CN114787421B - 织物的用途、零间隙电解池及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及将织物作为零间隙电解池13的壳体或支撑结构与电极或电极的子结构之间的间隔件的用途，其中，织物1包括由弹性聚合物材料组成的机械连接装置，并且包括不同于机械连接装置的电连接装置。本发明不仅涉及配备有这种织物的零间隙电解池，而且还涉及用于生产这种零间隙电解池的方法，该方法的特征在于，将织物1的至少一个层放置到阳极槽或阴极槽8、9中，将阳极电极或阴极电极10、11设置在织物1的至少一个层上，将离子交换膜12设置在该电极上，并且将分别连接到阴极槽或阳极槽8、9的阴极电极或阳极电极10、11设置在离子交换膜12上。
Description
技术领域
本发明涉及将织物作为零间隙电解池的壳体或支撑结构与电极或电极的子结构之间的间隔件的用途。本发明不仅涉及配备有这种织物的零间隙电解池，而且还涉及用于生产这种零间隙电解池的方法。
背景技术
在环境意识提高和CO2减排目标蓬勃发展的时代(“能源转型”)，电解水提供氧气和所谓的“绿色”氢气是一种使用比如风能、水力和太阳能的可再生能源来生产无CO2能源的很有前途的技术。例如，这种“绿色”氢气可以用作能量存储、车辆燃料或化学品生产。基于水电解的“绿色”氢气生产设施的核心(如在电解生产氯气和氢氧化钠(氯碱电解)的情况下)是电解池。这是电解技术持续不断发展的原因之一，其目的例如是优化效率。
通过膜技术特征运行的电解池的特征在于包含相应电极和电解质的阴极室和阳极室，其中电极设置在距分隔两个电极的离子选择性膜一定距离处。然而，已经表现出的是，这种电池设计就所获得的效率而言是次优的。
因此，已经公开的特别节能的电解池称为“零间隙电解池”(参见US 9,404,191B2或EP 2 436 804A1)。在该电解池中，阴极和阳极——如术语“零间隙”所指示的——仅由膜分隔开，因此阳极和阴极都接触性地抵靠膜。这降低了电解池电阻，并且显著地节省了能量。这也导致膜寿命延长。
在零间隙电解池中，如已知的，弹性元件通常设置在后壳体壁(也称为槽)与将被平坦且均匀地压靠在膜上的电极之间。所述弹性元件可以由金属线圈形成，例如由镍制造，或者由细织镍线的细眼网形成，由于其特殊的结构，细织镍线起到弹簧的作用，所述元件夹紧在电极与后壳体壁之间，从而确保所需的电极对膜的均匀且好测量的表面挤压。同时，已知的弹性元件具有将电流从电极引出到后壳体壁的功能。
除了弹性元件，这种零间隙电解池通常在阴极侧具有焊接到壳体的内部构件(例如，线性翅片)以及用于弹性元件的支撑结构(例如，膨胀金属)，用于对阴极电极的机械固定。
已经证明，由镍形成的弹性元件导致的现有零间隙电解池的不利特征是，镍材料的消耗并非微不足道的水平，并且为了固定阴极电极，焊接或生产的成本和复杂性也很高。
US 2017/0191175 A1公开了一种用于电解池的气体扩散层，其具有由螺旋编织物组成的弹簧部件。螺旋编织物由连续布置的横条组成，并且围绕横条缠绕多个螺旋。当具有相同几何形状但缠绕方向不同的螺旋彼此交替嵌入并且通过横条连接时，形成了螺旋编织物。横条例如由塑料材料制成。螺旋由导电材料组成，例如不锈钢、钛、铌、钽或镍。
WO 2019/175199 A1描述了一种用于燃料电池的气体分配器结构，其具有包括至少两种纤维的织造纤维(这些是用于生产纤维的基础结构的基础纤维)，以及用于辅助双极板与电极组件之间的电流传导并且还用于支持对双极板与电极组件之间的机械力的调节的功能纤维。
因此，基于上述现有技术，本发明的目的是提供可靠的机械固定和有源电极的电接触，同时降低组装和材料的成本和复杂性。
发明内容
根据本发明，该目的通过将织物作为电极与电解池的壳体之间的间隔件的用途来实现，该织物包括由弹性聚合物材料组成的机械连接装置，并且包括不同于机械连接装置的电连接装置。
本发明中使用的织物具有用于将后壳体壁与电极连接或接触的机械连接装置和电连接装置。机械连接装置在此用于在一个电极与后壳体壁之间夹紧，以便将电极压靠在膜上。这要求织物是可弹性变形的，并且还对电解池中普遍存在的介质具有化学抗性。为了满足这些要求，机械连接装置由弹性聚合材料制造，比如PTFE、PFA或PP。弹性聚合物材料的机械相关性质是其弹性模量，其使得能够在安装时压缩织物并且在安装状态下保持电极对膜的非常均匀的接触压力。因此，为了将电极压靠在膜上，本发明利用织物的可弹性变形性，而该织物不经历任何显著的塑性变形。
关于织物的电连接装置的要求是确保电极与后壳体壁之间的电接触，以便能够带走在电解期间流动的电流。为了提供导电性，电连接装置通常具有金属的实施例。由石墨制造金属连接装置同样是可能的。
使用本发明的织物用于零间隙电解池的壳体与电极之间的连接的关键优点在于(电极对膜的挤压)与电功能(对有源电极的接触)解耦。这种解耦不仅消除了使用过量且昂贵的镍部署，而且还消除了对用于支撑有源电极的焊接部件的需要。由于这种简化的设计和本发明的设置，不仅可以降低材料成本，而且可以降低零间隙电解池的生产成本和复杂性。此外，根据本发明的织物的使用允许对于织物或弹性元件的相同弹性特性桥接显著更大的距离。这消除了对镍支撑结构的昂贵子结构的需要。
本发明的机械连接装置具有由细丝制成的顶部纤维和底部纤维，并且还具有连接顶部纤维和底部纤维的多个绒头纱线。顶部纤维和底部纤维以及绒头纱线在此形成床垫状结构，为了使膜寿命的最大化，该床垫状结构使得接触压力的分布非常均匀，因为压力施加在底部纤维上，床垫状结构被压缩，而顶部纤维又将电极压靠在膜上。从膜的另一侧，膜与第二电极(阳极或阴极)接触，因此所述布置形成了零间隙电解池。在本发明的织物的一个优选实施例中，机械连接元件由织造聚合物纤维制成，并且具有织造的顶部纤维和底部纤维，织造聚合物纤维由聚合物细丝组成。
聚合物细丝有利地具有0.1-0.5mm的直径。该范围代表机械性质、整个织造纤维的足够的流渗透性以及单个聚合物细丝之间的距离不太小以及市场可用性之间的有效折衷。
在本发明织物的该优选改进的改进中，电连接元件由穿过顶部纤维和底部纤维的金属丝形成。使金属丝刺穿顶部纤维和底部纤维的原因是，这是在顶部纤维上的电极与底部纤维上的后壳体壁之间实现电接触的唯一方式。如果金属丝仅在顶部纤维和底部纤维的内侧之间延伸，则将不存在期望的电接触。
在将织物的两个或更多个层彼此上下布置的情况下(这在制造方面可能是有利的)——如果，例如，唯一可用的机器能够生产具有一定的最大高度的织物，或者如果超过一定高度的织物不能对变形产生足够的恢复力——那么穿透顶部纤维和底部纤维的金属丝的分布，更特别是这些金属丝在外侧面的行程——即分别面向电极或后壳体壁的侧面——应当选择成使得当将两个或更多个织物彼此上下放置时，形成相邻层的金属丝的多个电接触交叉点。设置本发明中使用的织物的两个或更多个层的另外的原因可以是补偿织物变形时的各向异性性质。如果织物在负载下在一个方向上移动，这可以通过将覆盖层翻转180°来补偿。这有效地防止了表面处的横向移动。在本发明的替代发展中，金属丝穿过多个重叠织物层，以能够确保多个层之间的电接触。
还发现，如果在床垫状结构的两个内侧之间延伸的金属丝，更特别是镍金属丝具有大于床垫状结构的高度的拉伸长度，则是特别有利的。所得到的金属丝的大体积行程产生可靠的电接触，而不降低织物的可机械变形性。在与上述床垫状结构和聚合物细丝的弹性性质相互作用时，床垫状结构的压缩甚至可以发生到顶部纤维和底部纤维的阻挡层，而金属丝或聚合物细丝不会受到损坏，特别是不会由于塑性变形而受到损坏。
此外，关于负载下变形方向的可能期望的预定，使用织物可能是有利的，其中处于静止位置的金属丝的距离小于床垫状结构的间隔。
电解池区域上的整个导电横截面有利地选择成这样的尺寸，使得由于电连接装置，电压没有明显的下降。对于1m2的有源电极面积，350-2100mm2的导电横截面已经表现为是合适的。
更优选地，金属丝具有0.05-0.3mm的直径。这已经成为在尽可能小的电压降、高可弹性变形性和用于在常规纺织机中加工的丝的能力之间的有效折衷。
作为上述优选实施例的替代方案，其中，电连接装置是穿过顶部纤维和底部纤维的金属丝，电连接装置可以通过绒头纱线的导电涂层来实现。可以在生产床垫状结构的操作之前或之后涂覆绒头纱线。然而，应当注意确保绒头纱线的机械性能不受金属涂层、尤其是其厚度的不利影响。
在所描述的两个实施例中，顶部纤维和底部纤维都具有导电接触点，从而在外部由于穿透顶部纤维和底部纤维的金属丝和/或在外部通过结合到顶部纤维和底部纤维中的涂覆的绒头纱线有效地实现了其作为电连接装置的功能。
除了根据本发明的织物的用途，本发明还涉及零间隙电解池，其包括阳极电极、阴极电极、设置在阳极电极与阴极电极之间的离子交换膜以及由阳极槽和阴极槽形成的壳体，在至少一个电极和一个槽之间设置有接触相应的电极和相应的槽的本发明织物的至少一个层。有利于将本发明的织物设置在阴极侧的一个原因是，镍通常被用作金属阴极材料，并且因此可以通过纯物理接触来实现工作电流的传导。镍在运行环境中是稳定的并且具有良好的导电性。还存在在阴极的工作介质中化学稳定的多种塑料，例如聚苯硫醚，而在阳极侧，例如在氯碱电解的情况下，形成了氯气，这严重限制了可以使用的材料。
本发明还涉及用于生产本发明的零间隙电解池的方法，其中将本发明的织物的至少一个层放置到阳极槽或阴极槽中，将阳极电极或阴极电极设置在织物的至少一个层上，将离子交换膜放置到该电极上，并且将分别连接到阴极槽或阳极槽的阴极电极或阳极电极设置在离子交换膜上。
本发明方法的特征在于，其能够以特别简单且成本有效的方式生产具有本发明织物的零间隙电解池。
为了通过本发明的织物确保电极与后壳体壁的电接触，在这种生产方法中，特别优选的是在电极与槽之间引入具有接触压力——可以说是预压缩形式——的织物。在这种情况下，约100-150毫巴的接触压力表现得特别合适。在这种压力下，预计顶部纤维和底部纤维的导电部件与所连接的部件(后壳体壁和电极)之间的物理接触能够充分地传输电流，因此电压不会过度下降。
附图说明
下面参照所附附图使用示例性实施例来描述本发明，其中：
图1示出在未负载状态下本发明中织物的用途的示意性立体侧视图(未示出电连接装置)，
图2示出如图1所示的本发明中使用的织物在负载状态下的侧视图，
图3示出如图1所示的本发明中使用的织物的侧视图，其中示出了机械连接装置和电连接装置，
图4示出在替代实施例中在本发明中使用的织物的侧视图，其中示出了机械连接装置并且另外在横截面中示出的电连接装置，和
图5示出本发明的用于生产零间隙电解池的方法。
在不同的附图中，相同的部件总是被赋予相同的参考符号，因此通常也各自仅命名或提及一次。
具体实施方式
在图1中示例性地示出了在无负载状态下将织物1用于零间隙电解池的壳体与电极之间的连接的用途。此处仅示出了机械连接装置，而为了清楚未示出电连接装置。用于本发明的织物1包括由细丝织造的顶部纤维2和底部纤维3以及连接顶部纤维2和底部纤维3的绒头纱线4。顶部纤维2和底部纤维3具有彼此平行延伸的平面设计，因为在其在电极与电解半电池的后壳体壁之间的安装状态下，其用于非常均匀地传递作用在后壳体壁上并且被引导到电解池内部的力。如果后壳体壁受到朝向电解池内部的力，则底部纤维2——经由绒头纱线4——将力传递到接触一个电极的顶部纤维3。为了减少变形的方向依赖性，还可以使用机械连接装置彼此交叉的织物，从而不存在优先的机械方向。
这种力的传递在示出了负载织物的图2中示意性地再现。在此，下力箭头对应于通过力F作用在底部纤维2上的后壳体壁，该壁未示出。力F经由由于暴露于力而弹性变形的绒头纱线4传递到顶部纤维3，顶部纤维3将力F传递到同样未示出但接触顶部纤维3的电极，以便将电极均匀地并且因此特别温和地压靠在膜上和/或将电极保持就位而不使用附加部件，尤其是焊接金属板或膨胀金属。在本文中，已经证明特别有利的是，机械连接装置由弹性聚合物材料组成，在本例中为聚合物细丝，因为这允许有效地防止塑性变形，并且因此本发明的织物的寿命不会因暴露于力F而受到不利影响。
图3涉及与图1相同的示例性实施例，其不仅示出了用于不同负载状态的在图1和图2中示出的机械连接装置，而且示出了电连接装置。在该示例性实施例中，电连接装置由穿过顶部纤维2和底部纤维3的金属丝5实现。在此显而易见的是，从底部纤维2延伸的金属丝5穿透顶部纤维3的面向下的侧面，并且在顶部纤维3的面向上的侧面上基本平行于顶部纤维3的平面延伸，然后再次穿过顶部纤维3的面向上的侧面，然后同样穿过底部纤维2。以这种方式，底部纤维2的面向下的侧面以及顶部纤维3的面向上的侧面设置有金属丝5，从而产生用于接触后壳体壁和电极的可靠的导电连接，而不必承担金属(尤其是镍)的过度展开。
图4示出根据替代实施例的用于本发明的织物的侧视图，示出了机械连接装置和电连接装置。在该实施例中，机械连接装置的顶部纤维2和底部纤维3通过涂覆的绒头纱线6彼此连接，这种连接既是机械的又是电气的。顶部纤维2和底部纤维3的机械连接在此是通过由弹性聚合物细丝组成的绒头纱线4来实现的，如在上述图1至图3的优选实施例中那样。顶部纤维2和底部纤维3的电连接以及因此相邻的后壳体壁和电极的电连接经由绒头纱线4的导电涂层7实现，如通过涂覆的绒头纱线6的横截面图所示。涂覆的绒头纱线6在此可以通过在编织过程之前或之后由导电层(优选金属)涂覆绒头纱线4来生产。
图5中示出了本发明的用于生产本发明的零间隙电解池的方法的图示(从顶部到底部)。在第一步骤中，将织物1的至少一个层放置到阳极或阴极槽8、9中——在此为阴极槽8，其也称为后壳体壁。随后，在将离子交换膜12放置到该电极上之前，将阳极或阴极电极10、11——在此为阴极电极10——设置在织物1的至少一个层上。最后，为了完成零间隙电解池13，将连接到阴极或阳极槽8、9——在此为阳极槽9——的阴极或阳极电极10、11——在此为阳极电极11——设置在离子交换膜12上。
附图标记表
1 织物
2 底部纤维
3 顶部纤维
4 绒头纱线
5 金属丝
6 涂覆绒头纱线
7 导电涂层
8 阴极槽
9 阳极槽
10 阴极电极
11 阳极电极
12 离子交换膜
13 零间隙电解池
F 力
Claims (9)
1.一种将织物用作零间隙电解池(13)的壳体或支撑结构与电极或电极的子结构之间的间隔件的用途，其中，所述织物(1)包括由弹性聚合物材料组成的机械连接装置，并且包括不同于所述机械连接装置的电连接装置，其特征在于，所述机械连接装置具有由细丝制成的顶部纤维和底部纤维(2、3)，并且具有连接所述顶部纤维和所述底部纤维(2、3)的绒头纱线(4)；
所述电连接装置包括穿过所述顶部纤维和所述底部纤维(2、3)的金属丝(5)，或者所述电连接装置配置为所述绒头纱线(4)的导电涂层(7)。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述金属丝(5)具有0.05-0.3mm的直径。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的用途，其特征在于，所述金属丝(5)或所述绒头纱线(4)的所述导电涂层(7)分别由镍或镍合金制造。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的用途，其特征在于，所述机械连接装置的细丝具有0.1-0.5mm的直径。
5.一种零间隙电解池，其包括阳极电极(11)、阴极电极(10)、设置在阳极电极与阴极电极(10，11)之间的离子交换膜(12)以及由阳极槽和阴极槽(8、9)形成的壳体，其中，在所述电极(10、11)中的至少一者与所述槽(8、9)中的一者之间设置有织物(1)的至少一个层，所述织物(1)的至少一个层接触相应的电极(10、11)以及相应的槽(8、9)，并且所述织物(1)的至少一个层包括由弹性聚合物材料组成的机械连接装置，并且包括不同于所述机械连接装置的电连接装置，其特征在于，所述机械连接装置具有由细丝制成的顶部纤维和底部纤维(2、3)，并且具有连接所述顶部纤维和所述底部纤维(2、3)的绒头纱线(4)；
所述电连接装置包括穿过所述顶部纤维和所述底部纤维(2、3)的金属丝(5)，或者所述电连接装置配置为所述绒头纱线(4)的导电涂层(7)。
6.根据权利要求5所述的零间隙电解池，其特征在于，所述织物(1)的至少一个层接触所述阴极电极(10)和所述阴极槽(8)。
7.一种用于生产根据权利要求5和6中任一项所述的零间隙电解池的方法，其特征在于，将织物(1)的至少一个层放置到所述阳极槽或所述阴极槽(8、9)中，阳极电极或阴极电极(10、11)设置在所述织物(1)的至少一个层上，将离子交换膜(12)放置在所述电极上，并且将分别连接到阴极槽或阳极槽(8、9)的阴极电极或阳极电极(10、11)设置在所述离子交换膜(12)上。
8.根据权利要求7所述的用于生产零间隙电解池的方法，其特征在于，当引入在电极与槽之间时，所述织物(1)受到压缩，使得所述织物以由所述机械连接装置的弹性导致的接触压力抵靠所述电极和所述槽。
9.根据权利要求8所述的用于生产零间隙电解池的方法，其特征在于，所选择的接触压力在100-150毫巴的范围内。
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