Performance of Quaternized Polybenzimidazole-Cross-Linked Poly(vinylbenzyl chloride) Membranes in HT-PEMFCs

材料科学 质子交换膜燃料电池 氯化铵 化学工程 聚合物 氯化物 高分子化学 兴奋剂 达布科 有机化学 化学 复合材料 催化作用 工程类 冶金 生物化学 光电子学
作者
Funda Arslan,Khajidkhand Chuluunbandi,Anna T. S. Freiberg,Attila Kormányos,Ferit Sit,Serhiy Cherevko,Jochen Kerres,Simon Thiele,Thomas Böhm
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (47): 56584-56596 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acsami.1c17154
摘要

High-temperature proton-exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs) are mostly based on acid-doped membranes composed of polybenzimidazole (PBI). A severe drawback of acid-doped membranes is the deterioration of mechanical properties upon increasing acid-doping levels. Cross-linking of different polymers is a way to mitigate stability issues. In this study, a new ion-pair-coordinated membrane (IPM) system with quaternary ammonium groups for the application in HT-PEMFCs is introduced. PBI cross-linked with poly(vinylbenzyl chloride) and quaternized with three amines (DABCO, quinuclidine, and quinuclidinol) are manufactured and compared to the state-of-the-art commercial Dapazol PBI membrane ex situ as well as by evaluating their HT-PEMFC performance. The IPMs show reduced swelling and better mechanical properties upon doping, which enables a reduction in membrane thickness while maintaining a comparably low gas crossover and mechanical stability. The HT-PEMFC based on the best-performing IPM reaches up to 530 mW cm-2 at 180 °C under H2/air conditions at ambient pressure, while Dapazol is limited to less than 430 mW cm-2 at equal parameters. This new IPM system requires less acid doping than conventional PBI membranes while outperforming conventional PBI membranes, which renders these new membranes promising candidates for application in HT-PEMFCs.
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