离子导电的固体电解质、其制造方法以及使用该电解质的电化学系统技术方案

本发明专利技术涉及离子导电的固体电解质、其制造方法以及使用该电解质的电化学系统。本发明专利技术的一个目的在于提供一种成本低且离子导电率高的固体电解质，该电解质为有机－无机复合化合物而且既吸水又耐水。本发明专利技术的另一目的在于提供使用上述电解质的电化学系统。本发明专利技术的固体电解质是包括钨酸和／或钼酸化合物、聚乙烯醇（ＰＶＡ）和水的复合化合物。利用溶解ＰＶＡ的水溶液中的酸来中和钨酸盐和／或钼酸盐和其它盐。然后，除去水溶液中作为溶剂的水，接着除去不必要的盐，由此获得该复合化合物。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及适用于燃料电池等的一种质子(氢离子)或氢氧根离子导电的固体电解质。本专利技术还涉及一种制造上述固体电解质的方法和使用上述固体电解质的电化学系统比如燃料电池。(1)(2)在使用比如甲醇而非负极供给氢气(H2作为燃料)的燃料电池中，燃料被电化学氧化而释放质子。作为电解设备的氢发生器已经实用化。通过反应式(1)和(2)所示反应的逆反应使氢发生器产生了氢。因为仅提供水和电源电解氢发生器就可产生高纯氢，所以其优点是不需要任何氢气钢瓶(cylinder)。另外，电解氢发生器的另一个优点是固体电解质可使高纯水(不含电解质)被电解。再者，依据反应式(3)，电解法被用于制备造纸工业漂白用的过氧化氢(Electrochemistry，69，No.3，154-159(2001))。(3)在减湿器中，质子导电的固体电解质膜置于其正极和负极之间，这与燃料电池和氢发生器相似。当在正极和负极间施加电压时，依据正极发生的反应式(4)，水被电解成氧气和质子。依据反应式(5)，通过固体电解质迁移到负极的质子与空气中的氧结合从而形成水。因此，由于水从正极向负极的迁移除去了正极的湿气。(4)(5)依据类似于电解氢发生器的原理，通过电解水来去除湿气也是可能的。另外，建议将空调器与水蒸气冷气供应器结合(Proceeding of theHeisei 12 Institute of Electrical Engineers of Japan National Convention，p3373(2000))。已经实用化的上述系统使用表示为Nafion膜的全氟磺酸离子交换膜。另外，各种传感器和电致变色器件也基于与上述系统类似的原理，其中质子迁移通过正极和负极或氧化和还原电极之间的电解质。因此，可利用质子导电固体电解质。正在研究采用质子导电固体电解质的这些系统的可行性。氢传感器利用了因氢浓度变化而引起的电极电压变化。例如，建议固体电解质的主要成分为聚乙烯醇(PVA)(Sensors and Actuators，11，377-386(1987))。而且，利用电极电压的变化或离子导电的变化可以制造湿度传感器。当电场施加于负极时，依据反应式(6)电致变色器件利用了三氧化钨(WO3)负极的变色性。电致变色器件可应用于显示器件或光防护玻璃。建议电致变色器件使用诸如Sn(HPO4)·H2O的无机化合物固体电解质(Bull.Chem.Soc.Jpn.，60，747-752(1987))。(6)使用质子导电固体电解质的其它电化学系统的例子有原电池、二次电池、光开关和电解的水制造装置。作为二次电池的镍氢电池包括贮氢金属合金负极、氢氧化镍正极和碱性溶液电解质。在负极的充电和放电过程中，依据反应式(7)和(8)，质子被电化学还原和氧化并且氢被贮存在贮氢金属合金中。(7)(8)另一方面，在正极的充电和放电过程中，依据反应式(9)和(10)，氢氧化镍被电化学氧化和还原。(9) (10)由于二次电池的充放电反应基于质子或氢氧根离子的迁移，故原理上可以使用质子导电固体电解质。但是，二次电池通常使用碱性溶液电解质。关于光开关，建议钇(Y)作为负极(J.Electrochem.Soc.，Vol.143，No.10，3348-3353(1996))。依据反应式(11)，当在施加电场条件下钇电极被氢化时，钇电极能传输光，因此利用电场可接通和切断光(传输或不传输)。(11)尽管在原理上质子导电固体电解质能应用于此系统，但是通常使用碱性溶液电解质。电解水是被电解的水并且其不同的效果取决于水是被氧化还是被还原。电解水用于饮用水、食品水、净化水或农业水，这取决于它对健康、杀菌能力、净化能力或促进农作物生长的的良好效果。尽管溶于水的电解质加速了电解，但在使用时，应该经常从电解水中去除电解质。相反，当使用固体电解质时，不需要去除电解质。但是，作为通常用于燃料电池、电解氢发生器或减湿器等使用质子导电固体电解质的电化学系统的全氟磺酸电解质，其缺点是该全氟磺酸电解质的制造工艺复杂并且产品昂贵。大规模的生产可以降低生产成本，但成本优势非常有限。因此期待低成本的替代品。另一方面，应该指出，可替代的固体电解质应该具有充分的吸水能力，因为在室温下操作的质子导电固体电解质的固体中含有的水的作用下，质子传输速度很快。另外，还应该指出可替代的电解质应该是耐水的，因为它用于潮湿的环境中。在常规的全氟磺酸电解质中，吸附于亲水力强的磺酸基周围的水传输离子，而聚氟乙烯骨架部分维持耐水性、化学稳定性和耐高温性能。如果通过与磷酸混合使得PVA具有质子导电性，它是一种成本低且亲水力强的适用于氢传感器等的碳氢聚合物。由于PVA的吸水性高，质子可高速迁移。但是，PVA的缺点是由于其溶于水而在潮湿气氛中不稳定。其它耐水且亲水力强的材料是含水的无机化合物。例如，由溶胶-凝胶法制得的水玻璃、比如P2O5-ZrO2-SiO2由于吸附了大量的水而呈现高质子导电。而且，它不溶于水并具有无机化合物耐高温的特性(J.Electrochem.Soc.，Vol.144，No.6，2175-2178(1997))。但是，无机水合化合物的共同缺点是易脆并且很难制备成适用于固体电解质的薄膜。另外一个缺点是溶胶-凝胶法的原料是昂贵的烃氧基金属，在制备工艺中使用了有机溶剂比如甲醇。因此，甚至从生产设备的角度来考虑也很难便宜地生产它们。尽管用于电致变色器件的Sn(HPO4)·H2O易于以粉末形式被涂覆，但很难制备燃料电池等所需要的具有气体扩散抑制功能及高强度的Sn(HPO4)·H2O膜。另外，尽管报导磷钼酸(H3MoPO40·29H2O)和磷钨酸(H3WPO40·29H2O)的具有高导电性(Chem.Lett.，17(1979))，但它们的加工性能也很差。亲水的有机聚合物可以与无机化合物结合以克服它们各自的缺点。例如专利JP 2000-90946A公开了一种质子导电材料，其中纳米范围的硅化物与聚氧化乙烯化学键合。聚氧化乙烯与PVA一样是廉价的且亲水的，但其本身溶于水。但有报道称，通过溶胶-凝胶法与硅化物混合的聚氧化乙烯变得耐水且高温强度好。但是，该复合材料很难通过除溶胶-凝胶法以外的任何其它方法获得。事实上，也未公开除溶胶-凝胶法以外的任何其它方法。因此，该复合材料的缺点是不易降低其原料成本和制造成本。另外，日本专利JP 2001-35509A公开了仅利用溶胶-凝胶法制备的其它复合材料，其含有硅化物、无机质子导电剂比如磷钨酸或磷钼酸和有机化合物如聚氧化乙烯。另外，常规的固体电解质是酸性的，电极及其它部件限于诸如贵金属的防酸材料。因此，电化学系统整体上不会便宜。而且，酸性电解质使得很难在诸如原电池、二次电池和光开关上开发应用，而常规用于原电池和二次电池的碱性液体电解质有泄漏的危险。本专利技术高离子导电性固体电解质是包括钨酸化合物和/或钼酸化合物和聚乙烯醇(PVA)并且含有水的复合化合物。采用酸来中和溶有钨酸碱金属盐和/或钼酸碱金属盐和PVA的水溶液。然后，除去作为溶剂的水和不必要的盐，从而获得该复合化合物。另外，提供了使用本专利技术电解质的电化学系统。上述钨酸化合物和/或钼酸化合物、PVA和水的复合化合物还可包括磷酸化合物、硅酸化合物和硼酸化合物中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子导电的固体电解质，包括： 一种钨酸和／或钼酸化合物；和 聚乙烯醇，并且含有水， 其中，所述钨酸和／或钼酸化合物、所述聚乙烯醇和水形成了一种复合化合物。

【技术特征摘要】
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【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]