RU2198452C1 - Method for assembling diaphragm-electrode unit - Google Patents

Method for assembling diaphragm-electrode unit

Info

Publication number
RU2198452C1
RU2198452C1 RU2001123278A RU2001123278A RU2198452C1 RU 2198452 C1 RU2198452 C1 RU 2198452C1 RU 2001123278 A RU2001123278 A RU 2001123278A RU 2001123278 A RU2001123278 A RU 2001123278A RU 2198452 C1 RU2198452 C1 RU 2198452C1
Authority
RU
Grant status
Grant
Patent type
Prior art keywords
electrodes
assembly
membrane
cm
method
Prior art date
Application number
RU2001123278A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.И. Груздев
В.Л. Туманов
Original Assignee
Государственное унитарное предприятие "Компания МЭТИС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Grant date

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/50Fuel cells
    • Y02E60/52Fuel cells characterised by type or design
    • Y02E60/521Proton Exchange Membrane Fuel Cells [PEMFC]

Abstract

FIELD: electrical engineering; fuel cells with proton-conducting polymeric diaphragms. SUBSTANCE: novelty is that diaphragm- electrode unit is assembled by electrochemical method , that is, in pulsed mode of operation of fuel cell while reducing them with aid of plane- parallel gas-distributing plates provided with channels on their surfaces, 0.5 to 5.0 sq. mm deep, for feeding chemical agents and with insulating gaskets on their perimeter forming spaces separated relative to electrodes for feeding hydrogen and oxygen; total sectional area of all channels is 1 to 10% of electrode surface. Assembly is conducted at draft pressure of 2 to 150 kg/sq. cm and working gas pressure of 1 to 6 atm. abs. until temperature of 80 to 120 C is attained due to connection of electric load to auxiliary plates in pulsed mode with current density being from 100 mA/sq. cm to short-circuit currents. By the end of assembly diaphragm- electrode unit is checked for its current-voltage characteristics. Diaphragm-electrode unit is also proposed to be subjected to pre- assembly thermal reduction at draft pressure of 2 to 150 kg/sq. cm and at temperature of 90 to 220 C in aqueous dielectric environment or in air. In the latter case diaphragm is pre-dehydrated at 60 to 98 C. EFFECT: enhanced efficiency of using active surfaces of unit. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к топливным элементам с протонопроводящими полимерными мембранами и другим химическим источникам тока, в которых применяются мембранно-электродные блоки (сборки). The invention relates to electrical engineering, namely to the fuel cells with proton conducting polymer membranes and other chemical current sources which apply a membrane-electrode units (assemblies). Такие топливные элементы могут использоваться в энергоустановках для морского и наземного транспорта, а также в стационарных автономных энергоустановках. Such fuel cells can be used in power plants for marine and land transportation, and also in stationary power plants autonomous.

Известен способ сборки батарей топливных элементов с протонопроводящими полимерными мембранами, заключающийся в том, что батарея собирается путем укладки последовательно друг на друга и последующего сжатия в пакете электродов, протонопроводящих полимерных мембран, газораспределительных и токосъемных охлаждающих пластин (заявка 19542475, Германия, МПК 6 Н 01 М 8/02, Н 01 М 2/08, заявл. 15.11.95 г, опубл. 22.05.97 г.). Known method of assembling batteries of fuel cells using a proton conductive polymer membranes, which consists in that the battery is assembled by stacking in series with each other and then compressing the electrodes in the package, proton conducting polymer membranes, gas distribution and current collecting cooling plates (application 19542475, Germany, IPC 6 H 01 8/02 M, H 01 M 2/08, appl. g 11/15/95, publ. 22.05.97 g).

В таких сборках сопряжение мембраны с электродами, а следовательно, и передача тока, производится за счет механического прижима (продольного или осевого сжатия пакета электродов, протонопроводящих полимерных мембран, газораспределительных и токосъемных охлаждающих пластин). In such membrane assemblies mate with the electrodes, and hence the transfer current produced by the mechanical clamp (longitudinally or axially compress the electrode stack, proton conducting polymer membranes, gas distribution plate and current collecting cooling). В подобных конструкциях не обеспечивается равномерная работа мембранно-электродного блока, электрохимическая реакция и генерирование тока происходит в основном в зоне границ обжатия мембранно-электродного блока ребрами или гофрами газораспределительных (сепарационных) пластин. In such designs do not allow uniform work membrane-electrode assembly, and generation of electrochemical reaction current occurs mainly in the compression zone boundaries membrane-electrode assembly ribs or corrugations gas distribution (separation) of the plates. Таким образом, наиболее эффективно работает та часть активной поверхности мембранно-электродного блока, которая находится в обжатом состоянии в составе пакета, а остальная поверхность находится в необжатом состоянии и практически не работает. Thus, the most effective work that part of the active surface of the membrane electrode assembly, which is in the crimped state in the package, and the rest of the surface is in the non-pressed state and practically does not work.

Известен также способ изготовления мембран с закрепленными на них электродами (см. заявку ДЕ19705468 А1, Германия, МПК 6 В 23 К 20/10, заявл. 13.02.97 г., опубл. 27.08.98 г.), заключающийся в том, что соединение мембран и пористых электродов производится ультразвуковой сваркой. Known as a method for manufacturing membranes with electrodes attached to them (see. The application DE19705468 A1, Germany, IPC 6 20/10 23 K, appl. 13/02/97 was, publ. 27.08.98 g), which consists in the fact that compound membranes and the porous electrodes is produced by ultrasonic welding. Такое соединение обеспечивает механическое соединение мембран с электродами и более эффективное использование активной поверхности на границе раздела мембрана - электрод. This connection provides a mechanical connection with the electrodes and membranes more efficient use of the active surface at the membrane - electrode. При этом сопряжение мембран с электродами происходит в местах непосредственного соприкосновения рельефных поверхностей указанных элементов без учета электрофизических и электрохимических процессов, имеющих место в топливных элементах при их работе в режиме генерирования электроэнергии. When this pair of membranes with electrodes occurs in areas of direct contact between surfaces of said relief elements excluding electrophysical and electrochemical processes taking place in fuel cells when operating in power generation mode. Ввиду этого не удается использовать всю активную поверхность мембранно-электродной сборки, а также обеспечить равномерность ее работы. Because of this you can not use all the active surface of the membrane electrode assembly, and ensure uniformity of its work.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности использования активных поверхностей мембранно-электродных блоков (сборок) и равномерности работы активной поверхности. The present invention is more efficient use of the active surfaces of the membrane-electrode assemblies (assemblies) and the uniformity of the active work surface.

Указанная цель достигается тем, что сборка мембраны с электродами производится электрохимическим путем, а именно в импульсном режиме работы топливного элемента при обжатии технологическими плоскопараллельными газораспределительными плитами, имеющими на своей поверхности каналы сечением от 0,5 до 5,0 мм 2 для подачи водорода и кислорода. This object is achieved in that the assembly of the membrane with electrodes is performed electrochemically, namely in the pulsed mode of operation of the fuel cell at a reduction of technological plane parallel gas distribution plates having channels on its surface section from 0.5 to 5.0 mm 2 for supplying hydrogen and oxygen . При этом суммарное сечение всех каналов составляет от 1 до 10% от поверхности электрода. Thus the total cross section of all the channels is between 1 and 10% of the electrode surface. Сборка мембран с электродами производится при давлении обжатия от 2 до 150 кг/см 2 и давлениях рабочих газов от 2 до 6 абс. Assembling membrane with electrodes is produced at a pressure reduction rate of 2 to 150 kg / cm 2 and a working gas pressure of 2 to 6 abs. атм в течение времени выхода на температуру от 80 до 120 o С, которая обеспечивается при подключении внешней электрической нагрузки к технологическим плитам в импульсном режиме и при плотностях тока от 100 мА/см 2 до токов короткого замыкания. atm for output to a temperature from 80 to 120 o C, which is provided with an external electrical load to process plates in a pulsed mode and at a current density of 100 mA / cm 2 up to short circuit currents.

Предпочтительно в процессе такой сборки производить одновременный контроль вольтамперных характеристик мембранно-электродного блока (перед установкой его в батарею топливных элементов). Preferably, in the process of assembly to produce such simultaneous control of the current-voltage characteristics of a membrane electrode unit (prior to its installation in a fuel cell stack).

Предлагается также производить предварительное термокомпрессионное сопряжение мембранно-электродного блока при давлении обжатия от 2 до 150 кг/см 2 и при температуре от 90 до 220 o С в водной диэлектрической среде или на воздухе. It is also proposed to produce a preliminary thermocompression pair of membrane-electrode assembly at a pressure reduction rate of 2 to 150 kg / cm 2 and at a temperature from 90 to 220 o C in an aqueous dielectric medium or in air. В последнем варианте мембрана предварительно обезвоживается при температуре от 60 до 98 o С. In the latter embodiment, the membrane is pre-dehydrated at a temperature of from 60 to 98 o C.

Мембранно-электродный блок предназначен для работы в составе водородно-кислородных и водородно-воздушных батарей топливных элементов. Membrane-electrode assembly is designed for operation in the hydrogen-oxygen and hydrogen-air fuel cell stacks. Электрохимическая сборка или термокомпрессионное сопряжение мембран с электродами обеспечивают "монолитное" их соединение и позволяют эффективно использовать практически 100% активной поверхности. Electrochemical assembly or thermocompression conjugation membrane with electrodes provide a "monolithic" compound thereof and can effectively use almost 100% of the active surface. Фактически указанные процессы приводят к формированию трехмерных структур активной поверхности и позволяют создавать многослойные топливные элементы без механического обжатия по поверхности или на порядок с меньшими усилиями, что в итоге приводит к улучшению массогабаритных характеристик батарей топливных элементов. In fact, these processes lead to the formation of three-dimensional structures of the active surface and can create multi-layered fuel cells without mechanical crimping, on a surface or on procedure with less effort, which ultimately leads to improved mass and size characteristics of batteries of fuel cells.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность признаков, изложенных в формуле, не известна. The performed analysis showed the art that the claimed combination of features set forth in the claims, is not known. Это позволяет сделать вывод, что заявленный способ соответствует критерию "новизны". This leads to the conclusion that the claimed method meets the criterion of "novelty".

Для проверки соответствия заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен поиск технических решений с целью выявлений признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявляемого изобретения. To check compliance of the claimed invention, the criterion of "inventive step" searched technical solutions in order to detect signs that coincide with distinctive from the prototype of the claimed invention.

Установлено, что заявляемое изобретение не следует для специалиста в данной области явным образом из известного уровня техники. It is found that the claimed invention is not to those skilled in the art obvious from the prior art. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". Consequently, the claimed invention meets the criterion "Inventive Level".

На фиг.1 показано сечение единичного топливного элемента с мембранно-электродным блоком, работающим при механическом обжатии. 1 shows a sectional view of a single fuel cell having a membrane electrode assembly, operating by mechanical crimping. Мембрана 1 расположена между электродами 2 и 3. Указанная сборка обжимается с двух сторон газораспределительными токосъемными пластинами 4 и 5, загерметизированными по контуру прокладками из электроизоляционного материала 6. При сжатии пакета мембрана контактирует с электродами в зоне участков 7, а в зонах участков 8 практически происходит расслоение мембран с электродами. The membrane 1 is disposed between the electrodes 2 and 3. This assembly is pressed with both sides of the gas distribution current collecting plates 4 and 5 are sealed along a contour gaskets of electrically insulating material 6. When compressing the package in contact with the membrane electrode portions 7 in the zone, and in the zones occurs substantially portions 8 separation membranes with the electrodes. Эффект неравномерности работы таких конструкций проявляется в процессе работы в составе топливных элементов, т.к. The effect of non-uniformity of operation of such structures is shown in operation in the fuel cell, as по мере выработки ресурса происходит частичное сращивание мембран с электродами и только в местах обжатия. generating at least partial coalescence occurs resource membrane with electrodes and only in places crimping. При дефектации отработавших ресурс топливных элементов и отделения электродов от мембран отчетливо проявляется "рисунок" газораспределительных токосъемных пластин. When fault detection exhaust resource fuel cells and separating the electrodes from the membranes clearly manifested "drawing" gas distribution collecting plates.

На фиг.2 проиллюстрирован способ электрохимического сборки мембранно-электродного блока. Figure 2 illustrates a method of assembling an electrochemical membrane electrode assembly.

Мембрана 9 установлена между двумя электродами 10, 11 в приспособлении, состоящем из нижнего фланца 12 и верхнего фланца 13, между которыми размещены герметизирующие прокладки 14, 15. Указанные прокладки обеспечивают герметизацию мембраны по периметру, а также герметизацию пространств 16, 17 между электродами и фланцами. The membrane 9 is installed between the two electrodes 10, 11 in the device, consisting of a lower flange 12 and upper flange 13, between which the sealing gaskets 14, 15. These gaskets provide a seal around the perimeter of the membrane, as well as sealing the spaces 16, 17 between the electrodes and the flanges . Во фланцах 12, 13 выполнены каналы 18, соединяющие электроды 10, 11 с полостями во фланцах 16,17 соответственно. In the flanges 12, 13 are channels 18 connecting the electrodes 10, 11 with cavities in the flanges 16,17, respectively. Каналы 18 выполнены в виде отверстий диаметром 1-2 мм. Channels 18 are formed as holes with a diameter of 1-2 mm. Нижний 12 и верхний 13 фланцы непосредственно контактируют с электродами 10, 11 и подвергаются сжатию усилием Р (от 5 до 150 кг/см 2 в зависимости от толщины мембраны и конструкции электродов). The lower 12 and upper flanges 13 are in direct contact with the electrodes 10, 11 and are subjected to compression force F (5 to 150 kg / cm 2 depending on the thickness of the membrane and electrode structure). После сборки и сжатия фланцев в полости 16, 17 подаются рабочие газы (Н 2 , О 2 ). After assembly and compression of the flanges in the cavity 16, 17 propellant gases (H 2, O 2) are supplied. Фланцы 12, 13 электрически соединены через коммутирующее устройство 19 с внешней электрической нагрузкой 20. Для контроля вольтамперных характеристик в цепях нагрузки установлены вольтметр 21 и амперметр 22. В одном из фланцев установлен датчик температуры. Flanges 12, 13 are electrically connected through switching device 19 to an external electrical load 20. In order to control the current-voltage characteristics in the load circuits mounted voltmeter 21 and an ammeter 22. In one of the flanges is mounted the temperature sensor. Снаружи приспособление теплоизолировано. Outside the device is thermally insulated. Сборка мембраны с электродами производится в режиме непрерывного сжатия фланцев при подаче рабочих газов и периодическом подключении электрической нагрузки. The assembly of the membrane with electrodes produced in continuous mode compression flanges when applying the working gases and the periodic connection of electrical load. Контрольными точками служат достижение рабочей температуры и требуемых вольтамперных характеристик. Control points are achieving the desired operating temperature and voltage characteristics.

Заявленный способ сборки мембранно-электродного блока был реализован на макетных образцах с диаметром активной поверхности 50 мм. The inventive method of assembling the membrane electrode assembly was carried out on prototypes with an active surface of 50 mm diameter. При напряжении 0,8 В приращение плотности тока (по сравнению с чисто механическим прижимом в составе топливного элемента) для электрохимического способа соединения составило около 12-16%, а для термокомпрессионного около 5-8%. When the voltage 0.8 V Current density increment (compared to purely mechanical clamp consisting of a fuel cell) for the electrochemical process compound was about 12-16%, and for thermocompression about 5-8%.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое изобретение может быть использовано на практике с достижением указанного результата и, следовательно, соответствует критерию "промышленная применимость". Based on the above it can be concluded that the claimed invention can be used in practice with achievement of this result and, therefore, meets the criterion "industrial applicability".

Claims (4)

  1. 1. Способ сборки мембранно-электродного блока топливного элемента с протонопроводящей полимерной мембраной и газодиффузионными электродами, заключающийся в создании пакета из двух электродов и мембраны, установленной между ними, и сжатии указанного пакета, отличающийся тем, что сборку производят электрохимическим путем, а именно в импульсном режиме работы топливного элемента при сжатии пакета технологическими плоскопаралелельными плитами, имеющими на своей поверхности каналы сечением от 0,5 до 5,0 мм 2 для подачи рабочих газов - водорода 1. A method of assembling a membrane-electrode assembly of a fuel cell with a proton-conducting polymer membrane and gas diffusion electrodes, which consists in creating a package of two electrodes and a membrane arranged between them, and compression of said packet, characterized in that the assembly produced electrochemically, namely pulsed operation of the fuel cell at compression technology package ploskoparalelelnymi plates having channels on its surface section from 0.5 to 5.0 mm 2 for supplying working gas - hydrogen и кислорода, причем суммарное сечение всех каналов составляет от 1 до 10% от поверхности электродов, и снабженными электроизолирующими герметизирующими прокладками по контуру, образующими разделенные относительно электродов пространства для подвода рабочих газов, при этом сборка производится при давлении сжатия от 2 до 150 кг/см 2 и давлениях рабочих газов от 2 до 6 абс.атм. and oxygen, the total cross section of all the channels is between 1 and 10% of the surface electrodes, and having an insulating sealing gaskets along the contour forming separated relative to the electrodes of the space for supplying the working gas, wherein the assembly is performed at a compression pressure of 2 to 150 kg / cm 2 and working gas pressures of from 2 to 6 atm absolute. в течение времени выхода на температуру от 80 до 120 o С, которая обеспечивается при подключении внешней электрической нагрузки к технологическим плитам в импульсном режиме и при плотностях тока от 100 мА/см 2 до токов короткого замыкания. for time-to-temperature of from 80 to 120 o C, which is provided with an external electrical load to process plates in a pulsed mode and at a current density of 100 mA / cm 2 up to short circuit currents.
  2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в конце или после электрохимической сборки мембранно-электродного блока производится контроль его вольтамперных характеристик. 2. A method according to claim 1, characterized in that at the end or after the electrochemical membrane electrode assembly unit is made the control of its current-voltage characteristics.
  3. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производится предварительная сборка мембраны с электродами термокомпрессионным способом при давлении от 2 до 150 кг/см 2 и температуре от 90 до 220 o С в водной диэлектрической среде. 3. The method of claim. 1, characterized in that the preliminary assembly is made of the membrane with electrodes thermocompression method at a pressure of 2 to 150 kg / cm 2 and a temperature of from 90 to 220 o C in an aqueous dielectric medium.
  4. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производится предварительная термокомпрессионная сборка мембраны с электродами на воздухе при давлении от 2 до 150 кг/см 2 и температуре от 90 до 220 o С, при этом мембрана переводится в обезвоженное состояние при температуре от 60 до 98 o С. 4. The method of claim. 1, characterized in that the pre-made membrane assembly thermocompression to the electrodes in the air at a pressure of from 2 to 150 kg / cm 2 and a temperature of from 90 to 220 o C, the membrane is transferred in a dehydrated state at a temperature of from 60 to 98 o C.
RU2001123278A 2001-08-21 2001-08-21 Method for assembling diaphragm-electrode unit RU2198452C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001123278A RU2198452C1 (en) 2001-08-21 2001-08-21 Method for assembling diaphragm-electrode unit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001123278A RU2198452C1 (en) 2001-08-21 2001-08-21 Method for assembling diaphragm-electrode unit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2198452C1 true RU2198452C1 (en) 2003-02-10

Family

ID=20252753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001123278A RU2198452C1 (en) 2001-08-21 2001-08-21 Method for assembling diaphragm-electrode unit

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2198452C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2384920C1 (en) * 2005-12-20 2010-03-20 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Method of making membrane electronic component and reinforced electrolytic membrane in fuel cell with polymer electrolyte, and membrane electrode assembly and reinforced electrolytic membrane made using said method
RU2474930C2 (en) * 2008-06-13 2013-02-10 Сони Корпорейшн Fuel element and method to manufacture fuel element

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2384920C1 (en) * 2005-12-20 2010-03-20 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Method of making membrane electronic component and reinforced electrolytic membrane in fuel cell with polymer electrolyte, and membrane electrode assembly and reinforced electrolytic membrane made using said method
RU2474930C2 (en) * 2008-06-13 2013-02-10 Сони Корпорейшн Fuel element and method to manufacture fuel element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4057479A (en) Solid polymer electrolyte cell construction
US5916709A (en) Bipolar lead-acid battery
US6261711B1 (en) Sealing system for fuel cells
US20020187384A1 (en) Seal structure of a fuel cell
US5958616A (en) Membrane and electrode structure for methanol fuel cell
US20020058177A1 (en) Fuel cell stack having grommet which covers each edge of communicating passages formed in terminal plate
US20040131905A1 (en) Fuel cell
JPH08180883A (en) Solid polymer electrolytic fuel cell
JP2002280016A (en) Single electrode type cell pack for direct methanol fuel cell
JP2001135344A (en) High molecular electrolyte fuel cell stack
JP2000048831A (en) Solid electrolyte fuel cell
US20050186464A1 (en) Fuel cell
US20010046619A1 (en) Fuel cell stack assembly
US20040121215A1 (en) Fuel cell
JPH0696783A (en) Fuel cell
JPH0997619A (en) Fuel cell
US20030035990A1 (en) Fuel cell and process for producing the same
US20030162078A1 (en) Fuel cell
US20040157099A1 (en) Fuel cell stack
JPH0529006A (en) Fuel cell
JP5086581B2 (en) The fuel cell stack
JPH06333583A (en) Solid polyelectrolyte fuel cell generating device
US20050136306A1 (en) Fuel cell
JP2001057226A (en) Manufacture of fuel cell and fuel cell
JP2003338305A (en) Stack structure of fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20040822

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20070310

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090822