全钒氧化还原液流电池用磺化聚酰亚胺类质子交换膜论文

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1、西南科技大学硕士学位论文全钒氧化还原液流电池用磺化聚酰亚胺类质子交换膜姓名：岳明珠申请学位级别：硕士专业：分析化学指导教师：张亚萍2012-06-06西南科技大学硕士研究生学位论文第1页摘要全钒氧化还原液流电池(Allvanadiumredoxflowbattery，简称：VRB)是一种新型绿色环保的储能蓄电池。与其它氧化还原液流电池如锌，溴电池、钠／硫电池及铅酸电池相比，VRB具有生产操作费用低、充电迅速、容量增加容易、能量效率高、使用寿命长等优点。因此，VRB可广泛地应用于太阳能和风力发电的贮能设备、应急电源系统、电站储能和电力系统削峰填谷、负载调平等方面。然而，迄今为止，VRB仍然处于商

2、业化应用的初级阶段，隔膜材料是限制其大规模开发的瓶颈之一。目前，VRB中广泛使用的隔膜是美国杜邦公司生产的Nation@系列膜，该类膜具有良好的氧化稳定性和较高的质子电导率；但是Nafion@系列膜亦存在下列不足：价格昂贵，钒离子渗透严重等，从而大大限制其大规模商业化应用。因此，研制开发新型价格合理、综合性能优良的质子交换膜是十分必要的。本文制备了一系列不同磺化度的磺化聚酰亚胺质子交换膜(Sulfonatedpolyimide，简称SPI)与磺化聚酰亚胺／壳聚糖复合质子交换膜(Sulfonatedpolyimide／chitosan，简称SPI／CS)，所得隔膜具有良好的阻钒效果及合理的质子电

3、导率。特别地，将SPI／CS复合质子交换膜作为VRB隔膜进行单电池测试，其能量效率比Nafion@117膜更高。因此，磺化聚酰亚胺类质子交换膜具有潜在的VRB应用前景。本文主要研究工作如下：(1)以1，4，5，8．萘四甲酸二酐(NDTA)，2，2’．双磺酸联苯胺(BDSA)与4，4’．二氨基二苯醚(ODA)为原料，采用缩聚法制备磺化聚酰亚胺。通过控制BDSA与ODA的投料比例，得到一系列不同磺化度的磺化聚酰亚胺，考察反应条件对产率的影响。研究三乙胺型磺化聚酰亚胺(SPI．NEt3)在不同溶剂中的溶解性，确定间甲酚为其良溶剂，可作为铸膜溶剂使用。(2)以间甲酚为铸膜溶剂，通过流延成膜再质子化的方

4、法制得到一系列不同磺化度的SPI质子交换膜，考察成膜条件并进行优化。详细研究了隔膜的含水量、离子交换容量、质子电导率与钒离子渗透性等方面的性质。实验结果表明：与Nafion圆117膜相比，SPI膜具有良好的阻钒性，多数SPI膜具有合理的质子电导率，能满足VRB西南科技大学硕士研究生学位论文第Ⅱ页的应用要求。但与具有C．F骨架结构的Nafion圆117膜相比，SPI膜的氧化稳定性有待进一步提高。(3)为了提高SPI膜的氧化稳定性，引入碱性的壳聚糖(Chitosan，简称CS)，以SPI．50膜为基膜，采用浸泡．自组装的方法制备SPI／CS复合质子交换膜，并考察浸泡时间对SPI／CS膜性能的影响。

5、结果表明：与SPI．50膜相比，SPI／CS膜的氧化稳定性显著提高，质子电导率与阻钒效果亦有所提高。将SPI／CS膜应用于VRB，所有SPI／CS膜的库伦效率与能量效率均高于Nafion@117膜。其中SPI／CS．24膜的电池性能最好，其库伦效率为97．8％，电压效率为90．6％，能量效率为88．6％。关键词：全钒氧化还原液流电池质子交换膜磺化聚酰亚胺壳聚糖复合膜AbstractAllvanadiumredoxflowbattery(VRB)isanovelenvironmentfriendlybattery．ComparedwithotherredOXflowbatteries，VRBha

6、smanyadvantagessuchashighenergyefficiency，deepdischargecapacity，fastresponsetime，longcyclelife，lowcostandlowpollution．Therefore，ithasawiderangeofapplicationssuchassolar／windturbinegenerator，remoteareapowersystems，emergencyback·upusageanduninterruptablepowersources(UPS)，loadlevelingatpowerplants，andS

7、Oon．．However，thelarge·scalecommercialdevelopmentofVRBhasbeenlargelylimitedowingtothemembranematerials．Uptonow，Nation霹membranes(DupontCo．，USA)havebeenwidelyusedintheVRBsystemowingtOtheirhighprotoncondu