Evaluation of solutions for adhesive joining of peek to polymer electrolyte membrane

Abstract

To fight climate change and pave the way for a carbon-neutral economy, the European Union and its member states have been implementing strategies that recognize the potential of hydrogen to support the global effort to reach the goals of the Paris Agreement. In the scope of this, innovation and improvement for systems that use hydrogen as supply, fuel or energy carrier is needed.Polymer Electrolyte Membranes (PEM) fuel cells are a type of fuel cell that converts the chemical energy of hydrogen into electricity. Although these devices are promising for the transportation industry, they present manufacturing and reliability challenges.Currently available fuel cells and fuel cell stacks assembly involves tightly pressing together the components to guarantee proper sealing. The fasteners used to keep the system in place also show corrosion problems with usage.To tackle this issue, an alternative design that discards the need for these fasteners and demanding compression systems during assembly is envisaged. This work proposes a polymer structural frame to support the Polymer Electrolyte Membrane to replace the gasketed contact between the electrolyte and bipolar plates in a typical fuel cell design. The structural polymer is a polyetheretherketone (PEEK) and the PEM is Nafion.The problem which the developed experimental work sets to solve is the joining of the two polymers by adhesive bonding. Because the two polymers have low surface energies, even for plastics, joining them is a challenge.A pressure sensitive adhesive (PSA) tape was found to achieve a strong bond and satisfactory environmental resistance. In order to do this, an experimental plan was developed to create the bond. The successful joints were then subject to mechanical testing and optical microscopy to evaluate the strength of the bond and failure mechanisms.

Para combater as mudanças climáticas e preparar o caminho para uma economia de neutralidade carbónica, a União Europeia e os seus estados membros têm implementado estratégias que reconhecem o potencial do hidrogénio para apoiar o esforço global de atingir as metas do Acordo de Paris. Nesse sentido, é necessária inovação e otimização de sistemas que utilizem o hidrogénio como fonte, combustível ou portador de energia.As células de combustível com membrana de permuta protónica (PEM) são um tipo de célula de combustível que converte a energia química do hidrogénio em eletricidade. Embora esses dispositivos sejam promissores para a indústria dos transportes, apresentam desafios de fabricação e fiabilidade.A montagem das células de combustível e dos stacks de células de combustível disponíveis atualmente envolve apertar firmemente os componentes para garantir a vedação adequada. Os parafusos usados para manter o sistema a funcionar corretamente também apresentam problemas de corrosão com o uso.Para resolver esse problema, é considerado um projeto alternativo que descarta a necessidade desses fixadores e sistemas de compressão exigentes durante a montagem. Este trabalho propõe uma moldura estrutural polimérica para suportar a membrana eletrolítica de permuta protónica (PEM) para substituir o contacto vedado entre o eletrólito e as placas bipolares num projeto típico de célula a combustível. O polímero estrutural é uma poliéter éter cetona (PEEK) e a PEM é Nafion.O problema que o trabalho experimental desenvolvido se propõe a resolver é a ligação por adesivos dos dois polímeros. Como os dois polímeros têm baixas energias de superfície, mesmo para plásticos, juntá-los é um desafio.Verificou-se que uma fita adesiva sensível à pressão (PSA) alcançava uma ligação forte e uma resistência ambiental satisfatória. Para fazer isso, um plano experimental foi desenvolvido para criar a junta.As juntas bem-sucedidas foram então submetidas a testes mecânicos e microscopia ótica para avaliar a resistência da ligação e modos de falha da junta.