堿性電解水所用隔膜的性能對(duì)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(wèn)題，逐漸被聚苯硫醚（PPS）無(wú)紡布替代，但PPS無(wú)紡布的隔氣效果仍需進(jìn)一步提高，以提高氫氣的純度。近年來(lái)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(jī)高分子聚合物及其復(fù)合膜，如聚砜類(lèi)隔膜、聚醚類(lèi)隔膜、聚四氟乙烯隔膜、PPS隔膜等。本文通過(guò)研究隔膜對(duì)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(kāi)發(fā)和優(yōu)化提供參考。本文試驗(yàn)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(jìng)立制氫設(shè)備有限公司）；陽(yáng)極電極為鎳網(wǎng)（0.50mm，蘇州競(jìng)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(wú)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(kāi)陰陽(yáng)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(shí)對(duì)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(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，Zirfon500+，Zirfon500和PPS無(wú)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(jìn)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(wú)機(jī)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(wú)紡布由微米級(jí)的纖維紡織而成，具有微米級(jí)縫隙，明顯大于Zirfon膜。可見(jiàn)，Zirfon500+和Zirfon500具有厚度更薄、親水性更高和孔徑較小的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 不同隔膜的SEM圖

膜電阻測(cè)試結(jié)果顯示，Zirfon500+具有最低的膜電阻（72mΩ),Zirfon500次之（283mΩ),PPS無(wú)紡布的膜電阻最大（571mΩ)。Zirfon500+和Zirfon500的膜電阻分別是PPS無(wú)紡布的12.6%和49.6%，這與Zirfon500+和Zirfon500隔膜厚度更薄且負(fù)載的無(wú)機(jī)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(cè)試結(jié)果如圖2所示。在相同測(cè)試條件下，當(dāng)電流密度為0.4A/cm2時(shí)，單電解池的電壓分別為PPS無(wú)紡布2.32V，Zirfon5001.98V，Zirfon500+1.94V。測(cè)得不同隔膜的單電解池在以上運(yùn)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(jìn)一步考察不同隔膜單電池的交流阻抗，大小順序?yàn)镻PS無(wú)紡布>Zirfon500>Zirfon500+，與電阻的結(jié)果互相驗(yàn)證。不同隔膜單電解池在電解過(guò)程中的電阻或阻抗與膜電阻密切相關(guān)。同時(shí)，活化阻抗的大小順序?yàn)镻PS無(wú)紡布>Zirfon500≈Zirfon500+，活化阻抗與電解過(guò)程中氧化還原反應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移相關(guān)，說(shuō)明Zirfon膜相比PPS無(wú)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(diǎn)，導(dǎo)致電極的實(shí)際反應(yīng)面積減小。

Zirfon500和Zirfon500+為隔膜的單電解池過(guò)電位，相比PPS無(wú)紡布隔膜分別降低了14.7%和16.4%。結(jié)合前面對(duì)隔膜結(jié)構(gòu)和特性的表征分析可知，過(guò)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(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，孔徑較大的PPS無(wú)紡布為隔膜時(shí)陰陽(yáng)極間堿液偏移顯著，而Zirfon為隔膜時(shí)堿液無(wú)明顯偏移，說(shuō)明Zirfon為隔膜可減少陰陽(yáng)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(shí)，PPS無(wú)紡布、Zirfon500和Zirfon500+隔膜電解池的電解電壓達(dá)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(shí)，PPS無(wú)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(shí)增加了140mV，而PPS無(wú)紡布為隔膜的電解池電壓增加了230mV。進(jìn)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(shí)增加了120mV，增加幅度小于PPS無(wú)紡布的180mV。整體而言，隨著電流密度的增加，Zirfon500和Zirfon500+隔膜的過(guò)電位基本呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)，而PPS無(wú)紡布則在高電流密度下過(guò)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(shí)脫附有關(guān)。因此，堿性電解水隔膜的親水性對(duì)提高電流密度和電解能效有重要影響。

結(jié)語(yǔ)

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(duì)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(wú)紡布較低的電解水過(guò)電位。