专利名称：混合物、阳离子导体及采用这些材料的电化学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有具特定结构的化合物的混合物和阳离子导体，以及电化学装置。
背景技术：
近年来，由于燃料电池可以非常有效地将燃料能转化成电能，且由于燃料电池很清洁，不会释放如氮氧化物等环境污染物，所以燃料电池作为下一代具有环保意义的电能产生装置已经引起人们的注意，其发展在不同领域已经得到了积极地促进。
根据质子导体的类型可以对燃料电池进行大致分类。其原因在于，质子导体的性能很大程度上取决于燃料电池的使用条件或使用温度。因此，改善质子导体的性能是得到高性能燃料电池的关键。
在这些燃料电池中，有一种采用质子传导膜作为质子导体的燃料电池。作为典型的高分子膜，已知的有聚全氟磺酸膜或其改进产物等。此外，烃类膜也有报道。
当这些质子传导膜处于湿润状态时，这些膜在室温附近的温度下表现出高的质子传导性。例如，采用聚全氟磺酸的质子传导膜在膜中包含大量水。从磺酸基中释放的质子以水作为通道进行迁移，由此显示出质子传导性。因此，为了将该质子传导性保持在高水平，有必要在使用燃料电池时连续不断地再补给水，以保持质子传导膜处于湿润状态。
然而，在采用这种质子传导膜的燃料电池中，需要向输入电池的气体再补给水的增湿器，或者控制质子传导膜内湿度的辅助装置(periphery)，这总的来说导致了复杂而庞大的系统。因此，存在设备费用或操作费用增高的不利因素。并且，存在在等于或高于水沸点的区域内不可用的缺点。
因此，提出了其中掺杂有磷酸或咪唑的聚合物与质子酸混合的非水质子导体(例如，参考M.Rikukawa等人在“Progress polymer science”，2000年，卷25，第1463-1502页发表的文章；K.D.Kreuer等人在“Electrochimica Acta”，1988年，卷43，第1281-1288页发表的文章；M.A.B.H.Susan等人在“ChemicalCommunications”，2003年，第938-939页发表的文章；以及Noda，A.等人在“Journal of physical chemistry B”，2003年，卷107，第4024-4033页发表的文章)。在这些质子导体中，据认为质子不是通过水来传导，而是通过自解离性的磷酸或咪唑的氮位来进行传导。
然而，在这些质子导体中，磷酸和咪唑易溶于水。因此，当燃料电池在室温下操作时，由于在产生能量时在氧电极中产生的水，质子导体逐渐被从内部洗提出来，导致存在质子传导率下降的缺点。因此，当使用这些质子导体时，虽然在等于或高于水的沸点时是可用的，但在水的沸点或低于水的沸点时长期连续使用变得困难。
发明内容
基于上述理由，本发明的一个目的是提供能够甚至在等于或低于水的沸点的温度范围内传导阳离子而无需加湿的混合物和阳离子导体，以及电化学装置，如采用这种混合物或阳离子导体的燃料电池。
根据本发明的混合物包含第一化合物，由含有具有未共享电子对的氮(N)的咪唑衍生物形成；以及第二化合物，选自具有化学式1所示结构的化合物、具有化学式2所示结构的化合物和具有化学式3所示结构的化合物中的至少一种。
化学式1 在化学式1中，X1表示在长周期元素周期表中1族的元素。
化学式2
在化学式2中，X2表示在长周期元素周期表中1族的元素。
化学式3 在化学式3中，Y表示氢或卤素，且X3表示在长周期元素周期表中1族的元素。n表示正整数。
本发明的阳离子导体包含第一化合物，由含有具有未共享电子对的氮的咪唑衍生物形成；以及第二化合物，选自具有化学式4所示结构的化合物、具有化学式5所示结构的化合物和具有化学式6所示结构的化合物中的至少一种。
化学式4 在化学式4中，X1表示在长周期元素周期表中1族的元素。
化学式5 在化学式5中，X2表示在长周期元素周期表中1族的元素。
化学式6 在化学式6中，Y表示氢或卤素，且X3表示在长周期元素周期表中1族的元素。n表示正整数。
本发明的电化学装置是在一对电极间设置有阳离子导体的电化学装置，其中，阳离子导体包含第一化合物，由含有具有未共享电子对的氮的咪唑衍生物形成；以及第二化合物，选自具有化学式7所示结构的化合物、具有化学式8所示结构的化合物和具有化学式9所示结构的化合物中的至少一种。
化学式7 在化学式7中，X1表示在长周期元素周期表中1族的元素。
化学式8 在化学式8中，X2表示在长周期元素周期表中1族的元素。
化学式9 在化学式9中，Y表示氢或卤素，且X3表示在长周期元素周期表中1族的元素。n表示正整数。
根据本发明的混合物或阳离子导体，该混合物或阳离子导体包含第一化合物，由含有具有未共享电子对的氮的咪唑衍生物形成；以及第二化合物，选自具有化学式1或4所示结构的化合物、具有化学式2或5所示结构的化合物和具有化学式3或6所示结构的化合物中的至少一种。因此，在第一化合物中所含有的氮的未共享电子对可以接收在第二化合物中所含有的长周期周期表中1族元素的阳离子，并且水溶性可降低。因此，当没有水时，阳离子可以迁移；有水时，可以阻止混合物或阳离子导体溶解在水中，并防止阳离子传导性的降低。从而，根据本发明的电化学装置，用于控制湿度的辅助装置变得不必要，整个系统可以小型化，电化学装置可以在室温或100℃或更高温度下使用，以及电化学装置可以在宽的范围内使用。
图1为显示根据本发明实施方案的燃料电池结构的横截面图；图2为显示在实施例1中形成的混合物的温度与质量下降的关系的示意图；图3为显示在实施例1中形成的混合物的离子传导性的示意图。
图4为显示在实施例2中形成的混合物的离子传导性的示意图。
图5为显示在实施例3中形成的混合物的离子传导性的示意图。
图6为显示在实施例4中形成的混合物的离子传导性的示意图。
图7为显示在实施例5中形成的凝胶膜的离子传导性的示意图；以及图8为显示在其中质子导体夹在实施例6中形成的电极之间的装置中，时间的推移与流动电流之间的关系的示意图。
具体实施例方式
下面将对本发明的实施方案进行详细地描述。
根据本发明实施方案的混合物包含，例如，第一化合物以及第二化合物，其中该第一化合物由含有具有未共享电子对的氮的咪唑衍生物形成，该第二化合物选自具有化学式10所示结构的化合物、具有化学式11所示结构的化合物和具有化学式12所示结构的化合物中的至少一种。在长周期元素周期表中1族的元素是氢或碱金属。
化学式10
在化学式10中，X1表示在长周期元素周期表中1族的元素。
化学式11 在化学式11中，X2表示在长周期元素周期表中1族的元素。
化学式12 在化学式12中，Y表示氢或卤素，而X3表示在长周期元素周期表中1族的元素。n表示正整数，优选为7或更大。
第一化合物，即咪唑衍生物，起到阳离子接受体的作用。第二化合物起到阳离子给予体的作用。在本发明中，质子包括在阳离子中。由于该混合物含有如上所述的第一化合物和第二化合物，所以该混合物难溶于水，并且其至少部分是不溶的。
作为具有未共享电子对的咪唑衍生物，可列举，例如，如化学式13所示，在咪唑的1、2、4和5的位置中的至少一个上具有取代基的化合物；如化学式14所示，在咪唑的4和5的位置被环化的化合物；如化学式15所示，在咪唑的1和2的位置被环化的化合物；如化学式16所示，在咪唑的1和5的位置被环化的化合物。然而，在本发明中，咪唑衍生物中不包括苯并咪唑。在这些咪唑衍生物中，3的位置上的氮具有未共享电子对；其成为了阳离子接受体部分。
化学式13 在化学式13中，R1、R2、R3和R4表示氢基或取代基。R1、R2、R3和R4彼此可以相同或不同。然而，其中至少一个必须是取代基。
化学式14 在化学式14中，R1和R2表示氢基或取代基。R1和R2彼此可以相同或不同。R5表示含碳的基团。
化学式15 在化学式15中，R3和R4表示氢基或取代基。R3和R4彼此可以相同或不同。R6表示含碳的基团。
化学式16 在化学式16中，R2和R3表示氢基或取代基。R2和R3彼此可以相同或不同。R7表示含碳的基团。
这里，取代基R1至R4可以是含碳或卤素基团的取代基，但优选是含碳的取代基。
在含碳的取代基中，碳的数目优选为1至20。当碳的数目大于20时，阳离子的可动性(movability)降低。
此外，含碳取代基可以含有杂原子，如氮、氧(O)、磷(P)和硫(S)。
此外，作为含碳的取代基，例如可以列举烷基、芳基、以及其中烷基或芳基的至少一个氢被卤素所取代的基团。特别地，优选苯基、偶苯酰基、碳原子数为1至4的烷基，或者其中苯基、偶苯酰基或碳原子数为1至4的烷基的至少一个氢被卤素所取代的基团。其原因在于咪唑衍生物本身变得难溶于水，混合物的溶解性降低。
具有未共享电子对的咪唑衍生物的取代基越多，其水溶性就越低。然而，由于阳离子的可动性可以得到改善，所以优选R1为氢。
作为这样的咪唑衍生物，例如优选列举其中取代基结合在2的位置且氢结合在1、4和5的位置上的咪唑衍生物，例如化学式17所示的2-异-丙基咪唑、化学式18所示的2-乙基咪唑、化学式19所示的2-正-丙基咪唑、化学式20所示的2-丁基咪唑(2-bytylimidazole)和化学式21所示的2-苯基咪唑。
化学式17
化学式18 化学式19 化学式20 化学式21 此外，优选列举其中氢基结合在1的位置、取代基结合在2的位置且取代基结合在4和5的位置中至少一个上的咪唑衍生物，例如，化学式22所示的2-乙基-4-甲基-咪唑。
化学式22 在第二化合物中，具有化学式10或化学式11所示结构的化合物可以是含有这样结构的聚合物。作为具有化学式10所示结构的化合物，例如可以列举化学式23所示的化合物。
化学式23 在化学式23中，R8和R9表示烷基、苯基或其衍生物。R8和R9彼此可以相同或不同。X1表示在长周期元素周期表中1族的元素。
化学式23所表示的化合物的具体例子包括化学式24至27所示的化合物。
化学式24 化学式25
化学式26 化学式27 在化学式27中，R10至R14表示氢基、氟基、甲基、甲基氟基团或甲氧基。R10至R14彼此可以相同或不同。
该混合物例如用作阳离子导体。
在这种情况下，当阳离子传导性只有通过第一化合物和第二化合物来表现时，该混合物可以按其原样地用作阳离子导体。然而，根据需要，可通过将其溶解在溶剂中来使用该混合物。作为溶剂，例如可以列举环状或链状碳酸酯，如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯及烷基醚氟代物。
此外，上述混合物可以通过保持体进行保持。保持体优选以膜或类似方式保持和形成该混合物。保持体可以是有机物、无机物及其复合物。作为形成保持体的无机材料，可以列举二氧化硅(硅石)或其衍生物，或其聚合物。此外，作为形成保持体的有机高分子化合物，例如可以列举氟代聚合物，如聚(偏二氟乙烯)、偏二氟乙烯和六氟丙烯的共聚物及聚四氟乙烯；耐热高分子，如聚酰亚胺、聚酰胺、聚苯并咪唑和聚苯醚；醚化合物，如聚(环氧乙烷)；聚(丙烯腈)；以及具有如甲基丙烯酸酯基团和丙烯酸酯基团的官能团的交联化合物。对于保持体的形式，可以列举这些高分子化合物的多孔膜，如聚酰亚胺的多孔膜。
当上述混合物是液体时，该混合物直接由聚合物保持。当上述混合物是固体时，该混合物溶解在溶剂中以得到由聚合物保持的液体混合物。在这些情况下，所得物成为所谓的凝胶。
例如可以如下形成该阳离子导体。
首先，将由具有未共享电子对的咪唑衍生物形成的第一化合物与选自具有化学式10所示结构的化合物、具有化学式11所示结构的化合物和具有化学式12所示结构的化合物中的至少一种的第二化合物在氩气(Ar)气氛下、水分浓度(moisture concentration)例如为10ppm或更低时混合，以形成混合物。在该气氛下，可以将第一化合物和第二化合物混合均匀。根据第一化合物和第二化合物的混合比例，该混合物可在室温下成为液体或固体。
其次，可以将得到的混合物根据需要溶解在溶剂中。此外，可将该混合物或溶解在溶剂中的该混合物通过保持体进行保持，以得到膜。例如，当使用高分子化合物作为保持体时，可通过使用混合溶剂将混合物、高分子化合物和根据需要的溶剂混合以得到膜，然后使混合溶剂挥发。另外，可在形成质子传导膜或多孔膜之后，使混合物或溶解在溶剂中的混合物浸入或吸收到这样的膜中。此外，可将混合物、可以有机合成成高分子化合物的单体及根据需要的溶剂混合以得到膜，然后使单体聚合或交联。在这种情况下，根据需要加入聚合引发剂或交联剂。此外，在混合过程中，可在加入混合溶剂和进行聚合反应之后或之前，使混合溶剂挥发。
根据本实施方案的混合物或阳离子导体，包含有由包括具未共享电子对的氮的咪唑衍生物形成的第一化合物；以及选自具有化学式10所示结构的化合物、具有化学式11所示结构的化合物和具有化学式12所示结构的化合物中至少一种的第二化合物。因此，在第一化合物中含有的氮的未共享电子对可以接受在第二化合物中所含有的长周期元素周期表中1族元素的阳离子。因此，阳离子可以在没有水时迁移，且水溶性可以降低。因此，当存在水时，可防止该混合物或阳离子导体溶解在水中而导致阳离子传导性降低。
下面将对采用这种阳离子导体的燃料电池进行描述。
图1表示根据本发明实施方案的燃料电池的结构。该燃料电池具有燃料电极12和氧电极13，两者相对设置，其间设置有电解质膜11。电解质膜11、燃料电极12和氧电极13包含在外部元件14中。在外部元件14中，将燃料室15设置在邻近燃料电极12的地方，将氧气室16设置在邻近氧电极13的地方。燃料室15通过设置在外部元件14中的分配孔14A和14B与未示出的燃料供应部分连接。从燃料供应部分供应含有氢气、甲醇、乙醇、二甲醚等的液体燃料。氧化室16通过配置在外部元件14中的分配孔14C与外部连接。空气，即氧气通过自然通风供应到氧电极13。
电解质膜11例如由上述阳离子导体膜形成。在这种情况下，质子在燃料电池中传导。因此，在第二化合物中化学式10的X1、化学式11的X2和化学式12的X3都由氢形成。电解质膜11由电解质膜或质子导体形成。
燃料电极12和氧电极13例如具有这样的结构，其中含有如铂(Pt)和铷(Ru)催化剂的催化剂层形成在由碳纸等材料制成的气体扩散层上。催化剂层例如由这样的物质组成，其中保持催化剂的保持体(如炭黑)分散在质子传导材料中。
例如可以以如下方式形成该燃料电池。
在燃料电极12和氧电极13之间层合有由上述质子导体组成的电解质膜11。燃料电极12和氧电极13例如通过热压粘合的方式粘合在一起。热压粘合的温度和压力例如优选为100℃至150℃和20kgf/cm2至40kgf/cm2。当温度太低或压力太低时，在电解质膜11与燃料电极12或氧电极13之间的粘合将变得不充分。当温度太高时，包含在电解质膜11中的质子导体可能会分解。当压力太高时，燃料电极12和氧电极13的集电体将会被破坏。热压粘合的时间例如优选为30秒至5分钟。当时间短于30秒时，在电解质膜11与燃料电极12或氧电极13之间的粘合将变得不充分。当时间长于5分钟时，包含在电解质膜11中的质子导体可能会分解。
随后，将得到的电解质膜11、得到的燃料电极12和得到的氧电极13容纳在外部元件14中。从而，就完成了如图1所示的燃料电池。
在该燃料电池中，将燃料供应到燃料电极12，通过反应产生质子和电子。质子通过电解质膜11迁移到氧电极13，与电子和氧气反应以产生水。然后，在电解质膜11中，质子通过使用包含在咪唑衍生物(第一化合物，作为质子接受体)中的具有未共享电子对的氮来传导质子。因此，即使没有水时，也可以实现质子传导性。此外，由于电解质膜11含有第一化合物和第二化合物，所以水溶性低。因此，即使当有水存在时，也能阻止电解质膜11溶解在水中而导致质子传导性降低。
如上所述，根据该实施方案的燃料电池，使用了根据该实施方案的质子导体。因此，可在短时间内、在低运行温度(yield temperature)下启动燃料电池。此外，控制湿度的辅助装置不是必要的。因此，整个系统可以被小型化。此外，燃料电池可以在室温或100℃或更高温度下使用，也就是说，可以在宽的温度范围内使用。
实施例下面，将对本发明的具体实施例进行详细地描述。
(实施例1-1至1-6)形成在本实施方案中所述的混合物。对于第一化合物，使用化学式21所示的2-苯基咪唑(下文称之为“2PhIm”)。对于第二化合物，使用化学式26所示的五氟代乙烷磺酸酰亚胺(pentafluoroethanesulfonimido)(下文称之为“HBETI”)。在实施例1-1至1-6中，将混合物中2PhIm与HBETI之间的摩尔比变成2PhIm∶HBETI＝4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2或9∶1。具体地，相对于1.524g(4.00mmol)HBETI，2PhIm的混合比例，在实施例1-1中为0.3842g(2.66mmol)，在实施例1-2中为0.5763g(4.00mmol)，在实施例1-3中为0.8644g(6.00mmol)，在实施例1-4中为1.345g(9.34mmol)，在实施例1-5中为2.305g(16.0mmol)，在实施例1-6中为5.187g(36.0mmol)。该混合过程在手套箱中、在氩气(Ar)气氛、水分浓度为10ppm或更低、温度为150℃(等于或高于2PhIm的熔点(136℃))下进行了5分钟。执行该操作3次。在实施例1-1、1-3和1-4中(其中2PhIm与HBETI的摩尔比为4∶6、6∶4和7∶3)，如上所述得到的混合物在室温下是液体；而在实施例1-2、1-5和1-6中(其中2PhIm与HBETI的摩尔比为5∶5、8∶2和9∶1)，得到的混合物在室温下是固体。
对于该形成的混合物，通过设置10℃/分钟的升温速率来进行TG-DTA(热解重量差热分析)。图2显示了作为测量结果的典型实例的实施例1-2(其中2PhIm与HBETI的摩尔比为5∶5)和实施例1-4(其中2PhIm与HBETI的摩尔比为7∶3)。发现，实施例1-2的混合物质量减少10％时的温度是377℃，这表明其高耐热性。因为在实施例1-4的混合物中2PhIm过量，由于2PhIm的蒸发，实施例1-4的混合物质量减少10％时的温度是246℃，低于实施例1-2中的温度。然而发现，在180℃或更低温度下质量不会减少且混合物组分不会分解。
此外，对于该形成的混合物，通过设置10℃/分钟的冷却速率和将温度从100℃降到-150℃，并设置10℃/分钟的升温速率和将温度从-150℃升到150℃来进行DSC(差式扫描量热法)测定。结果如表1所示，发现实施例1-2、1-5和1-6的混合物的熔点降至低于2PhIm的熔点(136℃)的水平。并且发现，对于实施例1-1、1-3和1-4的混合物，玻璃化转变温度随摩尔比而变化，没有表现出熔点来，且这些混合物变成了过冷液体。
此外，测量了该形成的混合物的水溶性。其结果如表1所示。发现实施例1-1混合物的部分在水中溶解，且部分在水中不溶解并残留下来。发现，其它实施例的混合物在水中是不溶解的。
表1
此外，通过AC阻抗测量来测定该形成的混合物的离子传导性。图3显示了得到的结果。如图3所示，发现实施例1-1至1-6的混合物在80℃或更高温度下表现出良好的离子传导性。特别地，发现实施例1-1、1-3和1-4的混合物表现出高于1.0×10-3Scm-1的实际离子传导性。
也就是说，发现，在混合物含有咪唑与HBETI且不含有咪唑衍生物的情况下，该混合物完全溶于水。同时，在混合物含有2PhIm和HBETI的情况下，该混合物不溶于水，在约200℃的高温下稳定，且能得到足够的离子传导性。
(实施例2-1和2-2)除了将4-苯基咪唑(下文称之为“4PhIm”)用作第一化合物之外，如实施例1-2和1-4形成混合物。之后，如实施例1-2和1-4，通过DSC测量测定了熔点和玻璃化转变温度，通过AC阻抗测量测定了水溶性和离子传导性。其结果如表2和图4所示。在图4中还显示了实施例1-2和1-4的结果。
表2
如表2所示，发现各个混合物的熔点降至低于4PhIm熔点(129℃)的水平。进一步，发现这些混合物不溶解于水。并且如图4所示，发现在110℃或更高温度下，显示出与实施例1-2和1-4相同的离子传导性。也就是说，发现与实施例1-1至1-6中情况相同，即使采用其它咪唑时，该混合物也不溶于水，且稳定，并能得到足够的离子传导性。进一步地，根据对图4中实施例2-1和2-2与实施例1-2和1-4的对比可以证明，在低温时，实施例1-2和1-4表现出高于实施例2-1和2-2的离子传导性。其原因在于，通过混合，熔点大大降低，且在2的位置具有取代基的咪唑衍生物比在4的位置具有取代基的咪唑衍生物的系统可动性有更大的改善。也就是说，发现，更优选使用在2的位置具有取代基的咪唑衍生物。
(实施例3-1-1、3-1-2、3-2-1和3-2-2)除了采用化学式17所示的2-异丙基咪唑(下文称之为“2-i-PrIm”)或化学式19所示的2-正-丙基咪唑(下文称之为“2-n-PrIm”)作为第一化合物之外，如实施例1-2和1-4形成混合物。之后，与在实施例1-2和1-4中情况相同，通过DSC测量来测定熔点和玻璃化转变温度，通过AC阻抗测量来测定水溶性和离子传导性。其结果如表3和图5所示。在图5中，与实施例1-4的离子传导性一起显示了作为典型实例的实施例3-1-2和3-2-2中的混合物的离子传导性，这两个混合物在室温下为液体，其中2-i-PrIm或2-n-PrIm与HBETI的摩尔比为7∶3。
表3
如表3和图5所示，如在实施例1-2和1-4中一样，对于所有的混合物都可以具备足够的性能。然而，对于水溶性，水溶性的难度顺序如下所示采用2PhIm作为第一化合物的实施例1-2和1-4、采用2-n-PrIm作为第一化合物的实施例3-2-1和3-2-2和采用2-i-PrIm作为第一化合物的实施例3-1-1和3-1-2。同时，对于离子传导性，采用2PhIm作为第一化合物的实施例1-2和1-4表现出最高的程度，采用2-i-PrIm作为第一化合物的实施例3-1-1和3-1-2表现出第二高的程度，采用2-n-PrIm作为第一化合物的实施例3-2-1和3-2-2表现出最低的程度。
也就是说，第一化合物中取代基的碳原子数越多，水溶性就越低。然而，发现，当碳原子数太多时，离子传导性变低。
(实施例4-1-1和4-1-2)除了采用化学式22所示的2-乙基-4-甲基咪唑(下文称之为“2-Et-4-MeIm”)作为第一化合物之外，如实施例1-2和1-4形成混合物。之后，与在实施例1-2和1-4中情况相同，通过DSC测量来测定熔点和玻璃化转变温度，通过AC阻抗测量来测定水溶性和离子传导性。其结果如表4和图6所示。在图6中，与实施例1-4、3-1-2和3-2-2的离子传导性一起，显示了作为典型实例的实施例4-1-2的离子传导性，其中该混合物在室温下为液体，2-Et-4-MeIm与HBETI的摩尔比为7∶3。
表4
如表4和图6所示，根据实施例4-1-1和4-2-2，尽管其部分是溶于水的，对于其它性能，可得到与实施例1-2和1-4类似的结果。也就是说，发现，当混合物含有在1的位置上结合有氢、在2的位置上结合有取代基及在4、5的位置中的至少一个上结合有取代基的化合物时，该混合物不能完全溶解，且即使在约200℃的高温下也是稳定的，能够得到足够的离子传导性。
(实施例5)通过向实施例1-3中形成的混合物中加入20wt％的甲基丙烯酸甲酯，二甲基丙烯酸乙二醇酯作为交联剂，偶氮异丁腈作为自由基聚合剂，进行凝胶化并进行聚合，得到阳离子传导膜。对于该得到的凝胶化阳离子传导膜，与实施例1-1至1-6中情况相同，通过AC阻抗测量来测定离子传导性。其得到的结果与实施例1-3的结果一起在图7中显示。如图7所示，根据实施例5，可以得到足够高的传导性，尽管数值比实施例1-3中的低。也就是说，发现，即使通过添加高分子化合物将该混合物制成膜时，也可以具备足够的性能。
(实施例6)作为催化剂的铂由炭黑进行保持，以其涂覆由碳纸制成的气体扩散层，以形成一对电极。将在实施例5中形成的阳离子导体夹在该对电极之间。在60℃温度、氢气气氛中，对该所得物施加10mV、50mV和100mV的电压。其结果如图8所示。图8显示了时间推移与流动电流之间的关系。如图8所示，电流是连续流过的。因此，可以确定质子通过阳离子导体传导。
虽然本发明已经参考实施方案和实施例进行了描述，但本发明不限于上述实施方案和实施例，并且可以进行各种改进。例如，在上述实施方案中，已经具体描述了电解质膜11、燃料电极12和氧电极13的结构。然而，电解质膜11、燃料电极12和氧电极13可以具有其它结构，或者可由其它材料制成。
并且，在上述实施方案中，燃料由未示出的燃料供应部分供应给燃料电极12。然而，燃料室也可以是密封封闭的，且燃料是根据需要进行供应的。
并且，在上述实施方案中，通过自然通风将空气供应给氧电极13。然而，也可通过使用泵等方式进行空气的强制供应。在这种情况下，除了空气，也可以供应氧气或含氧的气体。
此外，在上述实施方案中，已经描述了单电池型的燃料电池。然而，本发明也可以应用于多个电池叠层的层叠型燃料电池。
而且，在上述实施方案中，对于采用本发明的阳离子导体的电化学装置，已经参考燃料电池作为实例进行了描述。然而，本发明的阳离子导体可以类似地应用到其它电化学装置，如传感器、电容器和显示器中。并且，本发明的阳离子导体不仅可以应用于利用质子的电化学装置中，而且可以应用于利用长周期元素周期表中1族元素的其它阳离子(如锂、钠、钾和铷)的电化学装置，如传感器、电容器和显示器中。
权利要求
1.一种混合物，包含第一化合物，由含有具有未共享电子对的氮(N)的咪唑衍生物形成；以及第二化合物，选自具有化学式1所示结构的化合物、具有化学式2所示结构的化合物和具有化学式3所示结构的化合物中的至少一种；化学式1 其中，X1表示在长周期元素周期表中1族的元素；化学式2 其中，X2表示在长周期元素周期表中1族的元素；化学式3 其中，Y表示氢或卤素，X3表示在长周期元素周期表中1族的元素，且n表示正整数。
2.如权利要求1所述的混合物，其为非水溶性的。
3.如权利要求1所述的混合物，其中所述的咪唑衍生物包括一种化合物，其中氢基结合在化学式28所示的咪唑的1的位置上；化学式28 其中该结构中的数字表示位置。
4.如权利要求1所述的混合物，其中所述的咪唑衍生物包括一种化合物，其中氢基结合在化学式28所示的咪唑的1的位置上，取代基结合在2的位置上，以及氢基结合在4和5的位置上。
5.如权利要求1所述的混合物，其中所述的咪唑衍生物包括一种化合物，其中氢基结合在化学式28所示的咪唑的1的位置上，取代基结合在2的位置上，以及取代基结合在4和5的位置中的至少一个上。
6.如权利要求1所述的混合物，其中第二化合物包含具有化学式1所示结构的聚合物和具有化学式2所示结构的聚合物中的至少一种。
7.一种阳离子导体，包含第一化合物，由含有具有未共享电子对的氮(N)的咪唑衍生物形成；以及第二化合物，选自具有化学式4所示结构的化合物、具有化学式5所示结构的化合物和具有化学式6所示结构的化合物中的至少一种；化学式4 其中，X1表示在长周期元素周期表中1族的元素；化学式5 其中，X2表示在长周期元素周期表中1族的元素；化学式6 其中，Y表示氢或卤素，X3表示在长周期元素周期表中1族的元素，且n表示正整数。
8.如权利要求7所述的阳离子导体，其中第一化合物和第二化合物的混合物是非水溶性的。
9.如权利要求7所述的阳离子导体，其中所述的咪唑衍生物包括一种化合物，其中氢基结合在化学式29所示的咪唑的1的位置上；化学式29 其中该结构中的数字表示位置。
10.如权利要求7所述的阳离子导体，其中所述的咪唑衍生物包括一种化合物，其中氢基结合在化学式29所示的咪唑的1的位置上，取代基结合在2的位置上，以及氢基结合在4和5的位置上。
11.如权利要求7所述的阳离子导体，其中所述的咪唑衍生物包括一种化合物，其中氢基结合在化学式29所示的咪唑的1的位置上，取代基结合在2的位置上，以及取代基结合在4和5的位置中的至少一个上。
12.如权利要求7所述的阳离子导体，其中第二化合物包含具有化学式4所示结构的聚合物和具有化学式5所示结构的聚合物中的至少一种。
13.如权利要求7所述的阳离子导体，还包含用于保持该第一化合物和第二化合物的保持体。
14.如权利要求13所述的阳离子导体，其中所述的保持体包含高分子化合物。
15.如权利要求13所述的阳离子导体，还包含溶剂。
16.一种电化学装置，其中在一对电极间设置有阳离子导体，其中该阳离子导体包含第一化合物，由含有具有未共享电子对的氮(N)的咪唑衍生物形成；以及第二化合物，选自具有化学式7所示结构的化合物、具有化学式8所示结构的化合物和具有化学式9所示结构的化合物中的至少一种；化学式7 其中，X1表示在长周期元素周期表中1族的元素；化学式8 其中，X2表示在长周期元素周期表中1族的元素；化学式9 其中，Y表示氢或卤素，X3表示在长周期元素周期表中1族的元素，且n表示正整数。
17.如权利要求16所述的电化学装置，其中该第一化合物和第二化合物的混合物是非水溶性的。
18.如权利要求16所述的电化学装置，其中所述的咪唑衍生物包括一种化合物，其中氢基结合在化学式30所示的咪唑的1的位置上；化学式30 其中该结构中的数字表示位置。
19.如权利要求16所述的电化学装置，其中所述的咪唑衍生物包括一种化合物，其中氢基结合在化学式30所示的咪唑的1的位置上，取代基结合在2的位置上，以及氢基结合在4和5的位置上。
20.如权利要求16所述的电化学装置，其中所述的咪唑衍生物包括一种化合物，其中氢基结合在化学式30所示的咪唑的1的位置上，取代基结合在2的位置上，以及取代基结合在4和5的位置中的至少一个上。
21.如权利要求16所述的电化学装置，其中该第二化合物包含具有化学式7所示结构的聚合物和具有化学式8所示结构的聚合物中的至少一种。
22.如权利要求16所述的电化学装置，其中该阳离子导体还包含用于保持该第一化合物和第二化合物的保持体。
23.如权利要求22所述的电化学装置，其中所述的保持体包含高分子化合物。
24.如权利要求22所述的电化学装置，其中该阳离子导体还包含溶剂。
25.如权利要求16所述的电化学装置，其为燃料电池。
全文摘要
本发明公开了一种混合物和一种阳离子导体，即使在不高于水的沸点的温度范围之内，它们也能够传导阳离子而无需加湿。本发明还公开了使用该混合物或阳离子导体的电化学装置，如燃料电池。该电化学装置包括燃料电极(12)和氧电极(13)，彼此通过电解质膜(11)相对设置。该电解质膜(11)包含第一化合物和第二化合物，其中第一化合物由含有带未共享电子对的N的咪唑衍生物组成，第二化合物由选自具有上式所表示结构的化合物中的至少一种化合物组成。
文档编号H01B1/12GK1942978SQ20058001147
公开日2007年4月4日 申请日期2005年2月2日 优先权日2004年2月16日
发明者福岛和明, 开本拓郎, 泷泽修一, 西本淳, 野田和宏 申请人:索尼株式会社