离子导体和燃料电池的制作方法

专利名称：离子导体和燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合于诸如将曱醇直接供给到燃料电极以发生反
应的直接甲醇燃料电池(DMFC)的电化学装置的离子导体、以及 燃料电池。
背景技术：
表示电池特性的指标包括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。输出密度是每单位质量的电池的输 出量。锂离子二次电池具有相对高的能量密度和显著高的输出密度 的两种特性，并且具有较高的成品率。因此，锂离子二次电池一皮广 泛用作移动装置的电源。然而，近年来，存在这样的趋势，即，由 于移动装置变得高性能化，所以移动装置的电力消耗增加。因此， 期望进一步提高锂离子二次电池的能量密度和输出密度。
它们的解决方案包括改变构成正极和负极的电极材料、改善 电极材料的涂覆方法、改善封入电极材料的方法等。虽然已经对提 高锂离子二次电池的能量密度进行了研究，但实现实际使用仍然是 一项很难的技术。此外，除非用于现在的锂离子二次电池的构成材 料发生改变，否则难以期望能量密度的大幅度提高。
因此，迫切需要开发具有更高能量密度的电池来代替锂离子二 次电池。燃料电池是有力的候选者之一。
燃料电池具有其中电解质被设置在阳极(燃料电极)和阴极(氧 电极)之间的结构，燃料4皮供给到燃料电极，而空气或氧气^皮供纟合
到氧电极(氧气电极，oxygen electrode )。结果，发生了氧化还原反 应，其中在燃冲+电极和氧电极中燃剩"波氧气氧化，并且燃料的部分 化学能^皮转化成电能并^皮取出。
已经提出或试制了各种类型的燃料电池，并且其中 一部分已被 实际使用。根据使用的电解质，这些燃料电池被分类为碱性电解质 型燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料 电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)、固体高分子型燃 料电池(聚合物电解质型燃料电池，PEFC)等。在上述燃料电池中， 与其〗也类型的燃并+电池相比，PEFC可以在例如约30。C至130。C的 较低温度下工作。
作为燃料电池的燃料，可使用各种易燃性物质如氢气和曱醇。 然而，气体燃料如氢气需要一个储存用的圆筒(钢筒)等，因此气 体燃料并不适合于获得小型化的燃料电池。另一方面，关于液体燃 料能够易于储存的特性，液体燃料如甲醇是有利的。特别地，DMFC 具有这样的优点，即，DMFC不需要从燃料中取出氢气的改质器(重 整器)，因此结构被简化，从而能够易于获得小型化的燃料电池。
在DMFC中，通常将燃料甲醇以低浓度或高浓度的水溶液，或 者以气体状态的纯曱醇供给到燃料电极，所供给的曱醇在燃料电极 的催化剂层中被氧化成二氧化碳。这时产生的质子(H+)穿过将燃 料电极和氧电极隔开的电解质膜移动到氧电极，在氧电极中与氧气 反应而产生水。在燃料电4及、氧电极、以及整个DMFC中发生的反 应由化学式1表示。(化学式1 )
燃泮+电极 CH3OH + H20 — C02 + 6e> 6H+
氧电极 (3/2)02 + 6e- + 6H+ — 3H20
整个DMFC: CH3OH + (3/2) 02 — C02 + 2H20
作为DMFC燃料的曱醇的能量密度理论上为4.8 kW/L,这是 通常的锂离子二次电池的能量密/复的10倍以上。即，使用曱醇作 为燃料的燃料电池具有较多的获得高于锂离子二次电池的能量密 度的可能性。因此，在各种燃料电池中，DMFC具有最高的可能性 以用作移动装置和电动车辆的能源。
然而，在DMFC中，虽然它的理i仑电压为1.23 V， ^f旦在实际发 电时存在输出电压^皮降低至约0.6 V以下的问题。输出电压的这样 的降4氐来源于由于DMFC的内部电阻引起的电压下降。在DMFC 中，存在内部电阻如伴随发生在两个电极中的反应的电阻、伴随物 质移动的电阻、当质子移动穿过电解质膜时产生的电阻，以及接触 电阻。可以从甲醇的氧化实际取出为电能的能量表示为在发电过程 中的输出电压与流过电路的电量的乘积。因此，当在发电过程中输 出电压降低时，可以实际取出的能量也相应减少。此外，在全部量 的曱醇根据化学式1在燃料电极中被氧化的情况下，由于曱醇的氧 化可以耳又出至电路的电量与DMFC中的曱醇的量成比例。
而且，DMFC具有曱醇^争越(crossover)的问题。甲醇if争越是 通过以下两种机制曱醇从燃料电极侧渗透过电解质膜到达氧电极 侧的现象，该两种机制是由于在燃料电极侧与氧电极侧之间的曱 醇浓度的差异而使甲醇扩散并移动的现象；以及电渗透的现象，即， 由于伴随质子的移动引起的水的移动，因此水合曱醇被搬运。当甲醇跨越发生时，渗透过的甲醇在氧电极的催化剂层中被氧 化。虽然在氧电才及侧上的曱醇的氧化反应与上述在燃并午电才及侧上的
氧化反应相同，^f旦它可以引起DMFC的丰命出电压的减少(例如，参 见非专利文献l)。而且，在燃料电极侧曱醇没有用作发电，而是在 氧电才及侧一皮浪费(消4毛)，因此可以取出至电^各的电量相应减少。 而且，因为氧电极的催化剂层是铂(Pt)的催化剂而不是铂(Pt)-钌(Ru)合金的催化剂，因此，存在一氧化石灰(CO) 4艮容净皮吸收 在催化剂的表面上，产生催化剂中毒等问题。
如上所述，DMFC具有由内部电阻和曱醇跨越引起的电压降 低，以及由甲醇跨越引起的燃料浪费的两个问题。这些问题引起 DMFC的发电效率的降低。因此，为了提高DMFC的发电效率， 已经积极地进行了对改善构成DMFC的材料的特性的研究和开发， 以及对优化DMFC的工作条件的研究和开发。
对改善构成DMFC的材料的特性的研究包括关于电解质膜的 研究和关于燃料电极侧上的催化剂的研究。对于电解质膜，目前， 通常使用聚全氟烷基磺酸基树脂膜(由杜邦制造的"Nafion (注册 商标)")。作为比聚全氟烷基磺酸基树脂膜具有更高的质子传导性 和更高的防止曱醇渗透过性能的电解质膜，已经考虑氟基高分子 膜、烃基高分子电解质膜、或水凝胶基电解质膜等。对于在燃料电 极侧上的催化剂，正在研究开发着与目前通常4吏用的铂(Pt )-钌(Ru ) 合金催化剂相比，具有更高活性的催化剂。
作为改善燃料电池的发电效率的措施，上述提高燃料电池的构 成材料的特性是合适的。然而，现状是还没有发现解决上述两个问 题的最合适的催化剂，并且也没有发现最合适的电解质膜。
非专利文献1:"燃并+电池系统的描述"，欧姆社有限7>司 (Ohmsha, Ltd )， p.66
专利文献1:特开昭59-90336号7>才艮

发明内容
在专利文献l中，披露了其中使用硫酸作为电解质以及供给曱 醇和v5克酸的混合液体作为燃料的石克酸电解液型燃料电池。
然而，在上述结构中，使用石克酸作为电解质。该石克酸是具有约 0.5 M至1 M浓度的稀硫酸。然而，不同于盐酸等，硫酸是非挥发 性的，因此即使使用具有低浓度的硫酸也存在？ I起安全性问题的可 能性。例如，才艮据发电环境的不同，存在水蒸发的可能性，在这种 情况下，稀硫酸变为浓爿琉酸。于是，如果与电池包装件(壳体)或 流体接触的部分是由金属制成的，则它可能导致腐蚀。而且，即使 部件是由树脂制成的，也只存在少量的耐浓石危酸的材冲+。因此，其
很少的可能性。
考虑到上述问题，本发明的一个目的在于提供一种具有高离子 传导性、几乎不受环境变化的影响、由此可以改善安全性的离子导 体以及使用该离子导体的燃料电池。
本发明涉及的离子导体包含具有离子传导性的离子固体(ionic solid)以及用于分散离子固体的分散介质。本文中的"离子固体，， 是指可离子交换的固体。它的实例包括离子交换树脂。
本发明涉及的燃料电池包括燃料电极、氧电极、以及在燃料电 极和氧电极之间的离子导体。离子导体由上述本发明的离子导体构成。
根据本发明的离子导体，具有离子传导性的离子固体被分散在 分散介质中。因此，尽管是固体分散溶液，也可获得非常高的离子 传导性。此外，不同于用作传统的电解质流体的硫酸，当分散介质 由于环境变化而蒸发时，^f又残留离子固体，因此不存在腐蚀周围部
件的可能性从而提高了安全性。因此，离子导体适合作为电化学装 置如燃冲+电池的电解质。


是示出了包括根据本发明第一实施例的燃料电池系统的 电子装置的示意性结构的图。是示出了图1所示的燃3阡电池的结构的图。 [图3]是示出了根据本发明第二实施例的燃料电池的结构的图。 [图4]是示出了本发明的实施例的结果的图。 [图5]是示出了本发明的实施例的结果的图。 [图6]是示出了使用本发明的离子导体的碱锰电池的结构的图。
具体实施例方式
在下文中，将详细地描述本发明的实施例。 (第一实施例)
图1示出了具有根据本发明第一实施例的燃料电池系统的电子 装置的示意性结构。该电子装置例如是移动装置如移动电话和PDA (个人lt字助理)或笔记本式PC (个人计算才几)。该电子装置包括
燃泮+电池系统1和由燃冲十电池系统1中产生的电能马区动的外部电^各
(负荷)2。
燃料电池系统1包括例如燃料电池110、用于测量燃料电池110 的工作;)犬态的测量部120、以及用于基于由测量部120的测量结果 决定燃料电池110的工作条件的控制部130。燃料电池系统1进一 步包括用于向燃料电池110中供给包含电解质的第一流体Fl的电 解质供给部140以及用于供给包含燃料的第二流体F2的燃4+供给 部150。因为在电解质膜中，需要向具有离子传导性(质子传导性) 的杉于脂中加入粘结剂用于固定(fixation )，因此，与本体状态(bulk state)下相比离子传导性(质子传导性)大大降低。而且，不存在 由于电解质膜的劣化和电解质膜的干燥引起的质子传导性降低的 可能性，从而也能够解决氧电才及中如溢流和水分管理等问题。
含有电解质的第一流体F1包含具有离子传导性(质子(H+) 传导性)的离子固体和用于分散离子固体的分散介质。从而，在燃 料电池110中，改善了包含电解质的第一流体Fl的离子传导性， 并且由于几乎不受环境变化的影响而能够改善安全性。
作为离子固体，例如，离子交换树脂是优选的。离子交换树脂 是具有不溶于水的性质的固体粒状高分子聚合物。当离子交换树脂
在水中电离时，离子交换树脂表现出如酸、碱、或盐的性质。特别 地，列举的是酸型(H型)的苯乙晞基阳离子交换树脂(由Rohm和 Haas7^司制造的"Amberlyst (注册商标)，，或"Amberlite (注册商 标)")或聚全氟烷基磺酸基树脂(由杜邦制造的"Nafion (注册商 标)")。这样的离子交换树脂例如通过后面描述的被粉碎成细颗粒 而能够容易地分散在分散介质中，因此能够用作流动性的电解质。
作为分散介质，例如，列举水。然而，分散介质并不限于水， 并且可以 -使用其他分散介质。
作为包含燃料的第二流体F2，例如，列举甲醇。除了曱醇以外， 包含燃料的第二流体F2可以是其他醇如乙醇和二曱醚。
图2示出了图1所示的燃#+电池110的结构。燃冲+电池110是 所谓的直4妻曱醇流基燃^牛电池(DMFFC )。燃冲牛电池110具有其中 燃料电极(阳极)10和氧电极(阴极)20相对配置的结构。在燃 料电极10与氧电极20之间，设置有用于使包含电解质的第一流体 Fl流动的电解质流;咯(电解质通道)30。在燃坤牛电才及10的外侧， 即，与氧电极20的相反侧，设置有用于使包含燃料的第二流体F2 流动的燃料流路40。即，燃料电极IO起隔离包含电解质的第一流 体F1和包含燃料的第二流体F2的隔离膜的作用。
燃料电极10具有其中从氧电极20侧顺序层叠催化剂层11、扩 散层12、以及集电体13的层叠结构。将该层叠结构容纳在外部构 件(外包装件)14中。氧电极20具有其中从燃料电极10侧顺序层 叠催化剂层21、扩散层22、以及集电体23的层叠结构。将该层叠 结构容纳在外部构件24中。此外，将空气或氧气穿过外部构件24 供纟会到氧电才及20。
催化剂层ll、 21例如由钇(Pd)、柏(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、 以及钌(Ru)等金属的单质或合金构成作为催化剂。除了催化剂以 外，在4崔化剂层11、 21中，还可以包含质子导体和粘结剂。作为 质子导体，列举的是上述的聚全氟烷基磺酸基树脂(由杜邦制造的
"Nafion (注册商标)")或具有质子传导性的其他树脂。粘结剂是 为了保持催化剂层11、 21的强度和柔软性而添加的物质。作为粘 结剂，例如，列举的是树脂如聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏二氟乙烯
(PVDF )。
扩散层12、 22例如由碳布(carbon cloth )、碳纸、或石灰片(carbon sheet)构成。优选对扩散层12、 22用聚四氟乙烯(PTFE)等进行
防水处理。
集电体13、 23例如由4太(Ti)网(mesh)制成。
夕卜部^H牛14、 24具有移'W口 2.0 mm的厚度，并且侈'J^口由通常可 购买的钛(Ti)板等的材料构成。它的材料没有特别限制。外部构 件14、 24的厚度期望尽可能薄。
电解质流^各30和燃并牛流^各40是例如，通过加工初于脂片(resin sheet)而形成的孩i细流;洛。电解质流^各30和燃并+流^各40粘结于燃 料电极IO。流路的数量没有限制。流路的宽度、高度、以及长度没 有特别限制，但是优选很小。
电解质流^各30通过i殳置在外部构件24中的电解质入口 24A和 电解质出口 24B而连4妾至电解质供给部140 (未在图2中示出，参 照图1)。从电解质供给部140供给包含电解质的第一流体Fl。燃 料流^各40通过设置在外部构件14中的燃料入口 14A和燃料出口 14B而连接至燃料供给部150 (未在图2中示出，参照图1 )，且从 燃#+供症合部150供^合包含燃坤+的第二流体F2。
图1所示的测量部120用于测量燃料电池110的工作电压和工 作电;虎。例如，测量部120具有用于测量趁志并牛电;也110的工作电压 的电压测量电^各121、用于测量工作电流的电流测量电^各122、以 及用于将获得的测量结果传送到控制部130的通信线3各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。例如， 控制部130具有计算部(运算部，operation section ) 131、存4诸(记 忆)部132、通信部133、以及通信线路134。这里，电解质供给参 数例如包括含电解质的第一流体Fl的供给流速。燃料供给参数例 如包括含燃料的第二流体F2的供给流速和供给量，并且^4居需要 可包括供给浓度。控制部130例如可以由樣i型计算才几构成。
计算部131基于由测量部120获得的测量结果计算燃并牛电池 110的输出，并且设定电解质供给参数和燃津牛供给参数。特別地， 计算部131通过将/人输入到存储部132的各种测量结果中以失见定的 间隔取样的阳才及电位、阴4及电位、输出电压、以及输出电流进行平 均来计算平均阳极电位、平均阴极电位、平均输出电压、以及平均 输出电流，且将计算结果输入存储部132，同时将存々者在存储部132 中的各种平均值彼此进行比较，从而判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传送的各种测量值或由计算部 131计算的各种平均值等。
通信部133具有以下功能通过通信线路123从测量部120接 收测量结果，且将接收的测量结果输入存储部132;以及，通过通 信线路134将用于设定电解质供给参数和燃料供给参数的的各信号 输出到电解质供给部140和燃料供给部150。
图1所示的电解质供给部140包括电解质储存部141、电解质 供纟会调整部142、电解质供乡合线3各143、以及分离室(隔离室， separation chamber ) 144。电解质储存部141用于储存包含电解质的 第一流体F1，并且例如由罐或筒构成。电解质供给调整部142用于 调整包含电解质的第一流体F1的供给流速。电解质供给调整部142 没有特别限制，只要电解质供给调整部142能够^皮来自控制部130 的4言号马区动。电解质供乡会调整部142伊乙选例如由^皮马达或压电元^f牛 (piezoelectric device )马区动的阀(valve )或电石兹泵冲勾成。因为少量
的甲醇可能4皮混合在乂人电解质出口 24B流出的包含电解质的第一 流体F1中，所以分离室144用于分离曱醇。分离室144^皮:没置在 电解质出口 24B附近。作为甲醇分离才几构，分离室144包4舌过滤器 或者通过燃烧、反应或蒸发而除去曱醇的4几构。
图1所示的燃料供症会部150具有燃冲牛储存部151、燃料供给调 整部152、以及燃料供给线路153。燃料储存部151用于储存包含 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 用于调整包含燃料的第二流体F2的供给流速和供给量。燃料供给 调整部152没有特别限制，只要燃料供给调整部152能够被来自控 制部130的信号驱动。燃料供给调整部152优选例如由被马达或压 电元件驱动的阀或电磁泵构成。燃冲牛供《会部150可以包括用于调整 包含燃料的第二流体F2的供给浓度的浓度调整部(未示出)。在使 用纯(99.9 % )曱醇作为包含燃料的第二流体F2的情况下，可以省 略;农度调整部，乂人而可以大大减少系统的尺寸。
例如可以如下制造燃^h电池系统1 。
首先，例如，按照给定的比率将作为催化剂的以给定比例包含 铂(Pt)和钌(Ru)的合金与聚全氟烷基磺酸基树脂(由杜邦公司 制造的"Nafion (注册商标)")的分散溶液进行混合。从而形成燃 料电极10的催化剂层11。将该催化剂层11热压粘结于由上述材料 构成的扩散层12上。而且，通过使用热熔性粘结剂或粘合性树脂 片而热压粘结由上述才才并+构成的集电体13。 乂人而形成燃^牛电才及10。
而且，按照给定的比率将其中由碳承载铂(Pt)的催化剂与聚 全氟烷基磺酸基树脂(由杜邦公司制造的"Nafion (注册商标)") 的分散溶液进行混合。从而形成氧电极20的催化剂层21。将该催 化剂层21热压粘结于由上述材^"构成的扩散层22。而且，通过4吏
用热熔性粘结剂或粘合性树脂片而热压粘结由上述材料构成的集
电体23。,人而形成氧电才及20。
其次，制备粘合性树脂片。在该树脂片中形成流路，从而制造 电解质流^各30和燃冲+流路40，并且热压粘结于燃料电才及10的两侧。
接着，制造由上述材料构成的外部构件14、 24。在外部构件 14中设置例如由树脂接头构成的燃料入口 14A和燃料出口 14B。在 外部构件24中设置例如由树脂接头构成的电解质入口 24A和电解 质出口 24B。
之后，将燃料电极10和氧电极20相对配置成电解质流路30 位于它们之间而燃并牛流3各40位于它们的外侧，并且将获得的叠层 容纳在外部构4牛14、 24中。/人而完成了图2所示的燃4+电;也110。
将该燃料电池110结合于上述结构的具有测量部120、控制部 130、电解质供乡会部140、以及燃泮牛供乡会部150的系统中。通过例如 由石圭管构成的燃^牛供^合线^各153将燃料入口 14A和燃料出口 14B连 才妾于燃津牛供给部150，并且通过例如由石圭管构成的电解质供乡合线^各 143将电解质入口 24A和电解质出口 24B连4妄于电解质供纟合部140。 作为包含电解质的第一流体Fl,通过将上述离子交换树脂(例如， 15 wt% )与作为^L介质的水混合并通过球磨机粉碎混合物而制备离 子导体。作为包含燃料的第二流体F2，使用曱醇。由此，完成了图 1所示的辨3+电池系统1。
在燃料电池系统1中，将包含燃料的第二流体F2供给燃料电 极IO，并且发生反应以产生质子和电子。质子通过包含电解质的第 一流体F1移动到氧电极20，然后与电子和氧气反应以生成水。发 生在燃并牛电才及10、氧电才及20、以及整个燃并+电池110中的反应由 化学式2表示。从而，将为燃料的曱醇的部分化学能转化成电能，
从燃料电池110中取出电流，并且驱动外部电路2。在燃料电极IO 中生成的二氧化石友和在氧电才及20中生成的水与包含电解质的第一 流体F1 —起流动，并且^皮除去。
(化学式2)
燃料电极10: CH3OH + H20 — C02 + 6e-+ 6H+
氧电极20: (3/2)02 + 6e. + 6H+ — 3H20
整个燃泮牛电池no: CH3OH + (3/2) 02 — C02 + 2H20
而且，由于在电解质流路30与燃料流路40之间设置燃料电极 10,所以几乎所有的燃#牛在穿过燃冲+电4及10时发生反应。如果未 反应的燃^牛穿过燃料电才及10，则在未反应的燃料渗透到氧电极20 中之前，通过包含电解质的第一流体Fl将未反应的燃料从燃料电 池110运出。从而，显著抑制了燃料的跨越。因此，可利用高浓度 的燃料，并且有效地利用了作为燃料电池固有优势的高能量密度的 特性。
在燃冲+电池110工作过禾呈中，由测量部120测量燃料电池110 的工作电压和工作电流。基于测量结果，由控制部130控制上述电 解质供给参数和燃料供给参数，作为燃料电池IIO的工作条件。频 繁地重复测量部120的测量和控制部130的参数控制，才艮据燃料电 池110的特性变化，来最优化包含电解质的第一流体Fl和包含燃 料的第二流体F2的供给状态。
这里，作为包含电解质的第一流体Fl,使用其中具有离子传导 性的离子固体分散在分散介质中的离子导体。因此，尽管是固体分 散溶液，但是也可获得显著高的离子传导性。而且，不同于用作传 统的电解质流体的硫酸，如果分散介质由于环境变化而蒸发，则仅
残留离子固体，因此不存在腐蚀周围部件的可能性，并且才是高了安 全性。
如上所述，才艮据该实施例，使用其中具有离子传导性的离子固
体分散在分散介质中的离子导体作为包含电解质的第 一流体Fl 。因 此，尽管是固体分散溶液，但是也可获得显著高的离子传导性。而 且，不同于用作传统的电解质流体的硫酸，如果分散介质由于环境 变化而蒸发，则^又残留离子固体，因此不存在腐蚀周围部件的可能 性，可以提高安全性，并且离子固体可以容易地回收和再利用。因 此，根据该实施例的离子导体适合作为电化学装置如燃料电池的电 解质。
(第二实施例)
图3示出了根据本发明第二实施例的燃料电池110A的结构。 该燃谇牛电池110A具有与第一实施例中描述的燃一牛电池110相同的 结构，不同之处在于在燃料流路40与燃料电极IO之间设置气液 隔离月荚(gas-liquid separation membrane ) 50。
因；t匕，乂于于冲目应的部 件将通过使用相同的参考标号来给出说明。
气液隔离膜50可以由其中液体状态的醇无法透过的膜如聚四 氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、以及聚丙烯(PP)构成。
燃4牛电池110A和-使用该燃冲+电池110A的燃^牛电池系统1可以 以与第一实施例相同的方式制造，不同之处在于在燃并+流3各40 与燃料电极10之间设置气液隔离膜50。
在燃料电池系统l中，以与第一实施例相同的方式从燃料电池 110A中取出电流，并且驱动外部电路2。这里，气液隔离膜50设 置在燃^+流3各40与燃料电4及10之间。因此，当作为燃料的纯曱醇
以液体状态流过燃冲+流^各40时，纯甲醇自然蒸发，以气体G状态 从与气液隔离膜50邻接的面穿过气液隔离膜50,并且供给到燃料 电极10。因此，燃料被高效率地供给到燃料电极10，并且稳定地 进行反应。而且，因为以气体状态将燃料供给到燃料电极IO,所以 电极反应活性变高，很难发生跨越，即使是在具有高负荷的外部电 路2的电子装置中也可以获得高性能。
即4吏存在穿过燃并牛电极10的气体甲醇，这样的曱醇也可以以 与第一实施例相同的方式在到达氧电极20之前通过包含电解质的 第一流体F1而除去。
如上所述，在该实施例中，气液隔离膜5(H殳置在燃冲午流^各40 与燃料电极10之间，因此，可以使用纯(99,9%)甲醇作为包含燃 料的第二流体F2，并且可以进一步有效地利用作为燃料电池特征的 高能量密度特性。而且，提高了反应的稳定性或电极反应活性，同 时抑制了跨越。因此，即使是在具有高负荷外部电路2的电子装置 中也可获得高性能。而且，在燃料供给部150中，可以省略用于调 整包含燃料的第二流体F2的供给浓度的浓度调整部，从而可以大 大减少系统的尺寸。
实例
而且，将对本发明的具体实例进行描述。在下面的实例中，制 造具有与图3相同结构的燃料电池IIOA，并且评价性能(特性)。 因此，在下面的实例中，将参照图1和图3并通过4吏用相同的参考 标号进行描述。
制造具有与图3相同结构的燃料电池IIOA。首先，按照给定 的比率将作为催化剂的以给定比例包含铂(Pt)和钌(Ru)的合金 与聚全氟烷基磺酸基树脂(由杜邦公司制造的"Nafion(注册商标)")的分散溶液进行混合。从而形成燃料电极10的催化剂层11。将催
化剂层11在温度为15(TC而压力为249 kPa的条件下热压粘结于由 上述材料构成的扩散层12 (由E-TEK公司制造的HT-2500 ) 10分 钟。而且，通过4吏用热熔性粘结剂或粘合性树脂片而热压粘结由上 述材料构成的集电体13。从而形成燃料电极IO。
而且，按照给定的比率将其中由碳承载铂(Pt)的催化剂与聚 全氟烷基磺酸基树脂(由杜邦公司制造的"Nafion (注册商标)") 的分散溶液进行混合。从而形成氧电极20的催化剂层21。以与燃 料电极10的催化剂层11相同的方式将催化剂层21热压粘结于由 上述材泮牛构成的扩散层22 (由E-TEK />司制造的HT-2500 )。而且， 以与燃料电极10的集电体13相同的方式热压粘结由上述材料构成 的集电体23。 乂人而形成氧电4及20。
其次，制备粘合性树脂片。在该树脂片中形成流路，从而形成 电解质流路30和燃并牛流^各40,并且热压粘结于燃并+电才及10的两侧。
接着，制造由上述材料构成的外部构件14、 24。在外部构件 14中设置例如由树脂接头构成的燃料入口 14A和燃料出口 14B。在 外部构件24中i殳置例如由树脂接头构成的电解质入口 24A和电解 质出口 24B。
之后，将燃并+电4及10和氧电才及20相对配置成电解质流^各30 位于它们之间而燃料流路40位于它们的外侧，并且将获得的叠层 容纳在外部构件14、 24中。此时，在燃泮牛流^各40与燃泮十电才及10 之间设置气液隔离膜50 (由Millipore公司制造)。从而完成了图3 所示的燃并牛电池110A 。
将该燃料电池110A结合于上述结构的具有测量部120、控制 部130、电解质供乡合部140、以及燃泮牛供给部150的系统中。乂人而
构造了如图1所示的燃泮+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由隔膜式定量泵(由林式会社KNF制造) 构成。将每个泵通过由石圭管构成的电解质供给线^各143和燃料供给 线3各153直接连"l妄至燃并牛入口 14A和电解质入口 24A。从而以4壬意 流速分别将包含电解质的第 一 流体F1和包含燃料的第二流体F2供 给到电解质流路30和燃料流i洛40。作为包含电解质的第一流体Fl, 使用通过将15 wt。/o的苯乙烯基阳离子交换树脂(由Sigma-Aldrich Corporation制造的"Amberlyst (注册商标)15"与作为^H^介质的 水混合并通过3求磨枳4分石卒混合物而制备的离子导体，流速为1.0 ml/min。作为包含燃料的第二流体F2，使用纯(99.9%)曱醇，流 速为0.080 ml/min。
(评价)
将获得的燃料电池系统1连接至电化学测量装置(由solartron 公司制造的Multistat 1480)，并且评价特性。此时，使其在恒电流 (20mA、 50mA、 100 mA、 150 mA、 200 mA、或250 mA )才莫式 下执行操作，检查了测量初始状态下的开路电压(OCV， Open Circuit Voltage )、 I-V (电流-电压)特性、以及I-P (电流-功率)特性。结 果分别示于图4和图5中。
图4示出了测量初始期间的开路电压。该图示出了保持约150 秒的状态，在此期间开路电压非常稳定。而且，与通常的DMFC的 开路电压(约0.4 V至0.5 V)相比，示出了显著更高的值(0.8 V), 且可以确认，在其中使用上述离子导体作为包含电解质的流体Fl 的情况下，作为燃冲+电池可以实现正常工作。而且，这样非常高的 开路电压可能是由抑制燃料跨越的事实引起的。
而且，如从图5所理解的，该实例的燃料电池110A的特性是 非常良好的，并且获得了 50mW/cn^的功率密度。
即，可以发现，在使用其中具有离子传导性的离子固体分散在
分散介质中的离子导体作为包含电解质的第一流体Fl的情况下， 则尽管是固体分散溶液，也可获得显著高的离子传导性，并且与传 统的DMFC相比可获4寻更高的开if各电压。
已经参照实施例和实例描述了本发明。然而，本发明并不限于 上述实施例和上述实例，并且可以进4亍各种变更。例如，在上述实 施例和上述实例中，已经只于作为包含电解质的第一流体Fl的离子 导体在发电过程中一直流动的情况进行了描述。然而，本发明的离,池。
而且，例如，在上述实施例和上述实例中，已经具体地描述了 燃一+电才及10、氧电才及20、电解质流^各30、以及燃泮牛流^各40的结构。 然而，也可以具有其4也结构或者可以由其4也才才并牛构成。例:^，除了 在上述实施例和实例中描述的通过加工树脂片获得的通道以外，电 解质流^各30也可以由多3L薄力莫等构成。
而且，例如，在上述实施例和实例中所描述的每个构成要素的 材料和厚度、或者燃料电池110的工作条件等均不受限制。可以采 用其他材料、其他厚度、或者其他工作条件。
此外，在上述实施例和实例中，将燃料乂人燃料供给部150供纟合 到燃料电极IO。然而，可以将燃料电极10形成为密闭型，根据需 要供给燃料。
而且，在上述实施例和实例中，将空气通过自然换气方式供给 到氧电极20,然而，可以通过4吏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。
此外，本发明的离子导体不^又应用于直^妻甲醇燃^r牛电池
(DMFC),而且可适用于其他类型的电池如4吏用氢氧离子(OH-) 作为电荷载体的碱性燃料电池。例如，在碱性燃料电池的情况下， 使用本发明的离子导体作为电解质代替高浓度氢氧化钾。在石咸性燃 料电池的情况下，作为离子固体，优选使用碱型(Cl型)的阴离子 交换树脂。
而且，本发明的离子导体不^f又应用于燃料电池，而且可适用于 其他电化学装置如石威锰电池、4臬镉电池、以及4臬氢电池。例如，在 石咸l孟电池中，3n图6所示，^夸由Mn02、碳等构成的正才及211和负 极212配置成隔膜213在它们之间。负极212由电解液和锌粉末或 锌合金粉末的混合物构成，可以根据需要加入凝胶剂等。电解液由 本发明的离子导体构成代替通常的高浓度碱性电解液。将正极211、 负极212、以及隔膜213容纳在其中一端敞开而另一端封闭的收缩 管(shrink tube) 214中，并且，在收缩管214的外侧设置包装壳 (package can ) 215。将正极211电连接至设置在包装壳215 —端部 的正极端子板216。将负极212通过集电棒217电连接至设置在包 装壳215另一端部的负才及端子4反218。收缩管214的开口端通过垫 圈219密封。集电冲奉217穿过垫圈219，并且与负才及端子々反218的 内表面连接。
而且，在上述实施例和上述实例中，描述了单个单元型(单电 池型，single cell)燃料电池。然而，本发明也可适用于其中层叠多 个单元的层叠型燃料电池。
此外，在上述实施例中，已经描述了将本发明的离子导体应用 于燃冲+电池的情况。然而，除了燃^牛电池以外，本发明还可适用于 其他电化学装置如电容器、燃料传感器、或者显示器等。
权利要求
1.一种离子导体，其特征在于，所述离子导体包括具有离子传导性的离子固体；以及用于分散所述离子固体的分散介质。
2. 根据权利要求1所述的离子导体，其特征在于，所述离子固体 由离子交换树脂构成。
3. 根据权利要求1所述的离子导体，其特征在于，所述离子导体 构成燃料电池中的电解质，在所述燃料电池中，燃料电极和氧 电才及通过之间的电解质相只于配置。
4. 一种》然冲+电;也，包4舌燃料电极； 氧电纟及；以及在所述燃料电极与所述氧电极之间的离子导体，其特征 在于，所述离子导体包括具有离子传导性的离子固体；以及用于分散所述离子固体的分散介质。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述分散介质 是离子交换树脂。
6. 根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述离子交换 树脂是全氟磺酸。
7. 根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述分散介质 包括硫酸。
8. 冲艮据片又利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述分散介质包括碌u酸和水。
全文摘要
本发明提供了一种具有高离子传导性、几乎不受环境变化的影响、由此可以改善安全性的离子导体。作为包含电解质的第一流体F1，包含具有离子传导性的离子固体和用于分散离子固体的分散介质的离子导体流过在燃料电极(10)与氧电极(20)之间的电解质通道(30)。尽管是固体分散溶液，但是离子传导性也很高。此外，在其中分散介质根据环境变化蒸发的情况下，仅残留离子固体。从而，不存在腐蚀周围部件的可能性，因此安全性很高。作为离子固体，离子交换树脂如苯乙烯基阳离子交换树脂和聚全氟烷基磺酸基树脂是优选的。离子导体是通过将15wt％的离子交换树脂与作为分散介质的水混合并通过球磨机粉碎混合物而制备的。
文档编号H01M8/02GK101356678SQ20078000142
公开日2009年1月28日 申请日期2007年9月18日 优先权日2006年9月26日
发明者上坂进一, 守冈宏之, 槙田健吾 申请人:索尼株式会社