[发明专利]具有季铵官能团的降冰片烯类聚合物

说明书

技术领域

本发明的实施方案一般而言涉及具有季铵官能团的降冰片烯类聚合物，更特别地涉及可用于形成氢氧根离子传导的碱性阴离子交换膜（AAEM）和包括第一电极、AAEM和第二电极的碱性燃料电池（AFC）的降冰片烯类乙烯基加成和ROMP聚合物，其中各电极的活性层与该AAEM接触。

背景技术

碱性燃料电池（AFC）是最发达的技术之一，且自从20世纪60年代中期以来已被NASA用于Apollo and Space Shuttle项目中。在这些宇宙飞船上的该燃料电池为飞船上的系统提供电能以及饮用水，且选择其是因为其在发电中是最有效的之一，具有高达约70%的效率。

该NASA AFC使用含水电解液，特别是保持在多孔稳定基体中的氢氧化钾（KOH）溶液。AFC的电荷载体是氢氧根离子（OH-），其从阴极移动到阳极，并在阳极处与氢反应生成水和电子。在阳极处生成的水移动回到阴极以再生成氢氧根离子。整组反应如下：

阳极反应：2H₂+4OH^-=>4H₂O+4e^-

阴极反应：O₂+2H₂O+4e^-=>4OH^-

总净反应：2H₂+O₂=>2H₂O

尽管具有高效率、适当的操作温度和其他积极因素，但该NASA AFC对该电池所用的燃料中或环境中很可能存在的CO₂非常敏感。这种敏感性源于即使痕量的CO₂、CO、H₂O和CH₄也会与该KOH电解液反应，快速使其中毒，通过稀释该电解液或生成碳酸盐而严重降低该燃料电池使用性能，或是生成的碳酸盐降低了电解液的pH值并因此在电极水平上降低了该电化学反应的动力学，损害其使用性能。因此，这种AFC被限制于能够值得以纯氢和氧操作的封闭环境，例如宇宙飞船和海底舰船。

在积极的方面，除了其高效率和低操作温度，AFC是制造上最廉价的燃料电池，因为在电极上需要的催化剂可以是与其他类型的燃料电池所需要的贵催化剂相比较廉价的任意多种不同材料。因此，在以不是提供纯的或洁净的氢和氧的方式解决其对中毒的敏感性方面有相当的兴趣，利用了AFC的积极因素（例如较低温度操作和高效率）的优点以分别提供快速启动的能源和高的燃料效率。

近年来，由于很多在高pH值的电化学反应有关的低超电势和放弃贵金属催化剂的趋势，在开发用于AFC和电解槽的阴离子交换膜（AEM）方面的关注逐渐增长。AEM作为更广泛开发和认识的质子或阳离子交换膜（PEM或CEM）的具有吸引力的对照物。然而，没有可容易得到的阴离子交换膜用作电化学应用的商业标准，例如DuPont的PSFA（全氟磺酸）膜在阳离子交换膜领域中的那样。

已经论证了基于固体聚合物阴离子交换膜（AEM）的阴离子燃料电池的使用以及其在AFC和碱性膜DMFC（直接甲醇燃料电池）中的应用。而且，使用在升高pH值下操作的不含金属的阴离子交换膜潜在地降低或消除了对贵金属基催化剂的需求并提高了该电化学反应的动力学。AEM还有另外的优点，特别是对于聚合物碱性离子交换膜（AAEM）。例如，对于AAEM，可能能够克服电极构造和定向限制，因为将会在该固定的固体聚合物AAEM中引入导电组分。此外，即使可能在阳极处生成一些CO₃^-2/HCO₃^-，然而在该AAEM中不存在可移动的阳离子（Na⁺或K⁺）以沉淀金属碳酸盐的固体晶体而堵塞或损坏该电极层，因为用AAEM固定了该阳离子。此外，因为不存在碱性电解液，因此电极渗漏和组件腐蚀则应当最小化。

因此需要AAEM在操作温度下具有所需的导电性、抗水膨胀性、机械强度和化学稳定性以提供下一代AFC。

发明内容