Fabrication of high performance high-temperature proton exchange membranes through constructing stable cation-rich domain in polybenzimidazole membrane

膜 质子交换膜燃料电池 材料科学 化学工程 领域(数学分析) 离子交换膜 质子 制作 离子交换 化学 有机化学 离子 核物理学 生物化学 医学 物理 工程类 数学分析 病理 数学 替代医学
作者
Jinwu Peng,Xian‐Zhu Fu,Jing‐Li Luo,Lei Wang,Xiaojun Peng
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:453: 139609-139609 被引量:86
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.139609
摘要

Improving the power density (≤ 700 mW cm-2) and long-term durability of fuel cells are crucial for promoting the practical application of high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs). In this study, a high-power density greater than 1000 mW cm-2 of fuel cell is obtained based on the designed polybenzimidazole (PBI) composite membranes containing cation-rich domains and stable two-phase interfaces. The newly designed membranes were fabricated by incorporating densely alkyl-bromide-functionalized polymer particles into the PBI membrane. The resulting composite membrane exhibited an improved mechanical strength of 12.6 MPa and high proton conductivity of 181.6 mS cm-1 at 160 oC. The power density of the corresponding composite membrane-based fuel cell reached 1090.5 mW cm-2 under a Pt loading of 0.6 mg cm-2 and H2/O2, without any humidification or backpressure at 160 oC, which is one of the most outstanding cell performances among all reported acid-doped high-temperature proton exchange membranes. Additionally, superior stability with a voltage decay rate of 0.0132 mV h-1 was observed in the long-term durability test. Thus, the proposed PBI composite membranes exhibit potential for use in HT-PEMFCs.
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