质子导体及采用它的电化学装置制造方法及图纸

一种质子导体，该质子导体包含具有能够释放质子的官能团的碳簇及具有能够接受质子的部分的物质，或者该质子导体包含能够释放质子的物质及具有能够接受质子的部分的碳簇。碳簇，特别是具有特定结构的碳簇如富勒烯或碳纳米管，在干燥条件下也具有质子传导性，而且在与能够加速质子解离的物质结合时具有显著提高的质子传导性。因此，本发明专利技术的质子导体无需补充水分，同样可以在干燥气氛和高温下使用。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及采用碳簇的新的质子导体，还涉及采用该质子导体的电化学装置如燃料电池。
技术介绍
燃料电池作为下一代的环保型电能产生装置，因其高效和清洁等优点而引人注目，其开发正在各个领域展开。一般地，燃料电池本身可以根据其中使用的质子导体的类型来分类。这是因为燃料电池的使用温度和使用条件强烈地依赖于质子导体的性质。既然所用质子导体的性质极大地影响电池性能，所以提高质子导体的性能是提高燃料电池性能的关键。通常，在常温至100℃(不包括100℃)的温度范围，采用由固体聚合物薄膜构成的质子传导聚合物薄膜。聚合物薄膜的典型实例包括可从du Pont得到的商品名为Nafion的材料，及可从Gore得到的商品名为Gore Film的材料，它们均为全氟磺酸树脂，且它们的改进正在进行中。除了这些全氟磺酸树脂之外，近年来在科技资料和论文中还报导过烃基的聚合传导薄膜。在上述质子传导聚合物薄膜中，将水分带入薄膜中，可以使从磺酸基中释放的质子容易迁移。这种情况下，最佳的水含量因聚合物的类型而不同，在多数情况下，水含量按聚合物薄膜计为约20％。基于这些聚合物薄膜通常包含约1摩尔的磺酸基/1000克薄膜的事实，该水含量相当于每摩尔的磺酸基包含约200克的水或约10摩尔的水分子。利用这样大的水分子含量，通过所谓的载体传导机制，可以实现高质子传导率。载体传导机制是这样的传导机制，其中解离的质子在通过氢键与水分子结合之后随水分子一起迁移，各水分子在该传导机制中如同载体一样使用，因而称之为“载体传导机制”。在能够通过载体传导机制进行质子传导的质子传导聚合物薄膜中，影响聚合物薄膜中的水含量的重要因素是薄膜所暴露的气氛的干燥状态及温度。例如，在干燥的气氛中，聚合物薄膜中的水含量降低，因而薄膜的质子传导率迅速降低。同样，温度升高也降低薄膜中的水含量，随之而来的是蒸汽压的升高，且质子传导率趋于降低，除非通过增湿提供水分。因而，在质子迁移是利用载体传导机制的质子传导聚合物薄膜中，需要补充水分，因为水含量的降低导致水分子迁移困难并极大地降低质子传导率。这使得难于采用质子传导的聚合物薄膜，并妨碍将质子传导的聚合物薄膜投入实用。本专利技术的提出基于对现有技术的上述状况的考虑。因此，本专利技术的目的是提供一种无需补充水分的新的质子导体，它甚至可以在干燥的气氛中及高温区中使用，并且可以极大地提高质子传导率。本专利技术的另一目的是提供一种致密的且阻气性(gas barrier property)优良的质子导体。本专利技术的再一目的是提供一种能够显示出良好性能且不受其所暴露的气氛影响的电化学装置。
技术实现思路
为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术人进行了长期的深入和广泛的研究。作为其研究结果，专利技术人发现，其中引入多种酸性官能团的碳簇，特别是具有特定分子结构的碳簇如富勒烯和碳纳米管，即使在干燥状态也显示出质子传导性，且该质子传导性可以通过加入促进质子解离的物质而得到显著的增强。换言之，本专利技术提供一种质子导体，其包含具有能够释放质子的官能团的碳簇，及具有能够充当质子接受部分的物质；或者作为选择，本专利技术提供一种质子导体，其包含具有能够释放质子的官能团的物质，及具有能够充当质子接受部分的碳簇。另外，本专利技术提供一种电化学装置，该装置包括第一电极和第二电极，及夹在所述电极之间的质子导体，其中所述质子导体包含具有能够释放质子的官能团的碳簇，及具有能够充当质子接受部分的物质；或者作为选择，本专利技术提供一种电化学装置，该装置包括第一电极和第二电极，及夹在所述电极之间的质子导体，其中所述质子导体包含具有能够释放质子的官能团的物质，及具有能够充当质子接受部分的碳簇。具有能够释放质子的官能团的碳簇(具有质子解离能力的碳簇)即使在干燥状态也能解离质子，且所解离的质子在包括常温的很宽的温度范围内(例如约160～-40℃)均显示出高的传导性。另一方面，具有能够充当质子接受部分的物质可以促进质子的解离。这是因为每个质子接受部分(-O-等)都具有孤对电子，所以容易与其中的质子形成氢键，即使质子解离也能获得总体上的能量稳定性。在本专利技术中，具有能够充当质子接受部分的物质所起的作用仅仅是促进质子的解离，这种作用不同于水分子在质子传导的聚合物薄膜的载体传导机制中的作用，因此，该物质不迁移，也不伴随质子的迁移，而是保持稳定。虽然质子传导聚合物薄膜不须不断地补充足够量的水，才能使载体传导机制平稳，但是本专利技术的质子导体仅需添加数量足以促进质子解离的水，并且不需要过量的水。因此，对于本专利技术的质子导体，无需补充水。这同样适用于采用具有能够释放质子的官能团的物质及具有能够充当质子接受部分的碳簇的情形。这种情况下，具有能够充当质子接受部分的碳簇的作用是促进质子解离和传导质子。具体地，如果两种组分均为碳簇衍生物，则这些组分在结构上可以致密的状态配置，由此实现更致密的质子导体和平稳的质子供应，进而产生更高的质子传导率和更好的阻气性。此外，在本专利技术的电化学装置中，上述质子导体作为基质夹在第一电极与第二电极之间。因此，与采用质子传导的聚合物薄膜作为质子迁移介质的常规燃料电池不同，本专利技术的电化学装置不需要增湿器等，因此可以实现尺寸小且结构简单的系统。附图说明图1是作为基体的碳簇的各种实例的示意图。图2是碳簇的其它实例的示意图(部分的富勒烯结构)。图3是碳簇的又一些实例的示意图(管状的碳质体)。图4是碳簇的又一些实例的示意图(金刚石结构)。图5是碳簇的又一些实例的示意图(其中碳簇彼此相结合)。图6是质子导体中质子传导方式的示意图。图7是燃料电池的示意图。图8是加水量与传导率之间关系的示意图。具体实施例方式现将参照附图，详细说明本专利技术的质子导体和电化学装置。本专利技术的质子导体主要包含具有引入其中的能够释放质子(H+)的官能团(质子解离基团)的碳簇，作为其主要组分。在这种质子导体中，质子借助于质子解离基团迁移，以显示离子传导性。作为基体的碳簇，可以使用任何碳簇，但是，要求在质子解离基团引入碳簇中之后，其离子传导性应当大于电子传导性。碳簇是指通过成键或聚集作用由几个至几百个(碳)原子形成的集合。聚集体(集合)增强了质子传导性，提供足够的薄膜强度，同时保持化学性质，并且保证容易形成层状。这种情况下，对碳-碳键的类型没有特殊的限制。另外，碳簇可能无需完全由碳构成，其中也可以存在其它原子。存在各种各样的这类碳簇，其实例包括由C60，C70，C82等所示的富勒烯，至少在富勒烯部分存在开口端的碳簇，及管状的碳质体(所谓的碳纳米管)。富勒烯及碳纳米管中的SP2键部分地包含SP3键的成分，因此，它们中的大多数没有电子传导性，所以优选用富勒烯及碳纳米管作为质子导体的基体。图1示出了各种碳簇，其具有球形、椭球形或其它类似的封闭的表面结构，该表面结构由多重碳原子的集合构成。上述的富勒烯属于这类碳簇。另一方面，图2示出了缺少约略球形结构部分的各种碳簇。这种情况下， 碳簇的特征是在结构中存在开口端，且这种结构作为副产物常见于通过电弧放电制备富勒烯的工艺中。图3示出的是管状的碳簇。管状的碳簇包括那些称作碳纳米管(CNT)的碳簇，其直径为几个纳米或更低，通常为1～2纳米；及那些称作碳纳米纤维(CNF)的碳簇，其直径为几个纳米或更高，有时高达1微米。具体地，已知的CNT有两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子导体，其包括具有能够释放质子的官能团的碳簇，及具有能够充当质子接受部分的物质。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：日隈弘一郎，福钪和明，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]