[发明专利]用作阴离子交换隔膜和离聚物的包括具有稳定阳离子侧基的那些的聚(芳基哌啶鎓)聚合物

说明书

提供具有侧位阳离子基团的聚(芳基哌啶鎓)聚合物，其具有引入到不含醚键的刚性芳香族聚合物主链的碱稳定的阳离子、哌啶鎓。与常规氢氧根交换隔膜或离聚物相比，在环境干燥状态下由这些聚合物形成的氢氧根交换隔膜或氢氧根交换离聚物表现出优异的化学稳定性、氢氧化物导电率、降低的吸水率、在选择的溶剂中的良好的溶解度，和改进的机械特性。氢氧根交换隔膜燃料电池包含具有在相对高温度下表现出提高的性能和耐久性的侧位阳离子基团的所述聚(芳基哌啶鎓)聚合物。

政府许可权

本发明部分在政府支持下由美国能源部能源效率和可再生能源办公室授予的DE-0006964资助合同下进行。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

提供能够形成阴离子交换隔膜(AEM)和离聚物(AEI)的阴离子交换聚合物，用于阴离子交换隔膜燃料电池(AEMFC)。更具体地，提供能够形成用于氢氧根交换隔膜燃料电池(HEMFC)的氢氧根交换隔膜(HEM)、氢氧根交换隔膜电解剂(HEMEL)和离聚物(HEI)的氢氧根交换聚合物。

背景技术

质子交换隔膜燃料电池(PEMFC)被认为是清洁高效的电源。Steele等人,《自然(Nature)》2001,414,345。然而，催化剂的高成本和不能令人满意的耐久性是PEMFC大规模商业化的主要障碍。Borup等人,《化学评论(Chem Rev)》2007,107,3904。通过将聚合物电解质从“酸性”条件转换为“碱性”条件，HEMFC能够对非贵金属催化剂起作用，并且预计催化剂更耐用。其它更便宜的燃料电池组件也是可能的，例如金属双极板。Varcoe等人,《燃料电池(Fuel Cells)》2005,5,187；Gu等人,《应用化学国际版(Angew Chem Int Edit)》2009,48,6499；Gu等人,《化学通讯(Chem Commun)》2013,49,131。然而，目前可用的HEM和HEI在干燥条件下(尤其是在润湿-干燥循环后)表现出较低的碱/化学稳定性、低氢氧化物导电率、高吸水率和低机械完整性。

现在用于HEM/HEI的最大挑战为在80℃或更高并且理想地95℃或更高(例如在亲核氢氧根离子存在下)所需操作温度下实现高化学稳定性。Varcoe等人,《能源环境科学(Energ Environ Sci)》2014,7,3135。最常见的阳离子官能团(例如苯甲基三甲基铵和烷基链铵)可在氢氧根离子亲核试剂存在下通过直接亲核取代和霍夫曼消除进行许多降解过程。此外，用于HEM/HEI应用的大多数基础聚合物(例如聚砜和聚苯醚)的聚合物主链不可避免地沿主链含有醚键，这使HEM/HEI在高pH条件下可能不稳定。Lee等人,《Acs Macro Lett》2015,4,453；Lee等人,《Acs Macro Lett》2015,4,814。强亲核氢氧根离子攻击这些弱键并且降解聚合物主链。因此，需要替代的阳离子基团、有机系链和聚合物主链来增强HEM/HEI的化学稳定性。