本发明涉及一种膜堆叠，例如平面膜电池的堆叠布置。在另一方面，本发明涉及一种制造膜堆叠的方法。
背景技术：
国际申请wo2012/065016公开了一种电净化装置，其包括具有第一隔室的电池堆，所述第一隔室包括第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜，所述第一隔室被构造并布置成提供在第一阳离子交换膜和第一阴离子交换膜之间的第一方向上的直接流体流动。提供包括第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜的第二隔室，以提供在第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜之间的第二方向上的直接流体流动，第一隔室和第二隔室中的每一个被构造并布置成提供大于第一阳离子交换膜、第一阴离子交换膜和第二阳离子交换膜的表面积的85％的流体接触。wo2012/065016中使用的电池堆不包括角部凹陷。此外，wo2012/065016使用大量的粘合剂将电池堆附接到壳体上。
英国专利公开号为gb-a-1292952的专利公开了用于电渗析、透析或反渗透的膜堆结构。具有膜、分离器和密封片的膜堆叠放置在盒子内。添加材料块以确保入口/出口歧管留有空间，并且密封材料被倾倒在块的壁和电池的侧面之间的空间中。
技术实现要素：
本发明试图提供一种改进的膜堆叠，例如位于壳体内部的平面膜电池的堆叠布置，该堆叠具有每单位体积壳体的大的膜面积。此外，本发明试图提供一种用于生产这种膜堆叠的成本有效的方法。
根据本发明，提供了一种膜电池堆布置，其包括：
具有中心轴线和内表面(2a)的壳体(2)，
膜电池堆(4)，每个膜电池(6)布置在壳体(2)内部，其中膜电池(6)的主表面(6a)取向为基本垂直于中心轴，
每个膜电池(6)具有至少四个侧面(10a，10b，10c，10d)的形状，其中所述至少四个侧面中的至少一个侧面为所述膜电池提供流量输入，并且所述至少四个侧面中(10a，10b，10c，10d)的至少一个侧面提供来自所述膜电池的流量输出，并且所述至少四个侧面(10a，10b，10c，10d)的其余侧面提供所述膜电池的闭合侧壁，其中
每个膜电池(6)包括位于所述至少四个侧面(10a，10b，10c，10d)的每两个相邻侧面之间的角部凹陷(12)，并且所述膜电池堆布置(1)还包括密封隔室(14)，所述密封隔室(14)基本平行于所述壳体(2)的中心轴线，每个密封隔室(14)由膜电池堆(4)的相邻膜电池(6)的角部凹陷(12)与壳体(2)的内表面(2a)的一部分配合提供。
每个膜电池布置在壳体内部，膜电池的主表面基本上垂直于中心轴线定向，优选具有不大于5°的偏差，例如，膜电池的主表面与中心轴线之间的角度在85°与95°之间，更优选在87°与93°之间。
本发明中提到的凹陷和凹槽可以分别可选地称为凹处和凹部。
每个膜电池通常是由下部膜、上部膜和至少两个闭合侧壁限定的流体流动室，并且可选地在两个膜之间包括流体可渗透间隔件。典型地，每个膜电池具有流体可以通过的两个开放侧面，而其余侧面是闭合侧壁。通常相邻的膜电池共享膜。
包括在至少四个侧面的每两个相邻侧面之间的角部凹陷的膜电池典型地是其中角部已经被移除的膜电池。例如，膜电池包括角部已被除去的下部膜和上部膜以及存在于下部膜和上部膜之间的任何流体可渗透间隔件的角部。通过例如激光切割、模切或水刀切割可以除去下部膜和上部膜的角部(以及流体可渗透的间隔件的角部，当存在时)。角部凹陷可以在形成膜堆叠之前形成，或者如果需要的话，可以在形成膜堆叠之后形成。
壳体优选为管状壳体，其包括周壁和两个开口端或两个闭合端，包括一个或多个流体入口和一个或多个流体出口。
膜电池堆可以容易地一起放在壳体内部，并且角部凹陷与壳体的壁一起提供用于密封材料的适当限定的空间。结果，壳体内每个膜电池可用的壳体横截面的表面积部分大于现有技术布置，即与现有技术布置相比，更大的膜电池面积配合到壳体中。
在第二方面，本发明涉及一种制造膜电池堆布置的方法，其包括以下步骤：
提供具有中心轴线和内表面的壳体；
建立膜电池堆，
每个膜电池具有至少四个侧面的形状，其中所述至少四个侧面中的至少一个侧面为所述膜电池提供流量输入，并且所述至少四个侧面中的至少一个侧面提供从所述膜电池的流量输出，所述至少四个侧面的其余侧面提供所述膜电池的闭合侧壁，其中每个膜电池包括在所述至少四个侧面的每两个相邻侧面之间的角部凹陷，以及
将膜电池堆设置在壳体中，其中每个膜电池的主表面基本上垂直于壳体的中心轴线取向，
由此提供基本上平行于中心轴线延伸的密封隔室，每个密封隔室由膜电池堆的相邻膜电池的角部凹陷与所述壳体的内表面的一部分配合形成；以及输入隔室和输出隔室，每个输入隔室和输出隔室基本平行于所述壳体的中心轴线延伸，输入隔室和输出隔室分别由膜电池堆的相邻膜电池的流输入和流输出与壳体的内表面的另一部分配合形成。
本发明的第二方面提供了用于制造膜电池堆布置的成本有效和简单的方法。
附图说明
下面将参照附图使用多个示例性实施方案更详细地讨论本发明，其中：
图1描绘了根据本发明的膜电池堆布置的实施方案的三维视图；
图2-4描绘了根据本发明的膜电池堆布置的各种实施方案的示意性俯视图；
图5示出了根据本发明的膜电池堆叠的另一个实施方案的示意性俯视图；
图6描绘了根据本发明的膜电池堆叠的另一个实施方案的示意性俯视图；和
图7a至图7f描绘了根据本发明的角部凹陷的示意性俯视图；
图7g是比较性的并且描绘了角部的示意性俯视图，该角部不包括凹陷，而是具有向外圆形或凸起的形状。
具体实施方式
图1和图2分别描绘了根据本发明的膜电池堆布置1的实施方案的三维视图和俯视图。为了方便和清楚起见，图2的实施方案可以被认为是图1所示实施方案的俯视图或横截面图。
如所描绘的，膜电池堆布置1包括包围或围绕膜电池堆4布置的壳体2，其中壳体2包括中心轴线或纵向轴线(未示出)和围绕该中心轴线的壁(具有内表面2a)。在一个实施方案中，壳体2可以是管状壳体2，意味着具有穿过其延伸的中心孔(即具有两个开口端)的细长主体。如图1所示，细长主体不需要是圆柱形的，而是可以具有不同的横截面形状，例如图4所示的六边形。然而圆柱形壳体是优选的。在典型的实施方案中，(管状)壳体2可以包括以下组分或由以下组分构建：低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚醚醚酮、环氧树脂或两种或更多种的组合或混合物。壳体2可以进一步包括强化材料，例如金属、玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维或包含其中两种或更多种的组合。
为了便于参考和概括，术语“膜堆叠”、“膜电池堆”和“膜电池的堆叠布置”被认为是同义词并且在整个本公开内容中可互换使用。
膜电池堆4的每个膜电池6布置在壳体2内部，膜电池6的主表面6a基本上垂直于中心轴线取向。膜电池的堆叠布置4可以包括平面膜电池6，例如，基本平坦的膜电池。膜电池堆4可以包括膜电池6，膜电池6包含阳离子交换膜和/或阴离子交换膜和/或例如双极膜的另一种类型的膜。优选每个膜电池6包含阳离子和/或阴离子交换膜。在一个实施方案中，每个膜电池6包含阳离子交换膜和阴离子交换膜。典型地，存在于每个膜电池6中的离子交换膜中的一个或两个还用作堆叠中的相邻膜电池6的离子交换膜。因此，膜堆叠布置优选地在整个膜电池堆布置1中包括交替的阳离子交换膜和阴离子交换膜。
阴离子交换膜和阳离子交换膜，也统称为离子交换膜，可具有光滑表面或可具有异形表面。取决于期望的功能，离子交换膜的一个或两个表面可以具有在例如5-800μm之间的高度中变化的肋和/或突起形式的轮廓。低高度的突起可以增强在膜表面附近流过膜电池6的流体的湍流。较高的突起可能有助于保持膜电池6的膜分离，从而使得间隔件变得多余。合适的突起的例子包括圆锥体、多角锥体(例如三角锥体、正方锥体和六角锥体)、半球体，台面(例如正方形、三角形和圆形台面)、圆顶、圆形截头圆锥体、截头金字塔、钻石，短脊，以及前述两种或更多种的组合。当在突起的底部处测量时，优选突起具有10：1至1：10，更优选7：1至1：7，尤其是5：1至1：5，更特别是2.5：1至1：2.5的平均长度(l)与平均宽度(w)的比。这些优选的出现是因为在其中颗粒可以完全阻挡两个肋之间的液体通过处使用连续肋的情况下，使用上述l与w比通常可以获得更好的对流和更低的堵塞问题。优选地，异型表面包括至少80％(优选100％)的在所有方向(长度、宽度和高度)上具有小于20mm的最大尺寸的突起。优选地，异型表面包括在所有方向(长度、宽度和高度)上具有0.04-10mm，更优选0.05-6mm的最大尺寸的突起。优选地，异型表面包括彼此分开平均至少0.1mm，更优选至少0.5mm，例如1mm、2mm、4mm、8mm或12mm的突起。
膜电池堆4中的每个膜电池6可以包括具有至少四个(优选为直的)侧面(10a，10b，10c，10d)的形状、圆周或周边，其中至少四个直侧面的至少两个侧面(优选两个侧面)向膜电池6提供流量输入和流量输出，并且至少四个直侧面中的其他侧面(侧)提供膜电池6的闭合侧壁。换句话说，每个膜电池6优选具有至少四个侧面(10a，10b，10c，10d)的形状，其中至少四个侧面中的至少一个(优选仅一个)侧面提供至膜电池6的流量输入，至少四个侧面中的至少一个(优选仅一个)侧面提供来自膜电池6的流量输出，并且至少四个侧面的其余侧面提供膜电池6的闭合侧壁。
膜电池堆4可以以横流堆叠图案布置以优化膜电池堆4的效率。在这样的实施方案中，从相邻膜电池6的流量输入到流量输出的流动方向相互成一角度(在图1所示的实施方案中为90度，在图4所示的实施方案中为60度)。优选地，相邻的膜借助于密封材料(例如粘合剂)或通过焊接沿着至少四个侧面的其余侧面彼此附接，从而提供膜电池6的闭合侧壁。
每个膜电池6包括在至少四个侧面10a-d的每两个相邻的侧面(侧)之间的角部凹陷12。膜电池堆布置1进一步包括基本上平行于壳体2的中心轴线的密封隔室14，其中每个密封隔室14由膜电池堆4的相邻膜电池6的角部凹陷12与壳体2的内表面2a的一部分配合提供。
本发明的膜电池堆布置1，特别是每个膜电池6的角部凹陷12，允许壳体2中的每个膜电池6相对于壳体2的横截面(垂直于中心轴线)的较大表面积，从而提高了膜电池堆布置1的整体效率。此外，每个膜电池6的角部凹陷12与壳体2的内表面2a一起提供密封隔室14，用于将每个膜电池6附接到壳体2，并且在每个膜电池6的至少四个侧面10a-d的每两个相邻侧面之间提供密封。
在优选实施方案中，密封隔室14包括密封材料。密封材料允许每个膜电池6与壳体2的改进的连接以及每个膜电池6的至少四个侧面10a-d的每两个相邻侧面之间的改进的密封。优选地，用于将膜电池堆4附接到壳体2上的密封材料的至少50％、更优选至少70％，尤其是至少80％置于密封隔室14内。存在于每个密封隔室14中的密封材料优选延伸到每个密封隔室14的每侧的外部至小于密封隔室14的宽度的70％，更优选小于60％，尤其是小于50％，更特别是小于40％的距离。以这种方式，降低了膜电池堆布置1的成本(由于较低的材料成本)并且增加了膜电池堆布置1的产量、速度和效率(由于密封材料大部分容纳在密封隔室14内从而不阻碍流体流过膜电池堆布置1)。
在一个实施方案中，膜电池堆布置1可以进一步包括输入隔室16和输出隔室18，每个隔室基本平行于壳体2的中心轴线延伸(例如平行的+/-5度)，输入隔室16和输出隔室18分别与膜电池堆4的相邻膜电池6的流量输入和流量输出流体连通，并与壳体2的内表面2a的另一部分配合。
因此，在该实施方案中，与壳体2的内表面2a的一部分相结合的每个流量输入限定了诸如输入隔室16的歧管。与壳体2的内表面2a的一部分相结合的每个流量输出随后限定诸如输出隔室18的歧管。因此，输入隔室16将每个流量输入共同连接到膜电池堆布置1的主输入，并且输出隔室18将每个流量输出共同连接到所述堆叠布置1的主输出。
在一个有利的实施方案中，密封材料可以是固化材料，例如固化树脂，其在固化之前完全填充密封隔室14并且在固化时将每个膜电池6牢固地附接到壳体2。
在一个实施方案中，密封材料在固化之前具有至少25pa.s，优选至少50pa.s的粘度(当在25℃和1s-1的剪切速率下测量时)。以这种方式，可以确保密封隔室14充分填充有密封材料，而没有密封材料朝向输入隔室16和输出隔室18泄漏，并且可以在每个膜电池6的至少四个直侧面10a-d的每两个相邻侧面之间获得密封。粘度可以使用antonpaargmbh的physicamcr301流变仪测量。确定粘度的合适方法如下：系统：pp20-sn19266；[d＝0.3mm]。密度设定为1。温度是25℃。在70s内开始剪切速率为1s-1，随后在50s内剪切速率为100s-1，随后在11s内剪切速率为1s-1。优选地，粘度值是独立双重测量的平均值，并且每次测量的平均值为最后10秒。密封材料的粘度优选小于1mpa.s，更优选小于100,000pa.s(当如上所述在25℃和1s-1的剪切速率下测量时)。
优选地，密封材料具有高度的弹性。弹性程度可以表示为断裂伸长率，也称为工程拉伸强度，并且可以通过拉伸试验机来测量。在一个实施方案中，当固化时，密封材料具有小于90、优选小于70的肖氏a硬度和至少50％、优选至少100％的断裂伸长率。这使得密封材料能够适应例如膜电池堆4的尺寸变化，例如由于肿胀或流量压力波动导致。(固化的)密封材料优选具有至少10的肖氏a硬度和不大于2,000％的断裂伸长率。肖氏a硬度可以根据iso868使用硬度计测量。断裂伸长率可以通过iso37的方法测量(即，在隔离固化时的密封材料样品上)。密封材料的拉伸强度通常并不重要，因为膜电池堆4被固定在壳体2内部。然而，优选地，密封材料具有>0.4n/mm2，更优选>0.5n/mm2的拉伸强度。密封材料的拉伸强度可以通过iso37的方法测量。
优选地，密封材料是固化的有机硅粘合剂。这是因为有机硅粘合剂在固化时通常是软的并且具有长的断裂伸长率。合适的有机硅粘合剂的实例包括来自ottochemie的ottocoll有机硅粘合剂(例如，
可以固化以提供密封材料的其它粘合剂包括聚氨酯粘合剂，例如来自3mtm的电力线和海洋粘合剂；来自bayer的
密封材料可选地包含一种或多种其他组分，例如增强材料或珠粒。任选的珠粒可以由任何合适的材料制成，例如玻璃，二氧化硅，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，交联的聚甲基丙烯酸甲酯乙烯二甲基丙烯酸酯，聚苯乙烯和交联的聚苯乙烯二乙烯基苯。相对于密封材料的重量，珠粒的最佳量为0.5wt％和50wt％。
在一个实施方案中，取决于壳体2的内径，输入隔室16的体积与密封隔室14的体积之比在2和2,000之间，优选在3和1,400之间，更优选在30和1,000之间，由此为到整个堆叠的输入流量提供足够的容量，以及为密封隔室14提供足够容量以形成膜电池堆布置1的适当内部密封。类似地，取决于壳体2的内径，输出隔室18的体积与密封隔室14的体积之比优选在2和2,000之间，优选在3和1,400之间，更优选在30和1,000之间。
参照图2，在一个有利的实施方案中，角部凹陷12包括(向内)曲线形状，例如，(向内)半圆形、直线切割或多边形形状或其两种或更多种的组合。因此，角部凹陷12优选是平坦的或向内弯曲/凹入的。在图7a-7f中示意性地描绘了角部凹陷12的例子。优选的是角部缺陷12的切线19具有至少两个与膜电池6接触的点(更优选两个且仅两个接触点)。对于具有四个侧面的膜电池，优选地，每个膜电池6的一个或多个角部凹陷12，优选所有角部凹陷12的切线19相对于邻近每个凹陷的侧面成约45度角(例如(40至50度)，如图7b所示。因此可以通过从膜电池6的角部切割直线边缘或通过从膜电池6的角部去除向内弯曲部分来提供凹部。向外弯曲的(凸起的)(例如图7g中所示的)角部(与该角部的切线19仅具有一个接触点)不是凹部，因为它指向外侧。对于具有六个侧面的膜电池6，优选地，每个膜电池6的一个或多个角部凹陷12，优选所有角部凹陷12的切线19相对于邻近每个凹陷12的侧面成约30度角(例如25至35度)。对于具有八个侧面的膜电池6，优选每个膜电池6的一个或多个角部凹陷12，优选所有角部凹陷12的切线19相对于邻近每个凹陷12的侧面成约22.5度(例如20至25度)。
膜电池6优选具有与侧面相同数量的角部凹陷12。例如，当膜电池具有四个侧面时，优选具有四个角部凹陷，当膜电池具有六个侧面时，其优选具有六个角部凹陷，并且当膜电池具有八个侧面时，其优选具有八个角部凹陷。优选膜电池具有偶数个侧面。
角部凹陷12为膜电池堆4相对于壳体2的期望的或所需的“形状因子”提供了增加的灵活性，以优化膜电池堆布置1的效率。
鉴于上述“形状因子”，在进一步的实施方案中，壳体2可以包括垂直于中心轴线的圆形横截面或椭圆形横截面。然而，在更进一步的实施方案中，壳体2也可以包括矩形横截面、多边形横截面等，例如垂直于中心轴线的六边形、八边形，使得膜电池堆布置1可以被设计为实际上满足特定应用的任何形状要求。
例如，图3和图4各自分别示出了根据本发明的膜电池堆布置1的椭圆形和多边形横截面的示例性实施方案的示意性俯视图。基于所选择的特定横截面，角部凹陷12可以适于具有这样的形状，该形状提供膜电池堆4与壳体2的最佳结合，以及在每个膜电池6的至少四个直侧面10a-d的每两个相邻侧面之间的最佳密封。
图4示出了根据本发明的膜电池堆布置1的另一个实施方案的示意性俯视图。在所示的实施方案中，每个膜电池6具有六个直侧面(10a，10b，10c，10d，10e，10f)，例如每个膜电池6具有如图所示的类六角形横截面。图4中的壳体2不但具有类六角形横截面，而且对于具有类六边形横截面的膜电池，也可以选择具有圆形或椭圆形横截面的壳体。在甚至进一步的实施方案中，每个膜电池6可以具有八个侧面，例如，具有类八角形横截面。相应的壳体2也可以具有类八角形横截面，或者可以具有其他横截面，例如圆形的横截面。
根据本发明，可以基于壳体2和由其包围的膜电池堆4的横截面形状来适当地选择角部凹陷12。请注意，图2、3和4中所示的实施方案仅是膜电池堆4相对于壳体2的特定横截面的示例。在任何情况下，角部凹陷12可以适于具有期望的曲线/凹面形状，以提供每个膜电池6与壳体2的最佳结合以及每个密封隔室14的最佳密封特性。
在一个实施方案中，膜电池6的侧面不平行于壳体2的内表面2a。该实施方案确保了如上所述的任何输入隔室16和输出隔室18被很好地限定并且为膜电池堆布置1提供了足够的吸入和排出能力。
在一个实施方案中，膜电池堆4的细长方向(沿中心轴线)上的投影面积与壳体2的内表面2a的投影面积之比为至少0.64，优选至少0.66，更优选至少0.67。图2、3和4示出了沿着膜电池堆4的多个实施方案的中心轴线的投影。
壳体2的内径和膜电池堆4的最大直径(基本上垂直于中心轴线)优选大致相同，即提供紧密配合。壳体2的内径与膜电池堆4的最大直径之间的差优选在5-8,000μm之间，更优选在200-4,000μm之间，例如约1,000μm或约2,000μm的差。
图5示出了根据本发明的膜电池6的另一个实施方案的示意性俯视图。在所示的实施方案中，膜电池6可以设置有一个或多个允许密封材料容纳在其中的通孔20。特别地，在有利的实施方案中，膜电池堆4可以包括一个或多个膜电池6，其中每个通孔20与膜电池堆4中的邻接的膜电池6的一个或多个通孔20对准。结果，当对准时，每个膜电池6的一个或多个通孔20提供延伸穿过整个膜电池堆4的通孔。一旦密封材料固化，一个或多个通孔20可以填充有可固化的密封材料以将膜电池6彼此牢固地附接。当固化时，孔20中的密封材料形成一种内部框架并且在壳体2内部的堆叠4的处理和设置期间为堆叠4提供稳定性。处理活动是例如切割侧面至期望的尺寸并去除用于将膜彼此附接的多余密封材料。通孔20的直径优选为2-10mm，更优选为3-6mm。优选地，通孔20填充有密封材料例如粘合剂，同时在制造膜电池堆4期间将密封材料施加到膜上。在一个实施方案中，当构建膜电池堆4时，在角部凹陷12的位置处使用临时导引杆以在存在时帮助对准膜和间隔件。(优选直的)侧面的切割可以通过例如水射流或通过激光束来完成，其中水射流切割是优选的。在一个优选实施方案中，通孔20开口至角部凹陷12，并且当固化时，填充通孔20的密封材料与填充密封隔室14的密封材料接触。在图5的实施方案中，在构建堆叠之后，沿着至少四个直侧面10a-d的外边缘被切掉，从而留下半圆形的角部凹陷。
在一个实施方案中，在固化之前用于填充一个或多个通孔20的密封材料可以具有至少25pa.s的粘度(在25℃和1s-1的剪切速率下)，优选至少50pa.s，以确保一个或多个通孔20可充分填充密封材料，以将一个或多个膜电池6的膜相对于彼此牢固地设置并且提供柔性内部框架作为膜电池堆4的部分。用于将膜彼此附接以填充通孔20并填充密封隔室14的密封材料可以使用相同的材料或可以使用不同的材料。
图6示出了可用于本发明的膜电池堆布置中的膜电池6的又一实施方案的示意性俯视图。每个膜电池6在其四个直侧面的每两个相邻侧面之间具有角部凹陷12，其中角部凹陷12具有两个凹陷宽度为d的垂直取向的侧面，因此在壳体2的内表面2a和凹陷12的两个垂直取向的侧面之间形成密封隔室14。壳体2具有内径d。在该实施方案中还示出输入隔室16和输出隔室18。
在下面的表1中，给出了根据本发明的图6的实施方案的膜电池堆布置1的几种配置的指示值，用于膜电池堆4的投影表面积与壳体2沿着中心轴线的内表面面积之比(对于如图6所示的圆柱形壳体，沿着中心轴线的投影表面积可以通过公式πd2/4计算，其中d是壳体2的内径)。作为参考，该比率是针对没有角部凹陷的布置计算的。表1中还包括入口隔室16和出口隔室18以及密封隔室14的体积比。
表1
如上所公开的膜电池堆布置1及其各种实施方案可以有利地用于例如电渗析(ed)装置或反向电渗析(red)装置。电渗析装置可以是也称为电去离子装置的填充电池电渗析装置。取决于期望的应用，这样的装置可以包括2-1200个膜电池堆，优选20-600个膜电池堆。
膜电池堆4可以进一步包括在堆叠的每个端部处的电极电池，其也可以用作端板。可选地，设置单独的端板，其在两端闭合壳体2。电极电池可以包括与馈送到其他膜电池6中的流体不同或相同的电解质溶液。可用于电极电池中的电解质的实例是氯化钠、氯化钾、硫酸钠、fe(ii)和fe(iii)盐例如fecl2、fecl3、feso4、fe3(so4)2或它们的组合。
端板通常提供与膜电池堆4的流量输入隔室16和流量输出隔室18的连接。
膜电池堆4可以进一步包括具有两个离子交换膜(例如，阴离子交换膜和阳离子交换膜)的膜电池6，两个离子交换膜通过流体可渗透间隔件保持分开。流体可渗透间隔件优选地由惰性电绝缘材料制成。合适的惰性电绝缘材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、玻璃纤维和聚氯乙烯。可选地，流体可渗透间隔件涂覆有离子传导层以增强离子传输并减少间隔件阴影效应。可用作流体可渗透间隔件的可商购材料的实例包括来自delstar的挤出网(例如n0101460ppnat、n1014_90pp-nat和n01017_90pp-nat)，来自industrialnetting的挤出网(例如xn-4820xn-4820)和来自sefar的编织材料(例如，nitex06-475/56、nitex03-300/51、nitex06-390/47、nitex07-240/59和nytalpa06-212)。流体可渗透间隔件优选包含织造或非织造网(或网眼)，优选具有100-1000μm、更优选150-800μm的厚度。网的股线的取向优选相对于流体穿过膜电池6的主流动方向为约45°。网中开口的尺寸优选在70-500μm之间，更优选在100-400μm之间。
电极电池中的电极优选包括合适的导电材料，例如不锈钢、石墨、钛、铂、铱、铑、铌、锆、钽、钨、导电聚合物、导电氧化物、导电聚合物/碳复合材料或其两种或更多种的组合。例如，电极可以是钛网，不锈钢网，聚烯烃/石墨复合膜，石墨板或钛板。另外，电极可以没有涂层或有涂层。实例是铂涂覆的不锈钢网和氧化铱涂覆的钛网。在某些实施方案中，可以使用一种或多种导电聚合物作为电极。这种导电聚合物的非限制性实例可以包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其组合。电极可以包含混合金属氧化物。导电氧化物的实例可以包括铟掺杂的氧化锡(ito)、锑掺杂的氧化锡(ato)和铝掺杂的氧化锌。在一个实施方案中，电极可以包括导电高表面层，其可以由具有高表面积的任何导电材料或复合材料形成。用于导电高表面层的这种材料的实例包括活性碳、碳纳米管、石墨、碳纤维、碳布、碳气凝胶、金属粉末(例如镍)、金属氧化物(例如氧化钌)、导电聚合物和上述任何两种或更多种的混合物。
另一方面，本发明涉及一种用于制造膜电池堆布置的方法。为了清楚和方便，参考图1-7。
根据本发明，该方法包括以下步骤：提供具有中心轴线和内表面2a的壳体2，构建膜电池堆4，其中每个膜电池6具有至少四个侧面10a-d的形状，其中至少四个侧面10a-d的至少一个(优选仅一个)侧面提供流向薄膜电池的流量输入，并且至少四个侧面10a-d的至少一个侧面(优选仅一个侧面)提供来自膜电池6的流量输出，并且至少四个侧面中的其余侧面提供膜电池6的闭合侧壁，其中每个膜电池6包括位于至少四个侧面10a-d的每两个相邻侧面之间的角部凹陷12。该方法进一步包括将膜电池堆4设置在壳体2中，其中每个膜电池6的主表面6a定向为基本上垂直于壳体2的中心轴线，从而提供基本上平行于中心轴线延伸的密封隔室14。简言之，膜电池堆4可以被看作是同轴地设置在壳体2中的平面膜电池6的平行布置，其中角部凹陷12提供沿壳体2的纵向(即平行于中心轴线)延伸的密封隔室14。术语“纵向”不意味着壳体2的长度必须大于其宽度。
密封隔室14由与壳体2的内表面2a的一部分配合接合的膜电池堆4的相邻膜电池(即膜电池6)的角部凹陷12以及输入隔室16和输出隔室18形成，每个隔室平行于中心轴线延伸或沿壳体2的纵向方向延伸。输入隔室16和输出隔室18分别通过与壳体2的内表面2a的另一部分配合接合的膜电池堆4中的相邻膜电池的流量输入和流量输出形成。
本发明的方法允许膜电池堆布置1的方便、有效和模块化的组装。最值得注意的是，该方法的优点在于，在将一个或多个膜电池堆4设置在壳体2中的同时，通过每个膜电池6的角部凹陷12连同壳体2的部分内表面2a自动获得密封隔室14。此外，每个膜电池6的至少四个侧面10a-d与壳体2的内表面2a的一部分一起限定或界定膜电池堆布置1的输入隔室16和输出隔室18。这减少了在制造膜电池堆布置1时使用的部件的数量以及要处理的部件的数量。
膜电池堆4的构建通常包括以下步骤：提供阳离子交换膜，沿着阳离子交换膜的至少四个侧面的其余侧面施加密封材料，任选地将间隔件设置在阳离子交换膜的顶部上，将阴离子交换膜设置在其顶部，并且沿阴离子交换膜的至少四个侧面的其余侧面施加密封材料，其中密封材料施加在阴离子交换膜上的取向不同于密封材料施加在阳离子交换膜上的取向。在一个实施方案中，(部分)阳离子交换膜附着于阳离子交换膜和/或(部分)阴离子交换膜附着于阴离子交换膜和/或(一些)阳离子或阴离子交换膜附着于诸如双极膜的其他类型的膜。在构建膜电池堆4的同时，可以在设置每个膜之后或者在已经堆叠多个膜之后施加压缩。在一个实施方案中，在膜电池堆4已经被构建之后，膜电池堆4被压缩并且密封材料被固化，同时膜电池堆4被保持在压缩状态。优选地，施加压缩使得膜电池堆4的高度达到预定值。可选地，可以使用导引杆以使得在设置期间更容易对准膜以及任选的间隔件。
在一个实施方案中，该方法可以进一步包括用密封材料(例如，可固化的密封材料)填充密封隔室14的步骤。在该实施方案中，密封隔室14可以填充有密封材料，以将每个膜电池6(即膜电池堆4)附接到壳体2以及在膜电池6的两个相邻侧面之间提供密封，在两个相邻侧面之间设置了角部凹陷12(即，在输入隔室16和输出隔室18之间提供密封)。
为了将每个膜电池牢固地附接到壳体2并提供密封，该方法可以进一步包括固化密封材料。在典型的实施方案中，密封材料可以是固化的材料(例如固化的树脂)，例如在固化前的粘度(在25℃和1s-1的剪切速率下)至少为25pa·s。这种粘度水平可允许固化材料容易地流入密封隔室14中，使其完全填充而没有(过度)泄漏到其他隔室。密封材料的固化可以通过辐射例如通过紫外线或可见光、通过暴露于热(或ir辐射)、通过暴露于湿气、通过化学反应(例如在双组份粘合系统中)或者通过两种或更多种这些方法的组合来实现。
构建膜电池堆4不需要在单个制造工艺中进行，连续添加膜电池6直到所有需要的膜电池6已经堆叠在壳体2内或者在将膜电池堆4放置在壳体2内部之前。相反，可能希望以分批方式生产膜电池堆4，因此通过将第一膜电池堆4设置在壳体2中，随后将第二膜电池堆4设置在壳体2中。优选地，膜电池堆4通过密封材料彼此附接，该密封材料可以与用于将膜电池堆4附接到壳体2的密封材料相同或不同。因此在一个实施方案中，该方法可以进一步包括将壳体2中的第二膜电池堆4设置在第一膜电池堆4的顶部上。该实施方案对于较大的膜电池堆4可能是有利的，其中在第二膜电池堆4设置并附接到壳体2之前，第一膜电池堆4如上所述被设置并附接到壳体2。鉴于此，提供了一种实施方案，其中该方法还包括用密封材料填充与第二膜电池堆4(和可能的其他堆叠)相关的密封隔室14。或者，在壳体2中将多个膜电池堆4设置在彼此的顶部之后，然后通过填充密封隔室14将所有堆叠附接到壳体2。如同上述所有实施方案一样，密封材料可以是固化的材料，例如，在固化前具有合适粘度的固化树脂。
上面已经参照如附图所示的多个示例性实施方案描述了本发明的实施方案。某些部件或元件的修改和替代实施方式是可能的，并且被包括在所附权利要求中限定的保护范围内。