Dimensionally-stable phosphoric acid–doped polybenzimidazoles for high-temperature proton exchange membrane fuel cells

磷酸 无水的 兴奋剂 化学 电导率 质子交换膜燃料电池 材料科学 乙醚 质子 化学工程 有机化学 物理化学 生物化学 工程类 物理 量子力学 冶金 光电子学
作者
Xiaobai Li,Hongwei Ma,Yanchao Shen,Wei Hu,Zhenhua Jiang,Baijun Liu,Michael D. Guiver
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:336: 391-400 被引量:80
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2016.11.013
摘要

Phosphoric acid–doped polybenzimidazole (PA-m-PBI) membranes are widely investigated for high temperature proton exchange membrane fuel cells because of their low cost and high performance. For this system, a major challenge is in achieving a good compromise between the phosphoric acid doping level and the membrane dimensional-mechanical stability. Different from the established PA-m-PBI system, the present work investigates two types of PA-PBI membranes incorporating flexible ether linkages and asymmetric bulky pendants (phenyl and methylphenyl), which exhibit much better dimensional-mechanical stability after immersing in PA solution, even at high temperature for an extended period. This superior stability allowed higher acid doping levels (20.6 and 24.6) to be achieved, thus increasing proton conductivity (165 and 217 mS cm−1 at 200 °C under anhydrous conditions) as well as significantly improving fuel cell performance. The peak power densities in hydrogen/air fuel cell were 279 and 320 mW cm−2 at 160 °C, without humidification. Molecular simulation, density and fractional free volume, and wide-angle X-ray diffraction were used to investigate their structure-property relationships.
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