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碱性电解水用多孔复合隔膜的制备及性能研究

摘要

氢气作为一种能源载体和储能方式，可以配合可能再生能源形成低碳能源体系，

是工业深度脱碳与新能源深度脱网的结合。通过转化为氢储能，可以将可再生能源规

模化引入能源体系，解决可再生能源随机性和间歇性的问题，避免弃风、弃光、弃水

现象，构筑以可再生能源为主的新型电力系统。目前，碱性电解水制氢技术最为成熟，

在碱性介质中，因可用非贵金属催化剂且避免使用昂贵的钛基组件而受到广泛认可。

隔膜是碱性电解槽的核心，由于使用非贵金属催化剂导致低的反应动力学，通过隔膜

后会产生高的欧姆电阻，商用碱性电解槽一般呈现出相对较低的电流密度。因此，为

了解决商业化Zirfon分离器所面临的高内阻，低阻气性的问题，研究一种更先进的隔

膜，以减少电解过程中的欧姆损耗和气体交叉是必要的。

本文主要围绕Zirfon膜在电解水制氢中的亲水性和阻气性问题，从改变聚合物基

质的角度出发，利用NIPS法制备高亲水性和阻气性的隔膜。主要工作包括：

（1）用亲水性的NPBI代替Zirfon中疏水的PSF，通过与ZrO2掺杂来得到高亲水

性多孔复合隔膜。SEM、孔径分布、碱稳定性和接触角等测试表明，亲水性的NPBI与

ZrO2具有良好的界面相容性，有效抑制了填料的溢出。所制备的隔膜具有较高的水吸

2

收率和KOH吸收率(62.2%和23.5%)，较低的膜面电阻(0.162Ω·cm)，较高的泡点压力

-1-2

(4.48bar)，以及较低的H渗透率(2.63L·min·cm)。在6MKOH中，Z60隔膜在0.5

2

A/cm2下的电压为2.007V，与商用Zirfon相当。当采用泡沫Ni催化剂时，Z60分离器

获得了长达400h的长期稳定性，电压波动仅为55μV/h。

（2）以含吲哚结构的高化学稳定性聚合物POBP和ZrO2为原料，通过预蒸发和

NIPS法设计制备具有薄皮层的多孔复合隔膜。薄皮层能显著抑制气体交叉，而指状孔

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可以保证OH的快速传导，同时吲哚负离子的低官能团密度也可减缓OH对隔膜的进攻。

所制备的Z60分离器具有低面积电阻（0.227Ω·cm²）、高泡点压力（0.813MPa）和低

氢气渗透性（0.5L·min⁻¹·cm⁻²），且在80°C、6MKOH中显示了长达5040小时的非原

位碱性稳定性。当使用Ni-Al催化剂时，含有Z60隔膜的电池在1.7V时即可获得0.5

A/cm2的电流密度，低于Zirfon隔膜（1.8V）。Z60隔膜在80°C的条件下，在0.125

A/cm²和0.5A/cm²的电流密度下分别稳定运行超过900小时和1200小时，显著提高了

多孔分离器的耐久性。

【关键词】：碱性水电解；多孔隔膜；气体交叉；亲水性；碱性稳定性；欧姆电阻

Preparationandperformanceofporous

compositediaphragmsforalkalinewater

electrolysis

Abstract

Hydrogen,servingasanenergycarrierandamethodofenergystorage,canbeusedin

conjunctionwithrenewableenergysourcestoformalow-carbonenergysystem,representing

afusionofdeepindustrialdecarbonizationandextensiveoff-