RU2480539C2 - Material for carbon electrode - Google Patents
Material for carbon electrode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2480539C2 RU2480539C2 RU2011132721/05A RU2011132721A RU2480539C2 RU 2480539 C2 RU2480539 C2 RU 2480539C2 RU 2011132721/05 A RU2011132721/05 A RU 2011132721/05A RU 2011132721 A RU2011132721 A RU 2011132721A RU 2480539 C2 RU2480539 C2 RU 2480539C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- channels
- diameter
- electrode
- carbon electrode
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к материалам для газодиффузионных электродов электрохимических источников тока, в том числе для топливных элементов с полимерными протонообменными мембранами, использующихся в качестве высоконадежных, экологически чистых источников тока, например, для резервных устройств бесперебойного питания.The present invention relates to the field of electrical engineering, namely, materials for gas diffusion electrodes of electrochemical current sources, including for fuel cells with polymer proton exchange membranes, used as highly reliable, environmentally friendly current sources, for example, for backup uninterruptible power supplies.
Из уровня техники известен электрод топливного элемента из пластины монокристаллического кремния с ориентацией, на которой с помощью двусторонней фотолитографии и жидкостного анизотропного травления выполнены газораспределительные щелевые каналы, сообщающиеся с газоподводящими канавками, образуя сквозные каналы [Патент РФ 2382443 C1, H01M 4/86 Электрод топливного элемента 20.02.2010].From the prior art, a fuel cell electrode is known from a single-crystal silicon wafer with an orientation on which gas-distribution gap channels are made using double-sided photolithography and liquid anisotropic etching, communicating with gas supply grooves to form through channels [RF Patent 2382443 C1,
Недостатком данного электрода является то, что электропроводность кремния значительно ниже, чем электропроводность металла или углеродных материалов. Помимо этого размеры щелевых каналов, функционально соответствующих вертикальным сквозным цилиндрическим каналам заявляемого изобретения, ограничены возможностями оптической фотолитографии (более 2 мкм). А дополнительной естественной пористости электрод из монокристаллического кремния не имеет.The disadvantage of this electrode is that the electrical conductivity of silicon is much lower than the electrical conductivity of metal or carbon materials. In addition, the dimensions of the slotted channels functionally corresponding to the vertical through cylindrical channels of the claimed invention are limited by the capabilities of optical photolithography (more than 2 microns). And the electrode made of single-crystal silicon does not have additional natural porosity.
Наиболее близким к заявленному является материал, который может использоваться как паропроницаемый электрод электрохимических топливных элементов, выполненный из гибкого листа отпрессованного терморасширенного графита, проницаемого для паров и газов в поперечном направлении благодаря сформованным путем механического воздействия на поверхность листа каналам [Патент US 2003/0024967 A1, B23K 1/00 Fluid permeable flexible graphite article with enhanced electrical and thermal conductivity 06.02.2003].Closest to the claimed is a material that can be used as a vapor-permeable electrode of electrochemical fuel cells made of a flexible sheet of pressed thermally expanded graphite, permeable to vapors and gases in the transverse direction due to the channels formed by mechanical action on the surface of the sheet [Patent US 2003/0024967 A1, B23K 1/00 Fluid permeable flexible graphite article with enhanced electrical and thermal conductivity 02/06/2003].
Однако в прототипе в качестве материала электрода использован терморасширенный графит. Терморасширенный графит имеет низкую механическую прочность на разрыв и сжатие. При эксплуатации такого электрода в топливном элементе происходит его деформация под действием сжимающих напряжений со стороны газораспределительных пластин, в результате чего ухудшается прижим электрода к протонообменной мембране, следствием чего является ухудшение токосъема и уменьшение плотности рабочего тока. Деформация электрода из терморасширенного графита под действием сжимающих сил приводит к нестабильности эксплуатационных свойств топливных элементов. Кроме того, каналы в электроде имеют форму усеченных пирамид (или конусов). Основания каналов в виде усеченных пирамид (конусов) повернуты согласно описанию в сторону мембраны. Это приводит к тому, что снижается площадь контакта электрода с мембраной. В результате ухудшается токосъем и уменьшается предельная плотность тока. Одновременно использование электрода с каналами в виде усеченных пирамид (или конусов), сечения (зауженная часть отверстия каналов) которых повернуты от мембран в сторону газораспределительных пластин приводит к затруднению отвода паров воды и подвода газов в зону на каталитически активной поверхности мембраны, что снижает скорость протекания электрохимических реакций и уменьшает величину отводимого электрического тока. Вышеназванные недостатки принципиально неустранимы из-за низких прочностных свойств терморасширенного графита и специфики метода формообразования: инструмент, обеспечивающий образование отверстий, должен иметь пирамидальную или коническую форму. В прототипе метод образования отверстий в терморасширенном графите путем просечки листа терморасширенного графита пирамидальным (коническим) инструментом дает плохо контролируемую геометрию отверстий, что видно на фотографии с электронного микроскопа. Это приводит к разбросу электрофизических параметров электрода из терморасширенного графита и нестабильности свойств топливного элемента.However, in the prototype, thermally expanded graphite was used as the electrode material. Thermally expanded graphite has a low mechanical tensile and compressive strength. During operation of such an electrode in a fuel cell, it deforms under the action of compressive stresses from the side of the gas distribution plates, as a result of which the electrode pressure to the proton exchange membrane deteriorates, which leads to a decrease in current collection and a decrease in the current density. Deformation of the electrode from thermally expanded graphite under the action of compressive forces leads to instability of the operational properties of fuel cells. In addition, the channels in the electrode are in the form of truncated pyramids (or cones). The base of the channels in the form of truncated pyramids (cones) are turned according to the description towards the membrane. This leads to the fact that the contact area of the electrode with the membrane is reduced. As a result, the current collection decreases and the limiting current density decreases. At the same time, the use of an electrode with channels in the form of truncated pyramids (or cones) whose cross-sections (the narrowed part of the channel openings) are turned from the membranes towards the gas distribution plates makes it difficult to remove water vapor and supply gases to the zone on the catalytically active membrane surface, which reduces the flow rate electrochemical reactions and reduces the amount of discharged electric current. The aforementioned shortcomings are fundamentally unavoidable due to the low strength properties of thermally expanded graphite and the specifics of the method of forming: the tool that provides the formation of holes should have a pyramidal or conical shape. In the prototype, the method of forming holes in thermally expanded graphite by cutting a sheet of thermally expanded graphite with a pyramidal (conical) tool gives poorly controlled hole geometry, as can be seen in the photograph with an electron microscope. This leads to a scatter in the electrophysical parameters of the thermally expanded graphite electrode and the instability of the properties of the fuel cell.
В электроде, полученном в результате прессования (прокатки) терморасширенного графита, отсутствует естественная пористость, то есть подвод исходных реагентов и отвод образующихся продуктов химической реакции может осуществляться только через пирамидальные каналы, что не позволяет получить высокий газообмен в зоне электрохимической реакции.In the electrode obtained by pressing (rolling) thermally expanded graphite, there is no natural porosity, that is, the supply of the initial reagents and the removal of the resulting chemical reaction products can be carried out only through the pyramidal channels, which does not allow to obtain high gas exchange in the zone of the electrochemical reaction.
Техническим результатом заявленного изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение плотности рабочего тока топливного элемента, за счет повышения снимаемого с углеродного электрода тока и увеличения площади его контакта с протонообменной мембраной одновременно с повышением прочности углеродного электрода, препятствующей его деформации при эксплуатации в топливном элементе, и повышением газопроницаемости углеродного электрода за счет увеличения его пористости, улучшающей газообмен в зоне реакции.The technical result of the claimed invention is to eliminate these drawbacks, namely, increasing the density of the working current of the fuel cell by increasing the current removed from the carbon electrode and increasing the area of its contact with the proton exchange membrane while increasing the strength of the carbon electrode, which prevents its deformation during operation in the fuel cell, and increasing the gas permeability of the carbon electrode by increasing its porosity, which improves gas exchange in the reaction zone.
Указанный технический результат достигается тем, что материал для углеродного электрода, проницаемый для паров и газов в поперечном направлении, содержащий вертикальные сквозные каналы, отличается тем, что материал для углеродного электрода представляет собой углерод-углеродный композиционный материал на основе наполнителя технического углерода и связующего полиакрилонитрила при их соотношении 1:0,8 с вертикальными сквозными цилиндрическими каналами диаметром 8-52 мкм, с количеством каналов 150-250 на 1 мм2 поверхности, с диаметром естественных пор между частицами наполнителя 0,8-1,3 мкм, пористостью 22-75%, удельным объемным электрическим сопротивлением 4,7-7,2 мОм·см, прочностью на сжатие 54-159 МПа.The specified technical result is achieved in that the material for the carbon electrode, permeable to vapors and gases in the transverse direction, containing vertical through channels, is characterized in that the material for the carbon electrode is a carbon-carbon composite material based on a carbon black filler and a binder polyacrylonitrile at ratio of 1: 0.8 with vertical through cylindrical channels 8-52 microns in diameter, with the number of the channels 150-250 at 1 mm 2 surface, with a diameter of the natural ennyh interparticle void filler of 0.8-1.3 micron, a porosity of 22-75%
Существенными отличиями данного материала является то, что материал является композиционным материалом, полученным в результате высокотемпературной обработки препрега с наполнителем - техническим углеродом и связующим - полиакрилонитрилом. Материал имеет естественные поры диаметром 0,8-1,3 мкм, образованные пустотами между частицами наполнителя, а также в результате пиролиза связующего в ходе высокотемпературной обработки. Дополнительно материал имеет вертикальные сквозные цилиндрические каналы диаметром 8-52 мкм, образованные высокотемпературным пиролизом волокон, вертикально расположенных в препреге и определяющих диаметр каналов. Количество каналов на 1 мм2 поверхности составляет 150-250 и определяется количеством волокон в препреге. Такое сочетание признаков позволяет получить предельную плотность тока топливного элемента с данным материалом в качестве электрода 1650-2260 мА/см2. Заявленной совокупности признаков в известном уровне техники не обнаружено, поэтому созданный материал обладает существенными отличиями.Significant differences of this material is that the material is a composite material obtained as a result of high-temperature processing of the prepreg with a filler - carbon black and a binder - polyacrylonitrile. The material has natural pores with a diameter of 0.8-1.3 μm, formed by voids between the filler particles, and also as a result of binder pyrolysis during high-temperature processing. Additionally, the material has vertical through cylindrical channels with a diameter of 8-52 μm, formed by high-temperature pyrolysis of fibers vertically located in the prepreg and determining the diameter of the channels. The number of channels per 1 mm 2 surface is 150-250 and is determined by the number of fibers in the prepreg. This combination of features allows you to get the maximum current density of the fuel cell with this material as an electrode 1650-2260 mA / cm 2 . The claimed combination of features in the prior art is not found, therefore, the created material has significant differences.
На фигурах 1-5 для лучшего понимания сущности предлагаемого изобретения представлены следующие изображения.In figures 1-5 for a better understanding of the essence of the invention, the following images are presented.
На фигуре 1 представлено схематичное изображение заявленного изобретения - материала для углеродного электрода, где 1 - углерод-углеродный композиционный материал, обладающий естественными порами 2 между частицами наполнителя, 3 - вертикальные сквозные цилиндрические каналы.The figure 1 shows a schematic representation of the claimed invention - a material for a carbon electrode, where 1 is a carbon-carbon composite material having natural pores 2 between the filler particles, 3 are vertical through cylindrical channels.
На фигуре 2 представлено схематичное изображение матрицы для получения материала для углеродного электрода, где 4 - тканевая основа из полиэфирной пряжи, 5 - акриловый клей, 6 - вертикально выстроенные полиэфирные волокна.The figure 2 presents a schematic image of a matrix to obtain material for a carbon electrode, where 4 is a fabric base of polyester yarn, 5 is an acrylic adhesive, 6 is a vertically aligned polyester fiber.
На фигуре 3 представлено схематичное изображение матрицы, заполненной порошкообразным углеродным наполнителем - техническим углеродом, где 4 - тканевая основа из полиэфирной пряжи, 5 - акриловый клей, 6 - вертикально выстроенные полиэфирные волокна, 7 - технический углерод.The figure 3 presents a schematic representation of a matrix filled with a powdered carbon filler - carbon black, where 4 is a fabric base of polyester yarn, 5 is acrylic adhesive, 6 is a vertically aligned polyester fiber, 7 is carbon black.
На фигуре 4 приведен график зависимости напряжения топливной ячейки от плотности тока, полученный при испытании полученного материала и материала прототипа, где кривая 8 соответствует прототипу, кривая 9 соответствует примеру 3, кривая 10 соответствует примеру 6.The figure 4 shows a graph of the dependence of the voltage of the fuel cell on the current density obtained by testing the obtained material and the material of the prototype, where
На фигуре 5 приведен график зависимости удельной мощности от плотности тока, полученный при испытании полученного материала и материала прототипа, где кривая 11 соответствует прототипу, кривая 12 соответствует примеру 3, кривая 13 соответствует примеру 6.Figure 5 shows a graph of the specific power versus current density obtained by testing the obtained material and the material of the prototype, where curve 11 corresponds to the prototype,
Материал для углеродного электрода получают следующим образом.The material for the carbon electrode is obtained as follows.
Создают матрицу (фигура 2). Для этого на тканевую основу из полиэфирной пряжи 4 наносят акриловый клей 5. Затем методом электрофлокирования в электрическом поле напряженностью 0,45 кВ/см на клею вертикально выстраивают полиэфирные волокна 6 диаметром 8-52 мкм с плотностью нанесения 150-250 волокон на 1 мм2. Волокна формируют собой будущие вертикальные сквозные цилиндрические каналы (фигура 1 позиция 3). Пустоты матрицы наполняют порошкообразным углеродным наполнителем - техническим углеродом 7 (фигура 3). Скрепляют порошкообразный углеродный наполнитель путем пропитки раствором связующего, представляющего собой раствор полиакрилонитрила в N,N-диметилформамиде с концентрацией 15%. Сушат в сушильном шкафу при температуре 70°С до полного высыхания. Проводят горячее прессование при температуре 220°С в течение 10 минут при давлении 20 МПа. Проводят предокисление связующего при температуре 220°С в течение 4 часов. Для удаления полиэфирных волокон и образования на их месте вертикальных сквозных цилиндрических каналов, а также для перевода связующего в кокс и тем самым повышения его электропроводности проводят карбонизацию в токе инертного газа, например азота, при температуре 800°С, а затем графитацию в токе инертного газа, например азота, при температуре 2400°С.Create a matrix (figure 2). To do this, an
В результате получают материал для углеродного электрода (фигура 1) из углерод-углеродного композиционного материала 1, обладающего естественными порами 2 в виде листа с вертикальными сквозными цилиндрическими каналами 3.The result is a material for a carbon electrode (figure 1) from a carbon-carbon composite material 1 having natural pores 2 in the form of a sheet with vertical through cylindrical channels 3.
Полученный материал обладает вертикальными сквозными цилиндрическими каналами диаметром 8-52 мкм, количество каналов 150 -250 каналов на 1 мм2 поверхности, диаметром естественных пор между частицами наполнителя 0,8-1,3 мкм, пористостью 22-75%, удельным объемным электрическим сопротивлением 4,7-7,2 мОм·см, прочностью на сжатие 54-159 МПа. Полученный материал обеспечивает предельную плотность тока топливного элемента 1650-2260 мА/см2 (фигуры 4, 5).The resulting material has vertical through cylindrical channels with a diameter of 8-52 microns, the number of channels 150 -250 channels per 1 mm 2 surface, the diameter of the natural pores between the filler particles 0.8-1.3 microns, porosity 22-75%, specific volume electrical resistance 4.7-7.2 mOhm · cm, compressive strength 54-159 MPa. The resulting material provides the maximum current density of the fuel cell 1650-2260 mA / cm 2 (figures 4, 5).
На фигуре 4 представлены экспериментальные зависимости напряжения топливной ячейки от плотности тока. Во всем диапазоне измеряемых токов и напряжений вольт-амперные кривые, полученные при использовании углеродного электрода из заявленного материала: пример 3 - кривая 9 и пример 6 - кривая 10, - лежат выше, чем для прототипа - кривая 8. Это свидетельствует о высоких характеристиках созданного материала. Созданный углеродный материал обеспечивает меньшие потери напряжения в топливной ячейке. Созданный материал позволяет уменьшить потери, обусловленные массопереносом подводимых к зоне электрохимической реакции реагентов и отводимого продукта реакции - воды, особенно при плотностях тока более 500 мА/см2. Это обусловлено совокупностью характеристик материала, включая высокую пористость, обеспеченную как вертикальными сквозными цилиндрическими каналами 2, так и естественными порами 3 углерод-углеродного композита, низкое удельное объемное электрическое сопротивление углеродного материала, высокую прочность, обеспечивающую плотный прижим материала электрода к полимерной протонообменной мембране топливной ячейки.The figure 4 presents the experimental dependence of the voltage of the fuel cell on the current density. In the entire range of measured currents and voltages, the current-voltage curves obtained using a carbon electrode from the claimed material: example 3 — curve 9 and example 6 —
Сказанное подтверждают и зависимости удельной мощности, снимаемой с топливной ячейки, от плотности тока, показанные на фигуре 5, построенные на основе зависимостей фигуры 4. Максимальную удельную мощность обеспечивает углеродный электрод из заявленного материала: максимумы зависимостей 12 и 13 больше максимума зависимости 11.The aforementioned is also confirmed by the dependences of the specific power taken from the fuel cell on the current density shown in figure 5, built on the basis of the dependences of figure 4. The maximum specific power is provided by the carbon electrode from the claimed material: the maximums of
Пример 1. Создают матрицу. Для этого на тканевую основу из полиэфирной пряжи наносят акриловый клей. Затем методом электрофлокирования в электрическом поле напряженностью 0,45 кВ/см на клею вертикально выстраивают полиэфирные волокна диаметром 8 мкм с плотностью нанесения 250 волокон на 1 мм2. Волокна формируют собой будущие вертикальные сквозные цилиндрические каналы. Пустоты матрицы наполняют порошкообразным углеродным наполнителем - техническим углеродом. Скрепляют порошкообразный углеродный наполнитель путем пропитки раствором связующего, представляющего собой раствор полиакрилонитрила в N,N-диметилформамиде с концентрацией 15%. Сушат в сушильном шкафу при температуре 70°С до полного высыхания. Проводят горячее прессование при температуре 220°С в течение 10 минут при давлении 20 МПа. Проводят предокисление связующего при температуре 220°С в течение 4 часов. Для удаления полиэфирных волокон и образования на их месте вертикальных сквозных цилиндрических каналов, а также для перевода связующего в кокс и тем самым повышения его электропроводности проводят карбонизацию в токе инертного газа, например азота, при температуре 800°С, а затем графитацию в токе инертного газа, например азота, при температуре 2400°С.Example 1. Create a matrix. To do this, acrylic adhesive is applied to the fabric base of polyester yarn. Then, by electroflocking in an electric field with a strength of 0.45 kV / cm, polyester fibers with a diameter of 8 μm with a deposition density of 250 fibers per 1 mm 2 are vertically aligned on the adhesive. Fibers form future vertical through cylindrical channels. The voids of the matrix are filled with a powdery carbon filler - carbon black. The powdery carbon filler is bonded by impregnation with a solution of a binder, which is a solution of polyacrylonitrile in N, N-dimethylformamide with a concentration of 15%. It is dried in an oven at a temperature of 70 ° C until completely dry. Hot pressing is carried out at a temperature of 220 ° C for 10 minutes at a pressure of 20 MPa. Binder is oxidized at a temperature of 220 ° C for 4 hours. To remove polyester fibers and form vertical through cylindrical channels in their place, as well as to transfer the binder into coke and thereby increase its electrical conductivity, carbonization is carried out in a stream of inert gas, for example nitrogen, at a temperature of 800 ° C, and then graphitization in a stream of inert gas , for example nitrogen, at a temperature of 2400 ° C.
В результате получают материал для углеродного электрода в виде листа с вертикальными сквозными цилиндрическими каналами.The result is a material for the carbon electrode in the form of a sheet with vertical through cylindrical channels.
Как видно из таблицы 1, при диаметре каналов 8 мкм и их количестве на 1 мм2 поверхности образца 250 пористость полученного материала для углеродного электрода составляет 27%, удельное объемное электрическое сопротивление - 4,9 мОм·см, прочность на сжатие - 153 МПа. Диаметр естественных пор между частицами наполнителя составляет 0,8-1,3 мкм. Материал обеспечивает предельную плотность тока - 1680 мА/см2.As can be seen from table 1, with a channel diameter of 8 μm and their number per 1 mm 2 of the sample surface 250, the porosity of the obtained material for the carbon electrode is 27%, the specific volume electric resistance is 4.9 mΩ · cm, and the compressive strength is 153 MPa. The diameter of the natural pores between the filler particles is 0.8-1.3 microns. The material provides an ultimate current density of 1680 mA / cm 2 .
При диаметре каналов 8 мкм максимальное их количество на 1 мм2 поверхности образца составляет 250. Увеличение количества каналов при их диаметре 8 мкм приводит к увеличению удельного объемного электрического сопротивления, что снижает предельную плотность тока, и снижению прочности на сжатие, что затрудняет или делает невозможным использование таких материалов в качестве материалов для углеродных электродов.With a channel diameter of 8 μm, the maximum number of channels per 1 mm 2 of the surface of the sample is 250. An increase in the number of channels with a diameter of 8 μm leads to an increase in the specific volumetric electrical resistance, which reduces the limiting current density and a decrease in compressive strength, which makes it difficult or impossible the use of such materials as materials for carbon electrodes.
Остальные материалы (примеры 2-6) были получены по вышеизложенной технологии. Изменения связаны только с диаметром каналов и их количеством. Диаметр естественных пор между частицами наполнителя составляет 0,8-1,3 мкм.The remaining materials (examples 2-6) were obtained by the above technology. Changes are associated only with the diameter of the channels and their number. The diameter of the natural pores between the filler particles is 0.8-1.3 microns.
Пример 2. При диаметре каналов 8 мкм и их количестве на 1 мм2 поверхности образца 200 пористость полученного материала для углеродного электрода составляет 25%, удельное объемное электрическое сопротивление - 4,8 мОм·см, прочность на сжатие - 155 МПа, материал обеспечивает предельную плотность тока - 1660 мА/см2.Example 2. With a channel diameter of 8 μm and their number per 1 mm 2 of the
Пример 3. При диаметре каналов 8 мкм и их количестве на 1 мм2 поверхности образца 150 пористость полученного материала для углеродного электрода составляет 22%, удельное объемное электрическое сопротивление - 4,7 мОм·см, прочность на сжатие - 159 МПа, материал обеспечивает предельную плотность тока - 1650 мА/см2.Example 3. With a channel diameter of 8 μm and their number per 1 mm 2 of the sample surface 150, the porosity of the obtained material for the carbon electrode is 22%, the specific volumetric electrical resistance is 4.7 mOhm · cm, the compressive strength is 159 MPa, the material provides the ultimate current density - 1650 mA / cm 2 .
Дальнейшее уменьшение количества каналов на 1 мм2 поверхности образца менее 150 приводит к существенному снижению проницаемости для паров и газов и, следовательно, не может обеспечить высокую предельную плотность тока.A further decrease in the number of channels per 1 mm 2 of the sample surface less than 150 leads to a significant decrease in permeability for vapors and gases and, therefore, cannot provide a high ultimate current density.
Пример 4. При диаметре каналов 23 мкм и их количестве на 1 мм2 поверхности образца 200 пористость полученного материала для углеродного электрода составляет 35%, удельное объемное электрическое сопротивление - 5,3 мОм·см, прочность на сжатие - 98 МПа, материал обеспечивает предельную плотность тока - 1850 мА/см2.Example 4. With a channel diameter of 23 μm and their number per 1 mm 2 of the
При диаметре каналов 23 мкм максимальное их количество на 1 мм2 поверхности образца составляет 200, так как увеличение количества каналов при их диаметре 23 мкм приводит к увеличению удельного объемного электрического сопротивления, что снижает предельную плотность тока, и снижению прочности на сжатие, что затрудняет или делает невозможным использование таких материалов в качестве материалов для углеродных электродов.When the diameter of the channels is 23 μm, their maximum number per 1 mm 2 of the surface of the sample is 200, since an increase in the number of channels with their diameter of 23 μm leads to an increase in the specific volume electric resistance, which reduces the limiting current density and a decrease in compressive strength, which makes it difficult or makes it impossible to use such materials as materials for carbon electrodes.
Пример 5. При диаметре каналов 23 мкм и их количестве на 1 мм2 поверхности образца 150 пористость полученного материала для углеродного электрода составляет 33%, удельное объемное электрическое сопротивление - 5,1 мОм·см, прочность на сжатие - 101 МПа, материал обеспечивает предельную плотность тока - 1820 мА/см2.Example 5. With a channel diameter of 23 μm and their number per 1 mm 2 of the sample surface 150, the porosity of the obtained material for the carbon electrode is 33%, the specific volumetric electrical resistance is 5.1 mOhm · cm, the compressive strength is 101 MPa, the material provides the ultimate current density - 1820 mA / cm 2 .
Дальнейшее уменьшение количества каналов на 1 мм2 поверхности образца менее 150 приводит к существенному снижению проницаемости для паров и газов и, следовательно, не может обеспечить высокую предельную плотность тока.A further decrease in the number of channels per 1 mm 2 of the sample surface less than 150 leads to a significant decrease in permeability for vapors and gases and, therefore, cannot provide a high ultimate current density.
При диаметре каналов 52 мкм увеличение количества каналов на 1 мм2 поверхности образца более 150 приводит к увеличению удельного объемного электрического сопротивления, что снижает предельную плотность тока, и снижению прочности на сжатие, что затрудняет или делает невозможным использование таких материалов в качестве материалов для углеродных электродов; уменьшение количества каналов на 1 мм2 поверхности образца менее 150 приводит к существенному снижению проницаемости для паров и газов и, следовательно, не может обеспечить высокую предельную плотность тока.With a channel diameter of 52 μm, an increase in the number of channels per 1 mm 2 of the sample surface more than 150 leads to an increase in the specific volumetric electrical resistance, which reduces the limiting current density, and to a decrease in compressive strength, which makes it difficult or impossible to use such materials as materials for carbon electrodes ; a decrease in the number of channels per 1 mm 2 of the sample surface less than 150 leads to a significant decrease in permeability for vapors and gases and, therefore, cannot provide a high ultimate current density.
Пример 6. При диаметре каналов 52 мкм и их количестве на 1 мм2 поверхности образца 150 пористость полученного материала для углеродного электрода составляет 75%, удельное объемное электрическое сопротивление - 7,2 мОм·см, прочность на сжатие - 54 МПа, материал обеспечивает предельную плотность тока - 2260 мА/см2.Example 6. With a channel diameter of 52 μm and their number per 1 mm 2 of the sample surface 150, the porosity of the obtained material for the carbon electrode is 75%, the specific volume electric resistance is 7.2 mOhm · cm, the compressive strength is 54 MPa, the material provides the ultimate current density - 2260 mA / cm 2 .
Как видно из данных таблицы 1, диаметр каналов составляет от 8 до 52 мкм. Увеличение диаметра каналов более 52 мкм приводит к увеличению удельного объемного электрического сопротивления, что снижает предельную плотность тока, и снижению прочности на сжатие, что затрудняет или делает невозможным использование таких материалов в качестве материалов для углеродных электродов; уменьшение диаметра каналов менее 8 мкм приводит к существенному снижению проницаемости для паров и газов и, следовательно, не может обеспечить высокую предельную плотность тока.As can be seen from the data in table 1, the diameter of the channels is from 8 to 52 microns. An increase in the channel diameter of more than 52 μm leads to an increase in the specific volume electric resistivity, which reduces the limiting current density, and to a decrease in compressive strength, which makes it difficult or impossible to use such materials as materials for carbon electrodes; reducing the diameter of the channels less than 8 microns leads to a significant reduction in permeability to vapors and gases and, therefore, cannot provide a high ultimate current density.
Таким образом, при получении углеродного электрода из композиционного материала, полученного в результате высокотемпературной обработки препрега с наполнителем - техническим углеродом и связующим - полиакрилонитрилом, имеющим естественные поры диаметром 0,8-1,3 мкм, образованные пустотами между частицами наполнителя, а также в результате пиролиза части связующего в ходе высокотемпературной обработки дополнительно с формированием вертикальных сквозных цилиндрических каналов, был достигнут технический результат, заключающийся в повышении плотности рабочего тока топливного элемента, за счет повышения снимаемого с углеродного электрода тока и увеличения площади его контакта с протонообменной мембраной одновременно с повышением прочности углеродного электрода, препятствующей его деформации при эксплуатации в топливном элементе, и повышением газопроницаемости углеродного электрода за счет увеличения его пористости, улучшающей газообмен в зоне реакции.Thus, upon receipt of a carbon electrode from a composite material obtained as a result of high-temperature processing of a prepreg with a filler — carbon black and a binder — polyacrylonitrile having natural pores with a diameter of 0.8-1.3 μm, formed by voids between the filler particles, and also as a result pyrolysis of a portion of the binder during high-temperature processing in addition to the formation of vertical through cylindrical channels, the technical result was achieved, which consists in increasing the density of the working current of the fuel cell, by increasing the current removed from the carbon electrode and increasing the area of its contact with the proton exchange membrane, while increasing the strength of the carbon electrode, which prevents its deformation during operation in the fuel cell, and increasing the gas permeability of the carbon electrode by increasing its porosity, improving gas exchange in the reaction zone.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011132721/05A RU2480539C2 (en) | 2011-08-03 | 2011-08-03 | Material for carbon electrode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011132721/05A RU2480539C2 (en) | 2011-08-03 | 2011-08-03 | Material for carbon electrode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011132721A RU2011132721A (en) | 2013-02-10 |
| RU2480539C2 true RU2480539C2 (en) | 2013-04-27 |
Family
ID=49119559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011132721/05A RU2480539C2 (en) | 2011-08-03 | 2011-08-03 | Material for carbon electrode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2480539C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2057740C1 (en) * | 1991-11-15 | 1996-04-10 | Институт химии Уральского отделения АН СССР | Charge for foamceramic material producing |
| RU2151737C1 (en) * | 1997-05-30 | 2000-06-27 | Акционерное общество закрытого типа "Карбид" | Method of preparing porous carbon product and porous carbon product obtained by said method |
| EP1099266B1 (en) * | 1998-07-09 | 2002-06-05 | Ucar Carbon Technology Corporation | Electrode made of flexible graphite composite |
| UA74868C2 (en) * | 2003-08-12 | 2006-02-15 | Lytvynenko Inst Of Physico Org | A method for producing carbon-carbonic composite material based on swollen graphite and amorphous carbon |
-
2011
- 2011-08-03 RU RU2011132721/05A patent/RU2480539C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2057740C1 (en) * | 1991-11-15 | 1996-04-10 | Институт химии Уральского отделения АН СССР | Charge for foamceramic material producing |
| RU2151737C1 (en) * | 1997-05-30 | 2000-06-27 | Акционерное общество закрытого типа "Карбид" | Method of preparing porous carbon product and porous carbon product obtained by said method |
| EP1099266B1 (en) * | 1998-07-09 | 2002-06-05 | Ucar Carbon Technology Corporation | Electrode made of flexible graphite composite |
| UA74868C2 (en) * | 2003-08-12 | 2006-02-15 | Lytvynenko Inst Of Physico Org | A method for producing carbon-carbonic composite material based on swollen graphite and amorphous carbon |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011132721A (en) | 2013-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5621949B1 (en) | Gas diffusion layer for fuel cell and manufacturing method thereof | |
| JP6206186B2 (en) | Gas diffusion electrode base material for fuel cells | |
| JP6489009B2 (en) | Gas diffusion electrode substrate | |
| WO2016076132A1 (en) | Gas diffusion electrode base and method for producing gas diffusion electrode base | |
| JP2009211928A (en) | Carbon fiber paper and method of manufacturing the same | |
| KR20150015486A (en) | Gas diffusion electrode substrate for fuel cell | |
| JPWO2016060045A1 (en) | Carbon sheet, gas diffusion electrode substrate, and fuel cell | |
| JPWO2019049934A1 (en) | Gas diffusion layer base material for fuel cells, gas diffusion layer for fuel cells, fuel cells | |
| JP7302474B2 (en) | gas diffusion layer, membrane electrode assembly and fuel cell | |
| RU2482575C2 (en) | Carbon electrode material | |
| RU2480539C2 (en) | Material for carbon electrode | |
| EP3525274B1 (en) | Electrode structure and redox flow battery comprising same | |
| RU2480538C2 (en) | Material for carbon electrode | |
| RU2482574C2 (en) | Carbon electrode material | |
| KR20230163372A (en) | Electrode substrate and method of manufacturing the same | |
| JP2006331786A (en) | Electrode material for fuel cell, and manufacturing method thereof | |
| JP2010080286A (en) | Porous electrode base material, manufacturing method therefor, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell | |
| JP4423063B2 (en) | Membrane / electrode assembly and polymer electrolyte fuel cell using the same | |
| JP2007258161A (en) | Manufacturing method of material for gas diffusion electrode, gas diffusion electrode and solid polymer electrolyte fuel cell | |
| JP6135826B2 (en) | Gas diffusion electrode substrate and method for producing the same | |
| JP2014531118A (en) | Gas diffusion substrate | |
| CN118805276A (en) | Carbon sheet, and gas diffusion electrode substrate, membrane electrode assembly, and fuel cell using the same | |
| EP4254568A1 (en) | Gas diffusion electrode base material product and polymer electrolyte fuel cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150804 |