專利名稱：離子導(dǎo)體和燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液體離子導(dǎo)體以及利用該離子導(dǎo)體的燃料電池。
背景技術(shù)：
作為指示電池特性的指標(biāo)，存在能量密度和輸出密度。能量密度是每單位質(zhì)量的 電池的能量積累量，而輸出密度是每單位質(zhì)量的電池的輸出量。由于鋰離子二次電池具有 相對高的能量密度和極高的輸出密度的兩種特性，并且完成度高，所以鋰離子二次電池已 被廣泛用作移動(dòng)裝置的電源。然而，近年來，在移動(dòng)裝置中存在這樣的趨勢，即功率消耗隨 著高性能而增大，并且在離子二次電池中期望進(jìn)一步改善能量密度和輸出密度。作為其對策，提到了構(gòu)成正極和負(fù)極的電極材料的改變、電極材料的涂布方法的 改善、電極材料的密封方法的改善等，并且已經(jīng)進(jìn)行了改善鋰離子二次電池的能量密度的 研究。然而，對于實(shí)際使用的困難仍然很高。而且，除非改變當(dāng)前用于鋰離子二次電池的材 料，否則就很難預(yù)期顯著改善能量密度。因此，在鋰離子二次電池的替代中，迫切需要開發(fā)具有更高能量密度的電池，而燃 料電池作為候選者之一被認(rèn)為是很有前景的。燃料電池具有這樣的構(gòu)造，其中電解質(zhì)布置在負(fù)極(燃料電極)與正極(氧電極) 之間，并且分別將燃料供給燃料電極、將空氣或氧供給氧電極。結(jié)果，在燃料電極和氧電極 中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其中燃料被氧氧化，并且燃料的一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成待提取的電能。已經(jīng)提出或?qū)嶒?yàn)性地生產(chǎn)了各種類型的燃料電池，并且一些燃料電池已被投入 實(shí)際使用。根據(jù)所使用的電解質(zhì)，這些燃料電池分成堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池 (PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體電解質(zhì)燃料電池(SOFC)、聚合物電解質(zhì)燃料電 池(PEFC)等。在它們之中，相比于其它類型的燃料電池，PEFC可以在低溫下，例如在大約 30°C以上至130°C以下的溫度下工作。作為燃料電池的燃料，可以使用各種可燃物質(zhì)如氫和甲醇。然而，由于存儲(chǔ)筒等對 于氣體燃料如氫氣是必需的，所以它不適合于尺寸減小。同時(shí)，液體燃料如甲醇具有易于儲(chǔ) 存的優(yōu)點(diǎn)。尤其是，在直接甲醇燃料電池(DMFC)中，用于從燃料提取氫的重整器不是必需 的并且構(gòu)造簡單，使得具有容易減小尺寸的優(yōu)點(diǎn)。在DMFC中，作為燃料的甲醇通常作為低濃度或高濃度的水溶液，或作為氣體狀態(tài) 的純甲醇被供給到燃料電極，并在燃料電極的催化劑層中被氧化成二氧化碳。此時(shí)產(chǎn)生的 質(zhì)子(H+)穿過分開燃料電極和氧電極的電解質(zhì)膜被轉(zhuǎn)移到氧電極，并與氧電極中的氧反 應(yīng)以產(chǎn)生水。在燃料電極、氧電極和整個(gè)DMFC中發(fā)生的反應(yīng)通過化學(xué)式1表示。(化學(xué)式1)燃料電極CH30H+H20— C02+6e>6H+
氧電極(3/2) 02+6e>6H+ — 3H20整個(gè)DMFC CH3OH+ (3/2) O2 — C02+2H20作為DMFC燃料的甲醇的能量密度理論上為4. 8kff/L,并且為典型鋰離子二次電池的能量密度的十倍以上。也就是說，使用甲醇作為燃料的燃料電池在能量密度方面具有超 過鋰離子二次電池的巨大潛力。據(jù)此，在各種燃料電池中，DMFC具有被用作用于移動(dòng)裝置、 電動(dòng)汽車等的能源的最高可能性。然而，在DMFC中存在一個(gè)問題，即盡管理論電壓為1.23V，但是在實(shí)際發(fā)電時(shí)的輸 出電壓被減小至大約0. 6V以下。輸出電壓的減小是由DMFC的內(nèi)部電阻，以及如在兩個(gè)電 極中發(fā)生的反應(yīng)伴隨的電阻、物質(zhì)轉(zhuǎn)移伴隨的電阻、當(dāng)質(zhì)子從電解質(zhì)膜轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生的電阻、 以及進(jìn)一步的在DMFC中存在的接觸電阻的內(nèi)部電阻所產(chǎn)生的電壓降引起的。由于實(shí)際上 可以作為電能從甲醇的氧化提取的能量是由在發(fā)電時(shí)的輸出電壓與流過電路的電量的乘 積表示的，所以當(dāng)發(fā)電時(shí)的輸出電壓減小時(shí)，可以實(shí)際提取的能量相應(yīng)地被減少。另外，當(dāng) 全部量的甲醇按照化學(xué)式1在燃料電極中被氧化時(shí)，在DMFC中通過甲醇氧化可以提取到電 路的電量與甲醇的量成比例。而且，在DMFC中存在甲醇滲透(methanol crossover)的問題。甲醇滲透是指甲 醇從燃料電極側(cè)滲透過電解質(zhì)膜并到達(dá)氧氣電極側(cè)的現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由于以下兩種機(jī)制產(chǎn) 生由于在燃料電極側(cè)和氧電極側(cè)上的甲醇濃度的差異而使甲醇擴(kuò)散并移動(dòng)的現(xiàn)象；以及 由于伴隨質(zhì)子的移動(dòng)引起的水的移動(dòng)而使水合甲醇被搬運(yùn)的電滲透現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生甲醇滲透時(shí)，透過的甲醇在氧電極的催化劑層中被氧化。在氧電極側(cè)上的 甲醇氧化反應(yīng)與在燃料電極側(cè)上的氧化反應(yīng)相同，并且引起DMFC的輸出電壓減小(例如， 參照非專利文獻(xiàn)1)。而且，由于甲醇在燃料電極側(cè)并不用于發(fā)電，并且在氧電極側(cè)被消耗， 所以可以提取到電路的電量相應(yīng)地減少。而且，由于氧電極的催化劑層不是鉬(Pt)-銣 (Ru)的合金催化劑，而是鉬(Pt)催化劑，所以一氧化碳(CO)可能被吸附在催化劑的表面 上，并且存在產(chǎn)生催化劑中毒的缺點(diǎn)等。這樣，在DMFC中，存在由內(nèi)部電阻和甲醇滲透引起的電壓減小，以及由甲醇滲透 引起的燃料消耗的兩個(gè)問題，并且這些引起DMFC的發(fā)電效率降低。因此，為了增大DMFC的 發(fā)電效率，積極地進(jìn)行了改善構(gòu)成DMFC的材料特性的研究和開發(fā)、以及優(yōu)化DMFC的工作條 件的研究和開發(fā)。在改善構(gòu)成DMFC的材料特性的研究中，存在電解質(zhì)膜和燃料電極側(cè)上的催化劑 的研究。對于電解質(zhì)膜，盡管現(xiàn)在典型地使用聚全氟烷基磺酸類樹脂膜(由杜邦制造的 "Nafion"(注冊商標(biāo)))，但是也考慮了氟聚合物膜、烴聚合物電解質(zhì)膜、水凝膠類電解質(zhì)膜 等，因?yàn)槠滟|(zhì)子電導(dǎo)率和甲醇滲透抑制能力高于聚全氟烷基磺酸類樹脂膜。而且，除了這些 之外，通過用高分子化合物摻雜具有磺酸基或膦酸基的有機(jī)化合物形成的薄膜(例如，參 照專利文獻(xiàn)1 3)，以及利用具有磺酸基或膦酸基的高分子化合物的薄膜(例如，專利文 獻(xiàn)4和5)是已知的電解質(zhì)膜，此外，具有磺酸基或膦酸基的有機(jī)化合物是已知的用于形成 電解質(zhì)膜的材料(例如，專利文獻(xiàn)6和7)。對于燃料電極側(cè)上的催化劑，已進(jìn)行了比現(xiàn)今通常使用的鉬(Pt)-銣(Ru)合金催 化劑更高度活性的催化劑的研究和開發(fā)。改善構(gòu)成燃料電池的材料的特性是提高燃料電池的發(fā)電效率的合適手段。然而， 與還沒有找到最適合于消除上述兩個(gè)問題的催化劑的情形類似，迄今還沒有找到最適合的 電解質(zhì)膜。非專利文獻(xiàn)l:“Fuel Cell Systems Explained”，Ohmsha，ρ· 66
非專利文獻(xiàn)2 “ Journal of the American Chemical Society” 2005，Vol 127， No. 48,pp.16758-16759非專利文獻(xiàn) 3 "Commercialization of fuel cells for mobiledevices，，， Technical Information Institute Co.，Ltd. , p. 110專利文獻(xiàn)1 日本未審查專利公開第2006-260993號(hào)專利文獻(xiàn)2 日本未審查專利公開第2006-299075號(hào)專利文獻(xiàn)3 日本未審查專利公開第2007-012617號(hào)專利文獻(xiàn)4 日本未審查專利公開第2000-011755號(hào)專利文獻(xiàn)5 日本未審查專利公開第2003-020308號(hào)專利文獻(xiàn)6 日本未審查專利公開第2002-338585號(hào)專利文獻(xiàn)7 日本未審查專利公開第2005-222890號(hào)專利文獻(xiàn)8 美國專利公開第2004/007204號(hào)

發(fā)明內(nèi)容
同樣，在非專利文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)8中，所述問題沒有試圖通過現(xiàn)有方法如開發(fā)電 解質(zhì)膜進(jìn)行解決，而是提出了利用層流(laminar flow)的燃料電池(層流燃料電池)。在 層流燃料電池中，聲稱諸如在氧電極中的溢流、水控制、燃料滲透等的問題可以得到解決。作為層流發(fā)生的條件，提出了低雷諾數(shù)(雷諾數(shù)=Re)。雷諾數(shù)是慣性項(xiàng)和粘性項(xiàng) 的比率，并由式1表示。典型地，當(dāng)Re小于2000時(shí)，被認(rèn)為該流是層流。(式1)Re =(慣性力 / 粘性力)=P UL/μ = UL/ν(在該式中，分別地，P表示流體密度，U表示代表性速度，L表示代表性長度，μ 表示粘度系數(shù)，而ν表示動(dòng)力學(xué)粘度)。在層流燃料電池中，使用微通路(micropath，微流路)。在該微通路中，兩種或更 多種流體通過層流流動(dòng)。即，由于這些流體具有層流的特性，所以這些流體形成界面并且在 沒有混合的情況下流動(dòng)。通過將燃料電極和氧電極粘到通路的壁上，并在氧電極為多孔性 時(shí)通過層流循環(huán)燃料的液體和電解質(zhì)溶液、以及包含氧氣的水或僅包含電解液的液體而可 以連續(xù)地發(fā)電。如據(jù)此可以理解的，層流的界面用作電解質(zhì)膜，并且發(fā)生離子接觸。因此， 在該結(jié)構(gòu)中電解質(zhì)膜不是必需的，并且可以避免由保持在現(xiàn)有燃料電池中的電解質(zhì)膜的劣 化引起的發(fā)電效率降低。然而，在該結(jié)構(gòu)中，使用硫酸作為含有電解質(zhì)的液體。盡管該硫酸是稀硫酸，其中 濃度為約0. 5mol/dm3以上至lmol/dm3以下，硫酸是非揮發(fā)性的，不像鹽酸等，因此存在這樣 的風(fēng)險(xiǎn)，即使在具有低濃度的硫酸中也發(fā)生安全性問題。例如，存在這樣的可能性，即水由 于發(fā)電環(huán)境而蒸發(fā)。在這種情況下，稀硫酸變成濃硫酸，并且在接觸電池包裝或流體的一部 分是金屬時(shí)可能發(fā)生腐蝕。而且，即使構(gòu)件為樹脂，但也只有很少的材料是耐濃硫酸的。因 此，使用硫酸作為電解質(zhì)的層流燃料電池投入實(shí)際使用的可能性極小。鑒于前述問題，本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種能夠確保高安全性，例如，即使在 受環(huán)境改變的影響時(shí)，并且能夠獲得良好的離子電導(dǎo)率的離子導(dǎo)體。而且，本發(fā)明的第二個(gè) 目的是提供一種能夠確保高安全性并且能夠獲得良好的特性如功率密度的燃料電池。
本發(fā)明的離子導(dǎo)體包括在室溫下是固體并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè) 的有機(jī)化合物；以及溶解該有機(jī)化合物的溶劑?！笆覝亍笔侵?5°C以上至30°C以下的溫度范 圍，而“在室溫下為固體”是指其熔點(diǎn)高于30°C。在本發(fā)明的燃料電池中，燃料電極和氧電極通過它們之間的電解質(zhì)相對布置，并 且電解質(zhì)由包括有機(jī)化合物和溶解該有機(jī)化合物的溶劑的離子導(dǎo)體構(gòu)成，其中該有機(jī)化合 物在室溫下為固體并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)。在本發(fā)明的離子導(dǎo)體中，由于在室溫下為固體且具有磺酸基和膦酸基中的至少一 個(gè)的有機(jī)化合物被溶解，所以質(zhì)子從磺酸基或膦酸基離解，并且總體上呈現(xiàn)出良好的離子 電導(dǎo)率。而且，例如，在其中溶劑由于環(huán)境改變而蒸發(fā)的情況下，該有機(jī)化合物保持為固體。 從而，在利用上述離子導(dǎo)體的本發(fā)明的燃料電池中，燃料電極與氧電極之間的電阻被抑制 為較低，并且燃料被有利地轉(zhuǎn)化成電能。而且，不同于用作現(xiàn)有電解質(zhì)流體的硫酸，即使在 其中溶劑蒸發(fā)的情況下，周圍構(gòu)件很難被腐蝕。根據(jù)本發(fā)明的離子導(dǎo)體，由于該離子導(dǎo)體包括在室溫下為固體且具有磺酸基和膦 酸基中的至少一個(gè)的有機(jī)化合物以及溶解該有機(jī)化合物的溶劑，所以，例如即使在受環(huán)境 改變的影響時(shí)，也可以確保高安全性，并且可以獲得良好的離子電導(dǎo)率。從而，根據(jù)使用本 發(fā)明的離子導(dǎo)體作為電解質(zhì)的燃料電池，可以確保高安全性，并且可以獲得良好的特性如 功率密度。


圖1是示出了包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的第一燃料電池系統(tǒng)的電子裝置 的示意性構(gòu)造的示圖。圖2是示出了圖1所示的燃料電池的構(gòu)造的示圖。圖3是示出了根據(jù)另一實(shí)施方式的燃料電池的構(gòu)造的示圖。圖4是示出了在一個(gè)實(shí)施例中制造的燃料電池系統(tǒng)的特性的示圖。圖5是示出了在一個(gè)實(shí)施例中制造的另一燃料電池系統(tǒng)的特性的示圖。圖6是示出了在一個(gè)實(shí)施例中制造的又一燃料電池系統(tǒng)的特性的示圖。圖7是進(jìn)一步示出了在一個(gè)實(shí)施例中制造的又一燃料電池系統(tǒng)的特性的示圖。圖8是進(jìn)一步示出了在一個(gè)實(shí)施例中制造的又一燃料電池系統(tǒng)的特性的示圖。
具體實(shí)施例方式在下文中將對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行描述。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的離子導(dǎo)體是在電化學(xué)裝置如燃料電池中使用的液體電 解質(zhì)(電解質(zhì)溶液)，并且包含在室溫下為固體且具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)的有 機(jī)化合物(在下文中，稱為具有磺酸基等的有機(jī)化合物)以及溶解具有磺酸基等的有機(jī)化 合物的溶劑。這種離子導(dǎo)體可以僅包含一種具有磺酸基等的有機(jī)化合物，或者可以通過混 合它們而包含兩種或更多種。這種離子導(dǎo)體包含具有磺酸基等的有機(jī)化合物。這是因?yàn)榭梢垣@得良好的離子電 導(dǎo)率，由于具有磺酸基等的有機(jī)化合物具有呈現(xiàn)出高質(zhì)子離解的磺酸基和膦酸基中的至少 一個(gè)，并且與硫酸等相比，可以確保高安全性，這是由于具有磺酸基等的有機(jī)化合物在室溫下是固體，并且即使在其中溶劑由于環(huán)境改變而蒸發(fā)的情況下也保持為固體。具有磺酸基等的有機(jī)化合物是具有離子電導(dǎo)率的化合物。盡管具有磺酸基等的這 種有機(jī)化合物是任意的，只要它在室溫下是固體，即只要該化合物的熔點(diǎn)為30°C以上，但是 優(yōu)選具有磺酸基等的有機(jī)化合物具有高于工作溫度和在電化學(xué)裝置如燃料電池中采用的 使用溫度的熔點(diǎn)。這是因?yàn)榧词乖谒捎玫墓ぷ鳒囟群筒捎玫氖褂脺囟认氯軇┍徽舭l(fā)的情 況下，周圍構(gòu)件的腐蝕也被抑制，并且可以確保更高的安全性。因此，例如，由于在直接甲醇 燃料電池中采用的工作溫度為30°C以上至130°C以下，所以具有磺酸基等的有機(jī)化合物的 熔點(diǎn)優(yōu)選高于130°C。而且，具有磺酸基等的有機(jī)化合物可以僅具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)，可 以具有兩個(gè)以上的磺酸基或膦酸基，或磺酸基和膦酸基合在一起可以有兩個(gè)以上。在它們 之中，具有磺酸基等的有機(jī)化合物優(yōu)選具有兩個(gè)以上的磺酸基或膦酸基。這是因?yàn)榭梢垣@ 得更好的離子電導(dǎo)率。具有磺酸基等的有機(jī)化合物的實(shí)例包括其中磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)連接 至鏈狀或支鏈狀碳鏈的化合物，以及其中磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)連接至碳環(huán)或雜環(huán) 的化合物。具體地，存在具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)以及直鏈或支鏈狀碳骨架的化 合物、具有磺酸基或膦酸基中的至少一個(gè)以及苯環(huán)、吡啶環(huán)、萘環(huán)、喹啉環(huán)或異喹啉環(huán)等的 化合物。在它們之中，具有磺酸基等的有機(jī)化合物優(yōu)選包含由化學(xué)式2至化學(xué)式7表示的 化合物中的至少一種。這是因?yàn)榭梢垣@得高的效果。另外，化學(xué)式2中的Rl和R2可以彼此相同，或者可以彼此不同?；瘜W(xué)式2中的 R3可以彼此相同，或者可以彼此不同。這同樣適用于化學(xué)式3中的R4 R9、化學(xué)式4中的 RlO R14、化學(xué)式5中的R15 R22、化學(xué)式6中的R23 R29、以及化學(xué)式7中的R30 R36。[化學(xué)式2]Rl-CnR32n-R2其中Rl R3各自是氫基(-H)、羥基(_0H)、氨基(-NH2)、氨基烷基、氰基(_CN)、 鹵基、磺酸基或膦酸基。然而，R1、R2和R3中的至少一個(gè)是磺酸基或膦酸基。η為1以上至 10以下的整數(shù)。[化學(xué)式3] 其中R4 R9各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、商基、烷基、烷氧基、磺酸基 或甲基膦酸基(-CH2-PO3H)。然而，R4、R5、R6、R7、R8和R9中的至少一個(gè)是磺酸基或甲基膦酸基。[化學(xué)式4] 其中RlO R14各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、商基、烷基、烷氧基、磺酸 基或甲基膦酸基。然而，R10、R11、R12、R13和R14中的至少一個(gè)是磺酸基或甲基膦酸基。[化學(xué)式δ] 其中R15 R22各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、商基、烷基、烷氧基、磺酸 基或甲基膦酸基。然而，R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21和R22中的至少一個(gè)是磺酸基或 甲基膦酸基。[化學(xué)式6] 其中R23 R29各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、商基、烷基、烷氧基、磺酸 基或甲基膦酸基。然而，1 23、1 24、1 25、1 26、1 27、1 28和1 29中的至少一個(gè)是磺酸基或甲基
膦酸基。[化學(xué)式7] 其中R30 R36各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、商基、烷基、烷氧基、磺酸 基或甲基膦酸基。然而，1 30、1 31、1 32、1 33、1 34、1 35和1 36中的至少一個(gè)是磺酸基或甲基
膦酸基。Rl R3各自是上述氫基等，由于可以獲得高效果。在上述氫基等中，Rl R3各 自優(yōu)選是氫基、鹵基、磺酸基或膦酸基。這是因?yàn)榭梢垣@得更高的質(zhì)子電導(dǎo)率。在Rl R3 中的任一個(gè)是鹵基的情況下，氟基是優(yōu)選的，由于與其它鹵基相比可以獲得更高的效果。而 且，在Rl R3中的任一個(gè)是氨基烷基的情況下，氨基烷基的碳數(shù)優(yōu)選為1以上至3以下。這是因?yàn)楫?dāng)碳數(shù)為4以上時(shí)，熔點(diǎn)可能會(huì)降低。而且，化學(xué)式2中的η在上述范圍內(nèi)，這是 由于熔點(diǎn)可能會(huì)降低。在該范圍內(nèi)，η優(yōu)選為1以上至7以下的整數(shù)，并且更優(yōu)選為2以上 至4以下的整數(shù)。這是因?yàn)榭梢垣@得高效果。R4 R9各自是上述的氫基等，由于可以獲得高效果。在上述氫基等中，R4 R9各 自優(yōu)選是氫基、商基、磺酸基或甲基膦酸基。這是因?yàn)榭梢垣@得更高的質(zhì)子電導(dǎo)率。在R4 R9中的任一個(gè)是鹵基的情況下，氟基是優(yōu)選的，由于與其它鹵基相比可以獲得更高的效果。 而且，在R4 R9中的任一個(gè)是氨基烷基、烷基或烷氧基的情況下，其碳數(shù)優(yōu)選為1以上至3 以下。這是因?yàn)楫?dāng)碳數(shù)為4以上時(shí)，熔點(diǎn)可能會(huì)降低。這同樣適用于化學(xué)式4中的RlO R14、化學(xué)式5中的R15 R22、化學(xué)式6中的R23 R29、以及化學(xué)式7中的R30 R36。由化學(xué)式2表示的化合物的實(shí)例包括由化學(xué)式8(1) (10)表示的一系列化合 物。在它們之中，化學(xué)式8(2)和化學(xué)式8(10)的化合物中的至少一種是優(yōu)選的，并且化學(xué) 式8(2)的化合物是特別優(yōu)選的。這是因?yàn)榭梢垣@得更高的效果。另外，不用說，其并不限 于由化學(xué)式8表示的化合物，只要它具有由化學(xué)式2表示的結(jié)構(gòu)。[化學(xué)式S] 由化學(xué)式3表示的化合物的實(shí)例包括由化學(xué)式9和化學(xué)式10表示的一系列化合 物。在它們之中，由化學(xué)式9(2)、化學(xué)式9(10)和化學(xué)式10(2)表示的化合物中的至少一種 是優(yōu)選的，并且化學(xué)式9 (2)和化學(xué)式9(10)的化合物中的至少一種是特別優(yōu)選的。這是因 為可以獲得更高的效果。另外，不用說，其并不限于由化學(xué)式9和化學(xué)式10表示的化合物， 只要它具有由化學(xué)式3表示的結(jié)構(gòu)。
[化學(xué)式9] 由化學(xué)式4表示的化合物的實(shí)例包括由化學(xué)式11表示的化合物。另外，不用說， 并不限于由化學(xué)式11表示的化合物，只要它具有由化學(xué)式4表示的結(jié)構(gòu)。[化學(xué)式11] 由化學(xué)式5表示的化合物的實(shí)例包括由化學(xué)式12(1) (4)表示的一系列化合 物。在它們之中，由化學(xué)式12(2)表示的化合物是優(yōu)選的。這是因?yàn)榭梢垣@得高的效果。另 外，不用說，并不限于由化學(xué)式12表示的化合物，只要它具有由化學(xué)式5表示的結(jié)構(gòu)。[化學(xué)式12] 由化學(xué)式6表示的化合物的實(shí)例包括由化學(xué)式13表示的化合物。另外，不用說， 并不限于由化學(xué)式13表示的化合物，只要它具有由化學(xué)式6表示的結(jié)構(gòu)。[化學(xué)式13] 由化學(xué)式7表示的化合物的實(shí)例包括由化學(xué)式14表示的化合物。另外，不用說， 并不限于由化學(xué)式14表示的化合物，只要它具有由化學(xué)式7表示的結(jié)構(gòu)。[化學(xué)式14] 在離子導(dǎo)體中上述具有磺酸基等的有機(jī)化合物的含量優(yōu)選為0. lmol/dm3以上至 3mol/dm3以下。這是因?yàn)榭梢垣@得良好的離子電導(dǎo)率。溶劑可以是任意的，只要它可以溶解上述具有磺酸基等的有機(jī)化合物，并且實(shí)例 包括水。
該離子導(dǎo)體中的PH優(yōu)選為3以下。這是因?yàn)榭梢垣@得高的離子電導(dǎo)率。根據(jù)該離子導(dǎo)體，由于在室溫下為固體且具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)的有 機(jī)化合物被溶解，因此質(zhì)子從磺酸基或膦酸基離解，并且整體上可以呈現(xiàn)出良好的離子電 導(dǎo)率。而且，在其中溶劑由于環(huán)境改變被蒸發(fā)的情況下，該有機(jī)化合物保持為固體。從而， 即使當(dāng)受到環(huán)境改變的影響時(shí)，也可以確保高安全性，并且可以獲得良好的離子電導(dǎo)率。因 此，在其中該離子導(dǎo)體用作電化學(xué)裝置如燃料電池中的電解質(zhì)的情況下，可以確保高安全 性并且可以獲得良好的特性如功率密度。尤其是，當(dāng)具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)的有機(jī)化合物是選自由化學(xué)式2至 化學(xué)式7表示的化合物組成的組中的至少一種時(shí)，可以獲得高效果。接著，作為上述離子導(dǎo)體的使用實(shí)例，將描述其中在包括燃料電池的燃料電池系 統(tǒng)中使用離子導(dǎo)體的情況。(第一燃料電池系統(tǒng))圖1示出了具有第一燃料電池系統(tǒng)的電子裝置的示意性構(gòu)造。這種電子裝置例如 是移動(dòng)裝置如便攜式電話和PDA (個(gè)人數(shù)字助理)、或筆記本式PC (個(gè)人計(jì)算機(jī))，并且包括 燃料電池系統(tǒng)1和由在該燃料電池系統(tǒng)1中產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)的外部電路(負(fù)載)2。燃料電池系統(tǒng)1包括例如燃料電池110、測量該燃料電池的工作狀態(tài)的測量部 120、以及基于通過測量部120的測量結(jié)果來確定燃料電池110的工作條件的控制部130。 該燃料電池系統(tǒng)1還包括將含有電解質(zhì)的第一流體Fl供給到燃料電池110的電解質(zhì)供給 部140、以及供應(yīng)包含燃料的第二流體F2的燃料供給部150。以這種方式，由于通過作為流 體供給電解質(zhì)使得電解質(zhì)膜不是必需的，所以可以在不受溫度和濕度影響的情況下發(fā)電， 并且與使用電解質(zhì)膜的典型燃料電池相比，可以增大離子電導(dǎo)率(質(zhì)子電導(dǎo)率)。在電解質(zhì) 膜中，由于離子電導(dǎo)率(質(zhì)子電導(dǎo)率)從松散狀態(tài)(bulk state)大幅降低，所以需要向具 有離子電導(dǎo)率(質(zhì)子電導(dǎo)率)的樹脂中加入粘結(jié)劑用于固定。而且，消除了電解質(zhì)膜劣化 和離子電導(dǎo)率由于電解質(zhì)膜的干燥而降低的風(fēng)險(xiǎn)，并且可以解決氧電極溢流、水控制等的 問題。第一流體Fl中包含的電解質(zhì)由上述離子導(dǎo)體構(gòu)成。從而，在該燃料電池110中， 含有電解質(zhì)的第一流體Fl具有良好的離子電導(dǎo)率，并且可以將燃料電極與氧電極之間的 電阻抑制為較低。而且，不同于硫酸以現(xiàn)有方式用作電解質(zhì)的情況，甚至在溶劑被蒸發(fā)的情 況下，周圍的構(gòu)件也不可能被腐蝕。因此，可以確保高安全性，并且可以獲得良好的特性如 功率密度。第二流體F2中包含的燃料的實(shí)例包括甲醇。另外，含有燃料的第二流體F2可以 用其它醇(如乙醇)以及二甲醚代替甲醇。圖2示出了圖1所示的燃料電池110的構(gòu)造。燃料電池110是所謂的直接甲醇 流型燃料電池(DMFFC ；Direct Methanol FlowBased Fuel Cell)，并且具有燃料電極(負(fù) 極)10和氧電極(正極)20相對布置的構(gòu)造。在燃料電極10與氧電極20之間，設(shè)置有使 含有電解質(zhì)的第一流體Fl流動(dòng)的電解質(zhì)通路30。在燃料電極10外部，即，在與氧電極20 的相對側(cè)上，設(shè)置使含有燃料的第二流體F2流動(dòng)的燃料通路40。S卩，燃料電極10還用作隔 離含有電解質(zhì)的第一流體F 1和含有燃料的第二流體F2的隔離膜。燃料電極10具有這樣的構(gòu)造，其中催化劑層11、擴(kuò)散層12和集電體13從氧電極20側(cè)以該順序堆疊，并容納在外部構(gòu)件14中。氧電極20具有這樣的構(gòu)造，其中催化劑層 21、擴(kuò)散層22和集電體23從燃料電極側(cè)以該順序堆疊，并容納在外部構(gòu)件24中。另外，空 氣，即氧通過該外部構(gòu)件24被供給到氧電極20。作為催化劑，催化劑層11和21例如由作為單質(zhì)的鈀(Pd)、鉬(Pt)、銥(Ir)、銠 (Rh)、銣(Ru)等的金屬或它們的合金構(gòu)成。而且，除了催化劑之外，在催化劑層11和21中 還可以包含質(zhì)子導(dǎo)體和粘結(jié)劑。質(zhì)子導(dǎo)體的實(shí)例包括聚全氟烷基磺酸類樹脂薄膜(由杜邦 制造的“Naf ion (注冊商標(biāo))”)，或具有質(zhì)子電導(dǎo)率的其它樹脂。加入粘結(jié)劑以保持催化劑 層11和21的強(qiáng)度和柔性，并且粘結(jié)劑的實(shí)例包括聚全氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF) 等的樹脂。擴(kuò)散層12和22例如由碳布、碳紙或碳板構(gòu)成。通過聚四氟乙烯(PTEE)等的防水 處理期望在擴(kuò)散層12和22上進(jìn)行。集電體13和23例如由鈦(Ti)網(wǎng)構(gòu)成。外部構(gòu)件14和24例如具有2. Omm的厚度，并且由通?？色@得的材料如鈦板構(gòu)成， 然而，對該材料沒有特別限制。另外，外部構(gòu)件14和24的厚度期望盡可能小。電解質(zhì)通路30和燃料通路40例如通過加工樹脂板的細(xì)通路形成，并粘接至燃料 電極10。另外，通路的數(shù)量沒有限制。而且，盡管通路的寬度、高度和長度沒有特別限制，但 是它們期望盡可能小。電解質(zhì)通路30通過設(shè)置在外部構(gòu)件24中的電解質(zhì)入口 24A和電解質(zhì)出口 24B而 連接至電解質(zhì)供給部140 (在圖2中未示出，參考圖1)，并且含有電解質(zhì)的第一流體Fl從電 解質(zhì)供給部140供給至電解質(zhì)通路30。燃料通路40通過設(shè)置在外部構(gòu)件14中的燃料入口 14A和燃料出口 14B連接至燃料供給部150 (在圖2中未示出，參考圖1)，并且含有燃料的 第二流體F2從燃料供給部150供應(yīng)到燃料通路40。圖1所示的測量部120測量燃料電池110的工作電壓和工作電流，并且例如具有 測量燃料電池110的工作電壓的電壓測量電路121、測量工作電流的電流測量電路122、以 及將獲得的測量結(jié)果送到控制部130的通信線123。圖1所示的控制部130基于測量部120的測量結(jié)果控制作為燃料電池110的工作 條件的電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)，并且例如具有計(jì)算部131、存儲(chǔ)(記憶)部132、 通信部133和通信線134。這里，電解質(zhì)供給參數(shù)包括例如含有電解質(zhì)的流體Fl的供給流 速。燃料供給參數(shù)包括例如含有燃料的流體F2的供給流速和供給量，并且可以根據(jù)需要包 括供給濃度。控制部130可以例如由微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。計(jì)算部131根據(jù)在測量部120中獲得的測量結(jié)果來計(jì)算燃料電池110的輸出，并 設(shè)置電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)。具體地，計(jì)算部131將從輸入到存儲(chǔ)部132的各種 測量結(jié)果以規(guī)則的間隔取樣的負(fù)極電位、正極電位、輸出電壓和輸出電流進(jìn)行平均，計(jì)算平 均負(fù)極電位、平均正極電位、平均輸出電壓和平均輸出電流，以將它們輸入至存儲(chǔ)部132，并 相互比較存儲(chǔ)在存儲(chǔ)部132中的各種平均值以確定電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)。存儲(chǔ)部132存儲(chǔ)從測量部120發(fā)送的各種測量值、通過計(jì)算部131計(jì)算的各種平 均值等。通信部133具有通過通信線123從測量部120接收測量結(jié)果、以及將測量結(jié)果輸 入到存儲(chǔ)部132的功能，并且具有通過通信線134分別將用于設(shè)置電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參數(shù)的信號(hào)輸出到電解質(zhì)供給部140和燃料供給部150的功能。圖1所示的電解質(zhì)供給部140包括電解質(zhì)存儲(chǔ)部141、電解質(zhì)供給調(diào)整部142、電 解質(zhì)供給線路143、和分離室144。電解質(zhì)存儲(chǔ)部141存儲(chǔ)含有電解質(zhì)的第一流體F 1，并 且例如由罐或筒構(gòu)成。電解質(zhì)供給調(diào)整部142調(diào)整含有電解質(zhì)的第一流體Fl的供給流速。 盡管對電解質(zhì)供給調(diào)整部142沒有特別限制，只要它可以通過來自控制部130的信號(hào)進(jìn)行 驅(qū)動(dòng)即可，但是電解質(zhì)供給調(diào)整部142優(yōu)選例如由通過馬達(dá)或壓電元件驅(qū)動(dòng)的閥門、或電 磁泵構(gòu)成。存在這樣的可能，少量的甲醇混入到從電解質(zhì)出口 24B流出的含有電解質(zhì)的第 一流體Fl中，因此分離室144分離該甲醇。分離室144設(shè)置在電解質(zhì)出口 24B附近，并且 包括通過過濾或者燃燒、反應(yīng)或蒸發(fā)而除去甲醇的機(jī)構(gòu)作為甲醇分離機(jī)構(gòu)。圖1所示的燃料供給部150包括燃料存儲(chǔ)部151、燃料供給調(diào)整部152和燃料供給 線路153。燃料存儲(chǔ)部151存儲(chǔ)含有燃料的第二流體F2，并且例如由罐或筒構(gòu)成。燃料供給 調(diào)整部152調(diào)整含有燃料的第二流體F2的供給流速和供給量。盡管燃料供給調(diào)整部152沒 有特別限制，只要它可以通過來自控制部130的信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但是燃料供給調(diào)整部152優(yōu) 選例如由通過馬達(dá)或壓電元件驅(qū)動(dòng)的閥門、或電磁泵構(gòu)成。另外，燃料供給部150可以包括 調(diào)整含有燃料的第二流體F2的供給濃度的濃度調(diào)整部(在圖中未示出)。在純(99.9% ) 甲醇用作含有燃料的第二流體F2的情況下，可以省略濃度調(diào)整部，并且更大的尺寸減小是 可能的。該燃料電池系統(tǒng)1可以例如如下文將描述的進(jìn)行制造。首先，作為催化劑，例如，以預(yù)定比率混合含有預(yù)定比率的鉬和銣的合金以及聚全 氟烷基磺酸類樹脂薄膜(由杜邦制造的“Nafion (注冊商標(biāo))”)的分散溶液，并形成燃料電 極10的催化劑層11。將該催化劑層11熱壓粘結(jié)至由上述材料制成的擴(kuò)散層12。而且，由 上述材料制成的集電體13通過利用熱熔性粘結(jié)劑或粘合性樹脂板而熱壓粘結(jié)，并形成燃 料電極10。而且，作為催化劑，以預(yù)定比率混合由碳負(fù)載的鉬(Pt)和聚全氟烷基磺酸類樹脂 薄膜(由杜邦制造的“Nafion(注冊商標(biāo))”)的分散溶液，并且形成氧電極20的催化劑層 21。將該催化劑層21熱壓粘結(jié)至由上述材料制成的擴(kuò)散層22。而且，由上述材料制成的集 電體23通過利用熱熔性粘結(jié)劑或粘合性樹脂板而熱壓粘結(jié)，并且形成氧電極20。接著，制備粘合性樹脂板，并且電解質(zhì)通路30和燃料通路40通過在該樹脂板中形 成通路進(jìn)行制造并熱壓粘結(jié)至燃料電極10的兩側(cè)。接著，制造上述材料的外部構(gòu)件14和24，例如由樹脂接頭制成的燃料入口 14A和 燃料出口 14B設(shè)置在外部構(gòu)件14中，并且例如由樹脂接頭制成的電解質(zhì)入口 24A和電解質(zhì) 出口 24B設(shè)置在外部構(gòu)件24中。之后，將燃料電極10和氧電極20相對布置，其中電解質(zhì)通路30在它們之間且燃 料通路40在它們的外側(cè)，并容納在外部構(gòu)件14和24中。從而，完成了圖2所示的燃料電 池 110。將這種燃料電池110安裝在具有上述構(gòu)造的具有測量部120、控制部130、電解質(zhì) 供給部140和燃料供給部150的系統(tǒng)中，燃料入口 14A和燃料出口 14B以及燃料供給部 150例如與由硅酮管制成的燃料供給線153連接，并且電極入口 24A和電極出口 24B以及 電極供給部140例如與由硅酮管制成的電解質(zhì)供給線143連接。作為含有電解質(zhì)的第一流體F1，通過將上述具有磺酸基等的有機(jī)化合物溶解在作為溶劑的水中以具有預(yù)定濃度(例 如，lmol/dm3)來制備離子導(dǎo)體，并且用作電解質(zhì)。而且，甲醇用作含有燃料的第二流體F2。 如上所述，完成了圖1所示的燃料電池系統(tǒng)1。在該燃料電池系統(tǒng)1中，含有燃料的第二流體F2供給到燃料電極10，并且質(zhì)子和 電子由反應(yīng)產(chǎn)生。質(zhì)子穿過含有電解質(zhì)的第一流體Fl以移動(dòng)到氧電極20，并通過與電子和 氧反應(yīng)而產(chǎn)生水。在燃料電極10、氧電極20和整個(gè)燃料電池110中發(fā)生的反應(yīng)由化學(xué)式 15表示。從而，作為燃料的甲醇的一部分化學(xué)能被轉(zhuǎn)化成電能，從燃料電池110提取電流， 并且驅(qū)動(dòng)外部電路2。在燃料電極10中產(chǎn)生的二氧化碳和在氧電極20中產(chǎn)生的水與含有 電解質(zhì)的第一流體Fl —起流動(dòng)，并被除去。(化學(xué)式I5)燃料電極10 :CH30H+H20 — C02+6e>6H+氧電極20 (3/2) 02+6e>6H+ — 3H20整個(gè)燃料電池110 =CH3OH+(3/2) O2 — C02+2H20而且，通過將燃料電極10設(shè)置在電解質(zhì)通路30與燃料通路40之間，當(dāng)幾乎所有 燃料穿過燃料電極10時(shí)發(fā)生反應(yīng)。假設(shè)即使在處于未反應(yīng)狀態(tài)的燃料穿過燃料電極10的 情況下，在滲入到氧電極20之前，燃料通過含有電解質(zhì)的第一流體Fl從燃料電池110內(nèi)部 帶出，并且燃料滲透被顯著抑制。因此，可以使用高濃度燃料，并且作為燃料電池的固有優(yōu) 點(diǎn)的高能量密度特性被利用。在燃料電池110工作期間，燃料電池110的工作電壓和工作電流通過測量部120 來測量，并且基于該測量結(jié)果通過控制部130來控制上述的電解質(zhì)供給參數(shù)和燃料供給參 數(shù)，作為燃料電池110的工作條件。頻繁地重復(fù)通過測量部120的測量和通過控制部130 的參數(shù)控制，并且含有電解質(zhì)的第一流體Fl和含有燃料的第二流體F2的供給狀態(tài)通過隨 著燃料電池110的特性改變而進(jìn)行優(yōu)化。這里，由于上述離子導(dǎo)體用作第一流體Fl中包含的電解質(zhì)，所以該電解質(zhì)具有良 好的離子電導(dǎo)率。而且，與用作現(xiàn)有電解質(zhì)流體的硫酸不同，在溶劑蒸發(fā)的情況下，具有磺 酸基等的有機(jī)化合物保持為固體。根據(jù)該燃料電池系統(tǒng)，由于在室溫下為固體并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一 個(gè)的有機(jī)化合物溶解在溶劑中的離子導(dǎo)體被用作第一流體Fl中包含的電解質(zhì)，所以可以 將燃料電極10與氧電極20之間的電阻抑制為較低。而且，與用作現(xiàn)有電解質(zhì)流體的硫酸 不同，在溶劑蒸發(fā)的情況下，周圍構(gòu)件很難被腐蝕。因此，可以確保高安全性，并且可以獲得 良好的特性如功率密度。關(guān)于該燃料電池系統(tǒng)的其它效果與上述離子導(dǎo)體的情況的那些相 同。(第二燃料電池系統(tǒng))圖3示出了包括在第二燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池IlOA的構(gòu)造。該燃料電池IlOA 具有與在第一燃料系統(tǒng)中包括的燃料電池Iio相同的構(gòu)造，只是氣液分離膜50設(shè)置在燃料 通路40與燃料電極10之間。相同的參考標(biāo)號(hào)將賦予與第一燃料電池系統(tǒng)共有的部件，并 將省略描述。氣液分離膜50可以例如由并不允許液態(tài)醇滲透的聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙 烯(PVDF)、聚丙烯(PP)等的膜構(gòu)成。
該燃料電池IlOA和利用燃料電池IlOA的燃料電池系統(tǒng)1可以以與第一燃料電池 系統(tǒng)1相同的方式制造，只是氣液分離膜50設(shè)置在燃料通路40與燃料電極10之間。在第二燃料電池系統(tǒng)中，以與第一燃料電池系統(tǒng)相同的方式，從燃料電池IlOA提 取電流，并且驅(qū)動(dòng)外部電路2。這里，由于氣液分離膜50設(shè)置在燃料通路40與燃料電極10 之間，所以當(dāng)流過燃料通路40時(shí)，作為燃料的純甲醇以液體狀態(tài)自然揮發(fā)，并從與氣液分 離膜50接觸的面以氣體G狀態(tài)穿過氣液分離膜50以被供應(yīng)到燃料電極10。因此，燃料被 有效地供應(yīng)到燃料電極10，并且穩(wěn)定地發(fā)生反應(yīng)。而且，由于燃料以氣體狀態(tài)供應(yīng)到燃料電 極10，所以電極反應(yīng)活性增大，滲透不可能發(fā)生，并且可以在具有高負(fù)載外部電路2的電子 裝置中獲得高性能。另外，假設(shè)即使存在穿過燃料電極10的氣體甲醇，以與第一燃料電池系統(tǒng)相同的 方式，在到達(dá)氧電極20之前，也能通過含有電解質(zhì)的第一流體Fl而除去甲醇。在該燃料電池系統(tǒng)中，由于氣液分離膜50設(shè)置在燃料通路40與燃料電極10之 間，所以可以使用純(99.9% )甲醇作為第二流體F2中包含的燃料，并且可以進(jìn)一步利用 高能量密度特性作為燃料電池的特性。而且，反應(yīng)穩(wěn)定性和電極反應(yīng)活性增大，并且可以抑 制滲透。因此，可以在具有高負(fù)載外部電路2的電子裝置中獲得高性能。而且，在燃料供給 部150中，可以省略調(diào)整含有燃料的第二流體F2的供給濃度的濃度調(diào)整部，并且更大的尺 寸減小是可能的。實(shí)施例將詳細(xì)地描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。(實(shí)施例1)首先，制備上述的離子導(dǎo)體。此時(shí)，將作為由化學(xué)式2表示的化合物的化學(xué)式8⑵ 的固體化合物溶解在作為溶劑的水中，并且離子導(dǎo)體中化學(xué)式8(2)的化合物的含量設(shè)定 為 lmol/dm3。接著，制造圖3所示的燃料電池110A。首先，作為催化劑，以預(yù)定比率混合含有 預(yù)定比率的鉬和銣的合金和聚全氟烷基磺酸類樹脂薄膜(由杜邦制造的“Naf ion (注冊商 標(biāo))”)的分散溶液，從而形成燃料電極10的催化劑層11。將該催化劑層11在溫度為150°C 和壓力為249kPa的條件下熱壓粘結(jié)至擴(kuò)散層12 (由E-TEK制造；HT-2500) 10分鐘。而且， 由鈦網(wǎng)制成的集電體13通過利用熱熔性粘結(jié)劑或粘合性樹脂板而熱壓粘結(jié)，并形成燃料 電極10。而且，作為催化劑，以預(yù)定比率混合由碳負(fù)載的鉬與聚全氟烷基磺酸類樹脂薄膜 (由杜邦制造的“Naf ion (注冊商標(biāo))”)的分散溶液，并且形成氧電極20的催化劑層21。 該催化劑層21以與燃料電極10的催化劑層11相同的方式熱壓粘結(jié)至擴(kuò)散層22 (由E-TEK 制造；HT-2500)。而且，由鈦網(wǎng)制成的集電體23以與燃料電極10的集電體13相同的方式 熱壓粘結(jié)，并形成氧電極20。接著，制備粘合性樹脂板，并通過在該樹脂板中形成通路而制造電解質(zhì)通路30和 燃料通路40，并熱壓粘結(jié)至燃料電極10的兩側(cè)。接著，制造由鈦制成的外部構(gòu)件14和24，將由樹脂接頭制成的燃料入口 14A和燃 料出口 14B設(shè)置在外部構(gòu)件14中，而將由樹脂接頭制成的電解質(zhì)入口 24A和電解質(zhì)出口 24B設(shè)置在外部構(gòu)件24中。
之后，將燃料電極10和氧電極20相對布置，并且電解質(zhì)通路30在二者之間且 燃料通路40在二者的外側(cè)，并容納在外部構(gòu)件14和24中。此時(shí)，將氣液分離膜50 (由 Millipore制造)設(shè)置在燃料通路40與燃料電極10之間。從而，完成了圖3所示的燃料電 池 IlOA0將該燃料電池IlOA安裝在具有測量部120、控制部130、電解質(zhì)供給部140和燃料 供給部150的系統(tǒng)中，并且構(gòu)成圖1所示的燃料電池系統(tǒng)1。此時(shí)，電解質(zhì)供給調(diào)整部142 和燃料供給調(diào)整部152由隔膜計(jì)量泵(由KNF. Co.，Ltd制造)構(gòu)成，各個(gè)泵利用由硅酮管 制成的電解質(zhì)供給線143和燃料供給線153而直接連接至燃料入口 14A和電解質(zhì)入口 24A， 并且含有電解質(zhì)的第一流體Fl和含有燃料的第二流體F2分別供應(yīng)到電解質(zhì)通路30和燃 料通路40。此時(shí)，作為第一流體Fl中包含的電解質(zhì)，使用制備的離子導(dǎo)體，并且第一流體 Fl的流速為1.0Cm7min。作為第二流體F2中包含的燃料，使用了純(99.9% )甲醇，并且 流速為 0. 80cm7min。(實(shí)施例2 5)以與實(shí)施例1相同的方式，制備離子導(dǎo)體并且通過制造燃料電池IlOA而構(gòu)成燃料 電池系統(tǒng)1，不同之處在于，使用化學(xué)式8(10)的化合物(實(shí)施例2)、化學(xué)式9 (2)的化合 物(實(shí)施例3)、化學(xué)式10(2)的化合物(實(shí)施例4)或化學(xué)式12(2)的化合物(實(shí)施例5) 來代替化學(xué)式8(2)的化合物。另外，化學(xué)式8(10)的化合物、化學(xué)式9(2)的化合物、化學(xué) 式10(2)的化合物和化學(xué)式12(2)的化合物在室溫下都為固體，并且離子導(dǎo)體中的化學(xué)式 8(10)的化合物等的含量為lmol/dm3。(比較例1)以與實(shí)施例1相同的方式制備離子導(dǎo)體，不同之處在于，使用硫酸代替化學(xué)式 8(2)的化合物。此時(shí)，離子導(dǎo)體中硫酸的含量為lmol/dm3?？疾炝诉@些實(shí)施例1 5和比較例1的離子導(dǎo)體的電導(dǎo)率，并且獲得了表1所示 的結(jié)果。而且，評價(jià)了這些實(shí)施例1 5的燃料電池系統(tǒng)的特性，并且獲得了圖4 8 所示的結(jié)果。當(dāng)評價(jià)這些特性時(shí)，通過將每個(gè)燃料電池系統(tǒng)連接至電化學(xué)測量裝置(由 Solartron制造，Multistat 1480)進(jìn)行特性評價(jià)，并且I-V (電流-電壓)特性和I-P (電 流-功率)特性通過恒定電流(20mA、50mA、100mA、l50mA、200mA和250mA)模式運(yùn)行進(jìn)行考 察。另外，分別地，圖4示出了實(shí)施例1的結(jié)果，圖5示出了實(shí)施例2的結(jié)果，圖6示出了實(shí) 施例3的結(jié)果，圖7示出了實(shí)施例4的結(jié)果，而圖8示出了實(shí)施例5的結(jié)果。[表1]
如表1中所示，在含有化學(xué)式8 (2)的化合物、化學(xué)式8(10)的化合物、化學(xué)式9(2) 的化合物、化學(xué)式10(2)的化合物或化學(xué)式12(2)的化合物的實(shí)施例1 5的離子導(dǎo)體中， 盡管與含有硫酸的比較例1的離子導(dǎo)體相比，電導(dǎo)率相等或更小，但是電導(dǎo)率為0. lS/cm2 以上，因此獲得良好的電導(dǎo)率。而且，與實(shí)施例2和4相比，由于在實(shí)施例1和3中獲得更 高的電導(dǎo)率，所以可以理解，與其中使用具有膦酸基的化合物的情況相比，當(dāng)使用具有磺酸 基的化合物時(shí)獲得了更高的電導(dǎo)率。據(jù)此，在離子導(dǎo)體中，證實(shí)了，通過含有在室溫下為固體且具有磺酸基和膦酸基中 的至少一個(gè)的有機(jī)化合物獲得了良好的離子電導(dǎo)率。而且，如圖4 8所示，實(shí)施例1 5的燃料電池IlOA的特性是極其良好的，并 且作為功率密度獲得了 51mW/cm2(實(shí)施例1)、39mW/cm2 (實(shí)施例2)、48mW/cm2 (實(shí)施例3)、 32mff/cm2(實(shí)施例4)和51mW/cm2(實(shí)施例5)。另外，盡管在實(shí)施例中沒有指出，但是在比較 例1的lmol/dm3的硫酸用作電解質(zhì)流體的情況下，特性與實(shí)施例1 5的燃料電池IlOA基 本上相同。據(jù)此，在燃料電池IlOA中，證實(shí)了，可以將燃料電極10與氧電極20之間的電阻抑 制為較低，由于其中在室溫下為固體且具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)的有機(jī)化合物溶 解在溶劑中的離子導(dǎo)體被用作在第一流體Π中包含的電解質(zhì)，因此該電解質(zhì)具有良好的 離子電導(dǎo)率。從而，證實(shí)了，可以獲得良好的特性如功率密度。另外，在實(shí)施例中，盡管沒有指出離子導(dǎo)體的安全性，但是很明顯，與比較例1中 一樣使用硫酸的離子導(dǎo)體相比，確保了高安全性，由于用于制備實(shí)施例1 5的離子導(dǎo)體的 化學(xué)式8 (2)、化學(xué)式8 (10)、化學(xué)式9 (2)、化學(xué)式10 (2)和化學(xué)式12 (2)的化合物在室溫下 為固體。因此，可以認(rèn)為在使用這樣的離子導(dǎo)體的燃料電池中也確保了高安全性。而且，盡 管在實(shí)施例中沒有指出，但考察了實(shí)施例1 5的燃料電池系統(tǒng)中的幵路電壓，并且獲得了 比現(xiàn)有DMFC更高的幵路電壓。也就是說，可以理解，即使當(dāng)100%甲醇被用作含有燃料的流 體F2時(shí)，也沒有產(chǎn)生滲透。在上文中，盡管已經(jīng)利用實(shí)施方式和實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于 前述實(shí)施方式和前述實(shí)施例，并且可以進(jìn)行各種變形。例如，在前述實(shí)施方式和前述實(shí)施例 中，盡管已經(jīng)描述了作為含有電解質(zhì)的第一流體Fl的離子導(dǎo)體在發(fā)電期間的所有時(shí)間以 流動(dòng)狀態(tài)存在的情況，但是本發(fā)明的離子導(dǎo)體可應(yīng)用于使用液體作為電解質(zhì)的電解質(zhì)靜止 型燃料電池。而且，例如，在前述實(shí)施方式和前述實(shí)施例中，盡管已經(jīng)具體描述了燃料電極10、 氧電極20、電解質(zhì)通路30和燃料通路40的構(gòu)造，但是可以采用其它構(gòu)造或通過其它材料的構(gòu)造。例如，燃料通路40可以由多孔板等構(gòu)成，代替如在前述實(shí)施方式和前述實(shí)施例中描 述的通路通過加工樹脂板而形成的板。而且，例如，每一個(gè)部件的材料和厚度、燃料電池110的工作條件等并不限于在前 述實(shí)施方式和前述實(shí)施例中描述的那些，而是可以采用其它材料和其它厚度，并且可以采 用燃料電池110的其它工作條件。另外，在前述實(shí)施方式和前述實(shí)施例中，盡管將燃料從燃料供給部150供給到燃 料電極10，但是燃料電極10是密封型的，并且燃料可以根據(jù)需要進(jìn)行供給。而且，同樣，在前述實(shí)施方式和前述實(shí)施例中，盡管將空氣通過自然通風(fēng)供給至氧 電極20，但是可以通過使用泵等強(qiáng)制地供給空氣。在這種情況下，可以供給氧氣或含氧氣的 氣體來代替空氣。而且，同樣，在前述實(shí)施方式和前述實(shí)施例中，雖然對單元電池型燃料電池進(jìn)行了 描述，但是本發(fā)明也可適用于層疊多個(gè)電池的層疊型燃料電池。此外，同樣，在上述實(shí)施方式中，雖然已經(jīng)描述了將本發(fā)明的離子導(dǎo)體應(yīng)用于燃料 電池的情況，但是除了燃料電池以外，本發(fā)明還可適用于其它電化學(xué)裝置如電容器、燃料傳 感器或者顯示器。
權(quán)利要求
一種離子導(dǎo)體，包括有機(jī)化合物，該有機(jī)化合物在室溫下為固體，并且具有磺酸基( SO3H)和膦酸基( PO3H2)中的至少一個(gè)；以及溶解所述有機(jī)化合物的溶劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子導(dǎo)體，用作用于電化學(xué)裝置的電解液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子導(dǎo)體，其中，所述有機(jī)化合物是由 化學(xué)式1表示的化合物[化學(xué)式1] Rl-CnR32n-R2其中，Rl R3各自是氫基(-H)、羥基(-0H)、氨基(-NH2)、氨基烷基、氰基(-CN)、鹵基、 磺酸基或膦酸基；然而，Rl、R2和R3中的至少一個(gè)是磺酸基或膦酸基；η為1以上至10以下的整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子導(dǎo)體，其中，所述有機(jī)化合物是由化學(xué)式2和化學(xué)式3表 示的化合物中的至少一種[化學(xué)式2] R5其中，R4 R9各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、商基、烷基、烷氧基、磺酸基或 甲基膦酸基(-CH2-PO3)；然而，R4、R5、R6、R7、R8和R9中的至少一個(gè)是磺酸基或甲基膦酸 基；[化學(xué)式3] Rll其中，RlO R14各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、鹵基、烷基、烷氧基、磺酸基 或甲基膦酸基；然而，RIO、Rll、R12、R13和R14中的至少一個(gè)是磺酸基或甲基膦酸基。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子導(dǎo)體，其中，所述有機(jī)化合物是由化學(xué)式4、化學(xué)式5和 化學(xué)式6表示的化合物中的至少一種 [化學(xué)式4] 其中，R15 R22各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、鹵基、烷基、烷氧基、磺酸基或甲基膦酸基；然而，R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21和R22中的至少一個(gè)是磺酸基或甲基膦酸基； 其中，R23 R29各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、鹵基、烷基、烷氧基、磺酸基 或甲基膦酸基；然而，R23、R24、R25、R26、R27、R28和R29中的至少一個(gè)是磺酸基或甲基膦 酸基； 其中，R30 R36各自是氫基、羥基、氨基、氨基烷基、氰基、鹵基、烷基、烷氧基、磺酸基 或甲基膦酸基；然而，R30、R31、R32、R33、R34、R35和R36中的至少一個(gè)是磺酸基或甲基膦酸基。
6. 一種燃料電池，該燃料電池中燃料電極和氧電極相對布置并且電解質(zhì)介于所述燃料 電極和所述氧電極之間，其中，所述電解質(zhì)由離子導(dǎo)體構(gòu)成，所述離子導(dǎo)體包括有機(jī)化合物，該有機(jī)化合物在室溫下為固體，并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)；以及溶解所述有機(jī)化合物的溶劑。
全文摘要
本文提供了一種能夠確保高安全性、并且能夠獲得良好的特性如功率密度的燃料電池。作為含有電解質(zhì)的第一流體F1，在室溫下為固體并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一個(gè)的有機(jī)化合物溶解在溶劑中的離子導(dǎo)體流過布置在燃料電極(10)與氧電極(20)之間的電解質(zhì)通路(30)。從而，可以將燃料電極(10)與氧電極(20)之間的電阻抑制為較低。而且，在溶劑由于環(huán)境改變而被蒸發(fā)的情況下，由于有機(jī)化合物保持為固體，所以周圍的構(gòu)件很難被腐蝕。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101897065SQ20088012041
公開日2010年11月24日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者上坂進(jìn)一, 伊藤香南子, 槙田健吾, 澤田真一 申請人:索尼公司