JP2006351271A

JP2006351271A - 燃料電池用電解質組成物

Info

Publication number: JP2006351271A
Application number: JP2005173586A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Yamane; 友和山根; Toshihiro Takegawa; 寿弘竹川; Hiromichi Miwa; 博通三輪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: JP4924788B2

Abstract

【課題】電解質に水分を保持させることができ、所望の電気化学反応を安定的に生じさせることのできる燃料電池用電解質組成物、これを用いた固体高分子型燃料電池用の電解質膜、及び固体高分子型燃料電池を提供すること。
【解決手段】燃料電池用電解質組成物は、電解質と吸湿材を含有する。吸湿材が、高吸水性ポリマー及び／又は無機多孔質充填材である。
固体高分子型燃料電池用の電解質膜は、上述の如き燃料電池用電解質組成物を含む。
固体高分子型燃料電池は、上述の如き燃料電池用電解質組成物を用いて成る。
【選択図】なし

Description

本発明は、燃料電池用電解質組成物に係り、更に詳細には、吸湿材を含有する電解質組成物、これを用いた固体高分子型燃料電池の電解質膜、及び固体高分子型燃料電池などにに関する。

従来、イオン性液体が知られており、かかるイオン性液体を含む電解質を燃料電池に適用することが開示されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

特許文献１には、イオン性液体を用いたプロトン伝導体を燃料電池に用いることが記載されており、対象となる燃料電池は無加湿運転されることが前提となっている。
また、特許文献２には、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燃料電池に用いることが記載されており、イオン性液体への水の混入を防止することが目的とされている。

このように、従来技術においては、イオン性液体を燃料電池に用いる場合には、水を含ませないで使用することが前提となっており、また、水の混入により燃料電池の性能が悪化することも記載されている。
特開２００３−１２３７９１号公報特表２００３−５３５４５０号公報

これに対し、本発明者らは、種々研究の結果、イオン性液体をはじめとする所定の電解質に水などを添加することにより、プロトン伝導性が向上し、これを用いた燃料電池の性能も向上することを知見し、この点につき特許出願を行った。

しかしながら、本発明者らが更に検討を加えた結果、上記特許出願に係る発明についても、添加した水分が、蒸発などにより電解質から散逸してしまうことがあり、この場合には、所期の効果を達成できないことがあるという改良の余地を知見した。

本発明は、かかる知見に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電解質に水分を保持させることができ、所望の電気化学反応を安定的に生じさせることのできる燃料電池用電解質組成物、これを用いた固体高分子型燃料電池用の電解質膜、及び固体高分子型燃料電池を提供することにある。

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、電解質と吸湿材を共存させることにより、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、本発明の燃料電池用電解質は、電解質と吸湿材を含有して成ることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池用電解質の好適形態は、上記吸湿材が高吸水性ポリマー及び無機多孔質充填材の少なくとも一方であることを特徴とする。
更に、本発明の燃料電池用電解質の他の好適形態は、上記電解質が所定の親水性常温溶融塩から成ることを特徴とする。

一方、本発明の固体高分子型燃料電池用の電解質膜は、上述の如き燃料電池用電解質組成物を含むことを特徴とする。
また、本発明の固体電解質型燃料電池は、上述の如き燃料電池用電解質組成物又は電解質膜を用いて成ることを特徴とする。

本発明によれば、電解質と吸湿材を共存させることとしたため、電解質に水分を保持させることができ、所望の電気化学反応を安定的に生じさせることのできる燃料電池用電解質組成物、これを用いた固体高分子型燃料電池用の電解質膜、及び燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の燃料電池用電解質組成物につき詳細に説明する。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。
上述の如く、本発明の燃料電池用電解質組成物は、電解質と吸湿材を含有して成るものである。

ここで、吸湿材は、電解質と共存し、好ましくは電解質に含有されて、電解質に供給された水分を保持し、電解質から水分が散逸するのを抑制する機能を果たす。
よって、電解質が膜化された場合には、かかる吸湿材は当該電解質膜内での水分保持を実現するので、イオン性液体などの電解質への水分供給が安定的に実現され、当該電解質のプロトン伝導性が向上する。
また特に、かかる電解質膜を固体高分子型燃料電池に用いると、優れた水分保持性の発揮により、電解質膜のプロトン伝導性が安定的に向上するので、継続的に安定した発電特性を実現することができる。

本発明において、かかる吸湿材としては、高吸水性ポリマー、無機多孔質充填材及びこれらの混合物を用いことが好ましい。
高吸水性ポリマーとしては、ビニルアルコール、アクリル酸、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、メタクリル酸、メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸カリウム、アクリルアミド又はこれらの組合せをモノマーとするポリマー、コポリマー又はターポリマーと、多糖類ポリマーを挙げることができる。
本発明においては、これらのポリマー、コポリマー及び多糖類ポリマーを１種単独で又は２種以上を任意に組み合わせて用いることができる。

なお、ビニルアルコール等のモノマーは、次の化学式１

（式中のＲ１は水素原子又はメチル基、Ｒ２は、水酸基（ビニルアルコール）、カルボキシル基（アクリル酸又はメタクリル酸）又はカルバモイル基（アクリルアミド）を示す。）表される構造を有する。

一方、多糖類ポリマーの一例としては、次の化学式２

（式中のｎは２０〜７０，０００の自然数を示す。）で表される構造を有するものを例示できる。

上記のポリマーなどは高吸水性であり、多量の水分を吸収できるとともに、水分を吸収しても溶解を起こすこともなく、安定的に使用できるので有用である。
また、種々の形状や粒径のものを入手し易く、使用する電解質に応じたポリマー選択が可能であり、燃焼電池に用いた場合には発電特性も制御可能であるなど、設計自由度を向上できる。

一方、無機多孔質充填材としては、珪藻土、ゼオライト、シリカゲル、アルミナ、石灰、アロフェン、カオリン及び活性炭を挙げることができ、本発明では、これらを１種単独で又は２種以上を任意に組み合わせて用いることができる。
かかる無機多孔質充填材は、吸水しても形状変化が少なく、また溶解して特性が変化することも少なく、取り扱い性や安定性に優れる。

次に、本発明の燃料電池用電解質組成物に用いる電解質としては、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のものを好適に使用することができる。
なお、このような電解質に含まれ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）のものに大別できる。

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。
なお、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、例えばＦ⁻、Ｃｌ⁻、Ｂｒ⁻及びＩ⁻を挙げることができる。

一方、分子性のカチオン成分とアニオン成分を含む電解質としては、以下に示すカチオン成分及びアニオン成分の具体例を含むものが挙げられ、本発明では、これらカチオン成分とアニオン成分を任意に組み合わせて使用することができる。

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、より具体的には化学式３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、化学式４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、化学式５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、化学式６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、化学式７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、化学式８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、化学式９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、化学式１０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、化学式１１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 ⁻］又は化学式１２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、化学式１３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、化学式１４〜１６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、化学式１７又は１８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、化学式１９〜２５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、化学式２６〜３４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、化学式３５又は３６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、化学式３７又は３８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。

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。

上述のような分子性イオン成分を含む電解質を採用すれば、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、電解質組成物を適用する燃料電池に応じて、当該電解質を好適化することが容易となり、燃料電池への実際の適用性を向上できる。
但し、上述の如く、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。

なお、所定の電解質を、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すれば、電解質を溶解する処理を省略でき、取り扱い性や製造工程も簡略化できるので便利である。

かかる常温溶融塩は、代表的にはブレンステッド酸−塩基型のもので、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。
よって、このようなイオン性液体は、広範な温度範囲で液状をなし、使用可能な温度範囲が広く、種々の燃料電池に適用することができる。

また、本発明においては、上記分子性カチオンが、その骨格内にヘテロ原子を有していることが好ましい。
ヘテロ原子を有する分子性カチオンは、親水性を示すので、吸湿材のみならず、電解質であるイオン性液体に水を保持させることが可能になる。よって、当該イオン性液体のプロトン伝導性を向上することができる。

なお、「ヘテロ原子」とは、炭素原子（Ｃ）及び水素原子（Ｈ）以外の原子を意味し、複素環（ヘテロ環）を構成する炭素原子以外の原子に限定されないものとする。代表的には、酸素原子（Ｏ）、窒素原子（Ｎ）、硫黄原子（Ｓ）、リン原子（Ｐ）、フッ素原子（Ｆ）、塩素原子（Ｃｌ）、臭素原子（Ｂｒ）、ヨウ素原子（Ｉ）、ホウ素原子（Ｂ）、コバルト原子（Ｃｏ）及びアンチモン原子（Ｓｂ）などを挙げることができる。

また、本発明においては、親水性の常温溶融塩を好適に用いることができる。
このような親水性の常温溶融塩を使用すれば、上記同様に、イオン性液体内に水分を保持させることが可能なるので、当該イオン性液体のプロトン伝導性を向上でき、ひいては本発明の電解質組成物を用いた燃料電池などの発電特性を向上できる。

次に、上述した電解質と吸湿材との共存につき説明する。
本発明において、吸湿材は電解質に含まれることが好ましく、その含有量は電解質に対して０．００１％〜３０％以下とすることが好ましい。
吸湿材の含有量が３０％を超えると、吸湿材自体はプロトン伝導性を有していないため、吸湿材を含有した電解質内の電解質の割合が減少し、プロトン伝導性が低下し過ぎることがあり好ましくない。また、電解質中の吸湿材の含有量が０．００１％未満では、電解質内の水の保持量が不十分となり易く好ましくない。
なお、吸湿材の含有量を１５％以下にすれば、電解質内での吸湿材の水の吸収による電解質膜の形状変化を抑制し易く、取り扱いが容易となるため更に好ましい。

また、吸湿材の粒径については、０．０１〜５０μｍとすることが好ましい。
粒径が５０μｍを超えると、表面積が小さくなるため、吸水性が低下するおそれがあり好ましくない。一方、粒径が０．０１ μｍ未満の場合、入手が困難でありコストが上がるおそれがあり好ましくない。
なお、電解質を多孔質材に含浸する方法やゲル化により膜化することを考慮すると、吸湿剤の粒径は、５μｍ以下とすることがより好ましい。５μｍを超えると、多孔質材への含浸が困難となったり、ゲル化による膜化が困難となるおそれがある。

次に、本発明の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）用の電解質膜について説明する。
この電解質膜は、上述した本発明の燃料電池用電解質組成物を含むものであるが、この電解質組成物のみから構成されていてよい。

この電解質膜は、上記本発明の燃料電池用電解質組成物を多孔質材へ含浸したり、該電解質組成物と支持性を有するポリマーとの混合、イオン性液体の高分子化などによって得ることができる。

次に、本発明の燃料電池について説明する。
この燃料電池は、上記燃料電池用電解質組成物を備えるもので、好ましくはその単セルにこの電解質組成物を備え、上述のプロトン伝導性の向上に起因するＩＲ降下抑制能から、高い発電力を発揮するものである。
また、この燃料電池を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。

また、本発明の電解質組成物は種々のエネルギーデバイスへ適用できるが、燃料電池に適用した一例を図１に示す。
なお、燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを電気エネルギに直接変換することが可能なエネルギーデバイスであり、高いエネルギー変換効率が期待できる装置である。

図１は、燃料電池の一形式である固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）への適用例を示すもので、電解質膜１０を挟んで対向する一対の電極（電極触媒層）２０のそれぞれに対して、ガス拡散層３０を介したセパレータ４０からの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。
燃料ガスを供給される側はアノード、酸化ガスを供給される側はカソードとなるが、このような燃料電池においては、以下に示す電気化学反応が進行する。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻…（１）
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ …（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ …（３）

（１）式は燃料電池のアノード側における反応を示しており、（２）式は燃料電池のカソード側における反応を示している。また、（３）式は燃料電池全体で行なわれる反応を示す。
なお、これらの反応は、図１に示した電極触媒層２０で進行するものである。

図１に示す例において、本発明の燃料電池用電解質組成物は、電解質１０として用いられる。
上述の如く、本発明の電解質組成物では、代表的には、常温溶融塩と吸湿材が共存しているので、燃料電池としての発電特性（ＩＶ特性）が改善されている。

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が、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）１００重量部、イオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４（１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレイト）を１００重量部、吸湿材としてシリカゲル（吸湿量０．５ｇ／ｇ、平均粒径１μｍ）を１０重量部加え、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。
次いで、得られた膜を室温で３時間乾燥し、更に１００℃で１２時間減圧乾燥して、電解質膜を作成した。
得られた電解質膜のＥＭＩｍＢＦ４含有量に対して１０％の水を滴下して電解質膜に含浸させ、本例の電解質組成物膜を得た（膜厚１００μｍ）。

（比較例１）
イオン性液体としてＥＭＩｍＢＦ４のみを使用した以外は、実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の電解質組成物膜を作成した。

［性能評価］
実施例１及び比較例１の電解質組成物膜を以下の燃料電池発電試験に供した。
燃料電池発電試験の評価装置を図２に示す。
電極触媒は、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％ナフィオン（デュポン社の登録商標）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て調製した。
この電極触媒を白金量が２ｍｇ／ｃｍ^２となるように撥水処理済カーボンペーパー（ガス拡散層３０、東レ社製、商品名ＴＧＰ−Ｈ０９０）に塗布して乾燥させ、電極触媒層２０付きガス拡散電極を作成した（電極面積４ｃｍ^２）。

このガス拡散電極を、各例の電解質組成物膜に接触させることでＭＥＡ（膜−電極接合体）を作成し、単セルを形成した（図２）。
なお、実施例１の電解質組成物膜に用いた吸湿材については、吸湿材の吸水した水の比率とイオン性液体（ＥＭＩｍＢＦ４）とが、室温の体積比で１：２となるように添加した。また、ここで使用した吸湿材の吸水能は０．５ｇ／ｇ（水（ｍｌ）／吸湿材（ｇ））であり、吸湿材の添加量は電解質１ｍｌあたり１．７ｍｇの割合とした。
水素及び酸素を図２の矢印方向でセル内にフローし発電試験を行った。得られた結果を図３に示す。

図３より、イオン性液体と吸湿材を共存させた実施例の電解質組成物膜を用いると、イオン性液体のみの比較例と比べてＩＶ特性が向上することが分かる。
なお、イオン性液体などの常温溶融塩と水の混在比率については、吸湿材の吸水能から見積もった水の体積割合が７０％以下となるようにすることが望ましい。

本発明の電解質組成物を固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）へ適用した例を示す断面図ある。燃料電池発電試験に用いる評価装置を示す断面図である。燃料電池発電試験の結果（ＩＶ特性）を示すグラフである。

符号の説明

１０電解質
２０電極触媒層
３０ガス拡散層
４０セパレータ

Claims

電解質と吸湿材を含有することを特徴とする燃料電池用電解質組成物。
上記吸湿材が、高吸水性ポリマー及び／又は無機多孔質充填材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電解質組成物。
上記高吸水性ポリマーが、ビニルアルコール、アクリル酸、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、メタクリル酸、メタクリル酸ナトリウム、メタクリル酸カリウム及びアクリルアミドから成る群より選ばれた少なくとも１種のものをモノマーとするポリマー、コポリマー、ターポリマー、若しくは多糖類ポリマー又はこれらの任意のポリマー混合物であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電解質組成物。
上記無機多孔質充填材が、珪藻土、ゼオライト、シリカゲル、アルミナ、石灰、アロフェン、カオリン及び活性炭から成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池用電解質組成物。
上記電解質が、カチオン成分とアニオン成分から成り、このカチオン成分及び／又はアニオン成分が分子性のものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電解質組成物。
上記分子性カチオンが、その骨格内にヘテロ原子を有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電解質組成物。
上記電解質が常温溶融塩であることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池用電解質組成物。
上記常温溶融塩が親水性であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用電解質組成物。
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電解質組成物を含むことを特徴とする燃料電池用電解質膜。
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電解質組成物又は請求項９に記載の燃料電池用電解質膜を用いて成ることを特徴とする固体高分子型燃料電池。