碱性电解槽中的逆电流成因

 
原创 马震 氢眼所见 2024-04-10 23:00 天津
"太阳能、风力发电等可再生能源的电力供应往往存在波动性，这使得大规模、短期或长期的储能解决方案显得尤为关键，对于稳定整个电力系统具有不可或缺的价值。尽管AWE（碱性电解制氢系统）系统因其成本效益、长期稳定性以及可扩展性而受到广泛关注，但其仍受到可再生能源间歇性供电所带来的负荷波动限制，这无疑为它的应用前景带来了不小的挑战。特别是在AWE系统因负载波动而关闭期间，反向电流（RC：Reverse-Current）"现象导致的催化剂瞬态稳定性是最难解决的制约因素之一。 在 AWE 系统运行期间（如下图 a 所示），阳极和阴极之间的电位差、通过双极板的电子（e-）路径和通过歧管的氢氧根离子(OH-)路径会引发逆向电流 (RC）。 
说明：
a) 碱水电解槽停机后，阴极和阳极之间的反向电流流动示意图，阴极和阳极之间由双极板隔开。
b) 关机后反向电流现象的详细机理。
特别指出的是，由于歧管的存在，在 AWE电解槽中特别容易出现这种逆流现象。而在 PEMWE 中，由于没有离子路径，这种现象就不会出现。具体来说，在正常情况下，阴极和阳极分别处于还原环境（由 H2 和还原物质组成）和氧化环境（由 O2 和氧化物质组成）。当 AWE 停止时，阴极上的还原物质和阳极上的氧化物质通过双极板产生电连接。在 AWE 系统中，用于循环电解质溶液的歧管会诱发额外离子路径的形成，从而形成 "原电池 "并启动自发自放电过程。(如上图 b）这一过程导致部分电流流向与正常电解电流相反的方向，从而分别导致阴极的氧化和阳极的还原。逆向电流RC 持续流动，直到两个电极之间建立起电位平衡，最终也会导致 AWE电解槽性能下降。AWE系统作为可再生能源间歇性功率波动的储能装置时，其耐久性问题尤为明显。鉴于可再生能源的特性，其功率输出时常出现波动，这就给AWE系统的稳定运行带来了巨大挑战。因此，如何有效减轻RC现象所带来的耐久性问题，成为了确保AWE系统在大规模储能应用中可靠运行的关键。
在 RC 现象中，阳极还原的影响可以忽略不计。相反，OER 催化剂的间歇性还原会对其催化活性产生修复作用，从而提高催化剂的整体耐用性。相反，RC 现象造成的阴极氧化可能会导致催化剂钝化或溶解，从而导致催化性能严重下降。特别是，如果在镍基电极上施加相对于 RHE（Reversible Hydrogen Electrode,缩写为RHE，称为可逆氢参比电极） 超过 0.6 V 的电位，就会形成不可逆的氢氧化物或氧化物相（如 β-Ni(OH)2 和 NiO），导致 HER 催化活性下降。
一些前沿研究已经探索出基于系统工程的巧妙策略，旨在解决AWE电解槽关闭后HER催化剂降解的棘手问题。其中，极化整流器的运用被视为一种潜在有效的手段，用以减轻RC现象所带来的不利影响。不仅如此，为了守护阴极催化剂层免遭RC流的侵袭，研究者们还提出了在适当高度上施加额外阴极电位的策略。更为引人瞩目的是，一种系统化的方法（阴极保护法），也在研究中脱颖而出。该方法巧妙地利用阳极与阴极的连接，让牺牲阳极代替阴极材料溶解，从而防止电极因RC现象而退化。这些创新策略为HER催化剂的稳定性和耐久性提供了新的可能。
虽然这些系统级解决方案是有效的，但它们会对整个系统的平衡产生负面影响，需要额外的设施，从而增加运营成本。因此，采用以材料为基础的方法是至关重要的，这种方法可以在不需要补充设施的情况下减轻降解。然而，很少有基于材料的解决方案被开发用于防止由于RC流动导致的催化剂降解。
逆流(RC)引起的阴极催化层性能退化值得探索！