JP4475002B2 - Ionic conductor, method for producing the same, and electrochemical device - Google Patents

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Description

本発明は、イオン伝導体及びその製造方法、並びに電気化学デバイスに関するものである。   The present invention relates to an ion conductor, a method for producing the same, and an electrochemical device.

燃料電池は、その高効率性やクリーンであることなどの理由から、次世代の環境配慮型電気エネルギー発生装置として注目され、各方面で盛んに開発が進められている。   Fuel cells are attracting attention as a next-generation environment-friendly electric energy generator due to their high efficiency and cleanliness, and are being actively developed in various fields.

燃料電池は、使用温度や使用条件がプロトン伝導体の性質に強く影響を与えるために、使用されるプロトン伝導体の種類によって燃料電池自体を大別することができる。このように、使用するプロトン伝導体の特性が燃料電池性能に大きく影響することから、プロトン伝導体の性能向上が燃料電池の性能を向上する上で大きな鍵となる。   Since fuel cells have a strong influence on the properties of proton conductors due to the temperature and conditions of use, the fuel cells themselves can be broadly classified according to the type of proton conductor used. As described above, the characteristics of the proton conductor to be used greatly affect the fuel cell performance. Therefore, improvement of the performance of the proton conductor is a great key for improving the performance of the fuel cell.

プロトン伝導体として、塩基性高分子と酸分子とを組み合わせてなる化合物を用いる研究が報告されている(例えば、後記の非特許文献1参照。)。また、硫酸エステル基(−OSO3H)又はスルホン酸基(−SO3H)のようなプロトン解離性の基を有するフラーレン化合物をプロトン伝導体として用いる例が報告されており、これによれば、10-2S/cmのプロトン伝導率を発現する。 As a proton conductor, research using a compound formed by combining a basic polymer and an acid molecule has been reported (for example, see Non-Patent Document 1 described later). In addition, an example in which a fullerene compound having a proton dissociable group such as a sulfate ester group (—OSO 3 H) or a sulfonic acid group (—SO 3 H) is used as a proton conductor has been reported. It exhibits a proton conductivity of 10 −2 S / cm.

Prog. Polym. Sci., 2000, 1463-1502Prog. Polym. Sci., 2000, 1463-1502

しかしながら、上記のような塩基性高分子と酸分子とを組み合わせてなる化合物をプロトン伝導体として用い、燃料電池を構成した場合、燃料電池の使用時に生成する水や燃料であるアルコール類(例えばメタノール溶液)に低分子酸が溶解してしまい、プロトン伝導の低下を招いてしまう。   However, when a compound comprising a combination of the basic polymer and the acid molecule as described above is used as a proton conductor to constitute a fuel cell, water generated during use of the fuel cell or alcohols (eg, methanol) The low molecular acid is dissolved in the solution), and the proton conduction is lowered.

プロトン伝導体として、フラーレン分子にプロトン解離性の基を結合させてなるフラーレン化合物を用いた場合もまた、フラーレン化合物は燃料であるアルコール類(例えばメタノール溶液)や、燃料電池の使用時に生成する水に対して可溶であるため、物理的に不安定であり、プロトン伝導の低下を招いてしまう。   When a fullerene compound in which a proton-dissociable group is bonded to a fullerene molecule is used as a proton conductor, the fullerene compound is an alcohol (for example, methanol solution) that is a fuel, or water that is generated when a fuel cell is used. Therefore, it is physically unstable and causes a decrease in proton conduction.

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、水や燃料に不溶であり、安定したプロトン等のイオン伝導を行うことができるイオン伝導体及びその製造方法、並びに電気化学デバイスを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an ion conductor that is insoluble in water and fuel and can conduct stable ion conduction of protons and the like. The manufacturing method and an electrochemical device are provided.

即ち、本発明は、フラーレン分子と、炭素を主成分とするクラスターと、線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からなる炭素物質に、イオン解離性の基が結合してなる誘導体と;塩基性の基を有する物質のポリマーと;を有する、イオン伝導体に係るものである。   That is, the present invention relates to an ion dissociable group on at least one carbon material selected from the group consisting of fullerene molecules, carbon-based clusters, and linear or cylindrical carbon structures. And a derivative of a substance having a basic group; and an ionic conductor.

また、フラーレン分子と、炭素を主成分とするクラスターと、線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からなる炭素物質に、イオン解離性の基が結合してなる誘導体と;塩基性の基を有する物質のポリマーと;を溶媒に溶解させて均一溶液にする工程と、前記溶媒を除去する工程とを有する、イオン伝導体の製造方法に係るものである。   Further, an ion dissociable group is bonded to at least one carbon substance selected from the group consisting of fullerene molecules, clusters mainly composed of carbon, and linear or cylindrical carbon structures. And a polymer of a substance having a basic group are dissolved in a solvent to form a homogeneous solution, and the process for removing the solvent is concerned with a method for producing an ionic conductor.

また、フラーレン分子と、炭素を主成分とするクラスターと、線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からなる炭素物質に、イオン解離性の基が結合してなる誘導体と;塩基性の基を有する物質のポリマーと;をそれぞれ溶媒に溶解させて各均一溶液にする工程と、これらの均一溶液を混合して不溶物を回収する工程とを有する、イオン伝導体の製造方法に係るものである。   Further, an ion dissociable group is bonded to at least one carbon substance selected from the group consisting of fullerene molecules, clusters mainly composed of carbon, and linear or cylindrical carbon structures. And a polymer of a substance having a basic group, each of which is dissolved in a solvent to form a homogeneous solution, and the homogeneous solution is mixed to recover an insoluble matter. This relates to a method for manufacturing a body.

さらに、フラーレン分子と、炭素を主成分とするクラスターと、線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からなる炭素物質に、イオン解離性の基が結合してなる誘導体と;塩基性の基を有する物質のモノマーと;を混合する工程と、前記混合物の重合を行い、前記誘導体と前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとを有するイオン伝導体を作製する工程とを有する、イオン伝導体の製造方法に係るものである。   Furthermore, an ion dissociative group is bonded to a carbon substance composed of at least one selected from the group consisting of fullerene molecules, clusters mainly composed of carbon, and linear or cylindrical carbon structures. And a monomer of a substance having a basic group; and polymerization of the mixture to produce an ionic conductor having the derivative and the polymer of the substance having the basic group. The manufacturing method of an ionic conductor which has a process to do.

また、本発明は、第1極と、第2極と、これらの両極間に挟持されたイオン伝導体とからなり、前記イオン伝導体が、フラーレン分子と、炭素を主成分とするクラスターと、線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からなる炭素物質に、イオン解離性の基が結合してなる誘導体と;塩基性の基を有する物質のポリマーと;を有する、電気化学デバイスに係るものである。   Further, the present invention comprises a first electrode, a second electrode, and an ionic conductor sandwiched between the two electrodes, the ionic conductor comprising a fullerene molecule and a cluster mainly composed of carbon, A derivative in which an ion dissociable group is bonded to at least one carbon substance selected from the group consisting of a linear or cylindrical carbon structure; a polymer of a substance having a basic group; The present invention relates to an electrochemical device.

本発明において、上記の「イオン解離性の基」とは、プロトン等の(以下、同様)イオンが電離により離脱し得る基を意味する。さらに、上記の「塩基性の基」は、前記イオン解離性の基によるイオンの解離を促進すると共に、解離したイオンを受け取り、更にこの受け取ったイオンを、近接する前記イオン解離性の基又は他の前記塩基性の基に供給することができる。   In the present invention, the above “ion dissociable group” means a group from which ions such as protons (hereinafter the same) can be separated by ionization. Further, the “basic group” described above promotes the dissociation of ions by the ion dissociable group, receives the dissociated ions, and further converts the received ions into the adjacent ion dissociable group or other groups. To the basic group.

本発明のイオン伝導体及びその製造方法によれば、前記イオン解離性の基が結合してなる前記誘導体と、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとの間でイオンコンプレックスを形成するため、水やメタノール溶液等に不溶であり、物理的に安定している。従って、安定したプロトン等のイオン伝導を行うことができる。   According to the ionic conductor and the method for producing the same of the present invention, an ion complex is formed between the derivative formed by bonding the ion dissociable group and the polymer of the substance having the basic group. It is insoluble in water and methanol solution and is physically stable. Therefore, stable ion conduction of protons and the like can be performed.

また、本発明の電気化学デバイスによれば、前記第1極と前記第2極との間に挟持された前記イオン伝導体が、上記したような優れた特性を有する本発明のイオン伝導体からなるので、上述したと同様の効果が奏せられる。従って、例えば室温等の低温下、及び乾燥時のスタートアップ可能な優れた性能を有するデバイスを実現することができる。   In addition, according to the electrochemical device of the present invention, the ion conductor sandwiched between the first electrode and the second electrode has the above-described excellent characteristics from the ion conductor of the present invention. Thus, the same effect as described above can be achieved. Therefore, it is possible to realize a device having excellent performance that can be started up at a low temperature such as room temperature and during drying.

本発明に基づくイオン伝導体は、前記イオン解離性の基が結合された前記誘導体と、前記塩基性の基を有する前記物質とが混合されていることが好ましい。   In the ionic conductor according to the present invention, the derivative having the ion dissociable group bonded thereto and the substance having the basic group are preferably mixed.

また、後述するように、前記イオン解離性の基としてプロトン(H+)解離性の基が用いられ、プロトン伝導体として機能することができる。 Further, as described later, a proton (H + ) dissociable group is used as the ion dissociable group, and can function as a proton conductor.

図1は、本発明に基づくイオン伝導体の一例の模式図である。なお、図1では、前記炭素材料として前記フラーレン分子(例えばC60)を用い、また前記イオン解離性の基として−PO(OH)2、で表される前記プロトン解離性の基を用い、また前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとしてポリビニルイミダゾールを用いた場合である。 FIG. 1 is a schematic view of an example of an ionic conductor according to the present invention. In FIG. 1, the fullerene molecule (for example, C 60 ) is used as the carbon material, the proton dissociable group represented by —PO (OH) 2 is used as the ion dissociable group, and This is a case where polyvinyl imidazole is used as the polymer of the substance having the basic group.

本発明に基づくイオン伝導体は、前記誘導体と、ポリマー化された前記塩基性の基を有する前記物質とでイオンコンプレックスを形成してなるので、水やメタノール溶液等に不溶であり、物理的に安定している。従って、例えば燃料電池等に用いれば室温等の低温下、及び乾燥時のスタートアップ可能な優れた性能を有するデバイスを実現することができる。   The ionic conductor according to the present invention is formed by forming an ion complex with the derivative and the polymerized substance having the basic group, so that it is insoluble in water, methanol solution, etc. stable. Therefore, for example, when used in a fuel cell or the like, it is possible to realize a device having excellent performance that can be started up at a low temperature such as room temperature and during drying.

ここで、本発明に基づくイオン伝導体は、前記炭素物質に、前記イオン解離性の基及び前記塩基性の基が結合されていてもよく、この場合も上記したと同様の優れたイオン伝導性能を有している。   Here, in the ionic conductor according to the present invention, the ion dissociable group and the basic group may be bonded to the carbon substance, and in this case, the same excellent ion conduction performance as described above have.

母体となる前記炭素物質としては、前記フラーレン分子と、炭素を主成分とする前記クラスターと、前記線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種を用いるが、前記イオン解離性の基を導入した後に、イオン伝導性が電子伝導性よりも大であることが重要である。   As the carbon material to be the base, at least one selected from the group consisting of the fullerene molecule, the cluster mainly composed of carbon, and the linear or cylindrical carbon structure is used. It is important that the ion conductivity is greater than the electron conductivity after the introduction of an ion dissociable group.

前記炭素物質としての前記フラーレン分子は、球状クラスター分子であれば特に限定しないが、通常はC36、C60(図2(A)参照)、C70(図2(B)参照)、C76、C78、C80、C82、C84、C86、C88、C90、C92、C94、C96などから選ばれるフラーレン分子の単体、若しくはこれらの2種類以上の混合物が好ましく用いられる。 The fullerene molecule as the carbon substance is not particularly limited as long as it is a spherical cluster molecule, but usually C 36 , C 60 (see FIG. 2 (A)), C 70 (see FIG. 2 (B)), C 76 , C 78 , C 80 , C 82 , C 84 , C 86 , C 88 , C 90 , C 92 , C 94 , C 96, etc., or a fullerene molecule alone or a mixture of two or more thereof is preferably used. It is done.

これらのフラーレン分子は、1985年に炭素のレーザアブレーションによるクラスタービームの質量分析スペクトル中に発見された(Kroto, H.W.; Heath, J.R.; O'Brien, S.C.; Curl, R.F.; Smalley, R.E. Nature 1985. 318, 162.)。実際にその製造方法が確立されるのは更に5年後のことで、1990年に炭素電極のアーク放電法による製造法が見出され、それ以来、前記フラーレンは炭素系半導体材料等として注目されてきた。   These fullerene molecules were discovered in the mass spectrometry spectrum of a cluster beam by laser ablation of carbon in 1985 (Kroto, HW; Heath, JR; O'Brien, SC; Curl, RF; Smalley, RE Nature 1985. 318, 162.). The manufacturing method was actually established five years later. In 1990, a method of manufacturing a carbon electrode by an arc discharge method was found, and since then, the fullerene has been attracting attention as a carbon-based semiconductor material. I came.

例えば、前記フラーレン分子に前記イオン解離性の基を結合させてなる前記誘導体を、多数凝集させた時、それがバルクとして示すイオン伝導性は、分子内に元々含まれる大量の前記イオン解離性の基に由来するイオンが移動に直接関わるため、乾燥雰囲気下においても、継続的に使用することができる。   For example, when a large number of the derivatives formed by bonding the ion dissociable group to the fullerene molecule are aggregated, the ion conductivity exhibited as a bulk is a large amount of the ion dissociative property originally contained in the molecule. Since ions derived from the group are directly involved in the movement, they can be used continuously even in a dry atmosphere.

また、前記フラーレン分子は特に求電子性の性質を持ち、このことが酸性度の高い前記イオン解離性の基としての前記プロトン解離性の基において、水素イオンの電離の促進に大きく寄与していると考えられ、優れたイオン伝導性を示す。また、一つのフラーレン分子中にかなり多くの前記イオン解離性の基を結合させることができるため、伝導に関与する水素イオンの、伝導体の単位体積あたりの数密度が非常に多くなるので、実質的な伝導率を発現する。   In addition, the fullerene molecule has particularly electrophilic properties, and this greatly contributes to the promotion of ionization of hydrogen ions in the proton dissociable group as the ion dissociable group having high acidity. It is thought that it exhibits excellent ionic conductivity. In addition, since a considerable number of the ion dissociable groups can be bonded in one fullerene molecule, the number density of the hydrogen ions involved in conduction per unit volume of the conductor becomes very large. Expresses the electrical conductivity.

本発明に基づくイオン伝導体を構成する前記誘導体は、その殆どが、前記フラーレン分子の炭素原子で構成されているため、重量が軽く、変質もし難く、また汚染物質も含まれていない。前記フラーレン分子の製造コストも急激に低下しつつある。資源的、環境的、経済的にみて、前記フラーレン分子は他のどの材料にもまして、理想に近い炭素系材料であると考えられている。   Since most of the derivatives constituting the ionic conductor according to the present invention are composed of carbon atoms of the fullerene molecule, they are light in weight, hardly change in quality, and contain no contaminants. The production cost of the fullerene molecule is also rapidly decreasing. From the viewpoint of resources, environment, and economy, the fullerene molecule is considered to be a carbon material that is closer to the ideal than any other material.

本発明においては、前記フラーレン分子を母体とする前記誘導体に代えて、例えば炭素系電極のアーク放電法によりカーボン粉末からなるクラスターを得、このカーボン粉末に前記イオン解離性の基を結合させてなるクラスター誘導体を用いることができる。   In the present invention, instead of the derivative having the fullerene molecule as a base, a cluster made of carbon powder is obtained, for example, by an arc discharge method of a carbon-based electrode, and the ion dissociable group is bonded to the carbon powder. Cluster derivatives can be used.

ここで、前記クラスターとは通常は、数個から数百個の原子が結合又は凝集して形成されている集合体のことであり、この凝集(集合)体によってイオン伝導性能が向上すると同時に、化学的性質を保持して膜強度が十分となり、層を形成し易い。また、このクラスターは炭素を主成分とするものであって、炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類は問わず数個から数百個結合して形成されている集合体のことである。但し、必ずしも100%炭素クラスターのみで構成されているとは限らず、他原子の混在もあり得る。このような場合も含めて、炭素原子が多数を占める集合体を炭素クラスターと呼ぶこととする。   Here, the cluster is usually an aggregate formed by combining or aggregating several to several hundred atoms, and at the same time the ion conduction performance is improved by the aggregate (aggregate), It retains chemical properties and has sufficient film strength, making it easy to form a layer. This cluster is mainly composed of carbon, and is an aggregate formed by bonding several to several hundred carbon atoms regardless of the type of carbon-carbon bond. However, it is not necessarily composed of only 100% carbon clusters, and other atoms may be mixed. Including such a case, an aggregate in which a large number of carbon atoms occupy is referred to as a carbon cluster.

この本発明に基づくイオン伝導体は、母体としての前記炭素クラスターに前記イオン解離性の基を結合させたものを主成分とするので、乾燥状態でもイオンが解離し易く、イオン伝導性を始め、前記したフラーレン誘導体からなるイオン伝導体と類似した効果を奏することができる。しかも、前記炭素クラスターの範ちゅうには後述するように多種類の炭素質が含まれるので、炭素質原料の選択幅が広いという効果も奏することができる。   Since the ionic conductor according to the present invention is mainly composed of the carbon cluster as a base material bonded with the ionic dissociable group, ions are easily dissociated even in a dry state, and ionic conductivity is started. An effect similar to that of the ionic conductor comprising the fullerene derivative described above can be obtained. In addition, since the carbon cluster category includes many kinds of carbonaceous materials as will be described later, an effect of wide selection of carbonaceous raw materials can be achieved.

この場合、母体として前記炭素クラスターを用いるのは、良好なイオン伝導性を付与するためには、大量の前記イオン解離性の基を結合させることが必要であり、これは炭素クラスターによって可能になるからである。しかし、そうすると、固体状のイオン伝導体の酸性度が著しく大きくなるが、炭素クラスターは他の通常の炭素質と違って酸化劣化し難く、耐久性に優れており、構成原子間が密に結合し合っているために、酸性度が大であっても原子間の結合がくずれることはなく(即ち、化学的に変化し難いため)、膜構造を維持することができる。   In this case, the use of the carbon cluster as a base material requires that a large amount of the ion dissociable group be bonded in order to impart good ion conductivity, which is enabled by the carbon cluster. Because. However, in this case, the acidity of the solid ionic conductor is remarkably increased, but unlike other normal carbonaceous materials, the carbon cluster is less susceptible to oxidative degradation, has excellent durability, and the constituent atoms are closely bonded. Therefore, even if the acidity is high, bonds between atoms do not break (that is, they are difficult to change chemically), and the film structure can be maintained.

このような構成のイオン伝導体も、乾燥状態でも高いイオン伝導性を発揮することができ、図3〜図6に示すような各種のものがあり、イオン伝導体の原料としての選択の幅が広いものである。   The ion conductor having such a configuration can also exhibit high ion conductivity even in a dry state, and there are various types as shown in FIGS. It is wide.

まず、図3に示すものは、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラスターである(但し、分子状のフラーレンも併せて示す)。それに対して、それらの球構造の一部が欠損した炭素クラスターを図4に種々示す。この場合は、構造中に開放端を有する点が特徴的であり、このような構造体は、アーク放電によるフラーレンの製造過程で副生成物として数多く見られるものである。炭素クラスターの大部分の炭素原子がSP3結合していると、図5に示すようなダイヤモンドの構造を持つ種々のクラスターとなる。   First, what is shown in FIG. 3 is a sphere or spheroid made up of a large number of carbon atoms, or various carbon clusters having a closed surface structure similar to these (including molecular fullerenes). Show). On the other hand, FIG. 4 shows various carbon clusters in which a part of the spherical structure is missing. In this case, the structure is characterized by having an open end, and such a structure is often seen as a by-product in the process of producing fullerene by arc discharge. When most of the carbon atoms of the carbon cluster are SP3 bonded, various clusters having a diamond structure as shown in FIG. 5 are obtained.

大部分の炭素原子がSP2結合しているクラスターは、グラファイトの平面構造を持つか、あるいはフラーレンやナノチューブの全体又は一部の構造を有する。このうち、グラファイトの構造を有するものは、クラスターに電子伝導性を持つものが多いため、イオン伝導体の母体としては好ましくない。   A cluster in which most carbon atoms are SP2 bonded has a planar structure of graphite, or a fullerene or a nanotube, or a partial structure. Among them, those having a graphite structure are not preferable as the base material of the ion conductor because many of them have electron conductivity in the cluster.

それに対し、フラーレンやナノチューブのSP2結合は、一部にSP3結合の要素を含んでいるため、電子伝導性をもたないものが多く、イオン伝導体の母体として好ましい。   On the other hand, SP2 bonds of fullerenes and nanotubes contain SP3 bond elements in part, and therefore many of them do not have electronic conductivity, and are preferable as a base material for ion conductors.

また、前記誘導体が、前記炭素物質同士の化学的又は物理的な結合体又は架橋体からなっていてもよい。例えば、図6は、クラスター同士が結合した場合を種々示すものであり、このような構造体でも、本発明に適用できる。   Moreover, the said derivative | guide_body may consist of the chemical or physical coupling body or bridge | crosslinking body of the said carbon substances. For example, FIG. 6 shows various cases where clusters are bonded to each other, and such a structure can also be applied to the present invention.

この炭素クラスター誘導体はそのまま、バインダーなしで膜状やペレットなどの形状に加圧成形することができる。本発明において、母体である炭素クラスターは長軸の長さが100nm以下のもの、とくに100Å以下のものが好ましく、それに導入する前記基の数は2以上が望ましい。   The carbon cluster derivative can be directly pressure-molded into a film shape or a pellet shape without a binder. In the present invention, the base carbon cluster preferably has a long axis length of 100 nm or less, particularly preferably 100 mm or less, and the number of groups introduced therein is preferably 2 or more.

さらに前記炭素クラスターとして、籠状構造体(前記フラーレン分子など)又は少なくとも一部に開放端をもつ構造体が好ましい。このような欠陥構造のフラーレンは、前記フラーレン分子の反応性を持つと同時に、加えて欠陥部すなわち開放部は更に高い反応性を持つ。従って、前記イオン解離性の基の導入が促進され、より高い基導入率が得られ、高いイオン伝導性が得られる。また、前記フラーレン分子に比べて大量に合成することが可能となり、非常に安価に生産できる。   Further, the carbon cluster is preferably a cage structure (the fullerene molecule or the like) or a structure having an open end at least in part. The fullerene having such a defect structure has the reactivity of the fullerene molecule, and at the same time, the defect portion, that is, the open portion has a higher reactivity. Accordingly, introduction of the ion dissociable group is promoted, a higher group introduction rate is obtained, and high ion conductivity is obtained. Moreover, it becomes possible to synthesize in large quantities compared with the fullerene molecule, and it can be produced at a very low cost.

他方、本発明に基づくイオン伝導体の母体として、前記筒状又は線状炭素の構造体を用いることが好ましい。前記筒状炭素の構造体としては、チューブ状、例えば直径が数nm以下、代表的には1〜2nmのカーボンナノチューブであることが好ましい。また、前記線状炭素の構造体としては、ファイバー状の形状、例えば直径が数nm以上、巨大なものでは直径が1μmにも達するカーボンファイバーであることが好ましい。   On the other hand, it is preferable to use the cylindrical or linear carbon structure as the base of the ionic conductor according to the present invention. The cylindrical carbon structure is preferably a carbon nanotube having a tube shape, for example, a diameter of several nm or less, typically 1 to 2 nm. The linear carbon structure is preferably a carbon fiber having a fiber shape, for example, a diameter of several nanometers or more, and a large one having a diameter of 1 μm.

前記カーボンナノチューブ又は前記カーボンファイバーは、構造上電子を放出し易く、表面積を非常に大きくすることができるので、一層プロトン伝搬効率の向上を図ることができる。   The carbon nanotube or the carbon fiber can easily emit electrons in the structure and can have a very large surface area, so that the proton propagation efficiency can be further improved.

図7(A)の斜視図及び同図(B)の一部断面図に示すような多層カーボンナノチューブのグラフェン構造(円筒状構造)は、欠陥のない高品質なカーボンナノチューブであり、これは電子放出材料として非常に高性能であることが知られている。図7(C)の斜視図に示すような構造を有する前記カーボンファイバーも本発明に好適に用いられる。   The graphene structure (cylindrical structure) of the multi-walled carbon nanotube as shown in the perspective view of FIG. 7A and the partial cross-sectional view of FIG. 7B is a high-quality carbon nanotube without defects, which is an electron. It is known to have very high performance as a release material. The carbon fiber having a structure as shown in the perspective view of FIG. 7C is also preferably used in the present invention.

ここで好適に使用可能な前記カーボンナノチューブ又は前記カーボンファイバーは、アーク放電法又は化学的気相成長法(熱CVD法)により製造することが可能である。   The carbon nanotube or the carbon fiber that can be suitably used here can be produced by an arc discharge method or a chemical vapor deposition method (thermal CVD method).

一方、本発明に基づくイオン伝導体において、前記イオン解離性の基が、−SO3M、−PO(OM)2、−SO2NMSO2−、−SO2NM2、−COOM、=CPO(OM)2及び=C(SO3M)2(但し、Mは陽イオンとなる基、例えば活性水素基である。)からなる群より選ばれた少なくとも1種であることが好ましい。 On the other hand, in the ion conductor according to an embodiment of the present invention, the ion-dissociative group, -SO 3 M, -PO (OM ) 2, -SO 2 NMSO 2 -, - SO 2 NM 2, -COOM, = CPO ( OM) 2 and ═C (SO 3 M) 2 (wherein M is a cation group, for example, an active hydrogen group), and is preferably at least one selected from the group consisting of.

また、本発明に基づくイオン伝導体は、少なくとも前記イオン解離性の基を有する官能基が前記炭素物質に結合しており、前記官能基が−A−SO3M、−A−PO(OM)2、−A−SO2NMSO2−R0、−A−SO2NM2及び−A−COOM[但し、Aは−O−、−R−、−O−R−、−R−O−、−O−R−O−又は−R−O−R’−であり(R及びR’は互いに同一であっても異なっていてもよいCxHy又はCxFyHz(1≦x≦20、1≦y≦40、0≦z≦39)で表されるアルキル部位又はフッ化アルキル部位である。)、Mは陽イオンとなる基(例えば活性水素基)、R0は−CF3又は−CH3である。]からなる群より選ばれた少なくとも1種であってもよい。 In the ionic conductor according to the present invention, at least a functional group having the ion dissociable group is bonded to the carbon substance, and the functional group is -A-SO 3 M, -A-PO (OM). 2 , -A-SO 2 NMSO 2 -R 0 , -A-SO 2 NM 2 and -A-COOM [where A is -O-, -R-, -O-R-, -R-O-, —O—R—O— or —R—O—R′— (R and R ′ may be the same or different from each other, CxHy or CxFyHz (1 ≦ x ≦ 20, 1 ≦ y ≦ 40 , 0 ≦ z ≦ 39).), M is a group that becomes a cation (for example, an active hydrogen group), and R 0 is —CF 3 or —CH 3 . It may be at least one selected from the group consisting of

さらに、前記イオン解離性の基と共に、電子吸引基、例えばニトロ基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトリル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン原子(フッ素、塩素など)などを炭素クラスターに導入してもよい。具体的には、−NO2、−CN、−F、−Cl、−COOR、−CHO、−COR、−CF3、−SO3CF3などである(ここでRはアルキル基を表わす)。このように電子吸引基が併存していると、その電子吸引効果のために、前記イオン解離性の基からプロトン等のイオンが解離し易くなり、この解離されたイオンが、前記イオン解離性の基及び前記塩基性の基を介して一層移動し易くなる。 Further, together with the ion dissociable group, an electron withdrawing group such as a nitro group, a carbonyl group, a carboxyl group, a nitrile group, a halogenated alkyl group, a halogen atom (fluorine, chlorine, etc.) may be introduced into the carbon cluster. . Specifically, —NO 2 , —CN, —F, —Cl, —COOR, —CHO, —COR, —CF 3 , —SO 3 CF 3 and the like (wherein R represents an alkyl group). When the electron-withdrawing group coexists in this way, due to the electron-withdrawing effect, ions such as protons are easily dissociated from the ion-dissociable group, and the dissociated ions are It becomes easier to move through the group and the basic group.

炭素クラスターに導入する前記イオン解離性の基の数は、炭素クラスターを構成する炭素数の範囲内で任意でよいが、望ましくは5個以上とするのがよい。なお、例えば前記フラーレン分子の場合、フラーレンのπ電子性を残し、有効な電子吸引性を出すためには、前記イオン解離性の基の数は、フラーレンを構成する炭素数の半分以下であることが好ましい。   The number of the ion dissociable groups introduced into the carbon cluster may be arbitrary within the range of the number of carbons constituting the carbon cluster, but is desirably 5 or more. For example, in the case of the fullerene molecule, the number of the ion dissociable groups is less than half of the number of carbons constituting the fullerene in order to leave the fullerene π-electron property and to provide effective electron withdrawing property. Is preferred.

前記炭素クラスターに前記イオン解離性の基を導入するには、例えば、先ず炭素系電極のアーク放電によって炭素クラスターを合成し、続いてこの炭素クラスターを酸処理するか(硫酸などを用いる)、さらに加水分解等の処理を行うか、またはスルホン化又はリン酸エステル化等を適宜行えばよい。これによって、目的生成物である炭素クラスター誘導体(前記イオン解離性の基を有する炭素クラスター)を容易に得ることができる。   In order to introduce the ion dissociable group into the carbon cluster, for example, the carbon cluster is first synthesized by arc discharge of a carbon-based electrode, and then the carbon cluster is acid-treated (using sulfuric acid or the like), Treatment such as hydrolysis may be performed, or sulfonation or phosphate esterification may be appropriately performed. As a result, a carbon cluster derivative (carbon cluster having an ion dissociable group) as a target product can be easily obtained.

例えば、炭素クラスターであるフラーレンに前記イオン解離性の基を導入したフラーレン誘導体を多数凝集させた時、それがバルクまたはフラーレン誘導体の集合体として示すイオン伝導性は、分子内に元々含まれる大量の前記イオン解離性の基(例えばOSO3H基)に由来するプロトンが移動に直接関わるため、雰囲気から水蒸気分子などを起源とする水素、プロトンを取り込む必要はなく、外部からの水分の補給、とりわけ外気より水分等を吸収する必要もなく、雰囲気に対する制約はない。一つのフラーレン分子中にはかなり多くの前記イオン解離性の基を導入することができるため、伝導に関与する水素イオンの、伝導体の単位体積あたりの数密度が非常に多くなる。これが、本発明に基づくイオン伝導体が実効的な伝導率を発現する理由である。 For example, when a large number of fullerene derivatives having an ion dissociable group introduced into carbon cluster fullerene are aggregated, the ionic conductivity exhibited as an aggregate of bulk or fullerene derivatives is a large amount originally contained in the molecule. Since protons derived from the ion dissociable group (for example, OSO 3 H group) are directly involved in movement, it is not necessary to take in hydrogen, protons, etc. originating from water vapor molecules from the atmosphere, There is no need to absorb moisture from the outside air and there are no restrictions on the atmosphere. Since a large number of the ion dissociable groups can be introduced into one fullerene molecule, the number density of the hydrogen ions involved in conduction per unit volume of the conductor is greatly increased. This is the reason why the ionic conductor according to the present invention exhibits effective conductivity.

以上のように、前記イオン解離性の基を有する炭素クラスターは、それ自体でも酸の官能基の空間的密度が高いといった構造的性質や、母体である炭素クラスター(例えばフラーレン)の電子的性質などによりプロトン等のイオンが解離し、各サイト間をホッピングし易い構造が実現できるため、乾燥状態であってもプロトン等のイオンの伝導が実現される。   As described above, the carbon cluster having the ion dissociable group itself has a structural property that the spatial density of the functional group of the acid is high, an electronic property of the base carbon cluster (for example, fullerene), etc. As a result, ions such as protons can be dissociated and a structure that can easily hop between the sites can be realized, so that conduction of ions such as protons is realized even in a dry state.

しかしながら、上述したようなフラーレン誘導体等の前記誘導体単独では、水やメタノール溶液等に可溶であり、これを燃料電池等のイオン伝導体として用いるとプロトン伝導の低下を招いてしまう。これに対し、図1に例示するような本発明に基づくイオン伝導体は、前記誘導体と、ポリマー化された前記塩基性の基を有する前記物質とでイオンコンプレックスを形成してなるので、水やメタノール溶液等に不溶であり、物理的に安定しており、例えば燃料電池等に用いれば室温等の低温下、及び乾燥時のスタートアップ可能な優れた性能を有するデバイスを実現することができる。   However, the aforementioned derivatives such as the fullerene derivatives alone are soluble in water, methanol solution, and the like, and when this is used as an ionic conductor for a fuel cell or the like, proton conductivity is lowered. In contrast, the ion conductor based on the present invention as illustrated in FIG. 1 is formed by forming an ion complex with the derivative and the substance having the basic group that has been polymerized. It is insoluble in a methanol solution and is physically stable. For example, when used in a fuel cell or the like, it is possible to realize a device having excellent performance that can be started up at a low temperature such as room temperature and when dried.

前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとしては、N原子、O原子及びS原子のうち少なくとも1種を構成元素として含有する化合物のポリマーが好適である。   As the polymer of the substance having the basic group, a polymer of a compound containing at least one of N atom, O atom and S atom as a constituent element is preferable.

また、前記物質のポリマーが下記構造式で表される構造部分の少なくとも1種を含むことが好ましい。これらはいずれも、非共有電子対を有する原子を含み、ルイス塩基性のある基である。   Moreover, it is preferable that the polymer of the said substance contains at least 1 sort (s) of the structural part represented by following Structural formula. All of these are Lewis basic groups including an atom having an unshared electron pair.

Figure 0004475002
Figure 0004475002

また、前記物質のポリマーの前記塩基性の部位が、アミノ基、ピロリドン基、ピリジン基、イミダゾール基、ピリミジン基、ピペラジン基、ピロール基、ピロリジン基、ピラゾール基、ベンズイミダゾール基、フェニルイミダゾール基及びピラジン基からなる群より選ばれた少なくとも1種であることが好ましい。   In addition, the basic site of the polymer of the substance is an amino group, pyrrolidone group, pyridine group, imidazole group, pyrimidine group, piperazine group, pyrrole group, pyrrolidine group, pyrazole group, benzimidazole group, phenylimidazole group or pyrazine. It is preferably at least one selected from the group consisting of groups.

さらに、前記N原子含有化合物のポリマーが複素環式化合物のポリマーであることが好ましい。   Furthermore, the polymer of the N atom-containing compound is preferably a polymer of a heterocyclic compound.

前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーの具体例としては、図8に構造式を示すような、イミダゾール、ピロール、ピロリジン、ピリジン、ピラゾール、ベンズイミダゾール、フェニルイミダゾール、ビニルイミダゾール、ピラジン、ピペラジン、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、イソチアゾール、フラン及びチオフェン、又はこれらの誘導体からなる群より選ばれた少なくとも1種の化合物の構造を有するポリマーを用いることができる。より具体的には、図8(p)に示すようなポリ[4−ビニルイミダゾール]のようなポリマーを用いるのが好ましい。勿論、これらに限定されるものでないことは言うまでもない。   Specific examples of the polymer of the substance having the basic group include imidazole, pyrrole, pyrrolidine, pyridine, pyrazole, benzimidazole, phenylimidazole, vinylimidazole, pyrazine, piperazine, as shown in FIG. A polymer having a structure of at least one compound selected from the group consisting of oxazole, isoxazole, thiazole, isothiazole, furan and thiophene, or derivatives thereof can be used. More specifically, it is preferable to use a polymer such as poly [4-vinylimidazole] as shown in FIG. Of course, it is needless to say that the present invention is not limited to these.

また、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとしては、例えば図9に示す化合物を挙げることができる。   Moreover, as a polymer of the said substance which has the said basic group, the compound shown in FIG. 9 can be mentioned, for example.

前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーの混入量は、前記イオン解離性の基の数と密接に関係している。実際には、前記イオン解離性の基と、前記塩基性の基との比(前記塩基性の基/前記イオン解離性の基)が、モル比で20以下、好ましくは0.05〜20となるように、前記誘導体と前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとを混入したときに顕著に効果を発揮することができる。   The amount of the polymer in the substance having the basic group is closely related to the number of the ion dissociable groups. Actually, the ratio of the ion dissociable group to the basic group (the basic group / the ion dissociable group) is 20 or less, preferably 0.05 to 20 in molar ratio. Thus, the effect can be remarkably exhibited when the derivative and the polymer of the substance having the basic group are mixed.

上記モル比率が20を越える場合、イオン伝導体全体に対する前記イオン解離性の基の密度が減少したり、あるいは前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーの占有する体積などが大きくなり過ぎたりして、かえってプロトン等のイオン伝導率が低下する悪影響が出始める恐れがある。逆に、上記モル比率が0.05未満であると、前記物質のポリマーに由来する前記塩基性の基の数が前記イオン解離性の基の数の20分の1未満ということになり、イオンコンプレックス形成により水やメタノールに不溶化させることが困難となるため、本発明に基づくイオン伝導体が本来有する上述したようなイオン伝導性を十分に発揮できないことがある。   When the molar ratio exceeds 20, the density of the ion dissociable group with respect to the entire ionic conductor may decrease, or the volume occupied by the polymer of the substance having the basic group may become too large. On the contrary, there is a possibility that an adverse effect of decreasing the ionic conductivity of protons or the like starts to appear. On the contrary, when the molar ratio is less than 0.05, the number of the basic groups derived from the polymer of the substance is less than 1/20 of the number of the ion dissociable groups. Since complex formation makes it difficult to insolubilize in water or methanol, the ionic conductivity inherent in the ionic conductor based on the present invention may not be sufficiently exhibited.

本発明のイオン伝導体の製造方法は、前記フラーレン分子と、炭素を主成分とする前記クラスターと、前記線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からなる前記炭素物質に、前記イオン解離性の基が結合してなる前記誘導体と;前記塩基性の基を有する前記物質のモノマーと;を混合し、その後加熱重合を行う。これにより、前記誘導体と前記物質のポリマーとでイオンコンプレックスを形成してなる本発明に基づくイオン伝導体を製造することが可能である。   The method for producing an ionic conductor according to the present invention includes at least one selected from the group consisting of the fullerene molecule, the cluster mainly composed of carbon, and the linear or cylindrical carbon structure. The carbon material is mixed with the derivative obtained by bonding the ion dissociable group; the monomer of the substance having the basic group; and then heat polymerization is performed. Thereby, it is possible to produce an ionic conductor according to the present invention in which an ion complex is formed by the derivative and the polymer of the substance.

また、本発明のイオン伝導体の製造方法は、前記フラーレン分子と、炭素を主成分とする前記クラスターと、前記線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からなる前記炭素物質に、前記イオン解離性の基が結合してなる前記誘導体と;前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーと;を溶媒に溶解させて均一溶液にする工程と、前記溶媒を除去する工程とを有する。   Moreover, the method for producing an ionic conductor according to the present invention includes at least one selected from the group consisting of the fullerene molecule, the cluster mainly composed of carbon, and the linear or cylindrical carbon structure. Dissolving the derivative obtained by bonding the ion dissociable group to the carbon substance; and the polymer of the substance having the basic group into a uniform solution; and Removing.

また、本発明のイオン伝導体の製造方法は、前記フラーレン分子と、炭素を主成分とする前記クラスターと、前記線状又は筒状炭素の構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からなる前記炭素物質に、前記イオン解離性の基が結合してなる前記誘導体と;前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーと;をそれぞれ溶媒に溶解させて各均一溶液にする工程と、これらの均一溶液を混合して不溶物を回収する工程とを有する。   Moreover, the method for producing an ionic conductor according to the present invention includes at least one selected from the group consisting of the fullerene molecule, the cluster mainly composed of carbon, and the linear or cylindrical carbon structure. A step of dissolving each of the derivative obtained by binding the ion dissociable group to the carbon substance and a polymer of the substance having the basic group into a uniform solution by dissolving them in a solvent, and And collecting the insoluble matter by mixing the homogeneous solution.

前記誘導体単独では前記溶媒に可溶であるが、例えば前記誘導体と前記物質のポリマーとを均一溶液にすることにより、前記誘導体と前記物質のポリマーとでイオンコンプレックスが形成され、前記溶媒に不溶となるので、前記不溶物として本発明に基づくイオン伝導体を得ることができる。   The derivative alone is soluble in the solvent. For example, by making the derivative and the polymer of the substance into a uniform solution, an ion complex is formed between the derivative and the polymer of the substance, and the derivative is insoluble in the solvent. Therefore, the ionic conductor based on this invention can be obtained as said insoluble matter.

前記溶媒としては、例えば、トルエン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素系溶媒、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等のアルコール、フェノール、クレゾール等のフェノール類、ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、アセトニトリル、ピリジン、N、N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の窒素化合物、硫黄化合物、又は水等の無機溶媒を用いることができる。   Examples of the solvent include hydrocarbon solvents such as toluene, butane, pentane, hexane, and cyclohexane, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol, phenols such as phenol and cresol, diethyl ether, and dioxane. Inorganic solvents such as ethers such as tetrahydrofuran, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, nitrogen compounds such as acetonitrile, pyridine, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide, sulfur compounds, and water can be used.

本発明に基づくイオン伝導体は、そのまま所望の形状、例えばペレットや薄膜に加圧成形したり、濾過したりすることによる成形を行うことができる。この際、バインダーは不必要であり、このことは、プロトン等のイオンの伝導性を高める上でも、イオン伝導体の軽量化を達成する上でも有効である。特に、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーがバインダーとしての機能も果たし、良好な成膜性、成形性が付与される。勿論、バインダーとして第3の成分を加えることも可能である。第3の成分として使用可能な高分子材料としては、プロトン等のイオンの伝導性をできるだけ阻害せず、成膜性を有し、化学的、熱的及び機械的安定性を有し、燃料のリークを低く抑えることができるものなら、特に限定はしない。通常は電子伝導性をもたず、良好な安定性を有するものが用いられる。具体例としては、ポリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどを挙げることができる。また、前記第3の成分としての高分子バインダーは、例えば、上述したような本発明に基づくイオン伝導体の製造方法の製造過程において任意に混合してよい。   The ion conductor based on this invention can be shape | molded by press-molding into a desired shape, for example, a pellet or a thin film, or filtering as it is. In this case, a binder is unnecessary, and this is effective in increasing the conductivity of ions such as protons and achieving weight reduction of the ionic conductor. In particular, the polymer of the substance having the basic group also functions as a binder and imparts good film formability and moldability. Of course, it is also possible to add a third component as a binder. As the polymer material usable as the third component, the conductivity of ions such as protons is not hindered as much as possible, it has film forming properties, has chemical, thermal and mechanical stability, There is no particular limitation as long as the leak can be kept low. Usually, those having no electronic conductivity and good stability are used. Specific examples include polyfluoroethylene and polyvinylidene fluoride. The polymer binder as the third component may be arbitrarily mixed in the production process of the method for producing an ionic conductor based on the present invention as described above, for example.

また、上述した以外にも、まず、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーを膜状に成形し、この膜を前記誘導体の溶液に浸漬することによって、前記物質のポリマーに前記誘導体をドープさせ、本発明に基づくイオン伝導体からなる膜を形成することもできる。さらに、前記物質のポリマーからなる膜に対し、前記誘導体の溶液を透過させることによって、前記物質のポリマーに前記誘導体をドープさせ、本発明に基づくイオン伝導体からなる膜を形成してもよい。   In addition to the above, first, the polymer of the substance having the basic group is formed into a film shape, and the film of the substance is doped with the derivative by immersing the film in the solution of the derivative. It is also possible to form a film made of an ionic conductor based on the present invention. Further, the derivative polymer may be doped with the derivative of the substance by allowing the derivative solution to permeate the film made of the substance polymer to form a film made of the ionic conductor according to the present invention.

本発明に基づくイオン伝導体及びその製造方法によれば、前記イオン解離性の基が結合してなる前記誘導体と、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとを有するので、水やメタノール溶液等に不溶であり、物理的に安定したイオン伝導体を得ることができる。   According to the ionic conductor and the method for producing the same according to the present invention, the ionic conductor has the derivative formed by bonding the ionic dissociable group, and the polymer of the substance having the basic group. An ion conductor that is insoluble and physically stable can be obtained.

さらに、乾燥雰囲気中や、常温を含む広い温度領域(例えば約160℃〜−40℃の範囲)においても使用することができ、緻密でガス遮断性にも優れている。また、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーにより、乾燥雰囲気中においてもイオンの解離が促進されると共に、解離したイオンが前記塩基性の基を経由して円滑に移動することが可能となるので、高いイオン伝導性を示す。   Further, it can be used in a dry atmosphere or in a wide temperature range including normal temperature (for example, a range of about 160 ° C. to −40 ° C.), and is dense and excellent in gas barrier properties. In addition, the polymer of the substance having the basic group promotes dissociation of ions even in a dry atmosphere, and the dissociated ions can move smoothly through the basic group. Therefore, high ionic conductivity is exhibited.

本発明に基づくイオン伝導体は、上述したように、バインダーとして第3の成分を加えてもよく、前記第3の成分は、プロトン等のイオンの伝導性をできるだけ阻害せず、成膜性を有し、化学的、熱的及び機械的安定性を有し、燃料のリークを低く抑えることができるものが好適である。具体的には、上述した材料のほかに、多孔質高分子材料、より好ましくはポリイミド類が挙げられる。ポリイミド類は、寸法安定性が良く特に好適である。   As described above, the ion conductor according to the present invention may be added with a third component as a binder, and the third component does not hinder the conductivity of ions such as protons as much as possible, and has a film forming property. It is preferable that it has chemical, thermal and mechanical stability and can keep fuel leakage low. Specifically, in addition to the materials described above, porous polymer materials, and more preferably polyimides are used. Polyimides are particularly preferred because of their good dimensional stability.

また、前記多孔質高分子材料を多孔質膜として用いる場合は、空孔率は10〜85%が好ましく、また平均孔径は0.05〜5μmが好適である。空孔率が低すぎるとイオン伝導の妨げになることがあり、逆に大きすぎると機械的強度が低下する恐れがある。平均孔径が小さすぎると本発明に基づくイオン伝導体の充填が困難な場合があり、逆に大きすぎると充填物の保持能力が低下する恐れがある。また、膜厚は5〜300μmであることが好ましい。   When the porous polymer material is used as a porous membrane, the porosity is preferably 10 to 85%, and the average pore diameter is preferably 0.05 to 5 μm. If the porosity is too low, ion conduction may be hindered. Conversely, if the porosity is too high, the mechanical strength may be reduced. If the average pore diameter is too small, it may be difficult to fill the ionic conductor according to the present invention, and conversely if too large, the holding capacity of the packing may be lowered. Moreover, it is preferable that a film thickness is 5-300 micrometers.

本発明に基づくイオン伝導体に更に前記多孔質高分子材料を含有させることにより、上述したような本発明の作用効果を奏すると共に、成膜性、機械的強度、化学的強度をより向上させることができ、燃料のクロスオーバーを一層抑えた燃料電池等の電気化学デバイスを実現することができる。   By further containing the porous polymer material in the ionic conductor based on the present invention, the above-described effects of the present invention can be obtained, and the film formability, mechanical strength, and chemical strength can be further improved. Therefore, it is possible to realize an electrochemical device such as a fuel cell in which the crossover of fuel is further suppressed.

ポリイミド類等の前記多孔質高分子材料を更に含有させる場合、例えば、まず前記多孔質高分子材料を前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーの溶液に浸漬して、前記多孔質高分子材料に前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーを充填する。次いで、溶媒を除去した後、前記物質のポリマーを有する前記多孔質高分子材料を前記誘導体の溶液に浸漬し、イオンコンプレックスを形成することによって本発明に基づくイオン伝導体を作製することができる。   When the porous polymer material such as polyimide is further contained, for example, the porous polymer material is first immersed in a polymer solution of the substance having the basic group, and then the porous polymer material Are filled with a polymer of the substance having the basic group. Next, after removing the solvent, the porous polymer material having the polymer of the substance is immersed in the derivative solution to form an ion complex, whereby the ion conductor according to the present invention can be produced.

また、前記多孔質高分子材料に、前記塩基性の基を有する前記物質のモノマーの溶液を充填し、高分子量化の化学反応を誘起させた後、前記誘導体の溶液に浸漬し、イオンコンプレックスを形成することによって本発明に基づくイオン伝導体を作製してもよい。前記高分子量化の化学反応は、例えば熱や光等の外部エネルギーを加えることにより誘起させることができる(以下、同様。)。   In addition, the porous polymer material is filled with a monomer solution of the substance having the basic group to induce a high molecular weight chemical reaction, and then immersed in the derivative solution to form an ion complex. The ionic conductor based on this invention may be produced by forming. The chemical reaction for increasing the molecular weight can be induced by applying external energy such as heat or light (the same applies hereinafter).

また、前記多孔質高分子材料に、前記塩基性の基を有する前記物質のモノマーと前記誘導体との混合溶液を充填し、高分子量化の化学反応を誘起させることによって本発明に基づくイオン伝導体を作製してもよい。   In addition, the porous polymer material is filled with a mixed solution of the monomer having the basic group and the derivative of the substance, and an ionic conductor according to the present invention is induced by inducing a high molecular weight chemical reaction. May be produced.

また、前記多孔質高分子材料に、前記誘導体と前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとの混合溶液を充填し、溶媒を除去することによって本発明に基づくイオン伝導体を作製してもよい。   Alternatively, the porous polymer material may be filled with a mixed solution of the derivative and the polymer of the substance having a basic group, and the ionic conductor according to the present invention may be produced by removing the solvent. Good.

さらに、前記多孔質高分子材料に、前記誘導体の溶液を充填し、溶媒を除去した後、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーの溶液に浸漬してイオンコンプレックスを形成することにより、本発明に基づくイオン伝導体を作製してもよい。   Further, the porous polymer material is filled with the derivative solution, the solvent is removed, and then immersed in a polymer solution of the substance having the basic group to form an ion complex. An ionic conductor according to the invention may be made.

本発明のイオン伝導体は、各種の電気化学デバイスに好適に使用できる。即ち、第1極と、第2極と、これらの両極間に挟持されたプロトン伝導体とからなる基本的構造体において、そのプロトン伝導体に本発明に基づくイオン伝導体を好ましく適用することができる。   The ionic conductor of the present invention can be suitably used for various electrochemical devices. That is, in a basic structure composed of a first electrode, a second electrode, and a proton conductor sandwiched between both electrodes, the ion conductor according to the present invention can be preferably applied to the proton conductor. it can.

更に具体的に言うと、前記第1極及び/又は前記第2極が、ガス電極である電気化学デバイスとか、前記第1極及び/又は前記第2極に活物質性電極を用いる電気化学デバイスなどに対し、本発明に基づくイオン伝導体を好ましく適用することが可能である。   More specifically, an electrochemical device in which the first electrode and / or the second electrode is a gas electrode, or an electrochemical device using an active material electrode in the first electrode and / or the second electrode. For example, the ionic conductor according to the present invention can be preferably applied.

以下、本発明に基づくイオン伝導体を、前記第1極に燃料が供給されかつ前記第2極に酸素が供給されてなる燃料電池に適用した例について説明する。   Hereinafter, an example in which the ion conductor according to the present invention is applied to a fuel cell in which fuel is supplied to the first electrode and oxygen is supplied to the second electrode will be described.

その燃料電池のプロトン伝導のメカニズムは図10の模式図に示すようになり、プロトン伝導部1は第1極(例えば水素極)2と第2極(例えば酸素極)3との間に挟持され、解離したプロトン(H+)は図面矢印方向に沿って第1極2側から第2極3側へと移動する。 The proton conduction mechanism of the fuel cell is as shown in the schematic diagram of FIG. 10, and the proton conducting portion 1 is sandwiched between a first electrode (for example, a hydrogen electrode) 2 and a second electrode (for example, an oxygen electrode) 3. The dissociated proton (H + ) moves from the first pole 2 side to the second pole 3 side along the direction of the arrow in the drawing.

図11には、前記プロトン伝導部に本発明に基づくイオン伝導体を用いた燃料電池の一具体例を示す。この燃料電池は、触媒2a及び3aをそれぞれ密着又は分散させた互いに対向する、端子8及び9付きの負極(燃料極又は水素極)2及び正極(酸素極)3を有し、これらの両極間にプロトン伝導部1が挟着されている。使用時には、負極2側では導入口12から水素が供給され、排出口13(これは設けないこともある。)から排出される。燃料(H2)14が流路15を通過する間にプロトンを発生し、このプロトンはプロトン伝導部1で発生したプロトンとともに正極3側へ移動し、そこで導入口16から流路17に供給されて廃棄口18へ向かう酸素(空気)19と反応し、これにより所望の起電力が取り出される。 FIG. 11 shows a specific example of a fuel cell using an ionic conductor according to the present invention for the proton conducting portion. This fuel cell has a negative electrode (fuel electrode or hydrogen electrode) 2 and a positive electrode (oxygen electrode) 3 with terminals 8 and 9 facing each other, in which the catalysts 2a and 3a are in close contact with each other, and between these two electrodes. The proton conducting part 1 is sandwiched between the two. In use, hydrogen is supplied from the inlet 12 on the negative electrode 2 side and discharged from the outlet 13 (this may not be provided). Protons are generated while the fuel (H 2 ) 14 passes through the flow path 15, and these protons move to the positive electrode 3 side together with the protons generated in the proton conducting section 1, where they are supplied to the flow path 17 from the inlet 16. Then, it reacts with oxygen (air) 19 toward the waste outlet 18, and thereby a desired electromotive force is taken out.

かかる構成の燃料電池は、プロトン伝導部1に本発明に基づくイオン伝導体が用いられているので、上述したと同様の効果が奏せられる。   Since the ionic conductor based on this invention is used for the proton conduction part 1, the fuel cell of this structure has the same effect as mentioned above.

以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.

実施例1
前記誘導体として、図12に示すようなスルホン酸系フラーレン誘導体を用い、また前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとして、図8(p)に示すポリビニルイミダゾールを用いた。ポリビニルイミダゾールは、文献Macromolec. Syn., 1974, 5, 43の合成方法に基づいて製造した。
Example 1
As the derivative, a sulfonic acid-based fullerene derivative as shown in FIG. 12 was used, and as a polymer of the substance having the basic group, polyvinylimidazole shown in FIG. 8 (p) was used. Polyvinylimidazole was prepared based on the synthesis method of the document Macromolec. Syn., 1974, 5, 43.

スルホン酸系フラーレン誘導体及びポリビニルイミダゾールをそれぞれ、メタノール溶液に均一に溶解させた後、この2つの溶液を混合した。混合すると同時に、スルホン酸系フラーレン誘導体とポリビニルイミダゾールとでイオンコンプレックスが形成されるため、メタノール溶液に不溶となり、沈殿物が生成する。この沈殿物を回収し、40℃で12時間真空乾燥することによって得られた本発明に基づくイオン伝導体を水又はメタノール溶液に浸したが、1週間経過しても溶解することはなかった。   The sulfonic acid-based fullerene derivative and polyvinylimidazole were each uniformly dissolved in a methanol solution, and then the two solutions were mixed. Simultaneously with the mixing, an ionic complex is formed by the sulfonic acid-based fullerene derivative and polyvinylimidazole, so that it becomes insoluble in the methanol solution and a precipitate is formed. The precipitate was collected and vacuum-dried at 40 ° C. for 12 hours to immerse the ionic conductor according to the present invention in water or a methanol solution, but it did not dissolve even after one week.

上記のようにして得られたイオン伝導体を直径4mmの円形のペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。その結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないにもかかわらず、成形性に優れており、容易にペレット化することができた。   The ionic conductor obtained as described above was pressed in one direction so as to form a circular pellet having a diameter of 4 mm. As a result, although this powder did not contain any binder resin or the like, it was excellent in moldability and could be easily pelletized.

そして、この成形したペレットを用い、交流インピーダンス法によって伝導率を測定した。測定に際しては、まず、上記に作製したペレット両面を直径4mmの金板で挟み、これに10MHzから1Hzまでの交流電圧(振幅100mV)を印加し、各周波数における複素インピーダンスを測定した。なお、測定は乾燥雰囲気下及び加湿雰囲気下の2通りで行った。   Then, the conductivity was measured by the alternating current impedance method using this molded pellet. In the measurement, first, both sides of the pellet produced above were sandwiched between 4 mm diameter metal plates, an AC voltage (amplitude 100 mV) from 10 MHz to 1 Hz was applied thereto, and the complex impedance at each frequency was measured. In addition, the measurement was performed in two ways under a dry atmosphere and a humidified atmosphere.

図13は、スルホン酸系フラーレン誘導体:ポリビニルイミダゾール=6:1の割合で混合したサンプルの乾燥雰囲気下、25℃におけるコールコールプロットである。   FIG. 13 is a Cole-Cole plot of a sample mixed at a ratio of sulfonic acid-based fullerene derivative: polyvinylimidazole = 6: 1 at 25 ° C. in a dry atmosphere.

図13より明らかなように、非常にきれいな単一の半円状円弧を見ることができる。これは、ペレット内部においてなんらかの荷電粒子の伝導挙動が存在していることを示している。さらに、低周波数領域においては、インピーダンスの虚数部分の急激な上昇が観測された。これは、徐々に直流電圧に近づくに伴って金電極との間で荷電粒子のブロッキングが生じていることを示しており、当然、金電極側における荷電粒子は電子であるから、ペレット内部の荷電粒子は電子やホールではなく、それ以外の荷電粒子、即ちイオン(プロトン)であることが分かる。   As is apparent from FIG. 13, a very clean single semicircular arc can be seen. This indicates that some charged particle conduction behavior exists inside the pellet. Furthermore, in the low frequency region, a rapid increase in the imaginary part of the impedance was observed. This indicates that blocking of charged particles occurs with the gold electrode as it gradually approaches the DC voltage. Naturally, the charged particles on the gold electrode side are electrons, so It can be seen that the particles are not electrons or holes but other charged particles, that is, ions (protons).

図13のコールコールプロットの高周波数側に見られる円弧のX軸切片から、このイオン伝導率を求めることができる。このイオン伝導率の温度依存性を図14に示す。図14より明らかなように、本発明に基づくイオン伝導体は、乾燥雰囲気中でも、広い温度領域において高いイオン伝導率を示し、温度の上昇と共にイオン伝導率も上昇した。   This ionic conductivity can be obtained from the X-axis intercept of the arc seen on the high frequency side of the Cole-Cole plot of FIG. The temperature dependence of the ionic conductivity is shown in FIG. As is clear from FIG. 14, the ionic conductor according to the present invention showed high ionic conductivity in a wide temperature range even in a dry atmosphere, and the ionic conductivity increased with increasing temperature.

次に、スルホン酸系フラーレン誘導体:ポリビニルイミダゾール=4:1の割合で混合したサンプルについて、交流インピーダンス法によって伝導率を測定し、伝導率の湿度依存性を測定した。具体的には、作製したペレット両面を直径4mmの金板で挟み、これを所定の湿度、25℃に保った恒温恒湿槽に入れ、1MHzから1Hzまでの交流電圧(振幅100mV)を印加し、各周波数における複素インピーダンスを測定した。複素インピーダンスは、時間と共に変化し、3時間以降はほぼ一定であったため、湿度を変化させ、4時間経過した後に測定を行い、コールコールプロットの高周波数側に見られる円弧のX軸切片から、このイオン伝導率を求めた。結果を図15に示す。図15より明らかなように、湿度の上昇と共にイオン伝導率も高くなり、相対湿度95%で4.5×10-2(S/cm)の高いイオン伝導率を示した。 Next, the conductivity of the sample mixed at a ratio of sulfonic acid-based fullerene derivative: polyvinylimidazole = 4: 1 was measured by the alternating current impedance method, and the humidity dependency of the conductivity was measured. Specifically, both sides of the prepared pellet are sandwiched between 4 mm diameter metal plates, placed in a constant temperature and humidity chamber maintained at a predetermined humidity and 25 ° C., and an alternating voltage from 1 MHz to 1 Hz (amplitude 100 mV) is applied. The complex impedance at each frequency was measured. Since the complex impedance changed with time and was almost constant after 3 hours, the humidity was changed and measured after 4 hours. From the X-axis intercept of the arc seen on the high frequency side of the Cole-Cole plot, This ionic conductivity was determined. The results are shown in FIG. As is apparent from FIG. 15, the ionic conductivity increased with an increase in humidity, and a high ionic conductivity of 4.5 × 10 −2 (S / cm) was exhibited at a relative humidity of 95%.

実施例2
モノマーであるビニルイミダゾール(VIm)とメタノリン酸フラーレン(MPF)を混合した後、加熱して重合することを試みた。VImの融点は約82℃であり、高温状態ではモノマーが液体として存在すること、またリン酸基はカチオン重合の開始剤となりうるという2つの理由により溶媒や開始剤を別に添加せずに重合を試みた。VImとリン酸基の比が3:1及び9:1になるように混合し、16時間100℃に保温した。VImが溶解すると均一に混ざることを目視で確認した。16時間後、室温まで放冷した。得られた固体に水を添加すると徐々にMPFが水に溶解している様子が確認され、不溶化が完全に行えていないものの、単独のMPFと比較するとかなり溶け難くなっていることが分かった。
Example 2
After mixing the monomer vinyl imidazole (VIm) and the fullerene methanophosphate (MPF), an attempt was made to polymerize by heating. The melting point of VIm is about 82 ° C., and the monomer is present as a liquid at high temperature, and the polymerization can be performed without adding a solvent or initiator separately for two reasons that the phosphate group can be an initiator for cationic polymerization. Tried. The mixture was mixed so that the ratio of VIm to phosphate group was 3: 1 and 9: 1 and kept at 100 ° C. for 16 hours. It was visually confirmed that when VIm was dissolved, it was mixed uniformly. After 16 hours, the mixture was allowed to cool to room temperature. When water was added to the obtained solid, it was confirmed that MPF was gradually dissolved in water, and although it was not completely insolubilized, it was found that it was considerably less soluble than single MPF.

上記のようにして得られた本発明に基づくイオン伝導体について、室温下、乾燥雰囲気中にてイオン伝導率を測定した。結果を図16に示す。図16より明らかなように、MPF単独に比べ、VIm:リン酸基=3:1ではイオン伝導率が低下、9:1では上昇している。この結果は、重合後に残存する未反応モノマー量の差によるものと推察される。未反応モノマーが多く残っている方がおそらく高イオン伝導を与えると思われる。さらに、重合温度を150℃にて行った場合、不溶化が更に進行した。   About the ionic conductor based on this invention obtained as mentioned above, the ionic conductivity was measured in the dry atmosphere at room temperature. The results are shown in FIG. As is clear from FIG. 16, the ionic conductivity decreases when VIm: phosphate group = 3: 1 and increases when 9: 1 compared to MPF alone. This result is presumed to be due to the difference in the amount of unreacted monomer remaining after polymerization. The more unreacted monomer remains, the higher ionic conductivity is likely. Furthermore, when the polymerization temperature was 150 ° C., insolubilization further progressed.

実施例1及び実施例2より明らかなように、本発明に基づくイオン伝導体は、前記イオン解離性の基を有する前記誘導体としてのフラーレン誘導体と、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマー化された化合物とでイオンコンプレックスを形成してなるので、水やメタノール溶液に可溶であったフラーレン誘導体を不溶化することができ、また、室温等の低温化、及び乾燥状態においても良好なプロトン伝導を発現することができた。このため、プロトン交換膜として本発明に基づくイオ伝導体を用いれば、水やメタノール溶液に不溶であるため、物理的に安定であり、かつ乾燥時のスタートアップ可能な燃料電池等の電気化学デバイスを実現することができる。   As is clear from Example 1 and Example 2, the ionic conductor according to the present invention is a polymerization of the fullerene derivative as the derivative having the ion dissociable group and the substance having the basic group. Since an ion complex is formed with the formed compound, the fullerene derivative that was soluble in water or methanol solution can be insolubilized, and the proton conductivity is good even at low temperatures such as room temperature and in a dry state. Could be expressed. For this reason, if the ionic conductor according to the present invention is used as a proton exchange membrane, it is insoluble in water or methanol solution, so that an electrochemical device such as a fuel cell that is physically stable and can be started up when drying is used. Can be realized.

実施例3
図12に示すようなスルホン酸系フラーレン誘導体と、図8(p)に示すポリビニルイミダゾールとを有する混合溶液に、ポリイミド多孔質膜(膜厚30μm、空孔率60%、平均孔径0.5μm)を浸漬し、細孔内に溶液を充填させた。その後、徐々に溶媒を除去して溶液濃度を高くし、最終的には、完全に溶媒を除去して本発明に基づくイオン伝導体を作製した。但し、溶媒がポリイミド多孔質膜内に残存していても問題はない。上記のようにして得られた本発明に基づくイオン伝導体は、良好な成膜性と機械的強度を有していた。
Example 3
In a mixed solution having a sulfonic acid-based fullerene derivative as shown in FIG. 12 and polyvinylimidazole as shown in FIG. 8 (p), a polyimide porous membrane (film thickness 30 μm, porosity 60%, average pore diameter 0.5 μm) Was immersed to fill the pores with the solution. Thereafter, the solvent was gradually removed to increase the solution concentration, and finally the solvent was completely removed to produce an ionic conductor according to the present invention. However, there is no problem even if the solvent remains in the polyimide porous membrane. The ionic conductor based on the present invention obtained as described above had good film formability and mechanical strength.

上記のようにして作製したイオン伝導体について、交流インピーダンス法によって伝導率を測定した。測定に際しては、まず、上記に作製したイオン伝導体の両面を直径4mmの金板で挟み、これを所定の湿度、25℃に保った恒温恒湿槽に入れ、10MHzから1Hzまでの交流電圧(振幅100mV)を印加し、各周波数における複素インピーダンスを測定し、イオン導電率を算出した。図17は、25℃におけるコールコールプロットである。図17のコールコールプロットから、このイオン伝導率を算出したところ、相対湿度30%で6.8×10-4Scm-1、相対湿度60%で1.6×10-3Scm-1、相対湿度95%で5.2×10-3Scm-1であった。図17のコールコールプロットから明らかなように、湿度が高くなるにつれて、抵抗値(インピーダンス(実数部)Z’との交点)が小さくなり、イオン伝導率が高くなっていることが分かる。 About the ion conductor produced as mentioned above, the conductivity was measured by the alternating current impedance method. In the measurement, first, both surfaces of the ion conductor prepared above are sandwiched between 4 mm diameter metal plates, and this is put in a constant temperature and humidity chamber maintained at a predetermined humidity and 25 ° C., and an AC voltage from 10 MHz to 1 Hz ( Amplitude 100 mV) was applied, the complex impedance at each frequency was measured, and the ionic conductivity was calculated. FIG. 17 is a Cole-Cole plot at 25 ° C. When the ionic conductivity was calculated from the Cole-Cole plot of FIG. 17, it was 6.8 × 10 −4 Scm −1 at 30% relative humidity, 1.6 × 10 −3 Scm −1 at 60% relative humidity, and relative The humidity was 5.2 × 10 −3 Scm −1 at 95% humidity. As is apparent from the Cole-Cole plot in FIG. 17, as the humidity increases, the resistance value (intersection with the impedance (real part) Z ′) decreases and the ionic conductivity increases.

実施例4
図12に示すようなスルホン酸系フラーレン誘導体と、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーの前駆体(モノマー)としてのビニルイミダゾールと、開始剤とを有する溶液に、実施例3と同様のポリイミド多孔質膜を浸漬し、細孔内に溶液を充填させた。その後、熱重合し、溶媒を除去して本発明に基づくイオン伝導体を作製した。上記のようにして得られた本発明に基づくイオン伝導体は、良好な成膜性と機械的強度を有していた。
Example 4
In a solution having a sulfonic acid-based fullerene derivative as shown in FIG. 12, a vinyl imidazole as a polymer precursor (monomer) of the substance having the basic group, and an initiator, the same as in Example 3 The polyimide porous membrane was immersed, and the solution was filled in the pores. Then, it thermally polymerized and the solvent was removed and the ionic conductor based on this invention was produced. The ionic conductor based on the present invention obtained as described above had good film formability and mechanical strength.

上記のようにして作製したイオン伝導体について、交流インピーダンス法によって伝導率を測定した。測定に際しては、まず、上記に作製したイオン伝導体の両面を直径4mmの金板で挟み、これを相対湿度60%、25℃に保った恒温恒湿槽に入れ、10MHzから1Hzまでの交流電圧(振幅100mV)を印加し、各周波数における複素インピーダンスを測定し、イオン導電率を算出した。図18は、25℃におけるコールコールプロットである。図18のコールコールプロットから、このイオン伝導率を算出したところ、相対湿度60%で1.6×10-3Scm-1であった。 About the ion conductor produced as mentioned above, the conductivity was measured by the alternating current impedance method. In the measurement, first, both sides of the ion conductor produced above are sandwiched between 4 mm diameter metal plates and placed in a constant temperature and humidity chamber maintained at a relative humidity of 60% and 25 ° C. AC voltage from 10 MHz to 1 Hz. (Amplitude 100 mV) was applied, the complex impedance at each frequency was measured, and the ionic conductivity was calculated. FIG. 18 is a Cole-Cole plot at 25 ° C. When the ionic conductivity was calculated from the Cole-Cole plot of FIG. 18, it was 1.6 × 10 −3 Scm −1 at a relative humidity of 60%.

以上、本発明を実施の形態及び実施例について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。   While the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the above examples can be variously modified based on the technical idea of the present invention.

例えば、上記に前記イオン解離性の基が結合された前記誘導体と、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとが混合されている例を説明したが、本発明に基づくイオン伝導体は、前記フラーレン分子と、炭素を主成分とする前記クラスターと、線状又は筒状炭素の前記構造体とからなる群より選ばれた少なくとも1種からなる前記炭素物質に、前記イオン解離性の基及び前記塩基性の基が結合されていてもよい。   For example, the example in which the derivative to which the ion dissociable group is bonded and the polymer of the substance having the basic group are mixed has been described above. In the carbon substance composed of at least one selected from the group consisting of the fullerene molecule, the cluster mainly composed of carbon, and the structure of linear or cylindrical carbon, the ion dissociable group and The basic group may be bonded.

また、前記燃料電池等の本発明に基づく電気化学デバイスにおいて、その形状、構成、材質等は本発明を逸脱しない限り、適宜選択可能である。   In addition, in the electrochemical device based on the present invention such as the fuel cell, the shape, configuration, material and the like can be appropriately selected without departing from the present invention.

さらに、本発明に基づくイオン伝導体は、上述したプロトン(H+)の他にもリチウムイオン等のイオン伝導に用いることができ、アルカリ二次電池等にも適用可能である。 Furthermore, the ion conductor based on this invention can be used for ion conduction of lithium ions other than the above-mentioned proton (H + ), and can be applied to alkaline secondary batteries and the like.

本発明の実施の形態による、本発明に基づくイオン伝導体の模式図である。1 is a schematic diagram of an ionic conductor according to the present invention, according to an embodiment of the present invention. 同、本発明のイオン伝導体において母体となるフラーレン分子を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing fullerene molecules serving as a base in the ion conductor of the present invention. 同、本発明のイオン伝導体において母体となるカーボンクラスターの種々の例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing various examples of carbon clusters that are the base in the ion conductor of the present invention. 同、カーボンクラスターの他の例(部分フラーレン構造)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example (partial fullerene structure) of a carbon cluster equally. 同、カーボンクラスターの他の例(ダイヤモンド構造)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example (diamond structure) of a carbon cluster similarly. 同、カーボンクラスターの更に他の例(クラスター同士が結合しているもの)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example (what cluster has couple | bonded) of the carbon cluster similarly. 同、本発明のイオン伝導体の母体となるカーボンナノチューブ及びカーボンファイバーの概略図である。FIG. 2 is a schematic view of carbon nanotubes and carbon fibers serving as a matrix of the ion conductor of the present invention. 同、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーとして用いることができる材料の構造式である。It is the structural formula of the material that can be used as the polymer of the substance having the basic group. 同、前記塩基性の基を有する前記物質のポリマーの一例の構造式である。FIG. 2 is a structural formula of an example of the polymer of the substance having the basic group. 同、燃料電池のプロトン伝導のメカニズムを示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the proton conduction mechanism of the fuel cell. 同、燃料電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of a fuel cell. 本発明の実施例による、実施例1で用いた前記誘導体としてのスルホン酸系フラーレン誘導体の模式図である。It is a schematic diagram of a sulfonic acid-based fullerene derivative as the derivative used in Example 1 according to an example of the present invention. 同、本発明に基づくイオン伝導体の複素インピーダンスの測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the complex impedance of the ion conductor based on this invention similarly. 同、本発明に基づくイオン伝導体のイオン伝導率の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the ionic conductivity of the ion conductor based on this invention similarly. 同、本発明に基づくイオン伝導体のイオン伝導率の湿度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the humidity dependence of the ionic conductivity of the ionic conductor based on this invention similarly. 同、本発明に基づくイオン伝導体のイオン伝導の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the ionic conduction of the ionic conductor based on this invention similarly. 同、本発明に基づくイオン伝導体の複素インピーダンスの測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the complex impedance of the ion conductor based on this invention similarly. 同、本発明に基づくイオン伝導体の複素インピーダンスの測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the complex impedance of the ion conductor based on this invention similarly.

符号の説明Explanation of symbols

1…イオン伝導体(プロトン伝導部)、2…第1極(負極)、2a…触媒、
3…第2極(正極)、3a…触媒、8、9…端子、12…導入口(水素用)、
13…排出口(水素用)、14…燃料(H2)、15…流路(水素用)、
16…導入口(酸素用)、17…流路(酸素用)、18…排出口(酸素用)、
19…酸素(空気)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ion conductor (proton conduction part), 2 ... 1st pole (negative electrode), 2a ... Catalyst,
3 ... 2nd pole (positive electrode), 3a ... Catalyst, 8, 9 ... Terminal, 12 ... Inlet (for hydrogen),
13 ... outlet (for hydrogen), 14 ... Fuel (H 2), 15 ... flow path (for hydrogen),
16 ... Inlet (for oxygen), 17 ... Channel (for oxygen), 18 ... Outlet (for oxygen),
19 ... Oxygen (air)

Claims (11)

フラーレン分子からなる炭素物質に、下記構造式で表されるイオン解離性の基が直接又は間接的に結合してなる誘導体と;塩基性の基を有するポリビニルイミダゾールからなるポリマーと;バインダーとしての多孔質の高分子材料と;し、前記誘導体及び前記ポリマーが前記多孔質の高分子材料の細孔内に保持されている、イオン伝導体。
イオン解離性の基:
−SO 3 M、−PO(OM) 2 、−SO 2 NMSO 2 −、−SO 2 NM 2 、−COOM、= CPO(OM) 2 及び=C(SO 3 M) 2 (但し、Mは陽イオンとなる基である。)から なる群より選ばれた少なくとも1種。
A derivative in which an ion dissociable group represented by the following structural formula is bonded directly or indirectly to a carbon material composed of a fullerene molecule; a polymer composed of polyvinyl imidazole having a basic group; and a porosity as a binder and a polymer material quality; was containing organic, the derivative and the polymer that is held in the pores of the polymeric material of the porous, ion conductor.
Ion dissociable groups:
-SO 3 M, -PO (OM) 2, -SO 2 NMSO 2 -, - SO 2 NM 2, -COOM, = CPO (OM) 2 , and = C (SO 3 M) 2 ( where, M is a cation At least one selected from the group consisting of:
前記イオン解離性の基が結合された前記誘導体と、前記塩基性の基を有する前記ポリマーとが混合されている、請求項1に記載したイオン伝導体。   The ion conductor according to claim 1, wherein the derivative having the ion dissociable group bonded thereto and the polymer having the basic group are mixed. 前記イオン解離性の基の少なくとも1個が酸性官能基である、請求項1に記載したイオン伝導体。   The ionic conductor according to claim 1, wherein at least one of the ion dissociable groups is an acidic functional group. 前記イオン解離性の基と、前記塩基性の基との比(前記塩基性の基/前記イオン解離性の基)が、モル比で20以下である、請求項1に記載したイオン伝導体。   2. The ionic conductor according to claim 1, wherein a ratio of the ion dissociable group to the basic group (the basic group / the ion dissociable group) is 20 or less in terms of a molar ratio. 少なくとも前記イオン解離性の基を有する官能基が前記炭素物質に結合しており、前記官能基が−A−SO3M、−A−PO(OM)2、−A−SO2NMSO2−R0、−A−SO2NM2及び−A−COOM[但し、Aは−O−、−R−、−O−R−、−R−O−、−O−R−O−又は−R−O−R’−であり(R及びR’は互いに同一であっても異なっていてもよいCxHy又はCxFyHz(1≦x≦20、1≦y≦40、0≦z≦39)で表されるアルキル部位又はフッ化アルキル部位である。)、Mは陽イオンとなる基、R0は−CF3又は−CH3である。]からなる群より選ばれた少なくとも1種である、請求項1に記載したイオン伝導体。 And a functional group having at least the ionic dissociative group is bonded to the carbon material, the functional group -A-SO 3 M, -A- PO (OM) 2, -A-SO 2 NMSO 2 -R 0 , -A-SO 2 NM 2 and -A-COOM [where A is -O-, -R-, -O-R-, -R-O-, -O-R-O- or -R- O—R′— (R and R ′ may be the same or different from each other, and are represented by CxHy or CxFyHz (1 ≦ x ≦ 20, 1 ≦ y ≦ 40, 0 ≦ z ≦ 39). An alkyl moiety or a fluorinated alkyl moiety), M is a group that becomes a cation, and R 0 is —CF 3 or —CH 3 . The ionic conductor according to claim 1, which is at least one selected from the group consisting of: 前記多孔質高分子材料がポリイミド類である、請求項に記載したイオン伝導体。 The ionic conductor according to claim 1 , wherein the porous polymer material is a polyimide. 請求項1に記載した前記炭素物質の前記誘導体と、請求項1に記載した前記ポリマーとを溶媒に溶解させ、得られた溶液前記バインダーとなる高分子材料の多孔質体を浸漬して、この多孔質体の細孔内に前記溶液を充填し、しかる後に前記溶媒を除去する、イオン伝導体の製造方法。 And wherein said derivative of said carbon material according to claim 1, and said polymer of claim 1 is dissolved in a solvent, to the resulting solution, by immersing the porous body of polymeric material serving as the binder The method for producing an ionic conductor , wherein the solution is filled in the pores of the porous body, and then the solvent is removed. 請求項1に記載した前記炭素物質の前記誘導体と、請求項1に記載した前記塩基性の基を有するビニルイミダゾールとを溶媒に溶解させ、得られた溶液に、前記バインダーとなる高分子材料の多孔質体を浸漬して、この多孔質体の細孔内に前記溶液を充填し、しかる後に前記ビニルイミダゾールを重合させて請求項1に記載した前記ポリマーを生成させ、更に前記溶媒を除去する、イオン伝導体の製造方法。 The derivative of the carbon substance according to claim 1 and the vinylimidazole having the basic group according to claim 1 are dissolved in a solvent, and the obtained solution is made of a polymer material that becomes the binder. The porous body is immersed, the solution is filled in the pores of the porous body, and then the vinylimidazole is polymerized to form the polymer according to claim 1, and further the solvent is removed . The manufacturing method of an ion conductor. 請求項2〜6のいずれか1項に記載したイオン伝導体を製造する、請求項7又は8に記載したイオン伝導体の製造方法。The method for producing an ionic conductor according to claim 7 or 8, wherein the ionic conductor according to any one of claims 2 to 6 is produced. 第1極と、第2極との間に、請求項1〜6のいずれか1項に記載したイオン伝導体が挟持されてなる、電気化学デバイス。 An electrochemical device in which the ion conductor according to any one of claims 1 to 6 is sandwiched between a first electrode and a second electrode. 燃料電池として構成されている、請求項10に記載した電気化学デバイス。 The electrochemical device according to claim 10 configured as a fuel cell.
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