堿性電解水所用隔膜的性能對電解槽的電耗和所產(chǎn)氫氣的純度有較大影響。堿性電解水制氫在早期所用的隔膜為石棉，由于存在健康安全問題，逐漸被聚苯硫醚（PPS）無紡布替代，但PPS無紡布的隔氣效果仍需進一步提高，以提高氫氣的純度。近年來人們研究了多種材料，以期獲得電阻較低且親水性和隔氣能力較好的隔膜。研究較多的是有機高分子聚合物及其復(fù)合膜，如聚砜類隔膜、聚醚類隔膜、聚四氟乙烯隔膜、PPS隔膜等。本文通過研究隔膜對電解性能的影響，揭示隔膜厚度和親水性的重要性，以期為堿性電解水關(guān)鍵材料的開發(fā)和優(yōu)化提供參考。本文試驗所用電解液采用分析純KOH（上海晶純生化科技股份有限公司）和超純水（18.2mΩ)配置而成；陰極電極為雷尼鎳網(wǎng)（0.50mm，蘇州競立制氫設(shè)備有限公司）；陽極電極為鎳網(wǎng)（0.50mm，蘇州競立制氫設(shè)備有限公司）和不同厚度的泡沫鎳（輝瑞絲網(wǎng)制造廠）；隔膜材料有PPS無紡布（日本東麗）和高分子復(fù)合膜（Agfa，Zirfon膜）。

1.不同隔膜的表征分析

隔膜在電解槽中起到隔開陰陽極板防止短路和隔絕氫氣氧氣混合的作用，其厚度、親水性、孔隙率和孔徑等與電解性能密切相關(guān)，同時對氫氣的純度也存在重要影響。不同隔膜的厚度、孔隙率、透氣性和膜電阻對比見表1。由表1可知，Zirfon500+，Zirfon500和PPS無紡布的厚度分別約為500，500和720μm，Zirfon500+和Zirfon500的孔隙率分別為60%和55%，2種Zirfon膜的透氣性相當(dāng)。

表1 不同隔膜的特征參數(shù)

進一步表征隔膜的表面形貌，如圖1所示。Zirfon隔膜由網(wǎng)狀聚苯硫醚織物組成，表面涂有聚砜和有助于提高隔膜親水性的無機氧化物ZrO2，且SEM結(jié)果顯示Zirfon表面具有幾十到幾百nm的不規(guī)則孔結(jié)構(gòu)。PPS無紡布由微米級的纖維紡織而成，具有微米級縫隙，明顯大于Zirfon膜。可見，Zirfon500+和Zirfon500具有厚度更薄、親水性更高和孔徑較小的優(yōu)點。

圖1 不同隔膜的SEM圖

膜電阻測試結(jié)果顯示，Zirfon500+具有最低的膜電阻（72mΩ),Zirfon500次之（283mΩ),PPS無紡布的膜電阻最大（571mΩ)。Zirfon500+和Zirfon500的膜電阻分別是PPS無紡布的12.6%和49.6%，這與Zirfon500+和Zirfon500隔膜厚度更薄且負載的無機氧化物ZrO2改善了親水性有關(guān)。

2.不同隔膜的電解水性能

將3種隔膜用于堿性水電解，測試結(jié)果如圖2所示。在相同測試條件下，當(dāng)電流密度為0.4A/cm2時，單電解池的電壓分別為PPS無紡布2.32V，Zirfon5001.98V，Zirfon500+1.94V。測得不同隔膜的單電解池在以上運行條件下的電阻分別為15.92，9.06，8.28mΩ,發(fā)現(xiàn)電解電壓大小與電阻具有一致的規(guī)律。

圖2 不同隔膜的單電解池的電解水電壓（0.4A/cm2）

進一步考察不同隔膜單電池的交流阻抗，大小順序為PPS無紡布>Zirfon500>Zirfon500+，與電阻的結(jié)果互相驗證。不同隔膜單電解池在電解過程中的電阻或阻抗與膜電阻密切相關(guān)。同時，活化阻抗的大小順序為PPS無紡布>Zirfon500≈Zirfon500+，活化阻抗與電解過程中氧化還原反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移相關(guān)，說明Zirfon膜相比PPS無紡布具有更高的電荷轉(zhuǎn)移效率。

3種隔膜的電解池采用相同的電極材料，但活化阻抗卻不同，可能由于PPS隔膜親水性比Zirfon膜差，導(dǎo)致氣泡不易脫附，從而占據(jù)了電極的反應(yīng)位點，導(dǎo)致電極的實際反應(yīng)面積減小。

Zirfon500和Zirfon500+為隔膜的單電解池過電位，相比PPS無紡布隔膜分別降低了14.7%和16.4%。結(jié)合前面對隔膜結(jié)構(gòu)和特性的表征分析可知，過電位的降低主要因隔膜厚度的減小和親水性的提高。

此外，在測試過程中發(fā)現(xiàn)，孔徑較大的PPS無紡布為隔膜時陰陽極間堿液偏移顯著，而Zirfon為隔膜時堿液無明顯偏移，說明Zirfon為隔膜可減少陰陽極間串氣，將利于提高氣體純度和安全性。不同隔膜電解池的電解水電壓（0.4A/cm2）如圖2所示。不同隔膜電解池的Nyquist圖（0.4A/cm2）如圖3所示。

圖3不同隔膜電解池的Nyquist圖（0.4A/cm2）

3.不同隔膜的極化曲線

不同隔膜的電解池在不同電流密度下的電解電壓如圖4所示。

圖4不同電流密度下電解池的電壓 

當(dāng)電流密度為0.2A/cm2時，PPS無紡布、Zirfon500和Zirfon500+隔膜電解池的電解電壓達到穩(wěn)定后分別為2.09，1.84，1.80V。當(dāng)電流密度增加到0.4A/cm2時，PPS無紡布、Zirfon500和Zirfon500+隔膜電解池的電解電壓相比電流密度為0.2A/cm2時增加了140mV，而PPS無紡布為隔膜的電解池電壓增加了230mV。進一步增加電流密度至0.6A/cm2，發(fā)現(xiàn)Zirfon500和Zirfon500+為隔膜的電解池電壓相比電流密度是0.4A/cm2時增加了120mV，增加幅度小于PPS無紡布的180mV。整體而言，隨著電流密度的增加，Zirfon500和Zirfon500+隔膜的過電位基本呈現(xiàn)線性增加趨勢，而PPS無紡布則在高電流密度下過電位增加幅度較大，可能與其表面親水性較差，從而導(dǎo)致氣泡不能及時脫附有關(guān)。因此，堿性電解水隔膜的親水性對提高電流密度和電解能效有重要影響。

結(jié)語

本文結(jié)合不同隔膜的結(jié)構(gòu)和特性，研究了不同隔膜對電解水性能的影響，發(fā)現(xiàn)高分子復(fù)合隔膜因具有較低的膜電阻和較好的親水性，可獲得相比于高分子無紡布較低的電解水過電位。