對(duì)于在電解電池中的應(yīng)用，電解槽的膜必須滿足一些標(biāo)準(zhǔn)，其中包括：
(i)良好的離子和熱導(dǎo)率，
(ii)較差的電子導(dǎo)電性，
(iii)良好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，
(iv)良好的熱穩(wěn)定性，
(v)易于制造，易于以均勻厚度的大表面膜的形式生產(chǎn)，
(vi)表現(xiàn)出低的氣體溶解度。
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本文將討論一些定量和可量化的指標(biāo)。
一、離子電導(dǎo)率
電解池中膜的首要作用是在電極之間傳遞電荷(離子)。因此，離子電導(dǎo)率是膜材料的一個(gè)關(guān)鍵物理性能。在傳統(tǒng)電解槽中，工作電流密度從幾百mA /cm2到1A/cm2不等。在1A/cm2處的最大歐姆降為100mV是電解堆的良好目標(biāo)。因此，表面電阻應(yīng)小于0.1Ω.cm2為佳。目前多數(shù)的堿性隔膜面電阻在0.1~0.7Ω.cm2區(qū)間，以0.3Ω.cm2左右為主流。
在PEM水電解中，膜的典型厚度約為200μm(這是商用Nafion?產(chǎn)品的參數(shù))。室溫下，1100EW Nafion?上H+形態(tài)的電阻率為ρ< 5.0Ω.cm，對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率為σ>0.2s/cm 。因此，膜的表面電阻為0.1Ω.cm2。Nafion的導(dǎo)電性是由于質(zhì)子在水相中的遷移和窄孔中相鄰磺酸基之間的質(zhì)子通道作用。不同的材料可以用作氧離子導(dǎo)體（下圖1）。穩(wěn)定的氧化鋯是研究最多的氧化物離子傳導(dǎo)固體電解質(zhì)之一。溫度范圍為200~1600°C的ZrO2-12mol%Y2O單晶的離子電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)值表明，在較高溫度范圍內(nèi)，電導(dǎo)率足以應(yīng)用于固體氧化物水電解等設(shè)備。在1000°C時(shí)，σ=0.1 s/cm。因此，需要100μm厚的膜以達(dá)到0.1Ω cm2的目標(biāo)表面電阻。
圖1
圖1說明：某些氧離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率。
(a) Bi2V0.9Cu0.1O5.35,
(b) Ce0.9Gd0.1O1.95,
(c) La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85,和
(d) (ZrO2)0.9(Y2O3)0.1
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二、選擇滲透性
選擇滲透性是用來定義某些離子種類通過離子交換膜的優(yōu)先滲透的術(shù)語。當(dāng)膜用于間隙電堆或零間隙電堆(下圖2)的液體電解質(zhì)時(shí)，陽離子和陰離子都根據(jù)其電荷和個(gè)體的遷移率參與電荷的傳輸。還必須考慮Donnan排斥效應(yīng)。然而，當(dāng)膜用于SPE電池（無液體電解質(zhì)）時(shí)，只有一種電荷載體：陽離子交換材料中的陽離子（例如PEM水電解電池中的質(zhì)子或鹽水電解槽中鈉離子）和陰離子交換材料中陰離子。
圖2
圖2說明：二維示意圖。
(a)間隙單元，
(b)零間隙單元和，
(c)固相萃取單元。
三、透氣性
膜在電解電池中的第二個(gè)作用是防止電極上電解過程中形成的反應(yīng)產(chǎn)物的重組。當(dāng)電化學(xué)反應(yīng)在高壓下產(chǎn)生氣體時(shí)(高壓PEM水電解池就是這種情況)，膜的透氣性Pm就成為一個(gè)關(guān)鍵的物理性質(zhì)。Pm被定義為:
式中：u為氣體滲透速率(Nm3/s，其中Nm3是正常溫度(0°C)和壓力(1Bar)下的正常立方米體積；△P是穿過膜的氣體壓力差(Pa)；?δ是膜的厚度(m)， 是膜的截面(m2)。
下圖3顯示，Pm隨著聚合物膜的溫度和含水量的變化而顯著變化，其范圍在聚四氟乙烯(PTFE)和液態(tài)水的測(cè)量值之間。
圖3
圖3說明：Nafion?117在溫度和含水量下的氫和氧滲透性：
- - -，純水中的氫氣;
— ，純凈水中的氧氣。
H2用開放（空心）符號(hào)表示，O2用封閉（實(shí)心）符號(hào)表示:
□，■Nafion?117，100% H2O;?
△，▲Nafion?117，50% H2O;
○，●Nafion?117，34% H2O;
▽，▼干的Nafion?117;
-.- .-.，聚四氟乙烯。
從這些數(shù)據(jù)中，有趣的是注意到溶解氣體在Nafion?上的運(yùn)輸主要是通過離子(水合)團(tuán)簇進(jìn)行的。在PEM水電解器中，液態(tài)水被電解。膜是完全水化的，因此，H2和O2的滲透性是顯著的。為了估算滲透流量，必須確定擴(kuò)散系數(shù)的值。物種i的透氣性與擴(kuò)散系數(shù)Di(單位:cm2 /s)的關(guān)系為:
其中R為完美氣體常數(shù)(8*10的5次方?Pa cm3/K mol)， T為溫度(K)， Ci為i種類的濃度(mol /cm3)。
Nafion?117在不同操作溫度下的氫和氧擴(kuò)散系數(shù)見下表1（不同溫度下完全水合Nafion117?中H2和O2的滲透率和擴(kuò)散系數(shù)）。在常規(guī)的0-100°C工作溫度范圍內(nèi)，DH2比DO2大大約兩倍。
表1
四、熱導(dǎo)率
在電解堆中工作時(shí)，離子電流流過膜。根據(jù)歐姆定律，能量以熱的形式散失。因此，膜的熱導(dǎo)率必須足夠高，以將熱量傳遞到周圍環(huán)境（例如，傳遞到PEM堆中的集電器），以避免可能引發(fā)不可逆損壞的不可接受的熱峰值。當(dāng)電堆在高電流密度下運(yùn)行時(shí)（PEM水電解電池可以達(dá)到幾A/cm2），這一點(diǎn)尤為重要。非均相溫度引起非均相膜膨脹和膜穿孔。電解堆中的熱耗散可以使用紅外（IR）相機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。該技術(shù)已用于PEM電池的表征（圖4和5）。
圖4說明：用于測(cè)量PEM單元中溫度分布的單元示意圖。
(1)螺桿，(2)聚砜框架電堆，(3)電極，(4)MEA， (5) IR窗口。
圖5說明：在0.4A/cm2的0.42 mm厚的PEM單元中測(cè)量的典型溫度分布。
MEA（上圖4部件4）夾在兩個(gè)Pt電極（上圖4部件3）之間并插入聚砜框架電堆（上圖4部件2）中。在水電解過程中，紅外相機(jī)（上圖4部件5）用于測(cè)量溫度圖，從中可以確定和建模溫度場(chǎng)（上圖5）。結(jié)果表明，即使在高電流密度（1 A/cm2）下，SPE（Nafion?）的導(dǎo)熱系數(shù)也足以避免在電解過程中形成熱點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)PEM堆棧時(shí)必須小心引入有利于向周圍環(huán)境傳遞熱量的熱橋。
干的Nafion?的導(dǎo)熱系數(shù)隨工作溫度略有變化(見下圖6)：室溫下為160±30 mW/m K，65℃時(shí)為130±20 mW/m K。水合Nafion?的熱導(dǎo)率是含水量的函數(shù)：?λ= 180 mW/m K(相對(duì)濕度，RH = 10%)和λ = 300 mW/m K (RH = 100%)。在通常的0~100°C操作溫度范圍內(nèi)，Nafion?的熱導(dǎo)率更接近于PTFE的熱導(dǎo)率(λ= 210~270 mW/m K)，而不是水的熱導(dǎo)率(λ = 600~653 mW/m K)。
圖6
圖6說明：Nafion?(1100 EW)在不同濕度比下的導(dǎo)熱系數(shù)。以純水和聚四氟乙烯的導(dǎo)熱系數(shù)變化為參考值。
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五、機(jī)械性能
拉伸強(qiáng)度σ(Pa)由應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最大值表示。這是工程材料的一個(gè)重要參數(shù)。Nafion?的主要機(jī)械性能匯總在下表2.中（Nafion?的主要機(jī)械性能(RH：相對(duì)濕度(%)；MD：機(jī)器方向；TD：橫向)）：
表2
這些聚合物材料的機(jī)械穩(wěn)定性足以設(shè)計(jì)幾平方米大小的電解槽。當(dāng)陶瓷用作SPE時(shí)，情況有所不同。陶瓷易碎，熱循環(huán)會(huì)嚴(yán)重破壞其機(jī)械性能。改善這些性能以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求仍然是材料科學(xué)中的一個(gè)挑戰(zhàn)性問題。
來源：氫眼所見
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：水電解中膜的性能要求
