Pulsed electrolysis of carbon dioxide by large scale solid oxide electrolytic cells for intermittent renewable energy storage

Anqi Wu, Chaolei Li, Beibei Han, Wu Liu, Yang Zhang, Svenja Hanson, Wanbing Guan*, Subhash C. Singhal

Carbon Energy.

DOI: 10.1002/cey2.262

研究背景

CO₂回收利用和可再生清洁电力发展是缓解气候变化和能源危机的两项重要举措。可再生电力具有间歇性与波动性的特点，需要考虑电力转换存储消耗问题。 固体氧化物电解槽（SOEC）技术可以高效地将CO₂电解生成燃料加以循环利用，能量转换效率可高达90%以上，是可再生电力能量转换储存及CO₂资源循环再利用的一种重要的潜在选择。间歇性与波动性是可再生电力的最大特点，SOEC用于可再生电力能量转换存储首先需要满足上述要求，这一研究并不常见。结合可再生电力间歇性与波动性特点，采用脉冲式电流开展CO₂电解，可能会遇到诸如在脉冲电流冲击下电极/电解质界面的加速劣化以及电极积碳等问题。在这项工作中，作者采用抗氧化还原极强的平管型SOEC研究了脉冲电流下CO₂循环电解合成燃料的过程与性能及其变化机理，为基于SOEC电解CO₂合成燃料应用于可再生电力的消纳提供了参考。

图1 基于可再生电力SOEC电解CO₂合成燃料技术原理

成果介绍

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所官万兵报道了一种利用SOEC结合可再生电力间歇性与波动性特点开展CO₂循环电解进行能量转换存储的技术。研究结果表明，CO₂电解合成燃料转化率≥52%，综合能量转换效率≥98%，且在100个脉冲循环运行周期内，电解性能衰减速率≤0.041%/循环周期，电池的寿命≥500个循环充电周期。本研究表明，SOEC利用CO₂电解合成燃料开展间歇性与波动性电力转换存储方面具有较大优势。

该成果以“Pulsed electrolysis of carbon dioxide by large scale solid oxide electrolytic cells for intermittent renewable energy storage”为题发表在Carbon Energy上，中国科学院宁波材料技术与工程研究所、宁波诺丁汉大学联合培养的博士研究生武安祺为论文第一作者。

研究亮点

（1）采用非恒定的脉冲电流进行CO₂循环电解，实现了100个循环周期运行，电解性能衰减速率≤0.041%/循环，脉冲电解寿命超过500个循环周期。

（2）在300mA/cm²的脉冲电流电解下，SOEC中CO₂转化率≥52%，在热循环利用的前提下电解系统的综合能量转换效率≥98%。

图文分析

要点1：平管型结构SOEC脉冲电解CO₂性能的变化规律

本实验采用平管型结构SOEC为NiO-3YSZ | NiO-8YSZ | 8YSZ | GDC | LSCF+GDC，电池尺寸为155 mm×64 mm×4.75 mm，有效面积为60 cm²。在100个脉冲电流周期电解CO²实验后，该电池放电模式下最大功率密度408 mW/cm2衰减至401mW/cm²，电解模式下（300 mA/cm²电解）电池电压从1.13 V增加到1.18 V，总的衰减速率约为0.041%/循环周期。在100个脉冲循环周期下，100 mA/cm²、200 mA/cm²和300 mA/cm²脉冲电流对应的衰减速率分别为0.024%/周期、0.034%/周期和0.041%/周期，脉冲电解寿命可超过500个循环周期。

图2 脉冲电流下CO₂电解的V-t曲线

要点2：平管型结构SOEC脉冲电解CO2性能的变化机理

电池阻抗结果显示，在0-19循环内电池的总阻抗和极化阻抗随着电解时间的延长逐渐降低，并趋于稳定。从第20个循环开始，极化阻抗略有增加，电池性能开始衰减。在第70-100次脉冲电解循环中，极化阻抗增大趋势更加明显，电池性能衰减随之增大。100 mA/cm²和200 mA/cm²电解电流下，电解反应促进了RWGS反应的平衡。当电解电流密度达到300 mA/cm²时，实测CO₂转化率低于理论数值。SOEC脉冲电解运行时，燃料电极的劣化是性能衰减的主要原因。电极中镍在燃料极/电解质界面处发生损耗和迁移，且在连续高温运行后，镍颗粒的粗化导致渗滤体积减少，这阻碍了氧离子向TPB的转移和YSZ中的电荷转移反应。

图3（A）100循环周期的阻抗；（B）镍含量随与电解质的距离而变化；（C）电极中镍颗粒尺寸分布统计