Improving the ohmic polarization of high-temperature proton exchange membrane fuel cells using crosslinked polybenzimidazole membranes containing acidophilic quaternary ammonium groups synthesized by one-step strategy

材料科学 极化(电化学) 质子交换膜燃料电池 化学工程 第四纪 欧姆接触 燃料电池 复合材料 有机化学 化学 物理化学 古生物学 生物化学 图层(电子) 工程类 生物
作者
Li Jin,Guoliang Liu,Fangfang Zhang,Jun Liao,Haolin Tang,Haining Zhang
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier]
卷期号:40: 101499-101499 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2024.101499
摘要

Ingenious crosslinked network structure in phosphoric-acid-doped polybenzimidazole membranes can mitigate the mutual restriction of proton conductivity and mechanical properties. However, the complicated synthesis of tailored macromolecular crosslinker and the time-consuming post-treatment hinder their practical application as high-temperature proton exchange membranes. Herein, crosslinked polybenzimidazole membranes are synthesized using small molecular crosslinkers containing acidophilic quaternary ammonium groups through a one-step crosslinking strategy. After doping with phosphoric acid, the quaternary ammonium-biphosphate ion-pair coordination and the crosslinked structure result in the improved anhydrous proton conductivity, oxidation stability, and mechanical strength of the formed membranes compared to the sample without the crosslinking structure. A membrane with the optimized degree of crosslinking exhibits an anhydrous conductivity of 72.27 mS/cm at 160 °C, with a tensile strength of 12.14 MPa. Benefiting from the crosslinked structure and high proton conductivity, the accordingly formed membrane electrode assembly possesses a high open-circuit voltage of 1.01 V and animproved ohmic polarization, delivering a peak power density of 0.66 W/cm2 using hydrogen as fuel and air as oxidant.
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