ES2345554T3 - Membrana conductora de protones y su utilizacion. - Google Patents
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Abstract
Membrana polimérica conductora de protones a base de poliazoles, que puede obtenerse mediante un procedimiento que incluye las etapas A)mezcla de uno o varios compuestos tetraamino aromáticos con uno o varios ácidos carboxílicos aromáticos o bien sus esteres, que contienen al menos dos grupos ácidos por cada monómero de ácido carboxílico, o mezclas de uno o varios ácidos diaminocarboxílicos aromáticos y/o heteroaromáticos en anhídridos de ácidos fosfónicos orgánicos formando una solución y/o dispersión, B)aplicación de una capa utilizando la mezcla según la etapa A) sobre un portador o sobre un electrodo, C)calentamiento de la estructura/capa plana que puede obtenerse según la etapa B) bajo gas inerte a temperaturas de hasta 350ºC, preferiblemente de hasta 280ºC, formando el polímero de poliazol, D)tratamiento de la membrana formada en la etapa C) en presencia de suficiente humedad, con lo que el anhídrido de ácido fosfónico orgánico presente contribuye a la compactación de la membrana mediante hidrólisis parcial, formando ácidos organofosfónicos y/o ácido fosfórico, siempre que se haya utilizado a la vez ácido polifosfórico, hasta que la membrana es autoportante.
Description
Membrana conductora de protones y su
utilización.
La presente invención se refiere a una membrana
polimérica conductora de protones novedosa, a base de poliazoles,
que debido a sus sobresalientes propiedades químicas y térmicas
puede utilizarse en muchas aplicaciones y que es adecuada en
particular como membrana de electrolito polímero (PEM) en las
llamadas células de combustible
PEM.
PEM.
Los poliazoles como por ejemplo
polibencimidazoles (® Celazole) se conocen desde hace mucho tiempo.
La fabricación de tales polibencimidazoles (PBI) se realiza
usualmente mediante la transformación de
3,3',4,4'-tetraaminobifenilo con ácido isoftálico o
bien sus esteres en estado de fusión. El prepolímero que resulta se
solidifica en el reactor y se tritura mecánicamente a continuación.
A continuación se realiza la polimerización final del prepolímero
pulveriforme en una polimerización de fase sólida a temperaturas de
hasta 400ºC y se obtiene el polibencimidazol deseado.
Para fabricar láminas poliméricas, se disuelve
el PBI en una etapa siguiente en disolventes polares, apróticos,
como por ejemplo dimetilacetamida (DMAC) y se genera una lámina
mediante procedimientos clásicos.
Ya se conocen las membranas de poliazol
conductoras de protones, es decir, dopadas con ácido, para su
utilización en células de combustible PEM. Las láminas de poliazol
básicas se dopan con ácido sulfúrico o ácido fosfórico concentrado
y actúan a continuación como conductores de protones y separadores
en las llamadas células de combustible de membrana de electrolito
polímero (células de combustible PEM).
Debido a las sobresalientes propiedades del
polímero de poliazol, pueden utilizarse tales membranas de
electrolito polímero - una vez elaboradas para transformarlas en
unidades de electrodo de membrana (MEE) - a temperaturas de
funcionamiento permanente superiores a 100ºC, en particular por
encima de 120ºC, en células de combustible. Esta elevada
temperatura de funcionamiento permanente permite aumentar la
actividad de los catalizadores a base de metal noble contenidos en
la unidad de electrodo de membrana (MEE). En particular cuando se
utilizan los llamados reformadores de hidrocarburos, están
contenidas en el gas reformador cantidades evidentes de monóxido de
carbono, que usualmente han de eliminarse mediante una costosa
preparación del gas o purificación del gas. Debido a la posibilidad
de aumentar la temperatura de funcionamiento, pueden tolerarse
permanentemente concentraciones de impurezas de CO claramente
superiores.
Mediante la utilización de membranas de
electrolito polímero a base de polímeros de poliazol, puede por un
lado renunciarse en parte a la costosa preparación del gas o
purificación del gas y por otro lado puede reducirse la carga del
catalizador en la unidad de electrodo de membrana. Ambas son
premisas irrenunciables para una utilización masiva de células de
combustible PEM, ya que caso contrario los costes de un sistema de
células de combustible PEM son demasiado altos.
Las membranas poliméricas dopadas con ácido a
base de poliazoles conocidas hasta ahora, muestran ya un perfil de
propiedades favorable. Pero debido a las aplicaciones que se
pretende para las células de combustible PEM, en particular en el
sector del automóvil y en la generación descentralizada de
electricidad y calor (instalaciones fijas), hay que mejorar aún las
mismas en su conjunto. Además, las membranas poliméricas conocidas
hasta ahora tienen un elevado contenido en dimetilacetamida (DMAc),
que no puede eliminarse del todo mediante los métodos de secado
conocidos. En la solicitud de patente alemana núm. 10109829.4, se
describe una membrana polimérica en base a poliazoles, en la que se
ha eliminado la contaminación de DMAc.
Por el documento
DE-A-10210500 se conocen membranas
poliméricas en base a ácido polivinilfosfónico y ácido
polivinilsulfónico, así como un procedimiento para su
fabricación.
Por la solicitud de patente alemana núm.
10117686.4, 10117687.2 y 10144815.5 se conocen membranas poliméricas
en base a poliazoles, fabricadas en base a ácidos polifosfóricos.
Estas membranas muestran un rendimiento sobresaliente, en
particular a temperaturas de servicio superiores a 100ºC. No
obstante, es un inconveniente que estas membranas presenten una
sobretensión relativamente alta, en particular en el cátodo.
Es tarea de la presente invención poner a
disposición membranas poliméricas que contengan ácidos orgánicos a
base de poliazoles, que por un lado presenten las ventajas técnicas
de aplicación de la membrana polimérica a base de poliazoles y por
otro lado presenten una conductividad específica aumentada, en
particular para temperaturas de servicio superiores a 100ºC y que
adicionalmente presenten una sobretensión claramente inferior, en
particular en el cátodo.
Nosotros hemos descubierto que una membrana
conductora de protones a base de poliazoles puede obtenerse cuando
los monómeros que sirven de base, suspendidos o disueltos en
anhídridos de ácido fosfónico orgánicos, se raclea en un molde
delgado y se polimeriza en los anhídridos de ácido fosfónico
orgánicos.
\newpage
Es objeto de la presente invención una membrana
polimérica conductora de protones a base de poliazoles, que puede
obtenerse mediante un procedimiento que incluye las etapas
- A)
- mezcla de uno o varios compuestos tetraamino aromáticos con uno o varios ácidos carboxílicos aromáticos o bien sus esteres, que contienen al menos dos grupos ácidos por cada monómero de ácido carboxílico, o mezclas de uno o varios ácidos diaminocarboxílicos aromáticos y/o heteroaromáticos en anhídridos de ácidos fosfónicos orgánicos formando una solución y/o dispersión,
- B)
- aplicación de una capa utilizando la mezcla según la etapa A) sobre un portador o sobre un electrodo,
- C)
- calentamiento de la estructura/capa superficial que puede obtenerse según la etapa B) bajo gas inerte a temperaturas de hasta 350ºC, preferiblemente de hasta 280ºC, formando el polímero de poliazol,
- D)
- tratamiento de la membrana formada en la etapa C) en presencia de suficiente humedad, con lo que el anhídrido de ácido fosfónico orgánico presente contribuye a la compactación de la membrana mediante hidrólisis parcial, formando ácidos organofosfónicos y/o ácido fosfórico, siempre que se haya utilizado a la vez ácido polifosfórico, hasta que la membrana es autoportante.
Los enlaces tetraamino aromáticos y
heteroaromáticos utilizados según la invención son preferiblemente
3,3',4,4'-tetraaminobifenilo,
2,3,5,6-tetraaminopiridina,
1,2,4,5-tetraaminobenzol,
3,3',4,4'-tetraaminodifenilsulfona, éter
3,3',
4,4'-tetraaminodifenilo, 3,3',4,4'-tetraaminobenzofenona, 3,3'.4,4'-tetraaminodifenilmetano, y 3,3',4,4'-tetraaminodifenildimetilmetano, así como sus sales, en particular sus derivados de mono-, di-, tri- y tetrahidrocloruro.
4,4'-tetraaminodifenilo, 3,3',4,4'-tetraaminobenzofenona, 3,3'.4,4'-tetraaminodifenilmetano, y 3,3',4,4'-tetraaminodifenildimetilmetano, así como sus sales, en particular sus derivados de mono-, di-, tri- y tetrahidrocloruro.
Los ácidos carboxílicos aromáticos utilizados
según la invención son ácidos dicarboxílicos y ácidos
tricarboxílicos y tetracarboxílicos o bien sus esteres o sus
anhídridos o sus cloruros de ácido. El concepto de ácidos
carboxílicos aromáticos incluye igualmente también ácidos
carboxílicos heteroaromáticos. Preferiblemente son los ácidos
dicarboxílicos aromáticos ácido isoftálico, ácido tereftálico, ácido
ftálico, ácido 5-hidroxiisoftálico, ácido
4-hidroxiisoftálico, ácido
2-hidroxitereftálico, ácido
5-aminoisoftálico, ácido
5-N,N-dimetilaminoisoftálico, ácido
5,5-dietilaminoisoftálico, ácido
2,5-dihidroxiitereftálico, ácido
2,5-dihidroxiisoftálico, ácido
4,6-dihidroxisoftálico, ácido
2,3-dihidroxiisoftálico, ácido
2,4-dihidroxiftálico, ácido
3,4-dihidroxiftálico, ácido
3-fluoroftálico, ácido
5-fluoroisoftálico, ácido
2-fluorotereftálico, ácido tetrafluoroftálico, ácido
tetrafluoroisoftálico, ácido tetrafluorotereftálico, ácido
1,4-naftalendicarboxílico, ácido
1,5-naftalendicarboxílico, ácido
2,6-naftalendicarboxílico, ácido
2,7-naftalendicarboxílico, ácido difénico, ácido
1,8-dihidroxinaftalen-3,6-dicarboxílico,
ácido
difeniléter-4,4'-dicarboxílico,
ácido
benzofenona-4,4'-dicarboxílico,
ácido
difenilsulfona-4,4'-dicarboxílico,
ácido bifenil-4,4'-dicarboxílico,
ácido 4-trifluorometilftálico,
2,2'-bis(4-carboxifenil)hexafluoropropano,
ácido 4,4'-estilbenodicarboxílico, ácido
4-carboxicinámico, o bien su ester
C1-C20-alquilo, o ester
C5-C12-arilo o sus anhidridos de
ácido o sus cloruros de ácido. Los ácidos tri-, tetracarboxílicos
aromáticos o bien sus esteres
C1-C20-alquilo o ester
C5-C12-arilo o sus anhídridos de
ácido o sus cloruros de ácido son preferiblemente ácido
1,3,5-benzoltricarboxílico (ácido trimésico), ácido
1,2,4-benzoltricarboxílico (ácido trimelítico),
ácido (2-carboxifenil)iminodiacético, ácido
3,5,3'-bifeniltricarboxílico, ácido 3,5,4'-
bifeniltricarboxílico.
Los ácidos tetracarboxílicos aromáticos o bien
sus esteres C1-C20-alquilo ó esteres
C5-C12-arilo o sus anhídridos de
ácido o sus cloruros de ácido son preferiblemente ácido
3,5,3',5'-bifeniltetracarboxílico, ácido
1,2,4,5-benzoltetracarboxílico, ácido
benzofenontetracarboxílico, ácido
3,3',4,4'-bifeniltetracarboxílico, ácido
2,2',3,3'-bifeniltetracarboxílico, ácido
1,2,5,6-naftalintetracarboxílico, ácido
1,4,5,8-naftalintetracarboxílico.
Los ácidos carboxílicos heteroaromáticos
utilizados según la invención son ácidos dicarboxílicos y
tricarboxílicos y tetracarboxílicos heteroaromáticos o bien sus
esteres o sus anhídridos. Bajo ácidos carboxílicos heteroaromáticos
se entienden sistemas aromáticos que contienen al menos un átomo de
nitrógeno, oxígeno, azufre o fósforo en el aromático.
Preferiblemente se trata de ácido
piridin-2,5-dicarboxílico, ácido
piridin-3,5-dicarboxílico, ácido
piridin-2,6-dicarboxílico, ácido
piridin-2,4-dicarboxílico, ácido
4-fenil-2,5-piridindicarboxílico,
ácido 3,5-pirazoldicarboxílico, ácido
2,6-pirimidindicarboxílico, ácido
2,5-piracindicarboxílico, ácido
2,4,6-piridintricarboxílico, ácido
bencimidazol-5,6-dicarboxílico, así
como sus esteres C1-C20-alquilo o
esteres C5-C12-arilo o sus
anhídridos de ácido o sus cloruros de ácido.
El contenido en ácido tricarboxílico o ácidos
tetracarboxílicos (referido a ácido dicarboxílico utilizado) es de
entre 0 y 30% en moles, preferiblemente 0,1 y 20% en moles, en
particular 0,5 y 10% en moles.
Los ácidos diaminocarboxílicos aromáticos y
heteroaromáticos utilizados son preferiblemente ácido
diaminobenzóico y sus derivados de mono y dihidrocloruro.
Preferiblemente se utilizan en la etapa A)
mezclas de al menos 2 ácidos carboxílicos aromáticos diferentes. De
manera especialmente preferente se utilizan mezclas que contienen,
además de ácidos carboxílicos aromáticos, también ácidos
carboxílicos heteroaromáticos. La relación de la mezcla entre ácidos
carboxílicos aromáticos y ácidos carboxílicos heteroaromáticos es
de entre 1:99 y 99:1, preferiblemente 1:50 a 50:1.
Estas mezclas son en particular mezclas de
ácidos dicarboxílicos N-heteroaromáticos y ácidos
dicarboxílicos aromáticos. Ejemplos no limitativos de ello son
ácido isoftálico, ácido tereftálico, ácido ftálico, ácido
2,5-dihidroxitereftálico, ácido
2,6-dihidroxiisoftálico, ácido
4,6-dihidroxiisoftálico, ácido
2,3-dihidroxiftálico, ácido
2,4-dihidroxiftálico, ácido
3,4-dihidroxiftálico, ácido
1,4-naftalendicarboxílico, ácido
1,5-naftalendicarboxílico, ácido
2,6-naftalendicarboxílico, ácido
2,7-naftalendicarboxílico, ácido difénico, ácido
1,8-dihidroxinaftalen-3,6-dicarboxílico,
ácido
difeniléter-4,4'-dicarboxílico,
ácido
benzofenona-4,4'-dicarboxílico,
ácido
difenilsulfona-4,4'-dicarboxílico,
ácido bifenil-4,4'-dicarboxílico,
ácido 4-trifluorometilftálico, ácido
piridin-2,5-dicarboxílico, ácido
piridin-3,5-dicarboxílico, ácido
piridin-2,6-dicarboxílico, ácido
piridin-2,4-dicarboxílico, ácido
4-fenil-2,5-piridindicarboxílico,
ácido 3,5-pirazoldicarboxílico, ácido
2,6-pirimidindicarboxílico, ácido
2,5-piracindicarboxílico.
Los anhídridos de ácido fosfónico orgánicos
utilizados en la etapa A) son compuestos cíclicos de la fórmula
o compuestos lineales de la
fórmula
o anhídridos de los ácidos
fosfónicos orgánicos múltiples como por ejemplo de la fórmula de
anhídridos del ácido
difosfónico
siendo los radicales R y R' iguales
o distintos y correspondiendo a un grupo carbonado
C_{1}-C_{20.}
En el marco de la presente invención, se
entienden bajo un grupo carbonado C_{1}-C_{20}
preferiblemente los radicales alquilo
C_{1}-C_{20}, de manera especialmente preferente
metilo, etilo, n-propilo, i-propilo,
n-butilo, i-butilo,
s-butilo, t-butilo,
n-pentilo, s-pentilo, ciclopentilo,
n-hexilo, ciclohexilo, n-octilo o
ciclooctilo, alquenilo C_{1}-C_{20},
especialmente preferente etenilo, propenilo, butenilo, pentenilo,
ciclopentenilo, hexenilo, ciclohexenilo, octenilo o ciclooctenilo,
alquinilo C_{1}-C_{20}, especialmente
preferente etinilo, propinilo, butinilo, pentinilo, hexinilo u
octinilo, arilo C_{6}-C_{20}, especialmente
preferente fenilo, bifenilo, naftilo o antracenilo, fluoralquilo
C_{1}-C_{20}, especialmente preferente
trifluormetilo, pentafluoroetilo o 2,2,2,-trifluoroetilo, arilo
C_{6}-C_{20}, especialmente preferente fenilo,
bifenilo, naftilo, antracenilo, trifenilenilo, [1,1',3',1'']
terfenil-2'-ilo, binaftilo o
fenantrenilo, fluorarilo C_{6}-C_{20},
especialmente preferente tetrafluorofenilo o heptafluoronaftilo,
alcoxi C_{1}-C_{20}, especialmente preferente
metoxi, etoxi, n-propoxi, i-propoxi,
n-butoxi, i-butoxi,
s-butoxi o t-butoxi, ariloxi
C_{6}-C_{20}, especialmente preferente fenoxi,
naftoxi, bifeniloxi, antraceniloxi, fenentreniloxi, arilalquilo
C_{7}-C_{20}, especialmente preferente
o-tolilo, m-tolilo,
p-tolilo, 2,6-dimetilfenilo,
2,6-dietilfenilo,
2,6-di-i-propilfenilo,
2,6-di-t-butilfenilo,
o-t-butilfenilo,
m-t-butilfenilo,
p-t-butilfenilo, alquilarilo
C_{7}-C_{20}, especialmente preferente bencilo,
etilfenilo, propilfenilo, difenilmetilo, trifenilmetilo o
naftalinilmetilo, ariloxialquilo C_{7}-C_{20},
especialmente preferente o-metoxifenilo,
m-fenoximetilo, p-fenoximetilo,
ariloxiarilo C_{12}-C_{20}, especialmente
preferente p-fenoxifenilo, heteroarilo
C_{5}-C_{20}, especialmente preferente
2-piridilo, 3-piridilo,
4-piridilo, quinolinilo, isoquinolinilo, acridinilo,
benzoquinolinilo o benzoisoquinolinilo, heterocicloalquilo
C_{4}-C_{20}, especialmente preferente furilo,
benzofurilo, 2-pirolidinilo,
2-indolilo, 3-indolilo,
2-3-dihidroindolilo, arilalquenilo
C_{8}-C_{20}, especialmente preferente
o-vinilfenilo, m-vinilfenilo,
p-vinilfenilo, arialquinilo
C_{8}-C_{20}, especialmente preferente
o-etinilfenilo, m-etinilfenilo o
p-etinilfenilo, grupo conteniendo heteroátomos
C_{2}-C_{20}, especialmente preferente
carbonilo, benzoilo, oxibenzoilo, benzoiloxi, acetil, acetoxi o
nitril, pudiendo formar uno o varios grupos carbonados
C_{1}-C_{20} un sistema cíclico.
En los grupos carbonados
C_{1}-C_{20} antes citados pueden estar
sustituidos uno o varios grupos CH_{2} no contiguos por -O-, -S-,
-NR^{1} - o bien - CONR^{2} y uno o varios átomos de H pueden
estar sustituidos por F.
En los grupos carbonados
C_{1}-C_{20} antes citados, que pueden presentar
sistemas aromáticos, pueden estar sustituidos uno o varios grupos CH
no contiguos por -O-, -S-, -NR^{1} - o bien - CONR^{2} y uno o
varios átomos de H pueden estar sustituidos por F.
Los radicales R^{1} y R^{2} son iguales o
distintos cada vez que se presenta H o un radical de hidrocarburo
alifático o aromático con 1 a 20 átomos de C.
Son especialmente preferentes los anhídridos de
ácido fosfónico orgánicos que están perfluorados o parcialmente
perfluorados.
Los anhídridos de ácido fosfónico orgánicos
utilizados en la etapa A) pueden obtenerse comercialmente, por
ejemplo el producto ®T3P (anhídrido de ácido propanofosfónico de la
firma Clariant).
Los anhídridos de ácido fosfónico orgánicos
utilizados en la etapa A) pueden utilizarse también en combinación
con ácido polifosfórico y/o con P_{2}O_{5}. El ácido
polifosfórico es un ácido polifosfórico usual en el comercio, como
los que pueden obtenerse por ejemplo de
Riedel-de-Haen. Los ácidos
polifosfóricos H_{n+2}P_{n}O_{3n+1} (n>1) poseen
usualmente un contenido calculado como P_{2}O_{5}
(acidimétricamente) de al menos un 83%. En lugar de una solución de
los monómeros, puede fabricarse también una
dispersión/suspensión.
Los anhídridos de ácido fosfónico orgánicos
utilizados en la etapa A) pueden usarse también en combinación con
ácidos fosfónicos orgánicos sencillos y/o múltiples.
Los ácidos fosfónicos orgánicos sencillos y/o
múltiples son compuestos de la fórmula
donde el radical R es igual o
distinto y significa un grupo carbonado
C_{1}-C_{20}.
En el marco de la presente invención se
entienden bajo grupo carbonado C_{1}-C_{20}
preferentemente los radicales alquilo C_{1} - C_{20}, de manera
especialmente preferente metilo, etilo, n-propilo,
i-propilo, n-butilo,
i-butilo, s-butilo,
t-butilo, n-pentilo,
s-pentilo, ciclopentilo, n-hexilo,
ciclohexilo, n-octilo o ciclooctilo, arilo
C_{6}-C_{20}, especialmente preferente fenilo,
bifenilo, naftilo o antracenilo, fluroalquilo
C_{1}-C_{20}, especialmente preferente
trifluorometilo, pentafluoroetilo o
2,2,2-trifluoroetilo, arilo
C_{6}-C_{20}, especialmente preferente fenilo,
bifenilo, naftilo, antracenilo, trifenilenilo, [1,1',3',1'']
terfenil-2'-ilo, binaftilo o
fenantrenilo, fluorarilo C_{6}-C_{20},
especialmente preferente tetrafluorofenilo o heptafluoronaftilo,
alcoxi C_{1}-C_{20}, especialmente preferente
metoxi, etoxi, n-propoxi, i-propoxi,
n-butoxi, i-butoxi,
s-butoxi o t-butoxi, ariloxi
C_{6}-C_{20}, especialmente preferente fenoxi,
naftoxi, bifeniloxi, antraceniloxi, fenantreniloxi, arilalquilo
C_{7}-C_{20}, especialmente preferente
o-tolilo, m-tolilo,
p-tolilo, 2,6-dimetilfenilo,
2,6-dietilfenilo,
2,6-di-i-propilfenilo,
2,6-di-t-butilfenilo,
o-t-butilfenilo,
m-t-butilfenilo,
p-t-butilfenilo, alquilarilo
C_{7}-C_{20}, especialmente preferente bencilo,
etilfenilo, propilfenilo, difenilmetilo, trifenilmetilo o
naftalinilmetilo, ariloxialquilo C_{7}-C_{20},
especialmente preferente o-metoxifenilo,
m-fenoximetilo, p-fenoximetilo,
ariloxiarilo C_{12}-C_{20}, especialmente
preferente p-fenoxifenilo, heteroarilo
C_{5}-C_{20}, especialmente preferente
2-piridilo, 3-piridilo,
4-piridilo, quinolinilo, isoquinolinilo,
acridinilo, benzoquinolinilo o benzoisoquinolinilo,
heterocicloalquilo C_{4}-C_{20}, especialmente
preferente furilo, benzofurilo, 2-pirolidinilo,
2-indolilo, 3-indolilo,
2-3-dihidroindolilo, grupo
conteniendo heteroátomos C_{2}-C_{20},
especialmente preferente carbonilo, benzoilo, oxibenzoilo,
benzoiloxi, acetil, acetoxi o nitrilo, pudiendo formar uno o varios
grupos carbonados C_{1}-C_{20} un sistema
cíclico.
En los grupos carbonados
C_{1}-C_{20} antes citados pueden estar
sustituidos uno o varios grupos CH_{2} no contiguos por -O-, -S-,
-NR^{1} - o bien - CONR^{2} y uno o varios átomos de H pueden
estar sustituidos por F.
En los grupos carbonados
C_{1}-C_{20} antes citados, que pueden presentar
sistemas aromáticos, pueden estar sustituidos uno o varios grupos CH
no contiguos por -O-, -S-, -NR^{1} - o bien - CONR^{2} y uno o
varios átomos de H pueden estar sustituidos por F.
Los radicales R^{1} y R^{2} son iguales o
distintos cada vez que se presenta H o un radical de hidrocarburo
alifático o aromático con 1 a 20 átomos de C.
Son especialmente preferentes ácidos fosfónicos
orgánicos que están perfluorados o parcialmente perfluorados.
Los ácidos fosfónicos orgánicos utilizados en la
etapa A) pueden obtenerse comercialmente, por ejemplo los productos
de la firma Clariant o Aldrich.
Los ácidos fosfónicos orgánicos utilizados en la
etapa A) no incluyen ningún ácido fosfónico que contenga vinilo,
tal como se describe en la solicitud de patente alemana núm.
10213540.1.
La mezcla generada en la etapa A) presenta una
proporción en peso de anhídridos de ácido fosfónico orgánicos
respecto a la suma de todos los monómeros de 1:10000 a 10000:1,
preferiblemente de 1:1000 a 1000:1, en particular de 1:100 a 100:1.
Siempre que se utilicen estos anhídridos de ácido fosfónico en
mezcla con ácido polifosfórico o ácidos fosfónicos orgánicos
simples o múltiples, han de tenerse en cuenta éstos en los
anhídridos de ácido fosfónico.
Además, pueden añadirse a la mezcla generada en
la etapa A) otros ácidos organofosfónicos, preferiblemente ácidos
fosfónicos orgánicos perfluorados. Esta adición puede realizarse
antes y/o durante la etapa B). De esta manera puede controlarse la
viscosidad.
La formación de la capa según la etapa B) se
realiza tomando medidas (vertido, aspersión, racleado) en sí
conocidas por el estado de la técnica para la fabricación de
películas polímeras. Como portador son adecuados todos los
portadores a designar en estas condiciones como inertes. Para
ajustar la viscosidad, puede mezclarse la solución dado el caso con
ácido fosfórico (conc. ácido fosfórico, 85%). De esta manera puede
ajustarse la viscosidad al valor deseado y facilitarse la formación
de la membrana.
La capa generada según la etapa B) tiene un
espesor de entre 20 y 4000 \mum, preferiblemente de entre 30 y
3500 \mum, en particular de entre 50 y 3000 \mum.
El polímero formado en la etapa C) a base de
poliazol contiene unidades azólicas repetitivas de la fórmula
general (I) y/o (II) y/o (III) y/o (IV) y/o (V) y/o (VI) y/o (VII)
y/o (VIII) y/o (IX) y/o (X) y/o (XI) y/o (XII) y/o (XIII) y/o (XIV)
y/o (XV) y/o (XVI) y/o (XVII) y/o (XVIII) y/o (XIX) y/o (XX) y/o
(XXI) y/o (XXII)
\vskip1.000000\baselineskip
donde
- Ar
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático tetravalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{1}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático divalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{2}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático di - o trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{3}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{4}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{5}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático tetravalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{6}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático divalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{7}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático divalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{8}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{9}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático di - o trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{10}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático di - o trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{11}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático divalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- X
- es igual o distinto y para oxígeno, azufre o un grupo amino que tiene como radical adicional un átomo de hidrógeno, un grupo que presenta 1-20 átomos de carbono, preferiblemente un grupo alquilo o alcoxi ramificado o no ramificado o un grupo arilo
- R
- es igual o distinto y para hidrógeno, un grupo alquilo y un grupo aromático, con la norma de que R no es hidrógeno en la fórmula (XX), y
- n,m
- es un número entero mayor o igual que 10, preferiblemente mayor o igual que 100.
\vskip1.000000\baselineskip
Grupos aromáticos o heteroaromáticos preferentes
se derivan del benzol, naftalina, bifenilo, éter difenilo,
difenilmetano, difenildimetilmetano, bisfenón,
difenil-sulfona, tiofeno, furano, pirrol, tiazol,
oxazol, imidazol, isotiazol, isoxazol, pirazol,
1,3,4-oxadiazol
2,5-difenil-1,3,4-oxadiazol,
1-3-4-tiadiazol,
1,3,4-triazol, 2,5-difenil -
1,3,4-triazol,
1,2,5-trifenil-1,3,4-triazol,
1,2,4-oxadiazol, 1,2,4-tiadiazol,
1,2,4-triazol, 1,2,3-triazol,
1,2,3,4-tetrazol, benzo[b]tiofeno,
benzo[b]furano, indol, benzo[c]tiofeno,
benzo[c]furano, isoindol, benzoxazol, benzotiazol,
bencimidazol, benzisoxazol, benzisotiazol, benzopirazol,
benzotiadiazol, benzotriazol, dibenzofurano, dibenzotiofeno,
carbazol, piridina, bipiridina, piracina, pirazol, pirimidina,
piridacina, 1,3,5-triacina,
1,2,4-triacina, 1,2,4,5-triazina,
tetracina, quinolina, isoquinolina, quinoxalina, quinazolina,
cinnolina, 1,8-naftiridina,
1,5-naftiridina, 1,6-naftiridina,
1,7-naftiridina, ftalacina, piridopirimidina,
purina, pteridina o quinolicina, 4H-quinolicina,
éter difenilo, antraceno, benzopirrol, benzooxatiadiazol,
benzooxadiazol, benzopiridina, benzopiracina, benzopiracidina,
benzopirimidina, benzotriacina, indolicina, piridopiridina,
imidazopirimidina, piracinopirimidina, carbazol, aciridina,
fenacina, benzoquinolina, fenoxacina, fenotiacina, acridicina,
benzopteridina, fenantrolina y fenantreno, que dado el caso pueden
estar también sustituidos.
Al respecto el modelo de sustitución de
Ar^{1},Ar^{4}, Ar^{6}, Ar^{7}, Ar^{8}, Ar^{9},
Ar^{10}, Ar^{11} es cualquiera, por ejemplo en el caso del
fenileno puede ser Ar^{1},Ar^{4}, Ar^{6}, Ar^{7},
Ar^{8}, Ar^{9}, Ar^{10}, Ar^{11}, orto-, meta- y
para-fenileno. Grupos especialmente preferentes se
derivan del benzol y bifenileno, que dado el caso pueden también
estar sustituidos.
Grupos alquilo preferentes son grupos alquilo de
cadena corta con 1 a 4 átomos de carbono, como por ejemplo grupos
metilo, etilo, n- o i-propilo y
t-butilo.
Grupos aromáticos preferentes son grupos fenilo
o naftilo. Los grupos alquilo y los grupos aromáticos pueden estar
sustituidos.
Sustituyentes preferentes son átomos de
halógenos, como por ejemplo fluor, grupos amino, grupos hidroxi o
grupos alquilo de cadena corta, como por ejemplo grupos metilo o
etilo.
Son preferentes poliazoles con unidades
repetitivas de la fórmula (I) en los radicales X dentro de una
unidad repetitiva son iguales.
Los poliazoles pueden básicamente presentar
también distintas unidades repetitivas, que se diferencian por
ejemplo en su radical X. No obstante, preferiblemente presentan sólo
radicales X iguales en una unidad repetitiva.
Otros polímeros de poliazol preferentes son
polimidazoles, polibenzotiazoles, polibenzoxazoles, polioxadiazoles,
poliquinoxalinas, politiadiazoles, poli(piridina),
poli(pirimidina) y poli(tetrazapireno).
En otra forma constructiva de la presente
invención, el polímero que contiene unidades azólicas repetitivas
es un copolímero, o una mezcla que contiene al menos dos unidades de
la fórmula (I) hasta (XXII), que son diferentes entre sí. Los
polímeros pueden encontrarse como copolímeros de bloque (dibloque,
tribloque), copolímeros de segmento, copolímeros estadísticos,
copolímeros periódicos y/o polímeros alternados.
En una forma constructiva especialmente
preferente de la presente invención, el polímero que contiene
unidades azólicas repetitivas es un poliazol, que sólo contiene
unidades de la fórmula (I) y/o (II).
La cantidad de unidades azólicas repetitivas en
el polímero es preferiblemente un número entero mayor o igual a 10.
Los polímeros especialmente preferentes contienen al menos 100
unidades azólicas repetitivas.
En el marco de la presente invención se
prefieren polímeros que contienen unidades de bencimidazol
repetitivas. Algunos ejemplos de los polímeros extremadamente
convenientes que contienen unidades de bencimidazol repetitivas se
representan mediante las siguientes fórmulas:
siendo n y m un número entero mayor
o igual a 10, preferiblemente mayor o igual a
100.
Los poliazoles que pueden obtenerse mediante el
procedimiento descrito, pero en particular los polibencimidazoles
se caracterizan por un elevado peso molecular. Medido como
viscosidad intrínseca, el mismo es de al menos 1,4 dl/g y se
encuentra así claramente por encima del polibencimidazol usual en el
comercio (IV < 1,1 dl/g.
Dado que la mezcla según la etapa A) contiene
también ácidos tricarboxílicos o bien ácidos tetracarboxílicos, se
logra así una ramificación/enmallado del polímero formado. Éste
contribuye a mejorar la característica mecánica. El tratamiento de
la capa polimérica generada según la etapa C) se realiza en
presencia de humedad a unas temperaturas y durante un tiempo tal
que la capa llegue a lograr una resistencia suficiente para su
utilización en células de combustible. El tratamiento puede
realizarse hasta que la membrana sea autoportante, con lo que la
misma puede soltarse sin daño del portador.
Se ha comprobado además que cuando se utilizan
ácidos dicarboxílicos aromáticos (o ácidos dicarboxílicos
heteroaromáticos) como ácido isoftálico, ácido tereftálico, ácido
2,5-dihidroxitereftálico, ácido
4,6-dihidroxiisoftálico, ácido
2,6-dihidroxiisoftálico, ácido difénico, ácido
1,8-dihidroxinaftalin-3,6-dicarboxílico,
ácido
difeniléter-4,4'-dicarboxílico,
ácido
benzofenona-4,4'-dicarboxílico,
ácido
difenilsulfona-4,4'-dicarboxílico,
ácido bifenil-4,4'-dicarboxílico,
ácido 4-trifluorometilftálico, ácido
piridin-2,5-dicarboxílico, ácido
piridin-3,5-dicarboxílico, ácido
piridin-2,6-dicarboxílico, ácido
piridin-2,4-dicarboxílico, ácido
4-fenil-2,5-piridindicarboxílico,
ácido 3,5-pirazoldicarboxílico, ácido
2,6-pirimidindicarboxílico o ácido
2,5-piracindicarboxílico, es favorable una
temperatura en la etapa D) - o en el caso de que se desee la
formación de oligómeros y/o polímeros de baja molecularidad ya en la
etapa A) - en la zona de hasta 300ºC, preferiblemente entre 100ºC y
250ºC.
El tratamiento de la membrana en la etapa D) se
realiza a temperaturas superiores a 0ºC e inferiores a 150ºC,
preferiblemente a temperaturas entre 10ºC y 120ºC, en particular
entre la temperatura ambiente (20ºC) y 90ºC, en presencia de
humedad o bien agua y/o vapor de agua o bien y/o ácido fosfórico que
contiene agua de hasta el 85% o bien y/o en una mezcla de ácidos
fosfónicos orgánicos y/o una mezcla que contiene ácidos sulfónicos
en agua o ácido fosfórico. El tratamiento se realiza preferiblemente
bajo la presión normal, pero puede también realizarse bajo la
presión. Es esencial que el tratamiento se realice en presencia de
suficiente humedad, con lo que los anhídridos de ácido fosfónico
orgánicos presentes contribuyen mediante hidrólisis parcial formando
ácidos organofosfónicos y/o ácido fosfórico (siempre que se haya
utilizado ácido polifosfórico a la vez) a la compactación de la
membrana.
Los ácidos organofosfónicos formados en la
hidrólisis de los anhídridos orgánicos de ácido fosfónico
dan lugar a una reducción
inesperada de la sobretensión, en particular en el cátodo en una
unidad de electrodo de membrana que se fabrica a partir de la
membrana correspondiente a la
invención.
La hidrólisis parcial de los anhídridos
orgánicos de ácido fosfónico en la etapa D) da lugar a una
compactación de la membrana y a una reducción del espesor de la
capa y a la formación de una membrana con un espesor de entre 15 y
3000 \mum, preferiblemente de entre 20 y 2000 \mum, y en
particular de entre 20 y 1500 \mum, que es autoportante.
El límite superior de temperatura del
tratamiento según la etapa D) es por lo general de 150ºC. Si la
acción de la humedad, por ejemplo de vapor sobrecalentado, es
extremadamente breve, puede estar este vapor también a una
temperatura superior a 150ºC. Respecto al límite superior de la
temperatura, es esencial la duración del tratamiento.
La hidrólisis parcial (etapa D) puede realizarse
también en cámaras climatizadas, en las que puede controlarse
específicamente la hidrólisis bajo una acción definida de la
humedad. Al respecto puede ajustarse específicamente la humedad
mediante la temperatura o bien saturación del entorno en contacto,
por ejemplo gases como aire, nitrógeno, dióxido de carbono u otros
gases adecuados, o vapor de agua. La duración del tratamiento
depende de los parámetros antes elegidos.
Además, la duración del tratamiento depende del
espesor de la membrana.
Por lo general el tratamiento dura desde unos
segundos hasta unos minutos, por ejemplo bajo la acción de vapor de
agua sobrecalentado, o incluso hasta días enteros, por ejemplo al
aire a la temperatura ambiente y con baja humedad relativa.
Preferiblemente dura el tratamiento entre 10 segundos y 300 horas,
en particular entre 1 minuto y 200 horas.
Si se realiza la hidrólisis parcial a la
temperatura ambiente (20ºC) con aire del entorno de una humedad
relativa del 40-80%, la duración del tratamiento es
de entre 1 y 200 horas.
La membrana obtenida bajo la etapa D) puede
configurarse autoportante, es decir, puede soltarse del portador
sin daño y seguir procesándose a continuación dado el caso
directamente.
Mediante el grado de hidrólisis, es decir, la
duración, temperatura y humedad del entorno, puede ajustarse la
concentración de ácido fosfónico y con ello la conductividad de la
membrana polimérica correspondiente a la invención. En el marco de
la invención se indica la concentración de los protones como
capacidad de intercambio de iones (IEC, Ion exchange capacity). En
el marco de la presente invención se prefiere una IEC de al menos 2
eq/g, preferiblemente 5 eq/g, de manera especialmente preferente 10
eq/g.
A continuación del tratamiento según la etapa
D), puede ramificarse adicionalmente la membrana mediante la acción
del calor en presencia del oxígeno del aire en la superficie. Este
endurecimiento de la superficie de la membrana mejora
adicionalmente las propiedades de la membrana.
El ramificado puede realizarse también mediante
la acción de IR o bien NIR (IR = infrarrojos, es decir, luz con una
longitud de onda de más de 700 nm; NIR = IR próxima, es decir, luz
con una longitud de onda en la gama de aprox. 700 a 2000 nm o bien
de una energía en la gama de aprox. 0,6 hasta 1,75 eV). Otro método
es la irradiación con rayos \beta. La dosis de radiación es
entonces de entre 5 y 200 kGy.
La membrana polimérica correspondiente a la
invención presenta mejores propiedades del material que las
membranas poliméricas dopadas conocidas hasta ahora. En particular
muestran las mismas en comparación con las membranas poliméricas
dopadas conocidas mejores prestaciones. Éstas se basan en particular
en la mejor conductividad de protones. Ésta es a temperaturas de
120ºC de al menos 0,1 S/cm, preferiblemente de al menos 0,11 S/cm,
en particular de al menos 0,12 S/cm.
Las membranas correspondientes a la invención
pueden contener, además de los polímeros a base de poliazoles,
también otros polímeros como material de mezcla. El componente de la
mezcla tiene entonces esencialmente la tarea de mejorar las
propiedades mecánicas y reducir los costes de material.
Para ello, puede añadirse el material de mezcla
adicional, durante o tras la etapa A) o antes de la etapa B). Como
material de mezcla se considera polietersulfona, en particular la
polietersulfona descrita en la solicitud de patente alemana núm.
10052242.4. Los otros polímeros que pueden utilizarse como
componentes de mezcla son entre otros poliolefinas, como
poli(cloropreno), poliacetileno, polifenileno,
poli(p-xilileno), poliarilmetileno,
poliarmetileno, poliestrol, polimetilestirol, alcohol polivinilo,
acetato de polivinilo, éter polivinílico, polivinilamina,
poli(N-vinilacetamida), polivinilimidazol,
polivinilcarbazol, polivinilpirrolidona, polivinilpiridina, cloruro
de polivinilo, cloruro de polivinilideno, politetrafluoretileno,
polihexafluorpropileno, copolímeros de PTFE con hexafluorpropileno,
con éter de perfluorpropilvinilo, con trifluoronitrosometano, con
éter de sulfonilfluoruro de vinilo, con éter de
carbalcoxi-perfluoral coxivinilo,
policlorotrifluoretileno, fluoruro de polivinilo, fluoruro de
polivinilideno, poliacroleina, poliacrilamida, poliacrilnitrilo,
policianacrilato, polimetacrilimida, copolímeros cicloolefínicos,
en particular de norborneno; polímeros con enlaces de
C-O en la cadena principal, por ejemplo poliacetal,
polioximetileno, poliéter, óxido de polipropileno,
poliepiclorohidrina, politetrahidrofurano, óxido de polifenileno,
poliétercetona, poliéster, en particular ácido polihidroxiacético,
polietilentereftalato, polibutilentereftalato, polihidroxibenzoato,
ácido polihidroxipropiónico, polipivalolactona, policaprolactona,
ácido polimalónico, policarbonato; enlaces polímeros
C-S en la cadena principal, por ejemplo éter
polisulfuro, sulfuro de polifenileno, polietersulfona; enlaces
polímeros C-N en la cadena principal, por ejemplo
poliimina, poliisocianida, polieterimina, polianilina, poliamidas,
polihidracidas, poliuretanos, poliimidas, poliazoles, poliacinas;
polímeros cristalinos líquidos, en particular vectra, así como
polímeros inorgánicos, por ejemplo polisilanos, policarbosilanos,
polisiloxanos, ácido polisilícico, polisilicatos, siliconas,
polifosfacenos y politiazil.
Para la utilización en células de combustible
con una temperatura de utilización permanente superior a 100ºC, se
prefieren los polímeros de mezcla que tienen una temperatura de
transición vítrea o temperatura de reblandecimiento Vicat VST/A/50
de al menos 100ºC, preferentemente de al menos 150ºC y de manera muy
especialmente preferente de al menos 180ºC. Al respecto se
prefieren polisulfonas con una temperatura de reblandecimiento Vicat
VST/A/50 de 180ºC a 230ºC.
A los polímeros preferentes pertenecen las
polisulfonas, en particular polisulfona con aromáticos en la cadena
principal. Según un aspecto especial de la presente invención,
presentan las polisulfonas y poliétersulfonas preferentes un
coeficiente de volumen de fusión MVR 300/21,6 inferior o igual a 40
cm^{3}/10 min, en particular igual o inferior a 30 cm^{3}/10
min y de manera especialmente preferente inferior o igual a 20
cm^{3}/10 min, medido según ISO 1133.
Según un aspecto especial, puede incluir la
membrana polimérica al menos un polímero con grupos de ácidos
sulfónicos aromáticos y/o grupos de ácidos fosfónicos. Los grupos de
ácidos fosfónicos y/o grupos de ácidos sulfónicos aromáticos son
grupos en los que el grupo de ácido sulfónico (-SO_{3}H) y/o los
grupos de ácidos fosfónicos (-PO_{3}H_{2}) están unidos de
forma covalente a un grupo aromático o heteroaromático. El grupo
aromático puede ser una parte de la cadena principal (back bone) del
polímero o una parte de un grupo lateral, siendo preferidos
polímeros con grupos aromáticos en la cadena principal. Los grupos
de ácidos sulfónicos y/o grupos de ácidos fosfónicos pueden
utilizarse de muchas maneras también en
forma de sales. Además pueden utilizarse también derivados, por
ejemplo éster, en particular éster metílico o etílico, o
halogenuros de los ácidos sulfónicos, que durante el funcionamiento
de la membrana se transforman en el ácido sulfónico.
Grupos aromáticos o heteroaromáticos preferentes
se derivan del benzol, naftalina, bifenilo, éter difenilo,
difenilmetano, difenildimetilmetano, bisfenón,
difenil-sulfona, tiofeno, furano, pirrol, tiazol,
oxazol, imidazol, isotiazol, isoxazol, pirazol,
1,3,4-oxadiazol
2,5-difenil-1,3,4-oxadiazol,
1-3-4-tiadiazol,
1,3,4-triazol, 2,5-difenil -
1,3,4-triazol,
1,2,5-trifenil-1,3,4-triazol,
1,2,4-oxadiazol, 1,2,4-tiadiazol,
1,2,4-triazol, 1,2,3-triazol,
1,2,3,4-tetrazol, benzo[b]tiofeno,
benzo[b]furano, indol, benzo[c]tiofeno,
benzo[c]furano, isoindol, benzoxazol, benzotiazol,
bencimidazol, benzisoxazol. benzisotiazol, benzopirazol,
benzotiadiazol, benzotriazol, dibenzofurano, dibenzotiofeno,
carbazol, piridina, bipiridina, piracina, pirazol, pirimidina,
piridacina, 1,3,5-triacina,
1,2,4-triacina, 1,2,4,5-triazina,
tetracina, quinolina, isoquinolina, quinoxalina, quinazolina,
cinnolina, 1,8-naftiridina,
1,5-naftiridina, 1,6-naftiridina,
1,7-naftiridina, ftalacina, piridopirimidina,
purina, pteridina o quinolicina, 4H-quinolicina,
éter difenilo, antraceno, benzopirrol, benzooxatiadiazol,
benzooxadiazol, benzopiridina, benzopiracina, benzopiracidina,
benzopirimidina, benzotriacina, indolicina, piridopiridina,
imidazopirimidina, piracinopirimidina, carbazol, aciridina,
fenacina, benzoquinolina, fenoxacina, fenotiacina, acridicina,
benzopteridina, fenantrolina y fenantreno, que dado el caso pueden
estar también sustituidos. Son sustituyentes preferentes los átomos
de halógeno, como p.e. flúor, grupos amino, grupos hidroxi o grupos
alquilo.
Al respecto el modelo de sustitución es
cualquiera, y en el caso del fenileno por ejemplo puede ser orto-,
meta- y parafenileno. Grupos especialmente preferentes se derivan
del benzol y bifenileno, que dado el caso pueden también estar
sustituidos.
Grupos alquilo preferentes son grupos alquilo de
cadena corta con 1 a 4 átomos de carbono, como por ejemplo grupos
metilo, etilo, n- o i-propilo y
t-butilo.
Grupos aromáticos preferentes son grupos fenilo
o naftilo. Los grupos alquilo y los grupos aromáticos pueden estar
sustituidos.
Los polímeros modificados con grupos de ácido
sulfónico poseen preferiblemente un contenido en grupos de ácido
sulfónico en la gama de 0,5 a 3 meq/g, preferiblemente 0,5 a 0,2
meq/g. Este valor se determina mediante la llamada capacidad de
intercambio de iones (IEC).
Para medir la IEC se transforman los grupos de
ácido sulfónico en el ácido libre. Para ello se trata el polímero
de manera conocida con ácido, eliminándose el ácido en exceso
mediante lavado. Así se trata el polímero sulfonado primeramente
durante 2 horas en agua hirviente. A continuación se tampona el agua
en exceso y la muestra se seca durante 15 horas a 160ºC en el
armario de secado en vacío a p<1 mbar. Entonces se determina el
peso en seco de la membrana. El polímero así secado se disuelve a
continuación en DMSO a 80ºC durante 1 h. La solución se titula a
continuación con 0,1 M NaOH. A partir del consumo del ácido hasta
el punto equivalente y del peso en seco, se calcula entonces la
capacidad de intercambio de iones (IEC).
Los polímeros con grupos de ácido sulfónico
unidos de forma covalente a grupos aromáticos son conocidos en el
mundo especializado. Así pueden fabricarse polímeros con grupos de
ácido sulfónico aromáticos por ejemplo mediante sulfonación de
polímeros. En F. Kucera y colab. Ingeniería y Ciencia de Polímeros
1988, vol. 38, núm. 5, 783-792, se describen
procedimientos para la sulfonación de polímeros. Al respecto pueden
elegirse las condiciones de sulfonación tal que resulte un bajo
grado de sulfonación
(DE-A-19959289).
En cuanto a polímeros con grupos de ácidos
sulfónicos aromáticos, cuyos radicales aromáticos son parte del
grupo lateral, remitimos en particular a los derivados del
poliestirol. Así describe el folleto
US-A-6110616 copolímeros de
butadieno y estirol y su subsiguiente sulfonación para utilizarlos
en células de combustible.
Por lo demás, pueden obtenerse tales polímeros
también mediante polirreacciones de monómeros que incluyen grupos
de ácido. Así pueden fabricarse polímeros perfluorinados tal como se
describe en el documento
US-A-5422411 mediante
copolimerización a partir del trifluoroestirol y del
trifluoroestirol modificado con sulfonil.
Según un aspecto especial de la presente
invención, se utilizan termoplásticos estables a altas temperaturas
que presentan grupos de ácidos sulfónicos unidos a grupos
aromáticos. En general tales polímeros presentan en la cadena
principal grupos aromáticos. Así, se prefieren polietercetonas
(DE-A-4219077, WO96/01177),
polisulfonas sulfonadas (J. Membr. Sci. 83 (1993), p. 211) o
sulfuro de polifenileno sulfonado
(DE-A-19527435).
Los polímeros antes expuestos con grupos de
ácidos sulfónicos unidos a aromáticos pueden utilizarse
individualmente o como mezcla, siendo preferidas en particular las
mezclas que presentan polímeros con aromáticos en la cadena
principal.
El peso molecular de los polímeros con grupos de
ácidos sulfónicos unidos a aromáticos puede encontrarse en gamas
muy amplias, en función de la clase de polímero y de su facilidad de
elaboración. Preferiblemente se encuentra el promedio del peso
molecular M_{w} en la gama de 5000 a 10 000 000, en particular de
10000 a 1000 000, de manera especialmente preferente de 15 000 a 50
000. Según un aspecto especial de la presente invención, son
polímeros con grupos de ácidos sulfónicos unidos a aromáticos que
presentan un bajo índice de polidispersión M_{w}/M_{n.}
Preferiblemente se encuentra el índice de polidispersión en la gama
de 1 a 5, en particular de 1 a 4.
Para seguir mejorando las propiedades técnicas
de aplicación, pueden añadirse a la membrana adicionalmente
sustancias de relleno, en particular sustancias de relleno
conductoras de protones, así como ácidos adicionales. La adición
puede realizarse durante o tras la etapa A), la etapa B) o la etapa
C).
Ejemplos no limitativos de sustancias de relleno
conductoras de protones son
- Sulfatos como:
- CsHSO_{4}, Fe(SO_{4})_{2}, (NH_{4})_{3}H(SO_{4})_{2}, LiHSO_{4}, NaHSO_{4}, KHSO_{4}, RbSO_{4}, LiN_{2}H_{5}SO_{4}, NH_{4}HSO_{4},
- fosfatos como:
- 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}, 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},
- poliácidos como:
- 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}PMo_{12}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},
- seleniuros y arseniuros como:
- (NH_{4})_{3}H(SeO_{4})_{2}, UO_{2}ASO_{4}, (NH_{4})_{3}H(SeO_{4})_{2}, KH_{2}AsO_{4}, Cs_{3}H(SeO_{4})_{2}, Rb_{3}H(SeO_{4})_{2},
- fosfuros como:
- ZrP, TiP, HfP
- óxidos como:
- Al_{2}O_{3}, Sb_{2}O_{5}, ThO_{2}, SnO_{2}, ZrO_{2}, MoO_{3},
- silicatos como:
- zeolitas, zeolitas(NH_{4}+), filosilicatos, tectosilicatos, natrolita H, mordenita H, analcina NH_{4}, sodalita NH_{4}, galato NH_{4}, montmorillonita
- ácidos como:
- HClO_{4}, SbF_{5}
- sustancias de relleno como:
- carburos, en particular SiC, Si_{3}N_{4}, fibras, en particular fibras de vidrio, polvos de vidrio y/o fibras de polímero, preferiblemente a base de poliazoles.
Adicionalmente puede contener esta membrana
también aditivos de ácido sulfónico perfluorados
(0,1-20% en peso), preferentemente
0,2-15% en peso, de manera muy preferente
0,2-10% en peso). Estos aditivos dan lugar a la
mejora de la potencia, en las proximidades del cátodo al aumento de
la solubilidad del oxígeno y de la difusión del oxígeno y a la
reducción de la adsorción de ácido fosfórico y fosfato sobre
platino. (Aditivos de electrolito para células de combustible de
ácido fosfórico. Gang Xiao; Hjuler, H.A; Olsen, C.; Berg. R.W.;
Bjerrum, N.J. Dep. Quím. A, Univ. Técn. Dinamarca, Lyngby, Den., J.
Soc. Electroquím. (1993), 140(4), 896-902 y
perfluorosulfonimida como aditivo en células de combustible de
ácido fosfórico. Razaq, M.; Razaq, A.; Yeager, E.; DesMarteau,
Darryl D.; Singh, S. Case Cent. Cienc. Electroquím. Case West,
Reserve Univ., Cleveland, OH, USA, J. Soc. Electroquím., (1989),
136 (2), 385-90).
Ejemplos no limitativos de aditivos
persulfonados son:
Ácido trifluormetanosulfónico,
trifluormetanosulfonato potásico, trifluormetanosulfonato sódico,
trifluormetanosulfonato de litio, trifluormetanosulfonato amónico,
perfluorohexanosulfonato potásico, perfluorohexanosulfonato sódico,
perfluorohexanosulfonato de litio, perfluorohexanosulfonato
amónico, ácido perfluorohexanosulfónico, nonafluorbutanosulfonato
potásico, nonafluorbutanosulfonato sódico, nonafluorbutanosulfonato
de litio, nonafluorbutanosulfonato amónico,
nonafluorbutanosulfonato de cesio, perfluorohexasulfonato de
trietilamonio, perfluorosulfoimida y nafion.
Adicionalmente puede contener la membrana
también como aditivos aquéllos que capturan los radicales de
peróxido generados en funcionamiento durante la reducción del
oxígeno (antioxidantes primarios) o los destruyen (antioxidantes
secundarios) y de esta manera, tal como se describe en el documento
JP2001118591 A2, mejoran la duración y la estabilidad de la
membrana y de la unidad de electrodo de membrana. El funcionamiento
y las estructuras moleculares de tales aditivos se describen en F.
Gugumus en Aditivos Plásticos, editorial Hanser, 1990; N.S. Allen,
M. Edge Fundamentos de la Degradación y Estabilidad de Polímeros,
Elsevier, 1992; o H. Zweifel, Estabilización de Materiales
Polímeros, Springer, 1998.
Ejemplos no limitativos de tales aditivos
son:
Nitróxido de bis (trifluormetilo),
2,2-difenil-1-picrinilhidracilo,
fenoles, alquilfenoles, alquilfenoles estéricamente impedidos como
por ejemplo irganox, aminas aromáticas, aminas estéricamente
impedidas como por ejemplo quimasorb; hidroxilaminas estéricamente
impedidas, alquilaminas estéricamente impedidas, hidroxilaminas
estéricamente impedidas, éteres de hidroxilamina estéricamente
impedidos, fosfitos como por ejemplo irgafos, nitrosobenzol,
metil.2-nitroso-propano, benzofenón,
benzaldehido-terc.-butilnitrón, cisteamina,
melanina, óxidos de plomo, óxidos de manganeso, óxidos de níquel,
óxidos de cobalto.
Entre los posibles campos de aplicación de las
membranas poliméricas dopadas correspondientes a la invención, se
encuentran entre otros la utilización en células de combustible, en
la electrólisis, en condensadores y sistemas de baterías. Debido a
su perfil de propiedades, se utilizan las membranas poliméricas
dopadas preferiblemente en células de combustible.
La presente invención se refiere también a una
unidad de electrodo de membrana que presenta al menos una membrana
polimérica correspondiente a la invención. Para más informaciones
sobre unidades de electrodo de membrana, remitimos a la literatura
especializada, en particular a las patentes
US-A-4,191,618,
US-A-4,212,714 y
US-A-4,333, 805. La publicación
contenida en las citadas referencias de literatura
[US-A-4,191,618,
US-A-4,212,714 y
US-A-4,333, 805] relativa a la
estructura y la fabricación de unidades de electrodo de membrana,
así como de los electrodos a elegir, instalaciones de difusión de
gas y catalizadores, es también parte integrante de la
descripción.
En una variante de la presente invención puede
realizarse la formación de la membrana, en lugar de sobre un
portador, también directamente sobre el electrodo. El tratamiento
según la etapa D) puede acortarse así correspondientemente, ya que
la membrana no tiene que ser ya autoportante. Una membrana así es
también objeto de la presente invención.
Otro objeto de la presente invención es un
electrodo que con un recubrimiento de polímero conductor de protones
sobre la base de poliazoles puede obtenerse mediante un
procedimiento que incluye las etapas:
- A)
- mezcla de uno o varios compuestos tetraamino aromáticos con uno o varios ácidos carboxílicos aromáticos o bien sus esteres, que contienen al menos dos grupos ácidos por cada monómero de ácido carboxílico, o mezclas de uno o varios ácidos diaminocarboxílicos aromáticos y/o heteroaromáticos en anhídridos de ácidos fosfónicos orgánicos formando una solución y/o dispersión,
- B)
- aplicación de una capa utilizando la mezcla según la etapa A) sobre un electrodo,
- C)
- calentamiento de la estructura/capa superficial que puede obtenerse según la etapa B) bajo gas inerte a temperaturas de hasta 350ºC preferiblemente de hasta 280ºC, formando el polímero de poliazol.
- D)
- tratamiento de la membrana formada en la etapa C) en presencia de suficiente humedad, con lo que el anhídrido de ácido fosfónico orgánico presente contribuye a la compactación de la membrana mediante hidrólisis parcial, formando ácidos organofosfónicos y/o ácido fosfórico, siempre que se haya utilizado a la vez ácido polifosfórico.
Las variantes y formas de ejecución preferente
antes descritas son válidas también para este objeto, con lo que
renunciamos aquí a su repetición.
El recubrimiento tiene según la etapa D) un
espesor de entre 2 y 3000 \mum, preferiblemente entre 3 y 2000
\mum, en particular entre 5 y 1500 \mum.
Un electrodo recubierto de esta manera puede
alojarse en una unidad de electrodo de membrana, que dado el caso
presenta al menos una membrana polimérica correspondiente a la
invención.
\vskip1.000000\baselineskip
La conductividad de la membrana depende
fuertemente del contenido en grupos ácidos expresado mediante la
llamada capacidad de intercambio de iones (IEC). Para medir la
capacidad de intercambio de iones se troquela una muestra con un
diámetro de 3 cm y se introduce en una copa de vidrio llena con 100
ml de agua. El ácido liberado se titula con NaOH 0,1 M. A
continuación se extrae la muestra, se tampona el agua excedente y se
seca la muestra a 160ºC durante 4 h. Entonces se determina el peso
en seco, m_{0}, gravimétricamente con una precisión de 0,1 mg. La
capacidad de intercambio de iones se calcula entonces a partir del
consumo de 0,1 M NaOH hasta el primer punto final de la titulación,
V_{1}, en ml, y el peso en seco, m_{0}, en mg, según la
siguiente fórmula:
La conductividad específica se mide mediante
espectroscopio de impedancia en una configuración de 4 polos en el
modo potencioestático y utilizando electrodos de platino (hilo, 0,25
mm de diámetro). La distancia entre los electrodos de toma de
corriente es de 2 cm. El espectro obtenido se evalúa con un modelo
sencillo compuesto por una configuración en paralelo de una
resistencia óhmica y un condensador. La sección de la muestra de la
membrana dopada con ácido fosfórico se mide inmediatamente antes del
montaje de la muestra. Para medir la dependencia de la temperatura,
se aloja la célula de medida en un horno, llevándose hasta la
temperatura deseada y se regula mediante un termoelemento
Pt-100 posicionado en la inmediata proximidad de la
muestra. Tras alcanzar la temperatura se mantiene la muestra antes
del comienzo de la medición 10 min a esta temperatura.
Claims (27)
1. Membrana polimérica conductora de protones a
base de poliazoles, que puede obtenerse mediante un procedimiento
que incluye las etapas
- A)
- mezcla de uno o varios compuestos tetraamino aromáticos con uno o varios ácidos carboxílicos aromáticos o bien sus esteres, que contienen al menos dos grupos ácidos por cada monómero de ácido carboxílico, o mezclas de uno o varios ácidos diaminocarboxílicos aromáticos y/o heteroaromáticos en anhídridos de ácidos fosfónicos orgánicos formando una solución y/o dispersión,
- B)
- aplicación de una capa utilizando la mezcla según la etapa A) sobre un portador o sobre un electrodo,
- C)
- calentamiento de la estructura/capa plana que puede obtenerse según la etapa B) bajo gas inerte a temperaturas de hasta 350ºC, preferiblemente de hasta 280ºC, formando el polímero de poliazol,
- D)
- tratamiento de la membrana formada en la etapa C) en presencia de suficiente humedad, con lo que el anhídrido de ácido fosfónico orgánico presente contribuye a la compactación de la membrana mediante hidrólisis parcial, formando ácidos organofosfónicos y/o ácido fosfórico, siempre que se haya utilizado a la vez ácido polifosfórico, hasta que la membrana es autoportante.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque como enlaces
tetraamino aromáticos se utilizan
3,3',4,4'-tetraaminobifenilo,
2,3,5,6-tetraaminopiridina,
1,2,4,5-tetraaminobenzol,
3,3',4,4'-tetraaminodifenilsulfona, éter difenilo
3,3',4,4'-tetraaminodifenilo,
3,3',4,4'-tetraaminobenzofenona,
3,3',4,4'-tetraaminodifenilmetano, y
3,3',4,4'-tetraaminodifenildimetilmetano.
3. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque como ácidos
dicarboxílicos aromáticos se utilizan ácido isoftálico, ácido
tereftálico, ácido ftálico, ácido
5-hidroxiisoftálico, ácido
4-hidroxiisoftálico, ácido
2-hidroxitereftálico, ácido
5-aminoisoftálico, ácido
5-N,N-dimetilaminoisoftálico, ácido
5-N,N-dietilaminoisoftálico, ácido
2,5-dihidroxitereftálico, ácido
2,5-dihidroxiisoftálico, ácido
2,3-dihidroxiisoftálico, ácido
2,3-dihidroxiftálico, ácido
2,4-dihidroxiftálico, ácido
3,4-dihidroxiftálico, ácido
3-fluoroftálico, ácido
5-fluoroisoftálico, ácido
2-fluorotereftálico, ácido tetrafluoroftálico,
ácido tetrafluoroisoftálico, ácido tetrafluorotereftálico, ácido
1,4-naftalendicarboxílico, ácido
1,5-naftalendicarboxílico, ácido
2,6-naftalendicarboxílico, ácido
2,7-naftalendicarboxílico, ácido difénico, ácido
1,8-dihidroxinaftalen-3,6-dicarboxílico,
ácido
difeniléter-4,4'-dicarboxílico,
ácido
benzofenona-4,4'-dicarboxílico,
ácido
difenilsulfona-4,4'-dicarboxílico,
ácido bifenil-4,4'-dicarboxílico,
ácido 4-trifluorometilftálico,
2,2'-bis(4-carboxifenil)hexafluoropropano,
ácido 4,4-estilbenodicarboxílico ácido
4-carboxicinámico, o bien su ester
C1-C20-alquilo, o ester
C5-C12-arilo o sus anhidridos de
ácido o sus cloruros de ácido.
4. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque como ácidos
carboxílicos aromáticos se utilizan ácidos tricarboxílicos,
tetracarboxílicos o bien sus esteres
C1-C20-alquilo o esteres
C5-C12-arilo o sus anhídridos de
ácido o sus cloruros de ácido, preferiblemente ácido
1,3,5-bencenotricarboxílico (ácido trimésico), ácido
1,2,4-bencenotricarboxílico (ácido trimelítico),
ácido (2-carboxifenil)iminodiacético, ácido
3,5,3'-bifeniltricarboxílico, ácido 3,5,4'-
bifeniltricarboxílico y/o ácido
2,4,6-piridintricarboxílico.
5. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque como ácidos
carboxílicos aromáticos se utilizan ácidos tetracarboxílicos sus
esteres C1-C20-alquilo ó esteres
C5-C12-arilo o sus anhídridos de
ácido o sus cloruros de ácido, preferiblemente ácidos
benzol-1,2,4,5-tetracarboxílicos,
ácidos
naftalín-1,4,5,8-tetracarboxílicos,
3,5,3',5'-bifeniltetracarboxílico, ácido
benzofenontetracarboxílico, ácido
3,3',4,4'-bifeniltetracarboxílico, ácido
2,2',3,3'-bifeniltetracarboxílico, ácido
1,2,5,6-naftalintetracarboxílico, ácido
1,4,5,8-naftalintetracarboxílico.
6. Membrana según la reivindicación 4,
caracterizada porque el contenido en
ácido tricarboxílico o ácidos tetracarboxílicos (referido a ácido
dicarboxílico utilizado) es de entre 0 y 30% en moles,
preferiblemente 0,1 y 20% en moles, en particular 0,5 y 10% en
moles.
7. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque como ácidos
carboxílicos heteroaromáticos se utilizan ácidos dicarboxílicos y
ácidos tricarboxílicos y ácidos tetracarboxílicos aromáticos que
contienen al menos un átomo de nitrógeno, oxígeno, azufre o fósforo
en el aromático, preferiblemente de ácido
piridin-2,5-dicarboxílico, ácido
piridin-3,5-dicarboxílico, ácido
piridin-2,6-dicarboxílico, ácido
piridin-2,4-dicarboxílico, ácido
4-fenil-2,5-piridindicarboxílico,
ácido 3,5-pirazoldicarboxílico, ácido
2,6-pirimidindicarboxílico, ácido
2,5-piracindicarboxílico, ácido
2,4,6-piridintricarboxílico, ácido
bencimidazol-5,6-dicarboxílico, así
como sus esteres C1-C20-alquilo o
esteres C5-C12-arilo o sus
anhídridos de ácido o sus cloruros de ácido.
8. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque los anhídridos de
ácido fosfónico orgánicos utilizados en la etapa A) son de la
fórmula
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
o compuestos lineales de la
fórmula
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
o anhídridos de los ácidos
fosfónicos orgánicos múltiples de la
fórmula
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
siendo los radicales R y R' iguales
o distintos y correspondiendo a un grupo carbonado
C_{1}-C_{20}.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque en la etapa A) se
utiliza adicionalmente un ácido polifosfórico con un contenido
calculado como P_{2}O_{5} (acidimétricamente) de al menos un
83%.
\vskip1.000000\baselineskip
10. Membrana según la reivindicación 1 ó 9,
caracterizada porque en la etapa A) se
utiliza adicionalmente P_{2}O_{5}.
\vskip1.000000\baselineskip
11. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque en la etapa A) o la
etapa B) se genera una solución o una dispersión/suspensión.
\newpage
12. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque en la etapa C) se
forma un polímero a base de poliazol que contiene unidades azólicas
repetitivas de la fórmula general (I) y/o (II) y/o (III) y/o (IV)
y/o (V) y/o (VI) y/o (VII) y/o (VIII) y/o (IX) y/o (X) y/o (XI) y/o
(XII) y/o (XIII) y/o (XIV) y/o (XV) y/o (XVI) y/o (XVII) y/o (XVIII)
y/o (XIX) y/o (XX) y/o (XXI) y/o (XXII)
donde
- Ar
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático tetravalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{1}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático divalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{2}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático di - o trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{3}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{4}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{5}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático tetravalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{6}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático divalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{7}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático divalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{8}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{9}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático di - o trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{10}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático di - o trivalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- Ar^{11}
- son iguales o distintos y para un grupo aromático o heteroaromático divalente, que puede ser mono - o polinuclear,
- X
- es igual o distinto y para oxígeno, azufre o un grupo amino que tiene como radical adicional un átomo de hidrógeno, un grupo que presenta 1-20 átomos de carbono, preferiblemente un grupo alquilo o alcoxi ramificado o no ramificado o un grupo arilo
- R
- es igual o distinto para hidrógeno, un grupo alquilo y un grupo aromático, con la norma de que R no es hidrógeno en la fórmula (XX), y
- n,m
- es un número entero mayor o igual que 10, preferiblemente mayor o igual que 100.
13. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque en la etapa C) se
forma un polímero elegido a partir del grupo polibencimidazol,
poli(piridina), poli(pirimidina), polimidazoles,
polibenzotiazoles, polibenzoxazoles, polioxadiazoles,
poliquinoxalinas, politiadiazoles, y
poli(tetrazapireno).
14. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque en la etapa C) se
forma un polímero que contiene unidades de bencimidazol repetitivas
de la fórmula:
\vskip1.000000\baselineskip
siendo n y m un número entero mayor
o igual a 10, preferiblemente mayor o igual a
100.
15. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque durante o tras la
etapa A) y/o antes de la etapa B), se añade otro polímero como
material de mezcla.
16. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque tras la etapa C) y
antes de la etapa D) se ajusta la viscosidad añadiendo ácido
fosfórico y/o ácidos organofosfónicos.
17. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque la membrana generada
según la etapa D) se trata en presencia de humedad a temperaturas y
durante un tiempo hasta que la membrana es autoportante y puede
soltarse del portador sin daños.
18. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque el tratamiento de la
membrana en la etapa D) se realiza a temperaturas por encima de 0º
y 150ºC, preferiblemente a temperaturas entre 10ºC y 120ºC, en
particular entre la temperatura ambiente (20ºC) y 90ºC, en
presencia de humedad o bien agua y/o vapor de agua.
19. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque el tratamiento de la
membrana en la etapa D) dura entre 10 segundos y 300 horas,
preferiblemente 1 minuto a 200 horas.
20. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque en la etapa B) se
elige como portador un electrodo y el tratamiento según la etapa D)
es tal que la membrana formada ya no es autoportante.
21. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque en la etapa B) se
genera una capa con un espesor de 20 y 4000 \mum, preferiblemente
entre 30 y 3500 \mum, en particular entre 50 y 3000 \mum.
22. Membrana según la reivindicación 1,
caracterizada porque la membrana formada
en la etapa D) tiene un espesor entre 15 y 3000 \mumm,
preferiblemente entre 20 y 2000 mm, en particular entre 20 y 1500
\mum.
23. Electrodo que puede obtenerse con un
recubrimiento de polímero conductor de protones a base de poliazoles
mediante un procedimiento que incluye las etapas:
- A)
- mezcla de uno o varios compuestos tetraamino aromáticos con uno o varios ácidos carboxílicos aromáticos o bien sus esteres, que contienen al menos dos grupos ácidos por cada monómero de ácido carboxílico, o mezclas de uno o varios ácidos diaminocarboxílicos aromáticos y/o heteroaromáticos en anhídridos de ácidos fosfónicos orgánicos, formando una solución y/o dispersión,
- B)
- aplicación de una capa utilizando la mezcla según la etapa A) sobre un electrodo,
- C)
- calentamiento de la estructura/capa superficial que puede obtenerse según la etapa B) bajo gas inerte a temperaturas de hasta 350ºC, preferiblemente de hasta 280ºC, formando el polímero de poliazol.
- D)
- tratamiento de la membrana formada en la etapa C) en presencia de suficiente humedad, con lo que el anhídrido de ácido fosfónico orgánico presente contribuye a la compactación de la membrana mediante hidrólisis parcial, formando ácidos organofosfónicos y/o ácido fosfórico, siempre que se haya utilizado a la vez ácido polifosfórico.
24. Electrodo según la reivindicación 23, en el
que el recubrimiento tiene un espesor de entre 2 y 3000 \mum,
preferiblemente entre 3 y 2000 \mum, en particular entre 5 y 1500
\mum.
25. Unidad membrana-electrodos
que contiene al menos un electrodo y al menos una membrana según una
o varias de las reivindicaciones 1 a 22.
26. Unidad membrana-electrodos
que contiene al menos un electrodo según la reivindicación 23 ó 24 y
al menos una membrana según una o varias de las reivindicaciones 1
a 22.
27. Célula combustible que contiene una o varias
unidades membrana-electrodos según la
reivindicación 25 ó 26.
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