Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ ЭЛЕКТРОДЫ/КОЛЛЕКТОРЫ ТОКА ДЛЯ АНОДОВ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ ЯЧЕЕК С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ

https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.25-27.088-099

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрен процесс получения коррозионно-стойких электродов с помощью экологически чистого метода магнетронного распыления для кислотных электрохимических систем с твердым полимерным электролитом, в частности, топливных элементов, электролизеров, кислородных насосов. Был найден способ получения электродов с электрохимической устойчивостью, близкой к устойчивости платины, но с резко сниженным ее содержанием, что позволит уменьшить стоимость соответствующей установки. В качестве основы для электродов был выбран титан как в форме гладкой фольги, так и в пористом виде, за счёт которого был снижен вес электрода. Наносились покрытия из палладия, платины или платины с углеродом. Толщина и микроструктура покрытий исследовались методами обратного рассеяния Резерфорда и электронной микроскопии. Испытания на стабильность проводили с использованием этих покрытий в качестве анодов в 1 М серной кислоте при 25 ºC и плотности тока 50 мА/см2 . Было продемонстрировано, что покрытия, полученные при распылении с постоянным током и с отрицательным смещением напряжения на титановой подложке, имели самую плотную структуру и высокую стабильность. В импульсном режиме стабильность была ниже и уменьшалась с ростом частоты импульсов при получении более пористой структуры. Сравнение покрытий с различной композицией показало, что платина даёт более высокую стабильность, чем палладий и платина с углеродом. Доказано, что применение этих покрытий резко повышает стабильность электродов и токоприемников из титановой фольги и пористого титана. Получаемые материалы предполагается применять в топливных элементах и электрохимических кислородных насосах.

 

Об авторах

В. Н. Фатеев
НИЦ «Курчатовский институт»
Россия
д-р хим. наук, профессор НИЦ «Курчатовский институт», заместитель руководителя ККФХТ по научной работе


О. К. Алексеева
НИЦ «Курчатовский институт»
Россия
канд. физ.-мат. наук, начальник отдела физикохимии и технологии новых материалов


В. И. Порембский
НИЦ «Курчатовский институт»
Россия
заместитель руководителя отделения


А. И. Михалев
НИЦ «Курчатовский институт»; Институт прикладной механики (ИПРИМ РАН)
Россия
аспирант Института прикладной механики РАН, инженер-исследователь НИЦ «Курчатовский институт»


С. М. Никитин
НИЦ «Курчатовский институт»; Институт прикладной механики (ИПРИМ РАН); Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына (НИИЯФ МГУ)
Россия
канд. хим. наук, НИИЯФ МГУ, начальник лаборатории НИЦ «Курчатовский институт»


Список литературы

1. Eladeb, B. Electrochemical extraction of oxygen using PEM electrolysis technologies technologies [Text] / B. Eladeb [et al.] // J. Electrochem. Sci. Eng. – 2012. – Vol. 2. – No. 4. – P. 211–221.

2. Discovery research group, 4 октября 2017 Объем рынка кислорода в России в 2016 г. составил 17 288,3 тыс. т, что эквивалентно $2 373,2 млн [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://marketing.rbc.ru/articles/9925 – (Дата обращения: 25.08.2017).

3. ГРАСИС Продукция. Кислородные установки и станции [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.grasys.ru/products/gas/kislorodnyeustanovki – (Дата обращения: 25.08.2017).

4. Пат. 133653 Российская Федерация, МПК7 H01M8/00 H01M8/12 Электрохимический модуль для твердоэлектролитного кислородного насоса / Волощенко Г.Н..; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». – № 2013130274/07; заявл. 03.07.2013; опубл. 20.10.2013. Бюл. № 29.

5. Grigoriev, S.A. Evaluation of carbon-supported Pt and Pd nanoparticles for the hydrogen evolution reaction in PEM water electrolysers [Text] / S.A.Grigoriev, P. Millet, V.N. Fateev // Journal of Power Sources. – 2008. – Vol. 177. – Iss. 2. – P. 281–285.

6. Patent RU 2016613524 20.04.2016 Программа для ЭВМ: Модель системы кондиционирования атмосферы мобильного аппарата / Волощенко Г. Н.

7. Пат. EP 0682379 США, IPC1-7 B01D53/32; C25B1/02; C25B9/00; C25B9/06; C25B9/08; C25B9/18; G01N27/41; G01N27/419; H01M8/02; H01M8/06; H01M8/12; H01M8/24; Series planar construction for solid electrolyte oxygen pump. Carolan M.F., Dyer P.N., E. Minford, Russek S. L., Wilson M. A., Taylor D. M., Henderson B.T. заявитель и патентообладатель Air products and chemicals, inc – № 19950106935; заявл. 08.05.95; опубл. 15.11.95, Бюл. № 95/46.

8. Grigoriev S.A., Optimization of porous current collectors for PEM water electrolysers. / S.A.Grigoriev et al. // International journal of hydrogen energy. − 2009. − Vol. 34. − P. 4968−4973

9. Grigoriev, S.A. Mathematical modeling and experimental study of the performance of PEM water electrolysis cell with different loadings of platinum metals in electrocatalytic layers [Text] / S.A. Grigoriev, A.A. Kalinnikov // International journal of hydrogen energy. − 2017. − Vol. 42. – P.1590 −1597

10. Huth, A. A proton pump concept for the investigation of proton transport and anode kinetics in proton exchange membrane fuel cells [Text] / A. Huth, B. Schaar, T. Oekermann // Electrochim Acta. – 2009. – Vol. 54. – P. 2774–2780.

11. Barbir, F. Electrochemical hydrogen pump for recirculation of hydrogen in a fuel cell stack [Text] / F. Barbir, H. Görgün // Journal of Applied Electrochemistry. – 2007. – Vol. 37. – Iss. 3. – P. 359–365.

12. Sarakinos, K. High power pulsed magnetron sputtering: A review on scientific and engineering state of the art [Text] / K. Sarakinos, J. Alami, S. Konstantinidis // Surface & Coatings Technology. – 2010. – Vol. 204. – P. 1661–1684.

13. Xie, L. Molecular dynamics simulations of clusters and thin film growth in the context of plasma sputtering deposition [Text] / L.Xie, et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2014. – Vol. 47. – P. 224004.

14. Kelly, P.J. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications [Text] / P.J. Kelly, R.D. Arnell // Vacuum. – 2000. – Vol. 56. – P. 159–172.

15. Radev, I. Optimization of platinum/iridium ratio in thin sputtered films for PEMFC cathodes / Radev I. [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37. – P. 7730–7735.

16. Hirano, S. High performance proton exchange membrane fuel cells with sputter-deposited Pt layer electrodes [Text] / S. Hirano, J. Kim, S. Srinivasan // Electrochim. Acta. – 1997. – Vol. 42. – P. 1587–1593.

17. Kim, H.-T. Platinum-sputtered electrode based on blend of carbon nanotubes and carbon black for polymer electrolyte fuel cell [Text] / Kim H.-T., Lee J.-K., Kim J. // J. of Power Sources. – 2008. – Vol. 180. – P. 191–194.

18. Plasma-assisted Pt and Pt-Pd nano-particles deposition on carbon carriers for application in PEM electrochemical cells [Text] / A.A. Fedotov [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 2013. – Vol. 38. – P. 8568–8574.

19. Fedotov, A.A. Characterization of carbonsupported platinum nano-particles synthesized using magnetron sputtering for application in PEM electrochemical systems [Text] / A.A Fedotov [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 2013. – Vol. 38. – P. 426–430.

20. Федотов, А.А. Метод синтеза наноструктурных электрокатализаторов, основанный на магнетронно-ионном распылении [Текст] / А.А. Федотов [и др.] // Кинетика и катализ. – 2012. – Т. 53. – С. 803–809.

21. Alexeeva, O.K. Application of the magnetron sputtering for nanostructured electrocatalysts synthesis [Text] / O.K. Alexeeva, V.N. Fateev // Int. J. Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 41. – P. 3373–3386.

22. Alexeeva, O. Preparation of hydride-forming intermetallic films [Text] / O. Alexeeva, A. Chistov, V. Sumarokov // Int. J. Hydrogen Energy. – 1995. – Vol. 20. – P. 397–399.

23. Alexeeva, O.K. Interaction of magnetron sputtered PrNi5 films with hydrogen [Text] / O. Alexeeva, A. Chistov, V. Sumarokov // Int. J. Hydrogen Energy. – 1996. – Vol. 21. – P. 1001–1003.

24. Alexeeva, O.K. Interaction of hydrogen sulfide with Ni-Al protective coatings prepared by vacuum deposition [Text] / O.K. Alexeeva [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 1999. – Vol. 24. – P. 235–239.

25. Alexeeva, O.K. Creation of hydrogen - selective tubular composite membranes based on Pd-alloys: I. Improvement of ceramic support with Ni layer deposition // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials, T.N. Veziroglu et al. (eds.), New York, Springer, 2007, pp. 95–103.

26. Алексеева, О.К. Характеристики нанесенного ленточного катализатора с активным слоем никеля Ренея [Текст] / О.К.Алексеева и [др.] // Кинетика и катализ. – 1987. – Т. 28. – С. 240–243.

27. Alexeeva О.K., Modified hydrogen sulfide adsorbents-catalysts [Text] / О.K. Alexeeva // Int. J. Hydrogen Energy. – 1994. – Vol. 19. – P. 693–696.

28. Giannuzzi, L.A. Introduction to Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques and Practice [Text] / L.A.Giannuzzi, F.A. Stevie. − Springer Press., 2005. − 357 p.

29. Shemukhin, A.A. Investigation of transmission of 1.7-MeV He+ beams through porous alumina membranes [Text] / A.A.Shemukhin, E.N. Muratova // Technical Physics Letters. − 2014. − Vol. 40. – Iss. 3. − P. 219−221.

30. Shemukhin, A.A. Defect formation and recrystallization in the silicon on sapphire films under Si+ irradiation [Text] /A.A. Shemukhin [et al.] // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect B. − 2015. − Vol. 354. − P. 274−276.


Для цитирования:


Фатеев В.Н., Алексеева О.К., Порембский В.И., Михалев А.И., Никитин С.М. КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ ЭЛЕКТРОДЫ/КОЛЛЕКТОРЫ ТОКА ДЛЯ АНОДОВ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ ЯЧЕЕК С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2017;(25-27):88-99. https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.25-27.088-099

For citation:


Fateev V.N., Alekseeva O.K., Porembskiy V.I., Mikhalev A.I., Nikitin S.M. CORROSION RESISTANT ELECTRODES / CURRENT COLLECTORS FOR ANODES OF ELECTROLYSIS CELLS WITH SOLID POLYMER ELECTROLYTE. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2017;(25-27):88-99. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.25-27.088-099

Просмотров: 157


ISSN 1608-8298 (Print)