[發(fā)明專利]具有大幾何尺寸的碳基電極

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880064601.5
• 申請(qǐng)日: 2018-09-21
• 公開（公告）號(hào): CN111758177A
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: L·鮑曼;D·范豪特文;D·潘特;Y·阿爾瓦雷茲伽萊戈;K·范布洛克霍溫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 威拓股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/96
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 顧嘉運(yùn);陳斌

本發(fā)明涉及一種具有大幾何表面積的碳基電極，其包括具有帶有表面積的若干個(gè)切口的導(dǎo)電材料的框架，這些切口通過導(dǎo)電材料的各部分而彼此隔開，其中尺寸被設(shè)定為以便至少覆蓋切口的表面積的碳基子電極被定位在切口中并且被導(dǎo)電地連接到與碳基子電極毗鄰的導(dǎo)電材料的各部分的每一者的至少一部分。

本發(fā)明涉及一種與現(xiàn)有的碳基電極相比表面積增加的碳基電極，尤其是一種與現(xiàn)有的碳基電極相比具有更大的幾何表面積的碳基電極。

電化學(xué)反應(yīng)已吸引了顯著的興趣，因?yàn)樵摷夹g(shù)為更高效地使用資源開辟了新的可能性，并允許將電能直接變換成化學(xué)能(或反之亦然)，同時(shí)減少了廢熱的產(chǎn)生。除此之外，反應(yīng)速率和選擇性可以通過適配電化學(xué)電池中的一種或多種反應(yīng)物的電極電位、催化劑、表面結(jié)構(gòu)和濃度的一者或多者來控制。在其中氣態(tài)反應(yīng)物經(jīng)受氧化或還原反應(yīng)的電化學(xué)電池中，被包含在其中的多孔氣體擴(kuò)散電極已被標(biāo)識(shí)為關(guān)鍵但決定性的組件。

電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的工業(yè)適用性已被發(fā)現(xiàn)在很大程度上取決于開發(fā)規(guī)模。如果設(shè)想經(jīng)濟(jì)上可行的電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，那么電化學(xué)反應(yīng)器在大尺寸和成本高效設(shè)計(jì)方面的可用性是基本要求。

電化學(xué)反應(yīng)器可以由要么以單極要么以雙極布置電連接的多個(gè)單一電化學(xué)電池構(gòu)成。在雙極布置中，雙極板串聯(lián)了電毗鄰的電池，并且在電化學(xué)反應(yīng)中生成或消耗的電子在與沿著雙極板的電極平面垂直的方向上流動(dòng)。雙極板還連接一個(gè)電池的陽極和毗鄰電池的陰極。在單極布置中，所有陰極被并聯(lián)地電連接，且所有陽極被并聯(lián)地電連接，并且整個(gè)組裝件浸入單個(gè)電解液浴或槽中。

當(dāng)前的單極碳基電極通常由電化學(xué)活性材料層組成，尤其是被布置在多孔活性炭材料基質(zhì)中的催化活性材料層，其通常被施加在多孔導(dǎo)電電流密度分配器的頂部。電流密度分配器通常采取多孔網(wǎng)格的形式。電流密度分配器在沿著主電流流動(dòng)的方向的方向上將所需的平面內(nèi)電導(dǎo)率添加到電極，并且還可以在主電流流動(dòng)的交叉方向上添加平面內(nèi)電導(dǎo)率。電流密度分配器進(jìn)一步向電極的電化學(xué)活性層提供機(jī)械和尺寸支持。具有廣泛的厚度和開口區(qū)域組合的由各種合金制成的具有低電阻的金屬柵格或網(wǎng)格是商購上可獲得的，并且通常被用作電流密度分配器。由VITO開發(fā)的這種電流密度分配器的特定示例在PCT申請(qǐng)PCT/EP2014/053737中進(jìn)行了描述。

鑒于包含幾何尺寸在0.5至1m²的量級(jí)上的電極的電化學(xué)反應(yīng)器例如在電極的活性表面為金屬時(shí)是大量可用的，碳基氣體擴(kuò)散電極的應(yīng)用實(shí)際上僅限于使用每單個(gè)電池最大尺寸為幾百cm²的電極。對(duì)大體積反應(yīng)物進(jìn)行處理相應(yīng)地需要一種布置，其中在垂直于電極平面的方向上連接有各自均配備有氣體擴(kuò)散電極的大數(shù)目的單電化學(xué)電池，這導(dǎo)致在空間和組件方面的不切實(shí)際的需要。

不幸的是，大尺寸碳基電極的生產(chǎn)并非不言自明的。多孔碳電極材料即為脆性和易碎的，并且因此生產(chǎn)大的薄電極片或板需要特殊的制造技術(shù)(如鑄造或壓延(calendaring))以及高程度的技藝。除了在氣體擴(kuò)散電極的制造中已經(jīng)遇到的這些挑戰(zhàn)之外，簡單地增加電極的大小還呈現(xiàn)進(jìn)一步的缺點(diǎn)，如電極的機(jī)械強(qiáng)度和操作期間的歐姆損耗。

解決制造限制的努力主要是圍繞活性層的組成中的適配進(jìn)行定制，諸如舉例而言在日本專利公開JPH04169070、US 4777083和JPS63130791中所描述，但這些解決方案通常是不兼容的，并且它們?nèi)Q于活性層的性質(zhì)。如EP1229149A1中所描述的將若干個(gè)板狀電極焊接在幾何尺寸大的導(dǎo)電基板的頂部上，無法被認(rèn)為是適合與碳基電極一起使用的技術(shù)，并且肯定不適合與碳基氣體擴(kuò)散電極一起使用，因?yàn)檫@兩種組件—電極或支撐板—都不允許氣體擴(kuò)散。另外，毗鄰電極之間的空間具有絕緣性質(zhì)，并且焊接材料的存在創(chuàng)建了與已經(jīng)存在于電極中的電壓電位不同的電壓電位。

在JPH04169070中，兩種不同顆粒大小的碳質(zhì)粉末被混合并被用作粘合劑的填充劑組分，目的是形成其中導(dǎo)電細(xì)粒在烘烤和碳化時(shí)被包含在熱固性樹脂的內(nèi)部的粘合層。粘合劑的粘度應(yīng)被保持在500-5000泊之間，并且粘合劑應(yīng)被形成在50-200μm厚的層中。粘合層與多孔碳質(zhì)電極板接合以在加壓和加熱下硬化，并且在非氧化性氣體中在800℃或以上被烘烤并碳化。但是，這種用于生產(chǎn)電極的方法是苛刻的、耗能的并且因此是昂貴的。