? ? ? 當前已知的ALKPEMAEM電解槽，其原理各不相同，電解槽類型的命名與膜材料密切相關。
? ? ?膜材料是決定電解槽反應機理、工作效率、穩定性安全性等的關鍵材料，也是電解槽設備中最重要的零部件之一。膜材料起著提供離子/質子通道、隔絕氣體等重要功能，本文以堿性（ALK）電解槽、質子交換膜（PEM）電解槽為例，剖析膜材料工作機理、主要性能、改進方向等，分析膜材料的重要性，供行業參考。
? ? ? ?堿性電解槽制氫的原理是在陰極，水分子被分解為氫離子和氫氧根離子，氫氧根離子（OH-）在陰、陽極之間的電場力作用下穿過多孔的隔膜達到陽極，失去電子生成水分子和氧分子；氫離子留在陰極得到電子，生成氫原子，并進一步生成氫分子和氫氣；
? ? ? 早期是使用石棉作為隔膜材料，但是石棉在堿性電解液中的溶脹性與石棉對人體的傷害使得其逐漸被淘汰。目前，行業內廣泛使用的隔膜為以聚苯硫醚（PPS）織物為基底的新型復合隔膜。
? ? ? 堿性電解槽的隔膜在堿性電解槽中在離子的傳導、隔絕氣體等方面發揮作用，其厚度、親水性、孔隙率和孔徑等與電解性能密切相關（包括電阻、電密、單位制氫的耗電量等），同時對氫氣的純度也存在重要影響。
——材料性能：離子導電率及氣密性是其關鍵特性，影響電阻、純度及安全
? ? ?隔膜的作用之一是允許離子的自由移動，而在發生反應的電解槽內電路中，氫氧根離子是在溶液中存在的，故隔膜與溶液的親水/疏水性，將直接影響離子導電率，即電阻。
? ? ?理論上，親水性越好，導電性越好，內阻更低，其單位出氫量的電耗也更低；同時更好的親水性也可保障離子穿越的同時隔絕氫氣和氧氣。目前多數研究也集中在如何提高隔膜的親水性上。
? ? ?隔膜另一關鍵作用是隔離電催化過程產生的氫氣和氧氣。隔膜將陰極室與陽極室隔離開來，通過各自的流道流出電解槽，實現氫氣與氧氣的分離。由于運行過程中陰極與陽極的壓差波動，隔膜的氣密性及其穩定性，將影響出口的純度，更是保障電解槽的安全運行的關鍵。
——物理改進：復合膜調節孔隙度、厚度等，則可提升隔膜的相關性能。
? ? ?針對膜材料性能的改善，一方面各機構的研究繼續針對材料自身性能的提升；另一方面，則是在PPS織物表面涂覆功能涂層來改善相關性能，構成一種“三明治”式的復合隔膜。
? ? ?復合隔膜主要在其表面勻稱地涂有聚合物和氧化鋯的混合物，其成分與配比、涂覆工藝的選擇是影響隔膜性能的關鍵。
? ? ? 其中，孔隙度、孔徑大小、厚度則是復合膜工藝考評的部分指標。
1）孔徑大小和孔隙度的間的均衡會影響電阻和氣密性。
? ? ? 孔的作用是為電解液中的陰陽離子提供傳輸的通道，降低電解過程的內阻，但也要隔離氫氣和氧氣。孔徑太大的話隔膜的氣密性會受到影響，太小的話離子的傳輸會受到阻礙，孔隙率也是同樣的道理。因此對孔的有效設計和控制是非常重要的，隔膜的孔徑與孔隙率要達到一個最優的數值以同時確保隔膜的高氣密性與低內阻。因此，對于孔結構的優化也是隔膜研究的重點。
? ? ? 對于復合隔膜來講，厚度也是一個重要的參數，厚度影響了隔膜的物理強度和電解槽的內阻。厚度大，支撐性強，但電解槽內阻更大。目前市售的隔膜厚度一般在500μm~600μm左右。
? ? ? ?質子交換膜電解槽本身是固體聚合物電解質電解槽（SPE）演變而來，因為杜邦公司發現的全氟磺酸膜的發現和突破，隨后由膜材料來命名，稱為質子交換膜電解槽。至今仍然大多沿用和在杜邦的全氟磺酸膜技術上進行改良。
? ? ? ?與堿性電解槽的原理不一樣，PEM電解槽并不是氫氧根離子穿越隔膜，而是氫質子（H+）穿越質子交換膜。即正極發生水解反應，產生氫質子（H+）、電子(e-)、和氧氣。質子穿越PEM膜與電子結合成為氫原子，氫原子相互結合形成氫分子。
1）PEM的質子傳導率與含水性相關，影響電阻和電密。
? ? ? 質子交換膜是由全氟磺酸(PSA)離子聚合物組成，其本質上是四氟乙烯(TFE)和不同的全氟磺酸單體的共聚物。質子由離子聚合物傳導，即磺酸基團。磺酸基團屬于親水性基團，能夠在其附近形成親水性區域。質子在含水量充分的區域內更易自由移動，更易實現整個電解槽的小電阻、高電密，單位產氫量的耗電量也更低。
2）PEM能夠快速相應功率變化，因而對氣密性要求較高。
? ? ?質子交換膜的質子傳導效率較堿性電解槽離子傳導效率更好，可以快速地響應于輸入功率的變化。當功率較低時，氧氣和氫氣的產氣量也會降低，若氣密性不好，則會造成氧氣、氫氣中雜質的濃度增加，造成危險。
——物理及其改進：PEM膜的厚度調整和催化劑、氣體擴散層配合將增加其性能優勢。
? ? 目前質子交換膜厚度一般在100~175μm之間。質子交換膜的厚度直接影響質子導電率，厚度越薄、質子跨膜的電阻更小。但同時，太薄的膜，其抗溶脹力、機械穩定性、氣密性均較差。目前PEM膜的厚度也是重點研究方向。
2）催化層的多孔結構和氣體擴散層的支撐結構可影響膜的功能。
? ?催化劑形成的催化層是PEM電解槽膜電極中發生反應的真正場所，催化劑顆粒表面需與質子交換膜緊密鏈接，傳遞質子，催化層的蓬松多孔結構可以增大質子傳導效率；氣體擴散層雖不直接參與反應，但為水、氣體、熱量等提供通道，同時起到保護作用。它必須具備一定的柔性來保護催化層和質子膜不被損害，同時又必須具備一定的剛性來支撐較薄的質子膜等。
? ? ? ?無論是從相對成熟的堿性電解槽技術來看，還是正在不斷實現突破的質子交換膜電解槽技術來看，膜材料都發揮著十分重要的作用，最重要的功能均為傳遞離子/質子、隔絕氣體。
? ? ? 針對膜性能的提升，一般圍繞提高離子/質子傳導率來降低電阻、同時保證氣密性和穩定性等方面開展研究。具體來說，一方面將圍繞材料本身的特性，包括親水性（吸水性）、導電率、氣密性、化學穩定性等方面開展研究；另一方面，也不斷在膜厚度、孔隙度、機械支撐力等方面通過調節自身性能、或與其他材料合作，找到平衡。
原文始發于微信公眾號（能景研究）：電解槽中膜材料到底有多重要？
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