KR20130103665A - Improved polymer electrolyte membrane based on polyazole - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해질로서 산에 의해 도핑되어 있는 무기 또는 유기 산의 폴리아졸 염을 기초로 한 양성자 전도성 중합체 전해질 막으로서, 상기 무기 또는 유기 산의 폴리아졸 염은 전해질로서 사용된 산의 폴리아졸 염보다 더 낮은 전해질로서 사용된 산 중의 용해도를 갖는 것인 양성자 전도성 중합체 전해질 막, 본 발명의 양성자 전도성 중합체 전해질 막을 제조하는 공정, 중합체 전해질 막에 의해 분리되어 있는 2개 이상의 전기 화학적 활성 전극을 포함하는 막 전극 조립체로서, 중합체 전해질 막이 본 발명에 따른 양성자 전도성 중합체 전해질 막인 막 전극 조립체, 및 본 발명에 따른 하나 이상의 막 전극 조립체를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.The present invention is a proton conductive polymer electrolyte membrane based on a polyazole salt of an inorganic or organic acid doped with an acid as an electrolyte, wherein the polyazole salt of the inorganic or organic acid is more than the polyazole salt of an acid used as an electrolyte. A membrane electrode comprising a proton conductive polymer electrolyte membrane having a solubility in acid used as a low electrolyte, a process for preparing a proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention, and at least two electrochemically active electrodes separated by a polymer electrolyte membrane An assembly relates to a membrane electrode assembly wherein the polymer electrolyte membrane is a proton conductive polymer electrolyte membrane according to the invention, and a fuel cell comprising at least one membrane electrode assembly according to the invention.

Description

폴리아졸을 기초로 한 개선된 중합체 전해질 막{IMPROVED POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE BASED ON POLYAZOLE}Improved polymer electrolyte membrane based on polyazoles {IMPROVED POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE BASED ON POLYAZOLE}

본 발명은 전해질로서 산에 의해 도핑되어 있는 무기 또는 유기 산의 폴리아졸 염을 기초로 한 양성자 전도성 중합체 전해질 막, 그 양성자 전도성 중합체 전해질 막을 제조하는 공정(방법), 그 양성자 전도성 중합체 전해질 막을 포함하는 막 전극 조립체, 및 본 발명의 막 전극 조립체를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.The present invention includes a proton conductive polymer electrolyte membrane based on a polyazole salt of an inorganic or organic acid doped with an acid as an electrolyte, a process for producing the proton conductive polymer electrolyte membrane, and a proton conductive polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly, and a fuel cell comprising the membrane electrode assembly of the present invention.

PEM(polymer electrolyte membrane) 연료 전지에 사용하기 위한 양성자 전도성, 즉 산 도핑된 폴리아졸 막은 선행 기술로부터 공지되어 있다. 그 기본적인 폴리아졸 필름은 일반적으로 농축된 인산 또는 황산에 의해 도핑되어 있어서, 중합체 전해질 막 연료 전지(PEM 연료 전지)에서 양성자 전도체 및 세퍼레이터로서 작용한다. 그 폴리아졸 중합체의 매우 우수한 특성 때문에, 그러한 중합체 전해질 막은, 막 전극 조립체(MEA: membrane-electrode assembly)를 생성하도록 가공될 때, 100℃ 이상, 특히 120℃ 이상의 장기간 작동 온도에서 연료 전지에 사용될 수 있다. 이러한 높은 장기간 작동 온도는 막 전극 조립체에 포함된 귀금속계 촉매의 활성이 증가하는 것을 가능하게 한다. 특히 탄화수소로부터 유도된 리포메이트가 사용될 때, 상당한 양의 일산화탄소가 그 리포메이트 기체 내에 포함되는데, 그 양은 일반적으로 복잡한 기체 처리 또는 기체 정제에 의해 제거되어야 한다. 작동 온도를 증가시키는 기회는 현저히 보다 높은 농도의 일산화탄소 불순물을 장기간 동안 허용하는 것을 가능하게 한다. Proton conductivity, ie acid doped polyazole membranes for use in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are known from the prior art. The basic polyazole film is generally doped with concentrated phosphoric acid or sulfuric acid, thus acting as a proton conductor and separator in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell). Because of the very good properties of the polyazole polymers, such polymer electrolyte membranes can be used in fuel cells at long term operating temperatures of 100 ° C. or higher, especially 120 ° C. or higher, when processed to produce a membrane-electrode assembly (MEA). have. This high long term operating temperature makes it possible to increase the activity of the noble metal-based catalyst included in the membrane electrode assembly. Especially when reformates derived from hydrocarbons are used, a significant amount of carbon monoxide is included in the reformate gas, which amount generally has to be removed by complex gas treatment or gas purification. The opportunity to increase the operating temperature makes it possible to tolerate significantly higher concentrations of carbon monoxide impurities for long periods of time.

폴리아졸 중합체를 기초로 한 중합체 전해질 막의 사용은 첫째 복잡한 기체 처리 또는 기체 정제를 부분적으로 필요 없게 하는 것을 가능하게 하고, 둘째 막 전극 조립체내 촉매 하중을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 양자는 PEM 연료 전지의 대량 사용을 위한 불가피한 필요 조건이 되는데, 그렇지 않을 경우 PEM 연료 전지 시스템의 비용이 너무 높아지기 때문이다. The use of polymer electrolyte membranes based on polyazole polymers makes it possible, firstly, to partially eliminate the need for complex gas treatment or gas purification, and secondly to reduce the catalyst load in the membrane electrode assembly. Both are inevitable requirements for the high volume use of PEM fuel cells, because otherwise the cost of PEM fuel cell systems becomes too high.

문헌[J.S. Wainright et al., J. Electrochem. Soc, Vol. 142, No. 7, July 1995, L121 -L123]은 인산에 의해 도핑되어 있고 수소/공기 연료 전지 및 직접 매탄올 연료 전지에 사용하기에 잠재적인 중합체 전해질인 폴리벤즈이미다졸 필름에 관한 것이다. 그 전해질은 메탄올 증기에 대한 낮은 투과성을 갖는데, 그 결과로서 직접 메탄올 연료 전지에서 보통 관찰되는 메탄올 크로스오버(crossover)에 미치는 부정적인 효과가 감소될 수 있다. J.S. Wainright et al., J. Electrochem. Soc, Vol. 142, No. 7, July 1995, L121-L123, relates to polybenzimidazole films which are doped with phosphoric acid and are potential polymer electrolytes for use in hydrogen / air fuel cells and direct tanol fuel cells. The electrolyte has a low permeability to methanol vapors, as a result of which the negative effects on methanol crossovers commonly observed in direct methanol fuel cells can be reduced.

DE 101 176 87 A1은 폴리아졸을 기초로 하고 고 비전도도(specific conductivity), 특히 100℃ 이상의 작동 온도에서의 고 비전도도를 가지며, 그리고 추가적인 연료 기체 가습 없이 대용되는 양성자 전도성 중합체 막에 관한 것이다. DE 101 176 87 A1에 따르는 양성자 전도성 중합체 막은 다음의 단계들:DE 101 176 87 A1 relates to proton conductive polymer membranes which are based on polyazoles and have a high specific conductivity, in particular high conductivity at operating temperatures above 100 ° C., and are substituted without further fuel gas humidification. . The proton conductive polymer membrane according to DE 101 176 87 A1 comprises the following steps:

(A) 하나 이상의 방향족 테트라아미노 화합물을 하나 이상의 방향족 디카르복실산 또는 이의 에스테르와 350℃의 온도에서 용융물로 반응시키는 단계,(A) reacting the at least one aromatic tetraamino compound with the at least one aromatic dicarboxylic acid or ester thereof at a temperature of 350 ° C.,

(B) 단계 (A)에서 그대로 얻어지는 고체 예비중합체를 폴리인산 중에 용해시키는 단계, (B) dissolving the solid prepolymer obtained as is in step (A) in polyphosphoric acid,

(C) 단계 (B)에서 그대로 얻어질 수 있는 용액을 불활성 기체 하에 300℃의 온도로 가열하여 용해된 폴리아졸 중합체를 형성시키는 단계, (C) heating the solution obtainable as such in step (B) to a temperature of 300 ° C. under an inert gas to form a dissolved polyazole polymer,

(D) 단계 (C)에서 그대로 얻어지는 폴리아졸 중합체의 용액을 사용하여 지지체 상에 막을 형성시키는 단계, 및(D) forming a film on the support using a solution of the polyazole polymer obtained as is in step (C), and

(E) 단계 (D)에서 형성된 막을, 이것이 자가 지지(self-supporting)될 때까지 처리하는 단계(E) treating the film formed in step (D) until it is self-supporting

를 포함하는 공정에 의해 얻어질 수 있다.It can be obtained by a process comprising a.

DE 10 2006 036019 A1은 하나 이상의 중합체 전해질 막에 의해 분리되어 있는 2개 이상의 전기화학적 활성 전극을 포함하는 막 전극 조립체에 관한 것으로, 그 중합체 전해질 막은 이 중합체 전해질 막을 적어도 부분적으로 통과하여 관통하는 강화 부재(reinforcing element)를 갖는다. 그 막 전극 조립체는 DE 10 2006 036019 A1 relates to a membrane electrode assembly comprising at least two electrochemically active electrodes separated by at least one polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane at least partially passing through the polymer electrolyte membrane. (reinforcing element) The membrane electrode assembly

(i) 강화 부재의 존재 하에 중합체 전해질 막을 성형시키는 단계,(i) molding the polymer electrolyte membrane in the presence of the reinforcing member,

(ii) 막과 전극을 원하는 순서로 조립하는 단계(ii) assembling the membrane and the electrodes in the desired order

를 포함하는 공정에 의해 얻어지는 것이 바람직하다.It is preferable that it is obtained by the process containing.

그 막 전극 조립체는 연료 전지에 사용하기에 특히 적합하다.The membrane electrode assembly is particularly suitable for use in fuel cells.

상기 언급된 폴리아졸을 기초로 한 중합체 막은 일반적으로 전해질로서 인산의 존재 하에 작동된다. Polymeric membranes based on the above mentioned polyazoles are generally operated in the presence of phosphoric acid as an electrolyte.

그러나, 고 인산 함량에서, 그 막은 연질이므로 오직 제한된 기계적 강도만을 갖게 된다. 게다가, 그 기계적 안정성이 온도 증가에 따라 감소되며, 그리고 중합체 골격의 용해도가 감소된다. 연료 전지의 전형적인 작동 영역(160 내지 180℃)의 상부 영역에서, 그것은 내구성 문제를 야기할 수 있다. 게다가, 중합체 전해질 막은 바람직하지 못한 작동 조건 하에 비교적 높은 온도에서 용해될 수 있거나 흘러 나오게 될 수 있다. 이러한 결과는 상기 언급된 중합체 전해질 막을 포함하는 막 전극 조립체의 장애이다.However, at high phosphoric acid content, the membrane is soft and therefore has only limited mechanical strength. In addition, its mechanical stability decreases with increasing temperature, and the solubility of the polymer backbone decreases. In the upper region of the typical operating region (160-180 ° C.) of the fuel cell, it can cause durability problems. In addition, the polymer electrolyte membrane may dissolve or flow out at relatively high temperatures under undesirable operating conditions. This result is a failure of the membrane electrode assembly comprising the polymer electrolyte membrane mentioned above.

그러므로, 본 발명의 목적은 전해질로서 사용된 산, 바람직한 인산 중의 폴리아졸을 기초로 하는 중합체 전해질 막의 용해도를 감소시키는 것이며, 그리고 그 막의 기계적 안정성을 개선시키는 것이다.It is therefore an object of the present invention to reduce the solubility of polymer electrolyte membranes based on polyazoles in acids used as electrolytes, preferred phosphoric acid, and to improve the mechanical stability of the membranes.

문헌[J.-P. Belieres et al., Chem. Commun., 2006, 4799-4801]에는 이온성 액체가 전해질로서 인산 대신에 사용되는 중합체 전해질 막이 기술되어 있다. 그러나, 상기 문헌[J.-P. Belieres et al.]에는, 전해질로서 인산을 포함하지만, 통상적으로 사용되는 전해질로서 인산을 보유하는 중합체 전해질 막과 비교하여 감소된 인산 중의 용해도를 갖는 중합체 전해질 막이 개시되어 있지 않다.J.-P. Belieres et al., Chem. Commun., 2006, 4799-4801, describe polymer electrolyte membranes in which an ionic liquid is used instead of phosphoric acid as an electrolyte. However, J.-P. Belieres et al. Do not disclose polymer electrolyte membranes which contain phosphoric acid as an electrolyte, but which have a reduced solubility in phosphoric acid as compared to polymer electrolyte membranes which carry phosphoric acid as a commonly used electrolyte.

상기 언급된 목적은 전해질로서 산에 의해 도핑되어 있는 무기 또는 유기 산의 폴리아졸 염을 기초로 한 양성자 전도성 중합체 전해질 막에 의해 달성되는데, 상기 유기 또는 무기 산의 폴리아졸 염은 전해질로서 사용된 산의 폴리아졸 염보다 더 낮은 전해질로서 사용된 산 중의 용해도를 갖는다. The above-mentioned object is achieved by a proton conductive polymer electrolyte membrane based on a polyazole salt of an inorganic or organic acid doped with an acid as an electrolyte, wherein the polyazole salt of the organic or inorganic acid is an acid used as an electrolyte. It has a solubility in acid used as an electrolyte lower than the polyazole salt of.

중합체 전해질 막의 양성자 전도도를 달성하기 위해서, 유기 또는 무기 산의 폴리아졸 염을 기초로 한 중합체 전해질 막은 전해질로서 산에 의해 도핑되어 있다. 여기서는, 원칙적으로 모든 공지된 루이스 산 및 브뢴스테드 산, 바람직하게는 무기 루이스 산 및 브뢴스테드 산을 전해질로서 사용하는 것이 가능하다.In order to achieve the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane, the polymer electrolyte membrane based on the polyazole salt of the organic or inorganic acid is doped with an acid as the electrolyte. Here it is possible in principle to use all known Lewis acids and Brönsted acids, preferably inorganic Lewis acids and Brönsted acids as electrolytes.

게다가, 또한 폴리산, 특히 이소폴리산 및 헤테로폴리산 및 또한 다양한 산들의 혼합물을 사용하는 것이 가능하다. 본 특허 출원의 목적상, 헤테로폴리산은, 부분 혼합된 무수물로서, 2 이상의 상이한 중심 원자를 보유하며 그리고 각각의 경우 금속, 예를 들면 Cr, Mo, V 또는 W 및 비금속, 예를 들면 As, I, P, Se, Si 또는 Te의 약한 폴리염기성 옥소 산으로부터 형성되는 무기 폴리산이다. 폴리산은 예를 들면 12-몰리브도인산 및 12-텅스토인산을 포함한다. 바람직하게 사용되는 폴리산은 폴리인산이다.In addition, it is also possible to use polyacids, in particular isopoly and heteropoly acids and also mixtures of various acids. For the purposes of the present patent application, heteropolyacids, as partially mixed anhydrides, have two or more different central atoms and in each case are metals such as Cr, Mo, V or W and nonmetals such as As, I, Inorganic polyacids formed from weak polybasic oxo acids of P, Se, Si or Te. Polyacids include, for example, 12-molybdate phosphoric acid and 12-tungstophosphoric acid. Preferably, the polyacid used is polyphosphoric acid.

본 특허 출원의 목적상, 용어 폴리인산은 상업적인 폴리인산을 의미한다. 폴리인산 Ηn+2ΡnO3n +1(n > 1 )은 일반적으로 P205로서 계산된 함량(산정량)을 83% 이상으로 보유한다. For the purposes of this patent application, the term polyphosphoric acid means commercial polyphosphoric acid. Polyphosphate Η n + 2 Ρ n O 3n +1 (n> 1) is normally held in the content (acid amount) calculated as P 2 0 5 as 83% or more.

황산 및/또는 인산, 또는 이들 산을, 예를 들면 가수분해시, 전해질로서 유리시키는 화합물을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 전해질로서 인산을 사용하는 것이 매우 특히 바람직하다. 여기서는, 고 농축된 산이 일반적으로 사용된다. 매우 바람직하게 사용되는 인산의 농도는 일반적으로 전해질의 총 중량을 기준으로 50 중량% 이상, 바람직하게는 80 중량% 이상이다. 50 중량%까지, 바람직하게는 20 중량%까지 이르는 잔량은 일반적으로 물이다.Particular preference is given to using sulfuric acid and / or phosphoric acid or compounds which liberate these acids as electrolytes, for example during hydrolysis. Very particular preference is given to using phosphoric acid as the electrolyte. Here, highly concentrated acids are generally used. The concentration of phosphoric acid used very preferably is generally at least 50% by weight, preferably at least 80% by weight, based on the total weight of the electrolyte. The remaining amount up to 50% by weight, preferably up to 20% by weight, is generally water.

중합체 막의 전도도는 도핑 정도를 통해 영향을 받을 수 있다. 여기서, 그 전도도는 일반적으로 최대 값에 도달할 때까지 전해질의 양이 증가함에 따라 증가한다. 본 특허 출원의 목적상, 전해질의 양(도핑의 정도)은 중합체 반복 단위 mol 당 산 mol로서 주어진다. 본 발명에 따르면, 도핑의 정도는 바람직하게는 3 내 80, 특히 바람직하게는 5 내지 60, 매우 특히 바람직하게는 12 내지 60의 도핑 정도로 주어진다.The conductivity of the polymer membrane can be influenced through the degree of doping. Here, the conductivity generally increases with increasing amount of electrolyte until the maximum value is reached. For the purposes of the present patent application, the amount of electrolyte (degree of doping) is given as mol of acid per mol of polymer repeat unit. According to the invention, the degree of doping is preferably given to a degree of doping of 3 to 80, particularly preferably 5 to 60, very particularly preferably 12 to 60.

전해질로서 사용된 산, 특히 바람직하게는 인산 중에서 내구성 및 기계적 막 안정성은 연료 전지에서 중합체 전해질 막의 성능에 유해한 영향을 미치는 일 없이 본 발명에 따른 양성자 전도성 중합체 전해질 막의 사용에 의해 현저히 개선될 수 있다. Durability and mechanical membrane stability in acids used as electrolytes, particularly preferably phosphoric acid, can be significantly improved by the use of the proton conductive polymer electrolyte membrane according to the invention without adversely affecting the performance of the polymer electrolyte membrane in fuel cells.

폴리아졸 염을 형성시키는데 적합한 유기 또는 무기 산은, 이들 산이 전해질의 폴리아졸 염보다 전해질, 바람직하게는 인산 중에 덜 용해성인 폴리아졸 염을 형성하는 한, 모든 산이다. Suitable organic or inorganic acids for forming the polyazole salts are all acids so long as these acids form a polyazole salt that is less soluble in the electrolyte, preferably phosphoric acid, than the polyazole salt of the electrolyte.

적합한 무기 산은 예를 들면 HNO, 황산, 황산염, 예컨대 K2SO4이다.Suitable inorganic acids are for example HNO, sulfuric acid, sulfates such as K 2 SO 4 .

적합한 유기 산은 바람직하게는 퍼플루오르화되어 있는 지방족 또는 방향족 산이다. Suitable organic acids are aliphatic or aromatic acids which are preferably perfluorinated.

따라서, 바람직한 유기 및 무기 산은 퍼플루오르화 페놀, 예컨대 펜타플루오로페놀, 퍼플루오르화 페닐 알콜, K2S04, HNO3, FSO3H, HPO2F2, H2SO3, HOOC-COOH, 설폰산, 예컨대 CH3SO3H, 퍼플루오르화 설폰산, 예컨대 CF3SO3H, CF3CF2S03H 등, 퍼플루오로설폰아미드, 예컨대 (CF3)2S02NH, (CF3CF2)2S02NH, (CF3CF2CF2)2S02NH 등, 퍼플루오르화 포스폰산, 예컨대 CF3P03H2, CF3CF2P03H2,CF3CF2CF2P03H2 등, 및 퍼플루오로알킬카르복실산으로 이루어진 군으로부터 선택된다.Thus, preferred organic and inorganic acids are perfluorinated phenols such as pentafluorophenol, perfluorinated phenyl alcohol, K 2 S0 4 , HNO 3 , FSO 3 H, HPO 2 F 2 , H 2 SO 3 , HOOC-COOH, Sulfonic acids such as CH 3 SO 3 H, perfluorinated sulfonic acids such as CF 3 SO 3 H, CF 3 CF 2 S0 3 H and the like, perfluorosulfonamides such as (CF 3 ) 2 S0 2 NH, (CF 3 CF 2 ) 2 S0 2 NH, (CF 3 CF 2 CF 2 ) 2 S0 2 NH, etc., perfluorinated phosphonic acids such as CF 3 P0 3 H 2 , CF 3 CF 2 P0 3 H 2 , CF 3 CF 2 CF 2 P0 3 H 2 , and the like, and perfluoroalkylcarboxylic acids.

특히 바람직한 유기 및 무기 산은 펜타플루오로페놀, CH3SO3H, CF3SO3H, CF3CF2SO3H, (CF3)2S02NH, (CF3CF2)2S02NH, (CF3CF2CF2)2SO2NH, CF3PO3H2, CF3CF2PO3H2 및 CF3CF2CF2PO3H2이다.Particularly preferred organic and inorganic acids are pentafluorophenol, CH 3 SO 3 H, CF 3 SO 3 H, CF 3 CF 2 SO 3 H, (CF 3 ) 2 S0 2 NH, (CF 3 CF 2 ) 2 S0 2 NH , (CF 3 CF 2 CF 2 ) 2 SO 2 NH, CF 3 PO 3 H 2 , CF 3 CF 2 PO 3 H 2 and CF 3 CF 2 CF 2 PO 3 H 2 .

매우 특히 바람직한 것은 폴리아졸 염으로서 펜타플루오로페놀의 염을 사용하는 것이다.Very particular preference is given to using salts of pentafluorophenol as polyazole salts.

양성자 전도성 중합체 전해질 막에서 본 발명에 따라 사용된 폴리아졸 염은 하나 이상의 폴리아졸을 기초로 하는 것이 바람직하다. 바람직하게 사용되는 폴리아졸은 일반 화학식 (I) 및/또는 (II) 및/또는 (III) 및/또는 (IV) 및/또는 (V) 및/또는 (VI) 및/또는 (VII) 및/또는 (VIII) 및/또는 (IX) 및/또는 (X) 및/또는 (XI) 및/또는 (XII) 및/또는 (XIII) 및/또는 (XIV) 및/또는 (XV) 및/또는 (XVI) 및/또는 (XVII) 및/또는 (XVIII) 및/또는 (XIX) 및/또는 (XX) 및/또는 (XXI) 및/또는 (XXII)의 반복 아졸 단위를 포함하는 폴리아졸이다. The polyazole salts used according to the invention in proton conductive polymer electrolyte membranes are preferably based on at least one polyazole. Polyazoles which are preferably used are of the general formula (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV) and / or (V) and / or (VI) and / or (VII) and / Or (VIII) and / or (IX) and / or (X) and / or (XI) and / or (XII) and / or (XIII) and / or (XIV) and / or (XV) and / or ( XVI) and / or (XVII) and / or (XVIII) and / or (XIX) and / or (XX) and / or (XXI) and / or (XXII).

Figure pct00001
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Figure pct00004
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상기 식 중에서, In the formula,

라디칼 Ar은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 4가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar are the same or different and are tetravalent aromatic or heteroaromatic groups, each of which may have one or more rings,

라디칼 Ar1은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나의 이상의 고리를 가질 수 있는 2가 방향족 또는 헤테로방향족 기이며,The radicals Ar 1 are the same or different and are divalent aromatic or heteroaromatic groups, each of which may have one or more rings,

라디칼 Ar2는 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 2가 또는 3가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 2 are the same or different and are each a divalent or trivalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 Ar3은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 3가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 3 are the same or different and are each a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 Ar4는 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 3가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 4 are the same or different and are each a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 Ar5는 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 4가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 5 are the same or different and are each a tetravalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 Ar6은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 2가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 6 are the same or different and are each a divalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 Ar7은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 2가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 7 are the same or different and are each a divalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 Ar8은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 3가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 8 are the same or different and are each a trivalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 Ar9는 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 2가 또는 3가 또는 4가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 9 are the same or different and are each a divalent or trivalent or tetravalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 Ar10는 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 2가 또는 3가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 10 are the same or different and are each a divalent or trivalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 Ar11은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 2가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,The radicals Ar 11 are the same or different and are each a divalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,

라디칼 X는 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 산소, 황 또는 아미노 기이고, 여기서 아미노 기는 수소 원자, 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 기, 바람직하게는 분지형 또는 비분지형 알킬 또는 알콕시 기 또는 아릴 기를 추가 라디칼로서 보유하고,The radicals X are the same or different and each is an oxygen, sulfur or amino group, wherein the amino group adds a hydrogen atom, a group having 1 to 20 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl or alkoxy group or an aryl group Holds as a radical,

라디칼 R은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 수소, 알킬 기 또는 방향족 기이고, 화학식(XX)에서 알킬렌 기 또는 방향족 기이고, 단 화학식(XX)에서 R은 수소가 아니어야 하고, The radicals R are the same or different and each is hydrogen, an alkyl group or an aromatic group, and is an alkylene group or an aromatic group in formula (XX), provided that in formula (XX) R is not hydrogen,

n, m은 각각 ≥ 10, 바람직하게는 ≥100의 정수이다. n and m are each an integer of ≧ 10, preferably ≧ 100.

바람직한 방향족 또는 헤테로방향족 기는 벤젠, 나프탈렌, 바이페닐, 디페닐 에테르, 디페닐메탄, 디페닐디메틸메탄, 비스페논, 디페닐 설폰, 퀴놀린, 피리딘, 바이피리딘, 피리다진, 피리미딘, 피라진, 트리아진, 테트라진, 피롤, 피라졸, 안트라센, 벤조피롤, 벤조트리아졸, 벤조옥사티아디아졸, 벤조옥사디아졸, 벤조피리딘, 벤조피라진, 벤조피라지딘, 벤조피리미딘, 벤조트리아진, 인돌리진, 퀴놀리진, 피리도피리딘, 이미다졸피리미딘, 피라지노피리미딘, 카르바졸, 아제리딘, 펜아진, 벤조퀴놀린, 페녹사진, 페노티아진, 아지리딘, 벤조프테리딘, 펜안트롤린 및 펜안트렌으로부터 유도되고, 이들은 또한 임의로 치환될 수 있다.Preferred aromatic or heteroaromatic groups are benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenyl sulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, tri Azine, tetrazine, pyrrole, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole, benzooxadithiazol, benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzotriazine, indole Lysine, quinolysine, pyridopyridine, imidazolpyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, azeridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, aziridine, benzophteridine, phenanthrol Derived from lean and phenanthrene, which may also be optionally substituted.

여기서, Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8, Ar9, Ar10 및 Ar11은 임의의 치환 패턴을 가질 수 있으며, 페닐렌의 경우, 예를 들면 Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8, Ar9, Ar10 및 Ar11은 각각 서로 독립적으로 오로트-, 메타- 또는 파라-페닐렌일 수 있다. 특히 바람직한 기는 벤젠 및 바이페닐로부터 유도되고, 이들은 임의로 치환될 수 있다.Here, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 and Ar 11 may have any substitution pattern, and for phenylene, for example, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 and Ar 11 may each independently be orot-, meta- or para-phenylene. Particularly preferred groups are derived from benzene and biphenyls, which may be optionally substituted.

바람직한 알킬 기는 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬 기, 예를 들면 메틸, 에틸, n-프로필, i-프로필 및 t-부틸 기이다.Preferred alkyl groups are alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, for example methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl and t-butyl groups.

바람직한 방향족 기는 페닐 또는 나프틸 기이다. 알킬 기 및 방향족 기는 단일 치환될 수 있거나 다중 치환될 수 있다.Preferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups. Alkyl and aromatic groups may be monosubstituted or multiply substituted.

바람직한 치환기는 할로겐 원자, 예를 들면 불소, 아미노기, 히드록시 기 또는 C1-C4 알킬 기, 예를 들면 메틸 또는 에틸 기이다.Preferred substituents are halogen atoms such as fluorine, amino groups, hydroxy groups or C 1 -C 4 alkyl groups such as methyl or ethyl groups.

폴리아졸은 원칙적으로 상이한 반복 단위를 가질 수 있으며, 그 반복 단위는 예를 들면 라디칼 X가 상이하다. 그러나, 각각의 폴리아졸은 반복 단위에서 전적으로 동일한 라디칼 X만을 갖는 것이 바람직하다.The polyazoles may in principle have different repeating units, which repeating radicals differ, for example. However, it is preferred that each polyazole has only the radicals X which are wholly identical in the repeating units.

본 발명의 매우 바람직한 실시양태에서, 폴리아졸 염은 화학식(I) 및/또는 (II)의 반복 아졸 단위를 포함하는 폴리아졸을 기초로 한다. In a very preferred embodiment of the invention, the polyazole salts are based on polyazoles comprising repeating azole units of formula (I) and / or (II).

폴라아졸 염을 형성하는데 사용된 폴리아졸은 하나의 실시양태에서 서로 상이한 화학식(I) 내지 화학식(XXII)의 2 이상 단위를 포함하는 공중합체 또는 블렌드의 형태로 반복 아졸 단위를 포함하는 폴리아졸이다. 그 중합체는 블록 공중합체(디블록, 트리블록), 랜덤 공중합체, 주기(periodic) 공중합체 및/또는 교대(alternating) 중합체로서 존재할 수 있다.The polyazoles used to form the polyazole salts are polyazoles comprising repeating azole units in the form of copolymers or blends comprising at least two units of formulas (I) to (XXII) different from one another in one embodiment. The polymers may be present as block copolymers (diblock, triblock), random copolymers, periodic copolymers and / or alternating polymers.

중합체내 반복 아졸 단위의 수는 ≥ 10, 특히 바람직하게는 ≥ 100의 정수이다.The number of repeating azole units in the polymer is an integer of ≧ 10, particularly preferably ≧ 100.

추가의 바람직한 실시양태에서, 폴리아졸 염을 형성하는데 사용되는 폴리아졸은 반복 단위 내의 라디칼 X가 동일한 화학식(I)의 반복 단위를 포함하는 폴리아졸이다.In a further preferred embodiment, the polyazoles used to form the polyazole salts are polyazoles comprising repeating units of formula (I) in which the radicals X in the repeating unit are identical.

본 발명의 폴리아졸 염에 기초가 되는 추가의 바람직한 폴리아졸은 폴리벤즈이미다졸, 폴리(피리딘), 폴리(피리미딘), 폴리이마다졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리옥사디아졸, 폴리퀴녹살린, 폴리티아디아졸, 및 폴리(테트라자피렌)로 이루어진 군으로부터 선택된다. Further preferred polyazoles based on the polyazole salts of the present invention are polybenzimidazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine), polyimidazole, polybenzothiazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole , Polyquinoxaline, polythiadiazole, and poly (tetrazapyrene).

특히 바람직한 실시양태에서, 폴리아졸 염은 반복 벤즈이미다졸 단위를 포함하는 폴리아졸을 기초로 한다. 반복 벤즈이마다졸 단위를 갖는 적합한 폴리아졸은 나타내면 다음과 같다:In a particularly preferred embodiment, the polyazole salts are based on polyazoles comprising repeat benzimidazole units. Suitable polyazoles having repeating benzimidazole units are represented as follows:

Figure pct00005
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Figure pct00006
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Figure pct00007
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Figure pct00009
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상기 식 중에서, n 및 m은 ≥ 10, 바람직하게는 ≥ 100의 정수이다.Wherein n and m are integers of ≥ 10, preferably ≥ 100.

본 발명에 따라 사용된 폴리아졸 염에 기초가 되는 폴리아졸은 하기 화학식의 반복 단위를 보유하는 것이 특히 바람직하다.It is particularly preferred that the polyazoles based on the polyazole salts used according to the invention have repeat units of the formula:

Figure pct00010
Figure pct00010

상기 식 중에서, n은 ≥ 10, 바람직하게는 ≥ 100의 정수이다.Wherein n is an integer of ≥ 10, preferably ≥ 100.

본 발명에 따라 사용된 폴리아졸 염에 기초가 되는 폴리아졸, 바람직하게는 폴리벤즈이미다졸은 고 분자량을 갖는다. 고유 점도로서 측정되는 경우, 그 분자량은 0.2 dl/g 이상, 바람직하게는 0.8 내지 10 dl/g, 특히 바람직하게는 1 내지 10 dl/g이다. 점도 에타 i(또한 고유 점도라고도 칭함)는 다음의 방정식: 에타 i = (2.303 × log 에타 rel)/농도에 따라 상대 점도 에타 rel로부터 계산된다. 그 농도는 g/100 ml로 기록된다. 폴리아졸의 상대 점도는 25℃에서 용액의 점도로부터 모세관 점도계에 의해 측정되고, 상대 점도는 다음의 방정식 에다 rel = t1/t0에 따라 용매 및 용액에 각각에 대한 보정된 런닝-아웃 시간(running-out time)(t0 및 t1)으로부터 계산된다. 에타 i로의 전환율은 문헌["Methods in Carbohydrate Chemistry", Volume IV, Starch, Academic Press, New York and London, 1964, page 127]에 기술된 정보에 기초한 상기 관계식에 따라 수행된다. The polyazoles, preferably polybenzimidazoles based on the polyazole salts used according to the invention, have a high molecular weight. When measured as intrinsic viscosity, the molecular weight is at least 0.2 dl / g, preferably 0.8 to 10 dl / g, particularly preferably 1 to 10 dl / g. The viscosity eta i (also called intrinsic viscosity) is calculated from the relative viscosity eta rel according to the following equation: eta i = (2.303 x log eta rel) / concentration. The concentration is reported in g / 100 ml. The relative viscosity of the polyazole is measured by a capillary viscometer from the viscosity of the solution at 25 ° C., and the relative viscosity is the corrected running-out time for each of the solvent and the solution according to the following equation rel = t1 / t0. out time) t0 and t1. The conversion to eta i is performed according to the above relationship based on the information described in "Methods in Carbohydrate Chemistry", Volume IV, Starch, Academic Press, New York and London, 1964, page 127.

바람직한 폴리벤즈이미다졸은 예를 들면 상표명 Celazole® PBI(PBI Performance Products Inc.) 하에 상업적으로 이용가능하다. Preferred polybenzimidazoles are commercially available, for example under the trade name Celazole® PBI (PBI Performance Products Inc.).

본 발명의 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 양성자 전도성 중합체 전해질 막은 강화 부재를 갖는다. 이러한 강화 부재는 일반적으로 중합체 전해질 막을 통과하여 적어도 부분적으로 관통하고, 즉 그 강화 부재는 일반적으로 중합체 전해질 막 내로 적어도 부분적으로 관통한다. 그 강화 부재는 주로 막 중에 매립되는 것이 특히 바람직 바람직하고, 설령 필요하다고 할지라도, 단지 적소에서만 그 막으로부터 돌출된다.In a preferred embodiment of the present invention, the proton conductive polymer electrolyte membrane according to the present invention has a reinforcing member. Such reinforcing members generally penetrate at least partially through the polymer electrolyte membrane, ie the reinforcing members generally at least partially penetrate into the polymer electrolyte membrane. It is particularly preferred that the reinforcing member be predominantly embedded in the membrane, and even if necessary, only protrude from the membrane in place.

본 발명에 따르면, 그 강화 부재는 적어도 부분적으로 막에 접합되어 있다. 부분 복합재는 강화 부재가, 20℃에서 힘-신장 곡선에서, 0 내지 1% 신장율의 범위에 있는 강화 부재를 지니지 않은 중합체 전해질 막과 비교하여, 그 강화 부재를 지닌 중합체 전해질 막의 기준 힘(reference force)이 하나 이상의 지점에서 10% 이상, 바람직하게는 20% 이상, 매우 특히 바람직하게는 30% 이상 차이 나도록 한, 힘을 유리하게 차지하고 있는 강화 부재 및 막의 복합재인 것으로 간주된다. According to the invention, the reinforcing member is at least partially bonded to the membrane. The partial composite has a reference force of the polymer electrolyte membrane with the reinforcing member compared to the polymer electrolyte membrane with the reinforcing member having no reinforcing member in the range of 0 to 1% elongation, in a force-elongation curve at 20 ° C. ) Is considered to be a composite of the reinforcing member and the membrane which advantageously occupies a force such that at least one point differs by at least 10%, preferably at least 20% and very particularly preferably at least 30%.

강화 부재를 보유하는 중합체 전해질 막은 섬유 강화되는 것이 바람직하다. 여기서는, 일반적으로 모노필라멘트, 멀티필라멘트, 장섬유 및/또는 단섬유, 하이브리드 얀 및/또는 2성분 섬유를 포함하는 것이 바람직한 강화 부재가 사용된다. 특수 섬유를 포함하는 강화 부재와는 별도로, 강화 부재는 또한 텍스타일 시이트를 형성할 수도 있다. 적합한 텍스타일 시이트는 부직물, 직물, 드로우-루프 니트(draw-loop knit), 폼드-루프 니트(formed-loop knit), 펠트, 레이-업(lay-up) 및/또는 메쉬, 특히 바람직하게는 레이-업, 직물 또는 부직물이다. 상기 언급된 직물의 비제한적인 예로는 폴리페닐렌 설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리에테르 케톤, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리(아크릴), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(프로필렌), 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리(에틸렌-코-테트라플루오로에틸렌)(ETFE), 에틸렌과 클르로트리플루오로에틸렌의 1:1 교대 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리(아크릴로니트릴) 및 폴리페닐렌 설파이드(PPS)로 구성되는 직물이 있다.The polymer electrolyte membrane having the reinforcing member is preferably fiber reinforced. Here, reinforcing members are generally used which preferably comprise monofilament, multifilament, long and / or short fibers, hybrid yarns and / or bicomponent fibers. Apart from the reinforcing member comprising special fibers, the reinforcing member may also form a textile sheet. Suitable textile sheets are nonwovens, fabrics, draw-loop knits, form-loop knits, felts, lay-ups and / or meshes, particularly preferably Lay-up, woven or nonwoven. Non-limiting examples of the aforementioned fabrics include polyphenylene sulfones, polyether sulfones, polyether ketones, polyether ether ketones, poly (acryl), poly (ethylene terephthalate), poly (propylene), poly (tetrafluoro) Ethylene), poly (ethylene-co-tetrafluoroethylene) (ETFE), 1: 1 alternating copolymer of ethylene and chlorotrifluoroethylene (ECTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), poly (acrylonitrile ) And polyphenylene sulfide (PPS).

용어 직물은 주로 직각으로 교차하는 모노필라멘트 스레드 및/또는 멀티필라멘트 스레드로 구성된 제품을 의미한다. 텍스타일 시이트의 스레드 대 스레드 간의 거리는 보통 20 내지 2000 ㎛일 수 있으며, 본 발명의 목적상, 30 내지 300 ㎛의 범위에 있는 스레드 대 스레드 간의 거리를 갖는 텍스타일 시이트, 특히 직물, 레이-업 및 메쉬가 매우 유용한 것으로 밝혀졌다. 여기서는, 스레드 대 스레드 거리는, 예를 들면 광학 포토그래프 또는 투과 전자 마이크로그래프의 전자 이미지 분석에 의해 측정될 수 있다.The term fabric means a product consisting mainly of monofilament threads and / or multifilament threads crossing at right angles. The thread-to-thread distance of the textile sheet can usually be 20 to 2000 μm, and for the purposes of the present invention, textile sheets, in particular fabrics, lay-ups and meshes, having a thread-to-thread distance in the range of 30 to 300 μm It turns out to be very useful. Here, the thread to thread distance can be measured, for example, by electronic image analysis of an optical photograph or transmission electron micrograph.

적합한 직물, 레이 업 및 메쉬에 관한 추가적인 상세 내용은 DE 10 2006 036019 A1에 개시되어 있다.Further details regarding suitable fabrics, layups and meshes are disclosed in DE 10 2006 036019 A1.

특히 바람직하게 적합한 직물로는, 예를 들면 상품명 SEFAR NITEX®, SEFAR PETEX®, SEFAR PROPYLTEX®, SEFAR FLUORTEX® 및 SEFAR PEAKTEX®를 갖는 SEFAR로부터 유래된 직물, 상품명 Saati 9.30을 갖는 SAATI로부터 유래된 직물, 및 상품명 Dexmet 2PTFE10-105, Dexmet 2PTFE5-105H 및 Dexmet 2PTFE2-50H를 갖는 DEXMET로부터 유래된 직물이 있다.Particularly preferred suitable fabrics include, for example, fabrics derived from SEFAR with the trade names SEFAR NITEX®, SEFAR PETEX®, SEFAR PROPYLTEX®, SEFAR FLUORTEX® and SEFAR PEAKTEX®, fabrics derived from SAATI with the trade name Saati 9.30, And fabrics derived from DEXMET having the trade names Dexmet 2PTFE10-105, Dexmet 2PTFE5-105H and Dexmet 2PTFE2-50H.

용어 부직물은 경사 및 위사 제직의 고전적인 방법에 의해 그리고 스티치 형성에 의해 제조되는 것이 아니라 오히려 섬유들의 교락 및/또는 응집 및/또는 접착 접합에 의해 제조되는 가요성의 다공성 시이트 유사 구조체(예를 들면, 스펀본드 또는 멜트 블로운 부직물)을 의미한다. 부직물은 응집이 일반적으로 섬유의 고유 접착력에 의해 생성되거나 기계적 후-고화에 의해 생성되는 방사 섬유 또는 필라멘트로 구성되는 느슨한 재료이다. The term nonwoven is not produced by the classical method of warp and weft weaving and by stitch formation but rather by the entanglement and / or agglomeration and / or adhesive bonding of the fibers (eg a flexible porous sheet like structure (eg , Spunbond or melt blown nonwovens). Nonwovens are loose materials in which agglomeration is generally composed of spun fibers or filaments produced by the inherent adhesion of the fibers or by mechanical post-solidification.

본 발명에 따르면, 개별 섬유들은 우선하는 방향을 가질 수 있거나(배향 또는 교차 부직물), 또는 비정렬될 수 있다(랜덤 부직물). 그 부직물은 니들링(needling), 인터메싱(intermeshing) 또는 강력한 수 제트류에 의한 인터레이싱(interlacing)으로 기계적으로 강화될 수 있다(스펀레이싱된 부직물로서 공지된 것).According to the invention, the individual fibers may have a preferred direction (orientation or cross-woven) or may be unaligned (random non-woven). The nonwovens can be mechanically reinforced (known as spunlaced nonwovens) by needling, intermeshing or interlacing by powerful water jets.

적합한 부직물의 추가 특성들은 DE 10 2006 036019 A1에서 찾아 볼 수 있다. Additional properties of suitable nonwovens can be found in DE 10 2006 036019 A1.

바람직한 부직물의 적합한 예로는 SEFAR PETEX®, SEFAR FLUOROTEX® 및 SEFAR PEEKTEX®가 있다. Suitable examples of preferred nonwovens are SEFAR PETEX®, SEFAR FLUOROTEX® and SEFAR PEEKTEX®.

게다가, 강화 부재의 조성물은 특수 용도에 따라 자유롭게 선택되어 일치될 수 있다. 그러나, 그 강화 부재는 유리 섬유, 광물 섬유, 천연 섬유, 탄소 섬유, 붕소 섬유, 합성 섬유, 중합체 섬유 및/또는 세라믹 섬유, 특히 SEFAR CARBOTEX®, SEFAR PETEX®, SEFAR FLUORTEX®, SEFAR PEEKTEX®, SEFAR TETEX MONO®, SEFAR TETEX DLW®, SEFAR TETEX MULTI(SEFAR) 그리고 또한 DUOFIL®, EMMITEX GARN®. 스퀘어-위브 브레이드(Square-weave braid), 브레이드, 능직된 브레이드 또는 멀티플렉스 위브(multiplex weave)(GDK)가 마찬가지로 적합하다.In addition, the composition of the reinforcing member can be freely selected and matched according to the special use. However, the reinforcing members are glass fibers, mineral fibers, natural fibers, carbon fibers, boron fibers, synthetic fibers, polymer fibers and / or ceramic fibers, in particular SEFAR CARBOTEX®, SEFAR PETEX®, SEFAR FLUORTEX®, SEFAR PEEKTEX®, SEFAR TETEX MONO®, SEFAR TETEX DLW®, SEFAR TETEX MULTI (SEFAR) and also DUOFIL®, EMMITEX GARN®. Square-weave braids, braids, twill braids or multiplex weaves (GDK) are likewise suitable.

원칙적으로 그러한 재료들이 주로 불활성이고 연료 전지의 작동 동안 우세한 조건 하에 강화를 위한 기계적 요건을 충족하는 한 모든 종류의 재료를 사용하는 것이 가능하다.In principle it is possible to use all kinds of materials as long as they are mainly inert and meet the mechanical requirements for strengthening under conditions prevailing during operation of the fuel cell.

임의로 직물, 드로우-루프 니트, 폼드 루프 니트 또는 부직물의 구성 성분인 강화 부재는 실질적으로 둥근 단면 또는 그외 다른 형상, 예컨대 덤벨 형상, 신장 형상, 삼각형 또는 다각형 단면적을 가질 수 있다. 2성분 섬유가 또한 가능하다.The reinforcing member, optionally a component of a woven, draw-loop knit, foamed loop knit or nonwoven, may have a substantially rounded cross section or other shape, such as dumbbell shape, stretch shape, triangle or polygonal cross sectional area. Bicomponent fibers are also possible.

강화 부재는 바람직하게는 10 ㎛ 내지 500 ㎛, 특히 바람직하게는 20 ㎛ 내지 300 ㎛, 매우 특히 바람직하게는 20 ㎛ 내지 200 ㎛, 구체적으로 25 ㎛ 내지 100 ㎛의 최대 직경을 갖는다. 여기서, 최대 직경은 단면상 가장 긴 치수를 의미한다. The reinforcing member preferably has a maximum diameter of 10 μm to 500 μm, particularly preferably 20 μm to 300 μm, very particularly preferably 20 μm to 200 μm, in particular 25 μm to 100 μm. Here, the maximum diameter means the longest dimension in cross section.

게다가, 강화 부재는 5 GPa 이상, 바람직하게는 10 GPa, 특히 바람직하게는 20 GPa의 영 계수를 갖는 것이 바람직하다. 강화 부재의 파단시 신장율은 0.5 내지 300%, 특히 바람직하게는 1 내지 60%이다.In addition, the reinforcing member preferably has a Young's modulus of at least 5 GPa, preferably 10 GPa, particularly preferably 20 GPa. The elongation at break of the reinforcing member is 0.5 to 300%, particularly preferably 1 to 60%.

중합체 전해질 막의 전체 부피를 기준으로 강화 부재의 부피상 비율은 바람직하게는 5% 내지 95 부피%, 특히 바람직하게는 10 내지 80 부피%, 매우 특히 바람직하게는 10 내지 50 부피%, 구체적으로 10 내지 30 부피%이다. 그 부피상 비율은 보통 20℃에서 측정된다. The proportion by volume of the reinforcing member based on the total volume of the polymer electrolyte membrane is preferably 5% to 95% by volume, particularly preferably 10 to 80% by volume, very particularly preferably 10 to 50% by volume, specifically 10 to 30% by volume. The volume fraction is usually measured at 20 ° C.

본 발명의 목적상, 강화 부재는, 20℃에서 힘-신장 곡선에서, 하나 이상의 지점에서 0 내지 1% 신장율의 범위에 있는 강화 부재를 지니지 않은 중합체 전해질 막과 비교하여, 그 강화 부재를 보유하는 중합체 전해질 막의 기준 힘이 0% 이상, 바람직하게는 20% 이상, 특히 바람직하게는 30% 이상 차이 나도록 한, 힘을 일반적으로 차지한다. For the purposes of the present invention, the reinforcing member retains the reinforcing member in comparison with the polymer electrolyte membrane having no reinforcing member in the range of 0 to 1% elongation at one or more points in the force-elongation curve at 20 ° C. The forces are generally occupied such that the reference forces of the polymer electrolyte membranes differ by at least 0%, preferably at least 20%, particularly preferably at least 30%.

게다가, 강화재는, 0 내지 1% 신장율의 범위로 하나 이상의 지점에서 측정된 것으로, 180℃에서 지지체 인서트의 기준 힘으로 나눈 실온(20℃)에서 중합체 전해질 막의 기준 힘이 3 이하, 바람직하게는 2.5 이하, 특히 바람직하게는 2 미만의 지수(quotient)를 부여하도록 한 것이 유리하다. In addition, the reinforcement is measured at one or more points in the range of 0 to 1% elongation and has a reference force of 3 or less, preferably 2.5, at room temperature (20 ° C.) divided by the reference force of the support insert at 180 ° C. Hereafter, it is particularly advantageous to give an index of less than two.

기준 힘의 측정은 100 mm의 측정 길이로 5 cm 폭의 견본 상에서 EN29073, 파트 3에 따라 수행된다. 센티뉴튼[cN]으로 기록된 프리스트레싱 힘(prestressing force)의 수치상 값은 m2 당 그램으로 기록된 견본의 단위 면적 당 질량의 수치상 값에 해당한다.The measurement of the reference force is performed according to EN29073, Part 3 on a 5 cm wide specimen with a measuring length of 100 mm. The numerical value of the prestressing force, reported in centinewtons [cN], corresponds to the numerical value of the mass per unit area of specimen recorded in grams per m 2 .

중합체 전해질 막은 당업자에게 공지된 방법으로 제조될 수 있고, 본 발명의 하나의 실시양태에서, 막의 제조 동안 강화 부재가 직접 공급될 수 있다. The polymer electrolyte membrane can be prepared by methods known to those skilled in the art, and in one embodiment of the invention, the reinforcing member can be supplied directly during the preparation of the membrane.

본 발명의 중합체 전해질 막은 보통 우선 하나 이상의 폴리아졸을 하나 이상의 극성의 비양성자성 용매, 예를 들면 디메틸아세트아미드(DMAc) 중에 용해시키고, 고전적인 공정으로 중합체 필름(중합체 막)을 생성시킴으로써 제조할 수 있다. 이러한 경우, 임의로 존재할 수 있는 강화 부재는 예를 들면 그 필름의 제조 동안 필름 내로 도입될 수 있다. 용매 잔류물을 제거하기 위해서, 그러한 방식으로 얻어지는 필름은 세척 액체, 예를 들면 DE 10109829에 기술되니 바와 같은 것으로 처리할 수 있다. DE 10109829에 기술되어 있는 바와 같이 폴리아졸 필름으로부터 용매 잔류물을 제거하는 것은 그러한 방식으로 용매 잔류물이 제거되지 않은 필름과 비교할 때 필름의 기계적 특성을 개선시키게 된다.Polymer electrolyte membranes of the present invention are usually prepared by first dissolving one or more polyazoles in one or more polar aprotic solvents such as dimethylacetamide (DMAc) and producing a polymer film (polymer membrane) in a classical process. Can be. In this case, the reinforcing member which may optionally be present may be introduced into the film, for example, during the manufacture of the film. In order to remove solvent residues, the film obtained in such a way can be treated with a cleaning liquid, for example as described in DE 10109829. Removing solvent residues from polyazole films as described in DE 10109829 will improve the mechanical properties of the film as compared to films without solvent residues removed in such a manner.

게다가, 중합체 필름은 DE 1010 10752 및 WO 00/44816에 기술된 바와 같이, 예를 들면 가교 결합에 의해 추가 개질을 가질 수 있다. In addition, the polymer film may have further modifications, for example by crosslinking, as described in DE 1010 10752 and WO 00/44816.

폴리아졸 필름(폴리아졸 막)의 두께는 폭 넓은 범위 내에 존재할 수 있다. 폴리아졸은 하기 설명된 바와 같이 산으로 도핑하기 전에 일반적으로 5 ㎛ 내지 2000 ㎛, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 1000 ㎛, 특히 바람직하게는 20 ㎛ 내지 1000 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.The thickness of the polyazole film (polyazole film) can be within a wide range. The polyazoles preferably have a thickness of generally 5 μm to 2000 μm, preferably 10 μm to 1000 μm, particularly preferably 20 μm to 1000 μm before doping with the acid as described below.

양성자 전도도를 얻기 위해서, 상기 언급된 필름은 산에 의해 도핑된다. 적합한 산(전해질)은 상기 언급되어 있다. 인산(H3PO4)을 산으로서 사용하는 것이 특히 바람직하다.In order to obtain proton conductivity, the above mentioned film is doped with acid. Suitable acids (electrolytes) are mentioned above. Particular preference is given to using phosphoric acid (H 3 PO 4 ) as the acid.

전해질로서 사용된 산, 특히 바람직하게는 인산 중의 본 발명의 양성자 전도성 중합체 전해질 막의 개선된 막 안정성을 얻기 위해서, 유기 또는 무기 산의 폴리아졸 염이 전해질로서 사용된 산의 폴리아졸 염보다 더 낮은 전해질로서 사용된 산 중의 용해도를 갖도록 한 유기 또는 무기 산의 폴리아졸 염이 본 발명에 따라 중합체 전해질 막에서 사용된다. 이러한 폴리아졸 염은, 본 발명에 따라, 전해질로서 사용된 산, 특히 바람직하게는 인산에 의해 도핑되어 있는 상기 언급된 중합체 필름을 상기 언급된 무기 또는 유기 산들 중 하나 이상으로 처리함으로써 얻어진다. 이것은 우선 전해질로서 사용된 산, 특히 바람직하게는 인산에 의해 도핑되어 있는 상기 언급된 중합체 필름(중합체 막)을 물로 중성에 도달할 때까지 세척하고, 이어서 그것을 폴리아졸 염이 수 중에서 또는 인산 중에서, 전해질로서 사용된 산의 폴리아졸 염보다 더 낮은 전해질로서 사용된 산 중의 용해도를 갖도록 하는 하나 이상의 유기 또는 무기 산으로 처리함으로써 수행할 수 있다. 그러나, 또한 전해질로서 사용된 산, 특히 바람직하게는 인산에 의해 도핑되어 있는 상기 언급된 중합체 필름(중합체 막)이 무기 또는 유기 산에 의해 직접 처리될 수 있다는 점도 가능하다.In order to obtain improved membrane stability of the proton conductive polymer electrolyte membranes of the present invention in acids used as electrolytes, particularly preferably phosphoric acid, the polyazole salts of organic or inorganic acids have a lower electrolyte than the polyazole salts of acids used as electrolytes. Polyazole salts of organic or inorganic acids adapted to have solubility in the acids used are used in the polymer electrolyte membrane according to the invention. Such polyazole salts are obtained according to the invention by treating the aforementioned polymer film doped with an acid used as an electrolyte, particularly preferably with phosphoric acid, with one or more of the aforementioned inorganic or organic acids. This first washes the above-mentioned polymer film (polymer membrane), which is doped with an acid used as an electrolyte, particularly preferably with phosphoric acid, until it reaches neutral with water, after which the polyazole salt is in water or in phosphoric acid, This may be accomplished by treatment with one or more organic or inorganic acids that have a solubility in the acid used as the electrolyte lower than the polyazole salt of the acid used as the electrolyte. However, it is also possible that the above-mentioned polymer film (polymer film) which is doped with an acid, particularly preferably phosphoric acid, used as electrolyte can be directly treated with an inorganic or organic acid.

이러한 방식으로 얻어지는 폴리아졸 염을 기초로 한 중합체 막은 언급된 폴리아졸을 기초로 하지 않은 상응하는 폴리아졸 막보다 현저히 더 낮은 정도로 전해질로서 사용된 산, 특히 바람직하게는 인산 중에 용해된다. The polymer membranes based on the polyazole salts obtained in this way are dissolved in acids, particularly preferably phosphoric acid, used as electrolytes to a significantly lower degree than the corresponding polyazole membranes not based on the mentioned polyazoles.

전해질로서 사용된 산, 특히 바람직하게는 인산에 의해 도핑되어 있는 상기 언급된 중합체 필름(중합체 막)을 하나 이상의 무기 또는 유기 산으로 처리하는 것은 상기 언급된 바와 같이 일반적으로 수중에서 또는 인산 중에서 수행된다. 그 처리는 일반적으로 실온에서 수행된다. 일반적으로, 무기 또는 유기 산의 양은 상응하는 폴리아졸로부터 폴리아졸 염을 형성하는데 필요한 화학양론적 양에 최소한 상응한다. 그 유기 또는 무기 산이 또한 과량으로 사용될 수도 있다.Treatment of the above-mentioned polymer film (polymer membrane), which is doped with an acid used as an electrolyte, particularly preferably with phosphoric acid, with at least one inorganic or organic acid, is generally carried out in water or in phosphoric acid as mentioned above. . The treatment is generally carried out at room temperature. In general, the amount of inorganic or organic acid corresponds at least to the stoichiometric amount required to form the polyazole salt from the corresponding polyazole. The organic or inorganic acid may also be used in excess.

바람직한 실시양태에서, 본 발명의 양성자 전도성 중합체 전해질 막은 다음의 단계들:In a preferred embodiment, the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention comprises the following steps:

(ia) 하나 이상의 폴리아졸을 인산 중에 용해시키는 단계,(ia) dissolving at least one polyazole in phosphoric acid,

(iia) 단계 (ia)에서 그대로 얻어질 수 있는 용액을 불활성 기체 하에 400℃ 이하, 바람직하게는 100 내지 250℃의 온도로 가열하는 단계, (iia) heating the solution obtainable as such in step (ia) to a temperature of up to 400 ° C., preferably from 100 to 250 ° C., under inert gas,

(iiia) 지지체를 제공하고, 임의로 지지체 상에 강화 부재의 배열하는 단계,(iiia) providing a support and optionally arranging the reinforcing member on the support,

(iva) 단계 (ii)에서 그대로 얻어지는 중합체의 용액을 사용하여 단계 (iii)의 지지체 상에 막을 형성시키는 단계, (iva) forming a film on the support of step (iii) using a solution of the polymer as obtained in step (ii),

(va) 단계 (iva)에서 형성된 막을 그 막이 자가 지지(self-supporting)될 때까지 처리하는 단계,(va) treating the film formed in step (iva) until the film is self-supporting,

(via) 임의로, 단계 (va)에서 얻어지는 막을 그 막이 중성이 될 때까지 물로 세척하는 단계,(via) optionally washing the membrane obtained in step (va) with water until the membrane is neutral,

(viia) 단계 (va)에서 또는 단계 (via)에서 얻어지는 막을, 수중에서 인산보다 더 낮은 pKa를 갖는 유기 또는 무기 산으로 처리하는 단계,(viia) treating the membrane obtained in step (va) or in via with an organic or inorganic acid having a lower pK a in water than phosphoric acid,

(viiia) 단계 (viia)에서 얻어지는 막을 인산과 혼합시키는 단계(viiia) mixing the membrane obtained in step (viia) with phosphoric acid

를 포함하는 공정에 의해 얻어진다.It is obtained by the process containing.

단계 (ia), (iia), (iva) 및 (va)는 DE 10246461에 포괄적으로 기술되어 있다. 이 출원은 본원에 참고 인용되어 있다.Steps (ia), (iia), (iva) and (va) are described comprehensively in DE 10246461. This application is incorporated herein by reference.

폴리아졸을 기초로 하는 양성자 전도성 중합체 전해질을 제조하는 추가 공정이 DE 10 2006 036019 A1에 기술되어 있다. 폴리아졸 염을 기초로 하는 본 발명에 따른 중합체 전해질 막을 얻기 위해서, DE 10 2006 036019 A1에 기술된 공정에 의해 얻어지는 중합체 전해질 막은 단계 (via), (viia) 및 (viiia)에 따라 처리할 수 있다. A further process for preparing proton conductive polymer electrolytes based on polyazoles is described in DE 10 2006 036019 A1. In order to obtain a polymer electrolyte membrane according to the invention based on polyazole salts, the polymer electrolyte membrane obtained by the process described in DE 10 2006 036019 A1 can be treated according to steps (via), (viia) and (viiia). .

DE 10 2006 036019 A1에 기술된 바와 같은 강화 부재의 첨가는 임의적이다.The addition of the reinforcing member as described in DE 10 2006 036019 A1 is optional.

상기 언급된 단계 (via), (viia) 및 (viiia)는 일반적으로 실온에서 수행된다. 통상적인 탈이온수가 일반적으로 단계 (via)에서 물로서 사용된다. 단계 (viia)에서 사용될 수 있는 적합한 유기 또는 무기 산은 본 특허 출원에서 상기 언급된 산이다.The above-mentioned steps (via), (viia) and (viiia) are generally carried out at room temperature. Conventional deionized water is generally used as water in step (via). Suitable organic or inorganic acids that can be used in step (viia) are the acids mentioned above in this patent application.

단계 (viia)에서 얻어지는 막과 인산을 단계 (viiia)에서 혼합하는 것은 전해질로서 인산을 제공하기 위해서 수행되고, 그 인산은 일반적으로 단계 (viia)에서 얻어지는 중합체 전해질 막의 양을 기준으로 30 내지 99 중량%, 바람직하게는 40 내지 90 중량%, 특히 바람직하게는 40 내지 85 중량%의 양으로 사용된다.Mixing the membrane obtained in step (viia) with phosphoric acid in step (viiia) is carried out to provide phosphoric acid as an electrolyte, the phosphoric acid being generally 30 to 99% by weight based on the amount of polymer electrolyte membrane obtained in step (viia) %, Preferably 40 to 90% by weight, particularly preferably 40 to 85% by weight.

추가로, 본 발명은 중합체 전해질 막에 의해 분리되는 2개 이상의 전기화학적 활성 전극을 포함하는 막 전극 조립체를 제공하며, 여기서 중합체 전해질 막은 본 발명에 따르거나 본 발명에 따라 제조된 양성자 전도성 중합체 전해질 막이다.In addition, the present invention provides a membrane electrode assembly comprising at least two electrochemically active electrodes separated by a polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte membrane is a proton conductive polymer electrolyte membrane according to or made according to the present invention. to be.

2개 이상의 전기화학적 활성 전극은 일반적으로 애노드 및 캐소드이다. 용어 "전기화학적 활성"은 전극이 수소 및/또는 하나 이상의 리포메이트의 산화 및 산소의 환원을 촉매화할 수 있다는 것을 나타낸다. 이러한 특성은 전극을 귀금속으로 코팅함으로써 얻어질 수 있다. 적합한 귀금속이 하기 언급되어 있다. 용어 "전극"은 재료가 전기적으로 전도성이다는 것을 의미한다. 그 전극은 임의로 귀금속의 층을 보유할 수 있다. 그러한 전극은 공지되어 있으며, 예를 들면 US 4,191 ,618, US 4,212,714 및 US 4,333,805에 기술되어 있다.Two or more electrochemically active electrodes are generally anodes and cathodes. The term "electrochemical activity" indicates that the electrode can catalyze the oxidation of hydrogen and / or one or more reformates and the reduction of oxygen. This property can be obtained by coating the electrode with a noble metal. Suitable precious metals are mentioned below. The term "electrode" means that the material is electrically conductive. The electrode can optionally carry a layer of precious metal. Such electrodes are known and are described, for example, in US Pat. No. 4,191,618, US Pat. No. 4,212,714 and US Pat. No. 4,333,805.

전극은 촉매 층과 접촉한 상태로 있는 기체 확산 층을 포함하는 것이 바람직하다. The electrode preferably comprises a gas diffusion layer in contact with the catalyst layer.

시이트 유사 전기적 전도성 및 산 저항성 구조물이 보통 기체 확산 층으로서 사용된다. 이러한 구조물은 예를 들면 흑연 섬유 종이, 탄소 섬유 종이, 흑연 직물 및/또는 카본 블랙의 첨가에 의해 전도성을 갖게 되는 종이를 포함한다. 기체 및/또는 액체 스트림의 미세 분산은 이러한 층에 의해 달성된다.Sheet-like electrically conductive and acid resistant structures are commonly used as gas diffusion layers. Such structures include, for example, paper that becomes conductive by the addition of graphite fiber paper, carbon fiber paper, graphite fabric and / or carbon black. Fine dispersion of the gas and / or liquid streams is achieved by this layer.

게다가, 또한 하나 이상의 전기 전도성 재료, 예컨대 카본(예를 들면, 카본 블랙)에 의해 함침되어 있는 기계적 안정성 지지체 재료를 포함하는 기체 확산 층을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 목적에 매우 적합한 지지체 재료는 섬유, 예를 들면 부직물, 종이 또는 직물의 형태로 존재하는 섬유, 특히 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 유기 중합체, 예를 들면 폴리프로필렌, 폴리에스테르(특히 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 설파이드 또는 폴리에테르 케톤)을 포함하는 섬유를 포함한다. 그러한 확산 층에 관한 추가 상세한 내용은 예를 들면 WO 97/20358에서 찾아 볼 수 있다.In addition, it is also possible to use a gas diffusion layer comprising a mechanically stable support material impregnated with one or more electrically conductive materials, such as carbon (eg carbon black). Suitable support materials for this purpose are fibers, such as those present in the form of nonwovens, paper or textiles, in particular carbon fibers, glass fibers or organic polymers, for example polypropylene, polyesters (especially polyethylene terephthalates, Polyphenylene sulfide or polyether ketone). Further details regarding such diffusion layers can be found, for example, in WO 97/20358.

그 기체 확산 층은 바람직하게는 80 내지 2000 ㎛, 특히 바람직하게는 100 내지 1000 ㎛, 매우 특히 바람직하게는 150 내지 500 ㎛의 두께를 갖는다.The gas diffusion layer preferably has a thickness of 80 to 2000 μm, particularly preferably 100 to 1000 μm, very particularly preferably 150 to 500 μm.

게다가, 기체 확산 층은 높은 다공도를 갖는 것이 바람직하다. 그것은 보통 20% 내지 80%의 범위에 있다.In addition, the gas diffusion layer preferably has a high porosity. It is usually in the range of 20% to 80%.

기체 확산 층은 통상적인 첨가제를 포함할 수 있다. 그 첨가제는 무엇보다도 특히 불소중합체, 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 표면 활성 물질을 포함한다. The gas diffusion layer may comprise conventional additives. The additives include, among other things, fluoropolymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and surface active materials.

바람직한 실시양태에서, 기체 확산 층 중 하나 이상은 압축성 재료를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 압축성 재료는 기체 확산 층이 그 완전 상태의 손실 없이 그의 최초 두께의 1/2, 특히 1/3으로 압착될 수 있는 특성을 보유한다. In a preferred embodiment, one or more of the gas diffusion layers can comprise a compressible material. According to the invention, the compressible material possesses the property that the gas diffusion layer can be pressed to 1/2, in particular 1/3, of its original thickness without loss of its integrity.

이러한 특성은 일반적으로 흑연 직물 및/또는 카본 블랙의 첨가에 의해 전도성을 갖게 되는 종이로 구성된 기체 확산 층에 의해 나타나게 된다. This property is typically manifested by a gas diffusion layer consisting of a paper which becomes conductive by the addition of graphite fabric and / or carbon black.

촉매적 활성 층은 하나 이상의 촉매적 활성 물질을 포함한다. 그러한 물질은 무엇보다도 특히 귀금속, 바람직하게는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐 및/또는 루테늄을 포함한다. 이들 물질은 또한 서로 간의 합금의 형태로 사용될 수 있다. 게다가, 이둘 물질은 또한 기본 금속, 예를 들면 Cr, Zr, Ni, Co 및/또는 Ti와의 합금으로 사용될 수 있다. 게다가, 상기 언급된 귀금속 및/또는 기본 금속의 산화물이 또한 사용될 수 있다. 상기 언급된 금속들은 보통 공지된 방법에 의해 지지체 재료에, 보통 나노입자의 형태로 존재하고 고 비표면적을 보유하는 카본을 도포한 후에 사용된다. The catalytically active layer comprises one or more catalytically active materials. Such materials include, among other things, precious metals, preferably platinum, palladium, rhodium, iridium and / or ruthenium. These materials can also be used in the form of alloys with each other. In addition, the two materials can also be used as alloys with base metals such as Cr, Zr, Ni, Co and / or Ti. In addition, oxides of the above-mentioned noble metals and / or base metals may also be used. The metals mentioned above are usually used after application of the carbon to the support material by known methods, usually in the form of nanoparticles and having a high specific surface area.

촉매적 활성 화합물, 즉 촉매는 1 내지 1000 nm, 바람직하게는 5 내지 200 nm, 특히 바람직하게는 10 내지 100 nm의 크기를 갖는 것이 특히 바람직한 입자의형태로 사용되는 것이 바람직하고, 여기서 상기 크기는 입자 직경이다. 하나 이상의 귀금속 및 임의로 하나 이상의 지지체 재료를 포함하는 촉매 재료에 대한 본 발명의 양성자 전도성 중합체 전해질 막에 존재하는 폴리아졸 염의 중량비는 일반적으로 0.05 초과, 바람직하게는 0.1 내지 0.6 범위에 있다. Catalytically active compounds, ie catalysts, are preferably used in the form of particles which particularly preferably have a size of 1 to 1000 nm, preferably 5 to 200 nm, particularly preferably 10 to 100 nm, wherein the size is Particle diameter. The weight ratio of the polyazole salts present in the proton conductive polymer electrolyte membrane of the present invention to a catalyst material comprising at least one precious metal and optionally at least one support material is generally in the range of greater than 0.05, preferably in the range from 0.1 to 0.6.

촉매 층의 두께는 일반적으로 1 내지 1000 ㎛, 바람직하게는 5 내지 500 ㎛, 특히 바람직하게는 10 내지 300 ㎛이다. 이들 값은 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 기록된 이미지에서 단면의 층 두께를 측정함으로써 결정될 수 있는 평균을 나타낸다.The thickness of the catalyst layer is generally 1 to 1000 μm, preferably 5 to 500 μm, particularly preferably 10 to 300 μm. These values represent averages that can be determined by measuring the layer thickness of the cross section in an image recorded by a scanning electron microscope (SEM).

촉매 층의 귀금속 함량은 일반적으로 0.1 내지 10 mg/cm2, 바람직하게는 0.2 내지 6.0 mg/cm2, 특히 바람직하게는 0.2 내지 3.0 mg/cm2이다. 이 값은 시이트 견본의 원소 분석에 의해 측정할 수 있다.The precious metal content of the catalyst layer is generally from 0.1 to 10 mg / cm 2 , preferably from 0.2 to 6.0 mg / cm 2 , particularly preferably from 0.2 to 3.0 mg / cm 2 . This value can be measured by elemental analysis of the sheet sample.

촉매 층은 일반적으로 자가 지지되는 것이 아니라 그 대신 보통 기체 확산 층 및/또는 막에 도포된다. 여기서, 촉매 층의 부분은 예를 들면 기체 확산 층 및/또는 막 내로 확산될 수 있으며, 그 결과로서 전이 층이 형성된다. 이는 또한 기체 확산 층의 부분으로서 간주되는 촉매 층을 유도할 수 있다.The catalyst layer is generally not self supporting but instead is usually applied to the gas diffusion layer and / or the membrane. Here, portions of the catalyst layer can for example diffuse into the gas diffusion layer and / or the membrane, as a result of which a transition layer is formed. This can also lead to a catalyst layer which is considered as part of the gas diffusion layer.

일반적으로, 중합체 전해질 막의 표면은 각각의 경우 부분적으로 또는 전체적으로, 바람직하게는 단지 부분적으로만, 제1 전극이 중합체 전해질 막의 전방 측면을 피복하고 제2 전극이 중합체 전해질 막의 후방 측면을 피복하는 방식으로 전극과 접촉한 상태로 존재한다. 여기서, 중합체 전해질 막의 전방 측면과 후방 측면은 각각 관찰자를 대면하거나 외면하는 중합체 전해질 막의 측면, 제1 전극으로부터 관찰되는 것(전방), 바람직하게는 캐소드, 제2 전극의 방향에서 관찰되는 것 (후방), 바람직하게는 애노드이다.Generally, the surface of the polymer electrolyte membrane is in each case partly or wholly, preferably only partially, in such a way that the first electrode covers the front side of the polymer electrolyte membrane and the second electrode covers the rear side of the polymer electrolyte membrane. It is in contact with the electrode. Here, the front side and the back side of the polymer electrolyte membrane are respectively observed from the side of the polymer electrolyte membrane facing or facing the observer, from the first electrode (front), preferably from the direction of the cathode, the second electrode (rear ), Preferably an anode.

중합체 전해질 막의 특성 및 전극의 특성에 관한 추가 정보는 예를 들면 WO 01/188494 A2, DE 19509748, DE 19509749, WO 00/26982, WO 92/15121 및 DE 19757492에 요약 기재되어 있다.Further information regarding the properties of the polymer electrolyte membrane and the properties of the electrodes is summarized for example in WO 01/188494 A2, DE 19509748, DE 19509749, WO 00/26982, WO 92/15121 and DE 19757492.

본 발명의 막 전극 조립체의 제조는 당업자에게 공지되어 있다. 일반적으로, 막 전극 조립체의 다양한 구성성분이 압력 및 열에 의해 서로 정상에 배치되고 서로 접합되며, 여기서 적층화는 보통 10 내지 300℃, 바람직하게는 20 내지 200℃의 온도 및 일반적으로 1 내지 1000 bar, 바람직하게는 3 내지 300 bar의 압력에서 수행된다.The manufacture of membrane electrode assemblies of the present invention is known to those skilled in the art. In general, the various components of the membrane electrode assembly are placed on top of each other by pressure and heat and bonded together, where the lamination is usually at a temperature of 10 to 300 ° C., preferably 20 to 200 ° C. and generally 1 to 1000 bar. , Preferably at a pressure of 3 to 300 bar.

본 발명의 막 전극 조립체는 현저히 개선된 기계적 안정성 및 강도를 갖고, 그러므로 매우 높은 성능을 갖는 연료 전지 및 연료 전지 스택을 제조하는데 사용될 수 있다. 여기서, 생성되는 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 단지 작은 전력 변동만이 발생하고, 높은 품질, 신뢰성 및 재현성이 달성된다. 이는 또한 사용되는 상기 언급된 폴리아졸 염을 기초로 한 본 발명의 양성자 전도성 막의 결과로서 달성된다. The membrane electrode assembly of the present invention has significantly improved mechanical stability and strength, and therefore can be used to manufacture fuel cells and fuel cell stacks with very high performance. Here, only small power fluctuations of the resulting fuel cell or fuel cell stack occur, and high quality, reliability and reproducibility are achieved. This is also achieved as a result of the proton conductive membrane of the present invention based on the abovementioned polyazole salts used.

변동하는 주위 온도 및 대기 습도의 경우에서 그 조립체의 치수적 안정성에 기인하여, 본 발명의 막 전극 조립체는 문제 없이 저장 및 수송될 수 있다. 장기간 저장 후에도 또는 현저히 다른 기후 조건을 지닌 장소로 수송한 후에도, 막 전극 조립체의 치수는 연료 전지 또는 연료 전지 스택 내에 문제 없이 설치하도록 정밀하게 유지된다. 따라서, 막 전극 조립체는 실외 설치를 위한 장소에 대하여 더 이상 조건화해야 할 필요가 없게 되고, 이는 연료 전지의 제조를 단순화하고 시간 및 비용을 절감하게 된다. Due to the dimensional stability of the assembly in the case of varying ambient temperatures and atmospheric humidity, the membrane electrode assembly of the present invention can be stored and transported without problems. Even after prolonged storage or after transport to places with significantly different climatic conditions, the dimensions of the membrane electrode assembly are precisely maintained for trouble-free installation in the fuel cell or fuel cell stack. Thus, the membrane electrode assembly no longer needs to be conditioned for a location for outdoor installation, which simplifies the manufacture of fuel cells and saves time and money.

본 발명에 따른 바람직한 막 전극 조립체의 이점은 이 조립체가 연료 전지로 하여금 120℃ 이상의 온도에서 작동될 수 있게 한다는 점이다. 이는 기체 연료 및 액체 연료, 예를 들면 수소 함유 기체의 경우에 적용되고, 그 수소 함유 기체는 선행 리포밍 단계에서 탄화수소로부터 생성된다. 산화제로서, 예를 들면 산소 또는 공기를 사용하는 것이 가능하다.An advantage of the preferred membrane electrode assembly according to the invention is that this assembly allows the fuel cell to be operated at temperatures above 120 ° C. This applies in the case of gaseous fuels and liquid fuels, for example hydrogen containing gases, the hydrogen containing gases being produced from hydrocarbons in the preceding reforming step. As the oxidizing agent, it is possible to use oxygen or air, for example.

본 발명의 바람직한 막 전극 조립체의 추가 이점은 그 조립체가 순수 백금 촉매를 사용하더라도, 즉 추가 합금화 구성성분을 사용하지 않더라도, 120℃ 이상의 작동에서 일산화탄소에 대한 높은 내성을 갖는다는 점이다. 160℃의 온도에서, 예를 들면 CO의 1% 이상이 연료 전지의 성능의 상당한 감소를 유발하는 일 없이 연료 기체 내에 존재하는 것이 가능하다. A further advantage of the preferred membrane electrode assemblies of the present invention is that they have a high resistance to carbon monoxide in operation above 120 ° C., even if they use pure platinum catalysts, ie no additional alloying components. At a temperature of 160 ° C., for example, it is possible that at least 1% of CO is present in the fuel gas without causing a significant reduction in the performance of the fuel cell.

바람직한 막 전극 조립체는 가능한 높은 작동 온도에도 불구하고 연료 가스 또는 산화제를 가습시키는 일 없이 연료 전지에서 작동될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 연료 전지는 안정하게 작동하고, 막은 그의 전도도를 상실하지 않는다. 이는 전반적인 연료 전지 시스템을 단순화하고, 추가적인 비용 절감을 가져 오는데, 그 이유는 물 순환의 조작이 단순화되기 때문이다. 게다가, 0℃ 이하의 온도에서 연료 전지 시스템의 거동이 또한 그로 인하여 단순화된다. Preferred membrane electrode assemblies can be operated in a fuel cell without humidifying the fuel gas or oxidant despite the possible high operating temperatures. Nevertheless, the fuel cell operates stably and the membrane does not lose its conductivity. This simplifies the overall fuel cell system and brings additional cost savings because the manipulation of the water cycle is simplified. In addition, the behavior of the fuel cell system at temperatures below 0 ° C. is thereby also simplified.

바람직한 막 전극 조립체는 또한 연료 전지를 문제 없이 실온 이하로 냉각하는 것을 가능하게 하고, 이어서 성능의 저하 없이 다시 작동 가능하게 한다.Preferred membrane electrode assemblies also make it possible to cool the fuel cell below room temperature without problems and then to be able to operate again without degrading performance.

더구나, 본 발명의 막 전극 조립체는 매우 높은 장기간 안정성을 나타낸다. 이는 마찬가지로 높은 장기간 안정성을 갖는 연료 전지를 제공하는 것을 가능하게 한다. 더구나, 본 발명의 막 전극 조립체는 특히 고온에서 매우 우수한 열 및 부식 저항성 그리고 비교적 낮은 기체 투과성을 갖는다. 특히 고온에서, 기계적 안정성 및 구조적 완전성의 감소가 본 발명의 막 전극 조립체에서 감소 또는 회피된다. Moreover, the membrane electrode assembly of the present invention exhibits very high long term stability. This makes it possible to provide a fuel cell with high long term stability as well. Moreover, the membrane electrode assembly of the present invention has very good heat and corrosion resistance and relatively low gas permeability, especially at high temperatures. Especially at high temperatures, a decrease in mechanical stability and structural integrity is reduced or avoided in the membrane electrode assembly of the present invention.

게다가, 본 발명의 막 전극 조립체는 저렴하게 그리고 단순하게 제조될 수 있다. In addition, the membrane electrode assembly of the present invention can be manufactured inexpensively and simply.

추가로, 본 발명은 본 발명에 따른 하나 이상의 막 전극 조립체를 포함하는 연료 전지를 제공한다. 적합한 연료 전지 및 그의 성분은 당업자에게 공지되어 있다.In addition, the present invention provides a fuel cell comprising at least one membrane electrode assembly according to the present invention. Suitable fuel cells and components thereof are known to those skilled in the art.

단일 연료 전지의 전력이 종종 많은 용도에 대하여 너무 낮기 때문에, 본 발명의 목적상, 복수개의 단일 연료 전지를 세퍼레이터 플레이트를 통해 조합하여 연료 전지 스택을 형성시키는 것이 바람직하다. 그 세퍼레이터 플레이트는, 임의로 추가의 밀봉 재료와 조합하여, 캐소드 및 애노드의 기체 공간을 외부로부터 그리고 서로로부터 밀봉해야 한다. 이러한 목적을 위해서, 그 세퍼레이터 플레이트는 막 전극 조립체와 밀봉 방식으로 병렬 배치되는 것이 바람직하다. 그 밀봉 효과는 세퍼레이터 플레이트와 막 전극 조립체의 복합재를 압착함으로써 더욱더 개선될 수 있다.Since the power of a single fuel cell is often too low for many applications, it is desirable for the purposes of the present invention to combine a plurality of single fuel cells through a separator plate to form a fuel cell stack. The separator plate must, optionally in combination with additional sealing material, seal the gas spaces of the cathode and anode from the outside and from each other. For this purpose, the separator plate is preferably arranged in parallel with the membrane electrode assembly. The sealing effect can be further improved by pressing the composite of the separator plate and the membrane electrode assembly.

세퍼레이터 플레이트들은 각각 반응 기체를 위한 하나 이상의 기체 채널을 보유하고, 그 채널들은 전극과 대면하는 측면 상에 유리하게 정렬된다. 그 기체 채널은 반응 유체의 분산을 가능하게 해야 한다.The separator plates each have one or more gas channels for the reaction gas, which channels are advantageously aligned on the side facing the electrode. The gas channel should enable the dispersion of the reaction fluid.

본 발명의 만 전극 조립체의 높은 장기간 안정성 때문에, 본 발명의 연료 전지는 또한 높은 장기간 안정성을 갖는다. 본 발명의 연료 전지는 일반적으로, 성능상 상당한 열화가 관찰되는 일 없이, 장기간, 예를 들면 5000 시간 이상 동안 건조 반응 기체를 사용하여 120℃ 이상의 온도에서 연속적으로 작동될 수 있다. 달성될 수 있는 전력 밀도는 그러한 장시간 후에도 여전히 높다.Because of the high long term stability of the bay electrode assembly of the present invention, the fuel cell of the present invention also has high long term stability. The fuel cell of the present invention can generally be operated continuously at temperatures of 120 ° C. or higher using dry reaction gas for long periods of time, for example 5000 hours or more, without significant performance degradation being observed. The power density that can be achieved is still high after such a long time.

본 발명의 연료 전지는 장기간, 예를 들면 5000 시간 이상 후에도 높은 개방 회로 전압을 나타내고, 그 개방 회로 전압은 그 시간 후에 900 mV 이상인 것이 바람직하다. 개방 회로 전압을 측정하기 위해서, 연료 전지는 애노드에 물이 제공되고 캐소드에 공기가 공급되면서 전류 없이 작동된다. 그 측정은 연료 전지를 0.2 A/cm2의 전류에서 제로 전류 상태로 변환시키고, 이어서 5 분 동안 그 개방 회로 전압을 기록함으로써 수행된다. 5분 후의 값은 각각의 개방 회로 전위이다. 개방 회로 전압의 측정된 값은 160℃의 온도에서 이루어진 것이다. 게다가, 연료 전지는 그 시간 후에 낮은 기체 크로스오버를 나타내는 것이 바람직하다. 크로스오버를 측정하기 위해서, 연료 전지의 애노드 측면은 수소(5 l/h)를 사용하여 작동되고, 캐소드는 질소(5 l/h)를 사용하여 작동된다. 애노드는 기준 전극 및 카운터 전극으로서 작용하고, 캐소드는 작동 전극으로서 작용을 한다. 캐소드는 0.5 V의 전위로 설정되고, 막을 통해 확산되는 수소는 캐소드에서 질량 이동 제한된 방식으로 산화된다. 결과로 생성된 전류는 수소 투과 속도의 측정수단이다. 그 전류는 50 cm2 전지에서 < 3 mA/cm2, 바람직하게는 < 2 mA/cm2, 특히 바람직하게는 < 1 mA/cm2이다. H2의 크로스오버의 측정된 값은 160℃ 이상의 온도에서 이루어진 것이다.The fuel cell of the present invention exhibits a high open circuit voltage even after a long time, for example, after 5000 hours or more, and the open circuit voltage is preferably 900 mV or more after that time. To measure the open circuit voltage, the fuel cell is operated without current while water is supplied to the anode and air is supplied to the cathode. The measurement is performed by converting the fuel cell into a zero current state at a current of 0.2 A / cm 2 and then recording its open circuit voltage for 5 minutes. The value after 5 minutes is each open circuit potential. The measured value of the open circuit voltage is at a temperature of 160 ° C. In addition, the fuel cell preferably exhibits low gas crossover after that time. To measure the crossover, the anode side of the fuel cell is operated using hydrogen (5 l / h) and the cathode is operated using nitrogen (5 l / h). The anode serves as the reference electrode and the counter electrode, and the cathode serves as the working electrode. The cathode is set at a potential of 0.5 V, and hydrogen diffused through the membrane is oxidized in a mass transfer limited manner at the cathode. The resulting current is a measure of hydrogen permeation rate. The current is <3 mA / cm 2 , preferably <2 mA / cm 2 , particularly preferably <1 mA / cm 2 in a 50 cm 2 cell. The measured value of the crossover of H 2 is at a temperature of 160 ° C. or higher.

추가로, 본 발명은 막 전극 조립체에서의, 전해질로서 인산을 포함하는 본 발명에 따른 양성자 전도성 중합체 전해질 막의 용도를 제공하며, 그리고 또한 연료 전지에서의, 본 발명에 따른 양성자 전도성 중합체 전해질 막의 용도를 제공한다.In addition, the present invention provides the use of the proton conductive polymer electrolyte membrane according to the invention comprising phosphoric acid as electrolyte in the membrane electrode assembly, and also the use of the proton conductive polymer electrolyte membrane according to the invention in a fuel cell. to provide.

적합한 중합체 전해질 막, 막 전극 조립체 및 연료 전지는 상기 언급되어 있다. Suitable polymer electrolyte membranes, membrane electrode assemblies and fuel cells are mentioned above.

다음의 실시예는 본 발명을 예시한다.The following examples illustrate the invention.

실시예Example

인산 중의 폴리아졸 염을 기초로 한 본 발명의 양성자 전도성 중합체 전해질 막의 용해도를 측정하기 위해서, 용해도 시험을 인산 중의 각각의 막(본 발명에 따른 실시예) 상에서 수행하고, 그 용해도를 선행 기술로부터 공지된 폴리아졸을 기초로 한 중합체 전해질 막(비교예)의 용해도와 비교하였다. In order to measure the solubility of the proton conductive polymer electrolyte membranes of the present invention based on polyazole salts in phosphoric acid, solubility tests are performed on each membrane (example according to the invention) in phosphoric acid, the solubility of which is known from the prior art. Was compared with the solubility of the polymer electrolyte membrane (comparative) based on the prepared polyazole.

실시예Example 1: 수중에서 도핑을 수행한,  1: doping in water, 펜타플루오로페놀의Pentafluorophenol 폴리아졸Polyazole 염을 기초로 한 중합체 전해질 막의 제조 Preparation of Salt-Based Polymer Electrolyte Membranes

DE 10 2006 036019 A1에 기술된 바와 같이 제조된 막을 탈이온수로 완전 세척하였다. 이어서, 그 막을 건조하는 일 없이, 수 중의 펜타플루오로페놀의 0.1M 용액으로 3회 충분히 도포하였다. 이어서, 그 막을 85% 세기 H3PO4로 도핑하였다. 도 1은 실시예 1의 막의 용해도를 나타내었다. 여기서, 도면 내에 있는 어두운 반점은 99% 인산 중에 용해되지 않은 잔류 막이었다. Membranes prepared as described in DE 10 2006 036019 A1 were thoroughly washed with deionized water. Subsequently, the film was sufficiently applied three times with a 0.1 M solution of pentafluorophenol in water without drying. The film was then doped with 85% strength H 3 PO 4 . 1 shows the solubility of the membrane of Example 1. Here, the dark spots in the figure were residual films that did not dissolve in 99% phosphoric acid.

실시예Example 2: 인산 중에 제조된  2: prepared in phosphoric acid 펜타플루오로페놀의Pentafluorophenol 폴리아졸Polyazole 염을 기초로 한 중합체 전해질 막의 제조 Preparation of Salt-Based Polymer Electrolyte Membranes

DE 10 2006 036019 A1에 기술된 바와 같이 제조된 막을 탈이온수로 완전 세척하였다. 이어서, 그 막을 건조하는 일 없이 H3PO4(85%) 중의 펜타플루오로페놀의 0.2 M 용액으로 3회 충분히 도포하였다. 이어서, 그 막을 85% 세기 H3PO4로 도핑하였다. 도 2는 실시예 2의 막의 용해도를 나타내었다. 여기서, 도면에 있는 어두운 반점은 99% 인산 중에 용해되지 않은 잔류 막이었다.Membranes prepared as described in DE 10 2006 036019 A1 were thoroughly washed with deionized water. The film was then sufficiently applied three times with a 0.2 M solution of pentafluorophenol in H 3 PO 4 (85%) without drying. The film was then doped with 85% strength H 3 PO 4 . 2 shows the solubility of the membrane of Example 2. Here, the dark spots in the figure were residual films that did not dissolve in 99% phosphoric acid.

실시예Example 3( 3 ( 비교예Comparative example ):):

상업적으로 이용가능한 Celtec-P 막(DE 10 2006 036019 A1에 기술된 바와 같이 제조된 것)을 비교 막으로서 사용하여, 230℃에서 3 시간 동안 99% 세기 인산 120 g 중에서 가열하였다[5 × 5 cm]. 도 3은 실시예 3의 막의 용해도를 나타내었다. 여기서, 도면에 있는 어두운 반점은 99% 인산 중에 용해되지 않은 잔류 막이었다.A commercially available Celtec-P membrane (prepared as described in DE 10 2006 036019 A1) was used as a comparative membrane and heated in 120 g of 99% strength phosphoric acid at 230 ° C. for 3 hours [5 × 5 cm ]. 3 shows the solubility of the membrane of Example 3. Here, the dark spots in the figure were residual films that did not dissolve in 99% phosphoric acid.

도 1, 2 및 3은 실시예 1, 2 및 3으로부터 유래된 막의 용해도를 도시한 것들이다. 여기서, 도면들에 있는 어두운 반점은 99% 인산 중에 용해되지 않은 잔류 막이었다. 1, 2 and 3 show the solubility of membranes derived from Examples 1, 2 and 3; Here, the dark spots in the figures were residual films that did not dissolve in 99% phosphoric acid.

도면들로부터 분명하게 이해할 수 있는 바와 같이, 펜타플루오로페놀에 의한 폴리아졸 염을 기초로 한 본 발명에 따른 중합체 전해질 막은 선행 기술로부터 공지된 막의 것보다 현저히 더 낮은 인산 중의 용해도를 보유하였다. As can be clearly understood from the figures, the polymer electrolyte membrane according to the invention based on polyazole salts with pentafluorophenol has a significantly lower solubility in phosphoric acid than that of membranes known from the prior art.

도 4는 전류-전압 곡선에서 실시예 1, 2 및 3으로부터 유래된 3가지 상기 언급된 막에 의해 달성된 전력을 도시한 것이다.FIG. 4 shows the power achieved by the three above mentioned films derived from Examples 1, 2 and 3 in the current-voltage curve.

전압(mV)은 y 축 상에 도시하고, 전류 밀도(A/cm2)는 x 축 상에 도시하였다. Voltage (mV) is plotted on the y axis and current density (A / cm 2 ) is plotted on the x axis.

전력은 160℃의 온도에서 연료 전지(H2/공기)에서 측정하고, 여기서 애노드는 cm2 당 1 mg의 백금으로 코팅되어 있고, 캐소드는 cm2 당 1 mg의 백금 및 니켈로 코팅되어 있었다. Power is at a temperature of 160 ℃ and measured in the fuel cells (H 2 / air), in which the anode is coated with platinum of 1 mg per cm 2, and the cathode was coated with a platinum and nickel of 1 mg per cm 2.

도 4에서, 다이아몬드형은 비교예 3 그대로의 막의 전력을 나타내고, 삼각형은 본 발명에 따른 실시예 2 그대로의 막의 전력을 나타내며, 솔리드 라인은 본 발명에 따른 실시예 1 그대로의 막에 의해 달성된 전력을 나타내었다.In Fig. 4, the diamondoid represents the power of the film as it is in Comparative Example 3, the triangle represents the power of the film as it is in Example 2 according to the present invention, and the solid line is achieved by the film as in Example 1 according to the present invention. Power is shown.

도 4로부터 분명하게 이해할 수 있는 바와 같이, 전력은 전해질로서 사용된 산의 폴리아졸 염의 것보다 더 낮은 전해질로서 사용된 산 중의 용해도를 갖는 폴리아졸 염의 사용에 의해 유해한 영향을 받지 않았다. As can be clearly seen from FIG. 4, the power was not adversely affected by the use of polyazole salts having a solubility in acid used as electrolyte lower than that of the polyazole salt of acid used as electrolyte.

Claims (15)

전해질로서 산에 의해 도핑되어 있는 유기 또는 무기 산의 폴리아졸 염을 기초로 한 양성자 전도성 중합체 전해질 막(proton-conducting polymer electrolyte membrane)으로서, 상기 유기 또는 무기 산의 폴리아졸 염은 전해질로서 사용된 산의 폴리아졸 염보다 더 낮은 전해질로서 사용된 산 중의 용해도를 갖는 것인 양성자 전도성 중합체 전해질 막.A proton-conducting polymer electrolyte membrane based on polyazole salts of organic or inorganic acids doped with an acid as an electrolyte, wherein the polyazole salts of organic or inorganic acids are acids used as electrolytes. A proton conductive polymer electrolyte membrane having a solubility in acid used as an electrolyte lower than the polyazole salt of. 제1항에 있어서, 전해질로서 사용된 산이 인산인 양성자 전도성 중합체 전해질 막.The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the acid used as the electrolyte is phosphoric acid. 제1항 또는 제2항에 있어서, 무기 또는 유기 산 또는 무기 및 유기 산은 퍼플루오르화 페놀, 퍼플루오르화 페닐 알콜, K2S04, HN03, FS03H, HP02F2, H2S03, HOOC-COOH, 설폰산, 퍼플루오르화 설폰산, 퍼플루오로설폰아미드, 퍼플루오로포스폰산 및 퍼플루오로알킬카르복실산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 양성자 전도성 중합체 전해질 막.3. The inorganic or organic acid or inorganic and organic acid according to claim 1, wherein the inorganic or organic acid or inorganic and organic acid is perfluorinated phenol, perfluorinated phenyl alcohol, K 2 S0 4 , HN0 3 , FS0 3 H, HP0 2 F 2 , H 2 S0. 3 , a proton conductive polymer electrolyte membrane selected from the group consisting of HOOC-COOH, sulfonic acid, perfluorinated sulfonic acid, perfluorosulfonamide, perfluorophosphonic acid, and perfluoroalkylcarboxylic acid. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 무기 또는 유기 산은 펜타플루오로페놀, CH3S03H, CF3S03H, CF3CF2S03H, (CF3)2S02NH, (CF3CF2)2S02NH, (CF3CF2CF2)2S02NH, CF3P03H2, CF3CF2P03H2 및 CF3CF2CF2P03H2로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 양성자 전도성 중합체 전해질 막.4. The inorganic or organic acid of claim 1, wherein the inorganic or organic acid is pentafluorophenol, CH 3 S0 3 H, CF 3 S0 3 H, CF 3 CF 2 S0 3 H, (CF 3 ) 2 S0 2 NH, (CF 3 CF 2 ) 2 S0 2 NH, (CF 3 CF 2 CF 2 ) 2 S0 2 NH, CF 3 P0 3 H 2 , CF 3 CF 2 P0 3 H 2 and CF 3 CF 2 CF 2 P0 A proton conductive polymer electrolyte membrane selected from the group consisting of 3 H 2 . 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 폴리아졸 염은 하기 일반 화학식(I) 및/또는 (II)의 반복 아졸 단위를 포함하는 폴리아졸을 기초로 하는 것인 양성자 전도성 중합체 전해질 막:
Figure pct00011

상기 식 중에서,
라디칼 Ar은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 4가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,
라디칼 Ar1은 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나의 이상의 고리를 가질 수 있는 2가 방향족 또는 헤테로방향족 기이며,
라디칼 Ar2는 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 하나 이상의 고리를 가질 수 있는 2가 또는 3가 방향족 또는 헤테로방향족 기이고,
라디칼 X는 동일하거나 상이하며, 그리고 각각 산소, 황 또는 아미노 기이고, 여기서 아미노 기는 수소 원자, 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는 기, 바람직하게는 분지형 또는 비분지형 알킬 또는 알콕시 기 또는 아릴 기를 추가 라디칼로서 보유하고,
n은 10 이상, 바람직하게는 100 이상의 정수이다.
5. The proton conductive polymer electrolyte according to claim 1, wherein the polyazole salt is based on a polyazole comprising repeating azole units of the general formulas (I) and / or (II) membrane:
Figure pct00011

In the formula,
The radicals Ar are the same or different and are tetravalent aromatic or heteroaromatic groups, each of which may have one or more rings,
The radicals Ar 1 are the same or different and are divalent aromatic or heteroaromatic groups, each of which may have one or more rings,
The radicals Ar 2 are the same or different and are each a divalent or trivalent aromatic or heteroaromatic group which may have one or more rings,
The radicals X are the same or different and each is an oxygen, sulfur or amino group, wherein the amino group adds a hydrogen atom, a group having 1 to 20 carbon atoms, preferably a branched or unbranched alkyl or alkoxy group or an aryl group Holds as a radical,
n is an integer of 10 or more, preferably 100 or more.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 전해질로서 인산을 포함하고, 폴리아졸 염은 폴리벤즈이미다졸, 폴리(피리딘), 폴리(피리미딘), 폴리이미다졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤즈옥사졸, 폴리옥사디아졸, 폴리퀴녹살린, 폴리티아디아졸, 및 폴리(테트라자피렌)으로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리아졸을 기초로 하는 것인 양성자 전도성 중합체 전해질 막.The method of claim 1, wherein the electrolyte comprises phosphoric acid, and the polyazole salt is polybenzimidazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine), polyimidazole, polybenzothiazole. And a polyazole selected from the group consisting of polybenzoxazole, polyoxadiazole, polyquinoxaline, polythiadiazole, and poly (tetrazapyrene). 제6항에 있어서, 폴리아졸은 하기 화학식 중 하나의 반복 벤즈이미다졸 단위를 갖는 것인 양성자 전도성 중합체 전해질 막:
Figure pct00012

상기 식 중에서, n은 ≥ 10, 바람직하게는 ≥ 100의 정수이다.
The proton conductive polymer electrolyte membrane of claim 6, wherein the polyazole has repeating benzimidazole units of one of the formulas:
Figure pct00012

Wherein n is an integer of ≥ 10, preferably ≥ 100.
제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 중합체 전해질 막은 강화 부재(reinforcing element)를 보유하는 것인 양성자 전도성 중합체 전해질 막.8. The proton conductive polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 7, wherein the polymer electrolyte membrane has a reinforcing element. 제8항에 있어서, 중합체 전해질 막은 섬유 강화되는 것인 양성자 전도성 중합체 전해질 막.The proton conductive polymer electrolyte membrane of claim 8, wherein the polymer electrolyte membrane is fiber reinforced. 제8항 또는 제9항에 있어서, 중합체 전해질 막의 총 부피를 기준으로 강화 부재의 부피상 비율이 5 부피% 내지 95 부피%인 양성자 전도성 중합체 전해질 막.10. The proton conductive polymer electrolyte membrane according to claim 8 or 9, wherein the proportion by volume of the reinforcing member is from 5% to 95% by volume based on the total volume of the polymer electrolyte membrane. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 따른 양성자 전도성 중합체 전해질 막을 제조하는 방법으로서,
(ia) 하나 이상의 폴리아졸을 인산 중에 용해시키는 단계,
(iia) 단계 (ia)에서 그대로 얻어질 수 있는 용액을 불활성 기체 하에 400℃ 이하의 온도로 가열하는 단계,
(iiia) 지지체를 제공하고, 임의로 그 지지체 상에 강화 부재를 배열시키는 단계,
(iva) 단계 (ii)에서 그대로 얻어지는 중합체의 용액을 사용하여 단계 (iii)의 지지체 상에 막을 형성시키는 단계,
(va) 단계 (iva)에서 형성된 막을 그 막이 자가 지지(sself-supporting)될 때까지 처리하는 단계,
(via) 임의로, 단계 (va)에서 얻어지는 막을 그 막이 중성이 될 때까지 물로 세척하는 단계,
(viia) 단계 (va)에서 또는 단계 (via)에서 얻어지는 막을, 수중에서 전해질로서 사용된 산, 특히 바람직하게는 인산보다 더 낮은 pKa를 갖는 유기 또는 무기 산으로 처리하는 단계,
(viiia) 단계 (viia)에서 얻어지는 막을 인산과 혼합시키는 단계
를 포함하는 방법.
A method for producing a proton conductive polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10,
(ia) dissolving at least one polyazole in phosphoric acid,
(iia) heating the solution which can be obtained as such in step (ia) to a temperature of 400 ° C. or less under inert gas,
(iiia) providing a support, and optionally arranging the reinforcing member on the support,
(iva) forming a film on the support of step (iii) using a solution of the polymer as obtained in step (ii),
(va) treating the film formed in step (iva) until the film is self-supporting,
(via) optionally washing the membrane obtained in step (va) with water until the membrane is neutral,
(viia) treating the membrane obtained in step (va) or in step (via) with an organic or inorganic acid having a lower pK a than the acid used as electrolyte in water, particularly preferably phosphoric acid,
(viiia) mixing the membrane obtained in step (viia) with phosphoric acid
&Lt; / RTI &gt;
중합체 전해질 막에 의해 분리되어 있는 2개 이상의 전기화학적 활성 전극을 포함하는 막 전극 조립체(membrane-electrode assembly)로서, 중합체 전해질 막이 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 따르거나 제11항에 따라 제조된 양성자 전도성 중합체 전해질 막인 막 전극 조립체.A membrane-electrode assembly comprising two or more electrochemically active electrodes separated by a polymer electrolyte membrane, wherein the polymer electrolyte membrane is according to any one of claims 1 to 10 or 11. Membrane electrode assembly which is a proton conductive polymer electrolyte membrane prepared according to the invention. 제12항에 따른 하나 이상의 막 전극 조립체를 포함하는 연료 전지.A fuel cell comprising at least one membrane electrode assembly according to claim 12. 막 전극 조립체에서의, 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 따르거나 제11항에 따라 제조된 양성자 전도성 중합체 전해질 막의 용도.Use of a proton conductive polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10 or made according to claim 11 in a membrane electrode assembly. 연료 전지에서의, 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 따르거나 제11항에 따라 제조된 양성자 전도성 중합체 전해질 막의 용도.Use of a proton conductive polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 10 or made according to claim 11 in a fuel cell.
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