水电解槽系统技术方案

本文公开了一种空间解耦的氧化还原液流水电解槽，其具有：由具有阴极的阴极电解液罐和氢气生成室形成的产氢阴极电解液部分，其中所述阴极电解液罐和所述氢气生成室通过流体通道彼此流体连接，以促进液体阴极电解液从所述阴极电解液罐循环到所述氢气生成室并回到所述阴极电解液罐，以及由具有阳极的阳极电解液罐和氧气产生室形成的产氧阳极电解液部分，其中所述阳极电解液罐和所述氧气产生室通过流体通道彼此流体连接，以促进液体阳极电解液从所述阳极电解液罐循环到所述氧气产生室并回到所述阳极电解液罐，阴离子交换膜设置在所述阴极电解液罐和所述阳极电解液罐之间，并且集流体附接到所述阴极电解液罐和所述阳极电解液罐。在使用中，所述氢气生成室包含与阴极氧化还原介体接触时当所述阴极氧化还原介体处于还原状态时能够催化氢气产生的催化剂，并且所述氧气生成室包含与阳极氧化还原介体接触时当所述阳极氧化还原介体处于氧化状态时能够催化氧气产生的催化剂。能够催化氧气产生的催化剂。能够催化氧气产生的催化剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】水电解槽系统


[0001]本专利技术涉及一种能够同时但独立地生成氢气和氧气气体的水电解槽系统，以及该系统的操作。

技术介绍

[0002]在本说明书中列出或讨论先前发表的文件不一定被视为承认该文件是现有技术的一部分或是公知常识。
[0003]随着对能源和环境的日益关注，对清洁和可再生能源替代化石燃料的需求不断增加。氢气是一种能源载体和化学工业的重要原料，被认为是最重要的清洁燃料之一。然而，世界上绝大多数氢气是通过天然气蒸汽重整获得的，这会产生具有不可避免的碳足迹的CO2。通过从水中生成氢气和氧气而无需额外排放的电解水分解，由于其产生相对纯净的氢气、用于小规模和大规模生产的灵活性以及当电解中使用的电力来自可再生能源时的可持续性的固有优势而引起了相当大的关注(Lu,X.&Zhao,C.,Nat.Commun.2015,6,6616；Wang,Y.et al.,Nano Energy 2018,48,590
‑
599；and Wang,X.P.et al.,Energy Environ.Sci.2020,13,229
‑
237)。
[0004]在由隔膜或离子交换膜隔开的两个电极上同时发生氢气和氧气析出的传统水分解系统中，可能会发生气体交叉问题，特别是在低工作电流密度或高压下，使得需要进一步纯化收集的氢气气体。此外，形成的OH自由基会破坏膜和其他池组件。
[0005]为了缓解上述问题，最近设计了一些新系统来解耦H2和O2的形成。一种有效的方法是使用第三氧化还原系统，诸如氢氧化镍(Chen,L.et al.,Nat.Commun.2016,7,11741)或蒽醌
‑
2,7
‑
二磺酸(Kirkaldy,N.et al.,Chem.Sci.2018,9,1621
‑
1626)，其氧化还原电势介于析氢反应(HER)和析氧反应(OER)电势之间，从而将水电解分为两个按时间顺序分开的步骤，用于在不同时间产生H2和O2。另一种方法是使用具有高质子
‑
电子存储容量的电子耦合质子缓冲器，利用其可以根据需要在单独的时间产生H2(Rausch,B.et al.,Science 2014,345,1326
‑
1330；Chen,J.J.；Symes,M.D.&Cronin,L.,Nat.Chem.2018,10,1042
‑
1047；MacDonald,L.et al.,Sustain.Energy Fuels 2017,1,1782
‑
1787；以及Lei,J.et al.,Chemistry 2019,25,11432
‑
11436)。然而，尽管改善了高纯度气体的分离，但不能同时产生H2和O2，由于间歇操作，这不可避免地导致时间延长。此外，H2和/或O2的形成依然主要在电极/电解液界面，由于产生的气态物质吸附在电极上，其导致过电势膨胀(Angulo,A.et al.,Joule 2020,4,555
‑
579)。电极上析出的气泡可能导致电催化剂表面堵塞并降低电解液中的离子电导率(Wu,H.et al.,J.Mater.Chem.A 2017,5,24153
‑
24158；以及Belleville,P.et al.,Int.J.Hydrog.Energy 2018,43,14867
‑
14875)。在另一种方法中，Girault和同事引入了氧化还原液流电池模块，使用V
2+
/
3+
和Ce
3+
/
4+
作为强酸介质中的氧化还原介体，用于能量存储和任务特定的H2产生(Peljo,P.et al.,Green Chem.2016,18,1785
‑
1797；Dennison,C.R.et al.,Chimia(Aarau)2015,69,753
‑
758；and Amstutz,V.et al.,Energy Environ.Sci.2014,7,2350
‑
2358)。虽然其允许同时进行电极外H2/O2生成，但
受到固有的大自由能损失和使用腐蚀性电解液的限制。
[0006]因此，需要开发能够克服现有水电解槽局限性的新型水电解槽。

技术实现思路

[0007]已经令人惊奇地发现，可以从水电解槽系统同时、连续和分开地生成氢气和氧气气体。
[0008]现在通过参考以下编号的条款来讨论本专利技术的方面和实施方式。
[0009]1.一种空间解耦的氧化还原液流水电解槽，包括：
[0010]产氢阴极电解液部分，其包括氢气生成室和具有阴极的阴极电解液罐，其中所述阴极电解液罐和所述氢气生成室通过流体通道彼此流体连接，以促进液体阴极电解液从所述阴极电解液罐循环到所述氢气生成室并回到所述阴极电解液罐；
[0011]产氧阳极电解液部分，其包括氧气产生室和具有阳极的阳极电解液罐，其中所述阳极电解液罐和所述氧气产生室通过流体通道彼此流体连接，以促进液体阳极电解液从所述阳极电解液罐循环到所述氧气产生室并回到所述阳极电解液罐；
[0012]设置在所述阴极电解液罐和所述阳极电解液罐之间的阴离子交换膜，其允许阴离子从所述阴极电解液罐移动到所述阳极电解液罐；以及
[0013]附接到所述阴极电解液罐和所述阳极电解液罐的集流体，其中：
[0014]所述氢气生成室配置为容纳与阴极氧化还原介体接触时当所述阴极氧化还原介体处于还原状态时能够催化氢气产生的催化剂；并且
[0015]所述氧气生成室配置为容纳与阳极氧化还原介体接触时当所述阳极氧化还原介体处于氧化状态时能够催化氧气产生的催化剂。
[0016]2.根据条款1所述的电解槽，其中：
[0017](a)所述产氢阴极电解液部分进一步包括：
[0018]包含支持电解液和能够产生氢气的阴极氧化还原介体的液体阴极电解液；和
[0019]与阴极氧化还原介体接触时当所述阴极氧化还原介体处于还原状态时能够催化氢气产生的催化剂，其中所述催化剂容纳在所述氢气生成室中；以及
[0020](b)所述产氧阳极电解液部分进一步包括：
[0021]包含支持电解液和能够产生氧气的阳极氧化还原介体的液体阳极电解液；和
[0022]与阳极氧化还原介体接触时当所述阳极氧化还原介体处于氧化状态时能够催化氧气产生的催化剂，其中所述催化剂容纳在所述氧气生成室中。
[0023]3.根据条款2所述的电解槽，其中所述支持电解液包含溶剂和一种或多种提供离子的化合物或盐。
[0024]4.根据条款3所述的电解槽，其中提供离子的所述盐中的离子选自：
[0025]氢氧根离子和/或氯离子；和
[0026]由铵离子、锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子组成的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种空间解耦的氧化还原液流水电解槽，包括：产氢阴极电解液部分，其包括氢气生成室和具有阴极的阴极电解液罐，其中所述阴极电解液罐和所述氢气生成室通过流体通道彼此流体连接，以促进液体阴极电解液从所述阴极电解液罐循环到所述氢气生成室并回到所述阴极电解液罐；产氧阳极电解液部分，其包括氧气产生室和具有阳极的阳极电解液罐，其中所述阳极电解液罐和所述氧气产生室通过流体通道彼此流体连接，以促进液体阳极电解液从所述阳极电解液罐循环到所述氧气产生室并回到所述阳极电解液罐；设置在所述阴极电解液罐和所述阳极电解液罐之间的阴离子交换膜，其允许阴离子从所述阴极电解液罐移动到所述阳极电解液罐；以及附接到所述阴极电解液罐和所述阳极电解液罐的集流体，其中：所述氢气生成室配置为容纳与阴极氧化还原介体接触时当所述阴极氧化还原介体处于还原状态时能够催化氢气产生的催化剂；并且所述氧气生成室配置为容纳与阳极氧化还原介体接触时当所述阳极氧化还原介体处于氧化状态时能够催化氧气产生的催化剂。2.根据权利要求1所述的电解槽，其中：(a)所述产氢阴极电解液部分进一步包括：包含支持电解液和能够产生氢气的阴极氧化还原介体的液体阴极电解液；和与阴极氧化还原介体接触时当所述阴极氧化还原介体处于还原状态时能够催化氢气产生的催化剂，其中所述催化剂容纳在所述氢气生成室中；以及(b)所述产氧阳极电解液部分进一步包括：包含支持电解液和能够产生氧气的阳极氧化还原介体的液体阳极电解液；和与阳极氧化还原介体接触时当所述阳极氧化还原介体处于氧化状态时能够催化氧气产生的催化剂，其中所述催化剂容纳在所述氧气生成室中。3.根据权利要求2所述的电解槽，其中，所述支持电解液包含溶剂和一种或多种提供离子的化合物或盐。4.根据权利要求3所述的电解槽，其中，提供离子的所述盐中的离子选自：氢氧根离子和/或氯离子；和由铵离子、锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子组成的组中的一种或多种，任选地其中提供离子的所述盐中的离子是钠离子和氢氧根离子。5.根据权利要求3或权利要求4所述的电解槽，其中，所述溶剂是水。6.根据权利要求3至5中任一项所述的电解槽，其中，应用以下一项或多项：(a)所述电解液的pH为11至15；(b)所述溶剂中所述一种或多种提供离子的化合物或盐的浓度为0.05至10M，诸如1至5M，诸如约4M。7.根据权利要求2至6中任一项所述的电解槽，其中，所述阴极氧化还原介体选自DHPS/DHPS
‑
2H、三乙醇胺铁(III)/三乙醇胺铁(II)、吩嗪及其衍生物、和紫精及其衍生物中的一种或多种，任选地其中所述阴极氧化还原介体是DHPS/DHPS
‑
2H。8.根据权利要求2至7中任一项所述的电解槽，其中，所述阴极氧化还原介体以0.05至3M、诸如0.2至2M、诸如0.5至1M或0.4至0.8M、诸如约0.6M的一种或多种氧化还原介体的总
浓度提供在所述液体阴极电解液中。9.根据权利要求2至8中任一项所述的电解槽，其中，所述阳极氧化还原介体选自[Fe(CN)6]3‑
/[Fe(CN6)]4‑
、[MnO4]2‑
/[MnO4]
‑
、二茂铁及其衍生物、和TEMPO及其衍生物中的一种或多种，任选地其中所述阳极氧化还原介体是[Fe(CN)6]3‑
/[Fe(CN6)]4‑
。10.根据权利要求2至9中任一项所述的电解槽，其中，所述阳极氧化还原介体以0.05至3M、诸如0.2至2M、诸如0.5至1M或0.4至0.8M、诸如约0.6M的一种或多种氧化还原介体的总浓度提供在所述液体阳极电解液中。11.根据权利要求2至10中任一项所述的电解槽，其中，所述氧气生成室中的所述催化剂选自由NiFe(OH)2@Ni、IrO2、RuO2，其他过渡金属氧化物(TMO)、碳化物(TMC)、氮化物(TMN)、磷化物(TMP)、二硫化物(TMD)和硼化物(TMB)组成的组中的一种或多种，任选地其中所述催化剂是NiFe(OH)2@Ni。12.根据权利要求2至11中任一项所述的电解槽，其中，所述氢气生成室中的所述催化剂选自由Pt
‑
Ni(OH)2@Ni、Pt@C、过渡金属(TM)、金属合金、过渡金属氧化物(TMO)、过渡金属碳化物(TMC)、过渡金属氮化物(TMN)、过渡金属磷化物(TMP)、过渡金属二硫化物(TMD)、过渡金属硼化物(TMB)和贵金属组成的组中的一种或多种，任选地其中所述催化剂是Pt
‑
Ni(OH)2@Ni。13.根据权利要求2至12中任一项所述的电解槽，其中，所述电解槽配置为将所述液体阴极电解液和/或所述液体阴极电解液作为喷雾分别引入所述氢气生成室和所述氧气生成室。14...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆，张霏霏，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：