JP4904750B2 - Liquid electrolyte - Google Patents

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Description

本発明は、塩基とりん酸からなり、低温でも凝固せずに広い温度範囲で液体である電解質に関するものであり、詳しくは、燃料電池、二次電池、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサなどに利用することができる液体電解質に関する。また、それを用いることを特徴とする燃料電池に関する。
The present invention relates to an electrolyte which is composed of a base and phosphoric acid and does not solidify even at a low temperature and is liquid in a wide temperature range. Specifically, it is used for a fuel cell, a secondary battery, an electric double layer capacitor, an electrolytic capacitor and the like. It relates to a liquid electrolyte that can be made. The present invention also relates to a fuel cell using the same.

リチウムイオン電池、電気二重層キャパシタなどの電気化学デバイスに用いられる電解液には、一般に、リチウム塩やアンモニウム塩などの支持塩をプロピレンカーボネートなどの有機溶媒に溶解したものが用いられているが、これらの有機溶媒には揮発性があり、安全性に問題が残っている。   In general, electrolytes used in electrochemical devices such as lithium ion batteries and electric double layer capacitors are prepared by dissolving a supporting salt such as a lithium salt or an ammonium salt in an organic solvent such as propylene carbonate. These organic solvents are volatile and remain a safety issue.

一方、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩などのアンモニウム塩のあるものは、100℃以下、特に室温付近で液体の溶融塩となり、水あるいは有機溶媒を用いなくても、200℃以下の比較的低温で高いイオン伝導性を示すことが知られている。これらは、不揮発性という特徴的な性質から、電池などの電解質としての応用が検討されている。イオン性液体として、N位に置換基が導入されたイミダゾール塩やピリジン塩の例が多く知られている。(イオン性液体−開発の最前線と未来− 大野弘幸監修、シーエムシー出版、2003年(非特許文献1))。 On the other hand, those having ammonium salts such as imidazolium salts and pyridinium salts become liquid molten salts at 100 ° C. or lower, particularly near room temperature, and are high at relatively low temperatures of 200 ° C. or lower without using water or organic solvents. It is known to exhibit ionic conductivity. These have been studied for application as electrolytes for batteries and the like due to their characteristic nature of non-volatility. Many examples of ionic liquids include imidazole salts and pyridine salts in which a substituent is introduced at the N-position. (Ionic liquids-forefront and future of development-supervised by Hiroyuki Ohno, CM Publishing, 2003 (non-patent document 1)).

有機溶媒系の電気二重層キャパシタの代表的な電解液として、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートなどのアンモニウム塩をプロピレンカーボネートなどの極性溶媒に溶解した電解液を挙げることができるが、低温では、アンモニウム塩が析出するため、容量の劣化や伝導度の低下が生じることが問題となっており、低温特性の向上は解決すべき重要な課題となっている(非特許文献2)。   As a typical electrolyte solution of an organic solvent-based electric double layer capacitor, an electrolyte solution in which an ammonium salt such as tetraethylammonium tetrafluoroborate is dissolved in a polar solvent such as propylene carbonate can be cited. As a result of the precipitation, there is a problem that the capacity is deteriorated and the conductivity is lowered, and the improvement of the low temperature characteristics is an important problem to be solved (Non-patent Document 2).

イオン性液体のみからなる電解液を電気二重層キャパシタに用いた例があるが、イオン性液体は室温以下の低温で凝固するか、凝固しなくとも粘度の上昇に伴ってイオン伝導度が大きく低下することが問題となっている(非特許文献2)。 There are examples of using an electrolytic solution consisting only of an ionic liquid for an electric double layer capacitor, but the ionic liquid solidifies at a low temperature below room temperature, or the ionic conductivity greatly decreases as the viscosity increases without solidifying. This is a problem (Non-Patent Document 2).

イオン性液体を有機溶媒に溶解した系で、従来のアンモニウム塩を有機溶媒に溶解した系より低温特性を向上させた例があるが、有機溶媒を用いているため、揮発性、安全性の問題がある(非特許文献2)。 There is an example in which the low-temperature characteristics of a system in which an ionic liquid is dissolved in an organic solvent is improved compared to a conventional system in which an ammonium salt is dissolved in an organic solvent. However, the use of an organic solvent causes problems with volatility and safety. (Non-Patent Document 2).

りん酸形燃料電池には、通常85wt%以上の濃厚りん酸が電解質として用いられている。J. Am. Chem. Soc., 47, 2165 (1925) (非特許文献3)によれば、りん酸は、100wt%の融点が約40℃であり、91.6wt%以上では23.5℃以下で完全に固体化する。91.6wt%以下では、20℃以下で固体と液体の混在状態になる。よって、外気が20℃以下の環境では、りん酸形燃料電池が停止中はりん酸が固体化し、再起動時に予め加熱してりん酸を融解しなければならない。製造後、設置場所までの輸送時にもりん酸の固体化を防止する必要があり、りん酸形燃料電池を別の保温装置を用いて保温しておく必要がある。また、りん酸が固体化すると体積変化が起こり、燃料電池に応力がかかるため、劣化が生じる恐れがある。以上のことから、りん酸の固体化を防ぐことは、りん酸形燃料電池の課題の一つとなっている。   In phosphoric acid fuel cells, concentrated phosphoric acid of 85 wt% or more is usually used as an electrolyte. According to J. Am. Chem. Soc., 47, 2165 (1925) (Non-patent Document 3), phosphoric acid has a melting point of 100 wt% of about 40 ° C, and when it is 91.6 wt% or more, it is completely below 23.5 ° C. To solidify. If it is 91.6wt% or less, it becomes a mixed state of solid and liquid at 20 ℃ or less. Therefore, in an environment where the outside air is 20 ° C. or lower, phosphoric acid is solidified while the phosphoric acid fuel cell is stopped, and the phosphoric acid must be melted by heating in advance when restarting. It is necessary to prevent the solidification of phosphoric acid during transportation to the installation site after manufacture, and it is necessary to keep the phosphoric acid fuel cell warm using another heat retaining device. Further, when phosphoric acid is solidified, volume change occurs and stress is applied to the fuel cell, which may cause deterioration. From the above, prevention of solidification of phosphoric acid is one of the problems of phosphoric acid fuel cells.

特開平11-238521号公報(特許文献1)には、保温装置や湿潤ガス装置を必要とせず、停止時の電解質の完全な固体化を防止することのできる燃料電池を提供する方法が開示されているが、りん酸の一部は固体化してしまうため、再起動時の電解質抵抗が大きくなる。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-238521 (Patent Document 1) discloses a method for providing a fuel cell that does not require a heat retention device or a wet gas device and can prevent complete solidification of an electrolyte when stopped. However, since a part of phosphoric acid is solidified, the electrolyte resistance at the time of restart increases.

特開平6-275297号公報(特許文献2)には、電池保存中のりん酸の凍結を抑制することによって、運転停止後、電池温度が外気温度まで低下しても起動可能であるりん酸形燃料電池の運転方法が開示されているが、りん酸の一部は固体化してしまうことと、運転温度を下げる必要があるので燃料電池の出力が低下してしまうことが課題として残っている。   JP-A-6-275297 (Patent Document 2) describes a phosphoric acid form that can be activated even when the battery temperature is reduced to the outside temperature after the operation is stopped by suppressing freezing of phosphoric acid during battery storage. Although a method for operating a fuel cell is disclosed, it remains a problem that a part of phosphoric acid is solidified and that the output of the fuel cell is reduced because the operating temperature needs to be lowered.

特開平9-293523号公報(特許文献3)には、りん酸の凍結により誘発される燃料電池の性能劣化を容易かつ確実に回避可能であり、信頼性が高くしかも輸送費用の安価な、優れた燃料電池の輸送方法が開示されているが、湿潤ガスの供給排出によってりん酸を希釈したり、乾燥ガスの供給排出によってりん酸を再濃縮したりする必要がある。また、75wt%までりん酸を希釈しても、-17℃で凍結するため、極寒地での輸送や停止には問題が残る。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-293523 (Patent Document 3) is capable of easily and surely avoiding fuel cell performance degradation induced by freezing of phosphoric acid, is excellent in reliability and inexpensive in transportation costs. However, it is necessary to dilute phosphoric acid by supplying and discharging wet gas and re-concentrating phosphoric acid by supplying and discharging dry gas. In addition, even if phosphoric acid is diluted to 75 wt%, it will freeze at -17 ° C, leaving problems for transportation and stoppage in extremely cold regions.

溶融塩化学討論会要旨集,Vol. 35,81-82(2003)(非特許文献4)には、ブチルアミンとりん酸からなる酸過剰の常温溶融塩が開示されているが、低温での状態や特性については特に述べられていない。   Abstract of Molten Salt Chemistry Conference, Vol. 35, 81-82 (2003) (Non-patent Document 4) discloses an acid-excess room temperature molten salt composed of butylamine and phosphoric acid. No particular mention is made of or characteristics.

特開2005-44550号公報(特許文献4)に、りん酸と環式有機塩基性物質とのイオン性液体が開示されているが、20℃より低い温度で液状であるかどうかは示されておらず、上記の問題の解決はなされていない。
Japanese Patent Laid-Open No. 2005-44550 (Patent Document 4) discloses an ionic liquid of phosphoric acid and a cyclic organic basic substance, but it is indicated whether it is liquid at a temperature lower than 20 ° C. The above problem has not been solved.

特開平11-238521号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-238521 特開平6-275297号公報JP-A-6-275297 特開平9-293523号公報JP-A-9-293523 特開2005-44550号公報JP 2005-44550 A イオン性液体−開発の最前線と未来− 大野弘幸監修、シーエムシー出版、2003年、28-31Ionic liquids -The forefront and future of development- Supervised by Hiroyuki Ohno, CMC Publishing, 2003, 28-31 イオン性液体の機能創成と応用、株式会社エヌ・ティー・エス、2004年、105-123Functional creation and application of ionic liquids, NTS Corporation, 2004, 105-123 J. Am. Chem. Soc., 47, 2165 (1925)J. Am. Chem. Soc., 47, 2165 (1925) 溶融塩化学討論会要旨集,Vol. 35,81-82(2003)Abstracts of Molten Salt Chemistry Conference, Vol. 35, 81-82 (2003)

本発明の目的は、塩基とりん酸からなり、低温でも凝固しない新規な液体電解質を提供することである。   An object of the present invention is to provide a novel liquid electrolyte which comprises a base and phosphoric acid and does not solidify even at low temperatures.

本発明は、塩基Aとりん酸Bから成り、AとBのモル比A:Bが1:3 〜 1:19の範囲にあり、凝固する温度が、-30℃未満であることを特徴とする液体電解質。   The present invention comprises a base A and a phosphoric acid B, wherein the molar ratio A: B of A to B is in the range of 1: 3 to 1:19, and the solidification temperature is less than −30 ° C. Liquid electrolyte.

また、本発明は、-30℃におけるイオン伝導度が10-6Scm-1以上であることを特徴とする上記の液体電解質に関する。 The present invention also relates to the above liquid electrolyte, characterized in that the ionic conductivity at −30 ° C. is 10 −6 Scm −1 or more.

また、本発明は、150℃におけるイオン伝導度が10-2Scm-1以上であることを特徴とする上記の液体電解質に関する。 The present invention also relates to the above liquid electrolyte, characterized in that the ionic conductivity at 150 ° C. is 10 −2 Scm −1 or more.

また、本発明は、該塩基がアミン化合物であることを特徴とする上記の液体電解質に関する。   The present invention also relates to the above liquid electrolyte, wherein the base is an amine compound.

Figure 0004904750
(1)
また、本発明は、該塩基が化学式(1)
[式中、R1, R2, R3およびR4は、各々独立して、炭素数1〜20の炭化水素基、または、水素原子を表す。]
で表されるイミダゾール化合物であることを特徴とする上記の液体電解質に関する。
Figure 0004904750
(1)
In the present invention, the base is represented by the chemical formula (1).
[Wherein, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each independently represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms or a hydrogen atom. ]
It is related with said liquid electrolyte characterized by being an imidazole compound represented by these.

Figure 0004904750
(2)
また、本発明は、該塩基が化学式(2)
[式中、R1, R2およびR3は、各々独立して、炭素数1〜20の炭化水素基、水酸基を有する炭素数1〜20の炭化水素基、または、水素原子を表し、少なくともひとつは炭化水素基または水酸基を有する炭化水素基である。]
で表されるアミンであることを特徴とする上記の液体電解質に関する。
Figure 0004904750
(2)
In the present invention, the base is represented by the chemical formula (2).
[Wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represent a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms having a hydroxyl group, or a hydrogen atom, One is a hydrocarbon group or a hydrocarbon group having a hydroxyl group. ]
It is related with said liquid electrolyte characterized by being an amine represented by these.

Figure 0004904750
(3)
また、本発明は、該塩基が化学式(3)
[式中、R1は炭素数1〜20の炭化水素基、または、水素原子を表す。]
で表されるピロリジン化合物であることを特徴とする上記の液体電解質に関する。
Figure 0004904750
(3)
In the present invention, the base is represented by the chemical formula (3).
[Wherein, R 1 represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms or a hydrogen atom. ]
It is related with said liquid electrolyte characterized by being the pyrrolidine compound represented by these.

また、本発明は、プロトン伝導体であることを特徴とする上記の液体電解質に関する。 The present invention also relates to the above liquid electrolyte, which is a proton conductor.

本発明によって、塩基とりん酸からなり、-30℃でも液体で存在する新規なイオン伝導性またはプロトン伝導性の液体電解質を提供し、燃料電池、二次電池、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサなどに利用することができる。   According to the present invention, a novel ion-conductive or proton-conductive liquid electrolyte comprising a base and phosphoric acid and existing in a liquid state at −30 ° C. is provided, such as a fuel cell, a secondary battery, an electric double layer capacitor, and an electrolytic capacitor. Can be used.

本発明の液体電解質は、塩基とりん酸からなり、凝固する温度が、好ましくは -30℃未満であり、さらに好ましくは-40℃未満、さらに好ましくは-50℃未満である。凝固する温度が上記温度より高いと、極寒地では電解液が凝固する可能性があり好ましくない。   The liquid electrolyte of the present invention comprises a base and phosphoric acid, and the solidifying temperature is preferably less than -30 ° C, more preferably less than -40 ° C, and further preferably less than -50 ° C. If the solidification temperature is higher than the above temperature, the electrolyte solution may solidify in an extremely cold region, which is not preferable.

本発明における凝固とは、液体が固体になることをいう。結晶化またはガラス化のいずれの場合も含む。条件によっては、固体と液体の混在状態や、結晶と非晶の混在状態で、実質的に液体として流動しない場合もある。また、本発明における液体とは、過冷却状態であってもよい。   Solidification in the present invention means that a liquid becomes a solid. Including both crystallization and vitrification. Depending on the conditions, there is a case where the liquid does not substantially flow as a liquid in a mixed state of solid and liquid or a mixed state of crystal and amorphous. The liquid in the present invention may be in a supercooled state.

本発明の液体電解質が低温で凝固するまでの時間は、半日である12時間以上凝固しないことが好ましい。より好ましくは1日以上、さらに好ましくは1週間以上、特に好ましくは1ヶ月以上、凝固しないことが好ましい。また、半永久的に凝固しないことが好ましい。凝固するまでの時間が上記時間よりも短いと、適用される電気化学デバイスの停止中に凝固する可能性があり、好ましくない。   The time required for the liquid electrolyte of the present invention to solidify at a low temperature is preferably not solidified for 12 hours or more, which is half a day. More preferably, it does not coagulate for more than 1 day, more preferably for more than 1 week, particularly preferably for more than 1 month. Moreover, it is preferable not to solidify semipermanently. If the time until solidification is shorter than the above time, there is a possibility of solidification while the applied electrochemical device is stopped, which is not preferable.

本発明の液体電解質の構成成分である塩基とりん酸のモル比は、1:3 〜 1:50の範囲であり、1:3 〜 1:40の範囲にあることがより好ましく、1:3 〜 1:30の範囲にあることがさらに好ましい。また、1:3 〜 1:20の範囲にあることがさらに好ましく、1:5 〜 1:20の範囲にあることが特に好ましい。りん酸の割合が上記の範囲を越えると、凝固する温度が高くなったり、粘性が高くなったりして好ましくない。 The molar ratio of the base and phosphoric acid constituting the liquid electrolyte of the present invention is in the range of 1: 3 to 1:50, more preferably in the range of 1: 3 to 1:40, and 1: 3 More preferably, it is in the range of ˜1: 30. Further, it is more preferably in the range of 1: 3 to 1:20, and particularly preferably in the range of 1: 5 to 1:20. When the proportion of phosphoric acid exceeds the above range, the solidification temperature becomes high or the viscosity becomes high, which is not preferable.

本発明の液体電解質は、-30℃の低温においても1×10-6 Scm-1 以上のイオン伝導度を示すことが好ましく、1×10-3 Scm-1 以上のイオン伝導度を示すことがより好ましい。イオン伝導度が上記値より低いと、寒冷地の環境に置かれると実用的でなくなり好ましくない。 The liquid electrolyte of the present invention preferably exhibits an ionic conductivity of 1 × 10 −6 Scm −1 or more even at a low temperature of −30 ° C., and may exhibit an ionic conductivity of 1 × 10 −3 Scm −1 or more. More preferred. If the ionic conductivity is lower than the above value, it is not practical because it is not practical when placed in a cold region.

本発明の液体電解質は、150℃において1×10-2 Scm-1 以上のイオン伝導度を示すことが好ましく、1×10-1 Scm-1 以上のイオン伝導度を示すことがより好ましい。イオン伝導度が上記値より低いと、高温使用時での抵抗が大きくなり好ましくない。 The liquid electrolyte of the present invention preferably exhibits an ionic conductivity of 1 × 10 −2 Scm −1 or higher at 150 ° C., more preferably 1 × 10 −1 Scm −1 or higher. When the ionic conductivity is lower than the above value, the resistance at the time of high temperature use becomes large, which is not preferable.

本発明の液体電解質の塩基成分は、アミン化合物であることが好ましい。好ましいアミン化合物としては、イミダゾール化合物、脂肪族アミン化合物、芳香族アミン化合物、水酸基を有するアルキル基で置換されたアミン化合物、ピロリジン化合物などを挙げることができる。イミダゾール化合物、ピロリジン化合物以外の複素環式アミン類として、ピラゾール化合物、トリアゾール化合物、オキサゾール化合物、チアゾール化合物などのアゾール類、ピリジン化合物、ピラジン化合物、ピロール化合物、ピペリジン化合物なども挙げることができる。
凝固する温度が低くなることから、イミダゾール化合物、脂肪族三級アミン化合物、水酸基を有するアルキル基で置換されたアミン化合物、ピロリジン化合物を好ましく挙げることができる。
The base component of the liquid electrolyte of the present invention is preferably an amine compound. Preferable amine compounds include imidazole compounds, aliphatic amine compounds, aromatic amine compounds, amine compounds substituted with an alkyl group having a hydroxyl group, and pyrrolidine compounds. Examples of heterocyclic amines other than imidazole compounds and pyrrolidine compounds include azoles such as pyrazole compounds, triazole compounds, oxazole compounds, and thiazole compounds, pyridine compounds, pyrazine compounds, pyrrole compounds, and piperidine compounds.
Preferred examples of the solidification temperature include imidazole compounds, aliphatic tertiary amine compounds, amine compounds substituted with an alkyl group having a hydroxyl group, and pyrrolidine compounds.

イミダゾール化合物としては、化学式(1)で表されるイミダゾール化合物が好ましい。   As the imidazole compound, an imidazole compound represented by the chemical formula (1) is preferable.

Figure 0004904750
(1)

式中、R1, R2, R3およびR4は、各々独立して、炭素数1〜20の炭化水素基、または、水素原子であることが好ましい。
また、R1, R2, R3またはR4の少なくともひとつが炭素数1〜20の炭化水素基であることが好ましい。
R1, R2, R3およびR4の炭素数1〜20の炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、ヘキシル基、オクチル基などの直鎖基、イソプロピル基、s-ブチル基、t-ブチル基などの分枝基、シクロヘキシル基などの脂環基、フェニル基などの芳香族基が挙げられる。特に、メチル基、エチル基、n-プロピル基、 n-ブチル基が好ましい。
Figure 0004904750
(1)

In the formula, each of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is preferably independently a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms or a hydrogen atom.
Moreover, it is preferable that at least one of R 1 , R 2 , R 3 or R 4 is a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms.
Examples of the hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 include methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, hexyl and octyl groups. Examples thereof include a branched group such as a chain group, isopropyl group, s-butyl group and t-butyl group, an alicyclic group such as a cyclohexyl group, and an aromatic group such as a phenyl group. In particular, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, and an n-butyl group are preferable.

具体的なイミダゾール化合物としては、イミダゾールや、4-メチルイミダゾール、4-エチルイミダゾール、4-フェニルイミダゾールなどの4-アルキルイミダゾール類、2-メチルイミダゾール、2-エチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾールなどの2-アルキルイミダゾール類、2-エチル-4-メチルイミダゾール、2-シクロヘキシル-4-メチルイミダゾール、2-オクチル-4-ヘキシルイミダゾール、2-エチル-4-フェニルイミダゾール、2-ブチル-4-アリルイミダゾールなどの2,4-ジアルキルイミダゾール類、1-メチルイミダゾール、1-エチルイミダゾール、1-プロピルイミダゾール、1-ブチルイミダゾール、1-ヘキシルイミダゾール、1-オクチルイミダゾールなどの1-アルキルイミダゾール類、ベンズイミダゾール、1-メチルベンズイミダゾールなどのベンズイミダゾール類などが挙げられる。中でも、4-アルキルイミダゾール類や2,4-アルキルイミダゾール類などの非対称イミダゾールやN位が置換された1-アルキルイミダゾール類が、凝固が抑制される効果が大きく好ましい。
また、アミン化合物として、化学式(2)で表されるアミンであることが好ましい。
Specific imidazole compounds include imidazole, 4-alkylimidazoles such as 4-methylimidazole, 4-ethylimidazole and 4-phenylimidazole, 2-methylimidazole, 2-ethylimidazole and 2-phenylimidazole. -Alkyl imidazoles, 2-ethyl-4-methylimidazole, 2-cyclohexyl-4-methylimidazole, 2-octyl-4-hexylimidazole, 2-ethyl-4-phenylimidazole, 2-butyl-4-allylimidazole, etc. 1,4-dialkylimidazoles, 1-methylimidazole, 1-ethylimidazole, 1-propylimidazole, 1-butylimidazole, 1-hexylimidazole, 1-alkylimidazoles such as 1-octylimidazole, benzimidazole, 1 -Benzimidazoles such as methylbenzimidazole And the like. Among them, asymmetric imidazoles such as 4-alkylimidazoles and 2,4-alkylimidazoles and 1-alkylimidazoles substituted at the N-position are preferable because of their great effects of suppressing coagulation.
Moreover, it is preferable that it is an amine represented by Chemical formula (2) as an amine compound.

Figure 0004904750
(2)

式中、R1, R2およびR3は、各々独立して、炭素数1〜20の炭化水素基、水酸基を有する炭素数1〜20の炭化水素基、または、水素原子を表し、少なくともひとつは炭化水素基または水酸基を有する炭化水素基であることが好ましい。
Figure 0004904750
(2)

In the formula, R 1 , R 2 and R 3 each independently represent a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms having a hydroxyl group, or a hydrogen atom, and at least one of them Is preferably a hydrocarbon group or a hydrocarbon group having a hydroxyl group.

また、R1, R2およびR3の全てが炭素数1〜20の炭化水素基であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that all of R 1 , R 2 and R 3 are hydrocarbon groups having 1 to 20 carbon atoms.

R1, R2およびR3の二つ以上が炭化水素基の場合、二種以上の炭化水素基からなることが好ましい。
R1, R2およびR3の炭素数1〜20の炭化水素基としては、上記のものが挙げられる。また、水酸基を有する炭化水素基としては、−CHOH、−CHOH、−CHCHCHOHなどの一級アルコールに相当する置換基、−CHCH(OH)CHなどの二級アルコールに相当する置換基、−CHC(OH)(CHなどの三級アルコールに相当する置換基が挙げられる。中でも、−CHOH、−CHOHが好ましい。
When two or more of R 1 , R 2 and R 3 are hydrocarbon groups, it is preferably composed of two or more hydrocarbon groups.
Examples of the hydrocarbon group R 1, R 2 and carbon atoms R 3 1 to 20, those described above. Examples of the hydrocarbon group having a hydroxyl group include a substituent corresponding to a primary alcohol such as —CH 2 OH, —CH 2 OH, —CH 2 CH 2 CH 2 OH, and —CH 2 CH (OH) CH 3 . Substituents corresponding to secondary alcohols and substituents corresponding to tertiary alcohols such as —CH 2 C (OH) (CH 3 ) 2 can be mentioned. Among these, —CH 2 OH and —CH 2 OH are preferable.

具体的な脂肪族アミン化合物としては、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、ブチルアミン、s-ブチルアミン、t-ブチルアミン、ヘキシルアミン、シクロヘキシルアミン、オクチルアミンなどの一級アミン類、ジメチルアミン、ジエチルアミン、N-エチルメチルアミン、N-メチルプロピルアミン、N-メチルブチルアミン、N-メチル-t-ブチルアミン、N-メチルシクロヘキシルアミンなどの二級アミン類、トリメチルアミン、トリエチルアミン、N,N-ジメチルエチルアミン、N,N-ジエチルメチルアミン、N,N-ジメチルシクロヘキシルアミンなどの三級アミン類などを挙げることができる。中でも、N,N-ジメチルエチルアミン、N,N-ジエチルメチルアミン、N,N-ジメチルシクロヘキシルアミンなどの異なる置換基を有する三級アミン類が、凝固する温度が低くなるので好ましい。 Specific aliphatic amine compounds include primary amines such as methylamine, ethylamine, propylamine, butylamine, s-butylamine, t-butylamine, hexylamine, cyclohexylamine, octylamine, dimethylamine, diethylamine, and N-ethyl. Secondary amines such as methylamine, N-methylpropylamine, N-methylbutylamine, N-methyl-t-butylamine, N-methylcyclohexylamine, trimethylamine, triethylamine, N, N-dimethylethylamine, N, N-diethyl And tertiary amines such as methylamine and N, N-dimethylcyclohexylamine. Among them, tertiary amines having different substituents such as N, N-dimethylethylamine, N, N-diethylmethylamine, N, N-dimethylcyclohexylamine and the like are preferable because the temperature for solidification becomes low.

芳香族アミン化合物としては、アニリン、N-メチルアニリンなどのアニリン類、1,2-フェニレンジアミン、1,3-フェニレンジアミン、1,4-フェニレンジアミンなどのフェニレンジアミン、N-メチル-1,2-フェニレンジアミンなどのフェニレンジアミン類、1-アミノナフタレン、2-アミノナフタレンなどのアミノナフタレン類、1,5-ジアミノナフタレン、1,8-ジアミノナフタレンなどのジアミノナフタレン類などを挙げることができる。 Aromatic amine compounds include anilines such as aniline and N-methylaniline, phenylenediamines such as 1,2-phenylenediamine, 1,3-phenylenediamine and 1,4-phenylenediamine, N-methyl-1,2 Phenylenediamines such as -phenylenediamine, aminonaphthalenes such as 1-aminonaphthalene and 2-aminonaphthalene, and diaminonaphthalenes such as 1,5-diaminonaphthalene and 1,8-diaminonaphthalene.

水酸基を有するアルキル基で置換されたアミン化合物も好ましく用いられる。
具体的な化合物としては、メタノールアミン、エタノールアミンなどのモノアルコールアミン類、ジメタノールアミン、ジエタノールアミンなどのジアルコールアミン類、トリメタノールアミン、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、n-ブチルジエタノールアミン、s-ブチルジエタノールアミン、t-ブチルジエタノールアミンなどのトリアルコールアミン類などを挙げることができる。中でも、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、n-ブチルジエタノールアミンを好ましく挙げることができる。
An amine compound substituted with an alkyl group having a hydroxyl group is also preferably used.
Specific compounds include monoalcoholamines such as methanolamine and ethanolamine, dialcoholamines such as dimethanolamine and diethanolamine, trimethanolamine, triethanolamine, methyldiethanolamine, n-butyldiethanolamine, and s-butyl. And trialcoholamines such as diethanolamine and t-butyldiethanolamine. Of these, triethanolamine, methyldiethanolamine, and n-butyldiethanolamine can be preferably exemplified.

ピロリジン化合物としては、化学式(3)で表されるピロリジン化合物が好ましい。   As the pyrrolidine compound, a pyrrolidine compound represented by the chemical formula (3) is preferable.

Figure 0004904750
(3)

式中、R1は炭素数1〜20の炭化水素基、または、水素原子を表す。
Figure 0004904750
(3)

In the formula, R 1 represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms or a hydrogen atom.

具体的な化合物としては、ピロリジンの他、1-メチルピロリジン、1-エチルピロリジンなどの1-アルキルピロリジン類が挙げられる。中でも、1-メチルピロリジンを好ましく挙げることができる。   Specific examples of the compound include pyrrolidine and 1-alkylpyrrolidines such as 1-methylpyrrolidine and 1-ethylpyrrolidine. Of these, 1-methylpyrrolidine can be preferably mentioned.

イミダゾール以外のアゾール化合物としては、ピラゾール、1-メチルピラゾール、3-メチルピラゾール、4-メチルピラゾールなどのピラゾール類、トリアゾールなどのトリアゾール類、オキサゾールなどのオキサゾール類、チアゾールなどのチアゾール類などが挙げられる。 Examples of azole compounds other than imidazole include pyrazoles such as pyrazole, 1-methylpyrazole, 3-methylpyrazole, 4-methylpyrazole, triazoles such as triazole, oxazoles such as oxazole, thiazoles such as thiazole, and the like. .

ピリジン化合物としては、ピリジンの他、2-エチルピリジン、3-エチルピリジン、4-エチルピリジン、3-ブチルピリジン、4-t-ブチルピリジンなどのアルキルピリジン類、2,4-ルチジン、2,3-ルチジン、2,6-ルチジン、3,4-ルチジンなどのジアルキルピリジン類などが挙げられる。 Examples of pyridine compounds include pyridine, alkyl pyridines such as 2-ethylpyridine, 3-ethylpyridine, 4-ethylpyridine, 3-butylpyridine, 4-t-butylpyridine, 2,4-lutidine, 2,3 -Dialkylpyridines such as lutidine, 2,6-lutidine, 3,4-lutidine and the like.

ピラジン化合物としては、ピラジンの他、2-メチルピラジン、2−エチルピラジンなどの2-アルキルピラジン類を挙げることができる。 Examples of pyrazine compounds include 2-alkylpyrazine such as 2-methylpyrazine and 2-ethylpyrazine in addition to pyrazine.

ピロール化合物としては、ピロールの他、1-メチルピロール、1-エチルピロールなどの1-アルキルピロール類などを挙げることができる。 Examples of the pyrrole compound include pyrrole and 1-alkylpyrroles such as 1-methylpyrrole and 1-ethylpyrrole.

ピペリジン化合物としては、ピペリジンの他、1-メチルピペリジン、1-エチルピペリジンなどの1-アルキルピペリジン類、2-メチルピペリジン、2-エチルピペリジンなどの2-アルキルピペリジン類などを挙げることができる。 Examples of the piperidine compound include piperidine, 1-alkylpiperidines such as 1-methylpiperidine and 1-ethylpiperidine, and 2-alkylpiperidines such as 2-methylpiperidine and 2-ethylpiperidine.

上記の塩基成分は、二種以上の混合物であってもよい。例えば、二種の混合物の場合、1-エチルイミダゾールと4-メチルイミダゾール、1-エチルイミダゾールと2-エチル-4-メチルイミダゾール、4-メチルイミダゾールと2-エチルイミダゾール、4-メチルイミダゾールと2-エチル-4-メチルイミダゾール、N,N-ジエチルメチルアミンと4-メチルイミダゾール、N,N-ジメチルシクロヘキシルアミンと4-メチルイミダゾール、N,N-ジエチルメチルアミンとN,N-ジメチルシクロヘキシルアミン、トリエタノールアミンと4-メチルイミダゾール、トリエタノールアミンとジエチルメチルアミン、トリエタノールアミンとN,N-ジメチルシクロヘキシルアミンの組合せなどを挙げることができる。 The base component may be a mixture of two or more. For example, in the case of a mixture of two kinds, 1-ethylimidazole and 4-methylimidazole, 1-ethylimidazole and 2-ethyl-4-methylimidazole, 4-methylimidazole and 2-ethylimidazole, 4-methylimidazole and 2-methylimidazole Ethyl-4-methylimidazole, N, N-diethylmethylamine and 4-methylimidazole, N, N-dimethylcyclohexylamine and 4-methylimidazole, N, N-diethylmethylamine and N, N-dimethylcyclohexylamine, tri Examples include ethanolamine and 4-methylimidazole, triethanolamine and diethylmethylamine, and a combination of triethanolamine and N, N-dimethylcyclohexylamine.

本発明の液体電解質は、プロトン伝導体であってもよい。プロトン伝導性を有するものは、燃料電池に好ましく用いることができる。 The liquid electrolyte of the present invention may be a proton conductor. Those having proton conductivity can be preferably used for fuel cells.

本発明に用いられるりん酸は、オルトりん酸、ピロリン酸、メタりん酸のいずれでもよく、それらの混合物であってもよい。縮合したりん酸は粘性が高くなって取り扱いが難しくなるため、オルトりん酸が好ましく用いられる。 The phosphoric acid used in the present invention may be orthophosphoric acid, pyrophosphoric acid, metaphosphoric acid, or a mixture thereof. Since condensed phosphoric acid has a high viscosity and is difficult to handle, orthophosphoric acid is preferably used.

本発明の液体電解質は、150℃以上の耐熱性を有することが好ましく、耐熱性が180℃以上であればより好ましく、200℃以上であればさらに好ましい。耐熱性が上記温度より低いと、りん酸形燃料電池など高温で運転されるデバイスの電解質に用いられたときに性能が低下するので好ましくない。 The liquid electrolyte of the present invention preferably has a heat resistance of 150 ° C. or higher, more preferably 180 ° C. or higher, and further preferably 200 ° C. or higher. If the heat resistance is lower than the above temperature, the performance is lowered when used in an electrolyte of a device operated at a high temperature such as a phosphoric acid fuel cell.

本発明の液体電解質は、水や有機溶媒を含んでもよい。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、アセトニトリル、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルイミダゾリジノン、N-メチル-2-ピロリドン、γ-バレロラクトン、スルホラン、アセトン、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノールなどの極性溶媒を挙げることができる。 The liquid electrolyte of the present invention may contain water or an organic solvent. Organic solvents include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylimidazolidinone, N-methyl-2-pyrrolidone, γ-valero Examples include polar solvents such as lactone, sulfolane, acetone, methanol, ethanol, 1-propanol, and 2-propanol.

本発明により、塩基とりん酸とからなる液体電解質を提供し、低温で凝固せず、水あるいは溶媒がなくても高いイオン伝導性を低温でも高温でも示し、燃料電池、二次電池、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサなどに利用することができる。 According to the present invention, a liquid electrolyte composed of a base and phosphoric acid is provided, which does not solidify at low temperature and exhibits high ionic conductivity at low and high temperatures without water or solvent. It can be used for multilayer capacitors, electrolytic capacitors, and the like.

また、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどの金属酸化物からなる無機化合物やレーヨン、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系、フッ素樹脂系、ポリイミド系、ポリエーテル系、ポリスルフィド系、ポリアリーレン系、ポリベンザゾール系、ポリキノキサリン系、ポリスチレン系などの高分子化合物からなる焼結体、不織布、織布、微多孔膜などの多孔質体に含浸して使用することができる。   In addition, inorganic compounds and rayons made of metal oxides such as glass, silica, alumina, zirconium oxide and titanium oxide, polyolefins, polyesters, polyamides, fluororesins, polyimides, polyethers, polysulfides, polyarylenes It can be used by impregnating a porous body such as a sintered body, a nonwoven fabric, a woven cloth, or a microporous film made of a polymer compound such as a polybenzazole, a polybenzazole, a polyquinoxaline, or a polystyrene.

本発明の燃料電池は、上記の液体電解質を用いたものであり、液体電解質以外は、従来のりん酸形燃料電池あるいは固体高分子形燃料電池において知られるものを採用することができる。例えば、液体電解質が無機化合物や高分子からなる多孔質体に含浸された状態で、一対の白金などの触媒がカーボン微粒子や繊維に付着したものからなる多孔質のガス拡散電極で挟み、さらにその両側に燃料ガス流路を形成した導電性のあるカーボンや金属からなるセパレーターを設置した構造からなる。本発明の燃料電池は、常用使用温度として、20℃〜250℃、好ましくは、30℃〜240℃、さらに好ましくは、40℃〜230℃の範囲を挙げることができ、20℃より低いと発電効率が低くなり好ましくなく、一方、250℃を越えると分解などが生じることから好ましくない。
The fuel cell of the present invention uses the above-described liquid electrolyte, and other than the liquid electrolyte, those known in conventional phosphoric acid fuel cells or solid polymer fuel cells can be employed. For example, in a state where a liquid electrolyte is impregnated in a porous body made of an inorganic compound or a polymer, a pair of catalysts such as platinum is sandwiched between porous gas diffusion electrodes made of carbon fine particles or fibers attached, and further It has a structure in which separators made of conductive carbon or metal with fuel gas passages formed on both sides are installed. In the fuel cell of the present invention, the normal use temperature can be in the range of 20 ° C to 250 ° C, preferably 30 ° C to 240 ° C, more preferably 40 ° C to 230 ° C. On the other hand, when the temperature exceeds 250 ° C., it is not preferable because decomposition occurs.

以下、実施例および比較例により本発明を具体的に説明する。尚、実施例および比較例中に示した測定値は以下の方法で測定した。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. In addition, the measured value shown in the Example and the comparative example was measured with the following method.

1)-30℃での状態観察
サンプル瓶に乾燥した試料約2 gを入れ、密閉して、恒温槽中、60℃で2時間、25℃で一晩保持した後、-30℃で静置して、所定時間毎に、試料が凝固しているかどうかを確認した。
1) State observation at -30 ° C Approximately 2 g of dried sample is placed in a sample bottle, sealed, kept in a thermostatic bath at 60 ° C for 2 hours, and at 25 ° C overnight, then left at -30 ° C. Then, it was confirmed whether or not the sample was solidified every predetermined time.

2)イオン伝導度の測定
サンプル瓶に乾燥した試料を入れ、縦2cm×横1.5cmの白金板を1cmの間隔で並行に試料に浸漬し、密閉して伝導度測定用のセルとした。恒温槽中、所定の温度下で、Princeton Applied Reseach社製FRD1025とPotentiostat/Galvanostat 283を用いて、複素インピーダンス測定によりイオン伝導度を求めた。
2) Measurement of ion conductivity A dried sample was placed in a sample bottle, and a platinum plate measuring 2 cm in length and 1.5 cm in width was immersed in the sample in parallel at intervals of 1 cm, and sealed to obtain a cell for conductivity measurement. Ionic conductivity was determined by complex impedance measurement using a FRD1025 manufactured by Princeton Applied Reseach and Potentiostat / Galvanostat 283 in a thermostatic chamber at a predetermined temperature.

(実施例1)4-メチルイミダゾール/りん酸系(4MI H3PO4
窒素雰囲気のグローブボックス中で、りん酸クリスタル(Aldrich)を融解した液状りん酸と4-メチルイミダゾール(4MI;Aldrich)を所定量混合して、種々のモル比の液体電解質を得た。4MIとりん酸の混合モル比は、1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:11、1:13、1:15、1:19、1:24、1:34、1:49、および、1:99とした。均一液とならないものは、50℃の熱風恒温槽または120℃のオイルバスで加熱して、均一液とした。-30℃において状態観察した結果を表1に示す。モル比が1:3 〜 1:24のものが、-30℃の低温においても、少なくとも70日間は液体のままであった。4MI H3PO4 1:1, 1:2, 1:3および 1:19のイオン伝導度の温度依存性を図1に示す。4MI H3PO4 1:3は、-30℃で 4.9×10-6Scm-1、150℃で2.0×10-1Scm-1のイオン伝導度を示した。4MI H3PO4 1:19は、-30℃で1.3×10-3Scm-1、150℃で4.3×10-1Scm-1のイオン伝導度を示した。比較例1のりん酸のイオン伝導度が、低温で凝固すると共に急激に低下したのに比べ、4MI H3PO4 1:19は凝固せずに高いイオン伝導度を維持した。
(Example 1) 4-methylimidazole / phosphoric acid system (4MI H 3 PO 4 )
In a glove box in a nitrogen atmosphere, liquid phosphoric acid melted with phosphoric acid crystal (Aldrich) and 4-methylimidazole (4MI; Aldrich) were mixed in predetermined amounts to obtain liquid electrolytes with various molar ratios. The mixing molar ratio of 4MI and phosphoric acid is 1: 1, 1: 2, 1: 3, 1: 4, 1: 5, 1: 6, 1: 7, 1: 8, 1: 9, 1:10, 1:11, 1:13, 1:15, 1:19, 1:24, 1:34, 1:49, and 1:99. Those that did not become a uniform liquid were heated in a 50 ° C. hot air thermostat or 120 ° C. oil bath to make a uniform liquid. Table 1 shows the results of state observation at -30 ° C. Those having a molar ratio of 1: 3 to 1:24 remained liquid for at least 70 days even at low temperatures of -30 ° C. The temperature dependence of the ionic conductivity of 4MI H 3 PO 4 1: 1, 1: 2, 1: 3 and 1:19 is shown in FIG. 4MI H 3 PO 4 1: 3 exhibited an ionic conductivity of 4.9 × 10 −6 Scm −1 at −30 ° C. and 2.0 × 10 −1 Scm −1 at 150 ° C. 4MI H 3 PO 4 1:19 exhibited an ionic conductivity of 1.3 × 10 −3 Scm −1 at −30 ° C. and 4.3 × 10 −1 Scm −1 at 150 ° C. Compared to the fact that the ionic conductivity of the phosphoric acid of Comparative Example 1 solidified at a low temperature and decreased rapidly, 4MI H 3 PO 4 1:19 maintained high ionic conductivity without solidifying.

(実施例2)N-エチルイミダゾール/りん酸系(1EI H3PO4
4MIの代わりにN-エチルイミダゾール(1EI;東京化成工業工業(株))を用いた以外は、実施例1と同様にして、種々のモル比の液体電解質を得た。-30℃において状態観察した結果を表1に示す。モル比が1:3 〜 1:24および1:49のものが、-30℃の低温においても、少なくとも44日間は液体のままであった。
(Example 2) N-ethylimidazole / phosphoric acid system (1EI H 3 PO 4 )
Liquid electrolytes having various molar ratios were obtained in the same manner as in Example 1 except that N-ethylimidazole (1EI; Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of 4MI. Table 1 shows the results of state observation at -30 ° C. Those with molar ratios of 1: 3 to 1:24 and 1:49 remained liquid for at least 44 days, even at low temperatures of -30 ° C.

(実施例3)N,N-ジメチルシクロヘキシルアミン/りん酸系(DMCA H3PO4
4MIの代わりにN,N-ジメチルシクロヘキシルアミン(DMCA;和光純薬工業(株))を用いた以外は、実施例1と同様にして、種々のモル比の液体電解質を得た。-30℃において凝固観察した結果を表1に示す。モル比が1:3 〜 1:34のものが、-30℃の低温においても、少なくとも65日間は液体のままであった。
(Example 3) N, N-dimethylcyclohexylamine / phosphoric acid system (DMCA H 3 PO 4 )
Liquid electrolytes with various molar ratios were obtained in the same manner as in Example 1 except that N, N-dimethylcyclohexylamine (DMCA; Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of 4MI. Table 1 shows the results of solidification observation at -30 ° C. Those having a molar ratio of 1: 3 to 1:34 remained liquid for at least 65 days even at low temperatures of -30 ° C.

(実施例4)トリエタノールアミン/りん酸系(TEOA H3PO4
4MIの代わりにトリエタノールアミン(TEOA;シグマアルドリッチジャパン(株))を用いた以外は、実施例1と同様にして、種々のモル比の液体電解質を得た。 -30℃において状態観察した結果を表1に示す。モル比が1:3 〜 1:24および1:49のものが、-30℃の低温においても、少なくとも69日間は液体のままであった。TEOA H3PO4 1:3のイオン伝導度の温度依存性を図2に示す。TEOA H3PO4 1:3は、-30℃で4.0×10-6Scm-1、150℃で1.2×10-1Scm-1のイオン伝導度を示した。
(Example 4) Triethanolamine / phosphoric acid system (TEOA H 3 PO 4 )
Liquid electrolytes having various molar ratios were obtained in the same manner as in Example 1 except that triethanolamine (TEOA; Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd.) was used instead of 4MI. Table 1 shows the results of state observation at -30 ° C. Those with molar ratios of 1: 3 to 1:24 and 1:49 remained liquid for at least 69 days, even at low temperatures of -30 ° C. Figure 2 shows the temperature dependence of the ionic conductivity of TEOA H 3 PO 4 1: 3. TEOA H 3 PO 4 1: 3 exhibited an ionic conductivity of 4.0 × 10 −6 Scm −1 at −30 ° C. and 1.2 × 10 −1 Scm −1 at 150 ° C.

(実施例5)ブチルアミン/りん酸系(BA H3PO4
4MIの代わりにブチルアミン(BA;Aldrich)を用いた以外は、実施例1と同様にして、種々のモル比の液体電解質を得た。-30℃において凝固観察した結果を表1に示す。モル比が1:2 〜 1:19、1:34および1:49のものが、-30℃の低温においても、少なくとも65日間は液体のままであった。
(Example 5) Butylamine / phosphoric acid system (BA H 3 PO 4 )
Liquid electrolytes with various molar ratios were obtained in the same manner as in Example 1 except that butylamine (BA; Aldrich) was used instead of 4MI. Table 1 shows the results of solidification observation at -30 ° C. Those with molar ratios of 1: 2 to 1:19, 1:34 and 1:49 remained liquid for at least 65 days, even at low temperatures of -30 ° C.

(実施例6)N,N-ジエチルメチルアミン/りん酸系(DEMA H3PO4
4MIの代わりにN,N-ジエチルメチルアミン(DEMA;東京化成工業(株))を用いた以外は、実施例1と同様にして、モル比1:3の液体電解質を得た。DEMA H3PO4 1:3は-30℃において、少なくとも117日間は液体のままであった。DEMA H3PO4 1:3のイオン伝導度の温度依存性を図3に示す。DEMA H3PO4 1:3は、-30℃で3.5×10-6 Scm-1、150℃で1.1×10-1 Scm-1のイオン伝導度を示した。
(Example 6) N, N-diethylmethylamine / phosphoric acid system (DEMA H 3 PO 4 )
A liquid electrolyte having a molar ratio of 1: 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that N, N-diethylmethylamine (DEMA; Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of 4MI. DEMA H 3 PO 4 1: 3 remained liquid at −30 ° C. for at least 117 days. Fig. 3 shows the temperature dependence of the ionic conductivity of DEMA H 3 PO 4 1: 3. DEMA H 3 PO 4 1: 3 exhibited an ionic conductivity of 3.5 × 10 −6 Scm −1 at −30 ° C. and 1.1 × 10 −1 Scm −1 at 150 ° C.

(実施例7)N-メチルジエタノールアミン/りん酸系(MDEOA H3PO4
4MIの代わりにN-メチルジエタノールアミン(MDEOA;Aldrich)を用いた以外は、実施例1と同様にして、モル比1:3の液体電解質を得た。MDEOA H3PO4 1:3は-30℃において、少なくとも125日間は液体のままであった。
(Example 7) N-methyldiethanolamine / phosphoric acid system (MDEOA H 3 PO 4 )
A liquid electrolyte having a molar ratio of 1: 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that N-methyldiethanolamine (MDEOA; Aldrich) was used instead of 4MI. MDEOA H 3 PO 4 1: 3 remained liquid at −30 ° C. for at least 125 days.

(実施例8)2,2’-(ブチルイミノ)ジエタノールアミン/りん酸系(BDEOA H3PO4
4MIの代わりに2,2’-(ブチルイミノ)ジエタノールアミン(BDEOA;東京化成工業(株))を用いた以外は、実施例1と同様にして、モル比1:3の液体電解質を得た。BDEOA H3PO4 1:3は、-30℃において、少なくとも117日間は液体のままであった。
Example 8 2,2 ′-(Butylimino) diethanolamine / phosphoric acid system (BDEOA H 3 PO 4 )
A liquid electrolyte having a molar ratio of 1: 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that 2,2 ′-(butylimino) diethanolamine (BDEOA; Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of 4MI. BDEOA H 3 PO 4 1: 3 remained liquid for at least 117 days at −30 ° C.

(実施例9)2-エチル-4-メチルイミダゾール/りん酸系(2E4MZ H3PO4
4MIの代わりに2-エチル-4-メチルイミダゾール(2E4MZ;四国化成工業(株))を用いた以外は、実施例1と同様にして、モル比1:3の液体電解質を得た。2E4MZ H3PO4 1:3は、-30℃において、少なくとも112日間は液体のままであった。
(Example 9) 2-ethyl-4-methylimidazole / phosphoric acid system (2E4MZ H 3 PO 4 )
A liquid electrolyte having a molar ratio of 1: 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that 2-ethyl-4-methylimidazole (2E4MZ; Shikoku Kasei Kogyo Co., Ltd.) was used instead of 4MI. 2E4MZ H 3 PO 4 1: 3 remained liquid at −30 ° C. for at least 112 days.

(実施例10)1-メチルピロリジン/りん酸系(1MP H3PO4
4MIの代わりに1-メチルピロリジン(1MPy;東京化成工業(株))を用いた以外は、実施例1と同様にして、モル比1:3の液体電解質を得た。1MP H3PO4 1:3は、-30℃において、少なくとも1週間は液体のままであった。1MP H3PO4 1:3のイオン伝導度の温度依存性を図4に示す。1MP H3PO4 1:3は、150℃で1.3×10-1Scm-1のイオン伝導度を示した。
(Example 10) 1-methylpyrrolidine / phosphate system (1MP H 3 PO 4 )
A liquid electrolyte having a molar ratio of 1: 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that 1-methylpyrrolidine (1MPy; Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was used instead of 4MI. 1MP H 3 PO 4 1: 3 remained liquid for at least 1 week at -30 ° C. Fig. 4 shows the temperature dependence of the ionic conductivity of 1MP H 3 PO 4 1: 3. 1MP H 3 PO 4 1: 3 exhibited an ionic conductivity of 1.3 × 10 −1 Scm −1 at 150 ° C.

(比較例1)りん酸
りん酸クリスタルを60℃に加熱融解して液状化した後、-10℃で静置すると2時間で凝固した。りん酸のイオン伝導度の温度依存性を図1に示す。-10℃から-20℃で凝固すると、イオン伝導度が急激に低下した。
(Comparative Example 1) Phosphoric acid Phosphoric acid crystal was heated and melted at 60 ° C to liquefy, and then allowed to stand at -10 ° C to solidify in 2 hours. Figure 1 shows the temperature dependence of the ionic conductivity of phosphoric acid. When solidified from -10 ° C to -20 ° C, the ionic conductivity decreased rapidly.

(実施例11)燃料電池発電試験
実施例1で調整した液体電解質4MI H3PO4 1:19を用いてセル温度120℃で発電した結果を、図5に示す。発電は、エレクトロケム社製の、りん酸発電セルFC25-02PAおよび電極マトリックスアセンブリFC25-PA/EMを用い、燃料ガスとして、無加湿の水素を150ml/分で、酸素を150ml/分で供給した。
Example 11 Fuel Cell Power Generation Test FIG. 5 shows the results of power generation at a cell temperature of 120 ° C. using the liquid electrolyte 4MI H 3 PO 4 1:19 prepared in Example 1. For power generation, a phosphoric acid power generation cell FC25-02PA and an electrode matrix assembly FC25-PA / EM manufactured by Electrochem Co. were used, and fuel was supplied as non-humidified hydrogen at 150 ml / min and oxygen at 150 ml / min. .

Figure 0004904750
Figure 0004904750

本発明によって、塩基とりん酸からなり、-30℃でも液体で存在する新規なイオン伝導性またはプロトン伝導性の液体電解質を提供し、燃料電池、二次電池、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサなどに利用することができる。   According to the present invention, a novel ion-conductive or proton-conductive liquid electrolyte comprising a base and phosphoric acid and existing in a liquid state at −30 ° C. is provided, such as a fuel cell, a secondary battery, an electric double layer capacitor, and an electrolytic capacitor. Can be used.

実施例1における4MI H3PO4 1:1, 1:2, 1:3および 1:19、および、比較例1におけるりん酸のイオン伝導度の温度依存性を示したものである。 4 shows the temperature dependence of 4MI H 3 PO 4 1: 1, 1: 2, 1: 3 and 1:19 in Example 1 and phosphoric acid ion conductivity in Comparative Example 1. 実施例4におけるTEOA H3PO4 1:3のイオン伝導度の温度依存性を示したものである。FIG. 9 shows the temperature dependence of the ionic conductivity of TEOA H 3 PO 4 1: 3 in Example 4. FIG. 実施例6におけるDEMA H3PO4 1:3のイオン伝導度の温度依存性を示したものである。FIG. 9 shows the temperature dependence of the ionic conductivity of DEMA H 3 PO 4 1: 3 in Example 6. FIG. 実施例10における1MP H3PO4 1:3のイオン伝導度の温度依存性を示したものである。The temperature dependence of the ionic conductivity of 1MP H 3 PO 4 1: 3 in Example 10 is shown. 実施例11における液体電解質4MI H3PO4 1:19を用いた燃料電池発電における電流と出力電圧の関係を示したものである。10 shows the relationship between current and output voltage in fuel cell power generation using the liquid electrolyte 4MI H 3 PO 4 1:19 in Example 11.

Claims (5)

下記化学式(1)〜(3)で表されるいずれかのアミン化合物Aとりん酸Bから成り、AとBのモル比A:Bが1:3〜1:50の範囲にあり、凝固する温度が、−30℃未満であることを特徴とする液体電解質。
Figure 0004904750
(1)
[式中、R 1 、R 2 、R 3 およびR 4 は、各々独立して、炭素数1〜20の炭化水素基、または、水素原子を表す。]

Figure 0004904750
(2)
[式中、R 1 、R 2 およびR 3 は、各々独立して、炭素数1〜20の炭化水素基、水酸基を有する炭素数1〜20の炭化水素基、または、水素原子を表し、少なくともひとつは炭化水素基または水酸基を有する炭化水素基である。]

Figure 0004904750
(3)
[式中、R 1 は炭素数1〜20の炭化水素基、または、水素原子を表す。]
It consists of any amine compound A represented by the following chemical formulas (1) to (3) and phosphoric acid B, and the molar ratio A: B of A to B is in the range of 1: 3 to 1:50 and solidifies. A liquid electrolyte characterized by having a temperature of less than -30 ° C.
Figure 0004904750
(1)
[Wherein, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each independently represent a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms or a hydrogen atom. ]

Figure 0004904750
(2)
[Wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represent a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms, a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms having a hydroxyl group, or a hydrogen atom, One is a hydrocarbon group or a hydrocarbon group having a hydroxyl group. ]

Figure 0004904750
(3)
[Wherein, R 1 represents a hydrocarbon group having 1 to 20 carbon atoms or a hydrogen atom. ]
−30℃におけるイオン伝導度が10-6Scm-1以上であることを特徴とする請求項1に記載の液体電解質。 2. The liquid electrolyte according to claim 1, wherein the ionic conductivity at −30 ° C. is 10 −6 Scm −1 or more. 150℃におけるイオン伝導度が10-2Scm-1以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の液体電解質。 The liquid electrolyte according to claim 1 or 2 , wherein the ionic conductivity at 150 ° C is 10 -2 Scm -1 or more. プロトン伝導体であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液体電解質。 The liquid electrolyte according to claim 1, wherein the liquid electrolyte is a proton conductor. 請求項1〜4のいずれかに記載の液体電解質を用いることを特徴とする燃料電池。 Fuel cell, which comprises using a liquid electrolyte according to any one of claims 1 to 4.
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