RO131246A2 - Procedeu de ranforsare mecanică a membranelor polimere de tip pem, utilizate în generatoare electrochimice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un dispozitiv şi la un procedeu de ranforsare a membranelor polimere de tip PEM, utilizate în generatoare electrochimice. Dispozitivul conform invenţiei este format dintr-o placă (11) inferioară, prevăzută cu nişte ghidaje (12), o placă (10) superioară, ce conţine un racord (7) de presiune şi o cameră (8) vidată, pe a cărei suprafaţă (9) rigidă se dispune ansamblul membrană electrod. Procedeul conform invenţiei constă în lipirea a două folii autoadezive de material plastic pe suprafaţa adiacentă zonei active a electrozilor, prin suprapunere de o parte şi de alta a membranei polimere, la temperatura de 25...80°C, şi aplicarea unei forţe de compresiune de 500...5000 N, timp de 1...30 min, cu dispozitivul invenţiei, rezultând un ansamblu membrană electrod ranforsat.

Description

Invenția poate fi aplicata in realizarea ansamblurilor de pile de combustibil si a generatoarelor de hidrogen de tip PEM, pe baza membranelor polimerice ranforsate mecanic.

Se cunosc soluții de realizare a ranforsarii membranelor polimerice de tip PEM: in brevetul de invenție US 2014/0242477A1, ranforsarea membranelor polimerice se face pe întreaga suprafața de reacție a electrozilor, intre electrozi si membrana, prin depunerea suplimentara, deasupra membranei polimerice, a unei folii subțiri cu proprietăți specifice de conductivitate protonica. Prin acest procedeu se realizează o întărire mecanica a membranei polimerice pe întreaga suprafața activa a electrozilor si posibil, dar nespecificat, pe suprafața exterioara a acestora. Acest procedeu va duce la reducerea gradului de deteriorare, datorat modificărilor dimensionale, cauzate de conținutul de apa. In acest procedeu nu se face referire si la stresul mecanic suferit de membrana polimerică din exteriorul suprafeței active, este complicat, scump si poate duce la deteriorarea proprietăților protonic conductoare a membranei polimerice prin adaugarea, pe caile de curent protonic, de materiale suplimentare.

O alta soluție de rigidizare a a membranelor polimerice o reprezintă brevetul de invenție US 8673517 B2, in care are loc o ranforsare chimica a membranei polimerice, prin integrarea in matricea polimerului baza a unui material asemanator ca structura chimica si nivel de conductivitate protonica. Aceasta ranforsare se aplica întregii membrane, atat pe suprafața activa a electrozilor, cat si pe suprafața inactiva electric situata adiacent zonei active a electrozilor. Chiar daca se presupune realizabila ranforsarea la nivelul suprafeței active a membranei polimerice, acolo unde reacțiile la electrozi supun la stres membrana sub acțiunea apei (gonflare), suprafața exterioara acestei zone active ramane sub influenta stresului mecanic datorat comprimării elementelor de etanșare.

O alta abordare privind ranforsarea membranelor polimere este oferita de brevetul de invenție US 2014/0120458 Al in care se face o ranforsare a stratului de catalizatori dispusi de o parte si de alta a membranei polimerice, in zona activa a reacțiilor de oxido-reducere. Aceasta ranforsare se face dispunând deasupra stratului de catalizator corespunzător reacției de electrod a unor materiale ce formează un strat mecanic protector, compatibil cu reacțiile la electrod.

de catalizator in timpul operației de fabricare a jrir$ forțelor mari de compresiune membrana ^-2014-- 009600 8 -12- 2014 polimerică se umfla si determina o variație a solicitării compresive de-alungul ansamblului membrana electrod, ce in final va genera deformări permanente nedorite. Compresiunile mici ale ansamblului membrana electrod, din timpul fabricării acestuia, pot duce la flambarea unuia din electrozi si in final la crăpături. Chiar daca acest berevet poate rezolva problematica ranforsarii membranei polimerice de la nivelul suprafeței active a electrozilor, același procedeu de ranforsare nu se poate aplica si la suprafața adiacenta acesteia.

Un alt brevet de invenție US 8486578 B2 trateaza ranforsarea mecanica a membranelor polimerice, ranforsare dispusa adiacent zonei active a membranei polimerice, pe o porțiune pe care este suprapus prin lipire stratul de difuzie al gazului de-o parte si de alta a membranei polimerice. O restricție a aceastei metode o reprezintă faptul ca ansamblul creat, MEA-strat ranforsare, este individualizat, întrucât lipirea GDL-ului se face pe marginile interioare ale materialului de ranforsat. Acest lucru duce la folosirea produsului final doar de către grupuri de lucru ce cunosc in detaliu comportamentul distinct al tandemului GDLmembrana polimerică utilizat.

Problema tehnica pe care o rezolva invenția de fata prezintă următoarele aspecte:

- Crearea unui ansamblu compact membrana polimerica-sistem ranforsare, capabil sa suporte pe suprafața destinata si disponibila etansarii, forte de compresiune mai mari decât le-ar suporta polimerul neranforsat, fara modificări in funcționalitate;

Oferă posibilitatea integratorilor de membrane polimerice de a utiliza o metoda simpla, ieftina si versatila pentru construcția de ansambluri de pile, alegand soluții de etanșare clasice si cu materiale uzuale;

- Permite integrarea in ansamblul membrana polimer (MEA), a unor straturi de difuzie personalizate in funcție de soluția de etanșare aleasa de utilizator, prin faptul ca acesta (GDL-ul), poate fi atașat ulterior procedurii de ranforsare;

- Prin utilizarea unor suprafețe netede si rigide ale materialului de ranforsare, soluția de fata previne deteriorarea membranei polimerice datorita forțelor de compresiune din timpul exploatării garniturilor de etanșare;

oferă un grad de etanșeitate superior prin faptul ca se pot aplica forte de compresiune superioare pe suprafețele netede si rigide ale materialului de ranforsare;

- Soluția oferă posibilitatea utilizării unei suprafețe minime de polimer pentru zona adiacenta suprafeței active a electrozilor, disponibila etansarii, prin exinderea acesteia cu materialul plastic de ranforsat;

Invenția se refera la un pr^^^»<^eN/ț^nfb^sare mecanica a membranelor polimerice utilizate in construcția generatorilor e.lșctrochirfgca cu membrana schimbătoare de protoni \ fe Va'* s Η

X2 Ο 1 4 - - 0 0 9 6 0 0 Ο -12- 2014

de tip ΡΕΜ, cu referire la generator energetic (pila de combustibil) sau generator de gaze, hidrogen si oxigen (electrolizor). Aceste dispozitive electrochimice utilizează același tip de membrana polimerica, mecanismul de transport al protonilor prin membrana polimerica fiind același, fie ca se injectează electroni in straturile de catalizatori (electroliza), fie ca se extrag (pila de combustibil).

Soluția tehnica se realizează prin lipirea, la cald sau la rece, cu un dispozitiv personalizat, a 2 folii autoadezive de material plastic cu proprietăți mecanice superioare polimerului, pe suprafața acestuia, prin suprapunere, de-o parte si de alta, in zona adiacenta suprafeței active a electrozilor.

Procedeul de ranforsare mecanica a membranelor polimere de tip PEM, utilizate in generatoare electrochimice oferă posibilitatea obținerii următoarelor avantaje:

Prin aplicarea ranforsarilor cu materiale plastice rezulta suprafețe rigide, netede, la care etanșarea se poate face aplicând presiuni de contact mărite, fara a pune in pericol integritatea polimerului, realizandu-se altfel grade superioare de etanșare;

- Oferă posibilitatea utilizării unei suprafețe minimale pentru zona de polimer adiacenta suprafeței active a membranei;

- Adaptarea cu ușurința a dispozitivului de ranfosat la modificarea suprafețelor implicate in procesele electrochimice, fie ca vorbim de forme circulare sau patrulatere, utilizate in mod uzual in electrolizoare sau pile de combustibil, sau chiar si la forme neregulate;

- Durabilitate crescută in timp a membranei polimerice supusa stresului mecanic al elementelor de etanșare si acțiunii forțelor de intindere/compresiune ale apei din membrana;

- Preț scăzut pentru membrana polimerica prin utilizarea unei suprafețe polimerice minime pentru zona necesara etanșarii;

In timpul procedeului de realizare a ansamblului membrana-electrod, datorita tehnicilor de depunere prin spray-ere, membrana polimerica suferă deformări ale suprafețelor datorita tensiunilor interne generate de evaporarea solvenților din timpul depunerii.

In continuare sunt prezentate figurile ce prezintă:

Figura 1, vedere de sus a unei membrane polimerice ranforsate mecanic pe suprafața disponibila pentru etanșare;

-un ansamblu membrana electod MEA cu

£2014-- 0 0 9 6 0 0 fl *12- 2014

- Figura 3, dispozitiv de ranforsare implicat in realizarea procedeului de ranforsare mecanica a membranelor, pe zona de polimer adiacenta suprafeței active a membranei;

In continuare este prezentat in mod detaliat obiectul invenției.

O pila de combustibil reprezintă un dispozitiv ce transforma energia chimica a unui combustibil (de regula hidrogenul) si a unui oxidant (de regula oxigenul pur sau concentrat in aer) in energie electrica de mare densitate, energie termica si apa.

In mod invers, alimentând cu energie electrica de curent continuu un dispozitiv relativ asemanator, se generează hidrogen si oxigen.

Elementul esențial al unei pile de combustibil sau a unui electrolizor il reprezintă ansamblul MEA format dintr-o membrana schimbătoare de protoni realizata dintr-un polimer cu proprietăți protonice selective si doi electrozi porosi vând catalizatori pe baza de platina, suprapusi pozițional de-o parte si de alta a membranei.

In cazul pilei de combustibil, la anod are loc disocierea hidrogenului in protoni si electroni. Protonii trec prin membrana polimerică către catod, in timp ce electronii trec prin circuitul electric exterior si ajung la catod unde reduc oxigenul formând apa si energie termica.

In modul electrolizor, la anod are loc proocesul de oxidare a apei si degajare de oxigen și la catod se produce reducerea hidrogenului si implicit formarea de hidrogen molecular. Se poate observa ca in ambele moduri de funcționare este implicat un anumit grad de umidificare al membranei polimerice, ceeace, in timp duce la modificarea proprietăților mecanice ale acesteia.

In același timp in pila/electrolizor, compartimentele de generare sau utilizare a gazelor sunt presurizate, cu valori mult superiore in cazul electrolizei, cel puțin pentru partea de hidrogen. Etanșarea compartimentelor, unul fata de altul si către mediul exterior se realizează la nivelul membranei polimerice, cu materiale de etanșare dispuse pe zona adiacenta suprafețelor active ale membranei.

In cazul pilelor de combustibil PEM presiunile gazelor implicate in reacție, in mod uzual nu depasesc 1-2 bari, neridicand probleme complexe pentru soluțiile de etanșare. In același timp trebuie subliniat faptul ca modul de lucru al membranelor polimerice, in funcție de regimul de sarcina la care este supus, influențează conținutul de apa, ducând la gonflari (umflări), si implicit la modificări dimensionale ce streseaza mecanic membrana de-alungul rdannbn τΐηΙίτΎΐίΛνιζ'

¢2014-- 009600 8 -12- 2014 ajutorul compresoarelor. In prezent exista electrolizoare PEM ce generează hidrogen la 300 bari, însemnând ca aceasta valoare se regăsește etansata la nivelul membranei polimerice, pe zona catodica de eliberare a hidrogenului. Soluția mecanica de etanșare a hidrogenului la aceste valori ridica probleme de proiectare extrem de dificile, forte de compresiune uriașe fiind suportate de un strat de polimer cu grosime de 25-100 microni..

Procedeul de ranforsare mecanica a membranelor polimere de tip PEM, utilizate in generatoare electrochimice, consta in următoarele etape:

1) Se aseaza folia de material plastic (3) cu o grosime intre 30-120 microni, cu suprafața autoadeziva (4) orientata spre suprafața (5) adiacenta zonei catalitice (2) a ansamblului membrana electrod, taiata după conturul dorit, la distanta (D), in placa inferioara (11) a sistemului de ranforsare;

2) Prin racordul (7) se creaza in camera (8) situata in placa superioara (10) a • · · · 1 2 dispozitivului de ranforsare, o presiune negativa in domeniul 10' - 5x10 mbar. Pe suprafața rigida si vidata (9) corespunzătoare camerei vidate (8) se dispune conform suprapunerii dorite,'ansamblul membrana electrod.

3) Se suprapune placa superioara (10) peste placa inferioara (11) prin ghidajele (12), aplicând o forța de compresiune intre 500 si 5000N si un tratament termic intre 25°C si 80°C, intr-un interval de timp cuprins intre 1 minut si 30 minute, in funcție de materialele plastice folosite;

4) Procedeul se repeta respectând pașii (1), (2), (3) si pentru cealalta parte a ansamblului membrana electrod, unde se dispune in contact pe suprafața rigida si vidata (9), materialul plastic (3).

Ansamblul membrana electrod, poate conține sau nu, stratul de difuzie al gazelor (1)

Claims (2)

1. REVENDICĂRI

   1. Procedeul de ranforsare mecanica a membranelor polimerice de tip PEM, utilizate in generatoare electrochimice, caracterizat prin aceea ca realizarea ranforsarii mecanice a membranelor polimerice de tip PEM se face prin lipirea cu un material plastic adecvat (3), dispus pe ambele suprafețe adiacente (5) zonei active (2), la distanta (D) a ansamblului membrana electrod.
2. 2. Procedeul de ranforsare mecanica a membranelor polimerice de tip PEM, utilizate in generatoare electrochimice, conform revendicării 1, este caracterizat prin aceea ca ranforsarea mecanica a membranelor polimerice se obține in urma aplicării asupra plăcilor dispozitivului conținând suprafețele de lipit, a unei forte de compresiune cuprinse intre 500 si 5000N si a unui tratament termic in domeniul 25°C si 80°C, intr-un interval de timp cuprins intre 1 minut si 30 minute, in funcție de materialele plastice folosite;