CN116917548A - 电解池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电解池，其包含或由以下部分组成：(i)形成阳极室和阴极室的两个金属半电池，(ii)分别设置在阳极室和阴极室中的阳极和阴极，(iii)将两个电极彼此分开的分隔膜，(iv)对于每个半电池，用于反应物和产物的至少一个入口和一个出口，以及(v)任选地垫片，其将两个电极定位在它们各自的电极室中，其中两个半电池在其周边上连接但电绝缘并且具有0.05至0.15mm的壁厚。

Description

电解池

发明领域

本发明属于电解技术领域，并且涉及新的电解池、包含串联连接的所述电解池的电解堆栈、用于生产这种堆栈的方法以及该电解池在生产电解堆栈中的用途。

技术背景

在未来30年内实现无温室气体排放的经济——这是欧洲为了阻止气候变化而宣称的目标。可再生能源旨在取代化石燃料,如石油、煤炭和天然气。在能源供应的可持续重构过程中，氢将发挥重要作用。

对于清洁交通、电力和热能的有效供应、作为补偿波动的可再生能源的缓冲剂、作为替代燃料的基础或作为工业中的工艺气体——氢作为能源载体是非常通用的，可以跨行业边界使用，提供巨大的协同潜力，并且质量相关的能量密度是汽油的三倍。

因此，可持续且经济地产生氢气是大幅减少尤其是有害温室气体CO2在能源、交通和工业领域的排放的基石，从而应对气候变化。建设尽可能全球化的跨部门氢经济，同时为新技术和商业模式开辟巨大的机会，因为使用氢的可能性非常广泛。对于工业而言，目前正在研究氢动力燃气轮机。在燃料电池中，它可用于汽车或公共汽车。与电动汽车相比，使用氢气不仅可以实现零排放，而且还可以长距离行驶并快速为车辆加气。

从环境角度来看，通过电解水生产氢特别令人感兴趣；因此，术语“绿色氢”一词也用于此上下文中。该方法在耦合电解池，即所谓的电解槽中进行，例如也从氯碱电解中已知。

相关现有技术

US 5,599,430 B(DOW)已经公开了一种电解池，其包括容纳至少一对电极，即阴极和阳极、集电器和膜的壳体。它还包含导电的、水力可渗透的弹性缓冲垫，该缓冲垫基本上与集电器共面布置并在一侧接触它，并且同样与电极共面延伸并在另一侧接触它。

EP 1451389 B1(UHDENORA)描述了一种用于电化学电池的集电器，其由可压缩且弹性的金属线层的“三明治”组成，其在宽的压缩范围下赋予预定的机械负载。

EP 1766104 B1(UHDENORA)涉及一种常规电解池，其具有由单独元件组成的密封系统，每个元件包含通过膜彼此分开的两个电极，其中非活性膜表面的部分通过法兰(flange)缩小，使得半壳体的法兰面与活性膜面之比可以设定为小于0.045。

根据EP 1882758 A1(TOAGOSEI)，电解池中的弹性压力借助线圈或波状垫或电阻镍合金来传递；线圈的匝数或垫子中一层一层的层数从上向下逐步增加，从而最终建立压力分布，其至少类似于阳极侧相同方向增加的静水压力。

EP 2356266 B1(UHDENORA)描述了一种电解池，其设置有隔板并且具有平面柔性阴极，其通过被电流分配器按压的弹性导电元件与隔板保持接触。该电池还包含阳极，其由支撑隔板的冲孔板或网组成。该电池可以以模块化布置方式使用以形成电解槽，其终端电池仅连接到电源。相邻电池之间的电连续性由导电接触条确保，其固定到界定每个电池的外壳的阳极外壁，其中阴极电流分配器和阳极结构的刚度以与电元件的弹性配合以维持具有均匀压力分布的均匀阴极与隔板接触，同时确保接触条的适当机械负载。通过使用弹性元件，可以避免对电极的损坏。

EP 2734658 B1(NEW NEL HYDROGEN)包括用于压滤型电解槽的模块，其包括限定至少一个第一开口的至少一个封闭框架，其中该模块包括密封和电绝缘材料并且该材料至少部分地覆盖框架表面。

EP 2746429 A1(UHDENORA)提出了一种电解池，其包含具有阳极的阳极室和具有气体扩散阴极的阴极室，其中两个电极通过离子交换膜以及金属弹性元件彼此分开，金属弹性元件在压缩下被夹紧在阴极气体隔室的后壁和气体扩散阴极之间，其中所述弹性元件被夹紧到阴极气体隔室中，使得元件和后壁之间的距离沿重力方向增加。

EP 2872675 B1(UHDENORA)提出了一种用于电解池的绝缘框架，其具有带拐角的几何形状，该框架为平面设计并具有阳极侧和阴极侧以及外端面和内端面。绝缘框架具有直接邻接内端面的边缘区域并且在拐角区域中具有切口形式的凹部。

根据JP 2003 041388 A1(ASFPONC)，电池的稳定是通过内置于阴极气体隔室中的金属之字形轮廓来实现的。然而，电解池的该实施方案带来了一个问题：物理学规定阳极室中的静水压力不是恒定的而是沿重力方向增加。因此，对于要实现的目的而言，希望并且完全足够的是由弹性插入件施加的压力与静水压力相匹配，也就是说，其在重力方向上增加。

发明目的

电解池示意性地由阳极室和阴极室(AR、KR)组成，其分别包含阳极(A)和阴极(K)。两个电极一方面通过隔膜或分隔膜(S)彼此分开，另一方面分别借助弹性或刚性垫片(X1,X2)固定在相应的壳体部分，如可从图1中示意性地看到的。在图中还可以看到密封件(D)，其在周边连接两个电极室，但将它们电绝缘并将其与外部密封。

阳极室和阴极室必须彼此电绝缘，使得不会发生短路。为了获得最佳性能，还需要将电极整个平放在分隔膜的表面上，也就是说没有间隙。这是通过电池内部的一个或多个弹性垫片(X1,X2)来实现。此外，电解池放置在相对于大气稍稍超压的情况下，这意味着密封件必须既耐化学又耐压。

根据现有技术，电解半电池由厚度至少为0.5mm的金属片制造，以便为电池提供足够的稳定性并确保它们在运输或安装入电解槽或电解堆栈中期间不被损坏。然而，缺点是电池变得非常重和硬(rigid)，这带来了安装问题，当然也导致了高材料价值。

发明内容

在第一个实施方案中，本发明涉及电解池，其包含或由以下部分组成：

(i)形成阳极室和阴极室的两个金属半电池，

(ii)分别设置在阳极室和阴极室中的阳极和阴极，

(iii)将两个电极彼此分开的分隔膜，

(iv)对于每个半电池，用于反应物和产物的至少一个入口和一个出口，以及

(v)任选地垫片，其将两个电极定位在它们各自的电极室中，

其中两个半电池在其周边上连接但电绝缘并且具有0.05至0.15mm且特别是0.070至0.1mm的壁厚。

优选地，电解池经受例如0.5至0.15巴的轻微低压，使得电解池真空强化并因此可以特别容易且安全地运输和随后堆叠。

已经令人惊奇地发现，与科学观点相反，可以容易地使用非常薄的金属片、优选金属箔来生产完全满足开头提到的要求的电解池。

电解池

阳极和阴极优选如图1示意性地布置在电池中，即平放两个电极并且在其整个表面上相对于彼此没有间隙，其中仅分隔膜直接接触连接。

半电池优选地由不锈钢、镍或钛以及相应的合金——其还可以包含其他外来金属，例如钒——构成。

垫片可以是弹性元件，例如线圈、环、泡沫、垫或刚性结构，如在评估现有技术的开始时所讨论的。它们可以是静态的或有弹性的，其中优选的是为至少一个电极室装备有弹性垫片以确保电极平放。

尽管两个半电池必须在其周边上彼此连接，它们必须彼此电绝缘。这可以优选通过引入密封组合物来实现。图2示意性地示出了其上分布有密封组合物(D)的周边(P)的横截面；在中间，可以看到分隔膜(S)，其端部同样被密封组合物包围。通过这种方式，膜在电池内同时被固定和稳定。

塑料组合物可以通过塑料加工的常规方法引入，也就是说，例如通过热直接接合、粘合剂结合、热熔或层压。特别优选热直接接合，因为它在技术上要求不高。它的功能与注塑工艺非常相似：塑料材料被液化并注入密封面。由于冷却，聚合物再次变成固态并密封两个半电池。合适的电绝缘塑料材料原则上是热塑性塑料，其中优选全氟烷氧基聚合物(PFA)和聚苯硫醚(PPS)，因为它们具有高耐化学性。

在本发明的另一个优选实施例中，产物和反应物的入口和出口位于两个半电池之间的接合处。考虑食品工业中已知的特定连接件，例如图3中所示的可注塑成型的塑料材料的焊接式喷口。EP 2644530 A1(POPPELMANN)中提供了相应的连接件或喷口，当其教导涉及喷口的性质时，其通过引用并入。连接件或喷口具有颈部(3)，颈部(3)设有具有竖直纵向中心轴(1)的浇注通道(2)，以及连接到颈部的两个外侧表面，并且优选地设有焊接线，其侧表面设置用于焊接到电解池的密封件上，并且在其相关的侧壁上在内侧布置有多个加强腹板。

所提及的出口或喷口(spouts)通常具有底座，也称为“舟(boat)”，其侧壁具有在其端部区域处彼此合并的外侧面。侧表面连接——特别是焊接——到容器的两个箔壁之间。在舟或侧表面上形成凸缘状区域，通常为整体，其合并到具有浇注通道的颈部中，该浇注通道具有竖直纵向中心轴。这种颈部通常在外侧设有螺纹(thread)，以便在通过浇注通道排空之前用盖子固定已填充的箔袋。或者，颈部也可以至少部分地直接融入舟中。舟的侧表面可以是平坦的、粗糙的、有或没有肋(ribs)和/或设有焊缝。此外，颈部可具有可用于在填充或密封系统中进行引导的引导腹板(guide webs)。

根据EP 2644530 A1的教导，连接件或喷口(spouts)通常通过超声波焊接连接至密封件。在本发明中，优选在接合过程中直接引入焊接式喷口。

电解堆栈和其制造方法

单独的电解池可以组合成被称为“电解槽”或“电解堆栈”的组。因此，本发明还提供了一种电解堆栈，其包括或由以下部分组成：

(i)至少两个如开头所述的电解池，

(ii)两个(金属)压力板，以及

(iii)至少两根拉力杆，

其中

(a)两个压力板彼此相对并通过至少两根拉力杆可移动地或刚性地间隔开，并且拉力杆的连接优选地存在高电阻或绝缘。

(b)至少两个电解池相对于彼此布置或堆叠在两个压力板之间，使得在每种情况下第一个电解池的阴极后壁与下一个电解池的阳极后壁接触；和

(c)压力板彼此间隔开，使得与至少两个真空强化电解池一起存在固定的关联。

本发明的堆栈优选包含3、4、5个或最多约200个所提及的电解池。优选地，它们含有约40至约150，特别是约60至约120个。

图4中示出了典型的电解堆栈，其中可以看到其中的每个电解池都具有根据图1的构造。

同样要求保护一种用于生产电解堆栈的方法，包括或由以下步骤组成：

(i)提供至少两个如权利要求1所述的电解池，

(ii)提供两个压力板，和

(iii)提供至少两根拉力杆，

其中

(a)通过施加低压对至少两个电解池进行真空强化；

(b)来自步骤(a)的真空强化电解池串联电连接，其中它们相对于彼此布置或堆叠，使得在每种情况下第一电解池的阴极后壁与下一个一电解池的阳极后壁接触；

(c)根据步骤(b)串联连接的真空强化电解池通过至少两根拉力杆布置在两个压力板之间，从而产生固定关联；和

(d)固定关联中电解池上的真空再次释放。

通过根据本发明的构造，传统的单电池设计也可以应用于具有小壁厚的电池。根据本发明，这些薄板或箔用作壳并通过接合和隔离物彼此电隔离，其中内置元件在制造过程中被引入。在制造过程之后，电池受到低压作用，从而影响内部弹性元件或垫片(mattress)的预压缩。同时，通过该操作对电池进行真空硬化，这提供了以下优点并且迄今为止不符合该技术的现有技术：

·柔性组件的硬化，

·通过例如真空提升系统或机械夹持系统实现可运输性，而无需额外辅助，

·测试密封性，

·检测运输造成的损坏，以及

·预加载系统弹性元件。

由于元件的预加载，电池可被引入堆栈中，其不必配备夹紧装置，而是将弹性元件压在一起并提供压缩的可能性，包括压力板的位移。金属压力板可以简单地通过拉力杆固定在一起，并且在初始组装时，可以简单地与真空强化元件接触。通过释放真空，弹性元件不再负载外部压力，而是由压力板保持就位。

所得的堆栈可用于例如氯碱电解，但优选的预期用途是通过电解水生产氢气。

工业应用性

本发明还提供了根据本发明的电解池在生产电解堆栈中的用途。

Claims (10)

1.一种电解池，其包含或由以下部分组成：

(i)形成阳极室和阴极室的两个金属半电池，

(ii)分别设置在阳极室和阴极室中的阳极和阴极，

(iii)将两个电极彼此分开的分隔膜，

(iv)对于每个半电池，用于反应物和产物的至少一个入口和一个出口，以及

(v)任选地垫片，其将两个电极定位在它们各自的电极室中，

其中两个半电池在其周边上连接但电绝缘并且具有0.05至0.15mm的壁厚。

2.根据权利要求1所述的电解池，其特征在于半电池由不锈钢、镍或钛或上述物质的合金——其还可以包含其他外来金属——构成。

3.根据权利要求1和/2所述的电解池，其特征在于垫片是弹性元件。

4.根据权利要求1至3至少一项所述的电解池，其特征在于两个半电池在其周边上通过电绝缘塑料材料连接。

5.根据权利要求1至4至少一项所述的电解池，其特征在于入口和出口是可注塑成型的塑料材料的焊接式喷口。

6.根据权利要求1至5至少一项所述的电解池，其特征在于其为真空强化的。

7.电解堆栈，其包括或由以下部分组成：

(i)至少两个如权利要求1所述的电解池，

(ii)两个压力板，和

(iii)至少两根拉力杆，

其中

(a)两个压力板彼此相对并通过至少两根拉力杆可移动地或刚性地间隔开，

(b)至少两个电解池相对于彼此布置或堆叠在两个压力板之间，使得在每种情况下第一个电解池的阴极后壁与下一个电解池的阳极后壁接触；和

(c)压力板彼此间隔开，使得与至少两个真空强化电解池一起存在固定的关联。

8.根据权利要求7所述的电解堆栈，其特征在于其含有2至约150个电解池。

9.一种用于生产电解堆栈的方法，包括或由以下步骤组成：

(i)提供至少两个如权利要求1所述的电解池，

(ii)提供两个压力板，和

(iii)提供至少两根拉力杆，

其中

(a)通过施加低压对至少两个电解池进行真空强化；

(b)来自步骤(a)的真空强化电解池串联电连接，其中它们相对于彼此布置或堆叠，使得在每种情况下第一电解池的阴极后壁与下一个一电解池的阳极后壁接触；

(c)根据步骤(b)串联连接的真空强化电解池通过至少两根拉力杆布置在两个压力板之间，从而产生固定关联；和

(d)固定关联中电解池上的真空再次释放。

10.根据权利要求1至6至少一项所述的电解池在生产电解堆栈中的用途。