[发明专利]高离子传导性固体电解质及其制法和使用其的电化学系统

说明书

技术领域

本发明涉及高离子传导性固体电解质及其制造方法和使用该固体 电解质的燃料电池以及其他的电化学系统，所述高离子传导性固体电解 质是质子(氢离子)或氢氧根离子等高离子传导性固体电解质，特别是价 格低、虽然为碱型但显示高的传导率、并且即使在湿润状态下起传导性 作用的化合物的流出也少，故而可以稳定地维持高传导性。

背景技术

作为一直以来使用质子传导性固体电解质的电化学系统，燃料电 池、除湿机或电解型氢生成装置等电解装置已实用化，特别是常温工作 型质子传导性固体电解质的用途涉及很多方面。例如，固体高分子型燃 料电池，通过如下述(1)式所示的提供给负极的氢气的电化学氧化反应、 如(2)式所示的提供给正极的氧气的电化学还原反应以及由它们之间的 电解质中的质子移动所形成的反应，使电流流动，从而得到电能。

H₂→2H⁺+2e^-  ............(1)

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O  .........(2)

也有提供给负极的燃料是甲醇的直接甲醇型燃料电池等使用氢以 外的物质作为燃料的燃料电池，但即使在这种情况下燃料在负极被电化 学氧化而放出质子的反应也同样地进行，可以利用质子传导性固体电解 质来工作。

作为电解装置，例如电解型氢生成装置已被实用化。该电解型氢生 成装置是通过与燃料电池中上述(1)式和(2)式的反应相反的反应而产生 氢气的装置，只用水和电就可以现场得到纯度高的氢，因此具有不需要 氢储气罐的优点。而且，通过固体电解质的利用，只导入不含电解质的 纯水就可以容易地进行电解。在造纸业领域中也正尝试通过同样的系统 将用于漂白的过氧化氢通过使用下述(3)式的电解法进行现场制造(参考 非专利文献1)。

O₂+H₂O+2e^-→HO₂^-+OH^-  ...............(3)

除湿机与燃料电池或氢生成装置同样，是将质子传导性固体电解质用 正负两极夹住的结构，若在正负两极间施加电压，则在正极水通过下述(4) 式的反应被分解为氧和质子，经过固体电解质移动到负极的质子通过(5)式 的反应再次与空气中的氧结合成水，这些反应的结果是水从正极侧移动到 负极侧，由此在正极侧除湿。

H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e^-    .....................(4)

1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O    .....................(5)

还提出了也可以利用与电解型氢生成装置同样的工作原理将水分解 而除湿的、并与水分蒸发型冷风机组合而成的空调机(参考非专利文献2)。

另外，各种传感器、电致变色装置等本质上也是基于与上述相同的工 作原理的系统，通过质子在正极和负极的不同的2种氧化还原对间的电解 质中移动而工作，因此可以使用质子传导性固体电解质。目前，这些使用 质子传导性固体电解质的系统的确证研究也在进行中。

氢传感器可以利用例如上述(4)式、(5)式的反应中氢气被导入时的由氢 浓度所引起的电极电位的变化。而且，利用电极电位的变化或离子传导率 的变化还可以在湿度传感器中应用。

电致变色装置利用例如在负极使用WO₃等并施加电场时，通过下述(6) 式的反应而发色的原理，可以考虑在显示装置或遮光玻璃中的用途。该系 统也通过质子对负极的授受而工作，并且可以利用质子传导性固体电解 质。

WO₃+xH⁺+xe^-→HxWO₃(发色)..................(6)