Crosslinked polybenzimidazoles containing branching structure as membrane materials with excellent cell performance and durability for fuel cell applications

磷酸 支化(高分子化学) 肿胀 的 材料科学 质子交换膜燃料电池 电导率 聚合物 化学工程 高分子化学 复合材料 化学 工程类 物理化学 生物化学 冶金
作者
Meishao Hu,Jiangpeng Ni,Boping Zhang,Sivasubramaniyan Neelakandan,Lei Wang
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:389: 222-229 被引量:86
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.04.025
摘要

Crosslinking is an effective method to improve the properties of high temperature proton exchange membranes based on polybenzimidazole. However, the compact structure of crosslinked polybenzimidazole hinders the phosphoric acid absorption of the membranes, resulting in a relatively poor fuel cell performance. Recently, we find that branched polymers can absorb more phosphoric acid with a larger free volume, but suffer from deteriorated mechanical strength. In this work, a new method is proposed to obtain excellent over-all properties of high temperature proton exchange membranes. A series of crosslinked polybenzimidazoles containing branching structure as membrane materials are successfully prepared for the first time. Compared with conventional crosslinked membranes, these crosslinked polybenzimidazole membranes containing branching structure exhibit a higher phosphoric acid doping level and proton conductivity, improved durability, lower swelling rate and comparable mechanical strength. In particular, the fuel cell base on the crosslinked and branched membrane with a 10% ratio of crosslinker in non-humidified hydrogen/air at 160 °C achieves a power density of 404 mW cm−2. The results indicate that the combination of crosslinking and branching is an effective approach to improve the properties of polybenzimidazole membrane materials.
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