[发明专利]电解液和电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及具有高穿透阻挡性能的电解液，其适用于诸如直接型甲醇燃料电池(DMFC)的电化学装置，以及提供使用该电解液的电化学装置。

背景技术

表示电池特性的指标有能量密度和功率密度。能量密度为电池的每单位质量的能量存储量，而功率密度为电池的每单位质量的输出量。由于锂离子二次电池具有比较高的能量密度和非常高的功率密度这两个特性，并且还具有高的完全度(degree of completeness)，所以通常采用锂离子二次电池作为移动装置的电源。然而，近年来，移动装置的功耗趋于随着高性能而增大。在锂离子二次电池中还需要进一步改善能量密度和功率密度。

该问题的解决方案包括：改变构成正极和负极的电极材料、改善电极材料的涂布方法、改善电极材料的封装方法等，并且正在进行改善锂离子二次电池的能量密度的研究。然而，实际使用的障碍仍较高。此外，除非用于电流锂离子二次电池的构成材料改变，否则不可能期望大的能量密度的改善。

为此，迫切需要代替锂离子二次电池的具有更高能量密度的电池的开发，并且认为燃料电池是强有力的候选之一。

燃料电池具有将电解质配置在燃料电极(阳极)与氧电极(阴极)之间，向燃料电极供给燃料，并且向氧电极供给空气或氧气的构造。结果，在燃料电极(阳极)和阴极(氧电极)中，发生通过氧气氧化的氧化还原反应，将燃料的部分化学能量转换成电能，并且提取该电能。

已经通过尝试提出或者制造各种燃料电池，并且一些燃料电池已经投入实际应用。根据所用的电解液将这些燃料电池分类为：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(PEFC)等。在这些电池中，与其他类型的燃料电池相比，固体高分子型燃料电池(PEFC)具有该燃料电池可以在例如30℃～约130℃温度的低温下操作的优点。

可以将诸如氢和甲醇的各种可燃性物质用作燃料电池的燃料。然而，由于需要用于存储的气缸等，所以诸如氢的气体燃料不适用于小型化。另一方面，诸如甲醇的液体燃料具有燃料易于存储的优点。尤其，直接向燃料电极供给甲醇并且使其与燃料电池反应的直接型甲醇燃料电池(DMFC)具有以下优点：不需要用于输出来自燃料的氢的重整器，构造变简单，并且易于小型化。通常地，多个DMFC可以与PEFC结合，并且已经将其作为一种PEFC来进行研究。

在DMFC中，通常，将作为燃料的甲醇(作为低浓度或高浓度的水溶液)供给至燃料电极，或者将纯甲醇以气体状态供给至燃料电极。然后，在燃料电极的催化剂层将甲醇氧化成二氧化碳。这时所生成的质子通过将燃料电极与氧电极分离的电解质膜而朝向氧电极移动，在氧电极与氧进行反应而生成水。分别利用以下反应式来表达在燃料电极、氧电极以及整个DMFC发生的反应。

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，并且是一般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胜于锂离子二次电池的能量密度的很大的可能性。从这点来看，各种燃料电池中DMFC具有用作移动装置、电动汽车等的能源的最高的可能性。

然而，DMFC具有这样的问题，其中，尽管理论电压为1.23V，但是当实际生成电力时的输出电压可能下降至约0.6V以下。输出电压下降的因素之一是DMFC的内电阻产生的电压降。在DMFC内部，存在诸如伴随两个电极中所产生的反应的电阻、伴随物质移动的电阻、当质子移动通过电解质膜时所产生的电阻、以及接触电阻的内电阻。由于从甲醇氧化中实际输出的能量(作为电能)可由在发电过程中的输出电压与流过电路的电量(电流量)的乘积来表示，所以当在发电过程中的输出电压降低时，实际输出的能量就变小这么多。此外，如果根据上述反应式全部量的甲醇在燃料电极中被氧化，则通过甲醇的氧化而输出至电路的电量与DMFC中的甲醇量成正比。