JP2008034212A - Ionic conductor, energy device, and fuel cell - Google Patents

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Toshihiro Takegawa
寿弘 竹川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ionic conductor with excellent ionic conductivity as well as excellent intensity even at a temperature higher than 100°C, and an energy device as well as a fuel cell equipped with the same. <P>SOLUTION: The ionic conductor is made by containing an organic porous body and an electrolyte material, of which, the former has holes in which the electrolyte material containing a cation component and an anion component is retained. It contains the organic porous body consisting of polyimide and ionic liquid, of which the former has holes in which the ionic liquid containing a cation component and an anion component is retained. The energy device is provided with the ionic conductor. The fuel cell is provided with the ionic conductor. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、イオン伝導体、エネルギーデバイス及び燃料電池に係り、更に詳細には、有機多孔体と電解質材料とを含有して成るイオン伝導体、これを備えたエネルギーデバイス及び燃料電池に関する。   The present invention relates to an ion conductor, an energy device, and a fuel cell. More specifically, the present invention relates to an ion conductor containing an organic porous material and an electrolyte material, and an energy device and a fuel cell including the ion conductor.

燃料電池の電解質膜として、イオン液体を浸透した、カチオン伝導性又はプロトン伝導性のセラミック膜が提案されている(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、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、この膜は、柔軟性を維持し、燃料電池の電解質膜として使用できる。
特表2004−515351号公報 PCT/EP98/05939号
As an electrolyte membrane of a fuel cell, a cation-conductive or proton-conductive ceramic membrane infiltrated with an ionic liquid has been proposed (see Patent Document 1).
This membrane is obtained by modifying a porous and flexible ceramic membrane described in Patent Document 2 so as to exhibit ionic conductivity, and then treating it with an ionic liquid.
In addition, this membrane has extremely good proton conductivity or cation conductivity at a temperature higher than 100 ° C. by using an ionic liquid.
Furthermore, this membrane maintains flexibility and can be used as an electrolyte membrane for fuel cells.
JP-T-2004-515351 PCT / EP98 / 05939

しかしながら、このようなセラミック膜とイオン液体とを組み合せた従来の膜では、セラミックが脆弱性を有するため、強度が低いという問題点があった。   However, the conventional film in which such a ceramic film and an ionic liquid are combined has a problem that the strength is low because the ceramic is brittle.

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、100℃より高い温度においても、優れたイオン伝導性を有すると共に、優れた強度を有するイオン伝導体、これを備えたエネルギーデバイス及び燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and its object is to have excellent ion conductivity and excellent strength even at a temperature higher than 100 ° C. An ion conductor, an energy device including the ion conductor, and a fuel cell are provided.

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねたところ、有機多孔体の孔内にイオン伝導性に優れた電解質材料を保持させることなどにより、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。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the above object can be achieved by retaining an electrolyte material having excellent ion conductivity in the pores of the organic porous material. The invention has been completed.

即ち、本発明のイオン伝導体は、有機多孔体と、電解質材料とを含有して成り、該有機多孔体は、孔を有し、該孔内に該電解質材料を保持し、該電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含有することを特徴とする。   That is, the ionic conductor of the present invention comprises an organic porous material and an electrolyte material, and the organic porous material has pores and holds the electrolyte material in the pores. And a cation component and an anion component.

また、本発明のイオン伝導体の好適形態は、有機多孔体と、電解質材料とを含有して成り、該有機多孔体は、略均一な内径を備えた球状をなし、該有機多孔体の内部に3次元的に配置された複数の孔を有すると共に、これら球状孔同士が隣接する球状孔との間に形成された連通口を介して互いに連通しており、該球状孔内に該電解質材料を保持し、該電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含有することを特徴とする。   The preferred embodiment of the ionic conductor of the present invention comprises an organic porous material and an electrolyte material, and the organic porous material has a spherical shape with a substantially uniform inner diameter, and the inside of the organic porous material. A plurality of holes arranged in a three-dimensional manner, and the spherical holes communicate with each other through a communication port formed between adjacent spherical holes, and the electrolyte material is contained in the spherical holes. The electrolyte material is characterized by containing a cation component and an anion component.

更に、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記電解質材料がイオン液体であることを特徴とする。   Furthermore, another preferred embodiment of the ionic conductor of the present invention is characterized in that the electrolyte material is an ionic liquid.

また、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備えることを特徴とする。   Moreover, the energy device of this invention is equipped with the said ion conductor of this invention, It is characterized by the above-mentioned.

更に、本発明の燃料電池は、上記本発明のイオン伝導体を備えることを特徴とする。   Furthermore, the fuel cell of the present invention is characterized by comprising the ionic conductor of the present invention.

本発明によれば、有機多孔体の孔内にイオン伝導性に優れた電解質材料を保持させることなどとしたため、100℃より高い温度においても、優れたイオン伝導性を有すると共に、優れた強度を有するイオン伝導体、これを備えたエネルギーデバイス及び燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, an electrolyte material having excellent ionic conductivity is retained in the pores of the organic porous body, so that it has excellent ionic conductivity and excellent strength even at a temperature higher than 100 ° C. It is possible to provide an ion conductor having an energy device and a fuel cell including the ion conductor.

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、本明細書において、濃度及び含有量などについての「%」は、特記しない限り質量百分率を表わすものとする。
上述の如く、本発明のイオン伝導体は、有機多孔体と、電解質材料とを含有して成るイオン伝導体であって、その有機多孔体は、孔を有し、その孔内にその電解質材料を保持し、その電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含有し、例えば燃料電池の電解質膜などとして好適に用いることができるものである。
Hereinafter, the ion conductor of the present invention will be described in detail. In the present specification, “%” for the concentration, content and the like represents a mass percentage unless otherwise specified.
As described above, the ionic conductor of the present invention is an ionic conductor containing an organic porous material and an electrolyte material, and the organic porous material has pores and the electrolyte material in the pores. The electrolyte material contains a cation component and an anion component, and can be suitably used, for example, as an electrolyte membrane of a fuel cell.

ここで、本発明のイオン伝導体を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明のイオン伝導体の一実施形態の断面構造を示す概略図である。同図に示すように、イオン伝導体10は、有機多孔体12と、電解質材料14とを含有する。そして、有機多孔体12は、その孔12a内に電解質材料14を保持している。また、図示しないが、電解質材料14は、カチオン成分とアニオン成分を含有している。なお、図1の符号20は、必要に応じて当該イオン伝導体10を挟持するように配設される電極を示す。
また、図2は、上記有機多孔体12の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。
Here, the ion conductor of this invention is demonstrated based on drawing.
FIG. 1 is a schematic view showing a cross-sectional structure of an embodiment of an ionic conductor according to the present invention. As shown in the figure, the ionic conductor 10 contains an organic porous body 12 and an electrolyte material 14. The organic porous body 12 holds the electrolyte material 14 in the holes 12a. Moreover, although not shown in figure, the electrolyte material 14 contains the cation component and the anion component. In addition, the code | symbol 20 of FIG. 1 shows the electrode arrange | positioned so that the said ion conductor 10 may be pinched | interposed as needed.
FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the organic porous body 12.

このように、カチオン成分とアニオン成分を含有する電解質材料を有機多孔体の孔内に保持させることにより、100℃より高い温度においても、高いイオン伝導性を有すると共に、優れた強度を有するイオン伝導体となる。
また、従来のフッ素系電解質より、安価な材料で構成できるため、より普及に適した安価なイオン伝導体が得られるという副次的な効果も得られる。
As described above, by holding the electrolyte material containing the cation component and the anion component in the pores of the organic porous body, the ion conductivity has high ion conductivity and excellent strength even at a temperature higher than 100 ° C. Become a body.
Moreover, since it can be comprised with a cheaper material than the conventional fluorine-type electrolyte, the secondary effect that the cheap ion conductor suitable for the spread is obtained is also acquired.

また、本発明においては、図1に示したように、上記有機多孔体12の有する複数の孔12aが球状であること、この球状の孔12aの内径がほぼ均一で、隣接する球状の孔12a同士が連通していることが好適である。換言すれば、有機多孔体12の内部に球状の孔12aが3次元的に存在し、隣接する球状の孔12a同士が連通口を介して連通していることが望ましい。なお、電解質材料14は、上記球状の孔12a間に形成された連通口を介して充填することができる。   In the present invention, as shown in FIG. 1, the plurality of holes 12a of the organic porous body 12 are spherical, the inner diameter of the spherical holes 12a is substantially uniform, and adjacent spherical holes 12a. It is preferable that they communicate with each other. In other words, it is desirable that spherical holes 12a exist three-dimensionally in the organic porous body 12, and the adjacent spherical holes 12a communicate with each other via a communication port. The electrolyte material 14 can be filled through the communication port formed between the spherical holes 12a.

このように、有機多孔体12の内部に電解質材料14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、全体的なイオン伝導率をより向上させることができる。
また、湿潤状態においては、有機多孔体12が電解質材料14の膨潤を抑制する。特に、有機多孔体12の内部に存在する球状の孔12aが、ほぼ均一な内径で構成されることにより、電解質材料14の含水時における膨潤に対して、有機体孔体12が均質且つ分散された膨潤力を受けることから、イオン伝導体10の局所的な破損を抑制することができる。換言すれば、有機多孔体12の球状の孔12aが3次元規則配列構造をとることによって、電解質材料14の膨潤圧が有機多孔体12に均等にかかった状態で、電解質材料14を支持することができる。
Thus, by regularly holding the electrolyte material 14 inside the organic porous body 12, both materials are made into a composite, and the overall ionic conductivity can be further improved.
In a wet state, the organic porous body 12 suppresses the swelling of the electrolyte material 14. In particular, since the spherical pores 12a existing inside the organic porous body 12 are configured with a substantially uniform inner diameter, the organic pores 12 are homogeneously and dispersed with respect to swelling when the electrolyte material 14 is wet. Therefore, local damage of the ionic conductor 10 can be suppressed. In other words, the spherical pores 12a of the organic porous body 12 have a three-dimensional regular array structure, thereby supporting the electrolyte material 14 in a state in which the swelling pressure of the electrolyte material 14 is uniformly applied to the organic porous body 12. Can do.

更に、本発明においては、特に限定されるものではないが、上記有機多孔体12の気孔率が70〜90体積%であることが好ましい。気孔率が70体積%未満の場合には、電解質材料14の充填率が低く、十分なイオン伝導性を発揮できないことがある。また、気孔率が90体積%超の場合には、高い強度を維持できないことがある。   Furthermore, in the present invention, although not particularly limited, the porosity of the organic porous body 12 is preferably 70 to 90% by volume. When the porosity is less than 70% by volume, the filling rate of the electrolyte material 14 may be low and sufficient ionic conductivity may not be exhibited. Further, when the porosity exceeds 90% by volume, high strength may not be maintained.

また、本発明においては、上記有機多孔体12が、例えばポリイミドから成るものであることが望ましい。ポリイミドは耐熱性、機械的強度、電気的特性及び耐化学薬品性などに優れたものであり、有機体孔体の膜を構成する材料として望ましいものであるからであるが、これに限定されるものではない。即ち、有機多孔体は、耐熱性、機械的強度、電気的特性及び耐化学薬品性などの性能に優れたものであれば、例えばポリテトラフルオロエチレンやポリエーテルエーテルケトンなどを用いることもでき、これらを単独で又はポリイミドと共重合や混合させて用いることもできる。   In the present invention, the organic porous body 12 is preferably made of polyimide, for example. This is because polyimide is excellent in heat resistance, mechanical strength, electrical characteristics, chemical resistance, and the like, and is desirable as a material constituting the organic porous film, but is not limited thereto. It is not a thing. That is, for example, polytetrafluoroethylene or polyetheretherketone can be used as long as the organic porous body has excellent performance such as heat resistance, mechanical strength, electrical characteristics, and chemical resistance. These can be used alone or copolymerized with polyimide or mixed.

更に、本発明においては、上記ポリイミドから成る有機多孔体を作製する際に、例えば原料として種々のポリアミック酸を用いることができる。
このように、ポリアミック酸を用いることにより、所望の有機多孔体を簡易に得ることができる。
Furthermore, in the present invention, when producing the organic porous body made of the polyimide, for example, various polyamic acids can be used as a raw material.
Thus, a desired organic porous body can be easily obtained by using a polyamic acid.

また、本発明においては、上記電解質材料14として、優れた熱安定性(不揮発性である、蒸気圧が極めて低いこと、難燃性であること、高い熱分解温度(250〜400℃以上)を有すること、低い凝固点温度(−20℃以下)を有するなど広い温度域で液体であること、などが挙げられる。)、高イオン密度、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。
また、例えば電解質材料を有機多孔体に含浸させて保持させる場合に、電解質材料を溶解する必要がなく、ハンドリングやイオン伝導体を形成するプロセスを簡略化することができる。
なお、イオン液体として、イオン性液体、常温溶融塩とも呼称されるイオン伝導性を有する低融点の「塩」であって、その多くは、カチオンとしての有機オニウムイオン、アニオンとして有機又は無機アニオンを組み合せることにより得られる比較的低融点の特性を示すものをいう。これらは、英語では“Ionic Liquid”と表現され、最近、専門家の間で「イオン液体」との呼称に統一する動きができていることから、本明細書では、イオン液体との呼称に統一する。
In the present invention, the electrolyte material 14 has excellent thermal stability (non-volatile, extremely low vapor pressure, flame retardancy, and high thermal decomposition temperature (250 to 400 ° C. or higher). From the viewpoint of having a low freezing point temperature (−20 ° C. or less) and being a liquid in a wide temperature range, etc.), a high ion density, a large heat capacity, and the like. It is.
In addition, for example, when the organic porous material is impregnated and held in the organic material, it is not necessary to dissolve the electrolytic material, and the process of forming the handling and the ion conductor can be simplified.
Note that the ionic liquid is a low melting point “salt” having an ionic conductivity, also called an ionic liquid or a room temperature molten salt, many of which are organic onium ions as cations and organic or inorganic anions as anions. The thing which shows the characteristic of the comparatively low melting point obtained by combining. These are expressed as “Ionic Liquid” in English, and recently there has been a movement to be unified with the name of “ionic liquid” among experts, so in this specification, it is unified with the name of ionic liquid. To do.

更に、本発明においては、上記電解質材料14のカチオン成分として、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、アンモニウム誘導体カチオン、ホスフォニウム誘導体カチオン、グアニジニウム誘導体カチオン、イソウロニウム誘導体カチオン又はチオウレア誘導体カチオン、及びこれらの任意の組み合せに係る混合物を用いることができる。   Furthermore, in the present invention, as the cation component of the electrolyte material 14, an imidazolium derivative cation, a pyridinium derivative cation, a pyrrolidinium derivative cation, an ammonium derivative cation, a phosphonium derivative cation, a guanidinium derivative cation, an isouronium derivative cation or a thiourea derivative cation, and Mixtures according to these arbitrary combinations can be used.

上記イミダゾリウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式(1)〜(3)で表される1置換イミダゾリウム誘導体カチオン…(1)、2置換イミダゾリウム誘導体カチオン…(2)、及び3置換イミダゾリウム誘導体カチオン…(3)などを挙げることができる。   Examples of the imidazolium derivative cation include a 1-substituted imidazolium derivative cation represented by the following chemical formulas (1) to (3) (1), a 2-substituted imidazolium derivative cation (2), and a 3-substituted imidazolium. Derivative cations (3) and the like can be mentioned.

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(1)中のRは、炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基又は複素環式基を示す。
これらのうち、特にRがメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基又はブチル基であるものを好適に用いることができる。
R in the above formula (1) represents an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group, aralkyl group, acyl group, alkoxyalkyl group or heterocyclic group having 1 to 18 carbon atoms. .
Of these, those in which R is a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, or a butyl group can be preferably used.

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(2)中のR及びRの少なくとも1つは、炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基又は複素環式基を示す。
これらのうち、特にR及びRの少なくとも1つがメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、ペンチル基、ノニル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、テトラデシル基、オクタデシル基又はベンジル基であるものを好適に用いることができる。
At least one of R 1 and R 2 in the above formula (2) is an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group, aralkyl group, acyl group, alkoxyalkyl having 1 to 18 carbon atoms. A group or a heterocyclic group;
Among these, in particular, at least one of R 1 and R 2 is a methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, pentyl group, nonyl group, hexyl group, octyl group, decyl group, tetradecyl group, octadecyl group or What is a benzyl group can be used conveniently.

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(3)中のR、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にR及びRがメチル基であり、Rが水素原子、又はメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基若しくはヘキシル基であるものを好適に用いることができる。
R 1 , R 2 and R 3 in the above formula (3) are each independently a hydrogen atom or an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group or aralkyl having 1 to 18 carbon atoms. A group, an acyl group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group;
Among these, those in which R 1 and R 2 are methyl groups and R 3 is a hydrogen atom, or a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, or a hexyl group can be preferably used.

上記ピリジニウム誘導体カチオンとしては、例えば、次の化学式(4)で表されるピリジニウム誘導体カチオンを挙げることができる。   As said pyridinium derivative cation, the pyridinium derivative cation represented by following Chemical formula (4) can be mentioned, for example.

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(4)中のRは、炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基若しくは複素環式基を示し、R、R及びRは、全てが水素原子、又は少なくとも1つが水素原子、残りが炭素数1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にRがエチル基、ブチル基、ヘキシル基又はオクチル基であり、R、R及びRの全てが水素原子であるもの、又は1つ若しくは2つがメチル基であるものを好適に用いることができる。
R 1 in the above formula (4) represents an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group, aralkyl group, acyl group, alkoxyalkyl group or heterocyclic group having 1 to 18 carbon atoms. R 2 , R 3 and R 4 are all hydrogen atoms, or at least one is a hydrogen atom, the remaining alkyl group having 1 to 18 carbon atoms, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group, aralkyl A group, an acyl group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group;
Among these, in particular, R 1 is an ethyl group, butyl group, hexyl group or octyl group, and R 2 , R 3 and R 4 are all hydrogen atoms, or one or two are methyl groups Can be suitably used.

上記ピロリジニウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式(5)で表されるピロリジニウム誘導体カチオンを挙げることができる。   Examples of the pyrrolidinium derivative cation include a pyrrolidinium derivative cation represented by the following chemical formula (5).

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(5)中のR及びRの少なくとも1つは、炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基又は複素環式基を示す。
これらのうち、特にR及びRが、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基又はオクチル基であるものを好適に用いることができる。更には、R及びRのうちいずれか一方が水素原子であってもよい。
At least one of R 1 and R 2 in the above formula (5) is an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group, aralkyl group, acyl group, alkoxyalkyl having 1 to 18 carbon atoms. A group or a heterocyclic group;
Among these, those in which R 1 and R 2 are a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, a hexyl group or an octyl group can be preferably used. Furthermore, any one of R 1 and R 2 may be a hydrogen atom.

上記アンモニウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式(6)で表されるアンモニウム誘導体カチオンを挙げることができる。   As said ammonium derivative cation, the ammonium derivative cation represented by following Chemical formula (6) can be mentioned, for example.

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(6)中のR、R、R及びRは、それぞれ独立して、炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基又は複素環式基を示す。
これらのうち、特にR、R、R及びRの全てが、メチル基又はブチル基であるものや、更には少なくとも1つ若しくは2つがエチル基、ブチル基又はメトキシエチル基であるものを好適に用いることができる。
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 in the above formula (6) are each independently an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group or aralkyl having 1 to 18 carbon atoms. A group, an acyl group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group;
Among these, in particular, all of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are methyl groups or butyl groups, and further, at least one or two are ethyl groups, butyl groups or methoxyethyl groups Can be suitably used.

上記ホスフォニウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式(7)で表されるホスフォニウム誘導体カチオンを挙げることができる。   Examples of the phosphonium derivative cation include a phosphonium derivative cation represented by the following chemical formula (7).

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(7)中のR、R、R及びRは、それぞれ独立して、炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基又は複素環式基を示す。
これらのうち、特にR、R、R及びRの全てがブチル基であるものや、ヘキシル基と、少なくとも1つのテトラデシル基を有するものを好適に用いることができる。
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 in the above formula (7) are each independently an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, cycloalkyl group, aryl group or aralkyl having 1 to 18 carbon atoms. A group, an acyl group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group;
Of these, those in which all of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are butyl groups, and those having a hexyl group and at least one tetradecyl group can be preferably used.

上記グアニジニウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式(8)〜(10)で表されるグアニジニウム誘導体カチオンを挙げることができる。   Examples of the guanidinium derivative cation include guanidinium derivative cations represented by the following chemical formulas (8) to (10).

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(8)中のR、R、R、R、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基又若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にR、R、R、R、R及びRの全てが水素原子であるものや、R、R、R、R、R及びRのうちいずれか1つがメチル基、イソプロピル基又はフェニル基であるものを好適に用いることができる。
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 in the above formula (8) are each independently a hydrogen atom or an alkyl group, alkenyl group or alkynyl group having 1 to 18 carbon atoms. , A cycloalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, an acyl group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group.
Among these, in particular, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 are all hydrogen atoms, or R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 and R 6 . Those in which any one of them is a methyl group, an isopropyl group or a phenyl group can be suitably used.

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(9)中のR、R、R、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基又若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にR、R、R、R及びRの全てがメチル基であるものや、R、R、R及びRがメチル基であり、Rがエチル基であるものを好適に用いることができる。
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 in the above formula (9) are each independently a hydrogen atom or an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group or cycloalkyl group having 1 to 18 carbon atoms. A group, an aryl group, an aralkyl group, an acyl group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group;
Among these, in particular, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are all methyl groups, or R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are methyl groups, and R 5 is ethyl. What is group can be used conveniently.

Figure 2008034212
Figure 2008034212

上記式(10)中のR、R、R、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数が1〜18であるアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、アルコキシアルキル基又若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にR、R、R及びRがメチル基であり、Rがエチル基であるものを好適に用いることができる。
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 in the above formula (10) are each independently a hydrogen atom or an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group or cycloalkyl group having 1 to 18 carbon atoms. A group, an aryl group, an aralkyl group, an acyl group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group;
Among these, those in which R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are methyl groups and R 5 is an ethyl group can be preferably used.

更にまた、本発明においては、上記電解質材料14のアニオン成分として、ハロゲン類アニオン、硫酸塩類アニオン、スルホン酸塩類アニオン、アミド類アニオン、イミド類アニオン、メタン類アニオン、ホウ酸塩類アニオン、リン酸塩類アニオン又はアンチモン類アニオン、及びこれらの任意の組み合せに係る混合物を用いることができる。   Furthermore, in the present invention, as the anion component of the electrolyte material 14, halogen anions, sulfate anions, sulfonates anions, amides anions, imides anions, methanes anions, borates anions, phosphates Mixtures based on anions or antimony anions and any combination thereof can be used.

上記ハロゲン類アニオンとしては、例えば次の化学式(11)〜(13)で表されるハロゲン類アニオン、Cl…(11)、Br…(12)及びI…(13)などを挙げることができる。 Examples of the halogen anions include halogen anions represented by the following chemical formulas (11) to (13), Cl (11), Br (12), I (13), and the like. Can do.

また、上記硫酸塩類アニオンやスルホン酸塩類アニオンとしては、例えば次の化学式(14)〜(22)で表される硫酸塩類アニオンやスルホン酸塩類アニオン、SO 2−…(14)、HSO …(15)、CHSO …(16)、CSO …(17)、CSO …(18)、C13SO …(19)、C17SO …(20)、CFSO …(21)、及び Examples of the sulfate anions and sulfonate anions include sulfate anions and sulfonate anions represented by the following chemical formulas (14) to (22), SO 4 2− (14), HSO 4 (15), CH 3 SO 4 (16), C 2 H 5 SO 4 (17), C 4 H 9 SO 4 (18), C 6 H 13 SO 4 (19) , C 8 H 17 SO 4 (20), CF 3 SO 3 (21), and

Figure 2008034212
Figure 2008034212

などを挙げることができる。 And so on.

更に、上記アミド類アニオンやイミド類アニオンとしては、例えば次の化学式(23)〜(25)で表されるアミド類アニオンやイミド類アニオン、(CN)…(23)、[N(CF)]…(24)、及び[N(SOCF…(25)などを挙げることができる。 Furthermore, examples of the amide anion and imide anion include amide anions and imide anions represented by the following chemical formulas (23) to (25), (CN) 2 N (23), [N ( CF 3 ) 2 )] (24) and [N (SO 2 CF 3 ) 2 ] (25).

また、上記メタン類アニオンとしては、例えば次の化学式(26)及び(27)で表されるメタン類アニオン、[HC(SOCF…(26)、及びC(SOCF …(27)などを挙げることができる。 Examples of the methane anions include methane anions represented by the following chemical formulas (26) and (27), [HC (SO 2 CF 3 ) 2 ] (26), and C (SO 2 CF). 3 ) 3 (27) and the like.

更に、上記ホウ酸塩類アニオンとしては、例えば次の化学式(28)〜(34)で表されるホウ酸塩類アニオン、BF …(28)、B(CN) …(29)、 Further, as the borate anions, for example, borate anions represented by the following chemical formulas (28) to (34), BF 4 (28), B (CN) 4 (29),

Figure 2008034212
Figure 2008034212

Figure 2008034212
Figure 2008034212

Figure 2008034212
Figure 2008034212

Figure 2008034212
Figure 2008034212

Figure 2008034212
Figure 2008034212

などを挙げることができる。 And so on.

また、上記リン酸塩類アニオンとしては、例えば次の化学式(35)〜(43)で表されるリン酸塩類アニオン、PO 3−…(35)、HPO 2−…(36)、(C)PO …(37)、(CP(O)O…(38)、PF …(39)、(CPF …(40)、(CPF …(41)、(CPF …(42)、及び Examples of the phosphate anions include phosphate anions represented by the following chemical formulas (35) to (43), PO 4 3− (35), HPO 4 2− (36), (C 2 F 5 ) PO 4 (37), (C 2 F 5 ) 2 P (O) O (38), PF 6 (39), (C 2 F 5 ) 3 PF 3 ( 40), (C 3 F 7 ) 3 PF 3 (41), (C 4 F 9 ) 3 PF 3 (42), and

Figure 2008034212
Figure 2008034212

などを挙げることができる。 And so on.

更に、上記アンチモン類アニオンとしては、例えば次の化学式(44)で表されるアンチモン類アニオン、SbF …(44)などを挙げることができる。 Furthermore, examples of the antimony anions include antimony anions represented by the following chemical formula (44), SbF 6 (44), and the like.

更にまた、その他の塩のアニオンとしては、例えば次の化学式(45)〜(47)で表されるその他の塩のアニオン、C1021COO…(45)、CFCOO…(46)、及びCo(CO) …(47)などを挙げることができる。
なお、上記式(14)、(35)及び(36)で表される多価アニオンについても、好適に用いることができる。
そして、上述のカチオン成分及びアニオン成分は、それぞれ単独で使用するばかりでなく、2種以上を適宜組み合せて使用することもできる。
Furthermore, as anions of other salts, for example, anions of other salts represented by the following chemical formulas (45) to (47), C 10 H 21 COO (45), CF 3 COO (46) ), And Co (CO) 4 (47).
In addition, it can use suitably also about the polyvalent anion represented by the said Formula (14), (35), and (36).
And the above-mentioned cation component and anion component can be used not only individually but also in an appropriate combination of two or more.

また、上記電極20としては、特に限定されるものではないが、例えば白金、ルテニウム等の貴金属、ロジウム、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。このような電極は、例えばカーボンペーパー、カーボングラック、これらにポリテトラフルオロエチレン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望ましい。   Further, the electrode 20 is not particularly limited, but it is preferable that the electrode 20 includes a noble metal such as platinum and ruthenium, and an electrode catalyst component such as rhodium and glassy carbon. Such an electrode is desirably highly dispersed through a supporting substrate such as carbon paper, carbon black, or a mixture of these with polytetrafluoroethylene.

ここで、本発明のイオン伝導体の製造方法の一例について説明する。
図3は、シリカテンプレートの作製手順の一例を示す工程図である。同図に示すような工程によってシリカテンプレートを作製する。具体的には、まず、分散媒と球状シリカ粒子懸濁液とを用意し、これらを混合する。次いで、この混合液を濾過して、成膜する。しかる後、得られた濾過成形膜を焼成して、図中に模式的に示したようなシリカテンプレートを得る。
Here, an example of the manufacturing method of the ion conductor of this invention is demonstrated.
FIG. 3 is a process diagram showing an example of a procedure for producing a silica template. A silica template is produced by a process as shown in FIG. Specifically, first, a dispersion medium and a spherical silica particle suspension are prepared and mixed. Next, this mixed solution is filtered to form a film. Thereafter, the obtained filtration molded film is fired to obtain a silica template as schematically shown in the figure.

ここで、上記分散媒としては、特に限定されるものではないが、例えば水やエタノールなどを用いることができる。
また、球状シリカ粒子としては、特に限定されるものではないが、例えば直径が10〜1000nmであるものを好適に用いることができる。直径が10nm未満であると、粒子径の分布が均質に整った粒子を安価に入手することが困難となる。一方、直径が1000nmを超える場合には、有機多孔体の構造が均質なものと成り難い。
更に、混合液を濾過する際には、特に限定されるものではないが、例えば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て、濾過することが好ましい。
更にまた、濾過成形膜を焼成する際には、特に限定されるものではないが、例えばシリカを十分に焼成させるために、少なくとも800℃以上で30分間熱処理し、機械的強度を向上させるために、少なくとも900℃以上で4時間熱処理すればよい。
Here, the dispersion medium is not particularly limited, and for example, water or ethanol can be used.
Further, the spherical silica particles are not particularly limited. For example, particles having a diameter of 10 to 1000 nm can be suitably used. When the diameter is less than 10 nm, it is difficult to obtain particles having a uniform particle size distribution at low cost. On the other hand, when the diameter exceeds 1000 nm, the structure of the organic porous body is unlikely to be uniform.
Further, when the mixed solution is filtered, it is not particularly limited. However, it is preferable to perform the filtration while reducing the pressure so that the pressure is 10 kPa or less at the maximum with respect to the atmospheric pressure.
Furthermore, when firing the filtration molded membrane, although not particularly limited, for example, in order to sufficiently burn the silica, to heat-treat at least 800 ° C. for 30 minutes, to improve the mechanical strength The heat treatment may be performed at 900 ° C. or higher for 4 hours.

図4は、有機多孔体の作製手順の一例を示す工程図である。同図に示すような工程によって有機多孔体を作製する。具体的には、まず、上記得られたシリカテンプレートを、溶媒希釈したポリアミック酸溶液に浸漬する。次いで、減圧乾燥し、溶媒を揮発させる。更に、熱処理により、ポリアミック酸を加熱重合させてポリイミドとし、ポリイミドとシリカテンプレートとのコンポジット膜とする。しかる後、コンポジット膜からシリカテンプレートを除去して、ポリイミドから成る有機多孔体を得る。   FIG. 4 is a process diagram showing an example of a procedure for producing an organic porous body. An organic porous body is produced by a process as shown in FIG. Specifically, first, the silica template obtained above is immersed in a polyamic acid solution diluted with a solvent. Subsequently, it dries under reduced pressure and volatilizes a solvent. Furthermore, polyamic acid is heated and polymerized by heat treatment to form polyimide, and a composite film of polyimide and silica template is formed. Thereafter, the silica template is removed from the composite film to obtain an organic porous body made of polyimide.

ここで、溶媒としては、ポリアミック酸を溶解し得れば特に限定されるものではないが、例えばジメチルアセトアミドやジメチルスルフォキシド、N‐メチル‐2‐ピロリドン、m‐クレゾールなどを用いることができる。
また、ポリアミック酸としては、−C−O−C−(=R)の構造を有するものを示したが、これに限定されるものではない。即ち、次の化学式(48)〜(50)で表されるRの構造を有するものなどを用いてもよい。
Here, the solvent is not particularly limited as long as it can dissolve polyamic acid. For example, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methyl-2-pyrrolidone, m-cresol, and the like can be used. .
In addition, the polyamic acid has a structure of —C 6 H 4 —O—C 6 H 4 — (═R), but is not limited thereto. That is, those having the structure of R represented by the following chemical formulas (48) to (50) may be used.

Figure 2008034212
Figure 2008034212

Figure 2008034212
Figure 2008034212

Figure 2008034212
Figure 2008034212

更に、その重合度nについても特に限定されるものではないが、例えば図4中の構造を有するポリアミック酸においてはn=2500〜3500であるものを用いることができる。このような範囲においては、所望の有機多孔体を得やすい。
また、ポリアミック酸を加熱重合させる際には、特に限定されるものではないが、例えば約300℃程度でポリアミック酸の量に合わせて適宜の時間熱処理すればよい。
更に、ポリイミドの重合度nについても特に限定されるものではないが、例えばn=500〜5000であることが好ましい。nが500未満の場合には形成したポリイミド孔体の機械的強度に問題が生じる可能性があり、5000を超える場合には、テンプレートの空隙に導入できない可能性がある。
更にまた、コンポジット膜からシリカテンプレートを除去する際には、特に限定されるものではないが、例えばフッ化水素溶液で処理すればよい。
Further, the degree of polymerization n is not particularly limited. For example, in the case of polyamic acid having the structure shown in FIG. 4, one having n = 2500-3500 can be used. In such a range, it is easy to obtain a desired organic porous material.
Further, when the polyamic acid is heated and polymerized, it is not particularly limited. For example, the polyamic acid may be heat-treated at about 300 ° C. for an appropriate time according to the amount of the polyamic acid.
Further, the polymerization degree n of the polyimide is not particularly limited. For example, n = 500 to 5000 is preferable. If n is less than 500, there may be a problem with the mechanical strength of the formed polyimide pores, and if it exceeds 5000, there is a possibility that it cannot be introduced into the voids of the template.
Furthermore, when removing the silica template from the composite film, it is not particularly limited, but for example, it may be treated with a hydrogen fluoride solution.

図5は、イオン伝導体の作製要領の一例を示す説明図である。同図に示すように、まず、上記得られた有機多孔体と容器に入れた電解質材料とを用意し、有機多孔体を電解質材料に浸漬し、デシケータ内を減圧して、有機多孔体に電解質材料を含浸させ、コンポジット化されたイオン伝導体を作製する。
ここで、電解質材料としては、上述したカチオン成分やアニオン成分を含むもの、好ましくは上述したカチオン成分やアニオン成分を含むイオン液体を適宜用いることができる。
FIG. 5 is an explanatory view showing an example of the production procedure of the ion conductor. As shown in the figure, first, the organic porous body obtained above and an electrolyte material placed in a container are prepared, the organic porous body is immersed in the electrolyte material, the inside of the desiccator is decompressed, and the electrolyte is formed into the organic porous body. The material is impregnated to produce a composite ion conductor.
Here, as the electrolyte material, those containing the above-described cation component or anion component, preferably an ionic liquid containing the above-described cation component or anion component, can be used as appropriate.

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、上述した本発明のイオン伝導体を適用して構成される。このときは、他の制御手段と組み合せて適宜システム化することができる。
代表的には、燃料電池(単セル又はスタック構造体)、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、温度センサー、ガスセンサーなどが挙げられる。
Next, the energy device of the present invention will be described.
The energy device of the present invention is configured by applying the above-described ionic conductor of the present invention. In this case, it can be appropriately systemized by combining with other control means.
Typically, a fuel cell (single cell or stack structure), water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrator, temperature sensor, gas sensor, and the like can be given.

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。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1−1)
<シリカテンプレートの作製>
まず、図3に示すような操作を行い、膜状のシリカテンプレートを作製した。具体的には、平均直径550nmの球状シリカ粒子を含むコロイダルシリカ2ml(シリカ粒子の含有量:20.5%)と、分散媒としての水30mlとを混合し、それら粒子を均一に分散させるために超音波撹拌した。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5kPa以下の圧力となるように減圧し、混合液を濾過した。混合液が全て濾過された後、濾過成形された膜に含まれる余剰の分散媒を、濾紙などを吸水材として用いて除去し、室温で十分乾燥させ、メンブレンフィルターから剥離することにより、球状シリカ粒子が3次元規則配列された膜が得られた。
このようにして得られた膜を900℃で30分間熱処理し、更に、1100℃で4時間熱処理を行し、ゆっくりと室温に戻すことで、目的とする膜状のシリカテンプレートを得た。
図6(a)及び(b)は、得られたシリカテンプレートの(a)表面及び(b)断面のSEM写真である。
(Example 1-1)
<Preparation of silica template>
First, an operation as shown in FIG. 3 was performed to produce a membranous silica template. Specifically, 2 ml of colloidal silica containing spherical silica particles having an average diameter of 550 nm (silica particle content: 20.5%) and 30 ml of water as a dispersion medium are mixed to uniformly disperse the particles. Was stirred ultrasonically. Next, the membrane filter was set in a filter holder, and the pressure was reduced to 5 kPa or less with respect to atmospheric pressure using a manual vacuum pump, and the mixture was filtered. After all the mixed liquid has been filtered, the excess dispersion medium contained in the filter-formed membrane is removed using filter paper or the like as a water absorbing material, sufficiently dried at room temperature, and peeled off from the membrane filter to thereby remove spherical silica. A film in which the particles were three-dimensionally ordered was obtained.
The film thus obtained was heat-treated at 900 ° C. for 30 minutes, further heat-treated at 1100 ° C. for 4 hours, and slowly returned to room temperature to obtain the desired film-like silica template.
6 (a) and 6 (b) are SEM photographs of the (a) surface and (b) cross section of the obtained silica template.

<ポリイミド多孔質膜の作製>
次に、図4に示すような操作を行い、ポリイミド多孔質膜を作製した。具体的には、得られたシリカテンプレートを、ポリアミック酸溶液に浸漬した。ここで、ポリアミック酸溶液としては、溶媒としてのジメチルアセトアミドに8%となるようにポリアミック酸(重合度:3000)を溶解したものを用いた。
次いで、減圧乾燥し、溶媒を揮発させた。
更に、ポリアミック酸を加熱重合によって、ポリイミドとし、シリカテンプレート及びポリイミドのコンポジット膜とした。ここで、加熱重合は、200℃で1時間、320℃で1時間の二段階の熱処理で行った。
しかる後、10%HF水溶液によって、コンポジット膜からシリカテンプレートを除去して、略均一な内径を備えた球状の孔が3次元的に規則配列されたポリイミド多孔質膜(3−Dimensionally Ordered Macroporous of Polyimide:3DOM Polyimide)を得た。
<Preparation of polyimide porous membrane>
Next, an operation as shown in FIG. 4 was performed to produce a polyimide porous membrane. Specifically, the obtained silica template was immersed in a polyamic acid solution. Here, as the polyamic acid solution, a solution obtained by dissolving polyamic acid (degree of polymerization: 3000) so as to be 8% in dimethylacetamide as a solvent was used.
Subsequently, it dried under reduced pressure and the solvent was volatilized.
Furthermore, the polyamic acid was converted into polyimide by heat polymerization to form a composite film of silica template and polyimide. Here, the heat polymerization was performed by two-stage heat treatment at 200 ° C. for 1 hour and 320 ° C. for 1 hour.
Thereafter, the silica template is removed from the composite membrane with a 10% HF aqueous solution, and a polyimide porous membrane (3-Dimensionally Ordered Macroporous of Polyimide) in which spherical holes having a substantially uniform inner diameter are three-dimensionally regularly arranged. : 3DOM Polyimide).

<イオン液体の含浸>
次に、図5に示すような操作を行い、イオン伝導体を作製した。具体的には、得られたポリイミド多孔質膜を、電解質材料の一例であるイオン液体としてのブチルメチルイミダゾリウムトリフルオロスルホネートイミド(BMImTFSI)に浸漬し、20分間減圧して、本例のイオン伝導体を得た。
<Impregnation of ionic liquid>
Next, an operation as shown in FIG. 5 was performed to produce an ion conductor. Specifically, the obtained polyimide porous membrane was immersed in butyl methyl imidazolium trifluorosulfonate imide (BMImTFSI) as an ionic liquid which is an example of an electrolyte material, and the pressure was reduced for 20 minutes to obtain the ion conduction of this example. Got the body.

(実施例1−2)
略均一な内径を備えた球状の孔が3次元的に規則配列されたポリイミド多孔質膜に代えて、孔が3次元的に規則配列されていないポリイミド多孔質膜を用いた以外は、実施例1−1と同様の操作を繰り返し、本例のイオン伝導体を得た。
(Example 1-2)
Except for using a polyimide porous membrane in which spherical holes having a substantially uniform inner diameter are regularly arranged three-dimensionally, a polyimide porous membrane in which pores are not regularly arranged in three dimensions is used. The same operation as 1-1 was repeated to obtain an ion conductor of this example.

[性能評価]
(イオン伝導性試験)
上記実施例1−1及び実施例1−2のイオン伝導性を評価した。得られた結果を図7に示す。
なお、図8は、イオン伝導性試験の要領を示す斜視説明図である。同図に示すように、各例のイオン伝導体を所定面積(0.8cm)の金電極で挟持して、100Hz〜100kHzの交流波をかけて測定したインピーダンスにてイオン伝導性を評価した。
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導電率を測定した。
[Performance evaluation]
(Ion conductivity test)
The ion conductivity of Example 1-1 and Example 1-2 was evaluated. The obtained results are shown in FIG.
In addition, FIG. 8 is a perspective explanatory view showing the point of the ion conductivity test. As shown in the figure, the ionic conductivity of each example was sandwiched between gold electrodes having a predetermined area (0.8 cm 2 ), and the ionic conductivity was evaluated based on the impedance measured by applying an AC wave of 100 Hz to 100 kHz. .
The ionic conductivity here was calculated based on the area in contact with the gold electrode without considering the porosity. In the measurement, the ionic conductivity was measured by changing the temperature.

図7より、本発明の範囲に属する実施例1−1及び実施例1−2は、100℃より高い温度においても、優れたイオン伝導性を有することが分かる。   7 that Example 1-1 and Example 1-2 belonging to the scope of the present invention have excellent ionic conductivity even at a temperature higher than 100 ° C.

(実施例2−1)
図9は、本発明のイオン伝導体を適用した燃料電池の基本的な構成を示す概略断面図である。
同図に示すように、燃料電池は、電解質材料14を保持した有機多孔体12から成るイオン伝導体10を電解質膜とし、この電解質膜を一対の電極20で挟持されており、更に、一対のセパレータ30で挟持されて構成されている。
そして、電極20は、電極触媒層22とガス拡散層24によって構成されている。
ここで、有機多孔体としては実施例1−1で得られたポリイミド多孔質膜を、電解質材料としてはBMImTFSIを、電極触媒層としては白金担持カーボンを、ガス拡散層としてはカーボンペーパーを、セパレータとしてはカーボンプレートをそれぞれ使用した。
(Example 2-1)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a fuel cell to which the ion conductor of the present invention is applied.
As shown in the figure, the fuel cell uses an ionic conductor 10 composed of an organic porous body 12 holding an electrolyte material 14 as an electrolyte membrane, and the electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes 20. It is configured to be sandwiched between separators 30.
The electrode 20 includes an electrode catalyst layer 22 and a gas diffusion layer 24.
Here, the polyimide porous membrane obtained in Example 1-1 was used as the organic porous material, BMImTFSI was used as the electrolyte material, platinum-supported carbon was used as the electrode catalyst layer, carbon paper was used as the gas diffusion layer, and the separator. As for each, the carbon plate was used.

また、各電極20にはセパレータ30によってガス流路30aが形成され、水素(又は水素を含有する燃料ガス)と、酸素(又は酸素含有する酸化ガス)を供給できるようにしてある。
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。
Each electrode 20 is formed with a gas flow path 30a by a separator 30 so that hydrogen (or a fuel gas containing hydrogen) and oxygen (or an oxidizing gas containing oxygen) can be supplied.
In addition, as for an electrode, the side which supplies fuel gas becomes an anode, and the side which supplies oxidizing gas becomes a cathode.

この燃料電池による発電に際しては、それぞれのガスがガス流路からガス拡散層を経て電極触媒層に供給され、以下に示す電気化学反応が進行する。
→ 2H + 2e …(I)
2H + 2e + (1/2)O → HO …(II)
+ (1/2)O → HO …(III)
During power generation by this fuel cell, each gas is supplied from the gas flow path through the gas diffusion layer to the electrode catalyst layer, and the following electrochemical reaction proceeds.
H 2 → 2H + + 2e (I)
2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (II)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (III)

式(I)は、燃料電池の陰極側における反応を示しており、式(II)は燃料電池の陽極側における反応を示している。また、式(III)は、燃料電池全体で行われる反応となる。なお、これらの反応は、電極触媒層で進行する。
このように、イオン伝導体を適用した燃料電池は、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。
具体的には、中温域(120℃程度)での燃料電池の運転が可能となり、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、システム容量の低減、システム重量の軽量化が可能となる。更に、ポリイミドをイオン伝導体の構成材料の1つとしているため、耐薬品性や延伸性の高い、安価なイオン伝導体を得ることができる。
Formula (I) shows the reaction on the cathode side of the fuel cell, and Formula (II) shows the reaction on the anode side of the fuel cell. Further, the formula (III) is a reaction performed in the entire fuel cell. These reactions proceed in the electrode catalyst layer.
Thus, the fuel cell to which the ion conductor is applied can directly convert the chemical energy of the fuel into electric energy, and can be expected to have high energy conversion efficiency.
Specifically, the fuel cell can be operated in the middle temperature range (about 120 ° C.), the radiator load can be reduced compared to the conventional polymer electrolyte fuel cell, and the radiator size can be reduced. it can. As a result, the system capacity can be reduced and the system weight can be reduced. Furthermore, since polyimide is one of the constituent materials of the ion conductor, an inexpensive ion conductor with high chemical resistance and stretchability can be obtained.

本発明のイオン伝導体の一実施形態の断面構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the cross-section of one Embodiment of the ion conductor of this invention. 有機多孔体の一例のSEM写真である。It is a SEM photograph of an example of an organic porous body. シリカテンプレートを作製手順の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of a preparation procedure of a silica template. 有機多孔体の作製手順の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of the preparation procedure of an organic porous body. イオン伝導体の作製要領の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the preparation procedure of an ion conductor. (a)及び(b)は、実施例1−1において得られたシリカテンプレートの(a)表面及び(b)断面のSEM写真である。(A) And (b) is the SEM photograph of the (a) surface and (b) cross section of the silica template obtained in Example 1-1. 実施例1−1及び実施例1−2のイオン伝導体における温度に対するイオン伝導度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the ionic conductivity with respect to the temperature in the ion conductor of Example 1-1 and Example 1-2. イオン伝導性試験の要領を示す斜視説明図である。It is a perspective explanatory view showing the point of an ion conductivity test. 本発明のイオン伝導体を適用した燃料電池の構成例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the fuel cell to which the ion conductor of this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

10 イオン伝導体
12 有機多孔体
12a 孔
14 電解質材料
20 電極
22 電極触媒層
24 ガス拡散層
30 セパレータ
30a ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ion conductor 12 Organic porous body 12a Hole 14 Electrolyte material 20 Electrode 22 Electrode catalyst layer 24 Gas diffusion layer 30 Separator 30a Gas flow path

Claims (10)

有機多孔体と、電解質材料と、を含有して成るイオン伝導体であって、
上記有機多孔体は、孔を有し、該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有する、ことを特徴とするイオン伝導体。
An ionic conductor comprising an organic porous material and an electrolyte material,
The organic porous body has pores, holds the electrolyte material in the pores,
The electrolyte material includes a cation component and an anion component.
上記有機多孔体は、略均一な内径を備えた球状をなし、当該有機多孔体の内部に3次元的に配置された複数の孔を有すると共に、これら球状孔同士が隣接する球状孔との間に形成された連通口を介して互いに連通し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。   The organic porous body has a spherical shape with a substantially uniform inner diameter, and has a plurality of holes arranged three-dimensionally inside the organic porous body, and the spherical holes are adjacent to adjacent spherical holes. The ionic conductor according to claim 1, wherein the ionic conductors communicate with each other through a communication port formed on the surface. 上記有機多孔体は、気孔率が70〜90体積%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。   3. The ion conductor according to claim 1, wherein the organic porous body has a porosity of 70 to 90% by volume. 上記有機多孔体は、ポリイミドから成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。   The ionic conductor according to claim 1, wherein the organic porous body is made of polyimide. 上記ポリイミドは、原料がポリアミック酸であることを特徴とする請求項4に記載のイオン伝導体。   The ionic conductor according to claim 4, wherein a raw material of the polyimide is polyamic acid. 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1〜5のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体。   The ionic conductor according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrolyte material is an ionic liquid. 上記カチオン成分が、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、アンモニウム誘導体カチオン、ホスフォニウム誘導体カチオン、グアニジニウム誘導体カチオン、イソウロニウム誘導体カチオン及びチオウレア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つの項に記載のイオン伝導体。   The cation component contains at least one selected from the group consisting of imidazolium derivative cations, pyridinium derivative cations, pyrrolidinium derivative cations, ammonium derivative cations, phosphonium derivative cations, guanidinium derivative cations, isouronium derivative cations and thiourea derivative cations. The ionic conductor according to any one of claims 1 to 6, wherein: 上記アニオン成分が、ハロゲン類アニオン、硫酸塩類アニオン、スルホン酸塩類アニオン、アミド類アニオン、イミド類アニオン、メタン類アニオン、ホウ酸塩類アニオン、リン酸塩類アニオン及びアンチモン類アニオン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1〜7のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体。   The anion component was selected from the group consisting of a halogen anion, a sulfate anion, a sulfonate anion, an amide anion, an imide anion, a methane anion, a borate anion, a phosphate anion, and an antimony anion. The ionic conductor according to claim 1, comprising at least one kind. 請求項1〜8のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体を備えることを特徴とするエネルギーデバイス。   An energy device comprising the ionic conductor according to any one of claims 1 to 8. 請求項1〜8のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体を備えることを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the ion conductor according to any one of claims 1 to 8.
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