DE102010029990A1 - Polymer films based on polyazoles - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Polymerfilme auf der Basis von Polyazolen, die in Bezug auf ihren Polyazolgehalt bei 130°C und 1000 hPa in N,N-Dimethylacetamid 0 bis 20 Gew.-% löslich sind, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung als Polymerelektrolytmembranen zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen sowie als semipermeable Membran zur Trennung von Flüssigkeiten und Gasen.The invention relates to polymer films based on polyazoles which, based on their polyazole content at 130 ° C. and 1000 hPa, are 0 to 20% by weight soluble in N, N-dimethylacetamide, processes for their production and their use as polymer electrolyte membranes for the production membrane electrode assemblies for fuel cells and as a semi-permeable membrane for separating liquids and gases.
Description
Die Erfindung betrifft Polymerfilme auf der Basis von Polyazolen, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, insbesondere zur Darstellung von Polymerelektrolytmembranen.The invention relates to polymer films based on polyazoles, processes for their preparation and their use, in particular for the preparation of polymer electrolyte membranes.
Polyazole, insbesondere Polybenzimidazol (PBI), sowie daraus hergestellte Membranen sind seit langem bekannt. Vernetzte Polymerfilme aus Polybenzimidazol (PBI) zeichnen sich durch eine hohe thermische und chemische Beständigkeit aus und werden deshalb beispielsweise verwendet als semipermeable Membranen wie u. a. in
Bei Membranen zur Gastrennung führt eine Vernetzung häufig zu einer Verbesserung der Selektivität bei gleichzeitig reduzierter Permeabilität. In
In einer Brennstoffzelle wird durch kontrollierte Oxidation eines Brennstoffs, wie Wasserstoffgas, chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dazu werden der Brennstoff und ein Oxidationsmittel, wie z. B. Sauerstoff, an zwei gegenüberliegenden Elektroden, die durch eine elektronisch isolierende Membran getrennt sind, zugeführt. Die Membran enthält einen Elektrolyten, der für Protonen, aber nicht für die reaktiven Gase durchlässig ist. Dafür verwendete Materialien sind beispielsweise Perfluorsulfonsäurepolymere, die mit Wasser gequollen sind, oder basische Polymere, die starke Säuren als Flüssigelektrolyt enthalten.In a fuel cell, controlled oxidation of a fuel, such as hydrogen gas, converts chemical energy into electrical energy. These are the fuel and an oxidizing agent, such as. As oxygen, at two opposite electrodes, which are separated by an electronically insulating membrane supplied. The membrane contains an electrolyte which is permeable to protons but not to the reactive gases. Materials used for this purpose are, for example, perfluorosulfonic acid polymers which have been swollen with water or basic polymers which contain strong acids as the liquid electrolyte.
Polybenzimidazole wurden von
Polybenzimidazol zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe thermische und chemische Beständigkeit aus. Die Vernetzung durch zusätzliche Additive beinhaltet deshalb immer die Gefahr, dass die Verbrückung über das Additiv langfristig weniger stabil ist als das reine PBI und dass darum die mechanische Stabilität einer so vernetzten PBI-Membran insbesondere in einer aggressiven Umgebung wie in einer Brennstoffzelle langsam abnimmt. Polybenzimidazole is characterized by exceptionally high thermal and chemical resistance. The crosslinking by additional additives therefore always involves the risk that the bridging over the additive is less stable in the long term than the pure PBI and therefore that the mechanical stability of such a crosslinked PBI membrane slowly decreases, especially in an aggressive environment such as in a fuel cell.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Polymerfilme auf der Basis von Polyazolen, die in Bezug auf ihren Polyazolgehalt bei 130°C und 1000 hPa in N,N-Dimethylacetamid 0 bis 20 Gew.-% löslich sind, die dadurch hergestellt werden können, dass
in einem ersten Schritt
eine Mischung enthaltend Polyazol (A), polares aprotisches Lösemittel (B) und gegebenenfalls weitere Stoffe (C) hergestellt wird,
in einem zweiten Schritt
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird,
in einem dritten Schritt
das Lösemittel (B) ganz oder teilweise entfernt wird und
in einem vierten Schritt
der im dritten Schritt erhaltene Polymerfilm in Anwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt wird.The present invention relates to polymer films based on polyazoles, which are soluble in N, N-dimethylacetamide 0 to 20 wt .-% in terms of their Polyazolgehalt at 130 ° C and 1000 hPa, which can be prepared by that
in a first step
a mixture containing polyazole (A), polar aprotic solvent (B) and optionally further substances (C) is prepared,
in a second step
the mixture obtained in the first step is applied to a support,
in a third step
the solvent (B) is completely or partially removed and
in a fourth step
the polymer film obtained in the third step is heated in the presence of oxygen to a temperature in the range of 200 to 500 ° C.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfilmen auf der Basis von Polyazolen, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ersten Schritt
eine Mischung enthaltend Polyazol (A), polares aprotisches Lösemittel (B) und gegebenenfalls weitere Stoffe (C) hergestellt wird,
in einem zweiten Schritt
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird,
in einem dritten Schritt
das Lösemittel (B) ganz oder teilweise entfernt wird und
in einem vierten Schritt
der im dritten Schritt erhaltene Polymerfilm in Anwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt wird.Another object of the present invention is a process for the preparation of polymer films based on polyazoles, characterized in that
in a first step
a mixture containing polyazole (A), polar aprotic solvent (B) and optionally further substances (C) is prepared,
in a second step
the mixture obtained in the first step is applied to a support,
in a third step
the solvent (B) is completely or partially removed and
in a fourth step
the polymer film obtained in the third step is heated in the presence of oxygen to a temperature in the range of 200 to 500 ° C.
Die erfindungsgemäßen Polymerfilme sind in Bezug auf ihren Polyazolgehalt bei 130°C und 1000 hPa in N,N-Dimethylacetamid bevorzugt 0 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 0 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0 bis 2 Gew.-%, löslich.With regard to their polyazole content at 130 ° C. and 1000 hPa in N, N-dimethylacetamide, the polymer films according to the invention are preferably 0 to 10% by weight, more preferably 0 to 5% by weight, in particular 0 to 2% by weight, soluble.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Polyazolen (A) kann es sich um beliebige und bisher bekannte Polyazole handeln, die neben dem Azol-Baustein mindestens einen weiteren Aromaten bzw. Heteroaromaten enthalten.The polyazoles (A) used in accordance with the invention may be any and all known polyazoles which, in addition to the azole building block, contain at least one further aromatic or heteroaromatic compound.
Beispiele für die erfindungsgemäß eingesetzten Polyazole (A) sind solche, die auf Monomere, ausgewählt aus Pyrrol, Pyrazol, Benzpyrazol, Oxazol, Benzoxazol, Thiazol, Benzthiazol, Imidazol und Benzimidazol, basieren und zusätzlich aromatische bzw. heteroaromatische Gruppen, wie Phenylen-, Naphthalen-, Pyridin-, Pyrimidin- oder Pyrazingruppen, enthalten können. Die unterschiedlichen Gruppen können darüber hinaus über Amid-, Imid-, Ether-, Thioether- oder direkte C-C-Bindungen verknüpft sein. Die erfindungsgemäß eingesetzten Polyazole (A) sowie Verfahren zu deren Herstellung sind bereits bekannt. Hierzu sei beispielsweise auf
Die Polyazole (A) können durch verschiedene und bekannte Verfahren hergestellt werden und tragen als Endgruppen in der Regel die der zur Herstellung eingesetzten Monomere, wie etwa Amino- und/oder Carbonsäuregruppen und/oder deren Ester, oder durch nachträgliche chemische Reaktion beliebig eingeführte Endgruppen, wie z. B. Alkyl-, Aryl-, Alkenyl-, OH-, Epoxid-, Keto-, Aldehyd-, Ester-, Thiol-, Thioester-, Silyl-, Oxim-, Amid-, Imid-, Urethan- und Harnstoffgruppen.The polyazoles (A) can be prepared by various and known methods and carry as end groups usually the monomers used for the preparation, such as amino and / or carboxylic acid groups and / or their esters, or by subsequent chemical reaction any end groups introduced, such as B. alkyl, aryl, alkenyl, OH, epoxy, keto, aldehyde, ester, thiol, thioester, silyl, oxime, amide, imide, urethane and urea groups.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Polyazolen (A) handelt es sich bevorzugt um solche mit Amino- und/oder Carbonsäureendgruppen, besonders bevorzugt um NH2- und/oder COOH-Endgruppen, wobei insbesondere mehr als 50% aller Endgruppen NH2-Reste sind.In the inventively used polyazoles (A) are preferably those having amino and / or carboxylic acid end groups, particularly preferably NH 2 - and / or COOH end groups, in particular more than 50% of all end groups are NH 2 groups.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Polyazolen (A) um Polybenzimidazole (wie beispielsweise in
Polybenzimidazol (A) kann auf verschiedene und bekannte Methoden hergestellt werden, wie etwa durch Polymerisation von Diaminobenzidin und Isophthalsäure und/oder deren Estern. Polybenzimidazole (A) können als Endgruppen Amino- und/oder Carbonsäuregruppen und/oder deren Ester aufweisen, oder durch nachträgliche chemische Reaktion beliebig eingeführte Endgruppen, wie z. B. Alkyl-, Aryl-, Alkenyl-, OH-, Epoxid-, Keto-, Aldehyd-, Ester-, Thiol-, Thioester-, Silyl-, Oxim-, Amid-, Imid-, Urethan- und Harnstoffgruppen.Polybenzimidazole (A) can be prepared by various and known methods, such as by polymerization of diaminobenzidine and isophthalic acid and / or their esters. Polybenzimidazoles (A) may have as end groups amino and / or carboxylic acid groups and / or their esters, or by subsequent chemical reaction any end groups introduced, such. B. alkyl, aryl, alkenyl, OH, epoxy, keto, aldehyde, ester, thiol, thioester, silyl, oxime, amide, imide, urethane and urea groups.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Polyazole (A) können eine unterschiedliche Anzahl von Amino- und/oder Carbonsäureendgruppen aufweisen. Bevorzugt enthält die erfindungsgemäß eingesetzte Komponente (A) zumindest zum Teil Polyazole mit mindestens 3 NH2- und/oder COOH-Endgruppen, besonders bevorzugt tragen mehr als 20% der Polyazole 4 NH2-Gruppen pro Molekül.The polyazoles (A) used according to the invention may have a different number of amino and / or carboxylic acid end groups. Preferably, the component (A) used according to the invention contains at least in part polyazoles having at least 3 NH 2 and / or COOH end groups, more preferably more than 20% of the polyazoles carry 4 NH 2 groups per molecule.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Polyazole (A) haben eine Inhärentvikosität von bevorzugt > 0,1 dl/g, besonders bevorzugt von 0,1 bis 2,5 dl/g, insbesondere von 0,3 bis 1,5 dl/g, jeweils gemessen an einer 0,4%igen (w/v)Lösung, also 0,4 g/100 ml, von Polyazol in H2SO4 (95–97%) mit einem Ubbelhode Viskosimeter bei einer Temperatur von 25°C und einem Druck von 1000 hPa.The polyazoles (A) used according to the invention have an inherent viscosity of preferably> 0.1 dl / g, particularly preferably from 0.1 to 2.5 dl / g, in particular from 0.3 to 1.5 dl / g, measured in each case a 0.4% (w / v) solution, ie 0.4 g / 100 ml, of polyazole in H 2 SO 4 (95-97%) with an Ubbelhode viscometer at a temperature of 25 ° C and a pressure of 1000 hPa.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Komponente (A) hat ein Molekulargewicht Mw von bevorzugt 1 000 bis 300 000 g/mol, besonders bevorzugt von 4 000 bis 150 000 g/mol, jeweils gemessen als absolute Molmasse mittels GPC gekoppelt mit statischer Lichtstreuung (Laufmittel: DMAc versetzt mit 1% LiBr).The component (A) used according to the invention has a molecular weight Mw of preferably 1,000 to 300,000 g / mol, particularly preferably 4,000 to 150,000 g / mol, measured in each case as absolute molecular weight by GPC coupled with static light scattering (mobile phase: DMAc) with 1% LiBr).
Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei (A) um Poly-2,2'-(m-Phenylen)-5,5'-dibenzimidazol mit Amino- und/oder Carbonsäureendgruppen und einer Inhärentviskosität von 0,3 bis 1,5 dl/g gemessen an einer 0,4%igen (w/v)Lösung, also 0,4 g/100 ml, von Polyazol in H2SO4 (95–97%) mit einem Ubbelhode Viskosimeter bei einer Temperatur von 25°C und einem Druck von 1000 hPa.Most preferably (A) is poly-2,2 '- (m-phenylene) -5,5'-dibenzimidazole having amino and / or carboxylic acid end groups and an inherent viscosity of 0.3 to 1.5 dl / g measured on a 0.4% (w / v) solution, ie 0.4 g / 100 ml, of polyazole in H 2 SO 4 (95-97%) with an Ubbelhode viscometer at a temperature of 25 ° C and a pressure of 1000 hPa.
Die Mischung gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt enthält vorzugsweise mindestens 1 Gew.-% Polyazol (A), besonders bevorzugt mindestens 5 Gew.-% Polyazol, insbesondere mindestens 10 Gew.-%. Die Mischung enthält vorzugsweise höchstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens 70 Gew.-%, insbesondere höchstens 50 Gew.-%, Polyazol (A).The mixture according to the first step of the invention preferably contains at least 1% by weight of polyazole (A), more preferably at least 5% by weight of polyazole, especially at least 10% by weight. The mixture preferably contains at most 90% by weight, particularly preferably at most 70% by weight, in particular at most 50% by weight, of polyazole (A).
Beispiele für die erfindungsgemäß eingesetzten Lösemittel (B) sind alle polaren aprotischen Lösemittel, die nicht mit den weiteren Mischungsbestandteilen (A) und (C) reagieren.Examples of the solvents (B) used according to the invention are all polar aprotic solvents which do not react with the other mixture constituents (A) and (C).
Bevorzugte Beispiele für Lösemittel (B) sind N,N-Dimethyacetamid, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, N-Methylpyrrolidon oder Mischungen aus den vorgenannten Lösemitteln, wobei N,N-Dimethylacetamid besonders bevorzugt ist.Preferred examples of solvent (B) are N, N-dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone or mixtures of the abovementioned solvents, with N, N-dimethylacetamide being particularly preferred.
Die Bezeichnung Lösemittel bedeutet nicht, dass sich alle Mischungskomponenten in diesem vollständig lösen müssen.The term solvent does not mean that all components of the mixture must dissolve completely in it.
Die Mischung gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt enthält Lösemittel (B) in Mengen von bevorzugt 10 bis 99 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 95 Gew.-%, insbesondere 50 bis 90 Gew.-%.The mixture according to the first step of the invention contains solvent (B) in amounts of preferably from 10 to 99% by weight, more preferably from 30 to 95% by weight, in particular from 50 to 90% by weight.
Zusätzlich zu den Komponenten (A) und (B) können die Mischungen gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt weitere Stoffe (C) enthalten, wie z. B. organische Verbindungen, die keine gegenüber NH-Gruppen reaktive Gruppen enthalten, anorganische Stoffe wie beispielsweise Metalloxide oder Additive wie beispielsweise Tenside oder Haftvermittler, die keine gegenüber NH-Gruppen reaktive Gruppen enthalten und dazu dienen können, die Eigenschaften der Oberfläche des vernetzten Polymerfilms, wie beispielsweise die Oberflächenspannung, zu modifizieren.In addition to the components (A) and (B), the mixtures according to the first step of the invention contain further substances (C), such as. For example, organic compounds which do not contain groups which are reactive toward NH groups, inorganic substances such as metal oxides or additives such as, for example, surfactants or adhesion promoters, which contain no NH-reactive groups and can serve to improve the properties of the surface of the crosslinked polymer film. such as the surface tension, to modify.
Falls weitere Stoffe (C) eingesetzt werden, handelt es sich bevorzugt um anorganische Stoffe.If further substances (C) are used, these are preferably inorganic substances.
Die Mischung gemäß erfindungsgemäßem ersten Schritt enthält weitere Stoffe (C) in Mengen von bevorzugt 0 bis 90 Gew.-Teilen, besonders bevorzugt 0 bis 50 Gew.-Teilen, insbesondere 0 bis 20 Gew.-Teilen, jeweils bezogen auf 100 Gewichtsteile Polyazol. Bevorzugt enthält die Mischung keine weiteren Stoffe (C). The mixture according to the first step of the invention contains further substances (C) in amounts of preferably 0 to 90 parts by weight, more preferably 0 to 50 parts by weight, in particular 0 to 20 parts by weight, in each case based on 100 parts by weight of polyazole. The mixture preferably contains no further substances (C).
Die Mischungen im ersten Schritt enthalten zusätzlich zu Polyazolen (A), Lösemittel (B) und ggf. weiteren Stoffe (C) bevorzugt keine weiteren Bestandteile.The mixtures in the first step preferably contain no further constituents in addition to polyazoles (A), solvents (B) and optionally further substances (C).
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Komponenten kann es sich jeweils um eine Art einer solchen Komponente wie auch um ein Gemisch aus mindestens zwei Arten einer jeweiligen Komponente handeln.The components used according to the invention may each be one type of such a component as well as a mixture of at least two types of a respective component.
Die Mischung gemäß erstem Schritt kann durch beliebige und an sich bekannte Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch einfaches Vermischen der einzelnen Bestandteile in beliebiger Reihenfolge sowie gegebenenfalls Rühren.The mixture according to the first step can be prepared by any desired methods known per se, for example by simply mixing the individual constituents in any order and, if appropriate, stirring.
Der erfindungsgemäße erste Schritt wird bei Temperaturen von bevorzugt 20 bis 350°C, besonders bevorzugt 100 bis 300°C, insbesondere 150 bis 250°C, durchgeführt.The first step according to the invention is carried out at temperatures of preferably 20 to 350.degree. C., particularly preferably 100 to 300.degree. C., in particular 150 to 250.degree.
Der erfindungsgemäße 1. Schritt wird bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höheren Drücken durchgeführt werden.The first step according to the invention is preferably carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Der erfindungsgemäße erste Schritt wird bevorzugt in Inertgasatmosphäre, wie etwa unter Argon- oder Stickstoff-Spülung, durchgeführt.The first step according to the invention is preferably carried out in an inert gas atmosphere, such as under argon or nitrogen purge.
Der erfindungsgemäße erste Schritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.The first step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously.
Beim erfindungsgemäßen ersten Schritt wird die Mischung bevorzugt so lange gerührt, bis sich das Polyazol (A) vorzugsweise zu mehr als 90 Gew.-% besonders bevorzugt vollständig, im Lösemittel (B) gelöst hat. Falls erwünscht, können Anteile von Komponente (A) und/oder (C), die sich nicht in Lösemittel (B) gelöst haben, in der Lösung verbleiben oder abfiltriert werden.In the first step according to the invention, the mixture is preferably stirred until the polyazole (A) has more preferably completely, more preferably completely, dissolved in the solvent (B) to more than 90% by weight. If desired, portions of component (A) and / or (C) that did not dissolve in solvent (B) may remain in the solution or be filtered off.
Bei der Mischung gemäß erstem Schritt handelt es sich bevorzugt um eine Lösung, eine Suspension oder eine Paste. Im Fall der Lösung ist das Polyazol (A) sowie gegebenenfalls eingesetzte weitere Stoffe (C) in dem Lösemittel (B) gelöst. Im Fall der Suspension sind Teilchen aus dem Polyazol (A) und/oder den weiteren Stoffen (C) in dem als kontinuierliche Phase dienenden Lösemittel dispergiert. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Mischung des ersten Schritts um eine Lösung, insbesondere mit einer honigartigen Viskosität.The mixture according to the first step is preferably a solution, a suspension or a paste. In the case of the solution, the polyazole (A) and optionally used further substances (C) is dissolved in the solvent (B). In the case of suspension, particles of the polyazole (A) and / or other materials (C) are dispersed in the continuous phase solvent. The mixture of the first step is particularly preferably a solution, in particular having a honey-type viscosity.
Das Auftragen der im erfindungsgemäßen ersten Schritt erhaltenen Mischung auf einen Träger kann mit allen geeigneten, bisher bekannten diskontinuierlichen und kontinuierlichen Auftragsverfahren durchgeführt werden. Bevorzugt erfolgt das Auftragen durch Ausgießen der Mischung auf einem planaren Substrat, durch Auftrag mit einer Walze oder Breitschlitzdüse, durch das Rakelverfahren oder Spincoating. Das gewählte Auftragsverfahren richtet sich dabei auch nach der angestrebten Schichtdicke des trockenen Polymerfilms gemäß erfindungsgemäßem dritten Schritt.The application of the mixture obtained in the first step of the invention on a support can be carried out with all suitable, previously known discontinuous and continuous application methods. Preferably, the application is carried out by pouring the mixture on a planar substrate, by application with a roller or slot die, by the doctor blade method or spin coating. The selected application method also depends on the desired layer thickness of the dry polymer film according to the third step of the invention.
Beispiele für Träger, die im erfindungsgemäßen zweiten Schritt eingesetzt werden können, sind alle bisher bekannten Träger, die von den erfindungsgemäßen Mischungen gut benetzt werden, weitgehend resistent gegenüber den in den Mischungen enthaltenen Komponenten (A), (B) und ggf. (C) sind und Formstabilität im angewendeten Temperaturbereich aufweisen. Beispiele für solche Träger sind Polymerfilme, wie Poly(ethylenterephthalat)-, Polyimid-, Polyethylenimid-, Polytetrafluorethylen- und Polyvinylidenfluorid-Folien, Metalloberflächen, wie beispielsweise Bänder aus rostfreiem Stahl, Glasoberflächen sowie siliconisierte Papiere.Examples of carriers which can be used in the second step of the invention are all previously known carriers which are well wetted by the mixtures according to the invention, substantially resistant to the components (A), (B) and, if appropriate, (C) contained in the mixtures. are and have dimensional stability in the applied temperature range. Examples of such carriers are polymer films such as poly (ethylene terephthalate), polyimide, polyethyleneimide, polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride films, metal surfaces such as stainless steel belts, glass surfaces and siliconized papers.
Insbesondere wenn der Polymerfilm nach der Herstellung vom Träger abgelöst werden soll, sind Träger bevorzugt, die gegenüber der Mischung gemäß erstem Schritt chemisch inert sind.In particular, when the polymer film is to be removed from the carrier after the preparation, carriers are preferred which are chemically inert to the mixture according to the first step.
Das Auftragen kann auch auf einem funktionellen Träger erfolgen, der Teil der jeweiligen Anwendung ist. Beispielsweise kann im Fall der Herstellung einer semipermeablen Membran die Mischung auf einen offenporigen Film oder ein Stützgewebe aufgetragen werden. Bei der Anwendung als Brennstoffzellenmembran kann die Mischung direkt auf die Gasdiffusionslage bzw. die darauf vorhandene Elektrode aufgebracht werden.The application can also be carried out on a functional carrier, which is part of the respective application. For example, in the case of manufacturing a semi-permeable membrane, the mixture may be applied to an open-pored film or backing fabric. When used as a fuel cell membrane, the mixture can be applied directly to the gas diffusion layer or the electrode thereon.
Bevorzugt handelt es sich bei den eingesetzten Trägern um solche, die von der Mischung gemäß erstem Schritt benetzt werden, wobei der Kontaktwinkel der Mischung auf dem Träger bevorzugt kleiner als 90°, besonders bevorzugt kleiner als 30°, ist, jeweils gemessen mit Inertgas als umgebender Phase. Preferably, the carriers used are those which are wetted by the mixture according to the first step, wherein the contact angle of the mixture on the carrier is preferably less than 90 °, particularly preferably less than 30 °, in each case measured with inert gas as the surrounding Phase.
Der erfindungsgemäße zweite Schritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.The second step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously.
Für kontinuierliche Auftrageerfahren werden bevorzugt Polymerfilme, wie beispielsweise Folien aus Poly(ethylenterephthalat), oder Metallbänder, wie beispielsweise rostfreier Stahl, verwendet. Für das diskontinuierliche Verfahren werden bevorzugt Glasplatten verwendet.For continuous application processes, polymer films such as poly (ethylene terephthalate) films or metal belts such as stainless steel are preferably used. For the batch process, glass plates are preferably used.
Der erfindungsgemäße zweite Schritt wird bevorzugt bei Temperaturen unter dem Siedepunkt des Lösemittels (B), besonders bevorzugt im Temperaturbereich von 10 bis 80°C, insbesondere 15 bis 40°C, durchgeführt.The second step of the invention is preferably carried out at temperatures below the boiling point of the solvent (B), more preferably in the temperature range of 10 to 80 ° C, in particular 15 to 40 ° C.
Der erfindungsgemäße zweite Schritt wird bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höheren Drücken durchgeführt werden.The second step of the invention is preferably carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Der erfindungsgemäße zweite Schritt wird bevorzugt an Luft in einer staubarmen Umgebung oder in einer Reinraumumgebung durchgeführt, was zur Sicherung einer konstanten Filmqualität beiträgt.The second step according to the invention is preferably carried out in air in a low-dust environment or in a clean room environment, which helps to ensure a constant film quality.
Für das Entfernen des Lösemittels im erfindungsgemäßen dritten Schritt können die üblichen nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Trocknung herangezogen werden. Dabei wird der Polymerfilm bevorzugt soweit erwärmt, dass das Lösemittel oder Lösemittelgemisch entweicht ohne die Homogenität des Films zu beeinträchtigen.For the removal of the solvent in the third step according to the invention, the customary processes known from the prior art for drying can be used. In this case, the polymer film is preferably heated to the extent that the solvent or solvent mixture escapes without impairing the homogeneity of the film.
Der Polymerfilm kann bei unterschiedlichen Drücken getrocknet werden, bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also bei 900 bis 1100 hPa, oder unter vermindertem Druck.The polymer film can be dried at different pressures, preferably at the pressure of the surrounding atmosphere, ie at 900 to 1100 hPa, or under reduced pressure.
Der erfindungsgemäße dritte Schritt wird bevorzugt bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes des Lösemittels (B) durchgeführt, besonders bevorzugt bei 50 bis 150°C, insbesondere 80 bis 150°C.The third step of the invention is preferably carried out at temperatures below the boiling point of the solvent (B), more preferably at 50 to 150 ° C, especially 80 to 150 ° C.
Der erfindungsgemäße dritte Schritt wird bevorzugt an Luft in einer staubarmen Umgebung oder in einer Reinraumumgebung durchgeführt, was zur Sicherung einer konstanten Filmqualität beiträgt.The third step according to the invention is preferably carried out in air in a low-dust environment or in a clean room environment, which contributes to ensuring a constant film quality.
Der erfindungsgemäße dritte Schritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.The third step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously.
Falls der erfindungsgemäße dritte Schritt kontinuierlich durchgeführt werden soll, kann beispielsweise ein Trockenofen oder beheizte Walzen/Bänder oder ein Schwebetrockner verwendet werden, um das Lösemittel mittels Warmwind zu entfernen.If the third step according to the invention is to be carried out continuously, for example, a drying oven or heated rolls / belts or a floating dryer can be used to remove the solvent by means of warm wind.
Die gewünschte Dicke des trockenen Polymerfilms hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Als semipermeable Membranen werden dünne Schichten zwischen 1 und 20 μm bevorzugt, insbesondere wenn der Film von einem porösen Träger mechanisch gestützt wird. Als selbsttragender Film, wie beispielsweise bei der Anwendung als Polymerelektrolytmembran, beträgt die Dicke des trockenen Polymerfilms bevorzugt zwischen 20 und 200 μm.The desired thickness of the dry polymer film depends on the requirements of the particular application. As semipermeable membranes, thin layers between 1 and 20 μm are preferred, especially when the film is mechanically supported by a porous support. As a self-supporting film, such as when used as a polymer electrolyte membrane, the thickness of the dry polymer film is preferably between 20 and 200 microns.
Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen dritten Schritt Polymerfilme mit einer Dicke von 1 bis 500 μm, besonders bevorzugt von 5 bis 200 μm, hergestellt.In the third step according to the invention, preference is given to producing polymer films having a thickness of from 1 to 500 μm, more preferably from 5 to 200 μm.
Vor Durchführung des erfindungsgemäßen vierten Schritts kann nun der getrocknete Polymerfilm gemäß drittem Schritt vom Träger abgelöst werden oder, wenn der Träger eine ausreichende thermische Stabilität besitzt, auf diesem verbleiben.Before carrying out the fourth step according to the invention, the dried polymer film can now be removed from the carrier in accordance with the third step or, if the carrier has sufficient thermal stability, remain thereon.
Das Erhitzen des Polymerfilms auf 200°C bis 500°C im vierten Schritt kann nach beliebigen und bisher bekannten Verfahren erfolgen, wie beispielsweise in einem Heißluftöfen oder durch Kontakt mit heißen Oberflächen.The heating of the polymer film at 200 ° C to 500 ° C in the fourth step can be carried out by any and all known methods, such as in a hot air oven or by contact with hot surfaces.
Die maximale Temperatur im erfindungsgemäßen vierten Schritt wird in erster Linie durch die Stabilität des Polymers und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens begrenzt. Sie liegt vorzugsweise unter 450°C und besonders bevorzugt unter 400°C.The maximum temperature in the fourth step of the invention is limited primarily by the stability of the polymer and the economics of the process. It is preferably below 450 ° C and more preferably below 400 ° C.
Die Temperatur im erfindungsgemäßen vierten Schritt liegt bevorzugt im Bereich von 250 und 400°C, besonders bevorzugt 300 bis 400°C. The temperature in the fourth step according to the invention is preferably in the range from 250 to 400.degree. C., more preferably from 300 to 400.degree.
Die maximale Dauer des Erhitzens im erfindungsgemäßen vierten Schritt ist hauptsächlich durch wirtschaftliche Aspekte begrenzt. Das Tempern erfolgt über einen Zeitraum von bevorzugt 1 sec bis 24 h, besonders bevorzugt 1 min bis 10 h, insbesondere 1 bis 4 Stunden.The maximum duration of heating in the fourth step according to the invention is limited mainly by economic aspects. Annealing takes place over a period of preferably 1 second to 24 hours, more preferably 1 minute to 10 hours, in particular 1 to 4 hours.
Der erfindungsgemäße vierte Schritt wird bevorzugt beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höheren Drücken durchgeführt werden.The fourth step according to the invention is preferably carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Der erfindungsgemäße vierte Schritt wird in Anwesenheit von Sauerstoff durchgeführt, wobei bevorzugt ein Gasgemisch verwendet wird, das mehr als 1 Gew.-% Sauerstoff enthält, besonders bevorzugt mehr als 5 Gew.-% Sauerstoff enthält, insbesondere mehr als 10 Gew.-% Sauerstoff enthält. Der erfindungsgemäße vierte Schritt wird ganz besonders bevorzugt in Anwesenheit von Luft durchgeführt.The fourth step according to the invention is carried out in the presence of oxygen, preference being given to using a gas mixture which contains more than 1% by weight of oxygen, more preferably more than 5% by weight of oxygen, in particular more than 10% by weight of oxygen contains. The fourth step according to the invention is very particularly preferably carried out in the presence of air.
Der erfindungsgemäße vierte Schritt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.The fourth step according to the invention can be carried out continuously or discontinuously.
Bei einem kontinuierlichen Verfahren kann der Polymerfilm beispielsweise über beheizbare Walzen aus Edelstahl oder Sintermetall geführt werden.For example, in a continuous process, the polymer film may be passed over heatable stainless steel or sintered metal rolls.
Eine Variante des erfindungsgemäßen vierten Schritts ist, dass der dritte und der vierte Schritt kontinuierlich ineinander übergehen, in dem z. B. der beschichtete Träger in der Trocknungsapparatur verbleibt und diese auf eine Temperatur gemäß viertem Schritt aufgeheizt wird.A variant of the fourth step according to the invention is that the third and the fourth step continuously merge into each other, in the z. B. the coated carrier remains in the drying apparatus and this is heated to a temperature according to the fourth step.
Im erfindungsgemäßen vierten Schritt werden nun Polymerfilme erhalten, die einen Polyazolanteil, ggf. eine Restmenge von Lösemittel sowie ggf. weitere Stoffe aufweisen. Die Qualität der erhaltenen Polymerfilme wird durch die Bestimmung der in N,N,-Dimethylacetamid löslichen Anteile an Polyazol in der Polymerfolie beurteilt.In the fourth step of the invention, polymer films are now obtained which have a polyazole fraction, optionally a residual amount of solvent and optionally further substances. The quality of the polymer films obtained is assessed by determining the N, N, -dimethylacetamide soluble proportions of polyazole in the polymer film.
Die erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Polymerfilme können nun für alle Zwecke eingesetzt werden, für die auch bisher Polymerfilme eingesetzt worden sind.The polymer films according to the invention or produced according to the invention can now be used for all purposes for which polymer films have hitherto also been used.
Abhängig von der beabsichtigten Verwendung kann der erfindungsgemäße Polymerfilm in weiteren Verfahrensschritten nach an sich bekannten Verfahren modifiziert werden. Für die Anwendung als Polymerelektrolytmembran kann man den im vierten Schritt erhaltenen Polymerfilm in einem ggf. durchgeführten fünften Schritt mit einer starken Säure dotieren.Depending on the intended use, the polymer film according to the invention can be modified in further process steps by methods known per se. For use as a polymer electrolyte membrane, the polymer film obtained in the fourth step can be doped with a strong acid in a fifth step, if appropriate.
Im Hinblick auf die Stabilität des Polymerfilms und der für die Handhabung von starken Säuren bei hohen Temperaturen erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen erfolgt das Dotieren im erfindungsgemäß ggf. durchgeführten fünften Schritt vorzugsweise unter 200°C, besonders bevorzugt bei 20 bis 160°C, insbesondere bei 35 bis 130°C.With regard to the stability of the polymer film and the safety precautions required for the handling of strong acids at high temperatures, the doping is carried out in the fifth step, which may be carried out according to the invention, preferably below 200 ° C., particularly preferably at 20 to 160 ° C., in particular 35 to 130 ° C.
Nach einer Variante des ggf. durchgeführten fünften Schritts wird die Polymerfolie in eine hochkonzentrierte starke Säure über einen Zeitraum von bevorzugt höchstens 5 Stunden und besonders bevorzugt 1 Minute bis 1 Stunde, eingetaucht, wobei eine höhere Temperatur die Eintauchzeit verkürzt.According to a variant of the optionally performed fifth step, the polymer film is immersed in a highly concentrated strong acid over a period of preferably at most 5 hours and more preferably 1 minute to 1 hour, wherein a higher temperature shortens the immersion time.
Die Menge der eingesetzten Säure (D) im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten fünften Verfahrensschritt beträgt bei dieser Variante üblicherweise die 5- bis 10000-fache Menge, bevorzugt die 6- bis 5000-fache Menge, besonders bevorzugt die 6- bis 1000-fache Menge, jeweils bezogen auf das Gewicht des Polymers (A) im Polymerfilm.In this variant, the amount of acid (D) used in the fifth process step optionally carried out is usually from 5 to 10000 times, preferably from 6 to 5000 times, more preferably from 6 to 1000 times, in each case based on the weight of the polymer (A) in the polymer film.
Alternativ kann nach einer weiteren Variante des ggf. durchgeführten fünften Schritts eine starke Säure dosiert auf den Polymerfilm auftragen werden und der Film erwärmt werden bis der Film die Säure vollständig absorbiert hat. Die Menge der eingesetzten Säure (D) im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten fünften Verfahrensschritt beträgt bei dieser Variante üblicherweise die 2- bis 10-fache Menge, bevorzugt die 3- bis 8-fache Menge, jeweils bezogen auf das Gewicht des Polymerfilms.Alternatively, according to a further variant of the fifth step which may be carried out, a strong acid may be metered onto the polymer film and the film heated until the film has completely absorbed the acid. The amount of the acid (D) used in the fifth invention optionally carried out In this variant, the process step is usually 2 to 10 times the amount, preferably 3 to 8 times the amount, in each case based on the weight of the polymer film.
Nach einer weiteren Variante des ggf. durchgeführten fünften Schritts wird der Polymerfilm für die Herstellung einer Membran-Elektrodeneinheit zwischen zwei mit Säure getränkten Gasdiffusionselektroden gepresst. Die Menge der eingesetzten Säure (D) im erfindungsgemäß gegebenenfalls durchgeführten fünften Verfahrensschritt beträgt bei dieser Variante üblicherweise die 2- bis 10-fache Menge, bevorzugt die 3- bis 8-fache Menge, jeweils bezogen auf das Gewicht des Polymerfilms.According to another variant of the fifth step, if necessary, the polymer film is pressed between two acid-impregnated gas diffusion electrodes for the production of a membrane-electrode assembly. In this variant, the amount of acid (D) used in the fifth process step optionally carried out in this variant is usually 2 to 10 times the amount, preferably 3 to 8 times, in each case based on the weight of the polymer film.
Als starke Säuren im erfindungsgemäßen fünften Schritt kommen protische starke Säuren (D) in Betracht, wie beispielsweise Phosphor-haltige Säuren und Schwefelsäure. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung versteht man unter ”Phosphor-haltige Säuren” Polyphosphorsäure, Phosphonsäure (H3PO3), Orthophosphorsäure (H3PO4), Pyrophosphorsäure (H4P2O7), Triphosphorsäure (H5P3O10) und Metaphosphorsäure.Strong acids in the fifth step according to the invention are protic strong acids (D), such as, for example, phosphorus-containing acids and sulfuric acid. In the context of the present invention, "phosphorus-containing acids" is understood as meaning polyphosphoric acid, phosphonic acid (H 3 PO 3 ), orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ), pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ), triphosphoric acid (H 5 P 3 O 10 ) and metaphosphoric acid.
Weil das Polyazol (A) im erfindungsgemäßen Film bei zunehmender Konzentration der starken Säure mit einer größeren Zahl von Molekülen starker Säure imprägniert werden kann, hat die Phosphor-haltige Säure, insbesondere Orthophosphorsäure, vorzugsweise eine Konzentration von mindestens 70 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 85 Gew.-% in Wasser.Because the polyazole (A) in the film of the present invention can be impregnated with a larger number of strong acid molecules as the strong acid concentration increases, the phosphorus-containing acid, especially orthophosphoric acid, preferably has a concentration of at least 70% by weight and more preferably at least 85% by weight in water.
Der erfindungsgemäße gegebenenfalls durchgeführte fünfte Verfahrensschritt wird beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also 900 bis 1100 hPa, durchgeführt. Er kann aber auch bei niedrigeren oder höheren Drücken durchgeführt werden.The optionally performed fifth process step according to the invention is carried out at the pressure of the surrounding atmosphere, ie 900 to 1100 hPa. It can also be performed at lower or higher pressures.
Die erfindungsgemäß im fünften Schritt erhaltene Polymerelektrolytmembran ist protonenleitend und kann daher vorzugsweise als Elektrolyt für Brennstoffzellen verwendet werden. Der Polymerelektrolyt ist dabei nicht auf die Verwendung für Zellen beschränkt, sondern kann beispielsweise auch als Elektrolyt für ein Anzeigeelement, ein elektrochromes Element oder verschiedene Sensoren verwendet werden.The polymer electrolyte membrane obtained according to the invention in the fifth step is proton-conducting and therefore can preferably be used as electrolyte for fuel cells. The polymer electrolyte is not limited to the use for cells, but may for example also be used as the electrolyte for a display element, an electrochromic element or various sensors.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Polymerelektrolytmembranen auf der Basis von Polyazolen, die in Bezug auf ihren Polyazolgehalt bei 130°C und 1000 hPa in N,N-Dimethylacetamid 0 bis 20 Gew.-% löslich sind, die dadurch hergestellt werden können, dass
in einem ersten Schritt
eine Mischung enthaltend Polyazol (A), polares aprotisches Lösemittel (B) und gegebenenfalls weiteren Stoffen (C) hergestellt wird,
in einem zweiten Schritt
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird,
in einem dritten Schritt
das Lösemittel (B) ganz oder teilweise entfernt wird,
in einem vierten Schritt
der im dritten Schritt erhaltene Polymerfilm in Anwesenheit von Sauerstoff auf über 200 bis 500°C erhitzt wird und
in einem fünften Schritt
der im vierten Schritt erhaltene Polymerfilm mit einer starken Säure dotiert wird.Another object of the invention are polymer electrolyte membranes based on polyazoles, which are soluble in terms of their Polyazolgehalt at 130 ° C and 1000 hPa in N, N-dimethylacetamide 0 to 20 wt .-%, which can be prepared by that
in a first step
a mixture containing polyazole (A), polar aprotic solvent (B) and optionally further substances (C) is produced,
in a second step
the mixture obtained in the first step is applied to a support,
in a third step
the solvent (B) is completely or partially removed,
in a fourth step
the polymer film obtained in the third step is heated in the presence of oxygen to above 200 to 500 ° C and
in a fifth step
the polymer film obtained in the fourth step is doped with a strong acid.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Polymerelektrolytmembranen auf der Basis von Polyazolen, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ersten Schritt
eine Mischung enthaltend Polyazol (A), polares aprotisches Lösemittel (B) und gegebenenfalls weitere Stoffe (C) hergestellt wird,
in einem zweiten Schritt
die im ersten Schritt erhaltene Mischung auf einen Träger aufgetragen wird,
in einem dritten Schritt
das Lösemittel (B) ganz oder teilweise entfernt wird,
in einem vierten Schritt
der im dritten Schritt erhaltene Polymerfilm in Anwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 500°C erhitzt wird und
in einem fünften Schritt
der im vierten Schritt erhaltene Polymerfilm mit einer starken Säure dotiert wird.Another object of the present invention is a process for the preparation of polymer electrolyte membranes based on polyazoles, characterized in that
in a first step
a mixture containing polyazole (A), polar aprotic solvent (B) and optionally further substances (C) is prepared,
in a second step
the mixture obtained in the first step is applied to a support,
in a third step
the solvent (B) is completely or partially removed,
in a fourth step
the polymer film obtained in the third step is heated in the presence of oxygen to a temperature in the range of 200 to 500 ° C, and
in a fifth step
the polymer film obtained in the fourth step is doped with a strong acid.
Jede einzelne Zelle in einer Brennstoffzelle enthält in der Regel eine erfindungsgemäße Polymerelektrolytmembran und zwei Elektroden, zwischen denen die Polymerelektrolytmembran sandwichartig angeordnet ist. Die Elektroden weisen jeweils eine katalytisch aktive Schicht und eine poröse Gasdiffusionsschicht auf.Each individual cell in a fuel cell typically contains a polymer electrolyte membrane according to the invention and two electrodes between which the polymer electrolyte membrane is sandwiched. The electrodes each have a catalytically active layer and a porous gas diffusion layer.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Polymerelektrolytmembranen zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen. Another object of the invention is the use of the polymer electrolyte membranes according to the invention or inventively prepared for the production of membrane electrode assemblies for fuel cells.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Membran-Elektroden-Einheit enthaltend mindestens eine Elektrode und mindestens einen erfindungsgemäße bzw. erfindungsgemäß hergestellte Polymerelektrolytmembran.Another object of the invention is a membrane-electrode assembly containing at least one electrode and at least one inventive or inventively prepared polymer electrolyte membrane.
Aufgrund der unterschiedlichen Permeabilitäten und Selektivitäten der erfindungsgemäßen Polymerfilme für Flüssigkeiten und Gase eignen sie sich ausgezeichnet als semipermeable Membran.Due to the different permeabilities and selectivities of the polymer films according to the invention for liquids and gases, they are excellently suited as a semipermeable membrane.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Verwendung der erfindungsgemäßen bzw. der erfindungsgemäß hergestellten Polymerfilme als semipermeable Membran zur Trennung von Flüssigkeiten und Gasen.The invention therefore also relates to the use of the polymer films according to the invention or the polymer films produced according to the invention as a semipermeable membrane for the separation of liquids and gases.
Die erfindungsgemäßen Polymerfilme haben den Vorteil, dass sie eine hohe mechanische Stabilität sowie eine ausgezeichnete thermische und chemische Langzeitstabilität besitzen.The polymer films of the invention have the advantage that they have a high mechanical stability and excellent thermal and chemical long-term stability.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es einfach in der Durchführung ist.The method according to the invention has the advantage that it is easy to carry out.
Des weiteren hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass ohne die Verwendung von Verbrückungsreagenzien weitgehend unlösliche Polymerfilme erzeugt werden können.Furthermore, the process according to the invention has the advantage that largely insoluble polymer films can be produced without the use of bridging reagents.
In den nachfolgenden Beispielen beziehen sich alle Angaben von Teilen und Prozentsätzen, soweit nicht anders angegeben, auf das Gewicht. Sofern nicht anders angegeben, werden die folgenden Beispiele bei einem Druck der umgebenden Atmosphäre, also bei etwa 1000 hPa, und bei Raumtemperatur, also etwa 20°C bzw. einer Temperatur, die sich beim Zusammengeben der Reaktanden bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Heizung oder Kühlung einstellt, durchgeführt. Alle in den Beispielen angeführten Viskositätsangaben sollen sich auf eine Temperatur von 25°C beziehen.In the following examples, all parts and percentages are by weight unless otherwise specified. Unless indicated otherwise, the following examples are at a pressure of the surrounding atmosphere, ie at about 1000 hPa, and at room temperature, ie about 20 ° C or a temperature which is adjusted when adding the reactants at room temperature without additional heating or cooling , carried out. All viscosity data given in the examples should refer to a temperature of 25 ° C.
Die bei den Versuchen eingesetzte Luft enthält 23 Gew.-% Sauerstoff und 50% relative Feuchtigkeit.The air used in the experiments contains 23% by weight of oxygen and 50% of relative humidity.
In den nachfolgenden Beispielen wurde die Löslichkeit des Polyazolanteils der hergestellten Polymerfilme wie folgt bestimmt („Löslichkeitstest”):
Das Membranstück wird bei 150°C getrocknet, gewogen und eine Stunde bei 130°C und 1000 hPa in Dimethylacetamid extrahiert. Nach einer Stunde wird die Membran erneut bei 150°C getrocknet und dann gewogen.In the following examples, the solubility of the polyazole portion of the polymer films produced was determined as follows ("solubility test"):
The membrane piece is dried at 150 ° C, weighed and extracted for one hour at 130 ° C and 1000 hPa in dimethylacetamide. After one hour, the membrane is again dried at 150 ° C and then weighed.
In den nachfolgenden Beispielen wurde die Inhärentviskosität wie folgt gemessen:
Das Polymer wird zunächst bei 160°C für 2 h getrocknet. 400 mg des so getrockneten Polymers werden dann während 4 Stunden bei 80°C in 100 ml konzentrierter Schwefelsäure (Konzentration 95–97 Gew.-%) gelöst. Die inhärente Viskosität wird aus dieser 0,4%igen (w/v)Lösung gemäß
The polymer is first dried at 160 ° C for 2 h. 400 mg of the thus dried polymer are then dissolved for 4 hours at 80 ° C in 100 ml of concentrated sulfuric acid (concentration 95-97 wt .-%). The inherent viscosity is calculated from this 0.4% (w / v) solution according to
Beispiel 1example 1
a) Herstellen von Amin-terminiertem Polybenzimidazola) Preparation of amine-terminated polybenzimidazole
107,1 g 3,3'-Diaminobenzidin (0,5 mol) (käuflich erhältlich bei Sigma-Aldrich, Deutschland) und 79,5 g Isophthalsäure (0,475 mol) (Molverhältnis 1,053; Aminüberschuss) wurden in 2,0 kg Polyphosphorsäure eingerührt und in einen beheizbaren Reaktor (5 1) eingefüllt, der mit Schutzgas Argon gespült wurde. Der Ansatz wurde auf 190°C (Manteltemperatur) erhitzt und 20 Stunden gerührt. Das Reaktionsprodukt wurde in Wasser gefällt, damit gewaschen und in einer 10 Gew.-%igen Natriumhydrogencarbonat-Lösung neutralisiert. Danach wurde das Polybenzimidazol erneut mit Wasser gewaschen, abfiltriert, bei 130°C im Vakuum getrocknet und mit einer elektrischen Mühle vermahlen. Die Ausbeute betrug 132,3 g.107.1 g of 3,3'-diaminobenzidine (0.5 mol) (commercially available from Sigma-Aldrich, Germany) and 79.5 g of isophthalic acid (0.475 mol) (molar ratio 1.053, amine excess) were stirred into 2.0 kg of polyphosphoric acid and in a heated reactor (5 1) filled, which was purged with inert gas argon. The batch was heated to 190 ° C (jacket temperature) and stirred for 20 hours. The reaction product was precipitated in water, washed with it and neutralized in a 10 wt .-% sodium bicarbonate solution. Thereafter, the polybenzimidazole was washed again with water, filtered off, dried at 130 ° C in vacuo and ground with an electric mill. The yield was 132.3 g.
Das so hergestellte Polybenzimidazol hatte eine inhärente Viskosität von 0,70 dl/g.The polybenzimidazole thus prepared had an inherent viscosity of 0.70 dl / g.
b) Herstellen von Carboxy-terminiertem Polybenzimidazolb) Preparation of carboxy-terminated polybenzimidazole
Die Herstellung des Polymeren erfolgte wie oben unter a) beschrieben mit dem Unterschied, dass das 3,3'-Diaminobenzidin mit dem 1,053-fachen (molar) an Isophthalsäure (Säureüberschuss) umgesetzt wird.The preparation of the polymer was carried out as described above under a) with the difference that the 3,3'-diaminobenzidine is reacted with 1.053 times (molar) of isophthalic acid (excess acid).
Das so hergestellte Polybenzimidazol hatte eine inhärente Viskosität von 0,43 dl/g.The polybenzimidazole thus prepared had an inherent viscosity of 0.43 dl / g.
Beispiel 2 Example 2
- a)a)
- aa) 12,0 g Polybenzimidazol nach Beispiel 1a wurden in 88,0 g N,N-Dimethylacetamid (DMAc) in einem Druckreaktor (Büchi Miniclave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Nach Filtration und Entgasung wurde die Lösung mittels eines Filmziehgeräts mit 0,4 mm Spalthöhe auf eine Trägerfolie aus Polyethylenterephthalat PET mit einer Dicke von 0,175 mm (käuflich erhältlich unter dem Handelnamen „Melinex O” bei Pütz GmbH, Deutschland) aufgebracht. Nach Trocknung (10 min bei 80°C, 10 min bei 100°C und 30 min bei 150°C) wurde der Film von der Trägerfolie getrennt. Anschließend wurde er in einem Umlufttrockenschrank 240 min in 300°C heißer Luft erhitzt. Die Filmdicke betrug 30 bis 35 μm. Der so erhaltene Film wird im Folgenden Film 2a genannt.aa) 12.0 g of polybenzimidazole according to Example 1a were dissolved in 88.0 g of N, N-dimethylacetamide (DMAc) in a pressure reactor (Büchi miniclave, 200 ml) with stirring at a temperature of 200 ° C. After filtration and degassing, the solution was applied by means of a film applicator with 0.4 mm gap height on a carrier film of polyethylene terephthalate PET with a thickness of 0.175 mm (commercially available under the trade name "Melinex O" at Pütz GmbH, Germany). After drying (10 min at 80 ° C, 10 min at 100 ° C and 30 min at 150 ° C), the film was separated from the carrier film. It was then heated in a convection oven for 240 min in 300 ° C hot air. The film thickness was 30 to 35 μm. The film thus obtained is hereinafter referred to as film 2a.
- ab) 12,0 g Polybenzimidazol nach Beispiel 1b wurden in 88,0 g N,N-Dimethylacetamid (DMAc) in einem Druckreaktor (Büchi Miniclave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Nach Filtration und Entgasung wurde die Lösung mittels eines Filmziehgeräts mit 0,4 mm Spalthöhe auf eine Trägerfolie aus Polyethylenterephthalat PET mit einer Dicke von 0,175 mm (käuflich erhältlich unter dem Handelnamen „Melinex O” bei Pütz GmbH, Deutschland) aufgebracht. Nach Trocknung (10 min bei 80°C, 10 min bei 100°C und 30 min bei 150°C) wurde der Film von der Trägerfolie getrennt. Anschließend wurde er in einem Umlufttrockenschrank 240 min in 300°C heißer Luft erhitzt. Die Filmdicke betrug 30 bis 35 μm. Der so erhaltene Film wird im Folgenden Film 2b genannt.from) 12.0 g of polybenzimidazole according to Example 1b were dissolved in 88.0 g of N, N-dimethylacetamide (DMAc) in a pressure reactor (Büchi miniclave, 200 ml) with stirring at a temperature of 200 ° C. After filtration and degassing, the solution was applied by means of a film applicator with 0.4 mm gap height on a carrier film of polyethylene terephthalate PET with a thickness of 0.175 mm (commercially available under the trade name "Melinex O" at Pütz GmbH, Germany). After drying (10 min at 80 ° C, 10 min at 100 ° C and 30 min at 150 ° C), the film was separated from the carrier film. It was then heated in a convection oven for 240 min in 300 ° C hot air. The film thickness was 30 to 35 μm. The film thus obtained is referred to below as film 2b.
- b) Um die mechanische Stabilität der oben in a) erhaltenen Polymerfilme Film 2a und Film 2b beurteilen zu können, wurden Zug-Spannungsmessungen durchgeführt. Dafür wurden Filmproben mit einer Länge von 6 cm und einer Breite von 1 cm in eine Messapparatur der Firma Zwick GmbH & Co. (Modell Z010 TN, Probenhalter 8106) eingespannt und mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/min auseinandergezogen. Der Polymerfilm Film 2a riss bei einer Spannung von 142 N/mm2 und einer Dehnung von 4b) In order to be able to assess the mechanical stability of the polymer films film 2a and film 2b obtained in a) above, tensile stress measurements were carried out. For this purpose, film samples having a length of 6 cm and a width of 1 cm were clamped in a measuring apparatus from Zwick GmbH & Co. (model Z010 TN, sample holder 8106) and pulled apart at a speed of 5 cm / min. The polymer film film 2a ruptured at a tension of 142 N / mm 2 and an elongation of 4
- c) Von dem Polymerfilm 2a wurde der lösliche Polyazolanteil gemäß dem oben beschriebenen Löslichkeitstest bestimmt. Die Gewichtsdifferenz betrug 1%.c) From the polymer film 2a, the soluble Polyazolanteil was determined according to the solubility test described above. The weight difference was 1%.
Beispiel 3Example 3
Abhängigkeit der Vernetzung von der VernetzungstemperaturDependence of the cross-linking on the cross-linking temperature
12,0 g Polybenzimidazol nach Beispiel 1a wurden in 88,0 g N,N-, Dimethylacetamid (DMAc) in einem Druckreaktor (Büchi Miniclave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Nach Filtration und Entgasung wurde die Lösung mittels eines Filmziehgeräts mit 0,4 mm Spalthöhe auf eine Trägerfolie aus Polyethylenterephthalat PET mit einer Dicke von 0,175 mm (käuflich erhältlich unter dem Handelnamen „Melinex O” bei Pütz GmbH, Deutschland) aufgebracht. Nach Trocknung (10 min bei 80°C, 10 min bei 100°C und 30 min bei 150°C) wurde der Film von der Trägerfolie getrennt. Anschließend wurde der so hergestellte Film in einem Umlufttrockenschrank 480 min bei 200°C an Luft erhitzt. Dieses Beispiel wird wiederholt mit der Abänderung, dass der jeweils hergestellte Film in einem Umlufttrockenschrank 480 min bei den in Tabelle 1 angegebenen Temperaturen an Luft erhitzt wird. Tabelle 1:
Beispiel 4Example 4
12,0 g Polybenzimidazol nach Beispiel 1a wurden in 88,0 g N,N-Dimethylacetamid (DMAc) in einem Druckreaktor (Büchi Miniclave, 200 ml) unter Rühren bei einer Temperatur von 200°C gelöst. Nach Filtration und Entgasung wurde die Lösung mittels eines Filmziehgeräts mit 0,4 mm Spalthöhe auf eine Trägerfolie aus Polyethylenterephthalat PET mit einer Dicke von 0,175 mm (käuflich erhältlich unter dem Handelnamen „Melinex O” bei Pütz GmbH, Deutschland) aufgebracht. Nach Trocknung (10 min bei 80°C, 10 min bei 100°C und 30 min bei 150°C) wurde der Film von der Trägerfolie getrennt. Anschließend wurde der so hergestellte Film in einem Umlufttrockenschrank bei 300°C für eine Zeitdauer von 30 Minuten an Luft erhitzt. Dieses Beispiel wird wiederholt mit der Abänderung, dass der jeweils hergestellte Film in einem Umlufttrockenschrank bei 300°C für die in Tabelle 2 angegebene Zeitdauer an Luft erhitzt wird. Tabelle 2:
Vergleichsbeispiel 1Comparative Example 1
Die in Beispiel 2aa beschriebene Verfahrensweise wird wiederholt mit der Abänderung, dass der letzte Schritt für 300 min bei 300°C in Argonatmosphäre anstelle von Luft durchgeführt wird. Der in Argon erhitzte Film löste sich fast vollständig auf. Sein löslicher Polyazolanteil gemäß dem oben beschriebenen Löslichkeitstest betrug 79 Gew.-%.The procedure described in Example 2aa is repeated with the modification that the last step is carried out for 300 min at 300 ° C in an argon atmosphere instead of air. The argon-heated film almost completely dissolved. Its soluble Polyazolanteil according to the solubility test described above was 79 wt .-%.
Beispiel 5Example 5
Abhängigkeit der Vernetzung von den Endgruppen des Polymers Die in Beispiel 2aa beschriebene Verfahrensweise wird wiederholt mit der Abänderung, dass der letzte Schritt für 360 min bei 300°C an Luft durchgeführt wird (Film 5a).Dependence of Crosslinking on the End Groups of the Polymer The procedure described in Example 2aa is repeated except that the last step is performed for 360 min at 300 ° C in air (film 5a).
Die in Beispiel 2ab beschriebene Verfahrensweise wird wiederholt mit der Abänderung, dass der letzte Schritt für 360 min bei 300°C an Luft durchgeführt wird (Film 5b).The procedure described in Example 2ab is repeated with the modification that the last step is performed for 360 min at 300 ° C in air (film 5b).
Der lösliche Anteil gemäß dem oben beschriebenen Löslichkeitstests des Polymerfilms 5a mit dem Amin-terminierten Polymer aus Beispiel 1a betrug weniger als 1%, der lösliche Anteil des Polymerfilms 5b mit dem Carboxy-terminierten Polymer aus Beispiel 1b betrug 4%.The soluble content according to the above-described solubility test of the polymer film 5a with the amine-terminated polymer of Example 1a was less than 1%, the soluble content of the polymer film 5b with the carboxy-terminated polymer of Example 1b was 4%.
Beispiel 6Example 6
Dotieren einer Membran mit PhosphorsäureDoping a membrane with phosphoric acid
- a) Von einem Stück (6 × 6 cm2) des in Beispiel 2 hergestellten Films 2a wurde das Gewicht und die Dicke bestimmt. Anschließend wurde das Filmstück in eine Petrischale gelegt, mit 85 Gew.%-iger Phosphorsäure in Wasser in der Petrischale überschichtet und 30 min bei 150°C in einem Trockenschrank erhitzt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde der Film entnommen und mit Papiertüchern abgewischt. Von dem gequollenen Film wurden wieder das Gewicht und die Dicke bestimmt. Er hatte das 6-fache seines Gewichts aufgenommen. Der Dotierungsgrad (Massenzunahme bezogen auf das Gewicht der gequollenen Membran) betrug 86 Gew.-%.a) From a piece (6 × 6 cm 2 ) of the film 2a produced in Example 2, the weight and the thickness were determined. Subsequently, the film piece was placed in a Petri dish, covered with 85 wt.% Phosphoric acid in water in the Petri dish and heated for 30 min at 150 ° C in a drying oven. After cooling to room temperature, the film was removed and wiped with paper towels. From the swollen film, the weight and the thickness were again determined. He had taken six times his weight. The degree of doping (mass increase based on the weight of the swollen membrane) was 86% by weight.
- b) Ein Stück (2,0 × 10 mm2) der oben unter a) hergestellten, gequollenen Membran wurde in eine 4-Punkt-Leitfähigkeitsmesszelle (erhältlich unter der Bezeichnung „Typ BT110” der Fa. BekkTech LLC, USA) eingelegt und in einem Umluftofen auf 150°C aufgeheizt. Mittels eines Impedanzanalysators (erhältlich unter der Bezeichnung „Modell IM6ex” der Fa. Zahner-Elektrik, Deutschland) wurde die Membranimpedanz bestimmt. Mit der Probengeometrie (Dicke, Fläche) erhält man daraus eine Membranleitfähigkeit von 5 S/m bei 150°C.b) A piece (2.0 x 10 mm 2 ) of the swollen membrane prepared above under a) was placed in a 4-point conductivity cell (available under the designation "Type BT110" from BekkTech LLC, USA) and embedded in heated to 150 ° C in a convection oven. The membrane impedance was determined by means of an impedance analyzer (available under the name "Model IM6ex" from Zahner-Elektrik, Germany). The sample geometry (thickness, area) gives a membrane conductivity of 5 S / m at 150 ° C.
Beispiel 7Example 7
Herstellen einer Membran-Elektroden-EinheitProducing a membrane electrode assembly
Das 6 × 6 cm2 großes Stück der mit Phosphorsäure gequollenen Membran aus Beispiel 6 wurde so zwischen zwei kommerziell erhältliche Gasdiffusionselektroden mit jeweils 3,0 mg/cm2 Platin-Beladung (Fa. Johnson Matthey, Typ 3mg Pt Blk, no electrolyte, an Toray TGP-H-120, UK) gelegt, dass die Platin-Katalysatorschichten die Membran berührten. Dieser Membran-Elektroden-Sandwich wurde 4 Stunden zwischen planparallelen Platten bei einer Temperatur von 160°C und einer Kraft von 1,3 kN zu einer Membran-Elektroden-Einheit verpresst.The 6 × 6 cm 2 piece of phosphorus acid swollen membrane from Example 6 was between two commercially available gas diffusion electrodes, each with 3.0 mg / cm 2 platinum loading (Johnson Matthey, type 3mg Pt Blk, no electrolyte, on Toray TGP-H-120, UK) that the platinum Catalyst layers touched the membrane. This membrane-electrode sandwich was pressed for 4 hours between plane-parallel plates at a temperature of 160 ° C and a force of 1.3 kN to a membrane-electrode assembly.
Beispiel 8Example 8
Brennstoffzellentest der Membran-Elektroden-EinheitFuel cell test of the membrane-electrode assembly
Die Membran-Elektroden-Einheit aus Beispiel 7 wurde in üblicher Anordnung in eine Testzelle (quickCONNECT F25 der Fa. baltic-FuelCells GmbH, Deutschland) eingebaut und mit einer Presskraft von 3,5 kN verschlossen. Der Betrieb der Testzelle erfolgte an einem MILAN-Prüfstand der Fa. Magnum Fuel Cell AG.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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