将膜固定到用于电解槽的盒的制作方法

背景技术：

1、电转x(power-to-x)涉及电力转换、能量储存和使用剩余电功率的再转换路径，典型地是在波动的可再生能源发电超过负载的时段期间。

2、电解槽是利用电力驱动电化学反应例如将水分解成氢气和氧气的装置。电解槽的构造与电池或燃料电池非常相似；它由阳极、阴极和电解质组成。

3、电解槽产生的氢气非常适合用于氢燃料电池。电解槽中发生的反应与燃料电池中的反应非常相似，只是阳极和阴极中发生的反应相反。在燃料电池中，阳极是消耗氢气的地方，而在电解槽中，氢气是在阴极处产生的。当电解反应所需的电能来自可再生能源(比如风能或太阳能系统)时，可以形成非常可持续的系统。

4、直流电解(效率最多80％至85％)可以用于产生氢气，该氢气又可以经由甲烷化转化为甲烷(ch4)，或将氢气与co2一起转化为甲醇，或转化为其他物质。

5、以这种方式(例如通过风力涡轮机)产生的能量(比如氢气)然后可以被储存以供以后使用。

6、电解槽可以以多种不同的方式配置，并且通常分为两种主要设计：单极和双极。单极设计典型地使用液体电解质(碱性液体)，双极设计使用固体聚合物电解质(质子交换膜)。

7、碱性水电解有两个电极在氢氧化钾(koh)或氢氧化钠(naoh)的液体碱性电解质溶液中操作。这些电极由隔膜分开，从而将产物气体氧气o2和氢气h2分开，并将氢氧根离子(oh-)从一个电极输送到另一个电极。

8、其他燃料和燃料电池包括磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、以及所有它们的子类别。此类燃料电池也适合用作电解槽。

9、如果设备中工作的流体溶液是在给定温度内以优化效率，则这是优点。如果设备可以紧凑且可扩展，则这也是优点。

技术实现思路

1、本发明的实施例的目的是提供一种用于电解槽的膜组件，该电解槽易于生产、高效且可扩展。

2、根据第一方面，本发明提供了一种用于电解槽盒的膜组件，该膜组件包括：

3、-膜，以及

4、-垫片装置，该垫片装置包括第一垫片部分和第二垫片部分，

5、其中，膜布置在第一垫片部分与第二垫片部分之间，并且其中，垫片装置包括用于将第一垫片部分、膜和第二垫片部分相对于彼此固定的锁定装置。

6、因此，根据第一方面，本发明提供了一种膜组件，即，至少包括连接到一个或多个其他部分的膜的单元。相应地，膜组件包括膜和垫片装置。垫片装置包括第一垫片部分和第二垫片部分。因此，根据本发明的第一方面的膜组件包括至少三个部分，即膜、第一垫片部分和第二垫片部分。

7、膜组件用于电解槽盒，即，膜组件被配置成定位在电解槽盒中并形成电解槽盒的一部分，并且电解槽盒被配置成与多个其他电解槽盒叠置以形成电解槽。在电解槽中，阳极电解质板可以布置成邻近于阴极电解质板，并且膜将布置在阳极电解质板与阴极电解质板之间。这允许水力离子(hydronic ion，h-)从阴极电解质板经由膜输送到阳极电解质板，同时保持电解产生的产物气体(例如分别是o2和h2)分开。根据本发明的第一方面的膜组件可以为电解槽提供此类膜。

8、在根据本发明的第一方面的膜组件中，膜布置在第一垫片部分与第二垫片部分之间。相应地，垫片部分布置在膜的两侧，即膜被“夹持”在两个垫片部分之间。这允许膜组件在膜的两侧以密封或流体密封的方式朝向电解槽盒或电解槽的其他部分连接。这样的其他部分可以例如是例如分别呈阳极电解质板和阴极电解质板形式的电解质板。

9、此外，垫片装置包括用于将第一垫片部分、膜和第二垫片部分相对于彼此固定的锁定装置。因此，锁定装置确保膜保持在第一垫片部分与第二垫片部分之间的适当位置，并且第一垫片部分和第二垫片部分相对于彼此不可移动。这允许膜组件——即膜以及与其连接的第一垫片部分和第二垫片部分——作为单元被操纵。例如，当组装电解槽盒或电解槽时，不是将膜和可能的垫片作为单独的部分定位在电解槽盒或电解槽中，而是可以将整个膜组件定位在电解槽盒或电解槽中。这使得组装电解槽盒或电解槽更容易，并且确保了朝向电解槽盒或电解槽的其他部分的适当密封。相应地，所得的电解槽中的泄漏风险被最小化。

10、膜可以设置有至少一个贯穿孔，锁定装置可以包括形成在第一垫片部分上的至少一个锁定孔和形成在第二垫片部分上的至少一个突出锁定部分，并且第二垫片部分的每个突出锁定部分可以延伸穿过膜的贯穿孔并进入第一垫片部分的锁定孔，从而将第一垫片部分、膜和第二垫片部分相对于彼此固定。

11、根据该实施例，膜和两个垫片部分相对于彼此的固定由至少一个装置提供，其中每个装置包括形成在垫片部分之一(即第一垫片部分)上的锁定孔、形成在膜中的贯穿孔、以及形成在另一个垫片部分(即第二垫片部分)上的突出锁定部分。当第一垫片部分、膜和第二垫片部分被组装以形成膜组件时，给定装置的锁定孔、贯穿孔和突出锁定部分对齐，以允许第二垫片部分的突出锁定部分延伸穿过膜的贯穿孔并进入第一垫片部分的锁定孔。由此，突出锁定部分防止膜以及第一垫片部分相对于第二垫片部分斜向旁边移动。提供两个或更多个这样的装置将进一步防止膜和第一垫片部分相对于第二垫片部分旋转，从而提供第一垫片部分、膜和第二垫片部分相对于彼此的完全固定。

12、通过使形成在第二垫片部分上的明确位置处的突出锁定部分穿过形成在膜的明确位置处的贯穿孔并进入形成在第一垫片部分上的明确位置处的锁定孔来将第一垫片部分、膜和第二垫片部分彼此连接是将第一垫片部分、膜和第二垫片部分相对于彼此在明确的相对位置处固定的非常容易的方式。

13、锁定装置可以进一步包括形成在第二垫片部分上的至少一个锁定孔和形成在第一垫片部分上的至少一个突出锁定部分，并且第一垫片部分的每个突出锁定部分可以延伸穿过膜的贯穿孔并进入第二垫片部分的锁定孔。

14、这与上述实施例类似，并且在这方面阐述的评论同样适用于此。然而，根据该实施例，突出锁定部分以及锁定孔是形成在第一垫片部分上以及第二垫片部分上。这提供了第一垫片部分、膜和第二垫片部分之间更牢固的连接。

15、值得注意的是，作为替代方案，可以在第一垫片部分上形成至少一个突出锁定部分，并且可以在第二垫片部分上形成至少一个锁定孔，而在第二垫片部分上不形成突出锁定部分，且在第一垫片部分上不形成锁定孔。

16、该至少一个突出锁定部分可以包括直径比膜的对应贯穿孔的直径大的外部部分。根据该实施例，当突出锁定部分穿过膜的贯穿孔并进入另一垫片部分的锁定孔时，由于突出锁定部分的外部部分的较大直径，需要施加力来使外部部分穿过膜的贯穿孔。这确保需要施加对应的力来使突出锁定部分的外部部分进行相反移动，即，使突出锁定部分移动成与锁定孔和膜的贯穿孔脱接合。相应地，一旦第一垫片部分、膜和第二垫片部分之间的固定连接被形成，该固定连接就不会被意外破坏，从而确保了膜和垫片部分彼此牢固地固定。

17、然而，仍然可以通过施加相关的力以使突出锁定部分沿相反方向移动穿过膜的贯穿孔来将膜组件断开连接。相应地，上述锁定装置可以被视为“卡扣配合”或“卡扣锁”。

18、第一垫片部分可以由第一材料制成，并且第二垫片部分可以由第二材料制成，并且第二材料可以不同于第一材料。例如，第一垫片部分可以是乙烯-丙烯-二烯单体(epdm)垫片，第二垫片部分可以是氟橡胶(viton)垫片，或者反过来。

19、第一材料和第二材料可以分别被选择为使得它们各自适合于膜的相应侧和对应的垫片部分预期将暴露于的环境。例如，膜的一侧可能预期将暴露于恶劣的环境，并且因此布置在膜的这一侧的垫片部分可以由能够承受恶劣环境的材料制成。另一方面，膜的另一侧可能不预期将暴露于这样的恶劣环境，并且因此可以为布置在膜的这一侧的垫片部分选择可能无法承受恶劣环境的稍微便宜的材料。

20、锁定装置可以包括沿着膜的圆周分布的多个锁定部分。根据该实施例，第一垫片部分、膜和第二垫片部分在沿着膜的圆周的多个位置处相对于彼此固定。这为膜组件的三个部分提供了稳定且牢固的相对固定。锁定部分可以例如是包括上述的突出锁定部分、锁定孔和膜贯穿孔的类型。

21、第一垫片部分和第二垫片部分可以沿着膜的圆周布置。根据该实施例，仅沿着膜的圆周提供朝向电解槽的邻近或相邻部分的密封，而膜的中心部分是暴露的，就其没有被垫片部分覆盖的意义上而言。当膜组件适当地定位在电解槽中时，这将允许膜执行其预期功能。

22、膜可以形成为多孔箔。这允许产物气体扩散和氢氧根离子(oh)输送穿过膜。

23、膜可以由电绝缘材料或非导电材料制成。根据该实施例，避免了电解槽的邻近于膜所布置的部分之间的电短路，例如布置在膜的两侧(即，被膜分开)的电解质板之间的电短路。

24、根据第二方面，本发明提供了一种用于电解槽的电解槽盒，该电解槽盒包括至少一个电解质板和至少一个根据本发明的第一方面的膜组件，其中该至少一个电解质板布置成邻近于该至少一个膜组件，使得第一垫片部分或第二垫片部分布置在膜与电解质板之间。

25、因此，根据第二方面，本发明提供了一种包括至少一个电解质板和至少一个根据本发明的第一方面的膜组件(即，上述类型的膜组件)的电解槽盒。因此，上面参考本发明的第一方面阐述的评论同样适用于此。电解质板可以例如呈阳极电解质板或阴极电解质板的形式。

26、电解质板和膜组件邻近于彼此布置，使得第一垫片部分或第二垫片部分布置在膜与电解质板之间。相应地，第一垫片部分或第二垫片部分布置成与电解质板邻接，并且因此例如通过在组装电解槽盒时将膜组件和电解质板挤压在一起来在膜组件与电解质板之间提供密封连接。此外，膜以及朝向电解质板的密封件可以相对于电解质板准确地定位，因为膜和垫片装置被设置为呈膜组件形式的单一单元。最后，由于预组装的膜组件，可以容易地组装电解质盒。

27、电解槽盒可以进一步包括至少一个冷却板，该至少一个冷却板允许冷却在沿着电解质板的电解质路径中流动的电解质流体。在这种情况下，电解质路径可以形成在该至少一个电解质板与该至少一个冷却板之间。例如，电解槽盒可以包括呈一个阳极电解质板和一个阴极电解质板形式的两个电解质板、以及两个冷却板。在这种情况下，这些板可以布置成使得在这些冷却板之间形成冷却路径，在一个冷却板与阳极电解质板之间形成阳极电解质路径，并且在另一个冷却板与阴极电解质板之间形成阴极电解质路径。这允许在冷却路径中流动的冷却流体向在阳极电解质路径中流动的阳极电解质流体以及在阴极电解质路径中流动的阴极电解质流体提供冷却。相应地，可以由此获得阳极电解质流体以及阴极电解质流体的合适温度。这确保了电解槽能够以高效的方式操作。

28、电解槽盒可以与几个其他电解槽盒叠置以形成电解槽。

29、电解槽盒可以包括至少两个电解质板，并且这至少两个电解质板可以邻近于该至少一个膜组件布置，使得第一垫片部分布置在膜与第一电解质板之间，并且第二垫片部分布置在膜与第二电解质板之间。

30、根据该实施例，膜组件被布置在例如呈阳极电解质板和阴极电解质板形式的两个电解质板之间。这允许水力离子(hydronic ion，h-)从阴极电解质板经由膜输送到阳极电解质板，同时保持电解产生的产物气体(例如分别是o2和h2)分开。

31、第二电解质板可以被视为形成相邻电解槽盒的一部分，其中电解槽盒已与多个其他电解槽盒一起叠置以形成电解槽。在这种情况下，膜组件形成电解槽盒的外边界，并且当相邻的电解槽盒叠置以形成电解槽时，在相邻的电解槽盒之间提供密封。

32、该至少一个电解质板可以包括多孔区域，该多孔区域布置成与该至少一个膜组件的膜接触。多孔区域可以例如由被适配成使气体穿过电解质板的开口形成。根据该实施例，多孔区域允许产物气体和离子扩散穿过电解质板并在膜的整个区域中扩散。

33、该至少一个电解质板可以包括用于电解质流体穿过该电解质板的至少一个电解质流体入口以及用于气体穿过该电解质板的至少一个气体出口，并且多孔区域可以形成在该至少一个电解质流体入口与该至少一个气体出口之间。

34、当电解槽盒形成电解槽的一部分时，电解质流体将典型地经由该至少一个电解质流体入口中的至少一个进入沿着电解质板延伸的电解质流体路径，并且经由该至少一个气体出口中的至少之一离开电解质流体路径。由于多孔区域形成在该至少一个电解质流体入口与该至少一个气体出口之间，因此在电解质流体路径中流动的电解质流体穿过多孔区域。这允许水力离子(hydronic ion，h-)例如从阴极电解质板经由多孔区域和膜输送到阳极电解质板，同时保持电解产生的产物气体(例如分别是o2和h2)分开。

35、该至少一个电解质板可以设置有凹槽，该凹槽被配置成接纳第一垫片部分或第二垫片部分的至少一部分。根据该实施例，第一垫片部分或第二垫片部分可以相对于电解质板被准确定位，并且被牢固地保持在该准确位置。相应地，整个膜组件也可以被准确定位并且被牢固地保持在该准确位置。

36、根据第三方面，本发明提供了一种用于组装用于电解槽盒的膜组件的方法，该方法包括以下步骤：

37、-提供膜和垫片装置，该垫片装置包括第一垫片部分、第二垫片部分和锁定装置，

38、-将第一垫片部分邻近于膜布置在膜的第一侧，

39、-将第二垫片部分邻近于膜布置在膜的与第一侧相反的第二侧，以及

40、-通过锁定装置将第一垫片部分、膜和第二垫片部分相对于彼此固定。

41、应当注意的是，本领域技术人员将容易认识到，结合本发明的第一方面描述的任何特征也可以与本发明的第二方面或第三方面组合，结合本发明的第二方面描述的任何特征也可以与本发明的第一方面或第三方面组合，并且结合本发明的第三方面描述的任何特征也可以与本发明的第一方面或第二方面组合。

42、因此，根据第三方面，本发明提供了一种用于组装用于电解槽盒的膜组件的方法。膜组件可以例如是根据本发明的第一方面的膜组件，和/或电解槽盒可以是根据本发明的第二方面的电解槽盒。

43、根据该方法，首先提供膜和垫片装置。垫片装置包括第一垫片部分、第二垫片部分和锁定装置。这已经在上面参考本发明的第一方面进行了描述。

44、接下来，将第一垫片部分邻近于膜布置在膜的第一侧，并且将第二垫片部分邻近于膜布置在膜的与第一侧相反的第二侧。相应地，膜被布置在第一垫片部分与第二垫片部分之间。

45、最后，通过锁定装置将第一垫片部分、膜和第二垫片部分相对于彼此固定，从而形成膜组件。如上面参考本发明的第一方面所描述的，这确保了垫片部分相对于膜保持准确且适当的定位，并且当组装电解槽盒或电解槽时膜与垫片部分一起可以作为单一单元来操纵。上面参考本发明的第一方面阐述的评论同样适用于此。

46、将第一垫片部分、膜片和第二垫片部分相对于彼此固定的步骤可以包括使形成在第一垫片部分上和/或第二垫片部分上的至少一个突出锁定部分穿过形成在膜中的至少一个贯穿孔并进入形成在第二垫片部分上和/或第一垫片部分上的至少一个锁定孔。这已经在上面参考本发明的第一方面进行了描述。