水电解槽制造技术

本发明专利技术公开了一种包含膜的水电解槽，所述膜包含金属Pt或Pt氧化物中的至少一种、阴极和阳极。所述阴极包含基本上由金属Pt和Pt氧化物两者组成的第一催化剂。所述阳极包含第二催化剂，所述第二催化剂包含基于所述第二催化剂的总重量计至少95重量％的以元素Ir计算的存在的总金属Ir和Ir氧化物。

Hydroelectric tank

The invention discloses a water electrolytic cell containing a film, the film comprising at least one of metal Pt or PT oxide, cathode and anode. The cathode comprises a first catalyst substantially composed of both metal Pt and Pt oxide. The anode comprises a second catalyst, which comprises at least 95% by weight of the total metal Ir and IR oxides in the presence of element IR based on the total weight of the second catalyst.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水电解槽相关申请的交叉引用本申请要求2017年4月3日提交的美国临时专利申请62/480794的权益，该专利申请的公开内容以引用方式全文并入本文。
技术介绍
水电解槽是用于从纯水中制备超纯(例如，通常，至少99.9％的纯度)氢的通用的电化学装置。就基于质子交换膜(PEM)的水电解槽而言，可在高压下获得氢。这些电解槽通常包含类似于用于燃料电池的质子交换膜电极组件的膜电极组件(MEA)。然而，基于PEM的水电解槽通过析氢反应(HER)在阴极处产生氢，并且通过析氧反应(OER)在阳极处产生氧。在电化学装置中将电极指定为阳极或阴极遵循IUPAC惯例，即阳极是主要反应被氧化的电极(例如，用于燃料电池的H2氧化电极，或者用于水或CO2电解槽的水氧化/析O2反应电极)。水电解槽阴极上较高的操作压力(例如，甚至接近50巴)产生了本领域已知的氢交叉的情况，其中氢气(H2)从产生其的阴极穿过PEM回到阳极。这种情况产生效率损失，并且在某些情况下产生与阳极气体(O2)混合的不希望量的H2(例如，超过4vol％，其大约为爆炸下限(LEL))。期望减轻氢向阳极的这种交叉。
技术实现思路
在一个方面，本公开提供了一种水电解槽，该水电解槽包括：膜，该膜具有相反的第一主表面和第二主表面，并且包含金属Pt或Pt氧化物中的至少一种；阴极，该阴极位于膜的第一主表面上，该阴极包含基本上由金属Pt或Pt氧化物中的至少一种组成的第一催化剂(即，基本上由金属Pt组成，基本上由Pt氧化物组成，或基本上由金属Pt和Pt氧化物两者组成)；以及阳极，该阳极位于膜的第二主表面上，该阳极包含第二催化剂，该第二催化剂包含基于该第二催化剂的总重量计，至少95(在一些实施方案中，至少96、97、98或甚至至少99)重量％的以元素Ir计算的总金属Ir和Ir氧化物(理解为不包括任何载体，如果存在载体的话)，其中存在金属Ir或Ir氧化物中的至少一种。在另一方面，本公开提供了一种由水产生氢和氧的方法，该方法包括：提供本文所述的水电解槽；提供与阳极接触的水；以及提供在膜两端具有足够电势差的电流，以将所述水的至少一部分分别在所述阴极和所述阳极上转化为氢和氧。附图说明图1为本文所述的示例性水电解槽的示意图。图2A至图2D为本文所述的各种示例性膜配置的侧视图。具体实施方式单电池水电解槽是已知的，但水电解槽通常包括多个(例如，至少两个)电池，该电池继而包括膜、阴极和阳极。参见图1，示例性水电解槽电池100包括膜101、阴极120和阳极130。膜100包含铂105，其为金属Pt或Pt氧化物中的至少一种的形式。铂105可以为负载的铂。阴极120具有基本上由金属Pt或Pt氧化物中的至少一种组成的第一催化剂(即，基本上由金属Pt组成，基本上由Pt氧化物组成，或基本上由金属Pt和Pt氧化物两者组成)。阳极130具有第二催化剂，该第二催化剂包含基于该第二催化剂的总重量计，至少95重量％的以元素Ir计算的总金属Ir和Ir氧化物，其中存在金属Ir或Ir氧化物中的至少一种。如图所示，电池100还包括与阳极130相邻的任选的第一流体传输层(FTL)135以及位于阴极120附近的任选的第二流体传输层125。FTL125和135可称为扩散器/电流收集器(DCC)或气体扩散层(GDL)。在操作中，水被引入电池100的阳极部分中，穿过第一流体传输层135并在阳极130之上。电源140对电池100施加电流源。在一些实施方案中，膜101是质子交换膜(PEM)，其优先允许氢离子(溶剂化质子)穿过膜到达电池的阴极部分，从而传导电流穿过膜。电子通常不能穿过该膜，而是以电流的形式流过外部电路。氢离子(H+)与阴极120处的电子结合以形成氢气，并且氢气穿过位于阴极120附近的第二流体传输层125被收集。通过位于阳极130附近的第一流体传输层135在电池100的阳极处收集氧气。气体扩散层(GDL)135分别促进水和氧气传输到阳极和从阳极传输出，并且氢离子(H+)和水(用溶剂化质子穿过PEM膜进行电渗透)从阳极穿过膜传输到阴极，传导电流。而且，一些产生的氢气通过扩散穿过膜从阴极传输到阳极，导致不希望的“氢交叉”。GDL125、135均为多孔的且导电的，并且在阴极侧上通常由碳纤维构成。然而，为了避免碳在阳极的高电势下发生降解，优选使用更耐腐蚀的材料，诸如多孔钛，作为阳极上的GDL。GDL也可以被称为流体传输层(FTL)或扩散器/电流收集器(DCC)。在一些实施方案中，将阳极层和阴极层施加到GDL，并将所得的催化剂涂覆的GDL(也称为CCB，催化剂涂层背衬)夹在诸如PEM的聚合物电解质中以形成五-层MEA。这种五层MEA的五层依次为：阳极GDL、阳极层、离子传导性膜、阴极层和阴极GDL。阳极层和阴极层通常分别包含阳极催化剂和阴极催化剂。在其他实施方案中，将阳极层和阴极层施加到离子传导性膜的任一侧，并将所得催化剂涂覆的膜(CCM)夹在两个GDL(或FTL)之间以形成五层MEA。用于本文所述的CCM或MEA中的离子传导性膜可包含任何合适的聚合物电解质。示例性聚合物电解质通常承载结合到共同主链的阴离子官能团，阴离子官能团通常为磺酸基团，但也可包括羧酸基团、酰亚胺基团、酰亚胺酸基团、酰胺基团或其他酸性官能团。包含与共同主链结合的阳离子官能团的阴离子传导性膜也是可能的，但是不太常用。示例性聚合物电解质通常是高度氟化的，并且最通常地是全氟化的(例如，全氟磺酸和全氟磺酰亚胺酸中的至少一种)。示例性电解质包括四氟乙烯和至少一种氟化酸-官能共聚单体的共聚物。典型的聚合物电解质包括可从美国特拉华州威明顿的杜邦化学公司(DuPontChemicals,Wilmington,DE)购得的商品名为“NAFION”的那些；从比利时布鲁塞尔的索尔维集团(Solvay,Brussels,Belgium)购得的商品名为“AQUIVION”的那些；以及从日本东京旭硝子株式会社(AsahiGlassCo.Ltd.,Tokyo,Japan)购得的商品名为“FLEMION”的那些。该聚合物电解质可以是美国专利6,624,328(Guerra)和7,348,088(Hamrock等人)以及美国公布2004/0116742(Guerra)中所描述的四氟乙烯(TFE)和FSO2-CF2CF2CF2CF2-O-CF＝CF2的共聚物，这些专利的公开内容以引用的方式并入本文。该聚合物通常具有至多1200(在一些实施方案中，至多1100、1000、900、825、800、725，或者甚至至多625)的当量(EW)。可以通过任何合适的方法将聚合物形成为膜。该聚合物通常由悬浮液浇铸而成。可使用任何合适的浇铸方法，包括棒涂、喷涂、缝涂和刷涂。另选地，膜可在熔融过程如挤出中由纯聚合物形成。形成后，膜可通常在至少120℃(在一些实施方案中，至少130℃、150℃、或更高)的温度下退火。膜通常具有至多250微米(在一些实施方案中，至多225微米、200微米、175微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水电解槽，包括：/n膜，所述膜具有相反的第一主表面和第二主表面，并且包含金属Pt或Pt氧化物中的至少一种；/n阴极，所述阴极位于所述膜的所述第一主表面上，所述阴极包含基本上由金属Pt和Pt氧化物两者组成的第一催化剂；以及/n阳极，所述阳极位于所述膜的所述第二主表面上，所述阳极包含第二催化剂，所述第二催化剂包含基于所述第二催化剂的总重量计至少95重量％的以元素Ir计算的总金属Ir和Ir氧化物，其中存在金属Ir或Ir氧化物中的至少一种。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170403 US 62/480,7941.一种水电解槽，包括：
膜，所述膜具有相反的第一主表面和第二主表面，并且包含金属Pt或Pt氧化物中的至少一种；
阴极，所述阴极位于所述膜的所述第一主表面上，所述阴极包含基本上由金属Pt和Pt氧化物两者组成的第一催化剂；以及
阳极，所述阳极位于所述膜的所述第二主表面上，所述阳极包含第二催化剂，所述第二催化剂包含基于所述第二催化剂的总重量计至少95重量％的以元素Ir计算的总金属Ir和Ir氧化物，其中存在金属Ir或Ir氧化物中的至少一种。


2.根据权利要求1所述的水电解槽，其中所述第二催化剂基本上由金属Ir或Ir氧化物中的至少一种组成。


3.根据权利要求1所述的水电解槽，其中所述第二催化剂还包含金属Pt或Pt氧化物中的至少一种。


4.根据权利要求3所述的水电解槽，其中所述第二催化剂基本上由金属Pt或Pt氧化物中的至少一种和金属Ir或Ir氧化物中的至少一种组成。


5.根据权利要求3或4所述的水电解槽，其中所述金属Ir或Ir氧化物中的至少一种和金属Pt或Pt氧化物中的至少一种具有分别以元素Ir和元素Pt计算的至少20:1的Ir与Pt的总重量比。


6.根据前述权利要求中任一项所述的水电解槽，其中所述第二催化剂的金属Ir或Ir氧化物中的至少一种总共具有至少0.01mg/cm2的面密度。


7.根据前述权利要求中任一项所述的水电解槽，其中所述膜还包含聚合物电解质。


8.根据权利要求7所述的水电解槽，其中所述聚合物电解质为全氟磺酸或全氟磺酰亚胺酸中的至少一种。


9.根据前述权利要求中任一项所述的水电解槽，其中所述金属Pt或Pt氧化物中的至少一种以0.05mg/cm3至100mg/cm3范围内的浓度共同存在于所述膜中。


10.根据前述权利要求中任一项所述的水电解槽，其中所述金属Pt或Pt氧化物中的至少一种分布在整个所述膜中。


11.根据权利要求1至9中任一项所述的水电解槽，其中所述膜具有在所述第一主表面和所述第二主表...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·A·莱温斯基，S·M·洛帕，朴志英，A·莫尔纳，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US