(57)【要約】【課題】高い安全性を確保することができると共に良好な安全性や電力密度などの特性を得ることができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電極１０と酸素電極２０との間の電解質流路３０に、電解質を含む第１の流動体Ｆ１として、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有する有機化合物を溶媒に溶解させたイオン伝導体を流通させる。これにより、燃料電極１０と酸素電極２０との間の抵抗が低く抑えられる。また、環境変化により溶媒が蒸発した場合には、その有機化合物が固体として残存するため、周囲の部材が腐食されにくい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温で固体であると共にスルホン酸基（−ＳＯ3 Ｈ）およびホスホン酸基（−ＰＯ3 Ｈ2 ）のうちの少なくとも一方を有する有機化合物と、前記有機化合物を溶解させる溶媒とを含む
ことを特徴とするイオン伝導体。
【請求項２】
電気化学デバイス用の電解液として用いられる
ことを特徴とする請求項１記載のイオン伝導体。
【請求項３】
前記有機化合物は、化１で表される化合物である
ことを特徴とする請求項１記載のイオン伝導体。
【化１】
2009152058.tif 000017
（Ｒ１〜Ｒ３は水素基（−Ｈ）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ2 ）、アミノアルキル基、シアノ基（−ＣＮ）、ハロゲン基、スルホン酸基またはホスホン酸基である。ただし、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３のうちの少なくとも１つはスルホン酸基またはホスホン酸基である。ｎは１以上１０以下の整数である。）
【請求項４】
前記有機化合物は、化２および化３で表される化合物のうちの少なくとも１種である
ことを特徴とする請求項１記載のイオン伝導体。
【化２】
2009152058.tif 000018
（Ｒ４〜Ｒ９は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基（−ＣＨ2 −ＰＯ3 Ｈ2 ）である。ただし、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【化３】
2009152058.tif 000019
（Ｒ１０〜Ｒ１４は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。ただし、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３およびＲ１４のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【請求項５】
前記有機化合物は、化４、化５および化６で表される化合物のうちの少なくとも１種である
ことを特徴とする請求項１記載のイオン伝導体。
【化４】
2009152058.tif 000020
（Ｒ１５〜Ｒ２２は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。ただし、Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７、Ｒ１８、Ｒ１９、Ｒ２０、Ｒ２１およびＲ２２のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【化５】
2009152058.tif 000021
（Ｒ２３〜Ｒ２９は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。ただし、Ｒ２３、Ｒ２４、Ｒ２５、Ｒ２６、Ｒ２７、Ｒ２８およびＲ２９のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【化６】
2009152058.tif 000022
（Ｒ３０〜Ｒ３６は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。ただし、Ｒ３０、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４、Ｒ３５およびＲ３６のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【請求項６】
電解質を介して燃料電極および酸素電極が対向配置された燃料電池であって、
前記電解質は、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有する有機化合物と、前記有機化合物を溶解させる溶媒とを含むイオン伝導体により構成される
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、液体であるイオン伝導体およびそのイオン伝導体を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池の特性を示す指標として、エネルギー密度と出力密度とがある。エネルギー密度とは電池の単位質量あたりのエネルギー蓄積量であり、出力密度とは電池の単位質量あたりの出力量である。リチウムイオン二次電池は、比較的高いエネルギー密度および極めて高い出力密度という二つの特徴を併せもっており、完成度も高いことから、モバイル機器の電源として広く採用されている。ところが、近年、モバイル機器は高性能化にともなって消費電力が増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池にも更なるエネルギー密度および出力密度の向上が求められている。
【０００３】
その解決策として、正極および負極を構成する電極材料の変更、電極材料の塗布方法の改善、電極材料の封入方法の改善などが挙げられ、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させる研究が行われている。しかし、実用化に向けてのハードルはまだ高い。また、現在のリチウムイオン二次電池に使用されている構成材料が変わらない限り、大幅なエネルギー密度の向上を期待することは難しい。
【０００４】
このため、リチウムイオン二次電池に代わる、よりエネルギー密度の高い電池の開発が急務とされており、燃料電池はその候補の一つとして有力視されている。
【０００５】
燃料電池は、アノード（燃料電極）とカソード（酸素電極）との間に電解質が配置された構成を有し、燃料電極には燃料、酸素電極には空気または酸素がそれぞれ供給される。この結果、燃料電極および酸素電極において燃料が酸素によって酸化される酸化還元反応が起こり、燃料がもつ化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて取り出される。
【０００６】
既に、さまざまな種類の燃料電池が提案または試作され、一部は実用化されている。これらの燃料電池は、用いられる電解質によって、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ；Alkaline Fuel Cell）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；Phosphoric Acid Fuel Cell ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Electrolyte Fuel Cell ）および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell ）などに分類される。このうち、ＰＥＦＣは、他の型式のものと比較して低い温度、例えば３０℃〜１３０℃程度の温度で動作させることができる。
【０００７】
燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の可燃性物質を用いることができる。しかし、水素などの気体燃料は、貯蔵用のボンベなどが必要になるため、小型化には適していない。一方、メタノールなどの液体燃料は、貯蔵しやすい点で有利である。とりわけ、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）には、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易であるという利点がある。
【０００８】
ＤＭＦＣでは、燃料のメタノールは、通常、低濃度または高濃度の水溶液として、もしくは純メタノールの気体の状態で燃料電極に供給され、燃料電極の触媒層で二酸化炭素に酸化される。このとき生じたプロトン（Ｈ+ ）は、燃料電極と酸素電極とを隔てる電解質
膜を通って酸素電極へ移動し、酸素電極で酸素と反応して水を生成する。燃料電極、酸素電極およびＤＭＦＣ全体で起こる反応は、化１で表される。
【０００９】
（化１）
燃料電極：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+
酸素電極：（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ →３Ｈ2 Ｏ
ＤＭＦＣ全体：ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【００１０】
ＤＭＦＣの燃料であるメタノールのエネルギー密度は、理論的に４．８ｋＷ／Ｌであり、一般的なリチウムイオン二次電池のエネルギー密度の１０倍以上である。すなわち、燃料としてメタノールを用いる燃料電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性を大いに持っている。以上のことから、ＤＭＦＣは、種々の燃料電池のなかで最も、モバイル機器や電気自動車などのエネルギー源として使用される可能性が高い。
【００１１】
しかしながら、ＤＭＦＣには、理論電圧は１．２３Ｖであるにもかかわらず、実際に発電しているときの出力電圧は約０．６Ｖ以下に低下してしまうという問題がある。出力電圧が低下する原因は、ＤＭＦＣの内部抵抗によって生じる電圧降下であって、ＤＭＦＣには、両電極で生じる反応に伴う抵抗、物質の移動に伴う抵抗、プロトンが電解質膜を移動する際に生じる抵抗、更に接触抵抗などの内部抵抗が存在している。メタノールの酸化から電気エネルギーとして実際に取り出すことのできるエネルギーは、発電時の出力電圧と、回路を流れる電気量との積で表されるから、発電時の出力電圧が低下すると、実際に取り出すことのできるエネルギーはその分小さくなってしまう。なお、メタノールの酸化によって回路に取り出せる電気量は、メタノールの全量が化１に従って燃料電極で酸化されるなら、ＤＭＦＣ内のメタノール量に比例する。
【００１２】
また、ＤＭＦＣには、メタノールクロスオーバーの問題がある。メタノールクロスオーバーとは、燃料電極側と酸素電極側とのメタノールの濃度差によってメタノールが拡散移動する現象と、プロトンの移動にともなって引き起こされる水の移動によって、水和したメタノールが運搬される電気浸透現象との二つの機構によって、メタノールが燃料電極側から電解質膜を透過して酸素電極側に到達してしまう現象である。
【００１３】
メタノールクロスオーバーが生じると、透過したメタノールは酸素電極の触媒層で酸化される。酸素電極側でのメタノール酸化反応は、燃料電極側での酸化反応と同じであるが、ＤＭＦＣの出力電圧を低下させる原因になる（例えば、非特許文献１参照）。また、メタノールが燃料電極側で発電に使われず、酸素電極側で浪費されるので、回路に取り出せる電気量がその分減少してしまう。更に、酸素電極の触媒層は白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒ではなく白金（Ｐｔ）触媒であることから、触媒表面に一酸化炭素（ＣＯ）が吸着されやすく、触媒の被毒が生じるなどの不都合もある。
【００１４】
このようにＤＭＦＣには、内部抵抗とメタノールクロスオーバーとによって生じる電圧低下、およびメタノールクロスオーバーによる燃料の浪費という二つの問題があり、これらはＤＭＦＣの発電効率を低下させる原因になっている。そこで、ＤＭＦＣの発電効率を高めるために、ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究・開発や、ＤＭＦＣの運転条件を最適化する研究・開発が精力的に行われている。
【００１５】
ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究では、電解質膜および燃料電極側の触媒などに関するものが挙げられる。電解質膜については、現在ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂膜（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）が一般的に用いられているが、これよりも高いプロトン伝導率と高いメタノール透過阻止性能とを有するものとして、フッ素系高分子膜、炭化水素系高分子電解質膜またはハイドロゲルベース電解質
膜などが検討されている。また、その他にも、電解質膜としては、スルホン酸基またはホスホン酸基を有する有機化合物を高分子化合物にドープすることにより形成されたもの（例えば、特許文献１〜３参照）や、スルホン酸基またはホスホン酸基を有する高分子化合物を用いたもの（例えば、特許文献４，５）が知られており、さらに、電解質膜を形成する材料としてスルホン酸基またはホスホン酸基を有する有機化合物も知られている（例えば、特許文献６，７）。
【００１６】
燃料電極側の触媒に関しては、現在一般的に用いられている白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒よりも高活性な触媒の研究開発が行われている。
【００１７】
このような燃料電池の構成材料の特性向上は、燃料電池の発電効率を向上させる手段として的確である。しかしながら、上記した二つの問題を打破するような最適な触媒が見つからないと同様、最適な電解質膜も見つかっていないのが現状である。
【非特許文献１】「解説  燃料電池システム」，オーム社，ｐ．６６
【非特許文献２】”Journal of the American Chemical Society”，２００５年，第１２７巻，第４８号，ｐ．１６７５８−１６７５９
【非特許文献３】「携帯機器用燃料電池」，技術情報協会，ｐ．１１０
【特許文献１】特開２００６−２６０９９３号公報
【特許文献２】特開２００６−２９９０７５号公報
【特許文献３】特開２００７−０１２６１７号公報
【特許文献４】特開２０００−０１１７５５号公報
【特許文献５】特開２００３−０２０３０８号公報
【特許文献６】特開２００２−３３８５８５号公報
【特許文献７】特開２００５−２２２８９０号公報
【特許文献８】米国特許出願公開第２００４／００７２０４７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
一方、非特許文献２および特許文献８では、電解質膜開発など従来の方法で問題解決を試みるのではなく、層流（ラミナーフロー；laminar flow）を用いた燃料電池（ラミナーフロー燃料電池）を提案している。ラミナーフロー燃料電池では、酸素電極におけるフラッディング、水分管理、燃料のクロスオーバー等の問題を解決できるとされている。
【００１９】
層流が起こる条件として、低レノルズ数（Reynolds Number ＝Ｒｅ）が挙げられる。レノルズ数とは慣性項と粘性項との比であり、数１で表される。一般的には、Ｒｅが２０００未満であれば、流れは層流であるといわれている。
【００２０】
（数１）
Ｒｅ＝（慣性力／粘性力）＝ρＵＬ／μ＝ＵＬ／ν
（式中、ρは流体の密度、Ｕは代表速度、Ｌは代表長さ、μは粘性係数、νは動粘度をそれぞれ表す）
【００２１】
ラミナーフロー燃料電池は、マイクロ流路を用いる。そのマイクロ流路内を二種類以上の流体が層流で流れる。つまり、流体が層流の性質を有することから、流体は混ざり合うことなく界面を形成して流れる。流路内の壁に燃料電極および酸素電極を張りつけ、燃料および電解液からなる液体と、酸素を含む水、または酸素電極が多孔質であれば電解液のみを含む液体とを層流で循環させることにより連続発電が可能である。このことから分かるように、層流の界面が電解質膜のような役割を担い、イオン的な接触が起こるのである。よって、この構造では電解質膜は不要となり、従来の燃料電池が抱えている電解質膜劣化による発電効率の低下を無視することができる。
【００２２】
しかし、この構造は、電解質を含む流体として硫酸を用いている。この硫酸は、濃度が０．５Ｍ〜１Ｍ程度の希硫酸であるが、硫酸は塩酸などとは異なり不揮発性であるので、濃度の低い硫酸であっても安全性に問題を生じるおそれがあった。例えば、発電環境によっては水が蒸発してしまう可能性があり、その場合、希硫酸が濃硫酸に変化してしまい、電池筐体や流体に接する部分が金属であれば腐食を引き起こしかねなかった。また、部材が樹脂であっても、濃硫酸に耐えられる材料は数少なかった。よって、硫酸を電解質として用いるラミナーフロー燃料電池の実用化の見込みは極めて小さいものであった。
【００２３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、例えば環境変化の影響を受けても高い安全性を確保することができると共に、良好なイオン伝導度を得ることができるイオン伝導体を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、高い安全性を確保することができると共に、良好な電力密度などの特性を得ることができる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】
【００２４】
本発明のイオン伝導体は、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有する有機化合物と、その有機化合物を溶解させる溶媒とを含むものである。この「常温」とは、２５℃以上３０℃以下の温度範囲のことであり、「常温で固体である」とは、そのものの融点が３０℃よりも高いことをいう。
【００２５】
本発明の燃料電池は、電解質を介して燃料電極および酸素電極が対向配置されたものであって、電解質は、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有する有機化合物と、その有機化合物を溶解させる溶媒とを含むイオン伝導体により構成されるものである。
【００２６】
本発明のイオン伝導体では、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有する有機化合物が溶解していることにより、スルホン酸基またはホスホン酸基からプロトンが解離し、全体として良好なイオン伝導性を示す。また、例えば、環境変化により溶媒が蒸発した場合には、その有機化合物が固体として残存する。よって、上記したイオン伝導体を用いた本発明の燃料電池では、燃料電極および酸素電極の間の抵抗が低く抑えられ、良好に電気エネルギーに変換される。また、溶媒が蒸発した場合であっても、従来の電解質流体として用いられている硫酸とは異なり、周囲の部材が腐食されにくい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のイオン伝導体によれば、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有する有機化合物と、その有機化合物を溶解させる溶媒とを含むので、例えば環境変化の影響を受けても高い安全性を確保することができると共に、良好なイオン伝導度を得ることができる。これにより本発明のイオン伝導体を電解質として用いた燃料電池によれば、高い安全性を確保することができると共に良好な電力密度などの特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】
本発明の一実施の形態に係るイオン伝導体は、燃料電池などの電気化学デバイスに用いる液体の電解質（電解液）であり、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有する有機化合物（以下、スルホン酸基等を有する有機化合物という。）と、そのスルホン酸基等を有する有機化合物を溶解する溶媒とを含んでいる。このイオン伝導体では、スルホン酸基等を有する有機化合物のうちの１種を単独で含んでいてもよいし、２種以上を混合して含んでいてもよい。
【００３０】
このイオン伝導体がスルホン酸基等を有する有機化合物を含んでいるのは、スルホン酸基等を有する有機化合物が高いプロトン解離性を示すスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有することにより、良好なイオン伝導度が得られ、また常温において固体であるので環境変化により溶媒が蒸発した場合であっても固体として残存するため、硫酸などと比較して高い安全性が確保できるからである。
【００３１】
スルホン酸基等を有する有機化合物は、イオン伝導性を有する化合物である。このスルホン酸基等を有する有機化合物は、常温において固体であるもの、すなわちその化合物の融点が３０℃より高いものであれば任意であるが、その融点が燃料電池などの電気化学デバイスにおいて想定される動作温度および使用温度よりも高いことが好ましい。想定される動作温度および使用温度において溶媒が蒸発した場合でも、周囲の部材の腐食が抑制され、より高い安全性が確保できるからである。このため、スルホン酸基等を有する有機化合物の融点は、例えば直接型メタノール燃料電池の想定される動作温度が３０℃以上１３０℃以下であるので、１３０℃よりも高いものが好ましい。
【００３２】
また、スルホン酸基等を有する有機化合物は、スルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を１つだけ有していてもよく、スルホン酸基またはホスホン酸基を２つ以上有していてもよく、スルホン酸基およびホスホン酸基を合わせて２つ以上有していてもよい。中でもスルホン酸基またはホスホン酸基のうちのいずれか一方を２つ以上有していることが好ましい。より良好なイオン伝導度が得られるからである。
【００３３】
スルホン酸基等を有する有機化合物としては、例えば、鎖状あるいは分岐状の炭素鎖にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方が結合した化合物や、炭素環あるいは複素環にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方が結合した化合物などが挙げられる。具体的には、スルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方と共に直鎖状または分岐状の炭素骨格を有する化合物や、スルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方と共に、ベンゼン環、ピリジン環、ナフタレン環、キノリン環またはイソキノリン環を有する化合物などである。中でも、このスルホン酸基等を有する有機化合物は、化２〜化７で表される化合物のうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。高い効果が得られるからである。
【００３４】
なお、化２中のＲ１，Ｒ２は互いに同一でもよいし、異なってもよい。化２中のＲ３は互いに同一でもよいし異なってもよい。化３中のＲ４〜Ｒ９、化４中のＲ１０〜Ｒ１４、化５中のＲ１５〜Ｒ２２、化６中のＲ２３〜Ｒ２９、化７中のＲ３０〜Ｒ３６についても同様である。
【００３５】
【化２】
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（Ｒ１〜Ｒ３は水素基（−Ｈ）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ2 ）、アミノアルキル基、シアノ基（−ＣＮ）、ハロゲン基、スルホン酸基またはホスホン酸基である。ただし、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３のうちの少なくとも１つはスルホン酸基またはホスホン酸基である。ｎは１以上１０以下の整数である。）
【００３６】
【化３】
2009152058.tif 000004
（Ｒ４〜Ｒ９は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基（−ＣＨ2 −ＰＯ3 Ｈ2 ）である。ただし、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８およびＲ９のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【００３７】
【化４】
2009152058.tif 000005
（Ｒ１０〜Ｒ１４は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。ただし、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３およびＲ１４のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【００３８】
【化５】
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（Ｒ１５〜Ｒ２２は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。ただし、Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７、Ｒ１８、Ｒ１９、Ｒ２０、Ｒ２１およびＲ２２のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【００３９】
【化６】
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（Ｒ２３〜Ｒ２９は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。ただし、Ｒ２３、Ｒ２４、Ｒ２５、Ｒ２６、Ｒ２７、Ｒ２８およびＲ２９のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【００４０】
【化７】
2009152058.tif 000008
（Ｒ３０〜Ｒ３６は水素基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミノアルキル基、シアノ基、ハロゲン基、アルキル基、アルコキシ基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。ただし、Ｒ３０、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４、Ｒ３５およびＲ３６のうちの少なくとも１つは、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基である。）
【００４１】
Ｒ１〜Ｒ３が上記した水素基等であるのは、高い効果が得られるからである。上記した水素基等の中でもＲ１〜Ｒ３は、水素基、ハロゲン基、スルホン酸基またはホスホン酸基であることが好ましい。より高いプロトン伝導度が得られるからである。Ｒ１〜Ｒ３のうちのいずれかがハロゲン基である場合には、他のハロゲン基より高い効果が得られることからフッ素基であることが好ましい。また、Ｒ１〜Ｒ３のうちのいずれかがアミノアルキル基である場合には、アミノアルキル基の炭素数は１以上３以下であることが好ましい。炭素数が４以上であると融点が低下しやすいからである。また、化２中のｎが上記した範囲であるのは、融点が高くなりやすいからである。中でもｎは、１以上７以下の整数であることが好ましく、２以上４以下の整数であることがより好ましい。高い効果が得られるからである。
【００４２】
Ｒ４〜Ｒ９が上記した水素基等であるのは、高い効果が得られるからである。上記した水素基等の中でもＲ４〜Ｒ９は、水素基、ハロゲン基、スルホン酸基またはメチルホスホン酸基であることが好ましい。より高いプロトン伝導度が得られるからである。Ｒ４〜Ｒ９のうちのいずれかがハロゲン基である場合には、他のハロゲン基より高い効果が得られることからフッ素基であることが好ましい。また、Ｒ４〜Ｒ９のうちのいずれかがアミノアルキル基、アルキル基あるいはアルコキシ基である場合には、その炭素数は１以上３以下であることが好ましい。炭素数が４以上であると融点が低下しやすいからである。これらのことは、化４中のＲ１０〜Ｒ１４、化５中のＲ１５〜Ｒ２２、化６中のＲ２３〜Ｒ２９、化７中のＲ３０〜Ｒ３６についても同様である。
【００４３】
化２に示した化合物としては、例えば、化８（１）〜（１０）で表される一連の化合物が挙げられる。中でも、化８（２）および化８（１０）の化合物のうちの少なくとも１種が好ましく、特に化８（２）の化合物が好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、化２に示した構造を有していれば、化８に示した化合物に限定されないことは言うまでもない。
【００４４】
【化８】
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【００４５】
化３に示した化合物としては、例えば、化９，化１０で表される一連の化合物が挙げられる。中でも、化９（２）、化９（１０）および化１０（２）の化合物のうちの少なくとも１種が好ましく、特に化９（２）および化９（１０）の化合物のうちの少なくても１種が好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、化３に示した構造を有していれば、化９および化１０に示した化合物に限定されないことは言うまでもない。
【００４６】
【化９】
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【００４７】
【化１０】
2009152058.tif 000011
【００４８】
化４に示した化合物としては、例えば、化１１で表される化合物が挙げられる。なお、化４に示した構造を有していれば、化１１に示した化合物に限定されないことは言うまでもない。
【００４９】
【化１１】
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【００５０】
化５に示した化合物としては、例えば、化１２（１）〜（４）で表される一連の化合物が挙げられる。中でも、化１２（２）の化合物が好ましい。高い効果が得られるからである。なお、化５に示した構造を有していれば、化１２に示した化合物に限定されないことは言うまでもない。
【００５１】
【化１２】
2009152058.tif 000013
【００５２】
化６に示した化合物としては、例えば、化１３で表される化合物が挙げられる。なお、化６に示した構造を有していれば、化１３に示した化合物に限定されないことは、言うまでもない。
【００５３】
【化１３】
2009152058.tif 000014
【００５４】
化７に示した化合物としては、例えば、化１４で表される化合物が挙げられる。なお、化７に示した構造を有していれば、化１４に示した化合物に限定されないことは、言うまでもない。
【００５５】
【化１４】
2009152058.tif 000015
【００５６】
イオン伝導体中における上記したスルホン酸基等を有する有機化合物の含有量は、０．１ｍｏｌ／ｄｍ3 以上３ｍｏｌ／ｄｍ3 以下であることが好ましい。良好なイオン伝導度が得られるからである。
【００５７】
溶媒としては、上記したスルホン酸基等を有する有機化合物を溶解することができるものであれば任意であり、例えば水が挙げられる。
【００５８】
このイオン伝導体のｐＨは、３以下であることが好ましい。高いイオン伝導度が得られるからである。
【００５９】
このイオン伝導体によれば、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有する有機化合物が溶解しているので、スルホン酸基またはホスホン酸基からプロトンが解離し、全体として良好なイオン伝導性を示す。また、環境変化により溶媒が蒸発した場合には、その有機化合物が固体として残存する。これにより、環境変化の影響を受けても高い安全性を確保することができると共に、良好なイオン伝導度を得ることができる。よって、このイオン伝導体を電解質として燃料電池などの電気化学デバイスに用いた場合には、高い安全性を確保することができると共に良好な電力密度などの特性を得ることができる。
【００６０】
特に、スルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも一方を有する有機化合物が化２〜化７に示した化合物からなる群のうちの少なくとも１種であれば、高い効果を得ることができる。
【００６１】
次に、上記したイオン伝導体の使用例として、燃料電池を備えた燃料電池システムに用いた場合について説明する。
【００６２】
（第１の燃料電池システム）
図１は第１の燃料電池システムを有する電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、またはノート型ＰＣ（Personal Computer ）であり、燃料電池システム１と、この燃料電池システム１で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路（負荷）２とを備えている。
【００６３】
燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１１０と、この燃料電池１１０の運転状態を測定する測定部１２０と、測定部１２０による測定結果に基づいて燃料電池１１０の運転条件を決定する制御部１３０とを備えている。この燃料電池システム１は、また、燃料電池１１０に電解質を含む第１の流動体Ｆ１を供給する電解質供給部１４０と、燃料を含む第２の流動体Ｆ２を供給する燃料供給部１５０とを備えている。このように電解質を流動体として供給することにより、電解質膜が不要となり、温度や湿度に影響されることなく発電を行うことができると共に、電解質膜を用いる通常の燃料電池に比べてイオン伝導度（プロトン伝導度）を高めることができる。電解質膜には、イオン伝導性（プロトン伝導性）を有する樹脂に、固定化を目的としたバインダーを添加する必要があり、イオン伝導度（プロトン伝導度）がバルクの状態よりも大幅に減少してしまうからである。また、電解質膜の劣化や、電解質膜の乾燥によるプロトン伝導性の低下のおそれがなくなり、酸素電極におけるフラッディングや水分管理などの問題も解消できる。
【００６４】
第１の流動体Ｆ１に含まれる電解質は、上記したイオン伝導体により構成されている。これにより、この燃料電池１１０では、電解質を含む第１の流動体Ｆ１が良好なイオン伝導度を有するため、燃料電極および酸素電極の間の抵抗が低く抑えられる。また、溶媒が蒸発するような場合であっても、電解質として従来のように硫酸を用いた場合とは異なり、周囲の部材が腐食されにくい。よって、高い安全性が確保されると共に良好な電力密度などの特性が得られる。
【００６５】
第２の流動体Ｆ２に含まれる燃料としては、例えば、メタノールが挙げられる。なお、燃料を含む第２の流動体Ｆ２は、メタノールのほか、エタノールなどの他のアルコールや、ジメチルエーテルなどでもよい。
【００６６】
図２は、図１に示した燃料電池１１０の構成を表したものである。燃料電池１１０は、いわゆる直接型メタノールフロー型燃料電池（ＤＭＦＦＣ；Direct Methanol Flow Based
Fuel Cell）であり、燃料電極（アノード）１０と酸素電極（カソード）２０とが対向配置された構成を有している。燃料電極１０と酸素電極２０との間には、電解質を含む第１の流動体Ｆ１を流通させる電解質流路３０が設けられている。燃料電極１０の外側、すなわち酸素電極２０とは反対側には、燃料を含む第２の流動体Ｆ２を流通させる燃料流路４０が設けられている。すなわち、燃料電極１０は、電解質を含む第１の流動体Ｆ１と燃料を含む第２の流動体Ｆ２とを隔てる分離膜としての機能も有している。
【００６７】
燃料電極１０は、酸素電極２０側から順に、触媒層１１、拡散層１２および集電体１３を積層した構成を有し、外装部材１４に収納されている。酸素電極２０は、燃料電極側から順に、触媒層２１、拡散層２２および集電体２３を積層した構成を有し、外装部材２４に収納されている。なお、酸素電極２０には、この外装部材２４を介して空気すなわち酸素が供給されるようになっている。
【００６８】
触媒層１１，２１は、触媒として、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの金属の単体または合金により構成されている。また、触媒層１１，２１には、触媒に加えて、プロトン伝導体およびバインダーが含まれていてもよい。プロトン伝導体としては、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。バインダーは、触媒層１１，２１の強度や柔軟性を保つために添加されるものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの樹脂が挙げられる。
【００６９】
拡散層１２，２２は、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパーまたはカーボンシートにより構成されている。拡散層１２，２２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などにより撥水化処理が行われていることが望ましい。
【００７０】
集電体１３，２３は、例えばチタン（Ｔｉ）メッシュにより構成されている。
【００７１】
外装部材１４，２４は、例えば、厚みが２．０ｍｍであり、チタン板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材１４，２４の厚みは薄ければ薄いほうが望ましい。
【００７２】
電解質流路３０および燃料流路４０は、例えば、樹脂シートを加工することにより微細な流路を形成したものであり、燃料電極１０に接着されている。なお、流路の本数は限定されない。また、流路の幅、高さおよび長さは特に限定されないものの、小さい方が望ましい。
【００７３】
電解質流路３０は、外装部材２４に設けられた電解質入口２４Ａおよび電解質出口２４Ｂを介して電解質供給部１４０（図２には図示せず、図１参照）に連結されており、電解質供給部１４０から電解質を含む第１の流動体Ｆ１が供給されるようになっている。燃料流路４０は、外装部材１４に設けられた燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂを介して燃料供給部１５０（図２には図示せず、図１参照）に連結されており、燃料供給部１５０から燃料を含む第２の流動体Ｆ２が供給されるようになっている。
【００７４】
図１に示した測定部１２０は、燃料電池１１０の動作電圧および動作電流を測定するものであり、例えば、燃料電池１１０の動作電圧を測定する電圧測定回路１２１と、動作電流を測定する電流測定回路１２２と、得られた測定結果を制御部１３０に送るための通信ライン１２３とを有している。
【００７５】
図１に示した制御部１３０は、測定部１２０の測定結果に基づいて、燃料電池１１０の運転条件として電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御を行うものであり、例えば、演算部１３１、記憶（メモリ）部１３２、通信部１３３および通信ライン１３４を有している。ここで、電解質供給パラメータは、例えば、電解質を含む流動体Ｆ１の供給流速を含んでいる。燃料供給パラメータは、例えば、燃料を含む流動体Ｆ２の供給流速および供給量を含み、必要に応じて供給濃度を含んでいてもよい。制御部１３０は、例えばマイクロコンピュータにより構成することができる。
【００７６】
演算部１３１は、測定部１２０で得られた測定結果から燃料電池１１０の出力を算出し、電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定するものである。具体的には、演算部１３１は、記憶部１３２に入力された各種測定結果から一定間隔でサンプリングしたアノード電位、カソード電位、出力電圧および出力電流を平均して、平均アノード電位、平均カソード電位、平均出力電圧および平均出力電流を算出し、記憶部１３２に入力すると共に、記憶部１３２に保存されている各種平均値を相互比較し、電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを判定するようになっている。
【００７７】
記憶部１３２は、測定部１２０から送られてきた各種測定値や、演算部１３１により算出された各種平均値などを記憶するものである。
【００７８】
通信部１３３は、通信ライン１２３を介して測定部１２０から測定結果を受け取り、記憶部１３２に入力する機能と、通信ライン１３４を介して電解質供給部１４０および燃料供給部１５０に電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定する信号をそれぞれ出力する機能とを有している。
【００７９】
図１に示した電解質供給部１４０は、電解質貯蔵部１４１と、電解質供給調整部１４２と、電解質供給ライン１４３と、分離室１４４とを備えている。電解質貯蔵部１４１は、電解質を含む第１の流動体Ｆ１を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。電解質供給調整部１４２は、電解質を含む第１の流動体Ｆ１の供給流速を調整するものである。電解質供給調整部１４２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。分離室１４４は、電解質出口２４Ｂから出てきた電解質を含む第１の流動体Ｆ１には少量のメタノールが混ざっている可能性があるため、そのメタノールを分離するためのものである。分離室１４４は、電解質出口２４Ｂ付近に設けられ、メタノール分離機構としてフィルターまたはメタノールを燃焼、反応もしくは蒸発により除去する機構を備えている。
【００８０】
図１に示した燃料供給部１５０は、燃料貯蔵部１５１と、燃料供給調整部１５２と、燃料供給ライン１５３とを有している。燃料貯蔵部１５１は、燃料を含む第２の流動体Ｆ２を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料供給調整部１５２は、燃料を含む第２の流動体Ｆ２の供給流速および供給量を調整するものである。燃料供給調整部１５２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。なお、燃料供給部１５０は、燃
料を含む第２の流動体Ｆ２の供給濃度を調整する濃度調整部（図示せず）を備えていてもよい。濃度調整部は、燃料を含む第２の流動体Ｆ２として純（９９．９％）メタノールを用いる場合には省略することができ、より小型化することができる。
【００８１】
この燃料電池システム１は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００８２】
まず、触媒として例えば白金およびルテニウムを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１１を形成する。この触媒層１１を、上記した材料よりなる拡散層１２に熱圧着する。さらに、上記した材料よりなる集電体１３を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、燃料電極１０を形成する。
【００８３】
また、触媒として白金（Ｐｔ）をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２１を形成する。この触媒層２１を、上記した材料よりなる拡散層２２に熱圧着する。さらに、上記した材料よりなる集電体２３を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、酸素電極２０を形成する。
【００８４】
次いで、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して電解質流路３０および燃料流路４０を作製し、燃料電極１０の両側に熱圧着する。
【００８５】
続いて、上記した材料よりなる外装部材１４，２４を作製し、外装部材１４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる電解質入口２４Ａおよび電解質出口２４Ｂを設ける。
【００８６】
そののち、燃料電極１０と酸素電極２０とを、電解質流路３０を両者の間に、燃料流路３０を外側にして対向配置し、外装部材１４，２４に収納する。これにより図２に示した燃料電池１１０が完成する。
【００８７】
この燃料電池１１０を、上記した構成を有する測定部１２０、制御部１３０、電解質供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂと燃料供給部１５０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料供給ライン１５３で接続すると共に、電解質入口２４Ａおよび電解質出口２４Ｂと電解質供給部１４０とを例えばシリコーンチューブよりなる電解質供給ライン１４３で接続する。電解質を含む第１の流動体Ｆ１としては、上記したスルホン酸基等を有する有機化合物を溶媒である水に所定の含有量（例えば１ｍｏｌ／ｄｍ3 ）となるように溶解することによりイオン伝導体を調製し、電解質として用いる。また、燃料を含む第２の流動体Ｆ２としてはメタノールを用いる。以上により図１に示した燃料電池システム１が完成する。
【００８８】
この燃料電池システム１では、燃料電極１０に燃料を含む第２の流動体Ｆ２が供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質を含む第１の流動体Ｆ１を通って酸素電極２０に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。燃料電極１０、酸素電極２０および燃料電池１１０全体で起こる反応は、化１５で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて、燃料電池１１０から電流が取り出され、外部回路２が駆動される。燃料電極１０で発生する二酸化炭素および酸素電極２０で発生する水は、電解質を含む第１の流動体Ｆ１と共に流れて取り除かれる。
【００８９】
（化１５）
燃料電極１０：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+
酸素電極２０：（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ →３Ｈ2 Ｏ
燃料電池１１０全体：ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【００９０】
また、電解質流路４０と燃料流路３０との間に燃料電極１０が設けられていることにより、ほぼすべての燃料が燃料電極１０をくぐりぬける際に反応する。仮に燃料が未反応のまま燃料電極１０を通りぬけた場合にも、酸素電極２０に浸透する前に電解質を含む第１の流動体Ｆ１によって燃料電池１１０内から運び出され、燃料のクロスオーバーが著しく抑制される。従って、高濃度燃料の利用が可能となり、本来の燃料電池の強みである高エネルギー密度特性が活かされる。
【００９１】
燃料電池１１０の運転中には、測定部１２０により燃料電池１１０の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、制御部１３０により、燃料電池１１０の運転条件として上記した電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御が行われる。測定部１２０による測定および制御部１３０によるパラメータ制御は頻繁に繰り返され、燃料電池１１０の特性変動に追従して電解質を含む第１の流動体Ｆ１および燃料を含む第２の流動体Ｆ２の供給状態が最適化される。
【００９２】
ここでは、第１の流動体Ｆ１が含む電解質として、上記したイオン伝導体を用いているので、電解質が良好なイオン伝導度を有する。また、従来の電解質流体として用いられている硫酸とは異なり、溶媒が蒸発した場合には、スルホン酸基等を有する有機化合物が固体として残存する。
【００９３】
この燃料電池システムによれば、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくとも１種を有する有機化合物を溶媒に溶解させたイオン伝導体を、第１の流動体Ｆ１が含む電解質として用いるようにしたので、燃料電極１０および酸素電極２０の間の抵抗が低く抑えられる。また、従来の電解質流体として用いられている硫酸とは異なり、溶媒が蒸発した場合には、周囲の部材が腐食されにくい。これにより、高い安全性を確保することができると共に、良好な電力密度などの特性を得ることができる。この燃料電池システムに関する他の効果は、上記したイオン伝導体について説明した場合と同様である。
【００９４】
（第２の燃料電池システム）
図３は、第２の燃料電池システムが備える燃料電池１１０Ａの構成を表すものである。この燃料電池１１０Ａは、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０が設けられていることを除いては、第１の燃料システムが備える燃料電池１１０と同一の構成を有している。第１の燃料電池システムと共通の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００９５】
気液分離膜５０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリプロピレン（ＰＰ）などアルコールを液体の状態で透過させない膜により構成することができる。
【００９６】
この燃料電池１１０Ａおよびこれを用いた燃料電池システム１は、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０を設けることを除いては、第１の燃料電池システムと同様にして製造することができる。
【００９７】
この第２の燃料電池システムでは、第１の燃料電池システムと同様にして、燃料電池１１０Ａから電流が取り出され、外部回路２が駆動される。ここでは、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０が設けられているので、燃料である純メタノールは液体の状態で燃料流路４０を流れる際に自然揮発し、気液分離膜５０と接する面から気体Ｇの状態で気液分離膜５０を通りぬけ、燃料電極１０に供給される。よって、燃料が効率よく燃料電極１０に供給され、反応が安定して行われる。また、燃料が気体の状態で燃料電極１０に供給されるので、電極反応活性が高くなり、クロスオーバーも生じにくく、高負荷の外部回路２を有する電子機器においても高い性能が得られる。
【００９８】
なお、仮に燃料電極１０を通り抜けた気体のメタノールが存在しても、第１の燃料電池システムと同様に、電解質を含む第１の流動体Ｆ１により、酸素電極２０に到達する前に取り除かれる。
【００９９】
この燃料電池システムでは、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０を設けるようにしたので、第２の流動体Ｆ２が含む燃料として純（９９．９％）メタノールを用いることができ、燃料電池の特徴である高エネルギー密度特性を更に活かすことができる。また、反応の安定性や電極反応活性を高め、クロスオーバーも抑えることができる。よって、高付加の外部回路２を有する電子機器においても高い性能を得ることができる。更に、燃料供給部１５０において、燃料を含む第２の流動体Ｆ２の供給濃度を調整する濃度調整部を省略することができ、より小型化することができる。
【実施例】
【０１００】
本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。
【０１０１】
（実施例１）
まず、上記したイオン伝導体を調製した。その際、化２に示した化合物である化８（２）の化合物の固体を溶媒である水に溶解させ、イオン伝導体中における化８（２）の化合物の含有量が１ｍｏｌ／ｄｍ3 となるようにした。
【０１０２】
次に、図３に示した燃料電池１１０Ａを作製した。まず、触媒として白金とルテニウムとを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１１を形成した。この触媒層１１を、拡散層１２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、温度１５０℃、圧力２４９ｋＰａの条件下で１０分間熱圧着した。さらに、チタンメッシュよりなる集電体１３を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、燃料電極１０を形成した。
【０１０３】
また、触媒として白金をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２１を形成した。この触媒層２１を、拡散層２２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、燃料電極１０の触媒層１１と同様にして熱圧着した。さらに、チタンメッシュよりなる集電体２３を、燃料電極１０の集電体１３と同様にして熱圧着し、酸素電極２０を形成した。
【０１０４】
続いて、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して電解質流路３０および燃料流路４０を作製し、燃料電極１０の両側に熱圧着した。
【０１０５】
続いて、チタンよりなる外装部材１４，２４を作製し、外装部材１４には、樹脂製の継手よりなる燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、樹脂製の継手よりなる電解質入口２４Ａおよび電解質出口２４Ｂを設けた。
【０１０６】
そののち、燃料電極１０と酸素電極２０とを、電解質流路３０を両者の間に、燃料流路４０を外側にして対向配置し、外装部材１４，２４に収納した。その際、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ社製）を設けた。これにより図３に示した燃料電池１１０Ａが完成した。
【０１０７】
この燃料電池１１０Ａを、測定部１２０、制御部１３０、電解質供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、図１に示した燃料電池システム１を構成した。その際、電解質供給調整部１４２および燃料供給調整部１５をダイアフラム式定量ポンプ（株式会社ＫＮＦ社製）により構成し、それぞれのポンプからシリコーンチューブよりなる電解質供給ライン１４３および燃料供給ライン１５３で燃料入口１４Ａおよび電解質入口２４Ａに直接接続し、電解質を含む第１の流動体Ｆ１および燃料を含む第２の流動体Ｆ２が電解質流路３０および燃料流路４０にそれぞれ供給されるようにした。この際、第１の流動体Ｆ１が含む電解質としては、調製したイオン伝導体を用い、第１の流動体Ｆ１の流速は１．０ｃｍ3 ／ｍｉｎとした。第２の流動体Ｆ２が含む燃料としては純（９９．９％）メタノールを用い、流速は０．０８０ｃｍ3 ／ｍｉｎとした。
【０１０８】
（実施例２〜５）
化８（２）の化合物に代えて、化８（１０）の化合物（実施例２）、化９（２）の化合物（実施例３）、化１０（２）の化合物（実施例４）、または化１２（２）の化合物（実施例５）を用いたことを除き、実施例１と同様にしてイオン伝導体を調製すると共に、燃料電池１１０Ａを作製し燃料電池システム１を構成した。なお、化８（１０）の化合物、化９（２）の化合物、化１０（２）の化合物および化１２（２）の化合物は、全て常温で固体であり、イオン伝導体中における化８（１０）の化合物等の含有量を１ｍｏｌ／ｄｍ3 とした。
【０１０９】
（比較例１）
化８（２）の化合物に代えて、硫酸を用いたことを除き、実施例１と同様にしてイオン伝導体を調製した。その際、イオン伝導体中における硫酸の含有量を１ｍｏｌ／ｄｍ3 とした。
【０１１０】
これらの実施例１〜５および比較例１のイオン伝導体について伝導度を調べたところ表１に示した結果が得られた。
【０１１１】
また、これらの実施例１〜５の燃料電池システムについて特性を評価したところ、図４〜８に示した結果が得られた。この特性を評価する際には、各燃料電池システムについて電気化学測定装置（ソーラートロン社製、マルチスタット１４８０）に接続し、特性評価を行い、定電流（２０ｍＡ，５０ｍＡ，１００ｍＡ，１５０ｍＡ，２００ｍＡ，２５０ｍＡ）モードの動作を行わせ、Ｉ−Ｖ（電流−電圧）およびＩ−Ｐ（電流−電力）特性を調べた。なお、図４は実施例１の結果、図５は実施例２の結果、図６は実施例３の結果、図７は実施例４の結果、図８は実施例５の結果をそれぞれ示すものである。
【０１１２】
【表１】
2009152058.tif 000016
【０１１３】
表１に示したように、化８（２）、化８（１０）、化９（２）、化１０（２）または化１２（２）の化合物を含む実施例１〜５のイオン伝導体では、硫酸を含む比較例１のイオン伝導体と比較して、伝導度が同等またはそれ以下となったが、０．１Ｓ／ｃｍ2 以上となり、良好な伝導度となった。また、実施例１，３では実施例２，４よりも伝導度が高くなったことから、スルホン酸基を有する化合物を用いるほうがホスホン酸基を有する化合物を用いるよりも高い伝導度が得られることがわかった。
【０１１４】
このことから、イオン伝導体では、常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくても一方を有する有機化合物を含むことにより、良好なイオン伝導度が得られることが確認された。
【０１１５】
また、図４〜８に示したように、実施例１〜５の燃料電池１１０Ａの特性はきわめて良好であり、電力密度として５１ｍＷ／ｃｍ2 （実施例１）、３９ｍＷ／ｃｍ2 （実施例２）、４８ｍＷ／ｃｍ2 （実施例３）、３２ｍＷ／ｃｍ2 （実施例４）、５１ｍＷ／ｃｍ2 （実施例５）が得られた。なお、本実施例では示してないが、電解質流体として比較例１の１ｍｏｌ／ｄｍ3 の硫酸を用いた場合には、実施例１〜５の燃料電池１１０Ａの特性とほぼ同等であった。
【０１１６】
このことから、燃料電池１１０Ａでは、第１の流動体Ｆ１が含む電解質として常温で固体であると共にスルホン酸基およびホスホン酸基のうちの少なくても一方を有する有機化合物を溶媒に溶解させたイオン伝導体を用いることにより、電解質が良好なイオン伝導度を有することから、燃料電極１０および酸素電極２０の間の抵抗を低く抑えられることが確認された。よって、良好な電力密度などの特性が得られることが確認された。
【０１１７】
なお、本実施例では、イオン伝導体の安全性について示していないが、実施例１〜５のイオン伝導体を調製するために用いた化８（２）、化８（１０）、化９（２）、化１０（２）および化１２（２）の化合物は常温において固体であることから、比較例１のように硫酸を用いたイオン伝導体と比較して、高い安全性が確保されることは明らかである。よって、このようなイオン伝導体を用いた燃料電池においても高い安全性が確保されるものと考えられる。また、本実施例では示していないが、実施例１〜５の燃料電池システムについて開回路電圧を調べたところ、従来のＤＭＦＣよりも高い開回路電圧が得られた。すなわち、燃料を含む流動体Ｆ２として１００％のメタノールを用いてもクロスオーバーが生じることがないことがわかった。
【０１１８】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、発電中には、電解質を含む第１の流動体Ｆ１としてのイオン伝導体が常に流動している状態で存在している場合について説明したが、本発明のイオン伝導体は、液体を電解質として用いる電解質静止型の燃料電池にも適用することができる。
【０１１９】
また、例えば、上記実施の形態および実施例では、燃料電極１０、酸素電極２０、燃料流路３０および電解質流路４０の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。例えば、燃料流路３０は、上記実施の形態および実施例で説明したような樹脂シートを加工して流路を形成したもののほか、多孔質などのシートにより構成してもよい。
【０１２０】
更に、例えば、上記実施の形態および実施例において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池１１０の運転条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の運転条件としてもよい。
【０１２１】
加えて、上記実施の形態および実施例では、燃料電極１０に燃料供給部１６０から燃料を供給するようにしたが、燃料電極１０を密閉型とし、必要に応じて燃料を供給するようにしてもよい。
【０１２２】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、酸素電極２０への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。
【０１２３】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、単セル型の燃料電池について説明したが、本発明は、複数のセルを積層した積層型のものについても適用することができる。
【０１２４】
加えてまた、上記実施の形態では、本発明のイオン伝導体を燃料電池に適用した場合について説明したが、本発明は、燃料電池以外にも、キャパシタ、燃料センサまたはディスプレイ等の他の電気化学デバイスにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る第１の燃料電池システムを備えた電子機器の概略構成を表す図である。
【図２】図１に示した燃料電池の構成を表す図である。
【図３】他の実施の形態に係る燃料電池の構成を表す図である。
【図４】実施例で作製した燃料電池システムにおける特性を表す図である。
【図５】実施例で作製した他の燃料電池システムにおける特性を表す図である。
【図６】実施例で作製した他の燃料電池システムにおける特性を表す図である。
【図７】実施例で作製した他の燃料電池システムにおける特性を表す図である。
【図８】実施例で作製した他の燃料電池システムにおける特性を表す図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１…燃料電池システム、２…外部回路（負荷）、１０…燃料電極、２０…酸素電極、３０…電解質流路、４０…燃料流路、５０…気液分離膜、１１０…燃料電池、１２０…測定部、１３０…制御部、１４０…電解質供給部、１５０…燃料供給部。
【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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