透氣性電極和制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電化學(xué)領(lǐng)域，尤其是電極和電解反應(yīng)。在特定的實(shí)施方式中，本發(fā)明的 各實(shí)施方式涉及電極、電池組、燃料電池、電化學(xué)電池和/或其他相關(guān)的電池類型或結(jié)構(gòu)。 特定的示例性應(yīng)用包括金屬-空氣電池組（特別是可逆金屬-空氣電池組）、流體-空氣 電池組、使用可逆空氣電極的電池組系統(tǒng)（特別是可逆聚合物-空氣電池組）、水分解裝置 或電池和生成氣體或氣體合成裝置或電池。在其他實(shí)施例中，本發(fā)明涉及用于在電解反應(yīng) (包括例如水分解）中分離氣體的裝置和方法。在其他實(shí)施例中，本發(fā)明涉及制造電極和/ 或結(jié)合有該電極的電化學(xué)電池的方法。
[0002] 背景
[0003]僅作為舉例，考慮特定的電解反應(yīng)，水分解的總反應(yīng)2H20 - 2H2+02生成02和112氣 體作為終產(chǎn)物。水分解是產(chǎn)生高純度氫氣的最簡單的方法之一。雖然水電解的電流效率在 50-70%的范圍內(nèi)，但通過該方法生產(chǎn)的氫氣的電流成本在約$20-30/GJ的范圍內(nèi)（假定 $0. 05/kWh)，與之相比的是通過天然氣重整和煤炭氣化所生產(chǎn)氫氣的約$6-12/GJ。
[0004] 對于水分解和許多其他反應(yīng)，需要保持分離氣體以用于之后的單個用途并避免產(chǎn) 生爆炸性氣體混合物。存在若干種方法用于設(shè)計(jì)能夠在電解期間使兩種或多種氣體保持分 離的裝置，例如使用膜來分離電極隔室或腔室。這還可最小化溶解的氣體的交叉，所述氣體 來自一個電極并在另一個電極處待回收。
[0005] 雖然可以分離氣體，但使用這些技術(shù)會出現(xiàn)新的問題，例如成本、機(jī)械特性、通過 膜的阻力高以及在水分解時(shí)需要使用超純水以進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)行。
[0006] 作為另一個示例，也可考慮使用OF傳導(dǎo)膜的堿性零間隙電解槽（alkaline zero gap electrolyser)。在傳統(tǒng)的堿性電解槽中，隔膜是唯一的分隔器，此時(shí)電極和分隔器之 內(nèi)和之間形成的氣泡是傳輸阻力的主要原因。已作出了許多關(guān)于氣泡管理的建議，例如使 用電解質(zhì)的機(jī)械循環(huán)和使用（穩(wěn)定的）添加劑來降低電解質(zhì)的表面張力，使得氣泡能夠容 易地咼開系統(tǒng)。
[0007]例如，對于水分解，析氧反應(yīng)的特征之一是電極處溶解的氧氣濃度必須達(dá)到足以 成核和形成小的高壓氣泡的水平。根據(jù)拉普拉斯（Laplace)方程：P = 2 y/r，其中P是氣 泡內(nèi)的壓力、Y是表面張力且r是氣泡半徑，靠近電極表面的半徑為0. 1 ym的02氣泡在 25°C下需要具有14atm的壓力。所需濃度不僅在電極處產(chǎn)生超電勢，而且表現(xiàn)出非常具有 反應(yīng)性的環(huán)境，該環(huán)境對用于水分解以及其他電解反應(yīng)的許多催化劑的長期穩(wěn)定性帶來挑 戰(zhàn)。
[0008] 報(bào)告描述了用于提高電池效率的努力，例如對于水分解：通過加入犧牲劑或共催 化劑，對催化劑的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)和比表面積進(jìn)行修飾。同樣，已試圖在平面微制造裝置中 使用不同的電解質(zhì)流動流來分離氣體，但裝置效率并不高。
[0009] 對于在氣泡形成前從電池中去除氣體（如02和H2)，尚未合適或充分地予以改善。 燃料電池中使用的傳統(tǒng)氣體擴(kuò)散電極（GDE)類型具有持續(xù)形成02氣泡的趨勢，例如在作為 水分解裝置運(yùn)行時(shí)。此外，這些電極在水氧化（W0)條件下不穩(wěn)定，其中在水氧化涉及的電 勢下碳被迅速氧化。
[0010] 在說明書中對任何在先出版物（或由此得到的資料）或任何已知事物的參考不作 為并且不應(yīng)被看作承認(rèn)或認(rèn)可或以任何形式提示在先出版物（或由此得到的資料）或任何 已知事物形成本說明書涉及領(lǐng)域中的公知普通常識的一部分。應(yīng)理解，本說明書中關(guān)于文 件、裝置、行為或知識的任何討論都旨在解釋本發(fā)明的內(nèi)容。
[0011] 概述
[0012] 提供本概述是為了以簡化的形式介紹將在以下實(shí)施例中進(jìn)一步描述的一些概念。 本概述并不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求 保護(hù)的主題的范圍。
[0013] 在一個形式中，提供了一種利用包括某種材料的電極的裝置、方法和/或工藝，所 述電極可以是一種類型的膜或阻擋層，用于直接分離電解質(zhì)溶液中逸出或產(chǎn)生的氣體。優(yōu) 選地，其提高了用于氣體生產(chǎn)或合成的電解反應(yīng)的效率。
[0014] 在另一個形式中，提供了一種透氣性（gas permeable)或可透氣（breathable)電 極，例如用于電解池、電化學(xué)電池、電池組和/或燃料電池。在其他形式中，提供了一種生產(chǎn) 電極和/或結(jié)合有該電極的電池或電池組的方法。
[0015] 在其他形式中，提供了一種包括至少一個多孔電極的電池或電池組，例如具有改 進(jìn)的經(jīng)濟(jì)效率的透氣性（即可透氣）電極，和/或一種生產(chǎn)多孔、透氣性或可透氣電極的改 良方法。
[0016] 關(guān)于多孔、透氣性或可透氣電極，其指至少部分電極是充分多孔或可透過的，從而 允許一種或多種氣體穿過或通過至少部分電極移動、轉(zhuǎn)移或傳輸。
[0017] 關(guān)于多孔導(dǎo)電材料，其應(yīng)被理解為表示任何形式或類型的多孔導(dǎo)電介質(zhì)、制品、 層、膜、阻擋層、基質(zhì)、元件或結(jié)構(gòu)或其組合。
[0018] 在特定的示例性方面，實(shí)施方式適用于金屬-空氣電池組，特別是可逆金屬-空 氣電池組。在其他特定的示例性方面，實(shí)施方式適用于流體-空氣電池組（flow-air battery)。在其他特定的示例性方面，實(shí)施方式適用于利用可逆空氣電極特別是可逆聚合 物-空氣電池組的電池組系統(tǒng)。
[0019] 在其他特定的示例性方面，實(shí)施方式適用于產(chǎn)氣合成（gas producing synthesis)。在其他特定的示例性方面，實(shí)施方式適用于水分解電池（cell)或裝置。在另 一個特定的示例性方面，提供了一種用于在電解反應(yīng)（例如一氧化二氮生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、水分 解等）中直接分離氣體的方法。
[0020] 可方便地在下文中描述涉及電解、電化學(xué)或燃料電池或電池組和氣體合成的本發(fā) 明實(shí)施方式，但應(yīng)理解本發(fā)明不限于此并可被應(yīng)用于廣泛的其他用途。
[0021] 在一個形式中，提供了一種具有至少一個包含多孔材料的電極的電解池，其中在 至少一個電極處產(chǎn)生的氣體經(jīng)由多孔材料擴(kuò)散出電池。優(yōu)選地，在運(yùn)行過程中氣體產(chǎn)生于 至少一個電極處，且沒有形成氣泡或沒有形成明顯的氣泡。
[0022] 在多個實(shí)施例中：至少一個電極處生產(chǎn)的超過90 %的氣體穿過或通過多孔材料 從電池中去除；至少一個電極處生產(chǎn)的超過95 %的氣體穿過或通過多孔材料從電池中去 除；或者至少一個電極處生產(chǎn)的超過99%的氣體穿過或通過多孔材料從電池中去除。
[0023] 在多個其他示例性方面中：所述電極材料是不可透過電解質(zhì)的；產(chǎn)生的氣體形成 了平均直徑小于125 y m的氣泡；；產(chǎn)生的氣體形成了平均直徑小于100 y m的氣泡；或者； 產(chǎn)生的氣體形成了平均直徑小于50 ym的氣泡。
[0024] 而在多個氣體示例性方面中：所述至少一個電極是陰極且在運(yùn)行過程中陰極處產(chǎn) 生的氣體經(jīng)由多孔材料擴(kuò)散出電池，從陰極反應(yīng)中分離氣體而無明顯氣泡形成；和/或所 述至少一個電極是陽極且在運(yùn)行過程中陽極處產(chǎn)生的氣體經(jīng)由多孔材料擴(kuò)散出電池，從陽 極反應(yīng)中分離氣體而無明顯氣泡形成。
[0025] 而在多個氣體示例性方面中：所述多孔材料是至少部分疏水性的；所述多孔材料 包括或具有施涂在材料上或者與材料相連的薄膜層或涂層；和/或所述薄膜層或涂層是疏 水性的。
[0026] 在其他特定的示例性方面中，所述薄膜層或涂層選自硅酮-含氟聚合物、聚二甲 基硅氧烷（?01^)或其與含氟單體的共聚物、？001?￡(全氟-2,2-二甲基-1，3-間二氧雜 環(huán)戊烯與四氟乙烯）、聚氟乙烯、聚氯乙烯、尼龍8, 8、尼龍9, 9、聚苯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚 甲基丙烯酸正丁酯、聚三氟乙烯、尼龍10, 10、聚丁二烯、聚乙烯、聚氯三氟乙烯、聚丙烯、聚 二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸叔丁酯、氟化乙烯丙烯、三十六烷、石蠟、聚四氟乙烯、聚六氟 丙烯、聚異丁烯或其組合。
[0027] 而在其它示例性方面中：所述多孔材料的平均孔徑小于0. 5 ym ;所述多孔材料的 平均孔徑小于0. 1 y m ;或者所述多孔材料的平均孔徑小于0. 05 y m。
[0028] 在其它示例性方面中：催化劑與多孔材料相連；和/或所述催化劑選自Pt、Au、Pd、 Ru、Ir、Mn、Fe、Ni、Co、NiO x、Mn 復(fù)合物、Fe 復(fù)合物、MoSx、CdS、CdSe 和 GaAs 或其組合。
[0029] 在其他示例性方面中，所述電解池用于：氣體合成、電池組、燃料電池、一氧化二氮 的生產(chǎn)和/或氨的生產(chǎn)。
[0030] 在另一個形式中，提供了一種電解池，其包含：包含第一多孔材料的陰極、包含第 二多孔材料