CN116623202A - 一种过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统和方法，属于储氢技术领域。该系统的储氢模块用于在阳极输入氢气和阴极输入空气/氧气时工作，储氢模块的阴极能催化氢气生成过氧化氢；释氢模块用于在过氧化氢存储模块将过氧化氢输运至释氢模块的阳极，并接入直流电时工作，释氢模块的阳极能够催化过氧化氢释放氢气；交流直流转换模块用于将储氢模块工作时产生的直流电转换为能够并入交流母线的交流电，或者将交流母线的交流电转换为能够用于释氢模块工作的直流电。本发明的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统可在常温常压下长期实现规模化储氢，与可再生能源电网互补耦合“削峰填谷”，衔接融合氢能与多能系统，储释氢过程中的能量效率高。

Description

一种过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统和方法
技术领域
本发明涉及储氢技术领域，具体涉及一种过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统和方法。
背景技术
碳中和情景下，可再生能源占比越来越大。然而可再生能源电力具有随机性、间歇性特征，造成其并网、调节、消纳、储存困难。氢能作为一种能源储存介质，能够为可再生能源消纳、电网调峰提供重要的途径,从而支撑新型智能电网系统的建设。通过可再生能源制氢-储氢-用氢，实现可再生能源消纳；通过可再生能源制氢-储氢-氢能发电，为电网提供新型的灵活调节资源，满足系统长、短期调峰需求。
储氢是氢能和可再生能源、用氢场景或者电网相互衔接的关键技术。目前的储氢技术包括低温液氢存储、高压储氢、固态介质储氢、有机液态介质储氢。这几类储氢技术依赖于热化学反应或机械功等过程，在储氢-脱氢循环中存在能量净消耗，需利用复杂的热管理系统提升能量效率。
电化学储氢技术，成本低、能耗低、操作灵活、储释氢响应迅速，尤其储释氢过程中伴随的能量输入输出可与电网互补耦合提升系统能量，是一种常压、常温、高效、安全储氢技术。目前电化学储氢基本思路是将氢储存到电极材料。但是受限于储氢材料的反应动力学和化学耐受性，当前电化学储氢效率太低，无法实现上述电化学储氢优势。
发明内容
本发明的目的在于利用过氧化氢做储氢介质，提升储释氢能量效率的同时将储氢介质独立于电化学储释氢装置，便于储释氢规模化应用，为可再生能源消纳以及可再生能源调峰提供技术衔接。
本发明提供了一种过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，包括储氢模块、过氧化氢存储模块、释氢模块以及交流直流转换模块；
储氢模块，用于在阳极输入氢气和阴极输入空气/氧气时工作，储氢模块的阴极能够催化生成过氧化氢；并将生成的过氧化氢排出至过氧化氢存储模块；
释氢模块，用于在过氧化氢存储模块将过氧化氢输运至释氢模块的阳极，并接入直流电时工作，释氢模块的阳极能够催化过氧化氢生成氢质子，氢质子传导至阴极，释放氢气；
交流直流转换模块，用于将储氢模块工作时产生的直流电转换为能够并入交流母线的交流电，或者将交流母线的交流电转换为能够用于释氢模块工作的直流电。
较佳地，所述储氢模块和所述释氢模块均包括阳极、阴极和电解质膜，所述电解质膜位于阳极和阴极之间，用于两电极电子阻隔以及离子传导；
所述储氢模块的阳极连接氢气存储装置；所述储氢模块的阴极连接空气/氧气存储装置，储氢模块在输入氢气和空气/氧气时产生直流电，所述储氢模块的阳极包括储氢模块阳极催化剂层，储氢模块的阴极包括储氢模块阴极催化剂层，所述储氢模块阴极催化剂层为多孔疏水结构。
较佳地，所述释氢模块阳极的进液口与过氧化氢存储模块连接，释氢模块在通入过氧化氢的同时消耗直流电；释氢模块阳极的气液出口经气液分离器与过氧化氢存储模块和氧气/空气存储装置连接；释氢模块阴极的出气口与氢气存储装置连接，所述释氢模块的阳极包括释氢模块阳极催化剂层，释氢模块阴极包括释氢模块阴极催化剂层，所述释氢模块阳极催化剂层为多孔亲水结构。
较佳地，所述储氢模块阴极催化剂层浆料包括储氢模块阴极催化剂、粘结剂、疏水添加剂以及醇水溶液；所述储氢模块催化剂:粘结剂:疏水添加剂质量比为1:0.4～1.2:0.02～0.2；
所述醇水溶液中醇：水的质量比为1～5:0.1～5；
所述储氢模块阴极催化剂为铂基、碳基、大环金属配合物材料、过渡金属氧化物及其复合材料中的任意一种；
粘结剂为全氟磺酸聚电解质、季铵化聚砜聚电解质、聚苯咪唑聚电解质、聚乙烯醇聚电解质、聚四氟乙烯中的任意一种或者多种的混合物；
疏水添加剂为氟硅烷偶联剂、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯疏水性氨基酸、甲基丙烯酸香豆素、羟乙基香豆素中的任意一种或者多种的混合物；
所述醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合。
较佳地，释氢模块的阳极催化剂层浆料包括释氢模块阳极催化剂、粘结剂、亲水添加剂和醇水溶液：
所述释氢模块阳极催化剂为铂基、碳基、大环金属配合物材料、过渡金属氧化物及其复合材料中的任意一种；
粘结剂为全氟磺酸聚电解质、季铵化聚砜聚电解质、聚苯咪唑聚电解质、聚乙烯醇聚电解质、聚四氟乙烯中的任意一种或者多种的混合物；
亲水添加剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、亲水型氨基吡啶、苯胺的任意一种或者多种的混合物；
所述醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合；
释氢模块阳极催化剂:粘结剂:亲水添加剂质量比为1:0.4～1.2:0.02～0.2，所述醇水溶液中醇：水的质量比为1～5:0.1～4。
较佳地，铂基材料为铂汞合金、铂金合金、铂钌合金中的任意一种或多种组合；碳基材料为金属非金属共掺杂的碳材料；大环金属配合物材料为酞菁钴、卟啉钴、酞菁铁、卟啉铁、Co-Salen中的任意一种。
较佳地，储氢模块的阴极催化剂层的催化剂为钴氧氮共杂碳催化剂，疏水添加剂为聚四氟乙烯；释氢模块的阳极催化剂层的催化剂为吡咯轴向配位的轴向配位酞菁钴，亲水剂为聚乙烯醇。
较佳地，所述储氢模块的阴极催化剂层的制备方法具体如下：将储氢模块阴极催化剂、粘结剂、疏水添加剂与醇水溶液混合分散形成均匀的催化剂浆料；将所述催化剂浆料喷涂或刮涂于电解质膜或催化剂层的载体上，形成具有孔结构的催化层；
所述催化剂浆料的固含量为2wt.％～15wt.％；
所述催化剂与粘结剂质量比为1:0.4～1.2；
所述疏水添加剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；
所述醇水质量比1～5:0.1～4，醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合。
较佳地，所述释氢模块的阳极催化剂层的制备方法具体如下：将催化剂、粘结剂、亲水添加剂与醇水溶液混合分散形成均匀的催化剂浆料；将所述催化剂浆料喷涂或刮涂于电解质膜或催化剂层的载体上，形成具有孔结构的催化层；
所述催化剂浆料的固含量为2wt.％～15wt.％；
所述催化剂与粘结剂质量比为1:0.4～1.2；
所述亲水添加剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、亲水型氨基吡啶、苯胺；
所述醇水质量比1～5:0.1～4，醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合
较佳地，具体如下：
搭建如权利要求1所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统；
储氢时，储氢模块的阴极通入氧气或空气，储氢模块的阳极通入氢气，流速为0.05L/mi n～1.00L/mi n；接入负载；在储氢模块的阴极出气/液口，经气液分离器，将过氧化氢传输至过氧化氢存储模块；
释氢时，释氢模块的阴阳两级施加电压，0.7V～1.0V；通过过氧化氢存储模块向释氢模块的阳极输运过氧化氢；释氢模块的阴极生成的氢气可直接利用或存储后利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的电化学储释氢方法，利用具有高活化能垒、高静态安全系数、储氢密度为2.9wt％的过氧化氢做储氢介质，可在常温常压下长期实现规模化储氢，过氧化氢做储氢介质能独立于储释氢装置，无规模放大制约，本发明中的储氢介质及关键材料无资源依赖性、价格低廉，利于规模化储氢。
本发明提供的电化学储释氢系统，将储释氢过程伴随的电能输入输出与可再生能源电网互补耦合“削峰填谷”，衔接融合氢能与多能系统，提升系统能量效率。
本发明的储氢模块的阴极催化剂层优化为多孔疏水结构，将释氢模块的阳极催化剂层优化为多孔亲水结构；
同时本发明在多孔疏水结构形成的过程中，通过调控粘结剂与疏水剂在催化剂表面的分布，构建高效三相反应界面，加速生成过氧化氢的排出，同时通过交联催化剂颗粒，调整孔结构比例，构建高效气液传输通道，加速过氧化氢的传质排出，减小过氧化氢的累积自分解；在多孔亲水结构形成的过程中，通过调控粘结剂与亲水剂在催化剂表面的分布，构建高效三相反应界面，提升过氧化氢反应利用率，同时通过交联催化剂颗粒，调整孔结构比例，构建高效气液传输通道，加速过氧化氢向反应界面的传质扩散；通过上述多孔疏水结构和多孔亲水结构共同实现过氧化氢的高效生成与高效分解产氢，促进制氢-储氢-氢能发电更高效，更稳定的进行；
本发明储释氢过程涉及2e-转移，动力学响应快，过电位低，可逆性高，储释氢过程中的能量效率高，本发明基于催化剂层的优化改进使得整个储氢释氢过程中伴随稳定的电能输入输出，使得整个储氢释氢系统的电能输出也更稳定。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种过氧化氢电化学储释氢装置原理图。
图2为本发明实施例1中储释氢模块中各元件的装配示意图。
图3为实施例1的储释氢数据图。(a)储氢模块工作时，放电电压-法拉第效率-过氧化氢生成速率图；(b)释氢模块工作时，工作电压-法拉第效率-氢气生成速率图。
图4为实施例2的储氢数据图。图4(a)为储氢模块的阴极多孔疏水催化剂层结构。图4(b)储氢模块工作时，0.6V放电电压下，阴极催化剂层制备过程中m丁醇：m水质量比-法拉第效率-过氧化氢生成速率数据图；(b)为释氢模块工作时,0.85V外加电压时，阳极催化剂层制备过程中m催化剂：m粘结剂:m聚乙烯醇质量比-法拉第效率/氢气生成速率数据图；
图5为实施例2的释氢数据图。图5(a)为释氢模块的阳极多孔亲水催化剂层结构；图5(b)为释氢模块工作时,0.85V外加电压时，阳极催化剂层制备过程m催化剂:m粘结剂:m聚乙烯醇质量比-法拉第效率/氢气生成速率数据图。
附图标记说明：
1.储氢模块，2.过氧化氢存储模块，3.释氢模块。
具体实施方式
下面结合附图1-5，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对上述电化学储氢需求，发明人发明了以过氧化氢为无机液态储氢介质进行高效能大规模电化学储释氢的新技术。电化学储氢过程中，利用两电子氧还原反应(2e-ORR,O2+2H++2e-→H2O2,E0＝0.695V)生成过氧化氢；脱氢过程中，利用阳极电化学H2O2氧化反应(HPOR,H2O2→O2+2H++2e-,E0＝0.695V)。
实现电化学储氢优势，需要满足以下关键要求：(1)储氢介质需独立于储释氢装置，无规模放大制约；(2)储氢介质及关键材料无资源依赖性；(3)储氢密度不低于2wt％。
本发明提供的电化学储释氢系统及方法，利用具有高活化能垒、高静态安全系数、储氢密度为2.9wt％的过氧化氢做储氢介质，可在常温常压下长期实现规模化储氢，过氧化氢做储氢介质能独立于储释氢装置，无规模放大制约，本发明中的储氢介质及关键材料无资源依赖性、价格低廉，利于规模化储氢。
本发明提供的一种过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，包括储氢模块1、过氧化氢存储模块2、释氢模块3以及交流直流转换模块；
储氢模块1，用于在阳极输入氢气和阴极输入空气/氧气时工作，储氢模块1的阴极能够催化生成过氧化氢；并将生成的过氧化氢排出至过氧化氢存储模块2；
释氢模块3，用于在过氧化氢存储模块2将过氧化氢输运至释氢模块3的阳极，并接入直流电时工作，释氢模块3的阳极能够催化过氧化氢生成氢质子，氢质子传导至阴极，释放氢气；
交流直流转换模块，用于将储氢模块1工作时产生的直流电转换为能够并入交流母线的交流电，或者将交流母线的交流电转换为能够用于释氢模块3工作的直流电。
在本实施例公开的上述内容的基础上，为了构件规模化的高效电化学储释氢系统，可以将本实施例的储氢模块2和释氢模块3作为一组独立的单池组件，通过大量相同的单池共同构成电堆，比如可以将本实施例的多个储氢模块层叠设置同时将多个释氢模块层叠设置,而层叠结构中每个储氢模块和释氢模块均能够正常独立工作，效果叠加实现更大规模化储氢或释氢。
优选地，所述储氢模块1和所述释氢模块3均包括阳极、阴极和电解质膜，所述电解质膜位于阳极和阴极之间，用于两电极电子阻隔以及离子传导；
所述储氢模块1的阳极连接氢气存储装置；所述储氢模块1的阴极连接空气/氧气存储装置，储氢模块1在输入氢气和空气/氧气时产生直流电，所述储氢模块1的阳极包括储氢模块阳极催化剂层，储氢模块1的阴极包括储氢模块阴极催化剂层，所述储氢模块阴极催化剂层为多孔疏水结构。
优选地，所述释氢模块3阳极的进液口与过氧化氢存储模块2连接，释氢模块3在通入过氧化氢的同时消耗直流电；释氢模块3阳极的气液出口经气液分离器与过氧化氢存储模块2和氧气/空气存储装置连接；释氢模块3阴极的出气口与氢气存储装置连接，所述释氢模块3的阳极包括释氢模块阳极催化剂层，释氢模块3阴极包括释氢模块阴极催化剂层，所述释氢模块阳极催化剂层为多孔亲水结构。
优选地，所述储氢模块阴极催化剂层浆料包括储氢模块阴极催化剂、粘结剂、疏水添加剂以及醇水溶液；所述储氢模块催化剂:粘结剂:疏水添加剂质量比为1:0.4～1.2:0.02～0.2；
所述醇水溶液中醇：水的质量比为1～5:0.1～5；
所述储氢模块阴极催化剂为铂基、碳基、大环金属配合物材料、过渡金属氧化物及其复合材料中的任意一种；
粘结剂为全氟磺酸聚电解质、季铵化聚砜聚电解质、聚苯咪唑聚电解质、聚乙烯醇聚电解质、聚四氟乙烯中的任意一种或者多种的混合物；
疏水添加剂为氟硅烷偶联剂、聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯疏水性氨基酸、甲基丙烯酸香豆素、羟乙基香豆素中的任意一种或者多种的混合物；
所述醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合。
优选地，释氢模块3的阳极催化剂层浆料包括释氢模块阳极催化剂、粘结剂、亲水添加剂和醇水溶液：
所述释氢模块阳极催化剂为铂基、碳基、大环金属配合物材料、过渡金属氧化物及其复合材料中的任意一种；
粘结剂为全氟磺酸聚电解质、季铵化聚砜聚电解质、聚苯咪唑聚电解质、聚乙烯醇聚电解质、聚四氟乙烯中的任意一种或者多种的混合物；
亲水添加剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、亲水型氨基吡啶、苯胺的任意一种或者多种的混合物；
所述醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合；
释氢模块阳极催化剂:粘结剂:亲水添加剂质量比为1:0.4～1.2:0.02～0.2，所述醇水溶液中醇：水的质量比为1～5:0.1～4。
优选地，所述阳极催化剂中铂基材料为铂汞合金、铂金合金、铂钌合金中的任意一种或多种组合；碳基材料为金属非金属共掺杂的碳材料；大环金属配合物材料为酞菁钴、卟啉钴、酞菁铁、卟啉铁、Co-Salen中的任意一种。
优选地，储氢模块1的阴极催化剂层的催化剂为钴氧氮共杂碳催化剂，疏水添加剂为聚四氟乙烯。释氢模块3的阳极催化剂层的催化剂为吡咯轴向配位的轴向配位酞菁钴，亲水剂为聚乙烯醇。
优选地，所述储氢模块1的阴极催化剂层的制备方法具体如下：将储氢模块阴极催化剂、粘结剂、疏水添加剂与醇水溶液混合分散形成均匀的催化剂浆料；将所述催化剂浆料喷涂或刮涂于电解质膜或催化剂层的载体上，形成具有孔结构的催化层；
所述催化剂浆料的固含量为2wt.％～15wt.％；
所述催化剂与粘结剂质量比为1:0.4～1.2；
所述疏水添加剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；
所述醇水质量比1～5:0.1～4，醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合。
此制备方法利用粘结剂、疏水剂的溶剂效应，调整粘结剂、疏水剂在催化剂表面的分布，构建高效三相反应界面，加速生成过氧化氢的排出，减小过氧化氢自分解；
此制备方法利用粘结剂、疏水剂的溶剂效应，交联催化剂颗粒，调整孔结构比例，构建高效气液传输通道，加速过氧化氢的传质排出，减小过氧化氢的累积自分解；
优选地，所述释氢模块2的阳极催化剂层的制备方法具体如下：将催化剂、粘结剂、亲水添加剂与醇水溶液混合分散形成均匀的催化剂浆料；将所述催化剂浆料喷涂或刮涂于电解质膜或催化剂层的载体上，形成具有孔结构的催化层；
所述催化剂浆料的固含量为2wt.％～15wt.％；
所述催化剂与粘结剂质量比为1:0.4～1.2；
所述亲水添加剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、亲水型氨基吡啶、苯胺；
所述醇水质量比1～5:0.1～4，醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合。
此制备方法利用粘结剂、亲水剂的溶剂效应，调整粘结剂、亲水剂在催化剂表面的分布，构建高效三相反应界面，提升过氧化氢反应利用率，加速氢气排出；
此制备方法利用粘结剂、亲水剂的溶剂效应，交联催化剂颗粒，调整孔结构比例，构建高效气液传输通道，加速过氧化氢的传质排出，减小过氧化氢的累积自分解；
优选地，过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统储释氢的方法，具体如下：
搭建过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统；
储氢时，储氢模块1的阴极通入氧气或空气，储氢模块1的阳极通入氢气，流速为0.05L/mi n～1.00L/mi n；接入负载；在储氢模块1的阴极出气/液口，经气液分离器，将过氧化氢传输至过氧化氢存储模块；释氢时，释氢模块3的阴阳两级施加电压，0.7V～1.0V；通过过氧化氢存储模块向释氢模块3的阳极输运过氧化氢；释氢模块3的阴极生成的氢气可直接利用或存储后利用。
实施例1
请参阅图1，为本发明实施例1采用的过氧化氢电化学储释氢装置原理图。该储释氢系统包括储氢模块、释氢模块、过氧化氢存储模块、AC/DC装置、DC/AC装置、断路器、变压器。
储氢模块1包括储氢模块阳极、储氢模块阴极、储氢模块电解质膜、气液分离器、氢气小型存储装置、空气/氧气存储装置；储氢模块阳极包括进气口、出气口、流道板、气体扩散层、电极催化剂层；其中进气口、出气口与氢气小型存储装置连接；储氢模块阴极包括进气口、出气/液口、流道板、气/液扩散层、电极催化剂层；进气口与氧气/空气存储装置连接；出气/液口通过气液分离器与过氧化氢存储模块和氧气/空气存储装置连接；储氢模块在输入氢气和空气/氧气时工作，产生的直流电经过DC装置、DC/AC装置、断路器、变压器与交流母线连接；阴极产生的过氧化氢存储在过氧化氢存储模块2。
释氢模块3包括释氢模块阳极、释氢模块阴极、释氢模块电解质膜、气液分离器、氢气小型存储装置、空气/氧气存储装置；释氢模块阳极包括进液口、出气/液口、流道板、气/液扩散层、电极催化剂层；进液口与过氧化氢存储模块连接；出气/液口经气液分离器与过氧化氢存储模块2及氧气/空气存储装置连接；释氢模块阴极包括出气口、流道板、气体扩散层、电极催化剂层；出气口与氢气小型存储装置连接便于及时用氢；释氢系统在通入过氧化氢的同时消耗直流电，直流电可通过DC装置、AC/DC装置、断路器、变压器与交流母线连接提供。
这种基于过氧化氢电化学储释氢系统的新型储氢技术，系统成本低、运行能耗低、操作灵活、储释氢响应迅速；其储释氢过程伴随电能输入输出，可与可再生能源电网互补耦合“削峰填谷”，衔接融合氢能与多能系统，提升系统能量效率；系统可规模化集中或分散部署；储释氢过程可在常温、常压下高效进行；作为储氢介质的过氧化氢可长周期安全静态规模化存储，储氢密度大于2.9wt％；储释氢系统关键核心材料无资源依赖性。
请参阅图2，为本发明实施例1中储释氢模块中各元件的装配示意图。储释氢两模块中，阴阳两极扩散层均为碳纸；阴阳两极流道板为石墨板；阴阳两极粘结剂均为商用全氟磺酸树脂(Nafion,5wt％分散液)，电解质膜为商用质子交换膜Nafion N-211，密封圈为纤维增强聚四氟乙烯膜。其中储氢模块中，阴极选用钴氧氮共掺杂碳催化剂制备催化剂层，阳极选用Pt/C催化剂制备催化剂层；释氢模块中，阳极采用吡咯轴向配位的酞菁钴催化剂制备催化剂层，阴极选用Pt/C催化剂制备催化剂层。上述储释氢装置的装配步骤如下：
(1)储氢模块阴极催化剂层制备：将钴氧氮共杂碳催化剂、粘结剂、疏水添加剂按照质量比为1：1：0.05分散到异丙醇与去离子水的混合液中，其中醇水质量比为2:2，固含量为2wt.％，将混合分散液喷均匀涂于5cm2碳纸，载量为2mg/cm2；
(2)储氢模块阳极催化剂层制备：将商用20wt％Pt/C催化剂与粘结剂按照质量比为7:3分散到正丙醇与去离子水的混合液中，其中醇水质量比为2:2，固含量为2wt.％；将混合分散液喷涂于5cm2碳纸层上，载量为0.05mg/cm2；
(3)释氢模块阳极催化剂层制备：将粘结剂、吡咯轴向配位的轴向配位酞菁钴催化剂、亲水添加剂按照质量比为1：0.8：0.05分散到乙醇与去离子水的混合液中，其中醇水质量比为2:2，固含量为2wt.％；将混合分散液喷均匀涂于5cm2碳纸，载量为2mg/cm2；
(4)释氢模块阴极催化剂层制备：将商用20wt％Pt/C催化剂与粘结剂按照质量比为7:3分散到正丁醇与去离子水的混合液中，其中醇水质量比为2:2，固含量为2wt.％；将混合分散液喷涂于5cm2碳纸扩散层上，载量为0.05mg/cm2；
(5)储释氢模块组装：将两模块两极催化剂层、质子交换膜和相关夹具进行装配，如图2。
(6)储释氢性能测试如下：
储释模块工作时，阴阳极分别通入氧气和氢气，气体流速为0.5L/min，工作温度为25℃；用燃料电池工作站(Scribner 850e)在0.6V、0.5V、0.4V、0.25V电压下恒压储氢，利用高锰酸钾溶液对过氧化氢进行滴定，计算储氢效率。释氢模块工作时通过过氧化氢存储罐向阳极泵入过氧化氢，在两极施加不同电位0.8V、0.85V、0.9V、1.0V对生成的氢气进行集气，计算释氢效率。
图3(a)为储氢模块工作时,放电电压-法拉第效率-过氧化氢生成速率图；(b)释氢模块工作时，工作电压-法拉第效率-氢气生成速率图。随着放电电压的减小，过氧化氢生成速率逐渐增加，在0.25V附近过氧化氢生成速率达到300μmol/cm2/h。
图3(b)为释氢模块工作时,工作电压-法拉第效率-氢气生成速率图。随着施加电压的升高，氢气生成速率逐渐增加，在1.0V附近氢气生成速率达到25mmol/cm2/h。
实施例2
本实施例储释氢模块与实施例1基本相同，其不同之处在于：储氢模块中，阴极利用醇水比构筑多孔疏水催化剂层结构；释氢模块中，阳极采用亲水添加剂构筑多孔亲水催化剂层结构。两催化剂层浆料配制条件如下：
表1储氢模块中阴极催化剂层浆料配比
表2释氢模块中阳极催化剂层浆料配比
图4(a)储氢模块，阴极多孔疏水催化剂层结构。
图4(b)为储氢模块工作时,0.6V放电电压下，阴极催化剂层制备过程中m丁醇:m水质量比-法拉第效率/过氧化氢生成速率数据图。随着m丁醇:m水质量比的减少，过氧化氢生成速率逐渐增加，在m丁醇:m水为2:2时，过氧化氢生成速率达到320μmol/cm2/h。
图5(a)释氢模块，阳极多孔亲水催化剂层结构。
图5(b)为释氢模块工作时,0.85V外加电压时，阳极催化剂层制备过程m催化剂:m粘结剂:m聚乙烯醇质量比-法拉第效率/氢气生成速率数据图。随着m催化剂:m粘结剂:m聚乙烯醇质量比升高，氢气生成速率逐渐增加，在m催化剂:m粘结剂:m聚乙烯醇质量比为1:1:0.2时，法拉第效率最高，达到99％。
储释氢系统中，过氧化氢的对流输运决定了储释氢的速率。构建多孔催化剂层结构，建立长期有效三相反应界面，是实现储氢介质在电极内部高效输运的关键。本实施例中在储氢模块中，阴极催化剂层大孔结构的疏水结构有助于过氧化氢快速排除，利于氢的存储；释氢模块中，阳极亲水结构有助于过氧化氢的氧化反应，利于氢的释放。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，其特征在于，包括储氢模块(1)、过氧化氢存储模块(2)、释氢模块(3)以及交流直流转换模块；
储氢模块(1)，用于在阳极输入氢气和阴极输入空气/氧气时工作，储氢模块(1)的阴极能够催化生成过氧化氢，同时产生直流电；并将生成的过氧化氢排出至过氧化氢存储模块(2)；
释氢模块(3)，用于在过氧化氢存储模块(2)将过氧化氢输运至释氢模块(3)的阳极，并接入直流电时工作，释氢模块(3)的阳极能够催化过氧化氢生成氢质子，氢质子传导至阴极，释放氢气；
交流直流转换模块，用于将储氢模块(1)工作时产生的直流电转换为能够并入交流母线的交流电，或者将交流母线的交流电转换为能够用于释氢模块(3)工作的直流电。
2.如权利要求1所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，其特征在于，所述储氢模块(1)和所述释氢模块(3)均包括阳极、阴极和电解质膜，所述电解质膜位于阳极和阴极之间，用于两电极电子阻隔以及离子传导；所述储氢模块(1)的阳极连接氢气存储装置；所述储氢模块(1)的阴极连接空气/氧气存储装置，储氢模块(1)在输入氢气和空气/氧气时产生直流电，所述储氢模块(1)的阳极包括储氢模块阳极催化剂层，储氢模块(1)的阴极包括储氢模块阴极催化剂层，所述储氢模块阴极催化剂层为多孔疏水结构。
3.如权利要求2所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，其特征在于，所述释氢模块(3)阳极的进液口与过氧化氢存储模块(2)连接，释氢模块(3)在通入过氧化氢的同时消耗直流电；释氢模块(3)阳极的气液出口经气液分离器与过氧化氢存储模块(2)和氧气/空气存储装置连接；释氢模块(3)阴极的出气口与氢气存储装置连接，所述释氢模块(3)的阳极包括释氢模块阳极催化剂层，释氢模块(3)阴极包括释氢模块阴极催化剂层，所述释氢模块阳极催化剂层为多孔亲水结构。
4.如权利要求2所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，其特征在于，所述储氢模块阴极催化剂层浆料包括储氢模块阴极催化剂、粘结剂、疏水添加剂以及醇水溶液；所述储氢模块阴极催化剂:粘结剂:疏水添加剂质量比为1:0.4～1.2:0.02～0.2；
所述醇水溶液中醇：水的质量比为1～5:0.1～5；
所述储氢模块阴极催化剂为铂基、碳基、大环金属配合物材料、过渡金属氧化物及其复合材料中的任意一种；
粘结剂为全氟磺酸聚电解质、季铵化聚砜聚电解质、聚苯咪唑聚电解质、聚乙烯醇聚电解质、聚四氟乙烯中的任意一种或者多种的混合物；
疏水添加剂为氟硅烷偶联剂、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯疏水性氨基酸、甲基丙烯酸香豆素、羟乙基香豆素中的任意一种或者多种的混合物；
所述醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合。
5.如权利要求3所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，其特征在于，释氢模块(3)的阳极催化剂层浆料包括释氢模块阳极催化剂、粘结剂、亲水添加剂和醇水溶液：
所述释氢模块阳极催化剂为铂基、碳基、大环金属配合物材料、过渡金属氧化物及其复合材料中的任意一种；
粘结剂为全氟磺酸聚电解质、季铵化聚砜聚电解质、聚苯咪唑聚电解质、聚乙烯醇聚电解质、聚四氟乙烯中的任意一种或者多种的混合物；
亲水添加剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、亲水型氨基吡啶、苯胺的任意一种或者多种的混合物；
所述醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合；
释氢模块阳极催化剂:粘结剂:亲水添加剂质量比为1:0.4～1.2:0.02～0.2，所述醇水溶液中醇：水的质量比为1～5:0.1～4。
6.如权利要求4或5所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，其特征在于，所述铂基材料为铂汞合金、铂金合金、铂钌合金中的任意一种或多种组合；碳基材料为金属非金属共掺杂的碳材料；大环金属配合物材料为酞菁钴、卟啉钴、酞菁铁、卟啉铁、Co-Salen中的任意一种。
7.如权利要求4或5所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，其特征在于，储氢模块(1)的阴极催化剂层的催化剂为钴氧氮共杂碳催化剂，疏水添加剂为聚四氟乙烯；释氢模块(3)的阳极催化剂层的催化剂为吡咯轴向配位的轴向配位酞菁钴，亲水剂为聚乙烯醇。
8.如权利要求2所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，其特征在于，所述储氢模块(1)的阴极催化剂层的制备方法具体如下：将储氢模块阴极催化剂、粘结剂、疏水添加剂与醇水溶液混合分散形成均匀的催化剂浆料；将所述催化剂浆料喷涂或刮涂于电解质膜或催化剂层的载体上，形成具有孔结构的催化层；
所述催化剂浆料的固含量为2wt.％～15wt.％；
所述储氢模块阴极催化剂与粘结剂质量比为1:0.4～1.2；
所述疏水添加剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；
所述醇水质量比1～5:0.1～4，醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合。
9.如权利要求2所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统，其特征在于，所述释氢模块(3)的阳极催化剂层的制备方法具体如下：将释氢模块阳极催化剂、粘结剂、亲水添加剂与醇水溶液混合分散形成均匀的催化剂浆料；将所述催化剂浆料喷涂或刮涂于电解质膜或催化剂层的载体上，形成具有孔结构的催化层；
所述催化剂浆料的固含量为2wt.％～15wt.％；
所述释氢模块催化剂与粘结剂质量比为1:0.4～1.2；
所述亲水添加剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、亲水型氨基吡啶、苯胺；
所述醇水质量比1～5:0.1～4，醇为无水乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或两种以上混合。
10.如权利要求1所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统储释氢的方法，其特征在于，具体如下：
搭建如权利要求1所述的过氧化氢规模化高效电化学储释氢系统；
储氢时，储氢模块(1)的阴极通入氧气或空气，储氢模块(1)的阳极通入氢气，流速为0.05L/min～1.00L/min；接入负载；在储氢模块(1)的阴极出气/液口，经气液分离器，将过氧化氢传输至过氧化氢存储模块；
释氢时，释氢模块(3)的阴阳两级施加电压，0.7V～1.0V；通过过氧化氢存储模块向释氢模块(3)的阳极输运过氧化氢；释氢模块(3)的阴极生成的氢气可直接利用或存储后利用。
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