イオン伝導体、及びこれを用いたエネルギーデバイス、燃料電池セル
【課題】電解質材料がイオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し、耐熱性が高く、含水時の膨潤を抑制でき、安価に製造できるイオン伝導体及びこれを用いたエネルギーデバイスを提供すること。
【解決手段】無機多孔体１と電解質材料２と一対の電極材料３とから構成され、無機多孔体１は孔内に電解質材料２を保持し、電解質材料２はカチオン成分とアニオン成分であり、電極材料３は電解質材料２を保持した無機多孔体１を挟持するイオン伝導体である。無機多孔体が金属酸化物を含む焼結体である。
イオン伝導体を適用したエネルギーデバイスである。
【解決手段】無機多孔体１と電解質材料２と一対の電極材料３とから構成され、無機多孔体１は孔内に電解質材料２を保持し、電解質材料２はカチオン成分とアニオン成分であり、電極材料３は電解質材料２を保持した無機多孔体１を挟持するイオン伝導体である。無機多孔体が金属酸化物を含む焼結体である。
イオン伝導体を適用したエネルギーデバイスである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導体、及びこれを用いたエネルギーデバイス、燃料電池セルに係り、更に詳細には、電解質材料がイオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し得るイオン伝導体、及びこれを用いたエネルギーデバイス、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜として、「イオン液体を浸透した、カチオン伝導性／プロトン伝導性のセラミック膜」が提案されている（例えば特許文献１参照）。
この膜は、特許文献２に記載された多孔質で柔軟なセラミック膜を基礎として、イオン伝導性を示すように改質し、その後イオン液体で処理して得られる。
また、この膜は、イオン液体の使用により、１００℃より高い温度で極めて良好なプロトン伝導性又はカチオン伝導性を有する。更に、柔軟性を維持し、燃料電池の電解質膜として使用できるというものである。
【特許文献１】特表２００４−５１５３５１号公報
【特許文献２】ＰＣＴ／ＥＰ９８／０５９３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来のセラミック膜とイオン液体を組み合わせた電解質膜においては、イオン液体単独に対してイオン伝導度が向上しないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電解質材料がイオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し、耐熱性が高く、含水時の膨潤を抑制でき、安価に製造できるイオン伝導体、及びこれを用いたエネルギーデバイス、燃料電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、無機多孔体の孔内に、イオン伝導性の高い電解質材料を配設することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明のイオン伝導体は、無機多孔体と電解質材料と一対の電極材料とから構成されるイオン伝導体であって、
上記無機多孔体は、孔内に上記電解質材料を保持し、
上記電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含み、
上記電極材料は、該電解質材料を保持した無機多孔体を挟持する、ことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のイオン伝導体の好適形態は、上記電解質材料がイオン液体であることを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記無機多孔体が、金属酸化物を含む焼結体であることを特徴とする。
【０００９】
更にまた、本発明のイオン伝導体の更に他の好適形態は、上記無機多孔体が、アルミナ、シリカ、チタニア及びジルコニアから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属酸化物で形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記無機多孔体が、複数の球状孔を有し、該球状孔は、内径がほぼ均一で、隣接する球状孔同士が連通しており、該球状孔内に電解質材料を備えることを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明のイオン伝導体の更に他の好適形態は、上記無機多孔体の気孔率が７０〜９０％であることを特徴とする。
【００１２】
更にまた、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記無機多孔体が、無機ゾルを形成する材料で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のイオン伝導体の更に他の好適形態は、上記無機ゾル形成材料が、無機コロイドであることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記無機多孔体が、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液より形成されたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のエネルギーデバイスは、上記イオン伝導体を適用して成ることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の燃料電池セルは、上記イオン伝導体を適用して成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、無機多孔体の孔内に電解質材料を保持し、該電解質材料がカチオン成分とアニオン成分を含み、電極材料が該電解質材料を保持した無機多孔体を挟持するイオン伝導体であるので、電解質材料がイオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し、耐熱性が高く、含水時の膨潤を抑制できるイオン伝導体が安価に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のイオン伝導体について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
【００１９】
本発明のイオン伝導体は、無機多孔体と電解質材料と一対の電極材料とから構成される。
ここで、上記無機多孔体は、複数の細孔を有し、その孔内に電解質材料を保持している。
また、上記電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含んで成る。
更に、上記電極材料は、該電解質材料を保持した無機多孔体を挟持している。
図１にイオン伝導体の概略及び写真を示す。
【００２０】
このように、カチオン成分及びアニオン成分を含む電解質材料を無機多孔体へ含浸することで、電解質材料の固定化と、イオン伝導度の向上が一挙に達成される。即ち、固定化された電解質材料と無機多孔体との界面に働く相互作用の副次的効果が得られ、電解質材料を液体状態のまま使用するよりもイオン伝導度がより高くなる。
また、フッ素系電解質などを用いた従来品に比べて、安価な材料で構成できるため、より普及に適したイオン伝導体が得られる。
【００２１】
また、上記電解質材料は、１．優れた熱安定性（不揮発性、蒸気圧がゼロ、広い温度域で液体である）、２．高イオン密度、３．大熱容量などの観点から、イオン液体を使用することが好適である。
【００２２】
代表的なイオン液体としては、カチオン成分は、例えば、以下の化学式１〜３に示すイミダゾリウム誘導体（Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ、１〜３置換体）、化学式４に示すピリジニウム誘導体（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式５に示すピロリジニウム誘導体（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式６に示すアンモニウム誘導体（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式７に示すホスフォニウム誘導体（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式８〜１２に示すグアニジニウム誘導体（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式１３〜１５に示すイソウロニウム誘導体（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、などが挙げられる。
【００２３】
【化１】
【００２４】
化学式１中のＲは、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、ｍ＝０、ｎ＝０やｍ＝４、ｎ＝９の組合せをとり得る。
【００２５】
【化２】
【００２６】
化学式２中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表１に示す組合せをとり得る。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【化３】
【００２９】
化学式３中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表２に示す組合せをとり得る。
【００３０】
【表２】
【００３１】
【化４】
【００３２】
化学式４中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表３に示す組合せをとり得る。
【００３３】
【表３】
【００３４】
【化５】
【００３５】
化学式５中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表４に示す組合せをとり得る。
【００３６】
【表４】
【００３７】
【化６】
【００３８】
化学式６中のＲ１〜Ｒ４は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表５に示す組合せをとり得る。
【００３９】
【表５】
【００４０】
【化７】
【００４１】
化学式６中のＲ１〜Ｒ４は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）やＰｈを含むアルキル基などで表され、より好ましくは、以下の表６に示す組合せをとり得る。
【００４２】
【表６】
【００４３】
【化８】
【００４４】
【化９】
【００４５】
【化１０】
【００４６】
【化１１】
【００４７】
【化１２】
【００４８】
【化１３】
【００４９】
【化１４】
【００５０】
【化１５】
【００５１】
アニオン成分は、例えば、以下の化学式１６に示すハロゲン類（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ）、化学式１７，１８に示すスルフェート類及びスルホン酸類（Ｓｕｌｆａｔｅｓ ａｎｄ ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ）、化学式１９に示すアミド類及びイミド類（Ａｍｉｄｅｓ ａｎｄ ｉｍｉｄｅｓ）、化学式２０に示すメタン類（Ｍｅｔｈａｎｅｓ）、化学式２１〜２６に示すホウ酸塩類（Ｂｏｒａｔｅｓ）、化学式２７，２８に示すリン酸塩類及びアンチモン類（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ ａｎｄ Ａｎｔｉｍｏｎａｔｅｓ）、化学式２９に示すその他の塩類、などが挙げられる。
【００５２】
【化１６】
【００５３】
【化１７】
【００５４】
【化１８】
【００５５】
【化１９】
【００５６】
【化２０】
【００５７】
【化２１】
【００５８】
【化２２】
【００５９】
【化２３】
【００６０】
【化２４】
【００６１】
【化２５】
【００６２】
【化２６】
【００６３】
【化２７】
【００６４】
【化２８】
【００６５】
【化２９】
【００６６】
なお、これらのカチオン成分又はアニオン成分は、１種又は２種以上を適宜組合わせて使用できる。
【００６７】
更に、上記無機多孔体は、金属酸化物を含む焼結体であることが好適である。
金属酸化物は安定性が高く、安価に入手可能なものが多いため有効である。
かかる金属酸化物としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）又はジルコニア（ＺｒＯ２）、及びこれらの任意の組合わせに係るものが挙げられる。
【００６８】
更にまた、上記無機多孔体の有する複数の細孔が球状孔であること、該球状孔は、内径がほぼ均一で、隣接する球状孔同士が連通していることが好適である。換言すれば、無機多孔体内部に球状孔が３次元的に存在し、隣接する球状孔と連通口を介して連通していることが良い。例えば、図１に示すように、無機多孔体１に電解質材料２を充填し、電極材料３で挟持したイオン伝導体が良い。
なお、球状孔の内壁面は、プロトン供与性官能基が存在するように処理されることが望ましい。また、電解質材料は、該連通口を介して充填できる。
【００６９】
このように、無機多孔体の内部に電解質材料が規則的に保持されることで、両材料がコンポジット化され、全体的にイオン伝導量を増大できる。
また、湿潤状態においては、無機多孔体が電解質材料の膨潤を抑制する。特に、多孔体内部に存在する球状孔がほぼ均一な径で構成されることで、電解質材料の含水時における膨潤に対して、多孔体は均質且つ分散された膨潤力を受けるので、イオン伝導体の局所的な破損が抑制できる。換言すれば、無機多孔体の球状孔が３次元規則配列構造をとることで、電解質材料の膨潤圧が無機多孔体に均等にかかるよう支持され得る。
【００７０】
また、上記無機多孔体の気孔率は７０〜９０％であることが好適である。このときは、電解質材料を多量に導入でき、優れたイオン伝導性が実現できる。
更に、上記無機多孔体の孔径は、イオン伝導性と電解質材料の導入容易性とのバランスから、１００〜１５００ｎｍに設計できる。１００ｎｍ未満では、球状樹脂をテンプレートとした多孔体の形成が困難となり易い。
【００７１】
更に、上記無機多孔体は、無機ゾルを形成する材料より成ることが好適である。
このときは、簡易な無機材形成技術であるゾルゲル法を適用できる。また、安価に無機多孔体が得られる。
上記無機ゾル形成材料は、無機コロイドであることが好適である。無機コロイドは、ポリマー粒子を鋳型に用いた無機多孔体の形成に適しており、３次元規則配列状態が保持された球状孔を形成できる。
【００７２】
更にまた、上記無機多孔体は、例えば、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液（サスペンション）から得られる。
このような懸濁液を適用することで、高い空孔率（７０％以上）が実現できるため、電解質材料を多量に保持させることができ、高いイオン伝導性が期待できる。また、ポリマー微粒子が積み重なることで形成される３次元規則配列構造を鋳型として、無機多孔体が得らえれる。更に、ポリマー微粒子の粒径サイズ、積層状態を制御することで、任意の空間を有する無機多孔体を設計できる。
なお、細孔内のポリマー微粒子は熱処理などにより除去することで、電解質材料の入るスペースが確保される。
【００７３】
また、上記電極材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属、ロジウム（Ｒｈ）、グラッシーカーボンなどの電極触媒成分を含むことが望ましい。
これらの電極触媒成分は、例えば、カーボンペーパー、カーボンブラック、これらにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混合したものなどの担持基材を介して高分散させることが良い。
【００７４】
ここで、本発明のイオン伝導体は、代表的には、図２に示すような工程により製造できる。更に詳細には、以下のような工程を行うことで製造できる。
１．無機ゾルと球状有機樹脂を溶媒を用いて混合する工程
２．この混合溶液を攪拌して懸濁液とする工程
３．この懸濁液を濾過して製膜する工程
４．濾過成形膜の余剰水分を除去する工程
５．濾過成形膜を乾燥する工程
６．濾過成形膜を加熱焼成して無機多孔体を得る工程
７．無機多孔体の球状孔に電解質材料を含浸させる工程
８．乾燥し、電極で挟持してイオン伝導体を形成する工程
【００７５】
ここで、工程１〜６を経ることで、球状有機樹脂をテンプレートとして、球状孔が３次元規則配列された無機多孔体が得られる。
【００７６】
工程１及び工程２では、無機コロイドと球状有機樹脂を均質な状態に混合することができる。これにより、均等で規則的な細孔を有する無機多孔体を得ることができる。
【００７７】
また、工程３において、濾過は、球状有機樹脂をテンプレートとして、その隙間に無機ゾルを充填する方法として適している。濾過は、無機多孔体の球状孔の大きさ、細孔密度などから、適宜１０〜６０ｋＰａ程度減圧して行うことができる。
工程３で用いる球状有機樹脂としては、例えば２０ｎｍ〜１５００ｎｍ程度のポリエチレンを使用できる。
代表的には、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、架橋アクリル樹脂、メチルメタクリレート樹脂、ポリアミド樹脂などが適宜選択できる。２０ｎｍより小さくなると電解質材料の均質な含浸が困難となり易い。また、１５００ｎｍより大きくなると無機多孔体を構成する支持構造の均質性に乱れが発生することがある。
【００７８】
更に、工程４では、濾過成形膜に含まれている溶剤を予め除去することで、次の乾燥工程における乾燥時間を短縮することができる。
更にまた、工程５では、濾過成形膜を室温にて予め乾燥させることで、焼成工程等での膜のハンドリングを容易にする。
【００７９】
次いで、工程６では、濾過成形膜を加温焼成することで、無機材料を焼成形成すると共に、テンプレート樹脂を焼成除去することで無機多孔体を形成できる。
このとき、濾過膜中の球状有機樹脂を除去するための仮焼成を行い、その後に無機多孔体を焼結させることが良い。
仮焼成は、例えば、１〜１０℃／ｍｉｎ、望ましくは２〜５℃／ｍｉｎの昇温速度で４００〜５００℃、より望ましくは４３０〜４７０℃まで昇温させ、３０分以上熱処理を行うことができる。
焼成は、例えば８００〜９００℃以上で３０〜１００分間程度の熱処理を行うことができる。なお、この本焼成は複数回繰り返して行っても良い。
【００８０】
更に、工程７及び８では、得られた多孔体へ電解質材料を含浸させ、電極材料で挟持することで、容易に目的とするイオン伝導体が得られる。
【００８１】
次に、本発明のエネルギーデバイスについて説明する。
本発明のエネルギーデバイスは、上述のイオン伝導体を適用して構成される。このときは、他の制御手段と組合わせて適宜システム化することもできる。
代表的には、燃料電池（セル又はスタック）、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサーなどが挙げられる。
【実施例】
【００８２】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００８３】
（実施例１）
１．無機多孔体の作製
無機多孔体原料として直径７０〜１００ｎｍのコロイダルシリカを用意した。
また、孔径制御を目的に平均直径約５００ｎｍのポリスチレン球状粒子を用意した。
【００８４】
このコロイダルシリカ及びポリスチレン球状粒子を溶質体積が所定の膜厚になるよう混合してサスペンション溶液を調製した。
手順としては、まずポリスチレン球状粒子を１０％秤量し、水に添加した。また、コロイダルシリカを４０％秤量し、水に添加した。これら溶液を超音波攪拌し、粒子を均一に分散させた。
【００８５】
次いで、メンブレンフィルターをフィルターホルダーにセットし、手動式真空ポンプを用いて大気圧に対して大きくても１０ｋＰａ以下の圧力となるように減圧し、サスペンションを濾過した。
【００８６】
サスペンションがすべて濾過された後、濾過成形された膜に含まれる余剰水を、濾紙などの吸水材で除去した。室温で十分乾燥させた後にメンブレンフィルターから剥離することで、コロイダルシリカ及びポリスチレン球状粒子の混合物から成る膜が得られた。
【００８７】
得られた膜に次のような熱処理を行った。
まず、仮焼成として、１〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で４００〜５００℃まで昇温を行い、その温度にて３０分以上熱処理を行い、ポリスチレン球状粒子を取り除いた。
更に、仮焼成後少なくとも８００℃以上で約６０分間熱処理を行い、コロイダルシリカを焼結させた。
更にまた、機械的強度を向上させるため、９００℃以上の温度にて１５分間熱処理を行い、ゆっくりと室温に戻すことで、目的とするシリカ多孔膜を得た。
【００８８】
２．電解質材料（イオン液体）の含浸
（１）アルキル基付加工程
Ｎ−メチルイミダゾール２００ｇをジメチルホルムアミド１０００ｍｌに溶解し、０℃に冷却し、これにエチルブロマイド５６３ｇを加え、０℃に冷却した状態で４日間攪拌した後、ロータリーエバポレータにて溶媒を除去した。
次に、得られた濃縮物をジエチルエーテルにより抽出洗浄した。
そして、析出した結晶をアセトン中にて再結晶させ、ろ過後、８０℃にて８時間減圧乾燥した。
これにより、中間生成物である、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムブロマイド（ＥＭＩＢｒ）３４４ｇを得た。
なお、得られたＥＭＩＢｒは、殆ど着色していない白色結晶であった。
（２）アニオン交換工程
この工程は、反応工程と分液処理工程とからなっている。
Ａ．反応工程
アルキル基付加工程で合成したＥＭＩＢｒ３３４ｇをアセトニトリル１０００ｍｌに溶解し、これにテトラフルオロホウ酸アンモニウム２２０ｇを加え、密閉した状態で室温にて２日間攪拌した後、沈殿物をろ過して除去し、ろ液をロータリーエバポレータにて濃縮した。
Ｂ．分液処理工程
濃縮により得られた液体を、２−プロパノールで分液処理することによって洗浄し、再びロータリーエバポレータにて濃縮した後、８０℃にて８時間減圧乾燥した。
これにより、最終生成物である、テトラフルオロホウ酸１−エチル−３−メチルイミダゾリウム（ＥＭＩＢＦ４）２８８ｇを得た。
なお、得られたＥＭＩＢＦ４は、殆ど無色透明の液体であった。
このイオン液体をシリカ多孔膜に含浸させ、イオン伝導体を作製した。
【００８９】
３．イオン伝導性評価
得られたイオン伝導体について、１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚの交流波をかけて計測したインピーダンスにてイオン伝導性を評価した。この結果を図３及び図４に示す。
なお、ここでのイオン導電率は多孔度を考慮せず、金電極と接触する面積を元に算出を行った。また、計測では、温度を変更してイオン伝導度を測定した。
【００９０】
（比較例１）
シリカ多孔膜を使用せず、電解質材料をイオン液体のみとした以外は、実施例１と同様の操作を繰返して、イオン伝導体を作製した。また、イオン伝導性評価も同様に行った。この結果を図３及び図４に示す。
【００９１】
（比較例２）
シリカ多孔膜と同等の構造（３ＤＯＭ）を有するポリイミド膜を使用した以外は、実施例１と同様の操作を繰返して、イオン伝導体を作製した。また、イオン伝導性評価も同様に行った。この結果を図４に示す。
【００９２】
図３に示すように、アニオン成分を含むイオン液体（ＥＭＩｍＢＦ４）とシリカ多孔体の電解質膜では、液体状態のみに対し、イオン伝導度の大幅な向上が見られた。
【００９３】
また、イオン液体（ＥＭＩｍＢＦ４）について、比較例１（液体状態）のイオン伝導度を１とし、実施例１及び比較例２のイオン伝導度と比較した。
図４に示すように、実施例１に係る、イオン液体をシリカ多孔膜とともに用いたイオン伝導体は、比較例１に係る、イオン液体のみを用いたイオン伝導体に対し、イオン伝導度が約３．５倍と大幅に向上していた。
これに対して、比較例２に係る、イオン液体をポリイミドとともに用いたコンポジット膜では、逆に比較例１よりもイオン伝導度が低下していた。
【００９４】
（実施例２）
図５に、イオン伝導体を適用したエネルギーデバイス（燃料電池）の基本的な構成を示す。
電解質材料を保持した無機多孔体７が、対峙する一対の電極材料３及びガス拡散層６で順に挟まれるように作製した。
無機多孔体７にはシリカ多孔膜を用い、電解質材料２にはＥＭＩｍＢＦ４を用いた。
電極材料３には白金担持カーボンを用い、ガス拡散層６にはカーボンペーパを用いた。
【００９５】
また、各電極にはセパレータ４を用いてガス流路５を形成し、水素（又は水素を含有する燃料ガス）と、酸素（又は酸素を含有する酸化ガス）を供給できるようにした。
なお、電極は、燃料ガスを供給する側がアノード、酸化ガスを供給する側がカソードとなる。
【００９６】
この燃料電池で発電するときは、それぞれのガスがガス流路５からガス拡散層６を経て電極材料３に供給され、以下に示す電気化学反応が進行する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …（３）
【００９７】
式（１）は、燃料電池の陰極側における反応を示している。
式（２）は、燃料電池の陽極側における反応を示している。
式（３）は、燃料電池全体で行なわれる反応となる。
このように、イオン伝導体を用いた燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接に電気エネルギーに変換することが可能であり、高いエネルギー変換効率が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】イオン伝導体の一例を示す概略図及びＳＥＭ写真である。
【図２】イオン伝導体の作製手順の一例を示すフロー図である。
【図３】イオン伝導性の評価結果を示すグラフである。
【図４】イオン伝導性と温度の関係を示すグラフである。
【図５】イオン伝導体を適用した燃料電池の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９９】
１ 無機多孔体
２ 電解質材料
３ 電極材料
４ セパレータ
５ ガス流路
６ ガス拡散層
７ 電解質材料を保持した無機多孔体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導体、及びこれを用いたエネルギーデバイス、燃料電池セルに係り、更に詳細には、電解質材料がイオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し得るイオン伝導体、及びこれを用いたエネルギーデバイス、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜として、「イオン液体を浸透した、カチオン伝導性／プロトン伝導性のセラミック膜」が提案されている（例えば特許文献１参照）。
この膜は、特許文献２に記載された多孔質で柔軟なセラミック膜を基礎として、イオン伝導性を示すように改質し、その後イオン液体で処理して得られる。
また、この膜は、イオン液体の使用により、１００℃より高い温度で極めて良好なプロトン伝導性又はカチオン伝導性を有する。更に、柔軟性を維持し、燃料電池の電解質膜として使用できるというものである。
【特許文献１】特表２００４−５１５３５１号公報
【特許文献２】ＰＣＴ／ＥＰ９８／０５９３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来のセラミック膜とイオン液体を組み合わせた電解質膜においては、イオン液体単独に対してイオン伝導度が向上しないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電解質材料がイオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し、耐熱性が高く、含水時の膨潤を抑制でき、安価に製造できるイオン伝導体、及びこれを用いたエネルギーデバイス、燃料電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、無機多孔体の孔内に、イオン伝導性の高い電解質材料を配設することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明のイオン伝導体は、無機多孔体と電解質材料と一対の電極材料とから構成されるイオン伝導体であって、
上記無機多孔体は、孔内に上記電解質材料を保持し、
上記電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含み、
上記電極材料は、該電解質材料を保持した無機多孔体を挟持する、ことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のイオン伝導体の好適形態は、上記電解質材料がイオン液体であることを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記無機多孔体が、金属酸化物を含む焼結体であることを特徴とする。
【０００９】
更にまた、本発明のイオン伝導体の更に他の好適形態は、上記無機多孔体が、アルミナ、シリカ、チタニア及びジルコニアから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属酸化物で形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記無機多孔体が、複数の球状孔を有し、該球状孔は、内径がほぼ均一で、隣接する球状孔同士が連通しており、該球状孔内に電解質材料を備えることを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明のイオン伝導体の更に他の好適形態は、上記無機多孔体の気孔率が７０〜９０％であることを特徴とする。
【００１２】
更にまた、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記無機多孔体が、無機ゾルを形成する材料で形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のイオン伝導体の更に他の好適形態は、上記無機ゾル形成材料が、無機コロイドであることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記無機多孔体が、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液より形成されたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のエネルギーデバイスは、上記イオン伝導体を適用して成ることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の燃料電池セルは、上記イオン伝導体を適用して成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、無機多孔体の孔内に電解質材料を保持し、該電解質材料がカチオン成分とアニオン成分を含み、電極材料が該電解質材料を保持した無機多孔体を挟持するイオン伝導体であるので、電解質材料がイオン液体単独であるときに比べてイオン伝導度が向上し、耐熱性が高く、含水時の膨潤を抑制できるイオン伝導体が安価に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のイオン伝導体について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
【００１９】
本発明のイオン伝導体は、無機多孔体と電解質材料と一対の電極材料とから構成される。
ここで、上記無機多孔体は、複数の細孔を有し、その孔内に電解質材料を保持している。
また、上記電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含んで成る。
更に、上記電極材料は、該電解質材料を保持した無機多孔体を挟持している。
図１にイオン伝導体の概略及び写真を示す。
【００２０】
このように、カチオン成分及びアニオン成分を含む電解質材料を無機多孔体へ含浸することで、電解質材料の固定化と、イオン伝導度の向上が一挙に達成される。即ち、固定化された電解質材料と無機多孔体との界面に働く相互作用の副次的効果が得られ、電解質材料を液体状態のまま使用するよりもイオン伝導度がより高くなる。
また、フッ素系電解質などを用いた従来品に比べて、安価な材料で構成できるため、より普及に適したイオン伝導体が得られる。
【００２１】
また、上記電解質材料は、１．優れた熱安定性（不揮発性、蒸気圧がゼロ、広い温度域で液体である）、２．高イオン密度、３．大熱容量などの観点から、イオン液体を使用することが好適である。
【００２２】
代表的なイオン液体としては、カチオン成分は、例えば、以下の化学式１〜３に示すイミダゾリウム誘導体（Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ、１〜３置換体）、化学式４に示すピリジニウム誘導体（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式５に示すピロリジニウム誘導体（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式６に示すアンモニウム誘導体（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式７に示すホスフォニウム誘導体（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式８〜１２に示すグアニジニウム誘導体（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式１３〜１５に示すイソウロニウム誘導体（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、などが挙げられる。
【００２３】
【化１】
【００２４】
化学式１中のＲは、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、ｍ＝０、ｎ＝０やｍ＝４、ｎ＝９の組合せをとり得る。
【００２５】
【化２】
【００２６】
化学式２中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表１に示す組合せをとり得る。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【化３】
【００２９】
化学式３中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表２に示す組合せをとり得る。
【００３０】
【表２】
【００３１】
【化４】
【００３２】
化学式４中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表３に示す組合せをとり得る。
【００３３】
【表３】
【００３４】
【化５】
【００３５】
化学式５中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表４に示す組合せをとり得る。
【００３６】
【表４】
【００３７】
【化６】
【００３８】
化学式６中のＲ１〜Ｒ４は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）などで表され、より好ましくは、以下の表５に示す組合せをとり得る。
【００３９】
【表５】
【００４０】
【化７】
【００４１】
化学式６中のＲ１〜Ｒ４は、それぞれ個別に、例えばＣｍＨｎ（ｍ＝０〜４０、ｎ＝０〜４０）やＰｈを含むアルキル基などで表され、より好ましくは、以下の表６に示す組合せをとり得る。
【００４２】
【表６】
【００４３】
【化８】
【００４４】
【化９】
【００４５】
【化１０】
【００４６】
【化１１】
【００４７】
【化１２】
【００４８】
【化１３】
【００４９】
【化１４】
【００５０】
【化１５】
【００５１】
アニオン成分は、例えば、以下の化学式１６に示すハロゲン類（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ）、化学式１７，１８に示すスルフェート類及びスルホン酸類（Ｓｕｌｆａｔｅｓ ａｎｄ ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ）、化学式１９に示すアミド類及びイミド類（Ａｍｉｄｅｓ ａｎｄ ｉｍｉｄｅｓ）、化学式２０に示すメタン類（Ｍｅｔｈａｎｅｓ）、化学式２１〜２６に示すホウ酸塩類（Ｂｏｒａｔｅｓ）、化学式２７，２８に示すリン酸塩類及びアンチモン類（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ ａｎｄ Ａｎｔｉｍｏｎａｔｅｓ）、化学式２９に示すその他の塩類、などが挙げられる。
【００５２】
【化１６】
【００５３】
【化１７】
【００５４】
【化１８】
【００５５】
【化１９】
【００５６】
【化２０】
【００５７】
【化２１】
【００５８】
【化２２】
【００５９】
【化２３】
【００６０】
【化２４】
【００６１】
【化２５】
【００６２】
【化２６】
【００６３】
【化２７】
【００６４】
【化２８】
【００６５】
【化２９】
【００６６】
なお、これらのカチオン成分又はアニオン成分は、１種又は２種以上を適宜組合わせて使用できる。
【００６７】
更に、上記無機多孔体は、金属酸化物を含む焼結体であることが好適である。
金属酸化物は安定性が高く、安価に入手可能なものが多いため有効である。
かかる金属酸化物としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）又はジルコニア（ＺｒＯ２）、及びこれらの任意の組合わせに係るものが挙げられる。
【００６８】
更にまた、上記無機多孔体の有する複数の細孔が球状孔であること、該球状孔は、内径がほぼ均一で、隣接する球状孔同士が連通していることが好適である。換言すれば、無機多孔体内部に球状孔が３次元的に存在し、隣接する球状孔と連通口を介して連通していることが良い。例えば、図１に示すように、無機多孔体１に電解質材料２を充填し、電極材料３で挟持したイオン伝導体が良い。
なお、球状孔の内壁面は、プロトン供与性官能基が存在するように処理されることが望ましい。また、電解質材料は、該連通口を介して充填できる。
【００６９】
このように、無機多孔体の内部に電解質材料が規則的に保持されることで、両材料がコンポジット化され、全体的にイオン伝導量を増大できる。
また、湿潤状態においては、無機多孔体が電解質材料の膨潤を抑制する。特に、多孔体内部に存在する球状孔がほぼ均一な径で構成されることで、電解質材料の含水時における膨潤に対して、多孔体は均質且つ分散された膨潤力を受けるので、イオン伝導体の局所的な破損が抑制できる。換言すれば、無機多孔体の球状孔が３次元規則配列構造をとることで、電解質材料の膨潤圧が無機多孔体に均等にかかるよう支持され得る。
【００７０】
また、上記無機多孔体の気孔率は７０〜９０％であることが好適である。このときは、電解質材料を多量に導入でき、優れたイオン伝導性が実現できる。
更に、上記無機多孔体の孔径は、イオン伝導性と電解質材料の導入容易性とのバランスから、１００〜１５００ｎｍに設計できる。１００ｎｍ未満では、球状樹脂をテンプレートとした多孔体の形成が困難となり易い。
【００７１】
更に、上記無機多孔体は、無機ゾルを形成する材料より成ることが好適である。
このときは、簡易な無機材形成技術であるゾルゲル法を適用できる。また、安価に無機多孔体が得られる。
上記無機ゾル形成材料は、無機コロイドであることが好適である。無機コロイドは、ポリマー粒子を鋳型に用いた無機多孔体の形成に適しており、３次元規則配列状態が保持された球状孔を形成できる。
【００７２】
更にまた、上記無機多孔体は、例えば、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液（サスペンション）から得られる。
このような懸濁液を適用することで、高い空孔率（７０％以上）が実現できるため、電解質材料を多量に保持させることができ、高いイオン伝導性が期待できる。また、ポリマー微粒子が積み重なることで形成される３次元規則配列構造を鋳型として、無機多孔体が得らえれる。更に、ポリマー微粒子の粒径サイズ、積層状態を制御することで、任意の空間を有する無機多孔体を設計できる。
なお、細孔内のポリマー微粒子は熱処理などにより除去することで、電解質材料の入るスペースが確保される。
【００７３】
また、上記電極材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属、ロジウム（Ｒｈ）、グラッシーカーボンなどの電極触媒成分を含むことが望ましい。
これらの電極触媒成分は、例えば、カーボンペーパー、カーボンブラック、これらにポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混合したものなどの担持基材を介して高分散させることが良い。
【００７４】
ここで、本発明のイオン伝導体は、代表的には、図２に示すような工程により製造できる。更に詳細には、以下のような工程を行うことで製造できる。
１．無機ゾルと球状有機樹脂を溶媒を用いて混合する工程
２．この混合溶液を攪拌して懸濁液とする工程
３．この懸濁液を濾過して製膜する工程
４．濾過成形膜の余剰水分を除去する工程
５．濾過成形膜を乾燥する工程
６．濾過成形膜を加熱焼成して無機多孔体を得る工程
７．無機多孔体の球状孔に電解質材料を含浸させる工程
８．乾燥し、電極で挟持してイオン伝導体を形成する工程
【００７５】
ここで、工程１〜６を経ることで、球状有機樹脂をテンプレートとして、球状孔が３次元規則配列された無機多孔体が得られる。
【００７６】
工程１及び工程２では、無機コロイドと球状有機樹脂を均質な状態に混合することができる。これにより、均等で規則的な細孔を有する無機多孔体を得ることができる。
【００７７】
また、工程３において、濾過は、球状有機樹脂をテンプレートとして、その隙間に無機ゾルを充填する方法として適している。濾過は、無機多孔体の球状孔の大きさ、細孔密度などから、適宜１０〜６０ｋＰａ程度減圧して行うことができる。
工程３で用いる球状有機樹脂としては、例えば２０ｎｍ〜１５００ｎｍ程度のポリエチレンを使用できる。
代表的には、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、架橋アクリル樹脂、メチルメタクリレート樹脂、ポリアミド樹脂などが適宜選択できる。２０ｎｍより小さくなると電解質材料の均質な含浸が困難となり易い。また、１５００ｎｍより大きくなると無機多孔体を構成する支持構造の均質性に乱れが発生することがある。
【００７８】
更に、工程４では、濾過成形膜に含まれている溶剤を予め除去することで、次の乾燥工程における乾燥時間を短縮することができる。
更にまた、工程５では、濾過成形膜を室温にて予め乾燥させることで、焼成工程等での膜のハンドリングを容易にする。
【００７９】
次いで、工程６では、濾過成形膜を加温焼成することで、無機材料を焼成形成すると共に、テンプレート樹脂を焼成除去することで無機多孔体を形成できる。
このとき、濾過膜中の球状有機樹脂を除去するための仮焼成を行い、その後に無機多孔体を焼結させることが良い。
仮焼成は、例えば、１〜１０℃／ｍｉｎ、望ましくは２〜５℃／ｍｉｎの昇温速度で４００〜５００℃、より望ましくは４３０〜４７０℃まで昇温させ、３０分以上熱処理を行うことができる。
焼成は、例えば８００〜９００℃以上で３０〜１００分間程度の熱処理を行うことができる。なお、この本焼成は複数回繰り返して行っても良い。
【００８０】
更に、工程７及び８では、得られた多孔体へ電解質材料を含浸させ、電極材料で挟持することで、容易に目的とするイオン伝導体が得られる。
【００８１】
次に、本発明のエネルギーデバイスについて説明する。
本発明のエネルギーデバイスは、上述のイオン伝導体を適用して構成される。このときは、他の制御手段と組合わせて適宜システム化することもできる。
代表的には、燃料電池（セル又はスタック）、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー、ガスセンサーなどが挙げられる。
【実施例】
【００８２】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００８３】
（実施例１）
１．無機多孔体の作製
無機多孔体原料として直径７０〜１００ｎｍのコロイダルシリカを用意した。
また、孔径制御を目的に平均直径約５００ｎｍのポリスチレン球状粒子を用意した。
【００８４】
このコロイダルシリカ及びポリスチレン球状粒子を溶質体積が所定の膜厚になるよう混合してサスペンション溶液を調製した。
手順としては、まずポリスチレン球状粒子を１０％秤量し、水に添加した。また、コロイダルシリカを４０％秤量し、水に添加した。これら溶液を超音波攪拌し、粒子を均一に分散させた。
【００８５】
次いで、メンブレンフィルターをフィルターホルダーにセットし、手動式真空ポンプを用いて大気圧に対して大きくても１０ｋＰａ以下の圧力となるように減圧し、サスペンションを濾過した。
【００８６】
サスペンションがすべて濾過された後、濾過成形された膜に含まれる余剰水を、濾紙などの吸水材で除去した。室温で十分乾燥させた後にメンブレンフィルターから剥離することで、コロイダルシリカ及びポリスチレン球状粒子の混合物から成る膜が得られた。
【００８７】
得られた膜に次のような熱処理を行った。
まず、仮焼成として、１〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で４００〜５００℃まで昇温を行い、その温度にて３０分以上熱処理を行い、ポリスチレン球状粒子を取り除いた。
更に、仮焼成後少なくとも８００℃以上で約６０分間熱処理を行い、コロイダルシリカを焼結させた。
更にまた、機械的強度を向上させるため、９００℃以上の温度にて１５分間熱処理を行い、ゆっくりと室温に戻すことで、目的とするシリカ多孔膜を得た。
【００８８】
２．電解質材料（イオン液体）の含浸
（１）アルキル基付加工程
Ｎ−メチルイミダゾール２００ｇをジメチルホルムアミド１０００ｍｌに溶解し、０℃に冷却し、これにエチルブロマイド５６３ｇを加え、０℃に冷却した状態で４日間攪拌した後、ロータリーエバポレータにて溶媒を除去した。
次に、得られた濃縮物をジエチルエーテルにより抽出洗浄した。
そして、析出した結晶をアセトン中にて再結晶させ、ろ過後、８０℃にて８時間減圧乾燥した。
これにより、中間生成物である、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムブロマイド（ＥＭＩＢｒ）３４４ｇを得た。
なお、得られたＥＭＩＢｒは、殆ど着色していない白色結晶であった。
（２）アニオン交換工程
この工程は、反応工程と分液処理工程とからなっている。
Ａ．反応工程
アルキル基付加工程で合成したＥＭＩＢｒ３３４ｇをアセトニトリル１０００ｍｌに溶解し、これにテトラフルオロホウ酸アンモニウム２２０ｇを加え、密閉した状態で室温にて２日間攪拌した後、沈殿物をろ過して除去し、ろ液をロータリーエバポレータにて濃縮した。
Ｂ．分液処理工程
濃縮により得られた液体を、２−プロパノールで分液処理することによって洗浄し、再びロータリーエバポレータにて濃縮した後、８０℃にて８時間減圧乾燥した。
これにより、最終生成物である、テトラフルオロホウ酸１−エチル−３−メチルイミダゾリウム（ＥＭＩＢＦ４）２８８ｇを得た。
なお、得られたＥＭＩＢＦ４は、殆ど無色透明の液体であった。
このイオン液体をシリカ多孔膜に含浸させ、イオン伝導体を作製した。
【００８９】
３．イオン伝導性評価
得られたイオン伝導体について、１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚの交流波をかけて計測したインピーダンスにてイオン伝導性を評価した。この結果を図３及び図４に示す。
なお、ここでのイオン導電率は多孔度を考慮せず、金電極と接触する面積を元に算出を行った。また、計測では、温度を変更してイオン伝導度を測定した。
【００９０】
（比較例１）
シリカ多孔膜を使用せず、電解質材料をイオン液体のみとした以外は、実施例１と同様の操作を繰返して、イオン伝導体を作製した。また、イオン伝導性評価も同様に行った。この結果を図３及び図４に示す。
【００９１】
（比較例２）
シリカ多孔膜と同等の構造（３ＤＯＭ）を有するポリイミド膜を使用した以外は、実施例１と同様の操作を繰返して、イオン伝導体を作製した。また、イオン伝導性評価も同様に行った。この結果を図４に示す。
【００９２】
図３に示すように、アニオン成分を含むイオン液体（ＥＭＩｍＢＦ４）とシリカ多孔体の電解質膜では、液体状態のみに対し、イオン伝導度の大幅な向上が見られた。
【００９３】
また、イオン液体（ＥＭＩｍＢＦ４）について、比較例１（液体状態）のイオン伝導度を１とし、実施例１及び比較例２のイオン伝導度と比較した。
図４に示すように、実施例１に係る、イオン液体をシリカ多孔膜とともに用いたイオン伝導体は、比較例１に係る、イオン液体のみを用いたイオン伝導体に対し、イオン伝導度が約３．５倍と大幅に向上していた。
これに対して、比較例２に係る、イオン液体をポリイミドとともに用いたコンポジット膜では、逆に比較例１よりもイオン伝導度が低下していた。
【００９４】
（実施例２）
図５に、イオン伝導体を適用したエネルギーデバイス（燃料電池）の基本的な構成を示す。
電解質材料を保持した無機多孔体７が、対峙する一対の電極材料３及びガス拡散層６で順に挟まれるように作製した。
無機多孔体７にはシリカ多孔膜を用い、電解質材料２にはＥＭＩｍＢＦ４を用いた。
電極材料３には白金担持カーボンを用い、ガス拡散層６にはカーボンペーパを用いた。
【００９５】
また、各電極にはセパレータ４を用いてガス流路５を形成し、水素（又は水素を含有する燃料ガス）と、酸素（又は酸素を含有する酸化ガス）を供給できるようにした。
なお、電極は、燃料ガスを供給する側がアノード、酸化ガスを供給する側がカソードとなる。
【００９６】
この燃料電池で発電するときは、それぞれのガスがガス流路５からガス拡散層６を経て電極材料３に供給され、以下に示す電気化学反応が進行する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− …（１）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ …（３）
【００９７】
式（１）は、燃料電池の陰極側における反応を示している。
式（２）は、燃料電池の陽極側における反応を示している。
式（３）は、燃料電池全体で行なわれる反応となる。
このように、イオン伝導体を用いた燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接に電気エネルギーに変換することが可能であり、高いエネルギー変換効率が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】イオン伝導体の一例を示す概略図及びＳＥＭ写真である。
【図２】イオン伝導体の作製手順の一例を示すフロー図である。
【図３】イオン伝導性の評価結果を示すグラフである。
【図４】イオン伝導性と温度の関係を示すグラフである。
【図５】イオン伝導体を適用した燃料電池の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００９９】
１ 無機多孔体
２ 電解質材料
３ 電極材料
４ セパレータ
５ ガス流路
６ ガス拡散層
７ 電解質材料を保持した無機多孔体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機多孔体と電解質材料と一対の電極材料とから構成されるイオン伝導体であって、
上記無機多孔体は、孔内に上記電解質材料を保持し、
上記電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含み、
上記電極材料は、該電解質材料を保持した無機多孔体を挟持する、ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項２】
上記電解質材料がイオン液体であることを特徴とする請求項１に記載のイオン伝導体。
【請求項３】
上記無機多孔体が、金属酸化物を含む焼結体であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン伝導体。
【請求項４】
上記無機多孔体が、アルミナ、シリカ、チタニア及びジルコニアから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属酸化物で形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項５】
上記無機多孔体が、複数の球状孔を有し、該球状孔は、内径がほぼ均一で、隣接する球状孔同士が連通しており、該球状孔内に電解質材料を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項６】
上記無機多孔体の気孔率が７０〜９０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項７】
上記無機多孔体が、無機ゾルを形成する材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項８】
上記無機ゾル形成材料が、無機コロイドであることを特徴とする請求項７に記載のイオン伝導体。
【請求項９】
上記無機多孔体が、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液より形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とするエネルギーデバイス。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項１】
無機多孔体と電解質材料と一対の電極材料とから構成されるイオン伝導体であって、
上記無機多孔体は、孔内に上記電解質材料を保持し、
上記電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含み、
上記電極材料は、該電解質材料を保持した無機多孔体を挟持する、ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項２】
上記電解質材料がイオン液体であることを特徴とする請求項１に記載のイオン伝導体。
【請求項３】
上記無機多孔体が、金属酸化物を含む焼結体であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン伝導体。
【請求項４】
上記無機多孔体が、アルミナ、シリカ、チタニア及びジルコニアから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属酸化物で形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項５】
上記無機多孔体が、複数の球状孔を有し、該球状孔は、内径がほぼ均一で、隣接する球状孔同士が連通しており、該球状孔内に電解質材料を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項６】
上記無機多孔体の気孔率が７０〜９０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項７】
上記無機多孔体が、無機ゾルを形成する材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項８】
上記無機ゾル形成材料が、無機コロイドであることを特徴とする請求項７に記載のイオン伝導体。
【請求項９】
上記無機多孔体が、ポリマー微粒子と無機材料を混合した懸濁液より形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とするエネルギーデバイス。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とする燃料電池セル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−３５３０１（Ｐ２００７−３５３０１Ａ）
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１２６９８（Ｐ２００５−２１２６９８）
【出願日】平成１７年７月２２日（２００５．７．２２）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２２日（２００５．７．２２）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【Ｆターム（参考）】
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