KR20140015141A - Membrane electrode assembly and fuel cells with increased performance - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (i) 적어도 두 개의 전기화학적 활성 전극, (ii) 상기 전극은 적어도 하나의 고분자 전해질 막 또는 전해질 매트릭스로 분리되며, (iii) 상기 전극은 상기 언급된 고분자 전해질 막 또는 매트릭스와 접하는 촉매층을 가지며, (iv) 상기 촉매층은 음극에서 이오노머 물질로서 일반식(Ⅰ)의 반복 단위를 포함하는 고분자를 포함하는 것으로 이루어진 막 전극 접합체 및 개선된 성능을 가지는 연료 전지에 관한 것이다. The present invention comprises (i) at least two electrochemically active electrodes, (ii) the electrode is separated into at least one polymer electrolyte membrane or electrolyte matrix, and (iii) the electrode is in contact with the aforementioned polymer electrolyte membrane or matrix. (Iv) the catalyst layer relates to a membrane electrode assembly comprising a polymer comprising a repeating unit of formula (I) as ionomer material at a cathode and a fuel cell having improved performance.
Description
본 발명은 고분자 전해질 막에 의하여 분리되는 적어도 두개의 전기화학적 활성 전극을 포함하는 향상된 성능의 막 전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to an improved performance membrane electrode assembly and fuel cell comprising at least two electrochemically active electrodes separated by a polymer electrolyte membrane.
고분자 전해질 막(PEM) 연료 전지는 이미 알려져 있다. 현재, 설폰산-개질된 고분자는 이미 이들 연료전지에서 양성자-전도성 막으로 독점적으로 사용되고 있다. 여기에서는 주로 대개 과불화된 고분자가 사용된다. 미국 월빙톤의 DuPont de Nemours, NationTM이 이의 잘 알려진 예이다. 양성자의 전도를 위해, 막 내에서 상대적으로 높은 물 함량, 전형적으로 술폰산기당 4-20개의 물 분자가 요구된다. 요구되는 물 함량, 뿐만 아니라 산성수 및 반응 가스 수소 및 산소와 관계하는 고분자의 안정성은, 대개 PEM 연료전지스택의 작동 온도를 80-100℃으로 제한한다. 압력이 가해질 때, 작동 온도는 120℃ 이상으로 상승할 수 있다. 그렇지 않으면, 더 높은 작동 온도는 연료전지의 전력손실 없이 실현될 수 없다.
Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are already known. Currently, sulfonic acid-modified polymers are already used exclusively as proton-conducting membranes in these fuel cells. Mostly, perfluorinated polymers are used here. DuPont de Nemours, Nation TM of Walvington, USA is a well-known example. For the conduction of protons, a relatively high water content in the membrane, typically 4-20 water molecules per sulfonic acid group, is required. The required water content, as well as the stability of the polymer in relation to acidic water and reactive gas hydrogen and oxygen, usually limit the operating temperature of the PEM fuel cell stack to 80-100 ° C. When pressure is applied, the operating temperature may rise above 120 ° C. Otherwise, higher operating temperatures cannot be realized without power loss of the fuel cell.
그러나, 시스템 특이적 이유 때문에, 100℃ 이상의 연료전지 작동 온도가 바람직하다. 막 전극 접합체에(MEA)에 포함되고 귀금속에 기반을 둔 촉매의 활성은 높은 작동 온도에서 현저하게 개선된다. 탄화수소로부터 소위 개질체가 사용될 때, 특히 개질 가스는 가스 정화 단계 또는 정교한 가스 조절을 사용하여 대개 제거되어야만 하는 상당한 양의 일산화탄소를 포함한다. CO 불순물에 대한 촉매의 내성은 높은 작동온도에서 증가한다.
However, for system specific reasons, fuel cell operating temperatures of 100 ° C. or higher are preferred. The activity of catalysts contained in membrane electrode assemblies (MEA) and based on precious metals is significantly improved at high operating temperatures. When so-called reformers from hydrocarbons are used, in particular the reforming gas contains a significant amount of carbon monoxide which must usually be removed using a gas purification step or sophisticated gas conditioning. The resistance of the catalyst to CO impurities increases at high operating temperatures.
게다가, 연료전지 작동 중에 열이 생성된다. 그러나, 이들 시스템을 80℃ 미만으로 냉각하는 것은 매우 복잡할 수 있다. 전력출력에 따라, 냉각 장치는 상당히 덜 복잡하게 구성될 수 있다. 이는 100℃ 이상의 온도에서 작동되는 연료전지 시스템의 폐열이 명백히 더 잘 사용될 수 있고 그러므로 결합된 전력 및 열 발생기를 경유하는 연료전지 시스템의 효율이 증가할 수 있음을 의미한다.
In addition, heat is generated during fuel cell operation. However, cooling these systems below 80 ° C. can be very complex. Depending on the power output, the cooling device can be configured significantly less complicated. This means that the waste heat of a fuel cell system operating at temperatures above 100 ° C. can obviously be used better and therefore the efficiency of the fuel cell system via combined power and heat generators can be increased.
이들 온도를 달성하기 위하여, 일반적으로, 새로운 전도 매커니즘의 막이 사용된다. 이를 위한 하나의 접근법은 물 사용 없이도 전기 전도도를 나타내는 막을 사용하는 것이다. 이런 방향으로 처음의 장래성 있는 개발은 국제출원공개공보 WO 96/13872에 기술되어 있다.
In order to achieve these temperatures, a membrane of a new conduction mechanism is generally used. One approach to this is to use membranes that exhibit electrical conductivity without the use of water. The first promising development in this direction is described in WO 96/13872.
개개의 연료전지의 테퍼블 전압(tappable voltage)이 상대적으로 낮기 때문에, 일반적으로, 다양한 막 전극 접합체(양극성 판)가 연속으로 연결되고 평면의 분리판을 통하여 서로 연결된다.
Since the tappable voltage of the individual fuel cells is relatively low, various membrane electrode assemblies (bipolar plates) are generally connected in series and connected to each other through planar separators.
그러나, 실제로, 현재 사용가능한 막 전극 접합체는 좀 더 경쟁력있는 경제적 대안이 되기 위하여 더욱 개선될 필요가 있다. 필요한 개선 중 하나는 막 전극 접합체의 음극에서 산소 환원에 대하여 막 전극 접합체의 성능을 증가시키는 것이다.
In practice, however, currently available membrane electrode assemblies need to be further refined to become more competitive economic alternatives. One of the necessary improvements is to increase the performance of the membrane electrode assembly with respect to oxygen reduction at the cathode of the membrane electrode assembly.
따라서, 본 발명은 산소 환원이 일어나는 막 전극 접합체의 음극에서 가급적 높은 성능을 가지는 연료 전지 및 막 전극 접합체를 제공하는 것이다.
Accordingly, the present invention provides a fuel cell and a membrane electrode assembly having as high a performance as possible at the cathode of the membrane electrode assembly in which oxygen reduction occurs.
그외에, 개선된 막 전극 접합체는 바람직하게는 하기와 같은 특징을 가져야 한다:In addition, the improved membrane electrode assembly should preferably have the following characteristics:
·연료전지는 가급적 긴 사용가능수명을 가져야 한다.Fuel cells should have a long service life.
·가급적 높은, 특히 100℃이상 작동 온도에서 연료전지를 사용할 수 있어야 한다.· The fuel cell should be available as high as possible, especially at operating temperatures above 100 ° C.
·작동중에, 개개의 전지는 가급적 긴 기간동안 일정한 또는 개선된 성능을 나타내야 한다. During operation, the individual cells should exhibit consistent or improved performance for as long a time as possible.
·긴 작동 시간 후에, 연료 전지는 가급적 낮은 가스 크로스오버(crossover)뿐 아니라 가급적 높은 개방 회로 전압을 가져야 한다. 또한, 가급적 낮은 화학량론으로 그것들을 작동할 수 있어야 한다. After a long operating time, the fuel cell should have as high an open circuit voltage as possible as well as a low gas crossover as possible. In addition, they should be able to operate them with as low stoichiometry as possible.
·가능하다면, 연료전지는 연료가스의 추가적인 가습 없이 작동할 수 있어야 한다. If possible, the fuel cell should be able to operate without additional humidification of the fuel gas.
·연료전지는 음극와 양극사이의 영구적 또는 교호(alternative)의 압력 차이를 가급적 좋게 견뎌낼 수 있어야 한다. The fuel cell should be able to withstand the permanent or alternating pressure difference between the anode and the cathode as best as possible.
·특히, 연료전지는 일반적 신뢰성을 높이기 위하여 다른 작동 조건(T, p, 기하학 등)에 가급적 좋게 튼튼해야 한다. In particular, fuel cells should be as robust as possible to other operating conditions (T, p, geometry, etc.) to increase general reliability.
·또한, 연료전지는 특히 높은 온도에서, 상대적으로 낮은 가스 투과성 및 개선된 온도 및 부식 저항성을 가져야 한다. 특히 고온에서, 기계적 안정성 및 구조적 완전성의 감소는 가급적 좋게 피해야 한다.
In addition, fuel cells should have relatively low gas permeability and improved temperature and corrosion resistance, especially at high temperatures. Especially at high temperatures, reductions in mechanical stability and structural integrity should be avoided as best as possible.
이런 목적들은 본 발명에 의해 달성된다.
These objects are achieved by the present invention.
본 발명은 The present invention
(i) 적어도 두 개의 전기화학적 활성 전극,(i) at least two electrochemically active electrodes,
(ii) 상기 전극은 적어도 하나의 고분자 전해질 막 또는 전해질 매트릭스로 분리되며,(ii) the electrode is separated into at least one polymer electrolyte membrane or electrolyte matrix,
(iii) 상기 전극은 상기 언급된 고분자 전해질 막 또는 매트릭스와 접촉하는 촉매층을 가지며, (iii) the electrode has a catalyst layer in contact with the aforementioned polymer electrolyte membrane or matrix,
(iv) 상기 촉매층은 적어도 하나의 이오노머 물질을 포함하는 것으로 이루어진 막 전극 접합체에 있어서, (iv) wherein the catalyst layer comprises at least one ionomer material,
적어도 음극과 접촉하는 상기 촉매층이 일반식(Ⅰ)의 반복 단위를 포함하는 고분자를 이오노머 물질로서 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체에 관한 것이다.A membrane electrode assembly, characterized in that the catalyst layer in contact with at least the cathode comprises a polymer comprising a repeating unit of formula (I) as an ionomer material.
상기 식에서, (a)Wherein (a)
Ar은 동일하거나 다르고 4가 공유결합 방향족기 또는 4가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, 또한 Ar is the same or different and represents a tetravalent covalent aromatic group or a tetravalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic, and also
X는 동일하거나 다르고 N, O, S를 나타내며 또한X is the same or different and represents N, O, S
R1은 동일하거나 다르고 하기 화학식의 2가 기를 나타내며 또한,R 1 is the same or different and represents a divalent group of the formula:
Ar1, Ar2는 동일하거나 다르고 2가 공유결합 방향족기 또는 2가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 1 , Ar 2 are the same or different and represent a divalent covalent aromatic group or a divalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic,
Z1은 동일하거나 다르고 2가 알킬기 및/또는 2가 방향족기를 나타내며, 여기서 적어도 하나의 수소 원자가 불소 원자로 치환되고, 또한Z 1 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, wherein at least one hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, and
n 은 0.1 내지 99.9 몰%이거나,n is 0.1 to 99.9 mol%, or
또는 (b)Or (b)
Ar은 동일하거나 다르고 하기 화학식의 4가 공유결합 기를 나타내며Ar is the same or different and represents a tetravalent covalent group of the formula
Ar3, Ar4는 동일하거나 다르고 3가 공유결합 방향족기 또는 3가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 3 , Ar 4 are the same or different and represent a trivalent covalent aromatic group or a trivalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic,
Z2는 동일하거나 다르고 2가 알킬기 및/또는 2가 방향족기를 나타내며, 여기서 적어도 하나의 수소 원자가 불소 원자로 치환되고, 또한Z 2 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, wherein at least one hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, and
X는 동일하거나 다르고 N, O, S를 나타내며, 또한X is the same or different and represents N, O, S, and also
R1은 동일하거나 다르고 (i) 하기 화학식의 2가 기,R 1 is the same or different and (i) a divalent group of the formula:
여기서, Ar5, Ar6은 동일하거나 다르고 2가 공유결합 방향족기 또는 2가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Wherein Ar 5 and Ar 6 are the same or different and represent a divalent covalent aromatic group or a divalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic,
Z3는 동일하거나 다르고 N, O, S를 나타내며, Z 3 is the same or different and represents N, O, S,
또는 (ⅱ) 추가로 치환될 수 있는 2가 알킬기 및/또는 2가 방향족기를 나타내며, Or (ii) a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group which may be further substituted,
또한 Also
n은 0.1 내지 99.9 몰%이다.
n is 0.1 to 99.9 mol%.
두개의 대안적인 (a) 또는 (b)에서, n은 바람직하게는 40 내지 60 몰%, 가장 바람직하게는 50 몰%로, 상기 반복단위의 두 서브 유닛의 비율이 비슷하거나 동등하다.
In two alternatives (a) or (b), n is preferably 40 to 60 mol%, most preferably 50 mol%, in which the proportions of the two subunits of the repeating unit are similar or equivalent.
두개의 대안적인 (a) 또는 (b)에서, X는 N 또는 O를 나타내는 것이 바람직하다. 대안적 (b)에서 X는 O를 나타내는 것이 바람직하다.
In two alternatives (a) or (b), X preferably represents N or O. In alternative (b) it is preferred that X represents O.
바람직하게는, Z1 및/또는 Z2의 알킬은 서로 독립적으로 1 내지 6 개의 탄소 원자를 가지는 짧은-사슬 2가 알킬기, 예를 들어 메틸, 에틸, n-프로필 또는 i-프로필 및 n-, i-, 또는 t-부틸, n-, i-, 또는 t-펜탄, n-, i-, 또는 t-헥산을 나타낸다.
Preferably, the alkyl of Z 1 and / or Z 2 independently of one another is a short-chain divalent alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, for example methyl, ethyl, n-propyl or i-propyl and n-, i-, or t-butyl, n-, i-, or t-pentane, n-, i-, or t-hexane.
바람직하게는, Z1 및/또는 Z2의 알킬은 서로 독립적으로 1 내지 6 개의 탄소 원자를 가지는 짧은-사슬 2가 알킬기, 예를 들어 메틸, 에틸, n-프로필 또는 i-프로필 및 n-, i-, 또는 t-부틸, n-, i-, 또는 t-펜탄, n-, i-, 또는 t-헥산을 나타내고, 여기서 적어도 하나의 탄소 원자가 과불화되거나 또는 적어도 하나의 탄소 원자가 적어도 하나의 (CF3)-기, 가장 바람직하게는 두 개의 (CF3)-기로 치환되어 -C(CF3)2-기를 형성한다.
Preferably, the alkyl of Z 1 and / or Z 2 independently of one another is a short-chain divalent alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, for example methyl, ethyl, n-propyl or i-propyl and n-, i-, or t-butyl, n-, i-, or t-pentane, n-, i-, or t-hexane, wherein at least one carbon atom is perfluorinated or at least one carbon atom is at least one A (CF 3 )-group, most preferably two (CF 3 ) -groups, to form a -C (CF 3 ) 2 -group.
바람직하게는, Z1 및/또는 Z2의 방향족기는 서로 독립적으로 5 내지 6 개의 탄소 원자를 가지는 2가 방향족기를 나타내고, 여기서 하나 이상의 탄소 원자가 N, O 또는 S로부터 선택된 헤테로원자로 치환될 수 있고, 여기서 적어도 하나의 탄소 원자가 과불화되거나 또는 적어도 하나의 탄소 원자가 적어도 하나의 (CF3)-기, 또는 적어도 하나의 (CF3)-기, 가장 바람직하게는 두개의 (CF3)-기로 치환된 2 내지 6 개의 탄소 원자를 가지는 알킬기로 치환되어 -C(CF3)2-기를 형성하거나 또는 말단 -C(CF3)3기로 치환된다.
Preferably, the aromatic groups of Z 1 and / or Z 2 independently represent a divalent aromatic group having 5 to 6 carbon atoms, wherein one or more carbon atoms may be substituted with a heteroatom selected from N, O or S, wherein at least one carbon atom is perfluorinated or at least one carbon atom, at least one of (CF 3) - group, or at least one of (CF 3) - group, and most preferably two (CF 3) - group is substituted Substituted with an alkyl group having 2 to 6 carbon atoms to form a -C (CF 3 ) 2 -group or substituted with a terminal -C (CF 3 ) 3 group.
바람직하게는, 대안적 (b)에서 R1은 서로 독립적으로 1 내지 10 개의 탄소 원자를 가지는 2가 알킬기, 예를 들어 메틸, 에틸, n-프로필 또는 i-프로필 및 n-, i-, 또는 t-부틸, n-, i-, 또는 t-펜탄, n-, i-, 또는 t-헥산을 나타낸다.
Preferably, in alternative (b) R 1 is independently of each other a divalent alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, for example methyl, ethyl, n-propyl or i-propyl and n-, i-, or t-butyl, n-, i-, or t-pentane, n-, i-, or t-hexane.
바람직하게는, 대안적 (b)에서 R1은 서로 독립적으로 5 내지 6 개의 탄소원자를 가지는 2가 방향족기를 나타내고, 여기서 하나 이상의 탄소 원자가 N, O 또는 S로부터 선택되는 헤테로 원자에 의해 치환될 수 있다.
Preferably, in alternative (b) R 1 represents a divalent aromatic group having 5 to 6 carbon atoms, independently of one another, wherein one or more carbon atoms may be substituted by a hetero atom selected from N, O or S .
바람직한 2가 공유결합 방향족 또는 2가 공유결합 헤테로방향족기 Ar1, Ar2, Ar5, Ar6은 서로 독립적으로 5 내지 20 개의 탄소 원자를 가지는 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭, 축합 또는 비축합, 방향족 또는 헤테로방향족 고리 시스템을 나타내고, 여기서 하나 이상의 탄소 원자가 N, O, S에 의해 치환될 수 있다. 상기 2가 방향족 또는 2가 헤테로방향족기 Ar1, Ar2, Ar5, Ar6은 추가 라디칼에 의해 치환될 수 있다.
Preferred divalent covalent aromatic or divalent covalent heteroaromatic groups Ar 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 are independently monocyclic, bicyclic or polycyclic, condensed having 5 to 20 carbon atoms Or a non-condensed, aromatic or heteroaromatic ring system, wherein one or more carbon atoms may be substituted by N, O, S. The divalent aromatic or divalent heteroaromatic groups Ar 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 may be substituted by additional radicals.
가장 바람직한 2가 공유결합 방향족 또는 2가 공유결합 헤테로방향족기 Ar1, Ar2, Ar5, Ar6는 서로 독립적으로, 선택적으로 또한 치환될 수 있는 벤젠, 나프탈렌, 비페닐, 디페닐에테르, 디페닐메탄, 디페닐디메틸메탄, 비스페논, 디페닐술폰, 퀴놀린, 피리딘, 비피리딘, 피리다진, 피리미딘, 피라진, 트리아진, 테트라진, 피롤, 피라졸, 안트라센, 벤조피롤, 벤조트리아졸, 벤조옥사티아디아졸, 벤조옥사디아졸, 벤조피리딘, 벤조피라진, 벤조피라지딘, 벤조피리미딘, 벤조피라진, 벤조트리아진, 인돌리진, 퀴놀리진, 피리도피리딘, 이미다조피리미딘, 피라지노피리미딘, 카바졸, 아지리딘, 페나진, 벤조퀴놀린, 페녹사진, 페노티아진, 아크리디진(acridizine), 벤좁테리딘(benzopteridine), 페난트롤린 및 페난트렌으로부터 유도된다.
Most preferred divalent covalent aromatic or divalent covalent heteroaromatic groups Ar 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 are independently of each other, optionally substituted benzene, naphthalene, biphenyl, diphenylether, di Phenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrrole, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole , Benzooxadiadiazole, benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine, benzopyrazine, benzotriazine, indolizine, quinolizine, pyridopyridine, imidazopyrimidine , Pyrazinopyrimidine, carbazole, aziridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, benzopteridine, phenanthroline and phenanthrene.
바람직한 3가 공유결합 방향족 또는 3가 공유결합 헤테로방향족기 Ar3, Ar4는 서로 독립적으로 모노사이클릭, 바이사이클릭, 폴리사이클릭, 축합된, 5 내지 20 개의 탄소 원자를 가진 방향족 또는 헤테로방향족 고리 시스템을 나타내고, 여기서 하나 이상의 탄소 원자가 N, O, S에 의해 치환될 수 있다. 상기 3가 공유결합 방향족 또는 3가 공유결합 헤테로방향족기 Ar3, Ar4는 추가 라디칼에 의해 치환될 수 있다.
Preferred trivalent covalent aromatic or trivalent covalent heteroaromatic groups Ar 3 , Ar 4 are independently monocyclic, bicyclic, polycyclic, condensed, aromatic or heteroaromatic with 5 to 20 carbon atoms Ring system, wherein one or more carbon atoms may be substituted by N, O, S. The trivalent covalent aromatic or trivalent covalent heteroaromatic groups Ar 3 and Ar 4 may be substituted by additional radicals.
가장 바람직한 3가 공유결합 방향족 또는 3가 공유결합 헤테로방향족기 Ar3, Ar4는 서로 독립적으로, 선택적으로 치환될 수 있는, 벤젠, 나프탈렌, 비페닐, 디페닐에테르, 디페닐메탄, 디페닐디메틸메탄, 비스페논, 디페닐술폰, 퀴놀린, 피리딘, 비피리딘, 피리다진, 피리미딘, 피라진, 트리아진, 테트라진, 피롤, 피라졸, 안트라센, 벤조피롤, 벤조트리아졸, 벤조옥사티아디아졸, 벤조옥사디아졸, 벤조피리딘, 벤조피라진, 벤조피라지딘, 벤조피리미딘, 벤조피라진, 벤조트리아진, 인돌리진, 퀴놀리진, 피리도피리딘, 이미다조피리미딘, 피라지노피리미딘, 카바졸, 아지리딘, 페나진, 벤조퀴놀린, 페녹사진, 페노티아진, 아크리디진(acridizine), 벤좁테리딘(benzopteridine), 페난트롤린 및 페난트렌으로부터 유도된다.
Most preferred trivalent covalent aromatic or trivalent covalent heteroaromatic groups Ar 3 , Ar 4 are independently of one another, optionally substituted, benzene, naphthalene, biphenyl, diphenylether, diphenylmethane, diphenyldimethyl Methane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrrole, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole, benzoxathiadiazole , Benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazine, benzopyrimidine, benzopyrazine, benzotriazine, indolizine, quinolyzine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, Derived from carbazole, aziridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, benzopteridine, phenanthroline and phenanthrene.
바람직한 4가 공유결합 방향족 또는 4가 공유결합 헤테로방향족기 Ar은 서로 독립적으로 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭, 축합 또는 비축합된, 5 내지 20 개의 탄소 원자를 가지는 방향족 또는 헤테로방향족 고리 시스템을 나타내고, 여기서 하나 이상의 탄소 원자가 N, O, S에 의해 치환될 수 있다. 상기 4가 공유결합 방향족 또는 4가 공유결합 헤테로방향족기 Ar은 추가 라디칼에 의해 치환될 수 있다.
Preferred tetravalent covalent aromatic or tetravalent covalent heteroaromatic groups Ar are independently of each other monocyclic, bicyclic or polycyclic, condensed or uncondensed aromatic or heteroaromatic rings having 5 to 20 carbon atoms System, wherein one or more carbon atoms may be substituted by N, O, S. The tetravalent covalent aromatic or tetravalent covalent heteroaromatic group Ar may be substituted by an additional radical.
가장 바람직한 4가 공유결합 방향족 또는 4가 공유결합 헤테로방향족기 Ar은 서로 독립적으로, 선택적으로 또한 치환될 수 있는 벤젠, 나프탈렌, 비페닐, 디페닐에테르, 디페닐메탄, 디페닐디메틸메탄, 비스페논, 디페닐술폰, 퀴놀린, 피리딘, 비피리딘, 피리다진, 피리미딘, 피라진, 트리아진, 테트라진, 피롤, 피라졸, 안트라센, 벤조피롤, 벤조트리아졸, 벤조옥사티아디아졸, 벤조옥사디아졸, 벤조피리딘, 벤조피라진, 벤조피라지딘, 벤조피리미딘, 벤조피라진, 벤조트리아진, 인돌리진, 퀴놀리진, 피리도피리딘, 이미다조피리미딘, 피라지노피리미딘, 카바졸, 아지리딘, 페나진, 벤조퀴놀린, 페녹사진, 페노티아진, 아크리디진(acridizine), 벤좁테리딘(benzopteridine), 페난트롤린 및 페난트렌으로부터 유도된다.
Most preferred tetravalent covalent aromatic or tetravalent covalent heteroaromatic groups Ar are independently of one another, optionally optionally substituted benzene, naphthalene, biphenyl, diphenylether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bispe Paddy, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrrole, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole, benzooxatiadiazole, benzooxadidia Sol, Benzopyridine, Benzopyrazine, Benzopyrazidine, Benzopyrimidine, Benzopyrazine, Benzotriazine, Indolizine, Quinolizine, Pyridopyridine, Imidazopyrimidine, Pyrazinopyrimidine, Carbazole, Aziri Derived from dine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, benzulteridine, phenanthroline and phenanthrene.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 일반식 (Ⅰ)의 반복단위를 포함하는 고분자는 적어도 10개의 일반식(Ⅰ)의 반복단위, 가장 바람직하게는 적어도 50개의 일반식 (Ⅰ)의 반복단위를 가진다. In a preferred embodiment of the invention, the polymer comprising repeat units of formula (I) has at least 10 repeat units of formula (I), most preferably at least 50 repeat units of formula (I). .
가장 바람직하게는, 일반식 (Ⅰ)의 반복단위를 포함하는 상기 고분자는 10000이상의 중량 평균 분자량 Mw(겔 투과 크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography)에 의해 측정)을 가진다.Most preferably, the polymer comprising a repeating unit of general formula (I) has a weight average molecular weight Mw (measured by Gel Permeation Chromatography) of 10000 or more.
가장 바람직하게는, 일반식 (Ⅰ)의 반복단위를 포함하는 상기 고분자는 5000 이상의 수 평균 분자량 Mn을 가진다.
Most preferably, the polymer comprising a repeating unit of general formula (I) has a number average molecular weight Mn of 5000 or more.
가장 바람직하게는, 일반식 (Ⅰ)의 반복단위를 포함하는 상기 고분자는 25℃의 온노에서 DMAc중에 적어도 0.5%wt의 용해도를 가진다.
Most preferably, the polymer comprising repeating units of formula (I) has a solubility of at least 0.5% wt in DMAc at 25 ° C. in a furnace.
본 발명에 따른 이오모너 물질은 촉매 물질의 함량에 대한 특정 비율로 음극의 촉매층에 위치하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 촉매층 내에서 촉매, 가장 전형적으로 귀금속의 함량은 0.1 내지 10.0 mg/cm2, 바람직하게는 0.3 내지 6.0 mg/cm2 및 특히 바람직하게는 1 내지 4.0 mg/cm2이다. 그러므로, 이오노머 물질과 촉매의 중량비는 바람직하게는 100:1 내지 1;100, 가장 바람직하게는 10:1 내지 1:10이다. 특히 바람직한 비율은 1:8 내지 1:3 이다. 이러한 함량 및 비율은 또한 필요에 따라 양극의 촉매층에도 또한 적용될 수 있다.
The ionomer material according to the invention is preferably located in the catalyst layer of the cathode in a specific proportion to the content of the catalyst material. Typically, the content of the catalyst, most typically the noble metal, in the catalyst bed is 0.1 to 10.0 mg / cm 2 , preferably 0.3 to 6.0 mg / cm 2 and particularly preferably 1 to 4.0 mg / cm 2 . Therefore, the weight ratio of ionomer material to catalyst is preferably from 100: 1 to 1; 100, most preferably from 10: 1 to 1:10. Particularly preferred ratio is 1: 8 to 1: 3. Such contents and ratios may also be applied to the catalyst layer of the anode as necessary.
일반식 (Ⅰ)의 단위구조를 포함하는 고분자는 하기 단계 A) 및 B)에 의해 생산될 수 있다. The polymer including the unit structure of general formula (I) can be produced by the following steps A) and B).
A) 하나 이상의 방향족 디-, 트리- 또는 테트라아미노 화합물을 하나 이상의 방향족 카르복시산 또는 그들의 에스테르와 혼합하고, 카르복시산 모노머당 적어도 두개의 산기를 포함하며, 여기서 적어도 하나의 디-, 트리- 또는 테트라아미노 화합물 또는 방향족 카르복시산은 적어도 하나의 불소 원자/불화된 것을 수반하며, 또는A) At least one aromatic di-, tri- or tetraamino compound is mixed with at least one aromatic carboxylic acid or ester thereof and comprises at least two acid groups per carboxylic acid monomer, wherein at least one di-, tri- or tetraamino compound Or the aromatic carboxylic acid carries at least one fluorine atom / fluorinated, or
하나 이상의 방향족 디아미노-디하이드록시 화합물을 하나 이상의 방향족 카르복시산 또는 그들의 에스테르와 혼합하고, 이들은 카르복시산 모노머당 적어도 두개의 산기를 포함하며, 여기서 적어도 하나의 디아미노-디하이드록시 화합물 또는 방향족 카르복실산은 적어도 하나의 불소 원자/불화된 것을 수반하며, 또는One or more aromatic diamino-dihydroxy compounds are mixed with one or more aromatic carboxylic acids or esters thereof, which comprise at least two acid groups per carboxylic acid monomer, wherein the at least one diamino-dihydroxy compound or aromatic carboxylic acid Involving at least one fluorine atom / fluorinated, or
하나 이상의 방향족 및/또는 헤테로방향족 디아미노카르복실 산을 혼합하고, 여기서 적어도 하나의 디아미노카르복실 산은 적어도 하나의 불소 원자/불화된 것을 수반하고,Mixing at least one aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acid, wherein at least one diaminocarboxylic acid is accompanied by at least one fluorine atom / fluorinated,
이는 폴리인산 중에서 용액 및/또는 분산액을 형성하는 단계This is a step of forming a solution and / or dispersion in polyphosphoric acid.
B) 단계 A)의 혼합물을 불활성기체하에서 350℃까지, 바람직하게는 280℃까지의 온도로 가열하여 일반식 (Ⅰ)의 반복단위를 포함하는 고분자를 제조하는 단계.
B) preparing a polymer comprising repeating units of formula (I) by heating the mixture of step A) to a temperature of up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C. under an inert gas.
단계 B)에서 얻어진 혼합물은, 촉매층, 특히 후에 음극과 접촉하는 촉매층에서 이오노머로서 일반식 (Ⅰ)의 반복단위를 포함하는 고분자를 혼입하는데 바로 사용될 수 있다.
The mixture obtained in step B) can be used directly to incorporate a polymer comprising repeating units of the general formula (I) as ionomer in the catalyst layer, in particular in the catalyst layer later contacted with the negative electrode.
대체경로로, 단계 B)에서 얻어진 혼합물은 비-용매 예를 들어 물 또는 물 함유 매질 내에서 고분자를 침전하며, 필요하다면 건조시켜 처음으로 분리될 수 있다. 만약 이런 경로가 선택되는 경우, 일반식(Ⅰ)의 반복단위를 포함하는 고분자는 촉매층, 특히 후에 음극과 접하는 촉매층에 이오노머로서 혼입되기 위하여, 용매 예를 들어 DMAc, 인산 또는 폴리 인산에 용해되어야 한다.
As an alternative route, the mixture obtained in step B) can be separated for the first time by precipitating the polymer in a non-solvent such as water or a water-containing medium and drying if necessary. If this route is chosen, the polymer comprising the repeating unit of formula (I) must be dissolved in a solvent, for example DMAc, phosphoric acid or polyphosphoric acid, in order to be incorporated as an ionomer in the catalyst layer, in particular in the catalyst layer in contact with the cathode. .
양성자-전도성 고분자 전해질 막 및 매트릭스Proton-conducting polyelectrolyte membranes and matrices
본 발명의 목적에 적합한 고분자 전해질 막 및 전해질 매트릭스는, 각각 그 자체로 알려져 있다.
Polymer electrolyte membranes and electrolyte matrices suitable for the purposes of the present invention are each known per se.
알려진 고분자 전해질 막 뿐 아니라, 전해질 매트릭스도 또한 적합하다. 본 발명의 문맥에서, 상기 용어 "전해질 매트릭스"는 이온-전도성 물질 또는 혼합물이 매트릭스 내에 고정 또는 처리된 다른 매트릭스 재료-고분자 전해질 매트릭스 외-를 의미하는 것으로 이해된다.
In addition to known polymer electrolyte membranes, electrolyte matrices are also suitable. In the context of the present invention, the term "electrolyte matrix" is understood to mean other matrix materials-in addition to the polymer electrolyte matrix, in which the ion-conductive material or mixture is immobilized or treated in the matrix.
일반적으로, 산을 포함하는 고분자 전해질 막이 사용될 수 있으며 이때 상기 산은 고분자에 공유결합으로 결합될 수 있다. 또한, 평판 재료는 적절한 막을 생성하기 위하여 산으로 도핑될 수 있다.
In general, a polymer electrolyte membrane including an acid may be used, wherein the acid may be covalently bonded to the polymer. In addition, the plate material may be doped with an acid to produce a suitable film.
다른 방법 중에서도, 이들 도핑된 막은 산성 화합물을 포함하는 용액으로 평판 물질, 예를 들어 고분자 필름을 팽창시키거나, 또는 고분자와 산성화합물의 혼합물을 제조하고 이어서 평판구조의 형성에 의해 막을 형성하고 이어서 응고에 의해 막을 형성함으로써 생성될 수 있다.
Among other methods, these doped films can be expanded with a solution comprising an acidic compound to expand the plate material, for example a polymer film, or to prepare a mixture of the polymer and the acidic compound and then form the film by forming a plate structure and then solidify By forming a film.
그중에서도, 이러한 목적에 적합한 고분자는, 폴리올레핀, 예를 들어 폴리(클로로프렌), 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌, 폴리(p-자일렌). 폴리아릴메틸렌, 폴리스틸렌, 폴리메틸스틸렌, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 에테르, 폴리비닐 아민, 폴리(N-비닐 아세트아미드), 폴리비닐 이미다졸, 폴리비닐 카바졸, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 피리딘, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리헥사플루오로프로필렌, PPTE와 헥사플루오로프로필렌의, 퍼플루오로프로필비닐 에테르의, 트리플루오로니트로소메탄의, 카르브알콕시퍼플루오로알콕시비닐 에테르의 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리아크롤레인, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리시아노아크릴레이트, 폴리메타크릴이미드, 사이클로올레핀 공중합체, 특히 노르보르넨;Among them, suitable polymers for this purpose are polyolefins such as poly (chloroprene), polyacetylene, polyphenylene, poly (p-xylene). Polyarylmethylene, polystyrene, polymethylstyrene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl ether, polyvinyl amine, poly (N-vinyl acetamide), polyvinyl imidazole, polyvinyl carbazole, polyvinyl pyrrolidone Of polyfluoropyridine, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, PPTE and hexafluoropropylene, of perfluoropropylvinyl ether, of trifluoronitrosomethane, Copolymers of carvalkoxyperfluoroalkoxyvinyl ether, polychlorotrifluoroethylene, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyacrolein, polyacrylamide, polyacrylonitrile, polycyanoacrylate, polymetha Krylimide, cycloolefin copolymers, in particular norbornene;
골격에 C-O 결합을 가지는 고분자, 예를 들어 폴리아세탈, 폴리옥시메틸렌, 폴리에테르, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리에피클로로하이드린, 폴리테트라히드로푸란, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리에테르 케톤, 폴리에스터, 특히 폴리하이드록시 아세트산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리하이드록시벤조네이트, 폴리하이드록시프로피온산, 폴리피발로락톤, 폴리카프로락톤, 폴리말론산, 폴리카르보네이트;Polymers having CO bonds in the backbone, for example polyacetals, polyoxymethylenes, polyethers, polypropylene oxides, polyepichlorohydrins, polytetrahydrofurans, polyphenylene oxides, polyether ketones, polyesters, in particular poly Hydroxy acetic acid, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyhydroxybenzoate, polyhydroxypropionic acid, polypivalolactone, polycaprolactone, polymalonic acid, polycarbonate;
골격에 C-S 결합을 가지는 고분자, 예를 들어 폴리설파이드 에테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰;Polymers having a C-S bond in the backbone such as polysulfide ether, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyethersulfone;
골격에 C-N 결합을 가지는 고분자, 예를 들어 폴리이민, 폴리이소시아니드, 폴리에테르이민, 폴리에테르이미드, 폴리아닐린, 폴리아라미드, 폴리아미드, 폴리하이드라지드, 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리아졸, 폴리아졸 에테르 케톤, 폴리아진;Polymers having CN bonds in the backbone, such as polyimines, polyisocyanides, polyetherimines, polyetherimides, polyanilines, polyaramids, polyamides, polyhydrazides, polyurethanes, polyimides, polyazoles, polyazoles Ether ketones, polyazines;
액정성 고분자, 특히 Vectra, 뿐만 아니라Liquid crystalline polymers, especially Vectra, as well as
무기고분자, 예를 들어 폴리실란, 폴리카르보실란, 폴리실록산, 폴리실리식산, 폴리실리케이트, 실리콘, 폴리포스파젠 및 폴리티아질Inorganic polymers such as polysilane, polycarbosilane, polysiloxane, polysilic acid, polysilicate, silicone, polyphosphazene and polythiazyl
을 포함한다.
.
이와 관련하여, 알칼리 고분자는 특히 산으로 도핑된 막에 적용하는데 바람직하다. 양성자가 이동할 수 있는 거의 모든 알려진 고분자 막은 산이 도핑된 알칼리 고분자 막으로서 고려된다. 여기서, 산은 예를 들어 소위 "그로투스 매커니즘(Grotthus mechanism)" 방법으로, 부가적인 물 없이 양성자를 운반할 수 있는 것이 바람직하다.
In this connection, alkali polymers are particularly preferred for application to membranes doped with acids. Almost all known polymer membranes to which protons can migrate are considered as acid-doped alkali polymer membranes. Here, the acid is preferably capable of carrying protons without additional water, for example by the so-called "Grotthus mechanism" method.
본 발명에서의 알칼리 고분자로, 반복단위에 적어도 하나의 질소 원자를 가진 알칼리 고분자가 바람직하게 사용된다.
As the alkali polymer in the present invention, an alkali polymer having at least one nitrogen atom in the repeating unit is preferably used.
바람직한 구현예에 따르면, 알칼리 고분자의 반복 단위는 적어도 하나의 질소 원자를 가진 방향족 고리를 포함한다. 방향족 고리는 하나 내지 세개의 질소 원자를 가진 5-원 또는 6-원 고리가 바람직하고, 이는 다른 고리, 특히 다른 방향족 고리에 합쳐질 수 있다.
According to a preferred embodiment, the repeating unit of the alkaline polymer comprises an aromatic ring having at least one nitrogen atom. Aromatic rings are preferably 5- or 6-membered rings having one to three nitrogen atoms, which may be combined with other rings, in particular with other aromatic rings.
본 발명의 특별한 양상에 따르면, 하나의 반복단위 또는 상이한 반복단위 안에 적어도 하나의 질소, 산소 및/또는 황 원자를 포함하는 고온에서 안정한 고분자가 사용된다.
According to a particular aspect of the present invention, polymers are used that are stable at high temperatures containing at least one nitrogen, oxygen and / or sulfur atom in one repeating unit or in a different repeating unit.
본 발명의 문맥에서, 고온에서 안정하다는 것은 고분자가 고분자 전해질로서 120℃이상 온도의 연료전지 안에서 장기간에 걸쳐 조작할 수 있다는 것을 의미한다. 장기간이란 본 발명에 따른 막이, 적어도 80℃, 바람직하게는 적어도 120℃, 특히 바람직하게는 적어도 160℃의 온도에서, 적어도 100시간, 바람직하게는 적어도 500시간 동안, WO 01/18894 A2에 기재된 방법에 따라 측정된 초기 성능을 기준으로 하여, 성능이 50% 이상 감소함 없이 조작할 수 있는 것을 의미한다.
In the context of the present invention, stable at high temperatures means that the polymer can be operated for a long time in a fuel cell at a temperature of 120 ° C. or higher as the polymer electrolyte. Long term means that the membrane according to the invention is described in WO 01/18894 A2 for at least 100 hours, preferably at least 500 hours, at a temperature of at least 80 ° C., preferably at least 120 ° C., particularly preferably at least 160 ° C. Based on the initial performance measured according to, it means that the performance can be operated without a reduction of more than 50%.
상기 언급된 고분자는 개별적으로 또는 혼합물(블렌드)로서 사용될 수 있다. 여기서, 바람직한 것은 특히 폴리아졸 및/또는 폴리술폰을 포함하고 있는 블렌드이다. 이런 맥락에서, 바람직한 블렌드 구성성분은, WO 02/36249에 기재된 바와 같이 폴리에테르술폰, 폴리에테르 케톤 및 술폰산기로 개질된 고분자이다. 블렌드 사용에 의해, 기계적 특성이 개선되고 재료 비용이 감소할 수 있다.
The above-mentioned polymers can be used individually or as a mixture (blend). Preference is given here to blends which in particular comprise polyazoles and / or polysulfones. In this context, preferred blend components are polymers modified with polyethersulfones, polyether ketones and sulfonic acid groups as described in WO 02/36249. By using blends, mechanical properties can be improved and material costs can be reduced.
폴리아졸은 알칼리 고분자의 특히 바람직한 기로 구성된다. 폴리아졸 기반의 알칼리 고분자는 일반식 (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 포함한다. Polyazoles consist of particularly preferred groups of alkali polymers. Polyazole-based alkali polymers are of general formula (I) and / or (II) and / or (III) and / or (IV) and / or (V) and / or (VI) and / or (iii) and / Or (iii) and / or (iii) and / or (iii) and / or (xiii) and / or (xii) and / or (xIII) and / or (xiv) and / or (xV) and / or ( XVI) and / or (iii) and / or (iii) and / or (iii) and / or (iii) and / or (xi) and / or (xII).
상기 식에서, Where
Ar은 동일하거나 또는 다르고 4가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며,Ar is the same or different and represents a tetravalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar1은 동일하거나 또는 다르고 2가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 1 is the same or different and represents a divalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar2은 동일하거나 또는 다르고 2가 공유결합 또는 3가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 2 is the same or different and represents a divalent covalent or trivalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar3은 동일하거나 또는 다르고 3가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 3 is the same or different and represents a trivalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar4은 동일하거나 또는 다르고 3가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 4 is the same or different and represents a trivalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar5은 동일하거나 또는 다르고 4가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 5 is the same or different and represents a tetravalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar6은 동일하거나 또는 다르고 2가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 6 is the same or different and represents a divalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar7은 동일하거나 또는 다르고 2가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 7 is the same or different and represents a divalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar8은 동일하거나 또는 다르고 3가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 8 is the same or different and represents a trivalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar9은 동일하거나 또는 다르고 2가 공유결합 또는 3가 공유결합 또는 4가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 9 is the same or different and represents a divalent covalent or trivalent covalent or tetravalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar10은 동일하거나 또는 다르고 2가 공유결합 또는 3가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 10 is the same or different and represents a divalent covalent or trivalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
Ar11은 동일하거나 또는 다르고 2가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내며 이는 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, Ar 11 is the same or different and represents a divalent covalent aromatic or heteroaromatic group, which may be monocyclic or polycyclic,
X는 동일하거나 또는 다르고 산소, 황, 또는 수소원자를 수반하는 아미노기, 1-20 탄소 원자를 갖는기, 바람직하게는 분지 또는 분지되지 않은 알킬 또는 알콕시, 또는 추가의 작용기로서 아릴기이다. X is an amino group which is the same or different and carries an oxygen, sulfur or hydrogen atom, a group having 1-20 carbon atoms, preferably branched or unbranched alkyl or alkoxy, or an aryl group as a further functional group.
R은 동일하거나 또는 다르고 화학식(XX)의 R이 수소가 아니라는 조건하에서, 수소, 알킬기 및 방향족기를 나타내고, 또한 n, m은 각각 10과 같거나 큰 정수, 바람직하게는 100과 같거나 큰 정수이다.
R is the same or different and under the condition that R in formula (XX) is not hydrogen, hydrogen, an alkyl group and an aromatic group, and n and m are each an integer greater than or equal to 10, preferably an integer greater than or equal to 100, respectively. .
바람직한 방향족 또는 헤테로방향족기는 선택적으로 치환될 수 있는 벤젠, 나프탈렌, 비페닐, 디페닐에테르, 디페닐메탄, 디페닐디메틸메탄, 비스페논, 디페닐술폰, 퀴놀린, 피리딘, 비피리딘, 피리다진, 피리미딘, 피라진, 트리아진, 테트라진, 피롤, 피라졸, 안트라센, 벤조피롤, 벤조트리아졸, 벤조옥사티아디아졸, 벤조옥사디아졸, 벤조피리딘, 벤조피라진, 벤조피라지딘, 벤조피리미딘, 벤조피라진, 벤조트리아진, 인돌리진, 퀴놀리진, 피리도피리딘, 이미다조피리미딘, 피라지노피리미딘, 카바졸, 아지리딘, 페나진, 벤조퀴놀린, 페녹사진, 페노티아진, 아크리디진(acridizine), 벤좁테리딘(benzopteridine), 페난트롤린 및 페난트렌으로부터 유도된다.
Preferred aromatic or heteroaromatic groups are optionally substituted benzene, naphthalene, biphenyl, diphenylether, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulphone, quinoline, pyridine, bipyridine, pyridazine, Pyrimidine, pyrazine, triazine, tetrazine, pyrrole, pyrazole, anthracene, benzopyrrole, benzotriazole, benzooxadiadiazole, benzooxadiazole, benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine , Benzopyrazine, benzotriazine, indolizine, quinolysine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aziridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, arc Derived from acridizine, benzopteridine, phenanthroline and phenanthrene.
이 경우, Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8 , Ar9, Ar10 , Ar11 은 어떠한 치환 패턴도 가질 수 있고, 예를 들어, 페닐렌의 경우, Ar1, Ar4, Ar6, Ar7, Ar8 , Ar9, Ar10 , Ar11은 오르토-페닐렌, 메타-페닐렌 및 파라-페닐렌일 수 있다. 특히 바람직한 기는 또한 치환될 수 있는 벤젠 및 비페닐렌으로부터 유도된다.
In this case, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 silver It may have any substitution pattern, for example, in the case of phenylene, Ar 1 , Ar 4 , Ar 6 , Ar 7 , Ar 8 , Ar 9 , Ar 10 , Ar 11 are ortho-phenylene, meta-phenylene And para-phenylene. Particularly preferred groups are also derived from benzene and biphenylene which may be substituted.
바람직한 알킬기는 1 내지 4 개의 탄소 원자를 가진 짧은-사슬 알킬기로, 예를 들어, 메틸, 에틸, n-프로필 또는 i-프로필 및 t-부틸기이다.
Preferred alkyl groups are short-chain alkyl groups having 1 to 4 carbon atoms, for example methyl, ethyl, n-propyl or i-propyl and t-butyl groups.
바람직한 방향족기는 페닐 또는 나프틸기이다. 상기 알킬기와 방향족기는 치환가능하다.
Preferred aromatic groups are phenyl or naphthyl groups. The alkyl group and the aromatic group may be substituted.
바람직한 치환기는 할로겐 원자로, 예를 들어 플루오린, 아미노기, 하이드록시기 또는 짧은-사슬 알킬기, 예를 들어 메틸 또는 에틸기이다.
Preferred substituents are halogen atoms, for example fluorine, amino groups, hydroxy groups or short-chain alkyl groups, for example methyl or ethyl groups.
바람직한 것은 반복단위의 작용기 X가 동일한 화학식(Ⅰ)의 반복 단위를 가지는 폴리아졸이다.
Preferred are polyazoles in which the functional group X of the repeating unit has the same repeating unit of formula (I).
폴리아졸은 이론상으로 다른 반복 단위 또한 가질 수 있고 이때 예를 들어, 작용기 X는 다르다. 그러나, 반복단위의 작용기 X가 동일한 것이 바람직하다.
The polyazoles may in theory also have other repeating units, where, for example, functional group X is different. However, it is preferable that the functional group X of the repeating unit is the same.
추가로 바람직한 폴리아졸 고분자는 폴리이미다졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조옥사졸, 폴리옥사디아졸, 폴리퀴녹살린, 폴리티아디아졸, 폴리(피리딘), 폴리(피리미딘) 및 폴리(테트라자피렌)이다.
Further preferred polyazole polymers include polyimidazole, polybenzothiazole, polybenzoxazole, polyoxadiazole, polyquinoxaline, polythiadiazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine) and poly (tetraza). Pyrene).
본 발명의 다른 구현예에서, 반복 아졸 단위를 포함하는 고분자는 블랜드 또는 공중합체이고 이는 화학식(Ⅰ) 내지 (ⅩⅩⅡ)의 서로 다른 적어도 두 단위를 포함한다. 상기 고분자는 블럭 공중합체(디블럭, 트리블럭), 랜덤 공중합체, 주기성 공중합체(periodic copolymer) 및/또는 교대 공중합체의 형태일 수 있다.
In another embodiment of the invention, the polymer comprising repeating azole units is a blend or copolymer which comprises at least two different units of formulas (I) to (XII). The polymer may be in the form of block copolymers (deblocks, triblocks), random copolymers, periodic copolymers and / or alternating copolymers.
본 발명의 특히 바람직한 구현예에서, 반복 아졸 단위를 포함하는 상기 고분자는 오직 화학식(Ⅰ) 및/또는 (Ⅱ)를 포함하는 폴리아졸이다.
In a particularly preferred embodiment of the invention, the polymer comprising repeating azole units is only a polyazole comprising formulas (I) and / or (II).
상기 고분자의 반복 아졸 단위의 수는 바람직하게는 10과 같거나 큰 정수이다. 특히 바람직한 고분자는 적어도 100개의 반복 아졸 단위를 포함한다.
The number of repeating azole units of the polymer is preferably an integer equal to or greater than 10. Particularly preferred polymers comprise at least 100 repeating azole units.
본 발명의 범위 안에서, 반복 벤즈이미다졸 단위를 포함하는 고분자가 바람직하다. 반복 벤즈이미다졸 단위를 포함하는 가장 유용한 고분자의 몇몇 예시가 하기 화학식들에 의해 나타나 있다.Within the scope of the present invention, polymers containing repeat benzimidazole units are preferred. Some examples of the most useful polymers containing repeat benzimidazole units are shown by the following formulae.
상기식에서, n 및 m은 각각 10과 같거나 큰 정수, 바람직하게는 100과 같거나 큰 정수이다.
Wherein n and m are each an integer greater than or equal to 10, preferably an integer greater than or equal to 100, respectively.
그러나, 사용되는 폴리아졸, 특히 상기 폴리벤즈이미다졸은 높은 분자량이 특징이다. 고유점도 측정시, 이것은 바람직하게는 적어도 0.2 dl/g, 더욱 바람직하게는 0.8 내지 10 dl/g, 특히 1 내지 10 dl/g이다.
However, the polyazoles used, in particular the polybenzimidazoles, are characterized by high molecular weights. In measuring the intrinsic viscosity, this is preferably at least 0.2 dl / g, more preferably 0.8 to 10 dl / g, in particular 1 to 10 dl / g.
이러한 폴리아졸의 제조는 하나 이상의 방향족 테트라아미노 화합물이 카르복실산 모노머당 적어도 두개의 산기를 포함하는 하나 이상의 방향족 카르복실산 또는 이의 에스테르와 용해물 중에서 반응하여, 프리폴리머를 형성하는 것으로 알려져있다. 얻어진 프리폴리머가 반응기 내에서 고화된 다음 기계적으로 분쇄된다. 가루가 된 프리폴리머는 통상적으로 400℃까지의 온도에서 고상 중합으로 완전히 중합된다.
The preparation of such polyazoles is known to react one or more aromatic tetraamino compounds in a melt with one or more aromatic carboxylic acids or esters thereof comprising at least two acid groups per carboxylic acid monomer to form a prepolymer. The prepolymer obtained is solidified in the reactor and then mechanically comminuted. The powdered prepolymer is usually fully polymerized by solid phase polymerization at temperatures up to 400 ° C.
그중에서도, 바람직한 방향족 카르복실산은 디카르복실 및 트리카르복실산 및 테트라카르복실산 또는 이의 에스테르 또는 이의 무수물 또는 이의 산 염화물이다. 마찬가지로 상기 용어 방향족 카르복실산은 또한 헤테로방향족 카르복실산을 포함한다.Among them, preferred aromatic carboxylic acids are dicarboxylic and tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or esters thereof or anhydrides thereof or acid chlorides thereof. Likewise the term aromatic carboxylic acid also includes heteroaromatic carboxylic acids.
바람직하게는, 방향족 디카르복실산은 이소프탈산, 테레프탈산, 프탈산, 5-하이드록시이소프탈산, 4-하이드록시이소프탈산, 2-하이드록시테레프탈산, 5-아미노이소프탈산, 5-N,N-디메틸아미노이소프탈산, 5-N,N-디에틸아미노이소프탈산, 2,5-디하이드록시테레프탈산, 2,6-디하이드록시이소프탈산, 4,6-디하이드록시이소프탈산, 2,3-디하이드록시프탈산, 2,4-디하이드록시프탈산, 3,4-디하이드록시프탈산, 3-플루오로프탈산, 5-플루오로이소프탈산, 2-플루오로테레프탈산, 테트라플루오로프탈산, 테트라플루오로이소프탈산, 테트라플루오로테레프탈산, 1,4-나프탈렌디카르복실산, 1,5-나프탈렌디카르복실산, 2,6-나프탈렌디카르복실산, 2,7-나프탈렌디카르복실산, 디페닉산(diphenic acid), 1,8-디하이드록시나프탈렌-3,6-디카르복실산, 디페닐 에테르-4,4'-디카르복실산, 벤조페논-4,4'-디카르복실산, 디페닐술폰-4,4'-디카르복실산, 비페닐-4,4'-디카르복실산, 4-트리플루오로메틸프탈산, 2,2-bis-(4-카르복시페닐)헥사플루오로프로판, 4,4'-스틸벤디카르복실산, 4-카르복시신남산 또는 이의 C1-C20 알킬 에스테르 또는 C5-C12 아릴 에스테르 또는 이의 산 무수물 또는 이의 산 염화물이다.
Preferably, the aromatic dicarboxylic acid is isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 5-hydroxyisophthalic acid, 4-hydroxyisophthalic acid, 2-hydroxyterephthalic acid, 5-aminoisophthalic acid, 5-N, N-dimethylamino Isophthalic acid, 5-N, N-diethylaminoisophthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydro Oxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 3-fluorophthalic acid, 5-fluoroisophthalic acid, 2-fluoroterephthalic acid, tetrafluorophthalic acid, tetrafluoroisophthalic acid , Tetrafluoroterephthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid ( diphenic acid), 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'-dicarboxylic acid, ben Zophenone-4,4'-dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, 2, 2-bis- (4-carboxyphenyl) hexafluoropropane, 4,4'-stilbendicarboxylic acid, 4-carboxycinnamic acid or C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester or acid anhydride thereof or It is an acid chloride.
상기 방향족 트리카르복실산, 테트라카르복실산 또는 이의 C1-C20 알킬 에스테르 또는 C5-C12 아릴 에스테르 또는 이의 산 무수물 또는 이의 산 염화물은 바람직하게는 1,3,5-벤젠트리카르복실산(트리메식산), 1,2,4-벤젠트리카르복실산(트리멜리트산), (2-카르복시페닐)이미노디아세트산, 3,5,3'-비페닐트리카르복실산 또는 3,5,4'-비페닐트리카르복실산이다.
The aromatic tricarboxylic acid, tetracarboxylic acid or C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester or acid anhydride thereof or acid chloride thereof is preferably 1,3,5-benzenetricarboxylic acid (trime Food acid), 1,2,4-benzenetricarboxylic acid (trimelitic acid), (2-carboxyphenyl) iminodiacetic acid, 3,5,3'-biphenyltricarboxylic acid or 3,5,4 ' -Biphenyltricarboxylic acid.
상기 방향족 테트라카르복실산 또는 이의 C1-C20 알킬 에스테르 또는 C5-C12 아릴 에스테르 또는 이의 산 무수물 또는 이의 산 염화물은 바람직하게는 3,5,3',5'-비페닐테트라카르복실산, 1,2,4,5-벤젠테트라카르복실산, 벤조페논테트라카르복실산, 3,3',4,4'-비페닐테트라카르복실산, 2,2',3,3'-비페닐테트라카르복실산, 1,2,5,6-나프탈렌테트라카르복실산 또는 1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복실산이다.
The aromatic tetracarboxylic acid or C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester or acid anhydride or acid chloride thereof is preferably 3,5,3 ', 5'-biphenyltetracarboxylic acid, 1, 2,4,5-benzenetetracarboxylic acid, benzophenonetetracarboxylic acid, 3,3 ', 4,4'-biphenyltetracarboxylic acid, 2,2', 3,3'-biphenyltetracar Acid, 1,2,5,6-naphthalenetetracarboxylic acid or 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic acid.
사용되는 상기 헤테로방향족 카르복실산은 바람직하게는 헤테로방향족 디카르복실산, 트리카르복실산 및 테트라카르복실산 또는 이의 에스테르 또는 이의 무수물이다. 헤테로방향족 카르복실산은 방향족기안에 적어도 하나의 질소, 산소, 황 또는 인 원자를 포함하는 방향족 시스템을 의미하는 것으로 이해된다. 이들은 바람직하게는 피리딘-2,5-디카르복실산, 피리딘-3,5-디카르복실산, 피리딘-2,6-디카르복실산, 피리딘-2,4-디카르복실산, 4-페닐-2,5-피리딘디카르복실산, 3,5-피라졸디카르복실산, 2,6-피리미딘디카르복실산, 2,5-피라진디카르복실산, 2,4,6-피리딘트리카르복실산 또는 벤즈이미다졸-5,6-디카르복실산 및 이의 C1-C20 알킬 에스테르 또는 C5-C12 아릴 에스테르 또는 이의 산 무수물 또는 이의 산 염화물이다.
The heteroaromatic carboxylic acids used are preferably heteroaromatic dicarboxylic acids, tricarboxylic acids and tetracarboxylic acids or esters thereof or anhydrides thereof. Heteroaromatic carboxylic acid is understood to mean an aromatic system comprising at least one nitrogen, oxygen, sulfur or phosphorus atom in an aromatic group. They are preferably pyridine-2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4- Phenyl-2,5-pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazoledicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2,5-pyrazinedicarboxylic acid, 2,4,6- Pyridinetricarboxylic acid or benzimidazole-5,6-dicarboxylic acid and its C1-C20 alkyl ester or C5-C12 aryl ester or acid anhydride or acid chloride thereof.
트리카르복실산 또는 테트라카르복실산의 함량은(사용된 디카르복실산을 기준으로 하여) 0 내지 30 몰%, 바람직하게는 0,1 내지 20 몰%, 특히 0,5 내지 10 몰% 이다.
The content of tricarboxylic acid or tetracarboxylic acid (based on the dicarboxylic acid used) is 0 to 30 mol%, preferably 0,1 to 20 mol%, in particular 0,5 to 10 mol% .
사용되는 상기 방향족 및 헤테로방향족 디아미노카르복실산은 바람직하게는 디아미노벤조산 또는 이의 모노하이드로클로라이드 및 디하이드로클로라이드 유도체이다.
The aromatic and heteroaromatic diaminocarboxylic acids used are preferably diaminobenzoic acids or their monohydrochloride and dihydrochloride derivatives.
바람직하게는, 적어도 2개의 다른 방향족 카르복실산 혼합물이 사용된다. 특히 바람직하게는, 방향족 카르복실산 외에도, 헤테로방향족 카르복실산을 또한 포함하는 혼합물이 사용된다. 방향족 카르복실산과 헤테로방향족 카르복실산의 혼합 비율은 1:99 내지 99:1, 바람직하게는 1:50 내지 50:1이다.
Preferably, at least two different aromatic carboxylic acid mixtures are used. Particularly preferably, in addition to aromatic carboxylic acids, mixtures which also contain heteroaromatic carboxylic acids are used. The mixing ratio of the aromatic carboxylic acid and the heteroaromatic carboxylic acid is 1:99 to 99: 1, preferably 1:50 to 50: 1.
이들 혼합물은 특히 N-헤테로방향족 디카르복실산 및 방향족 카르복실산의 혼합물이다. 이들의 비-제한적인 예는 이소프탈산, 테레프탈산, 프탈산, 2,5-디하이드록시테레프탈산, 2,6-디하이드록시이소프탈산, 4,6-디하이드록시이소프탈산, 2,3-디하이드록시프탈산, 2,4-디하이드록시프탈산, 3,4-디하이드록시프탈산, 1,4-나프탈렌디카르복실산, 1,5-나프탈렌디카르복실산, 2,6-나프탈렌디카르복실산, 2,7-나프탈렌디카르복실산, 디페닉산(diphenic acid), 1,8-디하이드록시나프탈렌-3,6-디카르복실산, 디페닐 에테르-4,4'-디카르복실산, 벤조페논-4,4'-디카르복실산, 디페닐술폰-4,4'-디카르복실산, 비페닐-4,4'-디카르복실산, 4-트리플루오로메틸프탈산, 피리딘-2,5-디카르복실산, 피리딘-3,5-디카르복실산, 피리딘-2,6-디카르복실산, 피리딘-2,4-디카르복실산,4-페닐-2,5-피리딘디카르복실산, 3,5-피라졸디카르복실산, 2,6-피리미딘디카르복실산, 2,5-피라진디카르복실산이다.
These mixtures are in particular mixtures of N-heteroaromatic dicarboxylic acids and aromatic carboxylic acids. Non-limiting examples of these are isophthalic acid, terephthalic acid, phthalic acid, 2,5-dihydroxyterephthalic acid, 2,6-dihydroxyisophthalic acid, 4,6-dihydroxyisophthalic acid, 2,3-dihydro Oxyphthalic acid, 2,4-dihydroxyphthalic acid, 3,4-dihydroxyphthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 1,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid , 2,7-naphthalenedicarboxylic acid, diphenic acid, 1,8-dihydroxynaphthalene-3,6-dicarboxylic acid, diphenyl ether-4,4'-dicarboxylic acid , Benzophenone-4,4'-dicarboxylic acid, diphenylsulfone-4,4'-dicarboxylic acid, biphenyl-4,4'-dicarboxylic acid, 4-trifluoromethylphthalic acid, pyridine -2,5-dicarboxylic acid, pyridine-3,5-dicarboxylic acid, pyridine-2,6-dicarboxylic acid, pyridine-2,4-dicarboxylic acid, 4-phenyl-2,5 -Pyridinedicarboxylic acid, 3,5-pyrazoledicarboxylic acid, 2,6-pyrimidinedicarboxylic acid, 2,5-pyrazinedicarboxylic acid to be.
그중에서도, 바람직한 방향족 테트라아미노 화합물은, 3,3',4,4'-테트라아미노비페닐, 2,3,5,6-테트라아미노피리딘, 1,2,4,5-테트라아미노벤젠, 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐 술폰, 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐 에테르, 3,3',4,4'-테트라아미노벤조페논, 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐메탄 및 3,3',4,4'-테트라아미노디페닐디메틸메탄 뿐 아니라 이의 염, 특히 이의 모노하이드로클로라이드, 디하이드로클로라이드, 트라이하이드로클로라이드 및 테트라하이드로클로라이드 유도체를 포함한다.
Among them, preferred aromatic tetraamino compounds are 3,3 ', 4,4'-tetraaminobiphenyl, 2,3,5,6-tetraaminopyridine, 1,2,4,5-tetraaminobenzene, 3, 3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyl sulfone, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenyl ether, 3,3 ', 4,4'-tetraaminobenzophenone, 3,3', 4,4'-tetraaminodiphenylmethane and 3,3 ', 4,4'-tetraaminodiphenyldimethylmethane as well as salts thereof, in particular monohydrochloride, dihydrochloride, trihydrochloride and tetrahydrochloride derivatives thereof It includes.
바람직한 폴리벤즈이미다졸은 상품명 ?Celazole로 상업적으로 입수가능하다.
Preferred polybenzimidazoles are commercially available under the tradename Celazole.
바람직한 고분자는, 폴리술폰, 특히 골격에 방향족 및/또는 헤테로방향족기를 가진 폴리술폰을 포함한다. 본 발명의 특별한 양태에 따라, 바람직한 폴리술폰 및 폴리에테르술폰은 ISO 1133에 따라 측정하였을때 40 cm3/10 min과 같거나 낮은, 특히 30 cm3/10 min과 같거나 낮은 및 특히 바람직하게는 20 cm3/10 min과 같거나 낮은 MVR 300/21.6 부피 비율로 녹는다. 여기서, 바람직한 것은 비카트연화온도(Vicat softening temperature) VST/A/50 가 180℃ 내지 230℃인 폴리술폰이다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구현예는, 폴리술폰의 수 평균 분자량이 30,000 g/mol 이상인 것이다.
Preferred polymers include polysulfones, especially polysulfones having aromatic and / or heteroaromatic groups in the backbone. Depending on the particular embodiment of the present invention, the preferred polysulfone and a polyether sulfone is equal to equal to 40 cm 3/10 min as measured according to ISO 1133 or lower, in particular 30 cm 3/10 min or lower, and particularly preferably 20 cm 3/10 min equal to or lower MVR 300 / 21.6 melt to volume ratio. Preferred here is polysulfone with a Vicat softening temperature VST / A / 50 of 180 ° C to 230 ° C. Another preferred embodiment of the invention is that the polysulphone has a number average molecular weight of at least 30,000 g / mol.
폴리술폰 기반의 고분자는 특히 하기 일반식 A,B,C,D,E,F 및/또는 G에 따른 술폰기가 연결된 반복단위를 가지는 고분자를 포함한다.
Polysulfone-based polymers include, in particular, polymers having repeating units linked with sulfone groups according to the general formulas A, B, C, D, E, F and / or G below.
상기식에서, 작용기 R은 서로 독립적으로, 동일하거나 또는 다르며 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타내고, 이들 작용기는 위에서 상세하게 설명되었다. 이들은 특히 1,2-페닐렌, 1,3-페닐렌, 1,4-페닐렌, 4,4'-비페닐, 피리딘, 퀴놀린, 나프탈렌, 페난트렌을 포함한다.
Wherein the functional groups R, independently of one another, are identical or different and represent aromatic or heteroaromatic groups, these functional groups being described in detail above. These include especially 1,2-phenylene, 1,3-phenylene, 1,4-phenylene, 4,4'-biphenyl, pyridine, quinoline, naphthalene, phenanthrene.
본 발명의 범위 내에서 바람직한 폴리술폰은 단일 중합체 또는 공중합체, 예를 들어 랜덤 공중합체를 포한다. 특히 바람직한 폴리술폰은 화학식 H 내지 N의 반복 단위를 포함한다.
Preferred polysulfones within the scope of the present invention include homopolymers or copolymers, for example random copolymers. Particularly preferred polysulfones comprise repeating units of the formulas H to N.
앞서 설명된 폴리술폰은 상품명 ?Victrex 200 P, ?Victrex 720 P, ?Ultrason E, ?Ultrason S, ?Mindel, ?Radel A, ?Radel R, ?Victrex HTA, ?Astrel 및 ?Udel 이란 상품명으로 상업적으로 입수할 수 있다.
The polysulfones described above are trade names ? Victrex 200 P ,? Victrex 720 P ,? Ultrason E ,? Ultrason S ,? Mindel ,? Radel A ,? Radel R ,? Victrex HTA ,? Astrel and ? Commercially available under the trade name Udel.
또한, 폴리에테르 케톤, 폴리에테트 케톤 케톤, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 에테르 케톤 케톤 및 폴리아릴 케톤이 특히 바람직하다. 이들 고-성능 고분자는 그 자체로 알려져 있고 상품명 Victrex?PEEKTM, ?Hostatec,?Kadel로 상업적으로 얻을 수 있다.
Also particularly preferred are polyether ketones, polyether ketone ketones, polyether ether ketones, polyether ether ketone ketones and polyaryl ketones. These high-performance polymers are known per se and are trade name Victrex ? PEEK TM ,? Hostatec ,? Available commercially as Kadel.
상기에 언급된 폴리술폰, 및 언급되는 폴리에테르 케톤, 폴리에테트 케톤 케톤, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 에테르 케톤 케톤 및 폴리아릴 케톤은, 이미 기재한 바와 같이, 알칼리 고분자와 블랜드 구성성분으로 존재할 수 있다. 또한, 상기 언급된 폴리술폰 및 상기 언급된 폴리에테르 케톤, 폴리에테트 케톤 케톤, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 에테르 케톤 케톤 및 폴리아릴 케톤은 고분자 전해질로서 술폰화된 형태로 사용될수 있고 이때 술폰화된 물질은 또한 블랜드 재료로서 알칼리 고분자, 특히 폴리아졸을 특징으로 할 수 있다. 알칼리 고분자 또는 폴리아졸에 대하여 나타내고 또한 바람직한 구현예는 이들 구현예에도 또한 적용된다.
The polysulfones mentioned above, and the polyether ketones, polyether ketone ketones, polyether ether ketones, polyether ether ketone ketones and polyaryl ketones mentioned, are present as alkali polymers and blend components, as already described. Can be. In addition, the aforementioned polysulfones and the aforementioned polyether ketones, polyether ketone ketones, polyether ether ketones, polyether ether ketone ketones and polyaryl ketones can be used in sulfonated form as the polymer electrolyte, wherein The material may also be characterized by alkali polymers, in particular polyazoles, as blend materials. Embodiments which are shown for alkali polymers or polyazoles and which are preferred also apply to these embodiments.
고분자 필름을 생산하기 위하여, 고분자, 바람직하게는 알칼리 고분자, 특히 피라졸이 극성, 비프로톤성 용매, 예를 들어 디메틸아세트아미드(DMAc)에 추가적인 단계로 용해될 수 있고 또한 필름은 기존 방법을 사용하여 생산될 수 있다.
To produce the polymer film, the polymer, preferably the alkali polymer, in particular pyrazole, can be dissolved in an additional step in a polar, aprotic solvent, for example dimethylacetamide (DMAc) and the film can also be used using conventional methods. Can be produced.
용매 잔여물을 제거하기 위하여, 이렇게 얻은 필름은 WO 02/07518에 기재된 바와 같이 세척용액으로 처리될 수 있다. 상기 언급된 특허 출원에 기재된 용매 잔여물을 제거하기 위한 폴리아졸 필름의 세척으로 인하여, 필름의 기계적 특성이 놀라울 정도로 개선된다. 이러한 특성은 특히 필름의 탄성계수, 인열강도 및 파괴강도를 포함한다.
In order to remove solvent residues, the film thus obtained can be treated with a washing solution as described in WO 02/07518. Due to the washing of the polyazole film to remove solvent residues described in the aforementioned patent applications, the mechanical properties of the film are surprisingly improved. These properties include in particular the elastic modulus, tear strength and fracture strength of the film.
그외에, 고분자 필름은 추가의 개질, 예를 들어 WO 02/070592 또는 WO 00/44816에 기재된 바와 같은 가교를 할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 알칼리 고분자 및 적어도 하나의 블랜드 구성성분을 포함하는 사용되는 고분자 필름은, WO 03/016384에 기재된 바와 같이 가교제를 추가적으로 함유한다.
In addition, the polymer film can be further modified, for example crosslinking as described in WO 02/070592 or WO 00/44816. In a preferred embodiment, the polymer film used comprising the alkali polymer and at least one blend constituent additionally contains a crosslinking agent as described in WO 03/016384.
폴리아졸 필름의 두께는 넓은 범위 안에 있을 수 있다. 바람직하게, 산으로 도핑되기 전의 폴리아졸 필름의 두께는 5 ㎛ 내지 2000 ㎛의 범위, 특히 바람직하게는 10 ㎛ 내지 1000 ㎛의 범위이다; 그러나, 이는 제한으로 여겨져서는 안된다.
The thickness of the polyazole film can be in a wide range. Preferably, the thickness of the polyazole film before doping with an acid is in the range of 5 μm to 2000 μm, particularly preferably in the range of 10 μm to 1000 μm; However, this should not be considered a limitation.
양성자 전도도를 얻기 위해서, 이러한 필름은 산으로 도핑된다. 여기에서, 산은 모든 알려진 루이스 및 브뢴스테드 산, 바람직하게는 무기물의 루이스 및 브뢴스테드 산을 포함한다.
In order to obtain proton conductivity, this film is doped with acid. Here, the acid includes all known Lewis and Bronsted acids, preferably the mineral Lewis and Bronsted acids.
또한, 다중산(polyacid), 특히 이소다중산 및 헤테로다중산 뿐 아니라 다른 산들의 혼합물의 사용 역시 가능하다. 여기서, 본 발명에서, 헤테로다중산은 적어도 두개의 다른 중심 원자를 가지는 무기 폴리산으로 정의되고, 각각은 부분적으로 혼합된 무수물로서 금속(바람직하게는 Cr, MO, V, W) 및 비금속(바람직하게는 As, I, P, Se, Si, Te)의 약한, 다염기 산소산을 형성한다. 그중에서도, 이는 12-포스포몰리브다틱산(12-phosphomolybdatic acid) 및 12-포스포텅스텐산을 포함한다.
It is also possible to use polyacids, in particular isopolyacids and heteropolyacids, as well as mixtures of other acids. Here, in the present invention, heteropolyacids are defined as inorganic polyacids having at least two different central atoms, each of which is a partially mixed anhydride, preferably metals (preferably Cr, MO, V, W) and nonmetals (preferably Forms weak, polybasic oxygen acids of As, I, P, Se, Si, Te). Among them, it includes 12-phosphomolybdatic acid and 12-phospho tungstic acid.
폴리아졸 필름의 전도도는 도핑 정도에 의해 영향을 받을 수 있다. 전기전도도는 최대값에 도달할때까지, 도핑 물질의 농도가 증가함에 따라 증가한다. 발명에 따른, 도핑 정도는 고분자 반복단위의 몰 당 산의 몰로 주어진다. 본 발명의 범위 내에서, 3 내지 50 사이, 특히 5 내지 40 사이의 도핑 정도가 바람직하다.
The conductivity of the polyazole film can be influenced by the degree of doping. The conductivity increases with increasing concentration of the dopant until the maximum value is reached. According to the invention, the degree of doping is given in moles of acid per mole of polymer repeating unit. Within the scope of the present invention, a degree of doping between 3 and 50, in particular between 5 and 40, is preferred.
특히 바람직한 도핑 물질은 황산 및 인산 또는 예를 들어 가수분해 중에 이러한 산을 방출하는 화합물이다. 특히 매우 바람직한 도핑 물질은 인산(H 3PO4)이다. 여기서, 높은 농도의 산이 일반적으로 사용된다. 본 발명의 특별한 양태에 따라, 인산의 농도는 도핑 물질의 중량을 기초로 하여 적어도 50 중량%, 바람직하게는 적어도 80 중량%이다.
Particularly preferred doping materials are sulfuric acid and phosphoric acid or compounds which release such acids during hydrolysis, for example. Particularly preferred doping material is phosphoric acid (H 3 PO 4 ). Here, high concentrations of acid are generally used. According to a particular embodiment of the invention, the concentration of phosphoric acid is at least 50% by weight, preferably at least 80% by weight, based on the weight of the doping material.
또한, 양성자-전도성 막은 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 얻을 수 있다.Proton-conducting membranes can also be obtained by a method comprising the following steps.
Ⅰ) 인산에 폴리머, 특히 폴리아졸을 용해하는 단계,I) dissolving a polymer, in particular polyazole, in phosphoric acid,
Ⅱ) 단계 A)에 따라 얻은 혼합물을 불활성 기체 하에서 400℃까지로 가열하는 단계,II) heating the mixture obtained according to step A) to 400 ° C. under inert gas,
Ⅲ) 단계 Ⅱ)에 따라 얻은 고분자 용액을 사용하여 지지체 위에 막을 형성하는 단계 및III) forming a film on the support using the polymer solution obtained according to step II) and
Ⅳ) 단계 Ⅲ)에서 형성된 막을 자체-지지 할때까지 처리하는 단계.
IV) treating the film formed in step III) until self-supporting.
또한, 도핑된 폴리아졸 필름은 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 얻을 수 있다.In addition, the doped polyazole film can be obtained by a method comprising the following steps.
A) 하나 이상의 방향족 테트라아미노 화합물을 카르복시산 모노머 당 적어도 두개의 산 기를 포함하는 하나 이상의 방향족 카르복실산 또는 이의 에스테르와 혼합하거나, 또는 폴리인산 중의 방향족 및/또는 헤테로방향족 디아미노카르복실산을 용액 및/또는 분산액의 형태로 혼합하는 단계. A) at least one aromatic tetraamino compound is mixed with at least one aromatic carboxylic acid or ester thereof comprising at least two acid groups per carboxylic acid monomer, or a solution of aromatic and / or heteroaromatic diaminocarboxylic acid in polyphosphoric acid and Mixing in the form of a dispersion.
B) 단계 A)에 따른 혼합물을 사용하여 지지체 또는 전극에 층을 형성하는 단계B) forming a layer on the support or electrode using the mixture according to step A)
C) 단계 B)에 따라 얻어진 평판 구조/층을 불활성 기체 하에서 350℃까지의 온도, 바람직하게는 280℃까지의 온도로 가열하여 폴리아졸 고분자를 형성하는 단계.C) heating the plate structure / layer obtained according to step B) to a temperature of up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C., under an inert gas to form a polyazole polymer.
D) 단계 C)의 생성된 막을 처리하는 단계(자체-지지성이 될때까지).
D) treating the resulting membrane of step C) (until becoming self-supporting).
단계 A)에서 사용되는 폴리인산은 통상의 폴리인산으로, 예를 들어, Riedel-de Haen으로부터 얻을 수 있다. 상기 폴리인산 Hn +2Pn03n +1(n>1)은 대개 적어도 83%의 농도를 가지고 있고, P205로 (산정량법에 의해) 계산된다. 모노머 용액 대신에, 분산/현탁액을 생성하는 것도 또한 가능하다. The polyphosphoric acid used in step A) is customary polyphosphoric acid, for example obtained from Riedel-de Haen. The polyphosphoric acid H n +2 P n 0 3n +1 (n> 1) usually has a concentration of at least 83% and is calculated by P 2 0 5 (by calculation method). Instead of the monomer solution, it is also possible to produce dispersions / suspensions.
단계 A)에서 생성되는 혼합물은 모든 모노머의 합에 대한 폴리 인산의 중량비로 1:10,000 내지 10,000:1, 바람직하게는 1:1000 내지 1000:1, 특히 1:100 내지 100:1 을 가진다.
The mixture produced in step A) has a weight ratio of polyphosphoric acid to the sum of all monomers in the range from 1: 10,000 to 10,000: 1, preferably from 1: 1000 to 1000: 1, in particular from 1: 100 to 100: 1.
단계 B)에 따른 층 형성은 고분자 필름 생산의 종래 기술로 알려진 (주입, 분무, 닥터 블레이드로 도포) 그 자체로 알려진 방법을 사용하여 수행된다. 상기 조건 하에서 불활성으로 고려되는 모든 지지체는 지지체로서 적합하다. 점도를 조절하기 위하여, 인산(농축. 인산, 85%)이 필요한 곳에 따라 용액에 첨가될 수 있다. 따라서, 점도는 원하는 값으로 조절될 수 있고 막의 형성이 촉진될 수 있다.
The layer formation according to step B) is carried out using a method known per se as known in the prior art of polymer film production (injection, spraying, application with a doctor blade). All supports considered inert under these conditions are suitable as supports. To adjust the viscosity, phosphoric acid (concentrated. Phosphoric acid, 85%) may be added to the solution as needed. Thus, the viscosity can be adjusted to the desired value and the formation of the film can be promoted.
단계 B)에 따라 생성되는 막은 10 내지 4000㎛, 바람직하게는 20 내지 4000㎛, 더 바람직하게는 30 내지 3500㎛, 특히 50 내지 3000㎛의 두께를 가진다.
The film produced according to step B) has a thickness of 10 to 4000 μm, preferably 20 to 4000 μm, more preferably 30 to 3500 μm, in particular 50 to 3000 μm.
단계 A)에 따른 혼합물이 트리카르복실산 또는 테트라카르복실산을 또한 포함하고 있는 경우, 생성된 고분자의 분지형/가교-결합이 그 안에서 얻어진다. 이것은 기계적 특성의 개선에 기여한다. 단계 C)에 따라 생성된 고분자 층의 처리는 층이 연료전지에 사용되기 위해 충분한 강도를 나타낼때까지 충분한 시간 동안 온도에서 수분 존재하에 수행된다. 상기 처리는 층이 자체-지지되는 정도로 수행되어 어떠한 손상도 없이 지지체로부터 이를 분리하는 것이 가능하다.
If the mixture according to step A) also comprises tricarboxylic acid or tetracarboxylic acid, branched / crosslinked-bonds of the resulting polymer are obtained therein. This contributes to the improvement of the mechanical properties. The treatment of the polymer layer produced according to step C) is carried out in the presence of moisture at a temperature for a sufficient time until the layer exhibits sufficient strength for use in the fuel cell. The treatment is carried out to such an extent that the layer is self-supporting and it is possible to separate it from the support without any damage.
단계 C)에 따라서, 단계 B)에서 얻어진 평판 구조는 350℃까지의 온도, 바람직하게는 280℃까지 및 특히 바람직하게는 200℃ 내지 250℃의 범위로 가열된다. 단계 C)에 사용되는 불활성 기체는 당업자에게 알려져 있다. 이들은 특히 질소 뿐 아니라 비활성기체, 예를 들어 네온, 아르곤, 헬륨을 포함한다.
According to step C), the plate structure obtained in step B) is heated to a temperature up to 350 ° C, preferably up to 280 ° C and particularly preferably in the range of 200 ° C to 250 ° C. Inert gases used in step C) are known to those skilled in the art. These include not only nitrogen but also inert gases, for example neon, argon, helium.
다른 방법에서, 올리고머 및/또는 고분자의 생성은 단계 A)의 혼합물을 350℃까지의 온도, 바람직하게는 280℃까지로 가열하는 것에 의해 미리 얻어질 수 있다. 선택된 온도 및 기간에 따라, 단계 C)의 가열을 전체적 또는 부분적으로 생략하는 것이 가능하다. 이 변화 또한 본 발명의 목적이다.
In another method, the production of oligomers and / or polymers can be obtained in advance by heating the mixture of step A) to a temperature up to 350 ° C., preferably up to 280 ° C. Depending on the temperature and the period selected, it is possible to omit the heating of step C) in whole or in part. This change is also an object of the present invention.
단계 D)의 막의 처리는 0℃ 이상 및 150℃ 이하의 온도, 바람직하게는 10℃ 내지 120℃ 사이의 온도, 특히 상온(20℃) 내지 90℃ 사이에서, 수분 또는 물 및/또는 증기 및/또는 85% 까지의 물-함유 인산의 존재에서 수행된다. 상기 처리는 바람직하게는 정상기압에서 수행되지만, 압력의 작용과 함께 수행될 수도 있다. 상기 처리가 충분한 수분의 존재에 의해 수행되고 이로 인해 폴리 인산이 부분적 가수분해에 의해 막을 응고시키며 저 분자량 폴리인산 및/또는 인산을 형성한다는 것은 필수적이다. The treatment of the membrane of step D) is carried out at moisture or water and / or steam and / or at temperatures of 0 ° C. and up to 150 ° C., preferably between 10 ° C. and 120 ° C., in particular between room temperature (20 ° C.) and 90 ° C. Or up to 85% in the presence of water-containing phosphoric acid. The treatment is preferably carried out at normal pressure, but may also be carried out with the action of pressure. It is essential that the treatment is carried out by the presence of sufficient moisture, whereby the polyphosphoric acid solidifies the membrane by partial hydrolysis and forms low molecular weight polyphosphoric acid and / or phosphoric acid.
상기 가수분해 유체는 용액일 수 있고 이때 유체는 또한 현탁된 및/또는 분산된 성분을 포함할 수 있다. 가수분해 유체의 점성은 넓은 범위 안에 있을 수 있고 이때 점도를 조절하기 위하여 용매의 첨가 또는 온도의 증가가 행해질 수 있다. 동역학 점도는 바람직하게는 0.1 내지 10,000 mPa*s의 범위, 특히 0.2 내지 2000 mPa*s이고, 이때 이들 값은 예를 들어 DIN 53015에 따라 측정될 수 있다.
The hydrolysis fluid may be a solution wherein the fluid may also include suspended and / or dispersed components. The viscosity of the hydrolysis fluid may be in a wide range, in which addition of a solvent or an increase in temperature may be done to control the viscosity. The kinematic viscosity is preferably in the range from 0.1 to 10,000 mPa * s, in particular from 0.2 to 2000 mPa * s, wherein these values can be measured according to DIN 53015, for example.
단계 D)에 따른 처리는 알려진 어떠한 방법으로도 행해질 수 있다. 예를 들어, 단계 C)에서 얻어진 막은 유체 욕에 침지할 수 있다. 또한, 가수분해 유체는 막 위로 분무될 수 있다. 또한, 가수분해 유체는 막 위로 주입될 수도 있다. 후자의 방법은 가수분해 중에 가수분해 유체의 산의 농도가 일정하게 유지된다는 장점을 가진다. 그러나, 실제로는 첫번째 방법이 대개 더 싸다.
The process according to step D) can be done in any known manner. For example, the membrane obtained in step C) can be immersed in a fluid bath. In addition, the hydrolysis fluid may be sprayed onto the membrane. The hydrolysis fluid may also be injected over the membrane. The latter method has the advantage that the acid concentration of the hydrolysis fluid remains constant during hydrolysis. In practice, however, the first method is usually cheaper.
인 및/또는 황의 옥소 산은 특히 포스핀산, 포스폰산, 인산, 하이포디포스폰산, 하이포이인산, 올리고인산, 아황산, 이중아황산 및/또는 황산을 포함한다. 이들 산은 단독 또는 혼합물로 사용될 수 있다.
Oxo acids of phosphorus and / or sulfur include, in particular, phosphinic acid, phosphonic acid, phosphoric acid, hypodiphosphonic acid, hypophosphoric acid, oligophosphoric acid, sulfurous acid, bisulfite and / or sulfuric acid. These acids can be used alone or in mixtures.
또한, 인 및/또는 황의 옥소 산은 자유-라디칼 중합에 의해 제조될 수 있는 모노머를 포함하며 포스폰산 및/또는 설폰산기를 포함한다.
In addition, oxo acids of phosphorus and / or sulfur include monomers that can be prepared by free-radical polymerization and include phosphonic acid and / or sulfonic acid groups.
포스폰산기를 포함하는 모노머는 당업계에 알려져 있다. 이들은 적어도 하나의 탄소-탄소 이중 결합 및 적어도 하나의 포스폰산기를 가지는 화합물이다. 바람직하게, 탄소-탄소 이중 결합을 형성하는 두 개의 탄소는 이중 결합의 작은 입체 장애를 야기하는 기에 적어도 2개, 바람직하게는 3개의 결합을 가진다. 그중에서도, 이들 기는 수소 원자 및 할로겐 원자, 특히 플루오로 원자를 포함한다. 본 발명의 범위 내에서, 포스폰산기를 포함하는 고분자는, 포스폰산기를 포함하는 모노머 단독 또는 다른 모노머 및/또는 가교제의 중합에 의해 얻어지는 중합 생성물로부터 생성된다.
Monomers comprising phosphonic acid groups are known in the art. These are compounds having at least one carbon-carbon double bond and at least one phosphonic acid group. Preferably, the two carbons forming the carbon-carbon double bond have at least two, preferably three bonds in the group causing small steric hindrance of the double bond. Among these, these groups include hydrogen atoms and halogen atoms, in particular fluoro atoms. Within the scope of the present invention, a polymer containing a phosphonic acid group is produced from a polymerization product obtained by polymerization of a monomer containing a phosphonic acid group alone or other monomers and / or crosslinking agents.
포스폰산기를 포함하는 상기 모노머는 하나, 둘, 셋 또는 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 포함할 수 있다. 또한 포스폰산기를 포함하는 상기 모노머는 하나, 둘, 셋 또는 이상의 포스폰산기를 포함할 수 있다.
The monomer comprising a phosphonic acid group may comprise one, two, three or more carbon-carbon double bonds. In addition, the monomer including a phosphonic acid group may include one, two, three or more phosphonic acid groups.
일반적으로, 포스폰산기를 포함하는 모노머는 2 내지 20, 바람직하게는 2 내지 10 개의 탄소 원자를 포함한다.
In general, monomers comprising phosphonic acid groups comprise 2 to 20, preferably 2 to 10 carbon atoms.
포스폰산 기를 포함하는 모노머는 바람직하게는 화학식의 화합물이다. Monomers comprising phosphonic acid groups are preferably compounds of the formula.
상기식에서, In this formula,
R은 결합, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌기, 2가 공유결합 C1-C15 아릴렌옥시기, 예를 들어 에틸렌옥시기, 또는 2가 공유결합 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그자체는 할로겐, -OH, COOZ, -CN, NZ2로 치환될 수 있으며,R represents a bond, a divalent covalent C1-C15 alkylene group, a divalent covalent C1-C15 aryleneoxy group, for example an ethyleneoxy group, or a divalent covalent C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein The functional groups mentioned may be substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z는 서로 독립적으로 수소, C1-C15 알킬기, C1-C15 알콕시기, 에틸렌옥시기 또는 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그자체는 할로겐, -OH, -CN으로 치환될 수 있고, 또한 Z independently of one another represents hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the above-mentioned functional groups themselves are substituted with halogen, -OH, -CN Can also be
x는 정수 1,2,3,4,5,6,7,8,9 또는 10을 나타내고x represents an integer 1,2,3,4,5,6,7,8,9 or 10
y는 정수 1,2,3,4,5,6,7,8,9 또는 10을 나타내고,y represents an integer 1,2,3,4,5,6,7,8,9 or 10,
및/또는 하기 화학식And / or the following formula
상기식에서,In this formula,
R은 결합, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌기, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌옥시기, 예를 들어 에틸렌옥시기, 또는 2가 공유결합 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, COOZ, -CN, NZ2로 치환될 수 있으며,R represents a bond, a divalent covalent C1-C15 alkylene group, a divalent covalent C1-C15 alkyleneoxy group, for example an ethyleneoxy group, or a divalent covalent C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein The functional groups mentioned may be substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z는 서로 독립적으로 수소, C1-C15 알킬기, C1-C15 알콕시기, 에틸렌옥시기 또는 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, -CN으로 치환될 수 있고, 또한Z independently of one another represents hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the above-mentioned functional groups themselves are substituted with halogen, -OH, -CN Can also be
x는 정수 1,2,3,4,5,6,7,8,9 또는 10을 나타내고,x represents an integer 1,2,3,4,5,6,7,8,9 or 10,
및/또는 하기 화학식And / or the following formula
상기식에서, In this formula,
A는 화학식 COOR2, CN, CONR2 2, OR2, 및/또는 R2를 나타내고, 이때 R2는 수소, C1-C15 알킬기, C1-C15 알콕시기, 에틸렌옥시기 또는 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기이고, 이때 상기-언급한 작용기 그자체는 할로겐, -OH, COOZ, -CN, NZ2로 치환될 수 있으며,A represents the formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 , and / or R 2 , wherein R 2 is hydrogen, C 1 -C 15 alkyl group, C 1 -C 15 alkoxy group, ethyleneoxy group or C 5 -C 20 aryl or hetero Aryl group, wherein the above-mentioned functional groups themselves are halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 Can be substituted,
R은 결합, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌기, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌옥시기, 예를 들어 에틸렌옥시기, 또는 2가 공유결합 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, COOZ, -CN, NZ2로 치환될 수 있으며,R represents a bond, a divalent covalent C1-C15 alkylene group, a divalent covalent C1-C15 alkyleneoxy group, for example an ethyleneoxy group, or a divalent covalent C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein The functional groups mentioned may be substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z는 서로 독립적으로 수소, C1-C15 알킬기, C1-C15 알콕시기, 에틸렌옥시기 또는 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, -CN으로 치환될 수 있고, 또한 Z independently of one another represents a hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group or a C5-C20 aryl or heteroaryl group wherein the above-mentioned functional groups themselves are substituted with halogen, -OH, -CN Can also
x는 정수 1,2,3,4,5,6,7,8,9 또는 10을 나타낸다.
x represents the integer 1,2,3,4,5,6,7,8,9 or 10.
포스폰산기를 포함하는 바람직한 모노머는, 특히 포스폰기를 포함하는 알켄, 예를 들어 에텐포스폰산, 프로펜포스폰산, 부텐포스폰산; 포스폰산기를 포함하는 아크릴산 화합물 및/또는 메타크릴산 화합물, 예를 들어 2-포스포노메틸아크릴산, 2-포스포노메틸메타크릴산, 2-포스포노메틸아크릴아미드 및 2-포스포노메틸메타크릴아미드를 포함한다.
Preferred monomers comprising phosphonic acid groups include, in particular, alkenes comprising phosphonic groups, for example ethenephosphonic acid, propenephosphonic acid, butenephosphonic acid; Acrylic acid compounds and / or methacrylic acid compounds containing phosphonic acid groups, for example 2-phosphonomethylacrylic acid, 2-phosphonomethylmethacrylic acid, 2-phosphonomethylacrylamide and 2-phosphonomethylmethacryl Amides.
상업적으로 입수가능한, 예를 들어 Aldrich 또는 Clariant GmbH 사로부터 얻을 수 있는 비닐포스폰산(에텐포스폰산)이 특히 바람직하게 사용된다. 바람직한 비닐포스폰산은 70%이상, 바람직하게는 90% 및 특히 바람직하게는 97%이상의 순도를 가지고 있다.
Particular preference is given to vinylphosphonic acids (ethenephosphonic acids) which are commercially available, for example available from Aldrich or Clariant GmbH. Preferred vinylphosphonic acids have a purity of at least 70%, preferably at least 90% and particularly preferably at least 97%.
포스폰산기를 포함하는 모노머는 이후에 산으로 전환될 수 있는 유도체의 형태로 또한 사용될 수 있으며, 이때 산으로의 전환은 또한 중합된 상태에서 발생할 수 있다. 이들 유도체는 특히 포스폰산기를 포함하는 모노머의 염, 에스테르, 아미드 및 할라이드를 포함한다.
Monomers comprising phosphonic acid groups can also be used in the form of derivatives which can then be converted to acids, wherein the conversion to acids can also take place in the polymerized state. These derivatives include in particular salts, esters, amides and halides of monomers comprising phosphonic acid groups.
또한, 포스폰산기를 포함하는 모노머는 가수분해 후 막 안 및 위에 도입될 수 있다. 이는 당업자에게 알려진 (예를 들어, 분무, 침지 등) 그 자체로 알려진 방법에 의해 행해질 수 있다.
In addition, monomers comprising phosphonic acid groups can be introduced into and over the membrane after hydrolysis. This can be done by methods known per se (eg, spraying, dipping, etc.) known to those skilled in the art.
본 발명의 특별한 양상에 따르면, 인산, 폴리인산 및 폴리인산의 가수분해 산물의 합과 자유-라디칼 중합에 의해 제조되는 모노머의 중량의 비율은 바람직하게는 1:2와 같거나 크고, 특히 1:1과 같거나 크고 및 특히 바람직하게는 2:1과 같거나 크다.
According to a particular aspect of the invention, the ratio of the sum of phosphoric acid, polyphosphoric acid and hydrolysates of polyphosphoric acid and the weight of monomers produced by free-radical polymerization is preferably equal to or greater than 1: 2, in particular 1: Greater than or equal to 1 and particularly preferably equal to or greater than 2: 1.
바람직하게는, 인산, 폴리인산 및 폴리인산의 가수분해 산물의 합과 자유-라디칼 중합에 의해 제조되는 모노머의 중량의 비율은 1000:1 내지 3:1 의 범위이고, 특히 100:1 내지 5:1 및 특히 바람직하게는 50:1 내지 10:1이다.
Preferably, the ratio of the sum of the hydrolysis products of phosphoric acid, polyphosphoric acid and polyphosphoric acid and the weight of the monomers produced by free-radical polymerization ranges from 1000: 1 to 3: 1, in particular 100: 1 to 5: 1 and particularly preferably 50: 1 to 10: 1.
이 비율은 통상적인 방법에 의해 쉽게 결정될 수 있고 이때, 많은 경우에, 인산, 폴리 인산 및 이의 가수분해 산물은 막 밖으로 세척될 수 있다. 이를 통해, 폴리인산의 가수분해가 완료된 후에 폴리인산 및 이의 가수분해 산물의 중량이 얻어진다. 일반적으로, 이는 또한 자유-라디칼 중합에 의해 제조된 모노머에도 적용된다.
This ratio can be readily determined by conventional methods, in which case in many cases phosphoric acid, polyphosphoric acid and its hydrolysis products can be washed out of the membrane. This gives the weight of the polyphosphoric acid and its hydrolyzate after the hydrolysis of the polyphosphoric acid is completed. In general, this also applies to monomers produced by free-radical polymerization.
술폰산기를 포함하는 모노머는 전문 분야에 알려져 있다. 이들은 적어도 하나의 탄소-탄소 이중결합 및 적어도 하나의 술폰산기를 가지는 화합물이다. 바람직하게는, 탄소-탄소 이중 결합을 형성하는 두개의 탄소는 이중 결합의 작은 입체 장애를 유발하는 기에 적어도 2개, 바람직하게는 3개의 결합을 가진다. 이들 기는, 그 중에서도 수소 원자 및 할로겐 원자, 특히 플루오로 원자를 포함한다. 본 발명의 범위 내에서, 술폰산기를 포함하는 고분자는, 술폰산기를 포함하는 모노머 단독 또는 다른 모노머 및/또는 가교제의 중합에 의해 얻어지는 중합 산물로부터 생성된다.
Monomers containing sulfonic acid groups are known in the art. These are compounds having at least one carbon-carbon double bond and at least one sulfonic acid group. Preferably, the two carbons forming the carbon-carbon double bond have at least two, preferably three bonds in the group causing a small steric hindrance of the double bond. These groups include, among others, hydrogen atoms and halogen atoms, in particular fluoro atoms. Within the scope of the present invention, a polymer containing a sulfonic acid group is produced from a polymerization product obtained by polymerization of a monomer containing a sulfonic acid group alone or other monomers and / or crosslinking agents.
술폰산기를 포함하는 상기 모노머는 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 포함할 수 있다. 또한 술폰산기를 포함하는 상기 모노머는 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 술폰산기를 포함할 수 있다.
The monomer comprising a sulfonic acid group may comprise one, two, three or more carbon-carbon double bonds. In addition, the monomer including a sulfonic acid group may include one, two, three or more sulfonic acid groups.
일반적으로, 술폰산기를 포함하는 모노머는 2 내지 20, 바람직하게는 2 내지 10 개의 탄소 원자를 포함한다.
In general, monomers comprising sulfonic acid groups comprise 2 to 20, preferably 2 to 10 carbon atoms.
술폰산 기를 포함하는 모노머는 바람직하게는 하기 화학식의 화합물이다. The monomer comprising a sulfonic acid group is preferably a compound of the formula
상기식에서,In this formula,
R은 결합, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌기, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌옥시기, 예를 들어 에틸렌옥시기, 또는 2가 공유결합 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, COOZ, -CN, NZ2으로 치환될 수 있으며,R represents a bond, a divalent covalent C1-C15 alkylene group, a divalent covalent C1-C15 alkyleneoxy group, for example an ethyleneoxy group, or a divalent covalent C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein The functional groups mentioned may be substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z는 서로 독립적으로 수소, C1-C15 알킬기, C1-C15 알콕시기, 에틸렌옥시기 또는 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, -CN으로 치환될 수 있고, 또한 Z independently of one another represents hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the above-mentioned functional groups themselves are substituted with halogen, -OH, -CN Can also be
x는 정수 1,2,3,4,5,6,7,8,9 또는 10을 나타내고,x represents an integer 1,2,3,4,5,6,7,8,9 or 10,
y는 정수 1,2,3,4,5,6,7,8,9 또는 10을 나타내고,y represents an integer 1,2,3,4,5,6,7,8,9 or 10,
및/또는 하기 화학식And / or the following formula
상기식에서, In this formula,
R은 결합, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌기, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌옥시기, 예를 들어 에틸렌옥시기, 또는 2가 공유결합 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, COOZ, -CN, NZ2으로 치환될 수 있으며,R represents a bond, a divalent covalent C1-C15 alkylene group, a divalent covalent C1-C15 alkyleneoxy group, for example an ethyleneoxy group, or a divalent covalent C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein The functional groups mentioned may be substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z는 서로 독립적으로 수소, C1-C15 알킬기, C1-C15 알콕시기, 에틸렌옥시기 또는 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, -CN으로 치환될 수 있고, 또한 Z independently of one another represents hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the above-mentioned functional groups themselves are substituted with halogen, -OH, -CN Can also be
x는 정수 1,2,3,4,5,6,7,8,9 또는 10을 나타내고,x represents an integer 1,2,3,4,5,6,7,8,9 or 10,
및/또는 하기 화학식And / or the following formula
상기식에서, In this formula,
A는 화학식 COOR2, CN, CONR2 2, OR2, 및/또는 R2를 나타내고, 이때 R2는 수소, C1-C15 알킬기, C1-C15 알콕시기, 에틸렌옥시기 또는 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기이고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, COOZ, -CN, NZ2으로 치환될 수 있으며,A represents the formula COOR 2 , CN, CONR 2 2 , OR 2 , and / or R 2 , wherein R 2 is hydrogen, C 1 -C 15 alkyl group, C 1 -C 15 alkoxy group, ethyleneoxy group or C 5 -C 20 aryl or hetero Aryl group, wherein the above-mentioned functional group itself may be substituted with halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
R은 결합, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌기, 2가 공유결합 C1-C15 알킬렌옥시기, 예를 들어 에틸렌옥시기, 또는 2가 공유결합 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, COOZ, -CN, NZ2으로 치환될 수 있으며,R represents a bond, a divalent covalent C1-C15 alkylene group, a divalent covalent C1-C15 alkyleneoxy group, for example an ethyleneoxy group, or a divalent covalent C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein The functional groups mentioned may be substituted by halogen, -OH, COOZ, -CN, NZ 2 ,
Z는 서로 독립적으로 수소, C1-C15 알킬기, C1-C15 알콕시기, 에틸렌옥시기 또는 C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기 그 자체는 할로겐, -OH, -CN으로 치환될수 있고, 또한 Z independently of one another represents hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, an ethyleneoxy group or a C5-C20 aryl or heteroaryl group, wherein the above-mentioned functional groups themselves are substituted with halogen, -OH, -CN Can also be
x는 정수 1,2,3,4,5,6,7,8,9 또는 10을 나타낸다.
x represents the integer 1,2,3,4,5,6,7,8,9 or 10.
술폰산기를 포함하는 바람직한 모노머는 그중에서도, 술폰기를 포함하는 알켄, 예를 들어 에텐술폰산, 프로펜술폰산, 부텐술폰산; 술폰산기를 포함하는 아크릴산 화합물 및/또는 메타크릴산 화합물, 예를들어 2-술포노메틸아크릴산, 2-술포노메틸메타크릴산, 2-술포노메틸아크릴아미드 및 2-술포노메틸메타크릴아미드를 포함한다.
Preferred monomers containing sulfonic acid groups include, among others, alkenes containing sulfonic groups such as ethenesulfonic acid, propenesulfonic acid, butenesulfonic acid; Acrylic acid compounds and / or methacrylic acid compounds containing sulfonic acid groups such as 2-sulfonomethylacrylic acid, 2-sulfonomethylmethacrylic acid, 2-sulfonomethylacrylamide and 2-sulfonomethylmethacrylamide Include.
상업적으로 입수가능한, 예를들어 Aldrich 또는 Clariant GmbH 사로부터 얻을 수 있는 비닐술폰산(에텐술폰산)이 특히 바람직하게 사용된다. 바람직한 비닐술폰산은 70%이상의 순도, 바람직하게는 90% 및 특히 바람직하게는 97%이상의 순도를 가지고 있다.
Particular preference is given to vinylsulfonic acid (ethenesulfonic acid) which is commercially available, for example available from Aldrich or Clariant GmbH. Preferred vinylsulfonic acids have a purity of at least 70%, preferably at least 90% and particularly preferably at least 97%.
술폰산기를 포함하는 모노머는 이후에 산으로 전환될 수 있는 유도체의 형태로 또한 사용될 수 있으며, 이때 산으로의 전환은 또한 중합된 상태에서 발생할 수 있다. 이 유도체는 특히 술폰산기를 포함하는 모노머의 염, 에스테르, 아미드 및 할라이드를 포함한다.
Monomers containing sulfonic acid groups can also be used in the form of derivatives which can then be converted to acids, wherein the conversion to acids can also take place in the polymerized state. These derivatives include especially salts, esters, amides and halides of monomers comprising sulfonic acid groups.
또한, 술폰산기를 포함하는 모노머는 가수분해 후 막 안 및 위에 도입될 수 있다. 이는 당업자에게 알려진 (예를 들어, 분무, 침지 등) 그 자체로 알려진 방법에 의해 행해질 수 있다.
In addition, monomers comprising sulfonic acid groups can be introduced into and over the membrane after hydrolysis. This can be done by methods known per se (eg, spraying, dipping, etc.) known to those skilled in the art.
본 발명의 다른 구현예에서, 가교할 수 있는 모노머가 사용될 수 있다. 이들 모노머는 가수분해 유체에 첨가될 수 있다. 또한, 가교할 수 있는 모노머는 가수분해 후 얻어지는 막에 또한 적용될 수 있다.
In other embodiments of the invention, crosslinkable monomers may be used. These monomers can be added to the hydrolysis fluid. In addition, crosslinkable monomers can also be applied to the membrane obtained after hydrolysis.
가교할 수 있는 모노머는 특히 적어도 2개의 탄소-탄소 공유결합을 가진 화합물이다. 바람직한 것은 디엔, 트리엔, 테트라엔, 디메틸아크릴레이트, 트리메틸아크릴레이트, 테트라메틸아크릴레이트, 디아크릴레이트, 트리아크릴레이트, 테트라아크릴레이트이다.
Crosslinkable monomers are especially compounds having at least two carbon-carbon covalent bonds. Preferred are dienes, trienes, tetraenes, dimethyl acrylates, trimethyl acrylates, tetramethyl acrylates, diacrylates, triacrylates, tetraacrylates.
특히 바람직한 것은 하기 화학식의 디엔, 트리엔, 테트라엔 Especially preferred are dienes, trienes and tetraenes of the formula
하기 화학식의 디메틸아크릴레이트, 트리메틸아크릴레이트, 테트라메틸아크릴리에트, Dimethyl acrylate, trimethyl acrylate, tetramethyl acrylate of the formula
하기 화학식의 디아크릴레이트, 트리아크릴레이트, 테트라아크릴레이트이고,Diacrylate, triacrylate, tetraacrylate of the following formula,
상기식 중,Wherein,
R은 C1-C15 알킬기, C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기, NR'-SO2 , PR', Si(R')2 를 나타내고, 이때 상기-언급한 작용기는 그 자체로 치환될 수 있으며,R represents a C1-C15 alkyl group, a C5-C20 aryl or heteroaryl group, NR'-SO 2 , PR ', Si (R') 2 Wherein the above-mentioned functional groups may be substituted by themselves,
R'는 서로 독립적으로 수소, C1-C15 알킬기, C1-C15 알콕시기, C5-C20 아릴 또는 헤테로아릴기를 나타내며, 또한R 'independently of one another represent hydrogen, a C1-C15 alkyl group, a C1-C15 alkoxy group, a C5-C20 aryl or a heteroaryl group, and
n은 적어도 2이다.
n is at least 2.
상기-언급한 작용기 R의 치환기는 바람직하게는 할로겐, 하이드록실, 카르복시, 카르복실, 카르복실에스테르, 니트릴, 아민, 실릴, 실록산기이다.
Substituents of the above-mentioned functional groups R are preferably halogen, hydroxyl, carboxy, carboxyl, carboxyester, nitrile, amine, silyl, siloxane groups.
특히 바람직한 가교제는 알릴 메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 테트라에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 및 폴리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 1,3-부탄디올 디메타크릴레이트, 글리세롤 디메타크릴레이트, 디우레탄 디메타크릴레이트, 트리메틸프로판 트리메타크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트, 예를 들어 에바크릴(ebacryl), N'N-메틸렌비스아크릴아미드, 카비놀, 부타디엔, 이소프렌, 클로로프렌, 디비닐벤젠 및/또는 비스페놀 A 디메틸아크릴레이트이다. 이 화합물은 펜실베니아의 Sartomer Company Exton사로부터 예를 들어 CN120, CN104 및 CN980의 명칭으로 상업적으로 입수할 수 있다.
Particularly preferred crosslinking agents are allyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, tetraethylene glycol dimethacrylate and polyethylene glycol dimethacrylate, 1,3 Butanediol dimethacrylate, glycerol dimethacrylate, diurethane dimethacrylate, trimethylpropane trimethacrylate, epoxy acrylates such as ebacryl, N'N-methylenebisacrylamide, carbi Knol, butadiene, isoprene, chloroprene, divinylbenzene and / or bisphenol A dimethylacrylate. This compound is commercially available from Sartomer Company Exton, Pennsylvania under the names CN120, CN104 and CN980, for example.
가교제의 사용은 선택적이고 이때 이 화합물은 막의 중량에 대하여, 0,05 내지 30 중량% 범위, 바람직하게는 0.1 내지 20 중량%, 특히 바람직하게는 1 내지 10 중량%으로 통상적으로 사용될 수 있다.
The use of a crosslinking agent is optional and the compound can then be used conventionally in the range of 0,05 to 30% by weight, preferably 0.1 to 20% by weight, particularly preferably 1 to 10% by weight, based on the weight of the membrane.
본 발명의 특별한 양태에 따르면, 포스폰산 및/또는 술폰산기 또는 가교된 모노머를 포함하는 모노머는 중합될 수 있고, 이때 상기 중합은 자유-라디칼 중합이 바람직하다. 라디칼의 형성은 열적, 광화학적, 화학적 및/또는 전기화학적으로 이루어질 수 있다.
According to a particular aspect of the present invention, monomers comprising phosphonic acid and / or sulfonic acid groups or crosslinked monomers can be polymerized, wherein the polymerization is preferably free-radical polymerization. The formation of radicals may be thermally, photochemically, chemically and / or electrochemically.
예를 들어, 라디칼을 형성할 수 있는 적어도 하나의 성분을 포함하는 시작 용액은 가수분해 유체에 첨가될 수 있다. 또한, 시작 용액은 가수분해 후 막에 적용될 수 있다. 이는 당업자에게 알려진 (예를들어, 분무, 침지 등) 그 자체로 알려진 방법에 의해 행해질 수 있다.
For example, a starting solution comprising at least one component capable of forming radicals may be added to the hydrolysis fluid. In addition, the starting solution can be applied to the membrane after hydrolysis. This can be done by methods known per se (eg, spraying, dipping, etc.) known to those skilled in the art.
그중에서도, 적절한 라디칼 형성제는 아조 화합물, 페록시 화합물, 퍼설페이트 화합물 또는 아조아미딘이다. 비-제한적인 예시는 디벤졸 페록사이드, 디큐멘 페록사이드(dicumene peroxide), 큐멘 하이드로페록사이드, 디이소프로필 페록시디카르보네이트, bis(4-t-부틸사이클로헥실) 페록시디카르보네이트, 디포타슘 퍼설페이트, 암모늄 페록시디설페이트, 2,2'-아조비스(2-메틸프로피오니트릴)(AIBN), 2,2'-아조비스(이소부티르산 아미딘)하이드로클로라이드, 벤조피나콜, 디벤질 유도체, 메틸 에틸렌 케톤 페록사이드, 1,1-아조비스사이클로헥산카르보니트릴, 메틸 에틸 케톤 페록사이드, 아세틸 아세톤 페록사이드, 디라우릴 페록사이드, 디데카노일 페록사이드(didecanoyl peroxide), 테트-부틸퍼-2-에틸 헥사노에이트, 케톤 페록사이드, 메틸 이소부틸 케톤 페록사이드, 사이클로헥사논 페록사이드, 디벤조일 페록사이드, 테트-부틸페록시벤조네이트, 테트-부틸페록시이소프로필카르보네이트, 2,5-비스(2-에틸헥사노일페록시)-2,5-디메틸헥산, 테트-부틸페록시-2-에틸헥사노에이트, 테트-부틸페록시-3,5,5,-트리메틸헥사노에이트, 테트-부틸페록시이소부티레이트, 테트-부필페록시아세테이트, 디큐멘 페록사이드, 1,1-비스(테트-부틸페록시)사이클로헥산, 1,1-비스(테트-부틸페록시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산, 큐밀 하이드로페록사이드(cumyl hydroperoxide), 테트-부틸하이드로페록사이드, 비스(4-테트-부틸사이클로헥실) 페록시디카르보네이트, 및 DuPont사로부터 상품명 ?Vazo, 예를 들어 ?Vazo V50 및 ?Vazo WS로 얻을 수 있는 라디칼 형성제이다.
Among them, suitable radical formers are azo compounds, peroxy compounds, persulfate compounds or azoamidines. Non-limiting examples include dibenzol peroxide, dicumene peroxide, cumene hydroperoxide, diisopropyl peroxydicarbonate, bis (4-t-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate, Dipotassium persulfate, ammonium peroxydisulfate, 2,2'-azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN), 2,2'-azobis (amibutyrate isobutyrate) hydrochloride, benzopinacol, di Benzyl derivatives, methyl ethylene ketone peroxide, 1,1-azobiscyclohexanecarbonitrile, methyl ethyl ketone peroxide, acetyl acetone peroxide, dilauryl peroxide, didecanoyl peroxide, tet-butylper 2-ethyl hexanoate, ketone peroxide, methyl isobutyl ketone peroxide, cyclohexanone peroxide, dibenzoyl peroxide, tet-butylperoxybenzoate, tet-butylperoxyisopro Carbonate, 2,5-bis (2-ethylhexanoylperoxy) -2,5-dimethylhexane, tet-butylperoxy-2-ethylhexanoate, tet-butylperoxy-3,5,5 , -Trimethylhexanoate, tet-butylperoxyisobutyrate, tet-butylperoxyacetate, dicumene peroxide, 1,1-bis (tet-butylperoxy) cyclohexane, 1,1-bis (tet- Butylperoxy) -3,3,5-trimethylcyclohexane, cumyl hydroperoxide, tet-butylhydroperoxide, bis (4-tet-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate, and DuPont From the trade names? Vazo, for example? Vazo V50 and? Vazo WS.
또한, 방사선에 노출되었을 때 자유 라디칼을 형성하는 라디칼 형성제를 사용할 수 있다. 바람직한 화합물은, 그중에서도, α,α-디에톡시아세토페논(DEAP, Upjon Corp), n-부틸 벤조인 에테르(?Trigonal-14, AKZO) 및 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논(?lgacure 651) 및 1-벤조일 사이클로헥사놀(?lgacure 184), bis-(2,4,6-트리메틸벤조일)페닐포스핀 옥사이드(?lrgacure 819) 및 1-[4-(2-하이드록시에톡시)페닐]-2-하이드록시-2-페닐프로판-1-온(?lrgacure 2959)으로, 이들 각각은 Ciga Geigy Corp사로부터 상업적으로 입수가능한 것이다.
It is also possible to use radical formers which form free radicals when exposed to radiation. Preferred compounds include, among others, α, α-diethoxyacetophenone (DEAP, Upjon Corp), n-butyl benzoin ether (? Trigonal-14, AKZO) and 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (?). lgacure 651) and 1-benzoyl cyclohexanol (? lgacure 184), bis- (2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphine oxide (? lrgacure 819) and 1- [4- (2-hydroxyethoxy ) Phenyl] -2-hydroxy-2-phenylpropan-1-one (? Lrgacure 2959), each of which is commercially available from Ciga Geigy Corp.
통상적으로, 0.0001 내지 5 중량%, 특히 0.01 내지 3 중량%(자유-라디칼 중합에 의해 제조될 수 있는 모노머의 중량에 기초하여: 각각 포스폰산기 및/또는 술폰산기 또는 가교된 모노머를 포함하는 모노머)의 라디칼 형성제가 첨가된다. 라디칼 형성제의 양은 바람직한 중합의 정도에 따라 달라질 수 있다..
Typically, 0.0001 to 5% by weight, in particular 0.01 to 3% by weight (based on the weight of monomers that can be prepared by free-radical polymerization: monomers comprising phosphonic acid groups and / or sulfonic acid groups or crosslinked monomers, respectively) Radical forming agent) is added. The amount of radical former may vary depending on the degree of polymerization desired.
상기 중합은 각각 IR 또는 NIR의 작용으로 또한 발생할 수 있다( IR = 적외선, 즉 700 nm이상의 파장을 가지는 빛; NIR = 근적외선, 즉 약 700 내지 2000 nm 범위의 파장 및 약 0.6 내지 1.75 eV 범위의 에너지를 가지는 빛).
The polymerization can also occur under the action of IR or NIR, respectively (IR = infrared, ie light having a wavelength above 700 nm; NIR = near infrared, ie a wavelength in the range of about 700 to 2000 nm and an energy in the range of about 0.6 to 1.75 eV. With light).
상기 중합은 또한 400nm 미만의 파장을 가지는 자외선의 작용으로 발생할 수 있다. 이 중합 방법은 그 자체로 알려져 있고 예를 들어, Hans Joerg Elias, Makromolekulare Chemie, 5th edition, volume 1, pp. 492-511; D. R. Arnold, N. C. Baird, J. R. Bolton, J. C. D. Brand, P. W. M Jacobs, P. de Mayo, W. R. Ware, Photochemistry - An Introduction, Academic Press, New York and M. K. Mishra, Radical Photopolymerization of Vinyl Monomers, J. Macromol. Sci.-Revs. Macromol. Chem. Phys. C22 (1982-1983) 409에 기재되어 있다.
The polymerization may also occur under the action of ultraviolet light having a wavelength of less than 400 nm. This polymerization method is known per se and is described, for example, in Hans Joerg Elias, Makromolekulare Chemie, 5th edition, volume 1, pp. 492-511; DR Arnold, NC Baird, JR Bolton, JCD Brand, PW M Jacobs, P. de Mayo, WR Ware, Photochemistry-An Introduction, Academic Press, New York and MK Mishra, Radical Photopolymerization of Vinyl Monomers, J. Macromol. Sci.-Revs. Macromol. Chem. Phys. C22 (1982-1983) 409.
상기 중합은 β선, γ선 및/또는 전자선의 노출에 의해 발생할 수 있다. 본 발명의 특정 양태에 따르면, 막은 1 내지 300 kGy범위, 바람직하게는 3 내지 200 kGy 및 매우 특히 바람직하게는 20 내지 100 kGy의 방사선량으로 조사된다.
The polymerization can occur by exposure of β rays, γ rays and / or electron beams. According to a particular aspect of the invention, the membrane is irradiated with a radiation dose in the range of 1 to 300 kGy, preferably 3 to 200 kGy and very particularly preferably 20 to 100 kGy.
각각 포스폰산기 및/또는 술폰산기 또는 가교된 모노머를 포함하는 모노머의 중합은 바람직하게는 상온 이상(20℃) 내지 200℃ 미만의 온도, 특히 40℃ 내지 150℃ 사이의 온도, 특히 바람직하게는 50℃ 내지 120℃에서 일어난다. 상기 중합은 정상 압력에서 행해지는 것이 바람직하지만, 그러나 또한 압력의 작용하에 수행될 수도 있다. 상기 중합은 평판 구조의 고화를 유발하며, 이때 고화는 미소경도 측정을 통해 관찰될 수 있다. 바람직하게는, 중합에 의한 경도의 증가는 모노머의 중합 없이 가수분해 된 막의 상응하는 경도에 대하여 적어도 20%이다.
The polymerization of the monomers, each comprising a phosphonic acid group and / or a sulfonic acid group or a crosslinked monomer, is preferably at least at room temperature (20 ° C.) to less than 200 ° C., in particular at a temperature between 40 ° C. and 150 ° C., particularly preferably It occurs at 50 ℃ to 120 ℃. The polymerization is preferably carried out at normal pressure, but can also be carried out under the action of pressure. The polymerization causes the solidification of the plate structure, where the solidification can be observed through microhardness measurement. Preferably, the increase in hardness by polymerization is at least 20% relative to the corresponding hardness of the hydrolyzed membrane without polymerization of the monomers.
본 발명의 특정 양태에 따르면, 인산, 폴리인산 및 인산의 가수분해 산물의 몰 합과 포스폰산기를 포함하는 모노머 및/또는 술폰산기를 포함하는 모노머의 중합에 의해 얻어진 고분자 내의 포스폰산기 및/또는 술폰산기의 몰 수의 몰 비율은 바람직하게는 1:2와 같거나 크고, 특히 1:1과 같거나 크고 및 특히 바람직하게는 2:1과 같거나 크다.
According to a particular aspect of the present invention, a phosphonic acid group and / or in a polymer obtained by polymerization of a molar sum of phosphoric acid, polyphosphoric acid and hydrolysis products of phosphoric acid and monomers comprising phosphonic acid groups and / or monomers comprising sulfonic acid groups The molar ratio of the number of moles of sulfonic acid groups is preferably equal to or greater than 1: 2, in particular equal to or greater than 1: 1 and particularly preferably equal to or greater than 2: 1.
바람직하게는, 인산, 폴리인산 및 인산의 가수분해 산물의 몰 합과 포스폰산기를 포함하는 모노머 및/또는 술폰산기를 포함하는 모노머의 중합에 의해 얻어진 고분자 내의 포스폰산기 및/또는 술폰산 기의 몰 수의 몰 비율은 1000:1 내지 3:1, 특히 100:1 내지 5:1 및 특히 바람직하게는 50:1 내지 10:1의 범위에 있다.
Preferably, the moles of phosphonic acid groups and / or sulfonic acid groups in the polymer obtained by the polymerization of a molar sum of phosphoric acid, polyphosphoric acid and hydrolysis products of phosphoric acid and a monomer comprising a phosphonic acid group and / or a monomer comprising a sulfonic acid group. The molar ratio of the water is in the range of 1000: 1 to 3: 1, in particular 100: 1 to 5: 1 and particularly preferably 50: 1 to 10: 1.
몰 비율은 통상의 방법에 의해 측정될 수 있다. 이를 위하여, 특히 분광분석방법, 예를 들어 NMR spectroscopy가 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 포스폰산기가 형식 산화 단계 3(formal oxidation stage 3)에 존재하고 및 인산, 폴리인산 및 이의 가수분해 산물안의 인이, 각각 산화 단계 5에 존재한다는 것을 고려하여야 한다.
The molar ratio can be measured by conventional methods. For this purpose in particular spectroscopic methods can be used, for example NMR spectroscopy. In this regard, it should be taken into account that the phosphonic acid group is present in the formal oxidation stage 3 and that the phosphorus in the phosphoric acid, polyphosphoric acid and its hydrolysis products are present in the oxidation step 5 respectively.
바람직한 중합도에 따라, 중합 후에 얻어지는 평판 구조는 자체-지지 막이다. 바람직하게는, 중합의 정도는 적어도 2, 특히 적어도 5, 특히 바람직하게는 적어도 30 반복 단위, 특히 적어도 50 반복 단위, 매우 특히 바람직하게는 적어도 100 반복 단위이다. 상기 중합도는 GPC 방법에 의해 측정되는, 수 평균 분자량 Mn을 통해 결정된다. 막에 함유된 포스폰산기를 포함하는 고분자를 분해 없이 분리하는 문제 때문에, 이 값은 고분자의 첨가 없이 포스폰산기를 포함하는 모노머의 중합에 의해 얻어진 샘플을 사용하여 결정된다. 이런 이유로, 막 생성물의 비율과 비교하여 시작 라디칼 및 포스폰산기를 포함하는 모노머의 중량 비율은 일정하게 유지된다. 상대적인 중합에서 얻어지는 전환은, 포스폰산기를 포함하는 모노머의 사용에 대하여 바람직하게는 20%와 같거나 크고, 특히 40%와 같거나 크며 및 특히 바람직하게는 75%와 같거나 크다.
According to the preferred degree of polymerization, the plate structure obtained after polymerization is a self-supporting membrane. Preferably, the degree of polymerization is at least 2, in particular at least 5, particularly preferably at least 30 repeat units, in particular at least 50 repeat units, very particularly preferably at least 100 repeat units. The degree of polymerization is determined via the number average molecular weight M n , measured by the GPC method. Because of the problem of separating the polymer containing phosphonic acid groups contained in the membrane without decomposition, this value is determined using a sample obtained by polymerization of a monomer containing phosphonic acid groups without addition of the polymer. For this reason, the weight ratio of the monomer comprising the starting radical and the phosphonic acid group as compared to the proportion of the membrane product is kept constant. The conversion obtained in the relative polymerization is preferably equal to or greater than 20%, in particular equal to or greater than 40% and particularly preferably equal to or greater than 75% with respect to the use of monomers comprising phosphonic acid groups.
가수분해 유체는 물을 포함하고 이때 물의 농도는 일반적으로 특별히 중요하지 않다. 본 발명의 특정 양태에 따라서, 가수분해 유체는 5 내지 80 중량%, 바람직하게는 8 내지 70 중량% 및 특히 바람직하게는 10 내지 50 중량%의 물을 포함한다. 옥소산에 명백히 포함되는 물의 함량은 가수분해 유체의 물 함량을 포함하여 계산하지 않는다.
Hydrolysis fluids include water, where the concentration of water is generally not particularly important. According to certain embodiments of the present invention, the hydrolysis fluid comprises 5 to 80% by weight, preferably 8 to 70% by weight and particularly preferably 10 to 50% by weight of water. The water content explicitly included in the oxo acid is not calculated including the water content of the hydrolysis fluid.
상기-언급한 산 중, 인산 및/또는 황산이 특히 바람직하고 이때 이들 산은 특히 5 내지 70 중량%, 바람직하게는 10 내지 60 중량% 및 특히 바람직하게는 15 내지 50 중량%의 물을 포함한다.
Of the above-mentioned acids, phosphoric acid and / or sulfuric acid are particularly preferred, in which these acids comprise in particular 5 to 70% by weight, preferably 10 to 60% by weight and particularly preferably 15 to 50% by weight of water.
단계 D)의 폴리 인산의 부분적 가수분해는 졸-겔 전환에 의한 막의 고화를 유발한다. 이는 또한 15 내지 3000㎛, 바람직하게는 20 내지 2000㎛사이, 특히 바람직하게는 20 내지 1500㎛ 사이인 층 두께의 환원과 관계가 있다; 상기 막은 자체-지지이다.
Partial hydrolysis of the polyphosphoric acid of step D) leads to solidification of the membrane by sol-gel conversion. It is also related to the reduction of the layer thickness, which is between 15 and 3000 μm, preferably between 20 and 2000 μm, particularly preferably between 20 and 1500 μm; The membrane is self-supporting.
단계 B)에 따른 폴리인산층에 존재하는 분자내 및 분자간 구조(상호침투 네트워크 IPN)는 단계 C)의 정렬된 막 형성을 유발하며, 이는 형성된 막의 특정한 성질의 원인이 된다.
The intramolecular and intermolecular structure (interpenetrating network IPN) present in the polyphosphate layer according to step B) leads to the ordered formation of the membrane of step C), which is responsible for the specific properties of the formed membrane.
단계 D)에 따른 처리에서 온도 상한은 일반적으로 150℃이다. 예를 들어 과열증기에서, 수분의 극도로 짧은 작용의 경우, 상기 증기는 또한 150℃ 보다 뜨거워질 수 있다. 처리기간은 온도상한에 대해 본질적이다.
The upper temperature limit in the treatment according to step D) is generally 150 ° C. In superheated steam, for example, for extremely short actions of moisture, the steam can also be hotter than 150 ° C. Treatment duration is essential for the upper temperature limit.
부분 가수분해(단계 D)는 또한 설정된 습기의 작용으로 가수분해가 명확히 조절될 수 있는 환경시험 챔버에서 발생할 수 있다. 이와 관련하여, 습기는 온도 또는 이와 접촉하고 있는 주변 영역의 포화도, 예를 들어 공기, 질소, 이산화탄소 또는 다른 적합한 기체와 같은 기체, 또는 증기를 통해 명확히 설정될 수 있다. 처리기간은 상술한 바와 같이 선택된 파라미터에 의존한다.
Partial hydrolysis (step D) can also occur in environmental test chambers where hydrolysis can be clearly controlled by the action of established moisture. In this regard, the humidity can be set explicitly through the temperature or saturation of the surrounding area in contact with it, for example, a gas such as air, nitrogen, carbon dioxide or other suitable gas, or vapor. The processing period depends on the parameter selected as described above.
또한, 처리기간은 막 두께에 의존한다.
In addition, the treatment period depends on the film thickness.
전형적으로, 처리기간은 예를 들어 과열증기의 작용에서는 몇 초 내지 분 사이, 또는 예를 들어 상온의 야외 및 낮은 상대 습도에서는 하루 종일이다. 바람직하게는, 처리기간은 10초 내지 300시간, 특히 1분 내지 200시간이다.
Typically, the treatment period is for example between a few seconds to minutes under the action of superheated steam, or throughout the day, for example at outdoor and low relative humidity at room temperature. Preferably, the treatment period is from 10 seconds to 300 hours, in particular from 1 minute to 200 hours.
부분 가수분해가 40-80%의 상대 습도를 가지는 주위공기로 상온(20℃)에서 행해진다면, 처리기간은 1 내지 200 시간이다.
If the partial hydrolysis is performed at ambient temperature (20 ° C) with ambient air having a relative humidity of 40-80%, the treatment period is 1 to 200 hours.
단계 D)에 따라 얻어지는 막은 자체-지지와 같은 방법으로 형성될 수 있다. 즉, 이는 어떤 손상 없이 지지체로부터 떨어진 다음, 적용가능하다면, 추가로 직접 처리될 수 있다.
The film obtained according to step D) can be formed in such a way as to be self-supporting. That is, it may be removed from the support without any damage and then further processed directly if applicable.
인산의 농도 및 그로 인한 고분자 막의 전도도는 가수분해도 즉, 기간, 온도 및 주위 습도를 통해 결정될 수 있다. 인산의 농도는 고분자 반복단위 몰 당 산의 몰로 주어진다. 특히 높은 농도의 인산의 막은 단계 A) 내지 단계 D)를 포함하는 방법에 의해 얻어질 수 있다. 농도(폴리벤즈이미다졸 등의 화학식(Ⅰ)의 반복 단위에 기초한, 인산의 몰)은 10 내지 50, 특히 12 내지 40이 바람직하다. 상업적으로 입수가능한 오르토인산으로 폴리아졸을 도핑함으로써 이런 고도의 도핑(농도)를 얻는 것은 오직 매우 어렵게 가능하거나 또는 전혀 불가능하다.
The concentration of phosphoric acid and thus the conductivity of the polymer membrane can be determined through the degree of hydrolysis, ie duration, temperature and ambient humidity. The concentration of phosphoric acid is given in moles of acid per mole of polymer repeating unit. In particular, a membrane of high concentration of phosphoric acid can be obtained by a process comprising steps A) to D). The concentration (mole of phosphoric acid based on the repeating unit of formula (I) such as polybenzimidazole) is preferably 10 to 50, particularly 12 to 40. It is only very difficult or not at all possible to obtain this high doping (concentration) by doping polyazoles with commercially available orthophosphoric acid.
이때 폴리인산의 사용으로 도핑된 폴리아졸 필름을 생산하는 상술한 방법의 변경예에 따르면, 이들 필름의 생산은 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 수행될 수 있다;According to a variant of the above described method of producing a polyazole film doped with the use of polyphosphoric acid, the production of these films can then be carried out by a method comprising the following steps;
1) 하나 이상의 방향족 테트라아미노 화합물을 350℃까지, 바람직하게는 300℃까지의 온도의 용융물 중에 카르복실 산 모노머당 적어도 두개의 산 기를 포함하는 하나 이상의 방향족 카르복실산 또는 이의 에스테르, 또는 하나 이상의 방향족 및/또는 헤테로 방향족 디아미노카르복실산과 반응시키는 단계,1) one or more aromatic carboxylic acids or esters thereof, or one or more aromatic carboxylic acids comprising at least two acid groups per carboxylic acid monomer in a melt at a temperature of up to 350 ° C., preferably up to 300 ° C. And / or reacting with heteroaromatic diaminocarboxylic acid,
2) 단계 1)에 따라 얻어진 고상 프리폴리머(prepolymer)를 폴리인산중에 용해시키는 단계,2) dissolving the solid prepolymer obtained according to step 1) in polyphosphoric acid,
3) 단계 2)에 따라 얻어진 용액을 불활성기체하에서 300℃까지, 바람직하게는 280℃까지의 온도로 가열하여 용해된 폴리아졸 고분자를 형성하는 단계, 3) heating the solution obtained according to step 2) to a temperature of up to 300 ° C., preferably up to 280 ° C., under an inert gas to form a dissolved polyazole polymer,
4) 지지체상에 단계3)에 따른 폴리아졸 고분자 용액을 사용하여 막을 형성하는 단계, 및4) forming a film on the support using the polyazole polymer solution according to step 3), and
5) 단계4)에서 형성된 막을 자체-지지성이 될때까지 처리하는 단계.
5) treating the film formed in step 4) until self-supporting.
항목 1) 내지 5)에서 서술된 방법의 단계는 단계 A) 내지 D)에서 앞서 자세하게 설명되었고, 특히 바람직한 구현예에 대하여 언급되어 있다.
The steps of the method described in items 1) to 5) have been described in detail above in steps A) to D), with reference to particularly preferred embodiments.
막, 특히 폴리아졸 기반의 막은 대기중 산소의 존재하에서 열의 작용으로 인해 표면상에 추가로 가교될 수 있다. 이런 막 표면의 경화는 막의 성질을 더욱 개선한다. 이를 위하여, 막은 적어도 150℃, 바람직하게는 적어도 200℃ 및 특히 바람직하게는 적어도 250℃의 온도로 가열될 수 있다. 상기 방법의 이 단계에서, 산소 농도는 대개 5 내지 50 부피%, 바람직하게는 10 내지 40 부피%의 범위이다. 그러나, 이것은 제한으로 여겨져서는 안된다.
Membranes, in particular polyazole based membranes, can be further crosslinked on the surface due to the action of heat in the presence of oxygen in the atmosphere. This curing of the film surface further improves the properties of the film. For this purpose, the membrane can be heated to a temperature of at least 150 ° C, preferably at least 200 ° C and particularly preferably at least 250 ° C. In this step of the process, the oxygen concentration is usually in the range of 5 to 50% by volume, preferably 10 to 40% by volume. However, this should not be regarded as a limitation.
상기 가교는 각각 IR 또는 NIR의 작용으로 또한 발생할 수 있다( IR = 적외선, 즉 700nm이상의 파장을 가지는 빛; NIR = 근적외선, 즉 약 700 내지 2000nm 범위의 파장 및 약 0.6 내지 1.75 eV 범위의 에너지를 가지는 빛). 또 다른 방법은 β-선 조사이다. 이와 관련하여, 상기 조사량은 5 내지 200 kGy이다.
The crosslinking can also occur with the action of IR or NIR, respectively (IR = infrared, ie light having a wavelength of at least 700 nm; NIR = near infrared, ie having a wavelength in the range of about 700-2000 nm and an energy in the range of about 0.6-1.75 eV. light). Another method is β-ray irradiation. In this regard, the dosage is 5 to 200 kGy.
원하는 가교결합도에 따라, 가교결합 반응 기간은 넒은 범위 안에 있을 수 있다. 일반적으로, 상기 반응 시간은 1초 내지 10 시간, 바람직하게는 1분 내지 1시간의 범위이다; 그러나, 이것은 제한으로 여겨져서는 안된다.
Depending on the degree of crosslinking desired, the crosslinking reaction duration can be within a short range. In general, the reaction time is in the range of 1 second to 10 hours, preferably 1 minute to 1 hour; However, this should not be regarded as a limitation.
특히 바람직한 고분자 막은 높은 성능을 보여준다. 그 이유는 특히 개선된 양성자 전도도이다. 이것은 120℃의 온도에서 적어도 1 mS/cm, 바람직하게는 적어도 2 mS/cm, 특히 바람직하게는 적어도 5 mS/cm 이다. 여기서, 이들 값은 습윤처리 없이 얻어진다. 따라서, 막은 소위 고온, 고분자 전해질 막 연료전지 및 고온 막 전극 접합체를 생성하기 위해 적합해야 한다. 앞서 언급한 고온 양성자 전도도는 (ⅰ) 기본 고분자 재료 또는 매트릭스 및 소위 "그로투스 매커니즘(Grotthus mechanism)"을 가능하게 하는 산 또는 (ⅱ) 소위 "그로투스 매커니즘"을 가능하게 하는 공유결합기를 가진 고분자를 포함하는 양성자-전도성 고분자 전해질 막 또는 매트릭스에 의해 달성된다. 후자의 경우, 이것은 전형적으로 포스폰산기를 포함하는 전술한 모노머로부터 유래된 적어도 10 중량%의 고분자를 혼입함으로써 달성된다.
Particularly preferred polymer membranes show high performance. The reason is especially improved proton conductivity. It is at least 1 mS / cm, preferably at least 2 mS / cm, particularly preferably at least 5 mS / cm at a temperature of 120 ° C. Here, these values are obtained without wetting. Thus, the membrane must be suitable for producing so-called high temperature, polymer electrolyte membrane fuel cells and high temperature membrane electrode assemblies. The aforementioned high temperature proton conductivity can be either (i) a basic polymeric material or matrix and a polymer with an acid to enable the so-called "Grotthus mechanism" or (ii) a covalent bond to enable the so-called "grotus mechanism". It is achieved by a proton-conducting polymer electrolyte membrane or matrix comprising a. In the latter case this is typically achieved by incorporating at least 10% by weight of the polymer derived from the aforementioned monomers comprising phosphonic acid groups.
정전위 모드의 4-점배치(4-pole arrangement) 및 백금 전극(선, 0.25mm 지름)을 사용한 임피던스 분광법에 의해 구체적인 전도도가 측정된다. 집전 전극 사이의 간격은 2cm이다. 얻어진 스펙트럼은 옴 저항의 평행 배열 및 축전기를 포함하는 단순한 모델을 사용하여 평가된다. 인산으로 도핑된 막 샘플의 단면은 샘플의 설치 직전에 측정된다. 온도 의존성을 측정하기 위하여, 측정전지는 오븐에서 바람직한 온도에 이르게 되고 샘플의 바로 가까이에 배열된 Pt-100 열전대를 이용하여 조절된다. 일단 온도에 도달하면, 샘플은 측정 시작에 앞서 그 온도에서 10분 동안 유지된다.
Specific conductivity is measured by impedance spectroscopy using a 4-pole arrangement and a platinum electrode (line, 0.25 mm diameter) in the potential potential mode. The spacing between the collecting electrodes is 2 cm. The obtained spectrum is evaluated using a simple model that includes a parallel arrangement of ohmic resistors and a capacitor. The cross section of the membrane sample doped with phosphoric acid is measured immediately before installation of the sample. In order to measure the temperature dependence, the measuring cell is brought to the desired temperature in an oven and controlled using a Pt-100 thermocouple arranged directly near the sample. Once the temperature is reached, the sample is held at that temperature for 10 minutes prior to the start of the measurement.
기체 확산 층Gas diffusion layer
본 발명에 따른 막 전극 접합체는 고분자 전해질 막에 의해 분리된 두개의 기체 확산 층을 가진다. 매우 가볍고, 반드시 전기 전도성은 아니지만, 기계적으로 안정하고 또한 예를 들어 부직포, 종이 또는 제직물 형태의 파이버를 포함하는 기계적 안정화 물질은 본 발명에 따른 기체 확산 층의 출발 물질로서 이용된다. 이들은 예를 들어, 흑연섬유 페이퍼, 탄소섬유 페이퍼, 카본 블랙의 첨가로 전도상태가 된 흑연섬유직물 페이퍼를 포함한다. 이러한 층을 통해, 기체 및/또는 액체의 잘 분포된 흐름이 이루어진다.
The membrane electrode assembly according to the present invention has two gas diffusion layers separated by a polymer electrolyte membrane. Very light, mechanically stable, but not necessarily electrically conductive, mechanically stable materials, including fibers in the form of nonwovens, paper or woven fabrics, for example, are used as starting materials for gas diffusion layers according to the invention. These include, for example, graphite fiber fabric paper which has become conductive by the addition of graphite fiber paper, carbon fiber paper, and carbon black. Through this layer, a well distributed flow of gas and / or liquid is achieved.
기계적 안정화 물질은 바람직하게는 카본 파이버, 글래스 파이버 또는 유기 고분자를 포함하는 파이버, 예를 들어 몇가지 나열하자면, 폴리프로필렌, 폴리에스테르(폴리에틸렌 테레프탈레이트), 폴리페닐렌설파이드 또는 폴리에테르 케톤을 포함한다. 이와 관련하여, 단위 면적당 중량이 150 g/m2미만인, 바람직하게는 단위 면적당 중량이 10 내지 100 g/m2의 범위인 재료가 특히 매우 적합하다.
The mechanical stabilizing material preferably comprises carbon fiber, glass fiber or fiber comprising an organic polymer, for example polypropylene, polyester (polyethylene terephthalate), polyphenylenesulfide or polyether ketone, to name a few. In this connection, materials having a weight per unit area of less than 150 g / m 2 , preferably having a weight per unit area in the range of 10 to 100 g / m 2 are particularly suitable.
안정화 물질로 카본 재료를 사용할 때, 바람직한 범위의 단위 면적당 중량인탄소화 또는 흑연화 섬유로 만들어진 부직포가 특히 적합하다. 이러한 물질들의 사용은 두가지 이점을 가진다; 첫째, 이들은 매우 가볍고 및 둘째, 이들은 높은 개기공률을 가진다. 바람직하게 사용되는 안정화 물질의 개기공률은 20 내지 99.9% 범위 내, 바람직하게는 40 내지 99%이며, 이들은 다른 물질로 쉽게 채워질 수 있고, 따라서 가공된 기체 확산 층의 소수성, 전도도 및 공극율은 직접적인 방법, 즉 기체 확산 층의 전체 두께를 통해서 조절될 수 있다.
When using a carbon material as the stabilizing material, nonwovens made of carbonized or graphitized fibers which are weight per unit area in the preferred range are particularly suitable. The use of these materials has two advantages; Firstly they are very light and secondly they have a high open porosity. The porosity of the stabilizing materials preferably used is in the range of 20 to 99.9%, preferably 40 to 99%, and they can be easily filled with other materials so that the hydrophobicity, conductivity and porosity of the processed gas diffusion layer is a direct method. That is, through the entire thickness of the gas diffusion layer.
일반적으로, 이 층은 80㎛ 내지 2000㎛, 특히 100㎛ 내지 1000㎛ 및 특히 바람직하게는 150㎛ 내지 500㎛ 범위의 두께를 가진다.
In general, this layer has a thickness in the range from 80 μm to 2000 μm, in particular from 100 μm to 1000 μm and particularly preferably from 150 μm to 500 μm.
기체 확산 층 또는 기체 확산 전극의 생산은 예를 들어, WO 97/20358에 자세하게 기재되어 있다. 여기에 기술된 생산 방법 또한 본 발명 설명내용의 일부이다.
The production of gas diffusion layers or gas diffusion electrodes is described in detail in WO 97/20358, for example. The production method described herein is also part of the present disclosure.
표면 장력을 감소시키기 위해서, WO 97/20358에 자세히 기제된 바와 같이, 물질(첨가제 또는 세정제)가 첨가될 수 있다. 또한, 기체 확산 층의 소수성은 과불화된 고분자를 불화되지 않은 바인더와 함께 사용하여 설정할 수 있다. 다음에, 장착된 기체 확산 층은 건조되고 열적으로 후 처리되며, 예를 들어 200℃ 이상의 온도에서 소결된다.
In order to reduce the surface tension, a substance (additive or cleaner) may be added, as described in detail in WO 97/20358. In addition, the hydrophobicity of the gas diffusion layer can be set using perfluorinated polymer with an unfluorinated binder. The mounted gas diffusion layer is then dried and thermally treated, for example, sintered at a temperature of 200 ° C. or higher.
더욱이, 기체 확산 층을 여러 층들로 구성하는 것이 가능하다. 기체 확산 층의 바람직한 구현예에서는, 적어도 두개의 구별되는 층을 가진다. 4층이 다중-층 기체 확산 층의 상한으로 여겨진다. 만약 하나 이상의 층이 사용된다면, 바람직하게는 고온에서, 압축 또는 라미네이션(lamination) 단계에 의해 이런 층들 서로간의 밀접한 연결을 형성하는 것이 편리하다. 미리-다듬어진 층을 생성하는 것이 가능하고, 이의 소수성 및/또는 공극율의 효과적인 구배가 설정될 수 있다. 이런 구배는 또한 여러 연속적인 코팅 또는 함침단계에 의해 발생할 수 있으나, 그러나, 일반적으로 함침이 좀더 정교하다.
Moreover, it is possible to configure the gas diffusion layer in several layers. In a preferred embodiment of the gas diffusion layer, it has at least two distinct layers. Four layers are considered the upper limit of the multi-layer gas diffusion layer. If more than one layer is used, it is convenient to form an intimate connection between these layers, preferably at high temperatures, by a compression or lamination step. It is possible to create a pre-trimmed layer, and an effective gradient of its hydrophobicity and / or porosity can be set. This gradient can also be caused by several successive coatings or impregnation steps, but in general, impregnation is more sophisticated.
특정 구현예에 따르면, 적어도 하나의 기체 확산 층은 압축성 물질로 구성될 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 압축성 물질은 기체 확산층이 절반, 바람직하게는 원래 두께의 1/3로 그 통합성을 잃지 않으며 압축될 수 있는 성질을 나타낸다.
According to certain embodiments, at least one gas diffusion layer may be comprised of a compressible material. Within the scope of the present invention, the compressible material exhibits the property that the gas diffusion layer can be compressed to half, preferably one third of its original thickness, without losing its integrity.
본 발명에 따른 기체 확산 층은 cm2 당 100 mOhm 미만의 범위, 바람직하게는 cn2 당 60 mOhm 미만의 낮은 전기적 표면 저항률을 가진다.
The gas diffusion layer according to the invention is cm 2 It has a low electrical surface resistivity in the range of less than 100 mOhm per sugar, preferably less than 60 mOhm per cn 2 .
이러한 성질은 일반적으로 카본 블랙의 첨가에 의해 전도성이 된 흑연 섬유 및/또는 흑연 페이퍼로 만들어진 기체 확산 층에 의해 나타난다. 상기 기체 확산 층은 또한 추가 물질의 첨가에 의해 물질 전달 성질 및 그들의 소수성이 최적화된다. 이와 관련하여, 기체 확산 층은 불화된 또는 부분적으로 불화된 물질, 예를 들어 PTFE로 장착된다.
This property is generally manifested by a gas diffusion layer made of graphite fibers and / or graphite paper which has become conductive by the addition of carbon black. The gas diffusion layer also optimizes mass transfer properties and their hydrophobicity by the addition of additional materials. In this regard, the gas diffusion layer is mounted with a fluorinated or partially fluorinated material, for example PTFE.
촉매 층Catalyst bed
촉매 층 또는 촉매 층들은 촉매 활성의 물질을 포함한다. 이들은 특히 백금족의 귀금속, 즉 Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, 또는 또한 귀금속 은 및 금을 포함한다. 또한, 상기 언급된 모든 금속의 합금 또한 사용될 수 있다. 부가적으로, 적어도 하나의 촉매 층은 백금족 원소와 비 귀금속, 예를 들어 Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga, V 등의 합금을 포함할 수 있다. 또한, 상기 언급된 귀금속 및/또는 비 귀금속의 산화물 또한 사용될 수 있다.
The catalyst layer or catalyst layers comprise a material of catalytic activity. These include in particular precious metals of the platinum group, ie Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, or also precious metals silver and gold. In addition, alloys of all the above-mentioned metals may also be used. In addition, the at least one catalyst layer may comprise alloys of platinum group elements and non-noble metals such as Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Zr, Ti, Ga, V, and the like. In addition, oxides of the above-mentioned noble metals and / or non-noble metals may also be used.
상기 언급한 물질을 포함하는 촉매 활성 입자는 금속 분말, 특히 백금 및/또는 백금 합금 분말, 소위 검은 귀금속으로 사용될 수 있다. 이런 입자는 일반적으로 5 nm 내지 200 nm 범위, 바람직하게는 7 nm 내지 100 nm 의 크기를 갖는다. 소위 나노 입자 또한 사용된다.
Catalytically active particles comprising the abovementioned materials can be used as metal powders, in particular platinum and / or platinum alloy powders, so-called black noble metals. Such particles generally have a size in the range of 5 nm to 200 nm, preferably 7 nm to 100 nm. So-called nanoparticles are also used.
또한, 상기 금속은 또한 지지 물질로서 사용될 수 있다. 바람직하게, 이 지지체는 특히 카본 블랙의 형태로서 사용될 수 있는 탄소, 흑연 또는 흑연화된 카본 블랙을 포함한다. 또한, 전기 전도성 금속 산화물, 예를 들어 SnOx , TiOX, 또는 인산염, 예를 들어 FePOx, NbPOx, Zry(POx)z가 지지물질로서 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 지수 x,y 및 z는 개개의 화합물의 산소 또는 금속 함량을 가리키고, 이는 다른 산화 단계에서 전이금속이 존재할 수 있는 것으로 알려진 범위 내에 위치할 수 있다.
In addition, the metal can also be used as a support material. Preferably, this support comprises carbon, graphite or graphitized carbon black which can be used in particular in the form of carbon black. In addition, electrically conductive metal oxides such as SnO x , TiO X , Or phosphates such as FePO x , NbPO x , Zr y (PO x ) z can be used as support material. In this regard, the indices x, y and z refer to the oxygen or metal content of the individual compounds, which may be located within a range known to be able to present transition metals in other oxidation steps.
지지체에서 이러한 금속 입자의 함량은, 지지체 및 금속에 결합된 전체 중량을 기준으로 하여, 일반적으로 1 내지 80 중량% 범위, 바람직하게는 5 내지 60 중량% 및 특히 바람직하게는 10 내지 50 중량%이다. 그러나 이것은 제한을 구성하지는 않는다. 지지체의 입자 크기, 특히 탄소 입자의 크기는, 바람직하게는 20 내지 1000 nm 범위, 특히 30 내지 100 nm이다. 그 안에 존재하는 금속 입자의 크기는 바람직하게는 1 내지 20nm 범위, 특히 1 내지 10nm 및 특히 바람직하게는 2 내지 6nm 이다.
The content of such metal particles in the support is generally in the range of 1 to 80% by weight, preferably 5 to 60% by weight and particularly preferably 10 to 50% by weight, based on the total weight of the support and the metal. . However, this does not constitute a limitation. The particle size of the support, in particular the size of the carbon particles, is preferably in the range from 20 to 1000 nm, in particular 30 to 100 nm. The size of the metal particles present therein is preferably in the range from 1 to 20 nm, in particular from 1 to 10 nm and particularly preferably from 2 to 6 nm.
다른 입자들의 크기는 평균값을 나타내고 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy) 또는 X-선 파우더 회절분석(X-ray powder diffractometry)에 의해 측정될 수 있다.
The size of the other particles is averaged and can be measured by transmission electron microscopy or X-ray powder diffractometry.
상기 기술된 촉매 활성 입자는 일반적으로 상업적으로 얻어질 수 있다.
The catalytically active particles described above can generally be obtained commercially.
이미 상업적으로 이용가능한 촉매 또는 촉매 입자외에도, 백금-함유 합금, 특히 각각 Pt, Co 및 Cu 또는 pt, Ni 및 Cu에 기초하여 만들어진 촉매 나노 입자를 또한 사용할 수 있고, 여기서 외부 쉘의 입자는 코어보다 Pt 함량이 높다. 이런 입자들은 P. Strasser et al. in Angewandte Chemie 2007에 기재되어 있다.
In addition to catalysts or catalyst particles already commercially available, it is also possible to use platinum-containing alloys, in particular catalyst nanoparticles made on the basis of Pt, Co and Cu or pt, Ni and Cu, respectively, wherein the particles of the outer shell are High Pt content These particles are described in P. Strasser et al. in Angewandte Chemie 2007.
또한, 촉매 활성 층은 통상적인 첨가물을 포함할 수 있다. 그중에서도 이는,예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 플루오로 고분자, 양성자-전도성 이오노머 및 표면-활성 물질을 포함한다.
In addition, the catalytically active layer may comprise conventional additives. Among them, this includes, for example, fluoropolymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), proton-conducting ionomers and surface-active materials.
본 발명의 특정 구현예에 따르면, 적어도 하나의 귀금속 및 선택적으로 하나 이상의 지지 물질을 포함하는 촉매 물질에 대한 플루오로고분자의 중량 비는 0.1 이상이고, 이 비율은 바람직하게는 0.2 내지 0.6의 범위 내에 있다.
According to certain embodiments of the invention, the weight ratio of fluoropolymers to catalyst material comprising at least one precious metal and optionally one or more support materials is at least 0.1, and this ratio is preferably in the range of 0.2 to 0.6. have.
본 발명의 특정 구현예에 따르면, 촉매층은 1 내지 1000㎛ 범위, 특히 5 내지 500, 바람직하게는 10 내지 300㎛의 두께를 가진다. 이 값은 평균값을 나타내고, 주사 전자 현미경(SEM)으로 얻어진 층의 단면 이미지를 사용하여 측정될 수 있다.
According to a particular embodiment of the invention, the catalyst layer has a thickness in the range from 1 to 1000 μm, in particular from 5 to 500, preferably from 10 to 300 μm. This value represents the mean value and can be measured using a cross-sectional image of the layer obtained with a scanning electron microscope (SEM).
본 발명의 특정 구현 예에 따르면, 촉매 층의 귀금속 함량은 0.1 내지 10.0 mg/cm2, 바람직하게는 0.3 내지 6.0 mg/cm2 및 특히 바람직하게는 1 내지 4.0 mg/cm2이다. 이러한 값은 평판 샘플의 성분 분석에 의해 결정된다.
According to certain embodiments of the present invention, the precious metal content of the catalyst layer is 0.1 to 10.0 mg / cm 2 , Preferably 0.3 to 6.0 mg / cm 2 And particularly preferably 1 to 4.0 mg / cm 2 . This value is determined by component analysis of the plate sample.
본 발명에 따른 이오노머 물질은 촉매 물질의 함량에 대해 특정 비율로 음극의 촉매층에 존재하는 것이 바람직하다. 그러므로, 이오노머 물질과 촉매의 중량비는 100:1 내지 1:100가 바람직하며, 가장 바람직하게는 10:1 내지 1:10 이다. 구체적인 바람직한 비율은 1:8 내지 1:3이다. 필요에 따라, 이러한 양 및 비율은 양극의 촉매층에 또한 적용될 수 있다.
The ionomer material according to the invention is preferably present in the catalyst layer of the cathode in a specific proportion relative to the content of the catalyst material. Therefore, the weight ratio of ionomer material to catalyst is preferably 100: 1 to 1: 100, most preferably 10: 1 to 1:10. Specific ratios are preferably 1: 8 to 1: 3. If desired, such amounts and ratios may also be applied to the catalyst layer of the anode.
상기 촉매 층은 일반적으로 자체-지지성이 아니지만 대개 기체 확산 층 및/또는 막에 적용된다. 이와 관련하여, 촉매 층의 일부는 예를 들어 기체 확산 층 및/또는 막으로 확산될 수 있고, 전환 층의 형성을 가져온다. 이는 또한 촉매층이 기체 확산 층의 일부로서 이해되는 것을 유발할 수도 있다. 촉매 층의 두께는 촉매 층이 적용된 층, 예를 들어 기체 확산 층 또는 막의 두께를 측정함으로서 얻어지고, 상기 측정은 촉매 층 및 상응하는 층의 합, 예를 들어 기체 확산 층 및 촉매 층의 합을 제공한다. 상기 촉매 층은 바람직하게는 구배를 특징으로 하고, 즉 귀금속의 함량은 막의 방향으로 증가하고 반면 소수성 물질의 함량은 이와 반대로 행동한다.
The catalyst layer is generally not self-supporting but is usually applied to gas diffusion layers and / or membranes. In this regard, part of the catalyst layer may for example diffuse into the gas diffusion layer and / or the membrane, resulting in the formation of a conversion layer. This may also cause the catalyst layer to be understood as part of the gas diffusion layer. The thickness of the catalyst layer is obtained by measuring the thickness of the layer to which the catalyst layer is applied, for example the gas diffusion layer or the membrane, the measurement being the sum of the catalyst layer and the corresponding layer, for example the sum of the gas diffusion layer and the catalyst layer. to provide. The catalyst layer is preferably characterized by a gradient, ie the content of the noble metal increases in the direction of the membrane while the content of hydrophobic material acts in reverse.
막 전극 접합체의 추가 정보는 기술적 문헌, 특히 특허 출원 WO 01/18894 A2, DE 195 09 748, DE 195 09 749, WO 00/26982, WO 92/15121 및 DE 197 57 492에서 언급되어 있다. 선택되는 전극, 기체 확산 층 및 촉매뿐만 아니라 막 전극 접합체의 구조 및 생성에 대하여 상기 언급한 문헌들이 포함된 설명내용은 본 명세서의 일부이다.
Further information of membrane electrode assemblies is mentioned in the technical literature, in particular in patent applications WO 01/18894 A2, DE 195 09 748, DE 195 09 749, WO 00/26982, WO 92/15121 and DE 197 57 492. The description including the above-mentioned documents regarding the structure and formation of the electrode, gas diffusion layer and catalyst as well as the membrane electrode assembly selected is part of this specification.
개스킷Gasket
본 발명에 따른 방법의 범위 내에서 발생 또는 사용되는 개스킷은 각각 분리된 단계에서 생산되고 적용되거나 또는 기체 확산 층의 원주 가장자리 및 양극성 판의 원주, 선택적으로 도드라진 가장자리에서 직접 발생된다.
The gaskets generated or used within the scope of the process according to the invention are each produced and applied in separate steps or are generated directly at the circumferential edge of the gas diffusion layer and the circumferential, optionally raised edge of the bipolar plate.
이와 관련하여 구조적으로 안쪽 가장자리 영역에 형성되는 개스킷은 내부와 겹쳐지고, 따라서 기체 확산 층 또는 촉매 층을 제공하는 기체 확산 층의 바깥 가장자리 영역과 겹쳐지는 것이 필수적이다. 이 겹침을 통해, 기체 확산 층은 양극성 판에 고정되고 이로 인해 추가의 포지셔닝(positioning) 또는 고정 틀을 생략할 수 있다. 부가적으로, 더이상 기체 확산층의 가장자리 영역이 밀봉재와 산재되거나 또는 밀봉재가 밀폐 기능을 얻기 위해서 기체 확산 층의 가장자리 영역으로 침투하지 않아도 된다.
In this connection, the gasket structurally formed in the inner edge region overlaps with the inside, and therefore it is essential to overlap with the outer edge region of the gas diffusion layer providing the gas diffusion layer or catalyst layer. This overlap allows the gas diffusion layer to be anchored to the bipolar plate, thereby eliminating additional positioning or anchoring frames. In addition, it is no longer necessary for the edge region of the gas diffusion layer to be interspersed with the sealant or for the sealant to penetrate into the edge region of the gas diffusion layer in order to obtain a sealing function.
또한, 개스킷이 충분한 기계적 성질 및/또는 통합성을 보유하여 후속의 압축 단계에서, 예를 들어, 기체 확산 층 및/또는 막/전해질 매트릭스가 손상되지 않는 것이 유리하다. 이를 위하여, 소위 강정지기능(hard stop function)은 유리한 방법으로 개스킷에 통합할 수 있다. 상기 구현예는 개스킷이 도드라진 가장자리 없이 양극성 판에 생산될 수 있을 때 특히 바람직하다.
It is also advantageous that the gasket retains sufficient mechanical properties and / or integrity so that in subsequent compression steps, for example, the gas diffusion layer and / or the membrane / electrolyte matrix are not damaged. For this purpose, a so-called hard stop function can be integrated in the gasket in an advantageous way. This embodiment is particularly preferred when the gasket can be produced in a bipolar plate without raised edges.
개스킷의 생산은 분리된 단계를 통해 수행되거나 또는 개스킷이 양극성 판 쪽의 기체 확산 층의 원형 가장자리에 바로 만들어질 수 있다. 개스킷의 생성은 모든 알려진 방법, 바람직하게는 열가소성 엘라스토머 또는 가교성 고분자의 분무 도포 또는 도포 및/또는 프린팅 방법에 의한 이들의 가교에 의해 수행될 수 있다.
The production of the gasket can be carried out in separate steps or the gasket can be made directly at the circular edge of the gas diffusion layer on the side of the bipolar plate. The production of the gaskets can be carried out by all known methods, preferably by crosslinking them by spray application or application and / or printing methods of thermoplastic elastomers or crosslinkable polymers.
바람직하게는, 본 발명에 따른 개스킷은 녹기 쉬운 고분자 또는 열적으로 제조될 수 있는 고무의 형태로 생성된다.
Preferably, the gaskets according to the invention are produced in the form of polymers which are soluble or can be thermally produced.
상기 고무들 중에서, 실리콘 고무(Q), 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM), 에틸렌-프로필렌 고무(EPM), 이소부틸렌-이소프렌 고무(IIR), 부타디엔 고무(BR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 스티렌-이소프렌 고무(SIR), 이소프렌-부타디엔 고무(IBR), 이소프렌 고무(IR), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR), 아크릴레이트 고무(ACM) 및/또는 부타디엔 고무(BR)로부터 부분적으로 수소화된 고무, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 이소프렌-부타디엔 고무(IBR), 이소프렌 고무(IR), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR), 폴리이소부틸렌 고무(PIB), 플루오로 고무(FPM), 플루오로실리콘 고무(MFQ, FVMQ)가 바람직하다.
Among the rubbers, silicone rubber (Q), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), ethylene-propylene rubber (EPM), isobutylene-isoprene rubber (IIR), butadiene rubber (BR), styrene-butadiene rubber ( SBR), styrene-isoprene rubber (SIR), isoprene-butadiene rubber (IBR), isoprene rubber (IR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), acrylate rubber (ACM) and / or Partially hydrogenated rubber from butadiene rubber (BR), styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene-butadiene rubber (IBR), isoprene rubber (IR), acrylonitrile-butadiene rubber (NBR), polyisobutylene rubber ( PIB), fluoro rubbers (FPM), fluorosilicone rubbers (MFQ, FVMQ) are preferred.
또한, 플루오로고분자는 밀봉재로서 사용되고, 바람직하게는 폴리(테트라플루오로에틸렌-co-헥사플루오로프로필렌) FEP, 폴리비닐리덴 플루오라이드 PVDF, 퍼플루오로알콕시 고분자 PFA 및 폴리(테트라플루오로에틸렌-co-퍼플루오로(메틸비닐 에테르) MFA이다. 이러한 고분자는 많은 방법으로, 예를 들어 상품명 Hostafon?, Hyflon?, Teflon?, Dyneon? 및 Nowoflon?으로 상업적으로 입수가능하다.
Fluoropolymers are also used as sealing materials, preferably poly (tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) FEP, polyvinylidene fluoride PVDF, perfluoroalkoxy polymer PFA and poly (tetrafluoroethylene- co-perfluoro (methylvinyl ether) MFA Such polymers are commercially available in many ways, for example under the trade names Hostafon®, Hyflon®, Teflon®, Dyneon® and Nowoflon®.
상기 언급한 물질외에도, 폴리이미드에 기초한 밀봉재가 또한 사용될 수 있다. 폴리이미드에 기초한 고분자 류는 골격의 구성요소로서 이미드기외에, 또한 아미드(폴리아미드이미드), 에스테르(폴리에스테르이미드) 및 에테르기(폴리에테르이미드)를 포함하는 고분자를 또한 포함한다.
In addition to the materials mentioned above, sealants based on polyimides can also be used. Polymers based on polyimides include not only imide groups as constituents of the skeleton, but also polymers containing amide (polyamideimide), ester (polyesterimide) and ether group (polyetherimide).
바람직한 폴리이미드는 하기 화학식(Ⅵ)의 반복단위를 가지고 있다.
Preferred polyimides have repeating units of formula (VI).
(Ⅵ)
(Ⅵ)
이때 작용기 Ar은 상술된 의미를 가지고 작용기 R은 알킬기 또는 1 내지 40개 탄소원자의 2가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타낸다. 바람직하게는, 작용기 R은 선택적으로 또한 치환될 수 있는 벤젠, 나프탈렌, 비페닐, 디페닐 에테르, 디페닐 케톤, 디페닐메탄, 디페닐디메틸메탄, 비스페논, 디페닐술폰, 퀴놀린, 피리딘, 비피리딘, 안트라센, 티아디아졸 및 페난트렌으로부터 유도되는 2가 공유결합 방향족 또는 헤테로방향족기를 나타낸다. 지수 n은 반복단위가 고분자의 일부를 나타냄을 시사한다.
Wherein the functional group Ar has the above meaning and the functional group R represents an alkyl group or a divalent covalently aromatic or heteroaromatic group of 1 to 40 carbon atoms. Preferably, functional group R is benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenyl ketone, diphenylmethane, diphenyldimethylmethane, bisphenone, diphenylsulfone, quinoline, pyridine, Divalent covalently aromatic or heteroaromatic groups derived from bipyridine, anthracene, thiadiazole and phenanthrene. The index n suggests that the repeat unit represents part of the polymer.
이런 고분자는 Dupont사의 ?Kapton, ?Vespel, ?Toray 및 ?Pyralin 뿐만 아니라 GE Plastics사의 ?Ultem 및 Ube Industries사의 ?Upilex의 상품명으로 상업적으로 입수가능하다.
Such polymers are commercially available under the trade names Dupont's Kapton, Vespel, Toray and Pyralin as well as GE Plastics 'Ultem and Ube Industries' Upilex.
강/약 조합의 특성을 가지는 상기 언급한 물질의 조합은 또한, 특히 상기 언급한 강 정지 기능(hard stop fuction)이 통합될 때, 밀봉재로서 바람직하다.
Combinations of the above mentioned materials having the properties of a strong / weak combination are also preferred as seals, especially when the above mentioned hard stop fuction is integrated.
특히 바람직한 밀봉재는 5 내지 85, 특히 25 내지 80인 쇼어 경도(Shore A hardness)를 가진다. 상기 쇼어 경도는 DIN 53505에 따라 결정된다. 또한, 밀봉재의 영구변형(permanent set)이 50% 이하일 때 유용하다. 영구변형(permanent set)은 DIN ISO 815에 따라 결정된다.
Particularly preferred seals have a Shore A hardness of 5 to 85, in particular 25 to 80. The shore hardness is determined according to DIN 53505. It is also useful when the permanent set of sealant is 50% or less. The permanent set is determined according to DIN ISO 815.
개스킷의 두께는 여러가지 요인에 의하여 영향을 받는다. 주요 요인은 양극성 판의 경계영역의 고도를 얼마나 높이 선택하는지이다. 통상, 생성 또는 적용되는 개스킷의 두께는 5㎛ 내지 5000㎛, 바람직하게는 10㎛ 내지 1000㎛ 및 특히 25㎛ 내지 150㎛이다. 특히 도드라진 경계 영역이 없는 양극성 판의 경우에는, 두께는 또한 더 높을 수 있다.
The thickness of the gasket is influenced by several factors. The main factor is how high the height of the boundary area of the bipolar plate is chosen. Usually, the thickness of the gasket produced or applied is from 5 μm to 5000 μm, preferably from 10 μm to 1000 μm and in particular from 25 μm to 150 μm. Especially for bipolar plates without raised border areas, the thickness can also be higher.
상기 개스킷은 또한 다양한 층들로 구성될 수 있다. 이 구현예에서, 다른 층들은 적합한 고분자를 사용하여 서로 연결되고, 특히 플루오로고분자는 수성 결합을 형성하는데 매우 적합하다. 적합한 플루오로고분자는 당업자에게 알려져 있다. 그중에서도, 이는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리(테트라플루오로에틸렌-co-헥사플루오로프로필렌)(FEP)를 포함한다. 상기 기재된 밀봉층 위에 존재하는 플루오로고분자로 만들어진 층은 일반적으로 적어도 0.5㎛, 바람직하게는 적어도 2.5㎛의 두께를 가진다. 만약 발포성 플루오로고분자가 적용된다면, 상기 층의 두께는 5 내지 250㎛, 바람직하게는 10 내지 150㎛일 수 있다.
The gasket may also consist of various layers. In this embodiment, the different layers are connected to each other using suitable polymers, in particular fluoropolymers being very suitable for forming aqueous bonds. Suitable fluoropolymers are known to those skilled in the art. Among them, it includes polytetrafluoroethylene (PTFE) and poly (tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) (FEP). The layer made of fluoropolymers present above the sealing layer generally has a thickness of at least 0.5 μm, preferably at least 2.5 μm. If expandable fluoropolymers are applied, the thickness of the layer may be between 5 and 250 μm, preferably between 10 and 150 μm.
그리하여 상기 기재된 개스킷 또는 밀봉재는 양극성 판과 함께 형성되는 오목부의 기체 확산 층을 고정시킨다. 이를 위하여, 개스킷이 기체 확산 층의 원형의 바깥 경계 영역에 겹칠 때가 유용하다. 기체 확산 층의 경계 영역과 개스킷의 겹침은, 기체 확산층의 가장 바깥 가장자리를 기준으로 하여 바람직하게는 0,1 내지 5 mm, 바람직하게는 0.1 내지 3 mm이다. 더 많은 겹침이 가능하지만, 그러나 촉매적 활성 표면의 강한 손실을 유발한다. 이런 이유로, 겹침의 정도는 촉매적 활성 표면의 불필요하게 과다한 부분이 덮이도록 임계적인 방법으로 조절되어져야 한다.
Thus, the gasket or seal described above fixes the gas diffusion layer of the recess formed with the bipolar plate. For this purpose, it is useful when the gasket overlaps the circular outer boundary region of the gas diffusion layer. The overlap of the boundary region of the gas diffusion layer and the gasket is preferably 0,1 to 5 mm, preferably 0.1 to 3 mm, based on the outermost edge of the gas diffusion layer. More overlap is possible, but causes a strong loss of catalytically active surface. For this reason, the degree of overlap must be adjusted in a critical way so that an unnecessary excess of the catalytically active surface is covered.
개스킷이 기체 확산 층의 원형의 바깥 경계 영역에 겹칠 때가 유용하다고 하더라도, 그럼에도 불구하고, 기체 확산 층 경계 영역의 원형으로 밀봉된 가장자리의 불연속적인 겹침이, 특히 활성 촉매 표면에 대하여 존재한다. 이런 이유로, 기체 확산 층의 고정 기능이 개스킷을 통하여 확실하게 유지되는 것이 필수적이다.
Although it is useful when the gasket overlaps the circular outer boundary region of the gas diffusion layer, nevertheless there is a discontinuous overlap of the circular sealed edges of the gas diffusion layer boundary region, in particular with respect to the active catalyst surface. For this reason, it is essential that the fixing function of the gas diffusion layer is reliably maintained through the gasket.
양극성 판Bipolar plate
본 발명의 범위 내에서 사용되는 양극성 판 또는 또한 분리된 판은 채널(유동장채널) 매개 과정으로 통상적으로 생산되어 반응물 및 연료 전지의 일반적인 다른 유체, 예를 들어 냉각 유체의 분포를 가능하게 한다.
Bipolar plates or also separate plates used within the scope of the present invention are typically produced in a channel (flow field channel) process to enable the distribution of reactants and other fluids common in fuel cells, for example cooling fluids.
상기 양극성 판은 대개 전기 전도성 물질로부터 생성된다; 이들은 금속성 또는 비-금속성 물질일 수 있다.
The bipolar plate is usually produced from an electrically conductive material; These may be metallic or non-metallic materials.
만약 양극성 판이 비 금속성 물질로 구성된다면, 소위 복합재료가 바람직하다. 복합재료는 전기 전도성 충전제를 제공받은 매트릭스 재료로 만들어진 접합체이다. 고분자 재료, 특히 바람직하게 유기 고분자가 매트릭스 재료로서 적합하다. 연료 전지의 작동 온도에 따라, 높은 성능의 고분자, 특히 열적으로 안정한 고분자가 또한 요구된다. 사용 영역에 따라, 장기간 사용 온도가 적어도 80℃, 바람직하게는 적어도 120℃, 특히 바람직하게는 적어도 180℃인 고분자가 사용된다.
If the bipolar plate consists of a non-metallic material, so-called composites are preferred. The composite material is a joint made of a matrix material provided with an electrically conductive filler. Polymeric materials, particularly preferably organic polymers, are suitable as matrix materials. Depending on the operating temperature of the fuel cell, high performance polymers, in particular thermally stable polymers, are also required. Depending on the area of use, polymers are used having a long term use temperature of at least 80 ° C, preferably at least 120 ° C, particularly preferably at least 180 ° C.
열가소성수지, 특히 폴리프로펠린(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 및 액상 고분자(LCP)가 특히 바람직하게 사용되고, 또한 이들의 혼합물, 즉 다른 고분자 및 통상의 첨가물 각각을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. 열가소성수지 외에, 열경화성고분자 및 수지 또한 바람직하다. 특히 페놀 수지(PF), 멜라민 수지(MF), 폴리에스테르(UP) 및 에폭시 수지(EP)가 사용된다.
Thermoplastics, in particular polypropelin (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene sulfide (PPS) and liquid polymers (LCP) are particularly preferably used, and these It is also possible to use a mixture of ie, a mixture of different polymers and ordinary additives. In addition to thermoplastic resins, thermosetting polymers and resins are also preferred. In particular, phenol resins (PF), melamine resins (MF), polyesters (UP) and epoxy resins (EP) are used.
매트릭스 중에서 가급적 균일한 분포를 가능하게 하는 미립자 물질이 전기 전도성 충전제로 사용된다. 바람직하게는, 이런 충전제는 적어도 10 6mS/cm의 벌크(bulk) 전도도를 가지고 있다. 탄소, 흑연 및 카본블랙이 특히 바람직하게 사용된다. 이들은 또한 매트릭스 재료 안에서 더 좋은 습윤성(wettabilbity)을 얻기 위해 처리될 수 있다. 입자의 크기는 어떤 특정한 제한 대상이 되지 않지만, 그러나 이런 양극성 판 생산이 가능하여야 한다. 상기-언급한 전기 전도성 충전제를 제외하고, 나아가 적용특성을 개선하기 위한 첨가제가 매트릭스 재료 안에 첨가될 수 있다. 특히 다른 방법으로 기계 부하를 보장할 수 없다면, 섬유 보강 또한 가능하다.
Particulate materials are used as electrically conductive fillers which allow as uniform distribution as possible in the matrix. Preferably, such fillers have a bulk conductivity of at least 10 6 mS / cm. Carbon, graphite and carbon black are particularly preferably used. They can also be treated to obtain better weettabilbity in the matrix material. The particle size is not subject to any particular limitation, but it must be possible to produce such a bipolar plate. Except for the above-mentioned electrically conductive fillers, additives for further improving the application properties may be added in the matrix material. Fiber reinforcement is also possible, especially if mechanical loads cannot be guaranteed in other ways.
이러한 양극성 판 생산은 바람직하게 적합한 생성 방법에 의해, 특히 사출 성형 기술(injection moulding techniques)뿐만 아니라 사출 엠보싱(injection embossing) 및 엠보싱 기술(embossing techniques)에 의해 수행된다.
Such bipolar plate production is preferably carried out by suitable production methods, in particular by injection embossing and embossing techniques as well as injection molding techniques.
매개 덕트(duct)의 제조를 제외하고, 양극성 판은 또한 예를 들어 냉각제 또는 반응 기체가 이를 통해 공급 또는 방출될 수 있는, 덕트(duct) 또는 구멍(opening) 또는 천공(bore)을 추가로 가질 수 있다.
Except for the production of intermediate ducts, the bipolar plate also has further ducts or openings or bores, for example, through which coolant or reactant gas can be supplied or discharged. Can be.
비 금속성 양극성 판의 두께는 바람직하게는 0.3 내지 10 nm 범위 내, 특히 0.5 내지 5 nm 범위 내 및 특히 바람직하게는 0.5 내지 2 nm 범위 내이다. 상기 비 금속성 양극선 판의 전도도는 25 S/cm와 같거나 또는 크다.
The thickness of the non-metallic bipolar plate is preferably in the range of 0.3 to 10 nm, in particular in the range of 0.5 to 5 nm and particularly preferably in the range of 0.5 to 2 nm. The conductivity of the nonmetallic bipolar plate is greater than or equal to 25 S / cm.
만약 양극성 판이 금속성 재료로 구성된다면, 좀더 비용 효율적인 통합 설계가 가능하다. 이러한 금속성 양극성 판의 구조는 어떤 실질적인 제한의 대상이 되지 않는다. 금속성 재료로서 내 부식성 및 내산성 철, 특히 V2A 및 V4A 철에 기초한 것 뿐만 아니라 니켈 기반 합급으로 이루어진 것이 바람직하다. 추가로 판형 또는 코팅된 금속이 바람직하고, 특히 이들은 귀금속, 니켈, 루테늄, 니오븀, 탄탈륨, 크로뮴, 탄소로 이루어진 내 부식성 표면을 가진 것뿐만 아니라 세라믹 재료가 코팅된 금속, 특히 CrN, TiN, TiAN, 복합 질화물(complex nitrides), 탄소화물, 규소화물로 코팅된 것 및 금속 산화물 및 전이금속이다.
If the bipolar plate is made of metallic material, a more cost effective integrated design is possible. The structure of this metallic bipolar plate is not subject to any substantial limitations. It is preferred that the metallic material consist of nickel based alloys as well as those based on corrosion and acid resistant irons, in particular V2A and V4A iron. Further plate or coated metals are preferred, in particular they have a corrosion resistant surface consisting of precious metals, nickel, ruthenium, niobium, tantalum, chromium, carbon, as well as metals coated with ceramic materials, in particular CrN, TiN, TiAN, Complex nitrides, carbonides, silicon nitride coated and metal oxides and transition metals.
이들을 제외하고, 금속성 양극성 판은 부가적으로 이러한 코팅을 가질 수 있고, 이는 한편으로는 기체 확산 층/양극성 판의 접합에서 전기적 표면 저항을 감소시키거나 또는 존재하는 매개를 향한 양극성 판의 화학적 및/또는 물리적 저항성을 증가시키거나 또는 연료전지 안에 형성된다.
Apart from these, the metallic bipolar plate may additionally have such a coating, which on the one hand reduces the electrical surface resistance in the bonding of the gas diffusion layer / bipolar plate or the chemical and / or of the bipolar plate towards the media present. Or increases physical resistance or is formed in a fuel cell.
금속성 양극성 판의 구성은 개개의 판으로부터 행해질 수 있고, 즉 이는 공급 또는 방출되어야 하는 냉각제 및 반응 매개를 위한 공극을 단순한 방법으로 형성하는 것이 가능하다. 개개의 판의 연결은 재료 결합 방법, 예를 들어 용접 또는 납땜에 의해 수행될 수 있다. 필요에 따라, 공극은 부가적으로 서로에 대하여 밀봉되고, 즉 추가의 내부 코팅으로 인해 누출을 피할 수 있게 된다.
The construction of the metallic bipolar plate can be done from the individual plates, ie it is possible to form in a simple way voids for the coolant and reaction medium to be fed or discharged. The connection of the individual plates can be carried out by a material joining method, for example welding or soldering. If desired, the voids are additionally sealed against each other, ie leaks can be avoided due to the additional internal coating.
만약 냉각 층이 없는 연료전지 시스템이 구성되거나 또는 이런 연료전지 스택의 각각 여러 개의 전지 시스템이 어떠한 냉각도 요구하지 않는다면, 양극성 판 또는 스택의 개별 양극성 판은 또한 오직 하나의 금속성 또는 비금속성 개별 판으로부터 제조될 수 있다.
If a fuel cell system without a cooling layer is constructed, or if each of the multiple cell systems in such a fuel cell stack does not require any cooling, the bipolar plate or individual bipolar plates of the stack may also be from only one metallic or nonmetallic individual plate. Can be prepared.
적합한 금속성 양극성 판의 생산 및 구성은 DE-A-10250991, WO 2004/036677, WO 2004/105164, WO 2005/081614, WO 2005/096421 및 WO 2006/037661에 자세하게 기재되어 있다. 여기에 기술된 접합체 및 생산방법도 또한 본 발명 및 명세서의 일부이다.
The production and construction of suitable metallic bipolar plates is described in detail in DE-A-10250991, WO 2004/036677, WO 2004/105164, WO 2005/081614, WO 2005/096421 and WO 2006/037661. The conjugates and production methods described herein are also part of the present invention and specification.
금속성 양극성 판의 두께는 바람직하게는 0.03 내지 1mm 범위 내, 특히 0.05 내지 0.5mm 범위내 및 특히 바람직하게는 0.05 내지 0.15mm 범위 내이다.
The thickness of the metallic bipolar plate is preferably in the range of 0.03 to 1 mm, in particular in the range of 0.05 to 0.5 mm and particularly preferably in the range of 0.05 to 0.15 mm.
본 발명 범위 내에서 사용되는 상기 양극성 판은 도드라진 경계의 영역을 가지므로 유동장 채널을 포함하는 양극성 판의 영역은 오목부를 형성한다. 제조된 매개 채널을 가지는 양극성 판의 영역의 가장 높은 높이에 대한 경계 영역의 정확한 고도는 기체 확산 층 또는 촉매 층을 포함한 기체 확산 층의 두께에 따라 조정된다. 만약 기체 확산 층 또는 촉매 층의 기체 확산 층이 그 후의 압축 단계 동안 어떤 추가의 압축을 당하지 않는다면, 양극성 판의 경계 영역의 높이는 기체 확산 층 또는 촉매 층을 포함한 기체 확산 층의 두께와 일치한다.
The bipolar plate used within the scope of the present invention has a region of raised boundaries so that the region of the bipolar plate comprising flow field channels forms a recess. The exact altitude of the boundary region relative to the highest height of the region of the bipolar plate with the intermediate channel produced is adjusted according to the thickness of the gas diffusion layer, including the gas diffusion layer or catalyst layer. If the gas diffusion layer of the gas diffusion layer or catalyst layer is not subjected to any further compression during the subsequent compression step, the height of the boundary region of the bipolar plate corresponds to the thickness of the gas diffusion layer including the gas diffusion layer or catalyst layer.
기체 확산 층 또는 촉매 층을 포함한 기체 확산 층의 두께가 제조된 매개 덕트를 가지는 양극성 판의 가장 높은 높이의 영역에 대한 경계 영역의 높이보다 크다면, 그 후의 압축 단계 동안 기체 확산 층의 압축이 발생한다. 상기 압축의 정도는 밀봉재의 두께 및 성형성에 의해 결정되고 밀봉재는 강정지(hard stop)로서 행동한다. 이 구현예는 부드러운 또는 쉽게 성형 되는 고분자 전해질 막이 막의 손상을 피하기 위해서 사용될 때 특히 유용하다.
If the thickness of the gas diffusion layer, including the gas diffusion layer or catalyst layer, is greater than the height of the boundary region for the highest height region of the bipolar plate with the intermediate duct manufactured, compression of the gas diffusion layer occurs during the subsequent compression step. do. The degree of compression is determined by the thickness and formability of the seal and the seal acts as a hard stop. This embodiment is particularly useful when a soft or easily shaped polymer electrolyte membrane is used to avoid damaging the membrane.
기체 확산 층 또는 촉매 층을 포함한 기체 확산 층이 원래 두께와 비교하여 적어도 3%의 압축을 겪었던 것과 같은 방법으로, 프레임-형상 구성요소의 높이 또는 경계영역의 높이를 설계하는 것이 유용한다는 것이 알려져있다. 특히 바람직하게, 상기 기재한 경계 영역의 높이가 선택되고 압축은 적어도 5%이다. 50% 이상의 압축, 특히 30%이상의 압축이 상한으로 선택되고, 다른 파라미터의 선택을 통해 이를 초과하는 것 또한 가능하다.
It is known that it is useful to design the height of the frame-shaped component or the height of the boundary region in such a way that the gas diffusion layer, including the gas diffusion layer or catalyst layer, experienced at least 3% compression compared to the original thickness. . Particularly preferably, the height of the boundary region described above is chosen and the compression is at least 5%. It is also possible that at least 50% compression, in particular at least 30% compression, is selected as the upper limit and exceeding it through the selection of other parameters.
구성요소의 압축은 압력 또는 온도의 작용으로 행해지며 구성요소의 서로간의 밀접한 연결이 형성된다. 일반적으로, 이는 10 내지 300℃ 범위 내의 온도, 바람직하게는 20℃ 내지 200℃ 및 1 내지 1000 bar 범위 내의 압력, 특히 3 내지 300 bar에서 수행된다. 상기-언급한 압축은 또한 스택의 생산 및/또는 연료 전지 스택개시 동안 발생할 수 있다. Compression of the components is carried out under the action of pressure or temperature and a close connection between the components is formed. In general, this is carried out at temperatures in the range from 10 to 300 ° C., preferably at temperatures in the range from 20 ° C. to 200 ° C. and at 1 to 1000 bar, in particular from 3 to 300 bar. The above-mentioned compression may also occur during the production of the stack and / or the fuel cell stack initiation.
그 후에, 전기화학적 전지, 특히 연료전지 개개의 전지가 작동되고 사용될 수 있다. 연료 전지 스택을 생산하기 위해서, 연료전지의 기초가 되는 개개의 전지가 스택으로 배열된다. 또한, 상기 연료 전지 스택의 생산은 본 발명에 따라 반-완성 부분을 이용하여 수행될 수 있고, 요구되는 막에 앞서 이들을 제공하는 것이 가능하다. 이와 관련하여, 막은 말아진 상품으로 먼저 이용가능하고, 예를 들어, 개개의 양극성 판 설계에 적합하도록 재료를 최소로 사용하여 각각 절단될 수 있다. 어떤 처리된 틀(handling frame)도 덧붙일 필요가 없다. 연료전지를 위한 개개의 전지로부터의 연료전지 스택의 생산은 일반적으로 알려져 있다.
Thereafter, the electrochemical cell, in particular the fuel cell individual cell, can be operated and used. To produce a fuel cell stack, the individual cells on which the fuel cell is based are arranged in a stack. In addition, the production of the fuel cell stack can be carried out using semi-finished parts according to the invention, and it is possible to provide them in advance of the required membrane. In this regard, the membranes are first available as rolled products and can be cut, for example, with a minimum of material to suit individual bipolar plate designs. You do not need to add any handling frame. The production of fuel cell stacks from individual cells for fuel cells is generally known.
본 발명에 따른 전극 및 막 전극 접합체는, 하기 실시예에서 기재하고 있는 바와 같이, 인산 흡착을 가능하게 하는 이미노기 및 플루오린을 동시에 함유하는 고분자를 제공한다. 이것이 전극에 코팅된 이오노머로서 사용될 때, 현저히 높은 산소 환원 전류의 제공이 얻어진다. 따라서, 전극의 과전압의 감소가 보이고, 연료 전지의 전압이 감소한다. 특정한 과학적 모델의 결합 없이, 이런 효과는 고분자 구조 내 플루오린의 포함이 그 자체의 산소 용해도를 증가시켰다는 사실로 설명할 수 있다. 본 발명에서, 음극에 이러한 플루오린-함유 고분자를 코팅 또는 첨가하는 방법이 연료전지의 성능을 개선하기 위해 효과적인 조치라는 것이 분명하다.
The electrode and membrane electrode assembly according to the present invention, as described in the following examples, provide a polymer containing both an imino group and fluorine, which enable phosphoric acid adsorption. When it is used as ionomer coated on the electrode, the provision of a significantly high oxygen reduction current is obtained. Thus, the decrease in the overvoltage of the electrode is seen, and the voltage of the fuel cell decreases. Without the incorporation of certain scientific models, this effect can be explained by the fact that the inclusion of fluorine in the polymer structure increased its oxygen solubility. In the present invention, it is clear that the method of coating or adding such a fluorine-containing polymer to the cathode is an effective measure for improving the performance of the fuel cell.
고분자 제조 과정
Polymer Manufacturing Process
고분자 1: 폴리벤즈이미다졸(PBI)Polymer 1: Polybenzimidazole (PBI)
비교를 위한 염기성 고분자로서 BASF Fuel Cell GmbH의 폴리(2,2'-m-페닐렌-5,5'-비벤즈이미다졸)을 사용하였다.
Poly (2,2'-m-phenylene-5,5'-bibenzimidazole) from BASF Fuel Cell GmbH was used as the basic polymer for comparison.
고분자 2: 플루오린-함유 고분자 1Polymer 2: Fluorine-Containing Polymer 1
화학식 1로 나타낸 4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디벤조산을 디카르복실산으로 사용하였고, 및 화학식 2로 나타낸 3.3'-디아미노벤지딘 테트라히드로클로라이드를 아미노기를 함유한 모노머로서 사용하였다. 4,4 '-(hexafluoroisopropylidene) dibenzoic acid represented by Formula 1 was used as the dicarboxylic acid, and 3.3'-diaminobenzidine tetrahydrochloride represented by Formula 2 was used as a monomer containing an amino group. It was.
질소 분위기 하에서, 폴리 인산(117% 인산)을 반응 용매로 사용하여, 반응이 170℃에서 12시간 동안, 그리고 추가로 220℃에서 90시간 동안 일어났다. 반응 혼합물은 고 점도가 되었다. Under nitrogen atmosphere, using polyphosphoric acid (117% phosphoric acid) as the reaction solvent, the reaction took place at 170 ° C. for 12 hours and further at 220 ° C. for 90 hours. The reaction mixture became high viscosity.
혼합물을 많은 양의 물에 붓고, 여과에 의해 침전물을 회수하였다. 침전물을 끓는 물 속에 넣고 폴리 인산 용매를 제거하기 위하여 24시간 동안 환류하였다. 적외선 분광법은 1633cm-1에서 이미노기(C=N), 및 3400-2600cm-1에서 이미다졸 고리의 흡수를 보여주고, 이는 분자 구조 1로 확인되었다.The mixture was poured into a large amount of water and the precipitate was recovered by filtration. The precipitate was placed in boiling water and refluxed for 24 hours to remove the polyphosphate solvent. IR spectroscopy shows the imino (C = N), and the absorption of the imidazole ring at 3400-2600cm -1 at 1633cm -1, which was confirmed by the molecular structure 1.
내부 기준 물질로서 PEO를 사용한 GPC(겔 투과 크로마토그래피)에 의하여 분자 질량을 측정하였다. 상기 측정 결과에 기초한, 수 평균 분자량 Mn은 6.0×104이고, 중량 평균 분자량 Mw는 31×104이었다.Molecular mass was measured by GPC (gel permeation chromatography) using PEO as internal reference. Based on the said measurement result, the number average molecular weight Mn was 6.0x10 <4> and the weight average molecular weight Mw was 31x10 <4> .
이 고분자를 유기 용매, 예를 들어 디메틸 아세트아미드 및 NMP(N-메틸피롤리돈)에 녹였다.This polymer was dissolved in organic solvents such as dimethyl acetamide and NMP (N-methylpyrrolidone).
5 중량%의 고분자 용액을 유리판 위로 뿌리고, 가열에 의해 용매를 제거한 후, 최종적으로 갈색의 강한 필름을 얻었다. 한시간 동안 40℃의 85% 인산에 침지하여, 상기 필름이 75-80 중량%의 인산을 포함하는 겔 필름으로 변환된다는 것을 확인하였다.
5% by weight of the polymer solution was sprinkled onto the glass plate, the solvent was removed by heating, and finally a strong brown film was obtained. Immersion in 85% phosphoric acid at 40 ° C. for one hour confirmed that the film was converted to a gel film containing 75-80% by weight phosphoric acid.
고분자 3: 플루오린-함유 고분자 2Polymer 3: Fluorine-Containing Polymer 2
화학식 3으로 나타낸 4,4'-옥시비스[벤조산]을 디카르복실산으로 사용하였고, 및 화학식 4로 나타낸 2,2-비스 (3-아미노-4-히드록시페닐) 헥사플루오로프로판 디하이드로클로라이드를 아미노기를 포함한 모노머로 사용하였다. 4,4'-oxybis [benzoic acid] represented by Formula 3 was used as the dicarboxylic acid, and 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane dihydro represented by Formula 4 Chloride was used as a monomer containing an amino group.
질소 분위기 하에서, 폴리 인산(117% 인산)을 반응 용매로 사용하여, 반응이 170℃에서 4시간 동안, 그리고 추가로 203℃에서 34시간 동안 일어났다. 반응 혼합물은 고 점도가 되었다. Under nitrogen atmosphere, using poly phosphoric acid (117% phosphoric acid) as the reaction solvent, the reaction took place at 170 ° C. for 4 hours and further at 203 ° C. for 34 hours. The reaction mixture became high viscosity.
혼합물을 많은 양의 물에 붓고, 여과에 의해 침전물을 회수하였다. 침전물을 끓는 물 안에 넣고 폴리 인산 용매를 제거하기 위하여 24시간 동안 환류하였다. 적외선 분광법은 1599cm-1에서 이미노기(C=N), 및 3400-2600cm- 1 에서 이미다졸 고리 및 1246cm-1에서 C-O-C의 흡수를 보여주고, 이는 분자 구조 2로 확인되었다.The mixture was poured into a large amount of water and the precipitate was recovered by filtration. The precipitate was placed in boiling water and refluxed for 24 hours to remove the polyphosphate solvent. IR spectroscopy is an imino group (C = N), and 3400-2600cm at 1599cm -1 - shows one imidazole ring and COC absorption at 1246cm -1 in, which was confirmed by the molecular structure 2.
내부 기준 물질로서 PEO를 사용한 GPC(젤 투과 크로마토그래피)에 의하여 분자 질량을 측정하였다. 상기 측정 결과에 기초한, 수 평균 분자량 Mn은 0.57×104이고, 중량 평균 분자량 Mw는 1.7×104이었다.Molecular mass was measured by GPC (gel permeation chromatography) using PEO as internal reference. Based on the said measurement result, number average molecular weight Mn was 0.57x10 <4> and the weight average molecular weight Mw was 1.7x10 <4> .
이 고분자를 유기 용매, 예를 들어 아세토아미드 및 NMP(N-메틸피롤리돈)에 녹았다. This polymer was dissolved in organic solvents such as acetoamide and NMP (N-methylpyrrolidone).
5 중량%의 고분자 용액을 유리판 위로 뿌리고, 가열에 의해 용매를 제거한 후,최종적으로 갈색의 단단한 필름을 얻었다. 한시간 동안 40℃의 85% 인산에 침지하여, 상기 필름이 50-60wt%의 인산을 포함하는 겔 필름으로 변환된다는 것을 확인하였다.
5% by weight of the polymer solution was sprinkled onto the glass plate and the solvent was removed by heating, and finally a brown hard film was obtained. Immersion in 85% phosphoric acid at 40 ° C. for one hour confirmed that the film was converted to a gel film containing 50-60 wt% phosphoric acid.
고분자 4: 플루오린-함유 고분자 3Polymer 4: Fluorine-Containing Polymer 3
화학식 5로 나타낸 세바신산(sebacic acid)을 디카르복실산으로 사용하였고, 및 화학식 6으로 나타낸 2,2-비스 (3-아미노-4-히드록시페닐) 헥사플루오로프로판 디하이드로클로라이드를 아미노기를 포함한 모노머로 사용하였다 Sebacic acid represented by the formula (5) was used as the dicarboxylic acid, and 2,2-bis (3-amino-4-hydroxyphenyl) hexafluoropropane dihydrochloride represented by the formula (6) was used as the amino group. Used as monomer included
질소 분위기 하에서, 폴리 인산(117% 인산)을 반응 용매로 사용하여, 반응이 130℃에서 1시간 동안, 및 추가로 180℃에서 24시간 동안 일어났다. 반응 혼합물은 고 점도가 되었다.Under nitrogen atmosphere, using polyphosphoric acid (117% phosphoric acid) as the reaction solvent, the reaction took place at 130 ° C. for 1 hour, and further at 180 ° C. for 24 hours. The reaction mixture became high viscosity.
혼합물을 많은 양의 물에 붓고, 여과에 의해 침전물을 회수하였다. 침전물을 끓는 물 안에 넣고 폴리 인산 용매를 제거하기 위하여 24시간 동안 환류하였다. 적외선 분광법은 1629cm-1에서 이미노기(C=N), 및 3400-2600cm- 1 에서 이미다졸 고리의 흡수를 보여주고, 이는 분자 구조 3으로 확인되었다.The mixture was poured into a large amount of water and the precipitate was recovered by filtration. The precipitate was placed in boiling water and refluxed for 24 hours to remove the polyphosphate solvent. IR spectroscopy is an imino group (C = N), and 3400-2600cm at 1629cm -1 - giving already show the absorption of the imidazole ring in the first, which was confirmed by the molecular structure 3.
이 고분자를 유기 용매, 예를 들어 디메틸 아세트아미드 및 NMP(N-메틸피롤리돈)에 녹였다. This polymer was dissolved in organic solvents such as dimethyl acetamide and NMP (N-methylpyrrolidone).
5 중량%의 고분자 용액을 유리판 위로 뿌리고, 가열에 의해 용매를 제거한 후, 최종적으로 갈색의 단단한 필름을 얻었다. 한시간 동안 40℃의 85% 인산에 침지하여, 상기 필름이 70-75wt%의 인산을 포함하는 겔 필름으로 변환된다는 것을 확인하였다.
5% by weight of the polymer solution was sprinkled onto the glass plate, the solvent was removed by heating, and finally a brown hard film was obtained. Immersion in 85% phosphoric acid at 40 ° C. for one hour confirmed that the film was converted to a gel film containing 70-75 wt% phosphoric acid.
화학식 2(2)
화학식 1Formula 1
분자구조 1Molecular Structure 1
화학식 3(3)
화학식 4Formula 4
분자구조 2Molecular Structure 2
화학식 5Formula 5
분자구조 3
Molecular Structure 3
전기화학적 측정Electrochemical measurement
a) 전극 제조a) electrode manufacturing
상기 기재된 고분자를 포함하는 전극의 전기화학적 산소 환원 활성을 측정하기 위해, 반 전지 측정(half cell measurement)을 수행하였다. In order to measure the electrochemical oxygen reduction activity of the electrode comprising the polymer described above, half cell measurement was performed.
기준 및 상대 전극으로서 0.5mg/cm2 의 Pt가 포함된 다공성 Pt-카본 전극을 사용하였다. 전해질로서 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸 막(85% 인산을 이용한 80%wt)을 사용하였다. 작용 전극은 Pt 메쉬 전극(1cm2 기하학적 영역)을 각각 고분자가 3~5wt%인 디메틸 아세트아미드 용매내로 침지시키고 이어서 용매를 증발시켜 제조하였다. 생성된 고분자 코팅을 표1에 정량화 하였다.
Porous Pt-carbon electrodes containing 0.5 mg / cm 2 of Pt were used as reference and counter electrodes. Phosphoric acid doped polybenzimidazole membrane (80% wt using 85% phosphoric acid) was used as electrolyte. The working electrode is a Pt mesh electrode (1 cm 2) Geometric regions) were prepared by dipping into dimethyl acetamide solvents, each having 3 to 5 wt% of polymer and then evaporating the solvent. The resulting polymer coating was quantified in Table 1.
[mg/cm2]Platinum Coating Volume
[mg / cm 2 ]
[mg/cm2]Polymer coating amount
[mg / cm 2 ]
(PBI)Pt-Mesh / Polymer 1
(PBI)
표 1: 작용 전극에 코팅된 고분자 중량
Table 1: Polymer weight coated on working electrode
b) 전기화학적 측정b) electrochemical measurements
전기화학적 측정을 상대/기준 전극, 산이 포함된 PBI막 및 기체 주입구/배기구를 포함한 두 그래파이트 판 사이 작용전극의 가압에 의해 수행하였다. 측정은 140℃에서 수행하였다. 상기 상대/기준 전극을 연속적으로 수소로 정화(purged)하였다. Electrochemical measurements were performed by pressurizing the working electrode between the two graphite plates, including the counter / reference electrode, the PBI membrane with acid and the gas inlet / exhaust. The measurement was carried out at 140 ° C. The counter / reference electrode was subsequently purged with hydrogen.
작동 전극을 0.4L/min의 순수한 산소 또는 공기(기체 활용이 0에 가깝다고 보장할 수 있는 높은 흐름 속도)로 연속적으로 정화하였다. 0.7V 및 140℃(주위압력)에서의 전극의 활성을 표 2에 요약하였다.
The working electrode was continuously purged with 0.4 L / min of pure oxygen or air (high flow rate to ensure gas utilization is close to zero). The activity of the electrode at 0.7 V and 140 ° C. (ambient pressure) is summarized in Table 2.
0.7V 에서의 I [mA/cm2] Pure O 2
I at 0.7 V [mA / cm 2 ]
0.7V 에서의 I [mA/cm2] air
I at 0.7 V [mA / cm 2 ]
(PBI)Pt-Mesh / Polymer 1
(PBI)
표 2: 본 발명에 의한 전극의 산소 환원 활성 (이 표에서 환원 전류가 양극 전류로 표시되어 있음을 주의)
Table 2: Oxygen Reduction Activity of Electrodes According to the Invention (Note that the reduction current is indicated by the anodic current in this table)
Claims (18)
(ii) 상기 전극은 적어도 하나의 고분자 전해질 막 또는 전해질 매트릭스로 분리되며,
(iii) 상기 전극은 상기 언급된 고분자 전해질 막 또는 매트릭스와 접촉하는 촉매층을 가지며,
(iv) 상기 촉매층은 적어도 하나의 이오노머 물질을 포함하는 것으로 이루어진 막 전극 접합체에 있어서,
적어도 음극과 접촉하는 상기 촉매층이 하기 일반식(Ⅰ)의 반복 단위를 포함하는 고분자를 이오노머 물질로서 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체;
상기 식에서, (a)
Ar은 동일하거나 다르고 4가 공유결합 방향족기 또는 4가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, 또한
X는 동일하거나 다르고 N, O, S를 나타내며 또한
R1은 동일하거나 다르고 하기 화학식의 2가 공유결합 기를 나타내며 또한,
Ar1, Ar2는 동일하거나 다르고 2가 공유결합 방향족기 또는 2가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며,
Z1은 동일하거나 다르고 2가 알킬기 및/또는 2가 방향족기를 나타내며, 여기서 적어도 하나의 수소 원자가 불소 원자로 치환되고, 또한
n 은 0.1 내지 99.9 몰%이거나,
또는 (b)
Ar은 동일하거나 다르고 하기 화학식의 4가 공유결합기를 나타내며,
Ar3, Ar4는 동일하거나 다르고 3가 공유결합 방향족기 또는 3가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며,
Z2는 동일하거나 다르고 2가 알킬기 및/또는 2가 방향족기를 나타내며, 여기서 적어도 하나의 수소 원자가 불소 원자로 치환되고, 또한
X는 동일하거나 다르고 N, O, S를 나타내며, 또한
R1은 동일하거나 다르고 (i) 하기 화학식의 2가 공유결합 기,
여기서, Ar5, Ar6은 동일하거나 다르고 2가 공유결합 방향족기 또는 2가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며,
Z3는 동일하거나 다르고 N, O, S를 나타내며,
또는 (ⅱ) 추가로 치환될 수 있는 2가 알킬기 및/또는 2가 방향족기를 나타내며,
또한
n은 0.1 내지 99.9 몰%이다.
(i) at least two electrochemically active electrodes
(ii) the electrode is separated into at least one polymer electrolyte membrane or electrolyte matrix,
(iii) the electrode has a catalyst layer in contact with the aforementioned polymer electrolyte membrane or matrix,
(iv) wherein the catalyst layer comprises at least one ionomer material,
A membrane electrode assembly, characterized in that the catalyst layer in contact with at least the cathode comprises a polymer comprising repeating units of the general formula (I) as ionomer material;
Wherein (a)
Ar is the same or different and represents a tetravalent covalent aromatic group or a tetravalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic, and also
X is the same or different and represents N, O, S
R 1 is the same or different and represents a divalent covalent group of the formula:
Ar 1 , Ar 2 are the same or different and represent a divalent covalent aromatic group or a divalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic,
Z 1 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, wherein at least one hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, and
n is 0.1 to 99.9 mol%, or
Or (b)
Ar is the same or different and represents a tetravalent covalent bond of the formula
Ar 3 , Ar 4 are the same or different and represent a trivalent covalent aromatic group or a trivalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic,
Z 2 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, wherein at least one hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, and
X is the same or different and represents N, O, S, and also
R 1 is the same or different and (i) a divalent covalent group of the formula:
Wherein Ar 5 and Ar 6 are the same or different and represent a divalent covalent aromatic group or a divalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic,
Z 3 is the same or different and represents N, O, S,
Or (ii) a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group which may be further substituted,
Also
n is 0.1 to 99.9 mol%.
2. The membrane electrode assembly of claim 1, wherein in two alternatives (a) or (b) n is 40 to 60 mol%, preferably 50 mol%, in which the proportions of the two subunits of the repeating unit are similar or equivalent. .
2. The membrane electrode assembly of claim 1, wherein in two alternatives (a) or (b) X represents N or O.
2. The membrane electrode assembly of claim 1, wherein in alternative (b) X represents O.
The alkyl of Z 1 and / or Z 2 is independently a short-chain divalent alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, preferably methyl, ethyl, n-propyl or i-propyl and n-. Membrane electrode assembly which represents i-, or t-butyl, n-, i-, or t-pentane, n-, i-, or t-hexane.
The compound of claim 1, wherein the alkyl of Z 1 and / or Z 2 independently of one another is a short-chain divalent alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, most preferably methyl, ethyl, n-propyl or i-propyl and n-, i-, or t-butyl, n-, i-, or t-pentane, n-, i-, or t-hexane, wherein at least one carbon atom is perfluorinated or at least one carbon atom Membrane electrode assembly substituted with at least one (CF 3 ) -group, preferably two (CF 3 ) -groups, to form a -C (CF 3 ) 2 -group.
2. The aromatic group of claim 1, wherein the aromatic groups of Z 1 and / or Z 2 independently represent a divalent aromatic group having 5 to 6 carbon atoms, wherein one or more carbon atoms may be substituted with a heteroatom selected from N, O or S Wherein at least one carbon atom is perfluorinated or at least one carbon atom is at least one (CF 3 ) -group, or at least one (CF 3 ) -group, most preferably two (CF 3 ) -groups A membrane electrode assembly substituted with an alkyl group having 2 to 6 carbon atoms substituted to form a -C (CF 3 ) 2 -group or substituted with a terminal -C (CF 3 ) 3 group.
The process according to claim 1, wherein in alternative (b) R 1 is independently of each other a divalent alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, preferably methyl, ethyl, n-propyl or i-propyl and n-, i- Or a membrane electrode assembly representing t-butyl, n-, i-, or t-pentane, n-, i-, or t-hexane.
The compound of claim 1, wherein in alternative (b) R 1 independently represent a divalent aromatic group having 5 to 6 carbon atoms, wherein at least one carbon atom is to be substituted by a hetero atom selected from N, O or S Membrane electrode assembly.
The divalent covalent aromatic or divalent covalent heteroaromatic group Ar 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 is independently monocyclic, bicyclic or polycyclic, condensed or non-condensed. , Aromatic or heteroaromatic ring systems having from 5 to 20 carbon atoms, wherein at least one carbon atom may be substituted by N, O, S, and also said divalent covalent aromatic or divalent covalent heteroaromatic group Ar 1 , Ar 2 , Ar 5 , Ar 6 may be substituted by additional radicals.
The membrane of claim 1 wherein said polymer comprising repeating units of formula (I) has a membrane having at least 10 repeating units of formula (I), more preferably at least 50 repeating units of formula (I). Electrode assembly.
The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the polymer containing a repeating unit of formula (I) has a weight average molecular weight Mw (measured by gel permeation chromatography) of 10000 or more.
The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the polymer containing a repeating unit of formula (I) has a number average molecular weight Mn of 5000 or more.
The membrane electrode assembly according to claim 1, wherein the polymer comprising the unit structure of general formula (I) has a solubility of at least 0.5% wt in DMAc at a temperature of 25 ° C.
The membrane electrode according to claim 1, wherein the weight ratio of ionomer material to catalyst material in the catalyst layer is 100: 1 to 1; 100, preferably 10: 1 to 1:10, most preferably 1: 8 to 1: 3. Conjugate.
2. The membrane electrode assembly of claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane or electrolyte matrix has a proton conductivity of at least 1 mS / cm, preferably at least 2 mS / cm, in particular at least 5 mS / cm, at a temperature of 120 ° C. 3.
상기 식에서, (a)
Ar은 동일하거나 다르고 4가 공유결합 방향족기 또는 4가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며, 또한
X는 동일하거나 다르고 N, O, S를 나타내며 또한
R1은 동일하거나 다르고 하기 화학식의 2가 공유결합 기를 나타내며 또한,
Ar1, Ar2는 동일하거나 다르고 2가 공유결합 방향족기 또는 2가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며,
Z1은 동일하거나 다르고 2가 알킬기 및/또는 2가 방향족기를 나타내며, 여기서 적어도 하나의 수소 원자가 불소 원자로 치환되고, 또한
n 은 0.1 내지 99.9 몰%이거나,
또는 (b)
Ar은 동일하거나 다르고 하기 화학식의 4가 공유결합기를 나타내며,
Ar3, Ar4는 동일하거나 다르고 3가 공유결합 방향족기 또는 3가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며,
Z2는 동일하거나 다르고 2가 알킬기 및/또는 2가 방향족기를 나타내며, 여기서 적어도 하나의 수소 원자가 불소 원자로 치환되고, 또한
X는 동일하거나 다르고 N, O, S를 나타내며, 또한
R1은 동일하거나 다르고 (i) 하기 화학식의 2가 공유결합 기,
여기서, Ar5, Ar6은 동일하거나 다르고 2가 공유결합 방향족기 또는 2가 공유결합 헤테로방향족기를 나타내며, 이들 각각은 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 폴리사이클릭일 수 있으며,
Z3는 동일하거나 다르고 N, O, S를 나타내며,
또는 (ⅱ) 추가로 치환될 수 있는 2가 알킬기 및/또는 2가 방향족기를 나타내며,
또한
n은 0.1 내지 99.9 몰%이다.
Use of a polymer comprising repeating units of general formula (I) as ionomer material, preferably ionomer material in the cathode
Wherein (a)
Ar is the same or different and represents a tetravalent covalent aromatic group or a tetravalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic, and also
X is the same or different and represents N, O, S
R 1 is the same or different and represents a divalent covalent group of the formula:
Ar 1 , Ar 2 are the same or different and represent a divalent covalent aromatic group or a divalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic,
Z 1 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, wherein at least one hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, and
n is 0.1 to 99.9 mol%, or
Or (b)
Ar is the same or different and represents a tetravalent covalent bond of the formula
Ar 3 , Ar 4 are the same or different and represent a trivalent covalent aromatic group or a trivalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic,
Z 2 is the same or different and represents a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group, wherein at least one hydrogen atom is substituted with a fluorine atom, and
X is the same or different and represents N, O, S, and also
R 1 is the same or different and (i) a divalent covalent group of the formula:
Wherein Ar 5 and Ar 6 are the same or different and represent a divalent covalent aromatic group or a divalent covalent heteroaromatic group, each of which may be monocyclic, bicyclic or polycyclic,
Z 3 is the same or different and represents N, O, S,
Or (ii) a divalent alkyl group and / or a divalent aromatic group which may be further substituted,
Also
n is 0.1 to 99.9 mol%.
A fuel cell comprising at least one membrane electrode assembly as defined in any of claims 1 to 16.
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