JP2018206587A - 燃料電池用電解質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスシール性が高い燃料電池用電解質及びその製造方法を提供すること。【解決手段】燃料電池用電解質１は、多孔質部材９と、前記多孔質部材に支持されたプロトン伝導材料１１とを含む。前記プロトン伝導材料は、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含む。前記オキソアニオン及び／又は前記プロトン配位性分子は、前記金属イオンに配位して配位高分子を形成している。燃料電池用電解質の相対密度は７５％以上である。【選択図】図３
Description
本開示は燃料電池用電解質及びその製造方法に関する。
特許文献１には、燃料電池用電解質に使用可能なプロトン伝導材料が開示されている。このプロトン伝導材料は、高温下でも使用でき、無加湿又は低加湿条件でも使用できる。
燃料電池用電解質には、ガスシール性が高いことが求められる。本開示は、ガスシール性が高い燃料電池用電解質及びその製造方法を提供する。
本開示の一態様は、燃料電池用電解質（１）であって、多孔質部材（９）と、前記多孔質部材に支持されたプロトン伝導材料（１１）と、を含み、前記プロトン伝導材料は、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含み、前記オキソアニオン及び／又は前記プロトン配位性分子が、前記金属イオンに配位して配位高分子を形成しており、相対密度が７５％以上である燃料電池用電解質である。
本開示の一態様である燃料電池用電解質は、相対密度が大きいため、ガスシール性が高い。
本開示の別の態様は、燃料電池用電解質（１）の製造方法であって、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含む溶液と、多孔質部材（９）とを接触させ、前記多孔質部材から前記溶液の溶媒を除去し、前記多孔質部材に支持されたプロトン伝導材料（１１）を形成し、前記プロトン伝導材料は、前記金属イオン、前記オキソアニオン、及び前記プロトン配位性分子を含み、前記オキソアニオン及び／又は前記プロトン配位性分子が、前記金属イオンに配位して配位高分子を形成している燃料電池用電解質の製造方法である。
本開示の別の態様は、燃料電池用電解質（１）の製造方法であって、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含む溶液と、多孔質部材（９）とを接触させ、前記多孔質部材から前記溶液の溶媒を除去し、前記多孔質部材に支持されたプロトン伝導材料（１１）を形成し、前記プロトン伝導材料は、前記金属イオン、前記オキソアニオン、及び前記プロトン配位性分子を含み、前記オキソアニオン及び／又は前記プロトン配位性分子が、前記金属イオンに配位して配位高分子を形成している燃料電池用電解質の製造方法である。
本開示の別の態様である燃料電池用電解質の製造方法によれば、相対密度が大きく、ガスシール性が高い燃料電池用電解質を製造できる。
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
本開示の実施形態を説明する。
１．燃料電池用電解質
（１−１）多孔質部材
燃料電池用電解質は多孔質部材を含む。多孔質部材はプロトン伝導材料を支持する。プロトン伝導材料を支持するとは、プロトン伝導材料の形状又は位置を一定に保つことを意味する。例えば、多孔質部材に、プロトン伝導材料の少なくとも一部が含浸されていてもよい。また、多孔質部材の表面にプロトン伝導材料の膜が形成されていてもよい。
１．燃料電池用電解質
（１−１）多孔質部材
燃料電池用電解質は多孔質部材を含む。多孔質部材はプロトン伝導材料を支持する。プロトン伝導材料を支持するとは、プロトン伝導材料の形状又は位置を一定に保つことを意味する。例えば、多孔質部材に、プロトン伝導材料の少なくとも一部が含浸されていてもよい。また、多孔質部材の表面にプロトン伝導材料の膜が形成されていてもよい。
多孔質部材は、例えば、樹脂を含む。多孔質部材は、樹脂から成る部材であってもよいし、樹脂と他の材料とから成る部材であってもよい。樹脂として、例えば、テフロン（登録商標）、ポリイミド、アクリル、セルロース、ポリオレフィン、アラミド、ポリアミド、及びポリエステル等が挙げられる。また、多孔質部材は、例えば、無機物を含む。多孔質部材は、無機物から成る部材であってもよいし、無機物と他の材料とから成る部材であってもよい。無機物として、例えば、グラスウール、シリカ等が挙げられる。多孔質部材の形状として、例えば、膜の形状、板の形状等が挙げられる。
（１−２）プロトン伝導材料
燃料電池用電解質はプロトン伝導材料を含む。プロトン伝導材料は多孔質部材に支持されている。プロトン伝導材料は、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含む。オキソアニオン及び／又はプロトン配位性分子は、金属イオンに配位して配位高分子を形成している。
（１−２）プロトン伝導材料
燃料電池用電解質はプロトン伝導材料を含む。プロトン伝導材料は多孔質部材に支持されている。プロトン伝導材料は、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含む。オキソアニオン及び／又はプロトン配位性分子は、金属イオンに配位して配位高分子を形成している。
オキソアニオンとして、例えば、リン酸イオン、硫酸イオン等が挙げられる。水素に対する化学的安定性の点から、リン酸イオンが好ましい。リン酸イオンは、プロトンが１つ配位したリン酸水素イオン、又はプロトンが２つ配位したリン酸二水素イオンの形態であってもよい。
オキソアニオンは、例えば、縮合が起こっていない単量体の形態で金属イオンに配位している。オキソアニオンが単量体である場合、プロトン伝導材料はプロトン濃度が高い状態で保持される。また、オキソアニオンが単量体である場合、プロトン伝導材料は水分に対する安定性にも優れる。
プロトン配位性分子は、プロトンを配位するための配位点を分子内に好ましくは２つ以上持った分子である。プロトン配位性分子として、イミダゾール、トリアゾール、ベンズイミダゾール、ベンズトリアゾール、及びこれらの誘導体が好ましい。これらのプロトン配位性分子は、プロトンの配位と放出とのバランスに優れた配位点を持つため、イオン伝導性において優れる。
ここで、誘導体とは、化学構造の一部を他の原子又は原子団で置き換えたものを意味する。誘導体の具体例として、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、ヒスタミン、ヒスチジン等が挙げられる。これらはイミダゾールの誘導体である。
また、プロトン配位性分子として、例えば、一般式R-NH2で表される第一級アミン、一般式R1(R2)-NHで表される第二級アミン、一般式R1(R2)(R3)-Nで表される第三級アミンが挙げられる。ここで、R、R1、R2、R3は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基、脂環式炭化水素基、及び複素環基のうちのいずれかである。
第一級アミンとして、例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン等の低級アルキルアミン、アニリン、トルイジン等の芳香族アミンが挙げられる。
第二級アミンとして、例えば、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン等のジ低級アルキルアミン、Ｎ−メチルアニリン、Ｎ−メチルトルイジン等の芳香族二級アミン等が挙げられる。
第二級アミンとして、例えば、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン等のジ低級アルキルアミン、Ｎ−メチルアニリン、Ｎ−メチルトルイジン等の芳香族二級アミン等が挙げられる。
第三級アミンとして、例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミン等のトリ低級アルキルアミンが挙げられる。また、プロトン配位性分子として、例えば、エチレンジアミン、そのＮ−低級アルキル誘導体等の炭素直鎖ジアミン等が挙げられる。Ｎ−低級アルキル誘導体として、例えば、テトラメチルエチレンジアミン等が挙げられる。
また、プロトン配位性分子として、例えば、ピロリジン、Ｎ−低級アルキルピロリジン、ピペリジン、Ｎ−低級アルキルピペリジン、モルホリン、Ｎ−低級アルキルモルホリン等の飽和環状アミンを挙げることができる。Ｎ−低級アルキルピロリジンとして、例えば、Ｎ−メチルピロリジン等が挙げられる。Ｎ−低級アルキルピペリジンとして、例えば、Ｎ−メチルピペリジン等が挙げられる。
また、プロトン配位性分子として、例えば、ピペラジン、Ｎ−低級ジアルキルピペラジン、１、４−ジアザビシクロ [２.２.２]オクタン（別名：トリエチレンジアミン）等の飽和環状ジアミン等を挙げることができる。Ｎ−低級ジアルキルピペラジンとして、例えば、Ｎ、Ｎ−ジメチルピペラジン等が挙げられる。
金属イオンは、特に限定されるものではないが、高周期の遷移金属イオンや典型金属イオンが好ましい。特に、コバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン、及びガリウムイオンが好ましい。これらの金属イオンは、前記オキソアニオン及び／又はプロトン配位性分子との配位結合を形成しやすい。
プロトン伝導材料において、金属イオン１モルに対して、オキソアニオンが１〜４モル、プロトン配位性分子が１〜３モルの配合比率であることが望ましい。この配合比率である場合、効率的に配位高分子を形成することができる。
金属イオン１モルに対して、オキソアイニオン又はプロトン配位性分子の配合比率が１モルより少ないと、配位高分子を形成しないことがある。また、金属イオン１モルに対して、オキソアニオンを４モルより多く配合した場合、又は、プロトン配位性分子を３モルより多く配合した場合、プロトン伝導材料が固体状にならず、非常に高い吸湿性を示し、形状安定性が著しく低下してしまうことがある。
プロトン伝導材料は、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子に加えて、添加材料を含んでいてもよい。この添加材料として、例えば、オキソ酸、金属酸化物、有機ポリマー、及びアルカリ金属イオンから成る群から選ばれる１種以上が挙げられる。これらの添加材料のいずれかを含む場合、プロトン伝導材料の高温における性能を損なうことなく、低温におけるイオン伝導率が一層高くなる。高温とは、例えば１００℃以上である。低温とは、例えば１００℃未満である。
添加材料の添加量は、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子の合計質量を１００質量部としたとき、１〜２０質量部の範囲が好ましい。
オキソ酸として、例えば、リン酸、硝酸、硫酸、及びそれらの類縁化合物等が挙げられる。金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子の合計質量を１００質量部としたとき、オキソ酸の添加量は、２〜１５０質量部の範囲が好ましい。２質量部以上である場合、添加材料による上記の効果が一層顕著になる。１５０質量部以下である場合、オキソ酸の酸性度により配位高分子が分解してしまうことを抑制できる。
添加材料が金属酸化物又は有機ポリマーである場合、添加材料の添加量は、５〜２０質量部の範囲が好ましい。添加量がこの範囲内である場合、プロトン伝導材料の高温における性能を損なうことなく、低温におけるイオン伝導率が一層高くなる。
オキソ酸として、例えば、リン酸、硝酸、硫酸、及びそれらの類縁化合物等が挙げられる。金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子の合計質量を１００質量部としたとき、オキソ酸の添加量は、２〜１５０質量部の範囲が好ましい。２質量部以上である場合、添加材料による上記の効果が一層顕著になる。１５０質量部以下である場合、オキソ酸の酸性度により配位高分子が分解してしまうことを抑制できる。
添加材料が金属酸化物又は有機ポリマーである場合、添加材料の添加量は、５〜２０質量部の範囲が好ましい。添加量がこの範囲内である場合、プロトン伝導材料の高温における性能を損なうことなく、低温におけるイオン伝導率が一層高くなる。
前記金属酸化物として、例えば、SiO2、TiO2、Al2O3、WO3、MoO3、ZrO2、及びV2O5から成る群から選ばれる１種以上が挙げられる。これらの金属酸化物のいずれかを用いる場合、プロトン伝導材料の高温における性能を損なうことなく、低温におけるイオン伝導率が一層高くなる。
金属酸化物の粒子径は、５〜５００ｎｍの範囲が好ましい。粒子径がこの範囲内である場合、プロトン伝導材料の高温における性能を損なうことなく、低温におけるイオン伝導率が一層高くなる。なお、粒子径とは、金属酸化物の粒子を電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて撮影し、得られた画像を画像解析する方法で得られる値である。
前記有機ポリマーは、酸性官能基を有することが好ましい。酸性官能基を有する有機ポリマーを用いる場合、プロトン伝導材料の高温における性能を損なうことなく、低温におけるイオン伝導率が一層高くなる。酸性官能基として、例えば、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、スルホン酸基（−ＳＯ3Ｈ）、及びホスホン酸基（−ＰＯ3Ｈ2）等が挙げられる。有機ポリマーのｐＨは、４以下の範囲が好ましい。ｐＨが４以下である場合、プロトン伝導材料の高温における性能を損なうことなく、低温におけるイオン伝導率が一層高くなる。
前記有機ポリマーとして、例えば、図４Ａに示すポリアクリル酸（ＰＡＡ）、図４Ｂに示すポリビニルホスホン酸（ＰＶＰＡ）、図４Ｃに示すポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳＡ）、図４Ｄに示すデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）等が挙げられる。
アルカリ金属イオンとして、例えば、Li、Na、K、Rb、及びCsから成る群から選ばれる１種以上の金属イオンが挙げられる。これらのアルカリ金属イオンを用いる場合、プロトン伝導材料のイオン伝導率が、低温、及び高温において一層高くなる。
上記の添加剤を含む場合、プロトン伝導材料は、例えば、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含む溶液に、さらに添加剤を加えることで得られる。
（１−３）相対密度
本開示の燃料電池用電解質の相対密度は７５％以上である。相対密度が７５％以上であることにより、燃料電池用電解質のガスシール性が高い。相対密度は、８０％以上であることがより好ましく、９０％上であることが特に好ましい。これらの場合、燃料電池用電解質のガスシール性が一層高い。相対密度の測定方法は、後述する実施例に記載した方法である。
（１−３）相対密度
本開示の燃料電池用電解質の相対密度は７５％以上である。相対密度が７５％以上であることにより、燃料電池用電解質のガスシール性が高い。相対密度は、８０％以上であることがより好ましく、９０％上であることが特に好ましい。これらの場合、燃料電池用電解質のガスシール性が一層高い。相対密度の測定方法は、後述する実施例に記載した方法である。
（１−４）燃料電池用電解質の用途
燃料電池用電解質は、燃料電池の構成要素とすることができる。例えば、図１に示すように、燃料電池用電解質１の両側に、電極３、５を取りつけ、図２に示す燃料電池の単セル７を製造することができる。
燃料電池用電解質は、燃料電池の構成要素とすることができる。例えば、図１に示すように、燃料電池用電解質１の両側に、電極３、５を取りつけ、図２に示す燃料電池の単セル７を製造することができる。
２．燃料電池用電解質の製造方法
燃料電池用電解質の製造方法では、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含む溶液と、多孔質部材とを接触させ、多孔質部材から溶液の溶媒を除去する。溶液に含まれていた金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子により、プロトン伝導材料が形成される。そのプロトン伝導材料は、多孔質部材に支持されている。プロトン伝導材料は、前記「（１−２）プロトン伝導材料」の項で述べた構成を有する。
燃料電池用電解質の製造方法では、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含む溶液と、多孔質部材とを接触させ、多孔質部材から溶液の溶媒を除去する。溶液に含まれていた金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子により、プロトン伝導材料が形成される。そのプロトン伝導材料は、多孔質部材に支持されている。プロトン伝導材料は、前記「（１−２）プロトン伝導材料」の項で述べた構成を有する。
溶液の溶媒として、例えば、水、エタノール等が挙げられる。溶液を調製する方法として、例えば、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子と、溶媒とを混合する方法が挙げられる。
溶液と多孔質部材とを接触させる態様として、例えば、溶液を多孔質部材に滴下する態様、多孔質部材を溶液に浸漬する態様、溶液を多孔質部材に塗布する態様、溶液を多孔質部材に噴霧する態様等が挙げられる。
多孔質部材から溶液の溶媒を除去する態様として、自然乾燥させる態様、加熱する態様、送風する態様、減圧する態様等が挙げられる。
燃料電池用電解質の製造方法の一例を図３に示す。まず、ＺｎＯ、リン酸、及びアゾールに水を加えて溶液を調製する。ＺｎＯは金属イオン源である。調製された溶液中にはＺｎのイオンが存在する。リン酸はオキソアニオンに対応する。アゾールはプロトン配位性分子に対応する。
燃料電池用電解質の製造方法の一例を図３に示す。まず、ＺｎＯ、リン酸、及びアゾールに水を加えて溶液を調製する。ＺｎＯは金属イオン源である。調製された溶液中にはＺｎのイオンが存在する。リン酸はオキソアニオンに対応する。アゾールはプロトン配位性分子に対応する。
次に、その溶液８を多孔質部材９に滴下する。次に、乾燥させることにより溶液８の溶媒を除去し、燃料電池用電解質１を完成する。燃料電池用電解質１において、プロトン伝導材料１１が、多孔質部材９に支持されている。
製造された燃料電池用電解質の相対密度は、７５％以上であることが好ましい。この場合、製造された燃料電池用電解質のガスシール性が一層高くなる。
３．実施例
（３−１）実施例１
ＺｎＯ、１、２、４−トリアゾール、リン酸、及び水を、表１における「実施例１」の列に示す配合量で混合し、原料溶液Ｓ１を作成した。
３．実施例
（３−１）実施例１
ＺｎＯ、１、２、４−トリアゾール、リン酸、及び水を、表１における「実施例１」の列に示す配合量で混合し、原料溶液Ｓ１を作成した。
次に、メンブレンフィルター１３に、原料溶液Ｓ１を１１３μＬ滴下し、８０℃で３時間乾燥させた。上記の滴下と乾燥とを３回繰り返して燃料電池用電解質を作製した。この燃料電池用電解質では、メンブレンフィルター１３にプロトン伝導材料が支持されている。燃料電池用電解質の相対密度ｄ（％）を、以下の式（１）を用いて算出した。
式（２）におけるＶｎは、未処理のメンブレンフィルター１３における、樹脂の体積である。Ｖｎの単位はｍＬである。Ｖｎは、式（４）により算出される。式（４）におけるＡは、未処理のメンブレンフィルター１３の面積である。Ａの単位はｃｍ２である。式（４）におけるＬｎは、未処理のメンブレンフィルター１３の厚さである。Ｌｎの単位はｃｍである。式（４）におけるＰは、未処理のメンブレンフィルター１３における気孔率（％）である。式（１）におけるｄｍａｔは、結晶構造から求めたプロトン伝導材料の材料密度である。ｄｍａｔの単位はｇ／ｍＬである。
図６に示すように、上で作成した燃料電池用電解質１７の両面に電極１９を貼り付け、膜電極接合体２１を作製した。電極１９は、市販の燃料電池用白金担持カーボン電極であって、７ｍｍ径に打ち抜かれたものである。また、集電体２３及びガスケット２５を取り付けた。
膜電極接合体２１における片側の電極１９に３．８％水素を６０ｍＬ毎分の流量で供給するとともに、反対側の電極１９に乾燥空気を６０ｍＬ毎分の流量で供給しながら、膜電極接合体２１を１２０℃に加熱した。この状態で、両方の電極１９間の電圧を測定した。この電圧は開回路電圧である。開回路電圧の測定結果を上記表１に示す。
また、空気を供給している電極１９側の排ガスをガスクロマトグラフィーで分析し、水素濃度を測定した。水素濃度が高いほど、燃料電池用電解質１７を介してリークした水素ガスが多い。水素濃度の測定結果を上記表１に示す。
また、両方の電極１９を用いて、燃料電池用電解質１７の導電率を測定した。導電率の測定結果を上記表１に示す。
（３−２）実施例２
ＺｎＯ、１、２、４−トリアゾール、リン酸、及び水を、表１における「実施例２」の列に示す配合量で混合し、混合物を８０℃で乾燥させることでプロトン伝導材料の粉を得た。得られたプロトン伝導材料の粉０．１ｇを１００ｍｌの水に溶かし、原料溶液Ｓ２を作成した。
（３−２）実施例２
ＺｎＯ、１、２、４−トリアゾール、リン酸、及び水を、表１における「実施例２」の列に示す配合量で混合し、混合物を８０℃で乾燥させることでプロトン伝導材料の粉を得た。得られたプロトン伝導材料の粉０．１ｇを１００ｍｌの水に溶かし、原料溶液Ｓ２を作成した。
図５に示すように、メンブレンフィルター１３を１５ｍｍ角に切り、図示しないテフロン板上に載せて四方の角をテープ１５で固定した。このメンブレンフィルター１３は、実施例１と同様のものである。
次に、メンブレンフィルター１３に、原料溶液Ｓ２を６００μＬ滴下し、８０℃で３時間乾燥させた。上記の滴下と乾燥とを３回繰り返して燃料電池用電解質を作製した。この燃料電池用電解質では、メンブレンフィルター１３にプロトン伝導材料が支持されている。
次に、メンブレンフィルター１３に、原料溶液Ｓ２を６００μＬ滴下し、８０℃で３時間乾燥させた。上記の滴下と乾燥とを３回繰り返して燃料電池用電解質を作製した。この燃料電池用電解質では、メンブレンフィルター１３にプロトン伝導材料が支持されている。
得られた燃料電池用電解質を用いて、実施例１と同様に、相対密度ｄ、開回路電圧、水素濃度、及び導電率を測定した。測定結果を上記表１に示す。
（３−３）実施例３
ＺｎＯ、１、２、４−トリアゾール、リン酸、及び水を、表１における「実施例３」の列に示す配合量で混合し、混合物を８０℃で乾燥させることでプロトン伝導材料の粉を得た。得られたプロトン伝導材料の粉０．１ｇを１００ｍｌの水に溶かし、原料溶液Ｓ３を作成した。
（３−３）実施例３
ＺｎＯ、１、２、４−トリアゾール、リン酸、及び水を、表１における「実施例３」の列に示す配合量で混合し、混合物を８０℃で乾燥させることでプロトン伝導材料の粉を得た。得られたプロトン伝導材料の粉０．１ｇを１００ｍｌの水に溶かし、原料溶液Ｓ３を作成した。
図５に示すように、メンブレンフィルター１３を１５ｍｍ角に切り、図示しないテフロン板上に載せて四方の角をテープ１５で固定した。このメンブレンフィルター１３は、実施例１と同様のものである。
次に、メンブレンフィルター１３に、原料溶液Ｓ３を６００μＬ滴下し、８０℃で３時間乾燥させた。上記の滴下と乾燥とを３回繰り返して燃料電池用電解質を作製した。この燃料電池用電解質では、メンブレンフィルター１３にプロトン伝導材料が支持されている。
次に、メンブレンフィルター１３に、原料溶液Ｓ３を６００μＬ滴下し、８０℃で３時間乾燥させた。上記の滴下と乾燥とを３回繰り返して燃料電池用電解質を作製した。この燃料電池用電解質では、メンブレンフィルター１３にプロトン伝導材料が支持されている。
得られた燃料電池用電解質を用いて、実施例１と同様に、相対密度ｄ、開回路電圧、水素濃度、及び導電率を測定した。測定結果を上記表１に示す。
（３−４）比較例
ＺｎＯ、１、２、４−トリアゾール、リン酸、及び水を、表１における「比較例」の列に示す配合量で混合し、混合物を８０℃で乾燥させることでプロトン伝導材料の粉を得た。
（３−４）比較例
ＺｎＯ、１、２、４−トリアゾール、リン酸、及び水を、表１における「比較例」の列に示す配合量で混合し、混合物を８０℃で乾燥させることでプロトン伝導材料の粉を得た。
得られたプロトン伝導材料の粉１ｇを２０ｍＬのエタノールに懸濁させた。この懸濁液を５０ｍＬのポリエチレンポットに入れ、そこにジルコニアボール５ｍｍ径を１０ｇ加え、１００ｒｐｍの速度でボールミルを行った。ジルコニアボールを液から取り出し、原料溶液Ｒを得た。
図５に示すように、メンブレンフィルター１３を１５ｍｍ角に切り、図示しないテフロン板上に載せて四方の角をテープ１５で固定した。このメンブレンフィルター１３は、実施例１と同様のものである。
次に、メンブレンフィルター１３に、原料溶液Ｒを１２０μＬ滴下し、８０℃で３時間乾燥させた。上記の滴下と乾燥とを３回繰り返して燃料電池用電解質を作製した。
次に、メンブレンフィルター１３に、原料溶液Ｒを１２０μＬ滴下し、８０℃で３時間乾燥させた。上記の滴下と乾燥とを３回繰り返して燃料電池用電解質を作製した。
得られた燃料電池用電解質を用いて、実施例１と同様に、相対密度ｄ、開回路電圧、水素濃度、及び導電率を測定した。測定結果を上記表１に示す。
４．他の実施形態
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
４．他の実施形態
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
（１）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
（２）上述した燃料電池用電解質の他、当該燃料電池用電解質を構成要素とする燃料電池、燃料電池の製造方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。
１…燃料電池用電解質、８…溶液、９…多孔質部材、１１…プロトン伝導材料
Claims (16)
- 燃料電池用電解質（１）であって、
多孔質部材（９）と、
前記多孔質部材に支持されたプロトン伝導材料（１１）と、
を含み、
前記プロトン伝導材料は、金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含み、前記オキソアニオン及び／又は前記プロトン配位性分子が、前記金属イオンに配位して配位高分子を形成しており、
相対密度が７５％以上である燃料電池用電解質。 - 請求項１に記載の燃料電池用電解質であって、
前記多孔質部材は樹脂又は無機物を含む燃料電池用電解質。 - 請求項１又は２に記載の燃料電池用電解質であって、
前記多孔質部材は、テフロン、ポリイミド、アクリル、及びセルロースのうちのいずれかから成る燃料電池用電解質。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質であって、
前記オキソアニオンが単量体である燃料電池用電解質。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質であって、
前記オキソアニオンが、リン酸イオン、リン酸水素イオン、及びリン酸二水素イオンから成る群から選ばれる１種以上である燃料電池用電解質。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質であって、
前記プロトン配位性分子が、イミダゾール、トリアゾール、ベンズイミダゾール、ベンズトリアゾール、及びこれらの誘導体から成る群から選ばれる１種以上である燃料電池用電解質。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質であって、
前記プロトン配位性分子が、一般式R-NH2で表される第一級アミン、一般式R1(R2)-NHで表される第二級アミン、一般式R1(R2)(R3)-Nで表される第三級アミン、炭素直鎖ジアミン、飽和環状アミン、及び飽和環状ジアミンから成る群から選ばれる１種以上である燃料電池用電解質。
（R、R1、R2、R3は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基、脂環式炭化水素基、及び複素環基のうちのいずれかを示す。） - 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質であって、
前記金属イオンが、コバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン、及びガリウムイオンから成る群から選ばれる１種以上である燃料電池用電解質。 - 燃料電池用電解質（１）の製造方法であって、
金属イオン、オキソアニオン、及びプロトン配位性分子を含む溶液と、多孔質部材（９）とを接触させ、
前記多孔質部材から前記溶液の溶媒を除去し、
前記多孔質部材に支持されたプロトン伝導材料（１１）を形成し、
前記プロトン伝導材料は、前記金属イオン、前記オキソアニオン、及び前記プロトン配位性分子を含み、前記オキソアニオン及び／又は前記プロトン配位性分子が、前記金属イオンに配位して配位高分子を形成している燃料電池用電解質の製造方法。 - 請求項９に記載の燃料電池用電解質の製造方法であって、
前記多孔質部材は樹脂から成る燃料電池用電解質の製造方法。 - 請求項９又は１０に記載の燃料電池用電解質の製造方法であって、
前記多孔質部材は、テフロン、ポリイミド、アクリル、及びセルロースのうちのいずれかから成る燃料電池用電解質の製造方法。 - 請求項９〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質の製造方法であって、
前記オキソアニオンが単量体である燃料電池用電解質の製造方法。 - 請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質の製造方法であって、
前記オキソアニオンが、リン酸イオン、リン酸水素イオン、及びリン酸二水素イオンから成る群から選ばれる１種以上である燃料電池用電解質の製造方法。 - 請求項９〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質の製造方法であって、
前記プロトン配位性分子が、イミダゾール、トリアゾール、ベンズイミダゾール、ベンズトリアゾール、及びこれらの誘導体から成る群から選ばれる１種以上である燃料電池用電解質の製造方法。 - 請求項９〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質の製造方法であって、
前記プロトン配位性分子が、一般式R-NH2で表される第一級アミン、一般式R1(R2)-NHで表される第二級アミン、一般式R1(R2)(R3)-Nで表される第三級アミン、炭素直鎖ジアミン、飽和環状アミン、及び飽和環状ジアミンから成る群から選ばれる１種以上である燃料電池用電解質の製造方法。
（R、R1、R2、R3は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基、脂環式炭化水素基、及び複素環基のうちのいずれかを示す。） - 請求項９〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質の製造方法であって、
前記金属イオンが、コバルトイオン、銅イオン、亜鉛イオン、及びガリウムイオンから成る群から選ばれる１種以上である燃料電池用電解質の製造方法。
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