DE112012001070T5 - Proton-conducting electrolytes with cross-linked copolymer additives for use in fuel cells - Google Patents
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Abstract
Ein protonenleitfähiger Polymer-Elektrolyt, welcher ein protonenleitfähiges Ionomer umfasst, welches mit einer Menge eines Copolymer-Additivs quervernetzt ist, welches quervernetzende funktionelle Gruppen und andere funktionelle Gruppen (zum Beispiel Protonenträger, Chelat-Komplexbildner, Radikalfänger für Radikale) umfasst, zeigt eine verbesserte Haltbarkeit gegenüber dem Ionomer alleine und sorgt für einen stabileren Einschluss dieser anderen funktionellen Gruppen. Das Copolymer-Additiv umfasst wenigstens zwei Arten von Metalloxid-Monomeren, von denen eines quervernetzende funktionelle Gruppen und das andere andere funktionelle Gruppen aufweist.A proton conductive polymer electrolyte comprising a proton conductive ionomer crosslinked with an amount of a copolymer additive comprising crosslinking functional groups and other functional groups (e.g., proton supports, chelating chelants, radical scavengers) exhibits improved durability versus the ionomer alone and provides a more stable inclusion of these other functional groups. The copolymer additive comprises at least two types of metal oxide monomers, one of which has crosslinking functional groups and the other has other functional groups.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft verbesserte protonenleitfähige Polymerelektrolyte für die Verwendung in Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen. Insbesondere betrifft sie Elektrolyte, welche ein Ionomer umfassen, das mit einem Copolymer-Additiv quervernetzt ist, welches sowohl quervernetzende als auch andere nützliche funktionelle Gruppen umfasst.The invention relates to improved proton conductive polymer electrolytes for use in polymer electrolyte fuel cells. In particular, it relates to electrolytes comprising an ionomer crosslinked with a copolymer additive comprising both crosslinking and other useful functional groups.
Beschreibung des verwandten Stands der TechnikDescription of the Related Art
Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen konvertieren Reaktanden, nämlich einen Brennstoff (wie etwa Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (wie etwa Sauerstoff oder Luft), um elektrische Leistung zu erzeugen. Solche Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen eine protonenleitfähige Polymer-Elektrolyt-Membran zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Kathode und einer Anode. Eine Struktur, welche eine protonenleitfähige Polymer-Membran umfasst, welche zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, wird als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet. Die Haltbarkeit der MEA ist eines der wichtigsten Themen für die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen in entweder stationären oder den Verkehr betreffenden Anwendungen. Für mobile Anwendungen wird gefordert, dass die MEA eine Haltbarkeit von etwa 6000 Stunden unter Beweis stellt.Solid polymer electrolyte fuel cells convert reactants, namely a fuel (such as hydrogen) and an oxidant (such as oxygen or air) to produce electrical power. Such fuel cells generally use a proton-conductive polymer electrolyte membrane between two electrodes, namely a cathode and an anode. A structure comprising a proton conductive polymer membrane interposed between two electrodes is referred to as a membrane electrode assembly (MEA). The durability of the MEA is one of the most important topics for the development of fuel cell systems in either stationary or traffic related applications. For mobile applications it is required that the MEA prove a durability of approximately 6000 hours.
Die Membran dient als Trennelement, welches ein Vermischen von Reaktionsgasen verhindert, und als Elektrolyt für den Transport von Protonen von der Anode zur Kathode. Perfluorsulfonsäure(PFSA)-Ionomere, zum Beispiel Nafion®, sind derzeit das bevorzugte Material und der Technologiestandard für Membranen. Nafion® besteht aus einem perfluorierten Rückgrat, welches anhängende Vinylether-Seitenketten trägt, welche mit SO3H enden.The membrane serves as a separator, which prevents mixing of reaction gases, and as an electrolyte for the transport of protons from the anode to the cathode. Perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomers, such as Nafion ®, are currently the preferred material and the technology standard for membranes. Nafion ® consists of a perfluorinated backbone bearing pendant vinyl ether side chains ending in SO 3 H.
Ein Versagen der Membran als ein Elektrolyt hat eine verringerte Leistungsfähigkeit auf Grund eines erhöhten ionischen Widerstands zur Folge, und ein Versagen der Membran als ein Trennelement hat ein Versagen der Brennstoffzelle in Folge der Vermischung von Reaktionsgasen der Anode und der Kathode zur Folge. Der chemische Abbau von PFSA-Membranen während des Brennstoffzellenbetriebs soll über den Angriff von Hydroxyl-(·OH) oder Peroxyl-(·OOH) radikalischen Spezies auf schwache Gruppen (wie etwa ein Carboxylsäuregruppe) in der molekularen Kette des Ionomers vor sich gehen. Die freien Radikale können durch die Zersetzung von Wasserstoffperoxid mit Verunreinigungen (wie etwa Fe2+) in einer Art Fenton-Reaktion erzeugt werden. In Brennstoffzellen kann Wasserstoffperoxid entweder an auf Ruß geträgertem Pt in den Katalysatorschichten oder während der Reduktionsreaktion des Sauerstoffs gebildet werden. Das Hydroxyl-Radikal greift die instabilen Endgruppen des Polymers an und bewirkt ein Koppeln von Ketten und/oder kann auch eine SO3 –-Gruppe unter trockenen Bedingungen angreifen, um eine Kettenspaltung zu bewirken. Beide Angriffe bauen die Membran ab und führen gegebenenfalls zu einer Rissbildung in der Membran, einem Ausdünnen oder der Ausbildung von Nadellöchern. Die Abbaurate der Membran wird mit einer Zunahme der Betriebstemperatur und mit einer Abnahme der relativen Feuchte (RH) des Gases am Einlass erheblich beschleunigt.Failure of the membrane as an electrolyte results in reduced performance due to increased ionic resistance, and failure of the membrane as a separator results in failure of the fuel cell due to mixing reaction gases of the anode and the cathode. The chemical degradation of PFSA membranes during fuel cell operation is said to occur via the attack of hydroxyl (· OH) or peroxyl (· OOH) radical species on weak groups (such as a carboxylic acid group) in the molecular chain of the ionomer. The free radicals can be generated by the decomposition of hydrogen peroxide with impurities (such as Fe 2+ ) in a kind of Fenton reaction. In fuel cells, hydrogen peroxide can be formed either on carbon black-supported Pt in the catalyst layers or during the reduction reaction of the oxygen. The hydroxyl radical attacks the unstable end groups of the polymer and causes coupling of chains and / or can also attack an SO 3 - group under dry conditions to effect chain scission. Both attacks degrade the membrane and possibly lead to cracking in the membrane, thinning or the formation of pinholes. The degradation rate of the membrane is significantly accelerated with an increase in operating temperature and a decrease in the relative humidity (RH) of the gas at the inlet.
Zahlreiche Modifikationen und/oder Additive für den Membran-Elektrolyten wurden für Zwecke der Verbesserung der Leistungsfähigkeit und/oder der Haltbarkeit der Membran studiert. Zum Beispiel offenbart die
In der
Das Quervernetzen der Elektrolytmembranen verbessert im Allgemeinen die Haltbarkeit. In der
In der
Des Weiteren beschreibt die
Die
Die
Die
Viele verschiedene funktionelle Gruppen können ebenfalls aus verschiedenen Gründen in die protonenleitfähigen Elektrolyte integriert sein. Die
In der Tat können all die vorgenannten empfohlenen Veränderungen und Additive an einem oder mehreren der folgenden Probleme leiden: verringerte Protonenleitfähigkeit des Elektrolyten, unzureichende Haltbarkeit der Membran, oder Additive, welche während des Betriebs der Brennstoffzelle mit der Zeit aus dem Elektrolyten ausgewaschen werden. Demgemäß verbleibt ein Bedarf nach verbesserten Elektrolyten für MEAs in Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und liefert weitere verwandte Vorteile.In fact, all of the aforementioned recommended changes and additives may suffer from one or more of the following problems: decreased proton conductivity of the electrolyte, insufficient durability of the membrane, or additives that are washed out of the electrolyte over time during operation of the fuel cell. Accordingly, there remains a need for improved electrolytes for MEAs in polymer electrolyte fuel cells. The present invention fulfills this need and provides other related advantages.
ZusammenfassungSummary
Protonenleitfähige Elektrolyte mit einer verbesserten Haltbarkeit und anderen wünschenswerten Merkmalen können durch ein Quervernetzen bestimmter Copolymer-Additive mit geeigneten protonenleitfähigen Basis-Ionomeren erhalten werden. Die Copolymer-Additive umfassen sowohl quervernetzende funktionelle Gruppen und andere funktionelle Gruppen, welche dem Elektrolyten zusätzliche wünschenswerte Eigenschaften verleihen können. Die anderen funktionellen Gruppen umfassen Protonenträger, mit Metall einen Chelat-Komplex bildende Gruppen und Radikalfänger für Radikale. Das protonenleitfähige Ionomer und das Copolymer sind an den quervernetzenden funktionellen Gruppen des Copolymers aneinander gebunden. Dieses Quervernetzen oder Verbinden verleiht Haltbarkeit und allgemein verbesserte mechanische Eigenschaften, wobei es auch dazu dient, die anderen funktionellen Gruppen verlässlicher anzuhängen und so zu verhindern, dass diese mit der Zeit ausgewaschen werden. Der Elektrolyt kann andere Polymere oder Ionomere enthalten, aber basische Ionomere können in wünschenswerter Weise ausgeschlossen sein.Proton conductive electrolytes having improved durability and other desirable features can be obtained by crosslinking certain copolymer additives with suitable proton conductive base ionomers. The copolymer additives include both crosslinking functional groups and other functional groups which can impart additional desirable properties to the electrolyte. The other functional groups include proton carriers, chelated metal-forming groups, and radical scavengers for radicals. The proton conductive ionomer and the Copolymer are bonded to each other at the crosslinking functional groups of the copolymer. This crosslinking or bonding provides durability and generally improved mechanical properties, while also serving to more reliably attach the other functional groups so as to prevent them from being washed out over time. The electrolyte may contain other polymers or ionomers, but basic ionomers may desirably be excluded.
Die Copolymer-Additive umfassen speziell ein polymerisiertes Netzwerk einer Mehrzahl von Metalloxid-Monomeren mit quervernetzenden funktionellen Gruppen und einer Mehrzahl von Metalloxid-Monomeren mit anderen funktionellen Gruppen in einer zufälligen Abfolge. Das polymerisierte Netzwerk ist durch eine abwechselnde Aufeinanderfolge von Sauerstoffbindungen und Metallbindungen gekennzeichnet.The copolymer additives specifically comprise a polymerized network of a plurality of metal oxide monomers having crosslinking functional groups and a plurality of metal oxide monomers having other functional groups in a random sequence. The polymerized network is characterized by an alternating sequence of oxygen bonds and metal bonds.
Die Metalloxid-Monomere mit quervernetzenden funktionellen Gruppen umfassen:
ein erstes Metall, welches mit wenigstens zwei Sauerstoffatomen verbunden ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Si, Ti, Zr, Ce, Ta und Cr besteht, und
quervernetzende funktionelle Gruppen, welche mit dem ersten Metall verbunden sind und eine funktionelle Endgruppe aufweisen, welche Stickstoff oder Sauerstoff enthält und durch eine chemische Struktur gekennzeichnet ist, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus: -NH2, =NH, -(aliphatisch)-OH oder -(Aryl)-OH, wobei R eine Kohlenwasserstoffgruppe ist, besteht.The metal oxide monomers having crosslinking functional groups include:
a first metal bonded to at least two oxygen atoms and selected from the group consisting of Si, Ti, Zr, Ce, Ta and Cr, and
crosslinking functional groups bonded to the first metal and having a functional end group containing nitrogen or oxygen and characterized by a chemical structure selected from the group consisting of: -NH 2 , = NH, - (aliphatic ) -OH or - (aryl) -OH, where R is a hydrocarbon group.
Die Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen umfassen:
ein zweites Metall, welches mit wenigstens zwei Sauerstoffatomen verbunden ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Si, Ti, Zr, Ce, Ta und Cr besteht und
andere funktionelle Gruppen, welche mit dem zweiten Metall verbunden sind und aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus:
- i) Protonen tragenden funktionellen Gruppen, welche eine funktionelle Endgruppe umfassen, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus -PO3H2, -COOH, -SO3H und -SO2NHSO2CF3 besteht,
- ii) mit Metall einen Chelat-Komplex bildenden funktionellen Gruppen, welche eine funktionelle Endgruppe aufweisen, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Phosphonsäure, Bipyridin, Phenanthrolin und dergleichen und Derivaten davon besteht, und
- iii) funktionellen Radikalfängergruppen für freie Radikale, welche eine funktionelle Endgruppe aufweisen, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Aminophenyl, Hydroxyphenyl und dergleichen und Derivaten davon besteht,
a second metal bonded to at least two oxygen atoms and selected from the group consisting of Si, Ti, Zr, Ce, Ta and Cr, and
other functional groups connected to the second metal and selected from the group consisting of:
- i) proton-bearing functional groups comprising a functional end group selected from the group consisting of -PO 3 H 2 , -COOH, -SO 3 H and -SO 2 NHSO 2 CF 3 ,
- ii) metal-chelating complex-forming functional groups having a functional end group selected from the group consisting of phosphonic acid, bipyridine, phenanthroline and the like and derivatives thereof, and
- iii) free radical functional radical scavenger groups having a functional end group selected from the group consisting of aminophenyl, hydroxyphenyl and the like and derivatives thereof,
Die ersten und zweiten Metalle in den beiden Arten von Monomeren können zweckmäßig das selbe Metall sein und können insbesondere Si sein. Solche Copolymere haben daher ein Silizium-Sauerstoff-Rückgrat (backbone).The first and second metals in the two types of monomers may suitably be the same metal and may be Si in particular. Such copolymers therefore have a silicon-oxygen backbone.
Die quervernetzenden funktionellen Gruppen können des Weiteren eine chemische Struktur der Form -X-(Endgruppe) haben, wobei X eine lineare Kette ist, welche eine Anzahl an CH2-, O-, NH- oder Aryl-Gruppen in zufälliger Abfolge aufweist. Wie in den Beispielen unten aufgezeigt, können die quervernetzenden funktionellen Gruppen insbesondere -(CH2)2-NH2, -Phenyl-NH2 oder -(CH2)3-(1H-Benzimidazol-2-yl) sein.The crosslinking functional groups may further have a chemical structure of the form -X- (end group), where X is a linear chain having a number of CH 2 , O, NH or aryl groups in random order. As shown in the examples below, the crosslinking functional groups may in particular be - (CH 2 ) 2 -NH 2 , -phenyl-NH 2 or - (CH 2 ) 3 - (1H-benzimidazol-2-yl).
Die anderen funktionellen Gruppen können Protonen tragende funktionelle Gruppen sein, welche eine Endgruppe aufweisen, welche aus der Gruppe auswählt ist, welche aus PO3H2, -COOH, -SO3H2 und -SO2NHSO2CF3 besteht. Diese Protonen tragenden funktionellen Gruppen können eine chemische Struktur der Form -Y-(Endgruppe) haben, wobei Y eine lineare Kette ist, welche eine Anzahl an CH2-, CF2- oder Aryl-Gruppen in zufälliger Abfolge umfasst. Wie wiederum in den Beispielen unten aufgezeigt, können die Protonen tragenden funktionellen Gruppen insbesondere -(CH2)2-PO3H2 sein. Des Weiteren kann das Verhältnis der quervernetzenden funktionellen Gruppen zu den Protonen tragenden funktionellen Gruppen in dem Copolymer bei von etwa 1:9 bis 3:7 liegen.The other functional groups may be proton-bearing functional groups having an end group selected from the group consisting of PO 3 H 2 , -COOH, -SO 3 H 2 and -SO 2 NHSO 2 CF 3 . These proton-bearing functional groups can have a chemical structure Y is a linear chain comprising a number of CH 2 , CF 2 or aryl groups in random order. Again, as shown in the examples below, the proton-bearing functional groups may be, in particular, - (CH 2 ) 2 -PO 3 H 2 . Furthermore, the ratio of crosslinking functional groups to proton-bearing functional groups in the copolymer can be from about 1: 9 to 3: 7.
Mehr als eine Art von funktionellen Gruppen können in den Copolymer-Additiven eingesetzt werden. Zum Beispiel kann das polymerisierte Netzwerk wenigstens zwei verschiedene Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen umfassen, wie etwa sowohl eine Mehrzahl von Metalloxid-Monomeren mit Protonen tragenden funktionellen Gruppen und eine Mehrzahl von Metalloxid-Monomeren mit funktionellen Radikalfängergruppen für frei Radikale. Beispielhafte funktionelle Radikalfängergruppen für freie Radikale sind -3-Nitro-4-Aminophenyl.More than one kind of functional groups can be used in the copolymer additives. For example, the polymerized network may comprise at least two different metal oxide monomers having other functional groups, such as both a plurality of metal oxide monomers having proton-bearing functional groups and a plurality of free-radical functional radical scavenger metal oxide monomers. Exemplary functional radical scavenger groups for free radicals are -3-nitro-4-aminophenyl.
Das protonenleitfähige Basis-Ionomer kann Sulfonsäuregruppen umfassen und insbesondere ein Perfluorsulfonsäure-Ionomer sein. Eine effektive Menge des Copolymer-Additivs in dem Ionomer kann bei von etwa 5 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent des Elektrolyten liegen.The proton conductive base ionomer may comprise sulfonic acid groups and, in particular, be a perfluorosulfonic acid ionomer. An effective amount of the copolymer additive in the ionomer may be from about 5 percent to 10 percent by weight of the electrolyte.
Die Elektrolyte gemäß der Erfindung sind geeignet für die Verwendung in Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen. Zusammen mit einer verbesserten Haltbarkeit und verbesserten mechanischen und chemischen Eigenschaften kann die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle unter bestimmten Betriebsbedingungen sogar verbessert werden, wie etwa wenn sie bei Temperaturen größer als 95°C und einer relativen Feuchte von weniger als 50% RH betrieben wird.The electrolytes according to the invention are suitable for use in solid polymer electrolyte fuel cells. Along with improved durability and improved mechanical and chemical properties, the performance of the fuel cell may even be improved under certain operating conditions, such as when operating at temperatures greater than 95 ° C and a relative humidity of less than 50% RH.
Die Elektrolyte können hergestellt werden, indem eine Menge des Copolymers mit einer Menge des protonenleitfähigen Ionomers gemischt wird, und dann die Mischung erhitzt wird, so dass das Copolymer sich mit dem protonenleitfähigen Ionomer verbindet. Mehrere verschiedene Abfolgen könnten bei der Herstellung verwendet werden.The electrolytes may be prepared by mixing an amount of the copolymer with an amount of the proton conductive ionomer and then heating the mixture such that the copolymer combines with the proton conductive ionomer. Several different sequences could be used in the manufacture.
Ein möglicher Ansatz umfasst das Herstellen des Copolymers, das Hinzufügen des Copolymers zu einer Dispersion, welche das protonenleitfähig Ionomer umfasst, das Entfernen von Lösungsmittel aus der Dispersion und so das Bereitstellen eines festen Gemisches des Copolymers und des protonenleitfähigen Ionomers und dann das Erhitzen der Mischung.One possible approach involves making the copolymer, adding the copolymer to a dispersion comprising the proton conductive ionomer, removing solvent from the dispersion, and thus providing a solid mixture of the copolymer and the proton conductive ionomer, and then heating the mixture.
Ein anderer möglicher Ansatz umfasst das Hinzufügen des Metalloxid-Monomers mit quervernetzenden funktionellen Gruppen und des Metalloxid-Monomers mit anderen funktionellen Gruppen zu einer Dispersion, welche das protonenleitfähige Ionomer umfasst, wobei so das Copolymer in situ in der Dispersion hergestellt wird, das Entfernen von Lösungsmittel aus der Dispersion und so das Bereitstellen eines festen Gemisches des Copolymers und des protonenleitfähigen Ionomers und dann das Erhitzen der Mischung.Another possible approach involves adding the metal oxide monomer having crosslinking functional groups and the metal oxide monomer having other functional groups to a dispersion comprising the proton conductive ionomer, thereby preparing the copolymer in situ in the dispersion, removing solvent from the dispersion, and thus providing a solid mixture of the copolymer and the proton conductive ionomer and then heating the mixture.
Noch ein weiterer Ansatz umfasst das Herstellen des Copolymers, das Hinzufügen des Copolymers zu einer Dispersion, welche einen Vorläufer für das protonenleitfähige Ionomer umfasst, das Entfernen von Lösungsmittel aus der Dispersion und so das Bereitstellen eines festen Gemisches des Copolymers und des Vorläufers, das Erhitzen der Mischung und dann das Konvertieren des Vorläufers in das protonenleitfähige Ionomer.Yet another approach involves making the copolymer, adding the copolymer to a dispersion comprising a precursor to the proton conductive ionomer, removing solvent from the dispersion, and thus providing a solid mixture of the copolymer and the precursor, heating the Mixing and then converting the precursor into the proton conductive ionomer.
Das Copolymer kann hergestellt werden, indem eine Lösung hergestellt wird, welche die Metalloxid-Monomere mit quervernetzenden funktionellen Gruppen und die Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen umfasst, das Erhitzen der Lösung auf eine Reaktionstemperatur (zum Beispiel mehr als oder etwa 50°C) während einer Zeitspanne (zum Beispiel mehr als oder etwa 3 Tage) und so das Ausbilden des Copolymers in Lösung.The copolymer may be prepared by preparing a solution comprising the metal oxide monomers having crosslinking functional groups and the metal oxide monomers having other functional groups, heating the solution to a reaction temperature (for example, greater than or about 50 ° C). during a period of time (for example, more than or about 3 days) and so forming the copolymer in solution.
In dem Verfahren können die Metalloxid-Monomere mit quervernetzenden funktionellen Gruppen hergestellt werden, indem nicht-hydrolysierte Metalloxid-Monomere mit quervernetzenden funktionellen Gruppen hydrolysiert werden. Beispielhafte nicht-hydrolysierte Metalloxid-Monomere mit quervernetzenden funktionellen Gruppen umfassen 3-Aminopropyl-Trimethoxysilan, Aminophenyl-Trimethoxysilan oder 3-(1H-Benzimidazol-2-yl)Propyl-Trimethoxysilan.In the process, the metal oxide monomers having crosslinking functional groups can be prepared by hydrolyzing unhydrolyzed metal oxide monomers having crosslinking functional groups. Exemplary unhydrolyzed metal oxide monomers having crosslinking functional groups include 3-aminopropyltrimethoxysilane, aminophenyltrimethoxysilane or 3- (1H-benzimidazol-2-yl) propyltrimethoxysilane.
Des Weiteren können die Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen hergestellt werden, indem nicht-hydrolysierte Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen hydrolysiert werden. Beispielhafte nicht-hydrolysierte Metalloxide-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen umfassen (2-Diethylphosphatoethyl)Triethoxysilan und 3-Nitro-4-Amino-Phenyltriethoxysilan.Further, the metal oxide monomers having other functional groups can be prepared by hydrolyzing unhydrolyzed metal oxide monomers having other functional groups. Exemplary non-hydrolyzed metal oxide monomers having other functional groups include (2-diethylphosphatoethyl) triethoxysilane and 3-nitro-4-amino-phenyltriethoxysilane.
Im Hinblick auf beide Arten an Metalloxid-Monomeren können der Schritt des Hydrolysierens und der Herstellung des Copolymers in derselben Lösung durchgeführt werden.With regard to both kinds of metal oxide monomers, the step of hydrolyzing and producing the copolymer can be carried out in the same solution.
Die Erfindung umfasst protonenleitfähige Polymer-Elektrolyte, Brennstoffzellen, welche solche Elektrolyte umfassen (wie etwa in der Membran oder Katalysatorschichten) und Verfahren zum Herstellen solcher Verbund-Elektrolyte und Brennstoffzellen.The invention includes proton conductive polymer electrolytes, fuel cells comprising such electrolytes (such as in the membrane or catalyst layers), and methods of making such composite electrolytes and fuel cells.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sind mit Bezug auf die angehängten Figuren und die folgende ausführliche Beschreibung ersichtlich.These and other aspects of the invention will become apparent with reference to the attached figures and the following detailed description.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:Brief description of the drawings:
Ausführliche BeschreibungDetailed description
Photonenleitfähige Elektrolyte mit verbesserter Haltbarkeit und anderen wünschenswerten Merkmalen können erhalten werden, indem bestimmte Copolymer-Additive mit geeigneten protonenleitfähigen Basis-Ionomeren verbunden werden. Die Copolymer-Additive umfassen sowohl quervernetzende funktionelle Gruppen als auch andere funktionelle Gruppen, welche für verschiedene andere Zwecke nützlich sind. Das protonenleitfähige Ionomer und das Copolymer sind an den quervernetzenden funktionellen Gruppen des Copolymers miteinander verbunden.Photonic conductive electrolytes with improved durability and other desirable features can be obtained by combining certain copolymer additives with suitable proton conductive base ionomers. The copolymer additives include both crosslinking functional groups and other functional groups which are useful for various other purposes. The proton conductive ionomer and the copolymer are linked together at the crosslinking functional groups of the copolymer.
Vorliegend bezieht sich „protonenleitfähiges Ionomer” auf säurehaltige Ionomere, welche durch eine bedeutende Fähigkeit der Protonenleitung gekennzeichnet sind (und so keine basischen Ionomere umfassen). Und im Hinblick auf das Copolymer und das Ionomer, welche „miteinander verbunden” sind, bedeutet dies, dass die beiden entweder kovalent gebunden oder miteinander Säure-Base-komplexiert verbunden sind.As used herein, "proton-conductive ionomer" refers to acidic ionomers characterized by significant proton conduction capability (and thus not including basic ionomers). And with regard to the copolymer and the ionomer, which are "bonded together", this means that the two are either covalently bonded or acid-base complexed together.
Die chemische Struktur eines geeigneten Copolymers ist beispielhaft in
Die Metalle in beiden Arten der Monomere sind mit wenigstens zwei Sauerstoffatomen verbunden und so in der Lage, ein ausgedehntes polymerisches Netzwerk zu bilden. Obwohl dies nicht in
Die quervernetzenden funktionellen Gruppen R1 in den Metalloxid-Monomeren mit quervernetzenden funktionellen Gruppen sind mit den Metallen M1 verbunden. Die verschiedenen quervernetzenden funktionellen Gruppen, welche hier in Betracht gezogen werden können, umfassen eine funktionelle Endgruppe, welche Stickstoff oder Sauerstoff enthält, und sind gekennzeichnet durch eine chemische Struktur, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus -NH2, =NH, -(aliphatisch)-OH oder -(Aryl)-OH, wobei R eine Kohlenwasserstoffgruppe ist, besteht. Die quervernetzenden funktionellen Gruppen können des Weiteren eine chemische Struktur der Form -X-(Endgruppe) aufweisen, wobei X eine lineare Kette ist, welche eine Anzahl an CH2-, O-, NH- oder Aryl-Gruppen in zufälliger Abfolge umfasst. Die quervernetzenden funktionellen Gruppen -(CH2)2-NH2, -Phenyl-NH2 und -(CH2)3-(1H-Benzimidazol-2-yl) haben sich in den folgenden Beispielen als geeignet erwiesen. Weil das Copolymer sich mit dem protonenleitfähigen Ionomer entweder über kovalente Bindungen oder Säure-Base-Komplexierung verbinden kann, umfassen die quervernetzenden funktionellen Gruppen Gruppen wie etwa Amino-, Hydroxy-, Pyridin, Imidazol und Benzimidazol. The crosslinking functional groups R 1 in the metal oxide monomers having crosslinking functional groups are bonded to the metals M 1 . The various cross-linking functional groups which may be considered herein include a functional end group containing nitrogen or oxygen and are characterized by a chemical structure selected from the group consisting of -NH 2 , = NH, - (aliphatic) -OH or - (aryl) -OH, where R is a hydrocarbon group. The crosslinking functional groups may further have a chemical structure of the form -X- (end group), where X is a linear chain comprising a number of CH 2 , O, NH or aryl groups in random order. The crosslinking functional groups - (CH 2 ) 2 -NH 2 , -phenyl-NH 2 and - (CH 2 ) 3 - (1H-benzimidazol-2-yl) have been found to be useful in the following examples. Because the copolymer can combine with the proton conductive ionomer through either covalent bonding or acid-base complexation, the crosslinking functional groups include groups such as amino, hydroxy, pyridine, imidazole, and benzimidazole.
Die funktionellen Gruppen R2 und R2' in den Metalloxid-Monomeren mit anderen funktionellen Gruppen sind mit den Metallen M2 verbunden. Die anderen funktionellen Gruppen, welche hier in Betracht gezogen werden können, fallen in eine von drei verschiedenen Arten: Protonenträger, mit Metall einen Chelat-Komplex bildende und/oder funktionelle Radikalfänger-Gruppen für freie Radikale.The functional groups R 2 and R 2 'in the metal oxide monomers having other functional groups are linked to the metals M 2 . The other functional groups that can be considered here fall into one of three different types: proton carriers, chelated metal-forming and / or functional free-radical scavenger groups.
Geeignete Protonen tragende funktionelle Gruppen umfassen eine Endgruppe, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus -PO3H2, -COOH, -SO3H und -SO2NHSO2CF3 besteht. Diese Protonen tragenden funktionellen Gruppen können eine chemische Struktur der Form -Y-(Endgruppe) haben, in welcher Y eine lineare Kette ist, welche eine Anzahl an CH2-, CF2- oder Aryl-Gruppen in zufälliger Abfolge umfasst. (Eine CF2-Perfluorstruktur kann bevorzugt sein, da die starke, Elektronen entziehende Kraft der Perfluor-Einheiten die Azidität der Protonen tragenden Endgruppe erhöht und dadurch die Protonenleitfähigkeit des endgültigen Elektrolyten erhöht.) Die Protonen tragende funktionelle Gruppe -(CH2)2-PO3H2 wurde in den folgenden Beispielen erfolgreich verwendet. Allgemein wird erwartet, dass funktionelle Sulfonsäuregruppen eine höhere Protonenleitfähigkeit mit sich bringen als funktionelle Phosphonsäuregruppen oder Carboxylsäuregruppen. Jedoch dient eine funktionelle Phosphonsäuregruppe auch als guter Chelat-Komplexbildner für Metallionen und kann hier mehr als einem Zweck dienen.Suitable proton-bearing functional groups include an end group selected from the group consisting of -PO 3 H 2 , -COOH, -SO 3 H, and -SO 2 NHSO 2 CF 3 . These proton-bearing functional groups may have a chemical structure of the form -Y- (end group) in which Y is a linear chain comprising a number of CH 2 , CF 2 or aryl groups in random order. (A CF 2 perfluoro structure may be preferred because the strong electron withdrawing power of the perfluoro units increases the acidity of the proton-bearing end group and thereby increases the proton conductivity of the final electrolyte.) The Proton-bearing Functional Group - (CH 2 ) 2 - PO 3 H 2 was successfully used in the following examples. Generally, it is expected that sulfonic acid functional groups bring about higher proton conductivity than phosphonic acid functional groups or carboxylic acid groups. However, a functional phosphonic acid group also serves as a good chelating agent for metal ions and can serve more than one purpose.
Geeignete mit Metallen einen Chelat-Komplex bildende funktionelle Gruppen umfassen eine funktionelle Endgruppe, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Phosphonsäure, Bipyridin, Phenanthrolin und dergleichen und Derivaten davon besteht.Suitable chelated metal-forming functional groups include a functional end group selected from the group consisting of phosphonic acid, bipyridine, phenanthroline and the like and derivatives thereof.
Geeignete funktionelle Radikalfängergruppen für freie Radikale umfassen eine funktionelle Endgruppe, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Aminophenyl, Hydroxyphenyl und dergleichen und Derivaten davon besteht. Die funktionelle Radikalfängergruppe 3-Nitro-4-Aminophenyl wurde in den folgenden Beispielen für geeignet befunden.Suitable free radical functional scavenger groups include a functional end group selected from the group consisting of aminophenyl, hydroxyphenyl and the like and derivatives thereof. The functional radical scavenger group 3-nitro-4-aminophenyl was found suitable in the following examples.
Mehr als eine Art an anderen funktionellen Gruppen (das heißt, wobei R2 nicht dasselbe ist wie R2' in
Auch kann es, obwohl die beiden Metalle M1, M2 in den verschiedenen Monomeren unterschiedlich sein können, für diese vorteilhaft sein, dieselben zu sein. Si ist zum Beispiel ein bevorzugtes Metall für beide Arten des Monomers. Also, although the two metals M 1 , M 2 may be different in the different monomers, it may be advantageous for them to be the same. For example, Si is a preferred metal for both types of monomer.
Zusammen mit den zahlreichen Auswahlmöglichkeiten für die Arten der funktionellen Gruppen in dem Copolymer können auch die relativen Mengen dieser verschiedenen funktionellen Gruppen weitgehend entsprechend den gewünschten Eigenschaften variiert werden.Along with the numerous choices for the types of functional groups in the copolymer, the relative amounts of these various functional groups can also be varied widely according to the desired properties.
Ein protonenleitfähiger Elektrolyt gemäß der Erfindung umfasst ein protonenleitfähiges Ionomer und das oben beschriebene Copolymer. Ein Teil der Struktur des Elektrolyts ist beispielhaft in den
Die Menge des in dem Elektrolyten zu verwendenden Copolymer-Additivs hängt von mehreren Faktoren ab. Bevorzugt wird eine minimale Menge des Additivs verwendet, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten. Ein üblicher Bereich könnte bei von etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent liegen, obwohl Mengen außerhalb dieses Bereichs sicherlich in Betracht gezogen werden können.The amount of copolymer additive to be used in the electrolyte depends on several factors. Preferably, a minimum amount of the additive is used to obtain the desired results. A typical range could be from about 5 to 10 weight percent, although amounts outside this range can certainly be considered.
Wenn er als ein Elektrolyt in Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen verwendet wird, sorgt der Elektrolyt gemäß der Erfindung für eine verbesserte Haltbarkeit gegenüber dem Ionomer alleine und auch für andere Vorteile. Obwohl er in erster Linie für die Verwendung als der Membran-Elektrolyt in solchen Brennstoffzellen vorgesehen ist, kann der erfindungsgemäße Elektrolyt auch für eine anderweitige Verwendung in Betracht gezogen werden, zum Beispiel in einer Katalysatorschicht für entweder die Kathode oder die Anode oder in einer Beschichtung in den Gasdiffusionslagen oder Elektroden.When used as an electrolyte in solid polymer electrolyte fuel cells, the electrolyte according to the invention provides improved durability over the ionomer alone and also for other benefits. Although intended primarily for use as the membrane electrolyte in such fuel cells, the electrolyte of the invention may also be considered for alternative use, for example in a catalyst layer for either the cathode or the anode or in a coating in FIG the gas diffusion layers or electrodes.
Der Elektrolyt gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Arten hergestellt werden. Ein allgemeines Verfahren umfasst das Mischen einer Menge des Copolymers mit einer Menge des protonenleitfähigen Ionomers und dann das Erhitzen der Mischung derart, dass das Copolymer sich mit dem protonenleitfähigen Ionomer verbindet. Ein Ansatz um dies zu bewerkstelligen umfasst das Herstellen des Copolymers, das Hinzufügen des Copolymers zu einer Dispersion, welche das protonenleitfähige Ionomer enthält und das Entfernen von Lösungsmittel aus der Dispersion, um ein festes Gemisch des Copolymers und des protonenleitfähigen Ionomers bereitzustellen. Das feste Gemisch wird dann erhitzt, um die Herstellung abzuschließen.The electrolyte according to the invention can be produced in various ways. One general method involves blending an amount of the copolymer with an amount of the proton conductive ionomer and then heating the blend such that the copolymer combines with the proton conductive ionomer. One approach to accomplish this includes preparing the copolymer, adding the copolymer to a dispersion containing the proton conductive ionomer, and removing solvent from the dispersion to provide a solid mixture of the copolymer and the proton conductive ionomer. The solid mixture is then heated to complete the preparation.
Ein anderer möglicher Ansatz umfasst das Herstellen des Copolymers in situ in einer Dispersion mit dem protonenleitfähigen Ionomer. Hier können zum Beispiel die Metalloxid-Monomere mit quervernetzenden funktionellen Gruppen und die Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen zu einer Dispersion hinzugefügt werden, welche das protonenleitfähige Ionomer umfasst. Das Lösungsmittel wird dann aus der Dispersion entfernt und so ein festes Gemisch des Copolymers und des protonenleitfähigen Ionomers bereitgestellt. Und das feste Gemisch wird dann erhitzt, um die Herstellung abzuschließen.Another possible approach involves making the copolymer in situ in a dispersion with the proton conductive ionomer. Here, for example, the metal oxide monomers having crosslinking functional groups and the metal oxide monomers having other functional groups may be added to a dispersion comprising the proton conductive ionomer. The solvent is then removed from the dispersion to provide a solid mixture of the copolymer and the proton conductive ionomer. And the solid mixture is then heated to complete the production.
Noch ein weiterer Ansatz umfasst zuerst das Herstellen des Copolymers, das Hinzufügen des Copolymers zu einer Dispersion, welche einen Vorläufer des protonenleitfähigen Ionomers umfasst, und das Entfernen von Lösungsmittel aus der Lösung und so das Bereitstellen eines festen Gemisches des Copolymers und des Vorläufers. Die Mischung wird dann erhitzt, um die Quervernetzungsreaktion abzuschließen und dann gefolgt von einer Säurebehandlung, um den Vorläufer in das protonenleitfähige Ionomer zu konvertieren.Yet another approach involves first preparing the copolymer, adding the copolymer to a dispersion comprising a precursor of the proton conductive ionomer, and removing solvent from the solution to provide a solid mixture of the copolymer and the precursor. The mixture is then heated to complete the cross-linking reaction and then followed by acid treatment to convert the precursor to the proton conductive ionomer.
In dem oben Stehenden sind daher die Copolymer-Additive bevorzugt in Wasser, Alkohol oder Säure löslich. Bestimmte wünschenswerte Copolymere können im Handel erhalten werden. Alternativ kann ein gewünschtes Copolymer hergestellt werden, indem eine Lösung hergestellt wird, welche geeignete Metalloxid-Monomere mit quervernetzenden funktionellen Gruppen und geeignete Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen umfasst, und diese Lösung während einer Zeitspanne auf eine Reaktionstemperatur erhitzt wird, um das Copolymer in der Lösung zu bilden.In the above, therefore, the copolymer additives are preferably soluble in water, alcohol or acid. Certain desirable copolymers can be obtained commercially. Alternatively, a desired copolymer may be prepared by preparing a solution comprising suitable metal oxide monomers having crosslinking functional groups and suitable metal oxide monomers having other functional groups, and heating this solution to a reaction temperature over a period of time to form the copolymer in to form the solution.
Die Metalloxid-Monomere mit quervernetzenden funktionellen Gruppen, welche in solch einem Verfahren verwendet werden, können durch Hydrolysieren von nicht-hydrolysierten Metalloxid-Monomeren mit quervernetzenden funktionellen Gruppen hergestellt werden. Beispielhafte nicht-hydrolysierte Metalloxid-Monomere mit quervernetzenden funktionellen Gruppen umfassen 3-Aminopropyl-Trimethoxysilan, Aminophenyltrimethoxysilan oder 3-(1H-Benzimidazol-2yl)Propyl-Trimethoxysilan. The metal oxide monomers having crosslinking functional groups used in such a process can be prepared by hydrolyzing unhydrolyzed metal oxide monomers having crosslinking functional groups. Exemplary unhydrolyzed metal oxide monomers having crosslinking functional groups include 3-aminopropyltrimethoxysilane, aminophenyltrimethoxysilane or 3- (1H-benzimidazol-2yl) propyltrimethoxysilane.
Des Weiteren können die Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen durch Hydrolysieren nicht-hydrolysierter Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen hergestellt werden. Beispielhafte nicht-hydrolysierte Metalloxid-Monomere mit anderen funktionellen Gruppen umfassen (2-Diethylphosphatoethyl)Triethoxysilan und 3-Nitro-4-Amino-Phenyl-Triethoxysilan.Furthermore, the metal oxide monomers having other functional groups can be prepared by hydrolyzing unhydrolyzed metal oxide monomers having other functional groups. Exemplary non-hydrolyzed metal oxide monomers having other functional groups include (2-diethylphosphatoethyl) triethoxysilane and 3-nitro-4-amino-phenyl-triethoxysilane.
Im Hinblick auf beide Arten der Metalloxid-Monomere, können der Schritt des Hydrolysierens und die Herstellung des Copolymers in derselben Lösung durchgeführt werden.With regard to both kinds of the metal oxide monomers, the step of hydrolyzing and the production of the copolymer can be carried out in the same solution.
Brennstoffzellen, welche den hergestellten Elektrolyten umfassen, können auf eine übliche Art und Weise hergestellt werden. Zum Beispiel kann eine Dispersion/Lösung, welche den hergestellten Elektrolyten umfasst, verwendet werden, um einen Membran-Elektrolyten zu gießen, Katalysatorschichten herzustellen oder wie gewünscht anderweitig in die Membran-Elektroden-Anordnung integriert zu werden. Insbesondere kann eine Membran direkt aus der Mischung der Dispersion/Lösung gegossen werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein Katalysator mit der Dispersion/Lösung des Ionomers gemischt werden, welche das Additiv enthält, um eine Tinte herzustellen, und dann kann die Tinte auf eine Membran aufgetragen werden, um eine mit einem Katalysator beschichtete Membran herzustellen.Fuel cells comprising the produced electrolyte can be prepared in a conventional manner. For example, a dispersion / solution comprising the produced electrolyte can be used to cast a membrane electrolyte, make catalyst layers, or otherwise be integrated into the membrane-electrode assembly as desired. In particular, a membrane can be poured directly from the mixture of the dispersion / solution. Alternatively, a catalyst may be mixed with the dispersion / solution of the ionomer containing the additive to make an ink, and then the ink may be applied to a membrane to produce a catalyst coated membrane.
Die Elektrolyte gemäß der Erfindung bieten viele mögliche Vorteile in Brennstoffzellen in Abhängigkeit von den eingesetzten Copolymeren und den beteiligten funktionellen Gruppen. Die Copolymer-Additive und die Elektrolyte, welche diese umfassen, können ziemlich leicht zu synthetisieren sein. Das Metalloxid-Rückgrat in dem Copolymer kann die thermische Stabilität des Membran-Elektrolyten verbessern und helfen, darin Wasser bei hoher Temperatur zurückzuhalten und so die Haltbarkeit und auch Leistungsfähigkeit bei Bedingungen hoher Temperatur und geringer Feuchte verbessern. Das Quervernetzen zwischen dem Copolymer-Additiv und dem Basis-Ionomer verhindert, dass das Copolymer-Additiv während des Betriebs ausgewaschen wird und verbessert die Formstabilität des Membran-Elektrolyten. Auf Grund der Anwesenheit der Protonen tragenden funktionellen Gruppen, können die Protonen von dem Anion selber abgespalten werden, sogar ohne eine Erleichterung durch Wassermoleküle, sodass die Leistungsfähigkeit des Membran-Elektrolyten selbst unter trockenen Bedingungen verbessert werden kann. Auf Grund der Anwesenheit der mit einem Metallion einen Chelat-Komplex bildenden Gruppen, können Metallionen in dem Membran-Elektrolyten inaktiviert werden, was in der Folge die Bildung von freien Radikalen darin verringert oder verhindert. Auf Grund der Anwesenheit von funktionellen Radikalfänger-Gruppen für freie Radikale, können freie Radikale wieder eingefangen werden, was die Haltbarkeit der Membran verbessert.The electrolytes according to the invention offer many potential advantages in fuel cells depending on the copolymers used and the functional groups involved. The copolymer additives and the electrolytes comprising them may be quite easy to synthesize. The metal oxide backbone in the copolymer can improve the thermal stability of the membrane electrolyte and help retain therein high temperature water, thus improving durability and also performance under high temperature and low humidity conditions. Crosslinking between the copolymer additive and the base ionomer prevents the copolymer additive from being washed out during operation and improves the dimensional stability of the membrane electrolyte. Due to the presence of the proton-bearing functional groups, the protons can be cleaved off the anion itself, even without water molecule facilitation, so that the performance of the membrane electrolyte can be improved even under dry conditions. Due to the presence of metal ion chelating complex-forming groups, metal ions in the membrane electrolyte can be inactivated, thus reducing or preventing the formation of free radicals therein. Due to the presence of free-radical functional scavenging groups, free radicals can be recaptured, which improves the durability of the membrane.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung, sollten aber nicht als in irgendeiner Weise einschränkend aufgefasst werden.The following examples illustrate the invention, but should not be construed as limiting in any way.
Beispieleexamples
Mehrere verschiedene verbesserte Additive wurden hergestellt und in verbesserte Polymermembran-Proben wie unten beschrieben integriert. Zusätzlich wurden zwei konventionelle Polymermembran-Proben für Vergleichszwecke hergestellt.Several different improved additives were prepared and incorporated into improved polymer membrane samples as described below. In addition, two conventional polymer membrane samples were prepared for comparison.
Die verbesserten Additive wurden im Allgemeinen hergestellt, indem zuerst geeignete quervernetzende Monomere und Protonen tragende Monomere hergestellt wurden. Die Copolymer-Additive wurden dann üblicherweise durch Polymerisierung einer Mehrzahl von beiden Monomerarten aus einer geeigneten Mischung hergestellt. In einem Fall wurden jedoch die Synthese des quervernetzten Monomers und die Polymerisation gleichzeitig durchgeführt. Schließlich wurden Membranproben hergestellt durch Hinzufügen einer gewünschten Menge des Additivs zu einer Dispersion eines Perfluorsulfonsäure(PFSA)-Ionomers mit Äquivalentgewichten (EW) von entweder 830 oder 950, Mischen unter Rühren über Nacht, Ausgasen der Lösung und Gießen von Proben auf eine Glasplatte. Nach dem Abverdunsten des Lösungsmittels bei Raumtemperatur während 2 Stunden wurden die erhaltenen Membranproben bei 150°C während 1 Stunde getempert.The improved additives were generally prepared by first preparing suitable crosslinking monomers and proton-bearing monomers. The copolymer additives were then usually prepared by polymerizing a majority of both types of monomers from a suitable mixture. In one case, however, the synthesis of the crosslinked monomer and the polymerization were carried out simultaneously. Finally, membrane samples were prepared by adding a desired amount of the additive to a dispersion of perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer of equivalent weights (EW) of either 830 or 950, mixing with stirring overnight, outgassing the solution, and pouring samples onto a glass plate. After evaporation of the solvent at room temperature for 2 hours, the resulting membrane samples were annealed at 150 ° C for 1 hour.
Die Details der Herstellung, welche für jedes Beispiel spezifisch sind, waren wie folgt:The details of the preparation, which are specific to each example, were as follows:
Erfindungsgemäße Membranen Beispiele 1a, 1b, 1c und 1d Membranes of the Invention Examples 1a, 1b, 1c and 1d
Herstellung eines Siliziumoxid-Monomers mit Protonen tragender funktioneller Gruppe:Preparation of a Silicon Oxide Monomer Having a Proton-bearing Functional Group
48 g (2-Diethylphosphatoethyl)Triethoxysilan (EPETES) wurden in einem mit einem Kühler ausgestatteten Dreihalskolben in 250 ml einer 37%-igen Salzsäure hydrolysiert, während Stickstoff in die Lösung sprudelte. Die Lösung wurde auf 85°C erhitzt und dort unter dauerndem Rühren für 24 Stunden gehalten. Das Produkt wurde dann auf 50°C gekühlt und die Salzsäure unter verringertem Druck entfernt. Ein hellgelbes, viskoses Produkt wurde mit einer Ausbeute von 95% erhalten. 5 g dieses Produkts wurden dann zu 15 g Alkohol hinzugefügt, um eine 25 gewichtsprozentige hydrolysierte EPETES-Lösung zu erhalten. Die Hydrolysereaktion hierbei ist in Gleichung 1 unten gezeigt: Gleichung 1: 48 g of (2-diethylphosphatoethyl) triethoxysilane (EPETES) were hydrolyzed in a three-necked flask equipped with a condenser in 250 ml of 37% hydrochloric acid while bubbling nitrogen into the solution. The solution was heated to 85 ° C and kept there with continuous stirring for 24 hours. The product was then cooled to 50 ° C and the hydrochloric acid removed under reduced pressure. A light yellow, viscous product was obtained with a yield of 95%. 5 g of this product was then added to 15 g of alcohol to obtain a 25 wt% hydrolyzed EPETES solution. The hydrolysis reaction herein is shown in
Herstellung eines Siliziumoxid-Monomers mit quervernetzender funktioneller Gruppe:Preparation of a Silica Monomer Having Crosslinking Functional Group:
0,92 g (5,13 mmol) 3-Aminopropyl-Trimethoxysilan (APMS) wurden bei 50°C für 24 Stunden in einem Rundkolben in 25 g Alkohollösung hydrolysiert, welche 0,1 ml einer 2 M Salzsäure und 2,77 g Wasser umfasst. Das Monomer wurde hier in Lösung belassen, um das Copolymer-Additiv unten herzustellen. Die Hydrolysereaktion hierbei ist in Gleichung 2 unten gezeigt: Gleichung 2: 0.92 g (5.13 mmol) of 3-aminopropyltrimethoxysilane (APMS) was hydrolyzed at 50 ° C. for 24 hours in a round bottom flask in 25 g of alcohol solution containing 0.1 ml of 2 M hydrochloric acid and 2.77 g of water includes. The monomer was left in solution to produce the copolymer additive below. The hydrolysis reaction here is shown in
Herstellung des ersten Siliziumoxid-Copolymer-Additivs mit N:P von 1:9:Preparation of the first silica copolymer additive with N: P of 1: 9:
34 g (45,2 mmol) der obigen 25%-igen hydrolysierten EPETES-Alkohollösung wurden zu der obigen hydrolysierten APMS-Lösung hinzugefügt und durften bei 50°C während 3 Tagen reagieren. Die Lösung wurde dann gefiltert und gewaschen, um ein weißes, wasserunlösliches festes Pulver bereitzustellen. Das Stoffmengenverhältnis von APMS zu EPETES war 1:9 und folglich war das N:P(Stickstoff:Phosphor)-Verhältnis 1:9. Die Reaktion hierbei ist durch Gleichung 3 unten angegeben: Gleichung 3: 34 g (45.2 mmol) of the above 25% hydrolyzed EPETES alcohol solution was added to the above hydrolyzed APMS solution and allowed to react at 50 ° C for 3 days. The solution was then filtered and washed to provide a white, water-insoluble solid powder. The molar ratio of APMS to EPETES was 1: 9, and thus the N: P (nitrogen: phosphorus) ratio was 1: 9. The reaction hereby is given by
Herstellung des zweiten Siliziumoxid-Copolymer-Additivs mit N:P von 3:7:Preparation of the Second Silica Copolymer Additive with N: P of 3: 7:
Eine hydrolysierte APMS-Lösung wurde auf eine ähnliche Weise wie der oben hergestellt und umfasste 2,04 g APMS in 40 g Alkohollösung, welche 0,2 ml 2 M HCl und 5 g Wasser umfasst. 47 g dieser hydrolysierten APMS-Lösung wurden dann zu 26,6 mmol der obigen 25%-igen hydrolysierten EPETES-Alkohollösung hinzugefügt und durften bei 50°C während 3 Tagen reagieren. Wiederum wurde die Lösung gefiltert und gewaschen, um ein weißes, wasserunlösliches festes Pulver bereitzustellen.A hydrolyzed APMS solution was prepared in a similar manner to that above and included 2.04 g of APMS in 40 g of alcohol solution comprising 0.2 ml of 2 M HCl and 5 g of water. 47g of this hydrolyzed APMS solution was then added to 26.6mmol of the above 25% hydrolyzed EPETES alcohol solution and allowed to react at 50 ° C for 3 days. Again, the solution was filtered and washed to provide a white, water-insoluble solid powder.
Dieses Mal war das Stoffmengenverhältnis von APMS zu EPETES 3:7 und folglich war das N:P(Stickstoff:Phosphor)-Verhältnis ebenso 3:7.This time, the molar ratio of APMS to EPETES was 3: 7, and thus the N: P (nitrogen: phosphorus) ratio was also 3: 7.
Verbundmembranproben wurden dann mit jedem Additiv wie allgemein oben beschrieben hergestellt. Zwei unterschiedliche Mengen wurden verwendet und Ionomer-Dispersionen, welche zwei verschiedene EW von 830 und 950 hatten, wurden verwendet. Die Verbundmembranproben waren:
Erfindungsgemäße Membran 1a: 10 Gewichtsprozent des ersten Siliziumoxid-Copolymer-Additivs mit N:P von 1:9 in einem Basis-PFSA-Ionomer mit einem EW von 950.
Erfindungsgemäße Membran 1b: 10 Gewichtsprozent des zweiten Siliziumoxid-Copolymer-Additivs mit N:P von 3:7 in einem Basis-PFSA-Ionomer mit einem EW von 950.
Erfindungsgemäße Membran 1c: 5 Gewichtsprozent des ersten Siliziumoxid-Copolymer-Additivs mit N:P von 1:9 in einem Basis-PFSA-Ionomer mit einem EW von 950.
Erfindungsgemäße Membran 1d: 10 Gewichtsprozent des ersten Siliziumoxid-Copolymer-Additivs mit N:P von 1:9 in einem Basis-PFSA-Ionomer mit einem EW von 830.Composite membrane samples were then made with each additive as generally described above. Two different amounts were used and ionomer dispersions, which had two different EW's of 830 and 950, were used. The composite membrane samples were:
Invention Membrane 1a: 10% by weight of the first N: P silica additive copolymer of 1: 9 in a base PFSA ionomer with an EW of 950.
Invention Membrane 1b: 10 weight percent of the second N: P silica additive copolymer of 3: 7 in a base PFSA ionomer with an EW of 950.
Invention Membrane 1c: 5 weight percent of the first N: P silica additive copolymer of 1: 9 in a base PFSA ionomer with an EW of 950.
Invention Membrane 1d: 10 weight percent of the first N: P silica additive copolymer of 1: 9 in a base PFSA ionomer with an EW of 830.
Erfindungsgemäße Membran Beispiel 2Membrane of the invention Example 2
Herstellung des Siliziumoxid-Monomers mit Protonen tragender funktioneller Gruppe:Preparation of the silicon oxide monomer with proton-bearing functional group:
Hydrolysiertes EPETES wurde wiederum hergestellt wie in Beispiel 1 oben beschrieben.Hydrolyzed EPETES was again prepared as described in Example 1 above.
Herstellung des Siliziumoxid-Monomers mit quervernetzender funktioneller Gruppe:Preparation of the Crosslinking Functional Group Silica Monomer:
0,79 g (3,70 mmol) P-Aminophenyltrimethoxysilan (APS) wurden in einem Rundkolben in 80 ml einer 2 M HCl bei 50°C für 24 Stunden hydrolysiert. Wiederum wurde hier das Monomer in Lösung belassen, um das Polymer-Additiv unten herzustellen. Die Hydrolysereaktion hierbei ist in Gleichung 4 unten gezeigt: Gleichung 4: 0.79 g (3.70 mmol) of P-aminophenyltrimethoxysilane (APS) was hydrolyzed in a round bottom flask in 80 ml of 2 M HCl at 50 ° C for 24 hours. Again, here the monomer was left in solution to produce the polymer additive below. The hydrolysis reaction here is shown in Equation 4 below: Equation 4:
Herstellung des Siliziumoxid-Copolymer-Additivs:Preparation of the Silica Copolymer Additive:
25,10 g (33,3 mmol) der 25%-igen hydrolysierten EPETES-Lösung wurden zu der obigen hydrolysierten APS-Lösung hinzugefügt und durften bei 50°C für 3 Tage reagieren. Das Stoffmengenverhältnis von APS zu EPETES und somit das N:P-Verhältnis betrug 1:9. Die Salzsäure wurde unter verringertem Druck entfernt, um ein hellrosa Pulver bereitzustellen. Die Reaktion hierbei ist durch Gleichung 5 angegeben: Gleichung 5: 25.10 g (33.3 mmol) of the 25% hydrolyzed EPETES solution was added to the above hydrolyzed APS solution and allowed to react at 50 ° C for 3 days. The molar ratio of APS to EPETES and thus the N: P ratio was 1: 9. The hydrochloric acid was removed under reduced pressure to provide a light pink powder. The reaction hereby is given by Equation 5: Equation 5:
Verbundmembranproben wurden dann mit diesem Additiv wie allgemein oben beschrieben hergestellt und sind als erfindungsgemäße Membran 2 bezeichnet. Alle hatten die gleiche Zusammensetzung von 10 Gewichtsprozent des Siliziumoxid-Copolymer-Additivs mit N:P von 1:9 in einem Basis-PFSA-Ionomer mit einem EW von 950.Composite membrane samples were then made with this additive as generally described above and are designated
Erfindungsgemäße Membran Beispiel 3Membrane of the invention Example 3
Herstellung des Siliziumoxid-Monomers mit Protonen tragender funktioneller Gruppe:Preparation of the silicon oxide monomer with proton-bearing functional group:
Hydrolysiertes EPETES wurde wiederum wie in Beispiel 1 oben beschrieben hergestellt.Hydrolyzed EPETES was again made as described in Example 1 above.
Herstellung von Siliziumoxid-Monomeren mit quervernetzenden funktionellen Gruppen und mit Radikalfänger-Gruppen für freie Radikale:Preparation of Silica Monomers Having Crosslinking Functional Groups and Free Radical Scavenger Groups:
3-Aminopropyl-Trimethoxysilane (APMS) und 3-Nitro-4Amino-Phenyl-Triethoxysilan (NPS) wurden von einem chemischen Zulieferer erhalten.3-Aminopropyl-trimethoxysilane (APMS) and 3-nitro-4Amino-phenyl-triethoxysilane (NPS) were obtained from a chemical supplier.
Herstellung des Siliziumoxid-Copolymer-Additivs:Preparation of the Silica Copolymer Additive:
0,5 g (2,788 mmol) 3-Aminopropyl-Trimethoxysilan (APMS), 0,79 g (2,788 mmol) 3-Nitro-4-Amino-Phenyl-Triethoxysilan (NPS) und 4,20 g (22,3 mmol) hydrolysiertes EPETES wurden in einen Rundkolben gegeben und unter Verwendung eines magnetischen Rührstabes gerührt. 1,505 g Wasser und 100 g Alkohol wurden unter Rühren hinzugegeben, und dann wurden 0,1 ml einer 2 M HCl hinzugefügt und durften während 3 Tagen bei 50°C reagieren. Das Stoffmengenverhältnis von APMS zu NPS zu EPETES war 1:1:8. Die Lösung wurde dann gefiltert und gewaschen, um ein weißes, wasserunlösliches, festes Pulver bereitzustellen. Die Reaktion hierbei ist in Gleichung 6 angegeben: Gleichung 6: 0.5 g (2.788 mmol) of 3-aminopropyltrimethoxysilane (APMS), 0.79 g (2.788 mmol) of 3-nitro-4-amino-phenyl-triethoxysilane (NPS) and 4.20 g (22.3 mmol) hydrolyzed EPETES were placed in a round bottom flask and stirred using a magnetic stir bar. 1.550 g of water and 100 g of alcohol were added with stirring, and then 0.1 ml of 2 M HCl was added and allowed to react at 50 ° C for 3 days. The molar ratio of APMS to NPS to EPETES was 1: 1: 8. The solution was then filtered and washed to provide a white, water-insoluble, solid powder. The reaction here is given in Equation 6: Equation 6:
Verbundmembranproben wurden dann mit diesem Additiv wie allgemein oben beschrieben hergestellt und sind als erfindungsgemäße Membran 3 bezeichnet. Alle hatten die gleiche Zusammensetzung mit 10 Gewichtsprozent des Siliziumoxid-Copolymer-Additivs mit einem APMS:NPS:EPETES-Verhältnis von 1:1:8 in einem Basis-PFSA-Ionomer mit einem EW von 950.Composite membrane samples were then made with this additive as generally described above and are referred to as
Erfindungsgemäße Membran Beispiel 4Membrane of the invention Example 4
Herstellung des Siliziumoxid-Monomers mit Protonen tragender funktioneller Gruppe:Preparation of the silicon oxide monomer with proton-bearing functional group:
Hydrolysiertes EPETES wurde wiederum hergestellt wie in Beispiel 1 oben beschrieben.Hydrolyzed EPETES was again prepared as described in Example 1 above.
Kombinierte Hydrolyse des Siliziumoxid-Monomers mit quervernetzender funktioneller Gruppe und Herstellung des Siliziumoxid-Copolymer-Additivs:Combined Hydrolysis of the Crosslinking Functional Group Silica Monomer and Preparation of the Silica Copolymer Additive
0,45 g (1,78 mmol) 3-(1H-Benzimidazol-2-yl)Propyl-Trimethoxysilan (BIMS) und 3,01 g (16,0 mmol) hydrolysiertes EPETES wurden in einen Rundkolben gegeben und unter Verwendung eines magnetischen Rührstabs gerührt. Das Stoffmengenverhältnis von BIMS zu EPETES und damit das N:P-Verhältnis betrug 1:9. 0,96 g Wasser und 100 g Alkohol wurden unter Rühren hinzugegeben und dann wurden 0,1 ml einer 2 M HCl hinzugefügt und durften bei 50°C während 3 Tagen reagieren. Die Lösung wurde dann gefiltert und gewaschen, um ein weißes, wasserunlösliches, festes Pulver zu erhalten. Hier treten die Reaktionen der BIMS-Hydrolyse und der Polymerisation gleichzeitig auf, und sie sind entsprechend durch Gleichungen 7 und 8 unten angegeben: Gleichung 7: Gleichung 8: 0.45 g (1.78 mmol) of 3- (1H-benzimidazol-2-yl) propyl-trimethoxysilane (BIMS) and 3.01 g (16.0 mmol) of hydrolyzed EPETES were placed in a round bottom flask and heated using a magnetic Stirred stir bar. The molar ratio of BIMS to EPETES and thus the N: P ratio was 1: 9. 0.96 g of water and 100 g of alcohol were added with stirring and then 0.1 ml of 2 M HCl was added and allowed to react at 50 ° C for 3 days. The solution was then filtered and washed to obtain a white, water-insoluble, solid powder. Here, the reactions of BIMS hydrolysis and polymerization occur simultaneously, and they are correspondingly given by Equations 7 and 8 below: Equation 7: Equation 8:
Verbundmembranproben wurden dann mit diesem Additiv wie allgemein oben beschrieben hergestellt und sind als erfindungsgemäße Membran 4 bezeichnet. Alle hatten die gleiche Zusammensetzung mit 10 Gewichtsprozent des Siliziumoxid-Copolymer-Additivs mit einem N:P von 1:9 in einem Basis-PFSA-Ionomer mit einem EW von 950.Composite membrane samples were then made with this additive as generally described above and are designated Membrane 4 of the invention. All had the same composition with 10 weight percent of the 1: 9 N: P silica additive in a base PFSA ionomer with an EW of 950.
Vergleichende Membranen Beispiele PFSA 830EW, PFSA 950EW und NRE211Comparative membranes Examples PFSA 830EW, PFSA 950EW and NRE211
Zu Vergleichszwecken wurden aus einer Dispersion eines Persulfonsäure(PFSA)-Ionomers mit Äquivalentgewichten von entweder EW 830 oder EW 950 (auf welche im Folgenden jeweils als PFSA 830EW und PFSA 950EW Bezug genommen wird) konventionelle Membranen ohne Additive gegossen. Zusätzlich wurde auch eine im Handel verfügbare Polymer-Membran erhalten, nämlich eine DuPontTM Nafion® PFSA NRE211-Membran, welche im Folgenden als NRE211 bezeichnet wird.For purposes of comparison, conventional membranes without additives were cast from a dispersion of a persulfonic acid (PFSA) ionomer having equivalent weights of either EW 830 or EW 950 (hereinafter referred to as PFSA 830EW and PFSA 950EW, respectively). In addition, a commercially available polymer membrane was obtained, namely, which is referred to as a NRE211 TM DuPont Nafion ® PFSA NRE211 membrane.
Die vorstehenden erfindungsgemäßen Verbundmembranproben und vergleichende Membranproben wurden dann ausgewertet und wie unten zusammengefasst auf verschiedene Arten verglichen.The above inventive composite membrane samples and comparative membrane samples were then evaluated and compared in various ways as summarized below.
Glasübergangstemperaturen (Tg) der MembranenGlass transition temperatures (Tg) of the membranes
Glasübergangstemperaturen (Tg) der erfindungsgemäßen Membranen 1a, 1b und der vergleichenden PFSA 950EW wurden mittels Messungen einer dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) bestimmt, welche unter Verwendung eines DMA 800 durchgeführt wurde. Tabelle 1 vergleicht die Tg-Werte für die untersuchten Proben. Tabelle 1
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist die thermische Stabilität der erfindungsgemäßen Verbundmembranen deutlich verbessert im Vergleich zu der der konventionellen PFSA 950EW-Membran. Die Tg-Werte der Ersteren sind wesentlich höher als die Letztere. Des Weiteren hat die Membranprobe, welche 10% des Additivs gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 1b umfasst, ein größere Menge der quervernetzenden funktionellen Gruppen (größeres N:P-Verhältnis) und zeigt als ein Ergebnis eine wesentlich höhere Tg als die Membrangruppe mit der gleichen Menge des Additivs gemäß dem Beispiel 1a.As can be seen from Table 1, the thermal stability of the composite membranes of the invention is significantly improved compared to that of the conventional PFSA 950EW membrane. The Tg values of the former are much higher than the latter. Further, the membrane sample comprising 10% of the additive according to Example 1b of the present invention has a larger amount of the crosslinking functional groups (larger N: P ratio) and, as a result, exhibits a substantially higher Tg than the membrane group having the same amount of Additive according to Example 1a.
Membranstabilität in Dimethvlacetamid (DMAc) Membrane stability in dimethvlacetamide (DMAc)
Das Ausmaß, zu welchem Membranproben quervernetzt sind, kann qualitativ bestimmt werden, indem ein einfacher Löslichkeitstest in einem DMAc-Lösemittel verwendet wird. 2-Quadratzentimeter-Stücke einer vergleichenden NRE211-Probe und einer erfindungsgemäßen Membranprobe, welche 10 Gewichtsprozent des Additivs gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 1b umfasst, wurden in separate Fläschchen gegeben, welche 25 ml DMAc bei 50°C enthielten. Nach 3 Tagen war die NRE211-Probe in kleine Stücke zerbrochen, und nach 15 Tagen hatte sie sich vollständig aufgelöst. Nach 3 Tagen war die erfindungsgemäße Membranprobe aufgequollen aber blieb ansonsten nach 15 Tagen unverändert.The extent to which membrane samples are cross-linked can be qualitatively determined using a simple solubility test in a DMAc solvent. Two square centimeter pieces of a comparative NRE211 sample and a membrane sample of the invention comprising 10% by weight of the additive of Inventive Example 1b were placed in separate vials containing 25 ml of DMAc at 50 ° C. After 3 days, the NRE211 sample was broken into small pieces, and after 15 days it had completely dissolved. After 3 days, the membrane sample of the invention swelled but otherwise remained unchanged after 15 days.
Die erfindungsgemäße quervernetzte Membranprobe zeigte klar eine erhöhte Widerstandfähigkeit gegenüber Lösemitteln zu der der vergleichenden NRE211-Membran in DMAc-Lösemittel.The cross-linked membrane sample of the present invention clearly showed increased resistance to solvents to that of the comparative NRE211 membrane in DMAc solvent.
Membranleitfähigkeitmembrane conductivity
Die Protonenleitfähigkeit in der Ebene der erfindungsgemäßen Probe, welche 5% des Additivs gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiels 1c umfasste, wurde zusammen mit der vergleichenden PFSA 950EW-Membran bestimmt, indem die AC-Impedanz von Proben unter Verwendung einer vier-Sonden-Technik und eines Solarton FRA 1260 Frequenzganganalysators geprüft wurde. Die Abtastfrequenzen lagen im Bereich von 10 MHz bis 100 Hz, und die Proben wurden während 6 h unter Testbedingungen gehalten, um ein Gleichgewicht zu erreichen, bevor die Messungen vorgenommen wurden. Messungen wurden bei 80°C und zwei verschiedenen relativen Feuchten (RH) von 30% und 50% durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2
Die Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Probe war der der vergleichenden PFSA 950EW-Probe bei 50% RH ähnlich und bei 30% RH besser.The conductivity of the inventive sample was similar to that of the comparative PFSA 950EW sample at 50% RH and better at 30% RH.
Leistungsfähigkeit von Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA)Performance of Membrane Electrode Arrangements (MEA)
Versuchsbrennstoffzellen wurden mit einigen der vorstehenden erfindungsgemäßen Membranproben 1a und 1d hergestellt, um ihre Leistungsfähigkeit mit der der konventionellen Membranen zu vergleichen, welche das gleiche Grund-Ionomer umfasst. Einzelne MEAs wurden hergestellt, indem die geeigneten Membranproben zwischen kathodischen und anodischen Elektroden festgelegt wurden. Die Kathode und Anode hatten Beladungen mit Pt von 0,7 mg/cm2 und entsprechend 0,3 mg/cm2. Die Auswertung der Leistungsfähigkeit wurde unter Verwendung eines einzelnen Zellstapels mit 50 cm2 aktiver Gerätefläche durchgeführt.Experimental fuel cells were prepared with some of the above inventive membrane samples 1a and 1d to compare their performance with that of the conventional membranes comprising the same basic ionomer. Individual MEAs were prepared by determining the appropriate membrane samples between cathodic and anodic electrodes. The cathode and anode had Pt loadings of 0.7 mg / cm 2 and 0.3 mg / cm 2, respectively. Performance evaluation was performed using a single cell stack with 50 cm 2 active device area.
Die Leistungsfähigkeit wurde ausgewertet, indem Polarisationskurven (Spannung gegenüber Strom) bei verschiedenen relativen Feuchten der Reaktionsgase am Einlass (35, 50 und 95%) und Temperaturen (95°C und 120°C) erhalten wurden. In allen Fällen wurden die Versuche unter Verwendung von Wasserstoff an der Anode, Luft an der Kathode und bei Gasstöchiometrien von 9 und entsprechend 12 durchgeführt. Tabelle 3 zeigt die Spannung, welche bei 1 A/cm2 in einem jeden Fall erhalten wurde. Tabelle 3
Anhand von Tabelle 3 kann gesehen werden, dass der Effekt des Additivs auf die Leistungsfähigkeit der Membran eine Funktion der Temperatur und der RH ist. Die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Membranen ist konkurrenzfähig mit und unter bestimmten Bedingungen eine Verbesserung gegenüber der der konventionellen Membranen. Und im Allgemeinen verbessert für ein gegebenes Basis-Ionomer das Additiv die Leistungsfähigkeit umso mehr, je geringer die RH und je größer die Temperatur ist (zum Beispiel 35% RH und 120°C). Daher sind solche Additive gut geeignet, die Leistungsfähigkeit in Brennstoffzellen zu verbessern, welche bei relativ hohen Temperaturen und/oder geringer RH betrieben werden.It can be seen from Table 3 that the effect of the additive on the performance of the membrane is a function of temperature and RH. The performance of the membranes of the invention is competitive with and, under certain conditions, an improvement over that of conventional membranes. And in general, for a given base ionomer, the lower the RH and the higher the temperature (eg, 35% RH and 120 ° C), the more the additive will improve performance. Therefore, such additives are well suited to improve performance in fuel cells operating at relatively high temperatures and / or low RH.
Haltbarkeit der Membran-Elektroden AnordnungenDurability of the membrane electrode assemblies
Die relative Haltbarkeit der MEAs kann bewertet werden, indem Brennstoffzellen, welche mit Versuchs-MEAs hergestellt sind, in einem Leerlaufzustand eingesetzt werden, um den chemischen Zerfall der Membran darin zu beschleunigen. Die Geschwindigkeit des Zerfalls bei Leerlaufspannung (OCV) kann bezeichnend für die chemische Stabilität der Membran sein. MEAs, welche mit der erfindungsgemäßen Membranprobe 1a und der vergleichenden Membran PFSA 950EW hergestellt wurden, wurden geprüft und verglichen. Hier wurden Stapel mit 3 Zellen unter Verwendung des gleichen Verfahrens und der Geräte wie in dem vorstehenden Beispiel hergestellt.The relative durability of the MEAs can be evaluated by using fuel cells made with experimental MEAs in an idle state to accelerate the chemical breakdown of the membrane therein. The rate of decay at open circuit voltage (OCV) may be indicative of the chemical stability of the membrane. MEAs prepared with the inventive membrane sample 1a and the comparative membrane PFSA 950EW were tested and compared. Here, 3-cell stacks were made using the same method and equipment as in the previous example.
Die Versuchsstapel wurden unter OCV-Bedingungen bei 30% relativer Feuchte (RH) und 95°C ausgewertet. Die zugeführten Gasdurchflüsse betrugen 3,5 und entsprechend 11 slpm für Wasserstoff und Luft. Die OCV einer jeden Zelle in dem Stapel wurde über die Zeit überwacht. Der Versuch wurde beendet, wenn die OCV in einer der 3 Zellen in dem Stapel 0,75 V erreichte. Zusätzlich wurde die Menge an in Folge des Abbaus der Membran freigesetztem Fluorid über die Zeit bestimmt (das heißt die Fluorid-Freisetzungsrate), indem das Fluorid-Ion gemessen wurde, welches sowohl im Wasser am Auslass der Kathode und der Anode gefunden wurde.The test piles were evaluated under OCV conditions at 30% relative humidity (RH) and 95 ° C. The gas flows supplied were 3.5 and correspondingly 11 slpm for hydrogen and air. The OCV of each cell in the stack was monitored over time. The experiment was terminated when the OCV in one of the 3 cells in the stack reached 0.75V. In addition, the amount of fluoride released as a result of membrane degradation was determined over time (ie, the fluoride release rate) by measuring the fluoride ion found in both the water at the outlet of the cathode and the anode.
Die Stapel mit der erfindungsgemäßen Membran zeigten eine höhere Haltbarkeit verglichen mit der des konventionellen Stapels.The stacks with the membrane according to the invention showed a higher durability compared to that of the conventional stack.
Alle die oben genannten US-Patente, Veröffentlichungen von US-Patentanmeldungen, US-Patentanmeldungen, ausländischen Patentanmeldungen und nicht der Patentliteratur zugehörigen Publikationen, auf welche in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde, sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen.All of the above-mentioned US patents, publications of US patent applications, US patent applications, foreign patent applications and non-patent literature referenced in this specification are hereby incorporated by reference in their entireties.
Während bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Abänderungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren. Solche Änderungen sind innerhalb des Bereichs und Umfangs der nachstehenden Ansprüche zu berücksichtigen.While particular elements, embodiments and applications of the present invention have been shown and described, it is to be understood that the invention is not limited thereto, as modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present disclosure, particularly in light of the art preceding teachings. Such changes are to be considered within the scope and scope of the following claims.
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: FORD MOTOR COMPANY, 48126 DEARBORN, US Free format text: FORMER OWNERS: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE; FORD MOTOR COMPANY, DEARBORN, MICH., US Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNERS: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE; FORD MOTOR COMPANY, DEARBORN, MICH., US Owner name: DAIMLER AG, DE Free format text: FORMER OWNERS: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE; FORD MOTOR COMPANY, DEARBORN, MICH., US Owner name: FORD MOTOR COMPANY, DEARBORN, US Free format text: FORMER OWNERS: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE; FORD MOTOR COMPANY, DEARBORN, MICH., US |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: DR. WEITZEL & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWAEL, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: FORD MOTOR COMPANY, 48126 DEARBORN, US Free format text: FORMER OWNERS: DAIMLER AG, STUTTGART, DE; FORD MOTOR COMPANY, DEARBORN, MICH., US Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNERS: DAIMLER AG, STUTTGART, DE; FORD MOTOR COMPANY, DEARBORN, MICH., US |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNERS: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, 73230 KIRCHHEIM, DE; FORD MOTOR COMPANY, 48126 DEARBORN, MI, US |