Устройство для экспресс-оценки газопроницаемости протонпроводящей мембраны топливного элемента

Полезная модель относится к области водородной энергетики, в частности к исследованиям, касающимся качества отдельных частей топливных элементов, а именно протонпроводящих мембран, и может быть использована для быстрой проверки газопроницаемости протонпроводящих мембран.
Основной функцией протонпроводящей мембраны топливного элемента является перенос протона, образовавшегося в результате ионизации водорода на аноде, в катодную область. Поэтому мембрана должна обладать максимальной проводимостью. Кроме того, протонпроводящая мембрана топливного элемента должна играть роль газоразделительной: она должна отсекать анодную сторону, где содержится водород, от катодной, через которую продувается воздух или кислород. Для предотвращения прямой химической (не электрохимической) реакции реагентов на одном из электродов необходимо, чтобы мембрана была газонепроницаемой. Проникание водорода на катодную сторону эквивалентно току утечки (кроссовер), и должно быть минимизировано в целях повышения КПД топливного элемента.
На практике часто встречаются протонпроводящие мембраны с дефектом изготовления, например, обладающие низкой газоплотностью. Чтобы исключить использование дефектных мембран в топливных элементах, необходимо проводить экспресс-оценку их газопроницаемости.
Известно устройство для измерения проницаемости газа через мембрану (пленку), включающее корпус, разделенный мембраной на две герметичные камеры, с соответствующими патрубками подачи и отвода газа и средство для измерения концентрации газа, прошедшего сквозь мембрану (RU 2447424, 10.04.2012 г).
Однако, для определения газопроницаемости протонпроводящих полимерных мембран данное устройство непригодно, поскольку в нем используется метод ИК спектроскопии, который не позволяет напрямую детектировать газообразный водород. На результаты измерения с помощью инфракрасного датчика в известном устройстве может повлиять присутствие посторонних веществ, а именно воды, других электрохимически активных газов и органических соединений. Кроме того, работа известной из патента RU 2447424 конструкции осуществляется под значительным давлением (3-15 бар), что может быть пригодно для испытания мембран (пленок) достаточно прочных, а именно для полимерных пленок из которых изготавливается тара для пищевых, химических, фармацевтических, электронных продуктов, но совершенно непригодно для протонпроводящих мембран, достаточно тонких и исследуемых при атмосферном давлении. Также, как следует из описания известной конструкции по патенту RU 2447424, герметичность между камерой продувки и измерительной камерой обеспечивается самой мембраной, что, учитывая толщину мембраны (пленки), явно недостаточно и негативно скажется на результатах оценки.
Важно, чтобы присутствие каких бы то ни было посторонних веществ не влияло на результат измерения.
Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемой полезной модели, является повышение точности экспресс оценки газопроницаемости протонпроводящих мембран топливного элемента, за счет исключения влияния посторонних факторов на процесс измерения. К таким факторам относятся негерметичность разъемного корпуса (в месте соединения камер), а также возможное присутствие посторонних веществ, в частности воды, других электрохимически активных газов и органических соединений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что заявленное устройство для экспресс оценки газопроницаемости протонпроводящей мембраны включает разъемный корпус, состоящий из двух частей. Одна часть корпуса представляет собой измерительную камеру и имеет выход для подключения газового анализатора (или амперометрического датчика), а другая часть корпуса представляет собой камеру продувки. На выходе измерительной камеры установлен амперометрический датчик. По контуру разъема корпуса на каждой из камер установлены уплотнительные прокладки. Между уплотнительными прокладками размещают исследуемую протонпроводящую мембрану.
Амперометрический датчик используемый в предлагаемом устройстве, не подвержен влиянию посторонних веществ в анализируемой среде, в отличии от оптических датчиков, на результаты измерения которых может повлиять присутствие посторонних веществ, таких как вода, другие электрохимически активные газы и органические соединения. Герметичность камер, обеспечиваемая уплотнительными прокладками, исключает протечки в корпусе, способствуя повышению точности измерения.
Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется графическими материалами, где на Фиг. 1 представлен общий вид устройства для экспресс оценки газопроницаемости протонпроводящей мембраны топливного элемента, на Фиг. 2 - схема расположения основных узлов устройства, на Фиг. 3-график зависимости концентрации водорода в измерительной камере от времени.
Устройство содержит разъемный корпус, состоящий из двух камер -измерительной камеры 1 и камеры 2 продувки газом, между которыми устанавливают анализируемую (исследуемую) протонпроводящую мембрану 3. По контуру разъема корпуса на каждой из камер 1 и 2 установлены уплотнительные водородонепроницаемые прокладки 4 (преимущественно силиконовые). Также устройство содержит амперометрический датчик (газоанализатор) 5 определения концентрации водорода. Устройство крепится на столик 6. Кроме того, устройство может быть снабжено спиралевидной трубкой 7 для сброса избыточного давления. Трубка выполнена спиралевидной для того, чтобы уменьшить ее габариты, поскольку длина трубки, как правило, не меньше 5 см.
Камера 2 продувки прикрепляется, например, при помощи винтового соединения к столику 6. По контуру открытой части камеры 2 располагается уплотнительная водородонепроницаемая (например, силиконовая) прокладка 4, поверх которой кладется исследуемая мембрана 3. Размеры мембраны 3 должны быть такими, чтобы обеспечить перекрытие периметра уплотнительной прокладки 4, это нужно для обеспечения герметичности и для исключения прямого контакта между объемами камер 1 и 2. Поверх мембраны 3 устанавливается на винтовые соединения измерительная камера 1 с уплотнительной прокладкой и с амперометрическим датчиком (газоанализатором) 5. Уплотнительная прокладка на измерительной камере 1 повторяет размеры и расположение уплотнения на камере 2 продувки. Фиксация измерительной камеры 1 осуществляется, например, четырьмя муфтами с барашковой головкой. Спиралевидная трубка 7 в измерительной камере предназначена для сброса избыточного давления при высокой газопроницаемости.
После установки мембраны 3 и фиксации измерительной камеры 1 осуществляется подача постоянного потока водорода через камеру 2 продувки. Допускается также создавать регулируемое избыточное давление в камере продувки. Давление не должно превышать 1,9 бар с целью сохранения целостности тонкой (до 100 мкм) протонпроводящей мембраны.
Как правило, протонпроводящая мембрана 3 имеет дефекты и часть молекул водорода проходит сквозь мембрану, попадая в измерительную камеру 1. В результате, с течением времени, концентрация водорода в измерительной камере 1 нарастает и фиксируется газоанализатором 5. По скорости увеличения концентрации в измерительной камере можно оценить значение газопроницаемости для конкретной мембраны. Измерение занимает от 1 до 5 минут.
Объем измерительной камеры в образце устройства составляет 3 мл. Малый объем выбран для увеличения чувствительности прибора.
Были проведены измерения кроссовера водорода для образцов коммерческих протонпроводящих мембран Nafion. Полученные зависимости концентрации водорода в измерительной камере от времени представлены на Фиг.3.
2
Величину кроссовера мембраны (ток утечки, возникающий в результате газопроницаемости мембраны) вычисляли следующим образом. Линейную часть зависимости, когда кроссовер выходит на стационарное значение, аппроксимировали прямой, по угловому коэффициенту которой определяли скорость кроссовера u в единицах % объема камеры в секунду. Зная объем камеры V и площадь исследуемого образца S, можно найти удельную скорость кроссовера водорода в мл/(с*см) по формуле (1):
Из закона Фарадея следует, что скорость натекания водорода в камеру -ϑ - можно вычислить следующим образом:
где m - масса осажденного на электроде вещества, М - молярная масса вещества, Q=I*t - полный электрический заряд, z - валентное число ионов вещества, F=96485,33 Кл/моль - постоянная Фарадея.
Тогда удельный ток утечки i оставит:
2
где i - удельный ток кроссовера водорода в А/см.
-5
2
2
2
2
Проведенные исследования на коммерческой мембране Nafion 212 показали, что скорость кроссовера составляет 1,04*10 мл/(с*см) или по величине тока утечки - 0,12 мА/см. В пределах нормы, то есть для того, чтобы считать мембрану пригодной, ток утечки должен быть до 2 мА/см или до 0,02 мл*мин/см [текущий ориентир и мировой стандарт, установленный министерством энергетики США (Department Of Energy, Fuel Cell Technical Team Roadmap)].
2
2
При помощи заявленного устройства измеряют скорость кроссовера водорода через мембрану и пересчитывают ее по формулам в ток утечки. Если получается приемлемая величина (обычно до 2 мА/см), то мембрана годная для использования в топливных элементах, если больше, то мембрана не подходит. Однако, можно не пересчитывать в ток утечки, а сразу сравнивать по объемной характеристике. Если измеренное значение меньше, чем 0,02 мл*мин/см, то мембрана годная, если больше, то мембрана не подходит.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет оценить с высокой степенью точности качество протонпроводящей мембраны, что в дальнейшем (за счет отбраковки не соответствующих требованиям мембран) обеспечит повышение эффективности работы топливных элементов, в которых эти мембраны будут использованы.