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。     

SPEEK/B-SPEEK共混质子交换膜的制备及其性能

聚醚醚酮进行磺化,得到了磺化聚醚醚酮(SPEEK),再先后与氯化亚砜和对甲苯磺酰胺反应,制备侧链含磺酰亚胺基的聚醚醚酮(B-SPEEK)。将SPEEK和B-SPEEK以不同的比例共混制备质子交换膜,研究了共混膜的结构、质子交换容量、吸水率、电导率、力学性能和热性能等。结果表明:SPEEK与B-SPEEK按质量比为1.0∶1.0制备的共混膜具有较好的力学性能(拉伸强度25.3 MPa,断裂伸长率45.1%)和最高的电导率(在80℃的条件下,电导率为0.227 S/cm),是一类非常有潜力的质子交换膜。     

全钒液流电池用非氟咪唑型阴离子交换膜的制备

在全钒电池(VFB)用离子交换膜中,阴离子交换膜以其钒离子渗透率低这一主要优势受到了广泛的关注。以N-溴代丁二酰亚胺(NBS)为溴化试剂,2,2'-偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,对聚苯醚(PPO)的苄甲基溴化;以N-正丁基咪唑为功能化试剂,制备了一种非氟咪唑型聚苯醚阴离子交换膜。研究了不同N-正丁基咪唑功能化程度的阴离子交换膜的离子传导率、离子交换容量(IEC)、含水率、钒离子传递系数等性能,并与N-甲基咪唑功能化的阴离子交换膜做了对比。结果显示,N-正丁基咪唑功能化聚苯醚阴离子交换膜的钒离子传递系数为4.8×10^-9 cm·min^-1,60℃时离子传导率为10.8 mS·cm^-1,且化学稳定性及力学性能优异,具有在钒电池中应用的潜力。     

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%。     

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。     

全钒液流储能电池项目通过验收

<正>日前,由承德万利通实业集团有限公司承担的河北省重大技术创新项目"全钒液流储能电池系统开发和集成化应用"通过了省科技厅组织的验收。通过该项目的实施,万利通公司研发出了化学一步法高浓度钒电池负极电解液制备技术和钒电池专用质子交换膜产业化制备技术,开发出了以导流     

制取聚苯胺-聚乙烯醇导电共混膜的条件研究

用共混浇铸法制备PAN-PVA共混膜,探讨了制膜液中PAN与PVA的质量比、成膜干燥温度和制膜液浓度对共混膜性能的影响,测定了膜的拉伸断裂强度和断裂伸长率。结果表明,制取电导率高、力学性能较好的适合作电磁屏蔽材料的PAN-PVA共混膜的条件为:制膜液内PVA的质量百分数为40%,成膜干燥温度为80℃,制膜液浓度为17.0 mg/mL。     

直接甲醇燃料电池用Nafion膜及其改性研究进展

讨论了 Nafion膜在直接甲醇燃料电池中的应用 ,综述了国内外对直接甲醇燃料电池用 Nafion膜改性的最新进展。     

PSF/PES共混膜的制备与优化

实验以聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)为膜材料,N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,水为凝胶剂,采用L-S相转化法制备了复合膜用共混基膜.按照均匀设计方法优化制膜条件,用SPSS软件处理实验结果得到模型方程,方程反映了各种因素及其交互作用对膜透水性能的影响规律,模型计算值与实验值吻合良好.对于给定的PES含量,随着共混物中PSF /PES 总量的增大,优化计算得到的PVP含量和丙酮含量增大,但相应的膜水通量减小.在上述理论指导下,实验制备基膜的纯水通量为290.6 L·m-2·h-1,对牛白蛋白的截留率达到88.2%.     

磺化聚醚醚酮共混膜的制备及其特性的研究

通过溶液共混的方法,以磺化聚醚醚酮(SPEEK)和聚醚砜(PES)为原料,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,制备了一系列不同比例的SPEEK与PES的共混膜,并研究了膜的组成对膜的吸水率、电导率、甲醇渗透系数的影响,与目前所使用的Nafion117膜相比,这种共混膜既可以提高阻醇性能,同时又具有一定的电导率。     

非溶剂对浇铸SPEEK膜性能的影响

首次采用磺化聚醚醚酮/N,N-二甲基甲酰胺(SPEEK/DMF)和非溶剂(四氯乙烯或对二甲苯)组成的铸膜液制备了SPEEK膜.采用交流阻抗法和隔膜扩散法分别考察了膜的质子传导性和透水性能.结果表明,由于在SPEEK/DMF中添加非溶剂,膜的透水率增加了约30％,质子导电率提高了50％左右.非溶剂的加入影响了铸膜液中聚合物的形态、尺寸和团聚情况,从而影响了成膜后膜的性能.本研究提出的控制膜微相结构的新方法将有助于提高SPEEK膜燃料电池性能.     

磺化聚砜/聚醚砜纳滤膜的制备及性能表征

采用相转化法制备了磺化聚砜(SPSF)/聚醚砜(PES)共混新型纳滤膜,并研究了SPSF/PES共混质量比、水解的苯乙烯–马来酸酐共聚物(H–PSMA)的添加量、铸膜液预蒸发时间和温度对膜的脱盐率及水通量的影响。结果表明,当SPSF/PES共混质量比为4∶6,添加剂H–PSMA的质量分数为2%,铸膜液预蒸发时间为3 min,预蒸发温度为70℃时,在操作压力为0.5 MPa,料液温度为25℃下,SPSF/PES共混膜对2 g/L的Na_2SO_4盐溶液脱盐率为56.77%,水通量为24.45 L/(m~2·h)。     

Tensile mechanical properties of sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) and BPO4/SPEEK membranes

A study to evaluate the tensile mechanical properties of sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) and BPO₄/SPEEK composite membranes has been carried out. It is aimed to give an assessment of these materials for applications in proton exchange membrane fuel cells. The stress–strain response of the membranes was measured as a function of the degree of sulfonation (DS) and the filler–matrix ratio. In addition, the effects of immersion in water at various temperatures were explored in situ by means of a homemade testing chamber fitted to the tensile analyzer. The results indicate that the DS has an important influence on the final mechanical behavior of the membranes. The introduction of the BPO₄ solid filler leads to deterioration in mechanical performance compared to unfilled SPEEK. A general picture of the microstructural features influencing the mechanical properties of SPEEK and BPO₄/SPEEK membranes is proposed. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci 98: 2380–2393, 2005     

PSF/PES共混基膜的制备与优化

以聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)为膜材料,水为凝胶剂,采用L-S相转化法制备了共混超滤基膜.将均匀设计用于膜制备过程中,用SPSS软件处理实验结果,得到回归方程.描述了PSF/PES含量、PES在共混物中含量、聚乙烯吡咯烷酮含量、丙酮含量对膜透水性能的影响.在优化条件下,膜在0.1 MPa下水通量为290.6 L·m-2·h-1,对500 mg/L的聚乙烯醇(PVA) 88000的截留率高达99.5%.并测得PVA系列对该膜的污染指数FI及膜的化学稳定性,为复合膜提供了理想的支撑膜.     

新型细菌纤维素基阻醇质子交换膜的制备及表征

以凝胶贴附法,在Nation膜两侧贴附细菌纤维素（BC）膜,制备出BC／Nation／BC夹心复合膜,以期结合Nation膜的良好导电性和BC膜的优秀阻醇性,制备新型阻醇质子交换膜。利用扫描电镜、热重分析对其形态结构和热稳定性进行研究,并对夹心膜的尺寸稳定性、质子传导率和甲醇渗透率进行表征。结果发现,复合膜的夹心结构紧密,热稳定性良好,尺寸稳定性比市售的Nation膜有很大改善,提高了43％。夹心膜的质子传导率随温度的升高明显上升,虽略低于Nation膜,但是甲醇渗透率明显降低一个数量级,阻醇性能得到了很大改善。组装成电池后,单电池开路电压达到922mV,最大发电功率密度为7．2mW／cm^2。该结果表明夹心复合膜作为新型质子交换膜应用于直接甲醇燃料电池中具有很大潜力。     

膜蒸馏用PDMS/PVDF/PTFE三元共混微孔膜制备

采用浸没沉淀相转化法制备了聚二甲基硅氧烷/聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯（PDMS/PVDF/PTFE）三元共混微孔膜,并用于20 g/L NaCl水溶液的膜蒸馏脱盐实验。通过扫描电子显微镜观察以及接触角、膜孔隙率和膜平均孔径分析,研究了PTFE含量对膜结构与性能的影响。结果表明,随着PTFE含量的增加,共混微孔膜断面的指状孔逐渐被海绵状取代,平均孔半径由0.234 μm增加到0.354 μm,膜孔隙率由53.4 %增加到81.3 %;膜下表面与水接触角从118.52 °增加到131.11 °;膜蒸馏过程中通量逐渐增加,截留率先稳定后降低,PTFE含量为40 %（质量分数,下同） 时达最大,为99.99 %,此时膜蒸馏通量达16.60 kg/(m2·h)。     

逆向热致相分离法(RTIPS)制备PES/DMAc/DEG体系微孔膜及其性能表征

以PES/DMAc/DEG低临界共溶温度(LCST)体系为铸膜液,利用低临界共溶温度(LCST)的热致相分离(LCST-TIPS,简称RTIPS)法制备PES微孔膜.探究影响PES微孔膜理化性能及其结构的2个主要因素:凝胶浴温度、非溶剂(DEG)/溶剂(DMAc)的质量比.运用扫描电镜(SEM)﹑纯水通量﹑BSA截留率...     

Preparation and characterization of sulfonated block‐graft copolyimide/sulfonated polybenzimidazole blend membranes for fuel cell application

Polymer electrolyte blend membranes composed of sulfonated block‐graft polyimide (S‐bg‐PI) and sulfonated polybenzimidazole (sPBI) were prepared and characterized. The proton conductivity and oxygen permeability coefficient of the novel blend membrane S‐bg‐PI/sPBI (7 wt%) were 0.38 S cm^?1 at 90 °C and 98% relative humidity and 7.2 × 10^?13 cm³(STP) cm (cm² s cmHg)^?1 at 35 °C and 76 cmHg, respectively, while those of Nafion^® were 0.15 S cm^?1 and 1.1 × 10^?10 cm³(STP) cm (cm² s cmHg)^?1 under the same conditions. The apparent (proton/oxygen transport) selectivity calculated from the proton conductivity and the oxygen permeability coefficient in the S‐bg‐PI/sPBI (7 wt%) membrane was 300 times larger than that determined in the Nafion membrane. Besides, the excellent gas barrier properties based on an acid ? base interaction in the blend membranes are expected to suppress the generation of hydrogen peroxide and reactive oxygen species, which will degrade fuel cells during operation. The excellent proton conductivity and gas barrier properties of the novel membranes promise their application for future fuel cell membranes. © 2015 Society of Chemical Industry