燃料電池用電解質組成物
【課題】電極との親和性に優れ、系内からの水の散逸を抑制し、良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得る燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】疎水性の電解質層と、親水性の電解質層を備え、これらが積層構造を成している電解質組成物であり、電解質組成物の表面及び裏面が、該親水性の電解質層である。
電解質組成物が電極で狭持されている燃料電池。
燃料電池を単セルとして備える燃料電池システム。
【解決手段】疎水性の電解質層と、親水性の電解質層を備え、これらが積層構造を成している電解質組成物であり、電解質組成物の表面及び裏面が、該親水性の電解質層である。
電解質組成物が電極で狭持されている燃料電池。
燃料電池を単セルとして備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムに係り、更に詳細には、所定の親水性電解質を表面及び裏面に備えた積層構造型燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムに関する。
【０００２】
かかる電解質組成物は、燃料電池の電解質膜として用いるのに有用である。
【背景技術】
【０００３】
従来から、イオン性液体を含む電解質を適用した燃料電池が提案されており、イオン性液体を用いたプロトン伝導体を適用し、無加湿運転を前提とする燃料電池が知られている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−１２３７９１号公報
【０００４】
また、疎水性アニオンと疎水性カチオンから成るイオン性液体を適用し、イオン性液体への水の混入を防ぐ燃料電池も知られている（特許文献２参照。）。
【特許文献２】特表２００３−５３５４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、イオン性液体を電解質として燃料電池に適用する場合には、水を含ませないで使用することを前提としていた。
また、水の混入により燃料電池の性能が悪化するという報告もあった。
【０００６】
これに対して、本発明者らは、親水性のイオン性液体を含む電解質を燃料電池に適用したところ、水の存在時にプロトン伝導性が向上し、燃料電池の性能が向上するという新たな技術知見を得た。
但し、系内の水分量を一定条件下で保持させることが困難であった。即ち、燃料電池の性能を安定化させることが困難であった。
【０００７】
また、本発明者らは、疎水性の電解質層と電極との親和性が良好となり難く、燃料電池の性能が十分に発揮されないことがあり、燃料電池用電解質組成物と電極との親和性を考慮することにより、燃料電池の性能が向上するという新たな技術知見を得た。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する課題及び新たな技術知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、電極との親和性に優れ、系内からの水の散逸を抑制し、良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得る燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、疎水性の電解質層と親水性の電解質層とを並設し、更に電極と親水性の電解質層が並設されるような構成とすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明の燃料電池用電解質組成物は、疎水性の電解質層と、親水性の電解質層を備え、これらが積層構造を成している電解質組成物であって、当該電解質組成物の表面及び裏面が、該親水性の電解質層であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃料電池用電解質組成物の好適形態では、３層の積層構造であって、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層及び第２の親水性電解質層の順に積層されていることを特徴とする。
更に、本発明の燃料電池用電解質組成物の他の好適形態では、５層の積層構造であって、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層、第２の親水性電解質層、第２の疎水性電解質層及び第３の親水性電解質層の順に積層されていることを特徴とする。
【００１２】
更にまた、本発明の燃料電池用電解質組成物の更に他の好適形態は、疎水性電解質層及び／又は親水性電解質層が、分子性カチオン及び分子性アニオンを含有すること、更には、常温溶融塩を含有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用電解質組成物を用いた燃料電池であって、燃料電池用電解質組成物が、電極で狭持されていることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明の燃料電池システムは、上記本発明の燃料電池を単セルとして備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、疎水性の電解質層と親水性の電解質層とを並設し、更に電極と親水性の電解質層が並設されるような構成とすることなどとしたため、電極との親和性に優れ、系内からの水の散逸を抑制し、良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得る燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池用電解質組成物について詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００１７】
上述の如く、本発明の燃料電池用電解質組成物は、親水性の電解質層と、疎水性の電解質層を備え、これらが積層構造を成し、当該電解質組成物の表面及び裏面が、該親水性の電解質層であるものである。
【００１８】
このような構成とすることにより、電極と組合わせた際には親和性に優れると共に、電解質内に水が保持されることから、燃料電池の電解質として適用するときは、継続的に優れた発電特性が得られる。
また、上記疎水性電解質層は、親水性電解質層に含まれた水が燃料極側から散逸してしまうのを抑制する。
更に、上記親水性電解質層は、空気極と直接接触させることで、空気極側で生成した水を効率良く利用できる。
【００１９】
また、親水性電解質層の含水量は、０．０１％以上５０％以下であることが望ましい。含水量が５０％を超えると、親水性電解質層から電解質が流出するおそれがある。含水量が０．０１％より少ないと、含水量が不十分となり目的とする効果が得られないことがある。
更に、含水量が２５％以下であることがより望ましく、親水性電解質層内での水の吸放出の制御が容易となる。
更にまた、含水量が１０％以下であることが特に望ましく、電解質内での水の吸収による電解質膜の形状変化を抑制しやすくなり、取り扱い易くなる。
【００２０】
また、本発明において、３層の積層構造の場合には、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層及び第２の親水性電解質層の順に積層すること、具体的には、疎水性電解質層を親水性電解質層で挟持することが望ましい。
このときは、電極と組合わせた際には親和性に優れると共に、電解質内に水が保持されることから、燃料電池の電解質として適用するときは、継続的に優れた発電特性が得られる。また、親水性電解質層に水を添加、保持することが容易になり、当該燃料電池用電解質組成物内におけるプロトン伝導性を向上させることができる。
【００２１】
更に、このとき、燃料電池用電解質組成物内に所望の水分量を保持する観点から、上記親水性電解質層及び上記疎水性電解質層の層厚を適宜調整することができる。
【００２２】
３層の積層構造においては、空気極側に配置された第１又は第２の親水性電解質層の厚みを１００としたときの相対値で、第１の疎水性電解質層及び燃料極側に配置された他方の第１又は第２の親水性電解質層の厚みは１〜１００とすることが望ましい。
第１の疎水性電解質層の厚みが１未満であると、空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層からの水の散逸を十分に抑制できないおそれがある。一方、第１の疎水性電解質層の厚みが１００超であると、空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層に対する第１の疎水性電解質層の相対的な厚みが厚いため、空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層に水を添加した効果が低下するおそれがある。空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層に水を添加した効果を十分に得ることを考慮すると、第１の疎水性電解質層の厚みは５０以下であることがより望ましい。また、他方の燃料極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層の厚みが１未満であると、電極との親和性が十分に得られないおそれがある。一方、他方の第１又は第２の親水性電解質層の厚みが１００を超えると、空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層に水を添加した効果が低下するおそれがある。
【００２３】
更に、本発明において、疎水性電解質層を挟持する親水性電解質層は、同一の成分から成る即ち同種の材料で構成しても、異種の材料で構成してもよい。
同一の成分、具体的には同種の材料で構成するときは、同一の電解質材料を使用するので作製が容易になり、製造コストを低減できる。
また、異種の材料で構成するときは、燃料極、空気極での反応に適した材料を選択できる。更に、電解質内に水分がより長期間保持されるように設計できる。したがって、起動時を含めて、継続的に優れた発電特性を得ることが可能となる。また、停止状態で親水性電解質層中から水分が散逸するのを効果的に抑制できる。
【００２４】
また、本発明において、５層の積層構造の場合には、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層、第２の親水性電解質層、第２の疎水性電解質層及び第３の親水性電解質層の順に積層すること、具体的には、親水性電解質層を疎水性電解質層で狭持し、更にこれを他の親水性電解質層で狭持することが望ましい。
このときは、電極と組合わせた際には親和性に優れると共に、電解質内により水が保持されることから、燃料電池の電解質として適用するときは、継続的に優れた発電特性が得られる。また、親水性電解質層に水を添加、保持することが更に容易になり（第２の親水性電解質層に水を保持し易い。）、当該燃料電池用電解質組成物内におけるプロトン伝導性を向上させることができる。
【００２５】
更に、このときも、燃料電池用電解質組成物内に所望の水分量を保持する観点から、上記親水性電解質層及び上記疎水性電解質層の層厚を適宜調整することができる。
【００２６】
５層の積層構造においては、５層の中央に配置された第２の親水性電解質層の厚みを１００としたときの相対値で、第１及び第２の疎水性電解質層、第１及び第３の親水性電解質層の厚みは１〜１００とすることが望ましい。
第１及び第２の疎水性電解質層の厚みが１未満であると、５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層からの水の散逸を十分に抑制できないおそれがある。一方、第１及び第２の疎水性電解質層の厚みが１００超であると、５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層に対する第１及び第２の疎水性電解質層の相対的な厚みが厚いため、５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層に水を添加した効果が低下するおそれがある。５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層に水を添加した効果を十分に得ることを考慮すると、第１及び第２の疎水性電解質層の厚みは５０以下であることがより望ましい。また、空気極及び燃料極側に配置される第１及び第３の親水性電解質層の厚みが１未満であると、電極との親和性が十分に得られないおそれがある。一方、空気極及び燃料極側に配置される第１又は第３の親水性電解質層の厚みが１００を超えると、５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層に水を添加した効果が低下するおそれがある。
【００２７】
更に、本発明において、第１の親水性電解質層、第２の親水性電解質層又は第３の親水性電解質層のうち少なくとも２層が同一成分から成ること、並びに第１の疎水性電解質層及び第２の疎水性電解質層が同一成分から成ることのいずれか一方又は双方であることが望ましい。
上述したように、同一の成分、具体的には同種の材料で構成するときは、同一の電解質材料を使用するので作製が容易になり、製造コストを低減できる。一方で、上述したような理由から、異種の材料で構成してもよい。
【００２８】
また、本発明においては、親水性電解質層及び疎水性電解質層の一方又は双方がカチオン成分及びアニオン成分を含有することが望ましい。
更に、本発明において、カチオン成分、アニオン成分のいずれか一方又は双方が、分子性であることが好適である。
【００２９】
このときは、目的に合わせて、多様なイオンの組み合わせを採用できるので有効である。
即ち、使用用途にあわせて、イオン伝導性、電気的耐性、安全性、耐熱性などの特性の異なる電解質材料が選択、利用可能となり、特に燃料電池用電解質として用いた場合は、優れた特性を得ることができる。
【００３０】
ここで、電解質材料として使用できるカチオン成分及びアニオン成分としては、単独の原子から形成される単原子性（原子性）のものと、複数個の原子から形成される多原子性（例えば、分子性）のものに大別でき、本発明ではいずれも使用可能である。
【００３１】
原子性のカチオン成分とアニオン成分を含有する電解質としては、代表的に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などが挙げられ、これらは高温で溶融塩状体となってイオン伝導性を発揮する。
また、原子性アニオン成分としては、代表的にハロゲン化物アニオン（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）であるフッ素アニオン［Ｆ−］や塩素アニオン［Ｃｌ−］、臭素アニオン［Ｂｒ−］、ヨウ素アニオン［Ｉ−］を挙げることができる。
【００３２】
ここで、分子性のカチオン成分とアニオン成分について、以下に具体例を挙げて説明する。
なお、本発明においては、以下に示すカチオン成分とアニオン成分を適宜組合わせて用いることができる。
【００３３】
上記カチオン成分の一種である分子性カチオンとしては、例えばイミダゾリウム誘導体カチオン、より具体的には次式（３）で表される一置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｍｏｎｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３４】
【化３９】
【００３５】
（式中のＲ１１は、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００３６】
そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基やブチル基などを挙げることができる。
【００３７】
また、次式（４）で表される二置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｄｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３８】
【化４０】
【００３９】
（式中のＲ２１及びＲ２２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４０】
そして、Ｒ２１及びＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
【００４１】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ２１がメチル基であり、Ｒ２２がメチル基、エチル基（ＥＭＩｍに相当）、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基であるものや、Ｒ２１がエチル基であり、Ｒ２２がブチル基であるものなどを挙げることができる。
【００４２】
更に、次式（５）で表される三置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｔｒｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４３】
【化４１】
【００４４】
（式中のＲ３１〜Ｒ３３は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４５】
そして、Ｒ３１〜Ｒ３３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
【００４６】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ３１がエチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がプロピル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がブチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキサデシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００４７】
また、次式（６）で表されるピリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４８】
【化４２】
【００４９】
（式中のＲ４１〜Ｒ４４は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００５０】
そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００５１】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ４１がエチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるもの、Ｒ４１がブチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４３がメチル基でありＲ４４が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４４がメチル基でありＲ４３が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がエチル基であるもの、Ｒ４１がヘキシル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４１がオクチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２およびＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００５２】
更に、次式（７）で表されるピロリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５３】
【化４３】
【００５４】
（式中のＲ５１及びＲ５２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００５５】
そして、Ｒ５１及びＲ５２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００５６】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ５１がメチル基であり、Ｒ５２がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、ヘキシル基であるもの、オクチル基であるもの、Ｒ５１がエチル基であり、Ｒ５２がブチル基であるもの、Ｒ５１及びＲ５２がプロピル基、ブチル基、ヘキシル基であるものなどを挙げることができる。
【００５７】
また、次式（８）で表されるアンモニウム誘導体カチオン（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５８】
【化４４】
【００５９】
（式中のＲ６１〜Ｒ６４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００６０】
そして、Ｒ６１〜Ｒ６４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００６１】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ６１〜Ｒ６４がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、Ｒ６１がメチル基であり、Ｒ６２〜Ｒ６４がオクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００６２】
更に、次式（９）で表されるホスフォニウム誘導体カチオン（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００６３】
【化４５】
【００６４】
（式中のＲ７１〜Ｒ７４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００６５】
そして、Ｒ７１〜Ｒ７４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
【００６６】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ７１がメチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、Ｒ７１がエチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１〜Ｒ７４がブチル基であるものやオクチル基であるもの、Ｒ７１がテトラデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、Ｒ７１がヘキサデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１がベンジル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がフェニル基であるものなどを挙げることができる。
【００６７】
また、次式（１０）で表されるグアニジウム誘導体カチオン（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００６８】
【化４６】
【００６９】
（式中のＲ８１〜Ｒ８６は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００７０】
そして、Ｒ８１〜Ｒ８６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などを挙げることができる。
【００７１】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ８１〜Ｒ８６の全てが水素であるものやメチル基であるもの、Ｒ８１がエチル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がイソプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８６がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００７２】
更に、次式（１１）で表されるイソウロニウム誘導体カチオン（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００７３】
【化４７】
【００７４】
（式中のＲ９１〜Ｒ９５は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示し、Ａ９は酸素原子又は硫黄原子を示す。）を挙げることができる。
【００７５】
そして、Ｒ９１〜Ｒ９５としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基などを挙げることができる。
【００７６】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ａ９が酸素原子（Ｏ）であって、Ｒ９１〜Ｒ９５の全てがメチル基であるものやＲ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるもの、Ａ９が硫黄原子（Ｓ）であって、Ｒ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００７７】
一方、上記分子性アニオンとしては、例えば硫酸アニオン［ＳＯ４２−］、硫酸一水素アニオン［ＨＳＯ４−］又は次式（１２）で表される硫酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆａｔｅｓ ａｎｉｏｎ）；
【００７８】
【化４８】
【００７９】
（式中のＲ１０１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００８０】
そして、Ｒ１０１としては、上述したＲ１１と同様のものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００８１】
また、代表的な具体例としては、Ｒ１０１がメチル基やエチル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００８２】
また、次式（１３）で表されるスルホン酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ ａｎｉｏｎ）；
【００８３】
【化４９】
【００８４】
（式中のＲ１１１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基、更にはそのフッ素置換体を示す。）を挙げることができる。
【００８５】
そして、代表的な具体例としては、Ｒ１１１がフッ素置換されたメチル基（トリフルオロメタンサルフォネートアニオンに相当）であるもの、更にはｐ−トリル基（ｐ−トルエンスルホン酸アニオンに相当）であるものを挙げることができる。
【００８６】
更に、次式（１４）、（１５）、（１）又は（２）で表されるアミドアニオン（Ａｍｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）又はイミドアニオン（Ｉｍｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）；
【００８７】
【化５０】
【００８８】
【化５１】
【００８９】
【化５２】
【００９０】
【化５３】
【００９１】
を挙げることができる。なお、式（２）のものを「ＴＦＳＩ」と略記することがある。
なお、アミドアニオンやイミドアニオンについては必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００９２】
また、次式（１６）及び（１７）で表されるメタンアニオン（Ｍｅｔｈａｎｅｓ Ａｎｉｏｎ）；
【００９３】
【化５４】
【００９４】
【化５５】
【００９５】
を挙げることができる。
なお、メタンアニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００９６】
また、次式（１８）〜（２４）で表されるホウ素含有化合物アニオン；
【００９７】
【化５６】
【００９８】
【化５７】
【００９９】
【化５８】
【０１００】
【化５９】
【０１０１】
【化６０】
【０１０２】
【化６１】
【０１０３】
【化６２】
【０１０４】
を挙げることができる。
なお、ホウ素含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１０５】
更に、次式（２５）〜（３３）で表されるリン含有化合物アニオン；
【０１０６】
【化６３】
【０１０７】
【化６４】
【０１０８】
【化６５】
【０１０９】
【化６６】
【０１１０】
【化６７】
【０１１１】
【化６８】
【０１１２】
【化６９】
【０１１３】
【化７０】
【０１１４】
【化７１】
【０１１５】
を挙げることができる。
なお、リン含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。また、上記の式（３１）や（３２）に示すような多価アニオンも好適に使用できる。
【０１１６】
更に、次式（３４）又は（３５）で表されるカルボン酸アニオン；
【０１１７】
【化７２】
【０１１８】
【化７３】
【０１１９】
を挙げることができる。
なお、カルボン酸アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１２０】
更に、次式（３６）又は（３７）で表される金属元素含有アニオン；
【０１２１】
【化７４】
【０１２２】
【化７５】
【０１２３】
を挙げることができる。
なお、金属元素含有アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１２４】
上述のような分子性イオン成分を含む電解質材料を採用すれば、カチオン成分とアニオン成分の組合せの自由度が大きい外、材料選択の幅も拡大できる。
また、本発明の燃料電池用電解質組成物を燃料電池に適用するときは、当該電解質材料を好適化することが容易となり、エネルギーデバイスへの実際の適用性を向上できる。
但し、本発明においては、カチオン成分及びアニオン成分の少なくとも一方が分子性であれば、このような利点を享有できる。
【０１２５】
また、疎水性電解質層、親水性電解質層のいずれか一方又は双方においては、電解質材料を、上述の如き分子性カチオンと分子性アニオンの常温溶融塩で構成できる。
このとき、常温溶融塩は、高温においても蒸気圧をほとんど示さないため、高温での利用が可能である。
かかる常温溶融塩は、一般に「イオン性液体」と称されており、常温溶融塩であるがゆえに蒸気圧が極めて低く、蒸発し難い。
また、難燃性で、熱分解温度が通例２５０℃以上と高く、凝固点も通例は−２０℃以下であり、安定性に優れた材料である。
特に、燃料電池用電解質として用いた場合は、運転時の幅広い温度域で液体状態であり、イオン伝導性が優れるため、優れた発電特性を得ることができる。
【０１２６】
ここで、疎水性電解質層、親水性電解質層の双方に、上述の分子性カチオンと分子性アニオンの常温溶融塩を含める場合、常温溶融塩の飽和含水量を比較して、飽和含水量の多い常温溶融塩を親水性電解質層に含めることで、親水性電解質層内での水の含有量のコントロールがし易くなるため、好ましい。また、飽和含水量の少ない常温溶融塩を疎水性電解質層に含めることで、親水性電解質層からの水の散逸を防ぐ効果が得られ好ましい。
【０１２７】
また、親水性電解質層には、分子性アニオンとして、ＣＦ３ＳＯ３−、（ＨＦ）ｎＦ−（ｎは１〜３の実数）、ＨＳＯ４−又はＨ２ＰＯ４−、及びこれらの任意の組合せに係るものを含めることが好適である。
これらは、高い親水性を有する電解質材料であり、水と共存し易いことから、系内の水分を一定量に保持しやすい。よって、水による発電特性の向上効果が安定的に得られる。
【０１２８】
更に、疎水性電解質層には、分子性アニオンとして、上記の式（１）及び（２）のいずれか一方又は双方を含めることが好適である。
これらの分子性アニオンは、高い疎水性を有する電解質材料であることから、親水性電解質層中の水の保持能が高くなり易い。よって、水による発電特性の向上効果が安定的に得られる。
【０１２９】
また、疎水性電解質層には、分子性カチオンとして、上記の式（３）〜（１１）において、式中のＲ１１〜Ｒ９５の少なくとも１つが炭素数４以上であるカチオン成分を単独で又は混合して含有させ、且つ分子性アニオン成分として、ＰＦ６−を含有させることが親水性電解質層中の水の保持能が高くなり易いという観点から好適である。
【０１３０】
更に、親水性電解質層には、分子性カチオンとして、上記の式（３）〜（１１）において、式中のＲ１１〜Ｒ９５の全てが炭素数３以下であるカチオン成分を単独で又は混合して含有させ、且つ分子性アニオン成分として、ＰＦ６−を含有させることが系内の水分を一定量に保持しやすいという観点から好適である。
上記のように全ての炭素数が３以下の場合には、疎水基として機能するカチオン成分のアルキル基が減少するため、ＰＦ６−と組合わせることにより親水性電解質層に適用することができる。
【０１３１】
また、疎水性電解質層には、分子性カチオンとして、上記の式（３）〜（１１）と同様の構成を有するものであって、Ｒ１１〜Ｒ９５の少なくとも１つが炭素数８以上であるカチオン成分を単独又は混合して含有させ、且つ分子性アニオンとして、ＢＦ４−を含有させることが親水性電解質層中の水の保持能が高くなり易いという観点から好適である。
【０１３２】
更に、親水性電解質層には、分子性カチオンとして、上記の式（３）〜（１１）と同様の構成を有するものであって、Ｒ１１〜Ｒ９５の全てが炭素数７以下であるカチオン成分を単独又は混合して含有させ、且つ分子性アニオンとして、ＢＦ４−を含有させることが系内の水分を一定量に保持しやすいという観点から好適である。
上記のように全ての炭素数が７以下の場合には、疎水基として機能するカチオン成分のアルキル基が減少するため、ＢＦ４−と組合わせることにより親水性電解質層に適用することができる。
【０１３３】
次に、本発明の燃料電池及び燃料電池システムについて説明する。
上述の如く、本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用電解質組成物を用い、当該燃料電池用電解質組成物を、電極で挟持した構造を有するものである。
このときは、上記燃料電池用電解質組成物が、電極との親和性に優れた親水性の電解質層を電解質に対する面に備え、更に一定量の水分を系内にとどめていることから、優れたイオン伝導性が継続されるので、高い発電特性が得られる。
【０１３４】
具体的な構成としては、例えば、燃料電池用電解質組成物が疎水性電解質層と親水性電解質層の３層から成るときは、図１に示すような構成となる。
また、疎水性電解質層と親水性電解質層の５層から成るときは、図２に示すような構成となる。
【０１３５】
上記電極を構成する電極触媒層には、電極材料として、例えば、ランタンコバルト系酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３など）やランタンマンガン系酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３など）等の空気極材料、ニッケルやニッケルサーメットや白金等の燃料極材料を使用できる。
また、改質触媒として、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）及び鉄（Ｆｅ）などの８族遷移金属や、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化タングステン（ＷＯ２、ＷＯ３など）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）及び酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）などの金属酸化物を使用できる。
【０１３６】
更に、上記電極を構成するガス拡散層としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスなどを使用できる。
【０１３７】
また、この燃料電池を単セルとしてスタッキングすることなどにより、燃料電池（発電）システムを構築することも可能であるが、このシステムが高い発電力を発揮することはいうまでもない。
【０１３８】
なお、イオン性液体を電解質材料として用いると、１００℃以上における発電が可能になるので、自動車などの移動体に搭載した場合、ラジエターの負荷を従来のＰＥＦＣに比べて低減することができる。
この結果、ラジエターを小型化できるのみならず、発電システムが占有する容積を低減したり、軽量化することも可能になる。
【実施例】
【０１３９】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明する。
【０１４０】
（実施例１）
（１）３層構造からなる燃料電池用電解質組成物の調製
２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）に親水性のイオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４（ＨＥＭＡ：ＥＭＩｍＢＦ４＝６：４（モル比））を加え、更にラジカル重合開始剤として過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）を０．５％加えた後、型に流し込み８０℃で１２時間重合反応を行った。反応終了後、室温／３時間乾燥＋１００℃／１２時間減圧乾燥を行い、親水性電解質層を作製した（膜厚１０μｍ）。
上記と同様の方法で、膜厚の異なる親水性電解質層を作製し、更に作製した親水性電解質層に親水性電解質層のＥＭＩｍＢＦ４含有量に対して１０％の水を滴下し、含浸させた（膜厚５０μｍ）。
【０１４１】
疎水性電解質層は、疎水性のイオン性液体として、ＥＭＩｍＴＦＳＩを使用し、親水性電解質層と同様の方法で作製した（膜厚１０μｍ）。
【０１４２】
ＥＭＩｍＴＦＳＩを用いた疎水性電解質層をＥＭＩｍＢＦ４を用いた２つの親水性電解質層で狭持し、本例の電解質組成物を得た。
【０１４３】
（２）３層構造からなる燃料電池用電解質の燃料電池発電試験
燃料電池発電試験の評価装置を図３に示す。電極触媒としては、４０％白金担持カーボン触媒（田中貴金属社製）１５０重量部、グリセロール１重量部、５％ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）溶液１重量部を水７５０重量部に加え、超音波により分散させた。
【０１４４】
この電極触媒を白金量が２ｍｇ／ｃｍ２となるように撥水処理済カーボンペーパー（ガス拡散層、東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ０９０）に塗布し乾燥させることで電極触媒層付きガス拡散層から成る電極を作製した（電極面積４ｃｍ２）。
【０１４５】
本例の電解質組成物の両端から電極を接触させることでＭＥＡを作製し、単セルを構成した（図１参照。）。
膜厚５０μｍの水を含浸させた親水性電解質層を空気極（酸素極）側、膜厚１０μｍの親水性電解質層を燃料極（水素極）側に配置し（図３参照。）、酸素及び水素をセル内にフローし発電試験を行った。
【０１４６】
（実施例２）
（１）５層構造からなる燃料電池用電解質組成物の調製
実施例１と同様の操作を繰返して、親水性電解質層を作製した。即ち、親水性のイオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４を使用し、膜厚１０μｍの親水性電解質層を２つ作製した。 また、親水性のイオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４を使用し、異なる膜厚の親水性電解質層を１つ作製し、更に、作製した親水性電解質層のＥＭＩｍＢＦ４含有量に対して１０％の水を滴下し、電解質膜に含浸させた（膜厚５０μｍ）。
【０１４７】
疎水性電解質層は、疎水性のイオン性液体として、ＥＭＩｍＴＦＳＩを使用し、同様の方法で２つの電解質膜を作製した（膜厚１０μｍ）。
【０１４８】
膜厚５０μｍの水を含浸させた親水性電解質層の一方の面に膜厚１０μｍのＥＭＩｍＴＦＳＩを用いた疎水性電解質層とＥＭＩｍＢＦ４を用いた親水性電解質層とを積層し、他方の面に膜厚１０μｍのＥＭＩｍＴＦＳＩを用いた疎水性電解質層とＥＭＩｍＢＦ４を用いた親水性電解質層とを積層し、水を含浸させた親水性電解質層が５層構造の中央になるようにして、５層構造の本例の電解質組成物を得た。
【０１４９】
（２）５層構造からなる燃料電池用電解質の燃料電池発電試験
実施例１と同様の操作を繰返して、電極を作製した。本例の電解質組成物の両端から電極を接触させることでＭＥＡを作製し、単セルを構成した（図２参照。）。
図３に示すように、水素及び酸素をセル内にフローし発電試験を行った。
【０１５０】
（比較例１）
（１）電解質膜の調製
電解質膜の作製は、実施例１と同様の方法で行い、イオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４を使用した（膜厚７０μｍ）。
【０１５１】
（２）燃料電池発電試験
実施例１と同様の操作を繰返して、電極を作製した。ＥＭＩｍＢＦ４を用いた電解質膜の両端から電極を接触させることでＭＥＡを作製し、単セルを構成した。
図３に示すように、水素及び酸素をセル内にフローし発電試験を行った。
【０１５２】
本発明の範囲に属する実施例１及び実施例２では、比較例１に比べて、水の添加効果と、電極と電解質の抵抗過電圧低減と、による発電特性の向上が認められた。
このことは、図４に示す、実施例１と比較例１における発電試験の結果からも明らかである。
【０１５３】
以上、本発明を若干の実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、実施例では、単一組成のイオン性液体を電解質として用いたが、２種類以上のイオン性液体を混合して使用してもよい。
また、イミダゾールのようなオニウム塩となっていないものを混合してもよい。この場合、イミダゾールの非共有結合電子対を持つ窒素原子（Ｎ）もイオン伝導に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】燃料電池用電解質組成物を適用した燃料電池構成の一例を概略的に示す断面図である。
【図２】燃料電池用電解質組成物を適用した燃料電池構成の他の例を概略的に示す断面図である。
【図３】発電試験装置の仕様を示す概略図である。
【図４】実施例における発電特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５５】
１ 燃料電池用電解質組成物
２ 親水性電解質層
４ 疎水性電解質層
１０ 電極
１２ 電極触媒層
１４ ガス拡散層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムに係り、更に詳細には、所定の親水性電解質を表面及び裏面に備えた積層構造型燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムに関する。
【０００２】
かかる電解質組成物は、燃料電池の電解質膜として用いるのに有用である。
【背景技術】
【０００３】
従来から、イオン性液体を含む電解質を適用した燃料電池が提案されており、イオン性液体を用いたプロトン伝導体を適用し、無加湿運転を前提とする燃料電池が知られている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−１２３７９１号公報
【０００４】
また、疎水性アニオンと疎水性カチオンから成るイオン性液体を適用し、イオン性液体への水の混入を防ぐ燃料電池も知られている（特許文献２参照。）。
【特許文献２】特表２００３−５３５４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、イオン性液体を電解質として燃料電池に適用する場合には、水を含ませないで使用することを前提としていた。
また、水の混入により燃料電池の性能が悪化するという報告もあった。
【０００６】
これに対して、本発明者らは、親水性のイオン性液体を含む電解質を燃料電池に適用したところ、水の存在時にプロトン伝導性が向上し、燃料電池の性能が向上するという新たな技術知見を得た。
但し、系内の水分量を一定条件下で保持させることが困難であった。即ち、燃料電池の性能を安定化させることが困難であった。
【０００７】
また、本発明者らは、疎水性の電解質層と電極との親和性が良好となり難く、燃料電池の性能が十分に発揮されないことがあり、燃料電池用電解質組成物と電極との親和性を考慮することにより、燃料電池の性能が向上するという新たな技術知見を得た。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する課題及び新たな技術知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、電極との親和性に優れ、系内からの水の散逸を抑制し、良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得る燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、疎水性の電解質層と親水性の電解質層とを並設し、更に電極と親水性の電解質層が並設されるような構成とすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明の燃料電池用電解質組成物は、疎水性の電解質層と、親水性の電解質層を備え、これらが積層構造を成している電解質組成物であって、当該電解質組成物の表面及び裏面が、該親水性の電解質層であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃料電池用電解質組成物の好適形態では、３層の積層構造であって、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層及び第２の親水性電解質層の順に積層されていることを特徴とする。
更に、本発明の燃料電池用電解質組成物の他の好適形態では、５層の積層構造であって、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層、第２の親水性電解質層、第２の疎水性電解質層及び第３の親水性電解質層の順に積層されていることを特徴とする。
【００１２】
更にまた、本発明の燃料電池用電解質組成物の更に他の好適形態は、疎水性電解質層及び／又は親水性電解質層が、分子性カチオン及び分子性アニオンを含有すること、更には、常温溶融塩を含有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用電解質組成物を用いた燃料電池であって、燃料電池用電解質組成物が、電極で狭持されていることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明の燃料電池システムは、上記本発明の燃料電池を単セルとして備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、疎水性の電解質層と親水性の電解質層とを並設し、更に電極と親水性の電解質層が並設されるような構成とすることなどとしたため、電極との親和性に優れ、系内からの水の散逸を抑制し、良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得る燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池用電解質組成物について詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００１７】
上述の如く、本発明の燃料電池用電解質組成物は、親水性の電解質層と、疎水性の電解質層を備え、これらが積層構造を成し、当該電解質組成物の表面及び裏面が、該親水性の電解質層であるものである。
【００１８】
このような構成とすることにより、電極と組合わせた際には親和性に優れると共に、電解質内に水が保持されることから、燃料電池の電解質として適用するときは、継続的に優れた発電特性が得られる。
また、上記疎水性電解質層は、親水性電解質層に含まれた水が燃料極側から散逸してしまうのを抑制する。
更に、上記親水性電解質層は、空気極と直接接触させることで、空気極側で生成した水を効率良く利用できる。
【００１９】
また、親水性電解質層の含水量は、０．０１％以上５０％以下であることが望ましい。含水量が５０％を超えると、親水性電解質層から電解質が流出するおそれがある。含水量が０．０１％より少ないと、含水量が不十分となり目的とする効果が得られないことがある。
更に、含水量が２５％以下であることがより望ましく、親水性電解質層内での水の吸放出の制御が容易となる。
更にまた、含水量が１０％以下であることが特に望ましく、電解質内での水の吸収による電解質膜の形状変化を抑制しやすくなり、取り扱い易くなる。
【００２０】
また、本発明において、３層の積層構造の場合には、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層及び第２の親水性電解質層の順に積層すること、具体的には、疎水性電解質層を親水性電解質層で挟持することが望ましい。
このときは、電極と組合わせた際には親和性に優れると共に、電解質内に水が保持されることから、燃料電池の電解質として適用するときは、継続的に優れた発電特性が得られる。また、親水性電解質層に水を添加、保持することが容易になり、当該燃料電池用電解質組成物内におけるプロトン伝導性を向上させることができる。
【００２１】
更に、このとき、燃料電池用電解質組成物内に所望の水分量を保持する観点から、上記親水性電解質層及び上記疎水性電解質層の層厚を適宜調整することができる。
【００２２】
３層の積層構造においては、空気極側に配置された第１又は第２の親水性電解質層の厚みを１００としたときの相対値で、第１の疎水性電解質層及び燃料極側に配置された他方の第１又は第２の親水性電解質層の厚みは１〜１００とすることが望ましい。
第１の疎水性電解質層の厚みが１未満であると、空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層からの水の散逸を十分に抑制できないおそれがある。一方、第１の疎水性電解質層の厚みが１００超であると、空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層に対する第１の疎水性電解質層の相対的な厚みが厚いため、空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層に水を添加した効果が低下するおそれがある。空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層に水を添加した効果を十分に得ることを考慮すると、第１の疎水性電解質層の厚みは５０以下であることがより望ましい。また、他方の燃料極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層の厚みが１未満であると、電極との親和性が十分に得られないおそれがある。一方、他方の第１又は第２の親水性電解質層の厚みが１００を超えると、空気極側に配置される第１又は第２の親水性電解質層に水を添加した効果が低下するおそれがある。
【００２３】
更に、本発明において、疎水性電解質層を挟持する親水性電解質層は、同一の成分から成る即ち同種の材料で構成しても、異種の材料で構成してもよい。
同一の成分、具体的には同種の材料で構成するときは、同一の電解質材料を使用するので作製が容易になり、製造コストを低減できる。
また、異種の材料で構成するときは、燃料極、空気極での反応に適した材料を選択できる。更に、電解質内に水分がより長期間保持されるように設計できる。したがって、起動時を含めて、継続的に優れた発電特性を得ることが可能となる。また、停止状態で親水性電解質層中から水分が散逸するのを効果的に抑制できる。
【００２４】
また、本発明において、５層の積層構造の場合には、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層、第２の親水性電解質層、第２の疎水性電解質層及び第３の親水性電解質層の順に積層すること、具体的には、親水性電解質層を疎水性電解質層で狭持し、更にこれを他の親水性電解質層で狭持することが望ましい。
このときは、電極と組合わせた際には親和性に優れると共に、電解質内により水が保持されることから、燃料電池の電解質として適用するときは、継続的に優れた発電特性が得られる。また、親水性電解質層に水を添加、保持することが更に容易になり（第２の親水性電解質層に水を保持し易い。）、当該燃料電池用電解質組成物内におけるプロトン伝導性を向上させることができる。
【００２５】
更に、このときも、燃料電池用電解質組成物内に所望の水分量を保持する観点から、上記親水性電解質層及び上記疎水性電解質層の層厚を適宜調整することができる。
【００２６】
５層の積層構造においては、５層の中央に配置された第２の親水性電解質層の厚みを１００としたときの相対値で、第１及び第２の疎水性電解質層、第１及び第３の親水性電解質層の厚みは１〜１００とすることが望ましい。
第１及び第２の疎水性電解質層の厚みが１未満であると、５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層からの水の散逸を十分に抑制できないおそれがある。一方、第１及び第２の疎水性電解質層の厚みが１００超であると、５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層に対する第１及び第２の疎水性電解質層の相対的な厚みが厚いため、５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層に水を添加した効果が低下するおそれがある。５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層に水を添加した効果を十分に得ることを考慮すると、第１及び第２の疎水性電解質層の厚みは５０以下であることがより望ましい。また、空気極及び燃料極側に配置される第１及び第３の親水性電解質層の厚みが１未満であると、電極との親和性が十分に得られないおそれがある。一方、空気極及び燃料極側に配置される第１又は第３の親水性電解質層の厚みが１００を超えると、５層構造の中央に配置される第２の親水性電解質層に水を添加した効果が低下するおそれがある。
【００２７】
更に、本発明において、第１の親水性電解質層、第２の親水性電解質層又は第３の親水性電解質層のうち少なくとも２層が同一成分から成ること、並びに第１の疎水性電解質層及び第２の疎水性電解質層が同一成分から成ることのいずれか一方又は双方であることが望ましい。
上述したように、同一の成分、具体的には同種の材料で構成するときは、同一の電解質材料を使用するので作製が容易になり、製造コストを低減できる。一方で、上述したような理由から、異種の材料で構成してもよい。
【００２８】
また、本発明においては、親水性電解質層及び疎水性電解質層の一方又は双方がカチオン成分及びアニオン成分を含有することが望ましい。
更に、本発明において、カチオン成分、アニオン成分のいずれか一方又は双方が、分子性であることが好適である。
【００２９】
このときは、目的に合わせて、多様なイオンの組み合わせを採用できるので有効である。
即ち、使用用途にあわせて、イオン伝導性、電気的耐性、安全性、耐熱性などの特性の異なる電解質材料が選択、利用可能となり、特に燃料電池用電解質として用いた場合は、優れた特性を得ることができる。
【００３０】
ここで、電解質材料として使用できるカチオン成分及びアニオン成分としては、単独の原子から形成される単原子性（原子性）のものと、複数個の原子から形成される多原子性（例えば、分子性）のものに大別でき、本発明ではいずれも使用可能である。
【００３１】
原子性のカチオン成分とアニオン成分を含有する電解質としては、代表的に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などが挙げられ、これらは高温で溶融塩状体となってイオン伝導性を発揮する。
また、原子性アニオン成分としては、代表的にハロゲン化物アニオン（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）であるフッ素アニオン［Ｆ−］や塩素アニオン［Ｃｌ−］、臭素アニオン［Ｂｒ−］、ヨウ素アニオン［Ｉ−］を挙げることができる。
【００３２】
ここで、分子性のカチオン成分とアニオン成分について、以下に具体例を挙げて説明する。
なお、本発明においては、以下に示すカチオン成分とアニオン成分を適宜組合わせて用いることができる。
【００３３】
上記カチオン成分の一種である分子性カチオンとしては、例えばイミダゾリウム誘導体カチオン、より具体的には次式（３）で表される一置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｍｏｎｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３４】
【化３９】
【００３５】
（式中のＲ１１は、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００３６】
そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基やブチル基などを挙げることができる。
【００３７】
また、次式（４）で表される二置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｄｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３８】
【化４０】
【００３９】
（式中のＲ２１及びＲ２２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４０】
そして、Ｒ２１及びＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
【００４１】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ２１がメチル基であり、Ｒ２２がメチル基、エチル基（ＥＭＩｍに相当）、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基であるものや、Ｒ２１がエチル基であり、Ｒ２２がブチル基であるものなどを挙げることができる。
【００４２】
更に、次式（５）で表される三置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｔｒｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４３】
【化４１】
【００４４】
（式中のＲ３１〜Ｒ３３は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４５】
そして、Ｒ３１〜Ｒ３３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
【００４６】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ３１がエチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がプロピル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がブチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキサデシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００４７】
また、次式（６）で表されるピリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４８】
【化４２】
【００４９】
（式中のＲ４１〜Ｒ４４は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００５０】
そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００５１】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ４１がエチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるもの、Ｒ４１がブチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４３がメチル基でありＲ４４が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４４がメチル基でありＲ４３が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がエチル基であるもの、Ｒ４１がヘキシル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４１がオクチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２およびＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００５２】
更に、次式（７）で表されるピロリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５３】
【化４３】
【００５４】
（式中のＲ５１及びＲ５２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００５５】
そして、Ｒ５１及びＲ５２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００５６】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ５１がメチル基であり、Ｒ５２がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、ヘキシル基であるもの、オクチル基であるもの、Ｒ５１がエチル基であり、Ｒ５２がブチル基であるもの、Ｒ５１及びＲ５２がプロピル基、ブチル基、ヘキシル基であるものなどを挙げることができる。
【００５７】
また、次式（８）で表されるアンモニウム誘導体カチオン（Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５８】
【化４４】
【００５９】
（式中のＲ６１〜Ｒ６４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００６０】
そして、Ｒ６１〜Ｒ６４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００６１】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ６１〜Ｒ６４がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、Ｒ６１がメチル基であり、Ｒ６２〜Ｒ６４がオクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００６２】
更に、次式（９）で表されるホスフォニウム誘導体カチオン（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００６３】
【化４５】
【００６４】
（式中のＲ７１〜Ｒ７４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００６５】
そして、Ｒ７１〜Ｒ７４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
【００６６】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ７１がメチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、Ｒ７１がエチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１〜Ｒ７４がブチル基であるものやオクチル基であるもの、Ｒ７１がテトラデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、Ｒ７１がヘキサデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１がベンジル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がフェニル基であるものなどを挙げることができる。
【００６７】
また、次式（１０）で表されるグアニジウム誘導体カチオン（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００６８】
【化４６】
【００６９】
（式中のＲ８１〜Ｒ８６は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００７０】
そして、Ｒ８１〜Ｒ８６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などを挙げることができる。
【００７１】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ８１〜Ｒ８６の全てが水素であるものやメチル基であるもの、Ｒ８１がエチル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がイソプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８６がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００７２】
更に、次式（１１）で表されるイソウロニウム誘導体カチオン（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｃａｔｉｏｎ）；
【００７３】
【化４７】
【００７４】
（式中のＲ９１〜Ｒ９５は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示し、Ａ９は酸素原子又は硫黄原子を示す。）を挙げることができる。
【００７５】
そして、Ｒ９１〜Ｒ９５としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基などを挙げることができる。
【００７６】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ａ９が酸素原子（Ｏ）であって、Ｒ９１〜Ｒ９５の全てがメチル基であるものやＲ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるもの、Ａ９が硫黄原子（Ｓ）であって、Ｒ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００７７】
一方、上記分子性アニオンとしては、例えば硫酸アニオン［ＳＯ４２−］、硫酸一水素アニオン［ＨＳＯ４−］又は次式（１２）で表される硫酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆａｔｅｓ ａｎｉｏｎ）；
【００７８】
【化４８】
【００７９】
（式中のＲ１０１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００８０】
そして、Ｒ１０１としては、上述したＲ１１と同様のものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００８１】
また、代表的な具体例としては、Ｒ１０１がメチル基やエチル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００８２】
また、次式（１３）で表されるスルホン酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ ａｎｉｏｎ）；
【００８３】
【化４９】
【００８４】
（式中のＲ１１１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基、更にはそのフッ素置換体を示す。）を挙げることができる。
【００８５】
そして、代表的な具体例としては、Ｒ１１１がフッ素置換されたメチル基（トリフルオロメタンサルフォネートアニオンに相当）であるもの、更にはｐ−トリル基（ｐ−トルエンスルホン酸アニオンに相当）であるものを挙げることができる。
【００８６】
更に、次式（１４）、（１５）、（１）又は（２）で表されるアミドアニオン（Ａｍｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）又はイミドアニオン（Ｉｍｉｄｅｓ Ａｎｉｏｎ）；
【００８７】
【化５０】
【００８８】
【化５１】
【００８９】
【化５２】
【００９０】
【化５３】
【００９１】
を挙げることができる。なお、式（２）のものを「ＴＦＳＩ」と略記することがある。
なお、アミドアニオンやイミドアニオンについては必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００９２】
また、次式（１６）及び（１７）で表されるメタンアニオン（Ｍｅｔｈａｎｅｓ Ａｎｉｏｎ）；
【００９３】
【化５４】
【００９４】
【化５５】
【００９５】
を挙げることができる。
なお、メタンアニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００９６】
また、次式（１８）〜（２４）で表されるホウ素含有化合物アニオン；
【００９７】
【化５６】
【００９８】
【化５７】
【００９９】
【化５８】
【０１００】
【化５９】
【０１０１】
【化６０】
【０１０２】
【化６１】
【０１０３】
【化６２】
【０１０４】
を挙げることができる。
なお、ホウ素含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１０５】
更に、次式（２５）〜（３３）で表されるリン含有化合物アニオン；
【０１０６】
【化６３】
【０１０７】
【化６４】
【０１０８】
【化６５】
【０１０９】
【化６６】
【０１１０】
【化６７】
【０１１１】
【化６８】
【０１１２】
【化６９】
【０１１３】
【化７０】
【０１１４】
【化７１】
【０１１５】
を挙げることができる。
なお、リン含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。また、上記の式（３１）や（３２）に示すような多価アニオンも好適に使用できる。
【０１１６】
更に、次式（３４）又は（３５）で表されるカルボン酸アニオン；
【０１１７】
【化７２】
【０１１８】
【化７３】
【０１１９】
を挙げることができる。
なお、カルボン酸アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１２０】
更に、次式（３６）又は（３７）で表される金属元素含有アニオン；
【０１２１】
【化７４】
【０１２２】
【化７５】
【０１２３】
を挙げることができる。
なお、金属元素含有アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１２４】
上述のような分子性イオン成分を含む電解質材料を採用すれば、カチオン成分とアニオン成分の組合せの自由度が大きい外、材料選択の幅も拡大できる。
また、本発明の燃料電池用電解質組成物を燃料電池に適用するときは、当該電解質材料を好適化することが容易となり、エネルギーデバイスへの実際の適用性を向上できる。
但し、本発明においては、カチオン成分及びアニオン成分の少なくとも一方が分子性であれば、このような利点を享有できる。
【０１２５】
また、疎水性電解質層、親水性電解質層のいずれか一方又は双方においては、電解質材料を、上述の如き分子性カチオンと分子性アニオンの常温溶融塩で構成できる。
このとき、常温溶融塩は、高温においても蒸気圧をほとんど示さないため、高温での利用が可能である。
かかる常温溶融塩は、一般に「イオン性液体」と称されており、常温溶融塩であるがゆえに蒸気圧が極めて低く、蒸発し難い。
また、難燃性で、熱分解温度が通例２５０℃以上と高く、凝固点も通例は−２０℃以下であり、安定性に優れた材料である。
特に、燃料電池用電解質として用いた場合は、運転時の幅広い温度域で液体状態であり、イオン伝導性が優れるため、優れた発電特性を得ることができる。
【０１２６】
ここで、疎水性電解質層、親水性電解質層の双方に、上述の分子性カチオンと分子性アニオンの常温溶融塩を含める場合、常温溶融塩の飽和含水量を比較して、飽和含水量の多い常温溶融塩を親水性電解質層に含めることで、親水性電解質層内での水の含有量のコントロールがし易くなるため、好ましい。また、飽和含水量の少ない常温溶融塩を疎水性電解質層に含めることで、親水性電解質層からの水の散逸を防ぐ効果が得られ好ましい。
【０１２７】
また、親水性電解質層には、分子性アニオンとして、ＣＦ３ＳＯ３−、（ＨＦ）ｎＦ−（ｎは１〜３の実数）、ＨＳＯ４−又はＨ２ＰＯ４−、及びこれらの任意の組合せに係るものを含めることが好適である。
これらは、高い親水性を有する電解質材料であり、水と共存し易いことから、系内の水分を一定量に保持しやすい。よって、水による発電特性の向上効果が安定的に得られる。
【０１２８】
更に、疎水性電解質層には、分子性アニオンとして、上記の式（１）及び（２）のいずれか一方又は双方を含めることが好適である。
これらの分子性アニオンは、高い疎水性を有する電解質材料であることから、親水性電解質層中の水の保持能が高くなり易い。よって、水による発電特性の向上効果が安定的に得られる。
【０１２９】
また、疎水性電解質層には、分子性カチオンとして、上記の式（３）〜（１１）において、式中のＲ１１〜Ｒ９５の少なくとも１つが炭素数４以上であるカチオン成分を単独で又は混合して含有させ、且つ分子性アニオン成分として、ＰＦ６−を含有させることが親水性電解質層中の水の保持能が高くなり易いという観点から好適である。
【０１３０】
更に、親水性電解質層には、分子性カチオンとして、上記の式（３）〜（１１）において、式中のＲ１１〜Ｒ９５の全てが炭素数３以下であるカチオン成分を単独で又は混合して含有させ、且つ分子性アニオン成分として、ＰＦ６−を含有させることが系内の水分を一定量に保持しやすいという観点から好適である。
上記のように全ての炭素数が３以下の場合には、疎水基として機能するカチオン成分のアルキル基が減少するため、ＰＦ６−と組合わせることにより親水性電解質層に適用することができる。
【０１３１】
また、疎水性電解質層には、分子性カチオンとして、上記の式（３）〜（１１）と同様の構成を有するものであって、Ｒ１１〜Ｒ９５の少なくとも１つが炭素数８以上であるカチオン成分を単独又は混合して含有させ、且つ分子性アニオンとして、ＢＦ４−を含有させることが親水性電解質層中の水の保持能が高くなり易いという観点から好適である。
【０１３２】
更に、親水性電解質層には、分子性カチオンとして、上記の式（３）〜（１１）と同様の構成を有するものであって、Ｒ１１〜Ｒ９５の全てが炭素数７以下であるカチオン成分を単独又は混合して含有させ、且つ分子性アニオンとして、ＢＦ４−を含有させることが系内の水分を一定量に保持しやすいという観点から好適である。
上記のように全ての炭素数が７以下の場合には、疎水基として機能するカチオン成分のアルキル基が減少するため、ＢＦ４−と組合わせることにより親水性電解質層に適用することができる。
【０１３３】
次に、本発明の燃料電池及び燃料電池システムについて説明する。
上述の如く、本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用電解質組成物を用い、当該燃料電池用電解質組成物を、電極で挟持した構造を有するものである。
このときは、上記燃料電池用電解質組成物が、電極との親和性に優れた親水性の電解質層を電解質に対する面に備え、更に一定量の水分を系内にとどめていることから、優れたイオン伝導性が継続されるので、高い発電特性が得られる。
【０１３４】
具体的な構成としては、例えば、燃料電池用電解質組成物が疎水性電解質層と親水性電解質層の３層から成るときは、図１に示すような構成となる。
また、疎水性電解質層と親水性電解質層の５層から成るときは、図２に示すような構成となる。
【０１３５】
上記電極を構成する電極触媒層には、電極材料として、例えば、ランタンコバルト系酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３など）やランタンマンガン系酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３など）等の空気極材料、ニッケルやニッケルサーメットや白金等の燃料極材料を使用できる。
また、改質触媒として、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）及び鉄（Ｆｅ）などの８族遷移金属や、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化タングステン（ＷＯ２、ＷＯ３など）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）及び酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）などの金属酸化物を使用できる。
【０１３６】
更に、上記電極を構成するガス拡散層としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスなどを使用できる。
【０１３７】
また、この燃料電池を単セルとしてスタッキングすることなどにより、燃料電池（発電）システムを構築することも可能であるが、このシステムが高い発電力を発揮することはいうまでもない。
【０１３８】
なお、イオン性液体を電解質材料として用いると、１００℃以上における発電が可能になるので、自動車などの移動体に搭載した場合、ラジエターの負荷を従来のＰＥＦＣに比べて低減することができる。
この結果、ラジエターを小型化できるのみならず、発電システムが占有する容積を低減したり、軽量化することも可能になる。
【実施例】
【０１３９】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明する。
【０１４０】
（実施例１）
（１）３層構造からなる燃料電池用電解質組成物の調製
２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）に親水性のイオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４（ＨＥＭＡ：ＥＭＩｍＢＦ４＝６：４（モル比））を加え、更にラジカル重合開始剤として過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）を０．５％加えた後、型に流し込み８０℃で１２時間重合反応を行った。反応終了後、室温／３時間乾燥＋１００℃／１２時間減圧乾燥を行い、親水性電解質層を作製した（膜厚１０μｍ）。
上記と同様の方法で、膜厚の異なる親水性電解質層を作製し、更に作製した親水性電解質層に親水性電解質層のＥＭＩｍＢＦ４含有量に対して１０％の水を滴下し、含浸させた（膜厚５０μｍ）。
【０１４１】
疎水性電解質層は、疎水性のイオン性液体として、ＥＭＩｍＴＦＳＩを使用し、親水性電解質層と同様の方法で作製した（膜厚１０μｍ）。
【０１４２】
ＥＭＩｍＴＦＳＩを用いた疎水性電解質層をＥＭＩｍＢＦ４を用いた２つの親水性電解質層で狭持し、本例の電解質組成物を得た。
【０１４３】
（２）３層構造からなる燃料電池用電解質の燃料電池発電試験
燃料電池発電試験の評価装置を図３に示す。電極触媒としては、４０％白金担持カーボン触媒（田中貴金属社製）１５０重量部、グリセロール１重量部、５％ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）溶液１重量部を水７５０重量部に加え、超音波により分散させた。
【０１４４】
この電極触媒を白金量が２ｍｇ／ｃｍ２となるように撥水処理済カーボンペーパー（ガス拡散層、東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ０９０）に塗布し乾燥させることで電極触媒層付きガス拡散層から成る電極を作製した（電極面積４ｃｍ２）。
【０１４５】
本例の電解質組成物の両端から電極を接触させることでＭＥＡを作製し、単セルを構成した（図１参照。）。
膜厚５０μｍの水を含浸させた親水性電解質層を空気極（酸素極）側、膜厚１０μｍの親水性電解質層を燃料極（水素極）側に配置し（図３参照。）、酸素及び水素をセル内にフローし発電試験を行った。
【０１４６】
（実施例２）
（１）５層構造からなる燃料電池用電解質組成物の調製
実施例１と同様の操作を繰返して、親水性電解質層を作製した。即ち、親水性のイオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４を使用し、膜厚１０μｍの親水性電解質層を２つ作製した。 また、親水性のイオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４を使用し、異なる膜厚の親水性電解質層を１つ作製し、更に、作製した親水性電解質層のＥＭＩｍＢＦ４含有量に対して１０％の水を滴下し、電解質膜に含浸させた（膜厚５０μｍ）。
【０１４７】
疎水性電解質層は、疎水性のイオン性液体として、ＥＭＩｍＴＦＳＩを使用し、同様の方法で２つの電解質膜を作製した（膜厚１０μｍ）。
【０１４８】
膜厚５０μｍの水を含浸させた親水性電解質層の一方の面に膜厚１０μｍのＥＭＩｍＴＦＳＩを用いた疎水性電解質層とＥＭＩｍＢＦ４を用いた親水性電解質層とを積層し、他方の面に膜厚１０μｍのＥＭＩｍＴＦＳＩを用いた疎水性電解質層とＥＭＩｍＢＦ４を用いた親水性電解質層とを積層し、水を含浸させた親水性電解質層が５層構造の中央になるようにして、５層構造の本例の電解質組成物を得た。
【０１４９】
（２）５層構造からなる燃料電池用電解質の燃料電池発電試験
実施例１と同様の操作を繰返して、電極を作製した。本例の電解質組成物の両端から電極を接触させることでＭＥＡを作製し、単セルを構成した（図２参照。）。
図３に示すように、水素及び酸素をセル内にフローし発電試験を行った。
【０１５０】
（比較例１）
（１）電解質膜の調製
電解質膜の作製は、実施例１と同様の方法で行い、イオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４を使用した（膜厚７０μｍ）。
【０１５１】
（２）燃料電池発電試験
実施例１と同様の操作を繰返して、電極を作製した。ＥＭＩｍＢＦ４を用いた電解質膜の両端から電極を接触させることでＭＥＡを作製し、単セルを構成した。
図３に示すように、水素及び酸素をセル内にフローし発電試験を行った。
【０１５２】
本発明の範囲に属する実施例１及び実施例２では、比較例１に比べて、水の添加効果と、電極と電解質の抵抗過電圧低減と、による発電特性の向上が認められた。
このことは、図４に示す、実施例１と比較例１における発電試験の結果からも明らかである。
【０１５３】
以上、本発明を若干の実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、実施例では、単一組成のイオン性液体を電解質として用いたが、２種類以上のイオン性液体を混合して使用してもよい。
また、イミダゾールのようなオニウム塩となっていないものを混合してもよい。この場合、イミダゾールの非共有結合電子対を持つ窒素原子（Ｎ）もイオン伝導に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】燃料電池用電解質組成物を適用した燃料電池構成の一例を概略的に示す断面図である。
【図２】燃料電池用電解質組成物を適用した燃料電池構成の他の例を概略的に示す断面図である。
【図３】発電試験装置の仕様を示す概略図である。
【図４】実施例における発電特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５５】
１ 燃料電池用電解質組成物
２ 親水性電解質層
４ 疎水性電解質層
１０ 電極
１２ 電極触媒層
１４ ガス拡散層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
親水性の電解質層と、疎水性の電解質層を備え、これらが積層構造を成している電解質組成物であって、
当該電解質組成物の表面及び裏面が、上記親水性の電解質層であることを特徴とする電解質組成物。
【請求項２】
３層の積層構造であって、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層及び第２の親水性電解質層の順に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の電解質組成物。
【請求項３】
上記第１の親水性電解質層及び第２の親水性電解質層が同一成分から成ることを特徴とする請求項２に記載の電解質組成物。
【請求項４】
５層の積層構造であって、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層、第２の親水性電解質層、第２の疎水性電解質層及び第３の親水性電解質層の順に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の電解質組成物。
【請求項５】
上記第１の親水性電解質層、第２の親水性電解質層及び第３の親水性電解質層から成る群より選ばれた少なくとも２層が同一成分から成ること、並びに／又は上記第１の疎水性電解質層及び第２の疎水性電解質層が同一成分から成ることを特徴とする請求項４に記載の電解質組成物。
【請求項６】
上記親水性電解質層及び／又は上記疎水性電解質層が、カチオン成分及びアニオン成分を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項７】
上記親水性電解質層が、分子性カチオン及び／又は分子性アニオンを含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項８】
上記疎水性電解質層が、分子性カチオン及び／又は分子性アニオンを含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項９】
上記親水性電解質層及び／又は上記疎水性電解質層が、常温溶融塩を含有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１０】
上記親水性電解質層が、ＣＦ３ＳＯ３−、（ＨＦ）ｎＦ−（ｎは１〜３の実数）、ＨＳＯ４−、及びＨ２ＰＯ４−から成る群より選ばれた少なくとも１種のアニオン成分を含有することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１１】
上記疎水性電解質層が、次式（１）及び／又は（２）
【化１】
【化２】
で表されるアニオン成分を含有することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１２】
上記疎水性電解質層が、次式（３）〜（１１）
【化３】
【化４】
【化５】
【化６】
【化７】
【化８】
【化９】
【化１０】
【化１１】
（式中のＲ１１〜Ｒ９５は、水素又は１価の有機基であって、少なくとも１つが炭素数４以上である。Ａ９は、酸素原子又は硫黄原子である。）で表されるカチオン成分から成る群より選ばれた少なくとも１種のカチオン成分を含有し、且つアニオン成分としてＰＦ６−を含有することを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１３】
上記親水性電解質層が、次式（３）〜（１１）
【化１２】
【化１３】
【化１４】
【化１５】
【化１６】
【化１７】
【化１８】
【化１９】
【化２０】
（式中のＲ１１〜Ｒ９５は、水素又は１価の有機基であって、全てが炭素数３以下である。Ａ９は、酸素原子又は硫黄原子である。）で表されるカチオン成分から成る群より選ばれた少なくとも１種のカチオン成分を含有し、且つアニオン成分としてＰＦ６−を含有することを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１４】
上記疎水性電解質層が、次式（３）〜（１１）
【化２１】
【化２２】
【化２３】
【化２４】
【化２５】
【化２６】
【化２７】
【化２８】
【化２９】
（式中のＲ１１〜Ｒ９５は、水素又は１価の有機基であって、少なくとも１つが炭素数８以上である。Ａ９は、酸素原子又は硫黄原子である。）で表されるカチオン成分から成る群より選ばれた少なくとも１種のカチオン成分を含有し、且つアニオン成分としてＢＦ４−を含有することを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１５】
上記親水性電解質層が、次式（３）〜（１１）
【化３０】
【化３１】
【化３２】
【化３３】
【化３４】
【化３５】
【化３６】
【化３７】
【化３８】
（式中のＲ１１〜Ｒ９５は、水素又は１価の有機基であって、全てが炭素数７以下である。Ａ９は、酸素原子又は硫黄原子である。）で表されるカチオン成分から成る群より選ばれた少なくとも１種のカチオン成分を含有し、且つアニオン成分としてＢＦ４−を含有することを特徴とする請求項６〜１４のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１つの項に記載の電解質組成物を用いた燃料電池であって、
電解質組成物が電極で狭持されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
請求項１６に記載の燃料電池を単セルとして備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
親水性の電解質層と、疎水性の電解質層を備え、これらが積層構造を成している電解質組成物であって、
当該電解質組成物の表面及び裏面が、上記親水性の電解質層であることを特徴とする電解質組成物。
【請求項２】
３層の積層構造であって、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層及び第２の親水性電解質層の順に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の電解質組成物。
【請求項３】
上記第１の親水性電解質層及び第２の親水性電解質層が同一成分から成ることを特徴とする請求項２に記載の電解質組成物。
【請求項４】
５層の積層構造であって、第１の親水性電解質層、第１の疎水性電解質層、第２の親水性電解質層、第２の疎水性電解質層及び第３の親水性電解質層の順に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の電解質組成物。
【請求項５】
上記第１の親水性電解質層、第２の親水性電解質層及び第３の親水性電解質層から成る群より選ばれた少なくとも２層が同一成分から成ること、並びに／又は上記第１の疎水性電解質層及び第２の疎水性電解質層が同一成分から成ることを特徴とする請求項４に記載の電解質組成物。
【請求項６】
上記親水性電解質層及び／又は上記疎水性電解質層が、カチオン成分及びアニオン成分を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項７】
上記親水性電解質層が、分子性カチオン及び／又は分子性アニオンを含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項８】
上記疎水性電解質層が、分子性カチオン及び／又は分子性アニオンを含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項９】
上記親水性電解質層及び／又は上記疎水性電解質層が、常温溶融塩を含有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１０】
上記親水性電解質層が、ＣＦ３ＳＯ３−、（ＨＦ）ｎＦ−（ｎは１〜３の実数）、ＨＳＯ４−、及びＨ２ＰＯ４−から成る群より選ばれた少なくとも１種のアニオン成分を含有することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１１】
上記疎水性電解質層が、次式（１）及び／又は（２）
【化１】
【化２】
で表されるアニオン成分を含有することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１２】
上記疎水性電解質層が、次式（３）〜（１１）
【化３】
【化４】
【化５】
【化６】
【化７】
【化８】
【化９】
【化１０】
【化１１】
（式中のＲ１１〜Ｒ９５は、水素又は１価の有機基であって、少なくとも１つが炭素数４以上である。Ａ９は、酸素原子又は硫黄原子である。）で表されるカチオン成分から成る群より選ばれた少なくとも１種のカチオン成分を含有し、且つアニオン成分としてＰＦ６−を含有することを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１３】
上記親水性電解質層が、次式（３）〜（１１）
【化１２】
【化１３】
【化１４】
【化１５】
【化１６】
【化１７】
【化１８】
【化１９】
【化２０】
（式中のＲ１１〜Ｒ９５は、水素又は１価の有機基であって、全てが炭素数３以下である。Ａ９は、酸素原子又は硫黄原子である。）で表されるカチオン成分から成る群より選ばれた少なくとも１種のカチオン成分を含有し、且つアニオン成分としてＰＦ６−を含有することを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１４】
上記疎水性電解質層が、次式（３）〜（１１）
【化２１】
【化２２】
【化２３】
【化２４】
【化２５】
【化２６】
【化２７】
【化２８】
【化２９】
（式中のＲ１１〜Ｒ９５は、水素又は１価の有機基であって、少なくとも１つが炭素数８以上である。Ａ９は、酸素原子又は硫黄原子である。）で表されるカチオン成分から成る群より選ばれた少なくとも１種のカチオン成分を含有し、且つアニオン成分としてＢＦ４−を含有することを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１５】
上記親水性電解質層が、次式（３）〜（１１）
【化３０】
【化３１】
【化３２】
【化３３】
【化３４】
【化３５】
【化３６】
【化３７】
【化３８】
（式中のＲ１１〜Ｒ９５は、水素又は１価の有機基であって、全てが炭素数７以下である。Ａ９は、酸素原子又は硫黄原子である。）で表されるカチオン成分から成る群より選ばれた少なくとも１種のカチオン成分を含有し、且つアニオン成分としてＢＦ４−を含有することを特徴とする請求項６〜１４のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１つの項に記載の電解質組成物を用いた燃料電池であって、
電解質組成物が電極で狭持されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
請求項１６に記載の燃料電池を単セルとして備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−７３３４３（Ｐ２００７−７３３４３Ａ）
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５９３３３（Ｐ２００５−２５９３３３）
【出願日】平成１７年９月７日（２００５．９．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月７日（２００５．９．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]