RU2801901C1 - Применение текстильного материала, электролитическая ячейка с нулевым зазором и способ ее изготовления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к применению текстильного материала в качестве прокладки между корпусом или опорной конструкцией и электродом или частью конструкции электрода электролитической ячейки с нулевым зазором (13). При этом текстильный материал (1) содержит средство механического соединения, состоящее из упругого полимерного материала, и содержит средство электрического соединения, отличное от указанного средства механического соединения, причем средство механического соединения содержит верхнюю и нижнюю ткани (2, 3), изготовленные из нитей, и ворсовые нити (4), соединяющие верхнюю и нижнюю ткани (2, 3). Также изобретение относится к электролитической ячейке и способу изготовления электролитической ячейки. Использование предлагаемого изобретения позволяет обеспечить надежную механическую фиксацию и электрический контакт активного электрода. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к применению текстильного материала в качестве прокладки между корпусом или опорной конструкцией и электродом или частью конструкции электрода электролитической ячейки с нулевым зазором. Кроме того, изобретение относится не только к электролитической ячейке с нулевым зазором, снабженной таким текстильным материалом, но также к способу изготовления такой электролитической ячейки с нулевым зазором.

Электролиз воды для получения кислорода и так называемого «зеленого» водорода во времена повышенного уровня экологической грамотности и амбициозных целей с точки зрения уменьшения выбросов CO₂ («энергетический переход») представляет собой многообещающую технологию производства источника энергии, свободного от CO₂, с использованием возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, воды и солнца. Этот «зеленый» водород может быть использован, например, в качестве накопителя энергии, в качестве топлива для транспортных средств или для производства химикатов. В основе установки по производству «зеленого» водорода на основе электролиза воды, как и в случае электролитического производства хлора и гидроксида натрия (хлор-щелочной электролиз), лежит электролитическая ячейка. Это является одной из причин постоянного развития технологии электролиза, например, с целью оптимизации эффективности.

Электролитические ячейки, работающие по мембранной технологии, имеют катодную камеру и анодную камеру, содержащие соответствующие электроды и электролит, причем электроды расположены на некотором расстоянии от ионоселективной мембраны, которая разделяет два электрода. Однако выяснилось, что такая конструкция ячейки является неоптимальной с точки зрения достигаемой эффективности.

Особенно энергоэффективной электролитической ячейкой, которая была описана, следовательно, является такая, которая известна как «электролитическая ячейка с нулевым зазором» (см. US 9404191 B2 или EP 2436804 A1). В этой ячейке катод и анод разделены только мембраной, на что указывает термин «нулевой зазор», и, следовательно, анод и катод, оба, соприкасаются с мембраной. Это снижает сопротивление ячейки со значительным сопутствующим энергосбережением. Это также приводит к увеличению срока службы мембраны.

В электролитической ячейке с нулевым зазором, как известно, обычно упругий элемент располагается между задней стенкой корпуса, также называемой ванной, и электродом, который должен плоско и равномерно прижиматься к мембране. Указанный упругий элемент может быть образован металлической спиралью, изготовленной, например, из никеля, или мелкоячеистой сеткой из тонко переплетенных никелевых нитей, которые благодаря своей особой структуре действуют как пружина, при этом указанный элемент зажимается между электродом и задней стенкой корпуса, и тем самым обеспечивает требуемое однородное и хорошо измеряемое прижатие поверхности электрода к мембране. В то же время известный упругий элемент выполняет функцию отведения тока от электрода к задней стенке корпуса.

Помимо упругого элемента, электролитическая ячейка с нулевым зазором такого типа обычно имеет со стороны катода внутренние детали (например, линейные ребра), приваренные к корпусу, и опорную конструкцию для упругого элемента (например, металлические решетки), которые используются для механической фиксации катодного электрода.

Недостатками существующих электролитических ячеек с нулевым зазором, вытекающими из того, что упругий элемент выполнен из никеля, оказались немалый уровень расхода никелевого материала, а также высокая стоимость и сложность сварки или изготовления, с целью фиксации катодного электрода.

В US 2017/0191175 A1 раскрыт газодиффузионный слой для электролитической ячейки с пружинным элементом, состоящим из спиральной оплётки. Спиральная оплетка состоит из поперечных стержней, расположенных последовательно и вокруг которых намотано множество спиралей. Спиральная оплетка образуется, когда спирали с одинаковой геометрией, но разным направлением намотки вставлены поочередно одна в другую и соединены поперечными стержнями. Поперечные стержни изготовлены, например, из пластика. Спирали состоят из электропроводящего материала, такого как, например, нержавеющая сталь, титан, ниобий, тантал или никель.

WO 2019/175199 A1 описывает конструкцию газораспределителя для топливного элемента с тканой тканью, содержащей по меньшей мере два вида волокон, представляющих собой базовые волокна, предназначенные для обеспечения базовой структуры ткани, и функциональные волокна, предназначенные для содействия проводимости электрического тока между биполярной пластиной и электродным узлом, а также для обеспечения распределения механической силы между биполярной пластиной и электродным узлом.

Таким образом, на основе этого рассмотренного выше известного уровня техники целью изобретения является обеспечение надежной механической фиксации и электрического контакта активного электрода в сочетании со сниженной стоимостью и сложностью сборки и материалов.

Эта цель достигается в соответствии с изобретением за счет использования текстильного материала в качестве прокладки между электродом и корпусом электролитической ячейки, причем текстильный материал содержит средство механического соединения, состоящее из упругого полимерного материала, и содержит средство электрического соединения, отличное от средства механического соединения.

Текстильный материал, используемый в изобретении, имеет средства механического и электрического соединения для соединения или контакта задней стенки корпуса с электродом. Средство механического соединения в настоящем документе используется для зажима между одним электродом и задней стенкой корпуса, чтобы прижать электрод к мембране. Для этого требуется, чтобы текстильный материал был упруго деформируемым, а также химически стойким к среде, преобладающей в электролитической ячейке. Чтобы соответствовать этим требованиям, средства механического соединения изготавливают из упругого полимерного материала, такого как, например, PTFE, PFA или PP. Механически соответствующим свойством упругого полимерного материала является его модуль упругости, который обеспечивает сжатие текстильного материала при установке и поддерживает в высшей степени равномерное контактное давление электрода на мембрану в установленном состоянии. Таким образом, для прижатия электрода к мембране в изобретении используется упругая деформация текстильного материала, при этом текстильный материал не подвергается какой-либо значительной пластической деформации.

Требование к средству электрического соединения текстильного материала состоит в том, чтобы обеспечить электрический контакт между электродом и задней стенкой корпуса, чтобы иметь возможность отводить ток, протекающий во время электролиза. Для обеспечения электрической проводимости средство электрического соединения будет, как правило, выполнено из металла. Также возможно изготовление средства электрического соединения из графита.

Основное преимущество использования текстильного материала по изобретению для соединения между корпусом и электродом электролитической ячейки с нулевым зазором заключается в том, что упругий элемент, необходимый в известном уровне техники, заменен на текстильный материал, используемый в изобретении, текстильный материал имеет механическую функцию - прижатие электрода к мембране, не связанную с электрической функцией - контакт с активным электродом. Такое разделение функций не только избавляет от чрезмерного и дорогостоящего использования никеля, но также устраняет необходимость в сварных компонентах, используемых для поддержки активного электрода. В результате этой упрощенной конструкции и в результате предоставления изобретения можно снизить не только затраты на материалы, но также стоимость и сложность производства электролитической ячейки с нулевым зазором. Кроме того, использование текстильного материала в соответствии с изобретением позволяет перекрыть значительно большее расстояние при одних и тех же упругих свойствах текстильного материала или упругого элемента. Это устраняет необходимость в дорогостоящей части опорной конструкции из никеля.

Средство механического соединения содержит верхнюю ткань и нижнюю ткань, изготовленные из нитей, и также содержит множество ворсовых нитей, соединяющих верхнюю и нижнюю ткани. Верхняя и нижняя ткани, а также ворсовые нити в данном случае образуют структуру, подобную матрацу, которая для целей максимального увеличения срока службы мембраны обеспечивает в высшей степени равномерное распределение контактного давления, при этом давление оказывается на нижнюю ткань, подобная матрацу структура сжимается, и верхняя ткань в свою очередь прижимает электрод к мембране. С другой стороны мембраны с мембраной контактирует второй электрод, анод или катод, и поэтому описанная конструкция обеспечивает получение электролитической ячейки с нулевым зазором. В одном предпочтительном варианте текстильного материала по изобретению элемент механического соединения образован тканой полимерной тканью, состоящей из полимерных нитей, и имеет тканые верхнюю ткань и нижнюю ткань.

Полимерные нити преимущественно имеют диаметр 0,1-0,5 мм. Этот диапазон представляет эффективный компромисс между механическими свойствами, достаточной проницаемостью для потока всей тканой ткани с не слишком малым расстоянием между отдельными полимерными нитями и доступностью на рынке.

В рамках этой предпочтительной разработки текстильного материала средство электрического соединения образовано металлическими проволоками, проходящими через верхнюю и нижнюю ткани. Причина, по которой металлические проволоки пронизывают верхнюю и нижнюю ткани, заключается в том, что это является единственным способом достижения электрического контакта между электродом на верхней ткани и задней стенкой корпуса на нижней ткани. Если бы металлические проволоки проходили только между внутренним пространством верхней и нижней тканей, желаемого электрического контакта не было бы.

Если два или более слоев текстильного материала должны располагаться один над другим, что может быть выгодно с точки зрения производства – если, например, единственная имеющаяся машина способна производить текстильный материал, имеющий определенную максимальную высоту, или если текстильный материал, выходящий за пределы определенной высоты, не создает достаточной восстанавливающей силы при деформации - тогда распределение металлических проволок, пронизывающих верхнюю и нижнюю ткани, и, в частности, расположение этих проволок на внешних сторонах - то есть сторонах, обращенных к электроду или задней стенке корпуса, соответственно - следует выбирать таким образом, чтобы при укладывании двух или более текстильных материалов друг на друга образовывалось множество электрически контактирующих точек пересечения металлических проволок соседних слоев. Дополнительной причиной обеспечения двух или более слоев текстильного материала, используемого в изобретении, может являться необходимость компенсации анизотропных свойств текстильного материала при деформации. Если текстильный материал под нагрузкой движется в одном направлении, это может быть компенсировано, поворачивая лежащий выше слой на 180^о. Это эффективно предотвращает боковое смещение на поверхности. В альтернативном варианте металлические проволоки проходят через множество слоев наложенного текстильного материала для обеспечения электрического контакта между множеством слоев.

Кроме того, было обнаружено, что особенно выгодно, если металлические проволоки, в частности, никелевые проволоки, проходящие между двумя внутренними пространствами конструкции, подобной матрацу, имеют полную длину, которая больше, чем высота конструкции, подобной матрацу. Образовавшийся в результате объемный ряд металлических проволок обеспечивает надежный электрический контакт без ущерба для механической деформируемости текстильного материала. Во взаимодействии с вышеописанной конструкцией, подобной матрацу, и с упругими свойствами полимерных нитей сжатие конструкции, подобной матрацу, может происходить вплоть до блокирующего слоя верхней и нижней ткани, без повреждения металлических проволок или полимерных нитей, в частности, в результате пластической деформации.

Что касается возможного желательного предварительного определения направления деформации под нагрузкой, то, кроме того, может быть выгодным использовать текстильный материал, в котором металлические проволоки в положении покоя расположены на меньшем расстоянии, чем расстояние в конструкции, подобной матрацу.

Размер полного сечения проводящего материала на площади электролитической ячейки предпочтительно выбирают таким образом, чтобы не было значительного падения напряжения в результате использования средства электрического соединения. Для площади активного электрода 1 м² оказалось подходящим поперечное сечение проводящего материала 350-2100 мм².

Более предпочтительно металлические проволоки имеют диаметр 0,05-0,3 мм. Это стало эффективным компромиссом между как можно меньшим падением напряжения, высокой упругой деформацией и возможностью обработки проволоки на обычных текстильных машинах.

В качестве альтернативы вышеописанному предпочтительному варианту, в котором средства электрического соединения представляют собой металлические проволоки, проходящие через верхнюю и нижнюю ткани, средства электрического соединения могут быть реализованы с помощью электропроводящего покрытия ворсовых нитей. На ворсовые нити может быть нанесено покрытие либо до, либо после операции по изготовлению конструкции, подобной матрацу. Однако необходимо следить за тем, чтобы металлическое покрытие, особенно его толщина, не влияло на механические свойства ворсовых нитей.

В обоих описанных вариантах верхняя и нижняя ткани имеют электропроводящие контактные точки, тем самым эффективно выполняя свою функцию в качестве средства электрического соединения, в результате того, что снаружи металлические проволоки пронизывают их и вплетены в них, и/или посредством снаружи покрытых ворсовых нитей, встроенных в верхнюю и нижнюю ткани.

Помимо использования текстильного материала в соответствии с изобретением, изобретение также относится к электролитической ячейке с нулевым зазором, содержащей анодный электрод, катодный электрод, ионообменную мембрану, расположенную между анодным электродом и катодным электродом, и корпус, образованный анодной ванной и катодной ванной, при этом между по меньшей мере одним из электродов и одной из ванн расположен по меньшей мере один слой текстильного материала по изобретению, контактирующий с соответствующим электродом и соответствующей ванной. Одной из причин в пользу того, чтобы текстильный материал по изобретению располагался на катодной стороне, является то, что никель регулярно используется в качестве металлического материала катода, и поэтому проводимость рабочего тока может происходить за счет физического контакта. Никель стабилен в рабочей среде и обладает хорошей электропроводностью. Существует также множество пластмасс, химически стабильных в рабочей среде катода, например, полифениленсульфид, тогда как на анодной стороне, например, в случае хлорно-щелочного электролиза, образуется газообразный хлор, который сильно ограничивает материалы, которые могут быть использованы.

Изобретение дополнительно относится к способу изготовления электролитической ячейки с нулевым зазором по изобретению, в котором по меньшей мере один слой текстильного материала по изобретению помещают в анодную ванну или катодную ванну, анодный электрод или катодный электрод размещают по меньшей мере на одном слое текстильного материала, ионообменную мембрану помещают на этот электрод, и катодный электрод или анодный электрод, связанные с катодной ванной или анодной ванной, соответственно, размещают на ионообменной мембране.

Особенность способа по изобретению состоит в том, что он позволяет изготовить электролитическую ячейку с нулевым зазором с текстильным материалом по изобретению особенно простым и экономичным путем.

Для того чтобы обеспечить электрический контакт электрода и задней стенки корпуса с помощью текстильного материала по изобретению, особенно предпочтительно, чтобы при осуществлении этого способа вводимый между электродом и ванной текстильный материал находился в состоянии предварительного сжатия, чтобы он обеспечивал давление на поверхность контакта. В этом случае оказалось особенно подходящим контактное давление около 100-150 мбар. Ожидается, что при таком давлении физический контакт, создаваемый между проводящими компонентами - верхней и нижней тканями, и соединенными компонентами - задней стенкой корпуса и электродом, способен в достаточной степени передавать ток, и, следовательно, не будет чрезмерного падения напряжения.

Изобретение описано ниже с использованием иллюстративных вариантов со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 показан схематический вид сбоку использования текстильного материала в изобретении в ненагруженном состоянии (не показаны средства электрического соединения),

на фиг. 2 показан вид сбоку текстильного материала, используемого в изобретении, как на фиг. 1, в нагруженном состоянии,

на фиг. 3 показан вид сбоку текстильного материала, используемого в изобретении, как на фиг. 1, с указанием средств механического и электрического соединения,

на фиг. 4 показан вид сбоку текстильного материала, используемого в изобретении, в альтернативном варианте осуществления изобретения, с включением демонстрации средств механического соединения и дополнительно средств электрического соединения, показанных в поперечном сечении, и

фиг. 5 показывает способ изготовления электролитической ячейки с нулевым зазором по изобретению.

На различных фигурах идентичные части всегда обозначены одними и теми же ссылочными позициями и поэтому в общем случае также названы или упомянуты только один раз в каждом случае.

Использование текстильного материала 1 для соединения между корпусом и электродом электролитической ячейки с нулевым зазором иллюстративно показано на фиг. 1 в ненагруженном состоянии. В данном случае изображены исключительно средства механического соединения, тогда как средства электрического соединения не показаны для ясности. Текстильный материал 1, используемый в изобретении, содержит верхнюю и нижнюю ткани 2, 3, сотканные из нитей, а также ворсовые нити 4, соединяющие верхнюю и нижнюю ткани 2, 3. Верхняя и нижняя ткани 2, 3 имеют плоскую конфигурацию, проходящую параллельно друг другу, потому что в установленном состоянии между электродом и задней стенкой корпуса электролитической ячейки они служат для в высшей степени равномерной передачи силы, которая действует на заднюю стенку корпуса и которая направлена во внутреннее пространство электролитической ячейки. Если задняя стенка корпуса подвергается воздействию силы, направленной во внутреннее пространство электролитической ячейки, нижняя ткань 2 осуществляет передачу силы - опосредованно через ворсовые нити 4 - на верхнюю ткань 3, которая контактирует с одним электродом. Чтобы уменьшить зависимость деформации от направления, можно также использовать текстильный материал, в котором средства механического соединения пересекаются друг с другом таким образом, чтобы предпочтительное механическое направление отсутствовало.

Эта передача силы схематически воспроизведена на фиг. 2, на которой показан нагруженный текстильный материал. Нижняя стрелка, указывающая силу, здесь соответствует задней стенке корпуса, действующей с силой F на нижнюю ткань 2, при этом стенка не показана. Через ворсовые нити 4, упруго деформированные в результате действия силы, сила F передается на верхнюю ткань 3, которая передает силу F электроду, также не показанному, но контактирующему с верхней тканью 3, чтобы равномерно и, следовательно, особенно мягко прижимать электрод к мембране и/или удерживать электрод на месте без использования дополнительных компонентов, в частности, сварных металлических пластин или металлических решеток. В этом контексте оказалось особенно выгодным, что средство механического соединения состоит из упругого полимерного материала, в данном случае полимерных нитей, поскольку это позволяет эффективно предотвращать пластическую деформацию, и поэтому срок службы текстильного материала по изобретению не ухудшается под действием силы F.

Фиг. 3, которая относится к тому же иллюстративному варианту, что и фиг. 1, иллюстрирует не только средство механического соединения, которое показано на фиг. 1 и фиг. 2 для различных состояний нагрузки, но также средство электрического соединения. В этом иллюстративном варианте средство электрического соединения реализовано с помощью металлических проволок 5, которые проходят через верхнюю и нижнюю ткани 2, 3. В данном случае видно, что металлические проволоки 5, выходящие из нижней ткани 2, пронизывают обращенную вниз сторону верхней ткани 3 и проходят по существу параллельно плоскости верхней ткани 3 на обращенной вверх стороне верхней ткани 3, затем снова проходят через обращенную вверх сторону верхней ткани 3, а затем проходят аналогичным образом через нижнюю ткань 2. Таким образом, обращенная вниз сторона нижней ткани 2, а также обращенная вверх сторона верхней ткани 3 снабжены металлическими проволоками 5, тем самым создавая надежное электропроводящее соединение для контакта с задней стенкой корпуса и электродом без необходимости чрезмерного использования металла, особенно никеля.

На фиг. 4 показан вид сбоку текстильного материала, используемого в изобретении, в соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения, в том числе показаны средства механического и электрического соединения. В этом варианте верхняя и нижняя ткани 2, 3 средства механического соединения соединены друг с другом ворсовыми нитями 6, имеющими покрытие, при этом такое соединение является как механическим, так и электрическим. Механическое соединение верхней и нижней тканей 2, 3 в данном случае осуществляется также, как в вышеописанном предпочтительном варианте, показанном на фиг. 1-3, с помощью ворсовых нитей 4, состоящих из упругих полимерных нитей. Электрическое соединение верхней и нижней тканей 2, 3 и, следовательно, прилегающей задней стенки корпуса, и также электрода осуществляется - как показано на поперечном сечении ворсовой нити 6 с покрытием - через электропроводящее покрытие 7 ворсовой нити 4. Ворсовые нити 6 с покрытием здесь могут быть получены путем покрытия ворсовых нитей 4 электропроводным слоем, предпочтительно металлическим, до или после операции плетения.

Представление способа изготовления электролитической ячейки с нулевым зазором по изобретению показано на фиг. 5 (сверху вниз). На первой стадии по меньшей мере один слой текстильного материала 1 помещают в анодную или катодную ванну 8, 9 - в данном случае катодную ванну 8, которая также называется задней стенкой корпуса. Затем анодный или катодный электрод 10, 11 - в данном случае катодный электрод 10 - размещают на указанном по меньшей мере одном слое текстильного материала 1 до того, как на этот электрод помещают ионообменную мембрану 12. И наконец, для завершения электролитической ячейки с нулевым зазором 13 катодный или анодный электрод 10, 11 - в данном случае анодный электрод 11 - связанный с катодной или анодной ванной 8, 9 – в данном случае анодной ванной 9 - размещают на ионообменной мембране 12.

Список ссылочных позиций

1 текстильный материал

2 нижняя ткань

3 верхняя ткань

4 ворсовая нить

5 металлическая проволока

6 ворсовая нить с покрытием

7 электропроводящее покрытие

8 катодная ванна

9 анодная ванна

10 катодный электрод

11 анодный электрод

12 ионообменная мембрана

13 электролитическая ячейка с нулевым зазором

F сила.

Claims (9)

1. Применение текстильного материала в качестве прокладки между корпусом или опорной конструкцией и электродом или частью конструкции электрода электролитической ячейки с нулевым зазором (13), при этом текстильный материал (1) содержит средство механического соединения, состоящее из упругого полимерного материала, и содержит средство электрического соединения, отличное от указанного средства механического соединения, причем средство механического соединения содержит верхнюю и нижнюю ткани (2, 3), изготовленные из нитей, и ворсовые нити (4), соединяющие верхнюю и нижнюю ткани (2, 3).

2. Применение текстильного материала по п. 1, отличающееся тем, что средство электрического соединения содержит металлическую проволоку (5), проходящую через верхнюю и нижнюю ткани (2, 3).

3. Применение текстильного материала по п. 2, отличающееся тем, что металлическая проволока (5) имеет диаметр 0,05-0,3 мм.

4. Применение текстильного материала по п. 1, отличающееся тем, что средство электрического соединения выполнено в виде электропроводящего покрытия (7) ворсовых нитей (4).

5. Применение текстильного материала по любому из пп. 2-4, отличающееся тем, что металлическая проволока (5) или электрическое покрытие (7) ворсовых нитей (4), соответственно, изготовлено из никеля или никелевого сплава.

6. Применение текстильного материала по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что нити средства механического соединения имеют диаметр 0,1-0,5 мм.

7. Электролитическая ячейка с нулевым зазором, содержащая анодный электрод (11), катодный электрод (10), ионообменную мембрану (12), расположенную между анодным и катодным электродами (10, 11), и корпус, образованный анодной ванной и катодной ванной (8, 9), при этом между по меньшей мере одним из электродов (10, 11) и одной из ванн (8, 9) расположен по меньшей мере один слой текстильного материала (1), который контактирует с соответствующим электродом (10, 11) и соответствующей ванной (8, 9) и который содержит средство механического соединения, состоящее из упругого полимерного материала, и содержит средство электрического соединения, отличное от средства механического соединения, отличающаяся тем, что средство механического соединения содержит верхнюю и нижнюю ткани (2, 3), изготовленные из нитей, и ворсовые нити (4), соединяющие верхнюю и нижнюю ткани (2, 3), при этом указанный по меньшей мере один слой текстильного материала (1) контактирует с катодным электродом (10) и катодной ванной (8).

8. Способ изготовления электролитической ячейки с нулевым зазором по п. 7, характеризующийся тем, что по меньшей мере один слой текстильного материала (1) помещают в анодную ванну или катодную ванну (8, 9), размещают на указанном по меньшей мере одном слое текстильного материала (1) анодный электрод или катодный электрод (10, 11), ионообменную мембрану (12) помещают на этот электрод и на ионообменной мембране (12) размещают катодный электрод или анодный электрод (10, 11), связанный с катодной ванной или анодной ванной (8, 9), соответственно, при этом текстильный материал (1) при введении его между электродом и ванной сжимают таким образом, чтобы он прилегал к электроду и ванне с контактным давлением, возникающим в результате упругости средства механического соединения.

9. Способ изготовления электролитической ячейки с нулевым зазором по п. 8, отличающийся тем, что выбранное контактное давление находится в диапазоне 100-150 мбар.

Images