CN108701801A - 能够在高电压下工作的电化学电池及其组件 - Google Patents

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Abstract

公开了电化学电池及操作方法。在一个方面，公开了具有液体电解质或胶体电解质的电化学电池，该电池包括：电极，优选地是气体扩散电极；附连到该电极的集电器的汇流条；以及与所述第一电极串联地电连接的第二电极。在另一方面，公开了多个电化学电池，包括：包括第一阴极和第一阳极的第一电化学电池，其中第一阴极和第一阳极中的至少一者是气体扩散电极；包括第二阴极和第二阳极的第二电化学电池，其中第二阴极和第二阳极中的至少一者是气体扩散电极；其中，第一阴极通过电子导电通路串联地电连接到第二阳极。

Description

能够在高电压下工作的电化学电池及其组件
技术领域
本发明涉及电化学电池、其各部件，以及涉及用于电通路、连接、布局等的配置、布置、或设计。更具体而言，在示例形式中，本发明涉及具有液体电解质或胶体电解质的电化学电池以及它们的制造方法。更具体而言，在进一步示例形式中，本发明涉及具有串联连接的配置、布置或设计的电化学电池以及其制造方法，并且涉及其各元件或部件。
背景技术
多种电化学电池促成液体-到-气体或气体-到-液体转变。因为涉及气-液界面，所以此类转换通常是低能效的。即，它们通常固有地浪费能量。低能效性通常源自在催化剂、导体以及电解质处发生的基本过程。
例如，许多电化学液体-到-气体转变涉及液体电解质溶液中气泡的形成或存在。因而，氯碱工艺中使用的电化学电池通常分别在阳极和阴极处生成气泡形式的氯气和氢气。电化学电池中的气泡一般具有增加在电池中进行化学转变所需的电能的效果。这源于包括以下各项的效果：
(1)气泡形成：为了创建气泡，与电极表面紧密相邻的液体电解质中的过饱和气体必须组合以形成小气泡。气泡初始通过大内部压力(称为‘拉普拉斯’压力)来创建和维持。此类气泡通常非常小，并且因为拉普拉斯压力与所需的内部压力成反比，所以它们必须一定包含具有高内部压力的气体。例如，根据Yannick De Strycker的题为“A bubblecurtain model applied in chlorate electrolysis(氯酸盐电解中应用的气泡帘模型)”(发布于瑞典哥德堡Chalmers University of Technology，2012)的论文，在电化学氯酸盐生产中在阴极处形成的氢气气泡在大气压下估计为初始地直径约3.2nm，使得它们的内部(‘拉普拉斯’)压力必须是约824巴。产生此类气泡所需的附加能量在本领域中被称为气泡超电势。气泡超电势可以是很大的。在上述情形中，单单在阴极处的氢气的气泡形成估计使电池电压增加约0.1V。一旦形成，非常小的初始气泡作为它们的大内部压力的结果而自发地膨胀。在大气压下在氯酸盐生产中的氢气生成的上述情形中，发现初始气泡膨胀到约0.1mm直径，在这一阶段，气泡内部的压力等于气泡外部的压力。
(2)“气泡覆盖”/“气泡帘”：研究表明，气泡通常形成在电极表面上的裂隙、裂缝或其他微米或纳米级不规则物中。这一效果由以下事实驱动：根据拉普拉斯方程，气泡的半径越小，气泡内部的压力必须越高，以推升气泡并维持气泡。因此，形成具有小体积但大半径的气泡具有基本的热力学(能量)优点。这只可发生在可存在于许多电极表面上的微小裂隙、裂缝与类似不规则物内。此类特征内形成的气泡不是球形，而是填充该特征的一部分——通常是最深部分。此类气泡具有非常小的体积。然而，在此类特征中形成的气泡具有沿该裂缝或不规则物的长度延伸的大半径。较大半径意味着此类气泡的内部压力可能比相同体积的球形气泡低得多。因此与球形气泡相比，此类基于‘裂缝’的气泡将以所讨论气体的较低水平的电解质过饱和来形成。即，在此类特征中形成的气泡(即，基于‘裂缝’的气泡)利于在形成于电极表面上的球形气泡之前形成。
这一类型的基于‘裂缝’的气泡通常在电极表面上的‘裂缝’特征内开始，并随后膨胀出裂缝成为很大程度上为球形的形状。所得的气泡随后通过其附着到该气泡最初在其中形成的‘裂缝’而维持在电极的表面上。在电极表面处具有多个此类附着气泡的效果是在液体电解质与电极的活性表面之间创建气泡“帘”。这一“气泡帘”(或即“气泡覆盖”)通常阻止电解质移动到电极表面，从而减缓或甚至中止反应。为了克服这一效应，许多电化学电池采用持续机械抽取来使电解质扫过电极的表面以驱逐表面气泡。由泵汲取的所得电流降低了电化学电池的总体电效率。
(3)导电通路中的气泡(“空隙度”)甚至在气泡从电极表面释放到电解质中之后，它们仍然妨碍电池中的电效率。在电学方面，气泡是包括两个电极之间的液体电解质的导电通路内的非导电空穴。所存在的此类非导电空穴的数目和相对体积越大，电池的总体电阻越大。随着电流密度增加，在产生较大体积的气泡时，这一效应(在本领域中称为“空隙度”)变得尤其显著。在氯酸盐生产的上述示例中，已经估计出在高电流密度处，电极之间最高60％的空间可由气泡占据，从而使电池电压增加约0.6V。
为了解说这些(以及相关)问题，可以考虑促进水电解的电化学电池的示例。电解器是将水电化学地转换成阴极处的氢气和阳极处的氧气的设备。这一电池的常见类别是常规碱性电解器，其在阴极和阳极之间采用强碱液相电解质(通常6M KOH)。离子可渗透、气体不可渗透(或稍微可渗透)的分隔件或膜通常被用在这两个电极之间以防止在阴极处形成的氢气气泡与在阳极处形成的氧气气泡混合。氢气和氧气的混合是爆炸性的并且因此是不合需要的安全危险。
分隔件必须还防止气体‘交叉流动’(crossover)现象，在该现象中，在阴极处形成的氢气穿过分隔件以污染在阳极处形成的氧气，并且在阳极处形成的氧气穿过分隔件以污染在阴极处形成的氢气。如果这些污染物接近氧气中氢气的爆炸下限或上限，则将造成安全问题。
交叉流动可通过两种机制来发生：(i)气体中的一者或两者的微气泡存留在分隔件的孔隙中的过程，从而造成阴极液室和阳极液室之间的气体通路，以及(ii)液体电解质中的溶解气体在电极之间的迁移(透过分隔件)。对于电流分隔件，如果分隔件及其孔隙没有总是保持完全湿润且没有气体气泡，则机制(i)可变成严重问题。在施加高压力和/或高电流密度时这样做尤其困难。
为了避免或最小化空隙度和气泡帘效应，常规碱性电解器通常将6M KOH液体电解质持续抽取通过阴极液室和阳极液室，以将气体气泡扫除并保持阳极和阴极之间的导电通路尽可能清洁和无空穴。
然而，不管这些措施，常规碱性电解器通常可仅以最高约300mA/cm2(电势接近2V)电流密度操作，其中系统效率接近60％。在更高的电流密度下，归因于液体电解质中的气泡的效率损失变得过于严重。即，以高电流密度驱动常规碱性电解器的能力受电池中气泡的形成和存在的限制。
在以高压力操作的碱性电解器的情形中，可被施加的电流密度也可受气体的交叉流动程度的限制。在高压力下，气体交叉流动可以是显著的，从而使系统接近其安全工作限制。在这些情形下施加高电流密度可放大该问题，从而限制能被施加的电流密度。例如，已经报告了由于对在离子可渗透、气体不可渗透(或可非常轻微地渗透)的分隔件的两侧上形成的氢气和氧气气泡的不同压力进行均衡的极大困难，美国公司Avalence LLC开发的高压力碱性电解器(如在WO2013/066331中描述的)在超出138巴的压力下是不可用的。这一问题在更高电流密度下被放大，从而使得安全操作更加困难。
气体-液体电化学电池中的电极之间的气泡的存在可具有与电流密度相关的其他有害效果。例如，常规碱性电解器没有处置电流密度阱中的突然增加，诸如在它们由风力发电机或太阳能面板来电驱动时可造成的。在电流的突然升高的情形中，大量气体气泡可被快速产生，从而造成压力爆发危险以及可能将液体电解质压迫出电池，从而中止反应并损害电池。在使用多孔电极的情形中，以此方式形成气泡也可在机械上损伤催化剂，从而造成催化剂颗粒的粉碎或腐蚀。存在着电池可受突发电流浪涌损害的各种其他方式。
在采用液体电解质或胶体电解质(其中可形成气体气泡)的其他电化学设备中，发生类似问题。例如，包含液体电解质或胶体电解质的许多常规电池在它们被充电时并且尤其在它们被过充电的情况下可形成不想要的气体气泡。此类气体气泡可通过造成导电通路内的非导电空穴而损害电池，该非导电空穴增加电池电阻并且因此降低电池的输出效率。此类气泡也可造成压力爆发、电解质泄漏和其他危险。为了避免这些问题，各种专利教导了在发生气泡形成时，将液体填充或胶体填充的电池从电源切断的方法和规程。例如，US20140120388教导了一种在再充电期间用于电池的切断开关，其中该切断开关的激活被链接到可以产生的任何气体的压力。US20120181992教导了一种链接到连接至间歇能量源的电池的电压的切断开关。US20110156633教导了一种调制传入的间歇式电流的电压以避免损坏的太阳能功率系统。
许多气体-液体电化学电池(尤其是液体电解质或胶体电解质电化学电池)的性能也受可能不与液体电解质或胶体电解质中气体气泡的形成或存在相关的其他实际问题的限制。这一方面的一个示例涉及以下事实：许多此类电池只需要非常低的电压来操作，通常在0.1-5V的范围中。使此类电池的输出最大化的一个选项因此是使电池的电化学活性面积最大化，从而使总体电流最大化，同时保持低电压。然而，如果可以达成，更有益的选项是以较高电压来操作电池(具有伴随的较低总体电流)。这是因为较高电压(具有伴随的较低电流)通常需要：(i)较简单的电源，以及(ii)与较低电压相比更少和更小的导电材料截面(具有伴随的较高电流)，以及其他。因而，存在对开发以比可应用于单个大面积电池(具有伴随的较低总体电流)更高的总体电压来操作的电池体系结构和布置的需求。在此类实际问题可被克服的情况下，比当前可能的更高效地操作气体-液体电化学电池是可能的。这需要创建与这一类型的电池在高电压下的操作相关的新挑战。
概括而言，在改进促成液体-到-气体或气体-到-液体转变的电化学电池的能量效率方面存在重要挑战。作为这些和其他问题的结果，促进涉及气体和液体或胶体的电化学转变并且避免、改善或消除与电解质中气体气泡的存在相关联的能量和电惩罚的新的或经改进的电池、设备和/或方法是有用的。
在本说明书中对任何现有公开(或从中导出的信息)或已知的任何事物的引用不是且不应被当作对现有公开(或从中导出的信息)或已知事物形成本说明书相关的领域中的一般常识的一部分的任何形式的暗示的确认或承认。
发明内容
提供本概述以便以简化形式介绍将在以下示例中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的全部关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
在各示例方面，提供了电化学电池、其各部件，以及用于电通路、连接、布局等的配置、布置、或设计。在各进一步示例方面，提供了具有液体电解质或胶体电解质的电化学电池和/或它们的制造方法。在又一些进一步示例方面，提供了具有螺旋或平坦薄片配置、布置或设计的电化学电池和/或其制造方法以及允许该电化学电池以高电压操作的其元件或部件。
在一个示例方面，提供了用于电化学反应的多个电化学电池。该多个电化学电池包括包含第一阴极和第一阳极的第一电化学电池，其中第一阴极和第一阳极中的至少一者是气体扩散电极。该多个电化学电池还包括包含第二阴极和第二阳极的第二电化学电池，其中第二阴极和第二阳极中的至少一者是气体扩散电极。优选地，第一阴极通过电子导电通路串联地电连接到第二阳极。
串联电连接指的是电化学电池中的阴极和阳极(即，各电极)之间的电子导电通路。当串联连接时，相同电流在一个电池的阴极和另一电池的阳极之间流动并通过该阴极和阳极。
优选地，化学还原作为电化学反应的一部分配生在第一阴极和第二阴极处，并且化学氧化作为电化学反应的一部分配生在第一阳极和第二阳极处。在一特定示例中，第一阴极是气体扩散电极。在另一示例中，第一阳极是气体扩散电极。在又一示例中，第二阴极是气体扩散电极。在又一示例中，第二阳极是气体扩散电极。在又一示例中，电解质在第一阴极和第一阳极之间。在又一示例中，电解质也在第二阴极和第二阳极之间。
优选地，第一阴极和第一阳极之间没有放置隔膜或离子交换膜。同样优选地，第二阴极和第二阳极之间没有放置隔膜或离子交换膜。
在另一示例方面，提供了一种用于电化学反应的平坦薄片或螺旋卷绕的电化学电池，包括电极的分层堆叠，其中一个汇流条附连到电极堆的上方或最上方集电器且第二汇流条附连到该电极堆的下方或最下方集电器。
在另一示例方面，提供了一种用于通过电化学反应形成化学反应产物的平坦薄片或螺旋卷绕的电化学电池，该电化学电池包括：电极的分层堆叠(即，电极堆)；一个汇流条附连到电极堆的上方或最上方集电器；且第二汇流条附连到该电极堆的下方或最下方集电器。
在一个示例中，电极堆中的电极是由阳极和阴极提供的至少一个电极对的一部分，该阳极和阴极两者构成电极堆的一部分。在其他示例中，阳极是气体可渗透的且是液体不可渗透的，和/或阴极是气体可渗透的且是液体不可渗透的。在另一示例中，电极是柔性的，例如至少在被卷绕时。在另一示例中，电极是刚性的。
优选地，至少一个电极对形成多电极阵列的一部分。在另一示例中，该至少一个电极对电串联地连接。
在另一示例中，电池包括液体电解质或胶体电解质，例如在阳极和阴极之间。在另一示例中，在阴极和/或阳极处基本上没有从电化学反应形成或产生的气体气泡，或者在阴极和/或阳极处没有从电化学反应形成或产生的气体气泡。
在各示例实施例中，“基本上没有气泡形成”或“基本上无气泡”或“基本上没有气泡”意指少于15％的所产生气体采取电解质中的气泡的形式。在另一示例实施例中，少于10％的所产生气体采取电解质中的气泡的形式。在其他示例实施例中，少于8％、少于5％、少于3％、少于2％、少于1％、少于0.5％、或少于0.25％的所产生气体采取电解质中的气泡的形式。
在各示例实施例中，高电压优选地大于或等于2V。在其他示例实施例中，高电压优选地大于或等于3V、大于或等于5V、大于或等于10V、大于或等于25V、大于或等于50V、大于或等于100V、大于或等于250V、大于或等于500V、大于或等于1000V、或者大于或等于2000V。
在各示例实施例中，平坦薄片配置、布置或设计以及其元件或部件涉及以平坦设置来布置的薄片形式的电极。在一示例实施例中，电极是平面的。在各示例实施例中，螺旋配置、布置或设计以及其元件或部件涉及绕中心轴卷绕的薄片形式的电极。
附图简述
现在将仅作为非限制性示例且参考附图来描述各说明性实施例。根据以下描述，各示例实施例将变得明显，以下描述仅作为至少一个优选但非限制性的实施例的示例被给予且结合附图来描述。
图1示意性地描绘了对在电化学电池中的液体-气体界面之处或附近形成的气体可用的选项。
图2(a)-(c)示意性地描绘了实施例阴极的示例制造。图2(d)示出了可如何通过以背靠背布置来组合两个电极以获得示例叶。
图3描绘了可以用在示例电极中的各种类型的示例集电器。
图4描绘了其中导电带(副汇流条)附连在电触点中的示例导电网格。
图5描绘了副汇流条悬在一侧的示例电极。
图6示意性地解说了示例实施例中的电和离子导电通路：(a)单个电池，(b)“侧连接”的串联电池，(c)-(d)“双极连接”的串联电池，以及(e)镜像侧连接的串联电池。
图7(a)解说了用于以“侧连接”串联电连接来连接各示例电极的示例叶的制造。图7(b)解说了图7(a)中描绘的类型的叶的堆叠。图7(c)解说了在叶堆的每一侧上的、在示例电池堆内创建“侧连接”串联电连接所需的成对连接。
图8解说了示例“侧连接”串联电池堆中的导电通路。
图9(a)描绘“侧连接”串联电池的实际示例实施例中的两个叶的组装。图9(b)描绘“双极连接”串联电池的实际示例实施例中的叶组件。图9(c)描绘了在图9(a)-(b)中所示的类型的叶组件被组装成堆叠时得到的堆。图9(d)描绘了该堆可如何被合并在管形压力容器内。图9(e)描绘了等效圆形电池堆可如何被合并在管形压力容器内。
图10(a)描绘了可以用在“双极连接”串联电池中的类型的双侧、双气袋叶的制造。图10(b)描绘了“双极连接”叶的平坦薄片堆叠。
图11解说了示例“双极连接”串联电池堆中的导电通路。
图12描绘了示例“侧连接”串联布置的叶堆可如何绕核心元件螺旋卷绕。图12(a)描绘了叶制造。图12(b)-(c)描绘了绕中心核卷绕四个叶所需的布置。图12(d)-(e)解说了涉及两个叶绕中心核卷绕的细节。
图13描绘了示例“双极连接”串联电池堆可如何绕核心元件螺旋卷绕。
图14描绘了主汇流条可如何连接到串联电池。
图15描绘了具有放射状电池几何结构的示例实施例电池堆。
图16描绘了可被用来构造‘板框’串联电池的电池。
图17描绘了用于‘板框’串联电池的框架叶的构造。
图18描绘了框架叶的组装和用于‘板框’串联电池的叶之间的电连接的后续形成。
图19描绘了用于‘板框’串联电池的电池堆的构造。
详细描述和示例
仅作为示例被给予的以下模式、特征或方面被描述以提供对一个或多个优选实施例的主题的更确切理解。
示例电化学电池和操作方法
2013年6月11日提交的题为“Gas Permeable Electrodes and ElectrochemicalCells(气体可渗透电极和电化学电池)”的国际专利公开No.WO2013/185170通过援引纳入于此，并且描述了气体扩散电极(包括各种碱性和酸性电解器并且包括气体生成电极)及其各方面，它们可以螺旋卷绕或保持“平坦薄片”格式并被用在本发明示例中。
通过援引纳入于此并且可被用在本发明示例中的示例电池、模块、结构以及电极(包括气体生成电极)和操作方法的进一步方面和细节在申请人先前在2014年7月30日提交的题为“Modular Electrochemical Cells(模块化电化学电池)”国际专利公开No.WO2015/013766；申请人先前在2014年7月30日提交的题为“Composite Three-DimensionalElectrodes and Methods of Fabrication(复合三维电极及制造方法)”的国际专利公开No.WO2015/013765；申请人先前在2014年7月30日提交的题为“Electro-Synthetic orElectro-Energy Cell With Gas Diffusion Electrode(s)(具有气体扩散电极的电合成或电能电池)”的国际专利公开No.WO2015/013767；申请人先前在2014年7月30日提交的题为“Method and Electrochemical Cell for Managing Electrochemical Reactions(用于管理电化学反应的方法和电化学电池)”的国际专利公开No.WO2015/013764；申请人先前在2014年12月10日提交的题为“Electrochemical Cells and Components Thereof(电化学电池及其组件)”的国际专利公开No.WO2015/085369；以及申请人先前在2016年12月14日提交的题为“Electrochemical cell and components thereof capable of operatingat high current density(能够以高电流密度来操作的电化学电池及其组件)”的国际专利申请中描述，它们全部通过援引纳入于此。
以上专利申请中描述的电极、电化学电池和/或操作方法可以用在各示例实施例中。
对气体可渗透材料的引用应当被认为是包括任何形式或类型的气体可渗透介质、物品、层、膜、阻挡、基体、元件或结构、或它们的组合的一般引用。
对气体可渗透材料的引用还应被认为任何介质、物品、层、膜、阻挡、基体、元件、或结构，这些介质、物品、层、膜、阻挡、基体、元件、或结构是可渗透的以允许移动、转移、渗透或运送一种或多种气体穿过或跨过该材料、介质、物品、层、膜、阻挡、基体、元件或结构(即，气体可渗透材料)的至少一部分。即，制成气体可渗透材料的物质本身可以或可以不是气体可渗透的，但由该物质形成或制成或者至少部分地由该物质形成或制成的材料、介质、物品、层、膜、阻挡、基体、元件或结构是气体可渗透的。气体可渗透材料可以是多孔的、可以是至少一种非多孔材料和一种多孔材料的复合、或可以完全是非多孔的。气体可渗透材料也可被称为“可呼吸”材料。仅作为阐明示例而不施加任何限制，气体可渗透材料的示例是多孔基体，且制成或形成气体可渗透材料的物质的示例是PTFE。
电极可由多孔导电材料提供或包括多孔导电材料。优选地，多孔导电材料是气体可渗透的且是液体可渗透的。
对多孔导电材料的引用应被认为任何介质、物品、层、膜、阻挡、基体、元件、或结构，这些介质、物品、层、膜、阻挡、基体、元件、或结构是可渗透的以允许移动、转移、渗透或运送一种或多种气体和/或液体穿过或跨过该材料、介质、物品、层、膜、阻挡、基体、元件或结构(即，多孔导电材料)的至少一部分。即，制成多孔导电材料的物质本身可以或可以不是气体和/或液体可渗透的，但由该物质形成或制成或者至少部分地由该物质形成或制成的材料、介质、物品、层、膜、阻挡、基体、元件或结构是气体和/或液体可渗透的。多孔导电材料可以是复合材料，例如包括一种以上类型的导电材料、金属材料、或者包括导电或金属材料以及非金属材料。
仅作为阐明示例而不施加任何限制，多孔导电材料的示例包括多孔或可渗透金属、导体、网状物、网格、点阵、布、编织或非编织结构、网或打孔薄片。多孔导电材料也可以是具有“类金属”导电属性的材料。例如，多孔碳布可被认为是多孔导电材料，因为它的导电属性类似于金属的导电属性。
多孔导电材料可以是复合材料，例如包括一种以上类型的导电材料、金属材料、或者包括导电或金属材料以及非金属材料。此外，多孔导电材料可以是涂敷在气体可渗透材料的至少一部分上的一种或多种金属材料，例如喷涂、或涂敷或沉积在与气体可渗透材料相关联地使用的分开的气体可渗透材料的至少一部分上。By way of clarifyingexamples only,without imposing any limitation,examples of porous conductivematerials include porous or permeable metals,conductors,meshes,grids,lattices,cloths,woven or non-woven structures,webs or perforated sheets.多孔导电材料可以是附连到气体可渗透材料的分开的材料/层，或可以形成在气体可渗透材料之上和/或作为其一部分(例如，通过涂敷或沉积)。多孔导电材料也可以是具有“类金属”导电属性的材料。例如，多孔碳布可被认为是多孔导电材料，因为它的导电属性类似于金属的导电属性。
电化学电池可以按“平坦薄片”(即，堆叠)或“螺旋卷绕”格式来提供。平坦薄片意味着电极(例如，阴极和/或阳极)由平面层或基本上平面的层来形成，使得平坦薄片电化学电池包括多个平面电极或基本上平面的电极。平坦薄片电化学电池可以与另一平坦薄片电化学电池堆叠在一起(一个在另一个之上，在电化学电池的串联或阵列中)，以形成多个电化学电池的分层堆叠(即，经堆叠电化学电池)。“平坦薄片”和“螺旋卷绕”电池、模块或反应器通常(但不一定)涉及以两层或更多层来堆叠的柔性、气体可渗透、液体不可渗透气体扩散电极薄片或层，其中电极(包括气体生成电极)通过分隔件或分隔层(例如不同电解质通道分隔件(它们是液体电解质可渗透的且旨在引导液体电解质穿透电池)和/或气体通道分隔件(它们是可渗透的且旨在引导气体穿透电池))彼此分开。可存在一种以上类型的气体通道。例如，可以存在两个不同的气体通道，一个用于第一气体(例如，在水电解电池中产生的氢气)且另一个用于第二气体(例如，在水电解电池中产生的氧气)。类似地，可存在用于一个以上电解质的分开通道。例如，在适于制造氯-次氯酸盐消毒化学品的经修改氯碱电池中，可存在用于馈送电解质(NaCl溶液，25％，PH 2-4)和产物电解质的分开通道。
在“螺旋卷绕”布置中，所得的多电极堆绕核心元件紧密卷绕，以由此创建螺旋卷绕的电池或模块。核心元件可包含用来接通和/或电连接电池或模块的各组件的气体-液体和电管道中的一些或全部。例如，核心元件可以将该堆中用于一种或另一种特定气体的全部通道组合成单个管道，该单个管道随后被方便地装阀门以附连到外部气箱。核心元件可类似地包含将该模块的阳极和阴极连接到该模块上的仅两个外部电连接——正极和负极——的电气装置。
螺旋卷绕的电池或模块优于其他模块布置的一个关键优点是它们在相对小的总体几何占用空间内提供高的总体电化学表面积。据信，螺旋卷绕的电化学模块在最小的合理占用空间内提供最高的可能活性表面积。螺旋卷绕的布置的另一优点在于与涉及隅角的其他几何形状相比，圆形物体更易于加压。所以，已发现螺旋设计对于其中通过施加高压力来有利地影响电化学反应的电化学电池是有益的。
不管反应器或电池布局是螺旋卷绕还是平坦薄片，模块化反应器单元可被工程设计成容易地附连到其他等同的模块化单元，以由此将整体反应器无缝地扩大到所需程度。经组合的模块化单元自身可被容纳在第二、稳健的外壳内，该外壳内包含通过模块化单元的所有液体且用作在互连的模块内存在的气体的第二容纳室。该第二、外部稳健的外壳内的各单独的模块化单元可容易地移除并与其他等同的模块交换，从而允许容易地替换缺陷或不良工作的模块。
在其中电化学电池包含至少一个气体扩散电极的实施例中，该电池优选地但非排他地具有以下优点中的一者或多者：
(1)通过部署气体扩散电极来方便且经济地管理其中先前仅固态电极是可行且经济的各种工业电化学工艺的能力；
(2)与先前可能的相比，在利用气体扩散电极的电化学电池中施加更高气体或液体压力的能力；
(3)消除当前采用气体扩散电极的工业电化学电池中对复杂且昂贵的压力均衡设备的需求。曾经需要压力均衡设备来避免气体扩散电极的气体和液体侧上的显著压力差(这将导致液体电解质的泄漏)。
(4)方便且经济地促进工业电化学电池和/或设备中的电极处(例如，在反电极处)的能量有利的气体去极化反应，其中这从能量效率的观点来看是有吸引力的但先前并不可行的；和/或
(5)向气体扩散电极添加阻挡层或膜以使得它准许传送反应物/产物气体但排除水蒸气的可能性。
最小化气体溶解度和气泡形成
在各示例实施例中，用于通过最小化气体溶解度和气泡形成来促进电化学电池的操作的方法和电池在申请人在2016年12月14日同时提交的国际专利申请“Methods ofimproving the efficiency of gas-liquid electrochemical cells(改进气体-液体电化学电池的效率的方法)”中描述，它通过援引纳入于此。
发明人认识到，在涉及电极(它们优选地是一个或多个气体生成电极)之间的液体或胶体电解质的电化学电池中，可在电池中的液体电解质内(例如，在电池中的电极的表面处)形成或建立的气体可进行以下三事之一：
(1)气体可溶解在液体电解质中并移走；
(2)气体可形成新的独立气泡；
(3)气体可自然地或人工地加入现有气泡(或气体区)。即，气体可穿过现有气体-液体界面进入现有气相或气体区域。
图1以示意图的形式解说了可供在气体-液体电池中的液体电解质内形成的气体使用的三个不同通路1、2、3(遵循以上编号)。
以上通路(1)对能量效率而言一般是有害的，因为电化学电池的电极之间的液体电解质中溶解气体的存在导致较高电阻，如US 20080160357教导的。它还提升了电极之间的交叉流动。
出于在背景部分中被给予的原因，以上通路(2)对其电极之间具有液体或胶体电解质的电池的高效操作而言一般也是有害的。
与已知预期相反，发明人认识到，以上通路(3)不一定对其电极之间具有液体或胶体电解质的电池的高效操作而言有害，如果(自然的或人工的)“现有气泡”(即，“气体区”或“一个或多个空体积”)位于电极之间的导电通路外部或基本上在其外部的话。
一个或多个“空体积”可由一个或多个多孔结构来提供，该多孔结构可由一种或多种气体可渗透材料来提供。该一个或多个多孔结构或气体可渗透材料(提供一个或多个空体积)优选地是气体可渗透且液体不可渗透的，或者基本上是液体不可渗透的。该一个或多个多孔结构或气体可渗透材料(提供一个或多个空体积)还优选地是非导电的。
发明人认识到，事实上，通路(3)提供了以确保气体形成不对电池的操作和效率有害的方式控制和处置气体形成的潜在地有用的手段。即，发明人非预期地认识到，代替寻求抑制或阻碍气泡形成，将气体形成引导到自然的或人工的、被设计成以不与电池的操作和效率相冲突或基本上不相冲突的方式接受并接纳气体形成的预先存在的气泡或气体区(即，一个或多个空体积)可能更有效。
此外，发明人认识到，作为拉普拉斯方程的结果，事实上，与气体在表面上形成独立的新气泡(在‘裂缝’内或作为独立球形气泡)相比，液体内新形成或溶解的气体加入自然的或人工的、大型的预先存在的气泡或气体区在能量上更有利。这是因为与新形成的球形气泡或表面‘裂缝’中的新形成的气泡相比，大型的预先存在的气泡(这也可被认为是气体区或空体积)将必然具有较大半径并且因此具有较低内部(‘拉普拉斯’)压力。
此外，液体电解质内的溶解气体的浓度在自然的或人工的预先存在的气泡、气体区或空体积周围也必然被最小化，因为气泡、气体区或空体积提供了附加界面，过量气体分子有利地穿过该附加界面从液相逸出。具体而言，事实上，液体电解质在此类气泡附近变得过饱和是不可能的，因为气泡界面提供了现成路线以供过量气体从液相逸出。这是重要的，因为液体电解质中的溶解气体的量越低，其电阻越低，并且电池的能量效率/电效率越大，同时交叉流动也被抑制。
因而，在特定示例实施例中，发明人认识到提供一个或多个空体积(例如，自然地发生的或人工的预先存在的气泡、气体区或气体通道)具有不仅不利于上述通道(2)且还使上述通道(1)最小化的效果，该一个或多个空体积优选地位于气体生成电极与其反电极之间的导电通路外部、基本上位于气体生成电极与其反电极之间的导电通路外部、部分地位于气体生成电极与其反电极之间的导电通路外部、位于气体生成电极与其反电极之间的导电通路外围或附近、和/或具有相对于气体生成电极与其反电极之间的导电通路的小交叉流动横截面积，并且可以在电池的气体生成电极与其反电极之间的液体电解质或胶体电解质之内、附近或邻近或者部分地在其之内、附近或邻近。在另一示例中，反电极是气体生成反电极，使得这两个电极都是气体生成电极。
在特定示例实施例中，本发明发明人进一步发现，上述通道(1)可通过选择电池的物理条件来进一步减小，这些物理条件在高、更高或最大电解质导电性的条件下减小、降低或最小化气体溶解和/或它们在液体电解质中的扩散。换言之：在特定示例实施例中，发明人发现，通道(1)对电池的有害效果可通过配置或选择电池的物理条件而被进一步减轻，这些物理条件在高、更高或最大能量效率的条件下减小、降低或最小化所溶解的气体对电池的操作的影响。这些物理条件包括但不限于以下各项中的一者或多者：
a.操作温度；
b.液相中电解质的类型和浓度(包括电解质的表面张力)；
c.施加到液体电解质的压力(包括跨可使用的气体扩散电极的压力差)；
d.可被用来分隔各电极的任何分隔件的性质；
e.操作模式；
f.液体电解质的流速；以及
g.液体电解质的流类型(即，层流或湍流)。
在特定示例实施例中，发明人发现，使用诸如菲克定律、亨利定律、Raoults定律的物理定律、Senechov方程、Stokes-Einstein(-Sutherland)方程以及类似表达式来指导以上物理条件的设置。此后，使用经验测量来进一步细化物理条件的设置可以是有用的。
在特定示例实施例中，发明人发现，一般而言且不作限制，电池内的物理条件应当被配置成或选择成使得：
(I)将电解质的导电性(通常但非排他地以S/cm为单位)增加或最大化到最大合理程度，
(II)同时将气体在电解质中的溶解(通常但非排他地以mol/L为单位)降低或最小化到最大合理程度，以及
(III)将电解质中的一种或多种经溶解气体的扩散速率(通常但非排他地以cm2/s为单位)降低或最小化到最大合理程度。
为方便起见，上述(I)被称为“传导因子”并被给予符号CF。一般而言，电池内采用的物理条件应当使得CF(通常但非排他地以S/cm为单位)被增加或最大化到最大合理程度。电解质的传导或导电性是电阻率(以Ωcm——欧姆厘米为单位)的倒数。因此，传导因子或导电性被用来测量电解质的离子传导率。普遍使用的测量单位通常但非排他地是西门子每厘米(S/cm)。
为方便起见，上述(II)乘以(III)的乘积被称为“气体溶解和扩散因子”并被给予符号GDDF。在特定示例实施例中，发明人发现，一般而言且不作限制，电池内采用的物理条件应当使得GDDF(通常但非排他地以cm2.mol/L.s为单位)被降低或最小化到最大合理程度。在涉及多种气体的情况下，它们的GDDF的总和应当被最小化到最大合理程度。
GDDF的表达式从用于液相中的溶解气体的扩散的菲克定律导出，并且反映扩散的溶解气体可对本实施例的电化学电池中存在的化学过程具有的影响。GDDF越低，溶解气体可具有的影响越小。即，GDDF越低，上述通道(1)的效果越小，或者上述通道(1)对本实施例的电化学电池中的化学反应的影响越小。
为方便起见，CF除以GDDF的比值被称为“电解质因子”并被给予符号EF。一般而言且不作限制，在特定示例实施例中，发明人发现，电池内采用的物理条件应当使得EF(通常但非排他地以L s/Ωcm3mol为单位)被增加或最大化到最大合理程度。
表达式EF＝CF/GDDF反映了液体电解质的导电能力与液体电解质中气体溶解和扩散的程度的比值。如上所述，在特定示例实施例中，发明人发现，某些电化学电池在液体电解质的导电率被增加或最大化同时液体电解质中的气体溶解和扩散的程度被降低或最小化的情况下最高效地操作。
一旦通过以最合适或最少损害的方式设置物理条件来实现了以上因子的组合，则电化学电池设计的特征可被更改、设定、创建或实现，以实现附加能量效率。电化学电池设计特征包括但不限于以下各项中的一者或多者：
a.所采用的电极间距离；
b.所采用的电流密度。
为方便起见，电极间距离(通常但非排他地以cm为单位)被给予符号ID，而电流密度(通常但非排他地以mA/cm2为单位)被给予符号CD。
在特定示例实施例中，发明人发现，一般而言且不作限制，电池内的设计的特征，即电极间距离(ID，通常但非排他地以cm为单位)和电流密度(CD，通常但非排他地以mA/cm2为单位)应当被设置成使得CD的平方乘以ID并除以CF的积被降低或最小化到最大合理程度。为方便起见，表达式((CD)2x ID)/CF)被称为“功率密度因子”且被给予符号PF(通常但非排他地以mA2.Ω/cm2为单位)。一般而言且不作限制，电池内采用的物理条件应当使得PF被降低或最小化到最大合理程度。
因而，功率密度因子(PF)由下式给出：
PF＝((CD)2x ID)/CF。
功率密度因子(PF)与必须完成工作以在电化学电池中的电极之间推送电流的速率相关——即，气体生成电极的每单位面积所消耗的电功率。电池中增加的能量和电效率必然一定伴有工作速率的下降或最小化，该工作必须完成以在电池中的电极之间驱动电流量PF因此是电池的能效的代理，且与能效逆相关。
在特定示例实施例中，发明人发现，量化在本发明实施例的电合成电池中生成的气体归因于液体电解质中的气体迁移而从一个电极交叉流动到另一电极的百分比也是有用的。这一交叉流动量CO作为百分比由交叉流动(CO)表达式来提供：
CO＝(n.F.GDDF)/(ID.CD)x 100(以％为单位)
其中，
n＝在发生在所讨论的气体生成电极处的平衡电化学半反应中交换的电子的数目(即，平衡氧化还原半反应中的电子的数目)，
F＝法拉第常数＝96,485库伦/mol)。
GDDF＝气体溶解和扩散因子，其等于：
＝(溶解气体的浓度[以mol/L为单位])x(溶解气体的扩散速率[以cm2/s为单位])
(总体以cm2.mol/L.s为单位)，
这也可被表达为：mol/(1000cm s)，
ID＝电极间距离(以cm为单位)，
CD＝电流密度(以mA/cm2为单位)，以及
其中以上方程中的各单独因子具有以下单位：
(n.F.GDDF)具有单位：C.cm2/L.s，
这也可被表达为：C/(1000cm s)，
这也可被表达为：mA/cm
(n.F.GDDF)具有单位：mA/cm2，
CD具有单位：mA/cm2
(n.F.GDDF)/(ID.CD)x 100具有单位：％
在特定示例实施例中，发明人发现，一般而言且不作限制，可大于使用其他办法可达到的能效的显著能效可以在电化学电池中实现，如果电池中的物理条件和电池内的电池设计的特征被如下设置的话：
电解质因子EF(以L s/Ωcm3mol为单位)增加或最大化到最大合理程度；
功率密度因子PF(以mA2Ω/cm2为单位)降低或最小化到最大合理程度；
以及
交叉流动CO(％)降低或最小化到最大合理程度。
将以上全部内容纳入考虑，在特定示例实施例中，发明人进一步认识到，如上所述在物理条件和电池设计特征的仔细选择的效果与提供位于导电通路的外部或基本上外部或者被定位成只具有导电通路之间的微小或最小影响的现有气泡或气体区(即，一个或多个空体积，自然的或人工的)的效果相组合时，可在电化学电池中达到能效的显著改进。这些能效可大于使用其他办法(诸如在电极之间使用固态离子交换膜)可达到的能效。
因而，例如，如表1中所示：归因于液体电解质中气泡的效果，其中气体以气泡的形式产生的电化学电池(诸如常规碱性电解器)可在操作条件下体验到电极之间最高0.6V的典型压降。
作为对比，在电极之间利用固态Nafion 117PEM膜(185μm厚；浸在水中)并且在80℃处以典型的1.8A/cm2电流密度操作的常规PEM电解器将体验到电极之间的小得多的0.229V欧姆降。
然而，最好的是当前实施例的碱性电解器具有3mm电极间间隙并在80℃处以典型电流密度50mA/cm2来操作，使用水性6M KOH作为液体电解质。此类电解器将体验到电极之间的仅0.011V欧姆降。低电压降与高或更高基本能效和电效率相一致。
*数据来自申请人于2016年12月14日提交的题为“Methods of improving theefficiency of gas-liquid electrochemical cells(改进气体-液体电化学电池的效率的方法)”的同时国际专利申请中的示例4，以及申请人于2016年12月14日提交的题为“Highpressure electrochemical cell(高压力电化学电池)”的同时国际专利申请中的示例2。
表1比较在常规碱性电解器、PEM电解器以及本发明实施例的电解器的典型操作期间发生的欧姆电压降。
应当注意，即使上述示例的PEM电解器要以其正常的操作电流密度的二十分之一(即，90mA/cm2，这将可能在经济上不可行)来操作，它仍然将体验到比上述碱性电解器体验到的更高的电压降。
概括这些概念，各实施例涉及电化学电池和使用或操作方法，其中一个或多个气体生成电极以无气泡或基本上无气泡的方式操作。电化学电池在气体生成电极之间不存在隔膜。优选地，电化学电池利用特定催化剂-电解质系统。电化学电池被优化以确定用于电化学电池的不同变量的最佳设置，包括：
(i)电解质浓度(例如，在一个示例中，KOH浓度)；
(ii)电解质的温度；
(iii)施加到电解质的压力；
(iv)电极间距离(例如，阳极和阴极之间的距离)；以及
(v)电流密度。
为了优化电化学电池，需要确定这些变量的什么设置产生电化学电池的气体生成电极的最优性能。
这些变量之间存在据信对优化电极性能而言关键的三种主要关系；这些关系是如下所述的：电解质因子(EF)、功率密度因子(PF)以及交叉流动(CO)。在同时满足以下条件时发生最大或最优电极性能：
EF被最大化，
PF被最小化，以及
CO被最小化。
不仅这一办法实现的能效比使用其他办法(诸如在电极之间使用固态离子交换膜)可达到的能效更显著，而且它们还可在其中在常规电池中能量损耗通常最大的情况下最多地放大；即，以更高压力和/或电流密度。
在以上列出的五个不同变量(i)-(v)中，三个是物理反应方面——即，(i)电解质浓度，(ii)温度以及(iii)压力。然而，其他两个变量实际上是工程设计量且可以从宽范围设置以满足或改进优化，即：(iv)电极间距离，以及(v)电流密度。
这是重要的，因为电解质因子(EF)只由以上变量(i)-(iii)来确定，即，(i)电解质浓度，(ii)温度以及(iii)压力。相反，功率密度因子(PF)和交叉流动(CO)主要由工程设计变量来确定，即(iv)电极间距离，以及(v)电流密度。
事实上，功率密度因子(PF)以较小的方式受电解质因子(EF)的一个分量(即电解质传导因子(CF))的影响，而交叉流动(CO)以较小的方式受电解质因子(EF)的其他分量(即气体扩散和溶解因子(GDDF))的影响。
因而，一般而言，在电解质因子(EF)在何处达到峰值方面，受性质和物理学定律的限制。然而，功率密度因子(PF)和交叉流动(CO)事实上可以被确定或设定以用于优化。换言之，可以找出电解质因子(EF)将在何处达到峰值，并随后使用工程设计量的可用控制或自由度来使得功率密度因子(PF)和交叉流动(CO)同时处于最小值(在CO的情形中是零)，或同时尽可能接近最小值。
在特定示例实施例中，发明人因此发现，在气体生成电极之间具有液体电解质或胶体电解质的液体-气体电化学电池中可通过以下各项实现能量节省：
(1)在电池中的气体源之内、之处、邻近或附近自然地或人工地提供大型的预先形成或预先存在的一个或多个气泡(即，空体积、或气体区、或气体通道、或气泡区)，以便：
i.降低或最小化液体电解质中的气体溶解，以及
ii.降低或最小化独立气泡形成；
(2)自然地或人工地将预先形成或预先存在的一个或多个气泡或区域定位在电化学电池的导电通路的周界外部或之上，或者只占据电化学电池的导电通路内的小横截面积，使得它的存在不显著地增加电池的电阻；
和/或在如下情形下：
(3)电池内的物理条件和电池设计被设置成使得：
i.电解质因子(EF；例如，以L s/Ωcm3mol为单位)增加或最大化到最大合理程度；以及
ii.功率密度因子(PF；例如以mA2Ω/cm2为单位)和交叉流动(CO；例如以％为单位)被降低或最小化到最大合理程度。
在特定示例实施例中，发明人进一步认识到，不仅这一办法实现的能效比使用其他办法(诸如在电极之间使用固态离子交换膜)可达到的能效更显著，而且能效还可在其中在常规电池中能量损耗通常最大的情形下最多地放大；即，以更高压力和/或电流密度。
在一个示例方面，提供了一种在气体生成电极之间具有液体电解质或胶体电解质的液体-气体电化学电池，其中：
(I)一个或多个空体积被定位在电解质之内、部分地在电解质之内、在电解质邻近或附近，该一个或多个空体积位于导电通路的周界外部或之上或者只占据电化学电池的导电通路内的小横截面积；并且其中
(II)电池中的物理条件和电池设计被设置成使得：
i.电解质因子(EF；以L.s/Ω.cm3.mol为单位)增加或最大化到最大合理程度；以及
ii.功率密度因子(PF；以mA2.Ω/cm2为单位)和交叉流动(CO；以％为单位)被降低或最小化到最大合理程度。
优选地但非排他地，该一个或多个空体积直接毗连、邻接气体形成的源或定位在气体形成的源内，以促进气体迁移到该一个或多个空体积。一个或多个“空体积”可由一个或多个多孔结构来提供，该多孔结构可以是气体可渗透材料。该一个或多个多孔结构或气体可渗透材料(提供一个或多个空体积)优选地是气体可渗透且液体不可渗透的，或者基本上是液体不可渗透的。优选地，气体可渗透材料是非导电的。
优选地但非排他地，该一个或多个空体积由电解质不可渗透(即，液体不可渗透)但容许或允许气体通过(即，气体可渗透)的气体可渗透材料(即，多孔结构)来提供。因而，在一种优选形式中，空体积由气体可渗透且液体不可渗透的多孔结构或材料来提供。该一个或多个空体积优选地是非导电的。
在水性液体电解质的情形中，该一个或多个空体积优选地但非排他地由多孔憎水结构(诸如多孔憎水组装件、膜、或中空纤维，或此类结构的集合)来提供，它在电池的操作期间保持未填充液体电解质或胶体电解质。
空体积或一个或多个空体积可被认为是“预先存在的气泡”、“预先形成的气泡”、“气体区”、“气体通路”、“气体空穴”、“人工气泡”或“人为气泡”。优选地，空体积或一个或多个空体积位于电池的导电通路周界外部或之上，或只占据导电通路内的小横截面积。在另一示例中，相对于从电极的表面延伸的垂直方向，空体积的横截面积小于导电通路的横截面积。
在替换优选实施例中，空体积可由静态地或近似静态地定位在电池的导电通路外部或电池的导电通路中的小横截面积内的一个或多个自然气泡提供。例如，一个或多个静态或近似静态的自然气泡可被包含或机械地陷获在容纳结构内，该容纳结构位于电池的导电通路外部或电池的导电通路内的小横截面积内。在另一示例中，一个或多个自然的静态或近似静态气泡可简单地被形成或定位在电池的导电通路的外部或小横截面积内。
在一个优选实施例中，电化学电池包含配置成接受并容纳迁移气体以由此改进电池效率的一个或多个空体积。例如，具有水性液体或胶体电解质的电池可包含与其周围的环境相隔离且不进行气体接触的薄的高度憎水膜片或中空纤维膜的各部分。薄的高度憎水膜片或中空纤维膜的此类经隔离的部分可被放置以便接受并容纳在操作期间在电池内缓慢但不合时宜地生成的气体。为了与周围环境隔离，憎水膜内的空体积也可彼此隔离，或者它们可彼此进行气体接触。
憎水膜可被定位在电池的电通路的外部在电池的边缘处，或者它们可例如沿电通路被定位在长度方向上，以由此最小化它们用于电阻的占用空间。
例如，空体积可容纳在过充电期间在电池(包括但不限于Ni氢化金属、铅酸、或锂离子电池)内缓慢但不合时宜地造成的气体，其中独立气泡的不受控形成具有损害电池或使其性能降级的可能。在此类应用中，空体积可实际上替换或部分地替换例程地包含以抑制气体形成的牺牲材料。空体积可在逆反、重组反应之前进一步充当保持所形成气体的“缓冲箱”，这些气体在放电期间移除。
在另一示例中，空体积可容纳在电泳或电渗电池的操作期间形成的气体，以由此改进电池的操作。在又一些非限制性示例中，空体积可用于中止或最小化使用固态或胶体电解质的电化学电池中气泡形成的发生。
将理解，甚至在空体积与其在液体媒介内的环境处于气体隔离的情形中，它可仍然能够接受显著量的气体。这可以发生，因为空体积将必然且竞争性地容纳迁移气体直达该空体积内的内部气体压力超过空体积的所谓的“气泡点”的点。在此阶段，一个或多个气泡将以不受控的方式形成在空体积与周围液体媒介之间的界面处。因而，空体积可在液体或胶体媒介内处于气体隔离中的事实没有阻止它接受并容纳甚至显著量的气体。术语“气泡点”在本文中用在申请人的题为“Method and Electrochemical Cell for ManagingElectrochemical Reactions(用于管理电化学反应的方法和电化学电池)”的国际专利公开No.WO2015/013764中描述的上下文中，其通过援引纳入于此。
在另一优选实施例中，空体积不仅仅接受并容纳迁移气体，而是改为或另外地形成将运输来自/去往电池的另一部件、或完全进入/运出电池(例如，去往保存箱)的迁移气体的气体管道。例如，空体积可用于允许在电池的电解质内形成的不想要的气体从电池逸出。
例如，空体积可将气体从存在于电极(包括气体生成电极)之间的电解质运输到电池的另一部件，该部件位于电池的导电通路外部或基本上位于导电通路外部或电池的外部。在其他示例中，空体积可用于持续移除电极之间的液体或胶体电解质内的溶解气体，以由此改进导电性并且因此改进电池的电效率。即，空体积可被用来持续对电解质进行“除气”并将溶解气体排出到空气中，以由此改进电解质的导电性。
在其他示例中，空体积可用于竞争性地抑制气体在电解质内的溶解，以由此最大化电解质的导电性。在附加示例中，空体积可用于将特定惰性气体带入电池中，以由此使电解质中有饱和的相对惰性气体并由此改进电池的总体效率。
在另一优选实施例中，空体积可以与电极相关联。即，空体积可以形成气体扩散电极的气体侧，其中电极的气体侧位于电极之间电池的导电通路的外部或基本上在外部，并且其中气体扩散电极的气体侧促进气体移入或移出电池。气体扩散电极可用于将在电池处生成的气体运输到电池之外；替代地，气体扩散电极可用于将气体从电池外部运入电池。此类电池的示例包括‘电合成’或‘电能’电池。
优选地但非排他地，电池在“电解质因子”(EF；例如，以mA.mol/L.s为单位)增加或最大化到最大合理程度的条件下操作。“电解质因子”(EF；以mA.mol/L.s为单位)反映了液体电解质的导电能力与液体电解质中气体溶解和扩散的程度的比值。在涉及多种气体的情况下，“电解质因子”(EF；以mA.mol/L.s为单位)反映了液体电解质的导电能力与所有气体在液体电解质中的气体溶解和扩散的程度的总和的比值。
相应地，并且优选地但非排他地，上述物理条件被设置成使得增加或最大化电池中的电极之间的液体或胶体电解质的导电性。此外，优选地但非排他地，上述物理条件被设置成降低或最小化气体在电池之间的液体或胶体电解质中的溶解，以由此增加或最大化电解质的导电性。在替换方案中，上述物理条件优选地但非排他地被设置成降低或最小化溶解在电极之间的液体或胶体电解质中的气体的扩散速率。在第三替换方案中，上述物理条件优选地但非排他地被设置成降低或最小化气体在电解质中的溶解、或气体在电解质中的扩散速率、或其合适组合，以增加或最大化电池在操作中的效率和/或从能效或电效率的观点来看。
因而，在不同示例中，自然发生或人工的一个或多个空体积(例如，预先存在的气泡、气体区或气体通路)可被定位在：
(i)电极之间的导电通路的外部，
(ii)基本上在电极之间的导电通路的外部，
(iii)部分地在电极之间的导电通路的外部，
(iv)在电极之间的导电通路的外围或邻近，
(v)在电极之间并且在导电通路内，但具有相对于电极之间的导电通路的小横截面积，
(vi)在电极之间并且与导电通路平行，以具有相对于电极之间的导电通路的小横截面积，
(vii)在电极之间并且与电极之一或两者垂直，以具有相对于电极之间的导电通路的小横截面积，和/或
(viii)在电池的液体电解质或胶体电解质之内、部分地在其之内、与其相邻或邻接。
优选地但非排他地，电池可以在其中交叉流动(CO；例如以％为单位)被降低或最小化到最大合理程度的条件下操作。交叉流动(CO；以％为单位)是归因于液体电解质中的气体迁移而从一个电极跨越到另一电极的气体的百分比。在各示例实施例中，交叉流动(CO)优选地小于或等于40％。在各示例实施例中，交叉流动(CO)优选地小于或等于30％，小于或等于20％，小于或等于15％，小于或等于12％，小于或等于10％，小于或等于8％，小于或等于5％，小于或等于4％，小于或等于3％，小于或等于2％，小于或等于1％，或者小于或等于0.5％。在每一情形中，交叉流动(CO)大于或等于0％。在另一示例中，交叉流动(CO)等于或约等于0％。
电化学电池在阳极和/或阴极处基本上无气泡形成，即基本上无气泡。这意味着在阳极和/或阴极处形成或产生的气体的小于15％采取电解质中的气泡的形式。在其他示例实施例中，少于10％的所产生气体采取电解质中的气泡的形式。在其他示例实施例中，少于8％、少于5％、少于3％、少于2％、少于1％、少于0.5％、或少于0.25％的所产生气体采取电解质中的气泡的形式。
高压力操作
在各示例实施例中，用于促进电化学电池在高压力下的工作的方法在申请人于2016年12月14日同时提交的国际专利申请“High pressure electrochemical cell(高压力电化学电池)”中描述，其通过援引纳入于此。
在特定示例实施例中，发明人发现，电化学电池的工作在本文描述的条件下可允许能够以比在许多常规系统中可行的压力更高的压力来工作的电池。另外，较高压力伴有较大能效和/或较高电流密度。即，在特定示例实施例中，发明人发现，操作本文描述的示例电化学电池的模式相对于相当的常规电池的优点被意料之外地放大，以致于允许在迄今不可用或不可行的压力条件下在经济上可行的操作。
示例实施例的电化学电池中所施加压力的增加不应使在阳极和/或阴极处收集的一种或多种气体的纯度降级，至少没有降级到接近在常规电池中观察到的程度。此外，当以所描述的方式工作时，此类电池基本上比相当的常规电池更具电效率和能效。在高压力下所施加的电流密度的增加也可具有渐进地改进而非降级气体纯度(如在常规电池的情形中)的效果。这可伴有高能效和/或高电流密度。这一实现具有重要的现实效用，因为它可产生在迄今不可用或不可行的压力和/或电流密度条件下操作的新的工业电合成和电能工艺。
应当注意，除非另外指明，本文中使用的“压力”(包括对“高压力”的引用)指的是“气体压力”(例如，气体产物压力)，它必然类似于或接近但稍低于“电解质压力”(例如，液体电解质压力)。“电解质压力”不应超过“气体压力”加“膜的湿润压力”(否则膜将泄漏/水淹)。一般而言，作为示例，“气体压力”通常被设置成比“电解质压力”低约0.5巴到1.5巴。
在各示例实施例中，高压力(即，压力)优选地大于或等于10巴。在替换示例实施例中，高压力优选地大于或等于20巴，大于或等于30巴，大于或等于40巴，大于或等于50巴，大于或等于60巴，大于或等于70巴，大于或等于80巴，大于或等于90巴，大于或等于100巴，大于或等于200巴，大于或等于300巴，大于或等于400巴，或者大于或等于500巴。
例如，发明人显著地发现，在高压力条件下碱性电解器中的穿过分隔件的气体交叉流动(i)的问题和跨分隔件的气体压力均衡(ii)的问题(如在WO2013/066331中以及在A.Godula-Jopek(Wiley-VCH,2015)的书籍“Hydrogen Production by Electrolysis(通过电解的氢气生产)”第160-161页上描述的)可通过在阳极和阴极处使用适当的气体扩散电极并随后完全移除分隔件而被消除或极大地缩减。
假定气体扩散电极具有合适高的湿润压力，且各电极的液体大于气体侧的压力差从不允许超过该湿润压力，则找出在其下气体交叉流动最小并且当然远小于常规电化学电池的物理条件是可能的。结果，以高压力来生产高纯度气体变成可能。
移除隔膜、分隔件或离子交换膜还避免如在例如在WO2013/066331中且在A.Godula-Jopek(Wiley-VCH,2015)的书籍“Hydrogen Production by Electrolysis(通过电解的氢气生产)”第160-161页上描述的Avalence LLC开发的电解器中观察到的均衡阴极液室与阳极液室的压力所涉及的困难。在移除分隔件时，阴极液室和阳极液室变成一个室，使得压力差随后可存在于阴极和阳极之间，至少来自施加到电解质的压力。与避免气泡形成相呼应，移除分隔件进一步消除了如在例如在WO2013/066331中且在A.Godula-Jopek(Wiley-VCH,2015)的书籍“Hydrogen Production by Electrolysis(通过电解的氢气生产)”第160-161页上描述的Avalence LLC开发的上述电解器中观察到的、源自占据分隔件的气孔的气体气泡的交叉流动。
液体电解质中没有或基本上没有气泡进一步意味着增加电流密度不会造成源自“气泡过电势”、“气泡帘”和“空隙度”效应的电阻增加和能效减少。出于这一原因，还降低了对快速抽取电池周围的电解质的需求。相反，较高电流密度(在高压力下)具有有益效果，这涉及迁移和减少归因于电极之间的液体电解质中的溶解气体的迁移而发生的气体交叉流动的相对量。此类迁移的速率可以远小于气泡迁移通过分隔件的速率。这也由所采用的物理条件来固定，包括温度、液体电解质中的盐的浓度、电极的分开程度、施加到液体电解质的压力，等等。因为其速率是固定的，所以通过增加电流密度(在高压力条件下)来增加总体气体生成速率用于降低此类气体交叉流动对气体生成的总体速率的相对贡献。在这样做时，随着总体电流密度增加，由这一类型的气体交叉流动所造成的产物气体中的杂质变得较少，包括趋于零地少。即，在高压力下电流密度的增加使得所生成的气体的纯度增加，并且这以高总体电效率来发生。
这些属性与美国能源部的2015Annual Merit Review Proceedings(HydrogenProduction and Delivery)中的项目PD117的演示中的陈述(大意是当前“不可能在高压力下具有高效率”)完全相反。此外，这些非预期属性克服了高压力碱性电解器中的基础障碍，如在WO2013/066331中以及在A.Godula-Jopek(Wiley-VCH,2015)的书籍“HydrogenProduction by Electrolysis(通过电解的氢气生产)”第160-161页上描述的、AvalenceLLC开发的电解器中解说的，其操作在能被高效地施加的电流密度和以下事实两方面受到限制：增加压力导致增加不纯气体(由此，最终限制最大所施加压力)。
作为这些属性的结果，本文描述以及在申请人在2016年12月14日同时提交的题为“Electrochemical cell and components thereof capable of operating at highcurrent density(能够以高电流密度来工作的电化学电池及其组件)”的国际专利申请(其通过应用纳入于此)中描述的示例电化学电池能够意料之外地用来生成高纯度的高压力气体，可任选地以高电流密度以及可任选地使用高电效率和能效而无需气体压缩机。类似原理适用于逆向情形，即上述类型的燃料电池，它可利用高纯度的高压力气体以高电流密度来达到高电效率和能效。
相应地，在一个方面，各实施例提供了以高压力从液体电解质中生成一种或多种高纯度气体而无需气体压缩机的电化学电池。优选地，电池以高电效率和高能效来工作。
优选地，在气体生成电极处，气体的气泡没有形成或产生，或者基本上没有形成或产生。还优选地，气体生成电极和反电极之间(即，阳极和阴极之间)没有放置隔膜、分隔件或离子交换膜。在另一示例中，该方法包括选择各电极之间的电极间距离(ID)和/或选择电流密度(CD)，以使得电化学电池的交叉流动(CO)小于或等于40％。可任选地，交叉流动(CO)等于或约等于0％。在一个示例中，一个或多个空体积被定位在气体生成电极之处或附近。一种示例方法包括以大于或等于50mA/cm2的电流密度且以大于或等于10巴的压力来操作电化学电池。
在各示例实施例中，气体的高纯度优选地大于或等于90％。在替换示例实施例中，气体的高纯度优选地大于或等于95％、大于或等于97％、大于或等于99％、大于或等于99.5％、大于或等于99.9％、大于或等于99.99％、大于或等于99.999％、大于或等于99.9999％、或者大于或等于99.99999％。在另一示例中，所生成的气体具有等于或约等于100％的纯度。
在各示例实施例中，高压力优选地大于或等于10巴。在替换示例实施例中，高压力优选地大于或等于20巴，大于或等于30巴，大于或等于40巴，大于或等于50巴，大于或等于60巴，大于或等于70巴，大于或等于80巴，大于或等于90巴，大于或等于100巴，大于或等于200巴，大于或等于300巴，大于或等于400巴，或者大于或等于500巴。
在另一方面，电化学电池以高压力从液体电解质以高电流密度生成高纯度气体并且无需气体压缩机。
在另一示例中，电化学电池以高压力从液体电解质生成高纯度气体而无需气体压缩机，其中电化学电池将气体扩散阳极和气体扩散阴极中的至少一者或两者相组合，它们两者都具有相对高的湿润压力。
在各示例实施例中，高湿润压力优选地大于或等于0.2巴。在替换示例实施例中，高湿润压力优选地大于或等于0.4巴，大于或等于0.6巴，大于或等于0.8巴，大于或等于1巴，大于或等于1.5巴，大于或等于2巴，大于或等于2.5巴，大于或等于3巴，大于或等于4巴，或者大于或等于5巴。
在示例实施例中，对抽取电池周围的电解质的仅减轻或较小需求是必要的，电解质替换速率优选地是小于每1小时电池体积中电解质的1次替换。在替换示例实施例中，电解质替换速率优选地是小于每45分钟电池体积中电解质的1次替换、小于每30分钟电池体积中电解质的1次替换、小于每15分钟电池体积中电解质的1次替换、小于每10分钟电池体积中电解质的1次替换、小于每5分钟电池体积中电解质的1次替换、小于每1分钟电池体积中电解质的1次替换、小于每30分钟电池体积中电解质的1次替换、小于每30秒电池体积中电解质的1次替换、小于每5秒电池体积中电解质的1次替换、或者小于每1秒钟电池体积中电解质的1次替换。
在又一示例方面，提供了使用在工作中无气泡或基本上无气泡的气体扩散电极的电合成或电化学电池，诸如电化学电池或燃料电池，其中电池是以高压力和/或高电流密度来工作的。类似原理适用于逆向情形，即：上述类型的电池可以利用(使用或不使用压缩机来获得的)高压力的高纯度气体、可任选地以高电流密度来从而可任选地达到高电效率和高能效。
这些示例提供了：
(1)电化学电池，该电池的阳极和阴极之间不包含离子可渗透膜，并且在高压力下从液体或胶体电解质生成高纯度气体或一种或多种纯气体，而无需气体压缩机。
(2)电化学电池，该电池的阳极和阴极之间不包含离子可渗透膜，并且以无气泡的方式或基本上无气泡的方式在高压力下从液体或胶体电解质生成高纯度气体或一种或多种纯气体，而无需气体压缩机。
(3)电化学电池，该电池的阳极和阴极之间不包含离子可渗透膜，并且以无气泡的方式或基本上无气泡的方式在高压力下从液体或胶体电解质生成高纯度气体或一种或多种纯气体，而无需气体压缩机，其中该电池如下工作：
i.具有高电流密度和/或高能效；和/或
ii.其中电流密度的增加造成所生产的气体的纯度增加。
涉及突发且大的间歇和/或波动电流的操作
在各示例实施例中，用于促进电化学电池在间歇和/或波动电流源下的工作的方法在申请人于2016年12月14日同时提交的国际专利申请“Electrochemical cell thatoperates efficiently with fluctuating currents(波动电流下高效工作的电化学电池)中描述，其通过援引纳入于此。”
许多已知气体生成液体填充电化学电池(像常规碱性电解器)不能处置突发且大的电流增加(如可能在它们直接连接到高间歇电流源时发生)，诸如可再生能源(像风力发电机、太阳能面板或海浪/潮汐发电机)可提供的。在电流非常快速地上升的情形中，在此类电池中可非常快速地产生大量气体，从而造成潜在的压力爆发危险以及还潜在地将液体电解质压迫出电池之外，从而在机械上或电化学上或在这两者上损坏电池。
在使用多孔电极的情况下，避免气孔中突然的大规模气体放出也可以是必要的，因为以此方式形成气泡可在机械上损坏催化剂，从而造成催化剂颗粒的破碎或腐蚀。存在着电池可受突发电流浪涌损害的各种其他方式。
各种专利教导了在液体填充电池的电流过强地浪涌时立即或渐进地将其从电源切断的方法和规程。例如，US20140120388教导了一种在再充电期间用于电池的切断开关，其中该切断开关的激活被链接到可以产生的任何气体的压力。US20120181992教导了一种链接到连接至间歇能量源的电池电压的切断开关。US20110156633教导了一种调制传入的间歇式电流的电压以避免损坏的太阳能系统。常规碱性电解器通常必须以约300mA/cm2的电流密度操作，其中电流或电流密度的浪涌被限于不超过该值的约20-30％。
作为对比，在特定示例中，发明人发现，本文描述的示例电化学电池(最经济地以低电流密度来操作)意料之外地能够在电流的显著大且突发的浪涌或变化的条件下操作，而没有或只有很少注意得到的后续性能降级。
各实验表明，本文描述的示例电化学电池可以在意料之外的条件或范围下操作以例行地处置例如在几毫秒内递送的超过它们的正常工作电流至少25倍的电流浪涌。此外，测试已经揭示出，电化学电池可以几秒的时间间隔重复地处置此类规模的浪涌，在超过六个月的时间段期间持续地应用且没有中断，而没有注意得到的电化学性能的降级。据发明人所知，没有其他电池类型且尤其是没有其他含液体的电池具备这一性能能力。
这一真实的显著的能力的起因看起来在于，与液体内新形成或溶解的气体形成新气泡相比，它在能量上更有利于该气体加入大的预先存在的气泡。此外，液体电解质内溶解气体的浓度也被最小化并在预先形成的气泡周围保持低于过饱和水平，因为气泡提供了过量气体分子可快速且容易地逸出液相的附加界面。因而，实际上，液体电解质在现有气泡附近变得过饱和是不可能的，因为气泡界面提供了现成且有利的路线以供过量气体从液相逸出。
相应地，如果“人工气泡”(诸如气体扩散电极的气体侧或气体区)存在于含液体电池中的气体的形成点附近，则强有利于新形成的气体加入该“人工气泡”，而非形成新气泡或以过饱和方式溶解在液体中。此外，如果“人工气泡”具有很大体积和大气体-液体界面，则它可接纳并吸收可在液相中极其突然地形成的甚至非常大量的气体。换言之，“人工气泡”(由气体扩散电极的气体侧来表示)可充当快速地吸收并移除在液相内非常快速地形成的甚大量气体的缓冲区。以此方式，突然的大规模气泡形成可造成的损坏可以被整体消除，或至少被很大程度地减轻。
此外，因为“人工气泡”(由气体扩散电极的气体侧来表示)位于穿过液体电解质的导电通路的外部，所以大量气体的突然形成不必以任何显著的方式影响液体电解质的电阻。即，不仅突然气泡形成的潜在损坏效果被减轻，而且电池的电阻并且因此电效率和能效也可不受实质影响、换言之，在电流的突然且大规模浪涌期间，电池保持能够以相对于常规电池的经放大能效来操作。
这些实现提供了：
(1)含液体或胶体的电化学电池，它能够接纳或接收所施加电流的大且突发的增加和/或波动，而没有体验到显著损坏，该电池包括：
i.一个或多个空体积，该一个或多个空体积被置于或定位在穿过液体或胶体电解质的导电通路外部、或基本上在其外部、或部分地在其外部、或在其周界上、或在其之内但只提供其小横截面积；以及
ii.集电器和/或电极；
其中
iii.该一个或多个空体积能够接纳在所施加或供应的电流中的大且突发的增加和/或波动期间生成的气体；以及
iv.电池中的集电器和/或电极能够接纳或接收所施加或供应的电流中的大且突发的增加和/或波动。
(2)一种用于制造含液体或胶体的电池的方法，该电池能够接纳或接收所施加或供应的电流的大且突发的增加和/或波动，而没有体验到显著损坏，该方法涉及：
i.将一个或多个空体积置于或定位在液体或胶体电解质之内、邻近或附近，但在穿过液体或胶体电解质的导电通路外部、或基本上在其外部、或部分地在其外部、或在其周界上、或在其之内但只提供其小横截面积；以及
ii.将集电器和/或电极定位在电池内；
其中
iii.该一个或多个空体积能够接纳在此类浪涌期间生成的气体；以及
iv.电池中的集电器和/或电极能够接纳此类浪涌中涉及的电流。
在一示例实施例中，如本文先前讨论的，该一个或多个空体积不仅仅接受并容纳迁移气体，而是改为或另外地形成将运输来自/去往电池的另一部件、或完全进入/外出电池(例如，去往保存箱)的迁移气体的气体管道。例如，空体积可用于允许在电池的电解质内形成的不想要的气体从电池逸出。
例如，该一个或多个空体积可用于允许在电化学电池的电解质内快速形成的气体从电池逸出到外部保存箱或排出到大气中。在各示例实施例中，该一个或多个空体积可以将快速且突然形成的气体从存在于电极之间的电解质运输到电池的位于电池的导电通路外部或基本上在其外部的另一部分、或运输到电池外部。
在此类实施例中，优选地但非排他地，总的空体积(包括管道和保存箱)或外部大气相对于电流的快速且突发的浪涌可造成的气体体积而言更大或非常大。即，优选地但非排他地，总的空体积诸如用于提供容易地吸收可在电化学电池内快速且突然地形成的大量的一种或多种气体的能力。
在另一方面，提供了能够直接利用间歇、波动或可再生能源(诸如太阳能供能或风力供能或海浪/潮汐供能的可再生能源)的气体-液体电化学电池，而没有电流的注意得到的调制或调理(它可以是直流(例如来自太阳能面板)或交流(例如，来自风轮机))。例如，代替将太阳能发电机或风力发电机或海浪/潮汐发电机的电流输出转换成近乎均匀强度的交流电，此类发电机所产生的间歇电流的原始输出可由本文描述的示例电化学电池直接利用。这消除了数种能量损失，从而允许对可再生能源的更高效使用，诸如太阳能发电机、风力发电机和海浪/潮汐发电机。
高电效率和/或能效操作
在各示例实施例中，用于促进电池以高电效率和/或高能效来工作的电化学电池和方法例如在电池促进吸热电化学反应时在申请人于2016年12月14日提交的题为“Methodand system for efficiently operating electrochemical cells(用于高效地操作电化学电池的方法和系统)”的同时国际专利申请中描述，其通过援引纳入于此。
用于以高电效率和高能效来操作电池的示例方法可在吸热电化学反应被促成时发生。在此类应用中，该电池可用于最小化或至少注意得到地降低促成液体-气体反应的电化学电池中涉及的固有能量低效性。例如，在这些情形中，气泡可具有的耗能影响可被显著地减轻。
在特定实施例中，发明人进一步认识到，对于此类吸热电化学反应，可以开发能够在所谓的“热中性电压”(这表示电池能操作的最大可能能效)下方、之处、周围或附近来可持续地催化反应的催化剂。为了正确地实现可能能效，有必要采用本发明实施例的电池，其提供本来已经存在的固有低效性的最小化或至少注意得到的降低。
在各示例实施例中，电效率被定义为在特定时间段期间，输入电池的总能量相对于电池所生成的产物中包括的总能量的比率。在各示例实施例中，高电效率和高能效优选地大于或等于70％。在替换示例实施例中，高电效率和高能效优选地大于或等于75％、大于或等于80％、大于或等于85％、大于或等于87％、大于或等于90％、大于或等于93％、大于或等于95％、大于或等于97％、大于或等于99％、或者大于或等于99.9％。
本文描述的在环境(例如，房间)温度之处或附近操作示例电化学电池的新方法依据以下事实：电池能以低电流密度在经济上可行地操作。它们还可被用来促进在性质上吸热的反应；即，吸收热量的反应。这是重要的，因为对于该类型的反应，可存在在低于“热中性”电压的电池电压(在环境(例如，房间)温度之处或附近)处催化该反应的可用催化剂，但它们只可在低电流密度下这样做。
因而，发明人理解，在电池(以低电流密度可行地操作)内在环境温度之处或附近(其中它们只产生低电流密度)在低于热中性电压、位于热中性电压之处、周围或附近的工作电压下操作合适的催化剂提供了对能量高效的液体-气体电化学电池的开发而言有用的办法。
发明人进一步认识到，在固定电流密度下，此类电池的工作电压可随温度增加而下降。即，对于合适的催化剂，通过增加电池的温度，可达到热中性电压之处、周围或附近的较高电流密度。假定电池能够经受较高温度而没有损坏或损伤，则在较高温度下以较高电流密度在热中性电压之处、周围或附近操作电池是可能的。
因而，发明人理解，在能够经受较高温度而没有损坏或损伤的电池内在较高温度下在低于热中性电压、位于热中性电压之处、周围或附近的工作电压下操作合适的催化剂提供了对能量高效的液体-气体电化学电池的开发而言有用的办法。
另外，发明人理解，对此类电池中的热管理的另一有用办法(称为“热自调节”)涉及允许电池的工作温度根据热参数而变化且不是固定的。即，热管理的有用办法涉及允许电池在“热自调节”的过程中找出其自己的最优工作温度。可任选地，这可以通过电池以热隔离卷绕来完成。这一办法涉及按需施加特定电流密度(在存在合适催化剂的情况下)。如果在电池的温度处，所施加的电流密度造成电池中比热中性电压更高的电压，则电池将渐进地加热自身。随着电池加热自身，电池电压通常将降低。在所施加的固定电流密度下，电池将持续加热自身，直至电池电压降至热中性电压之处、周围或附近的时刻(取决于热隔离的质量)。此时，电池的温度将稳定并停止增加。在整个过程期间，电池将以接近热隔离将允许的能效的100％来工作。如果所施加的电流密度造成电池电压降至低于热中性电压，则将发生以上情形的反转。
热中性电压被定义为其中催化剂和相关联的导体所生成的热等于反应所消耗的热的电池电压。如果在热中性电压下执行吸热电化学反应，则反应物转换成产物的能效和电效率根据定义是100％，因为输入到电池的所有能量一定被转换成该反应的产物内的能量。即，输入到电池的总电能和热能与该反应的产物中存在的总能量相匹配，而没有过量输入能量辐射到周围环境。然而，如果反应以高于热中性电压来执行，则生成过量能量(通常是热的形式)。如果反应以低于热中性电压来执行，则需要增加能量(通常是热)以避免该系统的自冷却。
在特定示例实施例中，发明人认识到，本文描述的示例电化学电池可以按经济上可行的方式在热中性电势之处、低于热中性电势或在热中性电势附近工作，例如以避免对大量的且耗能的电冷却系统的需求。这一实现具有对此类电池的热管理和能效的重要且深远的暗示。使用足够强大的催化剂和/或合适高的温度，本文描述的以及在申请人于2016年12月14日提交的题为“Electrochemical cell and components thereof capable ofoperating at high current density(能够以高电流密度操作的电化学电池及其组件)”的同时国际专利申请中描述的类型的示例电化学电池可以按经济上可行的方式在热中性电势之处、低于热中性电势或在热中性电势附近工作。
在特定示例实施例中，发明人生产了合适的示例催化剂，其促进电催化水电解。催化剂被施加到电极中的至少一者或两者，以促进在电化学电池的工作电压下的吸热电化学反应。在优选但非限制性示例中，催化剂包含以下催化材料中的一者或多者：(i)贵金属(独立的或成为载体的)，包括但不限于在碳材料上作为载体的铂黑、Pt(例如，碳黑上的Pt)、碳材料上的Pt/Pd(例如，碳黑上的Pt/Pd)、IrO2、以及RuO2；(ii)镍，包括但不限于：(a)纳米颗粒镍，(b)海绵镍(例如，雷尼镍)以及(c)镍泡沫；(iii)镍合金，包括但不限于NiMo、NiFe、NiAl、NiCo、NiCoMo；(iv)镍氧化物、氢氧化物、羟化物及其组合，而非限制；(v)尖晶石，包括但不限于NiCo2O4、Co3O4以及LiCo2O4；(vi)过氧化物，包括但不限于La0.8Sr0.2MnO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3以及Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3；(vii)铁以及铁化合物，包括但不限于纳米颗粒铁粉等；(viii)钼化合物，包括但不限于MoS2；(ix)钴以及钴化合物，包括但不限于纳米颗粒钴粉等；以及(x)锰以及锰化合物，包括但不限于纳米颗粒锰粉等。
在另一示例中，催化剂包括以上催化材料中的一者或多者与PTFE混合(例如，来自Sigma-Aldrich的5％乙醇悬浊液)。浆料以层或涂层被优选地但非排他地涂敷(例如，刀涂)到电极和导体上。在一特定示例中，在干燥之后，催化剂包含约40％重量的PTFE、约60％重量的催化材料。可任选地，碳黑也可被添加到该浆料。
催化剂中的组分材料的以上百分比可以变化并且催化剂可保持起作用。例如，在干燥时，催化剂的合适范围是：
约5％到约95％重量的PTFE，以及
约5％到约95％重量的催化材料。
在另一示例中，在干燥时，催化剂的合适范围是：
约5％到约90％重量的PTFE，
约5％到约90％重量的未涂敷碳黑，以及
约5％到约90％重量的催化材料。
在另一示例中，电极之间没有放置离子交换膜。在又一示例中，电极之间没有放置隔膜。在又一示例中，电解质是液体电解质或胶体电解质。在又一示例中，所产生的气体或至少一种气体的气泡没有或基本上没有在电极中的任一者处产生或形成。
只可在经济上在热中性电压之上工作的常规电池在操作期间将必然出现必须通过合适的冷却系统移除的过量热。冷却系统(诸如冷却器)通常是昂贵且低能效的。因而，不仅此类常规电池在造成并浪费过量热的工作电压下工作，还必须花费进一步能量来移除该过量热。所得的倍增效果通常具有在例行工作期间极大地削弱电池的总体能效的效果。例如，在例行工作期间生成0.5-10kg/天的氢气的小型水电解器通常每生产1千克氢气消耗75-90kWh。然而，一千克氢气事实上只需要39kWh能量来制造。该差很大程度上归因于所生成的废热和需要移除该废热的低能效冷却器。
作为对比，在热中性电势之处、低于热中性电势、在热中性电势周围或附近工作的电化学电池没有造成需要被移除的显著过量热。如果电化学电池可以在热中性电势之处、周围或附近工作，则可生成很小的过量热，这易于消散到周围环境中而无需正式或专用冷却系统。另选地，过量热可被用来维持高于环境温度的特定工作温度。如果电化学电池可以在热中性电势之处工作，则根本没有与周围环境交换的热。如果热化学电池能低于热中性电势来工作，则必须向电池/系统施加热以维持该电池/系统温度并阻止其冷却。
然而，在此类意料之外的工作模式中，在特定示例实施例中，发明人认识到，此类所需的热可相对容易、高效且快速地使用电能来产生；例如通过电阻加热。此外，仅施加所需的热以维持电池温度变得是可能的，从而确保电池不浪费能量并以尽可能接近100％的效率来工作。
通过这些手段，电化学电池中的吸热电化学反应的热管理可变得比当前可能的简单和高效得多。事实上，电化学电池中的普遍和通常有问题的加热现象在以经济上可行的方式以低于热中性电势来工作的电池中可被转成优点。即，它可被用来确保电池以最大的可能效率来工作。此类选项对于必须以高电流密度来工作以便在经济上可行和/或在高工作温度下可能被不可逆地损坏或损伤的常规电池而言是不可用的。
例如，水电解是吸热过程。在形成1kg氢气理论上所需的39kWh中，33kWh必须以电能的形式来提供且6kWh必须以热能的形式来提供。数种催化剂已知能够以小于水电解的热中性电池电势(在环境温度下是1.482V)的电压来催化水电解。
然而，所有催化剂在典型的环境温度下在热中性电势之处或低于热中性电势只产生相对低的电流密度。相应地，常规水电解器(它只可以按经济上可行的方式以高电流密度来工作)不能以任何种类的效用来利用这一效果。它们必须在远高于热中性电压的工作电压下工作，从而使得形成过量热，这随后必须以进一步的能量惩罚来移除。
甚至在电池以稍高于热中性电压来工作的情形中，该电池可能足够接近热中性电压，使得所生成的过量热连同另外施加的电热被用于将电池加热到更优工作温度并将它维持在该温度，而无需正式或专用冷却系统。
因而，在特定示例实施例中，发明人认识到，如果此类电化学电池被设计成使得由其电组件产生的电阻加热最小，或者更优选地，可控制地低，则使用此类电阻加热来仅施加所需量的热以维持电化学电池在其工作温度下变得可能。以此方式，对主动冷却的需求可被消除，或者至少显著地减轻。这是重要的，因为电阻加热的成本通常比主动冷却的成本便宜数个量级。即，不仅在此类电化学电池中可能达到更高的总体能效，还可伴有更低经济成本，这在工业应用中总是重要的。
这些教导对于电化学液体-气体电池的热管理、能效以及货币成本具有潜在地重要且深远的暗示。这些选项迄今在仅以高电流密度和固定的相对低工作温度可行地工作的常规电池中是不可用的。具体而言，新技术认为过量热是需要被引领并保存而非浪费的有价值资源。
优选地但非排他地，电加热是在电池的电组件内施加的电阻加热。优选地但非排他地，电阻加热发生在电化学电池内与电解质接触的一个或多个电组件处，使得该加热被利用在电池的工作中。优选地但非排他地，电阻加热由各组件的固有电阻来生成和调制。在替换示例中，通过在电流的输入/输出中施加特定波形来生成和/或调制电阻加热。
可任选地，电化学电池可通过部分或全部地包封电化学电池的热隔离(这是使用一种或多种热隔离材料的包封)来与其周围环境热隔离。
在另一方面，提供了用于促进吸热电化学反应的电化学电池的热管理方法或系统，该方法或系统：
i.改进吸热电化学反应迄今可达到的电效率；
ii.该方法或系统涉及：
1.将电池维持在该反应的热中性电池电压之处、周围或附近，以及
2.通过以下操作将电池维持在合适的工作电压之处、周围或附近：
3.施加电加热，包括但不限于电阻加热。
在另一方面，提供了用于促进吸热电化学反应的电化学电池的热管理方法或系统，该方法或系统涉及：
i.使用一种或多种催化剂，该催化剂能够以至少低电流密度在环境温度下在该反应的热中性电压之处、周围或附近来促进该反应；
ii.该方法或系统涉及：
1.将电池维持在该反应的热中性电池电压之处、周围或附近，以及
2.通过以下操作将电池维持在合适的工作电压之处、周围或附近：
3.施加电加热，包括但不限于电阻加热。
这些实现提供了：
用于促进吸热电化学反应(诸如水电解)的电化学电池的热管理方法或系统，该方法或系统涉及：
1.将电池维持在该反应的热中性电池电压之处、周围或附近，以及
2.通过施加电加热，包括但不限于电阻加热，来将电池维持在合适的工作电压之处、周围或附近；
3.其中，可任选地：
i.电池改进可达到的电效率；
ii.电池包含催化剂，该催化剂能够以至少低电流密度在环境温度之处或附近在热中性电压之处、周围或附近来促进该反应；包括可任选地：
iii.在优选但非限制性示例中，催化剂包含以下催化材料中的一者或多者：(i)贵金属(独立的或成为载体的)，包括但不限于在碳材料上做载体的铂黑、Pt(例如，碳黑上的Pt)、碳材料上的Pt/Pd(例如，碳黑上的Pt/Pd)、IrO2、以及RuO2；(ii)镍，包括但不限于：(a)纳米颗粒镍，(b)海绵镍(例如，雷尼镍)以及(c)镍泡沫；(iii)镍合金，包括但不限于NiMo、NiFe、NiAl、NiCo、NiCoMo；(iv)镍氧化物、氢氧化物、羟化物及其组合，并非限制；(v)尖晶石，包括但不限于NiCo2O4、Co3O4以及LiCo2O4；(vi)过氧化物，包括但不限于La0.8Sr0.2MnO3、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3以及Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3；(vii)铁以及铁化合物，包括但不限于纳米颗粒铁粉等；(viii)钼化合物，包括但不限于MoS2；(ix)钴以及钴化合物，包括但不限于纳米颗粒钴粉等；以及(x)锰以及锰化合物，包括但不限于纳米颗粒锰粉等。该电池能够以低电流密度可行地工作，和/或能够经受工作温度而没有损坏或损伤；和/或
iv.通过将该电池部分地或全部地包封在热隔离材料中，该电池与其周围环境热隔离。
高电流密度工作
如在申请人于2016年12月14日提交的题为“Electrochemical cell andcomponents thereof capable of operating at high current density(能够以高电流密度来工作的电化学电池及其组件)”的同时国际专利申请(其通过援引纳入于此)中描述的，公开了能以高电流密度来工作的示例电化学电池。
在各方面，提供了电化学电池及其组件和/或用于电化学电池的在高电流密度下(或等效地在高电流下)工作的方法。
在此类高电流密度工作中，在电池针对这一目的适配之后，上述电池能以比相当的常规电池可用的能效显著更高的能效和电效率来工作。即，相对于相当的常规电池，本文描述的合适地适配的示例电化学电池的优点可在高电流密度下最强地放大。这一发现具有重要的实用性，因为许多工业电合成和电能电池旨在以最高的合理电流密度来工作。因此可以实现显著的能量和电节省。
此外，对于其中高电流密度和高能效是必要的以达到经济可行性的电化学反应而言，这一发现可以产生迄今不可用或不可行的新工业电合成和电能工艺。
在各示例实施例中，高电流密度优选地大于或等于50mA/cm2。在其他示例实施例中，高电流密度优选地大于或等于100mA/cm2、大于或等于125mA/cm2、大于或等于150mA/cm2、大于或等于200mA/cm2、大于或等于300mA/cm2、大于或等于400mA/cm2、大于或等于500mA/cm2、大于或等于1000mA/cm2、大于或等于2000mA/cm2、或者大于或等于3000mA/cm2。
本文描述的示例电化学电池(包括但不限于WO2013/185170、WO2015/013765、WO2015/013766、WO2015/013767以及WO2015/085369中描述的类型的电池)的适配可涉及对集电器、汇流条、电连接、电源/接收器、以及其他组件的特殊设计或修改。例如，上述类型的电合成电池的电源内的所选组件可被特别地设计以处置高电流密度。在示例实施例中，用于促进以上类型的电池的工作的电源在申请人于2016年12月14日提交的题为“DC powersupply systems and methods(DC电源系统和方法)”的同时美国临时申请中描述，该临时申请通过援引纳入于此。类似地，如果需要，则新颖集电器(诸如非对称导电网格)可被使用，以在高电流密度下高效地分配电流。
还开发了新电组件(例如，汇流条)和用于制造诸如汇流条之类的适于高电流密度的组件的方法以及在示例电池或模块中对高能效的维持。该方法不同地涉及在电气上连接各电组件，例如在电学上与螺旋卷绕的电池或平坦薄片电池电气并联地布置的主汇流条。例如，一种方法涉及在从螺旋卷绕的电池的一端延伸离开的螺旋集电器之间使金属楔交叉，并随后使用附连连接总线将经交叉的楔固定(例如，焊接)到主汇流条(“楔”方法)。
在各实施例中，电化学电池因此需要以高电流密度来工作。本公开实施例公开了对平坦薄片和/或螺旋卷绕的电化学电池的改进和/或修改，这使电化学电池能以高电流密度来工作。
在各示例实施例中，平坦薄片配置、布置或设计以及其元件或部件涉及以平坦设置来布置的薄片形式的电极。在各示例实施例中，螺旋配置、布置或设计以及其元件或部件涉及绕中心轴卷绕的薄片形式的电极。
相应地，在各方面，该实施例提供了：电化学电池；电化学电池的元件、组件或部件，诸如电化学电池的电通路、连接、通道、布局等等；以平坦薄片或螺旋卷绕的布局来被部署或能以该布局来部署的电极和电极的配置，诸如叶；和/或具有平坦薄片或螺旋卷绕的配置、布置或设计的电化学电池、模块或反应器；其中平坦薄片或螺旋卷绕的电化学电池能够在其组成电极、叶等中促进或处置高电流密度。
在一个方面，提供了用于使用高电流密度来形成化学反应产物的平坦薄片或螺旋缠绕的电化学电池，包括可任选地绕中心轴卷绕的至少一个电极对。优选地，该至少一个电极对是阳极和阴极。在另一示例中，阳极是气体可渗透的且是液体不可渗透的，和/或阴极是气体可渗透的且是液体不可渗透的。
在又一些示例中，电极(阳极和阴极)包括涂敷有一种或多种催化剂的、其中嵌入有集电器的气体可渗透、液体不可渗透的材料。在示例实施例中，集电器可以是导电织网，诸如金属网格，其中水平和垂直线束大致是相同直径。在其他示例中，集电器可以是导电织网，诸如金属网格，其中水平线束比垂直线束显著更粗，或反之。在又一些示例中，集电器可以是不具有编织结构的连续导电网格。在其他实施例中，集电器可以是具有电附连到集电器的导电带(称为副汇流条)的网格。副汇流条可其间有均匀间隔地按周期性方式来附连。
优选地，电化学电池是能以高电流密度来工作的电合成电池(即，具有工业应用的商业电池)或电能电池(例如，燃料电池)。
在另一示例中，电化学电池利用非生物制造的组件或材料，例如聚合物材料、金属材料，等等。在另一示例中，电化学电池只利用非生物制造的组件或材料。
在又一示例中，提供了阳极和阴极之间的用于气体和/或流体运输的电极间通道。可任选地，提供了两个阳极以及这两个阳极之间的用于气体和/或流体运输的阳极通道。同样可任选地，提供了两个阴极以及这两个阴极之间的用于气体和/或流体运输的阴极通道。
在又一示例中，该通道至少部分地由至少一个间隔件来形成。在又一示例中，提供了至少两个阳极和至少一个阳极通道，以及至少两个阴极和至少一个阴极通道。
在一个示例方面，提供了一种具有核心元件的、能够以高电流密度来工作的螺旋卷绕的电化学电池、模块、或反应器，其中一个或多个电极(例如，由阳极或阴极提供的至少一个电极对)可按螺旋方式绕该核心元件卷绕。该至少一个电极对可以形成多电极阵列的一部分，多电极阵列可被认为由可以按螺旋方式卷绕的一串平坦且(优选地但可任选地)柔性的阳极和阴极构成。“叶”包括一个或多个电极，例如一个电极、电极对、多个电极、或某一其他形式的电极单元。在一些示例中，叶是柔性的且可作为单元来被重复。在一些其他示例中，叶是刚性的。因而，在一个示例中，电极是柔性的，例如至少在被卷绕时。在被卷绕之后或在被堆叠在阵列中之后，在一些示例中，可使用硬化工艺来硬化电极。
例如，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：
两个电极，例如两个阴极或两个阳极；
电极对，例如阳极和阴极；或
多个以上各项的任一者。
在另一示例中，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：位于电极气体通道间隔件(即，间隔材料、层、或薄片，它例如可以由多孔聚合物材料制成)的相对侧上的两个电极材料层(其中这两层一起用作阳极或阴极)，这提供这两个电极之间的气体或流体通道。
重复的叶提供作为一串平坦薄片或螺旋卷绕的电极的多电极阵列，其中不同极性的电极之间(例如，阳极和阴极之间)插入有“流通道”间隔件，提供经分开的液体通道。电化学电池、模块或反应器可任选地还涉及端帽以及一个或多个外部元件。
在一示例实施例中，在各叶之间提供电解质，且电解质从轴向端(沿纵轴的螺旋的远端)进入平坦薄片或螺旋卷绕的电化学电池，并且可任选地能够从两轴向端进入或退出电池或模块并可任选地从一个轴向端流向另一轴向端。
在又一示例实施例中，提供了用于在平坦薄片或螺旋卷绕的电化学电池、模块或反应器内电连接柔性叶或刚性叶以使得它们能够以高电流密度来工作的方便且高效的配置、布置、或设计，即多电极阵列，并且其中每一叶与其相关联的一个或多个电极构成密封气体通道。在螺旋卷绕的电化学电池中，至少在螺旋卷绕的电化学电池被形成或卷绕时叶是柔性的。在平坦薄片或堆叠电化学电池中，叶可以是柔性的或刚性的。
在示例实施例中，提供了能够促进高电流密度的螺旋卷绕的电化学电池的核心元件和端帽，该核心元件、端帽和/或外部元件包括或包含作为端帽提供的导电元件，诸如(主)汇流条；并且其中该导电元件能够从电极(它可以是柔性电极)接纳导电端或导电端的一部分、或电极、或(副)汇流条，其中电极可以是平坦薄片布置或可以是绕核心元件的螺旋卷绕。在另一实施例中，导电元件能够向电极(它可以是柔性电极)提供导电唇缘、或导电唇缘的一部分、或电极、或(副)汇流条，其中电极可任选地能够绕核心元件螺旋卷绕。
在示例实施例中，所有阳极电极的集电器被放置成使它们的电极悬垂在电极、叶等的组装件的一侧上，而所有阴极电极的集电器被放置成使它们的电极悬垂在与阳极电极相对的一侧上。所有悬垂阳极电极随后组合成单个电连接，而所有悬垂阴极电极被单独地组合成单个电连接。如果多个叶通过该办法来连接，则这一方法可造成叶的并联电连接。
在这些示例方面，提供了用于形成与电极叶的电连接以由此适当地将该叶中的各电极集合、编组或聚集在一起成为能够促进高电流密度的单个电装置(例如，在并联电连接中)的方法。这些通过下述手段之一来优选地而非排他地达成。
通过螺旋卷绕电池的端帽的电连接(“轴向附连”)：
i.“楔方法”：在这一方法中，以楔变成位于各悬垂集电器之间以由此填充各悬垂集电器之间的空间的方式，将来自阳极或阴极电极、叶等的悬垂集电器下拉在导电楔和导电环的布置上。集电器、楔和环的组合随后被置于紧固的机械接触和电接触。该过程可重复多次以创建电连接的类似集合，这些电连接全部在该环的周围以由此将它们变成位于电池的端帽处的主汇流条。例如，集电器、楔和环可被闩在一起，在这一情形中该方法被称为“闩式楔法”：另选地，集电器、楔和环可被焊接在一起，在这一情形中该方法被称为“焊接楔”法：楔可被狭窄地布置在中心环的指状外突出部中，在这一情形中该方法被称为“窄楔法”。另选地，楔可被较宽地布置，在这一情形中该方法被称为“宽楔法”。
ii.“楔方法”的变型在这些方法中，来自阳极或阴极电极、叶等的悬垂集电器被下拉到导电粉剂集合(“粉剂法”)或小型/微型球(“球法”)和环。此后，粉剂或球被置于与集电器和环的紧固的机械接触和电接触中。例如，粉剂或球可被焊接到集电器和环，由此创建主汇流条作为电池的端帽。使用诸如粉剂或小球之类的小颗粒的优点是它消除了楔方法中存在的对在将悬垂集电器下拉之前仔细排列各楔的需求。假定粉剂或小球具有足够小的颗粒大小，则它将更容易以焊接或其他方式将集电器的元件、粉剂/球和环紧固成强电接触和机械接触的方式使它们位于一处。
iii.“焊料方法”：在这一方法中，来自阳极或阴极电极、叶等的悬垂集电器被下拉到环绕导电环的粉剂焊料。此后，焊料通过加热该组装件来被置于与集电器和环的紧固机械接触和电接触。
iv.“连续楔方法”：在这一变型中，合适厚度的线(例如，方形、矩形、三角形或平坦线)绕该环卷绕。线代替“楔方法”中使用的分立楔。事实上，线形成连续楔。悬垂集电器下拉到连续楔之上，使得集电器与连续楔交叉，这填充集电器之间的空间。此后，线通过例如焊接该组装件来被置于与集电器和环的紧固机械接触和电接触。
v.“螺旋方法”：在这办法中，主汇流条通过在位于端帽处或者本身作为端帽的圆形导体中切出螺旋凸缘来制造。阳极或阴极上的悬垂集电器被切割以匹配螺旋凸缘，使得在电池被螺旋卷绕时，悬垂集电器落在凸缘上并且在卷绕过程期间可紧固且连续地焊接到凸缘。
其他方法或布置可被用于电极、叶等的电连接，以由此能够处置高电流密度。在示例实施例中，全部叶的顶侧上的集电器被放置成使得将它们的电极悬在叶的一侧上，而全部叶的底侧上的集电器被放置成使得将它们的电极悬在该叶的相对一侧上。在所得的叶均匀地堆叠成平坦薄片堆式多叶布置时，随后可通过在该堆的任一侧上按对组合悬垂集电器来作出电连接，其中最顶部和最底部未配对悬垂集电器附连到主汇流条。通过该办法连接的多个叶造成该堆中电极的串联电连接。
在又一些示例中，串联连接的叶堆可被卷绕成螺旋卷绕的电池。多孔流通道间隔件的“针织”包被构造成接纳所选数目的叶，每一者配备有气口。针织包和叶随后绕中心核心元件卷绕，该核心元件已被适配成将每一叶上的气口连接到核心元件内的分开的气体管道。在螺旋卷绕之后，如上所述地作出成对电连接。
进一步示例方面涉及具有串联连接或并联连接的电极或叶的电池促进高电流密度，具有串联连接的电池比具有并联连接的电池消耗高总体电压的更低总体电流。在这样做时，具有串联连接的电池减轻对在需要大总体电流时存在的大型主汇流条的需求。串联布置的其他潜在优点包括：(1)处置电流的大且突发浪涌的经改进能力(因为该系统一般以较低电流来工作)，以及(2)具有较高固有电阻的集电器可被使用(因为电池的总体效率由固有电阻对电池电阻的比率(这在串联连接电池中较小)来确定)。串联连接电池的缺点包括寄生电流的存在。
优选地而非排他地，在制造平坦薄片、螺旋卷绕的或具有螺旋配置、布置或设计的电化学电池、模块、或反应器时，用于形成气体/液体管接的一个或多个布置或方法可以与用于形成电连接的以上布置或方法中的一者或多者相组合。
此外，将理解，情况不一定是螺旋缠绕的电池的各组件是单独地形成的或作为核心元件、端帽或其他元件来提供。在一些示例情况下，各组件可以执行作为所描述的核心元件、端帽或外部元件的功能中的两者或更多者的混合的功能。例如，端帽可被集成地形成为核心元件或外部元件的一部分。在其他示例情况中，组件可以是外部元件或端帽或都不是。将理解，在螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器中并非需要所有类别或类型的元件。例如，可不需要端帽或外部元件。类似地，可不需要核心元件。
在一些实施例中，多个叶可被接通到核心元件、一个或多个端帽、和/或外部元件。在一些实施例中，多个叶可被放置成与核心元件、端帽、和/或外部元件电接触。在这样的示例中，核心元件、端帽和/或外部元件优选地而非排他地被设计成使得将所累加的管接和电系统聚合成用于所管接的气体/液体线中的每一者和电气装置中的每一者的单个外部连接集合。
优选地而非排他地，一旦气体/液体管接和电附连被紧固，电化学电池、模块和/或反应器的柔性叶可被卷成螺旋卷绕的布置，其中在不同的电极与各叶(在一个以上叶的情况下)之间施加合适的间隔件(例如，一个或多个多孔聚合材料薄片)，由此避免在用作阴极或阳极的不同叶的电极之间形成短路。
螺旋卷绕的电化学电池、模块或反应器连同所附连的一个或多个叶和紧固管接以及电连接随后可被优选地而非排他地装入壳体或外壳中，优选地是紧密适合的聚合物壳体并配备有早先描述的类型的端帽。端帽可以是独立单元或者它们可构成壳体或外壳的一部分，或者可以存在独立的端帽和作为壳体或外壳的一部分的外端帽。
高电压工作
在各方面，提供了电化学电池及其组件和/或用于电化学电池的在高电压下工作的方法。
在一个示例中，提供了串联连接的电池，该电池能以比具有等效总体活性电化学面积和相同或相似电流密度的电池(包括并联电连接的电池)更高的总体电压(伴有更低的总体电流)来工作。这可以是有利的，在于与使用低电压高电流电力相比，使用高电压、低电流电力一般更高效。较低总体电流一般还提供较少电阻，并且因此比较高总体电流提供更低的能量(热)损失。
在另一示例中，串联连接的电池比具有等效总体活性电化学面积和相同或相似电流密度的电池(包括并联电连接的电池)需要更少的主汇流条。此外，此类汇流条与具有等效总体活性电化学面积和相同或相似电流密度的电池(包括并联电连接的电池)中的情形相比，连接起来可更简单且较不复杂。
在又一些示例中，与具有等效总体活性电化学面积和相同或相似电流密度的电池(包括并联电连接的电池)相比，串联连接的电池可以显示出处置大且突发的电流浪涌的经增强能力(因为该系统一般以较低总体电流来工作)。
在又一些示例中，与具有等效总体活性电化学面积和相同或相似电流密度的电池(包括并联电连接的电池)相比，串联连接的电池可以更好地允许使用具有较高固有电阻的集电器。这是因为总体电流影响总体电阻，这与电池的效率相关。甚至对于具有较高固有电阻的集电器，较低电流也产生较低总体电阻，由此避免对电池的效率的显著惩罚。
在示例实施例中，还提供了一种用于对平坦薄片或螺旋卷绕的电化学电池、模块或反应器内的叶(即，多电极阵列)进行电连接的方便且高效的配置、布置或设计，并且其中每一叶连同所关联的一个或多个电极构成一个或多个经密封气体通道。在不同示例中，叶可以是柔性或刚性的。
在串联连接的电池的示例实施例中，可以使用双侧电极叶。此类叶由定位在电极气袋(gas pocket)的相对两侧上的两个电极材料层构成，包含气体通道间隔件(即，间隔件材料、层或薄片，这例如可以由多孔聚合物材料制成)，这提供两个电极之间的气体或流体通道。叶内所得的气袋通常配备有气口。双侧电极叶的顶侧上的集电器被放置成使得将它们的电极悬在叶的一侧上，而叶的底侧上的集电器被放置成使得将它们的电极悬在该叶的相对一侧上。在所得的叶均匀堆叠成由液体可渗透‘流通道’间隔件分隔开的平坦薄片、多叶布置时，通过将悬垂集电器按对组合在该堆的两侧上来制作电连接。即，一个叶的顶部电极连接到该叶上方或下方的顶部电极，而这两个叶的底部电极也分开地在该堆的另一侧上彼此连接。这一连接方法沿叶的堆叠的整个长度持续，以使得该堆中的所有叶按配对布置来连接到另一叶。通过该办法连接的多个叶造成该堆中电极的串联电连接。在叶之间的体积填充有液体或胶体电解质时，所得的多电极电池被称为“侧连接串联电池”。这一类型的叶堆也可以是螺旋卷绕的。
在又一些示例实施例中，可以使用包括两个分开的毗连气袋的电极叶，每一气袋具有位于其外部(即，在与毗邻气袋相对的一侧上)的其相关联的多孔电极。所得的叶(在一个示例中它可以是柔性的或者在另一示例中它可以是刚性的)随后包括在其顶部具有电极的分层布置，其中一个气袋在其下方，此后更下方是第二分开的气袋、再后是其下方的在叶的底部上的第二电极。气袋可各自在其内包含气体通道间隔件以支撑它们，并且通常将各自配备有气口。叶的顶部和底部处的两个多孔电极随后通过例如穿过这两个气袋或者包围这两个气袋的两侧的金属互连来彼此电连接。每一此类叶中的两个气袋彼此密封，由此意味着一个气袋中的气体不能穿过进入毗连气袋，且反之亦然。这一类型的双侧双气袋叶随后被堆叠在彼此顶部，它们之间具有液体可渗透的“流通道”间隔件，以由此创建多叶、串联连接的“堆”。在叶之间的体积填充有液体或胶体电解质时，这一类型的所得的电池被称为“双极串联电池”。这一类型的叶堆也可以是螺旋卷绕的。
在另一示例中，叶堆中的两个或更多个电极各自包括一个或多个副汇流条。
在示例实施例中，高电压优选地大于或等于2V。在其他示例实施例中，高电压优选地大于或等于3V、大于或等于5V、大于或等于10V、大于或等于25V、大于或等于50V、大于或等于100V、大于或等于250V、大于或等于500V、大于或等于1000V、或者大于或等于2000V。
在一个示例方面，提供了串联连接的电化学电池，且在以下方面与并联连接的电化学电池区分开：串联连接的电池允许使用显著更小且更容易连接的主汇流条。此外，与相关的个体或并联连接的电池(包括上述类型的螺旋卷绕的电池)一般使用的电流和电压相比，串联连接的电池允许使用较低总体电流但较高总体电压，这可以是有利的，在于与较高总体电流相比，较低总体电流提供了较少电阻并且因此提供了较少(热)损失。此外，与提供高总体电流和低电压的电源相比，提供低总体电流和高电压的电源一般较不昂贵。在示例实施例中，用于促进这些类型的串联连接的电池的工作的电源在申请人于2016年12月14日提交的题为“DC power supply systems and methods(DC电源系统和方法)”的同时美国临时申请中描述，该临时申请通过援引纳入于此。
换言之，与具有带有等效总体活性电化学面积和相同电流密度的并联连接的电池相比，电池内的相应电极之间具有串联连接的电池消耗较高总体电压的较少总体电流。在这样做时，与需要大总体电流时所必需的相比，电池内的相应电极之间具有串联连接的电池需要较小主汇流条。
在示例实施例中，提供了用于电化学反应的多个电化学电池。该多个电化学电池包括包含第一阴极和第一阳极的第一电化学电池，其中第一阴极和第一阳极中的至少一者是气体扩散电极。该多个电化学电池还包括包含第二阴极和第二阳极的第二电化学电池，其中第二阴极和第二阳极中的至少一者是气体扩散电极。优选地，第一阴极通过电子导电通路串联地电连接到第二阳极。
优选地，化学还原作为电化学反应的一部分配生在第一阴极和第二阴极处，并且化学氧化作为电化学反应的一部分配生在第一阳极和第二阳极处。在一特定示例中，第一阴极是气体扩散电极。在另一示例中，第一阳极是气体扩散电极。在又一示例中，第二阴极是气体扩散电极。在又一示例中，第二阳极是气体扩散电极。在又一示例中，电解质在第一阴极和第一阳极之间。在又一示例中，电解质也在第二阴极和第二阳极之间。
优选地，第一阴极和第一阳极之间没有放置隔膜或离子交换膜。同样优选地，第二阴极和第二阳极之间没有放置隔膜或离子交换膜。在另一示例中，在工作中，第一阴极和第二阳极之间没有电压差。在另一示例中，在工作中，第一阴极和第二阴极之间存在电压差。
在电池的示例工作中，在第一阴极处产生第一气体，并且在第一阴极处基本上没有形成第一气体的气泡，或者在第一阴极处没有形成第一气体的气泡。同样在电池的示例工作中，在第一阳极处产生第二气体，并且在第一阳极处基本上没有形成第二气体的气泡，或者在第一阳极处没有形成第二气体的气泡。
有利地在另一示例中，在工作中，在第二阴极处产生第一气体，并且在第二阴极处基本上没有形成第一气体的气泡，或者在第二阴极处没有形成第一气体的气泡，以及在第二阳极处产生第二气体，并且在第二阳极处基本上没有形成第二气体的气泡，或者在第二阳极处没有形成第二气体的气泡。
优选地，第一阴极是气体可渗透且液体不可渗透的。在一示例实施例中，第一阴极包括至少部分地由气体可渗透且电解质可渗透的导电材料提供的第一电极，并且第一气体通道至少部分地由气体可渗透且电解质不可渗透的材料提供。在另一示例实施例中，可以在第一气体通道中沿第一阴极的长度运送第一气体。在另一示例实施例中，第二阳极包括至少部分地由气体可渗透且电解质可渗透的导电材料提供的第二电极，并且第二气体通道至少部分地由气体可渗透且电解质不可渗透的材料提供。可以在第二气体通道中沿第二阳极的长度运送第二气体。
在一示例中，第一气体通道被定位成面向第二气体通道。在另一示例实施例中，第一气体通道和第二气体通道定位在第一电极和第二电极之间。第一阴极和第二阳极可以是平面的。第二阴极和第一阳极也可以是平面的。第一阴极可以是柔性的，且第二阳极也可以是柔性的。
第一阴极和第二阳极优选地是电化学电池的分层堆叠的一部分。优选地，但非必需地，电化学电池是共延的，使得各个体电池的阴极和阳极的表面积在相同或基本上相同的区域或程度上延伸。
可以提供多个电池，例如该多个电化学电池包括第三电化学电池，该第三电化学电池包含第三阴极和第三阳极，其中第三阴极和第三阳极中的至少一者是气体扩散电极，并且其中第一阳极通过电子导电通路串联地电连接到第三阴极。在各示例中，可以提供三个电化学电池、四个电化学电池、五个电化学电池、六个电化学电池、七个电化学电池、八个电化学电池、九个电化学电池、十个电化学电池，等等。
电池中电极的串联电连接布置的其他优点包括：
(1)与它们的等效并联连接对应物相比，将汇流条连接到串联连接的电池通常较简单且较不复杂，
(2)串联连接的电池显示出处置大且突发的电流浪涌的经改进能力(因为该系统一般以较低总体电流来工作)，以及
(3)串联连接的电池更好地允许使用具有较高固有电阻的集电器，因为总体电流影响总体电阻，这与电池的效率相关。甚至对于具有较高固有电阻的集电器，较低电流也产生较低总体电阻，由此避免对电池的效率的显著惩罚。
相对于并联连接的电池而言，串联连接的电池的缺点是存在寄生电流。
在示例实施例中，还提供了一种用于对平坦薄片电化学电池、模块或反应器内的柔性或刚性叶(即，电极对)进行串联电连接(即，多电极阵列)的方便且高效的配置、布置或设计，并且其中每一柔性或刚性叶连同所关联的一个或多个电极构成一个或多个经密封气体通道。
在一组示例实施例中，使用双侧电极叶。这些叶由定位在电极气袋的相对两侧上的两个电极材料层构成，包含气体通道间隔件(即，间隔件材料、层或薄片，这例如可以由多孔聚合物材料制成)，这提供两个电极之间的气体或流体通道。叶内的所得的气袋通常配备有气口。双侧电极叶的顶侧上的集电器被放置成使得将它们的电极悬在叶的一侧上，而叶的底侧上的集电器被放置成使得将它们的电极悬在该叶的相对一侧上。在所得的叶均匀堆叠成由液体可渗透‘流通道’间隔件分隔开的平坦薄片、多叶布置时，通过将悬浮集电器按对组合在该堆的两侧上来制作电连接。即，一个叶的顶部电极连接到该叶上方或下方的顶部电极，而这两个叶的底部电极也分开地在该堆的另一侧上连接到彼此。这一连接方法沿叶的堆叠的整个长度持续，以使得该堆中的所有叶按配对布置来连接到另一叶。通过该办法连接的多个叶造成该堆中电极的串联电连接。在叶之间的体积填充有液体或胶体电解质时，所得的电池被称为“侧连接串联电池”。
在又一些示例实施例中，电极叶包括两个分开的毗连气袋，每一气袋具有位于其外部(即，在与毗邻气袋相对的一侧上)的其相关联的多孔电极。所得的叶(它可以是柔性的或者它可以是刚性的)随后包括在其顶部具有电极的分层布置，其中一个气袋在其下方，此后更下方是第二分开的气袋、再后是其下方的在叶的底部上的第二电极。气袋可各自在其内包含气体通道间隔件以支撑它们，并且通常将各自配备有气口。叶的顶部和底部处的两个多孔电极随后通过例如穿过这两个气袋或者包围这两个气袋的两侧的金属互连来电连接到彼此。每一此类叶中的两个气袋彼此密封，由此意味着一个气袋中的气体不能穿过进入毗连气袋，且反之亦然。这一类型的双侧双气袋叶随后被堆叠在彼此顶部，它们之间具有液体可渗透的“流通道”间隔件，以由此创建多叶、串联连接的“堆叠”。在叶之间的体积填充有液体或胶体电解质时，这一类型的所得的电池被称为“双极串联电池”。
这一类型的串联连接的电池所具有的超过相当的并联连接的电池(诸如上述螺旋卷绕的电池)的关键优点涉及它们连接到其主汇流条的方式。
上述堆叠中的每一者中的最上部叶的最上部电极优选地沿其长度连接到主汇流条，这优选地是沿该堆的顶部的一个边缘行进的金属条。上述堆叠中的每一者中的最下部叶的最下部电极优选地单独地沿其长度连接到第二主汇流条，这优选地是沿该堆的底部的一个边缘行进的金属条。这两个汇流条通常形成外部电源可连接到的连接点(正极和负极)。如上所述，因为此类堆的较低总体电流和较高总体电压，每一汇流条通常包含较少金属且总体上小于在相同电流密度下相同总体电化学活性表面积的相当的并联连接的堆中的汇流条。此外，因为汇流条是线性棒，所以它们通常还电连接起来更简单，例如使用诸如焊接等手段。通常，不必要使用复杂技术来进行汇流条附连，诸如上述‘楔方法’、‘闩式楔法’、‘焊接楔法’、‘窄或宽楔法’、‘粉剂方法’、‘球方法’、‘焊料方法’、‘连续楔法’或‘螺旋法’。
在又一些示例中，串联连接的叶堆可被卷绕成螺旋卷绕的电池。多孔流通道间隔件的“针织”包可被构造成接纳堆中所选数目的叶，叶的气袋每一者配备有气口。针织包和叶随后绕中心核心元件卷绕，该核心元件已被适配成将每一叶上的气口连接到核心元件内的它们相关的气体管道。在其中使用包括包封单个气袋的双侧电极的叶的情形中，可以在螺旋卷绕之后在叶堆的相对侧上作出毗邻叶上的上部和下部电极的配对电连接，以由此产生具有螺旋卷绕的架构的“侧连接的串联电池”。在其中叶包括包封两个毗邻气袋的双侧电极(其中上部和下部电极之间存在电互连)的情形中，所得的组装件提供具有螺旋卷绕的架构的“双极串联电池”。
这些办法提供了：
(1)用于电化学反应的电化学电池，包括：
电极叶的堆叠；
通过居间的电绝缘的液体可渗透间隔件来彼此分隔开；
其中各个体叶按串联电布置彼此连接。
(2)用于电化学反应的电化学电池，包括：
串联地电连接的电极叶的堆叠；其中：
主汇流条电附连到堆中的最上部叶的最上部电极，以及
分开的主汇流条电附连到堆中的最底部叶的最底部电极，
其中汇流条的大小和设计使得允许电池在高电流密度下工作。
进一步示例
以下进一步示例提供各特定实施例的更详细讨论。对于本发明的范围而言，各进一步示例旨在仅仅是说明性而非限制性的。
示例1。制造示例实施例电化学电池的叶的方法
1.1.叶的个体电极的制造
图2示意性地解说了电极叶中的个体(单个)电极的制备。叶可以是柔性的。
图2(a)解说了叶中单个电极的制造。气体可渗透、液体不可渗透基板4030(即，气体可渗透材料(例如，延展PTFE膜)，其中气体可渗透、液体不可渗透基板优选地是非导电的)的面上涂敷有均匀催化剂层4020，集电器4010(即，多孔导电材料(例如，不锈钢细网格))嵌入在催化剂层4020中。集电器4010的末端可沿基板的一个侧边缘悬垂。所得的电极4040随后将使其集电器4010在一侧上悬垂。
图2(b)解说了叶中单个电极的替换制造方法。气体可渗透、液体不可渗透基板4030(即，气体可渗透材料(例如，延展PTFE膜)，其中气体可渗透、液体不可渗透基板优选地是非导电的)的面上涂敷有均匀催化剂层4020，集电器4010(即，多孔导电材料(例如，细不锈钢网格))嵌入在催化剂层4020中。在这一情形中，集电器4010没有在任何边缘悬垂——即，它被限制为位于基板4030的边界之内。所得的电极4041随后将使其集电器4010处于基板4030的边界内。
图2(c)解说了叶中单个电极的替换制造方法。气体可渗透、液体不可渗透基板4030(即，气体可渗透材料(例如，延展PTFE膜)，其中气体可渗透、液体不可渗透基板优选地是非导电的)的面上涂敷有均匀催化剂层4020，集电器4010(即，多孔导电材料(例如，不锈钢细网格))嵌入在催化剂层4020中。在这一情形中，集电器4010在基板4030的所有边缘上悬垂——即，它在全部四侧上延伸超出基板4030的边界。所得的电极4042随后使其集电器4010在每一侧延伸到基板4030的边界外部。
1.2.从各个体电极制造叶
图2(d)解说了一种可将两个电极组合成本公开实施例的电化学电池的单个叶的方式。将理解，这一方法仅是代表性和解说性的。参考图2(d)：两个电极4040按背靠背布置来夹在一起，使得它们的集电器4010在该组装件的同一侧上悬垂。为了创建气袋，这两个电极通常将沿背靠背基板4030的各边缘使用胶或通过焊接(诸如使用超声焊接器)彼此密封。两个背靠背电极之间通常将放置有多孔‘气体通道’间隔件，由此防止这两个电极坍缩在彼此之上并阻塞气体通道。气体通道间隔件是气体可渗透且非导电的。为清楚起见，此类间隔件在图2(d)中未示出。一旦在两个电极4040之间创建了液体不可渗透气袋，就创建了叶4050。
1.3可以使用的集电器的示例
在示例实施例中，各种集电器(例如，多孔导电材料)可被使用。常见集电器包括金属网格，诸如图3(a)中描绘的编织导电不锈钢网格。图3(a)中的右手侧图片描绘了此类编织网格的特写视图，示出了编织(图3(a)中的右上角)和截面(图3(a)的右下角)。
尽管通常使用金属网格，但有时它们导电来将电流分配到叶。在这些情形中，存在其他选项。
一个选项涉及在一个方向上具有比另一方向更粗的线束的非对称网格。此类网格通常将被合并到叶中，使得较粗线束位于到下一电极或下一叶的连接方向上；即，较粗线束位于电流在电池中的流动方向上。较粗线束的端子随后将电附连到下一电极或下一叶或主汇流条，其中电流沿网格的较粗线束从主汇流条分配到叶。图3(b)描绘了非对称编织金属网格，其线束在一个方向上(描绘成水平方向)比在另一方向上(描绘成垂直方向)更粗。
使用镍200制造的编织网格(其较粗线束具有0.12mm直径(线束间隔0.212mm)且其较细线束具有0.080mm直径(0.26mm线束间隔))在较粗线束的方向上将具有0.088Ω的每厘米长度电阻，以及在较细线束的方向上具有0.20Ω的每厘米长度电阻。
另一选项涉及使用连续但非编织的金属网格。图3(c)描绘了此类网格。如可看到的，线束在连续阵列中彼此熔合，而不存在编织。编织图案的缺失消除了图3(a)中描绘的编织网格(其中两个正交线束彼此越过或下穿)中存在的接触电阻。这一类型的连续网格通常从单张金属薄片来制造(通过移除网格中缺失的区域)。如此，它们通常显示出比相当的编织金属网格更高的导电性。
另一选项是在金属网格集电器中焊接或合并副汇流条。图4描绘了这一类型的网格。如可看到的，网格670具有附连或合并在其结构内的一系列金属线束680。金属线束680充当副汇流条。它们悬垂在载流子670上且电连接到主汇流条。这一类型的副汇流条通常将跨集电器规则地排列。
图5描绘了叶的一侧，在虚线内示出了涂敷有催化剂和电解器的区域690，并且三个副汇流条悬在叶的该侧上。
示例2。串联地连接平坦薄片或螺旋卷绕的叶以促进在高电压下的工作的方法
2.1实施例电化学电池中的串联电连接
在优选示例中，螺旋卷绕和/或平坦薄片电池中的电极的电连接是串联的(也称为双极设计)。在这一方面，如图6所示，存在若干连接选项。
图6(a)示意性地描绘了示例实施例水电解电池1000。该电池包括阴极1050，其进而包括氢气气袋1100和与液体或胶体电解质1200接触的电极1150(通常是气体扩散电极)。在这一示例中，电解质1200是水性的且强碱性的(例如，6M KOH)。电解质1200填充电极之间的不包含隔膜(即，间隔件)或离聚物膜的小间隙。在电解质1200的相对侧上是阳极1250，它包括氧气气袋1300和电极1350(通常是气体扩散电极)。在这一示例中，电子在箭头1400中所示的方向上流至阴极，它们在此与水(H2O)反应以生成氢气(H2；它进入氢气气袋1100)和氢氧离子(OH-)。OH-离子随后在箭头1450的方向上从阴极迁移穿过水性电解质到达阳极。在阳极处，OH-离子被转换成氧气(O2；它进入氧气气袋1300)、水(H2O)和电子。电子在箭头1500的方向上从阳极流走。
以上类型的电池可以按至少两种可能的方式串联连接。图6(b)描绘了使用“侧连接”的串联连接。图6(c)-(d)描绘了涉及“双极连接”的串联连接。图6(e)描绘了“侧连接”串联电池的特殊情形。
在“侧连接”串联电池中，使用双侧电极叶。这些叶由定位在电极气袋的相对两侧上的两个电极层构成，其内包含气体通道间隔件(即，间隔件材料、层或薄片，这例如可以由多孔聚合物材料制成)，这提供两个电极之间的气体或流体通道。叶内的所得的气袋通常配备有气口。
例如，图6(b)中所示的“侧连接”串联电池包括两个叶1600和1650。叶1600包括氢气气袋1100且两侧各有阴极电极1150(通常是气体扩散电极)。叶1650包括氧气气袋1300且两侧各有阳极电极1350(通常是气体扩散电极)。
每一双侧叶的顶侧上的电极集电器被放置成悬垂在叶的一侧上，而叶的底侧上的电极集电器被放置成悬垂在该叶的相对一侧上。在所得的叶均匀堆叠成由液体可渗透间隔件(即，‘流通道’间隔件)分隔开的平坦薄片、多叶布置时，通过将悬垂集电器按对组合在该堆的两侧上来制作电连接。即，一个叶1350的顶部电极连接到该叶下方的叶1150上的顶部电极，而这两个叶1350和1150的底部电极也分开地在该堆的另一侧上彼此连接。这一连接方法沿叶的堆叠的整个长度持续，以使得该堆中的所有叶按配对布置来连接到另一叶。通过该办法连接的多个叶造成该堆叠中电极的串联电连接。在叶之间的体积填充有液体或胶体电解质1200时，该堆中的每一电池被称为“侧连接串联电池”。电子朝每一阴极(在方向1400上)流动并离开每一阳极(在方向1500上)。氢氧(OH-)离子在方向1450上流动，从阴极到阳极，穿过水性电解质1200。
图6(b)中的示意图描绘了其中单侧连接1500和1400存在于该堆的每一侧上的情形。然而，在其中该堆特别宽的情形中，载流子1150和1350中的电阻可变得很大。在此类情形中，对于高效工作而言，可能需要一个以上侧连接。图6(e)描绘了其中存在多个侧连接的示例“侧连接”串联电池。该电池(称为“镜像侧连接”串联电池)包括一个宽叶1650和两个较窄叶1600。叶1600各自包括氢气气袋1100且两侧各有阴极电极1150(通常是气体扩散电极)。叶1650包括氧气气袋1300且两侧各有阳极电极1350(通常是气体扩散电极)。每一双侧叶的顶侧上的电极集电器如图6(e)所示地连接。每一双侧叶的底侧上的电极集电器如图6(e)所示地连接。在叶之间的体积填充有液体或胶体电解质1200时，该堆中的每一电池被称为“侧连接串联电池——镜像”。电子朝每一阴极(在方向1400上)流动并离开每一阳极(在方向1500上)。氢氧(OH-)离子在方向1450上流动，从阴极到阳极，穿过水性电解质1200。
“双极连接”串联电池与“侧连接”串联电池的不同之处在于，它使用包括两个分开的毗连气袋的叶，每一气袋具有位于其外部(即，在毗邻气袋的相对侧上)上的相关联的多孔电极。所得的叶(它可以是柔性的)随后包括在其顶部具有电极的分层布置，其中一个气袋在其下方，此后更下方是第二分开的气袋、再后是其下方的在叶的底部上的第二电极。气袋可各自在其内包含气体通道间隔件以支撑它们，并且通常将各自配备有气口。
例如，图6(c)-(d)中示出的“双极”串联电池利用单个叶1700。叶1700包括具有其阴极电极1150(通常是气体扩散电极)的氢气气袋1100。这一气袋之间毗连到具有其阳极电极1350(通常是气体扩散电极)的氧气气袋1300但与其密封。
叶的顶部(1350)和底部(1150)处的两个多孔电极随后通过穿过这两个气袋的金属互连1750(图6(c)；“双极连接、贯穿接触”串联电池)或通过包围这两个气袋1100和1300的各侧的金属互连1751和/或1752(图6(d)；“双极连接、侧接触”串联电池)来彼此电连接。应当注意，在图6(d)中所示的“双极连接、侧接触”串联电池中可存在一个互连1751或两个互连1751和1752。每一此类叶中的两个气袋1100和1300彼此密封，由此意味着一个气袋中的气体不能穿过进入毗连气袋，且反之亦然。这一类型的双侧双气袋叶随后被堆叠在彼此顶部，它们之间具有液体可渗透的“流通道”间隔件，以由此创建多叶、串联连接的“堆叠”。在叶之间的体积填充有液体或胶体电解质1200时，这一类型的所得的电池被称为“双极串联电池”。电子穿过金属互连1750从阳极流走并朝向阴极(在方向1400上)。氢氧(OH-)离子在方向1450上流动，从阴极到阳极，穿过水性电解质1200。
2.2示例实施例“侧连接”串联电池
2.2.1实施例“侧连接”串联电池和电池堆的制造的说明性示例
图7解说了叶中的个体电极可如何按促进大电流密度的方式串联连接。首先如图2(a)所示地制造电极叶：气体可渗透、液体不可渗透基板4030(例如，延展PTFE膜)的面上涂敷由均匀催化剂层4020，集电器4010(例如，不锈钢细网格)被嵌入层4020中。集电器4010的末端沿基板的一个侧边缘悬垂。所得的电极4040使其集电器4010在一侧上悬垂。
两个电极4040随后按背靠背的布置来夹在一起，如图7(a)所示，使得它们的集电器4010悬在所得的叶的相对侧上。为了创建气袋，这两个电极通常将沿背靠背基板4030的各边缘使用胶或通过焊接(诸如使用超声焊接器)被密封到彼此。两个背靠背电极之间通常将放置有多孔‘气体通道’间隔件，由此防止这两个电极坍缩在彼此之上并阻塞气体通道。为清楚起见，此类间隔件在图7(a)中未示出。一旦在两个电极4040之间创建了液体不可渗透气袋，就创建了叶4080。
如在图7(a)中可看到的，叶4080与图2(d)中的叶4050的不同之处在于，上部和下部电极上的集电器悬垂在叶的相对侧上。在图2(d)中的叶4050中，集电器悬垂在该组装件的同一侧上。
还应注意，叶4080上的顶部电极的集电器总是悬垂在该叶的右手侧上，而下部电极上的集电器总是悬垂在该叶4080的左手侧上。
叶集合4080现在如图7(b)所示地堆叠，它们之间具有“流通道”间隔件。为清楚起见，流通道间隔件在图7(b)中未示出，但它们将位于一个叶的顶部电极和该叶上方的叶的底部电极之间。流通道间隔件防止相对的电极彼此接触并且因此防止使电池短路。
如可在图7(b)中看到的，每一叶4090的顶部上的悬垂集电器全部位于该堆的右手侧。作为对比，每一叶4085的底部上的悬垂集电器全部位于该堆的左手侧。
图7(c)描绘了不同叶在串联(侧连接)设计中如何电附连。对于每一对叶4088，左手侧上的底部悬垂集电器如在4087处所示地电连接。右手侧上的顶部悬垂集电器也如在4095处所示地电连接。沿该堆向下，对每一对叶重复这一类型的连接。
2.2.2“侧连接”串联电池堆中的导电通路
对于利用液体电解质(例如在这一情形中包含碱性电解质)的示例水电解器实施例，所得的导电通路在图8中示意性地描绘。在一个示例中，0V的电压被施加在最上部叶4081中的顶部电极5000处。该电压经由集电器5010在5010处所示的箭头的方向上分配到叶4082中的顶部电极5020。5010处的箭头还示出了电子移动的方向。电极5020处的催化剂将水转换成氢气，由此生成在方向5030上穿过液体电解质到达叶4081的底部处的对面电极5040的氢氧离子的离子电流。在叶4082所形成的气袋中收集电极5020所产生的氢气。作为离子电流和所施加的电压的结果，电极5040处的催化剂将氢氧离子的流5030转换成氧气。氧气在叶4081所形成的气袋中收集。对面电极5020和5040形成电池，它们之间比如有1.6V电压降。电极5040因此在电压0V+1.6V＝1.6V处。该电压经由集电器5050在箭头5050的方向上分配到叶4082的底部电极5060。5050处的箭头还示出了电子移动的方向。电极5060随后也在1.6V处。电极5060处的催化剂将水转换成氢气(这在叶4083形成的气袋中收集)，由此生成穿过液体电解质到达对面电极5080(它是叶4083中的最顶部电极)的氢氧离子5070流。电极5080处的催化剂将氢氧离子转换成氧气(它在叶4083内的气袋中收集)。对面电极5060和5080形成电池，它们之间比如有1.6V电压降。作为跨两个对面电极的电压降的结果，电极5080处于1.6V+1.6V＝3.2V。该电压经由集电器在5090处在箭头所示的方向上分配到叶4084中的顶部电极5100。5090处的箭头还示出了电子移动的方向。在电极5100处，催化剂将水转换成氢气，氢气在由叶4084形成的气袋中收集，由此生成穿过液体电解质到达在叶4083的底部处的对面电极5120的氢氧离子的离子电流5110。电极5120处的催化剂将氢氧离子转换成氧气(它在叶4083所形成的气袋内收集)。对面电极5100和5120形成电池，它们之间比如有1.6V电压降。作为跨两个对面电极的电压降的结果，电极5120处于3.2V+1.6V＝4.8V。该电压经由集电器5130在5130处的箭头的方向上分配到电极5140，它是叶4080中的最底部电极。5130处的箭头还示出了电子移动的方向。图8中描绘的平坦薄片电池因此包含串联地配置的3个电池(由5030、5070和8010示出)。
对于0.1m x 0.3m的电极活性面积，在400mA/cm2、600mA/cm2或760mA/cm2的电流密度下，穿过串联连接的电池的总电流分别将是120A、180A或228A，其中跨电池的总电压降为4.8V。后一组装件每天将生成0.616kg氢气。
一般而言，与串联对并联连接一样，在与涉及并联连接的先前示例(其涉及总电流400A、600A或760A，具有1.6V电压降)相比时，以上布置展现出较低总体电流但较高总体电压。然而，所产生的氢气的量是相当的。
串联布置的潜在优点因此包括：(1)减轻对大型主汇流条的需求(因为总体电流较低且主汇流条的大小受它必须处置的电流的大小来管控)，(2)处置电流的大且突发浪涌的经改进能力(因为该系统一般以较低电流来工作)，以及(3)具有较高固有电阻的集电器可被使用(因为电池的总体效率由固有电阻对电池电阻的比率(这在串联连接电池中较小)来确定)。
2.2.3实施例平坦薄片形式的“侧连接”串联电池的实际示例
图9描绘了“侧连接”电池可如何实际上被制造和组装成平坦薄片形式。这一方法利用两种类型的聚合物框架，称为‘氢气框架’(1760；用于适配氢气气袋)和‘氧气框架’(1765；用于适配氧气气袋)(单个框架也可被使用，如在示例4中所述)。
参考图9(a)：在这一示例中，叶1600包括由阴极电极1150(通常是气体扩散电极)在两侧包封的氢气气袋1100(包含用于支撑它的气体可渗透的气体通道间隔件)，如图6(b)所示。叶1600包含气口1771，氢气可通过该气口流出该叶。叶1600可按其他方式使用超声焊接或胶合来围绕其外边缘来密封以由此防止氢气从该叶以穿过气口1771以外的任何方式逸出。该叶随后被进一步焊接到刚性聚合物框架1760(‘氢气框架’)内的凹口。叶上的氢气气口1771与聚合物框架1760上的开口1770对准并焊接到开口1770。开口1770充当沿该组装件的一侧向下行进的氢气收集通道。
叶1650包括由阳极电极1350(通常是气体扩散电极)在两侧包封的氧气气袋1300(包含用于支撑它的气体可渗透的气体通道间隔件)，如图6(b)中解说的。叶1650包含气口1781，氧气可通过该气口流出该叶。叶1650可按其他方式使用超声焊接或胶合来围绕其外边缘来密封以由此防止氧气从该叶以穿过气口1781以外的任何方式逸出。该叶随后被进一步焊接到聚合物框架1765(‘氧气框架’)内的凹口。叶上的氧气气口1781与聚合物框架1780上的开口1765对准并焊接到开口1765。开口1780充当沿该组装件的一侧向下行进的氧气收集通道。
电极间“流通道”间隔件1766和1767分别适配在框架1760的底部和框架1765的顶部中的进一步凹口内。间隔件随后位于两个框架包封的叶1600和1650之间。间隔件是液体和气体可渗透的，由此允许液体电解质和气体穿过它们自由流动。间隔件通常是DelstarInc公司提供的类型的聚合物网。框架1760在其上侧具有凹口以用于适配另一此类间隔件。框架1765在其下侧具有进一步凹口以用于适配另一此类间隔件。
水性碱性电解质经由液体管道开口1768分配到电极间“流通道”间隔件1766和1767，这形成沿该组装件的一侧向下的通道。液体电解质沿这一通道向下流动，并经由框架1760和1765内嵌入的通道分配进入该组装件中包含间隔件1766和1767的电极间间隙。这些通道在图9(a)中未示出。通道通常涉及长(弯曲)路径和窄截面积，以减轻不同电池中的电极之间的寄生电流(这可流过液体电解质)。该组装件相对侧上的类似的对应管道布置在液体电解质穿过电极间间隙之后收集液体电解质并将其运送离开。
框架1760和1765的两侧上的榫卯部件确保穿过电极间间隙的液体电解质被维持在该间隙内，且没有泄漏或绕各侧边与该电池上方或下方的另一电极间间隙中的电解质接触。这一特征还使可在不同电池的电极之间流动的寄生电流最小化。此类寄生电流可以是该系统上的能量损耗因素。
在图9(a)中，每一叶的顶部和底部上的电极通过框架1760和1765按“侧连接”布置来彼此电连接，如图6(b)中解说的。通过框架作出这些连接的方式的细节在图9(a)中未示出以保持清楚。图9(a)中的下部图片在截面示意图中描绘了组装在一起的框架1760和1765。每一叶底部上的电极之间的连接在1777处示出。每一叶顶部上的电极之间的连接在1778处示出。后一示例将讨论如何通过框架作出此类连接。
2.2.4示例实施例平坦薄片形式的“侧连接”串联电池堆的实际制造和部署
在图9(a)中描绘的类型的多个电池在堆中置于彼此顶部时，所得的示例“侧连接”串联电池堆1790具有向外的外观，如图9(c)所示。堆1790可具有附连在顶部和底部的端板，其中该堆在它们之间保持压缩。此类堆将具有‘板框’格式(也称为‘压滤’格式)。作为替换或补充，板框类型的堆1790与相关联的端板一起可部署在压力容器内部，诸如管形压力容器。图9(d)描绘了电池堆1790可如何使用端帽1792来合并在管形压力容器1791内，在该特定示例中管形压力容器1791带有凸缘。将理解，在一般情形中，压力容器1791不被限于管形形状，或具体地不被限于有凸缘的管。将进一步理解，电池堆不限于具有1790中描绘的矩形形状。例如且没有限制，电池堆自身可以是管形形状，如在1795中描绘的，并相应地被合并到压力容器，如在图9(e)中描绘的。后者示例将讨论串联连接电池堆组装成板框架构以及它们合并在外部压力容器内。
2.3示例实施例“双极连接”串联电池
2.3.1实施例“双极连接”串联电池和电池堆的制造的说明性示例
在又一些示例实施例中，电极叶包括两个分开的毗连气袋，每一气袋具有位于其外部(即，在与毗邻气袋相对的一侧上)的其相关联的多孔电极，如图6(c)-(d)中描绘的。
图10解说了此类叶中的个体电极可如何制造并随后按促进大电流密度的方式串联连接。首先如图2(b)或图2(c)所示地制造电极叶。所得的电极4041或4042随后被用来制造双侧双气袋叶4081。
图10(a)描绘了使用来自图2(b)的先前电极4041的叶制造。在使用来自图2(c)的电极4042时，遵循完全相同的过程。电极4041与气体不可渗透阻挡材料4042背靠背地放置。该2层组装件随后绕其边缘来焊接或胶合，以由此在电极4041和阻挡层4042之间创建气袋。第二电极4041此后被焊接或胶合到阻挡层4042的背面，以由此在阻挡层4042的背面和第二电极4042之间创建第二气袋。
所得的叶4081(它可以是柔性的)随后包括在其顶部具有电极的分层布置，其中一个气袋在其下方，此后更下方是第二分开的气袋、再后是其下方的在叶的底部上的第二电极。气袋可各自在其内包含气体通道间隔件以支撑它们，并且通常将各自配备有气口。
叶的顶部和底部处的两个多孔电极随后通过例如创建穿过这两个气袋的金属互连来彼此电连接，如图6(c)中描绘的。这可例如通过使用激光焊接器将上部电极上的载流子4010的各部分(标记为4083)焊接到下部电极上的载流子(图10(a)中未示出)来达成。焊接可具有熔化并破坏这两个载流子之间的任何事物的效果。即，在激光焊接工艺期间，上部和下部电极上的载流子4010之间的催化剂4020、气体可渗透材料4030以及阻挡材料4042可被熔化并破坏。这可按保持两个毗连气袋的气密性质的方式发生。即，每一此类叶中的两个气袋彼此密封，由此意味着一个气袋中的气体不能穿过进入毗连气袋，且反之亦然。上部电极4041现在从其载流子4010经由金属互连4083连接到下部电极的载流子4010，如图6(c)中描绘的。
将理解，尽管在图10中没有示意性地解说，但在叶的顶部和底部处的两个多孔电极可另选地通过包围这两个气袋的各侧的金属互连彼此电连接，如在图6(d)中描绘的。在该情形中，两个电极4042(每一者具有悬垂在所有各侧上的集电器，如图2(c)中所示)被组合以形成双气袋、双电极叶，如在图10(a)中所示以及上文描述的。第一电极4042的每一侧上的悬垂集电器随后通过例如焊接在一起来电连接到它们在第二电极4042的每一侧上的对应悬垂集电器，由此创建包围这两个气袋的各侧的导电通路(例如，金属互连)，由此产生最终叶4084。
叶集合4081(或4084，它未被示出)现在如图10(b)所示地堆叠，它们之间具有“流通道”间隔件。为清楚起见，流通道间隔件在图10(b)中未示出，但它们将位于一个叶的顶部电极和该叶上方的叶的底部电极之间的间隙4082中。流通道间隔件防止相对的电极彼此接触并且因此防止使电池短路。
当以此方式堆叠时，其中叶4081或4084之间存在液体电解质，则创建了一串“双极连接”电池4082。每一电池4082包括一个叶的底部电极、该叶下方的叶的顶部电极、以及它们之间的液体电解质。
2.3.2“双极连接”串联电池堆中的导电通路
对于利用液体电解质(例如在这一情形中包含碱性电解质)的示例水电解器实施例，所得的导电通路在图11中示意性地描绘。图11中所示的导电通路是用于图6(c)中描绘的类型的“双极连接贯穿接触”串联电池的，但它同样适用于图6(d)中所示的类型的“双极连接侧接触”串联电池，其仅有不同在于每一叶的上部和下部电极之间的金属互连的位置。
在图11的示例中，0V的电压被施加在最上部叶5181中的顶部电极5101处。该叶包括两个气袋，用于氧气5111的上部气袋和用于氢气5112的下部气袋。施加到上部电极5101的电压经由金属互连5113在5113处所示的箭头的方向上分配到叶5181中的底部电极。5113处的箭头还示出了电子移动的方向。电极5140处的催化剂将水转换成氢气，由此生成在方向5130上穿过液体电解质到达叶5182的顶部处的对面电极5141的氢氧离子的离子电流。在叶5181所形成的气袋5112中收集电极5140所产生的氢气。作为离子电流和所施加的电压的结果，电极5141处的催化剂将氢氧离子流5130转换成氧气。氧气在叶5182所形成的气袋5111中收集。对面电极5140和5141形成电池，它们之间比如有1.6V电压降。电极5141因此在电压0V+1.6V＝1.6V处。该电压经由叶5182中的金属互连在5113处的箭头的方向上分配到叶5182的底部电极5142。叶5182中的5113处的箭头还示出了电子移动的方向。电极5142随后也在1.6V处。电极5142处的催化剂将水转换成氢气(这在叶5182形成的氢气气袋5112中收集)，由此生成穿过液体电解质到达对面电极5143(它是叶5183中的最顶部电极)的氢氧离子5131流。电极5143处的催化剂将氢氧离子转换成氧气(它在叶5183内的气袋5111中收集)。对面电极5142和5143形成电池，它们之间比如有1.6V电压降。作为跨两个对面电极的电压降的结果，电极5143处于1.6V+1.6V＝3.2V。该电压经由叶5183中在5113处的集电器在该箭头所示的方向上分配到叶5183中的底部电极5144。叶5182中的5113处的箭头还示出了电子移动的方向。在电极5144处，催化剂将水转换成氢气，氢气在由叶5183形成的气袋中收集，由此生成穿过液体电解质到达在它下方的对面电极的氢氧离子的离子电流5132。图11中描绘的平坦薄片电池因此包含串联地配置的3个电池(由箭头5130、5131和5132示出)。
因而，参考图11，仅作为示例，提供了用于电化学反应的多个电化学电池。第一电化学电池(由5142、5143形成)包括第一阴极(5142)和第一阳极(5143)，其中第一阴极和第一阳极(5143)中的至少一者是气体扩散电极。第二电化学电池(由5140、5141形成)包括第二阴极(5140)和第二阳极(5141)，其中第二阴极(5140)和第二阳极(5141)中的至少一者是气体扩散电极。第一阴极(5142)通过电子导电通路串联地电连接到第二阳极(5141)。化学还原(氢气生产)作为电化学反应的一部分发生在第一阴极(5141)和第二阴极(5140)处，并且化学氧化(氧气生产)作为电化学反应(水电解)的一部分发生在第一阳极(5143)和第二阳极(5141)处。
在各示例中，第一阴极(5142)是气体扩散电极，第一阳极(5143)是气体扩散电极，第二阴极(5140)是气体扩散电极，和/或第二阳极(5141)是气体扩散电极。(与离子5131有关的)电解质在第一阴极(5142)和第一阳极(5143)之间。(与离子5130有关的)电解质也在第二阴极(5140)和第二阳极(5141)之间。第一阴极(5142)和第一阳极(5143)之间没有放置隔膜或离子交换膜。同样，第二阴极(5140)和第二阳极(5141)之间没有放置隔膜或离子交换膜。
在工作中，第一阴极(5142)和第二阳极(5141)之间没有电压差，这两者被示为都处于1.6V。在工作中，第一阴极(5142)和第二阳极(5140)之间存在电压差，示为1.6V的电压差。
在工作中，在第一阴极(5142)处产生第一气体(例如，氢气)，并且在第一阴极处基本上没有形成第一气体的气泡，或者在第一阴极处没有形成第一气体的气泡。在工作中，在第一阳极(5143)处产生第二气体(例如，氧气)，并且在第一阳极处基本上没有形成第二气体的气泡，或者在第一阳极处没有形成第二气体的气泡。
在工作中，在第二阴极(5140)处产生第一气体(例如，氢气)，并且在第二阴极处基本上没有形成第一气体的气泡，或者在第二阴极处没有形成第一气体的气泡；并且在工作中，在第二阳极(5141)处产生第二气体(例如，氧气)，并且在第恶阳极处基本上没有形成第二气体的气泡，或者在第一阳极处没有形成第二气体的气泡。
在一示例中，第一阴极(5142)是气体可渗透且液体不可渗透的。
在图6(c)或6(d)中所示的示例中，第一阴极(5142)包括至少部分地由气体可渗透且电解质可渗透的导电材料提供的第一电极(1150)，并且第一气体通道(1100)至少部分地由气体可渗透且电解质不可渗透的材料提供。在一示例中，第一气体(例如，氢气)在第一气体通道(1100)中沿第一阴极的长度运输。
在图6(c)或6(d)中所示的示例中，第二阳极(5141)包括至少部分地由气体可渗透且电解质可渗透的导电材料提供的第二电极(1350)，并且第二气体通道(1300)至少部分地由气体可渗透且电解质不可渗透的材料提供。第二气体(例如，氧气)可以在第二气体通道(1300)中沿第二阳极的长度运送。
在图6(c)或6(d)中所示的示例中，第一气体通道(1100)被定位成面向第二气体通道(1300)。在另一示例中，第一气体通道(1100)和第二气体通道(1300)定位在第一电极(1150)和第二电极(1350)之间。
在进一步示例中，如图所示，第一阴极(5142)是平面的，第二阳极(5141)是平面的，第二阴极(5140)是平面的，且第二阳极(5143)是平面的。在另一示例中，第一阴极(5142)是柔性的，且第二阳极(5141)是柔性的。
如图所示，第一阴极(5142)和第二阳极(5141)是电化学电池的分层堆叠的一部分。电化学电池是共延的或基本共延的，在相同区域或程度上延伸。
在另一示例中，该多个电化学电池进一步包括包含第三阴极(5144)和第三阳极(未示出)的第三电化学电池(具有与离子5132相关的电解质)，其中第三阴极(5144)和第三阳极中的至少一者是气体扩散电极。第一阳极(5143)通过电子导电通路串联地电连接到第三阴极(5144)。
对于0.1m x 0.3m的电极活性面积，在400mA/cm2、600mA/cm2或760mA/cm2的电流密度下，穿过串联连接的电池的总电流分别将是120A、180A或228A，其中跨电池的总电压降为4.8V。后一组装件每天将生成0.616kg氢气。
一般而言，与串联对并联连接一样，在与涉及并联连接的先前示例(其涉及总电流400A、600A或760A，具有1.6V电压降)相比时，以上布置展现出较低总体电流但较高总体电压。然而，所产生的氢气的量是相当的。
串联布置的潜在优点因此包括：(1)消除对大型主汇流条的需求(因为总体电流较低且主汇流条的大小受它必须处置的电流的大小来管控)，(2)处置电流的大且突发浪涌的经改进能力(因为该系统一般以较低电流来工作)，以及(3)具有较高固有电阻的集电器可被使用(因为电池的总体效率由固有电阻对电池电阻的比率(这在串联连接电池中较小)来确定)。
2.3.3实施例平坦薄片形式的“双极连接”串联电池的实际示例
图9(b)描绘了“双极连接”电池可如何实际上被制造和组装成平坦薄片形式。这一方法利用单种类型的聚合物框架，称为‘双极框架’(图9(b)中的1761)。
在这一示例中，叶1700包括在一侧上具有阴极电极1150(通常是气体扩散电极)的氢气气袋1100(包含用于支撑它的气体可渗透的气体通道间隔件)和在另一侧上具有阳极电极1350(通常是气体扩散电极)的氧气气袋1300(包含用于支撑它的气体可渗透的气体通道间隔件)，如图6(c)所解说的。叶1700包含气口1771和气口1781，氢气可通过该气口1771从气袋1100流出该叶，且氧气可通过该气口1781从气袋1300流出该叶。叶1700可按其他方式使用超声焊接或胶合来围绕其外边缘来密封以由此防止氢气或氧气从该叶以穿过气口1771(氢气)和1781(氧气)以外的任何方式逸出。
该叶随后被进一步焊接到刚性聚合物框架1761(‘双极框架’)内的凹口。叶上的氢气气口1771与双极框架1761上的开口1770对准并在其底部焊接到开口1770；叶1700上的气口1771的上部被密封到其上方的下一框架1761上的开口1770。开口1770充当沿该组装件的一侧向下行进的氢气收集通道。叶上的氧气气口1781与聚合物框架1761上的开口1780对准并在其底部焊接到开口1780；叶1700上的气口1781的上部被密封到其上方的下一框架1761上的开口1780。开口1780充当沿该组装件的一侧向下行进的氧气收集通道。
电极间“流通道”间隔件1766被放置在框架1761的底部处的凹口中。第二流通道间隔件1767被放置在框架1761的顶部处的凹口中(图9(b)中的图示出了第二流通道间隔件1767放置在框架顶部紧靠所描绘的组装件下方)。间隔件是液体和气体可渗透的，由此允许液体电解质和气体穿过它们自由流动。间隔件通常是Delstar Inc公司提供的类型的聚合物网。多个框架1761(在其上方和下方具有经焊接叶1700和流通道间隔件1766和1767)现在被堆叠在彼此顶部。
水性碱性电解质经由液体管道开口1768被分配给该组装件，这形成沿该组装件的一侧向下的通道。液体电解质沿这一通道向下流动，并经由框架1760内嵌入的通道分配进入该组装件中包含间隔件1766和1767的电极间间隙。这些通道在图9(b)中未示出。通道通常涉及长(弯曲)路径和窄截面积，以减轻不同电池中的电极之间的寄生电流(这可流过液体电解质)。该组装件相对侧上的类似的对应管道布置在液体电解质穿过电极间间隙之后收集液体电解质并将其运送离开。
框架1760(图9(b)中未示出)的两侧上的榫卯部件确保穿过电极间间隙的液体电解质被维持在该间隙内，且没有泄漏或绕各侧与该电池上方或下方的另一电极间间隙中的电解质接触。这一特征还使可在不同电池的电极之间流动的寄生电流最小化。此类寄生电流是该系统上的能量损耗因素。
在图9(b)中，每一叶的顶部和底部上的电极按“双极连接”布置来彼此电连接，如在图6(c)或6(d)中解说的。这些电连接的细节在图9(b)中未示出以保持清楚。后者示例将讨论可如何作出这些电连接。
2.3.4示例实施例平坦薄片形式的“双极连接”串联电池堆的实际制造和部署
在图9(b)中描绘的类型的多个电池被组装成堆时，所得的示例“双极连接”串联电池具有向外的外观，如图9(c)所示。堆1790可具有附连在顶部和底部的端板，其中该堆在它们之间保持压缩。此类堆将具有‘板框’格式(也称为‘压滤’格式)。作为替换或补充，板框类型的堆1790与相关联的端板一起可部署在压力容器内部，诸如管形压力容器。图9(d)描绘了电池堆1790可如何使用端帽1792来合并在管形压力容器1791内，在该特定示例中，管形压力容器1791带有凸缘。将理解，在一般情形中，压力容器1791不被限于管形形状，或具体地不被限于有凸缘的管。将进一步理解，电池堆不限于具有1790中描绘的矩形形状。例如且没有限制，电池堆自身可以是管形形状，如在1795中描绘的，并相应地被合并到压力容器，如在图9(e)中描绘的。后者示例将讨论串联连接电池堆组装成板框架构以及它们合并在外部压力容器内。
2.4串联电池的螺旋卷绕
2.4.1“侧连接”串联电池堆的螺旋卷绕
这一类型的串联连接的电池也可以是螺旋卷绕的。有用于“侧连接”串联电池的螺旋卷绕的方法在图12(a)-(c)中描绘。图12(a)示意性地描绘了具有其气体收集袋的叶6000的构造。两个电极6010随后按背靠背的布置来夹在一起，具有居间多孔气体收集间隔件6040，如图12(a)中描绘的，使得它们的副汇流条6030悬垂在所得的叶的相对侧上。上部电极具有在一端通过超声焊接到它的气体收集口6020。气体收集口6020在图12(a)的底部的照片中详细示出。为了创建气袋，这两个电极全部沿背靠背基板6030的各边缘使用胶或通过焊接(诸如使用超声焊接器)被彼此密封。一旦在两个电极6030之间创建了液体不可渗透气袋，就创建了叶6000。气体收集口6020提供管道装置，在由叶形成的气体收集袋中收集的气体可通过该管道装置移至别处。尽管在图12(a)底部示出的气体收集口6020示出了聚合物管道口，但也可使用金属或复合端口。
图12(b)描绘了在螺旋卷绕之前若干此类叶6000可如何排列。首先用多孔流通道间隔件(诸如可由Delstar Inc公司提供，聚丙烯网的形式)来制造“针织”包6100。“针织”包包括用于接纳叶的多个袋，如在图12(b)的右手侧上所示。针织包中的每一个袋与下一个袋偏移开固定距离6165。在图12中解说的示例中，针织包接纳4个叶。在其中4个叶要被螺旋卷绕的情形中，距离6165必须等于中心核6169的一圈的四分之一(在图12(c)中示出，叶将绕其螺旋卷绕)。第一袋与针织包的端部偏移开距离6167，这一般等于中心核6169的2圈。
一旦针织包已被制备，则4个叶被置于所生成的四个袋中，如在6200中所示。叶被定位成使得它们的气口6020彼此分开距离6165，其中针织包的端部削减以使得它位于距第一叶中的气口6020的距离6167处。
用叶填充了针织包的袋之后，针织包的端部现在附连到核6250，如在图12(c)中的示意图(i)中描绘的。因为在这一示例中四个叶将被螺旋卷绕，所以核6250在内部被分成四个分开的室6350，如在6250处所示。每一室具有单独的开口6300，气体收集口6020可适配到该开口内。
图12(c)中的示意图(ii)以截面描绘了该布置。各气口6020彼此分开达一圈的四分之一6165，使得在该组装件绕核6250卷起时，每一气口变得位于核上的单独开口6300中。每一叶包括由气体通道间隔件6040分隔开且在边缘6041处被密封的两个背靠背的电极6010，具有装到核中的开口6300内的单个气口6020。
图12(d)解说了每一气口6020如何装到被制造仅用于卷绕两个叶的核心元件6251。
在将该组装件卷成螺旋卷绕的电池之前，四个叶中的副汇流条在该组装件的右侧和左侧上悬垂它们的叶中的每一者，如在图12(c)中的示意图(iii)中描绘的。为方便起见，汇流条可被涂色，或以其他方式标记，诸如通过记号，以在后续连接期间提供容易标识。例如，三个悬垂汇流条6410可被涂成第一颜色，例如黑色。三个悬垂汇流条6420和6430可被涂成第二颜色，例如黄色。三个悬垂汇流条6440和6450可被涂成第三颜色，例如绿色。三个悬垂汇流条6460和6470可被涂成第四颜色，例如蓝色。三个悬垂汇流条6480可被涂成第五颜色，例如红色。
该组装件现在被卷成螺旋卷绕的电池。气口6020连接到并被密封到开口6300，由此提供每一叶中的气袋进入中心核内的分开的气体承载管道的管道。
一旦该组装件被卷成螺旋卷绕的电池，就作出串联电连接。这涉及(通过焊接或焊合)连接：
汇流条6420与汇流条6430(例如，黄色的)
汇流条6440与汇流条6450(例如，绿色的)
汇流条6460与汇流条6470(例如，蓝色的)
图12(e)描绘了用于绕相对小核心6169卷绕两个相对长的叶的最终电池架构；为清楚起见，副汇流条未被示出。
2.4.2“双极连接”串联电池堆的螺旋卷绕
有用于“双极连接”串联电池的螺旋卷绕的方法在图13(a)-(b)中描绘。图13(a)示意性地描绘了双电极、双气袋叶6001的构造。
(图2(b)中描绘的类型的)电极4041包括其顶部涂敷有催化剂层4010的憎水性气体可渗透基板(例如，延展PTFE膜)4030，集电器(例如，不锈钢细网格)层4010被嵌入在催化剂层中。集电器4010没有延伸超出基板4030的外部。没有副汇流条附连到集电器4010。
气体不可渗透薄片6041沿其边缘焊接或胶合到相似大小的电极4041的背面，如在4042处所示。第二较小大小的电极4041随后被焊接或胶合到气体不可渗透薄片6041的相对侧，如在4043处所示。所得的叶6001包含两个密封气袋，上部气袋和下部气袋。上部气袋在长度上短于下部气袋。
使用激光焊接，顶部气袋上的集电器被焊接到底部气袋上的集电器(如先前描述的)，由此创建金属互连6044。
(将理解，顶部气袋上的集电器可另选地通过“侧连接”方法(如在图6(d)中描绘的)焊接到底部气袋上的集电器)。
气口6045随后被焊接进入上部气袋，且第二气口6046被焊接进入下部气袋。这两个气口之间的距离必是中心核6169的周长的八分之一。从端口6046到叶4041的最近边缘的距离应当是中心核6169的周长的十六分之一。所得的叶被标记为6001。
用于形成螺旋卷绕的电池的组装过程的其余部分非常类似于早先在图12(b)-(d)中描述和描述的。图13(b)描绘了用于附连到核6169的“双极连接”叶的相当的过程，核6169具有八个不同室6250，每一个室具有它们自己的开口6300。聚合物网的针织包被创建，且叶6001被组装在其中，如在图13(b)的左上角示出的。针织物被设置成使得每一气口距下一气口是核6169的一圈的八分之一6002。在填充有叶的针织物随后在核上卷绕时，如在图13(b)的底部描绘的，每一气口被匹配到并变得位于中心核上的对应开口6300中，其中它如在图12(d)中所示的附连。
在这一类型的“双极连接”串联电池的情形中，没有副汇流条并且因此不需要在这一方面作出电连接(如在图12中的“侧连接”电池中存在)。
图12(e)描绘了用于绕相对小的核6169卷绕两个相对长的叶的最终电池架构。
2.3串联电池中的汇流条连接
以上类型的串联连接电池超过相当的个体或并联连接电池(诸如但不限于在WO2013/185170、WO2015/013764、WO2015/013765、WO2015/013766、WO2015/013767、WO2015/085369以及在申请人于2016年12月14日提交的题为“Electrochemical cell andcomponents thereof capable of operating at high current density(能够以高电流密度来工作的电化学电池及其组件)”的同时国家专利申请中描述的，它们通过援引纳入于此))的关键优点涉及将这些电池连接到它们的主汇流条的方式。
在串联电池堆中，只有最上部叶的最上部电极和最下部叶的最下部电极通常将需要连接到主汇流条。这些连接通常将采取以下形式：沿相关电极的完整长度来将它连接到主汇流条。主汇流条通常将采取以下形式：沿该堆的顶部或底部的一个边缘的长度来行进的金属条。最上部叶的最上部电极通常将沿其长度连接到一个主汇流条。最下部叶的最下部电极通常将沿其长度分开地连接到第二主汇流条，第二主汇流条可采取以下形式：沿该堆的底部处的电极的长度来行进的第二金属条。这两个汇流条通常形成外部电源将连接到的连接点(正极和负极)。如上所述，因为此类堆的较低总体电流和较高总体电压，每一汇流条通常将包含较少金属且总体上小于在相同电流密度下相同总体电化学活性表面积的相当的并联连接的堆中的汇流条。此外，因为汇流条是线性棒，所以它们通常还电连接起来更简单，使用诸如焊接等手段。通常，将不必要使用复杂技术来进行汇流条附连，诸如上述‘楔方法’、‘闩式楔法’、‘焊接楔法’、‘窄或宽楔法’、‘粉剂方法’、‘球方法’、‘焊料方法’、‘连续楔法’或‘螺旋法’。
图14解说了主汇流条10000可如何连接到串联电池堆中的最上部叶的最上部电极。最下部叶的最下部电极可类似地连接到在尺寸上与10000相似但位于该堆的底部的第二汇流条。
示例3。能够在高电压下工作的电池的通用示例实施例
3.1示例实施例电池类型和电连接类型
如早先描述的，关于串联连接电池堆，可标识三个基本电池类型：
(i)单个电池(由图6(a)和相关联的文本来例示)；
(ii)侧连接串联电池(由图6(b)、图6(e)、图7、图8、图9(a)、图12以及相关联的文本来例示)；以及
(iii)双极连接串联电池(由图6(c)-(d)、图9(b)、图10、图11、图13以及相关联的文本来例示)。
以上电池堆中的叶电极可使用以下来彼此串联连接：
(i)单个电连接(由图6(a)、图6(b)、图6(d)、图7、图8、图12以及相关联的文本来例示)；或
(ii)多个电连接(由图6(c)、图6(d)、图6(e)、图10、图11、图13以及相关联的文本来例示)。
此外，电池堆中串联连接的叶电极之间的电连接可：。
(i)包围叶的侧面(由图6(b)、图6(d)、图6(e)、图7、图8、图9(a)、图12以及相关联的文本来例示)；或
(ii)穿过或位于叶的中心(由图6(c)、图6(e)、图10、图11、图13以及相关联的文本来例示)
3.2示例实施例电池和电池堆几何形状
另外，数个电池和电池堆几何形状是可能的。已经描述的两个几何形状是“卷绕”(例如，螺旋卷绕)和“平坦”(例如，平坦薄片)。
卷绕架构的示例由图12(c)-(e)提供，它描绘了制造具有示例螺旋卷绕几何形状的电池堆；即，每一电池不是平坦的而是弯曲的，绕中心轴(由图12(c)中的核6169表示)卷绕。将理解，术语“卷绕”在本文中用来描述其中电池以无论任何方式弯曲并且不是均匀地平坦的所有电池堆而没有限制。相应地，术语“卷绕”不限于螺旋卷绕，它涉及绕中心轴卷绕以生成螺旋。
“平坦”架构的示例由图9(c)中的电池堆1790提供，它包括平坦薄片电池的示例阵列；即，该堆中的每一电池处于均匀平坦的部署中。在这一情形中，每一电池具有矩形形状且各电池沿该堆彼此平行地排列。这一几何形状因此可被称为落入“平坦薄片、平行(矩形或正方形)”电池几何形状的子类别中。将理解，这一子类别包括其中个体电池是均匀地平坦的、彼此大致平行且各电池具有大致矩形或正方形形状的所有电池堆，而没有限制。
“平坦”架构的另一示例由图9(e)中的电池堆1795提供，它包括平坦薄片电池的示例阵列；即，该堆中的每一电池处于均匀平坦的部署中。在这一情形中，每一电池具有圆形形状，其中各电池沿该堆彼此平行地排列。这一几何形状因此可被称为落入“平坦薄片、平行(圆形)”电池几何形状的子类别中。将理解，这一子类别包括其中个体电池是均匀地平坦的、彼此大致平行且各电池具有与矩形或正方形相比更趋于圆形的所有电池堆，而没有限制。遵循当前一个的示例描述了具有“平坦薄片、平行(圆形)”几何形状的电池堆组成和制造。
均匀地平坦的电池不必沿该堆的侧面彼此平行地排列。图15描绘了其中电池在它们整个长度和宽度上均匀地平坦但每一电池以与下一电池呈某一角度来排列的示例电池堆。存在的电池的角度和数目被选择成使得电池堆总体上形成圆形(管形)阵列。
参考图15：电池框架10100在其端部内包括弯曲的电解质通路10150(这用于使电池之间的寄生电流最小化)。电池框架10100与楔形双气袋双侧叶10200组装在一起。该叶是在图6(c)或图6(d)中描绘的类型，除了它具有图15中所示的总体楔形形状之外。叶10250的顶表面包括多孔电极和载流子，其下方具有气袋10251。该气袋10251在其下方具有第二气袋10252。第二气袋10252在其下方在该叶的底部上具有多孔电极和载流子(图15中未示出)。每一气袋10251和10252在其内部具有楔形气体通道间隔件，它是气体完全可渗透的，由此允许气体自由移动通过它。间隔件向气袋和叶提供了它们的总体楔形。间隔件的目的是支撑气袋并防止它自身坍缩(这将阻止气体流动)。
部分电池堆10300(涉及三个电池框架10100和两个双侧双气袋叶10200的组装)在图15中描绘。电解质流通道间隔件10400被插入每一电池框架10100的中央凹口，其具有比电池框架10100中的中央凹口略小的尺寸。电解质流通道间隔件是从一个入口10150流过电池到达电池框架10100的相对侧上的相对电解质出口10150的液体电解质完全可渗透的。
在16个电池框架10100和16个双侧双气袋叶10200以及16个流通道间隔件10400被组装在一起时，生成了管形电池堆10500。此类电池堆10500可被称为“径向”电池堆。
如可看到的，尽管每一个体电池涉及电池框架10100两侧上的平坦薄片阳极和平坦薄片阴极，并且阳极和阴极完美地彼此平行，归因于居间平坦薄片流通道间隔件10400，该堆中的每一个体电池以与下一电池呈某一角度来排列。这由以下事实来示范：电池框架10100(其框起每一电池)在部分电池堆组装件10300中以及在完整电池堆组装件10500中相对于彼此呈某一角度。电池之间的角度和存在的电池数目被选择成使得电池堆总体上形成圆形(管形)电池堆10500。管形电池堆10500可(在纵向上)被合并到管形外部压力容器内，如在图9(d)中描绘的。
图15中的电池堆10500的几何形状因此可被称为落入“平坦薄片、非平行”电池几何形状的子类别中。将理解，这一子类别包括其中个体电池在其长度和宽度上是均匀地平坦的、但每一电池不与下一电池平行的所有电池堆，而没有限制。
3.3在压力下的示例实施例电池和电池堆
如先前所述，实施例电化学电池(尤其是但不限于水电解器)的优点是它们在压力下工作的能力。为允许对实施例电池或电池堆加压，至少两个选项是可用的：
(i)它们可被构造成足够稳健且与周围环境密封，由此允许电池和电池堆内的经加压条件(同时电池或电池堆外部的外部压力可以是环境压力，这通常将处于或接近大气压力)。在此类情形中，电池或电池堆自身可被认为是压力容器；或者
(ii)它们可被合并或封闭在压力容器内，包括但不限于适于维持特定内部压力的管形管道。这可以完成以减轻电池或电池堆的内部和外部之间的压力差，由此允许制造与上述(i)所需的相比较不稳健或更加不贵的电池或电池堆。例如，在‘板框’(也称为‘压滤’)电池堆的情形中，它可允许使用比本来将所需的更小的端板。‘板框’电池中的端板的大小通常与电池或电池堆的内部和外部之间存在的最大压力差相关。
将理解，示例实施例(包括但不限于本文描述的实施例)可被用在允许对电解质和气体加压的以上配置中的任一者或其他配置中，而没有限制。
关于上述(ii)，电池堆中的电池可按至少两种大致定义的方式被合并在外部压力容器中。
电池可首先在‘纵向上’合并，其中电池堆中的电池的最长维度非常宽泛地在压力容器的最长维度的相同方向上或至少以相对于压力容器的最长维度小于45°的角度来行进。术语‘纵向’可被定义为在长度上而非跨度上行进。因而，电池堆中的电池通常将在长度上被包括在压力容器中。图9(d)解说了纵向合并的示例。如可看到的，电池堆1790中的电池的最长维度与管形压力容器1791的最长维度大致是相同方向。
另选地，电池堆中的电池可‘在轴向上’合并到压力容器，其中电池堆中的电池的最长维度非常宽泛地正交于压力容器的最长维度或相对于压力容器的最长维度呈至少大于45°角度来行进。即，电池堆的最长轴大致在压力容器的最长轴的90°角或至少大于45°角。图9(e)解说了示例轴向合并，其中电池堆1795中的每一电池被置于压力容器1791中，使得其最长轴(即从一隅角到相对隅角)与管形压力容器1790的长度正交。即，电池堆中的电池基本上以与压力容器的最长轴呈90°来定向。
将理解，以上描述延及电池和电池堆在压力容器内的轴向和纵向合并的所有变型。因而，例如，其中压力容器和/或电池堆中的电池不具有长轴或沿每一维度都基本上对称的情形被认为是落入以上定义内的特殊情形。如此，将理解，本发明延及电池和电池堆在压力容器内的轴向和纵向合并的所有变型。
3.4能够在高电压下工作的示例实施例电池和电池堆的变型和排列
表2概括了以上讨论的示例实施例电池和电池堆类型中的可能变型和排列。本领域技术人员将认识到，存在落入表2中表示的类别内的大量可能的电池和电池类型。虽然已描述了优选实施例，但将理解，在不背离表2中表示的类别的情况下，许多修改、改变、替换、或更改对本领域技术人员而言将是明显的。进一步将理解，所有这些修改、改变、替换、或更改落入本发明的范围内。即，将理解，落入表2中表示的类别内的所有电池和电池堆落入本发明的范围内，而没有限制。
表2概括用于本说明书的示例实施例的电池类型和电池堆类型中的可能变型。
示例4。能够在高电压下工作的示例实施例‘板框’串联电池堆的构造。它们的电连接和电池堆组装件的制造。
现在描述从表2中的排列选择的两个示例串联连接的电池堆的构造和组装。该办法涉及构造板框式电池堆。
构造技术基于使用图16中描绘的单个聚合物电池框架。参考图16：图像11000示出了电池框架的正面；图像11001示出了电池框架的背面。该框架位于中心空白11010周围。线性空白11020和11030(称为焊接通道)位于中心空白11010的两侧上。该框架进一步包含用于分配电解质的电解质通道孔径11040。电解质通道孔径11040连接到孔径11001的底侧上的弯曲路径电解质通道11080。弯曲路径电解质通道11080在孔径11081处穿过进入电池框架的中心。该框架还具有用于氢气收集11050和氧气收集11060的气体通道孔径，它们中的每一者连接到该框架的边缘上的对应孔径。图16中所示的电池框架是用于氧气收集的，所以其氧气收集通道孔径连接到该框架的边缘上的孔径11061。对应电池框架可供用于氢气收集。该电池框架与电池框架11000/11001的不同之处仅在于用在电池框架的边缘处在11061的相对侧(连接到11050)的氢气收集孔径替换氧气孔径11061。
示意图11002描绘了电池框架11001的边缘，如从虚线11009查看的。如可看到的，电池框架11000/11001内包含中心框架11008，它从电池框架的其余部分下凹。在该凹口外部，在外框架的边缘上有两个孔径11081，它们连接到弯曲路径电解质通道11080，通道11080进入与电解质通道孔径11040相连接。氧气收集孔径11061在凹陷框架11008的边缘上(在氧气收集框架的情形中)，其连接到氧气通道孔径11060。如果框架是氢气收集框架，则将没有氧气收集孔径11061，而是改为将在该框架的相对侧上存在氢气收集孔径，这将连接到氢气收集通道孔径11050。
现在参考图17：孔径11001在其中心空白内包括气体通道间隔件11025，其总体上是液体可渗透的。来自图2(a)的类型的电极4040(其催化剂层在上)现在焊接到中心框架11008的顶部，以使得其悬垂集电器4010位于空通道11030内。焊接一直围绕电极的边缘进行，遵循虚线11150。
来自图2(a)的类型的第二电极4040(其催化剂层在下)现在焊接到中心框架11008的底部，以使得其悬垂集电器4010位于空通道11020内。焊接一直围绕电极的边缘进行，遵循虚线11150。
所得的带框架叶11007现在具有与图7(a)中的叶4080相同的结构，除了叶构造中电池框架11001的中间性之外。此外，带框架叶11007如下管道化以用于液体和气体运送。
在由带框架叶11007所形成的气袋中收集的气体(在所收集的气体是氢气的情况下)在箭头11055的方向上离开框架，或者(在所收集的气体是氧气的情况下)在箭头11066的方向上离开框架。
液体电解质沿箭头11044所示的通路流过框架11001。因为电极4040所焊接到的中心框架是凹陷的(如在图16中的11002所描绘的)，所以液体电解质在带框架叶的上部电极4040的顶部上流动。
现在参考图18：两个带框架叶11007与两个“流通道”间隔件11026如图所示地组装。间隔件是液体电解质完全可渗透的。所得的组装件在图18中描绘成11005。
现在按“侧连接”方式作出两个叶之间的电连接。11005中的这两个带框架叶中的下部电极两者都使它们的悬垂集电器位于空通道11020中。该通道中的这两个集电器现在如在11200处所示地焊接在一起。11005中的这两个带框架叶中的上部电极两者都使它们的悬垂集电器位于空通道11030中。该通道中的这两个集电器现在如在11201处所示地焊接在一起。空通道11020和11030现在各自填充有涂敷并覆盖经焊接集电器的聚合物树脂。聚合物树脂现在固化成硬性的。经固化聚合物树脂用于保护焊点，且还将电极叶之间形成的电池中的液体电解质密封远离该叶上方和下方的电池中的液体电解质。所得的组装件相当于图7(c)中的单元4088。
现在参考图19：组装件11005现在与端板11300一起堆叠在‘板框’电池堆中，如在图19中所示。电池堆中的最下部带框架叶11005的最下部电极被焊接到主汇流条11500，它连接到穿过该堆到达该堆顶部的导电引脚11400。最下上部带框架叶11005的最上部电极被焊接到第二主汇流条，它也穿过上部端板连接出去。所得的‘板框’电池堆在图19中示为11600。图像11601描绘了该堆的分解视图。在该堆的一个端板处，存在以下连接：外部电连接(11700和11701)、氢气收集(11800)、氧气收集(11900)以及液体电解质循环(12000)。
如果电池堆足够稳健以承受所施加的压力，则它可如在11600中所示的使用。另选地，它可被合并在压力容器内，在此它将由加压流体(液体或气体)包围以由此减轻该堆内部和外部之间的压力差(如在图9(d)-(e)中所示)。
以上描述涉及构造在分开的电池上的电极之间具有单个电连接并利用正方形平坦薄片电池几何形状(这是表2中的排列之一)的“侧连接”串联电池。
该方法可容易地适配成构造来自表2的另一排列，即在分开的电池上的电极之间具有单个电连接并利用正方形平坦薄片电池几何形状的“双极连接”串联电池。为这样做，只需要对图17中的带框架叶11007的组装件的微小更改。参考图17：代替将上部电极4040定位(其催化剂层面向上)以使得其悬垂集电器4010位于空通道11030中，它可被旋转以使得其悬垂集电器位于空通道11020中(其催化剂层仍然面向上)。随后，上部和下部电极两者将是其悬垂集电器处于同一通道中，在此它们可被焊接在一起以由此创建具有“双极连接——侧接触”的带框架叶，如在图6(d)中所示。在使用经固化聚合物树脂填充通道11020和11030之后，这一类型的多个叶可如图19中描绘的那样堆叠。
构造来自表2的又一排列进一步是可能的，即在分开的电池上的电极之间具有多个电连接并利用正方形平坦薄片电池几何形状的“双极连接”串联电池。为这样做，只需要对图17中的带框架叶11007的组装件的微小更改。参考图17：代替使用来自图2(a)的类型的电极4040，可使用其中集电器悬在该叶的两个相对侧上的类似电极。当如在11007中所示地组装时，这些悬垂集电器随后将变得位于空通道11020和11030中。来自通道11020中的上部和下部电极的悬垂集电器随后可彼此焊接，如来自通道11020中的上部和下部电极的悬垂集电器一样。由此将形成具有“双极连接——侧接触”的带框架叶(如在图6(d)中描绘的)。在使用经固化聚合物树脂填充通道11020和11030之后，这一类型的多个叶可如图19中描绘的那样堆叠。
示例5。使用示例实施例电池和电池堆来用于气体的电化学变换，或将气体引入电化学电池
以上提供的所有讨论和示例指的是其中电化学电池中的电极中的一者或两者生成气体的情形。然而，将理解，所有优选和示例实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆也可有益地使用和应用于其中引入气体或其中消耗而非生成气体的电化学反应中。即，所有优选和示例实施例可有益地用在例如电合成或电能电化学电池中，其中经由示例实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆，气体被引入电池和/或在电池中被变换。
优选地但非排他地，以上类别或类型的空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆被用于将气体(包括但不限于氧气或氢气)运送进入或通过电化学电池和设备内的电极应用于使电极去极化的目的。即，优选地，去极化气体由至少一个空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆接收以将电极进行气体去极化。
优选地但非排他地，去极化气体将本来发生在空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆处的半反应改变成能量上更加有利的半反应。
气体去极化电极的进一步方面、细节和应用可在申请人于2014年7月30日提交的PCT专利申请“Electro-Synthetic or Electro-Energy Cell With Gas DiffusionElectrode(s)(使用气体扩散电极的电合成或电能电池)”中描述，并且它通过援引纳入于此。
本领域技术人员将认识到，存在涉及气体的大量电化学反应，这些电化学反应可使用本文描述的实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆来执行、促进和/或管理。
优选地但非排他地，空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆是向其引入气体的燃料电池或其一部分，燃料电池包括但不限于：(a)碱性燃料电池(AFC)，或(b)酸性燃料电池，包括但不限于磷酸燃料电池(PAFC)。
优选地但非排他地，空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆被用在特定行业所独有的电化学工艺中。示例包括：
(i)氯气制造(经由氯碱和相关工艺)；
(ii)苛性碱制造(具有和/或不具有氯气，包括经由氯碱和相关工艺)；
(iii)过氧化氢制造(例如，经由Dow-Huron或相关工艺)；
(iv)精制和通用化学品/聚合物制造(例如，高锰酸钾、氯酸盐、高氯酸盐、氟、溴、过硫酸盐，以及其他)；
(v)电冶金应用，如金属电解冶金；
(vi)纸浆和造纸工业应用，如：(a)“黑液”电解，(b)“妥而油(Tall Oil)回收”以及(c)除氯电解；以及
(vii)燃料电池和相关设备应用，如氢氧燃料电池，包括但不限于碱性燃料电池。
多种工业电化学工艺可从气体去极化的使用中获益，如果它实际上可行的话。这些包括以下各项的电化学生产：(a)过氧化氢，(b)来自CO2的燃料、化学品和聚合物，(c)臭氧，(d)苛性碱(不含氯)，(e)高锰酸钾，(f)氯酸盐，(g)高氯酸盐，(h)氟，(i)溴，(j)过硫酸盐，(k)氯，以及其他。电冶金应用(如，金属电解冶金)也可从与阳极去极化相关联的能量节省中获益；金属电沉积发生在这样的电池的阴极侧，同时在阳极释出氧气。如果氧气释出被合适的气体扩散阳极上的过氧化氢所替代，则这将产生显著的能量节省。然而，常规气体扩散电极的机械特性使得它们不适于限定窄隙室，由此限制它们在电冶金工艺中广泛使用的未分开的电解电池中的应用。此外，常规气体扩散电极在工业级电解器中普遍使用的电解溶液的液压头下将泄漏。纸浆和造纸工业中的若干工业电化学工艺也可从可被气体去极化且经受更高压力差的另选气体扩散电极的使用中获益，包括：(a)“黑液”电解，(b)“妥而油(Tall Oil)回收”以及(c)除氯电解。在甚至非常轻微的液体压力的累积之后气体扩散电极的水淹也仍然是燃料电池(如氢氧燃料电池)中的特定且公认的问题。
因而，实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆可被用在以下各项的电化学制造中：(a)过氧化氢，(b)来自CO2的燃料、化学品或聚合物，(c)臭氧，(d)苛性碱(不含氯)，(e)高锰酸钾，(f)氯酸盐，(g)高氯酸盐，(h)氟，(i)溴，(j)过硫酸盐，(k)氯气，(l)苛性碱(一般而言)，(m)来自甲烷的CO2，以及其他。
在替换示例中，实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆可被用在：
(i)电冶金应用，如金属电解冶金；
(ii)纸浆和造纸工业应用，如：(a)“黑液”电解，(b)“妥而油(Tall Oil)回收”以及(c)除氯电解；以及
(iii)燃料电池和相关设备应用，如氢氧燃料电池，包括但不限于碱性燃料电池。
在替换实施例中，空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆是“半燃料电池”或其一部分，其中充当气体被引入的电极的电极(阳极或阴极)可在燃料电池中起作用，而第二电极是常规电极。第一“燃料电池”电极可按与该电池在各设备中相同的方式工作，这些设备包括但不限于：(a)碱性燃料电池(AFC)，或(b)酸性燃料电池，包括但不限于磷酸燃料电池(PAFC)。第二常规电极可以是固体电极。
在另一示例方面，有益效果可通过以下事实来实现：根据各示例实施例的实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆使得在电池或设备中执行全新化学工艺成为可能且实际的。例如，使用根据各示例实施例的气体扩散电极，迄今未考虑的用于从二氧化碳形成燃料、补救Sox和NOx污染的工艺是可能的且实际的。
申请人的气体扩散电极的进一步方面、细节和应用空域中申请人于2014年7月30日同时提交的PCT专利申请“Composite Three-Dimensional Electrodes and Methods ofFabrication(复合三维电极及制造方法)”和“Modular Electrochemical Cells(模块化电化学电池)”中找到，并且它们通过援引纳入于此。
在另一示例实施例中，实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆被用来不仅将去极化气体注入或引入去极化电极，还以足够的量来迫使气体进入电解质以使得形成将在反应器内发生的气泡，由此使得在电解质内混合，并由此提高质量转移并降低浓度极化效果。另选地，实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆可被用来注入惰性气体或惰性气体和去极化气体的某一组合。在这一实施例中，实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆向微孔气泡扩散器一样工作，并且可执行两个功能：向电池添加气体以及还提供混合。因而，去极化气体和/或惰性气体可经由至少一个电极被迫使进入液体电解质，以造成液体电解质中的气泡形成和/或混合。
在另一示例方面，提供了一种示例实施例电合成或燃料电池，包括液体电解质和实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆；实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆包括或包含：气体可渗透材料；以及在气体扩散电极的液体电解质侧上提供的多孔导电材料，其中在使用中，气体扩散电极被气体去极化。即，去极化气体被引入气体可渗透材料。气体扩散电极可以是反电极。在另一示例中，可以在电池中提供这一类型的两个气体扩散电极。可任选地，这两个气体扩散电极可被去极化。例如，第一去极化气体可被引入在第一气体扩散电极之处或之内，和/或第二去极化气体可被引入在第二气体扩散电极之处或之内。
在一个示例中，一个或多个多孔导电材料被附连到气体可渗透材料或定位在气体可渗透材料附近。在另一示例中，多孔导电材料被涂敷或沉积在气体可渗透材料上。在又一示例中，一个或多个气体可渗透材料被涂敷或沉积在多孔导电材料上。在又一示例中，气体可渗透材料是非导电的。
在另一示例方面，提供了一种电合成或燃料电池，其包括包含或包括以下各项的实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆：液体电解质；以及气体扩散电极，包括：液体电解质基本上不可渗透的气体可渗透材料；以及在气体扩散电极的液体电解质侧上提供的多孔导电材料，其中在使用中气体扩散电极被气体去极化。
在另一示例方面，提供了实施例空体积、气体扩散电极、电极、电池、电池堆和/或合并在压力容器内的电池堆，包括或包含用于在电化学或燃料电池或设备中使用的气体去极化电极，气体去极化电极是气体扩散电极且包括：气体可渗透材料；以及在气体去极化电极的液体电解质侧上提供的多孔导电材料。优选地，气体可渗透材料基本上是液体电解质不可渗透的。在一优选方面，气体可渗透材料是非导电的。在其他方面，多孔导电材料可附连到、固定到气体可渗透材料、毗邻气体可渗透材料放置、或以某种程度的间隔来置于气体可渗透材料附近。在又一方面，多孔导电材料优选地通过使用粘合材料附连到气体可渗透材料。气体可渗透电极也可被称为气体可渗透复合3D电极。
贯穿本说明书和所附权利要求书，除非上下文需要，否则词语“包括”以及变型(如“包含”或“含有”)将被理解为暗示包括所声称的整数或步骤、或者整数或步骤群，但不排除任何其他整数或步骤或者整数或步骤群。
可任选的实施例还可被称为广泛包括本文引用或指示的各部分、元素、以及特征(独立地或全体地，以这些部分、元素或特征的两者或更多者的任何或全部组合)，并且其中本文中提到了在本发明所涉及的领域中具有已知等效物的特定整数，这样的已知等效物被认为包括在本文内(如同被单独地阐明一样)。
虽然已详细描述了优选实施例，但应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，许多修改、改变、替换、或更改对本领域技术人员而言将是明显的。

Claims (29)

1.用于电化学反应的多个电化学电池，包括：
包括第一阴极和第一阳极的第一电化学电池，其中所述第一阴极和所述第一阳极中的至少一者是气体扩散电极；
包括第二阴极和第二阳极的第二电化学电池，其中所述第二阴极和所述第二阳极中的至少一者是气体扩散电极；
其中，所述第一阴极通过电子导电通路串联地电连接到所述第二阳极。
2.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，化学还原作为所述电化学反应的一部分发生在所述第一阴极和所述第二阴极处，并且化学氧化作为所述电化学反应的一部分发生在所述第一阳极和所述第二阳极处。
3.如权利要求1或2所述的电化学电池，其特征在于，所述第一阴极是气体扩散电极。
4.如权利要求1到3中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第一阳极是气体扩散电极。
5.如权利要求1到4中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第二阴极是气体扩散电极。
6.如权利要求1到5中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第二阳极是气体扩散电极。
7.如权利要求1到6中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，电解质在所述第一阴极和所述第一阳极之间。
8.如权利要求7所述的电化学电池，其特征在于，所述电解质还在所述第二阴极和所述第二阳极之间。
9.如权利要求1到8中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，在所述第一阴极和所述第一阳极之间没有放置隔膜或离子交换膜。
10.如权利要求1到9中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，在所述第二阴极和所述第二阳极之间没有放置隔膜或离子交换膜。
11.如权利要求1到10中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，在操作中，所述第一阴极和所述第二阳极之间没有电压差。
12.如权利要求1到11中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，在操作中，所述第一阴极和所述第二阴极之间存在电压差。
13.如权利要求1到12中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，在操作中，在所述第一阴极处产生第一气体，并且在所述第一阴极处基本上没有形成所述第一气体的气泡，或者在所述第一阴极处没有形成所述第一气体的气泡。
14.如权利要求13所述的电化学电池，其特征在于，在操作中，在所述第一阳极处产生第二气体，并且在所述第一阳极处基本上没有形成所述第二气体的气泡，或者在所述第一阳极处没有形成所述第二气体的气泡。
15.如权利要求14所述的电化学电池，其特征在于，在操作中，在所述第二阴极处产生所述第一气体，并且在所述第二阴极处基本上没有形成所述第一气体的气泡，或者在所述第二阴极处没有形成所述第一气体的气泡；以及
其中在操作中，在所述第二阳极处产生所述第二气体，并且在所述第二阳极处基本上没有形成所述第二气体的气泡，或者在所述第二阳极处没有形成所述第二气体的气泡。
16.如权利要求1到15中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第一阴极是气体可渗透且液体不可渗透的。
17.如权利要求1到16中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第一阴极包括：
至少部分地由气体可渗透且电解质可渗透的导电材料提供的第一电极；以及
至少部分地由气体可渗透且电解质不可渗透的材料提供的第一气体通道。
18.如权利要求17所述的电化学电池，其特征在于，在所述第一气体通道中沿所述第一阴极的长度来传送第一气体。
19.如权利要求1到18中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第二阳极包括：
至少部分地由气体可渗透且电解质可渗透的导电材料提供的第二电极；以及
至少部分地由气体可渗透且电解质不可渗透的材料提供的第二气体通道。
20.如权利要求19所述的电化学电池，其特征在于，在所述第二气体通道中沿所述第二阳极的长度来传送第二气体。
21.如权利要求17和19所述的电化学电池，其特征在于，所述第一气体通道被放置成面向所述第二气体通道。
22.如权利要求17和19所述的电化学电池，其特征在于，所述第一气体通道和所述第二气体通道被放置在所述第一电极和所述第二电极之间。
23.如权利要求1到22中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第一阴极和所述第二阳极是平面的。
24.如权利要求1到23中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第二阴极和所述第一阳极是平面的。
25.如权利要求1到24中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第一阴极是柔性的且所述第二阳极是柔性的。
26.如权利要求1到25中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述第一阴极和所述第二阳极是电化学电池的分层堆叠的一部分。
27.如权利要求1到26中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述电化学电池是共延的。
28.如权利要求1到27中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述多个电化学电池进一步包括：
包括第三阴极和第三阳极的第三电化学电池，其中所述第三阴极和所述第三阳极中的至少一者是气体扩散电极；
其中，所述第一阳极通过电子导电通路串联地电连接到所述第三阴极。
29.如权利要求1到28中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述多个电化学电池被配置成以以下电压来操作：
大于或等于2V；
大于或等于3V；
大于或等于5V；
大于或等于10V；
大于或等于25V；
大于或等于50V；
大于或等于100V；
大于或等于250V；
大于或等于500V；
大于或等于1000V；或
大于或等于2000V。
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