全钒液流电池用质子传导膜研究进展

全钒液流电池(VRB)作为一种大规模蓄电储能装备,在可再生能源发电和节能技术领域将发挥重要作用。质子传导膜是VRB中的关键材料之一,其作用主要有两方面:传导质子连通电堆内电路;阻止正负极电解液间不同价态钒离子的相互渗透,避免能量损失。质子传导膜性能对电池效率和成本有重要影响。在分析VRB基本原理基础上,阐明质子传导膜需同时满足优良的导电性、阻钒性、稳定性和合理成本等要求。以高分子膜的化学组成与物理结构的演化过程为线索,分别论述三类膜材料,包括Nafion系列膜、非全氟型质子传导膜、纳米尺度孔径的多孔膜。在归纳现有膜材料化学结构、物理性质与电学性能的基础上,阐述高性能质子传导膜的重点研究方向与发展前景。     

基于吸附-扩散机理研究钒离子透膜传质过程（Ⅱ）——钒离子透膜传质实验研究

吸附-扩散模型基于离子交换膜固定电荷理论,涉及离子选择性系数和透膜扩散通量,通过三种离子交换膜内VO2＋吸附平衡和透膜扩散实验,由吸附-扩散模型计算钒离子透膜扩散系数,揭示钒离子透膜传质过程。膜面FT-IR红外谱揭示基膜内不饱和键及RSO3-交换能力是影响膜稳定性和VO2＋膜内吸附量主要因素,膜面光滑、平整能有效地降低VO2＋吸附,抑制膜内水吸附和VO2＋透膜扩散。该模型能较真实揭示钒离子透膜传质过程,可快速有效的筛选电池隔膜,并指导高性能钒电池隔膜制备。     

全钒液流电池膜离子选择性传导通道构建的研究进展

全钒液流电池(VFB)具有存储容量大、功率和容量可调、活性物质无交叉污染等优点,在大规模储能领域受到广泛的关注。商业化全氟磺酸膜成本高、离子选择性低的问题,制约了VFB的大规模应用。低成本非氟膜的研究成为主要的研究方向。迄今为止,替代膜面临着离子传导率与选择性之间的权衡问题,同时在强酸性和氧化条件下的化学稳定性也是一个挑战。通过构效关系优化膜内的离子选择性传导通道,是实现高离子选择性传导和高稳定性的关键。本文对基于传统亲水基团的离子选择性传导通道、基于孔径筛分效应的离子选择性传导通道、基于非传统亲水基团的离子选择性传导通道进行分析研究,较为全面阐述了当前VFB膜研究取得的进展及目前面临的问题,并提出了膜内离子选择性传导通道构建的研究方向。     

协同场作用下钒离子在质子交换膜中的传质过程

研究了VO²⁺在Nafion117质子交换膜中的传质过程, 重点考察了不同操作工况下浓度场和电场的协同作用。定量了电场对钒离子透膜传质过程的影响大小, 并根据实验数据拟合出了VO²⁺在Nafion117膜中的表观电迁移率。结果表明:电场对高浓度电解液的离子透膜过程影响较大, 升高温度和增加电解液对流均强化了电场作用在钒离子透膜传质的影响, 加入的正向电场越强, 跨膜渗透越剧烈, 且电场因子随着时间的增加而增加。反向电场有利于缓解钒离子透膜传递过程。     

基于吸附-扩散机理研究钒离子透膜传质过程(I)——离子膜吸附-扩散模型

钒离子透膜传质是导致钒电池能量损失的关键因素之一,在分析钒离子透膜传质过程的基础上,根据离子交换膜固定电荷理论提出钒离子透膜传质的吸附-扩散模型.由膜内离子Donnan平衡,引入选择性系数研究膜内钒离子吸附过程;考虑膜面浓差电势影响,由Nernst-Planck方程描述膜内钒离子和氢离子交互传质过程,将钒离子透膜扩散过...     

全钒液流电池用磺化聚芴醚酮质子交换膜的制备及性能

质子交换膜(PEM)作为全钒液流电池(VRFB)的核心组件之一,应当解决成本高昂、合成过程复杂等问题,并具备高质子传导率、低钒离子渗透率、高机械强度和优异化学稳定性等关键性能。本文基于四甲基双酚芴单体通过缩聚反应合成了一系列聚芴醚酮化合物PFEKs,再利用溴代反应将苯甲基功能化为溴甲基,接着通过4-羟基苯磺酸钠的SN₂亲核取代制得了一系列不同离子交换容量的磺化聚芴醚酮聚合物(SPFEKs)。通过溶液浇铸法成膜并酸化,得到一系列新型低成本PEMs。该合成路线的原料来源广泛,价格低廉,不涉及危险的磺化反应,易于工业放大。所得膜都具有良好的机械性能和氧化稳定性,其中SPFEK-40膜具有较高的质子传导率及离子选择性、较低的钒离子渗透率及面电阻,综合性能优异。以SPFEK-40膜组装的VRFB在电流密度为80 mA/cm₂^{时的能量效率}(EE)为88.2%,高于以Nafion 212膜组装的VRFB的84.8%。此外,以SPFEK-40膜组装的VRFB在30次循环后放电容量仅衰减至84.3%,远高于以Nafion 212膜组装的VRFB的66.1%。     

一类含柔性侧链结构质子交换膜的制备与性能

通过利用含侧甲基结构聚芳醚砜的溴化和接枝磺化反应，制备得到一系列结构单元中含有4个柔性侧链结构的磺化聚芳醚砜质子交换膜（4SPAES-x）。通过1HNMR表征其化学结构，并利用原子力显微镜对膜材料的相分离形态结构进行分析，证实所制膜材料具有良好的亲水/疏水相分离形态结构。4SPAES-x膜的离子交换容量在1.12~1.74 mmol/g，30 ℃时的吸水率、溶胀率和质子传导率分别在11%~32%、7%~22%和21~86 mS/cm，均随磺化比例的增大而增大。4SPAES-25膜组装的钒流单电池在40 mA/cm2电流密度下最高能量效率为83.3%，高于Nafion 115的81.5%。此外，该单电池的效率还具有良好的循环稳定性。     

硫酸氢盐液晶原位聚合膜的制备及其无水质子传导研究

以环己基苯酚为液晶基元,通过取代反应制备3-(6(4-(反式-4-戊基环己基)苯氧基)己基)-1-乙烯基咪唑-3-硫酸氢根离子液晶。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和核磁氢谱(1H NMR)对其分子结构进行表征。通过原位聚合将其固化成膜,并测试得到了中温区间(100～160℃)的无水质子传导率随温度的变化曲线。结果表明,传导过程主要基于Grotthuss机理,即质子传导过程主要是靠质子在硫酸氢根间的跳跃完成的。光聚作用让链段摆动受到了束缚,使得聚合物膜在160℃时的最高传导率(3.79×10-6 S/cm)低于相同温度下单体的最高传导率(2.37×10-5 S/cm)。     

新型离子传导膜兼具“高选择性”与“高传导率”

近日,中科院大连化物所李先锋研究员、张华民研究员团队开发了一种超薄分离层复合离子传导膜,解决了离子传导膜领域"高选择性"与"高传导率"不可兼得的技术难题。该膜可大幅提升液流电池功率,降低电堆成本。离子传导膜是液流电池的关键材料之一。膜的选择性越高,则电池库伦效率越高;膜的传导率越高,则电池电压效率越高;而库伦效率与电压效率共同影响电池的能量效率。     

用于质子交换膜燃料电池的高温无机质子传导材料研究进展

质子交换膜是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件，其主要作用是传导质子。无机质子传导材料作为一种新型的质子传导介质，近年来逐渐引起了人们的关注。本文主要介绍了小分子磷酸、无机沸石材料、固体酸和无机氧化物陶瓷材料等几种高温无机质子传导材料，并对它们的性能和特点进行了评述。主要结论如下：小分子磷酸质子传导率高，但是容易泄露；无机沸石材料化学稳定性好，但质子传导率尚有提高的空间；无机氧化物陶瓷材料力学性能和化学温度性能均很好，但质子传导率相对较低；固体酸质子传导率优异，高温稳定性也好，是最有希望在PEMFC中获得推广应用的材料。     

全钒液流电池用离子交换膜的研究进展

由于全钒氧化还原液流电池(VRB)具有大规模储能和稳定发电的特点,引起了国内外的广泛关注。离子交换膜(IEM)是VRB中的重要组件,它不仅要隔开阴阳极电解液,而且还要传输离子以构成闭合回路。对全钒液流电池用离子交换膜做了系统介绍。从离子交换膜的基本功能出发,详细阐述了近年来国内外全钒液流电池用离子交换膜的研究进展及目前面临的问题,并展望了全钒液流电池大规模商业化应用的前景。     

全钒液流电池VO2+离子跨膜渗透行为

采用静止型全钒氧化还原液流电池,利用紫外分光光度法,研究电解液钒离子跨膜渗透行为,讨论浓度、温度、荷电状态(SOC)、电场以及渗透压等对VO²⁺离子跨膜传质的影响,关联相应的钒离子渗透系数。研究结果表明,提高钒电解液浓度可以有效减缓钒离子跨膜传递速率,提高能量效率;适当降低体系温度,可以抑制钒离子的跨膜渗透,减小电池化学短路的发生;VO²⁺离子渗透系数随SOC值增加而迅速减小;正向电场存在会促进VO²⁺离子透膜扩散,加剧电池自放电;隔膜两侧液面渗透压的作用会加速钒离子跨膜渗透,造成电池容量衰减。     

一种新型磺化聚酰亚胺质子交换膜的合成与表征

质子交换膜是质子交换膜燃料电池膜电极的核心部件之一,它的性能好坏对整个系统的运行起着至关重要的作用．目前在质子交换膜燃料电池中普遍采用的质子交换膜材料是全氟磺酸系列薄膜,这类材料具有较高的质子传导率、化学及机械稳定性,但用于直接甲醇燃料电池（DMFC）时则存在甲醇渗透、导致燃料电池输出性能大大降低的问题     

Construction of continuous proton-conduction channels through polyvinylimidazole nanotubes to enhance proton conductivity of polymer electrolyte membrane

Proton-exchange membranes (PEMs) with high proton conductivity and low cost are crucial for the commercial promotion of proton-exchange membrane fuel cells. In this study, inspired by the mechanism of plant ducts transporting moisture and biological proton transfer, polyvinylimidazole nanotubes (PVINTs) are prepared by a simple template method and then incorporated into a sulfonated poly(aryl ether sulfone) (SPES) matrix to fabricate composite membranes (SPES/PVINTs-X, where X is PVINT content in percent). The membranes were fully characterized using field emission scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, and mechanical testing. The results indicated that the incorporation of PVINTs could improve the mechanical performance and dimensional stability of the membranes. In particular, the SPES/PVINTs-7.5 composite membrane achieves remarkable results of proton conductivity of 0.212 S/cm under fully hydrated conditions at 80 °C, which is 56% higher than that of the SPES membrane. The construction of proton-transfer channels through polymer nanotubes described in this paper may provide new insights into the preparation of composite proton-exchange membranes. © 2018 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2019 , 136, 47106.     

质子交换膜燃料电池仿真模型研究进展

质子交换膜燃料电池具有高效清洁等优势,是一种潜力巨大的绿色能源技术。数学模型作为一种合理可靠的工具,通过模拟电池内部的电化学传热传质过程,研究运行参数和结构参数对电池性能和寿命的影响,可以指导电池的优化设计。本文综述了近年来燃料电池催化层、气体扩散层和流道的研究模型,整理了各部件建模的影响因素和优化方法,以期对燃料电池建模以及电池各部件的优化设计起到参考作用。文中指出,考虑到现在仿真存在的局限性,未来主要研究方向为燃料电池系统研究与机理模型的结合、催化层微观结构的建模、非贵金属催化剂建模、气体扩散层衰减模型研究、大面积流道模型、三维模型温度分布研究以及全尺寸质子交换膜燃料电池模型的开发。     

聚偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物锂电隔膜的制备及形貌研究

选择涂敷机刮膜,分别采用两种制膜技术用聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDFHFP)树脂制备了锂电隔膜,并研究了PVDF-HFP的固含量、制膜温度、制膜方法和溶剂体系对于膜形貌的影响。