密封电解池的方法与流程

密封电解池的方法
发明领域
1.本发明涉及电解技术领域并且涉及一种用于电解池的密封和电绝缘的方法，相应的电解池以及特定塑料用于密封的用途。
2.发明背景
3.在未来30年内实现无温室气体排放的经济——这是欧洲为阻止气候变化而制定的目标。可再生能源旨在取代化石燃料,如石油、煤炭和天然气。在能源供应的可持续重构过程中，氢将发挥重要作用。
4.对于清洁交通、电力和热能的有效供应、作为补偿波动的可再生能源的缓冲剂、作为替代燃料的基础或作为工业中的工艺气体——氢作为能源载体是非常通用的，可以跨行业边界使用，提供巨大的协同潜力，并且质量相关的能量密度是汽油的三倍。
5.因此，可持续且经济地产生氢气是大幅减少尤其是有害温室气体co2在能源、交通和工业领域的排放的基石，从而应对气候变化。建设尽可能全球化的跨部门氢经济，同时为新技术和商业模式开辟巨大的机会，因为使用氢的可能性非常广泛。对于工业而言，目前正在研究氢动力燃气轮机。在燃料电池中，它可用于汽车或公共汽车。与电动汽车相比，使用氢气不仅可以实现零排放，而且还可以长距离行驶并快速为车辆加气。
6.从环境角度来看，通过电解水生产氢特别令人感兴趣；因此，术语“绿色氢”一词也用于此上下文中。该方法在耦合电解池，即所谓的电解槽中进行，例如也从氯碱电解中已知。
现有技术
7.us 5,599,430 b(dow)已经公开了一种电解池，其包括容纳至少一对电极，即阴极和阳极、集电器和膜的壳体。它还包含导电的、水力可渗透的弹性缓冲垫，该缓冲垫基本上与集电器共面布置并在一侧接触它，并且同样与电极共面延伸并在另一侧接触它。
8.ep 1451389 b1(uhdenora)描述了一种用于电化学电池的集电器，其由可压缩且弹性的金属线层的“三明治”组成，其在宽的压缩范围下赋予预定的机械负载。
9.ep 1766104 b1(uhdenora)涉及一种常规电解池，其具有由单独元件组成的密封系统，每个元件包含通过膜彼此分开的两个电极，其中非活性膜表面的部分通过法兰(flange)缩小，使得半壳体的法兰面与活性膜面之比可以设定为小于0.045。
10.根据ep 1882758 a1(toagosei)，电解池中的弹性压力借助线圈或波状垫或电阻镍合金来传递；线圈的匝数或垫子中一层一层的层数从上向下逐步增加，从而最终建立压力分布，其至少类似于阳极侧相同方向增加的静水压力。
11.ep 2356266 b1(uhdenora)描述了一种电解池，其设置有隔板并且具有平面柔性阴极，其通过被电流分配器按压的弹性导电元件与隔板保持接触。该电池还包含阳极，其由支撑隔板的冲孔板或网组成。该电池可以以模块化布置方式使用以形成电解槽，其终端电池仅连接到电源。相邻电池之间的电连续性由导电接触条确保，其固定到界定每个电池的外壳的阳极外壁，阴极电流分配器和阳极结构的刚度以与电元件的弹性配合以维持具有均
匀压力分布的均匀阴极与隔板接触，同时确保接触条的适当机械负载。通过使用弹性元件，可以避免对电极的损坏。
12.ep 2734658 b1(new nel hydrogen)包括用于压滤型电解槽的模块，其包括限定至少一个第一开口的至少一个封闭框架，其中该模块包括密封和电绝缘材料并且该材料至少部分地覆盖框架表面。
13.ep 2746429 a1(uhdenora)提出了一种电解池，其包含具有阳极的阳极室和具有气体扩散阴极的阴极室，两个电极通过离子交换膜以及金属弹性元件彼此分开，金属弹性元件在压缩下被夹紧在阴极气体隔室的后壁和气体扩散阴极之间，所述弹性元件被夹紧到阴极气体隔室中，使得元件和后壁之间的距离沿重力方向增加。
14.ep 2872675 b1(uhdenora)提出了一种用于电解池的绝缘框架，其具有带拐角的几何形状，该框架为平面设计并具有阳极侧和阴极侧以及外端面和内端面。绝缘框架具有直接邻接内端面的边缘区域并且在拐角区域中具有切口形式的凹部。
15.根据jp 2003 041388a1(asfponc)，电池的稳定是通过内置于阴极气体隔室中的金属之字形轮廓来实现的。然而，电解池的该实施方案带来了一个问题：物理学规定阳极室中的静水压力不是恒定的而是沿重力方向增加。因此，对于要实现的目的而言，希望并且完全足够的是由弹性插入件施加的压力与静水压力相匹配，也就是说，其在重力方向上增加。


技术实现要素：

16.电解池示意性地由阳极室和阴极室(ar、kr)组成，其分别包含阳极(a)和阴极(k)。两个电极一方面通过隔膜或分隔膜(s)彼此分开，另一方面分别借助弹性或刚性垫片(x1、x2)固定在相应的壳体部分(“半电池”)，如可从图1中示意性地看到的。该图还示出了密封件(d)，其在周边分隔并外部密封两个电极室。
17.阳极室和阴极室需要彼此电绝缘，以便不会发生短路。为了获得最佳性能，电极还必须在其整个表面上以平面方式(即没有间隙)压在分隔膜上。这是通过电池内部的一个或多个弹性垫片(x1、x2)实现的。此外，电解池处于相对于大气轻微的正压下，这意味着密封件必须化学稳定和耐压。
18.如上所述，为此目的，已经在向外方向的密封区域中以及在形成电极室的半壳之间提出了在设计方面非常精细的解决方案。例如，在各个元件的周边使用密封件和绝缘体。它们被外力挤压，从而发生压配合。或者，密封和绝缘是通过受力压缩的弹性体来实现的。力由类压滤机的结构施加，并且分布在密封件和内部插入件上，如果它们内部包括弹性垫片。除了技术支出之外，还存在这样的缺点：作用在弹性体上的力不均匀，并且电池的内部压力减小了作用在弹性体密封件上的力。
19.因此，本发明的目的是提供一种用于密封电解池的替代方法，该方法与较少的技术支出相关，避免短路并且此外完全满足以下要求：
20.·
通过材料结合实现阳极和阴极或阳极室和阴极室的可靠绝缘和密封；
21.·
耐压性；
22.·
高机械稳定性；
23.·
高化学稳定性；和
24.·
热循环稳定性。
25.发明内容
26.在第一个实施方案中，本发明涉及一种用于电解池密封和电绝缘的方法，包括以下步骤或由以下步骤组成：
27.(a)提供一种电解池，其包含或由以下部分组成：
28.(a1)两个金属半电池，其形成阳极室和阴极室，
29.(a2)其中分别设置有阳极和阴极，
30.(a3)将两个电极彼此分开的分隔膜，以及
31.(a4)任选地垫片，其将两个电极定位在各自的电极室中，
32.(a5)其中两个半电池在其外围上彼此隔开一间隙，并且(b)将电绝缘塑料引入两个半电池之间的密封表面。
33.令人惊讶的是，已经发现以这种方式可以完全满足引言中解释的要求。引入塑料化合物明显比现有技术中已知的措施更简单和更快，并且特别是可以避免施加外力。具体地，在作为密封化合物的绝缘塑料和金属半电池之间产生材料结合。由此实现了明显更坚固的连接，而不是纯粹的压配合。事实证明该密封具有耐压性、热稳定性、化学稳定性和机械稳定性，即使在电池的较长使用寿命或循环周期内也能确保电气绝缘不受损害。此外，根据本发明的替代方案实质上更加经济。
34.电解池的密封
35.图2示意性地示出了分布有密封化合物(d)的周边(p)的横截面；在中间可以看到分隔膜(s)，其端部同样被密封剂包围。通过这种方式，膜在电池中被同时固定和稳定。
36.半电池优选地由不锈钢、镍或钛以及相应的合金组成，其还可以包含其他外来金属，例如钒。
37.塑料化合物的引入可以根据塑料加工的常规方法进行，也就是说例如通过热直接接合、结合、热熔或层压。热接合因其技术简单而特别优选。其工作原理与注塑成型方法类似：将塑料液化并注入密封表面。在那里，聚合物通过冷却返回固态并密封两个半电池。热塑性塑料基本上被认为是合适的电绝缘塑料，全氟烷氧基聚合物(pfa)和聚苯硫醚(pps)由于其高的化学稳定性而成为优选。
38.入口和出口连接件
39.在本发明的另一个优选实施方案中，入口和出口连接件被引入到两个半电池之间的接合处。在这种情况下，特别地，可以设想食品工业中已知的连接件，例如如图3所示的由可注塑塑料组成的焊接喷口(welded spouts)。相应的连接件或喷口是ep 2644530a1的主题(poppelmann)，其教导通过引用包括在内，只要涉及喷口的性质。在这种情况下，连接件或喷口具有设有浇注通道(2)的颈部(3)，该浇注通道(2)具有竖直的纵向中轴线(1)以及与其连接的两个外侧表面，并且优选地设有焊接线(4)，其用于焊接到电解槽的密封件上，并且在其内侧的相关侧壁上布置有多个加强腹板。
40.一般而言，所述出口或喷口具有所谓的“船体”底座，其侧壁具有在其端部区域中彼此合并的外侧表面。侧表面连接，特别是焊接到容器的两个膜壁并位于两个膜壁之间。颈状区域通常在船体或侧表面上一体形成，并且并入包括具有垂直纵向中轴线的出口通道的颈部。这种颈部通常在外侧设有螺纹，以便在通过出口通道排空之前用盖固定已填充的薄膜袋。或者，颈部也可以至少部分地直接合并到船体中。船体的侧表面可以是平坦的、粗糙
的、具有或不具有螺纹(ribs)和/或设有焊缝。此外，颈部可包括可用于在填充或密封装置中引导的引导腹板。
41.根据ep 2644530 a1的教导将连接件或喷口附接到密封件，通常通过超声波焊接来进行。在本发明中，优选在连接过程中直接引入焊接喷嘴。
42.电解池
43.本发明的另一主题涉及通过根据本发明的方法密封的电解池。具体要求保护的是一种电解池，其包括或由以下部分组成：
44.(i)两个金属半电池，其形成阳极室和阴极室，
45.(ii)其中分别设置有阳极和阴极，
46.(iii)将两个电极彼此分开的分隔膜，以及(iv)任选地垫片，其将两个电极定位在各自的电极室中，
47.(v)其中两个半电池在其外围上彼此隔开一间隙，并且(vi)两个半电池之间的密封面通过电绝缘塑料的材料结合而粘合连接。
48.优选地，阳极和阴极如图1中示意性地布置在电池中，具体地使得两个电极以平面方式相对于彼此定位并且在其整个表面上没有间隙，仅分隔膜连接直接接触。垫片可以是线圈、环、泡沫、垫或刚性结构，如现有技术介绍中所提及的。它们可以是静态的或有弹性的，优选的是为至少一个电极室装备有弹性垫片。为了确保电极以平面方式施加。各个电解池可以互连以形成组(“电解槽”)并用于例如氯碱电解，尽管优选的应用是通过电解水生产氢气。
49.工业应用
50.本发明的另一主题涉及电绝缘塑料、优选热塑性塑料且特别是全氟烷氧基聚合物(pfa)和聚苯硫醚(pps)用于电解池密封和电绝缘的用途，在这种情况下，密封例如可以通过热直接接合、结合、热熔或层压来进行。

技术特征：
1.一种用于电解池密封和电绝缘的方法，包括以下步骤或由以下步骤组成：(a)提供一种电解池，其包含或由以下部分组成：(a1)两个金属半电池，其形成阳极室和阴极室，(a2)其中分别设置有阳极和阴极，(a3)将两个电极彼此分开的隔板，以及(a4)任选地垫片，其将两个电极定位在各自的电极室中，(a5)其中两个半电池在其外围上彼此隔开一间隙，并且(b)将电绝缘塑料引入两个半电池之间的密封表面。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于密封通过热直接接合、结合、热熔或层压来进行。3.根据权利要求1和/2所述的方法，其特征在于使用由不锈钢、镍或钛以及相应的合金组成的半电池，其还可以包含其他外来金属，例如钒。4.根据权利要求1至3至少一项所述的方法，其特征在于使用的电绝缘塑料是热塑性塑料。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于使用选自全氟烷氧基聚合物(pfa)和聚苯硫醚(pps)的热塑性塑料。6.根据权利要求1至5至少一项所述的方法，其特征在于密封件还封闭了分隔膜的端部并将后者固定在电池中。7.根据权利要求1至6至少一项所述的方法，其特征在于入口和出口连接件被引入到两个半电池之间的接合处。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于焊接喷口用作入口和出口连接件。9.一种电解池，其包括或由以下部分组成：(i)两个金属半电池，其形成阳极室和阴极室，(ii)其中分别设置有阳极和阴极，(iii)将两个电极彼此分开的分隔膜，以及(iv)任选地垫片，其将两个电极定位在各自的电极室中，(v)任选地垫片，其将两个电极定位在各自的电极室中，(vi)两个半电池之间的密封面通过电绝缘塑料粘合连接。10.电绝缘塑料用于电解池密封和电绝缘的用途。

技术总结
提出了一种用于电解池密封和电绝缘的方法，其中将电绝缘塑料引入到装置的两个半电池之间的密封表面中。之间的密封表面中。之间的密封表面中。


技术研发人员：W
受保护的技术使用者：WEW股份有限公司
技术研发日：2022.01.19
技术公布日：2023/9/9