Composite membrane by incorporating sulfonated graphene oxide in polybenzimidazole for high temperature proton exchange membrane fuel cells

质子交换膜燃料电池 材料科学 氧化物 电导率 化学工程 复合数 复合材料 化学 生物化学 工程类 物理化学 冶金
作者
Yılser Devrim,Gizem Nur Bulanık Durmuş
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:47 (14): 9004-9017 被引量:60
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2021.12.257
摘要

The objective of this work is to examine the polybenzimidazole (PBI)/sulfonated graphene oxide (sGO) membranes as alternative materials for high-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC). PBI/sGO composite membranes were characterized by TGA, FTIR, SEM analysis, acid doping&acid leaching tests, mechanical analysis, and proton conductivity measurements. The proton conductivity of composite membranes was considerably enhanced by the existence of sGO filler. The enhancement of these properties is related to the increased content of –SO3H groups in the PBI/sGO composite membrane, increasing the channel availability required for the proton transport. The PBI/sGO membranes were tested in a single HT-PEMFC to evaluate high-temperature fuel cell performance. Amongst the PBI/sGO composite membranes, the membrane containing 5 wt. % GO (PBI/sGO-2) showed the highest HT-PEMFC performance. The maximum power density of 364 mW/cm2 was yielded by PBI/sGO-2 membrane when operating the cell at 160 °C under non humidified conditions. In comparison, a maximum power density of 235 mW/cm2 was determined by the PBI membrane under the same operating conditions. To investigate the HT-PEMFC stability, long-term stability tests were performed in comparison with the PBI membrane. After a long-term performance test for 200 h, the HT-PEMFC performance loss was obtained as 9% and 13% for PBI/sGO-2 and PBI membranes, respectively. The improved HT-PEMFC performance of PBI/sGO composite membranes suggests that PBI/sGO composites are feasible candidates for HT-PEMFC applications.
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