Для гидрофильных электродов создание развитой границы раздела газ—электролит—электрод, вблизи которой протекает электрохимическая реакция, осуще­ствляется при помощи перепада давления между га­зом и электролитом. Конструктивно газодиффузионный электрод состоит из запорного и активного слоев. Оба слоя пористые, однако их структура различна. Газо­запорный слой имеет мелкозернистую структуру и из­готавливается из металлического порошка, электрохи­мически неактивного я корроэионно стойкого в элект­ролите, например порошка карбонильного никеля в ще­лочном растворе. Активный слой, в котором протекают 86

Рис. 3.1. Схема распределения жид-
кости и газа в биопористом газодиф-
фузионном электроде при наличии пе-
репада давления.

/ — запорный слой; 2 — электролит; 3 —
активный слой; 4 — газовые поры; 5—газ;
6 — жидкостные поры.

токообразующие реакции, яв-
ляется более крупнозернистым.

Он изготавливается из сме­си катализатора и порооб - разователя. В качестве по­следнего используются веще­ства (бикарбонат аммония, хлористый калий), которые могут удаляться на опре­деленном этапе изготовления электрода. Варьируя количество и размер зерен поро - образователя, можно изменять структуру активно­го слоя в широких пределах. Изготовление электродов производится способами, хорошо известными. в метал­локерамическом производстве: прессование или прокат­ка порошков с последующим или одновременным спека­нием.

При наличии давления со стороны газа часть наибо­лее широких пор освобождается от электролита (га­зовые поры), тогда как в узких порах, капиллярное давление в которых выше перепада давления между газом и электролитом, электролит сохраняется (жид­костные поры). Так как запорный слой имеет мелко - пористую структуру, он остается заполненным элект­ролитом при любом рабочем перепаде давления. Это обеспечивает отсутствие пробулькивания газа в элект­ролит и его полное использование в электролитической реакции. На рис. 3.1 представлено схематическое изо­бражение распределения газа и жидкости в подобном электроде.

Металлокерамические электроды рассмотренного ти­па были впервые реализованы в элементах Бэкона н послужили основой при разработке других конструкций электродов. В элементах Бэкона в качестве катализа­торов для водородного и кислородного электродов ис­пользовались соответственно никель и лигированная

окись никеля. Применение таких относительно малоак­тивных катализаторов требует для получения достаточ­но высокой электрохимической активности электродов повышения температуры до 200—250 °С. В этих усло­виях прій напряжении 1,0—0,9 В плотность тока состав­ляет 0,1—0,2 А/см2 [3.5].

Применение более активных катализаторов: никеля Ренея, борида никеля или платины для активации во­дородного электрода и скелетных серебряных катали­заторов или високодисперсного серебра для кислород­ного электрода позволило разработать более активные гидрофильные электроды и создать ТЭ, работающие при 70—100 °С. Элементы с электродами на основе ске­летных катализаторов [3.1] при 60°С и напряжении 0,6 В дают плотность тока 0,25 А/см2. Еще более вы­сокие характеристики 0,3 А/см2 при U—0,75 В и 80 °С имеют ТЭ, описанные в [3.8]. Следует, однако, иметь в виду, что приведенные параметры относятся к крат­ковременным испытаниям. В условиях длительной ра­боты плотности тока не превышают 0,03—0,1 А/см2.

На рис. 3.2 представлены типичные поляризацион­ные кривые для металлокерамических гидрофильных водородного и кислородного электродов. В случае во­дородного электрода (кривая 1) в широком интервале плотностей тока имеет место прямолинейная зависи­мость между током и потенциалом. На поляризацион­ной кривой кислородного электрода (кривая 2) в об­ласти малых плотностей тока наблюдается участок со значительной поляризуемостью. К гидрофильным элек­тродам следует отнести также электроды из пористой пластмассы. Их основу составляет пористая металли­зированная поливинилхлоридная пленка, на одну сто­рону которой наносится активный слой.

Электроды с регулярной структурой. Определенный теоретический и практический интерес представляют

электроды с регулярной струк­турой пор, имеющих пра-

Рис. 3.2. Типичные поляризационные кривые металлокерамических водо­родного 1 и кислородного 2 электро­дов. Водородный электрод — никеле­вый, пропитанный платиной; кисло­родный электрод — серебряный.

вильную геометрическую форму [3.6]. Электроды с упо­рядоченной пористой структурой обладают рядом пре­имуществ по сравнению с электродами, приготовляемы­ми металлокерамическим способом из порошков: прямые л одинаковые поры позволяют снизить поляризуемость электродов, вызываемую изменением концентрации электролита в порах, и с ними легче осуществить отвод продуктов реакции, чем в случае пор с произвольными размерами и формой. Из-за лучшего использования объ­ема и массы электродов реализуются наиболее высо­кие удельные показатели (мощность на единицу объема и массы электродов): катализатор используется наи­более полно, поскольку он наносится. на эффективно работающую поверхность электрода.

Исследовались электроды с коническими порами из металлического никеля, покрытого золотом (кислород­ный электрод) и палладием (водородный электрод).

В случае электродов толщиной 1,5 мм с цилиндриче­скими порами (8800 пор на 2 см2) при использовании в качестве электролита 30%-ного раствора КОН при 90 °С и напряжении на ТЭ 0,57 В плотность тока со­ставляла 0,1 А/см2, что соответствует 10 кг/кВт (при учете массы только самих электродов).

Электроды с регулярной структурой могут быть ре­ализованы методами сборки микротрубок, электрофор­мовки и утолщения сеток.

Создание пористых электродов с регулярной струк­турой является, несомненно, технологически трудной задачей. Наиболее доступный вариант электродов с по­ристой регулярной структурой предложен в [3.7]. Они приготовлены металлокерамическим способом (без при­менения порообразователей) из порошка никеля узкой фракции, состоящего из укрупненных частиц шаровид­ной формы, отличающихся по размеру не более чем на 10% среднего арифметического. Запорный слой состоял из частиц диаметром до 20 мкм. Давление прессования и температура спекания были выбраны с расчетом ми­нимальной деформации частиц и соответствующей 'ме­ханической прочности основы электрода.

Пористый электрод с регулярной структурой, обра­зованный из частиц сферической формы, может являть­ся моделью, с помощью которой можно достаточно определенно характеризовать теоретические и экспери­ментальные особенности протекания электродных про-

цессов в пористых электродах. В практическом отно­шении изготовление пористых электродов с регулярной структурой пор из порошков со сферической формой частиц (без применения порообразователей) по сравне­нию с обычной технологией (с использованием порооб­разователей) имеет то преимущество, что в этом слу­чае обеспечивается приготовление электродов с более воспроизводимыми токовыми характеристиками.