ITBO20010143A1 - Componente del tipo "mega" per celle a combustibile ad elettrolita polimerico e relativa tecnologia di produzione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Del brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

“COMPONENTE DEL TIPO ‘MEGA’ PER CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO E RELATIVA TECNOLOGIA DI PRODUZIONE”

La presente invenzione industriale ha per oggetto la conformazione del componente ‘MEGA’ per celle a combustibile ad elettrolita polimerico e la tecnologia di produzione che ne deriva.

La cella a combustibile, è un generatore elettrochimico in cui in linea di principio entrano un combustibile (tipicamente idrogeno) e un ossidante (ossigeno) da cui si ricavano corrente elettrica continua e come sottoprodòtto del processo, acqua e calore.

Nella cella (unità che produce una tensione di 0,7 Volt, composta da un ‘MEA’, due Gasket e due Collettori) il combustibile e il gas ossidante costituiscono i gas reagenti i quali vengono continuamente immessi, quindi la corrente elettrica, generata mantenendo attiva l’alimentazione dei gas, può essere erogata indefinitamente.

Nella cella il combustibile ed il gas ossidante lambiscono il ‘MEA’ (membrane electrode assembly), insieme composto da una membrana e due elettrodi, rispettivamente anodo e catodo (sulle facce opposte a quelle in contatto con la membrana polimerica). Data la porosità degli elettrodi, vengono in questo modo continuamente alimentate le reazioni di ossidazione del combustibile e di riduzione del gas ossidanti.

Un aspetto di importanza fondamentale per le celle a combustibile, è rappresentato dal fatto che gli effluenti (acqua e gas esausti) che vengono continuamente espulsi dalla cella, non contengono sostanze inquinanti.

Le singole celle vengono accoppiate una all’altra in modo da costituire un collegamento in serie, al fine di ricavare una tensione complessiva del valore desiderato. L’insieme di celle in serie che così si ottiene forma il così detto “stack” .

La presente invenzione riguarda in modo particolare le celle a membrana polimerica denominate PEFC (polymer electrolyte fuel celi), per le quali il trovato risolve le problematiche inerenti all’accoppiamento tra l’assemblato ’MEA’ e i due collettori di corrente detti anche piatti porta-corrente.

La produzione di corrente elettrica avviene utilizzando come elettrolita una membrana solfonica perflurorata ad alta conducibilità protonica, tramite la quale avviene il passaggio dei protoni dall’anodo al catodo. Nel contempo la membrana estremamente impermeabile ai gas evita che i due gas vengano a contatto fisico tra loro.

I gas vengono distribuiti omogeneamente sulla superficie del ‘MEA’ scorrendo all’interno di canali ricavati sui collettori di corrente, i collettori hanno inoltre la funzione di raccogliere la corrente che si forma sui lati del ‘MEA’.

E’ estremamente importante che tra l’assemblato ‘MEA’ ed i piatti non vi siano fuoruscite di gas. Viene così interposta tra il ’MEA’ e i piatti una guarnizione di tenuta detta Gasket (guarnizione) avendo cura di non andare a contatto con l’elettrodo, perchè questo ha una superficie porosa e causerebbe la fuoriuscita dei gas.

A tale scopo, si lascia debordare dai 4 lati dell’assemblato la membrana, che data la sua natura non porosa, conferisce una adeguata superficie di accoppiamento per il Gasket.

Tutto ciò provoca svariati inconvenienti qui di seguito elencati:

1 ) La difficoltà a garantire la tenuta dei gas aumenta coi crescere del numero dei singoli assemblati, infatti necessitano due Gasket per ogni singolo assemblato ’MEA’. Se consideriamo che in uno stack gli assemblati ‘MEA* possono arrivare fino a 400 si deduce che verranno utilizzati 800 Gasket.

2) Causa la necessità di far debordare la membrana dall’elettrodo, ogni ‘MEA’ viene realizzato singolarmente.

3) L’assemblaggio dello stack prevede ben tre operazioni per ogni singola cella, prima il posizionamento del Gasket, secondo il posizionamento del ‘MEA’, terzo il posizionamento del secondo Gasket.

4) C’è uno spreco di membrana, perché l’area della membrana che deborda dall’elettrodo, essendo destinata all’accoppiamento con i Gasket, non viene utilizzata per lo scambio ionico.

Il componente ‘MEGA’, secondo il trovato, ha lo scopo di eliminare in via principale tali inconvenienti escogitando un procedimento di “annegamento” del ’MEA’ nel Gasket, secondo un noto procedimento di stampaggio per iniezione del materiale.

Questi ed altri scopi vengono raggiunti dal dispositivo secondo il trovato che si caratterizza per essere essenzialmente composto da un assemblato ’MEA’ di grandi dimensioni ad esempio 1 m<2>, privo di membrana debordante, sul quale previa fustellatura vengono ricavati 100 ‘MEA’ da 10x10 cm ciascuno; sul perimetro di ogni ’MEA’ verrà iniettato in apposito stampo, il Gasket, creando così il ‘MEGA’ (membrane electrode gasket assembly), componente unico composto da una membrana, due elettrodi ed il Gasket.

La perfetta tenuta del gas viene garantita dal fatto che il Gasket iniettato, e non soltanto appoggiato, si insinua fra le porosità dell’elettrodo rendendo la cella perfettamente impermeabile. Come evidenziato, una volta conclusa l’operazione di stampaggio, l’assemblato ‘MEGA’ è un unico componente, quindi scompaiono i tre componenti del sistema tradizionale ossia i due Gasket e l’assemblato ‘MEA’.

Proprio per questo motivo vengono ridotte notevolmente le operazioni necessarie al montaggio dello stack, non più tre operazioni per ogni singola cella, ma una soltanto. Considerando che per montare uno stack composto da 400 ‘MEA’, con la tecnologia convenzionale, occorrevano 1200 operazioni, ora occorrendo soltanto 400 operazioni, si realizza una ovvia riduzione dei tempi di produzione.

Inoltre, per produrre un singolo assemblato ‘MEA’ di cm 10x10 utilizzando tecnologia convenzionale occorrono “10 unità di tempo”, per realizzare 100 assemblati con la medesima tecnologia occorrerebbero “1000 unità di tempo”.

Col ‘MEGA’, oggetto della presente privativa, per realizzare 100 assemblati di medesime dimensioni occorrono solamente “12 unità di tempo”.

Infatti "10 unità di tempo” sono necessarie per realizzare un singolo grande assemblato membrana elettrodo, ed altre “2 unità di tempo” sono necessarie per ricavare tramite la sua fustellatura i 100 assemblati di cm 10x10.

Ipotizzando che 1 metro quadro di membrana a scambio protonico è in grado di sviluppare una potenza di 3000 W, comparando il sistema tradizionale di produzione con il presente si evince quanto segue: uno stack tradizionale, costituito da 100 celle i cui ‘MEA’ sono stati ricavati utilizzando 1 m<2 >di membrana, (considerando che la membrana deborda di 1 cm da ogni lato per l’accoppiamento ai Gasket), sarà in grado di fornire una potenza di 1920 W, in quanto la parte della membrana che deborda per l’accoppiamento coi Gasket non produce corrente.

Lo stesso stack, prodotto con la nuova tecnologia, costituito da 100 celle i cui ‘MEGA’ sono stati ricavati da 1 m<2 >di membrana, sarà in grado, diversamente, di sviluppare 3000 W poiché tutta la membrana viene utilizzata per la produzione di corrente.

In conclusione, per ciò che concerne il sistema produttivo si ottiene una sostanziale economia di tempo sia nella realizzazione degli assemblati ‘MEGA’ sia nel montaggio totale dello stack. Inoltre, tutta la membrana viene utilizzata per la produzione di corrente elettrica, il ‘MEGA’ consente anche un sostanziale risparmio di materiale (membrana) .

In fine l’assemblato ‘MEGA’, potendo sfruttare per la tenuta del gas, proprio la porosità dell’elettrodo, risulta di qualità superiore circa le tenute.

Queste ed altre caratteristiche risulteranno ora maggiormente evidenti in relazione ad una semplice forma di esecuzione del trovato illustrata a puro titolo indicativo non limitativa della portata del presente brevetto.

Con riferimento ai disegni allegati nei quali a:

Tav.1, figg. 1 ,2.

È rappresentata la cella tradizionale in sezione ed in esploso.

Tav.1 , figg. 3,4.

E’ rappresentata la cella col ‘MEGA’ oggetto del presente brevetto, in sezione ed esploso.

Tav.2, figg. 5,6,7.

E' rappresentato il nuovo assemblato ‘MEGA’ in sezione, in vista prospettica ed in sezione ingrandita annegato nel Gasket.

Tav.3, fig. 8.

E’ rappresentata la sequenza delle fasi di produzione del ‘MEGA’ oggetto del presente brevetto.

Tav.4 figg. 9,10.

Sono rappresentati l’assemblato ‘MEA’ tradizionale con la membrana che deborda e l’assemblato utilizzato nel ’MEGA’ ricavato per tranciatura, privo della membrana debordante.

Con riferimento ai disegni allegati con 1 sono indicati i collettori, con 2 i Gasket, con 3 gli elettrodi, con 4 la membrana, con 5 l’assemblato ‘MEA’, con 6 l’assemblato ‘MEGA’, con 7 l’assemblato privo di membrana debordante. In fig. 7 con 3’ le porosità evidenziate dell’elettrodo, a Tav.3 in sequenza 1 m<2 >di assemblato, cento assemblati ottenuti per tranciatura, l’annegamento nel Gasket di uno dei cento assemblati con un noto processo di iniezione.

In pratica i particolari di esecuzione, le dimensioni, i materiali, la forma e simili del trovato, potranno comunque variare senza uscire dal dominio della presente privativa industriale.

Infatti il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo. Inoltre tutti gli elementi sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 ) “COMPONENTE DEL TIPO ‘MEGA’ PER CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO E RELATIVA TECNOLOGIA DI PRODUZIONE" comprendente due elettrodi (3) termosaldati ad una membrana a scambio protonico (4) ed il Gasket isolante (2), caratterizzato dal fatto che l’assemblato (7), privo della membrana debordante ai lati, risulta annegato nel Gasket (2), in modo che quest’ultimo opportunamente iniettato possa insinuarsi tra le porosità (3’) degli elettrodi (3), costituendo un unico componente (6), denominato ‘MEGA’. 2) “COMPONENTE DEL TIPO ‘MEGA’ PER CELLE A COMBUSTIBILE AD ELETTROLITA POLIMERICO E RELATIVA TECNOLOGIA DI PRODUZIONE" secondo la rivendicazione precedente caratterizzata dal fatto che la conformazione strutturale del assemblato ‘MEGA’ (6) consente una vantaggiosa sequenza di produzione, consistente nella realizzazione di un primo assemblato di grandi dimensioni, successivamente frazionato per via meccanica in diversi assemblati di dimensioni più piccole (7), i quali in fine verranno annegati nel Gasket (2), con un processo noto di iniezione di materiale, in modo da risultare inscindibilmente congiunti con il Gasket stesso (2) costituente la guarnizione perimetrale di ogni singolo assemblato, che compreso fra i due collettori (1 ) costituirà una delle celle che compongono lo stack.