Immobilized ionic liquids for high temperature polymer electrolyte fuel cell applications

Abstract

Polymer electrolyte membrane hydrogen fuel cells (PEMFC) is a mature technology able to convert the chemical energy of hydrogen and oxygen into electricity and a clean product – water. The high-temperature operation has the potential to increase catalytic activity and tolerance towards carbon monoxide which would reduce the cost of catalysts and allow the system integration with combined heat and power generation and a reformer unit. The major drawback lies in the conductivity loss of the membrane operated above 100 ºC and in highly dry conditions. In this work immobilized ionic liquids (IL) have been explored as a sustainable alternative conducting phase in polymers and catalysts. In this work, two types of composite membranes based on protic IL were fabricated. All the samples demonstrated good thermal stability and various ionic conductivity. Additionally, IL were impregnated in the catalytic layer of the gas-diffusion electrodes (GDE) using several approaches. The combination of the ionic liquids with conventional phosphoric acid was studied and described. Quasi-solidified ionic liquid membranes type doped with phosphoric acid (PA) exhibited high ion conductivities and good mechanical properties. Finally, H2/air single-cell fuel cell tests and durability tests of the MEA based on self-fabricated QSILM and GDE showed performances comparable to state-of-the-art membranes operated at dry conditions and temperature ranges of 120-220 ºC.

Polymeerelektrolytmembraan waterstofbrandstofcellen (PEMFC) is een volwassen technologie die de chemische energie van waterstof en zuurstof kan omzetten in elektriciteit en een schoon product: water. De werking bij hoge temperatuur heeft het potentieel om de katalytische activiteit en tolerantie ten opzichte van koolmonoxide te verhogen, wat de kosten van katalysatoren zou verlagen en de systeemintegratie met gecombineerde warmte- en krachtopwekking en een reformereenheid mogelijk zou maken. Het grootste nadeel ligt in het geleidbaarheidsverlies van het membraan dat boven 100 ºC en in zeer droge omstandigheden wordt gebruikt. In dit werk zijn geïmmobiliseerde ionische vloeistoffen (IL) onderzocht als een duurzame alternatieve geleidende fase in polymeren en katalysatoren. In dit werk werden twee soorten composietmembranen op basis van protische IL gefabriceerd. Alle monsters vertoonden een goede thermische stabiliteit en verschillende ionische geleidbaarheid. Bovendien werden IL geïmpregneerd in de katalytische laag van de gasdiffusie-elektroden (GDE) met behulp van verschillende benaderingen. De combinatie van de ionische vloeistoffen met conventioneel fosforzuur werd bestudeerd en beschreven. Quasi-gestolde ionische vloeibare membranen van het type gedoteerd met fosforzuur (PA) vertoonden hoge ionengeleidingen en goede mechanische eigenschappen. Ten slotte lieten H2/lucht eencellige brandstofceltesten en duurzaamheidstests van de MEA op basis van zelfgefabriceerde QSILM en GDE prestaties zien die vergelijkbaar zijn met state-of-the-art membranen die worden gebruikt bij droge omstandigheden en temperatuurbereiken van 120-220 ºC.