FR2827998A1 - Hydrophilizing a plate comprising a fluoropolymer and an electrically conductive material, e.g. for use in fuel cells or batteries, comprises contacting the plate with a solution of a base - Google Patents
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Abstract
Description
d'au moins deux générateurs de vapeur (1).at least two steam generators (1).
PLAQUE HYDROPHILE À BASE DE POLYMÈRE FLUORÉ HYDROPHILIC PLATE BASED ON FLUORINATED POLYMER
[Domaine de l'invention][Field of the invention]
L'invention concerne une plaque hydrophile à base de polymère fluoré. The invention relates to a hydrophilic plate based on fluoropolymer.
Les générateurs d'énergie tels que les piles à combustible (fuel cells) ainsi que les stockeurs d'énergie tels que les batteries contiennent des plaques à base de polymère fluoré. Ces plaques sont constituées en général d'un polymère fluoré tel que le PVDF (polyfluorure de vinylidène) et d'un produit conducteurtel que par exemple le graphite ou le noir de carbone. On peut obtenir ces plaques par exemple par injection dans un moule ou par pressage à chaud d'un mélange constitué de PVDF en poudre et de noir de carbone ou de graphite. La taille de ces plaques peut être de 0,1 m x 0,1 m à 1 m x 1 m et leur épaisseur peut varier de 1 à 10 mm. Selon leur disposition et leur fonction ces plaques sont Energy generators such as fuel cells as well as energy storage devices such as batteries contain plates based on fluorinated polymer. These plates generally consist of a fluoropolymer such as PVDF (polyvinylidene fluoride) and a conductive product such as for example graphite or carbon black. These plates can be obtained, for example, by injection into a mold or by hot pressing of a mixture consisting of powdered PVDF and carbon black or graphite. The size of these plates can be from 0.1 m x 0.1 m to 1 m x 1 m and their thickness can vary from 1 to 10 mm. According to their arrangement and their function these plates are
parfois appelées plaques bipolaires. sometimes called bipolar plates.
Il existe plusieurs types de fonctionnement de piles à combustibles qui génèrent des cahiers des charges différents en ce qui concerne les caractéristiques que doivent présenter les plaques bipolaires en terme de conductivité, de résistance mécanique et de perméabilité à l'eau et donc de There are several types of fuel cell operation which generate different specifications with regard to the characteristics which the bipolar plates must have in terms of conductivity, mechanical resistance and water permeability and therefore
comportement hydrophile.hydrophilic behavior.
Ces plaques à base de PVDF et de noir de carbone ou de graphite sont These PVDF and carbon black or graphite based plates are
hydrophobes, I'invention décrit un procédé pour les rendre hydrophiles. hydrophobic, the invention describes a process for making them hydrophilic.
[I'art antérieur et le problème technique] L'art antérieur ci dessous a décrit de nombreuses plaques bipolaires et a parfois mentionné qu'elles étaient hydrophobes: Le brevet DE 3538732 décrit une électrode faite d'une pâte pouvant être étendue et constituée de 70 à 80 % en masse de poudre de carbone de taille de granulés 30 à 300,um et de 10 à 20 % en masse d'une solution de PVDF à 4 à 8% de PVDF dans le DMF (diméthylformamide) et d'au moins 5 % en masse de poudre de PTFE de taille de granulés de 10 à 100,um. La pâte est étendue sur un substrat en aluminium puis séchée par une lampe infra rouge pendant '/z h à 4 h. Cette électrode à base de PVDF et de carbone est perméable aux gaz et [Prior art and the technical problem] The prior art below has described numerous bipolar plates and has sometimes mentioned that they were hydrophobic: Patent DE 3538732 describes an electrode made of a paste which can be spread and made up of 70 to 80% by mass of carbon powder of granule size 30 to 300 μm and from 10 to 20% by mass of a solution of PVDF with 4 to 8% of PVDF in DMF (dimethylformamide) and at least minus 5% by mass of PTFE powder with a granule size of 10 to 100 μm. The paste is spread on an aluminum substrate and then dried by an infrared lamp for '/ z h to 4 h. This PVDF and carbon based electrode is gas permeable and
aux liquides.liquids.
La demande de brevet JP 2000077079-A décrit un séparateur constitué de 85 à 97% de graphite et de 3 à 15 % de résine thermodurcissable. Ce séparateur est réalisé par formage à froid sous 100 à 150 kg/m2 et ensuite formé au moulage sous 150 à 1500 kg/m2. Ces séparateurs sont Patent application JP 2000077079-A describes a separator consisting of 85 to 97% graphite and 3 to 15% of thermosetting resin. This separator is produced by cold forming at 100 to 150 kg / m2 and then formed by molding at 150 to 1500 kg / m2. These separators are
électroconducteurs et uniformes.electrically conductive and uniform.
Dans la demande de brevet JP 08031231 A il est décrit une formulation à base de graphite sphérique, de thermodurcissable ou de thermoplastique et de noir de carbone de type ketjenblack conducteur. Le matériau présente une bonne résistance mécanique et peut être utilisé pour le moulage et le In patent application JP 08031231 A there is described a formulation based on spherical graphite, thermosetting or thermoplastic and carbon black of the conductive ketjenblack type. The material has good mechanical strength and can be used for molding and
calandrage. Ce matériau est utilisable dans le domaine de la pile à combustible. calendering. This material can be used in the field of fuel cells.
Dans la demande de brevet JP 04013287 A on décrit une plaque de In patent application JP 04013287 A, a plate is described.
carbone poreuse dans les trois dimensions à hauteur de 60 à 80 % de porosité. porous carbon in the three dimensions up to 60 to 80% porosity.
Dans la demande de brevet JP 52122276 A on décrit une électrode préparée par dépôt sur un textile poreux de carbone anisotropique pyrolysé, lui même recouvert d'une dispersion aqueuse de TEFLON (PTFE) et le tout est In patent application JP 52122276 A there is described an electrode prepared by deposition on a porous textile of pyrolyzed anisotropic carbon, itself covered with an aqueous dispersion of TEFLON (PTFE) and the whole is
séché pour former une couche poreuse hydrophobe. dried to form a hydrophobic porous layer.
Dans la demande de brevet WO 200025372 il est décrit une plaque bipolaire pour utilisation dans le domaine des piles à combustibles et provenant du moulage d'une résine vinyl ester et d'une poudre de graphite permettant d'obtenir une conductivité d'au moins 10 S/cm. Ces plaques peuvent contenir de 20 à 95% de graphite et de 0 à 5% de noir de carbone ainsi que des fibres de coton. On y décrit aussi l'utilisation de produits fluorés pour améliorer le In patent application WO 200025372 there is described a bipolar plate for use in the field of fuel cells and originating from the molding of a vinyl ester resin and a graphite powder making it possible to obtain a conductivity of at least 10 S / cm. These plates can contain from 20 to 95% of graphite and from 0 to 5% of carbon black as well as cotton fibers. It also describes the use of fluorinated products to improve the
démoulage ainsi que l'hydrophobie.demoulding as well as hydrophobia.
Dans le brevet US 5268239 on décrit la préparation d'une plaque séparatrice. Cette plaque à base de graphite est un mélange contenant de 25 à In US Patent 5,268,239 describes the preparation of a separator plate. This graphite-based plate is a mixture containing 25 to
% en masse de graphite et de 25 à 75% en masse de résine phénolique. % by mass of graphite and 25 to 75% by mass of phenolic resin.
Cette plaque est ensuite pyrolysoe entre 800 et 1000 C, puis graphitée entre 2300 C et 3000 C. Ce brevet décrit aussi l'application d'un film de This plate is then pyrolyzed between 800 and 1000 C, then graphitized between 2300 C and 3000 C. This patent also describes the application of a film of
fluoropolymère pour éviter la migration de l'électrolyle. fluoropolymer to prevent electrolyl migration.
Dans le brevet FR 2430100 il est décrit un procédé de préparation d'une poudre sèche finement divisée caractérisée en ce qu'elle est constituée par des grains ayant une dimension maximum d'environ 5 um. Cette poudre comprend du carbone précatalysé et un polymère fluorocarboné hydrophobe, par exemple le PTFE. Cette poudre est obtenue par floculation d'une cosuspension des In patent FR 2430100 there is described a process for the preparation of a finely divided dry powder characterized in that it consists of grains having a maximum dimension of approximately 5 μm. This powder comprises precatalysed carbon and a hydrophobic fluorocarbon polymer, for example PTFE. This powder is obtained by flocculation of a cosuspension of
grains de carbone précatalysé et des grains de polymères. grains of precatalysed carbon and grains of polymers.
Dans le brevet EP 0948071 il est une méthode pour produire une électrode pour piles à combustible, ainsi qu'une poudre catalytique préparée en mélangeant une poudre fine de carbone supportant un métal catalytique avec une dispersion collodale d'un polymère. La suspension ainsi obtenue est séchée. Dans le brevet EP 0557259 il est décrit la préparation d'une électrode de diffusion gazeuse pour cellule électrochimique. Cette électrode est préparée à l'aide d'une poudre de noir de carbone dispersée dans un solvant organique en présence de polyéthylène soluble. La dispersion est ensuite séchée ce qui permet au polyéthylène de recouvrir la surface du noir. Ce polyéthylène est ensuite fluoré. Ceffe poudre de noir de carbone hydrophobe est ensuite mélangée à un noir de carbone de type acétylénique supportant un métal catalyseur ainsi que du PTFE pour former des agrégats. Ces agrégats sont In patent EP 0948071 there is a method for producing an electrode for fuel cells, as well as a catalytic powder prepared by mixing a fine carbon powder supporting a catalytic metal with a collodal dispersion of a polymer. The suspension thus obtained is dried. In patent EP 0557259 the preparation of a gas diffusion electrode for an electrochemical cell is described. This electrode is prepared using a carbon black powder dispersed in an organic solvent in the presence of soluble polyethylene. The dispersion is then dried which allows the polyethylene to cover the surface of the black. This polyethylene is then fluorinated. This hydrophobic carbon black powder powder is then mixed with an acetylene type carbon black supporting a catalyst metal as well as PTFE to form aggregates. These aggregates are
ensuite pressés à 20 kg/cm2 et frittés à 340 C pendant 20 minutes. then pressed at 20 kg / cm2 and sintered at 340 C for 20 minutes.
Dans la demande de brevet WO 200030202 il est décrit une composition moulable permettant la préparation de plaques collectrices de courant par compression moulage ou injection moulage. Cette composition comprend un liant polymère non fluoré; parmi les polymères utilisables on trouvera les polyphénylène sulfides, les polyphénylène éther modifiés, les polymères cristaux liquides, les polyamides, les polyimides, les polyesters, les phénoliques, les résines époxydes et les vinyl esters. Parmi les particules conductrices on trouvera plus particulièrement les particules carbonces. Ces In patent application WO 200030202 there is described a moldable composition allowing the preparation of current collector plates by compression molding or injection molding. This composition comprises a non-fluorinated polymeric binder; among the polymers which can be used are polyphenylene sulfides, modified polyphenylene ether, liquid crystal polymers, polyamides, polyimides, polyesters, phenolics, epoxy resins and vinyl esters. Among the conductive particles are more particularly carbonaceous particles. These
particules carbonées sont présentes à hauteur d'au moins 45 % en masse. carbonaceous particles are present at least at 45% by mass.
L'art antérieur a aussi décrit des plaques hydrophiles, ainsi la demande de brevet WO 9853514 décrit une méthode de préparation de membrane échangeuse de proton ainsi qu'une méthode permettant la réalisation de plaques bipolaires hydrophiles par ajout d'un agent hydrophile pouvant être par exemple de la silice dispersée de façon uniforme dans tout le matériau. Cet ajout de silice conduit à une prise d'eau plus importante mais aussi à une augmentation de la résistivité électrique de la plaque. L'essentiel de l'art antérieur concernant la réalisation de plaques bipolaires ou d'électrodes fait appara^tre un grand nombre de méthodes permettant la réalisation de plaques en graphite non poreuses hydrophobes ou faisant intervenir des agents permettant l'augmentation du caractère hydrophile mais au détrime nt d' a ut res p ropriétés t rès i mpo rtantes com me par exemp le la conductivité. On a maintenant trouvé des plaques hydrophiles qui nont pas les inconvénients précités. Elles sont essentiellement constituées en général d'un polymère fluoré tel que le PVDF (polyfluorure de vinylidène) et d'un produit conducteur tel que par exemple le graphite ou le noir de carbone. On peut obtenir ces plaques très facliement. On part d'une plaque essentiellement constituée d'un polymère fluoré tel que le PVDF et d'un produit conducteur tel que par exemple le graphite ou le noir de carbone, cette plaque est naturellement hydrophobe, puis on la met en contact avec un composé basique The prior art has also described hydrophilic plates, thus patent application WO 9853514 describes a method for preparing a proton exchange membrane as well as a method allowing the production of hydrophilic bipolar plates by adding a hydrophilic agent which can be by example of silica dispersed uniformly throughout the material. This addition of silica leads to a larger water intake but also to an increase in the electrical resistivity of the plate. Most of the prior art concerning the production of bipolar plates or electrodes shows a large number of methods allowing the production of hydrophobic non-porous graphite plates or involving agents allowing the increase in hydrophilicity but to the detriment of other properties, such as conductivity, for example. Hydrophilic plates have now been found which do not have the aforementioned drawbacks. They are essentially made up in general of a fluorinated polymer such as PVDF (polyvinylidene fluoride) and of a conductive product such as for example graphite or carbon black. These plates can be obtained very easily. We start from a plate essentially consisting of a fluoropolymer such as PVDF and a conductive product such as for example graphite or carbon black, this plate is naturally hydrophobic, then it is brought into contact with a compound basic
en solution et on rince par exemple à l'eau. in solution and rinsed, for example with water.
[Brève description de l'invention][Brief description of the invention]
La présente invention concerne un procédé pour rendre hydrophile une plaque comprenant essentiellement un polymère fluoré et un produit électroconducteur dans lequel: À on met en contact la plaque avec un composé basique en solution, À on sépare la plaque et le composé basique en solution, À on rince la plaque avec de l'eau ou un solvant puis éventuellement on la sèche. The present invention relates to a method for rendering hydrophilic a plate essentially comprising a fluoropolymer and an electroconductive product in which: A the plate is brought into contact with a basic compound in solution, A the plate and the basic compound in solution are separated, A the plate is rinsed with water or a solvent and then optionally dried.
L'invention concerne aussi la plaque hydrophile en tant qu'objet. The invention also relates to the hydrophilic plate as an object.
[Description détaillée de l'invention] [Detailed description of the invention]
S'agissant du produit électroconducteur ce sont tous les conducteurs de l'électricité. On peut citer à titre d'exemple les métaux, les oxydes métalliques et les produits à base de carbone. A titre d'exemple de produits à base de carbone on peut citer le graphite, les agrégats de noir de carbone, les fibres de carbone, les nanotubes de carbone et les charbons actifs. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant plusieurs éléments électroconducteurs par exemple; (i) du graphite et des agrégats de noir de carbone; (ii) du graphite, des agrégats de noir de carbone et des fibres de carbone; (iii) des agrégats de noir de carbone et des fibres de carbone; (iv) du As regards the electroconductive product, these are all the conductors of electricity. By way of example, mention may be made of metals, metal oxides and products based on carbon. Examples of carbon-based products that may be mentioned include graphite, carbon black aggregates, carbon fibers, carbon nanotubes and activated carbon. It would not go beyond the scope of the invention to use several electrically conductive elements for example; (i) graphite and carbon black aggregates; (ii) graphite, aggregates of carbon black and carbon fibers; (iii) carbon black aggregates and carbon fibers; (iv) from
graphite et des fibres de carbone.graphite and carbon fibers.
Par produits à base de carbone on entend le noir de carbone, les fibres de carbone, les nanotubes de carbone et de façon préférable le graphite. Les éléments carbonés pouvant être utilisés sont décrits dans Handbook of fillers 2nd Edition published by Chem Tec Publishing 1999 page 62 2.1. 22, page 92 2.1.33 et page 184 2.2.2. De façon préférable, on pourra utiliser soit du graphite TIMCAL3 KS15 soit un graphite ASBURY 4012. Parmi les noirs de carbone pouvant être utilisés on peut citer les noirs Ketjen EC 600 JD de surface spécifique 1250 m21gr ou KetjenQ3 EC 300 J. de surface spécifique 800 m2/gr. Parmi les fibres de carbone pouvant être utilisées, on citera les fibres By carbon-based products is meant carbon black, carbon fibers, carbon nanotubes and preferably graphite. The carbon elements that can be used are described in Handbook of fillers 2nd Edition published by Chem Tec Publishing 1999 page 62 2.1. 22, page 92 2.1.33 and page 184 2.2.2. Preferably, it is possible to use either TIMCAL3 KS15 graphite or ASBURY 4012 graphite. Among the carbon blacks which can be used, there may be mentioned Ketjen EC 600 JD blacks with a specific surface 1250 m2 1gr or KetjenQ3 EC 300 J. with a specific surface 800 m2 / g. Among the carbon fibers which can be used, mention will be made of fibers
ASBURY AGM99. De façon avantageuse les éléments carbonés électro - ASBURY AGM99. Advantageously the electro carbon elements -
conducteurs pourront être remplacés par des éléments électro - conducteurs sans q ue l'on sorte du cad re de l' invention. On ne sorti rait pas du cad re de conductors may be replaced by electrically conductive elements without leaving the framework of the invention. We would not go outside the framework of
l'invention en utilisant deux ou plusieurs produits électroconducteurs. the invention using two or more electrically conductive products.
S'agissant du polymère fluoré (fluoropolymère) on désigne ainsi tout polymère ayant dans sa chane au moins un monomère choisi parmi les composés contenant un groupe vinyle capable de s'ouvrir pour se polymériser et qui contient, directement attaché à ce groupe vinyle, au moins un atome de With regard to the fluoropolymer (fluoropolymer), any polymer having in its chain at least one monomer chosen from compounds containing a vinyl group capable of opening to polymerize and which contains, directly attached to this vinyl group, is thus designated. minus one atom of
fluor, un groupe fluoroalkyle ou un groupe fluoroalkoxy. fluorine, fluoroalkyl group or fluoroalkoxy group.
A titre d'exemple de monomère on peut citer le fluorure de vinyle; le fluorure de vinylidène (VF2); le trifluoroethylene (VF3); le chlorotrifluoroethylene (CTFE); le 1,2-difluoroethylene; le tetrafluoroethylene (TFE); I'hexafluoropropylene (HFP); les perfluoro(alkyl vinyl) ethers tels que le perfluoro(methyl vinyl)ether (PMVE), le perfluoro(ethyl vinyl) ether (PEVE) et le perfluoro(propyl vinyl) ether (PPVE); le perfluoro( 1,3 -dioxole); le perfluoro(2,2 dimethyl- 1,3 -dioxole) (PDD); le produit de formule CF2=CFOCF2CF(CF3) 0CF2CF2X dans laquelle X est S02F, C02H, CH20H, CH20CN ou CH20P03H; le produit de formule CF2=CFOCF2CF2S02F; le produit de formule F(CF2) nCH20CF=CF2 dans laquelle n est 1, 2, 3, 4 or 5; le produit de formule R1 CH20CF=CF2 dans laquelle R1 est l'hydrogene ou F(CF2)z et z vaut 1, 2, 3 ou 4; le produit de formule R30CF=CH2 dans laquelle R3 est F(CF2)z- et z est 1, 2, 3 or 4; le perfluorobutyl ethylene (PFBE); le 3,3,3 By way of example of a monomer, mention may be made of vinyl fluoride; vinylidene fluoride (VF2); trifluoroethylene (VF3); chlorotrifluoroethylene (CTFE); 1,2-difluoroethylene; tetrafluoroethylene (TFE); Hexafluoropropylene (HFP); perfluoro (alkyl vinyl) ethers such as perfluoro (methyl vinyl) ether (PMVE), perfluoro (ethyl vinyl) ether (PEVE) and perfluoro (propyl vinyl) ether (PPVE); perfluoro (1,3-dioxole); perfluoro (2,2 dimethyl-1,3 -dioxole) (PDD); the product of formula CF2 = CFOCF2CF (CF3) 0CF2CF2X in which X is SO2F, C02H, CH20H, CH20CN or CH20P03H; the product of formula CF2 = CFOCF2CF2S02F; the product of formula F (CF2) nCH20CF = CF2 in which n is 1, 2, 3, 4 or 5; the product of formula R1 CH20CF = CF2 in which R1 is hydrogen or F (CF2) z and z is 1, 2, 3 or 4; the product of formula R30CF = CH2 in which R3 is F (CF2) z- and z is 1, 2, 3 or 4; perfluorobutyl ethylene (PFBE); 3.3.3
trifluoropropene et le 2-trifluoromethyl-3,3,3 -trifluoro- 1 -propene. trifluoropropene and 2-trifluoromethyl-3,3,3 -trifluoro- 1 -propene.
Le fluoropolymère peut être un homopolymère ou un copolymère, il peut The fluoropolymer can be a homopolymer or a copolymer, it can
aussi comprendre des monomères non fluorés tels que l'éthylène. also include non-fluorinated monomers such as ethylene.
Avantageusement le fluoropolymère est du PVDF homopolymère ou copolymère contenant au moins 60% en poids de VF2, le comonomère éventuel est choisi parmi les monomères fluorés cités plus haut et est avantageusement le HFP. Le fluoropolymère peut contenir des plastifiants ou Advantageously, the fluoropolymer is PVDF homopolymer or copolymer containing at least 60% by weight of VF2, the optional comonomer is chosen from the fluorinated monomers mentioned above and is advantageously HFP. The fluoropolymer may contain plasticizers or
des additifs, comme par exemple un plastifiant bien connu le dibutyle sébaçate. additives, such as, for example, a well known plasticizer, dibutyl sebacate.
Onn ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant deux ou plusieurs It would not be departing from the scope of the invention to use two or more
polymères fluorés.fluoropolymers.
la réalisation des plaques fait intervenir le mélange d'un fluoropolymère et d'un produit électroconducteur qui constitue une poudre. Cette poudre peut être soit obtenue en réulisant un mélange intime de matériaux fluorés et d'élément électroconducteurs soit en utilisant la technique de co-atomisation, soit en réulisant un simple mélange de poudre, soit encore en utilisant la the production of the plates involves the mixture of a fluoropolymer and an electroconductive product which constitutes a powder. This powder can be obtained either by using an intimate mixture of fluorinated materials and electrically conductive elements, either by using the co-atomization technique, or by using a simple powder mixture, or by using the
technique de floculation ou coagulation. flocculation or coagulation technique.
La poudre microcomposite peut être fabriquée par (co)atomisation dune ou plusieurs emuisions ou dispersions aqueuses contenant ses différents constituants. Par exemple la poudre microcomposite de l'invention peut être fabriquée par coutomisation entre un latex de fluoropolymère (une émuision ou une suspension) et une dispersion aqueuse de produit électroconducteur. Le latex et la dispersion sont introduits dans la tête de coatomisation selon les techniques habituelles. On peut aussi avant coatomisation faire un mélange par introduction directe du produit électroconducteur dans le latex de fluoropolymère soit encore mélanger une dispersion du produit The microcomposite powder can be produced by (co) atomization of one or more emulsions or aqueous dispersions containing its various constituents. For example, the microcomposite powder of the invention can be produced by customization between a fluoropolymer latex (an emulsion or a suspension) and an aqueous dispersion of electroconductive product. The latex and the dispersion are introduced into the coatomization head according to the usual techniques. It is also possible before co-atomization to make a mixture by direct introduction of the electroconductive product into the fluoropolymer latex, or else to mix a dispersion of the product.
électroconducteur et du latex de fluoropolymère. Liatomisation (ou co- electroconductive and fluoropolymer latex. Liatomization (or co-
atomisation) consiste à puivériser une dispersion aqueuse (ou une suspension) ou même une solution dans un courant d'air chaud pour éliminer l'eau et atomization) consists in spraying an aqueous dispersion (or a suspension) or even a solution in a current of hot air to remove the water and
récupérer les produits dissous, dispersés ou en suspension. recover dissolved, dispersed or suspended products.
S'agissant de la fabrication de la poudre microcomposite par floculation ou coagulation les technologies de finition d'une dispersion aqueuse sont connues en elles mêmes. La coagulation est décrite dans le chapitre "séchage" (" Drying " par P.Y. Mc Cormick, dans " Encyclopedia of Polymer Science and Engineoring >" Volume 5, pp. 187-203, Wiley Intersciences, 1990). On y décrit la coagulation d'une dispersion aqueuse contenant le latex ou mélange de latex de polymères ainsi que les charges, o l'on parle par exemple des sécheurs rotatifs. La floculation est aussi abordée dans le chapitre " Flocculation >> par G. R. Rose, dans << Encyclopedia of Polymer Science and Engineering >>, Volume 7, pp. 211-233, Wiley Intersciences, 1990). On peut par exemple faire flocuier les dispersions aqueuses à base de polymères et des charges par refroidissement brutal de la dispersion, ou en réduisant l'extrait sec de la dispersion par un séchage partiel, ou encore en ajoutant à celle-ci un tensioactif ou un sel la déstabilisant. Une fois la dispersion floculée, on élimine la phase aqueuse pour récupérer la poudre composite, par exemple par séchage ou par filtration. Cette poudre peut être transformoe par les techniques habituelles de mise en _uvre des matériaux thermoplastiques telles que l'injection, I'extrusion, la compression, I'injection transfert compression, I'extrusion transfert compresslon. Les plaques obtenues sont composées de 40 à 99.9g% (en poids) de As regards the manufacture of the microcomposite powder by flocculation or coagulation, the technologies for finishing an aqueous dispersion are known in themselves. Coagulation is described in the chapter "drying" ("Drying" by P.Y. Mc Cormick, in "Encyclopedia of Polymer Science and Engineoring>" Volume 5, pp. 187-203, Wiley Intersciences, 1990). It describes the coagulation of an aqueous dispersion containing the latex or polymer latex mixture as well as the fillers, in which we speak for example of rotary dryers. Flocculation is also discussed in the chapter "Flocculation" by GR Rose, in "Encyclopedia of Polymer Science and Engineering", Volume 7, pp. 211-233, Wiley Intersciences, 1990). aqueous dispersions based on polymers and fillers by abrupt cooling of the dispersion, or by reducing the dry extract of the dispersion by partial drying, or by adding thereto a surfactant or a destabilizing salt. flocculated dispersion, the aqueous phase is removed to recover the composite powder, for example by drying or filtration This powder can be transformed by the usual techniques of processing thermoplastic materials such as injection, extrusion, compression , Compression transfer injection, compression transfer extrusion. The plates obtained are composed of 40 to 99.9 g% (by weight) of
produit électroconducteur et de 0.01 à 60% de fluoropolymère. electroconductive product and from 0.01 to 60% fluoropolymer.
Avantageusement la plaque est constituée de 10 à 40 % de fluoropolymère et de 90 à 60% de produit électroconducteur. De préférence la plaque est constituée de 15 à 30% de polymère fluoré et de 85 à 70% de produit électroconducteur. Les plaques obtenues à i'aide de la formulation précédente présentent une masse volumique allant de 500 à 2170 kg/m3, une résistivité comprise entre 0.01 et 1 Q.cm en résistivité volumique et de 0.01 à 0.5 Q en résistivité surfacique. Le module de flexion des plaques obtenues à l'aide de la formulation suivant l'invention est compris entre 1000 et 12000 MPa et la Advantageously, the plate consists of 10 to 40% of fluoropolymer and 90 to 60% of electroconductive product. Preferably, the plate is made up of 15 to 30% of fluoropolymer and 85 to 70% of electroconductive product. The plates obtained using the preceding formulation have a density ranging from 500 to 2170 kg / m3, a resistivity between 0.01 and 1 Q.cm in volume resistivity and from 0.01 to 0.5 Q in surface resistivity. The flexural modulus of the plates obtained using the formulation according to the invention is between 1000 and 12000 MPa and the
contrainte en flexion à la rupture est comprise entre 1 et 50 MPa. bending stress at break is between 1 and 50 MPa.
S'agissant de la mise en contact avec le composé basique les plaques poreuses ainsi obtenues sont alors traitées par contact avec une base (aussi appelé composé basique) organique ou minérale, laquelle est totalement ou partiellement dissoute dans de l'eau, un solvant organique ou un mélange entre de l'eau et un solvant organique. Un catalyseur permettant d'activer la base peut également étre avantageusement introduit dans le milieu de traitement. Le procédé de traitement peut être mis en _uvre par toutes les techniques permettant un contact entre la plaque poreuse et la base, telles que As regards contacting with the basic compound, the porous plates thus obtained are then treated by contact with an organic or mineral base (also called basic compound), which is totally or partially dissolved in water, an organic solvent. or a mixture between water and an organic solvent. A catalyst for activating the base can also be advantageously introduced into the treatment medium. The treatment process can be carried out by any technique allowing contact between the porous plate and the base, such as
l'aspersion par une solution basique ou l'immersion dans une solution basique. sprinkling with a basic solution or immersion in a basic solution.
Les conditions de traitement sont ajustées en durée, en température et en pression de manière à apporter les caractéristiques d'hydrophilie désirées, tout en assurant un rendement maximum au procédé, c'est à dire en priviloglant la The treatment conditions are adjusted in duration, temperature and pressure so as to provide the desired hydrophilic characteristics, while ensuring maximum yield for the process, that is to say by privileging the
durée la plus courte possible.shortest possible duration.
En ce qui concerne les réactifs basiques utilisables pour le traitement, on peut distinguer, par exemple, les dérivés hydroxydés tel que l'hydroxyde de potassium, I'hydroxyde d'ammonium, I'hydroxyde de sodium, I'hydroxyde de lithium ou les hydroxydes de tetraalkylammonium; les carbonates tel que le carbonate de potassium ou le carbonate de sodium; les amines hydrocarbonées primaires, secondaires ou tertiaires; les alcoolates de métaux As regards the basic reagents which can be used for the treatment, a distinction can be made, for example, with hydroxide derivatives such as potassium hydroxide, ammonium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide or tetraalkylammonium hydroxides; carbonates such as potassium carbonate or sodium carbonate; primary, secondary or tertiary hydrocarbon amines; metal alcoholates
alcalins, tels que les methanolates ou ethanolates de potassium ou de sodium. alkaline, such as methanolates or ethanolates of potassium or sodium.
Les catalyseurs, éventuellement ajoutés en association avec ces différentes bases, sont, par exemple, les halogénures de tetraalkylammonium, tel que le bromure de tetrabutylammonium; ainsi que les halogénures de The catalysts, optionally added in combination with these different bases, are, for example, tetraalkylammonium halides, such as tetrabutylammonium bromide; as well as the halides of
tetraalkylphosphonium ou d'alkylarylphosphonium. tetraalkylphosphonium or alkylarylphosphonium.
Les solvants organiques utilisables pour réaliser le traitement, soit sous forme pure, soit sous forme de mélange entre eux ou avec de l'eau, sont ceux permettant la dissolution totale ou partielle des réactifs basiques précedemment décrits. On citera, par exemple, les alcools, tels que le méthanol, I'ethanol ou l'isopropanol, les cétones, tel que l'acétone ou la methylethylcétone, les esters, tel l'acétate d'éthyle ou le proplonate de méthyle, les ethers, tel que le dioxane The organic solvents which can be used to carry out the treatment, either in pure form or in the form of a mixture with one another or with water, are those which allow the total or partial dissolution of the basic reagents previously described. Mention will be made, for example, of alcohols, such as methanol, ethanol or isopropanol, ketones, such as acetone or methyl ethyl ketone, esters, such as ethyl acetate or methyl proplonate, ethers, such as dioxane
ou le diglyme, les amides, tel que la dimethylformamide ou la N- or diglyme, amides, such as dimethylformamide or N-
methylpyrrolidone. Les carbonates, tel que le diethylcarbonate ou le methylpyrrolidone. Carbonates, such as diethylcarbonate or
dibutylcarbonate, et les dérivés halogénés, tel que le chloroforme ou le 1,1- dibutylcarbonate, and halogenated derivatives, such as chloroform or 1,1-
dichloro-2,2,2-trifluoroethane. Dans le cas des mélanges avec l'eau, on utilisera de préférence les solvants miscibles ou partiellement miscibles dans la phase dichloro-2,2,2-trifluoroethane. In the case of mixtures with water, preferably use the miscible or partially miscible solvents in the phase
aqueuse, tel que les alcools ou certaines cétones. aqueous, such as alcohols or certain ketones.
Avantageusement, le traitement de la plaque bipolaire sera réalisé par immersion dans un bain agité et régulé en température contenant la base dissoute dans un mélange d'eau et d'alcool. La composition du mélange sera avantageusement plus riche en eau pour obtenir un procédé plus économique, de préférence, on utilisera une fraction en poids d'alcool comprise entre 5 et %. La base pourra être introduite dans le milieu, soit au préalable, soit en continu; sous forme solide, liquide ou gazeuse. La concentration de la base dans le milieu dépendra de sa nature, de préférence, dans le cas particulier de l'hydroxyde de sodium la concentration de la base sera comprise entre 5 à 25 % en poids dans le mélange d'eau et d'alcool. De préférence, la température de traitement sera choisie pour être inférieure à la température d'ébullition de I'azéotrope ou à la température d'ébullition du constituant le plus volatil. Comme indiqué précédemment, la durée de traitement sera aussi courte que possible pour obtenir un rendement maximum du procédé. Le temps de contact peut être compris entre 5 min et 2 heures. Typiquement des temps de contact inférieurs à 60 minutes seront privilégiés. Cette durée de traitement devra évidemment conduire à l'obtention de caractéristiques hydrophiles satisfaisantes, ce qui pourra être déterminé ultérieurement par des mesures de reprise d'eau appliquées à la plaque traitée sèche. Au terme de cette étape, la plaque est retirée du bain contenant la base pour être, avantageusement, lavée des résidus du traitement, par exemple par aspersion avec un solvant organique, un mélange de solvant organique et d'eau, ou d'eau pure, ou bien, par immersion dans un bain de solvant organique, de mélange de solvant organique et d'eau, ou d'eau pure. Un contrôle aisé de l'efficacité du lavage pourra alors être réalisé par pH-métrie ou Advantageously, the treatment of the bipolar plate will be carried out by immersion in a stirred and temperature-controlled bath containing the base dissolved in a mixture of water and alcohol. The composition of the mixture will advantageously be richer in water to obtain a more economical process, preferably a fraction by weight of alcohol of between 5 and% will be used. The base can be introduced into the medium, either beforehand or continuously; in solid, liquid or gaseous form. The concentration of the base in the medium will depend on its nature, preferably, in the particular case of sodium hydroxide the concentration of the base will be between 5 to 25% by weight in the mixture of water and alcohol . Preferably, the treatment temperature will be chosen to be lower than the boiling temperature of the azeotrope or the boiling temperature of the most volatile constituent. As indicated above, the treatment time will be as short as possible to obtain maximum yield from the process. The contact time can be between 5 min and 2 hours. Typically contact times of less than 60 minutes will be preferred. This treatment duration will obviously lead to obtaining satisfactory hydrophilic characteristics, which can be determined later by water recovery measures applied to the dry treated plate. At the end of this step, the plate is removed from the bath containing the base to be, advantageously, washed from the treatment residues, for example by spraying with an organic solvent, a mixture of organic solvent and water, or pure water , or else, by immersion in an organic solvent bath, a mixture of organic solvent and water, or pure water. An easy control of the washing efficiency can then be carried out by pH-metry or
encore conductimétrie.again conductimetry.
Après lavage, la plaque bipolaire peut être séchée ou encore utilisée directement sous forme humide pour être intégrée à un dispositif de type pile à After washing, the bipolar plate can be dried or used directly in wet form to be integrated into a battery-type device.
1 5 combustible.1 5 fuel.
L'hydrophilie des plaques peut être mesurée par le rapport entre la quantité d'eau absorbée sur la quantité incorporable dans la plaque pour une The hydrophilicity of the plates can be measured by the ratio between the quantity of water absorbed and the quantity that can be incorporated in the plate for a
du rée d' immersion de la plaque à 23 C dans un bain d 'eau à 23 C. of the immersion level of the plate at 23 C in a water bath at 23 C.
Typiquement les valeurs sont supérieures à 80% pour des durées d'immersion Typically values are greater than 80% for immersion times
entre 20 s et 60 s.between 20 s and 60 s.
[Exemples][Examples]
Exemple 1: (comparatif) plaque perméable non hydrophile A partir d'une poudre de PVDF KynarO 1000 et d'un graphite d'ASBURY(0 Graphite 4012 on réalise dans un mélangeur à poudre une formulation 80% de graphite et 20% de Kynar. Le Kyna 1000 est un PVDF homopolymère de MFI 2 g/ 10 min (à 230 C sous 5 kg). 34 gr de cette poudre sont ensuite disposés dans un moule et comprimés à 230 C pendant 10s puis refroidits pendant 10s et enfin démoulés. La plaque ainsi réalisée fait 10 cm x cm x 0.2cm. Cette plaque présente une densité d = 1,7. Sa conductivité volumique est de 16. 6 S/cm et sa perméabilité à l'azote est de 100.1046m2 et sa perméabilité à l'eau est de 50.1046m2 (valeur du coefficient de diffusion de la loi Example 1: (comparative) non-hydrophilic permeable plate From a PVDF KynarO 1000 powder and an ASBURY graphite (0 Graphite 4012, 80% graphite and 20% Kynar formulation is produced in a powder mixer The Kyna 1000 is a PVDF homopolymer of MFI 2 g / 10 min (at 230 C under 5 kg) 34 g of this powder are then placed in a mold and compressed at 230 C for 10 s then cooled for 10 s and finally demolded. The plate thus produced is 10 cm x cm x 0.2 cm This plate has a density d = 1.7, its volume conductivity is 16. 6 S / cm and its nitrogen permeability is 100.1046m2 and its permeability to the water is 50.1046m2 (value of the law's diffusion coefficient
de DARCY dans les milieux très poreux). DARCY in very porous media).
Une goutte d'eau est déposée sur cette plaque et une absorption d'eau très lente peut être observée pendant 30 minutes. La prise en eau au bout de 30 s est alors de 0.3% de la masse en eau incorporable. Exemple 2: (selon l'invention) plaque perméable hydrophile On fabrique une plaque comme dans l'ex 1 cette plaque est ensuite trempée dans une solution formée par un mélange de 1500g d'eau et 180g d'éthanol dans laquelle a été préalablement dissout 240g d'hydroxyde de sodium. La solution est portée à 70 C pendant 60 minutes sous agitation. La plaque est ensuite retirce, puis séchée à 75 C dans une étuve ventilée jusqu'à poids constant. La plaque sèche est ensuite immergée dans 1800g d'eau pure à 23 C sous agitation. Après une heure, la totalité de l'eau de lavage est changée par une nouvelle charge d'eau pure. Cette opération est renouvelée au totai 4 fois pour aboutir à un pH de la solution aqueuse de lavage proche du pH de A drop of water is deposited on this plate and a very slow absorption of water can be observed for 30 minutes. The water intake after 30 s is then 0.3% of the mass of water that can be incorporated. Example 2: (according to the invention) permeable hydrophilic plate A plate is made as in ex 1 this plate is then soaked in a solution formed by a mixture of 1500g of water and 180g of ethanol in which has been previously dissolved 240g of sodium hydroxide. The solution is brought to 70 ° C. for 60 minutes with stirring. The plate is then removed, then dried at 75 ° C. in a ventilated oven to constant weight. The dry plate is then immersed in 1800 g of pure water at 23 C with stirring. After one hour, all of the wash water is changed to a new charge of pure water. This operation is repeated a total of 4 times to reach a pH of the aqueous washing solution close to the pH of
l'eau pure. La plaque est finalement séchée à 75 C dans une étuve ventilée. pure water. The plate is finally dried at 75 ° C. in a ventilated oven.
Cette plaque est de nouveau évaluée en terme de perméabilité et de conductivité sa densité est de 1,7, sa conductivité est de 16.6 s/cm et sa perméabilité à l'azote ainsi qu'à l'eau reste inchangées. Une goutte d'eau est posée sur cette plaque et est instantanément absorbée par cette plaque, présentant ainsi un comportement beaucoup plus hydrophile que dans l'exemple 1. La prise en eau au bout de 30 s est alors de 87% de la masse en This plate is again evaluated in terms of permeability and conductivity, its density is 1.7, its conductivity is 16.6 s / cm and its permeability to nitrogen and to water remains unchanged. A drop of water is placed on this plate and is instantly absorbed by this plate, thus exhibiting a much more hydrophilic behavior than in Example 1. The uptake after 30 s is then 87% of the mass in
eau incorporable.incorporable water.
Sur la figure 1 nous présentons l'évolution de la prise en eau au cours du temps pour la plaque provenant de la plaque de I 'exemple 1 et pour la plaque In Figure 1 we present the evolution of water uptake over time for the plate from the plate of Example 1 and for the plate
provenant de l'exemple 2.from example 2.
Fig 1 test de reprise d'eau j =Fig 1 water recovery test j =
520 --- _- __ -520 --- _- __ -
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001100 1200 1300 1400 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001100 1200 1300 1400
temps ( min) Exemple 3: (selon l'invention) Plaque non perméable hydrophile On part d'un latex de KYNAR 710 de la société ATOFINA présentant un extrait sec à 25% et d'une dispersion de graphite préparée selon le mode opératoire suivant: Les produits suivants entrent en _uvre: Le KYNAR(3710 est un PVDF homopolymère de MVFR (Melt Volume time (min) Example 3: (according to the invention) Hydrophilic non-permeable plate We start with a latex of KYNAR 710 from the company ATOFINA having a dry extract of 25% and a dispersion of graphite prepared according to the following procedure : The following products are used: KYNAR (3710 is a PVDF homopolymer of MVFR (Melt Volume
Flow Rate) 10 cm3/ 10 min à 230 C sous 5 kg. Flow Rate) 10 cm3 / 10 min at 230 C under 5 kg.
Un latex de Kynar 710 (Extrait sec = 20%), un élément carboné, le Graphite un A Kynar 710 latex (dry extract = 20%), a carbon element, Graphite a
antimousse (Byk 019), un surfactant (Coadis 1 23K). antifoam (Byk 019), a surfactant (Coadis 1 23K).
Une dispersion de graphite est préparée en mélangeant l'eau, le surfactant, I'anti-mousse puis après dissolution, on ajoute la charge sous forte agitation en visant un extrait sec élevé (50%). On ajoute sous agitation modérée le latex puis on complète avec de I 'eau pour obtenir une dispersion liquide facilement pompable (ES à 20%). La composition d'une dispersion de graphite est donnée ci-après: 973 g d'eau, 0.5 g d'antimousse, 129.8 g de surfactant (agitation modérée) puis rejouter 1040g de Graphite. Agiter fortement jusqu'à obtenir une solution liquide qui ne décante pas. Ajouter sous agitation A graphite dispersion is prepared by mixing the water, the surfactant, the antifoam and then after dissolution, the filler is added with vigorous stirring, aiming for a high dry extract (50%). The latex is added with moderate stirring and then it is made up with water to obtain an easily pumpable liquid dispersion (ES at 20%). The composition of a graphite dispersion is given below: 973 g of water, 0.5 g of antifoam, 129.8 g of surfactant (moderate stirring) then add 1040g of Graphite. Shake vigorously until a liquid solution does not settle. Add with stirring
modérée 780 g de Latex de PVDF KYNAR 710 et 3475.1 g d'eau. moderate 780 g of PVDF KYNAR 710 Latex and 3475.1 g of water.
Le mélange dispersion de graphite I latex de PVDF ainsi préparé est ensuite pompé sous agitation modérée puis coatomisé en utilisant les conditions opératoires suivantes: Température d'entrée du coatomiseur: 170 C Température de sortie du coatomiseur: 60 C Débit total: 17 kg/h La coatomisation sur MINOR PRODUCTION de la société NIRO(I) des particules de latex de PVDF et des particules de graphite permet la préparation de 1000 gr de poudre microcomposite de composition 87% massique de graphite et 13 % massique de Kynar(3 710. Cette poudre est pressée à 1T/cm2 The PVDF latex graphite I dispersion mixture thus prepared is then pumped with moderate stirring and then coatomized using the following operating conditions: Coatomizer inlet temperature: 170 C Coatomizer outlet temperature: 60 C Total flow rate: 17 kg / h The co-atomisation on MINOR PRODUCTION of the company NIRO (I) of PVDF latex particles and graphite particles allows the preparation of 1000 gr of microcomposite powder with a composition of 87% by mass of graphite and 13% by mass of Kynar (3,710. This powder is pressed at 1T / cm2
à 185 C pour préparer une plaque de densité 2050 kg/cm3. at 185 C to prepare a plate with a density of 2050 kg / cm3.
Cette plaque est ensuite trempée dans une solution formée par un mélange de 1500g d'eau et 180g d'éthanol dans laquelle a été préalablement dissout 240g d'hydroxyde de sodium. La solution est portée à 70 C pendant 60 minutes sous agitation. La plaque est ensuite retirée, puis séchée à 75 C dans une étuve ventilée jusqu'à poids constant. La plaque sèche est ensuite immergée dans 1800g d'eau pure à 23 C sous agitation. Après une heure, la This plate is then soaked in a solution formed by a mixture of 1500g of water and 180g of ethanol in which 240g of sodium hydroxide has previously been dissolved. The solution is brought to 70 ° C. for 60 minutes with stirring. The plate is then removed, then dried at 75 ° C. in a ventilated oven to constant weight. The dry plate is then immersed in 1800 g of pure water at 23 C with stirring. After an hour, the
totalité de l'eau de lavage est changée par une nouvelle charge d'eau pure. all of the wash water is changed with a new charge of pure water.
Cette opération est renouvelée au total 4 fois pour aboutir à un pH de la solution aqueuse de lavage proche du pH de l'eau pure. La plaque est finalement This operation is repeated a total of 4 times to reach a pH of the aqueous washing solution close to the pH of pure water. The plaque is finally
séchée à 75 C dans une étuve ventilée. dried at 75 C in a ventilated oven.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
ST | Notification of lapse |
Effective date: 20070330 |