1.不同隔膜的表征分析
隔膜在电解槽中起到隔开阴阳极板防止短路和隔绝氢气氧气混合的作用，其厚度、亲水性、孔隙率和孔径等与电解性能密切相关，同时对氢气的纯度也存在重要影响。不同隔膜的厚度、孔隙率、透气性和膜电阻对比见表1。由表1可知，Zirfon500+，Zirfon500和PPS无纺布的厚度分别约为500，500和720μm，Zirfon500+和Zirfon500的孔隙率分别为60%和55%，2种Zirfon膜的透气性相当。
表1 不同隔膜的特征参数
进一步表征隔膜的表面形貌，如图1所示。Zirfon隔膜由网状聚苯硫醚织物组成，表面涂有聚砜和有助于提高隔膜亲水性的无机氧化物ZrO2，且SEM结果显示Zirfon表面具有几十到几百nm的不规则孔结构。PPS无纺布由微米级的纤维纺织而成，具有微米级缝隙，明显大于Zirfon膜。可见，Zirfon500+和Zirfon500具有厚度更薄、亲水性更高和孔径较小的优点。
图1 不同隔膜的SEM图膜电阻测试结果显示，Zirfon500+具有最低的膜电阻（72mΩ),Zirfon500次之（283mΩ),PPS无纺布的膜电阻最大（571mΩ)。Zirfon500+和Zirfon500的膜电阻分别是PPS无纺布的12.6%和49.6%，这与Zirfon500+和Zirfon500隔膜厚度更薄且负载的无机氧化物ZrO2改善了亲水性有关。
2.不同隔膜的电解水性能
将3种隔膜用于碱性水电解，测试结果如图2所示。在相同测试条件下，当电流密度为0.4A/cm2时，单电解池的电压分别为PPS无纺布2.32V，Zirfon5001.98V，Zirfon500+1.94V。测得不同隔膜的单电解池在以上运行条件下的电阻分别为15.92，9.06，8.28mΩ,发现电解电压大小与电阻具有一致的规律。
图2 不同隔膜的单电解池的电解水电压（0.4A/cm2）进一步考察不同隔膜单电池的交流阻抗，大小顺序为PPS无纺布>Zirfon500>Zirfon500+，与电阻的结果互相验证。不同隔膜单电解池在电解过程中的电阻或阻抗与膜电阻密切相关。同时，活化阻抗的大小顺序为PPS无纺布>Zirfon500≈Zirfon500+，活化阻抗与电解过程中氧化还原反应的电荷转移相关，说明Zirfon膜相比PPS无纺布具有更高的电荷转移效率。
3种隔膜的电解池采用相同的电极材料，但活化阻抗却不同，可能由于PPS隔膜亲水性比Zirfon膜差，导致气泡不易脱附，从而占据了电极的反应位点，导致电极的实际反应面积减小。
Zirfon500和Zirfon500+为隔膜的单电解池过电位，相比PPS无纺布隔膜分别降低了14.7%和16.4%。结合前面对隔膜结构和特性的表征分析可知，过电位的降低主要因隔膜厚度的减小和亲水性的提高。
此外，在测试过程中发现，孔径较大的PPS无纺布为隔膜时阴阳极间碱液偏移显著，而Zirfon为隔膜时碱液无明显偏移，说明Zirfon为隔膜可减少阴阳极间串气，将利于提高气体纯度和安全性。不同隔膜电解池的电解水电压（0.4A/cm2）如图2所示。不同隔膜电解池的Nyquist图（0.4A/cm2）如图3所示。
图3不同隔膜电解池的Nyquist图（0.4A/cm2）3.不同隔膜的极化曲线
不同隔膜的电解池在不同电流密度下的电解电压如图4所示。
图4不同电流密度下电解池的电压 当电流密度为0.2A/cm2时，PPS无纺布、Zirfon500和Zirfon500+隔膜电解池的电解电压达到稳定后分别为2.09，1.84，1.80V。当电流密度增加到0.4A/cm2时，PPS无纺布、Zirfon500和Zirfon500+隔膜电解池的电解电压相比电流密度为0.2A/cm2时增加了140mV，而PPS无纺布为隔膜的电解池电压增加了230mV。进一步增加电流密度至0.6A/cm2，发现Zirfon500和Zirfon500+为隔膜的电解池电压相比电流密度是0.4A/cm2时增加了120mV，增加幅度小于PPS无纺布的180mV。整体而言，随着电流密度的增加，Zirfon500和Zirfon500+隔膜的过电位基本呈现线性增加趋势，而PPS无纺布则在高电流密度下过电位增加幅度较大，可能与其表面亲水性较差，从而导致气泡不能及时脱附有关。因此，碱性电解水隔膜的亲水性对提高电流密度和电解能效有重要影响。
结语
本文结合不同隔膜的结构和特性，研究了不同隔膜对电解水性能的影响，发现高分子复合隔膜因具有较低的膜电阻和较好的亲水性，可获得相比于高分子无纺布较低的电解水过电位。
