DE102021103185A1

DE102021103185A1 - Verfahren zur Abdichtung einer Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE102021103185A1
Application number: DE102021103185.0A
Authority: DE
Inventors: Wiebke Lüke
Original assignee: WEW GmbH
Current assignee: WEW GmbH
Priority date: 2021-02-11
Filing date: 2021-02-11
Publication date: 2022-08-11
Also published as: CA3206468A1; AU2022220640A1; CN116710598A; WO2022171411A1; US20240117508A1; EP4291696A1; AU2024205497A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen bei dem man in die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen der Vorrichtung einen elektrisch isolierenden Kunststoff einbringt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Elektrolysetechnik und betrifft ein Verfahren zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen, entsprechende Elektrolysezellen sowie die Verwendung von bestimmten Kunststoffen zur Abdichtung.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Eine Wirtschaft ohne Treibhausgase innerhalb der nächsten 30 Jahre - das ist das erklärte 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.
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 massebezogen eine dreimal so hohe Energiedichte wie Benzin.
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 Einsatzmöglichkeiten für Wasserstoff sind vielfältig. Für die Industrie werden derzeit wasserstoffbetriebene Gasturbinen erforscht. In Brennstoffzellen ist er für Automobile oder Busse nutzbar. Mit Wasserstoff kann nicht nur emissionsfrei gefahren werden, sondern, im Gegensatz zu elektrisch betriebenen Fahrzeugen, auch lange Strecken zurücklegen und Fahrzeuge schnell betanken.
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, sogenannten Elektrolyseuren durchgeführt, wie sie auch aus der Chlor-Alkali-Elektrolyse bekannt sind.
RELEVANTER STAND DER TECHNIK
Schon aus der US 5,599,430 B (DOW) ist eine Elektrolysezelle bekannt, die ein Gehäuse umfasst, das mindestens ein Paar Elektroden, nämlich eine Kathode und eine Anode, einen Stromkollektor und eine Membran enthält. Ferner ist eine elektrisch leitfähige, hydraulisch durchlässige elastische Matratze enthalten, die im Wesentlichen koplanar zum Stromkollektor angeordnet ist und ihn auf einer Seite berührt und ebenfalls koplanar mit einer Elektrode verläuft und sie auf der anderen Seite berührt.
EP 1451389 B1 (UHDENORA) beschreibt einen Stromkollektor für elektrochemische Zellen, bestehend aus einem „Sandwich“ aus kompressiblen und elastischen Lagen von Metalldrähten, der in einem weiten Kompressionsbereich eine vorgegebene mechanische Belastung vermittelt.
Gegenstand der EP 1766104 B1 (UHDENORA) betrifft eine konventionelle Elektrolysezelle mit einem Dichtsystem bestehend aus Einzelelementen, die jeweils zwei Elektroden enthalten, die durch Membranen voneinander getrennt sind und wobei der Anteil der inaktiven 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.
Gemäß der EP 1882758 A1 (TOAGOSEI) wird der elastische Druck in einer Elektrolysezelle mit Hilfe von Spulen oder gewebten Nickelmatten oder widerstandsfähigen Nickellegierungen 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 hydrostatischen Druck auf der Anodenseite zumindest ähnlich ist.
In der EP 2356266 B1 (UHDENORA) wird eine mit einem Separator versehene Elektrolysezelle, beschrieben, die über eine ebene, flexible Kathode verfügt, welche durch ein von einem Stromverteiler gepresstes, elastisches, leitfähiges Element in Kontakt mit dem Separator gehalten wird. Ferner enthält die Zelle eine Anode, die aus einem den Separator tragenden, gestanzten Blech oder Gitter besteht Die Zelle kann in einer modularen Anordnung verwendet werden, um einen Elektrolyseur zu bilden, dessen Endzellen 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 Kathodenstromverteilers und der anodischen Struktur und die Elastizität des leitenden Elements zusammenwirken, um einen gleichmäßigen Kathoden-zu-Separator-Kontakt mit einer homogenen Druckverteilung aufrechtzuerhalten, während gleichzeitig eine geeignete mechanische Belastung der Kontaktstreifen sichergestellt wird. Durch die Verwendung des Elastikelementes wird also eine Beabstandung der Elektroden vermieden.
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 bedeckt.
In der EP 2746429 A1 (UHDENORA) wird eine Elektrolysezelle vorgeschlagen, die einen Anodenraum mit einer Anode und einen Kathodengasraum mit einer Gasdiffusionskathode enthält, wobei beide Elektroden durch eine Ionenaustauschermembran 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 Abstand zwischen dem Element und der Rückwand in Richtung der Schwerkraft zunimmt.
In der EP 2872675 B1 (UHDENORA) wird ein Isolierrahmen für Elektrolysezellen vorgeschlagen, der eine geometrische Form mit Ecken aufweist, wobei der Rahmen flach ausgebildet ist und eine Anoden- und eine Kathodenseite sowie eine äußere und eine innere Stirnfläche aufweist. Der Isolierrahmen weist einen unmittelbar an die innere Stirnfläche anschließenden Randbereich auf, welcher im Bereich der Ecken Aussparungen in Form von Ausschnitten aufweist.
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 Ausführungsform der Elektrolysezelle bringt jedoch ein Problem mit sich: Eigentlich verlangt die Physik, dass der hydrostatische Druck im Anodenraum in Richtung der Schwerkraft nicht konstant 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 LÖSENDE AUFGABE
Eine Elektrolysezelle besteht schematisch aus einem Anoden- sowie einem Kathodenraum (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 getrennt und zum anderen jeweils mit Hilfe eines elastischen oder auch steifen Abstandshalters (X1, X2) in den entsprechenden Gehäuseteilen („Halbzellen“) fixiert, wie dies schematisch entnommen werden kann. In der Abbildung ist zudem die Dichtung (D) zu erkennen, die die beiden Elektrodenräume im Perimeter trennt und nach außen abdichtet.
Anoden- und Kathodenraum müssen voneinander elektrisch isoliert werden, damit es nicht zu einem Kurzschluss kommt. Für eine optimale Leistungsfähigkeit ist es ferner erforderlich, dass die Elektroden über ihre gesamte Fläche plan - d.h. spaltfrei - auf der Separatormembran 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 chemische beständig als auch druckfest sein muss.
Wie oben erläutert, werden zu diesem Zweck im Dichtungsbereich nach außen, aber auch zwischen den Halbschalen, die die Elektrodenräume bilden, konstruktiv sehr aufwendige Lösungen vorgeschlagen. So werden beispielsweise bei den Einzelelementen im Perimeter eine Dichtung sowie ein isolierender Körper eingesetzt. Diese werden durch eine äußere Kraft verpresst, wodurch es zu einem Kraftschluss kommt. Alternativ wird die Dichtigkeit und Isolation durch Elastomere erreicht, die man unter Kraft zusammendrückt. Die Kraft wird durch einen einer Filterpresse ähnlichen Aufbau eingeleitet und sowohl auf die Dichtung als auch auf die inneren Einbauten aufgeteilt, falls diese im Inneren elastische Abstandshalter aufweisen. Zu dem technischen Aufwand gesellt sich hier dann noch der Nachteil, dass auf das Elastomer ungleiche Kräfte wirken und der Innendruck der Zelle die auf die Elastomeren Dichtungen wirkende Kraft reduziert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat daher darin bestanden, ein alternatives Verfahren zur Abdichtung von Elektrolysezellen zur Verfügung zu stellen, das mit einem geringeren technischen Aufwand verbunden ist, einen Kraftschluss vermeidet und zudem das folgende Anforderungsprofil vollständig erfüllt:

• Zuverlässige Isolation und Abdichtung von Anode und Kathode bzw. Anoden- und Kathodenraum durch Stoffschluss;
• Druckfestigkeit;
• Hohe mechanische Stabilität;
• Hohe chemische Stabilität; und
• Thermische Zyklenstabilität.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer ersten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten:

(a) Bereitstellen einer Elektrolysezelle enthaltend oder bestehend aus:
- (a1) zwei metallischen Halbzellen, die den Anoden- und den Kathodenraum bilden,
- (a2) jeweils einer darin angeordneten Anode und einer Kathode,
- (a3) einer Separatormembran, die die beiden Elektroden voneinander trennt sowie
- (a4) gegebenenfalls Abstandshaltern, die die beiden Elektroden in ihren jeweiligen Elektrodenräumen positionieren,
- (a5) wobei die beiden Halbzellen über ihr Perimeter durch einen Spalt getrennt sind, und
(b) Einbringen eines elektrisch isolierenden Kunststoffes in die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich auf diese Weise das eingangs geschilderte Anforderungsprofil vollständig erfüllen lässt. Das Einbringen der Kunststoffmasse ist wesentlich einfacher und schneller als die bisher bekannten Maßnahmen aus dem Stand der Technik, wobei insbesondere auf eine äußere Krafteinwirkung verzichtet werden kann. Konkret wird ein Stoffschluss zwischen dem isolierenden Kunststoff als Dichtungsmasse und den metallischen Halbzellen erzeugt. Statt eines reinen Kraftschlusses wird so eine wesentlich beständigere Verbindung erzielt. Die Dichtung erweist sich als druckfest, thermisch und chemisch beständig, mechanisch stabil und stellt eine einwandfreie elektrische Isolierung auch über lange Laufzeiten bzw. Zyklen der Zelle sicher. Zudem ist die erfindungsgemäße Alternative wesentlich kostengünstiger.
Abdichten der Elektrolysezelle
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.
Die Halbzellen bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, Nickel oder Titan sowie entsprechenden Legierungen, die auch weitere Fremdmetalle wie beispielsweise Vanadium enthalten können.
Das Einbringen der Kunststoffmasse kann nach den üblichen Methoden der Kunstverarbeitung erfolgen, also beispielsweise durch thermisches Direktfügen, Kleben, Hotmelt oder Kaschieren. Das thermische Fügen ist wegen seiner technischen Anspruchslosigkeit besonders bevorzugt. Es funktioniert ganz ähnlich dem Spritzgussverfahren: der Kunststoff wird verflüssigt und in die Dichtfläche 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 Polyphenylsulfide (PPS) wegen ihrer hohen chemischen Beständigkeit bevorzugt sind.
Zu- und Ablaufanschlüsse
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in die Fügestellen zwischen den beiden Halbzellen Zu- und Ablaufanschlüsse eingebracht. Dabei kommen insbesondere solche Anschlüsse in Betracht, die aus der Nahrungsmittelindustrie bekannt sind, wie die Einschweißausgießer aus spritzgussfähigem Kunststoff wie sie in wiedergegeben 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 vertikale 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 zugehörigen Seitenwänden innenseitig eine Mehrzahl von Versteifungsstegen angeordnet sind.
In der Regel weisen die genannten Abläufe bzw. Ausgießer eine auch „Schiffchen“ genannte Basis auf, deren Seitenwände äußere Seitenflächen aufweisen, die in ihren Endbereichen ineinander übergehen. Die Seitenflächen werden mit und zwischen den beiden Folienwänden 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 solcher 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 versehen sein. Darüber hinaus kann der Hals Führungsstege aufweisen, die für eine Führung in einer Abfüll- oder Siegelanlage verwendet werden können.
Das Verbinden der Anschlüsse bzw. Ausgießer mit der Dichtung erfolgt, nach der Lehre von EP 2644530 A1 in der Regel durch Ultraschall-Schweißen. In dieser Erfindung werden Einschweißausgießer vorzugsweise direkt in den Fügeprozess eingebracht.
Elektrolysezelle
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtet worden ist. Konkret beansprucht wird eine Elektrolysezelle umfassend oder bestehend aus

(i) zwei metallischen Halbzellen, die den Anoden- und den Kathodenraum bilden,
(ii) jeweils einer darin angeordneten Anode und einer Kathode,
(iii) einer Separatormembran, die die beiden Elektroden voneinander trennt sowie
(iv) gegebenenfalls Abstandshaltern, die die beiden Elektroden in ihren jeweiligen Elektrodenräumen positionieren,
(v) wobei die beiden Halbzellen über ihr Perimeter durch einen Spalt getrennt sind, und
(vi) die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen durch einen elektrisch isolierenden Kunststoff adhäsiv mittels Stoffschluss verbunden ist.

Vorzugsweise sind Anode und Kathode in der Zelle wie in schematisch 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. Bei den Abstandshaltern kann es sich um Spulen, Ringe, Schäume, Matratzen oder starre Strukturen handeln, wie sie eingangs in der Würdigung des Stands der Technik abgehandelt sind. Sie 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 werden. Die einzelnen Elektrolysezellen können zu Gruppen zusammengeschlossen werden („Elektrolyseure“) und beispielsweise in der Chlor-Alkali-Elektrolyse eingesetzt werden, der bevorzugte Einsatzzweck ist jedoch die Herstellung von Wasserstoff durch die Wasserelektrolyse.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung von elektrisch isolierenden Kunststoffen, vorzugsweise von Thermoplasten und insbesondere Perfluoralkoxy-Polymere (PFA) oder Polyphenylsulfide (PPS) zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen, wobei Abdichtung beispielsweise durch thermisches Direktfügen, Kleben, Hotmelt oder Kaschieren erfolgen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5599430 [0006]
EP 1451389 B1 [0007]
EP 1766104 B1 [0008]
EP 1882758 A1 [0009]
EP 2356266 B1 [0010]
EP 2734658 B1 [0011]
EP 2746429 A1 [0012]
EP 2872675 B1 [0013]
JP 2003041388 A1 [0014]
EP 2644530 A1 [0024, 0026]

Claims

Verfahren zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer Elektrolysezelle enthaltend oder bestehend aus: (a1) zwei metallischen Halbzellen, die den Anoden- und den Kathodenraum bilden, (a2) jeweils einer darin angeordneten Anode und einer Kathode, (a3) einer Separatormembran, die die beiden Elektroden voneinander trennt sowie (a4) gegebenenfalls Abstandshaltern, die die beiden Elektroden in ihren jeweiligen Elektrodenräumen positionieren, (a5) wobei die beiden Halbzellen über ihr Perimeter durch einen Spalt getrennt sind, und (b) Einbringen eines elektrisch isolierenden Kunststoffes in die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichten adhäsiv durch thermisches Direktfügen, Kleben, Hotmelt oder Kaschieren erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man Halbzellen einsetzt, die aus rostfreiem Stahl, Nickel oder Titan sowie entsprechenden Legierungen bestehen, die auch weitere Fremdmetalle wie beispielsweise Vanadium enthalten können.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man elektrisch isolierende Kunststoffe aus der Gruppe der Thermoplaste einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man Thermoplaste einsetzt, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Perfluoralkoxy-Polymere (PFA) und der Polyphenylsulfide (PPS).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung auch die Enden der Separatormembran einschließt und diese in der Zelle fixiert.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fügestelle zwischen den beiden Halbzellen Zu- und Ablaufanschlüsse eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man als Zu- und Abschlussanschlüsse Einschweißausgießer einsetzt.
Elektrolysezelle umfassend oder bestehend aus (i) zwei metallischen Halbzellen, die den Anoden- und den Kathodenraum bilden, (ii) jeweils einer darin angeordneten Anode und einer Kathode, (iii) einer Separatormembran, die die beiden Elektroden voneinander trennt sowie (iv) gegebenenfalls Abstandshaltern, die die beiden Elektroden in ihren jeweiligen Elektrodenräumen positionieren, (v) wobei die beiden Halbzellen über ihr Perimeter durch einen Spalt getrennt sind, und (vi) die Dichtfläche zwischen den beiden Halbzellen durch einen elektrisch isolierenden Kunststoff adhäsiv verbunden ist.
Verwendung von elektrisch isolierenden Kunststoffen zur Abdichtung und elektrischen Isolierung von Elektrolysezellen.