ITUD990003A1

ITUD990003A1 - Procedimento e dispositivo per la verifica della qualita' di un elemento superficiale che comprende una membrana

Info

Publication number: ITUD990003A1
Application number: IT99UD000003A
Authority: IT
Inventors: Dieter Meissner; Kabs Herrmann
Original assignee: Forschungszentrum Juelich Gmbh
Priority date: 1998-01-15
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2000-07-14
Also published as: CA2258402A1; US6224746B1; IT1310519B1; DE19801117C1

Description

Descrizione del brevetto d’invenzione

dal titolo:

Procedimento e dispositivo per la verifica della qualità di un elemento superficiale che comprende una membrana

DESCRIZIONE

L'invenzione riguarda un procedimento ed un dispositivo per la verifica della qualità di un elemento superficiale che comprende una membrana.

Un elemento superficiale siffatto può essere per esempio una membrana stessa, ovvero un'unità che presenta, accanto ad una membrana, ulteriori elementi. Un esempio per una tale unità è un'unità con elettrodi a membrana (MEE), come viene impiegata nelle celle di combustibile. Una tale MEE è costituita da una membrana in grado di condurre gli ioni, la quale è dotata, su un lato, di un anodo cataliticamente attivo, e sul lato opposto di un catodo cataliticamente attivo. Nel caso di celle di combustibile a bassa temperatura vengono impiegate membrane di elettrolita polimerico, nelle quali sull'anodo, da un gas combustibile, vengono separati protoni attraverso la membrana pervengono al catodo, e lì, con l'accoglimento di elettroni, reagiscono con il gas di ossidazione. Nel caso di celle di combustibile ad alta temperatura vengono impiegate membrane ceramiche di ossido, che consistono di ossido di zirconio stabilizzato con ittrio, e sono conduttrici di 02. Dal brevetto DE-PS 4 241 150 sono noti procedimenti secondo i quali possono essere prodotte unità con elettrodi a membrana.

É economicamente favorevole il fatto di produrre elementi superficiali che comprendono una membrana in forma di materiale di base con superficie larga, da cui possono essere prodotti allora singoli elementi nelle grandezze necessarie per il rispettivo impiego concreto.

Procedimenti separati per la verifica della qualità di elementi, in maniera particolare di superficie larga, non sono noti attualmente. La funzionalità viene verificata di regola quando l'elemento superficiale è incorporato nella grandezza adeguata al suo luogo di destinazione, ad esempio nella cella di combustibile. Questo ha lo svantaggio che gli elementi superficiali difettosi che richiedono molto tempo devono essere sostituiti. Inoltre vengono riconosciuti piuttosto tardi errori sistematici di produzione.

II compito della presente invenzione è quello di approntare un procedimento ed un dispositivo del tipo menzionato all'inizio, che non presentano i suddetti svantaggi.

Nel caso di un procedimento del tipo menzionato all'inizio, il compito viene risolto per il fatto che la verifica della qualità viene delimitata su una superficie parziale dell'elemento superficiale, mentre un materiale di impiego previsto per l'impiego dell'elemento superficiale viene convoglia to tramite una apertura di uscita del materiale di impiego di un alloggiamento ad un lato dell'elemento superficiale, in cui la superficie intelaiata attraverso l'apertura di uscita del materiale di impiego corrisponde alla superficie parziale da controllare.

In tal modo viene consentita la verifica di qualità su elementi di superficie larga. La verifica può avvenire nella maniera a punti di campione, mentre l'alloggiamento viene appoggiato su singole superfici parziali dell'elemento superficiale. La verifica può essere effettuata però anche in modo da coprire la superficie, in quanto viene predeterminato un retino di superfici parziali che copre la superficie totale. Il procedimento è estremamente semplice, e quindi attuabile anche economicamente, in quanto l'alloggiamento viene appoggiato sull'elemento superficiale, e viene alimentato con il materiale di impiego. In maniera dipendente dalla funzione dell’elemento superficiale, la sua efficacia è allora da accertare mediante provvedimenti idonei. Per la verifica finale della qualità, il passaggio fra alloggiamento ed elemento superficiale non ha bisogno di regola di essere chiuso ermeticamente in modo particolare. Con l'impiego di materiali di impiego pericolosi e/o liquidi può naturalmente avvenire un'impermeabilizzazione, ad esempio attraverso una perimetratura dell'apertura di uscita del materiale di impiego, mediante un materiale cedevole.

Il procedimento conforme all'invenzione può essere eseguito vantaggiosamente anche in modo che la verifica della qualità avvenga durante la produzione dell'elemento superficiale.

Ne risulta in modo diretto il fatto che il procedimento conforme all'invenzione può essere eseguito anche in maniera tale che i risultati della verifica di qualità siano impiegati per il comando dei parametri di produzione. In questo modo, gli errori nella produzione dell'elemento superficiale possono essere riconosciuti velocemente, ed i parametri di produzione possono essere adeguati per il miglioramento del prodotto.

Può essere vantaggioso, inoltre, il fatto di eseguire il procedimento conforme all'invenzione in maniera tale che l'elemento superficiale venga mosso durante la verifica di qualità relativamente all'alloggiamento. Questo è vantaggioso in maniera particolare quando l'elemento superficiale viene prodotto in forma di materiale a nastro. Allora l'elemento superficiale può passare all'alloggiamento, in modo che con l'alloggiamento venga controllata una striscia continua del materiale a nastro, e l'alloggiamento a tale scopo non debba essere mosso.

Se l'elemento superficiale comprende una membrana permeabile al materiale, allora il procedimento conforme all'invenzione può essere eseguito anche in maniera tale che venga controllata la permeabilità della membrana per il materiale di impiego, in cui dall'altro lato dell'elemento superficiale viene accertata la quantità del materiale di impiego che passa nell'ambito della superficie parziale per ogni unità di tempo attraverso la membrana.

In maniera particolare, può essere vantaggioso il fatto di eseguire procedimento conforme all'invenzione in maniera tale che l'elemento superficiale sia una unità con elettrodi a membrana (MEE), idonea per l'impiego in celle di combustibile, la quale presenta elementi a elettrodi su entrambi i lati della membrana, che il materiale di impiego sia un gas combustibile convogliato all'alloggiamento con una determinata pressione parziale, che l'altro lato della MEE venga alimentato con gas di ossidazione di una determinata pressione parziale, e che venga misurata una tensione elettrica generata fra gli elementi ad elettrodo dei due lati della MEE e/o una corrente elettrica che scorre fra gli elementi ad elettrodi.

In una cella di combustibile che viene azionata con idrogeno ed ossigeno, ossigeno atmosferico può essere impiegato come gas di ossidazione. Ciò significa che è sufficiente convogliare da solo il gas combustibile tramite un alloggiamento in maniera precisa, mentre dall'altro lato della MEE l'alimentazione del gas di ossidazione viene garantita attraverso l'atmosfera circondante.

Il procedimento conforme all'invenzione può essere eseguito però anche in maniera tale che all'altro lato della MEE, di fronte all'apertura di uscita del materiale di impiego, tramite una apertura di uscita del gas di ossidazione di un alloggiamento del gas di ossidazione, viene convogliato gas di ossidazione, in cui l'apertura di uscita del gas di ossidazione corrisponde nelle sue dimensioni all'apertura di uscita del materiale di impiego. In questo modo, la pressione parziale del gas di ossidazione può essere controllata efficacemente, e all’occorrenza può essere variata con precisione.

Il suddetto compito viene risolto da un dispositivo, comprendente un alloggiamento con una apertura piana di uscita del materiale di impiego ed una apertura di entrata del materiale di impiego, una fonte del materiale di impiego ed una conduttura del materiale di impiego che collega la fonte del materiale di impiego all'apertura di entrata del materiale di impiego.

Può essere vantaggioso il fatto di formare il dispositivo conforme all'invenzione in maniera tale che in un materiale di impiego in forma di gas siano previsti mezzi per la regolazione e mezzi per la determinazione della pressione parziale della sostanza di impiego presente nell'alloggiamento.

In un elemento superficiale con membrana permeabile al materiale, il dispositivo conforme all'invenzione può essere formato in maniera tale che, per la verifica della permeabilità della membrana per il materiale di impiego, sono previsti mezzi per la determinazione della quantità del materiale di impiego che passa per ogni unità di tempo attraverso la membrana.

Può essere vantaggioso inoltre il fatto di formare il dispositivo conforme all'invenzione in maniera tale che, per la verifica di una unità con elettrodi a membrana (MEE) adatta per l'impiego in celle di combustibile, che su entrambi i lati della membrana dispone di elementi ad elettrodi, siano previsti almeno un elemento di contatto anodico ed almeno un elemento di contatto catodico per il contatto elettrico con gli elementi degli elettrodi, e mezzi per la determinazione di una tensione che si trova fra gli elementi ad elettrodi dei due lati e/o di una corrente che scorre fra gli elementi a elettrodi.

Se gli elementi ad elettrodi sono superficiali su entrambi i lati della MEE, allora per la presa della tensione bastano semplici elementi filiformi che si appoggiano elasticamente sulla MEE.

Vantaggiosamente, il dispositivo conforme all'invenzione può essere formato in maniera tale che l'elemento di contatto anodico situato nell'alloggiamento è formato come corpo cavo a forma di tamburo, ed è appoggiato in maniera girevole, il corpo cavo per lo meno sul suo perimetro previsto per il contatto con la MEE è permeabile al gas combustibile, e l'alloggiamento che serve per l'alimentazione di gas combustibile è disposto all'interno del corpo cavo a forma di tamburo. Un elemento di contatto anodico a forma di tamburo è idoneo in maniera particolare se gli elementi degli elettrodi sono applicati in alcuni punti sulla membrana, e pertanto l'elemento di contatto anodico deve presentare una superficie di contatto estesa, per garantire un contatto elettrico continuo. La possibilità di girare il tamburo cavo è in maniera particolare vantaggiosa quando la MEE viene mossa durante la verifica della qualità relativamente all'alloggiamento. In tal modo, l'attrito che si verifica fra l'elemento di contatto anodico e la MEE è mantenuto estremamente basso. Il corpo cavo può ad esempio essere costituito da un materiale di grafite poroso o da un feltro di carbone. La corrente del gas combustibile può essere condotta attraverso il tamburo.

Una dichiarazione sicura di qualità è possibile solo per i punti della MEE nei quali essa viene alimentata con gas combustibile. La distribuzione locale della permeabilità del corpo cavo per il gas combustibile influenza quindi quale/quali superficie/superfici parziale/parziali della MEE viene controllata/ vengono controllate. Se il corpo cavo è di porosità costante sul suo perimetro previsto per il contatto con la MEE, allora anche le superfici controllate della MEE contattate dal corpo cavo vengono alimentate con gas combustibile, e quindi vengono verificate. Se il corpo cavo è permeabile solo a tratti, per esempio perché esso presenta una fessura continua od aperture formate in modo differente, la superficie parziale verificabile attraverso la delimitazione di queste aperture può essere predeterminata, quando il gas combustibile viene convogliato da solo tramite l'alloggiamento situato all'interno del corpo cavo.

Inoltre, il dispositivo conforme all'invenzione può essere formato anche in maniera tale che l'elemento di contatto anodico sia formato come corpo cavo a forma di tamburo, e che sia appoggiato in maniera girevole, in modo che il corpo cavo, per lo meno sul suo perimetro previsto per il contatto con la MEE sia permeabile al gas combustibile, e l'elemento di contatto anodico sia disposto all'interno dell'alloggiamento che serve per l'alimentazione del gas combustibile. Anche in questo caso il gas combustibile può essere convogliato, ad esempio tramite aperture di uscita sull'asse di rotazione del corpo cavo, attraverso l'interno del corpo cavo.

Infine, le sottorivendicazioni 14-1 6 riproducono nuovamente ulteriori forme di realizzazione vantaggiose del dispositivo conforme all'invenzione.

In seguito vengono rappresentate, in base alle figure, forme di esecuzione vantaggiose del procedimento conforme all'invenzione, nonché forme vantaggiose del dispositivo conforme all’invenzione.

In vista laterale schematica mostra

Figura 1 : un alloggiamento del gas combustibile sistemato sulla MEE, e due elementi di contatto,

Figura 2: una parte della disposizione secondo la Figura. 1 in rappresentazione ingrandita,

Figura 3: un alloggiamento rotondo per il gas combustibile, con un elemento di contatto anodico a forma di tamburo ed un elemento di contatto catodico filiforme,

Figura 4: un particolare della disposizione secondo la Figura 3 in rappresentazione ingrandita,

Figura 5: una sezione di una disposizione con un alloggiamento per il gas combustibile, nonché un alloggiamento per il gas di ossidazione, di volta in volta con elemento di contatto a forma di tamburo appoggiato sulla MEE, Figura 6: una disposizione con un elemento di contatto anodico a forma di tamburo, sistemato sulla MEE, ed una disposizione per il gas combustibile situata all'Interno dell'elemento di contatto anodico, e

Figura 7: una sezione da una disposizione con due elementi di contatto a forma di tamburo, ed un alloggiamento per gas combustibile situato all'interno, rispettivamente un alloggiamento per gas di ossidazione.

La Figura 1 illustra un'unità con elettrodi a membrana (MEE) 1 , composta da una membrana 2 permeabile ai protoni, occupata su entrambi i lati con elementi di elettrodi, che sul lato superiore forma l'anodo 3 e dall'altro lato forma il catodo 4. Al di sopra della MEE 1 si trova un alloggiamento per il gas combustibile 5 con un'apertura di entrata nel gas combustibile 6, attraverso cui può essere introdotto, tramite l’alimentazione qui non rappresentata, un gas combustibile 7 rappresentato in modo punteggiato.

La Figura 2 illustra la disposizione della Figura 1 in sezione ingrandita. É riconoscibile il fatto che l'apertura di uscita del gas combustibile 8 non si appoggia direttamente sulla MEE 1 , e quindi l'alloggiamento 5 per il gas combustibile non è impermeabilizzato contro l'atmosfera circondante. Provvedimenti di impermeabilizzazione non sono necessari finché la concentrazione di gas combustibile nell'atmosfera circondante si trova entro valori non critici. Nelle disposizioni secondo la Figura 1 e la Figura 2 viene usato come gas di ossidazione l'ossigeno atmosferico. La tensione generata attraverso la reazione di gas combustibile 7 e gas di ossidazione, e che si trova fra anodo 3 e catodo 4, viene prelevata mediante un elemento di contatto anodico filiforme 9 ed un elemento di contatto catodico allo stesso modo filiforme 1. Dagli elementi di contatto 9 e 10, le condutture elettriche non rappresentate conducono ad una unità di misurazione della tensione allo stesso modo non rappresentata.

Nella Figura 3, al di sopra della MEE 1 si trova un alloggiamento rotondo 5a per il gas combustibile, all'interno del quale è disposto un elemento di contatto anodico 9a a forma di tamburo. Il catodo 4 viene toccato anche in seguito dall'elemento di contatto catodico filiforme 10.

Nella rappresentazione ingrandita nella Figura 4 è riconoscibile il fatto che l'elemento di contatto anodico 9a a forma di tamburo si appoggia sull'anodo 3. L'elemento di contatto anodico 9a è appoggiato in modo da ruotare, in modo che, nel caso di un movimento relativo fra la MEE 1 e l'alloggiamento 5a per il gas combustibile, il contatto elettrico fra l'elemento di contatto anodico 9a e l'anodo 3 venga mantenuto a forze di attrito basse. L'elemento di contatto anodico 9a a forma di tamburo è permeabile per il gas combustibile 7. Il gas combustibile 7 può essere dato pertanto ad esempio tramite l'interno dell'asse di rotazione dell'elemento di contatto anodico 9a nell'elemento di contatto anodico 9a.

La Figura 5 illustra una disposizione in cui anche il gas di ossidazione 11 qui rappresentato in forma punteggiata viene convogliato tramite un alloggiamento cilindriforme 12 per il gas di ossidazione. L’elemento d contatto catodico 1 Oa è qui a forma di tamburo, analogamente all'elemento d contatto anodico 9, ed è formato girevole, ed è permeabile al gas d ossidazione 1 1.

La Figura 6 illustra una disposizione nella quale un alloggiamento 5b per il gas combustibile si trova all'interno di un elemento di contatto anodico 9b a forma di tamburo. Nella disposizione secondo la Figura 7, il gas d ossidazione 1 1 viene convogliato addizionalmente tramite un alloggiamento 12b per il gas di ossidazione situato nell'elemento di contatto catodico 10b. Numeri di riferimento

1 unità con elettrodi a membrana

2 membrana

3 anodo

4 catodo

5, 5a, 5b alloggiamenti per il gas combustibile

6 apertura di entrata per il gas combustibile

7 gas combustibile

8 apertura di uscita di gas combustibile

9, 9a, 9b elemento di contatto anodico

10, 10a, 10b elemento di contatto catodico

11 gas di ossidazione

12, 12b alloggiamento per il gas di ossidazione

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la verifica della qualità di un elemento superficiale che comprende una membrana, in cui la verifica della qualità viene delimitata su una superficie parziale dell'elemento superficiale (1 ), mentre un materiale di impiego previsto per l'impiego dell'elemento superficiale (1 ) viene convogliato, tramite un’apertura di uscita del materiale di impiego (8) di un alloggiamento (5, 5a, 5b), ad un lato dell'elemento superficiale (Ί ), in cui la superficie intelaiata attraverso l'apertura di uscita del materiale di impiego (8) corrisponde alla superficie parziale da controllare.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che la verifica della qualità avviene durante la produzione dell'elemento superficiale (1 ).
3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i risultati della verifica della qualità sono impiegati per il comando dei parametri di produzione.
4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 3, caratterizzato dal fatto che l'elemento superficiale (1 ) viene mosso durante la verifica di qualità relativamente all'alloggiamento (5, 5a, 5b).
5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 4, caratterizzato dal fatto che viene controllata la permeabilità della membrana (2) per il materiale di impiego, con cui dall'altro lato dell'elemento superficiale (1 ) viene accertata la quantità del materiale di impiego che passa nell'ambito della superficie parziale per ogni unità temporale attraverso la membrana (2).
6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 4, caratterizzato dal fatto che a) l’elemento superficiale (1 ) è una unità con elettrodi a membrana (MEE) adatta per l'impiego in celle a combustibile, che su entrambi i lati della membrana (2) dispone di elementi ad elettrodi (3, 4), b) il materiale di impiego è un gas combustibile (7) convogliato all'alloggiamento (5, 5a, 5b) con una determinata pressione parziale, c) l'altro lato della MEE viene alimentato con gas di ossidazione (1 1 ) di una determinata pressione parziale, e d) viene misurata una tensione elettrica generata fra gli elementi a elettrodi (3, 4) dei due lati della MEE, e/o una corrente elettrica che scorre fra gli elementi ad elettrodi (3, 4).
7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che all'altro lato della MEE, di fronte all'apertura di uscita del materiale di impiego (8), tramite una apertura di uscita del gas di ossidazione di un alloggiamento del gas di ossidazione (12, 12b), viene convogliato gas di ossidazione (1 1 ), in cui l'apertura di uscita del gas di ossidazione corrisponde nelle sue dimensioni all'apertura di uscita del materiale di impiego (8).
8. Dispositivo per la verifica della qualità di un elemento superficiale che comprende una membrana, comprendente a) un alloggiamento (5, 5a, 5b) con una apertura di uscita piana di materiale di impiego (8) ed una apertura di entrata nel materiale di (6), b) una fonte del materiale di impiego, e c) una conduttura del materiale di impiego che collega la fonte del materiale di impiego all'apertura di entrata nel materiale di impiego.
9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che in un materiale di impiego in forma di gas sono previsti mezzi per la regolazione e mezzi per la determinazione della pressione parziale della sostanza di impiego presente nell’alloggiamento (5, 5a, 5b).
10. Dispositivo secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che per la verifica della permeabilità della membrana (2) per il materiale di impiego sono previsti mezzi per determinare la quantità del materiale di impiego che passa per ogni unità di tempo attraverso la membrana (2).
1 1. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che per la verifica di una unità con elettrodi a membrana (MEE) adatta per l'impiego in celle di combustibile, che su entrambi i lati della membrana (2) presenta elementi ad elettrodo (3, 4), sono previsti a) almeno un elemento di contatto anodico (9, 9a, 9b) ed almeno un elemento di contatto catodico (10, 10a, 10b) per il contatto elettrico con gli elementi degli elettrodi (3, 4), e b) mezzi per la determinazione di una tensione che aderisce fra gli elementi degli elettrodi (3, 4) dei due lati e/o di una corrente che scorre fra gli elementi degli elettrodi (3, 4).
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 1 , caratterizzato dal fatto che a) l’elemento di contatto anodico (9, 9a, 9b) è formato come corpo ca’ forma di tamburo, ed è appoggiato in maniera girevole, b) il corpo cavo, per lo meno sul suo perimetro previsto per il contatto la MEE, è permeabile al gas combustibile (7), e c) l'alloggiamento (5, 5a, 5b), che serve per l'alimentazione del gas combustibile (7), è disposto all'interno del corpo cavo a forma di tamburo .
13. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 1 , caratterizzato dal fatto che a) l'elemento di contatto anodico (9, 9a, 9b) è formato come corpo cavo a forma di tamburo, ed è appoggiato in maniera girevole, b) il corpo cavo, per lo meno sul suo perimetro previsto per il contatto con la MEE, è permeabile al gas combustibile (7), e c) l'elemento di contatto anodico (9, 9a, 9b) è disposto all'interno dell'alloggiamento (5, 5a, 5b) che serve per l'alimentazione del gas combustibile (7).
14. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 1 fino a 1 3, caratterizzato dal fatto che, addizionalmente, sono previsti a) un alloggiamento (12,1 2b) del gas di ossidazione con una apertura piana di uscita del gas di ossidazione ed una apertura di entrata del gas di ossidazione, b) una fonte del gas di ossidazione, c) una conduttura del gas di ossidazione che collega la fonte del gas di ossidazione all'apertura di entrata del gas di ossidazione, e d) mezzi per la regolazione e mezzi per la determinazione della pressione parziale del gas di ossidazione nel'alloggiamento (12, 12b) del gas di ossidazione.
15. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che a) l'elemento di contatto catodico (10, 10a, 10b) è formato come corpo cavo a forma di tamburo, ed è appoggiato in maniera girevole, b) il corpo cavo, per lo meno sul suo perimetro previsto per il contatto con la MEE, è permeabile al gas combustibile (7), e c) l'alloggiamento (12, 12b) del gas di ossidazione è disposto all'interno del corpo cavo a forma di tamburo.
16. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che a) l'elemento di contatto catodico (10, 10a, 10b) è formato come corpo cavo a forma di tamburo, ed è appoggiato in maniera girevole, b) il corpo cavo, per lo meno sul suo perimetro previsto per il contatto con la MEE, è permeabile al gas combustibile (7), e c) l'elemento di contatto catodico (10, 10a, 10b) è disposto all'interno dell'alloggiamento (12, 12b) del gas di ossidazione