固體聚合物電解質(zhì)膜是一種質(zhì)子交換膜，其全稱(chēng)為全氟磺酸質(zhì)子交換膜，是一種堅(jiān)韌、柔軟的全氟化磺酸基聚合物薄片，對(duì)氫離子有高的導(dǎo)通性。氫離子的導(dǎo)通是因?yàn)榛撬峄蓚鬟f水合氫離子(H+•XH20)。這些水合氫離子從一個(gè)磺酸基傳遞到下一個(gè)磺酸基，從而通過(guò)聚合物薄片，磺酸基保持不變，聚合物薄片是唯一的電解質(zhì)，沒(méi)有游離的酸或堿性液體，用于電解槽中的唯一液體是去離子水，所以稱(chēng)之為固體電解質(zhì)。
由于含有磺酸基，膜的接觸面呈中強(qiáng)酸性，所以，膜兩邊的催化物質(zhì)一般為鉑系金屬及其氧化物。陰極側(cè)和陽(yáng)極側(cè)的可相同也可不同，它要求對(duì)氫氣的析出過(guò)電位和對(duì)氧氣的析出過(guò)電位盡可能低，與膜的結(jié)合盡可能牢固。催化物質(zhì)嵌入到膜中的方法很多，有熱壓法、刷涂法、化學(xué)還原法和電化學(xué)還原法等，是研究此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。這些方法各有利弊，如化學(xué)還原法所需設(shè)備簡(jiǎn)單，催化劑附著牢固、均勻，但不易控制沉積量；刷涂法所需設(shè)備較簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)，且容易控制沉積量，但催化劑附著不牢固，制備不好易脫落；熱壓法所需設(shè)備復(fù)雜，實(shí)際操作有難度，但催化劑附著牢固，不易脫落，且容易控制沉積量，可規(guī)�；a(chǎn)。
但是不論采用何種方法，催化物質(zhì)都不是簡(jiǎn)單的與膜表面結(jié)合，而是有部分滲透到膜的內(nèi)部，并與膜外部的催化物質(zhì)形成連接，起著導(dǎo)通電流及催化活性的雙重作用。
2.2、集電器
集電器的主要作用是使去離子水與固體聚合物電解質(zhì)膜(SPE膜)充分接觸，把電流均勻地引入到膜電極組件上。水的電化學(xué)反應(yīng)在它們的接觸面上進(jìn)行。同時(shí)，集電器還要具有良好的氣液透過(guò)性和不損傷SPE膜表面形狀 的特性，保證去離子水在整個(gè)活化電極區(qū)域內(nèi)均勻分布。
目前，對(duì)集電器的研究主要集中在基體材料和所加的催化組分上。集電器從結(jié)構(gòu)和基體材料上主要分為網(wǎng)狀、多孔或燒結(jié)體等碳、鈦或不銹鋼等材料；從催化組分上主要為鉑系金屬及其氧化物。目前，國(guó)外研究較多的主要為在多孔和燒結(jié)體等金屬基體材料上添加鉑系金屬或其氧化物。
集電器在使用上分為陰極集電器和陽(yáng)極集電器，因?yàn)殛?yáng)極上產(chǎn)氧氣，對(duì)金屬有強(qiáng)烈的氧化作用，所以要考慮所用陽(yáng)極材料的抗氧化性；而陰極上產(chǎn)氫氣，易造成金屬的氫脆，所以要考慮所用陰極材料的性質(zhì)。
3、SPE電解水制氫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
3.1、SPE電解水技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)
SPE電解水制氫與傳統(tǒng)的堿性電解水制氫相比的主要優(yōu)點(diǎn)是 ：
(1)在給定電流密度下效率高(可達(dá)90％)，因而能耗小、成本低。
(2)較高的電流密度。電流密度最高可達(dá)3A/cm2，小室電壓2.0V。一般電流密度為1A/cm2，小室電壓為1.9-2.0V，比目前國(guó)內(nèi)的堿性電解槽(一般電流密度為0.2A/cm2，小室電壓為1.9—2.0v)高 5倍。因而在相同產(chǎn)氣量下，體積小、重量輕。
(3)由于電解質(zhì)是鏈?zhǔn)骄酆衔�、性能穩(wěn)定，無(wú)腐蝕性液體存在，因而安全可靠、維修量小、使用壽命長(zhǎng)。據(jù)報(bào)道，英皇家海軍用的SPE電解槽已累計(jì)運(yùn)行了15萬(wàn)小時(shí)，也有報(bào)道稱(chēng)SPE電解槽的使用壽命在20年以上。
(4)電解質(zhì)為非透氣性隔膜 ，能承受較大的壓差，從而簡(jiǎn)化了壓差控制，啟動(dòng)和停機(jī)迅速。眾所周知，由于石棉布為透氣性隔膜，堿性電解槽有非常嚴(yán)格的壓差控制系統(tǒng)，以保證操作安全。而SPE電解槽由于采用固體聚合物電解質(zhì)，只對(duì)氫離子有單向?qū)ㄗ饔�，從根本上避免了氫氧通過(guò)隔膜混合，安全性好、氣體純度高(氫氣純度>99.99％，氧氣純度>99.99％)。
電解質(zhì)薄，縮小了電極間隔，不僅降低了電壓和減少了電阻，而且使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，通常用的膜厚度在0.05-0.25mm之間，即使添加了催化物，其厚度也小于1.0mm。
(5)去離子水既是反應(yīng)劑又是冷卻劑，省去了冷卻系統(tǒng)，減少了裝置的體積和重量。
(6)由于沒(méi)有游離堿液體存在，減少了對(duì)設(shè)備的腐蝕，產(chǎn)氣純度高，不含堿霧，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單分離后，可直接應(yīng)用。
總之，SPE電解水制氫與傳統(tǒng)的堿性電解水制氫相比具有效率高、能耗低、電解質(zhì)穩(wěn)定、安全可靠以及裝置體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
3.2、SPE電解水技術(shù)的主要缺點(diǎn)
(1)膜的價(jià)格昂貴。目前，固體聚合物電解質(zhì)膜只有少數(shù)幾家國(guó)外公司能生產(chǎn)(道氏公司、杜邦公司、旭硝子和旭化成公司)。在20世紀(jì)80年代末，我國(guó)上海有機(jī)所、海軍工程大學(xué)等單位曾進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究，但至今未能達(dá)到實(shí)用階段。
(2)膜電極組件及集電器的制作成本高。
(3)膜電極組件及集電器上的催化物質(zhì)(鉑系金屬)的毒化敏感性高，易被其它一些金屬離子(如從鋼材中溶解下來(lái)的銅、鉛、鎳等離子)毒化，降低活性。考慮到這些離子對(duì)SPE槽性能的影響，可在裝置中添加在線(xiàn)去離子器凈水裝置。
總之，SPE電解槽造價(jià)高是制約其在工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前國(guó)外研究也正朝著采用低貴金屬負(fù)載量或非貴金屬作為催化劑的方向發(fā)展，以求降低成本，達(dá)到工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用的目的。
4、總結(jié)
SPE電解水技術(shù)的發(fā)展不僅為宇航、軍事等專(zhuān)用方面提供了一代新的電解水制氧系統(tǒng) ，而且為使電解水制氫成為一種“干凈”的有競(jìng)爭(zhēng)能力的新能源展示出了廣闊的發(fā)展，SPE 制氫設(shè)備完全有可能用在目前正在高速發(fā)展的燃料電池汽車(chē)上。
