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堿性電解槽中的逆電流成因

 更新時間:2024-04-26    點擊量:103

"太陽能、風力發電等可再生能源的電力供應往往存在波動性,這使得大規模、短期或長期的儲能解決方案顯得尤為關鍵,對于穩定整個電力系統具有重要的價值。盡管AWE(堿性電解制氫系統)系統因其成本效益、長期穩定性以及可擴展性而受到廣泛關注,但其仍受到可再生能源間歇性供電所帶來的負荷波動限制,這無疑為它的應用前景帶來了不小的挑戰。特別是在AWE系統因負載波動而關閉期間,反向電流(RC:Reverse-Current)"現象導致的催化劑瞬態穩定性是最難解決的制約因素之一。 在 AWE 系統運行期間(如下圖 a 所示),陽極和陰極之間的電位差、通過雙極板的電子(e-)路徑和通過歧管的氫氧根離子(OH-)路徑會引發逆向電流 (RC)。

堿性電解槽中的逆電流成因


圖:堿性電解槽停機后反向電流導致的鎳電極降解。
說明:
a) 堿水電解槽停機后,陰極和陽極之間的反向電流流動示意圖,陰極和陽極之間由雙極板隔開。


b) 關機后反向電流現象的詳細機理。

特別指出的是,由于歧管的存在,在 AWE電解槽中特別容易出現這種逆流現象。而在 PEMWE 中,由于沒有離子路徑,這種現象就不會出現。具體來說,在正常情況下,陰極和陽極分別處于還原環境(由 H2 和還原物質組成)和氧化環境(由 O2 和氧化物質組成)。當 AWE 停止時,陰極上的還原物質和陽極上的氧化物質通過雙極板產生電連接。在 AWE 系統中,用于循環電解質溶液的歧管會誘發額外離子路徑的形成,從而形成 "原電池 "并啟動自發自放電過程。(如上圖 b)這一過程導致部分電流流向與正常電解電流相反的方向,從而分別導致陰極的氧化和陽極的還原。逆向電流RC 持續流動,直到兩個電極之間建立起電位平衡,最終也會導致 AWE電解槽性能下降。AWE系統作為可再生能源間歇性功率波動的儲能裝置時,其耐久性問題尤為明顯。鑒于可再生能源的特性,其功率輸出時常出現波動,這就給AWE系統的穩定運行帶來了巨大挑戰。因此,如何有效減輕RC現象所帶來的耐久性問題,成為了確保AWE系統在大規模儲能應用中可靠運行的關鍵。

在 RC 現象中,陽極還原的影響可以忽略不計。相反,OER 催化劑的間歇性還原會對其催化活性產生修復作用,從而提高催化劑的整體耐用性。相反,RC 現象造成的陰極氧化可能會導致催化劑鈍化或溶解,從而導致催化性能嚴重下降。特別是,如果在鎳基電極上施加相對于 RHEReversible Hydrogen Electrode,縮寫為RHE,稱為可逆氫參比電極) 超過 0.6 V 的電位,就會形成不可逆的氫氧化物或氧化物相(如 β-Ni(OH)2 和 NiO),導致 HER 催化活性下降。

一些前沿研究已經探索出基于系統工程的巧妙策略,旨在解決AWE電解槽關閉后HER催化劑降解的棘手問題。其中,極化整流器的運用被視為一種潛在有效的手段,用以減輕RC現象所帶來的不利影響。不僅如此,為了守護陰極催化劑層免遭RC流的侵襲,研究者們還提出了在適當高度上施加額外陰極電位的策略。更為引人矚目的是,一種系統化的方法(陰極保護法),也在研究中脫穎而出。該方法巧妙地利用陽極與陰極的連接,讓犧牲陽極代替陰極材料溶解,從而防止電極因RC現象而退化。這些創新策略為HER催化劑的穩定性和耐久性提供了新的可能。

雖然這些系統級解決方案是有效的,但它們會對整個系統的平衡產生負面影響,需要額外的設施,從而增加運營成本。因此,采用以材料為基礎的方法是至關重要的,這種方法可以在不需要補充設施的情況下減輕降解。然而,很少有基于材料的解決方案被開發用于防止由于RC流動導致的催化劑降解。

逆流(RC)引起的陰極催化層性能退化值得探索!


來源:氫眼所見

注:已獲得轉載權



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