Fabrication of high performance high-temperature proton exchange membranes through constructing stable cation-rich domain in polybenzimidazole membrane

质子交换膜燃料电池 材料科学 化学工程 领域(数学分析) 离子交换膜 质子 制作 离子交换 化学 有机化学 离子 核物理学 生物化学 医学 物理 工程类 数学分析 病理 数学 替代医学
作者
Jinwu Peng,Xian‐Zhu Fu,Jing‐Li Luo,Lei Wang,Xiaojun Peng
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:453: 139609-139609 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.139609
摘要

Improving the power density (≤ 700 mW cm-2) and long-term durability of fuel cells are crucial for promoting the practical application of high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs). In this study, a high-power density greater than 1000 mW cm-2 of fuel cell is obtained based on the designed polybenzimidazole (PBI) composite membranes containing cation-rich domains and stable two-phase interfaces. The newly designed membranes were fabricated by incorporating densely alkyl-bromide-functionalized polymer particles into the PBI membrane. The resulting composite membrane exhibited an improved mechanical strength of 12.6 MPa and high proton conductivity of 181.6 mS cm-1 at 160 oC. The power density of the corresponding composite membrane-based fuel cell reached 1090.5 mW cm-2 under a Pt loading of 0.6 mg cm-2 and H2/O2, without any humidification or backpressure at 160 oC, which is one of the most outstanding cell performances among all reported acid-doped high-temperature proton exchange membranes. Additionally, superior stability with a voltage decay rate of 0.0132 mV h-1 was observed in the long-term durability test. Thus, the proposed PBI composite membranes exhibit potential for use in HT-PEMFCs.
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