【论文推荐】国网智能电网研究院郭志远等：离子污染对质子交换膜电解制氢的影响研究进展

原创中文期刊编辑部全球能源互联网期刊 2023-06-09 08:03

离子污染对质子交换膜电解制氢的影响研究进展

郭志远¹，朱玉婷¹，叶青¹，胡晓¹，宋洁¹, 徐桂芝¹, 邓占锋^1＊, 段方维², 刘芮彤²

（1．国网智能电网研究院有限公司先进输电技术国家重点实验室；

2．国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院）

本文发表在《全球能源互联网》2023年第3期“基于人工智能技术的新型电力系统优化运行与控制”专题上，欢迎点击品读。受国家电网有限公司科技项目（5419-202158329A-0-0-00）资助。

文章导读

随着碳减排的需求日益增长，电解制氢技术受到广泛的关注。质子交换膜（PEM）电解制氢由于运行灵活，具有优异的可再生能源波动适应性，是极具发展前景的绿色制氢技术。然而，在电解用水中可能存在残余金属离子，电解堆内部关键材料和系统水循环管路、水箱可能因化学或电化学腐蚀产生痕量金属离子，污染催化层、质子交换膜等组件。因此本文分析了金属离子的污染来源以及不同离子污染机制，并综述了离子污染的缓解策略。

文章亮点

（1）梳理了电解制氢过程中金属离子的来源。可能来自水中固有金属离子，系统补水箱、管路等，电解堆内部双极板、多孔传输层、密封垫圈等。

（2）总结了金属离子对质子传递、阴阳极三相界面的影响机制。金属离子主要通过占据质子交换膜中H⁺离子传递通道，或在阴阳极发生电沉积、欠电位沉积、其他化学反应导致活性位点被覆盖，进而引起电解性能的下降。

（3）综述了离子污染缓解策略。当产生由离子污染造成的电解性能下降时，及时采用一定浓度的酸或去离子水处理电解堆中的膜电极，可使电解堆性能得到一定恢复。

主要内容

从污染源、中毒机制、缓解策略三个角度分析电解制氢过程中的离子污染问题。

⬇ 表1 恒压运行208 h开始和结束时水中的离子种类和浓度

电解用水主要来自纯水机制备的去离子水，而Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等离子是水中固有杂质，是PEM水电解制氢中潜在的阳离子污染源，可能随电解水循环浓缩富集。此外，电解堆或系统组件因腐蚀而产生一些痕量金属离子，例如双极板、多孔传输层、密封垫圈、水循环金属管路等，也可能导致去离子水污染。表1是电解膜电极恒压1.8 V运行208 h前后的水质检测结果，发现运行后Si、Na、Ca、Cr、Ni、Fe等元素含量提升，推测水中Si来自纳米SiO₂填充的补水箱，Na、Ca元素浓度增大来自循环水中离子富集，Cr、Fe等主要是金属管件在水中的微量溶解，SO4^2-、NO_3-来自含硫和含氮有机物的氧化。由此可见，电解制氢过程中可能存在的阳离子种类很多，这与测试配套的电解用水、电解系统及电解堆部件有关。

⬆图1 Na离子污染后膜电极截面EPMA图

金属阳离子对磺酸基团位点的亲和力高于质子，会优先占据质子交换膜中H离子传递通道，导致H离子传递受阻，欧姆电阻增加。

⬆图2 100 mA/cm²电流密度下不同Cu²⁺浓度污染后析氢过电位随时间的变化

金属阳离子受电解电压和浓度差驱动，通过质子膜转移到阴极，一般通过三种形式在阴极发生沉积：1）当金属离子相对于标准氢电极具有正可逆平衡电位，在阴极三相界面处发生电沉积；2）当金属离子相对于标准氢电极具有负可逆电位，但由于Pt的催化作用，在催化剂表面发生单层欠电位沉积；3）当金属离子具有更负的能斯特电位，不能还原沉积在阴极催化层上，但它们可能在质子膜和阴极催化剂层之间的界面处以氢氧化物的形式沉淀。金属离子沉积后会覆盖阴极活性位点，并且离子浓度越高，覆盖度越大，反应电阻增大的幅度越高。

⬆图3 不同阶段MEA的I-V曲线比较

当产生由离子污染造成的电解性能下降时，及时采用一定浓度的酸或去离子水处理电解堆中膜电极，可使电解堆性能得到一定恢复。

本文引文信息

郭志远，朱玉婷，叶青，等. 离子污染对质子交换膜电解制氢的影响研究进展[J]. 全球能源互联网，2023，6(3)：326-330.

GUO Zhiyuan, ZHU Yuting, YE Qing, et al. Research Progress on the Effect of Ion Pollution on Proton Exchange Membrane Electrolysis for Hydrogen Production [J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2023，6(3)：326-330 (in Chinese).

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