Preparation and High Temperature Fuel Cell Performance of Ionic Crosslinked Sulfonated Polyimides for Proton Exchange Membranes

doi:10.7503/cjcu20220140

Abstract

Abstract:

A series of ionic crosslinked sulfonated polyimide based proton exchange membranes（SPI PEMs） was prepared by casting method after copolymerization of 2，2′-bis（4-sulfophenoxy） benzenediamine， 2-（4-aminophenyl）-5-aminobenzimidazole and 1，4，5，8-naphthalenetetracarbo-xylic dianhydride. The ionic crosslinked SPI PEMs show excellent mechanical properties and water stability. Those with high ion exchange capacity（IEC） show comparable proton conductivity to NR212 when under high relative humidity. The ionic crosslinked SPI PEM（coded by M1） prepared with n（BSPOB）/n（DABI） of 5/2 shows good fuel cell performance with the maximum power output（W_max） of 0.93 W/cm² under cell temperature of 90 ℃ and humidification of 80% relative humidity（RH）， which is higher than NR212 with W_max of 0.86 W/cm². The cell performance largely decreases when cell temperature is up to 110 ℃ for all these PEMs. M1 shows relative high performance with the W_max of 0.54 W/cm² at 110 ℃， when compared to covalent crosslinked SPIs. The ionic crosslinked SPI PEM shows about 10% decrease of open circuit voltage（OCV） durability for 300 h under 110 ℃， which is much better than NR212.

Key words: Sulfonated polyimide, Proton exchange membrane, High temperature fuel cell performance, Durability

CLC Number:

O631

TrendMD:

QIU Xinsheng, WU Qin, SHI Daxin, ZHANG Yaoyuan, CHEN Kangcheng, LI Hansheng. Preparation and High Temperature Fuel Cell Performance of Ionic Crosslinked Sulfonated Polyimides for Proton Exchange Membranes[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220140.

Figures/Tables 10

References 32

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PEM	NDTA?based SPIs	IEC ^a /（meq·g^-1）	WU ^b （%）	λ^b	Size change ^c （%）		Reference
PEM	NDTA?based SPIs	IEC ^a /（meq·g^-1）	WU ^b （%）	λ^b	?t_c	?l_c	Reference
M1	BSPOB/DABI（5/2）	2.12（1.89）	98	29	81	3.2	This paper
M2	BSPOB/DABI（2/1）	2.02（1.76）	73	23	51	3.1	This paper
M3	BSPOB/DABI（1/1）	1.64（1.22）	42	19	33	3.1	This paper
R1	BSPOB/BAPBz（2/1）	1.96（1.86）	76	23	47	3.9	［6］
R1C	BSPOB/BAPBz（2/1）?crosslinked	（1.73）	72	23	43	5.0	［6］
R1X	BSPOB/BAPBz/BAPBa（4/1/1）?crosslinked	（1.83）	82	25	39	6.4	［18］
NR212		0.91（0.89）	39	24	16	14	［6］

PEM	NDTA?based SPIs	IEC ^a /（meq·g^-1）	WU ^b （%）	λ^b	Size change ^c （%）		Reference
PEM	NDTA?based SPIs	IEC ^a /（meq·g^-1）	WU ^b （%）	λ^b	?t_c	?l_c	Reference
M1	BSPOB/DABI（5/2）	2.12（1.89）	98	29	81	3.2	This paper
M2	BSPOB/DABI（2/1）	2.02（1.76）	73	23	51	3.1	This paper
M3	BSPOB/DABI（1/1）	1.64（1.22）	42	19	33	3.1	This paper
R1	BSPOB/BAPBz（2/1）	1.96（1.86）	76	23	47	3.9	［6］
R1C	BSPOB/BAPBz（2/1）?crosslinked	（1.73）	72	23	43	5.0	［6］
R1X	BSPOB/BAPBz/BAPBa（4/1/1）?crosslinked	（1.83）	82	25	39	6.4	［18］
NR212		0.91（0.89）	39	24	16	14	［6］

SPI PEM	Time ^a /h	WL ^b （%）	M^c /GPa	S^d /MPa	E^e （%）	Toughness	σ^f /（mS?cm^?1）
SPI PEM	Time ^a /h	WL ^b （%）	M^c /GPa	S^d /MPa	E^e （%）	Toughness	50% RH	70% RH	In water
M2	0		3.8	187	12	V	5.5	25	158
	500	10	3.0	122	6	V	4.9	25	153
R1	0		2.6	128	51	V	8.7	35	186
	500	12	1.5	52	10	V	8.2	35	163
R1C	0		2.4	105	25	V	6.1	27	148
	500	12	1.8	80	14	V	5.7	24	141
R1X	0		2.2	113	31	V	7.8	34	163
	500	12	2.0	107	17	V	6.4	29	160

SPI PEM	Time ^a /h	WL ^b （%）	M^c /GPa	S^d /MPa	E^e （%）	Toughness	σ^f /（mS?cm^?1）
SPI PEM	Time ^a /h	WL ^b （%）	M^c /GPa	S^d /MPa	E^e （%）	Toughness	50% RH	70% RH	In water
M2	0		3.8	187	12	V	5.5	25	158
	500	10	3.0	122	6	V	4.9	25	153
R1	0		2.6	128	51	V	8.7	35	186
	500	12	1.5	52	10	V	8.2	35	163
R1C	0		2.4	105	25	V	6.1	27	148
	500	12	1.8	80	14	V	5.7	24	141
R1X	0		2.2	113	31	V	7.8	34	163
	500	12	2.0	107	17	V	6.4	29	160

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