一文了解水質對PEM電解制氫能耗的影響

質子交換膜（PEM）電解技術因其效率高、電流密度大、溫度適應范圍廣和響應速度快等優勢，成為當前主流方法之一。盡管大多數研究聚焦于PEM電解槽的演示、新型催化劑開發或質子交換膜改進，但系統和給水的優化仍是一個關鍵挑戰。因此，本研究重點探討了水質參數——包括pH值、總溶解固體（TDS）和電導率——對PEM電解槽能耗的影響，以優化氫生產過程。這些參數通常相互關聯，影響電解性能。

PEM電解槽的工作原理是通過電化學反應將水在電極上分解為氫氣和氧氣。由于水是主要反應介質，其質量直接影響電解效率和能耗。關鍵水質因素包括pH值、TDS和電導率：例如，pH值能改變氧還原反應電位，從而影響能耗，但極端pH會導致膜降解；電導率低可降低能耗，但過高則可能損傷膜；TDS則與水的導電性相關，可能引發結垢問題。美國材料與試驗協會（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，增加凈化成本。研究表明，如TDS為零時無氫氣產出，而高TDS水平（0-2000ppm）可能提升產量。

1. pH值對產氣量和能耗的影響

pH值是影響氫氣生產效率的核心因素。隨著pH值變化，氫氣和氧氣的生成速率會相應波動。實驗結果顯示，當pH值從3升至7時，產氣量下降，表明中性環境可能減緩電解過程；但pH值升至11時，產氣量顯著增加，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值影響電解液電導率：pH過高可能損傷膜結構，導致能耗上升；pH過低則降低導電性，并引發膜干涸問題，從而增加能耗。實驗數據表明，pH為8時能耗最低（約45kWh/m? H?），偏離此值能耗均上升。

2. 總溶解固體（TDS）對產氣量和能耗的影響

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

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

3. 電導率對產氣量的影響

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

4. 不同水質對能耗的影響

比較海水、井水和去離子水對PEM電解槽的影響：

海水：高溶解鹽和礦物質增加導電性，但提升電阻，需更高電壓，導致能耗上升。

井水：溶解物較少，能耗通常低于海水，但礦物質成分不確定性大。

去離子水：低導電性減少電阻，提高能效，但缺乏必要離子，需根據系統設計謹慎使用。

結論與推廣

PEM水電解常被關注電解槽本身，但給水系統（BOP）管理同樣關鍵。優化水質參數（pH值、TDS、電導率）不僅能提升效率和產氣量，還能延長設備壽命，盡管PEM的BOP較堿性系統簡化，但純水質量管理至關重要。