DE112018004479T5

DE112018004479T5 - WATER SPLITTER SYSTEM FOR HYDROGEN AND OXYGEN SEPARATION IN THE ABSENCE OF AN ION EXCHANGE MEMBRANE

Info

Publication number: DE112018004479T5
Application number: DE112018004479.3T
Authority: DE
Inventors: Tayirjan Taylor ISIMJAN; Kumudu MUDIYANSELAGE; Hicham Idriss; Khalid Albahily
Original assignee: SABIC Global Technologies BV
Current assignee: SABIC Global Technologies BV
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-12-31
Also published as: US20200354840A1; WO2019073404A1; CN111212933A

Abstract

Es werden Systeme und Prozesse für die Produktion von Wasserstoff (H2)-Gas und Sauerstoff (O2)-Gas aus einer wässrigen Elektrolytlösung beschrieben. Ein Wasserspaltungssystem kann einen Reaktor beinhalten, der H2und O2erzeugende Kammern beinhaltet, die getrennte Kammern sein können, aber nicht durch ein für H2- und/oder O2-Gas durchlässiges Material getrennt sind. Die H2erzeugende Kammer kann eine Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass beinhalten. Die O2erzeugende Kammer kann eine Anode in elektrischer Kommunikation mit der Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass beinhalten. Die ersten und zweiten Fluideinlässe können jeweils konfiguriert sein, um eine gespülte Elektrolytlösung, ein Spülgas oder eine Mischung davon aufzunehmen.Systems and processes for the production of hydrogen (H2) gas and oxygen (O2) gas from an aqueous electrolyte solution are described. A water splitting system can include a reactor that includes H2 and O2 producing chambers, which may be separate chambers but are not separated by a material permeable to H2 and / or O2 gas. The H2 generating chamber can include a cathode and at least one first fluid inlet. The O2 generating chamber may include an anode in electrical communication with the cathode and at least one first fluid inlet. The first and second fluid inlets can each be configured to receive a purged electrolyte solution, a purge gas, or a mixture thereof.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGENCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Die vorliegende Anmeldung, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird, nimmt den Vorteil der Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/570,971 , eingereicht am 11. Oktober 2017, in Anspruch.The present application, which is incorporated herein by reference in its entirety, takes advantage of the priority of U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 570.971 , filed on October 11, 2017.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField of invention

Die Erfindung betrifft allgemein die Erzeugung von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aus einer wässrigen Lösung. Diese kann durch Verwenden eines Reaktors, der eine H2-Erzeugungskammer und eine O₂-Erzeugungskammer beinhaltet, durchgeführt werden. Der Reaktor muss kein H₂- und O₂-durchlässiges Material wie beispielsweise eine H₂- und O₂-durchlässige Membran oder Ionenbrücke beinhalten.The invention relates generally to the generation of hydrogen (H ₂ ) and oxygen (O ₂ ) from an aqueous solution. This can be carried out by using a reactor including an H2 generating chamber and an O ₂ generating chamber. The reactor does not have to contain any H ₂ - and O ₂ -permeable material such as, for example, an H ₂ - and O ₂ -permeable membrane or ion bridge.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the prior art

Wasserstoff (H₂) ist eine saubere Alternative zu Brennstoff. Herkömmliche Technologie produziert Wasserstoff im kommerziellen Maßstab mittels Dampfreformierung von Methan. Aufgrund der Abnahme fossiler Brennstoffe besteht eine Notwendigkeit, einen alternativen Rohstoff zu finden, um den global wachsenden Bedarf an Wasserstoffproduktion zu erfüllen.Hydrogen (H ₂ ) is a clean alternative to fuel. Conventional technology produces hydrogen on a commercial scale through the steam reforming of methane. With the decline in fossil fuels, there is a need to find an alternative raw material to meet the growing global demand for hydrogen production.

Eine Alternative zur Methandampfreformierung für die Produktion von Wasserstoff ist die Wasserspaltung. Die Reduktions- und Oxidationshalbreaktionen bei der Wasserspaltung sind wie folgt: 2H⁺ + 2e^- → H₂ (1) H₂O + 2h⁺ → O₂ + 4H⁺ (2) 2H₂O → 2H₂ + O₂ (3) An alternative to methane reforming for the production of hydrogen is water splitting. The reduction and oxidation half-reactions in water splitting are as follows: 2H ⁺ + 2e ^- → H ₂ (1) H ₂ O + 2h ⁺ → O ₂ + 4H ⁺ (2) 2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂ (3)

Wasserspaltung kann durch Elektrolyse von Wasser, photokatalytische Spaltung von Wasser oder elektrophotokatalytische Spaltung von Wasser erzielt werden. Diese Ansätze werden in sauren oder basischen Medien in Verbindung mit Ionentauschermembranen durchgeführt. Die Auswahl der Membran kann vom pH-Wert des Mediums abhängen. Es kann zum Beispiel eine Protonentauschermembran (proton exchange membrane, PEM) in einer sauren Umgebung verwendet werden, während in einer basischen Umgebung eine alkalische Anionentauschermembran verwendet werden kann. Zwar weisen membranbasierte Systeme eine hohe Energieeffizienz auf und trennen H₂/O₂ spontan, ihre Anwendung bleibt jedoch aufgrund hoher Kosten und Langzeitstabilität anspruchsvoll. Diese Kosten- und Stabilitätsprobleme beschränken die kommerzielle Skalierbarkeit membranbasierter Systeme stark. Daher untersuchen Forscher alternative Verfahren. Beispielsweise beschreiben Hashemi et al. (Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2003) einen membranlosen Elektrolyseur zur Wasserstoffproduktion über die gesamte pH-Wert-Skala. In diesem System werden zwei parallele Platten mit Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklungskatalysatoren beschichtet und um weniger als einige Hundertstel Mikrometer getrennt. Der Elektrolyt strömt zwischen die Katalysatorplatten und die entstandenen Gase bewegen sich aufgrund des Segre-Silberberg-Effekts nahe der entsprechenden Katalysatoroberfläche. Jeder der Produktgasströme kann in speziell dafür vorgesehenen Auslässen gesammelt werden. Für einen höheren Durchsatz können Stapel dieser Ebenen in der Horizontalen verwendet werden. Holmes-Gentle (Sustainable Energy Fuels, 2017, 1, 1184) beschreibt eine membranlose photoelektrochemische Zelle ähnlich dem membranlosen Elektrolyseur von Hashemi. Beide Systeme leiden darunter, dass die H₂/O₂-Trennung nur unter supersättigenden Bedingungen direkt vor der Blasenbildung möglich ist. Weiter kann die Tatsache, dass es nur eine Reaktorkammer gibt, in der H₂ und O₂ produziert werden, die Möglichkeit der Generierung einer aus dem Reaktor austretenden explosiven H₂- und O₂-Gasmischung erhöhen. In wieder einem anderen Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 4,105,517 von Frosch einen zyklischen Prozess zur Solarphotolyse von Wasser, der die Produktion von H₂ aus Wasser in Gegenwart eines Eu⁺²-photooxidierbaren Reagens beinhaltet, wobei die resultierende saure Lösung in einen zweiten Tank gepumpt wird, in dem während der Regeneration des Photokatalysators im Dunkeln Sauerstoff erzeugt wird. Dieser Prozess leidet darunter, dass H₂ und O₂ nicht gleichzeitig produziert werden, und erfordert die Durchführung einer Regeneration des Prozesses in Abwesenheit von Licht. Weiter ist die kommerzielle Skalierbarkeit dieser Systeme möglicherweise wirtschaftlich nicht machbar.Water splitting can be achieved by electrolysis of water, photocatalytic splitting of water or electrophotocatalytic splitting of water. These approaches are carried out in acidic or basic media in connection with ion exchange membranes. The choice of membrane can depend on the pH of the medium. For example, a proton exchange membrane (PEM) can be used in an acidic environment, while an alkaline anion exchange membrane can be used in a basic environment. Although membrane-based systems are highly energy-efficient and spontaneously separate H ₂ / O ₂ , their application remains challenging due to the high costs and long-term stability. These cost and stability problems severely limit the commercial scalability of membrane-based systems. So researchers are investigating alternative methods. For example, Hashemi et al. (Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2003) developed a membrane-free electrolyser for hydrogen production over the entire pH value scale. In this system, two parallel plates are coated with hydrogen or oxygen evolution catalysts and separated by less than a few hundredths of a micrometer. The electrolyte flows between the catalyst plates and the resulting gases move close to the corresponding catalyst surface due to the Segre-Silberberg effect. Each of the product gas streams can be collected in specially designed outlets. For a higher throughput, stacks of these levels can be used horizontally. Holmes-Gentle (Sustainable Energy Fuels, 2017, 1, 1184) describes a membrane-free photoelectrochemical cell similar to the membrane-free electrolyser from Hashemi. Both systems suffer from the fact that the H ₂ / O ₂ separation is only possible under supersaturating conditions directly before the formation of bubbles. Furthermore, the fact that there is only one reactor chamber in which H ₂ and O _{2 are} produced can increase the possibility of generating an explosive H ₂ and O ₂ gas mixture emerging from the reactor. In yet another example describes this U.S. Patent No. 4,105,517 von Frosch developed a cyclic process for solar photolysis of water, which involves the production of H ₂ from water in the presence of an Eu ⁺² photo-oxidizable reagent, whereby the resulting acidic solution is pumped into a second tank, in which during the regeneration of the photocatalyst in the dark Oxygen is generated. This process suffers from the fact that H ₂ and O _{2 are} not produced simultaneously and requires regeneration of the process to be carried out in the absence of light. Furthermore, the commercial scalability of these systems may not be economically feasible.

Zwar wurden verschiedene Versuche, Wasserspaltungssysteme zu produzieren, unternommen, doch sie scheinen den Bedarf an einer Produktion von H₂ und O₂ aus Wasser im kommerziellen Maßstab nicht zu erfüllen.While various attempts have been made to produce water splitting systems, they do not appear to meet the need for the production of H ₂ and O ₂ from water on a commercial scale.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Es wurde eine Entdeckung gemacht, die mindestens einige der Probleme im Zusammenhang mit aktuell erhältlichen Wasserspaltungsprozessen löst. In einem Fall kann die Erfindung das Problem im Zusammenhang mit einer Kreuzkontaminierung von H₂ und O₂ während des Wasserspaltungsprozesses und insbesondere während der Trennung von H₂- und O₂-Gasen aus der Elektrolytlösung lösen. Während dieses Trennprozesses kann aufgrund des kontinuierlichen Mischens der wässrigen Lösung mit gelösten Gasen eine H₂- und O₂-Kombination entstehen. Gemäß dem Henry-Gesetz ist die Menge eines gegebenen Gases, die sich bei einer konstanten Temperatur in einem gegebenen Flüssigkeitstyp und -volumen löst, direkt proportional zu dem Partialdruck dieses Gases im Gleichgewicht mit dieser Flüssigkeit; dies wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: C = k × P(Gas), wobei C die Löslichkeit eines Gases bei einer festen Temperatur in einem bestimmten Lösemittel (in Einheiten von M oder ml Gas/l), k die Henry-Konstante (häufig in Einheiten von M/atm) und P_Gas der Partialdruck des Gases (häufig in Einheiten von atm) ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde ein Reaktordesign entdeckt, das H₂ und O₂ unter Elektrolyse- und/oder photoelektrischen Bedingungen in getrennten Kammern erzeugen kann und erlaubt, dass die Elektrolytlösung gespült und in den Reaktor zurückgeführt wird. In einigen Ausführungsformen werden H₂ und O₂ gleichzeitig erzeugt. Dies sorgt für ein elegantes Durchflussdesign mit minimaler Kreuzkontaminierung von O₂ in der H₂ erzeugenden Kammer und von H₂ in der O₂ erzeugenden Kammer. Insbesondere kann die Kreuzkontaminierung von H₂ in der O₂ erzeugenden Kammer und von O₂ in der H₂ erzeugenden Kammer auf weniger als 0,2 Mol-% beschränkt werden. Eine Beschränkung der Kreuzkontaminierung kann in einer H₂/O₂-Sauerstoff-Mischung resultieren, die H₂- und O₂-Verhältnisse unterhalb der Explosionsgrenze (5 %) aufweist. Weiter kann das Reaktordesign in einer kosteneffizienten und sicheren Weise betrieben werden, weswegen es sich für die Produktion von H₂ und/oder O₂ im kommerziellen Maßstab anbietet.A discovery has been made that solves at least some of the problems associated with currently available water splitting processes. In one instance, the invention can solve the problem related to cross-contamination of H ₂ and O ₂ during the water splitting process and particularly during the separation of H ₂ and O ₂ gases from the electrolyte solution. During this separation process, due to the continuous mixing of the aqueous solution with dissolved gases, an H ₂ and O ₂ combination can arise. According to Henry's Law, the amount of a given gas which dissolves at a constant temperature in a given type and volume of liquid is directly proportional to the partial pressure of that gas in equilibrium with that liquid; this is expressed by the following equation: C = k × P (gas), where C is the solubility of a gas at a fixed temperature in a given solvent (in units of M or ml gas / l), k is Henry's constant (often in units of M / atm) and P _{gas is} the partial pressure of the gas (often in units of atm). In connection with the present invention, a reactor design has been discovered which can generate H ₂ and O ₂ under electrolytic and / or photoelectric conditions in separate chambers and allows the electrolyte solution to be purged and returned to the reactor. In some embodiments, H ₂ and O ₂ are generated simultaneously. This provides an elegant flow-through design with minimal cross-contamination of O ₂ in the H ₂ generating chamber and H ₂ in the O ₂ generating chamber. In particular, the cross-contamination of H ₂ in the O ₂ generating chamber and of O ₂ in the H ₂ generating chamber can be restricted to less than 0.2 mol%. Limiting cross-contamination can result in an H ₂ / O ₂ -oxygen mixture that has H ₂ and O ₂ ratios below the explosive limit (5%). Furthermore, the reactor design can be operated in a cost-efficient and safe manner, making it suitable for the production of H ₂ and / or O ₂ on a commercial scale.

In einem bestimmten Aspekt der Erfindung wird ein Wasserspaltungssystem für die Produktion von Wasserstoff (H₂)-Gas und Sauerstoff (O₂)-Gas aus einer wässrigen Elektrolytlösung beschrieben. Das Wasserspaltungssystem kann einen Reaktor beinhalten, der H₂ und O₂ erzeugende Kammern aufweist, die getrennte Kammern sein können, aber nicht durch ein für H₂- und/oder O₂-Gas durchlässiges Material (z. B. eine Membran, eine Ionenbrücke oder beides) getrennt sein müssen. Die H₂ erzeugende Kammer kann eine Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass beinhalten. Die O₂ erzeugende Kammer kann eine Anode in elektrischer Kommunikation mit der Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass beinhalten. Die ersten Fluideinlässe jeder der H₂ und O₂ erzeugenden Kammern können mit einer gespülten Elektrolytquelle, einer Reinigungsgasquelle oder einer Kombination davon fluidisch gekoppelt sein. Die ersten Fluideinlässe können jeweils eine gespülte Elektrolytlösung, ein Spülgas oder eine Kombination davon aufnehmen. Das System kann weiter ein mit der H₂ erzeugenden Kammer fluidisch gekoppeltes H₂-Reservoir beinhalten. Das H₂-Reservoir kann einen H₂ enthaltenden Gasstrom und einen H₂ enthaltenden Elektrolytlösungsstrom produzieren. In einigen Ausführungsformen kann das System weiter ein H₂-Reinigungssystem beinhalten, das mit einem H₂-Auslass des H₂-Reservoirs fluidisch gekoppelt sein kann, vorzugsweise eine H₂-durchlässige Membran. In einigen Ausführungsformen kann das System ein mit der O₂ erzeugenden Kammer fluidisch gekoppeltes O₂-Reservoir beinhalten. Das O₂-Reservoir kann einen O₂ enthaltenden Gasstrom und einen O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstrom produzieren. Das System kann weiter ein O₂-Reinigungssystem beinhalten, das mit einem O₂-Auslass des O₂-Reservoirs fluidisch gekoppelt sein kann, vorzugsweise eine O₂-durchlässige Membran. In einigen Ausführungsformen kann eine Elektrolytquelle (z. B. ein Reservoir, das die Elektrolytquelle enthält) mit jedem der ersten Fluideinlässe fluidisch gekoppelt sein. Die Elektrolytquelle kann die Elektrolytlösung aus der H₂ erzeugenden Kammer und/oder der O₂ erzeugenden Kammer aufnehmen und spülen. Die gespülte Elektrolytlösung kann in die ersten Fluideinlässe der H₂ erzeugenden und O₂ erzeugenden Kammern unter Verwendung einer Fluid-Bewegungsvorrichtung zurückgeleitet (z. B. in die Kammern gepumpt oder druckbeaufschlagt) werden. In einigen Ausführungsformen können die ersten Fluideinlässe Spülgaseinlässe sein. In einer anderen Ausführungsform können die ersten Fluideinlässe die gespülte Elektrolytlösung aufnehmen und die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammern können weiter jeweils einen zweiten Fluideinlass beinhalten. Jeder zweite Fluideinlass kann mit einer Spülgasquelle fluidisch gekoppelt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Reaktor ein Durchflussreaktor sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anode und die Kathode in einem H₂- oder O₂-undurchlässigen Material enthalten, das mindestens teilweise zwischen oder im Wesentlichen zwischen der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer positioniert ist. Die Anode kann einen Oxidationskatalysator, vorzugweise einen H₂ erzeugenden Photokatalysator, in Fluidkommunikation mit der wässrigen Elektrolytlösung in der H₂ erzeugenden Kammer beinhalten. Die H₂ erzeugenden Kammer kann elektromagnetische Strahlung empfangen, die verwendet werden kann, um den Photokatalysator anzuregen, der wiederum die Produktion von H₂ und Löchern katalysiert. Die Kathode kann einen Reduktionskatalysator, vorzugsweise einen O₂ erzeugenden Photokatalysator, in Fluidkommunikation mit der wässrigen Elektrolytlösung in der O₂ erzeugenden Kammer beinhalten. Die O₂ erzeugende Kammer kann elektromagnetische Strahlung empfangen, die verwendet werden kann, um den Photokatalysator anzuregen, der wiederum die Produktion von O₂ und Elektronen katalysiert. Die produzierten Elektronen können über eine elektrische Verbindung zwischen der Kathode und der Anode (z. B. leitfähiges Material wie beispielsweise einen leitfähigen Draht) auf die Anode übertragen werden. In einigen Ausführungsformen kann die H₂ erzeugende Kammer mit der O₂ erzeugenden Kammer fluidisch gekoppelt sein. Die H₂ erzeugende Kammer kann mit der O₂ erzeugenden Kammer mittels einer oder mehrerer Öffnungen gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen liegen die erste und zweite Öffnung in einer Leitung vor, die die H₂ erzeugende Kammer mit der O₂ erzeugenden Kammer verbindet. Die Öffnungen oder die Leitung können/kann im unteren Teil der zwei Kammern positioniert sein, um den Ionentransport in jede Kammer zu erlauben, mit beschränkter oder fehlender Kreuzkontaminierung von H₂ und O₂ in der O₂ bzw. H₂ erzeugenden Kammer. Der untere Teil der H₂ und O₂ erzeugenden Kammern kann Öffnungen beinhalten, die sich auf oder in den Seitenwänden jeder Kammer befinden und die an einer beliebigen Stelle in der unteren Hälfte des Reaktors, beispielsweise auf der Hälfte der Höhe der Kammern oder niedriger, positioniert sind. In einigen Fällen können/kann die Öffnungen oder die Leitung an der Seitenwand jeder Kammer in der Nähe des Bodens der Kammer positioniert sein. In einigen Ausführungsformen ist die Öffnung ein Loch oder eine Vielzahl von Löchern (z. B. ein Sieb) in dem H₂- und O₂-undurchlässigen Material, das die H₂ erzeugende Kammer mit der O₂ erzeugenden Kammer trennt.In a particular aspect of the invention, a water splitting system for the production of hydrogen (H ₂ ) gas and oxygen (O ₂ ) gas from an aqueous electrolyte solution is described. The water splitting system can include a reactor which has H ₂ and O ₂ generating chambers, which can be separate chambers, but not through a material permeable to H ₂ and / or O ₂ gas (e.g. a membrane, an ion bridge or both) must be separated. The H ₂ generating chamber can include a cathode and at least one first fluid inlet. The O ₂ generating chamber may include an anode in electrical communication with the cathode and at least one first fluid inlet. The first fluid inlets of each of the H ₂ and O ₂ generating chambers can be fluidically coupled to a purged electrolyte source, a purge gas source, or a combination thereof. The first fluid inlets can each receive a purged electrolyte solution, a purge gas, or a combination thereof. The system can further include an H ₂ reservoir fluidically coupled to the H ₂ generating chamber. The H ₂ reservoir can produce a gas stream containing H ₂ and an electrolyte solution stream containing H ₂ . In some embodiments, the system may further include an H ₂ cleaning system, which may be ₂ reservoirs fluidically coupled to a H ₂ outlet of H, an H is preferably ₂ -permeable membrane. In some embodiments, the system may include an O ₂ reservoir fluidically coupled to the O ₂ generating chamber. The O ₂ reservoir can produce an O ₂ containing gas stream and an O ₂ containing aqueous electrolyte solution stream. The system may further include an O ₂ cleaning system, the O ₂ of the reservoirs may be fluidically coupled to an O ₂ outlet, preferably an O ₂ -permeable membrane. In some embodiments, a source of electrolyte (e.g., a reservoir containing the source of electrolyte) may be fluidly coupled to each of the first fluid inlets. The electrolyte source can receive and flush the electrolyte solution from the H ₂ generating chamber and / or the O ₂ generating chamber. The purged electrolyte solution may be returned (e.g., pumped or pressurized into the chambers) to the first fluid inlets of the H ₂ generating and O ₂ generating chambers using a fluid mover device. In some embodiments, the first fluid inlets can be purge gas inlets. In another embodiment, the first fluid inlets can receive the purged electrolyte solution, and the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chambers can each further include a second fluid inlet. Every second fluid inlet can be fluidically coupled to a purge gas source. In a preferred embodiment, the reactor can be a flow reactor. In a preferred embodiment, the anode and the cathode are contained in an H ₂ or O ₂ impermeable material which is positioned at least partially between or substantially between the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber. The anode can have an oxidation catalyst, preferably an H ₂ generating photocatalyst, in fluid communication with the aqueous electrolyte solution in the H ₂ generating chamber include. The H ₂ generating chamber can receive electromagnetic radiation which can be used to excite the photocatalyst, which in turn catalyzes the production of H ₂ and holes. The cathode may include a reduction catalyst, preferably an O ₂ generating photocatalyst, in fluid communication with the aqueous electrolyte solution in the O ₂ generating chamber. The O ₂ generating chamber can receive electromagnetic radiation which can be used to excite the photocatalyst, which in turn catalyzes the production of O ₂ and electrons. The electrons produced can be transferred to the anode via an electrical connection between the cathode and the anode (e.g. conductive material such as a conductive wire). In some embodiments, the H ₂ generating chamber can be fluidically coupled to the O ₂ generating chamber. The H ₂ generating chamber can be coupled to the O ₂ generating chamber by means of one or more openings. In some embodiments, the first and second ports are in a conduit connecting the H ₂ generating chamber to the O ₂ generating chamber. The orifices or conduit may be positioned in the lower portion of the two chambers to allow ion transport into each chamber with limited or no cross-contamination of H ₂ and O ₂ in the O ₂ and H ₂ generating chambers, respectively. The lower part of the H ₂ and O ₂ generating chambers may include openings that are on or in the side walls of each chamber and that are positioned anywhere in the lower half of the reactor, e.g., halfway up the chambers or lower are. In some cases, the opening or conduit can be positioned on the side wall of each chamber near the bottom of the chamber. In some embodiments, the opening is a hole or a plurality of holes (e.g., a screen) in the H ₂ and O ₂ impermeable material that separates the H ₂ generating chamber from the O ₂ generating chamber.

In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Wasserspaltungsprozess zur Produktion von H₂ und O₂ beschrieben. Der Prozess kann das Bereitstellen einer Elektrolytlösung an ein jegliches der erfindungsgemäßen Wasserspaltungssysteme beinhalten. Die Elektrolytlösung kann Wasser, ein Spülgas und einen Elektrolyten beinhalten. Die Elektrolytlösung in der H₂ erzeugenden Kammer und die Elektrolytlösung in der O₂ erzeugenden Kammer können Bedingungen unterzogen werden, die ausreichend sind, um eine H₂ enthaltende wässrige Elektrolytlösung und eine O₂ enthaltende wässrige Elektrolytlösung zu produzieren. Das Spülgas, mindestens ein Teil des erzeugten H₂ und mindestens ein Teil des erzeugten O₂ können in jeder der wässrigen Elektrolytlösungen gelöst sein. In bestimmten Fällen kann ein Großteil oder die Gesamtheit des erzeugten H₂ und/oder des erzeugten O₂ in der wässrigen Elektrolytlösung gelöst sein. Die H₂ enthaltende wässrige Elektrolytlösung und/oder die O₂ enthaltende wässrige Elektrolytlösung können Bedingungen unterzogen werden, die geeignet sind, um eine Spülgas enthaltende wässrige Elektrolytlösung, einen gasförmigen H₂-Strom und einen gasförmigen O₂-Strom zu produzieren. In einigen Ausführungsformen kann die Spülgas enthaltende wässrige Elektrolytlösung der H₂ erzeugenden Kammer des Wasserspaltungssystems, der O₂ erzeugenden Kammer des Wasserspaltungssystems oder beiden bereitgestellt werden. Die Spülgas enthaltende wässrige Elektrolytlösung kann frei von H₂ und O₂ sein. In anderen Fällen kann die Spülgas enthaltende wässrige Elektrolytlösung H₂ und O₂ in einem H₂/O₂-Molverhältnis unterhalb der Entflammbarkeitsgrenze beinhalten. Das Spülgas kann ein beliebiges Gas, vorzugsweise ein Inertgas, am bevorzugtesten Stickstoff N₂, sein. Das Spülgas kann eine Kontaminierung von H₂ in dem O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytstrom, von O₂ in dem H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytstrom oder beides reduzieren oder begrenzen. Die Wasserspaltungsbedingungen können einen Druck von 0,010 MPa bis 2,1 MPa, eine Temperatur von 5 °C bis 100 °C, einen pH-Wert von 0 bis 14 oder eine Kombination davon beinhalten. Schritt (c) kann Folgendes beinhalten: Komprimieren des H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstroms zur Produktion eines gasförmigen H₂-Stroms und der Elektrolytlösung und/oder (i) Sammeln des H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstroms in dem H₂-Reservoir, des O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstroms in dem O₂-Reservoir oder beides; (ii) Trennen des gasförmigen H₂-Stroms von der H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung und des gasförmigen O₂-Stroms von der O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung oder beides; (iii) Bilden einer wässrigen Elektrolytlösung, die restliches H₂, O₂ oder beides umfasst; und (iv) Spülen der wässrigen Elektrolytlösung von Schritt (iii) mit dem Spülgas zur Bildung der Spülgas enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Prozess das Bereitstellen eines Spülgases an die H₂ erzeugende Kammer, die O₂ erzeugende Kammer oder beide und/oder das Bereitstellen der gespülten Elektrolytlösung an die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer.In another aspect of the invention, a water splitting process for producing H ₂ and O _{2 is} described. The process can include providing an electrolyte solution to any of the water splitting systems of the invention. The electrolyte solution can include water, a purge gas, and an electrolyte. The electrolyte solution in the H ₂ generating chamber and the electrolyte solution in the O ₂ generating chamber may be subjected to conditions sufficient to produce an aqueous electrolyte solution containing H ₂ and an aqueous electrolyte solution containing O ₂ . The purge gas, at least a part of the generated H ₂ and at least a portion of the generated O ₂ can be dissolved in each of the aqueous electrolyte solutions. In certain cases, most or all of the H ₂ and / or O ₂ generated may be dissolved in the aqueous electrolyte solution. The aqueous electrolyte solution containing H ₂ and / or the aqueous electrolyte solution containing O ₂ can be subjected to conditions suitable for producing an aqueous electrolyte solution containing purge gas, a gaseous H ₂ stream and a gaseous O ₂ stream. In some embodiments, the aqueous electrolyte solution containing purge gas may be provided to the H ₂ generating chamber of the water splitting system, the O ₂ generating chamber of the water splitting system, or both. The aqueous electrolyte solution containing flushing gas can be free from H ₂ and O ₂ . In other cases, the aqueous electrolyte solution containing the flushing gas may contain H ₂ and O ₂ in an H ₂ / O ₂ molar ratio below the flammability limit. The purge gas can be any gas, preferably an inert gas, most preferably nitrogen N ₂ . The purge gas may be a contamination of H ₂ O ₂ in the electrolyte-containing aqueous stream of O ₂ reduce or limit contained in the aqueous H ₂ flow of electrolyte, or both. The water splitting conditions can include a pressure from 0.010 MPa to 2.1 MPa, a temperature from 5 ° C to 100 ° C, a pH from 0 to 14, or a combination thereof. Step (c) can include: compressing the H ₂ containing aqueous electrolyte solution stream to produce a gaseous H ₂ stream and the electrolyte solution and / or (i) collecting the H ₂ containing aqueous electrolyte solution stream in the H ₂ reservoir, the O ₂ containing one aqueous electrolyte solution stream in the O ₂ reservoir, or both; (ii) separating the gaseous H ₂ stream from the H ₂ containing aqueous electrolyte solution and gaseous O ₂ stream from the O ₂ containing aqueous electrolyte solution or both; (iii) forming an aqueous electrolyte solution comprising residual H ₂ , O _2, or both; and (iv) purging the aqueous electrolyte solution of step (iii) with the purge gas to form the purge gas-containing aqueous electrolyte solution. In some embodiments, the process includes providing a purge gas to the H ₂ generating chamber, the O ₂ generating chamber, or both, and / or providing the purged electrolyte solution to the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden 20 Ausführungsformen beschrieben. Ausführungsform 1 beschreibt ein Wasserspaltungssystem für die Produktion von Wasserstoff (H₂)-Gas und Sauerstoff (O₂)-Gas aus einer wässrigen Elektrolytlösung, wobei das System einen Reaktor umfasst, der Folgendes umfasst: eine H₂ erzeugende Kammer, die eine Kathode und mindestens einen erste Fluideinlass, der mit einer gespülte Elektrolytquelle, einer Spülgasquelle oder einer Kombination davon fluidisch gekoppelt ist, umfasst; und eine O₂ erzeugende Kammer, die eine Anode in elektrischer Kommunikation mit der Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass, der mit der gespülten Elektrolytquelle, der Spülgasquelle oder einer Kombination davon fluidisch gekoppelt ist, umfasst, wobei die H₂ und O₂ erzeugenden Kammern nicht durch ein für H₂- oder O₂-Gas durchlässiges Material getrennt sind. Ausführungsform 2 ist das Wasserspaltungssystem von Ausführungsform 1, wobei das für H₂- oder O₂-Gas durchlässige Material eine Membran, eine Ionenbrücke oder beides ist. Ausführungsform 3 ist das Wasserspaltungssystem nach einer der Ausführungsformen 1 bis 2, weiter umfassend ein H₂-Reservoir, das mit der H₂ erzeugenden Kammer, der gespülten Elektrolytquelle und einem H₂-Produktauslass fluidisch gekoppelt ist. Ausführungsform 4 ist das Wasserspaltungssystem von Ausführungsform 3, weiter umfassend ein H₂-Reinigungssystem, vorzugsweise eine H₂-durchlässige Membran, das mit dem H₂-Produktauslass fluidisch gekoppelt ist. Ausführungsform 5 ist das Wasserspaltungssystem nach einer der Ausführungsformen 1 bis 4, weiter umfassend ein O₂-Reservoir, das mit der O₂ erzeugenden Kammer, der gespülten Elektrolytquelle und einem O₂-Produktauslass fluidisch gekoppelt ist. Ausführungsform 6 ist das Wasserspaltungssystem von Ausführungsform 5, weiter umfassend ein O₂-Reinigungssystem, vorzugsweise eine O₂-durchlässige Membran, das mit dem O₂-Produktauslass fluidisch gekoppelt ist. Ausführungsform 7 ist das Wasserspaltungssystem nach einer der Ausführungsformen 1 bis 6, wobei die gespülte Elektrolytquelle mit der Spülgasquelle fluidisch gekoppelt ist. Ausführungsform 8 ist das Wasserspaltungssystem nach einer der Ausführungsformen 1 bis 7, wobei die ersten Fluideinlässe mit der gespülten Elektrolytquelle fluidisch gekoppelt sind und wobei die H₂ erzeugende Kammer weiter einen zweiten Einlass umfasst und/oder die O₂ erzeugende Kammer weiter einen zweiten Einlass umfasst, wobei jeder zweite Einlass mit der Spülgasquelle fluidisch gekoppelt ist. Ausführungsform 9 ist das Wasserspaltungssystem nach einer der Ausführungsformen 1 bis 8, wobei die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer durch mindestens eine an einem unteren Teil beider Kammern positionierte Öffnung fluidisch gekoppelt sind, wobei die mindestens eine Öffnung bemessen ist, um den Ionentransport zwischen jeder Kammer zu erlauben. Ausführungsform 10 ist das Wasserspaltungssystem nach einer der Ausführungsformen 1 bis 9, weiter umfassend eine an die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugenden Kammer gekoppelte Leitung, wobei die Leitung eine an die H₂ erzeugende Kammer gekoppelte erste Öffnung und eine an die O₂ erzeugende Kammer gekoppelte zweite Öffnung umfasst. Ausführungsform 11 ist das Wasserspaltungssystem nach einer der Ausführungsformen 1 bis 10, wobei die Anode und die Kathode in einem für H₂- und/oder O₂-Gas undurchlässigen Material vorliegen, das mindestens teilweise zwischen der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer positioniert ist. Ausführungsform 12 ist das Wasserspaltungssystem nach Ausführungsform 11, wobei die Anode einen Photoreduktionskatalysator in Fluidkommunikation mit einer gespülten Elektrolytlösung aus der gespülten Elektrolytquelle umfasst und die H₂ erzeugende Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle in Kommunikation steht. Ausführungsform 13 ist das Wasserspaltungssystem nach einer der Ausführungsformen 11 bis 12, wobei die Kathode einen Photooxidationskatalysator in Fluidkommunikation mit einer gespülten Elektrolytlösung aus der gespülten Elektrolytquelle umfasst und die O₂ erzeugende Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle in Kommunikation steht. Ausführungsform 14 ist das Wasserspaltungssystem nach einer der Ausführungsformen 11 bis 13, wobei die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer durch mindestens eine an einem unteren Teil beider Kammern positionierte Öffnung fluidisch gekoppelt sind und wobei die mindestens eine Öffnung in dem für H₂- und/oder O₂-Gas undurchlässigen Material vorliegt.Twenty embodiments will be described in connection with the present invention. Embodiment 1 describes a water splitting system for the production of hydrogen (H ₂ ) gas and oxygen (O ₂ ) gas from an aqueous electrolyte solution, the system comprising a reactor comprising: an H ₂ generating chamber having a cathode and at least one first fluid inlet which is fluidically coupled to a purged electrolyte source, a purge gas source, or a combination thereof; and an O ₂ generating chamber having an anode in electrical communication with the cathode and at least one first fluid inlet which is fluidically coupled to the purged electrolyte source, the purge gas source or a combination thereof, wherein the H ₂ and O ₂ generating chambers are not separated by a material permeable to H ₂ or O ₂ gas. Embodiment 2 is the water splitting system of Embodiment 1, wherein the H ₂ or O ₂ gas permeable material is a membrane, an ion bridge, or both. Embodiment 3 is the water splitting system according to one of embodiments 1 to 2, further comprising an H ₂ reservoir which is fluidically coupled to the H ₂ generating chamber, the flushed electrolyte source and an H ₂ product outlet. Embodiment 4 is the water splitting system of embodiment 3, further comprising an H ₂ purification system, preferably an H ₂ -permeable membrane, which is fluidically coupled to the H ₂ product outlet. Embodiment 5 is the water splitting system according to one of embodiments 1 to 4, further comprising an O ₂ reservoir which is fluidically coupled to the O ₂ generating chamber, the flushed electrolyte source and an O ₂ product outlet. Embodiment 6 is the water splitting system of embodiment 5, further comprising an O ₂ purification system, preferably an O ₂ -permeable membrane, which is fluidically coupled to the O ₂ product outlet. Embodiment 7 is the water splitting system according to one of the embodiments 1 to 6, wherein the flushed electrolyte source is fluidically coupled to the flushing gas source. Embodiment 8 is the water splitting system according to one of embodiments 1 to 7, wherein the first fluid inlets are fluidically coupled to the flushed electrolyte source and wherein the H ₂ generating chamber further comprises a second inlet and / or the O ₂ generating chamber further comprises a second inlet, wherein each second inlet is fluidically coupled to the purge gas source. Embodiment 9 is the water splitting system according to one of the embodiments 1 to 8, wherein the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber are fluidically coupled by at least one opening positioned at a lower part of both chambers, the at least one opening being dimensioned around the Allow ion transport between each chamber. Embodiment 10 is the water splitting system according to one of Embodiments 1 to 9, further comprising a conduit coupled to the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber, the conduit having a first opening coupled to the H ₂ generating chamber and a first opening coupled to the O ₂ generating chamber comprises coupled second opening. Embodiment 11 is the water splitting system according to one of embodiments 1 to 10, wherein the anode and the cathode are present in a material which is impermeable to H ₂ and / or O ₂ gas and which is at least partially between the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber Chamber is positioned. Embodiment 12 is the water splitting system of Embodiment 11, wherein the anode comprises a photoreduction catalyst in fluid communication with a purged electrolyte solution from the purged electrolyte source and the H ₂ generating chamber is in communication with an electromagnetic radiation source. Embodiment 13 is the water splitting system of any one of Embodiments 11-12, wherein the cathode comprises a photo-oxidation catalyst in fluid communication with a purged electrolyte solution from the purged electrolyte source and the O ₂ generating chamber is in communication with an electromagnetic radiation source. Embodiment 14 is the water splitting system according to one of embodiments 11 to 13, wherein the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber are fluidically coupled by at least one opening positioned at a lower part of both chambers and wherein the at least one opening is in the one for H ₂ - and / or O ₂ gas impermeable material is present.

Ausführungsform 15 ist das Wasserspaltungssystem für die Produktion von Wasserstoff (H₂)-Gas und Sauerstoff (O₂)-Gas aus einer wässrigen Elektrolytlösung, wobei das System einen Reaktor umfasst, der Folgendes umfasst: eine H₂ erzeugende Kammer, die eine Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass, der mit einer gespülten Elektrolytquelle, einer Spülgasquelle oder einer Kombination davon fluidisch gekoppelt ist, umfasst; und eine O₂ erzeugende Kammer, die mit der H₂ erzeugenden Kammer fluidisch gekoppelt ist, wobei die O₂ erzeugende Kammer eine Anode in elektrischer Kommunikation mit der Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass, der mit der gespülten Elektrolytquelle, der Spülgasquelle oder einer Kombination davon fluidisch gekoppelt ist, umfasst, wobei die H₂ und O₂ erzeugenden Kammern nicht durch ein für H₂- oder O₂-Gas durchlässiges Material getrennt sind.Embodiment 15 is the water splitting system for the production of hydrogen (H ₂ ) gas and oxygen (O ₂ ) gas from an aqueous electrolyte solution, the system comprising a reactor comprising: an H ₂ generating chamber having a cathode and a at least one first fluid inlet which is fluidically coupled to a purged electrolyte source, a purge gas source, or a combination thereof; and an O ₂ generating chamber fluidly coupled to the H ₂ generating chamber, the O ₂ generating chamber having an anode in electrical communication with the cathode and at least one first fluid inlet connected to the purged electrolyte source, the purge gas source, or a combination thereof is fluidically coupled, wherein the H ₂ and O ₂ generating chambers are not separated by a material permeable to H ₂ or O ₂ gas.

Ausführungsform 16 ist ein Wasserspaltungsprozess für die Produktion von Wasserstoff (H₂)-Gas und Sauerstoff (O₂), wobei der Prozess Folgendes umfasst: (a) Bereitstellen einer Elektrolytlösung an jede der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer des Wasserspaltungssystems nach einer der Ausführungsformen 1 bis 15, wobei die Elektrolytlösung Wasser, ein Spülgas und einen Elektrolyten umfasst; (b) Unterziehen der Elektrolytlösung in der H₂ erzeugenden Kammer und der Elektrolytlösung in der O₂ erzeugenden Kammer unter Bedingungen, die ausreichend sind, um eine H₂ enthaltende Elektrolytlösung in der H₂ erzeugenden Kammer und eine O₂ enthaltende Elektrolytlösung in der O₂ erzeugenden Kammer zu produzieren, wobei mindestens ein Teil des erzeugten H₂ in der H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung und mindestens ein Teil des erzeugten O₂ in der O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung gelöst sind; und (c) Unterziehen der H₂ enthaltenden Elektrolytlösung und/oder der O₂ enthaltenden Elektrolytlösung unter Bedingungen, die geeignet sind, um eine Spülgas enthaltende Elektrolytlösung, einen gasförmigen H₂-Strom, einen gasförmigen O₂-Strom oder Kombinationen davon zu produzieren. Ausführungsform 17 ist der Prozess von Ausführungsform 16, weiter umfassend das Bereitstellen der Spülgas enthaltenden Elektrolytlösung an die H₂ erzeugende Kammer des Wasserspaltungssystems, die O₂ erzeugende Kammer des Wasserspaltungssystems oder beide, wobei die Spülgas enthaltende Elektrolytlösung H₂ und O₂ in einem H₂/O₂-Molverhältnis unterhalb der Explosionsgrenze umfasst. Ausführungsform 18 ist der Prozess nach einer der Ausführungsformen 16 bis 17, wobei das Spülgas ein beliebiges Gas, vorzugsweise ein Inertgas, am bevorzugtesten Stickstoff N₂, umfasst und wobei das Spülgas mindestens teilweise oder vollständig in der wässrigen Elektrolytlösung gelöst ist. Ausführungsform 19 ist der Prozess nach einer der Ausführungsformen 16 bis 18, wobei die Wasserspaltungsbedingungen einen Druck von 0,010 MPa bis 2,1 MPa, eine Temperatur von 5 °C bis 100 °C, einen pH-Wert von 0 bis 14 oder eine Kombination davon umfassen. Ausführungsform 20 ist der Prozess nach einer der Ausführungsformen 16 bis 19, wobei das Spülgas eine Kontaminierung von H₂ in dem O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytstrom, von O₂ in dem H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytstrom oder beides reduziert. Ausführungsform 21 ist der Prozess nach einer der Ausführungsformen 16 bis 20, wobei Schritt (c) das Komprimieren des H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstroms umfasst, um einen gasförmigen H₂-Strom und die das Spülgas umfassende Elektrolytlösung zu produzieren. Ausführungsform 22 ist der Prozess nach einer der Ausführungsformen 16 bis 21, wobei Schritt (c) Folgendes umfasst: (i) Sammeln des H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstroms in dem H₂-Reservoir, des O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstroms in dem O₂-Reservoir oder beides; (ii) Trennen des gasförmigen H₂-Stroms von der H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung und des gasförmigen O₂-Stroms von der O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung oder beides; (iii) Bilden einer restliches H₂, O₂ oder beides umfassenden wässrigen Elektrolytlösung; und (iv) Spülen der wässrigen Elektrolytlösung von Schritt (iii) mit dem Spülgas, um die Spülgas enthaltende wässrige Elektrolytlösung zu bilden. Ausführungsform 23 ist der Prozess nach einer der Ausführungsformen 16 bis 22, weiter umfassend: Bereitstellen eines Spülgases an die H₂ erzeugende Kammer, die O₂ erzeugende Kammer oder beide; und Bereitstellen der gespülten Elektrolytlösung an die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer. Ausführungsform 24 ist der Prozess nach einer der Ausführungsformen 16 bis 23, wobei Schritt (b) weiter das Strömenlassen eines Teils der Elektrolytlösung zwischen der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer durch mindestens eine der Öffnungen der Ausführungsformen 10, 11 oder 15 umfasst.Embodiment 16 is a water splitting process for the production of hydrogen (H ₂ ) gas and oxygen (O ₂ ), the process comprising: (a) providing an electrolyte solution to each of the H ₂ generating chambers and the O ₂ generating chamber of the water splitting system according to one of the embodiments 1 to 15, wherein the electrolyte solution comprises water, a flushing gas and an electrolyte; (b) Subjecting the electrolyte solution in the H ₂ generating chamber and the electrolyte solution in the O ₂ generating chamber under conditions sufficient to generate an H ₂ -containing electrolyte solution in the H ₂ generating chamber and an O ₂ -containing electrolyte solution in the O ₂ producing chamber, wherein at least part of the produced H _{2 is dissolved} in the H ₂ -containing aqueous electrolyte solution and at least part of the produced O _{2 is dissolved} in the O ₂ -containing aqueous electrolyte solution; and (c) subjecting the H ₂ -containing electrolyte solution and / or the O ₂ -containing electrolyte solution under conditions suitable to generate an electrolyte solution containing purge gas, a gaseous H ₂ stream, a to produce gaseous O ₂ stream or combinations thereof. Embodiment 17 is the process of embodiment 16, further comprising providing the electrolyte solution containing purge gas to the H ₂ generating chamber of the water splitting system, the O ₂ generating chamber of the water splitting system, or both, wherein the electrolyte solution containing purge gas is H ₂ and O ₂ in an H ₂ / O ₂ molar ratio below the explosion limit. Embodiment 18 is the process according to one of embodiments 16 to 17, wherein the flushing gas comprises any gas, preferably an inert gas, most preferably nitrogen N ₂ , and wherein the flushing gas is at least partially or completely dissolved in the aqueous electrolyte solution. Embodiment 19 is the process according to any one of Embodiments 16 to 18, wherein the water splitting conditions are a pressure of 0.010 MPa to 2.1 MPa, a temperature of 5 ° C to 100 ° C, a pH of 0 to 14, or a combination thereof include. Embodiment 20 is the process of any one of Embodiments 16-19, wherein the purge gas reduces contamination of H ₂ in the aqueous electrolyte stream containing O ₂ , of O ₂ in the aqueous electrolyte stream containing H ₂ , or both. Embodiment 21 is the process of any one of Embodiments 16 to 20, wherein step (c) comprises compressing the H ₂ containing aqueous electrolyte solution stream to produce a gaseous H ₂ stream and the electrolyte solution comprising the purge gas. Embodiment 22 is the process of any one of Embodiments 16 to 21, wherein step (c) comprises: (i) collecting the H ₂ containing aqueous electrolyte solution stream in the H ₂ reservoir, the O ₂ containing aqueous electrolyte solution stream in the O ₂ reservoir or both; (ii) separating the gaseous H ₂ stream from the H ₂ containing aqueous electrolyte solution and gaseous O ₂ stream from the O ₂ containing aqueous electrolyte solution or both; (iii) forming an aqueous electrolyte solution comprising residual H ₂ , O _2, or both; and (iv) purging the aqueous electrolyte solution of step (iii) with the purge gas to form the purge gas-containing aqueous electrolyte solution. Embodiment 23 is the process of any one of Embodiments 16-22, further comprising: providing a purge gas to the H ₂ generating chamber, the O ₂ generating chamber, or both; and providing the purged electrolyte solution to the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber. Embodiment 24 is the process of any one of Embodiments 16-23, wherein step (b) further comprises flowing a portion of the electrolyte solution between the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber through at least one of the openings of Embodiments 10, 11 or 15 .

Das Folgende beinhaltet Definitionen verschiedener in dieser Patentschrift verwendeter Begriffe und Ausdrücke.The following includes definitions of various terms and expressions used in this specification.

Der Ausdruck „elektromagnetische Strahlung“ bezieht sich auf alle Wellenlängen von Licht, sofern nicht anders angegeben. Ein nichtbeschränkendes Beispiel für Wellenlängen von Licht beinhaltet Radiowelle, Mikrowelle, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung oder eine beliebige Kombination davon. In einigen bevorzugten Fällen kann die elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht oder ultraviolettes Licht oder eine Kombination der zwei beinhalten.The term "electromagnetic radiation" refers to all wavelengths of light unless otherwise specified. A non-limiting example of wavelengths of light includes radio wave, microwave, infrared, visible light, ultraviolet, x-rays, and gamma rays, or any combination thereof. In some preferred cases, the electromagnetic radiation can include visible light or ultraviolet light, or a combination of the two.

De Begriff „gekoppelt“ ist als verbunden, wenn auch nicht notwendigerweise direkt und nicht notwendigerweise mechanisch, definiert; zwei Glieder, die „gekoppelt“ sind, können miteinander unitär sein.The term “coupled” is defined as connected, although not necessarily direct and not necessarily mechanical; two members that are "coupled" can be unitary with each other.

Die Begriffe „etwa“ und „ungefähr“ sind als nah zu dem nachfolgenden Wert, Begriff oder Ausdruck, wie ihn der Fachmann versteht, definiert. In einer nichtbeschränkenden Ausführungsform sind die Begriffe als innerhalb von 10 %, vorzugsweise innerhalb von 5 %, noch bevorzugter innerhalb von 1 % und am bevorzugtesten innerhalb von 0,5 % liegend definiert.The terms “about” and “approximately” are defined as being close to the following value, term or expression as understood by those skilled in the art. In one non-limiting embodiment, the terms are defined as being within 10%, preferably within 5%, more preferably within 1%, and most preferably within 0.5%.

Die Begriffe „Gew.-%“, „Vol.-%“ oder „Mol-%“ beziehen sich auf einen Gewichts-, Volumen- bzw. Molprozentsatz einer Komponente, bezogen auf das Gesamtgewicht, das Gesamtvolumen an Material, die Gesamtmole, das die Komponente beinhaltet. In einem nichtbeschränkenden Beispiel sind 10 Gramm der Komponente in 100 Gramm des Materials 10 Gew.-% der Komponente.The terms “weight%”, “volume%” or “mol%” relate to a weight, volume or mole percentage of a component, based on the total weight, the total volume of material, the total moles, the the component includes. As a non-limiting example, 10 grams of the component in 100 grams of the material is 10 percent by weight of the component.

Der Begriff „im Wesentlichen“ und seine Variationen beinhalten definitionsgemäß Bereiche innerhalb von 10 %, innerhalb von 5 %, innerhalb von 1 % oder innerhalb von 0,5 %.By definition, the term “substantially” and its variations include ranges within 10%, within 5%, within 1% or within 0.5%.

Die Begriffe „unterbindend“ oder „reduzierend“ oder „verhindernd“ oder „vermeidend“ oder eine beliebige Variation dieser Begriffe beinhalten bei Verwendung in den Ansprüchen und/oder der Beschreibung eine beliebige messbare Abnahme oder vollständige Unterbindung, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen.The terms “preventing” or “reducing” or “preventing” or “avoiding” or any variation of these terms, when used in the claims and / or the description, include any measurable decrease or complete elimination to achieve a desired result.

Der Begriff „wirksam“, wie er in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen verwendet wird, bedeutet, dass ein gewünschtes, erwartetes oder vorgesehenes Ergebnis erreicht wird.The term “effective” as used in the description and / or claims means that a desired, expected or intended result is achieved.

Die Verwendung der Wörter „ein“ oder „eine“ bei Verwendung in Verbindung mit einem beliebigen der Begriffe „umfassend“, „beinhaltend“, „enthaltend“ oder „aufweisend“ in den Ansprüchen oder der Beschreibung kann „1“ bedeuten, ist aber auch mit der Bedeutung von „ein(e) oder mehrere“, „mindestens ein/eine“ und „ein(e) oder mehr als ein(e)“ vereinbar.The use of the words “a” or “an” when used in conjunction with any of the terms “comprising,” “including,” “including,” or “having” in the claims or description may or may not mean “1” Consistent with the meaning of “one or more”, “at least one” and “one or more than one”.

Die Wörter „umfassend“ (und eine beliebige Form von „umfassend“, beispielsweise „umfassen“ oder „umfasst“), „aufweisend“ (und eine beliebige Form von „aufweisend“, beispielsweise „aufweisen“ und „aufweist“), „beinhaltend“ (und eine beliebige Form von „beinhaltend“, beispielsweise „beinhaltet“ oder beinhalten“) oder „enthaltend“ (und eine beliebige Form von „enthaltend“, beispielsweise „enthält“ und „enthalten“) sind einschließend oder offen und schließen zusätzliche, nicht angeführte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.The words “comprising” (and any form of “comprising”, such as “comprising” or “comprising”), “having” (and any form of “having” such as “having” and “having”), “including "(And any form of" including ", for example" includes "or contain") or "containing" (and any form of "containing", for example "contains" and "contain") are inclusive or open and include additional, elements or procedural steps that are not listed are excluded.

Die erfindungsgemäßen photoelektrochemischen Systeme können in der gesamten Beschreibung offenbarte spezielle Bestandteile, Komponenten, Zusammensetzungen usw. „umfassen“, „im Wesentlichen daraus bestehen“ oder „daraus bestehen“. In Bezug auf den Überleitungsausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ ist ein grundlegendes und neuartiges Charakteristikum der erfindungsgemäßen photoelektrochemischen Wasserspaltungssysteme in einem nichtbeschränkenden Aspekt ihre Fähigkeiten, kontinuierlich hochreinen H₂ und O₂ zu produzieren. In bestimmten Fällen können die H₂ und O₂ erzeugenden Kammern getrennte Kammern sein, sind aber nicht durch H₂- und O₂-durchlässige Membranen und/oder eine Ionenbrücke getrennt.The photoelectrochemical systems of the present invention may “comprise,” “consist essentially of,” or “consist of” specific ingredients, components, compositions, etc. disclosed throughout the specification. With respect to the transition term "consisting essentially of", a fundamental and novel characteristic of the photoelectrochemical water splitting systems of the present invention in one non-limiting aspect is their ability to continuously produce high purity H ₂ and O ₂ . In certain cases, the H ₂ and O ₂ generating chambers can be separate chambers, but are not separated by H ₂ and O ₂ permeable membranes and / or an ion bridge.

Andere Aufgaben, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus den folgenden FIGUREN, der detaillierten Beschreibung und den Beispielen hervor. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die FIGUREN, die detaillierte Beschreibung und die Beispiele zwar auf spezifische Ausführungsformen der Erfindung hinweisen, aber nur zur Veranschaulichung angegeben sind und nicht als beschränkend gelten. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass Änderungen und Modifikationen innerhalb des Geistes und Umfangs der Erfindung für den Fachmann aus dieser detaillierten Beschreibung hervorgehen. In weiteren Ausführungsformen können Merkmale aus spezifischen Ausführungsformen mit Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden. Zum Beispiel können Merkmale aus einer Ausführungsform mit Merkmalen aus einer beliebigen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden. In weiteren Ausführungsformen können den hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen zusätzliche Merkmale hinzugefügt werden.Other objects, objects and advantages of the present invention will be apparent from the following FIGURES, detailed description and examples. It should be understood, however, that the FIGURES, detailed description, and examples, while indicating specific embodiments of the invention, are presented for purposes of illustration and are not intended to be limiting. Furthermore, it is intended that changes and modifications within the spirit and scope of the invention will become apparent to those skilled in the art from this detailed description. In further embodiments, features from specific embodiments can be combined with features from other embodiments. For example, features from one embodiment can be combined with features from any of the other embodiments. In further embodiments, additional features can be added to the specific embodiments described herein.

FigurenlisteFigure list

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können dem Fachmann mit dem Nutzen der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen deutlich werden.

1 bildet ein Schaubild des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems ab.
2 bildet ein Schaubild des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems mit einem H₂-Rervoir und einem O₂-Reservoir ab.
3A bildet ein Schaubild des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems von 1 mit einer Öffnung zwischen der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer ab.
3B bildet ein Schaubild des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems von 2 mit einer Öffnung zwischen der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer ab.
4A bildet ein Schaubild des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems mit einer H₂ erzeugenden Kammer und einer O₂ erzeugenden Kammer und einem zwischen den Kammern positionierten, für H₂- und O₂-Gas undurchlässigen Material ab.
4B bildet ein Schaubild des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems von 4A mit einer Öffnung in dem für H₂- und O₂-Gas undurchlässigen Material ab.
Die 5A bis 5D bilden eine (5A) Vorderansicht eines Wasserspaltungsstapelreaktors, eine (5B) Rückansicht des Wasserspaltungsstapelreaktors, ein (5C) gasundurchlässiges Material mit Anodenmaterial und ein (5D) gasundurchlässiges Material mit Kathodenmaterial ab.
Die 6A bis 6D bilden eine (5A) Vorderansicht eines Wasserspaltungsstapelreaktors mit einem Spülgaseinlass, einem Elektrolytquelleneinlass und einem Gasauslass, eine (6B) Rückansicht des Wasserspaltungsstapelreaktors, ein (6C) gasundurchlässiges Material mit Anodenmaterial, ein (6D) gasundurchlässiges Material mit Kathodenmaterial ab.
7 bildet ein Schaubild einer monolithisch integrierten Photokatalysator-Katalysatorkonfiguration des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems ab.
Die 8A und 8B bilden Schaubilder von Photokatalysator-Katalysatorkonfigurationen des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems ab.
Die 9A und 9B sind graphische Darstellungen der Zugabe von H₂ ( 9A) und O₂ (9B) zu einem H₂-Reservoir und einem O₂-Reservoir des erfindungsgemäßen Systems.
Die 10A und 10B sind graphische Darstellungen von Molen von H₂ und O₂ nach separater Injektion von beidem in ein H₂-Reservoir und ein O₂-Reservoir des erfindungsgemäßen Systems als eine Funktion der Zeit.

The advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art with the benefit of the following detailed description and reference to the accompanying drawings.

1 forms a diagram of the water splitting system of the invention.
2 forms a diagram of the water splitting system according to the invention with an H ₂ reservoir and an O ₂ reservoir.
3A forms a diagram of the inventive water splitting system of FIG 1 with an opening between the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber.
3B FIG. 11 is a diagram of the inventive water splitting system of FIG 2 with an opening between the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber.
4A shows a diagram of the water splitting system according to the invention with an H ₂ generating chamber and an O ₂ generating chamber and a material which is impermeable to H ₂ and O ₂ gas and is positioned between the chambers.
4B FIG. 11 is a diagram of the inventive water splitting system of FIG 4A with an opening in the material which is impermeable to H ₂ and O ₂ gas.
The 5A to 5D Figure 5A depicts a (5A) front view of a water splitting stack reactor, a (5B) rear view of the water splitting stack reactor, a (5C) gas impermeable material with anode material, and a (5D) gas impermeable material with cathode material.
The 6A to 6D depict a (5A) front view of a water splitting stack reactor with a purge gas inlet, an electrolyte source inlet and a gas outlet, a (6B) rear view of the water splitting stack reactor, a (6C) gas impermeable material with anode material, a (6D) gas impermeable material with cathode material.
7th Figure 12 depicts a diagram of a monolithically integrated photocatalyst-catalyst configuration of the water splitting system of the invention.
The 8A and 8B Figure 12 depicts diagrams of photocatalyst-catalyst configurations of the water splitting system of the present invention.
The 9A and 9B are graphic representations of the addition of H ₂ ( 9A) and O ₂ ( 9B) to an H ₂ reservoir and an O ₂ reservoir of the system according to the invention.
The 10A and 10B are graphs of moles of H ₂ and O ₂ after separate injection of both into an H ₂ reservoir and an O ₂ reservoir of the system of the invention as a function of time.

Während die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen empfänglich ist, sind in den Zeichnungen beispielhaft spezifische Ausführungsformen davon dargestellt. Die Zeichnungen sind möglicherweise nicht maßstabsgetreu.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings. The drawings may not be to scale.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Es wurde eine Entdeckung gemacht, die eine Lösung für die Ineffizienz von Wasserspaltungssystemen (z. B. PEC-Systemen und/oder Elektrolysesystemen) bereitstellt. Die Entdeckung setzt einen Reaktor voraus, der keine Verwendung eines für H₂-und/oder O₂-Gas durchlässigen Materials, beispielsweise einer Membran oder einer Ionenbrücke, erfordert. Anstelle einer solchen Membran kann ein erfindungsgemäßer Reaktor eine gespülte Elektrolytlösung an eine Wasserstoff erzeugende Kammer und eine Sauerstoff erzeugende Kammer bereitstellen, mit einer minimalen Menge an H₂- oder O₂-Kreuzkontaminierung in den jeweiligen Kammern.A discovery has been made that provides a solution to the inefficiency of water splitting systems (e.g. PEC systems and / or electrolysis systems). The discovery presupposes a reactor which does not require the use of a material permeable to H ₂ and / or O ₂ gas, for example a membrane or an ion bridge. In place of such a membrane, a reactor according to the invention can provide a purged electrolyte solution to a hydrogen generating chamber and an oxygen generating chamber with a minimal amount of H ₂ or O ₂ cross-contamination in the respective chambers.

Diese und andere nichtbeschränkende Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in den folgenden Abschnitten unter Bezugnahme auf die FIGUREN näher diskutiert. Die in den 1 bis 6 beschriebenen Systeme und Verfahren können auch verschiedene Vorrichtungen beinhalten, die nicht dargestellt sind und dem Fachmann auf dem Gebiet der chemischen Verarbeitung bekannt sind. Einige Steuerungen, Rohrleitungen, Computer, Ventile, Pumpen, Heizeinrichtungen, Thermoelemente, Druckanzeigen sind zum Beispiel möglicherweise nicht dargestellt.These and other non-limiting aspects of the present invention are discussed further in the following sections with reference to the FIGURES. The ones in the 1 to 6th The systems and methods described may also include various devices that are not shown and known to those skilled in the chemical processing arts. For example, some controls, plumbing, computers, valves, pumps, heaters, thermocouples, pressure gauges may not be shown.

WasserspaltungssystemeWater splitting systems

1 zeigt ein Schaubild des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems 100. Der Wasserspaltungsreaktor 102 kann eine H₂ erzeugende Kammer 106 und eine O₂ erzeugende Kammer 108 beinhalten. In einigen Ausführungsformen können die Kammern elektromagnetische Strahlung empfangen. In bevorzugten Fällen kann die elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht (z. B. Sonnenlicht oder künstlich produziertes sichtbares Licht) oder ultraviolette Strahlung oder eine Kombination der zwei sein. Der Reaktor 102, die H₂ erzeugende Kammer 106 und die O₂ erzeugende Kammer 108 können beispielsweise einen oder mehrere Teile oder Seiten beinhalten, die für Licht, entweder Sonnenlicht oder künstliches Licht, durchlässig sind. Nichtbeschränkende Beispiele für lichtdurchlässige Materialien beinhalten Glas, Quarz, organische Polymere, Polymere auf Siliziumdioxidbasis und dergleichen. Alternativ kann die Kammer 106 oder 108 lichtundurchlässig sein und es kann eine Lichtquelle innerhalb der Kammern platziert sein, befestigt an den Wänden der Kammern, und/oder in die Wände der Kammer eingebaut sein (nicht dargestellt). Der Reaktor 102 kann ein Gehäuse 110 (mit gestrichelten Linien dargestellt) beinhalten, das die H₂ erzeugende Kammer 106 und die O₂ erzeugende Kammer 108 beherbergt. Das Gehäuse und die Kammern können Abstandhalter und Verbindungsstücke, die geeignet sind, um die Kammern in dem Gehäuse zu positionieren, beinhalten (siehe zum Beispiel 4A-4D). In einigen Ausführungsformen kann ein Teil oder die Gesamtheit des Gehäuses 110 lichtdurchlässig sein. In einigen Ausführungsformen sind die Kammern in einer parallelen Konfiguration in dem Gehäuse ausgerichtet, sodass elektromagnetische Strahlung das Gehäuse, eine Kammer und die angrenzende Kammer passiert. In einigen Ausführungsformen ist ein Gehäuse nicht notwendig und/oder Seiten des Gehäuses formen die Seiten der Kammern. Wie dargestellt, weisen die H₂ erzeugende Kammer 106 und die O₂ erzeugende Kammer 108 vier separate Seiten auf. Die H₂ erzeugende Kammer 106 und die O₂ erzeugende Kammer 108 können jedoch eine gemeinsame Wand aufweisen, die für H₂- und O₂-Gase undurchlässig ist. In einigen Ausführungsformen können der gesamte Reaktor 102 oder Teile davon, das Gehäuse 110, die H₂ erzeugende Kammer 106 und die O₂ erzeugende Kammer 108 aus einem Polymermaterial (z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA)) gefertigt sein. Die H₂ erzeugende Kammer 106 kann eine Kathode 112 beinhalten, die H⁺-Ionen in der Elektrolytlösung 114 reduzieren kann. In einigen Ausführungsformen ist die Kathode 112 ein Photokatalysator, der elektromagnetische Strahlung aufnehmen und die Erzeugung von H₂ aus Wasser und der Elektrolytlösung 114 katalysieren kann. Die H₂ erzeugende Kammer 106 kann einen H₂-Auslass 116 und einen Elektrolytlösungsauslass 118 beinhalten. Der H₂-Auslass 116 kann erlauben, dass erzeugter H₂ aus der H₂ erzeugenden Kammer entfernt wird, und mit Reinigungssystemen und/oder Sammelsystemen (nicht dargestellt) in Fluidkommunikation stehen. Der Elektrolytlösungsauslass 118 kann über eine Rohrleitung 120 mit der Elektrolytquelle 104 in Fluidkommunikation stehen, um zu erlauben, dass die H₂ enthaltende Elektrolytlösung aus der H₂ erzeugenden Kammer 106 entfernt und der Elektrolytquelle 104 bereitgestellt wird. 1 Figure 12 shows a diagram of the water splitting system of the invention 100 . The water splitting reactor 102 can be an H ₂ generating chamber 106 and an O ₂ generating chamber 108 include. In some embodiments, the chambers can receive electromagnetic radiation. In preferred cases, the electromagnetic radiation can be visible light (e.g. sunlight or man-made visible light) or ultraviolet radiation, or a combination of the two. The reactor 102 , the H ₂ generating chamber 106 and the O ₂ generating chamber 108 for example, may include one or more parts or sides that are transparent to light, either sunlight or artificial light. Non-limiting examples of light transmissive materials include glass, quartz, organic polymers, silica-based polymers, and the like. Alternatively, the Chamber 106 or 108 be opaque and a light source can be placed within the chambers, attached to the walls of the chambers, and / or built into the walls of the chamber (not shown). The reactor 102 can be a housing 110 (shown with dashed lines) contain the H ₂ generating chamber 106 and the O ₂ generating chamber 108 houses. The housing and chambers may include spacers and connectors suitable for positioning the chambers in the housing (see for example 4A-4D ). In some embodiments, some or all of the housing 110 be translucent. In some embodiments, the chambers are aligned in a parallel configuration in the housing so that electromagnetic radiation passes through the housing, one chamber, and the adjacent chamber. In some embodiments, a housing is not necessary and / or sides of the housing form the sides of the chambers. As shown, have the H ₂ generating chamber 106 and the O ₂ generating chamber 108 four separate pages. The H ₂ generating chamber 106 and the O ₂ generating chamber 108 can, however, have a common wall which is impermeable to H ₂ and O ₂ gases. In some embodiments, the entire reactor 102 or parts of it, the housing 110 , the H ₂ generating chamber 106 and the O ₂ generating chamber 108 be made of a polymer material (e.g. polymethyl methacrylate (PMMA)). The H ₂ generating chamber 106 can be a cathode 112 contain the H ⁺ ions in the electrolyte solution 114 can reduce. In some embodiments, the cathode is 112 a photocatalyst that can absorb electromagnetic radiation and generate H ₂ from water and the electrolyte solution 114 can catalyze. The H ₂ generating chamber 106 can have an H ₂ outlet 116 and an electrolyte solution outlet 118 include. The H ₂ outlet 116 may allow generated H ₂ H ₂ is removed from the forming chamber, and (not shown) with cleaning systems and / or collection systems in fluid communication stand. The electrolyte solution outlet 118 can be through a pipeline 120 with the electrolyte source 104 are in fluid communication to allow the H ₂ containing electrolyte solution to exit the H ₂ generating chamber 106 removed and the electrolyte source 104 provided.

Die O₂ erzeugende Kammer 108 kann eine Anode 124 beinhalten, die OH^- in der Elektrolytlösung 114 zu O₂ oxidiert. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Anode 124 einen Photokatalysator, der die Erzeugung von O₂ aus Wasser und der Elektrolytlösung 114 katalysieren kann. Die Anode 124 und die Kathode 112 können durch den Schaltkreis 126 elektrisch gekoppelt sein. Der Schaltkreis 126 kann ein Draht (z. B. Kupferdraht) sein, der die zwei Elektroden verbindet. In einigen Ausführungsformen kann der Schaltkreis 126 eine Stromquelle beinhalten, um ein oder mehrere Elektroden mit Strom zu versorgen. Es ist davon auszugehen, dass ein Fachmann die Kathode und die Anode, wie abhängig von der gewählten Elektrode oder dem gewählten Katalysator erforderlich, elektrisch verbinden kann. Die O₂ erzeugenden Kammer 108 kann einen O₂-Auslass 128 und einen Elektrolytlösungsauslass 130 beinhalten. Der O₂-Auslass 128 kann erlauben, dass erzeugtes O₂ aus der O₂ erzeugenden Kammer entfernt wird, und steht mit Reinigungssystemen und/oder Sammelsystemen (nicht dargestellt) in Fluidkommunikation. Der Elektrolytlösungsauslass 130 kann über die Rohrleitung 132 mit der Elektrolytquelle 104 in Fluidkommunikation stehen, um zu erlauben, dass die O₂ enthaltende Elektrolytlösung aus der O₂ erzeugenden Kammer 108 entfernt und der Elektrolytquelle 104 bereitgestellt wird.The O ₂ generating chamber 108 can be an anode 124 contain the OH ^- in the electrolyte solution 114 oxidized to O ₂ . In some embodiments, the anode includes 124 a photocatalyst that enables the generation of O ₂ from water and the electrolyte solution 114 can catalyze. The anode 124 and the cathode 112 can through the circuit 126 be electrically coupled. The circuit 126 may be a wire (e.g. copper wire) connecting the two electrodes. In some embodiments, the circuit 126 include a power source to provide power to one or more electrodes. It is believed that one skilled in the art can electrically connect the cathode and anode as required depending on the electrode or catalyst chosen. The O ₂ generating chamber 108 can have an O ₂ outlet 128 and an electrolyte solution outlet 130 include. The O ₂ outlet 128 may allow generated O _{2 to be} removed from the O ₂ generating chamber and be in fluid communication with purification systems and / or collection systems (not shown). The electrolyte solution outlet 130 can through the pipeline 132 with the electrolyte source 104 are in fluid communication to allow the O ₂ containing electrolyte solution to exit the O ₂ generating chamber 108 removed and the electrolyte source 104 provided.

Die Elektrolytquelle 104 kann einen Elektrolytlösungseinlass 134, einen Auslass für Spülgas (z. B. N₂, Argon, Inertgas oder andere Gase) 136 und einen Elektrolytlösungsauslass 138 beinhalten. Der Elektrolytlösungseinlass 134 kann mit der Rohrleitung 120 und/oder anderen Rohrleitungen, die erlauben, dass Gas (z. B. H₂ und/oder O₂) enthaltende Elektrolytlösungen und/oder frische Elektrolytlösung in die Elektrolytquelle 104 eintreten, in Fluidkommunikation stehen. Der Spülgaseinlass 136 kann mit einem Durchperlungssystem (nicht dargestellt) in Fluidkommunikation stehen, das eine ausreichende Menge an Spülgas zuführen kann, um gelöste reaktive Gase (z. B. H₂ und/oder O₂) im Wesentlichen oder vollständig zu entfernen (entgasen), wodurch eine entgaste Elektrolytlösung 140 gebildet wird. In bestimmten Fällen kann das Spülgas ein beliebiges Gas sein, das nicht mit den Wasserspaltungsmaterialien oder -reagenzien (z. B. Kathodenmaterial, Anodenmaterial, Zwischenreaktanten, Produkten oder Wasser) reagiert. Nichtbeschränkende Beispiele für Spülgas beinhalten Stickstoff (N₂), Helium (H₂), Argon (Ar), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenwasserstoffgase (z. B. Methan, Ethan, Propan und Butan). In einer bevorzugten Ausführungsform wird N₂ als Spülgas verwendet. Das System 100 kann eine Fluid-Bewegungsvorrichtung 146 (z. B. eine Pumpe) beinhalten. Die entgaste Elektrolytlösung 140 kann unter Verwendung der Fluid-Bewegungsvorrichtung 146 über den Auslass für entgaste Elektrolytlösung 138 und die Rohrleitung 148, 150 und 152 zu dem Elektrolyteinlass 142 der H₂ erzeugenden Kammer, dem Einlass 144 der O₂ erzeugenden Kammer bewegt werden. Die Rohrleitung 148, 150 und 152 kann die H₂ erzeugende Kammer mit der O₂ erzeugenden Kammer fluidisch koppeln. In einigen Ausführungsformen ist der Druck des Spülgases, das in den Einlass 136 eintritt, ausreichend, um die Elektrolytlösung zu den verschiedenen Kammern zu bewegen. Das Entfernen des H₂ und O₂ aus der Elektrolytlösung kann eine Kreuzkontaminierung von H₂ in der O₂ erzeugenden Kammer und/oder von O₂ in der H₂ erzeugenden Kammer minimieren oder unterbinden. Eine solche Kreuzkontaminierung kann die Bildung von Wassermolekülen aus Reaktionen von H⁺ und/oder OH^- mit dem erzeugten O₂ bzw. H₂ bewirken. Die reaktive Gasmischung kann über einen Auslass für reaktives Gas 154 aus der Elektrolytquelle entfernt werden. Die reaktive Gasmischung kann eine Mischung von H₂, O₂ und Spülgas sein und ein Molverhältnis von H₂ zu O₂ unterhalb der Entflammbarkeitsgrenze aufweisen. Der Auslass für reaktives Gas 154 kann mit einer Sammeleinheit, einer Reinigungseinheit, einer Transportleitung oder dergleichen in Fluidkommunikation stehen. In einigen Ausführungsformen ist das System 100 ein Elektrolysesystem oder ein photoelektrochemisches System.The electrolyte source 104 can have an electrolyte solution inlet 134 , an outlet for purge gas (e.g. N ₂ , argon, inert gas or other gases) 136 and an electrolyte solution outlet 138 include. The electrolyte solution inlet 134 can with the pipeline 120 and / or other pipelines that allow gas (e.g. H ₂ and / or O ₂ ) containing electrolyte solutions and / or fresh electrolyte solution into the electrolyte source 104 enter, be in fluid communication. The purge gas inlet 136 may be in fluid communication with a bubbling system (not shown) that can supply a sufficient amount of purge gas to substantially or completely remove (degas) dissolved reactive gases (e.g., H ₂ and / or O ₂ ), thereby creating a degassed electrolyte solution 140 is formed. In certain cases, the purge gas can be any gas that does not react with the water splitting materials or reagents (e.g., cathode material, anode material, intermediate reactants, products, or water). Non-limiting examples of purge gas include nitrogen (N ₂ ), helium (H ₂ ), argon (Ar), carbon dioxide (CO ₂ ), hydrocarbon gases (e.g., methane, ethane, propane, and butane). In a preferred embodiment, N _{2 is used} as the purge gas. The system 100 can be a fluid moving device 146 (e.g. a pump). The degassed electrolyte solution 140 can using the fluid moving device 146 via the outlet for degassed electrolyte solution 138 and the pipeline 148 , 150 and 152 to the electrolyte inlet 142 the H ₂ generating chamber, the inlet 144 the O ₂ generating chamber are moved. The pipeline 148 , 150 and 152 can fluidically couple the H ₂ generating chamber to the O ₂ generating chamber. In some embodiments, the pressure is the purge gas entering the inlet 136 occurs, sufficient to move the electrolyte solution to the various chambers. The removal of the H ₂ and O ₂ from the electrolyte solution can minimize or prevent cross contamination of H ₂ in the O ₂ generating chamber and / or of O ₂ in the H ₂ generating chamber. Such cross-contamination can cause the formation of water molecules from reactions of H ⁺ and / or OH ^- with the O ₂ or H ₂ generated. The reactive gas mixture can be via an outlet for reactive gas 154 removed from the electrolyte source. The reactive gas mixture can be a mixture of H ₂ , O ₂ and purge gas and have a molar ratio of H ₂ to O ₂ below the flammability limit. The outlet for reactive gas 154 may be in fluid communication with a collection unit, a cleaning unit, a transport line, or the like. In some embodiments the system is 100 an electrolysis system or a photoelectrochemical system.

In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Wasserspaltungssystem ein H₂-Reservoir und ein O₂-Reservoir, die mit der Elektrolytquelle und der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer fluidisch gekoppelt sind. Die Einbindung von H₂- und O₂-Reservoiren kann die Trennung des H₂-Gases und/oder des O₂-Gases von den H₂ und O₂ enthaltenden Elektrolytlösungen vor Eintritt der Elektrolytlösung in die Elektrolytquelle 104 erlauben. Bezugnehmend auf 2A ist ein Schaubild des erfindungsgemäßen Wasserspaltungssystems 200 abgebildet, dass eine H₂-Sammeleinheit (Reservoir) 202 und eine O₂-Sammeleinheit (Reservoir) 204 beinhaltet. Zwar bildet 2A beide Reservoire ab, es ist aber davon auszugehen, dass ein Reservoir verwendet werden könnte (z. B. ein H₂-Reservoir und kein O₂-Reservoir oder umgekehrt). Das in 2 dargestellte System 200 beinhaltet einen Wasserspaltungsreaktor 102, eine Elektrolytquelle 104 und andere Komponenten von 1. Das H₂-Reservoir 202 kann mit der H₂ erzeugenden Kammer 106 des Reaktors 102 über den H₂-Auslass 116, die Rohrleitung 206 und den H₂-Reservoir-Einlass 208 in Fluidkommunikation stehen. Mit Erzeugung von H₂ in der H₂ erzeugenden Kammer 106 kann eine Mischung der Elektrolytlösung mit gelöstem und freiem H₂ aus der H₂-Erzeugungskammer austreten und in das H₂-Reservoir eintreten. In dem H₂-Reservoir 202 können sich Tröpfchen des wässrigen Elektrolyten von dem gasförmigen H₂ trennen. In einigen Ausführungsformen kann das Spülgas durch den Einlass 142 oder durch einen zweiten Einlass (nicht dargestellt) in die H₂ erzeugende Kammer eintreten und gasförmigen H₂ aus der H₂ erzeugenden Kammer 106 in das H₂-Reservoir 202 spülen oder schwemmen. Die Zugabe des Spülgases zu der H₂ erzeugenden Kammer 106 kann die Kathode mit Spülgas sättigen und unterbinden, dass sich vorhandene H⁺-Ionen mit einem beliebigen vorhandenen OH^- vereinigen, um H₂O zu bilden. Der gasförmige H₂ kann über den H₂-Auslass 210 aus dem H₂-Reservoir 202 austreten und über die Rohrleitung 214 mit der H₂-durchlässigen Membran 212 in Fluidkommunikation stehen. Die Membran 212 kann eine H₂-durchlässige Membran sein, die H₂ von dem Spülgas und den O₂-Spuren trennen kann.In some embodiments, the water splitting system includes an H ₂ reservoir and an O ₂ reservoir fluidically coupled to the electrolyte source and the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber. The incorporation of H ₂ and O ₂ reservoirs can separate the H ₂ gas and / or the O ₂ gas from the electrolyte solutions containing H ₂ and O ₂ before the electrolyte solution enters the electrolyte source 104 allow. Referring to 2A Figure 3 is a diagram of the water splitting system of the present invention 200 shown that an H ₂ collection unit (reservoir) 202 and an O ₂ collection unit (reservoir) 204 includes. Although educates 2A from both reservoirs, but it can be assumed that a reservoir could be used (e.g. an H ₂ reservoir and no O ₂ reservoir or vice versa). This in 2 illustrated system 200 includes a water splitting reactor 102 , a source of electrolyte 104 and other components of 1 . The H ₂ reservoir 202 can with the H ₂ generating chamber 106 of the reactor 102 via the H ₂ outlet 116 who have favourited the pipeline 206 and the H ₂ reservoir inlet 208 are in fluid communication. With generation of H ₂ in the H ₂ generating chamber 106 a mixture of the electrolyte solution with dissolved and free H ₂ can emerge from the H ₂ generation chamber and enter the H ₂ reservoir. In the H ₂ reservoir 202 droplets of the aqueous electrolyte can separate from the gaseous H ₂ . In some embodiments, the purge gas can pass through the inlet 142 or enter the H ₂ generating chamber through a second inlet (not shown) and gaseous H ₂ from the H ₂ generating chamber 106 into the H ₂ reservoir 202 rinse or flush. The addition of the purge gas to the H ₂ generating chamber 106 can saturate the cathode with purge gas and prevent any H ⁺ ions present from combining with any OH ^- present to form H ₂ O. The gaseous H ₂ can be via the H ₂ outlet 210 from the H ₂ reservoir 202 exit and through the pipeline 214 with the H ₂ -permeable membrane 212 are in fluid communication. The membrane 212 can be an H ₂ -permeable membrane that can separate H ₂ from the purge gas and the O ₂ traces.

Das O₂-Reservoir 204 kann über den O₂-Auslass 128, die Rohrleitung 218 und den O₂-Reservoir-Einlass 220 mit der O₂ erzeugenden Kammer 108 des Reaktors 102 in Fluidkommunikation stehen. Mit Erzeugung von O₂ in der O₂-Erzeugungskammer 108 kann eine Mischung der Elektrolytlösung mit gelöstem und freiem O₂ aus der O₂-Erzeugungskammer austreten und in das O₂-Reservoir eintreten. In dem O₂-Reservoir 204 trennen sich Tröpfchen des wässrigen Elektrolyten von dem gasförmigen O₂. In einigen Ausführungsformen kann das Spülgas durch den Einlass 144 oder einen zweiten Einlass (nicht dargestellt) in die O₂ erzeugende Kammer 108 eintreten und gasförmigen O₂ aus der O₂ erzeugenden Kammer 108 in das O₂-Reservoir 204 spülen oder schwemmen. Die Zugabe des Spülgases zu der O₂ erzeugenden Kammer 106 kann die Anode mit Spülgas sättigen und unterbinden, dass sich vorhandene OH^--Ionen mit einem beliebigen vorhandenen H⁺ vereinigen, um H₂O zu bilden. Der gasförmige O₂ kann über den O₂-Auslass 222 aus dem O₂-Reservoir 204 austreten und über die Rohrleitung 225 mit der O₂-durchlässigen Membran 224 in Fluidkommunikation stehen. Die Membran 224 kann eine O₂-durchlässige Membran sein, die O₂ von dem Spülgas und/oder den H₂-Spuren trennen kann.The O ₂ reservoir 204 can be via the O ₂ outlet 128 who have favourited the pipeline 218 and the O ₂ reservoir inlet 220 with the O ₂ generating chamber 108 of the reactor 102 are in fluid communication. With generation of O ₂ in the O ₂ generation chamber 108 a mixture of the electrolyte solution with dissolved and free O ₂ can emerge from the O ₂ generation chamber and enter the O ₂ reservoir. In the O ₂ reservoir 204 Droplets of the aqueous electrolyte separate from the gaseous O ₂ . In some embodiments, the purge gas can pass through the inlet 144 or a second inlet (not shown) into the O ₂ generating chamber 108 enter and gaseous O ₂ from the O ₂ generating chamber 108 into the O ₂ reservoir 204 rinse or flush. The addition of the purge gas to the O ₂ generating chamber 106 can saturate the anode with purge gas and prevent existing OH ^- ions from combining with any existing H ⁺ to form H ₂ O. The gaseous O ₂ can be extracted from the O ₂ reservoir via the O ₂ outlet 222 204 exit and through the pipeline 225 with the O ₂ -permeable membrane 224 are in fluid communication. The membrane 224 can be an O ₂ -permeable membrane that can separate O ₂ from the purge gas and / or the H ₂ traces.

Das H₂-Reservoir 202 und das O₂-Reservoir 204 können über die Rohrleitung 228 bzw. 230 mit dem Elektrolytquelleneinlass 146 in Fluidkommunikation stehen. Die Elektrolytquelle 104 kann Elektrolytlösung aus dem H₂-Reservoir 202, dem O₂-Reservoir 204 oder beiden aufnehmen. Eine solche Elektrolytlösung kann gelösten H₂ und O₂ in der Lösung aufweisen. Der gelöste H₂ und O₂ kann aus der Elektrolytlösung entfernt werden, um eine entgaste Elektrolytlösung zu produzieren, die über die Rohrleitung 146, 148 und 150 in die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer zurückgeleitet werden kann, wie für das System 100 beschrieben.The H ₂ reservoir 202 and the O ₂ reservoir 204 can through the pipeline 228 or. 230 with the electrolyte source inlet 146 are in fluid communication. The electrolyte source 104 can electrolyte solution from the H ₂ reservoir 202 , the O ₂ reservoir 204 or record both. Such an electrolyte solution can have dissolved H ₂ and O ₂ in the solution. The dissolved H ₂ and O ₂ can be removed from the electrolyte solution in order to produce a degassed electrolyte solution, which is via the pipeline 146 , 148 and 150 can be returned to the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber as for the system 100 described.

In einigen Ausführungsformen können die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer in direkter Fluidkommunikation miteinander stehen. Die zwei Kammern können beispielsweise eine Öffnung beinhalten, die die zwei Kammern verbindet. Die Öffnung kann von jeder beliebigen Größe oder Form sein (z. B. parabelförmig, kreisförmig, elliptisch, trapezoid, parallelogrammförmig, quadratisch, rechtwinklig, polygonal oder dergleichen). Die Öffnung kann bemessen sein, um ausreichend zu sein, einen Massentransport von Ionen (H⁺) und (OH^-) mit einer Rate, die ausreichend ist, um eine Wasserspaltungsreaktion aufrechtzuerhalten, zu erlauben. Eine solche Abmessung kann durch bekannte technische Verfahren abhängig von der Größe des Reaktors bestimmt werden. 3A bildet ein System 300 ab, das das Wasserspaltungssystem von 1 beinhaltet, wobei die H₂ erzeugende Kammer über eine Öffnung direkt mit der O₂ erzeugenden Kammer gekoppelt ist. 3B zeigt das System 300, das das Wasserspaltungssystem von 2 beinhaltet, wobei die H₂ erzeugende Kammer über eine Öffnung direkt mit der O₂ erzeugenden Kammer gekoppelt ist. In den 3A und 3B sind eine erste Öffnung 302 und eine zweite Öffnung 304 in der Leitung 306 enthalten. In einigen Ausführungsformen können die erste Öffnung 302 und die zweite Öffnung 304 ein einzelnes Loch oder eine Vielzahl von Löchern (z. B. ein Sieb) sein. Das Fluid kann zwischen den zwei Kammern im Gleichgewicht sein, sodass die Lösungen pH-neutral bleiben. Wie dargestellt, ist/sind die Öffnung(en) am unteren Teil der Kammern positioniert. Eine solche Positionierung kann eine minimale Menge an Kreuzkontaminierung von H₂ und O₂ in den jeweiligen Kammern erlauben, da H₂ und O₂ eine geringe Löslichkeit in Wasser aufweisen und nach oben in der Lösung zum H₂-Auslass/zur Elektrolytlösung 116 und zum O₂-Auslass/zur Elektrolytlösung 130. Die genaue Positionierung der Öffnung(en) innerhalb des unteren Teils der Kammern kann wie gewünscht modifiziert werden, und sie können in der unteren Hälfte der Seitenwände der Kammern relativ zur Höhe jeder Kammer platziert sein. In bevorzugten Fällen können die Öffnungen 302 und 303 und die Leitung 306 in den Seitenwänden der Kammer in der Nähe des Bodens der Kammern platziert sein. In einigen Ausführungsformen können die Öffnungen 302 and 304 Abdeckungen (nicht dargestellt) beinhalten, die die Öffnungen während der Verwendung abdecken. Die Öffnungen können zum Beispiel abgedeckt sein, wenn eine Kreuzkontaminierung von O₂ in der H₂ erzeugenden Kammer detektiert wird oder eine Kreuzkontaminierung von H₂ in der O₂ erzeugenden Kammer detektiert wird. In einigen Ausführungsformen können die Abdeckungen elektronisch gesteuert werden. In System 100 der 3A und 3B kann der Schaltkreis 126 statt außerhalb des Reaktors durch die Leitung 302 (nicht dargestellt) verbunden sein.In some embodiments, the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber can be in direct fluid communication with one another. For example, the two chambers can include an opening connecting the two chambers. The opening can be of any size or shape (e.g., parabolic, circular, elliptical, trapezoidal, parallelogram, square, rectangular, polygonal, or the like). The aperture can be sized to be sufficient to allow mass transport of ions (H ⁺ ) and (OH ^- ) at a rate sufficient to sustain a water splitting reaction. Such a dimension can be determined by known technical methods depending on the size of the reactor. 3A forms a system 300 that the water splitting system of 1 The H ₂ generating chamber is coupled directly to the O ₂ generating chamber via an opening. 3B shows the system 300 that the water splitting system of 2 The H ₂ generating chamber is coupled directly to the O ₂ generating chamber via an opening. In the 3A and 3B are a first opening 302 and a second opening 304 on the line 306 contain. In some embodiments, the first opening 302 and the second opening 304 be a single hole or a plurality of holes (e.g. a sieve). The fluid can be in equilibrium between the two chambers so that the solutions remain pH neutral. As shown, the opening (s) is / are positioned at the bottom of the chambers. Such positioning can allow a minimal amount of cross-contamination of H ₂ and O ₂ in the respective chambers since H ₂ and O ₂ have low solubility in water and up in the solution to the H ₂ outlet / electrolyte solution 116 and to the O ₂ outlet / to the electrolyte solution 130 . The exact positioning of the opening (s) within the lower part of the chambers can be modified as desired and they can be placed in the lower half of the side walls of the chambers relative to the height of each chamber. In preferred cases, the openings 302 and 303 and the line 306 be placed in the side walls of the chamber near the bottom of the chambers. In some embodiments, the openings 302 other 304 Include covers (not shown) that cover the openings during use. The openings can be covered, for example, when cross contamination of O _{2 is} detected in the H ₂ generating chamber or cross contamination of H _{2 is} detected in the O ₂ generating chamber. In some embodiments, the covers can be electronically controlled. In system 100 the 3A and 3B can the circuit 126 instead of outside the reactor through the line 302 (not shown) connected.

In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Wasserspaltungssystem ein H₂- und/oder O₂-undurchlässiges Material. Bezugnehmend auf die 4A und 4B ist ein Schaubild eines Wasserspaltungsreaktors 102 gezeigt, der eine H₂ erzeugende Kammer 106, eine O₂ erzeugende Kammer 108 und ein zwischen den zwei Kammer positioniertes H₂- und/oder O₂-undurchlässiges Material 402 aufweist. Bezugnehmend auf 4B beinhaltet das undurchlässige Material 402 eine Öffnung 404, die erlaubt, dass die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer fluidisch gekoppelt werden. Wie für 3B diskutiert, kann die Öffnung ein Loch oder eine Vielzahl von Löchern sein, die den Ionentransport in jede Kammer erlaubt. Der Reaktor 102 des Systems 400 kann mit der Elektrolytquelle 104, dem H₂-Reservoir 202, dem O₂-Reservoir 204 gekoppelt sein, wie in den 1, 2, 3A und 3B beschrieben. In den 4A und 4B können das H₂ und/oder das O₂-undurchlässige Material 302 aus den gleichen Materialien hergestellt sein wie die H₂ erzeugende Kammer 106, die O₂ erzeugende Kammer 108 und/oder das Gehäuse 110. In einigen Ausführungsformen ist das H₂- oder O₂-undurchlässige Material eine Innenwand beider Kammern. Ein Teil der Oberfläche des H₂- oder O₂-undurchlässigen Materials 302 in der H₂ erzeugenden Kammer kann die Kathode und/oder einen Photokatalysator, der H₂ aus Wasser erzeugen kann, beinhalten. In einigen Ausführungsformen können das Kathodenmaterial und/oder der Photokatalysator auf der Oberfläche des undurchlässigen Materials abgeschieden sein oder diese kann damit beschichtet sein. Die gegenüberliegende Oberfläche des H₂- oder O₂-undurchlässigen Materials 302 in der O₂ erzeugenden Kammer kann die Anode und/oder den Photokatalysator, der O₂ aus Wasser erzeugen kann, beinhalten. In einigen Ausführungsformen können die Anode und/oder der Photokatalysator auf der Oberfläche des undurchlässigen Materials abgeschieden sein oder diese kann damit beschichtet sein. In einigen Ausführungsformen ist der Schaltkreis 126 nicht notwendig. In ihren jeweiligen Kammern erzeugter H₂ und O₂ können wie zuvor beschrieben eingefangen werden. Die Elektrolytlösung aus den Kammern kann wie zuvor beschrieben mit der Elektrolytquelle in Fluidkommunikation stehen.In some embodiments of the present invention, the water splitting system includes an H ₂ and / or O ₂ impermeable material. Referring to the 4A and 4B is a diagram of a water splitting reactor 102 shown, the H ₂ generating chamber 106 , an O ₂ generating chamber 108 and an H ₂ and / or O ₂ impermeable material positioned between the two chambers 402 having. Referring to 4B contains the impermeable material 402 an opening 404 which allows the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber to be fluidically coupled. As for 3B As discussed, the opening can be one or a plurality of holes that allows ion transport into each chamber. The reactor 102 of the system 400 can with the electrolyte source 104 , the H ₂ reservoir 202 , the O ₂ reservoir 204 be coupled, as in the 1 , 2 , 3A and 3B described. In the 4A and 4B can be the H ₂ and / or the O ₂ -permeable material 302 be made of the same materials as the H ₂ generating chamber 106 , the O ₂ generating chamber 108 and / or the housing 110 . In some embodiments, the H ₂ or O ₂ impermeable material is an inner wall of both chambers. Part of the surface of the H ₂ or O ₂ impermeable material 302 in the H ₂ generating chamber can contain the cathode and / or a photocatalyst that can generate H ₂ from water. In some embodiments, the cathode material and / or the photocatalyst can be deposited on or coated on the surface of the impermeable material. The opposite surface of the H ₂ or O ₂ impermeable material 302 in the O ₂ generating chamber can contain the anode and / or the photocatalyst which can generate O ₂ from water. In some embodiments, the anode and / or the photocatalyst can be deposited on or coated on the surface of the impermeable material. In some embodiments the circuit is 126 unnecessary. H ₂ and O ₂ generated in their respective chambers can be trapped as described above. The electrolyte solution from the chambers can be in fluid communication with the electrolyte source as previously described.

In einigen Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße Wasserspaltungssystem eine Stapelkonfiguration aufweisen, wie in den 5A-5D dargestellt. 5A ist eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Wasserspaltungsstapelreaktors, der eine H₂ erzeugende Kammer 106, einen Elektrolyteinlass 142 und einen H₂-/Elektrolytlösungsauslass 116 beinhaltet. 5B ist eine Rückansicht eines Wasserspaltungsstapelreaktors, der eine O₂ erzeugende Kammer 108, einen Elektrolyteinlass 138 und einen O₂-/Elektrolytlösungsauslass 128 beinhaltet. Das gasundurchlässige Material 302 kann zwischen den zwei Kammern positioniert sein und kann ein Kathodenmaterial und/oder einen Photokatalysator (z. B. 112) und ein Anodenmaterial und/oder einen Photokatalysator (z. B. 124) beinhalten, wie in den 5C und 5D dargestellt. Das Kathodenmaterial 112 kann mit der in den Einlass 142 strömenden Elektrolytlösung in Fluidkommunikation stehen. Das Kathodenmaterial 124 kann mit der in den Einlass 138 strömenden Elektrolytlösung in Fluidkommunikation stehen. Die Abstandhalter 502 und 504 können zwischen dem gasundurchlässigen Material und der H₂ erzeugenden Kammer bzw. der O₂ erzeugenden Kammer positioniert sein. Wie dargestellt, beinhaltet der Reaktor 102 eine lichtdurchlässige Region 506, die erlaubt, dass Licht durch die Zelle auf die Photokatalysatoren übertragen wird. Der Reaktor kann von einer beliebigen geeigneten Größe zum Durchführen einer Wasserspaltungsreaktion sein. In einer Ausführungsform kann der Reaktor 10 cm × 4,8 cm × 4,9 cm groß sein. Das Volumenverhältnis der H₂ erzeugenden Kammer 106 und das Volumen der O₂ erzeugenden Kammer 108 zu dem H₂- und O₂-Reservoir 202 und 204 und den Elektrolytreservoiren 104 kann 1 : 90 : 20 bis 1 : 100 : 30 oder 1 : 95 : 25 betragen oder ein beliebiges Verhältnis dazwischen sein.In some embodiments, the water splitting system of the invention can have a stacked configuration, as in FIG 5A-5D shown. 5A Figure ₃ is a front view of the stacked water splitting reactor of the present invention having an H ₂ generating chamber 106 , an electrolyte inlet 142 and an H ₂ / electrolyte solution outlet 116 includes. 5B Figure 13 is a rear view of a water splitting stack reactor that has an O ₂ producing chamber 108 , an electrolyte inlet 138 and an O ₂ / electrolyte solution outlet 128 includes. The gas impermeable material 302 can be positioned between the two chambers and can be a cathode material and / or a photocatalyst (e.g. 112 ) and an anode material and / or a photocatalyst (e.g. 124 ), as in the 5C and 5D shown. The cathode material 112 can with the in the inlet 142 flowing electrolyte solution are in fluid communication. The cathode material 124 can with the in the inlet 138 flowing electrolyte solution are in fluid communication. The spacers 502 and 504 can between the gas-impermeable material and the H ₂ generating chamber or the O ₂ generating chamber Chamber be positioned. As shown, the reactor includes 102 a translucent region 506 which allows light to be transmitted through the cell to the photocatalysts. The reactor can be of any suitable size for carrying out a water splitting reaction. In one embodiment, the reactor can be 10 cm x 4.8 cm x 4.9 cm. The volume ratio of the H ₂ generating chamber 106 and the volume of the O ₂ generating chamber 108 to the H ₂ and O ₂ reservoir 202 and 204 and the electrolyte reservoirs 104 can be 1:90:20 to 1: 100:30 or 1:95:25, or any ratio in between.

In einigen Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße Wasserspaltungssystem einen Reaktor mit einer Stapelkonfiguration aufweisen, der Einlässe für Spülgas und Elektrolytlösung und Auslässe für H₂ enthaltende Elektrolytlösung und O₂ enthaltende Elektrolytlösung beinhaltet, wie in den 5A-5D dargestellt. 5A ist eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Wasserspaltungsstapelreaktors, der eine H₂ erzeugende Kammer 106, einen Elektrolyteinlass 142, einen H₂-/Elektrolytlösungsauslass 116 und einen Spülgaseinlass 502 beinhaltet. 5B ist eine Rückansicht einer O₂ erzeugenden Kammer 108, eines Elektrolyteinlasses 138 und eines O₂-/Elektrolytlösungsauslasses 128 eines Wasserspaltungsstapelreaktors. In einigen Ausführungsformen beinhaltet die H₂ erzeugende Kammer 106 einen Elektrolyteinlass 142 und einen H₂-/Elektrolytlösungsauslass 116 und einen Spülgaseinlass 502 und die O₂ erzeugende Kammer 108 beinhaltet einen Elektrolyteinlass 138, einen O₂-/Elektrolytlösungsauslass 128 und einen Spülgaseinlass 502. In einer anderen Ausführungsform beinhalten beide Kammern den Spülgaseinlass 602. Das gasundurchlässige Material 302 kann zwischen den zwei Kammern positioniert sein und beinhaltet ein Kathodenmaterial und/oder einen Photokatalysator (z. B. Katalysator 112) und ein Anodenmaterial und/oder einen Photokatalysator (z. B. Katalysator 124), wie in den 6C und 6D dargestellt. Das Kathodenmaterial kann mit der in den Einlass 142 strömenden Elektrolytlösung in Fluidkommunikation stehen. Das Kathodenmaterial 124 kann mit der in den Einlass 138 strömenden Elektrolytlösung in Fluidkommunikation stehen. Die Abstandhalter 502 und 504 können zwischen dem gasundurchlässigen Material und der H₂ erzeugenden Kammer bzw. der O₂ erzeugenden Kammer positioniert sein. Wie dargestellt, beinhaltet der Reaktor 102 eine lichtdurchlässige Region 506, die erlaubt, dass Licht durch die Zelle auf die Photokatalysatoren übertragen wird.In some embodiments, the inventive water splitting system may have a reactor with a stacked configuration that includes inlets for purge gas and electrolyte solution and outlets for H ₂ -containing electrolyte solution and O ₂ -containing electrolyte solution, as in FIG 5A-5D shown. 5A Figure ₃ is a front view of the stacked water splitting reactor of the present invention having an H ₂ generating chamber 106 , an electrolyte inlet 142 , an H ₂ / electrolyte solution outlet 116 and a purge gas inlet 502 includes. 5B Figure 13 is a rear view of an O ₂ generating chamber 108 , an electrolyte inlet 138 and an O ₂ / electrolyte solution outlet 128 of a water splitting stack reactor. In some embodiments, the H ₂ generating chamber includes 106 an electrolyte inlet 142 and an H ₂ / electrolyte solution outlet 116 and a purge gas inlet 502 and the O ₂ generating chamber 108 includes an electrolyte inlet 138 , an O ₂ / electrolyte solution outlet 128 and a purge gas inlet 502 . In another embodiment, both chambers contain the purge gas inlet 602 . The gas impermeable material 302 can be positioned between the two chambers and includes a cathode material and / or a photocatalyst (e.g., catalyst 112 ) and an anode material and / or a photocatalyst (e.g. catalyst 124 ), as in the 6C and 6D shown. The cathode material can with the in the inlet 142 flowing electrolyte solution are in fluid communication. The cathode material 124 can with the in the inlet 138 flowing electrolyte solution are in fluid communication. The spacers 502 and 504 can be positioned between the gas-impermeable material and the H ₂ generating chamber or the O ₂ generating chamber. As shown, the reactor includes 102 a translucent region 506 which allows light to be transmitted through the cell to the photocatalysts.

Materialienmaterials

PolymermaterialienPolymer materials

Wie oben diskutiert, können die erfindungsgemäßen Systeme aus lichtdurchlässigen oder lichtundurchlässigen Polymermaterialien hergestellt sein. Nichtbeschränkende Beispiele für Polymermaterialien beinhalten duroplastische und thermoplastische Materialien. Das Polymermaterial kann ein thermoplastisches Polymer beinhalten, zum Beispiel Polyethylenterephthalat, Polycarbonat (PC), Polybutylenterephthalat (PBT), Poly(1,4-cyclohexylidencyclohexan-1,4-dicarboxylat) (PCCD), glycolmodifiziertes Polycyclohexylterephthalat (PCTG), Poly(phenylenoxid) (PPO), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyethylenimin oder Polyetherimid (PEI) oder ein Derivat davon, ein thermoplastisches Elastomer (TPE), ein Terephthalsäure (TPA)-Elastomer, Poly(cyclohexandimethylenterephthalat) (PCT), Polyethylennaphthalat (PEN), ein Polyamid (PA), Polystyrolsulfonat (PSS), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK), Acrylnitrilbutyldienstyrol (ABS), Polyphenylensulfid (PPS), ein Copolymer davon oder ein Gemisch davon. Das Polymermaterial kann ein duroplastisches Material umfassen, zum Beispiel ein ungesättigtes Polyesterharz, ein Polyurethan, Bakelit, Duroplast, Harnstoff-Formaldehyd, Diallylphthalat, Epoxidharz, einen Epoxidvinylester, ein Polyimid, einen Cyanatester eines Polycyanurats, Dicyclopentadien, ein Phenol, ein Benzoxazin, ein Copolymer davon oder ein Gemisch davon. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gesamtheit oder sind Teile des PEC-Systems aus PMMA hergestellt.As discussed above, the systems of the invention can be made from translucent or opaque polymeric materials. Non-limiting examples of polymeric materials include thermoset and thermoplastic materials. The polymer material can include a thermoplastic polymer, for example, polyethylene terephthalate, polycarbonate (PC), polybutylene terephthalate (PBT), poly (1,4-cyclohexylidenecyclohexane-1,4-dicarboxylate) (PCCD), glycol-modified polycyclohexyl terephthalate (PCTG), poly (phenylene oxide) (PPO), polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), polyethyleneimine or polyetherimide (PEI) or a derivative thereof, a thermoplastic elastomer (TPE), a terephthalic acid ( TPA) elastomer, poly (cyclohexanedimethylene terephthalate) (PCT), polyethylene naphthalate (PEN), a polyamide (PA), polystyrene sulfonate (PSS), polyether ether ketone (PEEK), polyether ketone ketone (PEKK), acrylonitrile butyl diene styrene (ABS), polyphenylene sulfide (polyphenylene sulfide) Copolymer thereof or a mixture thereof. The polymer material can comprise a thermosetting material, for example an unsaturated polyester resin, a polyurethane, Bakelite, thermosetting plastic, urea-formaldehyde, diallyl phthalate, epoxy resin, an epoxy vinyl ester, a polyimide, a cyanate ester of a polycyanurate, dicyclopentadiene, a phenol, a benzoxazine, a copolymer thereof or a mixture thereof. In a preferred embodiment, all or parts of the PEC system are made of PMMA.

Zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignete Polycarbonatpolymere können eine beliebige geeignete Struktur aufweisen. Ein solches Polycarbonatpolymer kann zum Beispiel ein lineares Polycarbonatpolymer, ein verzweigtes Polycarbonatpolymer, ein Polyestercarbonatpolymer oder eine Kombination davon beinhalten. Ein solches Polycarbonatpolymer kann ein Polycarbonat-Polyorganosiloxan-Copolymer, ein Urethanharz auf Polycarbonatbasis, ein Polycarbonatpolyurethanharz oder eine Kombination davon beinhalten.Polycarbonate polymers suitable for use in the present disclosure can have any suitable structure. Such a polycarbonate polymer may include, for example, a linear polycarbonate polymer, a branched polycarbonate polymer, a polyester carbonate polymer, or a combination thereof. Such a polycarbonate polymer may include a polycarbonate-polyorganosiloxane copolymer, a polycarbonate-based urethane resin, a polycarbonate polyurethane resin, or a combination thereof.

Ein solches Polycarbonatpolymer kann ein aromatisches Polycarbonatharz beinhalten. Solche aromatischen Polycarbonatharze können zum Beispiel den zweiwertigen Rest zweiwertiger Phenole, die über eine Carbonatbindung gebunden sind, beinhalten und können durch die folgende Formel repräsentiert sein:

wobei Ar eine zweiwertige aromatische Gruppe ist. Die zweiwertige aromatische Gruppe kann durch die Formel: -Ar₁-Y-Ar₂- repräsentiert sein, wobei Ar₁ und Ar₂ jeweils eine zweiwertige carbocyclische oder heterocyclische aromatische Gruppe mit 5 bis 30 Kohlenstoffatomen (oder einem Substituenten dafür) repräsentieren und Y eine zweiwertige Alkangruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen repräsentiert. In einigen Ausführungsformen ist-Ar₁-Y-Ar₂- zum Beispiel Ar₁-C(CH₃)-Ar₂, wobei Ar₁ und Ar₂ gleich sind. Wie hierin verwendet, bedeutet „carbocyclisch“ einen aus Kohlenstoffatomen bestehenden Ring aufweisend, sich darauf beziehend oder dadurch gekennzeichnet. Wie hierin verwendet, bedeutet „heterocyclisch“ einen Ring aus Atomen von mehr als einer Art, zum Beispiel einen Ring von Atomen, beinhaltend ein Kohlenstoffatom und mindestens ein Atom, das kein Kohlenstoffatom ist, aufweisend, sich darauf beziehend oder dadurch gekennzeichnet. „Heterocyclische aromatische Gruppen“ sind aromatische Gruppen mit einem oder mehreren Ringstickstoff-, Ringsauerstoff- oder Ringschwefelatomen.Such a polycarbonate polymer may include an aromatic polycarbonate resin. Such aromatic polycarbonate resins can, for example, contain the divalent radical of dihydric phenols which are bound via a carbonate bond and can be represented by the following formula:

where Ar is a divalent aromatic group. The divalent aromatic group may be represented by the formula: -Ar ₁ -Y-Ar ₂ -, where Ar ₁ and Ar ₂ each represent a divalent carbocyclic or heterocyclic aromatic group having 5 to 30 carbon atoms (or a substituent therefor) and Y represents a represents divalent alkane group having 1 to 30 carbon atoms. In some embodiments, -Ar _{1 is} -Y-Ar ₂ - for example, Ar ₁ -C (CH ₃ ) -Ar ₂ , where Ar ₁ and Ar _{2 are the} same. As used herein, "carbocyclic" means having, referring to, or characterized by a ring consisting of carbon atoms. As used herein, "heterocyclic" means a ring of atoms of more than one kind, for example a ring of atoms including a carbon atom and at least one atom that is not a carbon atom having, referring to or characterized by. “Heterocyclic aromatic groups” are aromatic groups with one or more ring nitrogen, ring oxygen or ring sulfur atoms.

In einigen Ausführungsformen können Ar₁ und Ar₂ jeweils mit mindestens einem Substituenten substituiert sein, der die Polymerisationsreaktion nicht beeinträchtigt. Ein solcher Substituent kann zum Beispiel ein Halogenatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine Alkoxygruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine Phenylgruppe, eine Phenoxygruppe, eine Vinylgruppe, eine Cyanogruppe, eine Estergruppe, eine Amidgruppe oder eine Nitrogruppe beinhalten.In some embodiments, Ar ₁ and Ar _{2 can} each be substituted with at least one substituent that does not interfere with the polymerization reaction. Such a substituent may include, for example, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms, a phenyl group, a phenoxy group, a vinyl group, a cyano group, an ester group, an amide group, or a nitro group.

Zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignete aromatische Polycarbonatharze können im Handel erhältlich sein, zum Beispiel Lexan® HF1110, erhältlich von SABIC Innovative Plastics (U.S.A.), oder können unter Verwendung eines beliebigen, dem Fachmann bekannten Verfahrens synthetisiert werden. Polycarbonatpolymere zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges geeignetes Molekulargewicht aufweisen; zum Beispiel kann ein durchschnittliches Molekulargewicht eines solchen Polycarbonatpolymers ungefähr 5000 bis ungefähr 40 000 Gramm pro Mol (g/mol) betragen.Aromatic polycarbonate resins suitable for use in the present disclosure may be commercially available, for example Lexan® HF1110 available from SABIC Innovative Plastics (USA), or may be synthesized using any method known to those skilled in the art. Polycarbonate polymers for use in the present disclosure can be of any suitable molecular weight; for example, an average molecular weight of such a polycarbonate polymer can be from about 5,000 to about 40,000 grams per mole (g / mol).

ElektrolytlösungElectrolyte solution

Die Elektrolytlösung kann eine wässrige Lösung sein, die einen pH-Wert von 0 bis 14 aufweist. In einigen Ausführungsformen ist die Elektrolytlösung eine Pufferlösung mit einem pH-Wert von 6 bis 7,5 oder größer als, gleich oder zwischen beliebigen zwei von 6,0, 6,1, 6,2, 6,3, 6,4, 6,5, 6,6, 6,7, 6,8, 6,9, 7,0, 7,1, 7,2, 7,3, 7,4 und 7,5 liegend. Die Menge an Elektrolytlösung kann passend zu dem System variiert werden. In einigen Ausführungsformen ist eine Elektrolytmenge in den H₂- und O₂-Reservoiren minimal. Die Elektrolytmenge beträgt beispielsweise mindestens 5 Vol.-% des Gesamtvolumens der Reservoire. In einigen Ausführungsformen beträgt die Menge an Elektrolytlösung in dem Reaktor 5 bis 100 % des Volumens des Reaktors. Die Elektrolytlösung kann eine wässrige Lösung von anorganischen Salzen sein. Die anorganischen Salze können positive (K⁺, Na⁺, NH₄ ⁺, Ca²⁺) und negative (NO₃ ^-, SO₄ ^2-, PO₄ ^3-, H₂PO₄ ^-, HPO₄ ^2-) Ionen aufweisen, die keinerlei Art von Redoxreaktion unter Wasseroxidationsbedingung einschließen, um eine mögliche Redoxreaktion zu vermeiden, mit Ausnahme einer reinen Wasserspaltungsreaktion. Nichtbeschränkende Beispiele für Pufferlösungen beinhalten Phosphoniumsalze, Sulfatsalze, Carbonatsalze und Mischungen davon.The electrolyte solution can be an aqueous solution that has a pH of 0-14. In some embodiments, the electrolyte solution is a buffer solution with a pH of 6 to 7.5 or greater than, equal to, or between any two of 6.0, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6 , 5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 7.0, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 and 7.5 lying. The amount of electrolyte solution can be varied to suit the system. In some embodiments, an amount of electrolyte in the H ₂ and O ₂ reservoirs is minimal. The amount of electrolyte is, for example, at least 5% by volume of the total volume of the reservoirs. In some embodiments, the amount of electrolyte solution in the reactor is 5 to 100% of the volume of the reactor. The electrolyte solution can be an aqueous solution of inorganic salts. The inorganic salts can have positive (K ⁺ , Na ⁺ , NH ₄ ⁺ , Ca ²⁺ ) and negative (NO ₃ ^- , SO ₄ ^2- , PO ₄ ^3- , H ₂ PO ₄ ^- , HPO ₄ ^2- ) ions which do not include any kind of redox reaction under water oxidation condition in order to avoid a possible redox reaction, with the exception of a pure water splitting reaction. Non-limiting examples of buffer solutions include phosphonium salts, sulfate salts, carbonate salts, and mixtures thereof.

Anode, Kathode und PhotokatalysatorenAnode, cathode and photocatalysts

Es kann ein beliebiges für Wasserspaltungsreaktionen bekanntes Anoden- oder Kathodenmaterial verwendet werden. Nichtbeschränkende Beispiele für ein Anodenmaterial beinhalten Metalloxide. Nichtbeschränkende Beispiele für ein Kathodenmaterial beinhalten Metalle oder Metalllegierungen. Das Metalloxid und die Metalle können Platin (Pt), Kobalt (Co), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Wolfram (W), Zinn (Sn), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Kupfer (Cu), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Zink (Zn), Cer (Ce), Lanthan (La) oder Oxide oder Legierungen davon beinhalten. Nichtbeschränkende Beispiele für Sauerstoffentwicklungskatalysatoren beinhalten Ir, Ru, Co, Co/Phosphor (P), CoFe, Cu, Fe, FeMn, Ni, NiCe, NiCo, NiCr, NiFe, NiCe, NiCeCoCe, NiLa, NiMoFe, NiSn, NiZn oder Oxide davon oder Kombinationen davon. Nichtbeschränkende Beispiele für Wasserstoffentwicklungskatalysatoren können Pt, Co, CoMo, CoNiFe, Fe, FeMo, Mo/Schwefel (S), Ni, NiCo, NiFe, NiMo, NiMoC, NiMoFe, NiSn, NiW oder Kombinationen davon beinhaltenAny anode or cathode material known for water splitting reactions can be used. Non-limiting examples of anode material include metal oxides. Non-limiting examples of a cathode material include metals or metal alloys. The metal oxide and metals can be platinum (Pt), cobalt (Co), molybdenum (Mo), nickel (Ni), iron (Fe), tungsten (W), tin (Sn), ruthenium (Ru), iridium (Ir) , Copper (Cu), manganese (Mn), chromium (Cr), zinc (Zn), cerium (Ce), lanthanum (La) or oxides or alloys thereof. Non-limiting examples of oxygen evolution catalysts include Ir, Ru, Co, Co / Phosphorus (P), CoFe, Cu, Fe, FeMn, Ni, NiCe, NiCo, NiCr, NiFe, NiCe, NiCeCoCe, NiLa, NiMoFe, NiSn, NiZn, or oxides thereof or combinations thereof. Non-limiting examples of hydrogen evolution catalysts can include Pt, Co, CoMo, CoNiFe, Fe, FeMo, Mo / Sulfur (S), Ni, NiCo, NiFe, NiMo, NiMoC, NiMoFe, NiSn, NiW, or combinations thereof

Die in der vorliegenden Erfindung nützlichen Photokatalysatoren sind geeignet, um H₂ und O₂ aus Wasser zu erzeugen. Beispiele sind Z-Schema-Katalysatoren, die zwei unterschiedliche Halbleitermaterialen verwenden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Anodenkatalysator Metalloxide beinhalten und der Kathodenkatalysator kann ein Metall/eine Metalllegierung beinhalten. Nichtbeschränkende Beispiele für Halbleitermaterialien beinhalten Strontium (Sr), Titan (Ti), Co und Thallium (Tl) und Arsen (As). Es können Dotierungsmittel wie Phosphor (P), Schwefel (S) und Barium (Ba) zugegeben werden. Nichtbeschränkende Beispiele für Katalysatoren vom Halbleitertyp beinhalten SrTiO₃, BaTiO₃, GaN, CoPS, GaAs, GaAs/InGaP, NiMo/GaAs, InGaP/TiO₂Ni oder Kombinationen davon. Die Photokatalysatoren können Schichten aus Metallen, Metalloxiden oder anderen Materialien unterschiedlicher Dicken (z. B. 1 nm bis 300 Mikrometer oder ein beliebiger Wert dazwischen) aufweisen. Ein Kathodenphotokatalysator kann zum Beispiel eine Ga-Bodenschicht, eine InGaAs-Schicht, eine Tl-Schicht, eine BSF-Schicht (back surface field, BSF), zwei InGaAs-Schichten, eine InGaP-Schicht, eine Tl-Schicht, eine BSF-Schicht, zwei InGaP-Schichten, eine AlInP-Schicht und eine Deckschicht aus InGaAs beinhalten. In einem anderen Beispiel kann ein Anodenphotokatalysator einen Katalysator vom p-n-Übergangstyp sein, der eine GaAs-Schicht auf einem Träger mit einer InAlP-Schicht, einer InGaP-Schicht, einer InGaP-Schicht, einer AlInGaP-Schicht, einer AlGaAs-Schicht, einer InGaP-Schicht, einer InAlP-Schicht, einer GaAs-Schicht, einer InGaP-Schicht, einer GaAs-Schicht und einer Ni-Substratschicht als Deckschicht beinhalten kann.The photocatalysts useful in the present invention are suitable for generating H ₂ and O ₂ from water. Examples are Z-scheme catalysts that use two different semiconductor materials. In a preferred embodiment, the anode catalyst can include metal oxides and the cathode catalyst can include a metal / metal alloy. Non-limiting examples of semiconductor materials include strontium (Sr), titanium (Ti), Co, and thallium (Tl) and arsenic (As). Dopants such as phosphorus (P), sulfur (S) and barium (Ba) can be added. Non-limiting examples of semiconductor type catalysts include SrTiO ₃ , BaTiO ₃ , GaN, CoPS, GaAs, GaAs / InGaP, NiMo / GaAs, InGaP / TiO ₂ Ni, or combinations thereof. The photocatalysts can have layers of metals, metal oxides, or other materials of varying thicknesses (e.g., 1 nm to 300 micrometers, or any value in between). A cathode photocatalyst can, for example, have a Ga bottom layer, an InGaAs layer, a Tl layer, a BSF layer (back surface field, BSF), two InGaAs layers, an InGaP layer, a Tl layer, a BSF layer. Layer, two InGaP layers, an AlInP layer and a top layer made of InGaAs. In another example, an anode photocatalyst may be a pn junction type catalyst comprising a GaAs layer on a support with an InAlP layer, an InGaP layer, an InGaP layer, an AlInGaP layer, an AlGaAs layer, a InGaP layer, an InAlP layer, a GaAs layer, an InGaP layer, a GaAs layer and a Ni substrate layer as a cover layer.

Die Systeme 100, 200, 300 und 400 können Photokatalysatoren aufweisen, die wie in den 4A, 4B, 7, 8A und 8B dargestellt angeordnet sind. Die 4A und 4B repräsentieren ein Elektrolysesystem, bei dem die Elektroden an einer Spannungsquelle befestigt sind. In einigen Ausführungsformen kann der Photokatalysator an dem undurchlässigen Material 402 befestigt sein, wie in 7 dargestellt. Dieser Katalysatortyp kann ein monolithisch integriertes System sein und der gesamte Katalysator und beliebige Wasserstoff- und Sauerstoff-Cokatalysatoren 702 können in einen Dünnfilm integriert sein. Während der Verwendung erzeugt bei Bestrahlung mit einer Bestrahlungsquelle 704 eine Seite des Films H₂ (Kathode) und die andere Seite erzeugt O₂ (Anode), wie in 7 dargestellt. Nichtbeschränkende Beispiele für diese Photokatalysatortypen sind monolithisch integrierte solarbetriebene Wasserspaltungseinrichtungen, die auf Tandem-, Z-Schema- oder Multi-Junction-Strukturen basieren können.The systems 100 , 200 , 300 and 400 may have photocatalysts, as in 4A , 4B , 7th , 8A and 8B are arranged. The 4A and 4B represent an electrolysis system in which the electrodes are attached to a voltage source. In some embodiments, the photocatalyst can be attached to the impermeable material 402 be attached as in 7th shown. This type of catalyst can be a monolithically integrated system and the entire catalyst and any hydrogen and oxygen cocatalysts 702 can be integrated into a thin film. Generated during use when irradiated with an irradiation source 704 one side of the film produces H ₂ (cathode) and the other side generates O ₂ (anode), as in FIG 7th shown. Non-limiting examples of these types of photocatalysts are monolithically integrated solar powered water splitting devices, which can be based on tandem, Z-scheme or multi-junction structures.

In einigen Ausführungsformen können Photokatalysatoren zum Erzeugen von H₂ oder O₂ verwendet werden und können von den entsprechenden Gegenelektroden getrennt sein. Die Photokatalysatoren (z. B. 112 und/oder 124) und die entsprechenden Elektroden (z. B. 112 und/oder 124) können durch einen Schaltkreis 126 (z. B. einen Kupferdraht) verbunden sein. Der Photokatalysator kann auf Tandem-, Z-Schema- oder Multi-Junction-Strukturen basieren. In einigen Ausführungsformen kann der Schaltkreis 126 an dem undurchlässigen Material 402 oder der Leitung 302 befestigt sein. Bezugnehmend auf 8A ist der Kathodenphotokatalysator 802 an dem Träger 804 befestigt und ist in der Wasserstoff erzeugenden Kammer 106 positioniert. Der Kathodenphotokatalysator 802 ist von der Sauerstoff erzeugenden Kammer 108, der Leitung 302 oder dem undurchlässigen Material 402 (nicht dargestellt) getrennt. Der Kathodenphotokatalysator 802 ist über den Schaltkreis 126 (z. B. Kupferdraht) durch die Leitung 302 mit der Anodenelektrode 806 aus Metall (z. B. Pt) verbunden. Wird der Kathodenkatalysator 802 mit einer Lichtquelle bestrahlt, kann mittels der an die anodische Elektrode angelegten Spannung aus H⁺ in der Wasserstoff erzeugenden Kammer 106 H₂ erzeugt werden und in der O₂ erzeugenden Kammer kann O₂ erzeugt werden.In some embodiments, photocatalysts can be used to generate H ₂ or O ₂ and can be separate from the corresponding counter electrodes. The photocatalysts (e.g. 112 and or 124 ) and the corresponding electrodes (e.g. 112 and or 124 ) can through a circuit 126 (e.g. a copper wire). The photocatalyst can be based on tandem, Z-scheme or multi-junction structures. In some embodiments, the circuit 126 on the impermeable material 402 or the line 302 be attached. Referring to 8A is the cathode photocatalyst 802 on the carrier 804 attached and is in the hydrogen generating chamber 106 positioned. The cathode photocatalyst 802 is from the oxygen generating chamber 108 , the line 302 or the impermeable material 402 (not shown) separately. The cathode photocatalyst 802 is about the circuit 126 (e.g. copper wire) through the cable 302 with the anode electrode 806 of metal (e.g. Pt) connected. Will the cathode catalyst 802 irradiated with a light source, the H ⁺ voltage applied to the anodic electrode can be used in the hydrogen-generating chamber 106 H ₂ are generated, and generating in the chamber O ₂ O ₂ can be produced.

Bezugnehmend auf 8B ist der Anodenphotokatalysator 808 an dem Träger 804 befestigt und ist in der Sauerstofferzeugungskammer 108 positioniert. Der Anodenphotokatalysator 808 ist von der Wasserstoff erzeugenden Kammer durch die Leitung 302 oder das undurchlässige Material 402 (nicht dargestellt) getrennt. Der Anodenkatalysator 808 ist über den Schaltkreis 126 (z. B. Kupferdraht) durch die Leitung 302 mit der Kathodenelektrode 810 aus Metall (z. B. Pt) verbunden. Wird der Anodenkatalysator 808 mit einer Lichtquelle bestrahlt, können in der O₂ erzeugenden Kammer O₂ und Elektronen erzeugt werden. Die Elektronen können durch den Schaltkreis 126 zur Kathode 810 wandern, die in der Wasserstoff erzeugenden Kammer 106 Wasserstoff aus H⁺ erzeugen kann.Referring to 8B is the anode photocatalyst 808 on the carrier 804 attached and is in the oxygen generation chamber 108 positioned. The anode photocatalyst 808 is from the hydrogen generating chamber by conduit 302 or the impervious material 402 (not shown) separately. The anode catalyst 808 is about the circuit 126 (e.g. copper wire) through the cable 302 with the cathode electrode 810 of metal (e.g. Pt) connected. Will the anode catalyst 808 irradiated with a light source, O ₂ and electrons can be generated in the O ₂ generating chamber. The electrons can go through the circuit 126 to the cathode 810 wander that in the hydrogen generating chamber 106 Can generate hydrogen from H ⁺ .

Gasselektive Membranen für die GasphasentrennungGas selective membranes for gas phase separation

Wasserstoffselektive und sauerstoffselektive Membranen, die zur Reinigung des erzeugten H₂ und/oder O₂ verwendet werden, können aus kommerziellen Quellen gefertigt oder erhalten werden. Nichtbeschränkende Beispiele für kommerzielle Membranquellen sind Air Products (U.S.A.), Membrane Technology Research, Inc. (U.S.A.), Air Liquid (U.S.A.), UBE Industries, LTD. (JAPAN) oder dergleichen.Hydrogen selective and oxygen selective membranes used to purify the H ₂ and / or O _{2 produced} can be made or obtained from commercial sources. Non-limiting examples of commercial membrane sources are Air Products (USA), Membrane Technology Research, Inc. (USA), Air Liquid (USA), UBE Industries, LTD. (JAPAN) or the like.

Nichtbeschränkende Beispiele für Materialien, aus denen die Wasserstofftrennmembran besteht, beinhalten Polymer- und Kohlenstoffmembranen. Polymermembranen erzielen typischerweise eine wasserstoffselektive molekulare Trennung mittels Steuerung des polymerfreien Volumens. Polymermembranen können zum Beispiel aus glasartigen Polymeren, Epoxiden, Polysulfonen, Polyimiden (z. B. Polyimidmembran von UBE oder Proteus™-Membranen von Membrane Technology and Research, Inc.) und anderen Materialien bestehen und können Vernetzungen und Matrixfüllstoffe nichtdurchlässiger (z. B. dichter Ton) und durchlässiger (z. B. Zeolithe) Varianten zur Modifizierung der Polymereigenschaften beinhalten. Kohlenstoffmembranen sind allgemein mikroporöse und im Wesentlichen durch Pyrolyse von Polymermembranen oder Kohlenwasserstoffschichten präparierte graphitische Kohlenstoffschichten. Kohlenstoffmembranen können kohlenstoffhaltige oder anorganische Füllstoffe beinhalten und sind allgemein sowohl bei niedriger als auch bei hoher Temperatur anwendbar. Die Wasserstofftrennmembran kann eine dichte Membran, die nur aus den oben erwähnten Materialien besteht, oder eine dichte dünne Membran, die aus den von einem porösen Körper getragenen oben erwähnten Materialien besteht, sein. In ersterem Fall beträgt die Dicke der Wasserstofftrennmembran vom Standpunkt der mechanischen Festigkeit und Wasserstoffdurchlässigkeit aus vorzugsweise 0,1 µm oder mehr und noch bevorzugter 0,5 µm bis 5 µm. In letzterem Fall beträgt die Dicke der dünnen Membran vom Standunkt der Verarbeitbarkeit aus 0,1 bis 25 µm oder mehr und noch bevorzugter 0,1 µm bis 2 µm.Non-limiting examples of materials that make up the hydrogen separation membrane include polymer and carbon membranes. Polymer membranes typically achieve hydrogen selective molecular separation by controlling the polymer-free volume. Polymer membranes can be made of, for example, vitreous polymers, epoxies, polysulfones, polyimides (e.g. polyimide membrane from UBE or Proteus ™ membranes from Membrane Technology and Research, Inc.), and other materials, and can contain crosslinks and matrix fillers that are more impervious (e.g. dense clay) and more permeable (e.g. zeolites) variants to modify the polymer properties. Carbon membranes are generally microporous and graphitic carbon layers prepared essentially by pyrolysis of polymer membranes or hydrocarbon layers. Carbon membranes can contain carbonaceous or inorganic fillers and are generally applicable at both low and high temperatures. The hydrogen separation membrane may be a dense membrane composed only of the above-mentioned materials or a dense thin membrane composed of the above-mentioned materials supported on a porous body. In the former case, the thickness of the hydrogen separation membrane is preferably 0.1 µm or more, and more preferably 0.5 µm to 5 µm, from the standpoint of mechanical strength and hydrogen permeability. In the latter case, the thickness of the thin membrane is 0.1 to 25 µm or more, and more preferably 0.1 µm to 2 µm, from the standpoint of processability.

In Fällen, in denen die Wasserstofftrennmembran die dichte dünne Membran beinhaltet, die aus den oben beschriebenen Materialien und dem die Membran tragenden porösen Körper besteht, wird der Austausch gasförmiger Spezies häufig auf der Seite des porösen Körpers unterbunden; daher ist eine dichte dünne Membran vorzugsweise die Seite, die mit einem gemischten Gas in Kontakt gebracht wird, und ein poröser Körper ist die Seite, die mit eingedrungenem Wasserstoff in Kontakt gebracht wird.In cases where the hydrogen separation membrane includes the dense thin membrane composed of the above-described materials and the porous body supporting the membrane, the exchange of gaseous species is often suppressed on the side of the porous body; therefore, a dense thin membrane is preferably the side brought into contact with a mixed gas, and a porous body is the side brought into contact with invaded hydrogen.

Sauerstoffselektive Membranen können ein Perfluorcarbonmaterial, ein Polysiloxanmaterial, eine fluoriertes Polysiloxanmaterial, ein perfluoriertes Polyethermaterial und ein Copolymermaterial auf Alkylmethacrylatbasis beinhalten. Sauerstoffselektive Membranen sind aus kommerziellen Quellen erhältlich. Es können zum Beispiel Sepuran®-Membranen von Evonik Industries (Österreich) verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann Sauerstoff in die Umgebung freigesetzt werden.Oxygen selective membranes can include a perfluorocarbon material, a polysiloxane material, a fluorinated polysiloxane material, a perfluorinated polyether material, and an alkyl methacrylate-based copolymer material. Oxygen selective membranes are available from commercial sources. For example, Sepuran® membranes from Evonik Industries (Austria) can be used. In some embodiments, oxygen can be released into the environment.

Verfahren zur Produktion von H₂ und O₂ aus WasserProcess for the production of H ₂ and O ₂ from water

Das erfindungsgemäße Wasserspaltungssystem kann zur Produktion von H₂ und O₂ aus Wasser verwendet werden. Unter Bezugnahme auf die 1-6 kann eine Elektrolytlösung (z. B. Elektrolytlösung 114) einer H₂ erzeugenden Kammer 106 und einer O₂ erzeugenden Kammer 108 des Reaktors 102 bereitgestellt werden. Spülgas kann in die Elektrolytlösung 140 eintreten und die Lösung kann gespült werden, bis kein oder im Wesentlichen kein H₂ und O₂ in der Elektrolytlösung vorhanden sind. Die Lösung kann zum Beispiel 1 Vol.-% oder weniger, 0,05 Vol.-% oder weniger oder 0,005 Vol.-% oder weniger oder nichtdetektierbare Mengen an H₂ und/oder O₂ beinhalten. Die entgaste Elektrolytlösung 114 kann aus der Elektrolytquelle 104 in die H₂ und O₂ erzeugenden Kammern bewegt (z. B. gepumpt oder druckbeaufschlagt) werden. Die entgaste Elektrolytlösung 114 kann Spülgas beinhalten, H₂ und O₂ werden aber vorzugsweise vor Eintritt in die H₂ und O₂ erzeugenden Kammern aus der Lösung 114 entfernt. In einigen Ausführungsformen wird die entgaste Elektrolytlösung 114 den Reservoiren unabhängig zugegeben. Das Spülgas kann beispielsweise durch den Einlass 502 von 5A in die H₂ erzeugende Kammer eintreten. Das Spülgas kann der H₂ erzeugenden Kammer oder den H₂ oder O₂ erzeugenden Kammern kontinuierlich oder intermittierend bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann vor Beginn der Wasserspaltungsreaktion die Elektrolytlösung den Kammern zugegeben werden und Spülgas den Kammern bereitgestellt werden, bis die Elektrolytlösung wenig oder gar kein vorhandenes O₂ beinhaltet, wie unter Verwendung bekannter Analysetechniken (z. B. Gasdetektoren) gemessen. Das Spülgas kann in den H₂ und O₂ erzeugenden Kammern und/oder der Elektrolytquelle für einen gewünschten Zeitraum verlangsamt oder eingestellt werden. Das Spülen kann wiederaufgenommen werden, wenn detektierbare Mengen an O₂ und/oder H₂ in den Elektrolytlösungen festgestellt werden, die die H₂ bzw. O₂ erzeugenden Kammern anregen. Eine solche Überwachung und Zugabe von Spülgas kann eine H₂- oder O₂-Kreuzkontaminierung in den H₂ und O₂ erzeugenden Kammern während der Wasserspaltungsreaktion unterbinden und/oder verhindern.The water splitting system according to the invention can be used for the production of H ₂ and O ₂ from water. With reference to the 1-6 can be an electrolyte solution (e.g. electrolyte solution 114 ) an H ₂ generating chamber 106 and an O ₂ generating chamber 108 of the reactor 102 to be provided. Purge gas can get into the electrolyte solution 140 enter and the solution can be purged until no or essentially no H ₂ and O _{2 are present} in the electrolyte solution. The solution can contain, for example, 1% by volume or less, 0.05% by volume or less, or 0.005% by volume or less, or non-detectable amounts of H ₂ and / or O ₂ . The degassed electrolyte solution 114 can from the electrolyte source 104 be moved (e.g. pumped or pressurized) into the H ₂ and O ₂ generating chambers. The degassed electrolyte solution 114 may contain purge gas, but H ₂ and O ₂ are preferably removed from the solution before entering the H ₂ and O ₂ generating chambers 114 away. In some embodiments, the degassed electrolyte solution is 114 independently added to the reservoirs. The purge gas can, for example, through the inlet 502 of 5A enter the H ₂ generating chamber. The purge gas can be provided to the H ₂ generating chamber or the H ₂ or O ₂ generating chambers continuously or intermittently. For example, before the water splitting reaction begins, the electrolyte solution can be added to the chambers and purge gas provided to the chambers until the electrolyte solution contains little or no O ₂ present, as measured using known analytical techniques (e.g., gas detectors). The purge gas can be slowed down or adjusted in the H ₂ and O ₂ generating chambers and / or the electrolyte source for a desired period of time. Flushing can be resumed when detectable amounts of O ₂ and / or H _{2 are found} in the electrolyte solutions which excite the H ₂ or O ₂ generating chambers. Such monitoring and addition of purge gas can prevent and / or prevent H ₂ or O ₂ cross-contamination in the chambers generating H ₂ and O ₂ during the water splitting reaction.

In dem Reaktor 102 können Strom und/oder elektromagnetische Strahlung an die Anode 124 angelegt werden, um Elektronen zu erzeugen, die durch den Schaltkreis 126 zur Kathode 112 wandern, um H₂ zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen können sowohl Anoden- als auch Kathodenphotokatalysatoren elektromagnetische Strahlung empfangen. In anderen Ausführungsformen werden Spannung und Licht eingesetzt. Bei Verwendung von elektromagnetischer Strahlung kann die Quelle der elektromagnetischen Strahlung natürlich (z. B. Sonnenlicht) oder künstlich (z. B. eine Lampe) sein. Ein nichtbeschränkendes Beispiel für eine künstliche Quelle ist eine UV-Lampe, die Licht mit 300 bis 400 nm bereitstellt. Die Anregung des Photokatalysators 112 in Gegenwart von Wasser kann ein Wasserstoffion (H⁺) erzeugen. Die Bedingungen für die Wasserspaltung können Temperatur und Druck beinhalten. Die Reaktionstemperatur kann größer als, gleich oder zwischen beliebigen zwei von 5 °C, 10 °C, 20 °C, 30 °C, 40 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C, 80 °C, 90 °C und 100 °C liegend sein. Der Reaktionsdruck kann größer als, gleich oder zwischen beliebigen zwei von 0,01 MPa, 0,1 MPa, 0,5 MPa, 1 MPa, 1,1 MPa, 1,2 MPa, 1,3 MPa, 1,4 MPa, 1,5 MPa, 1,6 MPa, 1,7 MPa, 1,8 MPa, 1,9 MPa, 2,0 MPa und 2,1 MPa liegend sein.In the reactor 102 can current and / or electromagnetic radiation to the anode 124 be applied to generate electrons passing through the circuit 126 to the cathode 112 migrate to produce H ₂ . In some embodiments, both anode and cathode photocatalysts can receive electromagnetic radiation. In other embodiments, voltage and light are used. When using electromagnetic radiation, the source of electromagnetic radiation can be natural (e.g. sunlight) or artificial (e.g. a lamp). A non-limiting example of an artificial source is a UV lamp which provides light at 300 to 400 nm. The excitation of the photocatalyst 112 in the presence of water can generate a hydrogen ion (H ⁺ ). The conditions for water splitting can include temperature and pressure. The reaction temperature can be greater than, equal to, or between any two of 5 ° C, 10 ° C, 20 ° C, 30 ° C, 40 ° C, 50 ° C, 60 ° C, 70 ° C, 80 ° C, 90 ° C and 100 ° C. The reaction pressure can be greater than, equal to, or between any two of 0.01 MPa, 0.1 MPa, 0.5 MPa, 1 MPa, 1.1 MPa, 1.2 MPa, 1.3 MPa, 1.4 MPa, 1.5 MPa, 1.6 MPa, 1.7 MPa, 1.8 MPa, 1.9 MPa, 2.0 MPa and 2.1 MPa horizontally.

Mit der Erzeugung von H₂ und O₂ tritt die Elektrolytlösung 114 mit darin gelöstem H₂ und O₂ aus den Kammern 104 und 106 aus und tritt in das H₂-Reservoir 202 bzw. das O₂-Reservoir 204 ein. In einigen Ausführungsformen passiert die Elektrolytlösung 114, die aus der H₂ erzeugenden Kammer 106 austritt, einen Kompressor und gasförmiger H₂ wird von der Elektrolytlösung getrennt und tritt in die Reinigungseinheit 212 ein. In einigen Ausführungsformen wird kein Kompressor verwendet. In dem H₂-Reservoir 202 wird gelöster H₂ aus der Elektrolytlösung freigesetzt und produziert eine Elektrolytlösung, die weniger als 0,2 ppm oder 0 bis 0,2 ppm verbleibenden gelösten H₂ aufweisen kann. Der freigesetzte H₂ kann aus dem H₂-Reservoir 202 austreten und in die Reinigungs- und/oder Sammeleinheit 212 eintreten. In einigen Ausführungsformen kann der freigesetzte H₂ direkt anderen Einheiten bereitgestellt oder als Brennstoff verwenden werden. In dem O₂-Reservoir 204 wird gelöster O₂ aus der Elektrolytlösung freigesetzt und produziert eine Elektrolytlösung, die 0,2 ppm bis 0,4 ppm oder mehr als, gleich oder zwischen beliebigen zwei von 0,2 ppm, 0,25 ppm, 0,3 ppm, 0,35 ppm und 4 ppm liegenden verbleibenden O₂ aufweisen kann. Der freigesetzte O₂ kann aus dem O₂-Reservoir 202 austreten und in die Reinigungs- und/oder Sammeleinheit 214 eintreten. In einigen Ausführungsformen kann der freigesetzte O₂ direkt anderen Einheiten zur Verwendung als ein Oxidationsmittel bereitgestellt werden. Die Freisetzung von H₂ und O₂ kann durch Spülen, Kompression, Erwärmen oder beliebige bekannte Techniken zum Entgasen einer wässrigen Lösung erleichtert werden.With the generation of H ₂ and O ₂ , the electrolyte solution occurs 114 with H ₂ and O ₂ dissolved therein from the chambers 104 and 106 and enters the H ₂ reservoir 202 or the O ₂ reservoir 204 a. In some embodiments, the electrolyte solution passes 114 coming from the H ₂ generating chamber 106 exits, a compressor and gaseous H ₂ is separated from the electrolyte solution and enters the cleaning unit 212 a. In some embodiments, a compressor is not used. In the H ₂ reservoir 202 Dissolved H _{2 is released} from the electrolyte solution and produces an electrolyte solution that may have less than 0.2 ppm or 0 to 0.2 ppm of remaining dissolved H ₂ . The released H ₂ can from the H ₂ reservoir 202 exit and into the cleaning and / or collection unit 212 enter. In some embodiments, the released H ₂ can be provided directly to other units or used as fuel. In the O ₂ reservoir 204 Dissolved O _{2 is released} from the electrolyte solution and produces an electrolyte solution that is 0.2ppm to 0.4ppm or more than, equal to or between any two of 0.2ppm, 0.25ppm, 0.3ppm, 0, May have 35 ppm and 4 ppm remaining O ₂ . The released O ₂ can from the O ₂ reservoir 202 exit and into the cleaning and / or collection unit 214 enter. In some embodiments, the released O ₂ can be provided directly to other entities for use as an oxidizer. The release of H ₂ and O ₂ can be facilitated by purging, compression, heating, or any known technique for degassing an aqueous solution.

Die Elektrolytlösungen können aus den Reservoiren 202, 204 austreten und in die Elektrolytquelle 104 eintreten. Wie in den 2 und 3B dargestellt, werden die Lösungen vor dem Eintritt in die Elektrolytquelle 104 kombiniert. Die Lösungen können jedoch jeweils unabhängig in die Elektrolytquelle 104 eintreten. Bei Kombination der Elektrolytlösungen kann die Konzentration des H₂ und O₂ unterhalb der Entflammbarkeitsgrenze bleiben. Die Kombination der Elektrolytlösungen kann den pH-Gradienten der in den H₂ und O₂ erzeugenden Kammern verwendeten Elektrolytlösung wiederherstellen. In der Elektrolytquelle 104 werden die restlichen oder geringe Mengen an H₂ und O₂ aus der Elektrolytlösung entfernt und treten über den Auslass 154 aus der Elektrolytquelle 104 aus. Die Entfernung von H₂ und O₂ kann durch Spülen, Kompression, Erwärmen oder beliebige bekannte Techniken zum Entgasen einer wässrigen Lösung erleichtert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden der verbleibende H₂ und O₂ durch Spülen mit Stickstoffgas entfernt. Die austretenden Gase können zu einer Sammeleinheit, einer Reinigungseinheit geleitet oder zu anderen Verarbeitungseinheiten transportiert werden. Die gespülte Elektrolytlösung tritt über den Auslass 138 aus der Elektrolytquelle (z. B. Reservoir) aus und tritt über den Einlass 142 in die H₂ erzeugende Kammer und über den Einlass 144 in die O₂ erzeugende Kammer ein. In einigen Ausführungsformen wird der Prozess in einer kontinuierlichen Weise ausgeführt, wobei die Elektrolytlösung den Kammern während der Entfernung von H₂ und O₂ zugegeben wird. In einigen Ausführungsformen werden die Reservoire 202 und 204 nicht verwendet und der H₂ und O₂ werden aus der Elektrolytlösung in der Elektrolytquelle 104 entfernt.The electrolyte solutions can be taken from the reservoirs 202 , 204 leak and into the electrolyte source 104 enter. As in the 2 and 3B shown, the solutions are before entering the electrolyte source 104 combined. However, the solutions can each independently be added to the electrolyte source 104 enter. If the electrolyte solutions are combined, the concentration of H ₂ and O _{2 can} remain below the flammability limit. The combination of the electrolyte solutions can reduce the pH gradient in the H ₂ and Restore the electrolyte solution used in the O ₂ generating chambers. In the electrolyte source 104 the remaining or small amounts of H ₂ and O _{2 are} removed from the electrolyte solution and pass through the outlet 154 from the electrolyte source 104 out. The removal of H ₂ and O ₂ can be facilitated by purging, compression, heating, or any known technique for degassing an aqueous solution. In a preferred embodiment, the remaining H ₂ and O ₂ are removed by purging with nitrogen gas. The escaping gases can be directed to a collection unit, a cleaning unit or transported to other processing units. The flushed electrolyte solution passes through the outlet 138 from the electrolyte source (e.g. reservoir) and exits via the inlet 142 into the H ₂ generating chamber and via the inlet 144 into the O ₂ generating chamber. In some embodiments, the process is carried out in a continuous manner with the electrolyte solution being added to the chambers during the removal of H ₂ and O ₂ . In some embodiments, the reservoirs 202 and 204 not used and the H ₂ and O ₂ are from the electrolyte solution in the electrolyte source 104 away.

BEISPIELEEXAMPLES

Die vorliegende Erfindung wird anhand spezifischer Beispiele näher beschrieben. Die folgenden Beispiele werden nur zu illustrativen Zwecken offeriert und sollen die Erfindung in keiner Weise beschränken. Der Fachmann wird leicht eine Vielzahl nichtkritischer Parameter erkennen, die verändert oder modifiziert werden können, um im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse zu liefern.The present invention will be further described by way of specific examples. The following examples are offered for illustrative purposes only and are not intended to limit the invention in any way. Those skilled in the art will readily recognize a variety of non-critical parameters that can be changed or modified to produce essentially the same results.

Beispiel 1example 1

(Erzeugung von H₂ und O₂ aus einer wässrigen Elektrolytlösung in Abwesenheit eines Spülgases)(Generation of H ₂ and O ₂ from an aqueous electrolyte solution in the absence of a purge gas)

Ein Wasserspaltungssystem beinhaltete einen Reaktor, der einen Elektrolyten (200 ml, 0,1 M Na₂SO₄), eine Anode (Pt-beschichtetes Ni-Gitter) in einer O₂ erzeugenden Kammer, eine Kathode (Triple-Junction-Solarzelle auf GaAs-Basis) in einer H₂ erzeugenden Kammer aufwies. Die H₂ erzeugende Kammer war mit einem H₂-Reservoir und die O₂ erzeugende Kammer war mit einem O₂-Reservoir verbunden. Der Reaktor und die H₂- und O₂-Reservoire waren mit einem Elektrolytreservoir verbunden. Der Reaktor wurde mit einem Sonnensimulator der Intensität von 1 Sonne (100 mW/cm²) bestrahlt. Die den Reaktor erreichende Lichtintensität wurde durch Einstellen des Abstands zwischen der Lampe und der Reaktorzelle bei 100 mW/cm² gehalten. Der Abstandsbereich lag abhängig von dem gewünschten Lichtstrom typischerweise zwischen 20 cm und 50 cm. Die Pumprate der Elektrolytlösung durch das System betrug etwa 100 ml/min. Es wurde keine Stickstoffspülung verwendet. In Abwesenheit einer Stickstoffspülung wurde eine H₂/O₂-Trennung von 75 % erzielt (Tabelle 1). Solar-To-Hydrogen (STH) betrug unter einer Sonne 7,5 % bei pH = 7. Tabelle 1 führt die Gesamtwasserspaltungsergebnisse mit dem Multi-Junction-System unter Verwendung des membranfreien Reaktors ohne das N₂-Spülen während der Wasserspaltungsreaktion auf. Aus den Daten wurde bestimmt, dass das gelöste H₂-Gas über die O₂-Kammer aus dem H₂-Reservoir (Sektor 1) in das O₂-Reservoir (Sektor 2) transferiert wurde (siehe 2) und anschließend in die Gasphase freigesetzt wurde, bis ein Gleichgewicht freigesetzt wurde. Tabelle 1 Ergebnisse Sektor 1 Sektor 2 Sektor 1 plus Sektor 2 H₂ (mmol/s) 6 × 10^-6 2 × 10^-6 8 × 10^-6 Belichtete Fläche (cm²) 0,25 0,25 0,25 ΔG° (J/mol bei 25 °C) 237000 237000 237000 Lichtstrom (mW/cm²) 320-1000 nm 100 100 100 STH (%) 5,688 1,896 7,584 A water splitting system included a reactor containing an electrolyte (200 ml, 0.1 M Na ₂ SO ₄ ), an anode (Pt-coated Ni grid) in an O ₂ generating chamber, a cathode (triple junction solar cell on GaAs -Basis) in an H ₂ generating chamber. The H ₂ generating chamber was connected to an H ₂ reservoir and the O ₂ generating chamber was connected to an O ₂ reservoir. The reactor and the H ₂ and O ₂ reservoirs were connected to an electrolyte reservoir. The reactor was irradiated with a solar simulator of the intensity of 1 sun (100 mW / cm ² ). The light intensity reaching the reactor was kept at 100 mW / cm ² by adjusting the distance between the lamp and the reactor cell. The distance range was typically between 20 cm and 50 cm, depending on the desired luminous flux. The rate of pumping of the electrolyte solution through the system was approximately 100 ml / min. No nitrogen purge was used. In the absence of a nitrogen purge, an H ₂ / O ₂ separation of 75% was achieved (Table 1). Solar-To-Hydrogen (STH) was 7.5% under sun at pH = 7. Table 1 lists the total water splitting results with the multi-junction system using the membrane-free reactor without the N ₂ purging during the water splitting reaction. It was determined from the data that the dissolved H ₂ gas was transferred from the H ₂ reservoir (sector 1) to the O ₂ reservoir (sector 2) via the O ₂ chamber (see FIG 2 ) and then released into the gas phase until an equilibrium was released. Table 1 Results Sector 1 Sector 2 Sector 1 plus Sector 2 H ₂ (mmol / s) 6 × 10 ^-6 2 × 10 ^-6 8 × 10 ^-6 Exposed area (cm ² ) 0.25 0.25 0.25 ΔG ° (J / mol at 25 ° C) 237000 237000 237000 Luminous flux (mW / cm ² ) 320-1000 nm 100 100 100 STH (%) 5.688 1,896 7.584

Beispiel 2Example 2

(Kreuzkontaminierung von H₂ und O₂ aus einer wässrigen Elektrolytlösung als eine Funktion des Durchflusses)(Cross-contamination of H ₂ and O ₂ from an aqueous electrolyte solution as a function of flow rate)

Unter Verwendung des Versuchsreaktorsystems von Beispiel 1 wurde der Übertritt von H₂ in die O₂-Kammer als eine Funktion des Stickstoffdurchflusses untersucht. In dieser Studie wurde H₂ in das H₂-Reservoir (C1 in den 9A & 9B, z. B. H₂-Reservoir 202 in 2) injiziert und die Menge an H₂ wurde in beiden Reservoiren (C1 und C2 in den 9A & 9B, z. B. H₂-Reservoir 202 und O₂-Reservoir 204 in 2) mittels Gaschromatographie als eine Funktion der Zeit gemessen, während Wasser mit einer Durchflussrate von etwa 80 ml/min and einer N₂-Spülrate von etwa 1 ml/s während des Versuchs zirkuliert wurde. Die Injektion von H₂ und O₂ simulierte die Produktion von H₂ und O₂ aus H₂O in größeren Mengen unter Verwendung des katalytischen Systems von Beispiel 1. Am Ende des H₂-Injektionsversuchs wurde das gesamte System mit N₂ gespült, um sämtlichen H₂ aus den H₂- und O₂-Reservoiren zu entfernen. Anschließend wurde O₂ in das O₂-Reservoir (C2) injiziert und der O₂-Gehalt in den H₂- und O₂-Reservoiren wurde als eine Funktion der Zeit überwacht. Die 9A und 9B sind graphische Darstellungen der Zugabe von H₂ (9A) und O₂ (9B) zu ihrem jeweiligen Reservoir. In 9A stellt die Datenlinie 900 die Veränderungen der H₂-Konzentration im Verlauf der Zeit in dem mit H₂ injizierten Reservoir (C1) dar und die Datenlinie 902 stellt die Veränderungen der H₂-Konzentration in dem O₂-Reservoir (C2) dar. In 9B stellt die Datenlinie 904 die Veränderungen der O₂-Konzentration im Verlauf der Zeit in dem mit O₂ injizierten Reservoir (C2) dar und die Datenlinie 906 stellt die Veränderungen der O₂-Konzentration in dem H₂-Reservoir (C1) dar. Die Ergebnisse dieser Versuche zeigten, dass unter den angewendeten Versuchsbedingungen nach 90 min etwa 0,3 Vol.-% des gesamten H₂ von dem mit H₂ injizierten Reservoir (C1) in das O₂-Reservoir (C2) transferiert wurden, wie in 9A dargestellt (d. h. Linie 902 steigt und Linie 900 fällt). Weiterhin wurde nach 180 min kein O₂-Crossing (innerhalb des Versuchsfehlers) beobachtet, wie in 9B dargestellt.Using the experimental reactor system of Example 1, the transfer of H ₂ into the O ₂ chamber was investigated as a function of nitrogen flow. In this study, H _{2 was added} to the H ₂ reservoir (C1 in the 9A & 9B, e.g. . B. H ₂ reservoir 202 in 2 ) and the amount of H ₂ was in both Reservoirs (C1 and C2 in the 9A & 9B, e.g. . B. H ₂ reservoir 202 and O ₂ reservoir 204 in 2 ) measured by gas chromatography as a function of time while circulating water at a flow rate of about 80 ml / min and an N ₂ purge rate of about 1 ml / s during the experiment. The injection of H ₂ and O ₂ simulated the production of H ₂ and O ₂ from H ₂ O in larger quantities using the catalytic system of Example 1. At the end of the H ₂ injection experiment, the entire system was purged with N ₂ remove all H ₂ from the H ₂ and O ₂ reservoirs. Subsequently, O _{2 was} injected into the O ₂ reservoir (C2) and the O ₂ content in the H ₂ and O ₂ reservoirs was monitored as a function of time. The 9A and 9B are graphic representations of the addition of H ₂ ( 9A) and O ₂ ( 9B) to their respective reservoir. In 9A represents the data line 900 represents the changes in the H ₂ concentration with the passage of time in the reservoir (C1) injected with H ₂ and the data line 902 represents the changes in the H ₂ concentration in the O ₂ reservoir (C2). In 9B represents the data line 904 represents the changes in the O ₂ concentration over time in the O ₂ injected reservoir (C2) and the data line 906 represents the changes in the O ₂ concentration in the H ₂ reservoir (C1). The results of these tests showed that, under the test conditions used, after 90 minutes, about 0.3% by volume of the total H ₂ of that with H ₂ injected reservoir (C1) were transferred into the O ₂ reservoir (C2), as in 9A shown (i.e. line 902 rises and line 900 falls). Furthermore, no O ₂ crossing (within the experimental error) was observed after 180 min, as in 9B shown.

Beispiel 3Example 3

(Kreuzkontaminierung von H₂ und O₂ aus einer wässrigen Elektrolytlösung als eine Funktion der Zeit)(Cross-contamination of H ₂ and O ₂ from an aqueous electrolyte solution as a function of time)

Unter Verwendung der Versuchsanordnung von Beispiel 3 wurde die Leistung/Effizienz der Trennung von H₂ und O₂ des Reaktorsystems in Gegengenwart von beiden Gasen beurteilt. H₂ und O₂ wurden in das H₂-Reservoir (C1, 10A und 10B) bzw. das O₂-Reservoir (C2, 8A und 8B) injiziert und die Mengen an Gasen wurden in beiden Reservoiren mittel Gaschromatographie als eine Funktion der Zeit gemessen. In 10A stellt die Datenlinie 1000 die Veränderungen der H₂-Konzentration im Verlauf der Zeit in dem mit H₂ injizierten Reservoir (C1) dar und die Datenlinie 1002 stellt die Veränderungen der O₂-Konzentration in dem gleichen Reservoir (C1) dar. In 10B stellt die Datenlinie 1004 die Veränderungen der O₂-Konzentration im Verlauf der Zeit in dem mit O₂ injizierten Reservoir (C2) dar und die Datenlinie 1006 stellt die Veränderungen der H₂-Konzentration in dem gleichen Reservoir (C2) dar. Aus diesen Ergebnisse wurde bestimmt, dass nach 170 min eine kleine Menge (etwa 0,5 Vol.-%) H₂-Gas von dem injizierten Reservoir (C1) in das andere (C2) transferiert wurde (siehe 10A), während nach 140 min etwa 3 Mol-% O₂-Gas von C2 in C1 transferiert wurden (siehe 10B).Using the experimental setup of Example 3, the performance / efficiency of the separation of H ₂ and O _{2 of} the reactor system in the presence of both gases was assessed. H ₂ and O ₂ were in the H ₂ reservoir (C1, 10A and 10B) or the O ₂ reservoir (C2, 8A and 8B) injected and the amounts of gases in both reservoirs were measured by gas chromatography as a function of time. In 10A represents the data line 1000 represents the changes in the H ₂ concentration with the passage of time in the reservoir (C1) injected with H ₂ and the data line 1002 represents the changes in the O ₂ concentration in the same reservoir (C1). In 10B represents the data line 1004 represents the changes in the O ₂ concentration over time in the O ₂ injected reservoir (C2) and the data line 1006 represents the changes in the H ₂ concentration in the same reservoir (C2). From these results it was determined that after 170 minutes a small amount (about 0.5% by volume) of H ₂ gas from the injected reservoir (C1 ) has been transferred to the other (C2) (see 10A) , while after 140 min about 3 mol% O ₂ gas was transferred from C2 to C1 (see 10B) .

Basierend auf den Daten resultierte die geringe Menge des H₂- und O₂-Übertritts in einer H₂/O₂-Sauerstoff-Mischung mit niedrigen H₂- und O₂-Verhältnissen, die unterhalb der Explosionsgrenze (5 %) lag. Als Ergebnis kann die H₂-reiche Gasmischung aus H₂, O₂ und N₂ durch eine herkömmliche Gastrennmembran weiter getrennt werden, um bei Bedarf hochreinen H₂ zu erhalten.Based on the data, the small amount of H ₂ and O _{2 transfer} resulted in an H ₂ / O ₂ -oxygen mixture with low H ₂ and O ₂ ratios that were below the explosive limit (5%). As a result, the H ₂ -rich gas mixture of H ₂ , O ₂ and N ₂ can be further separated by a conventional gas separation membrane to obtain high-purity H ₂ if necessary.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 62/570971 [0001]US 62/570971 [0001]
US 4105517 [0005]US 4105517 [0005]

Claims

Wasserspaltungssystem für die Produktion von Wasserstoff (H₂)-Gas und Sauerstoff (O₂)-Gas aus einer wässrigen Elektrolytlösung, wobei das System Folgendes umfasst: einen Reaktor, umfassend: eine H₂ erzeugende Kammer, die eine Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass, der mit einer gespülten Elektrolytquelle, einer Spülgasquelle oder einer Kombination davon fluidisch gekoppelt ist, umfasst; und eine O₂ erzeugende Kammer, die eine Anode in elektrischer Kommunikation mit der Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass, der mit der gespülten Elektrolytquelle, der Spülgasquelle oder einer Kombination davon fluidisch gekoppelt ist, umfasst, und wobei die H₂ und O₂ erzeugenden Kammern nicht durch ein für H₂- oder O₂-Gas durchlässiges Material getrennt sind.A water splitting system for the production of hydrogen (H ₂ ) gas and oxygen (O ₂ ) gas from an aqueous electrolyte solution, the system comprising: a reactor comprising: an H ₂ generating chamber having a cathode and at least one first fluid inlet fluidly coupled to a purged electrolyte source, a purge gas source, or a combination thereof; and an O ₂ generating chamber comprising an anode in electrical communication with the cathode and at least one first fluid inlet fluidly coupled to the purged electrolyte source, the purge gas source, or a combination thereof, and wherein the H ₂ and O ₂ generating chambers are not separated by a material permeable to H ₂ or O ₂ gas.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 1, wobei das für H₂- oder O₂-Gas durchlässige Material eine Membran, eine Ionenbrücke oder beides ist.Water splitting system according to Claim 1 , wherein the H ₂ or O ₂ gas permeable material is a membrane, an ion bridge, or both.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 1, weiter umfassend ein H₂-Reservoir, das mit der H₂ erzeugenden Kammer, der gespülten Elektrolytquelle und einem H₂-Produktauslass fluidisch gekoppelt ist.Water splitting system according to Claim 1 , further comprising an H ₂ reservoir which is fluidically coupled to the H ₂ generating chamber, the flushed electrolyte source and an H ₂ product outlet.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 3, weiter umfassend ein H₂-Reinigungssystem, vorzugsweise eine H₂-durchlässige Membran, das mit dem H₂-Produktauslass fluidisch gekoppelt ist.Water splitting system according to Claim 3 , further comprising an H ₂ purification system, preferably an H ₂ -permeable membrane, which is fluidically coupled to the H ₂ product outlet.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 1, weiter umfassend ein O₂-Reservoir, das mit der O₂ erzeugenden Kammer, der gespülten Elektrolytquelle und einem O₂-Produktauslass fluidisch gekoppelt ist.Water splitting system according to Claim 1 , further comprising an O ₂ reservoir which is fluidically coupled to the O ₂ generating chamber, the purged electrolyte source and an O ₂ product outlet.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 5, weiter umfassend ein O₂-Reinigungssystem, vorzugsweise eine O₂-durchlässige Membran, das mit dem O₂-Produktauslass fluidisch gekoppelt ist.Water splitting system according to Claim 5 , further comprising an O ₂ purification system, preferably an O ₂ -permeable membrane, which is fluidically coupled to the O ₂ product outlet.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die gespülte Elektrolytquelle mit der Spülgasquelle fluidisch gekoppelt ist.Water splitting system according to Claim 1 , wherein the purged electrolyte source is fluidically coupled to the purge gas source.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die ersten Fluideinlässe mit der gespülten Elektrolytquelle fluidisch gekoppelt sind und wobei die H₂ erzeugende Kammer weiter einen zweiten Einlass umfasst und/oder die O₂ erzeugende Kammer weiter einen zweiten Einlass umfasst, wobei jeder zweite Einlass mit der Spülgasquelle fluidisch gekoppelt ist.Water splitting system according to Claim 1 , wherein the first fluid inlets are fluidically coupled to the flushed electrolyte source and wherein the H ₂ generating chamber further comprises a second inlet and / or the O ₂ generating chamber further comprises a second inlet, each second inlet being fluidically coupled to the flushing gas source.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer durch mindestens eine an einem unteren Teil beider Kammern positionierte Öffnung fluidisch gekoppelt sind, wobei die mindestens eine Öffnung bemessen ist, um den Ionentransport zwischen jeder Kammer zu erlauben.Water splitting system according to Claim 1 wherein the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber are fluidly coupled by at least one opening positioned at a lower portion of both chambers, the at least one opening being sized to allow ion transport between each chamber.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Leitung, die an die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer gekoppelt ist, wobei die Leitung eine an die H₂ erzeugende Kammer gekoppelte erste Öffnung und eine an die O₂ erzeugende Kammer gekoppelte zweite Öffnung umfasst.Water splitting system according to Claim 1 , further comprising a conduit coupled to the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber, the conduit including a first port coupled to the H ₂ generating chamber and a second port coupled to the O ₂ generating chamber.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die Anode und die Kathode in einem für H₂- und/oder O₂-Gas undurchlässigen Material vorliegen, das mindestens teilweise zwischen der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer positioniert ist.Water splitting system according to Claim 1 wherein the anode and the cathode are present in a material which is impermeable to H ₂ and / or O ₂ gas and which is at least partially positioned between the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber.

Wasserspaltungssystem nach 12, wobei die Anode einen Photoreduktionskatalysator in Fluidkommunikation mit einer gespülten Elektrolytlösung aus der gespülten Elektrolytquelle umfasst und die H₂ erzeugende Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle in Kommunikation steht.The water splitting system of 12, wherein the anode comprises a photoreduction catalyst in fluid communication with a purged electrolyte solution from the purged electrolyte source and the H ₂ generating chamber is in communication with a source of electromagnetic radiation.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 12, wobei die Kathode einen Photooxidationskatalysator in Fluidkommunikation mit einer gespülten Elektrolytlösung aus der gespülten Elektrolytquelle umfasst und die O₂ erzeugende Kammer mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle in Kommunikation steht.Water splitting system according to Claim 12 wherein the cathode comprises a photo-oxidation catalyst in fluid communication with a purged electrolyte solution from the purged electrolyte source and the O ₂ generating chamber is in communication with a source of electromagnetic radiation.

Wasserspaltungssystem nach Anspruch 12, wobei die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer durch mindestens eine an einem unteren Teil beider Kammern positionierte Öffnung fluidisch gekoppelt sind und wobei die mindestens eine Öffnung in dem für H₂- und/oder O₂-Gas undurchlässigen Material vorliegt.Water splitting system according to Claim 12 , wherein the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber fluidly through at least one opening positioned at a lower part of both chambers are coupled and wherein the at least one opening is present in the material which is impermeable to H ₂ and / or O ₂ gas.

Wasserspaltungssystem für die Produktion von Wasserstoff (H₂)-Gas und Sauerstoff (O₂)-Gas aus einer wässrigen Elektrolytlösung, wobei das System einen Reaktor umfasst, der Folgendes umfasst: eine H₂ erzeugende Kammer, die eine Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass, der mit einer gespülten Elektrolytquelle, einer Spülgasquelle oder einer Kombination davon fluidisch gekoppelt ist, umfasst; und eine O₂ erzeugende Kammer, die mit der H₂ erzeugenden Kammer fluidisch gekoppelt ist, wobei die O₂ erzeugende Kammer eine Anode in elektrischer Kommunikation mit der Kathode und mindestens einen ersten Fluideinlass, der mit der gespülten Elektrolytquelle, der Spülgasquelle oder einer Kombination davon fluidisch gekoppelt ist, umfasst, wobei die H₂ und O₂ erzeugenden Kammern nicht durch ein für H₂- oder O₂-Gas durchlässiges Material getrennt sind.A water splitting system for the production of hydrogen (H ₂ ) gas and oxygen (O ₂ ) gas from an aqueous electrolyte solution, the system comprising a reactor comprising: an H ₂ generating chamber having a cathode and at least one first fluid inlet fluidly coupled to a purged electrolyte source, a purge gas source, or a combination thereof; and an O ₂ generating chamber fluidly coupled to the H ₂ generating chamber, the O ₂ generating chamber having an anode in electrical communication with the cathode and at least one first fluid inlet connected to the purged electrolyte source, the purge gas source, or a combination thereof is fluidically coupled, wherein the H ₂ and O ₂ generating chambers are not separated by a material permeable to H ₂ or O ₂ gas.

Wasserspaltungsprozess für die Produktion von Wasserstoff (H₂)-Gas und Sauerstoff (O₂)-Gas, wobei der Prozess Folgendes umfasst: (a) Bereitstellen einer Elektrolytlö sung an jede der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer des Wasserspaltungssystems nach Anspruch 1 oder 15, wobei die Elektrolytlösung Wasser, ein Spülgas und einen Elektrolyten umfasst; (b) Unterziehen der Elektrolytlösung in der H₂ erzeugenden Kammer und der Elektrolytlösung in der O₂ erzeugenden Kammer unter Bedingungen, die ausreichend sind, um eine H₂ enthaltende Elektrolytlösung in der H₂ erzeugenden Kammer und eine O₂ enthaltende Elektrolytlösung in der H₂ erzeugenden Kammer zu produzieren, wobei mindestens ein Teil des erzeugten H₂ in der H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung gelöst wird und mindestens ein Teil des erzeugten O₂ in der O₂ enthaltenden Elektrolytlösung gelöst wird; und (c) Unterziehen der H₂ enthaltenden Elektrolytlösung und/oder der O₂ enthaltenden Elektrolytlösung unter Bedingungen, die geeignet sind, um eine Spülgas enthaltende Elektrolytlösung, einen gasförmigen H₂-Strom, einen gasförmigen O₂-Strom oder Kombinationen davon zu produzieren.A water splitting process for the production of hydrogen (H ₂ ) gas and oxygen (O ₂ ) gas, the process comprising: (a) providing an electrolyte solution to each of the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber of the water splitting system after Claim 1 or 15th wherein the electrolyte solution comprises water, a purge gas and an electrolyte; (b) Subjecting the electrolyte solution in the H ₂ generating chamber and the electrolyte solution in the O ₂ generating chamber under conditions sufficient to generate an H ₂ -containing electrolyte solution in the H ₂ generating chamber and an O ₂ -containing electrolyte solution in the H ₂ generating chamber, wherein at least part of the generated H _{2 is dissolved} in the H ₂ -containing aqueous electrolyte solution and at least a portion of the generated O _{2 is dissolved} in the O ₂ -containing electrolyte solution; and (c) subjecting the H ₂ -containing electrolyte solution and / or the O ₂ -containing electrolyte solution under conditions suitable to produce an electrolyte solution containing purge gas, a gaseous H ₂ stream, a gaseous O ₂ stream, or combinations thereof.

Prozess nach Anspruch 16, weiter umfassend: Bereitstellen der Spülgas enthaltenden Elektrolytlösung an die H₂ erzeugende Kammer des Wasserspaltungssystems, die O₂ erzeugende Kammer des Wasserspaltungssystems oder beide, wobei die Spülgas enthaltende Elektrolytlösung H₂ und O₂ in einem H₂/O₂-Molverhältnis unterhalb der Explosionsgrenze umfasst; und/oder Bereitstellen eines Spülgases an die H₂ erzeugende Kammer, die O₂ erzeugende Kammer oder beide; und Bereitstellen der gespülten Elektrolytlösung an die H₂ erzeugende Kammer und die O₂ erzeugende Kammer.Process after Claim 16 , further comprising: providing the electrolyte solution containing purge gas to the H ₂ generating chamber of the water splitting system, the O ₂ generating chamber of the water splitting system or both, wherein the electrolyte solution containing purge gas is H ₂ and O ₂ in an H ₂ / O ₂ molar ratio below the explosion limit includes; and / or providing a purge gas to the H ₂ generating chamber, the O ₂ generating chamber, or both; and providing the purged electrolyte solution to the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber.

Prozess nach Anspruch 16, wobei die Wasserspaltungsbedingungen einen Druck von 0,010 MPa bis 2,1 MPa, eine Temperatur von 5 °C bis 100 °C, einen pH-Wert von 0 bis 14 oder eine Kombination davon umfassen.Process after Claim 16 wherein the water splitting conditions include a pressure of 0.010 MPa to 2.1 MPa, a temperature of 5 ° C to 100 ° C, a pH of 0 to 14, or a combination thereof.

Prozess nach Anspruch 16, wobei das Spülgas eine Kontaminierung von H₂ in dem O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytstrom, von O₂ in dem H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytstrom oder beides reduziert.Process after Claim 16 wherein the purge gas reduces contamination of H ₂ in the O ₂ -containing aqueous electrolyte stream, of O ₂ in the H ₂ -containing aqueous electrolyte stream, or both.

Prozess nach Anspruch 16, wobei: Schritt (c) Folgendes umfasst: (i) Komprimieren des H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstroms, um einen gasförmigen H₂-Strom und die das Spülgas umfassende Elektrolytlösung zu produzieren, oder (i) Sammeln des H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstroms in dem H₂-Reservoir, des O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösungsstroms in dem O₂-Reservoir oder beides; (ii) Trennen des gasförmigen H₂-Stroms von der H₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung und des gasförmigen O₂-Stroms von der O₂ enthaltenden wässrigen Elektrolytlösung oder beides; (iii) Bilden einer wässrigen Elektrolytlösung, die restliches H₂, O₂ oder beide umfasst; und (iv) Spülen der wässrigen Elektrolytlösung von Schritt (iii) mit dem Spülgas, um die Spülgas enthaltende wässrige Elektrolytlösung zu bilden; und/oder Schritt (b) weiter das Strömenlassen eines Teils der Elektrolytlösung zwischen der H₂ erzeugenden Kammer und der O₂ erzeugenden Kammer durch mindestens eine der Öffnungen nach Anspruch 10, 11 oder 15 umfasst.Process after Claim 16 wherein: step (c) comprises: (i) compressing the H ₂ containing aqueous electrolyte solution stream to produce a gaseous H ₂ stream and the electrolyte solution comprising the purge gas, or (i) collecting the H ₂ containing aqueous electrolyte solution stream in the H ₂ reservoir, the O ₂ containing aqueous electrolyte solution stream in the O ₂ reservoir, or both; (ii) separating the gaseous H ₂ stream from the H ₂ containing aqueous electrolyte solution and gaseous O ₂ stream from the O ₂ containing aqueous electrolyte solution or both; (iii) forming an aqueous electrolyte solution comprising residual H ₂ , O _2, or both; and (iv) purging the aqueous electrolyte solution of step (iii) with the purge gas to form the purge gas-containing aqueous electrolyte solution; and / or step (b) further flowing a portion of the electrolyte solution between the H ₂ generating chamber and the O ₂ generating chamber through at least one of the openings Claim 10 , 11 or 15th includes.