Электрохимическая ячейка для получения кислорода

Электрохимическая ячейка предназначена для получения кислорода и может быть использована в электрохимических производствах, топливных элементах, в физико-химических системах регенерации газовой среды гермообъектов, в том числе, в условиях невесомости. Электрохимическая ячейка содержит корпус, пористые титановые электроды с поверхностным каталитическим слоем из смеси оксидов на основе празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5, твердый полимерный электролит, на поверхность которого дополнительно нанесена смесь оксидов на основе празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5, что снижает контактное сопротивление «электрод-электролит», уменьшает затраты на процесс получения кислорода. Одновременно снижается скорость коррозии, повышается надежность, стабильность и срок службы ячейки.

Электрохимическая ячейка относится к области электрохимии, в частности, к технологии и техническим средствам электрохимии и может быть использована в электрохимических производствах и электролизерах для получения кислорода, а также в топливных элементах для получения энергии. Кроме того, предлагаемая электрохимическая ячейка может быть использована в физико-химических системах регенерации газовой среды гермообъектов, в том числе, в космической отрасли в условиях невесомости.

Известна электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, пористые металлические электроды и щелочной электролит на основе водного раствора КОН. Основным недостатком ячейки является наличие примеси паров щелочи в выделяемых газах, что небезопасно при их использовании. Другим недостатком ячеек является нестабильность состава металлических электродов из-за образования на их поверхности оксидных пленок с пониженной электронной проводимостью, что замедляет и нарушает рабочий процесс получения кислорода (Л.М. Якименко Электродные материалы в прикладной электрохимии, 1977, М., Химия).

Известна электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, пористые электроды и твердый керамический электролит на основе двуокиси циркония. Недостатком такой ячейки является наличие высокой рабочей температуры и сложность решения в этой связи технологических проблем. Другим недостатком является длительное время пуска и останова из-за ограничений на градиент температуры при разогреве или остывании (Григорьев А.И., Б.Г., Зорина Н.Г. Электрохимическая ячейка, патент 39744 от 20.04.2004 г.).

Известна электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, пористые металлические электроды с поверхностным слоем на основе сплава платины, иридия и рутения и твердый полимерный электролит.

Недостатками такой ячейки являются нестабильность значений перенапряжения из-за постепенного растворения рутениевого компонента сплава, роста контактного сопротивления на границе «электрод-электролит», малой надежности и стабильности процесса получения кислорода (Бора Т., Сингх Н. Диметилсульфооксидные соединения рутения, ЖНХ, 1977, т.20, с.419-421).

Известна электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, пористые металлические электроды и твердый полимерный электролит. Электроды представляют собой токопроводящую основу с нанесенным подслоем смеси оксидов рутения, титана и олова, и слоем диоксида марганца, получаемого путем анодного осаждения из электролита, в состав которого входят хлорид марганца и соляная кислота.

Недостатками такой ячейки являются постепенное растворение компонента сплава рутения с последующим ростом напряжения, сложность приготовления поверхностного слоя электрода, нестабильность значений каталитической активности двуокиси марганца, высокое контактное сопротивление границы «электрод-электролит», что может привести к снижению надежности и нестабильности процесса получения кислорода и, соответственно, к уменьшению срока службы (Патент 2069239 от 20.11.1996 г., Россия).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, твердый полимерный электролит, покрытый слоем платины, иридия, родия или иридиево-родиевого сплава и пористые титановые электроды, покрытые слоем платины.

Недостатком прототипа является снижение каталитической активности за счет образующегося в процессе работы неактивного оксида платины, что приводит к увеличению напряжения, снижению надежности, нестабильности процесса получения кислорода, а также увеличению его стоимости (Патент 2005122026 от 20.11.2005, Япония).

Технический результат предлагаемого устройства выражается:

- в уменьшении затрат на процесс получения кислорода;

- увеличении срока службы в 2 раза;

- повышении надежности и стабильности работы, благодаря снижению величины контактного сопротивления «электрод-электролит», -снижении в 2 раза скорости коррозии материалов путем применения в качестве каталитических материалов оксида состава Pr_0,1 Sr _0,9 СоО₃.

В основу полезной модели положено создание электрохимической ячейки с твердым полимерным электролитом для получения кислорода из воды, в топливных элементах, в системе регенерации атмосферы гермообъектов различного назначения.

Поставленная задача достигается тем, что электрохимическая ячейка для получения кислорода включает корпус, твердый полимерный электролит, пористые металлические электроды, а согласно полезной модели на поверхность пористых титановых электродов нанесена смесь оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5, а на поверхность поверхности твердого полимерного электролита дополнительно нанесена смесь оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5.

Таким образом, в электрохимической ячейке предложена новая совокупность существенных признаков. Все предложенные признаки существенны, поскольку влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

Так, например, в предпочтительном варианте рабочая поверхность электродов и рабочая поверхность твердого полимерного электролита активированы смесью оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5, что неизвестно, в связи с чем активация контактирующих поверхностей как пористых титановых электродов, так и твердого полимерного электролита снижает контактное сопротивление «электрод-электролит» и, следовательно, уменьшает затраты на процесс получения кислорода, повышает надежность, стабильность и срок службы.

Кроме этого, исходя из того, что предложенное устройство имеет низкое контактное сопротивление границы «электрод-электролит», появилась возможность снизить напряжение, уменьшить скорость коррозии путем применения оксидного каталитического материала и увеличить длительность срока службы. Ячейка безопасна в использовании, поскольку рабочей средой является вода.

На фиг.1 представлен общий вид электрохимической ячейки с твердым полимерным электролитом.

Устройство изготавливают из: пористого титанового электрода по известной технологии создания пористых металлических изделий (Порошковая металлургия в СССР. История, современное состояние, перспективы, М. Наука, 1986). Активация поверхности пористого титанового электрода смесью оксидов проводится известным методом соосаждения азотнокислых солей, взятых в стехиометрическом соотношении (Танганов Б.Б. Химические методы анализа 2005, Улан-Удэ, изд. ВСГТУ). Активация пористых титановых электродов платиной - методом осаждения хлоплатината на поверхность титана с последующим отжигом, при этом твердый полимерный электролит изготавливают по известной технологии, используемой для полимерных ионитов (Паншин Ю.А., Дрейман Н.А., Андреева А.И., Манечкина О.Н. Свойства перфторированных сульфокатионитовых мембран МФ-4СК, Пластические массы, 1977, 8, с.147-149). Далее, для снижения величины контактного сопротивления границы «электрод-электролит» на поверхность полимерного электролита с незавершенной технологии изготовления термохимическим способом наносят смесь оксидов празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5 с последующим завершением процесса изготовления электролита омылением его в 15% растворе NaOH на водяной бане, восстановлением в 18% растворе азотной кислоты и кипячением в дистиллированной воде.

Схема предлагаемой электрохимической ячейки представлена на фиг.1

Устройство состоит из: корпуса, пористых металлических электродов с поверхностным каталитическим слоем - смесью оксидов состава Pr_0,1 Sr_0,9 СоО₃ в соотношении 0,05:0,45:0,5, токоподводов, твердого полимерного электролита с поверхностным каталитическим слоем состава Pr_0,1 Sr_0,9 СоО₃ в соотношении 0,05:0,45:0,5.

Устройство работает следующим образом:

Пример: дистиллированная вода подается в анодное пространство ячейки, проникает через поры анода (пористый титан) к границе раздела «электрод-твердый полимерный электролит». На границе происходит электроокисление воды с выделением кислорода 2Н₂О+4е^----О₂+4Н⁺ . Кислород удаляется из реакционной зоны через поры электрода. Гидратированные протоны движутся через мембрану к катоду, где происходит их восстановление с выделением газообразного водорода 2Н⁺+^2е----Н₂.

Величина контактного сопротивления «электрод-электролит» оценивалась по величине импеданса, надежность - по стабильности работы в течение 55 суток, коррозионным свойствам и ресурсу.

Аналогичные измерения проведены с ячейкой по прототипу, включающей пористые титановые электроды и полимерный электролит с каталитическим платиновым покрытием.

Результаты испытаний представлены в табл.1. Электрохимическая ячейка с каталитическим покрытием Рг_0,1Sr_0,9СоО₃ на электродах и полимерном электролите работала непрерывно в течение 55 суток с подпиткой водой со стороны катода и периодически со стороны анода.

Усредненные результаты весовых измерений на титановых анодах показали, что коррозионные потери на предлагаемой электрохимической ячейке ниже в 2 раза. Вольтамперные характеристики ячеек предлагаемой и по прототипу в процессе испытаний с течением времени показывали снижение величины клеммного напряжения, в среднем, на 30%. Величина импеданса определялась при частоте 3000 Гц, ослаблении 40 дБ, напряжении выхода 10 В и максимальной чувствительности. Результаты показали, что импеданс предлагаемой электрохимической ячейки составляет 9,07 Ом, что в 2 раза ниже ячейки по прототипу.

В течение 55 суток ресурсных испытаний предлагаемая ячейка показала стабильные характеристики, т.о. ресурс работы предлагаемой электрохимической ячейки в 55 суток превосходит ресурс ячейки по прототипу в 20 суток - в 2, 1 раза.

Исходя из вышеизложенного, использование нового технического решения показало в процессе испытаний ниже в 2 раза по сравнению с прототипом контактное сопротивление, ниже на 30% величину напряжения, высокую надежность и стабильность показателей процесса получения кислорода, а также более, чем в 2 раза увеличение длительности работы по сравнению с известными электрохимическими ячейками.

Полезная модель может быть использована:

- в топливных элементах;

- космических и подводных регенерационных системах;

- в клинической и профилактической медицине.

Электрохимическая ячейка для получения кислорода, содержащая корпус, пористые титановые электроды и твердый полимерный электролит, отличающаяся тем, что на поверхность пористых титановых электродов нанесена смесь оксидов на основе празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5, при этом дополнительно на поверхность твердого полимерного электролита нанесена смесь оксидов на основе празеодима, стронция и кобальта в соотношении 0,05:0,45:0,5.