(57)【要約】【課題】高いイオン伝導性と優れた耐久性を発現し得るイオン伝導体、これを用いた電気化学セル及び燃料電池を提供すること。【解決手段】イオン伝導体は、水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質を含有する。イオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部が、該水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。  電気化学セルは、上記イオン伝導体を適用して成る。  燃料電池は、上記イオン伝導体を適用して成る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質を含有するイオン伝導体であって、
当該イオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部が、上記水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である、ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項２】
当該イオン伝導体が、水に対する相溶性の異なる２種以上の膜状の電解質を含有すると共に、該膜状の電解質の厚み方向に対して層構造を有し、
当該イオン伝導体の上記膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の少なくとも一部が、上記水に対する相溶性の異なる２種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質である、ことを特徴とする請求項１に記載のイオン伝導体。
【請求項３】
カソード及びアノードで挟持されて燃料電池に用いられるイオン伝導体であって、
上記水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質が、少なくともカソード側に配置される、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。
【請求項４】
カソード及びアノードで挟持されて燃料電池に用いられるイオン伝導体であって、
上記水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質が、少なくともカソード側であって、且つカソードガスの流れ方向の下流側に配置される、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。
【請求項５】
カソード及びアノードで挟持されて燃料電池に用いられるイオン伝導体であって、
上記水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質が、少なくともカソード側に配置される、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。
【請求項６】
上記水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質がゲル状の電解質である、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。
【請求項７】
上記水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質が相互にほぼ相溶しない、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。
【請求項８】
上記水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質が、カチオン成分として、オニウムカチオンを含み、
上記オニウムカチオンが、中心原子に直接結合した一価の置換基を有し、
上記一価の置換基が、下記一般式（１）
【化１】
2010040252.tif 000009
（式中、Ｒ１は水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Ｚ１は酸素原子（Ｏ）、硫黄原子（Ｓ）、ＮＲ２基（Ｒ２は水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）又はＰＲ３基（Ｒ３は水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）を示す。）、又は下記一般式（２）
【化２】
2010040252.tif 000010
（式中、Ｒ４は水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Ｚ２はカルボニル基（ＣＯ）、スルホニル基（ＳＯ２）又はジフルオロメチレン基（ＣＦ２）を示す。）で表される、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。
【請求項９】
上記水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質以外の電解質が、カチオン成分として、１級オニウムカチオン、２級オニウムカチオン及び３級オニウムカチオンから成る群より選ばれる少なくとも１種を含む、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。
【請求項１０】
上記水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質が、アニオン成分として、オキソ酸型アニオン、イミド酸型アニオン、チオ酸型アニオン及びハロゲン化水素酸型アニオンから成る群より選ばれる少なくとも１種を含む、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とする電気化学セル。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導体に係り、更に詳細には、水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質を含有し、所定の構造を有するイオン伝導体、このイオン伝導体を適用した電気化学セル及び燃料電池に関する。
かかるイオン伝導体は、例えば、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、ガスセンサーなどの電解質として好適に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギーを多大に消費している国々においては、環境問題、エネルギー問題の解決が大きな課題となっている。
燃料電池は、発電効率が高く環境負荷抑制に優れており、これらの問題の解決に貢献が期待されている次世代型エネルギー供給デバイスである。
また、燃料電池は、電解質の種類により分類されるが、中でも固体高分子形燃料電池は、小型で且つ高出力を得ることができる。このため、小規模の定置型用、移動体用、携帯端末用のエネルギー供給源としての適用について研究・開発が進められている。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池において、イオン伝導を担う固体高分子電解質には、一般に、パーフルオロカーボン系主鎖とスルホン酸基を有する側鎖とを備えるパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質が使用されている。
【０００４】
このようなパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質は、スルホン酸基を主体とする領域とパーフルオロカーボン系主鎖を主体とする領域とにミクロ相分離していると考えられている。また、スルホン酸基を含む相において、スルホン酸基はクラスターを形成していると考えられている。
そして、このパーフルオロカーボン系主鎖が凝集している部位が、パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜の化学的安定性に寄与しており、スルホン酸基が集まってクラスターを形成している部位が、パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜のイオン伝導に寄与していると考えられている。
【０００５】
このような優れた化学的安定性とイオン伝導性とを兼ね備えるパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜であっても、例えば移動体用の動力源と期待される固体高分子形燃料電池への適用には種々の制約がある。また、コストが高いといった問題もある。
【０００６】
例えば、現状の固体高分子形燃料電池は、室温から８０℃程度の比較的低い温度領域で運転されている。
このような運転温度に制約されるのは、次の（１）及び（２）のような理由による。
（１）用いられているパーフルオロスルホン酸系ポリマーが１２０〜１３０℃近傍にガラス転移点を有し、これよりも高温領域ではプロトン伝導に寄与しているイオンチャンネル構造の維持が困難となるため、実質的には１００℃以下での使用が望ましいこと。
（２）水をプロトン伝導媒体として使用するため、水の沸点である１００℃を超えると加圧が必要となり、装置が大がかりになること。
【０００７】
また、燃料電池の運転温度が低いと、燃料電池の発電効率が低くなると共に、触媒において一酸化炭素（ＣＯ）被毒が顕著に起こることがある。
【０００８】
一方で、燃料電池の運転温度が１００℃以上になると、燃料電池の発電効率は向上する。更に、排熱利用が可能となるため、より効率的にエネルギーを活用できる。
【０００９】
燃料電池を自動車などの移動体へ適用するに当たり、運転温度を１２０℃まで上昇させることができると、例えば、発電効率の向上だけでなく、排熱に必要なラジエータ負荷を低減することができる。また、例えば、現行の移動体に使用されているラジエータと同等仕様のものを適用することができるため、システムをコンパクト化できる。
【００１０】
そこで、こうした問題の解決策の一つとして、プロトン伝導体としてイオン液体を電解質として使用することが提案されている（特許文献１参照。）。
また、アニオン成分が親水性のフッ素系のアニオンから成るイオン液体が燃料電池用電解質として優れた発電特性を示すことが開示されている（非特許文献１参照。）。
更に、ジエチルメチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸の中和塩から成るイオン液体が燃料電池用電解質として優れた発電特性を示すことが開示されている（非特許文献２参照。）。
【００１１】
【特許文献１】国際公開第０３／０８３９８１号パンフレット
【非特許文献１】「第４６回電池討論会講演要旨集」、２００５年、ｐ．８０８
【非特許文献２】「ケミカル  コミュニケーション（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）」、２００７年、ｐ．２５３９−２５４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献１に記載された疎水性のイオン液体を電解質として使用することで高温（１２０℃）で燃料電池の発電が可能であるが、燃料電池としての例えばＩＶ特性などの性能が十分に得られていないという問題点があった。
また、上記非特許文献１及び非特許文献２に記載された親水性のイオン液体は、例えば親水性のイオン液体をゲル状に固定化して膜化した場合でも、燃料電池発電時に生成する水に溶解し、膜からイオン液体が抜け出してしまうため、耐久性のあるイオン伝導体を得ることが困難であった。
【００１３】
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、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発現し得るイオン伝導体、これを用いた電気化学セル及び燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質を含有し、所定の構造を有するイオン伝導体とすることなどにより、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。
【００１５】
即ち、本発明のイオン伝導体は、水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質を含有するイオン伝導体であって、当該イオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部が、該水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の電気化学セルは、上記本発明のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明の燃料電池は、上記本発明のイオン伝導体を適用して成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質を含有し、所定の構造を有するイオン伝導体とすることなどとしたため、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発現し得るイオン伝導体、これを用いた電気化学セル及び燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明のイオン伝導体について詳細に説明する。
本発明のイオン伝導体は、水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質を含有するものである。
また、かかるイオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部は、水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
【００２０】
ここで、「水に対する相溶性」とは、水に対するなじみやすさの程度を示すものである。
例えば、電解質をゲル化剤により固定化し膜形状とし、この膜を一定時間水に浸漬し、浸漬前後における膜の質量変化を測定し、その変化割合（電解質の保持率）を算出する。この電解質の保持率に基づいて、水に対する相溶性を規定することができる。
具体的には、電解質の保持率は、下記の式［１］により算出することができる。
また、電解質の保持率が高いことは、水に対する相溶性が低いことを意味し、電解質の保持率が低いことは、水に対する相溶性が高いことを意味する。
【００２１】
【数１】
2010040252.tif 000002
【００２２】
本発明においては、イオン伝導体に含まれる２種以上の電解質は、水に対する相溶性が異なるものであればよい。
【００２３】
以下、本発明のイオン伝導体の若干の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一又は対応する部分には同一の符号を付す。
【００２４】
（１）第１の実施形態
図１は、本発明のイオン伝導体の第１の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。なお、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体１０は、水に対する相溶性の異なる２種の電解質１１、電解質１３を含有している。
本実施形態においては、電解質１１が、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質である。一方、電解質１３が、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。即ち、電解質１１と電解質１３の水に対する相溶性を比較した場合には、電解質１１が水に対する相溶性が相対的に高いという結果を示す。
そして、イオン伝導体１０は、その表面を形成する電解質の少なくとも一部が、水に対する相溶性の異なる２種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質１１以外の電解質１３である。なお、電解質１３は、イオン伝導体１０の表面に分散して点在している。
【００２５】
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
また、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体の表面を形成する電解質だけでなく、内部を形成する電解質が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質であるものを挙げることができる。
なお、電解質１３は、イオン伝導体１０の表面に分散して点在している場合に限られるものではなく、種々の形態をとることができる。例えば、以下の第２の実施形態を挙げることができる。
【００２６】
（２）第２の実施形態
図２は、本発明のイオン伝導体の第２の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。なお、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体１０は、水に対する相溶性の異なる２種の電解質１１、電解質１３を含有している。なお、本実施形態においても、電解質１１が、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質である。一方、電解質１３が、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。
そして、イオン伝導体１０は、その表面を形成する電解質の少なくとも一部が、水に対する相溶性の異なる２種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質１１以外の電解質１３である。なお、電解質１３は、イオン伝導体１０の表面にある程度大きな塊を形成して局在している。
【００２７】
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
また、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体の表面を形成する電解質だけでなく、内部を形成する電解質が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質であるものを挙げることができる。
【００２８】
なお、上記第１及び第２の実施形態においては、イオン伝導体が、水に対する相溶性の異なる２種の電解質を含有している場合について説明したが、３種以上の電解質を含有している場合にも適用することができる。
そして、水に対する相溶性の異なる３種以上の電解質を含有している場合には、水に対する相溶性の異なる３種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質は、水に対する相溶性の異なる３種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質では必ずしもない。
このような場合、イオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部が、水に対する相溶性の異なる３種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質であることが好ましい。
しかしながら、これに限定されるものではなく、イオン伝導体の表面を形成する電解質の少なくとも一部が、例えば水に対する相溶性が２番目に低い電解質である場合も本発明の範囲に含まれる。
【００２９】
（３）第３の実施形態
図３は、本発明のイオン伝導体の第３の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。なお、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体１０は、水に対する相溶性の異なる２種の膜状の電解質１１、膜状の電解質１３を含有すると共に、膜状の電解質１１（１３）の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、膜状の電解質１１が、イオン伝導体１０に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質である。一方、膜状の電解質１３が、イオン伝導体１０に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質である。
そして、イオン伝導体１０は、膜状の電解質１１（１３）の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の一部が、水に対する相溶性の異なる２種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質１１以外の電解質１３である。なお、電解質１３は、イオン伝導体１０の表面に偏在している。
【００３０】
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
また、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体の表面を形成する膜状の電解質だけでなく、内部を形成する膜状の電解質が、イオン伝導体に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質であるものを挙げることができる。
【００３１】
なお、上記第３の実施形態においては、イオン伝導体が、水に対する相溶性の異なる２種の膜状の電解質を含有している場合について説明したが、３種以上の膜状の電解質を含有している場合にも適用することができる。
例えば、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の一部が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質であって、かかる膜状の電解質が２種以上の膜状の電解質を含有しているものを挙げることができる。
また、水に対する相溶性の異なる３種以上の膜状の電解質を含有している場合には、水に対する相溶性の異なる３種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質は、水に対する相溶性の異なる３種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質では必ずしもない。
このような場合、イオン伝導体の表面を形成する膜状の電解質の少なくとも一部が、水に対する相溶性の異なる３種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質であることが好ましい。
しかしながら、これに限定されるものではなく、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の少なくとも一部が、例えば水に対する相溶性が２番目に低い膜状の電解質である場合も本発明の範囲に含まれる。
【００３２】
（４）第４の実施形態
図４は、本発明のイオン伝導体の第４の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。なお、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体１０は、水に対する相溶性の異なる２種の膜状の電解質１１、膜状の電解質１３を含有すると共に、膜状の電解質１１（１３）の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、膜状の電解質１１が、イオン伝導体１０に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質である。一方、膜状の電解質１３が、イオン伝導体１０に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質である。
そして、イオン伝導体１０は、膜状の電解質１１（１３）の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の全部が、水に対する相溶性の異なる２種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質１１以外の電解質１３である。
【００３３】
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
また、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の一部が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質であって、かかる膜状の電解質が２種以上の膜状の電解質を含有しているものを挙げることができる。
【００３４】
（５）第５の実施形態
図５は、本発明のイオン伝導体の第５の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。なお、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体１０は、水に対する相溶性の異なる３種の膜状の電解質１１、膜状の電解質１３、膜状の電解質１５を含有すると共に、膜状の電解質１１（１３、１５）の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、膜状の電解質１１が、イオン伝導体１０に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質である。一方、膜状の電解質１３及び膜状の電解質１５が、イオン伝導体１０に含まれる膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質である。
そして、イオン伝導体１０は、膜状の電解質１１（１３、１５）の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の全部が、水に対する相溶性の異なる２種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質１１以外の電解質１３である。
【００３５】
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
なお、特に限定されるものではないが、イオン伝導体の表面を形成する膜状の電解質１３が、水に対する相溶性の異なる３種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質であることが好ましい。
また、このような場合の典型例としては、図示しないが、水に対する相溶性の異なる複数種の膜状の電解質を含有し、厚み方向に対して、水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質から水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質まで水に対する相溶性についての傾斜構造を有しているものを挙げることができる。
【００３６】
また、上記第４及び第５の実施形態においては、特に限定されるものではないが、例えば水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質の厚みの割合は、膜状の電解質の合計厚みを１としたとき、０．３〜０．９９であることが好ましく、０．５〜  ０．９９であることがより好ましい。
なお、かかる電解質の厚みの割合は、イオン伝導体の形態によって、適宜調整すればよく、上述した範囲内の値でない場合でも、本発明の範囲に含まれる。
【００３７】
（６）第６の実施形態
図６は、本発明のイオン伝導体の第６の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。なお、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体１０は、カソード２０及びアノード３０で挟持されて燃料電池に用いられる。
そして、このイオン伝導体１０は、水に対する相溶性の異なる２種の膜状の電解質１１、膜状の電解質１３を含有すると共に、膜状の電解質１１（１３）の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、電解質１１が、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質である。一方、電解質１３が、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。
また、イオン伝導体１０は、膜状の電解質１１（１３）の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質が、水に対する相溶性の異なる２種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質１１以外の電解質１３である。
更に、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質１３が、カソード２０側に配置されている。
なお、カソード２０及びアノード３０は、それぞれ触媒層２１（３１）及びガス拡散層２３（３３）から構成されている。
また、燃料電池の技術分野においては、一般的に、膜状のイオン伝導体がカソード及びアノードで挟持された状態のものを、膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。
【００３８】
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
具体的には、カソード側に水との相溶性の低い膜状の電解質を配置する。このような配置とすることによって、カソード側で生成する生成水の影響を受け難くすることができ、電解質の水への溶出を効果的に抑制することができる。これにより、イオン伝導体の水への溶解に対する耐久性が向上する。更に、燃料電池用電解質として優れた発電性能を有する、水との相溶性の高い膜状の電解質をアノード側に配置することによって、その特性を引き出し燃料電池として優れた発電性能を得ることができる。
【００３９】
（７）第７の実施形態
図７は、本発明のイオン伝導体の第７の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）及び断面図（ｃ）である。なお、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＶＩＩ‘−ＶＩＩ‘線に沿った断面図である。
同図に示すように、このイオン伝導体１０は、カソード２０及びアノード３０で挟持され、更にセパレータで挟持されて燃料電池に用いられる。
そして、このイオン伝導体１０は、水に対する相溶性の異なる２種の膜状の電解質１１、膜状の電解質１３を含有すると共に、膜状の電解質１１（１３）の厚み方向に対して層構造を有している。なお、本実施形態においても、電解質１１が、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質である。一方、電解質１３が、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質である。
また、イオン伝導体１０は、膜状の電解質１１（１３）の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の一部が、水に対する相溶性の異なる２種の電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質１１以外の電解質１３である。
更に、イオン伝導体１０に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い電解質以外の電解質１３が、カソード２０側であって、且つ詳しくは後述するカソードガスの流れ方向の下流側に配置されている。
なお、カソード２０及びアノード３０は、それぞれ触媒層２１（３１）及びガス拡散層２３（３３）から構成されている。
また、セパレータ４０は、カソード２０側及びアノード３０側にそれぞれカソードガス流路４１及びアノードガス流路４３が形成されている。例えば、カソードガス流路４１には、カソードガス入口４１ａから導入されたカソードガスが矢印で示すように流れており、カソードガス出口から排出される。なお、本実施形態においては、カソードガス流路４１は、いわゆるサーペンタイン形流路を形成している。
【００４０】
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
具体的には、カソードガスの流れ方向の上流側に水との相溶性の高い膜状の電解質を配置して、下流側に水との相溶性の低い膜状の電解質を配置する。このような配置とすることによって、カソード側で生成する生成水の影響を受け易い下流側において、電解質の水への溶出を効果的に抑制することができる。これにより、イオン伝導体の水への溶解に対する耐久性が向上する。更に、燃料電池用電解質として優れた発電性能を有する、水との相溶性の高い膜状の電解質を上流側に配置することによって、その特性を引き出し燃料電池として優れた発電性能を得ることができる。
【００４１】
なお、上記第６及び第７の実施形態においては、イオン伝導体が、水に対する相溶性の異なる２種の膜状の電解質を含有している場合について説明したが、３種以上の膜状の電解質を含有している場合にも適用することができる。
例えば、本実施形態の他の例としては、図示しないが、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の全部又は一部が、イオン伝導体に含まれる電解質のうち水に対する相溶性が最も高い膜状の電解質以外の膜状の電解質であって、かかる膜状の電解質が２種以上の膜状の電解質を含有しているものを挙げることができる。
また、例えば本実施形態の更に他の例としては、図示しないが、イオン伝導体において、膜状の電解質の厚み方向における少なくとも一方の面を形成する膜状の電解質の全部又は一部が、水に対する相溶性の異なる３種以上の膜状の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い膜状の電解質であるものを挙げることができる。
【００４２】
また、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質がゲル状の電解質であるものを採用することができる。
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
具体的には、ゲル化して、半固定化ないし固定化することによって、水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質が相互にほぼ相溶しないようにすることができる。これにより、例えば水に対する相溶性の低い電解質をカソード側に継続的に配置させることができ、耐久性が向上する。
【００４３】
ゲル状の電解質は、電解質と、この電解質を保持するポリマーとを含有する。
ポリマーとしては、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリメタクリロニトリル、ポリ４−ビニルピリジン、ポリスチレン、ポリイミドなどを挙げることができる。これらは単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。組み合わせる場合には、混合させて用いてもよく、電解質に対応させて適宜選択して用いてもよい。
【００４４】
上述したイオン伝導体の製造方法の一例につき説明する。
まず、水に対する相溶性の異なる２種の電解質を用意する。
次いで、一方の電解質とポリマーの原料であるモノマーとを混合し、モノマーを重合させてゲル化することにより一方の膜状の電解質を作製する。同様の工程により他方の膜状の電解質を作製する。
しかる後、これらを重ね合わせることにより、所望のイオン伝導体を作製することができる。
また、これに限定されるものではなく、例えば水に対する相溶性の異なる２種の電解質を用意する。次いで、一方の電解質とポリマーを溶媒に溶解し、平板上に溶液をキャストし、乾燥することによって、一方の膜状の電解質を作製する。同様の工程により他方の膜状の電解質を作製する。
しかる後、これらを重ね合わせることにより、所望のイオン伝導体を作製することもできる。
【００４５】
また、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質が相互にほぼ相溶しないことが望ましい。
ここで「２種以上の電解質が相互にほぼ相溶しない」とは、２種以上の電解質が相互に相溶しない場合や、相溶、換言すれば混合しても、その生成した混合部が一部に過ぎない場合をいう。
【００４６】
なお、水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質を相互に相溶させないようにするには、上述したゲル化のように他の構成要素を利用することによって実現する方法の他に、互いに相溶しない電解質を選択して使用する方法がある。
【００４７】
また、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質が、カチオン成分として、オニウムカチオンを含むことが望ましい。
また、かかるオニウムカチオンの好適例としては、例えば中心原子に直接結合した一価の置換基を有し、一価の置換基が、下記一般式（１）又は一般式（２）で表されるものを挙げることができる。
【００４８】
【化３】
2010040252.tif 000003
【００４９】
（式中、Ｒ１は水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Ｚ１は酸素原子（Ｏ）、硫黄原子（Ｓ）、ＮＲ２基（Ｒ２は水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）又はＰＲ３基（Ｒ３は水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）を示す。）
【００５０】
【化４】
2010040252.tif 000004
【００５１】
（式中、Ｒ４は水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Ｚ２はカルボニル基（ＣＯ）、スルホニル基（ＳＯ２）又はジフルオロメチレン基（ＣＦ２）を示す。）
【００５２】
例えば、オニウムカチオンが一般式（１）又は（２）で表される構造式を有すると、カソードでの反応で生成する水を効果的に活用することができる。
具体的には、かかるオニウムカチオンと水との間で水素結合を形成し、水から効果的にプロトン源が放出される。これにより、イオン伝導体中でのプロトン濃度が増加する。更に、かかるプロトンは、水の間を通したプロトンの伝達（ホッピング）を行なうためプロトンの移動度が増加する。
なお、イオン伝導体に水以外の極性物質を含有させ、かかる極性物質と水素結合を形成させることも可能である。
かかる極性物質としては、例えば尿素、メラミン、チオ尿素、グアニジン、アンモニア、硫化水素などを挙げることができる。
このような効果により、イオン伝導対中のプロトン伝導が向上する。更に、カソードでの酸素還元反応についても、生成水を利用することで高い反応性を得ることができる。
【００５３】
上記ハロゲン原子としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子などを挙げることができる。
【００５４】
上記非置換の炭化水素基としては、例えば脂肪族炭化水素基や芳香族炭化水素基などを挙げることができる。
【００５５】
上記非置換の炭化水素基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基、ｓ−ブチル基、ｔ−ブチル基等の直鎖又は分岐状アルキル基、好ましくは直鎖状のアルキル基を挙げることができる。また、直鎖又は分岐状のアルキル基は、炭素数が１〜１６であることが好ましく、１〜１０であることがより好ましい。
【００５６】
また、上記非置換の炭化水素基としては、例えばシクロヘキシル基等のシクロアルキル基を挙げることができる。また、シクロアルキル基は、炭素数が３〜８であることが好ましく、３〜６であることがより好ましい。
【００５７】
更に、上記非置換の炭化水素基としては、例えばビニル基、１−プロペニル基、イソプロペニル基等の直鎖又は分岐状のアルケニル基、好ましくは直鎖状のアルケニル基を挙げることができる。また、直鎖又は分岐状のアルケニル基は、炭素数が２〜１６であることが好ましく、２〜１０であることがより好ましい。
【００５８】
また、上記非置換の炭化水素基としては、例えば１−シクロヘキセニル等のシクロアルケニル基を挙げることができる。また、シクロアルケニル基は、炭素数が３〜８であることが好ましく、３〜６であることがより好ましい。
【００５９】
更にまた、上記非置換の炭化水素基としては、例えばフェニル基、ナフチル基等のアリール基を挙げることができる。また、アリール基は、炭素数が６〜１０であることが好ましい。
【００６０】
一方、上記置換の炭化水素基としては、上記非置換の炭化水素基の水素原子の全部又は一部が、例えば酸素原子、窒素原子、硫黄原子、ケイ素原子等のヘテロ原子、ヘテロ原子を含む基、ハロゲン原子で置換された基、上記非置換の炭化水素基などで置換された基を挙げることができる。
また、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部が、ヘテロ原子やヘテロ原子を含む基などで置換された基を挙げることができる。
【００６１】
上記非置換の炭化水素基の水素原子の一部がヘテロ原子、ヘテロ原子を含む基、ハロゲン原子などで置換された基としては、より具体的には、例えば非置換の炭化水素基の水素原子の一部がオキソ基、スルフィド基、ヒドロキシル基、チオール基、アミノ基、アルキルアミノ基、エーテル基、エステル基、チオエーテル基、チオエステル基、アミド基、アルキルシリル基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子などで置換された炭化水素基を挙げることができる。また、非置換の炭化水素基の水素原子の全部がハロゲン原子などで置換された基としては、より具体的には、例えば非置換の炭化水素基の水素の全部がフッ素原子で置換された炭化水素基などを挙げることができる。例えば、パーフルオロアルキル基などがその典型例である。
【００６２】
上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばブトキシ基、ｔ−ブトキシ基等の直鎖又は分岐状のアルコキシ基を挙げることができる。また、直鎖又は分岐状のアルコキシ基は、炭素数が１〜１６であることが好ましく、１〜１０であることがより好ましい。
【００６３】
また、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばシクロヘキシルオキシ基等のシクロアルキルオキシ基を挙げることができる。また、シクロアルキルオキシ基は、炭素数が３〜８であることが好ましく、３〜６であることがより好ましい。
【００６４】
更に、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばブチルチオラート基等の直鎖又は分岐状のアルキルチオラート基を挙げることができる、また、直鎖又は分岐状のアルキルチオラート基は、炭素数が１〜１６であることが好ましく、１〜１０であることがより好ましい。
【００６５】
また、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばＮ，Ｎ−ジエチルアミノ基等のアルキルアミノ基を挙げることができる。また、アルキルアミノ基は、炭素数が１〜１６であることが好ましく、１〜１０であることがより好ましい。
【００６６】
更にまた、上記非置換の炭化水素基の炭素原子の一部がヘテロ原子やヘテロ原子を含む基で置換された基としては、より具体的には、例えばフェノキシ基やｐ−メチルフェノキシ基等のアリールオキシ基を挙げることができる。また、アリールオキシ基は、炭素数が６〜１０であることが好ましい。
【００６７】
上記オニウムカチオンは、上述した中心原子に直接結合した一価の置換基を少なくとも１つ有すればよいが、中心原子に直接結合した一価の置換基を複数有していてもよい。また、中心原子に直接結合した一価の置換基を複数有する場合には、それらは同一であっても異なっていてもよい。
【００６８】
また、上記オニウムカチオンは、上述した中心原子に直接結合した一価の置換基以外に、中心原子に直接結合した水素原子、ハロゲン原子、非置換の炭化水素基又は置換の炭化水素基を有していてもよい。
ここで、ハロゲン原子、非置換の炭化水素基又は置換の炭化水素基は、上述した一価の置換基において述べたものと同様のものを挙げることができる。
【００６９】
更に、上記オニウムカチオンは、上述した中心原子に直接結合した一価の置換基以外に、上記中心原子に直接結合した水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基を複数有していてもよく、この場合に、それらは同一であっても異なっていてもよい。
【００７０】
上記オニウムカチオンとしては、例えば中心原子が窒素原子（Ｎ）であるアンモニウムカチオンや中心原子がリン原子（Ｐ）であるホスホニウムカチオン、中心原子が硫黄原子（Ｓ）であるスルホニウムカチオンを挙げることができる。
【００７１】
上記オニウムカチオンは、より具体的には、例えば下記の一般式（３）〜（５）で表すことができる。
【００７２】
【化５】
2010040252.tif 000005
【００７３】
（式中、Ｒ１、Ｒ４及びＲ５は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Ｚ１は、それぞれ独立して酸素原子（Ｏ）、硫黄原子（Ｓ）、ＮＲ２基（Ｒ２は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）又はＰＲ３基（Ｒ３は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）、Ｚ２は、それぞれ独立してカルボニル基（ＣＯ）、スルホニル基（ＳＯ２）又はジフルオロメチレン基（ＣＦ２）を示し、ａ及びｂはそれぞれ０〜４の整数を表し、０≦ａ≦４、０≦ｂ≦４、１≦ａ＋ｂ≦４の関係を満足する。）
【００７４】
【化６】
2010040252.tif 000006
【００７５】
（式中、Ｒ１、Ｒ４及びＲ５は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Ｚ１は、それぞれ独立して酸素原子（Ｏ）、硫黄原子（Ｓ）、ＮＲ２基（Ｒ２は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）又はＰＲ３基（Ｒ３は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）、Ｚ２は、それぞれ独立してカルボニル基（ＣＯ）、スルホニル基（ＳＯ２）又はジフルオロメチレン基（ＣＦ２）を示し、ｃ及びｄはそれぞれ０〜４の整数を表し、０≦ｃ≦４、０≦ｄ≦４、１≦ｃ＋ｄ≦４の関係を満足する。）
【００７６】
【化７】
2010040252.tif 000007
【００７７】
（式中、Ｒ１、Ｒ４及びＲ５は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子、又は非置換若しくは置換の炭化水素基、Ｚ１は、それぞれ独立して酸素原子（Ｏ）、硫黄原子（Ｓ）、ＮＲ２基（Ｒ２は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）又はＰＲ３基（Ｒ３は、それぞれ独立して水素原子、ハロゲン原子又は非置換若しくは置換の炭化水素基を示す。）、Ｚ２は、それぞれ独立してカルボニル基（ＣＯ）、スルホニル基（ＳＯ２）又はジフルオロメチレン基（ＣＦ２）を示し、ｅ及びｆはそれぞれ０〜４の整数を表し、０≦ｅ≦３、０≦ｆ≦３、１≦ｅ＋ｆ≦３の関係を満足する。）
【００７８】
なお、式中のハロゲン原子、非置換の炭化水素基又は置換の炭化水素基は、上述したものと同様のものを挙げることができる。
また、上記オニウムカチオンはそれぞれを単独で又は混合して用いることができる。
【００７９】
上記オニウムカチオンにおいては、アンモニウムカチオンの窒素原子に比べて、ホスホニウムカチオンのリン原子がプラスの電荷の偏りがより大きく、水との水素結合を形成し易く、水からプロトンを放出し易くなり、イオン伝導性が向上するため、ホスホニウムカチオンを適用することが好ましい。
また、ホスホニウムカチオンは化学的に安定であり、任意のアニオン成分との組み合わせが可能であるため好ましい。更に、ホスホニウムカチオンは工業的に多用されており、低コストであるため好ましい。
【００８０】
上記一般式（１）等の式中のＺ１は、カチオン成分の立体構造の観点や、水との水素結合の形成のし易さの観点から、酸素原子（Ｏ）や硫黄原子（Ｓ）であることが望ましい。
特に、Ｚ１が酸素原子（Ｏ）であると、電気陰性度が大きく、水と水素結合を形成し、水からプロトンを放出し易くなりイオン伝導性が向上するため、Ｚ１が酸素原子（Ｏ）であることが好ましい。
なお、水はイオン伝導体の使用時に含まれていればよく、含有させるに際して、その方法について特に限定されるものではなく、従来公知の方法を利用することができる。具体的には、イオン伝導体を燃料電池の電解質として使用する場合には、供給するガスに例えば水を含有させてもよい。また、イオン伝導体に水を予め含有させてもよい。更に、燃料電池発電中に生成する生成水を含有させてもよい。
一方、上記一般式（２）の式中のＺ２は、カチオン成分の立体構造の観点や、水との水素結合の形成のし易さの観点から、カルボニル基（ＣＯ）やスルホニル基（ＳＯ２）であることが望ましい。
【００８１】
更に、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質以外の電解質が、カチオン成分として、１級オニウムカチオン、２級オニウムカチオン若しくは３級オニウムカチオン又はこれらの任意の組み合わせに係るものを含むことが望ましい。
ここで、１級オニウムカチオンとは、オニウムカチオンの水素の一つが他の元素などによりを置換されたものであり、２級オニウムカチオン及び３級オニウムカチオンとは、それぞれオニウムカチオンの水素の２つ及び３つが他の元素などにより置換されたものである。
このような構成とすることにより、高いイオン伝導性と優れた耐久性を発揮することができる。
具体的はに、プロトン伝導種が１級、２級又は３級のオニウムカチオンであることによって、高いプロトン伝導性と燃料電池反応である水素酸化反応、酸素還元反応に対する高い反応性を得ることができる。また、例えばアニオン成分がイミド酸アニオンであることで、水に対する相溶性を低くすることが容易となり、水による電解質の溶出に対して高い耐久性を得ることができる。
【００８２】
また、上記イオン伝導体においては、例えば水に対する相溶性の異なる２種以上の電解質のうち水に対する相溶性が最も低い電解質が、アニオン成分として、オキソ酸型アニオン、イミド酸型アニオン、チオ酸型アニオン若しくはハロゲン化水素酸型アニオン又はこれらの任意の組み合わせに係るものを含むことが望ましい。
上記アニオン成分であると、化学的安定性や耐熱性に優れるものとなる。
【００８３】
上記アニオン成分の更に具体的な例としては、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド酸アニオン（（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−）などのイミド酸型アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン（ＣＦ３ＳＯ３−）や硫酸アルキルアニオン（ＲＯＳＯ３−）、硫酸水素アニオン（ＨＳＯ４−）、リン酸二水素アニオン（Ｈ２ＰＯ４−）などのオキソ酸型アニオンを挙げることができる。これらは単独で又は混合して用いることができる。
上記アニオン成分であると、優れたイオン伝導性が得られ、更に、水素酸化反応や酸素還元反応に対する反応性に優れるものとなる。
【００８４】
次に、本発明の電気化学セルについて詳細に説明する。
本発明の電気化学セルは、上記本発明のイオン伝導体を用いたものであって、例えば燃料電池、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、ガスセンサーなどを挙げることができる。
このような電気化学セルは、イオン伝導体における例えばプロトンなどのイオン伝導性が向上し、セルの内部抵抗を低減することが可能となる。
これらの典型例としては燃料電池を挙げることができる。
【００８５】
次に、本発明の燃料電池について詳細に説明する。
本発明の燃料電池は、上記本発明のイオン伝導体を用いたものであって、例えば低温から中温の範囲に動作温度がある燃料電池を挙げることができる。
このような燃料電池は、イオン伝導体におけるプロトン伝導性を向上し、電池の内部抵抗を低減することができるため、燃料電池の出力を向上させることができる。
【実施例】
【００８６】
［構成材料の準備］
（１）電解質の合成
（１−１）エトキシメチル（トリ−ｎ−ブチル）ホスホニウム  ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドの合成
クロロメチルエチルエーテルを５倍量のエタノールに溶解して、エタノール溶液を得た。エタノール溶液に、クロロメチルエチルエーテルと等モル量のトリ−ｎ−ブチルホスフィンを加えて、混合物を得た。混合物を８０℃で２２時間撹拌して、反応液を得た。
反応液を室温まで冷却した後、反応液にヘキサンを加えて沈殿を析出させた。沈殿物をろ過回収し、減圧乾燥して、塩素塩を得た。
塩素塩をエタノールに溶解し、更にクロロメチルエチルエーテルと等モル量のリチウム  ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドを加えて、混合物を得た。混合物を室温で１７時間撹拌して、反応液を得た。
反応液中に生成したリチウムクロライドの沈殿物をろ過により除去した。ろ液を凍結乾燥し、溶媒を除去して、オイル状の化合物を得た。
化合物をアセトンに溶解し、活性炭処理し、活性炭をろ過により除去した。ろ液をアルミナカラムにより精製し、５０℃で減圧乾燥をして、エトキシメチル（トリ−ｎ−ブチル）ホスホニウム  ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（以下、「電解質α」という。）を得た。
【００８７】
（１−２）ジエチルメチルアンモニウム  トリフルオロメタンスルホネートの合成
アルゴン雰囲気のグローブボックス中でジエチルメチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸とを等モル量となるよう秤量した。秤量後、液体窒素で冷却しながら、秤量したジエチルメチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸とを混合し、撹拌して、ジエチルメチルアンモニウム  トリフルオロメタンスルホネート（以下、「電解質β」という。）を得た。
【００８８】
（２）ゲル状の電解質の作製
（２−１）ゲル状の電解質αの作製
まず、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）に、電解質αを（ＭＭＡ：電解質１＝７：３（モル比）となるように加えて、混合液を調製した。
次いで、調製した混合液に、ラジカル重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリルを０．５質量％となるように加えて、ゲル状電解質前駆体溶液を調製した。
しかる後、調製したゲル状電解質前駆体溶液をガラスシャーレ上にキャストし、８０℃で１２時間重合反応を行った。
反応終了後、室温で３時間乾燥を行い、更に１００℃で１２時間減圧乾燥を行って、ゲル状の電解質膜αを作製した。
なお、膜厚は１０μｍのものと１００μｍのものを作製した。
【００８９】
（２−２）ゲル状の電解質βの作製
まず、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）に、電解質βを（ＭＭＡ：電解質２＝７：３（モル比）となるように加えて、混合液を調製した。
次いで、調製した混合液に、ラジカル重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリルを０．５質量％となるように加えて、ゲル状電解質前駆体溶液を調製した。
しかる後、調製したゲル状電解質前駆体溶液をガラスシャーレ上にキャストし、８０℃で１２時間重合反応を行った。
反応終了後、室温で３時間乾燥を行い、更に１００℃で１２時間減圧乾燥を行って、ゲル状の電解質膜βを作製した。なお、膜厚は９０μｍのものと１００μｍのものを作製した。
【００９０】
（３）水に対する相溶性の評価
（３−１）ゲル状の電解質膜αにおける電解質αの保持率の測定
ゲル状の電解質膜αから試験片（１ｃｍ×３ｃｍ×１００μｍ）を切り出し、ゲル状の電解質膜αの質量を測定した。
次いで、ゲル状の電解質膜αをイオン交換水に２４時間浸漬し、取り出した後、１００℃で、１２時間乾燥し、ゲル状の電解質膜αの質量を測定した。電解質の保持率は下記の式［１］により算出することができる。得られた結果を図８に示す。
【００９１】
【数２】
2010040252.tif 000008
【００９２】
（３−２）ゲル状の電解質膜βにおける電解質βの保持率の測定
ゲル状の電解質膜βから試験片（１ｃｍ×３ｃｍ×１００μｍ）を切り出し、ゲル状の電解質膜βの質量を測定した。
次いで、ゲル状の電解質膜βをイオン交換水に２４時間浸漬し、取り出した後、１００℃で、１２時間乾燥し、ゲル状の電解質膜βの質量を測定した。電解質の保持率を式［１］により算出した。得られた結果を図８に示す。
【００９３】
（３−３）電解質α及び電解質βの水に対する相溶性の評価
図８より、電解質の保持率は、ゲル状の電解質膜βに比べてゲル状の電解質膜αの方が高いことが分かる。これより、電解質αに比べて電解質βの方が水に対する相溶性が高いことが分かる。
なお、ゲル状の電解質αでは、イオン交換水への浸漬試験から一定時間後においても、ほとんど水への電解質の溶出が観察されなかった。
一方、ゲル状の電解質βでは、イオン交換水への浸漬試験から一定時間後にはほぼすべての電解質が水へ抜け出していることが分かった。
これらの結果からも、水に対する相溶性の低いゲル（エトキシメチル（トリ−ｎ−ブチル）ホスホニウム  ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドのゲル）をカソード側に配置することによって、燃料電池の発電試験におけるカソードでの生成水に対する高い耐久性を示すことが分かる。
【００９４】
（実施例１）
［イオン伝導体の作製］
ゲル状の電解質膜α（膜厚：１０μｍ）とゲル状の電解質膜β（膜厚：９０μｍ）とを接触させ、本例のイオン伝導体（膜厚：１００μｍ）を得た。
【００９５】
［燃料電池の作製］
得られたイオン伝導体を用いて、図６に示すような、本例の燃料電池の単セルを得た。
具体的には、まず、電極触媒としての４０質量％白金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製）１５０質量部と、グリセロール１質量部と、５質量％ナフィオン（登録商標）溶液（デュポン株式会社製）１質量とを７５０質量部の水に添加し、超音波処理により、分散させて、カソード側の触媒層形成用スラリー及びアノード側の触媒層形成用スラリーを作製した。
次いで、カソード側のガス拡散層及びアノード側のガス拡散層としての撥水処理済カーボンペーパー（東レ株式会社製、ＴＧＰ−Ｈ０９０）に、それぞれカソード側の触媒層形成用スラリー及びアノード側の触媒層形成用スラリーを白金量が２ｍｇ／ｃｍ２となるようにスプレーコータ装置を用いて塗布し、焼成炉を用いて、空気雰囲気中、３５０℃で３０分間焼成して、触媒層及びガス拡散層を有するアノード及びカソードを作製した。
なお、電極面積は４ｃｍ２とした。
しかる後、エトキシメチル（トリ−ｎ−ブチル）ホスホニウム  ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドのゲル状の電解質膜がカソード側に配置されるように、アノード及びカソードで挟持して接触させることにより、ＭＥＡを作製した（これを単セルとした。）。
【００９６】
（比較例１）
［イオン伝導体の作製］
ゲル状の電解質β（膜厚：１００μｍ）を、本例のイオン伝導体（膜厚：１００μｍ）とした。
【００９７】
得られたイオン伝導体を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、図９に示すような、本例の燃料電池の単セルを得た。
【００９８】
（比較例２）
［イオン伝導体の作製］
ゲル状の電解質α（膜厚：１００μｍ）を、本例のイオン伝導体（膜厚：１００μｍ）とした。
【００９９】
得られたイオン伝導体を用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、図１０に示すような、本例の燃料電池の単セルを得た。
【０１００】
［性能評価］
図１１に示すように、水に対する相溶性の低い電解質膜を空気極側として、水素及び酸素をセル内にフローして、発電試験を行った。一定電流値でのセル電圧を比較した結果を図１２に示す。
なお、セル電圧は、発電開始直後のものであり、実施例１のセル電圧値を基準とした相対値である。
【０１０１】
図１２より、本発明の範囲に含まれる実施例１は、本発明外の比較例１と比較してほぼ同等の発電電圧を実現できることが分かる。また、実施例１は、本発明外の比較例２と比較して著しく高い発電電圧を実現できることが分かる。なお、図示していないが、実施例１は、図１２に示した発電電圧を長時間維持できたのに対して、比較例１は、図１２に示した発電電圧を極短時間しか維持することができなかった。
これは、実施例１においては、燃料電池発電により生成する水との相溶性がきわめて低いことから、生成水への溶解による電解質の抜け出しが抑制されてイオン伝導体の水への耐久性が大きく向上したためと考えられる。更に、水との相溶性の高い電解質を用いた場合とほぼ同等の発電性能が得られることから、本発明の目的としている高温・無加湿条件下で、優れた燃料電池発電特性を示し、更に耐久性の優れた燃料電池用イオン伝導体として有用であることが分かる。
【０１０２】
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【０１０３】
例えば、上述の実施形態及び実施例においては、イオン伝導体を燃料電池の電解質として用いる場合について説明したが、イオン伝導体を例えば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、ガスセンサーなどの電解質として用いることもできる。
【０１０４】
また、例えば水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解などに適用する場合には、陽極側に水との相溶性の低い膜状の電解質を配置する。このような配置とすることによって、陽極側に供給される水の影響を受け難くすることができ、電解質の水への溶出を効果的に抑制することができ、優れた耐久性を発揮することができる。即ち、耐久性に優れた電解装置となる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明のイオン伝導体の第１の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】本発明のイオン伝導体の第２の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図３】本発明のイオン伝導体の第３の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図４】本発明のイオン伝導体の第４の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図５】本発明のイオン伝導体の第５の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図６】本発明のイオン伝導体の第６の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図７】本発明のイオン伝導体の第７の実施形態の概略的な構成の一例を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）及び断面図（ｃ）である。
【図８】水に対する相溶性の評価の結果を示すグラフである。
【図９】比較例１のイオン伝導体の概略的な構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１０】比較例２のイオン伝導体の概略的な構成を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１１】発電試験の要領を示す概略断面図である。
【図１２】発電試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０６】
１０              イオン伝導体
１１，１３，１５  電解質
２０              カソード（空気極）
２１，３１        触媒層
２３，３３        ガス拡散層
３０              アノード（燃料極）
４０              セパレータ
４１              カソードガス流路
４１ａ            カソードガス入口
４１ｂ            カソードガス出口
４３              アノードガス流路  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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