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CN104583459A - 气体可渗透的电极和电化学电池 - Google Patents

气体可渗透的电极和电化学电池 Download PDF

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CN104583459A CN201380042972.0A CN201380042972A CN104583459A CN 104583459 A CN104583459 A CN 104583459A CN 201380042972 A CN201380042972 A CN 201380042972A CN 104583459 A CN104583459 A CN 104583459A
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Abstract

一种水分解装置的电极，所述电极包括气体可渗透材料；第二材料，例如另外的气体可渗透材料；位于所述气体可渗透材料和所述第二材料之间的间隔层，所述间隔层提供气体收集层；和传导层。可以邻近或至少部分在所述气体可渗透材料内提供所述传导层。所述气体收集层能够在所述电极内部运输气体。所述气体可渗透材料可以是气体可渗透膜。还公开了使用这样的电极作为阴极和/或阳极的电化学电池，以及产生气体-液体或液体-气体转化，例如产生氢气的方法。

Description

气体可渗透的电极和电化学电池
技术领域
本发明总体上涉及电化学装置或电池，电极，其制备方法，和/或用于电化学的或电解反应或过程的方法。在具体的方面，本发明涉及产生气体-液体或液体-气体转化的装置、电池、电极和/或方法，以及例如，实现水裂解的水电解电池或电极。在其它实例中，本发明涉及制造电极和/或包括该电极的电化学装置或电池的方法。
背景技术
一般来说，通过施加电流至两个紧密定位的电极来实现水电解分解成氢气和氧气，该电极典型地由铂制成，每一个电极与中间的水溶液接触。根据在等式(1)中给出的半反应通常在一个电极-阳极-水上进行氧化。根据在等式(2)中显示的半反应通常在另一个电极-阴极-质子(H+)上进行还原。在等式(3)中给出在两个电极上的总反应：
用于电解分解水的多种装置，也称为水电解槽，是可商购的。商购的水电解槽的普遍问题是，它们通常不能有效地将电能转换为它们产生的氢气中的能量。也就是说，在水转化成氢气的方面，它们表现出低能效。当然，氢气是未来可以代替化石燃料(如汽油和柴油)的燃料。此外，它潜在地是无污染的燃料，因为燃烧氢气的唯一产物是水。
一千克的氢气其中包括相当于39kWh的电能(通过其较高的热值，或HHV，测量)。然而，商用电解槽通常需要比39kWh显著更多的电能来产生1kg氢气。例如，平均而言，Stuart IMET 1000电解槽需要53.4kWh的电能来产生1kg氢气，其水转换为氢气(HHV)的总能效为73％。也就是说，输入电解槽中的近四分之一的电能被浪费(主要作为热量)并且无法用来制造氢气。
同样，Teledyne EC-750电解槽需要62.3kWh的电能来制造1kg氢气(63％能效HHV)。Proton Hogen 380电解槽需要70.1kWh/kg氢气(56％能效，HHV)，而Norsk Hydro Atmospheric型号5040(5150AmpDC)需要53.5kWh/kg产生的氢气(73％能效，HHV)。AvalenceHydrofiller 175需要60.5kWh电能来产生1kg氢气(64％能效，HHV)。
因此总之，目前可商购的水电解槽在氢气生产中是电能相对浪费的。这种低效率对于例如，作为未来经济的潜在运输燃料的氢气是严重不利的。
例如，在乔治W·布什总统时代，美国人认为氢气作为替代性运输燃料战略上是重要的。然而，自那时候以来，在奥巴马总统时代，已经认识到与目前的商用水电解槽与使用高效率燃料电池(通过氢气驱动)相结合所实现的转化相比，对于电网电能转化成汽车动力而言，电池可以提供更好的总效率。因此，美国在2009-2012年时期已经修改它的战略焦点，离开氢气动力汽车转向电动力汽车。然而，美国的能源部将开发具有90％总体能效，HHV的水电解槽作为关键目标之一。
目前的商用水电解槽的关键问题是，它们遭受在极高的电流密度(典型地1000-8000mA/cm2)下运行所引起的电损耗。这是商业上不可避免的，因为实现低成本氢气生产的唯一方式是将电解槽中所需材料的量/千克产生的氢气降至最低。用于商用电解槽的许多材料是非常昂贵的-例如，在阳极/阴极处使用的贵金属催化剂，以及用于分开气体的质子交换膜膈膜。因此，对于生产的氢气而言实现低总价的唯一方式，是对于制造电解槽的成本而言产生最大合理量的氢气/单位面积。换句话说，需要高电流密度以降低电解槽的资金成本/千克生产的氢气。美国能源部将开发将需要的贵金属催化剂和其它昂贵组分的量降至最低，进而降低资金成本的水电解槽，作为另外一个关键目标。
在这样的高电流密度下，在水裂解过程中发生的能量损耗是巨大的。这些能量损耗包括在电极处和在电解质内的欧姆损失，也称之为超电势损失(当必须施加将比理论所需的更大的电压以驱动水裂解过程时，发生这种超电势损失)。这些损失组合以产生由商购的水电解槽展示的低能效。
在本申请人早期国际专利申请号PCT/AU2011/001603中，申请人描述采用隔离物的水分解电池，这允许由便宜的和薄的材料制造电池。采用便宜的制造技术生产水分解电池的主要优点是它使得建造具有较大表面积的电池以及在较弱的电流密度下运行它们是商业上可行的。与现代商用水电解槽可能实现的总体能效相比，以这种方式可以实现高得多的总体能效。制造水电解槽的传统方法涉及较高的资金支出，这预先排除参与制造在低电流密度下所需要的较大电极区域的另外的资金成本。
在低电流密度下操作，影响在非常高效率下产生氢气的能力。在这样的装置中，将能量损耗减至最小是重要的，以使运行效率和降低的制造成本补偿电极区域的增长。
一种重要的能量损耗是所谓的“气泡超电势”，其在形成氢气(阴极)和氧气(阳极)的气体气泡期间在两个电极处发生。例如，所需的O2气泡的浓度不仅在阳极处产生超电势，而且代表挑战许多催化剂的长期稳定性的非常具有反应性的环境。
低电流密度通常与高能效一致，因为它们将在水裂解反应期间发生的损失(包括欧姆损失等)降至最低。然而，因为在这些装置中使用的材料的高成本，在目前的商用水电解槽中使用低电流密度，目前在商业上是不可行的。
总之，目前对于改进水电解槽技术以实现更高能效HHV和降低通过电解水分解制造的氢气的总成本存在迫切需要。在一个实例问题中，降低或消除关键的能量损耗-气泡超电势-可以降低能量损耗并且改进水分解的总体能效。
许多其它电化学液体-气体转化具有与上面针对水电解所描述的那些相似的问题，即材料的高成本，这迫使在装置或电池中使用高电流密度，及相关的低总体能效。例如，由盐水(氯化钠水溶液)电化学生产氯气是极其浪费能量的。对于许多电化学气体-液体转化而言情况正是如此。例如，由于与上面描述的那些类似的原因，氢-氧燃料电池通常只有40-70％能效。
对于电化学装置或电池、电极、其制造方法，和/或电化学或电解反应或过程的方法存在需求，它们解决或至少改善现有技术所固有的一个或多个问题，例如允许实现更高的能效。
在本说明书中提及任何在先出版物(或从它衍生的信息)，或提及任何已知的事物，并不是，并且不应当视作承认或许可或任何形式的表明，这些在先的出版物(或从它衍生的信息)或已知的事物形成本说明书中涉及的专注领域中的普通常识的一部分。
发明内容
提供本发明内容以简化的形式介绍概念的选择，它们在下面的实施例中进一步描述。本发明内容并不旨在识别要求保护主题的关键特征或必要特征，也并不旨在用于限制要求保护的主题的范围。
可以方便地描述与用于水分解的电化学装置或电池、电极或方法相关的本发明的实施方式，然而应当理解的是，本发明可以应用于其它类型的液体-气体或气体-液体电化学反应。
在一种形式中，提供了用于水分解装置的电极，包括气体可渗透材料。此外包括在电极中，或作为相关的电极或阳极/阴极的部分，例如定位在电极邻近，是第二材料。间隔层定位在气体可渗透材料和第二材料之间，间隔层提供气体收集层，例如，在电极内，在阳极-阴极对、阳极-阳极对或阴极-阴极对之间。作为电极的一部分，也提供传导层。第二材料可以是电极，或者相关的或邻近的电极，阴极或阳极，以及也可以是气体可渗透材料的一种形式的一部分。
提及气体可渗透材料应当理解为一般性提及，还包括任何形式或类型的气体可渗透的介质、物品、层、膜、隔离物(barrier)、基质、元件或结构或它们的组合。
提及气体可渗透材料应当理解为包括以下含义，即至少部分材料是足够多孔的或可穿透的以允许移动、转移、渗透或运输一种或多种气体通过或横过气体可渗透材料的至少一部分。气体可渗透材料也可以称为“可呼吸的”材料。
在各种实例中：提供传导层邻近或至少部分在气体可渗透材料内；传导层与气体可渗透材料相结合；沉积传导层在气体可渗透材料上；沉积气体可渗透材料在传导层上；和/或气体收集层可以在电极内部运输气体。在另外的实例中，气体可渗透材料是气体渗透膜。在另外的实施例中，第二材料是进一步的或另外的气体渗透膜。
优选地，气体收集层可以在电极内部运输气体至定位在电极边缘或末端或其附近的至少一个气体出口区域。
在各种其它实例方面：气体可渗透材料和第二材料是电极的分离层；第二材料是邻近的阳极或阴极的部分；第二材料是气体可渗透材料；和/或第二材料是气体可渗透材料并且提供第二传导层邻近或至少部分在第二材料内。因此，在一个实例中，提供气体收集层的间隔层定位在气体渗透层和第二层之间作为电极的进一步气体渗透层。在另外的实例中，第二材料是气体可渗透材料，并且第二传导层与第二材料结合，定位在其附近，或沉积于其上。
在其它的实例方面：电极由柔性层组成；电极至少部分螺旋缠绕；和/或传导层包括一种或多种催化剂。
在一个实例方面中，定位间隔层邻近气体可渗透材料内侧，并且定位传导层邻近气体可渗透材料的外侧，在其上或部分在其内。
可选地，气体可渗透材料至少部分或完全由聚合物材料，例如PTFE、聚乙烯或聚丙烯制成。
在其它实例方面：至少部分传导层在一种或多种催化剂和气体可渗透材料之间；间隔层为气体通道间隔物的形式；和/或间隔层包括在气体可渗透材料和/或第二材料的内表面上的压纹结构(压花结构、浮雕结构，embossed structure)。
在另外的形式中，提供了用于水分解装置的电极，包括：第一气体可渗透材料；第二气体可渗透材料；间隔层，定位在第一气体可渗透材料和第二气体可渗透材料之间，间隔层提供气体收集层；与第一气体可渗透材料相结合的第一传导层；以及，与第二气体可渗透材料相结合的第二传导层。
在各种实例中：提供第一传导层邻近或至少部分在第一气体可渗透材料内；提供第二传导层邻近或至少部分在第二气体可渗透材料内；电极由螺旋缠绕的柔性层形成；电极由平面层形成；第一传导层包括催化剂；和/或第二传导层包括另外的催化剂。
在另外的形式中，提供了水分解装置，包括：电解质；至少一个电极，包括：气体可渗透材料；第二材料；定位在气体可渗透材料和第二材料之间的间隔层，间隔层提供气体收集层；以及，传导层。
在另外的形式中，提供了水分解装置，包括：至少一个阴极，包括：第一气体可渗透材料和与第一气体可渗透材料相结合的第一传导层；第二气体可渗透材料以及与第二气体可渗透材料相结合的第二传导层；定位在第一气体可渗透材料和第二气体可渗透材料之间的间隔层，间隔层提供气体收集层；以及，至少一个阳极，包括：第三气体可渗透材料以及与第三气体可渗透材料相结合的第三传导层；第四气体可渗透材料以及与第四气体可渗透材料相结合的第四传导层；定位在第三气体可渗透材料和第四气体可渗透材料之间的另外的间隔层，该另外的间隔层提供气体收集层；其中，在运行时至少一个阴极和至少一个阳极至少部分在电解质内。
在一个实例中，至少一种电极是气体可渗透的电极，其包括两种气体可渗透材料，具有在所述材料之间定位并抵靠每种材料的内侧的间隔层，并且其中，每种材料包括在每种材料的外侧上的传导层。在另外的实例中，提供了用限定电解质层的水可渗透的隔离物交错的多个阴极和阳极。在一个实例方面中，电解质流体连通并且连接至电解质入口和电解质出口，并且气体收集层是与气体出口气体连通。
在各种其它实例中，提供了处理水的方法，包括将低电流密度应用于水分解装置，包括：生产氢气并且经由气体收集层收集氢气；和/或将电解质加压。在其它实例中，低电流密度小于1000mA/cm2；低电流密度小于100mA/cm2；低电流密度小于20mA/cm2；生产氢气具有75％能效HHV或更大；和/或生产氢气具有85％能效HHV或更大。
在一种形式中，提供了用于水分解装置的气体可渗透电极，包括至少一种气体可渗透材料，和定位在材料内侧和材料与另一层之间上，其附近或形成其部分的间隔层，所述间隔层限定气体收集层，并且其中，材料包括传导层。可选地，传导层包括一种或多种催化剂或与其结合，其中传导层是在材料的外侧上。
在另外的形式中，提供了用于水分解装置的气体可渗透电极组件，其包括两种气体可渗透材料，具有在所述材料之间定位并抵靠每种材料的内侧，在其附近或形成其一部分的间隔层，所述间隔层限定气体收集层，并且其中，每种材料包括传导层。可选地，一种或两种传导层包括一种或多种催化剂，其中传导层在每种材料的外侧上。
在一个实例的实施方式中，气体可渗透材料包括PTFE、聚乙烯或聚丙烯，或它们的组合。在另外的实例实施方式中，至少部分传导层布置在催化剂和材料之间。优选地，气体可渗透材料是气体可渗透的和电解质无法渗透的。在另外的实例实施方式中，提供了气体可渗透的电极，其中间隔层为气体通道间隔物或定位在至少一种气体可渗透材料的内侧上、附着在其上、结合在其上、放置其上、其附近或至少部分在其中的压纹结构的形式。
在另外的实例形式中，气体可渗透的电极可以与水可渗透的隔离物相交错以产生多层的水分解电池。这些电极的优势是，它们夹层在两种气体可渗透的电极之间的气体收集层，并且可以提供制造多层水分解电池的便宜方式。
在另外的实例实施方式中，提供了水分解装置，包括至少一种阴极和至少一种阳极，其中，至少一种阴极和至少一种阳极中的至少一种是气体可渗透的电极组件，其包括两种气体可渗透材料，具有在所述材料之间或中间定位并抵靠每种材料的内侧，在其附近或至少部分在其内的间隔层，所述间隔层限定气体收集层，并且其中，每种材料包括传导层或与其结合。可选地，传导层包括一种或多种催化剂，并且其中，传导层在每种材料的外侧上。
在另外的实例实施方式中，提供了水分解装置，包括与限定电解质层的水可渗透隔离物交错的多个阴极和阳极，其中，阴极和阳极为气体可渗透的电极组件形式，其包括两种气体可渗透材料，具有在所述材料之间或中间定位并抵靠每种材料的内侧，或至少部分在其内的间隔层，所述间隔层限定气体收集层，并且其中，每种材料包括传导层。可选地，传导层包括一种或多种催化剂，并且其中，传导层在每种材料的外侧上。
在进一步实例形式中，可以将水分解装置配置成模块装置，其中，可以减少覆盖区(footprint)和气体处理基础设施(gas handling infrastructure)。在一个实例实施方式中，提供了水分解装置，包括螺旋缠绕的多层水分解电池。在进一步的实例中，水分解电池包括与限定电解质层的水可渗透的隔离物交错的多个阴极和阳极，并且其中，阴极和阳极为气体可渗透电极组件形式，其包括两种气体可渗透材料，具有在所述气体可渗透材料之间或中间定位并抵靠每种材料的内侧，或至少部分在其内的间隔层，所述间隔层限定气体收集层，并且其中，每种材料包括传导层，该传导层包括至少一种催化剂，并且其中，该传导层在每种材料的外侧上，所述电解质流体连通并且连接至电解质入口和电解质出口，所述阳极之间的气体收集层与氧气出口流体连通并且所述阴极之间的气体收集层与氢气出口流体连通。螺旋缠绕的水分解装置是用于减少覆盖区和气体处理基础设施的实际的实例方式。螺旋缠绕的装置允许电解质沿着水分解装置渗透通过电解质层。可以侧面提取气体，例如氧气在一个方向上至收集通道并且氢气在另一个方向上至另外的收集通道。
示例的螺旋缠绕水分解装置允许从便宜的和薄的材料制造电池。采用便宜的生产技术生产水分解电池的主要优点是它使得建造具有较大表面积的电池并且在低电流密度下操作它们，是商业可行的。这些示例性水分解电池是柔性的并且可以配置成螺旋缠绕的水分解装置。
根据进一步实例形式，为了形成螺旋缠绕的水分解装置，可以卷起平板材料的多层布置成为螺旋缠绕的布置。随后螺旋缠绕的布置可以装入壳体中，其在模块内正确位置保持螺旋缠绕元件，同时允许水运送通过模块。可以定位收集管以管道连接来自水分解装置的相应气体、氢气和氧气。方便地，收集管可以附连至水分解装置，其中对于相应气体的收集管，希望的收集通道是开放的。例如，所有的氢气气体通道可以在匹配位置开放，并且与氢气的收集管连通。在该位置，氧气气体通道可以关闭或密封。在水分解电池不同的位置处，氧气气体通道可以开放并且与氧气气体收集管连通。在该位置，氢气气体通道可以关闭或密封。
在另外的实例实施方式中，提供了水分解装置，包括多个中空纤维阴极和多个中空纤维阳极，其中，所述多个中空纤维阴极包括具有包含催化剂的传导层的中空纤维气体可渗透材料，并且其中，所述多个中空纤维阳极包括具有包括催化剂的传导层的中空纤维气体可渗透材料。
通过实例实施方式解决的优势之一，是消除对于电极之间的质子交换膜的需求，如在已知的水分解电池中使用的。当采用气体可渗透的或可呼吸的(优选“无气泡”或“基本无气泡”)电极时，质子交换膜通常不是必需的。此外，质子交换膜在水介质中膨胀并且，因此，难以提供生产具有低资金支出需求和低运行成本的水分解电池所希望的包装效率和模块设计。
发明人已经发现，水分解电池允许有效利用阳极和阴极之间空间。在一个实例中，水分解电池允许阳极和阴极之间至少70％的体积被电解质占用，同时维持阳极和阴极处于间隔分开的关系。此外，水分解电池可以允许在电解质室里的非电解质组分(例如间隔层)小于电解质室的总电阻20％。水分解电池也允许在没有阻抗的情况下，横过电解质室扩散阳离子和阴离子，这可以另外地通过使用质子交换膜膈膜而发生。
在一个实例实施方式中，在电解质室内的间隔层或组分是气体可渗透的。除了用于水分解电池之外，在实施其它气体-液体或液体-气体转化，如燃料电池或水处理装置，各种实例实施方式可以是有用的。各种实例形式解决对于能够高能效地实施气体-液体或液体-气体转化的电化学电池的迫切需求。具体地，各种实例形式解决对于能够以高能效和低成本由水制造氢气的电解槽的需求。
发明人已经实现或实施一种或多种以下实例方面、特征或优势，从而提供各种实例实施方式：
(1)在最佳地制造和实施时，气体可渗透的或可呼吸的电极结构减少由气泡超电势在水电解槽中产生的总体能量损耗。减少或消除气泡超电势的作用是增加水电解过程的总体能效。气体可渗透的或可呼吸的电极结构可以由各种气体可渗透材料形成。在一种形式中，气体可渗透材料可以是多孔的，允许气体通过其多孔结构横过材料迁移。在另外的形式中，气体可渗透材料可以允许气体扩散通过无孔的结构。
(2)包含地球丰富的元素低成本催化剂，可以用于在气体可渗透的或可呼吸的电极结构中在阳极和阴极处催化水裂解反应。当这样的催化剂常常无法适应在高电流密度下能效操作时，与目前用于商用水电解槽相比，它们在更低的电流密度下能够实现非常高的能效。一些催化剂是导电的，并且在一些实施方式中，催化剂可以用于形成传导层。适合作为催化剂使用的导电材料的实例是镍。
(3)商购的和低成本的材料和材料结构可以经济地用于制造高能效分解水的气体可渗透的或可呼吸的电极结构。
(4)反应器结构可以用于制造具有非常大内表面面积，但是相对小的外部覆盖区和较低的总成本的模块化多层水电解电池。这种实现的作用是有可能制造具有较高的内表面面积但较低的外部覆盖区的便宜的模块化的水电解电池。
(5)低成本催化剂和材料的可用性，以及具有较高内表面面积的低成本反应器配置，使制造完全新类型的电解槽成为可能，与迄今已经商业可行的情况相比较，该新类型的电解槽通过在更低的电流密度下操作以低成本和高能效产生氢气。
在各种实例形式中，通过以下一种或多种实现高能效：(a)低电流密度，其将电损失减至最小，(b)低成本催化剂，例如在更低的电流密度下高效率操作的地球丰富的元素，以及(c)气体可渗透的或可呼吸的电极或材料结构的使用，其在每个电极处降低或消除气泡超电势。
在各种实例形式中，在电解槽内通过一种或多种以下特征实现低成本：(i)低成本材料，作为用于气体可渗透的或可呼吸的阳极和/或阴极的基底，(ii)低成本催化剂，例如地球丰富元素，在阳极和阴极处作为催化剂(代替高成本贵金属)，以及(iii)具有相对高内表面面积但是相对小的外部覆盖区的低成本反应器结构。优选地，甚至当采用每单位表面积相对小的电流强度时，这些因素的组合允许相对高的总气体生成率。
在进一步实例形式中，阳极和阴极可以包括中空的平板或管，其外表面多孔并且疏水(在使用的液体是亲水的情况下-例如水)或者亲水(在使用的液体是疏水的情况下-例如石油醚)，从而允许气体而不是液体，或其它电解质流体通过它们进入相关的气体通道里。
附图说明
现在将仅通过非限制的实例和参考附图来描述说明性的实施方式。通过结合附图描述的以下说明中(仅作为实施例给出至少一种优选的但非限制的实施方式)，各种实例实施方式将是清楚的。
图1图解地描述了在每个阳极和阴极处包含以下各项的实例水电解槽的性能：(a)在1M NaOH中涂覆镍的平板可呼吸电极(在电极处无气泡形成或显著的气泡形成)，或(b)在1M强酸中涂有Pt的平板可呼吸电极(在电极处无气泡形成或显著的气泡形成)，相对于(c)在阳极和阴极处在1M强酸中包括已知固体Pt平板电极的电解槽(形成气泡)。
图2图解地描述了在每个阳极和阴极处包含以下各项的实例水电解槽的性能：(a)在1M强酸中涂有Pt的中空纤维可呼吸的电极(在底部密封并且在顶部开放)(在电极处无气泡形成或显著形成气泡)，相对于(b)在阳极和阴极处在1M强酸中包括已知固体Pt丝电极的电解槽(形成气泡)。
图3描述：(a)用于实施在图1中的测量的实例电池的透视图；(b)实例电池结构的横截面示意图。
图4描述：(a)水电解实验的照片，该实验包括在一个电极处(具有清楚可见的气泡)已知的标准Pt丝以及在另一电极处(没有可见的气泡)实例涂有Pt的中空纤维(例如，实例气体可渗透电极)(在底部密封，在顶部开放)；(b)示意图解释制造用于实例水分解电池中的具有涂布Pt的中空纤维的实例气体可渗透电极。
图5描述图4的实例涂布Pt的中空纤维电极的表面的电子显微图片。
图6描述：(a)示意图解释制造用于实例电解槽中的阳极和阴极的实例中空-薄板气体可渗透的或可呼吸的电极；(b)致密的和强劲的实例隔离物(也称为“渗透物”或“气体运输”隔离物或间隔层)的电子显微照片，该隔离物可以结合在中空空间内部或在滚动的气体可渗透材料或气体可渗透的薄板材料之间。
图7描述了“流动-通道”实例的电子显微照片。
图8示意地描述了实例过程或方法，通过该过程或方法可以形成实例电极用作电解槽中的螺旋缠绕的或平的电极。
图9示意地描述：(a)具有平板电极的实例电解槽或电池；(b)和(c)具有螺旋缠绕电极的实例电解槽或电池；(d)和(e)用于单极设计和双极设计的实例电连接。
图10示意地描述了实例过程或方法，通过该过程或方法，可以形成另外的实例电极用作电解槽中的螺旋缠绕的或平的电极。
图11示意地描述了(a)具有平板电极的另外的实例电解槽或电池；(b)和(c)具有螺旋缠绕电极的另外的实例电解槽或电池；使用图10的实例电极。
图12描述了包括中空纤维气体可渗透的或可呼吸的材料的实例电解槽模块的剖视图。
图13是包括中空纤维气体可渗透的或可呼吸的材料的一种类型的实例电解槽模块的操作示意图。
图14是包括中空纤维气体可渗透的或可呼吸的材料的第二种类型的实例电解槽模块的操作示意图。
图15是示意图，显示如何可以将实例螺旋缠绕电解槽的单独模块结合在第二管外壳内以由水产生更大量的氢气。
图16显示如何可以将包括多种模块的单独管外壳结合在装置中。
图17展示实例电路，用于以接近-100％能效将三相AC电流转化成DC电流，用于实例电解槽。
图18显示(a)在分解图中，并且(b)在组装图中，如何可以将单个平板气体可渗透的或可呼吸的材料电极结合成实例‘板-框’型电解槽。图18(c)-(d)显示如何可以将两个这样的实例阳极-阴极电池结合成实例多层电解槽。
图19(a)-(c)描述了来自图18通过实例‘板-框’型电解槽典型的气体产生率，在持续切换“开启”和“关闭”的条件下操作三天。(a)描述第1天的部分数据；(b)描述第2天的部分数据；(c)描述第3天的部分数据。
具体实施方式
描述仅仅作为实例给出的以下模式、特征或方面以提供对优选的实施方式或多种实施方式的主题的更精确的理解。在这些图中，包括用来说明实例实施方式的特征，类似的参考数字用于在整个图中指示类似部分。
实例气体可渗透的或可呼吸的电极可以通过任何方便的装置组成。例如，气体可渗透的电极可以通过在气体可渗透材料上沉积传导层，并且随后在传导层上沉积催化剂来形成。在一个实例中，人们可以由气体可渗透的不导电性材料开始，然后在材料上形成传导层，并且此后，沉积催化剂。或者，人们可以由气体可渗透的导电材料开始，然后沉积催化剂。
在另外的实例中，气体可渗透的或可呼吸的电极可以通过与气体可渗透的或可呼吸的材料的紧密结合地保持或定位传导层，包括或不包括催化剂，而形成。在这个实例中，人们将单独形成具有催化剂的传导层随后在气体可渗透材料上定位、放置或附连传导层。发明人已经发现，通过简单地将传导层压在气体可渗透材料上，人们可以具有气体反应产物显著的比例以横过材料迁移并且在电解质中不形成气泡，或基本上不形成气泡或至少可见的气泡。具有催化剂的传导层可以化学或物理地结合至气体可渗透材料。
可以通过适合的液体-可渗透的，电-绝缘的隔离物分开阳极和阴极层，其允许液体进入阳极和阴极，同时防止在阳极和阴极之间形成短路。这样的隔离物的一个实例是在商购的反渗透膜模块中使用的“供给-通道(feed-channel)”隔离物。即使在较高的施加压力下，隔离物也是适当强劲的以允许液体运输，但是防止阳极和阴极自身塌缩。
在一个实例中，提供了用于水分解装置的电极。电极包括气体可渗透材料和是第二材料，其是电极的一部分，和/或邻近电极的阳极或阴极。间隔层定位在气体可渗透材料和第二材料之间，间隔层提供气体收集层，即在电极内或在电极和邻近的阳极或阴极之间。传导层也可以作为电极的一部分提供，并且与气体可渗透材料相结合。第二材料可以是电极或邻近的电极(例如，阳极-阳极，阴极-阴极或阳极-阴极对)的一部分，并且在优选的实例中也是气体可渗透的或可呼吸的材料。可以提供传导层邻近或至少部分在气体可渗透材料内，优选地，在气体可渗透材料的外侧上。优选地，传导层与气体可渗透材料相结合，定位在其附近，或沉积在其上。气体收集层在电极内部可以运输气体，优选地，至电极的出口区或区域。在另外的实例中，气体可渗透材料是气体渗透膜，并且第二材料是进一步的或另外的气体渗透膜。
优选地，气体收集层可以在电极内部运输气体到至少一个气体出口区，该区定位在电极的边或末端或其附近。在另外的实例中，气体可渗透材料和第二材料是电极的隔离层。第二材料优选地是气体可渗透材料或膜。第二材料可以是气体可渗透材料，并且可以提供第二传导层邻近或至少部分在第二材料内。因此，在一个实例中，提供气体收集层的间隔层被提供或定完在气体透水层和作为电极进一步的气体渗透层的第二层(即，第二材料)之间。在另外的实例中，第二材料是气体可渗透材料，并且第二传导层与第二材料相结合，定位在其附近，或沉积在其上。
提供间隔层以维持相应的气体收集通道以及电解质通道。可以为每个通道选择适合的间隔层。通过间隔层维持在相应的电极中的气体收集层，该间隔层可以是在材料的内表面上压纹结构的形式或作为单独的隔离物装置，如气体扩散隔离物等。通过以“流动通道”隔离物的形式使用间隔层可以维持在阳极和阴极之间的电解质层。可以使用其它的适合的空间以允许电解质渗透电解质层并且接触相应的阳极和阴极。
可以用隔离物或间隔层、优选地，耐用的隔离物或间隔层，填充或至少部分填充包括阳极和阴极的中空薄板或纤维中的内部空缺、空隙或空间，这允许气体穿过隔离物或间隔层，但是防止中空结构的壁在自身上塌缩(即使在较高的施加压力下)。这样隔离物的实例是在商购的反渗透膜模块中使用的“渗透的”隔离物。
可以通过在气体可渗透的或可呼吸的材料的外表面或表面上沉积导电金属层，随后，在必要时，在导电层上沉积适合的(电)催化剂来构造气体可渗透的或可呼吸的阳极和阴极。可替代地，导电金属层就本身可以用作(电)催化剂。可以选择催化剂以有助于和加快液体-气体或气体-液体转化。
可以方便地构建气体可渗透的或可呼吸的电极，由此调节横过气体可渗透材料的气体流量至可以在电极上形成气体的反应产物的生产速率。在可替代的实例中，通过紧密共装配和彼此紧密配合接近，来构建气体可渗透的或可呼吸的阳极和阴极：(1)气体可渗透的或可呼吸的材料以及(2)涂布独立式的、平面的、多孔的金属或传导性的结构，在需要时，使用适合的催化剂。独立式的、平面的、多孔的传导性的结构可以是精细的金属网、格栅、毛毡、或类似的平面的多孔的导体。这种类型的传导性的结构是从广泛的供应商商购的。
气体可渗透的或可呼吸的材料在反应期间在电池中的所有阳极和阴极处，维持界限清楚的液-气界面。通过确保跨阳极和阴极的气体可渗透的或可呼吸的材料的差异压力(从液侧到气侧)小于湿润它们孔的毛细管压力可以实现这一点。以这种方式，由于施加的压力，无法驱使液体进入气体通道也无法驱使气体进入液体室。
在液体-至-气体或气体-至-液体转化中，其中，应用大于大气压的压力至液体或气体，可以设计反应器以使施加的压力不超过驱使液体进入气体通道或驱使气体进入液体通道的毛细管压力。也就是说，选择材料的孔以确保在施加压力下在操作期间在阳极和阴极处维持清楚的液-气界面。
正如在实例5的非限制的情况中所描述的，当施加压力至反应器中的气体或液体时，使用Washburn等式来计算在气体可渗透的或可呼吸的电极处维持清晰的液-气界面所需的最大孔径。在水电解槽中具有水的PTFE材料作为电解质的非限制的情况中，当接触角是115°并且跨材料施加1巴压力差异时，孔应当优选具有小于0.5微米，更优选地，小于0.25微米，并且仍更优选地约0.1微米以下的半径或其它特性尺寸。在接触角是100°的情况下，孔应当优选具有小于0.1微米，更优选小于0.05微米，并且仍更优选地约0.025微米以下的半径或其它特性尺寸。
在一个实例中，用于制造气体可渗透的或可呼吸的阳极和阴极的材料，在水中或在装置中采用的液体中膨胀小于1％。通过设计反应器内气体通道，与阳极和阴极结合的气体保持彼此分离以使阳极气体完全与阴极气体分离。在另外的实例中，在紧密配合和耐用的壳体内容纳包括电化学电池的阳极和阴极的多层结构，该壳体内部装有，所有的阳极和阴极，以及气体和液体通道。也就是说，以模块形式制造阳极和阴极的多层结构和它们相关的气体和液体通道，其可以很容易地与其它模块连接以形成更大的总体反应器结构。此外，在失败的情况下，它们可以很容易地去除以及在这样的结构中置换其它同样构造模块。
在另外的实例中，在单个模块内阳极和阴极的多层结构具有相对较高的内表面面积，但是相对低的外部面积或覆盖区。例如，单个模块可以具有超过2平方米的内部结构，但是具有1平方米的外部尺寸。在另外的实例中，单个模块可以具有超过10平方米的内部面积，但是具有少于1平方米的外部面积。单个模块可以具有超过20平方米的内部面积，但是具有少于1平方米的外部面积。在另外的实例中，在单个模块内阳极的多层结构，可以具有与连接至单个入口/出口管的阳极相结合的气体通道。
在另外的实例中，在单个模块内的阴极多层结构，可以具有与连接至单个入口/出口管的阴极相结合的气体通道，该单个入口/出口管与阳极入口/出口管分离。在进一步的实例中，在单个模块内的阳极和阴极的多层结构可以配置为多层的材料布置。多层螺旋缠绕结构可以包括一种或多种阴极/阳极电极组件对，可以包括一种或多种叶片组件(leaf assembly)。
可以如此设计上面描述的模块化的单元以至于很容易地附连至其它相同的模块化单元，由此可以无缝地扩大总体反应器至需要的程度。如上面描述的组合的模块化单元可以自身装在第二耐用外壳内，该第二耐用外壳在内部包括穿过模块化单元的所有液体，并且其作为在相互连接的模块内存在的气体第二保留室(containment chamber)。可以容易地和轻易地移动在第二外耐用外壳内的单个模块化单元并且将其交换为其它相同的模块，这允许容易地置换有缺损的或较差操作的模块。
实例水分解电池可以在相对低电流密度下操作以在气体-液体，或液体-气体的生产中实现高能效。在这些情况下，可以在符合最高的合理能效的电流密度下操作水分解电池。例如，在将水转换为氢气和氧气气体(水电解槽)的反应器的情况下，对于氢气的较高加热值(HHV)而言，可以在符合高于75％的能效的电流密度下操作反应器。因为1kg氢气在它内部包含总共39kWh的能量，如果在施加52kWh电能后电解槽产生1kg氢气，则可以实现75％能效。
根据氢气的较高加热值(HHV)，可以在符合高于85％能效的电流密度下操作水电解槽；如果在施加45.9kWh电能后电解槽产生1kg氢气，则可以实现85％能效。根据氢气的较高加热值(HHV)，可以在符合高于90％能效电流密度下操作水电解槽；如果在施加43.3kWh电能后电解槽产生1kg氢气，则可以实现90％能效。去除跨气体可渗透材料产生的气体导致装置能够在电极处从反应中分离气体。跨气体可渗透材料可以从电池中去除大于90％的在至少一种电极处产生的气体。所希望地，跨气体可渗透材料可以去除大于95％和大于99％产生的气体。在大于75％能效HHV下，水分解电池可以操作以产生氢气。所希望地，在大于90％能效HHV下，水分解电池可以产生氢气。
发明人已经发现，通过管理跨气体可渗透材料的压力差异，可以有效地操作水分解电池。压力差异的管理可以防止湿润材料，并且驱使气体反应产物横过材料。压力差异的选择将通常依赖水分解的材料的特性，并且可以参考如下描述的Washburn等式来确定。向电解质施加压力还可以用于在气体收集层中提供加压的气体产物。
在另外的实例中，提供了用于生产氢气的方法，包括将低电流密度应用于向电解质施加压力的水分解电池，分解水和生产氢气气体和氧气气体；并且用相应的气体收集层收集相应的加压气体。可以在希望的小于100℃、小于75℃和小于50℃的温度下操作水分解电池。
在反应器内可以串联或平行方式配置单个电化学电池，以使所需的电压(Volt)最大化和使所需的电流(Amp)最小化。这是因为，总体上，随着电流负载增加，导电体的成本增加，然而随着输出电压增加，每单位输出的AC-DC整流装置(AC-DC rectification equipment)成本降低。在反应器内可以串联或平行配置单个电池的总体配置使其最好地匹配可用的三相工业或住宅用电。这是因为，电解槽的总电力需求与可用的三相电力紧密匹配通常允许接近100％能效的低成本AC至DC转化，从而将损失减至最小。
一种优选的实施方式通常包括将水直接电转化成氢气和氧气的电化学反应器，水电解槽优选地但不是独占地，包括中空的气体可渗透的或可呼吸的电极结构(例如，平板或纤维)，作为多层布置中的阳极和阴极：
i.其中，阳极与它们离散的氧气气体通道结合，
ii.其中，阴极与它们离散的氢气气体通道结合，
iii.氢气或氧气通道的每一个通过气体可渗透的或可呼吸的材料中的孔连接至它们相应电极，
iv.其中，气体可渗透的或可呼吸的材料在反应期间维持清楚的液-气界面，
v.其中，在液体和/或气体在操作期间受到大于大气压的施加压力的情况下气体可渗透的或可呼吸的材料的孔径和质量使得它们维持清楚的液-气界面，
vi其中，通过耐用的电绝缘隔离物(“供给-通道隔离物(feed channelspacer)”)占据阳极和阴极之间的空间，以允许电解质水进入阳极和阴极，同时防止阳极和阴极相互接触，进而形成短路，
vii其中，气体通道是优选地，但不是排他地，被耐用的隔离物(“气体通道隔离物”)占据，这允许运输气体通过它们，但是防止气体通道的壁塌缩在自身上，即使将大于大气的压力施加至水电解质的情况中，
viii其中，氢气气体通道与单个氢气气体出口相连接，
ix其中，氧气气体通道与单个氧气气体出口相连接，
x其中，允许水渗透在阳极和阴极之间，
xi其中，阳极、阴极、隔离物和气体通道的整个多层布置，包括在具有相对较高的内表面面积但是较低的外部覆盖区的单个模块内，
xii其中，模块化单元可以很容易地附连于其它相同的模块化单元，由此可以无缝地扩大电解槽至所需的程度，
xiii其中，组合的模块化单元自身装入第二耐用外壳内，该外壳在它内部包括穿过模块化单元的所有的水并且用作在模块内产生的易燃的氢气的第二密封罩，
xiv其中，在第二外壳中的单个模块化单元可以由其它相同的模块很容易地和轻易地更换，
xv其中，在低的总体电流密度下操作电解槽以便实现由水生产氢气的高能效；优选地，在根据75％能效的电流密度下，或，更优选，在85％能效下，或仍更优选地，在大于90％能效下，
xvi其中，如此串联或平行配置在整个电解槽组件内的单个电池以通常使所需的电压(Volts)最大化和使所需的电流(Amps)最小化，和/或
xvii其中，如此串联或平行配置在整个电解槽组件内的单个电池以与可用的三相工业或住宅电力最好地匹配。
实施例1：气体可渗透的或可呼吸的电极在水电解中实现高能效的潜力的证明
为了评估是否气体可渗透的或可呼吸的电极的使用可以改进在水电解槽中发生的液体-气体转化的能效，我们检查气体可渗透的或可呼吸的电极的最佳制造。随后在通过结合在无气泡，实验室规模的水电解槽中测试气体可渗透的或可呼吸的电极，其中，它们的性能与产生气泡的标准的，工业上最好的催化剂在酸度/碱度最佳条件下比较。为了这个比较，我们选择在1M强酸里中的固体铂(Pt)作为“工业最好的”催化剂。这种选择的原因是，通常认为其它替代物-即，在强碱性碱电解槽中镍(Ni)催化剂比在强酸中的Pt总体上效能更低。
所有的比较涉及使用非常简单沉积，具有低表面积的光滑金属。想法是想要看到，它们如何比较它们的效率和总体输出，以及是否使用气体可渗透的或可呼吸的电极可以改进水电解的总能效(与最好的可供使用的工业催化剂相比)。图1-2的数据将各种无气泡电解槽的典型性能与在1M强酸中工业最好的Pt催化剂(其中，产生了气泡)进行比较。
实施例1A：采用平板气体可渗透的或可呼吸电极的水电解槽
在图1中显示的第一组数据检查在阴极和阳极处均包括平板可呼吸电极的两个“无气泡”电解槽：在1M强碱中的Ni-催化的碱电解槽(图1(a))，和在1M强酸中的Pt-催化的酸电解槽(图1(b))。使用的酸是硫酸。使用的碱是氢氧化钠。在阳极和阴极上同时使用相同的催化剂。
使用在图3中描绘的电池收集图1(a)-(b)中的数据。在图3(b)中示意地描绘图3(a)的电池。电池包括以下部分：中心蓄水池100在左侧具有无水的氢气收集室110和在右侧的无水的氧气收集室120。在蓄水池100和氢气收集室110之间是气体可渗透的或可呼吸的电极130。在蓄水池100和氧气收集室120之间是气体可渗透的或可呼吸的电极140。在气体可渗透的或可呼吸的电极130和140的表面上，或与其接近，或部分在其中，是包括适合的催化剂150或多个催化剂的传导性层。当通过电源160(如电池)将电流施加至传导层150时，随后电子沿着外部电路流动，如电路路径170所示。电流导致水在可呼吸的电极130(称为阴极)的表面上分解为氢气并且在可呼吸的电极140(称为阳极)的表面上分解为氧气。代替在这些表面形成气泡，氧气和氢气穿过疏水孔180分别进入氧气和氢气收集室120和110。液态水不能穿过这些孔，因为它排斥孔的疏水表面，并且水的表面张力防止水的小滴与大部分水中脱离，由此穿过孔。因此，电极130和140用作气体可渗透的，水不可渗透的屏蔽层。
对于图1(a)的数据，Ni催化剂是商购的薄的涂布Ni的柔性织物，其用于电磁屏蔽。将织物推压和紧密保持在气体可渗透的或可呼吸的疏水材料上。这完成的刚好与在金属表面上直接沉积金属一样好(如针对图1(b)的数据进行的)，其中，通过真空金属化(标准商业方法)在材料上直接沉积Pt催化剂。在两种情况中，催化剂在收集图1(a)-(b)中显示的代表性数据前受到延长的调节。由此意味着，在测量数据前施加电压(通常2-3V)几个小时，在显示的1M强酸/碱条件中，电解槽继续运行。该调节允许系统到达清楚的稳定态，并且确保测量可靠性。
随后对于两个无气泡电解槽，测量在1.6V(＝93％能效HHV)的固定电池电压下的电流强度。正如可以看见的那样，可呼吸的Ni和Pt系统给出1mA/cm2以上的电流强度。Pt系统在被开启的1分钟内给出稳定的电流。Ni系统花约5分钟以到达稳定的电流。但是两个电流超过1mA/cm2，并且维持两者长时间不变(为了清楚在图1中未显示数据)。
通过相比，并且参考图1(c)，发明人以前曾研究在1M强酸中的“工业-最好的”Pt催化剂，有气泡形成。那些研究显示，在调节1h后，并且在最佳可能的条件(与图1(a)和(b)的结果相比更佳)下，固体的裸Pt产生平均0.83mA/cm2的稳定状态电流。当在阳极处使用非常大的Pt网孔电极时，这是人们在Pt阴极处可以获得的绝对值最大的稳定状态电流密度。如果在阳极和阴极使用两个相同-尺寸的电极(如图1(a)-(b)中的数据中的情况)，电流密度将是更低的。
通过这个措施，在每一种阳极和阴极处结合碱Ni-催化的和酸Pt-催化的可呼吸的电池的两种无气泡电解槽令人信服地击败在产生气泡的配置中在阳极和阴极处采用工业-最好的催化剂，Pt，的简单电解槽。此外，基于材料的电解槽并不显示与气泡形成相关的通常的锯齿状的计时电流图曲线，也没有缓慢下降的输出，直至产生稳定状态，如使用裸Pt发现的。实例1B：采用中空纤维气体可渗透的或可呼吸的电极的水电解槽
在酸性(1M强酸)的最佳条件下，比较图2的第二组数据：
(1)无气泡电解槽，包括在阳极和阴极处均涂布Pt的气体可渗透的或可呼吸的中空纤维电极(使用真空金属化(标准商业化方法)在材料上直接沉积Pt)，以及
(2)相同的电解槽电池，但是在阳极和阴极处均带有已知的裸Pt丝电极。
图4(a)描绘实例电解槽对比用于阴极的已知裸Pt丝，以及用于阳极的涂布Pt的疏水中空-纤维气体可渗透电极的照片。正如可以看见的那样，已知的裸Pt丝在水电解期间被覆盖在气泡中，然而中空-纤维气体可渗透电极是无气泡，即无气泡形成或没有大量的气泡形成，至少可见的气泡形成。
图4(b)描绘方法或过程的示意图，通过该方法和过程制造在前面第(1)点中所述的无气泡电解槽和它怎样操作。获得疏水中空-纤维材料200。随后通过Pt的真空金属化-标准商业化方法-涂布这些以产生涂布Pt的中空纤维材料210。(图5描绘210表面的扫描电子显微照片，显示涂层的厚度是20-50nm)。随后使用阿拉地胶在底部封闭两种涂布Pt的中空-纤维材料，并且将其浸没到1M强酸的水溶液中。留下中空-纤维材料的开放顶部凸出液态水的表面上方。它们表面上的电连接(在传导的Pt上)连接至电源(如电池220)，其用于驱动这二个之间的电流，在传导路径230处显示的电子移动。由于施加的电压，水在阴极表面分解为氢气气体并且在阳极表面处分解为氧气气体。然而，在它们替代地通过中空纤维气体可渗透材料240的疏水孔横传送时，气体不形成气泡。液态水无法穿过这些孔因为在大气试验条件下，液态水不能够湿润疏水多孔表面，在基于材料的实例中，具有以原纤维互连的节点为特征的显微结构的聚四氟乙烯(PTFE)的多孔形式。因此，在阴极中空-纤维材料的中心内的氢气气体通道260中收集氢气。在阳极中空纤维的中心处氧气气体通道内收集氧气气体。
上面的实例电解槽的操作产生在图2(a)中显示的数据。为了获得这个数据，我们将2mA/cm2的固定电流密度应用于电解槽，并且随后检查电压(能效)随着时间的推移如何变化。以这种方式说明数据以证明可以如何操作这种类型的商用电解槽。固定的电流密度的使用可以是最适合的操作方式，因为它保证每天产生特定量的氢气。(氢气产生的速率依赖于采用的电流)。图2(b)的数据显示出，在其它条件都相同时，与在阳极和阴极处使用已知的裸Pt丝的可比较结果。在两种情况中，并不预处理催化剂以证明在电解槽操作的第一个小时期间发生的事情，并且展示为什么调节是获得准确的数据所必需的。
对于已知的裸Pt丝，观察到在一个小时调节期间能效明显下降；这是非常典型的裸Pt电极并且发生在建立稳定状态(在操作1-2小时后)之前。在调节过程期间，可以看见能效下降至大约88％(1小时)。一个小时后，它典型地是大约85％，其处于或接近稳态电流密度。发明人先前已经研究了固体Pt电极并且在建立稳定状态后，在2mA/cm2下产生约83-85％标记的能效。相比之下，中空-纤维气体可渗透的电极无法显示类似的下降。它们时间电压测量曲线是事实上平的，大约96％能效并且仅相对小地下降至稳定状态。此外，与可比较的已知的裸Pt丝“工业-最好的”催化剂相比，它们在延长时间内(例如，连续测试12h)维持更高能效。它们比产生气泡的配置中的工业最好的Pt催化剂具有明显更高的能效。实施例1的结论：在阳极和阴极处包括气体可渗透的或可呼吸的电极的电解槽在水电解中可以实现高能效
因此，可以得出结论无气泡水电解槽(即在没有大量气泡形成的情况下操作，包括在阴极和阳极处的气体可渗透的或可呼吸的电极)，与在液体-气体转化中产生气泡的系统相比，可以实现更高能效。这是由于减少或消除气泡超电势，它包括这类系统中能量损失的主要来源。
而且，如果这对于水电解是真的，其是最具有挑战性的电化学液体-气体转化之一，那么它对其它的电化学液体-气体转化也可以是真的。此外，在这样的系统中气-液界面的稳定性，可能，也将大大地促进和改进在这样的反应器中可比较的气体-液体电化学的转化的能效。
实施例2：包括多层中空-平板配置(‘螺旋缠绕模块’)的电化学反应器
图6(a)示意地描绘双侧面的平板疏水材料710。材料包括具有隔离物上部和下部疏水表面，该隔离物通常称为在它们之间的“渗透物”隔离物740。上表面和下表面包括疏水孔，其允许气体，但不允许液态水穿过，除非施加足够的压力，和/或充分降低水表面张力。“渗透物”隔离物通常致密但是多孔。图6(b)展示这种隔离物的典型的微观结构。在图7中描绘这种类型的“流动通道”隔离物的微观结构。正如可以在图7中所见的，然而这种隔离物具有通过它适合水运输的开放结构，图6(b)的隔离物具有更致密结构，使得它适合气体，但不是液体运输。为了构造平板水电解槽反应器，人们可以用具有内建的气体隔离物710的疏水双侧材料开始。将传导层沉积在这种材料的表面上，通常使用真空金属化。在碱电解槽的情况下，传导层通常是镍(Ni)。使用这个技术，可以沉积20-50nm的Ni层。随后涂布Ni材料可以进行浸涂，例如，使用无电的镀镍以在它们的表面上加厚传导的Ni层。在这之后，可以将催化剂，或多种催化剂放在传导的镍表面上，或另外地附连于其上。一系列可能的催化剂在本领域中是存在的并且是已知的。
为了水氧化(即在水分解中在阳极处发生的反应)，催化剂例如Co3O4、LiCo2O4、NiCo2O4、MnO2、Mn2O3，和其它催化剂是可用的。通过本领域已知的各种手段可以沉积催化剂。在镍表面上沉积这样的催化剂的典型实例在如下标题的出版物中给出：“Size-Dependent Activity of Co3O4Nanoparticle Anodes for Alkaline Water Electrolysis”by Arthur J.Esswein,Meredith J.McMurdo,Phillip N.Ross,Alexis T.Bell,and T.Don Tilley,inthe Journal of Physical Chemistry C 2009,Volume 113,pages15068–15072”。通过诸如这些手段，可以制备在图6(a)中的阳极720。
对于阴极，可以沉积在镍表面上的各种催化剂是存在的(如纳米颗粒的镍或纳米颗粒的镍和其它金属合金)。出版物标题为：Pre-Investigationof Water Electrolysis”,document PSO-F&U 2006-1-6287,issued jointly bythe Department of Chemistry,Technical University of Denmark,The RisoNational Laboratory of Denmark and DONG Energy,in 2008，描述在阳极上沉积这样材料(从第50页开始)的手段。可以因此制备图6(a)的阴极730。这篇文件继续描述阳极催化剂和在阳极上沉积它们的手段。
图8显示了使用这样制备的中空平板阴极730和阳极720制造实例水电解槽的方法。阴极730在四个边缘中的三个处密封的731，第四边缘半密封的731，和一半保留未密封的732(如所示)。可以通过快速加热和熔化中空平板的边缘来进行密封以由此阻止气体和液体的移动出边缘。激光加热也可以用于密封阴极的边缘。阳极720是在四个边缘中的三个处密封的721，第四边缘半密封的721，以及一半保留未密封的722(如显示的)。可以通过快速加热和熔化中空平板的边缘来进行密封以由此防止气体和液体移动出边缘。激光加热也可以用于密封阳极的边缘。在沉积传导的Ni层和沉积催化剂之间，如果这是更适合的话，可以实施在图8(a)-(b)中描绘的密封。如图8(c)所示，随后阳极和阴极与在图7中描绘类型的插入的流动通道隔离物堆叠。需要注意的是阳极未密封的边缘都沿着后面左侧边缘彼此排列起来，然而阴极的未密封的边缘沿着前部左侧边缘彼此排列起来。需要注意的是阳极和阴极的未密封的边缘不相互重叠。
图9(a)描绘图8(c)的组件可以如何转变为实例水电解槽。如图9(a)所示，中空管(通常包括电绝缘聚合物)附连至图8(c)中的组件。该管分成前室910和后室920，它们彼此不相连。以这样的方式将阳极和阴极附连至管，即它们未密封的边缘开放进入管的内部室。阴极未密封的边缘仅开放进入管920的后室，而阳极未密封的边缘仅开放进入管910的前室。可以串联(双极设计)或平行(单极设计)地电连接阳极和阴极，单个外部电连接用于正极和另一单个外部电连接用于负极(如图9(a)所示)。对于单极设计(图9(d))和双极设计(图9(e))，图9(d)-(e)描绘可能的非限制的连接路径。其它连接路径是可能的。
在电解槽操作期间，允许水在图(9(a))显示的方向(离开页面)上渗透通过流动通道隔离物。因此，在操作期间，水存在于并且填充阳极和阴极之间的插入空间。
当现在跨阳极和阴极施加电压时，在阴极表面处产生氢气并且如在图6(a)描绘的穿过阴极材料的孔。同时在阳极表面产生氧气并且如在图6(a)描绘的穿过阳极材料的孔。随后氧气和氢气在中空平板阳极和阴极内填充隔离物周围的空白空间。氢气的唯一逸出是通过未密封的边缘离开中空平板阴极进入附连管的后室920中。氧气的唯一逸出是通过未密封的边缘离开中空平板阳极进入附连管的前室910中。以这种方式，在附连管的前910和后920室中分别引导和收集气体。
为了使反应器的总覆盖区最小化，如940所示(图9(b))，可以将平板材料的多层布置卷成螺旋缠绕的布置。随后可以将螺旋缠绕的布置装入聚合物外壳950中，其在模块(950)内正确的地方保持螺旋缠绕的元件，然而同时允许水移动通过如图9(b)所示的模块。当施加适合的电压至这样的模块时，产生氢气并且在如显示的后管处离开模块。如显示的在前管处产生氧气气体。
在图9(c)中描绘可替代的布置。在这种布置中，不将收集管分成前和后收集室。而是，沿长度向下将管分成两个单独的室。以这样的方式将平板阳极和阴极附连至管，即阳极未密封的边缘注入这些室之一并且阴极未密封的边缘流注(empty into)这些室的另一个。因此，在螺旋缠绕如图9(c)中940所示并且通过装入聚合物壳950中模块化时，模块允许水运输通过(如图9(c)所示)。当施加适合的电压至这样的模块时，产生氢气并且从在收集管内分段的气体通道之一离开模块，同时产生氧气并且从如显示的分段的室的另一个离开模块。在950中描绘的这种类型的水电解模块，填充显示较高的内表面面积但是相对小的总覆盖区。存在一系列其它选项以制造螺旋缠绕的水电解模块。为了证明用于制造螺旋缠绕的电解槽的其它非限制选项中的一些，参考图10和11。
图10示出了用于制造螺旋缠绕的电解槽模块的另外的方法。阴极730是在四个边缘中的三个处密封的731，第四边缘留下未密封的732，如显示(图10(a))。阳极720是在四个边缘中的三个处密封的721，第四边缘留下未密封的722，如显示(图10(b))。随后如图10(c)所示，堆叠阳极和阴极，以及在图7中描绘的这种类型的插入流动通道隔离物。需要注意的是阳极未密封的边缘都沿着左侧边缘彼此排列起来，而阴极的未密封的边缘沿着右侧边缘彼此排列起来。
图11(a)描绘在图10(c)的组件如何转变为本发明的水电解槽。如图11(a)所示，中空管1110附连至图10(c)的组件左侧。以这样的方式将阳极附连至管1110，即它们未密封的边缘开放进入管1110的内部空缺。另外的管1120附连至组件右侧。以这样的方式将阴极附连至管1120，即它们未密封的边缘开放进入管1110的内部空缺。因此，当水渗透通过组件并且施加适合的电压时，通过右手管1120收集产生的氢气，同时通过左手管1110单独收集产生的氧气气体。
当这种布置是螺旋缠绕1130(图11(b)-(c))时，可以构造两种可能的模块化布置。在图11(b)的1140中显示的模块化布置包括被聚合物外壳1140包装的两种大致上同样厚的螺旋缠绕元件。外壳允许水穿过模块(如显示的)。两种内管分别收集和获得所产生的氢气和氧气。在图11(c)的1150中显示的模块化布置，包括一种螺旋缠绕的元件，该元件包括左手收集管(氧气产生)并且被聚合物外壳1140包装，和在模块的外表面上定位的其它收集管(氢气产生)。外壳允许水穿过模块(如显示的)。内管收集和提供产生的氧气。外管收集和提供产生的氢气。
因为这样的水电解模块具有较高的内表面面积，但是相对小的总覆盖区或外部面积，可以在相对低的总体电流密度下操作它们。典型的电流密度将是10mA/cm2，其比在大多数商用水电解槽中采用的电流密度小两个数量级。在如此低的电流密度下，产生接近或大于90％能效HHV的氢气是可能的。在实例6中详细讨论，在这样的模块中单个电池的串联和平行电布置的电能需求和选项。
实施例3：包括多层，中空纤维配置的电化学反应器(‘中空-纤维模块’)
图12示意地和原理地描绘了，对于实例水电解槽，可以如何配置一组中空纤维阳极和阴极电极。一组传导性的催化中空纤维材料1200可以对准和装入外壳1200内，以允许在中空纤维材料阵列周围运输水。为了构造中空纤维水电解槽反应器，人们可以开始于具有在图4(b)中描绘的内建立气体隔离物200的疏水中空纤维材料。在将传导性层沉积在这种材料的表面上后，通常使用真空金属化。在碱电解槽的情况下，传导性层通常是镍(Ni)。使用这种技术，可以沉积20-50nm的Ni层。随后涂布Ni材料可以受到使用无电镀镍的浸涂操作，以加厚它们表面上的传导性Ni层。在这之后，在传导性镍表面上可以沉积催化剂。一系列可能的催化剂在本领域中是存在的并且是已知的。在实例3中描述沉积它们的方法。
为了确保在操作时，这样制备的中空纤维阳极或阴极与其它电极电绝缘，它通常进一步涂布一层多孔的Teflon或磺化氟化聚合物(使用在本领域中已知的标准浸涂程序)。通过诸如这些的手段，可以制备图13的中空纤维阳极1320和中空纤维阴极1310。随后使用简单的热封或激光密封过程，在阴极和阳极的末端处密封这样制备的阴极和阳极。在必要时，在它们表面上沉积传导性和催化层之前，可以密封中空纤维气体可渗透材料。
如在图13中示意地显示的，随后互相交叉阴极和阳极中空纤维，它们的末端以非互相交叉的方式位于对侧上。在图13中，阳极中空纤维1320在右边具有非互相交叉的末端，并且阴极中空纤维1310在左边具有非互相交叉的末端。随后在阳极中空纤维1320的非互相交叉的末端周围浇铸传导性粘合剂。允许粘合剂凝固，此后将传导性粘合剂浇铸在阴极中空纤维1310的非互相交叉的末端周围。在两种粘合剂凝固后，通过用精细的带锯锯它们，打开密封的中空纤维的一个末端。阳极中空纤维1320现在在互相交叉组件的右手侧(如图13所示)上是开放的，而阴极中空纤维1310在互相交叉组件的左手侧是开放的(如图13所示)。随后在聚合物壳1330中包装互相交叉的组件，其允许水在互相交叉的中空纤维之间通过，但不进入它们内部气体收集通道中。
虽然不是必须的，随后优选地以相互平行的方式连接(单极设计)阳极和阴极，其中负外部电极连接至左-手(阴极)导电粘合剂插头以及正外部电极连接至右-手(阳极)导电粘合剂插头。双极设计也是可能的，其中，单个纤维，或纤维束彼此串联连接以使在电解槽的左-手侧处开放的中空纤维中产生氢气以及在电解槽的右-手侧处开放的中空纤维中产生氧气。
在施加电压于互相交叉布置的任何一端处的两个传导性粘合剂插头上之后，在存在水时，在阴极中空纤维的表面形成氢气。如图4(b)所示，在阴极的表面没有形成气泡的情况下，氢气穿过中空纤维的疏水孔240进入内部气体收集通道260。如图13所示引导氢气进入图13反应器左边的氢气出口。
同时，在表面阳极中空纤维处产生氧气。如图4(b)所示，在阳极表面没有形成气泡的情况下，氢气穿过中空纤维的疏水孔240进入阳极的内部气体收集通道270。如图13所示引导氧气进入图13反应器右边的氧气出口。
因此，在图13描绘的模块在施加适合电压后并且当水穿过模块时产生氢气和氧气。存在一系列其它选项用于制造本发明的中空纤维水电解模块。为了证明另一个，非限制的选项，参考图14。
在图14中，阳极和阴极中空纤维尚未彼此交叉，但是替代地已经包括在相互面对的两种单独的多层布置中。在左手侧，一组平行的中空纤维阴极1410一起定位在模块外壳1430内，而在右手侧，一组平行的中空纤维阳极1420一起定位在模块外壳1430内。质子交换膜或材料可以可选地存在于阴极和阳极中空纤维之间。
当施加电压至模块的任何一端处的两个传导性粘合剂插头后，在存在适合的水电解质填充模块的情况下，在阴极中空纤维1410的表面处形成氢气，并且经由材料的孔和它们的中空内部将氢气送往氢气出口。在阳极中空纤维1420表面类似地形成氧气气体，并且经由材料的孔和它们的中空内部将氧气送往氧气出口。因此，在施加适合电压后并且当用适合的水电解质填充模块时，图14描绘的模块产生氢气和氧气。
因为基于这样的中空-纤维的水电解模块具有较高的内表面面积，但具有相对小的总覆盖区，可以在相对低的总电流密度下操作它们。典型的电流密度将是10mA/cm2，其比在大多数商用水电解槽中目前采用的电流密度小两个数量级。在如此低的电流密度下，产生接近或大于90％能效HHV的氢气是可能的。在实施例6中详细讨论在这样的模块中单个电池的串联和平行电布置的电能需求和选项。
实施例4：将水电解槽模块组装成电解槽装置
图15示意地描绘可以如何将水电解槽模块组装成构成电解槽装置的更大的单元。三个模块1510(图9(c)中描述为950的相同类型)经由耐用的“快速-配合”装配件1520相互附连，以安全的方式将分开的氢气和氧气气体收集通道正确地连接在一起。随后将结合的模块推入厚的金属管1530中，其在每一端的由厚的金属盖板1540密封。盖板1540允许运输水通过管，并且允许气体收集管凸出管外面。随后水通过如显示的密封管1550，同时施加电压至在管内的模块中组合的阳极和阴极。正如在图15的右下角显示，收集产生的生成的氢气和氧气。
管1530用作产生的氢气的第二容器管，由此执行针对电解槽的安全功能。在图15中描绘的配置适合于水电解槽装置。在这样的装置中，可以如图16的照片所示组合包括模块的多种管。以类似的方式可以组合水电解槽模块的管状布置。
实施例5：制造电解槽以产生加压的氢气
在许多应用中，在大于大气压的压力下生产氢气是合乎需要的。鉴于此，大多数商用电解槽产生加压的氢气。例如，商业碱电解槽通常在1-20bar的压力下产生氢气。为了在实例电解槽中产生加压氢气，有必要对水加压，同时确保在施加的压力下在可呼吸的电极处维持稳定的气-液界面。也就是说，通常必须如此设计可呼吸的电极以使在施加的压力下将无法推动水通过孔进入相关的气体通道。
用于将多孔材料的孔的润湿与使用的液体和压力差异相关联的等式是Washburn等式：
P c = 2 γ r cos φ
其中，PC＝毛细管压力，r＝孔半径，γ＝液体的表面张力，并且与材料的的接触角。使用这个等式，人们可以计算最佳孔径(对于圆孔)以在特定的差异压力下实现希望的，清楚的液-气界面。
例如，对于与液态水接触的聚四氟乙烯(PTFE)材料，接触角通常是100-115°。水的表面张力通常是在25℃下0.07197N/m。如果水包括诸如1M KOH的电解质，那么水的表面张力通常增加至0.07480N/m。将这些参量应用于Washburn等式产生以下数据：
当许多PTFE材料具有长形的非圆形的孔时，该数据表明对于在涉及1M KOH(aq)和PTFE材料的液体-气体转化中跨可呼吸的材料的1bar压力差异而言，其中接触角是115°，孔应当优选具有小于0.5微米，更优选小于0.25微米，并且更优选地大约0.1微米以下的半径。以这种方式，将减少施加的压力导致水被驱使进入气体通道的可能性。
如果接触角是100°，那么对于在涉及1M KOH(aq)和PTFE材料的液体-气体转化中跨材料的1bar压力差异而言，PTFE材料孔应当优选具有小于0.1微米，更优选小于0.05微米，并且仍更优选约0.025微米以下的半径或其它特征尺寸。
实施例6：电解槽的电力要求。为了AC至DC的转化效率最大化，调节电解槽以适应可用的三相电。
就像前面所指出的，在950、1140、1150、1210、1330，和1430中描绘的类型的模块内的单个阳极-阴极电池可以串联或并联，或它们组合形式连接。包括并联电布置的电池的模块被称为单极模块。包括串联电布置的电池的模块被称为双极模块(参见，例如，图9(d)-(e))。此外，模块(例如1510在图15)自身可以以串联或并联的方式电联接。
总电布置-无论电池是串联或并联或它们的组合-显著影响电解槽的电能需求。因为成本、能效和设计的复杂性的原因，通常合乎需要的是，构造总电解槽以利用更高的总电压和更低的总电流。这是因为随着电流负载的增加，导电体的成本增加，然而随着输出电压增加，每单位输出的AC-DC整流装置的成本降低。仍更优选地，因为需要DC电，应当以这样的方式构建总电解槽，即使得参与将住宅的或工业AC电转换成DC电的电损失最小化达到，理想地，最好小于10％。理想地，总电解槽配置的电力要求将与可用的三相住宅或工业电源相匹配。这事实上确保AC至DC的转化的100％的效率。
为了举例说明上面讨论的各种变化，参考950、1140、1150、1210、1330，和1430中描绘的类型的模块的实施例。为了实例的目标，将假定如此构造每个模块，以包括20单个电池，该单个电池包括各自1m2的一种可呼吸的阳极和一种可呼吸的阴极，其中，每个电池在1.6V DC(＝93％能效HHV)和10mA/cm2的电流密度下操作。在这些条件下，每个电池每天(24小时)将产生90克氢气，每个模块每天将产生1.8kg氢气。
这种类型的模块的电能需求的变化将如下所示：
(1)如果模块是电池仅并联布置的单极的，那么它将需要能够提供1.6伏特DC和2000安培的电流的电源(总体3.2kW)。
(2)如果模块是电池仅串联布置的两极的，那么它将需要能够提供32伏特DC和100安培的电流的电源(总体3.2kW)。
通常，对电力而言双极模块将是更便宜的、更为有效的和更少复杂性的，因为它将采用更低的电流和更高的电压。
如果上面类型的60个模块电组合，那么这可以再次为并联或串联。电力要求的变化如下所示：
(1)在单极模块的并联布置中，总电力需求将是1.6伏特DC和12,000安培(总体192kW)
(2)在单极模块的串联布置中，总电力需求将是96伏特DC和2000安培(总体192kW)
(3)在两极模块的并联布置中，总电力需求将是32伏特DC和6000安培(总体192kW)
(4)在双极模块的串联布置中，总电力需求将是1920伏特DC和100安培(总体192kW)。
在所有这些条件下，电解槽每天将产生108kg氢气。
用于实例电解槽的最佳总体电学配置，可以由旨在将其电力要求与工业或住宅的三相可用的电力相匹配而决定。如果可以实现这一点，那么从AC到DC的电力损耗可以基本上限制为零，因为只有二极管和电容器是整流器必须的，而不是变压器。
例如，在澳大利亚，三相电源提供600伏特DC，以及120安培的最大电流负载。如果电解槽的单个电池在1.6V DC和10mA/cm2的电流密度下最佳地运转，并且包括各自每1m2的一个可呼吸的阳极和一个可呼吸的阴极，那么电解槽将需要串联的375个电池以输出600伏特DC。每个单个电池随后将经历1.6伏特DC的电压。通过这样的电解槽所输出的总电流，将是100安培，给出60kW的总电力。
为了制造这样的电解槽，人们将串联组合19个上面模块的双极版本。这将总共产生380个电池，每一个将经历600/380＝1.58伏特DC。通过电解槽所输出地总电流将是101安培，其很好地在澳大利亚的三相电源的最大电流负载内。这样的电解槽每24小时天将产生34.2kg的氢气，其将AC转换为DC电接近100％效率。可以将其插入标准三相壁插座中。
这样的电解槽所需要的电源中的AC至DC转换单元，将是六个二极管的非常简单的布置和在图17中显示的类型的三角布置走线的饮料罐尺寸的电容器。这种类型的单元目前是可商购的(例如，“SEMIKRON-SKD160/16-BRIDGE RECTIFIER，3PH，160A，1600V”。因此，也将最小化电源的成本并且，有效地，轻微的或无总体限制。
存在几个可替代方法，其中可以高效利用可用的三相电力。例如，另一种方法是使用非常简单的电路使三相电力受到半波整流，这些电路再次仅仅利用二极管和电容器，并且由此避免电能损失。调节成半波整流的300伏特DC的电解槽将理想地包括串联的上面类型的187个单个电池。这样的电解槽可以由串联的9个双极模块构成，其包括180单个电池。每个电池将经历1.67伏特DC。输出的总电流将是96安培。这样的电解槽每24个小时天将产生16.2kg氢气。可以将其插入标准三相壁插座。
实例7：包括多层，平板配置的电化学反应器(‘板-框类型模块’)
图18(a)提供分解视图，说明可以在‘板-框’类型电解槽内如何组合多种单层或薄板材料电极。将以下各项夹层或邻接实例电解槽结构中：
(1)两个末端板1600，每一个包括多孔的塑性支撑1620结合在其中的凹陷的气体收集室1610；
(2)气体可渗透材料电极1630(阳极)，其可以包括材料，或类似材料，在面对聚合物层压材料1640内保持的装置的中间的侧面上用传导性催化层涂布。层压材料也在材料电极的传导性催化侧面上附加精细的传导性网孔1650。网孔连接至铜连接器1660；
(3)隔离物1670，电解质(1M KOH溶液)位于其中；
(4)第二气体可渗透材料电极1680(阴极)，其包括材料，或类似材料，在面对聚合物层压材料1690内保持的装置的中间的侧面上用传导性催化层涂布。层压材料也在材料电极的传导性催化侧面上附加精细的传导性网孔17000。网孔连接至铜连接器1710。
当拧紧在一起，或另外地附连在一起或连接时，例如，通过胶水，粘合剂或熔化方法，如图18(b)所示，随后组件1720可以用作高效的电解槽。经由端口1730和1740引入水溶液(1M KOH)进入电极之间的空间。水填充在隔离物1670内体积。随后在铜连接器1660和1710上施加电压时，然后水分解成氢气和氧气。气体移动通过它们相应的材料电极。氧气气体在端口1750和1760处离开装置。氢气在组件1720的背侧上相应端口处离开装置。
可以将多种这样的组件组合成多层组件。图18(c)-(d)展示可以如何完成这一点。在图18(c)-(d)中，通过在它们之间结合气体收集隔离物装置1770组合两种组件1720。隔离物装置包括氢气出口1780，其从每个邻近的组件1720收集氢气。为了有助于这种布置，将组件1720的两个阴极1690都附连至隔离物1770，其具有多孔的内部结构1790，产生的氢气可以通过它，然后在出口1780处离开。组件1720的阳极1640定位在堆叠的外面，导致氧气在得到的‘板-框’电解槽的外侧上经由出口1750和1760传送。
图19描绘在1.6V的施加的电池电压(94％电效率，HHV)下，在三天操作时间内，在重复地间歇地‘开启’和‘关闭’转换的情况下，在图18(a)-(b)中显示的装置的操作的数据。正如可以看见的那样，装置以相对固定速率产生气体，在这样作的时候消耗大约10-12mA/cm2的电流。在操作(图19(c))的第三天期间，正如显示的，在1.5V(99％电效率，HHV)和1.6V(94％电效率，HHV)下测试装置。
这种类型的多种组件可以组合成单，多层‘板-框’类型电解槽，如图18(c)-(d)所示。
贯穿本说明书和随附的权利要求，除非上下文另外要求，词语“包括”，以及变体例如“包括了”或“包含”，应当理解为意指包括所述的整数或步骤，或整数或步骤的组，但不排除任何其它的整数或步骤，或整数或步骤的组。
可选的实施方式也可以广义地说由在本文中提及或指出的部分、元件和特征，单独地或集体地，两种以上部分、元件或特征的任何一种或所有结合所组成，其中，在本文中提及的具体的整数，在本发明所属领域中具有已知的等效物，这样的已知的等效物被认为包含在本文中，好像单独地阐明。
虽然已经详细描述了优选的实施方式，应当理解的是，在没有偏离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以想到许多变更、改变、代替或替代方案。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种水分解装置的电极，包括：
气体可渗透材料；
第二材料；
间隔层，定位在所述气体可渗透材料和所述第二材料之间，所述间隔层提供气体收集层；以及，
传导层。
2.根据权利要求1所述的电极，其中，邻近所述气体可渗透材料或至少部分在所述气体可渗透材料内提供所述传导层。
3.根据权利要求1所述的电极，其中，所述传导层沉积在所述气体可渗透材料上。
4.根据权利要求1所述的电极，其中，所述气体可渗透材料沉积在所述传导层上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极，其中，所述气体收集层能够在所述电极内部运输气体。
6.根据权利要求5所述的电极，其中，所述气体收集层能够在所述电极内部运输气体至位于或邻近所述电极的边缘或末端的至少一个气体出口区域。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电极，其中，所述气体可渗透材料和所述第二材料是隔离层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电极，其中，所述第二材料是气体可渗透材料。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电极，其中，所述第二材料是气体可渗透材料，并且邻近所述第二材料或至少部分在所述第二材料内提供第二传导层。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的电极，其中，所述第二材料是气体可渗透材料，并且第二传导层沉积在所述第二材料上。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电极，其中，所述气体可渗透材料是气体可渗透膜。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电极，其中，所述第二材料是另外的气体可渗透膜。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的电极，其中，所述电极由柔性层形成。
14.根据权利要求13所述的电极，其中，所述电极至少部分以螺旋形式缠绕。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的电极，其中，所述传导层包括一种或多种催化剂。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的电极，其中，邻近所述气体可渗透材料的内侧定位所述间隔层。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的电极，其中，邻近所述气体可渗透材料的外侧，在其上或部分在其内部定位所述传导层。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的电极，其中，所述气体可渗透材料和所述第二材料包括PTFE、聚乙烯或聚丙烯。
19.根据权利要求15所述的电极，其中，至少部分所述传导层是在一种或多种催化剂与所述气体可渗透材料之间。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的电极，其中，所述间隔层为气体通道间隔物的形式。
21.根据权利要求1至19中任一项所述的电极，其中，所述间隔层包括在所述气体可渗透材料和/或所述第二材料的内表面上的压纹结构。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的电极，其中，所述气体可渗透材料和所述间隔层是连续的。
23.根据权利要求22所述的电极，其中，所述气体可渗透材料和所述第二材料是连续的。
24.一种水分解装置的电极，所述电极包括：
第一气体可渗透材料；
第二气体可渗透材料；
间隔层，定位在所述第一气体可渗透材料和所述第二气体可渗透材料之间，所述间隔层提供气体收集层；
第一传导层，与所述第一气体可渗透材料结合；以及，
第二传导层，与所述第二气体可渗透材料结合。
25.根据权利要求24所述的电极，其中，所述气体收集层能够在所述电极内部运输气体至位于或邻近所述电极的边缘或末端的至少一个气体出口区域。
26.根据权利要求24所述的电极，其中：
邻近所述第一气体可渗透材料或至少部分在所述第一气体可渗透材料内提供所述第一传导层；以及，
邻近所述第二气体可渗透材料或至少部分在所述第二气体可渗透材料内提供所述第二传导层。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的电极，其中，所述电极是由螺旋形式缠绕的柔性层形成的。
28.根据权利要求24至26中任一项所述的电极，其中，所述电极由平面层形成。
29.根据权利要求24至28中任一项所述的电极，其中，所述第一传导层包括催化剂。
30.根据权利要求29所述的电极，其中，所述第二传导层包括另外的催化剂。
31.根据权利要求24至30中任一项所述的电极，其中，所述第一气体可渗透材料和所述间隔层是连续的。
32.根据权利要求31所述的电极，其中，所述第一气体可渗透材料和所述第二气体可渗透材料是连续的。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的电极，其中，所述间隔层具有空隙。
34.一种水分解装置，包括：
电解质；
至少一种电极或电极对，包括：
气体可渗透材料；
第二材料；
间隔层，定位在所述气体可渗透材料和所述第二材料之间，所述间隔层提供气体收集层；以及
传导层。
35.一种水分解装置，包括：
至少一种阴极，包括：
第一气体可渗透材料以及与所述第一气体可渗透材料结合的第一传导层；
第二气体可渗透材料以及与所述第二气体可渗透材料结合的第二传导层；
间隔层，定位在所述第一气体可渗透材料和所述第二气体可渗透材料之间，所述间隔层提供气体收集层；以及至少一种阳极，包括：
第三气体可渗透材料以及与所述第三气体可渗透材料结合的第三传导层；
第四气体可渗透材料以及与所述第四气体可渗透材料结合的第四传导层；
另外的间隔层，定位在所述第三气体可渗透材料和所述第四气体可渗透材料之间，所述另外的间隔层提供气体收集层；
其中，在运行时所述至少一种阴极和所述至少一种阳极至少部分在电解质内。
36.根据权利要求34所述的水分解装置，其中，所述至少一种电极是气体可渗透的电极，其包括两种气体可渗透材料，具有在所述材料之间定位并抵靠每种材料的内侧的间隔层，并且其中，每种材料包括在每种材料的外侧上的传导层。
37.根据权利要求35所述的水分解装置，包括与限定电解质层的水可渗透的间隔物交错的多个阴极和阳极。
38.根据权利要求34或35所述的水分解装置，是螺旋缠绕的多层水分解电池。
39.根据权利要求34或35所述的水分解装置，其中，所述电解质流体连通并且连接至电解质入口和电解质出口，并且所述气体收集层与气体出口气体连通。
40.根据权利要求34至39中任一项所述的水分解装置，用于在单独的气体收集层中产生氢气和氧气。
41.根据权利要求34至39中任一项所述的水分解装置，用于实施气体-液体或液体-气体转化。
42.一种处理水的方法，包括将低电流密度应用至根据权利要求34至41中任一项所述的水分解装置，包括产生氢气和通过所述气体收集层收集所述氢气。
43.根据权利要求42所述的方法，包括对所述电解质加压。
44.根据权利要求42至43中任一项所述的方法，其中，所述低电流密度是小于1000mA/cm2。
45.根据权利要求42至43中任一项所述的方法，其中，所述低电流密度是小于100mA/cm2。
46.根据权利要求42至43中任一项所述的方法，其中，所述低电流密度是小于20mA/cm2。
47.根据权利要求42至46中任一项所述的方法，其中，产生氢气是在75％以上能效HHV下。
48.根据权利要求42至46中任一项所述的方法，其中，产生氢气是在85％以上能效HHV下。

Claims (43)

1.一种水分解装置的电极，包括：
气体可渗透材料；
第二材料；
间隔层，定位在所述气体可渗透材料和所述第二材料之间，所述间隔层提供气体收集层；以及，
传导层。
2.根据权利要求1所述的电极，其中，邻近所述气体可渗透材料或至少部分在所述气体可渗透材料内提供所述传导层。
3.根据权利要求1所述的电极，其中，所述传导层沉积在所述气体可渗透材料上。
4.根据权利要求1所述的电极，其中，所述气体可渗透材料沉积在所述传导层上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极，其中，所述气体收集层能够在所述电极内部运输气体。
6.根据权利要求5所述的电极，其中，所述气体收集层能够在所述电极内部运输气体至位于或邻近所述电极的边缘或末端的至少一个气体出口区域。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电极，其中，所述气体可渗透材料和所述第二材料是隔离层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电极，其中，所述第二材料是气体可渗透材料。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电极，其中，所述第二材料是气体可渗透材料，并且邻近所述第二材料或至少部分在所述第二材料内提供第二传导层。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的电极，其中，所述第二材料是气体可渗透材料，并且第二传导层沉积在所述第二材料上。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电极，其中，所述气体可渗透材料是气体可渗透膜。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电极，其中，所述第二材料是另外的气体可渗透膜。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的电极，其中，所述电极由柔性层形成。
14.根据权利要求13所述的电极，其中，所述电极至少部分以螺旋形式缠绕。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的电极，其中，所述传导层包括一种或多种催化剂。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的电极，其中，邻近所述气体可渗透材料的内侧定位所述间隔层。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的电极，其中，邻近所述气体可渗透材料的外侧，在其上或部分在其内部定位所述传导层。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的电极，其中，所述气体可渗透材料和所述第二材料包括PTFE、聚乙烯或聚丙烯。
19.根据权利要求15所述的电极，其中，至少部分所述传导层是在一种或多种催化剂与所述气体可渗透材料之间。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的电极，其中，所述间隔层为气体通道间隔物的形式。
21.根据权利要求1至19中任一项所述的电极，其中，所述间隔层包括在所述气体可渗透材料和/或所述第二材料的内表面上的压纹结构。
22.一种水分解装置的电极，所述电极包括：
第一气体可渗透材料；
第二气体可渗透材料；
间隔层，定位在所述第一气体可渗透材料和所述第二气体可渗透材料之间，所述间隔层提供气体收集层；
第一传导层，与所述第一气体可渗透材料结合；以及，
第二传导层，与所述第二气体可渗透材料结合。
23.根据权利要求22所述的电极，其中，所述气体收集层能够在所述电极内部运输气体至位于或邻近所述电极的边缘或末端的至少一个气体出口区域。
24.根据权利要求22所述的电极，其中：
邻近所述第一气体可渗透材料或至少部分在所述第一气体可渗透材料内提供所述第一传导层；以及，
邻近所述第二气体可渗透材料或至少部分在所述第二气体可渗透材料内提供所述第二传导层。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的电极，其中，所述电极是由螺旋形式缠绕的柔性层形成的。
26.根据权利要求22至24中任一项所述的电极，其中，所述电极由平面层形成。
27.根据权利要求22至26中任一项所述的电极，其中，所述第一传导层包括催化剂。
28.根据权利要求27所述的电极，其中，所述第二传导层包括另外的催化剂。
29.一种水分解装置，包括：
电解质；
至少一种电极或电极对，包括：
气体可渗透材料；
第二材料；
间隔层，定位在所述气体可渗透材料和所述第二材料之间，所述间隔层提供气体收集层；以及
传导层。
30.一种水分解装置，包括：
至少一种阴极，包括：
第一气体可渗透材料以及与所述第一气体可渗透材料结合的第一传导层；
第二气体可渗透材料以及与所述第二气体可渗透材料结合的第二传导层；
间隔层，定位在所述第一气体可渗透材料和所述第二气体可渗透材料之间，所述间隔层提供气体收集层；以及
至少一种阳极，包括：
第三气体可渗透材料以及与所述第三气体可渗透材料结合的第三传导层；
第四气体可渗透材料以及与所述第四气体可渗透材料结合的第四传导层；
另外的间隔层，定位在所述第三气体可渗透材料和所述第四气体可渗透材料之间，所述另外的间隔层提供气体收集层；
其中，在运行时所述至少一种阴极和所述至少一种阳极至少部分在电解质内。
31.根据权利要求29所述的水分解装置，其中，所述至少一种电极是气体可渗透的电极，其包括两种气体可渗透材料，具有在所述材料之间定位并抵靠每种材料的内侧的间隔层，并且其中，每种材料包括在每种材料的外侧上的传导层。
32.根据权利要求30所述的水分解装置，包括与限定电解质层的水可渗透的间隔物交错的多个阴极和阳极。
33.根据权利要求29或30所述的水分解装置，是螺旋缠绕的多层水分解电池。
34.根据权利要求29或30所述的水分解装置，其中，所述电解质流体连通并且连接至电解质入口和电解质出口，并且所述气体收集层与气体出口气体连通。
35.根据权利要求29至34中任一项所述的水分解装置，用于在单独的气体收集层中产生氢气和氧气。
36.根据权利要求29至34中任一项所述的水分解装置，用于实施气体-液体或液体-气体转化。
37.一种处理水的方法，包括将低电流密度应用至根据权利要求29至36中任一项所述的水分解装置，包括产生氢气和通过所述气体收集层收集所述氢气。
38.根据权利要求37所述的方法，包括对所述电解质加压。
39.根据权利要求37至38中任一项所述的方法，其中，所述低电流密度是小于1000mA/cm2。
40.根据权利要求37至38中任一项所述的方法，其中，所述低电流密度是小于100mA/cm2。
41.根据权利要求37至38中任一项所述的方法，其中，所述低电流密度是小于20mA/cm2。
42.根据权利要求37至41中任一项所述的方法，其中，产生氢气是在75％以上能效HHV下。
43.根据权利要求37至41中任一项所述的方法，其中，产生氢气是在85％以上能效HHV下。
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