本发明专利技术的一个目的是提供了一种固体电解质和应用该固体电解质的电化学系统，如果将该含有包括无机化合物、聚乙烯醇和水的复合化合物的固体电解质放置在潮湿的条件下，它只有少许膨胀，并且其强度没有降低。可以将该固体电解质应用于在潮湿的条件下使用的如燃料电池或电解装置这样的装置中。即使湿度改变，该固体电解质尺寸变化很小，并且甲醇渗透率低。在含有包括聚乙烯醇、水以及选自硅酸化合物、钨酸化合物、钼酸化合物、锡酸化合物和锆酸化合物中的至少一种无机化合物的复合化合物的固体电解质中，通过将聚乙烯醇结构区的部分或全部羟基取代为比所述的羟基吸水性较小的基团来制造该固体电解质。
【技术实现步骤摘要】
固体电解质和应用该固体电解质的电化学系统专利技术背景本专利技术涉及可应用于燃料电池或类似物品上的具有高离子导电性的质子导电性固体电解质或具有高离子导电性的氢氧根离子导电性固体电解质，以及应用该具有高离子导电性的固体电解质的电化学系统。按照惯例，电化学系统，如燃料电池、除湿机或电解氢发生装置都作为应用质子导电性固体电解质的电化学系统而被商品化。特别是，在低温下工作的质子导电性固体电解质膜具有广泛的应用范围。例如，在固体高分子型燃料电池中，电流流动和电能的获得依照下列反应式(1)所示的供给至负极上的氢的电化学氧化反应，反应式(2)所示的供给至正极上的氧的电化学还原反应，以及基于正极和负极之间的电解质中的质子流动的反应。 (1) (2)已知在直接甲醇型燃料电池中，甲醇作为燃料提供给燃料电池的负极。而且，已知应用其它燃料代替氢或甲醇的燃料电池。同样在这些情况下，反应以类似的方式进行，其中燃料在负极上发生电化学氧化以释放质子。因此，有可能应用质子导电性固体电解质来工作。作为电解装置的例子，电解氢发生装置已商品化。电解氢发生装置产生氢，是基于燃料电池中反应式(1)和(2)合并所示反应的逆反应的进行。由于在电解氢发生装置中，可以通过仅仅使用水和电力就能够在原位获得高纯度的氢，因此不需要带有氢气筒。此外，由于应用了固体电解质，可以很容易地通过引入不含电解质溶质的纯水发生电解。应用相似的系统，在造纸工业中尝试利用下列反应式(3)的电解方法制造用于漂白的过氧化氢(参考非专利出版物1)。 (3)除湿机具有一个将质子导电性固体电解质夹心在阳极和阴极之间的结构，方式类似于燃料电池或氢发生装置。当在阳极和阴极之间施-->加电压时，在阳极上发生基于下列反应式(4)表示的反应，水被分解为质子和氧。质子通过固体电解质移动到阴极，在阴极发生反应式(5)表示的反应。结果，质子和空气中的氧结合生成水。这一系列反应的结果是水从阳极移动到阴极，从而在阳极上进行了除湿。 (4) (5)通过应用类似于电解氢发生装置的工作原理，也可以分解水并除去湿气。关于空调机提出了这样的方案，在空调机中将电解氢发生装置与湿气蒸发冷风机装置结合(参考非专利出版物2)。在以上提及的任何一种系统中，都是以高氟化树脂(Nafion)表示的全氟磺酸型离子交换膜用作固体电解质。另外，各种传感器、电致变色装置或类似物本质上是基于类似于上述提及的工作原理的系统。由于系统是当质子在一对阳极和阴极之间的电解质中移动时被驱动的，阳极和阴极上分别发生还原反应和氧化反应，因此使用质子导电性固体电解质是可能的。目前，对应用这些质子导电性固体电解质的系统进行了实验研究。对于氢传感器，当将氢引入到氢传感器时，在上述反应式(4)和(5)表示的反应中，基于氢浓度的电极电位的变化可以被使用。而且，电极电位的变化或离子导电性的变化也可以应用于湿度传感器。当将电场施加到应用WO3等的电致变色装置的阴极上时，基于下列反应式(6)表示的反应，电致变色装置产生颜色，并被用作显示装置或不透光玻璃。当将质子供给阴极时，该系统工作。在该系统中应用质子导电性固体电解质是可能的。 (6)另外，作为原理上应用质子导电性固体电解质工作的电化学系统，还有原电池，蓄电池，光学开关和电解水生成装置。在蓄电池中，例如镍氢电池中，氢吸收合金用作负极，氢氧化镍用作正极，碱性电解质溶液用作电解质溶液。如反应式(7)和(8)所示，进行充放电时，关于氢吸收合金上的质子和氢的吸收的电化学还原和氧化发生在负极上。 (7)--> (8)如反应式(9)和(10)所示，关于氢氧化镍的电化学氧化和还原发生在正极上。 (9) (10)通过质子或氢氧根离子在电解质中的迁移，在电池中发生充电和放电反应。尽管原则上应用质子导电性固体电解质是可能的，但是现有技术中应用的是碱性电解质溶液。有人建议在光学开关内应用钇作为阴极(参考非专利出版物3)。当施加电场时，钇发生如反应式(11)所表示的氢化反应以使光从中通过。因此，通过电场在光透射与光不透射之间进行切换是可能的。尽管原则上该系统可以应用质子导电性固体电解质，但是现有技术中应用的是碱性电解质溶液。 (11)电解水是指由电解反应生成的水。尽管还原侧和氧化侧之间的功用性不同，电解水在保健作用、杀菌作用、清洁作用和农作物生长方面具有实用性。在饮料水、食品用水、清洁用水、农业用水等方面也可以应用电解水。当水中含有电解质时会促进电解反应。当电解质溶质溶解在水中时，在使用这种水时，常常有必要将电解质溶质从水中除去。当使用固体电解质作为电解质时，就不需要从水中除去电解质溶质。在上述每一种电化学系统中，使用的是低温下工作的传统的质子导电性固体电解质，它们几乎都是一种以Nafion膜表示的全氟磺酸型高分子离子交换膜。然而，问题在于全氟磺酸型电解质由于制造工艺的复杂而价格昂贵。由于大规模生产的经济性，人们希望制造出一种价格低廉的电解质。但是，这种价格低廉存在着局限性。目前希望出现一种廉价的替代品(member)。另外，在直接甲醇型燃料电池中，一些用作燃料的甲醇透过全氟磺酸型电解质。结果，出现了能量转化效率大大降低的问题。顺便提及，已经提出了关于将一种含有聚乙烯醇和各种无机化合物的复合化合物(complex compound)作为廉价的高离子导电性电解-->材料以替代全氟磺酸型电解质的方案。例如，提出主要通过使聚乙烯醇在微观水平上化学键合到硅酸化合物上得到的复合化合物的方案(参考专利出版物1)。另外，提出主要通过使聚乙烯醇在微观水平上化学键合到钨酸化合物上得到的复合化合物的方案(参考专利出版物2)。进一步提出了使聚乙烯醇在微观水平上化学键合到钼酸化合物上得到的复合化合物的方案(参考专利出版物2)。进一步提出了使聚乙烯醇在微观水平上化学键合到锡酸化合物上得到的复合化合物的方案(参考专利出版物3)。进一步提出了使聚乙烯醇在微观水平上化学键合到锆酸化合物上得到的复合化合物的方案(参考专利出版物4或5)。复合化合物包括选自磷、硼、铝、钛、钙、锶和钡化合物中的至少一种作为其它组分。可以通过中和在溶液中与聚乙烯醇共存的无机化合物的原料盐这样一道简单的工序来制备这种复合化合物。通过将聚乙烯醇化学键合到无机化合物上，使聚乙烯醇获得了质子导电性，以及耐水性和强度。通过将聚乙烯醇化学键合到无机化合物上，使无机化合物获得了柔韧性。因此，制造高性能的固体电解质是可能的。另外，上述的复合化合物与传统的全氟磺酸型固体电解质不同，在碱性形式下它具有高离子导电性。它有可能应用到传统固体电解质难以应用的原电池、蓄电池、光学开关等等。而且，通过开发碱性形式的固体电解质膜，应用氧化数不小于二价的多价金属实现具有高能量密度的蓄电池是容易的。例如，已知在镍锌电池中，氧化锌用在负极，氢氧化镍用在正极。氢氧化镍也用于镍氢电池中。在镍锌电池中，充电时氧化锌在负极上被还原为锌，如反应式(12)所示。另一方面，放电时，锌在负极上被电化学氧化为氧化锌，如反应式(13)所示。 (12) (13本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种包含复合化合物的固体电解质，该复合化合物包括聚乙烯醇、水、以及至少一种无机化合物，该无机化合物选自硅酸化合物、钨酸化合物、钼酸化合物、锡酸化合物和锆酸化合物，其特征在于可以通过将聚乙烯醇结构区的部分或全部羟基取代为比所述羟基的吸 水性小的基团而制备。
【技术特征摘要】
JP 2003-3-26 2003-0864221.一种包含复合化合物的固体电解质，该复合化合物包括聚乙烯醇、水、以及至少一种无机化合物，该无机化合物选自硅酸化合物、钨酸化合物、钼酸化合物、锡酸化合物和锆酸化合物，其特征在于可以通过将聚乙烯醇结构区的部分或全部羟基取代为比所述羟基的吸水性小的基团而制备。2.如权利要求1中所述的固体电解质，其中在将聚乙烯醇结构区的部分或全部羟基取代为比所述羟基吸水性小的基团时，选用缩醛反应、醚化反应和酯化反应中的一种。3.一种包含复合化合物的固体电解质，该复合化合物包括聚乙烯醇、水、以及至少一种无机化合物，该无机化合物选自硅酸化合物、钨酸化合物、钼酸化合物、锡酸化合物和锆酸化合物，其特征在于可以通过使包含复合化合物的所述的固体电解质与醛发生反应制备。4.如权利要求3中所述的固体电解质，其中醛与固体电解质的反应包括复合化合物中的聚乙烯醇结构区的缩醛反应。5.如权利要求3和4中的任一项所述的固体电解质，其中醛与固体电解质的反应是在醛和酸的条件下进行。6.如权利要求3、4和5中的任一项所述的固体电解质，其中醛是选自正丁醛、异丁醛和苯甲醛中的至少一种。7.如权利要求1至6中的任一项所述的固体电解质，其中包含在固体电解质中的复合化合物含有选自磷、硼、铝、钛、钙、锶和钡化合物中的至少一种。8.如权利要求1至6中的任一项所述的固体电解质，其中包含在固体电解质中...
【专利技术属性】
技术研发人员：泽春夫，
申请(专利权)人：日本高度纸工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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