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

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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:69
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47627-4
摘要

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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