氢能被誉为“21世纪终极能源”，可再生能源的碱水电解制氢是最有潜力和最具经济效益的制氢技术。最近几年，随着电解槽越做越大，以及氢能用户对电解制氢效益或能耗的要求越来越高，电解制氢技术的发展进入了安全性和效益性博弈的局面。然而，当前电解制氢系统技术存在诸多缺陷，还达不到电解制氢技术的安全性和效益性共赢的局面。近期，电解水制氢行业内部利益博弈日益激烈，造成电解制氢事故频发。隔膜是电解水制氢装备的关键核心材料之一，本文针对隔膜与事故的关系，结合实验结果，作一分析，供大家批评指正。PEM水电解制氢设备
1、隔膜的作用——绝缘、传递离子和阻隔气体
隔膜在电解制氢装置内部起三个作用：①在电解液中传递离子（氢氧根或氢离子等），②阻隔两极的氢氧互串或渗透，③隔膜绝缘，防止两极电子通过隔膜传递（防止导电）。目前，大家对传递离子和阻隔气体都很关注，但唯一忽略的就是绝缘。隔膜导电造成隔膜电流密度大和电阻低，其后果就是引发爆炸，因此隔膜导电比气体互串危险更高。
2、隔膜的发展—石棉隔膜和聚苯硫醚隔膜历史选择的根源
碱水电解制氢已有百年历史，历经百年发展和沉淀，碱水电解制氢技术相对成熟和安全。然而，化石能源制氢技术的发展，导致碱水制氢的经济性日益降低。近年来，伴随可再生能源的发展，碱水电解水制氢作为储能技术又一次成为人类历史的选择。
图1：石棉的用途（绝缘）
石棉被广泛应用于防火、绝缘和保温材料。石棉隔膜作为碱水电解制氢的第一代安全防护和离子传输材料，已有百年服役历史。石棉的特点：亲水性好、绝缘，耐高温，且石棉在碱性溶液中具有良好的耐腐蚀性。国内外，石棉在电子电器的防护领域中应用甚多，比如电热包和制氢隔膜。因此，历史选择石棉为第一代碱水电解制氢隔膜的原因很充足：具有耐碱和亲水特性，在电解液中传递氢氧根，也能阻隔氢氧传递；同时，石棉绝缘性很好，防止电子传递。石棉被禁用的原因是其对人体健康造成严重危害，尤其是对肺部健康的影响极大，被列为一级致癌物。
聚苯硫醚同石棉有些相似，1、尺寸稳定性，其成型收缩率低，最低可达0.01%；2、电性能，介电常数3.9-5.1，介电强度13～17kV/mm；33、热稳定性，分解温度大于480℃，热变形温度超过260℃。阻燃性，氧指数46～53，达UL94 V0级；4、耐化学腐蚀性，在200℃以下不溶于任何溶剂。历史选择聚苯硫醚作为第二代碱水制氢隔的根源是：①聚苯硫醚绝缘，介电常数高和介电强度大，可以防止大电压击穿（在电子电器领域，聚苯硫醚绝缘膜应用甚广）；②聚苯硫醚耐碱，可在浓碱中长期运行，运行时间长达20年之久；③耐热和尺寸稳定性好。然而，聚苯硫醚隔膜的不足就是亲水性差，导致聚苯硫醚隔膜的气密性低和膜电阻大。因此，聚苯硫醚纤维膜被用户诟病，用户希望开发新一代制氢隔膜，解决聚苯硫醚隔膜的性能缺陷。在这个大背景下，复合隔膜和聚苯硫醚亲水改性隔膜应运而生。其中，亲水型聚苯硫醚隔膜成为当今碱水制氢隔膜的主力军，然而，隔膜厂家良莠不齐，在追逐亲水和能耗的过程中忘记了隔膜的三个作用：安全阻隔气体、绝缘不导电和离子传递等，且需要一定的耐久性和耐机械损伤性。如果隔膜不耐久，不耐机械损伤，类似玻璃网，一碰就坏，即使再好的隔膜也不能用。
3、电解槽事故和隔膜关系解析
（1）隔膜本身导电是事故的重要原因
目前来看，国内市场上的隔膜良莠不齐，单从隔膜导电来看，隔膜电阻各有不同，其中绝缘隔膜是合格的标准。不同厂家，为了降低膜阻，让隔膜导电，这是造成电解槽爆炸的直接原因。隔膜电子传递，会有以下几方面表现：①膜电阻低、电解槽运行参数漂亮，显示能耗很小（4.0以下，甚至达到3.7左右）。②虽然电解槽运行数据漂亮，但是产氢远低于理论值，大部分电转换成了热，因为隔膜成为了电热毯，成为了释放热量的器件。隔膜产热源于两点：①聚苯硫醚隔膜制备过程中，引入了其他类型的纤维，该类型纤维介电常数小，具有一定的电子传递能力；②隔膜改性中引入了有利于电子传递的物质，比如聚苯硫醚中的硫原子是隔膜介电常数较高的主要原因，比如隔膜里有金属离子或金属原子等杂质，甚至有可以自由移动的表面活性剂等。
表1：隔膜隔膜导电性能测试
（2）隔膜太薄且孔径太大，容易被脱落的电极沉积和渗透，导致隔膜导电
图2：某电解槽厂家委托测试事故隔膜情况
部分厂家隔膜存在问题，如纤维或纱线的间缝隙过大，即纱线捻度太小，导致隔膜孔经较大，微孔分布较宽5-20微米，且隔膜厚度太小。脱落到电解液中的金属颗粒（镍颗粒等）在隔膜表面上富集和渗透，最后导致隔膜成为导体。见图2可知，电极上的金属镍等已经沉积到隔膜纤维表面，甚至渗透隔膜孔内。金属颗粒的沉积和渗透是导致隔膜导电的主要元凶，也是电解槽爆炸的元凶之一。为了防止电极脱落造成隔膜导电，隔膜必须具备如下特点：①隔膜要有一定的厚度，不能让金属颗粒浸渍到内部；②隔膜的孔径要小，尽量控制在8微米或10微米以下（孔道越小越好），隔膜最好具有多层特点。
（3）隔膜存在耐温、耐腐蚀和耐机械创伤性较差
市场上的隔膜千奇百怪，为了提高隔膜的制造性能，聚苯硫醚纤维里面添加了其他结构纤维（碱失量过大、耐温性较低等）。为了降低膜阻，降低纤维捻度，也会造成隔膜不耐机械损伤。甚至，为了提高亲水性，采用了不规范的手段等。隔膜外在表象：①隔膜收缩率大，②碱失量高，③隔膜经过外力作用后，气密性下降等。隔膜在电解槽中的运行环境，甚至比外界承受的破坏性还要恶劣，因此隔膜要抗拉、抗折、抗压，甚至要求隔膜在一定应力下仍能保持性能。
