Sulfonated poly(fluorinated arylene ether)s (SDF-F)/poly[(N-vinylimidazole)-co-(3-methacryloxypropyl-trimethoxysilane)] (poly(VI-co-MPS))/poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) is prepared for a high temperature proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The reaction of the membrane with phosphoric acid forms silicate phosphor, as a chemically bound proton carrier, in the membrane. Thus-formed silicate phosphor, nitrogen in the imidazole ring, and physically bound phosphoric acid act as proton carriers in the membrane. The physico-chemical and electrochemical properties of the membrane are investigated by various analytical tools. The phosphoric acid uptake and proton conductivity of the SDF-F/poly(VI-co-MPS)/PTFE membrane are higher than those of SDF-F/PVI/PTFE. The power densities of cells with SDF-F/poly(VI-co-MPS)/PTFE membranes at 0.6 V are 286, 302, and 320 mW $cm^{-2}$ at 150, 170, and 190 $^{\circ}C$, respectively. Overall, the SDFF/poly(VI-co-MPS)/PTFE membrane is one of the candidates for anhydrous HT-PEMFCs with enhanced mechanical strength and improved cell performance.
In this study, we prepared the modified PBI random copolymer to reduce the problems of the pristine PBI about low solubility and proton conductivity. The random copolymer was synthesized from suberic acid, 5-aminoisophthalic acid, and 3,3'-diaminobenzidine to obtain $X_1Y_9$, $X_1Y_1$, $X_9Y_1$. Then, the membrane was fabricated by using solvent casting method with methanesulfonic acid at $140^{\circ}C$. Subsequently, the membrane was doped with phosphoric acid at $40^{\circ}C$. The chemical structure of the polymers was characterized by FT-IR. In addition, the physiochemical properties of the PBI were investigated by TGA, oxidative stability, acid uptake. Finally, the proton conductivity was measured at $100-180^{\circ}C$ without humidification. As the result, $X_1Y_9$ PBI random copolymer membrane showed higher conductivity.
This paper describes the preparation and characterization of two kinds of fluorinated polybenzimidazole (PBI)s which can be potentially used for phosphoric acid-doped, high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells. Two kinds of perfluorocyclobutane (PFCB)-containing monomers were prepared via following synthetic steps; after fluoroalkylation of methyl 3-(hydroxy) benzoate and methyl 4-(hydroxy) benzoate with 1,2-dibromotetrafluoroethane and subsequent Zn-mediated dehalogenation, these compounds were cyclodimerized at $200^{\circ}C$ affording the ester-terminated monomers containing PFCB ether groups. The synthesized intermediates and monomers were characterized using FT-IR, $^1H-NMR,\;^{19}F-NMR$, and mass spectroscopy. The fluorinated PBIs were then successfully prepared through the solution polycondensation of the monomers and 3,3'-diaminobenzidine in polyphosphoric acid. Compared with traditional PBI, the glass transition temperatures of the fluorinated PBIs were obtained at $262^{\circ}C\;and\;269^{\circ}C$ which are lower than that of PBI and their initial degradation temperatures were still high over $400^{\circ}C$ under nitrogen. The fluorinated PBIs showed higher d-spacing values and improved solubility in several organic solvents as well as phosphoric acid, which confirmed they could be good candidates for the high temperature fuel cell membranes.
Phosphoric acid-doped poly (2,5-benzimidazole) (DABPBI) was prepared by condensation polymerization of 3,4-diaminobenzoic acid for high temperature proton electrolyte membrane fuel cells. The membranes were casted directly using a hot-press unit and characterized by fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, conductivity measurement, scanning electron microscopy and tensile test. The proton conductivities of DABPBI are observed to be 0.062 and 0.018 $S{\cdot}cm^{-1}$ under 30 and 1% relative humidity, respectively at a temperature of $120^{\circ}C$ which is appreciably higher than that of Nafion 115 under similar conditions. The DABPBI membrane has demonstrated excellent thermo- mechanical properties and proton conductivity suggesting its suitability as a high temperature membrane.
Poly(benzimidazole-co-aniline) (PBIANI), a self-crosslinked, net-structured, proton conducting polymer has been synthesized for the membrane of high temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFC) with improved proton conductivity and mechanical strength. The stress at break (26$\pm$3MPa)and proton conductivity (167 mS cm-1)of the phosphoric acid doped PBIANI (DPBIANI)membrane is much higher than those of other doped polybenzimidazole(PBI) type membranes.
A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) operated at $150^{\circ}C$ was evaluated by a controlling different amount of phosphoric acid (PA) to a membrane-electrode assembly (MEA) without humidification of the cells. The effects on MEA performance of the amount of PA in the cathode are investigated. The PA content in the cathodes was optimized for higher catalyst utilization. The highest value of the active electrochemical area is achieved with the optimum amount of PA in the cathode confirmed by in-situ cyclic voltammetry. The current density-voltage experiments (I-V curve) also shows a transient response of cell voltage affected by the amount of PA in the electrodes. Furthermore, this information was compared with the production variables such as hot pressing and vacuum drying to investigate those effect to the electrochemical performances.
술폰화 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 공중합체를 $K_2CO_3$를 이용한 직접중합법으로 합성하고 인산도핑을 하여 고온운전 연료전지용 고분자전해질 막을 제조하였다. 최적의 전해질 막 제조를 위하여 술폰화도 $0{\sim}60%$ 및 도핑을 $0.7{\sim}5.7$의 범위에서 다양한 조성의 전해질 막 제조실험이 수행되었으며, 원자현미경분석 및 열중량분석, 수소 이온 전도도측정 등을 통해 전해질 막의 기본특성들을 평가하였다. 수소 이온 전도도는 도핑율에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, $130^{\circ}C$의 비 가습환경에서 측정된 수소 이온 전도도는 도핑을 5.7의 전해질 막에서 최대 $7.3{\times}10^{-2}S/cm$의 값을 나타내었다.
HT-PEMFC (high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell) using PA (phosphoric acid) doped PBI (polybenzimidazole) membrane has been researched for extending the lifetime. However, the existing work on durability of HT-PEMFC focuses on identifying degradation causes of lab scale. The short life time of HT-PEMFC is still the problem for its commercialization. In this paper, an operating method to maximize life time of 5kW HT-PEMFC stack are proposed. The proposed method includes major steps such as minimization of OCV (Open Circuit Voltage) exposure, control of the proper stack temperature, and N2 purging for the stack. This long life operating method was based on the fragmentary results of degradation from previous research works. Experimentally, the 5 kW homemade HT-PEMFC stack was operated for a long time based on the proposed method and the stack successfully can operate within the desired degradation rate for the target life time.
Huang Sheng-Jian;Lee Yong Su;Lee Hoi Kwn;Kang Won Ho
한국산학기술학회:학술대회논문집
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한국산학기술학회 2004년도 춘계학술대회
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pp.96-99
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2004
A new proton conductive inorganic-organic hybrid membrane doped with $H_3PO_4$ was fabricated via sol-gel process wit 3- glycidoxypropyltrimethoxysilane(GPTMS), 3-aminopropyltriethoxysilane(APTES) and tetraethoxysilane(TEOS) asprecursors. Theproto conductivity of about 3.0$\times10^{-3}S/cm$ was obtained at $120^{\circ}C$ under $50\%$ relative humidity (R.H). DTA curves showed that the thermal stability of the membrane is significantly enhanced by the presence of $SiO_2$ framework up to $250^{\circ}C$. SEM and XRD revealed that the gel is microporou and amorphous. The addition of APTES improved the conductivity of the membranes and the effect of the APTES on the conductivity was also discussed in this paper.
High-Temperautre Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (HT-PEMFC) with phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membrane has high power density because of high operating temperature from 100 to $200^{\circ}C$. In fuel cell stack, heat is generated by electrochemical reaction and high operating temperature makes a lot of heat. This heat is caouse of durability and performance decrease about stack. For these reasons, heat management is important in HT-PEMFC. So, we developed HT-PEMFC model and study heat flow in HT-PEMFC stack. In this study, we placed coolant plate number per cell number ratio as variable and analysed heat flow distribution in stack.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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