堿性電解槽中的逆電流成因

"太陽能、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的電力供應(yīng)往往存在波動(dòng)性，這使得大規(guī)模、短期或長(zhǎng)期的儲(chǔ)能解決方案顯得尤為關(guān)鍵，對(duì)于穩(wěn)定整個(gè)電力系統(tǒng)具有重要的價(jià)值。盡管AWE（堿性電解制氫系統(tǒng)）系統(tǒng)因其成本效益、長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及可擴(kuò)展性而受到廣泛關(guān)注，但其仍受到可再生能源間歇性供電所帶來的負(fù)荷波動(dòng)限制，這無疑為它的應(yīng)用前景帶來了不小的挑戰(zhàn)。特別是在AWE系統(tǒng)因負(fù)載波動(dòng)而關(guān)閉期間，反向電流（RC：Reverse-Current）"現(xiàn)象導(dǎo)致的催化劑瞬態(tài)穩(wěn)定性是最難解決的制約因素之一。 在 AWE 系統(tǒng)運(yùn)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(huì)引發(fā)逆向電流 (RC）。

b) 關(guān)機(jī)后反向電流現(xiàn)象的詳細(xì)機(jī)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(xiàn)這種逆流現(xiàn)象。而在 PEMWE 中，由于沒有離子路徑，這種現(xiàn)象就不會(huì)出現(xiàn)。具體來說，在正常情況下，陰極和陽極分別處于還原環(huán)境（由 H₂ 和還原物質(zhì)組成）和氧化環(huán)境（由 O₂ 和氧化物質(zhì)組成）。當(dāng) AWE 停止時(shí)，陰極上的還原物質(zhì)和陽極上的氧化物質(zhì)通過雙極板產(chǎn)生電連接。在 AWE 系統(tǒng)中，用于循環(huán)電解質(zhì)溶液的歧管會(huì)誘發(fā)額外離子路徑的形成，從而形成 "原電池 "并啟動(dòng)自發(fā)自放電過程。(如上圖 b）這一過程導(dǎo)致部分電流流向與正常電解電流相反的方向，從而分別導(dǎo)致陰極的氧化和陽極的還原。逆向電流RC 持續(xù)流動(dòng)，直到兩個(gè)電極之間建立起電位平衡，最終也會(huì)導(dǎo)致 AWE電解槽性能下降。AWE系統(tǒng)作為可再生能源間歇性功率波動(dòng)的儲(chǔ)能裝置時(shí)，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(shí)常出現(xiàn)波動(dòng)，這就給AWE系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，如何有效減輕RC現(xiàn)象所帶來的耐久性問題，成為了確保AWE系統(tǒng)在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

在 RC 現(xiàn)象中，陽極還原的影響可以忽略不計(jì)。相反，OER 催化劑的間歇性還原會(huì)對(duì)其催化活性產(chǎn)生修復(fù)作用，從而提高催化劑的整體耐用性。相反，RC 現(xiàn)象造成的陰極氧化可能會(huì)導(dǎo)致催化劑鈍化或溶解，從而導(dǎo)致催化性能嚴(yán)重下降。特別是，如果在鎳基電極上施加相對(duì)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(huì)形成不可逆的氫氧化物或氧化物相（如 β-Ni(OH)₂ 和 NiO），導(dǎo)致 HER 催化活性下降。

一些前沿研究已經(jīng)探索出基于系統(tǒng)工程的巧妙策略，旨在解決AWE電解槽關(guān)閉后HER催化劑降解的棘手問題。其中，極化整流器的運(yùn)用被視為一種潛在有效的手段，用以減輕RC現(xiàn)象所帶來的不利影響。不僅如此，為了守護(hù)陰極催化劑層免遭RC流的侵襲，研究者們還提出了在適當(dāng)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(tǒng)化的方法（陰極保護(hù)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(xiàn)象而退化。這些創(chuàng)新策略為HER催化劑的穩(wěn)定性和耐久性提供了新的可能。

雖然這些系統(tǒng)級(jí)解決方案是有效的，但它們會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生負(fù)面影響，需要額外的設(shè)施，從而增加運(yùn)營(yíng)成本。因此，采用以材料為基礎(chǔ)的方法是至關(guān)重要的，這種方法可以在不需要補(bǔ)充設(shè)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(fā)用于防止由于RC流動(dòng)導(dǎo)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

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