[发明专利]离子导体和燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及适合于诸如将甲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，锂离子二次电池被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，燃料被供给到燃料电极，而空气或氧气被供给到氧电极(氧气电极，oxygen electrode)。结果，发生了氧化还原反应，其中在燃料电极和氧电极中燃料被氧气氧化，并且燃料的部分化学能被转化成电能并被取出。

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，与其他类型的燃料电池相比，PEFC可以在例如约30℃至130℃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甲醇。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甲醇供给到燃料电极，所供给的甲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。在燃料电极、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，这是通常的锂离子二次电池的能量密度的10倍以上。即，使用甲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，虽然它的理论电压为1.23V，但在实际发电时存在输出电压被降低至约0.6V以下的问题。输出电压的这样的降低来源于由于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，在全部量的甲醇根据化学式1在燃料电极中被氧化的情况下，由于甲醇的氧化可以取出至电路的电量与DMFC中的甲醇的量成比例。