Influence of crosslinking in phosphoric acid-doped poly(phenylene oxide) membranes on their proton exchange membrane properties

磷酸 亚苯基 二胺 高分子化学 热稳定性 电导率 化学 质子交换膜燃料电池 玻璃化转变 氧化物 材料科学 化学工程 有机化学 聚合物 物理化学 工程类 生物化学
作者
Cheong‐Min Min,Joseph Jang,Beom‐Goo Kang,Jae‐Suk Lee
出处
期刊:Journal of Industrial and Engineering Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:107: 436-443 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.jiec.2021.12.014
摘要

Phosphoric acid (PA)-doped membranes are promising electrolytes for high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs). However, long-term durability issues have been an obstacle to their commercialization. Herein, we report a series of poly(phenylene oxide) (PPO)-based crosslinked membranes containing quaternary ammonium (QA) groups and exhibiting enhanced physicochemical stability and PA retention via ion-pair interactions between QA and PA. The degree of crosslinking in PPO by diamine crosslinker was controlled at 20, 30, and 40. The membranes were also crosslinked (degree = 20) using diamine crosslinkers with variable alkyl chain length (ethyl, butyl, and hexyl). All membranes exhibited sufficient thermal stability (5% weight loss temperatures (TD5%) = ∼230 °C) and oxidative stability (∼85% in the Fenton test). The PA uptake of the resulting membranes was controlled between 110 and 154% depending on their crosslinked structures. The membrane with the lowest degree of crosslinking (20) and shortest crosslinker exhibited the highest PA uptake and highest anhydrous proton conductivity (0.043 S/cm at 150 °C) in doped state. The proton conductivity was found to be significantly influenced by the PA uptake and crosslinked membrane structures. The highest PA retention of 89% was exhibited by the PA-doped membrane with the highest degree of crosslinking (40).
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