[發明專利]透氣性電極和制造方法

無效

• 申請號: 201380040696.4
• 申請日: 2013-06-11
• 公開（公告）號: CN104685104A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: B·溫莎－楊森;D·麥克法蘭;O·溫莎－楊森
• 申請（專利權）人: 莫拿什大學
• 主分類號: C25B11/03
• 分類號: C25B11/03;C25B11/04;C25B1/04
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 余穎

技術領域

本發明涉及電化學領域，尤其是電極和電解反應。在特定的實施方式中，本發明的各實施方式涉及電極、電池組、燃料電池、電化學電池和/或其他相關的電池類型或結構。特定的示例性應用包括金屬-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(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。在其他實施例中，本發明涉及用于在電解反應(包括例如水分解)中分離氣體的裝置和方法。在其他實施例中，本發明涉及制造電極和/或結合有該電極的電化學電池的方法。

背景

僅作為舉例，考慮特定的電解反應，水分解的總反應2H₂O→2H₂+O₂生成O₂和H₂氣體作為終產物。水分解是產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，但通過該方法生產的氫氣的電流成本在約$20-30/GJ的范圍內(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氫氣的約$6-12/GJ。

對于水分解和許多其他反應，需要保持分離氣體以用于之后的單個用途并避免產生爆炸性氣體混合物。存在若干種方法用于設計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。

雖然可以分離氣體，但使用這些技術會出現新的問題，例如成本、機械特性、通過膜的阻力高以及在水分解時需要使用超純水以進行適當運行。

作為另一個示例，也可考慮使用OH^-傳導膜的堿性零間隙電解槽(alkaline?zero?gap?electrolyser)。在傳統的堿性電解槽中，隔膜是唯一的分隔器，此時電極和分隔器之內和之間形成的氣泡是傳輸阻力的主要原因。已作出了許多關于氣泡管理的建議，例如使用電解質的機械循環和使用(穩定的)添加劑來降低電解質的表面張力，使得氣泡能夠容易地離開系統。

例如，對于水分解，析氧反應的特征之一是電極處溶解的氧氣濃度必須達到足以成核和形成小的高壓氣泡的水平。根據拉普拉斯(Laplace)方程：P＝2γ/r，其中P是氣泡內的壓力、γ是表面張力且r是氣泡半徑，靠近電極表面的半徑為0.1μm的O₂氣泡在25℃下需要具有14atm的壓力。所需濃度不僅在電極處產生超電勢，而且表現出非常具有反應性的環境，該環境對用于水分解以及其他電解反應的許多催化劑的長期穩定性帶來挑戰。

報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，對催化劑的晶體結構和形態和比表面積進行修飾。同樣，已試圖在平面微制造裝置中使用不同的電解質流動流來分離氣體，但裝置效率并不高。

對于在氣泡形成前從電池中去除氣體(如O₂和H₂)，尚未合適或充分地予以改善。燃料電池中使用的傳統氣體擴散電極(GDE)類型具有持續形成O₂氣泡的趨勢，例如在作為水分解裝置運行時。此外，這些電極在水氧化(WO)條件下不穩定，其中在水氧化涉及的電勢下碳被迅速氧化。

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被看作承認或認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域中的公知普通常識的一部分。應理解，本說明書中關于文件、裝置、行為或知識的任何討論都旨在解釋本發明的內容。

概述

提供本概述是為了以簡化的形式介紹將在以下實施例中進一步描述的一些概念。本概述并不旨在標識所要求保護的主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保護的主題的范圍。

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溶液中逸出或產生的氣體。優選地，其提高了用于氣體生產或合成的電解反應的效率。

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、電化學電池、電池組和/或燃料電池。在其他形式中，提供了一種生產電極和/或結合有該電極的電池或電池組的方法。

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，例如具有改進的經濟效率的透氣性(即可透氣)電極，和/或一種生產多孔、透氣性或可透氣電極的改良方法。