КОМПОЗИТНЫЕ ТРЕХМЕРНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ И СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

1. Газопроницаемый трехмерный электрод, содержащий:
газопроницаемый материал, который является непроводящим; и
пористый проводящий материал, прикрепленный к этому газопроницаемому материалу;
при этом на или около поверхности газопроницаемого материала, обращенной к пористому проводящему материалу, способна образовываться трехфазная граница:: твердое тело-жидкость-газ.
2. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 1, при этом электрод является гибким.
3. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 2, при этом электрод является спирально-навитым или свернутым.
4. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, при этом во время нормального эксплуатационного использования электрода газопроницаемый материал является непроницаемым для жидкого электролита, а пористый проводящий материал является проницаемым для жидкого электролита.
5. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, в котором пористый проводящий материал предусмотрен рядом с газопроницаемым материалом.
6. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, в котором пористый проводящий материал примыкает к газопроницаемому материалу.
7. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, содержащий:
первую область, содержащую пористый проводящий материал;
вторую область, содержащую газопроницаемый материал;
причем первая область и вторая область являются различными.
8. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, в котором пористый проводящий материал представляет собой или включает в себя сито, сетку, решетку, ткань, полотно или перфорированный лист.
9. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, в котором пористый проводящий материал выбирается из группы, состоящей из: металлических сит; металлических сеток; металлических решеток; металлических тканей; перфорированных металлических листов; полимерных сит, сеток, решеток или тканей, покрытых металлическим слоем; углеродных волокон или углеродных тканей; а также пористых или отстоящих друг от друга металлических элементов.
10. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащий связующий материал для прикрепления пористого проводящего материала к газопроницаемому материалу.
11. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал снабжен каталитическим материалом.
12. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал снабжен проводящим материалом.
13. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал включает в себя частицы углеродной сажи, графен, углеродные нанотрубки или бакиболы.
14. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал включает в себя частицы или наночастицы никеля.
15. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал включает в себя иономер.
16. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал включает в себя сополимер фторполимера на основе сульфированного тетрафторэтилена.
17. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал добавлен к, уложен на, или уложен на и по меньшей мере частично через пористый проводящий материал.
18. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал присутствует между пористым проводящим материалом и газопроницаемым материалом.
19. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал обеспечивает пористый слой, через который могут мигрировать реагенты или продукты между пористым проводящим материалом и газопроницаемым материалом.
20. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал проникает в газопроницаемый материал.
21. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал проникает в газопроницаемый материал на глубину меньшую, чем толщина газопроницаемого материала.
22. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором связующий материал проникает в или вокруг пористого проводящего материала.
23. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 7, в котором упомянутая первая область содержит менее примерно 20% атомов углерода.
24. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 7, в котором упомянутая первая область содержит активированный уголь.
25. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, содержащий барьерный слой.
26. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 25, в котором барьерный слой ограничивает количество нежелательного газа, просачивающегося через электрод.
27. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 25, в котором при применении, включающем воду, барьерный слой ограничивает количество водяного пара, просачивающегося через электрод.
28. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 25, в котором барьерный слой по меньшей мере частично образован из поли(метилпентена), кремнийорганического полимера, перфторуглеродного полимера, сверхразветвленного перфторуглеродного полимера или их смесей.
29. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 25, в котором барьерный слой расположен на стороне газа электрода, смежно с газопроницаемым материалом.
30. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 25, в котором барьерный слой расположен между пористым проводящим материалом и газопроницаемым материалом.
31. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 25, дополнительно содержащий второй пористый проводящий материал, расположенный на стороне газопроницаемого материала, противоположной пористому проводящему материалу.
32. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором газопроницаемый материал содержит нетканый слой, барьерный слой содержит полимерную плотную тонкую пленку, пористый проводящий материал представляет собой или включает в себя металлическое сито, и при этом газопроницаемый материал прикреплен с одной стороны к барьерному слою и прикреплен с другой стороны к металлическому ситу с использованием связующего материала.
33. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 10, в котором газопроницаемый материал содержит нетканый слой, барьерный слой содержит полимерную плотную тонкую пленку, пористый проводящий материал представляет собой или включает в себя металлическое сито, и при этом газопроницаемый материал прикреплен с одной стороны к барьерному слою, и барьерный слой прикреплен к металлическому ситу с использованием связующего материала.
34. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, в котором газопроницаемый материал имеет характеристический размер пор <500 нм.
35. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, в котором газопроницаемый материал имеет средний размер пор от примерно 50 нм до примерно 500 нм и образован из PTFE.
36. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, в котором газопроницаемый материал имеет размер пор, который является по существу равномерным.
37. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, при этом воздухопроницаемость электрода по существу подобна воздухопроницаемости газопроницаемого материала.
38. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, при этом электрод имеет давление увлажнения выше 0,2 бар.
39. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, при этом электрод имеет давление увлажнения примерно 3,4 бар или больше.
40. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, при этом электрод имеет ширину примерно 0,05 м или больше, примерно 0,1 м или больше, примерно 0,2 м или больше, примерно 0,3 м или больше, примерно 0,4 м или больше, примерно 0,5 м или больше, примерно 1 м или больше или примерно 2 м или больше.
41. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, при этом электрод имеет длину примерно 0,5 м или больше, примерно 1 м или больше, примерно 2 м или больше, примерно 3 м или больше, примерно 4 м или больше, примерно 5 м или больше или примерно 10 м или больше.
42. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 3, при этом свернутый или спирально-навитый электрод имеет диаметр примерно 0,05 м или больше, примерно 0,1 м или больше, примерно 0,2 м или больше, примерно 0,3 м или больше, примерно 0,4 м или больше или примерно 0,5 м или больше.
43. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, в котором во время нормального эксплуатационного использования трехмерного электрода весь объем трехмерного электрода является газопроницаемым и непроницаемым для жидкости.
44. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, в котором при использовании макроскопическая ширина трехфазной границы твердое тело-жидкость-газ является узкой по сравнению с толщиной трехмерного электрода.
45. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, в котором при использовании трехфазная граница:: твердое тело-жидкость-газ макроскопически является по существу двумерной относительно ширины трехмерного электрода.
46. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 7, в котором при использовании трехфазная граница: твердое тело-жидкость-газ образована на границе раздела упомянутой первой области и упомянутой второй области и составляет менее 400 мкм в ширину.
47. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, 46, в котором пористый проводящий материал выполнен с возможностью полного или по существу полного заполнения жидким электролитом.
48. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, 46, в котором пористый проводящий материал по меньшей мере частично образован с использованием никеля.
49. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, 46, в котором пористый проводящий материал представляет собой никелевое сито или сито, покрытое никелем.
50. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, 46, в котором пористый проводящий материал представляет собой нержавеющую сталь, покрытую никелем.
51. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, 46, в котором пористый проводящий материал по меньшей мере частично образован с использованием Ti, Cr, Pt, Cu, Pb, Sn, Co, Mn, Au и/или Ag.
52. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, 46, в котором газопроницаемый материал представляет собой пористую полимерную мембрану или структуру.
53. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, 46, в котором газопроницаемый материал по меньшей мере частично выполнен или образован из вещества, которое является газопроницаемым или не является газопроницаемым.
54. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 53, в котором упомянутое вещество выбрано из группы, состоящей из PTFE, ePTFE, полипропилена, полиэтилена и полисульфона.
55. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-3, 11-24, 26-33, 42, 46, 54, при этом трехмерный электрод является газодиффузионным электродом.
56. Электрохимическая ячейка, содержащая газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 1-55.
57. Электрохимическая ячейка по п. 56, при этом ячейка включает в себя множество трехмерных электродов, которые являются гибкими.
58. Электрохимическая ячейка по п. 56 или 57, при этом ячейка является спирально-навитой ячейкой.
59. Электрохимическая ячейка по п. 58, при этом спирально-навитая ячейка имеет диаметр примерно 0,1 м или больше.
60. Электрохимическая ячейка по любому из пп. 56, 57, 59, используемая:
в преобразовании кислорода воздуха в более чистый или чистый кислород;
в производстве перекиси водорода;
в электролизе воды; и/или
в качестве топливного элемента.
2
2
61. Электрохимическая ячейка по любому из пп. 56, 57, 59, в которой при использовании электрод функционирует при плотности тока от 1 мА/см до 500 мА/см.
2
2
62. Электрохимическая ячейка по любому из пп. 56, 57, 59, в которой при использовании электрод функционирует при плотности тока от 1 мА/см до 200 мА/см.
63. Газопроницаемый трехмерный электрод, содержащий:
первую область, включающую в себя пористый проводящий материал, который является проницаемым для жидкого электролита;
вторую область, включающую в себя непроводящий газопроницаемый материал, который является непроницаемым для жидкого электролита во время нормального эксплуатационного использования электрода; и
границу раздела первой области и второй области;
при этом первая область и вторая область являются различными и расположенными смежно друг с другом, и при этом при работе на этой границе раздела образуется трехфазная граница:: твердое тело-жидкость-газ.
64. Газопроницаемый трехмерный электрод по п. 63, в котором у и/или вокруг этой границы раздела предусмотрен связующий материал.
65. Способ изготовления газопроницаемого трехмерного электрода, содержащий этапы:
выбора газопроницаемого материала, который является непроводящим; и
прикрепления пористого проводящего материала к стороне газопроницаемого материала с использованием связующего материала;
при этом связующий материал проникает через пористый проводящий материал.
66. Способ по п. 65, в котором пористый проводящий материал и газопроницаемый материал ламинируют вместе.
67. Способ по п. 65 или 66, в котором связующий материал наносят на любой или на оба из пористого проводящего материала и газопроницаемого материала путем покраски, печати, распыления, гальванического или химического покрытия, покрытия порошком и/или покрытия методом погружения.
68. Способ по п. 65 или 66, в котором газопроницаемый материал, пористый проводящий материал и связующий материал наслаивают и пропускают через прижимные ролики.
69. Способ по п. 65 или 66, в котором пористый проводящий металл выбирается на основе гидрофобности для соответствия жидкому электролиту.
70. Газопроницаемый трехмерный электрод, содержащий:
газопроницаемый материал, который является непроводящим; и
пористый проводящий материал, прикрепленный к этому газопроницаемому материалу;
при этом воздухопроницаемость этого электрода по существу подобна воздухопроницаемости упомянутого газопроницаемого материала.
71. Газопроницаемый трехмерный электрод, содержащий:
газопроницаемый материал, который является непроводящим; и
пористый проводящий материал, прикрепленный к этому газопроницаемому материалу;
при этом способна образовываться трехфазная граница:: твердое тело-жидкость-газ, которая является макроскопически по существу двумерной относительно ширины трехмерного электрода.
72. Газопроницаемый трехмерный электрод, содержащий:
газопроницаемый материал, который является непроводящим; и
пористый проводящий материал, прикрепленный к этому газопроницаемому материалу;
при этом электрод является гибким и имеет ширину примерно 0,05 м или больше.
73. Газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 70-72, в котором газопроницаемый материал имеет средний размер пор от примерно 50 нм до примерно 500 нм.
74. Газопроницаемый трехмерный электрод, содержащий:
газопроницаемый материал, который является непроводящим; и
пористый проводящий материал, прикрепленный к этому газопроницаемому материалу;
при этом пористый проводящий материал примыкает или прилегает к упомянутому газопроницаемому материалу.
2
2
75. Электрохимическая ячейка, содержащая газопроницаемый трехмерный электрод по любому из пп. 70-74, в которой при использовании электрод функционирует при плотности тока от 1 мА/см до 500 мА/см.