透气性电极和制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电化学领域，尤其是电极和电解反应。在特定的实施方式中，本发明的 各实施方式涉及电极、电池组、燃料电池、电化学电池和/或其他相关的电池类型或结构。 特定的示例性应用包括金属-空气电池组（特别是可逆金属-空气电池组）、流体-空气 电池组、使用可逆空气电极的电池组系统（特别是可逆聚合物-空气电池组）、水分解装置 或电池和生成气体或气体合成装置或电池。在其他实施例中，本发明涉及用于在电解反应 (包括例如水分解）中分离气体的装置和方法。在其他实施例中，本发明涉及制造电极和/ 或结合有该电极的电化学电池的方法。
[0002] 背景
[0003]仅作为举例，考虑特定的电解反应，水分解的总反应2H20 - 2H2+02生成02和112气 体作为终产物。水分解是产生高纯度氢气的最简单的方法之一。虽然水电解的电流效率在 50-70%的范围内，但通过该方法生产的氢气的电流成本在约$20-30/GJ的范围内（假定 $0. 05/kWh)，与之相比的是通过天然气重整和煤炭气化所生产氢气的约$6-12/GJ。
[0004] 对于水分解和许多其他反应，需要保持分离气体以用于之后的单个用途并避免产 生爆炸性气体混合物。存在若干种方法用于设计能够在电解期间使两种或多种气体保持分 离的装置，例如使用膜来分离电极隔室或腔室。这还可最小化溶解的气体的交叉，所述气体 来自一个电极并在另一个电极处待回收。
[0005] 虽然可以分离气体，但使用这些技术会出现新的问题，例如成本、机械特性、通过 膜的阻力高以及在水分解时需要使用超纯水以进行适当运行。
[0006] 作为另一个示例，也可考虑使用OF传导膜的碱性零间隙电解槽（alkaline zero gap electrolyser)。在传统的碱性电解槽中，隔膜是唯一的分隔器，此时电极和分隔器之 内和之间形成的气泡是传输阻力的主要原因。已作出了许多关于气泡管理的建议，例如使 用电解质的机械循环和使用（稳定的）添加剂来降低电解质的表面张力，使得气泡能够容 易地呙开系统。
[0007]例如，对于水分解，析氧反应的特征之一是电极处溶解的氧气浓度必须达到足以 成核和形成小的高压气泡的水平。根据拉普拉斯（Laplace)方程：P = 2 y/r，其中P是气 泡内的压力、Y是表面张力且r是气泡半径，靠近电极表面的半径为0. 1 ym的02气泡在 25°C下需要具有14atm的压力。所需浓度不仅在电极处产生超电势，而且表现出非常具有 反应性的环境，该环境对用于水分解以及其他电解反应的许多催化剂的长期稳定性带来挑 战。
[0008] 报告描述了用于提高电池效率的努力，例如对于水分解：通过加入牺牲剂或共催 化剂，对催化剂的晶体结构和形态和比表面积进行修饰。同样，已试图在平面微制造装置中 使用不同的电解质流动流来分离气体，但装置效率并不高。
[0009] 对于在气泡形成前从电池中去除气体（如02和H2)，尚未合适或充分地予以改善。 燃料电池中使用的传统气体扩散电极（GDE)类型具有持续形成02气泡的趋势，例如在作为 水分解装置运行时。此外，这些电极在水氧化（W0)条件下不稳定，其中在水氧化涉及的电 势下碳被迅速氧化。
[0010] 在说明书中对任何在先出版物（或由此得到的资料）或任何已知事物的参考不作 为并且不应被看作承认或认可或以任何形式提示在先出版物（或由此得到的资料）或任何 已知事物形成本说明书涉及领域中的公知普通常识的一部分。应理解，本说明书中关于文 件、装置、行为或知识的任何讨论都旨在解释本发明的内容。
[0011] 概述
[0012] 提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下实施例中进一步描述的一些概念。 本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求 保护的主题的范围。
[0013] 在一个形式中，提供了一种利用包括某种材料的电极的装置、方法和/或工艺，所 述电极可以是一种类型的膜或阻挡层，用于直接分离电解质溶液中逸出或产生的气体。优 选地，其提高了用于气体生产或合成的电解反应的效率。
[0014] 在另一个形式中，提供了一种透气性（gas permeable)或可透气（breathable)电 极，例如用于电解池、电化学电池、电池组和/或燃料电池。在其他形式中，提供了一种生产 电极和/或结合有该电极的电池或电池组的方法。
[0015] 在其他形式中，提供了一种包括至少一个多孔电极的电池或电池组，例如具有改 进的经济效率的透气性（即可透气）电极，和/或一种生产多孔、透气性或可透气电极的改 良方法。
[0016] 关于多孔、透气性或可透气电极，其指至少部分电极是充分多孔或可透过的，从而 允许一种或多种气体穿过或通过至少部分电极移动、转移或传输。
[0017] 关于多孔导电材料，其应被理解为表示任何形式或类型的多孔导电介质、制品、 层、膜、阻挡层、基质、元件或结构或其组合。
[0018] 在特定的示例性方面，实施方式适用于金属-空气电池组，特别是可逆金属-空 气电池组。在其他特定的示例性方面，实施方式适用于流体-空气电池组（flow-air battery)。在其他特定的示例性方面，实施方式适用于利用可逆空气电极特别是可逆聚合 物-空气电池组的电池组系统。
[0019] 在其他特定的示例性方面，实施方式适用于产气合成（gas producing synthesis)。在其他特定的示例性方面，实施方式适用于水分解电池（cell)或装置。在另 一个特定的示例性方面，提供了一种用于在电解反应（例如一氧化二氮生产、氨生产、水分 解等）中直接分离气体的方法。
[0020] 可方便地在下文中描述涉及电解、电化学或燃料电池或电池组和气体合成的本发 明实施方式，但应理解本发明不限于此并可被应用于广泛的其他用途。
[0021] 在一个形式中，提供了一种具有至少一个包含多孔材料的电极的电解池，其中在 至少一个电极处产生的气体经由多孔材料扩散出电池。优选地，在运行过程中气体产生于 至少一个电极处，且没有形成气泡或没有形成明显的气泡。
[0022] 在多个实施例中：至少一个电极处生产的超过90 %的气体穿过或通过多孔材料 从电池中去除；至少一个电极处生产的超过95 %的气体穿过或通过多孔材料从电池中去 除；或者至少一个电极处生产的超过99%的气体穿过或通过多孔材料从电池中去除。
[0023] 在多个其他示例性方面中：所述电极材料是不可透过电解质的；产生的气体形成 了平均直径小于125 y m的气泡；；产生的气体形成了平均直径小于100 y m的气泡；或者； 产生的气体形成了平均直径小于50 ym的气泡。
[0024] 而在多个气体示例性方面中：所述至少一个电极是阴极且在运行过程中阴极处产 生的气体经由多孔材料扩散出电池，从阴极反应中分离气体而无明显气泡形成；和/或所 述至少一个电极是阳极且在运行过程中阳极处产生的气体经由多孔材料扩散出电池，从阳 极反应中分离气体而无明显气泡形成。
[0025] 而在多个气体示例性方面中：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与材料相连的薄膜层或涂层；和/或所述薄膜层或涂层是疏 水性的。
[0026] 在其他特定的示例性方面中，所述薄膜层或涂层选自硅酮-含氟聚合物、聚二甲 基硅氧烷（?01^)或其与含氟单体的共聚物、？001?￡(全氟-2,2-二甲基-1，3-间二氧杂 环戊烯与四氟乙烯）、聚氟乙烯、聚氯乙烯、尼龙8, 8、尼龙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、尼龙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、石蜡、聚四氟乙烯、聚六氟 丙烯、聚异丁烯或其组合。
[0027] 而在其它示例性方面中：所述多孔材料的平均孔径小于0. 5 ym ;所述多孔材料的 平均孔径小于0. 1 y m ;或者所述多孔材料的平均孔径小于0. 05 y m。
[0028] 在其它示例性方面中：催化剂与多孔材料相连；和/或所述催化剂选自Pt、Au、Pd、 Ru、Ir、Mn、Fe、Ni、Co、NiO x、Mn 复合物、Fe 复合物、MoSx、CdS、CdSe 和 GaAs 或其组合。
[0029] 在其他示例性方面中，所述电解池用于：气体合成、电池组、燃料电池、一氧化二氮 的生产和/或氨的生产。
[0030] 在另一个形式中，提供了一种电解池，其包含：包含第一多孔材料的阴极、包含第 二多孔材料