Constructing novel cross-linked polybenzimidazole network for high-performance high-temperature proton exchange membrane

磷酸 质子交换膜燃料电池 电导率 共价键 质子 化学工程 质子输运 材料科学 羟甲基 化学 高分子化学 有机化学 物理化学 生物化学 物理 量子力学 工程类
作者
Jinwu Peng,Xian‐Zhu Fu,Jing‐Li Luo,Yi Liu,Lei Wang,Xiaojun Peng
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:643: 120037-120037 被引量:102
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2021.120037
摘要

Compared with linear polybenzimidazole (PBI) membranes, cross-linked phosphoric acid (PA)-PBI membranes with superior mechanical strength have greater potential for application in high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs). However, performances of conventional cross-linked membranes are usually limited by densely cross-linked network, and reduced concentration of proton-conductive imidazole units. Therefore, it still remains a big challenge to fabricate high-performance cross-linked PA-PBI membranes. Herein, we build covalently cross-linked PBI network using commercially available 2,6-bis(hydroxymethyl)-4-methylphenol (BHMP) as cross-linking agent through a well-established film-forming process. The optimized covalently cross-linked network can combine high mechanical properties, desired proton conductivity as well as excellent fuel cell performance, owing to a loose but tough cross-linked molecular structure and existence of favorable additional hydroxyl for proton transport. Especially, the covalently cross-linked membrane with BHMP content of 1% display a high proton conductivity of 168.4 mS cm−1 and a good power density of 597.5 mW cm−2 at 160 °C without humidification, outperforming the pristine OPBI membrane. Additionally, in long-term durability test, the voltage decay of cross-linked membrane is low (0.0212 mV h−1) at current density of 200 mA cm−2, suggesting an excellent membrane stability.
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