CN101897065A - 离子导体和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本文提供了一种能够确保高安全性、并且能够获得良好的特性如功率密度的燃料电池。作为含有电解质的第一流体F1，在室温下为固体并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物溶解在溶剂中的离子导体流过布置在燃料电极(10)与氧电极(20)之间的电解质通路(30)。从而，可以将燃料电极(10)与氧电极(20)之间的电阻抑制为较低。而且，在溶剂由于环境改变而被蒸发的情况下，由于有机化合物保持为固体，所以周围的构件很难被腐蚀。

Description

离子导体和燃料电池
技术领域
本发明涉及一种液体离子导体以及利用该离子导体的燃料电池。
背景技术
作为指示电池特性的指标，存在能量密度和输出密度。能量密度是每单位质量的电池的能量积累量，而输出密度是每单位质量的电池的输出量。由于锂离子二次电池具有相对高的能量密度和极高的输出密度的两种特性，并且完成度高，所以锂离子二次电池已被广泛用作移动装置的电源。然而，近年来，在移动装置中存在这样的趋势，即功率消耗随着高性能而增大，并且在离子二次电池中期望进一步改善能量密度和输出密度。
作为其对策，提到了构成正极和负极的电极材料的改变、电极材料的涂布方法的改善、电极材料的密封方法的改善等，并且已经进行了改善锂离子二次电池的能量密度的研究。然而，对于实际使用的困难仍然很高。而且，除非改变当前用于锂离子二次电池的材料，否则就很难预期显著改善能量密度。
因此，在锂离子二次电池的替代中，迫切需要开发具有更高能量密度的电池，而燃料电池作为候选者之一被认为是很有前景的。
燃料电池具有这样的构造，其中电解质布置在负极(燃料电极)与正极(氧电极)之间，并且分别将燃料供给燃料电极、将空气或氧供给氧电极。结果，在燃料电极和氧电极中发生氧化还原反应，其中燃料被氧氧化，并且燃料的一部分化学能转化成待提取的电能。
已经提出或实验性地生产了各种类型的燃料电池，并且一些燃料电池已被投入实际使用。根据所使用的电解质，这些燃料电池分成碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体电解质燃料电池(SOFC)、聚合物电解质燃料电池(PEFC)等。在它们之中，相比于其它类型的燃料电池，PEFC可以在低温下，例如在大约30℃以上至130℃以下的温度下工作。
作为燃料电池的燃料，可以使用各种可燃物质如氢和甲醇。然而，由于存储筒等对于气体燃料如氢气是必需的，所以它不适合于尺寸减小。同时，液体燃料如甲醇具有易于储存的优点。尤其是，在直接甲醇燃料电池(DMFC)中，用于从燃料提取氢的重整器不是必需的并且构造简单，使得具有容易减小尺寸的优点。
在DMFC中，作为燃料的甲醇通常作为低浓度或高浓度的水溶液，或作为气体状态的纯甲醇被供给到燃料电极，并在燃料电极的催化剂层中被氧化成二氧化碳。此时产生的质子(H+)穿过分开燃料电极和氧电极的电解质膜被转移到氧电极，并与氧电极中的氧反应以产生水。在燃料电极、氧电极和整个DMFC中发生的反应通过化学式1表示。
(化学式1)
燃料电极：CH3OH+H2O→CO2+6e-+6H+
氧电极：(3/2)O2+6e-+6H+→3H2O
整个DMFC：CH3OH+(3/2)O2→CO2+2H2O
作为DMFC燃料的甲醇的能量密度理论上为4.8kW/L，并且为典型锂离子二次电池的能量密度的十倍以上。也就是说，使用甲醇作为燃料的燃料电池在能量密度方面具有超过锂离子二次电池的巨大潜力。据此，在各种燃料电池中，DMFC具有被用作用于移动装置、电动汽车等的能源的最高可能性。
然而，在DMFC中存在一个问题，即尽管理论电压为1.23V，但是在实际发电时的输出电压被减小至大约0.6V以下。输出电压的减小是由DMFC的内部电阻，以及如在两个电极中发生的反应伴随的电阻、物质转移伴随的电阻、当质子从电解质膜转移时产生的电阻、以及进一步的在DMFC中存在的接触电阻的内部电阻所产生的电压降引起的。由于实际上可以作为电能从甲醇的氧化提取的能量是由在发电时的输出电压与流过电路的电量的乘积表示的，所以当发电时的输出电压减小时，可以实际提取的能量相应地被减少。另外，当全部量的甲醇按照化学式1在燃料电极中被氧化时，在DMFC中通过甲醇氧化可以提取到电路的电量与甲醇的量成比例。
而且，在DMFC中存在甲醇渗透(methanol crossover)的问题。甲醇渗透是指甲醇从燃料电极侧渗透过电解质膜并到达氧气电极侧的现象，该现象是由于以下两种机制产生：由于在燃料电极侧和氧电极侧上的甲醇浓度的差异而使甲醇扩散并移动的现象；以及由于伴随质子的移动引起的水的移动而使水合甲醇被搬运的电渗透现象。
当发生甲醇渗透时，透过的甲醇在氧电极的催化剂层中被氧化。在氧电极侧上的甲醇氧化反应与在燃料电极侧上的氧化反应相同，并且引起DMFC的输出电压减小(例如，参照非专利文献1)。而且，由于甲醇在燃料电极侧并不用于发电，并且在氧电极侧被消耗，所以可以提取到电路的电量相应地减少。而且，由于氧电极的催化剂层不是铂(Pt)-铷(Ru)的合金催化剂，而是铂(Pt)催化剂，所以一氧化碳(CO)可能被吸附在催化剂的表面上，并且存在产生催化剂中毒的缺点等。
这样，在DMFC中，存在由内部电阻和甲醇渗透引起的电压减小，以及由甲醇渗透引起的燃料消耗的两个问题，并且这些引起DMFC的发电效率降低。因此，为了增大DMFC的发电效率，积极地进行了改善构成DMFC的材料特性的研究和开发、以及优化DMFC的工作条件的研究和开发。
在改善构成DMFC的材料特性的研究中，存在电解质膜和燃料电极侧上的催化剂的研究。对于电解质膜，尽管现在典型地使用聚全氟烷基磺酸类树脂膜(由杜邦制造的“Nafion”(注册商标))，但是也考虑了氟聚合物膜、烃聚合物电解质膜、水凝胶类电解质膜等，因为其质子电导率和甲醇渗透抑制能力高于聚全氟烷基磺酸类树脂膜。而且，除了这些之外，通过用高分子化合物掺杂具有磺酸基或膦酸基的有机化合物形成的薄膜(例如，参照专利文献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，专利文献4和5)是已知的电解质膜，此外，具有磺酸基或膦酸基的有机化合物是已知的用于形成电解质膜的材料(例如，专利文献6和7)。
对于燃料电极侧上的催化剂，已进行了比现今通常使用的铂(Pt)-铷(Ru)合金催化剂更高度活性的催化剂的研究和开发。
改善构成燃料电池的材料的特性是提高燃料电池的发电效率的合适手段。然而，与还没有找到最适合于消除上述两个问题的催化剂的情形类似，迄今还没有找到最适合的电解质膜。
非专利文献1：“Fuel Cell Systems Explained”，Ohmsha，p.66
非专利文献2：“Journal of the American Chemical Society”2005，Vol 127，No.48，pp.16758-16759
非专利文献3：“Commercialization of fuel cells for mobiledevices”，Technical Information Institute Co.，Ltd.，p.110
专利文献1：日本未审查专利公开第2006-260993号
专利文献2：日本未审查专利公开第2006-299075号
专利文献3：日本未审查专利公开第2007-012617号
专利文献4：日本未审查专利公开第2000-011755号
专利文献5：日本未审查专利公开第2003-020308号
专利文献6：日本未审查专利公开第2002-338585号
专利文献7：日本未审查专利公开第2005-222890号
专利文献8：美国专利公开第2004/007204号
发明内容
同样，在非专利文献2和专利文献8中，所述问题没有试图通过现有方法如开发电解质膜进行解决，而是提出了利用层流(laminar flow)的燃料电池(层流燃料电池)。在层流燃料电池中，声称诸如在氧电极中的溢流、水控制、燃料渗透等的问题可以得到解决。
作为层流发生的条件，提出了低雷诺数(雷诺数＝Re)。雷诺数是惯性项和粘性项的比率，并由式1表示。典型地，当Re小于2000时，被认为该流是层流。
(式1)
Re＝(惯性力/粘性力)＝ρUL/μ＝UL/ν
(在该式中，分别地，ρ表示流体密度，U表示代表性速度，L表示代表性长度，μ表示粘度系数，而ν表示动力学粘度)。
在层流燃料电池中，使用微通路(micropath，微流路)。在该微通路中，两种或更多种流体通过层流流动。即，由于这些流体具有层流的特性，所以这些流体形成界面并且在没有混合的情况下流动。通过将燃料电极和氧电极粘到通路的壁上，并在氧电极为多孔性时通过层流循环燃料的液体和电解质溶液、以及包含氧气的水或仅包含电解液的液体而可以连续地发电。如据此可以理解的，层流的界面用作电解质膜，并且发生离子接触。因此，在该结构中电解质膜不是必需的，并且可以避免由保持在现有燃料电池中的电解质膜的劣化引起的发电效率降低。
然而，在该结构中，使用硫酸作为含有电解质的液体。尽管该硫酸是稀硫酸，其中浓度为约0.5mol/dm3以上至1mol/dm3以下，硫酸是非挥发性的，不像盐酸等，因此存在这样的风险，即使在具有低浓度的硫酸中也发生安全性问题。例如，存在这样的可能性，即水由于发电环境而蒸发。在这种情况下，稀硫酸变成浓硫酸，并且在接触电池包装或流体的一部分是金属时可能发生腐蚀。而且，即使构件为树脂，但也只有很少的材料是耐浓硫酸的。因此，使用硫酸作为电解质的层流燃料电池投入实际使用的可能性极小。
鉴于前述问题，本发明的第一个目的是提供一种能够确保高安全性，例如，即使在受环境改变的影响时，并且能够获得良好的离子电导率的离子导体。而且，本发明的第二个目的是提供一种能够确保高安全性并且能够获得良好的特性如功率密度的燃料电池。
本发明的离子导体包括：在室温下是固体并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物；以及溶解该有机化合物的溶剂。“室温”是指25℃以上至30℃以下的温度范围，而“在室温下为固体”是指其熔点高于30℃。
在本发明的燃料电池中，燃料电极和氧电极通过它们之间的电解质相对布置，并且电解质由包括有机化合物和溶解该有机化合物的溶剂的离子导体构成，其中该有机化合物在室温下为固体并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个。
在本发明的离子导体中，由于在室温下为固体且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物被溶解，所以质子从磺酸基或膦酸基离解，并且总体上呈现出良好的离子电导率。而且，例如，在其中溶剂由于环境改变而蒸发的情况下，该有机化合物保持为固体。从而，在利用上述离子导体的本发明的燃料电池中，燃料电极与氧电极之间的电阻被抑制为较低，并且燃料被有利地转化成电能。而且，不同于用作现有电解质流体的硫酸，即使在其中溶剂蒸发的情况下，周围构件很难被腐蚀。
根据本发明的离子导体，由于该离子导体包括在室温下为固体且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物以及溶解该有机化合物的溶剂，所以，例如即使在受环境改变的影响时，也可以确保高安全性，并且可以获得良好的离子电导率。从而，根据使用本发明的离子导体作为电解质的燃料电池，可以确保高安全性，并且可以获得良好的特性如功率密度。
附图说明
图1是示出了包括根据本发明的一个实施方式的第一燃料电池系统的电子装置的示意性构造的示图。
图2是示出了图1所示的燃料电池的构造的示图。
图3是示出了根据另一实施方式的燃料电池的构造的示图。
图4是示出了在一个实施例中制造的燃料电池系统的特性的示图。
图5是示出了在一个实施例中制造的另一燃料电池系统的特性的示图。
图6是示出了在一个实施例中制造的又一燃料电池系统的特性的示图。
图7是进一步示出了在一个实施例中制造的又一燃料电池系统的特性的示图。
图8是进一步示出了在一个实施例中制造的又一燃料电池系统的特性的示图。
具体实施方式
在下文中将对本发明的一个实施方式进行描述。
根据本发明的实施方式的离子导体是在电化学装置如燃料电池中使用的液体电解质(电解质溶液)，并且包含在室温下为固体且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物(在下文中，称为具有磺酸基等的有机化合物)以及溶解具有磺酸基等的有机化合物的溶剂。这种离子导体可以仅包含一种具有磺酸基等的有机化合物，或者可以通过混合它们而包含两种或更多种。
这种离子导体包含具有磺酸基等的有机化合物。这是因为可以获得良好的离子电导率，由于具有磺酸基等的有机化合物具有呈现出高质子离解的磺酸基和膦酸基中的至少一个，并且与硫酸等相比，可以确保高安全性，这是由于具有磺酸基等的有机化合物在室温下是固体，并且即使在其中溶剂由于环境改变而蒸发的情况下也保持为固体。
具有磺酸基等的有机化合物是具有离子电导率的化合物。尽管具有磺酸基等的这种有机化合物是任意的，只要它在室温下是固体，即只要该化合物的熔点为30℃以上，但是优选具有磺酸基等的有机化合物具有高于工作温度和在电化学装置如燃料电池中采用的使用温度的熔点。这是因为即使在所采用的工作温度和采用的使用温度下溶剂被蒸发的情况下，周围构件的腐蚀也被抑制，并且可以确保更高的安全性。因此，例如，由于在直接甲醇燃料电池中采用的工作温度为30℃以上至130℃以下，所以具有磺酸基等的有机化合物的熔点优选高于130℃。
而且，具有磺酸基等的有机化合物可以仅具有磺酸基和膦酸基中的至少一个，可以具有两个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两个以上。在它们之中，具有磺酸基等的有机化合物优选具有两个以上的磺酸基或膦酸基。这是因为可以获得更好的离子电导率。
具有磺酸基等的有机化合物的实例包括其中磺酸基和膦酸基中的至少一个连接至链状或支链状碳链的化合物，以及其中磺酸基和膦酸基中的至少一个连接至碳环或杂环的化合物。具体地，存在具有磺酸基和膦酸基中的至少一个以及直链或支链状碳骨架的化合物、具有磺酸基或膦酸基中的至少一个以及苯环、吡啶环、萘环、喹啉环或异喹啉环等的化合物。在它们之中，具有磺酸基等的有机化合物优选包含由化学式2至化学式7表示的化合物中的至少一种。这是因为可以获得高的效果。
另外，化学式2中的R1和R2可以彼此相同，或者可以彼此不同。化学式2中的R3可以彼此相同，或者可以彼此不同。这同样适用于化学式3中的R4～R9、化学式4中的R10～R14、化学式5中的R15～R22、化学式6中的R23～R29、以及化学式7中的R30～R36。
[化学式2]
R1-CnR32n-R2
其中R1～R3各自是氢基(-H)、羟基(-OH)、氨基(-NH2)、氨基烷基、氰基(-CN)、卤基、磺酸基或膦酸基。然而，R1、R2和R3中的至少一个是磺酸基或膦酸基。n为1以上至10以下的整数。
[化学式3]
Figure GPA00001158400600111
其中R4～R9各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、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中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基。
[化学式4]
Figure GPA00001158400600112
其中R10～R14各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、烷基、烷氧基、磺酸基或甲基膦酸基。然而，R10、R11、R12、R13和R14中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基。
[化学式5]
其中R15～R22各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、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中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基。
[化学式6]
Figure GPA00001158400600121
其中R23～R29各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、烷基、烷氧基、磺酸基或甲基膦酸基。然而，R23、R24、R25、R26、R27、R28和R29中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基。
[化学式7]
Figure GPA00001158400600122
其中R30～R36各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、烷基、烷氧基、磺酸基或甲基膦酸基。然而，R30、R31、R32、R33、R34、R35和R36中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基。
R1～R3各自是上述氢基等，由于可以获得高效果。在上述氢基等中，R1～R3各自优选是氢基、卤基、磺酸基或膦酸基。这是因为可以获得更高的质子电导率。在R1～R3中的任一个是卤基的情况下，氟基是优选的，由于与其它卤基相比可以获得更高的效果。而且，在R1～R3中的任一个是氨基烷基的情况下，氨基烷基的碳数优选为1以上至3以下。这是因为当碳数为4以上时，熔点可能会降低。而且，化学式2中的n在上述范围内，这是由于熔点可能会降低。在该范围内，n优选为1以上至7以下的整数，并且更优选为2以上至4以下的整数。这是因为可以获得高效果。
R4～R9各自是上述的氢基等，由于可以获得高效果。在上述氢基等中，R4～R9各自优选是氢基、卤基、磺酸基或甲基膦酸基。这是因为可以获得更高的质子电导率。在R4～R9中的任一个是卤基的情况下，氟基是优选的，由于与其它卤基相比可以获得更高的效果。而且，在R4～R9中的任一个是氨基烷基、烷基或烷氧基的情况下，其碳数优选为1以上至3以下。这是因为当碳数为4以上时，熔点可能会降低。这同样适用于化学式4中的R10～R14、化学式5中的R15～R22、化学式6中的R23～R29、以及化学式7中的R30～R36。
由化学式2表示的化合物的实例包括由化学式8(1)～(10)表示的一系列化合物。在它们之中，化学式8(2)和化学式8(10)的化合物中的至少一种是优选的，并且化学式8(2)的化合物是特别优选的。这是因为可以获得更高的效果。另外，不用说，其并不限于由化学式8表示的化合物，只要它具有由化学式2表示的结构。
[化学式8]
Figure GPA00001158400600141
由化学式3表示的化合物的实例包括由化学式9和化学式10表示的一系列化合物。在它们之中，由化学式9(2)、化学式9(10)和化学式10(2)表示的化合物中的至少一种是优选的，并且化学式9(2)和化学式9(10)的化合物中的至少一种是特别优选的。这是因为可以获得更高的效果。另外，不用说，其并不限于由化学式9和化学式10表示的化合物，只要它具有由化学式3表示的结构。
[化学式9]
Figure GPA00001158400600151
[化学式10]
Figure GPA00001158400600152
由化学式4表示的化合物的实例包括由化学式11表示的化合物。另外，不用说，并不限于由化学式11表示的化合物，只要它具有由化学式4表示的结构。
[化学式11]
Figure GPA00001158400600161
由化学式5表示的化合物的实例包括由化学式12(1)～(4)表示的一系列化合物。在它们之中，由化学式12(2)表示的化合物是优选的。这是因为可以获得高的效果。另外，不用说，并不限于由化学式12表示的化合物，只要它具有由化学式5表示的结构。
[化学式12]
由化学式6表示的化合物的实例包括由化学式13表示的化合物。另外，不用说，并不限于由化学式13表示的化合物，只要它具有由化学式6表示的结构。
[化学式13]
Figure GPA00001158400600171
由化学式7表示的化合物的实例包括由化学式14表示的化合物。另外，不用说，并不限于由化学式14表示的化合物，只要它具有由化学式7表示的结构。
[化学式14]
在离子导体中上述具有磺酸基等的有机化合物的含量优选为0.1mol/dm3以上至3mol/dm3以下。这是因为可以获得良好的离子电导率。
溶剂可以是任意的，只要它可以溶解上述具有磺酸基等的有机化合物，并且实例包括水。
该离子导体中的pH优选为3以下。这是因为可以获得高的离子电导率。
根据该离子导体，由于在室温下为固体且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物被溶解，因此质子从磺酸基或膦酸基离解，并且整体上可以呈现出良好的离子电导率。而且，在其中溶剂由于环境改变被蒸发的情况下，该有机化合物保持为固体。从而，即使当受到环境改变的影响时，也可以确保高安全性，并且可以获得良好的离子电导率。因此，在其中该离子导体用作电化学装置如燃料电池中的电解质的情况下，可以确保高安全性并且可以获得良好的特性如功率密度。
尤其是，当具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物是选自由化学式2至化学式7表示的化合物组成的组中的至少一种时，可以获得高效果。
接着，作为上述离子导体的使用实例，将描述其中在包括燃料电池的燃料电池系统中使用离子导体的情况。
(第一燃料电池系统)
图1示出了具有第一燃料电池系统的电子装置的示意性构造。这种电子装置例如是移动装置如便携式电话和PDA(个人数字助理)、或笔记本式PC(个人计算机)，并且包括燃料电池系统1和由在该燃料电池系统1中产生的电能驱动的外部电路(负载)2。
燃料电池系统1包括例如燃料电池110、测量该燃料电池的工作状态的测量部120、以及基于通过测量部120的测量结果来确定燃料电池110的工作条件的控制部130。该燃料电池系统1还包括将含有电解质的第一流体F1供给到燃料电池110的电解质供给部140、以及供应包含燃料的第二流体F2的燃料供给部150。以这种方式，由于通过作为流体供给电解质使得电解质膜不是必需的，所以可以在不受温度和湿度影响的情况下发电，并且与使用电解质膜的典型燃料电池相比，可以增大离子电导率(质子电导率)。在电解质膜中，由于离子电导率(质子电导率)从松散状态(bulk state)大幅降低，所以需要向具有离子电导率(质子电导率)的树脂中加入粘结剂用于固定。而且，消除了电解质膜劣化和离子电导率由于电解质膜的干燥而降低的风险，并且可以解决氧电极溢流、水控制等的问题。
第一流体F1中包含的电解质由上述离子导体构成。从而，在该燃料电池110中，含有电解质的第一流体F1具有良好的离子电导率，并且可以将燃料电极与氧电极之间的电阻抑制为较低。而且，不同于硫酸以现有方式用作电解质的情况，甚至在溶剂被蒸发的情况下，周围的构件也不可能被腐蚀。因此，可以确保高安全性，并且可以获得良好的特性如功率密度。
第二流体F2中包含的燃料的实例包括甲醇。另外，含有燃料的第二流体F2可以用其它醇(如乙醇)以及二甲醚代替甲醇。
图2示出了图1所示的燃料电池110的构造。燃料电池110是所谓的直接甲醇流型燃料电池(DMFFC；Direct Methanol FlowBased Fuel Cell)，并且具有燃料电极(负极)10和氧电极(正极)20相对布置的构造。在燃料电极10与氧电极20之间，设置有使含有电解质的第一流体F1流动的电解质通路30。在燃料电极10外部，即，在与氧电极20的相对侧上，设置使含有燃料的第二流体F2流动的燃料通路40。即，燃料电极10还用作隔离含有电解质的第一流体F 1和含有燃料的第二流体F2的隔离膜。
燃料电极10具有这样的构造，其中催化剂层11、扩散层12和集电体13从氧电极20侧以该顺序堆叠，并容纳在外部构件14中。氧电极20具有这样的构造，其中催化剂层21、扩散层22和集电体23从燃料电极侧以该顺序堆叠，并容纳在外部构件24中。另外，空气，即氧通过该外部构件24被供给到氧电极20。
作为催化剂，催化剂层11和21例如由作为单质的钯(Pd)、铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、铷(Ru)等的金属或它们的合金构成。而且，除了催化剂之外，在催化剂层11和21中还可以包含质子导体和粘结剂。质子导体的实例包括聚全氟烷基磺酸类树脂薄膜(由杜邦制造的“Nafion(注册商标)”)，或具有质子电导率的其它树脂。加入粘结剂以保持催化剂层11和21的强度和柔性，并且粘结剂的实例包括聚全氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)等的树脂。
扩散层12和22例如由碳布、碳纸或碳板构成。通过聚四氟乙烯(PTEE)等的防水处理期望在扩散层12和22上进行。
集电体13和23例如由钛(Ti)网构成。
外部构件14和24例如具有2.0mm的厚度，并且由通常可获得的材料如钛板构成，然而，对该材料没有特别限制。另外，外部构件14和24的厚度期望尽可能小。
电解质通路30和燃料通路40例如通过加工树脂板的细通路形成，并粘接至燃料电极10。另外，通路的数量没有限制。而且，尽管通路的宽度、高度和长度没有特别限制，但是它们期望尽可能小。
电解质通路30通过设置在外部构件24中的电解质入口24A和电解质出口24B而连接至电解质供给部140(在图2中未示出，参考图1)，并且含有电解质的第一流体F1从电解质供给部140供给至电解质通路30。燃料通路40通过设置在外部构件14中的燃料入口14A和燃料出口14B连接至燃料供给部150(在图2中未示出，参考图1)，并且含有燃料的第二流体F2从燃料供给部150供应到燃料通路40。
图1所示的测量部120测量燃料电池110的工作电压和工作电流，并且例如具有测量燃料电池110的工作电压的电压测量电路121、测量工作电流的电流测量电路122、以及将获得的测量结果送到控制部130的通信线123。
图1所示的控制部130基于测量部120的测量结果控制作为燃料电池110的工作条件的电解质供给参数和燃料供给参数，并且例如具有计算部131、存储(记忆)部132、通信部133和通信线134。这里，电解质供给参数包括例如含有电解质的流体F1的供给流速。燃料供给参数包括例如含有燃料的流体F2的供给流速和供给量，并且可以根据需要包括供给浓度。控制部130可以例如由微型计算机构成。
计算部131根据在测量部120中获得的测量结果来计算燃料电池110的输出，并设置电解质供给参数和燃料供给参数。具体地，计算部131将从输入到存储部132的各种测量结果以规则的间隔取样的负极电位、正极电位、输出电压和输出电流进行平均，计算平均负极电位、平均正极电位、平均输出电压和平均输出电流，以将它们输入至存储部132，并相互比较存储在存储部132中的各种平均值以确定电解质供给参数和燃料供给参数。
存储部132存储从测量部120发送的各种测量值、通过计算部131计算的各种平均值等。
通信部133具有通过通信线123从测量部120接收测量结果、以及将测量结果输入到存储部132的功能，并且具有通过通信线134分别将用于设置电解质供给参数和燃料供给参数的信号输出到电解质供给部140和燃料供给部150的功能。
图1所示的电解质供给部140包括电解质存储部141、电解质供给调整部142、电解质供给线路143、和分离室144。电解质存储部141存储含有电解质的第一流体F 1，并且例如由罐或筒构成。电解质供给调整部142调整含有电解质的第一流体F1的供给流速。尽管对电解质供给调整部142没有特别限制，只要它可以通过来自控制部130的信号进行驱动即可，但是电解质供给调整部142优选例如由通过马达或压电元件驱动的阀门、或电磁泵构成。存在这样的可能，少量的甲醇混入到从电解质出口24B流出的含有电解质的第一流体F1中，因此分离室144分离该甲醇。分离室144设置在电解质出口24B附近，并且包括通过过滤或者燃烧、反应或蒸发而除去甲醇的机构作为甲醇分离机构。
图1所示的燃料供给部150包括燃料存储部151、燃料供给调整部152和燃料供给线路153。燃料存储部151存储含有燃料的第二流体F2，并且例如由罐或筒构成。燃料供给调整部152调整含有燃料的第二流体F2的供给流速和供给量。尽管燃料供给调整部152没有特别限制，只要它可以通过来自控制部130的信号进行驱动，但是燃料供给调整部152优选例如由通过马达或压电元件驱动的阀门、或电磁泵构成。另外，燃料供给部150可以包括调整含有燃料的第二流体F2的供给浓度的浓度调整部(在图中未示出)。在纯(99.9％)甲醇用作含有燃料的第二流体F2的情况下，可以省略浓度调整部，并且更大的尺寸减小是可能的。
该燃料电池系统1可以例如如下文将描述的进行制造。
首先，作为催化剂，例如，以预定比率混合含有预定比率的铂和铷的合金以及聚全氟烷基磺酸类树脂薄膜(由杜邦制造的“Nafion(注册商标)”)的分散溶液，并形成燃料电极10的催化剂层11。将该催化剂层11热压粘结至由上述材料制成的扩散层12。而且，由上述材料制成的集电体13通过利用热熔性粘结剂或粘合性树脂板而热压粘结，并形成燃料电极10。
而且，作为催化剂，以预定比率混合由碳负载的铂(Pt)和聚全氟烷基磺酸类树脂薄膜(由杜邦制造的“Nafion(注册商标)”)的分散溶液，并且形成氧电极20的催化剂层21。将该催化剂层21热压粘结至由上述材料制成的扩散层22。而且，由上述材料制成的集电体23通过利用热熔性粘结剂或粘合性树脂板而热压粘结，并且形成氧电极20。
接着，制备粘合性树脂板，并且电解质通路30和燃料通路40通过在该树脂板中形成通路进行制造并热压粘结至燃料电极10的两侧。
接着，制造上述材料的外部构件14和24，例如由树脂接头制成的燃料入口14A和燃料出口14B设置在外部构件14中，并且例如由树脂接头制成的电解质入口24A和电解质出口24B设置在外部构件24中。
之后，将燃料电极10和氧电极20相对布置，其中电解质通路30在它们之间且燃料通路40在它们的外侧，并容纳在外部构件14和24中。从而，完成了图2所示的燃料电池110。
将这种燃料电池110安装在具有上述构造的具有测量部120、控制部130、电解质供给部140和燃料供给部150的系统中，燃料入口14A和燃料出口14B以及燃料供给部150例如与由硅酮管制成的燃料供给线153连接，并且电极入口24A和电极出口24B以及电极供给部140例如与由硅酮管制成的电解质供给线143连接。作为含有电解质的第一流体F1，通过将上述具有磺酸基等的有机化合物溶解在作为溶剂的水中以具有预定浓度(例如，1mol/dm3)来制备离子导体，并且用作电解质。而且，甲醇用作含有燃料的第二流体F2。如上所述，完成了图1所示的燃料电池系统1。
在该燃料电池系统1中，含有燃料的第二流体F2供给到燃料电极10，并且质子和电子由反应产生。质子穿过含有电解质的第一流体F1以移动到氧电极20，并通过与电子和氧反应而产生水。在燃料电极10、氧电极20和整个燃料电池110中发生的反应由化学式15表示。从而，作为燃料的甲醇的一部分化学能被转化成电能，从燃料电池110提取电流，并且驱动外部电路2。在燃料电极10中产生的二氧化碳和在氧电极20中产生的水与含有电解质的第一流体F1一起流动，并被除去。
(化学式15)
燃料电极10：CH3OH+H2O→CO2+6e-+6H+
氧电极20：(3/2)O2+6e-+6H+→3H2O
整个燃料电池110：CH3OH+(3/2)O2→CO2+2H2O
而且，通过将燃料电极10设置在电解质通路30与燃料通路40之间，当几乎所有燃料穿过燃料电极10时发生反应。假设即使在处于未反应状态的燃料穿过燃料电极10的情况下，在渗入到氧电极20之前，燃料通过含有电解质的第一流体F1从燃料电池110内部带出，并且燃料渗透被显著抑制。因此，可以使用高浓度燃料，并且作为燃料电池的固有优点的高能量密度特性被利用。
在燃料电池110工作期间，燃料电池110的工作电压和工作电流通过测量部120来测量，并且基于该测量结果通过控制部130来控制上述的电解质供给参数和燃料供给参数，作为燃料电池110的工作条件。频繁地重复通过测量部120的测量和通过控制部130的参数控制，并且含有电解质的第一流体F1和含有燃料的第二流体F2的供给状态通过随着燃料电池110的特性改变而进行优化。
这里，由于上述离子导体用作第一流体F1中包含的电解质，所以该电解质具有良好的离子电导率。而且，与用作现有电解质流体的硫酸不同，在溶剂蒸发的情况下，具有磺酸基等的有机化合物保持为固体。
根据该燃料电池系统，由于在室温下为固体并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物溶解在溶剂中的离子导体被用作第一流体F1中包含的电解质，所以可以将燃料电极10与氧电极20之间的电阻抑制为较低。而且，与用作现有电解质流体的硫酸不同，在溶剂蒸发的情况下，周围构件很难被腐蚀。因此，可以确保高安全性，并且可以获得良好的特性如功率密度。关于该燃料电池系统的其它效果与上述离子导体的情况的那些相同。
(第二燃料电池系统)
图3示出了包括在第二燃料电池系统中的燃料电池110A的构造。该燃料电池110A具有与在第一燃料系统中包括的燃料电池110相同的构造，只是气液分离膜50设置在燃料通路40与燃料电极10之间。相同的参考标号将赋予与第一燃料电池系统共有的部件，并将省略描述。
气液分离膜50可以例如由并不允许液态醇渗透的聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)等的膜构成。
该燃料电池110A和利用燃料电池110A的燃料电池系统1可以以与第一燃料电池系统1相同的方式制造，只是气液分离膜50设置在燃料通路40与燃料电极10之间。
在第二燃料电池系统中，以与第一燃料电池系统相同的方式，从燃料电池110A提取电流，并且驱动外部电路2。这里，由于气液分离膜50设置在燃料通路40与燃料电极10之间，所以当流过燃料通路40时，作为燃料的纯甲醇以液体状态自然挥发，并从与气液分离膜50接触的面以气体G状态穿过气液分离膜50以被供应到燃料电极10。因此，燃料被有效地供应到燃料电极10，并且稳定地发生反应。而且，由于燃料以气体状态供应到燃料电极10，所以电极反应活性增大，渗透不可能发生，并且可以在具有高负载外部电路2的电子装置中获得高性能。
另外，假设即使存在穿过燃料电极10的气体甲醇，以与第一燃料电池系统相同的方式，在到达氧电极20之前，也能通过含有电解质的第一流体F1而除去甲醇。
在该燃料电池系统中，由于气液分离膜50设置在燃料通路40与燃料电极10之间，所以可以使用纯(99.9％)甲醇作为第二流体F2中包含的燃料，并且可以进一步利用高能量密度特性作为燃料电池的特性。而且，反应稳定性和电极反应活性增大，并且可以抑制渗透。因此，可以在具有高负载外部电路2的电子装置中获得高性能。而且，在燃料供给部150中，可以省略调整含有燃料的第二流体F2的供给浓度的浓度调整部，并且更大的尺寸减小是可能的。
实施例
将详细地描述本发明的具体实施例。
(实施例1)
首先，制备上述的离子导体。此时，将作为由化学式2表示的化合物的化学式8(2)的固体化合物溶解在作为溶剂的水中，并且离子导体中化学式8(2)的化合物的含量设定为1mol/dm3。
接着，制造图3所示的燃料电池110A。首先，作为催化剂，以预定比率混合含有预定比率的铂和铷的合金和聚全氟烷基磺酸类树脂薄膜(由杜邦制造的“Nafion(注册商标)”)的分散溶液，从而形成燃料电极10的催化剂层11。将该催化剂层11在温度为150℃和压力为249kPa的条件下热压粘结至扩散层12(由E-TEK制造；HT-2500)10分钟。而且，由钛网制成的集电体13通过利用热熔性粘结剂或粘合性树脂板而热压粘结，并形成燃料电极10。
而且，作为催化剂，以预定比率混合由碳负载的铂与聚全氟烷基磺酸类树脂薄膜(由杜邦制造的“Nafion(注册商标)”)的分散溶液，并且形成氧电极20的催化剂层21。该催化剂层21以与燃料电极10的催化剂层11相同的方式热压粘结至扩散层22(由E-TEK制造；HT-2500)。而且，由钛网制成的集电体23以与燃料电极10的集电体13相同的方式热压粘结，并形成氧电极20。
接着，制备粘合性树脂板，并通过在该树脂板中形成通路而制造电解质通路30和燃料通路40，并热压粘结至燃料电极10的两侧。
接着，制造由钛制成的外部构件14和24，将由树脂接头制成的燃料入口14A和燃料出口14B设置在外部构件14中，而将由树脂接头制成的电解质入口24A和电解质出口24B设置在外部构件24中。
之后，将燃料电极10和氧电极20相对布置，并且电解质通路30在二者之间且燃料通路40在二者的外侧，并容纳在外部构件14和24中。此时，将气液分离膜50(由Millipore制造)设置在燃料通路40与燃料电极10之间。从而，完成了图3所示的燃料电池110A。
将该燃料电池110A安装在具有测量部120、控制部130、电解质供给部140和燃料供给部150的系统中，并且构成图1所示的燃料电池系统1。此时，电解质供给调整部142和燃料供给调整部152由隔膜计量泵(由KNF.Co.，Ltd制造)构成，各个泵利用由硅酮管制成的电解质供给线143和燃料供给线153而直接连接至燃料入口14A和电解质入口24A，并且含有电解质的第一流体F1和含有燃料的第二流体F2分别供应到电解质通路30和燃料通路40。此时，作为第一流体F1中包含的电解质，使用制备的离子导体，并且第一流体F1的流速为1.0cm3/min。作为第二流体F2中包含的燃料，使用了纯(99.9％)甲醇，并且流速为0.80cm3/min。
(实施例2～5)
以与实施例1相同的方式，制备离子导体并且通过制造燃料电池110A而构成燃料电池系统1，不同之处在于，使用化学式8(10)的化合物(实施例2)、化学式9(2)的化合物(实施例3)、化学式10(2)的化合物(实施例4)或化学式12(2)的化合物(实施例5)来代替化学式8(2)的化合物。另外，化学式8(10)的化合物、化学式9(2)的化合物、化学式10(2)的化合物和化学式12(2)的化合物在室温下都为固体，并且离子导体中的化学式8(10)的化合物等的含量为1mol/dm3。
(比较例1)
以与实施例1相同的方式制备离子导体，不同之处在于，使用硫酸代替化学式8(2)的化合物。此时，离子导体中硫酸的含量为1mol/dm3。
考察了这些实施例1～5和比较例1的离子导体的电导率，并且获得了表1所示的结果。
而且，评价了这些实施例1～5的燃料电池系统的特性，并且获得了图4～8所示的结果。当评价这些特性时，通过将每个燃料电池系统连接至电化学测量装置(由Solartron制造，Multistat 1480)进行特性评价，并且I-V(电流-电压)特性和I-P(电流-功率)特性通过恒定电流(20mA、50mA、100mA、150mA、200mA和250mA)模式运行进行考察。另外，分别地，图4示出了实施例1的结果，图5示出了实施例2的结果，图6示出了实施例3的结果，图7示出了实施例4的结果，而图8示出了实施例5的结果。
[表1]
如表1中所示，在含有化学式8(2)的化合物、化学式8(10)的化合物、化学式9(2)的化合物、化学式10(2)的化合物或化学式12(2)的化合物的实施例1～5的离子导体中，尽管与含有硫酸的比较例1的离子导体相比，电导率相等或更小，但是电导率为0.1S/cm2以上，因此获得良好的电导率。而且，与实施例2和4相比，由于在实施例1和3中获得更高的电导率，所以可以理解，与其中使用具有膦酸基的化合物的情况相比，当使用具有磺酸基的化合物时获得了更高的电导率。
据此，在离子导体中，证实了，通过含有在室温下为固体且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物获得了良好的离子电导率。
而且，如图4～8所示，实施例1～5的燃料电池110A的特性是极其良好的，并且作为功率密度获得了51mW/cm2(实施例1)、39mW/cm2(实施例2)、48mW/cm2(实施例3)、32mW/cm2(实施例4)和51mW/cm2(实施例5)。另外，尽管在实施例中没有指出，但是在比较例1的1mol/dm3的硫酸用作电解质流体的情况下，特性与实施例1～5的燃料电池110A基本上相同。
据此，在燃料电池110A中，证实了，可以将燃料电极10与氧电极20之间的电阻抑制为较低，由于其中在室温下为固体且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个的有机化合物溶解在溶剂中的离子导体被用作在第一流体F1中包含的电解质，因此该电解质具有良好的离子电导率。从而，证实了，可以获得良好的特性如功率密度。
另外，在实施例中，尽管没有指出离子导体的安全性，但是很明显，与比较例1中一样使用硫酸的离子导体相比，确保了高安全性，由于用于制备实施例1～5的离子导体的化学式8(2)、化学式8(10)、化学式9(2)、化学式10(2)和化学式12(2)的化合物在室温下为固体。因此，可以认为在使用这样的离子导体的燃料电池中也确保了高安全性。而且，尽管在实施例中没有指出，但考察了实施例1～5的燃料电池系统中的开路电压，并且获得了比现有DMFC更高的开路电压。也就是说，可以理解，即使当100％甲醇被用作含有燃料的流体F2时，也没有产生渗透。
在上文中，尽管已经利用实施方式和实施例描述了本发明，但是本发明并不限于前述实施方式和前述实施例，并且可以进行各种变形。例如，在前述实施方式和前述实施例中，尽管已经描述了作为含有电解质的第一流体F1的离子导体在发电期间的所有时间以流动状态存在的情况，但是本发明的离子导体可应用于使用液体作为电解质的电解质静止型燃料电池。
而且，例如，在前述实施方式和前述实施例中，尽管已经具体描述了燃料电极10、氧电极20、电解质通路30和燃料通路40的构造，但是可以采用其它构造或通过其它材料的构造。例如，燃料通路40可以由多孔板等构成，代替如在前述实施方式和前述实施例中描述的通路通过加工树脂板而形成的板。
而且，例如，每一个部件的材料和厚度、燃料电池110的工作条件等并不限于在前述实施方式和前述实施例中描述的那些，而是可以采用其它材料和其它厚度，并且可以采用燃料电池110的其它工作条件。
另外，在前述实施方式和前述实施例中，尽管将燃料从燃料供给部150供给到燃料电极10，但是燃料电极10是密封型的，并且燃料可以根据需要进行供给。
而且，同样，在前述实施方式和前述实施例中，尽管将空气通过自然通风供给至氧电极20，但是可以通过使用泵等强制地供给空气。在这种情况下，可以供给氧气或含氧气的气体来代替空气。
而且，同样，在前述实施方式和前述实施例中，虽然对单元电池型燃料电池进行了描述，但是本发明也可适用于层叠多个电池的层叠型燃料电池。
此外，同样，在上述实施方式中，虽然已经描述了将本发明的离子导体应用于燃料电池的情况，但是除了燃料电池以外，本发明还可适用于其它电化学装置如电容器、燃料传感器或者显示器。

Claims (4)

1.一种离子导体，包括：
有机化合物，该有机化合物在室温下为固体，并且具有磺酸基(-SO3H)和膦酸基(-PO3H2)中的至少一个；以及
溶解所述有机化合物的溶剂。
2.根据权利要求1所述的离子导体，用作用于电化学装置的电解液。
3.根据权利要求1所述的离子导体，其中，所述有机化合物是由
化学式1表示的化合物：
[化学式1]
R1-CnR32n-R2
其中，R1～R3各自是氢基(-H)、羟基(-OH)、氨基(-NH2)、氨基烷基、氰基(-CN)、卤基、磺酸基或膦酸基；
然而，R1、R2和R3中的至少一个是磺酸基或膦酸基；n为1以上至10以下的整数。
4.根据权利要求1所述的离子导体，其中，所述有机化合物是由化学式2和化学式3表示的化合物中的至少一种：
[化学式2]
Figure FPA00001158400500011
其中，R4～R9各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、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中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基；
[化学式3]
Figure FPA00001158400500021
其中，R10～R14各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、烷基、烷氧基、磺酸基或甲基膦酸基；然而，R10、R11、R12、R13和R14中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基。
5.根据权利要求1所述的离子导体，其中，所述有机化合物是由化学式4、化学式5和化学式6表示的化合物中的至少一种：
[化学式4]
Figure FPA00001158400500022
其中，R15～R22各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、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中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基； 
[化学式5]
Figure FPA00001158400500031
其中，R23～R29各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、烷基、烷氧基、磺酸基或甲基膦酸基；然而，R23、R24、R25、R26、R27、R28和R29中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基；
[化学式6]
Figure FPA00001158400500032
其中，R30～R36各自是氢基、羟基、氨基、氨基烷基、氰基、卤基、烷基、烷氧基、磺酸基或甲基膦酸基；然而，R30、R31、R32、R33、R34、R35和R36中的至少一个是磺酸基或甲基膦酸基。
6.一种燃料电池，该燃料电池中燃料电极和氧电极相对布置并且电解质介于所述燃料电极和所述氧电极之间，其中，所述电解质由离子导体构成，所述离子导体包括：
有机化合物，该有机化合物在室温下为固体，并且具有磺酸基和膦酸基中的至少一个；以及
溶解所述有机化合物的溶剂。 
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