Полімер-електролітна мембрана для паливних елементів на основі зшитого полііміду і протонної іонної рідини

Abstract

The aim of this research was to develop polymer-electrolyte membrane on the base of commercial polyimide Matrimid which has high proton conductivity at elevated temperatures above 100 °C. Hydrophobic ionic liquid 1-butylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (BIM-TFSI) has been synthesized and used as proton conducting electrolyte. The electrical conductivity of the ionic liquid determined by electrochemical impedance method was found to have a value of 10–3 S/cm in the temperature range from 100 to 180 °С. The composite film based on Matrimid polyimide containing 70 wt % of protic ionic liquid has been prepared by casting from methylene chloride solution. Polyetheramine Jeffamine® D-2000 was used as a cross-linking agent for polyimide. According to mechanical and thermal analysis data, Matrimid/BIM-TFSI composite has tensile strength of 18 MPa and thermal degradation point of 306 °С. Electrophysical properties of polyimide film impregnated with ionic liquid was studied by two-probe technique at the frequencies of 0.1, 1.0 and 10 kHz by using immitance meter in the temperature range from 25 to 180 °С. The electrical conductivity was found to be 2.7∙10–4 S/cm at room temperature and reached the value of 1.5∙10–3 S/cm at 180 °С. Thus, in this work proton conducting membrane based on commercial polyimide has been obtained for the first time by simple method without additional sulfonation stage. Matrimid/BIM-TFSI composite membrane is promising for applications in fuel cells operating at elevated temperature without external humidification.Целью работы было получение полимер-электролитной мембраны на основе промышленного полиимида Matrimid с высоким уровнем протонной проводимости при температурах выше 100 °С. Синтезирована гидрофобная протонная ионная жидкость бис(трифторметилсульфонил)имид 1-бутилимидазолия (БИМ-ТФСИ), которая была использована в качестве протонпроводящего электролита. Удельная электропроводность ионной жидкости, измеренная методом электрохимического импеданса, имеет значение порядка 10–3 См/см в интервале температур 100–180 °С. Получена композитная пленка на основе полиимида Matrimid, содержащая 70 % ионной жидкости, поливом из раствора в метиленхлориде. Полиэфир Jeffamine® D-2000 использован в качестве сшивающего агента для полиимида. Согласно результатам механических и термических исследований, прочность на разрыв композита Matrimid/БИМ-ТФСИ составляет 18 мПа, а температура начала деструкции – 306 °С. Электрофизические свойства полиимидной пленки, насыщенной протонной ионной жидкостью, исследовали двухконтактным методом с помощью измерителя иммитанса на частотах 0.1, 1.0 и 10 кГц в температурном интервале 25–180 °С. Установлено, что удельная электропроводность материала составляет 2.7∙10–4 См/см при комнатной температуре, возрастая до величины 1.5∙10–3 См/см при 180 °С.  Таким образом, в данной работе впервые получена протонобменная мембрана на основе коммерческого полиимида технологически простым методом, без дополнительной стадии сульфирования полимера. Композитная мембрана Matrimid/БІМ-ТФСІ перспективна для использования в топливных элементах, которые эксплуатируются при температурах выше 100 °С при отсутствии увлажнения.Метою роботи було отримання полімер-електролітної мембрани на основі промислового полііміду Matrimid з високим рівнем протонної провідності при температурі вище 100 °С. Синтезовано гідрофобну іонну рідину біс(трифторметилсульфоніл)імід 1-бутилімідазолію (БІМ-ТФСІ), яку використано в якості протонпровідного електроліту. Питома електропровідність іонної рідини, визначена методом електрохімічного імпедансу, має значення порядку 10-3 См/см в інтервалі температур  100-180 °С. Отримано композитну плівку на основі полііміду Matrimid із вмістом протонної іонної рідини 70 % поливом з розчину в метиленхлориді. Поліетерамін Jeffamine® D-2000 використано в якості зшиваючого агенту для полііміду. Згідно з результатами механічних і термічних досліджень, міцність на розрив композиту Matrimid/БІМ-ЕФСІ становить 18 мПа, а температура початку деструкції – 306 °С. Електрофізичні властивості поліімідної плівки, насиченої протонною іонною рідиною, досліджували двоконтактним методом за допомогою вимірювача іммітансу на частотах 0.1, 1.0 і 10 кГц в температурному інтервалі 25-180 °С. Встановлено, що питома електропровідність матеріалу становить 2.7 ∙ 10-4 См/см при кімнатній температурі, досягаючи величини 1.5 ∙ 10-3 См/см при 180 °С. Таким чином, в даній роботі вперше отримано протонобмінну мембрану на основі комерційного полііміду технологічно простим методом, без додаткової стадії сульфування полімеру. Композитна мембрана Matrimid/БІМ-ТФСІ перспективна для використання в паливних елементах, які експлуатуються при підвищених температурах за відсутності зволоження.