ES2217957B1 - PROTONIC DRIVING MEMBERS BASED ON POLYMERS OF THE POLYBENCIMIDAZOL TYPE AND HYBRID MATERIALS AND NANOCOMPOSES DERIVED FROM THEM. - Google Patents

PROTONIC DRIVING MEMBERS BASED ON POLYMERS OF THE POLYBENCIMIDAZOL TYPE AND HYBRID MATERIALS AND NANOCOMPOSES DERIVED FROM THEM.

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ES2217957B1 ES200300249A ES200300249A ES2217957B1 ES 2217957 B1 ES2217957 B1 ES 2217957B1 ES 200300249 A ES200300249 A ES 200300249A ES 200300249 A ES200300249 A ES 200300249A ES 2217957 B1 ES2217957 B1 ES 2217957B1
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Abstract

Membranas conductoras protónicas basadas en polímeros de tipo polibencimidazol y materiales híbridos y nanocompuestos derivados de los mismos. Los materiales y procedimientos descritos en esta patente hacen referencia a materiales conductores protónicos para uso a temperaturas entre temperatura ambiente y 200ºC en dispositivos electroquímicos que requieran membranas conductoras protónicas que incluyen, aunque no se limitan a, pilas de combustible, condensadores electroquímicos sensores, bombas de hidrógeno y en otros dispositivos de almacenamiento y conversión de energía. Las membranas están basadas en polibencimidazoles y sus derivados, así como en materiales híbridos orgánico- inorgánicos compuestos por polibencimidazoles o sus derivados y compuestos inorgánicos conductores protónicos. Para adquirir una elevada conductividad protónica, estas membranas son dopadas con ácidos fuertes bien durante el proceso de casting, o bien a posteriori por inmersión de la membrana en un baño de ácido.Proton conductive membranes based on polybenzimidazole-type polymers and hybrid materials and nanocomposites derived therefrom. The materials and procedures described in this patent refer to protonic conductive materials for use at temperatures between room temperature and 200 ° C in electrochemical devices that require proton conductive membranes that include, but are not limited to, fuel cells, electrochemical capacitors, pumps hydrogen and other storage and energy conversion devices. The membranes are based on polybenzimidazoles and their derivatives, as well as on organic-inorganic hybrid materials composed of polybenzimidazoles or their derivatives and proton conductive inorganic compounds. To acquire a high proton conductivity, these membranes are doped with strong acids either during the casting process, or subsequently by immersion of the membrane in an acid bath.

Description

Membranas conductoras protónicas basadas en polímeros de tipo polibencimidazol y materiales híbridos y nanocompuestos derivados de los mismos.Proton conductive membranes based on polybenzimidazole polymers and hybrid materials and nanocomposites derived from them.

Sector de la técnicaTechnical sector

En relación con la manufactura de los materiales que se describen, esta patente se dirige al sector químico y como subsector polímeros y materiales compuestos In relation to the manufacture of the materials described, this patent is addressed to the chemical sector and as a subsector polymers and composites

Por otra parte, la aplicación de las membranas incide en el sector energético y concretamente en pilas de combustible, condensadores electroquímicos y otros dispositivos de almacenamiento y conversión de energía. On the other hand, the application of membranes affects the energy sector and specifically fuel cells, electrochemical capacitors and other energy storage and conversion devices.

Estado de la técnicaState of the art

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten la energía de una reacción electroquímica directamente en corriente eléctrica. Las pilas de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) están constituidas básicamente por dos electrodos (generalmente electrodos porosos de platino sobre carbono) separados por una membrana polimérica conductora de protones pero aislante al flujo de electrones, (este conjunto de electrodos y membrana es denominado ensamblaje electrodo-membrana-electrodo o MEA). El combustible, generalmente hidrógeno, se hace circular por el ánodo (electrodo negativo), mientras que un oxidante, generalmente oxígeno o aire, se hace circular por el cátodo (electrodo positivo).Fuel cells are devices electrochemicals that convert the energy of a reaction electrochemistry directly in electric current. Piles of polymeric electrolyte fuel (PEMFC) are constituted basically by two electrodes (usually porous electrodes of platinum on carbon) separated by a polymeric membrane proton conductor but electron flow insulator, (this electrode and membrane assembly is called assembly electrode-membrane-electrode or MEA). The fuel, usually hydrogen, is circulated through the anode (negative electrode), while an oxidant, usually oxygen or air, is circulated through the cathode (electrode positive).

En una PEMFC, las reacciones que tienen lugar son dos. Por un lado, en el ánodo tiene lugar la disociación del hidrógeno dando lugar a dos protones y dos electrones. Mientras que los dos electrones se hacen circular hasta el cátodo por un circuito externo generando corriente eléctrica, los protones atraviesan la membrana para llegar así al cátodo, y combinares con los dos electrones y el oxígeno (puro o como aire) para dar lugar a agua como único "residuo". La posibilidad de generar electricidad a partir de hidrógeno, sin generar contaminante alguno, y dando lugar a agua como único subproducto hace a las pilas de combustible muy atractivas desde los puntos de vista científico, tecnológico, político, social, y económico.In a PEMFC, the reactions that take place are two. On the one hand, in the anode the dissociation of the hydrogen giving rise to two protons and two electrons. While the two electrons are circulated to the cathode by a external circuit generating electric current, the protons cross the membrane to reach the cathode, and combine with the two electrons and oxygen (pure or as air) to give rise to to water as the only "residue". The possibility of generating electricity from hydrogen, without generating any contaminants, and giving rise to water as the only byproduct makes the batteries of very attractive fuel from a scientific point of view, Technological, political, social, and economic.

Las membranas conductoras protónicas normalmente empleadas como electrolito en celdas de combustible y otras celdas electroquímicas, están basadas en polímeros perfluorosulfonados, entre los que destaca el Nafion®. Estas membranas necesitan estar fuertemente hidratadas para mantener una elevada conductividad protónica, lo cual limita su temperatura de trabajo por debajo de los 100ºC e implica una delicada gestión de la humedad en la entrada y salida de gases. Por otro lado, en las pilas de combustible de electrolito polimérico, se utilizan catalizadores de Pt/C. Estos catalizadores son muy sensibles al envenenamiento incluso por las pequeñas cantidades de CO presentes en los gases, especialmente cuando estos proceden del reformado de hidrocarburos. Este efecto se puede ver reducido a temperaturas más elevadas, para lo cual es necesario el desarrollo de membranas poliméricas con buena conductividad y estabilidad a altas temperaturas.Proton conductive membranes normally used as electrolyte in fuel cells and other cells electrochemical, are based on perfluorosulfonated polymers, among which Nafion® stands out. These membranes need to be strongly hydrated to maintain high conductivity proton, which limits its working temperature below 100 ° C and involves delicate moisture management in the gas inlet and outlet. On the other hand, in the stacks of polymer electrolyte fuel, catalysts are used of Pt / C. These catalysts are very sensitive to poisoning. even for the small amounts of CO present in the gases, especially when they come from hydrocarbon reforming. This effect can be reduced to higher temperatures, for which is necessary the development of polymeric membranes with Good conductivity and stability at high temperatures.

El polibencimidazol (poli[2,2'-(m-fenilen)-5,5'-bibencimidazol]) (que denotaremos aquí como PBI) es el único polímero comercial de este tipo hasta el momento. Se trata de un polímero con una alta estabilidad térmica cuyos grupos imidazol le confieren una naturaleza básica, lo cual permite que cuando una membrana de este polímero se sumerge en una disolución de ácido fosfórico, la membrana absorba hasta un 70% de ácido (Wainright, J. S. et al., M. J. Electrochem. Soc. 1995, 142, L121-L123). Los diferentes procedimientos de obtención de membranas de PBI dopado con ácido fosfórico que se encuentran descritos en la bibliografía, tanto en revistas científico-técnicas como en patentes, se resume en el esquema que aparece en la figura 1. En estas membranas, la conductividad se deriva precisamente de la elevada proporción de ácido absorbida por el polímero, mientras que el PBI, al tiempo de retener el ácido, confiere estabilidad mecánica al conjunto. Cuando se trabaja con membranas de PBI-H_{3}PO_{4}, la gestión de la humedad en los gases se hace mucho menos importante, ya que la conductividad protónica viene dada por la elevada proporción de ácido presente en la membrana. Esto permite al PBI trabajar a temperaturas de hasta 200ºC. Esta mayor temperatura de trabajo del PBI dopado con ácido fosfórico favorece la cinética de los catalizadores de Pt, y disminuye el efecto del envenenamiento por CO, lo que permite trabajar con hidrógeno de menor pureza (Savadogo, O., Xing, B. J. New Mat. Electrochem. Systems 2000, 3, 345-349; Qingfeng, L. et al., N. J. J. Appl. Electrochem. 2001, 31,
773-779.)
Polybenzimidazole (poly [2,2 '- (m-phenylene) -5,5'-bibencimidazole]) (which we will denote here as PBI) is the only commercial polymer of this type so far. It is a polymer with high thermal stability whose imidazole groups give it a basic nature, which allows when a membrane of this polymer is immersed in a phosphoric acid solution, the membrane absorbs up to 70% acid (Wainright, JS et al ., M. J. Electrochem. Soc . 1995, 142 , L121-L123). The different procedures for obtaining phosphoric acid doped PBI membranes that are described in the literature, both in scientific and technical journals and in patents, are summarized in the scheme shown in Figure 1. In these membranes, the conductivity is It derives precisely from the high proportion of acid absorbed by the polymer, while the GDP, while retaining the acid, confers mechanical stability to the whole. When working with PBI-H 3 PO 4 membranes, moisture management in gases becomes much less important, since proton conductivity is given by the high proportion of acid present in the membrane. This allows the GDP to work at temperatures up to 200 ° C. This higher working temperature of the GDP doped with phosphoric acid favors the kinetics of Pt catalysts, and decreases the effect of CO poisoning, which allows working with hydrogen of lower purity (Savadogo, O., Xing, B. J. New Mat. Electrochem. Systems 2000, 3, 345-349; Qingfeng, L. et al ., NJ J. Appl. Electrochem . 2001, 31,
773-779.)

Estas membranas de PBI-ácido fosfórico se han empleado principalmente en celdas de combustible (generalmente utilizando H_{2} como combustible, pero también metanol, etanol, propano,..) (Savadogo, O. y Xing, B. J. New Mat. Electrochem. Systems 2000, 3, 345-349; Qingfeng, L. et al. J. Appl. Electrochem. 2001, 31, 773-779; Wang, J. T. et al. Electrochimica Acta 1996, 41, 193-197; Bjerrum, N. J. y Li, Q.; Hjuler, H. A., World Patent 0118894, 2001; Wang, J. T. et al. Electrochimica Acta 1998, 43, 3821-3828; Wang, J. T. et al. J. Electrochem. Soc. 1995, 142, 4218-4224; Weber, M. et al. J. Electrochem. Soc. 1996, 143, L158-L160; Xing, B. y Savadogo, O. Electrochem. Comm. 2000, 2, 697-702; Wang, J. T. et al. J. Appl. Electrochem. 1996, 26, 751-756; Savadogo, O. y Rodriguez Varela, F. J. J. New Mat. Electrochem. Systems 2001, 4; Hasiotis, C. et al. J. Electrochem. Soc. 2001, 148, A513-A519.), en sensores (Bouchet, R. et al. J. Electrochem. Soc. 1997, 144, L95-L97; Bouchet, R. et al. J. Electrochem. Soc. 2000, 147, 3125-3130; Bouchet, R. et al. G. J. Electrochem. Soc. 2000, 147, 3548-3551; Bouchet, R. et al. Sensors and Actuators B: Chemical 2001, 76, 610-616), supercondensadores (Li, C., World Patent 9826466, 1998; Wu, H. et al. US Patent 5723231, 1998; Li, C. et al. World Patent 9738460, 1997), o dispositivos electrocrómicos (Athenstaedt, W. et al. World Patent 0028374, 2000).These PBI-phosphoric acid membranes have been used mainly in fuel cells (generally using H2 as fuel, but also methanol, ethanol, propane, ..) (Savadogo, O. and Xing, B. J. New Mat Electrochem Systems 2000, 3, 345-349; Qingfeng, L. et al . J. Appl. Electrochem . 2001, 31, 773-779; Wang, JT et al . Electrochimica Acta 1996, 41, 193-197; Bjerrum , NJ and Li, Q .; Hjuler, HA, World Patent 0118894, 2001; Wang, JT et al . Electrochimica Acta 1998, 43, 3821-3828; Wang, JT et al . J. Electrochem. Soc . 1995, 142, 4218-4224; Weber, M. et al . J. Electrochem. Soc . 1996, 143, L158-L160; Xing, B. and Savadogo, O. Electrochem. Comm . 2000, 2, 697-702; Wang, JT et al . J. Appl. Electrochem . 1996, 26, 751-756; Savadogo, O. and Rodriguez Varela, FJ J. New Mat. Electrochem. Systems 2001, 4; Hasiotis, C. et al . J. Electrochem. Soc . 2001, 148, A513-A519.), In sensors (Bouchet, R. et al . J. Electrochem. Soc . 1997, 144, L95-L97; Bouchet, R. et al . J. Electroch em. Soc . 2000, 147, 3125-3130; Bouchet, R. et al . G. J. Electrochem. Soc . 2000, 147, 3548-3551; Bouchet, R. et al . Sensors and Actuators B: Chemical 2001, 76, 610-616), supercapacitors (Li, C., World Patent 9826466, 1998; Wu, H. et al . US Patent 5723231, 1998; Li, C. et al . World Patent 9738460, 1997), or electrochromic devices (Athenstaedt, W. et al . World Patent 0028374, 2000).

El modo más habitual de preparación de membranas de PBI dopado con fosfórico es la evaporación de disoluciones de PBI en dimetilacetamida (DMAc) (Wainright, J. S. et al., M. J. Electrochem. Soc. 1995, 142, L121-L123; Savinell, R. F. y Lift, M., US Patent 5525436, 1996; Moaddel, H., Ph. D. Thesis Case Western Reserve University, 1996). Para ello se prepara una disolución de PBI en DMAc (10 - 20%) y se deja evaporar el disolvente aplicando vacío y/o temperatura. Frecuentemente se añade LiCl (1-2%) para evitar la separación de fases en la disolución cuando ésta se almacena (Trouw, N. S. y Gillette, N. J., US Patent 4693825, 1987). Las membranas obtenidas se lavan en agua hirviendo para eliminar los restos de DMAc y LiCl, se secan, y se sumergen durante al menos 16 horas en una mezcla de ácido fosfórico/agua, aunque es posible acelerar este proceso aumentando la temperatura (Yamamoto, T., World Patent 0039202, 2000). Se ha encontrado también, que existe un tiempo de inmersión de 10–11 horas a partir del cual la conductividad aumenta bruscamente hasta dos órdenes de magnitud (Glipa, X. et al. J. Mater. Chem. 1999, 9, 3045-3049). La membrana obtenida se seca a vacío o calentando.The most common way of preparing phosphorus-doped PBI membranes is the evaporation of PBI solutions in dimethylacetamide (DMAc) (Wainright, JS et al ., M. J. Electrochem. Soc . 1995, 142, L121-L123; Savinell , RF and Lift, M., US Patent 5525436, 1996; Moaddel, H., Ph. D. Thesis Case Western Reserve University, 1996). For this, a solution of PBI in DMAc (10-20%) is prepared and the solvent is allowed to evaporate by applying vacuum and / or temperature. Frequently, LiCl (1-2%) is added to avoid phase separation in the solution when it is stored (Trouw, NS and Gillette, NJ, US Patent 4693825, 1987). The membranes obtained are washed in boiling water to remove the remains of DMAc and LiCl, dried, and immersed for at least 16 hours in a phosphoric acid / water mixture, although it is possible to accelerate this process by increasing the temperature (Yamamoto, T ., World Patent 0039202, 2000). It has also been found that there is an immersion time of 10–11 hours after which the conductivity increases sharply up to two orders of magnitude (Glipa, X. et al . J. Mater. Chem . 1999, 9, 3045-3049 ). The membrane obtained is dried under vacuum or by heating.

Las moléculas de H_{3}PO_{4} absorbidas por la membrana forman una sal protonando el nitrógeno de la imina del anillo de bencimidazol. Esto se puede comprobar por la aparición de una banda muy intensa en el FT-IR de los films dopados a 2500-3000 cm^{-1} (Bouchet, R. y Siebert, E. Solid State Ionics 1999, 118, 287-299).The H 3 PO 4 molecules absorbed by the membrane form a salt protonating the imine nitrogen from the benzimidazole ring. This can be verified by the appearance of a very intense band in the FT-IR of films doped at 2500-3000 cm -1 (Bouchet, R. and Siebert, E. Solid State Ionics 1999, 118, 287- 299).

Las propiedades mecánicas de estas membranas mejoran al utilizar PBI de peso molecular más elevado, por lo que se recomienda el fraccionamiento previo del polímero. Este fraccionamiento se lleva a cabo aprovechando la solubilidad del PBI de diferentes pesos moleculares en DMAc en función de la temperatura (Moaddel, H., Ph. D. Thesis Case Western Reserve University, 1996; Buckley, A.; Stuez, E. D.; Serad, G. A. Polybenzimidazoles en Encyclopedia of Polymer Science and Engineering 2nd ed. vol. 11 1988). Otro modo de mejorar las propiedades mecánicas de las membranas evaporadas de DMAc consiste en añadir etilenglicol diglicidiléter (Yamamoto, T., World Patent 0044816, 2000) Este diepóxido retícula el polímero cuando se abre por reacción con el N del bencimidazol. De este modo se mejoran las propiedades mecánicas, sin embargo, disminuye la cantidad de H_{3}PO_{4} que la membrana puede absorber en las mismas condiciones.The mechanical properties of these membranes are improved by using higher molecular weight PBI, so prior polymer fractionation is recommended. This fractionation is carried out taking advantage of the solubility of GDP of different molecular weights in DMAc as a function of temperature (Moaddel, H., Ph. D. Thesis Case Western Reserve University, 1996; Buckley, A .; Stuez, ED; Serad , GA Polybenzimidazoles in Encyclopedia of Polymer Science and Engineering 2nd ed. Vol. 11 1988). Another way to improve the mechanical properties of evaporated DMAc membranes is to add ethylene glycol diglycidyl ether (Yamamoto, T., World Patent 0044816, 2000). This diepoxide reticulates the polymer when it is opened by reaction with the benzimidazole N. In this way the mechanical properties are improved, however, the amount of H 3 PO 4 that the membrane can absorb under the same conditions decreases.

Un método alternativo, que condensa todas las etapas en un solo paso, es el direct acid casting (Savinell, R. F. y Litt, M., World Patent 9737396, 1997 ; Ameri, R., Ph. D. Thesis Case Western Reserve University, 1997; Ma, Y. et al. Conductivity of PBI Membranes for High Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cells, Proceedings of the Meeting of the Electrochemical Society, San Francisco, 2001). Estas membranas se preparan a partir de una disolución de PBI 20% en ácido trifluoroacético (TFA) a reflujo (Ameri, R., Ph. D. Thesis Case Western Reserve University, 1997.).An alternative method, which condenses all stages in one step, is direct acid casting (Savinell, RF and Litt, M., World Patent 9737396, 1997; Ameri, R., Ph. D. Thesis Case Western Reserve University, 1997; Ma, Y. et al . Conductivity of PBI Membranes for High Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cells , Proceedings of the Meeting of the Electrochemical Society, San Francisco, 2001). These membranes are prepared from a solution of 20% PBI in trifluoroacetic acid (TFA) at reflux (Ameri, R., Ph. D. Thesis Case Western Reserve University, 1997.).

Una patente de Celanese Ventures (único fabricante de PBI) (Sansone, M. J. et al. Patent 6187231, 2001; Sansone, M. J. et al World Patent 9814505, 1998) describe la preparación de membranas de polibencimidazol por coagulación en disolución.A patent of Celanese Ventures (sole manufacturer of PBI) (Sansone, MJ et al . Patent 6187231, 2001; Sansone, MJ et al World Patent 9814505, 1998) describes the preparation of polybenzimidazole membranes by solution coagulation.

Además de membranas de PBI-ácido fosfórico, se están ensayando actualmente otros materiales como alternativa a las membranas de Nafión para las aplicaciones citadas más arriba. Entre las más recientes se cuenta la aplicación de conductores protónicos inorgánicos bien conocidos, como por ejemplo el sulfato ácido de cesio (CsHSO_{4}) cuya aplicación en pilas de combustible se ha publicado recientemente (Haile, S. M. et al. Nature 2001, 410, 910-913; Haile, S. M., World Patent 0045447, 2000).In addition to PBI-phosphoric acid membranes, other materials are currently being tested as an alternative to Naphion membranes for the applications cited above. Among the most recent are the application of well-known inorganic protonic conductors, such as cesium acid sulfate (CsHSO4) whose application in fuel cells has been published recently (Haile, SM et al . Nature 2001, 410 , 910-913; Haile, SM, World Patent 0045447, 2000).

La presente patente incide en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos e híbridos (orgánico-inorgánicos) con propiedades mejoradas de conductividad y estabilidad a altas temperaturas. Los materiales híbridos orgánico-inorgánicos son combinaciones a nivel molecular (nanocomposites) de polímeros orgánicos y especies inorgánicas activas y conductoras de protones. El desarrollo de estos materiales híbridos nanocompuestos brinda la oportunidad de combinar las mejores propiedades de ambos tipos de componentes optimizando sus prestaciones.This patent affects the development of new polymeric and hybrid materials (organic-inorganic) with improved properties of conductivity and stability at high temperatures. The materials organic-inorganic hybrids are combinations to molecular level (nanocomposites) of organic polymers and species inorganic active and proton conductive. The development of These hybrid nanocomposite materials provide the opportunity to combine the best properties of both types of components optimizing its performance

Descripción Description Descripción brevebrief description

Los materiales y procedimientos descritos en esta patente hacen referencia a materiales conductores protónicos para uso a temperaturas entre temperatura ambiente y 200ºC en dispositivos electroquímicos que requieran membranas conductoras protónicas que incluyen, aunque no se limitan a, pilas de combustible, condensadores electroquímicos, sensores, bombas de hidrógeno y en otros dispositivos de almacenamiento y conversión de energía.The materials and procedures described in this patent refer to proton conductive materials for use at temperatures between room temperature and 200 ° C in electrochemical devices that require conductive membranes protonics that include, but are not limited to, batteries of fuel, electrochemical capacitors, sensors, pumps hydrogen and other storage and conversion devices of Energy.

Las membranas están basadas en polibencimidazoles y sus derivados, así como en materiales híbridos orgánico-inorgánicos compuestos por polibencimidazoles o sus derivados y compuestos inorgánicos conductores protónicos. Para adquirir una elevada conductividad protónica, estas membranas son dopadas con ácidos fuertes bien durante el proceso de casting, o bien a posteriori por inmersión de la membrana en un baño de ácido.The membranes are based on polybenzimidazoles and their derivatives, as well as on organic-inorganic hybrid materials composed of polybenzimidazoles or their derivatives and proton conductive inorganic compounds. To acquire a high proton conductivity, these membranes are doped with strong acids either during the casting process, or subsequently by immersion of the membrane in an acid bath.

En la Fig. 1 se muestra un esquema de las técnicas de preparación de estas membranas dopadas con ácido fosfórico.An outline of the preparation techniques of these acid-doped membranes phosphoric.

Descripción detalladaDetailed description

Los polímeros empleados son polímeros básicos, preferentemente polibencimidazoles o polímeros con grupos bencimidazol en su estructura, polímeros que incluyen (aunque no limitados a) poli(2,5-bencimidazol) (ABPBI), poli(m-fenilen-benzobisimidazol), poli(p-fenilen-benzobisimidazol), así como los derivados sulfonados o fosfonados de los mismos, preparados a partir de monómeros sulfonados, o sulfonados tras la polimerización. Se entiende como polibencimidazoles aquellos polímeros con grupos bencimidazol o bencimidazoles sustituidos a lo largo de la cadena polimérica (como por ejemplo el ABPBI, figura 2).The polymers used are basic polymers, preferably polybenzimidazoles or polymers with groups benzimidazole in its structure, polymers that include (although not limited to) poly (2,5-benzimidazole) (ABPBI), poly (m-phenylene-benzobisimidazole), poly (p-phenylene-benzobisimidazole), as well as sulphonated or phosphonated derivatives thereof, prepared from sulphonated or sulphonated monomers after polymerization. It is understood as polybenzimidazoles those polymers with benzimidazole or substituted benzimidazole groups length of the polymer chain (such as ABPBI, figure 2).

Los polibencimidazoles en particular, pueden obtenerse fácilmente por condensación de tetraaminas aromáticas (como por ejemplo 1,2,4, 5-traaminobenceno, o diaminobencidina) y diácidos alquílicos o aromáticos. También se pueden preparar a partir de un único monómero que contenga dos aminas en posición orto de un anillo de benceno, y un grupo carboxílico (como el ácido 3,4-diaminobenzoico, figura 2). Para ello se disuelven los monómeros en ácido polifosfórico bajo atmósfera de nitrógeno, y se calientan entre 140 y 200ºC durante al menos una hora, (Imai, Y. et al. Makromol. Chem. 1965, 83, 179-187).The polybenzimidazoles in particular can easily be obtained by condensation of aromatic tetraamines (such as 1,2,4,5-traaminobenzene, or diaminobenzidine) and alkyl or aromatic diacids. They can also be prepared from a single monomer containing two ortho-amines of a benzene ring, and a carboxylic group (such as 3,4-diaminobenzoic acid, Figure 2). To do this, the monomers are dissolved in polyphosphoric acid under a nitrogen atmosphere, and heated between 140 and 200 ° C for at least one hour, (Imai, Y. et al . Makromol. Chem . 1965, 83, 179-187).

1.- Membranas de polibencimidazoles dopadas con ácido fosfórico1.- Acido-doped polybenzimidazole membranes phosphoric

Las membranas se pueden preparar disolviendo los polibencimidazoles, sus derivados sulfonados o fosfonados, mezclas de ambos o mezclas con otros tipos de polímeros en disolventes apropiados como pueden ser ácido metanosulfónico, ácido clorometanosulfónico, ácido trifluoroacético, o ácido fórmico entre otros. La disolución se deposita sobre una superficie plana para evaporar el disolvente a temperaturas entre temperatura ambiente y 300ºC, y a presión atmosférica o inferior a la atmosférica (en aire o en atmósfera inerte). Las membranas obtenidas se dopan con ácidos fuertes (ácido fosfórico, sulfúrico, o derivados orgánicos de éstos) sumergiéndolas en baños de dichos ácidos de concentraciones superiores al 5%, preferentemente entre 50 y 75%, a temperatura ambiente, entre 5 minutos y una semana. Para acelerar el proceso de dopaje, se puede calentar el baño dopante entre temperatura ambiente y 90ºC. La membrana absorberá un porcentaje de ácido proporcional a la concentración de éste en el baño dopante.The membranes can be prepared by dissolving the polybenzimidazoles, their sulphonated or phosphonated derivatives, mixtures of both or mixtures with other types of polymers in solvents appropriate such as methanesulfonic acid, acid chloromethanesulfonic acid, trifluoroacetic acid, or formic acid between others. The solution is deposited on a flat surface to evaporate the solvent at temperatures between room temperature and 300 ° C, and at atmospheric or lower atmospheric pressure (in air or in an inert atmosphere). The membranes obtained are doped with strong acids (phosphoric acid, sulfuric acid, or organic derivatives of these) submerging them in baths of said acids of concentrations greater than 5%, preferably between 50 and 75%, at room temperature, between 5 minutes and a week. To accelerate the doping process, you can heat the doping bath between room temperature and 90 ° C. The membrane will absorb a percentage of acid proportional to its concentration in the bath dopant

Si se disuelven los polibencimidazoles en los disolventes citados anteriormente, y se añade a la disolución la cantidad deseada de ácido fosfórico o sulfúrico o derivados orgánicos de éstos (entre 5 y 80% respecto al polímero), y se evapora el disolvente a temperaturas entre temperatura ambiente y 300ºC, y a presión atmosférica o inferior a la atmosférica (en aire o en atmósfera inerte), se obtiene una membrana con la proporción de ácido deseada, según la proporción de ácido añadida.If the polybenzimidazoles dissolve in the solvents mentioned above, and the solution is added to desired amount of phosphoric or sulfuric acid or derivatives organic of these (between 5 and 80% with respect to the polymer), and evaporate the solvent at temperatures between room temperature and 300 ° C, and at atmospheric or lower atmospheric pressure (in air or in an inert atmosphere), a membrane with the proportion is obtained of desired acid, depending on the proportion of acid added.

2.- Membranas basadas en polibencimidazoles sulfonados2.- Membranes based on polybenzimidazoles sulphonated

Las membranas de polibencimidazoles sulfonados engloban polibencimidazoles preparados a partir de monómeros sulfonados, o polibencimidazoles sulfonados empleando un agente sulfonante. Por ejemplo sulfonando polibencimidazoles en disolución en ácido sulfúrico concentrado a una temperatura entre 50 y 300ºC, o membranas dopadas con ácido sulfúrico tratadas térmicamente entre 200 y 500ºC durante un tiempo entre 1 minuto y varias horas, en aire, oxígeno, o en atmósfera inerte. El ácido sulfúrico en exceso se elimina lavando en agua hirviendo entre 1 hora y varios días.The sulfonated polybenzimidazole membranes encompass polybenzimidazoles prepared from monomers sulphonates, or sulfonated polybenzimidazoles using an agent sulfonant For example sulfonating polybenzimidazoles in solution in concentrated sulfuric acid at a temperature between 50 and 300 ° C, or sulfuric acid doped membranes heat treated between 200 and 500 ° C for a time between 1 minute and several hours, in air, oxygen, or inert atmosphere. Sulfuric acid in excess it is removed by washing in boiling water between 1 hour and several days.

Posteriormente, las membranas obtenidas se pueden dopar con ácidos fuertes (ácido fosfórico, sulfúrico, o derivados orgánicos de éstos) como se ha descrito más arriba, sumergiéndolas en baños de dichos ácidos de concentraciones superiores al 5%, preferentemente entre 50 y 75%, a temperatura ambiente, entre 5 minutos y una semana. Para acelerar el proceso de dopaje, puede calentar el baño dopante entre temperatura ambiente y 90ºC. La membrana absorberá un porcentaje de ácido proporcional a la concentración de éste en el baño dopante.Subsequently, the membranes obtained can be dop with strong acids (phosphoric acid, sulfuric acid, or derivatives organic of these) as described above, submerging them in baths of said acids of concentrations greater than 5%, preferably between 50 and 75%, at room temperature, between 5 minutes and a week. To speed up the doping process, you can Heat the doping bath between room temperature and 90ºC. The membrane will absorb a percentage of acid proportional to the concentration of this in the doping bath.

3.- Membranas basadas en materiales híbridos polibencimidazoles-polioxometalatos3.- Membranes based on hybrid materials polybenzimidazoles-polyoxomethalates

Los polioxometalatos o heteropoliácidos son ácidos sólidos moleculares muy buenos conductores protónicos en su forma hidratada, lo cual los hace adecuados para la fabricación de membranas conductoras protónicas de alta temperatura.The polyoxomethalates or heteropolyacids are molecular solid acids very good protonic conductors in their hydrated form, which makes them suitable for the manufacture of high temperature proton conductive membranes.

Los polioxometalatos comprenden isopolianiones (IPA) y heteropolianiones (HPA), que a su vez pueden encontrarse en forma de ácido o sal y se representan por las formulas generales [M_{m}O_{y}]^{p-} y [X_{x}M_{m}O_{y}]^{q-} (x \leq m) respectivamente. Son agregados de iones metálicos rodeados de iones óxido compartidos. Los átomos M (llamados addenda) pueden ser W, Mo principalmente, pero también V, Nb, Ta... Los heteroátomos X son generalmente H, P, Si , o un elemento de transición principalmente, pero no existe limitación respecto a su naturaleza.The polyoxomethalates comprise isopolyanions (IPA) and heteropolyanions (HPA), which in turn can be found in form of acid or salt and are represented by the general formulas [M_ {m} O_ {y}] {p-} and [X_ {x} M_ {m} O_ {y}] {q-} (x \ m) respectively. They are aggregates of metal ions surrounded by oxide ions shared The M atoms (called addenda) can be W, Mo mainly, but also V, Nb, Ta ... The heteroatoms X are generally H, P, Si, or a transition element primarily, but there is no limitation regarding its nature.

Para dar una idea de la riqueza de esta familia de compuestos, cabe mencionar las estructuras tipo Keggin y Dawson. La estructura tipo Keggin, tiene un heteroátomo central rodeado de 12 átomos "addenda" (formula general [X_{2}M_{18}0_{62}]^{q-}). Las estructuras tipo Dawson tienen 2 heteroátomos centrales y 18 átomos "addenda" rodeándolos (fórmula general [X_{2}M_{18}O_{62}]^{p-}). Ambas estructuras pueden describirse según la fórmula general [X_{X}M_{m}O_{y}]^{q-} donde X = Al, As, B, Be, Bi, C, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, H, Hf, I, In, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pt, Re, Rh, S, Se, Sb, Si, Sn, Ta, Te, Th, Ti, TI, V, W, Y, Zn, Zr, o elementos de las tierras raras. M represents Mo, W, V, Nb, Ta, o sus combinaciones con coeficientes 0\leqx\leq8, 1\leqm\leq48, 4\leqy\leq70.To give an idea of the wealth of this family of compounds, it is worth mentioning the Keggin and Dawson type structures. The Keggin type structure has a central heteroatom surrounded by 12 "addenda" atoms (general formula [X_ {M} {18} 0_ {62}] {q-}). Type structures Dawson have 2 central heteroatoms and 18 "addenda" atoms surrounding them (general formula [X 2 M 18 O 62] p-). Both structures can be described according to the general formula [X_ {X} M_ {m} O_ {y}] q-} where X = Al, As, B, Be, Bi, C, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, H, Hf, I, In, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pt, Re, Rh, S, Se, Sb, Si, Sn, Ta, Te, Th, Ti, TI, V, W, Y, Zn, Zr, or Rare earth elements. M represents Mo, W, V, Nb, Ta, or their combinations with coefficients 0 \ leqx \ leq8, 1 \ leqm \ leq48, 4 \ leqy \ leq70.

Algunos de estos polioxometalatos presentan muy buena propiedades de conducción protónica en su forma ácida. Por ejemplo el ácido fosfomolíbdico es uno de los mejores conductores protónicos conocidos. Sin embargo su uso como material práctico se ve limitado por su naturaleza molecular y solubilidad en agua y disolventes polares. Su incorporación a la matriz polimérica que describimos aquí permite superara esos problemas.Some of these polyoxomethalates have very Good properties of proton conduction in its acid form. By example phosphomolibic acid is one of the best conductors known protons. However, its use as a practical material is is limited by its molecular nature and water solubility and polar solvents Its incorporation into the polymer matrix that We describe here allows you to overcome those problems.

Para preparar membranas basadas en polibencimidazoles dopadas con polioxometalatos, se mezclan un polibencimidazol, un derivado del polibencimidazol, mezclas de ambos o mezclas con otros tipos de polímeros, y un polioxometalato (entre 5 y 90% del polioxometalado, preferentemente entre un 45% y 60%, y entre 95 y 10% del polímero), en uno de los disolventes anteriormente mencionados o en una mezcla de ellos agitando a temperatura ambiente o calentando si es necesario, hasta formar una disolución o una pasta homogénea. Esta pasta o disolución se deposita sobre un vidrio, y se elimina el disolvente entre temperatura ambiente y 300ºC, y a presión atmosférica o inferior a la atmosférica, en aire o en atmósfera inerte. Se obtiene una membrana con la proporción de ácido deseada, según la proporción de polioxometalato añadida. Si no se elimina todo el disolvente, se lava la membrana en agua hirviendo entre 1 hora y 2 días para eliminar los restos.To prepare membranes based on polybenzimidazoles doped with polyoxomethalates, mix a polybenzimidazole, a derivative of polybenzimidazole, mixtures of both or mixtures with other types of polymers, and a polyoxomethalate (between 5 and 90% of the polyoxometalated, preferably between 45% and 60%, and between 95 and 10% of the polymer), in one of the solvents previously mentioned or in a mixture of them stirring at room temperature or heating if necessary, to form a solution or a homogeneous paste. This paste or solution is deposit on a glass, and the solvent is removed between ambient temperature and 300 ° C, and at atmospheric pressure or less than atmospheric, in air or inert atmosphere. You get a membrane with the desired acid ratio, according to the proportion of polyoxometalate added. If all the solvent is not removed, it is wash the membrane in boiling water between 1 hour and 2 days to Remove the remains.

Posteriormente, como un tratamiento adicional, estas membranas híbridas se pueden dopar también con ácidos fuertes (ácido fosfórico, sulfúrico, o derivados orgánicos de éstos) sumergiéndolas en baños de dichos ácidos de concentraciones superiores al 5%, preferentemente entre 50 y 75%, a temperatura ambiente, entre 5 minutos y una semana. Para acelerar el proceso de dopaje, puede calentar el baño dopante entre temperatura ambiente y 90ºC. La membrana absorberá un porcentaje de ácido proporcional a la concentración de éste en el baño dopante.Subsequently, as an additional treatment, these hybrid membranes can also be doped with strong acids (phosphoric acid, sulfuric acid, or organic derivatives thereof) immersing them in baths of said acids of concentrations greater than 5%, preferably between 50 and 75%, at temperature atmosphere, between 5 minutes and a week. To speed up the process of doping, you can heat the doping bath between room temperature and 90 ° C The membrane will absorb a percentage of acid proportional to its concentration in the doping bath.

Si se disuelven los polibencimidazoles y los polioxometalatos (entre 5 y 80% respecto al polímero) junto con una cantidad deseada de ácido fosfórico o sulfúrico o derivados orgánicos de éstos (entre 5 y 80% respecto al polímero), en uno de los disolventes anteriormente mencionados o una mezcla de ellos, y se evapora el disolvente a temperaturas entre temperatura ambiente y 300ºC, y a presión atmosférica o inferior a la atmosférica (en aire o en atmósfera inerte), se obtiene una membrana con la proporción de ácido deseada y de plioxometalatos, según la proporción añadida en un solo paso (método "direct acid casting").If the polybenzimidazoles and polyoxomethalates (between 5 and 80% with respect to the polymer) are dissolved together with a desired amount of phosphoric or sulfuric acid or organic derivatives thereof (between 5 and 80% with respect to the polymer), in one of the solvents above or a mixture thereof, and the solvent is evaporated at temperatures between room temperature and 300 ° C, and at atmospheric or lower atmospheric pressure (in air or in inert atmosphere), a membrane is obtained with the proportion of desired acid and of polyoxometalates , according to the proportion added in a single step (" direct acid casting " method).

4.- Materiales compuestos basados en polibencimidazoles y ácidos sólidos4.- Composite materials based on polybenzimidazoles and solid acids

Los ácidos sólidos (como por ejemplo MHSO_{4}, MHSeO_{4}, y MH_{2}PO_{4} entre otros, con M= Cs, NH4, Rb,..), son buenos conductores protónicos en condiciones anhidras a temperaturas superiores a la de transición a la fase de alta conductividad, que en el caso del CsHSO_{4} se da a 141ºC. Por ello, al igual que los polioxometalatos, son adecuados para la preparación de materiales compuestos basados en mezclas de éstos y polibencimidazoles. A diferencia de los polioxometalatos, en el caso de los ácidos sólidos, es necesario que haya partículas de éstos que mantengan su estructura cristalina en el seno del polibencimidazol, para que se produzca la transición a la fase conductora a la temperatura adecuada.Solid acids (such as MHSO4, MHSeO4, and MH2PO4 among others, with M = Cs, NH4, Rb, ..), are good protonic conductors under anhydrous conditions at temperatures higher than the transition to the high phase conductivity, which in the case of CsHSO4 occurs at 141 ° C. By This, like polyoxomethalates, is suitable for preparation of composite materials based on mixtures of these and polybenzimidazoles. Unlike polyoxomethalates, in the In the case of solid acids, it is necessary to have particles of these that maintain their crystalline structure within the polybenzimidazole, so that the transition to the phase occurs conductive at the right temperature.

Para la preparación de membranas de polibencimidazoles-ácidos sólidos, se mezclan un polibencimidazol, un derivado del polibencimidazol, mezclas de ambos o mezclas con otros tipos de polímeros, junto con un ácido sólido o una mezcla de ellos (en una proporción entre el 10 y el 90% del ácido, y preferentemente superior al 50% en peso), en uno de los disolventes anteriormente mencionados o en una mezcla de ellos. Después se evapora el disolvente a temperaturas entre temperatura ambiente y 300ºC, y a presión atmosférica o inferior a la atmosférica en aire o en atmósfera inerte. Se obtiene así una membrana con la proporción de ácido polímeros y de ácidos sólidos, según la proporción añadida en un solo paso. Por difracción de RX se comprueba que durante la evaporación cristaliza de nuevo el ácido sólido (figura 3).For the preparation of membranes polybenzimidazoles-solid acids, a polybenzimidazole is mixed, a derivative of polybenzimidazole, mixtures of both or mixtures with other types of polymers, together with a solid acid or a mixture of  them (in a proportion between 10 and 90% of the acid, and preferably greater than 50% by weight), in one of the solvents mentioned above or in a mixture thereof. Then the solvent is evaporated at temperatures between temperature ambient and 300 ° C, and at atmospheric pressure or less than atmospheric in air or inert atmosphere. You get a membrane with the proportion of acid polymers and solid acids, according to the proportion added in a single step. By RX diffraction it is verified that during evaporation the crystallizes again solid acid (figure 3).

Descripción de las figurasDescription of the figures

Figura 1. Técnicas de preparación de membranas de PBI dopadas con ácido fosfórico.Figure 1. Membrane preparation techniques GDP doped with phosphoric acid.

Figura 2. Síntesis de ABPBI.Figure 2. Synthesis of ABPBI.

Figura 3. Difractograma de RX de CsHSO_{4} y de una membrana de ABPBI-CsHSO_{4} 50:50 en peso.Figure 3. RX diffractogram of CsHSO_ {4} and an ABPBI-CsHSO_4 50:50 membrane in weight.

Figura 4. Moles de ácido y agua absorbidos por la membrana en función de la concentración del baño de dopaje, calculados por análisis elemental de la membrana seca, y a partir de la pérdida de peso al secar la membrana dopada.Figure 4. Moles of acid and water absorbed by the membrane depending on the concentration of the doping bath, calculated by elementary analysis of the dry membrane, and from of weight loss when drying the doped membrane.

Figura 5. Conductividad de membranas basadas en ABPBI anhidras. SABPBI x H_{3}PO_{4} (ejemplo 9) (cuadrados sólidos), ABPBI 45% H_{3}PoMo_{12}0_{40} \cdot x H_{3}PO_{4} (ejemplo 6) (cuadrados huecos), ABPBI\cdot 2.7 H_{3}PO_{4} (ejemplo 3) (triángulos), ABPBI\cdot 3.0 H_{3}PO_{4} casting y dopaje simultaneo (ejemplo 4) (cruces).Figure 5. Conductivity of membranes based on ABPBI anhydrous. SABPBI x H_ {3} PO_ {4} (example 9) (squares solids), ABPBI 45% H 3 PoMo_ {12} 0_ {40} \ cdot x H_ {3} PO_ {4} (example 6) (hollow squares), ABPBI \ 2.7 H_ {3} PO_ {4} (example 3) (triangles), ABPBI \ cdot 3.0 H_ {3} PO_ {4} casting and simultaneous doping (example 4) (crosses).

Ejemplo(s) Example (s) Ejemplo 1Example 1 Preparación de membranas de ABPBI dopadas con H_{3}PO_{4}Preparation of ABPBI membranes doped with H_ {PO} {4} a) Síntesis de Poli-(2,5-bencimidazol) (ABPBI)a) Synthesis of Poly- (2,5-benzimidazole) (ABPBI)

Se disuelven 3.040 g (20 mmol) de ácido 3,4-diaminobenzoico 97% (DABA) en 50 g de ácido polifosfórico 85% P_{2}O_{5} (PPA), en atmósfera de nitrógeno, a 150ºC con agitación magnética durante ½ hora, (figura 2). Enseguida, la mezcla adquiere un característico color negro con brillos violáceos. Seguidamente se aumenta la temperatura a 200ºC y se mantiene durante 4 ½ horas. Al cabo de ½ hora el aumento de viscosidad hace imposible la agitación, pero se mantiene la temperatura. Para aislar el polímero, el crudo de reacción aún caliente se vierte sobre agua observándose la rápida coagulación de éste, formándose un sólido que aún contiene una gran proporción de ácido. El polímero se lava con agua desionizada hasta neutralidad de las aguas de lavado. Un análisis elemental de C, H y N en este punto del proceso muestra que el polímero aún contiene una gran proporción de H_{3}PO_{4} (15-30%). Para eliminar este ácido, se agita el polímero en NaOH 10% durante una noche, se lava de nuevo hasta neutralidad, y se hierve en agua desionizada durante 24 horas. Finalmente el ABPBI se seca a 100ºC durante una noche y a 200ºC 24 horas. Por análisis elemental de C, H y N se encuentra que se ha eliminado todo el ácido. Rendimiento 2.32 g (100%). Viscosidad inherente 2.3-2.4 dl\cdotg^{-1} para una disolución 0.5 g\cdot dl^{-1} en H_{2}SO_{4} concentrado a 30ºC.3,040 g (20 mmol) of acid are dissolved 3,4-Diaminobenzoic acid 97% (DABA) in 50 g of acid polyphosphoric 85% P2O5 (PPA), under nitrogen atmosphere, at 150 ° C with magnetic stirring for ½ hour, (figure 2). Next, the mixture acquires a characteristic black color with violet glitters. The temperature is then increased to 200 ° C and It stays for 4½ hours. After ½ hour the increase in viscosity makes stirring impossible, but the temperature. To isolate the polymer, the reaction crude still hot is poured on water observing the rapid coagulation of this, forming a solid that still contains a large proportion of acid. The polymer is washed with deionized water until neutral of wash waters. An elementary analysis of C, H and N in this process point shows that the polymer still contains a large proportion of H 3 PO 4 (15-30%). For remove this acid, the polymer is stirred in 10% NaOH for a night, wash again until neutral, and boil in water deionized for 24 hours. Finally the ABPBI is dried at 100 ° C overnight and at 200ºC 24 hours. By elementary analysis of C, H and N are found to have all the acid removed. performance 2.32 g (100%). Inherent viscosity 2.3-2.4 dl • 1 for a solution 0.5 g • dl -1 in H 2 SO 4 concentrated at 30 ° C.

b) Elaboración de membranas de ABPBIb) Development of ABPBI membranes

Se disuelven 400 mg de ABPBI en 6 ml de MSA y se agita 24 en frío. Si no se disuelve totalmente, se calienta en baño de agua hasta obtener una disolución homogénea espesa de color negro. Se recubre un vidrio con película de la disolución que se evapora en una placa calefactora hasta que no se observa evaporación de MSA (aproximadamente 2 horas). El grosor de las membranas es función del espesor de la película de ABPBI / MSA depositada. El análisis elemental revela un 5 - 6% de S (15 - 18% MSA), lo que indica que aun queda una gran cantidad de MSA en la membrana. Este MSA se detecta también por FT-IR del film (1200, 1050 cm^{-1}). Es posible eliminarlo lavando la membrana en agua hirviendo durante 24 h.400 mg of ABPBI is dissolved in 6 ml of MSA and Shake 24 cold. If it does not dissolve completely, it is heated in a bathroom of water until a thick homogeneous solution of color is obtained black. A glass is coated with solution film that is evaporates on a heating plate until it is not observed evaporation of MSA (approximately 2 hours). The thickness of the membranes is a function of ABPBI / MSA film thickness deposited The elementary analysis reveals 5 - 6% of S (15 - 18% MSA), which indicates that there is still a large amount of MSA left in the membrane. This MSA is also detected by FT-IR of film (1200, 1050 cm -1). It is possible to remove it by washing the membrane in boiling water for 24 h.

c) Dopaje de membranas de ABPBI con H_{3}PO_{4}c) ABPBI membrane doping with H 3 PO 4

Las membranas de ABPBI preparadas según el ejemplo 2 se cortan en fragmentos de entre 2 x 2 y 2 x 3 cm, y se sumergen en baños de H_{3}PO_{4} (85%) / agua en diferentes proporciones durante 3 días. Las membranas se sacan del baño de ácido y se secan sobre papeles absorbentes para eliminar las gotas de ácido superficiales, para después secarlas a 100ºC en una estufa y así eliminar el agua absorbida por la membrana junto al ácido. La composición se calcula a partir del análisis elemental de C, N e H, suponiendo que el PO_{4}^{-3} es el residuo diferente de C, N e H del mismo modo que se hizo para el PBI dopado con H_{3}PO_{4}. Por análisis elemental se encuentra que % S< 0.1, por lo que no es necesario lavar las membranas antes del dopaje, dado que el ácido fosfórico desplaza al MSA en la membrana. La cantidad de ácido absorbida por la membrana es función de la concentración del ácido en el baño (figura 4). La cantidad de moléculas de agua se calcula a partir de la pérdida de peso del polímero dopado al secarlo a 100ºC, una vez conocida la composición de la membrana seca por el análisis elemental. En la figura 5 se puede encontrar la curva que representa la conductividad en función de la temperatura, en condiciones anhidras, de una membrana de ABPBI\cdot 2.7 H_{3}PO_{4}.ABPBI membranes prepared according to Example 2 are cut into fragments between 2 x 2 and 2 x 3 cm, and are immerse in baths of H 3 PO 4 (85%) / water in different proportions for 3 days. The membranes are removed from the bath of acid and dry on absorbent papers to remove the drops of surface acid, then dry at 100 ° C in an oven and thus eliminate the water absorbed by the membrane next to the acid. The composition is calculated from the elementary analysis of C, N e H, assuming that PO4 <3> is the residue other than C, N e H in the same way it was done for GDP doped with H_ {3} PO_ {4}. By elementary analysis it is found that% S < 0.1, so it is not necessary to wash the membranes before doping, since phosphoric acid displaces the MSA in the membrane. The amount of acid absorbed by the membrane is a function of the acid concentration in the bath (figure 4). The amount of Water molecules are calculated from the weight loss of the doped polymer when dried at 100 ° C, once the Dry membrane composition by elemental analysis. In the figure 5 you can find the curve that represents the conductivity depending on the temperature, under anhydrous conditions, of a ABPBI membrane 2.7 H 3 PO 4.

Ejemplo 2Example 2 Preparación de membranas de ABPBI\cdot 3.0 H_{3}PO_{4} por preparación de la membrana y dopaje simultáneosPreparation of ABPBI? 3.0 H_ {3} PO4 {membranes per simultaneous membrane preparation and doping

Para controlar mejor la proporción de ácido, se preparó una membrana de ABPBI dopada con 3 moléculas de ácido fosfórico por unidad de repetición del ABPBI, a partir de una mezcla de ABPBI / H_{3}PO_{4} 85% / MSA. Se disolvieron 400 mg de ABPBI y 1192 mg H_{3}PO_{4} 85% en 6 ml de MSA. Se recubrió un vidrio con una película de esta disolución, y se evaporó el disolvente en una placa calefactora durante 5 días. Por análisis elemental se encuentra que la composición es la deseada, y que se ha eliminado todo el MSA. La figura 5 muestra la conductividad en función de la temperatura de una membrana de ABPBI\cdot 3.0 H_{3}PO_{4} preparada por este procedimiento.To better control the proportion of acid, it prepared an ABPBI membrane doped with 3 acid molecules phosphoric per unit of ABPBI repetition, from one mixture of ABPBI / H 3 PO 4 85% / MSA. 400 mg dissolved of ABPBI and 1192 mg H 3 PO 4 85% in 6 ml of MSA. It was coated a glass with a film of this solution, and the solvent in a heating plate for 5 days. By analysis elementary is that the composition is the desired one, and that You have deleted the entire MSA. Figure 5 shows the conductivity in temperature function of an ABPBI membrane 3.0 H 3 PO 4 prepared by this procedure.

Ejemplo 3Example 3 Preparación de membranas de ABPBI\cdot x H_{3}PMo_{12}O_{40} dopadas con H_{3}PO_{4}ABPBI Membrane Preparation x H 3 PMo 12 O 40 doped with H 3 PO 4 a) Preparación de membranas de ABPBI\cdot x H_{3}PMo_{12}O_{40}a) Preparation of ABPBI membranes x H 3 PMo 12 O 40

Se disuelven 200 mg de ABPBI en MSA, a temperatura ambiente, con agitación magnética obteniendo una pasta de color marrón con aspecto de caramelo. Se añaden diferentes cantidades de H_{3}PMo_{12}O_{40} (PMO_{12}) (16% H_{2}O determinado por TGA) y se agita hasta conseguir una mezcla homogénea, obteniéndose una pasta uniforme de color entre marrón oscuro y ocre según la proporción de PMo_{12}. Se extienden películas de diferentes grosores de la disolución en un vidrio, y se evapora el MSA en un aplaca calefactora. Por análisis elemental se detecta que las membranas aún contienen un elevado porcentaje de MSA, que se elimina lavando las membranas 24 horas en agua hirviendo. El análisis termogravimétrico en aire permite determinar la composición de la membrana de ABPBI-PMo_{12}. De este modo es posible preparar membranas con un contenido en PMo_{12} de hasta un 60% en peso.200 mg of ABPBI is dissolved in MSA, a room temperature, with magnetic stirring obtaining a paste Brown with caramel appearance. Different are added amounts of H 3 PMo 12 O 40 (PMO 12) (16% H 2 O determined by TGA) and stir until a mixture is achieved homogeneous, obtaining a uniform paste of brown color dark and ocher according to the proportion of PMo12. They extend films of different thicknesses of the solution in a glass, and The MSA is evaporated in a heating pad. By elementary analysis it is detected that the membranes still contain a high percentage of MSA, which is removed by washing the membranes 24 hours in water boiling. The thermogravimetric analysis in air allows to determine the membrane composition of ABPBI-PMo12. In this way it is possible to prepare membranes with a content in PMo 12 of up to 60% by weight.

b) Dopaje de membranas de ABPBI\cdot x H_{3}PMo_{12}O_{40} con H_{3}PO_{4}b) ABPBI membrane doping \ cdot x H 3 PMo 12 O 40 with H 3 PO 4

Una membrana de ABPBI- 45% PMo_{12} se dopó durante 3 días en un baño de H_{3}PO_{4} 85% / H_{2}O 70:30 en volumen, se secó entre papeles de filtro, y posteriormente se secó a 100ºC durante varias horas. La conductividad de esta membrana en condiciones anhidras, en función de la temperatura puede encontrarse en la figura 5.A membrane of ABPBI-45% PMo12 was doped for 3 days in a bath of H 3 PO 4 {85} / H 2 O 70:30 in volume, dried between filter papers, and subsequently dried at 100 ° C for several hours. The conductivity of this membrane under anhydrous conditions, depending on the temperature can  found in figure 5.

Ejemplo 4Example 4 Preparación de membranas de ABPBI\cdot x H_{3}PMo_{12}O_{40} dopadas con H_{3}PO_{4} por preparación de la membrana y dopaje simultáneosABPBI Membrane Preparation x H 3 PMo 12 O 40 doped with H 3 PO 4 by simultaneous membrane preparation and doping

Para controlar mejor la proporción de ácido fosfórico, se preparó una membrana disolviendo 200 mg de ABPBI, 350 mg de PMo_{12} (16% H_{2}O) y 596 mg de H_{3}PO_{4} 85% en 5 ml de MSA. Se depositó una película de la disolución sobre un vidrio, y se eliminó el disolvente calentando en una placa calefactora durante una noche.To better control the acid ratio phosphoric, a membrane was prepared by dissolving 200 mg of ABPBI, 350 mg of PMo12 (16% H2O) and 596 mg of H3PO4 85% in 5 ml of MSA. A film of the solution was deposited on a glass, and the solvent was removed by heating on a plate Heated overnight.

Ejemplo 5Example 5 Sulfonación y dopaje de una membrana de ABPBISulfonation and doping of an ABPBI membrane

Se sumergió una membrana de ABPBI de 80 \mum en un baño de H_{2}SO_{4} de concentración 10% en volumen durante un día. Se secó entre papeles secantes, y a 100ºC para eliminar el ácido superficial y el agua de la membrana. Para producir la sulfonación, se trató la membrana a 450ºC durante 5 minutos. Para eliminar el ácido en exceso, se lavó en agua hirviendo durante 48 horas.An 80 µm ABPBI membrane was immersed in an H 2 SO 4 bath of 10% volume concentration during one day. It was dried between blotting papers, and at 100 ° C to remove the surface acid and membrane water. To produce the sulfonation, the membrane was treated at 450 ° C for 5 minutes. For remove excess acid, washed in boiling water for 48 hours.

La membrana preparada según el ejemplo 8 se dopó durante 3 días en un baño de H_{3}PO_{4} 85% / H_{2}O 70:30 en volumen, tras lo cual se secó entre papeles de filtro y a 100ºC para eliminar el ácido superficial y el agua de la membrana. La conductividad de esta membrana en condiciones anhidras, en función de la temperatura, puede encontrarse en la figura 5.The membrane prepared according to example 8 was doped for 3 days in a bath of H 3 PO 4 {85} / H 2 O 70:30 by volume, after which it was dried between filter papers and at 100 ° C to remove surface acid and water from the membrane. The conductivity of this membrane under anhydrous conditions, depending on of temperature, can be found in figure 5.

Ejemplo 6Example 6 Preparación de membranas de ABPBI – CsHSO_{4}ABPBI Membrane Preparation - CsHSO4

Para la preparación previa del CsHSO_{4}, se disuelven 5 g (13.817 mmol) de Cs_{2}SO_{4} y 2.6020 g de H_{2}SO_{4} concentrado (27.656 mmol) en 5 ml de agua. El CsHSO_{4} (CHS) precipita al añadir 5 ml de acetona. Se deja agitando durante 2 horas y se filtra a presión reducida. En las aguas de lavado precipita más CsHSO_{4}, por lo que se añade más acetona, hasta que cesa la precipitación. De nuevo se filtra y se lava con acetona. Se obtiene un polvo cristalino de color blanco que se seca a vacío durante 3 días. Rendimiento 5.66 g (89%). Por DSC se observa una transición de fase a 141ºC característica del CsHSO_{4} que confirma que se ha obtenido este compuesto.For the previous preparation of CsHSO_ {4}, dissolve 5 g (13,817 mmol) of Cs 2 SO 4 and 2,6020 g of H 2 SO 4 concentrated (27,656 mmol) in 5 ml of water. He CsHSO4 (CHS) precipitates by adding 5 ml of acetone. Is left stirring for 2 hours and filter under reduced pressure. In the wash waters precipitate more CsHSO4, so more is added acetone, until precipitation ceases. Again it filters and it wash with acetone. A white crystalline powder is obtained that It is dried under vacuum for 3 days. Yield 5.66 g (89%). By DSC a phase transition at 141 ° C characteristic of the CsHSO4 confirming that this compound has been obtained.

Para la preparación de la membrana del material compuesto ABPBI-CHS, se disolvieron 200 mg de ABPBI y 200 mg de CHS en 1.5 ml de MSA y 2 ml de TFA agitando durante una noche. La disolución se evaporó en una placa calefactora durante aproximadamente 2 horas, obteniendo una membrana homogénea y sin poros. Por difracción de RX se puede comprobar que al evaporarse el MSA y el TFA se forma CHS cristalino.For the preparation of the material membrane ABPBI-CHS compound, 200 mg of ABPBI was dissolved and 200 mg of CHS in 1.5 ml of MSA and 2 ml of TFA while stirring during a night. The solution was evaporated on a heating plate during approximately 2 hours, obtaining a homogeneous membrane without pores By diffraction of RX it can be verified that when the MSA and TFA form crystalline CHS.

Claims (9)

1. Material con capacidad de conducción de protones caracterizado por estar constituido por:1. Material with proton conduction capacity characterized by being constituted by:
a)to)
una fase orgánica que comprende polímeros de tipo polibencimidazol, sus derivados sulfonados o fosfonados, mezclas de ellos, ó mezclas de ellos con otros polímeros y dopado con ácidos fuertes,a organic phase comprising polybenzimidazole polymers, their sulfonated or phosphonated derivatives, mixtures thereof, or mixtures of them with other polymers and doped with strong acids,
oor
b)b)
una composición híbrida orgánico-inorgánica donde la fase orgánica comprende polímeros de tipo polibencimidazol, sus derivados, sulfonados y fosfonados, mezclas de ellos, ó mezclas de ellos con otros polímeros, y la fase inorgánica comprende polioxometalatos ó ácidos sólidos en proporciones entre 95% y 10% de polímero y entre 5% y 90% de componente inorgánico, dopado con ácidos fuertes.a organic-inorganic hybrid composition where the organic phase comprises polybenzimidazole polymers, their derivatives, sulphonates and phosphonates, mixtures thereof, or mixtures of they with other polymers, and the inorganic phase comprises polyoxomethalates or solid acids in proportions between 95% and 10% of polymer and between 5% and 90% of inorganic component, doped with strong acids
2. Material conductor según reivindicación 1 caracterizado porque la fase orgánica de a) y b) comprende polímeros básicos, preferentemente polibencimidazoles o polímeros con grupos bencimidazol en su estructura, polímeros que incluyen (aunque no limitados a) poli(2,5-bencimidazol) (ABPBI), poli(m-fenilen-benzobisimidazol), poli(p-fenilen-benzobisimidazol), así como los derivados sulfonados o fosfonados de los mismos.2. Conductive material according to claim 1 characterized in that the organic phase of a) and b) comprises basic polymers, preferably polybenzimidazoles or polymers with benzimidazole groups in their structure, polymers that include (but are not limited to) poly (2,5-benzimidazole) ( ABPBI), poly (m-phenylene-benzobisimidazole), poly (p-phenylene-benzobisimidazole), as well as sulphonated or phosphonated derivatives thereof. 3. Material conductor híbrido orgánico-inorgánico según reivindicación 1 caracterizado porque la fase inorgánica (b) comprende:3. Organic-inorganic hybrid conductive material according to claim 1 characterized in that the inorganic phase (b) comprises:
a)to)
polioxometalatos basados en isopolianiones (IPA) y heteropolianiones (HPA), que a su vez pueden encontrarse en forma de ácido o sal y que se representan por las formulas generales [M_{m}O_{y}]^{p-} y [X_{X}M_{m}O_{y}]^{q-} (x\leqm) respectivamente,polyoxomethalates based on isopolyaniones (IPA) and heteropolianiones (HPA), which in turn can be in the form of acid or salt and that are represented by general formulas [M_ {m} O_ {y}] ^ p- and [X_ {X} M_ {m} O_ {y}] {q-} (x \ leqm) respectively,
oor
b)b)
ácidos sólidos tales como MHSO_{4}, MHSeO_{4} y MH_{2}PO_{4} donde M puede ser Cs, NH_{4} y Rb.solid acids such as MHSO4, MHSeO4 and MH2PO4 where M can be Cs, NH4 and Rb.
4. Material conductor híbrido orgánico-inorgánico según reivindicación 3 caracterizado porque en el apartado a) los átomos M pueden ser W, Mo, V, Nb y Ta o sus combinaciones y los heteroátomos X pueden ser Al, As, B, Be, Bi, C, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, H, Hf, I, In, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pt, Re, Rh, S, Se, Sb, Si, Sn, Ta, Te, Th, Ti, TI, V, W, Y, Zn, Zr, o elementos de las tierras raras y cuyos coeficientes son 0\leqx\leq8, 1\leqm\leq48, 4\leqy\leq70.4. Organic-inorganic hybrid conductive material according to claim 3 characterized in that in section a) the M atoms can be W, Mo, V, Nb and Ta or their combinations and the X heteroatoms can be Al, As, B, Be, Bi , C, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Ge, H, Hf, I, In, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pt, Re, Rh, S, Se, Sb, Si, Sn , Ta, Te, Th, Ti, TI, V, W, Y, Zn, Zr, or rare earth elements and whose coefficients are 0 \ leqx \ leq8, 1 \ leqm \ leq48, 4 \ leqy \ leq70. 5. Material conductor híbrido orgánico-inorgánico según reivindicación 1, 2, 3 y 4 caracterizado porque la fase inorgánica de polioxometalato se encuentra en una proporción entre el 5 y 90% con relación a la fase orgánica, preferentemente entre 45% y 60%.5. Organic-inorganic hybrid conductive material according to claim 1, 2, 3 and 4 characterized in that the inorganic polyoxometalate phase is in a proportion between 5 and 90% in relation to the organic phase, preferably between 45% and 60%. 6. Material conductor híbrido orgánico-inorgánico según reivindicación 1, 2, 3 y 4 caracterizado porque la fase inorgánica de ácido sólido o mezcla de ellos se encuentra en una proporción entre el 10 y 90%, preferentemente superior al 50%, con relación a la fase orgánica.6. Organic-inorganic hybrid conductive material according to claim 1, 2, 3 and 4 characterized in that the inorganic phase of solid acid or mixture thereof is in a proportion between 10 and 90%, preferably greater than 50%, in relation to the organic phase 7. Método de obtención de material conductor según reivindicaciones 1 a 6 en forma de membrana caracterizado porque comprende las siguientes fases:7. Method of obtaining conductive material according to claims 1 to 6 in the form of a membrane characterized in that it comprises the following phases:
a)to)
disolución de los polibencimidazoles, sus derivados, mezclas de ambos o mezclas con otro tipo de polímeros, y en su caso de los polioxometalatos o ácidos sólidos, en disolventes que incluyen ácido metanosulfónico, ácido clorometanosulfónico, ácido trifluoroacético, ácido fórmico o mezcla de ellos,dissolution of polybenzimidazoles, their derivatives, mixtures of both or mixtures with other types of polymers, and where appropriate polyoxomethalates or solid acids, in solvents that include methanesulfonic acid, acid chloromethanesulfonic acid, trifluoroacetic acid, formic acid or mixture from them,
b)b)
colocación/deposición de la disolución sobre vidrio y eliminación de disolvente entre temperatura ambiente y 300ºC, a presión atmosférica o inferior, en aire o atmósfera inerte, que conlleva la formación de la membrana, yplacement / deposition of the solution on glass and solvent removal between room temperature and 300 ° C, at atmospheric or lower pressure, in air or atmosphere inert, which involves the formation of the membrane, and
c)C)
dopaje de la membrana con ácidos fuertes (ácido fosfórico, sulfúrico o derivados orgánicos de éstos) de concentración superior al 5%, preferentemente entre 50 y 75%, a temperatura ambiente, entre 5 minutos y una semana, por inmersión de la membrana en un baño de cualquiera de los ácidos mencionados.membrane doping with acids strong (phosphoric acid, sulfuric acid or organic derivatives thereof) of concentration greater than 5%, preferably between 50 and 75%, at room temperature, between 5 minutes and a week, by immersion of the membrane in a bath of any of the acids mentioned.
8. Método de obtención del material conductor según reivindicaciones 1 a 6 en forma de membrana caracterizado porque comprende las siguientes fases:8. Method of obtaining the conductive material according to claims 1 to 6 in the form of a membrane characterized in that it comprises the following phases:
a)to)
disolución de los polibencimidazoles, sus derivados, mezclas de ambos o mezclas con otro tipo de polímeros, ácido fosfórico o sulfúrico o derivados orgánicos de éstos (entre 5 y 80% respecto al polímero), y en su caso de los polioxometalatos o ácidos sólidos, en disolventes que incluyen ácido metanosulfónico, ácido clorometanosulfónico, ácido trifluoroacético, ácido fórmico o mezcla de ellos, ydissolution of polybenzimidazoles, their derivatives, mixtures of both or mixtures with other types of polymers, phosphoric or sulfuric acid or organic derivatives of these (between 5 and 80% with respect to the polymer), and where appropriate polyoxomethalates or solid acids, in solvents that include acid methanesulfonic acid, chloromethanesulfonic acid, trifluoroacetic acid, formic acid or mixture thereof, and
b)b)
colocación/deposición de la disolución sobre vidrio y eliminación de disolvente entre temperatura ambiente y 300ºC, a presión atmosférica o inferior, en aire o atmósfera inerte que conlleva la formación de la membrana.placement / deposition of the solution on glass and solvent removal between room temperature and 300 ° C, at atmospheric or lower pressure, in air or atmosphere inert that involves the formation of the membrane.
9. Uso del material conductor según reivindicación 1 a 8 en la elaboración de dispositivos electroquímicos que requieran membranas conductoras protónicas que incluyen, aunque no se limitan a, pilas de combustible, condensadores electroquímicos, sensores, bombas de hidrógeno y en otros dispositivos de almacenamiento y conversión de energía en el rango de temperaturas entre temperatura ambiente y 200ºC.9. Use of conductive material according to claim 1 to 8 in developing devices electrochemicals that require proton conductive membranes that include, but are not limited to, fuel cells, electrochemical capacitors, sensors, hydrogen pumps and in other storage and energy conversion devices in the temperature range between room temperature and 200 ° C.
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