JP7366267B2 - 織物の使用、ゼロギャップ電解セルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ゼロギャップ電解セルのハウジングまたは支持構造と、電極または電極の下部構造との間のスペーサとしての織物の使用に関する。本発明はさらに、そのような織物を備えたゼロギャップ電解セルだけでなく、そのようなゼロギャップ電解セルを製造する方法に関する。

酸素およびいわゆる「グリーン」水素をもたらす水の電気分解は、ＣＯ２の削減（「エネルギー革命」）に関して環境への意識が高まっており、目標が高い時代に、風力、水力および太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーを使用して、ＣＯ２を含まないエネルギー源を生産するための有望な技術となる。この「グリーン」水素は、例えば、エネルギー貯蔵装置として、乗り物用の燃料として、または化学物質の製造のために使用することができる。塩素および水酸化ナトリウムの電解製造（塩素アルカリ電気分解）の場合のように、水の電気分解に基づく「グリーン」水素製造プラントの中心には、電解セルがある。これは、例えば、効率を最適化する目的で電気分解技術が継続的に開発されている理由の１つである。

膜技術によって動作する電解セルは、それぞれの電極および電解質を収容するカソードチャンバおよびアノードチャンバを特徴とし、電極は、２つの電極を分離するイオン選択膜から離れて配置される。しかし、このセル設計は、達成される効率の点で最適以下であることが明らかにされた。

したがって、開示されている特にエネルギー効率の高い電解セルは、「ゼロギャップ電解セル」として知られているものである（米国特許第９，４０４，１９１号または欧州特許第２４３６８０４号を参照）。このセルでは、用語「ゼロギャップ」によって示されるように、カソードとアノードとは膜によってのみ分離されているため、アノードおよびカソードはともに膜に接触している。これにより、セル抵抗が低下し、エネルギーが大幅に削減される。また、これにより、膜の寿命が延長される。

ゼロギャップ電解セルでは、タンクとも呼ばれる後部ハウジング壁と電極との間に、知られているように、弾性要素が膜に対して平坦かつ均一に押圧されるように配置されることが通常である。上記弾性要素は、例えばニッケルから製造された金属コイルによって、またはそれらの特別な構造のためにばねのように作用する、微細に織られたニッケル糸の微細メッシュネットによって形成されてもよく、上記要素は、電極と後部ハウジング壁との間に挟まれるため、膜に対する電極の必要な均一かつ十分に適合された表面押圧が確実になる。同時に、公知の弾性要素は、電極から後部ハウジング壁への電流を遮断する機能を有する。

弾性要素と同様に、この種のゼロギャップ電解セルは、一般に、カソード側に、ハウジングに溶接された内部構造物（例えば線状フィン）と、カソード電極の機械的固定に使用される弾性要素（例えばエキスパンドメタル）のための支持構造とを有する。

弾性要素がニッケルから形成されていることに起因する既存のゼロギャップ電解セルの不利な特徴は、ニッケル材料の少なくないレベルの消費であり、また、カソード電極を固定するための溶接または製造のための高レベルのコストおよび複雑さであることが判明している。

米国特許出願公開第２０１７／０１９１１７５号は、螺旋編組からなるばね部品を有する、電解セル用のガス拡散層を開示している。螺旋編組は、連続して配置され、その周りに多数の螺旋が巻き付けられている横方向ロッドからなる。螺旋編組は、同じ形状であるが異なる巻回方向を有する螺旋が互いに交互に挿入され、横方向ロッドによって接続された際に形成される。横方向ロッドは、例えば、プラスチック材料から製造される。螺旋は、例えば、ステンレス鋼、チタン、ニオブ、タンタルまたはニッケルなどの導電性材料からなる。
国際公開第２０１９／１７５１９９号は、少なくとも２種類の繊維を含む織布を有する、燃料電池用のガス分配器構造を記載しており、これらは、生地のベース構造を製造するためのベース繊維であり、機能性繊維は、バイポーラプレートと電極アセンブリとの間の電流の伝導を支援し、またバイポーラプレートと電極アセンブリとの間の機械的力の収容を支援するためのものである。

米国特許第９，４０４，１９１号 欧州特許第２４３６８０４号 米国特許出願公開第２０１７／０１９１１７５号 国際公開第２０１９／１７５１９９号

したがって、この上述の先行技術に基づいて、本発明の目的は、アセンブリおよび材料のコストおよび複雑さの低減と併せて、活性電極の確実な機械的固定および電気的接触を提供することである。

この目的は、本発明によれば、電極と電解セルのハウジングとの間のスペーサとして織物を使用することによって達成され、織物は、弾性ポリマー材料から構成された機械的接続手段を備え、機械的接続手段とは異なる電気的接続手段を備える。

本発明で使用される織物は、後部ハウジング壁を電極と接続または接触させるための機械的および電気的接続手段を有する。ここで、機械的接続手段は、電極を膜に対して押圧するために、１つの電極と後部ハウジング壁との間に挟むために使用される。これは、織物が弾性的に変形可能であり、また電解セル内に広がる媒体に対して化学的に耐性であることを必要とする。これらの要件を満たすために、機械的接続手段は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＦＡまたはＰＰなどの弾性ポリマー材料から製造される。弾性ポリマー材料の機械的に関連する特性は、設置時に織物の圧縮を可能にし、設置状態で膜に対する電極の極めて均一な接触圧力を維持するその弾性率である。したがって、電極を膜に対して押圧するために、本発明は、その織物が顕著な塑性変形を受けることなく、織物の弾性変形能を利用する。

織物の電気的接続手段に関する要件は、電気分解中に流れる電流を遮断することができるように、電極と後部ハウジング壁との間の電気的接触を確実にすることである。導電性を提供するために、電気的接続手段は、原則として金属の実施形態を有する。グラファイトからの金属接続手段の製造も同様に可能である。

ゼロギャップ電解セルのハウジングと電極との間の接続について本発明の織物を使用することの重要な利点は、先行技術では必要な弾性要素が、本発明で使用される織物によって置き換えられ、機械的機能、すなわち、膜に対する電極の押圧が、電気的機能、すなわち、活性電極の接触から切り離されることである。この切り離しは、ニッケルの過度で費用のかかる展開の使用を排除するだけでなく、活性電極を支持するために使用される溶接された構成要素の必要性も排除する。この単純化された設計の結果として、および本発明の提供の結果として、材料のコストだけでなく、ゼロギャップ電解セルの製造のコストおよび複雑さも低減することが可能である。さらに、本発明による織物の使用は、織物または弾性要素の同じ弾性特性に対して、顕著に増大した距離を架橋することを可能にする。これにより、ニッケル支持構造の高価な下部構造の必要性がなくなる。

本発明の機械的接続手段は、フィラメントから作製された上部生地および下部生地を有し、また、上部生地および下部生地を接続する多数のパイル糸を有する［開示：原クレーム２］。ここで、上部生地および下部生地ならびにパイル糸は、膜の寿命を最大にするために、下部生地に圧力が加えられ、マットレス状構造が圧縮され、次いで、上部生地が電極を膜に対して押圧するという点で接触圧力の極めて均一な分布を可能にするマットレス状構造を形成する。膜の反対側から、膜は第２の電極、アノードまたはカソードと接触し、したがって、記載された配置はゼロギャップ電解セルをもたらす。本発明の織物の１つの好ましい実施形態では、機械的接続要素は、ポリマーフィラメントからなるポリマー織布から形成され、上部生地および下部生地を有する。
ポリマーフィラメントは、有利には０．１～０．５ｍｍの直径を有する。この範囲は、機械的特性と、個々のポリマーフィラメント間の距離が小さすぎない織布全体の十分な流れ透過性と、市場での入手可能性との間の効果的な妥協点を表す。

本発明の織物のこの好ましい発展形態の発展形態では、電気的接続要素は、上部生地および下部生地を貫通する金属ワイヤによって形成される。金属ワイヤを上部生地および下部生地に貫通させる理由は、これが、上部生地上の電極と下部生地上の後部ハウジング壁との間で電気的接触を達成することができる唯一の方法であるためである。金属ワイヤが上部生地と下部生地との内側の間にのみ延在する場合、所望の電気的接触は存在しない。

製造上有利であり得るように、織物の２つ以上のプライが互いに上下に配置される場合、例えば、利用可能な唯一の機械が特定の最大高さを有する織物を製造することができる場合、または織物が特定の高さを超えて、変形に対して十分な復元力を生成することができない場合、上部生地および下部生地を貫通する金属ワイヤの分布、さらに具体的には外側、すなわち、電極または後部ハウジング壁にそれぞれ面する側面上でのこれらのワイヤの経路は、２つ以上の織物が互いに重なり合って配置される際に、隣接するプライの金属ワイヤの多数の電気的に接触する交差点が形成されるように選択されるべきである。本発明で使用される織物の２つ以上のプライを提供する追加の理由は、変形時に織物の異方性特性を補償することであり得る。織物が荷重下で一方向に移動する場合、これは、上にあるプライを１８０°回転させることによって補償することができる。これにより、表面の横方向の移行が効果的に防止される。本発明の別の発展形態では、金属ワイヤは、複数のプライ間の電気的接触を確実にすることができるように、重ねられた織物の複数のプライを貫通する。

さらに、マットレス状構造の２つの内側の間を延在する金属ワイヤ、さらに具体的にはニッケルワイヤが、マットレス状構造の高さよりも大きい伸長長さを有する場合、特に有利であることが分かった。金属ワイヤの結果として生じるかさばる経路は、織物の機械的変形能を損なうことなく、確実な電気的接触をもたらす。上述のマットレス状構造、およびポリマーフィラメントの弾性特性と相互作用して、マットレス状構造の圧縮は、特に塑性変形の結果として金属ワイヤまたはポリマーフィラメントが損傷を受けることなく、上部生地および下部生地のブロッキングプライまで起こり得る。

さらに、荷重下での変形の方向の場合によって所望される事前決定に関して、静止位置にある金属ワイヤがマットレス状構造の間隔よりも小さい距離にある織物を使用することが有利であり得る。

電解セルの領域にわたる全体的な導電断面は、電気的接続手段の結果として電圧の顕著な降下がないようなサイズになるように有利に選択される。１ｍ^２の活性電極面積の場合、３５０～２１００ｍｍ^２の導電断面が好適であることが分かっている。

さらに好ましくは、金属ワイヤは、０．０５～０．３ｍｍの直径を有する。これは、可能な限り小さい電圧降下と、高い弾性変形能と、従来の織物機械で加工されるワイヤの容量との間の効果的な妥協点であることが分かっている。

電気的接続手段が上部生地および下部生地を貫通する金属ワイヤである上述の好ましい実施形態の代替として、電気的接続手段は、パイル糸の導電性被覆によって実現されてもよい。パイル糸は、マットレス状構造を製造する作業の前または後のいずれかに被覆されてもよい。ただし、パイル糸の機械的特性が、金属被覆、特にその厚さによって悪影響を受けないことを確実にするように注意すべきである。

記載された実施形態ではいずれも、上部生地および下部生地は導電性接触点を有し、それによって、結果として外部から、上部生地および下部生地を貫通し、かつ上部生地および下部生地に織り込まれた金属ワイヤの電気的接続手段、ならびに／または外部から、上部生地および下部生地に組み込まれた被覆パイル糸の電気的接続手段としての機能を効果的に果たす。

本発明による織物の使用と同様に、本発明はまた、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に配置されたイオン交換膜と、アノードタンクおよびカソードタンクから形成されたハウジングとを備えるゼロギャップ電解セルに関し、ここで、本発明の織物の少なくとも１つのプライは、電極のうちの少なくとも１つとタンクのうちの１つとの間に配置され、それぞれの電極およびそれぞれのタンクと接触している。本発明の織物がカソード側に配置されることを有利とする１つの理由は、金属カソード材料としてニッケルが通常使用され、したがって、動作電流の伝導が純粋な物理的接触によって達成され得ることである。ニッケルは、動作環境中で安定であり、良好な導電性を有する。カソードの動作媒体中で化学的に安定な多数のプラスチックも存在し、一例がポリフェニレンスルフィドであるが、アノード側では、例えば、塩素アルカリ電気分解の場合、塩素ガスが形成され、これにより、使用できる材料が厳しく制限される。

本発明はさらに、本発明のゼロギャップ電解セルを製造する方法に関し、本発明のゼロギャップ電解セルでは、本発明の織物の少なくとも１つのプライがアノードタンクまたはカソードタンク内に配置され、アノード電極またはカソード電極が織物の少なくとも１つのプライ上に配置され、イオン交換膜がこの電極上に配置され、カソードタンクまたはアノードタンクにそれぞれ接続されたカソード電極またはアノード電極がイオン交換膜上に配置される。

本発明の方法の特徴は、特に簡単で費用効果の高い方法で本発明の織物を用いてゼロギャップ電解セルの製造を可能にすることである。

本発明の織物による電極と後部ハウジング壁との電気的接触を確実にするために、この製造方法では、いわば予圧の形態として接触圧力によって、織物を電極とタンクとの間に導入することが特に好ましい。この場合、約１００～１５０ｍｂａｒの接触圧力が特に適していることが分かっている。この圧力により、上部生地および下部生地の導電性構成要素と、接続された構成要素である後部ハウジング壁および電極との間の物理的接触が電流を十分に伝達することができ、したがって、電圧の過度の降下がないことが予測される。

添付の図面を参照し、例示的な実施形態を使用して、本発明を以下に説明する。

無荷重状態での本発明における織物の使用の概略斜視側面図を示す（電気的接続手段を表すことを除く）。 図１と同様の本発明で使用される織物の荷重状態における側面図を示す。 図１と同様の本発明で使用される織物の側面図を示し、機械的および電気的接続手段を示すことを含む。 別の実施形態において本発明で使用される織物の側面図を示し、機械的接続手段を示すことを含み、さらに電気的接続手段を断面で示している。 ゼロギャップ電解セルを製造するための本発明の方法を示す。

様々な図では、同一の部分には常に同じ参照符号が付されており、したがって、同一の部分は一般に、それぞれの場合に１回だけ命名または言及される。

無荷重状態における、ゼロギャップ電解セルのハウジングと電極との間の接続のための織物１の使用が、図１に例示的に示されている。ここでは機械的接続手段のみが描かれており、明確にするために電気的接続手段は示されていない。本発明で使用される織物１は、フィラメントから織られた上部生地および下部生地２、３と、上部生地および下部生地２、３を接続するパイル糸４とを含む。上部生地および下部生地２、３は、電極と電解ハーフセルの後部ハウジング壁との間に設置された状態で、後部ハウジング壁に作用し、かつ電解セルの内部に向けられる力の極めて均一な伝達に役立つため、互いに平行に延在する平面設計を有する。後部ハウジング壁が電解セルの内部に向かう力を受けると、下部生地２は、パイル糸４を介して、１つの電極に接触する上部生地３に力を伝達する。変形の方向依存性を低減するために、機械的接続手段が互いに交差し、優先的な機械的方向がない織物を使用することも可能である。

この力の伝達は、荷重された織物を示す図２に概略的に再現されている。下側の力の矢印は、ここでは、力Ｆによって下部生地２に作用する後部ハウジング壁に対応し、壁は図示されていない。力にさらされた結果として弾性変形するパイル糸４を介して、力Ｆが上部生地３に伝達され、これにより、同様に図示されていないが上部生地３に接触する電極に力Ｆが伝播されて、電極が均一に、したがって特に緩やかに膜に対して押圧され、および／または追加の構成要素、特に溶接金属板もしくはエキスパンドメタルを使用せずに電極が定位置に維持される。これに関連して、機械的接続手段が、この場合には弾性ポリマー材料であるポリマーフィラメントからなることが特に有利であることが判明した。これにより、塑性変形を効果的に防止することができ、したがって、本発明の織物の寿命が、力Ｆにさらされることによって悪影響を受けないためである。

図１と同様の例示的な実施形態に関連する図３は、異なる荷重状態について図１および図２に示される機械的接続手段だけでなく、電気的接続手段も示している。この例示的な実施形態では、電気的接続手段は、上部生地および下部生地２、３を貫通する金属ワイヤ５によって実現される。ここで、下部生地２から延在する金属ワイヤ５が、上部生地３の下向き面を貫通し、上部生地３の上向き面で、上部生地３の平面に実質的に平行に延在してから、上部生地３の上向き面を再び貫通し、次いで同様に、下部生地２も貫通することが明らかである。このように、下部生地２の下向き面、および上部生地３の上向き面には金属ワイヤ５が設けられ、それによって、金属、特にニッケルの過剰な展開を行う必要なく、後部ハウジング壁および電極に接触するための確実な導電性接続がもたらされる。

図４は、機械的および電気的接続手段を示すことを含む、代替的な実施形態による、本発明で使用される織物の側面図を示す。この実施形態では、機械的接続手段の上部生地および下部生地２、３は、被覆パイル糸６によって互いに接続され、この接続は機械的かつ電気的である。ここで、上部生地および下部生地２、３の機械的接続は、図１～図３における上述の好ましい実施形態のように、弾性ポリマーフィラメントから構成されるパイル糸４によって達成される。上部生地および下部生地２、３、したがって隣接する後部ハウジング壁および電極の電気的接続は、被覆パイル糸６の断面図によって示されるように、パイル糸４の導電性被覆７を介して実現される。ここで、被覆パイル糸６は、製織手順の前または後のいずれかでパイル糸４を導電層、好ましくは金属によって被覆することによって製造されていてもよい。

本発明のゼロギャップ電解セルを製造するための本発明の方法の図を図５に示す（上から下）。第１の工程では、織物１の少なくとも１つのプライが、アノードタンクまたはカソードタンク８、９（ここでは、後部ハウジング壁とも呼ばれるカソードタンク８）内に配置される。続いて、アノード電極またはカソード電極１０、１１（ここではカソード電極１０）が織物１の少なくとも１つのプライ上に配置されてから、イオン交換膜１２がこの電極上に配置される。ゼロギャップ電解セル１３を完成させるために、最後に、カソードタンクまたはアノードタンク８、９（ここではアノードタンク９）に接続されたカソード電極またはアノード電極１０、１１（ここではアノード電極１１）が、イオン交換膜１２上に配置される。

１ 織物
２ 下部生地
３ 上部生地
４ パイル糸
５ 金属ワイヤ
６ 被覆パイル糸
７ 導電性被覆
８ カソードタンク
９ アノードタンク
１０ カソード電極
１１ アノード電極
１２ イオン交換膜
１３ ゼロギャップ電解セル
Ｆ 力

Claims (11)

1. ゼロギャップ電解セル（１３）のハウジングまたは支持構造と、電極または電極を支持するサブ構造との間のスペーサとしての織物の使用において、前記織物（１）が、弾性ポリマー材料から構成された機械的接続手段を備え、前記機械的接続手段とは異なる電気的接続手段を備え、
   前記機械的接続手段が、フィラメントから作製された上部生地および下部生地（２、３）を有し、前記上部生地および下部生地（２、３）を接続するパイル糸（４）を有する、ことを特徴とする使用。
2. 前記電気的接続手段が、前記上部生地および下部生地（２、３）を貫通する金属ワイヤ（５）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の織物の使用。
3. 前記金属ワイヤ（５）が、０．０５～０．３ｍｍの直径を有することを特徴とする、請求項２に記載の織物の使用。
4. 前記電気的接続手段が、前記パイル糸（４）の導電性被覆（７）として構成されることを特徴とする、請求項１に記載の織物の使用。
5. 金属ワイヤ（５）、または前記パイル糸（４）の電気的被覆（７）が、それぞれ、ニッケルまたはニッケル合金から製造されることを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載の織物の使用。
6. 前記機械的接続手段の前記フィラメントが、０．１～０．５ｍｍの直径を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の織物の使用。
7. アノード電極（１１）と、カソード電極（１０）と、アノード電極とカソード電極（１０、１１）との間に配置されたイオン交換膜（１２）と、アノードタンクおよびカソードタンク（８、９）から形成されたハウジングとを備えるゼロギャップ電解セルにおいて、前記それぞれの電極（１０、１１）および前記それぞれのタンク（８、９）と接触し、弾性ポリマー材料から構成された機械的接続手段を備え、前記機械的接続手段とは異なる電気的接続手段を備える、織物（１）の少なくとも１つのプライが、前記電極（１０、１１）のうちの少なくとも１つと前記タンク（８、９）のうちの１つとの間に配置され、前記機械的接続手段が、フィラメントから作製された上部生地および下部生地（２、３）を有し、前記上部生地および下部生地（２、３）を接続するパイル糸（４）を有する、ことを特徴とするゼロギャップ電解セル。
8. 前記織物（１）の前記少なくとも１つのプライが、前記カソード電極（１０）および前記カソードタンク（８）に接触することを特徴とする、請求項７に記載のゼロギャップ電解セル。
9. 織物（１）の少なくとも１つのプライが、前記アノードタンクまたは前記カソードタンク（８、９）内に配置され、アノード電極またはカソード電極（１０、１１）が、前記織物（１）の前記少なくとも１つのプライ上に配置され、イオン交換膜（１２）が、この電極上に配置され、カソードタンクまたはアノードタンク（８、９）にそれぞれ接続されたカソード電極またはアノード電極（１０、１１）が、前記イオン交換膜（１２）上に配置されることを特徴とする、請求項７または８に記載のゼロギャップ電解セルを製造する方法。
10. 電極とタンクとの間の導入時に、前記織物（１）が、前記機械的接続手段の弾性から生じる接触圧力によって前記電極および前記タンクに当接するように圧縮されることを特徴とする、請求項９に記載のゼロギャップ電解セルを製造する方法。
11. 選択される前記接触圧力が、１００～１５０ｍｂａｒの範囲内であることを特徴とする、請求項１０に記載のゼロギャップ電解セルを製造する方法。

Images