HU230077B1

HU230077B1 - Electrically conductive flexible insert for electrochemical cell and electrochemical cell

Info

Publication number: HU230077B1
Application number: HUP0402233
Authority: HU
Inventors: Dario Oldani; Manuela Manghi
Original assignee: Uhdenora Technologies S.R.L
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2015-07-28

Description

Villamosán vezető rugalmas betételem elektrokémiai cellához, valamint elektrokémiai cellaElectrically conductive flexible insert for electrochemical cell and electrochemical cell

A találmány tárgya egyrészt egy az 1. igénypont tárgyi köre szerinti villamosán vezető rugalmas betételem, másrészt egy a 10. igénypont tárgyi köre szerinti elektrokémiai cella. A találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételem felhasználható arra, hogy folytonos villamos kapcsolatot biztosítsunk egy réssel leválasztott két vezető felület között, amely rést elektrokémiai cellák esetében tipikusan reakció folyadék betáplálására és továbbítására, termék elvezetésére, elektrolit keringetésére, folyadékok hőszabályozására, vagy az előbb említett funkciók közül két vagy több funkció kombinációjára alkalmaznak.The invention relates, on the one hand, to an electrically conductive flexible insert according to the subject matter of claim 1, and, on the other hand, to an electrochemical cell according to the subject matter of claim 10. The electrically conductive flexible insert according to the invention can be used to provide a continuous electrical connection between two conductive surfaces separated by a gap, which gap is typically used in electrochemical cells for feeding and transferring reaction liquid, for draining product, for circulating electrolyte, for thermal control of liquids, or for a combination of two or more of the aforementioned functions.

Az ilyen jellegű érintkezést elektrokémiai cellákban ismert módon előnyösen deformálható, rugalmas elemek segítségével valósítják meg, amely megoldás a területen jártas szakember számára jól ismert. Villamosán vezető, rugalmas, deformálható betételemre általánosságban példaként említhetjük a fémhabokat és a hálószerűén kiképezett porózus anyagokat, mint az például az US 4,657,650 számú szabadalmi leírásban olvasható. Nagyobb méretű, ipari diffúzió esetében alkalmazott szendvicsszerű, fémvezetékkel kialakított szerkezetet ismertet például az US 4,693,797 számú szabadalmi leírás. Az ilyen típusú deformálható szerkezetek előnye, hogy képesek két vezető sík vagy réteg között a villamos kapcsolatot biztosítani, és azoknak a különböző ráható helyi nyomások következtében kialakuló síkbeli deformálódásait - részben - kompenzálni. Éppen ezért célszerű, ha egy olyan megoldást keresünk, ahol a cellák hatásfokának a javításához a mechanikai és a villamos paramétereket a felhasználás helyén vesszük figyelembe. Különösen előnyös és nyilvánvaló, hogy a villamos áram továbbítása vagy elvezetése javul, ha a villamosán vezető rugalmas betételem által a vezető felületekre kifejtett nyomóerő nő. Ezt a nyomóerőt célszerűen úgy kell létrehozni, hogy a villamosán vezető rugalmas betételem a rugalmas tartományában működjön, és kompenzálja például a tágulások következtében kialakuló méretbeli változásokat, vagy azokat a rezgéseket vagy egyéb olyan jelenségeket, amelyek a rendszer geometriáját adott esetben a mikroszkopikus tartományban megváltoztatják. A legtöbb gyakorlati felhasználás esetén a villamosán vezető rugalmas betételem által kifejtett nyomásnak azonban a mechanikai károsodások elkerülése érdekében egy adott határértéket nem szabad meghaladnia. így például ismert, hogy azoknál az elektrokémiai celláknál, ahol egy vagy több rekeszben félig áteresztő diafragma, például ioncserélő membrán van, a leválasztó elemeknek igenSuch contact is preferably achieved in electrochemical cells in a known manner using deformable, flexible elements, a solution well known to the person skilled in the art. Examples of electrically conductive, flexible, deformable inserts include metal foams and porous materials formed in a mesh-like manner, such as those described in US 4,657,650. A sandwich-like structure formed with metal wires, used in larger industrial diffusion applications, is described in US 4,693,797, for example. The advantage of such deformable structures is that they are able to provide electrical contact between two conductive planes or layers and to partially compensate for their in-plane deformations due to different local pressures. It is therefore appropriate to seek a solution where the mechanical and electrical parameters are taken into account at the point of use to improve the efficiency of the cells. It is particularly advantageous and obvious that the transmission or discharge of electric current is improved if the compressive force exerted by the electrically conductive flexible insert on the conductive surfaces is increased. This compressive force should be created in such a way that the electrically conductive flexible insert operates in its elastic range and compensates for example for dimensional changes resulting from expansions or for vibrations or other phenomena that change the geometry of the system in the microscopic range. In most practical applications, however, the pressure exerted by the electrically conductive flexible insert should not exceed a certain limit value in order to avoid mechanical damage. For example, it is known that in electrochemical cells where one or more compartments have a semi-permeable diaphragm, such as an ion exchange membrane, the separation elements are very

-2korlátozott a mechanikai ellenállása, és a mechanikai nyomóerőknek is csak adott küszöbérték alatt képesek ellenállni. A mechanikai ellenállás problémája azonban nem csak a leválasztó elemekre vonatkozik. Szintén jól ismert, hogy az elektrokémiai cellák deformálható elektródokkal, például nagyon vékony fémhálóval vagy szén anyagot tartalmazó gázdiffuziós elektródokkal vannak felépítve, amelyeknek korlátozott a rugalmassága. A széntartalmú elektród lehet például papír vagy szövet, viselkedése azonban például a 3,43-3,92· 10⁴ Pa nagyságú fellépő nyomások esetén már nem megbízható.-2 has limited mechanical resistance and can only withstand mechanical compressive forces below a certain threshold. However, the problem of mechanical resistance is not limited to separators. It is also well known that electrochemical cells are constructed with deformable electrodes, such as very thin metal mesh or gas diffusion electrodes containing carbon, which have limited flexibility. The carbon-containing electrode can be, for example, paper or fabric, but its behavior is no longer reliable at pressures of, for example, 3.43-3.92· 10 ⁴ Pa.

Az US 4,693,797 sz. szabadalmi leírásban ismertetett betétszerű elem ipari alkalmazásra igen figyelemreméltó, ha optimális viszonyok között alkalmazzák. A megfelelő érintkező nyomás itt jellemzően 1,96-3,43·10⁴ Pa értékre alkalmas, ha ioncserélő membránokat vagy gázdiffuziós elektródokat, vagy akár mindkettőt alkalmaznak. A villamosán vezető rugalmas betételem által kifejtett érintkező nyomást az a deformáció biztosítja és tartja fenn, amely a cellák összeépítése során lép fel. Ez azt jelenti, hogy a betételemet nem összenyomott, vagyis maximálisan kitágult állapotában helyezik be, és akkor az nyomódik össze, amikor a cellát összeszerelik. Ily módon a vastagsága akár 50%-kal is csökkenhet. így például, ha a betételem vastagsága 10 mm volt összenyomásmentes állapotban, működése során adott esetben ez a vastagság 4 vagy 5 mm értéket is elérhet. Az US 4,693,797 sz. szabadalmi leírásban ismertetett betételem esetében ez rendkívül kritikus tényező, mivel az az erőkifejtési görbe, amely az összenyomási tartományban fellép, rendkívül meredek. Ez azt jelenti, hogy a mechanikai határértékek egészen kis további hibája elegendő ahhoz, hogy a betételemre vagy túl kis nyomóerő hasson, amely nem elegendő a megfelelő villamos kapcsolat létrehozására, vagy pedig túl nagy nyomóerő hasson. Különösen akkor, ha a betételem szendvicsszerű szerkezetet alkotó huzalokból épül fel, ezek csak addig nyomhatok össze, amíg a huzalkötegek teljes egészében összelapulnak, további nyomás, még ha bármilyen kis értékű is, igen komoly mechanikai nyomóerőt jelent, amely sok esetben csak egészen kis tartományokra lokalizálható, ahol a felületek egymással történő érintkezése során azok mechanikusan deformálódnak. Olyan celláknál, ahol az egyes elemek, így például a membránok vagy gázdiffuziós elektródok nem képesek mechanikai terhelés elviselésére, ezek a kritikus komponensek adott esetben mechanikailag is meghibásodhatnak. Ezen kívül pedig az ezen termékekkel kapcsolatos közvetlen költségek, tehát a cella lekapcsolásával, majdThe insert-like element described in US 4,693,797 is very remarkable for industrial application when used under optimal conditions. The appropriate contact pressure is typically 1.96-3.43·10 ⁴ Pa when ion exchange membranes or gas diffusion electrodes, or both, are used. The contact pressure exerted by the electrically conductive flexible insert is provided and maintained by the deformation that occurs during the assembly of the cells. This means that the insert is inserted in an uncompressed, i.e. maximally expanded, state, and is compressed when the cell is assembled. In this way, its thickness can be reduced by up to 50%. For example, if the insert had a thickness of 10 mm in the uncompressed state, this thickness can reach 4 or 5 mm during operation. US 4,693,797 In the case of the insert described in the patent specification, this is an extremely critical factor, since the force curve that occurs in the compression range is extremely steep. This means that a very small additional error in the mechanical limits is sufficient to cause the insert to be subjected to either too little compression force, which is not sufficient to establish a proper electrical connection, or to be subjected to too much compression force. In particular, if the insert is made up of wires forming a sandwich-like structure, which can only be compressed until the wire bundles are completely flattened, additional pressure, even of any small value, represents a very serious mechanical compression force, which in many cases can only be localized to very small areas where the surfaces are mechanically deformed when they come into contact with each other. In cells where individual elements, such as membranes or gas diffusion electrodes, are not able to withstand mechanical stress, these critical components may also fail mechanically. In addition, there are direct costs associated with these products, i.e., disconnecting the cell and then

-3az alkatrészek megjavításával vagy megfelelő helyettesítésével kapcsolatos költségek adott esetben jelentősek lehetnek.-3The costs associated with repairing or properly replacing parts may be significant.

Ebből a szempontból egy további, az US 4,693,797 sz. leírásban ismertetett betételemekhez kapcsolódó kellemetlen jelenség, hogy ezeknek a kerületük mentén deformálható betételemeknek a cellában való elrendezése és ily módon a cella egyéb elemeivel megfelelő egy vonalba történő elhelyezése éppúgy, mint bármelyik alkalmazott tömítés megfelelő központosítása, kritikus lehet a működés szempontjából, ezért ezeket a műveleteket minden esetben kézi úton kell elvégezni. Az ilyen típusú villamosán vezető rugalmas betételemmel ellátott celláknál éppen ezért járulékos szerelési és fenntartási költségek merülnek fel, mivel az automatikus összeszerelésnek beláthatatlan kockázata lenne.In this respect, a further disadvantage associated with the inserts described in US 4,693,797 is that the arrangement of these circumferentially deformable inserts in the cell and thus their proper alignment with the other elements of the cell, as well as the proper centering of any gaskets used, can be critical to the operation and therefore these operations must always be performed manually. Cells with this type of electrically conductive flexible insert therefore incur additional assembly and maintenance costs, as automated assembly would be fraught with risks.

Az US 5,599,430 sz. leírás olyan villamosán vezető rugalmas betételemet ismertet, amely két külső réteget és legalább két olyan belső réteget tartalmaz, amelyek hullámosított huzalokból állnak, de megoldandó probléma marad, hogy a huzalok ne egyenesedjenek ki és ne essenek egy vonalba, mert ugyanis ezáltal csökken a túlkompenzálás esélye, illetőleg belső réteg ne legyen szomszédos membránnal, mert így a nyomás esetleg nem lesz egyenletes.US 5,599,430 describes an electrically conductive flexible insert comprising two outer layers and at least two inner layers consisting of corrugated wires, but the problem remains that the wires do not straighten out and do not fall into line, as this reduces the chance of overcompensation, and that the inner layer does not have to be adjacent to a membrane, as this may result in uneven pressure.

A találmány célja olyan villamosán vezető rugalmas betételem létrehozása, amely elektrokémiai cellákban alkalmazható, és amely a technika állásában felvázolt hiányosságokat kiküszöböli. Pontosabban a találmány célja egy olyan villamosán vezető rugalmas betételem kidolgozása, amely képes arra, hogy megfelelő nyomóerőt fejtsen ki elektrokémiai cellákban történő felhasználásakor, például akkor, ha a cellák olyan leválasztó elemekkel vannak ellátva, mint a diafragmák és membránok és/vagy gázdiffuziós elektródok, és viszonylag széles összenyomási tartományban működjön.The object of the invention is to provide an electrically conductive flexible insert that can be used in electrochemical cells and that overcomes the shortcomings outlined in the prior art. More specifically, the object of the invention is to provide an electrically conductive flexible insert that is capable of exerting a suitable compressive force when used in electrochemical cells, for example when the cells are equipped with isolating elements such as diaphragms and membranes and/or gas diffusion electrodes, and that operates over a relatively wide compression range.

A találmány célja még egy olyan elektrokémiai cella kialakítása, amelyben a találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételem alkalmazható, amely előnyösen lehetővé teszi a cellák automata összeszerelését. A találmány további célja tehát egy olyan elektrokémiai cella, például elektrolitikus cella vagy üzemanyag cella kidolgozása, amely olyan villamosán vezető rugalmas betételemmel van ellátva, amely kiküszöböli a technika állásából ismert kényelmetlenségeket.Another object of the invention is to provide an electrochemical cell in which the electrically conductive flexible insert according to the invention can be used, which advantageously allows the automatic assembly of the cells. A further object of the invention is therefore to provide an electrochemical cell, for example an electrolytic cell or a fuel cell, which is provided with an electrically conductive flexible insert element which eliminates the inconveniences known from the prior art.

-4A kitűzött feladatot egyrészt az 1. igénypont jellemzői szerinti villamosán vezető rugalmas betételemmel, másrészt a 10. igénypont jellemzői szerinti elektrokémiai cellával oldottuk meg. Előnyös kiviteli alakokat az aligénypontokban soroltunk fel.-4The set task was solved on the one hand by an electrically conductive flexible insert according to the features of claim 1, and on the other hand by an electrochemical cell according to the features of claim 10. Preferred embodiments are listed in the subclaims.

A találmány tárgya tehát egy olyan villamosán vezető rugalmas betételem, amely öszszenyomható és rugalmas rétegekből áll szendvicsszerű kialakításban, ahol minden réteget egy fémhuzalból képezett elrendezés alkot. A villamosán vezető rugalmas betételem fő jellemzője az a képessége, hogy elektrokémiai cellákban történő felhasználásra alkalmas, és olyan nyomást fejt ki, amely elektrokémiai cellákban alkalmazható, tipikusan 3,43-3,92· 10⁴ Pa, de egyébként nagyobb összenyomási tartományban is alkalmazható, amely egyenlő a villamosán vezető rugalmas betételem összenyomás nélküli vastagságával, vagy legalább 10%-os változást jelent ahhoz képest. A találmány egyik példaként! kiviteli alakjánál az előbb említett összenyomási tartomány a villamosán vezető rugalmas betételem összenyomásmentes állapotához képest 20-60% közötti. Ez azt jelenti, hogy például egy tipikus villamosán vezető rugalmas betételem vastagsága öszszenyomás előtt 10 mm, és ez a cella összeszerelése során úgy nyomható össze, hogy a tűrési érték akár 1 mm is lehet anélkül, hogy fellépne annak a kockázata, hogy fontos alkatrészek törnek, vagy nem kielégítő érintkezés lép fel. Ez a technika állásából ismert villamosán vezető rugalmas betételemeknél nem valósítható meg. A 10 mm vastag villamosán vezető rugalmas betételemeknél, mely érték a nem összenyomott állapotra vonatkozik, az ideális működési vastagság előnyösen 3 és 6 mm közötti. A találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételem előnyösen olyan fém huzalokból kialakított szendvicsszerű szerkezetből van kialakítva, ahol a huzalok átmérője jellemzően 0,ΙΟ,35 mm; a szendvicsszerű szerkezetből kialakított villamosán vezető rugalmas betételem vastagsága előnyösen 5-15 mm közötti tartományba esik. A találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételem előállításához anódos villamosán vezető rugalmas betételemként előnyösen alkalmazható anyagok különböző fémes anyagok, például titán és ennek ötvözetei, míg katódos villamosán vezető rugalmas betételemként nikkel vagy ötvözetei alkalmazhatók. A felhasználási területtől függően a találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételem lehet bipoláris elem, például úgy kialakítva, hogy a katód felület felé egy nikkel réteget tartalmaz, az anód felület felé pedig például titán vagy egyéb, angolul valve metal néven is ismert fémek csoportjába tartozó fém rétéThe invention therefore provides an electrically conductive flexible insert comprising compressible and flexible layers in a sandwich-like configuration, each layer being formed by an arrangement of metal wires. The main feature of the electrically conductive flexible insert is its ability to be used in electrochemical cells and to exert a pressure which is suitable for use in electrochemical cells, typically 3.43-3.92·10 ⁴ Pa, but which can also be used in a larger compression range which is equal to or at least a 10% change from the uncompressed thickness of the electrically conductive flexible insert. In an exemplary embodiment of the invention, the aforementioned compression range is between 20-60% of the uncompressed thickness of the electrically conductive flexible insert. This means that, for example, a typical electrically conductive flexible insert has a thickness of 10 mm before compression, and this can be compressed during assembly of the cell to a tolerance of up to 1 mm without the risk of breaking important parts or of unsatisfactory contact. This is not possible with electrically conductive flexible inserts known from the prior art. For electrically conductive flexible inserts of 10 mm thickness, which value refers to the uncompressed state, the ideal operating thickness is preferably between 3 and 6 mm. The electrically conductive flexible insert according to the invention is preferably formed from a sandwich-like structure formed from metal wires, where the diameter of the wires is typically 0.10.35 mm; the thickness of the electrically conductive flexible insert formed from the sandwich-like structure is preferably in the range of 5-15 mm. For the production of the electrically conductive flexible insert according to the invention, various metallic materials can be used as anodic electrically conductive flexible insert, for example titanium and its alloys, while nickel or its alloys can be used as cathodic electrically conductive flexible insert. Depending on the field of application, the electrically conductive flexible insert according to the invention can be a bipolar element, for example, designed so that it contains a nickel layer towards the cathode surface, and a layer of titanium or other metal belonging to the group of metals also known as valve metal towards the anode surface.

-5get tartalmaz. A működési paraméterektől függően lehetőség van arra is, hogy a villamosán vezető rugalmas betételemet egy további, korrózió elleni védelmet biztosító védőréteggel lássuk el, így például a katódos betételem ezüst bevonattal, míg az anódos betételem nemesfém vagy nemesfém ötvözet vagy ezek oxidjainak bevonattal látható el. A találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételem különböző kiviteli alakokban valósítható meg, előnyös azonban, ha a legkülső réteg általában sík réteg, annak érdekében, hogy amennyire csak lehetséges, annyira egyenletes érintkezési felületeloszlást hozzunk létre az egymással érintkező felületek mentén, amelyek elektrokémiai cellák esetében lehetnek fém felületek (például elektródok vagy fém leválasztó lapok), de lehetnek olyan felületek is, amelyeknek lényegesen alacsonyabb a felületi vezetőképessége (például szén anyagból készült gázdiffüziós elektródok). Az olyan sík rétegek, amelyek közbeszövött huzalokkal vannak kialakítva, nem megfelelőek, jóllehet ezek tipikusnak tekinthetők a technika állásából ismert megoldásoknál, mivel nem deformálhatók kellő mértékben ahhoz, hogy megfelelő nyomóerőt hozzanak létre egy viszonylag széles összenyomási tartományban. Előnyös tehát, ha a villamosán vezető rugalmas betételem olyan huzalokból készült belső rétegeket tartalmaz, amelyeknek állandó hullámossága van, és az adott geometriájú hullámosság könnyen gyártható automata gépek segítségével. A találmány szerinti megoldás gyakorlati szempontból legkedvezőbb kialakítása az, amikor két ilyen belső réteget alkalmazunk, amelyek szendvicsszerüen vannak egymáshoz illesztve annak érdekében, hogy a hullámos részek hullámossága minél jobban eltérjen egymástól, például két szomszédos réteg hullámosságának iránya egymásra merőleges, azaz 90° is lehet. így biztosítható, hogy a belső hullámos rétegek összenyomás hatására nem fognak egymásba mélyedni, ugyanakkor az alkalmazott nyomás szempontjából a teljes szerkezet összenyomási karakterisztikája sokkal szabályosabb és fokozatosabb, figyelembe véve az összenyomás vastagságát is. Egy további példakénti kiviteli alaknál a villamosán vezető rugalmas betételem különböző rétegei a kerületük mentén elrendezett merev kerettel vannak összefogva, amely további előnyt jelent abból a szempontból, hogy a geometriai szerkezet a síkhoz képest nem fog deformálódni. Ily módon a villamosán vezető rugalmas betételem könnyen elhelyezhető különböző cellákból álló komplex elrendezésekben, így például hagyományos elektrolizáló vagy üzemanyag cellákból készült készletben, amely elemi cellák szűrővel-5g. Depending on the operating parameters, it is also possible to provide the electrically conductive flexible insert with an additional protective layer providing protection against corrosion, for example the cathodic insert with a silver coating, while the anodic insert with a coating of a noble metal or noble metal alloy or their oxides. The electrically conductive flexible insert according to the invention can be implemented in various embodiments, however, it is advantageous if the outermost layer is a generally flat layer, in order to create as uniform a contact surface distribution as possible along the surfaces in contact with each other, which in the case of electrochemical cells can be metal surfaces (e.g. electrodes or metal separator plates), but can also be surfaces with a significantly lower surface conductivity (e.g. gas diffusion electrodes made of carbon material). Flat layers formed with interwoven wires are not suitable, although they are typical of the prior art solutions, since they cannot be deformed sufficiently to create a sufficient compressive force over a relatively wide compression range. It is therefore advantageous if the electrically conductive flexible insert comprises inner layers made of wires which have a constant waviness, and the waviness of the given geometry can be easily manufactured using automatic machines. The most advantageous embodiment of the solution according to the invention from a practical point of view is when two such inner layers are used, which are sandwiched together in order to make the waviness of the wavy parts differ from each other as much as possible, for example the direction of the waviness of two adjacent layers can be perpendicular to each other, i.e. 90°. This ensures that the inner corrugated layers will not sink into each other under compression, while at the same time, the compression characteristics of the entire structure are much more regular and gradual in terms of the applied pressure, taking into account the thickness of the compression. In a further exemplary embodiment, the different layers of the electrically conductive flexible insert are joined together by a rigid frame arranged along their circumference, which has the additional advantage that the geometric structure will not deform with respect to the plane. In this way, the electrically conductive flexible insert can be easily placed in complex arrangements of different cells, such as a set of conventional electrolysis or fuel cells, which are elementary cells with a filter

-6egymáshoz csatlakoztatott elrendezéséből áll. Ez a megoldás automatizált összeszerelő rendszerekben is alkalmazható, jelentősen csökkentve ezáltal a gyártási és karbantartási költségeket. A fent említett szerkezet további nem elhanyagolható előnye, hogy a hagyományos betételemekhez képest alkalmas arra, hogy fluid közegek áramoljanak át rajta, ennek következménye pedig az adott cellákban végbemenő elektrokémiai folyamatok nagyobb megbízhatósága és jobb működési hatásfok.-6 connected to each other. This solution can also be used in automated assembly systems, thereby significantly reducing production and maintenance costs. Another significant advantage of the above-mentioned structure is that, compared to traditional inserts, it is suitable for fluid media to flow through it, which results in greater reliability and better operating efficiency of the electrochemical processes taking place in the given cells.

A találmányt a továbbiakban a betételem példaként! kiviteli alakja segítségével mutatjuk be részletesebben, hivatkozva a csatolt rajzra, amelyen az ábrán egy a találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételemet tartalmazó elektrokémiai cella vázlata látható, aThe invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawing, which shows a schematic diagram of an electrochemical cell comprising an electrically conductive flexible insert according to the invention,

2. ábrán egy olyan elektrokémiai cella szűrő elrendezése látható, amely találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételemet tartalmaz, aFigure 2 shows an arrangement of an electrochemical cell filter that includes an electrically conductive flexible insert according to the invention, the

3. ábrán a találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételem egy példakénti kiviteli alakja látható, és aFigure 3 shows an exemplary embodiment of the electrically conductive flexible insert according to the invention, and

4. ábrán a találmány szerinti villamosán vezető rugalmas betételem által kifejtett nyomóerő változása látható a betételem összenyomásának függvényében, összehasonlítva egy technika állásából ismert betételemmel.Figure 4 shows the variation of the compressive force exerted by the electrically conductive elastic insert according to the invention as a function of the compression of the insert, compared to a prior art insert.

Az 1. ábrán egy elektrokémiai 1 cella látható, amely egy 2 membránnal vagy diafragmával van kettéosztva, és két oldalról egy-egy villamosán vezető 3 lemez határolja. Az 1 cella általánosságban lehet elektrolizáló cella, üzemanyag cella vagy egyéb típusú elektrokémiai reaktor. Az ábrán láthatók 4 elektródok, amelyeken az anódos és katódos reakciók végbemennek. A 4 elektródok bármilyen típusú, az elektrokémia területén általánosságban ismert elektródok lehetnek, így például fémlapok, amelyek előnyösen elektrokatalitikus bevonattal vannak aktiválva, gázdiffuziós elektródok, amelyek porózus felületekként vannak kialakítva, például szénszövet vagy grafit, szinterezett fém, stb. Példaként megemlítjük még az 5 tömítést, amely a kerület mentén van elhelyezve, és amelynek alkalmazása a területen jártas szakember számára szintén ismert. 5 tömítésként alkalmazhatók még egyéb hidraulikus tömítő rendszerek vagy hasonlók. A 4 elektródok típusára vonatkozóan és az egyéb általánosságban használt elektródokra vonatkozóan nem kézenfekvő az, hogy a villamos érintkezés közvetlenül a vezető 3 lemeFigure 1 shows an electrochemical cell 1, which is divided into two parts by a membrane or diaphragm 2 and is bounded on both sides by electrically conductive plates 3. The cell 1 can generally be an electrolysis cell, a fuel cell or another type of electrochemical reactor. The figure shows electrodes 4, on which the anodic and cathodic reactions take place. The electrodes 4 can be any type of electrode generally known in the field of electrochemistry, such as metal plates, which are preferably activated by an electrocatalytic coating, gas diffusion electrodes, which are formed as porous surfaces, such as carbon fabric or graphite, sintered metal, etc. As an example, we also mention the seal 5, which is arranged along the circumference, the use of which is also known to the person skilled in the art. Other hydraulic sealing systems or the like can also be used as seals 5. Regarding the type of electrodes 4 and other commonly used electrodes, it is not obvious that the electrical contact is made directly on the conductor 3.

-7 zeken jöjjön létre, mert ehhez túlságosan nagy és gyakorlati szempontból kedvezőtlen vastagságokra lenne szükség, sok esetben a porozitás sem lenne megfelelő, és ami még fontosabb, maga a szerkezet lényegében merev lenne, és ezért túl nagy szorító nyomásra lenne szükség ahhoz, hogy jó villamos érintkezést hozzunk létre. Ebben az esetben a 2 membrán helyrehozhatatlan károsodásának a kockázata is megnő. A villamos kapcsolat a vezető 3 lemez és a szomszédos 4 elektród között előnyösen valamilyen összenyomható rugalmas anyaggal van megvalósítva, amely előnyösen rugalmas üzemmódban is jól működik. Ez az anyag az 1. ábrán a találmány szerinti villamosán vezető rugalmas 6 betételem. Nyilvánvaló azonban a szakember számára az is, hogy a találmány szerinti 6 betételem elektrokémiai cellában történő alkalmazására ez csak egy a sok lehetséges megoldás közül. Ugyanez előnyösen használható például két olyan fémlemez összekapcsolására, amelyek a monopoláris vagy bipoláris szűröprés eiektrolizáló berendezések szomszédos celláihoz tartoznak, vagy egyéb, szintén önmagában ismert felhasználási területeken alkalmazhatók.-7 would be created, because this would require excessively large and practically unfavorable thicknesses, in many cases the porosity would also be inadequate, and more importantly, the structure itself would be essentially rigid, and therefore too high a clamping pressure would be required to establish good electrical contact. In this case, the risk of irreparable damage to the membrane 2 also increases. The electrical connection between the conductive plate 3 and the adjacent electrode 4 is preferably realized with some compressible elastic material, which preferably also works well in elastic mode. This material is the electrically conductive elastic insert 6 according to the invention in Figure 1. However, it is also obvious to the person skilled in the art that this is only one of many possible solutions for the use of the insert 6 according to the invention in an electrochemical cell. The same can be advantageously used, for example, for connecting two metal plates that belong to adjacent cells of monopolar or bipolar filter press electrolysis devices, or can be used in other, also known per se, areas of application.

A 2. ábrán bemutatott kialakítás esetében a találmány szerinti villamosán vezető rugalmas 6 betételemet hasonló cellákban használjuk, mint az 1. ábrán bemutatott szűrőpréses elrendezésnél, amely a speciális bipoláris esetekre vonatkozik. A találmány szerinti villamosán vezető rugalmas 6 betételem deformációs tulajdonsága valamint illeszthetősége különösen előnyös a különböző fém vezető 3 lemezeknél akkor, amikor azokat egymás mellé teszik, és amikor adott esetben száz elemi 1 cella van egymás mellé elhelyezve.In the case of the arrangement shown in Figure 2, the electrically conductive flexible insert 6 according to the invention is used in cells similar to those in the filter press arrangement shown in Figure 1, which applies to the special bipolar cases. The deformation properties and the adaptability of the electrically conductive flexible insert 6 according to the invention are particularly advantageous for different metal conductive plates 3 when they are placed next to each other, and when, in some cases, hundreds of elementary cells 1 are placed next to each other.

A 3. ábrán egy, a találmány szerint kialakított többrétegű villamosán vezető rugalmas 6 betételem látható. Ebben az esetben két 7 külső réteget és két 8 belső réteget látunk. Nyilvánvaló, hogy a villamosán vezető rugalmas 6 betételem ezektől eltérő számú 8 belső rétegekkel is kialakítható. Mindegyik 7 külső réteg egymással összeszőtt, előnyösen 0,1-0,35 mm átmérőjű fém huzalokból áll és előnyösen sík profilú. A 8 belső rétegek lényegében ugyanolyanok, mint a 7 külső rétegek, szintén egymással összeszőtt fém huzalokból állnak (az egyszerűség kedvéért ezeket az ábrán részletesen nem mutatjuk be), eltekintve attól a ténytől, hogy ezek viszonylag egyszerű mechanikai megmunkálással hullámosítva vannak annak érdekében, hogy szabályosan elrendezkedő és előnyösen egymástól szabályos távolságokra lévő 9 kidudorodások és 10 mélyedések alakulja-8nak ki. Ahogyan ez a 3. ábrán jól látható, az egyik 8 belső réteg hullámosításának iránya eltér a másik 8 belső réteg hullámosításának irányától. Ha csak két 8 belső réteg van, ahogyan ez a 3. ábrán látható, úgy a hullámosításuk iránya 90°-kal tér el egymástól. Ily módon tehát szinte teljes egészében elkerülhető, hogy a két 8 belső réteg a 6 betételem összenyomása esetén egymásba mélyedjen. Azt tapasztaltuk, hogy az ilyen típusú elrendezés esetében — összehasonlítva a technika állásából ismert villamosán vezető rugalmas betételemekkel - meglepő módon széles tartományban az összenyomás mértékét és a működési vastagságot illetően sokkal jobb fokozatos erőkifejtési görbék valósíthatók meg a 6 betételem összenyomásának függvényében. így egy kifejtett mechanikai nyomóerő elegendő ahhoz, hogy jó villamos érintkezést tudjunk megvalósítani anélkül, hogy az 1 cella legfontosabb jellemzői romlanának.Figure 3 shows a multilayer electrically conductive flexible insert 6 according to the invention. In this case, two outer layers 7 and two inner layers 8 are shown. It is obvious that the electrically conductive flexible insert 6 can also be made with a different number of inner layers 8. Each outer layer 7 consists of interwoven metal wires, preferably 0.1-0.35 mm in diameter, and preferably has a flat profile. The inner layers 8 are essentially the same as the outer layers 7, also consisting of interwoven metal wires (for the sake of simplicity, these are not shown in detail in the figure), apart from the fact that they are corrugated by relatively simple mechanical processing in order to form regularly arranged and preferably regularly spaced protrusions 9 and depressions 10. As can be clearly seen in FIG. 3, the direction of the corrugation of one of the inner layers 8 differs from the direction of the corrugation of the other inner layer 8. If there are only two inner layers 8, as shown in FIG. 3, their corrugation directions differ by 90° from each other. In this way, it is almost completely avoided that the two inner layers 8 sink into each other when the insert 6 is compressed. We have found that in the case of this type of arrangement - compared to the electrically conductive flexible inserts known from the prior art - surprisingly much better gradual force application curves can be achieved over a wide range in terms of the degree of compression and the operating thickness as a function of the compression of the insert 6. Thus, an applied mechanical pressure force is sufficient to achieve good electrical contact without impairing the most important characteristics of the cell 1.

A 4. ábrán a találmány szerinti villamosán vezető rugalmas 6 betételem által kifejtett nyomás változása látható a 6 betételem összenyomásának függvényében, összehasonlítva egy techmka állásából ismert betételemmel, ahol az ábra vízszintes tengelye mentén a 6 betételem összenyomásának mértékét tüntettük fel mm-ben, a függőleges tengely mentén pedig a 6 betételem által kifejtett nyomás változását tüntettük fel Pa-ban.Figure 4 shows the change in pressure exerted by the electrically conductive elastic insert 6 according to the invention as a function of the compression of the insert 6, compared with an insert known from the state of the art, where the horizontal axis of the figure shows the degree of compression of the insert 6 in mm, and the vertical axis shows the change in pressure exerted by the insert 6 in Pa.

A nikkelből készített 6 betételemnek két, 0,27 mm átmérőjű huzalból készült, nem hullámosított 7 külső rétege, továbbá két, 0,16 mm átmérőjű huzalból készült 8 belső rétege volt, ahol az utóbbiak úgy voltak hullámosítva, hogy 8,6 mm magas kidudorodásúak legyenek, és úgy voltak egymás tetejére helyezve, hogy a hullámosításuk iránya egymáshoz képest 90°-kal eltért, hogy elkerüljük, hogy a két 8 belső réteg egymásba mélyedjen, ha a 6 betételemre nyomóerő hat. A két 7 külső réteget és a közöttük lévő két 8 belső réteget egy a kerületük mentén végigfutó, az ábrákon nem látható keretbe foglaltuk. A 6 betételem összenyomás nélküli teljes vastagsága kb. 10 mm, ebben az állapotában 7 külső rétegein keresztül nem fejt ki felületi nyomóerőt. Mint a 12 görbén megfigyelhető, a 6 betételem összenyomásával az általa kifejtett nyomás egyre nő. A hasznos összenyomott vastagság rugalmas módon valósul meg, azaz amikor a 6 betételem által kifejtett, jó villamos érintkezést biztosító nyomás a 1,47-3,92· 10⁴ Pa tartományba esik, akkor az összenyomott 6 betételem 3,6-5,4 mm közötti vastagságú lesz, ami 46-64% közötti, bőven az összenyomás nélküli vastagság 10%-át meghaladó összenyomás mértéket jelent. Ez a viszonylag széles összenyomhatósági tartomány megfelel a hagyomá-9nyos cellaszerkezetek tűrési értékeinek. Ezzel szemben az US 4,693,797 számú szabadalmi leírásból megismerhető, 6 mm vastagságú, nikkel huzalból készült betételemhez tartozó hasonló erökifejtési 11 görbén jól látható, hogy a hasznos működési tartomány lényegesen szűkebb, és bőven az ismert betételem összenyomás nélküli vastagságaThe nickel insert 6 had two non-corrugated outer layers 7 made of 0.27 mm diameter wire and two inner layers 8 made of 0.16 mm diameter wire, the latter being corrugated to form 8.6 mm high bulges and superimposed on each other with their corrugation directions at 90° to each other to prevent the two inner layers 8 from sinking into each other when the insert 6 is subjected to compressive forces. The two outer layers 7 and the two inner layers 8 between them were enclosed in a frame running along their circumference, not shown in the figures. The total thickness of the insert 6 without compression is approx. 10 mm, in this state it does not exert surface compressive forces through its outer layers 7. As can be seen from the curve 12, the pressure exerted by the insert 6 increases as it is compressed. The useful compressed thickness is achieved in a flexible manner, i.e. when the pressure exerted by the insert 6, ensuring good electrical contact, falls within the range of 1.47-3.92·10 ⁴ Pa, the compressed insert 6 will have a thickness of between 3.6-5.4 mm, which represents a compression degree of between 46-64%, well exceeding 10% of the uncompressed thickness. This relatively wide compressibility range corresponds to the tolerance values of conventional cell structures. In contrast, the similar force curve 11 for a 6 mm thick nickel wire insert, disclosed in US Patent No. 4,693,797, clearly shows that the useful operating range is significantly narrower and is well within the uncompressed thickness of the known insert.

10%-ánál kisebb értékű összenyomhatósági tartományt jelent.It represents a compressibility range of less than 10%.

Claims

1. An electrically conductive flexible insert for an electrochemical cell, comprising sandwich-like compressible and flexible layers made of metal wires, characterised in that the layers made of metal wires consist of two outer flat layers (7) and at least two corrugated inner layers (8), the direction of corrugation of one corrugated inner layer (8) being different from the direction of corrugation of another adjacent inner layer (8).

2. An electrically conductive flexible insert according to claim 1, characterized in that the inner layers (8) are corrugated in mutually perpendicular directions.

3. An electrically conductive elastic insert according to claim 1, characterized in that the insert (6) exerts a pressure in the range of 1.47-3.92·10 ⁴ Pa in a compression range exceeding 10% of the uncompressed thickness of the insert (6).

4. An electrically conductive flexible insert according to any one of claims 1-3, characterized in that the compression range is 20-60% of the uncompressed thickness of the insert (6).

5. An electrically conductive flexible insert according to any one of claims 1-4, characterized in that the diameter of the wires used is in the range of 0.1-0.35 mm.

6. An electrically conductive flexible insert according to any one of claims 1-5, characterized in that the uncompressed thickness of the insert (6) is in the range of 5-15 mm.

7. An electrically conductive flexible insert according to any one of claims 1-6, characterized in that it is formed from a material selected from nickel, titanium and alloys thereof, and is coated with a protective layer.

- 108. The electrically conductive flexible insert according to claim 7, characterized in that the protective layer is silver or a noble metal.

9. An electrically conductive flexible insert according to claim 7 or 8, characterized in that the sandwich-like structure consisting of compressible and flexible layers is provided with a gripping frame along its circumference.

10. An electrochemical cell comprising at least one electrically conductive flexible insert (6) according to any one of claims 1-9.

11. An electrochemical cell according to claim 10, characterized in that it is provided with at least two compartments divided by an ion exchange membrane or diaphragm.

12 An electrochemical cell according to claim 10 or 11, characterized in that it is designed as a fuel cell, a chlor-alkali electrolysis cell, a hydrochloric acid electrolysis cell, a neutral salt electrolysis cell or other cell.

13. An electrochemical cell according to any one of claims 10-12, characterized in that the electrically conductive flexible insert (6) is directly connected to a gas diffusion electrode.

14 An electrochemical cell according to any one of claims 11-13, characterized in that one of the two compartments is an anode compartment and the other is a cathode compartment.

15. The electrochemical cell according to claim 14, characterized in that the electrically conductive flexible insert (6) is made of pure titanium or its alloys and is coated with a protective layer based on a noble metal or noble metal oxide, and is placed in the anode compartment.

16. An electrochemical cell according to claim 14, characterized in that the electrically conductive flexible insert (6) is made of pure nickel or its alloys and is coated with a silver-based protective layer and is placed in the cathode compartment.