用于电解池的池框架的制作方法

本发明涉及一种用于产生气态氢气的电解池，所述电解池以沿池轴线布置的方式包括至少一个阴离子交换膜、至少一个第一池框架和至少一个第二池框架。本发明的特征在于电解池的特别简单但对于电解过程有利的设计方案。

背景技术：

1、在ep2898115b1中示出一种用于(尤其是用于碱性水电解的)电解块的池框架，所述池框架具有前侧的导出通道结构和背侧的导出通道结构。池框架由具有密封特性的材料形成并且具有密封凸起部以及在相反的侧上具有对应的密封槽。此外，池框架具有产物气体导出结构，以用于通过产物气体导出贯通开口和导出通道分开地导出两种产物气体，其中，所述产物气体导出贯通开口彼此以预先给定的角度、尤其是以5°至60°之间的角度在周向方向上错开地构造在池框架上。在所使用的池框架的设计方案的简单性方面并且特别是在用于实施电解过程的电解块中使用池框架方面，所述公开内容仅示出有条件地令人满意的技术方案。

2、此外，在ep3696298a1中描述一种用于电解块或燃料电池块的池框架，所述池框架具有设计用于穿过池框架输送介质和导出介质的多个收集通道开口。在此，所公开的池框架包括分配器通道结构，所述分配器通道结构设计用于将介质从相应的输送的收集通道开口输送至对应的邻接于容纳开口的半空间并且用于将介质从所述半空间中导出至对应的导出的收集通道开口。池框架的这种公开的实施方式在实施的简单性方面以及在介质输送和介质导出的效率方面仅有条件地令人满意。

技术实现思路

1、本发明的任务是，克服现有技术的缺点并提供一种能特别简单地制造的电解池，其中，同时，电解的物理过程应尽可能高效地进行。

2、该任务通过一种根据权利要求所述的电解池来解决。

3、根据本发明的用于产生气态氢气的电解池以沿池轴线布置的方式包括至少一个阴离子交换膜、至少一个第一池框架和至少一个第二池框架。优选地，所述池轴线水平地定向。所述池框架分别环绕限定一个内部区域，所述内部区域设置用于容纳电解液和/或膜片电极单元。所述膜片电极单元由阴离子交换膜和至少一个电极和/或扩散层形成。适宜的是，所述膜片电极单元在阴离子交换单元的第一扁平侧上具有第一电极，并且在阴离子交换膜的与第一扁平侧相反的第二扁平侧上具有第二电极，其中，所述电极中的一个电极在电解过程中用作阴极，并且另一个电极用作阳极。借助所述扩散层确保在双极板的扁平侧与最接近双极板布置的电极之间的导电连接，其中，同时，电解液可通过扩散层扩散。

4、所述至少一个第一池框架和所述至少一个第二池框架布置成，使得它们关于其分别撑开的框架平面而言在池轴线的方向上彼此间隔开距离，其中，所述第一池框架间接或直接地以液密和气密的方式贴靠在阴离子交换膜的第一扁平侧上，并且所述第二池框架间接或直接地以液密和气密的方式贴靠在阴离子交换膜的相反的第二扁平侧上。也要注意如下可行性，即沿池轴线在第一池框架和/或第二池框架与阴离子交换膜之间可布置有附加的扁平密封件。

5、此外，所述电解池包括至少一个第一流动通道和至少一个第二流动通道，这些流动通道分别由在第一池框架和第二池框架中和在所述阴离子交换膜中的流体连通的缺口形成并且这些流动通道的主方向平行于或基本上平行于池轴线延伸。在此，所述至少一个第一流动通道和所述至少一个第二流动通道在相对于池轴线的径向方向上间隔开距离并且关于池轴线彼此相对置地定位。

6、所述至少一个第一池框架和所述至少一个第二池框架分别具有至少一个流出通道结构，所述流出通道结构与第一流动通道并且与相应的池框架的内部区域流体连接。此外，所述至少一个第一池框架和所述至少一个第二池框架分别具有至少一个流入通道结构，所述流入通道结构与第二流动通道并且与相应的池框架的内部区域流体连接。

7、所述流入通道结构和/或所述流出通道结构具有彼此成一定角度地延伸的至少两个子通道，所述子通道直接通入到所述至少一个第一流动通道中和/或直接从所述至少一个第二流动通道中出来。所述子通道中的每个子通道与相应的池框架的内部区域流体连接。

8、因此，通过流入通道结构和流出通道结构与子通道连接的布置结构，在电解池的内部区域中建立有利的流动分布，其中，避免产生具有相对于在内部区域中的平均流动速度而言更低的流动速度的区域。由此产生对由池框架环绕限定的内部区域的特别有利的穿流、尤其是尽可能高效的冲洗，并且接着产生对在池框架的内部区域中形成的产物气体或者说气泡的高度排出。通过所述阴离子交换膜、所述至少一个第一池框架和所述至少一个第二池框架的所阐述的布置结构，在阴离子交换膜的每侧构造有由相应的池框架环绕限定的内部区域。因此，在阴离子交换膜的每侧的相应的内部区域构成电解池的半池，所述半池被提供用于实施电解。

9、在电解过程中，在相应的半池内部在阴离子交换膜上产生产物气体。通过电解池的所公开的有利的设计方案和因此产生的在相应的半池内部的有利的流动状态，有利于在相应的半池的边缘区域中的阴离子交换膜的气泡溶解。由此，除了提高阴离子交换膜的使用寿命之外，还改善其效率。另一个有利的效果是流体或电解液的由于流出通道结构和流入通道结构的特定的设计方式而产生的在半池内部的均匀分布和对阴离子交换膜的随之出现的改善的冷却或必要时还有根据电解池的运行状态的改善的加热。

10、根据一个有利的改进方案可行的是，所述第一池框架和/或第二池框架具有内部限定边缘，所述内部限定边缘限定所述内部区域的限定区段，并且所述内部限定边缘关于第一池框架和/或第二池框架的竖直延伸的框架平面而言在上部区域和/或在下部区域中具有上方的笔直子区段和/或下方的笔直子区段。在此，在所述下方的笔直子区段中，所述流入通道结构的至少一个子通道与所述下方的笔直子区段平行地或对齐地延伸，并且此外，在所述上方的笔直子区段中，所述流出通道结构的至少一个子通道与所述上方的笔直子区段平行地或对齐地延伸。

11、可适宜的是，所述流出通道结构的子通道和/或所述流入通道结构的子通道笔直地延伸。

12、在所述改进方案中尤其有利的是，流入到电解池的内部区域中并且从电解池的内部区域中流出的运行介质或者说电解液或由电解液与溶解的气体组成的两相混合物被引导到内部区域的边缘区的区域内。由此产生对阴离子交换膜的在电解过程中活性的表面的理想的充分利用。此外，这实现运行介质在池框架的每个内部区域中或者说在电解池的每个半池中的均匀分布，这进一步实现电解池的高效率。通过这种有利的特征也改善在运行介质与相应的池框架之间的对流的热传递并且接着改善在阴离子交换膜的活性表面与相应的池框架之间的对流的热传递。这种有利的效果实现电解池的提高的运行安全性并且还实现保护使用寿命的运行。此外，由此降低对阴离子交换膜的材料特性和材料厚度或者说沿池轴线的厚度延伸量的要求，这在电解池的制造方面带来特别的经济上的优点。

13、也有利的是以下特征，根据所述特征可规定，所述流出通道结构的至少一个子通道与第一池框架和/或第二池框架的内部区域关于所述竖直延伸的框架平面而言在所述内部限定边缘的最上方的子区段处与所述内部区域流体耦联。

14、通过所述措施，在电解池的相应的半池的内部实现特别有利的流动状态，因为一方面在相应的半池的上部区域中相对于竖直平面没有构造穹顶或者圆顶，在电解池的运行中在所述圆顶中会形成气泡积聚。这种气泡积聚尤其导致在阴离子交换膜上的局部高阻力并且由此导致可能不允许的热负荷等。另一方面，通过所述措施也防止在相应的半池的下部区域中关于竖直平面构造凹槽。这种凹槽会导致具有小的流动速度的区域或者导致流动技术上的死区并且因此导致运行介质的受阻的交换。这种受阻的交换将导致在阴离子交换膜上的在热上不允许的区。在任何情况下，通过电解池的这种有利的设计方式一方面提高在电解池内部的电解过程的效率。另一方面，提高阴离子交换膜的使用寿命并且也提高安全性，因为确保对电解池的相应的半池的理想的穿流。

15、此外可规定，所述至少一个第一池框架和所述至少一个第二池框架在结构上并且在几何结构上构造为一致的并且关于在所述竖直延伸的框架平面中延伸的竖直轴线转向180°地布置。

16、通过这种有利的改进方案尤其产生通用部件原则的经济上的优点。除了生产技术上的优点之外，随后还由于在电解池的组装中的复杂性降低而产生优点。因此，各个板形元件沿池轴线的错误布置的可能性减小。此外，电解池的用于向半池供应运行介质的导流措施完全集成到相应的池框架中。由于池框架的厚度延伸部构成由多个堆叠的电解池组成的电解装置的沿池轴线的长度延伸部的主要部分，因此这产生进一步的经济上的优点，尤其是在这种电解装置的总计的制造成本方面。

17、此外可适宜的是，所述至少一个第一池框架和所述至少一个第二池框架具有相应一个流出通道结构和相应一个流入通道结构，并且相应的池框架的所述相应一个流出通道结构和所述相应一个流入通道结构由在相应的池框架的两个扁平侧中的仅一个扁平侧中的相应的槽状的凹部或压印部形成。

18、在此有利的是，池框架的一个扁平侧不具有用于通道结构的槽状的凹部或压印部，并且沿池轴线连接到所述扁平侧上的板形元件、例如扁平密封件因此具有提高的使用寿命。这由以下情况引起，即在池框架中的每个压印部或每个缺口由于与相应的相邻的板形元件的压力密封的布置结构而对相邻的板形元件产生切口效应。尤其是在电解池以增长的温度负荷和/或压力负荷的运行方式中，在板形元件中会发生相对于彼此的相对滑动位移或者说相对滑动运动，由此，上述切口效应导致在相应的板形元件上的增强的负荷。通过电解池的所给出的扩展方案，这种负荷现在通过减小或避免在池框架的扁平侧上的槽状的凹部或压印部而减小。因此，随后除了产生整个电解池的提高的安全性之外，还在用于与相应的池框架连接的材料的材料方面以及因此在维护周期之间的时间间隔方面产生经济上的优点。

19、此外可规定，所述至少一个第一池框架和所述至少一个第二池框架相对于所述阴离子交换膜布置成，使得最接近所述阴离子交换膜地配设有所述池框架的不带有槽状的凹部或压印部的相应的扁平侧。

20、在这种可行的设计方案中尤其有利的是，在池框架与最接近相应池框架的扁平侧的板形元件、尤其是阴离子交换膜或扁平密封件之间的接触的夹紧面或者说接触面被最大化。因此，在所述至少一个池框架与最接近的板形元件之间沿池轴线的密封是特别可靠的，并且此外，电解池的稳定性由于板形元件彼此的均匀化的且面积最大化的接触而得以提高。因此，与在接触的扁平侧上具有槽状的凹部或压印部的实施方式相比，随后能布置沿池轴线的厚度延伸量更小的在池轴线的方向上最接近的板形元件，因为切口效应由于在相应的池框架的一扁平侧上没有槽状的凹部或压印部而最小化。因此，电解池的效率得以提高，这是因为由于板形元件的构件厚度或者说沿池轴线的厚度延伸量更小而降低欧姆电阻并且减小损耗。

21、此外可适宜的是，所述阴离子交换膜与所述至少一个第一池框架和/或所述至少一个第二池框架的最接近地配设的扁平侧通过粘接、焊接和/或压紧以液密和气密的方式连接。因此，至少一个池框架与阴离子交换膜的连接部在技术上基本上是密封的。

22、除了板形元件的气密连接的效果之外，在此有利的是，一方面降低在电解池组装时的复杂性，并且因此减少由于不正确的组装而引起的可能的故障来源。另一方面，通过所述设计方案，相应地取消在相应一个池框架与阴离子交换膜之间的待密封的接合平面或者说密封平面或附加的扁平密封件，这在总体上改善电解池的密封。此外，阴离子交换膜的由此产生的改善的稳定性是有利的效果，其随后提高电解池的使用寿命。在装配由多个沿池轴线堆叠的电解池组成的电解装置时也减少可能的故障来源，因为已经形成由池框架和阴离子交换膜组成的结构组合件。因此，简化沿池轴线布置的电解池的装配，因为在装配过程中减少单个构件的数量。

23、也有利的是以下特征，根据所述特征可规定，所述第一池框架和/或第二池框架的内部限定边缘局部地具有圆弧形状或椭圆形状，并且在椭圆形状的情况下，其椭圆长轴或其椭圆短轴平行于或基本上平行于所述竖直轴线取向。

24、因此，产生对池框架的内部区域(或者说电解池的半池)的边缘区域的定向冲洗。因此，与流入通道结构和流出通道结构在相应的池框架上的所公开的定位相结合，在相应的池框架的内部区域中或者说在电解池的半池中引起s形的流动走向或流动涡流。因此，在相应的半池内的流的流动走向设计成，使得有利于阴离子交换膜的气泡溶解。这又对阴离子交换膜的使用寿命以及对其使用寿命和效率产生积极的影响。同时，通过内部区域的产生的圆的或者说倒圆的基本形状，抑制可能的具有低流动速度的流动区域的构成。

25、尤其可适宜的是，电解池的所述至少一个第一流动通道和/或所述至少一个第二流动通道的横截面实施为沿所述池轴线逐渐变细或逐渐增大。

26、通过这种设计方案产生根据需要在电解池的流动通道中或在沿池轴线布置的多个电解池的流动通道中加速的或减速的流动的有利效果。根据借助流动通道给电解池供应运行介质的情况，并且根据电解池的争取达到的优化的运行模式，通过这种措施积极地影响从流入通道结构流动到相应的池框架的内部区域中(即流动到相应的半池中)的流动状态。此外，这种措施在第一流动通道的区域中对运行介质、尤其是由运行介质和在流出通道结构中溶解的气体组成的两相流的流动状态具有有利的反作用。在此，技术上的优点又是气泡从阴离子交换膜中有效的导出。

27、此外可规定，所述至少一个第一流动通道实施为在第一流动通道方向上沿所述池轴线逐渐增大，并且所述至少一个第二流动通道实施为在与所述第一流动通道方向相反的第二流动通道方向上逐渐变细。

28、当多个电解池沿池轴线以例如至少一个双极板和可能的扁平密封件间隔开距离地彼此排成一排或者说堆叠时，这种措施特别有利地影响在相应的池框架的内部区域中的流动状态。由于经由所述至少一个第二流动通道被输送给池框架的内部区域或者说相应输送给半池的运行介质的体积流量在所述至少一个流动通道中在其长度延伸部上沿第二流动通道方向减小，所以通过沿第二流动通道方向逐渐变细而将介质的流动速度保持在限定的范围内，并且因此确保对彼此排成一排的或者说沿池轴线堆叠的电解池的相应的内部区域的理想的供应。

29、以相同的方式，通过沿第一流动通道方向增大地实施的至少一个第一流动通道确保将介质从彼此排成一排的电解池的相应的内部区域中持续地导出。附加于所述效果，沿第一流动通道方向增大地实施的至少一个第一流动通道对在要从电解池的相应的半池的内部区域中导出的两相混合物内部的气泡运输产生积极的影响。因此，所给出的实施方式以直接的方式影响电解池的提高的总效率。同时，通过持续保持对每个电解池的供应，使用寿命和安全性等又得以改善，因为运行介质的按照规定输送和导出的体积流量在相应的电解池中确保阴离子交换膜的充分冷却或者必要时所设置的加热和强烈的气泡溶解。

30、尤其可有利的是，所述流出通道结构和/或所述流入通道结构的至少一个子通道的流动横截面从相应的流动通道出发在朝向所述内部区域的方向上具有扩张部，所述扩张部尤其是实施为呈喇叭形地延伸的。

31、所述改进方案是特别有利的，因为当从内部区域流入到流出通道结构的相应的子通道中时引起加速的流动，由此有利于在由流体或者说运行介质和产物气体组成的两相混合物中的产物气体的溶解的气泡从电解池的相应的半池中被一起引导出来，或者说从电解池的相应的池框架的内部区域中被一起引导出来。

32、此外可适宜的是，所述流出通道结构的所述至少两个子通道和/或所述流入通道结构的所述至少两个子通道彼此成在27.5°至135°之间的范围内的角度、尤其是成90°的角度地延伸，并且在所述流出通道结构的所述至少两个子通道之间布置有至少一个第三子通道和/或在所述流入通道结构的所述至少两个子通道之间布置有至少一个第三子通道。

33、因此，随后可行的是，池框架在其沿池轴线的厚度延伸量方面、也就是说在池框架的厚度方面实施成比在每个流入通道结构和/或流出通道结构分别具有两个子通道的实施方式中更小，因为此外所阐述的改进方案的各个子通道的相加的通道横截面与每个流入通道结构和/或流出通道结构具有两个子通道的实施方案在很大程度上相同地或在尺寸方面类似地实现。随后由池框架的减小的厚度除了引起电解池的减小的轴向延伸量之外还引起池框架在热负荷的情况下的热膨胀更小的显著优点并且因此引起电解池的改进的密封和提高的安全性。附加地，通过所描述的有利的扩展方案提高由多个电解池组成的电解装置的沿池轴线的每单位长度的功率密度。

34、根据一个改进方案可行的是，沿所述至少一个第一池框架和/或所述至少一个第二池框架的内部限定边缘相对于相应的池框架的底面构造有包围所述流出通道结构和/或所述流入通道结构且环绕封闭的至少一个突起，所述至少一个突起设置为密封元件。特别是有利的是，所述至少一个突起或者说所述密封元件与相应的池框架一体地连接，即实施为相应的池框架的整体组成部分。

35、由于密封元件因此尽可能靠近相应的池框架的内部区域并且以包围流入通道结构和流出通道结构的方式定位，所以得到在池框架与连接到池框架的扁平侧上的另一个板形元件、例如扁平密封件或双极板之间的区域中的密封特别有效的优点。因此，能有效地阻止产物气体从池框架的内部区域中或者说从相应的半池中扩散出来。

36、此外，可有利的是，所述至少一个环绕封闭的突起至少构造在所述至少一个第一池框架和/或所述至少一个第二池框架的扁平侧上，并且具有在相应所述至少一个扁平侧处沿所述池轴线最接近地布置的板形的扁平密封件的在池轴线的方向上的厚度延伸量的基本上1％至20％、优选大约10％的高度。

37、在此有利的是，沿池轴线最接近的扁平密封件有针对性地塑性变形，以便提高或者特别有效地确保在池框架与所述板形元件之间的密封作用。此外，例如扁平密封件相对于贴靠的池框架的由运行决定的滑动通过所述环绕封闭的突起被有效地阻挡或者显著减小。

38、尤其可有利的是，所述至少一个第一池框架和/或所述至少一个第二池框架在仅一个扁平侧上或在两个彼此相反的扁平侧上具有分开的和/或连续的表面区段，所述表面区段具有比表面的其余部分更高的表面粗糙度。

39、在此，得到有利的效果，即在这些表面区域上降低最接近的板形元件的由运行决定的、例如由热负荷引起的滑动，或者说相对于没有具有提高的表面粗糙度的区的实施方案而言降低或阻挡这种滑动。此外，在沿池轴线彼此布置或者说装配池框架和阴离子交换膜时，减少单个部件的滑移并且因此避免故障来源。

40、根据一个改进方案可行的是，在所述子通道之间的子通道中间区域具有比所述至少一个第一池框架和/或所述至少一个第二池框架的在具有槽状的凹部的扁平侧上的表面的其余部分更高的表面粗糙度。

41、通过这种有利的设计方案，如所描述的那样，阻挡沿池轴线最接近池框架的板形元件(尤其是扁平密封件)与池框架的相互滑动。因此，随后防止出现所述子通道的横截面积的减小，这种减小会由于扁平密封件的滑动而出现。

42、此外可规定，所述至少一个第一流动通道和/或所述至少一个第二流动通道由至少在所述第一池框架和第二池框架中和在所述阴离子交换膜中的流体连通的椭圆形的缺口形成。

43、在此，产生积极的效果，即椭圆形的流动通道在相应的定向中在电解池的外表面和内表面的附近区域中具有相应流动通道的减小的或增大的内表面，其中，同时通过椭圆形的流动通道横截面的相应尺寸确保相同的流动通过量。因此，可确保椭圆形的流动通道沿电解池的池轴线相对于内部区域或相对于在电解池外部的区域的改善的密封。

44、可适宜的是，所述至少一个第一池框架和/或所述至少一个第二池框架由塑料制成。尤其可适宜的是，相应的池框架以注塑方法制成。可规定，用于构成流动通道的缺口已经设置在注塑件中、即设置在相应的借助注塑方法制造的池框架中。

45、在此有利的是，用于池框架的单件成本由于所能实现的通用部件原则与作为制造方法的注塑方法相组合而相对于其它制造方法(例如对具有池框架的基本形状的坯件进行机械加工)更低。

46、此外，提供一种用于制造穿过根据前述权利要求中任一项所述的沿池轴线布置的至少两个电解池的沿池轴线延伸的至少一个流动通道的方法。在具体的方法中，至少将电解池沿池轴线彼此排成一排地布置并且沿池轴线彼此保持。此外，借助钻孔装置将所述至少一个流动通道构造为沿池轴线变细或增大。

47、在此有利的是，所述至少一个流动通道设计成，使得实现已经描述的有利的效果。在布置或者说堆叠电解池的各个元件时，会出现各个元件相对于彼此的围绕池轴线的旋转偏移。这些旋转偏移将导致穿过电解装置或所述至少两个电解池的流动通道沿池轴线减小。通过在所述至少两个电解池的已组装或已拼合的状态中制造所述至少一个流动通道来减少或完全避免所述至少一个流动通道的减小，由此，根据对电解池的半池供应的设计能实现有效的运行。此外，通过这种方法能关于各个电解池的沿池轴线的布置结构而言个性化地制造穿过电解池的流动通道的通道结构。因此，例如可规定，根据电解池的所需的供应情况，根据其在电解装置内部沿池轴线的定位，借助所阐述的方法实现流动通道的不同的通道结构和/或通道横截面。