电化电池及其使用方法与流程

本申请要求享有于2018年4月9日提交的美国非临时专利申请15/957,052的优先权，该美国非临时专利申请要求享有于2017年4月19日提交的美国临时专利申请62/487,134的优先权。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在政府支持下根据能源部第de-sc0013111号合同创造。政府对本发明具有特定权利。

本发明整体涉及电化电池及其使用方法。

背景技术：

为了保证能源生产商对其客户的可靠电力供应，需要能量储存。由于电网上电力负荷在一天中发生变化，储存的能量在电力需求增加期间供电。此外，随着更多可再生和替代能源的增加，能源储存将最大限度地使这些技术发挥用处。随着能源需求的不断扩大，以及电网中更多可再生能源(即风能和太阳能)的增加，将需要不依赖于地理特征的新的分布式能量储存技术。

蓄电池技术可以为某些应用提供能量储存，但在经济上不适合长时间充电/放电，例如可再生能源的负载均衡。因此，新能源储存设备的开发将扩增现有电网并减少建筑升级的资本投资。随着不断增加的可再生能源的应用，可再生能源的低成本能源储存解决方案将成为为消费者保持低电费的必要条件。

再生燃料电池为电网能量储存提供了独特的解决方案。与蓄电池不同，再生燃料电池可经济有效地以氢的形式储存大量能量。对于钢罐来说，氢形式的能量可以以约35美元/千瓦时的成本储存，显著低于蓄电池的成本。再生燃料电池或电解系统还可以为燃料电池车辆提供氢生成这一附加益处。但不幸的是，现有的再生燃料电池和电解系统技术存在一些限制因素。

目前，商业上用于水电解的有两种技术。碱性电解器是一种成熟的技术，其依赖于液体电解质中的两个电极。这些电极通常由称为隔板的非导电多孔层隔开。通过施加电压，分别从阴极和阳极析出氢和氧。由于隔板的渗透性，氢气基本上不会通过电化学方式被加压。电池两侧压力的微小差异可能导致毁灭性的电池故障。机械压缩机通常用于氢气压缩，需要额外的系统部件，其对于许多规模和应用来说都非常昂贵。

水电解的第二种常用方法是质子交换膜(pem)电解器。该技术使用不透气的聚合物膜作为电解质。将水蒸气或液态水供给至至少一个电极。采用pem电解器可以很容易地以电化学方式将气体压缩，并且电池可以在大于100巴的压力差下工作。还可以使pem电解器可逆地运行，从而从氢气和氧气中产生电和水。pem电解器和pem可逆燃料电池的缺点是部件的成本。酸性电解质和电解操作电压使得需要选择昂贵的部件以获得长期稳定性。铂和铱可用作电极催化剂。另外，电极集电器必须由耐腐蚀材料制成。因此，对于许多电网规模的能量储存应用而言，pem电解系统的大规模商业使用太昂贵。

随着可传导氢氧根离子和其它阴离子的聚合物膜(被称为阴离子交换膜(aem))的发展，能够产生加压氢的低成本电池已成为可能。然而，如果在没有液态水的情况下操作，基于烃的aem则在保持导电性方面面临挑战。此外，在不存在液体电解质的情况下，电极层中的离聚物需要在二维电解质/电极界面之外引入离子传导，这是获得高面电流密度的必要条件。

美国专利7,943,258公开了一种aem燃料电池设计，其说明了aem电池设计所遇到的挑战。该专利使用aem作为电极层中的电解质和离聚物。本领域技术人员将理解，在不存在液体电解质的情况下使aem保持在水合和活性状态多于几小时是非常具有挑战性的。在'258专利中，采用几种独特的设计，通过向位于有源电极区域之外的膜的边缘输送水，将膜保持在恒定的水合状态。在没有液体电解质的情况下，该电池设计的电极层中需要离聚物，以使离子传导能够渗透电极并在相当大的电流密度下运行。尽管预期该电池设计能够作为利用纯氢和纯氧的燃料电池良好运行，但是预期在燃料或氧化剂中存在二氧化碳时其会慢慢失去性能。此外，由于若干原因，该电池设计不利于电解操作。

首先，氧电极中使用的烃离聚物在典型的电解电压下不稳定。其次，用于输送水以使膜水合的芯吸机构不能以足够的速率将水输送到电池以匹配高电流电解期间的水耗。

已经展示了使用液体电解质进行碱性电池设计的电解和可逆燃料电池/电解操作。美国专利6,447,942公开了一种具有碱性液体电解质的可逆燃料电池设计。该设计在电极之间使用多孔隔板。美国专利申请2006/0057436a1中公开了另一种液体电解质电池设计。该设计也利用了多孔隔膜隔板。在这两种设计中，当作为燃料电池操作时，电池易受燃料或氧化剂中的碳氧化物污染物的影响。在氧化剂中，在长期操作中，二氧化碳会导致阴极中碳酸盐的沉淀，从而阻止气流。在燃料中，阳极催化剂如铂或镍会被二氧化碳污染。二氧化碳可以类似地以碳酸盐的形式沉淀，从而阻止阳极中的气流。在这两种情况下，由于需要多孔隔板，电池设计不允许在电解过程中对产物气体进行明显加压。因此，虽然液体电解质碱性燃料电池和可逆碱性燃料电池可用于许多理想情况，但它们具有重大局限性。

电解电池的常见设计是将不透气膜隔板与被水和/或电解质淹没的电极相结合。美国专利4,909,912就公开了这种设计。这种设计对于燃料电池操作而言不实际，因为气体不能以足够的速率供给至淹没电极中的催化剂以产生高电流密度。除了不能用作燃料电池设计之外，这种用于电解的电池设计的限制因素是需要额外的水和产物气体分离步骤来回收产物。此外，对于与电解质接触的任何部件而言，阳极(即用于水电解的析氧电极)的腐蚀可能很严重。在这种电池设计中，集电器和双极板将与电解质接触，使它们暴露于潜在的腐蚀性电化学反应中。

技术实现要素：

在多个实施例中公开的本发明，仅仅是作为示例而非限制，并且包括解决现有液体电解质电池和aem电池设计的限制的电池设计。在多个实施例中，该设计实现了比pem电解器和可逆燃料电池成本低得多的部件。在多个实施例中，该设计可以利用至少一个与液体电解质接触的不透气aem与至少一个未被液体淹没的电极的组合，从而允许气体以高速率流入和/或流出电极。不透气的aem可以是任何大体上不透气且传导阴离子的aem材料，包括任何不透气并传导氢氧根阴离子的膜材料。

在另一优选实施例中，koh水溶液可用作液体电解质组分。然而，在各种实施例中，液体电解质可包括ph>7的任何盐水溶液。在电池设计的另一优选实施例中，由多孔层分隔的两个aem可以充满可用于分隔电极的含水液体电解质。电极可以是能在其中发生电化学反应的任何层。在另一优选实施例中，电极由氢电极和氧电极组成，氢电极中可以发生析氢和氢氧化，氧电极可以发生析氧和氧还原。

在其它实施例中，这些电极可用于氧还原、析氧、氢还原、析氢、析氟、析氯、析溴、析碘，以及许多其它电化学反应。

设置在两个aem层之间的多孔基质可以是导电的或不导电的。

在另一个优选实施例中，多孔层可以是镍金属泡沫，并且可以充满氢氧化钾水溶液。在电池设计的一实施例中，至少一个电极使用离聚物以实现最佳性能。

在另一优选实施例中，氢电极使用阴离子传导离聚物。在另一优选实施例中，氧电极使用氟化粘合剂和/或氟化离聚物。

在另一优选实施例中，至少一个电极使用亲水和疏水氟化粘合剂的混合物。在另一优选实施例中，两个电极都没有被液体淹没，但是膜可以与含水电解质接触，允许作为燃料电池和/或电解器工作。在另一优选实施例中，液体电解质可以储存在外部储存器中并通过电极分隔层循环。

在另一实施例中，电池作为燃料电池工作，其中空气作为氧化剂。与aem接触的液体电解质防止aem被转化为其碳酸盐形式。在电池的一个实施例中，氢电极含有非ni和非pt催化剂，其不会被少量的一氧化碳严重污染。在电池的一个实施例中，阳极基于含氢燃料进行工作，该含氢燃料还含有一氧化碳和二氧化碳。

在另一实施例中，电池用作燃料电池。在另一实施例中，电池用作电解器。在另一实施例中，电池同时用作燃料电池和电解器。在另一实施例中，电池用作具有氧去极化阴极的电解器。

附图说明

不限制本文所公开的电化电池的范围，现参考附图：

图1示出了本发明的一个实施例；

图2示出了本发明的另一个实施例；

图3示出了用于水电解和燃料电池电流的示例性电流-电压曲线；

图4示出了可逆燃料电池实施例的示例性加速降解循环；

图5示出了可逆燃料电池实施例的示例性稳态循环；

图6示出了氧淹没电极实施例的示例性稳态电压；

图7示出了在45℃下和湿润氧气(25℃露点)中的具有烃基阴离子传导离聚物的电极的示例性氧电极电压；在40ma/cm²析氧下200个循环，200ma/cm²氧气还原，1分钟弛豫；和

图8示出了在45℃下和湿润氧气中的具有磺化四氟乙烯基含氟聚合物-共聚物(下文称为“e.i.dupontdenemoursandco.,wilmington,de,usa)离聚物/粘合剂的电极的示例性氧电极电压(25℃露点)；在40ma/cm²析氧下200个循环，200ma/cm²氧气还原，1分钟弛豫。

提供这些图示是为了帮助理解如下更详细描述的电化电池及其使用方法的示例性实施例，而不应理解为对本说明书的不当限制。特别地，附图中示出的各种元件的相对间隔、位置、大小和尺寸可能未按比例绘制并且可能为了提高清晰度而被夸大、减小或以其它方式修改。本领域普通技术人员还将理解，为了提高附图清晰度和减少其数量，已经省略了一系列供选择的配置。

具体实施方式

在多个实施例中公开的本发明，仅仅是作为示例而非限制，并且包括解决现有液体电解质电池和aem电池设计的限制的电池设计。在多个实施例中，该设计实现了比pem电解器、可逆燃料电池和传统液体电解质电解器的成本低得多的部件。在多个实施例中，该设计可以利用至少一个与液体电解质接触的不透气aem与至少一个不被液体淹没的电极的组合，从而允许气体以高速率流入和/或流出电极。不透气aem可以是大体上不透气并且传导阴离子的任何aem材料，包括不透气并传导氢氧根阴离子的任何膜材料。

这些包括阳离子聚合物膜、阴离子传导陶瓷膜、由网状或多孔基材机械支撑的阳离子聚合物膜、具有阳离子官能团的聚合物膜、具有n+h3r官能团的聚合物、具有n+h2r2官能团的聚合物、具有n+hr3官能团的聚合物、具有n+r4官能团的聚合物、具有p+官能团的聚合物，及其混合物。本领域技术人员将容易想到其它可能的材料及其组合。

在优选实施例中，koh水溶液可用作电解质。然而，在各种实施例中，电解质可包括ph>7的任何盐水溶液；包括第i组、第ii组和过渡金属氢氧化物，第i组、第ii组和过渡金属碳酸盐，第i组、第ii组和过渡金属碳酸氢盐，第i组、第ii组和过渡金属乙酸盐，氢氧化铵，碳酸铵，碳酸氢铵，及其组合。液体电解质可以是任何高ph的水溶液，包括以上提到的那些，再次仅作为实例而非限制。

在电池设计的优选实施例中，两个aem可以通过多孔基质层分隔开，该多孔基质层可以充满水液体电解质。aem和多孔基质用于分隔电极。电极可以是其中发生电化学反应的任何层。在一优选实施例中，电极由氢电极和氧电极组成，在氢电极中可以发生析氢和氢氧化，在氧电极中可以发生析氧和氧还原。如本领域技术人员所知，电极层可包括气体扩散电极或可包括淹没电极。电极的示例可包括背衬支撑物上的催化剂涂层，以及金属电极。金属电极的示例进一步包括不锈钢网、镍网、钛网、铂网、涂覆网、金属泡沫、金属海绵，及其混合物。背衬支撑物的示例包括碳布、碳纸、金属泡沫、金属网、扩张金属网，及其混合物。电极催化剂的示例可包括过渡金属(例如第3、4、5、6、7、8、9、10、11和12族过渡金属)、这些过渡金属的合金，及其混合物。

具体地，ti、cr、mo、w、mn、fe、co、ni、cu、zn、ru、os、rh、pd、ag、ir、pt、au和hg是本领域技术人员公知的电极催化剂。过渡金属的碳化物、硼化物、氮化物、氧化物、硫化物和磷化物也是本领域技术人员公知的电极催化剂。本领域技术人员公知的其它催化剂包括b、al、ga、in、sn、pb、sb、bi和c。元素形式、碳化物形式、硼化物形式、氮化物形式、氧化物形式、硫化物形式、磷化物形式，及其混合物的催化剂作为电极催化剂是本领域技术人员所公知的。碳催化剂可以有多种形式，包括石墨、石墨烯、单壁纳米管、多壁纳米管、纳米纤维、球形颗粒、无定形颗粒、核-壳颗粒，及其混合物。碳催化剂可以掺杂有许多元素，包括过渡金属原子、b、n、p、o、s、f、cl、br，及其混合物。

电极催化剂的示例还包括金属-有机骨架、导电聚合物、烃的热解产物、聚合物的热解产物，及其混合物。催化剂通常由已知催化剂的混合物组成。这些电极催化剂可用于氧还原、析氧、氢还原、析氢、析氟、析氯、析溴、析碘，以及许多其它电化学反应。用于任何析气或耗气的电化学反应的电极催化剂可用于本发明。

与至少一个aem接触或处于两个aem层之间的多孔基质可以是导电的或不导电的。多孔基质的示例包括：任何开孔型多孔材料、多孔聚丙烯、多孔聚乙烯、石棉、多孔ptfe、金属泡沫、陶瓷泡沫、镍金属泡沫、碳纸、碳布、碳海绵、碳织物、金属布、陶瓷布、金属海绵、聚合物海绵、陶瓷海绵、天然海绵、陶瓷织物、金属织物、聚合物织物、具有流通通道的多层蚀刻聚合物膜、薄片中的蚀刻或切割通道、编织网、非编织网，及其组合。本领域技术人员将容易想到其它可能的材料及其组合。

在一优选实施例中，多孔层可以是镍金属泡沫，并且可以用氢氧化钾水溶液渗透。在电池设计的一实施例中，至少一个电极使用离聚物以实现最佳性能。离聚物的示例包括传导离子的任何可分散的聚合材料，包括阴离子聚合物、阳离子聚合物、阴离子传导陶瓷颗粒、具有n+h3r官能团的聚合物、具有n+h2r2官能团的聚合物、具有n+hr3官能团的聚合物、具有n+r4官能团的聚合物、具有p+官能团的聚合物、阴离子聚硅氧烷，及其混合物。在一些实施例中，可以使用aem离聚物，该aem离聚物是与用于制备相应aem的聚合物具有相似结构的溶解分子。本领域技术人员将再次容易想到其它可能的材料及其组合。

在另一优选的实施例中，氢电极使用阴离子传导离聚物。在另一优选实施例中，氧电极使用氟化粘合剂和氟化离聚物。氟化离聚物的示例包括任何可传导离子的且包括氟化骨架的可分散聚合材料，包括阴离子聚合物、阳离子聚合物、具有n+h3r官能团的聚合物、具有n+h2r2官能团的聚合物、具有n+hr3官能团的聚合物、具n+r4官能团的聚合物、具有p+官能团的聚合物、氟化阴离子聚硅氧烷，及其混合物。再次，本领域技术人员将容易想到其它可能的材料及其组合。

如本领域技术人员所知，氟化粘合剂的示例可包括：可用于粘合电极内颗粒的且包括氟化骨架的任何可分散聚合材料，包括ptfe分散体、ptfe颗粒、ptfe涂覆颗粒、阴离子聚合物、阳离子聚合物、具有n+h3r官能团的聚合物、具有n+h2r2官能团的聚合物、具有n+hr3官能团的聚合物、具n+r4官能团的聚合物、具有p+官能团的聚合物、氟化聚硅氧烷，及其混合物。

在优选实施例中，至少一个电极使用亲水和疏水氟化粘合剂的混合物。在优选实施例中，两个电极都没有被液体淹没，但是膜可以与含水电解质接触，允许作为燃料电池和/或电解器操作。在优选的实施例中，液体电解质可以储存在外部储存器中并通过电极分隔层循环。

在又一个实施例中，电池作为燃料电池运行，其中将空气作为氧化剂。与aem接触的液体电解质防止aem转化为其碳酸盐形式。在电池的一个实施例中，氢电极含有不会被少量的一氧化碳严重污染的非ni和非pt催化剂。在电池的另一个实施例中，阳极基于含氢燃料操作，该含氢燃料还含有一氧化碳和二氧化碳。

实施例

实施例1-燃料电池或可逆燃料电池

图1和图2示出了本发明的实施例。本领域技术人员将知道所述层不必全部具有相同的厚度，并且事实上，层厚度可以有很大的变化。在示例性实施例中，仅作为示例而非限制，端板可以厚达10cm，而膜层可以薄至1微米。这种电池设计可以由一系列层组成，这些层堆叠形成本发明。本领域技术人员将理解，在保持本发明的功能的同时，可以组合、移除和/或修改一些层。第一层可以是氢电极端板(100)。在一实施例中，板可以由不锈钢制成。氢端板(100)可包含氢气入口(110)和出口(120)，以及用于电流收集的突片。

在某些情况下，例如电解电池，氢端板(100)可以仅需要氢气出口(120)。下一层可以是第一氢密封层(200)。在一实施例中，密封层由薄ptfe片制成。密封层也可以由环氧树脂、胶水、密封剂、其它聚合物，或其组合制成。密封层中的空隙可以延伸到氢气口(210，220)，以允许气体进和/或出电极。本领域技术人员将认识到，在另一个实施例中，口(210，220)可以与集电器网和流场(250)共存。该密封层可以包围氢电极集电器(250)和氢气流场。在一实施例中，氢电极集电器(250)可以是不锈钢网。在一实施例中，第二氢密封层包围氢电极(350)。在一实施例中，氢电极(350)可以是涂有催化剂和aem离聚物的混合物的多孔碳纸。用于氢电极(350)的优选催化剂可以是vulcan碳负载的50wt％钌。氢侧aem层(400)可位于第二氢密封层(300)和被包围的氢电极(350)层的顶部。

下一层可以是电解质层(500)。电解质层(500)可以由薄的隔板密封层构成，该隔板密封层包围多孔基质(550)。在一个实施例中，多孔基质可以是压缩至隔板密封层的厚度的镍泡沫。在一个实施例中，隔板密封层还包含用于含水电解质，优选含水koh，的入口(510)和出口(520)。电解质层密封层中的通道(530，540)允许电解质流入多孔基质(550)的底部以及流出多孔基质(550)的顶部。氧侧aem层(600)可以位于电解质层(500)和被包围的多孔基质层(550)的顶部。

接下来，第一氧密封层(700)可位于氧侧aem层(600)的顶部。该密封层可包围氧电极(750)。氧电极(750)可以是涂有催化剂和氟化离聚物/粘合剂的混合物的多孔碳纸。用于氧电极(750)的优选催化剂可以是氮掺杂碳和fe/co金属颗粒的混合物，包括氧化物和碳化物相。氟化离聚物/粘合剂可以是和分散的ptfe粘合剂的混合物。在一实施例中，第二氧气密封层(800)密封氧电极集电器(850)。在该实施例中，氧电极集电器(850)可以是不锈钢网。氧侧密封层还可包含用于电解质的通孔(810，820)。第二密封层(800)中的空隙延伸到氧气入口(830)和/或出口(840)，以允许气体进和/出电极。本领域技术人员将认识到，在另一实施例中，口(830，840)可以与集电器网和流场(850)共存。

最后一层可以是氧端板(900)。氧端板(900)可包含氧气入口(930)和出口(940)。在某些情况下，例如电解电池，板可以仅需要氧气出口(940)。端板(900)还可以包含用于含水电解质进入(910)和排出(920)电池的口(910，920)，以及用于电流收集的突片。本领域技术人员还可以理解如何修改该设计以使多个电池重复单元能够串联堆叠。在这种设计中，内层可以使用通孔以用于氧气、氢气和电解质。在这样的实施例中，氧气口和氢气口可以抵消。可以在电池重复单元之间使用导电互连板以串联连接电池。为了最小化通过该串联的顶部和底部的电池之间的电解质的串扰效应，优选曲折的电解质流动路径。优选从电解质中隔离导电材料，例如涂覆互连电解质通孔。

本领域技术人员还可以设想许多替代的电解质膜设计。例如，aem可以由多孔层或其它机械支撑件机械支撑，以稳定薄的aem。此外，在电池设计的一些应用中，可以不必每个电池都使用两个aem层。其中一个aem层可以用多孔隔板代替，例如多孔聚丙烯。

本领域技术人员还将理解该电池设计如何可以是更大系统的一部分。该系统可包括用于排出的液体电解质的返回管线以将其供回到电解质储存器中。来自气体出口上的冷凝收集器的液体返回管线也可以与电解质储存器流体连通地连接。一种或两种电极气体可以与电解质储存器流体连通，以在层之间保持相似的压力。

本领域技术人员还可理解该电池设计如何可用于其它类型的电解，例如析氯或析溴。在这样的实施例中，电解质可以通过电解质层或电极室当中的一个电极室供给到电池中。干气可以从其中一个电极析出。在电池的其它实施例中，电解器可以使用氧去极化阴极，其中将氧气供给电极并在电极中发生氧还原。在电池的一实施例中，至少一个集电器不能与电解质接触，因此不像淹没电极那样易受电化学降解的影响。

实施例2-淹没氧电极电解

在本发明的一些实施例中，可以不必每个电池都使用两个aem膜，一个示例是用于淹没氧电极电解。在该实施例中，可以堆叠一系列层以形成电池。图1示出了该实施例中使用的层，然而，层500和600将不包括在该实施例中。第一层可以是氢电极端板(100)。在该实施例中，氢端板(100)可以由不锈钢制成。氢端板(100)可包含氢气入口(110)和出口(120)，以及用于电流收集的突片。在一些情况下，氢端板(100)可以仅需要氢气出口(120)。

下一层可以是第一氢气密封层(200)。在该实施例中，密封层可以由薄ptfe片制成。密封层也可以由环氧树脂、胶水、密封剂、其它聚合物，或其组合制成。密封层中的空隙延伸到氢气口(110，120)以允许气体进和/或出电极。该密封层可包围氢电极集电器(250)。在该实施例中，氢电极集电器(250)可以是不锈钢网。下一层可以是第二氢密封层(300)，其包围氢电极(350)。氢电极(350)可以是涂有催化剂和aem离聚物混合物的多孔碳纸。用于氢电极(350)的优选催化剂可以是由vulcan碳负载的50wt％钌。aem层(400)可位于第二氢密封层(300)和被包围的氢电极层(350)的顶部。aem可以由填充有含水电解质的多孔基质进一步机械支撑。在这样的实施例中，多孔基质可以与淹没电极接触，该淹没电极在该实施例中是氧电极(750)。因此，多孔基质可位于氢侧膜(400)和氧电极(750)之间。

接下来，第一氧密封层(700)位于氢侧膜(aem)(400)的顶部。第一氧密封层(700)可包围氧电极(750)。第二氧密封层(800)可位于第一密封层(700)的顶部，且第二氧密封层(800)可包围氧电极集电器(850)。在一实施例中，氧电极集电器(850)可以是镍网，且氧电极(750)可以是镍泡沫，并涂有催化剂和粘合剂的混合物。在一实施例中，氧电极(750)可以被水电解质淹没。可以通过氧气入口(830)和出(840)口将电解质供给电池。用于氧电极(850)的优选催化剂可以是fe/co金属颗粒(包括氧化物和碳化物相)的混合物。粘合剂可以是和分散的ptfe粘合剂的混合物。氧侧密封层(800)还可以包含用于电解质的入口(810)和出口(820)，并且还可以用作任何气态产物的出口。

最后一层可以是氧端板(900)。氧端板(900)可包括入口(930)和氧气出口(940)。氧端板(900)还可包含用于含水电解质进入(930)和离开(940)电池的口，以及用于电流收集的突片。本领域技术人员还可以理解如何修改该设计以使多个电池重复单元能够串联堆叠。在这种设计中，内层可以使用通孔以用于氧气、氢气和电解质。可以在电池重复单元之间使用导电互连板以串联连接电池。为了最小化通过该串联的顶部和底部的电池之间的电解质的串扰效应，优选曲折的电解质流动路径。优选从电解质中隔离导电材料，例如涂覆互连电解质通孔。

实施例3-淹没氢电极电解

在本发明的一些实施例中，可以不必每个电池都使用两个aem膜，一个示例是用于淹没氢电极电解。在该实施例中，可以堆叠一系列层以形成电池。图1示出了在该实施例中使用的层，然而，层500和600将不包括在该实施例中。

第一层可以是氢电极端板(100)。在一实施例中，氢端板(100)可以由镍制成。氢端板(100)可包含氢气入口(110)和出口(120)，以及用于电流收集的突片。在一些情况下，氢端板(100)可以仅需要氢气出口(120)。氢端板(100)还可包含用于含水电解质进入(110)和排出(120)电池的口。

下一层可以是第一氢密封层(200)。在该实施例中，密封层可以由薄ptfe片制成。密封层也可以由环氧树脂、胶水、密封剂、其它聚合物，或其组合制成。密封层(200)中的空隙可以延伸到氢气口(210，220)，以允许气体进(210)和/或出(220)电池以及允许电解质进(210)和/或出(210)电池。该密封层(200)可包围氢电极集电器(250)。在一实施例中，氢电极集电器(250)可以是镍网。下一层可以是第二氢密封层(300)。第二氢密封层(300)可包围氢电极(350)。氢电极(350)可以是涂有催化剂和aem离聚物混合物的多孔碳纸。用于氢电极(350)的优选催化剂可以是由vulcan碳负载的50wt％钌。在一实施例中，氢电极(350)可以被含水电解质淹没。氢侧膜(aem)层(400)可位于第二氢密封层(300)和被包围的氢电极层(350)的顶部。在一些实施例中，氢侧膜(aem)层(400)可以由填充有电解质的多孔基质机械支撑。该多孔基质可位于固体氢侧膜(aem)层(400)和淹没氢电极(350)之间。

接下来，第一氧密封层(700)位于氢侧膜(aem)(400)的顶部。该密封层(700)可包围氧电极(750)。接下来，第二氧密封层(800)包围氧集电器和流场(850)。在一实施例中，氧电极集电器(850)可以是镍网，氧电极(750)可以是涂有催化剂和粘合剂的混合物的碳纸。用于氧电极(750)的优选催化剂可以是fe/co金属颗粒(包括氧化物和碳化物相)的混合物。粘合剂可以是和分散的ptfe粘合剂的混合物。

最后一层可以是氧端板(900)。氧端板(900)可包括氧气出口(940)。端板(900)还可包括用于电流收集的突片。本领域技术人员还可以理解如何修改该设计以使多个电池重复单元能够串联堆叠。在这种设计中，内层可以使用通孔以用于氧气、氢气和电解质。将在电池重复单元之间使用导电互连板以串联连接电池。为了最小化通过该串联的顶部和底部的电池之间的电解质的串扰效应，优选曲折的电解质流动路径。优选从电解质中隔离导电材料，例如涂覆互连电解质通孔。

实施例4-可逆燃料电池测试

测试具有实施例1中所描述的设计的电池的可逆燃料电池和电解操作。电池的有效电极面积为25cm²。将纯氢气和氧气以各自300sccm的流速送至各自的电极，两者均湿润至25℃露点。使5mkoh含水电解质以3cc/min的速度循环通过电解质层。在清除滞留的空气后，将气体和电解质加压至3巴。使用外部加热器将电池最初加热至60℃。在电解和燃料电池电压下获得电流-电压曲线，如图3所示。相同的电池可以作为燃料电池或电解器，具有优异的操作性。

接下来，进行燃料电池和电解操作之间的快速循环，如图4所示。这些循环包括1分钟的燃料电池电流负载，然后是1分钟的开路，接着是1分钟的电解负载，接着是另一分钟的开路。燃料电池负载为150ma/cm²。电解负载为50ma/cm²。在30小时的试运转期后，在60℃下进行500次循环，然后在70℃下进行500次循环。本领域技术人员将理解，除了可能具有pt/ir电极的可逆pem电池之外，大多数电池设计和催化剂在这些循环条件下会遭到快速降解。此外，在这种长期操作下，湿度控制和稳定性是具有挑战性的。令人惊讶的是，这种非pt和非ir电池设计在这些操作条件下可以相当稳定。

最后，进行燃料电池和电解操作之间的长期循环，如图5所示。这些循环包含约5小时的燃料电池电流负载，接着10分钟的开路，接着约15小时的电解负载，然后是另一10分钟的开路。燃料电池负载为150ma/cm²。电解负载为50ma/cm²。在250小时内，电池可逆地作为燃料电池和电解器运行。本领域技术人员将理解，除了具有pt/ir电极的可逆pem电池之外，大多数电池设计和催化剂在这些循环条件下会遭到快速降解。此外，在这种长期操作下，湿度控制和稳定性将是具有挑战性的。令人惊讶的是，这种非pt和非ir电池设计在这些操作条件下也可以相当稳定。

实施例5-稳态电解测试

测试具有实施例2中所描述的设计的电池的稳态电解操作。电池的有效电极面积为25cm²。将3巴的氮气以30sccm的流速送至氢电极(阴极)。使5mkoh含水电解质以3cc/min的速度循环通过氧电极室。在清除滞留的空气后，将气体和电解质加压至3巴。使用外部加热器将电池最初加热至60℃。电池在稳态电解下以50ma/cm²运行18小时(参见图6)。整个运行过程中电压稳定。在进一步测试(数据未显示)中，电流以每2小时50ma/cm²的增量增加至250ma/cm²，同时用气相色谱仪测试氢气和氧气的纯度。检测到对于氢气和氧气的选择性相比于对其它永久性气体大于99.99％。

实施例6-氟化与烃粘合剂

测试使用实施例3中描述的设计实施例的电池的可逆氧电极操作。在该电池中，镍网用于氢电极，氢电极用5mkoh淹没。有效电极面积为2cm²。氧气流速为50sccm。在45℃下测试电池的可逆燃料电池和电解操作。将参比电极置于电解质中并与氧电极比较。分别针对两个不同实施例，对比可逆氢电极参考的氧电极的电压如图7和图8所示。

图7示出了在电极中使用商业烃aem离聚物的氧电极性能。图8示出了在电极中使用nafion(官能化碳氟化合物)离聚物/粘合剂和ptfe的混合物的氧电极性能。正如所预期的，在非淹没氧电极中使用烃aem离聚物最初在燃料电池或电解电流下表现良好。aem离聚物将离子传导性延伸到电极中，从而提高电极的性能并降低给定电流密度下的工作电压。在用和ptfe制备的电极中，初始性能类似于装载有aem离聚物的电极。这个结果很意外，因为不是为传导阴离子而设计的。随着电流在燃料电池和电解操作之间循环，装载有烃aem离聚物的电极降解。这可以通过在电解操作下烃离聚物的氧化以及所导致的离子电导率的损失来解释。

相反，具有氟碳离聚物/粘合剂的电极，在所有其它催化剂、组分和操作条件相同的情况下，不会快速降解。在循环期间观察到电解电压的一些尖峰，但这可能是由于电极中的湿度控制造成的，并且仅在电压恢复到典型操作值之前持续了几秒。

如本领域技术人员将认识到的，并且仅作为示例而非限制，可能有少量的含水电解质通过aem渗透到氧电极中，从而将离子传导性延伸到电极中。然而，电极优异的氧还原性能表明电极催化剂仍然可以接近气体，因此电极没有完全被淹没。测试之后的电极检查确认氧电极的膜侧变湿并且电极的集电器和流场侧是干燥的。

然后，在多个实施例中，要求保护的是电化电池(10)及其使用方法。电化电池(10)可具有至少一个大体上不含液态水且与电解质层(400，500)(500，600)电化学接触的电极(350，750)。电化电池(10)还可具有至少一个不透气的阴离子传导膜(400，600)，阴离子传导膜具有第一面和第二面，并在第一面上与电极(350，750)电化学接触，且在膜(400，600)的第二面上与渗透有含水液体的多孔非电极层(550)电化学接触。在某些实施例中，含水液体可以是ph等于或大于7.0的液体电解质。

在各种实施例中，电解质层(400，500)(500，600)可包括第二不透气膜(400，600)。多孔非电极层(550)可以具有相对的第一面和第二面，其中每个膜(400，600)可位于多孔非电极层(550)的相对的面中的其中一个被高ph含水液体渗透的面上。

在一些实施例中，电化电池(10)可具有第二电极(350，750)，其中第二电极(350，750)等于或大于50％填充有液体电解质。在一些实施例中，第二电极(350，750)可以是阳极，而在其它实施例中，第二电极(350，750)可以是阴极。如本领域技术人员所理解的，在一些实施例中，电化电池(10)可以是燃料电池，和/或燃料电池和水电解器。在一些另外的实施例中，电化电池(10)可以是具有氧去极化阴极的电解器。

在一系列实施例中，电解质层(400，500)(500，600)可包括导电的多孔非电极层(550)。在一些另外的实施例中，析出的气体可以在电化电池(10)内进行电化学加压。在其它实施例中，电化电池(10)可以在析气电极(750)中使用亲水性氟化粘合剂，而在其它实施例中，可以在析氧电极(750)中使用亲水性氟化粘合剂。电化电池(10)可以在析氧电极(750)中使用亲水性氟化粘合剂。

在一些实施例中，电化电池(10)可以在析气电极(750)中使用亲水性氟化粘合剂和疏水性氟化粘合剂的混合物，并且在一些实施例中，电化电池(10)可以在析氧电极(750)中使用亲水性氟化粘合剂和疏水性氟化粘合剂的混合物。在另一些实施例中，电化电池(10)可以在析气电极(750)中使用亲水性氟化粘合剂和疏水性氟化粘合剂的混合物。

在另一系列实施例中，电化电池(10)可具有多个层，包括进一步具有氢气入口(110)和氢气出口(120)的氢端板(100)。这种层可以与第一氢密封层(300)电化学接触，第一氢密封层(300)进一步具有氢电极(350)，并与氢侧膜(400)电化学接触。这种层而后可以与电解质层(500)电化学接触，电解质层(500)进一步具有电解质入口(510)、电解质出口(520)、电解质进入通道(530)、电解质排出通道(540)，以及多孔非电极层(550)。该层可以与氧侧膜(600)电化学接触，然后与具有氧电极(750)的第一氧密封层(700)电化学接触。上述层而后可以与氧端板(900)电化学接触，氧端板(900)进一步包括氧气入口(930)和氧气出口(940)。

在一些实施例中，仅作为实例而非限制，电化电池(10)还可包括第二氢密封层(200)，第二氢气密封层(200)具有氢气入口(210)、氢气出口(220)，以及与氢密封层(300)和氢端板(100)二者电化学接触的氢集电器和流场(250)。在其它实施例中，第二氧密封层(800)还可包括电解质入口(810)、电解质出口(820)、氧气入口(830)、氧气出口(840)，以及与氧密封层(700)和氢端板(900)二者电化学接触的集电器网和流场(850)。

如本领域技术人员将看到的，氢密封层(200，300)可以形成为一体结构，同样，氧密封层(700，800)也可以形成为一体结构。

使用电化电池(10)从电解质产生气体的方法可包括将电解质供给到非电极多孔层的步骤，非电极多孔层与具有第一面和第二面的阴离子传导膜的第一面电化学接触，其中阴离子传导膜的第二面与大体上未淹没的析气电极层电化学接触。这种方法可以包括所述大体上未淹没的析气电极层可以小于50％被电解质淹没。

设置大体上未淹没的析气电极层有助于气体在电池(10)内流动，并使由于电解质与集电器流体接触而引起的腐蚀最小化。

本文公开的优选实施例的许多变化、修改和变型对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且都被预期在所公开的说明书的精神和范围内。例如，尽管已经详细描述了特定实施例，但是本领域技术人员将理解，可以对前述实施例和变型进行修改以结合各种类型的替代和/或附加或选择性材料、元件的相对布置、步骤的顺序和其它步骤，以及尺寸配置。因此，尽管本文仅描述了产品和方法的少数变型，但应理解，这些额外的修改和变型及其等同物的实践都在以下权利要求所定义的方法和产品的精神和范围内。以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的相应结构、材料、动作和等同物都旨在包括用于结合具体要求保护的其它要求保护的元件来执行功能的任何结构、材料或动作。