بررسي اثر پيش‌عمليات اسيدي- حرارتي غشاي نفيون بر عملكرد استك چندسلولي باتري جرياني اكسايشي- كاهشي واناديومي

Study the Effect of Acid-heat Pretreatment of Nafion Membrane on the Performance of Multi-cell Stack of Vanadium Redox Flow Battery

در سال‌هاي اخير، با هدف بهبود دانسيته توان و دانسيته انرژي سيستم‌هاي باتري واناديومي، پژوهش‌هاي گسترده‌اي با تمركز بر مواد كليدي باتري جرياني واناديومي انجام شده است. در يك سيستم باتري جرياني واناديومي، غشاي تبادل يون از اهميت قابل‌توجهي برخوردار است، چرا كه به‌منظور جداكردن الكتروليت‌هاي قطب مثبت و منفي باتري واناديومي و اجازه دادن به انتقال يون‌ها به‌كار مي‌رود. در حال حاضر غشاهاي نفيون به دليل هدايت بالاي پروتون و پايداري شيميايي قابل‌توجه، به‌طور گسترده در باتري‌هاي جرياني واناديومي به‌كار مي‌روند. در پژوهش حاضر غشاي نفيون 117 تحت يك پيش‌عمليات اسيدي و حرارتي قرار گرفته است تا براي كاربرد در باتري‌ جرياني واناديومي بررسي گردد. استك‌هاي سه‌سلولي باتري‌ جرياني واناديومي با استفاده از غشاي خام و غشاي پيش‌عمليات‌شده مونتاژ شدند و عملكرد آن‌ها طي سيكل‌هاي شارژ/ دشارژهاي متوالي مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان مي‌دهد كه با اِعمال پيش‌عمليات اسيدي و حرارتي روي غشاي نفيون 117، دانسيته انرژي تا 30% افزايش يافته است. علاوه‌براين ولتاژ متوسط دشارژ كه يكي از پارامترهاي كليدي در تعيين عملكرد باتري جرياني واناديومي است، با انجام پيش‌عمليات روي غشاء دستخوش تغيير شده و از V 3/57 (براي غشاي خام) به V 3/9 (براي غشاي پيش‌عمليات‌شده) افزايش يافته است. اين موضوع به كاهش وزن استك باتري جرياني واناديومي و هم‌چنين كاهش هزينه‌هاي توليد باتري كمك مي‌كند. از طرفي با انجام پيش‌عمليات اسيدي و حرارتي روي غشاي نفيون بازده انرژي و بازده ولتاژ باتري به ترتيب از 66/9% و 76/8% به 73% و 87% افزايش يافته‌اند.

In recent years, extensive research has been focused on the key materials of vanadium redox flow batteries (VRFBs) to improve the power and energy density. In a VRFB system, the ion-exchange membrane is an important component, because it is used to separate the positive and negative electrolytes and to allow the transfer of ions. Nafion membrane is now widely used in VRFBs due to its high proton conductivity and remarkable chemical stability. In the present study, the Nafion 117 membrane was subjected to acid-heat pretreatment for utilizing in VRFBs. Three-cell stacks of VRFB were assembled using bare and pretreated membranes, and their performances were evaluated during charge/discharge cycles. The results indicate that acid and heat pretreatment on the Nafion 117 membrane improves the VRFB energy density up to 30%. In addition, the average discharge voltage, which is one of the key parameters in the VRFB performance, is increased from 3.57 V (for the bare membrane) to 3.9 V (for the pretreated membrane). This helps to reduce the weight of the VRFB stack as well as the cost of the battery manufacturing. On the other hand, the acid and heat pretreatment of the membrane improves the energy and voltage efficiencies of VRFB from 66.9% and 76.8% to 73% and 87%, respectively.