[发明专利]水电解槽

说明书

本发明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。

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。

背景技术

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。

发明内容

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