[发明专利]用于H2O电解或将CO2和H2O转化为燃料的高性能可逆电化电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种可实施水分解或燃料合成的电化电池。本发明还涉及一种当逆向操作时作为燃料电池的电化电池。

本发明进一步涉及一种可实施水分解，CO₂和水共电解，或燃料合成且当逆向操作时可作为燃料电池的电化电池的制备方法。

背景技术

在电网中可再生能源快速增长的贡献要求高效储能方法的发展。电解可在储能目的中发挥重要的作用。

特别地，多余的电至燃料如烃类或氢气的有效转化，可为运输系统的能源需求提供可持续的解决方法而无需改变变运输技术和基础设施。

电解池通常以三个元件部分为特征：一种电解液和两个电极，即阴极和阳极。当受施加于电极上的外加电压驱动时，所述电解液传导流向和流出电极的离子，在那里发生所述反应。所述阴极和阳极分别以还原和氧化所述存在于所述电池中的物质为特征。例如，在具有含水碱性电解液的水电解中，水在阴极被还原为氢氧根离子和氢气，而氢氧根阴离子在阳极被氧化为氧气。

因此，水电解是使用电以驱使水分解为氧气和氢气的原本非自发化学反应的方法。

共电解是使用电以驱使通过二氧化碳和水的电解产生烃或合成气的原本非自发化学反应的方法。

目前，电解池的研究和发展集中在高温，即高于500℃，或低温，即低于150℃下的运作。

WO 2006/066918公开了新的传导质子的，稀土正铌酸盐或正钽酸盐形式的能在高温电解池中和潮湿环境中工作的固体电解液。

先前已在高温和中温下以多种氧化物和氧化材料描述离子传导性。

然而，在200-500℃的温度范围内，即在“Norby间隙”的范围内，即Norby,Solid State Ionics 125,(1999)1-11，没有工作令人满意的固体导体或其它合适的导体。

通常，更普遍使用氧离子导体进行高温电解，通常限制在高于约500℃的温度。

另一方面质子交换膜(PEMs)被限制在在约150℃下工作并要求昂贵的电催化剂，如Pt。

相应地，需要在中低温度内能有效且可靠地工作的电化电池。

因此，改进的电化电池将是有利的，且特别地，能够在中低温度内工作的更有效的和/或可靠的电化电池将是有利的。

因此，能可逆操作作为燃料电池的改进的电解和共电解池将是有利的。

发明目的

本发明的一个目的是提供可用于水电解和共电解的电化电池，或可逆地用于生产电力，例如燃料电池。

本发明进一步的目的是提供现有技术的替代物。

特别地，可视为本发明的一个目的的是提供解决现有技术上述问题的电化电池，其采用电池材料和适于允许100-374℃工作温度范围的结构。

发明内容

在本发明第一方面，通过提供电化电池旨在达到上述目的和数个其它目的，上述提供的电化电池包含：至少两个电极；多孔层，其中所述多孔层位于所述至少两个电极之间，其中所述多孔层适于在100-374℃温度范围内和3-200bars压力范围内固定液体电解液(electrolytes)，优选含水电解液，从而允许所述电化电池在该温度和压力范围内工作。

因此，所述多孔层，如陶瓷多孔层包含固定在所述陶瓷多孔层中的含水电解液，其中所述电化电池经得住100-374℃温度范围和3-200bars压力范围。

经得起定义为足够强以不被所述温度和压力范围损害或破坏并能在所述温度和压力范围内工作而不损失所述固定的液体电解液。因此，所述电化电池的结构和材料在所述温度和压力范围内能够经得住电解液的腐蚀性。

优选地，所述液体电解液为含水电解液。

本发明提供采用在工作温度范围内具有高离子传导性和高稳定性的材料、在中低温度内能有效且可靠工作的电化电池。

本发明特别地，但不排除，有利于获得能运作提供高电流密度，如1.75V下2.0A/cm²，和在100-374℃温度范围内和高压如3-200bars下高能量转换速率的电化电池。

高温下电解具有单电池不适用于水解离且同时不适用于燃料合成的缺点。这是由于热力学限制，即高温下燃料的分解。

因此，在100-374℃温度范围内运作也是有利的，因为这允许用于水电解或燃料合成工艺的相同电化电池的使用。通过将供给至相同电池或相似电池的物料从水转换成水和二氧化碳，所述电解过程从水解离变成了燃料合成且所述产物从氧气和氢气变成了氧气和烃类如甲醇。