RU2428767C1 - Полимерные мембраны для топливных элементов, основанные на интерполиэлектролитных комплексах полианилина и нафиона или его аналогов (варианты) - Google Patents

Полимерные мембраны для топливных элементов, основанные на интерполиэлектролитных комплексах полианилина и нафиона или его аналогов (варианты) Download PDF

Info

Publication number
RU2428767C1
RU2428767C1 RU2010107927/07A RU2010107927A RU2428767C1 RU 2428767 C1 RU2428767 C1 RU 2428767C1 RU 2010107927/07 A RU2010107927/07 A RU 2010107927/07A RU 2010107927 A RU2010107927 A RU 2010107927A RU 2428767 C1 RU2428767 C1 RU 2428767C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
acid
hours
solution
membrane
ether
Prior art date
Application number
RU2010107927/07A
Other languages
English (en)
Inventor
Жанна Александровна Боева (RU)
Жанна Александровна Боева
Владимир Глебович Сергеев (RU)
Владимир Глебович Сергеев
Елена Евгеньевна Махаева (RU)
Елена Евгеньевна Махаева
Алексей Ремович Хохлов (RU)
Алексей Ремович Хохлов
Чонг Кью ШИН (KR)
Чонг Кью ШИН
Дмитрий Юльевич Годовский (RU)
Дмитрий Юльевич Годовский
МинЧжон Ли (RU)
МинЧжон ЛИ
Original Assignee
Эл Джи Кем, Лтд
Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова
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 Эл Джи Кем, Лтд, Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова filed Critical Эл Джи Кем, Лтд
Priority to RU2010107927/07A priority Critical patent/RU2428767C1/ru
Priority to KR1020100062593A priority patent/KR101367558B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of RU2428767C1 publication Critical patent/RU2428767C1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1046—Mixtures of at least one polymer and at least one additive
    • H01M8/1048—Ion-conducting additives, e.g. ion-conducting particles, heteropolyacids, metal phosphate or polybenzimidazole with phosphoric acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/20—Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
    • C08J5/22—Films, membranes or diaphragms
    • C08J5/2206—Films, membranes or diaphragms based on organic and/or inorganic macromolecular compounds
    • C08J5/2275—Heterogeneous membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/20—Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
    • C08J5/22—Films, membranes or diaphragms
    • C08J5/2287—After-treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1044—Mixtures of polymers, of which at least one is ionically conductive
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1046—Mixtures of at least one polymer and at least one additive
    • H01M8/1051—Non-ion-conducting additives, e.g. stabilisers, SiO2 or ZrO2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H01M8/1081—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes starting from solutions, dispersions or slurries exclusively of polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • H01M8/1086—After-treatment of the membrane other than by polymerisation
    • H01M8/1088—Chemical modification, e.g. sulfonation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Изобретение относится к полимерным мембранам, основанным на композициях, включающих интерполиэлектролитные комплексы, содержащие полианилин в форме эмеральдина и Nation® (DuPont) или МФ-4СК (ОАО Пластполимер, Россия, Санкт-Петербург), или их аналоги, а также к способу получения полимерных мембран, предназначенных для применения в низкотемпературном или высокотемпературном полимерном топливном элементе. Мембранный материал получен путем отливки растворов указанных интерполиэлектролитных комплексов в смесях растворителей. Изготовленные таким путем мембраны можно дополнительно обработать органическими сульфокислотами или неорганическими добавками, что приводит к протонированию полианилина, присоединению дополнительных сульфогрупп. Техническим результатом является повышение протонной проводимости мембраны, улучшение износостойкости, обеспечение намного более высоких рабочих температур и улучшение стабильности. 3 н. и 28 з.п. ф-лы.

Description

Уровень техники
В настоящее время наиболее широко применяемыми электролитными мембранами являются электролитные мембраны на основе перфторсульфоновой кислоты, которые известны как Нафион (Nation, Торговая марка DuPont). Нафион имеет боковые цепи, которые связаны с основной цепью гидрофобного политетрафторэтилена (ПТФЭ), причем боковые цепи на концах имеют сульфоновые кислотные группы. При связывании сульфоновых групп и молекул воды в водной среде образуются ионные кластеры. Вследствие высокой концентрации сульфоновых групп в кластерах последние становятся каналом для протонов с высокой протонной проводимостью (см. Chemical Reviews, 2004, Vol.104, No.10).
В качестве других электролитных мембран, иных, чем Нафион, описаны углеводородные электролитные мембраны (US 5916505, US 2007/0082246 A1, US 2003/0104258 А1), электролитные мембраны на основе ароматических углеводородов (Chem. Mater., Vol.15, No.26, 2003) и т.д. Все указанные мембраны содержат доноры протонов, например, сульфоновые группы, фосфатные группы, карбоксильные группы и т.д. Как и Нафион, указанные электролитные мембраны высвобождают протоны, проявляя, таким образом, протонную проводимость, когда они находятся в гидратированном состоянии. Если содержание доноров протонов, таких как сульфоновые группы, повышается, протонная проводимость возрастает из-за повышения поглощения воды при гидратации сульфоновых групп и создания непрерывной сети водородных связей в каналах мембран и кластерных систем (в случае Нафиона).
Однако же падение протонной проводимости Нафиона, происходящее при 90°С, не позволяет применять мембраны при температурах выше 100°С. Другим отрицательным фактором, связанным с Нафионом, является набухание Нафиона в воде, что ведет к уменьшению механической стойкости мембран. Кроме того, низкая эффективность Нафиона при низкой влажности является фактором, который ограничивает применение мембран из Нафиона в некоторых конкретных случаях.
Суспензионные композиции интерполиэлектролитного комплекса, описанного ниже, включающие полианилин (PANI) и Nafion® или его аналог могут формировать пленки с хорошими механическими свойствами. Указанные пленки обладают протонной проводимостью, превышающей в 10 раз протонную проводимость Нафиона при комнатной температуре, и демонстрируют высокое водопоглощение даже при повышенных температурах. Падение протонной проводимости при 100°С не наблюдается. Кроме того, указанные пленки в меньшей степени набухают в воде и могут применяться в качестве протонопроводящих мембран для низко- и среднетемпературных топливных элементов (PMFC).
Описание изобретения
В одном варианте осуществления изобретение описывает протонопроводящие полимерные мембраны на основе полиэлектролитных комплексов PANI с Нафионом или PANI с МФ-4СК (российским аналогом Nafion) или другими полимерами, подобными Нафиону, включающими, помимо прочих, Nation (Banerjee S., Curtin D.E., J. Fluorine Chem., 125:1211 (2004); http://www2.dupont.com/FuelCells/en_US/assets/downloads/dfc103.pdf), Flemion, Aciplex (C. Heitner-Wirguin, Journal of Membrane Science, 120, 1-33 (1996)), Dowmembrane (Prater K., J. Power Sources, 29:239 (1990)), Neosepta (Y. Mizutani, Structure of ion exchange membranes, J. Membr. Sci. 49, 121 (1990)), МФ-4СК (Соросовский образовательный журнал, т.6, №8, 2000, с.69) и другие ионообменные смолы, содержащие карбоксильные или сульфоновые группы, которые обладают повышенной протонной проводимостью, повышенной износостойкостью, более низким водопоглощением и меньшим набуханием по сравнению с чистым Нафионом.
Жидкие композиции сформированы из смесей, включающих:
(a) анилин или его соли присоединения кислот, такие как, помимо прочих, дигидросульфат анилина, гидрохлорид анилина, гидрофторид анилина, тригидрофосфат анилина, гидробромид анилина, гидройодид анилина и другие, в качестве мономера для полимеризации,
(b) пероксидисульфат аммония, персульфат натрия, периодат натрия, дихромат калия, перманганат калия, гипобромит калия, гипохлорит калия, нитрат церия, сульфат церия, перекись водорода, хлорид железа (III), сульфат железа (III), реагент Фентона (смесь железа (II) с перекисью водорода) и другие, помимо указанных выше, или их комбинации в качестве окислителя, причем соотношение [окислителя]/[анилина] составляет от 0,1 до 5, более предпочтительно от 0,5 до 2 и наиболее предпочтительно от 1 до 1,5,
(c) МФ-4СК, или Нафион, или другой полимер, подобный Нафиону, в протонированной форме, имеющий сульфоновые функциональные группы и обменную емкость более чем, по меньшей мере, 1 мэкв/г, причем соотношение [анилин]/[Нафион или нафионподобный полимер] составляет от 3 до 0,001,
(d) смесь растворителей, включающих, например, помимо прочего, метанол, этиловый спирт, н-пропиловый спирт, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, изобутиловый спирт, трет-бутиловый спирт, простые эфиры, такие как, помимо прочих, диэтиловый эфир, дипропиловый эфир, дибутиловый эфир и асимметричный эфир, такой как, помимо прочего, метилэтиловый эфир, этилпропиловый эфир и т.д., лактоны, лактамы, кетоны, сложные эфиры, формамиды, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, ацетонитрил и другие, не ограничивающиеся указанными выше, или их смеси, а также дистиллированную воду с различными соотношениями [вода]/[спирт].
Полимерные мембраны формируют посредством отливки смесей, указанных выше, на горизонтальной поверхности с последующим затвердением на воздухе.
В другом варианте осуществления изобретение относится к протонопроводящим полимерным мембранам, обработка которых необходима для достижения полностью гидратированного состояния и может быть выполнена, например, следующим образом:
а) мембраны выдерживают в 1 М кислоте, например, помимо прочих, в азотной кислоте, серной кислоте, хлороводородной кислоте, фосфорной кислоте, муравьиной кислоте, уксусной кислоте или в растворе перекиси водорода в воде (предпочтительно в 0,5-50% растворе, более предпочтительно в 1-20% растворе и наиболее предпочтительно в 5-10% растворе). Обработку выполняют при 100°С в течение от 30 минут до 6 часов, более предпочтительно от 1 часа до 5 часов и наиболее предпочтительно от 2 часов до 4 часов.
b) Мембраны выдерживают в деионизованной дистиллированной воде при 100°С в течение от 30 минут до 6 часов, более предпочтительно от 1 часа до 5 часов и, наиболее предпочтительно, от 2 часов до 4 часов.
В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к дополнительному повышению протонной проводимости мембран путем добавки к PANI органических тиолов из следующей группы, включающей, помимо прочих: меркаптобензолсульфоновую кислоту, меркаптоэтанол, меркаптопропанол, меркаптобутанол, меркаптопентанол, меркаптогексанол, меркаптоэтансульфоновую кислоту, меркаптопропансульфоновую кислоту, меркаптобутансульфоновую кислоту, меркаптопентансульфоновую кислоту, меркаптогексансульфоновую кислоту, меркаптоуксусную кислоту, меркаптопропионовую кислоту, меркаптомасляную кислоту, меркаптовалериановую кислоту, меркаптокапроновую кислоту и т.д. Перечисленные тиолы действуют как электрофильные агенты, которые способны к электрофильному присоединению к хинондииминовым кольцам PANI, участвующего в интерполиэлектролитном комплексе с Нафионом или его аналогом. Данная реакция может быть проведена в щелочных растворах, содержащих раствор комплекса, включающего полианилин и, например, Нафион или необработанную мембрану, изготовленную из раствора полиэлектролитного комплекса и избытка тиола в инертной атмосфере при комнатной температуре. Избыток тиола должен составлять от 2-кратного до 2000-кратного, предпочтительно от 10-кратного до 1000-кратного и наиболее предпочтительно от 50-кратного до 500-кратного. Затем необходима обработка мембран, обработанных тиолом.
В другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к дополнительному повышению протонной проводимости мембран путем добавки к PANI некоторых восстановителей из группы, включающей, помимо прочих: гидразингидрат, фенилгидразин, боргидрид натрия, гидразинборан, аскорбиновую кислоту, тиосульфат натрия, щелочные металлы, такие как литий, натрий, калий, цезий, щелочноземельные металлы, такие как кальций, магний и т.д. Восстановители восстанавливают хинондииминовые кольца PANI в п-фенилендиаминовые кольца и уменьшают количество электростатических связей между Нафионом или нафионподобным полимером и PANI, что ведет к увеличению подвижности протонов в мембране. Данная модификация может быть проведена в растворе восстановителя с концентрацией восстановителя от 0,001 до 10 М, более предпочтительно от 0,01 до 5 М и наиболее предпочтительно от 0,1 до 1 М, или в дисперсии восстановителя в соответствующем растворителе, включающем, помимо прочего, воду, алифатические спирты, такие как метанол, этанол, пропанол, бутанол, пентанол, гексанол и их изомеры, простые эфиры, такие как, помимо прочих, диэтиловый эфир, дипропиловый эфир, дибутиловый эфир и асимметричный эфир, такой как, помимо прочего, метилэтиловый эфир, этилпропиловый эфир и т.д., лактоны, лактамы, кетоны, сложные эфиры, формамиды, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, ацетонитрил и т.д. Реакция восстановления может быть выполнена путем погружения необработанной мембраны в раствор или суспензию восстановителя в соответствующем растворителе или путем добавления раствора или суспензии восстановителя к раствору полиэлектролитного комплекса в соответствующем растворе. Затем восстановленный комплекс отливают на плоскую поверхность, после чего полученную или обработанную сухую мембрану выдерживают, как указано выше.
Полученные таким путем мембраны показывают протонную проводимость, превышающую более чем в 10 раз протонную проводимость чистого Нафиона, не проявляют какого-либо уменьшения протонной проводимости при 90°С, являются более износостойкими и предназначены для применения в низкотемпературных и среднетемпературных топливных элементах с полимерной мембраной (PMFC).
Пример 1. Получение композитной мембраны PANI-МФ-4СК
Для получения жидких композиций гидрохлорид анилина, растворенный в смеси растворителей, смешивали с МФ-4СК, суспендированным в смеси растворителей, и перемешивали в течение 30 минут до гомогенизации ([гидрохлорид анилина]/[МФ-4СК]=1,5-0,01). Затем раствор пероксидисульфата аммония, растворенного в смеси растворителей, сразу же добавляли к смеси гидрохлорида анилина и МФ-4СК ([персульфат аммония]/[гидрохлорид анилина]=1,25), реакционную смесь быстро перемешивали и оставляли на ночь при комнатной температуре для полимеризации. Полученную гомогенную жидкость интерполиэлектролитного комплекса, состоящего из полианилина и МФ-4СК, отливали на плоскую поверхность чашки Петри или полиэтиленовую пленку, натянутую на стеклянное кольцо, и сушили на воздухе с получением протонопроводящей пленки. Затем данную пленку отделяли от поверхности и подвергали предварительной обработке в кипящей 1 М HCl в течение 3 часов, а затем в кипящей дистиллированной воде в течение 3 часов.
Пример 2. Модификация композитной мембраны PANI-MФ-4CK меркаптопропансульфоновой кислотой
Мембраны PANI-MФ-4CK с отношением [гидрохлорид анилина]/[МФ-4СК]=1,5-0,01 в начальной смеси помещали в стеклянный флакон с 1 М раствором NaOH в воде и выдерживали в течение 1 часа. Затем 1 М раствор NaOH с пропитанными мембранами PANI-МФ-4CK барботировали аргоном в течение 10 минут. Затем 100-кратный избыток меркаптопропансульфоновой кислоты (в расчете на единицу мономера PANI) растворяли в 1 М NaOH, который барботировали аргоном, и сразу же добавляли к остальной части раствора NaOH, содержащего мембраны PANI-МФ-4CK. Реакционную систему оставляли в течение недели в закрытом флаконе. Затем все мембраны промывали деионизованной водой и обрабатывали, как описано в примере 1.
Пример 3. Обработка композитной мембраны PANI-МФ-4СК восстановителем (NaBH4)
Мембраны PANI-МФ-4CK с отношением [гидрохлорид анилина]/[МФ-4СК]=1,5-0,01 в начальной смеси помещали в стеклянный флакон с 1 М раствором NaBH4 в воде и выдерживали в течение 1 часа. Затем все мембраны промывали деионизованной водой и обрабатывали, как описано в примере 1.

Claims (31)

1. Протонопроводящая полимерная мембрана на основе полиэлектролитного комплекса PANI и Нафиона, в которой молярное отношение PANI к Нафиону находится в пределах 3-0,001, изготовленная из жидкой композиции, где жидкая композиция включает растворитель, выбранный из группы, включающей метанол, этиловый спирт, н-пропиловый спирт, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, изобутиловый спирт, трет-бутиловый спирт, простые эфиры, такие как диэтиловый эфир, дипропиловый эфир, дибутиловый эфир и асимметричный простой эфир, такой как метилэтиловый эфир, этилпропиловый эфир, лактоны, лактамы, кетоны, сложные эфиры, формамиды, ацетамиды, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, ацетонитрил или их смеси, а также дистиллированную воду.
2. Мембрана по п.1, изготовленная из жидкой композиции, сформированной посредством полимеризации в смеси, включающей:
(a) мономер анилина или его соль присоединения кислот, таких как дигидросульфат анилина, гидрохлорид анилина, гидрофторид анилина, тригидрофосфат анилина, гидробромид анилина, гидройодид анилина, в качестве полимеризуемого мономера,
(b) окислитель, выбранный из группы, включающей пероксидисульфат аммония, персульфат натрия, периодат натрия, дихромат калия, перманганат калия, гипобромит калия, гипохлорит калия, нитрат церия, сульфат церия, перекись водорода хлорид железа (III), сульфат железа (III), реагент Фентона (смесь железа (II) с перекисью водорода) или их комбинации,
(c) МФ-4СК, или Нафион, или другой нафионподобный полимер, выбранный из группы, включающей Нафион, Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta и ионообменные смолы, содержащие карбоксильные и сульфоновые группы в протонированной форме, имеющий сульфоновые функциональные группы и обменную емкость более чем, по меньшей мере, 1 мэкв/г, причем отношение [анилин]/[Нафион или нафионподобный полимер] составляет от 3 до 0,001,
(d) растворитель, выбранный из группы, включающей метанол, этиловый спирт, н-пропиловый спирт, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, изобутиловый спирт, трет-бутиловый спирт, простые эфиры, такие как диэтиловый эфир, дипропиловый эфир, дибутиловый эфир и асимметричный простой эфир, такой как метилэтиловый эфир и этилпропиловый эфир, лактоны, лактамы, кетоны, сложные эфиры, формамиды, ацетамиды, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, ацетонитрил или их смеси, а также дистиллированную воду, с образованием полиэлектролитного комплекса.
3. Мембрана по п.1, которая дополнительно обработана в кислоте или в растворе перекиси водорода в воде (предпочтительно в 0,5-50%-ном растворе, более предпочтительно в 1-20% растворе и наиболее предпочтительно в 5-10%-ном растворе перекиси водорода), при этом обработку проводят при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
4. Мембрана по п.3, где указанная кислота является азотной кислотой, серной кислотой, хлороводородной кислотой, фосфорной кислотой, муравьиной кислотой, уксусной кислотой.
5. Мембрана по п.3, где после обработки в 1М кислоте указанная мембрана дополнительно обработана в деионизованной дистиллированной воде при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
6. Мембрана по п.1, где полиэлектролитный комплекс, содержащий PANI, дополнительно допирован органическими тиолами из группы, включающей меркаптобензолсульфоновую кислоту, меркаптоэтанол, меркаптопропанол, меркаптобутанол, меркаптопентанол, меркаптогексанол, меркаптоэтансульфоновую кислоту, меркаптопропансульфоновую кислоту, меркаптобутансульфоновую кислоту, меркаптопентансульфоновую кислоту, меркаптогексансульфоновую кислоту, меркаптоуксусную кислоту, меркаптопропионовую кислоту, меркаптомасляную кислоту, меркаптопентановую кислоту и меркаптогексановую кислоту, посредством реакции щелочных растворов, содержащих раствор комплекса, включающего полианилин и Нафион, или необработанную мембрану, изготовленную из раствора полиэлектролитного комплекса, и избытка указанных тиолов в инертной атмосфере при комнатной температуре, причем избыток тиола составляет от 2- до 2000-кратного, предпочтительно от 10- до 1000-кратного и наиболее предпочтительно от 50- до 500-кратного.
7. Мембрана по п.6, которая дополнительно обработана в кислоте или в растворе перекиси водорода в воде (предпочтительно в 0,5-50%-ном растворе, более предпочтительно в 1-20%-ном растворе и наиболее предпочтительно в 5-10%-ном растворе перекиси водорода), при этом обработку проводят при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
8. Мембрана по п.7, где указанная кислота является азотной кислотой, серной кислотой, хлороводородной кислотой, фосфорной кислотой, муравьиной кислотой, уксусной кислотой.
9. Мембрана по п.7, где после обработки в 1М кислоте указанная мембрана дополнительно обработана в деионизованной дистиллированной воде при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
10. Мембрана по п.1, где полиэлектролитный комплекс, содержащий PANI, допирован восстановителями, выбранными из группы, включающей: гидразингидрат, фенилгидразин, боргидрид натрия, гидразинборан, аскорбиновую кислоту, тиосульфат натрия, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, посредством проведения модификации в растворе восстановителя в концентрации 0,001-10М, более предпочтительно 0,01-5М и наиболее предпочтительно 0,1-1М, или в дисперсии восстановителя в подходящем растворителе, выбранном из группы, включающей, помимо прочих, воду, алифатические спирты, такие как метанол, этанол, пропанол, бутанол, пентанол, гексанол и их изомеры, простые эфиры, такие как диэтиловый эфир, дипропиловый эфир, дибутиловый эфир, и асимметричный простой эфир, такой как метилэтиловый эфир, этилпропиловый эфир, лактоны, лактамы, кетоны, сложные эфиры, формамиды, ацетамиды, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, ацетонитрил, при этом реакцию восстановления проводят путем погружения необработанной мембраны в раствор или суспензию восстановителя в подходящем растворителе или путем добавления раствора или суспензии восстановителя к раствору полиэлектролитного комплекса в подходящем растворе.
11. Мембрана по п.10, где упомянутый щелочной металл представляет собой литий, натрий, калий или цезий.
12. Мембрана по п.10, где упомянутый щелочноземельный металл представляет собой кальций или магний.
13. Мембрана по п.10, которая дополнительно обработана в кислоте или в растворе перекиси водорода в воде (предпочтительно в 0,5-50%-ном растворе, более предпочтительно в 1-20%-ном растворе и наиболее предпочтительно в 5-10%-ном растворе перекиси водорода), при этом обработку проводят при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
14. Мембрана по п.13, где указанная кислота является азотной кислотой, серной кислотой, хлороводородной кислотой, фосфорной кислотой, муравьиной кислотой, уксусной кислотой.
15. Мембрана по п.13, где после обработки в 1М кислоте указанная мембрана дополнительно обработана в деионизованной дистиллированной воде при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
16. Протонопроводящая полимерная мембрана на основе полиэлектролитного комплекса PANI с МФ-4СК или нафионподобным полимером, выбранным из группы, включающей Нафион, Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta и ионообменные смолы, содержащие карбоксильные и сульфоновые группы, где отношение PANI к МФ-4СК находится в пределах 3-0,001, изготовленная из жидкой композиции, где жидкая композиция включает растворитель, выбранный из группы, включающей метанол, этиловый спирт, н-пропиловый спирт, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, изобутиловый спирт, трет-бутиловый спирт, простые эфиры, такие как диэтиловый эфир, дипропиловый эфир, дибутиловый эфир и асимметричный простой эфир, такой как метилэтиловый эфир и этилпропиловый эфир, лактоны, лактамы, кетоны, сложные эфиры, формамиды, ацетамиды, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, ацетонитрил или их смеси, а также дистиллированную воду.
17. Мембрана по п.16, изготовленная из жидкой композиции, сформированной посредством полимеризации в смеси, включающей:
(а) мономер анилина или его соль присоединения кислот, таких как дигидросульфат анилина, гидрохлорид анилина, гидрофторид анилина, тригидрофосфат анилина, гидробромид анилина, гидройодид анилина, в качестве полимеризуемого мономера,
(b) окислитель, выбранный из группы, включающей пероксидисульфат аммония, персульфат натрия, периодат натрия, дихромат калия, перманганат калия, гипобромит калия, гипохлорит калия, нитрат церия, сульфат церия, перекись водорода, хлорид железа (III), сульфат железа (III), реагент Фентона (смесь железа (II) с перекисью водорода) или их комбинации,
(c) МФ-4СК, или Нафион, или другой нафионподобный полимер, выбранный из группы, включающей Нафион, Flemion, Aciplex, Dowmembrane, Neosepta и ионообменные смолы, содержащие карбоксильные и сульфоновые группы в протонированной форме, имеющий сульфоновые функциональные группы и обменную емкость более чем, по меньшей мере, 1 мэкв/г, причем отношение [анилин]/[Нафион или нафионподобный полимер] составляет от 3 до 0,001,
(d) растворитель, выбранный из группы, включающей метанол, этиловый спирт, н-пропиловый спирт, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, изобутиловый спирт, трет-бутиловый спирт, простые эфиры, такие как диэтиловый эфир, дипропиловый эфир, дибутиловый эфир и асимметричный простой эфир, такой как метилэтиловый эфир и этилпропиловый эфир, лактоны, лактамы, кетоны, сложные эфиры, формамиды, ацетамиды, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, ацетонитрил или их смеси, а также дистиллированную воду с образованием полиэлектролитного комплекса.
18. Мембрана по п.16, которая дополнительно обработана в кислоте или в растворе перекиси водорода в воде (предпочтительно в 0,5-50%-ном растворе, более предпочтительно в 1-20%-ном растворе и наиболее предпочтительно в 5-10%-ном растворе перекиси водорода), при этом обработку проводят при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
19. Мембрана по п.18, где указанная кислота является азотной кислотой, серной кислотой, хлороводородной кислотой, фосфорной кислотой, муравьиной кислотой, уксусной кислотой.
20. Мембрана по п.18, где после обработки в 1М кислоте указанная мембрана дополнительно обработана в деионизованной дистиллированной воде при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
21. Мембрана по п.16, где полиэлектролитный комплекс, содержащий PANI, дополнительно допирован органическими тиолами из группы, включающей меркаптобензолсульфоновую кислоту, меркаптоэтанол, меркаптопропанол, меркаптобутанол, меркаптопентанол, меркаптогексанол, меркаптоэтансульфоновую кислоту, меркаптопропансульфоновую кислоту, меркаптобутансульфоновую кислоту, меркаптопентансульфоновую кислоту, меркаптогексансульфоновую кислоту, меркаптоуксусную кислоту, меркаптопропионовую кислоту, меркаптомасляную кислоту, меркаптопентановую кислоту и меркаптогексановую кислоту, посредством реакции щелочных растворов, содержащих раствор комплекса, включающего полианилин, и Нафион, или необработанную мембрану, изготовленную из раствора полиэлектролитного комплекса, и избытка указанных тиолов в инертной атмосфере при комнатной температуре, причем избыток тиола составляет от 2- до 2000-кратного, предпочтительно от 10- до 1000-кратного и наиболее предпочтительно от 50- до 500-кратного.
22. Мембрана по п.21, которая дополнительно обработана в кислоте или в растворе перекиси водорода в воде (предпочтительно в 0,5-50%-ном растворе, более предпочтительно в 1-20%-ном растворе и наиболее предпочтительно в 5-10%-ном растворе перекиси водорода), при этом обработку проводят при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
23. Мембрана по п.22, где указанная кислота является азотной кислотой, серной кислотой, хлороводородной кислотой, фосфорной кислотой, муравьиной кислотой, уксусной кислотой.
24. Мембрана по п.22, где после обработки в 1М кислоте указанная мембрана дополнительно обработана в деионизованной дистиллированной воде при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
25. Мембрана по п.16, где полиэлектролитный комплекс, содержащий PANI, допирован восстановителями, выбранными из группы, включающей: гидразингидрат, фенилгидразин, боргидрид натрия, гидразинборан, аскорбиновую кислоту, тиосульфат натрия, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, посредством проведения модификации в растворе восстановителя в концентрации 0,001-10 М, более предпочтительно 0,01-5М и наиболее предпочтительно 0,1-1М, или в дисперсии восстановителя в подходящем растворителе, выбранном из группы, включающей, помимо прочих, воду, алифатические спирты, такие как метанол, этанол, пропанол, бутанол, пентанол, гексанол и их изомеры, простые эфиры, такие как диэтиловый эфир, дипропиловый эфир, дибутиловый эфир, и асимметричный простой эфир, такой как метилэтиловый эфир, этилпропиловый эфир, лактоны, лактамы, кетоны, сложные эфиры, формамиды, ацетамиды, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, ацетонитрил, при этом реакцию восстановления проводят путем погружения необработанной мембраны в раствор или суспензию восстановителя в подходящем растворителе или путем добавления раствора или суспензии восстановителя к раствору полиэлектролитного комплекса в подходящем растворе.
26. Мембрана по п.25, где упомянутый щелочной металл представляет собой литий, натрий, калий или цезий.
27. Мембрана по п.25, где упомянутый щелочноземельный металл представляет собой кальций или магний.
28. Мембрана по п.25, которая дополнительно обработана в кислоте или в растворе перекиси водорода в воде (предпочтительно в 0,5-50%-ном растворе, более предпочтительно в 1-20%-ном растворе и наиболее предпочтительно в 5-10%-ном растворе перекиси водорода), при этом обработку проводят при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
29. Мембрана по п.28, где указанная кислота является азотной кислотой, серной кислотой, хлороводородной кислотой, фосфорной кислотой, муравьиной кислотой, уксусной кислотой.
30. Мембрана по п.28, где после обработки в 1М кислоте указанная мембрана дополнительно обработана в деионизованной дистиллированной воде при 100°С в течение от 30 мин до 6 ч, более предпочтительно от 1 до 5 ч и наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
31. Применение мембран по любому из пп.1-30 в низкотемпературных и среднетемпературных топливных элементах с полимерной мембраной (PMFC).
RU2010107927/07A 2010-03-03 2010-03-03 Полимерные мембраны для топливных элементов, основанные на интерполиэлектролитных комплексах полианилина и нафиона или его аналогов (варианты) RU2428767C1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010107927/07A RU2428767C1 (ru) 2010-03-03 2010-03-03 Полимерные мембраны для топливных элементов, основанные на интерполиэлектролитных комплексах полианилина и нафиона или его аналогов (варианты)
KR1020100062593A KR101367558B1 (ko) 2010-03-03 2010-06-30 폴리아닐린 및 나피온 또는 그 유사체의 인터폴리일렉트로라이트 복합체에 기초한 연료전지용 중합체 막

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010107927/07A RU2428767C1 (ru) 2010-03-03 2010-03-03 Полимерные мембраны для топливных элементов, основанные на интерполиэлектролитных комплексах полианилина и нафиона или его аналогов (варианты)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2428767C1 true RU2428767C1 (ru) 2011-09-10

Family

ID=44757745

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010107927/07A RU2428767C1 (ru) 2010-03-03 2010-03-03 Полимерные мембраны для топливных элементов, основанные на интерполиэлектролитных комплексах полианилина и нафиона или его аналогов (варианты)

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101367558B1 (ru)
RU (1) RU2428767C1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487145C1 (ru) * 2011-12-05 2013-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Способ получения композиционной катионообменной мембраны
RU2542261C1 (ru) * 2013-08-20 2015-02-20 Динар Дильшатович Фазуллин Способ получения катионообменной композиционной мембраны
RU2573523C2 (ru) * 2013-10-16 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Полимерные мембраны для топливных элементов, основанные на смесях азотсодержащих полимеров и нафиона или его аналогов
WO2016019119A3 (en) * 2014-08-01 2016-04-07 University Of Delaware Self-healing membranes for polymer electrolyte applications

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101148285B1 (ko) 2002-09-24 2012-05-21 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 전기적 응용을 위한 중합체성 산 콜로이드로 제조된수분산성 폴리아닐린
KR100684734B1 (ko) * 2005-06-28 2007-02-20 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 장치
US8062553B2 (en) 2006-12-28 2011-11-22 E. I. Du Pont De Nemours And Company Compositions of polyaniline made with perfuoropolymeric acid which are heat-enhanced and electronic devices made therewith

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487145C1 (ru) * 2011-12-05 2013-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "КубГУ") Способ получения композиционной катионообменной мембраны
RU2542261C1 (ru) * 2013-08-20 2015-02-20 Динар Дильшатович Фазуллин Способ получения катионообменной композиционной мембраны
RU2573523C2 (ru) * 2013-10-16 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Полимерные мембраны для топливных элементов, основанные на смесях азотсодержащих полимеров и нафиона или его аналогов
WO2016019119A3 (en) * 2014-08-01 2016-04-07 University Of Delaware Self-healing membranes for polymer electrolyte applications

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110100120A (ko) 2011-09-09
KR101367558B1 (ko) 2014-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Fabrication of Nafion/zwitterion-functionalized covalent organic framework composite membranes with improved proton conductivity
Smitha et al. Proton-conducting composite membranes of chitosan and sulfonated polysulfone for fuel cell application
Smitha et al. Chitosan–sodium alginate polyion complexes as fuel cell membranes
Erkartal et al. Proton conducting poly (vinyl alcohol)(PVA)/poly (2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid)(PAMPS)/zeolitic imidazolate framework (ZIF) ternary composite membrane
Knauth et al. Thermogravimetric analysis of SPEEK membranes: thermal stability, degree of sulfonation and cross-linking reaction
Yang et al. Epoxides cross-linked hexafluoropropylidene polybenzimidazole membranes for application as high temperature proton exchange membranes
JP3729735B2 (ja) イオン交換膜の製造方法
Mabrouk et al. Ion exchange membranes based upon crosslinked sulfonated polyethersulfone for electrochemical applications
Elakkiya et al. Polyaniline coated sulfonated TiO2 nanoparticles for effective application in proton conductive polymer membrane fuel cell
Deepa et al. Synthesis and electrochemical properties of blend membranes of polysulfone and poly (acrylic acid-co-2-(2-(piperazin-1-yl) ethylamino)-2-hydroxyethyl methacrylate) for proton exchange membrane fuel cell
Zheng et al. Nafion-microporous organic polymer networks composite membranes
Lu et al. Preparation and characterization of nonaqueous proton-conducting membranes with protic ionic liquids
Sgreccia et al. Hybrid composite membranes based on SPEEK and functionalized PPSU for PEM fuel cells
Di Vona et al. High performance sulfonated aromatic ionomers by solvothermal macromolecular synthesis
Hasani-Sadrabadi et al. Novel high-performance nanocomposite proton exchange membranes based on poly (ether sulfone)
Zhong et al. Fabrication and properties of poly (vinyl alcohol)-based polymer electrolyte membranes for direct methanol fuel cell applications
Unlu et al. Anion exchange membrane fuel cells: experimental comparison of hydroxide and carbonate conductive ions
RU2428767C1 (ru) Полимерные мембраны для топливных элементов, основанные на интерполиэлектролитных комплексах полианилина и нафиона или его аналогов (варианты)
Zhang et al. High conductivity membrane containing polyphosphazene derivatives for vanadium redox flow battery
Knauth et al. Sulfonated aromatic ionomers: Analysis of proton conductivity and proton mobility
Yagizatli et al. Investigation of sulfonation reaction kinetics and effect of sulfonation degree on membrane characteristics for PEMFC performance
Zhu et al. Hybrid proton conducting membranes based on sulfonated cross-linked polysiloxane network for direct methanol fuel cell
CN111704731A (zh) 离聚物纳米粒子分散液的制造方法
Sharma et al. One pot synthesis of PVDF based copolymer proton conducting membrane by free radical polymerization for electro-chemical energy applications
Zheng et al. Preparation of covalent-ionically cross-linked UiO-66-NH2/sulfonated aromatic composite proton exchange membranes with excellent performance

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20131017

TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -PC4A- IN JOURNAL: 5-2014