(57)【要約】【課題】膜形状に固定化しても良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得るイオン伝導体、これを用い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】イオン伝導体は、非共有電子対を持つヘテロ原子を骨格部位内に有するポリマーと、カチオン成分とアニオン成分を含む電解質を含有する。  エネルギーデバイスは、このイオン伝導体を電極で挟持した構造部位を有する。  燃料電池は、このエネルギーデバイスを単セルとして備える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
非共有電子対を持つヘテロ原子を骨格部位内に有するポリマーと、カチオン成分とアニオン成分を含む電解質とが共存していることを特徴とするイオン伝導体。
【請求項２】
上記非共有電子対を持つヘテロ原子が、当該ポリマーの繰り返し単位内に存在す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】
上記ヘテロ原子を有する骨格部位がヘテロ環を形成してい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】
上記非共有電子対を持つヘテロ原子が、酸素原子、窒素原子、硫黄原子、リン原子、セレン原子、錫原子、インジウム原子及びアンチモン原子から成る群より選ばれた少なくとも１種の原子であ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】
上記電解質に含まれるカチオン成分及びアニオン成分が、それぞれ分子性カチオン及び分子性アニオンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項６】
上記電解質が、分子性カチオンと分子性アニオンの常温溶融塩を含むことを特徴とする請求項５に記載のイオン伝導体。
【請求項７】
上記電解質に含まれる分子性カチオンが、非共有電子対を持つヘテロ原子を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載のイオン伝導体。
【請求項８】
上記ヘテロ原子を有するポリマーの骨格部位がヘテロ環を形成し、上記電解質に含まれる分子性カチオンが、当該ヘテロ環と構造が近似する骨格部位を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項９】
上記ポリマーが、上記電解質の支持材として機能する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】
上記ポリマーがフィルム状をなすことを特徴とする請求項１〜９のイオン伝導体。
【請求項１１】
上記ポリマーが多孔体を形成することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項１２】
キャリアーイオンがプロトンであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１つの項に記載のイオン伝導体を電極で挟持した構造部位を備えることを特徴とするエネルギーデバイス。
【請求項１４】
請求項１３に記載のエネルギーデバイスを単セルとして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、イオン伝導体及びエネルギーデバイスに係り、更に詳細には、特定のポリマーと所定の電解質を有するイオン伝導体、これを用いたエネルギーデバイス及び燃料電池に関する。
【０００２】
かかるイオン伝導体は、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、湿度センサー及びガスセンサーなどに、固体高分子電解質膜として用いるのに有用である。
【背景技術】
【０００３】
従来、ヘテロ原子を含む塩基性化合物を含有するプロトン交換体が提案されており、このプロトン交換体は、低融点のイオン液体であって、水に依存することなく高いプロトン伝導性を発現することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
かかるプロトン交換体において、プロトン伝導性の発現は、ヘテロ原子を含む塩基性化合物のヘテロ原子に結合する水素原子を利用して行われている。
【特許文献１】国際公開０３／０８３９８１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）への適用を考慮すれば、これらのプロトン交換体を膜形状に固定化することが望まれるが、膜形状に固定化すると、そのイオン伝導度やプロトン伝導度が低下してしまい、かかるプロトン交換体が本来有する特性を十分には発揮できないことが分かった。
【０００５】
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、膜形状に固定化しても良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得るイオン伝導体、これを用い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】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定のポリマーをカチオン成分とアニオン成分を含む電解質と併用することにより、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。
【０００７】
即ち、本発明のイオン伝導体は、非共有電子対を持つヘテロ原子を骨格部位内に有するポリマーと、カチオン成分とアニオン成分を含む電解質とを含有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のイオン伝導体の好適形態では、上記電解質に含まれるカチオン成分及びアニオン成分が、それぞれ分子性カチオン及び分子性アニオンである。
【０００９】
更に、本発明のイオン伝導体の他の好適形態は、上記ヘテロ原子を有するポリマーの骨格部位がヘテロ環を形成し、上記電解質に含まれる分子性カチオンが、当該ヘテロ環と構造が近似する骨格部位を有することを特徴とする。
【００１０】
一方、本発明のエネルギーデバイスは、上述の如きイオン伝導体を電極で挟持した構造部位を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の燃料電池は、上記のエネルギーデバイスを単セルとして備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、所定のポリマーをカチオン成分とアニオン成分を含む電解質と併用することとしたため、膜形状に固定化しても良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得るイオン伝導体、これを用い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。
【００１３】
また、本発明の好適例では、イオン液体を主体とする電解質を固定化するに際し、電解質の持つイオン伝導度の低下が抑制される。
更に、固定化により膜化形態とすることができ、これにより、電解質のハンドリングが容易となり、従来のＰＥＦＣの構造を維持したまま、本発明のイオン伝導体を適用することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明のイオン伝導体につき詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
上述の如く、本発明のイオン伝導体は、非共有電子対を有するヘテロ原子をその骨格部位内に含むポリマー（Ａ）と、カチオン成分とアニオン成分を含む電解質（Ｂ）とを共存させて成るものである。
【００１５】
［１］非共有電子対を有するヘテロ原子をその骨格部内に含むポリマー
まず、（Ａ）成分である所定ポリマーにつき説明する。
ここで、「ヘテロ原子」とは、炭素原子及び水素原子以外の原子を意味し、複素環（ヘテロ環）を構成する炭素原子以外の原子に限定されないものとする。
また、非共有電子対を有するヘテロ原子としては、酸素原子（Ｏ）、窒素原子（Ｎ）、硫黄原子（Ｓ）、リン原子（Ｐ）、セレン原子（Ｓｅ）、錫原子（Ｓｎ）、インジウム原子（Ｉｎ）又はアンチモン原子（Ｓｂ）及びこれらの任意の組合せを挙げることができる。
【００１６】
本発明において、非共有電子対を有するヘテロ原子は、所定ポリマー（Ａ）の繰り返し単位内に存在することが好ましい。
本発明は、後述するように、イオン伝導体におけるキャリアーイオンの伝導性を向上することを骨子とするものであるが、かかる特定ヘテロ原子が繰り返し単位内に存在すれば、キャリアーイオンがルイス酸（キャリアーイオン）−ルイス塩基（非共有結合電子対を持つヘテロ原子）の共役化を行うことが可能となる結合部位が、化学構造式的に等間隔で且つ多く提供されることになるので、キャリアーイオン伝導性を向上させるのに有効である。
【００１７】
なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「キャリアーイオン」とは、プロトン（Ｈ＋）又はアルカリ金属イオンを意味するものとする。
本発明のイオン伝導体をＰＥＦＣの電解質膜に適用する場合には、プロトン伝導性が直接の技術対象となる。
なお、これが他のエネルギーデバイス、例えばリチウムイオン電池になれば、そのキャリアーイオンはＬｉ＋となり、目的とするエネルギーデバイスの形態によってキャリアーイオンは適宜変更することが可能である。
【００１８】
また、本発明では、所定ポリマー（Ａ）において、特定ヘテロ原子を有する骨格部位がヘテロ環を形成していることが好ましい。
このようなヘテロ環を有するポリマーは、一般に耐熱性に優れるので、イオン伝導体のキャリアーイオン伝導性を改善するだけではなく、高温安定性も向上できる。
従って、かかるヘテロ環を有するポリマーを含む本発明のイオン伝導体を、例えば燃料電池の電解質に適用すれば、従来のＰＥＦＣでは発電が困難な１００〜１５０℃程度においても発電を行える可能性が生ずる。
【００１９】
上述した所定ポリマー（Ａ）の具体例としては、以下に示す化学式１
【００２０】
【化１】
2007026745.tif 000002
【００２１】
（式中のｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数を示す。）で表されるポリエチレングリコール、化学式２
【００２２】
【化２】
2007026745.tif 000003
【００２３】
（式中のｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数、ＲはＣＨ２基、ｍは２〜１２の自然数を示す。）で表されるポリアミド、化学式３
【００２４】
【化３】
2007026745.tif 000004
【００２５】
（式中のｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数を示す。）で表されるポリエーテルスルホン、化学式４
【００２６】
【化４】
2007026745.tif 000005
【００２７】
（式中のｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数を示す。）で表されるポリエーテルエーテルスルホン、化学式５
【００２８】
【化５】
2007026745.tif 000006
【００２９】
（式中のｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数を示す。）で表されるポリサルホン、化学式６
【００３０】
【化６】
2007026745.tif 000007
【００３１】
（式中のｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数を示す。）で表されるポリカーボネート、化学式７
【００３２】
【化７】
2007026745.tif 000008
【００３３】
（式中のｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数を示す。）で表されるポリエーテルエーテルケトン、化学式８
【００３４】
【化８】
2007026745.tif 000009
【００３５】
（式中のｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数、ｍは０〜１８の整数を示す。）で表されるビニルイミダゾール重合体、化学式９
【００３６】
【化９】
2007026745.tif 000010
【００３７】
（式中のｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数を示す。）で表されるポリ（ジフェニル１，４−フェニレンオキシド）、化学式１０
【００３８】
【化１０】
2007026745.tif 000011
【００３９】
（式中のＸはそれぞれ個別に窒素原子（Ｎ）又はＮＲ＋（Ｒは１価の有機基）、Ｙはそれぞれ個別に酸素原子（Ｏ）、硫黄原子（Ｓ）又はＮＨ、Ｚはアリーレン基、酸素原子又はカルボニル基、ｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数を示す。）で表されるポリマー、及び化学式１１
【００４０】
【化１１】
2007026745.tif 000012
【００４１】
（（式中のＸはそれぞれ個別に窒素原子（Ｎ）又はＮＲ＋（Ｒは１価の有機基）、Ｙはそれぞれ個別に酸素原子（Ｏ）、硫黄原子（Ｓ）又はＮＨ、Ｚはアリーレン基、酸素原子又はカルボニル基、ｎは２以上、好ましくは５００以上、更に好ましくは１０００以上の自然数を示す。）で表されるポリマーを挙げることができる。
【００４２】
なお、上記化学式１０及び化学式１１において、Ｒの具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基などの炭素数が１〜１８（Ｃ１〜Ｃ１８）のアルキル基を挙げることができる。
【００４３】
［２］カチオン成分とアニオン成分を含む電解質
次に、（Ｂ）成分である所定の電解質につき説明する。
この電解質（Ｂ）に含まれるカチオン成分及びアニオン成分としては、単独の原子から形成される単原子性（原子性）のものと、複数個の原子から形成される多原子性（例えば、分子性）のものに大別でき、本発明ではいずれも使用可能である。
【００４４】
原子性のカチオン成分とアニオン成分を含有する電解質としては、代表的に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などが挙げられ、これらは高温で溶融塩状体となってイオン伝導性を発揮する。
なお、原子性アニオン成分としては、代表的にハロゲンイオン、例えばＣｌ−、Ｂｒ−及びＩ−を挙げることができる。
【００４５】
一方、分子性のカチオン成分とアニオン成分を含む電解質としては、以下に示すカチオン成分及びアニオン成分の具体例を含むものが挙げられ、本発明では、これらカチオン成分とアニオン成分を任意に組み合わせて使用することができる。
【００４６】
まず、カチオン成分としては、例えば、以下の化学式１２〜１４に示すイミダゾリウム誘導体（Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ、１〜３置換体）、化学式１５に示すピリジニウム誘導体（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式１６に示すピロリジニウム誘導体（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式１７に示すアンモニウム誘導体（Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式１８に示すホスフォニウム誘導体（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式１９に示すグアニジニウム誘導体（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式２０に示すイソウロニウム誘導体（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、化学式２１に示すチオウレア誘導体（Ｔｈｉｏｕｒｅａ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）、などが挙げられる。
【００４７】
【化１２】
2007026745.tif 000013
【００４８】
式中のＲは、炭素数が１〜１８の、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。
特に、Ｒがメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基のものを好適に使用できる。
【００４９】
【化１３】
2007026745.tif 000014
【００５０】
式中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ個別に炭素数が１〜１８の、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。
特に、Ｒが水素原子、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、ベンジル基のものを好適に使用できる。
【００５１】
【化１４】
2007026745.tif 000015
【００５２】
式中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３は、それぞれ個別に水素原子、炭素数が１〜１８の、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。
特に、Ｒ１、Ｒ２がメチル基、Ｒ３が水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基又はヘキシル基であるものを好適に使用できる。
【００５３】
【化１５】
2007026745.tif 000016
【００５４】
式中のＲ１は、炭素数が１〜１８の、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。また、式中のＲ２、Ｒ３、Ｒ４は、少なくとも１つのＲが水素（Ｈ）であり、残りのＲがそれぞれ個別に炭素数１〜１８の、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。
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、Ｒ４のうち全てが水素原意であるもの、又は１つ若しくは２つがメチル基のものを好適に使用できる。
【００５５】
【化１６】
2007026745.tif 000017
【００５６】
式中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ個別に炭素数が１〜１８の、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。
特に、Ｒ１、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のものを好適に使用できる。更には、Ｒのうちの１つが水素原子であっても好適に使用できる。
【００５７】
【化１７】
2007026745.tif 000018
【００５８】
式中のＲ９、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、それぞれ個別に炭素数１〜１８の、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。
特に、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のすべ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つ又は２つの官能基がエチル基、ブチル基、メトキシエチル基であるものを好適に使用できる。
【００５９】
【化１８】
2007026745.tif 000019
【００６０】
式中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、それぞれ個別に炭素数１〜１８の、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。
特に、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のすべてがブチル基であるものや、ヘキシル基と少なくとも１つ以上のテトラデシル基を備えるものを好適に使用できる。
【００６１】
【化１９】
2007026745.tif 000020
【００６２】
式中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６は、それぞれ個別に水素原子、炭素数１〜１８の、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。
特に、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６のすべてが水素原子であるものや、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６のうちのいずれか１つがメチル基、イソプロピル基、フェニル基であるものを好適に使用できる。
【００６３】
【化２０】
2007026745.tif 000021
【００６４】
式中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は、それぞれ個別に水素原子、炭素数１〜１８の、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。
特に、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５のすべてがメチル基であるもの、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４がメチル基であり、Ｒ５がエチル基であるものを好適に使用できる。
【００６５】
【化２１】
2007026745.tif 000022
【００６６】
式中のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は、水素原子、炭素数が１〜１８の、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。
特に、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４がメチル基であり、Ｒ５がエチル基であるものを好適に使用できる。
【００６７】
一方、アニオン成分としては、例えば、以下の化学式２２、２３に示すスルフェート類及びスルホン酸類（Ｓｕｌｆａｔｅｓ  ａｎｄ  ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ）、化学式２４に示すアミド類及びイミド類（Ａｍｉｄｅｓ  ａｎｄ  ｉｍｉｄｅｓ）、化学式２５に示すメタン類（Ｍｅｔｈａｎｅｓ）、化学式２６〜３１に示すホウ酸塩類（Ｂｏｒａｔｅｓ）、化学式３２、３３に示すリン酸塩類及びアンチモン類（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ  ａｎｄ  Ａｎｔｉｍｏｎａｔｅｓ）、化学式３４に示すその他の塩類、などが挙げられる。
【００６８】
【化２２】
2007026745.tif 000023
【００６９】
【化２３】
2007026745.tif 000024
【００７０】
【化２４】
2007026745.tif 000025
【００７１】
【化２５】
2007026745.tif 000026
【００７２】
【化２６】
2007026745.tif 000027
【００７３】
【化２７】
2007026745.tif 000028
【００７４】
【化２８】
2007026745.tif 000029
【００７５】
【化２９】
2007026745.tif 000030
【００７６】
【化３０】
2007026745.tif 000031
【００７７】
【化３１】
2007026745.tif 000032
【００７８】
【化３２】
2007026745.tif 000033
【００７９】
【化３３】
2007026745.tif 000034
【００８０】
【化３４】
2007026745.tif 000035
【００８１】
また、多価アニオンとしては、例えば、以下の化学式３５に示すものなどが好適に使用できる。
【００８２】
【化３５】
2007026745.tif 000036
【００８３】
上述のような分子性イオン成分を含む電解質を採用すれば、カチオン成分とアニオン成分の組合せの自由度が大きい外、材料選択の幅も拡大できる。
また、イオン伝導体を適用するエネルギーデバイスに応じて、当該電解質を好適化することが容易となり、エネルギーデバイスへの実際の適用性を向上できる。
【００８４】
所定の電解質（Ｂ）を、上述の如き分子性カチオンと分子性アニオンの常温溶融塩で構成すれば、電解質を溶解する処理を省略でき、取り扱い性や製造工程も簡略化できるので便利である。
かかる常温溶融塩は、一般にイオン液体と称されており、常温溶融塩であるがゆえに蒸気圧が極めて低く、蒸発し難い。また、難燃性で、熱分解温度が通例２５０℃以上と高く、凝固点も通例は−２０℃以下であり、安定性に優れた材料である。
【００８５】
なお、本発明においては、所定の電解質（Ｂ）を上述の如きイオン液体のみで構成することができるが、水などの極性溶媒を加えて、当該イオン液体におけるプロトン伝導性を向上させることができ、このような極性溶媒を加えたイオン液体を電解質（Ｂ）に用いてイオン伝導体を構成することにより、キャリアーイオン伝導性を向上することも可能である。
【００８６】
また、本発明においては、上記分子性カチオンが、非共有電子対を有するヘテロ原子を含むことが好ましい。
特定ヘテロ原子を有する分子性カチオンを含むイオン液体では、以下の化学式３６に示すグロータス機構（Ｇｒｏｔｔｈｕｓｓ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）及び化学式３７に示すビークル機構（Ｖｅｈｉｃｌｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）によって、良好なプロトン伝導性を示すことが知られている。
【００８７】
【化３６】
2007026745.tif 000037
【００８８】
【化３７】
2007026745.tif 000038
【００８９】
プロトン伝導性自体については、グロータス機構の方が優れているが、特定ヘテロ原子を有する分子性カチオンを用いることによって、よりグロータス機構に起因するプロトン伝導の寄与を高くさせることが可能である。
よって、かかる特定ヘテロ原子を有する分子性カチオンを含むイオン液体を電解質（Ｂ）に用いることにより、得られるイオン伝導体のプロトン伝導性をもいっそう向上できることになる。
【００９０】
［３］所定ポリマー（Ａ）と所定電解質（Ｂ）との共存
上述のように、本発明のイオン伝導体は、以上に説明した所定ポリマー（Ａ）と所定電解質（Ｂ）を混在させて成るものであり、後述するメカニズムによって、キャリアーイオンの伝導性に優れるものである。
【００９１】
代表的には、所定ポリマー（Ａ）を支持体とし、これに所定電解質（Ｂ）を固定化したものであり、これを電解質（Ｂ）側から見れば、優れたキャリアーイオン伝導性を発現できる電解質の固定化や膜状化に当たる。
よって、本発明によれば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などへの適用性に優れたイオン伝導体を提供できる。
【００９２】
なお、電解質（Ｂ）をポリマー（Ａ）に有効に固定化する観点からは、ポリマー（Ａ）をフィルム化することが好ましく、これにより、成形が容易となり支持体としての機能を発揮し易くできる。
【００９３】
ポリマー（Ａ）を多孔質化してもよく、これにより、多孔体であるポリマー（Ａ）の空孔（細孔）を利用して、大量の電解質（Ｂ）を固定化できるようになり、ひいてはキャリアーイオン伝導性を更に向上できることになる。
なお、ポリマー（Ａ）の多孔質化に際し、多孔体ポリマーの気孔率、細孔径や細孔分布を調整することが可能であり、これにより、キャリアーイオン伝導度や電解質保持力を設計できるので、用途などに応じた所望のイオン伝導体を得られるようになる。
【００９４】
次に、本発明のイオン伝導体におけるキャリアーイオン伝導につき説明する。
本発明は、所定ポリマー（Ａ）と所定電解質（Ｂ）を混在させること、典型的には所定ポリマー（Ａ）に所定電解質（Ｂ）を固定化することにより、プロトンに代表されるキャリアーイオン伝導経路を、所定ポリマー（Ａ）と所定電解質（Ｂ）とで協同的に形成したものである。
【００９５】
即ち、本発明において、所定ポリマー（Ａ）のヘテロ原子が有する非共有電子対はキャリアーイオンが伝導する際のルイス酸−ルイス塩基の共役化として機能し、キャリアーイオンは、かかるルイス塩基部位に結合・解離する。
この際、所定電解質（Ｂ）もキャリアーイオン伝導性を有するものであるため、キャリアーイオンは、所定ポリマー（Ａ）（特に非共有電子対部位）と、所定電解質（Ｂ）との間を行き来しながら、ルイス塩基部位をホッピングして当該イオン伝導体を伝導するのであり、この意味において、本発明は、所定ポリマー（Ａ）と所定電解質（Ｂ）とで、キャリアーイオンの伝導経路を協同的に形成するものである。
【００９６】
図１は、本発明のイオン伝導体の一例において、キャリアーイオンの伝導機構を示す概念図である。
同図では、本発明のイオン伝導体の一例として、ポリマー（Ａ）としてポリベンズイミダゾール、電解質（Ｂ）のイオン液体における分子性カチオンとしてイミダゾリウム系カチオンを採用したものを示している。
【００９７】
図１に示すように、プロトン又はプロトンを同伴して正に帯電したキャリアーイオンは、ＰＢＩの繰り返し単位内に存在する窒素原子の非共有電子対に対し、酸塩基共役・解離を繰り返しながらＰＢＩ内を伝導する。
この際、分子性カチオンの一例であるイミダゾリウム系イオンにも、プロトンの脱離によって生じる非共有電子対を有する窒素原子が存在するので、キャリアーイオンは分子性カチオンに対しても酸塩基共役・解離を行いながら、このイオン伝導体をイオンホッピング（グロータス）機構によって伝導して行く。
【００９８】
このように、本発明のイオン伝導体では、キャリアーイオンの伝導が所定ポリマー（Ａ）と所定電解質（Ｂ）の協働作用によって増強されており、従来のイオン交換体などに比し優れたキャリアーイオン伝導性を示す。
【００９９】
なお、図１に示したように、非共有結合電子対を介して水素と結合している特定ヘテロ原子を持つ分子性カチオンを有するイオン液体を含有する電解質（Ｂ）と、所定ポリマー（Ａ）とを併用すると、両者間にはそれぞれの特定ヘテロ原子が有する非共有電子対が多く存在することになるので、プロトンに代表されるキャリアーイオンは、両者間に介在する非共有電子対を拠点として、あたかも飛び石のように次々と伝達されることになる。
【０１００】
従って、このような構成を有するイオン伝導体は、キャリアーイオンの伝導性がいっそう向上することになる。
またこの際、所定電解質（Ｂ）は、特定ヘテロ原子の非共有電子対を有するので、上述したグロータス機構によるプロトン伝導性を発揮するものであり、更にキャリアーイオン伝導性が向上する可能性がある。
【０１０１】
また、図１に示した例では、ポリマー（Ａ）の一例であるＰＢＩはヘテロ環を形成しており、電解質（Ｂ）に含まれる分子性カチオンの一例であるイミダゾリン系イオンもヘテロ環を形成しており、且つ両ヘテロ環の構造は同一乃至は近似している。
このようなヘテロ環構造の近似性がある場合には、ポリマー（Ａ）と電解質（Ｂ）との間において、キャリアーイオンの酸塩基共役・解離がカチオン種、アニオン種を利用して円滑に進行するので、キャリアーイオン伝導性を向上する上で好適である。
【０１０２】
次に、本発明のエネルギーデバイスについて説明する。
上述の如く、本発明のエネルギーデバイスは、上記のイオン伝導体を電極で挟持した構造部位を有するものである。
上記イオン伝導体がキャリアーイオン伝導性に優れるので、このエネルギーデバイスは電圧降下（ＩＲ降下）に伴うエネルギー損失が小さく、従って、高エネルギー性能を発揮し得る。
【０１０３】
かかるエネルギーデバイスの具体例としては、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を挙げることができる。
なお、水電解、ハロゲン化水素酸電解、食塩電解、酸素濃縮器、湿度センサー及びガスセンサーに用いられる固体高分子電解質膜にも適用することができる。
【０１０４】
次に、本発明の燃料電池について説明する。
この燃料電池は、上記のエネルギーデバイスを単セルとするものであり、上述のＩＲ降下抑制能から、高い発電力を発揮するものである。
また、この燃料電池をスタッキングすることなどにより、燃料電池（発電）システムを構築することも可能であるが、このシステムが高い発電力を発揮することはいうまでもない。
【０１０５】
なお、イオン液体を所定電解質（Ｂ）として用いると、１００℃以上における発電が可能になるので、自動車などの移動体に搭載した場合、ラジエターの負荷を従来のＰＥＦＣに比べて低減することができる。
この結果、ラジエターを小型化できるのみならず、発電システムが占有する容積を低減したり、軽量化することも可能になる。
【０１０６】
更に、所定電解質（Ｂ）として、分子性イオンを含むイオン液体を用いると、従来のＰＥＦＣとは異なり、水無しでも高いイオン伝導性を発揮するので、加湿時に必要な高温化に伴う系全体の圧力上昇や、燃料電池に供給する燃料・酸化剤ガスへの加湿制御などが大きく緩和され、システム全体として簡便化且つ効率の向上が可能となる
従って、本発明の燃料電池や燃料電池システムを適用した移動体においては、水貯蔵容器などを備え付ける必要がなくなり、管理が簡便化するとともに軽量化でき、燃費の向上などが実現される。
【実施例】
【０１０７】
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。
【０１０８】
［イオン伝導体の調製］
（実施例１）
所定ポリマー（Ａ）としてポリ−Ｎ−ビニルイミダゾールを用い、所定電解質（Ｂ）として１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩｍＢＦ４）とのコンポジット化によるイオン伝導体を以下の手順で調製した。
【０１０９】
Ｎ−ビニルイミダゾールモノマーと、ＥＭＩｍＢＦ４がモル比２：１となるようにアセトンに溶解し、ここへ２，２−アゾビスイソブチロニトリルを重合開始剤としてビニルユニットの５モル％となるように添加した後、６０℃で１２時間重合反応を行い、乾燥した後、膜状をなす本例のイオン伝導体を得た。
なお、ここで使用したＥＭＩｍＢＦ４は、市販されているグレードのものをヘキサン／酢酸エチル混合溶媒（容量比１／１）で洗浄を行った後、減圧乾燥したものである。
【０１１０】
（実施例２）
所定ポリマー（Ａ）としてポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）を用い、所定電解質（Ｂ）として１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩｍＢＦ４）とのコンポジット化によるイオン伝導体を以下の手順で調製した。
【０１１１】
５％濃度のジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）溶液を調製し、ガラス基板上にキャストし、７０℃で１０時間予備乾燥後、１２０℃で１２時間減圧乾燥を行うことでＰＢＩ膜を作製した。得られた膜をＥＭＩｍＢＦ４へ含浸し、５０℃で５時間、減圧下に置いた後、電解質とコンポジット化した本例のイオン伝導体を得た。
なお、ここで使用したＥＭＩｍＢＦ４は、実施例１と同様に市販されているグレードのものをヘキサン／酢酸エチル混合溶媒（容量比  １／１）で洗浄を行った後、減圧乾燥したものである。
【０１１２】
（比較例）
実施例２で作製した膜をポリフッ化ビニリデン多孔質材に置き換えた以外は実施例２と同様の操作を繰り返し、本例のイオン伝導体を作製した。
なお、ポリフッ化ビニリデン多孔質体は、市販されているフィルター（デュラポアメンブレンフィルターＧＶＨＰ０４７００  細孔径０．２２μｍ、空隙率７５％）を用いた。
この多孔質体をＥＭＩｍＢＦ４へ含浸し、５０℃で５時間、減圧下に置いた後、電解質とコンポジット化した本例のイオン伝導体を得た。
【０１１３】
［性能評価］
（イオン伝導度の計測）
イオン伝導度は、表面に白金黒を形成したＰｔ電極を備える専用セルを用いて測定した。
実施例１及び２、比較例で得られたイオン伝導体をこの白金黒を形成したＰｔ電極にて両面から挟み込み、計測セルを構成した。なお、界面においての接触抵抗の影響を緩和させるため、Ｐｔ電極とイオン伝導体の間に数滴のイオン液体を滴下してイオン伝導体を挟み込んだ。このセルの両端に形成された端子間の抵抗を、交流インピーダンス法により測定し、各例のイオン伝導体のイオン伝導度を計測した。得られた結果を図２に示す。
【０１１４】
本発明の範囲に属する実施例１及び実施例２では、元のイオン液体（電解質）のイオン伝導度に近い値を示したが、比較例のものは、イオン伝導度の大きな低下が認められた。
【０１１５】
以上、本発明を若干の実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、実施例では、単一組成のイオン液体を電解質として用いたが、２種類以上のイオン液体を混合して使用してもよい。
また、イミダゾールのようなオニウム塩となっていないものを混合してもよい。この場合、イミダゾールの非共有結合電子対を持つ窒素原子（Ｎ）もイオン伝導に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】キャリアーイオンの伝導メカニズムを示す概念図である。
【図２】イオン伝導体のイオン伝導度を示すグラフである。
【図１】
2007026745.tif 000039
【図２】
2007026745.tif 000040