RU2198452C1 - Method for assembling diaphragm-electrode unit - Google Patents
Method for assembling diaphragm-electrode unit Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
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
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
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)
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)
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 |
-
2001
- 2001-08-21 RU RU2001123278/09A patent/RU2198452C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
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 |