Polyethyleneimine-filled sepiolite nanorods-embedded poly(2,5-benzimidazole) composite membranes for wide-temperature PEMFCs

材料科学 质子交换膜燃料电池 化学工程 海泡石 复合数 热稳定性 无水的 复合材料 化学 有机化学 生物化学 工程类 原材料
作者
Qingting Liu,Xiaohe Wang,Xiaoxiao Zhang,Zhiwei Ling,Wenzhuo Wu,Xudong Fu,Rong Zhang,Shengfei Hu,Xiao Li,Feng Zhao,Xujin Bao
出处
期刊:Journal of Cleaner Production [Elsevier]
卷期号:359: 131977-131977 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.jclepro.2022.131977
摘要

Proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) that operate from room temperature to high temperatures (e.g., 200 °C) are desired for fuel cells used in vehicles and combined heat and power systems. In this work, polyethyleneimine-filled sepiolite nanorods ([email protected])-embedded poly(2,5-benzimidazole) composites (ABPBI/[email protected]) were synthesized in-situ to enhance their proton conductivity and minimize phosphoric acid (PA) leaching. They were then applied in PEMFCs between room temperature and 200 °C. The physicochemical and electrochemical properties of the composite membranes were characterized. The composite membranes showed enhanced thermal, oxidative, and dimensional stability and achieved proton conductivities above 0.01 S/cm from 40 to 200 °C at a relative humidity of 0–100%. This performance was attributed to abundant hydrogen bonds between PA, ABPBI, and PEI, and the strong retention of bound water within sepiolite nanorods (SNRs). The maximum power density of the cell based on the PA-doped ABPBI/[email protected] composite membrane reached 0.16 W/cm2 at 80 °C and 0.27 W/cm2 at 180 °C and an anhydrous environment, which were respectively 2.2 and 1.5 times higher than those of the PA-doped ABPBI membrane. The cell performance was much better than previously reported zeolite-embedded polybenzimidazole membrane-based PEMFCs, indicating that the composite membranes have good application prospects in PEMFCs operating over a wide temperature range.
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