[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

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

Method for assembling diaphragm-electrode unit Download PDF

Info

Publication number
RU2198452C1
RU2198452C1 RU2001123278/09A RU2001123278A RU2198452C1 RU 2198452 C1 RU2198452 C1 RU 2198452C1 RU 2001123278/09 A RU2001123278/09 A RU 2001123278/09A RU 2001123278 A RU2001123278 A RU 2001123278A RU 2198452 C1 RU2198452 C1 RU 2198452C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
electrodes
assembly
temperature
diaphragm
Prior art date
Application number
RU2001123278/09A
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
Application filed by Государственное унитарное предприятие "Компания МЭТИС" filed Critical Государственное унитарное предприятие "Компания МЭТИС"
Priority to RU2001123278/09A priority Critical patent/RU2198452C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2198452C1 publication Critical patent/RU2198452C1/en

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; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

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). Такие топливные элементы могут использоваться в энергоустановках для морского и наземного транспорта, а также в стационарных автономных энергоустановках. The invention relates to the field of electrical engineering, namely to fuel cells with proton-conducting polymer membranes and other chemical current sources in which membrane-electrode blocks (assemblies) are used. Such fuel cells can be used in power plants for sea and land transport, as well as in stationary autonomous power plants.

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.). A known method of assembling batteries of fuel cells with proton-conducting polymer membranes, which consists in the fact that the battery is assembled by stacking sequentially on each other and subsequent compression in a packet of electrodes, proton-conducting polymer membranes, gas distribution and current-collecting cooling plates (application 19542475, Germany, IPC 6 H 01 M 8/02, H 01 M 2/08, claimed 15.11.95 g, publ. 05.22.97).

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). 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. 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. In such assemblies, the membrane is coupled to the electrodes, and therefore the current is transmitted, due to mechanical clamping (longitudinal or axial compression of the electrode stack, proton-conducting polymer membranes, gas distribution and current-collecting cooling plates). In such designs, the membrane-electrode unit does not work uniformly, the electrochemical reaction and current generation occurs mainly in the zone of compression of the membrane-electrode unit by ribs or corrugations of gas distribution (separation) plates. Thus, that part of the active surface of the membrane-electrode block that is in the compressed state as part of the package works most effectively, and the rest of the surface is in the uncompressed 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. Такое соединение обеспечивает механическое соединение мембран с электродами и более эффективное использование активной поверхности на границе раздела мембрана - электрод. 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. Ввиду этого не удается использовать всю активную поверхность мембранно-электродной сборки, а также обеспечить равномерность ее работы. There is also a known method of manufacturing membranes with electrodes fixed on them (see application DE19705468 A1, Germany, IPC 6 V 23 K 20/10, decl. 13.02.97, publ. 27.08.98), which consists in the fact that membranes and porous electrodes are connected by ultrasonic welding. Such a connection provides a mechanical connection of the membranes with the electrodes and more efficient use of the active surface at the membrane-electrode interface. In this case, the membranes are coupled with the electrodes at the points of direct contact of the relief surfaces of these elements without taking into account the electrophysical and electrochemical processes that take place in the fuel cells during their operation in the electric power generation mode. In view of this, it is not possible to use the entire active surface of the membrane-electrode assembly, as well as to ensure uniformity of its operation.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности использования активных поверхностей мембранно-электродных блоков (сборок) и равномерности работы активной поверхности. The aim of the present invention is to increase the efficiency of use of the active surfaces of membrane-electrode blocks (assemblies) and the uniformity of the active 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 мм2 для подачи водорода и кислорода. При этом суммарное сечение всех каналов составляет от 1 до 10% от поверхности электрода. Сборка мембран с электродами производится при давлении обжатия от 2 до 150 кг/см2 и давлениях рабочих газов от 2 до 6 абс. атм в течение времени выхода на температуру от 80 до 120oС, которая обеспечивается при подключении внешней электрической нагрузки к технологическим плитам в импульсном режиме и при плотностях тока от 100 мА/см2 до токов короткого замыкания.This goal is achieved by the fact that the assembly of the membrane with the electrodes is carried out electrochemically, namely in the pulsed mode of operation of the fuel cell during compression by technological plane-parallel gas distribution plates having channels on their surface with a cross section from 0.5 to 5.0 mm 2 for supplying hydrogen and oxygen . In this case, the total cross section of all channels is from 1 to 10% of the electrode surface. The membrane with electrodes is assembled at a compression pressure of 2 to 150 kg / cm 2 and working gas pressures of 2 to 6 abs. atm during the time of reaching a temperature of 80 to 120 o C, which is provided when connecting an external electrical load to the process plates in a pulsed mode and at current densities of 100 mA / cm 2 to short circuit currents.

Предпочтительно в процессе такой сборки производить одновременный контроль вольтамперных характеристик мембранно-электродного блока (перед установкой его в батарею топливных элементов). It is preferable in the process of such assembly to simultaneously monitor the current-voltage characteristics of the membrane-electrode block (before installing it in the battery of fuel cells).

Предлагается также производить предварительное термокомпрессионное сопряжение мембранно-электродного блока при давлении обжатия от 2 до 150 кг/см2 и при температуре от 90 до 220oС в водной диэлектрической среде или на воздухе. В последнем варианте мембрана предварительно обезвоживается при температуре от 60 до 98oС.It is also proposed to perform preliminary thermocompression conjugation of the membrane-electrode block at a compression pressure of 2 to 150 kg / cm 2 and at a temperature of 90 to 220 o C in an aqueous dielectric medium or in air. 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. Электрохимическая сборка или термокомпрессионное сопряжение мембран с электродами обеспечивают "монолитное" их соединение и позволяют эффективно использовать практически 100% активной поверхности. 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. The membrane-electrode block is designed to operate as part of hydrogen-oxygen and hydrogen-air batteries of fuel cells. Electrochemical assembly or thermocompression conjugation of membranes with electrodes ensures their "monolithic" connection and allows the efficient use of almost 100% of the active surface. In fact, these processes lead to the formation of three-dimensional structures of the active surface and allow the creation of multilayer fuel cells without mechanical compression over the surface or by an order of magnitude with less effort, which ultimately leads to an improvement in the overall dimensions of the fuel cell batteries.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность признаков, изложенных в формуле, не известна. Это позволяет сделать вывод, что заявленный способ соответствует критерию "новизны". The analysis of the prior art showed that the claimed combination of features set forth in the formula is not known. This allows us to conclude 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 verify the conformity of the claimed invention to the criterion of "inventive step", a search was made for technical solutions in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the claimed invention.

Установлено, что заявляемое изобретение не следует для специалиста в данной области явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". It is established that the claimed invention does not follow for a person skilled in the art explicitly from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".

На фиг.1 показано сечение единичного топливного элемента с мембранно-электродным блоком, работающим при механическом обжатии. 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. Эффект неравномерности работы таких конструкций проявляется в процессе работы в составе топливных элементов, т.к. по мере выработки ресурса происходит частичное сращивание мембран с электродами и только в местах обжатия. При дефектации отработавших ресурс топливных элементов и отделения электродов от мембран отчетливо проявляется "рисунок" газораспределительных токосъемных пластин. Figure 1 shows a cross section of a single fuel cell with a membrane-electrode unit operating during mechanical compression. The membrane 1 is located between the electrodes 2 and 3. The specified assembly is crimped on both sides by gas distribution current collection plates 4 and 5, gaskets made of electrically insulating material 6. The membrane contacts the electrodes in the area of sections 7 when the packet is compressed, and practically occurs in the areas of sections 8 stratification of membranes with electrodes. The effect of uneven operation of such structures is manifested during operation as part of fuel cells, because as the resource is depleted, the membranes partially merge with the electrodes and only in the places of compression. When defining spent fuel cells and separating the electrodes from the membranes, the "pattern" of the gas distribution plates is clearly manifested.

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

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. Во фланцах 12, 13 выполнены каналы 18, соединяющие электроды 10, 11 с полостями во фланцах 16,17 соответственно. Каналы 18 выполнены в виде отверстий диаметром 1-2 мм. Нижний 12 и верхний 13 фланцы непосредственно контактируют с электродами 10, 11 и подвергаются сжатию усилием Р (от 5 до 150 кг/см2 в зависимости от толщины мембраны и конструкции электродов). После сборки и сжатия фланцев в полости 16, 17 подаются рабочие газы (Н2, О2). 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. Снаружи приспособление теплоизолировано. Сборка мембраны с электродами производится в режиме непрерывного сжатия фланцев при подаче рабочих газов и периодическом подключении электрической нагрузки. Контрольными точками служат достижение рабочей температуры и требуемых вольтамперных характеристик.The membrane 9 is installed between two electrodes 10, 11 in a device consisting of a lower flange 12 and an upper flange 13, between which there are sealing gaskets 14, 15. These gaskets provide sealing of the membrane along the perimeter, as well as sealing spaces 16, 17 between the electrodes and flanges . Channels 18 are made in the flanges 12, 13, connecting the electrodes 10, 11 with the cavities in the flanges 16.17, respectively. Channels 18 are made in the form of holes with a diameter of 1-2 mm. The lower 12 and upper 13 flanges are in direct contact with the electrodes 10, 11 and are compressed by a force P (from 5 to 150 kg / cm 2 depending on the thickness of the membrane and the design of the electrodes). After assembly and compression of the flanges in the cavity 16, 17, the working gases (H 2 , O 2 ) are supplied. The flanges 12, 13 are electrically connected through a switching device 19 to an external electrical load 20. To control the current-voltage characteristics, a voltmeter 21 and ammeter 22 are installed in the load circuits. A temperature sensor is installed in one of the flanges. Outside the device is thermally insulated. The membrane with electrodes is assembled in the continuous compression mode of the flanges when the working gases are supplied and the electrical load is periodically connected. The control points are the achievement of the operating temperature and the required current-voltage characteristics.

Заявленный способ сборки мембранно-электродного блока был реализован на макетных образцах с диаметром активной поверхности 50 мм. 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%. The claimed method of assembly of the membrane-electrode block was implemented on prototypes with an active surface diameter of 50 mm. At a voltage of 0.8 V, the increment in current density (compared with the purely mechanical clamp in the fuel cell) for the electrochemical method of connection was about 12-16%, and for the thermocompression one 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 foregoing, we can conclude that the claimed invention can be used in practice to achieve the specified result and, therefore, meets the criterion of "industrial applicability".

Claims (4)

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 мм2 для подачи рабочих газов - водорода 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/см2 и давлениях рабочих газов от 2 до 6 абс.атм. в течение времени выхода на температуру от 80 до 120oС, которая обеспечивается при подключении внешней электрической нагрузки к технологическим плитам в импульсном режиме и при плотностях тока от 100 мА/см2 до токов короткого замыкания.1. The method of assembly of the membrane-electrode block 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 installed between them, and compressing the specified package, characterized in that the assembly is carried out by electrochemical method, namely in pulsed the operation mode of the fuel cell when the package is compressed by technological plane-parallel plates having channels on their surface with a cross section from 0.5 to 5.0 mm 2 for supplying working gases - hydrogen and oxygen, and the total cross-section of all channels is from 1 to 10% of the surface of the electrodes, and equipped with electrically insulating sealing gaskets along the contour, forming spaces separated from the electrodes for supplying working gases, while assembly is performed at a compression pressure of 2 to 150 kg / cm 2 and working gas pressures from 2 to 6 abs. during the time of reaching a temperature of 80 to 120 o C, which is provided when connecting an external electrical load to the process plates in a pulsed mode and at current densities of 100 mA / cm 2 to short circuit currents. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в конце или после электрохимической сборки мембранно-электродного блока производится контроль его вольтамперных характеристик. 2. The method according to claim 1, characterized in that at the end or after the electrochemical assembly of the membrane-electrode block, its current-voltage characteristics are monitored. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производится предварительная сборка мембраны с электродами термокомпрессионным способом при давлении от 2 до 150 кг/см2 и температуре от 90 до 220oС в водной диэлектрической среде.3. The method according to p. 1, characterized in that the membrane is pre-assembled with electrodes by the thermocompression method at a pressure of 2 to 150 kg / cm 2 and a temperature of 90 to 220 o C in an aqueous dielectric medium. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производится предварительная термокомпрессионная сборка мембраны с электродами на воздухе при давлении от 2 до 150 кг/см2 и температуре от 90 до 220oС, при этом мембрана переводится в обезвоженное состояние при температуре от 60 до 98oС.4. The method according to p. 1, characterized in that the preliminary thermocompression assembly of the membrane with electrodes in air is performed at a pressure of 2 to 150 kg / cm 2 and a temperature of 90 to 220 o C, while the membrane is transferred to a dehydrated state at a temperature of 60 to 98 o C.
RU2001123278/09A 2001-08-21 2001-08-21 Method for assembling diaphragm-electrode unit RU2198452C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001123278/09A 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
RU2001123278/09A 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
RU2001123278/09A 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
JP3460346B2 (en) Solid polymer electrolyte fuel cell
US6696191B2 (en) Fuel cell and process for producing the same
JPWO2009144871A1 (en) Fuel cell
JP2778767B2 (en) Porous electrode and method of using the same
CA2292033A1 (en) Electrode for fuel cell and a method for producing the electrode
JP4828841B2 (en) Fuel cell
JP4089099B2 (en) Fuel cell manufacturing method and fuel cell
RU2198452C1 (en) Method for assembling diaphragm-electrode unit
CN111033848A (en) Membrane electrode unit with sealing assembly, fuel cell and fuel cell stack
JP4516403B2 (en) Fuel cell
CA2621418A1 (en) Fuel cell and method for manufacturing same
JP4461949B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP4773055B2 (en) FUEL CELL STACK, SEPARATOR INTERMEDIATE AND SEPARATOR MANUFACTURING METHOD
JP2007059187A (en) Fuel cell
JP2009076395A (en) Tube type fuel battery cell, and tube type fuel cell equipped with tube type fuel battery cell
JP2000090956A (en) Solid polymeric fuel cell
KR101008738B1 (en) Fuel Cell Assembly
KR100531821B1 (en) Apparatus for supplying air of fuel cell
WO2006135033A1 (en) Fuel cell
JP2007234315A (en) Fuel cell
CN220692062U (en) Air outflow cavity galvanic pile structure
KR100531822B1 (en) Apparatus for supplying air of fuel cell
JP4498681B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JPH07335234A (en) Fuel cell
JP2005166420A (en) Fuel cell stack

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