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DE29522223U1 - Proton-conducting polymers - Google Patents

Proton-conducting polymers

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DE29522223U1
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Description

PROTONENLEITENDE POLYMEREPROTON-CONDUCTING POLYMERS

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf einen polymeren Feststoffelektrolyt, der in Brennstoffzellen verwendbar ist, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden. Speziell bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung einer Polymerelektrolytmembran, die Protonen bei Temperaturen bis zu wenigstens 200 0C leiten kann, zum Einsatz in Brennstoffzellen, die mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden.The invention relates to a polymeric solid electrolyte which is useful in fuel cells which operate at elevated temperatures. In particular, the invention relates to the use of a polymer electrolyte membrane which can conduct protons at temperatures up to at least 200 ° C for use in fuel cells which operate with liquid fuels.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

In dem vergangenen Jahrzehnt sind beträchtliche Anstrengungen auf die Entwicklung und Charakterisierung von Perfluorsulfonsäurepolymerelektrolyten wie Nafion gericht worden. Diese Anstrengungen haben gezeigt, daß Polymerelektrolytmembranen (PEM) eine Zahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Elektrolyten bieten, wenn sie in elektrochemischen Geräten wie Brennstoffzellen und Wasserelektrolyseuren verwendet werden. Leider müssen diese Elektrolyte hydratisiert bleiben, um die Ionenleitfähigkeit zu behalten, was ihre maximale Betriebstemperatur auf 100 0C bei atmosphärischem Druck begrenzt.Over the past decade, considerable effort has been directed toward the development and characterization of perfluorosulfonic acid polymer electrolytes such as Nafion. These efforts have demonstrated that polymer electrolyte membranes (PEMs) offer a number of advantages over conventional electrolytes when used in electrochemical devices such as fuel cells and water electrolyzers. Unfortunately, these electrolytes must remain hydrated to retain ionic conductivity, which limits their maximum operating temperature to 100 0 C at atmospheric pressure.

Dieser Nachteil der bekannten PEM-Materialien wird deshalb in den Systemen hervorgehoben, in denen ein Polymerelektrolyt mit hoher Leitfähigkeit bei Temperaturen, die 100 0C übersteigen, verwendbar wäre. Eine derartige Anwendung ist die Kb/(^-Brennstoffzelle, die reformierten Wasserstoff aus organischen Brennstoffen (Methan, Methanol usw.) einsetzt, die eine bestimmte Menge an CO enthalten, das die Elektrodenkatalysatoren vergiftet. Eine weitere derartige Anwendung ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle. Vorhandene Direkt-Methanol-Luft-Brennstoffzell-Konstruktionen werden durch den Mangel an ausreichend aktiven Katalysatoren für die Methanolanode und in einem geringen Grad für die Sauerstoffanode stark beschränkt. Dies ist ein unmittelbares Ergebnis der Katalysatorvergiftung, die durchThis disadvantage of the known PEM materials is therefore highlighted in the systems where a polymer electrolyte with high conductivity at temperatures exceeding 100 0 C would be usable. One such application is the Kb/(^ fuel cell, which uses reformed hydrogen from organic fuels (methane, methanol, etc.) containing a certain amount of CO, which poisons the electrode catalysts. Another such application is the direct methanol fuel cell. Existing direct methanol-air fuel cell designs are severely limited by the lack of sufficiently active catalysts for the methanol anode and, to a lesser extent, for the oxygen anode. This is a direct result of the catalyst poisoning caused by

Kohlenmonoxid verursacht wird, das durch den Brennstoff bei Betriebstemperaturen von etwa 100 0C oder niedriger erzeugt wird.Caused by carbon monoxide produced by the fuel at operating temperatures of approximately 100 0 C or lower.

Ein weiterer Nachteil der bekannten PEM-Methanol-Luft-Brennstoffzellen ist in dem schlechten Leistungsvermögen der Brennstoffzellen aufgrund der hohen Anzahl von Methanol-Crossover von der Anode zu der Kathode zu sehen, was zu einem Effizienzverlust über chemische Reaktion des Brennstoffs mit Sauerstoff und daraus folgende Depolarisation der Kathode führt.Another disadvantage of the known PEM methanol-air fuel cells is the poor performance of the fuel cells due to the high number of methanol crossovers from the anode to the cathode, which leads to a loss of efficiency via chemical reaction of the fuel with oxygen and subsequent depolarization of the cathode.

Die Verwendung von polymeren Feststoffelektrolyten bietet neue Chancen, um diese Katalysatorstabilitäts- und Aktivitätsprobleme zu überwinden, vorausgesetzt, daß die gewählten Polymere stabil sind und eine akzeptable Ionenleitfähigkeit bei Temperaturen, die sich 200 0C nähern, behalten, was Anode/Kathode-Vergiftungswirkungen vermeidet. Weiterhin sollten derartige Polymere weitere wünschenswerte Eigenschaften wie eine niedrige Methanolpermeabilität aufweisen, um die Effizienzverluste zu verringern, die sich aus dem Crossover ergeben.The use of solid polymeric electrolytes offers new opportunities to overcome these catalyst stability and activity problems, provided that the polymers chosen are stable and maintain acceptable ionic conductivity at temperatures approaching 200 0 C, avoiding anode/cathode poisoning effects. Furthermore, such polymers should have other desirable properties such as low methanol permeability to reduce efficiency losses resulting from crossover.

Es ist jetzt entdeckt worden, daß Filme, die Polymere, welche basische Gruppen, die Komplexe mit stabilen Säuren bilden können, enthalten, oder Polymere umfassen, die saure Gruppen enthalten, eine brauchbare Alternative zu bekannten PEMs und anderen herkömmlichen Elektrolyten darstellen. Polybenzimidazol (PBI), das mit einer starken Säure wie Phosphorsäure oder Schwefelsäure gedopt worden ist, ist ein Beispiel eines geeigneten Polymers. Polybenzimidazole zusammen mit anderen geeigneten aromatischen Polymeren, die basisch genug sind, um mit Säuren Komplexe zu bilden, zeigen hervorragende oxidative und thermische Stabilitätsmerkmale, wobei diese Eigenschaften durch Dopen bei einem Niveau von wenigstens 200 mol% weiter verbessert werden können. Sie erfordern eine geringe Wasseraktivität, was folglich Betriebstemperaturgrenzen infolge des Siedepunktes von Wasser vermeidet. Die Fähigkeit bei erhöhten Temperaturen zu arbeiten, das heißt bis zu wenigstens 200 0C, verringert auch das Potential für die Anoden/Kathoden-Vergiftung. Weiterhin leiden sie nicht stark unter dem Methanol-Crossover wegen der niedrigen Methanolquellung mit Methanoldampfund hohen Glasumwandlungstemperaturen. It has now been discovered that films comprising polymers containing basic groups capable of complexing with stable acids, or polymers containing acidic groups, represent a viable alternative to known PEMs and other conventional electrolytes. Polybenzimidazole (PBI) doped with a strong acid such as phosphoric acid or sulfuric acid is an example of a suitable polymer. Polybenzimidazoles together with other suitable aromatic polymers basic enough to complex with acids exhibit excellent oxidative and thermal stability characteristics, which properties can be further improved by doping at a level of at least 200 mol%. They require low water activity, thus avoiding operating temperature limitations due to the boiling point of water. The ability to operate at elevated temperatures, i.e. up to at least 200 ° C, also reduces the potential for anode/cathode poisoning. Furthermore, they do not suffer greatly from methanol crossover because of the low methanol swelling with methanol vapor and high glass transition temperatures.

09· 06-Oi09· 06-Oi

Es ist deshalb ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung/ einen polymeren Feststoffelektrolyt bereitzustellen, der nicht unter bekannten Problemen leidet, die mit Katalysatorstabilität und -aktivität verbunden sind.It is therefore an object of the present invention to provide a polymeric solid electrolyte which does not suffer from known problems associated with catalyst stability and activity.

Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, einen polymeren Feststoffelektrolyt bereitzustellen, der stabil ist und eine akzeptable Ionenleitfähigkeit bei bis zu wenigstens 200 0C behält.It is a further object of the invention to provide a polymeric solid electrolyte which is stable and maintains acceptable ionic conductivity up to at least 200 ° C.

Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, einen polymeren Feststoff elektrolyt bereitzustellen, der zur Verwendung in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen geeignet ist, ohne hohe Methanolpermeabilität zu zeigen, die zu einem Effizienzverlust aufgrund des Methanol-Crossovers führt.It is a further object of the invention to provide a polymeric solid electrolyte suitable for use in direct methanol fuel cells without exhibiting high methanol permeability which leads to a loss of efficiency due to methanol crossover.

ZUSAM MENFASSUNG DEK ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf polymere Feststoffelektrolytmembranen, die protonenleitende Polymere umfassen, die bei Temperaturen über 100 0C stabil sind, wobei das Polymer ein basisches Polymer, das mit einer starken Säure einen Komplex bildet, oder ein saures Polymer ist. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Verwendung derartiger Membranen in elektrolytischen Zellen und sauren Brennstoffzellen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung von Polybenzimidazol als eine geeignete Polymerelektrolytmembran.The present invention relates to polymeric solid electrolyte membranes comprising proton-conducting polymers which are stable at temperatures above 100 ° C, wherein the polymer is a basic polymer which forms a complex with a strong acid or an acidic polymer. The invention further relates to the use of such membranes in electrolytic cells and acidic fuel cells. In particular, the invention relates to the use of polybenzimidazole as a suitable polymer electrolyte membrane.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Figur 1 ist ein Diagramm, das die Leitfähigkeit von mit Phosphorsäure gedoptem PBI als Funktion von Temperatur und Wasserpartialdruck veranschaulicht.Figure 1 is a graph illustrating the conductivity of phosphoric acid-doped PBI as a function of temperature and water partial pressure.

Figur 2 ist der Scan der thermogravimetrischen Analyse eines ungedopten PBI-Films. Figure 2 is the scan of the thermogravimetric analysis of an undoped PBI film.

Figur 3 ist der Scan der thermogravimetrischen Analyse eines PBI-Films, der mit 20 mol% Schwefelsäure gedopt ist.Figure 3 is the scan of the thermogravimetric analysis of a PBI film doped with 20 mol% sulfuric acid.

Figur 4 ist ein Diagramm, das die dynamisch-mechanische Spektroskopie eines mit Phosphorsäure gedopten PBI-Films veranschaulicht.Figure 4 is a diagram illustrating the dynamic mechanical spectroscopy of a phosphoric acid doped PBI film.

Die Figuren 5a bis 5c sind Diagramme, die die Polarisations- und Energiedichtekurven einer PBI-Brennstoffzelle veranschaulichen, wobei Figur 5a die ZellspannungFigures 5a to 5c are diagrams illustrating the polarization and energy density curves of a PBI fuel cell, where Figure 5a shows the cell voltage

als Funktion des Stromstärke, Figur 5b die einzelnen Kathoden- und Anodenpotentiale und Figur 5c die Energie der Zelle als Funktion der Stromdichte zeigt.as a function of current strength, Figure 5b shows the individual cathode and anode potentials and Figure 5c shows the energy of the cell as a function of current density.

Figur 6 ist ein Diagramm, das die Polarisationskurve einer PBI-Brennstoffzelle, die mit Methanol:Wasser-Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel betrieben wird, veranschaulicht und eine Pt-Anode und eine Pt/Ru-Anode vergleicht.Figure 6 is a graph illustrating the polarization curve of a PBI fuel cell operating with methanol:water fuel and oxygen as the oxidant, comparing a Pt anode and a Pt/Ru anode.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf neuartige polymere Feststoffelektrolyte, die stabil sind und akzeptable Ionen leitfähigkeit bei Temperaturen bis zu wenigstens 200 0C behalten, um bekannte Katalysatorstabilitäts- und -leitfähigkeitsprobleme zu überwinden. Speziell bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung von Polymeren, die basische Gruppen, die Komplexe mit stabilen Säuren bilden können, enthalten, oder von Polymeren, die saure Gruppen enthalten, und die verwendet werden können, um Filme zu bilden, die für die Verwendung als polymere Feststoffelektrolytmembran in Methanol-Luft-Brennstoffzellen geeignet sind. Beispiele derartiger Polymere schließen Polybenzimidazol, Polypyridin, Polypyrimidin, Polyimidazole, PoIybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polychinoxaline, Polythiadiazole und Poly(tetrazapyrene) ein, ohne auf diese beschränkt zu sein. Von besonderem Interesse ist hierbei Polybenzimidazol (PBI), das mit einer starken Säure wie Phosphorsäure oder Schwefelsäure gedopt ist. Diese Polymerfilme zeigen hervorragende oxidative tind thermische Stabilität, wobei diese Eigenschaften weiter durch die saure Natur des Polymers verbessert werden.The invention relates to novel polymeric solid electrolytes which are stable and retain acceptable ionic conductivity at temperatures up to at least 200 ° C to overcome known catalyst stability and conductivity problems. In particular, the invention relates to the use of polymers containing basic groups capable of forming complexes with stable acids, or polymers containing acidic groups, which can be used to form films suitable for use as polymeric solid electrolyte membranes in methanol-air fuel cells. Examples of such polymers include, but are not limited to, polybenzimidazole, polypyridine, polypyrimidine, polyimidazoles, polybenzthiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles, and poly(tetrazapyrenes). Of particular interest is polybenzimidazole (PBI) doped with a strong acid such as phosphoric acid or sulfuric acid. These polymer films exhibit excellent oxidative and thermal stability, with these properties being further enhanced by the acidic nature of the polymer.

Die vorliegende polymere Feststoffelektrolytmembran zeigt stabile chemische und elektrische Eigenschaften einiges über 100 0C und bis zu zumindest 200 0C, besitzt gute mechanische und Filmeigenschaften, zeigt hohe Protonenleitfähigkeit und geringe Brennstoffpermeabi I ität und kann Protonen mit sehr geringer Wasseraktivität leiten.The present polymeric solid electrolyte membrane shows stable chemical and electrical properties well above 100 0 C and up to at least 200 0 C, has good mechanical and film properties, shows high proton conductivity and low fuel permeability, and can conduct protons with very low water activity.

Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Polymer kann ein basische Gruppen enthaltendes Polymer sein, das Komplexe mit stabilen Säuren bilden kann. Beispielsweise führt das PBI-Polymer, wenn es mit einer starken oder stabilen Säure wie Phosphorsäure oder Schwefelsäure gedopt ist, zu einem Polymerelektrolyt, derThe polymer used in the present invention may be a polymer containing basic groups that can form complexes with stable acids. For example, when the PBI polymer is doped with a strong or stable acid such as phosphoric acid or sulfuric acid, it results in a polymer electrolyte that

leicht ein Einphasensystem bildet, worin die Säure in dem Polymer gelöst ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Phosphorsäuresystemen, in denen die Säure lediglich, in den Poren der inerten zweiten Phase des Polymersystems enthalten ist.easily forms a single-phase system in which the acid is dissolved in the polymer, in contrast to conventional phosphoric acid systems in which the acid is only contained in the pores of the inert second phase of the polymer system.

Gegenwärtig bekannte kommerziell erhältliche Sulfonsäureionomere, beispielsweise Nafion 117 und Dow 560, sind von Wasser abhängig, um die Protonen zu solvatisieren, die durch die Ionisation der Sulfonsäuregruppen erzeugt werden. Wenn die Polymere Temperaturen über 100 0C bei atmosphärischem Druck unterworfen werden, geht Wasser verloren, einschließlich des Wassers, das die Hydronium-Ionen solvatisiert. Die Membran schrumpft, und die Leitfähigkeit geht verloren. Die Verwendung eines unter Druck stehenden Systems kann den zweckmäßigen Temperaturbereich erweitern, jedoch auf Kosten der Gesamtsystemeffizienz, der Größe und des Gewichtes. Beispielsweise kann sich Temperaturen von 120 0C bei Drücken von etwa 2 atm von Wasser genähert werden. Weiterhin ist bei einer Betriebstemperatur von 200 0C der für diese Membranen benötigte Druck zu hoch, um vom praktischen Nutzen zu sein.Currently known commercially available sulfonic acid ionomers, for example Nafion 117 and Dow 560, depend on water to solvate the protons generated by the ionization of the sulfonic acid groups. When the polymers are subjected to temperatures above 100 0 C at atmospheric pressure, water is lost, including the water that solvates the hydronium ions. The membrane shrinks and conductivity is lost. The use of a pressurized system can extend the useful temperature range, but at the expense of overall system efficiency, size and weight. For example, temperatures of 120 0 C can be approached at pressures of about 2 atm of water. Furthermore, at an operating temperature of 200 0 C, the pressure required for these membranes is too high to be of practical use.

Geeignete basische Polymere, die Komplexe mit stabilen Säuren bilden, schließen ein: Polybenzimidazole, Polypyridine, Polypyrimidine, Polyimidazole, PoIybenzthiazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polychinoxaline, Polythiadiazole und Poly(tetrazapyrene). Die Polymere können eine Auswahl von funktionellen Gruppen enthalten, wie nachstehend unter Verwendung des Polybenzimidazolpolymers als Beispiel zu sehen ist:Suitable basic polymers which form complexes with stable acids include polybenzimidazoles, polypyridines, polypyrimidines, polyimidazoles, polybenzthiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles and poly(tetrazapyrenes). The polymers may contain a variety of functional groups as seen below using the polybenzimidazole polymer as an example:

worin Rwhere R

eine Alkankette, Fluoralkankette oder ähnliche Verknüpfung ist. Beispiele anderer basischer Polymere sich nachstehend aufgeführt.an alkane chain, fluoroalkane chain or similar linkage. Examples of other basic polymers are listed below.

1S1 1 S 1 X /X / K _K_ XX UU XX ^ .R^^ .R^ -^-^ ^^ N R1 ^^ NO . 1 X / X /

Die folgenden Polymere können etwas weniger stabil als die obigen bei 200 0C für lange Zeiträume sein, sollten aber auch noch bei geringeren Temperaturen über 100 0C funktionieren:The following polymers may be slightly less stable than the above at 200 0 C for long periods of time, but should still work at lower temperatures above 100 0 C:

--CH2-&sfgr;&EEgr;+ 4-CH2-CH---CH 2 -&sfgr;&EEgr;+ 4-CH 2 -CH-

vv -N vv -N

-CH2-CtT-V -CH 2 -CtT- V

CT1 CT1

—CH-CH--—CH-CH--

-CH-CH9---CH-CH 9 --

.&khgr;.&khgr;

worin Ri = H, Alkyl, Phenyl, Pyridyl, jeweils unabhängig von anderen Ri ist.where Ri = H, alkyl, phenyl, pyridyl, each independently of other Ri.

Ein weiteres geeignetes Polymer, das genauso funktioniert, ist Polybenzobisimidazol, Another suitable polymer that works in the same way is polybenzobisimidazole,

worin R und Ri wie oben definiert sind.where R and Ri are as defined above.

Weiterhin kann in den obigen Polymeren die NRi-Funktionalität durch X ersetzt werden, wobei X = O oder S.Furthermore, in the above polymers, the NRi functionality can be replaced by X, where X = O or S.

Die aufgezählten basischen Polymere eignen sich leicht zur Protonisierung und zeigen verbesserte thermische Stabilität, wenn die Moleküle nur aus aromatischen Gruppen bestehen. Andere geeignete basische Polymere, die mit den vorhergehenden R-, Ri- und X-Gruppen substituiert werden können, schließen ein Oxazole:The basic polymers listed are readily protonated and show improved thermal stability when the molecules consist only of aromatic groups. Other suitable basic polymers that can be substituted with the foregoing R, Ri and X groups include oxazoles:

Thiazole:Thiazoles:

Poly(oxadiazole) und -thiadiazole, beide als basische Hauptgruppe und als eine Verknüpfungsgruppe für Benzimidazole Benzoxazol- und Benzthiazol-Polymere.Poly(oxadiazoles) and -thiadiazoles, both as a basic main group and as a linking group for benzimidazoles, benzoxazole and benzthiazole polymers.

• ·*·*

• ··

Die aufgezählten Verknüpfungen können in allen möglichen Positionen verwendet werden, und Copolymere können von allen möglichen Gruppen gebildet werden, wie dem Fachmann bekannt sein wird.The listed linkages can be used in any position and copolymers can be formed from any group, as will be known to those skilled in the art.

Von den vorhergehenden sind die Chinoxaline am wenigsten erwünscht, weil sie am geringsten basisch von den aufgezählten Polymeren sind, obwohl sie, wenn gedopt auch als PEM geeignet sind. Die hierin zur Verwendung in Erwägung gezogenen Polymere, die Löslichkeit in verdünnten Sauren zeigen, können stabiler gemachtwerden durch bekannte Vernetzungstechniken, einschließlich radikalischer Vernetzung.Of the foregoing, the quinoxalines are the least desirable because they are the least basic of the polymers listed, although when doped they are also suitable as PEMs. The polymers contemplated for use herein which exhibit solubility in dilute acids can be made more stable by known cross-linking techniques, including free radical cross-linking.

Von den vorhergehenden schließen bevorzugte basische Polymere PoIypyrimidine, Polyimidazole und Polybenzoxazole ein, und besonders bevorzugte basische Polymere sind Polybenzimidazole, die als exemplarisches Polymer im Rest dieser Offenbarung verwendet werden, und Polypyridine.Of the foregoing, preferred basic polymers include polypyrimidines, polyimidazoles and polybenzoxazoles, and particularly preferred basic polymers are polybenzimidazoles, which are used as an exemplary polymer in the remainder of this disclosure, and polypyridines.

Geeignete Polymere schließen ebenfalls saure Polymere oder Polymere, die saure Gruppen enthalten, wie Sulfonate, Phosphonate, Boronate usw. ein. Zum Beispiel Suitable polymers also include acidic polymers or polymers containing acidic groups such as sulfonates, phosphonates, boronates, etc. For example

(SO3H)n (SO3H)n (SO 3 H) n (SO 3 H) n

1I-Tv 1 I-Tv

J XJ X

S--S--

SO3HSUN 3 H

CH2-(PO(OH)2) o— CH 2 -(PO(OH) 2 ) o—

CH2-PQ(OH)2 CH2 -PQ(OH) 2

und ähnliche Polymere, worin R wie hierin definiert ist, Y -O-, -S-, -SO2-, -CH- oder CH2 ist und &eegr; O bis 1 ist.and similar polymers wherein R is as defined herein, Y is -O-, -S-, -SO2-, -CH- or CH2 and η is 0 to 1.

Alle hierin gezeigten Polymere, die Schwefelsäuregruppen enthalten, können mit der Ausnahme der Polybenzimidazole auch mit Borsäure- oder Phosphorsäuregruppen hergestellt werden. Dies wird erreicht durch Halogenieren des Polymergerüstes und dessen Reaktion mit Trialkyl- oder Aryl-Boraten oder Trialkyl- oder Aryl-Phosphaten. All polymers shown herein containing sulfuric acid groups, with the exception of polybenzimidazoles, can also be prepared with boric acid or phosphoric acid groups. This is achieved by halogenating the polymer backbone and reacting it with trialkyl or aryl borates or trialkyl or aryl phosphates.

Von den vorhergehenden sind Sulfonate bevorzugte saure Gruppen enthaltende Polymere, und Phosphonate sind die bevorzugtesten saure Gruppen enthaltenden Polymere.Of the foregoing, sulfonates are preferred acidic group-containing polymers, and phosphonates are the most preferred acidic group-containing polymers.

Die bevorzugten PEM-Polybenzimidazol-Membranen werden durch Synthese des Polybenzimidazole Ims hergestellt, der mit einer starken Säure wie Schwefelsäure oder Phosphorsäure gedopt wird, um ein Polymer zu erzeugen, dessen saures Anion an das protonierte Polybenzimidazol gebunden ist. Die Protonen werden durch die basischen Stickstoffatome in den Polybenzimidazolringen wie nachstehend gezeigt ionisiert:The preferred PEM polybenzimidazole membranes are made by synthesizing the polybenzimidazole Ims which is doped with a strong acid such as sulfuric acid or phosphoric acid to produce a polymer whose acidic anion is bonded to the protonated polybenzimidazole. The protons are ionized by the basic nitrogen atoms in the polybenzimidazole rings as shown below:

Im allgemeinen kann jedes Polymer mit einer basischen Gruppe B durch eine starke Säure wie Phosphorsäure protoniert werden, um einen polymeren Feststoff elektrolyt herzustellen.In general, any polymer containing a basic group B can be protonated by a strong acid such as phosphoric acid to produce a polymeric solid electrolyte.

(B-R)x (BR) x

H+ H +

H2PO4- H2PO4 -

Von den zuvor angegebenen PBIs ist bekannt, daß sie eine hervorragende oxidative und thermische Stabilität haben und weiter durch Reaktion mit der Dope-Säure stabilisiert werden. Im Falle der Schwefelsäure sulphonieren Reaktionen bei 200 0C übersteigenden Temperaturen den Benzolring, um gebundene SC>3H-Gruppen zu bilden. Protonenhopping zwischen basischen Stellen an der Polymerverbindung und/oder mit imbibierter freier Säure liefern verbesserte Ionenleitfähigkeit. Weiterhin werden die Sperrschichteigenschaften dieser Polymerfilme aufgrund der einphasigen Morphologie des Materials im Vergleich zu der zweiphasigen Natur der nichtpolaren Fluorkohlenstoff/polaren ionischen Membranen erhöht. „Einphasige Morphologie" bezieht sich auf eine mikroskopische kontinuierliche Matrix eines Einzelmaterials im Gegensatz zu einem zweiphasigen System einer polaren Phase, die mit einer nichtpolaren Phase gemischt ist.The previously mentioned PBIs are known to have excellent oxidative and thermal stability and are further stabilized by reaction with the dope acid. In the case of sulfuric acid, reactions at temperatures exceeding 200 ° C sulfonate the benzene ring to form bonded SC>3H groups. Proton hopping between basic sites on the polymer compound and/or with imbibed free acid provides enhanced ionic conductivity. Furthermore, the barrier properties of these polymer films are enhanced due to the single-phase morphology of the material as compared to the biphasic nature of nonpolar fluorocarbon/polar ionic membranes. "Single-phase morphology" refers to a microscopic continuous matrix of a single material as opposed to a biphasic system of a polar phase mixed with a nonpolar phase.

Bei Betrieb in einer Brennstoffzelle unter Einsatz eines geeigneten Brennstoffs wie Methanol leitet die PBI-Polymerelektrolytmembran Protonen von der Brennstoffelektrode zu der Sauerstoffkathode. Kohlenmonoxid, das in Brennstoffen wie reformiertem Wasserstoff vorliegt, vergiftet den Platinkatalysator, der gewöhnlich in Brennstoffzellen verwendet wird. Flüssige Brennstoffe wie Methanol erzeugen sogar schlimmere VergiftungsWirkungen, weil Kohlenmonoxid ein Zwischenprodukt bei dem Brennstoffoxidationsvorgang ist. Jedoch bei höheren, sich 200 0C nähernden Temperaturen, fördert der Zellbetrieb die Kohlenmonoxidoxidation zu Kohlendioxid, was zu einer wesentlich verbesserten Katalysatoraktivität trotz der Vergiftungswirkung des Kohlenmonoxids führt. Vor der vorliegenden Erfindung jedoch, die bei Temperaturen von bis zu wenigstens 200 0C betriebsfähig ist, waren keine protonenleitenden Polymerelektrolyte verfügbar.When operated in a fuel cell using a suitable fuel such as methanol, the PBI polymer electrolyte membrane conducts protons from the fuel electrode to the oxygen cathode. Carbon monoxide, present in fuels such as reformed hydrogen, poisons the platinum catalyst commonly used in fuel cells. Liquid fuels such as methanol produce even more severe poisoning effects because carbon monoxide is an intermediate in the fuel oxidation process. However, at higher temperatures, approaching 200 ° C, cell operation promotes carbon monoxide oxidation to carbon dioxide, resulting in significantly improved catalyst activity despite the poisoning effects of the carbon monoxide. However, prior to the present invention, which is operable at temperatures up to at least 200 ° C, no proton-conducting polymer electrolytes were available.

Die vorangehenden Merkmale des PBI-Polymers werden durch andere Polymere von dem hierin vorstehend beschriebenen Typ, der für die Verwendung als PoIymerelektrolytmembranen geeignet ist, gezeigt. Beispielsweise Polybenzimidazole,The foregoing features of the PBI polymer are demonstrated by other polymers of the type described hereinabove which are suitable for use as polymer electrolyte membranes. For example, polybenzimidazoles,

Polypyridine, Polypyrimidine, Polyimidazole, Polybenzoxazole, Polybenzoxazole, Polyoxadiazole, Polychinoxaline, Polythiadiazole und Poly(tetrazapyrene) haben jeweils eine einphasige Morphologie und zeigen folglich hohe Protonenleitfähigkeit und geringe Methanolpermeabilität.Polypyridines, polypyrimidines, polyimidazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinoxalines, polythiadiazoles and poly(tetrazapyrenes) each have a single-phase morphology and consequently show high proton conductivity and low methanol permeability.

Die Erfindung wird jetzt mit Bezug auf die bevorzugte Ausführung der Erfindung, das heißt der Verwendung des Polybenzimidazolpolymers beschrieben. Die folgenden Beispiele und die damit zusammenhängenden Testdaten sind lediglich beispielhaft und beabsichtigen in keiner Weise eine Begrenzung der vorliegenden Erfindung. Brauchbare Veränderungen der vorliegenden Parameter und auch weiterer Aspekte der Materialien, ihre Herstellung und ihre Verwendung werden von dem Fachmann offensichtlich sein und werden durch die Beschreibung und die angefügten Ansprüche abgedeckt, wenn sie in dessen Umfang und Grenzen fallen. Beispielsweise wird der Fachmann dazu fähig sein, die beispielhaften Polymere durch geeignete Polymere wie den hierin beschriebenen zu ersetzen und vernünftige Ergebnisse zu erhalten.The invention will now be described with reference to the preferred embodiment of the invention, i.e., the use of the polybenzimidazole polymer. The following examples and associated test data are merely exemplary and are not intended to limit the present invention in any way. Useful variations of the present parameters and also other aspects of the materials, their preparation and their use will be apparent to those skilled in the art and will be covered by the specification and appended claims if they fall within the scope and limitations thereof. For example, those skilled in the art will be able to substitute suitable polymers such as those described herein for the exemplary polymers and obtain reasonable results.

PEM-HerstellungPEM production

Filme aus Polybenzimidazol wurden durch Lösen des Polymers (20 %) in Dimethylacetamid (DMAc), das LiCI (2 %) enthält, und Sprühen auf eine saubere Glasplatte unter Verwendung eines Gardner-Messers aufgetragen. Der Film wurde bei 150 0C in Luft 15 min erwärmt. Er wurde von der Glasplatte entfernt und in einem Vakuumofen über Nacht bei 90 0C erwärmt, um den Film zu trocknen. Das LiCl wurde dann aus dem Film mit Wasser extrahiert. Die Filme wurden mit H2SO4 oder H3PO4 durch Säuresorption aus wässerigen Lösungen gedopt.Films of polybenzimidazole were prepared by dissolving the polymer (20%) in dimethylacetamide (DMAc) containing LiCl (2%) and spraying it onto a clean glass plate using a Gardner knife. The film was heated at 150 0C in air for 15 min. It was removed from the glass plate and heated in a vacuum oven at 90 0C overnight to dry the film. The LiCl was then extracted from the film with water. The films were doped with H2SO4 or H3PO4 by acid sorption from aqueous solutions.

Um die Fähigkeiten des vorliegenden PBI vollständig zu demonstrieren, wurden weitere Polym.erelektrolymembra.nen gewonnen und unter gleichen Testbedingungen bewertet. In dem folgenden Text wurden Nafion-Membranen wie folgt hergestellt: Nafion 117-Membranen (saure Form) wurden von duPont erhalten und durch Tauchen in siedendes Wasser vier Stunden hydratisiert. Im Anschluß an die Hydratation wurden die Proben entweder in destilliertem Wasser bis zur Verwendung gelassen oder mit Phosphorsäure äquilibriert.To fully demonstrate the capabilities of the present PBI, additional polymer electrolyte membranes were obtained and evaluated under similar test conditions. In the following text, Nafion membranes were prepared as follows: Nafion 117 membranes (acidic form) were obtained from duPont and hydrated by immersion in boiling water for four hours. Following hydration, samples were either left in distilled water until use or equilibrated with phosphoric acid.

1.21.2

LeitfähigkeitsmessungenConductivity measurements

Leitfähigkeitsmessungen wurde durchgeführt mit einem Vier-Punkt-Untersuchungsapparatur. In dieser Apparatur wurden zwei Platinfolienelektroden an das Ende einer 3 cm (L) &khgr; 0,5 cm (W)-Polymerprobe geklemmt. Diese Elektroden wurden verwendet, um Strom durch die Probe fließen zu lassen. Die Stärke und Frequenz des angelegten Stroms wurden unter Verwendung eines PAR 173-Potentiostat/Galvanos ta ts und eines Wavetek 186-Signalgenerators geregelt. Zwei Platindrähte (0,5 mm Durchmesser), die 1 cm voneinander beabstandet waren, wurden verwendet, um den Spannungsabfall am Zentrum der Probe zu messen. Spannungsmessungen wurden bei drei oder mehr Strompegeln durchgeführt, um sicherzustellen, daß das Spannungs-Strom-Verhalten ohmisch war. Der Strom wurde bei zwei unterschiedlichen Frequenzen angelegt: 100 und 1000 Hz. Keine Frequenzabhängigkeit wurde beobachtet. Die gesamte Apparatur war in einem verschlossenen Stahlbehälter enthalten, der sich in einem Ofen befindet und mit einem Gasverteilersystem verbunden ist, so daß die Temperatur, der Druck und die Zusammensetzung der Gasphase in Kontakt mit der Probe geregelt werden können. Messungen als Funktion des Wasserpartialdruckes über 100 0C wurden durchgeführt durch teilweises Evakuieren der Zelle und dann Einspritzen von ausreichend flüssigem Wasser über ein Septum, um den gewünschten Wasserpartialdruck zu erhalten.Conductivity measurements were performed using a four-point probe apparatus. In this apparatus, two platinum foil electrodes were clamped to the end of a 3 cm (L) x 0.5 cm (W) polymer sample. These electrodes were used to pass current through the sample. The magnitude and frequency of the applied current were controlled using a PAR 173 potentiostat/galvanometer and a Wavetek 186 signal generator. Two platinum wires (0.5 mm diameter) spaced 1 cm apart were used to measure the voltage drop at the center of the sample. Voltage measurements were made at three or more current levels to ensure that the voltage-current behavior was resistive. The current was applied at two different frequencies: 100 and 1000 Hz. No frequency dependence was observed. The entire apparatus was contained in a sealed steel vessel located in a furnace and connected to a gas distribution system so that the temperature, pressure and composition of the gas phase in contact with the sample could be controlled. Measurements as a function of water partial pressure above 100 0 C were made by partially evacuating the cell and then injecting sufficient liquid water through a septum to obtain the desired water partial pressure.

Die Leitfähigkeitsergebnisse werden nachstehend in Tabelle I für Filme bei 170 0C und 400 Torr Wasserpartialdruck gezeigt. Leitfähigkeit und Spannungsabfall für eine Brennstoffzelle, die bei 100 mA/cm2 betrieben wird, werden gezeigt. Diese PBI-Probe enthielten ungefähr 250 mol% H2SO4, das heißt etwa 2,5 Moleküle H2SO4 auf jeder Polymerwiederholungseinheit.Conductivity results are shown below in Table I for films at 170 0 C and 400 Torr water partial pressure. Conductivity and voltage drop for a fuel cell operating at 100 mA/cm 2 are shown. This PBI sample contained approximately 250 mol% H 2 SO 4 , that is, about 2.5 molecules of H 2 SO 4 on each polymer repeat unit.

JJJJ J·· · . . .YYYY J·· · . . .

• · ··· «J J J·*. .J JJ J• · ··· «Y Y Y·*. .J YJ Y

Tabelle ITable I

MembranleitfähigkeitMembrane conductivity

Membran/
Elektrolyt
Membrane/
electrolyte
BedingungenConditions Leitfähigkeit/
OmTi1Cm1
Conductivity/
OmTi 1 Cm 1
Spannungsverlust
bei 100 mA/cm2
Voltage loss
at 100 mA/cm 2
Nafion 117
»
Nafion 117
»
800C
SAT H2O
80 0 C
SAT H 2 O
0,070.07 29 mV29mV
Nafion 117Nafion 117 1200C
400 Torr H2O
120 0 C
400 Torr H2O
0,00360.0036 555 mV
(8 mil)
555mV
(8mils)
PBI/H2SO4 PBI / H2SO4 170 °C
400 Torr H2O
170°C
400 Torr H2O
0,020.02 25 mV
(2 mil)
25mV
(2mils)
PBI/H3PO4 PBI / H3PO4 180 °C
408 Torr H2O
180°C
408 Torr H 2 O
0,010.01 5OmV5OmV

Die Leitfähigkeitsergebnisse für das mit Phosphorsäure gedopte Polybenzimidazolmaterial werden weiterhin in Figur 1 als Funktion der Temperatur und des Wasserpartialdrucks gezeigt. Die PBI-Proben enthielten ungefähr 334 mol% H3PO4, das heißt etwa 3,35 H3P04-MoIeküle auf jeder Wiederholungseinheit. In diesem Diagramm ist die Leitfähigkeit als Funktion der Wasseraktivität für Temperaturen von 130 0C bis 197 0C dargestellt. Die Leitfähigkeit nimmt mit der Temperatur und der Wasseraktivität zu. Je größer die Leitfähigkeit ist, desto geringer ist der ohmsche Verlust in der Brennstoffzelle und folglich um so größer ihre Effizienz. Diese Leitfähigkeiten sind wenigstens eine Größenordnung größer als die von Nafion unter ähnlichen Bedingungen.The conductivity results for the phosphoric acid doped polybenzimidazole material are further shown in Figure 1 as a function of temperature and water partial pressure. The PBI samples contained approximately 334 mol% H3PO4, that is, about 3.35 H3P0 4 molecules on each repeat unit. In this graph, the conductivity is shown as a function of water activity for temperatures from 130 0 C to 197 0 C. The conductivity increases with temperature and water activity. The higher the conductivity, the lower the ohmic loss in the fuel cell and hence the greater its efficiency. These conductivities are at least an order of magnitude greater than those of Nafion under similar conditions.

Permeability tsmessu &eegr; ge &agr;Permeability tsmessu &eegr; ge &agr;

Die Permeabilität von Sauerstoff durch einen gemäß der vorliegenden Erfindung mit H2SO4 gedopten PBl-FiIm wurde unter Verwendung der geschlossenen Volumentechnik gemessen. Die Permeabilität wurde in derselben Weise für einen Nafion 117-Film, der mit Phosphorsäure äquilibriert wurde, und Nafion, das mit Wasser äquilibriert wurde, gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle &Pgr; zusammengefaßt. Die Stromdichtenspalte stellt die Stromdichte entsprechend dem Fluß durch die Membran mit einem Druckdifferential von einer Atmosphäre als Triebkraft dar. DieThe permeability of oxygen through a PBl film doped with H 2 SO 4 according to the present invention was measured using the closed volume technique. The permeability was measured in the same manner for a Nafion 117 film equilibrated with phosphoric acid and Nafion equilibrated with water. The results are summarized in Table 1. The current density column represents the current density corresponding to the flux through the membrane with a pressure differential of one atmosphere as the driving force. The

• ··

entsprechende Stromdichte wurde berechnet als i = nFN, wobei &eegr; = 4 für die Sauerstoffreduktionsreaktion, F die Faraday-Konstante und N der Fluß ist.The corresponding current density was calculated as i = nFN, where η = 4 for the oxygen reduction reaction, F is the Faraday constant and N is the flux.

Tabelle 2
Sauerstoffpermeabilität
Table 2
Oxygen permeability

Membran/
Elektrolyt
Membrane/
electrolyte
Temperatur/0CTemperature/ 0 C Stromdichte/mA/cm2 Current density/mA/cm 2
PBI/ H2SO4 PBI / H2SO4 8080 0,080.08 Nafion 117/H2ONafion 117/ H2O 8080 0,6 - 0,80.6 - 0.8 Nafion 117/ H3PO4 Nafion 117/ H 3 PO 4 123123 0,35 - 0,450.35 - 0.45 Nafion 117/ H3PO4 Nafion 117/ H 3 PO 4 150150 0,25 - 0,670.25 - 0.67

Die Permeabilität von Sauerstoff in dem mit Phosphorsäure äquilibrierten Nafion bei Temperaturen über 100 0C ist ähnlich der in mit Wasser äquilibrierten Nafion bei 80 0C. Diese Permeabilitäten übertreffen die von Sauerstoff in Phosphorsäure. Folglich wird die Kathodenleistung durch die Gegenwart von Nafion verbessert, da O2 leichter zu den Katalysatorstellen gelangen kann. Der Verlust an O2 durch Crossover ist nicht von Bedeutung, da O2 eine niedrige Löslichkeit besitzt. Die geringste Sauerstoffpernieabilität wurde mit dem Polybenzimidazol-Material erhalten, von dem zu erwarten war, daß es gute Sperreigenschaften zeigt. Jedoch sollten diese Permeabilitäten für Brennstoffzellenanwendungen noch ausreichend sein.The permeability of oxygen in the Nafion equilibrated with phosphoric acid at temperatures above 100 0 C is similar to that in Nafion equilibrated with water at 80 0 C. These permeabilities exceed those of oxygen in phosphoric acid. Consequently, the cathode performance is improved by the presence of Nafion because O2 can more easily reach the catalyst sites. The loss of O2 by crossover is not significant because O2 has low solubility. The lowest oxygen permeability was obtained with the polybenzimidazole material, which was expected to show good barrier properties. However, these permeabilities should still be sufficient for fuel cell applications.

Die Permeabilitäten anderer Gase in säuregedoptem PBI werden in Tabelle &Igr;&Pgr; gezeigt. Die Methanol-Crossover-Rate mit PBI ist in der Größenordnung von 5 bis 11 mA/cm2. Dieser Crossover-Wert ist gering im Vergleich zu den Werten von 100 bis 250 mA/cm2, die für Flüssig-Eintrag-Direkt-Methanol-Brennstoffzellen mit Nafion 117 bei 80 0C angegeben werden, wie d urch Messungen von 250 mA/cm2, basierend auf Vorverdampfungsdaten, in S. Kato et al., T- Membrane Science, 72 (1992).; 100 mA/cm2 in Flüssig-Eintrag-PEM-Zellen in S. Narayanan et al., Extended Abstracts of Electrochemical Society, Bd. 93-2, S. 126, Pennington, NJ (1993); und 100 mA/cm2 bei 100 ASF in Flüssig-Eintrag-PEM-Zellen in D. Maricle et al., Extended Abstracts of Electrochemical Society, Bd. 94-1, S. 58, Pennington, NJ (1994) gezeigt. The permeabilities of other gases in acid-doped PBI are shown in Table 1. The methanol crossover rate with PBI is on the order of 5 to 11 mA/cm 2 . This crossover value is low compared to the values of 100 to 250 mA/cm 2 reported for liquid-feed direct methanol fuel cells with Nafion 117 at 80 0 C, as determined by measurements of 250 mA/cm 2 , based on pre-evaporation data, in S. Kato et al., T- Membrane Science, 72 (1992).; 100 mA/cm 2 in liquid-entry PEM cells in S. Narayanan et al., Extended Abstracts of Electrochemical Society, vol. 93-2, p. 126, Pennington, NJ (1993); and 100 mA/cm 2 at 100 ASF in liquid-entry PEM cells in D. Maricle et al., Extended Abstracts of Electrochemical Society, vol. 94-1, p. 58, Pennington, NJ (1994).

• · I· I

• ··

• ··

Tabelle IIITable III

Permeabilität von gedoptem PolybenzimidazolPermeability of doped polybenzimidazole

DopierungDoping

Gasgas

Temperaturtemperature

/0C/ 0 C

Permeabilitätpermeability

Entsprechende CD/mA/cm2 Corresponding CD/mA/cm 2

H2SO4 H2SO4

MethanolMethanol

175, 320175, 320

7,137.13

H2SO4 H2SO4

MethanolMethanol

130130

139,156139,156

5,65.6

H3PO4 H3PO4

MethanolMethanol

130130

183,186183,186

7,77.7

H3PO4 H3PO4

MethanolMethanol

155155

270270

1111

H2SO4 H2SO4

WasserWater

130130

9000,100009000,10000

H3PO4 H3PO4

WasserWater

150150

44004400

SV &iacgr;"'SV &iacgr;"'

?'r* &Mgr;.'&Uacgr;-&idiagr;&bgr; ?' r* µ.'&Uacgr;-&idiagr;&bgr;

H3PO4 H3PO4

Wasserstoffhydrogen

150150

180180

H2SO4 H2SO4

Sauerstoffoxygen

125125

11,2011.20

0,3, 0,60.3, 0.6

H3PO4 H3PO4

Sauerstoffoxygen

140140

0,30.3

Permeabilitätkoeffizienten werden in Barrer angegeben. Barrer = 10"1 cm3 (STP) cm/cm2s cmHg
Mehrfache Einträge zeigen Ergebnisse von mehreren Proben. Entsprechende Stromdichten setzen ein Druckdifferential von einer Atmosphäre
Permeability coefficients are given in Barrer. Barrer = 10" 1 cm 3 (STP) cm/cm 2 s cmHg
Multiple entries show results from multiple samples. Corresponding current densities assume a pressure differential of one atmosphere

voraus.in advance.

H2SO4-Dopeniveaus 247 mol% HsPO^Dopeniveaus 338 mol%H 2 SO 4 dope levels 247 mol% HsPO^dope levels 338 mol%

Messungen der thermischen StabilitätThermal stability measurements

Die thermogravimetrische Analyse (TGA) wurde verwendet, um die thermische Stabilität von Polybenzimidazol zu untersuchen und um die Reaktion zwischen PBI-FiIm und Schwefelsäure zu verfolgen. In Figur 2 wird der TGA-Scan für einen ungedopten PBI-FiIm in Stickstoff gezeigt. Die Heizgeschwindigkeit betrug 10 °C/min. Der PBI-FiIm verlor Wasser bei etwa 80 0C und war thermischem Abbau bei 550 0C unterworfen. Die TGA von mit etwa 20 mol% Schwefelsäure gedoptem PBI wird in Figur 3 gezeigt. Dieses Ergebnis zeigt einen Wasserverlust bei 100 0C und zeigteThermogravimetric analysis (TGA) was used to investigate the thermal stability of polybenzimidazole and to follow the reaction between PBI film and sulfuric acid. In Figure 2, the TGA scan for an undoped PBI film in nitrogen is shown. The heating rate was 10 °C/min. The PBI film lost water at about 80 0 C and was subjected to thermal degradation at 550 0 C. The TGA of PBI doped with about 20 mol% sulfuric acid is shown in Figure 3. This result shows a water loss at 100 0 C and showed

· · · · 11»» &igr; it &igr; · · · · 11»» &igr; it &igr;

auch zwei weitere Gewichtsverluste, beginnend bei 330 0C und 415 0C. Der erste Verlust bei 330 0C wird der Reaktion der Säure mit BPI, um Sulfonsäuregruppen zu bilden, zugeschrieben, während der zweite Verlust wahrscheinlich aufgrund des Verlustes von SO2 oder SO3 von dem Polymer erfolgt. Der Gewichtsverlust infolge des thermischen Abbaus ist auf 600 °C verschoben gewesen, was zeigt, daß die Reaktion mit der sorbierten Säure die thermische Stabilität des Films verbessert.also two further weight losses starting at 330 0 C and 415 0 C. The first loss at 330 0 C is attributed to the reaction of the acid with BPI to form sulfonic acid groups, while the second loss is probably due to the loss of SO2 or SO3 from the polymer. The weight loss due to thermal degradation has been shifted to 600 °C, indicating that the reaction with the sorbed acid improves the thermal stability of the film.

Figur 4 zeigt die dynamisch-mechanische Spektroskopie eines mit 320 mol% Phosphorsäure gedopten PBI-Films (dieser Film besitzt etwa 50 Gew.% Phosphorsäure). Der Modul bei Raumtemperatur vor dem Erhitzen ist normal für ein glasartiges Polymer. Beim ersten Erhitzen fällt der Modul und erreicht ein Plateau bei etwa 2 &khgr; 109 Pascal. Zwischen 160 und 200 0C fällt der Modul auf etwa &dgr; &khgr; 108 Pascal und erreicht ein Plateau. Beim zweiten Erhitzen war der Modul viel höher (1 &khgr; 1010 Pascal), der bei 150 0C zu fallen beginnt und ein Plateau von 1 &khgr; &Igr;&Ogr;9 Pascal erreicht. Bei Verwendung als Brennstoffzelle wird der PEM-Modul etwa 3 &khgr; &Igr;&Ogr;9 Pascal betragen. Dieser Wert ist etwa 104-mal höher als Nafion bei 150 0C. Die steifere Membran kann dünner gem acht werden ohne Verformung, wenn sie in eine Brennstoffzelle eingesetzt wird. Dünnere Membranen werden einen geringeren elektrischen Widerstand haben und werden folglich effektiver sein.Figure 4 shows the dynamic mechanical spectroscopy of a PBI film doped with 320 mol% phosphoric acid (this film has about 50 wt% phosphoric acid). The modulus at room temperature before heating is normal for a glassy polymer. On the first heating, the modulus drops and reaches a plateau at about 2 × 10 9 Pascal. Between 160 and 200 0 C, the modulus drops to about δ × 10 8 Pascal and reaches a plateau. On the second heating, the modulus was much higher (1 × 10 10 Pascal), which starts to drop at 150 0 C and reaches a plateau of 1 × 10 9 Pascal. When used as a fuel cell, the PEM modulus will be about 3 × 10 9 Pascal. This value is about 10 4 times higher than Nafion at 150 0 C. The stiffer membrane can be made thinner without deformation when used in a fuel cell. Thinner membranes will have lower electrical resistance and will therefore be more effective.

In Figur 5 werden die Polarisations- und Energiedichtekurven für eine PBI-Zelle, die mit Wasserstoff und Sauerstoff bei 150 0C betrieben wird, gezeigt. Die Membran war ein 0,075 mm mit 470 mol% H3PO4 gedopter PBI-FiIm. Die Gase wurden bei sehr niedrigen Niveaus befeuchtet (20 0C Ü2, 48 0C Hi). Diese Tests wurden in einer 1 Quadratzentimeter Mikrobrennstoffzelle mitPlatin auf von Kohlenstoff getragenen Elektroden (0,5 mg Pt/cm2) durchgeführt. In Figur 5A ist die Zellspannung als Funktion des Stroms gezeigt. Die isolierwiderstand-freie (IJR-freie) Kurve stellt die Daten dar, wenn der ohmsche Verlust subtrahiert ist. Die Kurve zeigt die Effizienz der Elektroden (effizienter bei höheren Spannungswerten). Die Energie der Brennstoffzelle ist das Produkt der Spannung und des Stromes und wird in Figur 5C gezeigt. Diese Kurve zeigt eine maximale Energie von etwa 0,25 W/cm2 bei etwa 700 mA/cm2. Dieses Energieniveau ist ziemlich hoch für eine PEM-Brennstoffzelle, wenn man die Betriebstemperatur und den Mangel an starker Gasbefeuchtung be-In Figure 5, the polarization and energy density curves are shown for a PBI cell operating with hydrogen and oxygen at 150 0 C. The membrane was a 0.075 mm PBI film doped with 470 mol% H3PO4. The gases were humidified at very low levels (20 0 C O2, 48 0 C Hi). These tests were performed in a 1 square centimeter micro fuel cell with platinum on carbon supported electrodes (0.5 mg Pt/cm 2 ). In Figure 5A, the cell voltage is shown as a function of current. The insulation resistance-free (IJR-free) curve represents the data when the ohmic loss is subtracted. The curve shows the efficiency of the electrodes (more efficient at higher voltage values). The energy of the fuel cell is the product of the voltage and current and is shown in Figure 5C. This curve shows a maximum energy of about 0.25 W/cm 2 at about 700 mA/cm 2 . This energy level is quite high for a PEM fuel cell, considering the operating temperature and the lack of strong gas humidification.

denkt. Die Kurven in Figur 5B zeigen die einzelnen Kathoden- und Anodenpotentiale, die zeigen, daß ElektrodenspannungsVerluste unter 10 mA/cm2 sehr gering sind. Diese Brennstoffzelle ist nicht optimiert, und die Leistung kann mit der Verwendung dünnerer Membranen und besserer Elektrodenstrukturen verbessert werden. The curves in Figure 5B show the individual cathode and anode potentials, which show that electrode voltage losses are very low, below 10 mA/cm 2 . This fuel cell is not optimized, and performance can be improved with the use of thinner membranes and better electrode structures.

In Figur 6 wird die PoJarisationskurve einer PBI-Brennstoffzelle, die mit einem Methanol: Wasser-Gemisch für den Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel betrieben wird, gezeigt. Die Kathode war 4 mg/cm2 Pt auf Kohlenstoff, während die Anode 1,2 mg/cm2 Pt/Ku-Legierung war. Die Membran war ein 0,075-0,09 mm 450 mol% H3PO4/PBI-FiIm. Zum Vergleich wird auch eine Anode mit Pt-Schwarzkatalysator angegeben. In dieser nicht-optimierten Methanol-Brennstoffzelle, die bei "150 0C betrieben wird, wurde eine Zellspannung von 0,3 Volt bei 100 mA/cm2 erreicht.Figure 6 shows the polarization curve of a PBI fuel cell operating with a methanol:water mixture for the fuel and oxygen as the oxidant. The cathode was 4 mg/cm 2 Pt on carbon, while the anode was 1.2 mg/cm 2 Pt/Ku alloy. The membrane was a 0.075-0.09 mm 450 mol% H 3 PO 4 /PBI film. An anode with Pt black catalyst is also given for comparison. In this non-optimized methanol fuel cell operating at "150 0 C, a cell voltage of 0.3 volts at 100 mA/cm 2 was achieved.

Die Erfindung ist mittels Beispielen beschrieben worden. Offensichtlich werden sich anderen beim Lesen und Verstehen der vorstehenden ausführlichen Beschreibung Änderungen und Abänderungen ergeben. Es ist beabsichtigt, daß die Erfindung so gestaltet ist, daß sie alle Änderungen und Abänderungen insoweit einschließt, wie sie in den Umfang der angefügten Ansprüche oder ihrer Äquivalente fallen.The invention has been described by way of example. Obviously, changes and modifications will occur to others upon reading and understanding the foregoing detailed description. It is intended that the invention be construed to include all changes and modifications insofar as they come within the scope of the appended claims or their equivalents.

Claims (33)

1. Polymere Feststoffelektrolytmembran, die ein protonenleitendes Polymer umfaßt, das bei Temperaturen über 100°C stabil ist. 1. A polymeric solid electrolyte membrane comprising a proton-conducting polymer that is stable at temperatures above 100°C. 2. Polymere Feststoffelektrolytmembran gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes protonenleitendes Polymer ein basisches Polymer ist, das mit einer starken Säure bei einem Säuredopeniveau von zumindest 200 mol% gedopt wurde. 2. A polymeric solid electrolyte membrane according to claim 1, characterized in that said proton-conducting polymer is a basic polymer doped with a strong acid at an acid dope level of at least 200 mol%. 3. Polymere Feststoffelektrolytmembran gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polybenzimidazol, Poly(pyridin), Poly(pyrimidin), Polyimidazolen, Polybenzthiazolen, Polybenzoxazolen, Polyoxadiazolen, Polychinolinen, Polychinoxalinen, Polythiadiazolen, Poly(tetrazapyrenen), Polyoxazolen, Polythiazolen, Polyvinylpyridinen und Polyvinylimidazolen besteht. 3. Polymeric solid electrolyte membrane according to claim 2, characterized in that said basic polymer is selected from the group consisting of polybenzimidazole, poly(pyridine), poly(pyrimidine), polyimidazoles, polybenzthiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinolines, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly(tetrazapyrenes), polyoxazoles, polythiazoles, polyvinylpyridines and polyvinylimidazoles. 4. Polymere Feststoffelektrolytmembran gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(pyrimidinen), Polyimidazolen, Polybenzoxazolen, Poly(pyridinen) und Polybenzimidazolen besteht. 4. Polymeric solid electrolyte membrane according to claim 2, characterized in that said basic polymer is selected from the group consisting of poly(pyrimidines), polyimidazoles, polybenzoxazoles, poly(pyridines) and polybenzimidazoles. 5. Polymere Feststoffelektrolytmembran gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer Polybenzimidazol ist. 5. Polymeric solid electrolyte membrane according to claim 2, characterized in that said basic polymer is polybenzimidazole. 6. Polymere Feststoffelektrolytmembran gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer ein aromatisches Polymer ist. 6. Polymeric solid electrolyte membrane according to claim 2, characterized in that said basic polymer is an aromatic polymer. 7. Polymere Feststoffelektrolytmembran gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte starke Säure aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Schwefelsäure und Phosphorsäure besteht. 7. A polymer solid electrolyte membrane according to claim 2, characterized in that said strong acid is selected from the group consisting of sulfuric acid and phosphoric acid. 8. Polymere Feststoffelektrolytmembran gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes protonenleitendes Polymer ein saures Polymer ist. 8. Polymeric solid electrolyte membrane according to claim 1, characterized in that said proton-conducting polymer is an acidic polymer. 9. Polymere Feststoffelektrolytmembran gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes saures Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sulphonsäurepolymeren, Phosphonsäurepolymeren und Boronsäurepolymeren besteht. 9. A polymeric solid electrolyte membrane according to claim 8, characterized in that said acidic polymer is selected from the group consisting of sulfonic acid polymers, phosphonic acid polymers and boronic acid polymers. 10. Polymere Feststoffelektrolytmembran gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes saures Polymer ein Sulphonsäurepolymer ist. 10. A polymeric solid electrolyte membrane according to claim 8, characterized in that said acidic polymer is a sulfonic acid polymer. 11. Bei hohen Temperaturen protonenleitendes Polymer, das ein basisches Polymer umfaßt, das mit einer starken Säure, die zum Leiten von Protonen bei Temperaturen über 100°C fähig ist, komplexiert wurde. 11. A high temperature proton conducting polymer comprising a basic polymer complexed with a strong acid capable of conducting protons at temperatures above 100°C. 12. Bei hohen Temperaturen protonenleitendes Polymer gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer ein aromatisches Polymer ist. 12. A high temperature proton conducting polymer according to claim 11, characterized in that said basic polymer is an aromatic polymer. 13. Bei hohen Temperaturen protonenleitendes Polymer gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polybenzimidazol, Poly(pyridin), Poly(pyrimidin), Polyimidazolen, Polybenzthiazolen, Polybenzoxazolen, Polyoxadiazolen, Polychinolinen, Polychinoxalinen, Polythiadiazolen, Poly(tetrazapyrenen), Polyoxazolen, Polythiazolen, Polyvinylpyridinen und Polyvinylimidazolen besteht. 13. A high temperature proton conducting polymer according to claim 11, characterized in that said basic polymer is selected from the group consisting of polybenzimidazole, poly(pyridine), poly(pyrimidine), polyimidazoles, polybenzthiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinolines, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly(tetrazapyrenes), polyoxazoles, polythiazoles, polyvinylpyridines and polyvinylimidazoles. 14. Bei holen Temperaturen protonenleitendes Polymer gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(pyrimidinen), Polyimidazolen, Polybenzoxazolen, Poly(pyridinen) und Polybenzimidazolen besteht. 14. A high temperature proton conducting polymer according to claim 11, characterized in that said basic polymer is selected from the group consisting of poly(pyrimidines), polyimidazoles, polybenzoxazoles, poly(pyridines) and polybenzimidazoles. 15. Bei hohen Temperaturen protonenleitendes Polymer gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer Polybenzimidazol ist. 15. A high temperature proton conducting polymer according to claim 11, characterized in that said basic polymer is polybenzimidazole. 16. Bei hohen Temperaturen protonenleitendes Polymer gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß besagte starke Säure aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Schwefelsäure und Phosphorsäure besteht. 16. A high temperature proton conducting polymer according to claim 11, characterized in that said strong acid is selected from the group consisting of sulfuric acid and phosphoric acid. 17. Wasserstoff- oder Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, die (a) eine Anode, (b) eine Kathode und (c) eine Elektromembran aus einem säuregedopten basischen Polymer umfaßt, die Protonen bei Temperaturen über 100°C leitet. 17. A hydrogen or direct methanol fuel cell comprising (a) an anode, (b) a cathode, and (c) an electromembrane made of an acid-doped basic polymer that conducts protons at temperatures above 100°C. 18. Wasserstoff- oder Direkt-Methanol-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß besagte polymere Elektrolytmembran geringe Brennstoffpermeabilität zeigt. 18. A hydrogen or direct methanol fuel cell according to claim 17, characterized in that said polymeric electrolyte membrane exhibits low fuel permeability. 19. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Elektrolyt aus dem säuregedopten basischen Polymer von einem basischen Polymer abstammt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polybenzimidazol, Poly(pyridin), Poly(pyrimidin), Polyimidazolen, Polybenzthiazolen, Polybenzoxazolen, Polyoxadiazolen, Polychinolinen, Polychinoxalinen, Polythiadiazolen, Poly(tetrazapyrenen), Polyoxazolen, Polythiazolen, Polyvinylpyridinen und Polyvinylimidazolen besteht. 19. The direct methanol fuel cell of claim 17, wherein said acid-doped basic polymer electrolyte is derived from a basic polymer selected from the group consisting of polybenzimidazole, poly(pyridine), poly(pyrimidine), polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinolines, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly(tetrazapyrenes), polyoxazoles, polythiazoles, polyvinylpyridines, and polyvinylimidazoles. 20. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(pyrimidinen), Polyimidazolen, Polybenzoxazolen, Poly(pyridinen) und Polybenzimidazolen besteht. 20. The direct methanol fuel cell of claim 17, wherein said basic polymer is selected from the group consisting of poly(pyrimidines), polyimidazoles, polybenzoxazoles, poly(pyridines) and polybenzimidazoles. 21. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Elektrolyt aus dem säuregedopten basischen Polymer von Polybenzimidazol abstammt. 21. Direct methanol fuel cell according to claim 17, characterized in that said electrolyte is derived from the acid-doped basic polymer of polybenzimidazole. 22. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Säure eine starke Säure ist. 22. A direct methanol fuel cell according to claim 17, characterized in that said acid is a strong acid. 23. Direkt-Methanol-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Säure aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Schwefelsäure und Phophorsäure besteht. 23. A direct methanol fuel cell according to claim 17, characterized in that said acid is selected from the group consisting of sulfuric acid and phosphoric acid. 24. Säurebrennstoffzelle, die eine polymere Feststoffelektrolytmembran enthält, die ein säuregedoptes basisches Polymer umfaßt. 24. An acid fuel cell containing a polymeric solid electrolyte membrane comprising an acid-doped basic polymer. 25. Säurebrennstoffzelle gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polybenzimidazol, Poly(pyridin), Poly(pyrimidin), Polyimidazolen, Polybenzthiazolen, Polybenzoxazolen, Polyoxadiazolen, Polychinolinen, Polychinoxalinen, Polythiadiazolen, Poly(tetrazapyrenen), Polyoxazolen, Polythiazolen, Polyvinylpyridinen und Polyvinylimidazolen besteht. 25. The acid fuel cell of claim 24, wherein said basic polymer is selected from the group consisting of polybenzimidazole, poly(pyridine), poly(pyrimidine), polyimidazoles, polybenzothiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinolines, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly(tetrazapyrenes), polyoxazoles, polythiazoles, polyvinylpyridines and polyvinylimidazoles. 26. Säurebrennstoffzelle gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(pyrimidinen), Polyimidazolen, Polybenzoxazolen, Poly(pyridinen) und Polybenzimidazolen besteht. 26. The acid fuel cell of claim 24, wherein said basic polymer is selected from the group consisting of poly(pyrimidines), polyimidazoles, polybenzoxazoles, poly(pyridines) and polybenzimidazoles. 27. Säurebrennstoffzelle gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer Polybenzimidazol ist. 27. An acid fuel cell according to claim 24, characterized in that said basic polymer is polybenzimidazole. 28. Säurebrennstoffzelle gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß besagte polymere Feststoffelektrolytmembran phosphorsäuregedoptes Polybenzimidazol umfaßt. 28. An acid fuel cell according to claim 24, characterized in that said polymeric solid electrolyte membrane comprises phosphoric acid doped polybenzimidazole. 29. Elektrolysezelle, die eine polymere Feststoffelektrolytmembran enthält, die ein säuregedoptes basisches Polymer um faßt. 29. An electrolytic cell containing a polymeric solid electrolyte membrane comprising an acid-doped basic polymer. 30. Elektrolysezelle gemäß Anspruch 299 dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polybenzimidazol, Poly(pyridin), Poly(pyrimidin), Polyimidazolen, Polybenzthiazolen, Polybenzoxazolen, Polyoxadiazolen, Polychinolinen, Polychinoxalinen, Polythiadiazolen, Poly(tetrazapyrenen), Polyoxazolen, Polythiazolen, Polyvinylpyridinen und Polyvinylimidazolen besteht. 30. An electrolytic cell according to claim 299, characterized in that said basic polymer is selected from the group consisting of polybenzimidazole, poly(pyridine), poly(pyrimidine), polyimidazoles, polybenzthiazoles, polybenzoxazoles, polyoxadiazoles, polyquinolines, polyquinoxalines, polythiadiazoles, poly(tetrazapyrenes), polyoxazoles, polythiazoles, polyvinylpyridines and polyvinylimidazoles. 31. Elektrolysezelle gemäß Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(pyrimidinen), Polyimidazolen, Polybenzoxazolen, Poly(pyridinen) und Polybenzimidazolen besteht. 31. Electrolytic cell according to claim 29, characterized in that said basic polymer is selected from the group consisting of poly(pyrimidines), polyimidazoles, polybenzoxazoles, poly(pyridines) and polybenzimidazoles. 32. Elektrolysezelle gemäß Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes basisches Polymer Polybenzimidazol ist. 32. Electrolytic cell according to claim 29, characterized in that said basic polymer is polybenzimidazole. 33. Elektrolysezelle gemäß Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß besagte polymere Feststoffelektrolytmembran phosphorsäuregedoptes Polybenzimidazol umfaßt. 33. An electrolytic cell according to claim 29, characterized in that said polymeric solid electrolyte membrane comprises phosphoric acid doped polybenzimidazole.
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