如何选择水电解制氢的离子交换膜？

离子交换膜（IEM）是一种很薄的屏障，允许离子有选择性地从电化学设备的一个电极通过到另一个电极，包括但不限于水电解槽和燃料电池。离子交换膜由带电（或离子交换）基团功能化的三维聚合物基质组成。这些固定的电荷基团将带类似电荷的离子（同离子）完全或部分地排斥出膜，并允许带不同电荷的离子（反离子）通过膜。在水电解槽和燃料电池中，高效的离子传输对于实现高性能、降低过电位和确保相关电化学过程的整体有效性非常重要。

在本文中，我们将指导您为水电解和燃料电池应用选择合适的 IEM 时应考虑的关键因素。

二、择合适的 IEM 时的主要考虑因素

根据聚合物骨架中固定电荷基团的类型，IEM 可分为两种：阳离子（CEM）和阴离子（AEM）交换膜。阳离子交换膜含有固定的带负电荷的离子，允许阳离子在膜上移动。相反，AEM 带有带正电的基团，可选择性地允许阴离子的传输。除了这两种基本分类外，IEM 还可以是质子交换膜（PEM）、双极膜、两性膜和混合基质膜。在水电解槽和燃料电池中，PEM 和 AEM 最为有用。PEM 是一种特殊的 CEM，可传输质子（H⁺ 离子）。见下图2：

图2：离子交换膜的类型

选择离子交换膜时，首先要考虑的是燃料电池和水电解槽的类型。燃料电池和水电解槽的运行涉及离子的传输；需要传输的离子种类决定了要使用的离子交换膜的适当类型。在酸性条件下运行的聚合物电解质膜水电解槽（PEMWE）和燃料电池（PEMFC）需要传输 H⁺ 离子。因此，PEMFC 和 PEMWE 都使用 PEM。相反，在碱性环境下运行的阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）和阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）中，需要传输 OH- 离子。AEMFC 和 AEMWE 均使用 AEM。

一旦确定了适合燃料电池和水电解槽堆的 IEM 类型，现在就该深入研究能产生目标效率和性能的具体特性了。

2、IEM 性能及其之间的平衡

一般来说，IEM 的特性由聚合物骨架的特性和构成其结构的固定电荷决定。特别是聚合物基体的密度、润湿性（疏水性或亲水性）和形态，以及带电功能基团的类型和浓度，都会影响到 IEM 的性能。IEM 的机械、化学和热特性主要受聚合物骨架的影响，而电化学特性、导电性和过选择性则由固定电荷的浓度决定。点击此处了解更多有关 IEM 关键特性的信息。

图4：离子交换膜的关键特性

注解：

High IEC：高离子交换容量

Conductive：高离子电导率

Stable：高稳定性

Low crossover：低气体交叉

例如，高离子导电率可提高电池效率。为此，离子交换膜应具有高离子导电率。这样做的缺点是，在聚合物基质中添加更多带电官能团可能会增加吸水率，从而可能导致 IEM 退化。在这种情况下，应考虑性能-稳定性的权衡。相反，当我们希望膜具有高度的尺寸稳定性时，膜脱水就有可能降低离子传导性，从而降低电池性能。在为您的应用选择 IEM 时，有必要了解 IEM 的特性并找到它们之间的平衡点。

IONOMR Innovations 为下一代水电解槽和燃料电池提供先进的离子交换膜。AEMION+^TM 和 PEMION+^TM 离子交换膜展示了这些关键特性之间的微妙平衡。AEMION+^TM 是一种高性能的 AEM，在高碱性和强酸性环境中都很稳定，可实现经济高效的制氢甚至碳捕集。PEMION+^TM 引入了 PEM 技术的范式转变，用更环保的碳氢化合物取代了可能有害的材料。无论是高效氢燃料电池还是水电解槽应用，这两种 IEM 都在高离子电导率、IEC 和稳定性之间寻求平衡，并认识到在实现最佳性能时必须权衡利弊。

3、工作条件

在为您的应用寻找合适的 IEM 时，还应考虑工作条件，包括温度、压力和湿度水平。工作条件不仅会影响 IEM 的性能，还会影响其稳定性。一些 IEM 在高温高压下性能最佳，而另一些则专为低温应用而设计。在潮湿的工作条件下，吸水率低的膜可能比较合适。相反，在干燥的操作条件下，则需要吸水率高的 IEM，以避免膜过度脱水。确保所选的 IEM 能够承受设备的使用环境。

4、膜材料的成本

假设我们已经找到了性能和稳定性都很好的完美优化膜。另一个需要考虑的因素是成本。通常，对性能和稳定性的高要求需要高昂的材料成本。因此，平衡性能要求和预算限制至关重要，因为 IEM 的成本会影响燃料电池和水系统的总体成本。

最后，在选择 IEMS 时，还应考虑燃料电池和水电解槽设计的特殊要求。考虑您的应用所特有的任何特殊要求，例如空间应用的抗辐射性或环境中特定污染物的抗化学性。

选择正确的离子交换膜是设计高效耐用的水电解槽和燃料电池系统的关键点。通过仔细考虑上述因素并进行适当的测试，您可以根据具体的应用需求做出明智的决定。请联系我们，我们的应用工程师和内部水电解槽和燃料电池专家将帮助您选择最适合您应用的产品。让我们携手为清洁和可持续能源解决方案的发展铺平道路。

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：如何选择水电解制氢的离子交换膜？