分子の規則的配列と動的機能を利用した固体電解質材料

技術概要

有機分子の特徴である構造多機性と組み合わせの多機性、さらには結晶構造に由来する有機分子の規則的配列と構成要素の動的機能や部分的な融解を活用することにより、種々のイオンを固体状態で高速に拡散させることを可能にした。

用途・応用

二次電池
燃料電池
センサー

背景

　燃料電池は電解質の種類によりいくつかに分類されるが、この中でも電解質としてイオン伝導性を有する高分子膜（イオン交換膜）を用いる固体高分子燃料電池（ＰＥＦＣ）は小型化及び軽量化が可能であり、携帯機器、燃料電池自動車等への応用が期待されている。

　ＰＥＦＣは、電解質であるイオン交換膜を正極と負極とで挟み、正極に酸素を供給し、負極に水素等の燃料を供給することにより発電する。ＰＥＦＣの電解質としては、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））膜等が使用されている。

　パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマー膜等のフッ化炭素系イオン交換膜を用いたＰＥＦＣは８０℃程度の比較的低い温度領域で運転される。この理由としては、プロトン伝導性を向上させるためにイオン交換膜を十分に加湿する必要があり、作動温度が水の沸点未満に制限されること、イオン交換膜の耐熱性が低いこと等が挙げられる。

　一方、近年では、ＰＥＦＣの作動温度を高くすることによる様々な利点が報告されている。ＰＥＦＣの作動温度を高くすることによる利点としては、発電効率の向上による白金等の触媒の使用量の低減が可能であること、白金等の触媒におけるＣＯ被毒の低減が可能であり、改質システムの簡素化が可能であること等が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。そこで、１００℃～２００℃程度の中温度領域で作動できるＰＥＦＣの期待が高まっている。例えば、１００℃以上でかつ無加湿でも使用可能な伝導膜、及びこの伝導膜を電解質として用いた燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献１】特開２００４－１８５８９１号公報
【特許文献１】特開２０１６－４６２１号公報

課題

　前述のように、発電効率の向上、システムの簡素化等の点から１００℃以上かつ無加湿においても使用可能な新しいプロトン伝導性電解質の開発が求められている。

　本発明の一形態が解決しようとする課題は、１００℃以上かつ無加湿においても使用可能なプロトン伝導性電解質及びこのプロトン伝導性電解質を備える燃料電池を提供することである。

手段

　上記課題を解決するための手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞　１００℃以上の温度領域に柔粘性結晶となる温度領域を有する化合物を含むプロトン伝導性電解質。
＜２＞　前記化合物は、環状スルホニルイミド骨格を有するアニオンを含む＜１＞に記載のプロトン伝導性電解質。
＜３＞　前記化合物は、環状のパーフルオロアルキルスルホニルイミド骨格を有するアニオンを含む＜１＞又は＜２＞に記載のプロトン伝導性電解質。
＜４＞　前記環状スルホニルイミド骨格を有するアニオンは、以下の化学式（Ｉ）（以下化学式はダウンロード資料に記載）で表されるアニオンである＜２＞に記載のプロトン伝導性電解質。
＜５＞　前記化合物は、アミノ基を有するカチオンを含む＜１＞～＜４＞のいずれか１つ
に記載のプロトン伝導性電解質。
＜６＞　前記化合物は、アミノ基を有し、プロトンが付与されたカチオンを含む＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載のプロトン伝導性電解質。
＜７＞　前記アミノ基を有し、プロトンが付与されたカチオンは、以下の化学式で表される化合物にプロトンが付与されたカチオンから選択される少なくとも一つである＜６＞に記載のプロトン伝導性電解質。
＜８＞　プロトン供与性化合物及びプロトン配位性化合物の少なくとも一方を更に含む＜１＞～＜７＞のいずれか１つに記載のプロトン伝導性電解質。
＜９＞　＜１＞～＜８＞のいずれか１つに記載のプロトン伝導性電解質を備える燃料電池。

効果

　本発明の一形態によれば、１００℃以上かつ無加湿においても使用可能なプロトン伝導性電解質、及びこのプロトン伝導性電解質の形成に用いる化合物及びこのプロトン伝導性電解質を備える燃料電池を提供することができる。

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