具有气体扩散电极的电合成或电能电池制造技术

提供了一种新型的电合成(电化学)或电能电池，如燃料电池。该电池包括液体电解质和至少一个气体扩散电极(GDE)。GDE作为气体去极化电极来操作，且包括液体电解质基本上不可渗透的气体可渗透材料以及在气体扩散电极的面向液体电解质的一侧上提供的多孔导电材料。多孔导电材料可通过层压被附连到气体可渗透材料。或者，多孔导电材料被沉积或涂敷在气体可渗透材料的至少一部分上。去极化气体可由至少一个气体扩散电极接收以将电极进行气体去极化。去极化气体将会发生在气体扩散电极处的半反应改变成能量上更加有利的半反应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有一个或多个能被气体去极化的电极的电合成或电能电池，如电化学电池或燃料电池，且涉及能被气体去极化的不同气体扩散电极的应用或使用，例如作为电化学电池或设备或者一般而言电能、燃料或电合成电池或设备中消耗或生成气体的阳极或阴极。背景气体扩散电极(GDE)的使用在若干电化学工艺中是已知的。例如，氢氧燃料电池通常利用气态氧气和氢气在固相、电连接的催化剂(如铂金属)处到液态水的转化。当前，市场上可购得的GDE通常包括不同大小的导电颗粒(通常是碳颗粒)的融合多孔层。最外层通常包含最小尺寸的颗粒，用较少量的憎水PTFE(聚四氟乙烯或TeflonTM)粘合剂融合在一起。最内层通常包含最大颗粒。可存在中等颗粒大小的多个中等层。GDE内的颗粒大小的从中心最大到最外侧上最小这一梯度的意图是为了创建并控制电极内的三相固液气边界。这一边界应当具有最大的可能表面积。创建这样的边界通过控制颗粒之间的平均孔大小从而确保最小孔大小在边缘处且最大的在中心，来有效地实现。因为孔通常相对憎水(由于PTFE粘合剂)，所以边缘处的小孔大小(例如，30微米孔大小)用于阻碍和限制液态水进入GDE。即，水只可渗透进入GDE相对短的距离，其中每单位体积的电化学活性表面积是最大的。作为对比，GDE中心处的较大孔(例如，150微米孔大小)允许以低压力沿GDE长度的迅速气体传输，其中气体随后形成三向固液气边界，其中液态水在GDE的边界处，其中每单位体积的电化学活性表面积是最大的。当前，分层多孔电极结构是以下各项的行业标准：(1)常规单体GDE(例如，氢氧PEM燃料电池中使用的类型)；以及(2)混合GDE，其中GDE层已被纳入到电极内，通常在集电器和气体区之间。这一类型的GDE通常在操作期间显示出大量技术问题。这些问题很大程度上源自创建具有均匀孔大小和分布以及均匀(由GDE内的憎水PTFE粘合剂授予的)憎水性的无缝同构颗粒床的困难性。因为所造成的GDE结构中均匀性的相对缺乏，在GDE内创建的三相固液气边界可能是：-不稳定的且波动的。边界在GDE内的位置可在反应期间经受变化的条件，这使得在操作期间边界不断地将自身重新分布到GDE内的新位置。-非同构的。在遍历GDE的长度时，边界可位于GDE内广泛且不可预测的不同深度处。-不一致的且不清楚的。在GDE内的某些点处，可以存在多个而非单个固液气边界。-易发生故障。边界可能在操作期间在GDE内的某些点处发生故障，从而使得所需化学反应停止。例如，常见故障模式是GDE变得完全充满液相，从而破坏三相边界，这在行业中称为“水淹(flooding)”。水淹是燃料电池(如氢氧燃料电池)中需要将给料气体加湿的特定问题。水淹可由水经由系统性增量渗透穿过电极的非同构孔进入气体扩散电极而造成，或者它可以由给料气流中的水蒸气的自发凝结而造成。在所有情况下，水淹造成这样的燃料电池的电压输出和功率生成的下降。这一类型的问题无益于最优操作，且可造成不均匀、低出产率、不完整或不正确的反应，以及其他问题。常规的3D颗粒固定床电极和GDE当前，3D颗粒固定床电极和气体扩散电极(GDE)常规上通过混合碳黑和PTFE粉并随后将固态混合物压缩成大块多孔电极来制造。所得结构的孔大小可通过管理所使用颗粒的粒子大小来被非常粗略地控制。然而，使用这一方法达成遍及整个电极的均匀孔大小是困难的，因为颗粒(尤其是类似PTFE的“粘性”颗粒)在压缩时通常不均匀地流动并且不将它们均匀地分布。因此，通常获得各种各样的孔大小。此外，创建具有小得均匀的孔大小(诸如0.05μm–0.5μm大小)的结构一般是不可能的。该结构的憎水性通常通过管理纳入到该结构中的PTFE的相对量来控制。PTFE将该结构结合在一起并创建所需多孔性。然而，它的量必须被仔细地控制以给予电极适当的中等憎水性。需要中等憎水性以确保部分而非完全的进水。在GDE的情况下，需要这一点以从而创建组成电极的碳黑基体内的固液气边界。在工业电化学电池中操作这样的电极时，尤其是在电合成和电能(例如，燃料电池)应用中，构造3D颗粒固定床电极和气体扩散电极的这一方法造成一些显著的实际问题。这些问题包括形成以下三向固液气边界：界定不清、不一致、不稳定、波动、非同构、且易发生故障(像水淹)。这一类型的问题很大程度上源自在制造工艺中固有地缺少控制，它尝试在单个步骤中创建电极的所有内在属性——包括多孔性、憎水性以及导电性。此外，该制造方法寻求在单个结构内同时优化所有这些属性。这通常实际上是不可能的，因为各属性是相互相关的，意味着优化一个可能使另一个降级。尽管有这些缺点，但将颗粒碳黑和PTFE组合成经压缩或烧结的固定床的办法仍然是制造用于工业电化学的GDE的标准方法。这一办法被用来制造例如在氢氧PEM燃料电池中使用的类型的单体GDE。甚至在电极内仅需要GDE组件的情况下，制造GDE组件的标准方法也将它形成为颗粒碳黑和PTFE的经压缩多孔层。出于以上和其他原因，制造GDE的常规方法以及常规GDE的属性有待改进。图1(现有技术)以示意图的形式描绘了常规的3D颗粒固定床电极或气体扩散电极(GDE)110，如当前在行业中广泛使用的。在常规3D颗粒固定床电极或GDE110中，导电元件(例如，碳颗粒)通常与非导电的憎水元件(例如，聚四氟乙烯(PTFE)TeflonTM颗粒)和催化剂组合成单个固定床结构110。固定床结构110具有中等憎水性、良好但不是最佳可用的导电性、以及在单个区域113上不均匀且不清楚地限定的孔结构。在3D颗粒固定床电极或GDE110随后在一侧接触液体电解质且在另一侧接触气体物质，这些物理特征致使在电极110的主体内、在其外表面112下、以及在单个区域113内形成不规则分布的三相固液气边界，如图1中呈现的放大示图所示。在三相边界处，电连接的催化剂(固相)与(液相或气相之一的)反应物和(液相和气相中的另一个的)产物同时接触。GDE110内的固液气边界因此提供可例如通过施加特定电压来在其处促进电化学液体-到-气体反应或气体-到-液体反应的边界。三相固液气边界的宏观宽度在尺寸上与常规GDE的宽度相当或相似。常规GDE中三相固液气边界的厚度在燃料电池GDE中通常在0.4mm到0.8mm的范围中，在工业电化学GDE中最高至更高厚度，如若干毫米。上述水淹现象通常由在水经受任何种类的外部压力时水进入气体扩散电极而造成。例如，在1米高的工业电解电池中，电池底部的水由于水的液压头而受压0.1巴。如果GDE本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电合成电池或燃料电池，包括：液体电解质；以及气体扩散电极，包括：非导电的气体可渗透材料；以及在所述气体扩散电极的液体电解质侧上提供的多孔导电材料；其中在使用中所述气体扩散电极被气体去极化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.31 AU 2013902844;2013.12.10 AU 2013904802;1.一种电合成电池或燃料电池，包括：
液体电解质；以及
气体扩散电极，包括：
非导电的气体可渗透材料；以及
在所述气体扩散电极的液体电解质侧上提供的多孔导电材料；
其中在使用中所述气体扩散电极被气体去极化。
2.如权利要求1所述的电池，其特征在于，在所述电池的正常操作使用期间，所述气体
可渗透材料在所述气体扩散电极的气体侧提供，且所述气体可渗透材料是所述液体电解质
至少部分地不可渗透的。
3.如权利要求1或2所述的电池，其特征在于，所述多孔导电材料被附连到所述气体可
渗透材料。
4.如权利要求3所述的电池，其特征在于，所述多孔导电材料通过被层压到所述气体可
渗透材料而被附连到所述气体可渗透材料。
5.如权利要求3所述的电池，其特征在于，所述多孔导电材料被使用粘合材料附连到所
述气体可渗透材料。
6.如权利要求1到5中的任一项所述的电池，其特征在于，三相固液气边界能够形成在
面向所述多孔导电材料的气体可渗透材料表面处或附近。
7.如权利要求1或2所述的电池，其特征在于，所述多孔导电材料被涂敷在所述气体可
渗透材料的至少一部分上。
8.如权利要求1或2所述的电池，其特征在于，所述气体可渗透材料被涂敷在所述多孔
导电材料的至少一部分上。
9.如权利要求1到8中的任一项所述的电池，其特征在于，去极化气体由所述气体扩散
电极接收以对所述电极进行气体去极化。
10.如权利要求9所述的电池，其特征在于，所述去极化气体是氧气或氢气。
11.如权利要求9或10所述的电池，其特征在于，所述去极化气体将会发生在所述气体
扩散电极处的半反应改变成能量上更加有利的半反应。
12.如权利要求9或10所述的电池，其特征在于，所述去极化气体和/或惰性气体被迫通
过所述气体扩散电极进入所述液体电解质以使得在所述液体电解质中形成气泡和/或混
合。
13.如权利要求1到9中的任一项所述的电池，其特征在于，所述电池被用于以下各项的
电化学制造中：(a)过氧化氢，(b)来自CO2的燃料，(c)臭氧，(d)苛性碱(不含氯)，(e)高锰酸
钾，(f)氯酸盐，(g)高氯酸盐，(h)氟，(i)溴，(j)过硫酸盐，(k)氯、或(l)苛性碱(一般而言)。
14.如权利要求1到9中的任一项所述的电池，其特征在于，气体通过所述气体扩散电极
从所述电池提取。
15.如权利要求14所述的电池，其特征在于，所述去极化气体是氧气且通过所述气体扩
散电极或第二气体扩散电极被引入。
16.如权利要求14或15所述的电池，其特征在于，所述液体电解质包括氢氯酸(HCl)。
17.如权利要求1到16中的任一项所述的电池，其特征在于，所述气体扩散电极包括：
包括所述多孔导电材料的第一区；
包括所述气体可渗透材料的第二区；
其中所述第一区和所述第二区是不同的。
18.如权利要求1到9中的任一项所述的电池，其特征在于，所述电池使用Dow-Huron工
艺生成过氧化氢。
19.如权利要求18所述的电池，其特征在于，所述去极化气体是氧气或含氧气的混合物
且通过所述气体扩散电极被引入。
20.如权利要求19所述的电池，其特征在于，所述气体扩散电极从环境大气空气中提取
氧气。
21.如权利要求19或20所述的电池，其特征在于，氧气在所述电池处产生并通过第二气
体扩散电极从所述电池移除。
22.如权利要求1到9中的任一项所述的电池，其特征在于，所述电池是燃料电池，且氧
气被通过所述气体扩散电极引入，且氢气被通过第二气体扩散电极引入。
23.如权利要求1到9中的任一项所述的电池，其特征在于，所述电池被用来从通过所述
气体扩散电极引入的CO2气体产生甲酸。
24.如权利要求1到9中的任一项所述的电池，其特征在于，所述电池是燃料电池且所述
液体电解质包括硫酸，且氧气通过充当阴极的所述气体扩散电极被引入，且SO2或NOx气体通
过充当阳极的第二气体扩散电极被引入。
25.如权利要求1到24中的任一项所述的电池，其特征在于，所述气体扩散电极是柔性
的。
26.如权利要求1到25中的任一项所述的电池，其特征在于，包括气体区，并且其中所述
气体扩散电极将所述液体电解质与所述气体区分开。
27.如权利要求26所述的电池，其特征在于，在使用中，与所述气体区中的气体相对，较
大压力被施加到所述液体电解质，或者与所述液体电解质相对，较大压力被施加到所述气
体区中的气体。
28.如权利要求1到27中的任一项所述的电池，其特征在于，所述液体电解质被加热。
29.如权利要求1到28中的任一项所述的电池，其特征在于，所述气体扩散电极是所述
电池中的阳极。
30.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·F·斯维吉斯，P·G·西蒙斯，
申请(专利权)人：奥克海德莱克斯控股有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU