PL100706B1 - Element pradotworczy ogniwa paliwowego membranowego,zwlaszcza wodorowo-tlenowego i sposob jego wytwarzania - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest element pradotwórczy ogniwa paliwowego membranowego, zwlaszcza wodorowo-tlenowego, skladajacy sie z dwu elektrod i membrany jonowymiennej oraz sposób jego wytwarzania.

Znane sa dotychczas rozwiazania ogniw paliwowych membranowych, w których element pradotwórczy stanowia dwie oddzielne elektrody przylegajace do obydwu powierzchni membrany jonowymiennej. Elektrodami sa platynowane siatki platynowe, wzglednie folie uksztaltowane z czerni platynowej i policzterofluoroetylenu.

Czynione sa równiez laboratoryjne próby zastosowania elektrod weglowych. Zasadnicza niedogodnoscia tych rozwiazan jest wysoki koszt wytwarzania elementów pradotwórczych z uwagi na znaczna zawartosc w elektro¬ dach katalizatora platynowego, siegajaca kilkadziesiat miligramów platyny na cm2 powierzchni elektrody oraz wysoki koszt nosnika katalizatora i kolektora pradowego. Stosowane elektrody weglowe w laboratoryjnych badaniach naukowych ogniw paliwowych membranowych, charakteryzuja sie niskimi parametrami elektrycznymi i wytrzymalosciowymi.

Oddzielne elektrody komplikuja konstrukcje ogniwa paliwowego membranowego, bowiem wymagaja stosowania klopotliwych rozwiazan zapewniajacych dobre przyleganie elektrod do membrany jonowymiennej.

Celem wynalazku jest usuniecie tych niedogodnosci, a zagadnieniem technicznym wymagajacym rozwiaza¬ nia dla osiagniecia tego celu, jest wyeliminowanie w znacznym stopniu drogich metali poprzez odpowjednia konstrukcje elementu pradotwórczego, zapewniajaca uzyskanie wysokich gestosci pradowych przy niewielkiej zawartosci katalizatora platynowego. Dla osiagniecia tego celu wytyczone zostalo zadanie opracowania sposobu wytwarzania elementu pradotwórczego.

Istota wynalazku jest element pradotwórczy ogniwa paliwowego membranowego, zwlaszcza wodorowo-tle¬ nowego, skladajacy sie z membrany jonowymiennej oraz dwóch elektrod weglowych, z których kazda zlozona jest z warstwy nosnej wegla o dobrym przewodnictwie elektronowym i granulacji 0,5—0,1 mm, oraz warstwy katalitycznej wegla aktywowanego o granulacji 0,08-0,02 mm z naniesionym katalizatorem, korzystnie platyno¬ wym.2 100 706 Membrana jonowymienna oraz granulki wegla warstwy nosnej i katalitycznej spojone sa ze soba w jedna calosc przy pomocy zgranulowanego polietylenu, najkorzystniej o granulacji równej wielkosci granulacji warstw.

Element pradotwórczy wedlug wynalazku wyposazony jest w elektrody o powierzchni mniejszej niz membrana jonowymienna. Wystajaca czesc powierzchni membrany jonowymiennej sluzy do uszczelniania komór gazowych ogniwa.

W wyniku badan popartych wieloma doswiadczeniami stwierdzono, ze element pradotwórczy ogniwa paliwowego membranowego mozna wytworzyc przez sprasowanie w matrycy pod cisnieniem 10—40 kG/cm2 w temperaturze nizszej od temperatury topnienia polietylenu, odpowiednio oddzielnie naniesionych skladników warstw elektrod z oddzielajaca je membrana jonowymienna. Zewnetrzne powierzchnie elektrod, celem zabezpie¬ czenia przed przylepianiem sie do powierzchni tloków matrycy, izolowane sa folia z tworzywa sztucznego o temperaturze topnienia wyzszej od temperatury topnienia polietylenu, najkorzystniej folia z policzterofluoroe- tylenu.

Element pradotwórczy wedlug wynalazku dzieki swojej zwartosci znacznie upraszcza konstrukcje ogniwa paliwowego i obniza koszt jego wytworzenia wskutek niewielkiej zawartosci w nim platyny, rzedu kilku miligramów na cm2 powierzchni elektrody i wyeliminowaniu drogich metali stosowanych jako nosniki katalizato¬ ra, zastepujac je stosunkowo tanim weglem aktywowanym.

Ponadto elektrody wytworzone zgodnie z wynalazkiem znacznie przewyzszaja pod wzgledem wytrzyma¬ losci mechanicznej stosowane dotychczas elektrody weglowe.

Stosowana technologia wytwarzania elementu pradotwórczego nie powoduje zmian parametrów membra¬ ny. Element pradotwórczy wedlug wynalazku jest przedstawiony w przekroju poprzecznym na rysunku.

Jak przedstawiono na rysunku, elektrody 1 zlozone z warstwy nosnej 2 wegla o dobrym przewodnictwie elektronowym oraz warstwy katalitycznej 3 wegla aktywowanego z naniesionym katalizatorem platynowym, zwiazane sa z membrana jonowymienna 4 zgranulowanym polietylenem przez sprasowanie.

Ogniwo paliwowe zbudowane w oparciu o przedmiotowy element pradotwórczy dziala nastepujaco: na elektrodzie wodorowej w wyniku utleniania wodoru powstaja jony wodorowe. Jony te wedruja poprzez membrane jonowymienna do elektrody tlenowej, gdzie reaguja z powstalymi tam jonami wodorotlenowymi tworzac wode. Elektrony uwalniane w procesie utleniania na elektrodzie wodorowej stanowia prad przeplywaja¬ cy w obwodzie zewnetrznym ogniwa.

Sposób wytwarzania elementu pradotwórczego jest dokladnie przedstawiony w nizej podanym przykla¬ dzie, nie ograniczajac jego zakresu ochrony.

Przyklad. Do matrycy zaopatrzonej w czujnik temperaturowy oraz wylacznik czasowy, wyposazonej w górny i dolny tlok, którego czolowa powierzchnia oslonieta jest krazkiem z folii policzterofluoroetylenowej, nanosi sie warstwe nosna wegla o ciezarze 1,2 g i granulacji 0,2-0,12 mm, dokladnie zmieszana z 20% wagowa iloscia polietylenu o identycznej granulacji. Wegiel otrzymano przez wygrzewanie w atmosferze azotu w tempera¬ turze 900°C przez okres 4 godzin koksu weglowego uzyskanego przez karbonizacje sacharozy. Na warstwe te nanosi sie warstwe wegla Carbopol N w ilosci 0,5 g o granulacji 0,085—0,075 mm z naniesiona platyna w ilosci 18% wagowych, dokladnie zmieszanego z 13% iloscia wagowa polietylenu o tej samej granulacji. Na tak naniesione warstwy naklada sie membrane kationitowa polietylenowo-polistyrenosulfonowa, a nastepnie w od¬ wrotnej kolejnosci warstwy drugiej elektrody o wyzej podanych skladach oraz krazek folii z policzterofluoroety- lenu. Nastepnie zawartosc matrycy prasuje sie pod cisnieniem 15 kG/cm2 w temperaturze 106°C przez okres 30 minut, po czym oddziela sie od powierzchni elektrod przekladki policzterofluoroetylenowe. Ogniwo z tak otrzymanym elementem pradotwórczym, posiadajace elektrody o srednicy 50 mm, zasilane wodorem i tlenem o cisnieniu 0,6 kG/cm2, przeplywajacym odpowiednio z szybkoscia 3 l/h i 10 l/h, dostarcza pradu o natezeniu 450 mA pod napieciem 700 mV.

Element pradotwórczy wedlug wynalazku ma zastosowanie w budowie pojedynczych ogniw paliwowych, a w szczególnosci baterii paliwowych wodorowo-tlenowych.

Claims (2)

Zastrzezenia patentowe

1. Sposób wytwarzania elementu pradotwórczego, zwlaszcza wodorowo-tlenowego, zestawionego z elekt¬ rod oraz membrany jonowymiennej, znamienny tym, ze nanosi sie kolejno w matrycy warstwe nosna (2) ^ oraz warstwe katalityczna (3) jednej elektrody (1), przeklada membrana jonowymienna (4), a nastepnie nanosi sie warstwe katallityczna (3) oraz warstwe nosna (2) drugiej elektrody (1) i prasuje calosc pod cisnieniem 10—40 kG/cm2 w temperaturze nizszej od temperatury topnienia polietylenu, przy czym zewnetrzne powierz¬ chnie elektrod (1) oddziela sie od matrycy folia z tworzywa sztucznego o temperaturze topnienia wyzszej od temperatury topnienia polietylenu, najkorzystniej folia z policzterofluoroetylenu.100706 3

2. Element pradotwórczy ogniwa paliwowego membranowego, zwlaszcza wodorowo-tlenowego, skladajacy sie z elektrod oraz membrany jonowymiennej, znamienny tym, ze elektrody (1) zlozone sa z warstwy nosnej (2) utworzonej zwegla o granulacji 0,5—0,1 mm o dobrym przewodnictwie elektronowym oraz warstwy katalitycznej (3) wegla aktywowanego o granulacji 0,08—0,02 mm z naniesionym katalizatorem, przy czym membrana jonowymienna (4), granulki wegla warstwy nosnej (2) oraz warstwy katalitycznej (3) spojone sa ze soba w jedna calosc przy pomocy zgranulowanego polietylenu.