WO2022175010A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrolysezelle und eines entsprechenden elektrolyse-stacks - Google Patents

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WO2022175010A1
WO2022175010A1 PCT/EP2022/051173 EP2022051173W WO2022175010A1 WO 2022175010 A1 WO2022175010 A1 WO 2022175010A1 EP 2022051173 W EP2022051173 W EP 2022051173W WO 2022175010 A1 WO2022175010 A1 WO 2022175010A1
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electrolysis
cell
electrolytic
vacuum
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PCT/EP2022/051173
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Inventor
Wiebke Lüke
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WEW GmbH
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    • 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
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    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells

Definitions

  • the invention is in the field of electrolysis technology and relates to a new type of continuous process for the production of electrolysis cells and the corresponding electrolysis stacks that contain these cells connected in series.
  • 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 containing 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, the two 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 can be seen in Figure 1.
  • the figure also shows a seal (D) that connects the two electrode spaces in the perimeter, but electrically insulates and seals to the outside.
  • the anode and cathode spaces must be electrically insulated 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 that the seal must be both chemically and pressure-resistant.
  • electrolytic cells are assembled from the individual components and finally disposed of, so that a stable and transportable network is created.
  • this method is technically complex, so that the number of cells that can be produced per unit of time is comparatively small. There is therefore a need for a more efficient, faster and, above all, continuously operating production process.
  • the invention relates to a method for producing electrolytic cells, in which one
  • the two metallic half-cells are electrically insulated along two edges of their perimeter in a continuous process, resulting in an electrolytic cell tube, with the metallic half-cells having a wall thickness of 0.05 to 0.15 mm.
  • electrolytic half-cells are made of metal sheets that have a thickness of at least 0.5 mm in order to give the cells sufficient stability and to ensure that they are not damaged during transport or installation in a electrolyzer or an electrolysis stack.
  • the disadvantage here is that the cells are very heavy and rigid, which causes problems during installation and of course also leads to a high material value.
  • a slight negative pressure of, for example, 0.05 to 0.15 bar is preferably applied to the electrolytic cells, so that the cells are present in a vacuum-stiffened state and in this way can be transported particularly easily and safely and then stacked.
  • the anode and cathode are preferably arranged in the cell during the laying process as shown in FIG. 1, namely in such a way that the two electrodes are positioned flat and gap-free over their entire surface, with only the separator membrane making direct contact.
  • 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.
  • spacers can also be placed between the half-cells and the electrodes.
  • These can be resilient elements such as coils, rings, foams, or rigid structures, as discussed at the outset in the prior art. Considering that the production of the electrolytic cells takes place through a laying process, the use of mattresses as spacers is recommended.
  • the spacers can be static or elastic, it being preferable to equip at least one electrode space with elastic spacers in order to ensure that the electrodes lie flat.
  • a so-called "roll-to-sheet process” is preferably used in the context of the method according to the invention.
  • the individual components are present as continuous goods on rolls, which are cut with the aid of roll-to-sheet cutters - as shown, for example are known in the paper industry - are each cut to the required size and placed on a production line.
  • This procedure has the advantage that the narrow tolerances to which the components have to be cut can be adhered to, as can the precise placement on The components are therefore preferably cut directly from rolls and laid one on top of the other.
  • FIG. 2 schematically shows 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 simultaneously fixed and stabilized in the cell.
  • the availability of the metallic half-cells also preferably takes place continuously in the course of the production line. It has proven particularly advantageous to use an electrically insulating plastic for this purpose.
  • the introduction of the plastic material mass can be done by the usual methods of plastics processing, for example by thermal direct joining, gluing, hot melt or lamination. Direct thermal joining is particularly preferred because of its low technical requirements. It works in a very similar way to the injection molding process: the plastic is liquefied and injected into the sealing surface. There, the polymer returns to its solid state by cooling over and seals the two half-cells.
  • thermoplastics can be considered as suitable electrically insulating plastics, with perfluoroalkoxy polymers (PFA) and polyphenyl sulfides (PPS) being preferred because of their high chemical resistance.
  • electrolytic cell hoses of any length can theoretically be produced. Since these are of course of no use, the hoses are also preferably continuously cut into individual sections in the further course of production, which then result in the individual electrolytic cells corresponding to the desired dimensions. Since these now have open headers again, they must then be ordered again as described above.
  • 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 intended for welding to the seal of the electrolytic cell are provided and on the inside of which a plurality of stiffening webs are arranged on the associated side walls.
  • the outlets 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 faces, 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 connected to the seal, as a rule, by ultrasonic welding.
  • weld-in spouts are preferably incorporated directly into the joining process.
  • electrolytic cells obtainable or obtained by the process according to the invention are of little use individually, but are usually connected in series in dozens; the composites obtained in this way are referred to as electrolyzers or electrolysis stacks.
  • Another subject of the invention therefore relates to a method for producing an electrolysis stack, comprising or consisting of the following steps:
  • step (b) electrically connecting the vacuum-stiffened electrolytic cells from step (a) in series by arranging or stacking them with one another in such a way that the cathodic rear wall of the first is in contact with the anodic rear wall of the following electrolytic cell;
  • step (c) arranging the vacuum-reinforced electrolytic cells connected in series in accordance with step (b) with the aid of the at least two tie rods between the two pressure plates in such a way that a firm bond is formed, and
  • Electrolysis cells and electrolysis stacks form an inventive unit. For the sake of good order, it is therefore pointed out that this also applies to methods for producing the two devices, so that there is actually only one invention.
  • the stacks of the present invention preferably contain 3, 4, 5 or up to about 200 of said electrolytic cells. Preferably from about 40 to about 150 and more preferably from about 60 to about 120 are included.
  • FIG. 4 A typical electrolysis stack is shown in FIG. 4, with the electrolysis cells that can be seen therein each having the structure shown in FIG.
  • a conventional single cell design can now also be applied to cells with a small wall thickness.
  • these thin sheets or foils are used as a shell and are electrically separated from one another by the joint and the separator, with the internals being introduced in the manufacturing process.
  • a vacuum is applied to the cells, which causes the elastic element or the mattress inside to be precompressed.
  • the cells are vacuum stiffened by this process, which offers the following advantages and has not yet corresponded to the state of the art in this technology:
  • a pick-and-place robot picks up the individual cells and stacks them in a frame between the pressure plates.
  • the cells can be placed in a stack that does not have to be equipped with a clamping device, but which presses the elastic elements together and offers the possibility of compression including a displacement of the pressure plate.
  • the metallic pressure plates can easily be held together by tie rods and brought into simple contact with the vacuum-reinforced elements during initial assembly. When the vacuum is released, the elastic elements are no longer stretched by the external pressure, but are now held in position by the pressure plates
  • the resulting stacks can be used, for example, in chlor-alkali electrolysis, but the preferred application is the production of hydrogen by water electrolysis.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung von Elektrolysezellen, bei dem man (a) die folgenden Komponenten in der angegebenen Reihenfolge übereinander legt, (a1) eine erste metallische Halbzelle, die den Anodenraum bildet; (a2) eine Anode; (a3) eine Separatormembran; (a4) eine Kathode; sowie (a5) eine zweite metallische Halbzelle, die den Kathodenraum bildet; und (b) die beiden metallischen Halbzellen entlang zweier Kanten ihres Perimeters in einem kontinuierlichen Prozess elektrisch isolierend verfügt, so dass ein Elektrolysezellenschlauch entsteht, wobei die metallischen Halbzellen eine Wandstärke von 0,05 bis 0,15 mm aufweisen. Die einzelnen Zellen können anschließend in einen Elektrolyse-Stack eingebaut werden.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Elektrolysezelle und eines entsprechenden Elektrolyse-Stacks
GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Elektrolysetechnik und betrifft ein neuartiges kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Elektrolysezellen sowie der ent sprechenden Elektrolyse-Stacks, die diese Zellen in Serie geschaltet enthalten.
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 eine Dichtung (D) zu erken nen, die die beiden Elektrodenräume im Perimeter verbindet, aber elektrisch isoliert 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 chemisch beständig als auch druckfest sein muss.
[0017] Üblicherweise werden Elektrolysezellen aus den einzelnen Komponenten zusammen gesetzt und abschließend verfügt, so dass ein beständiger und transportabler Verbund ent steht. Dieses Verfahren ist indes technisch aufwendig, so dass die Zahl der Zellen, die pro Zeiteinheit hergestellt werden können, vergleichsweise gering ist. Es besteht daher Bedarf an einem effizienteren, schnelleren und vor allem kontinuierlich arbeitenden Herstellverfahren.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0018] In einer ersten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Elektrolysezellen, bei dem man
(a) die folgenden Komponenten in der angegebenen Reihenfolge übereinander legt,
(a1) eine erste metallische Halbzelle, die den Anodenraum bildet;
(a2) eine Anode;
(a3) eine Separatormembran;
(a4) eine Kathode; sowie
(a5) eine zweite metallische Halbzelle, die den Kathodenraum bildet; und
(b) die beiden metallischen Halbzellen entlang zweier Kanten ihres Perimeters in einem kontinuierlichen Prozess elektrisch isolierend verfügt, so dass ein Elektrolysezellen schlauch entsteht, wobei die metallischen Halbzellen eine Wandstärke von 0,05 bis 0,15 mm aufweisen.
[0019] Gemäß dem Stand der Technik werden Elektrolysehalbzellen aus Metallblechen gefer tigt, die eine Stärke von mindestens 0,5 mm aufweisen, um den Zellen eine ausreichende Stabilität zu verleihen und um zu gewährleisten, dass diese nicht während des Transports oder des Einbaus in einen Elektrolyseur oder einen Elektrolyse-Stack Schaden erleiden. Nach teilig ist dabei jedoch, dass die Zellen sehr schwer und starr werden, was beim Einbau Prob leme bereitet und natürlich auch zu einem hohen Materialwert führt. Überraschenderweise wurde gefunden, dass es entgegen der Lehrmeinung sehr wohl möglich ist, mit Hilfe von sehr dünnen Metallblechen, vorzugsweise Metallfolien Elektrolysezellen herzustellen. Damit wird es dann auch möglich, einen industriellen kontinuierlichen Legeprozess durchzuführen, mit dem die eingangs geschilderte Aufgabe gelöst werden kann.
[0020] Vorzugsweise wird auf die Elektrolysezellen ein leichter Unterdrück von beispielsweise 0,05 bis 0,15 bar gezogen, so dass die Zellen vakuumversteift vorliegen und auf diese Weise besonders leicht und sicher transportiert und anschließend gestapelt werden können. Elektrolysezelle
[0021] Vorzugsweise werden Anode und Kathode in der Zelle beim Legeprozess wie in Abbildung 1 angeordnet, nämlich so, dass die beiden Elektroden über ihre ganze Fläche plan und spaltfrei zueinander positioniert sind, wobei nur die Separatormembran einen direkten Kontakt verbindet.
[0022] Die Halbzellen bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, Nickel oder Titan sowie entsprechenden Legierungen, die auch weitere Fremdmetalle wie beispielsweise Vanadium enthalten können.
[0023] Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können zwischen die Halbzellen und die Elektroden noch Abstandshalter (a6) gelegt werden. Dabei kann es sich um federnde Elemente wie beispielsweise Spulen, Ringe, Schäume, oder starre Strukturen handeln, wie sie eingangs in der Würdigung des Stands der Technik abgehandelt sind. Unter Berücksichti gung, dass die Herstellung der Elektrolysezellen durch einen Legeprozess erfolgt, empfiehlt sich der Einsatz von Matratzen als Abstandshaltern. Die Abstandshalter können dabei statisch oder elastisch sein, wobei es bevorzugt ist, wenigstens einen Elektrodenraum mit elastischen Abstandshaltern auszurüsten, um zu gewährleisten, dass die Elektroden plan anliegen wer den.
[0024] Vorzugsweise wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein so genannter „Roll-to-Sheet Prozess" genutzt. Hierbei liegen die einzelnen Komponenten als Endlosware auf Rollen vor, die mit Hilfe von Roll-to-Sheet-Cuttern - wie sie beispielsweise aus der Papier industrie bekannt sind - jeweils auf das erforderliche Maß geschnitten und auf ein Ferti gungsband abgelegt werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die engen Toleran zen, auf die die Komponenten zugeschnitten werden müssen, ebenso eingehalten werden können, wie das präzise Platzieren auf dem Band. Die Komponenten werden daher vorzugs weise direkt von Rollen aus zugeschnitten und übereinandergelegt.
[0025] Die beiden Halbzellen müssen zwar über ihren Perimeter miteinander in Verbindung stehen, jedoch elektrisch voneinander isoliert sein. Dies kann vorzugsweise durch Einbringen einer Dichtmasse erfolgen. 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 Membran gleichzeitig in der Zelle fixiert und stabilisiert.
[0026] Die Verfügung der metallischen Halbzellen erfolgt dabei ebenfalls vorzugsweise kon tinuierlich im Verlauf der Fertigungsstraße. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, für diesen Zweck einen elektrisch isolierenden Kunststoff einzusetzen. Das Einbringen der Kunst stoffmasse kann nach den üblichen Methoden der Kunststoffverarbeitung erfolgen, also bei spielsweise durch thermisches Direktfügen, Kleben, Hotmelt oder Kaschieren. Das thermische Direktfügen ist wegen seiner technischen Anspruchslosigkeit besonders bevorzugt. Es funkti oniert ganz ähnlich dem Spritzgussverfahren: der Kunststoff wird verflüssigt und in die Dicht fläche eingespritzt. Dort geht das Polymer durch Abkühlung wieder 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 Po lyphenylsulfide (PPS) wegen ihrer hohen chemischen Beständigkeit bevorzugt sind.
[0027] Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können theoretisch beliebig lange Elekt- rolysezellen-Schläuche hergestellt werden. Da diese natürlich keinen Nutzen haben, werden die Schläuche im weiteren Verlauf der Fertigung ebenfalls wieder vorzugsweise kontinuierlich in einzelne Abschnitte geschnitten, die dann die einzelnen Elektrolysezellen entsprechend den gewünschten Abmessungen ergeben. Da diese nun wieder offene Kopfseiten aufweisen, müssen sie anschließend wieder wie oben beschrieben verfügt werden.
[0028] Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, während des Verfügens der Kopfseiten Zu- und Abläufe für Edukte und Produkte einzusetzen. Hierzu werden die inneren Lagen ein we nig zurückgeschlagen und die Zu- und Ablaufanschlüsse eingebracht. Dabei kommen insbe sondere solche Anschlüsse in Betracht, die aus der Nahrungsmittelindustrie bekannt sind, wie die Einschweißausgießer aus spritzgussfähigem Kunststoff wie sie in Abbildung 3 wiederge geben sind. Entsprechende Anschlüsse bzw. Ausgießer sind Gegenstand 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 verti kale Längsmittelachse (1) aufweisenden Ausgießkanal (2) versehenen Hals (3) auf sowie zwei hiermit verbundene, vorzugsweise mit Schweißlinien (4) versehene, äußere Seitenflächen, die zur Verschweißung mit der Dichtung der Elektrolysezelle vorgesehen sind und an deren zu gehörigen Seitenwänden innenseitig eine Mehrzahl von Versteifungsstegen angeordnet sind.
[0029] 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.
[0030] 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. Elektrolyse-Stack
[0031] Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen oder erhaltenen Elektrolyse zellen sind einzeln kaum von Nutzen, sondern werden üblicherweise zu Dutzenden in Serie geschaltet; die dadurch erhaltenen Verbünde werden als Elektrolyseure oder Elektrolyse- Stacks bezeichnet.
[0032] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyse-Stacks, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten:
(i) Bereitstellen von mindestens zwei Elektrolysezellen wie oben beschrieben;
(ii) Bereitstellen von zwei Anpressplatten und
(iii) Bereitstellen von mindestens zwei Zugstangen, wobei man
(a) die mindestens zwei Elektrolysezellen durch Anlegen eines Unterdrucks vakuumver steift;
(b) die vakuumversteiften Elektrolysezellen aus Schritt (a) elektrisch in Serie schaltet, indem man sie so zueinander anordnet bzw. stapelt, dass jeweils die kathodische Rückwand der ersten mit der anodischen Rückwand der folgenden Elektrolysezelle in Kontakt steht;
(c) die gemäß Schritt (b) so in Serie geschalteten vakuumversteiften Elektrolysezellen mit Hilfe der mindestens zwei Zugstangen so zwischen den beiden Anpressplatten anord net, dass ein fester Verbund entsteht, und
(d) das Vakuum auf den Elektrolysezellen im festen Verbund wieder löst.
[0033] Elektrolysezellen und Elektrolyse-Stacks bilden eine erfinderische Einheit. Der guten Ordnung halber wird daher darauf hingewiesen, dass dies auch für Verfahren zur Herstellung der beiden Vorrichtungen gilt, so dass tatsächlich nur eine Erfindung vorliegt.
[0034] Die Stacks der vorliegenden Erfindung enthalten vorzugsweise 3, 4, 5 oder bis zu etwa 200 der genannten Elektrolysezellen. Vorzugsweise sind etwa 40 bis etwa 150 und insbeson dere etwa 60 bis etwa 120 enthalten.
[0035] Ein typischer Elektrolyse-Stack ist in Abbildung 4 wiedergegeben, wobei die darin zu erkennenden Elektrolysezellen jeweils den Aufbau gemäß Abbildung 1 zeigen.
[0036] Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein konventionelles Einzelzellen- Design nun auch auf Zellen mit einer geringen Wandstärke angewendet werden. Erfindungs gemäß werden diese dünnen Bleche oder Folien als Hülle verwendet und durch die Fügung und den Separator elektrisch voneinander getrennt, wobei die Einbauten im Fertigungspro zess eingebracht werden. Im Anschluss an den Fertigungsprozess wird auf die Zellen ein Un terdrück gezogen, der eine Vorpressung des elastischen Elementes oder der Matratze im In neren bewirkt. Gleichzeitig werden durch diesen Vorgang die Zellen vakuumversteift, was die folgenden Vorteile bietet und bisher in dieser Technologie nicht dem Stand der Technik ent spricht:
Versteifung von biegeschlaffen Bauteilen,
Erreichung einer Transportierbarkeit durch z. B. Saughebeanlagen oder mechanische Greifsysteme ohne zusätzliche Unterstützung,
Prüfung auf Dichtigkeit,
Erkennung von Beschädigungen durch den Transport und
Vorspannung der elastischen Elemente des Systems.
[0037] Im abschließenden Schritt kann z. B. ein Pick-and-Place Roboter die einzelnen Zellen aufnehmen und in einem Gerüst zwischen den Anpressplatten stapeln. Durch die Vorspan nung der Elemente können die Zellen in einen Stack eingebracht werden, der nicht mit einer Spannvorrichtung ausgestattet sein muss, aber der die elastischen Elemente zusammen drückt und die Möglichkeit der Kompression inklusive einer Verschiebung der Anpressplatte bietet. Die metallischen Anpressplatten können einfach durch Zugstangen zusammengehal ten werden und bei der Erstmontage in einen einfachen Kontakt mit den vakuumversteiften Elementen gebracht werden. Durch das Lösen des Vakuums werden die elastischen Elemente nicht mehr durch den Außendruck gespannt, sondern jetzt durch die Anpressplatten in Posi tion gehalten
[0038] Die so resultierenden Stacks können beispielsweise in der Chlor-Alkali-Elektrolyse eingesetzt werden, der bevorzugte Einsatzzweck ist jedoch die Herstellung von Wasserstoff durch die Wasserelektrolyse.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung von Elektrolysezellen, bei dem man
(a) die folgenden Komponenten in der angegebenen oder der umgekehrten Reihen folge übereinander legt,
(a1) eine erste metallische Halbzelle, die den Anodenraum bildet;
(a2) eine Anode;
(a3) eine Separatormembran;
(a4) eine Kathode; sowie
(a5) eine zweite metallische Halbzelle, die den Kathodenraum bildet; und
(b) die beiden metallischen Halbzellen entlang zweier Kanten ihres Perimeters in ei nem kontinuierlichen Prozess elektrisch isolierend verfügt, so dass ein Elektroly sezellenschlauch entsteht, wobei die metallischen Halbzellen eine Wandstärke von 0,05 bis 0,15 mm aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Halb zellen und den Elektroden noch Abstandshalter (a6) gelegt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Bestandteile (a1) bis (a6) in einem Roll-to-Sheet-Prozess kontinuierlich aufeinander legt.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man zum Verfügen einen elektrisch isolierenden Kunststoff einsetzt.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der so erhaltene verfügte Elektrolysezellenschlauch anschließend kontinuierlich in ein zelne Elektrolysezellen geschnitten wird, deren offenen Kopfseiten anschließend wieder verfügt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man während des Verfügens der Kopfseiten Zu- und Abläufe einsetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als Zu- und Abläufe Einschweißausgießer aus spritzgussfähigem Kunststoff verwendet.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verfahren kontinuierlich auf einer Fertigungslinie durchführt.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die so erhaltenen einzelnen Elektrolysezellen vakuumversteift.
10. Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyse-Stacks, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten:
(i) Bereitstellen von mindestens zwei Elektrolysezellen gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8; (ii) Bereitstellen von zwei Anpressplatten und
(iii) Bereitstellen von mindestens zwei Zugstangen, wobei man
(a) die mindestens zwei Elektrolysezellen durch Anlegen eines Unterdrucks vakuum versteift;
(b) die vakuumversteiften Elektrolysezellen aus Schritt (a) elektrisch in Serie schaltet, indem man sie so zueinander anordnet bzw. stapelt, dass jeweils die kathodische Rückwand der ersten mit der anodischen Rückwand der folgenden Elektrolysezel le in Kontakt steht;
(c) die gemäß Schritt (b) so in Serie geschalteten vakuumversteiften Elektrolysezellen mit Hilfe der mindestens zwei Zugstangen so zwischen den beiden Anpressplat ten anordnet, dass ein fester Verbund entsteht, und
(d) das Vakuum auf den Elektrolysezellen im festen Verbund wieder löst.
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