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Reinforced gel-state polybenzimidazole hydrogen separators for alkaline water electrolysis

Trisno, Muhammad Luthfi Akbar und Dayan, Asridin und Lee, Su Ji und Egert, Franz und Gerle, Martina und Rykær Kraglund, Mikkel und Jensen, Jens Oluf und Aili, David und Roznowska, Aleksandra und Michalak, Artur und Park, Hyun S. und Razmjooei, Fatemeh Sanaz und Ansar, Syed Asif und Henkensmeier, Dirk (2022) Reinforced gel-state polybenzimidazole hydrogen separators for alkaline water electrolysis. Energy & Environmental Science, Seiten 4362-4375. Royal Society of Chemistry. doi: 10.1039/d2ee01922a. ISSN 1754-5692.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/EE/D2EE01922A

Kurzfassung

A new membrane fabrication process is presented, in which PBI is cast from a phosphoric acid-based solution and transformed into a KOH doped membrane by immersion in KOH solution. At room temperature, such membranes show a remarkably high conductivity of 300 mS cm-1 in 25 wt% KOH solution, 3 times higher than that of conventional PBI membranes cast from DMAc. While swelling of PBI in KOH solution is highly anisotropic, the phosphoric acid-cast membrane shrinks isotropically when immersed in KOH solution, indicating that the ordered, presumably lamellar structures, which are suspected to hinder transfer of ions through the membrane, are transferred into a gel-state. This is further supported by WAXS analysis. DFT calculations suggest that the broad signal in WAXS is related to the distance between hydrogen bonded imidazolides. The soft nature of the KOH doped PBI was mitigated by reinforcement with porous supports. By using a PTFE support, the tensile strength increased from 2 to 32 MPa, and the Young's modulus from 19 to 80 MPa. Immersion in 25 wt% KOH at 80 °C indicated high stability. In the electrolyzer, a conventional PBI membrane failed within 200 hours. In contrast to this, a PTFE-supported separator reached 1.8 A cm-2 at 1.8 V and was operated for 1000 hours without failure, which is the longest operation time for ion-solvating membranes to date.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/190124/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Reinforced gel-state polybenzimidazole hydrogen separators for alkaline water electrolysis
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Trisno, Muhammad Luthfi AkbarHydrogen Fuel Cell Research Center, Korea Institute of Science and Technology (KIST)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Dayan, AsridinHydrogen Fuel Cell Research Center, Korea Institute of Science and Technology (KIST)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lee, Su JiHydrogen Fuel Cell Research Center, Korea Institute of Science and Technology (KIST)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Egert, FranzFranz.Egert (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gerle, MartinaMartina.Gerle (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2492-8367NICHT SPEZIFIZIERT
Rykær Kraglund, MikkelTechnical University of Denmark (DTU)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Jensen, Jens OlufTechnical University of Denmark (DTU)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Aili, DavidTechnical University of Denmark (DTU)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Roznowska, AleksandraJagiellonian UniversityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Michalak, ArturJagiellonian UniversityNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Park, Hyun S.Hydrogen Fuel Cell Research Center, Korea Institute of Science and Technology (KIST)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Razmjooei, Fatemeh SanazFatemeh.Razmjooei (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ansar, Syed AsifSyed-Asif.Ansar (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Henkensmeier, Dirkhenkensmeier (at) kist.re.krNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:16 September 2022
Erschienen in:Energy & Environmental Science
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1039/d2ee01922a
Seitenbereich:Seiten 4362-4375
Verlag:Royal Society of Chemistry
ISSN:1754-5692
Status:veröffentlicht
Stichwörter:yydrogen separator membrane polybenzimidazole alkaline water electrolysis
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Energiesystemintegration
Hinterlegt von: Ullmer, Dirk
Hinterlegt am:12 Dez 2022 19:33
Letzte Änderung:28 Jun 2023 13:36

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