CN107532314A

CN107532314A - 离子交换膜、电化学系统和方法

Info

Publication number: CN107532314A
Application number: CN201680025298.9A
Authority: CN
Inventors: R·J·吉利亚姆; M·科斯托维斯基; 托马斯·H·麦克韦德; 萨马雷什·莫汗塔; 赵宏
Original assignee: Calera Corp
Current assignee: Fortera Corp
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2018-01-02
Also published as: BR112017019072B1; US20190127864A1; JP2018513912A; US10161050B2; US10801117B2; BR112017019072A2; US20160273116A1; EP3271501A1; US10287693B1; WO2016149365A1; US20200080209A1; US10480085B2; US20190218673A1

Abstract

本文公开了离子交换膜、电化学系统以及与离子交换膜和电化学电池的其他组件的多种配置相关的方法。

Description

离子交换膜、电化学系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年3月16日提交的第62/133,777号美国临时专利申请的权益，该申请在此通过引用整体并入本公开内容中。

政府支持

本文所述的研究是在由能源部授予的编号为DE-FE0002472的基金下全部或部分由政府支持完成的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

电化学电池包含插设在阳极与阴极之间的离子交换膜，诸如阴离子或阳离子交换膜。所述膜是离子性的、多孔的，且有利于特定离子穿过该膜。通常，膜被压在电极之间并且需要是坚硬且牢固的以便经受住温度、压力和液体流动条件。因此，需要具有机械强度并且能改善电化学电池性能的膜。

发明内容

在一个方面提供了一种离子交换膜(IEM)，其包含具有内置隔离件的离聚物膜(ionomer membrane)，其中所述内置隔离件的一个或多个部分从所述离聚物膜的至少一个表面向外突起。在前述方面的一些实施方式中，所述内置隔离件的一个或多个部分从所述离聚物膜的前表面和/或后表面向外突起。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起的幅度为约0.01mm-1mm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起幅度的波长(wavelength)为约0.5mm-50mm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件为网状物(mesh)、布、泡沫、海绵、由交织纤维或筛网的重叠或堆叠平面形成的平面网状物、由纤维卷形成的垫、膨胀片、多个筛、多个挡板或多个级联台阶(cascading steps)或其组合。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件的横截面积与所述IEM的标称横截面积之比为约5-70％。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件由选自聚合物、织物和玻璃纤维的材料制成。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起具有重复图案(pattern)。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起彼此等距。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述IEM为阴离子交换膜(AEM)和/或阳离子交换膜(CEM)。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件被配置为将所述IEM与阳极隔开；将所述IEM与阴极隔开；将所述IEM与另一个IEM隔开；或其组合。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述IEM进一步包含与所述IEM集成的垫片材料。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料被集成至所述IEM的边缘。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料被集成于所述IEM的前侧、后侧或两侧上。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料具有约0.01mm-5mm的厚度。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料由硅酮、氟橡胶(viton)、橡胶、软木、毡、泡沫、塑料、玻璃纤维、柔性石墨、云母或聚合物制成。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯、乙烯丙烯、乙烯丙二烯、氯丁橡胶(neoprene)或氨基甲酸乙酯(urethane)。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述垫片材料是选自平板或棱板(cord sheet)的设计。

在一个方面提供了一种电化学方法，其包括：

在阳极和阴极之间施加电压；

使所述阳极与阳极电解质接触，其中所述阳极电解质包含金属离子，且所述阳极将所述金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态；

使所述阴极与阴极电解质接触；

使所述阳极电解质与包含具有内置隔离件的离聚物膜的离子交换膜(IEM)接触，并且/或者使所述阴极电解质与包含具有内置隔离件的离聚物膜的IEM接触，其中所述内置隔离件的一个或多个部分从所述IEM的至少一个表面向外突起。

在前述方面的一些实施方式中，所述内置隔离件为IEM提供刚性，并消除了对附加隔离件组件的需要。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件的一个或多个部分从所述IEM的前表面和/或后表面向外突起。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述突起的幅度为约0.01mm-1mm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述内置隔离件将所述IEM与所述阳极隔开；将所述IEM与所述阴极隔开；将所述IEM与另一个IEM隔开；或其组合。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述方法进一步包括将垫片材料与所述IEM集成。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述方法进一步包括通过丝网印刷、经由超声波焊接或热量的结合、浸涂、聚合、注射成型、挤出、3D打印或数字印刷来集成所述垫片材料。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述与IEM集成的垫片材料赋予所述IEM刚性和强度，并消除了对单独的垫片组件的需要。

附图说明

本发明的新特征在所附的权利要求书中具体阐述。通过参考以下对利用本发明原理的说明性实施方式加以阐述的详细描述及其附图，可更好地理解本发明的特征和优点，在这些附图中：

图1是与电解池相关的一些实施方式的图示。

图2A-F示出了与包含具有内置隔离件的离聚物膜的离子交换膜(IEM)相关的一些实施方式。

图3A-C示出了与具有附接的垫片材料的IEM相关的一些实施方式。

图4是包含具有离聚物膜和内置隔离件的IEM的电化学电池的一些实施方式的图示。

图5A-C是与具有或不具有垫片材料的膜附接的隔离件组件相关的一些实施方式的图示。

图6是与实施例2中描述的实验相关的数据。

具体实施方式

本文公开了离子交换膜、电化学系统及其使用和制作方法，其可改善膜和/或电化学电池的性能。

在更详细地描述本发明之前，应当理解，本发明不限于所描述的具体实施方式，其本身当然可以变化。还应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而非旨在限定，因为本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

当提供数值范围时，应当理解，在此范围的上限与下限之间的每个中间值(精确到下限单位的十分之一，除非上下文另外明确地指出)以及在所述范围内的任何其他所指出的或中间的值都包含在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括在较小范围中，而且也包含在本发明内，除了所述范围内任何具体排除的限值。当所述范围包括限值中的一个或两个时，排除这些所含限值中的任何一个或两个的范围也被包括在本发明中。

本文以数值提出的某些范围可被解释为“大约”的数值。“约”在此用于对其之后的准确数字以及与该术语之后的数字接近或近似的数字提供字面支持。在确定一个数字是否接近或近似于某个具体列举的数字时，靠近或近似的未列举(unrequited)的数值可以是上下文中出现的、具有与具体列举的数值基本相等值的数值。

除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员所一般理解的相同的含义。现在描述代表性的说明性方法和材料，但是与本文描述的这些方法和材料类似或等效的任何方法和材料也可在本发明的实践或检验中使用。

本说明书中所引用的所有出版物和专利都通过引用并入本文，犹如特别地和单独地指出每个单独的出版物或专利均通过引用而并入，并通过引用并入本文以公开和描述与所引用的出版物有关的方法和/或材料。对任何出版物的引用均是关于其在申请日之前的公开内容，并且不应解释为承认由于在先发明，本发明无权先于这些出版物。此外，所提供的出版日期可能与实际出版日期不同，实际出版日期可能需要独立确认。

应当指出，除非上下文另外明确指出，否则本文及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括指代物的复数形式。应当进一步指出，权利要求可撰写为排除任何可选的要素。因此，本声明旨在作为与引用权利要求要素一同使用排他性术语如“只”、“仅”等或使用“否定性”限制的在先基础。

本领域技术人员在阅读本公开内容后应当明白，本文描述和说明的每一单独的实施方式具有分立的组件和特征，该组件和特征可易于与其他几个实施方式中任一个的特征分开或组合，而不背离本发明的范围或精神。任何列举的方法可以按所列举事件的顺序或按逻辑上可能的任何其他顺序进行。

膜、电化学系统和方法

在典型的电化学系统中，存在容纳阳极和阳极电解质的阳极室。存在容纳阴极和阴极电解质的阴极室，且阳极室和阴极室由离子交换膜(IEM)隔开。根据阳极和阴极上所需的反应，该IEM可以是阴离子交换膜(AEM)、阳离子交换膜(CEM)或二者。在一些电解池中，电化学系统包含由AEM和CEM两者隔开的阳极和阴极，从而在该AEM与CEM中间形成含有第三电解质的第三室。在这些组件之间，可提供多种附加隔离件组件将例如AEM与阳极隔开、将CEM与阴极隔开和/或将AEM与CEM隔开，以及为该膜提供机械完整性。由这些隔离件组件产生的空间还有助于电解质的流动，导致更好的电流流动，并且防止该膜接触可导致膜翘曲及污染的其他组件。除了这些组件之外，还可在组件之间提供单独的垫片框架，以密封隔室以免流体泄漏，以及当向电化学电池施加压力时(例如在压滤设计中)防止组件之间的摩擦。

例如，图1示出了具有多种单独组件的电解池的横截面视图。如图1所示，阳极电极组装件与阴极电极组装件之间可存在可能需要对准的10个以上组件，包括IEM、隔离件和垫片。从图1可明显看出，在装配和操作过程中，如何获得阴极、阳极、垫片、隔离件、膜和中间室所需的平面度和平行度可呈现出相当大的难度。在电解池装配期间，工作人员必须依次定位所有组件，包括将隔离件定位在膜上，并在每个组件之间放置适当的垫片组件。这样的装配顺序的困难包括隔离件在垂直定位期间向下滑动的趋势，以及保持组件相互对准的必要性，因为最小的不对准或下滑都可导致电流分布的不均匀，从而导致对电极、膜和隔离件的负面影响。此外，在即便一个组件发生故障的情况下，也必须将整个电解池的每个组件拆开并重新装配，这可造成操作过程中的额外损坏。

申请人已经发现了减少电化学电池中的单个隔离件组件和垫片组件的数目的新方法，这不仅提高了装配的简便性，还提高了电池组件的寿命和性能。

申请人已经设计出具有与内置隔离件集成的离聚物膜的IEM，使得内置隔离件具有为IEM提供机械完整性或加固以及在IEM与电池中的其他组件之间产生分隔空间的双重目的。该配置消除了对单个膜和隔离件组件的需要，并改善了膜和电池的性能(也在本文的实施例2中得到证实)。

在一些实施方式中，申请人已经发现了将隔离件组件与IEM附接(在该实施方式中，隔离件未内置于IEM中，而是与IEM附接)以及/或者将垫片材料与电化学电池的一个或多个组件附接的新方法，以减少电池中单个组件的数目，并为组件提供机械完整性。

与包含离聚物膜和内置隔离件的IEM、包含与离子交换膜附接的隔离件的IEM以及与电化学电池的单个组件附接的垫片材料相关的所有这样的配置均在本文中描述如下。

具有内置隔离件的离子交换膜

在一个方面提供了一种离子交换膜(IEM)，其包含具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起。

所述离子交换膜(IEM)可以是阴离子交换膜(AEM)或阳离子交换膜(CEM)。如本文所用的“离子交换膜”或“IEM”或“AEM”或“CEM”包括由离聚物制成的导电聚合物膜。IEM将离子转运跨过导电聚合物膜。阴离子交换膜含有固定的阳离子基团以及可移动的阴离子；它们允许阴离子通过并阻断阳离子。阳离子交换膜含有固定的阴离子基团以及可移动的阳离子；它们允许阳离子通过并阻断阴离子。IEM的导电聚合物膜由离聚物制成并且在本文中是“离聚物膜”。如本文所用的“离聚物”包括包含与聚合物主链键合的电离单元的聚合物。如本文所用的“内置隔离件”包括集成或并入离聚物膜中以形成IEM的任何隔离件，使得内置隔离件的一个或多个部分从离聚物膜的至少一个表面向外突起。与离聚物膜集成的内置隔离件为IEM提供加固或机械支撑，并通过内置隔离件的突起将IEM与相邻组件隔开。内置隔离件还通过增强液流在离聚物膜表面处的混合、破坏边界层并改善离子跨过离聚物膜的转运来降低溶液阻力(在下文详细描述)。如本文所用的“隔离件”包括适用于容易地被液流穿过或渗透的任何多孔物质。本文已经提供了离聚物膜和内置隔离件的实例。

图2A-2F中提供了IEM的实例，该IEM包括具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起。图2A中所示的IEM A的横截面视图包含内置隔离件2和离聚物膜4。从离聚物膜的一个表面向外突起的内置隔离件的一个或多个部分在图2A中示为3。图2A示出了内置隔离件的一个或多个部分从离聚物膜的一侧向外突起的IEM，而图2B示出了IEM B的横截面视图，其中内置隔离件2的一个或多个部分从离聚物膜4的两侧向外突起3。因此，在上述方面的一些实施方式中提供了一种IEM，其中内置隔离件的一个或多个部分从离聚物膜的前表面和/或后表面向外突起。应当理解，图2A和2B仅用于说明，并且仅代表IEM和内置隔离件的示例。内置隔离件的其他配置如其他设计、突起以及突起的频率可发生变化，并且所有这些均在本发明范围内。

图2C示出了包含具有内置隔离件的离聚物膜4的IEM的横截面视图(如图2B中所示)的另一个示例，其中内置隔离件的一个或多个部分从离聚物膜的前表面和后表面向外突起3。图2D中的分解图示出了突起的幅度。从离聚物膜表面到内置隔离件的最远暴露位置(由图2D中的双箭头所示)测量突起幅度。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，突起幅度为约0.01mm-2mm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，突起幅度为约0.01mm-2mm；或约0.05mm-2mm；或约0.07mm-2mm；或约0.09mm-2mm；或约0.1mm-2mm；或约0.5mm-2mm；或约0.8mm-2mm；或约1mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.05mm-1mm；或约0.07mm-1mm；或约0.09mm-1mm；或约0.1mm-1mm；或约0.5mm-1mm；或约0.8mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm；或约0.05mm-0.5mm；或约0.07mm-0.5mm；或约0.09mm-0.5mm；或约0.1mm-0.5mm；或约0.3mm-0.5mm；或约0.01mm-0.3mm；或约0.05mm-0.3mm；或约0.07mm-0.3mm；或约0.09mm-0.3mm；或约0.1mm-0.3mm；或约0.2mm-0.3mm；或约0.01mm-0.1mm；或约0.03mm-0.1mm；或约0.04mm-0.1mm；或约0.05mm-0.1mm；或约0.06mm-0.1mm；或约0.07mm-0.1mm；或约0.08mm-0.1mm；或约0.09mm-0.1mm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，突起幅度为约0.01mm-2mm，或约0.01mm-1mm，或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.3mm，或约0.01mm-0.1mm。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件的一个或多个部分在两个离聚物膜表面上以不同的突起幅度向外突起。在一些实施方式中，在离聚物膜的上表面和下表面上的突起幅度相同。在一些实施方式中，在离聚物膜的上表面和下表面上的突起幅度不同。例如，在一些实施方式中，离聚物膜的上表面的突起幅度大于离聚物膜的下表面的突起幅度，反之亦然。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，突起的波长(或间距)或突起幅度的波长，即突起幅度的峰间距离(如图2C中所示)，为约0.5mm-50mm。当内置隔离件具有非织造结构时，突起的波长包括突起的间距。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件可以是织造结构或非织造结构。例如，内置隔离件为网状物、布、泡沫、海绵、由交织纤维或筛网的重叠或堆叠平面形成的平面网状物、由纤维卷形成的垫、膨胀片、多个筛、多个挡板或多个级联台阶或其组合。

在内置隔离件为织造结构的实施方式中，当纤维或片在一个垂直纤维或片之上经过然后在另一个垂直纤维或片之下经过时，该纤维或片可遵循一种正弦曲线路径(上面称为波长)。该纤维可沿着纤维长度在每个最大值和最小值附近从离聚物膜突起。内置隔离件的织造结构的实例在图2C-2F中示出。图2E和2F分别示出了与内置隔离件集成的离聚物膜的后视图和俯视图，其中该内置隔离件是诸如织造网的网状物。在内置隔离件为非织造结构的实施方式中，实例包括但不限于泡沫、海绵、膨胀片、筛或挡板的叠堆；非织造结构可包括突起特征的规则阵列(上面称为间距)。内置隔离件的非织造结构的实例在图2A-2B中示出。例如，非织造结构中的突起可以是膨胀片开口的壁，或者可以是分隔泡沫或蚀刻挡板片的相邻孔的壁。这些突起中的每一个均与其直接相邻的突起隔开一段距离，该距离可被称为间距。

在一些实施方式中，无论是具有织造结构还是具有非织造结构，内置隔离件均具有突起的重复或循环图案(不是随机的)。该结构的重复或循环图案可在内置隔离件的重复骨架结构中看到。突起的波长或间距也可反映内置隔离件的突起的重复图案。例如，当内置隔离件为网状物时，如图2F中所示，该网状物在结构上具有重复或循环图案，使得突起彼此等距。类似地，图2A或2B示出了非织造结构，诸如膨胀片开口的壁，或分隔泡沫或蚀刻挡板片的相邻孔的壁，其中所述突起彼此等距。在一些实施方式中，内置隔离件的这种重复或循环结构可导致突起之间的等距的离聚物膜。这些由于重复或循环图案引起的等距突起可在IEM的整个长度上提供基本相等的机械强度，并且将整个IEM保持在距电池中的其他组件基本相等的距离。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，突起的波长(或间距)为约0.5mm-50mm；或约1mm-50mm；或约2mm-50mm；或约5mm-50mm；或约10mm-50mm；或约15mm-50mm；或约25mm-50mm；或约35mm-50mm；或约45mm-50mm；或约0.5mm-30mm；或约1mm-30mm；或约2mm-30mm；或约5mm-30mm；或约10mm-30mm；或约15mm-30mm；或约25mm-30mm；或约0.5mm-25mm；或约1mm-25mm；或约2mm-25mm；或约5mm-25mm；或约10mm-25mm；或约15mm-25mm；或约0.5mm-15mm；或约1mm-15mm；或约2mm-15mm；或约5mm-15mm；或约10mm-15mm；或约0.5mm-10mm；或约1mm-10mm；或约2mm-10mm；或约5mm-10mm；或约0.5mm-5mm；或约0.6mm-5mm；或约0.8mm-5mm；或约1mm-5mm；或约2mm-5mm；或约3mm-5mm；或约4mm-5mm；或约0.5mm-3mm；或约0.6mm-3mm；或约0.8mm-3mm；或约1mm-3mm；或约2mm-3mm；或约0.5mm-2mm；或约0.6mm-2mm；或约0.8mm-2mm；或约1mm-2mm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，突起的波长为约0.5mm-10mm，或约0.5mm-5mm，或约1mm-5mm。

在一些实施方式中，内置隔离件具有原本就适用于电池的疏水特性或亲水特性。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件由选自但不限于聚合物、织物、玻璃纤维等的材料制成。该隔离件可以是耐腐蚀塑料材料，例如全氟化材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)。聚合物的其他实例包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。

即使在低厚度、高折痕/抗裂性和/或高撕裂强度下，内置隔离件也可具有高强度。内置隔离件可对酸、碱、自由基和/或金属离子基本上具有化学耐受性，并且可在约50℃至200℃的温度下为热稳定且水解稳定的。在一些实施方式中，内置隔离件可在至少约90℃的温度下为热稳定且水解稳定的。即使在升高的温度和压力下，内置隔离件也可具有机械性质(诸如抗拉强度)、尺寸稳定性和阻隔性质(对金属离子、水蒸气、气体如氧气、氢气等)。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，根据IEM的期望配置，内置隔离件的平均厚度和离聚物膜的平均厚度可分别相同或不同。例如，图2A中所示的IEM可具有相同的离聚物膜和内置隔离件的厚度，但是内置隔离件以如下方式集成在离聚物膜中，该方式使得内置隔离件有一个或多个部分从离聚物膜向外突起。在一些实施方式中，内置隔离件的平均厚度大于离聚物膜的平均厚度，使得当集成时，内置隔离件从离聚物膜向外突起或伸出(例如，图2B)。图2E中还示出了与离聚物膜相比厚度变化的内置隔离件的实例。根据本发明，无论内置隔离件的厚度与离聚物膜相同还是不同，通过两者集成形成的IEM将始终有内置隔离件的一个或多个部分从离聚物膜的上表面和/或下表面向外突起。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，本文提供的IEM中的离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约20μm-250μm；或约50μm-250μm；或约75μm-250μm；或约100μm-250μm；或约150μm-250μm；或约200μm-250μm；或约10μm-200μm；或约20μm-200μm；或约50μm-200μm；或约75μm-200μm；或约100μm-200μm；或约150μm-200μm；或约10μm-150μm；或约20μm-150μm；或约50μm-150μm；或约75μm-150μm；或约100μm-150μm；或约125μm-150μm；约10μm-100μm；或约20μm-100μm；或约50μm-100μm；或约75μm-100μm；约10μm-50μm；或约20μm-50μm；或约25μm-50μm；或约30μm-50μm；或约40μm-50μm；约10μm-25μm；或约20μm-25μm；或约10μm-20μm；或约10μm-15μm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，离聚物膜的平均厚度为约20μm-50μm；或约25μm-50μm；或约30μm-50μm；或约40μm-50μm。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，本文提供的IEM中的内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm(或0.02mm-2mm)。在内置隔离件为具有从离聚物膜的表面向外突出的突起的织造或非织造结构的一些实施方式中，内置隔离件的厚度为平均厚度，这是由于当内置隔离件具有织造结构时其沿着内置隔离件的长度具有最大值和最小值，而当其具有非织造结构时具有突起的规则阵列。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件的平均厚度为约20μm-100μm；或约50μm-100μm；或约75μm-100μm；或约20μm-200μm；或约50μm-200μm；或约100μm-200μm；或约150μm-200μm；或约20μm-250μm；或约50μm-250μm；或约75μm-250μm；或约100μm-250μm；或约150μm-250μm；或约200μm-250μm；或约20μm-500μm；或约50μm-500μm；或约100μm-500μm；或约250μm-500μm；或约20μm-750μm；或约100μm-750μm；或约250μm-750μm；或约500μm-750μm；或约20μm-1000μm；或约50μm-1000μm；或约100μm-1000μm；或约250μm-1000μm；或约500μm-1000μm；或约750μm-1000μm；或约20μm-1500μm；或约100μm-1500μm；或约500μm-1500μm；或约1000μm-1500μm；或约20μm-2000μm；或约100μm-2000μm；或约200μm-2000μm；或约500μm-2000μm；或约1000μm-2000μm；或约1500μm-2000μm。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件的结构是充分开放或多孔的，使得其容易地被液流穿过和/或渗透。在一些实施方式中，包含离聚物膜和内置隔离件的IEM不依赖于浓度梯度，或对于离子跨过离聚物膜的转运不是扩散限制的。在一些实施方式中，内置隔离件有利于液流接近离聚物膜表面，使得离子跨离聚物膜对流转运并且不是扩散受控的。这可大大增强离子的跨膜转运。在一些实施方式中，由于液体在IEM的表面之上流过，因此内置隔离件上的突起提供液流(例如阳极电解液或阴极电解液或盐水)的混合，从而破坏离聚物膜表面处的离子边界层，并改善离子的转运。一个或多个前述优点可使IEM的穿平面面积电阻减小或最小化。上述优点可见于本文的实施例2中。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件的横截面积与IEM的标称横截面积之比为约5-70％。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件的横截面积与IEM的标称横截面积之比为约5-70％；或约5-60％；或约5-50％；或约5-40％；或约5-30％；或约5-20％；或约5-10％；或约10-70％；或约10-60％；或约10-50％；或约10-40％；或约10-30％；或约10-20％；约20-70％；或约20-60％；或约20-50％；或约20-40％；或约20-30％；约5-20％；或约10-20％；或约5-10％。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件的横截面积与IEM的标称横截面积之比为约10-70％；或约10-60％；或约10-50％；或约10-40％；或约10-30％；或约10-20％。例如，如果内置隔离件的横截面积与IEM的标称横截面积之比为5％，则IEM的面积的5％为内置隔离件，而面积的95％为离聚物膜。

在一些实施方式中，由于内置隔离件中较大的孔或空间被离聚物膜填充，因此内置隔离件的横截面积与IEM的标称横截面积的较小比率提供了较大的离聚物表面。例如，如果内置隔离件的横截面积与IEM的标称横截面积之比为5％，则内置隔离件具有填充有离聚物膜(约95％)的较大孔面积，同时仍向离聚物膜提供突起以及机械强度。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm。在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm，并且其中该突起幅度的波长为约0.5mm-50mm；或约0.5mm-10mm；或约0.5mm-5mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；或约20μm-50μm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；或约20μm-50μm，并且其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；或约20μm-50μm，其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm，并且其中该突起幅度的波长为约0.5mm-50mm；或约0.5mm-10mm；或约0.5mm-5mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约5-70％；或约5-50％；或约5-30％；或约10-30％。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约5-70％；或约5-50％；或约5-30％；或约10-30％，并且其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约5-70％；或约5-50％；或约5-30％；或约10-30％，其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm，并且其中该突起幅度的波长为约0.5mm-50mm；或约0.5mm-10mm；或约0.5mm-5mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约5-70％；或约5-50％；或约5-30％；或约10-30％，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；约20μm-50μm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约5-70％；或约5-50％；或约5-30％；或约10-30％，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；约20μm-50μm，并且其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约5-70％；或约5-50％；或约5-30％；或约10-30％，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；约20μm-50μm，其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm，并且其中该突起幅度的波长为约0.5mm-50mm；或约0.5mm-10mm；或约0.5mm-5mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm，并且其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm，其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm，并且其中该突起幅度的波长为约0.5mm-50mm；或约0.5mm-10mm；或约0.5mm-5mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm，并且其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；约20μm-50μm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；约20μm-50μm，并且其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；约20μm-50μm，其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm，并且其中该突起幅度的波长为约0.5mm-50mm；或约0.5mm-10mm；或约0.5mm-5mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm，并且其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约10-70％；或约10-60％；或约10-50％；或约10-40％；或约10-30％；或约10-20％。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm，其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约10-70％；或约10-60％；或约10-50％；或约10-40％；或约10-30％；或约10-20％，并且其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；约20μm-50μm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm，其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约10-70％；或约10-60％；或约10-50％；或约10-40％；或约10-30％；或约10-20％，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；约20μm-50μm，并且其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm。

在一些实施方式中提供了一种IEM，其包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起，其中该内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm，其中该内置隔离件的横截面积与该IEM的标称横截面积之比为约10-70％；或约10-60％；或约10-50％；或约10-40％；或约10-30％；或约10-20％，其中该离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；约20μm-50μm，其中该突起的幅度为约0.01mm-2mm；或约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm，并且其中该突起幅度的波长为约0.5mm-50mm；或约0.5mm-10mm；或约0.5mm-5mm。

在一些实施方式中，可选择含有本文提供的离聚物膜的IEM，使得其可视情况在酸性和/或碱性或含金属离子的电解溶液中起作用。本文提供的IEM的其他期望特性包括在室温至高达约150℃或更高的温度范围内的酸性电解溶液中或在类似温度范围内的碱性溶液中的高离子选择性、低离子电阻、高爆裂强度和高稳定性。在一些实施方式中，IEM防止金属离子从阳极电解液转运到阴极电解液，反之亦然。在一些实施方式中，可使用在0℃至200℃；0℃至150℃；0℃至90℃；或0℃至80℃；或0℃至70℃；或0℃至60℃；或0℃至50℃；或0℃至40℃，或0℃至30℃范围内稳定的膜。在一些实施方式中，可能有用的是使用IEM中的离子特异性离聚物，该IEM可允许一种类型的阳离子迁移而不允许另一种类型的阳离子迁移；或允许一种类型的阴离子迁移而不允许另一种类型的阴离子迁移，以在电解质中得到一种或多种期望的产物。在一些实施方式中，所述膜可以在系统中在所需时间长度内稳定且有效，例如在上述温度稳定且有效数天、数周或数月或数年。

通常，所述膜的欧姆电阻可影响跨阳极和阴极的电压降，例如，当膜的欧姆电阻增高时，跨阳极和阴极的电压可能增高，反之亦然。本文提供的IEM包括但不限于，具有相对较低的欧姆电阻及相对较高的离子迁移率的膜；和/或具有相对较高的水合特性的膜，该水合特性随着温度的升高而增加，由此降低欧姆电阻。通过为具有较低欧姆电阻的膜选择离聚物，可以降低在指定温度下跨阳极和阴极的电压降。

在一些实施方式中，在离聚物上可能散布着包括酸性基团在内的离子通道。这些离子通道可以从基质的内表面延伸至外表面，并且酸性基团可以容易地与水在可逆反应中结合为水合水。因此，可以选择提供相对较低的欧姆和离子电阻的离聚物，同时内置隔离件在工作温度范围内在系统中提供改善的强度和电阻。

在一些实施方式中，本文提供的IEM，如电化学电池中的CEM，包含具有最小电阻损失、大于90％的选择性和/或在浓碱中的高稳定性的膜。在一些实施方式中，本文提供的IEM(诸如AEM)在本发明的方法和系统中可暴露于浓缩的金属盐阳极电解液和饱和盐水流。在一些实施方式中，AEM中的离聚物允许盐离子如氯离子从中间室或从阴极电解液(在不存在中间室的情况下)通入阳极电解液中，但拒绝来自阳极电解液的金属离子种类进入中间室或阴极电解液。在一些实施方式中，金属盐可以形成多种离子种类(阳离子的、阴离子的和/或中性的)，包括但不限于MCl⁺、MCl₂ ^-、MCl₂ ⁰、M²⁺等，并且可能理想的是这类络合物不穿过AEM或不污染这些膜。

用于CEM的离聚物的实例包括但不限于阳离子离聚物，包括含有阴离子基团例如磺酸和/或羧酸基团的全氟化聚合物。然而可以理解，在一些实施方式中，根据限制或允许特定阳离子或阴离子种类在电解质之间迁移的需要，可使用更有限制性且因而允许一类阳离子迁移同时限制另一类阳离子迁移的CEM中的离聚物，例如，可使用允许钠离子从阳极电解质迁移到阴极电解质中同时限制其他离子从阳极电解质迁移到阴极电解质中的CEM。类似地，在一些实施方式中，根据限制或允许特定阴离子种类在电解质之间迁移的需要，可使用更有限制性且因而允许一类阴离子迁移同时限制另一类阴离子迁移的AEM中的离聚物，例如，可使用允许氯离子从阴极电解质迁移到阳极电解质中同时限制氢氧根离子从阴极电解质迁移到阳极电解质中的AEM。

在一些实施方式中，本文提供的AEM可基本上阻挡有机化合物(如阳极电解质中的配体或烃如卤代烃，例如二氯化乙烯、氯乙醇等)，由此AEM不会与有机物相互作用并且/或者AEM不会与金属离子反应或吸附金属离子。在一些实施方式中，仅举例而言，这可以通过使用不含可与有机物或金属离子反应的自由基或阴离子的聚合物来实现。仅举例而言，含有完全季铵化的胺的聚合物可以作为AEM使用。

用于制作膜的离聚物可容易地铸成膜并与内置隔离件集成。包含与内置隔离件集成的离聚物膜的IEM可通过任何可商购获得的方法制造。例如，离聚物可溶解在合适的溶剂中并作为薄膜浇铸在合适的隔离件材料上。溶剂蒸发并干燥后，内置隔离件可将离聚物膜锁定在表面上或隔离件内，使得内置隔离件的一个或多个部分从离聚物膜的上表面和/或下表面向外突起。吸收后步骤可包括IEM的张力干燥、拉伸和热压制。内置隔离件提供机械和化学稳定性，而离聚物膜则提供高通量离子交换路径。

与内置隔离件附接的离子交换膜

除了包含离聚物膜和内置隔离件的IEM之外，还提供了一些实施方式，其中隔离件组件通过多种技术与IEM附接，诸如仅举例而言，通过融合、机械附接/结合或胶合。结合包括经由超声波焊接或热量的结合。可用于将隔离件与膜附接的任何其他技术都完全落在本发明的范围内。因此，在一些实施方式中提供了一种IEM组装件，其包含IEM和与膜附接的隔离件。与IEM附接的隔离件的实例示于图5A中。如图5A中所示，隔离件可与IEM的一个表面附接或同时与IEM的前表面和后表面附接。用于隔离件的材料与上述用于内置隔离件的材料相同。IEM也已在本文中进行了描述。

在一些实施方式中，与膜附接的隔离件为网状物、布、泡沫、海绵、由交织纤维或筛网的重叠或堆叠平面形成的平面网状物、由纤维卷形成的垫、膨胀片、多个筛、多个挡板或多个级联台阶，或两个或多个这类元件的组合或并列。在一些实施方式中，隔离件具有原本就适用于电池的疏水特性或亲水特性。隔离件可以是耐腐蚀塑料材料，例如全氟化材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)。在一些实施方式中，当隔离件与膜附接时，隔离件的厚度为约0.1mm至50mm，或约0.1mm至25mm，或约0.1mm至15mm，或约0.1mm至10mm，或约0.1mm至5mm，或小于0.1mm。本领域技术人员将根据电解质密度、待排出的液压头(hydraulic head)的高度和/或所需的流体动力学条件来确定网状物或布的优选厚度和几何形状。

与一个或多个组件集成的垫片材料

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，电解池中的单个组件，诸如IEM、单个隔离件组件、包含与内置隔离件集成的离聚物膜的IEM、与隔离件附接的IEM、组件之间的间隔件、组件之间的渗滤器、中间室等，进一步包含与组件集成或直接附接的垫片材料。通常，在电解池中，垫片框架是用于装配电解池的组件的附加组件，其中垫片框架插入以上列出的每个单个组件之间，以防止流体泄漏和组件之间的摩擦(如图1中所示)。申请人已经为该组件多样性的问题设计了独特的解决方案，即通过将垫片材料直接集成在组件的框架区域上，使得不需要单独的垫片材料。这减少了装配过程中的组件数目、节省时间并减少处理过程中引起的损坏。此外，将垫片材料印刷或附接到组件上可提高组件的刚性和强度，并防止其在高压条件下变形。此外，在一些实施方式中，将垫片材料附接到组件上还可减少或消除组件之间的摩擦并提供隔室的更好密封。在一些实施方式中，垫片材料与电化学组件的附接可在组件之间产生足够的间隙或腔室以实现更好的流体流动。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，包含具有内置隔离件的离聚物膜的IEM(其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起)进一步包含与该IEM附接或集成的垫片材料。

如本文所用的“垫片”或“垫片材料”包括在电化学电池的组件之间提供液体和/或气体屏障的材料，使得在电池运行之前、期间和/或之后，在隔室之间或电池外部没有泄漏或泄漏最小。

图3A-C中示出了与IEM集成的垫片材料的实例，其中该IEM包含具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起。图3A示出了包含离聚物膜和内置隔离件的IEM，而图3B示出了在边缘上具有垫片材料的IEM。边缘上的垫片材料仅用于说明目的。垫片材料的其他配置，诸如但不限于沿着边缘的垫片材料、仅处于角部的垫片材料、仅处于顶部及底部的垫片材料、侧面上的垫片材料、在隔离件或膜的前面和/或后面的垫片材料等的贴片，均处于本发明的范围内。在一些实施方式中，垫片材料不含任何结构切口，诸如孔洞或孔眼(如图3B中所示)。在一些实施方式中，垫片材料含有结构切口，诸如螺栓孔或孔眼等(如图3C中所示)。在一些实施方式中，垫片材料可附接在IEM的前侧、后侧或两侧上。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，垫片材料可使用诸如但不限于丝网印刷、经由超声波焊接或热量的结合、浸涂、聚合、注射成型、挤出、3D打印或数字印刷技术等技术印刷在组件上。这些技术是本领域公知的。

图4示出了通过将离聚物膜与内置隔离件集成以形成IEM并将垫片材料与IEM集成而消除组件多样性的电解池的实例。与图1的电解池(其中几个组件必须装配(如前所述))相比，因为AEM是包括离聚物膜、内置隔离件和垫片材料的一个单元，所以图4示出了显著减少的组件数目。此外，CEM是包括CEM和与CEM集成的垫片材料的一个单元。内置隔离件与离聚物膜的集成消除了对单个隔离件组件的需要，并且垫片材料集成在IEM上消除了对单独垫片框架的需要。虽然CEM未显示与内置隔离件集成，但是应当理解，这样的实施方式在本发明的范围内。此外，电化学电池在电池中可仅具有AEM或仅具有CEM，其中AEM或CEM包含离聚物膜与内置隔离件。

除了与本文提供的IEM集成的垫片材料之外，垫片材料还可与诸如但不限于隔离件、常规IEM、中间室、间隔件、渗滤器等其他单个组件集成。因此，在一些实施方式中，提供了包含IEM和垫片材料的IEM组装件，其中垫片材料与IEM直接附接或集成。在一些实施方式中，提供了包含隔离件和垫片材料的隔离件，其中垫片材料与隔离件直接附接或集成。

在一些实施方式中，提供了包含渗滤器和垫片材料的渗滤器，其中垫片材料与渗滤器直接附接或集成。通常，渗滤器是在电化学电池中使用的由允许液体穿过的多孔元件制成的组件。渗滤器可根据其位置帮助阳极电解质、阴极电解质和/或盐溶液的均匀分布。渗滤器还可有助于向阳极、阴极和/或离子交换膜提供机械支撑。例如，渗滤器可帮助膜以一定的压力推挤阳极和/或阴极，以便允许电连续性，同时有助于约束循环液体电解质。

在一些实施方式中，提供了包含间隔件和垫片材料的间隔件，其中垫片材料与间隔件直接附接或集成。间隔件是可在电化学电池中使用的由多孔元件制成的且允许液体穿过的另一类组件。间隔件分隔并支撑阴离子交换膜和阳离子交换膜。在一些实施方式中，间隔件为湍流促进物，并且在盐溶液中配置为搅动及扰动盐溶液以改善导电性。

在一些实施方式中，提供了包含AEM和垫片材料的AEM组装件，其中垫片材料与AEM直接附接或集成。在一些实施方式中，提供了包含CEM和垫片材料的CEM组装件，其中垫片材料与CEM直接附接或集成。

在前述方面和实施方式中，垫片材料的配置包括诸如但不限于沿着边缘的垫片材料、仅处于角部的垫片材料等的贴片，均在本发明的范围内。在一些实施方式中，垫片材料不含任何结构切口，诸如孔洞或孔眼。在一些实施方式中，垫片材料含有结构切口，诸如螺栓孔或孔眼等。在一些实施方式中，垫片材料可附接在膜和/或隔离件的前侧、后侧或两侧上。

如图5A所示及以上所述，在一些实施方式中，隔离件可与IEM的一侧或同时与IEM的前侧和后侧附接。在一些实施方式中，与IEM附接的隔离件进一步与垫片材料集成。该实施方式在图5B中示出。在一些实施方式中，垫片材料不含任何结构切口，诸如孔洞或孔眼。在一些实施方式中，垫片材料含有结构切口，诸如螺栓孔或孔眼等(图5C)。

在一些实施方式中，与IEM附接的隔离件或IEM中的内置隔离件可根据其位置帮助阳极电解质、阴极电解质和/或盐溶液的均匀分布。隔离件还可有助于向阳极、阴极和/或离子交换膜提供机械支撑。例如，与膜附接的隔离件可帮助膜以期望的压力推挤阳极和/或阴极，以便允许电连续性，同时为膜提供刚性和强度。

在一些实施方式中，与IEM附接的隔离件或IEM中的内置隔离件可被设计为对下降的电解质柱施加受控的压降，使得所产生的操作压力不淹没电极，而是在每个点上施加相等的压力。IEM与隔离件附接的压力或具有内置隔离件的IEM可推挤阳极和/或阴极和/或任何其他组件的压力可处于0.01kg/cm²至2kg/cm²；或0.01kg/cm²至1.5kg/cm²；或0.01kg/cm²至1kg/cm²；或0.01kg/cm²至0.5kg/cm²；或0.01kg/cm²至0.05kg/cm²；或0.1kg/cm²至2kg/cm²；或0.1kg/cm²至1.5kg/cm²；或0.1kg/cm²至1kg/cm²；或0.1kg/cm²至0.5kg/cm²；或0.5kg/cm²至2kg/cm²；或0.5kg/cm²至1.5kg/cm²；或0.5kg/cm²至1kg/cm²；或1kg/cm²至2kg/cm²；或1kg/cm²至1.5kg/cm²；或1.5kg/cm²至2kg/cm²的范围内。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，垫片材料从中间附接到AEM和/或CEM，从而产生将AEM与CEM分开的中间空间。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，垫片材料附接至与隔离件附接的AEM或与内置隔离件集成。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，垫片材料附接至与隔离件附接的CEM或与内置隔离件集成。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，在选自平板或棱板的设计中，垫片材料与一个或多个组件(诸如AEM、CEM、隔离件组件、与隔离件附接的AEM、与内置隔离件集成的AEM、与隔离件附接的CEM、与内置隔离件集成的CEM、渗滤器、间隔件和/或中间室)附接。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，垫片材料可经受25-150℃或40-150℃的温度。

电化学系统

在另一方面，提供了包含上述组件的一种或多种组合的电化学系统。图4中已经示出了这样的电化学系统的一些实施方式中的一个实例。

在一个方面提供了一种电化学系统，其包含阳极室，该阳极室包含与阳极电解质接触的阳极；阴极室，该阴极室包含与阴极电解质接触的阴极；以及离子交换膜(IEM)，该离子交换膜包含具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起。在一个方面提供了一种电化学系统，其包含阳极室，该阳极室包含与阳极电解质接触的阳极；阴极室，该阴极室包含与阴极电解质接触的阴极，其中阳极电解质包含金属离子；以及离子交换膜(IEM)，该离子交换膜包含具有内置隔离件的离聚物膜，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该离聚物膜的至少一个表面向外突起。与离聚物膜的结构材料和配置以及内置隔离件相关的多种实施方式，包括内置隔离件的平均厚度、突起幅度的尺寸、突起幅度的波长或间距、离聚物膜的平均厚度以及内置隔离件的横截面积与IEM的标称横截面积之比，均已描述于本文中，并且所有这些配置均适用于前述电化学系统。在前述方面，在一些实施方式中，阳极被配置为将金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态。例如，在一些实施方式中，阳极被配置为将铜离子从Cu(I)Cl氧化为Cu(II)Cl₂。

进一步地，在一个方面提供了一种电化学系统，其包含阳极室，该阳极室包含与阳极电解质接触的阳极；阴极室，该阴极室包含与阴极电解质接触的阴极；以及选自阴离子交换膜(AEM)、阳离子交换膜(CEM)、AEM与CEM之间的中间室、隔离件、与AEM附接的隔离件、与CEM附接的隔离件、在中间同时与AEM和CEM附接的隔离件、与CEM附接的AEM、与内置隔离件集成的AEM、与内置隔离件集成的CEM、渗滤器、间隔件及其组合的一个或多个组件，其中所述一个或多个组件与垫片材料集成。在一些实施方式中提供了一种电化学系统，其包含阳极室，该阳极室包含与阳极电解质接触的阳极；阴极室，该阴极室包含与阴极电解质接触的阴极；以及选自与AEM附接的隔离件、与CEM附接的隔离件、与内置隔离件集成的AEM、与内置隔离件集成的CEM及其组合的一个或多个组件，其中所述一个或多个组件与垫片材料集成。

垫片材料的材料、尺寸和设计已在本文中详细描述，并且与垫片材料相关的所有细节均适用于包含与所述一个或多个组件集成的垫片材料的电化学系统。在前述方面的一些实施方式中，阳极电解质包含金属离子，并且阳极被配置为将金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态。

金属离子的实例包括但不限于铜离子、铂离子、锡离子、铬离子、铁离子等。金属离子可作为金属卤化物或金属硫酸盐存在。

在前述的一些实施方式中，所述一个或多个组件包括直接与所述一个或多个组件附接的垫片材料。图1和图4中已经示出了电化学电池或系统，其中该电池容纳阳极室中的阳极和阳极电解质以及阴极室中的阴极和阴极电解质。这两个室可被IEM(诸如具有或不具有附接的隔离件或内置隔离件的AEM或CEM)、任选的中间室和/或独立的或与AEM或CEM附接的隔离件隔开。许多这样的组合均是可能的，并在本发明的范围内。然而，无须所有组件都存在于电池中，因为电池可单独地具有带有内置隔离件的AEM、附接有隔离件的AEM、带有内置隔离件的CEM、附接有隔离件的CEM、具有或不具有隔离件的中间室以及具有和不具有垫片材料的任何组件等。

本文提供的电化学电池可以是使用IEM的任何电化学电池。使用本发明组件的电化学电池中的反应可以是在电化学电池中进行的任何反应，包括但不限于氯-碱工艺。在一些实施方式中，该电化学电池具有含有金属离子的阳极电解质，且阳极在阳极室中将金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态。这样的电化学电池在提交于2012年5月17日的公开号为2012/0292196的美国专利申请中已有详细描述，其通过引用以其全文并入本文。

在本文提供的电化学电池中，阴极反应可以是在阴极室中形成或不形成碱的任何反应。这样的阴极消耗电子并进行任何反应，包括但不限于水形成氢氧根离子和氢气的反应；或氧气与水形成氢氧根离子的反应；或来自酸(如盐酸)的质子还原形成氢气的反应；或来自盐酸的质子和氧气形成水的反应。在一些实施方式中，该电化学电池可包括在该电池的阴极室中产生碱。

在阳极处生成的电子用来驱动在阴极处的反应。阴极反应可以是本领域已知的任何反应。阳极室和阴极室用本文提供的IEM隔开，该IEM可允许离子通过并进入阴极电解质，例如但不限于，在一些实施方式中如果阳极电解质是氯化钠、溴化钠、碘化钠、硫酸钠，则该离子为钠离子；或者如果阳极电解质是氯化铵等，则该离子为铵离子；或者阳极电解质为含有金属卤化物的等效溶液。

在一些实施方式中，IEM允许诸如但不限于氯离子、溴离子、碘离子或硫酸根离子的阴离子通过并进入阳极电解质(如果阴极电解质是例如氯化钠、溴化钠、碘化钠或硫酸钠，或等效溶液)。在阴极电解质中钠离子与氢氧根离子结合形成氢氧化钠。在阳极电解质中阴离子与金属离子结合形成金属卤化物或金属硫酸盐。

在电化学电池的一些实施方式中，第三电解质(例如，氯化钠、溴化钠、碘化钠、硫酸钠、氯化铵、HCl或其组合，或等效溶液)被置于AEM(与隔离件附接或与内置隔离件集成)与CEM(与隔离件附接或与内置隔离件集成)之间，或AEM与CEM之间的中间室中。来自第三电解质的离子如钠离子穿过CEM，以在阴极室中形成氢氧化钠，而来自第三电解质的卤离子，例如氯离子、溴离子或碘离子，或硫酸根离子，穿过AEM以在阳极室中形成HCl或金属卤化物或金属硫酸盐溶液。在离子转移后，可将第三电解质作为废弃离子溶液从中间室中取出。例如，在一些实施方式中，当第三电解质是氯化钠溶液时，在钠离子被转移至阴极电解质并且氯离子被转移至阳极电解质后，可以将废弃氯化钠溶液从中间室中取出。

本文提供的方法和系统中的电化学电池是膜电解池。该电化学电池可以是单个电池或可以是一组串联或并联的电池。该电化学电池可以是一组5个或6个或50个或100个或更多个串联或并联的电解池。如图所示，每个电池包括阳极、阴极、离子交换膜和任选的隔离件。在一些实施方式中，本文提供的电解池为单极电解池。在单极电解池中，电极可彼此并联，其中所有阳极和所有阴极都并联在一起。在这样的单极电解池中，在高电流和低电压下运行。在一些实施方式中，本文提供的电解池为双极电解池。在双极电解池中，电极可彼此串联，其中所有阳极和所有阴极都串联在一起。在这样的双极电解池中，在低电流和高电压下运行。在一些实施方式中，电解池是单极和双极电解池的组合，并且可称其为混合电解池。

在如上所述的双极电解池的一些实施方式中，电池串联成组，构成整个电解池，并以两种方式电连接。在双电极电解池中，一个被称为双极板的单个极板可以作为阴极和阳极两者的基板。电解质溶液可以通过位于电池组内部的共同的歧管和收集器液体连接。可以从外部压缩该电池组以将所有框架和板彼此抵靠地密封在一起，这一般被称为压滤设计。在一些实施方式中，双极电解池也可以被设计为单独密封并且通过背靠背接触形式电连接的一系列电池，这一般被称为单元件设计。该单元件设计也可以并联，在这种情况下，其将为单极电解池。

在一些实施方式中，电化学系统中使用的阳极可含有耐腐蚀的基底支撑物。基体材料的其他实例包括但不限于亚化学计量的钛氧化物，例如，化学式为TiO_x的Magneli相亚化学计量的钛氧化物，其中x在约1.67至约1.9的范围内。钛的亚氧化物的一些实例包括但不限于钛氧化物Ti₄O₇。所述基体材料还包括但不限于金属钛酸盐如M_xTi_yO_z如M_xTi₄O₇等。

在一些实施方式中，阳极未涂覆电催化剂。在一些实施方式中，本文描述的电极(包括阳极和/或阴极)含有电催化剂以用于协助电化学分离，例如氧在阴极处的还原或金属离子在阳极处的氧化。电催化剂的实例包括但不限于高度分散的金属或铂族金属的合金，例如铂、钯、钌、铑、铱，或它们的组合，例如铂-铑、铂-钌、涂覆有与PtIr混合的金属氧化物的钛网，或涂覆有铂镀层的钛；电催化金属氧化物，例如但不限于IrO₂；银、金、钽、碳、石墨、有机金属大环化合物，以及其他本领域熟知的用于氧的电化学还原或金属的氧化的电催化剂。

在一些实施方式中，本文描述的电极涉及多孔均质复合结构以及异质的、分层类型的复合结构，其中每层可具有独特的物理和成分组成，例如孔隙率、防止溢流的导电底座、三相界面损失以及最终的电极性能。

本文提供的任何阴极可以与上述任何阳极组合使用。在一些实施方式中，本发明的电化学系统中使用的阴极是析氢阴极。在一些实施方式中，本发明的电化学系统中使用的阴极是不形成碱的析氢阴极。氢气可以排出或出于商业目的被捕获并贮存。在一些实施方式中，本发明的电化学系统中的阴极可以是气体扩散阴极。在一些实施方式中，如本文中所使用的气体扩散阴极是氧去极化阴极(ODC)。在阴极处的氧可为大气或任何市售的氧源。在一些实施方式中，本发明的电化学系统中的阴极可以是使HCl与氧气反应以形成水的气体扩散阴极。在阴极处的氧可为大气或任何市售的氧源。

在一些实施方式中，本文所述的电化学系统和方法中的电解质包含含有多于1wt％水的水性介质。在一些实施方式中，该水性介质含有超过1wt％的水；超过5wt％的水；或超过5.5wt％的水；或超过6wt％的水；或超过20wt％的水；或超过25wt％的水。在一些实施方式中，该水性介质可包含有机溶剂，例如水溶性有机溶剂。

在本文所述方法和系统的一些实施方式中，阳极电解质中总金属离子的量，或阳极电解质中铜的量，或阳极电解质中铁的量，或阳极电解质中铬的量，或阳极电解质中锡的量，或铂的量为1-12M；或1-11M；或1-10M；或1-9M；或1-8M；或1-7M；或1-6M；或1-5M；或1-4M；或1-3M；或1-2M。在一些实施方式中，阳极电解质中总离子的量，如上所述，是处于较低氧化态的金属离子的量加上处于较高氧化态的金属离子的量；或处于较高氧化态的金属离子的总量；或处于较低氧化态的金属离子的总量。

在本文所述方法和系统的一些实施方式中，本文所提供的电化学系统和方法中的阳极电解质含有4-7M范围内的处于较高氧化态的金属离子，0.1-2M范围内的处于较低氧化态的金属离子，以及1-3M范围内的氯化钠。阳极电解质可任选地含有0.01-0.1M的盐酸。在本文所述方法和系统的一些实施方式中，阳极电解质除金属离子外还可含有另外一种阳离子。其他的阳离子包括但不限于碱金属离子和/或碱土金属离子，例如但不限于锂、钠、钙、镁等。加入阳极电解质中的其他阳离子的量可以为0.01-5M；或0.01-1M；或0.05-1M；或0.5-2M；或1-5M。

在一些实施方式中，在本文提供的系统和方法中的水性电解质(包括阴极电解液或阴极电解质和/或阳极电解液或阳极电解质，或置于AEM与CEM之间的第三电解质)包括但不限于咸水或淡水。咸水包括但不限于海水、盐水和/或半咸水。“咸水”以其常规含义使用，是指除淡水外的许多不同类型的含水流体，其中术语“咸水”包括但不限于盐水以及具有高于淡水的盐度的其他盐水。盐水是用盐饱和或接近饱和的水，并且具有50ppt(千分率)或更高的盐度。

在一些实施方式中，电解质(包括阴极电解质和/或阳极电解质和/或第三电解质，如咸水)包括含有含量超过1％的氯化物，例如碱金属卤化物(包括卤化钠、卤化钾等)，例如超过1％的NaCl；或超过10％的NaCl；或超过50％的NaCl；或超过70％的NaCl；或1-99％的NaCl；或1-70％的NaCl；或1-50％的NaCl；或1-10％的NaCl；或10-99％的NaCl；或10-50％的NaCl；或20-99％的NaCl；或20-50％的NaCl；或30-99％的NaCl；或30-50％的NaCl；或40-99％的NaCl；或40-50％的NaCl；或50-90％的NaCl；或60-99％的NaCl；或70-99％的NaCl；或80-99％的NaCl；或90-99％的NaCl；或90-95％的NaCl的水。在一些实施方式中，以上所述的百分比适用于作为电解质的氯化铵、氯化铁、溴化钠、碘化钠或硫酸钠。本文所述的百分比包括wt％或wt/wt％或wt/v％。应当理解，本文所述的含有氯化钠的所有电化学系统可用其他合适的电解质(诸如但不限于氯化铵、溴化钠、碘化钠、硫酸钠、钾盐或其组合)代替。

如本文所用的“电压”包括施加于电化学电池或从电化学电池得到的、驱动该电化学电池中阳极与阴极之间的所需反应的电压或偏压。在一些实施方式中，该所需反应可以是阳极与阴极之间的电子转移，使得在阴极电解质中形成碱性溶液、水或氢气，且金属离子在阳极处氧化。在一些实施方式中，该所需反应可以是阳极与阴极之间的电子转移，使得在阳极电解质中由处于较低氧化态的金属离子形成处于较高氧化态的金属离子。可通过用于跨电化学电池的阳极和阴极施加电流的任何手段向电化学电池施加电压。此类手段是本领域公知的，包括但不限于诸如电源、燃料电池、太阳能驱动装置、风能驱动装置等装置及其组合。提供电流的电源类型可以是本领域技术人员已知的任何电源。例如，在一些实施方式中，可通过将电池的阳极和阴极连接到外部直流(DC)电源上来施加电压。电源可以是经整流为DC的交流电(AC)。DC电源可具有可调节的电压和电流，以向电化学电池施加必要量的电压。

方法

在另一方面，提供了使用IEM、本文所述的一种或多种组件和/或本文提供的电化学系统的方法。

在一个方面提供了一种电化学方法，其包括：

在阳极和阴极之间施加电压；

使阳极与阳极电解质接触；

使阴极与阴极电解质接触；

使阳极电解质与包含具有内置隔离件的离聚物膜的IEM接触，并且/或者使阴极电解质与包含具有内置隔离件的离聚物膜的IEM接触，其中该内置隔离件的一个或多个部分从该IEM的至少一个表面向外突起。

在一个方面提供了一种电化学方法，其包括：

在阳极和阴极之间施加电压；

使阳极与阳极电解质接触，其中该阳极电解质包含金属离子，且该阳极将该金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态；

使阴极与阴极电解质接触；

在前述方面中，所述突起的幅度为约0.01mm-1mm；或约0.01mm-0.5mm，或约0.01mm-0.1mm；

所述突起幅度的波长(或间距)为约0.5mm-50mm；或约0.5mm-10mm；或约0.5mm-5mm；

所述内置隔离件的平均厚度为约20μm-2000μm；或约20μm-1500μm；或约20μm-1000μm；或约20μm-500μm；或约20μm-250μm；

所述离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm；或约10μm-100μm；或约10μm-50μm；或约20μm-50μm；并且/或者

所述内置隔离件的横截面积与所述IEM的标称横截面积之比为约5-70％；或约5-50％；或约5-30％；或约10-30％。

上述方面的任意组合均可并入前述方面。在如上所述的一些实施方式中，内置隔离件为IEM提供刚性，并消除了对附加隔离件组件的需要。内置隔离件的一个或多个部分从IEM的前表面和/或后表面向外突起。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，突起的幅度为约0.01mm-1mm。与内置隔离件的平均厚度、突起幅度、突起幅度的波长、膜的平均厚度以及内置隔离件的横截面积与IEM的标称横截面积之比相关的一个或多个实施方式适用于本文提供的方法。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，内置隔离件将IEM与阳极隔开；将IEM与阴极隔开；将IEM与另一个IEM隔开；或其组合。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，所述方法进一步包括将垫片材料与IEM集成。在前述方面和实施方式的一些实施方式中，该方法进一步包括通过丝网印刷、经由超声波焊接或热量的结合、浸涂、聚合、注射成型、挤出、3D打印或数字印刷来集成垫片材料。

在前述方面和实施方式的一些实施方式中，与IEM集成的垫片材料赋予IEM刚性和强度，并消除了对单独的垫片组件的需要。

在一个方面提供了一种方法，其包括将垫片材料与离子交换膜附接，其中垫片材料与离子交换膜直接附接或集成。在一个方面提供了一种方法，其包括将垫片材料与渗滤器附接，其中垫片材料与渗滤器直接附接或集成。在一个方面提供了一种方法，其包括将垫片材料与间隔件附接，其中垫片材料与间隔件直接附接或集成。在一个方面提供了一种方法，其包括将垫片材料与隔离件附接，其中垫片材料与隔离件直接附接或集成。上面已经详细描述了垫片材料、隔离件、渗滤器、间隔件和IEM。

在一个方面提供了一种方法，其包括将隔离件与离子交换膜附接。可使用诸如但不限于融合、机械附接或胶合等技术将隔离件与膜附接。上面已经详细描述了隔离件和离子交换膜。在所有上述方面中，垫片材料可与一个或多个组件附接以提供刚性和强度，同时将组件之间要使用的单个垫片材料的数目减至最少。可使用多种技术将垫片材料与膜和/或隔离件附接，诸如但不限于丝网印刷、经由超声波焊接或热量的结合、浸涂、聚合、注射成型、挤出、3D打印、数字印刷技术等。

因此，在一个方面提供了一种方法，其包括：

使阳极与阳极电解质接触；

使阴极与阴极电解质接触；

使阳极电解质与AEM、隔离件、AEM和隔离件二者、与AEM附接的隔离件或包含离聚物膜和内置隔离件的AEM接触；

使阴极电解质与CEM、隔离件、CEM和隔离件二者、与CEM附接的隔离件或包含离聚物膜和内置隔离件的CEM接触；

任选地使阳极电解质及阴极电解质与中间室接触，以及

将垫片材料附接至AEM、CEM、隔离件、与AEM附接的隔离件、包含离聚物膜和内置隔离件的AEM、与CEM附接的隔离件、包含离聚物膜和内置隔离件的CEM和/或中间室。

在前述方面的一些实施方式中，包含离聚物膜和内置隔离件的AEM或CEM有内置隔离件的一个或多个部分从离聚物膜的至少一个表面向外突起。在一些实施方式中，所述方法进一步包括通过丝网印刷、经由超声波焊接或热量的结合、浸涂、聚合、注射成型、挤出、3D打印或数字印刷来附接垫片材料。在一些实施方式中，该方法进一步包括将垫片材料附接至AEM、CEM、隔离件、与AEM附接的隔离件、包含离聚物膜和内置隔离件的AEM、与CEM附接的隔离件、包含离聚物膜和内置隔离件的CEM和/或中间室的边缘。在一些实施方式中，该方法包括将垫片材料与AEM附接。在一些实施方式中，该方法包括将垫片材料与CEM附接。在一些实施方式中，该方法包括将垫片材料与中间室附接。在一些实施方式中，该方法包括将垫片材料与隔离件附接。在一些实施方式中，该方法进一步包括使用隔离件将AEM与阳极隔开；使用隔离件将CEM与阴极隔开；将AEM与CEM隔开；或其组合。在一些实施方式中，阳极电解质包含金属离子，并且该方法进一步包括在阳极处将金属离子从较低氧化态氧化为较高氧化态。

提出以下实施例是为了给本领域普通技术人员提供关于如何实施和使用本发明的完整公开内容和描述，而并非旨在限制本发明人视为其发明的部分的范围，也并非旨在表示以下实验是所进行的全部实验或仅有的实验。除了本文所述的内容之外，对于本领域技术人员而言，基于前述说明和附图，对本发明的各种修改也将是显而易见的。这些修改落在所附权利要求的范围内。已努力确保所使用的数字(例如量、温度等)的准确度，但应考虑到一些实验误差和偏差。除非另有说明，否则份数为重量份数，分子量为重均分子量，温度单位为摄氏度，而压力为大气压或接近大气压。

实施例

实施例1

具有组件和垫片材料的电化学系统

本实施例说明了典型电化学电池中组件的装配。该电化学电池从阳极逐层构建。穿过阳极的法兰插入的导销使得每个后续层能够对准。构建顺序如下。如图1中所示，如果在组装件中包含隔离件框架，则在阳极组装件之上加上垫片。如果需要的话，加上隔离件框架。加上垫片。加上AEM。加上垫片(该垫片可包括整体盐水间隙隔离件)。加上中间室/框架。加上垫片。加上CEM。如果使用阴极隔离件框架，则加上垫片。如果需要的话，加上阴极隔离件框架。加上垫片。加上阴极。加上法兰条(flange bars)。将电池法兰用螺栓连接在一起以制得密封电池。

在运行中，阳极电解液为混合氧化态的金属盐，诸如CuCl₂和CuCl，其中Cu¹⁺在阳极处被氧化为Cu²⁺。在阴极处，水被还原形成氢氧根离子和氢气。将盐水注入中间室，并通过使氯离子跨过阴离子交换膜转移并使钠离子跨过阳离子交换膜转移来维持电荷平衡。

通过附接/集成如本发明所述的多种组件，诸如将垫片材料与一个或多个组件附接、将隔离件与AEM或CEM附接或将内置隔离件与AEM或CEM集成等，可减少用于电化学组装件所需的组件数目，从而改善装配的简便性、效率和成本。

实施例2

具有离聚物膜和内置隔离件的IEM

进行阻抗研究，以测量具有内置隔离件的AEM膜的穿平面面积电阻。通过将离聚物溶液与内置隔离件集成而构建的第一AEM膜通过浇铸方法产生，其中将离聚物溶液在PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)织造加固件内浇铸。第一AEM膜由离聚物膜和不具有内置隔离件突起的相同厚度的内置隔离件(由PET制成)组成。第二膜(通过与上述相同的过程构建)具有与第一膜相同的内置隔离件，但离聚物厚度减小，使得内置隔离件的一个或多个部分从离聚物膜表面向外突起。本文已经描述了用于与内置隔离件集成的IEM的多种离聚物膜厚度。

阻抗测试参数包括10mA的直流电流、5mA的交流电流和100,000Hz至10Hz的频率扫描。测试溶液为25℃温度下的0.5N NaCl。

测试结果显示，不具有内置隔离件的突起的第一AEM膜比具有减小的离聚物膜厚度(图6)且具有内置隔离件的突起的第二膜具有更高的穿平面面积电阻。仅减小第二AEM膜中的离聚物膜厚度层显著降低了穿平面面积电阻，同时通过内置隔离件的突起部分增强了表面稳定性。内置隔离件的突起还提供了阳极电解液的充分混合的区域，其有利于AEM离子转运和阳极反应二者，并降低了面积电阻。

Claims

1.一种离子交换膜(IEM)，包含：具有内置隔离件的离聚物膜，其中所述内置隔离件的一个或多个部分从所述离聚物膜的至少一个表面向外突起。

2.根据权利要求1所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件的所述一个或多个部分从所述离聚物膜的前表面和/或后表面向外突起。

3.根据权利要求1或2所述的离子交换膜，其中所述突起的幅度为约0.01mm-1mm。

4.根据权利要求3所述的离子交换膜，其中所述突起幅度的波长为约0.5mm-50mm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述离聚物膜的平均厚度为约10μm-250μm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件为网状物、布、泡沫、海绵、由交织纤维或筛网的重叠或堆叠平面形成的平面网状物、由纤维卷形成的垫、膨胀片、多个筛、多个挡板或多个级联台阶或其组合。

7.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件的横截面积与所述IEM的标称横截面积之比为约5-70％。

8.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件由选自聚合物、织物和玻璃纤维的材料制成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述突起具有重复图案。

10.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其中所述内置隔离件被配置为将所述IEM与阳极隔开；将所述IEM与阴极隔开；将所述IEM与另一个IEM隔开；或上述的组合。

11.根据前述权利要求中任一项所述的离子交换膜，其进一步包含与所述IEM集成的垫片材料。

12.根据权利要求11所述的离子交换膜，其中所述垫片材料被集成至所述IEM的边缘。

13.根据权利要求11或12所述的离子交换膜，其中所述垫片材料被集成于所述IEM的前侧、后侧或两侧上。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的离子交换膜，其中所述垫片材料具有约0.01mm-5mm的厚度。

15.根据权利要求11-14中任一项所述的离子交换膜，其中所述垫片材料由硅酮、氟橡胶、橡胶、软木、毡、泡沫、塑料、玻璃纤维、柔性石墨、云母或聚合物制成。

16.根据权利要求15所述的离子交换膜，其中所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯、乙烯丙烯、乙烯丙二烯、氯丁橡胶或氨基甲酸乙酯。

17.根据权利要求11-16中任一项所述的离子交换膜，其中所述垫片材料是选自平板或棱板的设计。

18.一种电化学方法，该方法包括：

在阳极和阴极之间施加电压；

使所述阴极与阴极电解质接触；

使所述阳极电解质与包含离聚物膜的离子交换膜(IEM)接触，并且/或者使所述阴极电解质与包含离聚物膜的IEM接触，所述离聚物膜具有内置隔离件，其中所述内置隔离件的一个或多个部分从所述IEM的至少一个表面向外突起。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述内置隔离件为IEM提供刚性，并消除了对附加隔离件组件的需要。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述内置隔离件的一个或多个部分从所述IEM的前表面和/或后表面向外突起。

21.根据权利要求18-20中任一项所述的方法，其中所述突起的幅度为约0.01mm-1mm。

22.根据权利要求18-21中任一项所述的方法，其中所述内置隔离件将所述IEM与所述阳极隔开；将所述IEM与所述阴极隔开；将所述IEM与另一个IEM隔开；或上述的组合。

23.根据权利要求18-22中任一项所述的方法，进一步包括将垫片材料与所述IEM集成。

24.根据权利要求18-23中任一项所述的方法，进一步包括通过丝网印刷、经由超声波焊接或热量的结合、浸涂、聚合、注射成型、挤出、3D打印或数字印刷来集成所述垫片材料。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其中所述与IEM集成的垫片材料赋予所述IEM刚性和强度，并消除了对单独的垫片组件的需要。