一文了解水質(zhì)對PEM電解制氫能耗的影響

質(zhì)子交換膜（PEM）電解技術(shù)因其效率高、電流密度大、溫度適應(yīng)范圍廣和響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，成為當(dāng)前主流方法之一。盡管大多數(shù)研究聚焦于PEM電解槽的演示、新型催化劑開發(fā)或質(zhì)子交換膜改進，但系統(tǒng)和給水的優(yōu)化仍是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。因此，本研究重點探討了水質(zhì)參數(shù)——包括pH值、總?cè)芙夤腆w（TDS）和電導(dǎo)率——對PEM電解槽能耗的影響，以優(yōu)化氫生產(chǎn)過程。這些參數(shù)通常相互關(guān)聯(lián)，影響電解性能。

PEM電解槽的工作原理是通過電化學(xué)反應(yīng)將水在電極上分解為氫氣和氧氣。由于水是主要反應(yīng)介質(zhì)，其質(zhì)量直接影響電解效率和能耗。關(guān)鍵水質(zhì)因素包括pH值、TDS和電導(dǎo)率：例如，pH值能改變氧還原反應(yīng)電位，從而影響能耗，但極端pH會導(dǎo)致膜降解；電導(dǎo)率低可降低能耗，但過高則可能損傷膜；TDS則與水的導(dǎo)電性相關(guān)，可能引發(fā)結(jié)垢問題。美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）推薦使用I型去離子水（總有機碳<50ppb、電阻率>1 MΩ·cm、鈉和氯<5?g/L），但實際水源常含雜質(zhì)，增加凈化成本。研究表明，如TDS為零時無氫氣產(chǎn)出，而高TDS水平（0-2000ppm）可能提升產(chǎn)量。

1. pH值對產(chǎn)氣量和能耗的影響

pH值是影響氫氣生產(chǎn)效率的核心因素。隨著pH值變化，氫氣和氧氣的生成速率會相應(yīng)波動。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)pH值從3升至7時，產(chǎn)氣量下降，表明中性環(huán)境可能減緩電解過程；但pH值升至11時，產(chǎn)氣量顯著增加，提示堿性條件有利于氫氣生成。

pH值還直接影響能耗。在PEM電解槽中，最佳pH范圍通常在7-9之間，因為pH值影響電解液電導(dǎo)率：pH過高可能損傷膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致能耗上升；pH過低則降低導(dǎo)電性，并引發(fā)膜干涸問題，從而增加能耗。實驗數(shù)據(jù)表明，pH為8時能耗最低（約45kWh/m? H?），偏離此值能耗均上升。

2. 總?cè)芙夤腆w（TDS）對產(chǎn)氣量和能耗的影響

TDS指水中溶解的無機和有機物總濃度，是評估水質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。實驗測試了低（300ppm）、中（600ppm）和高（900ppm）三個TDS水平，結(jié)果顯示產(chǎn)氣量隨TDS濃度增加而上升，高TDS可能充當(dāng)催化劑促進氫氣形成。相反，低TDS水平產(chǎn)氣量有限，TDS為零時無氫氣產(chǎn)出，這與現(xiàn)有研究一致。

TDS對能耗的影響顯著。高TDS增加水的導(dǎo)電性，但會升高電解槽電壓，導(dǎo)致能耗增加；同時，TDS可能引起電極或膜結(jié)垢，降低效率。為減輕影響，建議采用水處理技術(shù)（如反滲透或去離子）降低TDS，優(yōu)化能耗。

3. 電導(dǎo)率對產(chǎn)氣量的影響

電導(dǎo)率是另一個重要參數(shù)，反映水中離子濃度。高電導(dǎo)率可降低陽極氧還原反應(yīng)（OER）的過電位，減少能源需求，但過高值會增加膜惡化風(fēng)險和泵送能耗。實驗在電導(dǎo)率30mS/cm、70mS/cm和100mS/cm下進行，結(jié)果與多項研究相符：電導(dǎo)率上升促進氫氣產(chǎn)量。

4. 不同水質(zhì)對能耗的影響

比較海水、井水和去離子水對PEM電解槽的影響：

海水：高溶解鹽和礦物質(zhì)增加導(dǎo)電性，但提升電阻，需更高電壓，導(dǎo)致能耗上升。

井水：溶解物較少，能耗通常低于海水，但礦物質(zhì)成分不確定性大。

去離子水：低導(dǎo)電性減少電阻，提高能效，但缺乏必要離子，需根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計謹(jǐn)慎使用。

結(jié)論與推廣

PEM水電解常被關(guān)注電解槽本身，但給水系統(tǒng)（BOP）管理同樣關(guān)鍵。優(yōu)化水質(zhì)參數(shù)（pH值、TDS、電導(dǎo)率）不僅能提升效率和產(chǎn)氣量，還能延長設(shè)備壽命，盡管PEM的BOP較堿性系統(tǒng)簡化，但純水質(zhì)量管理至關(guān)重要。