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New Multiblock Copolymers Containing Quaternary Ammonium Groups with Ultramicroporous Structure for High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells

共聚物 第四纪 质子交换膜燃料电池 质子 化学工程 高分子化学 化学 材料科学 聚合物 有机化学 地质学 生物化学 量子力学 物理 工程类 古生物学
作者
Binghui Liu,Qian Liu,Yang Pang,Tong Mu,Chengji Zhao
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:57 (21): 10338-10348 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.4c02047
摘要

Polybenzimidazole (PBI) exhibits considerable advantages as a leading membrane material for high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs). However, their harsh synthesis conditions and high processing costs have greatly restricted the large-scale commercialization of HT-PEMFCs. Therefore, developing high-performance and durable membrane materials as alternatives to PBI has been recognized as the key technical challenge for the advancement of HT-PEMFC technology. In this study, a series of novel multiblock copolymers QPSBI-b-xTMA, consisting of acidophobic pentafluorophenyl, acidophilic quaternary ammonium groups, and high free-volume spirobisindane, were synthesized by a straightforward polymerization process involving two kinds of low-molecular-weight oligomers with different structures. The resulting multiblock membranes QPSBI-b-xTMA demonstrate well-defined microporous properties, and the PA-doped membranes exhibit a microphase separation structure, which effectively facilitates proton conduction (75.45 mS cm–1@200 °C). The HT-PEMFCs based on the QPSBI-b-xTMA/PA membrane can operate efficiently within the temperature range of 160–220 °C, achieving a high peak power density of 0.84 W cm–2 without external pressure and humidity. Notably, owing to the siphoning effect of the micropores and the strong quaternary ammonium-biphosphate ion pairs, the fuel cell exhibits a stable performance at a high current density of 0.5 A cm–2 at 160 °C, with a minimal voltage degradation rate of merely 4.7 μV h–1. Thus, the newly developed QPSBI-b-xTMA/PA materials present a promising avenue for HT-PEMFC applications.

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