JP4844864B2 - Ionic conductor and energy device - Google Patents

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Description

本発明は、イオン伝導体及びエネルギーデバイスに係り、更に詳細には、特定のポリマーと所定の電解質を有するイオン伝導体、これを用いたエネルギーデバイス及び燃料電池に関する。   The present invention relates to an ion conductor and an energy device, and more particularly to an ion conductor having a specific polymer and a predetermined electrolyte, and an energy device and a fuel cell using the ion conductor.

かかるイオン伝導体は、燃料電池、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、色素増感型太陽電池、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー及びガスセンサーなどに、固体高分子電解質膜として用いるのに有用である。   Such ion conductors are solid for fuel cells, lithium ion batteries, electric double layer capacitors, dye-sensitized solar cells, water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, oxygen concentrators, humidity sensors, gas sensors, etc. It is useful for use as a polymer electrolyte membrane.

プロトン伝導体を利用した燃料電池は、ゼロエミッションを実現するエネルギー源として着目され、なかでも固体高分子形燃料電池(PEFC)は、定置型電源、パーソナルユースの携帯型電子機器類電源、あるいは移動体用電源としての開発が活発になっている。PEFCは、基本的に電解質の両側をアノード(燃料極)、カソード(空気極)で挟み込む形で構成され、アノードに還元剤=燃料(水素)を、カソードに酸化剤(酸素又は空気)を供給することで発電が行われる。   Fuel cells using proton conductors are attracting attention as an energy source for achieving zero emissions. Among them, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are stationary power sources, power sources for portable electronic devices for personal use, or mobile Development as a power source for the body is active. The PEFC is basically configured in such a way that both sides of the electrolyte are sandwiched between an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode), and a reducing agent = fuel (hydrogen) is supplied to the anode and an oxidant (oxygen or air) is supplied to the cathode. By doing so, power is generated.

現在、プロトン伝導体としてはパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜(Nafion(登録商標)に代表される)が使用されるが、これらの電解質膜は、ガラス転移温度が低いためガラス転移温度以上での高温運転ができず、加えてプロトン伝導性は膜の含水量に依存するため、運転温度が高くなるほど水の蒸散によって電解質膜のプロトン伝導度が極端に低下する。さらに、氷点下以下では膜中の水分が凍結するといったことから、燃料電池システムの作動を大きく制限している。このような課題を解決するため、水を伴わない新しいプロトン伝導体の開発が試みられている。   Currently, perfluorosulfonic acid polymer electrolyte membranes (represented by Nafion (registered trademark)) are used as proton conductors, but these electrolyte membranes have glass transition temperatures that are low, so that they exceed the glass transition temperature. In addition, since the proton conductivity depends on the water content of the membrane, the proton conductivity of the electrolyte membrane extremely decreases due to the evaporation of water as the operating temperature increases. Furthermore, the operation of the fuel cell system is greatly limited because the water in the membrane is frozen below the freezing point. In order to solve such a problem, development of a new proton conductor without water has been attempted.

一方、ここ数年、イオン伝導性を有する低融点である“塩”が、新しい材料として脚光を浴びてきており、これらはイオン性液体、イオン液体又は常温溶融塩と呼称される。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わせることで得られる、比較的低融点の特性を示すものを指している。これらの多くは、ヘテロ原子を含む塩基性化合物を含有するプロトン伝導体も多く含まれており、水に依存することなく高いプロトン伝導性を発現することが知られている(例えば、特許文献1,2参照)。
WO 03/083981 特許公開公報2003−123791号
On the other hand, “salts” having a low melting point having ionic conductivity have been in the limelight as new materials in recent years, and these are called ionic liquids, ionic liquids or room temperature molten salts. Most of them indicate organic onium ions as cations and those having a relatively low melting point obtained by combining organic or inorganic anions as anions. Many of these contain a large amount of proton conductors containing a basic compound containing a heteroatom, and are known to exhibit high proton conductivity without depending on water (for example, Patent Document 1). , 2).
WO 03/083981 Patent Publication No. 2003-123791

なお、これらは、英語ではIonic Liquid と表現されることと、最近『イオン液体』との呼称に有識者の間で統一する動きができていているため、本明細書内では、イオン液体での呼称に統一して記載する。   These are expressed in English as Ionic Liquid, and recently, the name “ionic liquid” has been unified by experts, so the term “ionic liquid” is used in this specification. To be unified.

特許文献1,2に記載の技術では、ヘテロ原子を含む塩基性化合物のヘテロ原子に結合する水素原子を利用して、プロトン伝導性の発現を実現している。また、それらの水素移動能力(水素移動度:プロトンポンプの原理で評価)は、交流インピーダンス計測で得られるイオン伝導度と比べて、同等又はそれ以下の値を示す。
従って、これらの液状電解質は、一般に、モノマーなどを用いてゲル化又は膜状に固定化を行うと、そのイオン伝導度は元々の値に比べて低下するといった挙動を示す。
In the techniques described in Patent Documents 1 and 2, the proton conductivity is realized by utilizing a hydrogen atom bonded to a hetero atom of a basic compound containing a hetero atom. Further, their hydrogen mobility (hydrogen mobility: evaluated based on the proton pump principle) shows a value equal to or less than the ionic conductivity obtained by AC impedance measurement.
Therefore, these liquid electrolytes generally exhibit a behavior in which the ionic conductivity is reduced as compared with the original value when the liquid electrolyte is gelled or fixed in a film form using a monomer or the like.

これより、液状の電解質を各種エネルギーデバイスへ適用することを目的にゲル化・固定化を行うと、イオン伝導度が低下してしまい、結果としてイオン伝導度が低いプロトン伝導体では、水素移動度が低くなってしまうことがあった。   As a result, when gelation and immobilization is performed for the purpose of applying a liquid electrolyte to various energy devices, the ionic conductivity is lowered, and as a result, in proton conductors with low ionic conductivity, hydrogen mobility is reduced. Sometimes became low.

また、PEFCへこれらの電解質を適用することを考えると膜形状へ電解質を固定化することが望まれるが、固定化された電解質膜のイオン伝導度、プロトン伝導度が低下するため、本来持つ特性を十分発揮できていなかった。   Considering the application of these electrolytes to PEFC, it is desirable to immobilize the electrolyte in the membrane shape. However, since the ionic conductivity and proton conductivity of the immobilized electrolyte membrane are reduced, the inherent properties Could not be fully demonstrated.

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、膜形状に固定化しても良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得るイオン伝導体、これを用い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 an object of the present invention is to provide an ionic conductivity that can exhibit good ionic conductivity and proton conductivity even when immobilized in a membrane shape. The present invention provides an energy device and a fuel cell using the body.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定のポリマーをカチオン成分とアニオン成分を含む電解質と併用することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor has found that the above object can be achieved by using a predetermined polymer in combination with an electrolyte containing a cation component and an anion component, thereby completing the present invention. It came.

即ち、本発明のイオン伝導体は、塩基性官能基を側鎖に備えるポリマーと、イオン液体を形成する分子性カチオン及び分子性アニオンを含む電解質とが共存しており、該塩基性官能基が、該分子性カチオンから誘導される誘導体に相当することを特徴とする。
That is, the ion conductor of the present invention comprises a polymer including a basic officer functional group in the side chain, and an electrolyte coexist containing molecular Kachio down and molecular anion down to form an ionic liquid, said basic The functional group corresponds to a derivative derived from the molecular cation .

また、本発明のイオン伝導体の好適形態は、上記塩基性官能基が、当該ポリマーの繰り返し単位内に少なくとも1つ存在することを特徴とする。   In a preferred embodiment of the ion conductor of the present invention, at least one of the basic functional groups is present in the repeating unit of the polymer.

更に、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記塩基性官能基が、−NR(R:H又はアルキル基)、及び/又は非共有電子対を持つヘテロ原子を含む構造であることを特徴とする。 Furthermore, another preferred embodiment of the ion conductor of the present invention is a structure in which the basic functional group contains —NR 2 (R: H or an alkyl group) and / or a heteroatom having an unshared electron pair. It is characterized by that.

更にまた、本発明のイオン伝導体の更に他の好適形態は、上記電解質が、分子性カチオンと分子性アニオンの常温溶融塩であり、
上記ポリマーの側鎖に存在する塩基性官能基が、電解質を構成する分子性カチオンの誘導体に相当し、
以下の一般式(1)
モルフラクション=(分子性カチオンのモル数+ポリマー全体に含まれる官能基数)/(分子性カチオンのモル数+分子性アニオンのモル数+ポリマー全体に含まれる官能基数) …(1)
で表されるモルフラクションが、0.5超0.9以下であることを特徴とする。
Furthermore, in another preferred embodiment of the ionic conductor of the present invention, the electrolyte is a room temperature molten salt of a molecular cation and a molecular anion,
The basic functional group present in the side chain of the polymer corresponds to a derivative of a molecular cation constituting the electrolyte,
The following general formula (1)
Molar fraction = (number of moles of molecular cation + number of functional groups contained in the whole polymer) / (number of moles of molecular cation + number of moles of molecular anion + number of functional groups contained in the whole polymer) (1)
Is characterized by being more than 0.5 and not more than 0.9.

また、本発明のエネルギーデバイスは、上記イオン伝導体を電極で挟持した構造部位を備えることを特徴とする。   Moreover, the energy device of the present invention is characterized in that it comprises a structural part in which the above-mentioned ion conductor is held between electrodes.

更に、本発明の燃料電池は、上記イオン伝導体を固体電解質として用い、当該固体電解質を電極で挟持した構造部位を備えることを特徴とする。   Furthermore, the fuel cell according to the present invention is characterized in that the ion conductor is used as a solid electrolyte, and a structural portion is provided in which the solid electrolyte is sandwiched between electrodes.

本発明によれば、イオン液体を主体とする電解質の固定化の際、電解質の持つイオン伝導度の低下を抑制できる。
また、従来のPEM型燃料電池の形態を維持したまま、電解質のハンドリングが容易な膜化形態とすることができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fall of the ionic conductivity which an electrolyte has can be suppressed in the case of fixation of the electrolyte which has ionic liquid as a main body.
Moreover, it can be set as the membrane | film | coat formation form with easy handling of electrolyte, maintaining the form of the conventional PEM type fuel cell.

更に、電解質を構成する分子性カチオン種と相当する塩基性を示す分子構造を側鎖として備える高分子マトリックスを電解質と共存させ、且つ電解質保持のマトリックスとして用いることで、電解質とポリマー側鎖間の協同的イオン伝導パスを新たに形成し、固定化電解質でのイオン伝導度の低下を抑制することができる。   Furthermore, by using a polymer matrix having a molecular structure showing the basicity corresponding to the molecular cation species constituting the electrolyte as a side chain and coexisting with the electrolyte, and using it as a matrix for holding the electrolyte, the electrolyte and the polymer side chain A new cooperative ion conduction path can be formed to suppress a decrease in ion conductivity in the immobilized electrolyte.

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「%」は、特記しない限り質量百分率を示す。   Hereinafter, the ion conductor of the present invention will be described in detail. In the present specification, “%” indicates a mass percentage unless otherwise specified.

上述の如く、本発明のイオン伝導体は、塩基性を示す官能基を側鎖に備えるポリマー(A)と、カチオン成分とアニオン成分を含む電解質(B)とを共存させて成るものである。   As described above, the ionic conductor of the present invention comprises a polymer (A) having a basic functional group in the side chain and an electrolyte (B) containing a cation component and an anion component.

このような形態をとることで、非共有電子対をもつヘテロ原子からなるポリマーと電解質の間での協同作用により新たなイオン伝導パスを形成する。
これにより、従来の高いイオン伝導度を発現でき、エネルギーデバイスでのIR低下分を抑制することで、より高いエネルギー性能を得ることができる。
By taking such a form, a new ion conduction path is formed by the cooperative action between the polymer composed of heteroatoms having unshared electron pairs and the electrolyte.
Thereby, the conventional high ionic conductivity can be expressed, and higher energy performance can be obtained by suppressing the IR drop in the energy device.

[1]塩基性を示す官能基を側鎖に備えるポリマー
まず、(A)成分である所定ポリマーについて説明する。
上記ポリマーとしては、例えば、耐熱性に優れているエンジニアリングプラスチックなどを使用できる。このときは、高温領域まで適用することが可能となり、100℃以上での温度域での稼動に向けた電解質として利用できる。
[1] Polymer having basic functional group in side chain First, the predetermined polymer as the component (A) will be described.
As said polymer, engineering plastics etc. which are excellent in heat resistance can be used, for example. At this time, it is possible to apply up to a high temperature region, and it can be used as an electrolyte for operation in a temperature region of 100 ° C. or higher.

また、塩基性を示す官能基としては、非共有電子対を有するヘテロ原子をその骨格部内に含むものを使用できる。
ここで、「ヘテロ原子」とは、炭素原子及び水素原子以外の原子を意味し、複素環(ヘテロ環)を構成する炭素原子以外の原子に限定されないものとする。
また、非共有電子対を有するヘテロ原子としては、酸素原子(O)、窒素原子(N)、硫黄原子(S)、リン原子(P)、セレン原子(Se)、錫原子(Sn)、インジウム原子(In)又はアンチモン原子(Sb)及びこれらの任意の組合せを挙げることができる。
Moreover, as a functional group which shows basicity, what contains the hetero atom which has an unshared electron pair in the frame | skeleton part can be used.
Here, the “heteroatom” means an atom other than a carbon atom and a hydrogen atom, and is not limited to an atom other than a carbon atom constituting a heterocyclic ring (heterocycle).
Moreover, as a hetero atom having an unshared electron pair, an oxygen atom (O), a nitrogen atom (N), a sulfur atom (S), a phosphorus atom (P), a selenium atom (Se), a tin atom (Sn), indium Mention may be made of atoms (In) or antimony atoms (Sb) and any combination thereof.

また、上記塩基性官能基は、当該ポリマーの繰り返し単位内に少なくとも1つ存在することが好適である。
本発明は、後述するように、イオン伝導体におけるキャリアーイオンの伝導性を向上することを骨子とするものであるが、かかる塩基性官能基が繰り返し単位内に存在すれば、キャリアーイオンがルイス酸(キャリアーイオン)−ルイス塩基(非共有結合電子対を持つヘテロ原子)の水素結合及びその乖離を行うことが可能となる結合部位が、化学構造式的に等間隔で且つ多く提供されることになるので、キャリアーイオン伝導性を向上させるのに有効である。
なお、上記ポリマーは、当該ポリマーの繰り返し単位内に1種又は1個の塩基性官能基が存在する構成に限定されず、2種以上又は2個以上の塩基性官能基が存在していてもよい。
Further, it is preferable that at least one basic functional group is present in the repeating unit of the polymer.
As will be described later, the present invention is intended to improve the conductivity of carrier ions in an ionic conductor. However, if such a basic functional group is present in a repeating unit, the carrier ions are Lewis acids. (Carrier ions)-Lewis bases (hetero atoms having non-covalent electron pairs) hydrogen bonds and bonding sites that can dissociate them are provided at regular intervals in chemical structure. Therefore, it is effective for improving carrier ion conductivity.
In addition, the said polymer is not limited to the structure in which 1 type or 1 basic functional group exists in the repeating unit of the said polymer, Even if 2 or more types or 2 or more basic functional groups exist Good.

更に、上記塩基性官能基は、−NR(R:H、アルキル基のいずれか一方又は双方)及非共有電子対のいずれか一方又は双方を持つヘテロ原子を含む構造であることが好適である。上記アルキル基としては、メチル基(−CH)やエチル基(−C)などが挙げられる。 Furthermore, it is preferable that the basic functional group has a structure including a hetero atom having either or both of —NR 2 (R: H, one or both of alkyl groups) and an unshared electron pair. is there. Examples of the alkyl group include a methyl group (—CH 3 ) and an ethyl group (—C 2 H 5 ).

特に、上記塩基性官能基がヘテロ原子を有する骨格部位から成るときは、ヘテロ環を形成していることが好ましい。
このようなヘテロ環を有するポリマーは、一般に耐熱性に優れるので、イオン伝導体のキャリアーイオン伝導性を改善するだけではなく、高温安定性も向上できる。
従って、かかるヘテロ環を有するポリマーを含む本発明のイオン伝導体を、例えば燃料電池の電解質に適用すれば、従来のPEFCでは発電が困難な100〜150℃程度においても発電を行える可能性が生ずる。
In particular, when the basic functional group is composed of a skeleton having a hetero atom, it is preferable to form a heterocycle.
Since such a polymer having a hetero ring generally has excellent heat resistance, not only the carrier ion conductivity of the ion conductor can be improved, but also high-temperature stability can be improved.
Therefore, if the ionic conductor of the present invention including such a polymer having a heterocycle is applied to, for example, an electrolyte of a fuel cell, there is a possibility that power generation can be performed even at about 100 to 150 ° C. where power generation is difficult with a conventional PEFC. .

上述した塩基性官能基の具体例としては、例えば、−NR基(RはH,CH,Cなど)を有する化合物、図1〜3に示すような複素環化合物が挙げられる。 Specific examples of the basic functional group described above include compounds having a —NR 2 group (R is H, CH 3 , C 2 H 5, etc.) and heterocyclic compounds as shown in FIGS. .

[2]カチオン成分とアニオン成分を含む電解質
また、(B)成分である電解質について説明する。
上記電解質に含まれるカチオン成分及びアニオン成分としては、単独の原子から形成される単原子性(原子性)のものと、複数個の原子から形成される多原子性(例えば、分子性)のものに大別でき、本発明ではいずれも使用可能である。
[2] Electrolyte containing a cation component and an anion component The electrolyte as the component (B) will be described.
The cation component and the anion component contained in the electrolyte are monoatomic (atomic) formed from a single atom and polyatomic (for example, molecular) formed from a plurality of atoms. Any of them can be used in the present invention.

原子性のカチオン成分とアニオン成分を含有する電解質としては、代表的に塩化ナトリウム(NaCl)などが挙げられ、これらは高温で溶融塩状体となってイオン伝導性を発揮する。
なお、原子性アニオン成分としては、代表的にハロゲンイオン、例えばCl、Br及びIを挙げることができる。
As an electrolyte containing an atomic cation component and an anion component, sodium chloride (NaCl) is typically cited, and these become molten salts at high temperatures and exhibit ionic conductivity.
As the atomic anion component, typically a halide ion, e.g. Cl -, Br - and I - I may be mentioned.

一方、分子性のカチオン成分とアニオン成分を含む電解質としては、以下に示すカチオン成分及びアニオン成分の具体例を含むものが挙げられる。
本発明では、分子性カチオン及び分子性アニオンを任意に組み合わせて使用することが好適である。
このときは、原子性カチオン、原子性アニオンと比べ、材料の選択性の幅が広がる。また、目的とするエネルギーデバイスに応じて、構成を最適化できる。
On the other hand, examples of the electrolyte containing a molecular cation component and an anion component include those containing specific examples of the cation component and the anion component shown below.
In the present invention, it is preferable to use a molecular cation and a molecular anion in any combination.
At this time, the selectivity of the material is widened as compared with the atomic cation and the atomic anion. In addition, the configuration can be optimized according to the target energy device.

まず、カチオン成分としては、例えば、以下の化学式1〜3に示すイミダゾリウム誘導体(Imidazolium Derivatives、1〜3置換体)、化学式4に示すピリジニウム誘導体(Pyridinium Derivatives)、化学式5に示すピロリジニウム誘導体(Pyrrolidinium Derivatives)、化学式6に示すアンモニウム誘導体(Ammonium Derivatives)、化学式7に示すホスフォニウム誘導体(Phosphonium Derivatives)、化学式8に示すグアニジニウム誘導体(Guanidinium Derivatives)、化学式9に示すイソウロニウム誘導体(Isouronium Derivatives)、化学式10に示すチオウレア誘導体(Thiourea Derivatives)、などが挙げられる。   First, as the cation component, for example, imidazolium derivatives represented by the following chemical formulas 1 to 3 (Imidazolium Derivatives, 1 to 3 substitutes), pyridinium derivatives represented by the chemical formula 4 (Pyridinium Derivatives), and pyrrolidinium derivatives (Pyrrolidinium represented by the chemical formula 5). Derivatives), ammonium derivatives represented by Chemical Formula 6 (Ammonium Derivatives), phosphonium derivatives represented by Chemical Formula 7 (Phosphonium Derivatives), guanidinium derivatives represented by Chemical Formula 8 (Guidinium Derivatives), Show Urea derivatives (Thiourea Derivatives), and the like.

Figure 0004844864
Figure 0004844864

式中のRは、炭素数が1〜18の、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。
特に、Rがメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のものを好適に使用できる。
R in the formula 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.
In particular, 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 0004844864
Figure 0004844864

式中のR、Rは、それぞれ個別に炭素数が1〜18の、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。
特に、Rが水素原子、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、ベンジル基のものを好適に使用できる。
R 1 and R 2 in the formula are each independently 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. Indicates a group.
Particularly preferred are those in which R is a hydrogen atom, 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 benzyl group. Can be used.

Figure 0004844864
Figure 0004844864

式中のR、R、Rは、それぞれ個別に水素原子、炭素数が1〜18の、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。
特に、R、Rがメチル基、Rが水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基又はヘキシル基であるものを好適に使用できる。
R 1 , R 2 and R 3 in the formula are each independently a hydrogen atom, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, an acyl group, an alkoxy group having 1 to 18 carbon atoms. An alkyl group or a heterocyclic group is shown.
In particular, those in which R 1 and R 2 are a methyl group and R 3 is a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, or a hexyl group can be preferably used.

Figure 0004844864
Figure 0004844864

式中のRは、炭素数が1〜18の、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。また、式中のR、R、Rは、少なくとも1つのRが水素(H)であり、残りのRがそれぞれ個別に炭素数1〜18の、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。
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、Rのうち全てが水素原意であるもの、又は1つ若しくは2つがメチル基のものを好適に使用できる。
R 1 in the formula 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 in the formula are each an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, wherein at least one R is hydrogen (H), and the remaining Rs are each independently 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;
In particular, R 1 is preferably an ethyl group, a butyl group, a hexyl group or an octyl group, and all of R 2 , R 3 and R 4 are hydrogen-oriented, or one or two are methyl groups. Can be used.

Figure 0004844864
Figure 0004844864

式中のR、Rは、それぞれ個別に炭素数が1〜18の、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。
特に、R、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のものを好適に使用できる。更には、Rのうちの1つが水素原子であっても好適に使用できる。
R 1 and R 2 in the formula are each independently 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. Indicates a group.
In particular, 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, even if one of R is a hydrogen atom, it can be preferably used.

Figure 0004844864
Figure 0004844864

式中のR、R、R、Rは、それぞれ個別に炭素数1〜18の、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。
特に、R、R、R、Rのすべ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つ又は2つの官能基がエチル基、ブチル基、メトキシエチル基であるものを好適に使用できる。
R 9 , R 2 , R 3 and R 4 in the formula are each independently 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;
In particular, all of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are methyl groups or butyl groups, and further those in which at least one or two functional groups are ethyl groups, butyl groups or methoxyethyl groups. It can be suitably used.

Figure 0004844864
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式中のR、R、R、Rは、それぞれ個別に炭素数1〜18の、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。
特に、R、R、R、Rのすべてがブチル基であるものや、ヘキシル基と少なくとも1つ以上のテトラデシル基を備えるものを好適に使用できる。
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 in the formula are each independently 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;
In particular, 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 suitably used.

Figure 0004844864
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式中のR、R、R、R、R、Rは、それぞれ個別に水素原子、炭素数1〜18の、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。
特に、R、R、R、R、R、Rのすべてが水素原子であるものや、R、R、R、R、R、Rのうちのいずれか1つがメチル基、イソプロピル基、フェニル基であるものを好適に使用できる。
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 in the formula are each independently a hydrogen atom, a C 1-18 alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group. , An aralkyl group, an acyl group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group.
In particular, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 are all hydrogen atoms, or any of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 Those in which one of them is a methyl group, an isopropyl group, or a phenyl group can be preferably used.

Figure 0004844864
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式中のR、R、R、R、Rは、それぞれ個別に水素原子、炭素数1〜18の、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。
特に、R、R、R、R、Rのすべてがメチル基であるもの、R、R、R、Rがメチル基であり、Rがエチル基であるものを好適に使用できる。
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , and R 5 in the formula are each independently a hydrogen atom, an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an aralkyl group having 1 to 18 carbon atoms. Represents an acyl group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group.
In particular, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 are all methyl groups, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are methyl groups, and R 5 is an ethyl group Can be suitably used.

Figure 0004844864
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式中のR、R、R、R、Rは、水素原子、炭素数が1〜18の、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。
特に、R、R、R、Rがメチル基であり、Rがエチル基であるものを好適に使用できる。
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 in the formula are a hydrogen atom, a C 1-18 alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a cycloalkyl group, an aryl group, an aralkyl group, an acyl A group, an alkoxyalkyl group or a heterocyclic group;
In particular, those in which R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are methyl groups and R 5 is an ethyl group can be suitably used.

一方、アニオン成分としては、例えば、以下の化学式11、12に示すスルフェート類及びスルホン酸類(Sulfates and sulfonates)、化学式13に示すアミド類及びイミド類(Amides and imides)、化学式14に示すメタン類(Methanes)、化学式15〜20に示すホウ酸塩類(Borates)、化学式21、22に示すリン酸塩類及びアンチモン類(Phosphates and Antimonates)、化学式23に示すその他の塩類、などが挙げられる。   On the other hand, examples of the anion component include sulfates and sulfonates represented by the following chemical formulas 11 and 12, amides and imides represented by the chemical formula 13, and methanes represented by the chemical formula 14 ( Methanes), borates represented by chemical formulas 15 to 20 (Borates), phosphates and antimonies represented by chemical formulas 21 and 22, and other salts represented by chemical formula 23, and the like.

Figure 0004844864
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また、多価アニオンとして、例えば、以下の化学式24に示すものなども使用できる。   Moreover, as a polyvalent anion, for example, one represented by the following chemical formula 24 can be used.

Figure 0004844864
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上述のような分子性イオン成分を含む電解質を採用すれば、カチオン成分とアニオン成分の組合せの自由度が大きい外、材料選択の幅も拡大できる。
また、イオン伝導体を適用するエネルギーデバイスに応じて、当該電解質を好適化することが容易となり、エネルギーデバイスへの実際の適用性を向上できる。
If an electrolyte containing a molecular ion component as described above is employed, the degree of freedom of combination of the cation component and the anion component is large, and the range of material selection can be expanded.
Moreover, it becomes easy to optimize the said electrolyte according to the energy device to which an ion conductor is applied, and the actual applicability to an energy device can be improved.

所定の電解質(B)が、上述の如き分子性カチオンと分子性アニオンが構成する常温溶融塩であるときは、電解質を溶解する処理を省略でき、取り扱い性や製造工程も簡略化できるので便利である。
かかる常温溶融塩は、一般にイオン液体と称されており、常温溶融塩であるがゆえに蒸気圧が極めて低く、蒸発し難い。また、難燃性で、熱分解温度が通例250℃以上と高く、凝固点も通例は−20℃以下であり、安定性に優れた材料である。
When the predetermined electrolyte (B) is a room temperature molten salt composed of a molecular cation and a molecular anion as described above, the treatment for dissolving the electrolyte can be omitted, and the handling and manufacturing process can be simplified. is there.
Such a room temperature molten salt is generally called an ionic liquid, and since it is a room temperature molten salt, its vapor pressure is extremely low and it is difficult to evaporate. In addition, it is a flame retardant material having a high thermal decomposition temperature of typically 250 ° C. or higher and a freezing point of typically −20 ° C. or lower, which is excellent in stability.

なお、本発明においては、所定の電解質(B)を上述の如きイオン液体のみで構成することができるが、水などの極性溶媒を加えて、当該イオン液体におけるプロトン伝導性を向上させることができ、このような極性溶媒を加えたイオン液体を電解質(B)に用いてイオン伝導体を構成することにより、キャリアーイオン伝導性を向上することも可能である。   In the present invention, the predetermined electrolyte (B) can be composed only of the ionic liquid as described above. However, by adding a polar solvent such as water, the proton conductivity in the ionic liquid can be improved. It is also possible to improve carrier ion conductivity by forming an ionic conductor using an ionic liquid to which such a polar solvent is added for the electrolyte (B).

ここで、「キャリアーイオン」とは、プロトン(H)又はアルカリ金属イオンを意味するものとする。
本発明のイオン伝導体をPEFCの電解質膜に適用する場合には、プロトン伝導性が直接の技術対象となる。
なお、これが他のエネルギーデバイス、例えばリチウムイオン電池になれば、そのキャリアーイオンはLiとなり、目的とするエネルギーデバイスの形態によってキャリアーイオンは適宜変更することが可能である。
Here, the “carrier ion” means a proton (H + ) or an alkali metal ion.
When the ion conductor of the present invention is applied to a PEFC electrolyte membrane, proton conductivity is a direct technical object.
In addition, if this becomes another energy device, for example, a lithium ion battery, the carrier ion becomes Li + and the carrier ion can be appropriately changed depending on the form of the target energy device.

また、本発明においては、上記分子性カチオンが、非共有電子対を有するヘテロ原子を含むことが好適である。
特定ヘテロ原子を有する分子性カチオンを含むイオン液体では、以下の化学式25に示すグロータス機構(Grotthuss Mechanism)及び化学式26に示すビークル機構(Vehicle Mechanism)によって、良好なプロトン伝導性を示すことが知られている。
In the present invention, it is preferable that the molecular cation includes a heteroatom having an unshared electron pair.
It is known that an ionic liquid containing a molecular cation having a specific heteroatom exhibits good proton conductivity due to the Grotus mechanism shown in the following chemical formula 25 and the vehicle mechanism shown in the chemical formula 26. ing.

Figure 0004844864
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Figure 0004844864
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特定ヘテロ原子を有する分子性カチオンを用いることによって、電解質(B)中のイオン(特にプロトン)伝導物質として、イオンキャリアとなりえるカチオン分子やアニオン分子のビークル機構と、イオンキャリア間をキャリアーイオンがホッピングしてイオン伝導を行うグロータス機構の両者を活用できる。グロータス機構とビークル機構の寄与の割合は選択するカチオン分子、アニオン分子によって大きく異なるが概してビークル機構が支配的であると考えられる。
本発明の系では、系に共存する支持体と電解質(B)の界面に介在する非共有電子を利用して、電解質とのイオン伝導の共同作用を発揮できるため、イオン伝導度がより早いグロータス機構の寄与を増加させることができるため、固定化に伴うイオン伝導度の低下を抑制することが可能となる。
By using a molecular cation having a specific heteroatom, the ion (especially proton) conducting material in the electrolyte (B) is a ionic molecule that can become an ion carrier, the vehicle mechanism of anion molecules, and carrier ions hop between the ion carriers Thus, it is possible to utilize both of the Grotus mechanism that conducts ions. The contribution ratio between the Grotus mechanism and the vehicle mechanism varies greatly depending on the selected cation molecule and anion molecule, but the vehicle mechanism is generally considered to be dominant.
In the system of the present invention, since the cooperative action of ionic conduction with the electrolyte can be exhibited by utilizing unshared electrons present at the interface between the support and the electrolyte (B) coexisting in the system, Grotus has faster ionic conductivity. Since the contribution of the mechanism can be increased, it is possible to suppress a decrease in ionic conductivity accompanying immobilization.

[3]所定ポリマー(A)と所定電解質(B)との共存
上述のように、本発明のイオン伝導体は、以上に説明した所定ポリマー(A)と所定電解質(B)を混在させて成るものであり、図4に示すようなメカニズムによって、キャリアーイオンの伝導性に優れるものである。
[3] Coexistence of the predetermined polymer (A) and the predetermined electrolyte (B) As described above, the ionic conductor of the present invention is a mixture of the predetermined polymer (A) and the predetermined electrolyte (B) described above. It is excellent in carrier ion conductivity by the mechanism shown in FIG.

即ち、ポリマー(A)の塩基性官能基や電解質(B)のヘテロ原子が相互に近距離に存在するため、キャリアーイオン(特にプロトン)のイオン伝導において、上述のグロータス機構又はビークル機構によってキャリアーイオンが伝達されるのであるが、本発明の形態をとることで当該塩基性官能基やヘテロ原子の間をキャリアーイオンが移動し易くなり、中でもイオン伝導度がより早いグロータス機構の寄与を増加させることができるため、良好なプロトン伝導性を示すこととなる。   That is, since the basic functional group of the polymer (A) and the heteroatom of the electrolyte (B) are present at a short distance from each other, carrier ions (particularly protons) are ion-conducted by the aforementioned Grotus mechanism or vehicle mechanism. However, by taking the form of the present invention, carrier ions can easily move between the basic functional groups and heteroatoms, and in particular, the contribution of Grotus mechanism with faster ion conductivity can be increased. Therefore, good proton conductivity is exhibited.

また、プロトン伝導性を向上させる観点から、上記ポリマー(A)の塩基性官能基は、分子性カチオンから誘導される誘導体に相当することが好適である。
このときは、両者の立体的な構造が近似し得るので、ポリマーの塩基性官能基とカチオン分子とをより近接させることでよりプロトン伝導性を向上できる。
From the viewpoint of improving proton conductivity, the basic functional group of the polymer (A) preferably corresponds to a derivative derived from a molecular cation.
In this case, since the steric structures of the two can be approximated, proton conductivity can be further improved by bringing the basic functional group of the polymer closer to the cationic molecule.

具体的には、以下の一般式(1)
モルフラクション=(分子性カチオンのモル数+ポリマー全体に含まれる官能基数)/(分子性カチオンのモル数+分子性アニオンのモル数+ポリマー全体に含まれる官能基数) …(1)
で表されるモルフラクション(無次元数)が、0.5超0.9以下であることが好適である。
また、イミダゾール基のモルフラクションとイオン伝導度の関係を図5に示す。
Specifically, the following general formula (1)
Molar fraction = (number of moles of molecular cation + number of functional groups contained in the whole polymer) / (number of moles of molecular cation + number of moles of molecular anion + number of functional groups contained in the whole polymer) (1)
Is preferably more than 0.5 and not more than 0.9.
Further, FIG. 5 shows the relationship between the molar fraction of the imidazole group and the ionic conductivity.

なお、かかるイオン伝導体は、まず所定の分子性カチオンを規定し、この分子性カチオンと同種の誘導体をポリマー(A)が塩基性官能基として備えるように、当該ポリマー(A)を合成すればよい。また、まず支持体となるポリマー(A)を規定し、このポリマー(A)が側鎖として備える塩基性官能基と同種の構造を有する分子性カチオンを適宜選択してもよい。   In addition, such an ionic conductor first defines a predetermined molecular cation, and if the polymer (A) is synthesized so that the polymer (A) includes a derivative of the same kind as the molecular cation as a basic functional group. Good. Moreover, the polymer (A) used as a support body is prescribed | regulated first, and the molecular cation which has the same kind of structure as the basic functional group with which this polymer (A) is provided as a side chain may be selected suitably.

代表的には、所定ポリマー(A)を支持体とし、これに所定電解質(B)を固定化することができる。
このときは、電解質を保持する支持体と、新たなイオン伝導場形成の物質を兼用して用いることができる。また、電解質(B)側から見れば、優れたキャリアーイオン伝導性を発現できる電解質の固定化や膜状化が実現できる。
よって、本発明によれば、固体高分子型燃料電池(PEFC)などへの適用性に優れたイオン伝導体を提供できる。
Typically, the predetermined polymer (A) can be used as a support, and the predetermined electrolyte (B) can be immobilized thereon.
In this case, the support for holding the electrolyte can be used in combination with a substance for forming a new ion conduction field. Further, when viewed from the electrolyte (B) side, it is possible to realize the immobilization and film formation of the electrolyte capable of exhibiting excellent carrier ion conductivity.
Therefore, according to the present invention, an ion conductor excellent in applicability to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can be provided.

なお、電解質(B)をポリマー(A)に有効に固定化する観点からは、ポリマー(A)をフィルム化することが好ましく、これにより、成形が容易となり支持体としての機能を発揮し易くなる。また、均質な支持体の形成が容易となり、この支持体に保持した電解質のエネルギーデバイスへの適用範囲が広がる。   From the viewpoint of effectively immobilizing the electrolyte (B) to the polymer (A), it is preferable to form the polymer (A) into a film, which facilitates molding and easily functions as a support. . In addition, it is easy to form a homogeneous support, and the range of application of the electrolyte held on the support to the energy device is expanded.

フィルム(膜)厚は、10〜500μmのものが適用できる。デバイス内のイオン伝導に起因する電気抵抗として検出される抵抗分はフィルム厚に伴って大きくなることと、あまりにも薄くすると、ハンドリング性が低下するため、好ましくは15〜200μm、とりわけ20〜150μmとすることが好ましい。   A film having a thickness of 10 to 500 μm can be applied. The resistance detected as electrical resistance due to ionic conduction in the device is increased with the film thickness, and if it is too thin, the handling property is reduced. Therefore, the resistance is preferably 15 to 200 μm, especially 20 to 150 μm. It is preferable to do.

また、ポリマー(A)を多孔質化してもよく、これにより、多孔体であるポリマー(A)の空孔(細孔)を利用して、大量の電解質(B)を固定化できるようになり、ひいてはキャリアーイオン伝導性を更に向上できることになる。
なお、ポリマー(A)の多孔質化に際し、多孔体ポリマーの気孔率、細孔径や細孔分布を調整することが可能であり、これにより、キャリアーイオン伝導度や電解質保持力を設計できるので、用途などに応じた所望のイオン伝導体を得られるようになる。
In addition, the polymer (A) may be made porous, which makes it possible to immobilize a large amount of the electrolyte (B) using the pores (pores) of the polymer (A) which is a porous body. As a result, carrier ion conductivity can be further improved.
In addition, when making the polymer (A) porous, it is possible to adjust the porosity, pore diameter and pore distribution of the porous polymer, and thereby, the carrier ion conductivity and the electrolyte holding power can be designed. A desired ionic conductor according to the application can be obtained.

電解質保持量が大きくなるため、空孔率は高いものほど好ましく、50〜90%が望ましい。空孔率は高くなるほど、支持体の強度が低下するため好ましくは 60〜85%、より好ましくは、電解質保持量と支持体の強度のバランスがとりやすい 65〜80%のものが好適である。   Since the amount of electrolyte retained increases, the higher the porosity, the better, and 50 to 90% is desirable. The higher the porosity, the lower the strength of the support, and preferably 60 to 85%, more preferably 65 to 80%, which easily balances the amount of electrolyte retained and the strength of the support.

多孔質体の細孔径は、0.01〜50μmのものが使用できる。電解質の保持能力向上の面からは、細孔径は小さくなるほど好ましく、0.02〜20μm、さらに好ましくは0.05〜10μmである。   A porous body having a pore diameter of 0.01 to 50 μm can be used. From the standpoint of improving the electrolyte retention capacity, the pore diameter is preferably as small as possible, and is 0.02 to 20 μm, more preferably 0.05 to 10 μm.

次に、本発明のエネルギーデバイスについて説明する。
上述の如く、本発明のエネルギーデバイスは、上記のイオン伝導体を電極で挟持した構造部位を有するものである。
上記イオン伝導体がキャリアーイオン伝導性に優れるので、このエネルギーデバイスは電圧降下(IR降下)に伴うエネルギー損失が小さく、従って、高エネルギー性能を発揮し得る。
Next, the energy device of the present invention will be described.
As described above, the energy device of the present invention has a structural portion in which the above ionic conductor is sandwiched between electrodes.
Since the ionic conductor is excellent in carrier ionic conductivity, this energy device has a small energy loss due to a voltage drop (IR drop), and thus can exhibit high energy performance.

かかるエネルギーデバイスの具体例としては、燃料電池、リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ、色素増感型太陽電池を挙げることができる。
なお、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー及びガスセンサーに用いられる固体高分子電解質膜にも適用することができる。
Specific examples of such energy devices include fuel cells, lithium ion batteries, electric double layer capacitors, and dye-sensitized solar cells.
In addition, it can apply also to the solid polymer electrolyte membrane used for water electrolysis, hydrohalic acid electrolysis, salt electrolysis, an oxygen concentrator, a humidity sensor, and a gas sensor.

次に、本発明の燃料電池について説明する。
この燃料電池は、上記のエネルギーデバイスを単セルとするものであり、上述のIR降下抑制能から、高い発電力を発揮するものである。
Next, the fuel cell of the present invention will be described.
This fuel cell uses the above-mentioned energy device as a single cell, and exhibits high power generation due to the above-described IR drop suppression ability.

これにより、従来のPEM用電解質では稼動が困難な100℃以上の運転を可能とする。
また、外気との気温差が大きくなることで燃料電池発電時に発生する熱の排出負荷を低減できるため、ラジエターの負荷を従来のPEFC型燃料電池より低下させることができる。その結果、ラジエターサイズを低減でき、容積低減、軽量化などが可能となる。
This enables operation at 100 ° C. or higher, which is difficult to operate with conventional PEM electrolytes.
In addition, since the temperature difference from the outside air becomes large, the heat discharge load generated during fuel cell power generation can be reduced, and therefore the radiator load can be reduced as compared with the conventional PEFC type fuel cell. As a result, the radiator size can be reduced, and the volume can be reduced and the weight can be reduced.

更に、電解質が分子性イオンで構成されるときは、従来のPEFCのように高いイオン伝導性を発現するために水を必要としないので、移動体自体に水を備えなくて良くなるため、移動体に適用すれば軽減化が図れる。   Furthermore, when the electrolyte is composed of molecular ions, water is not required to express high ionic conductivity as in the conventional PEFC, so it is not necessary to provide water in the mobile body itself. If applied to the body, it can be reduced.

なお、この燃料電池をスタッキングすることなどにより、燃料電池(発電)システムを構築することも可能であるが、このシステムが高い発電力を発揮することはいうまでもない。   It is possible to construct a fuel cell (power generation) system by stacking the fuel cells, but it goes without saying that this system exhibits high power generation.

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.

1.イオン伝導体の調製
(実施例1)
支持体としてポリ−N−ビニルイミダゾールを用い、電解質として1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフレート(EMImOTf)とのコンポジット化によるイオン伝導体を以下の手順で調整を行った。
1. Preparation of ionic conductor (Example 1)
An ion conductor prepared by compositing with 1-ethyl-3-methylimidazolium triflate (EMImOTf) as an electrolyte was prepared by the following procedure using poly-N-vinylimidazole as a support.

N−ビニルイミダゾールモノマーとメチルメタクリレート(MMA)、EMImOTfがモル比1:4:2となるようにアセトンに溶解し、ここへ2,2−アゾビスイソブチロニトリルを重合開始剤としてビニルユニットの5モル%となるように添加し、薄膜上にキャストした後、70℃で12時間重合反応を行い乾燥後膜状のイオン伝導体を得た。   N-vinylimidazole monomer, methyl methacrylate (MMA), and EMImOTf are dissolved in acetone so that the molar ratio is 1: 4: 2, and 2,2-azobisisobutyronitrile is used as a polymerization initiator for the vinyl unit. After adding to 5 mol% and casting on a thin film, a polymerization reaction was carried out at 70 ° C. for 12 hours to obtain a film-like ion conductor after drying.

ここで使用したEMImOTfは、市販されている1−エチル−3−メチルイミダゾリウムルクロライドとトリフルオロメタンスルホン酸を等モル量混合し、室温で12時間混合撹拌して得られたものを減圧乾燥にて予備乾燥を行い、さらに得られたものをヘキサン/酢酸エチル混合溶媒(容量比 1/1)で洗浄を行った後、減圧乾燥したものを使用した。   EMImOTf used here is a mixture of commercially available 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride and trifluoromethanesulfonic acid mixed in an equimolar amount, and mixed and stirred at room temperature for 12 hours to dry under reduced pressure. Preliminary drying was performed, and the obtained product was washed with a hexane / ethyl acetate mixed solvent (volume ratio 1/1) and then dried under reduced pressure.

(実施例2)
実施例1使用したN−ビニルイミダゾールモノマーと2−ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)、EMImOTfをモル比1:8:4とし、重合開始剤として過酸化ベンゾイルをポリマー重量に対して5%となるように添加し、キャストしたものを80℃で24時間重合反応を行い、乾燥後膜状のイオン伝導体を得た。それ以外は実施例1と同様の操作を繰返して、イオン伝導体を作製した。
(Example 2)
Example 1 The N-vinylimidazole monomer, 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), and EMImOTf used were in a molar ratio of 1: 8: 4, and benzoyl peroxide as a polymerization initiator was 5% based on the polymer weight. The added and cast product was subjected to a polymerization reaction at 80 ° C. for 24 hours, and after drying, a film-like ion conductor was obtained. Otherwise, the same operation as in Example 1 was repeated to produce an ion conductor.

(実施例3)
実施例1使用したN−ビニルイミダゾールモノマーとEMImOTfをモル比4:1とし、それ以外は実施例1と同様の操作を繰返して、イオン伝導体を作製した。
(Example 3)
Example 1 An N-vinylimidazole monomer and EMImOTf used were made to have a molar ratio of 4: 1, and the same operation as in Example 1 was repeated except that a ionic conductor was produced.

(実施例4)
実施例3で使用したN−ビニルイミダゾールモノマーに平均粒径約70〜100nmのシリカ微粒子をポリマーに対して重量比4:1となるように添加し、キャスト成型した後に実施例1に従って重合・乾燥を行い膜形状とした。製膜後に10重量%フッ酸水溶液で処理することで、中に含まれているシリカ微粒子を取り除き、フッ酸(HF)処理にてシリカ微粒子を溶解して多孔質化した後、EMImOTfを含浸することで、イオン伝導体を作製した。
Example 4
Silica fine particles having an average particle diameter of about 70 to 100 nm were added to the N-vinylimidazole monomer used in Example 3 so as to have a weight ratio of 4: 1 with respect to the polymer, and cast and molded, followed by polymerization and drying according to Example 1. To obtain a film shape. After forming the film, it is treated with a 10 wt% hydrofluoric acid aqueous solution to remove silica fine particles contained therein, and the silica fine particles are dissolved and made porous by hydrofluoric acid (HF) treatment, and then impregnated with EMImOTf. Thus, an ionic conductor was produced.

(比較例1)
実施例1で作製した電解質膜のモノマーをポリ−N−ビニルイミダゾールからメチルメタクリレート(MMA)に置き換え、それ以外は実施例1と同様の操作を繰返して、イオン伝導体を作製した。
(Comparative Example 1)
An ion conductor was produced by repeating the same operation as in Example 1 except that the monomer of the electrolyte membrane produced in Example 1 was replaced with polymethacrylate (MMA) from poly-N-vinylimidazole.

2.イオン伝導度の計測
イオン伝導度は、表面に白金黒を形成したPt電極を備える専用セルを用いた。電解質容器にゾル電解質を流し込み、室温で静置しながら自然冷却を行い、ゲル化したものを用いて、交流インピーダンス法により電解質のイオン伝導度を計測した。
この結果を表1に示す。また、実施例1と比較例1で得たイオン伝導体について、温度変化に対するイオン伝導度の変化をグラフ図6に示す。
2. Measurement of ion conductivity For ion conductivity, a dedicated cell provided with a Pt electrode having platinum black formed on the surface thereof was used. The sol electrolyte was poured into the electrolyte container, naturally cooled while standing at room temperature, and the gelled material was used to measure the ionic conductivity of the electrolyte by the AC impedance method.
The results are shown in Table 1. Moreover, about the ion conductor obtained by Example 1 and the comparative example 1, the change of the ion conductivity with respect to a temperature change is shown in FIG.

Figure 0004844864
Figure 0004844864

表1に示すように、実施例1から実施例4では、いずれの場合でも良好なイオン伝導度を示したことから、本発明の効果が認められた。一方、比較例1では、40℃にて0.085mS/cmの値を示し、本発明を適用した実施例1〜4に比べて著しくイオン伝導度が低下していた。   As shown in Table 1, in Examples 1 to 4, good ionic conductivity was exhibited in any case, and thus the effect of the present invention was recognized. On the other hand, Comparative Example 1 showed a value of 0.085 mS / cm at 40 ° C., and the ionic conductivity was significantly reduced as compared with Examples 1 to 4 to which the present invention was applied.

なお、図5は、EMImOTfへN−エチルイミダゾールを添加して、電解質溶液内におけるイミダゾール基モルフラクションに対するイオン伝導度変化を示すグラフである。
このように、系内でのイミダゾール成分が多くなるとイオン伝導度の向上が認められることは、渡邉らの発表と符合する(「Chem.commun、p.938,2003」参照)。
In addition, FIG. 5 is a graph which shows the ionic conductivity change with respect to the imidazole group molar fraction in an electrolyte solution by adding N-ethylimidazole to EMImOTf.
Thus, the fact that the ionic conductivity is improved when the imidazole component in the system is increased is consistent with the announcement by Watanabe et al. (See “Chem. Commun, p. 938, 2003”).

以上、本発明を好適実施例と比較例により、詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形が可能である。
例えば、ここでは単一組成のイオン液体を電解質として用いたが、2種類以上のイオン液体を混合して使用しても良い。
また、イミダゾールのようなオニウム塩となっていないものを混合しても良い。この場合、イミダゾールの比共有結合電子対を持つNもイオン伝導に寄与できる。
As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail by the preferred Example and the comparative example, this invention is not limited to these Examples, A various deformation | transformation is possible within the range of the summary of this invention.
For example, although an ionic liquid having a single composition is used as the electrolyte here, two or more kinds of ionic liquids may be mixed and used.
Moreover, you may mix what is not onium salt like imidazole. In this case, N having a specific covalent bond electron pair of imidazole can also contribute to ionic conduction.

本発明で使用するポリマーが備える塩基性側鎖の一例を示す化学式である。It is a chemical formula which shows an example of the basic side chain with which the polymer used by this invention is provided. 本発明で使用するポリマーが備える塩基性側鎖の他の例を示す化学式である。It is a chemical formula which shows the other example of the basic side chain with which the polymer used by this invention is equipped. 本発明で使用するポリマーが備える塩基性側鎖の更に他の例を示す化学式である。It is a chemical formula which shows the further another example of the basic side chain with which the polymer used by this invention is equipped. キャリアーイオンの流れの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of the flow of carrier ion. モルフラクションとイオン伝導度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a molar fraction and ionic conductivity. 実施例1と比較例1のイオン伝導体について、各温度域でのイオン伝導度を示すグラフである。It is a graph which shows the ionic conductivity in each temperature range about the ion conductor of Example 1 and Comparative Example 1.

Claims (11)

塩基性官能基を側鎖に備えるポリマーと、イオン液体を形成する分子性カチオン及び分子性アニオンを含む電解質とが共存しており、
上記塩基性官能基が、上記分子性カチオンから誘導される誘導体に相当することを特徴とするイオン伝導体。
A polymer comprising a basic officer functional group in the side chain, and an electrolyte coexist containing molecular Kachio down and molecular anion down to form an ionic liquid,
An ionic conductor , wherein the basic functional group corresponds to a derivative derived from the molecular cation .
上記塩基性官能基が、当該ポリマーの繰り返し単位内に少なくとも1つ存在することを特徴とする請求項1に記載のイオン伝導体。   The ionic conductor according to claim 1, wherein at least one of the basic functional groups is present in a repeating unit of the polymer. 上記塩基性官能基が、−NR(R:H又はアルキル基)、及び/又は非共有電子対を持つヘテロ原子を含む構造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 conduction according to claim 1, wherein the basic functional group has a structure containing a hetero atom having —NR 2 (R: H or an alkyl group) and / or a lone pair of electrons. body. 上記電解質に含まれる分子性カチオンが、非共有電子対を持つヘテロ原子を含む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 any one of claims 1 to 3, wherein the molecular cation contained in the electrolyte contains a heteroatom having an unshared electron pair. 上記分子性カチオンが、イミダゾリウム誘導体、ピリジニウム誘導体、ピロリジニウム誘導体、アンモニウム誘導体、ホスフォニウム誘導体、グアニジニウム誘導体、イソウロニウム誘導体及びチオウレア誘導体からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、The molecular cation is at least one selected from the group consisting of imidazolium derivatives, pyridinium derivatives, pyrrolidinium derivatives, ammonium derivatives, phosphonium derivatives, guanidinium derivatives, isouronium derivatives, and thiourea derivatives,
上記分子性アニオンが、スルフェート類及びスルホン酸類、アミド類及びイミド類、メタン類、ホウ酸塩類、リン酸塩類及びアンチモン類、並びに化学式23The molecular anions include sulfates and sulfonic acids, amides and imides, methanes, borates, phosphates and antimony, and chemical formula 23
Figure 0004844864
Figure 0004844864
に示すその他の塩類からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体。The ion conductor according to any one of claims 1 to 4, wherein the ion conductor is at least one selected from the group consisting of other salts.
上記ポリマーが、上記電解質の支持材として機能することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体。 The ion conductor according to claim 1 , wherein the polymer functions as a support material for the electrolyte. 上記ポリマーがフィルム状をなす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 ionic conductor according to any one of claims 1 to 6, wherein the polymer forms a film. 上記ポリマーが多孔体を形成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 ion conductor according to any one of claims 1 to 7, wherein the polymer forms a porous body. キャリアーイオンがプロトンであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体。 The ion conductor according to any one of claims 1 to 8, wherein the carrier ion is a proton. 請求項1〜9のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体を電極で挟持した構造部位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 a structural part in which the ionic conductor according to any one of claims 1 to 9 is sandwiched between electrodes. 請求項1〜9のいずれか1つの項に記載のイオン伝導体を固体電解質として用い、当該固体電解質を電極で挟持した構造部位を備えることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising: a structural portion in which the ionic conductor according to any one of claims 1 to 9 is used as a solid electrolyte and the solid electrolyte is sandwiched between electrodes.
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