A Highly Hygroscopic, Weakly Adsorbable, and Peroxide Scavenging Ionomer for Low‐Pt Proton Exchange Membrane Fuel Cells

材料科学 离聚物 质子交换膜燃料电池 过氧化物 清除 化学工程 质子 燃料电池 复合材料 有机化学 化学 聚合物 生物化学 物理 量子力学 工程类 共聚物 抗氧化剂
作者
Fulong Zhu,Chunping Wang,Meihua Tang,Zhenying Zheng,Huangli Yan,Shengli Chen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202408118
摘要

Abstract An ionomer strategy is introduced to deal with two major performance‐limiting issues for the proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) operating under low platinum (Pt) and low humidity. Specifically, the highly hydrophilic multiple‐valence Anderson‐type polyoxometalate (POM) cluster, [MnMo 6 O 18 (OH) 6 ] 3− , is chosen to covalently graft the perfluorinated polymer, substituting for sulfonate groups as proton carriers in perfluorosulfonic acid (PFSA). The structural and electrochemical characterizations indicate that this POM cluster, with large size, charges delocalization among multiple terminal oxygen atoms, and high hygroscopicity, can prevent the ionomer adsorption, which is believed to induce dense backbone crystallization to hinder O 2 permeation at Pt/PFSA interface, and lead to ionomer assemblies with large and well‐connected hydrophilic domains, which are recognized as the channels for efficient oxygen transport as well as proton conduction. Besides, the involvement of redox Mn ions in POM clusters makes the ionomer have capability to scavenge peroxides, which are known as the major chemical agents to degrade the MEA components. Consequently, fuel‐cell cathodes using the POM‐grafted ionomers exhibit significantly lower local O 2 transport resistance and higher proton conductivity as compared with the PFSA‐based electrodes; and accordingly, the fuel cells exhibit much‐increased output performance at 50% relative humidity and impressive performance stability.
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