Structural optimization and performance trade-off strategies for semi-crystalline sulfonated poly(arylene ether ketone) membranes in high-concentration direct methanol fuel cells

芳烯 甲醇 材料科学 直接甲醇燃料电池 乙醚 甲醇燃料 化学工程 高分子化学 单体 烷基 聚合物 化学 有机化学 复合材料 芳基 电极 阳极 生物化学 物理化学 工程类
作者
Di Liu,Yunji Xie,Zhe Zhao,Jinbao Li,Jinhui Pang,Zhenhua Jiang
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:85: 67-75 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.05.049
摘要

Direct methanol fuel cells (DMFCs) have attracted extensive attention as promising next-generation energy conversion devices. However, commercialized proton exchange membranes (PEMs) hardly fulfill the demand of methanol tolerance for DMFCs employing high-concentration methanol solutions. Herein, we report a series of semi-crystalline poly(arylene ether ketone) PEMs with ultra-densely sulfonic-acid-functionalized pendants linked by flexible alkyl chains, namely, SL-SPEK-x (where x represents the molar ratio of the novel monomer containing multiple phenyl side chain to the bisfluoride monomers). The delicate structural design rendered SL-SPEK-x membranes with high crystallinity and well-defined nanoscale phase separation between hydrophilic and hydrophobic phases. The reinforcement from poly(ether ketone) crystals enabled membranes with inhibited dimensional variation and methanol penetration. Furthermore, microphase separation significantly enhanced proton conductivity. The SL-SPEK-12.5 membrane achieved the optimum trade-off between proton conductivity (0.182 S cm−1, 80 °C), water swelling (13.6%, 80 °C), and methanol permeability (1.6 × 10−7 cm2 s−1). The DMFC assembled by the SL-SPEK-12.5 membrane operated smoothly with a 10 M methanol solution, outputting a maximum power density of 158.3 mW cm−2, nearly twice that of Nafion 117 (94.2 mW cm−2). Overall, the novel structural optimization strategy provides the possibility of PEMs surviving in high-concentration methanol solutions, thus facilitating the miniaturization and portability of DMFC devices.
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