JP2006344446A

JP2006344446A - イオン伝導体及びエネルギーデバイス

Info

Publication number: JP2006344446A
Application number: JP2005167907A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ogawa; 弘志小川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】プロトン伝導性を向上させ得るイオン伝導体、これを用いたエネルギーデバイス、特に燃料電池及びそのシステムを提供する。
【解決手段】粘性を向上した常温溶融塩を含み、その外部から内部へ極性液体を取り込み可能な極性液体供給部を有するイオン伝導体。粘性を向上した常温溶融塩を含み、その外部から内部へ極性液体を取り込み可能な極性液体供給部を有するイオン伝導体を用いたエネルギーデバイス。粘性を向上した常温溶融塩を含み、その外部から内部へ極性液体を取り込み可能な極性液体供給部を有するイオン伝導体を用いた燃料電池。
【選択図】なし

Description

本発明は、イオン伝導体及びエネルギーデバイスに係り、更に詳細には、粘性を向上した常温溶融塩を含み、外部から内部に極性液体を取り込み可能な極性液体供給部を有するイオン伝導体、これを用いたエネルギーデバイスに関する。
上記エネルギーデバイスとしては、燃料電池及びそのシステムを代表例として挙げることができる。

従来より、常温溶融塩を含む電解質を燃料電池に適用することが提案されている。
具体的には、常温溶融塩を用いたプロトン伝導体を適用したものであり、無加湿運転を前提としたものが提案されている（特許文献１参照。）。
また、疎水性アニオンと疎水性カチオンからなる常温溶融塩を適用したものであり、常温溶融塩への水の混入を防ぐものが提案されている（特許文献２参照。）。
特開２００３−１２３７９１号公報特表２００３−５３５４５０号公報

しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に記載の燃料電池に適用する常温溶融塩の電解質にあっては、水を含ませないで使用することを前提としており、水の混入により燃料電池の性能が悪化するという報告がなされている。

一方、本発明者らが、これらについて研究を重ねたところ、親水性の常温溶融塩に水を添加することなどにより、プロトン伝導性が向上し、燃料電池としての性能（例えばＩＶ特性）が向上するという新たな技術知見が得られた。

本発明は、このよう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、プロトン伝導性を向上させ得るイオン伝導体、これを用いたエネルギーデバイス、特に燃料電池を提供することにある。

本発明者らが、上記技術知見について、更に研究を進めたところ、粘性を向上した常温溶融塩を含むイオン伝導体に、その外部から内部へ極性液体を取り込み可能な極性液体供給部を設けることなどにより、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。

即ち、本発明のイオン伝導体は、粘性を向上した常温溶融塩を含み、その外部から内部へ極性液体を取り込み可能な極性液体供給部を有することを特徴とする。
また、本発明のイオン伝導体の好適形態は、極性液体として水を含むものである。

更に、本発明のエネルギーデバイスは、上記本発明のイオン伝導体を用いたことを特徴とする。
更にまた、本発明のエネルギーデバイスの一例としては、燃料電池及びそのシステムを挙げることができる。

本発明によれば、粘性を向上した常温溶融塩を含むイオン伝導体に、その外部から内部へ極性液体を取り込み可能な極性液体供給部を設けることなどとしたため、プロトン伝導性を向上させ得るイオン伝導体、これを用いたエネルギーデバイス、特に燃料電池を提供することができる。

以下、本発明のイオン伝導体について詳細に説明する。
上述の如く、本発明のイオン伝導体は、粘性を向上した常温溶融塩を含み、その外部から内部へ極性液体を取り込み可能な極性液体供給部を有するものである。
このような構成とすることにより、極性液体を保持することが可能となり、プロトン伝導性を向上させることができる。
なお、「粘性を向上した常温溶融塩」とは、例えばゲル化により３次元網目構造を有するゲルにより包含された常温溶融塩を意味する。詳しくは後述する。

また、本発明において、極性液体供給部が中空糸により形成されていることが望ましい。
中空糸により極性液体供給部を形成することにより、その中空糸を介して例えば水のような極性液体を常温溶融塩に供給することができ、プロトン伝導性を向上させることができる。更に、極性液体供給部を所望する形状を成形することが容易にできる。

更に、本発明において、中空糸は所望の形状を形成できれば特に材質について限定されることはなく、例えばプラスチックやセラミック製のものを適用することができる。
セラミック製の中空糸の構成材料としては、例えばアルミナ、シリカ、チタニア又はジルコニア、及びこれらの任意の混合酸化物ないし複合酸化物を用いることができる。また、他の成分を含んでいてもよい。

ここで、このような中空糸の気孔率は、極性液体やその蒸気（例えば水の場合は水や水蒸気）を透過することができれば特に限定されるものではないが、気孔率が３０〜５０％程度であることが好ましい。

更にまた、用いるプラスチックやセラミック製の中空糸の体積としては、イオン伝導体の全体積に対して５０体積％以下であることが好ましい。このような体積比率とすることにより、イオン伝導体に水のような極性液体を供給する部位（極性液体供給部）を構築させた上で、十分なプロトン伝導性を確保することができる。

なお、このような中空糸の製造方法としては、例えば膜形成性高分子物質の有機溶媒溶液中に、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等のセラミック製粉末を高充填した紡糸原液を用いて乾湿式紡糸し、得られた複合中空糸膜を焼成することにより、孔径が約０．１〜６μｍ、外径が約０．５〜４ｍｍの多孔質セラミック製中空糸膜が得られるが（特公平５−６６３４３号公報参照。）、これに限定されるものではない。

また、本発明のイオン伝導体は、例えば以下に説明する工程を経ることにより作製することができる。
（１）イオン伝導体を極性液体供給部を形成する中空糸と常温溶融塩をゲル化させたもので構成する。具体的には、まず、常温溶融塩とゲル化剤を撹拌混合する。ここでは、ゲル化剤を常温溶融塩１００重量部に対して１重量部程度の比率で混合すればよい。
なお、２００℃前後の温度でこの工程を行うことにより、常温溶融塩とゲル化剤をより均一に混合させることができる。
（２）イオン伝導体の成形用の型に上述した中空糸を配置して、極性液体供給部を形成する。
（３）型内に（１）工程で得られたイオン伝導体を流し込み、自然冷却により室温程度まで冷却し、固める。
（４）イオン伝導体を型から取り外す。
上記のように作製方法の一例を示したが、本発明のイオン伝導体はかかる作製方法により得られたものに限定されるものではない。

また、上記（１）工程で用いるゲル化剤としては、例えば低分子化合物のものを好適に用いることができ、例えばこのような低分子化合物のゲル化剤としてＴｒａｎｓ−１，２−ジアミノシクロへキサンから合成されるジアミド誘導体のゲル化剤などを挙げることができる。
これらの低分子化合物のゲル化剤はゲル化させる常温溶融塩に対して、５０ｇ／Ｌ以下の量でゲル化させることができる。したがって、イオン伝導体における常温溶融塩の含有率を高くすることができ、十分なプロトン伝導性を確保することができる。
また、このようなゲル化剤は、水素結合のような非共有結合を通じて分子が自己会合し、繊維状会合体を形成し、最終的に三次元網目構造を形成して常温溶融塩分子を取り込み、ゲル化が進行するものである。

また、本発明においては、常温溶融塩常温溶融塩の全部又は一部が親水性常温溶融塩であることが望ましい。
このような常温溶融塩は、詳しくは後述する極性物質として水を含有させる場合に、イオン伝導体における水の保持能を向上させることができ、より一層プロトン伝導性の向上効果を発揮させることが可能となる。

ここで、本発明のイオン伝導体に用いられる常温溶融塩を構成するカチオン成分とアニオン成分について具体例を挙げて詳細に説明する。
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。

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（１）で表される一置換イミダゾリウム誘導体カチオン（ＭｏｎｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄＩｍｉｄａｚｏｌｉｕｍＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓＣａｔｉｏｎ）；

（式中のＲ_１１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。

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。

また、次式（２）で表される二置換イミダゾリウム誘導体カチオン（ＤｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄＩｍｉｄａｚｏｌｉｕｍＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓＣａｔｉｏｎ）；

（式中のＲ_２１及びＲ_２２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。

そして、Ｒ_２１及びＲ_２２としては、上述したＲ_１１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。

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ_２１がメチル基であり、Ｒ_２２がメチル基、エチル基、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、Ｒ_２１がエチル基であり、Ｒ_２２がブチル基であるものなどを挙げることができる。

更に、次式（３）で表される三置換イミダゾリウム誘導体カチオン（ＴｒｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄＩｍｉｄａｚｏｌｉｕｍＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓＣａｔｉｏｎ）；

（式中のＲ_３１〜Ｒ_３３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。

そして、Ｒ_３１〜Ｒ_３３としては、上述したＲ_１１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。

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ_３１がエチル基であり、Ｒ_３２及びＲ_３３がメチル基であるもの、Ｒ_３１がプロピル基であり、Ｒ_３２及びＲ_３３がメチル基であるもの、Ｒ_３１がブチル基であり、Ｒ_３２及びＲ_３３がメチル基であるもの、Ｒ_３１がヘキシル基であり、Ｒ_３２及びＲ_３３がメチル基であるもの、Ｒ_３１がヘキサデシル基であり、Ｒ_３２及びＲ_３３がメチル基であるものなどを挙げることができる。

また、次式（４）で表されるピリジニウム誘導体カチオン（ＰｙｒｉｄｉｎｉｕｍＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓＣａｔｉｏｎ）；

（式中のＲ_４１〜Ｒ_４４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。

そして、Ｒ_４１〜Ｒ_４４としては、上述したＲ_１１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。

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ_４１がエチル基であり、Ｒ_４２〜Ｒ_４４が水素であるもの、Ｒ_４１がブチル基であり、Ｒ_４２〜Ｒ_４４が水素であるものやＲ_４２及びＲ_４３が水素でありＲ_４４がメチル基であるもの、Ｒ_４２及びＲ_４４が水素でありＲ_４３がメチル基であるもの、Ｒ_４２及びＲ_４３がメチル基でありＲ_４４が水素であるもの、Ｒ_４２及びＲ_４４がメチル基でありＲ_４３が水素であるもの、Ｒ_４２及びＲ_４３が水素でありＲ_４４がエチル基であるもの、Ｒ_４１がヘキシル基であり、Ｒ_４２〜Ｒ_４４が水素であるものやＲ_４２及びＲ_４３が水素でありＲ_４４がメチル基であるもの、Ｒ_４２及びＲ_４４が水素でありＲ_４３がメチル基であるもの、Ｒ_４１がオクチル基であり、Ｒ_４２〜Ｒ_４４が水素であるものやＲ_４２及びＲ_４３が水素でありＲ_４４がメチル基であるもの、Ｒ_４２およびＲ_４４が水素でありＲ_４３がメチル基であるものなどを挙げることができる。

更に、次式（５）で表されるピロリジニウム誘導体カチオン（ＰｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓＣａｔｉｏｎ）；

（式中のＲ_５１及びＲ_５２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。

そして、Ｒ_５１及びＲ_５２としては、上述したＲ_１１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。

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ_５１がメチル基であり、Ｒ_５２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、Ｒ_５１がエチル基であり、Ｒ_５２がブチル基であるもの、Ｒ_５１及びＲ_５２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。

また、次式（６）で表されるアンモニウム誘導体カチオン（ＡｍｍｏｎｉｕｍＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓＣａｔｉｏｎ）；

（式中のＲ_６１〜Ｒ_６４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。

そして、Ｒ_６１〜Ｒ_６４としては、上述したＲ_１１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。

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ_６１〜Ｒ_６４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、Ｒ_６１がメチル基であり、Ｒ_６２〜Ｒ_６４がオクチル基であるものなどを挙げることができる。

更に、次式（７）で表されるホスフォニウム誘導体カチオン（ＰｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓＣａｔｉｏｎ）；

（式中のＲ_７１〜Ｒ_７４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。

そして、Ｒ_７１〜Ｒ_７４としては、上述したＲ_１１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。

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ_７１がメチル基であり、Ｒ_７２〜Ｒ_７４がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、Ｒ_７１がエチル基であり、Ｒ_７２〜Ｒ_７４がブチル基であるもの、Ｒ_７１〜Ｒ_７４がブチル基であるものやオクチル基であるもの、Ｒ_７１がテトラデシル基であり、Ｒ_７２〜Ｒ_７４がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、Ｒ_７１がヘキサデシル基であり、Ｒ_７２〜Ｒ_７４がブチル基であるもの、Ｒ_７１がベンジル基であり、Ｒ_７２〜Ｒ_７４がフェニル基であるものなどを挙げることができる。

また、次式（８）で表されるグアニジウム誘導体カチオン（ＧｕａｎｉｄｉｎｉｕｍＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓＣａｔｉｏｎ）；

（式中のＲ_８１〜Ｒ_８６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。

そして、Ｒ_８１〜Ｒ_８６としては、上述したＲ_１１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。

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ_８１〜Ｒ_８６の全てが水素であるものやメチル基であるもの、Ｒ_８１がエチル基、Ｒ_８２〜Ｒ_８５がメチル基、Ｒ_８６が水素であるもの、Ｒ_８１がイソプロピル基、Ｒ_８２〜Ｒ_８５がメチル基、Ｒ_８６が水素であるもの、Ｒ_８１がプロピル基、Ｒ_８２〜Ｒ_８６がメチル基であるものなどを挙げることができる。

更に、次式（９）で表されるイソウロニウム誘導体カチオン（ＩｓｏｕｒｏｎｉｕｍＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓＣａｔｉｏｎ）；

（式中のＲ_９１〜Ｒ_９５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、Ａ_９は酸素原子又は硫黄原子を示す。）を挙げることができる。

そして、Ｒ_９１〜Ｒ_９５としては、上述したＲ_１１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。

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ａ_９が酸素原子（Ｏ）であって、Ｒ_９１〜Ｒ_９５の全てがメチル基であるものやＲ_９１がエチル基、Ｒ_９２〜Ｒ_９５がメチル基であるもの、Ａ_９が硫黄原子（Ｓ）であって、Ｒ_９１がエチル基、Ｒ_９２〜Ｒ_９５がメチル基であるものなどを挙げることができる。

一方、上記分子性アニオンとしては、例えば硫酸アニオン［ＳＯ_４ ^２−］、硫酸一水素アニオン［ＨＳＯ_４ ⁻］又は次式（１０）で表される硫酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆａｔｅｓａｎｉｏｎ）；

（式中のＲ_１０１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。

そして、Ｒ_１０１としては、上述したＲ_１１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。

また、代表的な具体例としては、Ｒ_１０１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。

また、次式（１１）で表されるスルホン酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓａｎｉｏｎ）；

（式中のＲ_１１１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。

そして、代表的な具体例としては、Ｒ_１１１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。

更に、次式（１２）〜（１４）で表されるアミドアニオン（ＡｍｉｄｅｓＡｎｉｏｎ）又はイミドアニオン（ＩｍｉｄｅｓＡｎｉｏｎ）；

を挙げることができる。
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。

また、次式（１５）又は（１６）で表されるメタンアニオン（ＭｅｔｈａｎｅｓＡｎｉｏｎ）；

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。

また、次式（１７）〜（２３）で表されるホウ素含有化合物アニオン；

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。

更に、次式（２４）〜（３２）で表されるリン含有化合物アニオン；

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。

更に、次式（３３）又は（３４）で表されるカルボン酸アニオン；

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。

更に、次式（３５）又は（３６）で表される金属元素含有アニオン；

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。

他方、分子性アニオンではないが、他のアニオン成分としてハロゲン化物アニオン（ＨａｌｏｇｅｎｉｄｅｓＡｎｉｏｎ）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⁻］を挙げることもできる。

更に、本発明においては、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン又はアンモニウム誘導体カチオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性カチオンの混合物と、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン［（ＨＦ_ｎ）Ｆ⁻（ｎは実数で１〜３が望ましい。）］、硫酸一水素アニオン又はリン酸二水素アニオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性アニオンの混合物とから成ることが望ましい。
これらの分子性カチオンと分子性アニオンを組合わせたものは常温溶融塩であって、良好な親水性を示すからである。

また、本発明においては、極性液体を含有することが望ましく、極性液体として少なくとも水を含有することがより望ましい。
用いる極性液体は、極性溶媒として機能することが好ましく、電気的に中性な物質において、正負の電荷の配置に偏りがあるものであり、特に正負の電荷が両端にわかれたような構造を有する化合物であることが望ましい。

かかる極性の指標としては、極性値や双極子モーメント、誘電率、水素結合性、溶解度パラメータなどを適用することができる。
例えば、極性物質は、その極性値が３０より大きいことが好ましく、４０より大きいことがより好ましく、５０より大きいことが更に好ましい。極性値が３０未満の場合には、極性が不十分であり、溶媒としての機能を十分に得ることが困難である。

表１に代表的な物質の溶解度パラメータ（δ）と極性値（Ｅｔ）を示す。なお、表１は、「新実験化学講座」、著者名；日本化学会、発行所；丸善株式会社、から抜粋したものである。

なお、表中の溶解度パラメータは次の（式１）
δ＝（Ｅ／Ｖ）^１／２…（式１）
（式中のＥは液体分子の凝集エネルギー、Ｖは分子体積を示す。）から算出され、大きいほど溶解度が大きいことを示す。

更に、本発明においては、極性液体として、水、メタノール、エタノール、プロパンノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、アセトン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ピリジン、α−ピコリン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸、エチレンオキシド、ポリエチレンオキシド又はポリプロピレンオキシド、及びこれらの任意の組合わせに係る極性液体を混合して好適に用いることができる。
極性液体として、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどの分子量の大きなものも適用が可能である。
また、このような高分子量の極性液体を含有させる場合には、ジメチルスルホキシドやジメチルホルムアミドなどを添加することが望ましい。
特に、極性や溶解度が高いという観点から水などをより好適に用いることができる。

なお、この場合における混合比は、常温溶融塩と水とがモル比で（常温溶融塩：水）１００：１〜１：５とすればよい。
このような値とすることにより、プロトン伝導性の向上効果をより一層発揮させることが可能となる。

なお、用いる常温溶融塩についても、その製造方法は特に限定されるものではないが、例えば従来公知の中和法などにより製造することができる。

次に、本発明のエネルギーデバイスについて詳細に説明する。
上述の如く、本発明のエネルギーデバイスは、上記本発明のイオン伝導体を用いたものである。使用の態様に合わせて形態を適宜調整することができる。
より具体的には、上述のようなイオン伝導体を燃料電池や二次電池、キャパシタなどに適用することができる。

なお、燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接的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装置である。
燃料電池の単セルに、本発明のイオン伝導体を電解質として適用すると、プロトン伝動場や三相界面における親和性を調整することが可能であり、ＩＶ特性の向上を図ることができる。

また、上述したイオン伝導体は、優れた熱安定性（不揮発性、蒸気圧がゼロ、広い温度領域で液体である。）や高イオン密度、大熱容量などの性能を示すため、中温域（１２０℃程度）における運転が可能となる。
このような燃料電池を組込んだシステムにおいては、ラジエータ負荷を従来の固体高分子形燃料電池に対して低下させることができ、ラジエータサイズを小型化することができる。
その結果、システム容積を低減することができ、システム重量の軽量化が可能となる。

更に、二次電池、特にリチウム電池に本発明のイオン伝導体を適用することで、不揮発性、不燃性の性質が有効となり、電池の大型化や比較的高温での使用にも耐えうることが可能となる。

更にまた、キャパシタに適用する場合にも、二次電池と同様の効果を得ることが可能となる。

ここで、本発明のエネルギーデバイスの一例として、イオン伝導体を燃料電池に適用する場合を図面に基づいて説明する。
図１は、燃料電池にイオン伝導体を電解質として適用した構成の一例を示すものであり、電極に並行した極性液体供給部を設けた構成を示す断面図である。
同図（ａ）は、燃料電池全体の構成を示すものであり、同図（ｂ）は線分Ｘ_１−Ｘ_１におけるイオン伝導体１０の断面図である。
同図に示すように、電解質として機能するイオン伝導体１０は、ゲル化した常温溶融塩１２と中空糸で形成された極性液体供給部１４を有する。また、極性液体供給部１４の出入口にはマニホールド１６が設けられている。
そして、このイオン伝導体を挟んで対峙する一対の電極２０が設けられている。かかる電極２０は触媒層２２とガス拡散層２４とから構成されている。

また、これらを挟んで対峙する一対のセパレータ３０が設けられている。
このように、各電極２０にはセパレータ３０によりガス流路２６が形成されており、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）が供給されるようになっている。
なお、電極２０は、燃料ガスが供給される側がアノード、酸化ガスが供給される側がカソードとなる。

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２６からガス拡散層２４を経て触媒層２２に供給され、以下に示す電気化学反応が進行する。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻…（式２）
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ…（式３）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ…（式４）

（式２）は、燃料電池の陰極側における反応を示している。
（式３）は、燃料電池の陽極側における反応を示している。
（式４）は、燃料電池全体で行われる反応となる。

そして、発電する際にマニホールド１６と極性液体供給部１４に例えば水のような極性液体を通じて、常温溶融塩１２に極性液体を供給すること又は常温溶融塩１２中の余剰の極性液体を排出ことにより、つまり、燃料電池を運転するに当たり、イオン伝導体に水のような極性液体を断続的に供給することにより、より安定的に所望の発電特性を得ることができる。

図２は、燃料電池にイオン伝導体を電解質として適用した構成の他の例を示すものであり、電極に直交した極性液体供給部を設けた構成を示す断面図である。
同図（ａ）は、燃料電池全体の構成を示す断面図であり、同図（ｂ）は線分Ｘ_２−Ｘ_２におけるイオン伝導体１０の断面図である。
同図に示すように、電解質として機能するイオン伝導体１０は、ゲル化した常温溶融塩１２と中空糸で形成された極性液体供給部１４を有する。
そして、このイオン伝導体を挟んで対峙する一対の電極２０が設けられている。かかる電極２０は触媒層２２とガス拡散層２４とから構成されている。
また、極性液体供給部１４は、水が発生するカソード側の電極２０に連通している一方、（同図（ｂ）参照。）クロスリーク防止のためアノード側の電極２０には連通していない。

更に、これらを挟んで対峙する一対のセパレータ３０が設けられている。
このように、各電極２０にはセパレータ３０によりガス流路２６が形成されており、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）が供給されるようになっている。

この燃料電池で発電するときは、上述したようにそれぞれのガスがガス流路２６からガス拡散層２４を経て触媒層２２に供給され、上記電気化学反応が進行する。
そして、カソード側の電極２０に連通している極性液体供給部１４は、カソード側で発生する水はイオン伝導体の外部から内部に取り込み、常温溶融塩１２に水を供給することができ、より安定的に所望の発電特性を得ることができる。
更に、かかる例は上記の例と比較してマニホールド１６等の構成を必要とせず、小型化できるという点で好ましい。

以下、本発明を若干の実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
イミダゾリウム三置換誘導体カチオンの一種である１，２−ジエチル−３−メチル−イミダゾリウムカチオンとホウ素含有化合物アニオンの一種である四フッ化ホウ素アニオンとから成る常温溶融塩（２ＥｔＥＭＩｍＢＦ_４）と、極性物質の一例である水をモル比で常温溶融塩：水＝１：１となるように混合し、更にＴｒａｎｓ−１，２−ジアミノシクロへキサンから合成されるジアミド誘導体のゲル化剤を常温溶融塩に対して、５０ｇ／Ｌの割合で添加して２００℃前後の温度で更に混合した。
一方、イオン伝導体の成形用の型に、アルミナ製の中空糸を配置した。これにより極性液体供給部を図１に示すように形成した。
中空糸を配置した型内に、得られたイオン伝導体を流し込み、自然冷却により室温程度まで冷却し固めた。固めたイオン伝導体を型から取り外し、本例のイオン伝導体を得た。

（比較例１）
水を混合させず、極性液体供給部を設けなかったこと以外は実施例１と同様の操作を繰り返し、本例のイオン伝導体を得た。

［性能評価］
上記各例のイオン伝導体を用いて、燃料電池を模した発電装置を作製した。図３は、発電装置の構成を示す説明図である。
具体的には、白金等の触媒金属が塗布されたカーボンペーパーによって構成される電極２０間にイオン伝導体１０を保持した。
そして、一方の電極１０の背面から水素を、他方の電極１０の背面から酸素（空気）を供給して発電性能（ＩＶ特性）を評価した。
なお、実施例１においては、評価する際に図示しないマニホールド及び極性液体供給部を介して、水を適宜供給した。
得られた結果である発電性能（電流と電圧の関係）を図４に示す。

図４から、破線で示す比較例１（常温溶融塩のみ）の場合と比較して、実線で示す実施例１（常温溶融塩に極性物質（水）を供給した）の場合の方が、ＩＶ特性が優れていることが分かる。

燃料電池にイオン伝導体を電解質として適用した構成の一例を示す断面図である。燃料電池にイオン伝導体を電解質として適用した構成の他の例を示す断面図である。燃料電池を模した発電装置の構成を示す説明図である。実施例１及び比較例１の発電性能を示すグラフ図である。

符号の説明

１０イオン伝導体
１２常温溶融塩
１４極性液体供給部
１６マニホールド
２０電極
２２触媒層
２４ガス拡散層
２６ガス流路
３０セパレータ

Claims

粘性を向上した常温溶融塩を含むイオン伝導体であって、当該イオン伝導体の外部から内部へ極性液体を取り込み可能な極性液体供給部を有することを特徴とするイオン伝導体。
中空糸を含有し、上記極性液体供給部が該中空糸により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン伝導体。
上記中空糸がアルミナ、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種を含有することを特徴とする請求項２に記載のイオン伝導体。
上記常温溶融塩の全部又は一部が親水性常温溶融塩であ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。
上記親水性常温溶融塩の全部又は一部が、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン及びアンモニウム誘導体カチオンから成る群より選ばれた少なくとも１種のカチオンと、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン、硫酸一水素アニオン及びリン酸二水素アニオンから成る群より選ばれた少なくとも１種のアニオンと、から成ることを特徴とする請求項４に記載のイオン伝導体。
上記極性液体を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
上記極性液体が少なくとも水を含有することを特徴とする請求項６に記載のイオン伝導体。
請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を用いたことを特徴とするエネルギーデバイス。
請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を用いたことを特徴とする燃料電池。
請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を用いたことを特徴とする燃料電池システム。