CN116762195A - 基于毛细管的电合成电池或电能电池 - Google Patents
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Abstract
披露了零间隙电化学电池架构，这些零间隙电化学电池架构采用分子级毛细管和/或扩散和/或渗透效应，以最小化对电化学电池的宏观外部管理的需要。优选地，这些效应固有地响应电化学电池条件，从而使电化学电池是自调节的。在一个示例中，披露了一种电合成电池或电能电池及其操作方法，包括用于容纳液体电解质的储器、定位在储器的外部的第一气体扩散电极和定位在储器的外部的第二电极。多孔毛细管间隔件定位在第一气体扩散电极与第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端延伸到储器中。优选地，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身。
Description
技术领域
本发明广义上涉及例如用作电合成电池或电能电池的电化学电池。本发明的示例实施例更具体地涉及零间隙电化学电池架构，这些零间隙电化学电池架构固有地是节能的，并且采用分子级毛细管和/或扩散和/或渗透效应以最小化对电化学电池的宏观级外部管理的需要。
背景技术
电能电池是一种电化学电池，其在无限长的时段内不断地或连续地产生电力供在电池的外部使用。电能电池与原电池的区别在于，在操作期间，它们可能需要具备反应物的持续外部供应。在操作期间，电化学反应的产物通常也持续地从这种电池移除。与蓄电池不同，电能电池中不储存化学能或电能。
电合成电池可以类似地被认为是一种电化学电池，其在无限长的时段内不断地或连续地制造一种或多种化学材料供在电池的外部使用。化学材料可以是气体、液体或固体的形式。像电能电池一样，电合成电池在操作期间也需要反应物的持续供应和产物的持续移除。电合成电池通常进一步需要电能的持续输入。
由于参与操作电能电池和电合成电池的大量电能，在其开发过程中的关键挑战是使它们在操作期间尽可能节能。这可以部分地通过最小化它们的电阻抗来实现。阻抗是施加电压时电池电路对电流的阻碍。最小化阻抗的一种方法是采用一种电池架构，在这种电池架构中，电池的阳极电极和阴极电极彼此面对放置，尽可能靠近彼此但不触碰(触碰将产生短路)。两个电极之间的间隙也应被具有最高的可能离子传导率的电解质所占据。
为此，已针对电合成电池或电能电池开发一系列“零间隙”电池架构。在这些架构中，两个电极被紧紧地夹在薄膜的相反侧上，该薄膜可能固有地具有高离子传导率，或者可能充满具有高离子传导率的液体电解质。在零间隙电池中，这种类型的零间隙膜通常小于2mm厚。零间隙电池架构的一些示例提供在R.Phillips和C.W.Dunnill的科学论文“Zerogap alkaline electrolysis cell design for renewable energy storage ashydrogen gas[氢气可再生能源储存的零间隙碱性电解电池设计]”，皇家化学学会进展(2016)，第6卷，第100643至100651页中。
电合成电池或电能电池的另一特征是典型地参与其操作的大量反应物和产物。在操作期间，这些电池可以持续地被给送大量反应物，同时，大量产物可以持续地从电池移除。理想情况下，反应物供应和产物移除应是完全分开的过程，以使得反应物可以独立于从电池移除产物而被供应到电池，而这些过程不会相互干扰。此外，向电池供应反应物和从电池移除产物不应干扰或限制电化学反应。
例如，最著名的零间隙电池之一是氢氧聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。这些电池典型地采用由磺化四氟乙烯基含氟聚合物共聚物形成的薄的质子(H+)传导膜，比如由科慕(Chemours)公司供应的膜，该膜夹在两个气体可渗透的电极(也称为“气体扩散电极”)之间。/>膜可以典型地为～0.183mm厚(例如当使用/>117膜时)或～0.125mm厚(例如当使用/>115膜时)。在这些电池中，反应物氢气(H2)经由气体扩散电极之一(“氢电极”)引入，在该电极中，氢气转化成质子。质子通过/>膜输送到另一电极(“氧电极”)。经由气体扩散“氧”电极引入的氧气(O2)与穿过/>膜的质子反应，以产生水(H2O)。在氧电极处形成的水典型地通过重力或蒸发从电池移除。电池中的电化学反应在所附接的外部电路中产生电流或电压。
这种电池的操作的关键是膜促进质子(H+)从氢电极传导到氧电极的能力。为了实现这种功能，/>膜必须部分或完全水饱和(即水合)。然而，维持必要的水合水平可能具有挑战性，因为水也是在氧电极处产生的反应的产物。最常见的是，通过加湿输入(反应物)氢气来控制PEM燃料电池中的/>膜的水合水平。这必须小心控制，因为过大的湿度可能导致水冷凝并汇集在气体扩散电极之一中，从而切断输入气体并暂停反应。这种现象被称为“淹没”，并且在氧电极处特别危险，反应产物水也形成在氧电极处。然而，湿度不足可能导致/>膜部分干燥，从而导致质子传导率下降并减缓反应。这在氢电极处特别危险，因为在操作期间，电泳漂移导致水分子背离氢电极穿过/>膜迁移到氧电极。因此，因为供应反应物(氢气)的过程与移除产物(水)的过程纠缠在一起，所以这种类型的燃料电池常需要主动管理，涉及通过响应式的、所监测的、实时的电子反馈系统来改变输入气体的湿度含量。
许多电能电池和电合成电池在其操作期间需要某种形式的管理(包括主动管理)，因为参与供应反应物的过程与移除产物的过程纠缠在一起，而不是独立的。这是因为在电池自身内，向电化学反应的活性位点供应反应物和/或从电化学反应的活性位点移除产物的分子级过程不是分开的和独立的。此外，它们不受电化学反应控制。这种分子级缺陷既而必须通过间接的、代理控制过程的宏观尺度管理来解决，以：(i)向电极供应反应物，且/或(ii)从电极移除产物，且/或(iii)控制电极之间的关键的中间过程或关键过程。
这个问题可以用较概念性的方式来陈述以澄清问题。基本上在所有零间隙电能电池和电合成电池内部，反应和分子移动都在电化学反应的控制下，在电极处和电极之间，大部分在电极间膜内，在分子级发生在“跨平面”轴线上。在可能不受电化学反应控制的过程中，反应物通常必须从膜的外部迁移到这个跨平面轴线上。类似地，在可能不受电化学反应控制的过程中，电化学反应的产物必须典型地迁移出跨平面轴线。所有其他关键过程和其中涉及的特定材料也是如此。因为这些过程以较不受控制的方式发生，所以在电池自身内，在分子级，在向反应位点供应反应物/从反应位点移除产物与电化学反应自身的速率之间可能存在脱节。正是这种分子尺度的脱节通常产生了对困难的外部宏观尺度管理(包括主动管理)的需要。也就是说，对管理的需要可能源于电化学反应与大量材料之间的脱节，这些材料必须在电池自身内向电化学反应供应或从电化学反应移除。如果所有这些移动都得到较好控制，那么这可能会减少对管理电池、特别是主动管理电池的需要。
在涉及气液或液气转化的一些电合成零间隙电池或电能零间隙电池中，正是液相材料进出跨平面轴线的分子级移动是有问题的。例如，如上所述，在零间隙PEM燃料电池中，进/出跨平面轴线的水移动可能干扰接近电极的气相反应物，由此需要主动管理。然而，在其他电池中，正是气相材料进出跨平面轴线的分子级移动可能具有挑战性并需要主动管理。例如，在零间隙水电解电池中产生的气泡必须常通过以下方式来主动清除：在电极上连续泵送液体电解质，以便允许水反应物接近电极表面。这不仅提高了电池的成本(由于附加的管道、储罐和其他设备，包括压力管理设备)，而且增加了气体从电极间的“穿越”，这可能显著降低电池的电化学效率并构成安全隐患。
在这些电池中，该问题可以被概括为涉及电化学电池内部的分子级流动，其中具有一种物质相(例如液体)的化学物质在与具有不同物质相(例如气体)的另一化学物质的流动相背和相反的方向和位置流动。这种类型的流动可以被称为“反向多相流动”。在相互干扰和妨碍时，这种抵抗的多相流动可能产生降低电池的性能并需要能量来克服的低效率。
这些反向多相流动在电合成电池或电能电池中的存在是众所周知的。然而，消除或最小化它们并不简单，因为常常还有其他重要的考虑因素必须解决。例如，如上所述，在许多水电解电池中，液相反应物(例如水分子和离子)的朝向电极的流动与气相产物(例如气泡)的背离电极的流动相反。这常被电极间膜放大。电极间膜的主要功能是阻止气体在电极之间穿越。为此，电极间膜将典型地需要是无孔的，并且厚度大于或等于0.125mm的115膜。如果电极间膜全然是多孔的，那么孔将需要尽可能小，以防止气泡进入并穿过电极间膜。这些特性不适合于大量液相反应物(如水分子)的连续供应。事实上，已知的电极间膜的这些特性可以抑制或最小化或者甚至防止液相水在电极间膜内部的流动性。这是最小化穿过膜的气体穿越所需的。
总之，需要例如用作电合成电池或电能电池的新的和改进的电化学电池或零间隙电化学电池。替代地或附加地，需要新的和改进的零间隙电能电池和/或电合成电池。替代地或附加地，在管理可能是必要的示例中，还需要用于管理零间隙电能电池和/或电合成电池的操作的新的和改进的装置。促进气液或液气转化的电能电池和电合成电池特别需要新的和改进的电化学电池或零间隙电化学电池。
本说明书中对任何先前出版物(或从其获得的信息)或任何已知内容的提及不是也不应被视为确认或承认或以任何形式暗示先前出版物(或从其获得的信息)或已知内容形成本说明书所涉及的领域的公知常识的一部分。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍构思选集，这些构思将在下文的具体实施方式中进一步说明。本发明内容不旨在指出所要求保护的主题的所有关键特征或必不可少的特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
在各种示例方面，实施例涉及电化学电池架构，特别是零间隙电化学电池架构，这些电化学电池架构在电池内采用分子级毛细管和/或扩散和/或渗透效应以最小化对电池的宏观级外部管理的需要。优选地，这些分子级过程固有地响应电池内的电化学反应，从而使电池是自调节的。优选地，这些分子级过程针对电池的各种液相和气相反应物和/或产物是分开的和独立的。优选地，每个这种分子级过程都涉及电池内不同的、宏观的液体或气体主体。优选地，在电池的操作期间，新鲜的反应物或过量的产物被分开供应到这些液体和气体主体或从这些液体和气体主体移除。优选地，这种供应或移除是经由气密/液密导管进行的，这些气密/液密导管将电池内的每个液体或气体主体分开连接到外部储存和供应/移除系统。
示例实施例特别地与促进气液或液气过程的零间隙电合成电池或电能电池相关。这些电池在无限长的时段内不断地或连续地操作，从而消耗反应物并产生体积太大而不能容纳在电池内的产物，并且可以改为通过外部储存和供应/移除系统来供应或移除。优选地，示例实施例固有地是节能的。
在一个示例方面，提供了一种电合成电池或电能电池，该电合成电池或电能电池包括：第一气体扩散电极；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间。优选地，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身。优选地，第一气体扩散电极定位在储器的外部。优选地，第二电极也定位在储器的外部。可选地，电池是电合成水电解电池。
在一个示例形式中，第一气体扩散电极与第一气体主体直接接触。在另一个示例形式中，多孔毛细管间隔件用液体电解质填充。在另一个示例形式中，多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm。在另一个示例形式中，第一气体扩散电极与第一气体主体接触并邻近于第一气体主体。在另一个示例形式中，第二电极是第二气体扩散电极，并且与第二气体主体接触并邻近于第二气体主体。
在另一个示例方面，提供了一种电合成电池或电能电池，该电合成电池或电能电池包括：储器，该储器用于容纳液体电解质；第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极定位在该储器的外部；第二电极，该第二电极定位在该储器的外部；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端延伸到该储器中；其中，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身。
在另一示例方面，提供了一种电合成水电解电池，该电合成水电解电池包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体并与包括该第一气体的第一气体主体直接接触；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充并定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间；其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm。
在另一个示例方面，提供了一种电合成电池或电能电池，该电合成电池或电能电池包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体，并且与包括该第一气体的第一气体主体接触并邻近于该第一气体主体；第二气体扩散电极，该第二气体扩散电极被配置为产生第二气体，并且与包括该第二气体的第二气体主体接触并邻近于该第二气体主体；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二气体扩散电极之间，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充，并通过毛细管效应将该液体电解质限制在该多孔毛细管间隔件中，并且其中该液体电解质具有大于0.4cm的最大柱高。
在另一个示例方面，提供了一种电合成电池或电能电池堆叠体，包括：第一电合成电池或电能电池；以及第二电合成电池或电能电池，该第二电合成电池或电能电池电连接到该第一电合成电池或电能电池；其中每个电合成电池或电能电池是如本文所披露的示例电池。
在另一个示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法，其中该电池是如本文所披露的示例电池，并且该方法包括在第一气体扩散电极和第二电极上施加电压，或者在第一气体扩散电极和第二电极上产生电压。
在另一个示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池堆叠体以执行电化学反应的方法，其中该电合成电池或电能电池堆叠体是如本文所披露的示例电合成电池或电能电池堆叠体，并且该方法包括在每个电合成电池或电能电池堆叠体中的第一气体扩散电极和第二电极上施加电压，或者在每个电合成电池或电能电池堆叠体中的第一气体扩散电极和第二电极上产生电压。
在另一个示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法，该电合成电池或电能电池包括：储器，该储器容纳液体电解质；第一气体扩散电极；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端定位在该储器内并与该液体电解质处于液体接触。该方法包括以下步骤：使该第一气体扩散电极和该第二电极与该液体电解质接触；以及在该第一气体扩散电极和该第二电极上施加或产生电压。
附图说明
现在将仅通过非限制性示例并参考附图来描述说明性实施例。从结合附图描述的至少一个优选但非限制性的实施例的描述中，各种示例实施例将变得显而易见，所述描述仅作为示例给出。
图1以示意图的形式描绘了示例电合成电池或电能电池的截面图，该电合成电池或电能电池具有不与任一电极直接接触的分开的液体储器。
图2描绘了示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中储器中的液体与至少一个电极直接接触。
图3描绘了示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中储器被并入到多孔毛细管间隔件中。
图4以示意图的形式描绘了示例电合成电池或电能电池的电极-间隔件-电极组件的中央部分的放大截面图。
图5描绘了多孔毛细管间隔件的测量流量(黑点)和建模流量(空心方块)的图，这些多孔毛细管间隔件由平均孔径为(a)0.45μm、(b)1.2μm、(c)5μm和(d)8μm的多孔聚醚砜材料过滤器构成，用6M KOH液体电解质填充。
图6描绘了替代的示例储器配置。
图7描绘了可以用于实现示例电合成电池或电能电池的电极-间隔件-电极组件。
图8描绘了合并有图7所示的类型的电极-间隔件-电极组件的示例电合成电池或电能电池。
图9描绘了图8所示的电合成电池或电能电池的示例堆叠体和可以使用的储器架构。
图10描绘了图8所示的电合成电池或电能电池的示例堆叠体和可以使用的储器架构，该储器架构在四个单独电池的电池堆叠体中使用了四个渗透储器。
图11描绘了以下各项在80℃的极化曲线：(a)具有图1中的架构的示例实施例水电解电池，其中气体处置结构并入在氧气产生电极中；(b)与上述(a)中相同的示例实施例水电解电池，但是气体处置结构没有被并入在氧气产生电极中；(c)相当的水电解电池，该水电解电池使用与(a)至(b)中相同的电极和多孔毛细管间隔件，但是其中电池充满液体电解质，并且气体在液体电解质中以气泡的形式产生；(d)数据可公开获得的最节能的商用碱性水电解电池，(d)数据可公开获得的最节能的商用PEM水电解电池。
图12描绘了当电池电压在80℃固定在1.47V时，由图11中针对极化曲线(a)的电池产生的电流，根据氢的高位热值(HHV)，这相当于100％的能量效率。
图13描绘了：(a)图11中针对极化曲线(a)的氧电极的电势；以及(b)已涂布有相同催化剂的薄亲水层的氧电极的相当电势，该薄亲水层促进6M KOH液体电解质薄膜沿着电极的表面向上的毛细管诱导移动。
图14描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中没有气体主体。
图15描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中液体电解质经由气体主体通过非干扰气相路径来补充/维持。
图16描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中一个电极上方的顶部空间被液体电解质占据并且另一电极上方的顶部空间被气体占据。
图17描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中一个电极上方的顶部空间被气体占据并且另一电极上方的顶部空间被气体占据。
图18描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中液体电解质经由气体主体通过非干扰气相路径来补充/维持。
图19描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中保持在多孔毛细管间隔件中的液体电解质阻止气体主体之间的气体穿越。
图20描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中一个电极仅在电极的顶部(在顶部空间中)接触第一气体主体，并且另一电极仅在电极的顶部(在顶部空间中)接触第二气体主体。
图21描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中保持在多孔毛细管间隔件中的液体电解质阻止第一气体主体与第二气体主体之间的气体穿越。一个电极仅在电极的顶部(在顶部空间中)接触第一气体主体，并且另一电极合并有气体处置结构，该气体处置结构填充有与顶部空间相连的气体(共同形成第二气体主体)。
图22描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中第一电极合并有气体处置结构，该气体处置结构填充有与顶部空间相连的气体(共同形成第一气体主体)。
图23描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中一个电极仅在电极的顶部(在顶部空间中)接触第一气体主体，并且另一电极邻近于气体毛细管结构，该气体毛细管结构填充有与顶部空间相连的气体(共同形成第二气体主体)。
图24描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中一个电极邻近于气体毛细管结构，该气体毛细管结构填充有与顶部空间相连的气体(共同形成第一气体主体)。另一电极邻近于另一气体毛细管结构，该另一气体毛细管结构填充有与顶部空间相连的气体(共同形成第二气体主体)。
图25描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中一个电极具有所附接或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构，该气体毛细管结构或气体处置结构穿过电极上方的液体电解质延伸到顶部空间。
图26描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中气体毛细管结构或气体处置结构填充有与顶部空间气体相连的气体(共同形成第一气体主体)，并且另一电极仅在其顶部(在顶部空间中)接触第二气体主体。
图27描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中另一电极也具有所附接或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构，该气体毛细管结构或气体处置结构穿过另一电极上方的液体电解质延伸到顶部空间。气体毛细管结构或气体处置结构填充有与顶部空间气体相连的气体(共同形成第二气体主体)。
图28描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中一个电极具有通过液体电解质释放气泡/气体体积的所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构，并且另一电极具有通过液体电解质释放气泡/气体体积的所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构。
图29描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中一个电极具有通过液体电解质释放气泡/气体体积的所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构，并且另一电极具有通过液体电解质释放气泡/气体体积的所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构。
图30描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中第一气体主体与外部导管和外部气体储存系统处于气体连通，并且第二气体主体与外部导管和外部气体储存系统处于气体连通。
图31描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中气体毛细管结构或气体处置结构从外部气体导管沿着第一路径通过液体电解质接收气泡/气体体积，并且另一气体毛细管结构或气体处置结构从外部气体导管沿着第二路径通过液体电解质接收气泡/气体体积。
图32描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中气体毛细管结构或气体处置结构从外部气体导管沿着第一路径通过液体电解质接收气泡/气体体积，并且另一气体毛细管结构或气体处置结构从外部气体导管沿着第二路径通过液体电解质接收气泡/气体体积。
图33描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中一个电极具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构，该气体毛细管结构或气体处置结构将第一气体主体125包含在其中，该第一气体主体与外部导管和外部气体储存系统处于气体连通，并且另一电极具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构，该气体毛细管结构或气体处置结构将第二气体主体包含在其中，并且与外部导管和外部气体储存系统处于气体连通。
图34描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，其中由电极进行的气体产生动态地产生与相应电极相关联的气体主体，每一个气体主体分开与外部导管和外部气体储存系统处于气体连通。
图35描绘了进一步的示例电合成电池或电能电池的示意性截面图，该电合成电池或电能电池展现出“独立路径电池”的一组物理属性中的一个或多个。
具体实施方式
描述仅作为示例给出的以下模式、特征或方面，以提供对一个或多个优选实施例的主题的更精确的理解。
定义
“储器”是设备的一部分，其中容纳了液体。“反应物”是在电化学反应期间消耗的化学材料。“产物”是在电化学反应期间产生的化学材料。“液体电解质”是溶液中含有离子的液体，具有传导电力的能力。“导管”是用于输送流体的通道、管子、腔室或槽。“歧管”是用于输送流体的一个或多个管道、一个或多个管子、一个或多个腔室、或具有多个开口的一个或多个通道。“室温”被定义为21℃。
“液气”电池被定义为具有至少一种液相反应物或产物和至少一种气相反应物或产物的电化学电池。
“电能电池”是一种电化学电池，其在无限长的时段内不断地或连续地产生电力供在电池的外部使用。在操作期间，电能电池可能需要反应物的持续外部供应。在操作期间，电化学反应的产物也可能持续地从这些电池移除。电能电池可以是液气电池。电能电池的示例是氢氧燃料电池。这个示例也是液气电池。
“电合成电池”是一种电化学电池，其在无限长的时段内不断地或连续地制造一种或多种化学材料供在电池的外部使用。化学材料可以是气体、液体或固体的形式。像电能电池一样，电合成电池在操作期间也可能需要反应物的持续供应和产物的持续移除。在操作期间，电合成电池可能通常进一步需要电能的持续输入。电合成电池可以是液气电池。电合成电池的示例是水电解电池。这个示例也是液气电池。
电能电池和电合成电池不同于其他类型的电化学电池，比如蓄电池、传感器等，因为它们不在电池主体内并入它们操作所需的反应物中的全部/一些，也不并入它们在操作期间产生的产物中的全部/一些。取而代之的是，在操作期间，这些可以持续从外部被带入或移除到电池的外部。例如，电能电池与原电池的区别在于原电池将它们的反应物和产物储存在电池主体内。与蓄电池不同，电能电池中不储存化学能或电能。类似地，虽然一些电化学传感器可能在感测操作期间消耗有限量的反应物并产生有限量的产物，但是这些反应物和产物中的全部/一些储存在电池主体自身内。
“零间隙”电化学电池是在电极与电极间间隔件之间没有间隙的电池。也就是说，在“零间隙”电池中，电极被紧紧地夹在电极间间隔件的相反侧上或邻接这些相反侧。
“多孔材料”是含有开放空间(“空隙”空间)的固体材料，该开放空间未被构成固体的结构的原子或分子的主框架占据。
多孔材料的“孔隙率”被定义为空隙空间的体积除以多孔材料的总体积所得的比率，以百分比表示。
“毛细管”或“孔”是多孔材料内液体或气体可以穿过的微小结构。
多孔材料内的孔的“孔径”是孔的理想直径。
多孔材料内的孔的“平均孔径”是使用气体孔隙率计所测量的多孔材料中存在的孔的平均理想直径(以数量计)。
“毛细管作用”涉及液体在没有外力(如重力)的辅助的情况下或甚至在对抗外力的情况下被吸入、保持并诱导在狭窄空间中流动。它可以在漆刷的刷毛之间、在细管中或在多孔材料(如纸或石膏)中吸上和保持液体。这种毛细管诱导作用典型地由液体与周围固体表面之间的分子间力驱动。在多孔材料内，由于表面张力(由液体内的内聚力产生)和液体与容器壁之间的吸引力的结合，发生了毛细管作用。一旦被吸上，液体可以典型地无限期地保持在高达被称为最大柱高的升高高度。
毛细管压力是需要施加以完全抵消毛细管作用的外部压力。也就是说，正是该压力如果施加在通过毛细管作用吸上的液体上则将使液体返回到它在没有发生毛细管作用的情况下占据的位置。毛细管压力也可以被认为是这种液体借以保持在发挥毛细管作用的材料的孔或毛细管内的压力。
含有液体的多孔材料的“毛细管压力”被定义为使用气体孔隙率计所测量的将液体推出多孔材料内的平均直径的毛细管所需的气体压力。
含有液体的多孔材料的“泡点压力”被定义为使用气体孔隙率计所测量的将液体推出多孔材料内的最大直径的毛细管所需的气体压力。
示例实施例的“多孔毛细管间隔件”是一种多孔材料，其使用毛细管作用以吸入液体电解质并维持液体电解质在多孔毛细管间隔件自身内的柱高，其中形成柱高的液体电解质被限制在多孔毛细管间隔件的体积内，并表现出毛细管压力。应理解，“多孔毛细管间隔件”可以替代地被描述为：“多孔间隔件”、“多孔电极间隔件”、“多孔毛细管电极间隔件”、“具有流体路径的多孔间隔件”、“具有流体路径的多孔电极间隔件”、“多孔毛细管隔膜”、“多孔隔膜”、“多孔电极隔膜”、“多孔毛细管电极隔膜”、“具有流体路径的多孔隔膜”或“具有流体路径的多孔电极隔膜”。
“柱高”被定义为通过毛细管作用限制在多孔毛细管间隔件内的液体柱的“高度”，包括在示例实施例电池的操作期间。术语“高度”被定义为多孔毛细管间隔件浸入其中的液体储器的表面以上的高度。如果多孔毛细管间隔件没有浸入液体储器中，那么它被定义为多孔毛细管间隔件的底端(远端)以上的高度。
“最大柱高”被定义为当多孔毛细管间隔件自身具有假设的无限高度时，可以通过毛细管作用在多孔毛细管间隔件内维持的液体柱的最高“高度”。术语“高度”被定义为多孔毛细管间隔件浸入其中的液体储器的表面以上的高度。如果多孔毛细管间隔件没有浸入液体储器中，那么它被定义为多孔毛细管间隔件的底端(远端)以上的高度。
应注意，在多孔毛细管间隔件到达示例实施例电池的顶部的情况下，多孔毛细管材料中的液体的实际“柱高”可能受到多孔毛细管间隔件的高度的限制。也就是说，如果多孔毛细管材料自身的高度小于“最大柱高”，那么“柱高”可以小于“最大柱高”。在示例实施例电池中，“最大柱高”超过电池的高度可能是重要的。这对于确保多孔毛细管间隔件在电池内的所有点都充满液体是必要的。在这种情况下，这既而可能是防止气体穿越所需的(参见下文对“气体穿越”的定义)。
“流量”被定义为仅在毛细管的影响下每单位时间流经充满液体的多孔毛细管间隔件的1cm宽的条带的液体质量。由于重力，“流量”典型地随着多孔毛细管间隔件的高度增大而下降。特定“高度”处的“流量”被定义为使用用于收集图5中的测量数据的技术所测量的在多孔毛细管间隔件浸入其中的液体储器的表面以上的那个高度处的流量。如果多孔毛细管间隔件没有浸入液体储器中，那么该流量被定义为多孔毛细管间隔件的底端(远端)以上的那个高度处的“流量”。
“扩散”是液相或气相分子从浓度较高的区域到浓度较低的区域的自发净移动，这种移动有使两个区域的浓度均衡的趋势。
“渗透”是水分子从低溶质浓度区域到高溶质浓度区域的自发移动，典型地是在溶质自身不能自由在相反方向上移动的情况下(例如，当两个区域之间有对溶质不渗透或渗透差的膜时)。
当反应物的供应速率和/或产物从电极处的反应区的移除速率根据电化学反应的速率并响应于电化学反应的速率而固有地调整自身时，电化学电池是“自调节”的。也就是说，较快的电化学反应速率自发地引起较快的反应物供应和产物移除，而较慢的电化学反应速率引起较慢的反应物向反应区的供应和产物从反应区的移除。
术语“反向多相流动”是指电化学电池内部的分子级流动，其中具有一种物质相(例如液体)的化学物质在与具有不同物质相(例如气体)的另一化学物质的移动(流动)相背和相反的方向和位置移动(流动)。在相互干扰和妨碍时，这种对抗的多相流动可能产生需要能量来克服的低效率。
“独立路径电池”被定义为提供至少一个路径的气液电化学电池，该至少一个路径对于电池内每种单独液相和气相反应物和产物的移动(流动)是分开且独立的，其中这些路径不相互干扰或妨碍。
本文中的“电极压缩”或“电极压力”是指两个电极被压靠在介入的多孔毛细管间隔件的相反侧上的压力。这种压缩可以通过对电池或电池堆叠体进行压缩的拉杆上的弹簧或垫圈来提供，或者通过装配在电池内的弹簧来提供。
“气体毛细管结构”是采用毛细管效应自发从液体吸入气体并展现出与气体吸收相关联的可测量的毛细管压力的结构。如果重复测量和计算可再现地产生大于10毫巴的毛细管压力，那么气体毛细管结构内的毛细管压力在本文中被定义为“可测量的”。
“气体处置结构”是具有促进气体移动而不必利用气体毛细管效应的物理特性的结构。
气体扩散层和多孔输送层是可以用于电子工程的其他领域的术语。应理解，如果“气体扩散层”和/或“多孔输送层”和/或这种类型的结构自发从液体吸入气体，并展现出与气体吸收相关联的可测量的毛细管压力，那么它们可以是“气体毛细管结构”。如果它们没有如此，而是辅助气体移动/输送到电极或从电极移动/输送，那么它们可以是“气体处置结构”。
如果在操作期间，使用人眼不能辨别出在电极的表面的至少一部分上形成气泡，那么该电极在本文中被定义为“无气泡”。
电合成电池的“能量效率”在本文中被定义为化学产品的单一单位输出内存在的净能量除以电池产生化学产物的同一单位输出所消耗的净能量，以百分比表示。电能电池的“能量效率”在本文中被定义为电池每单位时间产生的能量除以电池每单位时间可以产生的最大理论能量，以百分比表示。
“气体穿越”是一种现象，其中在含有液体电解质的多孔毛细管间隔件的第一侧上的第一气体主体的一部分穿过多孔毛细管间隔件迁移到多孔毛细管间隔件的另一侧上的第二气体主体中。“基准气体穿越率”被定义为在电池在室温和大气压下以固定的150mA/cm2操作的条件下，30分钟后，第二气体主体中存在的第一气体的体积除以第二气体主体的体积，以百分比表示。
优选实施例电合成电池或电能电池
具有不与任一电极接触的分开的储器的示例电池
图1示意性地描绘了优选实施例电合成电池或电能电池10的结构。优选地，电池10是零间隙电合成电池或电能电池。优选地，电池10具有：储器140，该储器用于容纳液体电解质；第一气体扩散电极120，该第一气体扩散电极定位在储器的外部；第二电极130，该第二电极定位在储器的外部；以及多孔毛细管间隔件110，该多孔毛细管间隔件定位在第一气体扩散电极120与第二电极130之间，该多孔毛细管间隔件110的一端延伸到储器中；其中，当多孔毛细管间隔件150的端部与储器140中的液体电解质100处于液体接触时，多孔毛细管间隔件能够用液体电解质100填充自身。第一电极120、多孔毛细管间隔件110和第二电极130的组件包括电池10的“电极-间隔件-电极”组件139。
多孔毛细管间隔件包括多孔材料，该多孔材料能够使用毛细管作用吸入液体电解质并维持液体电解质在多孔毛细管间隔件自身内的柱高，其中形成柱高的液体电解质被限制在多孔毛细管间隔件的体积内，并表现出毛细管压力。应理解，“多孔毛细管间隔件”可以替代地被描述为：“多孔间隔件”、“多孔电极间隔件”、“多孔毛细管电极间隔件”、“具有流体路径的多孔间隔件”、“具有流体路径的多孔电极间隔件”、“多孔毛细管隔膜”、“多孔隔膜”、“多孔电极隔膜”、“多孔毛细管电极隔膜”、“具有流体路径的多孔隔膜”或“具有流体路径的多孔电极隔膜”。
优选地，多孔毛细管间隔件的端部定位在储器内。优选地，设置了容纳或能够容纳液体电解质100的储器140，并且电解质填充的多孔毛细管间隔件110的端部150、例如远端(或等同地，端部部分或远侧部分)定位在(即浸入)可以容纳液体电解质100的储器140中。优选地，储器被配置为被填充液体电解质，并且多孔毛细管间隔件的端部被配置成接触液体电解质。优选地，多孔毛细管间隔件通过毛细管作用吸入液体电解质并维持液体电解质在多孔毛细管间隔件内的柱高。优选地，液体电解质的最大柱高至少等于或大于第一气体扩散电极的高度。优选地，多孔毛细管间隔件被配置为至少通过毛细管作用沿着多孔毛细管间隔件输送液体电解质。优选地，电池被配置成包括至少通过毛细管作用用来自储器的液体电解质填充多孔毛细管间隔件。可选地，电池被配置为包括用液体电解质填充多孔毛细管间隔件然后将多孔毛细管间隔件的端部定位在储器内。
优选地，电池10可以被配置成使得当储器140容纳液体电解质时，第一气体扩散电极120与储器140中的液体电解质100分开。优选地，电池10可以被进一步配置成使得当储器140容纳液体电解质100时，第二电极130与储器140中的液体电解质100分开。优选地，第一气体扩散电极120和第二电极130与储器140间隔开。也就是说，优选地，容纳在储器140内的液体电解质100可以不与第一电极120或第二电极130直接接触。优选地，多孔毛细管间隔件110与第一气体扩散电极120之间的直接接触区域在储器140的外部，并且多孔毛细管间隔件110与第二电极130之间的直接接触区域在储器140的外部。优选地，电池涉及在已沿着多孔毛细管间隔件输送之后第一气体扩散电极和第二电极与液体电解质的接触。
可选地，但优选地，多孔毛细管间隔件110的端部150延伸超过第一电极120和第二电极130。在此示例中，多孔毛细管间隔件110的端部150可以纵向延伸经过第一电极120的端部(例如，第一电极120的远端)并且经过第二电极130的端部(例如，第二电极130的远端)，以使得多孔毛细管间隔件110的端部150延伸到储器140中的液体电解质100中。储器140可以是主体、腔室、储罐、壳体、管道、导管等中的空腔，适于容纳液体电解质100。一个或多个储器可以得以使用，并且在一个示例中，可以向同一多孔毛细管间隔件供应液体电解质。
优选地，多孔毛细管间隔件包括多个孔，这些孔在第一气体扩散电极、第二电极与储器之间提供流体路径。优选地，多孔毛细管间隔件流体地连接到储器。优选地，在操作期间，多孔毛细管间隔件保持填充有液体电解质。
可选地，多孔毛细管间隔件110被填充液体电解质100，然后多孔毛细管间隔件110的端部150延伸到储器140内。优选地，电池被配置成使得在操作期间，液体电解质100仅在首先从储器140沿着多孔毛细管间隔件110输送之后才接触第一气体扩散电极120和第二电极130。优选地，电池被配置成使得在操作期间，多孔毛细管间隔件内被液体电解质覆盖的表面积至少等于或大于第一气体扩散电极面向多孔毛细管空间的表面积。优选地，第一气体扩散电极被配置成产生第一气体以形成第一气体主体，多孔毛细管间隔件的第一侧邻近于第一气体扩散电极的第一侧，多孔毛细管间隔件的第二侧邻近于第二电极的第一侧，并且第一气体扩散电极的第二侧邻近于第一气体主体。
在电池(例如电池10)的操作期间，在分子级，由电化学反应产生或消耗的液相材料自发迁移到电极处的反应区或从反应区迁移，在液体电解质中，在电极间间隔件内部，沿着电极间间隔件的长度迁移到储器或从储器迁移。也就是说，液相反应物和产物在液体电解质中沿着电极间间隔件的长度向储器或从储器进行“平面内”迁移。液相材料在毛细管和/或扩散和/或渗透控制下如此进行，这是通过液体电解质中存在的浓度差来“自调节”的。由于这些自调节的迁移，液相反应物可以通过将新鲜的液相反应物添加到储器而被补充到电池，并且可以通过将液相产物从储器移除而从电池移除液相产物。优选地，电池被配置成使得在操作期间，电池中的电化学反应的液相反应物或产物遵循多孔毛细管间隔件内部的液体电解质内的液相路径。优选地，在电化学反应期间，多孔毛细管间隔件内的液体电解质促进一种或多种液相材料沿着多孔毛细管间隔件的长度的迁移。优选地，多孔毛细管间隔件被配置成通过毛细管作用、扩散和/或渗透作用沿着多孔毛细管间隔件输送液体电解质。优选地，该一种或多种液相材料沿着多孔毛细管间隔件的长度的迁移受到液相毛细管作用、扩散和/或渗透作用的控制。优选地，电池被配置成使得在操作期间，电池通过多孔毛细管间隔件内发生的毛细管作用、扩散和/或渗透作用来自调节。优选地，电化学反应在电合成电池或电能电池中是自调节的。优选地，液相材料移出跨平面轴线的移动是通过储器中的液体电解质的组成来自调节的。优选地，液相毛细管、扩散和/或渗透作用在多孔毛细管间隔件内起作用，以：
(i)连续补充该液体电解质内消耗的一种或多种液相材料；或
(ii)连续移除液体电解质内产生的一种或多种液相材料。
电池10可以可选地封闭在不渗透液体且不渗透气体的外壳151中。外壳151可以并有液体导管152或一个以上的液体导管(即外壳151设置至少一个外部液体导管152)，该液体导管形成储器140的入口/出口或分开的入口和出口(未示出)，以允许补充或过量的液相反应物和/或产物和/或液体电解质100从电池的外部进入或排出。也就是说，液体电解质连同相关联的液相反应物和/或反应产物经由至少一个外部液体导管152输送进出储器140。液体导管152可以直接连接到液体储存系统153(优选为外部液体储存系统153)，或者与该液体储存系统直接或间接流体连通，该液体储存系统可以容纳补充的或过量的液相反应物和/或产物或者液体电解质100。也就是说，至少一个外部液体导管152与外部液体储存系统153直接或间接流体连通，以用于外部储存/供应/移除液体电解质100和/或液相反应物或产物。优选地，电池进一步包括电池的外壳，该外壳设置至少一个外部液体导管。优选地，电池包括电池的外壳，该外壳设置至少一个外部液体导管，其中液体电解质经由该至少一个外部液体导管输送进出储器。优选地，电池被配置成使得在操作期间，电池中的液体电解质、液相反应物和/或电化学反应产物经由该至少一个外部液体导管输送进出电池，并且该至少一个外部液体导管与外部液体储存系统处于流体连通。
储器140可以进一步包括开口145，多孔毛细管间隔件110穿过该开口。开口145可以是狭缝、间隙、孔口等。储器140可以由两个半部形成，比如不同主体中的两个空腔，这两个半部邻接在一起以形成储器140，其中每个主体包括凹部或切口，多孔毛细管间隔件110可以穿过该凹部或切口，并被放置成与储器140内的液体电解质100处于液体接触。储器140的壳体或壁可以防止储器140中的液体电解质100直接接触第一电极120或第二电极130。因此，如上所述，在液体电解质100已首先从储器140沿着多孔毛细管间隔件110输送之后，液体电解质100可能仅能够接触第一电极120和第二电极130。多孔毛细管间隔件110与第一电极120之间的直接接触区域可以在储器140的外部。同样，多孔毛细管间隔件110与第二电极130之间的直接接触区域可以在储器140的外部。在一个方面，第一电极120和第二电极130与储器140间隔开。在一个方面，第一电极120和第二电极130与储器140在物理上分开。在一个方面，第一电极120和第二电极130远离储器140而定位。在一个方面，第一电极120和第二电极130完全定位在储器140的外部。
在一个示例中，可以可选地设置附加屏障层155，以辅助防止储器140中的液体电解质100直接接触第一电极120和第二电极130。屏障层155包括间隙或开口145，多孔毛细管间隔件110穿过该间隙或开口。屏障层155可以作为储器140的一部分而集成，或者可以作为不同的分隔层而设置。屏障层155可以由不渗透液体电解质100的材料形成。优选地，储器包括开口，多孔毛细管间隔件穿过该开口。
由于存在(i)单一开口、狭缝、间隙或孔口145等，和/或(ii)仅含有完全用多孔毛细管间隔件110填充的单一开口的附加屏障层155，电池可以不受或部分不受取向效应的影响。也就是说，如果在储器的最靠近电极的端部处仅有单一开口，并且该开口用多孔毛细管间隔件110填充，并且储器主要用液体电解质100填充，那么可以在任何取向上成功地操作电池，包括在例如储器在电池的顶部的情况下。
可选地，第二电极是第二气体扩散电极。优选地，第二气体扩散电极被配置为产生第二气体以形成第二气体主体，并且第二气体扩散电极的第二侧邻近于第二气体主体。优选地，第二电极被配置为产生第二气体并与包括第二气体的第二气体主体直接接触。因此，在第一电极120与第二电极130两者是气体扩散电极的示例情况下，两个气体主体、即包括第一气体(与第一电极120相关联)的第一气体主体125和包括第二气体(与第二电极130相关联)的第二气体主体135优选存在于电解质填充的多孔毛细管间隔件110的相反侧上。多孔毛细管间隔件110的第一侧邻近于第一电极120的第一侧。多孔毛细管间隔件110的第二侧邻近于第二电极130的第一侧。第一电极120的第二侧邻近第一气体主体125。第二电极130的第二侧邻近第二气体主体135。优选地，电池被配置成使得在操作期间，第一气体扩散电极的第二侧的至少一部分与第一气体主体直接气相接触；并且第二气体扩散电极的第二侧的至少一部分与该第二气体主体直接气相接触。也就是说，第一电极120的第二侧的至少一部分与第一气体主体125直接气相接触。第二电极130的第二侧的至少一部分与第二气体主体135直接气相接触。
在分子级，由电化学反应产生或消耗的气相材料沿着连续的气相路径在与液相材料正交(90°)的方向上迁移，这些气相路径与液相路径分开且不干扰液相路径。也就是说，气体分子或原子通过相关的界面从气体扩散电极和电极间间隔件迁移到它们相应的宏观气体主体/从它们相应的宏观气体主体迁移到气体扩散电极和电极间间隔件，即进入或离开电极间间隔件内部或周围的反应区。附加地，这些界面可以被设计成改变气体迁移的速率(例如，通过并入气体毛细管结构或气体处置结构)。这种迁移优选在毛细管和/或扩散控制下沿着将每个电极连接到每个气体主体的连续气相路径发生。出于这个原因，气相材料(反应物或产物)也展现出自调节。因为每种气体的迁移路径不与另一气体的迁移路径或液体迁移路径重叠或干扰另一气体的迁移路径或液体迁移路径，所以气体移动与液体移动的自调节分开而独立地自调节。也就是说，不同的气相和液相反应物和产物各自进行它们自己的自调节，这不会干扰其他反应物和产物的移动。
优选地，气体毛细管结构促进气体在气相毛细管作用的影响下进出跨平面轴线的迁移。气体毛细管结构的示例包括但不限于，
i.多孔脱气板，
ii.多孔疏水膜，和/或
iii.多孔或窄孔疏水结构和/或其他气体毛细管结构，
这些结构自发从液体吸入气体并展现出与气体吸收相关联的可测量的毛细管压力。
优选地，气体处置结构促进气体进出跨平面轴线的迁移。气体处置结构的示例包括但不限于，
(a)有利于气体在其上选择性聚集和迁移的材料或结构，比如具有表面能低的表面区域的材料或结构，例如含有或包含：
1.具有低表面能的材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、氟化聚合物、等；或
2.具有低表面能的表面结构，比如纳米尺度超疏水结构等。
或；
(b)具有促进聚集气体脱离的强疏气表面区域的材料或结构，比如超亲水或“超润湿”材料或结构，
这些材料或结构促进或加速气体的移动，而不涉及具有可测量的毛细管压力的气体毛细管效应。
优选地，存在于这种气体毛细管结构或气体处置结构内的气体主体与邻近的气体主体(比如第一气体主体或第二气体主体)相连，或者变得与其相连。可选地，存在于这种体处置结构内的气体主体独立地与外部气体导管和/或外部气体储存系统处于气体连通。
优选地，电池包括气体毛细管结构，该气体毛细管结构至少部分定位在第一气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。优选地，电池包括气体处置结构，该气体处置结构至少部分定位在第一气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。优选地，电池包括第二气体毛细管结构，该第二气体毛细管结构至少部分定位在第二气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。优选地，电池包括第二气体处置结构，该第二气体处置结构至少部分定位在第二气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。优选地，电池包括气体处置结构，该气体处置结构定位在：第一气体扩散电极与多孔毛细管间隔件之间、第一气体扩散电极中、第一气体扩散电极处或附近和/或第一气体扩散电极的一部分中。优选地，电池包括第二气体处置结构，该第二气体处置结构定位在：第二气体扩散电极与多孔毛细管间隔件之间、第二气体扩散电极中、第二气体扩散电极处或附近和/或第二气体扩散电极的一部分中。
优选地，电池被配置成使得在操作期间，第一气体主体的第一气体遵循第一气相路径到达第一气体扩散电极，并且第一气相路径与液相路径分开。优选地，电池被配置成使得在操作期间，第二气体主体的第二气体遵循第二气相路径到达第二气体扩散电极，并且第二气相路径与液相路径分开。优选地，液相材料和气相材料进出跨平面轴线的迁移路径被不同地定向。优选地，电池被配置成使得在操作期间，在跨平面轴线中的第一气体扩散电极的活性表面与第一气体主体之间存在相连气相路径，由此在第一气体扩散电极的活性表面的至少一部分上不产生第一气体的可见气泡。优选地，电池被配置成使得在操作期间，在第一气体扩散电极的至少一部分上或者在第二气体扩散电极的至少一部分上看不到气泡。优选地，电池被配置成使得在操作期间，第一气体扩散电极用小于0.125mm厚、优选小于0.11mm厚、更优选小于0.10mm厚的液体电解质膜覆盖。优选地，电池被配置成使得在操作期间，在跨平面轴线中的第二气体扩散电极的活性表面与第二气体主体之间存在相连气相路径，由此在第二气体扩散电极的活性表面的至少一部分上不产生第二气体的可见气泡。优选地，电池被配置成使得在操作期间，第二气体扩散电极用小于0.125mm厚、优选小于0.11mm厚并且更优选小于0.10mm厚的液体电解质膜覆盖。
第一气体(与第一电极120相关)可以因此是在第一电极120处消耗的反应物，或者是由第一电极120产生的产物。在电池的操作期间，第一气体主体125将需要用第一气体重新填充(如果是反应物)，或者第一气体将需要从第一气体主体125移除(如果是产物)。第二气体(与第二电极130相关联)可以是在第二电极130处消耗的反应物，或者是由第二电极130产生的产物。在电池的操作期间，第二气体主体135将需要用第二气体重新填充(如果是反应物)，或者第二气体将需要从第二气体主体135移除(如果是产物)。
在各种实施例中，第一气体主体125内的第一气体可以连接到至少一个外部第一气体导管127并与之处于气体连通、容纳在该至少一个外部第一气体导管中或通过该至少一个外部第一气体导管输送进出电池，该至少一个第一气体导管可以是穿过外壳151的一个或多个管道、一个或多个导管、共用的气体歧管、腔室等。在各种实施例中，第二气体主体135中的第二气体可以连接到至少一个外部第二气体导管137并与之处于气体连通、容纳在该至少一个外部第二气体导管中或通过该至少一个外部第二气体导管输送，该至少一个第二气体导管可以是穿过外壳151的一个或多个管道、一个或多个导管、共用的气体歧管、腔室等。除了至少一个外部液体导管152之外，还可以设置至少一个外部第一气体导管127和/或至少一个外部第二气体导管137，或者可以设置该至少一个外部第一气体导管和/或该至少一个外部第二气体导管而没有至少一个外部液体导管152，或者可以不包括该至少一个外部第一气体导管和/或该至少一个外部第二气体导管，并且电池10可以仅包括至少一个外部液体导管152。外部第一气体导管127可以连接到第一气体储存系统128(优选为外部第一气体储存系统128)或与其处于气体连通。外部第二气体导管137可以连接到第二气体储存系统138(优选为外部第二气体储存系统138)或与其处于气体连通。外部第一气体储存系统128和外部第一气体导管127(即相关联的管道、导管、歧管、腔室)可以允许第一气体主体125中的第一气体供应到邻近于第一电极120的区域或者从该区域移除。外部第二气体储存系统138和外部第二气体导管137(即相关联的管道、导管、歧管、腔室)可以允许第二气体主体135中的第二气体供应到邻近于第二电极130的区域或者从该区域移除。也就是说，外壳151可以设置至少一个外部第一气体导管127和/或外壳151可以设置至少一个外部第二气体导管137。第一气体(如果存在)可以经由该至少一个外部第一气体导管127输送进出第一气体主体125，和/或第二气体(如果存在)可以经由该至少一个外部第二气体导管137输送进出第二气体主体135。换句话说，该至少一个外部第一气体导管127与外部第一气体储存系统128处于气体连通以用于外部储存第一气体，和/或该至少一个外部第二气体导管137与外部第二气体储存系统138处于气体连通以用于外部储存第二气体。
通常，分开的供应系统和分开的移除系统在外部连接到电池10，以在操作期间独立地向电池供应每种反应物和从电池10移除每种产物。每个这种系统优选向电池内的分开的气体主体或液体储器供应反应物或从其移除产物，该气体主体或液体储器又向电池中的相关电极供应反应物或从其移除产物。
优选地，电池包括外壳，该外壳设置至少一个外部第一气体导管，其中第一气体经由该至少一个外部第一气体导管输送进出第一气体主体。优选地，外壳设置至少一个外部气体导管，该至少一个外部气体导管与第一气体主体处于气体连通。优选地，该至少一个外部第一气体导管与外部第一气体储存系统处于气体连通。优选地，外壳进一步设置至少一个外部第一气体导管，并且被配置成使得在操作期间，第一气体经由该至少一个外部第一气体导管输送进出第一气体主体。优选地，进一步包括电池的外壳，该外壳设置至少一个外部第一气体导管，其中第一气体经由该至少一个外部第一气体导管输送进出第一气体主体。因此，例如，外部第一反应物源(在电池10外部)经由一个或多个第一反应物管道或导管向第一电极120供应第一反应物。可选地，外壳进一步设置至少一个外部第二气体导管，并且被配置成使得在操作期间，第二气体经由该至少一个外部第二气体导管输送进出第二气体主体。优选地，该至少一个外部第二气体导管与外部第二气体储存系统处于气体连通。优选地，进一步包括该外壳设置至少一个外部第二气体导管，其中第二气体经由该至少一个外部第二气体导管输送进出第二气体主体。可选地，外部第二反应物源经由一个或多个第二反应物管道或导管向第一电极120或第二电极130供应第二反应物。此外，可选地，外部其他反应物源经由一个或多个其他反应物管道或导管向第一电极120或第二电极130供应其他反应物。附加地，例如，外部第一产物储器或储存器(在电池10外部)经由一个或多个第一产物管道或导管接收在第一电极120处产生的第一产物。可选地，外部第二产物储器或储存器经由一个或多个第二产物管道或导管接收在第一电极120或第二电极130处产生的第二产物。此外，可选地，外部其他产物储器或储存器经由一个或多个其他产物管道或导管接收在第一电极120或第二电极130处产生的进一步产物。
优选地，多孔毛细管间隔件110中的液体电解质100和液体电解质100被保持在多孔毛细管间隔件110内的毛细管压力将第一气体主体125和第二气体主体135分开，并防止第一气体主体125和第二气体主体135彼此物理接触，或者至少最小化使彼此污染的程度。在一个示例中，多孔毛细管间隔件110被填充液体电解质100，然后将多孔毛细管间隔件110的端部150定位在储器140内。在另一个示例中，液体电解质100在首先从储器140沿着多孔毛细管间隔件110输送之后接触第一电极120和第二电极130。优选地，在电池10的操作期间，多孔毛细管间隔件110的邻近于整个第一电极120的至少一部分和多孔毛细管间隔件110的邻近于整个第二电极130的至少一部分保持填充有液体电解质100。优选地，当多孔毛细管间隔件用液体电解质填充时，多孔毛细管间隔件被配置成阻止或妨碍第一气体主体与第二气体主体混合，并维持小于2％的基准气体穿越率。
为了使两个气体主体125和135的压力与液体电解质100的压力均衡或维持尽可能接近相等，可以将管道、导管、井或腔室149并入到储器140的顶部。这些管道、导管、井或腔室149可以在相应的气体主体125和135与储器140中的液体电解质之间提供直接界面，由此确保它们的压力相等。优选地，管道、导管、井或腔室149在一定程度上从储器的顶部向上延伸到气体主体125和135中。这最小化了由于瞬时压差而暂时从储器排出的液体电解质溢出到由气体主体125和135占据的气体腔室中的可能性。附加地，如果一些液体电解质确实溢出到气体腔室中，那么它将与储器的其余部分中的液体电解质在物理上断开和分开。
优选但不排他地，电池被配置成使得在操作期间，第一气体主体的压力大于3巴表压，优选大于4巴表压，更优选大于5巴表压。优选但不排他地，电池被配置成使得在操作期间，第二气体主体的压力大于3巴表压。
在第一电极120和第二电极130中仅一个是气体扩散电极的示例情况下，可以仅存在一个气体主体，即第一气体主体125(如果第一电极120是GDE)或第二气体主体135(如果第二电极130是GDE)。
第一电极120和第二电极130分别通过第一电连接160和第二电连接170连接到外部电路180。第一电连接160或第二电连接170或外部电路180自身优选穿透外壳151，而不损害其不渗透气体和不渗透液体的性质。外部电路180可以向电池10供应电能(例如，在电合成电池的情况下)。替代地，由电池10产生的电能可以供应给外部电路180(例如，在电能电池的情况下)。
例如，外部电路可以包含电源，该电源在操作中在第一电极和第二电极上施加电压。电源的许多示例是市售的，所有这些都可以用于在它们的两个端子上施加电压，这两个端子可以各自分开连接到第一电极和第二电极。在另一个示例中，外部电路可以包含电力接收与调制设备，比如DC-AC转换器，该电力接收与调制设备在附接到例如电能电池的电极时调节所接收的电力并产生外部电压。电力接收设备的许多示例是市售的，所有这些都可以用于在它们的端子分开连接到电能电池的第一电极和第二电极时，产生外部电压。一系列电压可以由这种电源施加，或由这种电力接收设备接收，电压例如大于0.5V、大于2V、大于5V、大于10V、大于20V、大于50V、大于100V、大于250V、大于500V、大于1000V、大于5000V或大于10,000V。
优选地，外部电路包含能够在第一气体扩散电极和第二电极上施加或产生电压的电源或电力接收设备。
其他的示例实施例涵盖采用薄的多孔毛细管间隔件110(小于0.45mm厚)作为电极间间隔件的电合成电池或电能电池。优选地，电池是零间隙电池，由此多孔毛细管间隔件小于0.45mm厚，优选小于0.30mm厚，更优选小于0.13mm厚。这种薄的多孔毛细管间隔件110的非限制性示例是由颇尔公司(Pall Corporation)供应的平均孔径为8μm的薄的多孔聚醚砜材料过滤器。薄的多孔材料利用毛细管效应吸入液体电解质并将其保持在电极间间隔件内。两个电极夹在电极间间隔件的相反侧上。电极中的至少一个或两个电极可以是气体可渗透的，即可以是气体扩散电极。电极间间隔件的底端可以可选地浸入远离电极的液体电解质的储器中，或者储器可以与两个电极中的一个或两个接触，或者储器可以完全并入到多孔毛细管间隔件中。当两个电极都是气体扩散电极时，气体扩散电极与电极-间隔件-电极组件的一侧或两侧上的气体主体流体接触。分开连接到气体主体和/或储器的密封的(液密和/或气密的)外部导管和储存容积在电池操作期间供应反应物和移除产物。在其他示例中，多孔毛细管间隔件110小于0.35mm厚，小于0.2mm厚，小于0.1mm厚，小于0.05mm厚，或小于0.025mm厚。
优选地，多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm且小于400μm。优选地，多孔毛细管间隔件的平均孔径大于4μm且小于400μm，大于6μm且小于400μm，大于8μm且小于400μm，大于10μm且小于400μm，大于20μm且小于400μm，或大于30μm且小于400μm。优选地，多孔毛细管间隔件的平均孔径为约3μm、约4μm、约5μm、约6μm、约7μm、约8μm、约9μm或约10μm。优选地，多孔毛细管间隔件的平均孔径小于400μm。可选地，多孔毛细管间隔件是超过60％有孔的，优选超过70％有孔的，更优选超过80％有孔的。优选地，多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充，并且在室温具有小于140mΩcm2的离子电阻。优选地，第一气体扩散电极和第二电极以大于2巴、优选大于3巴、更优选大于4巴被压靠在多孔毛细管间隔件上。优选地，第一气体扩散电极和第二气体扩散电极以大于2巴、优选大于3巴、更优选大于4巴被压靠在多孔毛细管间隔件上。优选地，液体电解质是含水的，并且当多孔毛细管间隔件用液体电解质填充时，多孔毛细管间隔件中的液体电解质在大于8cm的高度处以每分钟大于0.0014g水的流量流动。
优选地，第一气体扩散电极和第二电极各自具有几何表面积大于或等于10cm2的侧面。优选地，第一气体扩散电极包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。优选地，第二气体扩散电极包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。优选地，电池使用大于或等于1安培、优选大于或等于1.5安培、更优选大于或等于2安培、更优选大于或等于2.5安培的穿过第一气体扩散电极和第二电极的电流操作。优选地，电池连续操作至少24小时。
为了使这种电合成电池或电能电池不断地或连续地操作无限长的时间，除了其他因素之外，薄的多孔毛细管间隔件110优选能够：
i)吸入液体电解质并维持其自身充满液体电解质，以由此维持液体电解质在延伸到电池的顶部的多孔毛细管间隔件内的柱高；
ii)向多孔毛细管间隔件内提供足以维持电化学反应的液体电解质的流量，即，优选地，始终如此并且在所有操作条件下都如此；并且
iii)在多孔毛细管间隔件与电极的界面处释放足够的液体电解质，以在所有操作条件下都适当润湿电极来进行反应。
优选地，电池是电合成电池，并且电化学反应产生化学产物，该化学产物被输送到电合成电池的外部。优选地，电池是电能电池，并且电化学反应产生能量，该能量被输送到电能电池的外部。
因为液相与气相迁移路径两者是自调节的，所以电池可以在没有外部管理的情况下连续操作。这相对于可能典型地需要主动管理的许多传统电合成电池或电能电池而言构成了重要的优势。
储器液体与电极直接接触的示例电池
图2中示意性地描绘了另一个实施例零间隙电合成电池或电能电池20。电池20可能不同于电池10，因为可能不存在储器的最靠近电极的壁，也可能在储器与电极之间没有屏障155。因此，储器中的液体100可以与一个或两个电极120或130直接接触。接触范围可能相对小(例如，电极外表面面积的5％至10％，如图2中A处所描绘)或相对大(例如，电极外表面面积的50％至70％，如图2中B处所描绘)。然而，应理解，在电池的操作期间，液体电解质与电极之间的接触范围可以是固定的，或者可以快速或缓慢、瞬时或永久改变，并且A和B的具体值可以是0％与100％之间的任何值，包含0％和100％。
可选地，A和/或B的值小。优选地，电池被配置成使得当储器容纳液体电解质时，第一气体扩散电极在储器的边缘处触碰液体电解质。优选地，电池被配置成使得当储器容纳液体电解质时，第二电极在储器的边缘处触碰液体电解质。在其他方面，电池20可以具有与图1中的电池10相同的特性和性质。在其他方面，电池20可以具有与图1中的电池10中的部件相同的部件中的一个或多个，这些部件具有相同的特性和性质。
在图2所描绘的示例实施例电池中，气体主体125和135可以分别与电极120和130的外表面面积的、比图2所描绘的实施例小的比例邻近并接触。例如，接触范围可能相对小(例如，电极外表面面积的30％至50％，如图2中针对气体主体135所描绘)或相对大(例如，电极外表面面积的90％至95％，如图2中针对气体主体125所描绘)。然而，应理解，这些值可以是固定的，或者可以快速或缓慢、瞬时或永久改变，并且具体值可以是0％与100％之间的任何值，包含0％和100％。
虽然电极120或130分别与它们的气体主体125和135之间的较小接触比例是盛行的，但是优选实施例的特征和益处有许多仍然可以全部或部分适用。
此外，这类示例实施例电池(即电池20)可以提供在其他优选实施例电池中不太常见或观察不到的特征和益处。这些包括例如电池20内的相对液位的物理波动(即A和B的相对值的波动)的能力。电池中的相对液位的这种改变可以允许：
(i)通过液体向新的A和/或B值的补偿移动，气体主体125和135中的气体压力快速和自发地均衡，由此消除125与135之间的任何压差；
(ii)改进了对始终完全用液体电解质填充的多孔毛细管间隔件110的维持；和/或
(iii)改进了对在操作期间完全润湿的电极的维持。
附加地，电极可以与液体电解质物理接触的事实意味着电极中的毛细管可以用来辅助多孔毛细管间隔件110的毛细管作用。也就是说，可以利用电极中的毛细管作用将液体电解质向上移动到电极处或电极之间的反应区。实际上，液体电解质可以被诱导向上移动并沿着电极中的毛细管移动到多孔毛细管间隔件110或电极120或130，由此帮助维持：
(i)始终并且在所有位置处(包括在电池中较高的位置处)，多孔毛细管间隔件110都填充有液体电解质；和/或
(ii)始终并且在所有位置处(包括在电池中较高的位置处)，电极在操作期间完全润湿。
当然，液体电解质在电极上和沿着电极向上的毛细管诱导移动可能典型地干扰甚至阻止电极120或130分别与气体主体125或135之间的气体移动。这可能降低电池20的能量效率。然而，已发现，如果这种移动被配置成仅涉及沿着电极的表面移动的非常薄的液体电解质层，那么可能不会干扰气体移动。也就是说，如果液体电解质的毛细管诱导输送可以被设计成避免电极及其孔被“淹没”，那么它可以提供将液体电解质输送到反应区的有益的、非干扰的替代方法，该反应区也可以自调节。
优选地，电池被配置成使得在操作期间，第一气体扩散电极用小于0.125mm厚、优选小于0.11mm厚、更优选小于0.10mm厚的液体电解质膜覆盖。优选地，电池被配置成使得在操作期间，第二气体扩散电极用小于0.125mm厚、优选小于0.11mm厚并且更优选小于0.10mm厚的液体电解质膜覆盖。
具有并入到多孔毛细管间隔件中的储器的示例电池
图3描绘了替代实施例零间隙电合成电池或电能电池30，其中储器已并入到多孔毛细管间隔件110自身中，以使得与多孔毛细管间隔件明显分开的液体储器可能是不可辨别的。
例如，当反应物和产物是纯气相材料并且液体电解质没有被消耗或产生或者以任何方式受电化学反应影响时，可以使用电池30。例如，可以使用稀缺、昂贵或稀少的并且不容易蒸发的液体电解质，例如“离子液体”。在这种情况下，通过最小化储器的大小并将储器并入到多孔毛细管间隔件110中来最小化存在的液体电解质的量可能是最实际可行的。
所得到的电池30能够有效地促进目前无法以工业规模执行的新的电化学反应。使用少量稀缺、昂贵或稀少的液体电解质来促进电能或电合成转化的能力可以用于工业生产，即目前仅可以使用这种电解质来执行的新的电化学反应。气相反应物和/或产物可以经由外部管道127、137a和/或137b从第一气体储存系统128、第二气体储存系统138a和/或第三气体储存系统138b供应到气体主体125和/或135，或者从这些气体主体移除到这些气体储存系统。在图3中描绘了两个气体储存系统(第二气体储存系统138a和第三气体储存系统138b)，以展示气体循环通过气体主体(在此说明性情况下为135)以便引入反应物和/或从电池移除产物的情形。
应理解，使用稀有、昂贵或稀少的且不容易蒸发的物质(例如“离子液体”)并不限于图3所描绘的电池架构。这种电解质可以用于任何示例实施例电池中。
在另一个示例实施例中，多孔毛细管间隔件110用含水的液体电解质填充，并且储器完全并入在其中。在这种情况下，可以通过将水蒸气引入到气体主体125和/或135中或从该气体主体移除水蒸气来补充或维持多孔毛细管间隔件110中的含水电解质，其中这水蒸气中有一些在多孔毛细管间隔件110中冷凝或从该多孔毛细管间隔件蒸发。
如前所述，使用气相蒸气来补充或维持电极间隔膜内的液相材料(如水)可能典型地干扰或甚至阻止气相反应物或产物分别在电极120或130与气体主体125或135之间的移动。这可能降低电池的能量效率。
然而，已发现，当用通过毛细管力保持在间隔件内的液体电解质填充的多孔毛细管间隔件110用作电极间隔膜时，情形可能不同。可以通过引入水蒸气或从一个或两个气体(即第一气体主体125和/或第二气体主体135)移除水蒸气而不干扰存在的其他气相路径(去往/来自电极的气态反应物或产物的气相路径)来补充或维持液体电解质。在操作中，可以在第一电极120和第二电极130上施加电压，或者可以在第一电极120和第二电极130上产生电压。
也就是说，在一些情况下，可以产生不干扰或妨碍气体反应物或产物去往/来自电极的气相路径的气相路径，以补充或维持液相电解质。
具体地说，当多孔毛细管间隔件110用作电极间隔膜时，这是可能的，因为相连液体电解质主体可以被限制在多孔毛细管间隔件内。这种相连的、受限的液体电解质主体可能不存在于其他电极间隔膜中。水蒸气可以优选在这种相连液体主体中冷凝或从该相连液体主体蒸发。此外，该液体主体通过毛细管力保持在隔膜内，以使得在该液体主体中冷凝的任何水蒸气将通过毛细管力限制到间隔件110，由此确保其不会淹没电极或阻止气体反应物/产物接近电极。
优选地，电池被配置成使得在操作期间，多孔毛细管间隔件中的液体电解质包括电池中仅有的相连液体电解质主体。优选地，电池不包括外部液体导管，并且被配置成使得液体电解质和/或液相反应物和/或产物以气体流内的蒸气的形式输送进出电池，其中蒸气在多孔毛细管间隔件内的液体电解质中冷凝或从液体电解质蒸发。优选地，电池进一步包括不存在外部液体导管，并且液体电解质和/或液相反应物和/或产物以气体流内的蒸气的形式输送进出电池。优选地，储器作为多孔毛细管间隔件的一部分而集成，并且蒸气在多孔毛细管间隔件内的液体电解质中冷凝或从液体电解质蒸发。
在其他方面，电池30可以具有与图1中的电池10或图2中的电池20相同的特性和性质。在其他方面，电池30可以具有与图1中的电池10或图2中的电池20中的部件相同的部件中的一个或多个，这些部件具有相同的特性和性质。
其他示例实施例
除了上述示例实施例之外，可以利用电池架构的各种其他示例实施例。这些包括但不限于本说明书所述的其他架构。
在其他示例实施例中，提供了一种电合成电池或电能电池堆叠体，该堆叠体包括：第一电合成电池或电能电池；以及第二电合成电池或电能电池，该第二电合成电池或电能电池电连接到该第一电合成电池或电能电池。其中每个电合成电池或电能电池包括：储器，该储器用于容纳液体电解质；第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极定位在该储器的外部；第二电极，该第二电极定位在该储器的外部；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端延伸到该储器中；其中，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身。
优选地，在电合成电池或电能电池堆叠体内，第一电合成电池或电能电池是如本文所述的示例实施例电池，并且第二电合成电池或电能电池是如本文所述的示例实施例电池。优选地，在上述电合成电池或电能电池堆叠体内，第一电合成电池或电能电池和第二电合成电池或电能电池串联连接。
在其他示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法，其中该电池包括：储器，该储器用于容纳液体电解质；第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极定位在该储器的外部；第二电极，该第二电极定位在该储器的外部；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端延伸到该储器中；其中，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身，并且该方法包括在该第一气体扩散电极和该第二电极上施加电压。
在其他示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法，包括在第一气体扩散电极和第二电极上施加电压的步骤。
在其他示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池堆叠体以执行电化学反应的方法，包括在第一电合成电池或电能电池和第二电合成电池或电能电池中的每一个的第一气体扩散电极和第二电极上施加电压的步骤。
在其他示例实施例中，提供了一种电合成水电解电池，该电合成水电解电池包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体并与包括该第一气体的第一气体主体直接接触；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充并定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间；其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm。
在其他示例中，提供了一种水电解多电池堆叠体，该水电解多电池堆叠体包括多个上述电池，其中该多个电池电连接。
在其他示例实施例中，提供了一种电合成水电解电池堆叠体，包括：第一电合成水电解电池；以及第二电合成水电解电池，该第二电合成水电解电池电连接到该第一电合成水电解电池。其中每个电合成水电解电池包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体并与包括该第一气体的第一气体主体直接接触；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充并定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间；其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm。
优选地，在电合成水电解电池堆叠体内，第一电合成水电解电池是如本文所述的示例实施例电池，并且第二电合成水电解电池是如本文所述的示例实施例电池。优选地，在电合成水电解电池堆叠体内，第一电合成水电解电池和第二电合成水电解电池串联连接。
在其他示例方面，提供了一种操作电合成水电解电池以执行水电解的方法，其中该电池包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体并与包括该第一气体的第一气体主体直接接触；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充并定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间；其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm，该方法包括在该第一气体扩散电极和该第二电极上施加电压。
在其他示例方面，提供了一种操作电合成水电解电池以执行水电解的方法，包括在第一气体扩散电极和第二电极上施加电压的步骤。
在其他示例方面，提供了一种操作电合成水电解电池堆叠体以执行水电解的方法，包括在第一电合成水电解电池和第二电合成水电解电池中的每一个的第一气体扩散电极和第二电极上施加电压的步骤。
在其他实施例中，提供了一种电合成电池或电能电池，该电合成电池或电能电池包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体，并且与包括该第一气体的第一气体主体接触并邻近于该第一气体主体；第二气体扩散电极，该第二气体扩散电极被配置为产生第二气体，并且与包括该第二气体的第二气体主体接触并邻近于该第二气体主体；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二气体扩散电极之间，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充，并通过毛细管效应将该液体电解质限制在该多孔毛细管间隔件中，并且其中该液体电解质具有大于0.4cm的最大柱高。
可选地，电池可以包括储器，该储器被配置为容纳液体电解质并且在操作期间位于多孔毛细管间隔件下方，其中至少该多孔毛细管间隔件的远端与储器中的液体电解质接触。优选地，液体电解质具有大于0.4cm的最大柱高。
在其他示例中，提供了一种电合成或电能多电池堆叠体，该堆叠体包括多个电池，其中该多个电池电连接。
在其他示例中，提供了一种电合成或电能量电池堆叠体，该堆叠体包括：第一电合成电池或电能电池；以及第二电合成电池或电能电池，该第二电合成电池或电能电池电连接到该第一电合成电池或电能电池。其中每个电合成电池或电能电池包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体，并且与包括该第一气体的第一气体主体接触并邻近于该第一气体主体；第二气体扩散电极，该第二气体扩散电极被配置为产生第一气体，并且与包括该第二气体的第二气体主体接触并邻近于该第二气体主体；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二气体扩散电极之间，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充，并通过毛细管效应将该液体电解质限制在该多孔毛细管间隔件中，并且其中该液体电解质具有大于0.4cm的最大柱高。
在其他示例中，提供了电合成电池或电能电池堆叠体，其中第一电合成电池或电能电池是如本文所述的示例实施例电池，并且第二电合成电池或电能电池是如本文所述的示例实施例电池。
在其他示例中，提供了电合成电池或电能电池堆叠体，其中第一电合成电池或电能电池和第二电合成电池或电能电池串联连接。
在其他示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法，其中该电池包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体，并且与包括该第一气体的第一气体主体接触并邻近于该第一气体主体；第二气体扩散电极，该第二气体扩散电极被配置为产生第二气体，并且与包括该第二气体的第二气体主体接触并邻近于该第二气体主体；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二气体扩散电极之间；该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充，并且通过毛细管效应将该液体电解质限制在该多孔毛细管间隔件中，并且其中该液体电解质具有大于0.4cm的最大柱高，并且该方法包括在该第一气体扩散电极和该第二气体扩散电极上施加电压。
在其他示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法，包括在第一气体扩散电极和第二气体扩散电极上施加电压的步骤。
在其他示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池堆叠体以执行电化学反应的方法，包括在第一电合成电池或电能电池和第二电合成电池或电能电池中的每一个的第一气体扩散电极和第二气体扩散电极上施加电压的步骤。
在其他示例实施例中，提供了一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法。该电合成电池或电能电池包括：储器，该储器容纳液体电解质；第一气体扩散电极；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端定位在该储器内并与该液体电解质处于液体接触。该方法包括以下步骤：使该第一气体扩散电极和该第二电极与该液体电解质接触；以及在该第一气体扩散电极和该第二电极上施加或产生电压。
在其他示例方面，电化学反应从氮气和氢气产生氨气。在其他示例方面，电化学反应从氨气和氧气产生电力。在其他示例方面，电化学反应从氨气产生氢气和氮气。在其他示例方面，电化学反应使用NOX作为反应物。在其他示例方面，电化学反应从盐水产生氯气、氢气和苛性碱。在其他示例方面，电化学反应从盐水产生氯气和苛性碱。在其他示例方面，电化学反应从盐酸产生氯气和氢气。在其他示例方面，电化学反应从氢气和氧气产生电能。在其他示例方面，电化学反应从水产生氢气和氧气。在其他示例方面，电化学反应从含有氢气的气体混合物提取纯氢。
在其他示例中，提供了一种电合成电池或电能电池，该电合成电池或电能电池包括：储器，该储器容纳液体电解质；第一气体扩散电极；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端定位在该储器内并与该液体电解质处于液体接触；其中该电合成电池或电能电池被配置为根据如本文所述的任何示例方法来操作。
在其他示例中，提供了一种电合成或电能量电池堆叠体，该堆叠体包括：第一电合成电池或电能电池以及第二电合成电池或电能电池。
在其他示例方面，提供了电合成电池或电能电池堆叠体，其中第一电合成电池或电能电池和第二电合成电池或电能电池串联连接。
在其他示例方面，提供了一种电合成电池或电能电池，该电合成电池或电能电池包括两个或更多个多孔毛细管间隔件。优选但不排他地，包含两个或更多个多孔毛细管间隔件(优选各自小于0.45mm厚)的零间隙电合成电池或电能电池具有液体电解质，该液体电解质通过毛细管力从每个多孔毛细管间隔件的端部浸入其中的液体电解质的两个或更多个储器吸入这些多孔毛细管间隔件中并连续保持在那里。
在其他示例方面，提供了一种电合成电池或电能电池，该电合成电池或电能电池包括被配置为容纳液体电解质的两个或更多个储器，其中该两个或更多个多孔毛细管间隔件中的每一个的远端定位在该两个或更多个储器之一中。
在另一个示例方面，储器可以被配置为产生或采用或利用渗透效应。优选地，在电化学反应期间，渗透效应放大了液体电解质在多孔毛细管间隔件中的最大柱高和/或放大了液体电解质的成分在多孔毛细管间隔件内的流量。
优选地，储器包括被配置为容纳第一液体的第一容积、被配置成容纳第二液体的第二容积以及分隔第一容积和第二容积的半渗透膜。可选地，多孔毛细管间隔件的远端定位在第一容积中，被配置成使得在操作期间，第一液体是液体电解质，而第二液体不同于第一液体。
在另一个示例方面，提供了一种电合成或电能多电池堆叠体，该堆叠体包括多个电池，该多个电池被配置成使得在操作期间，该多个电池中的每一个的第二液体经由连接到该多个电池中的每一个的第二容积的共用供应或移除管道而处于液体连通。
在其他示例方面，提供了一种电合成电池或电能电池，其中多孔毛细管间隔件至少部分由选自包括以下各项的组的一种或多种材料构成：PVDF、PTFE、四氟乙烯、氟化聚合物、聚酰亚胺、聚酰胺、尼龙、含氮材料、玻璃纤维、含硅材料、聚氯乙烯、含氯化物的聚合物、醋酸纤维素、硝酸纤维素、赛璐玢、乙基纤维素、含纤维素的材料、聚碳酸酯、含碳酸酯的材料、聚醚砜、聚砜、聚苯砜、含砜的材料、聚苯硫醚、含硫化物的材料、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃、含烯烃的材料、石棉、钛基陶瓷、锆基陶瓷、陶瓷材料、聚氯乙烯、乙烯基材料、橡胶、多孔蓄电池隔膜、和粘土。
附加实施例
在另一个示例方面，提供了一种零间隙电合成电池或电能电池，该电池包括以下元件：
(1)两个电极，其中的至少一个是气体可渗透的(即气体扩散电极)，夹在小于0.45mm厚(在其他示例中，小于0.30mm厚，或小于0.13mm厚)的多孔毛细管间隔件的相反侧上；
(2)该多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件含有液体电解质，该液体电解质通过毛细管作用被吸入多孔毛细管间隔件中并连续保持在多孔毛细管间隔件内；
(3)可选地，多孔毛细管间隔件的一端，该端部可选地与上述(1)和(2)中描述的电极-间隔件-电极组件分开或间隔开，浸入液体电解质的储器中或以其他方式与液体电解质的储器处于液体接触。可选地，多孔毛细管间隔件自身是储器，或者它并有储器；
(4)在电极-间隔件-电极组件的一侧或两侧上的一个或多个气体主体，可选地，该一个或多个气体主体与液体电解质的储器分开，该一个或多个气体主体与相应电极处于气体连通；
(5)密封的(液密和/或气密的)外部导管和储存容积，这些外部导管和储存容积分开连接到第一气体主体和/或第二气体主体和/或储器，以用于在电池操作期间供应反应物和移除产物。
优选地，多孔毛细管间隔件由多孔材料形成，或者包含多孔材料。优选地，在电化学反应期间，多孔毛细管间隔件通过毛细管作用吸入液体电解质并维持液体电解质在多孔毛细管间隔件内的最大柱高。优选地，最大柱高超过夹在多孔毛细管间隔件上的一个或两个电极的高度。优选地，液体电解质的最大柱高至少等于或大于第一气体扩散电极的高度。优选地，最大柱高超过电池的顶部的高度。优选地，形成柱高的液体电解质被限制在多孔毛细管间隔件的容积内。优选地，多孔毛细管间隔件内的液体电解质延伸到电池的所有边缘。优选地，多孔毛细管间隔件中的液体电解质阻止或妨碍第一气体主体与第二气体主体混合。
优选地，电池中的电化学反应的液相反应物或产物遵循多孔毛细管间隔件内部的液体电解质内的液相路径。优选地，在电化学反应期间，在液相毛细管作用和/或扩散和/或渗透作用的影响和控制下，多孔毛细管间隔件内的液体电解质促进液相材料通过“平面内”移动沿着多孔毛细管间隔件的长度迁移到液体电解质的储器或从液体电解质的储器迁移出去。可选地，至少一个电极在液相毛细管作用的影响和控制下促进液体电解质薄膜沿着电极表面和/或沿着电极表面向上的迁移。优选地，第一气体主体的第一气体遵循第一气相路径到达第一气体扩散电极，并且第一气相路径与液相路径分开。优选地，第二气体主体的第二气体遵循第二气相路径到达第二气体扩散电极，并且第二气相路径与液相路径分开。
优选地，在电化学反应期间，液相毛细管和/或扩散和/或渗透作用在电解质填充的多孔毛细管间隔件内起作用，以：(i)连续补充液体电解质内消耗的一种或多种液相材料，或(ii)连续移除液体电解质内产生的一种或多种液相材料，或(iii)连续引入/移除原本直接或间接参与电化学反应的一种或多种液相材料。也就是说，优选地，电化学反应在电合成电池或电能电池中是自调节的。可选地，在电化学反应期间，涉及在电极的表面上迁移的液体电解质薄膜的液相毛细管作用起作用，以：(i)连续补充液体电解质内消耗的一种或多种液相材料，或(ii)连续移除液体电解质内产生的一种或多种液相材料，或(iii)连续引入/移除原本直接或间接参与电化学反应的一种或多种液相材料。也就是说，优选地，电化学反应在电合成电池或电能电池中是自调节的。
优选地，在电化学反应期间，由上述液相毛细管和/或扩散和/或渗透作用在多孔毛细管间隔件内诱导的流量足以维持电化学反应。可选地，在电化学反应期间，涉及在电极的表面上移动的液体电解质薄膜的液相毛细管作用的流量足以维持电化学反应。
另一个非限制性示例方面提供了一种使用零间隙电合成电池或电能电池电生产化学产品或电力的方法，该方法包括：
(1)将两个电极夹在
(2)多孔毛细管间隔件(小于0.45mm厚)的相反侧上，其中的至少一个电极是气体可渗透的(即气体扩散电极)，
(3)该多孔毛细管间隔件在其中含有液体电解质，该液体电解质通过毛细管力
(4)从多孔毛细管间隔件的一端浸入其中的液体电解质的储器吸入该多孔毛细管间隔件中并连续保持在那里，或者，替代地，
多孔毛细管间隔件并有储器，或者没有储器，并且多孔毛细管间隔件中的液体电解质包括电池中的仅有的相连液体，
其中，
(5)气体主体存在于电极-间隔件-电极组件的一侧或两侧上，其中
(6)在毛细和/或扩散和/或渗透力的影响和控制下，参与电化学反应的液相材料通过“平面内”移动在多孔毛细管间隔件内沿着多孔毛细管间隔件的长度迁移到储器/主体或从储器/主体迁移出去，和/或其中，
在毛细管的影响和控制下，参与电化学反应的液相材料在至少一个电极的表面上的薄膜中迁移到储器/主体或从储器/主体迁移出去，并且其中
(7)在电池的操作期间，经由分开连接到第一气体主体和/或第二气体主体和/或储器的外部导管和储存容积，反应物持续从电池的外部供应/补充，并且产物持续移除到电池的外部。
特征组合
根据各种非限制性示例实施例，以下要点披露了提供各种示例电池、多电池堆叠体、系统和/或示例操作方法的特征组合。
1.一种电合成电池或电能电池，包括：第一气体扩散电极；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间。
2.如要点1所述的电池，其中，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身。
3.如任一前述要点所述的电池，该第一气体扩散电极定位在该储器的外部。
4.如任一前述要点所述的电池，该第二电极定位在该储器的外部。
5.如任一前述要点所述的电池，其中，该电池是电合成水电解电池。
6.如任一前述要点所述的电池，其中，该第一气体扩散电极与第一气体主体直接接触。
7.如任一前述要点所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件用液体电解质填充。
8.如任一前述要点所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm。
9.如任一前述要点所述的电池，其中，该第一气体扩散电极与第一气体主体接触并邻近于该第一气体主体。
10.如任一前述要点所述的电池，其中，该第二气体扩散电极与第二气体主体接触并邻近于该第二气体主体。
11.如任一前述要点所述的电池，其中，该液体电解质通过毛细管效应被限制在该多孔毛细管间隔件中，并且该液体电解质具有大于0.4cm的最大柱高。
12.一种电合成电池或电能电池，包括：储器，该储器用于容纳液体电解质；第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极定位在该储器的外部；第二电极，该第二电极定位在该储器的外部；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端延伸到该储器中；其中，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身。
13.一种电合成水电解电池，该电合成水电解电池包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体并与包括该第一气体的第一气体主体直接接触；第二电极；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充并定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间；其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm。
14.一种电合成电池或电能电池，包括：第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体，并且与包括该第一气体的第一气体主体接触并邻近于该第一气体主体；第二气体扩散电极，该第二气体扩散电极被配置为产生第二气体，并且与包括该第二气体的第二气体主体接触并邻近于该第二气体主体；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二气体扩散电极之间，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充，并通过毛细管效应将该液体电解质限制在该多孔毛细管间隔件中，并且其中该液体电解质具有大于0.4cm的最大柱高。
15.一种操作如任一前述要点所述的电池以执行电化学反应的方法，该方法包括以下步骤：使该第一气体扩散电极和该第二电极与该液体电解质接触；以及在该第一气体扩散电极和该第二电极上施加或产生电压。
16.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括该电池的外壳，该外壳设置至少一个外部液体导管。
17.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得当该储器容纳该液体电解质时，该第一气体扩散电极与该储器中的液体电解质分开。
18.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得当该储器容纳该液体电解质时，该第一气体扩散电极在该储器的边缘处触碰该液体电解质。
19.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得当该储器容纳该液体电解质时，该第二电极与该储器中的液体电解质分开。
20.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得当该储器容纳该液体电解质时，该第二电极在该储器的边缘处触碰该液体电解质。
21.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件用该液体电解质填充，然后该多孔毛细管间隔件的端部延伸到该储器内。
22.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该液体电解质仅在首先从该储器沿着该多孔毛细管间隔件输送之后才接触该第一气体扩散电极和该第二电极。
23.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该第一气体扩散电极和该第二电极与该储器间隔开。
24.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件与该第一气体扩散电极之间的直接接触区域在该储器的外部，并且该多孔毛细管间隔件与该第二电极之间的直接接触区域在该储器的外部。
25.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该储器包括开口，该多孔毛细管间隔件穿过该开口。
26.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该多孔毛细管间隔件内被该液体电解质覆盖的表面积至少等于或大于该第一气体扩散电极面向该多孔毛细管间隔件的表面积。
27.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该第一气体扩散电极和该第二电极各自具有几何表面积大于或等于10cm2的侧面。
28.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该第一气体扩散电极包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。
29.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体以形成第一气体主体，该多孔毛细管间隔件的第一侧邻近于该第一气体扩散电极的第一侧，该多孔毛细管间隔件的第二侧邻近于该第二电极的第一侧，并且该第一气体扩散电极的第二侧邻近于该第一气体主体。
30.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该第二电极是第二气体扩散电极。
31.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该第二气体扩散电极包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。
32.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该第二气体扩散电极被配置为产生第二气体以形成第二气体主体，并且该第二气体扩散电极的第二侧邻近于该第二气体主体。
33.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该第一气体扩散电极的第二侧的至少一部分与该第一气体主体直接气相接触；并且第二气体扩散电极的第二侧的至少一部分与该第二气体主体直接气相接触。
34.如任一前述要点所述的电池或方法，包括气体毛细管结构，该气体毛细管结构至少部分定位在该第一气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。
35.如任一前述要点所述的电池或方法，包括第二气体毛细管结构，该第二气体毛细管结构至少部分定位在该第二气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。
36.如任一前述要点所述的电池或方法，该电池是零间隙电池，其中该多孔毛细管间隔件小于0.45mm厚，优选小于0.30mm厚，更优选小于0.13mm厚。
37.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm且小于400μm。
38.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于4μm且小于400μm，大于6μm且小于400μm，大于8μm且小于400μm，大于10μm且小于400μm，大于20μm且小于400μm，或大于30μm且小于400μm。
39.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件包括多个孔，这些孔在该第一气体扩散电极、该第二电极与该储器之间提供流体路径。
40.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件流体地连接到该储器。
41.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件至少部分包括选自包括以下各项的组的一种或多种材料：PVDF、PTFE、四氟乙烯、氟化聚合物、聚酰亚胺、聚酰胺、尼龙、含氮材料、玻璃纤维、含硅材料、聚氯乙烯、含氯化物的聚合物、醋酸纤维素、硝酸纤维素、赛璐玢、乙基纤维素、含纤维素的材料、聚碳酸酯、含碳酸酯的材料、聚醚砜、聚砜、聚苯砜、含砜的材料、聚苯硫醚、含硫化物的材料、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃、含烯烃的材料、石棉、钛基陶瓷、锆基陶瓷、陶瓷材料、聚氯乙烯、乙烯基材料、橡胶、多孔蓄电池隔膜、和粘土。
42.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括外壳，该外壳设置用于将液体引入该电池和/或从该电池移除液体的至少一个外部液体导管。
43.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括该外壳设置至少一个外部气体导管，该至少一个外部气体导管与该第一气体主体处于气体连通。
44.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该液体电解质是含水的，并且当该多孔毛细管间隔件用该液体电解质填充时，该多孔毛细管间隔件中的液体电解质在大于8cm的高度处以每分钟大于0.0014g水的流量流动。
45.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该第一气体主体的压力大于3巴表压，优选大于4巴表压，更优选大于5巴表压。
46.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该第一气体扩散电极和该第二电极以大于2巴、优选大于3巴、更优选大于4巴被压靠在该多孔毛细管间隔件上。
47.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件是超过60％有孔的，优选超过70％有孔的，更优选超过80％有孔的。
48.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，在跨平面轴线中的第一气体扩散电极的活性表面与第一气体主体之间存在相连气相路径，由此在该第一气体扩散电极的活性表面的至少一部分上不产生该第一气体的可见气泡。
49.如任一前述要点所述的电池或方法，包括气体处置结构，该气体处置结构定位在：
该第一气体扩散电极与该多孔毛细管间隔件之间，
该第一气体扩散电极中，
该第一气体扩散电极处或附近，和/或
该第一气体扩散电极的一部分中。
50.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该第二电极被配置为产生第二气体并与包括该第二气体的第二气体主体直接接触。
51.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，当该多孔毛细管间隔件用该液体电解质填充时，该多孔毛细管间隔件被配置为阻止或妨碍该第一气体主体与该第二气体主体混合，并维持小于2％的基准气体穿越率。
52.如任一前述要点所述的电池或方法，包括第二气体处置结构，该第二气体处置结构定位在：
该第二气体扩散电极与该多孔毛细管间隔件之间，
该第二气体扩散电极中，
该第二气体扩散电极处或附近，和/或
该第二气体扩散电极的一部分中。
53.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该多孔毛细管间隔件中的液体电解质包括该电池中仅有的相连液体电解质主体。
54.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电池不包括外部液体导管，并且被配置成使得该液体电解质和/或液相反应物和/或产物以气体流内的蒸气的形式输送进出该电池，其中该蒸气在该多孔毛细管间隔件内的液体电解质中冷凝或从该液体电解质蒸发。
55.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件的一端定位在储器内。
56.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该储器被配置成用该液体电解质填充，并且该多孔毛细管间隔件的端部被配置成接触该液体电解质。
57.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件被配置成至少通过毛细管作用沿着该多孔毛细管间隔件输送该液体电解质。
58.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件被配置成通过毛细管作用、扩散和/或渗透作用沿着该多孔毛细管间隔件输送该液体电解质。
59.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该电池通过该多孔毛细管间隔件内发生的毛细管作用、扩散和/或渗透作用来自调节。
60.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件被配置成用液体电解质填充，并且在室温具有小于140mΩcm2的离子电阻。
61.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该第一气体扩散电极用小于0.125mm厚、优选小于0.11mm厚、更优选小于0.10mm厚的液体电解质膜覆盖。
62.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径小于400μm。
63.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径为约3μm、约4μm、约5μm、约6μm、约7μm、约8μm、约9μm或约10μm。
64.一种水电解多电池堆叠体，该水电解多电池堆叠体包括多个如任一前述要点所述的电池，其中该多个电池电连接、优选串联电连接。
65.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括储器，该储器被配置为容纳该液体电解质并且在操作期间位于该多孔毛细管间隔件下方，其中至少该多孔毛细管间隔件的远端与该储器中的液体电解质接触。
66.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括外壳，该外壳设置至少一个外部液体导管。
67.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该电池中的液体电解质、这些液相反应物和/或电化学反应产物经由该至少一个外部液体导管输送进出该电池，并且该至少一个外部液体导管与外部液体储存系统处于流体连通。
68.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该电池中的电化学反应的液相反应物或产物遵循该多孔毛细管间隔件内部的液体电解质内的液相路径。
69.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该第一气体主体的第一气体遵循第一气相路径到达该第一气体扩散电极，并且该第一气相路径与这些液相路径分开。
70.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，该第二气体主体的第二气体遵循第二气相路径到达该第二气体扩散电极，并且该第二气相路径与这些液相路径分开。
71.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，当该多孔毛细管间隔件用该液体电解质填充时，该多孔毛细管间隔件被配置成阻止或妨碍该第一气体主体与该第二气体主体混合，并维持小于2％的基准气体穿越率。
72.如任一前述要点所述的电池或方法，被配置成使得在操作期间，在该第一气体扩散电极的至少一部分上或者在该第二气体扩散电极的至少一部分上看不到气泡。
73.如任一前述要点所述的电池或方法，该外壳进一步设置至少一个外部第一气体导管，并且被配置成使得在操作期间，该第一气体经由该至少一个外部第一气体导管输送进出该第一气体主体。
74.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该至少一个外部第一气体导管与外部第一气体储存系统处于气体连通。
75.如任一前述要点所述的电池或方法，该外壳进一步设置至少一个外部第二气体导管，并且被配置成使得在操作期间，该第二气体经由该至少一个外部第二气体导管输送进出该第二气体主体。
76.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该至少一个外部第二气体导管与外部第二气体储存系统处于气体连通。
77.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该储器包括被配置为容纳第一液体的第一容积、被配置为容纳第二液体的第二容积以及分隔该第一容积和该第二容积的半渗透膜。
78.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件的远端定位在该第一容积中，被配置成使得在操作期间，该第一液体是该液体电解质，并且该第二液体不同于该第一液体。
79.如任一前述要点所述的电池或方法，包括两个或更多个多孔毛细管间隔件。
80.如任一前述要点所述的电池或方法，包括被配置为容纳该液体电解质的两个或更多个储器，其中该两个或更多个多孔毛细管间隔件中的每一个的远端定位在该两个或更多个储器之一中。
81.一种电合成或电能多电池堆叠体，包括多个如任一前述要点所述的电池，该多个电池被配置成使得在操作期间，该多个电池中的每一个的第二液体经由连接到该多个电池中的每一个的第二容积的共用供应或移除管道而处于液体连通。
82.如任一前述要点所述的电池或方法，包括通过至少毛细管作用用来自该储器的液体电解质填充该多孔毛细管间隔件。
83.如任一前述要点所述的电池或方法，包括用该液体电解质填充该多孔毛细管间隔件，然后将该多孔毛细管间隔件的端部定位在该储器内。
84.如任一前述要点所述的电池或方法，包括在已沿着该多孔毛细管间隔件输送之后，使该第一气体扩散电极和该第二电极与该液体电解质接触。
85.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，在操作期间，该多孔毛细管间隔件保持填充有液体电解质。
86.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电池是电合成电池，并且该电化学反应产生化学产物，该化学产物被输送到该电合成电池的外部。
87.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括该电池的外壳，该外壳设置至少一个外部液体导管，其中该液体电解质经由该至少一个外部液体导管输送进出该储器。
88.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括该外壳设置至少一个外部第一气体导管，其中第一气体经由该至少一个外部第一气体导管输送进出第一气体主体。
89.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括该电池的外壳，该外壳设置至少一个外部第一气体导管，其中第一气体经由该至少一个外部第一气体导管输送进出第一气体主体。
90.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括该外壳设置至少一个外部第二气体导管，其中第二气体经由该至少一个外部第二气体导管输送进出第二气体主体。
91.如任一前述要点所述的电池或方法，进一步包括不存在外部液体导管，并且该液体电解质和/或这些液相反应物和/或产物以气体流内的蒸气的形式输送进出该电池。
92.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该储器作为该多孔毛细管间隔件的一部分而集成，并且该蒸气在该多孔毛细管间隔件内的液体电解质中冷凝或从液体电解质蒸发。
93.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电池使用大于或等于1安培、优选大于或等于1.5安培、更优选大于或等于2安培、更优选大于或等于2.5安培的穿过该第一气体扩散电极和该第二电极的电流操作。
94.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电池连续操作至少24小时。
95.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该多孔毛细管间隔件通过毛细管作用吸入该液体电解质并维持该液体电解质在该多孔毛细管间隔件内的柱高。
96.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该液体电解质的最大柱高至少等于或大于该第一气体扩散电极的高度。
97.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，在该电化学反应期间，该多孔毛细管间隔件内的液体电解质促进一种或多种液相材料沿着该多孔毛细管间隔件的长度的迁移。
98.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该一种或多种液相材料沿着该多孔毛细管间隔件的长度的迁移受到液相毛细管作用、扩散和/或渗透作用的控制。
99.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应在该电合成电池或该电能电池中是自调节的。
100.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，液相材料移出跨平面轴线的移动通过该储器中的液体电解质的组成来自调节。
101.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，液相材料和气相材料进出跨平面轴线的迁移路径被不同地定向。
102.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，液相毛细管、扩散和/或渗透作用在该多孔毛细管间隔件内起作用，以：
(i)连续补充该液体电解质内消耗的一种或多种液相材料；或
(ii)连续移除液体电解质内产生的一种或多种液相材料。
103.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应从氮气和氢气产生氨气。
104.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应从氨气和氧气产生电力。
105.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应从氨气产生氢气和氮气。
106.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应使用NOX作为反应物。
107.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应从盐水产生氯气、氢气和苛性碱。
108.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应从盐水产生氯气和苛性碱。
109.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应从盐酸产生氯气和氢气。
110.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应从氢气和氧气产生电能。
111.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应从水产生氢气和氧气。
112.如任一前述要点所述的电池或方法，其中，该电化学反应从含有氢气的气体混合物提取纯氢。
示例电池可以用于许多主要工业工艺，包括：(1)氨气生产，(2)通过氯-碱工艺及其变体(例如，包括通过氧去极化氯-碱工艺和HCl循环反应)进行的氯气生产，(3)燃料电池发电，(4)通过水电解进行的氢气生产，以及(5)氢提纯。
为了在工业上用作电合成电池或电能电池，示例电池中的电极125和135可以在电池的操作期间承载1安培或更大的电流。为了实现这样的电流，电极125和135可以具有大于或等于10cm2的几何表面积。为了节能并在操作期间维持低电阻，电极125和135可以包括能够以低电阻传导高电流的载流体，比如金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。也就是说，第一气体扩散电极120可以包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板，和/或第二气体扩散电极130可以包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。为了在工业上有用，这种电池可以一次连续地或不断地操作至少24小时。
优选实施例电池中可能存在的特征
进出反应区/跨平面轴线的液相和气相分开的分子级迁移
图4描绘了示例电合成电池或电能电池(比如电池10)内的电极-间隔件-电极组件139的一部分的放大图。电池10中的电化学反应发生在第一电极120和第二电极130处或之间。在图4的示例中，第一电极120与第二电极130两者是气体扩散电极，也就是说，这两个电极是多孔的，从而允许气体穿过。
在沿着被定位成邻近于多孔毛细管间隔件110、邻接该多孔毛细管间隔件或夹在或层压在该多孔毛细管间隔件上的电极表面的每个位置处，电化学反应发生在电极处，其中通过电极交换的液相离子、中间体或分子沿着第一电极120与第二电极130之间的路径180移动，或在该路径内移动，或主要被限制到该路径。沿着两个电极120、130的全长存在多个这样的路径180。为了清楚起见，图4仅描绘了许多路径180中的少量路径。如可以看出的是，这些路径180遵循“跨平面”方向。也就是说，这些路径垂直于多孔毛细管间隔件110的平面，并且大部分在多孔毛细管间隔件110内。出于这个原因，存在于电池中的所有路径180的累积组合被称为构成“跨平面”轴线(也称为“反应区”)。
电化学反应将典型地在跨平面轴线中消耗反应物并产生产物。也就是说，在累积路径180内通常会消耗反应物，并产生产物。一旦消耗，反应物需要补充以便维持电化学反应。为了实现这一点，新的反应物需要从跨平面轴线的外部移动到跨平面轴线中。如果要维持电化学反应，那么这种移动需要连续地发生。以相同方式，在跨平面轴线中产生的产物需要背离跨平面轴线移动，以维持电化学反应。如果产物在跨平面轴线中堆积，那么电化学反应可能被妨碍或完全暂停。
在优选实施例中，液相反应物或产物(或以某种方式参与电化学反应的其他液相材料)可以通过在多孔毛细管间隔件110中存在的液体电解质100内的迁移，遵循路径190而移动进出跨平面轴线。这种迁移可以是往返于储器140。也就是说，液相反应物或产物可以遵循“平面内”方向上的路径190，其中路径190在多孔毛细管间隔件110内部的液体电解质100内。
这种迁移可以在毛细管和/或扩散和/或渗透作用的影响和控制下自发发生。毛细管和/或扩散和/或渗透作用将典型地由跨平面轴线中的电解质的浓度和组成相对于电解质的其余部分的浓度和组成的差异来驱动，电解质的其余部分可能主要包括储器140中的液体电解质。储器140可以构成系统中的液体电解质的绝大部分，以使得，在优选实施例中，其组成和浓度可以有效地：
(i)控制毛细管和/或扩散和/或渗透作用抵消由电化学反应引起的电解质在跨平面轴线中的浓度和组成的改变的速率，并且
(ii)一旦电化学反应已停止，便确定整个电池中(包括在跨平面轴线中)液体电解质的最终平衡状态。
实际上，储器140中的液体电解质100的存在及其与跨平面轴线的连续液体连接(经由多孔毛细管间隔件110)可以控制并调节液相材料进出跨平面轴线的移动。
关于扩散和渗透的重要注意事项：在本说明书中，术语“扩散”和“渗透”可互换使用，以描述在多孔毛细管间隔件(例如多孔毛细管间隔件110)内产生液相材料净运动的过程。这种等效的原因是，在一些示例多孔毛细管间隔件中，由于是多孔材料，溶质的扩散可能不如水的扩散自由。也就是说，在一些示例多孔毛细管间隔件中，水运动可能优于溶质运动，这可能是渗透效应而不是扩散效应。为了涵盖这种可能性并进行全面描述，没有区分在多孔毛细管间隔件内产生液相材料运动的扩散和/或渗透作用。相比之下，在液体电解质的储器中，溶质和水运动将通常始终同样自由的。
例如，在根据示例实施例的氢氧燃料电池中，水可以作为产物在跨平面轴线中产生。随着水的形成，水通常逐渐稀释跨平面轴线中的电解质，这继而提高其离子电阻，并由此降低电池的能量效率。然而，因为在多孔毛细管间隔件110中存在将跨平面轴线与例如储器140连接的液体电解质100的连续主体，毛细管作用、扩散和/或渗透可以自发抵消稀释效应。也就是说，由于毛细管作用、扩散和/或渗透作用，跨平面轴线中的过量水可以自发沿着多孔毛细管间隔件110向下朝向储器140迁移并进入储器中，而多孔毛细管间隔件110和储器140中的溶质向上朝向跨平面轴线迁移并进入跨平面轴线中。这些动作可以由跨平面轴线内的电解质浓度和组成相对于电解质的其余部分的浓度和组成的差异来驱动，电解质的其余部分主要由储器140中的液体电解质构成。跨平面轴线中发生的稀释越大，上述动作进行得越快。以这种方式，液相产物移出跨平面轴线的移动可以通过多孔毛细管间隔件110和任何相关联的储器140中的液体电解质的浓度和/或组成来“自调节”的。
以相同方式，毛细管作用、扩散和渗透可以以自调节的方式抵消由于电化学反应而在跨平面轴线中发生的电解质的组成和浓度的任何其他改变。这包括例如跨平面轴线中的液相材料的消耗和/或电解质中的液相材料的化学改变。
相比之下，气相移动可以在与液体移动正交的方向上发生。当第一电极120和第二电极130都是多孔气体扩散电极时，气相反应物或产物(或参与电化学反应的其他气相材料)可以通过分别迁移到它们的相连气体主体125和135或从这些气体主体迁移出去而分别穿过气体主体125和135与多孔毛细管间隔件110之间的第一界面126和第二界面136移动进出跨平面轴线。这些移动遵循路径200。沿着电极120、130的长度可以有多个这样的路径200。这些迁移可以在毛细管力和扩散的影响和控制下分别穿过第一电极120和第二电极130向气体主体125、135和从这些气体主体进行。
众所周知，气体自发从高分压区域扩散到低分压区域，扩散速率由分压差驱动。扩散过程典型地持续直到两个位置的分压均衡，其速率取决于分压差。因此，气态反应物向电极反应区的供应或气态产物从电极反应区的移除可以与液相反应物或产物的移动分开进行，并且可以独立地“自调节”。此外，气态反应物向与一个电极相关联的反应区的供应或气态产物从该反应区的移除可以与气态反应物向与另一个电极相关联的反应区的供应或气态产物从该另一个反应区的移除分开进行，并且也可以独立地“自调节”。
在为气相和液相反应物和产物提供分开且互不干扰的路径时，优选实施例的电池还可以避免或最小化在许多电化学电池中出现的“反向多相流动”现象。反向多相流动涉及电池内与气相物质的流动相背和相反的液相物质的分子级移动。例如，在许多水电解电池中，液相反应物(水)向电极表面的移动可能与气相产物(例如氢气或氧气)背离电极表面的移动相背和相反。所得到的反向多相流动可能给电池操作带来严重的复杂性。例如，反向多相流动可能产生气液混合浮沫或泡沫，其两个物质相需要在气液分离罐中分开。这种类型的反向多相流动也可能产生质量输送限制，因为例如，由于对抗流动的强度，电极可能变得缺乏反应物，或者产物可能在电极处堆积过量。这些类型的低效率可能导致电池操作低效，并且需要能量来克服。
气液电池中每个气相和液相反应物和产物的分子级移动(流动)存在至少一个分开的、独立的且非干扰的路径的气液电池可以被称为“独立路径电池”。在避免或最小化反向多相流动时，独立路径电池也可以避免或最小化它们产生的低效率。示例实施例电池可以是独立路径电池。
电池操作可以“自调节”
因此，在电极120或130处消耗或产生的气体可以沿着路径200分别与气体主体125和135直接气相接触。因为气体主体125和135在系统中含有它们相应的气体的大部分，所以气体主体125和135的组成和压力可以控制并调节气体输送到它们相应的电极120和130和从这些电极输送的速率。毛细管作用和扩散可以以自调节的方式操作，以抵消由于电化学反应而在电极处和跨平面轴线中发生的气体的组成和浓度的改变。
相比之下，液相材料可以沿着路径190移动进出跨平面轴线，这些路径与气相材料可以移动进出跨平面轴线的路径200正交(即，成90°角)并分开。
此外，路径190可以涉及连续液相，这是液相材料的受控迁移的最佳相，而路径200可以涉及连续气相，这是气相材料的受控迁移的最佳相。
因此，示例实施例的重要特征是，液相和气相材料进出跨平面轴线的迁移路径可以是分开的、定位不同的和独立的。这些迁移路径还可能涉及控制并调节这些材料的迁移的最佳物质相。这样，这些迁移路径可以避免相互干扰，并因此可以进行独立调节。
另一个重要特征是，液相和气相材料分别沿着路径190和200进出跨平面轴线的移动可以通过固有地响应电池中的条件(包括电池中的条件的改变)的过程来控制。也就是说，毛细管、扩散和渗透过程具有以下共同特性：这些过程可以响应于存在的浓度或分压差而自发改变它们的速率。因此，这些过程可以是“自调节”的，并且这可以使得电池作是整体自调节的。
例如，当在电化学反应期间需要消耗的反应物不足时，这可能表现为较高的浓度或分压差，从而引起这些过程自动增加所需反应物的供应。相比之下，当存在足够的反应物时，浓度或分压差可以降低，由此减少反应物的供应。
可以促进电解质沿着电极或沿着电极向上的毛细管诱导移动
应理解，虽然良好分开、非干扰的液相和气相路径是优选实施例的特征，但是这种路径不需要严格位于上述多孔毛细管间隔件110(液相)内以及气体主体(125和135)与它们对应的电极(分别为120和130)之间的界面内(气相)。分开且非干扰的任何液相或气相路径都属于优选实施例的范围内，并且可以有利地加以采用。只要这种路径是分开且非干扰的，其仍然可以是自调节的。
因此，例如，如上所述，在具有图2所描绘的架构的优选实施例中，储器中的液体电解质可以与电极物理接触，并且可以被诱导向上移动并沿着电极移动到反应区。
上述类型的毛细管作用通常填充和淹没电极及其孔，并由此妨碍/干扰气体进出电极的移动，从而通常显著降低电池的能量效率。
然而，已令人惊讶地发现，具有相对开放的结构/大孔的多孔电极(例如气体扩散电极)可以促进电极表面上仅液体电解质薄层的向上的毛细管诱导移动。这种层可以足够薄，以避免影响气体移动(取决于反应)。也就是说，这种移动可以构成非干扰的液相路径，该液相路径在例如改进电极的润湿和帮助将液体电解质维持在多孔毛细管间隔件110中方面具有有益效果。
此外，已发现，电极表面可以通过涂布薄的亲水或超亲水层来改性，该层促进这种液体电解质薄层的向上的毛细管诱导移动。在一些情况下，已证明可以实现非常快速的向上流量和最大柱高。这可以特别有益于改进电极润湿和帮助将液体电解质在多孔毛细管间隔件110中维持在电池中较高的位置处。
此外，这种亲水或超亲水层可以由催化剂制成。也就是说，亲水或超亲水层也可以是电极的催化剂层。当仅被液体电解质薄层覆盖时，这种催化剂层可以展现出若干有益效果。例如，气体可以由催化剂层产生而不产生气泡。这被称为“无气泡”气体产生，并且在下文详细描述。
附加地，这种类型的亲水或超亲水层可以被制造成并有“气体处置结构”，该气体处置结构促进气体经由独立的、非干扰的路径进出反应区的移动。下文更详细地描述气体处置结构。
因此，被诱导作为薄膜向上移动并沿着电极中的毛细管向上移动到多孔毛细管间隔件110或电极120或130的液体电解质可以构成非干扰的液相路径，该液相路径帮助维持：
(i)始终并且在所有位置处(包括在电池中较高的位置处)，多孔毛细管间隔件110都填充有液体电解质；和/或
(ii)始终并且在所有位置处(包括在电池中较高的位置处)，电极在操作期间完全润湿。
在优选实施例中，液体“薄层”可以小于0.125mm厚。在其他示例中，液体薄层可以小于1.5mm厚、小于1.0mm厚、小于0.7mm厚、小于0.5mm厚、小于0.3mm厚或小于0.2mm厚。在其他示例中，液体薄层可以小于0.1mm厚、小于0.05mm厚、小于0.025mm厚、小于0.01mm厚、小于0.005mm厚、小于0.001mm厚、小于0.00001mm厚或小于0.000001mm厚。
因此，设置了电极120或130，这些电极通过毛细管作用促进液体电解质100在其表面上的移动(优选速率为每分钟大于0.5cm)。在其他示例中，移动速率可以是每分钟大于1cm、每分钟大于1.5cm、每分钟大于2cm、每分钟大于2.5cm、每分钟大于3cm、每分钟大于3.5cm、每分钟大于4cm或每分钟大于5cm。
通过多孔毛细管间隔件110，用于液体补充/维持的非干扰的气相路径是可能的
也如上所述，虽然用于补充/维持液体电解质的气相路径通常干扰存在的其他气相路径，但令人惊讶的是，当使用多孔毛细管间隔件110时，情况可能并非如此。
因此，对于图3所描绘的类型的电池30的实施例，已发现，当多孔毛细管间隔件110用作电极间隔膜时，通过从气体主体125或135中的一个或两个引入或移除水蒸气，可以以分分开且非干扰的方式补充或维持液体电解质。
这可能是因为多孔毛细管间隔件110含有限制在多孔毛细管间隔件内的相连液体电解质主体。其他电极间隔膜可能不存在这种相连的、受限的液体电解质主体。水蒸气可以优先在相连液体主体中冷凝或从该相连液体主体蒸发。此外，在相连含水电解质主体中冷凝的任何水蒸气可以通过毛细管力被限制到间隔件110，由此确保它不会淹没电极或阻止气体反应物/产物接近电极。
因此，多孔毛细管间隔件110中的液体电解质也可以经由分开且非干扰的路径来补充/维持，在该路径中，水蒸气被引入气体主体125或135/从该气体主体移除。只要所得的路径是真正分开的，并且不干扰其他液相或气相路径，它仍然应是自调节的。
电极润湿可能涉及电极毛细管作用以及将电极压靠在多孔毛细管间隔件上
如上所述，实施例电池的优选特征是，在多孔毛细管间隔件110分别与电极120或130的界面126a或136a处，从多孔毛细管间隔件释放足够的液体电解质100，以润湿电极120或130，来进行反应。为此，电极120或130可能需要在界面126a或136a处展现出对液体电解质100的毛细管作用，该毛细管作用强于多孔毛细管间隔件110对液体电解质100的毛细管作用。也就是说，多孔毛细管间隔件110采用毛细管作用以吸入液体电解质100并将其自身用该液体电解质填充。夹在多孔毛细管间隔件110上的电极120或130可能在界面126a或136a处需要较强毛细管作用，以吸入保持在多孔毛细管间隔件110内的液体电解质100并将其自身用该液体电解质润湿。
因此，电极120或130也可以显示出对液体电解质100的毛细管作用。毛细管作用可能涉及比用液体电解质填充的多孔毛细管间隔件100在界面126a或136a处的毛细管压力高的毛细管压力。优选地，电极120或130的毛细管压力分别比多孔毛细管间隔件100在界面126a或136a处的毛细管压力大至少10毫巴。在其他示例中，大了不止20毫巴、大了不止50毫巴、大了不止75毫巴、大了不止100毫巴、大了不止200毫巴、大了不止500毫巴、大了不止1巴、大了不止2巴。
已进一步发现，通过将电极120和130压靠在多孔毛细管间隔件110上，可以促进电极润湿。这种类型的电极压缩可以通过确保电极120或130与多孔毛细管间隔件110之间分别在界面126a或136a处存在紧密且密切的接触来辅助电极润湿的产生和维持。也就是说，它可以避免液相路径的错位，液相物质沿着液相路径从多孔毛细管间隔件110分别移动到电极120或130。使用压敏薄膜的实验表明，这种类型的电极压缩优选在8至20巴的范围内。在其他示例中，电极压缩可以在6至8巴、4至6巴或2至6巴的范围内。在其他示例中，电极压缩可以在20至25巴、25至30巴、30至35巴或35至50巴的范围内。
电极中、电极处或电极附近的气体毛细管结构或气体处置结构
虽然不太为人所知，但也可以在气相材料中观察到毛细管作用。在这种情况下，气体可以被诱导自发流动到正常预期用液体填充的狭窄空间中。例如，当毛细管浸入水银池中时，可以看到这一点。管内的液态汞的弯月面典型地移动到比管外部的汞的液位低的液位。在更实际的应用中，也可以在通过例如脱气板或多孔疏水膜从液体溶液自发提取气体时看到。自发从液体吸入气体并展现出与气体吸收相关的可测量的毛细管压力的任何结构都可以称为气体毛细管结构。
气体毛细管结构可以促进气体沿着不干扰电池中的其他分子级液相和气相移动并且独立于这些移动的路径移动进出跨平面轴线。促进气体移动进出跨平面轴线的气体毛细管结构可以并入在第一电极120内或至少部分并入在该第一电极内和/或并入在第二电极130内或至少部分并入在第二电极内，或邻近/靠近第一电极120或第二电极130或位于该第一电极或第二电极处，位于例如电极-气体(液气)边界126b或136b或电极-间隔件边界126a或136a处或附近。电池可以可选地包括定位在第一气体扩散电极内或第一气体扩散电极处的气体毛细管结构，并且可选地包括定位在第二气体扩散电极内或第二气体扩散电极处的第二气体毛细管结构。气体毛细管结构可以包括但不限于以下中的任一个，条件是它们显示出用于气体吸收的毛细管压力，
-窄间隔疏水表面，
-窄孔疏水主体，
-脱气板，或
-多孔疏水膜。
示例可以包括但不限于在标题为“The prospects of developing ahighlyenergy efficient water electrolyser by eliminating or mitigating bubbleeffects[通过消除或减轻气泡效应来开发高节能水电解器的前景]”的科学出版物中标题为“Breathable(bubble-free)electrodes[透气(无气泡)电极]”的章节中描述的示例，该科学出版物发表在可持续能源和燃料期刊，2021年，第5卷，第1280页，其通过援引并入本文。
气体毛细管结构的特征是，由于它们对气体的亲和力，它们可以在自身内含有一个或多个气体主体。即使气体毛细管结构完全浸没在液体电解质中，这种气体也可以作为不同的常用气体主体存留。
在示例实施例中，气体毛细管结构内部的这种气体主体可以与邻近气体主体相连或变得与邻近气体主体相连。例如，电极120内、至少部分在该电极中、邻近于该电极、在该电极处或靠近该电极的气体毛细管结构可以含有与气体主体125相连或变得与该气体主体相连的气体主体。类似地，电极130内、至少部分在该电极中、邻近于该电极、在该电极处或靠近该电极的气体毛细管结构可以含有与气体主体135相连或变得与该气体主体相连的气体主体。在这些情况下，气体毛细管结构内的气体主体可以形成较大气体主体的一部分。例如，气体毛细管结构内与气体主体125相连或变得与该气体主体相连的气体主体可以形成气体主体125的一部分。气体主体125可以与外部气体导管(例如127)和/或气体储存系统128处于气体连通。类似地，气体毛细管结构内与气体主体135相连或变得与该气体主体相连的气体主体可以形成气体主体135的一部分。气体主体135可以与外部气体导管(例如137)和/或气体储存系统(例如138)处于气体连通。在示例中，多孔毛细管间隔件的第一侧邻近于第一气体扩散电极的第一侧，多孔毛细管间隔件的第二侧邻近于第二气体扩散电极的第一侧，第一气体扩散电极的第二侧邻近于第一气体主体，并且第二气体扩散电极的第二侧邻近于第二气体主体。气体毛细管结构至少部分定位在第一气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。第二气体毛细管结构可以至少部分定位在第二气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。
替代地，气体毛细管结构内部的气体主体自身可以是独立地与外部气体导管或储存系统处于气体连通的常用气体主体。例如，电极120内、邻近于该电极或靠近该电极的气体毛细管结构可以含有内部气体主体，该内部气体主体是气体主体125，并且与外部气体导管(例如127)或储存系统(例如128)直接气体连通。类似地，电极130内、邻近于该电极或靠近该电极的气体毛细管结构可以含有内部气体主体，该内部气体主体是气体主体135，并且与外部气体导管(例如137)或储存系统(例如138)直接气体连通。
在电极内或电极附近使用气体毛细管结构的替代方案是并入“气体处置”结构，气体处置结构具有促进气体移动而不必利用气体毛细管效应的物理特性。气体处置结构中的气体移动的路径也可以不干扰电池中的其他分子级液相和气相移动并且独立于这些移动。
可选地，第一气体扩散电极120可以包括气体处置结构，该气体处置结构定位在该第一气体扩散电极内、该第一气体扩散电极处或附近，例如，在边界126a或126b处或附近。同样可选地，第二气体扩散电极130可以包括气体处置结构，该气体处置结构在该第二气体扩散电极内，或者定位在边界136a或136b处或附近。气体处置结构的示例包括但不限于：
(a)有利于气体在其上选择性聚集和迁移的材料或结构，比如具有表面能低的表面区域的材料或结构，例如含有或包含：
1.具有低表面能的材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、氟化聚合物、等；或
2.具有低表面能的表面结构，比如纳米尺度超疏水结构等。
示例可以包括但不限于在标题为“The prospects of developing ahighlyenergy efficient water electrolyser by eliminating or mitigating bubbleeffects[通过消除或减轻气泡效应来开发高节能水电解器的前景]”的科学出版物中标题为“Hydrophobic island[疏水岛]”的章节中描述的示例，该科学出版物发表在可持续能源和燃料期刊，2021年，第5卷，第1280页，其通过援引并入本文。
或；
(b)具有促进聚集气体脱离的强疏气表面区域的材料或结构，比如超亲水或“超润湿”材料或结构。
示例可以包括但不限于在标题为“The prospects of developing ahighlyenergy efficient water electrolyser by eliminating or mitigating bubbleeffects[通过消除或减轻气泡效应来开发高节能水电解器的前景]”的科学出版物中标题为“Superwetting electrodes[超润湿电极]”的章节中描述的示例，该科学出版物发表在可持续能源和燃料期刊，2021年，第5卷，第1280页，其通过援引并入本文。
气体处置结构的特征是，由于它们对气体的亲和力，它们可以在自身内含有一个或多个气体主体。即使气体处置结构完全浸没在液体电解质中，这种气体也可以作为不同的常用气体主体存留。
在示例实施例中，气体处置结构内部的这种气体主体可以与邻近气体主体相连或变得与邻近气体主体相连。例如，电极120内、邻近于该电极或靠近该电极的气体处置结构可以含有与气体主体125相连或变得与该气体主体相连的气体主体。类似地，电极130内、邻近于该电极或靠近该电极的气体处置结构可以含有与气体主体135相连或变得与该气体主体相连的气体主体。在这些情况下，气体处置结构内的气体主体可以形成较大气体主体的一部分。例如，气体处置结构内与气体主体125相连或变得与该气体主体相连的气体主体可以形成气体主体125的一部分。气体主体125可以与外部气体导管(例如127)和/或气体储存系统128处于气体连通。类似地，气体处置结构内与气体主体135相连或变得与该气体主体相连的气体主体可以形成气体主体135的一部分。气体主体135可以与外部气体导管(例如137)和/或气体储存系统(例如138)处于气体连通。
替代地，气体处置结构内部的气体主体自身可以是独立地与外部气体导管或储存系统处于气体连通的常用气体主体。例如，电极120内、邻近于该电极或靠近该电极的气体处置结构可以含有内部气体主体，该内部气体主体是气体主体125，并且与外部气体导管(例如外部气体导管127)或储存系统(例如储存系统128)直接气体连通。类似地，电极130内、邻近于该电极或靠近该电极的气体处置结构可以含有内部气体主体，该内部气体主体是气体主体135，并且与外部气体导管(例如外部气体导管137)或储存系统(例如储存系统138)直接气体连通。
“无气泡”电极
在其电极中的一个或多个处产生气体的示例电池的特征是，电池可以从液体电解质直接产生常用气体，而在电解质中没有可见的气泡形成。这种“无气泡”气体产生相对于在液体电解质中以气泡形式产生气体的传统气体产生电池可以提供重要益处。这些益处可以包括能量效率更高，这是由于避免了形成气泡所需的能量，以及电极表面可以维持无气泡并可用于电化学反应。特别地，表面上的裂缝、裂纹和缺陷(通常是活性最大的催化位点)可以维持自由并可用于催化，而它们典型地是气泡形成的首选地方，并且气泡最顽固地附着在那里。由于这种阻碍，电极活性表面的气泡覆盖可能降低气体产生电池的能量效率。
因此，例如，在水电解电池中，液态水在阴极电极的活性表面处电化学转化为氢气，并且在阳极电极的活性表面处电化学转化为氧气。在传统电解电池中，这些气体以被液体电解质围绕的气泡的形式产生。然而，在优选实施例水电解电池中，当第一电极120和第二电极130都是气体扩散电极时，气体可以分别直接加入相关联的气体主体125和135，而没有可见的气泡形成。也就是说，相连气相路径可以分别存在于跨平面轴线中的电极120和130的活性表面与气体主体125和135之间。在电极活性表面上新形成的气体可以加入这个相连气相路径，而不会形成气泡。
历史上，只有使用气体毛细管结构(比如多孔疏水膜)，才可以在电极处实现无气泡气体产生。
然而，示例实施例的特征是，无气泡气体产生可以以不依赖或不需要气体毛细管结构的微米结构和纳米结构的存在的其他方式进行。例如，示例实施例电池的架构可以通过电极进行无气泡气体产生。这可以以若干方式发生。
在一些示例中，在电池操作期间，气体扩散电极(例如气体扩散电极120或第二气体扩散电极130)的表面可以仅被液体电解质薄层覆盖。在电极表面处产生的气体可以溶解在电解质中，并穿过薄层迁移到其表面，在该表面，该气体与相连气体主体(第一气体主体125或第二气体主体135)连通。气体接着可以进入气体主体(第一气体主体125或第二气体主体135)，由此避免气泡形成。
这样，气体可以以不干扰电极的表面上的水和液相离子的移动的方式背离电极移动。也就是说，在避免气泡形成时，水始终可以不受阻碍地接近并到达电极的表面。可能不存在反向多相流动，在反向多相流动中，背离电极移动的气泡与水到电极的移动相背和相反。
气体也可以在比气泡成核所需的分压低得多的分压下排出，由此避免产生额外分压所需的较高电压。
在电极处或附近并入气体处置结构也可以帮助产生从电极活性表面到它们相应的气体主体125和/或135的直接、无气泡的气相路径。这些路径可以是分开的、独立的，并且不干扰电极的表面上的水和液相离子的移动。在这种情况下，新形成的气体可以溶解在电解质中，并且接着聚集在气体处置结构的低能表面上并被其清除。进一步，这种气体可以沿着这些低能表面背离电解质迁移到相应气体主体125和135中，而不形成气泡。这种类型的无气泡操作可以通过多孔毛细管间隔件110的毛细管压力来促进，这样可以通过增大使气泡从溶解气体成核所需的高分压来抑制气泡形成。也就是说，在多孔毛细管间隔件110处，成核气泡将必须不仅将自身向上推，而且将毛细管中以明显的毛细管压力保持在那里的液体推开。
当然，无气泡气体产生也可以通过在电极处或附近并入气体毛细管结构(比如多孔疏水膜)来实现。在这种情况下，在气泡形成之前，新形成的气体可以通过气体毛细管作用自发从液体电解质抽出并穿过气体毛细管结构。由此可以产生气相移动，该气相移动是分开的、独立的，并且不干扰电极的表面上的水和液相离子的移动。
虽然有效，但电极处或附近使用气体毛细管结构的缺点是这种结构通常不导电。因此，与电极的电连接必须围绕气体毛细管结构。由此产生的对较长电连接路径的需要产生了附加电阻，当电池在商用配置中堆叠时，该电阻加成性地积聚。附加电阻可能典型地抵消和否定无气泡操作的益处。这个问题描述在标题为“The prospects of developingahighly energy efficient water electrolyser by eliminating or mitigatingbubble effects[通过消除或减轻气泡效应来开发高节能水电解器的前景]”的科学出版物中与图17相关的章节中，该科学出版物发表在可持续能源和燃料期刊，2021年，第5卷，第1280页，其通过援引并入本文。
相比之下，在不使用气体毛细管结构的情况下实现无气泡操作的示例实施例电池中不存在这个问题。在这些示例中，可以通过直接到电极的(整个)面的最短的可能路径来形成电连接。这样，抵消无气泡操作的益处的附加电阻的限制可以被解除，从而允许充分利用无气泡操作的益处。所得到的电池可以显著更节能。
无气泡的示例实施例可以优选显示出比起泡的类似物高不止0.5％的能量效率。在其他示例中，能量效率的提高可以不止1％、不止2％、不止5％、不止10％、不止15％或不止20％。
优选实施例电池可以构成显示出提高的能量效率的“独立路径电池”
应了解，优选实施例电池中的特征有许多为电池内的气相和液相物质的移动(流动)提供了分开的、独立的且非干扰的分子级路径。这样，优选实施例电池可以是“独立路径电池”。
“独立路径电池”被定义为提供至少一个路径的气液电化学电池，该至少一个路径对于电池内每种单独液相和气相反应物和产物的移动(流动)是分开且独立的，其中这些路径不相互干扰或妨碍。
在此上下文中，在电池内，在分子级，路径被定义为一条路线或一组路线，如果从电池的外部提供足够的反应物，以及如果将足够的产物移除到电池的外部，该路线或这组路线能够无限期地维持电化学反应。
由于不相互干扰或妨碍，这种类型的分开的且独立的液体和气体反应物和产物流动固有地是高效的。因此，相对于并非所有气相和液相反应物和产物流动都分开且独立的等效电化学电池，独立路径电池可以显示出提高的能量效率。相对于并非所有气相和液相反应物和产物流动都分开且独立的电池，在等效条件下，这种较高的能量效率可以表现为在电合成电池中需要较低电压(施加在第一电极和第二电极上)，或者在电能电池中产生较高电压(在第一电极和第二电极上产生)。
独立路径电池可以利用以下特征中的全部或一些以实现较高的能量效率：(1)进出反应区/跨平面轴线的分开且独立的液相和气相分子级迁移，(2)电解质沿着电极或沿着电极向上的非干扰毛细管诱导移动，(3)用于电池中的液体补充/维持的非干扰气相路径，(4)涉及非干扰路径的毛细管诱导电极润湿，(5)涉及通过将电极压靠在多孔毛细管间隔件上而产生的非干扰路径的毛细管诱导电极润湿，(6)经由气体处置结构或气体毛细管结构实现的非干扰气相移动，和/或(7)在无气泡电极上的非干扰气相和液相移动。提高的能量效率可能是因一些效应所致或所有这些效应累积所致。
示例实施例“独立路径电池”可以优选显示出比至少一种反应物或产物流动产生干扰的相当的类似电池高不止0.5％的能量效率。在其他示例中，能量效率的提高可以不止1％、不止2％、不止5％、不止10％、不止15％或不止20％。
多孔毛细管间隔件110的毛细管相关特征
优选实施例的其他特征是多孔间隔件110中的毛细管作用。也就是说，多孔毛细管间隔件110含有液体电解质，并且此液体电解质通过毛细管力紧紧地保持在多孔毛细管间隔件内。例如，较早提到的多孔毛细管间隔件110的示例(即由美国颇尔公司供应的平均孔径为8μm的聚醚砜材料过滤器)可以通过毛细管力吸入液体电解质，例如含水液体电解质，并将此电解质保持在材料内。
为了在无限长的时段内不断地或连续地操作，多孔毛细管间隔件110可能需要足够的毛细管作用以保持其自身不断地或连续地用液体电解质100填充。
这种多孔毛细管间隔件110可能还需要显示出其他特性，包括以下特性。
(1)毛细管压力和“泡点压力”：多孔毛细管间隔件110的毛细管压力、更具体地说“泡点压力”可能需要适当大(在合理范围内并考虑本文讨论的其他要求)。毛细管压力代表将液体电解质100推出多孔毛细管间隔件110中的一般毛细管所需的气体压力。泡点压力代表将液体电解质100推出多孔毛细管间隔件110中的最大毛细管所需的气体压力。这些压力可能需要足够高，以帮助确保气体主体125和135中的小压差或瞬时压差不能将液体电解质100推出多孔毛细管间隔件110或不能沿着该多孔毛细管间隔件向下推动。例如，在图1至图3所示的类型的电池中的任何点，多孔毛细管间隔件110中的液体电解质的损失可能：减缓或停止电化学反应(如果在电极之间的任何点没有液体电解质)和/或导致气体穿越(如果在间隔件中的任何点没有液体作为存在的气体主体之间的屏障)。
(2)最大柱高：如上所述，多孔毛细管间隔件110可能需要在其自身内无限期地维持液体电解质100的柱高。此柱高可能需要延伸到示例实施例电池的顶部，以由此确保多孔毛细管间隔件110在电池内的所有点都用液体电解质填充。这仅可以在最大电池高度等于或小于多孔毛细管间隔件110的最大柱高时才能得到保证，该最大柱高是在多孔毛细管间隔件110具有假设的无限高度时可以由该多孔毛细管间隔件维持的液体电解质100的最高柱高。也就是说，为了在电极-间隔件-电极组件139中的所有位置处，电极之间始终存在液体电解质100，多孔毛细管间隔件110中的液体电解质100的最大柱高可能需要与电池的最高点一样高或比电池的最高点高，即大于或等于电池在多孔毛细管间隔件的位置处的高度。在示例实施例电池中，多孔毛细管间隔件110和其中的液体电解质100可以位于气体主体(例如图1至图3中的气体主体125和135)之间。既而，可能需要多孔毛细管间隔件110中的液体电解质100以防止来自例如图1至图3中的气体主体125的气体进入到气体主体135中的气体中并与其混合，反之亦然。在电化学电池中，这种现象被称为“气体穿越”，并可能导致能量效率的损失、不纯气体的产生或消耗和/或安全危害。最大柱高可能还需要高于第一电极120和第二电极130。
(3)流量：液体电解质100在毛细管作用的影响下在填充的多孔毛细管间隔件110内移动的向上流量可能需要足以保持多孔毛细管间隔件始终填充有液体电解质100，包括在电池操作期间。例如，在电化学反应将水作为反应物消耗的、具有图1或图2所描绘的架构的电池中，在多孔毛细管间隔件内的所有高度处，毛细管驱动的流量必须能够补充在电池以其最大速率操作时消耗的水。
多孔毛细管间隔件110的具体毛细管特征—毛细管压力和泡点压力
毛细管压力被定义为毛细管中的弯月面上的压差。也就是说，毛细管压力是将液体电解质推出毛细管所需的压力。毛细管压力的最常见数学表达式是杨-拉普拉斯方程：
其中，ΔP是压降，η是液体的表面张力，θ是液体与固体之间的接触角，并且r是孔半径。
使用此表达式，6M KOH电解质在一系列示例多孔毛细管间隔件110(即由美国颇尔公司供应的平均孔径为0.45μm、1.2μm、5μm和8μm的多孔聚醚砜材料过滤器)中的毛细管压力被计算为：1.66atm(对于0.45μm平均孔径)、1.08atm(对于1.2μm平均孔径)、0.27atm(对于5μm平均孔径)和0.22atm(对于8μm平均孔径)。
方程(2)表明，孔半径/直径越大，将其中液体移位所需的压力就越低。因此，多孔毛细管间隔件中最重要类型的毛细管压力是其“泡点压力”。这是将液体从多孔毛细管间隔件的最大孔移位出来所需的压力。上述系列的多孔聚醚砜材料过滤器的泡点压力是使用毛细管流动孔隙率仪测量的，并且是：0.91atm(对于0.45μm平均孔径)、0.48atm(对于1.2μm平均孔径)、0.13atm(对于5μm平均孔径)和0.11atm(对于8μm平均孔径)。
如上所述，高泡点压力帮助确保气体主体(例如图1至图3中的气体主体125或135)中的小压差或瞬时压差不能将液体电解质推出多孔毛细管间隔件或沿着多孔毛细管间隔件向下推动。因此，如果具有约8μm的平均指定孔径的多孔聚醚砜材料过滤器在图1所示的架构的电池中用作多孔毛细管间隔件110而6M KOH作为液体电解质100，那么电池10将必须被设计成确保在操作期间气体主体125或135都不会具有比液体压力或另一气体主体的压力高不止或等于0.11atm的压力(因为这将导致液体电解质被驱出最大孔)。然而，如果具有0.45μm的平均指定孔径的多孔聚醚砜材料过滤器用作多孔毛细管间隔件110，那么可以维持至多0.91atm的压差，而不会开始将液体电解质100驱出多孔毛细管间隔件110。
泡点压力的上述趋势可以被建模为幂定律，其中在较大平均孔径下的泡点压力可以被计算为：0.5086×(平均孔径)-0.772。通过这种措施，聚醚砜材料多孔毛细管间隔件110中的400μm的平均孔径可以预期产生0.005atm(5毫巴)的泡点压力，这是气体主体125与气体主体135之间的低压差，该低压差可以被认为提供了实际上难以在电池中无限期地确保的阈值。
通过上述毛细管压力趋势的外推，聚醚砜材料多孔毛细管间隔件110中的400μm的平均孔径对应于0.011atm(11毫巴)的毛细管压力。
当用液体电解质填充时，多孔毛细管间隔件110的示例实施例可以因此优选具有大于11毫巴的毛细管压力。在其他示例中，多孔毛细管间隔件110可以具有大于15毫巴、大于20毫巴、大于30毫巴、大于50毫巴、大于80毫巴、大于100毫巴、大于500毫巴、大于1巴或大于2巴的毛细管压力。
当用液体电解质填充时，多孔毛细管间隔件110的示例实施例可以因此优选具有大于5毫巴的泡点压力。在其他示例中，多孔毛细管间隔件110可以具有大于10毫巴、大于15毫巴、大于20毫巴、大于50毫巴、大于100毫巴、大于250毫巴、大于500毫巴、大于1巴或大于2巴的泡点压力。
多孔毛细管间隔件110的具体毛细管特征—最大柱高
不希望受理论的约束，可以由假设无限高度的毛细管维持的液体电解质的最大柱高可以由注林定律(Jurin’s law)给出：
其中h是柱高，η是液体-空气表面张力(力/单位长度)，θ是液体电解质与多孔毛细管间隔件材料自身的接触角，ρ是液体电解质的密度(质量/体积)，g是由重力引起的局部加速度(长度/时间的平方)，并且是r毛细管的平均半径。应注意，注林定律具体关于毛细管，而不是关于多孔毛细管材料。然而，注林定律可以合理地用于提供借以外推多孔毛细管材料的最大柱高的趋势的因素。
如可以看出的是，注林定律表明多孔毛细管间隔件材料的孔径越小，与液体电解质的接触角就越小，多孔毛细管间隔件110内可以维持的液体电解质100的柱越就高。
测量可以由上述系列示例多孔毛细管间隔件110(即由美国颇尔公司供应的平均孔径为0.45μm、1.2μm、5μm和8μm的多孔聚醚砜材料过滤器)维持的最大柱高。过滤器是亲水的，从而显示出与II类去离子水的接触角为66.6°，并且与碱性6M KOH溶液的接触角为70.3°。测量表明，平均孔径为8μm的聚醚砜材料过滤器维持了上述过滤器的最低最大柱高，于II类去离子水的最低最大柱高是19.6cm并且6M KOH的该最低最大柱高是16.6cm。平均孔径较小的过滤器维持较高最大柱高，包括显著更高的最大柱高。
因此，如果平均孔径为约8μm的多孔聚醚砜材料过滤器在具有图1所描绘的架构的示例电池中用作多孔毛细管间隔件110而6M KOH作为液体电解质100，那么包括第一电极120和第二电极130的电池可以安全地延伸至多约16.4至16.5cm的高度。也就是说，在至多16.4至16.5cm的高度处，多孔毛细管间隔件可以安全地用作气体穿越的屏障。具有较小孔的材料提供了较高最大柱高，包括高得多的最大柱高。对于多孔毛细管间隔件和电极可以有多宽没有限制，条件是在沿着宽度的所有点处，多孔毛细管间隔件(即聚醚砜多孔毛细管间隔件)可以接近6MKOH。
如前一章节所述，聚醚砜材料多孔毛细管间隔件110中的约400μm的平均孔径可以预期产生0.005atm(5毫巴)的泡点压力，这是气体主体125和气体主体135之间的低压差，该低压差可以提供实际上难以在电池中无限期地确保的阈值。
为了确定可以对应于这种400μm的平均孔径的最大柱高，平均孔径为8μm的聚醚砜材料过滤器的最大柱高缩放由注林定律预测的微分系数。通过这种措施，用6M KOH填充的、平均孔径为约400μm的聚醚砜材料多孔毛细管间隔件110可以预期在其端部150上方具有0.4cm的最大柱高。这对应于非常小的毛细管效应。
在示例实施例中，多孔毛细管间隔件110内的液体电解质的最大柱高可以因此优选大于0.4cm。在其他示例中，液体电解质的最大柱高可以大于1cm、大于3cm、大于6cm、大于8cm、大于10cm、大于12cm、大于14cm、大于16cm、大于18cm、大于20cm、大于25cm、大于30cm、大于50cm或大于100cm。
多孔毛细管间隔件110的具体毛细管特征—流量
在毛细管作用的影响下，液体电解质在已填充的多孔毛细管间隔件内向上流动的速量由达西定律(Darcy’s law)给出：
其中：Q是每单位时间的流量，k是多孔毛细管间隔件的渗透率，A是多孔毛细管间隔件的截面积，μ是液体电解质的粘度，L是寻求流量的液体储器上方的高度，或者如果不存在储器，则是多孔毛细管间隔件的底端上方的高度，并且ΔP是跨高度L的压降。
根据L.J.Klinkenberger在美国石油协会，钻井和生产实践，第200至213页，1941年1月1日，纽约州的一项被广泛接受的标题为“The Permeability of Porous Media toLiquids and Gases[多孔介质对液体和气体的渗透率]”的研究，描述多孔介质中的液体的流量的泊肃叶方程(Poiseuille equation)可以由下式给出：
其中：Q是每单位时间的总流量，1/m是能够输送液体的孔的比例(可以称为“弯曲系数”)，n是毛细管的数量，r是平均孔半径，μ是液体电解质的粘度，L是寻求流量的液体储器上方的高度，并且ΔP是跨高度L的压降。
多孔材料的渗透率(k)及其孔隙率(φ)既而可以被如下表示：
其中：k是多孔材料的渗透率，φ是孔隙率，1/m是能够输送液体的孔的比例(弯曲系数)，n是毛细管的数量，r是平均孔径，并且A是多孔材料的截面积。
因此：
此外，弯月面上的压差由杨-拉普拉斯方程给出：
/>
其中：ΔP是压降，η是液体的表面张力，θ是液体与固体之间的接触角，并且r是孔半径。
代入达西方程得到：
其中：Q是每单位时间的流量，1/m是能够输送液体的孔的比例(弯曲系数)，A是多孔毛细管间隔件的截面积，φ是孔隙率，r是孔半径，η是液体的表面张力，θ是液体与固体之间的接触角，μ是液体的粘度，并且L是液体储器上方的高度。
对于包括孔径为0.45μm、1.2μm、5μm和8μm的上述聚醚砜材料过滤器并用6M KOH作为液体电解质填充的多孔毛细管间隔件110：
-多孔毛细管间隔件110的截面积(A)可以使用显微镜来测量；
-多孔毛细管间隔件110的孔隙率(φ)可以如下测量。对空的多孔毛细管间隔件110称重，接着用液体电解质填充并再次称重。差提供了填充多孔毛细管间隔件110中的空隙容积的液体的重量。将此重量转换成容积，接着与用显微镜测量的多孔毛细管间隔件的净容积进行比较；
-多孔毛细管间隔件110的平均孔半径(r)可以使用毛细管流动孔隙率计来测量，
-6M KOH电解质在相关温度的表面张力可以从公布的数据获得(参见P.Ripoche和M.Rolin在法国化学学会简报，第1部分，1980年，第9至10卷，第I386至I39页的科学论文，该科学论文通过援引并入本文)；
-6M KOH电解质与多孔毛细管间隔件110的聚醚砜材料的接触角(θ)可以是使用标准实验室测角仪仪器测量的；
-6M KOH电解质在相关温度的粘度(μ)可以从公布的数据获得(参见美国西方化学公司2018年3月出版的Caustic Potash Handbook[苛性钾手册]中的图7，该图通过援引并入本文)，以及
-储器上方的高度(L)(或者如果没有储器，则是多孔毛细管间隔件的底端上方的高度)可以被测量。
因此，可以使用方程(8)对多孔毛细管间隔件110内某高度处的毛细管流量进行建模，其中弯曲系数为1/m，该弯曲系数描述了参与流动的孔的比例，通过将预测的流量与实际测量的流量进行比较来确定。
为了测量上述聚醚砜材料过滤器之一在特定高度处的流量，将1cm宽的过滤器干燥样品切成选定的长度，并悬挂在能够测量悬挂物体的重量变化的天平上。吸附垫附接在过滤器的顶部，在那里吸附垫粘附到天平。接着以石蜡膜包裹过滤器和吸附垫，以阻止液体在实验期间的任何蒸发。此后，将过滤器的底端浸入6M KOH的储器中，并允许过滤器通过毛细管作用将自身填满。收集重量随时间变化的数据。从过滤器完全填充自身的时间点开始，针对流量来分析数据，此后，重量相对于时间的数据变成线性的。流量是每单位时间的重量变化。
图5描绘了在包括孔径为0.45μm、1.2μm、5μm和8μm的多孔聚醚砜材料过滤器的多孔毛细管间隔件110内、在室温时6M KOH液体电解质的以这种方式测量的流量(黑点)以及建模流量(空心正方形)的图。发现系数1/m＝1/1.7＝58.8％针对所有测试样品提供了最佳拟合。如可以看出的是，建模结果为包括多孔聚醚砜材料过滤器的多孔毛细管间隔件110中的每一个提供了测量结果的良好匹配。
如前所述，多孔毛细管间隔件110内的毛细管流量是重要的，因为它可能需要足以保持多孔毛细管间隔件110无限期地填充有液体电解质100，包括在操作期间。例如，当电化学反应将水作为反应物消耗时，当电池以其最大速率操作时，毛细管驱动的流量可能必须能够补充消耗的水。如果不能做到这一点，那么电池可能不能无限期地操作。
然而，如在图5的曲线图中可以看出的是，多孔毛细管间隔件110内的流量通常随着高度的增大而减小。因此，电化学反应(以及比如蒸发等外部因素)所需的流量可以确定电极的最大高度。
这一点可以由下面的示例说明。对于在电化学反应期间消耗水的零间隙电池，比如具有图1或图2所描绘的架构的零间隙碱性水电解电池，10A的总电流对应于每分钟0.056g水的总消耗量。如果多孔毛细管间隔件和相关联的电极的大小为40cm2(即电池将以0.25A/cm2的电流密度操作)，那么多孔毛细管间隔件需要能够向每1cm2的电极-间隔件-电极组件139每分钟供应0.056/40＝0.0014g水。这包括电极的最大高度处的1cm2。
参考图5(d)中的图：如果用6M KOH填充的、平均孔径为8μm的多孔聚醚砜材料过滤器用作多孔毛细管间隔件110，那么每分钟0.0014g水的供应速率可以维持直到约20cm的最大电极高度。因此，20cm高的电极-间隔件-电极组件139可以预期无限期地操作。这种电池可以是20cm高和2cm宽(从而给出40cm2的总面积)。小于20cm高且较宽的组件139也可以无限期地操作。
然而，如果用6M KOH填充的、平均孔径为5μm的多孔聚醚砜材料过滤器用作多孔毛细管间隔件110，那么每分钟0.0014g水的供应速率可以无限期地维持直到约15cm的最大电极高度(如图5(c)所示)。也就是说，这种类型的电池中的电极将需要15cm或更小的高度才能无限期地操作。
此外，如果用6M KOH填充的、平均孔径为1.5μm的多孔聚醚砜材料过滤器用作多孔毛细管间隔件110，那么每分钟0.0014g水的供应速率可以无限期地维持直到约6cm的最大电极高度(如图5(d)所示)。如果电池无限期地操作，那么电极的最大高度可能仅约6cm。
此外，如果用6M KOH填充的、平均孔径为0.45μm的多孔聚醚砜材料过滤器用作多孔毛细管间隔件110，那么每分钟0.0014g水的供应速率可以无限期地维持直到约4cm的最大电极高度(如图5(d)所示)。电极的最大高度为约4cm。高于4cm的电极无法在最大电极高度处无限期地维持每分钟0.0014g水的所需流量。
因此，多孔毛细管间隔件110内的高毛细管流量可能对优选实施例电池的尺寸有潜在的限制影响。具有高流量的多孔毛细管间隔件110可以在电池设计方面提供较大自由度。
从工业实用性观点来看，大于8cm高度的电极是优选的。因此，能够在大于8cm的高度处提供每分钟0.0014g水的流率的多孔毛细管间隔件110是优选的。
这种多孔毛细管间隔件110的平均孔径可以通过根据上述平均孔径而绘制上述最大高度来确定。这样的图表明平均孔径需要大于2μm。也就是说，计算出能够在大于8cm的高度处提供每分钟0.0014g水的流率的多孔毛细管间隔件110具有大于2μm的平均孔径。
因此，多孔毛细管间隔件110的优选实施例优选具有大于2μm的平均孔径。在另一示例中，平均孔径小于400μm。在另一示例中，平均孔径可以大于2μm且小于400μm。在其他示例中，平均孔径可以大于4μm，大于6μm，大于8μm，大于10μm，大于20μm或大于30μm。在其他示例中，平均孔径可以大于4μm且小于400μm，大于6μm且小于400μm，大于8μm且小于400μm，大于10μm且小于400μm，大于20μm且小于400μm，或大于30μm且小于400μm。在其他示例中，多孔毛细管间隔件的平均孔径为约3μm、约4μm、约5μm、约6μm、约7μm、约8μm、约9μm或约10μm。
应注意，上述测量和计算的图描述了仅在室温在毛细管作用的影响下的流量。因此，它不包括扩散或渗透的作用，这两者都可能促成较高流量。此外，方程(8)表明与表面张力和接触角成正比关系，但与粘度成反比关系。因为粘度通常随着温度的升高而急剧下降，而表面张力和接触角显示出小得多的变化，所以流量可能在较高温度时高得多。因此，出于设计在高于室温的温度操作的电池的目的，这些流量可以合理地考虑最小值。
毛细管作用可以赋予多孔毛细管间隔件110异常低的离子电阻/异常高的离子传
导率
由上述类型的聚醚砜材料过滤器构成的多孔毛细管间隔件110具有约145μm的均匀厚度。测量表明，当用6M KOH电解质填充时，在两个紧紧地夹着的电极之间的这种多孔毛细管间隔件的离子电阻在室温时为33至53mΩcm2。这些值是传统商用电极间隔膜的四分之一到八分之一。在80℃(这是电合成电池或电能电池中常见的操作温度)，此值下降到低至15至23mΩcm2。
发现这些聚醚砜材料过滤器的较低离子电阻来源于它们的75％至85％的孔隙率以及以下事实：它们的多孔(空的)容积被高导电性的6M KOH电解质占据，该电解质通过间隔件的毛细管作用牢固地保持在间隔件内。145μm厚的6M KOH层的离子电阻在室温时仅为约22mΩcm2，并且在80℃时仅为10mΩcm2。因此，当通过毛细管力吸入多孔毛细管材料中并保持在那里时，6M KOH电解质将异常低的离子电阻赋予多孔毛细管材料。多孔毛细管材料的孔隙率越大，6M KOH所占的比例越大，并且其总离子电阻越低。因此，当充满6M KOH电解质时，具有最大孔隙率(84.6％)的多孔聚醚砜材料过滤器显示出最低离子电阻(在室温时为33mΩcm2，并且在80℃时为15mΩcm2)。
相比之下，德国爱克发公司的Zirfon膜具有低得多的孔隙率，以使得它具有高得多的离子电阻。科慕公司的/>115和117隔膜固有地传导离子并且根本不是多孔的。它们的离子电阻是它们的聚合结构的函数，该聚合结构含有可电离基团，这些可电离基团促进穿过其的离子迁移。
因此，当与传统零间隙电合成电池或电能电池相比时，示例实施例电池可以提供显著更低的离子电阻，并因此提供显著更高的能量效率。这些改进可能源于多孔毛细管间隔件110的毛细管作用，该多孔毛细管间隔件利用了电解质的低离子电阻。
在示例实施例中，多孔毛细管间隔件可以优选地具有大于60％的孔隙率。在其他示例中，多孔毛细管间隔件可以具有大于70％、大于80％或大于90％的孔隙率。
填充有液体电解质100的优选实施例多孔毛细管间隔件110在室温可以展现出小于140mΩcm2的离子电阻。在其他示例中，离子电阻可以小于270mΩcm2、小于200mΩcm2、小于180mΩcm2、或小于160mΩcm2、或小于150mΩcm2。在其他示例中，在室温，离子电阻可以小于130mΩcm2、小于120mΩcm2、小于110mΩcm2、小于100mΩcm2、小于90mΩcm2、小于80mΩcm2、小于70mΩcm2、小于60mΩcm2、小于50mΩcm2、小于40mΩcm2或小于30mΩcm2。
多孔毛细管间隔件110中的毛细管作用可以产生异常低的气体穿越率
在许多电化学反应中，至关重要的是最小化与一个电极相关联的气体(例如图1至图3中的第一气体主体125)穿过多孔毛细管间隔件到多孔毛细管间隔件的另一侧的移动，在该另一侧，该气体将和与另一个电极相关联的气体(例如图1至图3中的第二气体主体135)混合，反之亦然。如前所述，这种现象被称为“气体穿越”，并且该现象与其盛行率成比例而降低了电池的能量效率。气体穿越还在某些电池中造成潜在的安全风险。
例如，在具有图1至图3所示的架构的零间隙水电解电池中，阴极处产生的氢气优选地尽可能不被阳极处产生的氧气污染，反之亦然。这是因为含有>4.6％的氧气的氢气或含有>3.8％的氢气的氧气是爆炸性混合物(在这些电解电池的正常操作温度80℃)。
在传统零间隙水电解电池中，气体作为气泡在电极间隔膜的两侧上的液体电解质中(即在阳极电解质和阴极电解质中)产生。在这些系统中，气体穿越可能通过两种可能机制发生：(A)溶解在液体电解质中的气体穿过电极间隔膜到另一侧的扩散(称为“基于扩散的穿越”)，和(B)含有气体和气泡的液体穿过电极间隔膜的物理移动，该物理移动由两侧之间的压差驱动(称为“基于交叉渗透的穿越”)。基于交叉渗透的穿越可以通过隔膜上的瞬时且波动的压差产生，包括由气泡形成和释放引起的压差。
在典型地采用Zirfon 电极间隔膜的商用碱性电解电池中，基于交叉渗透的穿越是迄今为止的主要机制。即使两侧(即阳极电解质与阴极电解质)之间的压差非常小，传统零间隙碱性电解电池中的穿越也主要是由于基于交叉渗透的穿越。例如，如果薄的Zirfon />膜的两侧之间的压差可以被限制到仅1％，那么，当在200mA/cm2以6巴的总压力操作时，氢气进入氧气产物流的基于交叉渗透的穿越将为～2％，而伴随的基于扩散的穿越将仅为～0.3％。正是出于这个原因，Zirfon/>隔膜具有相对小的孔，其平均孔径仅为～0.14μm。这种类型的小孔最小化液体电解质(典型地为6M KOH水溶液)在膜内和穿过膜的流动性，以便最小化气体穿越(如以下文献所教导：H.I.Lee等人的“The Synthesis ofa Zirfon />-type Porous Separator with Reduced Gas Crossover for AlkalineElectrolyzer[碱性电解器的具有减少的气体穿越的Zirfon/>型多孔隔膜的合成]”，国际能源研究杂志，2020年，第44卷，第1875至1885页)。基于扩散的穿越的水平如此之低，这是因为6M KOH中的高水平的K+和OH-离子“盐析”了溶解气体。也就是说，6M KOH对于溶解气体(如氢气和氧气)具有极低的溶解度。溶解氧气和氢气在6M KOH中的扩散速率也很低。
相比之下，在商用PEM电解电池中，典型地采用的科慕公司的膜是无孔的。这消除了作为气体穿越的机制的基于交叉渗透的穿越，因为在这些电池中使用的去离子水根本不能自由穿过膜。然而，基于扩散的穿越仍然是可能的，并且因为在80℃，气体(如氢气和氧气)的总溶解度和扩散速率是在去离子水中的～40至120倍高，所以基于扩散的穿越输送高水平的气体穿过膜。因此，商用PEM电解电池的气体穿越通常比商用碱性膜高。
示例实施例电池(比如图1所描绘的电池)具有碱性和PEM电解电池两者的优点，而没有任何一种电池的缺点。因此，基于交叉渗透的穿越在示例实施例电池中基本上是不可能的，因为在电极的外侧没有自由液体电解质主体；这些容积分别被气体主体125和135占据。相反，液体电解质从下方沿着多孔毛细管间隔件110供应。也就是说：在示例实施例电池中可能没有阳极电解质或阴极电解质，因此，没有液体电解质主体穿过多孔毛细管间隔件110从一侧自由渗透到另一侧。事实上，正是这一特征使得可以使用具有高孔隙率的多孔毛细管间隔件。
此外，在使用具有高离子浓度的电解质时，示例实施例电池还受益于气体(如氧气和氢气)在6M KOH中非常低的溶解度和扩散速率。因此，发生的基于扩散的穿越较低。
因此，在相当的条件下，示例实施例电池显示出比等效的传统碱性或PEM电解电池显著更低的气体穿越。
由此，气体穿越对电极间隔膜选择和设计的限制在很大程度上被解除。因此，示例实施例电池可以采用大孔径，这些大孔径在多孔毛细管间隔件110内产生高流量，而没有显著的气体穿越。如前所述，实施例多孔毛细管间隔件110优选具有大于2μm的平均孔径，而Zirfon中的平均孔径仅为0.14μm。这是不可想象的，并且与传统电极间隔膜领域的教导完全相反(如前所述)。但是由于其独特的电池架构，在示例实施例电池中是可能的。
示例实施例电池的电池架构不仅能够在多孔毛细管间隔件110中使用大的平均孔径，而且产生异常低的离子电阻，如前一部分所述。
此外，它还最大化液相水在多孔毛细管间隔件内部的流动性。这样，克服了背景技术部分中提到的挑战，即传统电极间隔膜通常可能明显限制隔膜中的电解质流动性，以便最小化气体穿越。出于这个原因，零间隙水电解电池中的电极可能必须从电极的外部吸取水反应物，由此建立反向多相流动，其中朝向电极移动的液相水与背离电极移动的气相气泡相反。在示例实施例中，多孔毛细管间隔件110特别能够从隔膜内部供应所需的水和离子反应物，由此避免这种反向多相流动，并且这样做时没有显著的气体穿越。也就是说，由于其独特的电池架构，示例实施例多孔毛细管间隔件能够避免在传统零间隙水电解电池中可能出现的反向多相流动。这是本发明的本质及其新颖性。
低气体穿越的另一优点是，与传统碱性电解电池相比，可以在较高的总绝对压力下成功操作。这是因为，在接近安全极限之前，随着绝对压力增大，与等效传统电池相比，可以有较大幅度增加穿越的余地。
“基准气体穿越率”是在室温和大气压力下，电池以固定的200mA/cm2操作的具体条件下，30分钟后气体穿越的程度。
在实施例中，多孔毛细管间隔件110、优选是多孔毛细管间隔件中的液体电解质阻止或妨碍第一气体主体125与第二气体主体135混合，并维持小于2％的基准气体穿越率。在其他示例中，基准气体穿越率可以小于1％、小于0.8％、小于0.6％、小于0.4％、小于0.2％、小于0.1％、小于0.05％或小于0.01％。
多孔毛细管间隔件110中的毛细管作用可以使其成为异常好的气泡屏障
虽然一些优选实施例电池可能没有可见气泡，但是不可见的小微米气泡或纳米气泡可能仍然存在。在其他实施例中，可能形成可见气泡。当然，气泡是不传导的空隙，这些空隙在电极间间隔件中的存在增大了电极之间的电阻(即阻抗)并降低了电池的能量效率。此外，随着时间的推移，越来越多的气泡可能逐渐滞留在间隔件中，直到它们形成桥接或部分桥接多孔毛细管间隔件的单一相连气体路径。这些桥状物典型地产生过高水平的气体穿越，从而严重影响电池的能量效率。这种类型的问题可能出现在一些传统电极间间隔件中。
与传统电极间隔膜相比，多孔毛细管间隔件110的毛细管作用可以诱导多孔毛细管间隔件作为对气泡、尤其是微米气泡或纳米气泡的较好屏障。
如前所述，如果电极处新形成的气体产生内部压力克服多孔毛细管间隔件110内的毛细管压力的气泡，那么气泡仅可以在多孔毛细管间隔件110内成核。这在示例实施例中可能不太可能发生，因为第一电极120和第二电极130可以分别与相关联的第一气体主体125和第二气体主体135直接接触，这没有额外的毛细管压力要克服。因此，气泡形成可以优先指向背离多孔毛细管间隔件110并且较靠近气体主体125或135或者在与这些气体主体的界面处的电极位置。在这种情况下，间隔件110的毛细管作用将被利用，以使其作为气泡屏障比零间隙电池的传统电极间间隔件显著更有效。
在优选实施例中，多孔毛细管间隔件110可以阻止直径大于1微米的气泡在电极之间的输送。在其他示例中，多孔毛细管间隔件可以阻止直径大于2微米、直径大于5微米、直径大于10微米、直径大于25微米、直径大于50微米或直径大于100微米的气泡。
多孔毛细管间隔件110中的毛细管作用可以赋予“干电池”架构的益处
由于多孔隔膜的毛细管作用及其在外部环境干燥且不含液体的情况下吸入液体电解质并将液体电解质保持在其自身内的能力，示例实施例电池可以具有所谓的“干电池”架构的优点，其中电极间间隔件典型地是固态传导材料。同时，示例实施例电池还可以享有液体电解质的优点，液体电解质传导能力可以比固态传导材料强得多。因此，优选实施例可以组合干电池架构的优点与液体电解质架构的优点，同时避免各自的缺点。这样，电池可以避免对外部工程系统的需要，这些外部工程系统通常可能需要管理，包括主动管理零间隙电合成电池或电能电池。
多孔毛细管间隔件110中的毛细管作用可以允许使用昂贵/稀少/稀缺的电解质
在其他示例方面，提供了一种电合成电池或电能电池，该电合成电池或电能电池采用通用的或具有用于促进电化学反应的有效特性的类别的液体电解质。这种电解质可能是昂贵的和/或稀缺的和/或稀少的，并且可以是例如离子液体。采用这种液体电解质的示例实施例电池实际上可以是可行的，因为在多孔毛细管间隔件和储器中需要少量的电解质。采用这种液体电解质的示例实施例电池可以实现以前商业上不可行的电化学反应的工业化。
操作电合成电池或电能电池的方法
在另一个示例方面，提供了一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法。该方法包括以下步骤：用液体电解质100填充多孔毛细管间隔件110，并且使液体电解质100与第一电极120(例如第一气体扩散电极)和第二电极130(例如第二气体扩散电极)接触。在另一个替代实施例中，该方法包括以下步骤：至少通过毛细管作用沿着多孔毛细管间隔件110从储器140输送液体电解质100；以及在沿着多孔毛细管间隔件110输送之后，使液体电解质100与第一气体扩散电极120和第二电极130接触，该第二电极也可以是气体扩散电极。在另一个示例中，该方法包括至少通过毛细管作用用来自储器140的液体电解质100填充多孔毛细管间隔件110。在另一个示例中，该方法包括用液体电解质100填充多孔毛细管间隔件110、然后将多孔毛细管间隔件110的端部150定位在储器140内。在另一个示例中，该方法包括，在操作期间，多孔毛细管间隔件110保持填充有液体电解质100。在另一个示例中，该方法包括，在操作期间，通过液体电解质100在毛细管/扩散/渗透下从储器140的迁移，多孔毛细管间隔件110保持填充有液体电解质100。在另一个示例中，该方法包括，在操作期间，通过液体电解质以薄膜从储器140沿着电极表面120和/或130和沿着电极表面向上的迁移，多孔毛细管间隔件110保持填充有液体电解质100。在另一个示例中，该方法提出电池10是电合成电池，并且电化学反应产生化学产物，该化学产物被输送到电合成电池10的外部。在另一个示例中，该方法包括，在操作期间，由于气体主体125和/或135中的蒸气在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质100中冷凝或从该液体电解质蒸发，多孔毛细管间隔件110保持填充有液体电解质100。在另一个示例中，该方法提出电池10是电能电池，并且电化学反应产生电力，该电力用于向电合成电池10外部提供功。在另一个示例中，该方法包括以下步骤：在操作期间，从电池的外部供应/补充反应物和/或将产物移除到电池的外部，其中这些移动发生在分开连接到第一气体主体和/或第二气体主体和/或储器中的每一个的密封(液密和/或气密)的外部导管和壳体内。
在一个示例中，多孔毛细管间隔件通过毛细管作用吸入液体电解质并维持液体电解质在多孔毛细管间隔件内的柱高。在另一个示例中，液体电解质的最大柱高至少等于或大于第一气体扩散电极的高度。在另一个示例中，液体电解质的最大柱高延伸到电池的顶部和电池的所有边缘。在另一个示例中，电极沿着其表面或沿着其表面向上吸取液体电解质薄膜。在另一个示例中，多孔毛细管间隔件中的液体电解质通过此液体的蒸气补充/维持，该蒸气存在于气相路径中，在多孔毛细管间隔件中的液体电解质中冷凝或从该液体电解质中蒸发。
优选地，在电化学反应期间，多孔毛细管间隔件内的液体电解质促进一种或多种液相材料沿着多孔毛细管间隔件的长度的迁移。替代地，在电化学反应期间，液体电解质促进一种或多种液相材料沿着电极的表面迁移。还优选地，该一种或多种液相材料沿着多孔毛细管间隔件的长度的迁移受到液相毛细管作用、扩散和/或渗透作用的控制。在另一个示例中，电化学反应在电合成电池或电能电池中是自调节的。在又一个示例中，液相材料移出跨平面轴线的移动通过储器中的液体电解质的组成来自调节。
优选地，液相材料和气相材料进出跨平面轴线的迁移路径被不同地定向并且分开。在另一个示例中，液相毛细管、扩散和/或渗透作用在该多孔毛细管间隔件内起作用，以：(i)连续补充该液体电解质内消耗的一种或多种液相材料；或(ii)连续移除该液体电解质内产生的一种或多种液相材料。在另一个示例中，这是通过不干扰气相路径的沿着电极表面的液相毛细管运动来实现的。
例如，优选实施例的电池可以避免对在PEM燃料电池中是典型需要的气体加湿系统及其所有相关联工程部件和电子控制装置的需要。在另一个示例中，优选实施例的电池可以避免对在水电解器中可能需要的循环液体电解质系统及其所有相关联的管道、泵和其他工程和电子部件的需要。
在另一个示例中，气体主体中存在的蒸气在多孔毛细管间隔件中的液体电解质中冷凝或从该液体电解质蒸发，以：(i)连续补充该液体电解质内消耗的一种或多种液相材料；或(ii)连续移除该液体电解质内产生的一种或多种液相材料。在另一个示例中，这是通过非干扰气相路径来实现的。
渗透储器配置，该渗透储器配置可以放大液体电解质在多孔毛细管间隔件中的最大柱高和流量，并且其操作可以是自动化的
在多孔毛细管间隔件110的毛细管作用提供的多孔毛细管间隔件110中的液体电解质100的最大柱高和/或流量不足的情况下，储器140和多孔毛细管间隔件110可以被配置为渗透系统，以便放大最大柱高和/或流量。图6描绘了作为储器141的这种替代渗透配置的示例。
如图6所示，储器141可以被限制在固定容积的空腔内，多孔毛细管间隔件110定位在该空腔内，并且优选是密封的。储器141可以具有膜145，该膜横跨储器密封以由此将储器141分开或分成两个固定且受限的容积，即第一容积142和第二容积143。膜145可以渗透水但不渗透离子；也就是说，膜145可以是渗透系统中常见类型的“半渗透”膜。多孔毛细管间隔件110可以定位在第一容积142中所容纳的液体电解质100(即第一液体)中或浸入该液体电解质中或以其他方式与液体电解质处于液体连通，而在膜145的另一侧上的第二容积143容纳例如纯水(即第二液体146)。也就是说，多孔毛细管间隔件110可以定位在第一容积142中，第一液体可以是液体电解质100，而第二液体146可以不同于第一液体。
这种布置可以产生从第二容积143穿过半渗透膜145传递到第一容积142的渗透压。仅由于多孔毛细管间隔件110的毛细管作用所引起的高度相比，渗透压可以使液体电解质100沿多孔毛细管间隔件110被驱动得更高。渗透压还可以放大液体电解质100及其组分可以沿着多孔毛细管间隔件110并沿着多孔毛细管间隔件向上流动的速量。
由于渗透效应所引起的液体电解质100的柱的最大高度及其在多孔毛细管间隔件110中的流量可以典型地取决于液体电解质100相对于纯水(即第二液体146)的组成，以及液体电解质100相对于纯水146的总体积的总体积。也就是说，通过相对于容积142的腔室大小和多孔毛细管间隔件110中的液体电解质100的体积调节容积143的腔室大小，并考虑电解质100相对于纯水(即，第二液体146)的组成，可以控制并调整由产生的渗透压赋予的多孔毛细管间隔件110中的液体电解质100的附加最大柱高和附加流量。
因此，提供了一种替代实施例储器配置141，该储器配置可以采用渗透效应来辅助放大液体电解质100在多孔毛细管间隔件110中的最大柱高和流量。
这种配置也可以帮助自动化示例电池，其中水是电化学反应产生的唯一产物或消耗的唯一反应物。也就是说，配置141的储器也可以用于分别在示例实施例氢氧燃料电池(其中水是唯一的反应产物)或示例实施例水电解电池(其中水是消耗的唯一反应物)中自动移除或添加水。
在这些示例实施例电池中，在第二容积143中的纯水(即，第二液体146)与第一容积142中的液体电解质100以及多孔毛细管间隔件110之间可以存在渗透平衡。在示例实施例氢氧燃料电池中，通过电化学反应形成的附加的新水可以稀释液体电解质100。这可能导致上述平衡发生偏移，其中附加纯水从第一容积142穿过半渗透膜145进入第二容积143，直到平衡恢复。流动到第二容积143中的附加纯水可以通过周期性地打开第二容积143与附接到第二容积143的纯水管道之间的阀来移除。该阀可以被配置为每当第二容积143中的纯水的量超过特定量时自动打开。以这种方式，储器管理可以是自动化的，以使得在没有人为干预的情况下，在示例实施例氢氧燃料电池中作为唯一产物产生的水可以经由提供渗透系统的储器141自动移除。
在示例实施例水电解电池中，水是电化学反应消耗的唯一反应物。消耗水的作用将引起液体电解质100变得更浓，这也将使上述平衡发生偏移，但是方向相反。也就是说，纯水可以被诱导流出第二容积143，穿过半渗透膜145进入第一容积142和多孔毛细管间隔件110中，直到平衡恢复。流出第二容积143的附加纯水可以通过周期性地打开第二容积143与附接到第二容积143的纯水管道之间的阀来补充。该阀可以被配置为每当第二容积143中的纯水的量低于特定量时自动打开。以这种方式，储器管理可以是自动化的，以使得在没有人为干预的情况下，在示例实施例水电解器中作为唯一反应物消耗的水可以经由提供渗透系统的储器141自动补充。
示例多孔毛细管间隔件和示例液体电解质
虽然上述示例采用了包括由美国颇尔公司供应的、平均孔径为0.45μm、1.2μm、5μm和8μm的多孔聚醚砜材料过滤器的多孔毛细管间隔件110，但是应理解，各种其他多孔薄材料可以用作多孔毛细管间隔件110，这些多孔薄材料能够将液体电解质并入其中。这包括但不限于各种类型的、或类型的组合的或不同类型的混合的多孔薄膜，包括但不限于：
PVDF、PTFE、四氟乙烯、各种类型的氟化聚合物；聚酰亚胺、聚酰胺、尼龙、各种类型的含氮材料；玻璃纤维、各种类型的含硅材料；聚氯乙烯、各种类型的含氯化物的聚合物、醋酸纤维素、硝酸纤维素、赛璐玢、乙基纤维素、各种类型的含纤维素的材料；聚碳酸酯、各种类型的含碳酸酯的材料；聚醚砜、聚砜、聚苯砜、各种类型的含砜材料；聚苯硫醚，各种类型的含硫化物的材料；聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃、各种类型的含烯烃的材料；石棉、钛基陶瓷、锆基陶瓷、各种类型的陶瓷材料；聚氯乙烯、各种类型的乙烯基材料；各种类型的橡胶；各种类型的多孔蓄电池隔膜；以及各种类型的粘土。
虽然上述示例采用6M KOH水溶液作为液体电解质100，但是应理解，各种其他液体或凝胶也可以用作电解质100，包括但不限于：
-含有一种或多种溶解离子的水，比如但不限于0.001至14M浓度的Na+、K+、Ca2+、Mg2 +、OH-、SO4 2-、HSO4 -、Cl-、NO3 -、ClO4 -、磷酸盐(包括HPO4-)、碳酸盐(包括HCO3 -)、PF6 -、BF4 -、(CF3SO2)2N-或含有具有官能团的聚合物的聚电解质，比如但不限于聚苯乙烯磺酸盐、DNA、多肽；
-含有溶质的非水性液体，比如但不限于碳酸丙烯酯或二甲氧基乙烷，或含有溶质的丙腈液体，比如但不限于LiClO4或Bu4NPF6
-导电液体，比如但不限于室温熔盐或包括烷基取代的铵、咪唑或吡啶阳离子和合适的阴离子的离子液体；
-导电的并能充当电解质的凝胶。
特别相关的是在促进电化学反应中通用或有效的电解质，但它们可能是昂贵和/或稀缺的。由于薄多孔毛细管间隔件(和储器)中可能存在非常少量的电解质，优选实施例的电池可以使得这些电解质在电合成电池或电能电池中得到更广泛的使用。这方面的示例包括但不限于离子液体，在许多情况下，已发现离子液体促进了实际上有效但目前实际上不可行的电化学反应。虽然许多离子液体在电化学反应中具有巨大的技术多功能性和实用性，但是由于它们的成本高和可获得性稀缺，迄今为止，这些离子液体还没有作为电解质在电合成电池或电能电池中得到广泛应用。
具有简单工程设计的示例电池
在下文中，描述了促进各种不同电化学反应并具有图1所描绘的架构的示例电池。为了提供可再现的描述，使用了具有简单且容易再现的工程设计的示例电池。应理解，这种设计是可以在示例实施例电池中采用的许多设计之一，并且各种示例电池都属于入本发明的范围。
图5和图6描述了示例电池的制造。电极-间隔件-电极组件139通过将组件安装在特殊切割的塑料层压片内来制备，该层压片通过穿过文具店压合机在热处理后变得刚性。
如图7所示，使用激光切割机将透明塑料层压片切割成切口500的设计。切口500并有两个3.2cm×3.2cm的电极窗口501和两个尺寸为5cm宽×2cm高的储器窗口502。将多孔毛细管间隔件110切割成6.5×6.5cm的尺寸。被实施为气体扩散电极的尺寸为3.3×3.3cm的第一电极120具有尺寸为3.25×3.25cm的气体可渗透的细金属网载流体320，该载流体并入到第一电极中或第一电极上，以形成电极-载流体组件420。被实施为气体扩散电极的尺寸为3.3×3.3cm的第二电极130具有尺寸为3.25×3.25cm的第二气体可渗透的多孔细金属网载流体330，该载流体并入到第二电极中或第二电极上，以形成第二电极-载流体组件430。
如折叠的切口510所描绘，作为透明层压片的切口500被对折。将多孔毛细管间隔件110插入褶皱中，电极-载流体组件420在其前侧上，并且电极-载流体组件430在其后侧上。电极-载流体组件420和电极-载流体组件430中的每一个分别使它们的载流体320和330面向外，背向多孔毛细管间隔件110。电极-载流体组件420和电极-载流体组件430中的每一个分别使它们的第一电极120和第二电极130面向内，与多孔毛细管间隔件110直接接触。多孔毛细管间隔件的位置使得它可以覆盖整个两个窗口501和502。电极-载流体组件420、430被定位成使得它们刚好覆盖两侧上的窗口501。接着，所得的组件穿过文具店压合机，从而使折叠切口510的两个内侧彼此粘附并变得刚性，由此形成载流体-电极-间隔件-电极-载流体组件520。
图7的右下方描绘了组件520的分解图，示出了组件520内部的部件如何与两侧上的窗口501和502对齐。层压片的前侧511形成组件520的前部。层压片的后侧512形成组件520的后部。多孔毛细管间隔件110位于层压片的前侧511与后侧512之间。多孔毛细管间隔件110与层压片的前侧511和后侧512中的每一个中的顶部和底部窗口对齐并被其覆盖(如图7右下方的多孔毛细管间隔件110上的虚线所示)。电极-载流体组件430位于多孔毛细管间隔件110的前侧上，该电极-载流体组件的电极侧面向多孔毛细管间隔件110，并且其载流体侧面向前侧511层压片覆盖物。组件430与层压片的前侧511上的顶部窗口对齐。电极-载流体组件430中的载流体330覆盖了层压片的前侧511中的整个顶部窗口。电极-载流体组件420位于多孔毛细管间隔件110的后侧上，该电极-载流体组件的电极侧面向多孔毛细管间隔件110，并且其载流体侧320面向层压片的后侧512。组件420与512上的顶部窗口对齐。电极-载流体组件420中的载流体覆盖层压片的后侧512中的整个顶部窗口。
如图7中可以看出的是，多孔毛细管间隔件110的高度至少等于或大于第一电极120的高度和第二电极130的高度。类似地，多孔毛细管间隔件110的表面积与第一电极120的表面积和第二电极130的表面积重叠，并且至少等于或大于第一电极的表面积和第二电极的表面积。因此，液体电解质100在多孔毛细管间隔件110内的最大柱高超过第一电极120的高度和第二电极130的高度。优选地，液体电解质的最大柱高至少等于或大于第一气体扩散电极的高度。最大柱高也超过了电池的顶部的高度。类似地，这允许被多孔毛细管间隔件110内的液体电解质100覆盖的表面积至少等于或大于第一电极120的面向多孔毛细管间隔件的表面积和第二电极130的面向多孔毛细管间隔件的表面积。
图8示出了使用载流体-电极-间隔件-电极-载流体组件520组装的电池的分解图。
两个电池半部600由不锈钢机械加工而成。每个电池半部600包括阶梯状窗口610，该阶梯状窗口连接到在电池半部600的顶部引出的管道611。每个电池半部600还包含尺寸为5cm宽×2cm高×1cm深的凹陷矩形井615。此凹部615连接到两个管道621，这两个管道都在电池半部600的顶部引出。
在每个电池半部600的顶部窗口610中，导电金属流场620、630被置于专门设计的凹部中。每个流场620、630包含尺寸为3.2cm×3.2cm的多孔中心区域。各种设计可以用于流场620、630的多孔区段。在图8所描绘的示例中，流场620、630具有从前到后穿过它们的紧密堆积的圆柱形空位。在可能的情况下，在并入催化剂之前，电极120和130焊接到它们相应的载流体320和330和/或它们相应的流场620和630。
如图8所描绘，组件520接着被夹在两个电池半部600之间，其中组件520的外侧上的载流体与电池半部600中的每一个中的导电流场620、630紧密接触。使用非导电聚合物螺栓将两个电池半部600彼此拧紧，这些螺栓穿过贯穿整个组件的厚度的七个边缘排列的孔，从而产生整个电池700，这在图8的右下方以立体图(左)和截面图(右)描绘。
此后，液体电解质沿着整个电池700中的每个电池半部600上的管子621之一流动，以填充每个电池半部600中的储器空腔615。那些储器615中的液体穿过组件520的两侧上的窗口502，并向上被吸入第一电极120与第二电极130之间的多孔毛细管间隔件110中，其中第一电极120和第二电极130都是气体扩散电极。
为了与电极120、130形成电连接，导电母线640穿过每个电池半部600中的窗口610，并压靠在导电流场620、630上。这些继而分别压靠在并入第一电极120和第二电极130中的导电载流体320、330上。压缩由两个螺栓提供，这两个螺栓被扭转到母线上以提供优选的电极压缩。在一些实施例中，母线640由不锈钢螺栓代替，这些不锈钢螺栓在相同位置(即在610处)拧入并穿过壳体600；扭转螺栓以提供优选的电极压缩。可以使用压敏膜检查由扭转螺栓递送的施加压力。母线640的两端641、642用作与外部电路的连接点。母线640(或上述不锈钢螺栓)被构造成允许流场320、330和相应电池半部600中的管道611之间的快速流动。
经由电池半部600中的每一个的顶部的管道611形成与电池的气体连接。气体分别经由流场620、630和气体可渗透的载流体320、330流入或流出分别与第一电极120和第二电极130连接的那些管道611。
上述电池可以适配成具有图2所描绘的架构，方式是仅移除层压片500中的空位501与502之间的聚合物(见图7)并移除电池600中的腔室615与610之间的金属屏障(见图8)，接着确保储器615中的液体具有足够高的液位以触碰电极120或130中的至少一个。
仅仅通过不在层压片500中切出空位502(见图7)和不在电池半部600中切出腔室615(见图8)，上述电池也可以被适配成具有图3所描绘的架构。既而，电池中就没有储器。
示例多电池堆叠体
参考图9，通过将一个电池的外部母线640的一端642电连接到下一个电池上的外部母线640的另一端641，提供至少第一电合成电池或电能电池和第二电合成电池或电能电池的多个单独电池700可以堆叠成双极电池堆叠体750(串联电连接)作为多电池堆叠体。图9描绘了这种堆叠体750，该堆叠体通过示例方式展示，包括八个单独电池700(即第一电池、第二电池、第三电池、第四电池、第五电池、第六电池、第七电池、第八电池)，在电池之间具有七个电连接710。每个电连接710涉及一个电池700中的母线640的端部642与下一电池700中的母线640的端部641接触。外部电路接着跨过图9左侧的开口端642和图9右侧的开口端641连接。
与许多传统零间隙电化学电池相比，这种多电池布置的优点包括但不限于以下示例。
(1)分流电流消除：“分流”电流(也称为“寄生”电流或“旁路”电流)在电串联连接的电化学电池堆叠体中可能是个问题。当存在连接电池堆叠体中所有或多个电池并为其所共用的导电液体电解质主体时，就会产生分流电流。这种共用电解质主体的存在使得不需要的电流在堆叠体内的不同单独电池中的电极之间通过。这种“分流”电流避开了期望的电流路径，并且可能导致显著的效率损失，以及腐蚀和电池性能不均匀。仅通过确保电池堆叠体中的每个单独电池具有其自己的液体电解质而该液体电解质不与电池堆叠体中的任何其他单独电池的液体电解质传导、物理接触，才可以完全避免分流电流。
示例电池堆叠体750符合该要求。也就是说，至少提供第一电合成电池或电能电池和第二电合成电池或电能电池的每个单独电池700在其自己的多孔毛细管间隔件110和其自己的储器140中具有其自己的单独液体电解质100，该液体电解质不与电池堆叠体750中的任何其他单独电池700中的液体电解质100物理接触。因此，在任何时候都连接到电池堆叠体750中的所有或多个电池700或为其所共用的共用导电液体电解质主体可能不存在于电池堆叠体750中。
(2)使用单一水供应/移除系统可以维护多个单独储器，而不会产生分流电流；该 系统可以是自动化的：这提出了问题，即通过单一共用的水供应或移除系统，在不产生分流电流的情况下，自动维护电池堆叠体750中的多个单独储器是否可能且实际可行？也就是说，从单一水供应或移除系统管理多个单独储器并且仍然还避免分流电流是否可行？(如图6和相关文本中所述，使用类型141的储器可以允许自动维护单独实施例电池中的储器，其中水是电化学反应产生的唯一产物(例如氢氧燃料电池)，或者是消耗的唯一反应物(例如水电解电池)。
为了回答这个问题，图10通过示例的方式示意性地且说明性地描绘了由四个单独电池700构成的电池堆叠体750中的四个141类型的储器。在每个储器中，容纳纯水146的第二容积143具有压力或容积敏感阀148，该阀将第二容积连接到容纳纯水146的单一共用水共供应或移除管道147。在操作期间，阀可以自动地且单独地打开和关闭，以移除产生的水(在氢氧燃料电池中)或补充消耗的水(在水电解器中)。因此，多个电池中的每一个的第二液体146(在此示例中为纯水)可以经由连接到多个电池中的每一个的第二容积143的共用供应或移除管道147而液体连通。由于阀独立操作，所以不言而喻，存在两个阀在任何时候同时打开的可能。在这种情况下，在两个单独电池中的电极之间有单一共用水主体。然而，因为管道147以及两个暂时打开的第二容积143中的水是纯水146，并且纯水是不导电的，所以不可能产生分流电流。也就是说，因为单独储器与共用水供应/移除系统之间的连接是经由不导电的纯水形成的，所以不会产生分流电流。
因此，具有类型141的储器的示例实施例电池可以排列在电池堆叠体750中，其中每个储器连接到单一共用水供应/移除系统147，而不会产生分流电流的可能性。也就是说，示例实施例可以允许完全消除分流电流以及它们给电池堆叠体750带来的所有严重挑战。
(3)解除对堆叠体中的电池数量的限制：在没有分流电流的情况下，可以解除许多传统电化学电池中存在的关于可以可行地并入到单一高压堆叠体中的电池数量的限制。也就是说，示例实施例可以允许电池堆叠体内的电池数量根据可获得的最高效和/或最低成本的电源的电压输出来定制。这在许多传统电化学电池中目前是不可能的，这些电池通常必须使用可能相对低效且成本高的定制电源。
(4)气体供应或移除可以使用单一共用气体歧管直接进行：示例实施例电池堆叠体750的另一个特征是，电池堆叠体750中的电池700中的每一个中的气体主体125可以连接到单一共用气体歧管，从而允许气体主体125中的气体经由单一外部配件供应到电池堆叠体750或从电池堆叠体移除。类似地，电池堆叠体750中的电池700中的每一个的气体主体135可以连接到单一共用气体歧管，从而允许气体主体135中的气体经由单一外部配件供应到电池堆叠体750或从电池堆叠体移除。此外，分别为气体主体125、135中的每一个使用单一气体歧管允许这些歧管中的气体被加压，并且实际上，允许整个电池(包括储器)被加压(如果存在类似于图1中149处的孔隙)。在操作期间，气体主体125、135可以被加压到相同压力，或者被加压到相差小于注入电解质的多孔毛细管间隔件110的泡点压力的压力。此外，经由这种单一气体歧管供应或移除的气体与每个电池的跨平面轴线直接气相接触，从而实现改进和自调节的控制。
(5)消除对气泡管理系统的需要：在许多传统电化学电池中，气体以气泡的形式产生。这种电池通常具有气泡管理系统。例如，许多电池在电极上连续泵送循环电解质，以在气泡形成时移除气泡。随着电池堆叠体中电池数量的增加，气泡管理系统可能变得越来越复杂且昂贵(例如，因为需要避免这种系统中所有点处的瞬时压差，即使当大量的气泡必须在气液隔膜中被收集和分开时也是如此)。类型750的示例实施例电池堆叠体可以避免对气泡管理系统的需要以及它们引入的所有复杂性，因为任何产生的气体沿着气相路径200直接移动到气体主体125、135中并被收集在那里。
用于各种反应的示例实施例电池
以下示例提供了实施例的更详细的讨论。这些实施例仅仅是说明性的，并不限制本发明的范围。
材料：使用以下材料(供应商)：多孔聚醚砜材料过滤器(0.03μm、0.45μm、1.2μm、5μm和8μm孔径；由美国颇尔公司供应)、炭黑(荷兰阿克苏诺贝尔公司)、Vulcan XC-72上的10％ Pt(美国普雷梅泰克公司#P10A100)、Vulcan XC-72上的20％ Pt-Pd(美国普雷梅泰克公司#P13A200)、纳米颗粒Ni(平均直径20nm)(美国元素；亚利桑那州坦佩的SDC材料公司)、PTFE分散剂(作为粘合剂或气体处置结构)(醇/H2O中的60wt.％的分散剂；德国西格玛奥瑞奇公司#665800)、PTFE细粉(阿尔法埃莎公司，A12613，15至25μm粒度)、分散剂(在醇/水中含5％；德国西格玛奥瑞奇公司#527084)、SigracetTM碳纸(燃料电池商店，29BC)、KOH 90％薄片(德国西格玛奥瑞奇公司#484016)、H2SO4 95％至98％(德国西格玛奥瑞奇公司#320501)、Ni网、200LPI(世纪美织，北京)(使用前用异丙醇清洁)、Ni泡沫(顾特服；TMax电池设备，1mm厚，97％孔隙率，密度：350±20g/m2)，平均孔径为0.2μm的聚丙烯背衬PreveilTM膨胀PTFE(ePTFE)Gortex膜(由美国通用电能公司生产)和Ti网(美国顾特服公司)。
1.示例电合成氮还原电池，用于从氮气和氢气或氧气产生氨气；用于将氨气裂解回氢气和氮气；用于NOX清除。用于从氨气发电的示例氨气燃料电池
使用平均孔径为1.2μm的多孔聚醚砜材料过滤器作为多孔毛细管间隔件110来制造具有图1至图3所描绘的架构的示例实施例氮还原电池。液体电解质100是离子液体三(五氟乙基)三氟磷酸三己基(十四烷基)鏻([P6,6,6,14][eFAP])或离子液体1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓三(五氟乙基)三氟磷酸盐([C4mpyr][eFAP])。离子液体电解质100可以被酸化。电极-载流体组件420包括沉积在不锈钢布上的Fe催化剂，这描述在Zhou,F.等人(2017)，“Electro-synthesis of ammonia from nitrogen at ambient temperature andpressure in ionic liquids[在离子液体中在环境温度和压力下从氮气电合成氨气]”，能源和环境科学，10(12)，2516至2520，该文献通过援引并入本文。不锈钢布用作载流体320。反电极130涉及SigracetTM碳纸基底，在其微孔侧上喷涂有Vulcan XC-72上的10％ Pt的薄催化剂层，其中使用PTFE(来自PTFE分散剂)作为粘合剂。将电极130压靠在用作载流体330的Ni网上，以由此提供电极-载流体组件430。整个电池中的流场620和630是Ni泡沫。导电母线640是镀Ni不锈钢。氮气流作为气体主体125穿过电池。在氮气流穿过电池期间，当电池操作时，氮气流变得还含有氨气和氢气，以使得气体主体125中从电池排出的气体也含有氨气和氢气。将纯氢作为气体主体135引入到电池中。在替代实施例中，将氧气或空气-氧气作为气体主体135引入到电池中(在相关联的电极处具有合适的催化剂)。通过本领域已知的方式从排出的气体主体125移除所产生的氨气。
因为电池中所需的液体电解质的总体积非常低，所以实际上可以使用离子液体作为电解质。在传统电合成电池或电能电池中，使用离子液体作为电解质通常是不可行的，因为其可获得性差且成本高。
在替代实施例中，电池的操作可以颠倒，其中将氨气引入到电池中，裂解成(即产生)氢气和氮气。使用相同的催化剂和合适的施加电压，电池从氨气产生氢气。
在替代实施例中，电池可以用于NOx清除，即使用NOX作为反应物，其中含NOx的气体在穿过时被移除。在替代实施例中，电池的操作可以颠倒，其中将氨气作为气体主体之一引入到电池中，将氧气或空气-氧气作为另一气体主体引入到电池中，电池产生电力。
2.用于从盐水产生氯气、氢气和苛性碱的示例电合成氯碱电池
使用三层多孔毛细管间隔件110制造具有图1和图2所描绘的架构的用于从盐水制造氯气、苛性碱和氢气的示例实施例氯碱电池，该三层多孔毛细管间隔件在整个电池中被紧密压缩在一起，并且从一侧到另一侧依次包括：(i)层1：其中含有平均孔径为5μm(美国颇尔公司)的GLA-5000聚氯乙烯(PVC)材料过滤器，并且一端浸入含有酸化至pH3的280g/LNaCl水溶液(盐水)的液体储器中，(ii)层2：工业标准全氟化钠交换膜，和(iii)层3：其中含有平均孔径为8μm的聚醚砜材料过滤器，一端浸入含有35％ NaOH水溶液的第二分开的液体储器中。氯气产生电极120包括市售的尺寸稳定的阳极(瑞典帕玛斯坎德公司(Permascand))构成，也用作电极-载流体组件420。氢气产生电极130涉及SigracetTM碳纸基底，在其微孔侧上喷涂有Vulcan XC-72上的10％ Pt的薄催化剂层，其中使用PTFE(来自PTFE分散剂)作为粘合剂。将电极130压靠在用作载流体330的Ni网上，以由此提供电极-载流体组件430。整个电池中的流场620和630分别是Ti网和Ni泡沫。导电母线640分别是镀Ti和Ni的不锈钢。氯气作为气体主体125由电池产生，而氢气作为气体主体135由电池产生。氯气钠(盐水)从含有酸化NaCl的储器中消耗，而苛性碱(氢氧化钠)在含有NaOH的储器中产生。这些材料从其相应储器的连续补充和移除可以通过本领域技术人员已知的方式进行。
3.用于从盐水产生氯气和苛性碱的示例电合成氧去极化氯碱电池
使用三层多孔毛细管间隔件110制造具有图1和图2所描绘的架构的用于从盐水制造氯气和苛性碱的示例实施例氧去极化氯碱电池，该三层多孔毛细管间隔件在整个电池中被紧密压缩在一起，并且从一侧到另一侧依次包括：(i)层1：其中含有平均孔径为5μm(美国颇尔公司)的GLA-5000聚氯乙烯(PVC)材料过滤器，并且一端浸入含有酸化至pH3的280g/LNaCl水溶液(盐水)的液体储器中，(ii)层2：工业标准全氟化钠交换膜，和(iii)层3：其中含有平均孔径为8μm的聚醚砜材料过滤器，一端浸入含有35％ NOH水溶液的第二分开的液体储器中。氯气产生电极120包括商用的尺寸稳定的阳极(瑞典帕玛斯坎德公司)构成，也用作电极-载流体组件420。氧去极化反电极130涉及SigracetTM碳纸基底，在其微孔侧上喷涂有Vulcan XC-72上的10％ Pt的薄催化剂层，其中使用PTFE(来自PTFE分散剂)作为粘合剂。将电极130压靠在用作载流体330的Ni网上，以由此提供电极-载流体组件430。整个电池中的流场620和630分别是Ti网和Ni泡沫。导电母线640分别是镀Ti和Ni的不锈钢。氯气作为气体主体125由电池产生，而氧气作为气体主体135进入电池。氯气钠(盐水)从含有酸化NaCl的储器中消耗，而苛性碱(氢氧化钠)在含有NaOH的储器中产生。这些材料从其相应储器的连续补充和移除可以通过本领域技术人员已知的方式进行。
4.用于使盐酸循环以产生氯气和氢气的示例电合成电池
使用平均孔径为5μm的GLA-5000聚氯乙烯(PVC)材料过滤器(美国颇尔公司)作为多孔毛细管间隔件110来制造具有图1或图2所描绘的架构的用于从盐酸制造氯气和氢气的示例实施例电池。液体电解质100是1M HCl水溶液。氯气产生电极120包括市售的尺寸稳定的阳极(瑞典帕玛斯坎德公司(Permascand))构成，也用作电极-载流体组件420。氢气产生电极130涉及SigracetTM碳纸基底，在其微孔侧上喷涂有Vulcan XC-72上的10％ Pt的薄催化剂层，其中使用PTFE(来自PTFE分散剂)作为粘合剂。将电极130压靠在用作载流体330的Ni网上，以由此提供电极-载流体组件430。整个电池中的流场620和630分别是Ti网和Ni泡沫。导电母线640分别是镀Ti和Ni的不锈钢。氯气作为气体主体125由电池产生，而氢气作为气体主体135由电池产生。盐酸从储器140被消耗。储器140可以通过本领域技术人员已知的方式被连续补充盐酸。
5.用于从氢气和氧气产生电能的示例电能燃料电池
使用平均孔径为8μm的聚醚砜材料过滤器作为多孔毛细管间隔件110来制造具有图1或图2所描绘的架构的示例实施例氢氧燃料电池。液体电解质100是6M KOH水溶液。第一电极120和第二电极130都包括Vulcan XC-72上的20％ Pd/Pt、炭黑和PTFE(来自60％ PTFE分散剂)的混合物，它们沉积并压制在分别用作载流体320和330的Ni网上，以由此分别提供电极-载流体组件420和430。整个电池中的流场620和630是Ni泡沫。导电母线640是镀Ni不锈钢。氧气作为气体主体125引入到电池中，而氢气作为气体主体135引入到电池中。
在替代实施例中，如以下文献所述而制造电极-载流体组件420和430，Wagner,K.、Tiwari,P.、Swiegers,G.F.和Wallace,G.G.“Alkaline Fuel Cells with Novel Gortex-Based Electrodes are Powered Remarkably Efficiently by Methane Containing 5％Hydrogen[具有新型Gortex基电极的碱燃料电池由含5％氢气的甲烷非常高效地供电]”，先进能源材料，8(7)，1702285-1至1702285-10，该文献通过援引并入本文。由于所得的电极-载流体组件420和430上具有非导电Gortex膜背衬，所以流场620和630被切割成在它们面向电极的侧面上具有尖锐的突出部。这些突出部穿透420和430上的Gortex背衬，以由此在第一电极120和第二电极130与它们相应的流场420和430之间建立电连接。
这些示例分别代表电极-间隔件界面126和136的变化，以由此改变或更好地控制或加速沿着路径200移动的气相材料的毛细管作用和/或扩散过程，如参考图4所述。
燃料电池如上文引用的科学论文中所述操作。水作为反应产物在储器140中产生。水可以通过本领域技术人员已知的各种方式从储器140连续移除。
具有图3所描绘的架构的电池可以通过相同的工艺制造，其中多孔毛细管间隔件中的液体电解质通过水的蒸发以非干扰方式维持，从而引起氢气和/或氧气气体蒸气的加湿。加湿的氢气和/或氧气在电池中循环，并在电池外部干燥以移除蒸发的水分。
6.用于从水产生氢气和氧气的示例电合成水电解电池
使用平均孔径为8μm的聚醚砜材料过滤器作为多孔毛细管间隔件110来制造具有图1或图2所描绘的架构的示例实施例水电解电池。液体电解质100是6M KOH水溶液。
如Z.Liu、S.D.Sajjad、Yan Gao、J.J.Kaczur和R.I.Masel在ECS学报(2017)77(9)，71至73中的标题为“An Alkaline Water Electrolyzer with SustainionTMMembranes:1A/cm2 at 1.9V with Base Metal Catalysts[具有SustainionTM膜的碱性水电解器：1.9V下1A/cm2，具有贱金属催化剂]”的科学论文中所教导而制造氢气产生电极130，该科学论文通过援引并入本文。此过程涉及在SigracetTM碳纸基底的微孔侧上用Vulcan XC-72上的10％Pt的薄催化剂层(0.5mg Pt/cm2)来喷涂，其中5％作为粘合剂(26重量％)。将电极130压靠在用作载流体330的Ni网上，以由此提供电极-载流体组件430。
氧气产生电极120包括细镍网(200LPI)，该细镍网已电涂有NiFe催化剂，如A.M.P.Sakita、E.Vallés、R.Della Noce和A.V.Benedetti在应用表面科学447(2018)107至116中标题为“Novel NiFe/NiFe-LDH composites as competitive catalysts for cleanenergy purposes[作为清洁能源目的的竞争性催化剂的新型NiFe/NiFe-LDH复合材料]”的科学论文中所述，该科学论文通过援引并入本文。将镍网置于电涂溶液中，该电涂溶液包括NiCl2(0.075M)和FeCl2(0.025M)的3:1混合物(遵循上述论文中的图8(c)和图1(a))、以及支持电解质的1M KCl(遵循上述论文中的图8(b))。通过在10mV/s下使用循环伏安法在-1.0V与-0.2V(相对于Ag/AgCl)之间重复循环，用NiFe涂布浸入电涂溶液中的镍网(遵循上述论文中的图1)。选择-1.0V的低电压是因为它允许包含气体处置材料，而不会形成沉淀，如下一段所述。-0.2V的高电压提供了所得的催化剂的最佳性能。继续涂布，直到沉积了16.6C的电荷(针对具有1cm2几何面积的电极)。Ni网自身用作载流体320，以由此提供电极-载流体组件420。整个电池中的流场620和630是Ni泡沫。导电母线640是镍。氧气作为气体主体125由电池产生，而氢气作为气体主体135由电池产生。
具有图3所描绘的架构的电池可以通过相同的工艺制造，其中多孔毛细管间隔件中的液体电解质通过从氢气和/或氧气蒸气的加湿进行的水的冷凝以非干扰方式维持。氢气和/或氧气在电池中循环，并在电池的外部被加湿，以促进蒸气在多孔毛细管间隔件中的冷凝。
6.1示例：在电极中包括气体处置结构
上述电极120被改性成包括包含低表面能材料聚四氟乙烯(PTFE)的气体处置结构。如上所述，PTFE具有清除其表面上的溶解气体和聚集溶解气体的倾向。气体可以进一步沿着其表面迁移到气体主体125中，而不会在液体电解质中形成气泡。通过在上述电涂溶液中并入PTFE分散剂(醇/H2O中的60wt.％的分散剂；10g/L)，将PTFE气体处置结构并入到电极120中。除此之外，制造过程如上所述。
6.2示例：与完全淹没的电池的比较
出于比较的目的，还制造了一种电池，其中上述电极-间隔件-电极组件(139)被液体电解质淹没。这种电池对应于图2所描绘的架构，其中A和B都到电池的顶部；也就是说，电极完全被液体电解质覆盖，并且不存在任何气体主体125和135。这是水电解电池的传统电池布置，其中气体在液体电解质中以气泡的形式产生。气体在电池中作为气泡形成，这些气泡上升到电池的顶部。
6.3示例：通过实施例电池证明提高的能量效率
图11(a)和图11(b)描绘了具有图1中的电池架构的所得的水电解器在80℃的极化曲线。应注意，这些曲线没有针对内部电阻进行校正；也就是说，这些曲线包括由母线640和导电流场620、630赋予的电阻。
图11中的曲线(a)描绘了电池的极化曲线，其中上述氧气产生电极(120/320/420)并有上述PTFE气体处置结构。这种电池显示出低达118.2Ωcm2的总电池电阻(未针对内部电阻校正)，这是所有测试中最低的，或者实际上是发明人所知的任何测试中最低的。图11中的曲线(b)描绘了同一电池的极化曲线，但是其中上述氧气产生电极(120/320/420)没有并有上述PTFE气体处置结构。
图11中的曲线(c)描绘了采用上述相同的多孔毛细管间隔件和相同的电极的相当的水电解电池的极化曲线，但是其中电池充满液体电解质。这是水电解电池的传统电池布置，其中气体在液体电解质中以气泡的形式产生。图11分别描绘了最好的商用碱性水电解器和PEM水电解器的电池在80℃的相当的极化曲线(d)至(e)，其数据是公开可获得的。
可以看出，图11中的曲线(a)和(b)与曲线(c)中的相当的完全淹没的电池相比有显著的改进，该完全淹没的电池使用相同的电极和多孔毛细管间隔件，但是其中气体在液体电解质中以气泡的形式产生。这证明了与传统电池架构相比，示例实施例电池架构的能量效率提高。
图11中的曲线(a)和(b)也较最好的商用碱性水电解电池(图11曲线(d))和商用PEM水电解电池(图11曲线(e))有了明显的改进。这证明了示例实施例电池架构的能量效率提高，尤其是当考虑到图11(a)至图11(b)中的电池是碱性水电解电池时，它们明显更便宜、更耐用，并且具有比图11(e)所描绘的类型的PEM水电解电池长得多的寿命。
还应注意，涉及碱性电解电池的图11中的曲线(c)较最好的商用碱性水电解电池(图11曲线(d))有了显著改进。这证明，在相当的条件下，图2所描绘的架构(其中A和B都延伸到电池的顶部)也提供了提高的效率，但是与图11(a)和图11(b)中的电池相比，提高的效率较低。原因是图11(c)中的电池是“独立路径电池”。
因此，例如，比较电池在0.7A/cm2的电流密度下产生氢气的能力(图11中的虚线)：
-图11曲线(a)中的电池仅需要1.536V(点A)，这相对于氢的高位热值(HHV)，相当于96％的能量效率。
-图11曲线(b)中的电池仅需要1.568V(点B)，这相对于氢的高位热值(HHV)，相当于94％的能量效率。
-图11曲线(c)中的电池需要1.655V(点C)，这相对于氢的高位热值(HHV)，相当于89％的能量效率。
-图11曲线(d)中的最好的商用碱性水电解电池需要1.84V(D点)，这相当于80％的能量效率(HHV)。
-图11曲线(e)中的最好的商用PEM水电解电池需要1.61V(E点)，这相当于91％的能量效率(HHV)。
图12进一步证明了提高能量效率的能力，该图描绘了当电池在80℃保持在1.47V的固定电池电压(这代表100％的能量效率(HHV))时，电池在图11曲线(a)中的性能随时间的变化。如可以看出的是，电池在100％能量效率(HHV)下产生稳定的300mA/cm2(＝0.3A/cm2)。相比之下，商用碱性电解电池在80℃在1.47V下的最好公开报道电流为～0.1A/cm2，而商用PEM电解电池为～0.2mA/cm2。
6.4示例：证明较低电极间电阻
在图11曲线(a)中，电池能量效率的提高有若干促成因素。这些包括图11曲线(a)中的多孔毛细管间隔件的较低电阻，这在80℃为22mΩcm2，相比之下，图11曲线(d)中的Zirfon隔膜在80℃为～130mΩcm2，并且在80℃的图11曲线(e)中的/>115隔膜膜在80℃为～74 mΩcm2。其效果是将图11曲线(a)中的电池在1 A/cm2下所需的电压相对于图11曲线(d)中的电池降低了约～0.108V，并且相对于图11曲线(e)中的电池降低了～0.052V。
6.5示例：证明较低气体穿越
图11曲线(a)中的电池具有低基准气体穿越率，其中O2中的％H2为0.04％至0.14％，并且H2中的％O2为0.00％。相比之下，Zirfon被认为在相当的完全淹没的碱性水电解电池中使用时显示出≥0.22％的基准气体穿越率。
6.6示例：证明由于在电极中包括气体处置结构而提高了能量效率
如可以看出的是，图11中的曲线(a)比图11中的曲线(b)有所改进，这表明在氧气产生电极中并入PTFE气体处置结构具有有益的效果。气体处置结构辅助新形成的气体离开电极，而不形成可见的气泡。这是通过降低气体离开的路径的表面能来实现的。
6.7示例：证明由于电极“无气泡”而提高了能量效率
因此，图11曲线(a)中的提高的能量效率的另一个促成因素是在任一电极处没有可见的气泡。与图11曲线(c)相比，这显著提高了能量效率，并降低了电解所需的电压。
在这个示例中，液体电解质薄层(小于0.125mm厚)看起来已从多孔毛细管间隔件110吸到电极的催化表面上。当气体接着由电极产生时，气体穿过电解质薄层迁移到其附近的外部表面，并跨越该界面加入相应的气体主体125和135。替代地或附加地，在氧气产生电极120内，新形成的氧气聚集在电极中存在的PTFE表面上，并沿着这些表面迁移以加入氧气主体125。
因此，不需要通过在电极表面上或附近形成气泡来排出气体。因此，电极不会像在传统起泡系统中那样被气泡遮掩。此外，电极表面附近的液体电解质不必气体过饱和以使气泡形成成核。这样，避免了产生这种过饱和可能需要的附加电压。此外，虽然气泡倾向于在电极表面上的裂缝、裂纹和缺陷中形成(并且常顽固地附着到那里)而这些裂缝、裂纹和缺陷也是存在的催化活性最高的位点，但是在没有气泡形成的情况下，这些位点在很大程度上不受影响并且在完全催化活性下操作。因此，电极的催化表面始终得到较全面的使用。
6.8示例：水电解电池是证明提高了能量效率的“独立路径电池”
多孔毛细管间隔件110能够无限期地供应电极120和130维持反应所需的液相反应物，同时气体产物以与液相移动互补的方向背离电极移动，这一事实表明避免了反向多相流动，并且至少有一个分开的、独立的且非干扰的路径可用于电池内每个单独液相和气相反应物和产物的移动(流动)。
因此，图11(a)和图11(b)中的电池是“独立路径电池”，并且这基本上是它们具有较高能量效率的原因。图11(c)中的电池也是独立路径电池，但是由于形成了气泡而降低了能量效率。也就是说，避免了克服与反向多相流动相关的低效率所需的能量，但没有避免与气泡形成相关联的能量。
图11(a)和图11(b)中电池的无气泡动作提高了从无气泡电极移除气体的路径的效率。在氧电极处包括气体处置结构提供了从该电极移除气体的特别改进的路径。其效果是提高了电池中分子级运动的效率，并由此提高了电池的能量效率。
因此，这个示例证明了独立路径电池可以比其他电池实现较高能量效率的原因。其还表明能量效率的提高可能是显著的。
6.9示例：在对电极表面改性以促进电解质沿着电极向上的毛细管诱导移动后，证明了高能量效率
如上所述，液体电解质沿着电极并且沿着电极向上的毛细管诱导移动可能典型地干扰甚至阻止电极与其相关联的气体之间的气体移动。这可能降低电池的能量效率，经常是显著降低。
然而，如果这种移动被设计成限于在电极表面上移动的非常薄的液体电解质层，那么可能不会干扰或妨碍气体移动，并且不会对能量效率产生有害影响。
液体电解质薄膜的这种毛细管诱导输送可以通过如下所述在电极表面上沉积薄疏水层并采用如图2所示的电池设计来设计。
在上述水电解器中，镍泡沫用作替代的氧电极。将镍泡沫在乙醇中超声处理10分钟，以移除任何有机残余物，接着用水漂洗，接着在3M HCl中进一步超声清洁20分钟，接着用水漂洗并干燥。接着将Ni泡沫浸入容纳43mM NiNO3和14.3mM FeNO3以及0.28M尿素的水溶液的高压釜中，并在120℃加热12小时。用水清洗所得的电极，并将其在空气中干燥。
使用这种方法沉积的NiFe层状双氢氧化物(LDH)薄层既具有强亲水性，又是从水产生氧气的良好催化剂。其高亲水性使其促进6M KOH液体电解质薄层在电极表面上以>5cm/min的速率向上、基于毛细管的移动。这明显比包括孔径为8μm的聚醚砜材料过滤器的多孔毛细管间隔件110展现出的移动速率快。
在催化氧气产生期间，上述NiFe涂布的Ni泡沫也展现出高能量效率，与图11曲线(a)中的氧电极相当。图13描绘了氧电极的电极电势与电流密度的比较：
(a)图11曲线(a)中的电池中的氧电极，以及
(b)当用作图11曲线(a)中的电池中的氧电极时，上述NiFe涂布的Ni泡沫。
如可以看出的是，两个电极的性能非常相似，从而表明NiFe涂布的Ni泡沫电极的表面上的毛细管诱导移动没有显著降低其能量效率。
6.10示例：在表面改性电极中并入气体处置结构
上述Ni泡沫电极也可以在其表面改性期间被改性以并入PTFE气体处置结构。
这是如下实现的：将43mM NiNO3和14.3mM FeNO3以及0.28M尿素的水溶液在高压釜中在120℃加热12小时。收集所获得的NiFe-LDH催化剂，并用去离子水离心清洗三次，然后在室温在真空烘箱中干燥。在含有异丙醇和水(4:1体积％)的溶液中制备所得的NiFe粉末的分散剂，其中添加(10g/L)的分散剂。接着将NiFe-LDH分散剂喷涂在预先清洁的Ni泡沫或Ni网上，以获得所需重量/厚度的NiFe-LDH涂布电极。
6.11示例：在电极中包括气体毛细管结构
在替代实施例中，电极-载流体组件420和430被制造成并有气体毛细管结构，在这种情况下，该气体毛细管结构是疏水性Gore-TexTM膜(即，包括膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)的疏水膜)，其PTFE侧紧密贴靠在电极-载流体组件420和430的外侧上。既而，在最终组装的电池中，包括Gore-TexTM膜的电极的外侧与相应流场620或630接触。Gore-TexTM膜的通用版本被称为“Gortex”膜。
Gore-TexTM或Gortex膜包括气体毛细管结构，这些气体毛细管结构从这种紧密邻近的气体产生电极自发提取新生成的气体。
由于所得的电极-载流体组件上具有非导电Gortex膜背衬，所以流场620和630被切割成在它们面向电极的侧面上产生尖锐的突出部。这些突出部切穿420和430上的Gortex膜背衬，以由此在第一电极120和第二电极130与它们相应的流场420和430之间建立电连接。
这些示例分别代表电极-间隔件界面126和136的变化，以由此改变或更好地控制或加速沿着路径200移动的气相材料的毛细管作用和/或扩散过程，如参考图4所述。
水电解电池如上文引用的科学论文中所述操作。反应物水连续地从储器140移除。水可以通过本领域技术人员已知的各种方式补充到储器140。
7.示例：用于从含有氢气的气体混合物提取纯氢的电合成提取电池
使用平均孔径为1.2μm的聚醚砜材料过滤器作为多孔毛细管间隔件110来制造具有图1至图3所描绘的架构的示例实施例氢气提取电池。液体电解质100是1M硫酸水溶液。第一电极120和第二电极130都包括Vulcan XC-32上的10％ Pt、炭黑和20％ PTFE分散剂的混合物，它们沉积并压制在分别用作载流体320和330的Ni网上，以由此分别提供电极-载流体组件420和430。整个电池中的流场620和630是Ni泡沫。导电母线640是镀Ni不锈钢。甲烷和氢气(例如以体积计5％至10％)的混合物作为气体主体125进入电池并穿过电池，而纯氢作为气体主体135由电池产生。
在替代实施例中，如以下文献所述而制造电极-载流体组件420和430，K.Wagner等人的“An electrochemical cell with Gortex-based electrodes capable ofextracting pure hydrogen from highly dilute hydrogen–methane mixtures[具有能够从高度稀释的氢气-甲烷混合物提取纯氢的Gortex基电极的电化学电池]”，能源和环境科学，2018年，第11期，第172页，该文献通过援引并入本文。由于所得的电极-载流体组件上具有非导电Gortex膜背衬，所以流场620和630被切割成在它们面向电极的侧面上产生尖锐的突出部。这些突出部切穿420和430上的Gortex膜背衬，以由此在第一电极120和第二电极130与它们相应的流场420和430之间建立电连接。
这些示例分别代表电极-间隔件界面126和136的变化，以由此改变或更好控制沿着路径200移动的气相材料的毛细管和/或扩散过程，如参考图4所述。氢气提取电池如上文引用的科学论文中所述操作。
其他示例电池架构
应理解，各种其他的电池架构也可以属于本说明书的范围。架构并有本文所引用或指示的实施例的部分、元件和特征，这是单独地或共同地、以这些部分、元件或特征中的两个或更多个的任何或所有组合而并入的，并且其中在此提到了在本发明所属的领域中具有已知等同物的特定整体，这种已知等同物被视为如同被单独阐述一样并入本文。
图14至图33中提供了其他示例架构的说明性但非限制性的选择。
图14展示了其他示例电合成电池或电能电池40的示意性截面图，其中没有气体主体135。电极130产生或消耗很少气体/没有产生或消耗气体，并且存在非干扰的、基于毛细管的、沿着电极120向上的电解质迁移。
图15展示了其他示例电合成电池或电能电池41的示意性截面图，其中没有气体主体125。电极120产生或消耗很少气体/没有产生或消耗气体，并且存在非干扰的、基于毛细管的、沿着电极130向上的电解质迁移。液体电解质经由气体主体135通过非干扰气相路径来补充/维持。
图16展示了其他示例电合成电池或电能电池42的示意性截面图，其中没有气体主体135。电极130产生或消耗很少气体/没有产生或消耗气体，并且存在非干扰的、基于毛细管的、沿着电极120向上的电解质迁移。在两个电极上方设置了顶部空间。顶部空间被电极130上方的液体电解质和电极120上方的气体占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体穿越。
图17展示了其他示例电合成电池或电能电池43的示意性截面图，其中存在非干扰的、基于毛细管的、沿着电极130向上的电解质迁移以及非干扰的、基于毛细管的沿着电极120向上的电解质迁移。在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被气体主体125占据。电极130上方的顶部空间被气体主体135占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与135之间的气体穿越。
图18展示了其他示例电合成电池或电能电池44的示意性截面图，其中存在非干扰的、基于毛细管的、沿着电极130向上的电解质迁移，并且存在非干扰的、基于毛细管的沿着电极120向上的电解质迁移。在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被气体主体125占据。电极130上方的顶部空间被气体主体135占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与135之间的气体穿越。液体电解质经由气体主体125通过非干扰气相路径来补充/维持。
图19展示了其他示例电合成电池或电能电池45的示意性截面图，其中存在非干扰的、基于毛细管的沿着电极130向上的电解质迁移。在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被气体主体125占据。电极130上方的顶部空间被气体主体135占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与135之间的气体穿越。电极120仅在电极的顶部(在顶部空间中)接触气体主体125。
图20展示了其他示例电合成电池或电能电池46的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被气体主体125占据。电极130上方的顶部空间被气体主体135占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与135之间的气体穿越。电极120仅在电极的顶部(在顶部空间中)接触气体主体125。电极130仅在电极的顶部(在顶部空间中)接触气体主体135。
图21展示了其他示例电合成电池或电能电池47的示意性截面图，其中存在非干扰的、基于毛细管的沿着电极130向上的电解质迁移。在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被气体主体125占据。电极130上方的顶部空间被气体主体135占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与气体主体135之间的气体穿越。电极120仅在电极的顶部(在顶部空间中)接触气体主体125。电极130并有气体处置结构900，该气体处置结构用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体135)填充。
图22展示了其他示例电合成电池或电能电池48的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被气体主体125占据。电极130上方的顶部空间被气体主体135占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与气体主体135之间的气体穿越。电极120并有气体处置结构901，该气体处置结构用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体125)填充。电极130并有气体处置结构900，该气体处置结构用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体135)填充。
图23展示了其他示例电合成电池或电能电池49的示意性截面图，其中存在非干扰的、基于毛细管的沿着电极130向上的电解质迁移。在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被气体主体125占据。电极130上方的顶部空间被气体主体135占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与气体主体135之间的气体穿越。电极120仅在电极的顶部(在顶部空间中)接触气体主体125。电极130邻近于气体毛细管结构1000，该气体毛细管结构用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体135)填充。
图24展示了其他示例电合成电池或电能电池50的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被气体主体125占据。电极130上方的顶部空间被气体主体135占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与气体主体135之间的气体穿越。电极120邻近于气体毛细管结构1001，该气体毛细管结构用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体125)填充。电极130邻近于气体毛细管结构1000，该气体毛细管结构用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体135)填充。
图25展示了其他示例电合成电池或电能电池51的示意性截面图，其中电极130产生或消耗很少气体或没有产生或消耗气体。在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间部分被气体主体125占据，并且部分被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间部分被气体主体135占据，并且部分被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与气体主体135之间的气体穿越。电极120具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构穿过电极上方的液体电解质100延伸到顶部空间。气体毛细管结构或气体处置结构1100用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体125)填充。
图26展示了其他示例电合成电池或电能电池52的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间部分被气体主体125占据，并且部分被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间被气体主体135占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与气体主体135之间的气体穿越。电极120具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构穿过电极上方的液体电解质100延伸到顶部空间。气体毛细管结构或气体处置结构1100用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体125)填充。电极130仅在其顶部(在顶部空间中)接触气体主体135。
图27展示了其他示例电合成电池或电能电池53的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间部分被气体主体125占据，并且部分被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间部分被气体主体135占据，并且部分被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与气体主体135之间的气体穿越。电极120具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构穿过电极上方的液体电解质100延伸到顶部空间。气体毛细管结构或气体处置结构1100用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体125)填充。电极130具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1101，该气体毛细管结构或气体处置结构穿过电极上方的液体电解质100延伸到顶部空间。气体毛细管结构或气体处置结构1100用与顶部空间相连的气体(共同形成气体主体135)填充。
图28展示了其他示例电合成电池或电能电池54的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间部分被气体主体125占据，并且部分被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间部分被气体主体135占据，并且部分被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与气体主体135之间的气体穿越。电极120和130各自产生气体。电极120具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构沿着路径2100通过液体电解质100释放气泡/气体体积，其中路径2100经常或常规地在气体毛细管结构或气体处置结构1100内的气体主体与顶部空间气体(共同形成气体主体125)之间产生相连连接。电极130具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1101，该气体毛细管结构或气体处置结构沿着路径1210通过液体电解质释放气泡/气体体积，其中路径2110经常或常规地在气体毛细管结构或气体处置结构1101内的气体主体与顶部空间气体(共同形成气体主体135)之间产生相连连接。
图29展示了其他示例电合成电池或电能电池55的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间部分被气体主体125占据，并且部分被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间部分被气体主体135占据，并且部分被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止气体主体125与135之间的气体穿越。电极120和130各自产生气体。电极120具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构沿着路径2200通过液体电解质100释放气泡/气体体积，其中路径2200偶尔或不规则地在气体毛细管结构或气体处置结构1100内的气体主体与顶部空间气体(共同形成气体主体125)之间产生相连连接。电极130具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1101，该气体毛细管结构或气体处置结构沿着路径2210通过液体电解质100释放气泡/气体体积，其中路径2210偶尔或不规则地在气体毛细管结构或气体处置结构1101内的气体主体与顶部空间气体(共同形成气体主体135)之间产生相连连接。
图30展示了其他示例电合成电池或电能电池56的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间部分被与导管127相关联的气体主体占据，并且部分被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间部分被与导管137相关联的气体主体占据，并且部分被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止与导管127相关联的气体主体与和导管137相关联的气体之间的气体穿越。电极120和130各自产生气体。电极120具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构中含有气体主体125。气体主体125经由穿过液体电解质100的路径2300与外部导管127和外部气体储存系统128处于气体连通。气体主体125通过液体电解质沿着路径2300向顶部空间释放气泡/气体体积，其中在顶部空间中，气体可以进入外部导管127和外部气体储存系统128。电极130具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构中含有气体主体135。气体主体135经由穿过液体电解质100的路径2310与外部导管137和外部气体储存系统138处于气体连通。气体主体135通过液体电解质沿着路径2310向顶部空间释放气泡/气体体积，其中在顶部空间中，气体可以进入外部导管137和外部气体储存系统138。
图31展示了其他示例电合成电池或电能电池57的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止顶部空间中的气体穿越。电极120和130各自消耗气体。电极120具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构含有一定量的气体。气体毛细管结构或气体处置结构1100从外部气体导管127沿着路径2400通过液体电解质100接收气泡/气体体积。路径2400经常或常规地在气体毛细管结构或气体处置结构1100内的气体主体与气体导管127中的气体(共同形成气体主体125)之间产生相连连接。电极130具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1101，该气体毛细管结构或气体处置结构含有一定量的气体。气体毛细管结构或气体处置结构1101从外部气体导管137沿着路径2410通过液体电解质100接收气泡/气体体积。路径2410经常或常规地在气体毛细管结构或气体处置结构1101内的气体主体与气体导管137中的气体(共同形成气体主体135)之间产生相连连接。
图32展示了其他示例电合成电池或电能电池58的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止顶部空间中的气体穿越。电极120和130各自消耗气体。电极120具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构含有一定量的气体。气体毛细管结构或气体处置结构1100从外部气体导管127沿着路径2500通过液体电解质100接收气泡/气体体积。路径2500偶尔或不规则地在气体毛细管结构或气体处置结构1100内的气体主体与气体导管127中的气体(共同形成气体主体125)之间产生相连连接。电极130具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1101，该气体毛细管结构或气体处置结构含有一定量的气体。气体毛细管结构或气体处置结构1101从外部气体导管137沿着路径2510通过液体电解质100接收气泡/气体体积。路径2510偶尔或不规则地在气体毛细管结构或气体处置结构1101内的气体主体与气体导管137中的气体(共同形成气体主体135)之间产生相连连接。
图33展示了其他示例电合成电池或电能电池59的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止顶部空间中的气体穿越。电极120和130各自消耗气体。电极120具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1100，该气体毛细管结构或气体处置结构中含有气体主体125。气体主体125经由穿过液体电解质100的路径2600与外部导管127和外部气体储存系统128处于气体连通。气体主体125沿着路径2600通过液体电解质从导管127接收气泡/气体体积，其中气体可以从外部气体储存系统128进入外部导管127。电极130具有所附接的或所并入的气体毛细管结构或气体处置结构1101，该气体毛细管结构或气体处置结构中含有气体主体135。气体主体135经由穿过液体电解质100的路径2610与外部导管137和外部气体储存系统138处于气体连通。气体主体135沿着路径2610通过液体电解质从导管137接收气泡/气体体积，其中气体可以从外部气体储存系统138进入外部导管137。
图34展示了其他示例电合成电池或电能电池60的示意性截面图，其中在两个电极上方设置了顶部空间。电极120上方的顶部空间部分被与导管127相关联的气体主体占据，并且部分被液体电解质100占据。电极130上方的顶部空间部分被与导管137相关联的气体主体占据，并且部分被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止与导管127相关联的气体主体与和导管137相关联的气体之间的气体穿越。电池60是水电解电池，并且电极120和130均产生气体。在操作期间，电极120以填充容积2700的气泡的形式产生大量气体。这样，容积2700中的气泡可以常规地、经常或偶尔变得与和导管127相关联的气体主体相连，由此形成整个气体主体125(由容积2700周围和附近的虚线示出)。反应继续进行，因为多孔毛细管间隔件110能够供应电极120维持反应所需的水和/或液相离子。在操作之前或之后，液体电解质100填充容积2700。因此，在图34中，由容积2700周围和附近的虚线示出的整个气体主体125在电池操作时动态地产生。在操作期间，电极130以气泡的形式产生少量气体。气泡填充由靠近电极130的外表面放置的固体或多孔屏障2720产生的较小容积2710。这样，容积2710中的气泡可以常规地、经常或偶尔变得与和导管137相关联的气体主体相连，由此形成整个气体主体135(由电极130附近的虚线示出)。反应在电极130处继续进行，因为多孔毛细管间隔件110能够供应电极130维持反应所需的水和/或液相离子。在操作之前或之后，液体电解质100填充容积2710。因此，在图34中，由电极130附近的虚线示出的整个气体主体135在电池操作时动态地产生。电池60是独立路径电池，因为电池为液相水反应物进入反应区提供了分开的、独立的、非干扰的路径，同时也为气体125从电极120的排出和气体135从电极130的排出提供了分开的、独立的、非干扰的路径。
图35展示了其他示例电合成电池或电能电池61的示意性截面图，其中在电极120上方设置了顶部空间，该顶部空间部分地被气体主体125占据，并且部分被液体电解质100占据。容积2810中电极130周围的液体电解质100经由导管2811和2815与气液分离罐2812流体连通，该气液分离罐部分地被相连气体主体135占据，并且部分地被液体电解质100占据。保持在多孔毛细管间隔件110中的液体电解质阻止与电极120相关联的电池半部与和电极130相关联的电池半部之间的气体穿越。电池61是水电解电池，并且电极120和130均产生气体。在操作期间，电极120以气泡的形式产生一定量的气体，这些气泡在容积2800内上升以加入气体主体125。也就是说，由电极120产生的气体与外部导管127流体接触。在操作期间，电极130以气泡的形式产生一定量的气体，这些气泡在容积2810内上升以进入导管2811，流动到分离罐2812，在分离罐中，气体分成与外部导管137处于气体连通的相连气体主体135。在气液分离罐2812的底部的分开的液体电解质接着沿着导管2813流动，穿过导管2815，回到容积2810中。在箭头2814以及与电极130相关联的电池半部中的其他箭头所示的方向上出现的这种循环流动可以由气泡的自然浮力驱动，或者可以由泵驱动。也就是说，电极130产生的气体与导管137流体接触。以下条件中的一个或组合与电池61有关：
-多孔毛细管间隔件110具有足够高的流量，以从电极之间供应电极120和130维持反应所需的液相水和/或离子反应物。这意味着电池61是“独立路径电池”，因为它提供了分开的、独立的、非干扰的路径，这些路径用于：(a)电极120和130所需的水和离子反应物的液相移动，和(b)电极120的气相产物125，和(c)电极130的气相产物135；
-多孔毛细管间隔件中的液体电解质在大于8cm的高度处以大于每分钟0.0014g水的流量流动；
-多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm且小于400μm；
-多孔毛细管间隔件具有大于0.4cm的最大柱高；
-多孔毛细管间隔件110具有大于60％的孔隙率；
-电极以大于2巴的压力压靠在多孔毛细管间隔件110上；
-多孔毛细管间隔件110小于0.45mm厚；
-多孔毛细管间隔件中的液体电解质阻止或妨碍第一气体主体125与第二气体主体135混合，并维持小于2％的基准气体穿越率；
-多孔毛细管间隔件110在室温具有小于140mΩcm2的离子电阻；
-电池61显示出比配备有多孔毛细管间隔件110的相同电池高不止0.5％的能量效率，该多孔毛细管间隔件具有不足以从电极之间供应电极120或电极130维持反应所需的液相水和/或离子的流量。电极120或电极130维持反应所需的液相水和/或离子反应物必须改为分别从容积2800或2810提供。这种电池不是独立路径电池，因为它没有为电极120和130所需的水和离子反应物的液相移动提供分开的、独立的、非干扰的路径。
在图35的示例中，提供了一种电合成电池或电能电池，其中多孔毛细管间隔件具有大于2μm且小于400μm的平均孔径、大于60％的孔隙率、大于2巴的电极压缩，并且其中电解质包括氢氧化物盐并且具有至少10的pH值。
在图35的示例中，提供了一种电合成电池或电能电池，其中多孔毛细管间隔件中的液体电解质在大于8cm的高度、小于0.45mm的厚度、大于60％的孔隙率、大于2巴的电极压缩下以大于每分钟0.0014g水的流量流动，并且其中电解质包括氢氧化物盐并且具有至少10的pH值。
在图35的示例中，提供了一种电合成电池或电能电池，其中多孔毛细管间隔件具有大于0.4cm的最大柱高、大于60％的孔隙率、大于2巴的电极压缩，并且其中电解质包括氢氧化物盐并且具有至少10的pH值。
其他示例实施例
根据又其他非限制性示例实施例，以下要点披露了其他示例电池和电池的示例操作方法。
1.一种电合成电池或电能电池，包括：
储器，该储器容纳液体电解质；
第一气体扩散电极；
第二电极；以及
多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件用该液体电解质填充并定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件具有定位在该储器内并与该液体电解质处于液体接触的远端。
2.如要点1所述的电池，进一步包括该电池的外壳，该外壳设置至少一个外部液体导管。
3.如要点2所述的电池，其中，该液体电解质、液相反应物和/或产物经由该至少一个外部液体导管输送进出该储器。
4.如要点3所述的电池，其中，该至少一个外部液体导管与外部液体储存系统处于流体连通，以用于外部储存、供应或移除该液体电解质、这些液相反应物和/或产物。
5.如要点1至4中任一项所述的电池，其中，不存在外部液体导管，并且该液体电解质和/或这些液相反应物和/或产物以气体流内的蒸气的形式输送进出该电池。
6.如要点1至5中任一项所述的电池，其中，该蒸气优先在该多孔毛细管间隔件内的液体电解质主体中冷凝或从该液体电解质主体蒸发。
7.如要点1至6中任一项所述的电池，其中，该第一气体扩散电极与该液体电解质在该储器中的部分分开。
8.如要点1至6中任一项所述的电池，其中，该第一气体扩散电极接触该液体电解质在该储器中的部分。
9.如要点1至8中任一项所述的电池，其中，该第二电极与该液体电解质在该储器中的部分分开。
10.如要点1至8中任一项所述的电池，其中，该第二电极接触该液体电解质在该储器中的部分。
11.如要点1至10中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件的远端延伸超过该第一气体扩散电极和该第二电极。
12.如要点1至11中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件用该液体电解质填充，然后将该多孔毛细管间隔件的远端定位在该储器内。
13.如要点1至11中任一项所述的电池，其中，该液体电解质在首先从该储器沿着该多孔毛细管间隔件输送之后接触该第一气体扩散电极和该第二电极。
14.如要点1至13中任一项所述的电池，其中，在操作期间，该多孔毛细管间隔件的邻近于整个该第一气体扩散电极的至少一部分和该多孔毛细管间隔件的邻近于整个该第二电极的至少一部分保持填充有该液体电解质。
15.如要点1至14中任一项所述的电池，其中，不存在储器，或者该储器被并入到该多孔毛细管间隔件中，其中该多孔毛细管间隔件中的液体电解质包括该电池中仅有的相连液体电解质主体。
16.如要点1至15中任一项所述的电池，其中，该第二电极是第二气体扩散电极。
17.如要点1至16中任一项所述的电池，其中，该第一气体扩散电极和该第二电极与该储器间隔开。
18.如要点1至17中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件与该第一气体扩散电极之间的直接接触区域在该储器的外部，并且该多孔毛细管间隔件与该第二电极之间的直接接触区域在该储器的外部。
19.如要点1至18中任一项所述的电池，其中，该电池中的电化学反应的液相反应物或产物遵循该多孔毛细管间隔件内部的液体电解质内的路径。
20.如要点1至19中任一项所述的电池，其中，该储器包括开口，该多孔毛细管间隔件穿过该开口。
21.如要点1至20中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件内被该液体电解质覆盖的表面积至少等于或大于该第一气体扩散电极的表面积。
22.如要点1至21中任一项所述的电池，进一步包括该电池的外壳，该外壳设置至少一个外部第一气体导管。
23.如要点22中任一项所述的电池，其中，该外壳进一步设置至少一个外部第一气体导管。
24.如要点1至23中任一项所述的电池，进一步包括包括邻近于该第一气体扩散电极的第一气体的第一气体主体，其中该第一气体是在操作期间供应到该电池中或从该电池移除的反应物或产物。
25.如要点22或23和24所述的电池，其中，该第一气体经由该至少一个外部第一气体导管输送进出该第一气体主体。
26.如要点25所述的电池，其中，该至少一个外部第一气体导管与外部第一气体储存系统处于气体连通，以用于外部储存、供应或移除该第一气体。
27.如要点16所述的电池，进一步包括包括邻近于该第二气体扩散电极的第二气体的第二气体主体，其中该第二气体是在操作期间供应到该电池中或从该电池移除的反应物或产物。
28.如要点22或23所述的电池，该外壳设置至少一个外部第二气体导管。
29.如要点27和28所述的电池，其中，该第二气体经由该至少一个外部第二气体导管输送进出该第二气体主体。
30.如要点29所述的电池，其中，该至少一个外部第二气体导管与外部第二气体储存系统处于气体连通，以用于外部储存、供应或移除该第二气体。
31.如要点1至30中任一项所述的电池，其中，该第一气体扩散电极和该第二电极各自具有几何表面积大于或等于10cm2的侧面。
32.如要点1至31中任一项所述的电池，其中，该第一气体扩散电极包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。
33.如要点16所述的电池，其中，该第二气体扩散电极包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。
34.如要点16所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件的第一侧邻近于该第一气体扩散电极的第一侧，该多孔毛细管间隔件的第二侧邻近于该第二气体扩散电极的第一侧，该第一气体扩散电极的第二侧邻近于该第一气体主体，并且该第二气体扩散电极的第二侧邻近于该第二气体主体。
35.如要点34所述的电池，其中，该第一气体扩散电极的第二侧的至少一部分与该第一气体主体直接气相接触；并且第二气体扩散电极的第二侧的至少一部分与该第二气体主体直接气相接触。
36.如要点1至35中任一项所述的电池，包括气体处置结构，该气体处置结构定位在：
该第一气体扩散电极与该多孔毛细管间隔件之间，
该第一气体扩散电极中，
在该第一气体扩散电极处或附近，或
该第一气体扩散电极的一部分中。
37.如要点1至36中任一项和要点16所述的电池，包括第二气体处置结构，该第二气体处置结构定位在：
该第二气体扩散电极与该多孔毛细管间隔件之间，
该第二气体扩散电极中，
在该第二气体扩散电极处或附近，或
该第二气体扩散电极的一部分中。
38.如要点1至37中任一项所述的电池，包括气体毛细管结构，该气体毛细管结构定位在该第一气体扩散电极中或该第一气体扩散电极处。
39.如要点38和要点16所述的电池，包括第二气体毛细管结构，该气体毛细管结构定位在该第二气体扩散电极中或该第二气体扩散电极处。
40.如要点1至39中任一项所述的电池，其中，该液体电解质至少通过毛细管作用沿着该多孔毛细管间隔件输送。
41.如要点1至39中任一项所述的电池，其中，该液体电解质通过毛细管作用、扩散和/或渗透作用沿着该多孔毛细管间隔件输送。
42.如要点1至39中任一项所述的电池，其中，该电池通过该多孔毛细管间隔件内发生的毛细管作用、扩散和/或渗透作用来自调节。
43.如要点1至42中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件中的液体电解质阻止或妨碍该第一气体主体与该第二气体主体混合。
44.如要点1至43中任一项所述的电池，该电池是零间隙电池，其中该多孔毛细管间隔件小于2mm厚。
45.如要点1至44中任一项所述的电池，包括两个或更多个多孔毛细管间隔件。
46.如要点45所述的电池，包括容纳液体电解质的两个或更多个储器，其中该两个或更多个多孔毛细管间隔件中的每一个的端部各定位在该两个或更多个储器之一中。
47.如要点1至46中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件至少部分地包括聚醚砜材料。
48.如要点1至47中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径是约5μm或约8μm。
49.如要点1至48中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件至少部分包括选自包括以下各项的组的一种或多种材料：PVDF、PTFE、四氟乙烯、氟化聚合物、聚酰亚胺、聚酰胺、尼龙、含氮材料、玻璃纤维、含硅材料、聚氯乙烯、含氯化物的聚合物、醋酸纤维素、硝酸纤维素、赛璐玢、乙基纤维素、含纤维素的材料、聚碳酸酯、含碳酸酯的材料、聚醚砜、聚砜、聚苯砜、含砜的材料、聚苯硫醚、含硫化物的材料、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃、含烯烃的材料、石棉、钛基陶瓷、锆基陶瓷、陶瓷材料、聚氯乙烯、乙烯基材料、橡胶、多孔蓄电池隔膜、和粘土。
50.如要点1至49中任一项所述的电池，其中，该储器包括容纳第一液体的第一容积、容纳第二液体的第二容积以及分隔该第一容积和该第二容积的半渗透膜。
51.如要点50所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件定位在该第一容积中，该第一液体是该液体电解质，并且该第二液体不同于该第一液体。
52.如要点1至51中任一项所述的电池，其中，多个电池电连接为多电池堆叠体。
53.如要点51和52所述的电池，其中，该多个电池中的每一个的第二液体经由连接到该多个电池中的每一个的第二容积的共用供应或移除管道而液体连通。
54.如要点51所述的电池，其中，该第二液体是纯水。
55.如要点1至54中任一项所述的电池，其中，该液体电解质包括含有一种或多种离子的水，该一种或多种离子选自包括以下各项的组：0.001至14M浓度的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、OH-、SO4 2-、HSO4 -、Cl-、NO3 -、ClO4 -、磷酸盐、HPO4 -、碳酸盐、HCO3 -、PF6 -、BF4 -、(CF3SO2)2N-、含有具有官能团的聚合物的聚电解质、聚苯乙烯磺酸盐、DNA、以及多肽。
56.如要点1至54中任一项所述的电池，其中，该液体电解质包括含有溶质的非水性液体，这些溶质选自包括以下各项的组：碳酸丙烯酯液体、二甲氧基乙烷液体、丙腈液体、LiClO4溶质和Bu4NPF6溶质。
57.如要点1至54中任一项所述的电池，其中，该液体电解质是导电液体，该导电液体选自包括以下各项的组：室温熔盐以及包括烷基取代的铵、咪唑和吡啶阳离子的离子液体。
58.如要点1至54中任一项所述的电池，其中，该液体电解质是导电凝胶。
59.一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法，该电合成电池或电能电池包括：
储器，该储器容纳液体电解质；
第一气体扩散电极；
第二电极；以及
多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的远端定位在该储器内并与该液体电解质处于液体接触；
该方法包括以下步骤：
用该液体电解质填充该多孔毛细管间隔件；以及
使该液体电解质与该第一气体扩散电极和该第二电极接触。
60.如要点59所述的方法，包括通过至少毛细管作用用来自该储器的液体电解质填充该多孔毛细管间隔件。
61.如要点59所述的方法，包括用该液体电解质填充该多孔毛细管间隔件，然后将该多孔毛细管间隔件的远端定位在该储器内。
62.如要点60所述的方法，包括在已沿着该多孔毛细管间隔件输送之后，使该液体电解质与该第一气体扩散电极和该第二电极接触。
63.如要点59至62中任一项所述的方法，其中，在操作期间，该多孔毛细管间隔件保持填充有液体电解质。
64.如要点59至63中任一项所述的方法，其中，该电池是电合成电池，并且该电化学反应产生化学产物，该化学产物被输送到该电合成电池的外部。
65.如要点59至64中任一项所述的方法，进一步包括该电池的外壳，该外壳设置至少一个外部液体导管，其中该液体电解质经由该至少一个外部液体导管输送进出该储器。
66.如要点65所述的方法，进一步包括该外壳设置至少一个外部第一气体导管，其中第一气体经由该至少一个外部第一气体导管输送进出第一气体主体。
67.如要点59至64中任一项所述的方法，进一步包括该电池的外壳，该外壳设置至少一个外部第一气体导管，其中第一气体经由该至少一个外部第一气体导管输送进出第一气体主体。
68.如要点65至67中任一项所述的方法，进一步包括该外壳设置至少一个外部第二气体导管，其中第二气体经由该至少一个外部第二气体导管输送进出第二气体主体。
69.如要点59至68中任一项所述的方法，其中，该电池使用大于或等于1安培的穿过该第一气体扩散电极和该第二电极的电流操作。
70.如要点59至69中任一项所述的方法，其中，该电池能够连续操作至少24小时。
71.如要点59至70中任一项所述的方法，其中，该多孔毛细管间隔件通过毛细管作用吸入该液体电解质并维持该液体电解质在该多孔毛细管间隔件内的柱高。
72.如要点59至71中任一项所述的方法，其中，该液体电解质的最大柱高至少等于或大于该第一气体扩散电极的高度。
73.如要点59至72中任一项所述的方法，其中，在该电化学反应期间，该多孔毛细管间隔件内的液体电解质促进一种或多种液相材料沿着该多孔毛细管间隔件的长度的迁移。
74.如要点59至73中任一项所述的方法，其中，该一种或多种液相材料沿着该多孔毛细管间隔件的长度的迁移受到液相毛细管作用、扩散和/或渗透作用的控制。
75.如要点59至74中任一项所述的方法，其中，该电化学反应在该电合成电池或该电能电池中是自调节的。
76.如要点59至75中任一项所述的方法，其中，液相材料移出跨平面轴线的移动通过该储器中的液体电解质的组成来自调节。
77.如要点59至76中任一项所述的方法，其中，液相材料和气相材料进出跨平面轴线的迁移路径被不同地定向。
78.如要点59至77中任一项所述的方法，其中，液相毛细管、扩散和/或渗透作用在该多孔毛细管间隔件内起作用，以：
(i)连续补充该液体电解质内消耗的一种或多种液相材料；或
(ii)连续移除液体电解质内产生的一种或多种液相材料。
79.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应从氮气和氢气或氧气产生氨气。
80.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应从氨气和氧气产生电力。
81.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应从氨气产生氢气和氮气。
82.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应使用NOX作为反应物。
83.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应从盐水产生氯气、氢气和苛性碱。
84.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应从盐水产生氯气和苛性碱。
85.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应从盐酸产生氯气和氢气。
86.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应从氢气和氧气产生电能。
87.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应从水产生氢气和氧气。
88.如要点59至78中任一项所述的方法，其中，该电化学反应从含有氢气的气体混合物提取纯氢。
虽然已详细描述了优选实施例，但是应理解，许多修改、改变、替换或变更对于本领域技术人员来说是显而易见的，而不脱离本发明的范围。
实施例和操作模式可以被认为广泛涉及所引用或指示的部分、元件和特征，这是个别地或共同地、以这些部分、元件或特征中的两个或更多个的任何或所有组合而涉及的，并且其中在此提到了在本发明所属的领域中具有已知等同物的特定整体，这种已知等同物被视为如同被单独阐述一样并入本文。
在整个说明书和随附权利要求中，除非上下文另有要求，否则词语“包括(comprise)”以及比如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”等变体将被理解为暗示包含所陈述的整体或步骤或整体或步骤群组，但不排除任何其他整体或步骤或整体或步骤群组。
Claims (33)
1.一种电合成电池或电能电池，包括：
储器，该储器用于容纳液体电解质；
第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极定位在该储器的外部；
第二电极，该第二电极定位在该储器的外部；以及
多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端延伸到该储器中；
其中，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身。
2.如权利要求1所述的电池，进一步包括该电池的外壳，该外壳设置至少一个外部液体导管。
3.如权利要求1或2所述的电池，被配置成使得当该储器容纳该液体电解质时，该第一气体扩散电极与该储器中的液体电解质分开。
4.如权利要求1或2所述的电池，被配置成使得当该储器容纳该液体电解质时，该第一气体扩散电极在该储器的边缘处触碰该液体电解质。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电池，被配置成使得当该储器容纳该液体电解质时，该第二电极与该储器中的液体电解质分开。
6.如权利要求1至4中任一项所述的电池，被配置成使得当该储器容纳该液体电解质时，该第二电极在该储器的边缘处触碰该液体电解质。
7.如权利要求1至6中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件用该液体电解质填充，然后该多孔毛细管间隔件的端部延伸到该储器内。
8.如权利要求1至7中任一项所述的电池，被配置成使得在操作期间，该液体电解质仅在首先从该储器沿着该多孔毛细管间隔件输送之后才接触该第一气体扩散电极和该第二电极。
9.如权利要求1至8中任一项所述的电池，其中，该第一气体扩散电极和该第二电极与该储器间隔开。
10.如权利要求1至9中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件与该第一气体扩散电极之间的直接接触区域在该储器的外部，并且该多孔毛细管间隔件与该第二电极之间的直接接触区域在该储器的外部。
11.如权利要求1至10中任一项所述的电池，其中，该储器包括开口，该多孔毛细管间隔件穿过该开口。
12.如权利要求1至11中任一项所述的电池，被配置成使得在操作期间，该多孔毛细管间隔件内被该液体电解质覆盖的表面积至少等于或大于该第一气体扩散电极面向该多孔毛细管间隔件的表面积。
13.如权利要求1至12中任一项所述的电池，其中，该第一气体扩散电极和该第二电极各自具有几何表面积大于或等于10cm2的侧面。
14.如权利要求1至13中任一项所述的电池，其中，该第一气体扩散电极包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。
15.如权利要求1至14中任一项所述的电池，其中，该第一气体扩散电极被配置为产生第一气体以形成第一气体主体，该多孔毛细管间隔件的第一侧邻近于该第一气体扩散电极的第一侧，该多孔毛细管间隔件的第二侧邻近于该第二电极的第一侧，并且该第一气体扩散电极的第二侧邻近于该第一气体主体。
16.如权利要求1至15中任一项所述的电池，其中，该第二电极是第二气体扩散电极。
17.如权利要求16所述的电池，其中，该第二气体扩散电极包括金属网、金属泡沫和/或金属穿孔板。
18.如权利要求16和15所述的电池，其中，该第二气体扩散电极被配置为产生第二气体以形成第二气体主体，并且该第二气体扩散电极的第二侧邻近于该第二气体主体。
19.如权利要求18所述的电池，被配置成使得在操作期间，该第一气体扩散电极的第二侧的至少一部分与该第一气体主体直接气相接触；并且第二气体扩散电极的第二侧的至少一部分与该第二气体主体直接气相接触。
20.如权利要求1至19中任一项所述的电池，包括气体毛细管结构，该气体毛细管结构至少部分定位在该第一气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。
21.如权利要求19或20所述的电池，包括第二气体毛细管结构，该第二气体毛细管结构至少部分定位在该第二气体扩散电极的第二侧中或第二侧处。
22.如权利要求1至21中任一项所述的电池，该电池是零间隙电池，其中该多孔毛细管间隔件小于0.45mm厚，优选小于0.30mm厚，更优选小于0.13mm厚。
23.如权利要求1至22中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于2μm且小于400μm。
24.如权利要求1至23中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件的平均孔径大于4μm且小于400μm，大于6μm且小于400μm，大于8μm且小于400μm，大于10μm且小于400μm，大于20μm且小于400μm，或大于30μm且小于400μm。
25.如权利要求1至24中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件包括多个孔，这些孔在该第一气体扩散电极、该第二电极与该储器之间提供流体路径。
26.如权利要求1至25中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件流体地连接到该储器。
27.如权利要求1至26中任一项所述的电池，其中，该多孔毛细管间隔件至少部分包括选自包括以下各项的组的一种或多种材料：PVDF、PTFE、四氟乙烯、氟化聚合物、聚酰亚胺、聚酰胺、尼龙、含氮材料、玻璃纤维、含硅材料、聚氯乙烯、含氯化物的聚合物、醋酸纤维素、硝酸纤维素、赛璐玢、乙基纤维素、含纤维素的材料、聚碳酸酯、含碳酸酯的材料、聚醚砜、聚砜、聚苯砜、含砜的材料、聚苯硫醚、含硫化物的材料、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃、含烯烃的材料、石棉、钛基陶瓷、锆基陶瓷、陶瓷材料、聚氯乙烯、乙烯基材料、橡胶、多孔蓄电池隔膜、和粘土。
28.一种电合成电池或电能电池堆叠体，包括：
第一电合成电池或电能电池；以及
第二电合成电池或电能电池，该第二电合成电池或电能电池电连接到该第一电合成电池或电能电池；
其中每个电合成电池或电能电池包括：
储器，该储器用于容纳液体电解质；
第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极定位在该储器的外部；
第二电极，该第二电极定位在该储器的外部；以及
多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端延伸到该储器中；
其中，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身。
29.如权利要求28所述的电合成电池或电能电池堆叠体，其中，该第一电合成电池或电能电池是根据权利要求1至27中任一项所述的电池，并且该第二电合成电池或电能电池是根据权利要求1至27中任一项所述的电池。
30.如权利要求28或29所述的电合成电池或电能电池堆叠体，其中，该第一电合成电池或电能电池和该第二电合成电池或电能电池串联连接。
31.一种操作电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法，其中该电池包括：储器，该储器用于容纳液体电解质；第一气体扩散电极，该第一气体扩散电极定位在该储器的外部；第二电极，该第二电极定位在该储器的外部；以及多孔毛细管间隔件，该多孔毛细管间隔件定位在该第一气体扩散电极与该第二电极之间，该多孔毛细管间隔件的一端延伸到该储器中；其中，当该多孔毛细管间隔件的端部与该储器中的液体电解质处于液体接触时，该多孔毛细管间隔件能够用该液体电解质填充自身，并且该方法包括在该第一气体扩散电极和该第二电极上施加电压。
32.一种操作如权利要求1至27中任一项所述的电合成电池或电能电池以执行电化学反应的方法，该方法包括在该第一气体扩散电极和该第二电极上施加电压的步骤。
33.一种操作如权利要求28至30中任一项所述的电合成电池或电能电池堆叠体以执行电化学反应的方法，该方法包括在该第一电合成电池或电能电池和该第二电合成电池或电能电池中的每一个的第一气体扩散电极和第二电极上施加电压的步骤。
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