RO133589A2

RO133589A2 - Process for manufacturing a system for sealing fluids in pem fuel cells

Info

Publication number: RO133589A2
Application number: ROA201701106A
Authority: RO
Inventors: Laurenţiu Gabriel Patularu; Dorin Marius Schitea; Alin Mugurel Chitu; Mihai Varlam; Elena Carcadea
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Tehnologii Criogenice Şi Izotopice
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-08-30

Abstract

The invention relates to a process for manufacturing a system for sealing the fluids comprised by the fuel cells with proton exchange membranes (PEM) for stationary applications which use bipolar plates made of graphite material. According to the invention, the process comprises a first stage of moulding, in a semi-open mould (5), a profiled sealing cord (4) and curing the same in the casting mould, followed by a stage of carrying out, on the anodic and cathodic surfaces of the bipolar plate (3), a channel (1) adjacent to each zone of fluid connection to the plate, so as the packing profile made in the mould to be conjugated thereto.

Description

Procedeu de realizare al unui sistem de etanșare a fluidelor în pile de combustibil de tip PEMProcess for creating a fluid sealing system in PEM fuel cells

Invenția poate fi aplicată la realizarea ansamblurilor de pile cu membrane schimbătoare de protoni PEM pentru aplicații staționare, ce integrează plăci bipolare din materiale grafitice și ansambluri membrană-electrod MEA ce pot fi etanșate cu un sistem versatil.The invention can be applied to the production of PEM proton exchanger cell assemblies for stationary applications, which integrate bipolar plates from graphite materials and MEA electrode membrane-electrode assemblies that can be sealed with a versatile system.

Se cunosc soluții de realizare a sistemelor de etanșare din pila de combustibil PEM. în brevetul de invenție US20090220834A1, sistemul de etanșare este dispus la nivelul ansamblului membrană-electrod MEA și conține în afara zonei active, o ramă de etanșare multicomponentă ce este îmbinată cu materialul de etanșat prin 2 metode: aderență și blocare fizică. Același principiu de etanșare se regăsește și în brevetul de invenție US 20170110742A1, în care materialul etanșant este adus în contact intim cu zona adiacentă suprafeței active prin impregnare în porii materialului utilizat pentru difuzia gazelor în zona activă, formându-se în final un ansamblu nedemontabil MEA-gamitură. Același principiu de realizare al unui ansamblu MEA-gamitură de etanșare este descris și în brevetul de invenție WO2016083785A1, în care materialul etanșant este depus prin diverse tehnici de imprimare pe o zonă de ranforsare mecanică, adiacentă zonei active a ansamblului membrană electrod.There are known solutions for achieving the seal systems of the PEM fuel cell. In the patent US20090220834A1, the sealing system is arranged at the level of the membrane-electrode assembly MEA and contains outside the active area, a multicomponent sealing frame that is combined with the sealing material by 2 methods: adhesion and physical locking. The same sealing principle can also be found in US Patent No. 20170110742A1, wherein the sealing material is brought into intimate contact with the area adjacent to the active surface by impregnating the pores of the material used for gas diffusion in the active area, finally forming a non-removable assembly. -gamitură. The same principle of embodiment of a MEA-sealing groove assembly is also described in the patent WO2016083785A1, wherein the sealing material is deposited by various printing techniques on a mechanical reinforcement zone, adjacent to the active area of the electrode membrane assembly.

Un dezavantaj al acestor soluții îl reprezintă metodele costisitoare de depunere în strat controlat a materialului etanșant în zona adiacentă suprafeței active a ansamblului membrană electrod-MEA, cu limitarea de a nu micșora suprafața electrocatalitică a acesteia, prin impregnări nedorite în zona interioară a stratului de difuzie al gazelor. Astfel, controlul parametrilor necesari unei asemenea procedeu necesită tehnici și echipamente scumpe și fac din acesta un procedeu particular, neuzual și cu posibilități mari de apariție a erorilor dimensionale.A disadvantage of these solutions is the expensive methods of depositing in a controlled layer of the sealing material in the area adjacent to the active surface of the electrode-MEA membrane assembly, with the limitation of not shrinking its electrocatalytic surface, through unwanted impregnation in the inner area of the diffusion layer. of gas. Thus, the control of the parameters necessary for such a process requires expensive techniques and equipment and make it a particular, unusual and with high possibilities of dimensional errors.

O altă soluție de etanșare utilizată în construcția ansamblurilor de pile de combustibil PEM este prezentată în brevetul de invenție EP 1553652 A2, în care sistemul de etanșare este realizat prin strângerea predeterminată, înainte de tratarea materialului etanșant, a celor 2 plăci ce conțin: canalizații anodice și catodice ale pilei și canalizații periferice de etanșare a porturilor de alimentare cu fluide și ansamblul membrană electrod-MEA.Another sealing solution used in the construction of PEM fuel cell assemblies is presented in the patent patent EP 1553652 A2, in which the sealing system is realized by the predetermined tightening, before treating the sealing material, of the 2 plates containing: anodic pipes. and cathodes of the battery and peripheral pipelines for sealing fluid supply ports and the electrode-MEA membrane assembly.

Astfel spus, materialul etanșant, nevulcanizat, cu o densitate mare de 150 000 cP se aplică în ambele canalizații periferice ale plăcii anodice și catodice, între care se găsește și ansamblul membrană electrod-MEA, iar prin forța de compresiune predeterminată aplicată pachetului, se realizează, după tratamentul materialului etanșant, un ansamblu nedemontabil placi-sistem de etanșare - ansamblu membrană electrod MEA.That said, the non-vulcanised, sealing material with a high density of 150 000 cP is applied in both peripheral channels of the anodic and cathodic plate, between which is the electrode-MEA membrane assembly, and by the predetermined compression force applied to the package, it is realized , after the treatment of the sealing material, a non-removable plate-sealing system assembly - MEA electrode membrane assembly.

a2017 01106a2017 01106

13/12/201712/13/2017

Un dezavantaj al acestei soluții îl reprezintă soluția aleasă pentru compresiunea predeterminată asupra pachetului de plăci ce conține, pe ambele plăci, materialul etanșant în forma netratată. Cu o vâscozitate în jurul valorii de 150 000 cP a materialului etanșant în stare nevulcanizată și cu o curgere asemănătoare pastei de tomate, îmbinarea prin lipire a celor 2 plăci prezintă un grad mare de incertitudine. în momentul lipirii, oricare din cele 2 plăci va avea o poziție în care adezivul va începe să curgă gravitațional din canalul în care este aplicat, ceea ce va determina apariția de erori în procesul de lipire. Odată tratat, materialul etanșant formează un ansamblu nedemontabil: plăci de curgere a gazelor-ansamblu - membrană electrod MEA și sistem etanșare, astfel încât orice abatere nedorită de la condițiile optime de funcționare duce la schimbarea întregului sistem de etanșare. De asemenea, predefmirea compresiunii aplicate pachetului de plăci implică o cunoaștere aprofundată a materialelor utilizate și a comportamentului acestora pe durata solicitărilor termice din pila de combustibil ce funcționează în regimuri dinamice, soluție personalizată și destul de restrictivă pentru a putea fi pusă la dispoziția integratorilor unor asemenea soluții tehnice.A disadvantage of this solution is the solution chosen for the predetermined compression on the plate pack which contains, on both plates, the sealing material in the untreated form. With a viscosity around 150 000 cP of the non-vulcanised sealant and with a flow similar to tomato paste, the bonding of the two plates presents a high degree of uncertainty. At the time of gluing, any of the 2 plates will have a position where the adhesive will begin to flow gravitationally from the channel in which it is applied, which will cause errors in the gluing process. Once treated, the sealing material forms a non-removable assembly: gas flow-assembly plates - MEA electrode membrane and sealing system, so that any unwanted deviation from the optimum operating conditions leads to the change of the entire sealing system. Also, the predefining of the compression applied to the plate pack implies an in-depth knowledge of the materials used and their behavior during the thermal demands of the fuel cell operating in dynamic regimes, a customized solution and sufficiently restrictive to be made available to the integrators of such technical solutions.

O altă soluție de etanșare a fluidelor din pila de combustibil PEM este prezentată în brevetul de invenție US 20080107944A1 în care etanșarea - plăcilor una față de alta și a ansamblului membrană electrod MEA față de placă se face printr-o construcție personalizată, cu margini îndoite, a plăcilor anodice și catodice. Odată comprimate, se creează un răspuns elastic ce realizează, fără material etanșant dispus pe marginea adiacentă zonei active, o izolare pneumatică. Un dezavantaj al soluției prezentate este faptul că nu se poate aplica materialelor grafitice, specifice aplicațiilor staționare pentru pilele de combustibil de tip PEM, acestea fiind lipsite de elasticitate, ci doar celor metalice, obținute prin metode scumpe de stanțare. Neutilizarea unui material etanșant în zona de lucru a gazelor crește riscul de apariție în timp a neetanșărilor, datorită dilatărilor din timpul regimurilor termice la care ansamblul de pile va lucra.Another sealant solution for PEM fuel cell fluids is presented in US Patent No. 20080107944A1 wherein the sealing - of the plates against each other and of the MEA electrode membrane assembly against the plate is made by a custom construction, with bent edges, of the anode and cathode plates. Once compressed, an elastic response is created that achieves, without sealing material disposed on the edge adjacent to the active area, a pneumatic insulation. A disadvantage of the presented solution is that it cannot be applied to the graphite materials, specific to the stationary applications for PEM fuel cells, these being lacking in elasticity, but only to the metallic ones, obtained by expensive methods of sealing. The non-use of a sealing material in the gas working area increases the risk of non-leakage occurring in time, due to the expansion during the thermal regimes in which the battery assembly will work.

O alternativă privind sistemul de etanșare a pilelor de combustibil PEM este prezentată în brevetul de invenție US 20100021790A1, unde placa bipolară, construită din material compozit: elastomer-material de umplutură electroconductor, prezintă proprietăți elastice și care prin compresiunea aplicată pachetului de componente realizează etanșarea acestora, suplinind astfel lipsa unui material pur etanșant, ușor deformabil situat în zona ansamblului membrană electrod MEA. în brevet nu se prezintă tehnic, scriptic sau grafic această soluție, majoritatea activităților concentrându-se pe dezvoltarea materialului de placă. Soluția prezentată prezintă un dezavantaj prin faptul că, deși nespecificată, elasticitatea plăcilor nu poate compensa deformarea mică, specifică straturilor de difuzie^, gazelor, pentru a obține •/X ..'“''«o, ώ;An alternative to the PEM fuel cell sealing system is presented in US Patent No. 20100021790A1, where the bipolar plate, constructed from composite material: elastomer-electroconductor filling material, has elastic properties and which by compression applied to the component package performs their sealing. , thus replacing the lack of a purely watertight, easily deformable material located in the area of the MEA electrode membrane assembly. In the patent, this solution is not presented technically, scriptually or graphically, most of the activities concentrating on the development of the plate material. The presented solution has a disadvantage in that, although unspecified, the elasticity of the plates cannot compensate for the small deformation, specific to the diffusion layers ^, of the gases, to obtain • / X .. '"' '« o, ώ;

a 2017 01106to 2017 01106

13/12/2017 rezistențe de contact optime, în același timp, etanșarea gazelor pe zona adiacentă suprafeței active a MEA necesitând forțe de compresiune mari. In plus, valorile vehiculate ale rezistivității electrice asociate proprietăților etanșante ale plăcilor utilizate pe post de mediu de separare pneumatică, sunt departe de a fi utilizabile în construcția de pile de combustibil eficiente.13/12/2017 optimum contact resistances, at the same time, gas sealing on the area adjacent to the active surface of the MEA, requiring high compression forces. In addition, the transmitted values of the electrical resistivity associated with the sealing properties of the plates used as a pneumatic separation medium, are far from usable in the construction of efficient fuel cells.

O altă soluție de realizare a etanșării în pilele de combustibil PEM este prezentată în brevetul de invenție US 20170279133A1 în care sistemul de etanșare este realizat din material etanșant, injectat în plăcile anodice și catodice, ce prezintă canale de injecție, situate în zonele adiacente suprafeței active. Injectarea și tratarea materialului etanșant se face cu ajutorul unei matrițe, câte una pentru fiecare placă în parte, canalele de injectat fiind realizate înaintea acestor operațiuni, prin procedee de ștanțare. Deși aplicabilă pe piața dezvoltatorilor de ansambluri de pile PEM, ea este caracteristică aplicațiilor automotive, unde utilizarea plăcilor bipolare din material metalic, realizat prin ștanțare este proprietară marilor producători de autovehicule. Ansamblul nedemontabil placă-sistem de etanșare realizat nu poate fi compatibil decât cu un anumit tip de MEA, deformarea sistemului de etanșare neputând prelua o gamă mai mare de compresiuni a straturilor de difuziune a gazelor conținute de ansamblul membrana electrod. Prețul de producție al unui asemenea sistem de injectare și tratare a materialului de etanșare în placa bipolară este destul de ridicat.Another solution for achieving sealing in PEM fuel cells is presented in US Patent No. 20170279133A1 wherein the sealing system is made of a sealing material, injected into the anodic and cathodic plates, which have injection channels, located in the areas adjacent to the active surface. . The injection and treatment of the sealing material is done with the help of a mold, one for each plate, the injection channels being made before these operations, by means of stamping procedures. Although applicable on the market of developers of PEM battery assemblies, it is characteristic of automotive applications, where the use of bipolar plates made of metallic material, made by stamping, is owned by the major car manufacturers. The non-removable assembly plate-sealing system made can only be compatible with a certain type of MEA, the deformation of the sealing system cannot take over a greater range of compression of the gas diffusion layers contained by the electrode membrane assembly. The production price of such a system for injecting and treating the sealing material in the bipolar plate is quite high.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția prezintă următoarele aspecte:The technical problem that the invention solves has the following aspects:

dezvoltarea unui sistem de etanșare al fluidelor din interiorul pilelor de combustibil de tip PEM, ieftin și ușor de realizat în configurații diverse;developing a fluid sealing system inside PEM fuel cells, cheap and easy to perform in various configurations;

oferă posibilitatea utilizării unei game variate de material etanșant, cu proprietăți fizicomecanice diferite, în funcție de necesitățile tehnice ale integratorilor de pile PEM;offers the possibility to use a diverse range of sealing material, with different physico-mechanical properties, depending on the technical needs of PEM cell integrators;

permite înlocuirea rapidă a garniturilor de etanșare atunci când se înregistrează degradarea acestora;allows the quick replacement of the seals when their degradation is recorded;

- permite alegerea ușoară a unui raport între deformarea necesară a straturilor de difuzie și forțele de compresiune ale pachetului de componente, evitând stresul mecanic suplimentar al acestora;- allows the easy choice of a ratio between the necessary deformation of the diffusion layers and the compression forces of the component package, avoiding their additional mechanical stress;

Invenția se referă la un procedeu de realizare a unui sistem de etanșare ce intră înThe invention relates to a process for making a sealing system which enters

a 2017 01106to 2017 01106

13/12/2017 mare putere, utilizate pentru aplicații staționare, ce utilizează plăci bipolare realizate din material grafitic;12/13/2017 high power, used for stationary applications, using bipolar plates made of graphite material;

Soluția tehnică se bazează pe realizarea, în 2 etape a sistemului de etanșare, astfel:The technical solution is based on the achievement, in 2 stages, of the sealing system, as follows:

1) într-o matriță se realizează un șnur de etanșare profilat din materialul etanșant dorit; vulcanizarea acestuia se face în matrița de turnare;1) in a mold a sealing string is made out of the desired sealing material; its vulcanization is made in the mold;

2) pe suprafețele anodice și catodice ale plăcii bipolare se realizează un canal adiacent fiecărei zone de racordare a fluidelor la placă, astfel încât profilul de garnitură realizat în matrița de formare să fie conjugat cu acesta. Cota de deformare a acestui șnur este aleasă în funcție de tipul de material utilizat, dar și de nivelul optim de deformare al materialului poros al stratului de difuzie al gazelor - GDL. Duritatea finală a materialului etanșant poate fi între 13 și 50 Shore A, fiind aleasă de fiecare integrator al soluției, în funcție de tipul de GDL utilizat și de deformarea acestuia;2) on the anodic and cathodic surfaces of the bipolar plate, a channel is made adjacent to each zone of connection of the fluids to the plate, so that the gasket profile made in the molding mold is conjugated with it. The deformation rate of this string is chosen according to the type of material used, but also to the optimal level of deformation of the porous material of the gas diffusion layer - GDL. The final hardness of the sealing material can be between 13 and 50 Shore A, being chosen by each integrator of the solution, depending on the type of GDL used and its deformation;

Procedeul de realizare al sistemului de etanșare al fluidelor în pilele de combustibil de tip PEM are următoarele avantaje:The process of realizing the fluid sealing system in PEM fuel cells has the following advantages:

prin metode consacrate de producție a șnururilor etanșante, prezintă o soluție ieftină de realizare a etanșării mediilor din pila de combustibil, scăzând semnificativ prețul de producție al sistemelor de pile;by established methods of producing sealing strings, it presents a cheap solution for achieving the sealing of the media in the fuel cell, significantly lowering the production price of the battery systems;

oferă posibilitatea reutilizării plăcilor bipolare după ce s-a constatat degradarea în timp a ansamblului membrană electrod MEA și a garniturilor de etanșare;offers the possibility of reusing bipolar plates after the degradation of the MEA electrode membrane assembly and the sealing gaskets has been observed in time;

oferă integratorilor posibilitatea alegerii propriului material de etanșare, ale căror proprietăți fizice și mecanice sunt cunoscute;it offers the integrators the possibility to choose their own sealing material, whose physical and mechanical properties are known;

versatilitate crescută în stabilirea soluției tehnice pentru alegerea ansamblurilor membrană electrod - MEA, prin eliminarea dependenței de grosimea straturilor de difuzie al acestora;increased versatility in establishing the technical solution for choosing electrode membrane assemblies - MEA, by eliminating the dependence on the thickness of their diffusion layers;

elimină utilizarea garniturilor plane, ce au preț ridicat în etanșarea pilelor de combustibil;eliminates the use of flat gaskets, which have a high price in sealing the fuel cells;

posibilitatea de utilizare a unor MEA mai ieftine, neranforsate mecanic în construcția ansamblurilor de pile, fără a induce eforturi de forfecare a materialului polimeric necesar zonei unde este dispusă etanșarea;the possibility of using cheaper, non-mechanically reinforced MEAs in the construction of pile assemblies, without inducing shear stresses of the polymeric material necessary for the area where the sealing is arranged;

oferă posibilitatea alegerii unui raport exact între valoarea deformării sistemului de etanșare și rezistența electrică internă de contact generată de aceasta, odată cu minimizarea forțelor de compresiune aplicate pachetului de componente.offers the possibility of choosing an exact ratio between the deformation value of the sealing system and the internal electrical resistance of contact generated by it, with the minimization of the compression forces applied to the component package.

a 2017 01106to 2017 01106

13/12/201712/13/2017

în continuare sunt prezentate următoarele figuri:The following figures are presented below:

fig. 1. Secțiune transversală a unui ansamblu membrană electrod - MEA ce intră în componența ansamblurilor de pile de combustibil PEM, cu ilustrarea straturilor de difuzie a gazelor și a zonei disponibile etanșării fluidelor;Fig. 1. Cross-section of an electrode membrane assembly - MEA that is part of the PEM fuel cell assemblies, illustrating the gas diffusion layers and the area available for fluid sealing;

fig. 2. Reprezintă matrița de formare a garniturii de etanșare profilată conform dispunerii traseelor interne de fluide;Fig. 2. It represents the mold for forming the sealing gasket profiled according to the arrangement of the internal fluid paths;

fig. 3. Reprezintă dispunerea canalului de etanșare la nivelul semi-plăcii bipolareFig. 3. It represents the arrangement of the sealing channel at the level of the bipolar semi-plate

Prezentarea detaliată a obiectul invențieiDetailed presentation of the subject matter of the invention

O pilă de combustibil reprezintă un dispozitiv ce transformă energia chimică a unui combustibil (hidrogenul) și a unui oxidant (oxigenul pur sau concentrat în aer) în energie electrică de mare densitate, energie termică și apă. Elementul esențial al unei pile de combustibil îl reprezintă membrana schimbătoare de protoni, ce reprezintă un polimer cu proprietăți protonice selective și 2 electrozi suprapuși pozițional de-o parte și de alta a polimerului. Deasupra fiecărui electrod, din construcția ansamblului membrană electrod MEA fac parte și 2 straturi de difuzie a gazului, constituite din texturi de carbon sau fibră de hârtie de carbon, în general lipite la cald de acesta, cu roluri bine stabilite în funcționarea pilei de combustibil.A fuel cell is a device that converts the chemical energy of a fuel (hydrogen) and an oxidant (pure or concentrated oxygen into air) into high density electricity, heat and water. The essential element of a fuel cell is the proton exchange membrane, which represents a polymer with selective proton properties and 2 electrodes superimposed positionally on both sides of the polymer. Above each electrode, from the construction of the MEA electrode membrane assembly, there are also two layers of gas diffusion, consisting of carbon or carbon fiber textures, generally hot glued to it, with well-established roles in fuel cell operation.

în contact cu stratul de catalizator al anodului, hidrogenul alimentat se disociază în protoni și electroni; protonii traversează grosimea polimerului, în timp ce electronii parcurg circuitul electric exterior, circuit ce se închide electric în zona catodului. Aici moleculele de oxigen reacționează cu protonii și electronii din circuitul exterior formând apa și energie termică. Gazele reactante „spală” separat electrozii corespunzători unei pile, fiind alimentate prin intermediul unor canalizații de diferite configurații, realizate pe suprafețele laterale ale plăcilor de grafit. Fiecare canalizație este izolată pneumatic cu ajutorul unor garnituri de etanșare dispuse periferic. Acestea asigură neamestecarea gazelor în interiorul ansamblului de pile, precum și etanșarea acestora față de mediul înconjurător. Nivelul de deformare al garniturilor de etanșare are implicații directe în efectul deformării straturilor de difuzie al gazelor - GDL.In contact with the catalyst layer of the anode, the hydrogen supplied dissociates into protons and electrons; the protons cross the thickness of the polymer, while the electrons travel the outer electrical circuit, which closes electrically in the cathode area. Here the oxygen molecules react with protons and electrons in the outer circuit forming water and heat energy. The reactant gases "wash" separately the electrodes corresponding to a cell, being fed through pipes of different configurations, made on the lateral surfaces of the graphite plates. Each pipe is pneumatically insulated with peripheral sealing gaskets. These ensure that the gases are not mixed inside the battery pack, as well as their sealing against the environment. The deformation level of the gaskets has direct implications for the deformation effect of the gas diffusion layers - GDL.

Chiar dacă nu participă activ la reacția electrochimică, acestea au câteva roluri cheie în buna funcționare a pilei de combustibil:Even if they are not actively involved in the electrochemical reaction, they have several key roles in the proper functioning of the fuel cell:

- asigură fluența gazelor reactante, de la canalul de gaz până la catalizator, permițând utilizarea întregii zone active, nu doar a celei adiacente canalului.- ensures the fluency of the reactant gases, from the gas channel to the catalyst, allowing the use of the entire active area, not only the one adjacent to the channel.

&/..N-'¹·· I a te* i.c.s.i.& / .. N- ' ¹ ·· I a te * icsi

a2017 01106a2017 01106

13/12/201712/13/2017

IIII

- decongestionează calea de transport a apei generate la nivelul stratului de catalizator, către canalele de drenare;- decongest the water transport path generated at the level of the catalyst layer, towards the drainage channels;

- interconectează electric stratul de catalizator și placa bipolară, permițând purtătorilor de sarcină (electronilor) să închidă circuitul electric extern;- electrically interconnect the catalyst layer and the bipolar plate, allowing the charge carriers (electrons) to close the external electrical circuit;

- mediază schimbul termic rezultat în urma reacției electrochimice, între catalizator și placa bipolară;- it mediates the thermal exchange resulting from the electrochemical reaction, between the catalyst and the bipolar plate;

- conferă integritate fizică membranei polimerice, prevenind deformarea acesteia în canalele de curgere a gazelor.- gives physical integrity to the polymeric membrane, preventing its deformation in the gas flow channels.

Funcționare optimă a pilei de combustibil în structura căreia intră un strat de difuzie a gazului, este dependentă de următoarele proprietăți ale stratului de difuzie:Optimal functioning of the fuel cell in the structure of which a gas diffusion layer enters, is dependent on the following properties of the diffusion layer:

- să fie suficient de poros pentru a permite curgerea ambilor reactanți și a apei.- be sufficiently porous to allow both reagents and water to flow.

- să fie bun conducător electric și termic, atât în plan cât și prin plan; rezistența de contact interfacială dintre GDL și canalele de curgere a gazului din placa de grafit este crucială în performanțele pilei de combustibil;- be a good electric and thermal conductor, both in plan and by plane; the interfacial contact resistance between the GDL and the gas flow channels in the graphite plate is crucial in fuel cell performance;

- să posede o rigiditate suficientă pentru a susține membrana polimerică, dar și flexibil pentru a menține contacte electrice optime.- have sufficient rigidity to support the polymer membrane, but also flexible to maintain optimum electrical contacts.

Dat fiind faptul că puterea generată de o pilă singulară nu poate fi utilizată pentru acționările electrice uzuale, se impune constructiv legarea în serie (cea mai utilizată schemă) sau în paralel a mai multor pile formând ansamblul de pile de combustibil. în cazul legării în serie a pilelor de combustibil se utilizează termenul de placă bipolară, ce reprezintă un ansamblul electro-termo-conductor din diferite materiale metalice sau grafitice, cu rol de distribuitor de gaze în zonele anodice și catodice alăturate, colectează și conduce curentul electric de la anod spre catodul alăturat și asigură interfața (de etanșare) pentru sistemul de etanșare al fluidelor din ansamblul de pile.Given that the power generated by a single battery cannot be used for the usual electrical drives, it is constructively required to connect in series (the most used scheme) or in parallel several batteries forming the fuel cell assembly. In the case of bonding the fuel cells in series, the term bipolar plate is used, which represents an electro-thermo-conductive assembly of different metallic or graphite materials, with the role of gas distributor in the adjacent anodic and cathodic areas, collecting and conducting the electric current. from the anode to the adjacent cathode and provides the (sealing) interface for the fluid sealing system in the battery assembly.

Pentru a putea fi integrate în sisteme energetice eficiente, ansamblurile de pile de combustibil trebuie să prezinte caracteristici energetice și constructive optimizate (densități de energie raportate la volumul și masa ansamblului de pile), de aceea sistemele de etanșare a plăcilor bipolare prezintă o importanță deosebită, putând ocupa până la 5% din volumul unui ansamblu de pile, iar o alegere greșită a acestuia poate duce la utilizarea unor grosimi mari a plăcii bipolare, deci la gabarite mărite ale ansamblurilor de pile.In order to be integrated into efficient energy systems, fuel cell assemblies must have optimized energy and construction characteristics (energy densities based on the volume and mass of the battery assembly), which is why bipolar plate sealing systems are of particular importance, being able to occupy up to 5% of the volume of a stack of batteries, and a wrong choice of it can lead to the use of large thicknesses of the bipolar plate, thus to larger sizes of the stack assemblies.

Sistemele de etanșare ale pilelor de combustibil PEM trebuie să îndeplinească câteva condiții, pentru a putea fi integrate cu succes în funcționarea acestora: compatibile cu mediul din pile (pH, temperatură) ușor de realizat, ieftine și să fie compatibile prin deformarea lor cu nivelul de deformare al straturilor de difuzie ale MEA.PEM fuel cell sealing systems must meet several conditions, in order to be successfully integrated into their operation: compatible with the environment in cells (pH, temperature) easy to achieve, inexpensive and compatible with their deformation with the level of deformation of MEA diffusion layers.

a2017 01106a2017 01106

13/12/201712/13/2017

Ținând cont de aceste proprietăți specifice se evidențiază necesitatea utilizării unor materiale de etanșare cât mai elastice, prin ale căror deformări să se poată prelua ușor mici abateri dimensionale ale polimerului membranei sau ale canalelor de etanșare executate în placa bipolară și să se ajungă la valori optime ale rezistentei de contact dintre GDL și placa de grafit.Taking into account these specific properties, it is emphasized the need to use as elastic sealing materials as possible, by means of which deformations can easily take small dimensional deviations of the membrane polymer or of the sealing channels executed in the bipolar plate and reach optimal values of contact resistance between GDL and graphite plate.

Procedeul de realizare al plăcilor bipolare cu sistem de răcire de tip lichid inclus pentru ansamblurile de pile de combustibil PEM constă în următoarele activități:The process of making bipolar plates with liquid type cooling system included for PEM fuel cell assemblies consists of the following activities:

1) pregătirea prin prelucrări de așchiere a canalului de etanșare (1) dispus pe fața superioară (2) a plăcii bipolare (3) necesar introducerii garniturilor de etanșare profilate (4);1) the preparation by means of cutting processing of the sealing channel (1) disposed on the upper face (2) of the bipolar plate (3) necessary to introduce the profiled seals (4);

2) amestecarea masică în raportul dat de producător la temperatura camerei a celor 2 materii prime polimerice necesare materialului etanșant de tip elastomeric (bază și catalizator) Materiale uzuale compatibile cu mediul din pila de combustibil sunt: Fluoro-cauciucuri, EPDM-uri, cauciucuri siliconice, perfluoro cauciucuri, cauciucuri cloroprenice;2) mass mixing in the report given by the manufacturer at room temperature of the 2 polymeric raw materials needed for the elastomeric sealing material (base and catalyst) Common materials compatible with the fuel cell environment are: Fluoro-rubber, EPDM, silicone rubber , perfluoro tires, chloroprene tires;

3) amestecul obținut, se introduce într-o centrifugă pentru scoaterea bulelor de aer din masa acestuia;3) the obtained mixture is introduced in a centrifuge to remove the air bubbles from its mass;

4) se introduce în matrița de formare semideschisă (5) amestecul polimeric etanșant;4) the sealing polymeric mixture is inserted in the semi-open formation mold (5);

5) se îndepărtează prin raclare surplusul de material, astfel încât acesta să fie în același plan cu suprafața superioară a acesteia;5) the surplus material is removed by scraping, so that it is in the same plane as its upper surface;

6) în funcție de materialul polimeric etanșant utilizat, se introduce matrița cu materialul etanșant dispus în aceasta la tratament termic, respectându-se temperatura de vulcanizare indicată de producător sau se poate aștepta vulcanizarea acestuia în matrița aflată la temperatura ambiantă;6) depending on the sealing polymeric material used, the mold is inserted with the sealing material disposed in it at the heat treatment, respecting the vulcanization temperature indicated by the manufacturer or its vulcanization can be expected in the mold at ambient temperature;

7) se îndepărtează din matriță garnitura de etanșare profilată (4);7) the profiled seal gasket (4) is removed from the mold;

8) se introduce garnitura de etanșare profilată (4) în canalul de etanșare (1) al feței superioare (2) a plăcii bipolare (3);8) insert the profiled gasket (4) into the sealing channel (1) of the upper face (2) of the bipolar plate (3);

9) se repetă pasul de la punctul 8) și pentru cealaltă față a plăcii bipolare, realizându-se sistemul de etanșare al unei plăci bipolare ce intră în construcția unui ansamblu de pile de combustibil PEM.9) repeat the step from point 8) and for the other side of the bipolar plate, realizing the sealing system of a bipolar plate that enters the construction of an assembly of PEM fuel cells.

Claims

1. The process of realizing the fluid sealing system of PEM fuel cells, characterized in that the sealing system of a bipolar plate, is obtained by the demountable integration of 2 profiled gaskets (4) that have been obtained in a semi-open outer mold (5) and inserted after vulcanization into the sealing channels (1) disposed on both sides of the bipolar plate (3).