高壓差電化學(xué)電池制造技術(shù)

一種能在超過約２，０００ｐｓｉ的高壓差下操作的電化學(xué)電池，該電池使用多孔電極。多孔電極包括吸附在多孔載體上或其中的催化劑，該多孔載體與電解質(zhì)膜緊密接觸并與之處于流體連通之中。（*該技術(shù)在2020年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種電化學(xué)電池，尤其是能在高壓差下操作的電化學(xué)電池。
技術(shù)介紹
電化學(xué)電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，通常分類為電解電池或燃料電池。質(zhì)子交換膜電解電池通過電解分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣起氫氣發(fā)生器的作用，并通過使氫和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能起燃料電池的作用。參見附圖說明圖1，詳細(xì)繪出典型燃料電池10的局部剖面。燃料電池10中，氫氣12和反應(yīng)物水14通入氫電極(正極)16，而氧氣18通入氧電極(負(fù)極)20。燃料電池操作用的氫氣12可以從純氫源、甲醇或其它氫源獲得。氫氣在正極16上的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫離子(質(zhì)子)和電子，電子從正極16流動通過電連接的外部負(fù)荷21，質(zhì)子遷移通過膜22到負(fù)極20。在負(fù)極20，質(zhì)子和電子與氧氣反應(yīng)生成水14’，這些水還包括通過膜22拖帶到負(fù)極20的反應(yīng)物水14。正極16和負(fù)極20間的電位可用于向外部負(fù)荷提供電力。和圖1所示燃料電池同樣的結(jié)構(gòu)一般用于電解池。在典型的正極給水電解電池(未示出)中，過程水在氧電極(電解電池中的正極)側(cè)導(dǎo)入電池中形成氧氣、電子和質(zhì)子。通過電連接到正極的能源正端和電連接到氫電極(電解電池中的負(fù)極)能源負(fù)端促使電解反應(yīng)發(fā)生。氧氣和一部分過程水逸出電池，同時質(zhì)子和水跨過質(zhì)子交換膜遷移到負(fù)極，在負(fù)極形成氫氣。在負(fù)極給水電解電池(未示出)中，過程水在氫電極導(dǎo)入，部分水從負(fù)極跨越膜遷移至正極，在此形成質(zhì)子和氧氣。部分過程水不經(jīng)過膜在負(fù)極逸出電極。質(zhì)子跨過膜遷移至負(fù)極，在此形成氫氣。一些排列中，按需要，電化學(xué)電池可用于將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃猓瑲湓佼a(chǎn)生電能。這樣的體系通常稱作再生燃料電池體系。典型的電化學(xué)電池包括堆疊排列的許多單個電池，通過堆疊結(jié)構(gòu)中形成的輸入和輸出管道使工作流體在各電池中流動。該堆疊中的電池順序排列，每一電池包括負(fù)極、質(zhì)子交換膜和正極。正極、負(fù)極或兩者是普通的氣體擴(kuò)散電極，能使氣體擴(kuò)散到膜。每個負(fù)極/膜/正極組裝件(以下稱為“膜電極組裝件”或“MEA”)通常兩側(cè)支撐在載體構(gòu)件如網(wǎng)罩包或雙極板上，形成流場。由于在這些電池內(nèi)常常存在壓差，常采用壓襯墊或其它壓縮裝置，保持電池的活性區(qū)域即電極的均勻壓縮，從而保持流場和電池電極間長期緊密接觸。除了提供對MEA的機(jī)械支撐外，流場如網(wǎng)罩包或雙極板較好的能促使流體的運(yùn)動和膜的水合。這些多孔載體構(gòu)件還可用作氣體擴(kuò)散介質(zhì)，實(shí)行適當(dāng)?shù)难鯕夂蜌錃獾倪\(yùn)輸。提高整個電化學(xué)電池中運(yùn)輸速度以及流體(包括液體水以及氧氣和氫氣)分布的均勻性可以提高操作效率。用網(wǎng)罩包支撐，普通的電化學(xué)電池可以在高達(dá)約400磅/英寸2(psi)的壓力級差下操作。雖然適合其最終目的，但這樣的載體構(gòu)件需要另外的制造材料和步驟，而且在大于約400psi壓差下不能有效地用于電池的操作。例如，在電解電池中，希望在約1000psi或更高壓差下操作電解電池。當(dāng)壓力超過約400psi，尤其是超過600psi，網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)的物理極限，即要求極小的網(wǎng)孔，阻礙了流體通過，因此限制了其有用性。為能在高達(dá)約2,000psi壓力下操作，因此研究出多孔板技術(shù)。在1994年授予Carlson等人的美國專利5,296,109和5,372,689中公開多孔板的例子。如圖2所示，多孔片213插在正極211和流場(網(wǎng)罩包203)之間，為膜209提供額外的結(jié)構(gòu)完整性。根據(jù)Carlson的專利，多孔片213還能使水和氧氣雙向流動。在Case Western Symposium on″Membranes and Ionic and ElectronicConducting Polymer″，Cleveland，Ohio May 17-19，1982的論文中也已經(jīng)公開過多孔板。如圖2所示，該論文公開了為防止膜和電極組裝件變形進(jìn)入流場，在電極211和流場分布部件203之間插入多孔剛性載體片213。所述的具體排列在正電極上使用了多孔鈦載體片，并在負(fù)極上使用碳纖維紙的多孔剛性載體片(p.14)。在第2頁，該論文聲稱這樣的電池能在大于500psi范圍的壓差下操作。多孔板的使用還披露于“Solid Polymer Electrolyte Water ElectrolysisTechnology Development for Large-Scale Hydrogen Production”，F(xiàn)inal Reportfor the Period October 1977-November 1981 by General Electric Company，NTISOrder Number DE82010876中，它涉及固體聚合物電解質(zhì)水的電解技術(shù)。描述了一些使用多孔鈦板的電解池，并如圖2所示包括正極211、模制小槽的正極流場203、負(fù)極207、模制小凹槽的負(fù)極流場205、和插在正極211和負(fù)極207之間并與正負(fù)極密切接觸的離子交換膜209。所示的多孔片213支撐離子交換膜209，并插在正極流場203和正極211之間。該文獻(xiàn)的第10頁指出，早期研究已表明要求在正極和負(fù)極的兩側(cè)有用于膜和電極組裝件的支撐，以防止膜蠕變到流動區(qū)域。正極載體(多孔片213)包含薄鈦箔，有許多蝕刻出的通孔用于將水從流場輸送到催化劑并且流出氧氣。為提供提高了的水流速，這些薄箔正極載體可以用多孔鈦板代替(p.66)。多孔板方法最明顯的缺陷是加到電池組裝件的部件的附加的材料、制造和組裝的費(fèi)用。因此，本領(lǐng)域所需的是能在高壓如超過約1,000psi下操作的成本效率高的電化學(xué)電池。專利技術(shù)概述本專利技術(shù)提供一種包括一個多孔電極、另一電極和插在所述電極之間的膜的電化學(xué)電池，解決了上述缺陷和缺點(diǎn)；提供使用該電化學(xué)電池的方法；提供制造多孔電極的方法以及產(chǎn)生電能的方法。這種電化學(xué)電池包括第一多孔電極、第二電極、和置于其間的膜，其中所述第一多孔電極包含與導(dǎo)電多孔載體物理接觸的催化劑；與所述第二電極處于流體連通的流場；與所述第一電極處于流體連通的第一流體通道和與所述第二電極處于流體連通的第二流體通道。因此，第一多孔電極包含多孔催化結(jié)構(gòu)，提供對催化劑的結(jié)構(gòu)支撐和完整性，水電解成氫和氧的反應(yīng)點(diǎn)，對工作氣體和流體的流體流場，以及對膜的支撐。使用這種電化學(xué)電池的一個方法包括將水通入氧電極，所述氧電極包含處于和導(dǎo)電多孔電極物理接觸的催化劑；分解水形成氫離子、氧和電子；使所述電子運(yùn)動通過外部負(fù)荷至氫電極；使所述氫離子遷移通過電解質(zhì)膜至氫電極；并在所述氫電極產(chǎn)生氫氣。制造多孔電極的一種方法包括將一層導(dǎo)電材料燒結(jié)形成燒結(jié)的多孔載體；用催化劑和溶劑的溶液浸漬所述的燒結(jié)多孔載體；除去溶劑形成多孔電極，所述多孔電極的孔隙率以大于約20％(體積)為宜。制造多孔電極的第二種方法包括用催化劑和溶劑的溶液涂布導(dǎo)電材料；形成所述涂布的導(dǎo)電材料層；任選除去所述層中的溶劑；燒結(jié)所述層形成多孔電極，所述多孔電極的孔隙率以大于約20％(體積)為宜。制造多孔電極的第三種方法包括用催化劑前體和溶劑的溶液涂布導(dǎo)電多孔載體；使所述催化劑前體轉(zhuǎn)化為催化劑，所述多孔電極的孔隙率以大于約20％(體積)為宜。產(chǎn)生電能的方法包括產(chǎn)生第一電流；將所述第一電流的至少一部分通入有氧電極、氫電極、放置在電極之間電解質(zhì)膜以及與所述氧電極和所述氫電極處于電連通的電負(fù)荷的電化學(xué)電池，所述氧電極包含放置在導(dǎo)電多孔流場的催化劑；將水通入所述氧電本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種電化學(xué)電池，包括：第一多孔電極、第二電極、和置于其間的膜，所述第一多孔電極包含吸附在導(dǎo)電多孔載體表面上的催化劑；與所述第二電極處于流體連通中的流場；與所述第一電極處于流體連通中的第一流體通道；與所述第二電極處于流體連通中 的第二流體通道。

【技術(shù)特征摘要】
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：T斯科茲萊斯，M克利斯托弗，JK希普，ME德里斯蒂，TM莫爾特，
申請(專利權(quán))人：質(zhì)子能體系股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]