[发明专利]利用空气电极供电的电化学设备

说明书

本发明总的涉及新型的用于电化学能量存贮和功率发生系统的电化学设备，在所述电化学能量存贮和功率系统中，在相反的正的和负的电极上出现均衡的电化学反应，能量存贮于处在充电、放电周期的电解质中并可从中提取出来。为本发明所关注的这类系统的反应基本上是可逆的，以便通过化学反应贮能，用进入这种系统的驱动电流对该系统充电。这些反应发生在带有通过膜传输的选择性电荷载体的离子传输系统(例如一个膜或多个膜和(或)中间电池单元)的任何一侧。在功率发生期间，这些化学反应逆转将供电电流(功率)传给负载。恢复或对电池再充电也可通过重构试剂来完成。

本发明更具体地涉及其中装有一个或多个利用气相(空气／氧气)氧化剂、称之为“空气电极”的双极性电极的电化学设备。

对这类能量处理及系统已有多年了解。这些系统的主要局限性来自看似简单、直接的化学过程的实际应用。危险材料、效率、系统尺寸、插入和阻塞、气体形成、材料的电解分离或析出、膜扩散限制、材料成本及运行成本均为突出的实际问题。这种系统的另一局限性是系统放电时功率输出的损耗。

在开发空气供氧(breathing)燃料电池中已做过许多工作。一种局限性是对能够在具体应用中以足够大的速率支撑、维持或催化该反应的电极的需求。已知空气电极的其它局限性是高电阻、寿命短、以及所需要的亲水性和疏水性能。

已知的空气电极为多孔结构，其一侧与空气接触，另一侧与电解液接触。必须预防电解液淹没整个电极。在三通接口中必须允许空气／氧气与电极及电解液接触。现已有人提出使电极的一面为疏水性而电极另一面为亲水性，从而在该电极内保持准确的平衡。空气电极在碱性溶液中包含的反应为：

方程1

US-A-3634140公开了以流过空气电极的空气作为氧化剂的燃料电池装置，该装置包含两个有不同孔隙率的多孔层，位于电解液侧最近的层有较细的微孔。空气气氛侧和电解液侧工作时具有压力差以防浸没空气电极的微孔。

US-A-4444852公开了一种多个薄层的流通空气的电极，该电极具有一个适合于接触空气的外部疏水层、一个内部亲水的、可渗透电解液的活性层，两个由一个或更多个包含活性疏水和亲水凝聚物与置于其中的催化剂的混合物构成的活性层分隔的外部层，从而将凝聚尺寸从不渗透电解液增大到外部疏水层。

GB-A-1364795公开了一种燃料电池，在该电池电解液中加有发泡剂并搅拌电解液以形成包含燃料的泡沫和包含氧化剂的泡沫，阳极和阴极用光滑的铂制成并基本上只放在该泡沫层中。

US-A-4328287公开了一种用于电化学电池的流通气流的电极，它具有多孔的带有支承在孔内基材表面上的电催化剂的流通基材，这些孔提供的通路，用于液态电解液中电化学可氧化或可还原的气体汽泡。

锌／空气电池已为人们所知多年。该电池具有多孔的碳正电极、KOH胶体电解液和锌负电极。原始的锌／空气电池是U形结构并带有放电速率慢的局限性，因为空怕通过多孔碳电极扩散的速率是与空气接触的碳电极的表面积成正比。这样便有受局限的质量传送。而且，该电池基本上为原电池，而不能有效地以电的方式重复充电，因为欲要再充电时，锌会不均匀地重新淀积在锌电极上，因此在电池失效前限制了重新充电周期次数。再者，形成氧化锌和碳化锌的淀积，造成电解液的污染以及对系统重复充电的额外困难。改进的锌／空气电池使用平的锌板作为负电极，这使得可通过将空气吹过电极面来更有效地利用空气／氧气。这样就有比U形锌／空气电池较好的质量传送以及较高的放电率，但该电池仍然存在有关可再充电性的同样问题。

人们也已作过某些以诸如铝、铁、钒和镁等其它金属来替代锌／空气电池中的锌的赏试。然而，这些装置并未令人满意地达到可再充电的目的。

US-A-3925100公开了一种用于诸如锌／空气电池的金属／空气电池的空气阴极，该阴极包含层到亲水层的疏水层。空气或氧气与疏水层接触并通过该疏水层扩散到亲水层，但电解液不能通过疏水层。

本发明的一个目的是提供一种包含改进的空气电极、用于功率发生和／或能量贮存的最好可再充电并提供经济的功率发生的电化学电池。

本发明的另一个目的是提供一种包含改进的双极性空气电极、可廉价形成电池阵列并有较大容积能量密度的电化学电池。

本发明的再一目的是提供一种带有疏水性能的改进型空气电极，并可减少与现有系统中的水损耗相关问题的电化学电池。