离子交换膜以及生产离子交换膜的方法、膜电极组件和氧化还原液流电池组技术

技术编号:20290764 阅读:28 留言:0更新日期:2019-02-10 20:53
目的:为了提供能够实现高质子传输能力和高离子渗透选择性的离子交换膜、包括所述离子交换膜的膜电极组件和包括所述膜电极组件的氧化还原液流电池组。解决方法:本公开的一个方面提供用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,该离子交换膜包含离子导电聚合物和非织造织物,其中非织造织物设置在离子导电聚合物中。本公开的另一个方面提供膜电极组件,该膜电极组件包括正极、负极和本公开的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中用于氧化还原液流电池组的离子交换膜设置在正极和负极之间。本公开的另一个方面提供包括本公开的膜电极组件的氧化还原液流电池组。本公开的另一个方面提供用于生产用于氧化还原液流电池组的离子交换膜的方法。

Ion exchange membranes and methods for producing ion exchange membranes, membrane electrode assemblies and redox flow batteries

OBJECTIVE: To provide an ion exchange membrane capable of achieving high proton transport capacity and high ion permeability selectivity, a membrane electrode assembly comprising the ion exchange membrane and a redox flow battery pack comprising the membrane electrode assembly. Solution: An aspect of the disclosure provides an ion exchange membrane for redox flow battery packs comprising ionically conductive polymers and nonwoven fabrics in which nonwovens are disposed in ionically conductive polymers. Another aspect of the present disclosure provides a membrane electrode assembly comprising a positive electrode, a negative electrode and an ion exchange membrane for redox flow battery pack, in which the ion exchange membrane for redox flow battery pack is located between the positive electrode and the negative electrode. Another aspect of the present disclosure provides redox flow battery packs including membrane electrode assemblies of the present disclosure. Another aspect of the present disclosure provides a method for producing ion exchange membranes for redox flow battery packs.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】离子交换膜以及生产离子交换膜的方法、膜电极组件和氧化还原液流电池组
本公开涉及离子交换膜以及用于生产离子交换膜的方法、膜电极组件和氧化还原液流电池组。
技术介绍
一般来讲,氧化还原液流电池组包括含有正电解质溶液和正极的正电池、含有负电解质溶液和负极的负电池,以及被布置成分离正电池和负电池的离子交换膜。将正电解质溶液和负电解质溶液从相应的槽供应到正电池和负电池中的每一者,并且在已进行氧化反应(在正电池中)和还原反应(在负电池中)之后循环回到相应的槽。在氧化还原液流电池组中,正电解质溶液和负电解质溶液可包含相同种类的金属离子。例如,在钒型氧化还原液流电池组中,使用正电解质溶液与负电解质溶液的组合,其中正电解质溶液为含有四价和五价钒的硫酸盐溶液,并且负电解质溶液为含有二价和三价钒的硫酸盐溶液。在充电期间,四价钒在正极处被氧化为五价钒,并且三价钒在负极处被还原为二价钒。在放电期间,发生与以上反应相反的反应。需要离子交换膜,以允许质子从正电池渗透到负电池,同时分离正电解质溶液和负电解质溶液。另一方面,期望离子交换膜基本上不允许电解质溶液中的金属离子渗透通过。然而,上述金属离子渗透(即“跨越”)在常规离子交换膜中可以变得有问题。特别地,钒离子渗透的问题在上述钒型氧化还原液流电池组中是显著的。金属离子通过离子交换膜的渗透导致电流效率(即实际可获得的电功率与存储的电功率的比率)下降。专利文档1描述包括电解槽的氧化还原液流可再充电电池组,该可再充电电池组包括:正电池隔室,该正电池隔室包括正极,该正极包括碳电极;负电池隔室,该负电池隔室包括负极,该负极包括碳电极;和电解质膜,该电解质膜作为隔离和分离正电池隔室和负电池隔室的分离膜,其中正电池隔室包括含有活性材料的正电解质溶液,并且负电池隔室包括含有活性材料的负电解质溶液,并且可再充电电池组可基于电解质溶液中活性材料的化合价变化来充电和放电。电解质膜包含离子交换树脂组合物,该组合物的主要组分为具有由式(1)(本文未示出)表示的结构的含氟聚合物电解质聚合物,并且电解质膜具有三个或更多个层的多层结构。在氧化还原液流电池组中,与正极和负极相邻的外层平衡时的水含量大于与正极和负极中的任一者不相邻的中间层平衡时的水含量。专利文档2描述液体循环型电池组,其中正极和负极(包括液体渗透多孔碳电极)通过分离膜来分离,并且氧化还原反应通过将正极溶液和负极溶液传递到正极和负极来进行,因此,电池组可充电和放电。在此类电池组中,分离膜包括符合以下(1)的离子交换膜,并且正极溶液和负极溶液包括符合以下(2)的电解质溶液。(1)包括聚合物薄膜的离子交换膜,其中具有由式I(本文未示出)表示的结构的芳族聚砜型聚合物的卤代烷基材料通过多胺交联作为离子交换体层,其中聚合物薄膜的离子交换容量为0.3至0.8毫当量/(克的经干燥的树脂),并且厚度为0.1μm至120μm;(2)钒离子的浓度为0.5mol/L至8mol/L。专利文档3描述包括电解槽的氧化还原液流可再充电电池组,该可再充电电池组包括:正电池隔室,该正电池隔室包括正极,该正极包括碳电极;负电池隔室,该负电池隔室包括负极,该负极包括碳电极;和电解质膜,该电解质膜作为隔离和分离正电池隔室和负电池隔室的分离膜,其中正电池隔室包括含有正极活性材料的正电解质溶液,并且负电池隔室包括含有负极活性材料的负电解质溶液,并且可再充电电池组可基于电解质溶液中正极活性材料和负极活性材料的化合价变化来充电和放电。电解质膜包含离子交换树脂组合物,该组合物包含具有由式(1)(本文未示出)表示的结构的含氟聚合物电解质聚合物,并且通过小角X射线方法在25℃水中测量的电解质膜的离子簇尺寸为1.00nm至2.95nm。引用文献列表专利文献专利文档1:日本未经审查的专利申请公布2013-168365A专利文档2:日本未经审查的专利申请公布H9-223513A专利文档3:WO2103/100079
技术实现思路
技术问题如果离子导电聚合物用作氧化还原液流电池组中的离子交换膜,那么充电/放电期间的能量损失(即电池电阻)随着离子交换膜的质子传输能力更好而降低。对于具有较高离子(通常为阳离子)渗透选择性的离子交换膜,电流效率(即实际获得的电功率与存储的电功率的比率)较高。因此,使用同时具有高质子传输能力和高离子渗透选择性两者的离子交换膜可有利地促进在氧化还原液流电池组中实现低电池电阻率和高电流效率两者。然而,如果使用离子导电聚合物,那么具有较大数量的离子导电基团的离子导电聚合物对于实现高质子传输能力是有利的,而具有较小数量的离子导电基团的离子导电聚合物对于实现高离子渗透选择性是有利的。因此,难以获得同时具有高质子传输能力和高离子渗透选择性两者的离子交换膜。本专利技术的目的是解决以上问题并且提供可同时实现高质子传输能力和高离子渗透选择性两者的离子交换膜以及用于生产离子交换膜的方法;包括所述离子交换膜的膜电极组件;和包括所述膜电极组件的氧化还原液流电池组。问题的解决方案本公开的一个方面提供用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,该离子交换膜包含离子导电聚合物和非织造织物,其中所述非织造织物设置在所述离子导电聚合物中。本公开的另一个方面提供膜电极组件,该膜电极组件包括正极、负极和本公开的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中用于氧化还原液流电池组的离子交换膜设置在所述正极和所述负极之间。本公开的另一个方面提供包括本公开的膜电极组件的氧化还原液流电池组,其中所述氧化还原液流电池组包括含有正电解质溶液和所述正极的正电池、含有负电解质溶液和所述负极的负电池,并且所述离子交换膜分离所述正电池和所述负电池。本公开的另一个方面提供用于生产用于氧化还原液流电池组的离子交换膜的方法,该方法包括:制备多层构件,该多层构件包括第一离子导电聚合物、第二离子导电聚合物和包括非离子导电聚合物的非织造织物,其中非织造织物设置在第一离子导电聚合物和第二离子导电聚合物之间;以及通过使所述多层构件经受以下来形成离子交换膜(i)高于所述第一离子导电聚合物的玻璃化转变温度的温度,(ii)高于所述第二离子导电聚合物的玻璃化转变温度的温度,或(iii)高于所述第一离子导电聚合物的玻璃化转变温度和所述第二离子导电聚合物的玻璃化转变温度两者的温度。专利技术的有益效果根据本专利技术的实施方案,提供可同时实现高质子传输能力和高离子渗透选择性两者的离子交换膜以及用于生产离子交换膜的方法;包括所述离子交换膜的膜电极组件;和包括所述膜电极组件的氧化还原液流电池组。附图说明图1为根据本专利技术的一个方面的膜电极组件的例证。图2A和图2B为实施例中使用的非织造织物的例证。图2A示出非织造织物1并且图2B示出非织造织物4。具体实施方式现将描述本专利技术的示例性方面,但是本专利技术不受其限制。本公开的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜在下文中可被称为“离子交换膜”。除非另外说明,否则本公开中所述的特征值旨在为用实施例部分中所述的方法或本领域的普通技术人员将理解为与其等同的方法测量的值。用于氧化还原液流电池组的离子交换膜本公开的一个方面提供用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,该离子交换膜包含离子导电聚合物和非织造织物,其中所述非织造织物设置在所述离子导电聚合物中。如图1所示,用于氧化还本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,所述离子交换膜包含离子导电聚合物和非织造织物,其中所述非织造织物设置在所述离子导电聚合物中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.17 JP 2016-1209441.一种用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,所述离子交换膜包含离子导电聚合物和非织造织物,其中所述非织造织物设置在所述离子导电聚合物中。2.根据权利要求1所述的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中所述非织造织物具有小于3g/m2的基重。3.根据前述权利要求中任一项所述的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中所述非织造织物具有小于5微米的厚度。4.根据前述权利要求中任一项所述的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中所述非织造织物具有小于4微米的厚度。5.根据权利要求1至2中任一项所述的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中所述用于氧化还原液流电池组的离子交换膜具有10μm或更大的厚度。6.根据权利要求1至2中任一项所述的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中所述非织造织物具有0.5μm至4.5μm的厚度。7.根据权利要求1至2中任一项所述的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中所述非织造织物具有1μm至4μm的厚度。8.根据前述权利要求中任一项所述的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中所述离子导电聚合物包含具有选自以下的结构的侧基:—OCF2CF2CF2CF2SO3Y、—OCF2CF(CF3)OCF2CF2SO3Y,并且其中Y为质子或阳离子。9.根据前述权利要求中任一项所述的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中所述非织造织物包含非离子导电聚合物。10.根据权利要求9所述的用于氧化还原液流电池组的离子交换膜,其中所述非离子导电聚合物包括PVDF、PE...

【专利技术属性】
技术研发人员:野田一树弘重裕司
申请(专利权)人:三M创新有限公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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