вместе три отдельных куска ткани в точках, в которых создается точечное или линейное давление и которые образуют совокупность с высокой плотностью и равномерно распределены по площади многослойной конструкции.

Следовательно, в каждой точке приложения давления и поблизости от нее волокна двух пористых тканей "прикалываются" к пропитанной поверхности внутренней матричной ткани и, по меньшей мере, частично смачиваются пропитывающим раствором или полимерной смесью.

Многослойная конструкция, удерживаемая вместе таким образом, может быть помещена в печь для карбонизации и нагрета в регулируемой газовой среде в течение времени, необходимого для карбонизации исходного вещества, при этом исходные вещества превращаются в стеклоуглерод, который, герметизируя, заполняет полости и поры матричной ткани, делая ее по существу не проницаемой для текучих сред, и одновременно обеспечивает сплавление "приколотых" волокон двух наружных углеродных матов или тканей с композиционной структурой из стеклоуглерода и матричной ткани внутреннего слоя или перегородки многослойной конструкции, в результате чего создается очень хорошая электрическая непрерывность в поперечном направлении образованной таким путем биполярной электродной структуры на основе углерода.

В альтернативном варианте, в случае вещества для пропитки, состоящего из наполненной термореактивной смолы, многослойную конструкцию нагревают в печи в течение времени, необходимого для полимеризации или для полной полимеризации смолы. И в этом случае проводящая полимерная смесь (наполнитель) смачивает "приколотые" волокна наружных матов или тканей из углеродных волокон и в конце концов соединяет их с проводящей перегородкой с обеспечением постоянства сцепления и электрической непрерывности.

В соответствии с особо эффективным дополнительным вариантом осуществления изобретения две наружные, служащие в качестве электродов ткани, присоединенные к центральной, не проницаемой для текучих сред перегородке, изготовлены из тканого материала, или из трикотажного полотна, или из мата из пряжи из углеродных волокон, имеющего вспушенный стоячий ворс из элементарных углеродных волокон.

На практике трехмерная, проницаемая для текучих сред электродная структура представлена вспушенным стоячим ворсом из углеродных волокон или элементарных волокон, выступающих по существу в перпендикулярном направлении от поверхности основы, которая является тканью из углеродных волокон.

Каждое отдельное элементарное волокно вспущенного стоячего ворса представляет собой полученный путем отрывания и/или поднятый "столбик" (ворсинку) из элементарной нити или волокна пряжи, из которой ткань соткана или связана, и, следовательно, за исключением поднятого участка элементарного волокна каждое элементарное поднятое волокно остается надежно и электрически присоединенным к другим элементарным волокнам (нитям) пряжи и к трикотажному полотну или тканому материалу в целом.

Следовательно, ткань в целом представляет собой обладающую высокой проводимостью углеродную основу, от которой плотно распределенное множество элементарных углеродных волокон выступает на короткое расстояние. Средняя высота вспушенного стоячего ворса может составлять от приблизительно 1,5 до 6,0 мм, хотя в некоторых случаях применения может быть использован более короткий и более длинный ворс.

Элементарные нити или волокна из углерода, образующие вспушенный стоячий ворс, могут иметь диаметр, как правило, составляющий от 0,01 до 0,006 мм, в то время как средняя плотность на единицу площади вспушенных элементарных волокон, как правило, может составлять от 1 до 15 вспушенных элементарных волокон на квадратный миллиметр.

Естественно, все эти параметры - плотность вспушенных элементарных волокон на единицу площади, диаметр элементарных волокон и средняя высота ворса могут быть согласованно оптимизированы для достижения наилучших эксплуатационных характеристик при определенных условиях работы (имеются в виду состав электролита, максимальная плотность тока, электрокаталитические свойства углеродного волокна, температура, скорость потока электролита и т.д.).

В соответствии с данным вариантом осуществления электродная структура по изобретению имеет идеальную конфигурацию с точки зрения минимизации длины электрических путей к активным участкам и от активных участков поверхности электрода, которая представлена, по меньшей мере, частично цилиндрической поверхностью элементарных углеродных волокон, выступающих от основной ткани, и сама ткань, присоединенная к центральной перегородке, имеет отличную проводимость, тем самым обеспечивая создание пути с действительно низким сопротивлением для тока; при этом электродная структура по изобретению идеальным образом отвечает по существу противоречащим друг другу требованиям создания относительно большой удельной площади поверхности (чтобы поддерживать "фактическую" плотность тока на сравнительно низком уровне) при одновременном содействии "беспрепятственному" течению электролита вдоль трехмерной электродной структуры и через нее.

Наружный вспушенный стоячий ворс электродной структуры обладает значительной проницаемостью по отношению к текущему электролиту, проходящему тангенциально к поверхности ткани и идеально через межэлектродный зазор элемента, занятый вспушенным стоячим ворсом.

Ткань из углеродных волокон может представлять собой тканый материал или трикотажное полотно, изготовленное из пряжи из углеродных волокон, которая предпочтительно имеет относительно слабую крутку. Волокна пряжи слабой крутки легче разрываются или частично разъединяются и поднимаются с помощью машины для получения вспушенного стоячего ворса, как будет описано ниже. Однако может быть использована любая другая исходная ткань из углеродных волокон.

Среднее число элементарных волокон пряжи, как правило, может составлять от 1500 до 6000.

Углеродные волокна могут быть получены, или из полиакрилонитрила, или из пека, или другого пригодного исходного материала.

Ворс может быть вспушен или перед, или после преобразования исходного текстильного материала по существу в ткань из углеродных волокон.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления особенно подходящим для получения биполярной электродной структуры, отличающейся исключительной гибкостью и малым весом, два или более преобразованных (карбонизированных) текстильных материала могут быть соединены вместе для образования не проницаемой для текучих сред проводящей перегородки путем создания многослойного материала из данных тканей с размещенной между ними, способной к оплавлению проводящей тонкой пленкой из по существу термопластичной смолы и наполнителя из графитированных или углеродных частиц и/или волокон. После этого две поверхности соединенных вместе тканей подвергают обычной механической обработке для вспушки ворса с тем, чтобы поднять плотный ворс из углеродных волокон.

Электрическая проводимость в поперечном направлении обеспечивается множеством плотно распределенных непосредственных контактов между пряжей из углеродных волокон двух тканей, при этом данные контакты соответствуют геометрически совпадающим пикам обычно волнистой поверхности трикотажного полотна или тканого материала.

Электрическая непрерывность многослойной конструкции обеспечивается как точками непосредственного контакта ткани с тканью, образованными за счет входа выступов двух ткане