(57)【要約】      （修正有）【課題】高温・無加湿条件でプロトン伝導可能であり、更に酸素還元反応に対して高い活性を有するイオン伝導体を利用した電気化学セル及びこれを用いた燃料電池を提供すること。【解決手段】電解質に含有するイオン伝導体が、Ｒ１Ｒ２Ｒ３ＨＸ＋（ＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はＣ１〜Ｃ１８のアルキル基）又はＲ１Ｒ２ＨＳ＋（Ｒ１、Ｒ２はＣ１〜Ｃ１８のアルキル基）で表されるカチオンと、Ｒ４ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−（ＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ４はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎは１又は２）で表されるアニオンとを含む電気化学セルである。イオン伝導体が、Ｒ５Ｒ６Ｈ２Ｘ＋又はＲ５Ｈ２Ｓ＋で表されるカチオンと、Ｒ７ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−で表されるアニオンとを含む。  上記電気化学セルを適用して成る燃料電池である。【選択図】図１
2008135365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記イオン伝導体は、次式（１）または（２）
Ｒ１Ｒ２Ｒ３ＨＸ＋  …（１）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３の構造は除く）を示す）
Ｒ１Ｒ２ＨＳ＋  …（２）
（式中のＲ１、Ｒ２はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２の構造は除く）を示す）
で表されるカチオンと、次式（３）
Ｒ４ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（３）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ４はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンとを含んで成ることを特徴とする電気化学セル。
【請求項２】
イオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記イオン伝導体は、次式（４）または（５）
Ｒ５Ｒ６Ｈ２Ｘ＋  …（４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ５及びＲ６はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ５＝Ｒ６の構造は除く）を示す）
Ｒ５Ｈ２Ｓ＋  …（５）
（式中のＲ５はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオンと、次式（６）
Ｒ７ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（６）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ７はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンとを含んで成ることを特徴とする電気化学セル。
【請求項３】
イオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記イオン伝導体は、次式（７）
Ｒ８Ｈ３Ｘ＋  …（７）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ８はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオンと、次式（８）
Ｒ９ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（８）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ９はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンとを含んで成ることを特徴とする電気化学セル。
【請求項４】
イオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、上記イオン伝導体は、
次式（９）
【化１】
2008135365.tif 000013
（式（９）は、炭素以外の元素としてＸを含む脂肪族複素環式化合物を示し、式中のＸはＮ、Ｓ、Ｐのいずれか、Ｒ１０はそれぞれＣ１からＣ１８のいずれかのアルキル基、ｎは３から１８のいずれかを示す）
で表されるカチオンと、次式（１０）
Ｒ１１ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（１０）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ１１はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンを含んで成ることを特徴とする電気化学セル。
【請求項５】
上記カチオンのアルキル基（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ８、Ｒ１０）がＣ１〜Ｃ６のいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の電気化学セル。
【請求項６】
上記脂肪族複素環式化合物の環を形成する炭素数が６以下であることを特徴とする請求項４に記載の電気化学セル。
【請求項７】
上記アニオンのアルキル基又はフルオロアルキル基（Ｒ４、Ｒ７、Ｒ９、Ｒ１１）が、ＣＨ３、ＣＨ２Ｆ、ＣＨＦ２、ＣＦ３のいずれかであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の電気化学セル。
【請求項８】
上記カチオンは、次式（１１）
（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）Ｒ１２ＨＸ＋  …（１１）
（式中のＸはＮ又はＰ、Ｒ１２はＨ又はＣ１〜Ｃ６のいずれかのアルキル基を示す）
で表されることを特徴とする請求項１，２又は５に記載の電気化学セル。
【請求項９】
上記式（１１）のＲ１２がＨ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
上記カチオンは、次式（１２）
（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）２ＨＸ＋  …（１２）
（式中のＸはＮ又はＰを示す）
で表されることを特徴とする請求項８又は９に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
上記カチオンは、次式（１３）
（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）２ＨＮ＋  …（１３）
で表されることを特徴とする請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
上記カチオンは、次式（１４）または（１５）
（Ｃ２Ｈ５）Ｈ３Ｘ＋  …（１４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれかを示す）
（Ｃ２Ｈ５）Ｈ２Ｓ＋  …（１５）
で表されることを特徴とする請求項３又は５に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
上記カチオンは、次式（１６）
（Ｃ２Ｈ５）Ｈ３Ｎ＋  …（１６）
で表されることを特徴とする請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
上記カチオンは、次式（１７）または（１８）
【化２】
2008135365.tif 000014
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれかを示す）
【化３】
2008135365.tif 000015
で表されることを特徴とする請求項４又は５に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
上記カチオンは、次式（１９）
【化４】
2008135365.tif 000016
で表されることを特徴とする請求項１４に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
上記式（１）、（２）、（４）、（５）、（７）及び（９）のいずれかで表されるカチオン又はこれらの任意の組合せに係るカチオンと上記式（３）、（６）、（８）及び（１０）のいずれかで表されるアニオン又はこれらの任意の組合せに係るアニオンとを含み、相互に異なる少なくとも２種類のイオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記少なくとも２種類のイオン伝導体のうち、一種が酸素還元活性が最も高いイオン伝導体であり、他種がそのイオン伝導体よりも水素酸化活性が高い異種のイオン伝導体である、ことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１つの項に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
上記式（１）、（２）、（４）、（５）、（７）及び（９）のいずれかで表されるカチオン又はこれらの任意の組合せに係るカチオンと上記式（３）、（６）、（８）及び（１０）のいずれかで表されるアニオン又はこれらの任意の組合せに係るアニオンとを含み、相互に異なる２種類のイオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記２種類のイオン伝導体のうち、一種が酸素還元活性が相対的に高いイオン伝導体であり、他種がそのイオン伝導体よりも水素酸化活性が相対的に高い異種のイオン伝導体である、ことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つの項に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
上記式（１）、（２）、（４）、（５）、（７）及び（９）のいずれかで表されるカチオン又はこれらの任意の組合せに係るカチオンと上記式（３）、（６）、（８）及び（１０）のいずれかで表されるアニオン又はこれらの任意の組合せに係るアニオンとを含み、相互に異なる２種類のイオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記２種類のイオン伝導体のうち、一種が酸素還元活性が相対的に高いイオン伝導体であり、他種がそのイオン伝導体よりも水素酸化活性が相対的に高い異種のイオン伝導体であり、
上記酸素還元活性が相対的に高いイオン伝導体の含有量が５０ｍｏｌ％以上である、ことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つの項に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１つの項に記載の電気化学セル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、電気化学セル及びこれを用いた燃料電池に係り、更に詳細には、例えば、燃料電池、リチウムイオン電池、色素増感太陽電池などのエネルギーデバイスに適用しうる電気化学セル及びこれを用いた燃料電池に関する。
【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現在の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】
かかる固体高分子電解質膜は、高分子鎖中にスルホン酸基やリン酸基などの親水性官能基を有する固体高分子材料であり、特定のイオンと強固に結合しており、陽イオン又は陰イオンを選択的に透過する性質を有していることから、粒子、繊維又は膜状に成形し、電気透析、拡散透析、電池隔膜などの各種用途に利用されている。
【０００４】
また、固体高分子型燃料電池は、高い総合エネルギー効率が得られる発電手段として現在改良が盛んに進められている。その主要な構成要素は、アノード、カソードの両電極と、ガス流路を形成するセパレータ板と、両極間を隔てる固体高分子電解質膜である。アノードの触媒上で生成したプロトンは、固体高分子電解質膜中を移動してカソードの触媒上に達し、酸素と反応する。従って、両極間のイオン伝導抵抗は、電池性能に大きく影響する。
【０００５】
上述の固体高分子電解質膜を用いて燃料電池を形成するには、両電極の触媒と固体高分子電解質膜とをイオン伝導パスで接合する必要がある。そのために、高分子電解質の溶液と触媒粒子とを混合し、塗布・乾燥して両者を結合させた触媒層を電極に用い、電極の触媒と固体高分子電解質膜とを加熱下でプレスするという手法が一般的に用いられていた。
【０００６】
イオン伝導を担う高分子電解質には、一般に、パーフルオロカーボン系主鎖にスルホン酸基が導入されたポリマーが使用される。具体的な商品としては、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）、旭硝子（株）製のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）、旭化成（株）製のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ）などが使用される。
【０００７】
パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質は、パーフルオロカーボン系主鎖とスルホン酸基をもつ側鎖とからなり、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主鎖を主体とする領域とにミクロ相分離して、スルホン酸基の相はクラスターを形成すると考えられている。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電解質膜の化学的安定性に寄与しており、イオン伝導に寄与するのはスルホン酸基が集まってクラスターを形成している部分である。
【０００８】
このように、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電解質膜の製造は困難であり、非常に高価となる欠点がある。そのため、パーフルオロスルホン酸系の用途は限定されており、移動体用の動力源と期待される固体高分子型燃料電池への適用が非常に困難を極めている。
【０００９】
また、現状の固体高分子型燃料電池は、室温から８０℃程度の比較的低い温度領域で運転される。この運転温度の制限は、用いられているフッ素系膜が１２０〜１３０℃近辺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、及び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、装置が大がかりとなることによる。
【００１０】
運転温度が低いことは、燃料電池にとっては発電効率が低くなると共に、触媒のＣＯによる被毒が顕著に起こる。運転温度が１００℃以上になると発電効率は向上し、更に廃熱利用が可能となるためにより効率的にエネルギーを活用できる。
【００１１】
また、燃料電池自動車への適用を考えると、運転温度を１２０℃まで上昇させることができれば、効率の向上だけではなく、排熱に必要なラジエター負荷を下げることとなり、現行の移動体に使用されているラジエターと同等仕様のものを適用できるため、システムをコンパクト化できる。
【００１２】
このように、より高い温度での運転を実現させるため、今まで種々の検討が行われている。代表的には、先の電解質膜のコスト低減も視野に入れたアクションとして、フッ素膜の代わりに、安価でかつ耐熱性に優れた芳香族炭化水素系高分子材料の固体高分子電解質への適用が検討されている。
例えば、固体高分子電解質として、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、ポリベンズイミダゾールといった種々の芳香族系炭化水素系固体高分子電解質が検討されている（例えば特許文献１〜６参照）。
【特許文献１】特開平６−９３１１４号公報
【特許文献２】特開平９−２４５８１８号公報
【特許文献３】特開平１１−１１６６７９号公報
【特許文献４】特開平１１−６７２２４号公報
【特許文献５】特表平１１−５１０１９８号公報
【特許文献６】特開平９−７３９０８号公報
【００１３】
しかし、上記高分子電解質も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、装置が大がかりとなる。
【００１４】
更に、高温・無加湿条件でプロトン伝導可能な電解質としてイオン液体を含む電解質を燃料電池に適用することが提案されている（特許文献７参照）。燃料電池用電解質としてイオン液体を用いることで、水に依存することなく高いプロトン伝導性を発揮することが可能である。
【特許文献７】特開２００３−１２３７９１号公報
【００１５】
更にまた、同一のアルキルを有するアルキルアミンとオキソ酸からなるプロトン性イオン液体を含む電解質を燃料電池に適用することが提案されている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】中本博文，松岡秀幸，渡邉正義，「アルキルアミンとオキソ酸からなるプロトン性イオン液体の特性」，電気化学会第７３回大会  講演要旨集，２００６年，ｐ１４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、電解質には高いプロトン伝導性に加え、アノード側での水素酸化反応およびカソード側での酸素還元反応に対する高い活性が必要とされるが、イオン液体を電解質として用いた場合、特に酸素還元活性が低いことが課題であった。
【００１７】
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、高温・無加湿条件でプロトン伝導可能であり、更に水素酸化反応および酸素還元反応に対して高い活性を有するイオン伝導体を利用した電気化学セル及びこれを用いた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】
【００１８】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、所定のカチオンとアニオンを組み合わせたイオン伝導体を用いることにより、高温・無加湿条件でプロトン伝導可能であり、更に酸素還元反応に対して高い活性を有するイオン伝導体を見出した。さらに、所定のカチオンとアニオンを組み合わせたイオン伝導体を２種以上含むことで、水素酸化反応および酸素還元反応の両方の反応に対して高い活性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１９】
即ち、本発明の第１の電気化学セルは、イオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記イオン伝導体は、次式（１）または（２）
Ｒ１Ｒ２Ｒ３ＨＸ＋  …（１）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３の構造は除く）を示す）
Ｒ１Ｒ２ＨＳ＋  …（２）
（式中のＲ１、Ｒ２はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２の構造は除く）を示す）
で表されるカチオンと、次式（３）
Ｒ４ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（３）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ４はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンとを含んで成ることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の第２の電気化学セルは、イオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記イオン伝導体は、次式（４）または（５）
Ｒ５Ｒ６Ｈ２Ｘ＋  …（４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ５及びＲ６はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ５＝Ｒ６の構造は除く）を示す）
Ｒ５Ｈ２Ｓ＋  …（５）
（式中のＲ５はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオンと、次式（６）
Ｒ７ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（６）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ７はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンとを含んで成ることを特徴とする。
【００２１】
更に、本発明の第３の電気化学セルは、イオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記イオン伝導体は、次式（７）
Ｒ８Ｈ３Ｘ＋  …（７）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ８はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオンと、次式（８）
Ｒ９ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（８）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ９はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンとを含んで成ることを特徴とする。
【００２２】
更にまた、本発明の第４の電気化学セルは、イオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、上記イオン伝導体は、次式（９）
【化５】
2008135365.tif 000003
（式（９）は、炭素以外の元素としてＸを含む脂肪族複素環式化合物を示し、式中のＸはＮ、Ｓ、Ｐのいずれか、Ｒ１０はそれぞれＣ１からＣ１８のいずれかのアルキル基、ｎは３から１８のいずれかを示す）
で表されるカチオンと、次式（１０）
Ｒ１１ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（１０）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ１１はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンを含んで成ることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の第５の電気化学セルは、次式（１）または（２）
Ｒ１Ｒ２Ｒ３ＨＸ＋  …（１）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３の構造は除く）を示す）
Ｒ１Ｒ２ＨＳ＋  …（２）
（式中のＲ１、Ｒ２はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２の構造は除く）を示す）
で表されるカチオン、次式（４）または（５）
Ｒ５Ｒ６Ｈ２Ｘ＋  …（４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ５及びＲ６はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ５＝Ｒ６の構造は除く）を示す）
Ｒ５Ｈ２Ｓ＋  …（５）
（式中のＲ５はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、次式（７）
Ｒ８Ｈ３Ｘ＋  …（７）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ８はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、若しくは次式（９）
【化６】
2008135365.tif 000004
（式（９）は、炭素以外の元素としてＸを含む脂肪族複素環式化合物を示し、式中のＸはＮ、Ｓ、Ｐのいずれか、Ｒ１０はそれぞれＣ１からＣ１８のいずれかのアルキル基、ｎは３から１８のいずれかを示す）
で表されるカチオン又はこれらの任意の組合せに係るカチオンと次式（３）［＝（６）＝（８）＝（１０）］
Ｒ１１ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（３）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ１１はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオン又はこれらの任意の組合せに係るアニオンとを含み、相互に異なる少なくとも２種類のイオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記少なくとも２種類のイオン伝導体のうち、一種が酸素還元活性が最も高いイオン伝導体であり、他種がそのイオン伝導体よりも水素酸化活性が高い異種のイオン伝導体であることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の第６の電気化学セルは、次式（１）または（２）
Ｒ１Ｒ２Ｒ３ＨＸ＋  …（１）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３の構造は除く）を示す）
Ｒ１Ｒ２ＨＳ＋  …（２）
（式中のＲ１、Ｒ２はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２の構造は除く）を示す）
で表されるカチオン、次式（４）または（５）
Ｒ５Ｒ６Ｈ２Ｘ＋  …（４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ５及びＲ６はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ５＝Ｒ６の構造は除く）を示す）
Ｒ５Ｈ２Ｓ＋  …（５）
（式中のＲ５はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、次式（７）
Ｒ８Ｈ３Ｘ＋  …（７）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ８はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、若しくは次式（９）
【化７】
2008135365.tif 000005
（式（９）は、炭素以外の元素としてＸを含む脂肪族複素環式化合物を示し、式中のＸはＮ、Ｓ、Ｐのいずれか、Ｒ１０はそれぞれＣ１からＣ１８のいずれかのアルキル基、ｎは３から１８のいずれかを示す）
で表されるカチオン又はこれらの任意の組合せに係るカチオンと次式（３）［＝（６）＝（８）＝（１０）］
Ｒ１１ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（３）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ１１はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオン又はこれらの任意の組合せに係るアニオンとを含み、相互に異なる２種類のイオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記２種類のイオン伝導体のうち、一種が酸素還元活性が相対的に高いイオン伝導体であり、他種がそのイオン伝導体よりも水素酸化活性が相対的に高い異種のイオン伝導体であることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の第７の電気化学セルは、次式（１）または（２）
Ｒ１Ｒ２Ｒ３ＨＸ＋  …（１）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３の構造は除く）を示す）
Ｒ１Ｒ２ＨＳ＋  …（２）
（式中のＲ１、Ｒ２はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２の構造は除く）を示す）
で表されるカチオン、次式（４）または（５）
Ｒ５Ｒ６Ｈ２Ｘ＋  …（４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ５及びＲ６はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ５＝Ｒ６の構造は除く）を示す）
Ｒ５Ｈ２Ｓ＋  …（５）
（式中のＲ５はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、次式（７）
Ｒ８Ｈ３Ｘ＋  …（７）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ８はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、若しくは次式（９）
【化８】
2008135365.tif 000006
（式（９）は、炭素以外の元素としてＸを含む脂肪族複素環式化合物を示し、式中のＸはＮ、Ｓ、Ｐのいずれか、Ｒ１０はそれぞれＣ１からＣ１８のいずれかのアルキル基、ｎは３から１８のいずれかを示す）
で表されるカチオン又はこれらの任意の組合せに係るカチオンと次式（３）［＝（６）＝（８）＝（１０）］
Ｒ１１ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（３）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ１１はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオン又はこれらの任意の組合せに係るアニオンとを含み、相互に異なる２種類のイオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記２種類のイオン伝導体のうち、一種が酸素還元活性が相対的に高いイオン伝導体であり、他種がそのイオン伝導体よりも水素酸化活性が相対的に高い異種のイオン伝導体であり、
上記酸素還元活性が相対的に高いイオン伝導体の含有量が５０ｍｏｌ％以上であることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の燃料電池は、上記電気化学セルを適用して成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、所定のカチオンとアニオンを組み合わせたイオン伝導体を用いることとしたため、高温・無加湿条件でプロトン伝導可能であり、更に酸素還元反応に対して高い活性を有するイオン伝導体を利用した電気化学セル及びこれを用いた燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の電気化学セルについて詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、濃度、含有量、充填量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００２９】
本発明の電気化学セルは、カチオンとアニオンを組合わせたイオン伝導体を含有する電解質を用いて成る。また、カチオンとアニオンの種類により以下の４つに大別される。
【００３０】
第１の電気化学セルは、イオン伝導体が、次式（１）または（２）
Ｒ１Ｒ２Ｒ３ＨＸ＋  …（１）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３の構造は除く）を示す）
Ｒ１Ｒ２ＨＳ＋  …（２）
（式中のＲ１、Ｒ２はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２の構造は除く）を示す）
で表されるカチオンと、次式（３）
Ｒ４ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（３）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ４はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンとを含んで成る。
言い換えれば、３級アルキルカチオン（アルキルカチオンのアルキル基の全てが同じ構造は除く）とアルキル基又はフルオロアルキル基を有するオキソ酸から成るアニオンとを含んで成るイオン伝導体を用いる。
【００３１】
次に、第２の電気化学セルは、イオン伝導体が、次式（４）または（５）
Ｒ５Ｒ６Ｈ２Ｘ＋  …（４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ５及びＲ６はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ５＝Ｒ６の構造は除く）を示す）
Ｒ５Ｈ２Ｓ＋  …（５）
（式中のＲ５はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオンと、次式（６）
Ｒ７ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（６）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ７はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンとを含んで成る。
言い換えれば、２級アルキルカチオン（アルキルカチオンの２つのアルキル基が同じ構造は除く）とアルキル基又はフルオロアルキル基を有するオキソ酸から成るアニオンとを含んで成るイオン伝導体を用いる。
【００３２】
次に、第３の電気化学セルは、イオン伝導体が、次式（７）
Ｒ８Ｈ３Ｘ＋  …（７）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ８はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオンと、次式（８）
Ｒ９ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（８）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ９はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンとを含んで成る。
言い換えれば、１級アルキルカチオンとアルキル基又はフルオロアルキル基を有するオキソ酸から成るアニオンとを含んで成るイオン伝導体を用いる。
【００３３】
次に、本発明の第４の電気化学セルは、イオン伝導体が次式（９）
【化９】
2008135365.tif 000007
（式（９）は、炭素以外の元素としてＸを含む脂肪族複素環式化合物を示し、式中のＸはＮ、Ｓ、Ｐのいずれか、Ｒ１０はそれぞれＣ１からＣ１８のいずれかのアルキル基、ｎは３から１８のいずれかを示す）
で表されるカチオンと、次式（１０）
Ｒ１１ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（１０）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ１１はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオンを含んで成る。
言い換えれば、カチオンが脂肪族複素環式化合物からなり、アニオンがアルキル基又はフルオロアルキル基を有するオキソ酸からなるイオン伝導体を用いる。
【００３４】
このように、本発明の第１〜４の電気化学セルは、イオン伝導体を含有する電解質を用いることで、高温・無加湿条件でプロトン伝導可能であり、更に酸素還元反応に対して高い活性が得られる。また、該電解質は、アニオンがアルキル基又はフルオロアルキル基を有するオキソ酸から成ることで高い耐熱性を有する。更に、該電解質は、フッ素系高分子電解質より、安価な材料で構成されるため、より安価で普及に適した電解質が得られる。
【００３５】
ここで、本発明の上記第１〜４の電気化学セルにおいては、酸化還元反応の活性を高める観点から、上記カチオンのアルキル基（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ８、Ｒ１０）がＣ１〜Ｃ６のいずれかであることが好適である。
具体的には、これらカチオンのアルキル基がＣ１〜Ｃ６であることで、電極に用いる白金等へのプロトンの供給が容易になり、酸素還元活性がより向上しうる。また、アルキル基がＣ１〜Ｃ６であることで高イオン密度となり高いプロトン伝導性が得られる。
【００３６】
また、本発明の上記第４の電気化学セルにおいては、酸化還元反応の活性を高める観点から、上記脂肪族複素環式化合物の環を形成する炭素数は６以下であることが好適である。
【００３７】
更に、本発明の上記第１〜４の電気化学セルにおいては、酸化還元反応の活性を高める観点から、上記アニオンのアルキル基又はフルオロアルキル基（Ｒ４、Ｒ７、Ｒ９、Ｒ１１）は、ＣＨ３、ＣＨ２Ｆ、ＣＨＦ２、ＣＦ３のいずれかであることが好適である。
特に、アニオンのフルオロアルキル基がＣＦ３であるときに、極めて優れた酸素還元活性を発現することができる。
【００３８】
更にまた、本発明の上記第１、第２の電気化学セルにおいては、酸化還元反応の活性をより高める観点から、次式（１１）
（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）Ｒ１２ＨＸ＋  …（１１）
（式中のＸはＮ又はＰ、Ｒ１２はＨ又はＣ１〜Ｃ６のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオンを用いることが好ましい。
【００３９】
また、上記式（１１）のＲ１２は、Ｈ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５のいずれかであることがより好ましい。具体的には、例えば、次式（１２）
（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）２ＨＸ＋  …（１２）
（式中のＸはＮ又はＰを示す）
で表されるカチオンを用いることができる。特に、次式（１３）
（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５）２ＨＮ＋  …（１３）
で表されるカチオンを用いることがより好ましい。
【００４０】
一方、本発明の上記第３の電気化学セルにおいては、酸化還元反応の活性をより高める観点から、次式（１４）または（１５）
（Ｃ２Ｈ５）Ｈ３Ｘ＋  …（１４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれかを示す）
（Ｃ２Ｈ５）Ｈ２Ｓ＋  …（１５）
で表されるカチオンを用いることが好ましい。具体的には、次式（１６）
（Ｃ２Ｈ５）Ｈ３Ｎ＋  …（１６）
で表されるカチオンを用いることがより好ましい。
【００４１】
他方、本発明の上記第４の電気化学セルにおいては、酸化還元反応の活性をより高める観点から、次式（１７）または（１８）
【化１０】
2008135365.tif 000008
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれかを示す）
【化１１】
2008135365.tif 000009
で表されるカチオンを用いることが好ましい。具体的には、次式（１９）
【化１２】
2008135365.tif 000010
で表されるカチオンを用いることがより好ましい。
【００４２】
また、本発明の第５の電気化学セルは、次式（１）または（２）
Ｒ１Ｒ２Ｒ３ＨＸ＋  …（１）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３の構造は除く）を示す）
Ｒ１Ｒ２ＨＳ＋  …（２）
（式中のＲ１、Ｒ２はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２の構造は除く）を示す）
で表されるカチオン、次式（４）または（５）
Ｒ５Ｒ６Ｈ２Ｘ＋  …（４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ５及びＲ６はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ５＝Ｒ６の構造は除く）を示す）
Ｒ５Ｈ２Ｓ＋  …（５）
（式中のＲ５はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、次式（７）
Ｒ８Ｈ３Ｘ＋  …（７）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ８はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、若しくは次式（９）
【化１３】
2008135365.tif 000011
（式（９）は、炭素以外の元素としてＸを含む脂肪族複素環式化合物を示し、式中のＸはＮ、Ｓ、Ｐのいずれか、Ｒ１０はそれぞれＣ１からＣ１８のいずれかのアルキル基、ｎは３から１８のいずれかを示す）
で表されるカチオン又はこれらの任意の組合せに係るカチオンと次式（３）［＝（６）＝（８）＝（１０）］
Ｒ１１ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（３）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ１１はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオン又はこれらの任意の組合せに係るアニオンとを含み、相互に異なる少なくとも２種類のイオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記少なくとも２種類のイオン伝導体のうち、一種が酸素還元活性が最も高いイオン伝導体であり、他種がそのイオン伝導体よりも水素酸化活性が高い異種のイオン伝導体である電気化学セルであって、電解質に含まれるイオン伝導体の中で酸素還元活性の最も高いイオン伝導体と、そのイオン伝導体よりも水素酸化活性が高い異種のイオン伝導体を選択し共存させることで、酸素還元活性に優れたイオン伝導体と水素酸化活性に優れたイオン伝導体の両方の特性をいかすことが可能となるため、酸素還元活性および水素酸化活性の両方に高い活性を示す電解質となり好ましい。イオン伝導体の選択は、例えば、イオン伝導体の電極界面での電気化学反応性を比較することで行うことが可能である。具体的には、参照極として水素可逆電極を使用し、３極セルを用いたサイクリックボルタンメトリー測定を行うことで比較する。酸素還元活性は、作用電極の雰囲気を酸素ガスバブリングした状態で電位走査を行い酸素還元反応に伴う還元電流を比較する。水素酸化活性は、作用電極の雰囲気を水素ガスバブリングした状態で電位走査を行い水素酸化反応に伴う酸化電流を比較する。酸素還元活性、水素酸化活性の測定結果から、酸素還元活性の最も高いイオン伝導体と、水素酸化活性の最も高いイオン伝導体とを少なくとも含むことで、酸素還元活性および水素酸化活性の両方に高い活性を示す電解質となるため好ましい。
【００４３】
更に、本発明の第６の電気化学セルは、次式（１）または（２）
Ｒ１Ｒ２Ｒ３ＨＸ＋  …（１）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ１、Ｒ２及びＲ３はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２＝Ｒ３の構造は除く）を示す）
Ｒ１Ｒ２ＨＳ＋  …（２）
（式中のＲ１、Ｒ２はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ１＝Ｒ２の構造は除く）を示す）
で表されるカチオン、次式（４）または（５）
Ｒ５Ｒ６Ｈ２Ｘ＋  …（４）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ５及びＲ６はそれぞれＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基（但しＲ５＝Ｒ６の構造は除く）を示す）
Ｒ５Ｈ２Ｓ＋  …（５）
（式中のＲ５はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、次式（７）
Ｒ８Ｈ３Ｘ＋  …（７）
（式中のＸはＮ、Ｐのいずれか、Ｒ８はＣ１〜Ｃ１８のいずれかのアルキル基を示す）
で表されるカチオン、若しくは次式（９）
【化１４】
2008135365.tif 000012
（式（９）は、炭素以外の元素としてＸを含む脂肪族複素環式化合物を示し、式中のＸはＮ、Ｓ、Ｐのいずれか、Ｒ１０はそれぞれＣ１からＣ１８のいずれかのアルキル基、ｎは３から１８のいずれかを示す）
で表されるカチオン又はこれらの任意の組合せに係るカチオンと次式（３）［＝（６）＝（８）＝（１０）］
Ｒ１１ＹＯｍ（ＯＨ）ｎ−１Ｏ−  …（３）
（式中のＹはＳ、Ｃ、Ｎ、Ｐのいずれか、Ｒ１１はアルキル基又はフルオロアルキル基、ｍ及びｎはそれぞれ１又は２を示す）
で表されるアニオン又はこれらの任意の組合せに係るアニオンとを含み、相互に異なる２種類のイオン伝導体を含有する電解質を用いた電気化学セルであって、
上記２種類のイオン伝導体のうち、一種が酸素還元活性が相対的に高いイオン伝導体であり、他種がそのイオン伝導体よりも水素酸化活性が相対的に高い異種のイオン伝導体である電気化学セルであって、電解質に含まれるイオン伝導体の中で酸素還元活性の相対的に高いイオン伝導体と、そのイオン伝導体よりも水素酸化活性が相対的に高い異種のイオン伝導体を選択し共存させることで、酸素還元活性に優れたイオン伝導体と水素酸化活性に優れたイオン伝導体の両方の特性をいかすことが可能となるため、酸素還元活性および水素酸化活性の両方に高い活性を示す電解質となり好ましい。
【００４４】
更にまた、本発明の第７の電気化学セルは、上述の第６の電気化学セルにおいて、酸素還元活性が相対的に高いイオン伝導体の含有量が５０ｍｏｌ％以上である電気化学セルである。電解質に含まれるイオン伝導体の中で酸素還元活性が相対的に高いイオン伝導体と、そのイオン伝導体よりも水素酸化活性が相対的に高い異種のイオン伝導体を選択し共存させることによって、イオン液体を電解質として用いた場合、特に低い酸素還元活性が課題であるが、酸素還元活性の優れたイオン伝導体を５０ｍｏｌ％以上含有させることで効果的に酸素還元活性を改善することができるため、酸素還元活性および水素酸化活性の両方が優れた電解質となるため好ましい。
【００４５】
次に、本発明の燃料電池は、上述の電気化学セルを適用して成る。
代表的には、上記電解質材料（イオン伝導体）を適用した電解質膜を、燃料電池セルやそのシステムに使用することができる。これにより、中温域（１２０℃程度）の運転を可能とし、ラジエーター負荷を従来のＰＥＭ型燃料電池に対して低下させ、ラジエターサイズを低減しうる。その結果、システム容積の低減、システム重量の軽量化が可能となる。
なお、上述のイオン伝導体を含有する電解質においては高プロトン伝導率を有し、他の高分子型電解質に比べて水の存在に依存することなく高いプロトン伝導性を発現する。またその構成成分が水不溶性であるため、この電解質を使用する燃料電池においてはそのカソードで生成する水に対して電解質の構成成分が溶出することがない。
このため、燃料電池のカソードにおいて生成する水により溶解されない電解質を提供することができ、また燃料電池の寿命を大幅に延長できるという効果を奏するものである。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明をいくつかの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。
【００４７】
（実施例１）
（１）ｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅの合成
Ａｒ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を混合し、攪拌することで目的のイオン伝導体を得た。
【００４８】
（２）酸素還元反応の評価
参照極として水素可逆電極、対極には白金線電極、作用極には白金ディスク電極を使用し、作用極に酸素ガスをバブリングした状態でサイクリックボルタンメトリーの測定を行った。測定は３極式のセルを用いて測定温度１５０℃、電位掃印速度１０ｍＶ／Ｓの条件で行った。
サイクリックボルタンメトリー測定結果を図１に示す。
【００４９】
（３）燃料電池発電試験
（２）の酸素還元反応の評価を行ったセルと同様のセルを用い、作用極に酸素、対極には水素をそれぞれバブリングした状態で燃料電池発電を行った。
測定は１５０℃、電位掃印速度１０ｍＶ／Ｓの条件で行った。
燃料電池発電試験の結果を図９に示す。
【００５０】
（４）開放起電力の測定
（２）の酸素還元反応の評価を行ったセルと同様のセルを用い、作用極に酸素、対極には水素をそれぞれバブリングした状態で開回路起電力の測定を行った。
測定は１５０℃の条件で行った。
開放起電力の測定の結果を図１０に示す。
【００５１】
（実施例２）
（１）ｅｔｈｙｌｐｉｐｅｒｉｄｉｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅの合成
Ａｒ雰囲気のグローブボックス中でエチルピペリジニウムとトリフルオロメタンスルホン酸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、秤量したエチルピペリジニウムとトリフルオロメタンスルホン酸を混合し、攪拌することで目的のイオン伝導体を得た。
【００５２】
（２）酸素還元反応の評価
酸素還元反応の評価は実施例１と同様の方法で行った。
サイクリックボルタンメトリー測定結果を図２に示す。
【００５３】
（実施例３）
（１）ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅの合成
Ａｒ雰囲気のグローブボックス中でジメチルエチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸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、秤量したジメチルエチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸を混合し、攪拌することで目的のイオン伝導体を得た。
【００５４】
（２）酸素還元反応の評価
酸素還元反応の評価は実施例１と同様の方法で行った。
サイクリックボルタンメトリー測定結果を図３に示す。
【００５５】
（実施例４）
（１）ｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅとｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅの合成
ｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅとｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅそれぞれの合成は実施例１および実施例３と同様の方法で行った。
【００５６】
（２）酸素還元反応の評価
ｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅとｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅそれぞれの酸素還元反応の評価は実施例１と同様の方法で行った。
サイクリックボルタンメトリー測定結果を図１１に示す。
【００５７】
（３）水素酸化反応の評価
ｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅとｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅそれぞれの水素酸化反応の評価は、参照極として水素可逆電極、対極には白金線電極、作用極には白金ディスク電極を使用し、作用極に水素ガスをバブリングした状態でサイクリックボルタンメトリーの測定を行った。測定は３極式のセルを用いて測定温度１５０℃、電位掃印速度１０ｍＶ／Ｓの条件で行った。
サイクリックボルタンメトリー測定結果を図１２に示す。
【００５８】
（４）混合電解質の作製
ｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅとｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅそれぞれの酸素還元反応および水素酸化反応の比較から（図１１および図１２）、酸素還元反応に高い活性を有するｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅと、水素酸化反応に高い活性を有するｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅを共存させることで２種類のイオン伝導体からなる電解質を作製した。具体的には、Ａｒ雰囲気のグローブボックス中でｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅとｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅがモル比で９：１となるよう秤量した後、混合し、攪拌することで目的のイオン伝導体を得た。
（５）酸素還元反応、水素酸化反応の評価
（４）で作製したｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅとｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅからなるイオン伝導体の酸素還元反応は実施例１と同様の方法で行った。また水素酸化反応は（３）と同様の方法で行った。（２）および（３）で測定したｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ、ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅそれぞれの酸素還元反応と水素酸化反応のサイクリックボルタンメトリー測定結果と、（４）で作製したｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅとｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅからなるイオン伝導体の酸素還元反応と水素酸化反応のサイクリックボルタンメトリー測定結果から算出した、同電流密度でのセル電圧（イオン伝導体によるＩＲロスを差し引いたときのセル電圧）の評価結果を図１３に示す。
【００５９】
（比較例１）
（１）ｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏ−ｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅの合成
Ａｒ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ニルイミド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ニルイミドを混合し、攪拌することで目的のイオン伝導体を得た。
【００６０】
（２）酸素還元反応の評価
酸素還元反応の評価は実施例１と同様の方法で行った。
サイクリックボルタンメトリー測定結果を図４に示す。
【００６１】
（比較例２）
（１）ｄｉｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｈｙｄｒｏｇｅｎｓｕｌｆｏｎａｔｅの合成
Ａｒ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硫酸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硫酸を混合し、攪拌することで目的のイオン伝導体を得た。
【００６２】
（２）酸素還元反応の評価
酸素還元反応の評価は実施例１と同様の方法で行った。
サイクリックボルタンメトリー測定結果を図５に示す。
【００６３】
（比較例３）
（１）２−ｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅの合成
２−エチルイミダゾールを蒸留水に溶解し、そこに冷却しながら２−エチルイミダゾールと等モル量のトリフルオロメタンスルホン酸を滴下し攪拌した。この反応生成物を１００℃で予備乾燥した後、１２０℃で真空乾燥し２−エチルイミダゾリウムトリフレートを得た。
【００６４】
（２）酸素還元反応の評価
酸素還元反応の評価は実施例１と同様の方法で行った。
サイクリックボルタンメトリー測定結果を図６に示す。
【００６５】
（比較例４）
（１）Ｂｕｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｏ−ｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅの合成
Ａｒ雰囲気のグローブボックス中でブチルイミダゾールとトリフルオロメタンスルホニルイミド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、秤量したブチルイミダゾールとトリフルオロメタンスルホニルイミドを混合し、攪拌することで目的のイオン伝導体を得た。
【００６６】
（２）燃料電池発電試験
燃料電池発電試験は実施例１と同様の方法で行った。燃料電池発電試験の結果を図９に示す。
【００６７】
（比較例５）
（１）燃料電池発電試験
イオン伝導体として無水リン酸を使用した以外は、実施例１と同様の方法で燃料電池発電試験を行った。燃料電池発電試験の結果を図９に示す。
【００６８】
（比較例６）
（１）燃料電池発電試験
イオン伝導体として１Ｍ硫酸を使用し、測定温度を３０℃とした以外は、実施例１と同様の方法で燃料電池発電試験を行った。燃料電池発電試験の結果を図９に示す。
【００６９】
（比較例７）
（１）Ｔｒｉｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ  ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅの合成
Ａｒ雰囲気のグローブボックス中でトリエチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸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、秤量したトリエチルアミンとトリフルオロメタンスルホン酸を混合し、攪拌することで目的のイオン伝導体を得た。
【００７０】
（２）酸素還元反応の評価
酸素還元反応の評価は実施例１と同様の方法で行った。
サイクリックボルタンメトリー測定結果を図７に示す。また、実施例１、比較例１及び比較例７のサイクリックボルタンメトリー測定結果を図８に示す。
【００７１】
実施例１及び２と比較例１〜３の酸素還元反応の評価結果から、本発明の好適形態である電気化学セルは、比較例１〜３に比べより高い電位（１．０Ｖ  ｖｓ  ＲＨＥ付近）で酸素還元反応に伴う還元電流が観測され、高い酸素還元反応活性を有していることが明らかとなった。
また、実施例１と比較例４〜６の燃料電池発電試験の結果から、本発明の好適形態である電気化学セルは、比較例４〜６に比べ、高い酸素還元活性を有しているため優れた発電特性を示す。さらに、比較例５の無水リン酸は、商用化されているリン酸型燃料電池で使用されるイオン伝導体であるが、本発明の好適形態である電気化学セルは、比較例５に比べ優れた発電特性を示すことから、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しめす燃料電池用電気化学セルとして有用である。
また、実施例１の開放起電力の測定結果から、本発明の好適である電気化学セルは、測定時間内での開放起電力の低下が見られないことから高い化学的な耐久性を有している。
さらに、実施例４から酸素還元活性の高いイオン伝導体にそのイオン伝導体よりも高い水素酸化活性を有するイオン伝導体を加えることで、酸素還元活性および水素酸化活性の両方に高い活性を示めし、セル電圧が向上することから、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しめす燃料電池用電気化学セルとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施例１のサイクリックボルタンメトリー測定結果（酸素還元反応）を示すグラフである。
【図２】実施例２のサイクリックボルタンメトリー測定結果（酸素還元反応）を示すグラフである。
【図３】実施例３のサイクリックボルタンメトリー測定結果（酸素還元反応）を示すグラフである。
【図４】比較例１のサイクリックボルタンメトリー測定結果（酸素還元反応）を示すグラフである。
【図５】比較例２のサイクリックボルタンメトリー測定結果（酸素還元反応）を示すグラフである。
【図６】比較例３のサイクリックボルタンメトリー測定結果（酸素還元反応）を示すグラフである。
【図７】比較例７のサイクリックボルタンメトリー測定結果（酸素還元反応）を示すグラフである。
【図８】実施例１、比較例１及び比較例７のサイクリックボルタンメトリー測定結果（酸素還元反応）を示すグラフである。
【図９】実施例１の燃料電池発電試験の測定結果を示すグラフである。
【図１０】実施例１の燃料開放起電力測定結果を示すグラフである。
【図１１】実施例４のサイクリックボルタンメトリー測定結果（酸素還元反応）を示すグラフである。
【図１２】実施例４のサイクリックボルタンメトリー測定結果（水素酸化反応）を示すグラフである。
【図１３】実施例１、３、４の燃料電池セル電圧の測定結果を示すグラフである。
【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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【図１３】
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