Trisno, Muhammad Luthfi Akbar and Dayan, Asridin and Lee, Su Ji and Egert, Franz and Gerle, Martina and Rykær Kraglund, Mikkel and Jensen, Jens Oluf and Aili, David and Roznowska, Aleksandra and Michalak, Artur and Park, Hyun S. and Razmjooei, Fatemeh Sanaz and Ansar, Syed Asif and Henkensmeier, Dirk (2022) Reinforced gel-state polybenzimidazole hydrogen separators for alkaline water electrolysis. Energy & Environmental Science, pp. 4362-4375. Royal Society of Chemistry. doi: 10.1039/d2ee01922a. ISSN 1754-5692.
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Official URL: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/EE/D2EE01922A
Abstract
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.
| Item URL in elib: | https://elib.dlr.de/190124/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Document Type: | Article | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Title: | Reinforced gel-state polybenzimidazole hydrogen separators for alkaline water electrolysis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Authors: |
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| Date: | 16 September 2022 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Journal or Publication Title: | Energy & Environmental Science | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Refereed publication: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gold Open Access: | No | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In SCOPUS: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In ISI Web of Science: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DOI: | 10.1039/d2ee01922a | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Page Range: | pp. 4362-4375 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Publisher: | Royal Society of Chemistry | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ISSN: | 1754-5692 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Status: | Published | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Keywords: | yydrogen separator membrane polybenzimidazole alkaline water electrolysis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HGF - Research field: | Energy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HGF - Program: | Materials and Technologies for the Energy Transition | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HGF - Program Themes: | Chemical Energy Carriers | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DLR - Research area: | Energy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DLR - Program: | E SP - Energy Storage | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DLR - Research theme (Project): | E - Electrochemical Processes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Location: | Stuttgart | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Institutes and Institutions: | Institute of Engineering Thermodynamics > Energy System Integration | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Deposited By: | Ullmer, Dirk | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Deposited On: | 12 Dec 2022 19:33 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Last Modified: | 04 Dec 2025 13:52 |
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