Optimizing Polybenzimidazole Binders for High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells

质子交换膜燃料电池 离聚物 燃料电池 材料科学 化学工程 催化作用 磷酸 苯胺 质子 直接乙醇燃料电池 功率密度 膜电极组件 化学 高分子化学 单元式再生燃料电池
作者
Hong Huang,Yilin Chen,Zhihuan Pan,Jinwu Peng,Peng Wang,Lei Wang
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:9 (6): 3200-3209 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsaem.5c03879
摘要

The binders in the catalyst layers (CLs) of high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs) play a critical role in obtaining an excellent cell performance. However, commercial poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) binders lack sufficient proton conductivity, while polybenzimidazole (PBI) ionomer binders result in poor fuel cell performance. Herein, ImPBI, Py-PBI, and NH2-PBI as ionomer binders were synthesized by introducing the imidazole, pyridine, and aniline groups into the main chain of PBI, and the effect on fuel cell performance of the binders was discussed. The strong interaction between the nitrogen-rich groups and free phosphoric acid (PA) molecules enhanced proton transport, prevented catalyst “acid flooding,” and significantly improved the fuel cell performance. The 50_50ImPBI binder exhibited the best performance, and a single cell with 50_50ImPBI (2.5 wt %) achieved a peak power density of 969.3 mW cm–2 at 160 °C (1120.3 mW cm–2 at 180 °C), surpassing commercial binder performance. These findings suggested that developing binder architectures represents a pivotal pathway to enhancing fuel cell performance.
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