Constructing High-Density Hydrogen Bonding Networks via Introducing the Bipyridine Group for High-Performance Fuel Cell Proton Exchange Membranes

质子交换膜燃料电池 电导率 共聚物 吡啶 氢键 磷酸 高分子化学 质子 化学工程 化学 材料科学 聚合物 分子 有机化学 物理化学 生物化学 量子力学 物理 工程类
作者
Aogui Wu,Jianfa Liu,Jinzhen Huang,Yu Min,Yitong Wang,Shichao Wang,Lei Wang
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (9): 11815-11824 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsaem.2c02346
摘要

Constructing high-density hydrogen bonding networks is crucial to improve the proton conductivity of proton exchange membranes (PEMs) and the single-cell output power of high-temperature fuel cells (HTFCs). In this work, a series of benzimidazole polymers containing a pyridine group in the backbone are successfully synthesized via copolymerization. The high-density hydrogen network is constructed via blending the polyether polybenzimidazole (OPBI) with the bipyridine polybenzimidazole copolymer, and the 1,3,5-triglycidyl isocyanurate that contains nitrogen atoms and hydroxyl groups is used as a cross-linking agent. As a result, the proton conductivity and the output power density of the single cell are significantly enhanced by the high-density hydrogen bonding network. The single-cell performance of 693 mW cm–2 is achieved in the cross-linked OPBI/copolymer blend membranes containing pyridine group under a saturated phosphoric acid (PA) adsorption (284%). Even under the low PA uptake (178%), the proton conductivity (0.050 S cm–1) is 2.1 times that of the OPBI membrane (0.024 S cm–1), and the output power density of the single-cell performance (501 mW cm–2) is 1.4 times that of the OPBI membrane (358 mW cm–2). The results demonstrate that introducing nitrogen sites into polybenzimidazole cross-linked membranes is an effective strategy for preparing high-performance fuel cell PEMs.
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