Probing the Effect of Ionomer Swelling on the Stability of Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers

肿胀 的 膜 离聚物 电解质 化学工程 化学 溶解度 催化作用 质子交换膜燃料电池 材料科学 有机化学 电极 聚合物 共聚物 生物化学 工程类 物理化学
作者
Binyu Chen,Peter Mardle,Steven Holdcroft
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:550: 232134-232134 被引量:81
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.232134
摘要

Anion exchange membrane water electrolyzers (AEMWEs) have drawn increased attention in recent years due to the potential of efficient, low-cost, green hydrogen production. AEMWEs typically require supporting electrolytes to reduce cell voltages and improve long-term stability. Here, we show that using 1 M KOH electrolyte at 60 °C, a hexamethyl-p-terphenyl poly(benzimidazolium) (HMT-PMBI) catalyst coated membrane exhibits negligible degradation over 100 h at 1 A cm−2 and cell voltage of 1.74 V. Reducing the KOH concentration to 0.1 M or pure water results in substantially decreased voltage stability, which is hypothesized to be due to increased swelling of the ionomer in the catalyst layer and/or the membrane. We therefore examined an AEMWE system incorporating a crosslinked derivative of the HMT-PMBI membrane which exhibited 4 times lower volumetric swelling. No enhancement in the voltage stability was observed under pure water feed, suggesting that controlling membrane swelling does not impact durability in this instance. HMT-PMBI was then derivatized via benzylation, in order to maintain its solubility for ink formulation, yet decreasing its swelling by increasing its hydrophobicity. In contrast to the membrane, a reduction in ionomer swelling in the catalyst layer enhanced the lifetime of the AEMWE system four-fold operating with pure water.
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