Fuel cells with an operational range of –20 °C to 200 °C enabled by phosphoric acid-doped intrinsically ultramicroporous membranes

磷酸 材料科学 兴奋剂 电导率 聚合物 化学工程 大气温度范围 质子交换膜燃料电池 化学 复合材料 热力学 物理化学 生物化学 光电子学 物理 工程类 冶金
作者
Hongying Tang,Kang Geng,Lei Wu,Junjie Liu,Zhiquan Chen,Wei You,Feng Yan,Michael D. Guiver,Nanwen Li
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:7 (2): 153-162 被引量:236
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00956-w
摘要

Conventional proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) operate within narrow temperature ranges. Typically, they are run at either 80‒90 °C using fully humidified perfluorosulfonic acid membranes, or at 140‒180 °C using non-humidified phosphoric acid (PA)-doped membranes, to avoid water condensation-induced PA leaching. However, the ability to function over a broader range of temperature and humidity could simplify heat and water management, thus reducing costs. Here we present PA-doped intrinsically ultramicroporous membranes constructed from rigid, high free volume, Tröger’s base-derived polymers, which allow operation from −20 to 200 °C. Membranes with an average ultramicropore radius of 3.3 Å show a syphoning effect that allows high retention of PA even under highly humidified conditions and present more than three orders of magnitude higher proton conductivity retention than conventional dense PA-doped polybenzimidazole membranes. The resulting PA-doped PEMFCs display 95% peak power density retention after 150 start-up/shut-down cycles at 15 °C and can accomplish over 100 cycles, even at −20 °C. Most proton exchange membrane fuel cells are designed to operate within a temperature range of a few tens of degrees, but functioning in a broader range of conditions could be advantageous. Here the authors use ultramicroporous, phosphoric acid-doped membranes that allow fuel cell operation from −20 °C to 200 °C.
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