由薄多孔金属板组成的电化学装置制造方法及图纸

使用薄微孔金属板的电化学装置。多孔金属板可以具有小于200μm的厚度，提供孔径在2.0nm至5.0μm范围内的三维互联网絡孔结构，并且是导电的。通过提供反应物/电子大的接触表面积，微孔金属片用于带正电和/或带负电的电极。纳米级催化剂或特征可以添加进含有亚微米级和微米级孔径的多孔金属片的孔内，以增强反应活性和容量。微孔陶瓷材料可以以小于40μm的厚度涂覆在多孔金属板上，以增强多孔金属板的功能。非导电性陶瓷涂层可用作膜分离器。电化学装置可用于分解分子或合成分子，例如从水和氮分子合成氨。

Electrochemical device composed of thin porous metal plate

【技术实现步骤摘要】
由薄多孔金属板组成的电化学装置相关专利申请的交叉引用本申请要求2018年6月6日提交的美国临时申请No.62/681,398的权益，该临时申请通过引用整体并入本文。
本专利技术的实施例一般针对电化学系统及其操作，特别是针对由薄多孔金属板组成的电化学系统。
技术介绍
膜分离器、正电电极和负电电极是电化学转换装置的三个基本部件，如用于电解水、氨水的电化学生产、燃料电池和电池。带负电荷的电极为电极中发生的电化学反应提供电子。在正电电极上，电子从电化学反应中被移除。例如，在电解水时会发生以下化学反应:在带负电荷的电极上：2e-+2H2O→2OH-+H2在带正电荷的电极上：2OH-→2e-+0.5O2+H2O总的反应是：H2O→H2+0.5O2在氢氧化物电解液中操作氢燃料电池时，电极上发生以下反应：在带负电荷的电极上：2e-+H2O+0.5O2→2OH-在带正电荷的电极上：H2+2OH-→2e-+2H2O总的反应是：H2+0.5O2→H2O电化学转换在许多重要的工业过程中被使用，并且对于从可再生能源或间歇性能源(如风能、太阳能和水力)中储存电能变得越来越重要。氢和氧是两种广泛使用的气体，在电解池中电解水可以产生。反之，在燃料电池中氢与氧的燃烧可以产生电能。充电电池广泛应用于电子设备和电动汽车，涉及可逆电化学反应。电化学反应在一些新兴的过程中起了作用，例如用电能从水和氮生产氨。小型电化学装置可用于根据需要生产氨，如提供氨用于选择性催化还原车辆排气中的一氧化氮。大型电化学装置可用于利用风能或太阳能生产氨，用于化肥或化学储能介质。这些电化学装置的一个常见需求是一个电极，它可以提供很高的比表面积积来让电子与反应物发生反应。大量的研究和开发工作致力于发现新的反应化学，改进电解质材料，改进催化剂和配方。然而，对电极主干结构的改进受到现有材料的局限性。这里描述的实施例填补了这个空白。除了电极的支撑结构外，下面描述的各种实施例为分离器提供了一种新的材料结构。分离器作为电化学转换装置的组成部分，具有下列一项或多项功能：i)使带正电和负电的电极彼此保持绝缘以避免短路，ii)允许电解质通过，而且iii)使两个电极的反应产物分离。在实施例中，分离器是一种膜绝缘体，在允许离子通过时不导电。例如，隔膜允许碱性电解液中的OH-离子通过，质子电解液中的H3O+离子通过，锂电池中的Li+离子通过。为了具有较高的功率和能量密度，膜分离器最好尽可能薄。然而，膜分离器必须足够厚，以防止两个电极短路。因为反应是周期性发生的，膜分离器必须有足够强度以保持结构完整性。因此，为了提高电化学装置的功率和/或能量密度，需要薄的、耐用的、高渗透性的薄膜分离器。人们对更高效的电极和膜分离器的渴望，体现在利用氮气和氢气或氮气和水生产氨的电化学转化过程的发展。今天，氨主要是通过高温(350-520℃)和高压(100-300bar)下的氮和氢的热催化反应产生的。这样的生产过程，通常被称为哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺过程，是资本和能源密集型的，广泛地用于高规模生产。另一方面，这种反应过程在低温下是热力学上有利的。ΔH＝-92.4kJ·mol-1美国专利号7,314,544B2(2006)公开了一种用氮和氢气从电解液中合成氨的电化学方法，该电解液由锂氢化物+锂氮化物熔盐组成。如果没有膜分离器，就会产生阳极和阴极反应的混合产物流。美国专利号8,916,123b2(2014年)披露了使用锂离子导电膜从氮化锂电解质中的氮和水生产氨，其中氮气反应氢氧化锂生成氮化锂，氮化锂再转化为氢氧化锂，同时与水反应生成氨。美国专利出版物第2016/0138176a1(2016)、美国专利出版物第20170037521(2017)和美国专利第9540737B2(2017)中披露了在低于哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺的温度下用氮气和水生产氨的实际例子。这三项专利揭示了碱性电解质的使用，包括碱性氢氧化物水溶液、碱性氢氧化物和盐以及共晶熔融碱性氢氧化物。但是，没有描述膜分离器。由于氢气和氧气的混合物可能是爆炸性的，所以需要有分离器来保持从各自电极中产生的氧和氢的分离。此外，即使混合物浓度控制在爆炸极限之外，分离氢和氧的成本也很高。文献报道了用质子导电电解质(PEM)膜作为空气和水的低温合成氨分离器(Lan以及其他人)“环境温度和压力下空气和水直接合成氨”，科学报告，3(2013)1145。然而，这些电解质(PEM)膜通常使用贵金属催化剂。陶瓷型离子导电膜已被探索研究(例如Lan等人的"在中等温度下直接从湿空气中合成氨"应用催化b：《环境》(Environmental)152-153(2014)212-217。总之，为了实现氮和水生产氨的实际应用，需要更高效和更高生产力的电化学装置。
技术实现思路
本文描述的实施方案教导了使用高表面积多孔金属片作为电化学转换装置中的电极和/或膜分离器的骨架结构。图1示出了厚度小于约200μm的金属板100，其具有孔径为微米级和亚微米级的互联状孔结构102。其可用作图2A中带正电电极104和带负电电极的结构材料106，图2B中仅带正电的电极104或图2C图2C仅带负电的电极106。微孔金属板100是导电的并且提供大的比表面积为电子与孔内的反应物反应。互联多孔结构102使得反应物，电解质和产物能够移入和移出电极体。可以调节微孔金属板100的化学组成和/或孔结构以满足给定电极反应的特定应用需求。当微孔金属板100用于一个电极(图2B或图2C)时，另一个电极优选包括填充催化剂颗粒的糊剂或涂层，其粒径范围为几纳米至几十微米。催化剂颗粒的实例包括纳米和/或微米尺寸的过渡金属(Fe，Ni，Co及其合金)，过渡金属-二氧化铈纳米复合物，碳载过渡金属和金属氧化物，过渡金属氮化物，和碳载金属氮化物。可以将一些导电材料如炭黑添加到浆料中以增强填充颗粒层的电子传导性。可以将一些粘合剂添加到填充颗粒层中以将颗粒保持在适当位置。另一个实施例包括电极与膜分离器的集成，如图3所示，在多孔金属板上沉积了膜层。支撑膜层的微孔金属片可作为正电电极或负电电极。对于那些很难制备成自我支撑薄(<40μm)膜，脆弱的膜材料，微孔金属板可以作为一种有效的支持体。例如，陶瓷型材料由于容易断裂，很难制备成多孔的薄板使用。将这些陶瓷类材料加工成膜通常需要在如此高温(如>300℃)下进行反应和/或处理，以至于大多数有机聚合物支撑材料变得不稳定。本专利技术中的微孔金属板，由于金属材料的高机械强度和耐温性以及均匀的表面孔隙结构使其适合于作为这些膜的支撑体。一个实施方案涉及电化学转化装置，其包括带正电的电极，带负电的电极和膜分离器的组件。带正电的电极，带负电的电极或膜分离器中的至少一个包括至少一个导电金属基多孔片，其具有：厚度小于200μm，具有80-90％孔隙的孔隙结构尺寸小于5μm，孔隙率为20-80％。另一个实施方案涉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学转换装置，包括：/n带正电极的组件；/n带负电的电极组件；和/n膜分离器，/n其中带正电的电极，带负电的电极或膜分离器中的至少一个包括至少一个导电的金属基多孔片，其具有：厚度小于200μm，具有互联网絡孔结构，50-100％孔的孔径小于5μm，孔隙率为20-80％。/n

【技术特征摘要】
20180606 US 62/681,398;20190430 US 16/398,4681.一种电化学转换装置，包括：
带正电极的组件；
带负电的电极组件；和
膜分离器，
其中带正电的电极，带负电的电极或膜分离器中的至少一个包括至少一个导电的金属基多孔片，其具有：厚度小于200μm，具有互联网絡孔结构，50-100％孔的孔径小于5μm，孔隙率为20-80％。


2.根据权利要求1所述的电化学转换装置，其中，所述金属基多孔片包括一层微孔陶瓷材料，所述层的厚度小于40μm且表面孔径小于100nm。


3.根据权利要求2所述的电化学转换装置，其中所述微孔陶瓷材料包括氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、二氧化铈、氧化铝、碳化硅或其混合物。


4.根据权利要求2所述的电化学转换装置，其中所述微孔陶瓷材料包含0.5-5重量％的烧结促进剂，所述烧结促进剂包含氧化镍，钴，氧化锰，二氧化硅或其混合物。


5.根据权利要求1所述的电化学转换装置，其中所述金属基多孔片包括在所述孔内的催化剂颗粒，其体积分数小于所述孔体积的50％。


6.如权利要求5所述的电化学转换装置，其中所述催化剂颗粒包括纳米尺寸的过渡金属，金属氧化物，金属氮化物或其混合物。


7.根据权利要求1所述的电化学转换装置，其中所述金属基多孔片的至少一个表面包括涂覆有包含电解质和催化剂的导电层，其中所述催化剂包含包含过渡金属的纳米和/或微米尺寸的颗粒，或过渡金属合金，过渡金属氧化物或氧化物化合物，金属氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，
申请(专利权)人：美国分子工程股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US