При анализе свойств газодиффузионных электродов структура активного слоя представляется часто регуляр­ной в виде, например, периодически распределенных в J02

массе катализатора газовых пор в форме цилиндров или узких щелей. При этом размер пор и расстояние между ними обеспечивают отсутствие диффузионных потерь.

В реальных электродах снижение диффузионных по­терь достигается созданием активного слоя с изотроп­ной системой гидрофильных или гидрофобных газопод­водящих пор и уменьшением размера гранул катализа­тора, заполненных электролитом. Создание эффектив­ной системы газовых пор приводит к значительному снижению эффективной удельной проводимости электро­лита 0 вплоть до (2—3%)0о, в то время как значение о для такого же электрода, полностью заполненного элек­тролитом, достигает (40—70%) ао. Принципиальное же различие между электродами с анизотропной (регуляр­ной) и изотропной структурами заключается в различ­ной зависимости а=/(еж), где еж— жидкостная пори­стость. Так, для регулярной структуры 0=0Оєж, а для изотропной 0=0Оє2ж (закон Арчи). При определенном отношении между эффективными параметрами актив­ного слоя электрод с изотропной или анизотропной структурой будет иметь максимальную активность. По­лучим для этого случая соотношение между эффектив­ными параметрами, что даст возможность сравнить активность реальных электродов с активностью электро­дов с оптимальной структурой, обеспечивающей при выбранном катализаторе максимальную активность. Для анизотропной структуры 0=0Оеж, s—s0(l—єг—єж), где s0=sy (см2/г).рк, рк —истинная плотность катали­затора, ег— газовая пористость. Отсюда получаем

77" =єж(1 — £ж — «г)-

Максимальная активность достигается при макси­мальном значении произведения os, равном

(3.26)

при

еж=(1—Вт) 12. (3.26а)

Для изотропной структуры 0 = 0ОЄ2Ж, S = So(1—Еж— - бг) и максимальное значение произведения os

= 4(-ЦР)‘ ........... (3-27)

1/2

риментально определены $ , s0, а; еж вычислена по формуле еж = (з/з0) при

еж=2(1—ег) /3. (3.27а)

В табл. 3.2 сравниваются значения 0 и s в электро­дах с оптимальной изотропной и анизотропной структу­рами при различных значениях газовой пористости. В таблицу включены также экспериментально опреде­ленные значения о и s для реальных электродов. При использовании выражений (3.26) и (3.27) для оптими­зации структуры реальных электродов, содержащих не­активные компоненты (асбест, фторопласт и др.), их объем необходимо включать в газовую пористость.

Электрод с оптимальной анизотропной структурой при ег=0 является максимально активным для данного катализатора электродом. Однако создание такой струк­туры практически невозможно. Поэтому для оценки оп­тимальности структур реальных электродов их парамет­ры целесообразно сравнивать с параметрами изотропной модели при ег=0,25ч-0,5.

Оценим активность водородных и кислородных элек­тродов с оптимальной структурой для ряда встречаю­щихся на практике значений s, 0 и /о. Активность водо­родных электродов, используя формулу (3.17), предста­вим в виде

(3.28)

где ф в вольтах; J в А/см2 ; }04

Активность кислородного Электрода, йспоЛЬзУя фор­мулу (3.22), представим в виде

pi

$23 2*^ 02 *

Значения аНа, aQа примем для расчета равными ак­тивности электродов с оптимальной изотропной структу­рой при єг=0,25, /оі=10"5 А/см2 и 6=60 мВ — для во­дородного электрода и Уо1=2 • 10~9 А/см2 и b=2RT/3N=

Рис. 3.10. Активность водородных
электродов при различных значениях
эффективных параметров.

1-а-3 См/м; s=4 • 105 см-1; 2 — а=

=30 См/м; 5=4 • 105 см-1; 3 — электрод

с оптимальной изотропной структурой, 0= = 25 См, м; єг = 0,25; 5 = 7,5 • 106 см-1 (50= =3 • 104 см-1); 4 — электрод с оптимальной анизотропной структурой, ег=0,25; о= = 37 См/м; 5 = 11,2 • 10s см-1; (50=3 • 106 см-1); 7 — область активности электродов с ни­келем Ренея; 11 — область активности электродов с платиновыми катализаторами.

=20 мВ — для кислородного и So=3-106 см-1. Остальные табл. 3.2. В формулах (3.28), к параметрам электродов с структурой, а индекс 2 — к активность которого опреде­ляется. Вышеуказанные зна­чения токов обмена харак­терны для скелетного никеле­вого и платинового катализа­торов соответственно при 90°С, а значение s0 — для этих же катализаторов при sy=30 м2/г (никель Ренея) и 15 м2/г (платиновая чернь). Данные расчета активно­сти электродов представле­ны в виде графиков на рис. 3.10 и 3.11. На рисунках приведены графики, характе­ризующие уровень активности

Электродов с s=4-105 см-1 й о=30 и 3 См/м. Такай

поверхность характеризует средний уровень для ряда реальных электродов, использующих катализаторы с sy^20-^30 м2/г, при их плотности в активном слое р=( 1-^-2) • 103 кг/м3, а интервал проводимости охваты­вает практически все реальные значения.

Л?