(57)【要約】【課題】１００℃より高い温度においても、優れたイオン伝導性を有すると共に、優れた強度を有するイオン伝導体、これを備えたエネルギーデバイス及び燃料電池を提供すること。【解決手段】有機多孔体と、電解質材料とを含有して成り、有機多孔体は、孔を有し、その孔内に該電解質材料を保持し、その電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含有するイオン伝導体である。ポリイミドから成る有機多孔体と、イオン液体とを含有して成り、ポリイミドから成る有機多孔体は、孔を有し、その孔内にイオン液体を保持し、そのイオン液体は、カチオン成分とアニオン成分を含有するイオン伝導体である。  イオン伝導体を備えるエネルギーデバイスである。  イオン伝導体を備える燃料電池である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機多孔体と、電解質材料と、を含有して成るイオン伝導体であって、
上記有機多孔体は、孔を有し、該孔内に上記電解質材料を保持し、
上記電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含有する、ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項２】
上記有機多孔体は、略均一な内径を備えた球状をなし、当該有機多孔体の内部に３次元的に配置された複数の孔を有すると共に、これら球状孔同士が隣接する球状孔との間に形成された連通口を介して互いに連通してい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】
上記有機多孔体は、気孔率が７０〜９０体積％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。
【請求項４】
上記有機多孔体は、ポリイミドから成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】
上記ポリイミドは、原料がポリアミック酸であることを特徴とする請求項４に記載のイオン伝導体。
【請求項６】
上記電解質材料が、イオン液体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】
上記カチオン成分が、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、アンモニウム誘導体カチオン、ホスフォニウム誘導体カチオン、グアニジニウム誘導体カチオン、イソウロニウム誘導体カチオン及びチオウレア誘導体カチオンから成る群より選ばれた少なくとも１種を含有する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】
上記アニオン成分が、ハロゲン類アニオン、硫酸塩類アニオン、スルホン酸塩類アニオン、アミド類アニオン、イミド類アニオン、メタン類アニオン、ホウ酸塩類アニオン、リン酸塩類アニオン及びアンチモン類アニオンから成る群より選ばれた少なくとも１種を含有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。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を備えることを特徴とするエネルギーデバイス。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を備え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、エネルギーデバイス及び燃料電池に係り、更に詳細には、有機多孔体と電解質材料とを含有して成るイオン伝導体、これを備えたエネルギーデバイス及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜として、イオン液体を浸透した、カチオン伝導性又はプロトン伝導性のセラミック膜が提案されている（特許文献１参照。）。
この膜は、特許文献２に記載された多孔質で柔軟なセラミック膜を、イオン伝導性を示すように改質し、その後、イオン液体で処理して得られる。
また、この膜は、イオン液体の使用により、１００℃より高い温度で極めて良好なプロトン伝導性又はカチオン伝導性を有する。
更に、この膜は、柔軟性を維持し、燃料電池の電解質膜として使用できる。
【特許文献１】特表２００４−５１５３５１号公報
【特許文献２】ＰＣＴ／ＥＰ９８／０５９３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このようなセラミック膜とイオン液体とを組み合せた従来の膜では、セラミックが脆弱性を有するため、強度が低いという問題点があった。
【０００４】
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、１００℃より高い温度においても、優れたイオン伝導性を有すると共に、優れた強度を有するイオン伝導体、これを備え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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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ところ、有機多孔体の孔内にイオン伝導性に優れた電解質材料を保持させることなどにより、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。
【０００６】
即ち、本発明のイオン伝導体は、有機多孔体と、電解質材料とを含有して成り、該有機多孔体は、孔を有し、該孔内に該電解質材料を保持し、該電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のイオン伝導体の好適形態は、有機多孔体と、電解質材料とを含有して成り、該有機多孔体は、略均一な内径を備えた球状をなし、該有機多孔体の内部に３次元的に配置された複数の孔を有すると共に、これら球状孔同士が隣接する球状孔との間に形成された連通口を介して互いに連通しており、該球状孔内に該電解質材料を保持し、該電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含有することを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記電解質材料がイオン液体であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のエネルギーデバイスは、上記本発明のイオン伝導体を備えることを特徴とする。
【００１０】
更に、本発明の燃料電池は、上記本発明のイオン伝導体を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、有機多孔体の孔内にイオン伝導性に優れた電解質材料を保持させることなどとしたため、１００℃より高い温度においても、優れたイオン伝導性を有すると共に、優れた強度を有するイオン伝導体、これを備えたエネルギーデバイス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】
【００１２】
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、濃度及び含有量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表わすものとする。
上述の如く、本発明のイオン伝導体は、有機多孔体と、電解質材料とを含有して成るイオン伝導体であって、その有機多孔体は、孔を有し、その孔内にその電解質材料を保持し、その電解質材料は、カチオン成分とアニオン成分を含有し、例えば燃料電池の電解質膜などとして好適に用いることができるものである。
【００１３】
ここで、本発明のイオン伝導体を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のイオン伝導体の一実施形態の断面構造を示す概略図である。同図に示すように、イオン伝導体１０は、有機多孔体１２と、電解質材料１４とを含有する。そして、有機多孔体１２は、その孔１２ａ内に電解質材料１４を保持している。また、図示しないが、電解質材料１４は、カチオン成分とアニオン成分を含有している。なお、図１の符号２０は、必要に応じて当該イオン伝導体１０を挟持するように配設される電極を示す。
また、図２は、上記有機多孔体１２の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【００１４】
このように、カチオン成分とアニオン成分を含有する電解質材料を有機多孔体の孔内に保持させることにより、１００℃より高い温度においても、高いイオン伝導性を有すると共に、優れた強度を有するイオン伝導体となる。
また、従来のフッ素系電解質より、安価な材料で構成できるため、より普及に適した安価なイオン伝導体が得られるという副次的な効果も得られる。
【００１５】
また、本発明においては、図１に示したように、上記有機多孔体１２の有する複数の孔１２ａが球状であること、この球状の孔１２ａの内径がほぼ均一で、隣接する球状の孔１２ａ同士が連通していることが好適である。換言すれば、有機多孔体１２の内部に球状の孔１２ａが３次元的に存在し、隣接する球状の孔１２ａ同士が連通口を介して連通していることが望ましい。なお、電解質材料１４は、上記球状の孔１２ａ間に形成された連通口を介して充填することができる。
【００１６】
このように、有機多孔体１２の内部に電解質材料１４が規則的に保持されることで、両材料がコンポジット化され、全体的なイオン伝導率をより向上させることができる。
また、湿潤状態においては、有機多孔体１２が電解質材料１４の膨潤を抑制する。特に、有機多孔体１２の内部に存在する球状の孔１２ａが、ほぼ均一な内径で構成されることにより、電解質材料１４の含水時における膨潤に対して、有機体孔体１２が均質且つ分散された膨潤力を受けることから、イオン伝導体１０の局所的な破損を抑制することができる。換言すれば、有機多孔体１２の球状の孔１２ａが３次元規則配列構造をとることによって、電解質材料１４の膨潤圧が有機多孔体１２に均等にかかった状態で、電解質材料１４を支持することができる。
【００１７】
更に、本発明においては、特に限定されるものではないが、上記有機多孔体１２の気孔率が７０〜９０体積％であることが好ましい。気孔率が７０体積％未満の場合には、電解質材料１４の充填率が低く、十分なイオン伝導性を発揮できないことがある。また、気孔率が９０体積％超の場合には、高い強度を維持できないことがある。
【００１８】
また、本発明においては、上記有機多孔体１２が、例えばポリイミドから成るものであることが望ましい。ポリイミドは耐熱性、機械的強度、電気的特性及び耐化学薬品性などに優れたものであり、有機体孔体の膜を構成する材料として望ましいものであるからであるが、これに限定されるものではない。即ち、有機多孔体は、耐熱性、機械的強度、電気的特性及び耐化学薬品性などの性能に優れたものであれば、例えばポリテトラフルオロエチレンやポリエーテルエーテルケトンなどを用いることもでき、これらを単独で又はポリイミドと共重合や混合させて用いることもできる。
【００１９】
更に、本発明においては、上記ポリイミドから成る有機多孔体を作製する際に、例えば原料として種々のポリアミック酸を用いることができる。
このように、ポリアミック酸を用いることにより、所望の有機多孔体を簡易に得ることができる。
【００２０】
また、本発明においては、上記電解質材料１４として、優れた熱安定性（不揮発性である、蒸気圧が極めて低いこと、難燃性であること、高い熱分解温度（２５０〜４００℃以上）を有すること、低い凝固点温度（−２０℃以下）を有するなど広い温度域で液体であること、などが挙げられる。）、高イオン密度、大熱容量などの観点から、イオン液体を使用することが好適である。
また、例えば電解質材料を有機多孔体に含浸させて保持させる場合に、電解質材料を溶解する必要がなく、ハンドリングやイオン伝導体を形成するプロセスを簡略化することができる。
なお、イオン液体として、イオン性液体、常温溶融塩とも呼称されるイオン伝導性を有する低融点の「塩」であって、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せることにより得られる比較的低融点の特性を示すものをいう。これらは、英語では“Ｉｏｎｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ”と表現され、最近、専門家の間で「イオン液体」との呼称に統一する動きができていることから、本明細書では、イオン液体との呼称に統一する。
【００２１】
更に、本発明においては、上記電解質材料１４のカチオン成分として、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン、アンモニウム誘導体カチオン、ホスフォニウム誘導体カチオン、グアニジニウム誘導体カチオン、イソウロニウム誘導体カチオン又はチオウレア誘導体カチオン、及びこれらの任意の組み合せに係る混合物を用いることができる。
【００２２】
上記イミダゾリウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式（１）〜（３）で表される１置換イミダゾリウム誘導体カチオン…（１）、２置換イミダゾリウム誘導体カチオン…（２）、及び３置換イミダゾリウム誘導体カチオン…（３）などを挙げることができる。
【００２３】
【化１】
2008034212.tif 000002
【００２４】
上記式（１）中のＲは、炭素数が１〜１８であるアルキル基、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。
これらのうち、特にＲがメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基又はブチル基であるものを好適に用いることができる。
【００２５】
【化２】
2008034212.tif 000003
【００２６】
上記式（２）中のＲ１及びＲ２の少なくとも１つは、炭素数が１〜１８であるアルキル基、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。
これらのうち、特にＲ１及びＲ２の少なくとも１つがメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、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、オクタデシル基又はベンジル基であるものを好適に用いることができる。
【００２７】
【化３】
2008034212.tif 000004
【００２８】
上記式（３）中のＲ１、Ｒ２及びＲ３は、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数が１〜１８であるアルキル基、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若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にＲ１及びＲ２がメチル基であり、Ｒ３が水素原子、又はメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基若しくはヘキシル基であるものを好適に用いることができる。
【００２９】
上記ピリジニウム誘導体カチオンとしては、例えば、次の化学式（４）で表されるピリジニウム誘導体カチオンを挙げることができる。
【００３０】
【化４】
2008034212.tif 000005
【００３１】
上記式（４）中のＲ１は、炭素数が１〜１８であるアルキル基、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若しくは複素環式基を示し、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、全てが水素原子、又は少なくとも１つが水素原子、残りが炭素数１〜１８であるアルキル基、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若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にＲ１がエチル基、ブチル基、ヘキシル基又はオクチル基であり、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の全てが水素原子であるもの、又は１つ若しくは２つがメチル基であるものを好適に用いることができる。
【００３２】
上記ピロリジニウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式（５）で表されるピロリジニウム誘導体カチオンを挙げることができる。
【００３３】
【化５】
2008034212.tif 000006
【００３４】
上記式（５）中のＲ１及びＲ２の少なくとも１つは、炭素数が１〜１８であるアルキル基、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。
これらのうち、特にＲ１及びＲ２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であるものを好適に用いることができる。更には、Ｒ１及びＲ２のうちいずれか一方が水素原子であってもよい。
【００３５】
上記アンモニウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式（６）で表されるアンモニウム誘導体カチオンを挙げることができる。
【００３６】
【化６】
2008034212.tif 000007
【００３７】
上記式（６）中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、それぞれ独立して、炭素数が１〜１８であるアルキル基、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。
これらのうち、特にＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の全てが、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つ若しくは２つがエチル基、ブチル基又はメトキシエチル基であるものを好適に用いることができる。
【００３８】
上記ホスフォニウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式（７）で表されるホスフォニウム誘導体カチオンを挙げることができる。
【００３９】
【化７】
2008034212.tif 000008
【００４０】
上記式（７）中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、それぞれ独立して、炭素数が１〜１８であるアルキル基、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。
これらのうち、特にＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の全てがブチル基であるものや、ヘキシル基と、少なくとも１つのテトラデシル基を有するものを好適に用いることができる。
【００４１】
上記グアニジニウム誘導体カチオンとしては、例えば次の化学式（８）〜（１０）で表されるグアニジニウム誘導体カチオンを挙げることができる。
【００４２】
【化８】
2008034212.tif 000009
【００４３】
上記式（８）中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５及びＲ６は、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数が１〜１８であるアルキル基、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若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５及びＲ６の全てが水素原子であるものや、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５及びＲ６のうちいずれか１つがメチル基、イソプロピル基又はフェニル基であるものを好適に用いることができる。
【００４４】
【化９】
2008034212.tif 000010
【００４５】
上記式（９）中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びＲ５は、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数が１〜１８であるアルキル基、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若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びＲ５の全てがメチル基であるものや、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４がメチル基であり、Ｒ５がエチル基であるものを好適に用いることができる。
【００４６】
【化１０】
2008034212.tif 000011
【００４７】
上記式（１０）中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びＲ５は、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数が１〜１８であるアルキル基、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若しくは複素環式基を示す。
これらのうち、特にＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４がメチル基であり、Ｒ５がエチル基であるものを好適に用いることができる。
【００４８】
更にまた、本発明においては、上記電解質材料１４のアニオン成分として、ハロゲン類アニオン、硫酸塩類アニオン、スルホン酸塩類アニオン、アミド類アニオン、イミド類アニオン、メタン類アニオン、ホウ酸塩類アニオン、リン酸塩類アニオン又はアンチモン類アニオン、及びこれらの任意の組み合せに係る混合物を用いることができる。
【００４９】
上記ハロゲン類アニオンとしては、例えば次の化学式（１１）〜（１３）で表されるハロゲン類アニオン、Ｃｌ−…（１１）、Ｂｒ−…（１２）及びＩ−…（１３）などを挙げることができる。
【００５０】
また、上記硫酸塩類アニオンやスルホン酸塩類アニオンとしては、例えば次の化学式（１４）〜（２２）で表される硫酸塩類アニオンやスルホン酸塩類アニオン、ＳＯ４２−…（１４）、ＨＳＯ４−…（１５）、ＣＨ３ＳＯ４−…（１６）、Ｃ２Ｈ５ＳＯ４−…（１７）、Ｃ４Ｈ９ＳＯ４−…（１８）、Ｃ６Ｈ１３ＳＯ４−…（１９）、Ｃ８Ｈ１７ＳＯ４−…（２０）、ＣＦ３ＳＯ３−…（２１）、及び
【００５１】
【化１１】
2008034212.tif 000012
【００５２】
などを挙げることができる。
【００５３】
更に、上記アミド類アニオンやイミド類アニオンとしては、例えば次の化学式（２３）〜（２５）で表されるアミド類アニオンやイミド類アニオン、（ＣＮ）２Ｎ−…（２３）、［Ｎ（ＣＦ３）２）］−…（２４）、及び［Ｎ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−…（２５）などを挙げることができる。
【００５４】
また、上記メタン類アニオンとしては、例えば次の化学式（２６）及び（２７）で表されるメタン類アニオン、［ＨＣ（ＳＯ２ＣＦ３）２］−…（２６）、及びＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３−…（２７）などを挙げることができる。
【００５５】
更に、上記ホウ酸塩類アニオンとしては、例えば次の化学式（２８）〜（３４）で表されるホウ酸塩類アニオン、ＢＦ４−…（２８）、Ｂ（ＣＮ）４−…（２９）、
【００５６】
【化１２】
2008034212.tif 000013
【００５７】
【化１３】
2008034212.tif 000014
【００５８】
【化１４】
2008034212.tif 000015
【００５９】
【化１５】
2008034212.tif 000016
【００６０】
【化１６】
2008034212.tif 000017
【００６１】
などを挙げることができる。
【００６２】
また、上記リン酸塩類アニオンとしては、例えば次の化学式（３５）〜（４３）で表されるリン酸塩類アニオン、ＰＯ４３−…（３５）、ＨＰＯ４２−…（３６）、（Ｃ２Ｆ５）ＰＯ４−…（３７）、（Ｃ２Ｆ５）２Ｐ（Ｏ）Ｏ−…（３８）、ＰＦ６−…（３９）、（Ｃ２Ｆ５）３ＰＦ３−…（４０）、（Ｃ３Ｆ７）３ＰＦ３−…（４１）、（Ｃ４Ｆ９）３ＰＦ３−…（４２）、及び
【００６３】
【化１７】
2008034212.tif 000018
【００６４】
などを挙げることができる。
【００６５】
更に、上記アンチモン類アニオンとしては、例えば次の化学式（４４）で表されるアンチモン類アニオン、ＳｂＦ６−…（４４）などを挙げることができる。
【００６６】
更にまた、その他の塩のアニオンとしては、例えば次の化学式（４５）〜（４７）で表されるその他の塩のアニオン、Ｃ１０Ｈ２１ＣＯＯ−…（４５）、ＣＦ３ＣＯＯ−…（４６）、及びＣｏ（ＣＯ）４−…（４７）などを挙げることができる。
なお、上記式（１４）、（３５）及び（３６）で表される多価アニオンについても、好適に用いることができる。
そして、上述のカチオン成分及びアニオン成分は、それぞれ単独で使用するばかりでなく、２種以上を適宜組み合せて使用することもできる。
【００６７】
また、上記電極２０としては、特に限定されるものではないが、例えば白金、ルテニウム等の貴金属、ロジウム、グラッシーカーボンなどの電極触媒成分を含むことが望ましい。このような電極は、例えばカーボンペーパー、カーボングラック、これらにポリテトラフルオロエチレンを混合したものなどの担持基材を介して高分散させることが望ましい。
【００６８】
ここで、本発明のイオン伝導体の製造方法の一例について説明する。
図３は、シリカテンプレートの作製手順の一例を示す工程図である。同図に示すような工程によってシリカテンプレートを作製する。具体的には、まず、分散媒と球状シリカ粒子懸濁液とを用意し、これらを混合する。次いで、この混合液を濾過して、成膜する。しかる後、得られた濾過成形膜を焼成して、図中に模式的に示したようなシリカテンプレートを得る。
【００６９】
ここで、上記分散媒としては、特に限定されるものではないが、例えば水やエタノールなどを用いることができる。
また、球状シリカ粒子としては、特に限定されるものではないが、例えば直径が１０〜１０００ｎｍであるものを好適に用いることができる。直径が１０ｎｍ未満であると、粒子径の分布が均質に整った粒子を安価に入手することが困難となる。一方、直径が１０００ｎｍを超える場合には、有機多孔体の構造が均質なものと成り難い。
更に、混合液を濾過する際には、特に限定されるものではないが、例えば大気圧に対して大きくても１０ｋＰａ以下の圧力となるように減圧して、濾過することが好ましい。
更にまた、濾過成形膜を焼成する際には、特に限定されるものではないが、例えばシリカを十分に焼成させるために、少なくとも８００℃以上で３０分間熱処理し、機械的強度を向上させるために、少なくとも９００℃以上で４時間熱処理すればよい。
【００７０】
図４は、有機多孔体の作製手順の一例を示す工程図である。同図に示すような工程によって有機多孔体を作製する。具体的には、まず、上記得られたシリカテンプレートを、溶媒希釈したポリアミック酸溶液に浸漬する。次いで、減圧乾燥し、溶媒を揮発させる。更に、熱処理により、ポリアミック酸を加熱重合させてポリイミドとし、ポリイミドとシリカテンプレートとのコンポジット膜とする。しかる後、コンポジット膜からシリカテンプレートを除去して、ポリイミドから成る有機多孔体を得る。
【００７１】
ここで、溶媒としては、ポリアミック酸を溶解し得れば特に限定されるものではないが、例えばジメチルアセトアミドやジメチルスルフォキシド、Ｎ‐メチル‐２‐ピロリドン、ｍ‐クレゾールなどを用いることができる。
また、ポリアミック酸としては、−Ｃ６Ｈ４−Ｏ−Ｃ６Ｈ４−（＝Ｒ）の構造を有するものを示したが、これに限定されるものではない。即ち、次の化学式（４８）〜（５０）で表されるＲの構造を有するものなどを用いてもよい。
【００７２】
【化１８】
2008034212.tif 000019
【００７３】
【化１９】
2008034212.tif 000020
【００７４】
【化２０】
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【００７５】
更に、その重合度ｎについても特に限定されるものではないが、例えば図４中の構造を有するポリアミック酸においてはｎ＝２５００〜３５００であるものを用いることができる。このような範囲においては、所望の有機多孔体を得やすい。
また、ポリアミック酸を加熱重合させる際には、特に限定されるものではないが、例えば約３００℃程度でポリアミック酸の量に合わせて適宜の時間熱処理すればよい。
更に、ポリイミドの重合度ｎについても特に限定されるものではないが、例えばｎ＝５００〜５０００であることが好ましい。ｎが５００未満の場合には形成したポリイミド孔体の機械的強度に問題が生じる可能性があり、５０００を超える場合には、テンプレートの空隙に導入できない可能性がある。
更にまた、コンポジット膜からシリカテンプレートを除去する際には、特に限定されるものではないが、例えばフッ化水素溶液で処理すればよい。
【００７６】
図５は、イオン伝導体の作製要領の一例を示す説明図である。同図に示すように、まず、上記得られた有機多孔体と容器に入れた電解質材料とを用意し、有機多孔体を電解質材料に浸漬し、デシケータ内を減圧して、有機多孔体に電解質材料を含浸させ、コンポジット化されたイオン伝導体を作製する。
ここで、電解質材料としては、上述したカチオン成分やアニオン成分を含むもの、好ましくは上述したカチオン成分やアニオン成分を含むイオン液体を適宜用いることができる。
【００７７】
次に、本発明のエネルギーデバイスについて説明する。
本発明のエネルギーデバイスは、上述した本発明のイオン伝導体を適用して構成される。このときは、他の制御手段と組み合せて適宜システム化することができる。
代表的には、燃料電池（単セル又はスタック構造体）、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、温度センサー、ガスセンサーなどが挙げられる。
【実施例】
【００７８】
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。
【００７９】
（実施例１−１）
＜シリカテンプレートの作製＞
まず、図３に示すような操作を行い、膜状のシリカテンプレートを作製した。具体的には、平均直径５５０ｎｍの球状シリカ粒子を含むコロイダルシリカ２ｍｌ（シリカ粒子の含有量：２０．５％）と、分散媒としての水３０ｍｌとを混合し、それら粒子を均一に分散させるために超音波撹拌した。次いで、メンブレンフィルターをフィルターホルダーにセットし、手動式真空ポンプを用いて大気圧に対して５ｋＰａ以下の圧力となるように減圧し、混合液を濾過した。混合液が全て濾過された後、濾過成形された膜に含まれる余剰の分散媒を、濾紙などを吸水材として用いて除去し、室温で十分乾燥させ、メンブレンフィルターから剥離することにより、球状シリカ粒子が３次元規則配列された膜が得られた。
このようにして得られた膜を９００℃で３０分間熱処理し、更に、１１００℃で４時間熱処理を行し、ゆっくりと室温に戻すことで、目的とする膜状のシリカテンプレートを得た。
図６（ａ）及び（ｂ）は、得られたシリカテンプレートの（ａ）表面及び（ｂ）断面のＳＥＭ写真である。
【００８０】
＜ポリイミド多孔質膜の作製＞
次に、図４に示すような操作を行い、ポリイミド多孔質膜を作製した。具体的には、得られたシリカテンプレートを、ポリアミック酸溶液に浸漬した。ここで、ポリアミック酸溶液としては、溶媒としてのジメチルアセトアミドに８％となるようにポリアミック酸（重合度：３０００）を溶解したものを用いた。
次いで、減圧乾燥し、溶媒を揮発させた。
更に、ポリアミック酸を加熱重合によって、ポリイミドとし、シリカテンプレート及びポリイミドのコンポジット膜とした。ここで、加熱重合は、２００℃で１時間、３２０℃で１時間の二段階の熱処理で行った。
しかる後、１０％ＨＦ水溶液によって、コンポジット膜からシリカテンプレートを除去して、略均一な内径を備えた球状の孔が３次元的に規則配列されたポリイミド多孔質膜（３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙ  Ｏｒｄｅｒｅｄ  Ｍａｃｒｏｐｏｒｏｕｓ  ｏｆ  Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ：３ＤＯＭ  Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）を得た。
【００８１】
＜イオン液体の含浸＞
次に、図５に示すような操作を行い、イオン伝導体を作製した。具体的には、得られたポリイミド多孔質膜を、電解質材料の一例であるイオン液体としてのブチルメチルイミダゾリウムトリフルオロスルホネートイミド（ＢＭＩｍＴＦＳＩ）に浸漬し、２０分間減圧して、本例のイオン伝導体を得た。
【００８２】
（実施例１−２）
略均一な内径を備えた球状の孔が３次元的に規則配列されたポリイミド多孔質膜に代えて、孔が３次元的に規則配列されていないポリイミド多孔質膜を用いた以外は、実施例１−１と同様の操作を繰り返し、本例のイオン伝導体を得た。
【００８３】
［性能評価］
（イオン伝導性試験）
上記実施例１−１及び実施例１−２のイオン伝導性を評価した。得られた結果を図７に示す。
なお、図８は、イオン伝導性試験の要領を示す斜視説明図である。同図に示すように、各例のイオン伝導体を所定面積（０．８ｃｍ２）の金電極で挟持して、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの交流波をかけて測定したインピーダンスにてイオン伝導性を評価した。
ここでのイオン導電率は、多孔度を考慮せず、金電極と接触する面積を元に算出を行った。また、計測では、温度を変更してイオン導電率を測定した。
【００８４】
図７より、本発明の範囲に属する実施例１−１及び実施例１−２は、１００℃より高い温度においても、優れたイオン伝導性を有することが分かる。
【００８５】
（実施例２−１）
図９は、本発明のイオン伝導体を適用した燃料電池の基本的な構成を示す概略断面図である。
同図に示すように、燃料電池は、電解質材料１４を保持した有機多孔体１２から成るイオン伝導体１０を電解質膜とし、この電解質膜を一対の電極２０で挟持されており、更に、一対のセパレータ３０で挟持されて構成されている。
そして、電極２０は、電極触媒層２２とガス拡散層２４によって構成されている。
ここで、有機多孔体としては実施例１−１で得られたポリイミド多孔質膜を、電解質材料としてはＢＭＩｍＴＦＳＩを、電極触媒層としては白金担持カーボンを、ガス拡散層としてはカーボンペーパーを、セパレータとしてはカーボンプレートをそれぞれ使用した。
【００８６】
また、各電極２０にはセパレータ３０によってガス流路３０ａが形成され、水素（又は水素を含有する燃料ガス）と、酸素（又は酸素含有する酸化ガス）を供給できるようにしてある。
なお、電極は、燃料ガスを供給する側がアノード、酸化ガスを供給する側がカソードとなる。
【００８７】
この燃料電池による発電に際しては、それぞれのガスがガス流路からガス拡散層を経て電極触媒層に供給され、以下に示す電気化学反応が進行する。
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  …（Ｉ）
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  …（ＩＩ）
Ｈ２  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  …（ＩＩＩ）
【００８８】
式（Ｉ）は、燃料電池の陰極側における反応を示しており、式（ＩＩ）は燃料電池の陽極側における反応を示している。また、式（ＩＩＩ）は、燃料電池全体で行われる反応となる。なお、これらの反応は、電極触媒層で進行する。
このように、イオン伝導体を適用した燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接に電気エネルギーに変換することが可能であり、高いエネルギー変換効率が期待できる。
具体的には、中温域（１２０℃程度）での燃料電池の運転が可能となり、ラジエータ負荷を従来の固体高分子形燃料電池に対して低下させることができ、ラジエータサイズを小型化することができる。その結果、システム容量の低減、システム重量の軽量化が可能となる。更に、ポリイミドをイオン伝導体の構成材料の１つとしているため、耐薬品性や延伸性の高い、安価なイオン伝導体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明のイオン伝導体の一実施形態の断面構造を示す概略図である。
【図２】有機多孔体の一例のＳＥＭ写真である。
【図３】シリカテンプレートを作製手順の一例を示す工程図である。
【図４】有機多孔体の作製手順の一例を示す工程図である。
【図５】イオン伝導体の作製要領の一例を示す説明図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、実施例１−１において得られたシリカテンプレートの（ａ）表面及び（ｂ）断面のＳＥＭ写真である。
【図７】実施例１−１及び実施例１−２のイオン伝導体における温度に対するイオン伝導度の変化を示すグラフである。
【図８】イオン伝導性試験の要領を示す斜視説明図である。
【図９】本発明のイオン伝導体を適用した燃料電池の構成例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０    イオン伝導体
１２    有機多孔体
１２ａ  孔
１４    電解質材料
２０    電極
２２    電極触媒層
２４    ガス拡散層
３０    セパレータ
３０ａ  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】
2008034212.tif 000027
【図７】
2008034212.tif 000028
【図８】
2008034212.tif 000029
【図９】
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