Спосіб виробництва компонента електрохімічного елемента, зборка рама/мембрана та електрохімічний елемент

1 Спосіб виробництва компонента електрохімічного елемента, в якому насичену водою іонообмінну мембрану приєднують до виготовленої з іншого полімерного матеріалу рами, який відрізняється тим, що і) покривають край щонайменше одної сторони насиченої водою іонообмінної мембрани розчином у водорозчинному розчиннику полімерного матеріалу, з якого зроблено раму, або сумісного з ним, м) при необхідності, надають вказаній покритій мембрані можливості вистоятися та/або висохнути, їм) приводять покриту сторону іонообмінної мембрани з операцій і) та м) у контакт з вказаною рамою і iv) з'єднують покриту іонообмінну мембрану з вказаною рамою 2 Спосіб за п 1 , який відрізняється тим, що раму виготовляють з полівшіліденфлуориду, полівінілхлориду, поліуретану або поліметилметакрилату 3 Спосіб за п 1 або 2, який відрізняється тим, що розчинником, у якому розчинюють чи диспергують полімерний матеріал, є метанол, етанол, диметилформамід, диметилсульфоксид, тетрапдрофуран або N-метилпіролідон 4 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що мембрану покривають ро Згідно З винаходом запропоновано спосіб виготовлення компонентів електрохімічного елемента, зокрема, монтажу мембрани у раму, вказана мембрана є компонентом такого електрохімічного елементу, як паливний та/або акумулятор Іонообмінні мембрани було запропоновано для використання у різних областях електрохімії, ю ликовим чи штанговим нанесенням, фарбовим чи трафаретним друком 5 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що мембрана є катіоноактивною мембраною 6 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що катіоноактивна мембрана є кополімером тетрафлуоретилену та сульфованого або карбоксилованого ВІНІЛОВОГО етеру 7 Спосіб за п 5 або 6, який відрізняється тим, що мембрана має товщину 50 -і-125 цм 8 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що покриту мембрану у операції м) сушать нагріванням 9 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що покриту мембрану з'єднують з рамою нагріванням та під тиском 10 Спосіб за п 9, який відрізняється тим, що з'єднання мембрани з рамою проводять при температурі плавлення матеріалу рами або вищій 11 Зборка рама/мембрана, яка включає полімерну іонообмінну мембрану і полімерну раму, яка відрізняється тим, що вказані елементи конструкції з'єднані між собою розчином у водорозчинному розчиннику полімерного матеріалу, з якого зроблено раму, або полімерного матеріалу, сумісного з полімерним матеріалом, з якого зроблено раму 12 Електрохімічний елемент, що має одну чи більше зборок рама/мембрана, які включають полімерну іонообмінну мембрану і полімерну раму, який відрізняється тим, що вказані елементи конструкції рама/мембрана з'єднані між собою розчином у водорозчинному розчиннику полімерного матеріалу, з якого зроблено раму, або полімерного матеріалу, сумісного з полімерним матеріалом, з якого зроблено раму включаючи хлор-лужні електролізери, паливні елементи та акумулятори У цих пристроях іонообмінні мембрани слугують для розділення частин елемента, забезпечуючи при цьому можливість переносу ІОНІВ у ньому Іонообмінні мембрани для використання у електрохімічних елементах можуть бути плівками з О о о 42100 флуорполімерів, що включають кислотні групи або ПОХІДНІ цих груп Прикладами катюнопровідних мембран є Nation (Duport), Flemion (Asahi Glass) та Aciptex (Asahi Chemical) Прикладом анюнопровідних мембран є Tosflex (Tosoh Corporation) При установці мембрани у електрохімічний елемент важливо, щоб вона була невід'ємною частиною сполучення електродів з мембранною рамою Такі промислові електролітичні або гальванічні елементи, як батареї акумуляторів, паливні елементи та електролізери, звичайно містять модулі, кожний з яких включає набір об'єднаних у штабеля і укладених пластами компонентів Наприклад, у батареї акумуляторів редокс-проточного типу компоненти звичайно містять електроізолюючі проточні рами, кожна з яких містить електрод, з множинністю таких проточних рам, що прошаровані такими іншими компонентами, як мембрани та сітки Звичайно мембрани у стані насичення водою знаходяться між іншими компонентами і деякі з них мають тенденцію до розриву появи зморшок, складок та отворів при поєднанні компонентів у штабель Потрібний поліпшений спосіб монтажу мембрани у елемент, що передбачає також підтримку мембрани у процесі складання елементу У WO 9 524 995 А описаний спосіб виробництва компонента електрохімічного елемента, збірка рама/мембрана, та електрохімічний компонент Спосіб виробництва компонента електрохімічного елемента, згідно з відомим способом, включає приєднання насиченої водою іонообмінної мембрани до виготовленої з іншого полімерного матеріалу рами адгезійним матеріалом Збірка рама/мембрана, яка описана у цьому документі, включає полімерну іонообмінну мембрану і полімерну раму, а електрохімічний елемент, також описаний у цьому документі, має одну чи більше збірок рама/мембрана, які включають полімерну іонообмінну мембрану і полімерну раму З метою сприяння розміщенню мембрани в елементі та полегшення складання останнього вигідніше було б монтувати мембрану на рамі, але матеріали, з яких виготовляють іонообмінну мембрану, як правило не здатні поєднуватися з рамою такими звичайними способами, як зварювання, оскільки полімерний матеріал мембрани звичайно гідрофільний, а мембрани - гідрофобний Згідно з винаходом розроблено спосіб об'єднання мембрани з рамою, який знімає цю проблему Задачею винаходу є розробка способу виробництва компонента електрохімічного елемента, в якому використовуються такі операції та речовини, що забезпечують простими засобами забезпечити надійне з'єднання рами та іонообмінної мембрани Поставлена задача вирішується тим, що у способі виробництва компонента електрохімічного елемента, в якому насичену водою іонообмінну мембрану приєднують до виготовленої з іншого полімерного матеріалу рами, згідно з винаходом, і) покривають край щонайменше одної сторони насиченої водою іонообмінної мембрани розчином у водорозчинному розчиннику полімерного матеріалу, з якого зроблено раму, або сумісного з ним, м) як варіант, надають вказаній покритій мембрані змоги вистоятися та/або висохнути, їм) приводять покриту сторону іонообмінної мембрани з операцій і) та м) у контакт з вказаною рамою і iv) з'єднують покриту іонообмінну мембрану з вказаною рамою Рекомендовано, щоб раму виготовляли з полівініліденфлуориду, полівінілхлориду, поліуретану або поліметилметакрилату Необхідно, щоб розчинником, у якому розчинюють чи диспергують полімерний матеріал був метанол, етанол, диметилформамід, диметилсульфоксид, тетрапдрофуран або N-метилпіролідон Достатньо, щоб мембрану покривали роликовим чи штанговим нанесенням, фарбовим чи трафаретним друком Пропонується, щоб мембрана була катіоноактивною мембраною Бажано, щоб катіоноактивна мембрана була кополімером тетрафлуоретилену та сульфованого або карбоксилованого ВІНІЛОВОГО етеру Можливо, щоб мембрана мала товщину 50125 цм Покриту мембрану у операції м) можливо висушивати нагріванням Також можливо покриту мембрану з'єднувати з рамою нагріванням та під тиском Переважно з'єднання мембрани з рамою проводити при температурі плавлення матеріалу рами або вищій Задачею винаходу є також розробка збірки рама/мембрана, в якій елементи конструкції - рама та мембрана, з'єднані таким чином, що забезпечується надійне з'єднання рами та іонообмінної мембрани Поставлена задача вирішується тим, що у збірці рама/мембрана, яка включає полімерну іонообмінну мембрану і полімерну раму, згідно з винаходом, вказані елементи конструкції з'єднані між собою розчином у водорозчинному розчиннику полімерного матеріалу, з якого зроблено раму, або полімерного матеріалу сумісного з полімерним матеріалом з якого зроблено раму Задачею винаходу є також розробка електрохімічного елементу, що має одну чи більше збірок рама/мембрана, які включають полімерну іонообмінну мембрану і полімерну раму і в якому рама та мембрана, з'єднані таким чином, що забезпечується надійне з'єднання рами та іонообмінної мембрани Поставлена задача вирішується тим, що у електрохімічному елементі, який має одну чи більше збірок рама/мембрана, які включають полімерну іонообмінну мембрану і полімерну раму, згідно з винаходом, вказані елементи конструкції рама/мембрана з'єднані між собою розчином у водорозчинному розчиннику полімерного матеріалу, з якого зроблено раму, або полімерного матеріалу сумісного з полімерним матеріалом з якого зроблено раму Отже, згідно з винаходом запропоновано спосіб виробництва компонента електрохімічного елемента, що включає іонообмінну мембрану, яку приєднано до виготовленої з іншого полімерного матеріалу рами, спосіб включає і) покриття краю щонайменше одної сторони насиченої водою іонообмінної мембрани розчином у водорозчинному розчиннику полімерного матеріалу, з якого зроблено раму, або сумісного з ним, 42100 м) як варіант, надання вказаній покритій мембрані змоги вистоятися та/або висохнути, їм) приведення покритої сторони іонообмінної мембрани з операцій (і) та (м) у контакт з вказаною рамою, і ІУ) з'єднання покритої іонообмінної мембрани з вказаною рамою При здійсненні способу згідно з винаходом розчин для покриття готують з полімерного матеріалу та змішуваного з водою розчиннику Полімерний матеріал може бути тим же, що матеріал рами, або бути сумісним з ним Кращими для цього матеріалами є полівініліденфлуорид, полівінілхлорид, поліуретан або поліметилметакрилат Саме ці полімери вибрано для створення розчину для покриття Розчинником для створення розчину для покриття є розчинник, що змішується з водою Повинно бути зрозуміло, що "змішується" означає, що розчинник змішується з водою частково або повністю Це тому, що іонообмінна мембрана містить воду і вибором розчинника для покриваючого розчину досягають здатності покриваючого розчину імпрегнувати мембрану Розчинниками, що змішуються з водою є такі полярні розчинники, як метанол етанол, диметилформамід, диметилсульфоксид, тетрапдрофуран або N-метилпіролідон Покриваючим розчином покривають край щонайменше одної сторони іонообмінної мембрани звичайними способами, як-то роликовим чи штанговим нанесенням, фарбовим чи трафаретним друком Вибір способу покриття згідно з винаходом не є визначальним, головне, що було досягнуто покриття навкруги краю мембрани Цього можна досягти маскуванням поверхні мембрани, яку не треба покривати, щоб забезпечити стабільність поверхні мембрани Концентрація полімерного матеріалу у розчиннику звичайно знаходиться в межах 0,2-20% від маси розчинника, краще — 2-5% від маси розчинника Іонообмінні мембрани, які покривають згідно з винаходом, можуть бути флуорполімерами, що включають кислотні групи або ПОХІДНІ ЦИХ груп Наприклад, іонообмінні мембрани, які можна використати, можуть бути кополімерами тетрафлуоретиленута сульфованих або карбоксилованих ВІНІЛОВИХ етерів, як ті, що продаються під торговими марками Nation (Dupont), як-то Nation 112, Nation 115 чи Nation 117, або Flemion (Asahi Glass) Іншою перфлуорованою катюнообмінною мембраною, яку можна використати згідно з винаходом є Aciplex (Asahi Chemical) Іншою мембраною, яку можна модифікувати згідно з винаходом є катюнообмінна мембрана, що є полістирольною сульфонованою мембраною від Tokuyama Soda, що продається під торговими марками Neosepta CM1, Neosepta CM2, Neosepta CMH, Neosepta CMX, Neosepta CMS та Selemion (Asahi Glass) Іншими мембранами, які можна використати згідно з винаходом є гетерогенні мембрани, як ті, що на основі пол їсти рольної сульфонованої іонообмінної смоли з таким іншим полімером, як поліетилен Мембрани іншого типу можуть бути післярадіаційно прищепленими мембранами Прикладом катюнообмінної мембрани, яку можна використати згідно з винаходом є Tosflex (Tosflex Corporation) Іонообмінні мембрани, які використовують згідно з винаходом повинні звичайно мати товщину 25-250 цм, краще — 50-125 цм Мембранам, які в операції (і) згідно з винаходом покрито навкруги краю, краще дати вистоятися та/або висохнути перед їх з'єднанням з рамою Можна вважати, що при витримуванні мембрани корисного ефекту досягають проникненням розчинника у пори мембрани або пом'якшенням поверхні рами Сушку мембрани можна проводити при кімнатній температурі або,при необхідності, при нагріванні Далі покритою стороною мембрану прикладають до рами і з'єднують з нею, звичайно, для досягнення задовільного з'єднання, при нагріванні та під тиском Збірку краще нагрівати до температури плавлення полімерного матеріалу рами чи вище, але нижче температури розкладання цього матеріалу так, щоб він пом'якшав та з'єднався з матеріалом мембрани Наприклад, для з'єднання полівініліденфлуориду з Nation температура повинна бути в межах 170-300°С Придатний для з'єднання мембрани та рами спосіб включає зварювання індукційне, гарячим газом чи ультразвукове Зокрема, перевага способу згідно з винаходом полягає утому, що запечатування країв мембрани при нагріванні попереджує відшарування мембрани у подальшому Збірка мембрани з рамою, що здійснена способом згідно з винаходом, полегшує установку мембрани і забезпечує полегшений шлях розміщення мембрани у вищеописаному елементі Отже, у рамки винаходу включено одну чи більше збірок мембрана/рама, що виготовлені способом згідно з винаходом У рамки винаходу включено також електрохімічний елемент, що містить одну чи більше збірок мембрана/рама, що виготовлені способом згідно з винаходом Далі винахід описано прикладами Приклад 1. Клаптики матеріалу мембрани (Dupont Nation 117) шириною 25 мм та довжиною приблизно 60 мм сушили у вакуумі при 60°С протягом ЗО хвилин для видалення води з мембран Приготували розчин 1-2 г полівініліденфлуориду у 40 мл N-метилпіролідону (NMn) Розчин наносили на свіжовисушені мембрани зануренням, далі мембрани витримували на повітрі Покриті ПВДФ мембрани з'єднували з виготовленими з ПВДФ рамами за допомогою індукційного нагріву, для чого закріплену на керамічному ізоляторі дротяну петлю з нержавіючої сталі, розташовували близько до індукційної котушки, приєднаної до високочастотного (приблизно 180 кГц) джерела живлення Дріт з неіржавіючої сталі нагрівається приблизно до 200°С і нагріває зразок мембрани Утворені так і випробувані вручну з'єднання звичайно були слабкими стосовно відшаровування, але відносно МІЦНІ на розрив Три зразки з'єднання було занурено у воду на три тижні, а потім випробувано вручну, після чого їх механічні властивості не змінилися Приклад 2. Способом за прикладом 1 розчин 2 г полівініліденфлуориду у 40 мл NMn було нанесено на Nation 117 (Dupont) Покриту мембрану витримува 42100 Приклади 4-28. Клаптики матеріалу мембрани (Nation 117 чи 115) шириною 25 мм та довжиною приблизно 60 мм виготовили у загальноприйнятому стані Приготували розчин 1-2 г полімерного матеріалу у 40 мл розчинника Розчин наносили на мембрани щіткою Покриті полімерним шаром мембрани з'єднували з виготовленими з полімерів рамами за допомогою нижченаведеного способу Стрічку з ніхромового електричного резистору шириною 3 мм, яку було захищено ПТФЕ для попередження налипання, нагрівали до визначеної температури, це нагрівало мембрану та матеріал рами і призводило до їх з'єднання після визначеного часу ли, а потім з'єднували з ПВДФ-рамою за допомогою зварювання штангою завширшки 3 мм при 260°С при тиску 48,2 кПа протягом 3 с, при цьому було досягнуто гарного з'єднання Приклад 3. Способом за прикладом 1 мембрану з Nation 115 занурили у розчин 1г полівінілхлориду, розчиненого при кімнатній температурі у 20 мл тетрапдрофурану Покриту мембрану з'єднували з ПВДФ-рамою за допомогою зварювання штангою завширшки 3 мм при 175°С і тиску 68,9 кПа протягом 5 с, при цьому було досягнуто гарного з'єднання Аналогічного гарного з'єднання було досягнуто при 210°С і тиску 48 2 кПа протягом 3 с Отримані результати надано у таблиці Умови зварювання Пр № Основа Розчинник 4 ПВДФ 1000НD ЫМП 5 ПВДФ 1000НD ЫМП 6 ПВДФ 1000НD ЫМП 7 ПВДФ 6000НD ЫМП 8 ПВДФ 6000НD ЫМП 9 ПВДФ 1000НD ЫМП 10 ПВДФ 1000НD ЫМП 11 ПВДФ 6000НD ЫМП 12 ПВДФ 6000НD ЫМП 13 ПВДФ 1000НD ЫМП 14 ПВДФ 1000НD ЫМП 15 ПВДФ 6000НD ЫМП 16 ПВДФ 6000НD ЫМП 17 ПММА Diakon ЫМП 18 ПММА Diakon ЫМП Полім, шар t(°C) макс ТИСКкПа Час (с) Коментар ПВДФ 6000HD 2г/40мл ПВДФ 6000НD 2г/40мл ПВДФ 6000НD 2г/40мл ПВДФ 6000НD 2г/40мл ПВДФ 6000НD 2г/40мл ПВДФ* 1000НD 1 г/40мл ПВДФ* 1000НD 1 г/40мл ПВДФ* 1000НD 1 г/40мл 245 310 10,5 №117 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно і залишені на ніч Посереднє з'єднання №117 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно і залишені на ніч під тиском 34 кПа Посереднє з'єднання №117 покрито з двох сторін, висушено >10 хв Основу не покрито Гарне з'єднання 245 310 10,5 245 310 10,5 245 310 10,5 №117 покрито з двох сторін, основу з одної, висушено >10 хв Гарне з'єднання 245 310 10,5 №117 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно Гарне з'єднання 245 310 10,5 №117 покрито з двох сторін, основу з одної, сушка >10 хв Гарне з'єднання 245 310 10,5 №117 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно Гарне з'єднання 245 310 10,5 ПВДФ* 1000НD 1 г/40мл ПВДФ* 1000НD 2г/40мл 245 310 10,5 №117 покрито з двох сторін, основу з одної, сушка >10 хв Основу, що не висохла за 10 хв , витирали Гарне з'єднання №117 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно Гарне з'єднання 245 310 10,5 ПВДФ* 1000НD 2г/40мл ПВДФ* 1000НD 2г/40мл 245 310 10,5 245 310 10,5 ПВДФ* 1000НD 2г/40мл ПВДФ 6000НD 2г/40мл ПВДФ 6000НD 2г/40мл 245 310 10,5 245 310 10,5 245 310 10,5 №117 покрито з двох сторін, основу з одної, сушка >10 хв Основу, що не висохла за 10 хв , витирали Гарне з'єднання №117 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно Гарне з'єднання №117 покрито з двох сторін, основу з одної, сушка >10 хв Основу, що не висохла за 10 хв , витирали Гарне з'єднання №117 та основа покриті з одної сторони і з'єднані негайно Гарне з'єднання №117 та основа покриті з одної сторони і з'єднані негайно, сушка протягом ночі Гарне з'єднання №117 та основа покриті з одної сторони і з'єднані негайно сушили протягом ночі при тиску 34 кПа Гарне з'єднання 42100 Пр № Основа Розчинник 19 Davathane ПУ ТГФ 20 I1BXEDP ТГФ 21 Davathane ПУ ТГФ 22 Davathane ПУ ТГФ 23 ПВДФ 1000HD NMn 24 ПВДФ 6000HD NMn 25 ПВДФ 1000HD ДХМ 26 ПВДФ 6000HD ДХМ 27 ПВДФ 1000HD ММП 28 ПВДФ 1000HD NMN Коментар Полім, шар t(°C) макс ТИСКкПа Час (с) Davatha пеПУ 1 г/20мл nBXEDP 1 г/20мл 245 310 7 №117 покрито з двох сторін, основу з одної, сушка >10 хв Гарне з'єднання 245 310 7 Davatha пеПУ 1 г/20мл Davatha пеПУ 1 г/20мл Куп аг Flex ПВДФ/ ГФП 1 г/20мл Купаг Flex ПВДФ/ ГФП 1 г/20мл ПММА Diakon 1 г/20мл ПММА Diakon 1 г/20мл Купаг Flex ПВДФ/ ГФП 1 г/20мл Купаг Flex ПВДФ/ ГФП 1 г/20 мл 115 та 245 245 45 3,5 45 та 7 7 №117 покрито з двох сторін, основу з одної, з'єднано через 1 хв , залишено на 25 хв Гарне з'єднання №117 покрито з 2-х сторін, основу з 1-і з'єднано через 1 хв , залишено на ЗО хв Гарне з'єднання №117 покрито з двох сторін, основу з одної, висушено >10 хв Гарне з'єднання 245 310 10,5 №115 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно залишено на >10 хв Гарне з'єднання 245 310 10,5 №115 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно, залишено на >10 хв Гарне з'єднання 245 310 10,5 245 310 10,5 245 310 10,5 №115 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно, залишено на >10 хв Гарне з'єднання №115 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно, залишено на >10 хв Гарне з'єднання №117 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно, залишено на >10 хв Гарне з'єднання 245 310 10,5 №117 та основа покриті з одної сторони, з'єднані негайно, залишено на >10 хв Гарне з'єднання Пояснення до таблиці *Не повністю розчинилося, NMn — N-метилпіролідон, ТГФ —тетрапдрофуран, ДХМ — дихлорметан, ПВДФ — полівініліденфлуорид 1000HD (Elf Atochem), 6000HD(Elf Atochem), ПУ— поліуретан, ПВХ — полівінілхлорид, ПММА — поліметилметакрилат, EDP — Engineering Design Plastics "Palclear", ПВДФ/ГФП — кополімер полівініліденфлуориду з гексафлуорпропіленом Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03