堿性電解槽中的逆電流成因

"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）。

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 RHE（Reversible 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