Highly Conductive and Mechanically Stable Imidazole-Rich Cross-Linked Networks for High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells

质子交换膜燃料电池 导电体 咪唑 材料科学 质子 燃料电池 化学工程 化学 复合材料 有机化学 工程类 物理 生物化学 量子力学
作者
Xiaobai Li,Hongwei Ma,Peng Wang,Zhenchao Liu,Jinwu Peng,Wei Hu,Zhenhua Jiang,Baijun Liu,Michael D. Guiver
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:32 (3): 1182-1191 被引量:181
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.9b04321
摘要

Phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PA-PBI) used in high-temperature proton exchange membranes (HT-PEMs) frequently suffers from a serious loss of mechanical strength because of the "plasticizing effect" of the dopant acid. Conventional cross-linking approaches generally enhance membrane stability. However, acid doping levels (ADLs) and consequently proton conductivity inevitably decrease. This is due to the formation of more compact molecular structures and a reduced amount of functional imidazole units, caused by their consumption in introducing the cross-linker. To resolve the common problems of current PA-PBI-based HT-PEMs, herein, a highly acidophilic imidazole-rich cross-linked network with superior "antiplasticizing" ability is constructed based on a novel multifunctional cross-linker. This unique bischloro/bibenzimidazole ("A2B2-type") molecular structure has extremely high reactivity, including "self-reaction" among the cross-linkers and "inter-reaction" between the cross-linker and PBI molecules. The resulting imidazole-rich cross-linked membranes exhibit the desired combination of high ADLs, high conductivity, outstanding dimensional–mechanical stability, and excellent fuel cell performance. In comparison to a corresponding linear PBI membrane, one membrane with a high content of the cross-linker of 30% has a 100 wt % increased acid uptake, a doubling in proton conductivity at 200 °C, and a maximum power density of 533 mW·cm–2 at 160 °C without humidification.
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