天津津綸科技關于堿性水溶液電解H2O制氫隔膜技術進展

電解隔膜對提高電解效率、降低電解能耗和提升氫氣純度等具有關鍵作用，主要技術指標包括水浸潤性、膜電阻、氣體阻隔性、耐堿性、耐溫性、力學性能和孔隙率等。為提高隔膜的服役性能，利用熔融技術和熱致相分離技術制備了低堿失量、耐高溫、低膜阻等PPS水電解制氫隔膜。

圖1：公司獲獎證明

公司合作者天津工業大學技術團隊取得了以下開發進展：

• 開發了織物型PPS隔膜專用樹脂和隔膜用PPS纖維改性技術，制備出了耐輻射、高親水、高卷曲纖維；
• 開發了低扭矩環錠紡紗技術，制備出低捻度少毛羽PPS紗線；
• 發明了膜微孔調控技術，實現了低膜阻和高氣體阻隔的織物型隔膜的產業化制備。

所制備的織物型PPS隔膜成功應用于國家重大科技工程，以及應用于蘇州競立、天津大陸制氫設備有限公司和邯鄲718所的水電解槽設備。

《織物型聚苯硫醚水電解隔膜關鍵制備技術與產業化應用》榮獲2022年度中國紡織工業聯合會科技進步一等獎（圖1和圖2）。

圖2：電解制氫隔膜的數碼照片

隔膜是水電解制氫裝置的核心組件和關鍵材料，直接影響了水電解裝置的能耗、氣體純度、電解穩定性及安全性等。

隔膜有兩方面的作用：①傳導氫氧根離子形成內通路；②隔絕兩極產生的氫氣和氧氣。

在酸性介質中，全氟磺酸質子交換膜電解水具有電解電流密度大（500～2000 mA cm-2）、效率高和響應速度快等優勢，但需用貴金屬催化劑（Pt、IrO2等）及鈦基雙極板。

在堿性介質中，可利用廉價的非貴金屬（Fe、Co及Ni等）為催化劑，具有成本低、環境友好、能利用光伏和風電等波動性電源的優勢。

兩種介質體系相比，堿性水溶液電解制氫在行業中占主導地位，是目前大規模電解制氫的主要手段。

堿性水溶液電解制氫的商業化隔膜為石棉布、PPS編織物、Zirfon PERL復合隔膜等。

石棉隔膜有高致癌性、高溫不穩定、膜厚重和內阻高等劣勢，已逐步被PPS編織物取代。

Zirfon復合隔膜由納米ZrO2（85wt%）和聚砜組成，平均孔徑150 nm。Zirfon PERL多孔膜的表面包含一層致密的聚砜層（約1μm，圖3a），不利于氫氧根的傳遞。

為解決皮層致密問題，科技人員又制備了均一多孔結構的ZrO2/聚砜多孔膜（圖3b）。復合隔膜在80 ℃下30% KOH溶液中，1.83V時的電流密度可達1000 mA cm-2。

然而，聚砜的耐堿較差，Zirfon隔膜耐不住高溫濃堿侵蝕，導致涂層開裂或脫落，隔離作用失效（導致電解槽爆炸）。由于ZrO2/聚砜復合隔膜穩定性遠低于織物型PPS隔膜，難于長期穩定服役（10～20年）。

雖然PPS隔膜具有極佳的高溫耐堿性，但傳統織物型PPS隔膜的高孔隙率導致泡點壓力低（＜2000Pa），且膜疏水性強，膜電阻高。

本公司針對以上情況，開發了致密型親水性PPS隔膜替代原有疏水型PPS隔膜，且致密型親水膜目前在國內外獲得推廣和應用。

圖3：Zirfon多孔膜的掃描電鏡圖

由于織物型PPS隔膜的孔徑大和泡點壓力低，電解槽對陰極和陽極腔室間的壓強差有嚴格限定，導致傳統的堿性水溶液電解槽難以與電力輸出波動性強的風電和光伏電力等直接相連。

本公司與天津工業大學合作，解析了PPS微孔膜結構的主要調控因素，研究了強酸、強堿和強有機溶劑對PPS微孔膜結構和性能的影響。

項目團隊從“PPS分子結構調控—鑄膜液組分優化—基膜支撐體篩選—膜孔調控—氫氧根離子傳導—制氫評價”等多維度攻克加壓型堿性水溶液電解制氫（波動性再生能源如風能和光伏等）用PPS多孔膜制備技術。

該技術開發了高氫氧根傳導率、超低堿失量、耐輻射、超低氣體滲透性、耐高溫與持久服役型 PPS 多孔膜，開展了PPS/ZrO2復合微孔膜的制備技術研發，以滿足我國水電解制氫技術對高性能隔膜的產業需求。

來源：津綸新材料

原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：天津津綸科技堿性制氫隔膜技術取得新進展