WO2001025312A1 - Polyimides sulfones, membranes preparees avec ceux-ci et dispositif de pile a combustible comportant ces membranes - Google Patents

Polyimides sulfones, membranes preparees avec ceux-ci et dispositif de pile a combustible comportant ces membranes Download PDF

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WO2001025312A1
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Gérard GEBEL
Nathalie Cornet
Franck Jousse
Régis Mercier
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Commissariat A L'energie Atomique
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Definitions

  • the present invention relates to sulfonated polyimides, more specifically to sulfonated polyimides with improved lifespan which find, in particular, their application in the preparation of ion-exchange, ion-conducting membranes, in particular intended for fuel cells, in particular particular to fuel cells at low temperatures, that is to say generally operating from room temperature to about 100 ° C.
  • the invention also relates to the membranes prepared with the said sulfonated polyimides with improved lifetime, and to a fuel cell device, in particular of the solid electrolyte type, comprising at least one of the said membranes.
  • the technical field of the invention can thus be defined as that of fuel cells, in particular fuel cells of the solid electrolyte type.
  • Fuel cells of the solid polymer electrolyte type find, in particular, their application in electric vehicles which are currently the subject of numerous development programs, in order to provide a solution to the pollution caused by vehicles with thermal engine.
  • Fuel cells with solid polymer electrolyte could make it possible, by playing the role of an electrochemical energy converter, associated with an on-board energy reservoir, for example of hydrogen or alcohol, to overcome the problems, in particular of automobile , recharge time and autonomy, linked to the use of batteries in electric vehicles.
  • the essential element of such a cell is an ion exchange type membrane formed by a solid polymer electrolyte (1), used to separate the anode compartment (2), where oxidation of the fuel occurs, such as hydrogen H 2 (4), according to the diagram:
  • the volume electrodes (13), placed on either side of the membrane, generally include an active area (14) and a diffusion area (15).
  • the active area consists of porous graphite covered with noble metal grains (16), such as platinum, and a thin deposit of ionic conductive polymer, of structure similar to that of the membrane, allows ion transport.
  • the diffusion zone (15) consists of a porous made hydrophobic by the integration of a hydrophobic polymer, such as PTFE. The hydrophobic nature allows the evacuation of liquid water.
  • the protons produced at the anode, by oxidation, for example hydrogen on the surface of the platinum grains, are transported (9) through the membrane to the cathode where they recombine with the ions produced by the reduction , for example oxygen from the air to give water ( ⁇ ).
  • the electrons thus produced (17) make it possible to supply, for example, an electric motor (18) placed in the external circuit (10), with water as the only by-product of the reaction.
  • the membrane and electrode assembly is a very thin assembly with a thickness of the order of a millimeter and each electrode is supplied from the rear, for example using a fluted plate, by the gases.
  • each assembly formed by two electrodes and a membrane, defining an elementary cell of the fuel cell is thus disposed between two sealed plates (7, 8) which, on the one hand, ensure the distribution of the hydrogen on the anode side and, on the other hand, oxygen on the cathode side.
  • These plates are called bipolar plates.
  • the ion-conducting membrane is generally an organic membrane containing ionic groups which, in the presence of water, allow the conduction of the protons (9) produced at the anode by oxidation of hydrogen.
  • the thickness of this membrane is from a few tens to a few hundred microns and results from a compromise between the mechanical strength and the ohmic drop. This membrane also allows the separation of gases.
  • the chemical and electrochemical resistance of these membranes allows, in general, a battery operation for periods greater than 1000 hours.
  • the polymer constituting the membrane must therefore fulfill a certain number of conditions relating to its mechanical, physico-chemical and electrical properties.
  • the polymer must first of all be able to give thin films, from 50 to 100 micrometers, dense, without defects.
  • the mechanical properties, tensile stress modulus, ductility, must make it compatible with assembly operations including, for example, clamping between metal frames.
  • the polymer must have good thermal stability to hydrolysis and have good resistance to reduction and to oxidation up to 100 ° C. This stability is assessed in terms of variation in ionic resistance, and in terms of variation in mechanical properties.
  • the polymer must have a high ionic conductivity, this conductivity is provided by strong acid groups, such as phosphoric acid groups, but especially sulfonic groups linked to the polymer chain. Therefore, these polymers will generally be defined by their equivalent mass, that is to say by the weight of polymer in grams per acid equivalent. For example, the best systems currently developed are capable of providing specific power of 1 W.cm “2 , ie a current density of 2 A. cm " 2 for 0.5 Volts.
  • the membranes prepared with these products are inexpensive, but do not have sufficient hydrogen stability at 50-60 ° C for long-term applications.
  • copolymers are commercially available under the trade name Nafion ® of
  • thermal stability of these structures that is to say in the present case, the capacity to resist acid hydrolysis, and degradation by free radicals produced during the operation of the cell, at a temperature included between 60 and 100 ° C, for several thousand hours, is demonstrated.
  • poly 1, - (diphenyl-2, 6) -phenyl ether sulfones on the main chain, polyether sulfones and polyether-ketones have been synthesized and tested without actually competing with fluorinated membranes for instant performance and durability.
  • new polymers of sulfonated polyimides have been developed which are described in document FR-A-2 748 485. The possibility of using membranes of these sulfonated polyimides in a fuel cell has been amply demonstrated by operation for more than 3 000 hours with good performance.
  • This hydrolysis reaction similarly induces chain breaks and the elution of the sulfonic functions.
  • Hydrolysis therefore constitutes one of the major degradation factors for polyimides.
  • the object of the present invention is to provide a sulfonated polyimide polymer which meets this need.
  • the object of the present invention is also to provide a sulfonated polyimide polymer which does not have the drawbacks, limitations, defects and disadvantages of the sulfonated polyimides of the prior art and which solve the problems of the prior art.
  • - x is a real number from 5 to 10;
  • - y is a real number greater than or equal to x
  • Ci and C 2 may be identical or different and each represents a tetravalent group comprising at least one aromatic carbon ring, optionally substituted, having from 6 to 10 carbon atoms and / or a heterocycle of aromatic character, optionally substituted, having 5 to 10 atoms and comprising one or more heteroatoms chosen from S, N and 0; Ci and C 2 each forming, with neighboring i ides groups, rings with 5 or 6 atoms, - the groups Ar x and Ar 2 may be identical or different and each represent a divalent group comprising at least one aromatic carbon ring, optionally substituted, having from 6 to 10 carbon atoms and / or a heterocycle of aromatic character, optionally substituted, having from 5 to 10 atoms and comprising one or more heteroatoms chosen from S, N and O; at least one of said aromatic carbon rings and / or heterocycle of Ar 2 being, in addition, substituted by at least one sulfonic acid group.
  • This extension of the hydrophilic sequence induces a similar extension of the hydrophobic sequence, that is to say of the sequence or block which does not contain sulphonic groups.
  • the length of these blocks or sequences is defined by the number y which represents the number hydrophobic block repeat units. y is greater than or equal to x. This number will therefore be there according to the invention, for example at least equal to 5, preferably there is a value from 5 to 40.
  • the polymer according to the invention for example, in the form of membranes, has high mechanical stability, that is to say that it retains all its mechanical properties, even after a prolonged period with water, in particular no cracking is observed, even after several hundred hours at 80 ° C in water.
  • the embrittlement of the polymers according to the invention is notably surprisingly reduced compared to the polyimide sulfones. which do not meet the specific conditions relating to the lengths of the hydrophilic blocks, defining the specific sulfonated polyamides according to the invention.
  • the elongation of the hydrophilic blocks or blocks of the polymers according to the invention also induces a large reduction in the loss of mass and in the drop in conductivity, which is commonly observed with the polymers of the prior art, n not having such a length of hydrophilic and, therefore, hydrophobic sequences.
  • the resistance of the polymer according to the invention is particularly high for a value of x, preferably from 5 to 9.
  • This value of x corresponds to a value of y from 5 to 10; the relation y> x being, of course, verified.
  • the copolymer according to the invention can be defined as a sulfonated copolyimide block and preferably corresponds to the following general formula (I):
  • Ci, C 2 , Ar x and Ar 2 , x and y have the meaning already given above and where each of the groups R x and R 2 represents NH 2 , or a group of 10:
  • C is a divalent group comprising at least one aromatic carbon ring, optionally substituted, having from 6 to 10 carbon atoms e / or a heterocycle
  • the molecular weight of the polyimide according to the invention is generally from 10,000 to 100,000, preferably from 20,000 to 80,000.
  • the equivalent molecular weight of the polyimide according to the invention is preferably from 400 to 2,500, more preferably from 500 to 1,200.
  • the equivalent molecular weight is defined by the weight of polymer in grams per acid equivalent.
  • the numbers x and y will be chosen, so that the equivalent molecular weight is generally from 400 to 2,500, more preferably from 500 to 1,200.
  • sulfonated copolyimides are generally described in document FR-A-2 748 485.
  • the copolymers described in this document do not exhibit resistance to hydrolysis and no indication is given of the nature of the polymers used in this document which can be sequenced as well , alternating, only statistics.
  • the length of the hydrophilic blocks or sequences and the corresponding length of the hydrophobic blocks can vary between wide limits and is not controlled: thus x and y can be chosen from a very wide range from 1 to 30 and 1 to 20 respectively.
  • the length of the hydrophilic sequences is one of the essential factors influencing the resistance to hydrolysis of polyimide sulfones and, on the other hand, that this resistance to hydrolysis is surprisingly improved by choosing a length of the hydrophilic sequences greater than a specific number of units or repeating units and lying in a narrow range for x ranging from 5 to 10 and, preferably, from 5 to 9; this length of the hydrophilic sequences consequently influencing the length of the hydrophobic sequences, defined by y which is found in the ranges mentioned above.
  • the polyimide sulfones according to the invention have all the advantageous properties of polyimide sulfones. which are, for example, described in document FR-A-2 748 485, that is to say that the known advantageous properties of the sulfonated polyimides are not affected by the fact that the sulfonated polyimides according to the invention are found provided, unlike the sulfonated polyimides of the prior art, with excellent resistance to hydrolysis. On the contrary, the advantageous properties are preserved over a long period.
  • the polymers according to the invention have all the properties necessary for the production of membranes and in particular of cation exchange membranes, specifically designed for fuel cells, and their performances are essentially compatible with an application in a fuel cell.
  • the invention therefore relates to a membrane comprising the sulfonated polyimide according to the invention.
  • these copolymers can be easily formed in the form of films or membranes of an adequate thickness.
  • polymers have a very high ion exchange capacity, greater than 0.4 meq / g, for example, from 0.8 to 2.5 meq / g.
  • the membranes comprising these polymers also have great thermal stability, in particular to acid hydrolysis at high temperature, that is to say for the most stable membranes up to a temperature which can reach, for example 100 ° C., and this, for a long period of time which can reach, for example, 3,000 hours.
  • the membranes comprising the polymer according to the invention, have excellent resistance to reduction and to oxidation.
  • the polyimides according to the invention are prepared so simple, using industrially proven processes and using low-cost available raw materials. As a result, the membranes obtained, as well as the fuel cells which comprise these membranes, although they have a surprisingly increased longevity, see their price suffer.
  • the invention therefore relates to a fuel cell device comprising at 'least one membrane according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a fuel cell comprising several elementary cells with an electrode-membrane-electrode assembly, as well as bipolar plates;
  • FIG. 2 is a graph which shows the evolution of the conductivity C in S / cm as a function of time t in hours for polymers having different hydrophilic block lengths; namely blocks of 3 repeating units (curve A); blocks of 1 unit, random polymer (curve B); block of 9 units (curve C); blocks of 5 units (curve D);
  • FIGS. 4A and 4B are impedance diagrams (NYQUIST) for membranes made of a polymer having hydrophilic blocks with 9 repeating units as a function of the aging time; namely: 355 hours (curve A); 543 hours (curves B) 704 hours (curve C): 1,175 hours (curve D); 2,008 hours (curve E) and finally 2,450 hours (curve F);
  • FIG. 5 is a graph which illustrates the mass loss P in% as a function of the time of immersion in water (t) in hours for a sulfonated polyimide whose hydrophilic sequence comprises 9 repeating units.
  • Ci and C 2 may be identical or different and each represents, for example, a benzene ring optionally substituted, by one or two substituent (s ) selected from alkyl and alkoxy groups of 1 to 10 C and halogen atoms; or several benzene rings optionally substituted by one or more substituent (s) chosen from alkyl and alkoxy groups of 1 to 10 C and halogen atoms, for example from 2 to 4 rings, linked together by a simple bond or by a divalent group.
  • Said divalent group is chosen, for example, from:
  • a divalent group derived from a linear or branched alkyl group for example an alkylidene or alkylene group
  • 1 to 10 C optionally substituted, preferably on the same carbon, by one or more halogens chosen from F, Cl, Br and I and / or by one or more hydroxyl groups
  • said divalent group is a divalent group derived from a perfluorinated alkyl group, for example perfluorinated alkylene.
  • R 3 and R 4 are chosen from alkyl groups of 1 to 10 C such as methyl, ethyl, isopropyl, etc.
  • Ci and C 2 may also each represent a condensed polycyclic carbon group optionally substituted by one or more substituent (s) chosen from alkyl and alkoxy groups from 1 to 10 C and halogen atoms, comprising for example from 2 with 5 benzenic cycles chosen for example from naphthalene, phenanthrene, coronene, perylene, etc.
  • Ci and C 2 can also represent a heterocycle or a condensed heterocycle, of aromatic nature such as thiophene, pyrazine, pyridine, furan, quinoline, quinoxaline, isobenzofuran, this heterocycle being optionally substituted by one or more substituents chosen from alkyl groups (by example methyl, ethyl, isopropyl, etc.) and alkoxy from 1 to 10 C, and the halogen atoms (F, Cl, Br, I).
  • alkyl groups by example methyl, ethyl, isopropyl, etc.
  • alkoxy from 1 to 10 C
  • halogen atoms F, Cl, Br, I
  • Ci is a benzene ring and C a set of two benzenic rings linked together by an oxygen bridge; or Ci is constituted by benzenic cycles, more preferably by two cycles benzenes linked together by one or more perfluoroalkylene group (s) and C 2 is constituted by benzenic rings, more preferably by two benzenic rings linked by one or more divalent perfluoroalkyl group (s) or perfluoroalkylene (s); or Ci is a benzene ring and C 2 a naphthalene ring; or Ci and C 2 are both naphthalene rings.
  • Ari and Ar 2 can be the same or different and each represents, for example, a divalent benzene ring with meta or para linkage; optionally substituted by one or more substituents chosen from alkyl and alkoxy groups from 1 to 10 C such as methyl, ethyl, isopropyl, butyl, methoxy, etc. and halogen atoms; or several benzenic rings optionally substituted by one or more substituents chosen from alkyl and alkoxy groups from 1 to 10C and halogen atoms, for example from 2 to 5 rings, linked together by a single bond or by a divalent group.
  • Said divalent group is chosen, for example, from:
  • a divalent group derived from a linear or branched alkyl group for example an alkylidene or alkylene group
  • 1 to 10 C optionally substituted, preferably on the same carbon by one or more halogens chosen from F, Cl, Br and I and / or by one or more hydroxyl groups
  • said divalent group is a divalent group derived from a perfluorinated alkyl group, for example perfluorinated alkylene.
  • R 3 and R 4 are chosen from alkyl groups of 1 to 10 C such as methyl, ethyl, isopropyl, etc.
  • Ari and Ar 2 can also each represent a condensed polycyclic carbon group optionally substituted by one or more substituent (s) chosen from alkyl and alkoxy groups from 1 to 10 C and halogen atoms, comprising for example from 2 with 5 benzenic cycles, chosen for example from naphthalene, phenanthrene, coronene, perylene, etc.
  • substituent chosen from alkyl and alkoxy groups from 1 to 10 C and halogen atoms, comprising for example from 2 with 5 benzenic cycles, chosen for example from naphthalene, phenanthrene, coronene, perylene, etc.
  • Ari and Ar 2 can also represent a heterocycle or a condensed heterocycle of aromatic nature, for example thiophene, pyrazine, pyridine, furan, quinoline, quinoxaline, isobenzofuran, this heterocycle being optionally substituted by one or more substituent (s) chosen from alkyl groups and alkoxy of 1 to 10 C, for example methyl, ethyl, isopropyl, methoxy, and halogen atoms (F, Cl, Br, I).
  • substituent chosen from alkyl groups and alkoxy of 1 to 10 C, for example methyl, ethyl, isopropyl, methoxy, and halogen atoms (F, Cl, Br, I).
  • At least one of the cycles of Ar 2 for example benzenic or polyphenylic or others is further substituted by one or more sulfonic acid group (s).
  • the preferred polyimides are those in which Ar x is a diphenylmethane group and Ar 2 is a biphenyl disulfonic group; or ri is a benzene group, and Ar 2 a biphenyl-disulfonic group; or Ari is a diphenylether group, and Ar 2 is a biphenyl-disulfonic group.
  • C 3 is, for example, a benzene or naphthalene ring optionally substituted by one or more substituent (s) chosen from alkyl and alkoxy groups from 1 to 10 C and halogen atoms.
  • Ar 2 groups mention may also be made of any of the ri groups mentioned above additionally carrying one or more group (s) S0 3 H on its cycle (s) and / or heterocycle (s).
  • the sulfonated polyimides according to the invention can be obtained by any process known to a person skilled in the art for the preparation of polyimides in general.
  • Examples of known methods for preparing polyimides include the following: reaction of a dianhydride and a dia ine; - reaction of a diacid diester and a diamine.
  • polyimides according to the invention can be prepared by methods which derive from the methods mentioned above or by other methods which can be used for the synthesis of polyimides.
  • the polyimides according to the invention will preferably be used, the condensation of the dianhydrides on the diamines by a two-step synthesis.
  • the hydrophilic block of the sulfonated polyimide according to the invention is synthesized by polycondensation of a dianhydride (II) with a sulfonated diamine (III).
  • dianhydrides of general formula (II) where C 2 has the meaning already given above there may be mentioned, by way of example: the dianhydrides of the following tetracarboxylic aromatic acids: benzene tetracarboxylic acid-1, 2, 3 , 4, benzene tetracarboxylic acid-1, 2,, 5, biphenyl acid-1, 1 'tetracarboxylic acid-2, 3, 5', 6 '1' biphenyl acid-1, 1 'tetracarboxylic acid-3, 3 ', 4, 4', biphenyl acid-1, 1 'tetracarboxylic acid-2, 2', 3, 3 ', acid terphenyl-1, 1, 1 "tetracarboxylic-2 ', 3', 5 ', 6', naphthalene acid tetracarboxylic-1, 2, 5, 6, naphthalene acid tetracarboxylic-2, 3, 6, 7 , naphthalen
  • ODPA oxy-diphtalic dianhydride
  • sulfone diamines of general formula (III), where Ar 2 has the meaning already given above there may be mentioned, by way of example: 1,4 diaminobenzene-3 sulfonic acid, acid 4,4 '-diamino 1,' -biphenyl-di-2, 2 '-sulfonic or any hydrophobic diamine mentioned below in which the Ari group is sulfonated.
  • a particularly preferred sulfonated diamine is BDSA.
  • the polymerization takes place at a temperature of 50 ° C to 200 ° C, preferably at 180 ° C for a period of 2 to 48, preferably 14 hours.
  • this first step we begin by dissolving the sulfonated diamine in an appropriate solvent.
  • the solvent can be any suitable solvent known to a person skilled in the art, as suitable for the polycondensation reaction of a dianhydride and a diamine.
  • the solvent is a polar aprotic solvent, chosen for example from dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, alone or as a mixture with, for example, aromatic solvents, such as xylene or solvents of the glycol ether type.
  • the solvent can also be a phenolic type solvent, that is to say it is chosen, for example, from phenol, phenols substituted by one or more halogens (Cl, I, Br, F), cresols (o-, m-, and p-cresol), halogen-substituted cresols (Cl, I, Br, F) and mixtures thereof.
  • phenol phenols substituted by one or more halogens
  • cresols o-, m-, and p-cresol
  • halogen-substituted cresols Cl, I, Br, F
  • Preferred solvents will be constituted by m-cresol and a mixture of para-chloro-phenol or meta-chloro-phenol and phenol, for example, in the proportions of 20% of phenol and 80% of para or metachlorophenol.
  • the sulphonated diamine such as BDSA
  • a trialkylammonium salt for example, into a triethyl ammonium salt.
  • the sulfonated diamine is not soluble in the synthesis solvent described above and it is therefore necessary to add to the reaction mixture a trialkylamine, for example, triethylamine, which will exchange the proton of the sulfonic group of the diamine sulfonated, by a trialkylammonium function and thus preventing the formation of an insoluble polysel.
  • the mixing of the reagents, including the trialkylamine, is generally carried out with stirring until complete dissolution of the sulfonated diamine, and obtaining a homogeneous and viscous solution.
  • the dianhydride is then added (by NTDA), as well as a catalyst: this catalyst is generally chosen from benzoic acid, etc.
  • a first heating is then carried out at a temperature of 50 to 150 ° C, for example, of 120 ° C for a period of 2 to 24 hours, for example, of 12 hours, generally with mechanical stirring. Then, the polymerization itself is carried out under the conditions described above.
  • the molar ratio Ri of the quantities of nomomers, during this first step, is defined by:
  • n being a number of moles and Ri being less than 1.
  • Ri for the length x of the hydrophilic block (which corresponds to n (sulfonated diamine)) to have the specific value according to the invention Ri must generally go from 0.33 to 0.94.
  • the hydrophobic block is synthesized, that is to say that add to the reaction mixture obtained at the end of the first step, a certain number of moles of hydrophobic diamine (III ′).
  • the number of moles of hydrophobic dimaine introduced is governed by the molar ratio R 2 defined by:
  • n (sulfonated diamine (III)) is the number of moles of sulfonated diamine (III) introduced during the first step.
  • Ci has the meaning already given above, can be chosen from the same compounds mentioned above, for the dianhydrides of formula (II).
  • the anhydride of formula (II ') (added during the second step) is the same as the anhydride of formula (II).
  • Ari has the meaning given above, there may be mentioned, for example: benzenediamine-1, 3, benzenediamine-1, 4, methyl-6 benzenediamine-1, 3, methyl-2 benzenediamine-1, 3 , methyl-5-benzenediamine-1, 3, diamino-4,4 'biphenyl-1, 1', diamino-4,4 'dimethyl-3, 3' biphenyl-1, 1 ', diamino-4, 4 'dimethoxy-3, 3' biphenyl-1, 1 ', diamino-4,4' dichloro-3, 3 'biphenyl-1, 1', la methylenebis (benzeneamine) -4,4 ', methylenebis
  • the added dianhydride reacts preferentially with the hydrophobic diamine to form hydrophobic blocks or blocks of a length defined according to the invention, the hydrophobic blocks or blocks then react with the ionic blocks produced during the first step to give the final polymer.
  • the catalyst and solvent used are generally the same as in the first step, the thermal imidation is generally 'carried out at a temperature of 50 to 200 ° C, e.g. 180 ° C or 200 ° C for a period of 2 at 48 hours, for example 20 or 24 hours.
  • the reactants are first mixed, then the temperature of the solution obtained is brought to from 15 to 300 ° C, for example at 180 ° C for 5 to 180 min., For example for 90 minutes. Then solvent is added and thermal imidation is carried out, as described above. At the end of the reaction, the reaction mixture is cooled to room temperature. The solution can then be stored as is or poured at a temperature of 80 to 180 ° C, for example 160 ° C, in a container containing a poor solvent for the polymer, such as methanol or acetone, to precipitate the polymer.
  • a poor solvent for the polymer such as methanol or acetone
  • the polymer is then filtered and washed several times, for example with boiling methanol, in order to remove the traces of residual solvents. It is finally dried at a temperature for example of 120 ° C., preferably under vacuum.
  • the regeneration of the sulfonic functions in the S0 3 H form is done by immersing the polymer for a period of 1 to 24 hours, for example during
  • the final polymer has the following structure defined by the formulas (I x ), (I y ) and (I) given above.
  • the present invention also relates to a film or a membrane, comprising the sulfonated polyimide described above.
  • Films or membranes can be prepared in a conventional manner, for example, by casting, that is to say that the polymer according to the invention is dissolved in a suitable solvent, such as cresol or phenol, then poured on a flat surface, such as a glass plate, then dried to form a film with a thickness, for example from 5 to 200 ⁇ m.
  • a suitable solvent such as cresol or phenol
  • the films can be used to prepare insulating membranes, in particular, the anode and cathode compartments of a fuel cell that can operate, for example, with the following systems:
  • alcohols such as methanol
  • the present invention also relates to a fuel cell device comprising one or more membranes comprising the sulfonated polyimide according to the invention.
  • the membrane Due to its excellent mechanical properties, the membrane can undergo without deterioration the stresses (tightening, etc.) associated with mounting in such a device.
  • the fuel cell can for example correspond to the diagram already given in FIG. 1.
  • the degradation and hydrolysis of the polyimide sulfones 50% 3,4 'ODA 30/70 with block lengths are prepared and then studied under the same conditions (water, 80 ° C.) more or less long hydrophilic and hydrophobic; some being in accordance with the invention, others not.
  • BDSA is a commercial product sold in the form of an initially purple powder with a purity of 70-80%.
  • Dianhydride 1, 4, 5, 8-naphthalene tetracarboxylic acid dianhydride (DNTA)
  • the purity of the naphthalenic dianhydride DNTA is sufficient for the synthesis of the polymer. This product must however be dried for a few hours in an oven at 140 ° C.
  • the ODA used is a commercial product in powder form with an initial purity of 98%.
  • ODA 200 g of ODA are introduced into a sublimator.
  • the flask is heated to 200 ° C - 250 ° C under vacuum.
  • ODA sublimates and condenses on a cold wall.
  • the vacuum is broken and the purified and crystallized ODA is recovered on the cold wall.
  • BDSA ie 8,712, 10 "
  • 3 g of BDSA 3 g are introduced into a 250 ml three-necked flask, fitted with mechanical stirring and swept by a light stream of argon (1 bubble / second) 3 mol of BDSA containing 0.6% water) and 18 g of phenol / 3-chlorophenol mixture with slow stirring.
  • the phenol is previously heated in an oven because it is not liquid at room temperature.
  • a slight excess of triethylamine (20% relative to the sulfonic functions), ie 2.11 g, is then introduced.
  • the phenol / 3-chlorophenol mixture and the triethylamine allow the dissolution of BDSA.
  • the triethylamine will in particular exchange the H + proton of the group sulphonic of BDSA by the triethylamonium (C 2 H 5 ) 3 N + -H function, thus preventing the formation of an insoluble polysel.
  • the solution then becomes homogeneous and viscous. 1,869 g of NTDA (ie 6,969.10 " 3 ml) are then added, as well as 1.19 g of benzoic acid (catalyst). After a level of 2 hours at 120 ° C with mechanical stirring, the temperature is brought to 180 ° C for 21 hours. The water generated by the reaction is removed gradually by distillation out of the flask. During the reaction, an increase in viscosity is observed. Stirring is then stopped and the reaction mixture is allowed to return to ambient temperature.
  • a second step 4.07 g of 3.4 'ODA (i.e. 20,328, 10 "3 mol), 5,919 g of NTDA (i.e. 22,071, 10 " 3 mol) and 3.77 g of benzoic acid are added to 41 g of chlorophenol to obtain a solution of 20% by mass. The temperature is brought to 180 ° C for 90 minutes. After one hour, the medium is very viscous and 50 g of chlorophenol are added (final solution around 12% by mass). The temperature is then brought to 200 ° C for 24 hours.
  • the reaction mixture is cooled to room temperature and the solution obtained is so viscous that it freezes and no longer flows.
  • the solution can then be stored as it is in a bottle or poured at 160 ° C into a container containing methanol (bad solvent) to precipitate the polymer.
  • the polymer is then filtered, washed several times with boiling methanol, in order to remove the traces of residual solvents. It is finally dried at 120 ° C under vacuum overnight.
  • the regeneration of the sulfonic functions in S0 3 H form is done by immersing the polymer for 12 hours at room temperature in a 0.1N hydrochloric acid solution.
  • Membranes are prepared from each of the polymers synthesized above; in a known manner. As the degradation seems to start, from the first hours of immersion in water at 80 ° C, we follow the evolution of the conductivity, swelling and loss of mass during this period. Each time, several samples of each membrane are studied. We also study the mechanical resistance as a function of time for the different membranes.
  • Figure 2 gives the evolution of the conductivity with the time of immersion in water at 80 ° C for the various polymers studied having different hydrophilic block lengths.
  • Table II shows the evolution of the complement (G (%)) and of the loss of mass (M (%)) during aging of the membranes (B 35) with a hydrophilic sequence with 1 repeat unit (B 30) ( 3/2) with a hydrophilic sequence with 3 repeat units and (B 29) (9/8) with a hydrophilic sequence with 9 repeat units.

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Abstract

Polyimide sulfoné séquencé formé par les blocs ou séquences représentés par les formules (Ix) et (Iy) suivantes: dans lesquelles: x est un nombre réel de 5 à 10; et y est un nombre réel supérieur ou égal à x; et les groupes C1 et C2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun un groupe tétravalent comprenant au moins un cycle aromatique carboné, éventuellement substitué, ayant de 6 à 10 atomes de carbone et/ou un hétérocycle à caractère aromatique, éventuellement substitué, ayant de 5 à 10 atomes et comprenant un ou plusieurs hétéroatomes choisis parmi S, N et O; C1 et C2 formant chacun, avec les groupes imides voisins, des cycles à 5 ou 6 atomes, les groupes Ar1 et Ar2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun un groupe divalent comprenant au moins un cycle aromatique carboné, éventuellement substitué, ayant de 6 à 10 atomes de carbone et/ou un hétérocycle à caractère aromatique, éventuellement substitué, ayant de 5 à 10 atomes et comprenant un ou plusieurs hétéroatomes choisi parmi S, N et O; au moins un desdits cycles aromatiques carbonés et/ou hétérocycle de Ar2 étant, en outre, substitué par au moins un groupe acide sulfonique. Membrane comprenant ledit polyimide sulfoné et dispositif de pile à combustible comprenant au moins une de ces membranes.

Description

POLYIMIDES SULFONES, MEMBRANES PREPAREES AVEC CEUX-CI
ET DISPOSITIF DE PILE A COMBUSTIBLE
COMPORTANT CES MEMBRANES
DESCRIPTION
La présente invention a trait à des polyimides sulfones, plus précisément à des polyimides sulfones à durée de vie améliorée qui trouvent, en particulier, leur application dans la préparation de membranes échangeuses d'ions, conductrices ioniques, notamment destinées aux piles à combustible, en particulier aux piles à combustible à basses températures, c'est-à-dire fonctionnant généralement depuis la température ambiante jusqu'à environ 100°C.
En conséquence, l'invention a également trait aux membranes préparées avec lesdits polyimides sulfones à durée de vie améliorée, et à un dispositif de pile à combustible, en particulier du type à électrolyte solide, comprenant au moins une desdites membranes .
Le domaine technique de l'invention peut ainsi être défini comme celui des piles à combustible, en particulier à piles à combustible du type à électrolyte solide.
Les piles à combustible du type à électrolyte polymère solide trouvent, en particulier, leur application dans les véhicules électriques qui font actuellement l'objet de nombreux programmes de développement, afin d'apporter une solution à la pollution causée par les véhicules à moteur thermique. Les piles à combustible à électrolyte polymère solide pourraient permettre, en jouant le rôle de convertisseur d'énergie électrochimique, associé à un réservoir d'énergie embarquée, par exemple de l'hydrogène ou un alcool, de surmonter les problèmes, notamment d'automobile, de temps de recharge et d'autonomie, liés à l'utilisation de batteries dans les véhicules électriques.
L'assemblage schématique d'une pile à combustible, permettant la production d'énergie électrique, est représenté en partie sur la figure 1 jointe .
L'élément essentiel d'une telle pile est une membrane de type echangeuse d'ions formée d'un électrolyte solide polymère (1), sert à séparer le compartiment anodique (2), où se produit l'oxydation du combustible, tel que l'hydrogène H2 (4), selon le schéma :
2H2 → 4H+ + 4e",
du compartiment cathodique (3), où l'oxydant, tel que l'oxygène de l'air 02 (5) est réduit, selon le schéma :
02 + 4H+ + 4e" → 2H20,
avec production d'eau (6), tandis que l'anode et la cathode sont reliées par un circuit extérieur (10) . L'eau ainsi produite circule entre les deux compartiments par électro-osmose et par diffusion (flèches 11, 12) .
Les électrodes volumiques (13) , placées de part et d'autre de la membrane, comprennent généralement une zone active (14) et une zone diffusionnelle (15) . La zone active est constituée de graphite poreux recouvert de grains de métal noble (16), tel que le platine, et un mince dépôt de polymère conducteur ionique, de structure similaire à celle de la membrane, permet le transport ionique. La zone diffusionnelle (15) est constituée d'un poreux rendu hydrophobe par l'intégration d'un polymère hydrophobe, tel que le PTFE. Le caractère hydrophobe permet l'évacuation de l'eau liquide. Les protons produits à l'anode, par oxydation, par exemple de l'hydrogène en surface des grains de platine, sont transportés (9) au travers de la membrane jusqu'à la cathode où ils se recombinent avec les ions produits par la réduction, par exemple de l'oxygène de l'air pour donner de l'eau (β) .
Les électrons, ainsi produits (17), permettent d'alimenter, par exemple, un moteur électrique (18) placé dans le circuit extérieur (10), avec comme seul sous-produit de la réaction, de l'eau. L'ensemble membrane et électrodes est un assemblage très mince d'une épaisseur de l'ordre du millimètre et chaque électrode est alimentée par l'arrière, par exemple à l'aide d'une plaque cannelée, par les gaz. Les densités de puissance obtenues par cette recombinaison et qui sont généralement de l'ordre de 0,5 à 2 W/cm2, dans le cas où l'on met en oeuvre de l'hydrogène et de l'oxygène, nécessitent l'association de plusieurs de ces structures électrode volumique-membrane-électrode volumique pour obtenir, par exemple les 50 kW nécessaires à un véhicule électrique standard.
Autrement dit, il est nécessaire d'assembler un nombre important de ces structures, dont les surfaces élémentaires peuvent être de l'ordre de 20 x 20 cm2, pour obtenir la puissance voulue, notamment dans le cas où la pile à combustible est mise en œuvre dans un véhicule électrique.
Dans ce but, chaque ensemble formé de deux électrodes et d'une membrane, définissant une cellule élémentaire de la pile à combustible, est ainsi disposé entre deux plaques étanches (7, 8) qui, d'une part, assurent la distribution de l'hydrogène, côté anode et, d'autre part, de l'oxygène côté cathode. Ces plaques sont appelées des plaques bipolaires. La membrane conductrice ionique est généralement une membrane organique contenant des groupes ioniques qui, en présence d'eau, permettent la conduction des protons (9) produits à l'anode par oxydation de l'hydrogène. L'épaisseur de cette membrane est de quelques dizaines à quelques centaines de microns et résulte d'un compromis entre la tenue mécanique et la chute ohmique. Cette membrane permet également la séparation des gaz. La résistance chimique et électrochimique de ces membranes permet, en général, un fonctionnement en pile sur des durées supérieures à 1 000 heures.
Le polymère constituant la membrane doit donc remplir un certain nombre de conditions relatives à ses propriétés mécaniques, physico-chimiques et électriques .
Le polymère doit tout d'abord pouvoir donner des films minces, de 50 à 100 micromètres, denses, sans défauts. Les propriétés mécaniques, module de contrainte à la rupture, ductilité, doivent le rendre compatible avec les opérations d' assemblage comprenant, par exemple, un serrage entre des cadres métalliques.
Les propriétés doivent être préservées en passant à l'état sec à l'état humide.
Le polymère doit avoir une bonne stabilité thermique à l'hydrolyse et présenter une bonne résistance à la réduction et à l'oxydation jusqu'à 100°C. Cette stabilité s'apprécie en terme de variation de résistance ionique, et en terme de variation des propriétés mécaniques.
Le polymère doit enfin posséder une forte conductivité ionique, cette conductivité est apportée par des groupements acides forts, tels que des groupements acides phosphoriques, mais surtout sulfoniques reliés à la chaîne du polymère. De ce fait, ces polymères seront généralement définis par leur masse équivalente, c'est-à-dire par le poids de polymère en gramme par équivalent acide. A titre d'exemple, les meilleurs systèmes développés actuellement sont capables de fournir une puissance spécifique de 1 W.cm"2, soit une densité de courant de 2 A. cm"2 pour 0,5 Volts.
Depuis 1950, de nombreuses familles de polymères sulfones ont été testés comme membranes sans qu'il soit actuellement possible d'établir avec certitude des relations entre structure chimique, morphologie du film et performances.
On a tout d'abord mis en oeuvre des résines de type phenolique sulfonees préparées par sulfonation de produits polycondensés, tels que ' les polymères phénol-formaldéhyde .
Les membranes préparées avec ces produits sont peu coûteuses, mais n'ont pas une stabilité à l'hydrogène suffisante à 50-60°C pour des applications de longue durée.
On s'est ensuite tourné vers les dérivés du polystyrène sulfoné qui présentent une stabilité supérieure à celle des résines phénoliques sulfonees, mais ne peuvent être utilisés à plus de 50-60°C. Les meilleurs résultats sont actuellement obtenus avec des copolymères dont la chaîne principale linéaire est perfluorée et dont la chaîne latérale porte un groupement acide sulfonique.
Ces copolymères sont disponibles dans le commerce sous la marque déposée de NAFION® de la
Société Du Pont, ou ACIPLEX-S® de la Société Asahi
Chemical, d'autres sont expérimentaux, produits par la
Société DOW pour la fabrication de la membrane dénommée
"XUS". Ces produits ont fait l'objet de nombreux développements et conservent leurs propriétés plusieurs milliers d'heures entre 80 et 100°C avec des densités de courant dépendant des pressions partielles des gaz et de la température. La densité de courant est typiquement de 1 A. cm"2 à 0,7 Volts pour le Nafion® 112 avec une épaisseur de 50 μm.
La stabilité thermique de ces structures, c'est-à-dire, dans le cas présent, la capacité de résister à l'hydrolyse acide, et la dégradation par des radicaux libres produits au cours du fonctionnement de la pile, à une température comprise entre 60 et 100°C, pendant plusieurs milliers d'heures, est démontrée.
Aux critères déjà indiqués plus haut, qui doivent être remplis par la membrane, il convient d'ajouter la résistance à l'oxydation au contact de l'oxygène du compartiment cathodique et la résistance à la réduction en présence d'H2.
D'autre part, dans l'optique du développement de piles à combustible utilisables pour la traction automobile, un autre problème essentiel, désormais bien identifié par les experts, est le coût de la membrane, ce dernier est avec celui des plaques bipolaires le facteur prépondérant influençant le prix de revient de la pile à combustible.
En 1995, le coût des membranes produites ou en développement est de l'ordre de 3 000 à 3 500 F/m2 et l'on estime qu'il faut diviser ce coût par 10, voire par 20, pour assister à un développement industriel des piles à combustible pour l'industrie automobile.
Dans une perspective d'abaissement des coûts, des poly 1, - (diphényl-2, 6) -phényléther sulfones sur la chaîne principale, des polyéther-sulfones et polyéther-cétones ont été synthétisés et testés sans réellement rivaliser avec les membranes fluorées en ce qui concerne les performances instantanées et la durabilité . Afin de fournir des membranes répondant aux conditions, déjà mentionnées ci-dessus, relatives notamment à leurs propriétés mécaniques, physico-chimiques et électriques, tout en présentant un coût de fabrication nettement plus faible que celui, prohibitif des membranes perfluorées, décrits plus haut, ont été développés de nouveaux polymères en polyimides sulfones qui sont décrits dans le document FR-A-2 748 485. La possibilité d'utilisation de membranes en ces polyimides sulfones dans une pile à combustible a été amplement démontrée par un fonctionnement pendant plus de 3 000 heures avec de bonnes performances.
En outre, il a été montré que les membranes obtenues à partir de polyimides sulfones ne subissaient que peu de dégradation par les radicaux libres formés au cours du fonctionnement en pile.
En effet, au cours du fonctionnement de ces membranes en pile à combustible, des radicaux libres se forment à partir du H202, résultant de la réduction incomplète - à 2 électrons - de l'oxygène et de la réaction de cette eau oxygénée avec des impuretés au sein de la membrane. Les radicaux OH" et OH2 ", ainsi formés réagissent avec les chaînes non perfluorées, entraînant la rupture des liaisons C-C. La rupture des liaisons entraîne à son tour une perte des propriétés mécaniques et une perte de conduction ionique par élution de courtes séquences contenant des fonctions sulfoniques. Ce type de dégradation semble se produire avec la plupart des structures des polymères non perfluorés et seules des solutions partielles permettant de limiter l'élution des groupes sulfoniques, par exemple, une réticulation, ont été mises en place. Un test simple montrant la sensibilité aux radicaux libres des polymères, consiste à immerger les membranes dans une solution de H202 contenant des ions ferreux à une température de 80°C.
Un résultat similaire a été indiqué dans le document WO-A-99/10165 pour des membranes obtenues à partir de polyimides contenant des dianhydrides phtaliques .
Cependant, si ces membranes obtenues à partir de polyimides sulfones ne subissent pas de dégradation par les radicaux libres formés au cours du fonctionnement en pile, elles peuvent par contre se dégrader par hydrolyse des polyimides en présence d' eau.
Cette réaction d'hydrolyse induit de manière semblable des cassures de chaînes et l'élution des fonctions sulfoniques.
L'hydrolyse constitue donc un des facteurs de dégradation majeur des polyimides.
Il existe donc un besoin pour des polyimides sulfones dont la résistance à l'hydrolyse soit améliorée. Le but de la présente invention est de fournir un polymère de polyimide sulfoné qui réponde à ce besoin.
Le but de la présente invention est encore de fournir un polymère de polyimide sulfoné qui ne présente pas les inconvénient, limitations, défauts et désavantages des polyimides sulfones de l'art antérieur et qui résolvent les problèmes de l'art antérieur.
Ce but et d'autres encore sont atteints, conformément à l'invention par un polyimide sulfoné séquence formé par les blocs ou séquences représentés par les formules (Ix) et (Iy) suivantes :
Figure imgf000012_0001
dans lesquelles : - x est un nombre réel de 5 à 10 ; et
- y est un nombre réel supérieur ou égal à x ;
- et les groupes Ci et C2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun un groupe tetravalent comprenant au moins un cycle aromatique carboné, éventuellement substitué, ayant de 6 à 10 atomes de carbone et/ou un hétérocycle à caractère aromatique, éventuellement substitué, ayant de 5 à 10 atomes et comprenant un ou plusieurs hétéroatomes choisis parmi S, N et 0 ; Ci et C2 formant chacun, avec les groupes i ides voisins, des cycles à 5 ou 6 atomes, - les groupes Arx et Ar2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun un groupe divalent comprenant au moins un cycle aromatique carboné, éventuellement substitué, ayant de 6 à 10 atomes de carbone et/ou un hétérocycle à caractère aromatique, éventuellement substitué, ayant de 5 à 10 atomes et comprenant un ou plusieurs hétéroatomes choisi parmi S, N et O ; au moins un desdits cycles aromatiques carbonés et/ou hétérocycle de Ar2 étant, en outre, substitué par au moins un groupe acide sulfonique. De manière surprenante, il a été montré que les réactions et hydrolyse qui affectent normalement les polyimides sulfones étaient considérablement réduites lorsque l'on allongeait la longueur de la séquence ou bloc qui contient les groupes sulfoniques, c'est-à-dire de la séquence ou bloc hydrophile.
Il s'est avéré que la sensibilité à l'hydrolyse était considérablement réduite pour des polymères dont les blocs ou séquences hydrophiles étaient constitués d'un nombre d'unités de répétition (correspondant à la valeur de x) de 5 à 10.
Cet allongement de la séquence hydrophile induit un allongement semblable de la séquence hydrophobe, c'est-à-dire de la séquence ou bloc qui ne contient pas de groupes sulfoniques. La longueur de ces blocs ou séquences est définie par le nombre y qui représente le nombre d'unités de répétition des blocs hydrophobes. y est supérieur ou égal à x. Ce nombre y sera, de ce fait, selon l'invention, par exemple au moins égal à 5, de préférence y a une valeur de 5 à 40. Le polymère selon l'invention mis, par exemple, sous forme de membranes, présente une grande stabilité mécanique, c'est-à-dire qu'il conserve toutes ses propriétés mécaniques, même après une durée prolongée à de l'eau, en particulier aucune fissure n'est observée, même après plusieurs centaines d'heures à 80°C dans l'eau.
En d'autres termes, la fragilisation des polymères selon l'invention, mis par exemple sous la forme de membranes, et qui résulte de leur vieillissement, sous l'effet des phénomènes d'hydrolyse, est notablement étonnament réduite par rapport aux polyimides sulfones qui ne répondent pas aux conditions spécifiques relatives aux longueurs des blocs hydrophiles, définissant les polyamides sulfones spécifiques selon l'invention.
En outre, l'allongement des séquences ou blocs hydrophiles des polymères, selon l'invention, induit également une forte diminution de la perte de masse et de la chute de conductivité, qui est couramment observée avec les polymères de l'art antérieur, n'ayant pas une telle longueur des séquences hydrophiles et, par voie de conséquence, hydrophobes.
Il s'est avéré, en outre, que la résistance du polymère selon l'invention était particulièrement élevée pour une valeur de x, de préférence, de 5 à 9. Cette valeur de x correspond à une valeur de y de 5 à 10 ; la relation y > x étant, bien entendu, vérifiée.
Le copolymère selon 1 ' invention peut être défini comme un copolyimide sulfoné séquence et répond, de préférence, à la formule générale suivante (I) :
Figure imgf000015_0001
dans laquelle Ci, C2, Arx et Ar2, x et y ont la signification déjà donnée ci-dessus et où chacun des groupes Rx et R2 représente NH2, ou un groupe de 10 formule :
Figure imgf000015_0002
où C est un groupe divalent comprenant au moins un cycle aromatique carboné, éventuellement substitué, ayant de 6 à 10 atomes de carbone e /ou un hétérocycle
15 à caractère aromatique, éventuellement substitué, ayant de 5 à 10 atomes et comprenant un ou plusieurs hétéroatomes choisis parmi S, N et 0, C formant avec le groupe imide voisin un cycle à 5 ou 6 atomes.
Dans la formule (I) ci-dessus, en outre : - z représente un nombre, de préférence 1 à
10, de préférence encore de 2 à 6.
Le poids moléculaire du polyimide selon l'invention est généralement de 10 000 à 100 000, de préférence de 20 000 à 80 000. Le poids moléculaire équivalent du polyimide selon l'invention est, de préférence, de 400 à 2500, de préférence encore de 500 à 1 200.
Le poids moléculaire équivalent est défini par le poids de polymère en grammes par équivalent acide.
De ce fait, les nombres x et y seront choisis, de telle sorte que le poids moléculaire équivalent soit généralement de 400 à 2 500, de préférence encore de 500 à 1 200. On a vu que des copolyimides sulfones sont décrits de manière générale dans le document FR-A-2 748 485. Les copolymères décrits dans ce document ne présentent pas de résistance à l'hydrolyse et il n'est donné aucune indication sur la nature des polymères mis en œuvre dans ce document qui peuvent être aussi bien séquences, alternés, que statistiques.
Dans ce document, la longueur des séquences ou blocs hydrophiles et la longueur correspondante des blocs hydrophobes peut varier entre de larges limites et n'est pas maîtrisée : ainsi x et y peuvent être choisis dans un très large intervalle allant respectivement de 1 à 30 et de 1 à 20.
Ce document ne mentionne ni ne suggère en aucune manière, d'une part, que la longueur des séquences hydrophiles est un des facteurs essentiels influençant la résistance à l'hydrolyse des polyimides sulfones et, d'autre part, que cette résistance à l'hydrolyse est améliorée de manière surprenante en choisissant une longueur des séquences hydrophiles supérieure à un nombre spécifique d'unités ou motifs de répétition et se situant dans une plage étroite pour x allant de 5 à 10 et, de préférence, de 5 à 9 ; cette longueur des séquences hydrophiles influençant par voie de conséquence la longueur des séquences hydrophobes, définie par y qui se trouve dans les plages, mentionnées plus haut.
Outre la résistance à l'hydrolyse sur une durée prolongée, qui se manifeste par l'absence de vieillissement et donc le maintien des propriétés mécaniques et de conductivité dans le temps, les polyimides sulfones selon l'invention présentent toutes les propriétés avantageuses des polyimides sulfones qui sont, par exemple, décrites dans le document FR-A-2 748 485, c'est-à-dire que les propriétés avantageuses connues des polyimides sulfones ne sont pas affectées par le fait que les polyimides sulfones selon l'invention se trouvent pourvus, à l'inverse des polyimides sulfones de l'art antérieur d'une excellente résistance à l'hydrolyse. Au contraire, les propriétés avantageuses sont conservées sur une longue durée. Ainsi, les polymères selon l'invention présentent toutes les propriétés nécessaires à la réalisation de membranes et en particulier de membranes échangeuses de cations, spécifiquement conçues pour les piles à combustibles, et leurs performances sont essentiellement compatibles avec une application dans une pile à combustible.
L' invention concerne donc une membrane comprenant le polyimide sulfoné selon l'invention. En particulier, ces copolymères peuvent être facilement mis sous la forme de films ou de membranes d'une épaisseur adéquate.
Ces* polymères ont une capacité d'échange d'ions très élevée, supérieure à 0,4 meq/g, par exemple, de 0,8 à 2,5 meq/g.
Les membranes comprenant ces polymères ont également une grande stabilité thermique, notamment, à l'hydrolyse acide à haute température, c'est-à-dire pour les membranes les plus stables jusqu'à une température pouvant atteindre par exemple 100 °C, et ce, pendant une longue durée pouvant atteindre, par exemple, 3 000 heures.
Ces conditions sont les conditions d'utilisation pouvant survenir dans les piles à combustible où les membranes, décrites dans ce document, sont essentiellement mises en oeuvre.
De même, les membranes, comprenant le polymère selon l'invention, ont d'excellentes résistances à la réduction et à l'oxydation. Enfin, comme cela est décrit plus loin, les polyimides selon l'invention sont préparées de manière simple, par des procédés éprouvés sur le plan industriel et à partir de matières premières disponibles et de faible coût. De ce fait, les membranes obtenues, ainsi que les piles à combustibles qui comprennent ces membranes, bien qu'elles présentent une longévité étonnament accrue, ne voient-elles pas leur prix en souffrir.
L'invention concerne donc un dispositif de pile à combustible comprenant au' moins une membrane selon l'invention.
L' invention va maintenant être décrite plus en détail, en référence aux dessins joints, " dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement une pile à combustible comprenant plusieurs cellules élémentaires avec un assemblage Electrode-Membrane-Electrode, ainsi que des plaques bipolaires ;
- la figure 2 est un graphique qui donne l'évolution de la conductivité C en S/cm en fonction du temps t en heures pour des polymères ayant des longueurs de blocs hydrophiles différentes ; à savoir blocs de 3 unités de répétition (courbe A) ; blocs de 1 unité, polymère statistique (courbe B) ; bloc de 9 unités (courbe C) ; blocs de 5 unités (courbe D) ;
- la figure 3 est un graphique (diagramme d'impédance) qui donne -Im(Z) en fonction de Re(Z) pour une membrane en un polymère présentant des blocs hydrophiles à 9 unités de répétition, avant dégradation ; - les figures 4A et 4B sont des diagrammes d'impédances (NYQUIST) pour des membranes en un polymère présentant des blocs hydrophiles à 9 unités de répétition en fonction du temps de vieillissement ; à savoir : 355 heures (courbe A) ; 543 heures (courbes B) 704 heures (courbe C) : 1 175 heures (courbe D) ; 2 008 heures (courbe E) et enfin 2 450 heures (courbe F) ;
- la figure 5 est un graphique qui illustre la perte de masse P en % en fonction du temps d'immersion dans l'eau (t) en heures pour un polyimide sulfoné dont la séquence hydrophile comprend 9 unités de répétition.
Dans les formules (Ix), (Iy) et (I) citées ci-dessus, Ci et C2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun, par exemple, un cycle benzénique éventuellement substitué, par un ou deux substituant (s) choisi (s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène ; ou plusieurs cycles benzéniques éventuellement substitués par un ou plusieurs substituant (s) choisi (s) parmi les groupes alkyle et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène, par exemple de 2 à 4 cycles, reliés entre eux par une simple liaison ou par un groupe divalent.
Ledit groupe divalent est choisi par exemple parmi :
- un groupe divalent dérivé d'un groupe alkyle linéaire ou ramifié (par exemple un groupe alkylidène ou alkylène) de 1 à 10 C éventuellement substitué, de préférence sur le même carbone, par un ou plusieurs halogènes choisis parmi F, Cl, Br et I et/ou par un ou plusieurs groupes hydroxyle (s) , de préférence encore ledit groupe divalent est un groupe divalent dérivé d'un groupe alkyle perfluoré, par exemple alkylène perfluoré.
- un hétéroatome choisi parmi O, S ; C
un groupe O
Figure imgf000021_0001
un groupe
O
un groupe • H
un groupe
Figure imgf000021_0002
O
Figure imgf000021_0003
un groupe
Figure imgf000022_0001
CF3 un groupe
Figure imgf000022_0002
R, un groupe
R3
-Si.
un groupe R3 3
Si O
un groupe R3
où R3 et R4 sont choisis parmi les groupes alkyle de 1 à 10 C tels que méthyle, éthyle, isopropyle, etc. Ci et C2 peuvent également chacun représenter un groupe carboné polycyclique condensé éventuellement substitué par un ou plusieurs substituant (s) choisi (s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène, comprenant par exemple de 2 à 5 cycles benzeniques choisis par exemple parmi le naphtalène, le phénanthrène, le coronène, le pérylène, etc.
Ci et C2 peuvent aussi représenter un hétérocycle ou un hétérocycle condensé, à caractère aromatique tel que thiophène, pyrazine, pyridine, furanne, quinoléine, quinoxaline, isobenzofuranne, cet hétérocycle étant éventuellement substitué par un ou plusieurs substituants choisis parmi les groupes alkyles (par exemple méthyle, éthyle, isopropyle, etc.) et alcoxy de 1 à 10 C, et les atomes d'halogènes (F, Cl, Br, I) .
Parmi les polyimides utilisables dans le cadre de l'invention, on citera ceux dans lesquels Ci est un cycle benzénique et C un ensemble de deux cycles benzeniques reliés entre eux par un pont oxygène ; ou Ci est constitué par des cycles benzeniques, de préférence encore par deux cycles benzeniques reliés entre eux par un ou des groupe (s) perfluoroalkylène (s) et C2 est constitué par des cycles benzeniques, de préférence encore par deux cycles benzeniques reliés par un ou des groupe (s) perfluoroalkyle (s) divalent (s) ou perfluoro- alkylène(s) ; ou Ci est un cycle benzénique et C2 un cycle naphtalénique ; ou Ci et C2 sont tous deux des cycles naphtaléniques .
Ari et Ar2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun par exemple un cycle benzénique divalent à enchaînement meta, ou para ; éventuellement substitué par un ou plusieurs substituants choisis parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C tels que méthyle, éthyle, isopropyle, butyle, méthoxy.... et les atomes d'halogène ; ou plusieurs cycles benzeniques éventuellement substitués par un ou plusieurs substituants choisis parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10C et les atomes d'halogènes, par exemple de 2 à 5 cycles, reliés entre eux par une simple liaison ou par un groupe divalent.
Ledit groupe divalent est choisi par exemple parmi :
- un groupe divalent dérivé d'un groupe alkyle linéaire ou ramifié (par exemple un groupe alkylidène ou alkylène) de 1 à 10 C éventuellement substitué, de préférence sur le même carbone par un ou plusieurs halogènes choisis parmi F, Cl, Br et I et/ou par un ou plusieurs groupes hydroxyle (s) , de préférence encore ledit groupe divalent est un groupe divalent dérivé d'un groupe alkyle perfluoré, par exemple alkylène perfluoré.
- un hétéroatome choisi parmi O, S ;
- un groupe
Figure imgf000025_0001
Figure imgf000025_0002
un groupe
Figure imgf000025_0003
un groupe
O
un groupe •NH un groupe
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0002
un groupe
Figure imgf000026_0003
un groupe R3
R3
Si O
un groupe R3
Figure imgf000026_0004
un groupe
Figure imgf000027_0001
un groupe
où R3 et R4 sont choisis parmi les groupes alkyle de 1 à 10 C tels que méthyle, éthyle, isopropyle, etc.
Ari et Ar2 peuvent également chacun représenter un groupe carboné polycyclique condensé éventuellement substitué par un ou plusieurs substituant (s) choisi (s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène, comprenant par exemple de 2 à 5 cycles benzeniques, choisis par exemple parmi le naphtalène, le phénanthrène, le coronène, le pérylène, etc. Ari et Ar2 peuvent aussi représenter un hétérocycle ou un hétérocycle condensé à caractère aromatique par exemple thiophène, pyrazine, pyridine, furanne, quinoléine, quinoxaline, isobenzofuranne, cet hétérocycle étant éventuellement substitué par un ou plusieurs substituant (s) choisi (s) parmi les groupes alkyles, et alcoxy de 1 à 10 C, par exemple méthyle, éthyle, isopropyle, méthoxy, et les atomes d'halogènes (F, Cl, Br, I) .
Selon l'invention, au moins un des cycles de Ar2, par exemple benzeniques ou polyphényliques ou autres est substitué en outre par un ou plusieurs groupe (s) acide sulfonique.
Les polyimides préférés sont ceux dans lesquels Arx est un groupe diphénylméthane et Ar2 est un groupe biphényl-disulfonique ; ou ri est un groupe benzénique, et Ar2 un groupe biphényl-disulfonique ; ou Ari est un groupe diphenylether, et Ar2 est un groupe biphényl-disulfonique .
C3 est par exemple un cycle benzénique ou naphtalénique éventuellement substitué par un ou plusieurs substituant (s) choisi (s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène.
Des exemples des groupes Ci et C2 sont les suivants :
Figure imgf000029_0001
o
(OHHO;
Figure imgf000029_0002
Figure imgf000030_0001
Figure imgf000030_0002
Figure imgf000030_0003
Figure imgf000031_0001
Figure imgf000031_0002
Des exemples des groupes Ari sont les suivants
Figure imgf000032_0001
Figure imgf000033_0001
Figure imgf000034_0001
Figure imgf000034_0002
Figure imgf000034_0003
Des exemples des groupes Ar2 sont les suivants
Figure imgf000035_0001
Parmi les groupes Ar2, on peut également citer l'un quelconque des groupes ri cités ci-dessus portant en outre un ou plusieurs groupe (s) S03H sur son ou ses cycle (s) et/ou hétérocycle (s) .
Des exemples des groupes C3 sont les suivants :
Figure imgf000035_0002
Les polyimides sulfones selon l'invention peuvent être obtenus par tous les procédés connus de l'homme du métier pour la préparation des polyimides en général.
Des exemples des procédés connus de préparation des polyimides sont notamment les suivants : réaction d'un dianhydride et d'une dia iné ; - réaction d'un diacide diester et d'une diamine .
Il est bien évident que les polyimides selon l'invention peuvent être préparés par des procédés qui dérivent des procédés cités ci-dessus ou par d'autres procédés pouvant être mis en oeuvre pour la synthèse des polyimides.
Les adaptations et optimisations nécessaires des procédés connus et décrits dans la littérature peuvent être aisément réalisés par l'homme du métier.
On utilisera de préférence pour préparer les polyimides selon l'invention, la condensation des dianhydrides sur les diamines par une synthèse en deux étapes.
Un tel procédé est couramment mis en oeuvre sur le plan industriel et ne nécessite que de légères adaptations pour permettre la préparation des polyimides selon l'invention. La synthèse d'un polyimide sulfoné selon l'invention répond généralement au schéma suivant en deux étapes, généralement réalisées dans le même réacteur.
Dans une première étape, on effectue la synthèse du bloc hydrophile du polyimide sulfoné selon l'invention par polycondensation d'un dianhydride (II) avec une diamine sulfonée (III) .
Figure imgf000037_0001
O (n)
O O
Figure imgf000037_0002
Ces produits de départ sont des produits facilement disponibles et de faible coût. De ce fait, les polymères préparés, et les membranes obtenues à partir de ces polymères présentent un coût relativement faible.
Parmi les dianhydrides de formule générale (II) où C2 a la signification déjà donnée ci-dessus, on peut citer, à titre d'exemple : les dianhydrides des acides aromatiques tétracarboxyliques suivants : l'acide benzène tétracarboxylique-1, 2, 3, 4, l'acide benzène tétracarboxylique-1, 2, , 5, l'acide biphényle-1, 1 ' tétracarboxylique-2, 3, 5' , 6' 1 ' acide biphényle-1, 1 ' tétracarboxylique-3, 3 ' , 4, 4 ' , l'acide biphényle-1, 1 ' tétracarboxylique-2, 2 ' , 3, 3 ' , l'acide terphényle-1, l' , 1" tétracarboxylique-2 ' , 3' ,5' , 6' , l'acide naphtalène tétracarboxylique-1, 2, 5, 6, l'acide naphtalène tétracarboxylique-2, 3, 6, 7, l'acide naphtalène tétracarboxylique-1, 2, 4, 5, l'acide naphtalène tétracarboxylique-1, , 5, 8 (DNTA) , l'acide pérylène tétracarboxylique-3, 4, 9, 10, l'acide phénanthrène tétracarboxylique-1, 8, 9, 10, l'acide oxybis- (benzène dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' (OPDA) , l'acide thiobis- (benzène dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' , l'acide sulfonylbis (benzène dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' , l'acide méthylènebis (benzène dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' , 1 ' acide difluorométhylène-bis (benzène dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' , l'acide carbonylbis (benzène dicarboxylique-1, 2) -3, 3 ' , l'acide carbonylbis (benzène dicarboxylique-1,2) -4, 4 ' , l'acide méthyl-1 éthylidène-1, 1-bis (benzène dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' , l'acide trifluorométhyl-1 trifluoro-2, 2, 2 éthylidène-1, 1-bis (benzène dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' , 1 ' acide phénylène-1, 3-bis (carbonylbenzène dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' , l'acide phénylène-1, -bis
(carbonylbenzène dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' , l'acide phénylène-1, 3-bis (oxybenzene dicarboxylique-1, 2) -4, 4 ' , l'acide phénylène-1, 4-bis (oxybenzene dicarboxylique-1,2) -4, 4 ' , l'acide méthyl-1 éthylydène-1, 1-bis (phénylène-1, 4-oxy) -bis (benzène dicarbo xylique-1, 2) -4, 4 ' , l'acide pyrazine tétracarboxylique-2, 3, 5, 6, l'acide thiophène tétracarboxylique-2, 3, 4, 5 et le tétracarboxy-3, 3 ' , 4, 4 ' benzanilide . Des dianhydrides de formule (II) préférées sont les suivants. La DNTA : dianhydride 1, 4, 5, 8-naphthalène tétracarboxylique :
Figure imgf000039_0001
La ODPA : dianhydride oxy-diphtalique
Figure imgf000039_0002
Parmi les diamines sulfonees de formule générale (III), où Ar2 a la signification déjà donnée ci-dessus, on peut citer, à titre d'exemple : l'acide 1,4 diaminobenzène-3 sulfonique, l'acide 4,4'-diamino 1, l' -biphényl-di-2, 2' -sulfonique ou toute diamine hydrophobe mentionnée plus loin dont le groupe Ari est sulfoné. Une diamine sulfonée particulièrement préférée est la BDSA.
Figure imgf000040_0001
La polymérisation a lieu a une température de 50°C à 200°C, de préférence à 180°C pendant une durée de 2 à 48, de préférence de 14 heures.
Plus précisément, dans cette première étape, on commence par dissoudre la diamine sulfonée dans un solvant approprié.
Le solvant peut être tout solvant adéquat connu de l'homme du métier, comme convenant à la réaction de polycondensation d'un dianhydride et d'une diamine.
Dans un mode de réalisation préféré, le solvant est un solvant aprotique polaire, choisi par exemple parmi le diméthylformamide, le diméthylacétamide, la N-méthylpyrrolidone, seuls ou en mélange avec, par exemple, des solvants aromatiques, tels que le xylène ou des solvants du type éther de glycol .
Le solvant peut aussi être un solvant de type phenolique, c'est-à-dire qu'il est choisi, par exemple, parmi le phénol, les phénols substitués par un ou plusieurs halogènes (Cl, I, Br, F) , les crésols (o-, m-, et p-crésol), les crésols substitués par un halogène (Cl, I, Br, F) et les mélanges de ceux-ci.
Des solvants préférés seront constitués par le m-crésol et un mélange de para-chloro-phénol ou de méta-chloro-phénol et de phénol, par exemple, dans les proportions de 20 % de phénol et de 80 % de para ou métachlorophénol .
En outre, il est nécessaire, dans ce qui peut être considéré comme une étape préalable à la synthèse de transformer les fonctions acides sulfoniques de la diamine sulfonée, telle que la BDSA en sel de trialkylammonium, par exemple, en sel de triéthyl ammonium. En effet, la diamine sulfonée n'est pas soluble dans le solvant de synthèse décrit-dessus et il est donc nécessaire d'ajouter au mélange réactionnel une trialkylamine, par exemple, la triéthylamine, qui va échanger le proton du groupement sulfonique de la diamine sulfonée, par une fonction trialkylammonium et empêcher ainsi la formation d'un polysel insoluble.
Le mélange des réactifs, y compris la trialkylamine, est effectué généralement sous agitation jusqu'à complète dissolution de la diamine sulfonée, et obtention d'une solution homogène et visqueuse. A cette solution, on ajoute alors la dianhydride (par la NTDA) , ainsi qu'un catalyseur : ce catalyseur est choisi généralement parmi l'acide benzoïque, etc..
On effectue alors un premier chauffage à une température de 50 à 150°C, par exemple, de 120°C pendant une durée de 2 à 24 heures, par exemple, de 12 heures, généralement sous agitation mécanique. Puis, on réalise la polymérisation, proprement dite, dans les conditions décrites plus haut.
Il est important que l'eau formée par la réaction soit éliminée au fur et à mesure, hors de l'enceinte réactionnelle, par exemple, par distillation.
A l'issue de la réaction, le mélange réactionnel est ramené à la température ambiante. Le composé obtenu à la fin de la première étape répond à la formule suivante :
Figure imgf000042_0001
Ainsi, dans le cas de la réaction de BDSA et de NTDA, en présence de triéthylamine, on obtient à la fin de la première étape, le composé suivant :
Figure imgf000043_0001
Afin de contrôler la longueur de la séquence ou bloc ionique ou hydrophile, il faut, au cours de cette première étape, ajouter un excès de diamine sulfonée.
Le rapport molaire Ri des quantités de nomomères, lors de cette première étape, est défini par :
n (dianhydride (II) )
Ri = n (diamine sulfonée (III)
n étant un nombre de moles et Ri étant inférieur à 1. Selon l'invention, pour que la longueur x du bloc hydrophile (qui correspond à n (diamine sulfonée)), ait la valeur spécifique selon l'invention Ri doit généralement aller de 0,33 à 0,94.
Dans une deuxième étape, on effectue la synthèse du bloc hydrophobe, c'est-à-dire que l'on ajoute au mélange réactionnel obtenu à l'issue de la première étape, un certain nombre de moles de diamine hydrophobes (III'). Le nombre de moles de dimaine hydrophobe introduit est gouverné par le rapport molaire R2 défini par :
n (diamine sulfonée (III) )
Figure imgf000044_0001
n (diamine hydrophobe (III) )
n(diamine sulfonée (III)) est le nombre de moles de diamine sulfonée (III) introduits lors de la première étape.
Ce rapport définit la capacité d'échanges ioniques (CEI en méq./g) finale du polymère. Afin que la valeur de y soit dans la plage spécifique selon l'invention, le rapport R2 doit généralement être de
0,25 à 4, de préférence de 0,42 à 1.
Pour compléter la stoechiométrie molaire nécessaire à une réaction totale avec la diamine hydrophobe (III') et avec 1Oligomère sulfoné (IV) terminé par des fonctions aminés, il y a lieu d'ajouter un nombre de moles nstoech_.o de dianhydride (II') selon la solution :
n.toechio (dianhydride (II' ) ) = n (diamine sulfonée (III) ) + n ( diamine hydrophobe ( III' ) ) - n (dianhydride ( II) ) .
Les dianhydrides de formule générale
( I I ' ) :
Figure imgf000045_0001
où Ci a la signification déjà donnée ci-dessus, peuvent être choisis parmi les mêmes composés cités plus haut, pour les dianhydrides de formule (II) .
De préférence, l'anhydride de formule (II') (ajouté lors de la deuxième étape) est la même que l'anhydride de formule (II).
Parmi les diamines hydrophobes de formule :
Figure imgf000045_0002
où Ari a la signification donnée ci-dessus, on peut citer, par exemple : la benzènediamine-1, 3, la benzènediamine-1, 4, la méthyl-6 benzènediamine-1, 3, la méthyl-2 benzènediamine-1 , 3, la méthyl-5 benzènediamine-1, 3, le diamino-4,4' biphényle-1, 1 ' , le diamino-4,4' diméthyl-3, 3 ' biphényle-1, 1 ' , le diamino-4,4' diméthoxy-3, 3 ' biphényle-1, 1 ' , le diamino-4,4' dichloro-3, 3 ' biphényle-1, 1 ' , la méthylènebis (benzèneamine) -4, 4 ' , la méthylènebis
(benzèneamine) -3, 3 ' , la méthylènebis (méthyl-3 benzèneamine) -4, 4 ' , la méthylènebis (isopropyl-3 benzèneamine) -4, 4 ' , l'oxybis (benzèneamine) -4, 4 ' , l'oxybis (benzèneamine) -3, 3 ' , la carbonylbis
(benzèneamine) -4, 4 ' , la carbonylis (benzèneamine) -3, 3 ' , la thiobis (benzèneamine) -4, 4 ' , la thiobis
(benzèneamine) -3, 3 ' , la sulfonybis (benzèneamine) -4, 4 ' , la sulfonylbis (benzèneamine) -3, 3 ' , l 'hydroxyméthylènebis (benzèneamine) -4, ' , l 'hydroxyméthylènebis (benzène-amine) -3, 3 ' , la difluorométhylènebis (benzèneamine) -4, 4 ' , la méthyl-1 éthylidène bis (benzèneamine) -4, 4 ' , la trifluorométhyl-1 trifluoro-2, 2, 2 éthylidène bis (benzèneamine) -4, 4 ' , la phénylène-1, 3-dioxy bis
(benzèneamine) -3, 3 ' , la phénylène-1, 3-dioxy bis
(benzèneamine) -4, ' , la phénylène-1, 4-dioxy bis
(benzèneamine) 3, 3 ' , la phénylène-1, 4-dioxy bis (benzèneamine) -4, 4 ' , le diamino-3,3' benzanilide, le diamino-3,4' benzanilide, le diamino-3',4 benzanilide, le diamino-4,4' benzanilide, le bis (amino-3 phényle) diméthylsilane le bis (amino-4-phényle) diméthylsilane et le 9 fluor 9 ylidène bisphénylamine . Il est à noter que l'on peut utiliser un mélange en toutes proportions de plusieurs des aminés citées ci-dessus.
Des exemples préférés des diamines hydrophobes préférées sont présentées dans le tableau I suivant avec les nomenclatures utilisées et les caractéristiques communiquées par les diamines au polymère final : Tableau I
Figure imgf000047_0001
Le dianhydride rajouté réagit préférentiellement avec la diamine hydrophobe pour former des blocs ou séquences hydrophobes d'une longueur définie selon l'invention, les séquences ou blocs hydrophobes réagissent ensuite avec les séquences ioniques réalisées lors de la première étape pour donner le polymère final.
Le catalyseur et le solvant utilisés sont généralement les mêmes que lors de la première étape, l'imidation thermique est généralement ' réalisée à une température de 50 à 200°C, par exemple de 180°C ou 200°C pendant une durée de 2 à 48 heures, par exemple de 20 ou 24 heures.
Plus précisément, on commence par mélanger les réactifs, puis la température de la solution obtenue est portée à de 15 à 300°C, par exemple à 180°C pendant 5 à 180 min., par exemple pendant 90 minutes. On rajoute alors du solvant et on effectue l'imidation thermique, comme décrit plus haut. En fin de réaction, le mélange réactionnel est refroidi à température ambiante. La solution peut alors être stockée telle quelle ou versée à une température de 80 à 180°C, par exemple, de 160°C, dans un récipient contenant un mauvais solvant du polymère, tel que le méthanol ou l'acétone, pour précipiter le polymère .
Le polymère est ensuite filtré, lavé plusieurs fois, par exemple au méthanol bouillant, afin d'éliminer les traces de solvants résiduels. Il est enfin séché à une température par exemple de 120°C, de préférence sous vide. La régénération des fonctions sulfoniques sous forme S03H se fait en immergeant le polymère pendant une durée de 1 à 24 heures, par exemple pendant
12 heures à température ambiante dans une solution acide, de préférence d'acide chlorhydrique 0,1 N.
Le polymère final a la structure suivante définie par les formules (Ix), (Iy) et (I) données plus haut .
Pour différencier les polymères étudiés, on peut adopter la nomenclature suivante :
Nomenclature diamine hydrophobe/séquence hydrophile/rapport R2
soit par exemple :
n (dianhydride) 4 n (diamine sulfonée) 30 pour R-L = = — et R2 = = — n (diamine sulfonée) 5 n (diamine hydrophobe) 70
La nomenclature sera 4,4' ODA 5 30/70, dans le cas où la diamine hydrophobe est la ODA et où la longueur de la séquence hydrophile est de 5 unités de répétition (x = 5 : ce qui est conforme à l'invention) .
Si ce même polymère comprenait une diamine hydrophobe comprenant 50 % de 3,4' ODA et 50 % de 4,4'
ODA, on aurait alors la nomenclature suivante 50 % 3,4' ODA 5 30/70.
La présente invention a également pour objet un film ou une membrane, comprenant le polyimide sulfoné décrit ci-dessus.
Les films ou membranes peuvent être préparés de manière classique, par exemple, par coulée, c'est-à-dire que le polymère selon l'invention est mis en solution dans un solvant adéquat, tel que du crésol ou du phénol, puis coulé sur une surface plane, telle qu'une plaque de verre, puis séché pour former un film d'une épaisseur, par exemple de 5 à 200 μm.
Les films peuvent être utilisés pour préparer des membranes isolant, en particulier, les compartiment anodiques et cathodiques d'une pile à combustible pouvant fonctionner, par exemple, avec les systèmes suivants :
- hydrogène, alcools, tels que méthanol, à l'anode ;
- oxygène, air, à la cathode.
La présente invention a également pour objet un dispositif de pile à combustible comprenant une ou plusieurs membranes comprenant le polyimide sulfoné selon l'invention.
Du fait de ses excellentes propriétés mécaniques, la membrane peut subir sans détériorations les contraintes (serrage, etc.) liées au montage dans un tel dispositif.
La pile à combustible peut par exemple correspondre au schéma déjà donné sur la figure 1.
L'invention va maintenant être décrite en référence aux exemples suivants, donnés à titre illustratif et non limitatif.
Dans les exemples suivants, on prépare, puis on étudie, dans les mêmes conditions (eau, 80 °C) la dégradation par hydrolyse des polyimides sulfones 50 % 3,4' ODA 30/70 possédant des longueurs de blocs hydrophile et hydrophobe plus ou moins longs ; certains étant conformes à l'invention, d'autres non.
Exemple 1
Dans cet exemple, on décrit la synthèse des polyimides sulfones qui sont utilisés pour étudier la dégradation par hydrolyse.
1. 1 - Purification des monomères
Pour l'obtention d'un polymère à masse moléculaire élevée, la pureté des monomères et le respect des conditions stoechiometriques sont deux paramètres prépondérants.
a - La diamine sulfonée : acide
2,2' -diamino-4 , 4 ' -biphényle disulfonique (BDSA)
La BDSA est un produit commercial vendu sous la forme d'une poudre initialement violette et dont le degré de pureté est de 70 - 80 %.
Dans un ballon de 1 000 ml, 100 g de BDSA sont introduits dans 500 ml d'eau. Le ballon est alors chauffé pendant 4 heures au reflux. Après refroidissement, le solide mauve en suspension est filtré, rincé trois fois à l'eau, puis trois fois au méthanol et séché sous vide à 80°C pendant 12 heures. On obtient un solide blanc légèrement mauve. Le rendement obtenu est proche de 80 % . L'analyse thermogravimétrique révèle la présence de 0, 6 % d'eau résiduelle .
b - Le dianhydride : dianhydride de l'acide 1, 4, 5, 8-naphtalène tétracarboxylique (DNTA)
La pureté du dianhydride naphthalénique DNTA est suffisante pour la synthèse du polymère. Ce produit doit toutefois être séché quelques heures à l'étuve à 140°C.
c - La diamine hydrophobe : ODA
L'ODA utilisé est un produit commercial sous forme de poudre dont le degré de pureté initial est de 98 % .
Dans un sublimateur, 200 g d' ODA sont introduits. Le ballon est chauffé à 200°C - 250°C sous vide. L'ODA sublime et se condense sur une paroi froide. On casse le vide et on récupère l'ODA purifié et cristallisé sur la paroi froide.
1. 2 - Synthèse du polyimide naphthalénique 3,4' ODA 5 30/70 (longueur du bloc hydrophobe : 5 unités de répétition) Première étape
Figure imgf000053_0001
Lors d'une première étape, dans un ballon tricol de 250 ml, muni d'une agitation mécanique et balayé par un léger courant d'argon (1 bulle/seconde), on introduit 3 g de BDSA (soit 8 712, 10"3 mol de BDSA contenant 0, 6 % d'eau) et 18 g de mélange phénol/3-chlorophénol sous agitation lente. Le phénol est préalablement chauffé dans une étuve, car il n'est pas liquide à température ambiante. Un léger excès de triéthylamine (20 % par rapport aux fonctions sulfoniques) soit 2,11 g est alors introduit. Le mélange phénol/3-chlorophénol et la triéthylamine permettent la mise en solution de la BDSA. La triéthylamine va notamment échanger le proton H+ du groupement sulfonique de la BDSA par la fonction triéthylamonium (C2H5) 3N+-H, empêchant ainsi la formation d'un polysel insoluble. La solution devient alors homogène et visqueuse. 1 869 g de NTDA (soit 6 969, 10"3 ml) sont alors ajouté, ainsi que 1,19 g d'acide benzoïque (catalyseur). Après un palier de 2 heures à 120°C sous agitation mécanique, la température est portée à 180°C pendant 21 heures. L'eau générée par la réaction est éliminée au fur et à mesure par distillation hors du ballon. Au cours de la réaction, une augmentation de la viscosité est observée. L'agitation est alors coupée et on laisse le mélange réactionnel revenir à température ambiante.
Deuxième étape
Figure imgf000054_0001
Dans une seconde étape, 4,07 g de 3,4' ODA (soit 20 328, 10"3 mol), 5 919 g de NTDA (soit 22 071, 10"3 mol) et 3,77 g d'acide benzoïque sont ajoutés dans 41 g de chlorophénol pour obtenir une solution de 20 % en masse. La température est portée à 180°C pendant 90 minutes. Au bout d'une heure, le milieu est très visqueux et 50 g de chlorophénol sont ajoutés (solution finale aux alentours de 12 % en masse) . La température est alors portée à 200 °C pendant 24 heures.
En fin de réaction, le mélange réactionnel est refroidi à température ambiante et la solution obtenue est tellement visqueuse qu'elle fige et ne coule plus. La solution peut alors être stockée telle quelle dans un flacon ou versée à 160°C dans un récipient contenant du méthanol (mauvais solvant) pour précipiter le polymère. Le polymère est ensuite filtré, lavé plusieurs fois au méthanol bouillant, afin d'éliminer les traces de solvants résiduels. Il est enfin séché à 120°C sous vide pendant une nuit. La régénération des fonctions sulfoniques sous forme S03H se fait en immergeant le polymère 12 heures à température ambiante dans une solution d' acide chlorhydrique 0,1 N.
1. 3 - Synthèse du polyimide naphtalénique 3,4' ODA 1 30/70 (statistique ; longueur du bloc hydrophile : 1 unité de répétition)
On répète la synthèse décrite en 1.2, sauf que les proportions de réactifs sont adaptés en conséquence.
1. 4 - Synthèse du polyimide naphtalénique 3,4' ODA 3 30/70 (longueur du bloc hydrophile : 3 unités de répétition)
On répète la synthèse décrite en 1.2, sauf que les proportions des réactifs sont adaptés en conséquence.
1. 5 - Synthèse du polyimide naphtalénique 3,4' ODA 9 30/70 (longueur du bloc hydrophile : 9 unités répétition)
On répète la synthèse décrite en 1.2, sauf que les proportions des réactifs sont adaptés en conséquence .
On prépare des membranes à partir de chacun des polymères synthétisés ci-dessus ; de manière connue . Comme la dégradation semble débuter, dès les premières heures d'immersion dans l'eau à 80°C, on suit l'évolution de la conductivité, du gonflement et de la perte de masse au cours de cette période. Chaque fois, plusieurs échantillons de chaque membrane sont étudiés. On étudie également la tenue mécanique en fonction du temps pour les différents membranes.
La figure 2 donne l'évolution de la conductivité avec le temps d'immersion dans de l'eau à 80°C pour les divers polymères étudiés ayant des longueurs de bloc hydrophile différentes.
Le tableau II montre l'évolution du complément (G(%)) et de la perte de masse (M(%)) lors du vieillissement des membranes (B 35) avec une séquence hydrophile à 1 unité de répétition (B 30) (3/2) avec une séquence hydrophile à 3 unités de répétition et (B 29) (9/8) avec une séquence hydrophile à 9 unités de répétition.
Tableau I I
Evolution du gonflement ( G i) ) et de la perte de masse (M ( % ) ) , lors du vieillissement de membranes 50 % 3 , 4 ' ODA 30/70 , ayant différentes longueurs de blocs
Figure imgf000057_0001
Pour tous les échantillons étudiés, on observe une augmentation de la conductivité et du gonflement en eau, lors des premières heures du vieillissement. Lorsque la perte de masse augmente, la conductivité et le gonflement commencent à diminuer. Ces observations vont dans le sens d'une dégradation par hydrolyse (formation de diacide (augmentation du gonflement et de la conductivité)), suivie d'une élimination.
En terme de tenue mécanique en fonction du temps, les membranes statiques sont très fragiles et montrent des fissurations multiples, après seulement
23 heures, les membranes 3/2, après 100 heures, les membranes 5/4 (conformes à l'invention), après 1 000 heures et les membranes 9/8 (conformes à l'invention), au bout d'un temps supérieur à 2 500 heures.
Il a été ainsi démontré que des polyimides sulfones formés de longs blocs (avec x > 5 , selon l'invention) ont une meilleure stabilité mécanique dans le temps, en terme de non fissuration.
Exemple 3
Dans cet exemple, on s'intéresse, plus particulièrement, à l'évolution, au cours du vieillissement, des propriétés du polymère présentant des blocs hydrophiles à 9 unités de répétition (conforme à l'invention).
3. 1 - Evolution des propriétés mécaniques au cours du vieillissement
Les propriétés mécaniques, à savoir : dureté H (en GPa), en fonction de la profondeur d'indentation (nm) ; module d'élasticité E (en GPa), en fonction de la profondeur d'indentation (nm) ; et la profondeur indentée (nm), en fonction de la face de pénétration appliquée (mN) ont été mesurées initialement et après 2 400 heures de vieillissement, dans l'eau à 80°C.
Les mesures sont très irrégulières par ce que cette membrane a une structure particulièrement poreuse. Toutefois, il ne semble pas qu'il y ait eu une réelle modification des propriétés mécaniques, confirmant l'excellente résistance à l'hydrolyse de cette membrane, conforme à l'invention.
3. 2 - Evolution de la conductivité
La conductivité est parfaitement stabilisée après 100 heures de vieillissement jusqu'à environ 500 heures. Après, la conductivité chute à nouveau régulièrement. On notera l'apparition d'un demi-cercle sur les diagrammes d'impédance au court du vieillissement (figures 4A et 4B) . le diagramme d' impédance de la membrane avant dégradation est représenté sur la figure 3.
On constate, sur les figures 4A et 4B, que les demi-cercles obtenus pour les diagrammes d'impédance (NYQUIST) , en fonction du temps de vieillissement, sont légèrement décentrés. Leur rayon augmente en fonction de la durée de vieillissement.
3. 3 - Perte de masse
La perte de masse est d'environ 12 %
(fig. 5), après 2 000 heures d'immersion dans l'eau à
80°C, pour le polymère à longues séquences (9 hydrophiles) . On rappelle que, dans les mêmes conditions, la perte de masse d'un polyimide à séquence hydrophile 5 est d'environ 30 % .

Claims

REVENDICATIONS
1. Polyimide sulfoné séquence formé par les blocs ou séquences représentés par les formules (Ix) et (Iy) suivantes :
Figure imgf000060_0001
dans lesquelles :
- x est un nombre réel de 5 à 10 ; et
- y est un nombre réel supérieur ou égal à x ; - et les groupes Ci et C2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun un groupe tetravalent comprenant au moins un cycle aromatique carboné, éventuellement substitué, ayant de 6 à 10 atomes de carbone et/ou un hétérocycle à caractère aromatique, éventuellement substitué, ayant de 5 à 10 atomes et comprenant un ou plusieurs hétéroatomes choisis parmi S, N et 0 ; Ci et C2 formant chacun, avec les groupes i ides voisins, des cycles à 5 ou 6 atomes,
- les groupes Ari et Ar2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun un groupe divalent comprenant au moins un cycle aromatique carboné, éventuellement substitué, ayant de 6 à 10 atomes de carbone et/ou un hétérocycle à caractère aromatique, éventuellement substitué, ayant de 5 à 10 atomes et comprenant un ou plusieurs hétéroatomes choisi parmi S, N et O ; au moins un desdits cycles aromatiques carbonés et/ou hétérocycle de Ar2 étant, en outre, substitué par au moins un groupe acide sulfonique.
2. Polyimide sulfoné selon la revendication 1, dans lequel la valeur de y est de 5 à 40. 0
3. Polyimide sulfoné selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 , dans lequel la valeur de x est de 5 à 9 et la valeur de y est de 5 à 10.
4. Polyimide sulfoné selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, répondant à la formule 5 générale suivante (I) :
Figure imgf000061_0001
dans laquelle Ci, C2, Ari et Ar2, x et y ont la signification déjà donnée ci-dessus et où chacun des groupes Ri et R2 représente NH2, ou un groupe de formule :
Figure imgf000062_0001
où C3 est un groupe divalent comprenant au moins un cycle aromatique carboné, éventuellement substitué, ayant de 6 à 10 atomes de carbone et/ou un hétérocycle à caractère aromatique, éventuellement substitué, ayant de 5 a 10 atomes et comprenant un ou plusieurs hétéroatomes choisis parmi S, N et O, C3 formant avec le groupe imide voisin un cycle à 5 ou 6 atomes.
5. Polyimide sulfoné selon la revendication 4, dans lequel dans la formule (I), z représente un nombre de 1 à 10.
6. Polyimide sulfoné selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dont le poids moléculaire équivalent défini par le poids de polymère en gramme par équivalent acide sulfonique est de 400 à 2 500.
7. Polyimide sulfoné selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dont le poids moléculaire est de 10 000 à 100 000.
8. Polyimide sulfoné selon la revendication 1 ou la revendication 4, dans lequel dans les formules (Iχ), (Iy) et (I), Ci et C2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun, un cycle benzénique éventuellement substitué, par un ou deux substituant ( s ) choisi(s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène ; ou plusieurs cycles benzeniques éventuellement substitués par un ou plusieurs substituant( s ) choisi(s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène, reliés entre eux par une simple liaison ou par un groupe divalent.
- Ci et C2 peuvent également chacun représenter un groupe carboné polycyclique condensé éventuellement substitué par un ou plusieurs substituant(s) choisi(s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène,
- Ci et C2 peuvent aussi représenter un hétérocycle ou un hétérocycle condensé, à caractère aromatique, cet hétérocycle étant éventuellement substitué par un ou plusieurs substituants choisis parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C, et les atomes d'halogènes.
- Ari et Ar2 peuvent être identiques ou différents et représentent chacun par exemple un cycle benzénique divalent à attachement meta, ou para ; éventuellement substitué par un ou plusieurs substituants choisis parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène ; ou plusieurs cycles benzeniques éventuellement substitués par un ou plusieurs substituants choisis parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène , reliés entre eux par une simple liaison ou par un groupe divalent.
Ari et Ar2 peuvent également chacun représenter un groupe carboné polycyclique condensé éventuellement substitué par un ou plusieurs substituant(s) choisi(s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d'halogène, - Ari et Ar2 peuvent aussi représenter un hétérocycle ou un hétérocycle condensé, à caractère aromatique, cet hétérocycle étant éventuellement substitué par un ou plusieurs substituant( s ) choisi(s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C, et les atomes d'halogènes.
9. Polyimide sulfoné selon la revendication 4, dans lequel dans la formule (I) C3 est un cycle benzénique ou naphtalénique éventuellement substitué par un ou plusieurs substituant(s) choisi(s) parmi les groupes alkyles et alcoxy de 1 à 10 C et les atomes d' halogène.
10. Polyimide sulfoné selon la revendication 8 , dans lequel ledit groupe divalent est choisi parmi :
- un groupe divalent dérivé d ' un groupe alkyle linéaire ou ramifié de 1 à 10 C éventuellement substitué, par un ou plusieurs halogènes choisis parmi F, Cl, Br et I et/ou par un ou plusieurs groupes hydroxyle ( s ) :
un hétéroatome choisi parmi O, S
C
un groupe O
Figure imgf000064_0001
un groupe
Figure imgf000065_0001
un groupe
O
un groupe C NH
R3
un groupe
Figure imgf000065_0002
un groupe
R3
-Si-
un groupe R3
Figure imgf000066_0001
un groupe R3
Figure imgf000066_0002
un groupe
Figure imgf000066_0003
un groupe
où R3 et R sont choisis parmi les groupes alkyle de 1 à 10 C tels que méthyle, éthyle, isopropyle, etc.
11. Polyimide sulfoné selon la revendication 8, dans lequel Ci est un cycle benzénique et C2 est un ensemble de deux cycles benzeniques reliés entre eux par un pont oxygène.
12. Polyimide sulfoné selon la revendication 8, dans lequel Ci est constitué par des cycles benzeniques reliés par un ou des groupe(s) perfluoroalkylène(s) et C2 est constitué par des cycles benzeniques reliés par un ou des groupe(s) perfluoroalkyle(s) divalents ou perfluoroalkylène(s) .
13. Polyimide sulfoné selon la revendication 8, dans lequel Ci est un cycle benzénique et C2 est un cycle naphtalénique.
14. Polyimide sulfoné selon la revendication 8, dans lequel Ci et C2 sont tous deux des cycles naphtaléniques .
15. Polyimide sulfoné selon la revendication 8, dans lequel Ari est un groupe diphénylméthane et Ar2 est un groupe biphényl-disulfonique.
16. Polyimide sulfoné selon la revendication 8, dans lequel Ari est un groupe benzénique et Ar2 un groupe biphényl-disulfonique.
17. Procédé selon la revendication 8, dans lequel Arx est un groupe diphenylether et Ar2 est un groupe biphényl-disulfonique.
18. Membrane comprenant un polyimide sulfoné selon l'une quelconque des revendications 1 à
17.
19. Dispositif de pile à combustible comprenant au moins une membrane selon la revendication 18.
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