(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学構造式
−ＣＦ２ＣＨ２−、
−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）−及び
−ＣＦ２ＣＦ２−
で示される構成単位を有する第一の樹脂並びに
一般式
【化１】
0004486013.tif 000006
で示されるモノマーを重合することにより得られる第二の樹脂を含有し、
Ｒは、水素原子又はメチル基であることを特徴とする樹脂材料。
【請求項２】
化学構造式
−ＣＦ２ＣＨ２−、
−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）−及び
−ＣＦ２ＣＦ２−
で示される構成単位を有する樹脂を含有する液体中で、一般式
【化２】
0004486013.tif 000007
で示されるモノマーを重合する工程を有し、
Ｒは、水素原子又はメチル基であることを特徴とする樹脂材料の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の樹脂材料の製造方法を用いて製造されていることを特徴とする樹脂材料。
【請求項４】
化学構造式
−ＣＦ２ＣＨ２−、
−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）−及び
−ＣＦ２ＣＦ２−
で示される構成単位を有する第一の樹脂並びに
一般式
【化３】
0004486013.tif 000008
で示されるモノマーを重合することにより得られる第二の樹脂を含有し、
Ｒは、水素原子又はメチル基であることを特徴とするイオン伝導膜。
【請求項５】
前記第一の樹脂の含有量は、５０重量％以上９０重量％以下であることを特徴とする請求項４に記載のイオン伝導膜。
【請求項６】
請求項１又は３に記載の樹脂材料を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
アルコールを含有する燃料を用いて発電することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池を有することを特徴とする電源。
【請求項１０】
請求項９に記載の電源を有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂材料、樹脂材料の製造方法、イオン伝導膜、燃料電池、電源及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化ガスに代表される環境問題の観点から、クリーンエネルギー源としての燃料電池が急ピッチで開発されている。特に、固体電解質型の燃料電池は、低温で作動し、小型で、高い出力密度を有することから、研究開発が活発に進められている。
【０００３】
固体電解質型の燃料電池としては、プロトン伝導型固体高分子の電解質膜を使用した燃料電池が挙げられる。この燃料電池は、アノード及びカソードの間に挟まれた電解質膜を有する。また、この燃料電池においては、例えば、アノードに水素が供給され、カソードに酸素が供給される。そして、アノード内の触媒によりアノードに供給された水素からプロトンが発生する。この時、発生する電子は、外部回路を伝導する。発生したプロトンは、プロトン伝導型の電解質膜を伝搬して、カソードに達する。カソードに達したプロトン、酸素及び外部回路を通じてカソードに到達した電子が反応し、水を生成する。上記のように、燃料電池の発電が進行するためには、アノードで発生したプロトンが、カソードへ良好に伝搬されなければならず、良好なプロトンの伝搬性を備えた電解質膜の開発が盛んに行われている。例えば、Ｄｕｐｏｎｔ社のパーフルオロアルキルスルホン酸型高分子（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）が高いプロトン伝導性の膜として開発され、燃料電池の電解質膜として広く利用されている。しかしながら、Ｎａｆｉｏｎは、多段階合成を経て製造されるため高価であり、低コストの電解質膜の開発が進められている。
【０００４】
そこで、低コストの電解質膜として、燃料のクロスオーバーが少ない電解質膜、高い抗酸化性を有する電解質膜等が検討されている。
【０００５】
特許文献１には、リン酸基を有するモノマーの重合樹脂が開示されている。しかしながら、このような樹脂は、会合しやすいため、イオン伝導度が低下するという問題がある。
【０００６】
特許文献２には、炭化水素部を有する重合体に対してリン酸基含有重合体を混合することにより、耐酸化性を向上した電解質膜が開示されている。しかしながら、混合体としての分散性や相溶性が低下するという問題がある。
【０００７】
特許文献３には、プロトン酸基を有する重合体と成膜性を有する非伝導体高分子を混合したポリマーブレンドプロトン伝導体が開示されている。また、プロトン酸基を有する重合体及び成膜性を有する非伝導体高分子を、適当な溶媒に溶解又は分散した後、溶剤を除去する工程を経てポリマーブレンドプロトン伝導体を形成する方法並びにプロトン酸基を有する重合体及び成膜性を有する非伝導体高分子を溶融し、適当な混合機で混合又は分散した後、公知の成形機や成膜機で所望するポリマーブレンドプロトン伝導体を得る方法が開示されている。しかしながら、混合体としての分散性や相溶性が低下するという問題がある。
【０００８】
特許文献４には、イオン性解離基を有する高分子及びイオン性解離基を有さない高分子を溶融及び／又は溶解させた状態で電界を印加することによって、固体高分子イオン伝導体を製造する方法が開示されている。しかしながら、混合体としての分散性や相溶性が低下するという問題がある。
【０００９】
特許文献５には、ポリフッ化ビニリデン膜及びフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロフロピレン共重合体膜のような、すでに膜の形態になっている基材ポリマーを浸漬によって膨潤させる工程、膨潤した基材ポリマーを、スルホン化スチレン及びジビニルベンゼンのようなモノマー並びに重合開始剤に浸漬させる工程、並びに膨潤した基材ポリマー内でモノマーを重合させる工程を繰り返して、ポリマーブレンドを得る方法が開示されている。しかしながら、この方法では、膜の形態の膨潤した基材ポリマー内に含浸させることができる量のモノマーを重合するため、基材ポリマー内に含浸するモノマーの割合を制御することが困難であるという問題がある。このため、ポリマーブレンドにおけるポリマーの各成分の割合を制御すること、すなわち、得られるポリマーブレンドの特性を調整することが困難である。また、ポリマーブレンドを得るまでに、上記の膨潤、浸漬、及び重合の各工程を繰り返すため、ポリマーブレンドの製造に長時間を要する。
【特許文献１】特開２００１−１１４８３４号公報
【特許文献２】特開２００４−７９２５２号公報
【特許文献３】特開２００２−２９４０８７号公報
【特許文献４】特開２００３−２３４０１５号公報
【特許文献５】特表２００１−５０４６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の従来技術が有する問題に鑑み、イオン伝導性が良好な樹脂材料、該樹脂材料の製造方法、該樹脂材料を含有するイオン伝導膜、該樹脂材料を有する燃料電池、該燃料電池を有する電源及び該電源を有する電子機器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】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、樹脂材料において、化学構造式
−ＣＦ２ＣＨ２−、
−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）−及び
−ＣＦ２ＣＦ２−
で示される構成単位を有する第一の樹脂並びに一般式
【００１２】
【化１】
0004486013.tif 000002
で示されるモノマーを重合することにより得られる第二の樹脂を含有し、Ｒは、水素原子又はメチル基であることを特徴とする。このため、イオン伝導性が良好な樹脂材料を提供することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、樹脂材料の製造方法において、化学構造式
−ＣＦ２ＣＨ２−、
−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）−及び
−ＣＦ２ＣＦ２−
で示される構成単位を有する樹脂を含有する液体中で、一般式
【００１４】
【化２】
0004486013.tif 000003
で示されるモノマーを重合する工程を有し、Ｒは、水素原子又はメチル基であることを特徴とする。このため、イオン伝導性が良好な樹脂材料の製造方法を提供することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、樹脂材料において、請求項２に記載の樹脂材料の製造方法を用いて製造されていることを特徴とする。このため、イオン伝導性が良好な樹脂材料を提供することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、イオン伝導膜において、化学構造式
−ＣＦ２ＣＨ２−、
−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）−及び
−ＣＦ２ＣＦ２−
で示される構成単位を有する第一の樹脂並びに一般式
【００１７】
【化３】
0004486013.tif 000004
で示されるモノマーを重合することにより得られる第二の樹脂を含有し、Ｒは、水素原子又はメチル基であることを特徴とする。このため、イオン伝導性が良好なイオン伝導膜を提供することができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のイオン伝導膜において、前記第一の樹脂の含有量は、５０重量％以上９０重量％以下であることを特徴とする。このため、イオン伝導膜の機械的強度を向上させることができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、燃料電池において、請求項１又は３に記載の樹脂材料を有することを特徴とする。このため、イオン伝導性が良好な樹脂材料を有する燃料電池を提供することができる。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池において、アルコールを含有する燃料を用いて発電することを特徴とする。このため、燃料電池のエネルギー密度を向上させることができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池において、前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする。このため、燃料電池の環境保全性及び安全性を向上させることができる。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、電源において、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池を有することを特徴とする。このため、イオン伝導性が良好な樹脂材料を有する電源を提供することができる。
【００２２】
請求項１０に記載の発明は、電子機器において、請求項９に記載の電源を有することを特徴とする。このため、イオン伝導性が良好な樹脂材料を有する電子機器を提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、イオン伝導性が良好な樹脂材料、該樹脂材料の製造方法、該樹脂材料を含有するイオン伝導膜、該樹脂材料を有する燃料電池、該燃料電池を有する電源及び該電源を有する電子機器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】
【００２４】
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に説明する。
【００２５】
本発明の樹脂材料は、樹脂Ａ及び樹脂Ｂを含有するイオン伝導樹脂材料である。樹脂Ａは、化学構造式
−ＣＦ２ＣＨ２−、−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）−及び−ＣＦ２ＣＦ２−
で示される３種の構成単位を有する共重合樹脂であり、樹脂Ｂは、一般式（１）
【００２６】
【化４】
0004486013.tif 000005
で示されるモノマー（以下、モノマー（１）という）を重合することにより得られる樹脂である。式中、Ｒは、水素原子又はメチル基を表す。
【００２７】
樹脂Ａを構成する異なる構成単位は、媒質に対して異なる相溶性や相互作用を有するため、構成単位の種類が多い程、樹脂Ａ及び樹脂Ｂの相溶性や分散性に与える影響も多様となり、材料設計により様々な機能を付与する可能性が広がる。
【００２８】
樹脂Ｂは、単独で用いると、イオン伝導度が低く、また、成型性も乏しい。イオン伝導度が低いのは、樹脂Ｂのリン酸基が会合を起こし、イオン伝導源であるプロトンが解離しにくくなるためである。また、成型性が乏しいのは、樹脂Ｂが溶融しにくいことと、溶剤に溶解しにくいことと、加圧成型しても、水中に放置するだけで膨潤することに起因している。
【００２９】
リン酸基の会合の抑制や機械的強度及び化学的安定性を補うために、本発明では、樹脂Ａが機能的に作用する。樹脂Ａの３種の構成単位の構成比としては、フッ化ビニリデン単位が３５〜４５％、ヘキサフルオロプロピレン単位が５〜１５％、テトラフルオロエチレン単位が４０〜６０％であることが好ましい。
【００３０】
本発明のイオン伝導膜は、樹脂Ａ及び樹脂Ｂを含有するイオン伝導膜であって、本発明の樹脂材料を用いて製造することができる。具体的には、樹脂Ａを溶剤に溶解した状態又は溶融した状態で、樹脂Ｂを添加し、充分に攪拌混合し、イオン伝導性液体を形成する。次に、イオン伝導性液体を塗布することにより、イオン伝導膜を形成することができる。
【００３１】
このとき、攪拌混合は、各種の攪拌・分散・混合方法により、樹脂の微細化及び混合を行うことができる。攪拌・分散・混合方法としては、回転刃により固形分の微細化及び混合を行うホモジナイザー、回転する３本のロールが有するギャップにより粒子の微細化及び混合を行う三本ロールミル、ビーズを混合し、攪拌することにより粒子の微細化及び混合を行うサンドミル、超音波振動により粒子を微細化及び混合する超音波分散等が挙げられる。
【００３２】
イオン伝導性液体を塗布する際には、攪拌混合が終了したイオン伝導性液体を基板等に塗布することが好ましい。この液体が、溶媒又は分散媒を含む場合には、溶媒又は分散媒を除去して、液体を固化させてもよい。また、イオン伝導性液体が、樹脂Ａの溶融物を含む場合には、この液体の温度を低下させて、イオン伝導性液体を固化させてもよい。塗布方法としては、従来から公知のブレードコート法、ダイコート法、ワイヤーバーコート法、スクリーン印刷法、フレクソ印刷法、スプレーコート法等が挙げられる。
【００３３】
ブレードコート法、ダイコート法、ワイヤーバーコート法又はスプレーコート法を用いて、長尺の基板に対して連続で塗布すると、イオン伝導性液体を、大面積に亘って高い生産性で塗布することができる。
【００３４】
スクリーン印刷法、フレクソ印刷法等の印刷版を使用する方法を用いると、任意の位置及び任意の大きさに亘って、イオン伝導性液体を塗布することができる。このような印刷法により塗布されたイオン伝導性液体を乾燥又は固化することによって、薄膜のイオン伝導膜を得ることができる。
【００３５】
例えば、ブレードコート法を用いる場合には、適量のイオン伝導性液体を、ＰＥＴフィルム等の平滑な板又は膜に塗布し、そのイオン伝導性液体を、ウェットギャップが設定されたブレードを用いて、均一な速度で平坦化すると、イオン伝導性液体から溶媒又は分散媒が除去され、均一な膜厚を有するイオン伝導膜を得ることができる。
【００３６】
また、スプレーコート法を用いる場合には、ＰＥＴフィルム等の平滑な板又は膜に、所定量のイオン伝導性液体を噴霧することにより、イオン伝導性液体を塗布すると共に、イオン伝導性液体から溶媒又は分散媒を除去して、均一な膜厚を有するイオン伝導膜を得ることができる。得られるイオン伝導膜の膜厚は、イオン伝導性液体を噴霧する量及びイオン伝導性液体を噴霧する装置の移動速度等を調整することよって、制御することができる。
【００３７】
本発明のイオン伝導膜は、後述する本発明の樹脂材料の製造方法によって得られるイオン伝導性液体から成膜されたものであってもよい。
【００３８】
本発明のイオン伝導膜は、樹脂Ａが固形分比で５０重量％以上９０重量％以下であることが好ましい。また、樹脂Ａと樹脂Ｂの総重量に対する樹脂Ａの重量の比は、５０％以上であることが好ましい。この比が５０％未満であると、イオン伝導膜を形成する際に、樹脂Ｂが分離する傾向にあると共に、イオン伝導膜の機械的強度が低下することがある。
【００３９】
本発明の樹脂材料の製造方法は、樹脂Ａを含有する液体中で、モノマー（１）を重合する工程を有する。本発明の樹脂材料は、この方法を用いて製造することができる。樹脂Ａを含有する液体において、樹脂Ａは、溶媒に溶解していてもよく、溶融していてもよい。
【００４０】
樹脂Ａを含有する液体は、溶媒又は分散媒、分散剤（例えば、他の樹脂等）をさらに含有してもよい。
【００４１】
本発明の樹脂材料の製造方法においては、まず、樹脂Ａを含有する液体（溶液又は溶融物）に、少なくとも、モノマー（１）を添加し、十分に攪拌、混合する。次に、得られた混合物を攪拌しながら、熱、光等の外部エネルギーを混合物に与え、モノマー（１）を重合する。なお、モノマー（１）を重合する際には、重合開始剤を添加してもよい。そして、重合開始剤又はモノマー（１）の自己重合性によって、モノマー（１）を重合して、樹脂Ａと樹脂Ｂを含有するイオン伝導性液体を得ることができる。なお、モノマー（１）を重合するとは、モノマー（１）を単独重合又は共重合することを意味し、共重合する際には、イオン解離性の官能基を有さない重合可能な化合物と共重合することが好ましい。
【００４２】
本発明の樹脂材料の製造方法においては、樹脂Ａ及び樹脂Ｂを直接混合せずに、樹脂Ａを含有する液体に、モノマー（１）を添加するため、樹脂Ａ及びモノマー（１）を、より短時間で混合することができる。すなわち、樹脂Ａ及び樹脂Ｂを直接混合する場合には、両方の樹脂の長い分子鎖による立体障害が大きいため、分子鎖の絡み合いが起こりにくく、両方の樹脂を混合するための時間が長くなる。これに対して、本発明の樹脂材料の製造方法においては、モノマー（１）の分子鎖による立体障害が小さいため、樹脂Ａ及びモノマー（１）を混合する時間を短くすることができる。
【００４３】
また、樹脂Ａの近傍でモノマー（１）が重合するため、モノマー（１）を重合することにより得られる樹脂Ｂ及び樹脂Ａの相溶性又は分散性が良好であるイオン伝導性液体を得ることができる。
【００４４】
そして、樹脂Ａ及び樹脂Ｂを直接混合する場合には、樹脂Ａ及び樹脂Ｂの相溶性及び分散性が、イオン伝導性液体の全体に亘って又は局所的に不均一になり、イオン伝導性液体から形成される樹脂材料の機械的強度又はイオン伝導性が、樹脂材料の全体に亘って又は局所的に不均一になることがある。具体的には、樹脂材料における樹脂Ｂの割合が相対的に高い領域では、イオン伝導性は相対的に高いが、機械的強度が相対的に低くなり、樹脂材料における樹脂Ａの割合が相対的に高い領域では、機械的強度は相対的に高いが、イオン伝導性は相対的に低くなる。このような場合には、樹脂材料における相対的に低い機械的強度を備えた領域の破壊が進行し、樹脂材料のイオン伝導度を維持することができなくなることがある。これに対して、本発明の樹脂材料の製造方法によって得られるイオン伝導性液体は、樹脂Ａ及び樹脂Ｂの相溶性又は分散性が良好である。このため、イオン伝導性液体から形成される樹脂材料は、樹脂Ａ及び樹脂Ｂがより均一な分布を有し、樹脂材料の全体に亘って、さらに均一な機械的強度及びイオン伝導度を有することができる。
【００４５】
本発明の樹脂材料の製造方法は、良好な安定性を備えたより均一な樹脂材料を、複雑な合成工程を用いることなく容易に製造することが可能であり、樹脂材料を安価に製造することができる。
【００４６】
本発明の樹脂材料の製造方法において、モノマー（１）をイオン解離性の官能基を有さない重合可能な化合物と共重合すると、樹脂Ａを含有する液体における樹脂Ｂの分散安定性を向上させることができる。
【００４７】
ここで、イオン解離性の官能基を有さない重合可能な化合物は、イオン解離性の官能基を有さず、モノマー（１）と共重合することができ、樹脂Ａを含有する液体（溶液又は溶融物）に溶解又は均質に分散することができる化合物であることが好ましい。イオン解離性の官能基を有さない重合可能な化合物は、モノマー（１）と共重合して、樹脂Ｂを形成するため、得られるイオン伝導性液体における樹脂Ｂは、モノマー（１）に由来する構成単位及びイオン解離性の官能基を有さない重合可能な化合物に由来する構成単位の両方を含む。
【００４８】
また、イオン解離性の官能基を有さない重合可能な化合物は、樹脂Ａと同様な構成単位を有することが好ましい。これにより、樹脂Ｂは、樹脂Ａとの親和性が良好な構成単位を有するため、イオン伝導性液体における樹脂Ａ及び樹脂Ｂの相溶性又は分散性を向上させることができる。したがって、イオン伝導性液体から得られる樹脂材料の機械的強度及びイオン伝導度を、イオン伝導体の全体に亘って、さらに均一にすることができる。
【００４９】
本発明の樹脂材料の製造方法において得られるイオン伝導性液体に、適宜、前述の分散法を適用することも可能である。また、前述の塗布法を用いて成膜することによりイオン伝導膜を形成することも可能である。
【００５０】
本発明の燃料電池は、本発明の樹脂材料を有する。これにより、イオン伝導性が高い樹脂材料やイオン伝導膜を有する燃料電池を提供することができる。
【００５１】
本発明の燃料電池は、アルコールを含有する燃料を用いて発電することが好ましい。この場合には、エネルギー密度が高い液体燃料を用いて発電する燃料電池を提供することができる。
【００５２】
本発明の燃料電池において、アルコールは、エタノールであることが好ましい。この場合には、環境保全性及び安全性が高い燃料電池を提供することができる。
【００５３】
本発明の燃料電池は、気体又は液体を燃料とする燃料電池であってもよく、本発明のイオン伝導膜を、燃料電池における電解質膜として利用することができる。
【００５４】
図１に、本発明の燃料電池の発電機構の一例を示す。この燃料電池は、本発明のイオン伝導膜をプロトン伝導型の固体高分子の電解質膜１１として用い、電解質膜１１の両側にアノード１２及びカソード１３を有する。また、アノード１２及びカソード１３は、それぞれ触媒層及び拡散層を有する。アノード側におけるセパレータ１４で囲まれた領域へプロトン源となる燃料（水素、アルコール等）が供給され、アノード１２の触媒により、燃料が酸化され、プロトンが発生する。この時、アノード１２に発生した電子は、負荷を有する外部回路１５を通じて流れ、カソード１３に到達する。カソード１３側におけるセパレータ１４で囲まれた領域へ酸化剤（空気、酸素等）が供給され、プロトン、酸化剤及び外部回路１５を通じて流れてきた電子が反応して、水を生成する。
【００５５】
すなわち、プロトン伝導型の固体高分子の電解質膜を有する燃料電池において、水素を燃料として使用する場合には、反応式
アノードにおける反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソードにおける反応：２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
で示される反応が起こる。
【００５６】
本発明の燃料電池は、触媒の種類によるが、燃料は特に限定されない。しかしながら、燃料としては、体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度が高い燃料を用いることが好ましい。燃料は、通常、容器内等の一定の体積を有する空間に収められるため、燃料の体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度は高いことが好ましい。特に、体積エネルギー密度が高い燃料を用いることが好ましい。
【００５７】
気体燃料の体積エネルギー密度と比較して、液体燃料及び固体燃料の体積エネルギー密度は、相対的に高いため、液体燃料又は固体燃料を用いることが好ましい。例えば、１分子の酸化反応により取り出せる電子の数が、水素については２個であり、メタノールについては６個であり、エタノールについては１２個であることから、各々の分子１ｍｏｌから取り出せる電荷量（クーロン）は、理論値として、水素については、９６５００×２Ｃであり、メタノールについては、９６５００×６Ｃであり、エタノールについては、９６５００×１２Ｃである。各々の燃料の密度及び分子量を考慮し、１ｃｍ３当たりの電荷量に換算したエネルギー密度は、水素については、約９Ｃ／ｃｍ３であり、メタノールについては、約１４４００Ｃ／ｃｍ３であり、エタノールについては、１５２００Ｃ／ｃｍ３である。このように、常温常圧で気体である水素の単位体積当たりのエネルギー密度は、著しく低い。常温常圧で液体であるメタノール及びエタノールは、反応式
メタノール；ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋６ｅ−＋ＣＯ２
エタノール；Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋３Ｈ２Ｏ→１２Ｈ＋＋１２ｅ−＋２ＣＯ２
で示されるように、酸化反応する際に、それぞれ１分子及び３分子の水を必要とするが、液体燃料のエネルギー密度が気体燃料よりも優れていることは明らかである。
【００５８】
なお、高圧状態の水素又は液体水素を使用することも可能であるが、燃料を保持する容器を堅牢にする必要があり、容器を含めてエネルギー密度を考慮すると、常温常圧で液体又は固体である燃料が優れている。具体的には、水素吸蔵合金に蓄えた水素、ガソリン、炭化水素（液体）、アルコール（液体）等の固体燃料又は液体燃料を使用することが好ましい。アルコール（液体）を含有する燃料を使用すると、燃料電池を小型化することができると共に、燃料の体積エネルギー密度が高いため、好ましい。また、駆動時間を向上させた小型の燃料電池を形成することができる。このとき、炭素数が４個以下のアルコールを使用することが好ましい。特に、エタノールは、安全性が高く、生合成が可能であるため、好ましい。このような形態の燃料電池は、優れた体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度を有するため、比較的小型の機器に使用する燃料電池として特に好適である。
【００５９】
本発明の電源は、本発明の燃料電池を有する。これにより、イオン伝導性が高い樹脂材料やイオン伝導膜を有する電源を提供することができる。
【００６０】
図２及び図３に、本発明の電源の一例として、電源システムを概略的に示す。
【００６１】
以下、図２及び図３を用いて、電源システムの構成及び作用を説明する。なお、図３において、矢印は、燃料等の流れを示す。
【００６２】
パーソナルコンピュータのような情報処理装置に搭載された、本発明の電源としての電源システムは、燃料電池２１、液体燃料を収容する液体燃料カートリッジ２２、液体燃料カートリッジ２２に接続された混合器２３、液体燃料カートリッジ２２及び混合器２３の間に設けられたバルブ２４、液体燃料を燃料電池２１に供給するための液体燃料ポンプ２５、燃料濃度を検知する濃度センサー２６、発電後の液体燃料を気体及び液体に分離する気液分離器２７、温度センサー２８及び冷却素子２９を有する熱交換器３０、空気を燃料電池２１に供給するための空気ポンプ３１、温度センサー３２及び冷却素子３３を有する水分凝縮器３４、水分凝縮器３４からの水分を収容する水タンク３５、水タンク３５及び混合器２３の間に設けられたバルブ３６、これらの各部を制御するための制御回路３７並びに燃料電池２１の正負極が接続されたＤＣＤＣコンバーター３８等で構成される。なお、燃料等が通過する各部は、チューブ等の流路により接続される。
【００６３】
このような電源システムにおいて、混合器２３を通過した燃料は、液体燃料ポンプ２５を経て濃度センサー２６に導かれる。濃度センサー２６により検知された液体燃料の濃度が、所定の濃度よりも低い場合には、制御回路３７は、液体燃料カートリッジ２２のバルブ２４を開ける。これにより、液体燃料は、燃料電池２１に導かれる。発電後の液体燃料は、気液分離器２７により気体成分（炭酸ガス）及び液体成分に分離され、液体成分は、熱交換器３０に導かれる。温度センサー２８により検知された液体成分の温度が、所定の温度よりも低い場合には、制御回路３７は、冷却素子２９を用いて液体成分を冷却せず、液体成分の温度が、所定の温度より高い場合には、制御回路３７は、冷却素子２９を用いて液体成分を冷却する。熱交換器３０を通過した液体燃料は、再び混合器２３に戻される。このような流れが、液体燃料ラインとして機能する。
【００６４】
空気ポンプ３１からの空気は、燃料電池２１に導かれる。燃料電池２１を通過した気液混合ガスは、水分凝縮器３４に導かれる。温度センサー３２により検知された気液混合ガスの温度が、所定の温度よりも低い場合には、制御回路３７は、冷却素子３２を用いて気液混合ガスを冷却せず、気液混合ガスの温度が、所定の温度よりも高い場合には、制御回路３７は、冷却素子３２を用いて気液混合ガスを冷却する。なお、排ガスは、電源システムの外部に排出される。ここで、排ガスを排出するための排出口（図示せず）は、情報処理装置に対する電源システムの装着位置によって異なるが、情報処理装置の外部に面した位置に設けることが好ましい。水分凝縮器３４を用いて凝縮された水分は、水タンク３５を介して混合器２３に戻される。このような流れが、空気ラインとして機能する。
【００６５】
このようにして、液体燃料及び空気が燃料電池２１に供給されることで、燃料電池２１は、発電し、所定の電力（起電力）をＤＣＤＣコンバーター３８に付与し、ＤＣＤＣコンバーター３８に設けられた端子３９を通じて、電力を電子機器に供給する。なお、図２及び図３に示す電源システムにおいては、蓄電素子を用いていないが、例えば、蓄電素子を電源システムの内部及び／又は外部に設けてもよい。
【００６６】
本発明の電子機器は、本発明の電源を有する。これにより、イオン伝導性が高い樹脂材料やイオン伝導膜を有する電子機器を提供することができる。
【００６７】
図４に、本発明の電子機器の一例として、携帯可能なパーソナルコンピュータを概略的に示す。図５に、本発明の電子機器の一例として、情報処理装置の構成を概略的に示す。
【００６８】
図４に示すように、電源システム４１は、例えば、携帯可能なパーソナルコンピュータのような情報処理装置の内部に搭載される。図５に示すように、情報処理装置は、各種演算を行って各部を集中的に制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）５１、ＢＩＯＳ（バイオス）等を記憶しているＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）５２及びＣＰＵ５１の作業エリアとなるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）５３が、バス５４により接続されるように構成される。バス５４には、大容量記憶装置であるＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）５５、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）等の表示装置５６、キーボード、マウス等の入力装置５７、ＣＤ、ＤＶＤ等の記憶媒体５８からデータを読み取る光ディスク装置等のデータ読取装置５９並びに電力を供給する電源システム４１等が各種のコントローラ（図示せず）等を介して接続されている。
【００６９】
記憶媒体５８には、各種のプログラムが記憶されている。これらのプログラムは、データ読取装置５９で読み取られ、ＨＤＤ５５にインストールされる。なお、記憶媒体５８としては、ＣＤ、ＤＶＤ等の光ディスク、光磁気ディスク、フレキシブルディスク等の各種方式のメディアを用いることができる。データ読取装置５９も記憶媒体５８の方式に応じて、光ディスク装置、光磁気ディスク装置、ＦＤＤ等が用いられる。また、各種のプログラムは、記憶媒体５８から読み取るのではなく、ネットワーク（図示せず）からダウンロードしてＨＤＤ５５にインストールされるものであってもよい。
【実施例】
【００７０】
フッ素樹脂として、フッ素樹脂１及びフッ素樹脂２を用いた。
【００７１】
フッ素樹脂１は、フッ化ビニリデン単位を４０％、六フッ化イソプロピレン単位を１１％、四フッ化エチレン単位を４９％有する直鎖状の共重合樹脂である。
【００７２】
なお、フッ素樹脂１の組成は、１Ｈ−ＮＭＲ及び１９Ｆ−ＮＭＲにより算出した。フッ素樹脂１に内部標準物質として１，１，２，２−テトラブロモエタンを所定量混合し、１Ｈ−ＮＭＲによりフッ素樹脂１中の水素原子の定量を行った。さらに、１９Ｆ−ＮＭＲによりＣＦ３とＣＦ２の存在比を求め、両者の結果より構成単位の比率を算出した。
【００７３】
以下、フッ素樹脂１の組成の同定方法を具体的に説明する。フッ素樹脂１の重量に対して８．０４５重量％の１，１，２，２−テトラブロモエタンを加え、１Ｈ−ＮＭＲスペクトルを測定したところ、ピークの積分強度からフッ素樹脂１は、２８重量％の水素原子を含むことが判った。また、１９Ｆ−ＮＭＲスペクトルからＣＦ３とＣＦ２の積分強度比を求めたところ、ＣＦ３：ＣＦ２＝３．８５８：３４．２３４であった。なお、１Ｈ−ＮＭＲ及び１９Ｆ−ＮＭＲの測定装置としては、ブルッカーＤＲＸ−５００を用いた。
【００７４】
フッ素樹脂２は、フッ化ビニリデン単位からなるフッ素樹脂（ポリフッ化ビニリデン）である。
（実施例１）
メチルエチルケトンに、３．７５ｇのフッ素樹脂１及びアシッドホスホオキシクロロプロピルメタクリレート（Ｒがメチル基であるモノマー（１））３．７５ｇ（全固形分比５０％）を加え、均一な溶液を得た後、アゾビスイソブチロニトリルをモノマーの２％（７５ｍｇ）加えた。溶液を攪拌すると同時に、溶液を７５℃で２４時間及び８０℃で１時間保持し、徐冷し、イオン伝導性液体を得た。製造直後のイオン伝導性液体は、乳黄白色であり、均一分散状態であった（図６参照）。得られたイオン伝導性液体を離形性プラスチック上に塗布し、真空下で加熱することにより、溶剤を除去した。得られたイオン伝導膜を、加熱したメタノール中で数回充分に洗浄した後、沸騰水中で加熱し、イオン交換水中に保存した。イオン伝導膜は、均質であった。
【００７５】
イオン伝導膜を直径３ｍｍの金型で打ち抜き、インピーダンスアナライザーを用いて、イオン伝導膜のインピーダンスを測定した。インピーダンスアナライザーによって得られたイオン伝導膜のインピーダンスの実部及び虚部の測定値について、コールコールプロットを行い、低周波部から高周波部分の直線の外挿が実数軸と交わる部分（交点）を抵抗値とした。イオン伝導膜のイオン伝導度は、０．０１１Ｓ／ｃｍであった。
（実施例２）
メチルエチルケトンに、４．７３ｇのフッ素樹脂１及びアシッドホスホオキシクロロプロピルメタクリレート２．７８ｇ（全固形分比３７％）を加えた以外は、実施例１と同様にイオン伝導膜を作製した。イオン伝導性液体は、均一であり、イオン伝導膜も均質であった。イオン伝導膜のイオン伝導度は、３．１×１０−３Ｓ／ｃｍであった。
（実施例３）
メチルエチルケトンに、５．６３ｇのフッ素樹脂１及びアシッドホスホオキシクロロプロピルメタクリレート１．８８ｇ（全固形分比２５％）を加えた以外は、実施例１と同様にイオン伝導膜を作製した。イオン伝導性液体は、均一であり、イオン伝導膜も均質であった。イオン伝導膜のイオン伝導度は、２．２×１０−３Ｓ／ｃｍであった。
（実施例４）
メチルエチルケトンに、６．４５ｇのフッ素樹脂１及びアシッドホスホオキシクロロプロピルメタクリレート１．０５ｇ（全固形分比１４％）を加えた以外は、実施例１と同様にイオン伝導膜を作製した。イオン伝導性液体は、均一であり、イオン伝導膜も均質であった。イオン伝導膜のイオン伝導度は、４．９×１０−４Ｓ／ｃｍであった。
（実施例５）
メチルエチルケトンに、５．６２ｇのフッ素樹脂１を加え、溶解させた。この溶液に、ポリ（アシッドホスホオキシクロロプロピルメタクリレート）１．８８ｇ（全固形分比２５％）を加え、回転刃式のホモジナイザーを用いて、１００００ｒｐｍで一次分散を行った。次に、３本ロールミルを用いて、５回処理を行い、均一なイオン伝導性液体を得た。得られたイオン伝導性液体を離形性プラスチック上に塗布し、真空下で加熱することにより、溶剤を除去した。得られたイオン伝導膜を沸騰水中で加熱し、イオン交換水中に保存した。イオン伝導膜は、均質であった。実施例１と同様に、イオン伝導膜のイオン伝導度を測定したところ、１．９×１０−３Ｓ／ｃｍであった。
（比較例１）
ジメチルホルムアミドに、４．７３ｇのフッ素樹脂２及びアシッドホスホオキシクロロプロピルメタクリレート２．７８ｇ（全固形分比３７％）を加え、均一な溶液を得た後、アゾビスイソブチロニトリルをモノマーの２％（５６ｍｇ）加えた。
【００７６】
溶液を攪拌すると同時に、溶液を７５℃で２４時間及び８０℃で１時間保持し、徐冷した。反応後のイオン伝導性液体は、容器の底面に固形分の析出が見られると共に、容器の上面は、透明な液体状態であり、均一な状態ではなかった。このことを実施例２と比較すると、フッ素樹脂１が均一性（分散性）を改善する効果を有することがわかる。
（比較例２）
ポリ（アシッドホスホオキシクロロプロピルメタクリレート）粉末を３００ｋｇ／ｃｍ２の圧力をかけて直径約１０ｍｍの円盤状に成型した。これをイオン交換水に投入した。円盤は膨潤し、崩壊した。このことを実施例と比較すると、フッ素樹脂１が成膜性を改善する効果を有することがわかる。
（比較例３）
アシッドホスホオキシクロロプロピルメタクリレートの代わりに、アシッドホスホオキシエチルメタクリレートを使用した以外は、実施例２と同様に、イオン伝導性液体を作製した。イオン伝導性液体は、不均一であり、分離状態にあった（図７参照）。
（比較例４）
アシッドホスホオキシクロロプロピルメタクリレートの代わりに、アシッドホスホオキシ（ポリプロピレングリコール）メタクリレートを使用した以外は、実施例２と同様に、イオン伝導膜を作製した。イオン伝導膜は不均一であり、イオン伝導度は、６．３×１０−３Ｓ／ｃｍと低かった。
（実施例６）
ドクターブレードを用いて、実施例１で作製したイオン伝導性液体を離型性のプラスチックシートに塗布、乾燥し、メタノールで洗浄して膜厚約２５０μｍ（８ｃｍ×８ｃｍ）のイオン伝導膜を得た。
【００７７】
以下、得られたイオン伝導膜を電解質膜として用いた。
【００７８】
蒸留水１０ｇに、白金触媒（カソード触媒）を５０重量％担持したカーボン１ｇ及び５重量％のＮａｆｉｏｎ（商標）液７．４ｇを添加し、分散処理を行ったカソード触媒分散液を調製した。電解質膜の片面に、白金の塗布量が１ｍｇ／ｃｍ２となるように、カソード触媒分散液をスプレー塗布し、カソード触媒層を形成した。塗布面積は、５ｃｍ×５ｃｍとした。
【００７９】
蒸留水１０ｇに、白金−ルテニウム触媒（元素比１：１）（アノード触媒）を４０重量％担持したカーボン１ｇ及び５重量％のＮａｆｉｏｎ（商標）液７．４ｇを添加し、分散処理を行ったアノード触媒分散液を調製した。電解質膜の白金触媒を塗布した面とは反対側の面に、白金の塗布量が１ｍｇ／ｃｍ２となるように、カソード触媒分散液をスプレー塗布し、アノード触媒層を形成した。塗布面積は、５ｃｍ×５ｃｍとした。
【００８０】
表裏にカソード触媒層及びアノード触媒層を形成した電解質膜を、１３０℃に加熱した後、図８のような燃料電池を構成した。この燃料電池は、上記の電解質膜８１、アノード触媒層８２、カソード触媒層８３、カーボンペーパーからなる拡散層８４（厚さ２００μｍ、５３ｍｍ×５３ｍｍ）、樹脂含浸高密度人造黒鉛からなる液体燃料供給部８５及び酸化剤供給部８６（厚さ１０ｍｍ、８０ｍｍ×８０ｍｍ、流路形状：サーペンタイン、流路外寸５０ｍｍ×５０ｍｍ）、銅に金メッキを施した集電板８７、絶縁板８８（厚さ５００μｍ、８０ｍｍ×８０ｍｍ）、エンドプレート８９（ＳＵＳ３０４、厚さ１２ｍｍ、１２０ｍｍ×１２０ｍｍ）、テフロン（登録商標）製のシール部材９０（厚さ２００μｍ、外寸８０ｍｍ×８０ｍｍ、内径５４ｍｍ×５４ｍｍ）を有する。
【００８１】
エンドプレート８９は、ボルト９１及び支持棒９２を用いて、１辺に対して３個所（全体で１２箇所）固定した。液体燃料供給口９３及び酸化剤供給口９４は、エンドプレート８９の側面に設けられている。また、絶縁板８８、液体燃料供給部８５及び酸化剤供給部８６には、液体燃料又は酸化剤を導くための穴が設けられていると共に、集電板８７の表面には、漏れを防止するために、Ｏリング（図示せず）が設けられている。
【００８２】
０．３１ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液（液体燃料）の流量を１．５ｍｌ／分、空気（酸化剤）の流量を１００ｍｌ／分として、燃料電池に供給したところ、開放電圧０．６５Ｖが観測され、イオン伝導膜が電気化学素子として使用できることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の燃料電池の発電機構の一例を示す図である。
【図２】本発明の電源の一例を概略的に示す図である。
【図３】本発明の電源の一例を概略的に示すブロック図である。
【図４】本発明の電子機器の一例を概略的に示す図である。
【図５】本発明の電子機器の一例を概略的に示すブロック図である。
【図６】実施例１のイオン伝導性液体を示す図である。
【図７】比較例３のイオン伝導性液体を示す図である。
【図８】実施例６の燃料電池を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１１    電解質膜
１２    アノード
１３    カソード
１４    セパレータ
１５    外部回路
２１    燃料電池
２２    液体燃料カートリッジ
２３    混合器
２４、３６    バルブ
２５    液体燃料ポンプ
２６    濃度センサー
２７    気液分離器
２８、３２    温度センサー
２９、３３    冷却素子
３０    熱交換器
３１    空気ポンプ
３４    水分凝縮器
３５    水タンク
３７    制御回路
３８    ＤＣＤＣコンバーター
３９    端子
４１    電源システム
５１    ＣＰＵ
５２    ＲＯＭ
５３    ＲＡＭ
５４    バス
５５    ＨＤＤ
５６    表示装置
５７    入力装置
５８    記録媒体
５９    データ読取装置
８１    電解質膜
８２    アノード触媒層
８３    カソード触媒層
８４    拡散層
８５    液体燃料供給部
８６    酸化剤供給部
８７    集電板
８８    絶縁板
８９    エンドプレート
９０    シール部材
９１    ボルト
９２    支持棒
９３    液体燃料供給口
９４    液体燃料排出口
９５    酸化剤供給口
９６    酸化剤排出口
【図１】
0004486013.tif 000009
【図２】
0004486013.tif 000010
【図３】
0004486013.tif 000011
【図４】
0004486013.tif 000012
【図５】
0004486013.tif 000013
【図８】
0004486013.tif 000014
【図６】
0004486013.tif 000015
【図７】
0004486013.tif 000016