RU2336604C1 - Method of producing proton-conducting polymer membranes - Google Patents

Method of producing proton-conducting polymer membranes Download PDF

Info

Publication number
RU2336604C1
RU2336604C1 RU2007106311/04A RU2007106311A RU2336604C1 RU 2336604 C1 RU2336604 C1 RU 2336604C1 RU 2007106311/04 A RU2007106311/04 A RU 2007106311/04A RU 2007106311 A RU2007106311 A RU 2007106311A RU 2336604 C1 RU2336604 C1 RU 2336604C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
conductivity
membrane
proton
producing
membranes
Prior art date
Application number
RU2007106311/04A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анна Александровна Ильина (RU)
Анна Александровна Ильина
Иль Юрьевич Пинус (RU)
Илья Юрьевич Пинус
Андрей Борисович Ярославцев (RU)
Андрей Борисович Ярославцев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты"
Priority to RU2007106311/04A priority Critical patent/RU2336604C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2336604C1 publication Critical patent/RU2336604C1/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to technology of producing proton-conducting polymer membranes and can be used in hydrogen power engineering and in production of hard-polymer fuel elements. Method of producing membranes includes modification of films from polybenzimidazols by hydrated acid zirconium oxide, or hydrated silicon oxide. Then doping of these films with orthophosphoric acid is performed. Proton-conductivity of polymer membranes reaches 10-3 m/cm at room temperature, and increases to 10-1 m/cm at temperature 160°C.
EFFECT: elaboration of method of producing polymer membranes with higher proton-conductivity.
5 ex

Description

Изобретение относится к водородной энергетике и топливным элементам, в частности к способам получения протонпроводящих полимерных мембран, используемых в твердополимерных топливных элементах.The invention relates to hydrogen energy and fuel cells, in particular to methods for producing proton-conducting polymer membranes used in solid polymer fuel cells.

Известны способы получения перфторированных мембран типа «Nafion», «Flemion» на основе сополимеров тетрафторэтилена с перфторированными виниловыми эфирами [1, 2, 3]. Недостатками вышеупомянутых способов является получение мембран с высокой стоимостью, необходимость поддержания высокой влажности для работы в топливном элементе, а также их склонность к деструкции при температурах выше 100°С.Known methods for producing perfluorinated membranes of the type "Nafion", "Flemion" based on copolymers of tetrafluoroethylene with perfluorinated vinyl esters [1, 2, 3]. The disadvantages of the above methods is to obtain membranes with a high cost, the need to maintain high humidity to work in a fuel cell, as well as their tendency to degradation at temperatures above 100 ° C.

Известно также, что высокой ионной проводимостью обладает мелкодисперсный гидратированный кислый фосфат циркония [4, 5] и гидратированный оксид циркония [6, 7].It is also known that finely dispersed hydrated zirconium acid phosphate [4, 5] and hydrated zirconium oxide have high ionic conductivity [6, 7].

Наиболее близким аналогом является способ получения полимерных протонпроводящих мембран на основе полибензимидазолов с гетерополикислотой и с последующей обработкой ортофосфорной кислотой [8]. Однако недостатками данного способа является сравнительно низкая проводимость, вымывание ортофосфорной кислоты при высокой влажности и уменьшение ионной проводимости.The closest analogue is a method for producing polymer proton-conducting membranes based on polybenzimidazoles with a heteropoly acid and subsequent treatment with phosphoric acid [8]. However, the disadvantages of this method are the relatively low conductivity, leaching of phosphoric acid at high humidity and a decrease in ionic conductivity.

Цель предлагаемого изобретения заключается в улучшении протонной проводимости мембран на основе полибензимидазолов (ПБИ) и в повышении стабильности этого свойства во влажной атмосфере.The purpose of the invention is to improve the proton conductivity of membranes based on polybenzimidazoles (PBI) and to increase the stability of this property in a humid atmosphere.

Поставленная цель достигается разработкой полимерных мембран на основе полибензимидазолов и модификацией их кислым фосфатом циркония, либо гидратированным оксидом циркония, либо оксидом кремния с последующим допированием полученных композитов ортофосфорной кислотой.This goal is achieved by the development of polymer membranes based on polybenzimidazoles and their modification with acid zirconium phosphate, or hydrated zirconium oxide, or silicon oxide, followed by doping the obtained composites with phosphoric acid.

Способ включает модификацию пленок из полибензимидазолов кислым фосфатом циркония, либо гидратированным оксидом циркония, либо гидратированным оксидом кремния и допирование этих пленок ортофосфорной кислотой. Протонная проводимость полимерных мембран при комнатной температуре достигает 10-3 См/см и возрастает до 10-1 См/см при температуре 160°С.The method includes modifying films of polybenzimidazoles with acid zirconium phosphate or hydrated zirconia or hydrated silica and doping these films with phosphoric acid. The proton conductivity of polymer membranes at room temperature reaches 10 −3 S / cm and increases to 10 −1 S / cm at a temperature of 160 ° C.

Внедрение кислого фосфата циркония в полимерную матрицу полибензимидазола осуществляли чередованием обработки исходной мембраны ортофосфорной кислотой и последующей обработки мембраны в растворах пропоксида циркония либо оксохлорида циркония. Внедрение гидратированного оксида циркония осуществляли гидролизом оксохлорида циркония гидроксидом натрия внутри матрицы мембраны либо гидролизом пропоксида циркония водой внутри матрицы мембраны. Внедрение оксида кремния осуществляли гидролизом тетраэтоксисилана (ТЭОС) водой внутри матрицы мембраны.The introduction of zirconium acid phosphate into the polybenzimidazole polymer matrix was carried out by alternating the treatment of the initial membrane with phosphoric acid and subsequent processing of the membrane in solutions of zirconium propoxide or zirconium oxochloride. Hydrated zirconium oxide was introduced by hydrolysis of zirconium oxochloride with sodium hydroxide inside the membrane matrix or by hydrolysis of zirconium propoxide with water inside the membrane matrix. The introduction of silicon oxide was carried out by hydrolysis of tetraethoxysilane (TEOS) with water inside the membrane matrix.

Предлагаемый способ получения протонпроводящих мембран обладает следующими преимуществами:The proposed method for producing proton-conducting membranes has the following advantages:

- простотой технологии получения композиционных пленок- the simplicity of the technology for producing composite films

- разработанные мембраны характеризуются высокой термостабильностью- developed membranes are characterized by high thermal stability

- полученные композиционные мембраны обладают высокой ионной проводимостью при низкой влажности и температурах до 160°С- the resulting composite membranes have high ionic conductivity at low humidity and temperatures up to 160 ° C

- существенно меньшим вымыванием ортофосфорной кислоты при выдерживании мембраны во влажной атмосфере. Проводимость мембраны, допированной только ортофосфорной кислотой, уменьшается на 2 порядка после выдерживания во влажной атмосфере. Проводимость образцов, допированных кислым фосфатом циркония, либо гидратированным оксидом циркония, либо гидратированным оксидом кремния, уменьшается в 1,5-2 раза после выдерживания во влажной атмосфере.- significantly less leaching of phosphoric acid when holding the membrane in a humid atmosphere. The conductivity of the membrane doped only with phosphoric acid decreases by 2 orders of magnitude after exposure to a humid atmosphere. The conductivity of samples doped with acid zirconium phosphate, or hydrated zirconium oxide, or hydrated silicon oxide, decreases by 1.5-2 times after exposure to a humid atmosphere.

Способ получения протонпроводящих мембран иллюстрируется следующими примерами.A method of obtaining proton-conducting membranes is illustrated by the following examples.

Пример 1. Образец мембраны ПБИ кондиционировали в концентрированной ортофосфорной кислоте при 80°С. Затем мембрану обрабатывали в 40% растворе пропоксида циркония в пропаноле-1 при 100°С. Далее мембрану обрабатывали в концентрированной ортофосфорной кислоте при 80°С. Повторяли цикл обработки пропоксидом циркония и ортофосфорной кислотой. Для наиболее полной кристаллизации кислого фосфата циркония мембрану подвергали термообработке при 150°С и последующей обработке в ортофосфорной кислоте при комнатной температуре. Проводимость измеряли с помощью импедансной спектроскопии двухэлектродным методом. Проводимость полученной композиционной мембраны достигает (1.5-5)×10-2 См/см при 160°С.Example 1. A sample of the PBI membrane was conditioned in concentrated phosphoric acid at 80 ° C. Then the membrane was treated in a 40% solution of zirconium propoxide in propanol-1 at 100 ° C. Next, the membrane was treated in concentrated phosphoric acid at 80 ° C. The treatment cycle was repeated with zirconium propoxide and phosphoric acid. For the most complete crystallization of zirconium acid phosphate, the membrane was subjected to heat treatment at 150 ° C and subsequent treatment in phosphoric acid at room temperature. Conductivity was measured using impedance spectroscopy by the two-electrode method. The conductivity of the obtained composite membrane reaches (1.5-5) × 10 -2 S / cm at 160 ° C.

Пример 2. Образец мембраны ПБИ кондиционировали в концентрированной ортофосфорной кислоте при 80°С. Затем мембрану обрабатывали в концентрированном растворе оксохлорида циркония при 100°С. Далее мембрану обрабатывали в концентрированной ортофосфорной кислоте при 80°С. Повторяли цикл обработки оксохлоридом циркония и ортофосфорной кислотой. Для наиболее полной кристаллизации кислого фосфата циркония мембрану подвергали термообработке при 150°С и последующей обработке в ортофосфорной кислоте при комнатной температуре. Проводимость измеряли с помощью импедансной спектроскопии двухэлектродным методом. Проводимость полученной композиционной мембраны достигает (1,5-5)10-2 См/см при 160°С.Example 2. A membrane sample PBI was conditioned in concentrated phosphoric acid at 80 ° C. Then the membrane was treated in a concentrated solution of zirconium oxochloride at 100 ° C. Next, the membrane was treated in concentrated phosphoric acid at 80 ° C. The cycle of treatment with zirconium oxochloride and phosphoric acid was repeated. For the most complete crystallization of zirconium acid phosphate, the membrane was subjected to heat treatment at 150 ° C and subsequent treatment in phosphoric acid at room temperature. Conductivity was measured using impedance spectroscopy by the two-electrode method. The conductivity of the obtained composite membrane reaches (1.5-5) 10 -2 S / cm at 160 ° C.

Пример 3. Образец мембраны ПБИ обрабатывали в концентрированном растворе оксохлорида циркония при 90°С. Далее проводили гидролиз 0,2 М раствором гидроксида натрия. Повторяли цикл обработки оксохлоридом циркония и гидроксидом натрия. Затем обрабатывали мембрану при комнатной температуре концентрированной ортофосфорной кислотой. Проводимость измеряли импедансной спектроскопией двухэлектродным методом. Проводимость полученной композиционной мембраны достигает от 2×10-2 до 10-1 См/см при 160°С.Example 3. A sample of the PBI membrane was treated in a concentrated solution of zirconium oxochloride at 90 ° C. Then hydrolysis was carried out with a 0.2 M sodium hydroxide solution. The treatment cycle was repeated with zirconium oxochloride and sodium hydroxide. The membrane was then treated at room temperature with concentrated phosphoric acid. Conductivity was measured by impedance spectroscopy by the two-electrode method. The conductivity of the obtained composite membrane reaches from 2 × 10 -2 to 10 -1 S / cm at 160 ° C.

Пример 4. Образец мембраны ПБИ обрабатывали в 40% растворе пропоксида циркония в пропаноле-1 при 100°С. Далее проводили гидролиз кипячением в воде. Затем сушили мембрану при 150°С. После этого обрабатывали мембрану при комнатной температуре концентрированной ортофосфорной кислотой. Проводимость измеряли импедансной спектроскопией двухэлектродным методом. Проводимость полученной композиционной мембраны достигает от 2×10-2 до 10-1 См/см при 160°С.Example 4. A sample of the PBI membrane was treated in a 40% solution of zirconium propoxide in propanol-1 at 100 ° C. Next, hydrolysis was carried out by boiling in water. Then the membrane was dried at 150 ° C. After that, the membrane was treated at room temperature with concentrated phosphoric acid. Conductivity was measured by impedance spectroscopy by the two-electrode method. The conductivity of the obtained composite membrane reaches from 2 × 10 -2 to 10 -1 S / cm at 160 ° C.

Пример 5. Образец мембраны ПБИ обрабатывали в ТЭОС при 165°С. Далее проводили гидролиз кипячением в воде. Затем сушили мембрану при 150°С. После этого обрабатывали мембрану при комнатной температуре концентрированной ортофосфорной кислотой. Проводимость измеряли импедансной спектроскопией двухэлектродным методом. Проводимость полученной композиционной мембраны достигает (3-8)10-2 См/см при 160°С.Example 5. A sample of the PBI membrane was processed in TEOS at 165 ° C. Next, hydrolysis was carried out by boiling in water. Then the membrane was dried at 150 ° C. After that, the membrane was treated at room temperature with concentrated phosphoric acid. Conductivity was measured by impedance spectroscopy by the two-electrode method. The conductivity of the obtained composite membrane reaches (3-8) 10 -2 S / cm at 160 ° C.

Список литературыBibliography

1. Grot W.G. Macromol. Symp., 1994, 82161.1. Grot W.G. Macromol. Symp., 1994, 82161.

2. US Patent 3718627. 1973.2. US Patent 3,718,627. 1973.

3. US Patent 4433082. 1984.3. US Patent 4,433,082,1984.

4. Ярославцев А.Б., Миракьян А.Л., Чуваев В.Ф., Соколова Л.Н. // Журн. неорг. хим. 1997.Т 42.№6 с.900.4. Yaroslavtsev A.B., Mirakyan A.L., Chuvaev V.F., Sokolova L.N. // Journal. inorg Chem. 1997.T 42.№6 p. 900.

5. A.Clearfield // Chem. Rev. 88 (1988) 125.5. A. Clearfield // Chem. Rev. 88 (1988) 125.

6. Тарнопольский В.А., Алиев А.Д., Новикова С.А., Ярославцев А.Б. // Журн. неорг. хим. 2002. т.47. №11. с 17636. Tarnopolsky V. A., Aliev A. D., Novikova S. A., Yaroslavtsev A. B. // Journal. inorg Chem. 2002.Vol. 47. No. 11. since 1763

7. G. Alberti // Inorganic Ion Exchange Membranes. 7.1.1976.7. G. Alberti // Inorganic Ion Exchange Membranes. 7.1.1776.

8. Патент РФ RU 2279906 С1.8. RF patent RU 2279906 C1.

Claims (1)

Способ получения протонпроводящей полимерной мембраны на основе полибензимидазолов путем допирования кислотой пленок из полибензимидазолов, отличающийся тем, что перед допированием полибензимидазолов фосфорной кислотой осуществляют допирование полибензимидазолов либо кислым фосфатом циркония, либо гидратированным оксидом циркония, либо гидратированным оксидом кремния.A method of producing a proton-conductive polymer membrane based on polybenzimidazoles by doping with polybenzimidazole films by acid, characterized in that before doping the polybenzimidazoles with phosphoric acid, the polybenzimidazoles are doped with either zirconium acid phosphate or hydrated zirconia or hydrated silica.
RU2007106311/04A 2007-02-21 2007-02-21 Method of producing proton-conducting polymer membranes RU2336604C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007106311/04A RU2336604C1 (en) 2007-02-21 2007-02-21 Method of producing proton-conducting polymer membranes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007106311/04A RU2336604C1 (en) 2007-02-21 2007-02-21 Method of producing proton-conducting polymer membranes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2336604C1 true RU2336604C1 (en) 2008-10-20

Family

ID=40041365

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007106311/04A RU2336604C1 (en) 2007-02-21 2007-02-21 Method of producing proton-conducting polymer membranes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2336604C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2527236C1 (en) * 2013-03-05 2014-08-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) Composite ion-exchange membrane

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2527236C1 (en) * 2013-03-05 2014-08-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) Composite ion-exchange membrane

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ruffmann et al. Organic/inorganic composite membranes for application in DMFC
Zhu et al. Enhanced chemical durability of perfluorosulfonic acid membranes through incorporation of terephthalic acid as radical scavenger
Hasani-Sadrabadi et al. Novel high-performance nanocomposite proton exchange membranes based on poly (ether sulfone)
Şahin et al. Synthesis, characterization and fuel cell performance tests of boric acid and boron phosphate doped, sulphonated and phosphonated poly (vinyl alcohol) based composite membranes
KR101764068B1 (en) Method of preparing polymer electrolyte membrane using perfluorinated ionomer nanodispersion and polymer electrolyte membrane prepared by the same method
Knauth et al. Sulfonated aromatic ionomers: Analysis of proton conductivity and proton mobility
Zhang et al. Fabrication of novel phosphotungstic acid functionalized mesoporous silica composite membrane by alternative gel-casting technique
Liu et al. Pt/CNTs-Nafion reinforced and self-humidifying composite membrane for PEMFC applications
Rangasamy et al. Preparation and characterization of composite membranes based on sulfonated PEEK and AlPO4 for PEMFCs
CN105601968A (en) Preparation method of polybenzimidazole multi-layer composite membrane for high-temperature fuel cell
Ren et al. States of water in recast Nafion® films
Casciola et al. Zirconium phosphate reinforced short side chain perflurosulfonic acid membranes for medium temperature proton exchange membrane fuel cell application
Saccà et al. Synthesized yttria stabilised zirconia as filler in proton exchange membranes (PEMs) with enhanced stability
JP3767756B2 (en) Manufacturing method of electrolyte membrane
CN104124463A (en) Ionic liquid-polymer composite membrane for hydrogen chloride fuel cell and preparation and application thereof
Wang et al. Insight into the structural construction of a perfluorosulfonic acid membrane derived from a polymeric dispersion
RU2336604C1 (en) Method of producing proton-conducting polymer membranes
Brutti et al. SnO 2-Nafion® nanocomposite polymer electrolytes for fuel cell applications
CN101224396B (en) Proton exchange membrane method of preparing sulfonated polyether-ether-ketone in high magnetic fields
KR102193759B1 (en) Organic/Inorganic Composite Membrane and the same as the Methods
Kim et al. Nafion‐1, 2, 3‐Triazole Blend Membranes for High Temperature PEMFCs
Jiang et al. Fast proton-conducting glass membrane based on porous phosphosilicate and perfluorosulfonic acid polymer
RU2400294C1 (en) Proton-conducting polymer composite
Lee et al. Effect of annealing temperature on the durability of PEMFC polymer membrane
Martinelli et al. A study on the state of PWA in PVDF-based proton conducting membranes by Raman spectroscopy

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20120712

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140222