[发明专利]水电解装置

说明书

水电解装置采用贱金属催化剂以及包含苯乙烯、乙烯基苄基‑R_s和乙烯基苄基‑R_x的聚合物的阴离子导电聚合物膜。R_s是带正电的环胺基。R_x是选自由‑Cl、‑OH以及‑OH或‑Cl与除简单胺或环胺外的物种之间的反应产物组成的组中的至少一种组分。

发明领域

本发明的领域是电化学。在本文中所描述的装置、系统和组合物涉及水的电解。

发明背景

水的电解目前在例如加氢站和化工厂中用作氢的来源，并且用作使用被称为“电转气(power to gas)”的技术储存过量的可再生能量的方式。

存在两种主要类型的低温电解装置：质子交换膜(PEM)电解装置和碱性水电解装置。PEM电解装置能够在小于2V的电池电压下以大约1A/cm²的电流密度运行，并且可以快速地打开和关闭。遗憾的是，PEM电解装置通常需要使用贵金属催化剂，如铂或铱。这是明显的经济限制。

相比之下，当代碱性水电解装置不需要使用贵金属；代替地，可以使用贱金属催化剂(base metal catalyst)。遗憾的是，与PEM电解装置相比，当代碱性水电解装置通常以更低的电流密度运行。这提高了资本设备成本。

例如，美国专利号4,445,994记载，碱性水电解装置在1.8-2V的电池电势下以200-300mA/cm²(0.2-0.3A/cm²)运行。美国专利4,445,994还记载，可以通过将电池温度升高至110℃而得到1A/cm²的电流，但是如在美国专利申请序列号15/029,952(作为US2016/0237578公开)中指出的，实际的碱性水电解装置的温度上限是80-90℃，因为在这些高pH体系(例如，1M KOH电解质)中高于80-90℃观察到过度腐蚀。最近，美国专利申请序列号15/103,924(作为US2016/0312371公开)公开了可以在80℃和1.9V下得到40A/dm²＝0.4A/cm²的改进的电解装置设计。这是明显的改进，但是仍然低于PEM电解装置的性能。

发明概述

本公开的目的是提供使用贱金属催化剂的碱性电解装置设计，其可以在80℃以下的温度提供甚至比在美国专利申请序列号15/103,924(作为US2016/0312371公开)中报道的那些更高的电流密度。

装置包括：

(a)包含一定量的阳极催化剂的阳极；

(b)包含一定量的阴极催化剂的阴极，所述阴极具有通过至少一个阴极反应物流动通道引入其中的阴极反应物；

(c)在所述阳极和所述阴极之间插入的聚合物电解质膜；和

(d)在所述阳极和阴极之间施加电压的电能的来源。

阳极和阴极催化剂包括贱金属催化剂。聚合物电解质膜包含苯乙烯、乙烯基苄基-R_s和乙烯基苄基-R_x的聚合物，其中R_s是带正电的环胺基，R_x是选自由Cl、OH、以及OH或Cl与除简单胺或环胺外的物种之间的反应产物组成的组中的至少一种组分，并且所述乙烯基苄基-R_x基团的总重量大于所述膜的总重量的0.3％。

优选地，离子导电膜包含苯乙烯和乙烯基苄基-R_s的共聚物，其中R_s是带正电的环胺基。