對于在電解電池中的應用，電解槽的膜必須滿足一些標準，其中包括：

(i)良好的離子和熱導率，

(ii)較差的電子導電性，

(iii)良好的化學和機械穩定性，

(iv)良好的熱穩定性，

(v)易于制造，易于以均勻厚度的大表面膜的形式生產，

(vi)表現出低的氣體溶解度。

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本文將討論一些定量和可量化的指標。

一、離子電導率

電解池中膜的首要作用是在電極之間傳遞電荷(離子)。因此，離子電導率是膜材料的一個關鍵物理性能。在傳統電解槽中，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。因此，表面電阻應小于0.1Ω.cm2為佳。目前多數的堿性隔膜面電阻在0.1~0.7Ω.cm2區間，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?產品的參數)。室溫下，1100EW Nafion?上H+形態的電阻率為ρ< 5.0Ω.cm，對應的電導率為σ>0.2s/cm 。因此，膜的表面電阻為0.1Ω.cm2。Nafion的導電性是由于質子在水相中的遷移和窄孔中相鄰磺酸基之間的質子通道作用。不同的材料可以用作氧離子導體（下圖1）。穩定的氧化鋯是研究最多的氧化物離子傳導固體電解質之一。溫度范圍為200~1600°C的ZrO2-12mol%Y2O單晶的離子電導率實驗值表明，在較高溫度范圍內，電導率足以應用于固體氧化物水電解等設備。在1000°C時，σ=0.1 s/cm。因此，需要100μm厚的膜以達到0.1Ω cm2的目標表面電阻。

圖1

圖1說明：某些氧離子導體的離子電導率。

(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

Top: SOFC雙極板材料的電導率進行比較。

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先滲透的術語。當膜用于間隙電堆或零間隙電堆(下圖2)的液體電解質時，陽離子和陰離子都根據其電荷和個體的遷移率參與電荷的傳輸。還必須考慮Donnan排斥效應。然而，當膜用于SPE電池（無液體電解質）時，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作用是防止電極上電解過程中形成的反應產物的重組。當電化學反應在高壓下產生氣體時(高壓PEM水電解池就是這種情況)，膜的透氣性Pm就成為一個關鍵的物理性質。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)和液態水的測量值之間。

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）符號表示，O2用封閉（實心）符號表示:

□，■Nafion?117，100% H2O;?

△，▲Nafion?117，50% H2O;

○，●Nafion?117，34% H2O;

▽，▼干的Nafion?117;

-.- .-.，聚四氟乙烯。

從這些數據中，有趣的是注意到溶解氣體在Nafion?上的運輸主要是通過離子(水合)團簇進行的。在PEM水電解器中，液態水被電解。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，必須確定擴散系數的值。物種i的透氣性與擴散系數Di(單位:cm2 /s)的關系為:

其中R為完美氣體常數(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散系數見下表1（不同溫度下完全水合Nafion117?中H2和O2的滲透率和擴散系數）。在常規的0-100°C工作溫度范圍內，DH2比DO2大大約兩倍。

表1

四、熱導率

在電解堆中工作時，離子電流流過膜。根據歐姆定律，能量以熱的形式散失。因此，膜的熱導率必須足夠高，以將熱量傳遞到周圍環境（例如，傳遞到PEM堆中的集電器），以避免可能引發不可逆損壞的不可接受的熱峰值。當電堆在高電流密度下運行時（PEM水電解電池可以達到幾A/cm2），這一點尤為重要。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）相機進行實驗觀察。該技術已用于PEM電池的表征（圖4和5）。

圖4說明：用于測量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單元中測量的典型溫度分布。

MEA（上圖4部件4）夾在兩個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（上圖4部件5）用于測量溫度圖，從中可以確定和建模溫度場（上圖5）。結果表明，即使在高電流密度（1 A/cm2）下，SPE（Nafion?）的導熱系數也足以避免在電解過程中形成熱點，但在設計PEM堆棧時必須小心引入有利于向周圍環境傳遞熱量的熱橋。

干的Nafion?的導熱系數隨工作溫度略有變化(見下圖6)：室溫下為160±30 mW/m K，65℃時為130±20 mW/m K。水合Nafion?的熱導率是含水量的函數：?λ= 180 mW/m K(相對濕度，RH = 10%)和λ = 300 mW/m K (RH = 100%)。在通常的0~100°C操作溫度范圍內，Nafion?的熱導率更接近于PTFE的熱導率(λ= 210~270 mW/m K)，而不是水的熱導率(λ = 600~653 mW/m K)。

圖6

圖6說明：Nafion?(1100 EW)在不同濕度比下的導熱系數。以純水和聚四氟乙烯的導熱系數變化為參考值。

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五、機械性能

拉伸強度σ(Pa)由應力-應變曲線的最大值表示。這是工程材料的一個重要參數。Nafion?的主要機械性能匯總在下表2.中（Nafion?的主要機械性能(RH：相對濕度(%)；MD：機器方向；TD：橫向)）：

表2

這些聚合物材料的機械穩定性足以設計幾平方米大小的電解槽。當陶瓷用作SPE時，情況有所不同。陶瓷易碎，熱循環會嚴重破壞其機械性能。改善這些性能以滿足實際應用的要求仍然是材料科學中的一個挑戰性問題。

來源：氫眼所見

原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：水電解中膜的性能要求