低面电阻PPS隔膜设计对碱性电解槽能耗的优化潜力
浙江嘉菲立新材料 ：李先生  

关键词：碱性电解槽、隔膜电阻、氢氧根离子（OH⁻）、聚苯硫醚隔膜、传质阻力、隔膜传导效率、电解能耗、电解槽能耗、电解效率

描述：碱性电解槽隔膜面电阻为氢氧根离子在聚苯硫醚隔膜多孔介质中迁移时受到的总传质阻力，该参数直接表征隔膜的离子传导效率，是决定电解系统能耗的核心指标。物理本质源于微孔通道内的离子迁移数下降与电渗效应耦合作用。它体现了隔膜对电解液中离子迁移的阻力大小，直接影响着电解槽的能耗和电解效率。

碱性电解槽隔膜面电阻（Area-Specific Resistance, ASR）定义为氢氧根离子（OH⁻）在聚苯硫醚（PPS）隔膜多孔介质中迁移时受到的总传质阻力，其量纲为Ω·cm²。该参数直接表征隔膜的离子传导效率，是决定电解系统能耗的核心指标。根据Nernst-Planck传质理论，ASR的物理本质源于微孔通道内的离子迁移数下降与电渗效应耦合作用。它体现了隔膜对电解液中离子迁移的阻力大小，直接影响着电解槽的能耗和电解效率。
一、隔膜面电阻对能耗的影响
2、隔膜面电阻直接作用于欧姆过电位：
隔膜电阻（R隔膜，单位Ω・cm²）直接决定欧姆过电位：
V欧姆过电位=I·R隔膜
式中： I为电流（A），反映电解过程的电荷迁移速率。
3、隔膜面电阻的提升直接影响电解槽的能耗
系统能耗（E，单位kWh）与电压、电流及运行时间（t，单位h）呈线性关系：
E=V总·I·t =V总· j ·A ·t/1000
式中：j为电流密度（A/cm²），A为电极有效面积（cm²），t为运行时间（h）。ASR升高导致V总线性增加，能耗呈显著正相关性。
可见，隔膜电阻升高导致的 V总上升，将直接放大能耗。
二、影响隔膜面电阻的因素
1、隔膜的导电性
作为碱性电解槽的核心离子传导介质，隔膜材料的电荷传输特性直接决定其面电阻水平。
传统材料瓶颈：石棉隔膜因无序孔结构及低离子交换容量，ASR高达0.5-0.8 Ω·cm²  
PPS改性突破：通过磺化接枝构建连续离子簇网络，结合梯度拉伸工艺，ASR可降至0.2-0.3 Ω·cm²  
目前，研究者们正在不断探索和开发新型的隔膜材料，以进一步降低面电阻。
2、隔膜的厚度、孔隙率及孔径
隔膜的微观结构特征通过多重传质路径调控机制深刻影响其面电阻表现，即隔膜的厚度、孔隙率和孔径大小等结构因素对面电阻也有显著影响。一般来说，隔膜越厚，离子和电子在电解过程中通过隔膜的距离就越长，面电阻也就越大；孔隙率越高且孔径越均匀，离子的传输通道就越顺畅，面电阻越小。
3、电解液的条件
30% KOH溶液在80℃时离子电导率可达620 mS/cm，通过降低溶液黏度（η=1.2 mPa·s）提升有效迁移数，使ASR实测值较常温条件降低22%。
三、电流密度对能耗的影响
在高电流密度下，隔膜电阻的电压降（I·R隔膜）变得更加显著，当电流密度超过1.5 A/cm²时，欧姆损耗占比从35%升至58%。此时ASR每增加0.1 Ω·cm²，能耗上升斜率由2.1 kWh/Nm³提高至3.8 kWh/Nm³。这是因为随着电流密度的增加，通过隔膜的离子数量增多，隔膜电阻对电压的影响被放大。因此，在高电流密度操作的碱性制氢电解槽中，优化隔膜电阻显得尤为重要，它是提高电解槽能效的关键因素之一。
四、聚苯硫醚隔膜面电阻现状
目前市场主流聚苯硫醚隔膜的面电阻普遍在0.25Ω·cm²左右，复合隔膜Zirfon® UTP 220的面电阻在0.19Ω・cm²。
近期国内权威第三方4000小时测试数据，浙江嘉菲立制造的PPS隔膜面电阻达到了0.20Ω・cm²以内，相较于国内外主流PPS隔膜产品的0.25Ω・cm²降低了0.05Ω・cm²。按3000A电流密度来计算，理论降低小室电压0.015V，大大降低了电解槽的能耗。