Magnetic-field-oriented mixed-valence-stabilized ferrocenium anion-exchange membranes for fuel cells

电导率 氢氧化物 离子交换 材料科学 价(化学) 离子 离解(化学) 阴极 化学工程 聚合物 化学 无机化学 复合材料 物理化学 有机化学 工程类 生物化学
作者
Xin Liu,Na Xie,Jiandang Xue,Mengyuan Li,Chenyang Zheng,Junfeng Zhang,Yanzhou Qin,Yan Yin,Dario R. Dekel,Michael D. Guiver
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:7 (4): 329-339 被引量:135
标识
DOI:10.1038/s41560-022-00978-y
摘要

Through-plane (TP) conducting pathways in anion-exchange membranes (AEMs) are desirable for AEM fuel cells as they serve as short and efficient routes for hydroxide ion transport between electrodes, improving power output. Electric and magnetic fields have previously been used to create TP-oriented structures in AEMs, but with modest performance gains. Here we use paramagnetic ferrocenium polymers to prepare TP-oriented AEMs under a magnetic field. The magnetic field induces a mixed-valence state, which effectuates higher anion dissociation and enhanced alkali/redox stability. Our AEMs display a promising TP hydroxide conductivity of ~160 mS cm−1 at 95 °C in water, and no appreciable hydroxide conductivity loss over 4,320 h at 95 °C in alkali. The assembled fuel cells achieve a power output of 737 mW cm−2 at 80 °C and 80% relative humidity, and a durability of 3.9% voltage loss and 2.2% high-frequency resistance increase over 500 h at 500 mA cm−2, 120 °C and 40% relative humidity.
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