碱性电解槽及隔膜材料

碱式电解槽结构相对简单、技术成熟度高，隔膜，电极是技术优化的前提条件。
制氢电解槽的隔膜从石棉材质一直发展到如今的聚合物复合材料，电解槽类型的命名与膜材料密切相关。
 碱性电解槽（ALK）
工作机理：氢氧根离子（OH-）穿过多孔隔膜
    碱性电解槽制氢的原理是在阴极，水分子被分解为氢离子和氢氧根离子，氢氧根离子（OH-）在阴、阳极之间的电场力作用下穿过多孔的隔膜达到阳极，失去电子生成水分子和氧分子；氢离子留在阴极得到电子，生成氢原子，并进一步生成氢分子和氢气；
 早期用石棉作为隔膜材料，膜材料是决定电解槽反应机理、工作效率、稳定性安全性等的关键材料，也是电解槽设备中最重要的零部件之一。膜材料起着提供离子/质子通道、隔绝气体等重要功能
但是石棉在碱性电解液中的溶胀性与石棉对人体的伤害使得其逐渐被淘汰。行业内广泛使用的隔膜为以聚苯硫醚（PPS）织物为基底的新型复合隔膜。
碱性水电解制氢用聚苯硫醚（PPS）织物隔膜
隔膜布表面采用高分子、无机纳米粒子修饰，耐高温、降低电压、提高电流密度等特性，亲水性能得提升，提高了离子导电率。
项目 数据 引用标准和备注 
幅宽cm ≥190 GB/T4666-2009 
厚度mm 0.75-0.90 GB/T3820-1997 
单位重量g/m2 480-530 GB/T4669-2008 
密度根/10cm 经 纬 140-150 100-108 GB/T4668-1995 GB/T4668-1995 
气密性mmH20 ≥300 JC/T211-2000 
  碱性电解槽的隔膜在碱性电解槽中在离子的传导、隔绝气体等方面发挥作用，其厚度、亲水性、孔隙率和孔径等与电解性能密切相关（包括电阻、电密、单位制氢的耗电量等），离子导电率及气密性是其关键特性，影响电阻、纯度及安全同时对氢气的纯度也存在重要影响。
1） 离子导电率与亲水性相关，影响电密和电阻。
     隔膜的作用之一是允许离子的自由移动，而在发生反应的电解槽内电路中，氢氧根离子是在溶液中存在的，故隔膜与溶液的亲水/疏水性，将直接影响离子导电率，即电阻。
     理论上，亲水性越好，导电性越好，内阻更低，其单位出氢量的电耗也更低；同时更好的亲水性也可保障离子穿越的同时隔绝氢气和氧气。目前多数研究也集中在如何提高隔膜的亲水性上。
2）隔膜隔绝氢气与氧气，气密性影响纯度。
  隔膜另一关键作用是隔离电催化过程产生的氢气和氧气。隔膜将阴极室与阳极室隔离开来，通过各自的流道流出电解槽，实现氢气与氧气的分离。由于运行过程中阴极与阳极的压差波动，隔膜的气密性及其稳定性，将影响出口的纯度，更是保障电解槽的安全运行的关键。
——物理改进：复合膜调节孔隙度、厚度等，则可提升隔膜的相关性能。
     针对膜材料性能的改善，一方面各机构的研究继续针对材料自身性能的提升；另一方面，则是在PPS织物表面涂覆功能涂层来改善相关性能，构成一种“三明治”式的复合隔膜。
     复合隔膜主要在其表面匀称地涂有聚合物和氧化锆的混合物，其成分与配比、涂覆工艺的选择是影响隔膜性能的关键。
 中，孔隙度、孔径大小、厚度则是复合膜工艺考评的部分指标。
碱性电解水制氢专用复合隔膜
PPS 高分子聚合物 
工作温度 >110℃ 
面电阻 > 80-100mΩ 
气密性  2公斤/cm2
1）孔径大小和孔隙度的间的均衡会影响电阻和气密性。
      孔的作用是为电解液中的阴阳离子提供传输的通道，降低电解过程的内阻，但也要隔离氢气和氧气。孔径太大的话隔膜的气密性会受到影响，太小的话离子的传输会受到阻碍，孔隙率也是同样的道理。因此对孔的有效设计和控制是非常重要的，隔膜的孔径与孔隙率要达到一个最优的数值以同时确保隔膜的高气密性与低内阻。因此，对于孔结构的优化也是隔膜研究的重点。
2）隔膜本身的厚度也需满足低内阻和支撑强的平衡。
对于复合隔膜来讲，厚度也是一个重要的参数，厚度影响了隔膜的物理强度和电解槽的内阻。厚度大，支撑性强，但电解槽内阻更大。目前市售的隔膜厚度一般在500μm~600μm左右。
无论是从相对成熟的碱性电解槽技术来看，还是正在不断实现突破的质子交换膜电解槽技术来看，膜材料都发挥着十分重要的作用，最重要的功能均为传递离子/质子、隔绝气体。
 针对膜性能的提升，一般围绕提高离子/质子传导率来降低电阻、同时保证气密性和稳定性等方面开展研究。具体来说，一方面将围绕材料本身的特性，包括亲水性（吸水性）、导电率、气密性、化学稳定性等方面开展研究；另一方面，也不断在膜厚度、孔隙度、机械支撑力等方面通过调节自身性能、或与其他材料合作，找到平衡。
国内碱式制氢电解槽
1发展方向
碱槽都以高产氢量为主攻方向，技术路线为增大电极面积、增加小室数量。方案使得电解槽的体积与重量越来越大，继续使用此方案增大产氢量，将面临运输与维护成本过高、电解液密封性变差、反向电流腐蚀加剧等问题。
2核心零部件同质化。
电极、隔膜、极板等材质类似，结构相近。碱式电解槽拉杆式圆柱形电解槽，双极板为圆形结构，电极基底为镍网，催化剂为镍基合金，隔膜为聚苯硫醚（PPS）膜。碱性电解槽的零部件都是传统工业体系下技术已经成熟的工业产品，并没有过多的创新性与技术壁垒，产业更加成熟后，产业链成本下降的同时，产品也会同时面临严重的同质化竞争。
3电解槽性能同质化。
电流密度、直流电耗、电解效率等不具明显区别。碱性电解槽的零部件同质化造成了性能的同质化。
隔膜是造成电解槽的内阻与额外能量损失的重要部位，大电流密度下影响更大。隔膜电阻越大，电流密度越高，造成的欧姆能量损失越严重。减小隔膜电阻是提高碱槽电流密度必须攻克的方向，是下一步碱性电解槽突破的重点与必然方向之一。