<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE ep-patent-document SYSTEM "OpenDataPatent_cz.dtd">
<ep-patent-document lang="en" file="OpendataIPOCZ_PT_DIFF_PUV2024-41898.xml" country="CZ" doc-number="37955" kind="U1">
  <bibliographic-data country="CZ">
    <publication-reference>
      <document-id>
        <country>CZ</country>
        <doc-number>37955</doc-number>
        <kind>U1</kind>
        <date>2024-06-25</date>
      </document-id>
    </publication-reference>
    <classifications-ipcr>
      <classification-ipcr sequence="1">
        <section>G</section>
        <class>01</class>
        <subclass>N</subclass>
        <main-group>15</main-group>
        <subgroup>08</subgroup>
        <ipc-version-indicator>
          <date>20060101</date>
        </ipc-version-indicator>
        <classification-level>A</classification-level>
        <symbol-position>F</symbol-position>
        <classification-value>I</classification-value>
        <action-date>
          <date>20240613</date>
        </action-date>
        <classification-status>B</classification-status>
        <classification-data-source>H</classification-data-source>
        <generating-office>
          <country>CZ</country>
        </generating-office>
      </classification-ipcr>
    </classifications-ipcr>
    <classifications-cpc>
      <classification-cpc sequence="1">
        <cpc-version-indicator>
          <date>20130101</date>
        </cpc-version-indicator>
        <section>G</section>
        <class>01</class>
        <subclass>N</subclass>
        <main-group>15</main-group>
        <subgroup>08</subgroup>
        <symbol-position>F</symbol-position>
        <classification-value>I</classification-value>
        <action-date>
          <date>20240613</date>
        </action-date>
        <generating-office>
          <country>CZ</country>
        </generating-office>
        <classification-status>B</classification-status>
        <classification-data-source>H</classification-data-source>
      </classification-cpc>
    </classifications-cpc>
    <application-reference>
      <document-id>
        <country>CZ</country>
        <doc-number>2024-41898</doc-number>
        <date>2024-04-12</date>
      </document-id>
    </application-reference>
    <language-of-filing>cs</language-of-filing>
    <language-of-publication>cs</language-of-publication>
    <priority-claims>
      <priority-claim sequence="1" kind="national">
        <country>CZ</country>
        <date>2024-04-12</date>
      </priority-claim>
    </priority-claims>
    <invention-title lang="CS">Zařízení pro elektrochemické měření propustnosti plynů</invention-title>
    <invention-title lang="EN">An equipment for the electrochemical measuring of gas permeability</invention-title>
  </bibliographic-data>
  <description id="desc" lang="cs">
    <p num="1">
      <b>Zařízení pro elektrochemické měření p</b>
      <b>ropustnosti</b>
      <b> plynů</b>
    </p>
    <p num="2"> </p>
    <p num="3"> </p>
    <p num="4">Oblast techniky </p>
    <p num="5"> </p>
    <p num="6">Technické řešení spadá do oblasti zařízení pro analýzu fyzikálních vlastností materiálů, specificky pro zjišťování permeability různých materiálů, včetně pórovitých, a to umožněním difúze plynů přes materiál a následným provedením katalytické redoxní reakce a měřením elektrochemických proudů prostřednictvím elektrodové soustavy k přesné kalkulaci difuzní rychlosti a permeability materiálů. </p>
    <p num="7"> </p>
    <p num="8"> </p>
    <p num="9">Dosavadní stav techniky </p>
    <p num="10"> </p>
    <p num="11">Permeabilita, tedy prostupnost, plynů pevnými látkami je jednou z klíčových sledovaných veličin u materiálů produkovaných a používaných v řadě průmyslových oblastí. Příkladně v potravinářství či farmaceutickém průmyslu prostupnost obalových materiálů pro kyslík přímo ovlivňuje dobu trvanlivosti produktů, ve stavebním průmyslu je důležitou vlastností izolačních materiálů a v oblasti elektromobility optimální míra permeability materiálů použitých při výrobě palivových článků přímo ovlivňuje jejich účinnost a trvanlivost. Pro vývoj nových materiálů či účinnou výstupní kontrolu ve výrobě je tedy za potřebí konstrukčně jednoduchého analytického zařízení poskytujícího spolehlivé výsledky v co nejkratším čase. </p>
    <p num="12"> </p>
    <p num="13">Ze stavu techniky jsou známa zařízení pro měření permeability plynů založená na čistě fyzikálních či fyzikálně-chemických principech. Dokument J. K. Jung <i>et al.</i>, <i>Polymer Testing</i> 2021, <i>93</i>, p. 107016 popisuje zařízení, ve kterém je sloupec kapaliny vytlačován plynem procházejícím pod tlakem skrz měřený vzorek materiálu, přičemž pohyb sloupce je sledován kamerou. Nevýhodou tohoto zařízení je omezená přesnost a citlivost měření daná jednak optickým odečtem hodnot na stupnici sloupce kapaliny a jednak odchylkou způsobenou rozpustností použitého plynu ve zvolené kapalině, která je dále silně závislá na okolních podmínkách. Z dokumentu I. Mamaliga <i>et al.</i>, <i>Chemical Engineering and Processing</i> 2004, <i>43</i>(6), p. 753-763 je známo zařízení využívající k měření permeability systém elektromagnetů tvořících magnetické pole, ve kterém je vzorek zavěšen, a přesných vah, které měří změnu hmotnosti vzorku danou absorpcí plynu. Takovýto systém je konstrukčně velmi komplikovaný, vyžaduje citlivé měřicí přístroje závislé na časté kalibraci, výsledky měření jsou silně ovlivněny okolními podmínkami, a neumožňuje měření toku plynu skrz vzorek. Dokument S. Tan <i>et al.</i>, <i>Journal of Materials Chemistry A</i> 2015, <i>3</i>, p. 14876-14886 popisuje celu se dvěma komorami, které jsou odděleny přepážkou tvořenou měřeným vzorkem, přičemž do vstupní komory je přiváděn plyn pod známým tlakem a o známé hodnotě průtoku a u výstupní komory je měřena hodnota průtoku plynu, který prošel přepážkou. Z této hodnoty je následně vypočtena permeabilita přepážky. Nevýhodou tohoto zařízení je nutná vysoká těsnost cely, aby nedocházelo k úniku plynu okolo přepážky a ke zkreslení měření, čehož je v praxi velmi obtížné dosáhnout, a měření jsou tedy nespolehlivá. Dalším problémem je citlivost měření průtoku, omezující aplikaci této techniky na vzorky s relativně vysokou permeabilitou. Podobné řešení je známo i z dokumentu R. Blunk <i>et al.</i>, <i>Journal of Power Sources</i> 2006, <i>159</i>, p. 533-542, přičemž množství plynu, který prošel přepážkou je analyzováno plynovou chromatografií. Toto uspořádání, i přes dobrou citlivost chromatografie na plyny, přidává k výše zmíněným nedostatkům ještě nežádoucí komplexitu v podobě chromatografického zařízení. </p>
    <p num="14"> </p>
    <p num="15">Ze stavu techniky jsou dále známy metody měření permeace založené na elektrochemických měřeních, které poskytují vysokou spolehlivost měření a nevyžadují využití složitým měřicích přístrojů, jelikož k měření postačuje potenciostat/galvanostat. Jak je ovšem zřejmé příkladně z dokumentu A. Manhard <i>et al.</i>, <i>Journal of Nuclear Medicine</i> 2015, <i>463</i>, p. 1057-1061, řešení stále dosahují přílišné komplexity v podobě nutnosti použití specializovaných elektrochemických cel. Řešení popsané v citovaném dokumentu využívá komplexní dvojitou elektrochemickou celu, kde je měřený vzorek materiálu plně ponořen v elektrolytu a není v přímém kontaktu s plynem, v důsledku čehož toto uspořádání nesimuluje pracovní podmínky průmyslového nasazení měřeného vzorku, a získané hodnoty tedy nemají dostatečnou vypovídací hodnotu. Nadto výměna vzorků vyžaduje kompletní rozložení cely, což neumožňuje rychlé sériové měření více vzorků. Konstrukčně jednodušší řešení na bázi elektrochemického měření je známo z dokumentu T. Akamatsu <i>et al.</i>, <i>Journal of Alloya and Compounds</i> 2005, <i>393</i>, p. 302-306, kde je měřený vzorek umístěn v nádobě a funkčně tvoří přepážku mezi částí nádoby obsahující elektrolyt a pracovní elektrodu a pod ní umístěnou částí, do které je přiváděn plyn. Popsané řešení je ovšem vhodné pouze k měření permeace vodíku a zároveň jej není možné použít k analýze tenkých či strukturně slabých vrstev materiálu vzhledem k integrální funkci vzorku vystaveného hydrostatickému tlaku elektrolytu. A dále je hlavním omezením této techniky požadavek na katalytickou aktivitu zkoumaného vzorku vůči permeabilnímu plynu. </p>
    <p num="16"> </p>
    <p num="17">Úkolem předkládaného technického řešení je představit zařízení pro měření permeability plynů na bázi elektrochemické analýzy, které odstraňuje nedostatky dosavadního stavu techniky tím, že je konstrukčně jednoduché, umožňuje rychlou výměnu vzorků, a tedy rychlé sériové měření většího množství vzorků, a je univerzální z hlediska charakteru měřeného materiálu (příkladně je možné analyzovat materiály elektricky vodivé i nevodivé) a zvoleného plynu. </p>
    <p num="18"> </p>
    <p num="19"> </p>
    <p num="20">Podstata technického řešení </p>
    <p num="21"> </p>
    <p num="22">Podstatou technického řešení je zařízení sestávající ze tří hlavních částí, a to nádoby, pracovní elektrody a tlakové komory. Nádoba je naplněna elektrolytem, do kterého je ponořena pomocná elektroda a volitelně dále také referenční elektroda. Referenční elektroda je žádoucí pro předvídatelné nastavení pracovního potenciálu redoxní reakce studovaného plynu, avšak sestava bez referenční elektrody je využitelná pro vysokoteplotní experimenty. Výhodně do nádoby také ústí bublačka přivádějící inertní plyn pro odplynění elektrolytu. Součástí pracovní elektrody je nosič s katalyzátorem, který se účastní elektrochemické reakce plynu pronikajícího skrze vzorek do katalytické vrstvy. Nosný katalyzátor je umístěn na vzorku tak, že překrývá celý jeho povrch, v důsledku čehož veškerý plyn prochází pouze skrze vzorek a dosahuje katalytické vrstvy, kde dochází elektrochemické reakci. Tlaková komora je opatřena vstupní a výstupní trubicí pro přívod a odvod tlakového plynu, přičemž výstupní trubice je opatřena ventilem a manometrem. Pracovní elektroda se vzorkem se nachází mezi nádobou a tlakovou komorou, přičemž tyto tři části k sobě plynotěsně doléhají. </p>
    <p num="23"> </p>
    <p num="24">Elektrolytem mohou být roztoky a taveniny kyselé, zásadité, solné, pufrované, a iontové kapaliny, a to o kterékoli hodnotě pH, čímž je dosaženo možnosti analýzy permeability v prostředích o širokém rozmezí chemických vlastností. V závislosti na konkrétním použitém prostředí je možné volně zvolit vhodný typ katalyzátoru, referenční a pomocné elektrody. </p>
    <p num="25"> </p>
    <p num="26">Jako katalyzátory elektrochemických reakcí mohou být použity katalyzátory typicky na bázi Pt, Pd, Ag, Cu, Co, Fe, Ni, a to včetně slitin, přičemž výběr katalyzátoru závisí na typu detekovaného plynu. Příkladně pro detekci O2 a H2 se zpravidla používají katalyzátory na bázi Pt nebo Pd, pro detekci CO2 se se zpravidla používají katalyzátory na bázi Ag nebo Cu, CO zpravidla reaguje s katalyzátory na bázi Fe nebo Co, a pro CH4 mohou být využity katalyzátory na bázi Ni nebo Pd. </p>
    <p num="27"> </p>
    <p num="28">Zařízení může být využito k měření permeability vodivých i nevodivých materiálů, příkladně polymerů či gum, kovů či kovových slitin, keramických či skleněných materiálů a jejich kombinací v podobě kompozitních materiálů. </p>
    <p num="29"> </p>
    <p num="30"> </p>
    <p num="31">Objasnění výkresů </p>
    <p num="32"> </p>
    <p num="33">Na obrázku č. 1 je vyobrazeno schéma uspořádání zařízení dle technického řešení. </p>
    <p num="34"> </p>
    <p num="35"> </p>
    <p num="36">Příklad uskutečnění technického řešení </p>
    <p num="37"> </p>
    <p num="38">Příklad č. 1 </p>
    <p num="39"> </p>
    <p num="40">Zařízení sestává ze tří hlavních částí, a to nádoby 1, pracovní elektrody 2 a tlakové komory 3. V nádobě 1 se nachází elektrolyt 11, referenční argentchloridová elektroda 12, pomocná platinová elektroda 13 a bublačka 14 s argonem. Elektrolytem 11 je vodná kyselina sírová o koncentraci 0,5 mol/l. Pracovní elektroda 2 je opatřena nosičem 21 katalyzátoru v provedení titanové mřížky, na které se nachází katalyzátor v podobě 40% platiny nanesené na aktivním uhlí s celkovou plochou povrchu 140 m²/g a plochou platiny 70 m²/g při velikost krystalitů podle rentgenové difrakční analýzy 3 až 4 nm. Pracovní elektroda 2 je dále opatřena měřeným vzorkem, který se nachází pod nosičem 21 katalyzátoru. Tlaková komora 3 je opatřena vstupní trubicí 31 a výstupní trubicí 32 pro přívod a odvod tlakového plynu, kterým je vodík. Výstupní trubice 32 je opatřena ventilem a digitálním manometrem. Pracovní elektroda 2 se nachází mezi nádobou 1 a tlakovou komorou 3, přičemž tyto tři části k sobě plynotěsně doléhají. </p>
    <p num="41"> </p>
    <p num="42">Příklad č. 2 </p>
    <p num="43"> </p>
    <p num="44">Zařízení sestává ze tří hlavních částí, a to nádoby 1, pracovní elektrody 2 a tlakové komory 3. V nádobě 1 se nachází elektrolyt 11, referenční Hg/HgO elektroda 12, pomocná uhlíková elektroda 13 a bublačka 14 s argonem. Elektrolytem 11 je hydroxid draselný o koncentraci 1 mol/l. Pracovní elektroda 2 je opatřena nosičem 21 katalyzátoru v provedení uhlíkové mřížky, na které se nachází katalyzátor v podobě palladiové černi s vysokou plochou povrchu a plochou palladia 40 m²/g při velikost krystalitů podle rentgenové difrakční analýzy 6 až 10 nm . Pracovní elektroda 2 je dále opatřena měřeným vzorkem, který se nachází pod nosičem 21 katalyzátoru. Tlaková komora 3 je opatřena vstupní trubicí 31 a výstupní trubicí 32 pro přívod a odvod tlakového plynu, kterým je kyslík. Výstupní trubice 32 je opatřena ventilem a digitálním manometrem. Pracovní elektroda 2 se nachází mezi nádobou 1 a tlakovou komorou 3, přičemž tyto tři části k sobě plynotěsně doléhají. </p>
    <p num="45"> </p>
    <p num="46"> </p>
    <p num="47">Průmyslová využitelnost </p>
    <p num="48"> </p>
    <p num="49">Zařízení pro elektrochemické měření propustnosti plynů je průmyslově využitelný v analýze obalových materiálů, součástek palivových článků či membrán pro separaci plynů, materiálů pro plynové nádoby a obdobné plynotěsné aplikace. </p>
  </description>
  <claims id="claim">
    <claim num="1">
      <claim-text>Zařízení pro elektrochemické měření propustnosti plynů, 
   <b>vyznačující se tím</b>, že
   <b> </b>zahrnuje nádobu (1), pracovní elektrodu (2) a tlakovou komoru (3), přičemž v nádobě (1) se nachází elektrolyt (11), pomocná elektroda (13) a bublačka (14) s inertním plynem, dále pracovní elektroda (2) je opatřena nosičem (21) katalyzátoru v provedení mřížky, na které se nachází katalyzátor s tím, že pracovní elektroda (2) je dále opatřena měřeným vzorkem, který se nachází pod nosičem (21) katalyzátoru, dále je tlaková komora (3) opatřena vstupní trubicí (31) pro přívod plynu, přičemž pracovní elektroda (2) se nachází mezi nádobou (1) a tlakovou komorou (3), přičemž nádoba (1), pracovní elektroda (2) a tlaková komora (3) k sobě plynotěsně doléhají.
  </claim-text>
    </claim>
    <claim num="2">
      <claim-text>Zařízení podle nároku 1, 
   <b>vyznačující se tím</b>, že
   <b> </b>se v nádobě (1) dále nachází referenční elektroda (12).
  </claim-text>
    </claim>
    <claim num="3">
      <claim-text>Zařízení podle nároku 1 nebo 2, 
   <b>vyznačující se tím</b>, že tlaková komora (3) je dále opatřena výstupní trubicí (32) pro odvod plynu, přičemž výstupní trubice (32) je opatřena ventilem a manometrem.
  </claim-text>
    </claim>
  </claims>
  <drawings id="draw">
    <figure num="1">
      <img file="2486921img0001.jpg" img-content="drawing" img-format="jpg" wi="487" he="500"/>
    </figure>
  </drawings>
</ep-patent-document>
