CN114207188B - 电解槽和用于制造电解槽的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有槽框架的电解槽和一种用于制造电解槽的方法。槽框架具有阶梯状的内部构型。内部构型包括在槽框架中用于容纳平面部件的至少一个支承面。支承面具有用于密封件的凹陷部。首先将密封件置入凹陷部中。然后将膜电极单元、第一气体扩散层和导电的封闭层引入到槽框架中。然后转动槽框架并施加第二气体扩散层。如此制造的电解槽包括具有密封件和不同层的槽框架。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解槽和一种用于制造电解槽的方法。
背景技术
电解装置是一种借助于电流引起物质转换(电解)的设备。对应于各种不同的电解也存在大量的电解装置，即例如用于电解制氢的电解装置。
目前的考虑在于：在具有大量阳光和大量风、即具有高于平均的太阳能产生或风能产生的时间中存储来自可再生能量源中的多余能量。尤其可以借助电化学槽、尤其是燃料电池或电解槽进行存储。特别地，可以通过制备再生材料来存储能量。材料尤其可以是氢，所述氢借助水电解装置产生。借助氢例如可以制造所谓的EE气体。
在此，(电解制氢的)电解装置借助于电能、尤其来自风能或太阳能中的电能首先产生氢。然后，氢可以在萨巴蒂埃工艺中连同二氧化碳一起用于制备甲烷。然后，例如可以将甲烷馈送到已经存在的天然气网中，从而实现能量的存储和到负载的运输进而可以减轻电网的负担。
替代于此，由电解装置产生的氢也可以直接继续使用，例如用于燃料电池。
在用于电解制氢的电解装置中，水被分解成氢和氧。在PEM电解装置中，典型地在阳极侧输送蒸馏水作为反应物并且在质子渗透膜(英文：“Proton-Exchange-Membrane质子交换膜”；PEM)处裂解成氢和氧。在此，水在阳极处被氧化成氧。质子经过质子渗透膜。在阴极侧，质子复合成氢。
PEM电解装置的典型设置包括第一气体扩散层和第二气体扩散层。质子交换膜(英文：“Proton-Exchange-Membrane质子交换膜”；PEM)设置在气体扩散层之间。所有层都设置在槽框架中。将气体扩散层设置在槽框架中当前必须不利地以高精度进行，以便制造可靠工作的电解槽。这使得部件的生产和安装变得麻烦。
从DE 25 33 728 A1中已知一种用于电解碱金属盐溶液的电解槽。电解槽包括彼此并排设置的双极电极和至少一个包围电解区的至少一个腔室的外框架。
具有密封的槽框架的其他电化学电池例如在US 6,117,287 A和US 2002/068208A1中描述。在CN 107 881 528A中描述用于PEM膜电极单元的制造方法。
发明内容
本发明的目的是：提供一种具有槽框架的电解槽及一种用于制造电解槽的方法，所述方法简化电解槽的构造和用于制造电解槽的方法、特别是用于大的槽面积的电解槽的制造的方法，并且实现在电化学电池运行中的高度可靠性。
该目的借助根据权利要求1的电解槽和根据权利要求10的方法来实现。
用于根据本发明的电化学电池、特别是用于燃料电池或电解槽的槽框架具有阶梯状的内部构型。阶梯状的内部构型包括在槽框架中用于容纳平面部件的至少一个支承面。支承面具有用于密封件的凹陷部。
根据本发明的电解槽具有槽框架，所述槽框架具有阶梯状的内部构型。阶梯状的内部构型包括在槽框架中用于容纳平面部件的至少一个支承面。支承面包括用于密封件的凹陷部。电解槽还具有密封件，所述密封件设置在支承面的凹陷部中。电解槽还具有膜电极单元，所述膜电极单元覆盖槽框架的支承面和密封件。所述电解槽还具有邻接于膜电极单元的第一侧的第一气体扩散层。所述电解槽同样具有第二气体扩散层，所述第二气体扩散层邻接于膜电极单元的第二侧。电解槽还具有导电的封闭层，所述封闭层安置在第一气体扩散层上并与槽框架固定地连接。
由于阶梯状的内部构型，第一气体扩散层突出超过第二气体扩散层的边界。因此，槽框架和膜或气体扩散层之间的间隙尺寸可以有利地更大。这有利地简化和缩短了安装过程。此外，可以有利地自由选择膜和/或气体扩散层的外部构型。仅需要使膜片和第一气体扩散层的外部构型突出超过密封件，使得确保对密封件的充分支撑。有利地，密封件还确保电解槽的阴极侧和阳极侧之间的密封。
在本发明的一种有利的设计方案和改进形式中，支承面基本上是面状的。换言之，支承面是平坦的，即不是弯曲的。平坦面仅通过凹陷部中断。有利地，膜、特别是作为MEA(英文：“Membrane-Electrode-Assembly”膜电极单元)的膜和气体扩散层可以平面进而形状配合地安置在支承面上。由此有利地实现高的密封性。
在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，槽框架由一个工件构成。换言之，所述槽框架不是由多个部件组成，而是由一个工件制成。槽框架尤其可以包括聚合物。特别地，所述槽框架可以由所述聚合物铸造。替代地同样可以考虑：通过机械加工由板形的原材料制造槽框架。槽框架优选地包括电绝缘材料。
在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，槽框架包围至少3000cm2的面积。
在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，膜电极单元、第一气体扩散层和第二气体扩散层分别具有小于由槽框架的内部构型包围的面积的尺寸。特别优选地，气体扩散层之一具有比另一气体扩散层更大的面积。因此，所述气体扩散层大小不同。所述层可以置入到槽框架的内部构型中。因此，所述气体扩散层不在上方安置在槽框架上，而是设置在槽框架的内部构型包围的面积中。因此，所述层可以有利地设置在槽框架的内部构型中，使得所述层的高度不超过槽框架的高度。换言之，将层设置在槽框架中填充槽框架的内部，但层不会从槽框架中突出。
在本发明的另一有利的设计方案和改进形式中，导电的封闭层具有大于由槽框架的内部构型包围的面积的尺寸。换言之，导电的封闭层因此安置在槽框架上。有利地，所述封闭层因此可以容易地机械地固定在槽框架的上侧或下侧处。所述层在槽框架的内部构型中的固定有利地是不必要的。
换言之，支承面具有用于密封件的凹陷部尤其意味着：用于密封件的凹陷部没有设置在支承面的边缘处。因此，凹陷部没有与支承面共同的侧向边界。所述凹陷部设置在支承面之内。有利地由此实现：密封件无法滑动地设置在支承面内，即换言之被局部地紧固地设置在支承面内。第一密封件特别优选固定地与槽框架连接。因此，不像至今为止那样经由槽框架和膜和/或气体扩散层之间的小间隙尺寸进行密封，而是经由设置在槽框架的支承面中的密封件来进行密封。
根据本发明的用于制造电解槽的方法包括多个步骤。首先，提供槽框架。槽框架具有阶梯状的内部构型。阶梯状的内部构型包括至少一个在槽框架中用于容纳平面部件的支承面。在此，支承面包括用于密封件的凹陷部。在下一步骤中，将密封件布设到支承面的凹陷部中。如果使用具有固定连接的第一密封件的槽框架，则可以取消该步骤。随后，将膜电极单元布设到支承面上，其中膜电极单元覆盖槽框架的支承面和密封件。随后，将第一气体扩散层布设到膜电极单元的第一侧上。随后，将导电的封闭层布设到第一气体扩散层和槽框架上。将封闭层机械紧固在槽框架处。随后，转动具有密封件、膜电极单元、第一气体扩散层和封闭层的槽框架，使得现在封闭层设置在下方并且膜催化器层设置在上方。在此，下方和上方可相对于地球引力场来观察。因此，下方意味着：所述层比设置在上方的层更靠近地球。然后，将第二气体扩散层设置在槽框架中的膜电极单元的第二侧上。
有利地，槽框架的阶梯状的内部构型的使用首先能够通过简单的布设将密封件、膜电极单元、第一气体扩散层和导电的封闭层设置到槽框架中。通过随后的转动有利地显著简化第二气体扩散层在膜电极单元上的安装。在转动期间，膜电极单元通过第一气体扩散层和封闭层支撑并夹紧在槽框架中。支撑有利地确保：膜电极单元不会滑动进而保持设置成，使得密封件被覆盖。然后，可以简单地将第二气体扩散层布设到膜电极单元上。即使对于非常大的槽面积，也可以不太麻烦地通过转动简单地对槽框架装配层。
在本发明的一种有利的设计方案中，槽框架和导电的封闭层彼此密封。
为了获得槽堆，将多个电解槽上下布设、相互密封和压紧。
在本发明的一种有利的设计方案和改进形式中，封闭层借助于旋接、铆接或通过夹紧机构机械紧固在槽框架处。
附图说明
本发明的其他特征、特性和优点从以下参照附图的描述中得出。在附图中示意性地示出：
图1示出用于电解槽的槽框架的剖面图；
图2示出用于电解槽的槽框架的俯视图。
图3示出在安装期间的具有层和机械紧固部的槽框架的剖面图；
图4示出具有槽框架的电解槽的剖面图。
图5示出电解槽的制造方法的流程图。
具体实施方式
图1示出用于电化学电池、特别是燃料电池或电解槽的槽框架100的剖面图，所述槽框架具有阶梯状的内部构型101。阶梯状的内部构型101具有支承面102。在支承面102中设置有凹陷部103。槽框架100具有框架上侧104和框架下侧105。
图2示出具有阶梯状的内部构型101的槽框架100的俯视图。在该示例中，槽框架100实施成矩形。然而，同样可以考虑的是：所述槽框架具有圆形或椭圆形的形状，或技术上合理的其他形状。
在该实施例中，描述电解槽的结构。然而，替代地同样可行的是：将槽框架100用于燃料电池的构造。
在电解槽的构造开始时，槽框架100设置在地球的引力场中，使得框架上侧104向上、即远离地球取向，而框架下侧105向下、即朝向地球取向。这在图1中示出。槽框架100由一个工件制成。在第一安装步骤中，将密封件6置入凹陷部103中。所述密封件6可以构成为密封带、构成为经涂覆的密封件或密封环。密封件6典型地包括诸如PTFE、硅树脂、氟化橡胶或弹性体组中的其他材料的材料。
图3示出中间安装状态中的槽框架100。密封件6设置在凹陷部103中。然后，将膜电极单元7布设到支承面102上。膜电极单元7具有几乎完全填充槽框架的尺寸。合理地，至少应将膜电极单元7的尺寸选择成，使得膜电极单元7可靠地且在任何公差情况下都延伸超过密封件6，如图3中可见。然后，将第一气体扩散层8从上方布设到膜电极单元7上。至少应将第一气体扩散层8的尺寸选择成，使得所述第一气体扩散层从由密封件包围的面中伸出。换言之，气体扩散层8间接位于阶梯状的内部构型101的阶梯上。膜电极单元7和第一气体扩散层8的尺寸均应选择为，使得其不大于由槽框架100包围的面积。然后，有利地还引入用于在槽框架100和导电的封闭层之间密封的密封件。可选地，密封件可以已经是槽框架100或导电的封闭层9的一部分。然后，将导电的封闭层9布设到第一气体扩散层8上。所述导电的封闭层9借助机械的紧固机构、在该示例中借助螺钉10固定地紧固在槽框架100处。图3示出：在该安装时间点如何设计具有不同层7、8、9、密封件6和旋接部10的槽框架。在下一步骤中，转动具有密封件6、膜电极单元7、第一气体扩散层8和封闭层9的槽框架100。
图4示出旋转后的槽框架100。框架上侧104现在设置在下方，框架下侧105现在设置在上方。换言之，在地球的引力场中，框架下侧105现在比框架上侧104更远离地球设置。在下一步骤中，将第二气体扩散层11施加在膜电极单元7上。膜电极单元7现在直接在一侧上邻接于第二气体扩散层11。在另一侧，膜电极单元7直接邻接于第一气体扩散层8。如此安装的电解槽1可以现在与多个电解槽1堆叠成堆。在此，电解槽彼此密封。有利地，在图3中的安装中间状态之后转动半装配的槽能够简单地安装用于至少3000cm2的大的槽框架面积的第二气体扩散层11。膜电极单元7的尺寸应仅选择为，使得其至少遮盖密封件6，但小于槽框架内表面。膜电极单元7通过第一气体扩散层8支撑并且通过夹紧稳固以防止滑动。这实现膜电极单元7的更快速和更有效的安装，其中同时可以可靠地确保在第一槽半部和第二槽半部之间的密封性，在所述第一槽半部中设置有第一气体扩散层8，并且在所述第二槽半部中设置有第二气体扩散层11。
图5示意性地示出具有不同步骤的安装方法的流程图。首先，在步骤50中提供槽框架100。然后，在步骤51中将密封件6置入到凹陷部103中。如果密封件已经构成为槽框架的一部分，则可以省略步骤51。然后，在步骤52中将膜电极单元置入槽框架中。然后，在步骤53中，将第一气体扩散层8施加到膜电极单元7上。现在，还可以将密封件置入槽框架中。如果密封件已经是槽框架100或封闭层9的一部分，则可以省略该步骤。在接下来的步骤55中，将封闭层9布设到第一气体扩散层8上。然后，在步骤56中，将封闭层9机械地紧固在槽框架100上。然后，在步骤57中，转动具有层7、8、9的槽框架100。然后，在步骤58中，将第二气体扩散层11施加到膜电极单元7上。
Claims (11)
1.一种电解槽(1)，包括：
-槽框架(100)，其中所述槽框架(100)具有阶梯状的内部构型(101)，其中所述阶梯状的内部构型(101)包括在所述槽框架(100)中用于容纳平面部件的至少一个支承面(102)，其中所述支承面(102)包括用于密封件(6)的凹陷部(103)，
-第一密封件(6)，所述第一密封件设置在所述支承面(102)的凹陷部(103)中，
-膜电极单元(7)，所述膜电极单元覆盖所述槽框架(100)的所述支承面(102)和所述密封件(6)，
-第一气体扩散层(8)，所述第一气体扩散层邻接于所述膜电极单元(7)的第一侧，
-第二气体扩散层(11)，所述第二气体扩散层邻接于所述膜电极单元(7)的第二侧，和
-导电的封闭层(9)，所述封闭层安置在所述第一气体扩散层(8)上并与所述槽框架(100)固定地连接，
其中所述膜电极单元(7)和所述第一气体扩散层(8)的外部构型突出超过所述密封件(6)。
2.根据权利要求1所述的电解槽(1)，其中所述膜电极单元(7)、所述第一气体扩散层(8)和所述第二气体扩散层(11)具有小于由所述槽框架(100)的所述内部构型(101)包围的面积的尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的电解槽(1)，其中所述导电的封闭层(9)具有大于由所述槽框架(100)的所述内部构型(101)包围的面积的尺寸。
4.根据权利要求1或2所述的电解槽(1)，其中所述槽框架(100)由一个工件构成。
5.根据权利要求1或2所述的电解槽(1)，其中所述槽框架(100)包围至少3000cm2的面积。
6.根据权利要求1或2所述的电解槽(1)，其中所述槽框架(100)电绝缘地构成。
7.根据权利要求5所述的电解槽(1)，其中所述槽框架(100)包括电绝缘材料。
8.根据权利要求1或2所述的电解槽(1)，其中在所述凹陷部中，第一密封件固定地与所述槽框架连接。
9.根据权利要求1或2所述的电解槽(1)，其中第二密封件设置在框架上侧(104)和所述导电的封闭层(9)之间。
10.一种用于制造电解槽(1)的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供槽框架(100)，其中所述槽框架(100)具有阶梯状的内部构型(101)，其中所述阶梯状的内部构型(101)包括在所述槽框架(100)中用于容纳平面部件的至少一个支承面(102)，其中所述支承面(102)包括用于密封件(6)的凹陷部(103)，
-将密封件(6)布设到所述支承面(102)的所述凹陷部(103)中，
-将膜电极单元(7)布设到所述支承面(102)上，其中所述膜电极单元(7)覆盖所述槽框架(100)的所述支承面(102)和所述密封件(6)，
-将第一气体扩散层(8)布设到所述膜电极单元(7)的第一侧上，其中所述膜电极单元(7)和所述第一气体扩散层(8)的外部轮廓突出超过所述密封件(6)，
-将导电的封闭层(9)布设到所述第一气体扩散层(8)和所述槽框架(100)上，
-将所述封闭层(9)机械紧固在所述槽框架(100)上，
-转动具有所述密封件(6)、所述膜电极单元(7)、所述第一气体扩散层(8)和所述封闭层(9)的所述槽框架(100)，使得现在所述封闭层(9)设置在下方并且所述膜电极单元(7)设置在上方，
-将第二气体扩散层(11)施加在所述槽框架(100)中的所述膜电极单元(7)的第二侧上，
-张紧所述槽框架中的层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述封闭层(9)借助于旋接部、铆接部或通过夹紧机构机械紧固在所述槽框架(100)上。
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