[发明专利]一种电极材料、其应用、直接燃料电池、及电化学加氢电解槽

说明书

技术领域

本发明涉及无机金属氧化物催化材料领域，具体涉及一种电极材料、其应用、直接燃料电池、及电化学加氢电解槽。

背景技术

随着全球温室效应日益加剧以及化石能源的不断消耗，寻求一种高效能源储存技术是未来智能电网部署和可再生能源高效利用的关键。多种新型的储能技术也先后被人们提出，但是，限于技术和成本因素，至今还没有一种技术能够被成功商业化应用。众所周知，氢是元素周期表中的第一个元素，其拥有最高的质量能量密度，十分适合作为一种能源储存载体。以氢能为载体的新型能源储存技术是当今世界人们研究的热点之一。目前，被人们广为推崇的氢能经济就是基于此氢能能源载体的一种绿色环保、可持续的社会经济模式。

然而，到目前为止众多氢能技术都存在多种技术限制，还不能完全得到真正商业化应用。在这些氢能应用技术中：1）、对于氢的制造，催化电解水、催化光解水以及碳氢化合物蒸汽重整等制氢技术已经较为成熟，部分技术已成功商业化；2）、对于氢储存技术，将常温常压下为气体的氢气进行储存进而运输难度很大，虽然现在已经存在诸如高压钢瓶储氢、低温冷凝储氢、多孔材料吸附储氢、化学氢化物储氢等多种技术，却都未能真正商业化；3）、最后是氢能利用技术，燃料电池技术和氢内燃机技术均已被研究多年，其中能量利用效率较高的燃料电池技术还存在自身耐久性差和制造成本高等问题。综上所述，氢的常温常压储存技术和氢能利用技术（氢燃料电池技术）制约着氢能技术的发展。

现有燃料电池技术种类繁多，按工作温度可分为：低温型（60 – 120 ℃）、中温型（120 - 220 ℃）、高温型（600 – 1000 ℃）。低温型燃料电池因其适用范围广、能量利用高而备受人们关注。碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池是两种主要的低温型燃料电池，纯氢气或富氢有机物（甲醇、乙醇、甲酸等）是它们的主要燃料源。虽然燃料电池的能源效率高，但是在使用这两类物质作为燃料时，燃料电池在综合能源效率和环保指标要求上均不尽人意。

当使用纯氢气作为燃料时，氢气的储存和释放过程需要消耗大量能量。首先，从热力学上来看，对于氢储存过程来说，无论是物理方式还是化学方式储存，都需要消耗能量提供压力或热量完成加氢过程；而对于任何储氢技术，脱氢过程是吸热过程，在脱氢时都需要消耗大约3 kcal/mol（物理吸附）到20 kcal/mol （化学吸附）的能量。其次，为加快氢气储存和释放过程速度，克服其动力学因素也需要更多的能量消耗。有人对这些能量消耗进行估算，氢的储存和释放过程中至少需要消耗其储存能量三分之一的能量。可见，由于氢气的储放过程使氢能能量利用效率大大降低。

在直接甲醇燃料电池等直接燃料电池中，富氢有机物作为主要的燃料源。这些有机物，在常温下一般为液体，能够十分方便的储存和运输，不存在储运问题。但是，这类燃料电池在工作时，会产生毒化电极贵金属催化剂的CO气体，极大的缩短了燃料电池的使用寿命。此外，甲醇、乙醇、甲酸等富氢有机物燃料含碳量高，燃料电池使用会有大量温室气体CO₂的排放。同时这类燃料不可循环使用，需要依靠化石能源或生物质等原料在进行工业生产制得，在世界能源危机和粮食危机的大背景下很难有所作为。这些不利因素都不符合未来绿色、可持续的新型能源发展理念，限制了这类燃料电池技术的实际应用。因此发展一种更为高效、环保、可持续的氢能利用方式尤为重要。

从能量和物质转化的角度来看，在依托于储氢材料的氢能储存利用过程中，氢气储存、释放以及使用过程中能量转变的同时，也伴随着氢气分子转变成质子或氢原子的过程。氢气在这些过程中实质起到的是一个能量载体的作用，各种储氢材料也只是氢气的一个物质载体，那么是否可以将载氢储氢材料分子本身直接作为氢能的一种能量载体，这样就能省去氢气吸附和脱附的过程，从而降低这一过程中能量消耗。同时，载氢储氢分子脱附氢能（只脱附氢原子，反应产生水）后，储氢分子能够通过加氢继续循环使用。

但是，要实现将载氢储氢材料中氢能直接利用而不产生氢气的这一过程，现有氢能利用装置（燃料电池技术）显然无法胜任。通过对传统氢直接燃料电池原理的分析，我们知道电极催化剂是燃料电池正常产生电能的关键。传统氢直接燃料电池电极催化剂一般为贵金属Pt，氢气在金属Pt表面分解产生电子和质子，质子经质子膜到氧电极与氧生成水，而电子通过外电路为负载提供电能。但是，当我们利用载氢储氢材料进行直接氢能利用，传统催化剂这时则无法保证载氢储氢载体中氢能不产生氢气直接产生电能。这样一方面我们需要找到合适的储氢载体，一方面则需要找到合适的电极催化剂，来构建这种载氢储氢材料直接燃料电池。