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Fuel cells with an operational range of –20 °C to 200 °C enabled by phosphoric acid-doped intrinsically ultramicroporous membranes

磷酸 材料科学 兴奋剂 膜 电导率 聚合物 化学工程 大气温度范围 质子交换膜燃料电池 化学 复合材料 热力学 物理化学 生物化学 光电子学 工程类 冶金 物理
作者
Hongying Tang,Kang Geng,Lei Wu,Junjie Liu,Zhiquan Chen,Wei You,Feng Yan,Michael D. Guiver,Nanwen Li
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:7 (2): 153-162 被引量:345
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00956-w
摘要

Conventional proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) operate within narrow temperature ranges. Typically, they are run at either 80‒90 °C using fully humidified perfluorosulfonic acid membranes, or at 140‒180 °C using non-humidified phosphoric acid (PA)-doped membranes, to avoid water condensation-induced PA leaching. However, the ability to function over a broader range of temperature and humidity could simplify heat and water management, thus reducing costs. Here we present PA-doped intrinsically ultramicroporous membranes constructed from rigid, high free volume, Tröger’s base-derived polymers, which allow operation from −20 to 200 °C. Membranes with an average ultramicropore radius of 3.3 Å show a syphoning effect that allows high retention of PA even under highly humidified conditions and present more than three orders of magnitude higher proton conductivity retention than conventional dense PA-doped polybenzimidazole membranes. The resulting PA-doped PEMFCs display 95% peak power density retention after 150 start-up/shut-down cycles at 15 °C and can accomplish over 100 cycles, even at −20 °C. Most proton exchange membrane fuel cells are designed to operate within a temperature range of a few tens of degrees, but functioning in a broader range of conditions could be advantageous. Here the authors use ultramicroporous, phosphoric acid-doped membranes that allow fuel cell operation from −20 °C to 200 °C.
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