Synergistically integrated phosphonated poly(pentafluorostyrene) for fuel cells

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作者
Vladimir Atanasov,Albert S. Lee,Eun Joo Park,Sandip Maurya,Ehren Baca,Cy Fujimoto,Michael Hibbs,Ivana Matanović,Jochen Kerres,Yu Seung Kim
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:20 (3): 370-377 被引量:176
标识
DOI:10.1038/s41563-020-00841-z
摘要

Modern electrochemical energy conversion devices require more advanced proton conductors for their broad applications. Phosphonated polymers have been proposed as anhydrous proton conductors for fuel cells. However, the anhydride formation of phosphonic acid functional groups lowers proton conductivity and this prevents the use of phosphonated polymers in fuel cell applications. Here, we report a poly(2,3,5,6-tetrafluorostyrene-4-phosphonic acid) that does not undergo anhydride formation and thus maintains protonic conductivity above 200 °C. We use the phosphonated polymer in fuel cell electrodes with an ion-pair coordinated membrane in a membrane electrode assembly. This synergistically integrated fuel cell reached peak power densities of 1,130 mW cm−2 at 160 °C and 1,740 mW cm−2 at 240 °C under H2/O2 conditions, substantially outperforming polybenzimidazole- and metal phosphate-based fuel cells. Our result indicates a pathway towards using phosphonated polymers in high-performance fuel cells under hot and dry operating conditions. Phosphonated polymers have been proposed as anhydrous proton conductors for fuel cells but anhydride formation of phosphonic acid functional groups lowers conductivity. A synergistically integrated phosphonated poly(pentafluorostyrene) is shown to maintain high protonic conductivity above 200 °C.
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