RU2689628C1

RU2689628C1 - Device for production of ion-conducting membranes by irrigation method

Info

Publication number: RU2689628C1
Application number: RU2018108431A
Authority: RU
Inventors: Алексей Петрович Мельников; Андрей Александрович Рычков; Александр Владимирович Сивак; Виталий Витальевич Синицын; Камила Ренатовна Мугтасимова; Алексей Михайлович Кашин
Original assignee: Акционерное общество "Группа компаний ИнЭнерджи" (АО "ГК ИнЭнерджи")
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2019-05-28

Abstract

FIELD: manufacturing technology.

SUBSTANCE: invention relates to devices for application of liquid substances on article surface by extrusion molding, i.e. by watering from draw plate that is in contact with articles or located near them. Device for producing ion-conducting membranes by irrigation method includes a draw plate, a frame on which there is a substrate mounting device, a draw plate holder, drying unit, tension and drive shafts, as well as engine and control system; at that, drying unit consists of plate, cover, heating element and thermal sensor between cover and plate, draw plate is made of fluoroplastic, and plate is made of mica.

EFFECT: possibility of making a film with thickness of 10 mcm to 300 mcm by using a spinneret with different gap values above the substrate, controlling the rate of substrate drawing, viscosity of the solution applied from the spinneret, as well as the presence of a drying unit and a system for automated control of the process of producing the film.

8 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates.

Настоящее изобретение относится к научному приборостроению и может быть использована для нанесения жидких веществ на поверхность изделия экструзионным формованием, то есть, путем полива из фильеры, находящейся в контакте с изделиями или расположенной вблизи от них.The present invention relates to scientific instrumentation and can be used for applying liquid substances on the surface of the product by extrusion molding, that is, by pouring from a die that is in contact with the products or located near them.

Основное направление использования данного устройства - получение тонких пленок ионпроводящих (протонпроводящих и анионпроводящих) мембран из раствора полимера. Для промышленного производства таких мембран используют два основных метода: экструзия и поливной метод. Мембраны, получаемые экструзионным методом, имеют лучшие механические свойства, чем «поливные» мембраны, однако одноосное механическое воздействие приводит к анизотропии основных характеристик (протонная или анионная проводимость, неравномерное изменение линейных размеров при набухании, |водопроницаемость) и к более высокой газопроницаемости таких мембран. В методе полива, лишенного таких недостатков, тонкопленочные мембраны получают путем осаждения жидкой фазы материала на твердую поверхность подложки, с последующим удалением органических растворителей. Заявляемое устройство может быть использовано как в качестве 'лабораторного оборудования для производства экспериментальных образцов протонпроводящих и анионпроводящих полимерных мембран, так и в целях их мелкосерийного производства, а также в качестве спецпрактикума по основам современных тонкопленочных технологий в высших учебных заведениях.The main use of this device is to obtain thin films of ion-conducting (proton-conducting and anion-conducting) membranes from a polymer solution. For the industrial production of such membranes using two main methods: extrusion and irrigation method. The extrusion-produced membranes have better mechanical properties than irrigated membranes, but uniaxial mechanical action leads to anisotropy of the main characteristics (proton or anionic conductivity, uneven linear variation during swelling, water permeability) and higher gas permeability of such membranes. In the irrigation method, devoid of such disadvantages, thin-film membranes are obtained by deposition of the liquid phase of the material on the solid surface of the substrate, followed by removal of organic solvents. The inventive device can be used both as laboratory equipment for the production of experimental samples of proton-conducting and anion-conducting polymer membranes, and for the purposes of their small-scale production, as well as a special practical on the basics of modern thin-film technologies in higher educational institutions.

Уровень техникиThe level of technology

Из уровня техники известен патент RU 2213662, «Способ нанесения ультратонких полимерных пленок» (B29D 7/01, C08J 5/18, В29С 41/08, 2002125874 от 06.02:2001 г., ТИН ФИЛМ ЭЛЕКТРОНИКС АСА (NO)), в котором описан способ получения ультратонких пленок углеродосодержащих материалов с толщиной 0,5 мкм или менее, а также тонких пленок полимерных материалов. Данный патент предполагает формирование пленок путем нанесения материалов из жидкой фазы на твердую поверхность, при этом жидкая фаза может быть образована как путем перевода полимерного материала в расплавленное состояние, так и путем его растворения в органических растворителях. В предлагаемом техническом решенни процесс нанесения тонких полимерных пленок на твердые подложки происходит в замкнутом пространстве, предпочтительно представляющем собой чистую комнату или закрытый объем в составе производственной установки. При этом в замкнутом пространстве необходимо поддерживать содержание влаги, соответствующее относительной влажности мерее 50% в объеме воздуха при давлении 98 кПа (1 атм.). Данные условия достигаются за счет исключения и/или удаления воды и ее паров из жидкой фазы, адсорбированной воды на твердой поверхности и паров из свободного объема всего замкнутого пространства, как во Время нанесения пленки, так и при ее последующей термической обработки. Присутствие в «системе воды влияет на процесс формирования пленки в зависимости от степени сродства Вреду материалами, участвующих в нанесении. Так, молекулы воды могут связываться с поверхностью, растворенным веществом и растворителем и влиять на поверхностное натяжение и смачиваемость наносимого вещества на поверхности подложки. Поскольку чувствительность к влажности зависит от многих параметров, то единственный универсальный критерий контроля влажности состоит в необходимости избавления от Конденсированной воды, отрицательно влияющей на качество получаемой пленки.The prior art patent RU 2213662, "Method of deposition of ultra-thin polymer films" (B29D 7/01, C08J 5/18, VC 41/08, 2002125874 from 06.02: 2001, TIN FILM ELECTRONICS ASA (NO)), in which describes a method for producing ultrathin films of carbon-containing materials with a thickness of 0.5 μm or less, as well as thin films of polymeric materials. This patent involves the formation of films by applying materials from the liquid phase to a solid surface, and the liquid phase can be formed either by transferring the polymer material to a molten state, or by dissolving it in organic solvents. In the proposed technical solution, the process of applying thin polymer films on solid substrates occurs in a closed space, preferably representing a clean room or a closed volume as part of a production plant. In this case, in a closed space, it is necessary to maintain a moisture content corresponding to a relative humidity of at least 50% in the volume of air at a pressure of 98 kPa (1 atm.). These conditions are achieved by eliminating and / or removing water and its vapors from the liquid phase, adsorbed water on a solid surface, and vapors from the free volume of the entire enclosed space, both during the deposition of the film and during its subsequent heat treatment. The presence of water in the "system" affects the process of film formation, depending on the degree of affinity to the harm by the materials involved in the application. Thus, water molecules can bind to the surface, solute and solvent and affect the surface tension and wettability of the applied substance on the surface of the substrate. Since sensitivity to humidity depends on many parameters, the only universal criterion for controlling humidity is the need to get rid of Condensed Water, which negatively affects the quality of the resulting film.

Устройство на основе приведенного выше патента (RU2213662) в принципе позволяет получать протонпроводящие и анионпроводящие полимерные мембраны, но реализовать процесс их производства на практике будет весьма сложно, так как потребуется выполнение определенных условий, таких как: поддержание атмосферы с низкой влажностью или вакуумирование всего рабочего объема, подготовка - поверхности с определенными свойствами для нанесения заданного полимера и т.д. Кроме того, для практического использования протонпроводящих и анионпроводящих мембран в электрохимических устройствах их толщина должна быть не менее 10 мкм, что невозможно реализовать предлагаемым методом при однократном нанесении пленки. В данном устройстве можно сделать циклическое нанесение многослойных пленок для получения мембран необходимой толщины, но такой процесс будет неизбежно приводить к существенному снижению механической прочности получаемых изделий и к большим энергозатратам. Таким образом, предложенное в патенте RU 2213662 техническое решение не обеспечивает производство высокого качества протонпроводящих и анионпроводящих полимерных мембран заданной толщины; кроме того, оно сложно реализуемо на практике из-за высоких требований к определенной величине влажности.The device based on the above patent (RU2213662) allows, in principle, proton-conducting and anion-conducting polymer membranes to be obtained, but it will be very difficult to implement the production process in practice, since certain conditions will be required, such as: maintaining an atmosphere with low humidity or evacuating the entire working volume , preparation - surfaces with certain properties for applying a given polymer, etc. In addition, for the practical use of proton-conducting and anion-conducting membranes in electrochemical devices, their thickness should be not less than 10 microns, which is impossible to implement with the proposed method when a single film is applied. In this device, you can make a cyclic deposition of multilayer films to obtain membranes of the required thickness, but this process will inevitably lead to a significant reduction in the mechanical strength of the resulting products and to large energy consumption. Thus, the technical solution proposed in patent RU 2213662 does not ensure the production of high quality proton-conducting and anion-conducting polymer membranes of a given thickness; in addition, it is difficult to implement in practice due to the high requirements for a certain amount of humidity.

Известно устройство, описанное в патенте на изобретение RU 2360744, «Устройство для нанесения клея на обои» (В05С 5/02, 2007141331 от 09.01.2008 г., Варламов С.Е., Дурнева Ю.М., Болотин Н.Б. (RU)), задачей которого также является упрощенное нанесение тонких равномерных слоев жидких веществ на поверхность. Для этого в заявленном устройстве емкость для наносимого вещества выполнена с щелевым отверстием в нижней части и установлена над основным роликом с возможностью регулировки зазора. Внутри емкости с наносимым веществом установлена задвижка для регулировки расхода наносимого материала. К недостаткам данного устройства можно отнести то, что оно не позволяет контролировать скорость протяжки подложки и не позволяет сушить нанесенный слой в процессе его получения. В патенте отсутствует автоматизированная система управления, что делает процесс получения пленки зависящим от человеческого фактора. Кроме того, стоит отметить, что в силу узкой направленности области применения данного изобретения, в нем не уделяется должного внимания к толщине и равномерности наносимого материала, что критично при производстве протонпроводящих и анионпроводящих полимерных мембран.A device is described, described in patent for invention RU 2360744, “Device for applying glue to wallpaper” (В05С 5/02, 2007141331 dated January 9, 2008, S. Varlamov, Durneva Yu.M., Bolotin N.B. (RU)), the task of which is also the simplified application of thin uniform layers of liquid substances to the surface. To do this, in the claimed device, the container for the applied substance is made with a slit hole in the lower part and is installed above the main roller with the possibility of adjusting the gap. Inside the container with the applied substance, a valve is installed to adjust the flow rate of the applied material. The disadvantages of this device include the fact that it does not allow controlling the speed of pulling the substrate and does not allow drying the applied layer during its production. There is no automated control system in the patent, which makes the process of film production dependent on the human factor. In addition, it is worth noting that due to the narrow focus of the scope of this invention, it does not pay enough attention to the thickness and uniformity of the applied material, which is critical in the production of proton-conducting and anion-conducting polymer membranes.

В патенте на изобретение RU 2295394, "Устройство для нанесения раствора на субстрат" (В05С 5/02, В29С 47/14, 2002131968 от 27.11.2002 г., ЛАЙФСКЕН, ИНК. (US)), описан прототип, который позволяет получать тонкие покрытия различных материалов в виде широких или узких полос посредством пропускания раствора через головку экструдера с щелевым отверстием. Головка экструдера включает горловину со сливными носиками, выходящими за пределы ее корпуса и предотвращающими возможность утечки раствора из нее. Верхняя и нижняя части головки экструдера, ограничивающие горловину, выполнены плоскими и расположены зеркально по отношению друг к другу. Сливные носики размещены в непосредственной близости к материалу подложки, на которую и происходит осаждение раствора узкой или широкой полосой постоянной толщины. Для нанесения используют раствор типа реагента, причем нанесенное покрытие, как правило, довольно медленно высыхает на подложке. К недостаткам данного устройства можно отнести низкую эффективность процесса из-за длительного процесса сушки, что в свою очередь замедляет весь технологический процесс производства.In the patent for invention RU 2295394, "A device for applying a solution to a substrate" (В05С 5/02, В29С 47/14, 2002131968 dated 11/27/2002, LIFFSEN, INC. (US)), describes a prototype that allows to obtain thin coating various materials in the form of wide or narrow strips by passing the solution through an extruder with a slit hole. The extruder head includes a neck with drain nozzles extending beyond its body and preventing the solution from leaking out of it. The upper and lower parts of the extruder head, limiting the neck, are made flat and are mirrored relative to each other. Drain nozzles are placed in close proximity to the substrate material, on which the solution is deposited by a narrow or wide strip of constant thickness. For the application, a solution like reagent is used, and the applied coating, as a rule, dries quite slowly on the substrate. The disadvantages of this device include the low efficiency of the process due to the long drying process, which in turn slows down the entire production process.

Общим недостатком всех выше перечисленных аналогов является то, что они не позволяют изготавливать протонпроводящие и анионпроводящие полимерные мембраны, так как не обладают контролируемо-изменяемой температурой финальной сушки и не имеют возможности менять скорость протяжки подложки. Кроме того, стоит отметить, что вопрос контроля данных параметров чрезвычайно важен при работе с различными типами полимеров и органических растворителей; более того, значения данных параметров можно установить лишь опытным путем для каждого типа наносимого материала. Таким образом, в описанных выше устройствах вышеперечисленные факторы не дают возможности проводить необходимую сушку полимера и получать требуемую по толщине и однородности пленку из заданного полимерного материала. Все эти недостатки устранены в предложенном к рассмотрению устройстве, специально разработанном для получения протонпроводящих и анионпроводящих полимерных мембран, в котором реализована равномерная сушка большой площади полимерной пленки и создана система автоматического регулирования скорости движения подложки, на которую наносится полимер.A common disadvantage of all the above listed analogs is that they do not allow the manufacture of proton-conducting and anion-conducting polymer membranes, since they do not have a controlled-variable final drying temperature and do not have the ability to change the speed of drawing the substrate. In addition, it is worth noting that the issue of monitoring these parameters is extremely important when working with various types of polymers and organic solvents; moreover, the values of these parameters can only be established experimentally for each type of applied material. Thus, in the above-described devices, the factors listed above do not allow the necessary drying of the polymer to be carried out and a film of a given polymeric material required in thickness and uniformity to be obtained. All these drawbacks are eliminated in the proposed device, specially designed for producing proton-conducting and anion-conducting polymer membranes, which implements uniform drying of a large area of the polymer film and creates a system for automatically controlling the speed of movement of the substrate on which the polymer is applied.

Раскрытие изобретенияDISCLOSURE OF INVENTION

Основной задачей настоящего эффективного устройства является получение гомогенных по составу ионпроводящих мембран (а именно протонпроводящих и анионпроводящих полимерных пленок) заданной толщины и большой площади путем нанесения раствора полимера на поверхность подложки с последующей равномерной сушкой по всей поверхности пленки непосредственно в устройстве.The main objective of this effective device is to obtain homogeneous in composition ion-conducting membranes (namely, proton-conducting and anion-conducting polymer films) of a given thickness and large area by applying the polymer solution on the substrate surface, followed by uniform drying over the entire surface of the film in the device.

Предлагаемое изобретение направлено на изготовление/производство оборудования для получения качественных ионпроводящих мембран, отвечающих международным требованиям их практического использования в качестве электролитов топливных элементов.The present invention is directed to the manufacture / production of equipment for obtaining high-quality ion-conducting membranes that meet the international requirements of their practical use as fuel cell electrolytes.

В предложенном устройстве появляется возможность контроля толщины наносимой пленки от 10 мкм до 300 мкм посредством использования фильер с различными величинами зазора поливного элемента, скорости протяжки подложки и вязкости наносимого раствора. Кроме того, предусмотрена возможность равномерной контролируемой сушки большой площади нанесенной полимерной пленки в интервале температур от +25 С до +300 С.In the proposed device, it is possible to control the thickness of the applied film from 10 μm to 300 μm by using spinnerets with different sizes of the irrigation element gap, the speed of drawing the substrate and the viscosity of the applied solution. In addition, the possibility of uniform controlled drying of a large area of the applied polymer film in the temperature range from +25 C to +300 C.

Для достижения заявленного технического результата предлагается устройство для получения тонких пленок протонпроводящих и анионпроводящих мембран методом полива из раствора полимера на поверхности подложки,To achieve the stated technical result, a device is proposed for producing thin films of proton-conducting and anion-conducting membranes by irrigation from a polymer solution on the substrate surface,

Устройство включает фильеру из фторопласта, каркас, на котором расположены приспособление для установки подложки, держатель фильеры, сушильный узел, натяжной и приводной валы, а также двигатель. Устройство, как правило, включает в себя систему автоматизированного управления, состоящую из управляющего компьютера и блока электроники.The device includes a fluoroplastic die plate, a frame on which the device for mounting the substrate is located, a die holder, a drying unit, a tension and drive shafts, and an engine. The device, as a rule, includes an automated control system consisting of a control computer and an electronics unit.

Фильера, как правило, установлена в держателе посредством пружинного элемента для ее прижима к подложке. В качестве подложки можно использовать, в частности, полимерную пленку или фольгу, например, в рулонах. Приспособление для установки подложки может быть выполнено, например, в виде свободно вращающейся втулки.The die is usually installed in the holder by means of a spring element for clamping it to the substrate. The substrate can be used, in particular, a polymer film or foil, for example, in rolls. Device for mounting the substrate can be performed, for example, in the form of a freely rotating sleeve.

Натяжной и приводной валы служат для размещения и обеспечения движения подложки, скорость протяжки подложки регулируется, например, шаговым двигателем, подключенным к драйверу, который находится в блоке электроники и обеспечивает дробление шага 1/32, за счет чего удается добиться скорости протяжки от 7,5 мм/мин и выше. Приводной вал двигателя может быть зафиксирован прижимным винтом, например, через фиксирующие резиновые втулки для дополнительного сглаживания шагов поворота двигателя. Для быстрого удаления растворителя из нанесенной пленки реализована возможность сушки в интервале температур от 25°С до 300°С в сушильном узле.The tension and drive shafts serve to locate and support the movement of the substrate, the substrate pulling speed is regulated, for example, by a stepper motor connected to a driver that is located in the electronics unit and provides crushing of 1/32 pitch, due to which it is possible to achieve a pulling speed of 7.5 mm / min and above. The drive shaft of the engine can be fixed by the clamping screw, for example, through the locking rubber bushings to further smooth the steps of the engine. To quickly remove the solvent from the applied film, the possibility of drying is realized in the temperature range from 25 ° C to 300 ° C in a drying unit.

Сушильный узел включает тепловой экран, представляющий собой пластину из слюды, крышку с нагревательным элементом и термодатчик, расположенный между крышкой и тепловым экраном (пластиной), непосредственно над поверхностью мембраны. Нагревательный элемент может быть установлен непосредственно в крышке сушильного узла.The drying unit includes a heat shield, which is a plate of mica, a lid with a heating element and a thermal sensor located between the lid and the heat shield (plate), directly above the membrane surface. The heating element can be installed directly in the lid of the drying unit.

Управление нагревом осуществляется с помощью Пропорционально-Интегрально-Дифференциального регулятора (ПИД-регулятора), управляющего мощностью нагревательного элемента, в зависимости от заданного оператором устройства режима изготовления мембраны. ПИД-регулятор является составной частью системы автоматизированного управления устройства, которая обеспечивает автоматическое поддержание температуры нагревательного элемента и смену режимов его работы при необходимости и позволяет управлять скоростью протяжки подложки.The heating is controlled by the Proportional-Integral-Differential Regulator (PID-regulator), which controls the power of the heating element, depending on the membrane manufacturing mode set by the operator. The PID controller is an integral part of the automated control system of the device, which automatically maintains the temperature of the heating element and changes its operation modes as needed and allows you to control the speed of the substrate pulling.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства.FIG. 1 shows a general view of the device.

На фиг. 2 представлен приближенный вид закрепленной в устройстве фильеры.FIG. 2 presents an approximate view of a die fixed in the device.

На фиг. 3 представлен приближенный вид сушильного узла устройства.FIG. 3 shows an approximate view of the drying unit of the device.

На фиг. 4 представлен приближенный вид сушильного узла устройства в полузакрытом состоянии.FIG. 4 shows an approximate view of the drying unit of the device in a half-closed state.

Позициями на чертежах обозначены: каркас устройства с закрепленными на нем элементами конструкции - 1, свободно вращающаяся втулка для закрепления рулона подложки - 2, фильера - 3, прижимные пружинные элементы - 4, сушильный узел - 5, натяжной вал - 6, приводной вал - 7, шаговый двигатель для регулировки скорости вращения приводного вала - 8, блок электроники - 9, термодатчик - 10, нагревательный элемент (электрический нагреватель) - 11, тепловой экран - 12, крышка сушильного узла - 13, ПИД-регулятор - 14, блок питания - 15, прижимные винты - 16, фиксирующие резиновые втулки - 17, управляющий компьютер - 18.Positions in the drawings indicate: device frame with structural elements fixed on it - 1, freely rotating sleeve for securing the substrate roll - 2, spinneret - 3, pressure spring elements - 4, drying unit - 5, tension shaft - 6, drive shaft - 7 , a stepping motor for adjusting the rotation speed of the drive shaft - 8, the electronics unit - 9, the thermal sensor - 10, the heating element (electric heater) - 11, the heat shield - 12, the cover of the drying unit - 13, the PID controller - 14, the power supply unit - 15, clamping screws - 16, fixing rubber e bushings - 17, control computer - 18.

Техническая реализация изобретенияTechnical implementation of the invention

Каркас устройства (1) изготовлен из алюминиевого профиля и необходим для закрепления на нем основных элементов конструкции заявляемого устройства. Рулон из подложки из пленки или фольги размещается на свободно вращающейся втулке (2). Подложка располагается под фильерой (3), которая зафиксирована посредством пружинного элемента (4). Далее подложка, проходящая через сушильный узел (5), попадает на натяжной вал (6) и крепится к приводному валу (7), скорость вращения которого регулируется шаговым двигателем (8) с помощью управляющей программы. Блок элекгроники (9) предназначен для контроля температуры в области сушки, регулирования скорости протяжки подложки, а также для связи с внешним компьютером. Снятие текущего значения температуры осуществляется специальным термодатчиком (10), например, термопарой типа Pt100, расположенной в сушильном узле. Подложка в сушильном узле располагается под датчиком температуры и находится между нагревательным элементом (11) и пластиной, изготовленной из материала с анизотропной величиной теплопроводности вдоль и перпендикулярно основной плоскости подложки, например, из слюды (12). Данная пластина требуется для реализации равномерного нагрева всей поверхности сушильного узла без необходимости существенного увеличения его толщины и применения особого расположения проводных или пленочных нагревателей. Ее использование обеспечивает малый температурный градиент на поверхности высушиваемой мембраны, не превышающий 1 градус Цельсия на длине 40 см. Нагревательный элемент располагается в крышке (13) сушильного узла. Контроль изменения температуры подложки реализован с использованием ПИД-регулятора (14), встроенного в блок электроники. Для работы электронной составляющей устройства используется переменное напряжение 220 В, а также блок питания (15), преобразующий 220 В переменного тока в 24 В постоянного для питания шагового двигателя. Приводной вал (7) зафиксирован специальным прижимным винтом (16). В местах фиксации вала (торец прижимного винта и отвесная часть шагового двигателя) установлены фиксирующие резиновые втулки (17), необходимые для регулировки прижимного усилия, а также играющие роль демпфера, сглаживающего работу шагового двигателя (8). Управление устройством осуществляется с помощью компьютера (18). Система контроля позволяет автоматизировать процесс нанесения полимерной пленки, гомогенной по толщине и по площади поверхности.The frame of the device (1) is made of aluminum profile and is necessary for fixing on it the main structural elements of the claimed device. A roll of substrate of film or foil is placed on a freely rotating sleeve (2). The substrate is located under the spinneret (3), which is fixed by means of a spring element (4). Next, the substrate passing through the drying unit (5) gets onto the tension shaft (6) and is attached to the drive shaft (7), the rotation speed of which is regulated by the stepping motor (8) using a control program. The electronics unit (9) is designed to control the temperature in the area of drying, control the speed of pulling the substrate, and also to communicate with an external computer. The removal of the current temperature value by a special thermal sensor (10), for example, a Pt100 type thermocouple located in a drying unit. The substrate in the drying unit is located under the temperature sensor and is located between the heating element (11) and the plate made of a material with anisotropic thermal conductivity along and perpendicular to the main plane of the substrate, for example, from mica (12). This plate is required to realize uniform heating of the entire surface of the drying unit without the need to significantly increase its thickness and use a special arrangement of wire or film heaters. Its use provides a low temperature gradient on the surface of the dried membrane, not exceeding 1 degree Celsius over a length of 40 cm. The heating element is located in the lid (13) of the drying unit. The control of the substrate temperature change is implemented using the PID controller (14) integrated in the electronics unit. To operate the electronic component of the device, an alternating voltage of 220 V is used, as well as a power supply unit (15) that converts 220 V AC to 24 V DC to power the stepper motor. The drive shaft (7) is fixed by a special clamping screw (16). The locking rubber bushings (17), necessary for adjusting the clamping force, as well as playing a damper, smoothing the operation of the stepping motor (8), are installed in the places of shaft fixation (end of the clamping screw and the plumb part of the stepper motor). The device is controlled by a computer (18). The control system allows you to automate the process of applying a polymer film, homogeneous in thickness and surface area.

После размещения рулона на свободно вращающейся втулке подложка прижимается фильерой, в которую заливается раствор полимера. Область сушки накрывается крышкой (13) с нагревательным элементом (11). Необходимая температура сушки выставляется с помощью ПИД-регулятора (14). С компьютера (18) осуществляется запуск шагового двигателя (8) и установка параметров необходимой скорости и длины протяжки. Фильера (3) изготовлена из фторопласта, благодаря чему водный и водно-спиртовой растворы полимера не смачивают его стенки, а полностью переходят на подложку, образуя мениск непосредственно в области нанесения, величина которого зависит от размера зазора и скорости протяжки.After placing the roll on a freely rotating sleeve, the substrate is pressed against the die, into which the polymer solution is poured. The drying area is covered with a lid (13) with a heating element (11). The required drying temperature is set using the PID controller (14). The computer (18) starts the stepping motor (8) and sets the parameters for the required speed and the pulling length. The die (3) is made of fluoroplastic, due to which aqueous and aqueous-alcoholic solutions of the polymer do not wet its walls, but completely transfer to the substrate, forming a meniscus directly in the area of application, the value of which depends on the size of the gap and the speed of pulling.

Основной задачей заявляемого устройства является получение ионпроводящих (протонпроводящих и анионпроводящих) полимерных мембран для водород-воздушных топливных элементов. В качестве примера приведем процедуру изготовления образцов протонпроводящей полимерной мембраны. Она включает в себя несколько стадий. Сначала идет процесс подготовки раствора полимера, при котором исходный коммерческий раствор с относительно низким массовым содержанием полимера (от 5% до 20%) подвергается медленному выпариванию при температуре Т=55°С до получения большей концентрации полимера (до 50 масс. %) и вязкостью не менее 2500 сПз. Далее экструдер (фильера) заполняется подготовленным вязким раствором полимера объемом не менее 3 мл и производится нанесение (полив) полимерного материала на подложку. Параметры полива, выставляемые в меню компьютерной программы, используемые для получения тонких пленок из наиболее распространенных полимерных растворов, следующие: скорость подачи ленты - от 10 мм/мин до 100 мм/мин, время нанесения не более - 1 мин, температура сушки - от 50°С до 70°С, время сушки - от 5 мин до 20 мин. Далее пленка подвергается дополнительной термообработке (отжигу) в сушильном шкафу. Само устройство также позволяет проводить такую термообработку путем нагрева образца высушенной мембраны от температуры сушки до температуры термообработки +130…+150°С. На финальной стадии изготовления мембраны, отожженная пленка кипятится в водном растворе серной кислоты и отчищается от органических остатков. В результате получается протонпроводящая мембрана с удельной величиной протонной проводимости при комнатной температуре не менее 0,1 Ом^-1см^-1, что сравнимо с протонной проводимостью коммерческих протонпроводящих полимеров. Проведенные испытания полученной на предложенном устройстве мембраны на газопроницаемость по водороду в пересчете на ток утечки дали значение 0,4 мА/см². Эта величина существенно ниже мирового стандарта, который составляет не более 2 мА/см², установленного Министерством энергетики США (Department Of Energy, Fuel Cell Technical Team Roadmap). Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получать протонпроводящие мембраны, отвечающие международным требованиям их практического использования в качестве электролитов топливных элементов.The main task of the claimed device is to obtain ion-conducting (proton-conducting and anion-conducting) polymer membranes for hydrogen-air fuel cells. As an example, we present the procedure for manufacturing samples of a proton-conducting polymer membrane. It includes several stages. First, there is a process of preparing a polymer solution, in which the initial commercial solution with a relatively low mass content of polymer (from 5% to 20%) is subjected to slow evaporation at a temperature T = 55 ° C to obtain a higher polymer concentration (up to 50 wt.%) And viscosity not less than 2500 spP. Next, the extruder (die) is filled with a prepared viscous polymer solution with a volume of at least 3 ml and the polymer material is applied (watered) onto the substrate. The irrigation parameters set in the computer program menu, used to produce thin films from the most common polymer solutions, are as follows: the tape feed rate is from 10 mm / min to 100 mm / min, the application time is no more than 1 minute, the drying temperature is from 50 ° C to 70 ° C, drying time - from 5 minutes to 20 minutes. Next, the film is subjected to additional heat treatment (annealing) in a drying cabinet. The device itself also allows such heat treatment by heating a sample of the dried membrane from a drying temperature to a heat treatment temperature of + 130 ... + 150 ° C. At the final stage of membrane manufacturing, the annealed film is boiled in an aqueous solution of sulfuric acid and cleaned of organic residues. The result is a proton-conducting membrane with a specific proton conductivity at room temperature of at least 0.1 Ω ^-1 cm ^-1 , which is comparable to the proton conductivity of commercial proton-conducting polymers. The tests obtained on the proposed device membrane for hydrogen permeability in terms of leakage current gave a value of 0.4 mA / cm ² . This value is significantly below the world standard, which is no more than 2 mA / cm ² established by the US Department of Energy (Department Of Energy, Fuel Cell Technical Team Roadmap). Thus, the invention allows to obtain proton-conducting membranes that meet the international requirements of their practical use as fuel cell electrolytes.

Claims

1. A device for producing ion-conducting membranes by irrigation, including a spinneret, a frame on which the device for installing the substrate, the die holder, the drying unit, the tension and drive shafts, and the engine and control system are located, while the drying unit consists of a plate, a cover heating element and temperature sensor between the lid and the plate, the die is made of fluoroplastic, and the plate is made of mica.

2. The device according to p. 1, characterized in that the device for mounting the substrate is a freely rotating sleeve.

3. The device according to p. 1, characterized in that the substrate can use a roll of film or foil.

4. The device according to claim 1, characterized in that the drive shaft is fixed by a clamping screw through the locking rubber bushings.

5. The device according to p. 1, characterized in that the heating element is installed in the lid of the drying unit.

6. The device according to claim 1, characterized in that the control system is automated.

7. The device according to claim 1, characterized in that the die is installed in the holder by means of a spring element.

8. The device according to claim 1, characterized in that the engine is a stepper.