Газопроницаемые электроды и электрохимические ячейки

Газопроницаемые электроды и электрохимические ячейки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ДАННОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение в основном относится электрохимическим устройствам или ячейкам, электродам, способам их изготовления и/или способам осуществления электрохимических или электролитических реакций или процессов. В конкретных аспектах данное изобретение относится к устройствам, ячейкам, электродам и/или способам для осуществления преобразований газа в жидкость или жидкости в газ и, например, к ячейкам или электродам для электролиза воды, которые успешно выполняют разложение воды. В других примерах данное изобретение относится к способам изготовления электродов и/или электрохимических устройств или ячеек, включающих данные электроды.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Электролитическое разложение воды на газообразный водород и газообразный кислород обычно выполняют посредством приложения тока к двум, близко расположенным электродам, обычно изготовленным из платины, каждый из которых находится в контакте с промежуточным водным раствором. На одном электроде аноде, вода обычно окисляется в соответствии с полуреакцией, представленной уравнением (1). На другом электроде катоде, протоны (H⁺) обычно восстанавливаются в соответствии с полуреакцией, представленной уравнением (2). Общая реакция на двух электродах представлена уравнением (3):

2H2O→O2+4H++4e-	(анод)	(1)
4e-+4 H+→2 H2	(катод)	(2)
2H2O→O2+2H2	(общая реакция)	(3)

Многочисленные устройства для разложения воды электролитическим образом, известные как электролизеры для разложения воды, являются коммерчески доступными. Обычной проблемой с коммерчески доступными электролизерами для разложения воды является то, что они, как правило, являются неэффективными в отношении их способности к преобразованию электрической энергии в энергию, содержащуюся в водороде, который они генерируют. А именно, они проявляют низкий энергетический КПД при преобразовании воды в водород. Водород является, несомненно, топливом, которое может в будущем заменить ископаемые топлива, такие как бензин и дизельное топливо. Кроме того, он является потенциально незагрязняющим топливом, поскольку единственным продуктом сжигания водорода является вода.

Один килограмм водорода содержит в себе эквивалент 39 кВт·ч электрической энергии (в соответствии с его величиной высшей теплоты сгорания, или ВТС (HHV)). Однако коммерческие электролизеры обычно требуют существенно больше электрической энергии, чем 39 кВт·ч, чтобы образовать 1 кг водорода. Например, электролизер Stuart IMET 1000 требует, в среднем, 53,4 кВт·ч электрической энергии, чтобы образовать 1 кг водорода, предоставляя, тем самым, общий энергетический КПД для преобразования воды в водород (в расчете на ВТС) 73%. То есть примерно четверть электрической энергии, подаваемой в электролизер, теряется (большей частью в виде тепла) и не используется для производства водорода.

Сходным образом электролизер Teledyne EC-750 требует 62,3 кВт·ч электрической энергии для производства 1 кг водорода (энергетический КПД 63%, в расчете на ВТС). Электролизер Proton Hogen 380 требует 70,1 кВт·ч/кг водорода (энергетический КПД 56%, в расчете на ВТС), в то время как атмосферный электролизер Norsk Hydro тип № 5040 (5150 А постоянного тока) требует 53,5 кВт·ч/кг образованного водорода (энергетический КПД 73%, в расчете на ВТС). AvalenceHydrofiller 175 требует 60,5 кВт·ч электрической энергии, чтобы образовать 1 кг водорода (энергетический КПД 64%, в расчете на ВТС).

Таким образом, суммируя приведенное выше, современные коммерчески доступные электролизеры для разложения воды являются сравнительно неэкономичными в отношении электрической энергии при производстве ими водорода. Эта неэффективность в значительной степени ставила в невыгодное положение водород в качестве, например, потенциального моторного топлива для экономики будущего.

Например, в период президентства Джорджа У. Буша, США рассматривали водород как являющийся стратегически важным в качестве альтернативного моторного топлива. Однако с того времени, в период президентства Обамы, было признано, что электрические батареи могут предоставлять более высокий общий КПД для преобразования электрической энергии энергосистемы в механическую тягу автомобиля по сравнению с тем, что достигается современными коммерческими электролизерами для разложения воды совместно с применением высокоэффективных топливных элементов (питаемых водородом). США изменила, соответственно, свое стратегическое направление от автомобилей с питанием от водородных элементов на автомобили с электроприводом в период 2009-2012. Министерство энергетики США, тем не менее, имеет, в качестве одной из его стратегических целей, разработку электролизеров для разложения воды, общий энергетический КПД которых достигает 90%, в расчете на ВТС.

Ключевой проблемой современных коммерческих электролизеров для разложения воды является то, что они подвержены электрическим потерям, вызываемых их функционированием при экстремально высоких плотностях электрического тока (типично 1000-8000 мА/см²). Это является неизбежным в промышленном масштабе, поскольку единственным путем достижения низкой стоимости производства водорода является минимизация количества материалов, требующихся в электролизере на килограмм образуемого водорода. Многие из материалов, используемых в коммерческих электролизерах, являются чрезвычайно дорогими, например, катализаторы из благородного металла, используемые на аноде/катоде, и протонообменная мембрана/диафрагма, используемая для разделения газов. Единственным путем достижения низкой полной цены для произведенного водорода является, поэтому, образование наибольшего приемлемого количества водорода на единицу площади по отношению к стоимости изготовления электролизера. Другими словами, требуется высокая плотность тока, чтобы снизить капитальные затраты электролизера на килограмм произведенного водорода. Министерство энергетики США имеет в качестве других своих стратегических целей разработку электролизеров для разложения воды, которые минимизируют количество катализаторов из благородного металла и других требующихся дорогих компонентов и тем самым уменьшают капитальные затраты.

При таких высоких плотностях тока потери энергии, которые имеют место в процессе разложения воды, являются большими. Эти потери энергии включают омические потери на электродах и в электролите, а также так называемые потери при перенапряжении, которые происходят, когда более высокое напряжение, чем то, что требуется теоретически, должно быть приложено для запуска процесса разложения воды. Эти потери объединяются, создавая низкие величины энергетического КПД, проявляемые коммерчески доступными электролизерами для разложения воды.

В более ранней международной заявке на патент № PCT/AU2011/001603 данного заявителя, заявителем описана ячейка для разложения воды, в которой использованы разделители, делающие возможным изготовление ячейки из недорогих и тонких материалов. Ключевое преимущество использования недорогих технологий производства для изготовления ячеек для разложения воды заключается в том, что оно делает коммерчески целесообразным конструктивное исполнение ячеек с большими площадями поверхности и эксплуатирование их при низких плотностях тока. Таким образом, могут быть реализованы гораздо более высокие величины общего энергетического КПД могут быть реализованы, чем те, что возможны в современных коммерческих электролизерах для разложения воды. Традиционные подходы к изготовлению электролизеров для разложения воды включают высокие капитальные затраты, которые препятствуют дополнительным капитальным вложениям, включаемым в изготовление электродов с большими площадями поверхности, требующимися при низких плотностях тока.

Функционирование при низких плотностях тока улучшает способность к производству водорода при очень высоких величинах КПД. В таких устройствах важно минимизировать потери энергии таким образом, чтобы величины эксплуатационной эффективности и уменьшенные производственные затраты компенсировали увеличение площади поверхности электрода.

Важной потерей энергии является так называемое «перенапряжение вследствие выделения пузырьков газа», которое имеет место на обоих электродах во время формирования пузырьков газообразного водорода (катод) и кислорода (анод). Например, требующиеся концентрации пузырьков O₂ не только создают перенапряжение на аноде, но также означают очень активную окружающую среду, которая влияет на долговременную стабильность многих катализаторов.

Низкие плотности тока обычно соответствуют высоким величинам энергетического КПД, поскольку они минимизируют происходящие потери, включая омические потери и т.п., во время реакции разложения воды. Однако в настоящее время коммерчески нецелесообразно использовать низкие плотности тока в современных коммерческих электролизерах для разложения воды вследствие высокой стоимости материалов, используемых в таких устройствах.

Подводя итог вышесказанному, в настоящее время существует настоятельная потребность в улучшении технологического уровня электролизера для разложения воды, чтобы достигнуть более высокого энергетического КПД в расчете на ВТС и более низкой общей стоимости водорода, произведенного электролитическим разложением воды. В отношении одной из типичных проблем, уменьшение или устранение основной потери энергии - перенапряжения вследствие выделения пузырьков газа - могло бы уменьшить потери энергии и улучшить общий энергетический КПД разложения воды.

Многочисленные другие электрохимические преобразования жидкости в газ имеют проблемы, сходные с теми, что описаны выше для электролиза воды, а именно, высокую стоимость материалов, которая вынуждает использовать высокие плотности тока в устройстве или ячейке, при сопутствующих низких величинах общего энергетического КПД. Например, электрохимическое производство хлора из рассола (водного раствора хлорида натрия) является чрезвычайно неэкономичным в отношении энергии. То же самое справедливо для различных электрохимических преобразований газа в жидкость. Например, водород-кислородные топливные ячейки имеют обычно энергетический КПД 40-70% по тем же самым причинам, что описаны выше.

Имеет место потребность в электрохимических устройствах или ячейках, электродах, способах их изготовления и/или способах проведения электрохимических или электролитических реакций или процессов, которые направлены на устранение или, по меньшей мере, смягчение одной или нескольких проблем, присущих известному уровню техники, например, предоставление возможности достижения более высоких величин энергетического КПД.

Ссылка в этом описании на любую публикацию (или производную от них информацию) или на любой материал, который известен, не является и не должна рассматриваться как подтверждение или допущение или предположение в любой форме, что более ранняя публикация (или производная от нее информация) или известный материал образует часть известных знаний в области деятельности, к которой относится это описание.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Это описание сущности изобретения предоставлено для ознакомления с выборкой концепций изобретения в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в Примерах. Это описание сущности изобретения не предназначено для идентификации ключевых признаков или основных признаков заявленного предмета, а также не предназначено быть использованным для ограничения объема заявленного предмета.

Будет удобно описывать варианты осуществления данного изобретения по отношению к электрохимическим устройствам или ячейкам, электродам или способам разложения воды, однако следует понимать, что данное изобретение может быть применено к другим видам электрохимических реакций жидкости в газ или газа в жидкость.

В одном варианте предоставлен электрод для устройства для разложения воды, содержащий газопроницаемый материал. Также второй материал включен в электрод или используется в качестве части сопряженного электрода или анода/катода, например, расположенной рядом с электродом. Разделительный слой расположен между газопроницаемым материалом и вторым материалом, данный разделительный слой предоставляет газосборный слой, например, внутри электрода, между парой анод-катод, парой анод-анод или парой катод-катод. Проводящий слой также предоставлен в качестве части электрода. Второй материал может быть частью электрода, или сопряженного или соседнего электрода, катода или анода, и в одном варианте он может также являться газопроницаемым материалом.

Ссылку на газопроницаемый материал следует понимать как общую ссылку, также включающую любую форму или вид газопроницаемой среды, изделия, слоя, мембраны, барьера, матрицы, элемента или структуры, или их комбинации.

Ссылку на газопроницаемый материал следует также понимать как включающую то смысловое содержание, что, по меньшей мере, часть материала является в достаточной мере пористой или проницаемой, чтобы сделать возможным перемещение, перенос, проникновение или прохождение одного или нескольких газов через или поперек, по меньшей мере, части газопроницаемого материала. Газопроницаемый материал может также называться «воздухопроницаемым» материалом.

В различных примерах: проводящий слой предоставлен рядом с газопроницаемым материалом или, по меньшей мере, частично внутри него; проводящий слой связан с газопроницаемым материалом; проводящий слой нанесен на газопроницаемый материал; газопроницаемый материал нанесен на проводящий слой; и/или газосборный слой способен к перемещению газа внутри в электроде. В другом примере газопроницаемый материал является газопроницаемой мембраной. В другом примере второй материал является другой или дополнительной газопроницаемой мембраной.

Предпочтительно, газосборный слой способен к перемещению газа внутри в электроде, по меньшей мере, к одной зоне выпуска газа, расположенной на краю или конце электрода или вблизи них.

В различных других типичных аспектах: газопроницаемый материал и второй материал являются отдельными слоями электрода; второй материал являются частью соседнего анода или катода; второй материал является газопроницаемым материалом; и/или второй материал является газопроницаемым материалом, и второй проводящий слой предоставлен рядом со вторым материалом или, по меньшей мере, частично внутри него. Таким образом, в одном из примеров разделительный слой, предоставляющий газосборный слой, предоставлен между газопроницаемым слоем и вторым слоем, являющимся дополнительным газопроницаемым слоем электрода. В другом примере второй материал является газопроницаемым материалом, и второй проводящий слой связан со вторым материалом, расположен рядом с ним, или нанесен на второй материал.

В еще одних типичных аспектах: электрод сформирован из гибких слоев; электрод, по меньшей мере, частично намотан в виде спирали; и/или проводящий слой включает один или несколько катализаторов.

В типичном аспекте, разделительный слой расположен рядом с внутренней стороной газопроницаемого материала, и проводящий слой расположен рядом с внешней стороной газопроницаемого материала, на ней или частично внутри внешней стороны.

Необязательно, газопроницаемый материал изготовлен по меньшей мере частично или полностью из полимерного материала, например, политетрафторэтилена (ПТФЭ), полиэтилена или полипропилена.

В других типичных аспектах: по меньшей мере, часть проводящего слоя расположена между одним или несколькими катализаторами и газопроницаемым материалом; разделительный слой находится в форме разделителя с газовыми каналами; и/или разделительный слой включает рельефные структуры на внутренней поверхности газопроницаемого материала и/или второго материала.

В другом варианте предоставлен электрод для устройства для разложения воды, содержащий: первый газопроницаемый материал; второй газопроницаемый материал; разделительный слой, расположенный между первым газопроницаемым материалом и вторым газопроницаемым материалом, данный разделительный слой предоставляет газосборный слой; первый проводящий слой, связанный с первым газопроницаемым материалом; и второй проводящий слой, связанный со вторым газопроницаемым материалом.

В различных примерах: первый проводящий слой предоставлен рядом с первым газопроницаемым материалом или, по меньшей мере, частично внутри него; второй проводящий слой предоставлен рядом со вторым газопроницаемым материалом или, по меньшей мере, частично внутри него; электрод сформирован из гибких слоев, намотанных в виде спирали; электрод сформирован из плоских слоев; первый проводящий слой включает катализатор; и/или второй проводящий слой включает другой катализатор.

В другом варианте предоставлено устройство для разложения воды, содержащее: электролит; по меньшей мере один электрод, включающий: газопроницаемый материал; второй материал; разделительный слой, расположенный между газопроницаемым материалом и вторым материалом, данный разделительный слой предоставляет газосборный слой; и проводящий слой.

В другом варианте предоставлено устройство для разложения воды, содержащее: по меньшей мере один катод, включающий: первый газопроницаемый материал и первый проводящий слой, связанный с первым газопроницаемым материалом; второй газопроницаемый материал и второй проводящий слой, связанный со вторым газопроницаемым материалом; разделительный слой, расположенный между первым газопроницаемым материалом и вторым газопроницаемым материалом, данный разделительный слой предоставляет газосборный слой; и, по меньшей мере, один анод, включающий: третий газопроницаемый материал и третий проводящий слой, связанный с третьим газопроницаемым материалом; четвертый газопроницаемый материал и четвертый проводящий слой, связанный с четвертым газопроницаемым материалом; дополнительный разделительный слой, расположенный между третьим газопроницаемым материалом и четвертым газопроницаемым материалом, данный дополнительный разделительный слой предоставляет газосборный слой; где, по меньшей мере, один катод и, по меньшей мере, один анод находятся, по меньшей мере, частично внутри электролита при функционировании.

В одном из примеров, по меньшей мере, один электрод является газопроницаемым электродом, содержащим два газопроницаемых материала, имеющим разделительный слой, расположенный между данными материалами и рядом с внутренней стороной каждого материала, и где каждый материал включает проводящий слой на внешней стороне каждого материала. В другом примере предоставлено несколько катодов и анодов, перемежающихся с водопроницаемыми разделителями, определяющими электролитные слои. В типичном аспекте электролит соединен с возможностью протекания текучей среды с впускным отверстием для электролита и выпускным отверстием для электролита, и газосборный слой соединен с возможностью протекания газа с отверстием для выпуска газа.

В различных других примерах предоставлены способы обработки воды, выполняемой при приложении тока низкой плотности к устройству для разложения воды, включающие: производство газообразного водорода и отбор газообразного водорода через газосборный слой; и/или приложение давления к электролиту. В других примерах, низкая плотность тока составляет менее чем 1000 мА/см²; низкая плотность тока составляет менее чем 100 мА/см²; низкая плотность тока составляет менее чем 20 мА/см²; газообразный водород производится при энергетическом КПД 75%, в расчете на ВТС, или более; и/или газообразный водород производится при энергетическом КПД 85%, в расчете на ВТС, или более.

В одном варианте предоставлен газопроницаемый электрод для устройства для разложения воды, содержащий, по меньшей мере, один газопроницаемый материал и разделительный слой, расположенный напротив, рядом или образующий часть внутренней стороны материала и между материалом и другим слоем, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и в котором материал включает проводящий слой. Необязательно, проводящий слой включает или связан с одним или несколькими катализаторами, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне материала.

В другом варианте предоставлена сборка газопроницаемых электродов для устройства для разложения воды, содержащая два газопроницаемых материала, имеющая разделительный слой, расположенный между материалами и напротив, рядом или образующий часть внутренней стороны каждого материала, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и в которой каждый материал включает проводящий слой. Необязательно, один или оба из проводящих слоев включают один или несколько катализаторов, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне каждого материала.

В одном типичном варианте осуществления газопроницаемый материал включает политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилен или полипропилен или их комбинации. В другом типичном варианте осуществления, по меньшей мере, часть проводящего слоя расположена между катализатором и материалом. Предпочтительно, газопроницаемый материал является газопроницаемым и непроницаемым для электролита. В другом типичном варианте осуществления предоставлен газопроницаемый электрод, в котором разделительный слой находится в форме разделителя с газовыми каналами, или рельефные структуры расположены, присоединены, включены или размещены на, вблизи или, по меньшей мере, частично внутри внутренней стороны, по меньшей мере, одного из газопроницаемых материалов.

В другом типичном варианте газопроницаемые электроды могут перемежаться с водопроницаемыми разделителями, чтобы образовывать многослойную ячейку для разложения воды. Преимущество этих электродов заключается в том, что в этом случае газосборный слой размещен между двумя газопроницаемыми электродами и может предоставляться недорогой путь изготовления многослойной ячейки для разложения воды.

В другом типичном варианте осуществления предоставлено устройство для разложения воды, содержащее, по меньшей мере, один катод и, по меньшей мере, один анод, в котором, по меньшей мере, один из, по меньшей мере, одного катода и, по меньшей мере одного, анода является сборкой газопроницаемых электродов, содержащей два газопроницаемых материала, имеющей разделительный слой, расположенный между материалами или в качестве их промежуточного слоя и напротив, рядом, или по меньшей мере частично внутри внутренней стороны каждого материала, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и в котором каждый материал включает проводящий слой или связан с ним. Необязательно, проводящий слой включает один или несколько катализаторов, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне каждого материала.

В другом типичном варианте осуществления предоставлено устройство для разложения воды, содержащее несколько катодов и анодов, перемежающихся с водопроницаемыми разделителями, определяющими электролитные слои, в котором катоды и аноды находятся в форме сборки газопроницаемых электродов, содержащей два газопроницаемых материала, имеющей разделительный слой, расположенный между материалами или в качестве их промежуточного слоя и напротив или, по меньшей мере, частично внутри внутренней стороны каждого материала, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и в котором каждый материал включает проводящий слой. Необязательно, проводящий слой включает один или несколько катализаторов, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне каждого материала.

В других типичных вариантах, устройства для разложения воды могут быть скомпонованы в виде модульных устройств, в которых установочная площадь и инфраструктура для обработки газов могут быть уменьшены. В одном типичном варианте осуществления предоставлено устройство для разложения воды, содержащее многослойную ячейку со спиральной намоткой для разложения воды. В еще одном примере ячейка для разложения воды включает несколько катодов и анодов, перемежающихся с водопроницаемыми разделителями, определяющими электролитные слои, и в которой катоды и аноды находятся в форме сборок газопроницаемых электродов, содержащих два газопроницаемых материала, имеющих разделительный слой, расположенный между материалами или в качестве их промежуточного слоя и напротив или, по меньшей мере, частично внутри внутренней стороны каждого материала, указанный разделительный слой определяет газосборный слой, и при этом каждый материал включает проводящий слой, который включает по меньшей мере один катализатор, и при этом проводящий слой расположен на внешней стороне каждого материала, указанный электролит соединен с возможностью протекания текучей среды с впускным отверстием для электролита и выпускным отверстием для электролита, указанный газосборный слой между анодами соединен с возможностью протекания текучей среды с выпускным отверстием для кислорода, и указанный газосборный слой между катодами соединен с возможностью протекания текучей среды с выпускным отверстием для водорода. Устройство со спиральной намоткой для разложения воды является практическим примером пути уменьшения установочной площади и инфраструктуры для обработки газов. Устройства со спиральной намоткой предоставляют возможность электролиту проходить через электролитные слои вдоль устройства для разложения воды. Газы могут быть извлечены в боковом направлении, например, кислород в одном направлении к каналу для отбора и водород в другом направлении к другому каналу для отбора.

Типичное устройство со спиральной намоткой для разложения воды делает возможным изготовление ячейки из недорогих и тонких материалов. Ключевое преимущество использования недорогих технологий производства для изготовления ячеек для разложения воды заключается в том, что оно делает коммерчески целесообразным конструктивное исполнение ячеек с большими площадями поверхности и эксплуатирование их при низких плотностях тока. Эти типичные ячейки для разложения воды являются гибкими и могут быть скомпонованы в виде устройства со спиральной намоткой для разложения воды.

В соответствии с другими типичными вариантами, для того, чтобы образовать устройства со спиральной намоткой для разложения воды, многослойная сборка материалов в виде плоского листа может быть свернута в виде сборки со спиральной намоткой. Сборка со спиральной намоткой может быть затем заключена в оболочку, которая поддерживает элемент со спиральной намоткой на месте внутри модуля, при предоставлении возможности прохождения воды через модуль. Трубы для отбора могут быть расположены, чтобы отводить соответствующие газы, водород и кислород, из устройства для разложения воды. Соответственно, трубы для отбора могут быть присоединены к устройству для разложения воды с заданными каналами для отбора, открытыми в трубу для отбора соответствующего газа. Например, все каналы для газообразного водорода могут быть открыты в соответствующем месте расположения и соединены с трубой для отбора газообразного водорода. В этом месте расположения каналы для газообразного кислорода могут быть закрыты или герметизированы. В других местах расположения на ячейке для разложения воды каналы для газообразного кислорода могут быть открыты и соединены с трубой для отбора газообразного кислорода. В этом месте расположения каналы для газообразного водорода могут быть закрыты или герметизированы.

В другом типичном варианте осуществления предоставлено устройство для разложения воды, содержащее несколько катодов из полых волокон и несколько анодов из полых волокон, в котором указанные несколько катодов из полых волокон содержат газопроницаемый материал из полого волокна, имеющий проводящий слой, который может включать катализатор, и в котором указанные несколько анодов из полых волокон содержат газопроницаемый материал из полого волокна, имеющий проводящий слой, который может включать катализатор.

Одним из преимуществ, на достижение которых адресованы типичные варианты осуществления, является устранение необходимости в протонообменной мембране между электродами, как использовано в известных ячейках для разложения воды. Протонообменные мембраны обычно не требуются, когда используют газопроницаемые или воздухопроницаемые (предпочтительно «без образования газовых пузырьков» или «по существу без образования газовых пузырьков») электроды. Кроме того, протонообменные мембраны разбухают в водной среде и, в результате, затрудняют предоставление эффективности упаковки и модульных конструкций, желательных для изготовления ячеек для разложения воды, имеющих низкие капитальные затраты и низкие эксплуатационные расходы.

Авторы данного изобретения нашли, что ячейки для разложения воды делают возможным эффективное использование пространства между анодом и катодом. В одном из примеров ячейки для разложения воды делают возможным заполнение электролитом, по меньшей мере, 70% объема между анодом и катодом, при одновременном поддержании анода и катода на определенном расстоянии друг от друга. В дополнение к этому, ячейки для разложения воды могут делать возможным то, что неэлектролитный компонент (например, разделительный слой) в электролитной камере составляет менее чем 20% от общего сопротивления электролитной камеры. Ячейки для разложения воды могут также делать возможным диффузию как катионов, так и анионов через электролитную камеру без импеданса, который мог бы в противном случае иметь место при применении протонообменной мембраны/диафрагмы.

В одном типичном варианте осуществления разделительный слой или компонент внутри электролитной камеры может быть газопроницаемым. В дополнение к применению в ячейках для разложения воды, различные типичные варианты осуществления могут быть применимы для выполнения других преобразований газа в жидкость или жидкости в газ, таких как топливные ячейки или устройства для обработки воды. Различные типичные варианты направлены на настоятельную потребность в электрохимических ячейках, способных к выполнению преобразований газа в жидкость или жидкости в газ с высокими величинами энергетического КПД. Более конкретно, различные типичные варианты направлены на потребность в электролизере, способном к производству водорода из воды при высоком энергетическом КПД и низкой стоимости.

Авторы данного изобретения реализовали или осуществили один или несколько из представленных ниже типичных аспектов, признаков или преимуществ, предоставляя тем самым различные типичные варианты осуществления:

(1) при оптимальном изготовлении и осуществлении, газопроницаемые или воздухопроницаемые электродные структуры уменьшают общие потери энергии, возникающие в электролизере для разложения воды от перенапряжения вследствие выделения пузырьков газа. Результатом уменьшения или устранения перенапряжения вследствие выделения пузырьков газа является увеличение общего энергетического КПД процесса электролиза воды. Газопроницаемые или воздухопроницаемые электродные структуры могут быть сформированы из различных газопроницаемых материалов. В одном варианте газопроницаемые материалы могут быть пористыми, предоставляющие газам возможность перемещаться через материал посредством его пористой структуры. В другом варианте газопроницаемый материал может предоставлять газу возможность диффундировать через непористую структуру.

(2) дешевые катализаторы, содержащие широко распространенные в земной коре элементы, могут быть использованы, чтобы катализировать реакции разложения воды на аноде и катоде в газопроницаемых или воздухопроницаемых электродных структурах. Несмотря на то, что такие катализаторы часто непригодны для энергоэффективного функционирования при высоких плотностях тока, они способны к достижению чрезвычайно высоких величин энергетического КПД при более низких плотностях тока, чем те, что используются в настоящее время в коммерческих электролизерах для разложения воды. Некоторые катализаторы являются электропроводными, и в некоторых вариантах осуществления катализатор может быть использован для формирования проводящего слоя. Примером электропроводного материала, который подходит для применения в качестве катализатора, является никель.

(3) коммерчески доступные и дешевые материалы и структуры материалов могут быть выгодным с экономической точки зрения образом применены для изготовления газопроницаемых или воздухопроницаемых электродных структур, которые разлагают воду с высоким энергетическим КПД.

(4) конструкции реактора могут быть использованы для изготовления модульных, многослойных ячеек для электролиза воды, имеющих очень большие внутренние площади поверхности, однако сравнительно небольшие внешние установочные площади и низкие общие затраты. Эффект этой реализации состоит в том, чтобы сделать возможным изготовление недорогих, модульных ячеек для электролиза воды, имеющих большую внутреннюю площадь поверхности, однако небольшую внешнюю установочную площадь.

(5) доступность дешевых катализаторов и материалов, а также дешевые конфигурации реакторов с большими внутренними площадями поверхности делают возможным изготовление электролизера совершенно нового типа, который генерирует водород при низких затратах и высоком энергетическом КПД посредством функционирования при более низких плотностях тока, чем это было коммерчески целесообразно до настоящего времени.

В различных типичных вариантах, высокий энергетический КПД достигается посредством одного или нескольких из следующих факторов: (a) низкая плотность тока, которая минимизирует электрические потери, (b) дешевые катализаторы, например, широко распространенные в земной коре элементы, которые функционируют высокоэффективным образом при пониженных плотностях тока, и (c) применение газопроницаемого или воздухопроницаемого электрода или структур материала, которые уменьшают или устраняют перенапряжение вследствие выделения пузырьков газа на каждом электроде.

В различных типичных вариантах, низкие затраты достигаются посредством одной или нескольких характерных особенностей внутри электролизера: (i) дешевые материалы в качестве основы для газопроницаемых или воздухопроницаемых анодов и/или катодов, (ii) дешевые катализаторы, например, широко распространенные в земной коре элементы, в качестве катализаторов на аноде и катоде (вместо дорогих благородных металлов), и (iii) дешевые конструкции реактора, которые имеют сравнительно большие внутренние площади поверхности, однако сравнительно малые внешние установочные площади. Предпочтительно, комбинация этих факторов делает возможными сравнительно высокие общие скорости генерации газа, даже когда используются сравнительно небольшие плотности тока на единицу площади поверхности.

В других типичных вариантах, аноды и катоды могут содержать полые плоские листы или трубы, внешние поверхности которых являются пористыми и либо гидрофобными (в случае, когда используемая жидкость является гидрофильной - например, водой), либо гидрофильными (в случае, когда используемая жидкость является гидрофобной - например, петролейным эфиром), чтобы тем самым предоставить возможность газам, однако не жидкостям, или другим текучим средам электролита, проходить через них в связанные газовые каналы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Иллюстративные варианты осуществления будут теперь описаны исключительно в виде неограничивающих примеров и со ссылками на сопров