水电解装置制造方法及图纸

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‑Rs和乙烯基苄基‑Rx的聚合物的阴离子导电聚合物膜。Rs是带正电的环胺基。Rx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。

Water electrolysis device

Base metal catalysts and anionic conductive polymer membranes containing styrene, vinyl benzyl Rs and vinyl benzyl Rx polymers were used in the water electrolysis unit. Rs is a positively charged cyclic amino group. Rx is at least one of the components in a group of reactions between free Cl,OH and OH or Cl and species other than simple or cyclic amines.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水电解装置专利
本专利技术的领域是电化学。在本文中所描述的装置、系统和组合物涉及水的电解。专利技术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(powertogas)”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(basemetalcatalyst)。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，1MKOH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。专利技术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-Rs和乙烯基苄基-Rx的聚合物，其中Rs是带正电的环胺基，Rx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-Rx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-Rs的共聚物，其中Rs是带正电的环胺基。更优选地，离子导电膜包含苯乙烯、乙烯基苄基-Rs和乙烯基苄基-Rx的聚合物，其中Rs是带正电的环胺基，Rx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-Rx基团的总重量大于所述膜的总重量的0.3％。在优选的实施方案中，所述乙烯基苄基-Rs基团的总重量为膜的总重量的15％至90％。在优选的实施方案中，Rs选自由下列各项组成的组：咪唑吡啶吡唑吡咯烷吡咯嘧啶哌啶吲哚三嗪优选咪唑和吡啶在聚合物组合物的优选实施方案中，Rs是咪唑咪唑优选为烷基咪唑更优选四甲基咪唑在聚合物组合物的优选实施方案中，Rs是吡啶吡啶优选为烷基吡啶在优选的实施方案中，聚合物将会具有1,000至10,000,000原子单位(A.U.)、优选10,000至1,000,000A.U.、最优选25,000至250,000A.U.的分子量。在优选的实施方案中，聚合物组合物是膜的形式。膜具有10至300微米的优选厚度。附图简述图1是燃料电池硬件组件的分解侧视图，所述燃料电池硬件组件包括在两个流体流场板之间插入的膜电极组件，所述两个流体流场板具有在板的面向电极的主表面中形成的反应物流动通道。图2是燃料电池硬件组件的分解侧视图，所述燃料电池硬件组件包括在两个隔膜层之间插入的具有整体反应物流动通道的膜电极组件。图3是针对具体实施例1中描述的试验的作为时间的函数的电池电压的曲线。说明性实施方案的详细描述应理解的是，所述过程不限于在本文中所描述的具体的方法、方案和试剂，因为这些可以根据熟悉在此涉及的技术的人员将会认识到的而变化。还应理解的是，在本文中使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并且并非意在限制所述过程的范围。还应指出的是，如在本文中和在所附权利要求中所使用的，除非上下文明确地另外指出，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数的所指对象。因此，例如，提及“接头”是指对熟悉在此涉及的技术的人员来说已知的一种或多种接头及其等同物。类似地，短语“和/或”用于表示可以出现一种或两种所述情况，例如A和/或B包括(A和B)和(A或B)。除非另外定义，在本文中所使用的技术与科学术语具有与所述过程所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。参照非限制性实施方案更充分地解释和/或在附图中示出并且在以下描述中详述了所述过程的实施方案及其各种特征和有利细节。应该指出的是，在附图中所示的特征并非必须按比例绘制，并且即使没有在本文中明确地陈述，也可以根据熟悉在此的技术的人员将会认识到的将一个实施方案的特征与其他实施方案一起使用。在本文中所述的任何数值范围包括以一单位为增量的从较低值到较高值的所有值，条件是在任何较低值和任何较高值之间存在至少两个单位的间隔。例如，如果记载了组分的浓度或者过程变量(如，例如尺寸、角度大小、压力、时间等)的值为，例如1至98，具体地20至80，更具体地30至70，则意图是，本说明书明确地列举了如15至85、22至68、43至51、30至32等的值。对于小于一的值来说，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01或0.1。这些仅是具体意图的实例，并且以类似的方式对待在最低值和最高值之间的数值的所有可能的组合。此外，以下紧接着提供了“定义”部分，其中具体定义了与所述过程相关的特定术语。描述了具体的方法、装置和材料，尽管可以在所述过程的实践或测试中使用与在本文中所述的那些类似或等同的任何方法和材料。定义术语“聚合物电解质膜”是指通常包含具有多个共价连接的带负电基团的聚合物的阳离子交换膜和通常包含具有多个共价连接的带正电基团的聚合物的阴离子交换膜二者。典型的阳离子交换膜包括质子导电膜，如可以从Wilmington，DE的E.I.duPontdeNemoursandCompany(DuPont)以商品名NAFION获得的全氟磺酸聚合物。如在这里使用的术语“阴离子交换膜电解装置”是指具有将阳极与阴极分开的阴离子导电聚合物电解质膜的电解装置。如在这里使用的术语“析氢反应”，也称为“HER”，是指电化学反应2H++2e-→H2。如在这里使用的术语“MEA”是指膜电极组件。术语“Millipore水”是通过Millipore过滤系统生产的具有至少18.2兆欧-cm的电阻率的水。如在这里使用的术语“咪唑”是指含有咪唑基团的带正电的配体。这包括未修饰(bare)的咪唑或取代的咪唑。具体包括以下形式的配体：其中R1-R5各自独立地选自氢、卤化物、直链烷基、支链烷基、环烷基、杂烷基、芳基、杂芳基、烷基芳基、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水电解装置，所述水电解装置包括：(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，所述聚合物电解质膜包含苯乙烯、乙烯基苄基‑Rs和乙烯基苄基‑Rx的三元共聚物，其中Rx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，并且其中所述乙烯基苄基‑Rx基团的总重量至少为所述聚合物电解质膜的总重量的0.3％；和(d)在所述阳极和阴极之间施加电压的电能的来源，其中所述聚合物电解质膜包含含有苯乙烯和乙烯基苄基‑Rs的聚合物，其中Rs是带正电的环胺基。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.04 US 15/090,477;2017.01.06 US 15/400,775;1.一种水电解装置，所述水电解装置包括：(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，所述聚合物电解质膜包含苯乙烯、乙烯基苄基-Rs和乙烯基苄基-Rx的三元共聚物，其中Rx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，并且其中所述乙烯基苄基-Rx基团的总重量至少为所述聚合物电解质膜的总重量的0.3％；和(d)在所述阳极和阴极之间施加电压的电能的来源，其中所述聚合物电解质膜包含含有苯乙烯和乙烯基苄基-Rs的聚合物，其中Rs是带正电的环胺基。2.权利要求1所述的水电解装置，其中在所述聚合物电解质膜中的所述乙烯基苄基-Rs基团的总重量...

【专利技术属性】
技术研发人员：理查德·I·马塞勒，刘增彩，
申请(专利权)人：二氧化碳材料公司，
类型：发明
国别省市：美国,US