Poly(aryl piperidinium) membranes and ionomers for hydroxide exchange membrane fuel cells

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作者
Junhua Wang,Yun Zhao,Brian P. Setzler,Santiago Rojas‐Carbonell,Chaya Ben Yehuda,Alina Amel,Miles Page,Lan Wang,Keda Hu,Lin Shi,S. Gottesfeld,Bingjun Xu,Yushan Yan
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:4 (5): 392-398 被引量:685
标识
DOI:10.1038/s41560-019-0372-8
摘要

One promising approach to reduce the cost of fuel cell systems is to develop hydroxide exchange membrane fuel cells (HEMFCs), which open up the possibility of platinum-group-metal-free catalysts and low-cost bipolar plates. However, scalable alkaline polyelectrolytes (hydroxide exchange membranes and hydroxide exchange ionomers), a key component of HEMFCs, with desired properties are currently unavailable, which presents a major barrier to the development of HEMFCs. Here we show hydroxide exchange membranes and hydroxide exchange ionomers based on poly(aryl piperidinium) (PAP) that simultaneously possess adequate ionic conductivity, chemical stability, mechanical robustness, gas separation and selective solubility. These properties originate from the combination of the piperidinium cation and the rigid ether-bond-free aryl backbone. A low-Pt membrane electrode assembly with a Ag-based cathode using PAP materials showed an excellent peak power density of 920 mW cm−2 and operated stably at a constant current density of 500 mA cm−2 for 300 h with H2/CO2-free air at 95 °C. A key challenge for hydroxide exchange membrane fuel cells is the development of membranes with both high ionic conductivity and mechanical strength. Here the authors report a high-performance family of poly(aryl piperidinium) membranes enabling promising durability and power density.
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