当前已知的ALKPEMAEM电解槽，其原理各不相同，电解槽类型的命名与膜材料密切相关。
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，本文以碱性（ALK）电解槽、质子交换膜（PEM）电解槽为例，剖析膜材料工作机理、主要性能、改进方向等，分析膜材料的重要性，供行业参考。
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；
早期是使用石棉作为隔膜材料，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。目前，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），同时对氢气的纯度也存在重要影响。
——材料性能：离子导电率及气密性是其关键特性，影响电阻、纯度及安全
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。
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。
其中，孔隙度、孔径大小、厚度则是复合膜工艺考评的部分指标。
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。
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。
质子交换膜电解槽本身是固体聚合物电解质电解槽（SPE）演变而来，因为杜邦公司发现的全氟磺酸膜的发现和突破，随后由膜材料来命名，称为质子交换膜电解槽。至今仍然大多沿用和在杜邦的全氟磺酸膜技术上进行改良。
与碱性电解槽的原理不一样，PEM电解槽并不是氢氧根离子穿越隔膜，而是氢质子（H+）穿越质子交换膜。即正极发生水解反应，产生氢质子（H+）、电子(e-)、和氧气。质子穿越PEM膜与电子结合成为氢原子，氢原子相互结合形成氢分子。
1）PEM的质子传导率与含水性相关，影响电阻和电密。
质子交换膜是由全氟磺酸(PSA)离子聚合物组成，其本质上是四氟乙烯(TFE)和不同的全氟磺酸单体的共聚物。质子由离子聚合物传导，即磺酸基团。磺酸基团属于亲水性基团，能够在其附近形成亲水性区域。质子在含水量充分的区域内更易自由移动，更易实现整个电解槽的小电阻、高电密，单位产氢量的耗电量也更低。
2）PEM能够快速相应功率变化，因而对气密性要求较高。
质子交换膜的质子传导效率较碱性电解槽离子传导效率更好，可以快速地响应于输入功率的变化。当功率较低时，氧气和氢气的产气量也会降低，若气密性不好，则会造成氧气、氢气中杂质的浓度增加，造成危险。
——物理及其改进：PEM膜的厚度调整和催化剂、气体扩散层配合将增加其性能优势。
目前质子交换膜厚度一般在100~175μm之间。质子交换膜的厚度直接影响质子导电率，厚度越薄、质子跨膜的电阻更小。但同时，太薄的膜，其抗溶胀力、机械稳定性、气密性均较差。目前PEM膜的厚度也是重点研究方向。
2）催化层的多孔结构和气体扩散层的支撑结构可影响膜的功能。
催化剂形成的催化层是PEM电解槽膜电极中发生反应的真正场所，催化剂颗粒表面需与质子交换膜紧密链接，传递质子，催化层的蓬松多孔结构可以增大质子传导效率；气体扩散层虽不直接参与反应，但为水、气体、热量等提供通道，同时起到保护作用。它必须具备一定的柔性来保护催化层和质子膜不被损害，同时又必须具备一定的刚性来支撑较薄的质子膜等。
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。
原文始发于微信公众号（能景研究）：电解槽中膜材料到底有多重要？
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