DE102006054951A1 - Ionic liquids and their use - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ionische Flüssigkeiten umfassend von Allyl- oder Vinyl-Monomeren abgeleitete Polymere oder Copolymere, die Aminium- und/oder Sulfoniumkationen enthalten sowie deren Verwendung.The Invention relates to ionic liquids comprising polymers derived from allyl or vinyl monomers or Copolymers containing aminium and / or sulfonium cations and their use.
Während des Betriebes einer Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)Brennstoffzelle wird ein Sauerstoff enthaltendes Gas der Kathode und ein wasserstoffhaltiges Gas der Anode zugeführt. An der Anode findet die elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs statt, an der Kathode die Reduktion des Sauerstoffs. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie unter Umgehung der Carnot Limitierung kann in Brennstoffzellen ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.During the Operation of a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Fuel Cell becomes an oxygen-containing gas of the cathode and a hydrogen-containing Gas supplied to the anode. At the anode, the electrochemical oxidation of hydrogen takes place instead, at the cathode the reduction of oxygen. By the direct Conversion of chemical into electrical energy bypassing the Carnot limitation can be a high efficiency in fuel cells be achieved.
Die zur Zeit am weitesten entwickelte PEM-Brennstoffzellentechnologie basiert auf Nafion®-Membranen als Elektrolyt. Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, wodurch die Protonenleitfähigkeit der Membran an das Vorhandensein von flüssigem Wasser gekoppelt ist. Dies Limitiert die Betriebstemperatur derartiger Brennstoffzellenmembranen bei Normaldruck auf unter 100 °C.Developed at the time most PEM fuel cell technology is based on Nafion ® membranes as the electrolyte. The electrolytic conduction takes place via hydrated protons, whereby the proton conductivity of the membrane is coupled to the presence of liquid water. This limits the operating temperature of such fuel cell membranes at atmospheric pressure below 100 ° C.
Bei Temperaturen, die höher als 80-95 °C sind, verschlechtert sich die Leistung aufgrund des zunehmenden Flüssigkeitsverlustes deutlich. Zur Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit der Membran oberhalb von 100 °C sind aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks von Wasser sehr große Wassermengen zur Befeuchtung der Membran nötig. In Systemen mit einem Druck größer als dem Normaldruck kann die Temperatur zu Lasten der Effizienz, Größe und des Gewichtes des Gesamtsystems erhöht werden. Für einen Betrieb deutlich über 100 °C würde der benötigte Druck jedoch drastisch ansteigen.at Temperatures higher as 80-95 ° C performance deteriorates due to the increasing fluid loss clear. To maintain the conductivity of the membrane above from 100 ° C are due to the temperature dependence the vapor pressure of water very large amounts of water for humidification the membrane needed. In systems with a pressure greater than At normal pressure, the temperature can be at the expense of efficiency, size and Weight of the overall system increased become. For a company clearly over 100 ° C would the needed However, pressure is increasing dramatically.
Betriebstemperaturen größer 100 °C sind aus den verschiedensten Gründen erstrebenswert: Die Elektrokinetik, wie auch die katalytische Aktivität für beide Elektroden wird mit zunehmender Temperatur gesteigert. Außerdem ist die Toleranz gegenüber Verunreinigungen der eingesetzten Betriebsgase, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid (CO) höher. Für den Einsatz einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug ist aufgrund des geringeren Wärmeaustrages durch das Abgas eine möglichst große Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur für die Abführung der Abwärme vorteilhaft.operating temperatures greater than 100 ° C are off for a variety of reasons desirable: the electrokinetics, as well as the catalytic activity for both Electrodes increase with increasing temperature. Besides that is the tolerance Impurities of the operating gases used, such as Carbon monoxide (CO) higher. For the Use of a fuel cell in a vehicle is due to the lower heat emissions through the exhaust one as possible size Temperature difference to the ambient temperature for the removal of waste heat advantageous.
Da allerdings mit zunehmender Betriebstemperatur die Ansprüche an die thermische Stabilität aller Bauteile des Brennstoffzellenstapels sowie der Systemkomponenten dramatisch zunimmt, wird für den Fahrzeugeinsatz eine Dauerbetriebstemperatur von 120 bis 130 °C als ideal angesehen. Entscheidend ist, dass eine für den Fahrzeugantrieb vorgesehene MEA (englisch Membrane Electrode Assembly) möglichst keine zusätzliche Befeuchtung benötigt, das heißt die enthaltene Membran einen wasserneutralen oder besser wasserfreien Protonentransport ermöglicht. Darüber hinaus ist entscheidend, dass die Leitfähigkeit nur eine geringe Abhängigkeit von der Betriebstemperatur aufweist, so dass auch bei einer Starttemperatur im Bereich der Raumtemperatur und darunter eine ausrechende Leistung der MEA sichergestellt ist, um das System durch die entstehende Abwärme ohne Zusatzheizung bis zur optimalen Betriebstemperatur anzuheben.There However, with increasing operating temperature the demands on the thermal stability all components of the fuel cell stack and the system components dramatically increases, is for the vehicle use a continuous operating temperature of 120 to 130 ° C as ideal considered. The decisive factor is that one intended for the vehicle drive MEA (English Membrane Electrode Assembly) preferably no additional Humidification needed, this means The membrane contained a water-neutral or better anhydrous Proton transport enabled. About that In addition, it is crucial that the conductivity has only a low dependence from the operating temperature, so that even at a starting temperature in the range of room temperature and below a sufficient power the MEA is ensured to get the system through waste heat without additional heating to the optimum operating temperature.
Ansätze zur
Realisierung von Hochtemperatur PEM Brennstoffzellen sind gegeben.
Ein viel versprechender Ansatz, wie eine mit keiner, beziehungsweise
mit sehr geringer zusätzlicher
Befeuchtung bei Betriebstemperaturen von 120 bis 180 °C arbeitende
Brennstoffzelle verwirklicht werden kann, ist unter anderem in
Andere bekannte Ansätze, um den Wasserhaushalt der Elektrolyt Membranen zu vereinfachen, gehen von herkömmlichen NT Membranen auf Basis von Nafion® oder sPEEK aus, denen entweder bei der Membransynthese oder im Nachhinein, etwa in Form eines Sol-Gelprozesses eine zusätzliche anorganische Phase (SiO2, B2O3, ZrP, ZrPPh) eingebracht wird, die einerseits als Wasserspeicher, oder aber insbesondere bei höheren Temperaturen, als zusätzlicher Protonenleiter fungiert.Other known approaches to simplify the water balance of the electrolyte membranes, starting from conventional NT membranes based on Nafion ® or sPEEK, which either in the synthesis of the membrane or in retrospect, such as a sol-gel process, an additional inorganic phase (SiO 2 , B 2 O 3 , ZrP, ZrPPh), which acts on the one hand as a water reservoir, or especially at higher temperatures, as an additional proton conductor.
Entsprechende
Ansätze
werden weltweit verfolgt (siehe
Theoretische Überlegungen
führten
dazu, dass flüssige
Imidazole als vielversprechende Protonenüberträger (
Ein
anderer Ansatz zur Realisierung von Hochtemperaturmembranen basiert
auf mit zum Beispiel Sulfonsäure/Sulfonamid/Imidazol
funktionalisierten Copolymeren auf Basis von Alkoxysilanen, zum
Beispiel Ormoceren (
In
der letzten Zeit werden zunehmend so genannte Tonic Liquids (ionische
Flüssigkeiten),
das heißt
in der Regel bei Raumtemperatur flüssige Salze als viel versprechende
Kandidaten zur Realisierung neuartiger wasserfreier Protonenleiter
erwähnt
(
Abhängig vom
individuellen Aufbau wurden in diesen Systemen unter vollständig wasserfreien
Bedingungen bisher Protonenleiffähigkeiten
bis zu 0,016 S/cm über
einen weiten Temperaturbereich hinweg beobachtet (
Die
Aufgabe einer protonenaustauschenden Membran für Brennstoffzellen besteht
neben der eigentlichen Protonenleitung und der elektrischen Isolation
der beiden Halbzellen in der räumlichen
Trennung der Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff. Um dies zu
ermöglichen,
müssen
ionische Flüssigkeiten
entweder in ein geeignetes poröses
Trägergerüst eingebettet
werden oder idealerweise fest verknüpfter Bestandteil eines polymeren
Materials sein (siehe unter anderem:
Zu einer Brennstoffzellenfunktionseinheit gelangt man durch Kombination der oben genannten Membranen mit Elektroden (gewöhnlich Pt/C auf kohlenstoffhaltigem Träger) auf beiden Seiten der Membran. Die Einheit Membran + Elektrode wird als MEA (englisch Membrane Elektrode Assembly) bezeichnet.To a fuel cell functional unit can be reached by combination of the above membranes with electrodes (usually Pt / C on carbonic Carrier) on both sides of the membrane. The unit membrane + electrode becomes referred to as MEA (English Membrane Electrode Assembly).
Zur Inbetriebnahme wird die Zelle mit Gasen beaufschlagt und mit dem elektrischen Verbraucher verbunden. Hierfür werden die Betriebsgase ab einer Stromstärke von etwa 0,2 A/cm2 stöchiometrisch der jeweiligen Stromanforderung nachgeführt.For commissioning, the cell is exposed to gases and connected to the electrical load. For this purpose, the operating gases from a current of about 0.2 A / cm 2 stoichiometrically tracked the respective power requirement.
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, weitere Elektrolyte zu suchen, die zur Herstellung von Brennstoffzellenmembranen und MEAs verwendet werden können, insbesondere sie für Hochtemperatur-PEM Brennstoffzellen zur Verfügung zu stellen.The The object of the invention was to search for further electrolytes, used for the production of fuel cell membranes and MEAs can be especially for you To provide high temperature PEM fuel cells.
Ihre Funktion als Protonleiter ergibt sich bei ionischen Flüssigkeiten einerseits als hochsiedendes Protonenlösungsmittel (Wasserersatz), andererseits als intrinsischer Protonenleiter mit eigenen kovalent oder ionisch gebundenen protonenleitenden Gruppen, die eine ausreichende Protonenleitfähigkeit auch unter flüssigkeitsfreien Bedingungen ermöglichen.Your Function as a proton conductor results in ionic liquids on the one hand as a high-boiling proton solvent (water substitute), on the other hand as an intrinsic proton conductor with its own covalent or ionically bound proton-conducting groups which have a sufficient proton conductivity also under liquid-free Conditions allow.
Ideale Protonenleiter für Automobilansprüche müssen die folgenden Ansprüche erfüllen:
- 1. Zersetzungstemperatur der Verbindungen liegt deutlich oberhalb der angestrebten Einsatztemperatur (> 150 °C).
- 2. Siedetemperatur liegt deutlich oberhalb der angestrebten Einsatztemperatur (> 150 °C).
- 3. Leitfähigkeit bei –20 °C (trocken): > 0,01 S/cm.
- 4. Leitfähigkeit bei 20°C (trocken): > 0,05 S/cm.
- 5. Leitfähigkeit bei 80-130 °C (trocken): > 0,1 S/cm.
- 6. Hohe Oxidationsstabilität (Sauerstoff + Radikale).
- 7. Hohe Reduktionsstabilität, insbesondere gegenüber Wasserstoff.
- 8. Geringe Wasserlöslichkeit des Elektrolyten über den gesamten Einsatztemperaturbereich.
- 1. Decomposition temperature of the compounds is well above the desired use temperature (> 150 ° C).
- 2. Boiling temperature is well above the intended operating temperature (> 150 ° C).
- 3. Conductivity at -20 ° C (dry):> 0.01 S / cm.
- 4. Conductivity at 20 ° C (dry):> 0.05 S / cm.
- 5. Conductivity at 80-130 ° C (dry):> 0.1 S / cm.
- 6. High oxidation stability (oxygen + radicals).
- 7. High reduction stability, especially with respect to hydrogen.
- 8. Low water solubility of the electrolyte over the entire operating temperature range.
Gegenstand der Erfindung sind ionische Flüssigkeiten als neuartige Elektrolyte mit Potential zur Brennstoffzellanwendung umfassend
- a) von Allyl- oder Vinyl-Monomeren abgeleitete Polymere oder Copolymere, die Ammonium-Kationen enthalten, mit der allgemeinen Formel I worin Q1 und Q2 = gleich oder verschieden und X und Y gleich oder verschieden +NHR1R2, mit R1 und R2 gleich oder verschieden H oder C1 bis C6-Alkyl; +SO3H Imidazolium, C1 bis C6-Alkyl-Sulfonsäure-Imidazolium oder Pyridinium bedeuten, und
- b) Anionen.
- a) derived from allyl or vinyl monomers polymers or copolymers containing ammonium cations, having the general formula I. wherein Q 1 and Q 2 = the same or different and X and Y are the same or different and are + NHR 1 R 2 , where R 1 and R 2 are identical or different and are H or C 1 to C 6 -alkyl; + SO 3 H imidazolium, C 1 to C 6 alkyl sulfonic acid imidazolium or pyridinium, and
- b) anions.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Polymer- oder Copolymerkation von folgenden Monomeren abgeleitet:
- 1.1. von Allylamin-Derivaten,
- 1.2. von 1-Allylimidazol,
- 1.3. von 4-Vinylpyridin,
- 1.4. von Allylamin- und Sulfonsäure-Derivaten (Copolymere),
- 1.5. von 1-Allylimidazolium-3-(butan-4-sulfonat),
- 1.6. von 3-Vinylimidazolium-1-(butan-4-sulfonat).
- 1.1. of allylamine derivatives,
- 1.2. of 1-allylimidazole,
- 1.3. of 4-vinylpyridine,
- 1.4. of allylamine and sulfonic acid derivatives (copolymers),
- 1.5. of 1-allylimidazolium-3- (butane-4-sulfonate),
- 1.6. of 3-vinylimidazolium-1- (butane-4-sulfonate).
Bevorzugt umfassen die ionischen Flüssigkeiten mindestens ein Anion ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dihydrogenphosphat [H2PO4]–, Bis(trifluormethylsulfonyl)imid [BTA]–, oder Tris(pentafluorethyl)triphosphat [(C2F5)3PF3]– als Gegenion, ggf. auch [PO4]3–, [HPO4]2–, oder [N(SO2CF3)2].Preferably, the ionic liquids comprise at least one anion selected from the group consisting of dihydrogen phosphate [H 2 PO 4 ] - , bis (trifluoromethylsulfonyl) imide [BTA] - , or tris (pentafluorene thyl) triphosphate [(C 2 F 5 ) 3 PF 3 ] - as counterion, if appropriate also [PO 4 ] 3- , [HPO 4 ] 2- , or [N (SO 2 CF 3 ) 2 ].
Ganz
besonders bevorzugte erfindungsgemäße ionische Flüssigkeiten
sind Poly-[1-allyl-3-(butan-4-sulfonsäure)-Imidazolium-bis(trifluormethansulfonyl)imid] – Beispiel
5,
Poly-[1-allyl-imidazolium-dihydrogenphosphat] – Beispiel
2,
Poly-[4-vinylpyridinium-dihydrogenphosphat] – Beispiel
3,
Poly-[allyl-ammonium-dihydrogenphosphat] – Beispiel
1a,
Poly-[allyl-ammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid] – Beispiel
1b,
Poly-[1-(butan-4-sulfonsäure)-3-vinyl-imidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid] – Beispiel
6.Very particularly preferred ionic liquids according to the invention are poly- [1-allyl-3- (butane-4-sulfonic acid) imidazolium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide] - Example 5,
Poly [1-allylimidazolium dihydrogen phosphate] Example 2
Poly- [4-vinylpyridinium dihydrogen phosphate] - Example 3,
Poly (allyl ammonium dihydrogen phosphate) - Example 1a,
Poly (allylammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide] - Example 1b,
Poly [1- (butane-4-sulfonic acid) -3-vinylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide] Example 6.
Bevorzugt werden auch Allyl-Amin-Derivate mit den folgenden Strukturen erfindungsgemäß verwendet: Poly(Oleylamin) Poly(diAllylamin) und co-Poly(Allylamin-Diallylamin) (co-PAA-PDA) vorteilhaft auch als Copolymere mit Sulfonsäurederivaten gemäß Pkt. 1.4.Allyl-amine derivatives having the following structures are also preferably used according to the invention: poly (oleylamine) Poly (diallylamine) and co-poly (allylamine-diallylamine) (co-PAA-PDA) also advantageous as copolymers with sulfonic acid derivatives according to item 1.4.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden die erfindungsgemäßen Verbindungen nachimprägniert, bevorzugt mit H3PO4, eingesetzt.In a preferred embodiment, the compounds of the invention are nachimprägniert, preferably with H 3 PO 4 , used.
Weiterhin ganz besonders bevorzugte erfindungsgemäße ionische Flüssigkeiten sind dadurch gekennzeichnet, dass sie ein N-Perfluoralkyl-substituiertes Imidazolyl-Kation umfassen, wobei Alkyl einen längerkettigen Kohlenstoffrest mit 6 bis 12 C-Atomen bedeutet, vorzugsweise sind es Verbindungen, die ein N-Perfluoroctyl substituiertes Imidazolyl-Kation, und ein Anion ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus [H2PO4]–, [N(SO2CF3)2]– oder [(C2F5)3PF3]– als Gegenion umfassen (Verbindungen 2.1, 2.2 und 2.3).Further very particularly preferred ionic liquids according to the invention are characterized in that they comprise an N-perfluoroalkyl-substituted imidazolyl cation, wherein alkyl denotes a longer-chain carbon residue having 6 to 12 C atoms, preferably compounds which are an N-perfluorooctyl-substituted imidazolyl Cation, and an anion selected from the group consisting of [H 2 PO 4 ] - , [N (SO 2 CF 3 ) 2 ] - or [(C 2 F 5 ) 3 PF 3 ] - as the counterion (Compounds 2.1 , 2.2 and 2.3).
Im Weiteren werden die neuen Protonenleiter auf Basis ionischer Flüssigkeiten vorgestellt. Je nach Aufbau sind sie zur direkten Membranherstellung in einem Ziehverfahren aus einem geeigneten Lösungsmittel geeignet, oder aber für die Beladung von porösen Medien oder als Elektrolyte oder Elektrolytzusätze in Systemen, die auf imprägnierten und im Elektrolyt quellenden Polymeren beruhen, wie zum Beispiel das System PBI/H3PO4. Alternativ können die neuen Protonenleiter auch nur in die Elektrode eingebracht werden, etwa als Polymerbinder, oder aber als Beschichtung der Elektrode zur Optimierung der Anbindung der Elektrode oder als Sperrschicht auf einer Membran.The new proton conductors based on ionic liquids are presented below. Depending on Construction, they are suitable for direct membrane preparation in a drawing process from a suitable solvent, or for the loading of porous media or as electrolytes or electrolyte additives in systems based on impregnated and in the electrolyte-swelling polymers, such as the PBI / H 3 system PO 4 . Alternatively, the new proton conductors can also be introduced only into the electrode, for example as a polymer binder, or as a coating of the electrode to optimize the connection of the electrode or as a barrier layer on a membrane.
Bestandteil der Erfindung ist sowohl die Herstellung und Struktur des jeweiligen Protonenleiters, seine Weiterverarbeitung zu protonenleitenden Membranen und an diese Membranen angepasste Elektroden, als auch der Einsatz der resultierenden MEAs in Brennstoffzellen.component The invention is both the production and structure of the respective Proton conductor, its further processing to proton-conducting membranes and electrodes adapted to these membranes, as well as the insert the resulting MEAs in fuel cells.
Gegenstand der Erfindung sind bevorzugt:
- 1. Brennstoffzellenmembranelektrolyte auf der Basis Polymergebundener ionischer Flüssigkeiten wie zum Beispiel der Verbindungen 1.1 bis 1.6 mit einem Strukturmotiv der Art Allyl-Amin, Allyl-Imidazol, Vinyl-Pyridin, Allyl-butylsulfonsäure-Imidazolium, Vinyl-butylsulfonsäure-Imidazolium oder die entsprechenden Copolymere. Die Herstellung von protonenleitenden Membranen aus den Polymeren erfolgt bevorzugt durch etablierte Membranziehprozesse aus den Lösungen der aufgeführten Polymere in entsprechend geeigneten Lösungsmitteln oder durch thermisches Umwandeln.
- 1. Fuel cell membrane electrolytes based on polymer-bound ionic liquids such as compounds 1.1 to 1.6 with a structural motif of the type allyl amine, allyl imidazole, vinyl pyridine, allyl-butylsulfonic acid imidazolium, vinyl-butylsulfonic acid imidazolium or the corresponding copolymers. The preparation of proton-conducting membranes from the polymers is preferably carried out by established membrane drawing processes from the solutions of the polymers listed in appropriately suitable solvents or by thermal conversion.
Je nach Art des verwendeten Polymers ist eine zusätzliche Vernetzung zur Erhöhung der mechanischen und chemischen Stabilität ebenfalls Bestandteil der Erfindung, ebenso die Ausstattung der Polymere mit zusätzlichen kovalent gebundenen funktionellen Gruppen. Neben den in der Grafik dargestellten Polymeren sind auch die entsprechenden Verbindungen mit längeren Alkylresten (CH2)x zwischen der Hauptkette und den funktionellen Gruppen Bestandteil der Erfindung, ebenso wie die entsprechenden fluorierten oder teilfluorierten Verbindungen.
- 2. Brennstoffzellenmembranen, die durch Imprägnierung
einer porösen
Membranmatrix mit Lösungen
der Verbindungen der Art 1.1-1.6 in geeigneten beispielsweise organischen
Lösungsmitteln
nach anschließendem
Verdampfen des Lösungsmittels
erhalten werden. Bei den porösen
Trägern
handelt es sich zum Beispiel um PTFE oder PET basierende Systeme
unterschiedlicher Porosität
(siehe zum Beispiel:
,WO 01/093362 A ,WO 03/063266 A ,US 6299653 A ) oder um oxidische, bevorzugt nanopartikulär beschichtete Systeme wie zum Beispiel.: Al2O3/SiO2 beschichtetes PET (zum Beispiel. gemäßEP 309259 81 ). Bei Verwendung flüssiger Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten kann die Imprägnierung der porösen Matrix auch direkt im unverdünnten Zustand erfolgen. Bei Verwendung einer PTFE Matrix werden ganz besonders bevorzugt Elektrolyte mit einer fluorierten Alkylseitenkette und einer damit hohen Anbindungstendenz an die poröse Matrix eingesetzt (wie zum Beispiel die Verbindungen 2.1 bis 2.3).WO 02/047802 A - 3. Verwendung flüssiger Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten zum Beispiel der Verbindungen 2.1 bis 2.3 als Elektrolytersatz oder Elektrolytzusatz für Protonensäuren in Membransystemen, die auf dem Gehalt flüssiger Elektrolyte in bevorzugt basischen Polymeren beruhen, zum Beispiel als Ersatz für Phosphorsäure im System PBI/H3PO4. Die ionischen Flüssigkeiten können dabei zum Beispiel durch Nachimprägnierung in eine undotierte Membran eingebracht werden oder der Ziehlösung bei der Membranherstellung beigemischt werden. Alternativ wird der Elektrolyt bereits bei der Polymerisation des Polymerrohstoffes zugegeben oder es erfolgt nur die Imprägnierung der Elektrode mit einem erfindungsgemäßen Elektrolyten, während die Membran weiterhin zum Beispiel Phosphorsäure enthält, oder die ionische Flüssigkeit wird über die Elektrode in die Membran eingebracht.
- 4. BZ MEA (Membran-Elektrodeneinheit) basierend auf einer Membran wie unter 1 bis 3 genannt, bei der die betreffende Elektrode den entsprechenden auf einer ionischen Flüssigkeit basierenden Polymerelektrolyt beispielsweise Verbindungen 1.1 bis 1.6 als Binder enthält beziehungsweise auf der Katalysatorseite mit dem entsprechenden Polymerelektrolyt zur Optimierung der Anbindung an die Membran beschichtet ist. Diese Beschichtung ermöglicht bevorzugt im Zuge eines Heißpressvorganges eine gleichmäßige und feste Anbindung der Elektrode an die Membran.
- 2. Fuel cell membranes, which are obtained by impregnation of a porous membrane matrix with solutions of the compounds of the type 1.1-1.6 in suitable, for example, organic solvents after subsequent evaporation of the solvent. The porous supports are, for example, PTFE or PET based systems of different porosity (see, for example:
.WO 01/093362 A .WO 03/063266 A .US 6299653 A ) or oxidic, preferably nanoparticulate, coated systems such as: Al 2 O 3 / SiO 2 coated PET (for exampleEP 309259 81 ). When using liquid electrolytes based on ionic liquids, the impregnation of the porous matrix can also take place directly in the undiluted state. When using a PTFE matrix, very particular preference is given to using electrolytes having a fluorinated alkyl side chain and a high tendency to attach to the porous matrix (such as compounds 2.1 to 2.3).WO 02/047802 A - 3. Use of liquid electrolytes based on ionic liquids, for example, the compounds 2.1 to 2.3 as an electrolyte replacement or electrolyte additive for protic acids in membrane systems, based on the content of liquid electrolytes in preferably basic polymers, for example as a substitute for phosphoric acid in the system PBI / H 3 PO 4 . The ionic liquids can be introduced, for example by Nachimprägnierung in an undoped membrane or the Ziehlösung be mixed in the membrane production. Alternatively, the electrolyte is added already in the polymerization of the polymer raw material or it is only the impregnation of the electrode with an electrolyte according to the invention, while the membrane further contains, for example, phosphoric acid, or the ionic liquid is introduced via the electrode into the membrane.
- 4. BZ MEA (membrane electrode assembly) based on a membrane as mentioned under 1 to 3, in which the electrode in question the corresponding ionic liquid based polymer electrolyte, for example compounds 1.1 to 1.6 as a binder or on the catalyst side with the corresponding polymer electrolyte for Optimization of the connection to the membrane is coated. This coating preferably allows a uniform and firm connection of the electrode to the membrane in the course of a hot pressing process.
Die Aufbringung der Elektrolytlösung auf die äußere Elektrodenoberfläche erfolgt zum Beispiel durch Besprühen über ein Airbrushsystem. Die Bestandteile der Elektrode (Gasdiffusionsschicht, Katalysatorpulver) sind dabei bevorzugt für die Betriebstemperaturen der Membran optimiert. Alternativ wird ein Flüssigelektrolyt, zum Beispiel die Verbindungen 2.1 bis 2.3, in ausreichender Menge zunächst in die Elektrode eingebracht. Die Säureaufnahme der Membran erfolgt in einem entsprechenden Temperschritt über die Elektrode. Eine weitere Variante besteht darin, dass eine durch Heißpressen erhaltene MEA nachträglich als Ganzes in den Flüssigelektrolyt zur Imprägnierung eingelegt wird. Bei den verwendeten Elektroden handelt es sich dabei bevorzugt um für den Betrieb im jeweiligen Temperaturbereich optimierte Gasdiffusions-Elektroden, wie sie etwa von den Firmen ETEK, Umicore oder Johnson Matthey angeboten werden, bevorzugt aber um speziell auf den Membrantyp angepasste Elektroden, die einen geeigneten Anteil des Polymerelektrolyten als Binder enthalten. Die Einbringung flüssiger Elektrolyte in die Elektrode geschieht dabei bevorzugt im Vakuum, zum Beispiel durch einen wiederholten Evakuierungs-/Belüftungszyklus, bei dem verbleibende Luftreste innerhalb der Elektrode sukzessive durch den jeweiligen Elektrolyt ersetzt werden.
- 5. BZ MEA (Membran-Elektrodeneinheit) unter Verwendung einer Membran gemäß der Punkte 1 bis 3, bei der die Elektrode mit einer herkömmlichen Protonensäure, beispielsweise Phosphorsäure, zusätzlich imprägniert wird.
- 6. BZ MEA gemäß Punkte 4 und 5, bei der nur die Elektrode entweder rein oder als Zusatz zu einem anderen Elektrolyt, etwa H3PO4 den erfindungsgemäßen Protonenleiter enthält, während die Membran aus einem anderen Polymerelektrolyt, beispielsweise aus Nafion oder PBI/H3PO4 besteht.
- 7. BZ MEA, basierend auf einer BZ Membran, zum Beispiel Nafion oder PBI/H3PO4, bei der die Außenseite mit einem der erfindungsgemäßen Polymere, zum Beispiel Verbindungen 1.1 bis 1.6 zur Beeinflussung des Wasserhaushaltes oder der Flüssigelektrolytretention beschichtet ist. Vorteilhaft ist auch die Anwendung als MeOH Sperrschicht bzw. Treibstoffsperrschicht bei einer DMFC/Direkttreibstoffbrennzelle.
- 8. Verwendung der erfindungsgemäßen Membran und MEA in einer Brennstoffzelle.
- 9. Verwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle für mobile Anwendungen (zum Beispiel APU + Traktion) und für stationäre Anwendungen (zum Beispiel mobiles Kleinkraftwerk oder Hausenergieversorgung).
- 10. Die Herstellung der unter 1.1.-1.6. aufgeführten Polymere und ihrer Derivate wird anhand der im weiteren aufgeführten Synthesebeispiele dargestellt.
- 11. Die Herstellung der unter 2.1-2.3 aufgeführten Polymere und ihrer Derivate wird anhand der im weiteren aufgeführten Synthesebeispiele dargestellt.
- 12. BZ Membran/MEA unter Weiterverarbeitung der erfindungsgemäßen Polymere gemäß Beispiel 10.
- 5. BZ MEA (membrane electrode assembly) using a membrane according to the items 1 to 3, wherein the electrode is additionally impregnated with a conventional protic acid, for example phosphoric acid.
- 6. BZ MEA according to items 4 and 5, in which only the electrode either pure or as an additive to another electrolyte, such as H 3 PO 4 contains the proton conductor according to the invention, while the membrane of another polymer electrolyte, for example Nafion or PBI / H 3 PO 4 exists.
- 7. BZ MEA, based on a BZ membrane, for example Nafion or PBI / H 3 PO 4 , in which the outside is coated with one of the polymers according to the invention, for example compounds 1.1 to 1.6 for influencing the water balance or the liquid electrolyte retention. Also advantageous is the use as MeOH barrier layer or fuel barrier layer in a DMFC / direct fuel combustion cell.
- 8. Use of the membrane of the invention and MEA in a fuel cell.
- 9. Use of the fuel cell according to the invention for mobile applications (for example APU + traction) and for stationary applications (for example mobile small power station or domestic energy supply).
- 10. The production of 1.1.-1.6. listed polymers and their derivatives is illustrated by the Synthesis Examples listed below.
- 11. The preparation of the polymers listed under 2.1-2.3 and their derivatives is illustrated by the examples of synthesis given below.
- 12. BZ membrane / MEA with further processing of the polymers according to the invention according to Example 10.
Im Weiteren werden die neuen polymeren Protonenleiter auf Basis ionischer Flüssigkeiten vorgestellt. Die Beispiele sind jeweils exemplarisch für die gesamte Materialklasse aufgeführt.in the Furthermore, the new polymeric proton conductors based on ionic liquids presented. The examples are exemplary for the whole Material class listed.
Beispiele für erfindungsgemäße Polymere sind wie folgt:
- 1.1 Allylamin-Derivate 1.2 Allylimidazol-Variante 1.3 Vinylpyridin-Variante 1.4. Copolymer-Variante 1.5 1-Allyl-3-(butan-4-sulfonsäure)-imidazolium-Variante 1.6 1-(Butan-4-sulfonsäure)-3-vinyl-imidazolium Variante
- 1.1 allylamine derivatives 1.2 allylimidazole variant 1.3 vinylpyridine variant 1.4. Copolymer variant 1.5 1-Allyl-3- (butane-4-sulfonic acid) imidazolium variant 1.6 1- (butane-4-sulfonic acid) -3-vinylimidazolium variant
Beispiel 1 1.1 Allyl-Amin-Variante Example 1 1.1 allyl-amine variant
a) Poly-[allyl-ammonium-dihydrogenphosphat]a) poly (allyl ammonium dihydrogen phosphate)
In einem 250 ml-Schlenkkolben wurden unter Schutzgas 47.9 g (0.84 mol, M = 57.09 g/mol) Allylamin zu einer Lösung aus 96.6 g (0.84 mol, M = 98.00 g/mol) 85%iger Phosphorsäure in 150 ml Wasser getropft. Nach Zugabe von 2.27 g Kaliumperoxodisulfat (1 mol-%, M = 270.32 g/mol) wurde das Reaktionsgemisch 4 Stunden unter Luftsauerstoff zum Sieden erhitzt. Anschließend wurde das Wasser zunächst am Rotationsverdampfer, dann im Hochvakuum entfernt.In A 250 ml Schlenk flask under inert gas 47.9 g (0.84 mol, M = 57.09 g / mol) allylamine to a solution of 96.6 g (0.84 mol, M = 98.00 g / mol) of 85% phosphoric acid in 150 ml of water. To Addition of 2.27 g of potassium peroxodisulfate (1 mol%, M = 270.32 g / mol) The reaction mixture was boiled for 4 hours under atmospheric oxygen heated. Subsequently the water was first on a rotary evaporator, then removed in a high vacuum.
b) Poly-[allyl-ammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)-imid]b) poly (allyl ammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide)
In einem 250 ml-Schlenkkolben wurden unter Schutzgas 20.3 g (0.36 mol, M = 57.09 g/mol) Allylamin zu einer Lösung aus 100.0 g (0.36 mol, M = 281.15 g/mol) Bistrifluormethansulfonimid in 150 ml Wasser getropft. Nach Zugabe von 0.96 g Kaliumperoxodisulfat (1 mol-%, M = 270.32 g/mol) wurde das Reaktionsgemisch 4 Stunden unter Luftsauerstoff zum Sieden erhitzt. Anschließend wurde das Wasser zunächst am Rotationsverdampfer, dann im Hochvakuum entfernt.In In a 250 ml Schlenk flask, 20.3 g (0.36 mol, M = 57.09 g / mol) allylamine to a solution of 100.0 g (0.36 mol, M = 281.15 g / mol) Bistrifluoromethanesulfonimide was added dropwise in 150 ml of water. After addition of 0.96 g of potassium peroxodisulfate (1 mol%, M = 270.32 g / mol), the reaction mixture was 4 hours under atmospheric oxygen heated to boiling. Subsequently the water was first on a rotary evaporator, then removed in a high vacuum.
Beispiel 2 1.2 Allylimidazol-Variante Example 2 1.2 Allylimidazole variant
Poly-[1-allyl-imidazolium-dihydrogenphosphatPoly [1-allyl-imidazolium dihydrogen
In einem 250 ml-Schlenkkolben wurden unter Schutzgas 65.0 g (0.60 mol, M = 108.14 g/mol) 1-Allylimidazol zu einer Lösung von 69.3 g (0.60 mol, M = 98.00 g/mol) 85 %iger Phosphorsäure in 150 ml Wasser getropft. Nach Zugabe von 1.70 g Kaliumperoxodisulfat (1 mol-%, M = 270.32 g/mol) wurde das Reaktionsgemisch 4 Stunden unter Luftsauerstoff zum Sieden erhitzt. Anschließend wurde das Wasser zunächst am Rotationsverdampfer, dann im Hochvakuum entfernt.In A 250 ml Schlenk flask under protective gas 65.0 g (0.60 mol, M = 108.14 g / mol) of 1-allylimidazole to a solution of 69.3 g (0.60 mol, M = 98.00 g / mol) of 85% phosphoric acid in 150 ml of water dripped. After addition of 1.70 g of potassium peroxodisulfate (1 mol%, M = 270.32 g / mol), the reaction mixture became 4 hours heated to boiling under atmospheric oxygen. Subsequently was the water first on a rotary evaporator, then removed in a high vacuum.
Beispiel 3 1.3 Vinylpyridin-Variante Example 3 1.3 Vinylpyridine variant
Poly-(4-vinylpyridinium-dihydrogenphosphat)Poly (4-vinylpyridinium-dihydrogen phosphate)
In einem 250 ml-Schlenkkolben werden unter Schutzgas 67.3 g (0.64 mol, M = 105.14 g/mol) 4-Vinylpyridin zu einer Lösung aus 73.8 g (0.64 mol, M = 98.00 g/mol) 85%iger Phosphorsäure in 150 ml Wasser getropft. Nach Zugabe von 1.73 g Kaliumperoxodisulfat (1 mol-%, M = 270.32 g/mol) wurde das Reaktionsgemisch 4 Stunden unter Luftsauerstoff zum Sieden erhitzt.In A 250 ml Schlenk flask under inert gas 67.3 g (0.64 mol, M = 105.14 g / mol) 4-vinylpyridine to a solution from 73.8 g (0.64 mol, M = 98.00 g / mol) of 85% strength phosphoric acid in 150 ml of water dripped. After addition of 1.73 g of potassium peroxodisulfate (1 mol%, M = 270.32 g / mol), the reaction mixture became 4 hours heated to boiling under atmospheric oxygen.
Anschließend wurde das Wasser am Rotationsverdampfer, dann im Hochvakuum entfernt und das Produkt durch Zugabe von Ethanol ausgefällt.Subsequently was the water on a rotary evaporator, then removed in a high vacuum and the product precipitated by addition of ethanol.
Beispiel 4 1.4 Copolymer-Variante Example 4 1.4 Copolymer variant
Beispiel 5 1.5 1-Allyl-3-(butan-4-sulfonsäure)-imidazolium-Variante Example 5 1.5 1-Allyl-3- (butane-4-sulfonic acid) imidazolium variant
Poly-[1-allyl-3-butan-4-sulfonsäure)-imidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid]Poly [1-allyl-3-butan-4-sulfonic acid) imidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide]
In einem 500 ml-Schlenkkolben wurden unter Schutzgas 35.7 g (0.33 mol, M = 108.14 g/mol) 1-Allylimidazol und 44.9 g (0.33 mol, M = 136.17 g/mol ) 1,4-Butansulton in 250 ml Aceton 14 Tage zum Sieden erhitzt. Der entstandene Niederschlag von 1-Allylimidazolium-3-butan-4-sulfonat) wird abfiltriert, mit 50 ml kaltem Aceton gewaschen und im Vakuum getrocknet.In A 500 ml Schlenk flask under inert gas 35.7 g (0.33 mol, M = 108.14 g / mol) of 1-allylimidazole and 44.9 g (0.33 mol, M = 136.17 g / mol) of 1,4-butane sultone in 250 ml of acetone heated to boiling for 14 days. The resulting precipitate of 1-allylimidazolium-3-butane-4-sulfonate) is filtered off, washed with 50 ml of cold acetone and in vacuo dried.
In einem 250 ml-Schlenkkolben wurden unter Schutzgas 54.2 g (0.22 mol, M = 246.33 g/mol)1-Allyl-imidazolium-3-(butan-4-sulfonat) portionsweise in eine Lösung aus 62.4 g (0.22 mol, M = 281.15 g/mol) Bis-trifluormethansulfonimid in 150 ml Wasser gegeben. Nach Zugabe von 0.59 g Kaliumperoxodisulfat (1 mol-%, M = 270.32 g/mol) wurde das Reaktionsgemisch 4 Stunden unter Luftsauerstoff zum Sieden erhitzt. Anschließend wurde das Wasser zunächst am Rotationsverdampfer, dann im Hochvakuum entfernt.In A 250 ml Schlenk flask under protective gas 54.2 g (0.22 mol, M = 246.33 g / mol) 1-allylimidazolium-3- (butane-4-sulfonate) in portions in a solution from 62.4 g (0.22 mol, M = 281.15 g / mol) bis-trifluoromethanesulfonimide in 150 ml of water. After addition of 0.59 g of potassium peroxodisulfate (1 mol%, M = 270.32 g / mol), the reaction mixture became 4 hours heated to boiling under atmospheric oxygen. Subsequently was the water first on a rotary evaporator, then removed in a high vacuum.
Beispiel 6 1.6 1-(Butan-4-sulfonsäure)-3-vinyl-imidazolium Variante Example 6 1.6 1- (Butane-4-sulfonic acid) -3-vinyl-imidazolium variant
Poly-[1-(butan-4-sulfonsäure)-3-vinyl-imidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imidPoly [1- (butan-4-sulfonic acid) -3-vinyl-imidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide
In einem 250 ml-Schlenkkolben wurden unter Schutzgas 69.0 g (0.73 mol, M = 94.11 g/mol) 1-Vinylimidazol und 99.8 g (0.73 mol, M = 136.17 g/mol) Butansulton in 150 ml Aceton 16 Tage bei Raumtemperatur gerührt. Der entstandene farblose Niederschlag von 3-Vinylimidazolium-1-(butan-4-sulfonat) wurde abfiltriert, mit 50 ml kaltem Aceton gewaschen und im Vakuum getrocknet. Ausbeute: 164 g, 97 %.In A 250 ml Schlenk flask under protective gas was 69.0 g (0.73 mol, M = 94.11 g / mol) of 1-vinylimidazole and 99.8 g (0.73 mol, M = 136.17 g / mol) butane sultone in 150 ml acetone Stirred for 16 days at room temperature. The resulting colorless precipitate of 3-vinylimidazolium-1- (butane-4-sulfonate) was filtered off, washed with 50 ml of cold acetone and in vacuo dried. Yield: 164 g, 97%.
In einem 250 ml-Schlenkkolben wurden 46.0 g 3-Vinylimidazolium-1-(betan-4-sulfonat) (0.20 mol, M = 230.31 g/mol) unter Schutzgas vorgelegt und mit 56.2 g (0.20 mol, 281.15 g/mol) Bistrifluormethansulfonimid versetzt. Unter Rühren bildete sich 1-(Butan-4-sulfonsäure)-3-vinyl-imidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid (511.3 g/mol) als viskose Flüssigkeit. Ausbeute: 102 g, 100 %.In a 250 ml Schlenk flask, 46.0 g of 3-vinylimidazolium-1- (betan-4-sulfonate) (0.20 mol, M = 230.31 g / mol) under protective gas and with 56.2 g (0.20 mol, 281.15 g / mol) of bistrifluoromethanesulfonimide. While stirring 1- (butane-4-sulfonic acid) -3-vinylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide was formed (511.3 g / mol) as a viscous liquid. Yield: 102 g, 100%.
Eine Lösung von 75.0 g (0.15 mol, 511.44 g/mol) 1-(Butan-4-sulfonsäure(-3-vinyl-imidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid in einer Mischung aus 200 ml Wasser und 100 ml Ethanol wurde nach Versetzen mit 0.24 g (1 mol-%, M = 164.21 g/mol Azobisisobutyronitril (AIBN) 6 Stunden unter Luftsauerstoff zum Sieden erhitzt. Das Polymerisat fiel zunächst als hellbraune Emulsion, dann als hellbrauner, zäher Bodensatz an. Das überstehende Lösungsmittel wurde abdekantiert und das restliche Lösungsmittel im Hochvakuum entfernt. Der Rückstand wurde mit Acetonitril erhitzt. Dabei kristallisierte das zunächst als zähe Masse erhaltene Poly-[1-(betan-4-sulfonsäure)-3-vinyl-imidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid langsam durch. Das überstehende Lösungsmittel wurde abdekantiert und das restliche Lösungsmittel im Hochvakuum entfernt. Ausbeute: 24.8 g, 33 %.A solution of 75.0 g (0.15 mol, 511.44 g / mol) of 1- (butane-4-sulfonic acid (3-vinylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide in a mixture of 200 ml of water and 100 ml of ethanol was after Add 0.24 g (1 mol%, M = 164.21 g / mol azobisisobutyronitrile (AIBN) heated to boiling under atmospheric oxygen for 6 hours. The polymer fell first as a light brown emulsion, then as a light brown, viscous sediment. The supernumerary solvent was decanted off and the residual solvent removed in a high vacuum. The residue was heated with acetonitrile. This crystallized as at first tough mass obtained poly [1- (betan-4-sulfonic acid) -3-vinyl-imidazolium-bis (trifluoromethylsulfonyl) imide slowly through. The supernumerary solvent was decanted off and the residual solvent removed in a high vacuum. Yield: 24.8 g, 33%.
Beispiel 7 Example 7
2.1 1-(Perfluoroctyl)-imidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid2.1 1- (perfluorooctyl) imidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide
Eine Lösung von 8.00 g (0.20 mol, 40.00 g/mol) Natriumhydroxid und 13.6 g (0.20 mol, M = 68.08 g/mol) Imidazol in Ethanol wurde mit 100 g (0.20 mol, M = 498.97 g/mol) Perfluoroctylbromid versetzt. Das Reaktionsgemisch wurde zwei Tage bei Raumtemperatur gerührt. Während dieser Zeit fiel ein weißer Feststoff aus, und es bildete sich eine zweite flüssige Phase. Das Lösemittel wurde am Rotationsverdampfer entfernt. Der Rückstand wurde in Aceton aufgenommen und über Silica filtriert. Das Filtrat wurde am Rotationsverdampfer eingeengt und das auf diese Weise erhaltene 1-Perfluoroctylimidazol im Hochvakuum getrocknet.To a solution of 8.00 g (0.20 mol, 40.00 g / mol) sodium hydroxide and 13.6 g (0.20 mol, M = 68.08 g / mol) of imidazole in ethanol was added 100 g (0.20 mol, M = 498.97 g / mol) of perfluorooctylbromide. The Re The reaction mixture was stirred for two days at room temperature. During this time, a white solid precipitated and a second liquid phase formed. The solvent was removed on a rotary evaporator. The residue was taken up in acetone and filtered through silica. The filtrate was concentrated on a rotary evaporator and the resulting 1-Perfluoroctylimidazol dried under high vacuum.
Im einem 100 ml-Rundkolben wurden 18.0 g (37.0 mmol, M = 486.13 g/mol) 1-Perfluoroctylimidazol mit 10.4 g (37.0 mmol, M = 281.15 g/mol) Bistrifluormethansulfonimid versetzt. Nach Rühren des Reaktionsgemisches bei Raumtemperatur über Nacht wurde das so erhaltene 1-(Perfluoroctyl)-imidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid im Hochvakuum getrocknet.in the A 100 ml round bottomed flask was 18.0 g (37.0 mmol, M = 486.13 g / mol) 1-perfluorooctylimidazole with 10.4 g (37.0 mmol, M = 281.15 g / mol) of bis-trifluoromethanesulfonimide added. After stirring the reaction mixture at room temperature overnight, the thus obtained 1- (perfluorooctyl) imidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide Dried under high vacuum.
Beispiel 8 Example 8
2.2 1-(Perfluoroctyl)-imidazolium-bis(tripentafluorethyl)trifluorphosphat2.2 1- (perfluorooctyl) -imidazolium bis (tripentafluoroethyl) trifluorophosphate
Die Umsetzung erfolgte analog zu Beispiel 7.The Reaction was carried out analogously to Example 7.
Beispiel 9Example 9
Herstellung von Protonenleitenden Membranen aus erfindungsgemäßen VerbindungenProduction of proton-conducting membranes from compounds of the invention
9.1: Herstellung einer Lösung der Verbindungen:9.1: Preparation of a solution of Links:
Nach Abwiegen einer geeigneten Menge des jeweiligen Polymers in ein 100 ml Becherglas wird vorsichtig unter Rühren mit einem Magnetrührer 50 ml des Lösungsmittels, vorzugsweise Aceton, Acetonitril, Dimethoxyethan, Ethanol oder Isopropanol zugegeben. Je nach Art des verwendeten Polymers werden für den Lösungsvorgang höhere Temperaturen im Bereich bis zu 120 °C ggf. auch darüber angewandt. Bei den verwendeten flüssigen Elektrolyten wird eine höhere Beladung in der Matrix erreicht, wenn eine Verdünnung mit einem Lösungsmittel verwendet wird.To Weigh a suitable amount of the respective polymer into a 100 ml beaker is carefully stirred with a magnetic stirrer 50th ml of the solvent, preferably acetone, acetonitrile, dimethoxyethane, ethanol or isopropanol added. Depending on the type of polymer used for the solution process higher Temperatures in the range up to 120 ° C possibly also applied over it. In the used liquid Electrolytes become higher Loading in the matrix achieved when diluting with a solvent is used.
9.2: Poröse Trägermaterialien:9.2: Porous carrier materials:
Es werden PTFE Folien eingesetzt, zum Beispiel von den Firmen Bohlender, Exxon® oder Porex®. Alternativ werden oxidische, bevorzugt nanopartikulär beschichtete Systeme wie zum Beispiel: Al2O3/SiO2 beschichtetes PET der Firma Creavis® eingesetzt. Die Auswahl der porösen Träger erfolgt je nach Art der verwendeten Elektrolyte. Für hydrophile Elektrolyte werden bevorzugt die oxidischen Träger eingesetzt, für Elektrolyte mit langen, bevorzugt fluorierten Alkylketten die hydrophoben. Um einen Austrag der Elektrolyte durch flüssiges Wasser zu verhindern, werden für die Brennstoffzellenanwendung bevorzugt hydrophobe Trägermaterialien eingesetzt. Die Porenradien der eingesetzten Trägermaterialien liegen zwischen 10 und 150.000 nm. Die Dicke der Trägermaterialien zwischen 2 und 600 μm. Die Porosität beträgt mindestens 10 %.Are used PTFE films, for example by the companies Bohlender, Exxon ® or Porex ®. Alternatively, oxidic, preferably nanoparticulate coated systems such as: Al 2 O 3 / SiO 2 coated PET from Creavis ® used. The selection of the porous carrier takes place depending on the type of electrolytes used. For hydrophilic electrolytes, the oxidic supports are preferably used; for electrolytes with long, preferably fluorinated alkyl chains, the hydrophobic ones are used. In order to prevent a discharge of the electrolytes by liquid water, preferably hydrophobic support materials are used for the fuel cell application. The pore radii of the support materials used are between 10 and 150,000 nm. The thickness of the support materials between 2 and 600 microns. The porosity is at least 10%.
9.3: Einbrinqung der Polymerlösungen in ein poröses Trägermaterial:9.3: Incorporation of Polymer Solutions in a porous one Carrier:
Die Lösung beziehungsweise der reine flüssige Elektrolyt kann auf verschiedene Wege in die unter 10.2 beschriebenen porösen Trägermaterialien eingebracht werden, hierbei ist insbesondere eine gleichmäßige blasenfreie Durchsetzung aller Poren notwendig, damit die resultierende Membran hinterher gasdicht und durchgehend protonenleitend ist.The solution or the pure liquid Electrolyte can be described in various ways in the under 10.2 porous support materials are introduced, this is in particular a uniform bubble-free Enforcement of all pores necessary for the resulting membrane afterwards gas-tight and proton-conducting throughout.
Das Trägermaterial wird dabei bevorzugt zur Unterstützung auf einem massiven Träger, zum Beispiel. aus PTFE oder PP aufgespannt. Je nach erlangtem Benetzungsgrad müssen die beschriebenen Vorgänge mehrmals wiederholt werden, um zu einer vollständigen Gasdichtigkeit der porösen Membranfolie zu gelangen.The support material is preferred for support on a massive carrier, for example. made of PTFE or PP. Depending on the degree of wetting achieved have to the procedures described several times be repeated in order to complete gastightness of the porous membrane film to get.
Das Aufbringen der Lösung erfolgt bevorzugt von oben auf das Vlies mit einer Pipette, das poröse Vlies befindet sich dabei am besten auf einer von unten evakuierten Filterfritte. Alternativ kann die Lösung auch mit einer Airbrushpistole auf den Träger aufgebracht werden.The Apply the solution takes place preferably from above onto the fleece with a pipette, the porous fleece is best located on a filter frit evacuated from below. Alternatively, the solution also be applied to the carrier with an airbrush gun.
9.3.1 Einbringen der Lösung durch einen wiederholten Evakuierungs-/Belüftungszyklus. Die Probe wird wechselnd evakuiert und anschließend im evakuierten Zustand mit der Lösung beauftragt, belüftet und erneut evakuiert, so dass alle verbleibenden Gasrückstände in den Poren allmählich entfernt werden können.9.3.1 Introducing the solution through a repeated evacuation / aeration cycle. The sample will alternately evacuated and then in the evacuated state with the solution commissioned, ventilated and evacuated again, leaving all remaining gas residues in the Pores gradually can be removed.
9.3.2 Eine wiederum über einen massiven Rahmen stabilisierte poröse Folie wird in einer entsprechend konzentrierten Lösung des jeweiligen Elektrolyten in einem Hochdruckautoklaven mehrere Stunden mit Ar beauftragt (im Versuch bis 660 bar). Der Vorgang wird nach Ablassen des Druckes mehrmals wiederholt, bis eine genügend hohe Beladung des porösen Trägers mit der Elektrolytlösung sichergestellt ist. Für jede einzelne der Verbindungen wird eine für das jeweilige angewandte Verfahren entsprechende Kombination aus Lösungsmittel und geeignetem porösen Träger ermittelt, um so eine optimale Benetzung, vollständige Durchsetzung der porösen Träger und gleichmäßige Trocknung ohne Blasenbildung zu ermöglichen. Bei den unverdünnt flüssigen Elektrolyten kann die Einbringung in den Träger direkt ohne Lösungsmittel erfolgen. Durch Wahl der geeigneten Verdünnung ist eine deutlich höhere Beladung zu erzielen.9.3.2 A turn over a solid frame stabilized porous film is in a corresponding concentrated solution of the respective electrolyte in a high-pressure autoclave several Hours with Ar charged (in the trial to 660 bar). The process is repeated several times after releasing the pressure, until a sufficiently high Loading the porous carrier with the electrolyte solution is ensured. For Each one of the links will apply one for each one Method corresponding combination of solvent and suitable porous carrier determined so as to ensure optimum wetting, full penetration of the porous support and uniform drying without blistering. At the undiluted liquid Electrolytes can be introduced directly into the carrier without solvent respectively. By choosing the appropriate dilution is a significantly higher load to achieve.
Die Bestimmung der Elektrolytaufnahme geschieht über die Gewichtsdifferenz der porösen Träger vor und nach den Beladungsversuchen nach Entfernen des Lösungsmittels nach 9.4. Zusätzlich wird der Grad der Wasserstoffpermeation vor und nach der Beladung als Kriterium für die Effektivität der Beladung bestimmt. Der Grad der Eindringung der Polymerlösung in die Folie lässt sich mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie an Schnitten der Folien überprüfen.The Determination of the electrolyte absorption is done via the weight difference of porous carrier before and after the loading tests after removal of the solvent after 9.4. additionally is the degree of hydrogen permeation before and after loading as criterion for the effectiveness the loading determined. The degree of penetration of the polymer solution in the foil leaves with the help of scanning electron microscopy on sections of the Check slides.
9.4: Entfernung des Lösungsmittels nach Einbringung in den porösen Träger:9.4: Removal of the solvent after introduction in the porous Carrier:
Der nach 10.3 imprägnierte poröse Träger wird in einen Vakuumtrockenschrank überführt und dort zum Abziehen des Lösungsmittels vorsichtig evakuiert. Je nach Siedepunkt und Zersetzungstemperatur des jeweiligen Elektrolyten darf für die Trocknung eine bestimmte Temperatur nicht überschritten werden. Um Blasenbildung zu vermeiden, ist es nötig, den Druck langsam zu senken und die Temperatur sehr langsam zu erhöhen. Die benötigte Trocknungszeit bis zur Gewichtskonstanz beträgt üblicherweise mindestens 10 h. Es kann sich als positiv erweisen, die erhaltene protonenleitende Membran während der Trocknungsphase zwischen zwei beheizten planen Platten zu pressen. Bewährt haben sich Pressdrücke von mindestens 5 bar.Of the impregnated according to 10.3 porous carrier is transferred to a vacuum oven and there to remove the solvent carefully evacuated. Depending on the boiling point and decomposition temperature of the respective electrolyte may be used for drying a certain Temperature not exceeded become. To avoid blistering, it is necessary to slowly lower the pressure and to raise the temperature very slowly. The required drying time to constant weight is usually at least 10 h. It may turn out to be positive, the received proton-conducting membrane during to press the drying phase between two heated flat sheets. proven have pressing pressures of at least 5 bar.
9.5: Lösungsmittelfreies Herstellungsverfahren von Membranen durch Heißpressen:9.5: solvent-free Production process of membranes by hot pressing:
Das Verfahren ist insbesondere zur Herstellung von Folien (Polymerpresslingen) aus schwerlöslichen Polymerelektrolyten geeignet. Beaufschlagung einer Trägerfolie (PTFE/PP) mit pulverisiertem Polymerelektrolyt. Heißpressen zwischen Stahlbacken (Pressdruck ≥ 5 bar, Temperatur > 120 °C). Nach Entfernung der PTFE Folie wird ein transparenter Film erhalten. Alternativ kann in das Pulver im Heißpressvorgang ein poröser Träger gemäß 10.3.2. eingebracht werden. Hierzu wird der poröse Träger auf eine Pulverschicht aufgelegt und von oben ebenfalls mit Pulver überschichtet. Das so erhaltene Sandwich wird anschließend ebenfalls unter den oben beschriebenen Bedingungen heißgepresst. Die so erhaltenen Membranen eignen sich zur Bewertung der Leitfähigkeit neuartiger schwerlöslicher Polymerelektrolyte.The Process is especially for the production of films (polymer pellets) from sparingly soluble polymer electrolytes suitable. Loading a carrier film (PTFE / PP) with powdered Polymer electrolyte. hot pressing between steel jaws (pressing pressure ≥ 5 bar, temperature> 120 ° C). To Removal of the PTFE film gives a transparent film. Alternatively, in the powder in the hot pressing process, a porous carrier according to 10.3.2. be introduced. For this purpose, the porous support is placed on a powder layer placed on top and also covered with powder from above. The thus obtained Sandwich will follow also hot pressed under the conditions described above. The membranes thus obtained are suitable for evaluating the conductivity novel sparingly soluble Polymer electrolytes.
9.6: Bestimmung der Protonenleitfähigkeit:9.6: Determination of proton conductivity:
Die nach den oben genannten Methoden erhaltenen Proben werden in einer beheizbaren und Feuchte regulierten Leitfähigkeitsmesszelle zwischen elektrisch leitfähigen Kohlenstoffvliesen beziehungsweise Goldplättchen eingespannt. Anschließend wird die Leitfähigkeit der Proben im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 160 °C mit Hilfe der Impedanzspektroskopie bestimmt.The obtained by the above methods samples are in a heatable and humidity regulated conductivity cell between electrically conductive carbon nonwovens or gold platelets clamped. Subsequently becomes the conductivity of the samples in the temperature range between room temperature and 160 ° C with help of impedance spectroscopy.
9.7: Durchführung der Wasserstoffpermeationsmessung:9.7: Carrying out the hydrogen permeation measurement:
Die Bestimmung des Volumenstroms erfolgt durch eine Probenscheibe mit 2 cm2 Fläche durch Anlegen eines Wasserstoffüberdrucks. Bestimmung der Permeanz (ml/(cm2 *min.) nach Beladung mit dem Elektrolyt.The volumetric flow is determined by means of a sample disk having a surface area of 2 cm 2 by applying a hydrogen overpressure. Determination of permeance (ml / (cm 2 * min.) After loading with the electrolyte.
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