Gel‐State Polyelectrolyte With Quaternized Hierarchical Channels Enables Subzero‐Operable and High‐Power PEMFCs From –20 to 240°C

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作者
Danyi Zhu,Taizhong Zhu,Yan Chen,Huina Lin,Ben Howard,Zihan Hu,Bing Zhao,Mingyuan Tang,Liang Zhang,Zequan Huang,Congjie Gao,Fei Huang,Lixin Xue,Brian C. Benicewicz
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:22 (55): e75034-e75034
标识
DOI:10.1002/smll.75034
摘要

ABSTRACT Despite the advantages of phosphoric acid (PA)‐doped membranes in high‐temperature proton exchange fuel cells (HT‐PEMFCs), their limited low‐temperature performance and acid leaching hinder further widespread deployment. Herein, we report a gel‐state polyelectrolyte with quaternized hierarchical channels (QA‐PBI‐X‐Gel) that overcomes these limitations through integrated structural and chemical design. The membranes feature a multiscale 3D porous architecture enriched with dual binding motifs: imidazole rings and quaternary ammonium (QA + ) groups. This design enables efficient operation across a wide temperature range from −20°C to 240°C, fulfilling the dual role of an acid reservoir, where PA is stably retained through hydrogen bonding and ion‐pair interactions, and a proton generator, which actively promotes acid dissociation even under subzero conditions. The membrane delivers a fivefold enhancement in low‐temperature conductivity, achieves 0.411 S/cm at 240°C, and supports highly competitive peak power densities exceeding 2 W/cm 2 while simultaneously enabling reliable subzero operation at –20°C, addressing a critical challenge of HT‐PEMFCs in automotive applications. Durability tests confirm its robustness, with voltage degradation rates below 50 µV/h at both 40°C and 180°C. These findings establish a unified design that redefines the operational scope of PEMFCs, bridging the gap between existing low‐ and high‐temperature technologies.
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