Способ контроля согласованности капиллярных свойств газодиффузионных электродов матричного топливного элемента

Способ контроля согласованности капиллярных свойств газодиффузионных электродов матричного топливного элемента

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Реслублии

Оп ИГРАНИ Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (111748586 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 01.06.78 (21) 2621415/24-0? с присоединением заявки №вЂ” (51) М. Кл.

H01 М8/04

ФЪвуаарстввнный камнтвт

СССР (23) Приоритет—

Опубликовано 15.07.80.. Бюллетень № 26 (53) УДК 621.352.6 (088.8) нв делам нзобретенмй н етнрмтнй

Дата опубликования описания 25.07.80 (72) Авторы изобретения

1О. Л. Голин, В. С. Карякин, A. А. Косяков, А. Т. Овчинников и О. В. Чумаковский (71) Заявитель (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОГЛАСОВАННОСТИ

КАПИЛЛЯРНЫХ СВ011СТВ ГАЗОДИФФУЗИОННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ МАТРИЧНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

1 (изобретение относится к химическим источникам тока прямого преобразования и касается способа контроля согласованности капиллярных свойств газодиффузионных электродов, матричного топливного элемента, работающего на газообразных реагентах.

Наибольшая эффективность матричного тоПливного элемента достигается в том Случае, если капиллярные свойства электродов согласованы. При невыполнении этого условия электрод с меньшим размером nop перегасывает в себя электролит из электрода 1в с большим размером пор, положение трех.фазной границы в электродах становится неоптимальным, поляризация значительно возрастает, сокращается буферная емкость по напряжению (буферная емкость по напряжению равна максимально возможному изменению объема электролита в топливном элементе при заданном отклонении напряжения от его экстремального значения).

Известен способ контроля согласования пористых тел на основе порометрических данных, который позволяет согласовать электроды с пористыми резервуарами (газораспределителями), согласно которому распределение пор в электродах и резервуарах

2 . должно бцть таким, чтобы кривые распределения dv/dI. = 1р(г) (где ч — объем пор;

r — радиус пор) электрода н резервуара ограничивали взаимно перекрывающие друг друга площади 11).

При этом 20 — 50/О объема пор электродов заполнено электролитом. Поры резервуара приблизительно одинакового размера.

Характеристики пористых тел, распределение объема пор по радиусам или по капиллярным давлениям можно получить различными способами порометрии, например способом центробежной порометрин, в котором измеряют объемы. смачивающей жидкости, выдавливаемой из соответствуйщих пор образца за счет центробежных сил или способом ртутной порометрии, по которому измеряют объем вдавливаемой в поры образца несмачивающей жидкости (ртути).

Однако по этому способу невозможно применить контроль согласованности электродов непосредственно в процессе работы топливного элемента, процесс контроля длн тельный и требующий сложной измерительной аппаратуры. Кроме того. обычно обра1цы, подвергнутые контролю, не могут быть использованы в работе.

74

Известен способ контроля согласованности капиллярных свойств в газодиффузионных электродов матричного топливного-элемента, заключающийся в измерении зависимости напряжения лемента от объема электролита при постоянном значении тока (2j.

Суть этого способа состоит В следуЕощем.

В тела электродов помещают небольшие структурнО-пОДОбеЕЬЕе электрОДЫ СраВнения, которые имеют. только ионну!о связь с рабочи ми электродами„и Относительно электрода сравнения, расположенного В Водородном электроде, измеряют поляризации отдельных p360«f!х электрОдОВ при различном об ьеме злее(трОАита В топливном элементе. Вли" яние различия коещеитрации электролита у фронтальных сторон рабочего и контрольного электродов, возникающего прн про. хождении тока через электролит, определяется расчетным путем. По кривым затопле ния отдельных электродов и тоеЕЛЕЕвнога элемента в целом можно сделать ВьЕвод ff капиллярной согласовагпЕости электродоее в электрохимнческой группе. Если минимумы пол.риз.цин отдельеЕых э eKTpoffoB -.Одя. ся при одном и том же объеме электролита

В топлиВном элементе (ОдиеЕаковом капил-. лярном давлееЕеЕН), то .пористые среды электpogIoB согласоваlfbl. 3То автоматически IIpHВОдит к ToM f, что и меенимум поляризации всего топливного элемента имеет место при том же объеме электролита. Если. капиллярные свойства электродов не согласованы, их минимумы поляризации расположены по обе стороны от общего минимума поляризации элемента, поскольку один из электродов оказывается затопленным черезмерно, другой — недостаточно.

Однако этот способ хоть и проводится непосредственно в самом элементе требует специальных электродов сравнения, раз-. рушения тела электрода для размещения электрода сравнения, что обуславливает трудности в герметизации и электрической изоляции и значительных затрат. Време!Ее!, связанных с трудоемкими расчетами определения коеецентрации электролита у фрон тальной поверхности электродов.

Цель изобретения — обеспечение Воэможности проведения контроля согласованности капиллярных свойств электродов топливного элемента в процессе его эксплуатации без применения специальных электродов сравнения.Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля согласованности электродов матричного топливного элемента по их капиллярным свойствам, включающем измерение зависимости напряжения элемента От обьема электролита при постоянном значении тока в электрохимической группе, измеряют зависимости напряжения элемента от Объема электролита при разных величеенах и знаках разбалансу

4 давлений рабочих газов, после чего опре деляют буферную емкость по напряжению при этих же условиях илн при оптимальном объеме электролита измеряют зависимость

Напряжения элемента от величины и знака разбаланса давлений рабочих газов.

14а фиг. 1 изображена зависимость кривых затопления от разбаланса давлений рабо Еих газов: 1 ъР = 1,0; 2 — ЛР; = =- 0,5 кг/смг 3 = 0 4+ ЛР = 0,3 кг/смг

5 + .АР = 0,5 кг/смг; 6 + IP = 1,0 кг/смг; на фиг. 2 — зависимость буферной емкости от величины и знака разбаланса давлений рабочих газов; на фиг. 3 — зависимость кривых затопления от величины и знака разбаланса давлений рабочих газов: 1-— АР = 1,0 кг/см, 2 —.— ЛР = 0,5 кг/см, 3 .Р = 0 4+ Р =- 05 кг/смг 5+ Р

=- 1,0 кг/см ; на фиг. 4 — зависимость буферной емкости от величины и знака разбаланса ееавленеЕй рабочих газов; на фиг. 5 зависимость напряжения элемента от вели-

2В чины и знака разбаланса давлений рабочих газов.

Если электроды в матричном топливном элементе согласованы по капиллярным свойствам, то разбаланс давлений газов любого

2 знака приведет к уменьшению буферной емкости по напряжению, так как оптимальная работа топливного элемента наблюдается при нулевом разбалансе давлений, если ° же электроды не согласованы, то экстремальное значение буферной емкости по на- пряжению будет смещено в ту или иную сторону в зависимости от того, какой электрод обладает более мелкими лорами. Буферной емкостью по напряжению удобно пользоваться на стадии оперативных испытаний

3$ топливного элемента прн подборе и разработке пористых сред электродов. При длительных же испытаниях матричного топливного элемента целесообразней проводить контроль не по изменению буферной емкости

49 по напряжению, которая требует снятия серии кривых затоплен!!я при различных разбалансах давлений рабочих газов любого знака, а по изменению напряжения элемента от величины и знака разбаланса давлений газов при оптимальном объеме электролита. н При несогласованности электродов по капиллярным свойствам экстремальное значение напряжения элемента наблюдается при вполне определенной величине и знаке организованного разбаланса давлений рабочих газов. Если же электроды согласованы, @ то при органееэацин разбаланса давлений любого знака напряжение элемента будет уменьшаться. По величине снижения напряжения электрохимической группы и буферной емкости по напряжению при организации разбаланса давления можно качественно судить о максимальном радиусе затопленных электролитом пор (чем меньше снижение при данном перепаде давлении, тем больше капиллярное давление, т. е. меньше радиус пор).

Предлагаемый способ контроля согласованности электродов матричного топливного элемента по капиллярным свойствам является наиболее простым из всех известных способов, так как для него не требуется применения электрода сравнения и необходимого для его установки разрушения рабочего электрода. Кроме того, сокращается время определения согласованности элекгродов, так как ее определяют непосредственно при проведении эксперимента по изменению напряжения или буферной емкости.

Наконец, предлагаемый способ контроля не связан с измерением поляризации каждого электрода относительно электрода сравнения и трудоемкими расчетами по определению влияния концентрации электролита у фронтальной поверхности электродов.

Пример /. Определение согласованности газодиффузионных электродов матричного топливного элемента по капиллярным свойствам с помощью измерения зависимости буферной емкости по напряжению от величины и знака разбаланса давлений рабочих газов.

Снимают серию кривых затопления (зависимость напряжения элемента ol объема электролита при ностоянпом значейии тока без отвода воды} при разбалансе давленйй рабочих газов разной величины и знака на матричном водородно-кислородном топливном элементе (см. фиг. 1). В процессе

- эксперимента температура элемента равняется 95 С, давление рабочих газов 4 бара, плотность тока 215 мА/см (4,2 А). Условно считается положительным тот перепад дав лений, с помощью которого электролит пере-. давливался из кислородного электрода на водородиый. Г1ри организации разбалан са давлений среднее давление рабочих газов поддерживается неизменным. Для каждой кривой затопления, изображенной на фиг. 1, определяется буферная емкость (E. E.) по напряжению (ири отклонении напряжения от его максимального значении на 25 мВ) и ее зависимость от величинй и знака раз баланса давлений рабочих газов (см. фнг. 2)

На фиг. 2 видно, что применяемые газодиффузионные электроды согласованы по капиллярным свойствам, так как экстремальное значение буферной емкости наблюдается при определенной величине положительного разбаланса давлений рабочих газов. Отсюда можно сделать вывод о том, что кислородный электрод является более мелкопористым и пересасывает часть электролита с водородного электрода иа себя.

Для того, чтобы электроды были согласованы по капиллярным свойствам, необходимо изменить структуру кислородного электрода, .т. е. увеличить капиллярный радиус пор.

На фиг. 3 и 4 приведен пример согласовайных структур электродов. Зкстремальное значение буферной емкости по напряжению иаходитсч при нулевом разбалаисе давлений рабочих газов. Мз сопоставления фиг. 1 и 3 следует, что напряжение элемента у согласованных газодиффузиоииых электродов выше, чем у несогласованных при нулевом разбалансе давлений водорода и кислорода.

Пример 2. Определение согласованности газодиффузионных электродов матричного топливного элемента по капиллярным свойстаям с помощью измерения -изменения напряжения от величины и знака разбалаиса давлений рабочих газов при оптимальном

Зксперименты по определению согласованности электродов по капиллярным свойствам проводят на водородйо-кислородном топливном элементе с матричным злектролитоносителем при динамическом способе отводы воды. Водород циркулирует через коиденсатор и водородную камеру элемента и отнимает из электролита воду до тех пор, пока давление паров в газовом потоке ие достигает давления паров над электролитом

В конденсаторе газовая смесь охлаждается, часть пара конденсируется. Регулированием температуры конденсатора изменяют количество воды, т. е. объем электролита в топливном элементе. Найденный оптимальный объем электролита поддерживают стационарными условиями влагоудаления (в стационарном режиме скорость удаления воды равна скорости ее образования в результате электрохимической реакции). Испытания матричного водородно-кислородного элемента проводят при следующих условиях: температура элемента 95 С, плотность тока

215 мА/см, рабочее давление газов 4 бара, температура конденсатора 75 С (при оптималы ом объеме электролита). После определения экстремума напряжения (оптимального объема электролита) изучают зависимость его от величины и знака разбалаиса

4а давлений рабочих газов (см. фиг. S). Видно, что электроды в электрохимической группе не согласованы по капиллярным свойствам, так как экстремальное значение напряжения смещено в сторону положительного разбаланса давлений рабочих газов (см. кривая 1, фиг. 5).

Кривая 2 (»a фиг. 5), которая была снята на других электродах при этих же условиях испытаний, отражает зависимость иапря жеиия бт разбаланса давлений для согласованных электродов.

Формола изобретения

Способ контроля согласованности капиллярных свойств газодиффузионных электродов матричного топливного элемента, заключающийся в измерении зависимости напряжения элемента от объема электролита

748586 прн постоянном значении тока, отличаюи ийся тем, что, с целью обеспечения возможности проведения контроля в процессе эксплуатации топливного элемента без применения специальных электродов сравнения, измеряют зависимости напряжения элемента от объема электролита при разных величинах н знаках разбаланса давлений рабочих газов, после чего определяют буферную емкость по напряжению при этих же условиях или при оптимальном объеме электролита измеряют зависимость напряжения элемента от величины и знака разбаланса давлений рабочих газов.

Источники информации, принятые во внимание прн экспертизе

I. Патент Швейцарии № 5!0332, кл. Н 01 в 27/00, !2.li.69. 2. Вольфкович Ю. М. и Багоцний В. С.

Электрохимия. 9, 981, 1973.

748586

1/ð Î

+ар,кг/се

Ip0

-ар, ка/см й

Составитель К. Вейсбейн

Редактор Г. Волкова Техред K. Шуфрич Корректор М. Пожо

Заказ 4374/15 Тираж 844 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

l 13035, Москва, Ж вЂ”.35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент» r. Ужгород, ул. Проектная,