膜电解池及其使用方法技术

本发明专利技术提供了一种电解池，其具有包括由水凝胶膜隔开的阳极和阴极的电路，以及包括多个电解池的电解系统。水凝胶膜可包括亲水性聚合物并用作电解质。本文还公开了一种电解方法，以及一种电解水的方法。该方法可包括将包含亲水性聚合物的水凝胶膜置于电路的阳极和阴极之间，将液体吸收到水凝胶膜中，并使电流通过电路。该液体可为水。对于电解水的方法，电流通过电路可使得水凝胶膜中的水在阴极被还原成氢气并且在阳极形成氧气。氢气并且在阳极形成氧气。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】膜电解池及其使用方法


[0001]本专利技术涉及电化学领域，特别是电解领域。
[0002]一方面，本专利技术涉及一种用于气体生产的电解方法。
[0003]另一方面，提供了一种用于气体合成的电解装置。
[0004]在一个特定方面，本专利技术适用于水分解。
[0005]以下将方便地描述本专利技术的关于裂解以产生氢气和氧气，然而，应该认识到，本专利技术不仅限于该用途，还可以用于生产其他化合物，例如，但不限于，氨气(来自水和大气氮)或来自水和二氧化碳的甲烷、甲醇和乙醇。

技术介绍

[0006]传统意义上，水分解的电解过程依赖于电化学现象。水分解的整体反应中，2H2O
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2H2+O2产生氧气和氢气作为最终产物。这些气体需要分开保存，以便以后单独使用并避免产生爆炸性的混合气体。
[0007]在现有技术中，用于水分解电解的电解槽是众所周知的，通常包括两个浸在水中的由膜隔开的电极。可以向水中加入盐来增加电导率。电流通过电极使水被来自阴极的电子所还原，形成氢气。在阳极发生相应的氧化反应，产生气态氧。
[0008]过去使用的两种主要类型的水分解电解槽是(i)碱性电解槽，通常包括凝胶形式的电解质，和(ii)质子交换膜(PEM)电解槽。膜电极组件(MEAs)通常具有多层结构，包括PEM、集流电极和每侧的电催化剂层。
[0009]近年来，已经开发了第三种类型的电解槽，其包括基于氧化物材料例如陶瓷的膜。固体氧化物电解槽可进行高温操作，其能增加电解反应动力学和反应速率。r/>[0010]最近，如国际专利公开WO 2016/148637中所述，已经开发出新型的气
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气反应器。这个概念依赖于水的蒸发和随后的氢气和氧气分离。这个概念克服了与传统的基于水的电解槽相关的许多限制。特别地，该概念的优点是电极上不会形成气泡，这种现象随着时间的推移会减少电极的活性表面并有效地降低转换效率。
[0011]几十年来，液体聚合物一直被用作电池的电解质，但水凝胶的应用却少得多。在过去，人们已经努力在电池和燃料电池中使用水凝胶作为电解质。例如，碱性水凝胶电解质已经通过使用聚乙烯醇和氢氧化钾的物理交联来生产，并具有双重作用——在镍氢电池中作为电解质和阻挡层。(Osinska
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Broniarz et al.,Chemik 2015,69,12,852
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861)。
[0012]水凝胶也已在诸如燃料电池的应用中用作膜电解质。例如，已经构建了聚合物电解质膜由离子交联的壳聚糖水凝胶组成的直接硼氢化物燃料电池。(Choudhury et al,J.Power Sources,210,2012,358
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365)然而，这种膜以前并不适合用于电池或电解水分解等应用。
[0013]现有技术通常教导使用液体电解质或固体氧化物电解质电池在气相中进行水电解反应。蒸汽电解池的技术处于先进阶段。(Donitz,W.and Erdle,E.,Int.J.of Hydrogen Energy,10(5),1985,p.291
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295；Salzano et al.,Int.J.of Hydrogen energy,10(12)
1985,801
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809)相比之下，现有技术没有教导水凝胶电解质或水凝胶电池适用于电解水。
[0014]水凝胶材料在超级电容器和可充电电池的应用中反而受到关注，因为它们的结构由聚合物链的交联网络组成，该聚合物链具有填充有溶剂水的间隙空间。因此，水凝胶既湿润又柔软，是柔性储能装置和可充电电池中电解质材料的理想选择。这些用途在现有技术文件中进行了回顾，例如，Hydrogel Electrolytes for Flexible Aqueous Energy Storage Devices(Wang et al.,Adv.Functional Materials 2018,28,1804560)。
[0015]应当理解，本说明书中包括的对文件、设备、行为或知识的任何讨论都是为了解释本专利技术的上下文。此外，本说明书中的讨论是由于本专利技术人的认识和/或本专利技术人对本领域相关问题的认知而产生的。此外，本说明书中包括的对诸如文件、设备、行为或知识等材料的任何讨论都是为了从专利技术人的知识和经验方面解释本专利技术的上下文，因此，任何此类讨论都不应被视为承认任何材料在本公开和权利要求的优先权日当天或之前，构成澳大利亚或其他地方的现有技术基础或相关技术的通用知识的一部分。

技术实现思路

[0016]本专利技术的一目的是提供一种膜电解槽和用于气体合成的电解方法。
[0017]本专利技术的另一目的是提高用于合成的电解反应的效率。
[0018]本专利技术的另一目的是减少与现有技术相关的至少一个缺点。
[0019]本文所述的实施方案的一目的是克服或减少与现有技术相关的至少一个上述缺点，或为相关现有技术提供有用的替代方案。
[0020]在本文所述实施方案的第一方面，提供了一种具有电路的电解池，该电路包括由水凝胶膜隔开的阳极和阴极，其中所述水凝胶膜包含亲水性聚合物并充当电解质。
[0021]优选地，当电流通过电路时，聚合物吸收的水被电解。
[0022]在本文所述实施方案的另一方面，提供了一种电解方法，该方法包括以下步骤:将包含亲水性聚合物的水凝胶膜置于电路的阳极和阴极之间，将液体吸收到水凝胶膜中，使电流通过电路。
[0023]在本文所述实施方案的另一方面，提供了一种电解水方法，该方法包括以下步骤：将包含亲水性聚合物的水凝胶膜置于电路的阳极和阴极之间，将水吸收到水凝胶膜中，电流通过电路，使得水凝胶膜中的水在阴极还原成氢气，在阳极形成氧气。
[0024]优选地，在电极处产生的气体通过聚合物膜扩散出电池，从而将电极处反应产生的气体进行分离。优选地，在电极上没有明显气泡形成的情况下分离气体。避免气泡的形成使得诸如水分解的反应可以在低过电位下实现，从而有助于提高电解池的效率。水凝胶膜
[0025]水凝胶膜优选包括一种亲水性聚合物，该聚合物可以非常迅速地吸收大比例的水并具有坚固的物理结构。水凝胶是一种高分子聚合物凝胶，它可以在位于整个交联聚合物链网络的空隙中与水分子进行氢键键合。
[0026]优选地，聚合物膜中的水含量可以高达聚合物的98wt％，但通常水含量至少为80wt％，优选地至少为90wt％。电解分解在水凝胶环境中有效地进行。
[0027]还优选的是，膜具有足够的机械强度以承受高达50巴、优选更高的压缩压力，而不会显著改变性能。
[0028]亲水性聚合物通常包括带电官能团。在一优选实施方案中，本专利技术的亲水性聚合物选自包含丙烯酸、丙烯酰胺、马来酸酐、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇聚合物及它们的共聚物。该膜可包括一种或多种聚合物。该膜的主要成分优选为聚(丙烯酸钠
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共
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丙烯酰胺)与一些其他成分的共聚物的产物，以增强机械本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电解池，其具有包括由水凝胶膜隔开的阳极和阴极的电路，其中，所述水凝胶膜包括亲水性聚合物并用作电解质。2.一种如权利要求1所述的电解池，其中当电流通过所述电路时，被所述聚合物吸收的水被电解。3.一种电解系统，包括多个如权利要求1所述的电解池，所述电解池被布置成堆叠的方式，使得每个电解池与至少一个相邻的电解池电连接。4.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵祺鹏，黄敬铿，林明忠，
申请(专利权)人：国际可再生能源控股有限公司，
类型：发明
国别省市：