EP1771904A1 - Method for the production of membrane/electrode units - Google Patents

Method for the production of membrane/electrode units

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EP1771904A1
EP1771904A1 EP05773327A EP05773327A EP1771904A1 EP 1771904 A1 EP1771904 A1 EP 1771904A1 EP 05773327 A EP05773327 A EP 05773327A EP 05773327 A EP05773327 A EP 05773327A EP 1771904 A1 EP1771904 A1 EP 1771904A1
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EP
European Patent Office
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membrane
acid
polymer
compression
catalyst
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05773327A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christoph Padberg
Jürgen SINSCHEK
Torsten Raap
Ulf Hofmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF Fuel Cell Research GmbH
Original Assignee
Pemeas GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of membrane
  • Electrode units especially for those with high performance, which can be used in particular in so-called polymer electrolyte membrane fuel cells, in which one or more proton-conductive polymer membranes is compressed with two or more electrodes.
  • a fuel cell usually contains an electrolyte and two electrodes separated by the electrolyte, in which one of the two electrodes is supplied with a fuel such as hydrogen gas or a methanol-water mixture and the other electrode is supplied with an oxidant such as oxygen gas or air.
  • a fuel such as hydrogen gas or a methanol-water mixture
  • an oxidant such as oxygen gas or air.
  • a requirement of the electrolyte is that this be for hydrogen ions, i. Protons, but not permeable to the aforementioned fuels.
  • a fuel cell has a plurality of individual cells, so-called MEEs (membrane-electrode unit), each containing an electrolyte and two electrodes separated by the electrolyte.
  • MEEs membrane-electrode unit
  • solids such as
  • Polymer electrolyte membranes or liquids such as phosphoric acid for use Recently, polymer electrolyte membranes have attracted attention as an electrolyte for fuel cells.
  • Acids are known, for example, from WO96 / 13872.
  • a basic polymer for example polybenzimidazole
  • a strong acid such as phosphoric acid.
  • fuel cells are also known, for example from US-A-4,017,664, whose membrane comprises inorganic support materials, such as glass fiber fabric or glass fiber nonwovens, which are impregnated with phosphoric acid.
  • the mineral acid usually concentrated phosphoric acid
  • the polymer serves as a carrier for the electrolyte consisting of the highly concentrated phosphoric acid.
  • the polymer membrane fulfills further essential functions, in particular it must have a high mechanical stability and serve as a separator for the two fuels mentioned above.
  • Polymer electrolyte membrane is used, can be operated at temperatures above 100 0 C without otherwise necessary humidification of the fuels. This is due to the property of phosphoric acid to be able to transport the protons without additional water by means of the so-called Grotthus mechanism (K.-D. Kreuer, Chem. Mater., 1996, 8, 610-641).
  • a major advantage of fuel cells is the fact that in the electrochemical reaction the energy of the fuel is converted directly into electrical energy and heat.
  • the reaction product is formed at the Cathode water.
  • the by-product of the electrochemical reaction is heat.
  • some of the heat generated during the reaction must be dissipated to avoid overheating the system.
  • For cooling then additional, energy-consuming devices are necessary, further reducing the overall electrical efficiency of the fuel cell.
  • the heat can be efficiently utilized by existing technologies such as heat exchangers. To increase the efficiency of high temperatures are sought. If the operating temperature above 100 0 C and the temperature difference between the ambient temperature and the operating temperature is high, it will be possible to cool the fuel cell system more efficient or to use small cooling surfaces and to dispense with additional equipment compared to fuel cells, due to the
  • the preparation of membrane electrode assemblies for such fuel cells is carried out according to the prior art by pressing a sandwich-shaped construction of two flat electrodes and a flat membrane, which is arranged between the two electrodes, up to a presettable pressing pressure, preferably at elevated temperature.
  • a circumferential seal may be disposed between the electrode and the membrane, sealing the electrode and membrane from the environment, yet not preventing contact between the electrode and the membrane.
  • Such a sandwiched unit is then placed between two relatively movable press plates, which are then pressed together to a presettable maximum pressure to form an adhesive bond of the unit.
  • a protective layer may be inserted between the press plates and the membrane electrode unit.
  • Membrane electrode unit may therefore happen that fiber elevations of the electrodes come to lie one above the other on both sides of the membrane.
  • the compression pressure within this range can thereby locally increase significantly, which in turn leads to pinching or shearing, causing the membrane is damaged. This can cause shorts between the electrodes, and there may be an undesirable and harmful exchange of gas through the
  • Membrane take place through. This in turn leads to a reduced performance and a shortened life of the fuel cells. In addition, during installation of such pre-damaged
  • the thickness of the MEE is more or less uncontrolled. That means that one
  • the invention therefore an object of the invention to provide a method that does not have these disadvantages, at least partially.
  • the present invention therefore relates to a process for producing a membrane-electrode assembly in which one or more proton-conductive Polymer membranes are pressed with two or more electrodes, characterized in that the compression is carried out to a presettable compression.
  • This method can be carried out with commercially available presses known to the person skilled in the art, for example, by placing one or more spacers (shims) between the press plates.
  • the height of the spacers corresponds to the presettable compression. For a given initial thickness D of the membrane electrode assembly before compression and a desired compression of X%, the height H of the spacers is
  • the pressing process can also be carried out path-controlled.
  • the press plates with the help of an electronic control unit and a hydraulic or mechanical traversing moved so far toward each other that they last a distance of H, as calculated above, having each other.
  • the pressing is carried out at elevated temperature.
  • elevated temperature is to be understood as meaning the temperature range from room temperature to about 200 ° C. Preferred are
  • the elevated temperatures can be adjusted for example via heated press plates.
  • a further particular embodiment is characterized in that one or more seals, preferably in the structural edge area, are arranged between the membrane and the or each electrode.
  • the presettable value of the compression is selected from the interval of incl. 1 to 40%.
  • a preferred interval includes values of 15 to 40%, especially 15 to 25%. This preferred interval is particularly favorable for mineral acid-doped membranes.
  • the compression is calculated as the quotient of the final thickness of the resulting composite and the sum of the initial thicknesses of the individual elements multiplied by 100 in order to arrive at the unit "%".
  • the adjustable compression is achieved within a period of 20 seconds, more preferably 10 seconds.
  • the beginning of the time interval defines the time from which pressure is exerted on the MEU by the pressure plates.
  • the press plates can then be kept in this state for a further preselectable period of time, in order then to be driven apart again and to release the obtained pressure.
  • This further pre-selectable period can take values of 10 to 100 seconds, preferably 15 to 50 seconds, more preferably about 30 seconds. These values depend on the hardness of the selected membrane.
  • Another particular embodiment is characterized in that the compression at a compression speed in the range of 0.2 to
  • 2% / s is performed, but not more than 20% / s is performed.
  • a preferred maximum “compression rate” is 0.2 millimeters per second, with typical MEU thicknesses of about 1 mm. At faster speeds there would be a risk that the membrane would be damaged by bruising and shearing.
  • Preferred absolute compression speeds are in the range of 1 to 200 ⁇ m / s. At typical thicknesses of the MEEs in the range of approx.
  • Another particular embodiment is characterized in that the compression is carried out in a ramp.
  • Another particular embodiment is characterized in that the polymer membrane has proton conductivity.
  • Another particular embodiment is characterized in that a
  • Membrane electrode unit is compressed, comprising at least one doped with at least one mineral acid polymer membrane containing at least one polymer having at least one basic heteroatom selected from the group O, S and / or N, at least two electrodes, wherein at least one electrode has a Catalyst comprising at least one noble metal of the platinum group, in particular Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, and / or at least one noble metal Au and / or Ag.
  • the membrane-electrode unit produced by this method according to the invention (hereinafter also referred to as MEU according to the invention), in addition to the increased quiescent voltage, still supplies high current intensities without the voltage dropping too much. Furthermore, the membrane-electrode unit produced by this method according to the invention (hereinafter also referred to as MEU according to the invention), in addition to the increased quiescent voltage, still supplies high current intensities without the voltage dropping too much. Furthermore, the membrane
  • Electrode units have good durability at high currents.
  • the polymer membrane contained in the membrane-electrode assembly is preferably formed by polymers comprising at least one nitrogen atom. These polymers are also referred to as basic polymers.
  • Polymers can also be defined by the molar ratio of nitrogen atoms to carbon atoms.
  • molar ratio of nitrogen atoms to carbon atoms is in the range from 1: 1 to 1: 100, preferably in the range from 1: 2 to 1:20. This ratio can be determined by elemental analysis.
  • Basic polymers especially polymers having at least one nitrogen atom, are known in the art.
  • polymers having a nitrogen atom in the main chain and / or in the side chain can be used.
  • the polymers having a nitrogen atom in the main chain include, for example, polyphosphazenes, polyimines, polyisocyanides, polyetherimine, polyaniline, polyamides, polyhydrazides, polyurethanes, polyimides, polyazoles and / or polyazines.
  • the polymer membranes comprise polymers having at least one nitrogen atom used in a repeat unit. This can also be done Copolymers can be used which comprise repeating units with a nitrogen atom and repeating units without a nitrogen atom.
  • basic polymers having at least one nitrogen atom are used.
  • the term basic is known in the art, in particular Lewis and Bronstedtbasiztician to understand this.
  • the repeating unit in the basic polymer preferably contains an aromatic ring having at least one nitrogen atom.
  • the aromatic ring is preferably a five- or six-membered ring having one to three nitrogen atoms which may be fused to another ring, especially another aromatic ring.
  • Polymers based on polyazole generally contain recurring
  • Ar are the same or different and, for a four-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 1 are the same or different and are a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
  • Ar 2 are the same or different and, for a two- or three-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 3 are the same or different and for a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 4 are the same or different and for a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 5 are the same or different and for a visualizebindige aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 6 are the same or different and a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 7 are the same or different and for a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 8 are the same or different and for a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 9 is the same or are different and for a di- or tri- or tetra-aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 10 are the same or different and are a di- or trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • Ar 11 are the same or different and for a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear
  • X is the same or different and is oxygen, sulfur or a
  • Amino group which carries a hydrogen atom, a 1-20 carbon atoms group, preferably a branched or unbranched alkyl or alkoxy group, or an aryl group as a further radical
  • R is the same or different hydrogen, an alkyl group and an aromatic
  • R in the formula (XX) is not hydrogen and n, m is an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
  • Preferred aromatic or heteroaromatic groups according to the invention are derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, thiophene, furan, pyrrole, thiazole, oxazole, imidazole, isothiazole, isoxazole, pyrazole, 1,3,4-oxadiazole , 2,5- Diphenyl-1, 3,4-oxadiazole, 1, 3,4-thiadiazole, 1, 3,4-triazole, 2,5-diphenyl-1, 3,4-triazole, 1, 2,5-triphenyl-1, 3,4-triazole, 1, 2,4-oxadiazole, 1, 2,4-thiadiazole, 1, 2,4-triazole, 1, 2,3-triazole, 1, 2,3,4-tetrazole, benzo [ b] thioph
  • Dibenzothiophene carbazole, pyridine, bipyridine, pyrazine, pyrazole, pyrimidine, pyridazine, 1, 3,5-triazine, 1, 2,4-triazine, 1, 2,4,5-triazine, tetrazine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, Quinazoline, cinnoline, 1,8-naphthyridine, 1,5-naphthyridine, 1,6-naphthyridine, 1,7-naphthyridine, phthalazine, pyridopyrimidine, purine, pteridine or quinolizine, 4H-quinolizine, diphenyl ether, anthracene, benzopyrrole, benzooxathiadiazole,
  • Benzooxadiazole benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzotriazine, indolizine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aciridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, benzopteridine, phenanthroline and phenanthrene, which may optionally be substituted.
  • the substitution pattern of Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 is arbitrary, in the case of phenylene, for example, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 are ortho, meta and para-phenylene. Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenylene, which may optionally also be substituted.
  • Preferred alkyl groups are short chain alkyl groups of 1 to 4 carbon atoms, such as. For example, methyl, ethyl, n- or i-propyl and t-butyl groups.
  • Preferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups.
  • Alkyl groups and the aromatic groups may be substituted.
  • Preferred substituents are halogen atoms such as. As fluorine, amino groups, hydroxy groups or short-chain alkyl groups such as. For example, methyl or ethyl groups.
  • the polyazoles can also have different recurring units which differ, for example, in their radical X. Preferably, however, it has only the same X radicals in a repeating unit.
  • Other preferred polyazole polymers are polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (pyridines), poly (pyrimidines), and poly (tetrazapyrenes).
  • the polymer containing recurring azole units is a copolymer or a blend containing at least two units of the formulas (I) to (XXII) which differ from each other.
  • the polymers can be present as block copolymers (diblock, triblock), random copolymers, periodic copolymers and / or alternating polymers.
  • the polymer containing recurring azole units is a polyazole which contains only units of the formula (I) and / or (II).
  • the number of repeating azole units in the polymer is preferably an integer greater than or equal to 10.
  • Particularly preferred polymers contain at least 100 recurring azole units.
  • Benzimidazole units preferred. Some examples of the most useful polymers containing recurring benzimidazole units are represented by the following formulas:
  • n and m is an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
  • polyazole polymers are polyimidazoles, polybenzimidazole ether ketone, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polytriazoles, polyoxadiazoles, polythiadiazoles, polypyrazoles, polyquinoxalines, poly (pyridines), poly (pyrimidines), and poly (tetrazapyrenes).
  • Preferred polyazoles are characterized by a high molecular weight. This is especially true for the polybenzimidazoles. Measured as intrinsic viscosity, this is in the range of 0.3 to 10 dl / g, preferably 1 to 5 dl / g.
  • Celazole is particularly preferred from Celanese.
  • the properties of the polymer film and polymer membrane can be improved by screening the starting polymer as described in German Patent Application No. 10129458.1.
  • the polybenzimidazoles in particular include six-membered aromatic groups which are linked in 1, 4 position.
  • Particular preference is given to using poly [2,2 '- (p-phenylene) -5,5'-bisbenzimidazole].
  • the polymer film used for doping based on basic polymers may have further additives to fillers and / or auxiliaries.
  • the polymer film may have further modifications, for example by crosslinking, as in German Patent Application No. 10110752.8 or in WO 00/44816.
  • the polymer film used for doping comprising a basic polymer and at least one blend component, additionally contains a crosslinker as described in German Patent Application No. 10140147.7.
  • Blendlessnesspone ⁇ te has essentially the task to improve the mechanical properties and reduce the cost of materials.
  • a preferred blend component is polyethersulfone as described in German Patent Application No. 10052242.4.
  • polyolefins such as poly (cloroprene), polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylylene), polyarylmethylene, polyarmethylene, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl ether, polyvinylamine, Poly (N-vinylacetamide), polyvinylimidazole, polyvinylcarbazole, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyridine, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene,
  • polyolefins such as poly (cloroprene), polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylylene), polyarylmethylene, polyarmethylene, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl ether, polyvinylamine, Poly (N-vinylacet
  • Polymers having C-O bonds in the main chain for example polyacetal, polyoxymethylene, polyether, polypropylene oxide, polyepichlorohydrin, polytetrahydrofuran, polyphenylene oxide, polyether ketone, polyesters, in particular polyhydroxyacetic acid, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyhydroxybenzoate, polyhydroxypropionic acid, polypivalolactone, polycaprolactone,
  • Polymer C-S bonds in the main chain for example, polysulfide ether, polyphenylene sulfide, polyethersulfone;
  • Polymers C-N bonds in the main chain for example polyimines, polyisocyanides, polyetherimine, polyaniline, polyamides, polyhydrazides,
  • Polyurethanes polyimides, polyazoles, polyazines; Liquid crystalline polymers, especially Vectra and
  • Inorganic polymers for example polysilanes, polycarbosilanes, polysiloxanes, polysilicic acid, polysilicates, silicones, polyphosphazenes and polythiazyl.
  • polysilanes for example polysilanes, polycarbosilanes, polysiloxanes, polysilicic acid, polysilicates, silicones, polyphosphazenes and polythiazyl.
  • blend polymers which have a glass transition temperature or Vicat softening temperature VST / A / 50 of at least 100 ° C., preferably at least 150 ° C. and very particularly preferably at least 180 ° C.
  • VST / A / 50 for use in fuel cells having a continuous use temperature above 100 ° C.
  • VST / A / 50 for use in fuel cells having a continuous use temperature above 100 ° C.
  • VST / A / 50 for use in fuel cells having a continuous use temperature above 100 ° C.
  • Softening temperature VST / A / 50 of 180 0 C to 230 ° C is preferred.
  • Preferred polymers include polysulfones, especially polysulfone having aromatics in the backbone.
  • preferred polysulfones and polyether sulfones have a melt volume rate MVR 300/21, 6 is less than or equal to 40 cm 3/10 min, especially less than or equal to 30 cm 3/10 min and particularly preferably less than or equal to 20 cm 3 / 10 min measured to ISO 1133.
  • the polymer membrane may be at least one
  • Aromatic sulfonic acid groups are groups in which the sulfonic acid group (-SO 3 H) is covalently bonded to an aromatic or heteroaromatic group.
  • the aromatic group may be part of the backbone of the polymer or part of a side group, with polymers having aromatic groups in the
  • Main chain are preferred.
  • the sulfonic acid groups can also be used in many cases in the form of the salts.
  • derivatives for example esters, in particular methyl or ethyl esters, or halides of the sulfonic acids, which are converted into the sulfonic acid during operation of the membrane.
  • Preferred aromatic or heteroaromatic groups are derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, thiophene, furan, pyrrole, thiazole, oxazole, imidazole, isothiazole, isoxazole, pyrazole, 1, 3,4-oxadiazole, 2,5-diphenyl-1, 3,4-oxadiazole, 1, 3,4-
  • Substituents are halogen atoms such as. As fluorine, amino groups, hydroxy groups or alkyl groups.
  • substitution pattern is arbitrary, in the case of phenylene, for example, ortho, meta and para-phenylene can be. Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenylene, which may optionally also be substituted.
  • Preferred alkyl groups are short chain alkyl groups of 1 to 4 carbon atoms, such as. For example, methyl, ethyl, n- or i-propyl and t-butyl groups.
  • Preferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups.
  • the aikyl groups and the aromatic groups may be substituted.
  • the polymers modified with sulfonic acid groups preferably have a content of sulfonic acid groups in the range from 0.5 to 3 meq / g, preferably 0.5 to
  • IEC ion exchange capacity
  • the sulfonic acid groups are converted into the free acid.
  • the polymer is treated in a known manner with acid, wherein excess acid is removed by washing.
  • the sulfonated polymer is first treated for 2 hours in boiling water. Excess water is then swabbed and the sample for 15 hours at 160 0 C in a vacuum drying cabinet at p ⁇ 1 mbar. Then the dry weight of the membrane is determined.
  • the thus dried polymer is then dissolved in DMSO at 80 0 C for 1 h. The solution is then titrated with 0.1 M NaOH. From the
  • IEC ion exchange capacity
  • Sulfonic acid groups are prepared for example by sulfonation of polymers. Methods for sulfonating polymers are described in F. Kucera et. al. Polymer Engineering and Science 1988, Vol. 38, No. 5, 783-792. Here you can the sulfonation conditions are chosen so that a low degree of sulfonation is formed (DE-A-19959289).
  • polystyrene derivatives With regard to polymers having aromatic sulfonic acid groups whose aromatic radicals are part of the side group, reference may be made in particular to polystyrene derivatives.
  • polymers can also be obtained by polyreactions of monomers comprising acid groups. So can perfluorinated
  • Polymers as described in US-A-5422411 are prepared by copolymerization of trifluorostyrene and sulfonyl-modified trifuorostyrene.
  • high temperature stable thermoplastics which have sulfonic acid groups attached to aromatic groups.
  • such polymers have aromatic groups in the main chain.
  • sulfonated polyether ketones DE-A-4219077, WO96 / 01177
  • sulfonated polysulfones J. Membr. Sei. 83 (1993) p.211
  • sulfonated polyphenylene sulfide DE-A-19527435
  • polymers with sulfonic acid groups bound to aromatics described above can be used individually or as a mixture, particular preference being given to mixtures having polymers with aromatics in the main chain.
  • the molecular weight of the polymers having sulfonic acid groups bonded to aromatics can be within wide ranges, depending on the nature of the polymer and its processability.
  • the weight-average molecular weight M w is preferably in the range from 5000 to 10 000 000, in particular 10 000 to 1000 000, particularly preferably 15000 to 50 000. According to a particular
  • aspects of the present invention are polymers having aromatic-bonded sulfonic acid groups which have a low polydispersity index M w / M n .
  • the polydispersity index is preferably in the range 1 to 5, in particular 1 to 4.
  • the sheet material fillers in particular proton-conductive fillers, have.
  • proton-conductive fillers are examples of proton-conductive fillers
  • Sulfates such as: CsHSO 4 , Fe (SO 4 ) 2 , (NH 4 ) 3 H (SO 4 ) 2, LiHSO 4 , NaHSO 4 , KHSO 4 ,
  • Phosphates such as Zr 3 (PO 4 ) 4 , Zr (HPO 4 ) 2 , HZr 2 (PO 4 ) 3 , UO 2 PO 4 .3H 2 O, H 8 UO 2 PO 4 , Ce (HPO 4 ) 2 , Ti ( HPO 4 ) 2 , KH 2 PO 4 , NaH 2 PO 4 , LiH 2 PO 4 , NH 4 H 2 PO 4 ,
  • Oxides such as Al 2 O 3 , Sb 2 O 5 , ThO 2 , SnO 2 , ZrO 2 , MoO 3
  • Silicates such as zeolites, zeolites (NH 4 +), phyllosilicates, framework silicates, H-natrolites, H-mordenites, NH 4 -alcines, NH 4 -sodalites, NH 4 -gallates, H-
  • Montmorillonite acids such as HCIO 4 , SbF 5 fillers such as carbides, in particular SiC, Si 3 N 4 , fibers, in particular glass fibers,
  • Glass powders and / or polymer fibers preferably based on polyazoles.
  • the membrane comprises at most 80% by weight, preferably at most 50% by weight and particularly preferably at most 20% by weight of additives.
  • the polymer components are first dissolved or suspended as described in the applications cited above, for example DE No. 10110752.8 or WO 00/44816, and then used to prepare the polymer films. Furthermore, the polymer films according to DE No. 10052237.8 can be produced continuously.
  • the film formation may be carried out according to the method described in Japanese Application No. Hei 10-125560.
  • the solution is poured into a cylinder with a cylindrical inner surface, and then the cylinder is rotated. At the same time, the solvent is allowed to evaporate by the centrifugal force caused by the rotation; wherein a cylindrical polymer film of substantially uniform thickness forms on the inner surface of the cylinder.
  • the basic polymer can be formed with a uniform matrix.
  • This method described in Japanese Patent Application Hei 10-125560 is also part of the present specification.
  • the solvent is removed. This can be done by means of methods known to the person skilled in the art, for example by drying.
  • the film of basic polymer or polymer blend is impregnated or doped with a strong acid, preferably a mineral acid, wherein the film can be treated beforehand as described in German Patent Application No. 10109829.4. This variant is advantageous in order to exclude interactions of the residual solvent with the barrier layer.
  • the film comprising at least one polymer having at least one nitrogen atom is immersed in a strong acid, so that the film is impregnated with the strong acid and becomes the proton-conducting membrane.
  • the preferably basic polymer is usually immersed in a highly concentrated strong acid having a temperature of at least 35 0 C over a period of several minutes to several hours.
  • the strong acid used is mineral acid, in particular phosphoric acid and / or sulfuric acid.
  • phosphoric acid means polyphosphoric acid (H n + 2PnO 3n + i (n> 1) usually has a content calculated as P 2 O 5 (acidimetric) of at least 83%), 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.
  • the phosphoric acid, in particular orthophosphoric acid preferably has a concentration of at least 80 weight percent, more preferably a concentration of at least 85
  • Weight percent more preferably a concentration of at least 87 weight percent, and most preferably a concentration of at least 89 weight percent.
  • the reason for this is that it is preferable basic polymer can be impregnated with a larger number of molecules of strong acid at increasing concentration of the strong acid.
  • the obtained polymer electrolyte membrane is proton conductive. After doping, the degree of doping expressed as moles of acid per repeating unit should be greater than
  • preferably basic polymers may also be the polyazole-containing polymer membranes as described in German Patent Applications No. 10117686.4, US Pat.
  • Polymer membranes may preferably be obtained by a process comprising the steps of i) preparing a mixture comprising polyphosphoric acid, at least one polyazole and / or at least one or more compounds which are suitable for forming polyazoles under the action of heat in step ii), ii) heating the mixture obtainable according to step i) under inert gas
  • one or more compounds which are suitable for the formation of polyazoles under the action of heat in step ii) may be added to the mixture according to step i).
  • mixtures are suitable which comprise one or more aromatic and / or heteroaromatic tetra-amino compounds and one or more aromatic and / or heteroaromatic carboxylic acids or derivatives thereof which comprise at least two acid groups per carboxylic acid monomer.
  • one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids can be used for the preparation of polyazoles.
  • the aromatic and heteroaromatic tetra-amino compounds include inter alia 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1, 2,4,5-tetraaminobenzene, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenylsulfone, 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl ether, 3,3', 4,4'-tetraaminobenzophenone, 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenylmethane and S.S' ⁇ ' -Tetraaminodiphenyldimethylmethane and salts thereof, in particular their mono-, di-, tri- and tetrahydrochloride derivatives.
  • Carboxylic acids include. These are dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides or their acid halides, in particular their acid halides and / or acid bromides.
  • the aromatic dicarboxylic acids are isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid,
  • Hydroxyisophthalic acid 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylaminoisophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-Dihydroxyphthalklare. 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5-fluoroisophthalic acid, 2-
  • 4,4'-dicarboxylic acid 4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4'-stilbenedicarboxylic acid, A-carboxycinnamic acid, or their C1-C20- Alkyl esters or C5-C12 aryl esters, or their acid anhydrides or their acid chlorides.
  • mixtures which comprise dicarboxylic acids whose acid residues are in the para position for example terephthalic acid.
  • heteroaromatic carboxylic acids are heteroaromatic
  • Dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides Dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides.
  • Heteroaromatic carboxylic acids are aromatic systems which contain at least one nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorus atom in the aromatic.
  • pyridine-2,5- dicarboxylic acid pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazoldicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2, 5-pyrazinedicarboxylic acid, 2,4,6-pyridinetricarboxylic acid, benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid.
  • C1-C20 alkyl esters or C5-C12 aryl esters or their acid anhydrides or their acid chlorides.
  • the mixture i) may also contain aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids. These include, inter alia, diaminobenzoic acid, 4-phenoxycarbonyl-3, '4'-diaminodiphenylether and their mono- and dihydrochloride derivatives.
  • the mixture prepared in step i) preferably comprises at least 0.5% by weight, in particular 1 to 30% by weight and particularly preferably 2 to 15% by weight of monomers for the preparation of polyazoles.
  • the mixture prepared in step i) comprises compounds which under the action of heat in step ii) are suitable for the formation of polyazoles, which compounds are prepared by reacting one or more aromatic and / or heteroaromatic tetra-amino Compounds with one or more aromatic and / or heteroaromatic carboxylic acids or their derivatives which contain at least two acid groups per carboxylic acid monomer, or of one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids in the melt at temperatures of up to 400 ° C., in particular up to 350 0 C, preferably up to 28O 0 C are available.
  • these prepolymers are prepared by reacting one or more aromatic and / or heteroaromatic tetra-amino Compounds with one or more aromatic and / or heteroaromatic carboxylic acids or their derivatives which contain at least two acid groups per carboxylic acid monomer, or of one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids in the melt at
  • monomers containing covalently bonded acid groups can be used to prepare polyazoles.
  • aromatic and heteroaromatic dicarboxylic acids or their derivatives which have at least one phosphonic acid group, for example 2,5-dicarboxyphenylphosphonic acid, 2,3-dicarboxyphenylphosphonic acid 3,4-dicarboxyphenylphosphonic acid and 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid; aromatic and heteroaromatic dicarboxylic acids or their derivatives which have at least one sulfonic acid group, in particular 2.5-
  • a polyazole membrane prepared according to the method set forth above may contain the optional components set forth above. These include in particular blend polymers and fillers. Blend polymers may be present dissolved, dispersed or suspended in the mixture obtained according to step i) and / or step ii), inter alia.
  • the weight ratio of polyazole to polymer (B) is preferably in the range from 0.1 to 50, preferably from 0.2 to 20, particularly preferably from 1 to 10, without this being a restriction. If the polyazole is formed only in step ii), the weight ratio can be calculated from the weight of the monomers to form the polyazole, taking into account the compounds liberated in the condensation, for example water.
  • fillers in particular proton-conductive fillers, and additional acids.
  • the addition can be carried out, for example, in step i), step ii) and / or step iii).
  • these additives can also be added after the polymerization according to step iv). These additives have been previously described.
  • the polyphosphoric acid used in step i) are commercially available polyphosphoric acids, such as are obtainable, for example, from Riedel-de Haen.
  • the polyphosphoric acids H n + 2 P n Oa n + I (n> 1) usually have a content calculated as P 2 O 5 (acidimetric) of at least 83%.
  • P 2 O 5 acidimetric
  • step ii) The mixture obtained in step i) is heated according to step ii) to a temperature of up to 400 0 C, in particular 350 ° C, preferably up to 280 0 C, in particular 100 0 C to 25O 0 C and particularly preferably in the range of 200 ° C heated to 250 0 C.
  • an inert gas for example nitrogen or a noble gas, such as neon, argon, is used.
  • the mixture prepared in step i) and / or step ii) may additionally contain organic solvents. These can make the workability positive influence. For example, the rheology of the solution can be improved so that it can be more easily extruded or laced.
  • Suitable carriers are all suitable carriers under the conditions as inert. These supports include, in particular, films of polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropropylene, copolymers of PTFE with hexafluoropropylene, polyimides, polyphenylene sulfides (PPS) and polypropylene (PP).
  • PET polyethylene terephthalate
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PHS polyphenylene sulfides
  • PP polypropylene
  • the formation of the membrane can also take place directly on the electrode provided with a barrier layer.
  • the thickness of the planar structure according to step iii) is preferably between 10 and 4000 .mu.m, preferably between 15 and 3500 .mu.m, in particular between
  • the treatment of the membrane in step iv) is carried out in particular at temperatures in the range of 0 0 C and 150 0 C, preferably at temperatures between 1 0 0 C and
  • the treatment is preferably carried out under normal pressure, but can also be effected under the action of pressure. It is essential that the treatment is carried out in the presence of sufficient moisture, whereby the present polyphosphoric acid by partial
  • Hydrolysis contributes to solidification of the membrane to form low molecular weight polyphosphoric acid and / or phosphoric acid.
  • the partial hydrolysis of the polyphosphoric acid in step iv) leads to a solidification of the membrane and to a decrease in the layer thickness and formation of a membrane.
  • the solidified membrane generally has a thickness between 15 and 3000 .mu.m, preferably 20 and 2000 .mu.m, in particular between 20 and 1500 microns.
  • the upper temperature limit of the treatment according to step iv) is usually
  • the partial hydrolysis (step iv) can also be carried out in climatic chambers in which the hydrolysis can be controlled in a controlled manner under defined action of moisture.
  • the moisture can be specifically adjusted by the temperature or saturation of the contacting environment, for example gases such as air, nitrogen, carbon dioxide or other suitable gases, or water vapor.
  • Duration of treatment depends on the parameters selected above.
  • the duration of treatment depends on the thickness of the membrane.
  • the treatment duration is between a few seconds to
  • the treatment time is preferably between 10 seconds and 300 hours, in particular 1 minute to 200 hours.
  • the treatment time is between 1 and 200 hours.
  • the membrane obtained according to step iv) can be made self-supporting, i. It can be detached from the carrier without damage and then optionally further processed directly.
  • step iv) leads to a hardening of the coating. If the membrane is formed directly on the electrode, the treatment is carried out according to
  • a sufficient hardness is given if a correspondingly treated membrane is self-supporting. In many cases, however, a lower hardness is sufficient.
  • the hardness determined in accordance with DIN 50539 (microhardness measurement) is generally at least 1 mN / mm 2 , preferably at least 5 mN / mm 2 and very particularly preferably at least 50 mN / mm 2 , without this being intended to limit it.
  • the concentration of phosphoric acid is reported as moles of acid per mole of repeat unit of the polymer.
  • a concentration mol of phosphoric acid relative to a repeating unit of the formula (III), ie Polybenzimidazole
  • concentration between 13 and 80, especially between 15 and 80, is preferred.
  • Such high doping levels are very difficult or even impossible to access by the addition of polyazoles with commercially available ortho-phosphoric acid.
  • Preferred polymer membranes have a high proton conductivity. This is at temperatures of 120 0 C at least 0.1 S / cm, preferably at least 0.11 S / cm, in particular at least 0.12 S / cm. If the membranes comprise polymers with sulfonic acid groups, the membranes show a high conductivity even at a temperature of 7O 0 C.
  • conductivity depends on the sulfonic acid group content of the membrane. The higher this proportion, the better the conductivity at low temperatures.
  • a membrane according to the invention can be moistened at low temperatures.
  • the compound used as an energy source for example hydrogen
  • the compound used as an energy source for example hydrogen
  • the water formed by the reaction is sufficient to achieve humidification.
  • the specific conductivity is determined by means of impedance spectroscopy in a 4-PoI arrangement in the potentiostatic mode and using platinum electrodes
  • the obtained spectrum is evaluated with a simple model consisting of a parallel arrangement of an ohmic resistor and a capacitor.
  • the sample cross-section of the phosphoric acid-doped membrane is measured immediately prior to sample assembly. To measure the temperature dependence, the measuring cell is brought to the desired temperature in an oven and controlled by a Pt-100 thermocouple placed in the immediate vicinity of the sample. After reaching the temperature, the sample is held at this temperature for 10 minutes before starting the measurement.
  • a membrane-electrode unit according to the invention comprises in addition to the polymer membrane at least two electrodes, which are in contact with the membrane in each case.
  • the electrode comprises a gas diffusion layer.
  • the gas diffusion layer generally exhibits electron conductivity.
  • flat, electrically conductive and kla reresistente structures are used for this purpose. These include, for example, carbon fiber papers, graphitized carbon fiber papers, Carbon fiber fabrics, graphitized carbon fiber fabrics and / or sheets rendered conductive by the addition of carbon black.
  • the electrode contains at least one catalyst layer which has at least one noble metal of the platinum group, in particular Pt, Pd, Ir, Rh 1 Os, Ru, and / or at least one noble metal Au and / or Ag.
  • at least one noble metal of the platinum group in particular Pt, Pd, Ir, Rh 1 Os, Ru, and / or at least one noble metal Au and / or Ag.
  • the electrode has at least one catalyst layer which i. at least one noble metal of the platinum group, in particular Pt, Pd, Ir, Rh, Os,
  • Ru, and / or at least one precious metal contains Au and / or Ag, ii. at least one according to the electrochemical series of noble metal as the metal mentioned under (i), in particular selected from the group Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga 1 V 1 contains.
  • the catalyst is formed in the form of an alloy of the metals (i) and (ii).
  • further catalytically active substances in particular noble metals of the platinum group, ie Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru 1 or also the noble metals Au and Ag, can be used.
  • noble metals of the platinum group ie Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru 1 or also the noble metals Au and Ag.
  • Oxides of the aforementioned noble metals and / or non-noble metals are used.
  • the catalytically active particles comprising the aforementioned substances can be used as metal powder, so-called black precious metal, in particular platinum and / or platinum alloys.
  • Such particles generally have a size in the range of 5 nm to 200 nm, preferably in the range of 7 nm to 100 nm.
  • the metals can also be used on a carrier material.
  • this support comprises carbon, which can be used in particular in the form of carbon black, graphite or graphitized carbon black.
  • electrically conductive metal oxides such as, for example, SnO x , TiO x , or phosphates, such as, for example, FePO x , NbPO x , Zr y (PO x ) z as carrier material.
  • the indices x, y and z denote the oxygen or metal content of the individual compounds, which may be in a known range, since the
  • Transition metals can take different oxidation states.
  • the content of these supported metal particles is generally in the range of 1 to 80 wt .-%, preferably 5 to 60 wt .-% and particularly preferably 10 to 50 wt .-%, without this being a restriction.
  • the particle size of the carrier in particular the size of the carbon particles, is preferably in the range from 20 to 100 nm, in particular from 30 to 60 nm.
  • the size of the metal particles present thereon is preferably in the range from 1 to 20 nm, in particular 1 to
  • the sizes of the different particles represent mean values and can be determined by transmission electron microscopy or powder X-ray diffractometry.
  • the catalyst layer has a thickness in the range of 0.1 to 50 microns.
  • the membrane-electrode unit according to the invention has a loading of catalyst between 0.1 and 10 g / m 2 , based on the surface of the
  • the weight ratio of the noble metals of the platinum group or of Au and / or Ag to the less noble according to the electrochemical series of metals is between 1: 100 to 100: 1.
  • the catalytically active particles set forth above can generally be obtained commercially.
  • the catalyst can be applied inter alia to the gas diffusion system. Subsequently, the gas diffusion system provided with a catalyst layer can be connected to a polymer membrane in order to arrive at a membrane-electrode unit according to the invention.
  • This membrane can also be connected to a gas diffusion plant.
  • a gas diffusion system provided with a catalyst layer.
  • a gas diffusion system which does not comprise a catalyst is sufficient.
  • a support provided with a coating containing a catalyst to provide the layer formed in step iii) or iv) with a catalyst layer.
  • the membrane can be provided on one side or on both sides with a catalyst layer. If the membrane is provided with only one side of a catalyst layer, the opposite side of the membrane must be pressed with an electrode having a catalyst layer. If both sides of the membrane are to be provided with a catalyst layer, the following methods can also be used in combination to achieve optimum results
  • the catalysts contained in the electrode and the catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer are different at the cathode and anode sides, respectively.
  • at least the cathode side comprises a catalyst containing i. at least one noble metal of the platinum group, in particular Pt, Pd, Ir, Rh, Os,
  • the catalyst layer can be applied by a method in which a catalyst suspension is used.
  • powders comprising the catalyst may also be used.
  • the catalyst suspension contains a catalytically active substance. These have been previously described.
  • the catalyst suspension may contain conventional additives. These include, but are not limited to, fluoropolymers, e.g. Polytetrafluoroethylene (PTFE), thickening agents, in particular water-soluble polymers, e.g. Cellulose derivatives, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and surface-active substances.
  • fluoropolymers e.g. Polytetrafluoroethylene (PTFE)
  • thickening agents e.g. Cellulose derivatives, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and surface-active substances.
  • the surface-active substances include in particular ionic surfactants, for example fatty acid salts, in particular sodium laurate, potassium oleate; and alkylsulfonic acids, alkylsulfonic acid salts, in particular Natriumperfluorohexansulfonat, Lithiumperfluorohexansulfonat, Ammoniumperfluorohexansulfonat, Perfluorohexansulfonklare, Kaliumnonafluorbutansulfonat, and nonionic surfactants, in particular ethoxylated fatty alcohols and polyethylene glycols.
  • ionic surfactants for example fatty acid salts, in particular sodium laurate, potassium oleate
  • alkylsulfonic acids, alkylsulfonic acid salts in particular Natriumperfluorohexansulfonat, Lithiumperfluorohexansulfonat, Ammoniumperfluorohexansulfonat, Perflu
  • the catalyst suspension may comprise liquid components at room temperature. These include organic solvents, which may be polar or nonpolar, phosphoric acid, polyphosphoric acid and / or water.
  • the catalyst suspension preferably contains from 1 to 99% by weight, in particular from 10 to 80% by weight, of liquid constituents.
  • the polar, organic solvents include, in particular, alcohols, such as ethanol, propanol and / or butanol.
  • the organic, nonpolar solvent includes, among others, known ones
  • Thin film thinner such as DuPont 8470 thin film thinner containing turpentine oils.
  • Particularly preferred additives are fluoropolymers, in particular tetrafluoroethylene polymers.
  • the weight ratio of fluoropolymer to catalyst material comprising at least one noble metal and optionally one or more support materials is greater than 0.1, this ratio preferably being in the range of 0 , 2 to 0.6.
  • the catalyst suspension can be applied to the membrane by conventional methods. Depending on the viscosity of the suspension, which may also be in paste form, various methods are known with which the suspension can be applied. Suitable methods for coating films, fabrics, textiles and / or papers, in particular spraying and
  • Printing processes such as stencil and screen printing processes, inkjet processes, roller application, in particular anilox rollers, slot nozzle application and doctoring.
  • the particular method and the viscosity of the catalyst suspension are dependent on the hardness of the membrane.
  • the viscosity can be influenced by the solids content, in particular the proportion of catalytically active particles, and the proportion of additives.
  • the viscosity to be adjusted depends on the application method of the catalyst suspension, the optimum values and their determination being familiar to the person skilled in the art.
  • an improvement in the binding of catalyst and membrane can be achieved by heating and / or pressing.
  • the bond between membrane and catalyst increases by a treatment according to step iv).
  • a catalyst layer can take place simultaneously with the treatment of the membrane until it is self-supporting according to step iv). This can be done, for example, by applying a water-containing catalyst suspension to the planar structure according to step iii).
  • the suspension in the form of fine droplets can be sprayed onto the planar structure according to step iii).
  • the suspension may also contain other solvents and / or diluents.
  • the curing of the membrane takes place according to step iv). Accordingly, the water content can be in wide ranges.
  • the water content can be in wide ranges.
  • Water content in the range of 0.1 to 99, in particular 1 to 95 wt .-%, based on the catalyst suspension.
  • the catalyst layer is applied by a powder method. This is a powder method.
  • Catalyst powder used which may contain additional additives, which have been exemplified above.
  • spraying methods and screening methods can be used, inter alia.
  • the powder mixture is sprayed onto the membrane with a nozzle, for example a slot nozzle.
  • the membrane provided with a catalyst layer is heated in order to improve the connection between the catalyst and the membrane. The heating can be done for example via a hot roll.
  • Such methods and devices for applying the powder are, inter alia, in
  • the catalyst powder is applied to the membrane with a shaking sieve.
  • An apparatus for applying a catalyst powder to a membrane is described in WO 00/26982. After applying the
  • Catalyst powder the binding of catalyst and membrane by heating and / or step iv) can be improved.
  • the membrane provided with at least one catalyst layer can be heated to a temperature in the range of 50 to 200 0 C, in particular 100 to 18O 0 C.
  • the catalyst layer may be applied by a method in which a coating containing a catalyst is applied to a support, and then the coating on the support containing a catalyst is transferred to a polymer membrane.
  • a coating containing a catalyst is applied to a support, and then the coating on the support containing a catalyst is transferred to a polymer membrane.
  • An example is such
  • the carrier provided with a catalyst coating can be prepared, for example, by preparing a catalyst suspension described above. This catalyst suspension is then applied to a carrier film, for example made of polytetrafluoroethylene. After applying the suspension, the volatiles are removed.
  • the transfer of the coating containing a catalyst can take place, inter alia, by hot pressing.
  • the composite is comprising a
  • Catalyst layer and a membrane and a carrier film heated to a temperature in the range of 5O 0 C to 200 0 C and pressed at a pressure of 0.1 to 5 MPa. In general, a few seconds are enough to bond the catalyst layer to the membrane. This time is preferably in the range from 1 second to 5 minutes, in particular 5 seconds to 1 minute.
  • the catalyst layer has a thickness in the range from 1 to 1000 .mu.m, in particular from 5 to 500, preferably from 10 to 300 .mu.m.
  • This value represents an average value that can be determined by measuring the layer thickness in the cross-section of images that can be obtained with a scanning electron microscope (SEM).
  • the membrane provided with at least one catalyst layer comprises 0.1 to 10.0 mg / cm 2 , preferably 0.3 to 6.0 mg / cm 2 and particularly preferably 0.3 to 3.0 mg / cm 2 . These values can be determined by elemental analysis of a flat sample.
  • the membrane which may also be provided with a catalyst layer, can still be crosslinked by the action of heat in the presence of oxygen.
  • This hardening of the membrane additionally improves the properties of the membrane.
  • the membrane can be heated to a temperature of at least 15O 0 C, preferably at least 200 0 C and particularly preferably at least 25O 0 C.
  • the oxygen concentration in this process step is usually in the range of 5 to 50% by volume, preferably 10 to 40% by volume, without this being intended to limit it.
  • IR infrared, ie light with a wavelength of more than 700 nm
  • NIR near IR, ie light with a wavelength in the range of about 700 to 2000 nm or an energy in the range of about 0.6 to 1.75 eV).
  • Another method is to irradiate with
  • the radiation dose is between 5 and 200 kGy.
  • the duration of the crosslinking reaction can be in a wide range. In general, this reaction time is in the range of 1 second to 10 hours, preferably 1 minute to 1 hour, without this being a restriction.
  • a membrane electrode assembly according to the invention shows a surprisingly high power density.
  • preferred membrane-electrode units have a current density of at least 0.3 A / cm 2 , preferably 0.4 A / cm 2 , particularly preferably 0.5 A / cm 2 .
  • This current density is in operation with pure hydrogen at the anode and air (about 20 vol .-% oxygen, about 80 vol .-% nitrogen) at the cathode at atmospheric pressure (absolute 1013 mbar, with open cell output) and 0.6V Cell voltage measured.
  • particularly high temperatures in the range of 150-200 ° C, preferably 160-180 0 C, in particular of 170 0 C are used.
  • the stoichiometry is less than or equal to 2, preferably less than or equal to 1.5, most preferably less than or equal to 1.2.
  • the catalyst layer has a low precious metal content.
  • the noble metal content of a preferred catalyst layer which is comprised by a membrane according to the invention is preferably at most 2 mg / cm 2 , in particular at most 1 mg / cm 2 , very particularly preferably at most 0.5 mg / cm 2 .
  • one side of a membrane has a higher metal content than the opposite side of the membrane.
  • the metal content of one side is at least twice as high as the metal content of the opposite side.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the structure of a device for
  • Fig. 2 shows a table in which results from compression of membrane electrode units of three different conditions are included.
  • FIG. 3 shows a graphical representation of the results shown in FIG.
  • the MEU comprises a flat membrane 1, which is arranged between two likewise flat electrodes 2. Between the membrane 1 and the electrodes 2, a likewise flat seal can be arranged in each case, which has a recess, so that an electrode space is formed, which is sealed against the environment. Between the press plates 5 and the electrodes 2 can each incompressible
  • Protective layer 4 may be arranged to prevent damage to the press plates 5 by any leaking mineral acid.
  • one or more spacers 3 of height H are arranged between the press plates 5, which ensure that the press plates 5 can be moved toward one another at most up to a distance H. This then gives the maximum
  • the height H is dimensioned such that the known compression of the membrane 1, the electrodes 2, possibly the seals and the protective layer 4, the desired compression when the press plates 5 are pressed together to the distance H at known thicknesses. Since the individual components of the MEU are manufactured separately, their thicknesses can be precisely measured in advance.
  • the time profile of the distance between the press plates 5 to each other can have the shape of a ramp, the slope is adjustable.
  • the press plates 5 can be heated.
  • a pressure is produced on the MEU, which causes the membrane 1 to be squeezed to a certain extent into the tissue of the electrodes 2 in the case of a soft membrane 1.
  • these can enriched the interface.
  • This results in a compression and an intimate bond, which ensures the cohesion of the MEA due to the surface adhesion.
  • Suitable soft membranes are preferably polymer membranes which are doped with or contain one or more mineral acids. In particular, in phosphoric acid-doped membranes containing up to 90% phosphoric acid.
  • the membrane 1 can be compressed by up to 75%.
  • the compression of the MEU can also be done in two stages, for example by a post-compression when installed in a fuel cell stack. Therefore, another particular embodiment of the method according to the invention is characterized in that one or more already pressed membrane electrode
  • the total compression can take values from the range of 20 to 40% based on the original thickness of the individual components anode-anode-cathode.
  • MEAs were made with the same membrane and electrode thickness at different compression rates. These were then installed in an electrochemical measuring cell, re-compressed therein, and recorded current-voltage characteristics.
  • the table in Fig. 2 shows the results
  • Fig. 3 is a graphical representation thereof.
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Abstract

The invention relates to a method for production of a membrane/electrode unit, whereby a conducting polymer membrane is compressed with two electrodes until a given compression is achieved. Said method permits an increase in the resting voltage of the membrane/electrode unit in use, the amount of damage during production is reduced and a constant thickness within a production run is achieved.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zur Herstellung von Membran-Elektroden-EinheitenProcess for the preparation of membrane-electrode assemblies
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Membran-The present invention relates to a process for the production of membrane
Elektroden-Einheiten, insbesondere für solche mit hoher Leistung, die insbesondere in so genannten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen eingesetzt werden können, bei dem eine oder mehrere protonenleitfähige Polymermembranen mit zwei oder mehreren Elektroden verpresst wird.Electrode units, especially for those with high performance, which can be used in particular in so-called polymer electrolyte membrane fuel cells, in which one or more proton-conductive polymer membranes is compressed with two or more electrodes.
Eine Brennstoffzelle enthält üblicherweise einen Elektrolyten und zwei durch den Elektrolyten getrennte Elektroden, bei denen einer der beiden Elektroden ein Brennstoff, wie Wasserstoffgas oder ein Methanol-Wasser-Gemisch, und der anderen Elektrode ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoffgas oder Luft, zugeführt wird. Die durch die resultierende Brennstoffoxidation entstehende chemische Energie wird dabei direkt in elektrische Energie umgewandelt.A fuel cell usually contains an electrolyte and two electrodes separated by the electrolyte, in which one of the two electrodes is supplied with a fuel such as hydrogen gas or a methanol-water mixture and the other electrode is supplied with an oxidant such as oxygen gas or air. The chemical energy generated by the resulting fuel oxidation is converted directly into electrical energy.
Eine Forderung an den Elektrolyten ist, dass dieser für Wasserstoffionen, d.h. Protonen, nicht aber für die vorstehend genannten Brennstoffe durchlässig ist.A requirement of the electrolyte is that this be for hydrogen ions, i. Protons, but not permeable to the aforementioned fuels.
Eine Brennstoffzelle weist in der Regel mehrere Einzelzellen so genannte MEEs (Membran-Elektroden-Einheit) auf, die jeweils einen Elektrolyten und zwei durch den Elektrolyten getrennte Elektroden enthalten.As a rule, a fuel cell has a plurality of individual cells, so-called MEEs (membrane-electrode unit), each containing an electrolyte and two electrodes separated by the electrolyte.
Als Elektrolyt für die Brennstoffzelle kommen Feststoffe wieAs an electrolyte for the fuel cell, solids such as
Polymerelektrolytmembranen oder Flüssigkeiten wie Phosphorsäure zur Anwendung. In jüngster Zeit haben Polymerelektrolytmembranen als Elektrolyt^ für Brennstoffzellen Aufmerksamkeit erregt.Polymer electrolyte membranes or liquids such as phosphoric acid for use. Recently, polymer electrolyte membranes have attracted attention as an electrolyte for fuel cells.
Polymerelektrolytmembranen mit Komplexen aus basischen Polymeren und starkenPolymer electrolyte membranes with complexes of basic polymers and strong ones
Säuren sind beispielsweise aus WO96/13872 bekannt. Zu deren Herstellung wird ein basisches Polymer, beispielsweise Polybenzimidazol, mit einer starken Säure, wie Phosphorsäure, behandelt.Acids are known, for example, from WO96 / 13872. For their preparation, a basic polymer, for example polybenzimidazole, is treated with a strong acid, such as phosphoric acid.
Des weiteren sind, beispielsweise aus US-A-4,017,664, auch Brennstoffzellen bekannt, deren Membran anorganische Trägermaterialien, wie beispielsweise Glasfasergewebe oder Glasfaservliese, umfassen, die mit Phosphorsäure getränkt sind. Bei den im Stand der Technik bekannten basischen Polymermembranen wird die - zum Erzielen der erforderlichen Protonenleitfähigkeit - eingesetzte Mineralsäure (meist konzentrierte Phosphorsäure) üblicherweise nach der Formgebung der Polyazolfolie beigefügt. Das Polymer dient dabei als Träger für den Elektrolyten bestehend aus der hochkonzentrierten Phosphorsäure. Die Polymermembran erfüllt dabei weitere wesentliche Funktionen, insbesondere muss sie eine hohe mechanische Stabilität aufweisen und als Separator für die beiden eingangs genannten Brennstoffe dienen.Furthermore, fuel cells are also known, for example from US-A-4,017,664, whose membrane comprises inorganic support materials, such as glass fiber fabric or glass fiber nonwovens, which are impregnated with phosphoric acid. In the case of the basic polymer membranes known in the prior art, the mineral acid (usually concentrated phosphoric acid) used to achieve the required proton conductivity is usually added after the molding of the polyazole film. The polymer serves as a carrier for the electrolyte consisting of the highly concentrated phosphoric acid. The polymer membrane fulfills further essential functions, in particular it must have a high mechanical stability and serve as a separator for the two fuels mentioned above.
Wesentliche Vorteile einer solchen Phosphorsäure dotierten Membran ist dieSignificant advantages of such a phosphoric acid-doped membrane is the
Tatsache, dass eine Brennstoffzelle, bei der eine derartigeFact that a fuel cell in which such
Polymerelektrolytmembran eingesetzt wird, bei Temperaturen oberhalb 1000C ohne eine sonst notwendige Befeuchtung der Brennstoffe betrieben werden kann. Dies liegt in der Eigenschaft der Phosphorsäure begründet die Protonen ohne zusätzliches Wasser mittels des sog. Grotthus Mechanismus transportieren zu können (K.-D. Kreuer, Chem. Mater. 1996, 8, 610-641 ).Polymer electrolyte membrane is used, can be operated at temperatures above 100 0 C without otherwise necessary humidification of the fuels. This is due to the property of phosphoric acid to be able to transport the protons without additional water by means of the so-called Grotthus mechanism (K.-D. Kreuer, Chem. Mater., 1996, 8, 610-641).
Durch die Möglichkeit des Betriebes bei Temperaturen oberhalb 1000C ergeben sich weitere Vorteile für das Brennstoffzellensystem. Zum einen wird die Empfindlichkeit des Pt-Katalysators gegenüber Gasverunreinigungen, insbesondere CO, stark verringert. CO entsteht als Nebenprodukt bei der Reformierung des wasserstoffreichen Gases aus Kohlenstoffhaltigen Verbindungen, wie z.B. Erdgas, Methanol oder Benzin oder auch als Zwischenprodukt bei der direkten Oxidation von Methanol. Typischerweise muss der CO-Gehalt des Brennstoffes bei Temperaturen <100°C kleiner als 100 ppm sein. Bei Temperaturen im Bereich 150-200° können jedoch auch 10000 ppm CO oder mehr toleriert werden (N. J. Bjerrum et. al. Journal of Applied Electrochemistry, 2001 ,31 , 773-779). Dies führt zu wesentlichen Vereinfachungen des vorgeschalteten Reformierungsprozesses und somit zu Kostensenkungen des gesamten Brennstoffzellensystems.The possibility of operation at temperatures above 100 0 C, further benefits for the fuel cell system. On the one hand, the sensitivity of the Pt catalyst to gas contaminants, in particular CO, is greatly reduced. CO is produced as a by-product in the reforming of the hydrogen-rich gas from carbon-containing compounds, such as natural gas, methanol or gasoline or as an intermediate in the direct oxidation of methanol. Typically, the CO content of the fuel at temperatures <100 ° C must be less than 100 ppm. However, at temperatures in the range 150-200 ° C, 10000 ppm CO or more can be tolerated (NJ Bjerrum et al., Journal of Applied Electrochemistry, 2001, 31, 773-779). This leads to significant simplifications of the upstream reforming process and thus to cost reductions of the entire fuel cell system.
Die Leistung einer Membran-Elektroden-Einheit hergestellt mit solchen Membranen ist in WO 01/18894 und in Electrochimica Acta, Band 41 , 1996, 193-197 beschrieben und liegen bei einer Platinbeladung von 0,5 mg/cm2 (Anode) und 2 mg/cm2 (Kathode) kleiner als 0,2 A/cm2 bei einer Spannung von 0,6 V. Bei Verwendung von Luft anstelle von Sauerstoff sinkt dieser Wert auf kleiner als 0,1 A/cm2 ab.The performance of a membrane-electrode assembly made with such membranes is described in WO 01/18894 and Electrochimica Acta, Vol. 41, 1996, 193-197, and has a platinum loading of 0.5 mg / cm 2 (anode) and 2 mg / cm 2 (cathode) less than 0.2 A / cm 2 at a voltage of 0.6 V. When using air instead of oxygen, this value drops to less than 0.1 A / cm 2 .
Ein großer Vorteil von Brennstoffzellen ist die Tatsache, dass bei der elektrochemischen Reaktion die Energie des Brennstoffes direkt in elektrische Energie und Wärme umgewandelt wird. Als Reaktionsprodukt entsteht dabei an der Kathode Wasser. Als Nebenprodukt bei der elektrochemischen Reaktion entsteht also Wärme. Für Anwendungen bei denen nur der Strom zum Antrieb von Elektromotoren genutzt wird, wie z.B. für Automobilanwendungen, oder als vielfältiger Ersatz von Batteriesystemen muss ein Teil der bei der Reaktion entstehenden Wärme abgeführt werden, um ein Überhitzen des Systems zu vermeiden. Für die Kühlung werden dann zusätzliche, Energie verbrauchende Geräte notwendig, die den elektrischen Gesamt-Wirkungsgrad der Brennstoffzelle weiter verringern. Für stationäre Anwendungen wie zur zentralen oder dezentralen Erzeugung von Strom und Wärme lässt sich die Wärme effizient durch vorhandene Technologien wie z.B. Wärmetauscher nutzen. Zur Steigerung der Effizienz werden dabei hohe Temperaturen angestrebt. Liegt die Betriebstemperatur oberhalb 1000C und ist die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Betriebstemperatur groß, so wird es möglich das Brennstoffzellensystem effizienter zu kühlen beziehungsweise kleine Kühlflächen zu verwenden und auf zusätzliche Geräte zu verzichten im Vergleich zu Brennstoffzellen, die aufgrund derA major advantage of fuel cells is the fact that in the electrochemical reaction the energy of the fuel is converted directly into electrical energy and heat. The reaction product is formed at the Cathode water. The by-product of the electrochemical reaction is heat. For applications where only electricity is used to drive electric motors, such as for automotive applications, or as multiple battery system replacement, some of the heat generated during the reaction must be dissipated to avoid overheating the system. For cooling then additional, energy-consuming devices are necessary, further reducing the overall electrical efficiency of the fuel cell. For stationary applications such as the central or decentralized generation of electricity and heat, the heat can be efficiently utilized by existing technologies such as heat exchangers. To increase the efficiency of high temperatures are sought. If the operating temperature above 100 0 C and the temperature difference between the ambient temperature and the operating temperature is high, it will be possible to cool the fuel cell system more efficient or to use small cooling surfaces and to dispense with additional equipment compared to fuel cells, due to the
Membranbefeuchtung bei unter 1000C betrieben werden müssen.Membrane humidification at below 100 0 C must be operated.
Die Herstellung von Membranelektrodeneinheiten für derartige Brennstoffzellen erfolgt gemäß dem Stand der Technik durch Verpressen eines sandwichförmigen Aufbaus aus zwei flächigen Elektroden und einer flächigen Membran, die zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist, bis zu einem voreinstellbaren Pressdruck, vorzugsweise bei erhöhter Temperatur. Zwischen der Elektrode und der Membran kann eine umlaufende Dichtung angeordnet sein, die Elektrode und Membran gegen die Umgebung abdichtet, gleichwohl aber einen Kontakt zwischen den Elektrode und Membran nicht verhindert. Eine derartige sandwichförmige Einheit wird dann zwischen zwei relativ gegeneinander verfahrbare Pressplatten gegeben, die dann bis zu einem voreinstellbaren Höchstdruck zusammengepresst werden und so einen adhäsiven Verbund der der Einheit herstellen. Dabei kann zwischen den Pressplatten und der Membranelektrodeneinheit noch eine Schutzschicht eingelegt sein.The preparation of membrane electrode assemblies for such fuel cells is carried out according to the prior art by pressing a sandwich-shaped construction of two flat electrodes and a flat membrane, which is arranged between the two electrodes, up to a presettable pressing pressure, preferably at elevated temperature. A circumferential seal may be disposed between the electrode and the membrane, sealing the electrode and membrane from the environment, yet not preventing contact between the electrode and the membrane. Such a sandwiched unit is then placed between two relatively movable press plates, which are then pressed together to a presettable maximum pressure to form an adhesive bond of the unit. In this case, a protective layer may be inserted between the press plates and the membrane electrode unit.
Bei der Verwendung von Elektroden, die auf Basis von Kohlenstoff-Fasergeweben unter kontrolliertem Pressdruck hergestellt werden, zeichnet sich jedoch die Gewebestruktur (Fasererhebungen und -täler) der Elektrode nach dem Verpressen der Membranelektrodeneinheit auf der Membran ab. Während der Herstellung derHowever, when using electrodes made from carbon fiber fabrics under controlled compressive pressure, the fabric structure (fiber bumps and valleys) of the electrode after pressing the membrane electrode assembly on the membrane will be distinguished. During the production of the
Membranelektrodeneinheit kann es daher passieren, dass Fasererhebungen der Elektroden auf beiden Seiten der Membran übereinander zu liegen kommen. Der Pressdruck innerhalb dieses Bereiches kann dadurch lokal signifikant ansteigen, was wiederum zu Quetschungen oder Scherungen führt, wodurch die Membran beschädigt wird. Dadurch können Kurzschlüsse zwischen den Elektroden entstehen, und es kann ein unerwünschter und schädlicher Austausch von Gas durch dieMembrane electrode unit may therefore happen that fiber elevations of the electrodes come to lie one above the other on both sides of the membrane. The compression pressure within this range can thereby locally increase significantly, which in turn leads to pinching or shearing, causing the membrane is damaged. This can cause shorts between the electrodes, and there may be an undesirable and harmful exchange of gas through the
Membran hindurch stattfinden. Dies wiederum führt zu einer verringerten Leistung und einer verkürzten Lebensdauer der Brennstoffzellen. Außerdem wird während des Einbaus von so vorgeschädigtenMembrane take place through. This in turn leads to a reduced performance and a shortened life of the fuel cells. In addition, during installation of such pre-damaged
Membranelektrodeneinheiten in einen Stack das Risiko des Quetschens undMembrane electrode units in a stack the risk of bruising and
Abscherens durch eine beim Einbau erfolgende weitere Komprimierung zusätzlich verstärkt.Shearing further reinforced by a further compression during installation.
Bei der Verwendung von Gewebe oder Papier als Elektrodenmaterial stellt sich die Dicke der MEE mehr oder weniger unkontrolliert ein. Das heisst, dass eineWhen using tissue or paper as the electrode material, the thickness of the MEE is more or less uncontrolled. That means that one
Produktserie mit einer akzeptablen Streuung der Dicke in wirtschaftlich sinnvollerProduct series with an acceptable dispersion of thickness in more economical sense
Weise nur schwer herstellbar ist.Way is difficult to produce.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das diese Nachteile mindestens teilweise nicht aufweist.The invention therefore an object of the invention to provide a method that does not have these disadvantages, at least partially.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Verpressung bis zu einer voreinstellbaren Kompression durchgeführt wird.This object is achieved according to the invention in the method mentioned above, that the compression is carried out up to a presettable compression.
Bei der Durchführung eines derartigen erfindungsgemäßen Verfahrens wurde völlig überraschend gefunden, dass die Membranenschädigungen geringer sind als bei dem druckgesteuerten Verfahren, dass die Ruhespannung (OCV) von Zellen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, höher ist als bei solchen, die nach dem druckgesteuerten Verfahren hergestellt wurden, und dass eine gleichmäßigere Dicke der Membranelektrodeneinheiten innerhalb einer Produktserie erreicht werden kann. Unterschiede in den Materialeigenschaften von Membran, Elektrode und Dichtung fallen bei der Verpressung unter kontrollierter Kompression nicht mehr so stark ins Gewicht wie bei der Verpressung unter kontrolliertem Druck. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher ein gleichförmigeres Produkt hergestellt werden als mit dem bekannten Verfahren. Insbesondere hat sich gezeigt, dass im Betrieb die elektrische Leistung der erfindungsgemäss hergestellten MEE gleichmäßiger ist Zusätzlich wurde gefunden, dass bei Verwendung von Membranen, die Mineralsäuren, insbesondere Phosphorsäure, enthalten, die Verteilung der Säure innerhalb der Membran besser kontrolliert bzw. eingestellt werden kann.In carrying out such a method according to the invention, it has been found, quite surprisingly, that the membrane damages are lower than in the pressure-controlled method, that the quiescent voltage (OCV) of cells produced by the method according to the invention is higher than those after the pressure-controlled Processes were prepared, and that a more uniform thickness of the membrane electrode units can be achieved within a product series. Differences in the material properties of the membrane, electrode and gasket are less pronounced during compression under controlled compression than during compression under controlled pressure. With the method according to the invention, therefore, a more uniform product can be produced than with the known method. In particular, it has been found that the electrical performance of the MEE produced according to the invention is more uniform during operation. In addition, it has been found that, when membranes containing mineral acids, in particular phosphoric acid, are used, the distribution of the acid within the membrane can be better controlled or adjusted.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit, bei dem eine oder mehrere protonenleitfähige Polymermembranen mit zwei oder mehreren Elektroden verpresst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpressung bis zu einer voreinstellbaren Kompression durchgeführt wird.The present invention therefore relates to a process for producing a membrane-electrode assembly in which one or more proton-conductive Polymer membranes are pressed with two or more electrodes, characterized in that the compression is carried out to a presettable compression.
Dieses Verfahren kann mit handelsüblichen Pressen, die dem Fachmann bekannt sind, beispielsweise in der Weise durchgeführt werden, dass zwischen die Pressplatten eine oder mehrere Distanzstücke (Shims) gesetzt werden. Die Höhe der Distanzstücke entspricht dabei der voreinstellbaren Kompression. Bei einer vorgegebenen Ausgangsdicke D der Membranelektrodeneinheit vor dem Verpressen und einer gewünschten Kompression von X% beträgt die Höhe H der DistanzstückeThis method can be carried out with commercially available presses known to the person skilled in the art, for example, by placing one or more spacers (shims) between the press plates. The height of the spacers corresponds to the presettable compression. For a given initial thickness D of the membrane electrode assembly before compression and a desired compression of X%, the height H of the spacers is
H=D*(100-X)/100.H = D * (100-X) / 100.
Alternativ kann das Pressverfahren auch weggesteuert durchgeführt werden. Dabei werden die Pressplatten mit Hilfe einer elektronischen Steuereinheit und einer hydraulischen oder mechanischen Verfahreinrichtung so weit aufeinander zubewegt, dass sie zuletzt einen Abstand von H, wie oben berechnet, zueinander aufweisend. Derartige Verfahren sind jedoch dem Fachmann bekannt und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung.Alternatively, the pressing process can also be carried out path-controlled. In this case, the press plates with the help of an electronic control unit and a hydraulic or mechanical traversing moved so far toward each other that they last a distance of H, as calculated above, having each other. However, such methods are known to the person skilled in the art and require no further explanation here.
Besondere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den abhängigen Ansprüchen offenbart. Es können auch einzelne oder mehrere der in diesen Abschnitten offenbarten Merkmale jeweils für sich oder in Kombination mit den Merkmalen des Hauptanspruches eigenständige Erfindungen darstellen, und es sind auch die Merkmale beliebig kombinierbar.Particular embodiments of the method according to the invention are disclosed in the following description and in the dependent claims. It is also possible for one or more of the features disclosed in these sections to be independent inventions, either alone or in combination with the features of the main claim, and the features can also be combined as desired.
In einer ersten besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verpressung bei erhöhter Temperatur durchgeführt. Unter dem Ausdruck "erhöhter Temperatur " sollen im Rahmen dieser Erfindung der Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 200 0C verstanden werden. Bevorzugt sindIn a first particular embodiment of the method according to the invention, the pressing is carried out at elevated temperature. For the purposes of this invention, the term "elevated temperature" is to be understood as meaning the temperature range from room temperature to about 200 ° C. Preferred are
Presstemperaturen im Bereich von 40 bis 22O0C, insbesondere 60 bis 2000C, besonders bevorzugt 80 bis 18O0C, je nach den verwendeten Materialien. Die erhöhten Temperaturen können beispielsweise über beheizte Pressplatten eingestellt werden.Pressing temperatures in the range of 40 to 22O 0 C, in particular 60 to 200 0 C, particularly preferably 80 to 18O 0 C, depending on the materials used. The elevated temperatures can be adjusted for example via heated press plates.
Eine weitere besondere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Membran und der oder jeder Elektrode eine oder mehrere Dichtungen, vorzugsweise im konstruktiven Randbereich, angeordnet sind. Eine weitere besondere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der voreinstellbare Wert der Kompression aus dem Intervall von einschl. 1 bis 40 % gewählt wird. Ein bevorzugtes Intervall umfasst Werte von 15 bis 40%, insbesondere 15 bis 25%. Dieses bevorzugte Intervall ist insbesondere für mit Mineralsäure dotierte Membranen günstig. Die Kompression wird dabei berechnet als Quotient aus der Enddicke des erhaltenen Verbundes und der Summe der Anfangsdicken der Einzelelemente, multipliziert mit 100, um auf die Einheit " % " zu gelangen.A further particular embodiment is characterized in that one or more seals, preferably in the structural edge area, are arranged between the membrane and the or each electrode. Another particular embodiment is characterized in that the presettable value of the compression is selected from the interval of incl. 1 to 40%. A preferred interval includes values of 15 to 40%, especially 15 to 25%. This preferred interval is particularly favorable for mineral acid-doped membranes. The compression is calculated as the quotient of the final thickness of the resulting composite and the sum of the initial thicknesses of the individual elements multiplied by 100 in order to arrive at the unit "%".
Eine weitere besondere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verpressung bis zu der voreinstellbaren Kompression innerhalb eines Zeitraums vonAnother particular embodiment is characterized in that the compression up to the presettable compression within a period of
1 bis 100 Sekunden durchgeführt wird. Vorzugsweise wird die einstellbare Kompression innerhalb eines Zeitraums von 20 Sekunden, besonders bevorzugt 10 Sekunden erreicht. Den Beginn des Zeitintervalles definiert dabei der Zeitpunkt, ab dem von den Pressplatten Druck auf die MEE ausgeübt wird. Die Pressplatten können dann für einen weiteren vorwählbaren Zeitraum in diesem Zustand gehalten werden, um anschließend wieder auseinander gefahren zu werden und den erhaltenen Pressung freizugeben. Dieser weitere vorwählbaren Zeitraum kann Werte von 10 bis 100 Sekunden wahrnehmen, vorzugsweise 15 bis 50 Sekunden, besonders bevorzugt ca. 30 Sekunden. Diese Werte hängen von der Härte der gewählten Membran ab.1 to 100 seconds. Preferably, the adjustable compression is achieved within a period of 20 seconds, more preferably 10 seconds. The beginning of the time interval defines the time from which pressure is exerted on the MEU by the pressure plates. The press plates can then be kept in this state for a further preselectable period of time, in order then to be driven apart again and to release the obtained pressure. This further pre-selectable period can take values of 10 to 100 seconds, preferably 15 to 50 seconds, more preferably about 30 seconds. These values depend on the hardness of the selected membrane.
Eine weitere besondere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verpressung mit einer Kompressionsgeschwindigkeit aus dem Bereich von 0,2 bisAnother particular embodiment is characterized in that the compression at a compression speed in the range of 0.2 to
2 %/s durchgeführt wird, höchstens jedoch mit 20 %/s durchgeführt wird. In absoluten Geschwindigkeiten der Pressplatten gemessen, beträgt eine bevorzugte maximale " Kompressionsgeschwindigkeit " 0,2 Millimeter pro Sekunde, bei typischen Dicken der MEEs von ca. 1 mm. Bei schnelleren Geschwindigkeiten würde die Gefahr bestehen, dass die Membran durch Quetschungen und Scherungen beschädigt würde. Bevorzugte absolute Kompressionsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 1 bis 200 μm/s. Bei typischen Dicken der MEEs im Bereich von ca.2% / s is performed, but not more than 20% / s is performed. Measured at absolute speeds of the press plates, a preferred maximum "compression rate" is 0.2 millimeters per second, with typical MEU thicknesses of about 1 mm. At faster speeds there would be a risk that the membrane would be damaged by bruising and shearing. Preferred absolute compression speeds are in the range of 1 to 200 μm / s. At typical thicknesses of the MEEs in the range of approx.
1 mm sind 20 bis 200 μm/s besonders vorteilhaft. .1 mm, 20 to 200 μm / s are particularly advantageous. ,
Eine weitere besondere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verpressung rampenförmig durchgeführt wird.Another particular embodiment is characterized in that the compression is carried out in a ramp.
Eine weitere besondere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermembran Protonenleitfähigkeit aufweist. Eine weitere besondere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eineAnother particular embodiment is characterized in that the polymer membrane has proton conductivity. Another particular embodiment is characterized in that a
Membran-Elektroden-Einheit verpresst wird, umfassend mindestens eine mit mindestens einer Mineralsäure dotierte Polymermembran, die mindestens ein Polymer mit mindestens einem basischen Heteroatom ausgewählt aus der Gruppe O, S und/oder N, enthält, mindestens zwei Elektroden, wobei mindestens eine Elektrode einen Katalysator enthaltend mindestens ein Edelmetall der Platingruppe, insbesondere Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, und/oder mindestens ein Edelmetall Au und/oder Ag aufweist.Membrane electrode unit is compressed, comprising at least one doped with at least one mineral acid polymer membrane containing at least one polymer having at least one basic heteroatom selected from the group O, S and / or N, at least two electrodes, wherein at least one electrode has a Catalyst comprising at least one noble metal of the platinum group, in particular Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, and / or at least one noble metal Au and / or Ag.
Die nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Membran-Elektroden- Einheit (nachfolgend auch als erfindungsgemäße MEE bezeichnet) liefert zusätzlich zu der erhöhten Ruhespannung noch hohe Stromstärken ohne dass dabei die Spannung allzu sehr abfällt. Ferner weisen die erfindungsgemäßen Membran-The membrane-electrode unit produced by this method according to the invention (hereinafter also referred to as MEU according to the invention), in addition to the increased quiescent voltage, still supplies high current intensities without the voltage dropping too much. Furthermore, the membrane
Elektroden-Einheiten eine gute Haltbarkeit bei hohen Stromstärken auf.Electrode units have good durability at high currents.
Die in der Membran-Elektroden-Einheit enthaltene Polymermembran wird vorzugsweise durch Polymere gebildet, die mindestens ein Stickstoffatom umfassen. Diese Polymere werden auch als basische Polymere bezeichnet. Die Basizität desThe polymer membrane contained in the membrane-electrode assembly is preferably formed by polymers comprising at least one nitrogen atom. These polymers are also referred to as basic polymers. The basicity of
Polymeren kann auch über das Molverhältnis von Stickstoffatomen zu Kohlenstoffatomen definiert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden insbesondere solche Polymere umfasst, deren Molverhältnis von Stickstoffatomen zu Kohlenstoffatomen im Bereich von 1 :1 bis 1 :100, vorzugsweise im Bereich von 1:2 bis 1 :20 liegt. Dieses Verhältnis kann über Elementaranalyse festgestellt werden.Polymers can also be defined by the molar ratio of nitrogen atoms to carbon atoms. In the context of the present invention, particular preference is given to polymers whose molar ratio of nitrogen atoms to carbon atoms is in the range from 1: 1 to 1: 100, preferably in the range from 1: 2 to 1:20. This ratio can be determined by elemental analysis.
Basische Polymere, insbesondere Polymere mit mindestens einem Stickstoffatom sind in der Fachwelt bekannt. Im Allgemeinen können erfindungsgemäss Polymere mit einem Stickstoffatom in der Hauptkette und/oder in der Seitenkette eingesetzt werden.Basic polymers, especially polymers having at least one nitrogen atom, are known in the art. In general, according to the invention, polymers having a nitrogen atom in the main chain and / or in the side chain can be used.
Zu den Polymeren mit einem Stickstoffatom in der Hauptkette gehören beispielsweise Polyphosphazene, Polyimine, Polyisocyanide, Polyetherimin, Polyanilin, Polyamide, Polyhydrazide, Polyurethane, Polyimide, Polyazole und/oder Polyazine.The polymers having a nitrogen atom in the main chain include, for example, polyphosphazenes, polyimines, polyisocyanides, polyetherimine, polyaniline, polyamides, polyhydrazides, polyurethanes, polyimides, polyazoles and / or polyazines.
Bevorzugt umfassen die Polymermembranen Polymere mit mindestens einem Stickstoffatom in einer Wiederholungseinheit verwendet. Hierbei können auch Copolymere eingesetzt werden, die neben Wiederholungseinheiten mit einem Stickstoffatom auch Wiederholungseinheiten ohne ein Stickstoffatom umfassen.Preferably, the polymer membranes comprise polymers having at least one nitrogen atom used in a repeat unit. This can also be done Copolymers can be used which comprise repeating units with a nitrogen atom and repeating units without a nitrogen atom.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden basische Polymere mit mindestens einem Stickstoffatom eingesetzt. Der Begriff basisch ist in der Fachwelt bekannt, wobei insbesondere Lewis- und Bronstedtbasizität hierunter zu verstehen ist.According to a particular aspect of the present invention, basic polymers having at least one nitrogen atom are used. The term basic is known in the art, in particular Lewis and Bronstedtbasizität to understand this.
Die Wiederholungseinheit im basischen Polymer enthält vorzugsweise einen aromatischen Ring mit mindestens einem Stickstoffatom. Bei dem aromatischen Ring handelt es sich vorzugsweise um einen fünf- oder sechsgliedrigen Ring mit eins bis drei Stickstoffatomen, der mit einem anderen Ring, insbesondere einem anderen aromatischen Ring, anelliert sein kann.The repeating unit in the basic polymer preferably contains an aromatic ring having at least one nitrogen atom. The aromatic ring is preferably a five- or six-membered ring having one to three nitrogen atoms which may be fused to another ring, especially another aromatic ring.
Polymere auf Basis von Polyazol enthalten im allgemeinen wiederkehrendePolymers based on polyazole generally contain recurring
Azoleinheiten der allgemeinen Formel (I) und/oder (II) und/oder (III) und/oder (IV) und/oder (V) und/oder (VI) und/oder (VII) und/oder (VIII) und/oder (IX) und/oder (X) und/oder (Xl) und/oder (XII) und/oder (XIII) und/oder (XIV) und/oder (XV) und/oder (XVI) und/oder (XVI) und/oder (XVII) und/oder (XVIII) und/oder (XIX) und/oder (XX) und/oder (XXI) und/oder (XXII) Azole units of the general formula (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV) and / or (V) and / or (VI) and / or (VII) and / or (VIII) and or (IX) and / or (X) and / or (XI) and / or (XII) and / or (XIII) and / or (XIV) and / or (XV) and / or (XVI) and / or (XVI) and / or (XVII) and / or (XVIII) and / or (XIX) and / or (XX) and / or (XXI) and / or (XXII)
(xviii; (Xviii;
(XXII)(XXII)
worin wherein
Ar gleich oder verschieden sind und für eine vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar1 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann,Ar are the same or different and, for a four-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 1 are the same or different and are a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar2 gleich oder verschieden sind und für eine zwei oder dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar3 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar4 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar5 gleich oder verschieden sind und für eine vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar6 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann,Ar 2 are the same or different and, for a two- or three-membered aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 3 are the same or different and for a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 4 are the same or different and for a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 5 are the same or different and for a vierbindige aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 6 are the same or different and a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear,
Ar7 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar8 gleich oder verschieden sind und für eine dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar9 gleich oder verschieden sind und für eine zwei- oder drei- oder vierbindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar10 gleich oder verschieden sind und für eine zwei- oder dreibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, Ar11 gleich oder verschieden sind und für eine zweibindige aromatische oder heteroaromatische Gruppe, die ein- oder mehrkernig sein kann, X gleich oder verschieden ist und für Sauerstoff, Schwefel oder eineAr 7 are the same or different and for a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 8 are the same or different and for a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 9 is the same or are different and for a di- or tri- or tetra-aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, Ar 10 are the same or different and are a di- or trivalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear , Ar 11 are the same or different and for a divalent aromatic or heteroaromatic group which may be mononuclear or polynuclear, X is the same or different and is oxygen, sulfur or a
Aminogruppe, die ein Wasserstoffatom, eine 1- 20 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe, vorzugsweise eine verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl- oder Alkoxygruppe, oder eine Arylgruppe als weiteren Rest trägtAmino group which carries a hydrogen atom, a 1-20 carbon atoms group, preferably a branched or unbranched alkyl or alkoxy group, or an aryl group as a further radical
R gleich oder verschieden für Wasserstoff, eine Alkylgruppe und eine aromatischeR is the same or different hydrogen, an alkyl group and an aromatic
Gruppe steht, mit der Maßgabe das R in der Formel (XX) nicht für Wasserstoff steht und n, m eine ganze Zahl größer gleich 10, bevorzugt größer gleich 100 ist.Group is, with the proviso that R in the formula (XX) is not hydrogen and n, m is an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
Erfindungsgemäss bevorzugte aromatische oder heteroaromatische Gruppen leiten sich von Benzol, Naphthalin, Biphenyl, Diphenylether, Diphenylmethan, Diphenyldimethylmethan, Bisphenon, Diphenylsulfon, Thiophen, Furan, Pyrrol, Thiazol, Oxazol, Imidazol, Isothiazol, Isoxazol, Pyrazol, 1 ,3,4-Oxadiazol, 2,5- Diphenyl-1 ,3,4-oxadiazol, 1 ,3,4-Thiadiazol, 1 ,3,4-Triazol, 2,5-Diphenyl-1 ,3,4-triazol, 1 ,2,5-Triphenyl-1 ,3,4-triazol, 1 ,2,4-Oxadiazol, 1 ,2,4-Thiadiazol, 1 ,2,4-Triazol, 1 ,2,3- Triazol, 1 ,2,3,4-Tetrazol, Benzo[b]thiophen, Benzo[b]furan, Indol, Benzo[c]thiophen, Benzo[c]furan, Isoindol, Benzoxazol, Benzothiazol, Benzimidazol, Benzisoxazol, Benzisothiazol, Benzopyrazol, Benzothiadiazol, Benzotriazol, Dibenzofuran,Preferred aromatic or heteroaromatic groups according to the invention are derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, thiophene, furan, pyrrole, thiazole, oxazole, imidazole, isothiazole, isoxazole, pyrazole, 1,3,4-oxadiazole , 2,5- Diphenyl-1, 3,4-oxadiazole, 1, 3,4-thiadiazole, 1, 3,4-triazole, 2,5-diphenyl-1, 3,4-triazole, 1, 2,5-triphenyl-1, 3,4-triazole, 1, 2,4-oxadiazole, 1, 2,4-thiadiazole, 1, 2,4-triazole, 1, 2,3-triazole, 1, 2,3,4-tetrazole, benzo [ b] thiophene, benzo [b] furan, indole, benzo [c] thiophene, benzo [c] furan, isoindole, benzoxazole, benzothiazole, benzimidazole, benzisoxazole, benzisothiazole, benzopyrazole, benzothiadiazole, benzotriazole, dibenzofuran,
Dibenzothiophen, Carbazol, Pyridin, Bipyridin, Pyrazin, Pyrazol, Pyrimidin, Pyridazin, 1 ,3,5-Triazin, 1 ,2,4-Triazin, 1 ,2,4,5-Triazin, Tetrazin, Chinolin, Isochinolin, Chinoxalin, Chinazolin, Cinnolin, 1 ,8-Naphthyridin, 1 ,5-Naphthyridin, 1 ,6-Naphthyridin, 1 ,7- Naphthyridin, Phthalazin, Pyridopyrimidin, Purin, Pteridin oder Chinolizin, 4H- Chinolizin, Diphenylether, Anthracen, Benzopyrrol, Benzooxathiadiazol,Dibenzothiophene, carbazole, pyridine, bipyridine, pyrazine, pyrazole, pyrimidine, pyridazine, 1, 3,5-triazine, 1, 2,4-triazine, 1, 2,4,5-triazine, tetrazine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, Quinazoline, cinnoline, 1,8-naphthyridine, 1,5-naphthyridine, 1,6-naphthyridine, 1,7-naphthyridine, phthalazine, pyridopyrimidine, purine, pteridine or quinolizine, 4H-quinolizine, diphenyl ether, anthracene, benzopyrrole, benzooxathiadiazole,
Benzooxadiazol, Benzopyridin, Benzopyrazin, Benzopyrazidin, Benzopyrimidin, Benzotriazin, Indolizin, Pyridopyridin, Imidazopyrimidin, Pyrazinopyrimidin, Carbazol, Aciridin, Phenazin, Benzochinolin, Phenoxazin, Phenothiazin, Acridizin, Benzopteridin, Phenanthrolin und Phenanthren ab, die gegebenenfalls auch substituiert sein können.Benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzotriazine, indolizine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aciridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, benzopteridine, phenanthroline and phenanthrene, which may optionally be substituted.
Dabei ist das Substitionsmuster von Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8, Ar9, Ar10, Ar11 beliebig, im Falle vom Phenylen beispielsweise kann Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8, Ar9, Ar10, Ar11 Ortho-, meta- und para-Phenylen sein. Besonders bevorzugte Gruppen leiten sich von Benzol und Biphenylen, die gegebenenfalls auch substituiert sein können, ab.Here, the substitution pattern of Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 is arbitrary, in the case of phenylene, for example, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 are ortho, meta and para-phenylene. Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenylene, which may optionally also be substituted.
Bevorzugte Alkylgruppen sind kurzkettige Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methyl-, Ethyl-, n- oder i-Propyl- und t-Butyl-Gruppen.Preferred alkyl groups are short chain alkyl groups of 1 to 4 carbon atoms, such as. For example, methyl, ethyl, n- or i-propyl and t-butyl groups.
Bevorzugte aromatische Gruppen sind Phenyl- oder Naphthyl-Gruppen. DiePreferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups. The
Alkylgruppen und die aromatischen Gruppen können substituiert sein.Alkyl groups and the aromatic groups may be substituted.
Bevorzugte Substituenten sind Halogenatome wie z. B. Fluor, Aminogruppen, Hydroxygruppen oder kurzkettige Alkylgruppen wie z. B. Methyl- oder Ethylgruppen.Preferred substituents are halogen atoms such as. As fluorine, amino groups, hydroxy groups or short-chain alkyl groups such as. For example, methyl or ethyl groups.
Bevorzugt sind Polyazole mit wiederkehrenden Einheiten der Formel (I) bei denen die Reste X innerhalb einer wiederkehrenden Einheit gleich sind.Preference is given to polyazoles having repeating units of the formula (I) in which the radicals X within a repeating unit are identical.
Die Polyazole können grundsätzlich auch unterschiedliche wiederkehrende Einheiten aufweisen, die sich beispielsweise in ihrem Rest X unterscheiden. Vorzugsweise jedoch weist es nur gleiche Reste X in einer wiederkehrenden Einheit auf. Weitere bevorzugte Polyazol-Polymere sind Polyimidazole, Polybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polyquinoxalines, Polythiadiazole Poly(pyridine), Poly(pyrimidine), und Poly(tetrazapyrene).In principle, the polyazoles can also have different recurring units which differ, for example, in their radical X. Preferably, however, it has only the same X radicals in a repeating unit. Other preferred polyazole polymers are polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly (pyridines), poly (pyrimidines), and poly (tetrazapyrenes).
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polymer enthaltend wiederkehrende Azoleinheiten ein Copolymer oder ein Blend, das mindestens zwei Einheiten der Formel (I) bis (XXII) enthält, die sich voneinander unterscheiden. Die Polymere können als Blockcopolymere (Diblock, Triblock), statistische Copolymere, periodische Copolymere und/oder alternierende Polymere vorliegen.In a further embodiment of the present invention, the polymer containing recurring azole units is a copolymer or a blend containing at least two units of the formulas (I) to (XXII) which differ from each other. The polymers can be present as block copolymers (diblock, triblock), random copolymers, periodic copolymers and / or alternating polymers.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polymer enthaltend wiederkehrende Azoleinheiten ein Polyazol, das nur Einheiten der Formel (I) und/oder (II) enthält.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the polymer containing recurring azole units is a polyazole which contains only units of the formula (I) and / or (II).
Die Anzahl der wiederkehrende Azoleinheiten im Polymer ist vorzugsweise eine ganze Zahl größer gleich 10. Besonders bevorzugte Polymere enthalten mindestens 100 wiederkehrende Azoleinheiten.The number of repeating azole units in the polymer is preferably an integer greater than or equal to 10. Particularly preferred polymers contain at least 100 recurring azole units.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Polymere enthaltend wiederkehrendenIn the context of the present invention are polymers containing recurring
Benzimidazoleinheiten bevorzugt. Einige Beispiele der äußerst zweckmäßigen Polymere enthaltend wiederkehrenden Benzimidazoleinheiten werden durch die nachfolgenden Formeln wiedergegeben:Benzimidazole units preferred. Some examples of the most useful polymers containing recurring benzimidazole units are represented by the following formulas:
10 10
HH
1010
1010
wobei n und m eine ganze Zahl größer gleich 10, vorzugsweise größer gleich 100 ist.where n and m is an integer greater than or equal to 10, preferably greater than or equal to 100.
Weitere bevorzugte Polyazol-Polymere sind Polyimidazole, Polybenzimidazoletherketon, Polybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polytriazole, Polyoxadiazole, Polythiadiazole, Polypyrazole, Polyquinoxalines, Poly(pyhdine), Poly(pyrimidine), und Poly(tetrazapyrene).Other preferred polyazole polymers are polyimidazoles, polybenzimidazole ether ketone, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polytriazoles, polyoxadiazoles, polythiadiazoles, polypyrazoles, polyquinoxalines, poly (pyridines), poly (pyrimidines), and poly (tetrazapyrenes).
Bevorzugte Polyazole zeichnen sich durch ein hohes Molekulargewicht aus. Dies gilt insbesondere für die Polybenzimidazole. Gemessen als Intrinsische Viskosität liegt diese im Bereich von 0,3 bis 10 dl/g, vorzugsweise 1 bis 5 dl/g.Preferred polyazoles are characterized by a high molecular weight. This is especially true for the polybenzimidazoles. Measured as intrinsic viscosity, this is in the range of 0.3 to 10 dl / g, preferably 1 to 5 dl / g.
Besonders bevorzugt ist Celazole der Fa. Celanese. Die Eigenschaften der Polymerfolie und Polymermembran können durch Sieben des Ausgangspolymers, wie in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10129458.1 beschrieben, verbessert werden.Celazole is particularly preferred from Celanese. The properties of the polymer film and polymer membrane can be improved by screening the starting polymer as described in German Patent Application No. 10129458.1.
Ganz besonders bevorzugt werden para-Polybenzimidazole bei der Herstellung der Polymerelektrolytmembranen eingesetzt. Hierbei umfassen die Polybenzimidazole insbesondere sechsgliederige aromatische Gruppen, die in 1 ,4 Stellung verknüpft sind. Besonders bevorzugt wird Poly[2,2'-(p-phenylene)-5,5'-bisbenzimidazol] eingesetzt.Very particular preference is given to using para-polybenzimidazoles in the preparation of the polymer electrolyte membranes. In this case, the polybenzimidazoles in particular include six-membered aromatic groups which are linked in 1, 4 position. Particular preference is given to using poly [2,2 '- (p-phenylene) -5,5'-bisbenzimidazole].
Die zur Dotierung eingesetzte Polymerfolie auf Basis von basischen Polymeren kann noch weitere Zusätze an Füll- und/oder Hilfsstoffen aufweisen. Zusätzlich kann der Polymerfilm weitere Modifizierungen, beispielsweise durch Vernetzung wie in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10110752.8 oder in WO 00/44816 aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die zur Dotierung eingesetzte Polymerfolie aus einem basischen Polymer und mindestens einer Blendkomponente zusätzlich einem Vernetzer wie in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10140147.7 beschrieben. Wesentlicher Vorteil eines solchen Systems ist die Tatsache dass höhere Dotierungsgrade und somit höhere Leitfähigkeit bei ausreichender mechanischer Membranstabilität erzielt werden können.The polymer film used for doping based on basic polymers may have further additives to fillers and / or auxiliaries. In addition, the polymer film may have further modifications, for example by crosslinking, as in German Patent Application No. 10110752.8 or in WO 00/44816. In In a preferred embodiment, the polymer film used for doping, comprising a basic polymer and at least one blend component, additionally contains a crosslinker as described in German Patent Application No. 10140147.7. An essential advantage of such a system is the fact that higher doping levels and thus higher conductivity can be achieved with sufficient mechanical membrane stability.
Neben den vorstehend genannten basischen Polymeren kann auch ein Blend aus einem oder mehreren basischen Polymeren mit einem weiteren Polymer eingesetzt werden. Die Blendkomponeηte hat dabei im Wesentlichen die Aufgabe die mechanischen Eigenschaften zu verbessern und die Materialkosten zu verringern. Eine bevorzugte Blendkomponente ist dabei Polyethersulfon wie in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10052242.4 beschrieben.In addition to the abovementioned basic polymers, it is also possible to use a blend of one or more basic polymers with another polymer. The Blendkomponeηte has essentially the task to improve the mechanical properties and reduce the cost of materials. A preferred blend component is polyethersulfone as described in German Patent Application No. 10052242.4.
Zu den bevorzugten Polymeren, die als Blenkomponente eingesetzt werden können, gehören unter anderem Polyolefine, wie Poly(cloropren), Polyacetylen, Polyphenylen, Poly(p-xylylen), Polyarylmethylen, Polyarmethylen, Polystyrol, Polymethylstyrol, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyvinylether, Polyvinylamin, Poly(N-vinylacetamid), Polyvinylimidazol, Polyvinylcarbazol, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylpyridin, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen,Among the preferred polymers which can be used as Blenkomponente include, inter alia, polyolefins, such as poly (cloroprene), polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylylene), polyarylmethylene, polyarmethylene, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl ether, polyvinylamine, Poly (N-vinylacetamide), polyvinylimidazole, polyvinylcarbazole, polyvinylpyrrolidone, polyvinylpyridine, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene,
Polyhexafluorpropylen, Copolymere von PTFE mit Hexafluoropropylen, mit Perfluorpropylvinylether, mit Trifluoronitrosomethan, mit Sulfonylfluoridvinylether, mit Carbalkoxy-perfluoralkoxyvinylether, Polychlortrifluorethylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid, Polyacrolein, Polyacrylamid, Polyacrylnitril, Polycyanacrylate, Polymethacrylimid, Cycloolefinische Copolymere, insbesondere aus Norbornen;Polyhexafluoropropylene, copolymers of PTFE with hexafluoropropylene, with perfluoropropyl vinyl ether, with trifluoronitrosomethane, with sulfonyl fluoride vinyl ether, with carbalkoxy perfluoroalkoxy vinyl ether, polychlorotrifluoroethylene, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyacrolein, polyacrylamide, polyacrylonitrile, polycyanoacrylates, polymethacrylimide, cycloolefinic copolymers, in particular of norbornene;
Polymere mit C-O-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polyacetal, Polyoxymethylen, Polyether, Polypropylenoxid, Polyepichlorhydrin, Polytetrahydrofuran, Polyphenylenoxid, Polyetherketon, Polyester, insbesondere Polyhydroxyessigsäure, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyhydroxybenzoat, Polyhydroxypropionsäure, Polypivalolacton, Polycaprolacton,Polymers having C-O bonds in the main chain, for example polyacetal, polyoxymethylene, polyether, polypropylene oxide, polyepichlorohydrin, polytetrahydrofuran, polyphenylene oxide, polyether ketone, polyesters, in particular polyhydroxyacetic acid, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyhydroxybenzoate, polyhydroxypropionic acid, polypivalolactone, polycaprolactone,
Polymalonsäure, Polycarbonat;Polymalonic acid, polycarbonate;
Polymere C-S-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polysulfidether, Polyphenylensulfid, Polyethersulfon; Polymere C-N-Bindungen in der Hauptkette, beispielsweise Polyimine, Polyisocyanide, Polyetherimin, Polyanilin, Polyamide, Polyhydrazide,Polymer C-S bonds in the main chain, for example, polysulfide ether, polyphenylene sulfide, polyethersulfone; Polymers C-N bonds in the main chain, for example polyimines, polyisocyanides, polyetherimine, polyaniline, polyamides, polyhydrazides,
Polyurethane, Polyimide, Polyazole, Polyazine; Flüssigkristalline Polymere, insbesondere Vectra sowiePolyurethanes, polyimides, polyazoles, polyazines; Liquid crystalline polymers, especially Vectra and
Anorganische Polymere, beispielsweise Polysilane, Polycarbosilane, Polysiloxane, Polykieselsäure, Polysilikate, Silicone, Polyphosphazene und Polythiazyl. Zur Anwendung in Brennstoffzellen mit einer Dauergebrauchstemperatur oberhalb 1000C werden solche Blend-Polymere bevorzugt, die eine Glasübergangstemperatur oder Vicat-Erweichungstemperatur VST/A/50 von mindestens 1000C, bevorzugt mindestens 1500C und ganz besonders bevorzugt mindestens 1800C haben. Hierbei sind Polysulfone mit einer Vicat-Inorganic polymers, for example polysilanes, polycarbosilanes, polysiloxanes, polysilicic acid, polysilicates, silicones, polyphosphazenes and polythiazyl. For use in fuel cells having a continuous use temperature above 100 ° C., preference is given to those blend polymers which have a glass transition temperature or Vicat softening temperature VST / A / 50 of at least 100 ° C., preferably at least 150 ° C. and very particularly preferably at least 180 ° C. , These are polysulfones with a Vicat
Erweichungstemperatur VST/A/50 von 1800C bis 230°C bevorzugt.Softening temperature VST / A / 50 of 180 0 C to 230 ° C is preferred.
Zu den bevorzugten Polymeren gehören Polysulfone, insbesondere Polysulfon mit Aromaten in der Hauptkette. Gemäss einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen bevorzugte Polysulfone und Polyethersulfone eine Schmelzvolumenrate MVR 300/21 ,6 kleiner oder gleich 40 cm3/ 10 min, insbesondere kleiner oder gleich 30 cm3/ 10 min und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 20 cm3/ 10 min gemessen nach ISO 1133 auf.Preferred polymers include polysulfones, especially polysulfone having aromatics in the backbone. Have According to a particular aspect of the present invention, preferred polysulfones and polyether sulfones have a melt volume rate MVR 300/21, 6 is less than or equal to 40 cm 3/10 min, especially less than or equal to 30 cm 3/10 min and particularly preferably less than or equal to 20 cm 3 / 10 min measured to ISO 1133.
Gemäss einem besonderen Aspekt kann die Polymermembran mindestens einIn a particular aspect, the polymer membrane may be at least one
Polymer mit aromatischen Sulfonsäuregruppen umfassen. Aromatische Sulfonsäuregruppen sind Gruppen, bei denen die Sulfonsäuregruppe (-SO3H) kovalent an eine aromatischen oder heteroaromatischen Gruppe gebunden ist. Die aromatische Gruppe kann ein Teil der Hauptkette (back bone) des Polymeren oder ein Teil einer Seitengruppe sein, wobei Polymere mit aromatischen Gruppen in derPolymer having aromatic sulfonic acid groups. Aromatic sulfonic acid groups are groups in which the sulfonic acid group (-SO 3 H) is covalently bonded to an aromatic or heteroaromatic group. The aromatic group may be part of the backbone of the polymer or part of a side group, with polymers having aromatic groups in the
Hauptkette bevorzugt sind. Die Sulfonsäuregruppen können vielfach auch in Form der Salze eingesetzt werden. Des Weiteren können auch Derivate, beispielsweise Ester, insbesondere Methyl- oder Ethylester, oder Halogenide der Sulfonsäuren verwendet werden, die beim Betrieb der Membran in die Sulfonsäure umgesetzt werden.Main chain are preferred. The sulfonic acid groups can also be used in many cases in the form of the salts. Furthermore, it is also possible to use derivatives, for example esters, in particular methyl or ethyl esters, or halides of the sulfonic acids, which are converted into the sulfonic acid during operation of the membrane.
Bevorzugte aromatische oder heteroaromatische Gruppen leiten sich von Benzol, Naphthalin, Biphenyl, Diphenylether, Diphenylmethan, Diphenyldimethylmethan, Bisphenon, Diphenylsulfon, Thiophen, Furan, Pyrrol, Thiazol, Oxazol, Imidazol, Isothiazol, Isoxazol, Pyrazol, 1 ,3,4-Oxadiazol, 2,5-Diphenyl-1 ,3,4-oxadiazol, 1 ,3,4-Preferred aromatic or heteroaromatic groups are derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, thiophene, furan, pyrrole, thiazole, oxazole, imidazole, isothiazole, isoxazole, pyrazole, 1, 3,4-oxadiazole, 2,5-diphenyl-1, 3,4-oxadiazole, 1, 3,4-
Thiadiazol, 1 ,3,4-Triazol, 2,5-Diphenyl-1 ,3,4-triazol, i ^.δ-Triphenyl-I .S^-triazol, 1 ,2,4-Oxadiazol, 1 ,2,4-Thiadiazol, 1 ,2,4-Triazol, 1 ,2,3-Triazol, 1 ,2,3,4-Tetrazol, Benzo[b]thiophen, Benzo[b]furan, Indol, Benzo[c]thiophen, Benzo[c]furan, Isoindol, Benzoxazol, Benzothiazol, Benzimidazol, Benzisoxazol, Benzisothiazol, Benzopyrazol, Benzothiadiazol, Benzotriazol, Dibenzofuran, Dibenzothiophen,Thiadiazole, 1, 3,4-triazole, 2,5-diphenyl-1, 3,4-triazole, i, δ-triphenyl-I, S-triazole, 1, 2,4-oxadiazole, 1, 2, 4-thiadiazole, 1, 2,4-triazole, 1, 2,3-triazole, 1, 2,3,4-tetrazole, benzo [b] thiophene, benzo [b] furan, indole, benzo [c] thiophene, Benzo [c] furan, isoindole, benzoxazole, benzothiazole, benzimidazole, benzisoxazole, benzisothiazole, benzopyrazole, benzothiadiazole, benzotriazole, dibenzofuran, dibenzothiophene,
Carbazol, Pyridin, Bipyridin, Pyrazin, Pyrazol, Pyrimidin, Pyridazin, 1 ,3,5-Triazin, 1 ,2,4-Triazin, 1 ,2,4,5-Triazin, Tetrazin, Chinolin, Isochinolin, Chinoxalin, Chinazolin, Cinnolin, 1 ,8-Naphthyridin, 1 ,5-Naphthyridin, 1 ,6-Naphthyridin, 1 ,7-Naphthyridin, Phthalazin, Pyridopyrimidin, Purin, Pteridin oder Chinolizin, 4H-Chinolizin, Diphenylether, Anthracen, Benzopyrrol, Benzooxathiadiazol, Benzooxadiazol, Benzopyridin, Benzopyrazin, Benzopyrazidin, Benzopyrimidin, Benzotriazin, Indolizin, Pyridopyridin, Imidazopyrimidin, Pyrazinopyrimidin, Carbazol, Aciridin, Phenazin, Benzochinolin, Phenoxazin, Phenothiazin, Acridizin, Benzopteridin, Phenanthrolin und Phenanthren ab, die gegebenenfalls auch substituiert sein können. BevorzugteCarbazole, pyridine, bipyridine, pyrazine, pyrazole, pyrimidine, pyridazine, 1, 3,5-triazine, 1, 2,4-triazine, 1, 2,4,5-triazine, tetrazine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, quinazoline, Cinnoline, 1,8-naphthyridine, 1,5-naphthyridine, 1,6-naphthyridine, 1,7-naphthyridine, phthalazine, pyridopyrimidine, purine, pteridine or quinolizine, 4H-quinolizine, Diphenyl ethers, anthracene, benzopyrrole, benzooxathiadiazole, benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzotriazine, indolizine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aciridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, benzopteridine, phenanthroline and phenanthrene optionally also be substituted. preferred
Substituenten sind Halogenatome wie z. B. Fluor, Aminogruppen, Hydroxygruppen oder Alkylgruppen.Substituents are halogen atoms such as. As fluorine, amino groups, hydroxy groups or alkyl groups.
Dabei ist das Substitionsmuster beliebig, im Falle vom Phenylen beispielsweise kann ortho-, meta- und para-Phenylen sein. Besonders bevorzugte Gruppen leiten sich von Benzol und Biphenylen, die gegebenenfalls auch substituiert sein können, ab.The substitution pattern is arbitrary, in the case of phenylene, for example, ortho, meta and para-phenylene can be. Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenylene, which may optionally also be substituted.
Bevorzugte Alkylgruppen sind kurzkettige Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Methyl-, Ethyl-, n- oder i-Propyl- und t-Butyl-Gruppen.Preferred alkyl groups are short chain alkyl groups of 1 to 4 carbon atoms, such as. For example, methyl, ethyl, n- or i-propyl and t-butyl groups.
Bevorzugte aromatische Gruppen sind Phenyl- oder Naphthyl-Gruppen. Die Aikylgruppen und die aromatischen Gruppen können substituiert sein.Preferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups. The aikyl groups and the aromatic groups may be substituted.
Die mit Sulfonsäuregruppen modifizierten Polymere besitzen vorzugsweise einen Gehalt an Sulfonsäuregruppen im Bereich von 0,5 bis 3 meq/g, vorzugsweise 0,5 bisThe polymers modified with sulfonic acid groups preferably have a content of sulfonic acid groups in the range from 0.5 to 3 meq / g, preferably 0.5 to
2 meq/g. Dieser Wert wird über die sog. lonenaustauschkapazität (IEC) bestimmt.2 meq / g. This value is determined by the so-called ion exchange capacity (IEC).
Zur Messung der IEC werden die Sulfonsäuregruppen in die freie Säure überführt. Hierzu wird das Polymere auf bekannte Weise mit Säure behandelt, wobei überschüssige Säure durch Waschen entfernt wird. So wird das sulfonierte Polymer zunächst 2 Stunden in siedendem Wasser behandelt. Anschließend wird überschüssiges Wasser abgetupft und die Probe während 15 Stunden bei 1600C im Vakkumtrockenschrank bei p<1 mbar getrocknet. Dann wird das Trockengewicht der Membran bestimmt. Das so getrocknete Polymer wird dann in DMSO bei 800C während 1 h gelöst. Die Lösung wird anschließend mit 0,1 M NaOH titriert. Aus demTo measure the IEC, the sulfonic acid groups are converted into the free acid. For this purpose, the polymer is treated in a known manner with acid, wherein excess acid is removed by washing. Thus, the sulfonated polymer is first treated for 2 hours in boiling water. Excess water is then swabbed and the sample for 15 hours at 160 0 C in a vacuum drying cabinet at p <1 mbar. Then the dry weight of the membrane is determined. The thus dried polymer is then dissolved in DMSO at 80 0 C for 1 h. The solution is then titrated with 0.1 M NaOH. From the
Verbrauch der Säure bis zum Equivalentpunkt und dem Trockengewicht wird dann die lonenaustauschkapazität (IEC) berechnet.Consumption of the acid up to the equivalent point and the dry weight is then calculated the ion exchange capacity (IEC).
Polymere mit an aromatische Gruppen kovalent gebundenen Sulfonsäuregruppen sind in der Fachwelt bekannt. So können Polymer mit aromatischenPolymers having sulfonic acid groups covalently bonded to aromatic groups are known in the art. So can polymer with aromatic
Sulfonsäuregruppen beispielsweise durch Sulfonierung von Polymeren hergestellt werden. Verfahren zur Sulfonierung von Polymeren sind in F. Kucera et. al. Polymer Engineering and Science1988, Vol. 38, No 5, 783-792 beschrieben. Hierbei können die Sulfonierungsbedingungen so gewählt werden, dass ein niedriger Sulfonierungsgrad entsteht (DE-A-19959289).Sulfonic acid groups are prepared for example by sulfonation of polymers. Methods for sulfonating polymers are described in F. Kucera et. al. Polymer Engineering and Science 1988, Vol. 38, No. 5, 783-792. Here you can the sulfonation conditions are chosen so that a low degree of sulfonation is formed (DE-A-19959289).
Im Hinblick auf Polymere mit aromatischen Sulfonsäuregruppen, deren aromatische Reste Teil der Seitengruppe sind, sei insbesondere auf Polystyrolderivate verwiesen.With regard to polymers having aromatic sulfonic acid groups whose aromatic radicals are part of the side group, reference may be made in particular to polystyrene derivatives.
So beschreibt die Druckschrift US-A-6110616 Copolymere aus Butadien und Styrol und deren anschliessende Sulfonierung zur Verwendung für Brennstoffzellen.Thus, the document US-A-6110616 describes copolymers of butadiene and styrene and their subsequent sulfonation for use in fuel cells.
Des Weiteren können derartige Polymere auch durch Polyreaktionen von Monomeren erhalten werden, die Säuregruppen umfassen. So können perfluorinierteFurthermore, such polymers can also be obtained by polyreactions of monomers comprising acid groups. So can perfluorinated
Polymere wie in US-A-5422411 beschrieben durch Copolymerisation aus Trifluorostyrol und sulfonylmodifiziertem Trifuorostyrol hergestellt werden.Polymers as described in US-A-5422411 are prepared by copolymerization of trifluorostyrene and sulfonyl-modified trifuorostyrene.
Gemäss einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden hochtemperaturstabile Thermoplaste eingesetzt, die an aromatische Gruppen gebundene Sulfonsäuregruppen aufweisen. Im Allgemeinen weisen derartige Polymere in der Hauptkette aromatische Gruppen auf. So sind sulfonierte Polyetherketone (DE-A-4219077, WO96/01177), sulfonierte Polysulfone (J. Membr. Sei. 83 (1993) p.211 ) oder sulfoniertes Polyphenylensulfid (DE-A-19527435) bevorzugt.According to a particular aspect of the present invention, high temperature stable thermoplastics are used which have sulfonic acid groups attached to aromatic groups. In general, such polymers have aromatic groups in the main chain. Thus, sulfonated polyether ketones (DE-A-4219077, WO96 / 01177), sulfonated polysulfones (J. Membr. Sei. 83 (1993) p.211) or sulfonated polyphenylene sulfide (DE-A-19527435) are preferred.
Die zuvor dargelegten Polymere mit an Aromaten gebundenen Sulfonsäuregruppen können einzeln oder als Mischung eingesetzt werden, wobei insbesondere Mischungen bevorzugt sind, die Polymere mit Aromaten in der Hauptkette aufweisen.The polymers with sulfonic acid groups bound to aromatics described above can be used individually or as a mixture, particular preference being given to mixtures having polymers with aromatics in the main chain.
Das Molekulargewicht der Polymere mit an Aromaten gebundenen Sulfonsäuregruppen kann, je nach Art des Polymeren sowie dessen Verarbeitbarkeit in weiten Bereichen liegen. Vorzugsweise liegt das Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw im Bereich von 5000 bis 10 000 000, insbesondere 10000 bis 1000 000, besonders bevorzugt 15000 bis 50 000. Gemäss einem besonderenThe molecular weight of the polymers having sulfonic acid groups bonded to aromatics can be within wide ranges, depending on the nature of the polymer and its processability. The weight-average molecular weight M w is preferably in the range from 5000 to 10 000 000, in particular 10 000 to 1000 000, particularly preferably 15000 to 50 000. According to a particular
Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Polymere mit an Aromaten gebundenen Sulfonsäuregruppen, die einen geringen Polydispersitätsindex Mw/Mn aufweisen. Vorzugsweise liegt der Polydispersitätsindex im Bereich 1 bis 5, insbesondere 1 bis 4.Aspects of the present invention are polymers having aromatic-bonded sulfonic acid groups which have a low polydispersity index M w / M n . The polydispersity index is preferably in the range 1 to 5, in particular 1 to 4.
Zur weiteren Verbesserung der anwendungstechnischen Eigenschaften kann das flächige Material Füllstoffe, insbesondere protonenleitende Füllstoffe, aufweisen. Nicht limitierende Beispiele für Protonenleitende Füllstoffe sindTo further improve the performance properties, the sheet material fillers, in particular proton-conductive fillers, have. Non-limiting examples of proton-conductive fillers are
Sulfate wie: CsHSO4, Fe(SO4)2, (NH4)3H(SO4)2, LiHSO4, NaHSO4, KHSO4,Sulfates such as: CsHSO 4 , Fe (SO 4 ) 2 , (NH 4 ) 3 H (SO 4 ) 2, LiHSO 4 , NaHSO 4 , KHSO 4 ,
RbSO4, LiN2H5SO4, NH4HSO4,RbSO 4 , LiN 2 H 5 SO 4 , NH 4 HSO 4 ,
Phosphate wie Zr3(PO4)4, Zr(HPO4)2, HZr2(PO4)3, UO2PO4.3H2O, H8UO2PO4, Ce(HPO4)2, Ti(HPO4)2, KH2PO4, NaH2PO4, LiH2PO4, NH4H2PO4,Phosphates such as Zr 3 (PO 4 ) 4 , Zr (HPO 4 ) 2 , HZr 2 (PO 4 ) 3 , UO 2 PO 4 .3H 2 O, H 8 UO 2 PO 4 , Ce (HPO 4 ) 2 , Ti ( HPO 4 ) 2 , KH 2 PO 4 , NaH 2 PO 4 , LiH 2 PO 4 , NH 4 H 2 PO 4 ,
CsH2PO4, CaHPO4, MgHPO4, HSbP2O8, HSb3P2O14, H5Sb5P2O20, Polysäure wie H3PW12O40.nH2O (n=21-29), H3SiW12O40.nH2O (n=21-29), HxWO3, HSbWO6, H3PMOi2O40, H2Sb4O11, HTaWO6, HNbO3, HTiNbO5, HTiTaO5, HSbTeO6, H5Ti4O9, HSbO3, H2MoO4 Selenite und Arsenide wie (NH4)3H(SeO4)2, UO2AsO4, (NH4)3H(SeO4)2, KH2AsO4,CsH 2 PO 4 , CaHPO 4 , MgHPO 4 , HSbP 2 O 8 , HSb 3 P 2 O 14 , H 5 Sb 5 P 2 O 20 , polyacid such as H 3 PW 12 O 40 .nH 2 O (n = 21-29 ), H 3 SiW 12 O 40 .nH 2 O (n = 21-29), H x WO 3 , HSbWO 6 , H 3 PMOi 2 O 40 , H 2 Sb 4 O 11 , HTaWO 6 , HNbO 3 , HTiNbO 5 , HTiTaO 5 , HSbTeO 6 , H 5 Ti 4 O 9 , HSbO 3 , H 2 MoO 4 selenites and arsenides such as (NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , UO 2 AsO 4 , (NH 4 ) 3 H (SeO 4 ) 2 , KH 2 AsO 4 ,
Cs3H(SeO4)2, Rb3H(SeO4)2, Phosphide wie ZrP, TiP, HfPCs 3 H (SeO 4 ) 2 , Rb 3 H (SeO 4 ) 2 , phosphides such as ZrP, TiP, HfP
Oxide wie AI2O3, Sb2O5, ThO2, SnO2, ZrO2, MoO3 Oxides such as Al 2 O 3 , Sb 2 O 5 , ThO 2 , SnO 2 , ZrO 2 , MoO 3
Silikate wie Zeolithe, Zeolithe(NH4+), Schichtsilikate, Gerüstsilikate, H-Natrolite, H-Mordenite, NH4-Analcine, NH4-Sodalite, NH4-Gallate, H-Silicates such as zeolites, zeolites (NH 4 +), phyllosilicates, framework silicates, H-natrolites, H-mordenites, NH 4 -alcines, NH 4 -sodalites, NH 4 -gallates, H-
Montmorillonite Säuren wie HCIO4, SbF5 Füllstoffe wie Carbide, insbesondere SiC, Si3N4, Fasern, insbesondere Glasfasern,Montmorillonite acids such as HCIO 4 , SbF 5 fillers such as carbides, in particular SiC, Si 3 N 4 , fibers, in particular glass fibers,
Glaspulvern und/oder Polymerfasern, bevorzugt auf Basis von Polyazolen.Glass powders and / or polymer fibers, preferably based on polyazoles.
Diese Additive können in der protonenleitenden Polymermembran in üblichen Mengen enthalten sein, wobei jedoch die positiven Eigenschaften, wie hohe Leitfähigkeit, hohe Lebensdauer und hohe mechanische Stabilität der Membran durch Zugabe von zu großen Mengen an Additiven nicht allzu stark beeinträchtigt werden sollten. Im Allgemeinen umfasst die Membran höchstens 80 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 50 Gew.-% und besonders bevorzugt höchstens 20 Gew.-% Additive.These additives can be present in the proton-conducting polymer membrane in conventional amounts, but the positive properties such as high conductivity, long life and high mechanical stability of the membrane should not be overly impaired by the addition of too large amounts of additives. In general, the membrane comprises at most 80% by weight, preferably at most 50% by weight and particularly preferably at most 20% by weight of additives.
Zur Herstellung der Polymerfolie werden die Polymerbestandteile zunächst wie in vorstehend zitierten Anmeldungen, beispielsweise DE Nr. 10110752.8 oder WO 00/44816, beschrieben gelöst bzw. suspendiert und anschließend zur Herstellung der Polymerfolien eingesetzt. Des Weiteren können die Polymerfolien gemäß DE Nr. 10052237.8 kontinuierlich hergestellt werden.To prepare the polymer film, the polymer components are first dissolved or suspended as described in the applications cited above, for example DE No. 10110752.8 or WO 00/44816, and then used to prepare the polymer films. Furthermore, the polymer films according to DE No. 10052237.8 can be produced continuously.
Alternativ dazu kann die Folienbildung gemäß dem in der japanischen Anmeldung Nr. Hei 10-125560 beschriebenen Verfahren erfolgen. Hierbei wird die Lösung in einen Zylinder mit zylinderförmiger Innenfläche gegossen, und anschließend der Zylinder in Drehung versetzt wird. Gleichzeitig lässt man das Lösungsmittel durch die durch die Drehung verursachte Zentrifugalkraft abdampfen; wobei sich auf der Innenfläche des Zylinders eine zylindrische Polymerfolie weitgehend einheitlicher Dicke bildet.Alternatively, the film formation may be carried out according to the method described in Japanese Application No. Hei 10-125560. In this case, the solution is poured into a cylinder with a cylindrical inner surface, and then the cylinder is rotated. At the same time, the solvent is allowed to evaporate by the centrifugal force caused by the rotation; wherein a cylindrical polymer film of substantially uniform thickness forms on the inner surface of the cylinder.
Mit diesem Verfahren kann das basische Polymer mit einer einheitlichen Matrix ausgebildet werden. Dieses in der japanischen Patentanmeldung Hei 10-125560 beschriebene Verfahren ist ebenfalls Bestandteil der vorliegenden Beschreibung.With this method, the basic polymer can be formed with a uniform matrix. This method described in Japanese Patent Application Hei 10-125560 is also part of the present specification.
Anschließend wird das Lösungsmittel entfernt. Dies kann mittel dem Fachmann bekannter Methoden geschehen, beispielsweise durch Trocknung. Anschließend wird die Folie aus basischem Polymer oder Polymerblend mit einer starken Säure, vorzugsweise einer Mineralsäure, imprägniert bzw. dotiert, wobei die Folie wie in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10109829.4 beschrieben zuvor behandelt werden kann. Diese Variante ist vorteilhaft um Wechselwirkungen des Restlösemittels mit der Sperrschicht auszuschließen.Subsequently, the solvent is removed. This can be done by means of methods known to the person skilled in the art, for example by drying. Subsequently, the film of basic polymer or polymer blend is impregnated or doped with a strong acid, preferably a mineral acid, wherein the film can be treated beforehand as described in German Patent Application No. 10109829.4. This variant is advantageous in order to exclude interactions of the residual solvent with the barrier layer.
Hierzu wird die Folie umfassend mindestens ein Polymer mit mindestens einem Stickstoffatom in eine starke Säure eingetaucht werden, so dass die Folie mit der starken Säure imprägniert und zur protonenleitenden Membran wird. Hierzu wird das vorzugsweise basische Polymer üblicherweise in eine hochkonzentrierte starke Säure mit einer Temperatur von mindestens 350C über einen Zeitraum von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden eingetaucht.For this purpose, the film comprising at least one polymer having at least one nitrogen atom is immersed in a strong acid, so that the film is impregnated with the strong acid and becomes the proton-conducting membrane. For this purpose, the preferably basic polymer is usually immersed in a highly concentrated strong acid having a temperature of at least 35 0 C over a period of several minutes to several hours.
Als starke Säure verwendet man Mineralsäure, insbesondere Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure.The strong acid used is mineral acid, in particular phosphoric acid and / or sulfuric acid.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung versteht man unter "Phosphorsäure" Polyphosphorsäure (Hn+2Pnθ3n+i (n>1 ) besitzen üblicherweise einen Gehalt berechnet als P2O5 (acidimetrisch) von mindestens 83%), Phosphonsäure (H3PO3), Orthophosphorsäure (H3PO4), Pyrophosphorsäure (H4P2O7), Triphosphorsäure (H5P3O1O) und Metaphosphorsäure. Die Phosphorsäure, insbesondere Orthophosphorsäure, hat vorzugsweise eine Konzentration von mindestens 80 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt eine Konzentration von mindestens 85In the context of the present description, "phosphoric acid" means polyphosphoric acid (H n + 2PnO 3n + i (n> 1) usually has a content calculated as P 2 O 5 (acidimetric) of at least 83%), 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. The phosphoric acid, in particular orthophosphoric acid, preferably has a concentration of at least 80 weight percent, more preferably a concentration of at least 85
Gewichtsprozent, noch weiter bevorzugt eine Konzentration von mindestens 87 Gewichtsprozent und ganz besonders bevorzugt eine Konzentration von mindestens 89 Gewichtsprozent. Der Grund dafür ist darin zu sehen, dass das vorzugsweise basische Polymer bei zunehmender Konzentration der starken Säure mit einer größeren Zahl von Molekülen starker Säure imprägniert werden kann.Weight percent, more preferably a concentration of at least 87 weight percent, and most preferably a concentration of at least 89 weight percent. The reason for this is that it is preferable basic polymer can be impregnated with a larger number of molecules of strong acid at increasing concentration of the strong acid.
Die erhaltene Polymerelektrolytmembran ist protonenleitend. Nach der Dotierung soll der Dotierungsgrad ausgedrückt als Mol Säure pro Wiederholungseinheit größer alsThe obtained polymer electrolyte membrane is proton conductive. After doping, the degree of doping expressed as moles of acid per repeating unit should be greater than
6, vorzugsweise größer als 8 und ganz besonders bevorzugt größer als 9 sein.6, preferably greater than 8 and most preferably greater than 9.
Anstelle der mittels klassischer Verfahren hergestellten Polymermembranen aufInstead of the polymer membranes produced by classical methods
Basis von vorzugsweise basischen Polymeren können auch die polyazolhaltigen Polymermembranen wie in den deutschen Patentanmeldungen Nr. 10117686.4,The basis of preferably basic polymers may also be the polyazole-containing polymer membranes as described in German Patent Applications No. 10117686.4, US Pat.
10144815.5, 10117687.2 beschrieben, eingesetzt werden. Derartige, mit mindestens einer Sperrschicht versehene Polymerelektrolytmembranen sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.10144815.5, 10117687.2 described, can be used. Such, provided with at least one barrier layer polymer electrolyte membranes are also the subject of the present invention.
Bevorzugt können Polymermembranen durch ein Verfahren erhalten werden umfassend die Schritte i) Herstellung einer Mischung umfassend Polyphosphorsäure, mindestens ein Polyazol und/oder mindestens ein oder mehrere Verbindungen, die unter Einwirkung von Wärme gemäß Schritt ii) zur Bildung von Polyazolen geeignet sind, ii) Erwärmen der Mischung erhältlich gemäß Schritt i) unter Inertgas aufPolymer membranes may preferably be obtained by a process comprising the steps of i) preparing a mixture comprising polyphosphoric acid, at least one polyazole and / or at least one or more compounds which are suitable for forming polyazoles under the action of heat in step ii), ii) heating the mixture obtainable according to step i) under inert gas
Temperaturen von bis zu 4000C, iii) Aufbringen einer Schicht unter Verwendung der Mischung gemäß Schritt i) und/oder ii) auf einem Träger, iv) Behandlung der in Schritt iii) gebildeten Membran.Temperatures of up to 400 ° C., iii) applying a layer using the mixture according to step i) and / or ii) on a support, iv) treating the membrane formed in step iii).
Hierzu können der Mischung gemäß Schritt i) ein oder mehrere Verbindungen beigefügt werden, die unter Einwirkung von Wärme gemäß Schritt ii) zur Bildung von Polyazolen geeignet sind.For this purpose, one or more compounds which are suitable for the formation of polyazoles under the action of heat in step ii) may be added to the mixture according to step i).
Hierzu sind Mischungen geeignet, die ein oder mehreren aromatische und/oder heteroaromatische Tetra-Amino-Verbindungen und eine oder mehrere aromatische und/oder heteroaromatische Carbonsäuren oder deren Derivate, die mindestens zwei Säuregruppen pro Carbonsäure-Monomer umfassen. Des Weiteren können ein oder mehrere aromatische und/oder heteroaromatische Diaminocarbonsäuren zur Herstellung von Polyazolen eingesetzt werden. Zu den aromatischen und heteroaromatischen Tetra-Amino-Verbindungen gehören unter anderem 3,3',4,4'-Tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-Tetraaminopyridin, 1 ,2,4,5- Tetraaminobenzol, 3,3',4,4'-Tetraaminodiphenylsulfon, 3,3',4,4'- Tetraaminodiphenylether, 3,3',4,4'-Tetraaminobenzophenon, 3,3' ,4,4'- Tetraaminodiphenylmethan und S.S'^^'-Tetraaminodiphenyldimethylmethan sowie deren Salze, insbesondere deren Mono-, Di-, Tri- und Tetrahydrochloridderivate. Hiervon sind 3,3',4,4'-Tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6- Tetraaminopyridin und 1 ,2,4,5-Tetraaminobenzol besonders bevorzugt.For this purpose, mixtures are suitable which comprise one or more aromatic and / or heteroaromatic tetra-amino compounds and one or more aromatic and / or heteroaromatic carboxylic acids or derivatives thereof which comprise at least two acid groups per carboxylic acid monomer. Furthermore, one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids can be used for the preparation of polyazoles. The aromatic and heteroaromatic tetra-amino compounds include inter alia 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1, 2,4,5-tetraaminobenzene, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenylsulfone, 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl ether, 3,3', 4,4'-tetraaminobenzophenone, 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenylmethane and S.S' ^^ ' -Tetraaminodiphenyldimethylmethane and salts thereof, in particular their mono-, di-, tri- and tetrahydrochloride derivatives. Of these, 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine and 1,2,4,5-tetraaminobenzene are particularly preferred.
Des Weiteren kann die Mischung i) aromatische und/oder heteroaromatischeFurthermore, the mixture i) aromatic and / or heteroaromatic
Carbonsäuren umfassen. Hierbei handelt es sich um Dicarbonsäuren und Tricarbonsäuren und Tetracarbonsäuren bzw. deren Estern oder deren Anhydride oder deren Säurehalogenide, insbesondere deren Säurehalogenide und/oder Säurebromide. Vorzugsweise handelt es sich bei den aromatischen Dicarbonsäuren um Isophthalsäure, Terephthalsäure, Phthalsäure, 5-Hydroxyisophthalsäure, A-Carboxylic acids include. These are dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides or their acid halides, in particular their acid halides and / or acid bromides. Preferably, the aromatic dicarboxylic acids are isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid,
Hydroxyisophthalsäure, 2-Hydroxyterephthalsäure, 5-Aminoisophthalsäure, 5-N,N- Dimethylaminoisophthalsäure, 5-N,N-Diethylaminoisophthalsäure, 2,5- Dihydroxyterephthalsäure, 2,6-Dihydroxyisophthalsäure, 4,6- Dihydroxyisophthalsäure, 2,3-Dihydroxyphthalsäure, 2,4-Dihydroxyphthalsäure. 3,4- Dihydroxyphthalsäure, 3-Fluorophthalsäure, 5-Fluoroisophthalsäure, 2-Hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylaminoisophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydroxyphthalic acid, 2,4-Dihydroxyphthalsäure. 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5-fluoroisophthalic acid, 2-
Fluoroterphthalsäure, Tetrafluorophthalsäure, Tetrafluoroisophthalsäure, Tetrafluoroterephthalsäure,1 ,4-Naphthalindicarbonsäure, 1 ,5- Naphthalindicarbonsäure, 2,6-Naphthalindicarbonsäure, 2,7- Naphthalindicarbonsäure, Diphensäure, 1 ,8-dihydroxynaphthalin-3,6-dicarbonsäure, Diphenylether-4,4'-dicarbonsäure, Benzophenon-4,4'-dicarbonsäure, Diphenylsulfon-Fluoroteraphthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid, tetrafluoroterephthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4, 4'-dicarboxylic acid, benzophenone-4,4'-dicarboxylic acid, diphenylsulfone
4,4'-dicarbonsäure, Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure, 4-Trifluoromethylphthalsäure, 2,2- Bis(4-carboxyphenyl)hexafluoropropan, 4,4'-Stilbendicarbonsäure, A- Carboxyzimtsäure, bzw. deren C1-C20-Alkyl-Ester oder C5-C12-Aryl-Ester, oder deren Säureanhydride oder deren Säurechloride.4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4'-stilbenedicarboxylic acid, A-carboxycinnamic acid, or their C1-C20- Alkyl esters or C5-C12 aryl esters, or their acid anhydrides or their acid chlorides.
Ganz besonders bevorzugt werden Mischungen eingesetzt, die Dicarbonsäuren umfassen, deren Säurereste in para-Stellung stehen, wie beispielsweise Terephthalsäure.Very particular preference is given to using mixtures which comprise dicarboxylic acids whose acid residues are in the para position, for example terephthalic acid.
Bei den heteroaromatischen Carbonsäuren handelt es sich um heteroaromatischenThe heteroaromatic carboxylic acids are heteroaromatic
Dicarbonsäuren und Tricarbonsäuren und Tetracarbonsäuren bzw. deren Estern oder deren Anhydride. Als heteroaromatische Carbonsäuren werden aromatische Systeme verstanden welche mindestens ein Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel oder Phosphoratom im Aromaten enthalten. Vorzugsweise handelt es sich um Pyridin-2,5- dicarbonsäure, Pyridin-3,5-dicarbonsäure, Pyridin-2,6-dicarbonsäure, Pyridin-2,4- dicarbonsäure, 4-Phenyl-2,5-pyridindicarbonsäure, 3,5-Pyrazoldicarbonsäure, 2,6 - Pyrimidindicarbonsäure, 2,5-Pyrazindicarbonsäure, 2,4,6-Pyridintricarbonsäure, Benzimidazol-5,6-dicarbonsäure. Sowie deren C1-C20-Alkyl-Ester oder C5-C12-Aryl- Ester, oder deren Säureanhydride oder deren Säurechloride.Dicarboxylic acids and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or their esters or their anhydrides. Heteroaromatic carboxylic acids are aromatic systems which contain at least one nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorus atom in the aromatic. Preferably it is pyridine-2,5- dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazoldicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2, 5-pyrazinedicarboxylic acid, 2,4,6-pyridinetricarboxylic acid, benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid. As well as their C1-C20 alkyl esters or C5-C12 aryl esters, or their acid anhydrides or their acid chlorides.
Des Weiteren kann die Mischung i) auch aromatische und heteroaromatische Diaminocarbonsäuren enthalten. Zu diesen gehört unter anderem Diaminobenzoesäure, 4-Phenoxycarbonyl-3,'4'-diaminodiphenylether und deren Mono- und Dihydrochloridderivate.Furthermore, the mixture i) may also contain aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids. These include, inter alia, diaminobenzoic acid, 4-phenoxycarbonyl-3, '4'-diaminodiphenylether and their mono- and dihydrochloride derivatives.
Die in Schritt i) hergestellte Mischung umfasst vorzugsweise mindestens 0,5 Gew.- %, insbesondere 1 bis 30 Gew.-% und besonders bevorzugt 2 bis 15 Gew.-% Monomere zur Herstellung von Polyazolen.The mixture prepared in step i) preferably comprises at least 0.5% by weight, in particular 1 to 30% by weight and particularly preferably 2 to 15% by weight of monomers for the preparation of polyazoles.
Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die in Schritt i) hergestellte Mischung Verbindungen, die unter Einwirkung von Wärme gemäß Schritt ii) zur Bildung von Polyazolen geeignet sind, wobei diese Verbindungen durch Umsetzung von einem oder mehreren aromatischen und/oder heteroaromatischen Tetra-Amino-Verbindungen mit einer oder mehreren aromatischen und/oder heteroaromatischen Carbonsäuren bzw. deren Derivate, die mindestens zwei Säuregruppen pro Carbonsäure-Monomer enthalten, oder von einer oder mehreren aromatischen und/oder heteroaromatischen Diaminocarbonsäuren in der Schmelze bei Temperaturen von bis zu 4000C, insbesondere bis zu 3500C, bevorzugt bis zu 28O0C erhältlich sind. Die zur Herstellung dieser Präpolymere einzusetzendenAccording to a further aspect of the present invention, the mixture prepared in step i) comprises compounds which under the action of heat in step ii) are suitable for the formation of polyazoles, which compounds are prepared by reacting one or more aromatic and / or heteroaromatic tetra-amino Compounds with one or more aromatic and / or heteroaromatic carboxylic acids or their derivatives which contain at least two acid groups per carboxylic acid monomer, or of one or more aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acids in the melt at temperatures of up to 400 ° C., in particular up to 350 0 C, preferably up to 28O 0 C are available. To be used for the preparation of these prepolymers
Verbindungen wurden zuvor dargelegt.Compounds have been previously set forth.
Des Weiteren können zur Herstellung von Polyazolen Monomere eingesetzt werden, die kovalent gebundene Säuregruppen umfassen. Hierzu gehören unter anderem aromatische und heteroaromatische Dicarbonsäuren bzw. deren Derivate, die mindestens eine Phosphonsäuregruppe aufweisen, beispielsweise 2,5- Dicarboxyphenylphosphonsäure, 2,3-Dicarboxyphenylphosphonsäure 3,4-Dicarboxyphenylphosphonsäure und 3,5-Dicarboxyphenylphosphonsäure; aromatische und heteroaromatische Dicarbonsäuren bzw. deren Derivate, die mindestens eine Sulfonsäuregruppe aufweisen, insbesondere 2,5-In addition, monomers containing covalently bonded acid groups can be used to prepare polyazoles. These include, inter alia, aromatic and heteroaromatic dicarboxylic acids or their derivatives which have at least one phosphonic acid group, for example 2,5-dicarboxyphenylphosphonic acid, 2,3-dicarboxyphenylphosphonic acid 3,4-dicarboxyphenylphosphonic acid and 3,5-dicarboxyphenylphosphonic acid; aromatic and heteroaromatic dicarboxylic acids or their derivatives which have at least one sulfonic acid group, in particular 2.5-
Dicarboxyphenylsulfonsäure, 2,3-Dicarboxyphenylsulfonsäure 3,4-Dicarboxyphenylsulfonsäure und 3,5-Dicarboxyphenylsulfonsäure; aromatische und heteroaromatische Diaminocarbonsäuren, die mindestens eine Phosphonsäuregruppe umfassen, beispielsweise 2,3-Diamino-5- carboxyphenylphosphonsäure, 2,3-Diamino-6-carboxyphenylphosphonsäure und 3,4-Diamino-6-carboxyphenylphosphonsäure; aromatische und heteroaromatische Diaminocarbonsäuren, die mindestens eine Sulfonsäuregruppe umfassen, beispielsweise 2,3-Diamino-5-carboxyphenylsulfonsäure, 2,3-Diamino-6- carboxyphenylsulfonsäure und 3,4-Diamino-6-carboxyphenylsulfonsäure.Dicarboxyphenylsulfonic acid, 2,3-dicarboxyphenylsulfonic acid 3,4-dicarboxyphenylsulfonic acid and 3,5-dicarboxyphenylsulfonic acid; aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids which comprise at least one phosphonic acid group, for example 2,3-diamino-5- carboxyphenylphosphonic acid, 2,3-diamino-6-carboxyphenylphosphonic acid and 3,4-diamino-6-carboxyphenylphosphonic acid; aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids comprising at least one sulfonic acid group, for example, 2,3-diamino-5-carboxyphenylsulfonic acid, 2,3-diamino-6-carboxyphenylsulfonic acid and 3,4-diamino-6-carboxyphenylsulfonic acid.
Eine gemäß dem zuvor dargelegten Verfahren hergestellte Polyazolmembran kann die zuvor dargelegten optionalen Komponenten enthalten. Hierzu gehören insbesondere Blend-Polymere und Füllstoffe. Blend-Polymere können in der gemäß Schritt i) und/oder Schritt ii) erhaltenen Mischung unter anderem gelöst, dispergiert oder suspendiert vorliegen. Hierbei liegt das Gewichtsverhältnis von Polyazol zu Polymer (B) vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 50, vorzugsweise von 0,2 bis 20, besonders bevorzugt von 1 bis 10, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll. Falls das Polyazol erst in Schritt ii) gebildet wird, kann das Gewichtsverhältnis rechnerisch aus dem Gewicht der Monomeren zur Bildung des Polyazols erhalten werden, wobei die bei der Kondensation freigesetzten Verbindungen, beispielsweise Wasser zu berücksichtigen sind.A polyazole membrane prepared according to the method set forth above may contain the optional components set forth above. These include in particular blend polymers and fillers. Blend polymers may be present dissolved, dispersed or suspended in the mixture obtained according to step i) and / or step ii), inter alia. In this case, the weight ratio of polyazole to polymer (B) is preferably in the range from 0.1 to 50, preferably from 0.2 to 20, particularly preferably from 1 to 10, without this being a restriction. If the polyazole is formed only in step ii), the weight ratio can be calculated from the weight of the monomers to form the polyazole, taking into account the compounds liberated in the condensation, for example water.
Zur weiteren Verbesserung der anwendungstechnischen Eigenschaften können der Membran zusätzlich noch Füllstoffe, insbesondere protonenleitende Füllstoffe, sowie zusätzliche Säuren zugesetzt werden. Die Zugabe kann beispielsweise bei Schritt i), Schritt ii) und/oder Schritt iii) erfolgen. Des weiteren können diese Additive, falls - diese in flüssiger Form vorliegen, auch nach der Polymerisation gemäß Schritt iv) beigefügt werden. Diese Additive wurden zuvor beschrieben.To further improve the performance properties of the membrane may also be added fillers, in particular proton-conductive fillers, and additional acids. The addition can be carried out, for example, in step i), step ii) and / or step iii). Furthermore, if these are present in liquid form, these additives can also be added after the polymerization according to step iv). These additives have been previously described.
Bei der in Schritt i) verwendeten Polyphosphorsäure handelt es sich um handelsübliche Polyphosphorsäuren wie diese beispielsweise von Riedel-de Haen erhältlich sind. Die Polyphosphorsäuren Hn+2PnOan+I (n>1) besitzen üblicherweise einen Gehalt berechnet als P2O5 (acidimetrisch) von mindestens 83%. Anstelle einer Lösung der Monomeren kann auch eine Dispersion/Suspension erzeugt werden.The polyphosphoric acid used in step i) are commercially available polyphosphoric acids, such as are obtainable, for example, from Riedel-de Haen. The polyphosphoric acids H n + 2 P n Oa n + I (n> 1) usually have a content calculated as P 2 O 5 (acidimetric) of at least 83%. Instead of a solution of the monomers, it is also possible to produce a dispersion / suspension.
Die in Schritt i) erhaltene Mischung wird gemäß Schritt ii) auf eine Temperatur von bis zu 4000C, insbesondere 350°C, vorzugsweise bis zu 2800C, insbesondere 1000C bis 25O0C und besonders bevorzugt im Bereich von 200°C bis 2500C erhitzt. Hierbei wird ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas, wie Neon, Argon, eingesetzt.The mixture obtained in step i) is heated according to step ii) to a temperature of up to 400 0 C, in particular 350 ° C, preferably up to 280 0 C, in particular 100 0 C to 25O 0 C and particularly preferably in the range of 200 ° C heated to 250 0 C. In this case, an inert gas, for example nitrogen or a noble gas, such as neon, argon, is used.
Die in Schritt i) und/oder Schritt ii) hergestellte Mischung kann zusätzlich noch organische Lösungsmittel enthalten. Diese können die Verarbeitbarkeit positiv beeinflussen. So kann beispielsweise die Rheologie der Lösung verbessert werden, so dass diese leichter extrudiert oder geräkelt werden kann.The mixture prepared in step i) and / or step ii) may additionally contain organic solvents. These can make the workability positive influence. For example, the rheology of the solution can be improved so that it can be more easily extruded or laced.
Die Bildung des flächigen Gebildes gemäß Schritt iii) erfolgt mittels an sich bekannter Maßnahmen (Giessen, Sprühen, Rakeln, Extrusion) die aus dem Stand der Technik zur Polymerfilm-Herstellung bekannt sind. Als Träger sind alle unter den Bedingungen als inert zu bezeichnenden Träger geeignet. Zu diesen Trägern gehören insbesondere Folien aus Polyethylenterephthalat (PET), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyhexafluorpropylen, Copolymere von PTFE mit Hexafluoropropylen, Polyimiden, Polyphenylensulfiden (PPS) und Polypropylen (PP).The formation of the planar structure according to step iii) takes place by means of measures known per se (casting, spraying, knife coating, extrusion) which are known from the prior art for polymer film production. Suitable carriers are all suitable carriers under the conditions as inert. These supports include, in particular, films of polyethylene terephthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyhexafluoropropylene, copolymers of PTFE with hexafluoropropylene, polyimides, polyphenylene sulfides (PPS) and polypropylene (PP).
Des Weiteren kann die Bildung der Membran auch direkt auf der mit einer Sperrschicht versehenen Elektrode erfolgen.Furthermore, the formation of the membrane can also take place directly on the electrode provided with a barrier layer.
Die Dicke des flächigen Gebildes gemäß Schritt iii) beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 4000 μm, vorzugsweise zwischen 15 und 3500 μm, insbesondere zwischenThe thickness of the planar structure according to step iii) is preferably between 10 and 4000 .mu.m, preferably between 15 and 3500 .mu.m, in particular between
20 und 3000 μm, besonders bevorzugt zwischen 30 und 1500μm und ganz besonders bevorzugt zwischen 50 und 1200 μm.20 and 3000 microns, more preferably between 30 and 1500μm and most preferably between 50 and 1200 microns.
Die Behandlung der Membran in Schritt iv) erfolgt insbesondere bei Temperaturen im Bereich von O0C und 1500C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 1 O0C undThe treatment of the membrane in step iv) is carried out in particular at temperatures in the range of 0 0 C and 150 0 C, preferably at temperatures between 1 0 0 C and
1200C, insbesondere zwischen Raumtemperatur (2O0C) und 9O0C, in Gegenwart von Feuchtigkeit bzw. Wasser und/oder Wasserdampf. Die Behandlung erfolgt vorzugsweise unter Normaldruck, kann aber auch unter Einwirkung von Druck erfolgen. Wesentlich ist, dass die Behandlung in Gegenwart von ausreichender Feuchtigkeit geschieht, wodurch die anwesende Polyphosphorsäure durch partielle120 0 C, in particular between room temperature (2O 0 C) and 9O 0 C, in the presence of moisture or water and / or water vapor. The treatment is preferably carried out under normal pressure, but can also be effected under the action of pressure. It is essential that the treatment is carried out in the presence of sufficient moisture, whereby the present polyphosphoric acid by partial
Hydrolyse unter Ausbildung niedermolekularer Polyphosphorsäure und/oder Phosphorsäure zur Verfestigung der Membran beiträgt.Hydrolysis contributes to solidification of the membrane to form low molecular weight polyphosphoric acid and / or phosphoric acid.
Die partielle Hydrolyse der Polyphosphorsäure in Schritt iv) führt zu einer Verfestigung der Membran und zu einer Abnahme der Schichtdicke und Ausbildung einer Membran. Die verfestigte Membran hat im Allgemeinen eine Dicke zwischen 15 und 3000 μm, vorzugsweise 20 und 2000 μm, insbesondere zwischen 20 und 1500 μm.The partial hydrolysis of the polyphosphoric acid in step iv) leads to a solidification of the membrane and to a decrease in the layer thickness and formation of a membrane. The solidified membrane generally has a thickness between 15 and 3000 .mu.m, preferably 20 and 2000 .mu.m, in particular between 20 and 1500 microns.
Die obere Temperaturgrenze der Behandlung gemäß Schritt iv) beträgt in der RegelThe upper temperature limit of the treatment according to step iv) is usually
1500C. Bei extrem kurzer Einwirkung von Feuchtigkeit, beispielsweise von überhitztem Dampf kann dieser Dampf auch heißer als 15O0C sein. Wesentlich für die Temperaturobergrenze ist die Dauer der Behandlung. Die partielle Hydrolyse (Schritt iv) kann auch in Klimakammern erfolgen bei der unter definierter Feuchtigkeitseinwirkung die Hydrolyse gezielt gesteuert werden kann. Hierbei kann die Feuchtigkeit durch die Temperatur bzw. Sättigung der kontaktierenden Umgebung beispielsweise Gase wie Luft, Stickstoff, Kohlendioxid oder andere geeignete Gase, oder Wasserdampf gezielt eingestellt werden. Die150 0 C. With extremely short exposure to moisture, for example superheated steam, this steam may also be hotter than 15O 0 C. Essential for the upper temperature limit is the duration of the treatment. The partial hydrolysis (step iv) can also be carried out in climatic chambers in which the hydrolysis can be controlled in a controlled manner under defined action of moisture. In this case, the moisture can be specifically adjusted by the temperature or saturation of the contacting environment, for example gases such as air, nitrogen, carbon dioxide or other suitable gases, or water vapor. The
Behandlungsdauer ist abhängig von den vorstehend gewählten Parametern.Duration of treatment depends on the parameters selected above.
Weiterhin ist die Behandlungsdauer von der Dicke der Membran abhängig.Furthermore, the duration of treatment depends on the thickness of the membrane.
In der Regel beträgt die Behandlungsdauer zwischen wenigen Sekunden bisAs a rule, the treatment duration is between a few seconds to
Minuten, beispielsweise unter Einwirkung von überhitztem Wasserdampf, oder bis hin zu ganzen Tagen, beispielsweise an der Luft bei Raumtemperatur und geringer relativer Luftfeuchtigkeit. Bevorzugt beträgt die Behandlungsdauer zwischen 10 Sekunden und 300 Stunden, insbesondere 1 Minute bis 200 Stunden.Minutes, for example under the action of superheated steam, or up to whole days, for example in air at room temperature and low relative humidity. The treatment time is preferably between 10 seconds and 300 hours, in particular 1 minute to 200 hours.
Wird die partielle Hydrolyse bei Raumtemperatur (2O0C) mit Umgebungsluft einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40-80% durchgeführt beträgt die Behandlungsdauer zwischen 1 und 200 Stunden.If the partial hydrolysis is carried out at room temperature (2O 0 C) with ambient air at a relative humidity of 40-80%, the treatment time is between 1 and 200 hours.
Die gemäß Schritt iv) erhaltene Membran kann selbsttragend ausgebildet werden, d.h. sie kann vom Träger ohne Beschädigung gelöst und anschließend gegebenenfalls direkt weiterverarbeitet werden.The membrane obtained according to step iv) can be made self-supporting, i. It can be detached from the carrier without damage and then optionally further processed directly.
Die Behandlung gemäß Schritt iv) führt zu einer Härtung der Beschichtung. Falls die Membran direkt auf der Elektrode gebildet wird, erfolgt die Behandlung gemäßThe treatment according to step iv) leads to a hardening of the coating. If the membrane is formed directly on the electrode, the treatment is carried out according to
Schritt iv) solange, bis die Beschichtung eine genügende Härte aufweist, um zu einer Membran-Elektroden-Einheit verpresst werden zu können. Eine genügende Härte ist gegeben, wenn eine entsprechend behandelte Membran selbsttragend ist. In vielen Fällen genügt jedoch eine geringere Härte. Die gemäß DIN 50539 (Mikrohärtemessung) bestimmte Härte beträgt im Allgemeinen mindestens 1 mN/mm2, bevorzugt mindestens 5 mN/mm2 und ganz besonders bevorzugt mindestens 50 mN/mm2, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.Step iv) until the coating has a sufficient hardness to be pressed to a membrane-electrode assembly can. A sufficient hardness is given if a correspondingly treated membrane is self-supporting. In many cases, however, a lower hardness is sufficient. The hardness determined in accordance with DIN 50539 (microhardness measurement) is generally at least 1 mN / mm 2 , preferably at least 5 mN / mm 2 and very particularly preferably at least 50 mN / mm 2 , without this being intended to limit it.
Über den Grad der Hydrolyse, d.h. die Dauer, Temperatur und Umgebungsfeuchtigkeit, sind die Konzentration und die Menge an Phosphorsäure und damit die Leitfähigkeit der Polymermembran einstellbar. Die Konzentration der Phosphorsäure wird als Mol Säure pro Mol Wiederholungseinheit des Polymers angegeben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist eine Konzentration (Mol Phosphorsäure bezogen auf eine Wiederholeinheit der Formel (III), d.h. Polybenzimidazol) zwischen 13 und 80, insbesondere zwischen 15 und 80, bevorzugt. Derartig hohe Dotierungsgrade (Konzentrationen) sind durch Dotieren von Polyazolen mit kommerziell erhältlicher ortho-Phosphorsäure nur sehr schwierig bzw. gar nicht zugänglich.About the degree of hydrolysis, ie the duration, temperature and ambient humidity, the concentration and the amount of phosphoric acid and thus the conductivity of the polymer membrane are adjustable. The concentration of phosphoric acid is reported as moles of acid per mole of repeat unit of the polymer. In the context of the present invention, a concentration (mol of phosphoric acid relative to a repeating unit of the formula (III), ie Polybenzimidazole) between 13 and 80, especially between 15 and 80, is preferred. Such high doping levels (concentrations) are very difficult or even impossible to access by the addition of polyazoles with commercially available ortho-phosphoric acid.
Bevorzugte Polymermembranen weisen eine hohe Protonenleitfähigkeit auf. Diese beträgt bei Temperaturen von 1200C mindestens 0,1 S/cm, vorzugsweise mindestens 0,11 S/cm, insbesondere mindestens 0,12 S/cm. Falls die Membranen Polymere mit Sulfonsäuregruppen umfassen, zeigen die Membranen auch bei einer Temperatur von 7O0C eine hohe Leitfähigkeit. DiePreferred polymer membranes have a high proton conductivity. This is at temperatures of 120 0 C at least 0.1 S / cm, preferably at least 0.11 S / cm, in particular at least 0.12 S / cm. If the membranes comprise polymers with sulfonic acid groups, the membranes show a high conductivity even at a temperature of 7O 0 C. The
Leitfähigkeit ist unter anderem abhängig vom Sulfonsäuregruppengehalt der Membran. Je höher dieser Anteil, desto besser die Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Hierbei kann eine erfindungsgemäße Membran bei geringen Temperaturen befeuchtet werden. Hierzu kann beispielsweise die als Energiequelle eingesetzte Verbindung, beispielsweise Wasserstoff, mit einem Anteil an Wasser versehen werden. In vielen Fällen genügt jedoch auch das durch die Reaktion gebildete Wasser, um eine Befeuchtung zu erzielen.Among other things, conductivity depends on the sulfonic acid group content of the membrane. The higher this proportion, the better the conductivity at low temperatures. In this case, a membrane according to the invention can be moistened at low temperatures. For this purpose, for example, the compound used as an energy source, for example hydrogen, be provided with a proportion of water. In many cases, however, the water formed by the reaction is sufficient to achieve humidification.
Die spezifische Leitfähigkeit wird mittels Impedanzspektroskopie in einer 4-PoI- Anordnung im potentiostatischen Modus und unter Verwendung von PlatinelektrodenThe specific conductivity is determined by means of impedance spectroscopy in a 4-PoI arrangement in the potentiostatic mode and using platinum electrodes
(Draht, 0,25 mm Durchmesser) gemessen. Der Abstand zwischen den stromabnehmenden Elektroden beträgt 2 cm. Das erhaltene Spektrum wird mit einem einfachen Modell bestehend aus einer parallelen Anordnung eines ohmschen Widerstandes und eines Kapazitators ausgewertet. Der Probenquerschnitt der phosphorsäuredotierten Membran wird unmittelbar vor der Probenmontage gemessen. Zur Messung der Temperaturabhängigkeit wird die Messzelle in einem Ofen auf die gewünschte Temperatur gebracht und über eine in unmittelbarer Probennähe positioniertes Pt-100 Thermoelement geregelt. Nach Erreichen der Temperatur wird die Probe vor dem Start der Messung 10 Minuten auf dieser Temperatur gehalten.(Wire, 0.25 mm diameter) measured. The distance between the current-collecting electrodes is 2 cm. The obtained spectrum is evaluated with a simple model consisting of a parallel arrangement of an ohmic resistor and a capacitor. The sample cross-section of the phosphoric acid-doped membrane is measured immediately prior to sample assembly. To measure the temperature dependence, the measuring cell is brought to the desired temperature in an oven and controlled by a Pt-100 thermocouple placed in the immediate vicinity of the sample. After reaching the temperature, the sample is held at this temperature for 10 minutes before starting the measurement.
Eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit umfasst neben der Polymermembran mindestens zwei Elektroden, die jeweils mit der Membran in Kontakt stehen.A membrane-electrode unit according to the invention comprises in addition to the polymer membrane at least two electrodes, which are in contact with the membrane in each case.
Im Allgemeinen umfasst die Elektrode eine Gasdiffusionslage. Die Gasdiffusionslage zeigt im Allgemeinen eine Elektronenleitfähigkeit. Üblich werden hierfür flächige, elektrisch leitende und säu reresistente Gebilde eingesetzt. Zu diesen gehören beispielsweise Kohlefaser-Papiere, graphitisierte Kohlefaser-Papiere, Kohlefasergewebe, graphitisierte Kohlefasergewebe und/oder flächige Gebilde, die durch Zugabe von Russ leitfähig gemacht wurden.In general, the electrode comprises a gas diffusion layer. The gas diffusion layer generally exhibits electron conductivity. Usually flat, electrically conductive and säu reresistente structures are used for this purpose. These include, for example, carbon fiber papers, graphitized carbon fiber papers, Carbon fiber fabrics, graphitized carbon fiber fabrics and / or sheets rendered conductive by the addition of carbon black.
Des Weiteren enthält die Elektrode mindestens eine Katalysatorschicht die mindestens ein Edelmetall der Platingruppe, insbesondere Pt, Pd, Ir, Rh1 Os, Ru, und/oder mindestens ein Edelmetall Au und/oder Ag aufweist.Furthermore, the electrode contains at least one catalyst layer which has at least one noble metal of the platinum group, in particular Pt, Pd, Ir, Rh 1 Os, Ru, and / or at least one noble metal Au and / or Ag.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Elektrode mindestens eine Katalysatorschicht die i. mindestens ein Edelmetall der Platingruppe, insbesondere Pt, Pd, Ir, Rh, Os,Furthermore, it is advantageous if the electrode has at least one catalyst layer which i. at least one noble metal of the platinum group, in particular Pt, Pd, Ir, Rh, Os,
Ru, und/oder mindestens ein Edelmetall Au und/oder Ag enthält, ii. mindestens ein gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe unedleres Metall als das unter (i.) genannte Metall, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga1 V1 enthält, aufweist.Ru, and / or at least one precious metal contains Au and / or Ag, ii. at least one according to the electrochemical series of noble metal as the metal mentioned under (i), in particular selected from the group Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga 1 V 1 contains.
Vorzugsweise wird der Katalysator in Form einer Legierung aus den Metallen (i) und (ii) gebildet. Zusätzlich zu der Legierung können weitere katalytisch aktive Substanzen, insbesondere Edelmetalle der Platingruppe, d.h. Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru1 oder auch die Edelmetalle Au und Ag, eingesetzt werden. Weiterhin können auch diePreferably, the catalyst is formed in the form of an alloy of the metals (i) and (ii). In addition to the alloy, further catalytically active substances, in particular noble metals of the platinum group, ie Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru 1 or also the noble metals Au and Ag, can be used. Furthermore, the
Oxide der vorgenannten Edelmetalle und/oder Nichtedelmetalle eingesetzt werden.Oxides of the aforementioned noble metals and / or non-noble metals are used.
Die katalytisch aktiven Partikel, die die zuvor genannten Substanzen umfassen, können als Metallpulver, so genanntes schwarzes Edelmetall, insbesondere Platin und/oder Platinlegierungen, eingesetzt werden. Derartige Partikel weisen im allgemeinen eine Größe im Bereich von 5 nm bis 200 nm, vorzugsweise im Bereich von 7 nm bis 100 nm auf.The catalytically active particles comprising the aforementioned substances can be used as metal powder, so-called black precious metal, in particular platinum and / or platinum alloys. Such particles generally have a size in the range of 5 nm to 200 nm, preferably in the range of 7 nm to 100 nm.
Darüber hinaus können die Metalle auch auf einem Trägermaterial eingesetzt werden. Vorzugsweise umfasst dieser Träger Kohlenstoff, der insbesondere in Form von Russ, Graphit oder graphitisierter Russ, eingesetzt werden kann. Weiterhin können auch elektrisch leitfähige Metalloxide, wie zum Beispiel SnOx, TiOx, oder Phosphate, wie z.B. FePOx, NbPOx, Zry(POx)z als Trägermaterial verwendet werden. Hierbei kennzeichnen die Indizes x, y und z den Sauerstoff bzw. Metallgehalt der einzelnen Verbindungen, die in einem bekannten Bereich liegen können, da dieIn addition, the metals can also be used on a carrier material. Preferably, this support comprises carbon, which can be used in particular in the form of carbon black, graphite or graphitized carbon black. Furthermore, it is also possible to use electrically conductive metal oxides, such as, for example, SnO x , TiO x , or phosphates, such as, for example, FePO x , NbPO x , Zr y (PO x ) z as carrier material. Here, the indices x, y and z denote the oxygen or metal content of the individual compounds, which may be in a known range, since the
Übergangsmetalle unterschiedliche Oxidationsstufen einnehmen können.Transition metals can take different oxidation states.
Der Gehalt dieser geträgerten Metall-Partikel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Metall-Träger-Verbindung, liegt im allgemeinen im Bereich von 1 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-% und besonders bevorzugt 10 bis 50 Gew.-%, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll. Die Partikelgröße des Trägers, insbesondere die Größe der Kohlenstoffpartikel, liegt vorzugsweise im Bereich von 20 bis 100 nm, insbesondere 30 bis 60 nm. Die Größe der sich hierauf befindlichen Metallpartikel liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 20 nm, insbesondere 1 bisThe content of these supported metal particles, based on the total weight of the metal-carrier compound, is generally in the range of 1 to 80 wt .-%, preferably 5 to 60 wt .-% and particularly preferably 10 to 50 wt .-%, without this being a restriction. The particle size of the carrier, in particular the size of the carbon particles, is preferably in the range from 20 to 100 nm, in particular from 30 to 60 nm. The size of the metal particles present thereon is preferably in the range from 1 to 20 nm, in particular 1 to
10 nm und besonders bevorzugt 2 bis 6 nm.10 nm and more preferably 2 to 6 nm.
Die Größen der unterschiedlichen Partikel stellen Mittelwerte dar und können über Transmissionselektronenmikroskopie oder Pulver-Röntgendiffraktometrie bestimmt werden.The sizes of the different particles represent mean values and can be determined by transmission electron microscopy or powder X-ray diffractometry.
Die Katalysatorschicht hat eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 50 μm.The catalyst layer has a thickness in the range of 0.1 to 50 microns.
Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit weist eine Beladung mit Katalysator zwischen 0,1 und 10 g/m2 auf, bezogen auf die Oberfläche derThe membrane-electrode unit according to the invention has a loading of catalyst between 0.1 and 10 g / m 2 , based on the surface of the
Polymermembran.Polymer membrane.
Das Gewichtsverhältnis der Edelmetalle der Platingruppe bzw. von Au und/oder Ag zu den gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe unedleren Metallen beträgt zwischen 1 : 100 bis 100: 1.The weight ratio of the noble metals of the platinum group or of Au and / or Ag to the less noble according to the electrochemical series of metals is between 1: 100 to 100: 1.
Die zuvor dargelegten katalytisch aktiven Partikel können im Allgemeinen kommerziell erhalten werden.The catalytically active particles set forth above can generally be obtained commercially.
Die Herstellung der Katalysatoren ist beispielsweise beschrieben in US392512,The preparation of the catalysts is described, for example, in US392512,
JP06007679A940118, oder EP450849A911009JP06007679A940118, or EP450849A911009
Der Katalysator kann unter anderem auf die Gasdiffusionsanlage aufgebracht werden. Anschließend kann die mit einer Katalysatorschicht versehene Gasdiffusionsanlage mit einer Polymermembran verbunden werden, um zu einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit zu gelangen.The catalyst can be applied inter alia to the gas diffusion system. Subsequently, the gas diffusion system provided with a catalyst layer can be connected to a polymer membrane in order to arrive at a membrane-electrode unit according to the invention.
Dies Membran kann auch mit einer Gasdiffusionsanlage verbunden werden. Hierbei kann auch eine mit einer Katalysatorschicht versehene Gasdiffusionsanlage eingesetzt werden. Im Allgemeinen genügt jedoch eine Gasdiffusionsanlage, die keinen Katalysator umfasst.This membrane can also be connected to a gas diffusion plant. In this case, it is also possible to use a gas diffusion system provided with a catalyst layer. In general, however, a gas diffusion system which does not comprise a catalyst is sufficient.
Zum Aufbringen mindestens einer Katalysatorschicht auf eine Polymermembran können verschiedene Methoden eingesetzt werden. So kann beispielsweise in Schritt iii) ein Träger verwendet werden, der mit einer einen Katalysator enthaltenden BeSchichtung versehen ist, um die in Schritt iii) bzw. iv) gebildete Schicht mit einer Katalysatorschicht zu versehen.For applying at least one catalyst layer to a polymer membrane, various methods can be used. For example, in step iii) a support provided with a coating containing a catalyst to provide the layer formed in step iii) or iv) with a catalyst layer.
Hierbei kann die Membran einseitig oder beidseitig mit einer Katalysatorschicht versehen werden. Wird die Membran nur mit einseitig einer Katalysatorschicht versehen, so muss die gegenüberliegende Seite der Membran mit einer Elektrode verpresst werden, die eine Katalysatorschicht aufweist. Falls beide Seiten der Membran mit einer Katalysatorschicht versehen werden sollen, können die nachfolgenden Methoden auch kombiniert angewendet werden, um ein optimalesHere, the membrane can be provided on one side or on both sides with a catalyst layer. If the membrane is provided with only one side of a catalyst layer, the opposite side of the membrane must be pressed with an electrode having a catalyst layer. If both sides of the membrane are to be provided with a catalyst layer, the following methods can also be used in combination to achieve optimum results
Ergebnis zu erzielen.Result.
In der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit sind die in der Elektrode enthaltenen Katalysatoren bzw. die an die Gasdiffusionslage angrenzende Katalysatorschicht an der Kathoden- und Anodenseite verschieden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform-der Erfindung weist zumindest die Kathodenseite einen Katalysator enthaltend i. mindestens ein Edelmetall der Platingruppe, insbesondere Pt, Pd, Ir, Rh, Os,In the membrane-electrode assembly of the present invention, the catalysts contained in the electrode and the catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer are different at the cathode and anode sides, respectively. In a particularly preferred embodiment of the invention, at least the cathode side comprises a catalyst containing i. at least one noble metal of the platinum group, in particular Pt, Pd, Ir, Rh, Os,
Ru, und/oder mindestens ein Edelmetall Au und/oder Ag ii. mindestens ein gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe unedleresRu, and / or at least one precious metal Au and / or Ag ii. at least one less noble according to the electrochemical series
Metall als das unter (i.) genannte Metall, insbesondere ausgewählt aus derMetal as the metal mentioned under (i), in particular selected from
Gruppe Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga, V, auf.Group Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga, V on.
Erfindungsgemäss kann die Katalysatorschicht durch ein Verfahren aufgebracht werden, bei dem eine Katalysator-Suspension eingesetzt wird. Darüber hinaus können auch Pulver verwendet werden, die den Katalysator umfassen.According to the invention, the catalyst layer can be applied by a method in which a catalyst suspension is used. In addition, powders comprising the catalyst may also be used.
Die Katalysatorsuspension enthält eine katalytisch aktive Substanz. Diese wurden zuvor beschrieben.The catalyst suspension contains a catalytically active substance. These have been previously described.
Des Weiteren kann die Katalysatorsuspension übliche Additive enthalten. Hierzu gehören unter anderem Fluorpolymere wie z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Verdickungsmittel, insbesondere wasserlösliche Polymere wie z.B. Cellulosederivate, Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol, und oberflächenaktive Substanzen.Furthermore, the catalyst suspension may contain conventional additives. These include, but are not limited to, fluoropolymers, e.g. Polytetrafluoroethylene (PTFE), thickening agents, in particular water-soluble polymers, e.g. Cellulose derivatives, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and surface-active substances.
Zu den oberflächenaktiven Substanzen gehören insbesondere ionische Tenside, beispielsweise Fettsäuresalze, insbesondere Natriumlaurat, Kaliumoleat; und Alkylsulfonsäuren, Alkylsulfonsäuresalze, insbesondere Natriumperfluorohexansulfonat, Lithiumperfluorohexansulfonat, Ammoniumperfluorohexansulfonat, Perfluorohexansulfonsäure, Kaliumnonafluorbutansulfonat, sowie nichtionische Tenside, insbesondere ethoxylierte Fettalkohole und Polyethylenglykole.The surface-active substances include in particular ionic surfactants, for example fatty acid salts, in particular sodium laurate, potassium oleate; and alkylsulfonic acids, alkylsulfonic acid salts, in particular Natriumperfluorohexansulfonat, Lithiumperfluorohexansulfonat, Ammoniumperfluorohexansulfonat, Perfluorohexansulfonsäure, Kaliumnonafluorbutansulfonat, and nonionic surfactants, in particular ethoxylated fatty alcohols and polyethylene glycols.
Des Weiteren kann die Katalysator-Suspension bei Raumtemperatur flüssige Bestandteile umfassen. Hierzu gehören unter anderem organische Lösungsmittel, die polar oder unpolar sein können, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure und/oder Wasser. Die Katalysatorsuspension enthält vorzugsweise 1 bis 99 Gew.-%, insbesondere 10 bis 80 Gew.-% flüssige Bestandteile.Furthermore, the catalyst suspension may comprise liquid components at room temperature. These include organic solvents, which may be polar or nonpolar, phosphoric acid, polyphosphoric acid and / or water. The catalyst suspension preferably contains from 1 to 99% by weight, in particular from 10 to 80% by weight, of liquid constituents.
Zu den polaren, organischen Lösungsmitteln gehören insbesondere Alkohole, wie Ethanol, Propanol und/oder Butanol.The polar, organic solvents include, in particular, alcohols, such as ethanol, propanol and / or butanol.
Zu dem organischen, unpolaren Lösungsmittel gehören unter anderem bekannteThe organic, nonpolar solvent includes, among others, known ones
Dünnschichtverdünner, wie Dünnschichtverdünner 8470 der Firma DuPont, der Terpentinöle umfasst.Thin film thinner, such as DuPont 8470 thin film thinner containing turpentine oils.
Besonders bevorzugte Additive stellen Fluorpolymere, insbesondere Tetrafluorethylenpolymere dar. Gemäss einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Gewichtsverhältnis von Fluorpolymer zu Katalysatormaterial, umfassend mindestens ein Edelmetall und gegebenenfalls ein oder mehrere Trägermaterialien, größer als 0,1 , wobei dieses Verhältnis vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,6 liegt.Particularly preferred additives are fluoropolymers, in particular tetrafluoroethylene polymers. According to a particular embodiment of the present invention, the weight ratio of fluoropolymer to catalyst material comprising at least one noble metal and optionally one or more support materials is greater than 0.1, this ratio preferably being in the range of 0 , 2 to 0.6.
Die Katalysatorsuspension kann mit üblichen Verfahren auf die Membran aufgebracht werden. Je nach Viskosität der Suspension, die auch in Pastenform vorliegen kann, sind verschiedene Methoden bekannt mit denen die Suspension aufgebracht werden kann. Geeignet sind Verfahren zum Beschichten von Folien, Geweben, Textilien und/oder Papieren, insbesondere Sprühverfahren undThe catalyst suspension can be applied to the membrane by conventional methods. Depending on the viscosity of the suspension, which may also be in paste form, various methods are known with which the suspension can be applied. Suitable methods for coating films, fabrics, textiles and / or papers, in particular spraying and
Druckverfahren, wie beispielsweise Schablonen- und Siebdruckverfahren, InkJet- Verfahren, Walzenauftrag, insbesondere Rasterwalzen, Schlitzdüsenauftrag und Rakeln. Das jeweilige Verfahren sowie die Viskosität der Katalysatorsuspension sind abhängig von der Härte der Membran.Printing processes, such as stencil and screen printing processes, inkjet processes, roller application, in particular anilox rollers, slot nozzle application and doctoring. The particular method and the viscosity of the catalyst suspension are dependent on the hardness of the membrane.
Die Viskosität kann durch den Feststoffgehalt, insbesondere den Anteil an katalytisch aktiven Partikeln, und den Anteil an Additiven beeinflusst werden. Die einzustellende Viskosität ist abhängig von der Auftragsmethode der Katalysatorsuspension, wobei die optimalen Werte sowie deren Bestimmung dem Fachmann geläufig sind. Je nach Härte der Membran kann eine Verbesserung der Bindung von Katalysator und Membran durch Erhitzen und/oder Pressen erfolgen. Darüber hinaus steigt die Bindung zwischen Membran und Katalysator durch eine Behandlung gemäß Schritt iv) an.The viscosity can be influenced by the solids content, in particular the proportion of catalytically active particles, and the proportion of additives. The viscosity to be adjusted depends on the application method of the catalyst suspension, the optimum values and their determination being familiar to the person skilled in the art. Depending on the hardness of the membrane, an improvement in the binding of catalyst and membrane can be achieved by heating and / or pressing. In addition, the bond between membrane and catalyst increases by a treatment according to step iv).
Des weiteren kann das Aufbringen einer Katalysatorschicht gleichzeitig mit der Behandlung der Membran bis diese selbsttragend ist gemäß Schritt iv) erfolgen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Wasser enthaltende Katalysatorsuspension auf das flächige Gebilde gemäß Schritt iii) aufgebracht wird.Furthermore, the application of a catalyst layer can take place simultaneously with the treatment of the membrane until it is self-supporting according to step iv). This can be done, for example, by applying a water-containing catalyst suspension to the planar structure according to step iii).
Hierbei kann die Suspension in Form von feinen Tröpfchen auf das flächige Gebilde gemäß Schritt iii) aufgesprüht werden. Neben Wasser kann die Suspension auch weitere Lösungsmittel und/oder Verdünnungsmittel enthalten. Abhängig vom Wassergehalt erfolgt die Härtung der Membran gemäß Schritt iv). Dementsprechend kann der Wassergehalt in weiten Bereichen liegen. Vorzugsweise liegt derIn this case, the suspension in the form of fine droplets can be sprayed onto the planar structure according to step iii). In addition to water, the suspension may also contain other solvents and / or diluents. Depending on the water content, the curing of the membrane takes place according to step iv). Accordingly, the water content can be in wide ranges. Preferably, the
Wassergehalt im Bereich von 0,1 bis 99, insbesondere 1 bis 95 Gew.-%, bezogen auf die Katalysatorsuspension.Water content in the range of 0.1 to 99, in particular 1 to 95 wt .-%, based on the catalyst suspension.
Gemäss einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Katalysatorschicht mit einem Pulver-Verfahren aufgebracht. Hierbei wird einAccording to a particular aspect of the present invention, the catalyst layer is applied by a powder method. This is a
Katalysatorpulver eingesetzt, das zusätzliche Additive, die beispielhaft zuvor dargelegt wurden, enthalten kann.Catalyst powder used, which may contain additional additives, which have been exemplified above.
Zum Aufbringen des Katalysatorpulvers können unter anderem Sprühverfahren und Siebverfahren eingesetzt werden. Beim Sprühverfahren wird die Pulvermischung mit einer Düse, beispielsweise einer Schlitzdüse auf die Membran gesprüht. Im Allgemeinen wird anschließend die mit einer Katalysatorschicht versehene Membran erhitzt, um die Verbindung zwischen Katalysator und Membran zu verbessern. Das Erhitzen kann beispielsweise über eine heiße Walze erfolgen. Derartige Methoden sowie Vorrichtungen zum Auftragen des Pulvers sind unter anderem inFor application of the catalyst powder, spraying methods and screening methods can be used, inter alia. In the spraying process, the powder mixture is sprayed onto the membrane with a nozzle, for example a slot nozzle. In general, subsequently, the membrane provided with a catalyst layer is heated in order to improve the connection between the catalyst and the membrane. The heating can be done for example via a hot roll. Such methods and devices for applying the powder are, inter alia, in
DE 195 09748, DE 195 09 749 und DE 197 57492 beschrieben.DE 195 09748, DE 195 09 749 and DE 197 57492 described.
Beim Siebverfahren wird das Katalysatorpulver mit einem rüttelnden Sieb auf die Membran aufgetragen. Eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Katalysatorpulvers auf eine Membran ist in WO 00/26982 beschrieben. Nach dem Auftragen desIn the sieving process, the catalyst powder is applied to the membrane with a shaking sieve. An apparatus for applying a catalyst powder to a membrane is described in WO 00/26982. After applying the
Katalysatorpulvers kann die Bindung von Katalysator und Membran durch Erhitzen und/ oder den Schritt iv) verbessert werden. Hierbei kann die mit mindestens einer Katalysatorschicht versehene Membran auf eine Temperatur im Bereich von 50 bis 2000C, insbesondere 100 bis 18O0C erhitzt werden. Darüber hinaus kann die Katalysatorschicht durch ein Verfahren aufgebracht werden, bei dem man eine einen Katalysator enthaltende Beschichtung auf einen Träger aufbringt und anschließend die auf dem Träger befindliche Beschichtung enthaltend einen Katalysator auf eine Polymermembran überträgt. Beispielhaft ist ein derartigesCatalyst powder, the binding of catalyst and membrane by heating and / or step iv) can be improved. Here, the membrane provided with at least one catalyst layer can be heated to a temperature in the range of 50 to 200 0 C, in particular 100 to 18O 0 C. In addition, the catalyst layer may be applied by a method in which a coating containing a catalyst is applied to a support, and then the coating on the support containing a catalyst is transferred to a polymer membrane. An example is such
Verfahren in WO 92/15121 beschrieben.Method described in WO 92/15121.
Der mit einer Katalysatorbeschichtung versehene Träger kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass eine zuvor beschriebene Katalysatorsuspension hergestellt wird. Diese Katalysatorsuspension wird anschließend auf eine Trägerfolie, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, aufgetragen. Nach dem Auftragen der Suspension werden die flüchtigen Bestandteile entfernt.The carrier provided with a catalyst coating can be prepared, for example, by preparing a catalyst suspension described above. This catalyst suspension is then applied to a carrier film, for example made of polytetrafluoroethylene. After applying the suspension, the volatiles are removed.
Das Übertragen der Beschichtung enthaltend einen Katalysator kann unter anderem durch Heißpressen erfolgen. Hierzu wird der Verbund umfassend eineThe transfer of the coating containing a catalyst can take place, inter alia, by hot pressing. For this purpose, the composite is comprising a
Katalysatorschicht und eine Membran sowie eine Trägerfolie auf eine Temperatur im Bereich von 5O0C bis 2000C erhitzt und mit einem Druck von 0,1 bis 5 MPa verpresst. Im Allgemeinen genügen einige Sekunden, um die Katalysatorschicht mit der Membran zu verbinden. Vorzugsweise liegt diese Zeit im Bereich von 1 Sekunde bis 5 Minuten, insbesondere 5 Sekunden bis 1 Minute.Catalyst layer and a membrane and a carrier film heated to a temperature in the range of 5O 0 C to 200 0 C and pressed at a pressure of 0.1 to 5 MPa. In general, a few seconds are enough to bond the catalyst layer to the membrane. This time is preferably in the range from 1 second to 5 minutes, in particular 5 seconds to 1 minute.
Gemäss einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Katalysatorschicht eine Dicke im Bereich von 1 bis 1000 μm, insbesondere von 5 bis 500, vorzugsweise von 10 bis 300 μm auf. Dieser Wert stellt einen Mittelwert dar, der durch Messung der Schichtdicke im Querschnitt von Aufnahmen bestimmt werden kann, die mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) erhalten werden können.According to a particular embodiment of the present invention, the catalyst layer has a thickness in the range from 1 to 1000 .mu.m, in particular from 5 to 500, preferably from 10 to 300 .mu.m. This value represents an average value that can be determined by measuring the layer thickness in the cross-section of images that can be obtained with a scanning electron microscope (SEM).
Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die mit mindestens einer Katalysatorschicht versehene Membran 0,1 bis 10,0 mg/cm2, vorzugsweise 0,3 bis 6,0 mg/cm2 und besonders bevorzugt 0,3 bis 3,0 mg/cm2. Diese Werte können durch Elementaranalyse einer flächigen Probe bestimmt werden.According to a particular embodiment of the present invention, the membrane provided with at least one catalyst layer comprises 0.1 to 10.0 mg / cm 2 , preferably 0.3 to 6.0 mg / cm 2 and particularly preferably 0.3 to 3.0 mg / cm 2 . These values can be determined by elemental analysis of a flat sample.
Des Weiteren kann die Membran, die auch mit einer Katalysatorschicht versehen sein kann, durch Einwirken von Hitze in Gegenwart von Sauerstoff noch vernetzt werden. Diese Härtung der Membran verbessert die Eigenschaften der Membran zusätzlich. Hierzu kann die Membran auf eine Temperatur von mindestens 15O0C, vorzugsweise mindestens 2000C und besonders bevorzugt mindestens 25O0C erwärmt werden. Die Sauerstoffkonzentration liegt bei diesem Verfahrensschritt üblich im Bereich von 5 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 40 Vol.-%, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll. Die Vernetzung kann auch durch Einwirken von IR bzw. NIR (IR = Infrarot, d. h. Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 700 nm; NIR = Nahes IR, d. h. Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 700 bis 2000 nm bzw. einer Energie im Bereich von ca. 0.6 bis 1.75 eV) erfolgen. Eine weitere Methode ist die Bestrahlung mit ß-Furthermore, the membrane, which may also be provided with a catalyst layer, can still be crosslinked by the action of heat in the presence of oxygen. This hardening of the membrane additionally improves the properties of the membrane. For this purpose, the membrane can be heated to a temperature of at least 15O 0 C, preferably at least 200 0 C and particularly preferably at least 25O 0 C. The oxygen concentration in this process step is usually in the range of 5 to 50% by volume, preferably 10 to 40% by volume, without this being intended to limit it. The crosslinking can also be effected by the action of IR or NIR (IR = infrared, ie light with a wavelength of more than 700 nm; NIR = near IR, ie light with a wavelength in the range of about 700 to 2000 nm or an energy in the range of about 0.6 to 1.75 eV). Another method is to irradiate with
Strahlen. Die Strahlungsdosis beträgt hierbei zwischen 5 und 200 kGy.Rays. The radiation dose is between 5 and 200 kGy.
Je nach gewünschtem Vernetzungsgrad kann die Dauer der Vemetzungsreaktion in einem weiten Bereich liegen. Im Allgemeinen liegt diese Reaktionszeit im Bereich von 1 Sekunde bis 10 Stunden, vorzugsweise 1 Minute bis 1 Stunde, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.Depending on the desired degree of crosslinking, the duration of the crosslinking reaction can be in a wide range. In general, this reaction time is in the range of 1 second to 10 hours, preferably 1 minute to 1 hour, without this being a restriction.
Eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit zeigt eine überraschend hohe Leistungsdichte. Gemäss einer besonderen Ausführungsform leisten bevorzugte Membran-Elektroden-Einheiten eine Stromdichte von mindestens 0,3 A/cm2, bevorzugt 0,4 A/cm2, besonders bevorzugt 0,5 A/cm2. Diese Stromdichte wird im Betrieb mit reinem Wasserstoff an der Anode und Luft (ca. 20 Vol.-% Sauerstoff, ca. 80 Vol.-% Stickstoff) an der Kathode bei Normaldruck (absolut 1013 mbar, mit offenem Zellausgang) und 0,6V Zellspannung gemessen. Hierbei können besonders hohe Temperaturen im Bereich von 150-200°C, vorzugsweise 160-1800C, insbesondere von 1700C eingesetzt werden.A membrane electrode assembly according to the invention shows a surprisingly high power density. According to a particular embodiment, preferred membrane-electrode units have a current density of at least 0.3 A / cm 2 , preferably 0.4 A / cm 2 , particularly preferably 0.5 A / cm 2 . This current density is in operation with pure hydrogen at the anode and air (about 20 vol .-% oxygen, about 80 vol .-% nitrogen) at the cathode at atmospheric pressure (absolute 1013 mbar, with open cell output) and 0.6V Cell voltage measured. In this case, particularly high temperatures in the range of 150-200 ° C, preferably 160-180 0 C, in particular of 170 0 C are used.
Die zuvor genannten Leistungsdichten können auch bei geringer Stöchiometrie der Brenngase an beiden Seiten erzielt werden. Gemäss einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Stöchiometrie kleiner oder gleich 2, vorzugsweise kleiner oder gleich 1 ,5 ganz besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 ,2.The aforementioned power densities can be achieved even at low stoichiometry of the fuel gases on both sides. According to a particular aspect of the present invention, the stoichiometry is less than or equal to 2, preferably less than or equal to 1.5, most preferably less than or equal to 1.2.
Gemäss einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Katalysatorschicht einen geringen Edelmetallgehalt auf. Der Edelmetall-Gehalt einer bevorzugten Katalysatorschicht, die von einer erfindungsgemäßen Membran umfasst wird, beträgt vorzugsweise höchstens 2 mg/cm2, insbesondere höchstens 1 mg/cm2, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,5 mg/cm2. Gemäss einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Seite einer Membran einen höheren Metallgehalt auf als die gegenüberliegende Seite der Membran. Vorzugsweise ist der Metallgehalt der einen Seite mindestens doppelt so hoch wie der Metallgehalt der gegenüberliegenden Seite. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 weiter erläutert. Eine Beschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise ist dadurch nicht beabsichtigt.According to a particular embodiment of the present invention, the catalyst layer has a low precious metal content. The noble metal content of a preferred catalyst layer which is comprised by a membrane according to the invention is preferably at most 2 mg / cm 2 , in particular at most 1 mg / cm 2 , very particularly preferably at most 0.5 mg / cm 2 . According to a particular aspect of the present invention, one side of a membrane has a higher metal content than the opposite side of the membrane. Preferably, the metal content of one side is at least twice as high as the metal content of the opposite side. The method according to the invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 3. A limitation of the invention in any way is not intended thereby.
Fig. 1 zeigt in schematische Darstellung den Aufbau einer Vorrichtung zurFig. 1 shows a schematic representation of the structure of a device for
Verpressung einer Membranelektrodeneinheit im Querschnitt.Compression of a membrane electrode assembly in cross section.
Fig. 2 zeigt eine Tabelle, in der Ergebnisse aus Verpressungen von Membranelektrodeneinheiten drei unterschiedlichen Bedingungen enthalten sind.Fig. 2 shows a table in which results from compression of membrane electrode units of three different conditions are included.
Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung der in Fig. 2 gezeigten Ergebnisse.3 shows a graphical representation of the results shown in FIG.
Zwischen zwei relativ zueinander verschiebbaren Pressplatten 5 einer Presse, die hier nicht weiter dargestellt ist, befindet sich eine Membranelektrodeneinheit MEE zur Verpressung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die MEE umfasst eine flächige Membran 1 , die zwischen zwei ebenfalls flächigen Elektroden 2 angeordnet ist. Zwischen der Membran 1 und dem Elektroden 2 kann jeweils eine ebenfalls flächige Dichtung angeordnet sein, die eine Aussparung aufweist, so dass ein Elektrodenraum entsteht, der gegen die Umgebung abgedichtet ist. Zwischen den Pressplatten 5 und den Elektroden 2 kann jeweils eine inkompressibleBetween two relatively movable press plates 5 of a press, which is not shown here, there is a membrane electrode unit MEE for pressing according to the inventive method. The MEU comprises a flat membrane 1, which is arranged between two likewise flat electrodes 2. Between the membrane 1 and the electrodes 2, a likewise flat seal can be arranged in each case, which has a recess, so that an electrode space is formed, which is sealed against the environment. Between the press plates 5 and the electrodes 2 can each incompressible
Schutzschicht 4 angeordnet sein, die eine Beschädigung der Pressplatten 5 durch eventuell austretende Mineralsäure verhindern soll. Gemäss der Erfindung sind zwischen den Pressplatten 5 ein oder mehrere Distanzstücke 3 der Höhe H angeordnet, die sicherstellen, dass die Pressplatten 5 höchstens bis zu einem Abstand H aufeinander zubewegt werden können. Dies ergibt dann die maximaleProtective layer 4 may be arranged to prevent damage to the press plates 5 by any leaking mineral acid. According to the invention, one or more spacers 3 of height H are arranged between the press plates 5, which ensure that the press plates 5 can be moved toward one another at most up to a distance H. This then gives the maximum
Komprimierung der MEE. Die Höhe H ist dabei so bemessen, dass sich bei bekannten Dicken der Membran 1 , der Elektroden 2, ggf. der Dichtungen und der Schutzschicht 4 die gewünschte Kompression einstellt, wenn die Pressplatten 5 bis zu dem Abstand H zusammengepresst werden. Da die einzelnen Komponenten der MEE separat hergestellt werden, können deren Dicken vorab präzise gemessen werden.Compression of the MEE. The height H is dimensioned such that the known compression of the membrane 1, the electrodes 2, possibly the seals and the protective layer 4, the desired compression when the press plates 5 are pressed together to the distance H at known thicknesses. Since the individual components of the MEU are manufactured separately, their thicknesses can be precisely measured in advance.
Der zeitliche Verlauf des Abstandes der Pressplatten 5 zueinander kann dabei die Form einer Rampe haben, deren Steilheit einstellbar ist. Für Verpressungen bei erhöhter Temperatur können die Pressplatten 5 beheizt sein.The time profile of the distance between the press plates 5 to each other can have the shape of a ramp, the slope is adjustable. For pressing at elevated temperature, the press plates 5 can be heated.
Beim Verpressen der MEE finden folgende Vorgänge statt: es wird ein Druck auf die MEE erzeugt, der bewirkt, dass bei einer weichen Membran 1 die Membran 1 zu einem gewissen Teil in das Gewebe der Elektroden 2 hineingequetscht wird. Insofern die Membran noch Anteile von oligomeren Verbindungen aufweist, können diese an der Grenzfläche angereichert werden. Hierdurch entstehen eine Kompression und ein inniger Verbund, der aufgrund der Oberflächenadhäsion den Zusammenhalt der MEE gewährleistet. Dies hat den Vorteil, dass die Grenzflächen zwischen der Polymermembran 1 und der Elektroden 2 erhöht wird. Als weiche Membranen eignen sich vorzugsweise Polymermembranen, die mit einer oder mehreren Mineralsäuren dotiert sind bzw. diese enthalten. Insbesondere bei mit Phosphorsäure dotierten Membranen, die bis zu 90% Phosphorsäure enthalten. Beim Verpressen von MEEs mit solchen Membranen gelangt ein Teil der Mineral- bzw. Phosphorsäure, ggf. mit oligomeren Anteilen in die Elektroden, was die Leistung der MEEs verbessert. Hierbei kann die Membran 1 um bis zu 75% komprimiert werden.During pressing of the MEU, the following processes take place: a pressure is produced on the MEU, which causes the membrane 1 to be squeezed to a certain extent into the tissue of the electrodes 2 in the case of a soft membrane 1. Insofar as the membrane still has shares of oligomeric compounds, these can enriched the interface. This results in a compression and an intimate bond, which ensures the cohesion of the MEA due to the surface adhesion. This has the advantage that the interfaces between the polymer membrane 1 and the electrodes 2 are increased. Suitable soft membranes are preferably polymer membranes which are doped with or contain one or more mineral acids. In particular, in phosphoric acid-doped membranes containing up to 90% phosphoric acid. When MEUs are pressed with such membranes, part of the mineral or phosphoric acid, possibly with oligomeric proportions, enters the electrodes, which improves the performance of the MEUs. Here, the membrane 1 can be compressed by up to 75%.
Die Kompression der MEE kann auch zweistufig erfolgen, beispielsweise durch eine Nachverpressung beim Einbau in einen Brennstoffzellen-Stack. Daher ist eine weitere besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere bereits verpresste Membran-Elektroden-The compression of the MEU can also be done in two stages, for example by a post-compression when installed in a fuel cell stack. Therefore, another particular embodiment of the method according to the invention is characterized in that one or more already pressed membrane electrode
Einheiten in einem weiteren Pressvorgang nochmals verpresst werden. Die Gesamtkompression kann dabei Werte aus dem Bereich von 20 bis 40 % bezogen auf die ursprüngliche Dicke der Einzelkomponenten Anode-Membran-Kathode annehmen.Units are pressed again in a further pressing process. The total compression can take values from the range of 20 to 40% based on the original thickness of the individual components anode-anode-cathode.
Nachfolgend beschriebene Versuche dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.The experiments described below serve to further explain the invention.
Es wurden MEE mit gleicher Membran- und Elektrodendicke bei verschiedenen Kompressionsraten hergestellt. Diese wurden dann in eine elektrochemische Messzelle eingebaut, darin nochmals komprimiert, und Strom-Spannungs-Kennlinien aufgenommen. Die Tabelle in der Fig. 2 zeigt die Ergebnisse, Fig. 3 deren grafische Darstellung. In der ersten Teil Fig. ist die gemessene Ruhespannung (OCV) als Funktion der Kompression bei der Herstellung (MEA-Compr.) und der Kompression in der Zelle (Cell-Compr.) aufgetragen. Mit eingetragen ist ein Vergleichsversuch, bei dem eine MEE nach dem bekannten Verfahren mit einem eingestellten Druck von 1MEAs were made with the same membrane and electrode thickness at different compression rates. These were then installed in an electrochemical measuring cell, re-compressed therein, and recorded current-voltage characteristics. The table in Fig. 2 shows the results, Fig. 3 is a graphical representation thereof. In the first part of Fig., The measured open circuit voltage (OCV) is plotted as a function of the compression in the production (MEA-Compr.) And the compression in the cell (Cell-Compr.). With registered is a comparison test, in which a MEE according to the known method with a set pressure of 1
N/mm 2 verpresst wurde. Die beiden anderen Teilfiguren zeigen die gemessene Klemmenspannung UkI bei zwei unterschiedlichen Stromdichten jeweils als Funktion der gleichen Parameter. Wie bereits ausgeführt, zeigen diese Ergebnisse, dass die Ruhespannung bei den erfindungsgemäß komprimierten MEE höher ist als bei solchen, die Druck gesteuert hergestellt worden. Außerdem ist zu sehen, dass bei steigender Nachkompression beim Zelleinbau die Ruhespannung abfällt. Ein Optimum wird erreicht bei einer Herstellungskompression von 20% und einer Zellkompression von ebenfalls 20%. Die Messergebnisse zeigen auch eine Abnahme der Klemmenspannung bei höheren Stromdichten mit sinkender Einbau- Kompression. Die Ursache dafür ist vermutlich ein geringfügig höherer Übergangswiderstand zwischen Elektroden und der Bipolarplatte, die der Stromabnahme dient.N / mm 2 was pressed. The other two subfigures show the measured terminal voltage UkI at two different current densities each as a function of the same parameters. As already stated, these results show that the quiescent voltage in the MEE compressed according to the invention is higher than in the case of pressure-controlled production. In addition, it can be seen that as recompression increases during cell installation, the quiescent voltage drops. An optimum is achieved with a manufacturing compression of 20% and a cell compression of likewise 20%. The measurement results also show a decrease in the terminal voltage at higher current densities with decreasing built-in Compression. The reason for this is presumably a slightly higher contact resistance between the electrodes and the bipolar plate, which serves to reduce the current.
Für weitere Informationen über Membran-Elektroden-Einheiten wird auf dieFor more information about membrane-electrode assemblies, refer to the
Fachliteratur, insbesondere auf die Patente US-A-4,191 ,618, US-A-4,212,714 und US-A-4,333,805 verwiesen. Die in den vorstehend genannten Literaturstellen [US-A- 4,191 ,618, US-A-4,212,714 und US-A-4,333,805] enthaltene Offenbarung hinsichtlich des Aufbaues und der Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten, sowie der zu wählenden Elektroden, Gasdiffusionslagen und Katalysatoren ist auchSpecial literature, in particular to the patents US-A-4,191, 618, US-A-4,212,714 and US-A-4,333,805 referenced. The disclosure contained in the aforementioned references [US-A-4,191,618, US-A-4,212,714 and US-A-4,333,805] regarding the construction and manufacture of membrane-electrode assemblies, as well as the electrodes to be selected, gas diffusion layers and Catalysts is too
Bestandteil der Beschreibung. Part of the description.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit, bei dem eine oder mehrere protonenleitfähige Polymermembranen (1 ) mit zwei oder mehreren Elektroden (2) verpresst werden, dadurch gekennzeichnet, daß die1. A process for producing a membrane-electrode assembly in which one or more proton-conductive polymer membranes (1) with two or more electrodes (2) are pressed, characterized in that the
Verpressung bis zu einer voreinstellbaren Kompression durchgeführt wird.Compression is performed up to a presettable compression.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Verpressung bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.2. The method of claim 1, wherein the pressing is carried out at elevated temperature.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei der voreinstellbare Wert der Kompression aus dem Intervall von einschl. 1 bis 40 % gewählt wird.3. The method according to one or more of claims 1 to 3, wherein the presettable value of the compression of the interval of incl. 1 to 40% is selected.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei die4. The method according to one or more of claims 1 to 3, wherein the
Verpressung bis zu der voreinstellbaren Kompression innerhalb eines Zeitraums von 1 bis 100 Sekunden durchgeführt wird.Compression is performed up to the presettable compression within a period of 1 to 100 seconds.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verpressung mit einer Kompressionsgeschwindigkeit aus dem Bereich von 0,25. The method according to one or more of claims 1 to 4, wherein the compression with a compression speed in the range of 0.2
' bis 20 %/s durchgeführt wird. 'is carried out to 20% / s.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verpressung rampenförmig durchgeführt wird.6. The method according to one or more of claims 1 to 5, wherein the compression is performed ramped.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine stapeiförmige, wechselweise Abfolge von mehreren Elektroden und mehreren Membranen verpresst wird.7. The method according to one or more of claims 1 to 7, wherein a stacked, alternating sequence of a plurality of electrodes and a plurality of membranes is pressed.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine oder mehrere bereits verpresste Membran-Elektroden-Einheiten in einem weiteren Pressvorgang nochmals verpresst werden.8. The method according to one or more of claims 1 to 8, wherein one or more already pressed membrane electrode assemblies are pressed again in a further pressing operation.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Membran-Elektroden-Einheit verpresst wird, umfassend9. The method according to one or more of claims 1 to 8, wherein a membrane-electrode assembly is pressed, comprising
A) mindestens eine mit mindestens einer Mineralsäure dotierteA) at least one doped with at least one mineral acid
Polymermembran, die mindestens ein Polymer mit mindestens einem basischen Heteroatom ausgewählt aus der Gruppe O, S und/oder N enthält,Polymer membrane containing at least one polymer having at least one basic heteroatom selected from the group O, S and / or N,
RPSTATiGUNGSKOPIE B) mindestens zwei Elektroden, wobei mindestens eine Elektrode einen Katalysator enthaltend mindestens ein Edelmetall der Platingruppe, insbesondere Pt, Pd, Ir, Rh, Os1 Ru, und/oder mindestens ein Edelmetall Au und/oder Ag aufweist.RPSTATiGUNGSKOPIE B) at least two electrodes, wherein at least one electrode comprises a catalyst comprising at least one noble metal of the platinum group, in particular Pt, Pd, Ir, Rh, Os 1 Ru, and / or at least one noble metal Au and / or Ag.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei als Polymere mit mindestens einem Stickstoffatom ein basisches Polymer mit mindestens einem Stickstoffatom in einer Wiederholungseinheit verwendet wird.10. The method according to claim 9, wherein as polymers having at least one nitrogen atom, a basic polymer having at least one nitrogen atom in a repeating unit is used.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das basische Polymer mindestens einen aromatischen Ring mit mindestens einem Stickstoffatom enthält.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the basic polymer contains at least one aromatic ring having at least one nitrogen atom.
12. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das basische12. The method according to claim 9, characterized in that the basic
Polymer ein Polyimidazol, ein Polybenzimidazol, ein Polybenzthiazol, ein Polybenzoxazol, ein Polytriazol, ein Polyoxadiazol, ein Polythiadiazol, ein Polypyrazol, ein Polyquinoxaline, ein Poly(pyridine), ein Poly(pyrimidine) oder ein Poly(tetrazapyrene) ist.Polymer is a polyimidazole, a polybenzimidazole, a polybenzothiazole, a polybenzoxazole, a polytriazole, a polyoxadiazole, a polythiadiazole, a polypyrazole, a polyquinoxaline, a poly (pyridine), a poly (pyrimidines) or a poly (tetrazapyrene).
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung von einem oder mehreren basischen Polymeren mit einem weiteren Polymeren eingesetzt wird.13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that a mixture of one or more basic polymers is used with a further polymer.
14. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran14. The method according to claim 9, characterized in that the membrane
Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure als Mineralsäure umfasst.Phosphoric acid and / or sulfuric acid as a mineral acid.
15. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüqhe 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermembran para-Polybenzimidazole umfasst.15. The method according to one or more of Ansprüqhe 9 to 14, characterized in that the polymer membrane comprises para-polybenzimidazoles.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei der Katalysator auf die Polymermembran aufgebracht wird.16. The method according to any one of claims 9 to 15, wherein the catalyst is applied to the polymer membrane.
17. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 16, wobei die Katalysatorschicht eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 50 μm aufweist.17. The method according to one or more of claims 9 to 16, wherein the catalyst layer has a thickness in the range of 0.1 to 50 microns.
18. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 17, wobei der Katalysator katalytisch aktive Partikel umfasst, die eine Größe im Bereich von 5 bis 200 nm aufweisen. 18. The method according to one or more of claims 9 to 17, wherein the catalyst comprises catalytically active particles having a size in the range of 5 to 200 nm.
19. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 18, wobei der Katalysator geträgerte katalytisch aktive Partikel umfasst, wobei die Größe der Katalysatorpartikel im Bereich von 1 bis 20 nm liegt.19. The method according to one or more of claims 9 to 18, wherein the catalyst comprises supported catalytically active particles, wherein the size of the catalyst particles in the range of 1 to 20 nm.
20. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 19, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 0,1 bis 10 g/m2 einer katalytisch aktiven Substanz umfasst.20. The method according to one or more of claims 9 to 19, wherein the membrane-electrode unit comprises 0.1 to 10 g / m 2 of a catalytically active substance.
21. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 20, wobei das21. The method according to one or more of claims 9 to 20, wherein the
Gewichtsverhältnis der Edelmetalle der Platingruppe bzw. von Au und/oder Ag (i) zu den gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe unedleren Metallen (ii) zwischen 1 :100 bis 100:1 beträgt.Weight ratio of the noble metals of the platinum group or of Au and / or Ag (i) to the less noble according to the electrochemical series of metals (ii) between 1: 100 to 100: 1.
22. Verwendung von Pressen zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21. 22. Use of presses for carrying out a method according to one or more of claims 1 to 21.
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