氢气保护气体浓度对固体氧化物电解堆中CO?/H?O共电解性能的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Effect of hydrogen shielding gas concentration on the Co-electrolysis performance of CO 2/H 2O in solid oxide electrolysis stacks

该研究探究了氢气浓度对平管式镍基固态氧化物电解池（SOEC）在CO2/H2O共电解中性能与稳定性的影响。在750℃条件下，氢气浓度从0.2 SLM增至0.6 SLM时，1.3V电压下的共电解电流密度由466 mA/cm2降至383 mA/cm2，表明氢气浓度降低会抑制电池性能。长期测试显示，恒流300 mA/cm2下运行500小时后，电压衰减率为0.93%/100h，CO2转化率达34.09%。优化H2/CO2比例可同时提升H2/C产品比（≥4）和整体电解效率，揭示氢气兼具保护电极和调节反应组分的双重作用，为工业级共电解系统设计提供理论依据和实践证据。

　　这项研究聚焦于氢气浓度对平板型镍基固体氧化物电解堆（SOEC）在二氧化碳（CO?）和水（H?O）共电解过程中的性能与稳定性的影响。研究团队通过对实验条件的系统调整，深入探讨了氢气在共电解系统中的双重作用，即作为保护气体和反应物组分的调节剂。这些发现不仅为实际工业应用提供了理论指导，也为进一步优化电解堆设计和操作策略奠定了基础。

在当前全球能源危机和气候变化的背景下，高效地转化和利用二氧化碳已成为解决环境问题和推动可持续能源发展的重要途径。其中，固体氧化物电解技术因其高温运行、良好的热集成能力、快速的反应动力学以及较高的能量效率而备受关注。该技术能够通过电驱动将二氧化碳和水转化为合成气（syngas），进而用于生产甲烷等燃料。近年来，研究人员越来越多地关注将SOEC共电解技术与可再生能源系统相结合，以提高整体的能源利用效率。例如，2023年，Lin等人通过将高温SOEC与费托合成装置耦合，实现了超过80%的碳转化效率；2024年，Khan等人展示了利用高效光伏系统供电的SOEC装置能够生产甲醇，其效率超过20%；2025年，Liu等人提出了一种基于深度学习优化的太阳能热存储-SOEC混合系统，进一步提升了整体能量效率。这些进展表明，SOEC共电解技术在实现碳中和目标方面具有巨大的潜力。

然而，尽管在电极材料和结构优化方面取得了诸多突破，例如2023年Shao等人设计的双复合电极结构降低了极化损失15%，以及2024年Kim等人通过电化学析出技术在钙钛矿表面生成钌纳米颗粒，提高了催化活性40%，但实际工业应用中仍面临长期运行稳定性的问题。主要挑战包括碳沉积和镍纳米颗粒的聚集，这些问题会显著降低电极的性能和寿命。因此，如何通过调控氢气浓度来改善电解堆的运行稳定性，成为当前研究的重点之一。

在共电解过程中，氢气不仅作为反应产物，还能够作为一种保护气体，对电极材料起到关键的保护作用。工业上，通常会在燃料电极中引入少量氢气，以减少镍氧化和碳沉积的风险。这种策略已被证明可以有效提升Ni基电极的结构稳定性。氢气的引入不仅改变了电极的化学环境，还对反应路径、电荷转移机制和质量传输行为产生了深远影响，从而对整体电解效率和合成气组成产生调控作用。虽然已有研究探讨了氢气在共电解中的作用，但大多数集中在理论建模或短期实验上，缺乏对氢气浓度调控在工程尺度SOEC堆中的系统性研究，尤其是其对产物组成和长期运行稳定性的影响。

为了填补这一研究空白，本研究选择了一种具有工业应用前景的平板型Ni基SOEC堆。通过在恒定的水蒸气进料浓度下，调节进料气体中氢气与二氧化碳的比例，系统地分析了氢气浓度对电化学性能和气体转化率的影响。同时，研究团队结合电化学性能测试和在线气体成分分析，深入探讨了保护气体比例、电流密度、合成气中氢气与碳的比例以及二氧化碳转化率之间的相互关系。这一方法不仅能够揭示氢气在共电解过程中的关键作用，还能为优化电解堆的操作参数提供科学依据。

实验结果显示，在750°C的运行温度下，当进料气体中氢气浓度从0.2标准升每分钟（SLM）增加到0.6 SLM时，保持总燃料浓度不变，共电解电流密度从466 mA/cm2下降至383 mA/cm2，电压为1.3 V。这一现象表明，氢气浓度的降低会对电解堆的性能产生负面影响。进一步的长期耐久性测试表明，在750°C下保持电流密度为300 mA/cm2的情况下，电解堆在500小时运行过程中，电压降速率和二氧化碳转化率分别为0.93%/100小时和34.09%。这说明在实际运行中，氢气浓度的调控对于维持电解堆的稳定性和效率至关重要。

值得注意的是，研究还发现，通过优化氢气与二氧化碳的进料比例，可以显著提升合成气中氢气与碳的比例，使其达到或超过4。这一比例的提升不仅有助于提高能源利用效率，还对产物的经济性和环境友好性具有重要意义。此外，优化后的进料比例还能有效改善电解堆的整体性能，减少极化损失，提高电流密度。这些结果进一步验证了氢气在共电解过程中的双重作用：一方面，它能够作为保护气体，防止电极材料的氧化和碳沉积；另一方面，它还能通过调节反应物的浓度比例，优化反应路径，提高电解效率。

本研究通过系统实验和数据分析，揭示了氢气浓度对SOEC共电解性能的多方面影响。研究结果表明，氢气浓度的合理控制对于提升电解堆的稳定性和效率具有重要作用。此外，研究还强调了在实际工业应用中，需要综合考虑多种因素，包括进料气体成分、操作温度、电流密度以及保护气体的比例，以实现最佳的电解效果。这些发现不仅为未来的电解堆设计和优化提供了理论支持，也为推动共电解技术在可再生能源领域的应用提供了实践指导。

在实验过程中，研究团队采用了先进的测试方法，结合电化学性能分析和在线气体成分监测，确保了数据的准确性和可靠性。通过这种综合手段，研究人员能够全面评估氢气浓度变化对电解堆性能的影响，并进一步分析其背后的机理。这种实验设计不仅有助于揭示氢气在共电解过程中的关键作用，还能为后续研究提供重要的参考依据。

此外，本研究还对现有文献进行了回顾和分析，指出现有研究在氢气浓度调控方面的不足。尽管已有部分研究探讨了氢气在共电解中的作用，但大多数集中在理论建模或短期实验上，缺乏对氢气作为保护气体的系统性研究。特别是对于工程尺度的SOEC堆，关于氢气浓度如何影响产物组成和长期运行稳定性的问题尚未得到充分解答。因此，本研究的开展具有重要的现实意义和理论价值。

通过本研究，研究人员不仅验证了氢气浓度对电解堆性能的直接影响，还进一步探讨了其在反应路径调控和质量传输优化中的潜在作用。这些发现表明，氢气浓度的调控不仅可以提高电解效率，还能有效改善电解堆的长期运行稳定性。因此，未来的研究应进一步探索氢气浓度与其他操作参数之间的相互作用，以期在实际应用中实现更高效的碳转化和能源利用。

总的来说，这项研究通过系统实验和数据分析，揭示了氢气浓度对SOEC共电解性能的关键影响。研究结果表明，氢气在共电解过程中扮演着双重角色：一方面，它作为保护气体，有助于维持电极材料的稳定性和活性；另一方面，它还能通过调节反应物比例，优化反应路径，提高整体电解效率。这些发现为未来共电解技术的开发和应用提供了重要的理论支持和实验依据，同时也为实现碳中和目标提供了新的思路和技术路径。