管式电化学分离单元及其制造方法技术

本发明专利技术涉及用于制造管式电化学分离单元的方法，所述管式电化学分离单元包括电串联排列的多个电化学池并且包括至少三个层，所述方法包括：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】管式电化学分离单元及其制造方法


[0001]本专利技术涉及膜分离工艺的领域。具体地，本专利技术涉及电化学分离膜的领域。本专利技术提供用于制造管式电化学分离单元的新型方法、新型管式电化学分离单元、和用于制造管式电化学分离单元的系统。

技术介绍

[0002]许多年来一直在努力开发新型和改进的用于选择性分离的分离膜。分离膜技术覆盖不同的方法并且通常应用于两种级分之间的物质分离。分离膜允许阻止溶解在混合物中的一些物质的通过或者允许其选择性通过。分离是在根据限定分离机理的传递驱动力(压力差、重力、离心力、温度差、浓度差、电压差)的作用下进行的。更特别地，在电化学膜分离中，电化学电势梯度提供了跨越膜的驱动力，其是通过施加外部电势而建立的。分离膜通过多个特性和参数例如渗透率和选择性进行限定。
[0003]已经存在多个使用分离膜分离的实例，例如过滤：筛分、微滤、超滤、纳滤、渗透汽化、渗透和反渗透。
[0004]电化学膜分离方法提供了许多优点，例如紧凑和允许模块化安装、连续提取或制造、高选择性、短分离时间。
[0005]由于这些原因，在不同应用领域例如纯化、浓缩、分级、液体脱气、水处理、分析技术和发电、特别是用燃料电池发电、和气体分离或生产中已经开发了分离膜。
[0006]随着这些发展，膜的制造已经急剧增加，特别是在其中分离膜起到重要作用的发电的
中。
[0007]典型地，分子通过或多或少多孔的膜经由毛细力而被分离。然而，分子分离所需要的时间通常是重要的，从而导致低的效率。
[0008]在此背景下，已经发展了利用电化学来通过提供能量以加速分离过程和允许大规模制造而减少分离时间。
[0009]通过添加导电颗粒、聚合物型粘结剂和特别是能够促进质子或一些离子的迁移的材料，已经获得了进一步改进。
[0010]然而，尽管有这些改进和实施，离子交换膜的设计迄今尚未对安全性和制造成本(受制于用于建造的材料的类型)的问题、以及对于大规模制造和组装简单性的需要给出令人满意的答复。
[0011]典型地，将气体或液体的混合物进料到包括分离膜的隔室的入口中，施加电流以改进分子向离子的分离(转化)和其通过选择性离子交换膜向阳极或阴极的选择性传输。
[0012]为了制造电化学分离单元，文献EP0629015教导了池元件的组件，所述池元件各自包括被刚性按压在2个相邻双极板的两侧之间的单元式电极
‑
膜结构。特别是，EP0629015教导了包括设置有用于进料气态反应物和移除产物和残余反应物的孔的一对双极板或端板的池元件。所述池元件还包括一对电催化多孔电极、离子交换膜和一对垫圈框架。该对垫圈框架包含用于所述双极板或端板和所述电极之间的电接触的大量点。具有串联连接的这些
组件需要密封和周缘密封以获得各电化学池之间的电连接和形成电化学单元。这些组件提高了制造成本(制造方法更多的步骤、更多的元件、更多的组分(部件)、更多的手段和更多的资源)并且降低了安全性，从而各连接点引起故障风险。
[0013]电化学膜需要在膜的两侧施加电势来实现分子在该膜内的迁移。然而，由于该电化学层的比电阻，必须限制池的尺寸，即使长度长的池对于允许大规模制造是期望的也是如此。为了获得使用电化学分离的长的装置，于是必须利用电绝缘体和导电材料将这些不同的池电串联排列。该现有技术的实例示于第一图1上。
[0014]电化学单元的电化学池A、B、C、D包括彼此堆叠的三个层。第一层1对应于内部电极，第二层2对应于电化学层(例如用于离子的分离和传输)，并且第三层3对应于外部层。在电化学单元的各池之间，使用多个电绝缘体4a和导电材料4b来将电化学单元的各池串联连接。此外，为了提高接合部的可靠性和紧密性，实施了焊缝5例如陶瓷焊缝。组装的电化学单元可具有最高达470万个陶瓷焊缝。
[0015]电化学单元的这样的串联排列于是成为成本来源以及池之间的各连接处的故障的来源。进一步地，故障的风险随着串联排列的池的数量而增加，这样的排列不适合于大规模制造。
[0016]改进电化学单元性质的另一方式在于致力于电化学单元组成：阳极组成、阴极组成和是否存在中间层和任选的添加剂来赋予电化学单元以特定性质。多篇文献公开了各层的不同组成：EP10448613、WO2009/152255、EP3231501、WO2008/127406。再一次，制造成本与组分(部件)有关，例如不推荐使用贵金属，尤其是因为多种残留物积聚在电化学池中。
[0017]其它实例包括机械压缩机(EP3245530中)或者电化学压缩机，其被添加至电化学单元的结构以改进分离或制造。实际上，电化学单元需要在膜的两侧施加电势以导致分子在该膜内的迁移。
[0018]然而，当考虑将池以串联连接方式排列以提高它们的长度和由此允许大规模制造时，这些解决方案仍然需要使用包括绝缘材料和导电材料的连接体。
[0019]如上所述，这些电串联排列构成了成本的来源，易于功能异常，因为各池之间的众多连接导致能量、产量的损失并且在组装体中短路的情况下还隐含着安全性风险。
[0020]需要降低电化学单元的制造成本，并且使所述电化学单元更可靠和鲁棒(坚固)，使其适合于在工业水平上分离感兴趣的分子。
[0021]技术问题
[0022]本专利技术目的在于克服现有技术的缺陷。特别是，本专利技术提出了用于制造包括多个电化学池的管式电化学分离单元的新方法，在所述管式电化学分离单元内池串联电连接；与本领域的现有方法相比，所述方法实施起来更简单。随着而来的是，制造成本降低。进一步地，所得管式电化学分离单元的安全性和鲁棒性大幅提升。
[0023]而且，本公开内容设计成提供管式电化学分离单元和用于制造管式电化学分离单元的系统。

技术实现思路

[0024]根据本专利技术的一个方面，提供用于制造管式电化学分离单元的方法，所述管式电化学分离单元包括电串联排列的多个电化学池，所述管式电化学分离单元包括至少三个
层，所述方法包括：
[0025]‑
第一层的沉积步骤，实现所述沉积以形成第一不连续层，所述第一不连续层包括被空间(间隔，space)隔开(通过空间(间隔)隔开)的多个相继的管式模块，
[0026]‑
第二层的沉积步骤，实现所述沉积以形成第二不连续层，所述第二不连续层包括被空间隔开的多个相继的管式模块，使得第一不连续层的管式模块部分地涂覆有第二不连续层的管式模块，
[0027]‑
第三层的沉积步骤，实现所述沉积以形成第三不连续层，所述第三不连续层包括被空间隔开的多个相继的管式模块，使得第二不连续层的管式模块部分地涂覆有第三不连续层的管式模块，
[0028]‑
所述沉积步骤导致电串联排列的电化学池的形成，其中电化学池的第三不连续层的管式模块与相邻电化学池的第一不连续层的管式模块接触，
[0029]‑
和其中，所述电化学池的第三不连续层的管式模块还与所述相邻电化学池的第二不连续层的管式模块接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于制造管式电化学分离单元(40)的方法(100)，所述管式电化学分离单元(40)包括电串联排列的多个电化学池(50,51)，所述管式电化学分离单元包括至少三个层，所述方法包括：
‑
第一层的沉积步骤(110)，实现所述沉积以形成第一不连续层(10)，所述第一不连续层包括被空间(12)隔开的多个相继的管式模块(11)，
‑
第二层的沉积步骤(120)，实现所述沉积以形成第二不连续层(20)，所述第二不连续层(20)包括被空间(22)隔开的多个相继的管式模块(21)，使得第一不连续层的管式模块(11)部分地涂覆有第二不连续层(20)的管式模块(21)，
‑
第三层的沉积步骤(130)，实现所述沉积以形成第三不连续层(30)，所述第三不连续层(30)包括被空间(32)隔开的多个相继的管式模块(31)，使得第二不连续层(20)的管式模块(21)部分地涂覆有第三不连续层的管式模块，
‑
所述沉积步骤(110,120,130)导致电串联排列的电化学池的形成，其中电化学池(50)的第三不连续层(30)的管式模块(31)与相邻电化学池(51)的第一不连续层(10)的管式模块(11)接触，
‑
和其中所述电化学池(50)的第三不连续层(30)的管式模块(31)还与所述相邻电化学池(51)的第二不连续层(20)的管式模块(21)接触。2.根据权利要求1的用于制造管式电化学分离单元(40)的方法(100)，其中实现第二层的沉积步骤(120)，使得第一不连续层(10)的两个相继的管式模块(11)部分地涂覆有第二不连续层(20)的管式模块(21)。3.根据权利要求1或2的用于制造管式电化学分离单元(40)的方法(100)，其中实现第三层(30)的沉积步骤(130)，使得第二不连续层(20)的两个相继的管式模块(21)部分地涂覆有第三不连续层(30)的管式模块(31)。4.根据前述权利要求任一项的用于制造管式电化学分离单元(40)的方法(100)，其中实现第二层的沉积步骤(120)，使得第一不连续层(10)的两个相继的管式模块(11)之间的空间(12)填充有第二不连续层(20)的管式模块(21)。5.根据前述权利要求任一项的用于制造管式电化学分离单元(40)的方法(100)，其中实现第三层的沉积步骤(130)，使得第二不连续层(20)的两个相继的管式模块(21)之间的空间(22)填充有第三不连续层(30)的管式模块(31)。6.根据前述权利要求任一项的用于制造管式电化学分离单元(40)的方法(100)，其中层的沉积过程通过在时间上和/或在单独区域中的相继的步骤操作。7.根据前述权利要求任一项的用于制造管式电化学分离单元(40)的方法(100)，其中层的沉积工艺选自挤出、共挤出、粉浆浇注、注射模塑、带式浇注、喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、刮刀、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、蒸发沉积、溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、电流体动力学旋涂、棒涂、模涂、刮涂、气刀涂覆、辊涂、凹版涂覆、浸涂、喷墨印刷、丝网印刷、朗缪尔
‑
布罗杰特、等离子体增强化学镀、热沉积、电镀、喷射沉积、溅射涂覆、电子束蒸发、离子束蒸发、喷雾热解。8.管式电化学分离单元(40)，其包括电串联排列的多个电化学池(50,51)，其中所述管式电化学分离单元包括至少三个层：
‑
第一不连续层(10)，所述第一不连续层包括被空间(12)隔开的多个相继的管式...

【专利技术属性】
技术研发人员：L弗兰克，
申请(专利权)人：道达尔能源一技术，
类型：发明
国别省市：