[发明专利]透气性电极和制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其是电极和电解反应。在特定的实施方式中，本发明的各实施方式涉及电极、电池组、燃料电池、电化学电池和/或其他相关的电池类型或结构。特定的示例性应用包括金属-空气电池组(特别是可逆金属-空气电池组)、流体-空气电池组、使用可逆空气电极的电池组系统(特别是可逆聚合物-空气电池组)、水分解装置或电池和生成气体或气体合成装置或电池。在其他实施例中，本发明涉及用于在电解反应(包括例如水分解)中分离气体的装置和方法。在其他实施例中，本发明涉及制造电极和/或结合有该电极的电化学电池的方法。

背景

仅作为举例，考虑特定的电解反应，水分解的总反应2H₂O→2H₂+O₂生成O₂和H₂气体作为终产物。水分解是产生高纯度氢气的最简单的方法之一。虽然水电解的电流效率在50-70％的范围内，但通过该方法生产的氢气的电流成本在约$20-30/GJ的范围内(假定$0.05/kWh)，与之相比的是通过天然气重整和煤炭气化所生产氢气的约$6-12/GJ。

对于水分解和许多其他反应，需要保持分离气体以用于之后的单个用途并避免产生爆炸性气体混合物。存在若干种方法用于设计能够在电解期间使两种或多种气体保持分离的装置，例如使用膜来分离电极隔室或腔室。这还可最小化溶解的气体的交叉，所述气体来自一个电极并在另一个电极处待回收。

虽然可以分离气体，但使用这些技术会出现新的问题，例如成本、机械特性、通过膜的阻力高以及在水分解时需要使用超纯水以进行适当运行。

作为另一个示例，也可考虑使用OH^-传导膜的碱性零间隙电解槽(alkaline zero gap electrolyser)。在传统的碱性电解槽中，隔膜是唯一的分隔器，此时电极和分隔器之内和之间形成的气泡是传输阻力的主要原因。已作出了许多关于气泡管理的建议，例如使用电解质的机械循环和使用(稳定的)添加剂来降低电解质的表面张力，使得气泡能够容易地离开系统。

例如，对于水分解，析氧反应的特征之一是电极处溶解的氧气浓度必须达到足以成核和形成小的高压气泡的水平。根据拉普拉斯(Laplace)方程：P＝2γ/r，其中P是气泡内的压力、γ是表面张力且r是气泡半径，靠近电极表面的半径为0.1μm的O₂气泡在25℃下需要具有14atm的压力。所需浓度不仅在电极处产生超电势，而且表现出非常具有反应性的环境，该环境对用于水分解以及其他电解反应的许多催化剂的长期稳定性带来挑战。

报告描述了用于提高电池效率的努力，例如对于水分解：通过加入牺牲剂或共催化剂，对催化剂的晶体结构和形态和比表面积进行修饰。同样，已试图在平面微制造装置中使用不同的电解质流动流来分离气体，但装置效率并不高。

对于在气泡形成前从电池中去除气体(如O₂和H₂)，尚未合适或充分地予以改善。燃料电池中使用的传统气体扩散电极(GDE)类型具有持续形成O₂气泡的趋势，例如在作为水分解装置运行时。此外，这些电极在水氧化(WO)条件下不稳定，其中在水氧化涉及的电势下碳被迅速氧化。

在说明书中对任何在先出版物(或由此得到的资料)或任何已知事物的参考不作为并且不应被看作承认或认可或以任何形式提示在先出版物(或由此得到的资料)或任何已知事物形成本说明书涉及领域中的公知普通常识的一部分。应理解，本说明书中关于文件、装置、行为或知识的任何讨论都旨在解释本发明的内容。

概述

提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下实施例中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

在一个形式中，提供了一种利用包括某种材料的电极的装置、方法和/或工艺，所述电极可以是一种类型的膜或阻挡层，用于直接分离电解质溶液中逸出或产生的气体。优选地，其提高了用于气体生产或合成的电解反应的效率。

在另一个形式中，提供了一种透气性(gas permeable)或可透气(breathable)电极，例如用于电解池、电化学电池、电池组和/或燃料电池。在其他形式中，提供了一种生产电极和/或结合有该电极的电池或电池组的方法。

在其他形式中，提供了一种包括至少一个多孔电极的电池或电池组，例如具有改进的经济效率的透气性(即可透气)电极，和/或一种生产多孔、透气性或可透气电极的改良方法。