电化电池及其使用方法技术

在多个实施例中公开了一种新型电化电池。本发明专利技术涉及电化电池设计。在一个实施例中，该电池设计可以用低成本材料将水电解成加压氢气。在另一实施例中，该电池设计可以将氢和氧转化为电。在另一实施例中，该电池设计可以将水电解成氢气和氧气用于储存，然后将储存的氢气和氧气转化回电和水。

Electrochemical Battery and Its Application

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电化电池及其使用方法相关申请的交叉引用本申请要求享有于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专利技术是在政府支持下根据能源部第DE-SC0013111号合同创造。政府对本专利技术具有特定权利。
本专利技术整体涉及电化电池及其使用方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
在多个实施例中公开的本专利技术，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。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化电池(10)，包括：至少一个电极(350，750)，其大体上不含液态水并与电解质层(400，500)(500，600)电化学接触，还包括至少一个不透气的阴离子传导膜(400，600)，其具有第一面和第二面，在所述第一面上与所述电极(350，750)电化学接触，并且在所述膜(400，600)的所述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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.04.19 US 62/487,1341.一种电化电池(10)，包括：至少一个电极(350，750)，其大体上不含液态水并与电解质层(400，500)(500，600)电化学接触，还包括至少一个不透气的阴离子传导膜(400，600)，其具有第一面和第二面，在所述第一面上与所述电极(350，750)电化学接触，并且在所述膜(400，600)的所述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。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述含水液体是pH等于或大于7.0的液体电解质。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电解质层(400，500)(500，600)还包括第二不透气膜(400，600)，并且所述多孔非电极层(550)具有相对的第一面和第二面，其中每个膜(400，600)位于所述多孔非电极层(550)的所述相对的面的其中一个被高pH含水液体渗透的面上。4.根据权利要求1所述的装置，还包括第二电极(350，750)，其中所述第二电极(350，750)等于或大于50％填充有液体电解质。5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二电极(350，750)是阳极。6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二电极(350，750)是阴极。7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电化电池(10)是燃料电池。8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电化电池(10)是燃料电池和水电解器。9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电化电池(10)是具有氧去极化阴极的电解器。10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电解质层(400，500)(500，600)还包括导电的多孔非电极层(550)。11.根据权利要求1所述的装置，其中，析出的气体在所述电化电池(10)内被电化学加压。12.根据权利要求3所述的装置，其中，析出的气体在所述电化电池(10)内被电化学加压。13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电化电池(10)在析气电极(750)中使用亲水性氟化粘合剂。14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电化电池(10)在析氧电极(750)中使用亲水性氟化粘合剂。15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电化电池(10)在析氧电极(750)中使用亲水性氟化粘合剂。16.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·比奇，克里斯托弗·霍尔特，米内特·奥坎波，保罗·马特，
申请(专利权)人：PH马特有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US