EP4291696A1 - Verfahren zur abdichtung einer elektrolysezelle - Google Patents

Verfahren zur abdichtung einer elektrolysezelle

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Publication number
EP4291696A1
EP4291696A1 EP22703894.0A EP22703894A EP4291696A1 EP 4291696 A1 EP4291696 A1 EP 4291696A1 EP 22703894 A EP22703894 A EP 22703894A EP 4291696 A1 EP4291696 A1 EP 4291696A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cells
sealing
anode
electrodes
electrically insulating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22703894.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wiebke Lüke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WEW GmbH
Original Assignee
WEW GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by WEW GmbH filed Critical WEW GmbH
Publication of EP4291696A1 publication Critical patent/EP4291696A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/63—Holders for electrodes; Positioning of the electrodes

Definitions

  • the invention is in the field of electrolysis technology and relates to a method for sealing and electrical insulation of electrolytic cells, corresponding electrolytic cells and the use of certain plastics for sealing.
  • An electrolytic cell is already known from US Pat. No. 5,599,430 B (DOW), which comprises a housing containing at least one pair of electrodes, namely a cathode and an anode, a current collector and a membrane. Also included is an electrically conductive, hydraulically permeable resilient mattress that is substantially coplanar with and contacts the current collector on one side and also coplanar with and contacts an electrode on the other side.
  • EP 1451389 B1 (UHDENORA) describes a current collector for electrochemical cells, consisting of a "sandwich" of compressible and elastic layers of metal wires, which imparts a predetermined mechanical load in a wide compression range.
  • EP 1766104 B1 (UHDENORA) relates to a conventional electrolytic cell with a sealing system consisting of individual elements, each of which contains two electrodes which are separated from one another by membranes and the proportion of the inactive membrane surface is minimized by a flange, see above that the ratio between the area of the flange of a half-shell and the active membrane area can be adjusted to less than 0.045.
  • EP 1882758 A1 the elastic pressure in an electrolysis cell is transmitted using coils or woven nickel mats or resistant nickel alloys Layers gradually from top to bottom, so that finally a pressure profile is established which is at least similar to the hydrostatic pressure on the anode side, which increases in the same direction.
  • EP 2356266 B1 (UHDENORA) describes an electrolysis cell provided with a separator, which has a flat, flexible cathode, which is held in contact with the separator by an elastic, conductive element pressed by a current distributor becomes.
  • the cell also contains an anode consisting of a stamped sheet metal or grid supporting the separator.
  • the cell can be used in a modular arrangement to form an electrolyser, the end cells of which are connected only to the electrical power supply.
  • the EP 2734658 B1 (NEW NEL HYDROGEN) comprises a module for an electrolyser from the filter press type, which comprises at least one closed frame, the at least defines a first opening, wherein the module presents a sealing and electrically insulating material, and this material at least partially covers the surface of the frame.
  • EP 2746429 A1 UHDENORA
  • an electrolytic cell which contains an anode space with an anode and a cathode gas space with a gas diffusion ka method, both electrodes being separated from one another by an ion exchange membrane, and a metallic elastic element which is under compression is clamped between the rear wall of the cathode gas space and the gas diffusion cathode, said elastic element being clamped into the cathode gas space in such a way that the distance between the element and the rear wall increases in the direction of gravity.
  • EP 2872675 B1 proposes an insulating frame for electrolytic cells which has a geometric shape with corners, the frame being flat and having an anode side and a cathode side as well as an outer and an inner end face .
  • the insulating frame has an edge region directly adjoining the inner end face, which has recesses in the form of cutouts in the region of the corners.
  • An electrolytic cell consists schematically of an anode and a cathode chamber (AR, KR), each containing the anode (A) and the cathode (K).
  • the two electrodes are separated from one another by a diaphragm or separator membrane (S) and fixed in the corresponding housing parts (“half cells”) with the aid of an elastic or rigid spacer (X1, X2), as shown schematically Figure 1.
  • the figure also shows the seal (D) that separates the two electrode spaces in the perimeter and seals them from the outside.
  • the anode and cathode spaces must be electrically isolated from one another so that a short circuit does not occur.
  • the electrodes lie flat over their entire surface - ie without any gaps - on the separator membrane. This is realized by one or more elastic spacers (X1, X2) inside the cell.
  • the electrolytic cell is subjected to a slight overpressure atmosphere, which means the seal must be both chemical and pressure resistant.
  • sealing area to the outside, but also between the half-shells that form the electrode chambers.
  • a seal and an insulating body are used for the individual elements in the perimeter. These are pressed together by an external force, resulting in a frictional connection.
  • sealing and insulation can be achieved using elastomers that are compressed under force. The force is introduced through a structure similar to a filter press and is distributed both to the seal and to the internal components if they have elastic spacers inside.
  • unequal forces act on the elastomer and the internal pressure of the cell reduces the force acting on the elastomer seals.
  • the object of the present invention was therefore to provide an alternative method for sealing electrolytic cells that is associated with less technical effort, avoids a frictional connection and also fully meets the following requirement profile:
  • the invention relates to a method for sealing and electrically insulating electrolytic cells, comprising or consisting of the following steps:
  • Figure 2 shows schematically a cross section of the perimeter (P) over which the sealant (D) is distributed; the separator membrane (S) can be seen in the middle, the ends of which are also enclosed by the sealing compound. In this way, the membrane is fixed and stabilized in the cell at the same time.
  • the half-cells are preferably made of stainless steel, nickel or titanium and appropriate alloys, which may also contain other foreign metals such as vanadium.
  • thermoplastics can be considered as suitable electrically insulating plastics, with perfluoroalkoxy polymers (PFA) and polyphenylene sulfides (PPS) being preferred because of their high chemical resistance.
  • inlet and outlet connections are introduced into the joints between the two half-cells.
  • such connections come into consideration that come from the food industry well-known in the industry, such as the weld-in spouts made of injection-mouldable plastic as shown in Figure 3.
  • Corresponding connections or spouts are the subject of EP 2644530 A1 (POPPELMANN), whose teaching as far as the nature of the spout is concerned is included by reference.
  • connections or pouring spouts have a neck (3) provided with a pouring channel (2) having a vertical longitudinal center axis (1) and two outer side surfaces connected thereto, preferably provided with welding lines (4), which are used for welding to the Sealing of the electrolytic cell are provided and on the inside of the associated side walls a plurality of stiffening webs are arranged.
  • the drains or spouts mentioned have a base, also known as a “boat”, the side walls of which have outer side surfaces which merge into one another in their end areas.
  • the side surfaces are connected, especially welded, to and between the two foil walls of a container.
  • a collar-like area is typically integrally formed on the boat or the side surfaces, which merges into a neck having a pouring channel having a vertical longitudinal center axis.
  • Such a bag is often provided with a thread on the outside in order to secure a filled film bag with a closure before it is emptied through the pouring channel.
  • the neck can at least partially merge directly into the boat.
  • the side surfaces of the boat can be flat, roughened, with or without ribs and/or provided with welding lines.
  • the neck can have guide webs that can be used for guidance in a bottling or sealing system.
  • connections or spouts are usually connected to the seal by ultrasonic welding.
  • weld-in spouts are preferably incorporated directly into the joining process.
  • Another object of the invention relates to an electrolytic cell which has been sealed according to the method according to the invention.
  • an electrolytic cell comprising or consisting of
  • the sealing surface between the two half-cells is adhesively bonded by an electrically insulating plastic material.
  • the anode and cathode are preferably arranged in the cell as shown schematically in FIG. 1, namely in such a way that the two electrodes are positioned flat and gap-free relative to one another over their entire surface, with only the separator membrane making direct contact.
  • the spacers can be coils, rings, foams, mattresses, or rigid structures as initially discussed in the prior art acknowledgment. They can be static or elastic, it being preferable to equip at least one electrode space with elastic spacers. To ensure that the electrodes will lie flat.
  • the individual electrolytic cells can be combined into groups (“electrolysers”) and used, for example, in chlorine-alkaline electrolysis, but the preferred application is the production of hydrogen by water electrolysis.
  • Another object of the invention relates to the use of electrically insulating plastics, preferably thermoplastics and in particular perfluoroalkoxy polymers (PFA) or polyphenylene sulfide (PPS) for sealing and electrical insulation of electrolytic cells, sealing for example by thermal direct joining, gluing , Hotmelt or lamination can be done.
  • electrically insulating plastics preferably thermoplastics and in particular perfluoroalkoxy polymers (PFA) or polyphenylene sulfide (PPS) for sealing and electrical insulation of electrolytic cells, sealing for example by thermal direct joining, gluing , Hotmelt or lamination can be done.
  • PFA perfluoroalkoxy polymers
  • PPS polyphenylene sulfide

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektroly-sezellen bei dem man in die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen der Vorrichtung einen elektrisch isolierenden Kunststoff einbringt.

Description

Verfahren zur Abdichtung einer Elektrolysezelle
GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Elektrolysetechnik und betrifft ein Verfahren zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen, entsprechende Elektrolysezellen sowie die Verwendung von bestimmten Kunststoffen zur Abdichtung.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
[0002] Eine Wirtschaft ohne Treibhausgase innerhalb der nächsten 30 Jahre - das ist das er klärte Ziel Europas, um den Klimawandel aufzuhalten. Erneuerbare Energien sollen fossile Brennstoffe wie Öl, Kohle und Gas ablösen. Im Zuge der nachhaltigen Umgestaltung der Energieversorgung wird Wasserstoff dabei eine wichtige Rolle spielen.
[0003] Für saubere Mobilität, die effiziente Versorgung mit Strom und Wärme, als Speicher zum Ausgleich schwankender erneuerbarer Energien, als Grundlage für alternative Treibstoffe oder als Prozessgas in der Industrie - Wasserstoff ist als Energieträger sehr vielseitig, über die Sektorengrenzen hinweg einsetzbar, bietet große Synergiepotenziale und enthält massebe zogen eine dreimal so hohe Energiedichte wie Benzin.
[0004] Nachhaltig und wirtschaftlich erzeugter Wasserstoff ist deshalb ein zentraler Baustein, um den Ausstoß vor allem des schädlichen Treibhausgases CO2 in den Bereichen Energie, Verkehr und Industrie massiv zu senken und dadurch dem Klimawandel zu begegnen. Der Aufbau einer sektorenübergreifenden und möglichst globalen Wasserstoffwirtschaft eröffnet gleichzeitig enorme Chancen für neue Technologien und Geschäftsmodelle, denn die Ein satzmöglichkeiten für Wasserstoff sind vielfältig. Für die Industrie werden derzeit wasser stoffbetriebene Gasturbinen erforscht. In Brennstoffzellen ist er für Automobile oder Busse nutzbar. Mit Wasserstoff kann nicht nur emissionsfrei gefahren werden, sondern, im Gegen satz zu elektrisch betriebenen Fahrzeugen, auch lange Strecken zurücklegen und Fahrzeuge schnell betanken.
[0005] Unter Umweltgesichtspunkten ist die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser von besonderem Interesse; man spricht daher in diesem Zusammenhang auch von „grünem Wasserstoff". Dabei wird das Verfahren in gekoppelten Elektrolysezellen, soge nannten Elektrolyseuren durchgeführt, wie sie auch aus der Chlor-Alkali-Elektrolyse bekannt sind. RELEVANTER STAND DER TECHNIK
[0006] Schon aus der US 5,599,430 B (DOW) ist eine Elektrolysezelle bekannt, die ein Ge häuse umfasst, das mindestens ein Paar Elektroden, nämlich eine Kathode und eine Anode, einen Stromkollektor und eine Membran enthält. Ferner ist eine elektrisch leitfähige, hydrau lisch durchlässige elastische Matratze enthalten, die im Wesentlichen koplanar zum Stromkol lektor angeordnet ist und ihn auf einer Seite berührt und ebenfalls koplanar mit einer Elekt rode verläuft und sie auf der anderen Seite berührt.
[0007] EP 1451389 B1 (UHDENORA) beschreibt einen Stromkollektor für elektrochemische Zellen, bestehend aus einem „Sandwich" aus kompressiblen und elastischen Lagen von Me talldrähten, der in einem weiten Kompressionsbereich eine vorgegebene mechanische Belas tung vermittelt.
[0008] Gegenstand der EP 1766104 B1 (UHDENORA) betrifft eine konventionelle Elektroly sezelle mit einem Dichtsystem bestehend aus Einzelelementen, die jeweils zwei Elektroden enthalten, die durch Membranen voneinander getrennt sind und wobei der Anteil der inakti ven Membranfläche durch einen Flansch minimiert wird, so dass das Verhältnis zwischen der Fläche des Flansches einer Halbschale und der aktiven Membranfläche auf weniger als 0,045 eingestellt werden kann.
[0009] Gemäß der EP 1882758 A1 (TOAGOSEI) wird der elastische Druck in einer Elektrolyse zelle mit Hilfe von Spulen oder gewebten Nickelmatten oder widerstandsfähigen Nickellegie rungen übertragen, bei den Spulen nimmt dabei die Anzahl der Windungen, bei den Matten die Anzahl der übereinander gelegten Lagen schrittweise von oben nach unten zu, so dass sich schließlich ein Druckprofil einstellt, das dem in gleicher Richtung ansteigenden hydrosta tischen Druck auf der Anodenseite zumindest ähnlich ist.
[0010] In der EP 2356266 B1 (UHDENORA) wird eine mit einem Separator versehene Elekt rolysezelle, beschrieben, die über eine ebene, flexible Kathode verfügt, welche durch ein von einem Stromverteiler gepresstes, elastisches, leitfähiges Element in Kontakt mit dem Separa tor gehalten wird. Ferner enthält die Zelle eine Anode, die aus einem den Separator tragen den, gestanzten Blech oder Gitter besteht Die Zelle kann in einer modularen Anordnung ver wendet werden, um einen Elektrolyseur zu bilden, dessen Endzeilen nur mit der elektrischen Stromversorgung verbunden sind. Die elektrische Kontinuität zwischen benachbarten Zellen wird durch leitende Kontaktstreifen sichergestellt, die an den äußeren anodischen Wänden der Schalen, die jede Zelle begrenzen, befestigt sind, wobei die Steifigkeit des Kathoden stromverteilers und der anodischen Struktur und die Elastizität des leitenden Elements Zusammenwirken, um einen gleichmäßigen Kathoden-zu-Separator-Kontakt mit einer homoge nen Druckverteilung aufrechtzuerhalten, während gleichzeitig eine geeignete mechanische Belastung der Kontaktstreifen sichergestellt wird. Durch die Verwendung des Elastikelemen tes wird also eine Beabstandung der Elektroden vermieden.
[0011] Die EP 2734658 B1 (NEW NEL HYDROGEN) umfasst ein Modul für einen Elektrolyseur vom Filterpressentyp, das mindestens einen geschlossenen Rahmen umfasst, der mindestens eine erste Öffnung definiert, wobei das Modul ein abdichtendes und elektrisch isolierendes Material darstellt, und dieses Material zumindest teilweise die Oberfläche des Rahmens be deckt.
[0012] In der EP 2746429 A1 (UHDENORA) wird eine Elektrolysezelle vorgeschlagen, die einen Anodenraum mit einer Anode und einen Kathodengasraum mit einer Gasdiffusionska thode enthält, wobei beide Elektroden durch eine lonenaustauschermembran voneinander getrennt sind, sowie ein metallisches elastisches Element, das unter Kompression zwischen der Rückwand des Kathodengasraums und der Gasdiffusionskathode eingeklemmt ist, wobei das genannte elastische Element so in den Kathodengasraum eingeklemmt ist, dass der Ab stand zwischen dem Element und der Rückwand in Richtung der Schwerkraft zunimmt.
[0013] In der EP 2872675 B1 (UHDENORA) wird ein Isolierrahmen für Elektrolysezellen vor geschlagen, der eine geometrische Form mit Ecken aufweist, wobei der Rahmen flach ausge bildet ist und eine Anoden- und eine Kathodenseite sowie eine äußere und eine innere Stirn fläche aufweist. Der Isolierrahmen weist einen unmittelbar an die innere Stirnfläche anschlie ßenden Randbereich auf, welcher im Bereich der Ecken Aussparungen in Form von Ausschnit ten aufweist.
[0014] Gemäß der JP 2003 041388 A1 (ASFPONC) wird die Stabilisierung der Zelle durch ein metallisches Zickzack-Profil erreicht, das in den Kathodengasraum eingebaut wird. Diese Aus führungsform der Elektrolysezelle bringt jedoch ein Problem mit sich: Eigentlich verlangt die Physik, dass der hydrostatische Druck im Anodenraum in Richtung der Schwerkraft nicht kon stant ist, sondern zunimmt. Daher wäre es wünschenswert und im Sinne des zu erreichenden Ziels völlig ausreichend, dass sich der von den elastischen Einbauten ausgeübte Druck dem hydrostatischen Druck anpasst, d.h. in Richtung der Schwerkraft zunimmt.
ZU LOSENDE AUFGABE
[0015] Eine Elektrolysezelle besteht schematisch aus einem Anoden- sowie einem Kathoden raum (AR, KR), die jeweils die Anode (A) und die Kathode (K) enthalten. Die beiden Elektroden werden zum einen durch ein Diaphragma bzw. eine Separatormembran (S) voneinander ge trennt und zum anderen jeweils mit Hilfe eines elastischen oder auch steifen Abstandshalters (X1, X2) in den entsprechenden Gehäuseteilen („Halbzellen") fixiert, wie dies schematisch Abbildung 1 entnommen werden kann. In der Abbildung ist zudem die Dichtung (D) zu erken nen, die die beiden Elektrodenräume im Perimeter trennt und nach außen abdichtet.
[0016] Anoden- und Kathodenraum müssen voneinander elektrisch isoliert werden, damit es nicht zu einem Kurzschluss kommt. Für eine optimale Leistungsfähigkeit ist es ferner erfor derlich, dass die Elektroden über ihre gesamte Fläche plan - d.h. spaltfrei - auf der Separa tormembran aufliegen. Dies wird durch ein oder mehrere elastische Abstandshalter (X1, X2) innerhalb der Zelle realisiert. Zusätzlich wird die Elektrolysezelle unter leichten Überdruck zur Atmosphäre gesetzt, was bedeutet, dass die Abdichtung sowohl chemische beständig als auch drucktest sein muss.
[0017] Wie oben erläutert, werden zu diesem Zweck im Dichtungsbereich nach außen, aber auch zwischen den Halbschalen, die die Elektrodenräume bilden, konstruktiv sehr aufwendige Lösungen vorgeschlagen. So werden beispielsweise bei den Einzelelementen im Perimeter eine Dichtung sowie ein isolierender Körper eingesetzt. Diese werden durch eine äußere Kraft verp resst, wodurch es zu einem Kraftschluss kommt. Alternativ wird die Dichtigkeit und Isola tion durch Elastomere erreicht, die man unter Kraft zusammendrückt. Die Kraft wird durch einen einer Filterpresse ähnlichen Aufbau eingeleitet und sowohl auf die Dichtung als auch auf die inneren Einbauten aufgeteilt, falls diese im Inneren elastische Abstandshalter aufwei sen. Zu dem technischen Aufwand gesellt sich hier dann noch der Nachteil, dass auf das Elastomer ungleiche Kräfte wirken und der Innendruck der Zelle die auf die Elastomeren Dichtungen wirkende Kraft reduziert.
[0018] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat daher darin bestanden, ein alternatives Verfahren zur Abdichtung von Elektrolysezellen zur Verfügung zu stellen, das mit einem ge ringeren technischen Aufwand verbunden ist, einen Kraftschluss vermeidet und zudem das folgende Anforderungsprofil vollständig erfüllt:
• Zuverlässige Isolation und Abdichtung von Anode und Kathode bzw. Anoden- und Kathodenraum durch Stoffschluss;
• Druckfestigkeit;
• Hohe mechanische Stabilität;
• Hohe chemische Stabilität; und
• Thermische Zyklenstabilität.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0019] In einer ersten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen, umfassend oder bestehend aus den folgen den Schritten:
(a) Bereitstellen einer Elektrolysezelle enthaltend oder bestehend aus:
(a1) zwei metallischen Halbzellen, die den Anoden- und den Kathodenraum bilden,
(a2) jeweils einer darin angeordneten Anode und einer Kathode,
(a3) einer Separatormembran, die die beiden Elektroden voneinander trennt sowie
(a4) gegebenenfalls Abstandshaltern, die die beiden Elektroden in ihren jeweiligen Elektrodenräumen positionieren, (a5) wobei die beiden Halbzellen über ihr Perimeter durch einen Spalt getrennt sind, und
(b) Einbringen eines elektrisch isolierenden Kunststoffes in die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen.
[0020] Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich auf diese Weise das eingangs ge schilderte Anforderungsprofil vollständig erfüllen lässt. Das Einbringen der Kunststoffmasse ist wesentlich einfacher und schneller als die bisher bekannten Maßnahmen aus dem Stand der Technik, wobei insbesondere auf eine äußere Krafteinwirkung verzichtet werden kann. Konkret wird ein Stoffschluss zwischen dem isolierenden Kunststoff als Dichtungsmasse und den metallischen Halbzellen erzeugt. Statt eines reinen Kraftschlusses wird so eine wesentlich beständigere Verbindung erzielt. Die Dichtung erweist sich als druckfest, thermisch und che misch beständig, mechanisch stabil und stellt eine einwandfreie elektrische Isolierung auch über lange Laufzeiten bzw. Zyklen der Zelle sicher. Zudem ist die erfindungsgemäße Alterna tive wesentlich kostengünstiger.
Abdichten der Elektrolysezelle
[0021] Abbildung 2 zeigt schematisch einen Querschnitt des Perimeters (P) über den sich die Dichtmasse (D) verteilt; in der Mitte ist die Separatormembran (S) zu erkennen, deren Enden ebenfalls von der Dichtmasse umschlossen werden. Auf diese Weise wird die Memb ran gleichzeitig in der Zelle fixiert und stabilisiert.
[0022] Die Halbzellen bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, Nickel oder Titan sowie entsprechenden Legierungen, die auch weitere Fremdmetalle wie beispielsweise Vanadium enthalten können.
[0023] Das Einbringen der Kunststoffmasse kann nach den üblichen Methoden der Kunstver arbeitung erfolgen, also beispielsweise durch thermisches Direktfügen, Kleben, Hotmelt oder Kaschieren. Das thermische Fügen ist wegen seiner technischen Anspruchslosigkeit beson ders bevorzugt. Es funktioniert ganz ähnlich dem Spritzgussverfahren: der Kunststoff wird verflüssigt und in die Dichtfläche eingespritzt. Dort geht das Polymer durch Abkühlung wie der in den festen Zustand über und dichtet die beiden Halbzellen ab. Als geeignete elektrisch isolierende Kunststoffe kommen grundsätzlich Thermoplaste in Frage, wobei Perfluoralkoxy- Polymere (PFA) und Polyphenylsulfide (PPS) wegen ihrer hohen chemischen Beständigkeit bevorzugt sind.
Zu- und Ablaufanschlüsse
[0024] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in die Fügestellen zwischen den beiden Halbzellen Zu- und Ablaufanschlüsse eingebracht. Dabei kommen insbesondere solche Anschlüsse in Betracht, die aus der Nahrungsmittelin- dustrie bekannt sind, wie die Einschweißausgießer aus spritzgussfähigem Kunststoff wie sie in Abbildung 3 wiedergegeben sind. Entsprechende Anschlüsse bzw. Ausgießer sind Gegen stand der EP 2644530 A1 (POPPELMANN), deren Lehre soweit es die Natur der Ausgießer betrifft durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Die Anschlüsse bzw. Ausgießer weisen dabei einen mit einem eine vertikale Längsmittelachse (1) aufweisenden Ausgießkanal (2) versehe nen Hals (3) auf sowie zwei hiermit verbundene, vorzugsweise mit Schweißlinien (4) versehe ne, äußere Seitenflächen, die zur Verschweißung mit der Dichtung der Elektrolysezelle vorge sehen sind und an deren zugehörigen Seitenwänden innenseitig eine Mehrzahl von Verstei fungsstegen angeordnet sind.
[0025] In der Regel weisen die genannten Abläufe bzw. Ausgießer eine auch "Schiffchen" genannte Basis auf, deren Seitenwände äußere Seitenflächen aufweisen, die in ihren Endbe reichen ineinander übergehen. Die Seitenflächen werden mit und zwischen den beiden Foli enwänden eines Behältnisses verbunden, insb. verschweißt. Typischerweise einstückig ist an das Schiffchen bzw. die Seitenflächen ein kragenartiger Bereich angeformt, der in einen eine vertikale Längsmittelachse aufweisenden Ausgießkanal aufweisenden Hals übergeht. Ein sol cher ist außenseitig oftmals mit einem Gewinde versehen, um einen befüllten Folienbeutel vor Entleerung durch den Ausgießkanal mit einem Verschluss zu sichern. Alternativ kann der Hals zumindest teilweise auch direkt in das Schiffchen übergehen. Die Seitenflächen des Schiffchens können plan, aufgeraut, mit oder ohne Rippen und/oder mit Schweißlinien verse hen sein. Darüber hinaus kann der Hals Führungsstege aufweisen, die für eine Führung in einer Abfüll- oder Siegelanlage verwendet werden können.
[0026] Das Verbinden der Anschlüsse bzw. Ausgießer mit der Dichtung erfolgt, nach der Leh re von EP 2644530 A1 in der Regel durch Ultraschall-Schweißen. In dieser Erfindung werden Einschweißausgießer vorzugsweise direkt in den Fügeprozess eingebracht.
Elektrolysezelle
[0027] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtet worden ist. Konkret beansprucht wird eine Elektrolysezelle umfassend oder bestehend aus
(i) zwei metallischen Halbzellen, die den Anoden- und den Kathodenraum bilden,
(ii) jeweils einer darin angeordneten Anode und einer Kathode,
(iii) einer Separatormembran, die die beiden Elektroden voneinander trennt sowie
(iv) gegebenenfalls Abstandshaltern, die die beiden Elektroden in ihren jeweiligen Elektro denräumen positionieren,
(v) wobei die beiden Halbzellen über ihr Perimeter durch einen Spalt getrennt sind, und
(vi) die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen durch einen elektrisch isolierenden Kunststoff adhäsiv mittels Stoffschluss verbunden ist. [0028] Vorzugsweise sind Anode und Kathode in der Zelle wie in Abbildung 1 schematisch angeordnet, nämlich so, dass die beiden Elektroden über ihre ganze Fläche plan und spaltfrei zueinander positioniert sind, wobei nur die Separatormembran einen direkten Kontakt ver bindet. Bei den Abstandshaltern kann es sich um Spulen, Ringe, Schäume, Matratzen oder starre Strukturen handeln, wie sie eingangs in der Würdigung des Stands der Technik abge handelt sind. Sie können dabei statisch oder elastisch sein, wobei es bevorzugt ist, wenigs tens einen Elektrodenraum mit elastischen Abstandshaltern auszurüsten. Um zu gewährleis ten, dass die Elektroden plan anliegen werden. Die einzelnen Elektrolysezellen können zu Gruppen zusammengeschlossen werden („Elektrolyseure") und beispielsweise in der Chlor- Alkali-Elektrolyse eingesetzt werden, der bevorzugte Einsatzzweck ist jedoch die Herstellung von Wasserstoff durch die Wasserelektrolyse.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
[0029] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung von elektrisch isolie- renden Kunststoffen, vorzugsweise von Thermoplasten und insbesondere Perfluoralkoxy- Polymere (PFA) oder Polyphenylsulfide (PPS) zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen, wobei Abdichtung beispielsweise durch thermisches Direktfügen, Kleben, Hotmelt oder Kaschieren erfolgen kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten:
(a) Bereitstellen einer Elektrolysezelle enthaltend oder bestehend aus:
(a1) zwei metallischen Halbzellen, die den Anoden- und den Kathodenraum bil den,
(a2) jeweils einer darin angeordneten Anode und einer Kathode,
(a3) einer Separatormembran, die die beiden Elektroden voneinander trennt sowie
(a4) gegebenenfalls Abstandshaltern, die die beiden Elektroden in ihren jeweili gen Elektrodenräumen positionieren,
(a5) wobei die beiden Halbzellen über ihr Perimeter durch einen Spalt getrennt sind, und
(b) Einbringen eines elektrisch isolierenden Kunststoffes in die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichten adhäsiv durch thermisches Direktfügen, Kleben, Hotmelt oder Kaschieren erfolgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man Halbzellen einsetzt, die aus rostfreiem Stahl, Nickel oder Titan sowie entsprechenden Legierungen bestehen, die auch weitere Fremdmetalle wie beispielsweise Vanadium enthalten können.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man elektrisch isolierende Kunststoffe aus der Gruppe der Thermoplaste einsetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man Thermoplaste einsetzt, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Perfluoralkoxy-Polymere (PFA) und der Poly phenylsulfide (PPS).
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung auch die Enden der Separatormembran einschließt und diese in der Zelle fixiert.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fügestelle zwischen den beiden Halbzellen Zu- und Ablaufanschlüsse einge bracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man als Zu- und Abschluss anschlüsse Einschweißausgießer einsetzt .
9. Elektrolysezelle umfassend oder bestehend aus
(i) zwei metallischen Halbzellen, die den Anoden- und den Kathodenraum bilden,
(ii) jeweils einer darin angeordneten Anode und einer Kathode,
(iii) einer Separatormembran, die die beiden Elektroden voneinander trennt sowie
(iv) gegebenenfalls Abstandshaltern, die die beiden Elektroden in ihren jeweiligen Elektrodenräumen positionieren,
(v) wobei die beiden Halbzellen über ihr Perimeter durch einen Spalt getrennt sind, und (vi) die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen durch einen elektrisch isolieren den Kunststoff adhäsiv verbunden ist.
10. Verwendung von elektrisch isolierenden Kunststoffen zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen.
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