高选择性-高导电性增强型全氟磺酸膜用于氢溴流动电池

1. 增强型质子交换膜（PEM）被开发出来以提高薄膜（≤30 µm）在PEM燃料电池应用中的机械强度。在氢溴液流电池（HBFBs）中，Br2和Br-通过膜的交叉可能会由于铂催化剂的溶解或钝化而影响HBFBs的寿命。

全氟磺酸（PFSA）膜通常由疏水性骨架（聚四氟乙烯）和亲水性带负电荷的官能团（磺酸基）组成。在水合的PFSA膜中，良好连接的独特亲水离子通道与疏水环境分离的存在，导致了高质子导电性。

增加磺酸含量（即磺化度，反映为更高的离子交换容量（IEC））会导致亲水性离子通道的增加，从而提高质子传输。

然而，高磺化度也会促进体积Br2和Br-的交叉，这是不希望的。

理想的HBFBs用质子交换膜（PEM）应具有高密度的离子通道，这些通道能够传输质子但阻挡体积Br2和Br-化合物。在水合条件下，亲水通道吸收水分并膨胀，使得对不希望的物质的阻挡效果变差。

通过增强膜的结构，可以在机械上限制其在x-y方向的膨胀，从而可能防止溴化物物种的传输。

增强材料显示出以下效果：

1）由于增强材料增加了整体重量但不贡献离子交换，IEC（离子交换容量）下降；

2）增强材料减少了x-y方向的膨胀；

3）增强材料略微增加了面积电阻。

表1：增强对膜性能的属性和影响

由于膜的固有特性，膜面积电阻与Br2和Br-渗透性之间存在权衡关系[1]。当峰值功率密度增加时（图1），Br2和Br-的渗透性也增加，反之亦然。增强材料使PFSA膜处于更有利的位置：与其未增强的对应物相比，增强的PF1和PF3膜在相似的功率密度下表现出更低的Br2和Br-渗透性（从而减少了催化剂失活）（图1）。

增强材料不仅降低了Br2和Br-的渗透性，还减少了x-y方向的膨胀，因此x-y方向的膨胀与Br2和Br-的渗透性之间很可能存在相关性。与其他膜相比，PF2-PK在峰值功率密度与渗透性的权衡方面表现最佳。

图1：增强材料对电池峰值功率密度和溴化物物种渗透性的影响

交流阻抗测量（图2）显示，与未增强的膜相比，增强后的PF1膜的欧姆电阻略有增加，而增强后的PF2和PF3膜与未增强的膜相比，欧姆电阻变化可以忽略不计。然而，这些测量结果验证了增强材料对电池欧姆电阻的影响不显著。

图2：增强对0.6 V交流阻抗的影响，a) PF1，b) PF2，c) PF3

增强型PFSA膜在市面上可供购买，能够减少Br2和Br物种的传输，同时保持质子传输速率不变。溴化物物种传输的减少是由于受限的x-y方向膨胀。PF2-PK在工作电池中具有最佳的峰值功率密度与渗透性权衡。

交流阻抗显示增强材料不会显著阻碍质子传输，同时减少了溴化物的交叉传输。

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原文始发于微信公众号（艾邦液流电池网）：高选择性-高导电性增强型全氟磺酸膜用于氢溴流动电池