Double cross-linked 3D layered PBI proton exchange membranes for stable fuel cell performance above 200 °C

磷酸 电导率 质子交换膜燃料电池 质子 化学工程 材料科学 甲醇 蒸发 脱水 分子 磷酸盐 化学 有机化学 物理化学 冶金 工程类 物理 热力学 量子力学 生物化学
作者
Liang Zhang,Mengjiao Liu,Danyi Zhu,Mingyuan Tang,Taizhong Zhu,Congjie Gao,Fei Huang,Lixin Xue
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 3409-3409 被引量:78
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47627-4
摘要

Abstract Phosphoric acid doped proton exchange membranes often experience performance degradation above 200 °C due to membrane creeping and phosphoric acid evaporation, migration, dehydration, and condensation. To address these issues, here we present gel-state polybenzimidazole membranes with double cross-linked three-dimensional layered structures via a polyphosphoric acid sol-gel process, enabling stable operation above 200 °C. These membranes, featuring proton-conducting cross-linking phosphate bridges and branched polybenzimidazole networks, effectively anchor and retain phosphoric acid molecules, prevent 96% of its dehydration and condensation, improve creep resistance, and maintain excellent proton conductivity stability. The resulting membrane, with superior through-plane proton conductivity of 0.348 S cm −1 , delivers outstanding peak power densities ranging from 1.20–1.48 W cm −2 in fuel cells operated at 200-240 °C and a low voltage decay rate of only 0.27 mV h −1 over a 250-hour period at 220 °C, opening up possibilities for their direct integration with methanol steam reforming systems.
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