(57)【要約】【課題】構造の安定性を向上させ、プロトン伝導性の低下を抑制させることが可能なプロトン伝導体を提供する。【解決手段】アニオン性分子と、カチオン性有機分子とを含んで構成されるプロトン伝導体において、アニオン性分子をアニオン性金属錯体分子とする。アニオン性金属錯体分子は、金属イオンとオキソ酸イオンとの化学結合を少なくとも１つ含んでいる。オキソ酸イオンを構成するオキソ酸はリン酸とする。金属イオンを構成する金属として、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｌａ及びＰｒのうち少なくとも１つを含んでいる。カチオン性有機分子として、アンモニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ホスホニウムカチオンのうち少なくとも１つを含んでいる。【選択図】図２
2020113367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アニオン性分子と、カチオン性有機分子とを含んで構成されるプロトン伝導体であって、
前記アニオン性分子はアニオン性金属錯体分子であるプロトン伝導体。
【請求項２】
前記アニオン性金属錯体分子は、金属イオンとオキソ酸イオンとの化学結合を少なくとも１つ含んでいる請求項１に記載のプロトン伝導体。
【請求項３】
前記オキソ酸イオンを構成するオキソ酸はリン酸である請求項２に記載のプロトン伝導体。
【請求項４】
前記金属イオンを構成する金属として、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｌａ及びＰｒのうち少なくとも１つを含んでいる請求項２または３に記載のプロトン伝導体。
【請求項５】
前記カチオン性有機分子として、アンモニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ホスホニウムカチオンのうち少なくとも１つを含んでいる請求項１ないし４のいずれか１つに記載のプロトン伝導体。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１つに記載のプロトン伝導体を電解質膜（１３０）として備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン伝導体および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、固体高分子型燃料電池システムの低コスト化、システムの簡素化の観点で、１００℃以上の作動温度でかつ無加湿という条件で作動する燃料電池が望まれている。無加湿で燃料電池を作動させるためには、プロトン伝導体が重要な役割を果たす。リン酸は有望なプロトンキャリアであることから、リン酸を含むリン酸含有構造体がプロトン伝導体として好適であると考えられる。
【０００３】
リン酸含有構造体としては、リン酸と他の構成要素との化学結合で構造体を形成するもの（例えば、ホスホシリケートガラス、リン酸ガラス、金属リン酸塩）があるが、耐水性に課題があり、さらにプロトン伝導性が低い。また、化学的に安定なマトリックス材にリン酸を導入することで、リン酸含有構造体を生成することが提案されている（例えば、非特許文献１、２）。このようなマトリックス材は、毛細管現象を利用できる細孔を有しており、プロトン伝導体の材料として有望である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２０１２，１３４（３８），ｐｐ１５６４０−１５６４３
【非特許文献２】Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２０１４，１３６（１８），ｐｐ６５７０−６５７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、マトリックス材にリン酸をドープして生成したリン酸含有構造体は、細孔とリン酸との相互作用が弱く、リン酸が容易に流出してしまう。流出したリン酸は、高温環境下で縮合によって劣化する。プロトン伝導体からのリン酸の流出によって、プロトン伝導性が低くなるため、高いプロトン伝導性を実現するためには、大過剰のリン酸が必要となる。
【０００６】
本発明は上記点に鑑み、構造の安定性を向上させ、プロトン伝導性の低下を抑制させることが可能なプロトン伝導体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、アニオン性分子と、カチオン性有機分子とを含んで構成されるプロトン伝導体であって、前記アニオン性分子はアニオン性金属錯体分子である。
【０００８】
アニオン性金属錯体分子では、金属イオンと、プロトン伝導性を有する配位子とが強く結合しており、プロトン伝導体から配位子が分離して流出することを抑制できる。これにより、プロトン伝導体の構造の安定性を向上させることができ、プロトン伝導性の低下を抑制できる。
【０００９】
また、金属イオンに複数の配位子が配位していれば、１個の構造体につき複数のプロトン伝導パスが形成され、プロトン伝導性能を高くすることができる。
【００１０】
また、カチオン性有機分子とアニオン性分子は異符号の電荷によって弱く結合しているため、構造体をゲル状物質とすることができる。ゲル状の構造体は、プロトンの運動性を高くすることができ、プロトン伝導性をより高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の概念図である。
【図２】本実施形態のプロトン伝導体の一例を示す図である。
【図３】実施例１のプロトン伝導体を質量分析した結果を示す図である。
【図４】実施例１のプロトン伝導体を質量分析した結果を示す図である。
【図５】実施例２のプロトン伝導体を質量分析した結果を示す図である。
【図６】実施例２のプロトン伝導体を質量分析した結果を示す図である。
【図７】実施例１、２のプロトン伝導体をＸ線散乱で分析した結果を示す図である。
【図８】実施例１、２のプロトン伝導体をＸ線吸収微細構造解析で分析した結果を示す図である。
【図９】各実施例のプロトン伝導体のイオン伝導率と温度との関係を示す図である。
【図１０】各実施例及び比較例のプロトン伝導体のイオン伝導率の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。
【００１３】
図１に示すように、燃料電池セル１００は、カソード極１１０、アノード極１２０、電解質膜１３０を備えている。なお、カソード極１１０は空気極ともいい、アノード極１２０は水素極ともいう。
【００１４】
燃料電池セル１００は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気中の酸素）との電気化学反応を利用して電気エネルギーを出力する。燃料電池セル１００を基本単位とし、複数枚積層したスタック構造として使用することができる。
【００１５】
燃料電池セル１００に水素および空気といった反応ガスが供給されると、以下に示すように、水素と酸素とが電気化学反応して、電気エネルギーを出力する。
【００１６】
（アノード極側）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（カソード極側）  ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
この際、アノード極１２０では、水素が触媒反応によって、電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）に電離され、プロトン（Ｈ+）は電解質膜１３０を移動する。一方、カソード極１１０では、アノード極１２０側から移動してきたプロトン（Ｈ+）、外部から流通してきた電子、および空気中の酸素（Ｏ2）が反応して、水が生成される。
【００１７】
カソード極１１０は、電解質膜１３０の空気極側の面に密着して配置されたカソード側触媒層１１１と、カソード側触媒層１１１の外側に配置されたカソード側拡散層１１２によって構成されている。
【００１８】
アノード極１２０は、電解質膜１３０の水素極側の面に密着して配置されたアノード側触媒層１２１と、アノード側触媒層１２１の外側に配置されたアノード側拡散層１２２によって構成されている。
【００１９】
各触媒層１１１、１２１は、カーボン担体に電気化学反応を促進する触媒（白金等）を担持させたカーボン担持白金触媒等で形成され、各拡散層１１２、１２２は、カーボンクロス等で形成されている。
【００２０】
電解質膜１３０はプロトン伝導体である。図２に示すように、プロトン伝導体は、アニオン性分子とカチオン性有機分子とを含んで構成されている。アニオン性分子はマイナスの電荷を有しており、カチオン性有機分子はプラスの電荷を有している。
【００２１】
異符号の電荷を有するアニオン性分子とカチオン性有機分子は分子間に引力が作用する。つまり、アニオン性分子とカチオン性有機分子は電荷のバランスをとることで、全体として１つの構造体を形成している。
【００２２】
アニオン性分子としては、アニオン性金属錯体分子を用いることができる。アニオン性金属錯体分子は、金属イオンと、プロトンキャリアとして機能する配位子とを含んで構成されている。配位子として、オキソ酸イオンを用いることができる。
【００２３】
アニオン性金属錯体分子は、金属イオンとオキソ酸イオンとの化学結合を少なくとも１つ含んでいる。オキソ酸イオンは、プロトン伝導性を有する配位子である。金属イオンには、少なくとも１つのオキソ酸イオンが化学結合していればよく、複数のオキソ酸イオンが化学結合していることが望ましい。金属イオンには、水分子等のオキソ酸イオン以外の配位子が結合していてもよい。
【００２４】
金属イオンとオキソ酸イオンとの化学結合は、配位結合や共有結合を例示できるが、これらに限定されるものではない。アニオン性分子は、金属イオンとオキソ酸イオンとで全体としてマイナスの電荷を有していればよく、−１の電荷を有していることが望ましい。
【００２５】
アニオン性金属錯体分子の金属イオンは、価数が変化しない金属を用いることが望ましく、ｄ電子を有していない金属を用いることが望ましい。アニオン性金属錯体分子の金属イオンを構成する金属として、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｌａ及びＰｒのうち少なくともいずれかを用いることができる。
【００２６】
金属の配位数が多いほど、化学結合するオキソ酸イオンの数を多くすることができ、プロトン伝導性を向上させることができる。図２は、配位数が６個の金属イオンを含んだプロトン伝導体の構造例を示しており、オキソ酸イオンを含む６個の配位子が化学結合している。
【００２７】
アニオン性金属錯体分子のオキソ酸イオンは、プロトン伝導性を有するものであればよい。アニオン性金属錯体分子のオキソ酸イオンを構成するオキソ酸として、リン酸、硫酸、硝酸及びホウ酸のうち少なくともいずれかを用いることができる。
【００２８】
カチオン性有機分子としては、＋１の電荷を有する有機分子を用いることが望ましい。カチオン性有機分子として、アンモニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ホスホニウムカチオンのうち少なくともいずれかを用いることができる。
【００２９】
アニオン性分子とカチオン性有機分子との間の結合は、金属イオンとオキソ酸イオンとの化学結合に比べて弱い結合となっている。アニオン性分子及びカチオン性有機分子からなる構造体は、均一組成であり、かつ、構造体はポリマーを形成していない。
【００３０】
図２に示すように、本実施形態の構造体では、金属イオンに複数のオキソ酸イオンが化学結合している。このため、１個の構造体につき複数のプロトン伝導パスが形成され、プロトン伝導性能が高くなる。また、金属イオンとオキソ酸イオンは化学結合によって強く結合しているため、オキソ酸イオンの流出を抑制できる。また、カチオン性有機分子とアニオン性分子は異符号の電荷によって弱く結合しているため、構造体をゲル状物質とすることができる。ゲル状の構造体は、プロトンの運動性を高くすることができ、プロトン伝導性をより高くすることができる。
【００３１】
ここで、本実施形態のプロトン伝導体を実施例及び比較例を用いて説明する。
【００３２】
実施例１、２では、カチオン性有機分子としてアンモニウムカチオンを用い、アニオン性分子の金属イオンとしてＡｌを用い、アニオン性分子オキソ酸イオンとしてリン酸を用いた。実施例３、４では、実施例１、２に対して、カチオン性有機分子としてイミダゾリウムカチオンを用いた点が異なっている。実施例５、６では、実施例１、２に対して、アニオン性分子の金属イオンとしてＬａを用いた点が異なっている。実施例７、８では、実施例１、２に対して、アニオン性分子の金属イオンとしてＬａを用いた点が異なっている。なお、Ａｌ及びＢａの配位数は６、Ｂａの配位数は６、１２である。
【００３３】
（実施例１）
プロトン伝導体の原料として、リン酸二水素アルミニウム（Ａｌ（Ｈ2ＰＯ4）3）とニ水素リン酸−ジエチルメチルアンモニウム塩（［ｄｅｍａ］［Ｈ2ＰＯ4］）をモル比１：１で用いた。これらのプロトン伝導体の原料と、溶媒としての水をナスフラスコに入れて混合し、室温で１２時間撹拌した。その後、エバポレータで水を除去し、ゲル状のプロトン伝導体を得た。実施例１のプロトン伝導体では、Ａｌ3+に４個のＨ2ＰＯ4-と２個のＨ2Ｏが化学結合している。
【００３４】
（実施例２）
実施例１のプロトン伝導体を１２０℃で真空乾燥した。その後、オルトリン酸（Ｈ3ＳＯ4）をＡｌに対して２当量加え、Ａｒ雰囲気下で乳鉢で１０分間混合した。これにより、ゲル状のプロトン伝導体を得た。実施例２のプロトン伝導体では、実施例１のプロトン伝導体における２個のＨ2ＯがＨ3ＰＯ4で置換され、Ａｌ3+に４個のＨ2ＰＯ4-と２個のＨ3ＰＯ4が化学結合している。
【００３５】
（実施例３）
プロトン伝導体の原料として、リン酸二水素アルミニウムとニ水素リン酸−エチルメチルイミダゾリウム塩をモル比１：１で用いた。これらのプロトン伝導体の原料と、溶媒としての水をナスフラスコに入れて混合し、室温で１２時間撹拌した。その後、エバポレータで水を除去し、ゲル状のプロトン伝導体を得た。実施例３のプロトン伝導体では、Ａｌ3+に４個のＨ2ＰＯ4-と２個のＨ2Ｏが化学結合している。
【００３６】
（実施例４）
実施例３のプロトン伝導体を１２０℃で真空乾燥した。その後、オルトリン酸をＡｌに対して２当量加え、Ａｒ雰囲気下で乳鉢で１０分間混合した。これにより、ゲル状のプロトン伝導体を得た。実施例４のプロトン伝導体では、実施例３のプロトン伝導体における２個のＨ2ＯがＨ3ＰＯ4で置換され、Ａｌ3+に４個のＨ2ＰＯ4-と２個のＨ3ＰＯ4が化学結合している。
【００３７】
（実施例５）
プロトン伝導体の原料として、リン酸二水素バリウム（Ｂａ（Ｈ2ＰＯ4）2）とニ水素リン酸−ジエチルメチルアンモニウム塩をモル比１：１で用いた。これらのプロトン伝導体の原料と、溶媒としての水をナスフラスコに入れて混合し、室温で１２時間撹拌した。その後、エバポレータで水を除去し、ゲル状のプロトン伝導体を得た。実施例５のプロトン伝導体では、Ｂａ2+に３個のＨ2ＰＯ4-と３個のＨ2Ｏが化学結合している。
【００３８】
（実施例６）
実施例５のプロトン伝導体を１２０℃で真空乾燥した。その後、オルトリン酸をＢａに対して３当量加え、Ａｒ雰囲気下で乳鉢で１０分間混合した。これにより、ゲル状のプロトン伝導体を得た。実施例６のプロトン伝導体では、実施例５のプロトン伝導体における３個のＨ2ＯがＨ3ＰＯ4で置換され、Ｂａ2+に３個のＨ2ＰＯ4-と３個のＨ3ＰＯ4が化学結合している。
【００３９】
（実施例７）
プロトン伝導体の原料として、リン酸二水素ランタン（Ｌａ（Ｈ2ＰＯ4）3）とニ水素リン酸−ジエチルメチルアンモニウム塩をモル比１：１で用いた。これらのプロトン伝導体の原料と、溶媒としての水をナスフラスコに入れて混合し、室温で１２時間撹拌した。その後、エバポレータで水を除去し、ゲル状のプロトン伝導体を得た。実施例７のプロトン伝導体では、Ｌａの配位数が６の場合はＬａ3+に４個のＨ2ＰＯ4-と２個のＨ2Ｏが化学結合しており、Ｌａの配位数が１２の場合はＬａ3+に４個のＨ2ＰＯ4-と８個のＨ2Ｏが化学結合している。
【００４０】
（実施例８）
実施例７のプロトン伝導体を１２０℃で真空乾燥した。その後、オルトリン酸をＬａに対して８当量加え、Ａｒ雰囲気下で乳鉢で１０分間混合した。これにより、ゲル状のプロトン伝導体を得た。なお、実施例８では、配位数が１２のＬａを考慮して、オルトリン酸の添加量をＬａに対して８当量としている。
【００４１】
実施例８のプロトン伝導体では、Ｌａの配位数が６の場合は、実施例７のプロトン伝導体における２個のＨ2ＯがＨ3ＰＯ4で置換され、Ｌａ3+に４個のＨ2ＰＯ4-と２個のＨ3ＰＯ4が化学結合している。実施例８のプロトン伝導体では、Ｌａの配位数が１２の場合は、実施例７のプロトン伝導体における８個のＨ2ＯがＨ3ＰＯ4で置換され、Ｌａ3+に４個のＨ2ＰＯ4-と８個のＨ3ＰＯ4が化学結合している。
【００４２】
（比較例）
１５０℃に加熱したオルトリン酸にポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を２時間含浸させてプロトン伝導体の原料を得た。このプロトン伝導体の原料と、溶媒としての水をナスフラスコに入れて混合した。これにより、ＰＢＩにリン酸がドープされたプロトン伝導体を得た。比較例のプロトン伝導体は固体状である。
【００４３】
次に、実施例１、２のプロトン伝導体の構造を、エレクトロスプレーイオン化法による質量分析（ＥＳＩ−ＭＳ）によって特定した結果について説明する。質量分析では、四重極質量分析計を用いた。
【００４４】
実施例１のプロトン伝導体の質量分析によって、図３に示す陰イオンの質量スペクトルと、図４に示す陽イオンの質量スペクトルが得られた。
【００４５】
図３に示す陰イオンの質量スペクトルでは、４１４．８６５０、２９２．９２９４、１９４．９５１２、９６．９７１４でピークが現れた。２９２．９２９４、１９４．９５１２、９６．９７１４の各ピークは、測定中に発生したフラグメントに由来している。
【００４６】
４１４．８６５０のピークは、以下に示す化学式（１）の構造に由来している。
【００４７】
【化１】
2020113367.tif 000003
化学式（１）は、実施例１のプロトン伝導体に含まれるアニオン性分子の構造を示している。化学式（１）の構造は、実施例１のアニオン性分子から２個のＨ2Ｏが測定中に分離したものと考えられる。
【００４８】
図４に示す陽イオンの質量スペクトルでは、８８．１１５９でピークが現れた。８８．１１５９のピークは、以下に示す化学式（２）の構造に由来している。
【００４９】
【化２】
2020113367.tif 000004
化学式（２）は、実施例１のプロトン伝導体に含まれるカチオン性有機分子の構造を示している。
【００５０】
実施例２のプロトン伝導体の質量分析によって、図５に示す陰イオンの質量スペクトルと、図６に示す陽イオンの質量スペクトルが得られた。
【００５１】
図５に示す陰イオンの質量スペクトルでは、６１０．８２１５、５１２．８４２０、４１４．８６３１、２９２．９２７８、１９４．９４９６、９６．９７０６でピークが現れた。２９２．９２７８、１９４．９４９６、９６．９７０６の各ピークは、測定中に発生したフラグメントに由来している。
【００５２】
６１０．８２１５のピークは、以下に示す化学式（３）の構造に由来している。
【００５３】
【化３】
2020113367.tif 000005
５１２．８４２０のピークは、以下に示す化学式（４）の構造に由来している。
【００５４】
【化４】
2020113367.tif 000006
４１４．８６３１のピークは、上記化学式（１）の構造に由来している。
【００５５】
化学式（１）、（３）、（４）は、実施例２のプロトン伝導体に含まれるアニオン性分子の構造を示している。化学式（４）の構造は、実施例２のアニオン性分子から１個のＨ3ＰＯ4が測定中に分離したものと考えられる。化学式（１）の構造は、実施例２のアニオン性分子から２個のＨ3ＰＯ4が測定中に分離したものと考えられる。
【００５６】
図６に示す陽イオンの質量スペクトルでは、８８．１１８５でピークが現れた。８８．１１８５のピークは、上記化学式（２）の構造に由来している。化学式（２）は、実施例２のプロトン伝導体に含まれるカチオン性有機分子の構造を示している。
【００５７】
次に、実施例１、２のプロトン伝導体の構造をＸ線全散乱分析によって分析した結果について説明する。
【００５８】
図７では、実施例１、２のプロトン伝導体のスペクトルと、原料のニ水素リン酸−ジエチルメチルアンモニウム塩（［ｄｅｍａ］［Ｈ2ＰＯ4］）とリン酸二水素アルミニウム（Ａｌ（Ｈ2ＰＯ4）3）のスペクトルを示している。図７の縦軸はＸ線散乱をフーリエ変換して得られた還元二体分布関数であり、距離ｒの位置に原子が存在する確率を示している。
【００５９】
図７に示すように、実施例１、２のプロトン伝導体では、原料とは異なるピークが得られた。このため、実施例１、２のプロトン伝導体は、原料とは異なる構造を有していることが分かる。
【００６０】
また、原料のリン酸二水素アルミニウム（Ａｌ（Ｈ2ＰＯ4）3）では、ピークが連続して現れており、結晶構造に由来する周期構造がみられる。これに対し、実施例１、２のプロトン伝導体では、５〜６Åよりも大きい領域ではピークが現れず、結晶構造に由来する周期構造が見られなかった。このため、実施例１、２のプロトン伝導体は、非晶質構造であることが分かる。
【００６１】
次に、実施例１、２のプロトン伝導体の構造をＸ線吸収微細構造解析（ＸＡＦＳ）によって分析した結果について説明する。
【００６２】
図８では、実施例１、２のプロトン伝導体と、配位数が６である既知の物質Ａｌ2Ｏ3のスペクトルを示している。図８に示すように、各物質の最初の立ち上がりのピーク（Ｋ吸収端）は、Ａｌ2Ｏ3が１５６８．０７７ｅＶであり、実施例１が１５６８．９４７ｅＶであり、実施例２が１５６８．２７３ｅＶであった。つまり、実施例１、２のプロトン伝導体のＫ吸収端はＡｌ2Ｏ3と一致している。このため、実施例１、２のプロトン伝導体では、Ａｌの配位数が６であることが分かる。
【００６３】
上述した構造分析から、実施例１のプロトン伝導体は以下に示す化学式（５）の構造を有しており、実施例２のプロトン伝導体は以下に示す化学式（６）の構造を有していることが特定できた。
【００６４】
【化５】
2020113367.tif 000007
【００６５】
【化６】
2020113367.tif 000008
化学式（５）において、プラスの電荷を有するＡｌ3+とマイナスの電荷を有するＨ2ＰＯ4-との間の化学結合と比べて、Ａｌ3+とＨ2Ｏとの間の化学結合は、弱い結合となっている。同様に、化学式（６）において、Ａｌ3+とＨ2ＰＯ4-との間の化学結合と比べて、Ａｌ3+とＨ3ＰＯ4との間の化学結合は、弱い結合となっている。
【００６６】
次に、実施例１〜８のプロトン伝導体のイオン伝導率と温度との関係について説明する。図９は、異なる温度で測定したプロトン伝導体のイオン伝導率を示している。図９では、横軸が温度であり、左側に行くほど高温になっている。図９において、横軸の目盛り２．７付近が１００℃に相当している。
【００６７】
図９に示すように、実施例１〜８のプロトン伝導体は、１００℃を超える温度域において、概ね１０-2Ｓ／ｃｍオーダー以上の高いイオン伝導率が得られている。
【００６８】
次に、実施例１〜８及び比較例のプロトン伝導体のイオン伝導率の経時変化について説明する。図１０は、プロトン伝導体を窒素雰囲気下で１２０℃で加熱した場合のイオン伝導率の経時変化を示している。
【００６９】
図１０に示すように、比較例のプロトン伝導体は、時間の経過によってイオン伝導率が大幅に低下している。これは、時間の経過によってリン酸が縮合したことに起因するものと考えられる。
【００７０】
これに対し、実施例１〜８のプロトン伝導体では、時間の経過によってイオン伝導率がほぼ変化せず、長期間に渡ってイオン伝導率の低下を抑制できている。つまり、実施例１〜８のプロトン伝導体は、長期間に渡って分子構造を維持できており、耐久性に優れている。
【００７１】
以上説明した本実施形態のプロトン伝導体では、カチオン性有機分子とアニオン性金属錯体分子とを備えている。アニオン性金属錯体分子は、金属イオンにオキソ酸イオンが配位子として化学結合している。金属イオンとオキソ酸イオンとの間は化学結合によって強く結合されており、プロトン伝導体からオキソ酸イオンが分離して流出することを抑制できる。これにより、プロトン伝導体の構造の安定性を向上させることができ、プロトン伝導性の低下を抑制できる。
【００７２】
また、本実施形態のプロトン伝導体では、金属イオンに複数のオキソ酸イオンが化学結合している。このため、１個の構造体につき複数のプロトン伝導パスが形成され、プロトン伝導性能を高くすることができる。
【００７３】
また、本実施形態のプロトン伝導体では、カチオン性有機分子とアニオン性分子は異符号の電荷によって弱く結合しているため、構造体をゲル状物質とすることができる。ゲル状の構造体は、プロトンの運動性を高くすることができ、プロトン伝導性をより高くすることができる。
【００７４】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
【００７５】
例えば、上記実施形態では、本発明のプロトン伝導体を燃料電池セル１００の電解質膜１３０として適用した例について説明したが、これに限らず、本発明のプロトン伝導体を水蒸気電解や水素分離膜など燃料電池以外の用途に用いてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１１０    カソード極
１２０    アノード極
１３０    電解質膜
【図１】
2020113367.tif 000009
【図２】
2020113367.tif 000010
【図３】
2020113367.tif 000011
【図４】
2020113367.tif 000012
【図５】
2020113367.tif 000013
【図６】
2020113367.tif 000014
【図７】
2020113367.tif 000015
【図８】
2020113367.tif 000016
【図９】
2020113367.tif 000017
【図１０】
2020113367.tif 000018