碱性电解槽隔膜表面涂层技术：通过促进气泡形成降低气体交叉渗透率

本研究针对碱性电解槽中氢氧气体交叉渗透导致效率降低和安全风险的问题，创新性地提出在ZirfonTM隔膜表面添加涂层以促进气泡形成。通过降低电解液过饱和度，显著减少H2/O2交叉渗透率，拓宽电解槽低电流密度运行窗口，为可再生能源耦合提供技术支撑。

　　

随着全球能源结构转型加速，利用可再生能源电力电解水制取"绿氢"成为实现碳中和的关键路径。其中碱性电解槽（Alkaline Electrolyzer）因其技术成熟度和成本优势占据市场主导地位，但其核心组件——多孔隔膜存在致命缺陷：溶解在电解液中的氢气和氧气会通过Zirfon^TM隔膜交叉渗透，不仅造成4%以上的效率损失，更可能形成爆炸性混合气体。传统理论认为气体渗透受亨利定律制约，但丹麦奥尔堡大学Torsten Berning团队通过计算流体力学（CFD）建模发现，实际渗透量远超理论预测值，揭示电解液存在严重过饱和现象。

研究团队创新性地提出"隔膜表面涂层"解决方案：在Zirfon^TM PERL UTP 500隔膜（500微米厚，50%孔隙率）外表面构建微裂纹涂层结构。这种设计通过增加成核位点，促使溶解态H₂/O₂在隔膜外部优先形成气泡析出，而非渗透通过隔膜。关键技术包括ANSYS Fluent流体模拟、过饱和度量化分析、以及涂层形貌调控。

主要研究发现：

1. 1.

   气体渗透机制突破：实验证实30% KOH电解液中H₂/O₂浓度可达亨利定律饱和值的10倍以上，这是高渗透率的根本原因。

2. 2.

   涂层效能验证：表面改性后的隔膜使气泡成核位置外移，阴极侧H₂渗透量降低至原值的1/16，阳极侧O₂渗透同步减少。

3. 3.

   运行窗口拓展：将安全操作电流密度下限从0.1 A/cm²显著降低，使电解槽能更好适应风光发电的功率波动。

这项发表于《Invention Disclosure》的研究颠覆了传统电解槽设计理念：通过调控微观气泡行为而非单纯优化膜材料，同时解决安全性和效率难题。该技术可使碱性电解槽在1.6%爆炸下限（LEL）内稳定运行，为全球绿氢产业提供兼具低CAPEX（投资成本）和低OPEX（运营成本）的解决方案。特别值得注意的是，涂层裂纹尺寸的可编程特性（programmable crack size）允许精确控制气泡直径，这为不同压力工况下的优化设计开辟了新途径。随着Agfa等厂商推进商业化应用，该技术有望重塑电解槽市场格局，加速氢能经济到来。