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JP4840640B2 - Ionic conductor and energy device using the same - Google Patents

Ionic conductor and energy device using the same Download PDF

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JP4840640B2
JP4840640B2 JP2005167474A JP2005167474A JP4840640B2 JP 4840640 B2 JP4840640 B2 JP 4840640B2 JP 2005167474 A JP2005167474 A JP 2005167474A JP 2005167474 A JP2005167474 A JP 2005167474A JP 4840640 B2 JP4840640 B2 JP 4840640B2
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Description

本発明は、イオン伝導体及びこれを用いたエネルギーデバイスに係り、更に詳細には、極性物質とカチオン成分とアニオン成分を含有するイオン伝導体及びこれを用いたエネルギーデバイス、特に燃料電池に関する。   The present invention relates to an ionic conductor and an energy device using the same, and more particularly to an ionic conductor containing a polar substance, a cation component, and an anion component, and an energy device using the ionic conductor, particularly a fuel cell.

従来より、常温溶融塩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。
具体的には、常温溶融塩を用いたプロトン伝導体を適用したものであり、無加湿運転を前提としたものが提案されている(特許文献1参照。)。
また、疎水性アニオンと疎水性カチオンからなる常温溶融塩を適用したものであり、常温溶融塩への水の混入を防ぐものが提案されている(特許文献2参照。)。
特開2003−123791号公報 特表2003−535450号公報
Conventionally, it has been proposed to apply an electrolyte containing a room temperature molten salt to a fuel cell.
Specifically, a proton conductor using a room temperature molten salt is applied, and one based on a non-humidifying operation has been proposed (see Patent Document 1).
Moreover, what applied the normal temperature molten salt which consists of a hydrophobic anion and a hydrophobic cation, and the thing which prevents mixing of the water to normal temperature molten salt is proposed (refer patent document 2).
JP 2003-123791 A Special table 2003-535450 gazette

しかしながら、上記特許文献1及び特許文献2に記載の燃料電池に適用する常温溶融塩の電解質にあっては、水を含ませないで使用することを前提としており、水の混入により燃料電池の性能が悪化するという報告がなされている。   However, the ambient temperature molten salt electrolyte applied to the fuel cells described in Patent Document 1 and Patent Document 2 is assumed to be used without containing water. Has been reported to worsen.

一方、本発明者らが、これらについて研究を重ねたところ、親水性の常温溶融塩に水を添加することなどにより、プロトン伝導性が向上し、燃料電池としての性能(例えばIV特性)が向上するという新たな技術知見が得られた。   On the other hand, the present inventors have conducted research on these, and as a result, for example, by adding water to a hydrophilic ambient temperature molten salt, proton conductivity is improved, and performance as a fuel cell (for example, IV characteristics) is improved. New technical knowledge was obtained.

本発明は、このような技術知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、プロトン伝導性を向上させ得るイオン伝導体、及びこれを用いたエネルギーデバイス、特に燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made on the basis of such technical knowledge, and an object of the present invention is to provide an ion conductor capable of improving proton conductivity, and an energy device using the same, particularly a fuel cell. There is.

本発明者らが、上記技術知見について、更に研究を進めたところ、極性物質とカチオン成分とアニオン成分を共存させることなどにより、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。   As a result of further research on the above technical knowledge, the present inventors have found that the above object can be achieved by the coexistence of a polar substance, a cation component, and an anion component, and have completed the present invention.

即ち、本発明のイオン伝導体は、1,2−ジエチル−3−メチル−イミダゾリウムカチオンと四フッ化ホウ素アニオンとから成る常温溶融塩と、水とを含有するものである
That is, the ionic conductor of the present invention contains a room temperature molten salt composed of 1,2-diethyl-3-methyl-imidazolium cation and boron tetrafluoride anion, and water .

また、本発明のエネルギーデバイスは、上記本発明のイオン伝導体を用いたものである。
更に、本発明のエネルギーデバイスの一例としては、燃料電池を挙げることができる。
The energy device of the present invention uses the ionic conductor of the present invention.
Furthermore, a fuel cell can be mentioned as an example of the energy device of the present invention.

本発明によれば、極性物質とカチオン成分とアニオン成分を共存させることなどとしたため、プロトン伝導性を向上させ得るイオン伝導体、及びこれを用いたエネルギーデバイス、特に燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, since a polar substance, a cation component, and an anion component are allowed to coexist, an ion conductor capable of improving proton conductivity, and an energy device using the same, particularly a fuel cell can be provided. .

以下、本発明のイオン伝導体について詳細に説明する。
上述の如く、本発明のイオン伝導体は、極性物質とカチオン成分とアニオン成分を含有するものである。
このような構成とすることにより、プロトン伝導性を向上させることができる。
Hereinafter, the ion conductor of the present invention will be described in detail.
As described above, the ionic conductor of the present invention contains a polar substance, a cation component, and an anion component.
With such a configuration, proton conductivity can be improved.

また、本発明において、カチオン成分の全部又は一部が分子性カチオンであり、且つアニオン成分の全部又は一部が分子性アニオンであることが望ましい。
このような構成とすることにより、極性物質と複合イオン等を形成すること等が可能となり、プロトン伝導性をより向上させることができる。
特に、カチオン成分の全部が分子性カチオンであり、且つアニオン成分の全部が分子性アニオンであることは、極性物質と複合イオン等を形成し易くなるという観点からより望ましい。
なお、「分子性カチオン」及び「分子性アニオン」とは、それぞれ多原子カチオン及び多原子アニオンを意味する。
In the present invention, it is desirable that all or part of the cation component is a molecular cation and all or part of the anion component is a molecular anion.
By adopting such a configuration, it becomes possible to form a complex ion or the like with a polar substance, and proton conductivity can be further improved.
In particular, it is more desirable that all of the cation components are molecular cations and that all of the anion components are molecular anions from the viewpoint of easy formation of a polar substance and complex ions.
“Molecular cation” and “molecular anion” mean a polyatomic cation and a polyatomic anion, respectively.

更に、本発明においては、分子性カチオン及び分子性アニオンを含み、これらが形成する常温溶融塩を含有することが望ましい。
このような常温溶融塩を含有することにより、常温溶融塩としての性質を有することとなり、更に高イオン伝導性を有することで、プロトン伝導性を更に向上させることができる。
一方、常温溶融塩であれば、形成するカチオン成分及びアニオン成分の双方がそれぞれ分子性カチオン及び分子性アニオンである必要はない。
ここで、「常温溶融塩」とは、常温で溶融する塩であり、高温で蒸発せず、極性、比熱の高い安定な媒体であるものをいう。
このような常温溶融塩としては、代表的にはブレンステッド酸−塩基型のものを挙げることができる。詳細については後述する。
Furthermore, in this invention, it is desirable to contain the normal temperature molten salt which contains a molecular cation and a molecular anion, and these form.
By containing such a room temperature molten salt, it has properties as a room temperature molten salt, and further has high ionic conductivity, whereby proton conductivity can be further improved.
On the other hand, if it is a room temperature molten salt, it is not necessary that both the cation component and the anion component to be formed are a molecular cation and a molecular anion, respectively.
Here, “room temperature molten salt” refers to a salt that melts at room temperature and does not evaporate at a high temperature and is a stable medium with high polarity and specific heat.
A typical example of such a room temperature molten salt is a Bronsted acid-base type. Details will be described later.

また、本発明においては、分子性カチオンが少なくとも1種のヘテロ原子を有することが望ましい。
このようなヘテロ原子を含有する分子性カチオンは、高イオン伝導性を有するものであり、プロトン伝導性をより向上させることができる。
In the present invention, the molecular cation preferably has at least one heteroatom.
Such a molecular cation containing a heteroatom has high ionic conductivity and can further improve proton conductivity.

なお、ヘテロ原子とは、炭素原子(C)及び水素原子(H)以外の原子であり、代表的には酸素原子(O)、窒素原子(N)、硫黄原子(S)、リン原子(P)、フッ素原子(F)、塩素原子(Cl)、臭素原子(Br)、ヨウ素原子(I)、ホウ素原子(B)、コバルト原子(Co)、アンチモン原子(Sb)、などを挙げることができる。   In addition, a hetero atom is an atom other than a carbon atom (C) and a hydrogen atom (H), and typically an oxygen atom (O), a nitrogen atom (N), a sulfur atom (S), a phosphorus atom (P ), Fluorine atom (F), chlorine atom (Cl), bromine atom (Br), iodine atom (I), boron atom (B), cobalt atom (Co), antimony atom (Sb), and the like. .

更に、本発明においては、常温溶融塩の全部又は一部が親水性常温溶融塩であることが望ましい。
このような常温溶融塩は、詳しくは後述する極性物質として水を含有させる場合に、イオン伝導体における水の保持能を向上させることができ、より一層プロトン伝導性の向上効果を発揮させることが可能となる。
Furthermore, in the present invention, it is desirable that all or part of the room temperature molten salt is a hydrophilic room temperature molten salt.
Such room temperature molten salt can improve the water retention ability in the ionic conductor when water is contained as a polar substance, which will be described in detail later, and can further improve the proton conductivity. It becomes possible.

ここで、本発明のイオン伝導体に用いられるカチオン成分とアニオン成分について具体例を挙げて詳細に説明する。
なお、本発明においては、以下に示すカチオン成分とアニオン成分を適宜組合わせて用いることができる。
Here, the cation component and the anion component used in the ion conductor of the present invention will be described in detail with specific examples.
In the present invention, the following cation component and anion component can be used in appropriate combination.

上記カチオン成分の一種である分子性カチオンとしては、例えばイミダゾリウム誘導体カチオン、より具体的には次式(1)で表される一置換イミダゾリウム誘導体カチオン(Monosubstituted Imidazolium Derivatives Cation);   Examples of the molecular cation which is a kind of the cation component include, for example, an imidazolium derivative cation, more specifically, a monosubstituted imidazolium derivative cation represented by the following formula (1):

Figure 0004840640
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(式中のR11は、1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。)を挙げることができる。 (Wherein R 11 represents a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an arylalkyl group).

そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基やブチル基などを挙げることができる。   Specific examples of the hydrocarbon group include a methyl group and a butyl group.

また、次式(2)で表される二置換イミダゾリウム誘導体カチオン(Disubstituted Imidazolium Derivatives Cation);   In addition, a disubstituted imidazolium derivative cation represented by the following formula (2) (Distributed Imidazol Derivatives Cation);

Figure 0004840640
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(式中のR21及びR22は同一でも異なっていてもよく、1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。)を挙げることができる。 (In the formula, R 21 and R 22 may be the same or different and each represents a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an arylalkyl group. .).

そして、R21及びR22としては、上述したR11と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。 Examples of R 21 and R 22 include any combination of the same groups as those described above for R 11, and in addition, ethyl group, pentyl group, hexyl group, octyl group, decyl group, dodecyl group , Tetradecyl group, hexadecyl group, octadecyl group, benzyl group, γ-phenylpropyl group, and the like.

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、R21がメチル基であり、R22がメチル基、エチル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基であるものや、R21がエチル基であり、R22がブチル基であるものなどを挙げることができる。 As specific examples of typical combinations of these groups, R 21 is a methyl group, and R 22 is a methyl group, ethyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, octyl group, decyl group, dodecyl group. , Tetradecyl group, hexadecyl group, octadecyl group, benzyl group, and γ-phenylpropyl group, and those in which R 21 is an ethyl group and R 22 is a butyl group.

更に、次式(3)で表される三置換イミダゾリウム誘導体カチオン(Trisubstituted Imidazolium Derivatives Cation);   Furthermore, a trisubstituted imidazolium derivative cation represented by the following formula (3) (Tristubulated Imidazol Derivatives Cation);

Figure 0004840640
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(式中のR31〜R33は同一でも異なっていてもよく、1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。)を挙げることができる。 (In the formula, R 31 to R 33 may be the same or different and each represents a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an arylalkyl group. .).

そして、R31〜R33としては、上述したR11と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。 Then, as the R 31 to R 33, there may be mentioned those obtained by arbitrarily combining the same as R 11 mentioned above, other ethyl group, a propyl group, a hexyl group, and the like hexadecyl .

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、R31がエチル基であり、R32及びR33がメチル基であるもの、R31がプロピル基であり、R32及びR33がメチル基であるもの、R31がブチル基であり、R32及びR33がメチル基であるもの、R31がヘキシル基であり、R32及びR33がメチル基であるもの、R31がヘキサデシル基であり、R32及びR33がメチル基であるものなどを挙げることができる。 Specific examples of typical combinations of these groups include those in which R 31 is an ethyl group, R 32 and R 33 are methyl groups, R 31 is a propyl group, and R 32 and R 33 are A methyl group, R 31 is a butyl group, R 32 and R 33 are methyl groups, R 31 is a hexyl group, R 32 and R 33 are methyl groups, R 31 is hexadecyl And a group in which R 32 and R 33 are methyl groups.

また、次式(4)で表されるピリジニウム誘導体カチオン(Pyridinium Derivatives Cation);   Moreover, the pyridinium derivative cation (Pyridinium Derivatives Cation) represented by following formula (4);

Figure 0004840640
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(式中のR41〜R44は同一でも異なっていてもよく、水素又は1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。)を挙げることができる。 (In the formula, R 41 to R 44 may be the same or different, and are hydrogen or a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably a C 1-20 alkyl group or arylalkyl group. Can be included).

そして、R41〜R44としては、上述したR11と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。 Then, as the R 41 to R 44, there may be mentioned those obtained by arbitrarily combining the same as R 11 mentioned above, other hydrogen, ethyl group, hexyl group, and octyl group.

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、R41がエチル基であり、R42〜R44が水素であるもの、R41がブチル基であり、R42〜R44が水素であるものやR42及びR43が水素でありR44がメチル基であるもの、R42及びR44が水素でありR43がメチル基であるもの、R42及びR43がメチル基でありR44が水素であるもの、R42及びR44がメチル基でありR43が水素であるもの、R42及びR43が水素でありR44がエチル基であるもの、R41がヘキシル基であり、R42〜R44が水素であるものやR42及びR43が水素でありR44がメチル基であるもの、R42及びR44が水素でありR43がメチル基であるもの、R41がオクチル基であり、R42〜R44が水素であるものやR42及びR43が水素でありR44がメチル基であるもの、R42およびR44が水素でありR43がメチル基であるものなどを挙げることができる。 Specific examples of typical combinations of these groups include those in which R 41 is an ethyl group, R 42 to R 44 are hydrogen, R 41 is a butyl group, and R 42 to R 44 are hydrogen. R 42 and R 43 are hydrogen and R 44 is a methyl group, R 42 and R 44 are hydrogen and R 43 is a methyl group, R 42 and R 43 are methyl groups R 44 is hydrogen, R 42 and R 44 are methyl and R 43 is hydrogen, R 42 and R 43 are hydrogen and R 44 is ethyl, R 41 is hexyl R 42 to R 44 are hydrogen, R 42 and R 43 are hydrogen and R 44 is a methyl group, R 42 and R 44 are hydrogen and R 43 is a methyl group, R 41 is an octyl group, R 4 Those to R 44 are those or hydrogen R 42 and R 43 are hydrogen R 44 is a methyl group, an R 42 and R 44 are hydrogen R 43 can be exemplified such as a methyl group .

更に、次式(5)で表されるピロリジニウム誘導体カチオン(Pyrrolidinium Derivatives Cation);   Further, a pyrrolidinium derivative cation represented by the following formula (5) (Pyrrolidinium Derivatives Cation);

Figure 0004840640
Figure 0004840640

(式中のR51及びR52は同一でも異なっていてもよく、1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。)を挙げることができる。 (In the formula, R 51 and R 52 may be the same or different and each represents a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an arylalkyl group. .).

そして、R51及びR52としては、上述したR11と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。 Examples of R 51 and R 52 include those obtained by arbitrarily combining the same as R 11 described above, and other examples include an ethyl group, a propyl group, a hexyl group, and an octyl group. .

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、R51がメチル基であり、R52がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、ヘキシル基であるもの、オクチル基であるもの、R51がエチル基であり、R52がブチル基であるもの、R51及びR52がプロピル基、ブチル基、ヘキシル基であるものなどを挙げることができる。 Specific examples of typical combinations of these groups include those in which R 51 is a methyl group, R 52 is a methyl group, an ethyl group, a butyl group, or a hexyl group. , An octyl group, R 51 is an ethyl group, R 52 is a butyl group, and R 51 and R 52 are a propyl group, a butyl group, and a hexyl group.

また、次式(6)で表されるアンモニウム誘導体カチオン(Ammonium Derivatives Cation);   Moreover, the ammonium derivative cation (Ammonium Derivatives Cation) represented by following formula (6);

Figure 0004840640
Figure 0004840640

(式中のR61〜R64は同一でも異なっていてもよく、1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。)を挙げることができる。 (In the formula, R 61 to R 64 may be the same or different and each represents a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an arylalkyl group. .).

そして、R61〜R64としては、上述したR11と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。 Then, as the R 61 to R 64, there may be mentioned those obtained by arbitrarily combining the same as R 11 mentioned above, other ethyl group, and octyl group.

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、R61〜R64がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、R61がメチル基であり、R62〜R64がオクチル基であるものなどを挙げることができる。 Specific examples of typical combinations of these groups include those in which R 61 to R 64 are a methyl group, an ethyl group, a butyl group, R 61 is a methyl group, and R 62 to R 64 can be exemplified such as an octyl group.

更に、次式(7)で表されるホスフォニウム誘導体カチオン(Phosphonium Derivatives Cation);   Furthermore, a phosphonium derivative cation represented by the following formula (7) (Phosphonium Derivatives Cation);

Figure 0004840640
Figure 0004840640

(式中のR71〜R74は同一でも異なっていてもよく、1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。)を挙げることができる。 (In the formula, R 71 to R 74 may be the same or different and each represents a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an arylalkyl group. .).

そして、R71〜R74としては、上述したR11と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。 Then, as the R 71 to R 74, there may be mentioned those obtained by combining arbitrarily the same as R 11 mentioned above, other ethyl group, an isobutyl group, a hexyl group, an octyl group, a tetradecyl group, a hexadecyl group , Phenyl group, benzyl group and the like.

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、R71がメチル基であり、R72〜R74がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、R71がエチル基であり、R72〜R74がブチル基であるもの、R71〜R74がブチル基であるものやオクチル基であるもの、R71がテトラデシル基であり、R72〜R74がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、R71がヘキサデシル基であり、R72〜R74がブチル基であるもの、R71がベンジル基であり、R72〜R74がフェニル基であるものなどを挙げることができる。 As specific examples of typical combinations of these groups, R 71 is a methyl group, R 72 to R 74 are butyl groups or isobutyl groups, R 71 is an ethyl group, R 72 to R 74 are butyl groups, R 71 to R 74 are butyl groups or octyl groups, R 71 is a tetradecyl group, and R 72 to R 74 are butyl groups, Examples thereof include a hexyl group, R 71 is a hexadecyl group, R 72 to R 74 are butyl groups, R 71 is a benzyl group, and R 72 to R 74 are phenyl groups. it can.

また、次式(8)で表されるグアニジウム誘導体カチオン(Guanidinium Derivatives Cation);   Further, a guanidinium derivative cation represented by the following formula (8) (Guanidinium Derivatives Cation);

Figure 0004840640
Figure 0004840640

(式中のR81〜R86は同一でも異なっていてもよく、水素又は1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。)を挙げることができる。 (In the formula, R 81 to R 86 may be the same or different, and are hydrogen or a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably a C 1-20 alkyl group or arylalkyl group. Can be included).

そして、R81〜R86としては、上述したR11と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などを挙げることができる。 Then, as the R 81 to R 86, there may be mentioned those obtained by arbitrarily combining the same as R 11 mentioned above, other hydrogen, ethyl, propyl, and the like isopropyl group.

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、R81〜R86の全てが水素であるものやメチル基であるもの、R81がエチル基、R82〜R85がメチル基、R86が水素であるもの、R81がイソプロピル基、R82〜R85がメチル基、R86が水素であるもの、R81がプロピル基、R82〜R86がメチル基であるものなどを挙げることができる。 Specific examples of typical combinations of these groups include those in which all of R 81 to R 86 are hydrogen or a methyl group, R 81 is an ethyl group, and R 82 to R 85 are methyl groups. R 86 is hydrogen, R 81 is isopropyl, R 82 to R 85 are methyl, R 86 is hydrogen, R 81 is propyl, R 82 to R 86 are methyl, etc. Can be mentioned.

更に、次式(9)で表されるイソウロニウム誘導体カチオン(Isouronium Derivatives Cation);   Furthermore, an isouronium derivative cation (Isouronium Derivatives Cation) represented by the following formula (9);

Figure 0004840640
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(式中のR91〜R95は同一でも異なっていてもよく、水素又は1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示し、Aは酸素原子又は硫黄原子を示す。)を挙げることができる。 (In the formula, R 91 to R 95 may be the same or different, and are hydrogen or a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably a C 1-20 alkyl group or arylalkyl group. And A 9 represents an oxygen atom or a sulfur atom.).

そして、R91〜R95としては、上述したR11と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基などを挙げることができる。 Then, as the R 91 to R 95, there may be mentioned those obtained by arbitrarily combining the same as R 11 mentioned above, other hydrogen, and the like ethyl.

また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Aが酸素原子(O)であって、R91〜R95の全てがメチル基であるものやR91がエチル基、R92〜R95がメチル基であるもの、Aが硫黄原子(S)であって、R91がエチル基、R92〜R95がメチル基であるものなどを挙げることができる。 Specific examples of typical combinations of these groups include those in which A 9 is an oxygen atom (O) and all of R 91 to R 95 are methyl groups, R 91 is an ethyl group, R 92 those to R 95 is a methyl group, a 9 is a sulfur atom (S), and the like as R 91 is an ethyl group, R 92 to R 95 is a methyl group.

一方、上記分子性アニオンとしては、例えば硫酸アニオン[SO 2−]、硫酸一水素アニオン[HSO ]又は次式(10)で表される硫酸エステルアニオン(Sulfates anion); On the other hand, as the molecular anion, for example, a sulfate anion [SO 4 2− ], a hydrogen sulfate anion [HSO 4 ] or a sulfate ester anion (Sulfates anion) represented by the following formula (10);

Figure 0004840640
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(式中のR101は1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。)を挙げることができる。 (Wherein R 101 represents a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms or an arylalkyl group).

そして、R101としては、上述したR11と同様のものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。 Then, as R 101 may include the same as R 11 mentioned above, other ethyl group, a hexyl group, and octyl group.

また、代表的な具体例としては、R101がメチル基やエチル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基であるものなどを挙げることができる。 Further, typical examples include those in which R 101 is a methyl group, an ethyl group, a butyl group, a hexyl group, or an octyl group.

また、次式(11)で表されるスルホン酸エステルアニオン(Sulfonates anion);   Moreover, the sulfonate ester anion (Sulfonates anion) represented by following formula (11);

Figure 0004840640
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(式中のR111は1価の有機基、好ましくは1価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数1〜20のアルキル基又はアリールアルキル基、更にはそのフッ素置換体を示す。)を挙げることができる。 (Wherein R 111 represents a monovalent organic group, preferably a monovalent hydrocarbon group, more preferably an alkyl group or arylalkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and further a fluorine-substituted product thereof). be able to.

そして、代表的な具体例としては、R111がフッ素置換されたメチル基(トリフルオロメタンサルフォネートアニオンに相当)であるもの、更にはp−トリル基(p−トルエンスルホン酸アニオンに相当)であるものを挙げることができる。 As typical examples, R 111 is a fluorine-substituted methyl group (corresponding to a trifluoromethanesulfonate anion), and further a p-tolyl group (corresponding to a p-toluenesulfonic acid anion). Some can be mentioned.

更に、次式(12)〜(14)で表されるアミドアニオン(Amides Anion)又はイミドアニオン(Imides Anion);   Further, an amide anion or an imide anion represented by the following formulas (12) to (14);

Figure 0004840640
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を挙げることができる。
なお、アミドアニオンやイミドアニオンについては必ずしもこれらに限定されるものではない。
Can be mentioned.
The amide anion and imide anion are not necessarily limited to these.

また、次式(15)又は(16)で表されるメタンアニオン(Methanes Anion);   In addition, a methane anion represented by the following formula (15) or (16);

Figure 0004840640
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Figure 0004840640
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を挙げることができる。
なお、メタンアニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
Can be mentioned.
The methane anion is not necessarily limited to these.

また、次式(17)〜(23)で表されるホウ素含有化合物アニオン;   In addition, boron-containing compound anions represented by the following formulas (17) to (23);

Figure 0004840640
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を挙げることができる。
なお、ホウ素含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
Can be mentioned.
Note that the boron-containing compound anion is not necessarily limited thereto.

更に、次式(24)〜(32)で表されるリン含有化合物アニオン;   Furthermore, phosphorus-containing compound anions represented by the following formulas (24) to (32);

Figure 0004840640
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を挙げることができる。
なお、リン含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
Can be mentioned.
The phosphorus-containing compound anion is not necessarily limited to these.

更に、次式(33)又は(34)で表されるカルボン酸アニオン;   And a carboxylate anion represented by the following formula (33) or (34):

Figure 0004840640
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Figure 0004840640
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を挙げることができる。
なお、カルボン酸アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
Can be mentioned.
The carboxylate anion is not necessarily limited to these.

更に、次式(35)又は(36)で表される金属元素含有アニオン;   And a metal element-containing anion represented by the following formula (35) or (36):

Figure 0004840640
Figure 0004840640

Figure 0004840640
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を挙げることができる。
なお、金属元素含有アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
Can be mentioned.
The metal element-containing anion is not necessarily limited to these.

他方、分子性アニオンではないが、他のアニオン成分としてハロゲン化物アニオン(Halogenides Anion)であるフッ素アニオン[F]や塩素アニオン[Cl]、臭素アニオン[Br]、ヨウ素アニオン[I]を挙げることもできる。 On the other hand, although not a molecular anion, as other anion components, a halide anion (halogenides anion) fluorine anion [F ], chlorine anion [Cl ], bromine anion [Br ], iodine anion [I ] Can also be mentioned.

更に、本発明においては、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン又はアンモニウム誘導体カチオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性カチオンの混合物と、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン[(HF)F(nは実数で1〜3が望ましい。)]、硫酸一水素アニオン又はリン酸二水素アニオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性アニオンの混合物とから成ることが望ましい。
これらの分子性カチオンと分子性アニオンを組合わせたものは常温溶融塩であって、良好な親水性を示すからである。
Furthermore, in the present invention, a mixture of an imidazolium derivative cation, a pyridinium derivative cation, a pyrrolidinium derivative cation or an ammonium derivative cation, and a molecular cation according to any combination thereof, a boron tetrafluoride anion, a trifluoromethanesulfone, Nate anion, hydrogen fluoride anion [(HF n ) F (n is preferably a real number of 1 to 3)], monohydrogen sulfate anion or dihydrogen phosphate anion, and molecular properties related to any combination thereof It preferably comprises a mixture of anions.
This is because a combination of these molecular cations and molecular anions is a room temperature molten salt and exhibits good hydrophilicity.

また、本発明においては、用いる極性物質は、極性溶媒として機能することが好ましく、電気的に中性な物質において、正負の電荷の配置に偏りがあるものであり、特に正負の電荷が両端にわかれたような構造を有する化合物であることが望ましい。   In the present invention, the polar substance to be used preferably functions as a polar solvent. In an electrically neutral substance, the arrangement of positive and negative charges is biased. In particular, positive and negative charges are present at both ends. It is desirable to be a compound having a structure like a wrinkle.

かかる極性の指標としては、極性値や双極子モーメント、誘電率、水素結合性、溶解度パラメータなどを適用することができる。
例えば、極性物質は、その極性値が30より大きいことが好ましく、40より大きいことがより好ましく、50より大きいことが更に好ましい。極性値が30未満の場合には、極性が不十分であり、溶媒としての機能を十分に得ることが困難である。
As such an index of polarity, polarity value, dipole moment, dielectric constant, hydrogen bondability, solubility parameter, etc. can be applied.
For example, the polar substance preferably has a polarity value greater than 30, more preferably greater than 40, and even more preferably greater than 50. When the polarity value is less than 30, the polarity is insufficient and it is difficult to obtain a sufficient function as a solvent.

表1に代表的な物質の溶解度パラメータ(δ)と極性値(Et)を示す。なお、表1は、「新実験化学講座」、著者名;日本化学会、発行所;丸善株式会社、から抜粋したものである。   Table 1 shows solubility parameters (δ) and polarity values (Et) of typical substances. Table 1 is an excerpt from “New Experimental Chemistry Course”, author name: The Chemical Society of Japan, publisher: Maruzen Co., Ltd.

Figure 0004840640
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なお、表中の溶解度パラメータは次の(式1)
δ=(E/V)1/2…(式1)
(式中のEは液体分子の凝集エネルギー、Vは分子体積を示す。)から算出され、大きいほど溶解度が大きいことを示す。
表中の
The solubility parameter in the table is the following (Equation 1).
δ = (E / V) 1/2 (Formula 1)
(E in the formula is calculated from the cohesive energy of liquid molecules and V is the molecular volume.) The larger the value, the higher the solubility.
In the table

更に、本発明においては、極性物質として、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、アセトン、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ピリジン、α−ピコリン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸、エチレンオキシド、ポリエチレンオキシド又はポリプロピレンオキシド、及びこれらの任意の組合わせに係る極性物質を混合して好適に用いることができる。
極性物質として、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどの分子量の大きなものも適用が可能である。
また、このような高分子量の極性物質を含有させる場合には、ジメチルスルホキシドやジメチルホルムアミドなどを添加することが望ましい。
特に、極性や溶解度が高いという観点から水などをより好適に用いることができる。
Furthermore, in the present invention, polar substances include water, methanol, ethanol, propanol, butanol, ethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, acetone, acetonitrile, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, pyridine, α-picoline, methyl acetate, acetic acid. Polar substances relating to ethyl, propyl acetate, butyl acetate, acetic acid, ethylene oxide, polyethylene oxide or polypropylene oxide, and any combination thereof can be mixed and used suitably.
As the polar substance, a substance having a large molecular weight such as polyethylene glycol or polypropylene glycol can be used.
When such a high molecular weight polar substance is contained, it is desirable to add dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or the like.
In particular, water or the like can be more suitably used from the viewpoint of high polarity and solubility.

また、本発明のイオン伝導体においては、その製造方法として特に限定されることはなく、従来公知の方法によって作製することができる。
常温溶融塩と極性物質の一例である水を混合させる場合、粘性の高い常温溶融塩の場合には、例えば温度を50〜80℃程度に温めて、双方を混合することにより、均一に混合することが可能であり、双方の共存によるプロトン伝導性の向上効果をより一層発揮させることができる。
Moreover, in the ion conductor of this invention, it does not specifically limit as the manufacturing method, It can produce by a conventionally well-known method.
When mixing room temperature molten salt and water, which is an example of a polar substance, in the case of a highly viscous room temperature molten salt, for example, warm the temperature to about 50 to 80 ° C. and mix both to mix uniformly. It is possible to improve the proton conductivity by coexistence of both.

なお、この場合における混合比は、常温溶融塩と水とがモル比で(常温溶融塩:水)100:1〜1:5とすればよい。
このような値とすることにより、プロトン伝導性の向上効果をより一層発揮させることが可能となる。
In addition, what is necessary is just to set the mixing ratio in this case as normal temperature molten salt and water by molar ratio (normal temperature molten salt: water) 100: 1-1: 5.
By setting it as such a value, the improvement effect of proton conductivity can be exhibited further.

なお、用いる常温溶融塩についても、その製造方法は特に限定されるものではないが、例えば従来公知の中和法などにより製造することができる。   The production method of the room temperature molten salt to be used is not particularly limited, but can be produced by, for example, a conventionally known neutralization method.

次に、本発明のエネルギーデバイスについて詳細に説明する。
上述の如く、本発明のエネルギーデバイスは、上記本発明のイオン伝導体を用いたものである。使用の態様に合わせて形態を適宜調整することができる。
より具体的には、上述のようなイオン伝導体を燃料電池や二次電池、キャパシタなど適用することができる。
Next, the energy device of the present invention will be described in detail.
As described above, the energy device of the present invention uses the ionic conductor of the present invention. The form can be appropriately adjusted according to the mode of use.
More specifically, an ion conductor as described above can be applied to a fuel cell, a secondary battery, a capacitor, or the like.

なお、燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換することが可能であり、高いエネルギー変換効率が期待できる装置である。
燃料電池の単セルに、本発明のイオン伝導体を電解質として適用すると、プロトン伝動場や三相界面における親和性を調整することが可能であり、IV特性の向上を図ることができる。
The fuel cell is a device that can directly convert the chemical energy of the fuel into electric energy and can be expected to have high energy conversion efficiency.
When the ion conductor of the present invention is applied as an electrolyte to a single cell of a fuel cell, it is possible to adjust the proton transmission field and the affinity at the three-phase interface, and to improve the IV characteristics.

また、上述したイオン伝導体は、優れた熱安定性(不揮発性、蒸気圧がゼロ、広い温度領域で液体である。)や高イオン密度、大熱容量などの性能を示すため、中温域(120℃程度)における運転が可能となる。
このような燃料電池を組込んだシステムにおいては、ラジエータ負荷を従来の固体高分子形燃料電池に対して低下させることができ、ラジエータサイズを小型化することができる。
その結果、システム容積を低減することができ、システム重量の軽量化が可能となる。
In addition, the above-described ionic conductor exhibits excellent thermal stability (non-volatile, zero vapor pressure, liquid in a wide temperature range), high ion density, large heat capacity, and the like, so that the intermediate temperature range (120 Operation at about ℃).
In a system incorporating such a fuel cell, the radiator load can be reduced compared to a conventional polymer electrolyte fuel cell, and the size of the radiator can be reduced.
As a result, the system volume can be reduced, and the weight of the system can be reduced.

更に、二次電池、特にリチウム電池に本発明のイオン伝導体を適用することで、不揮発性、不燃性の性質が有効となり、電池の大型化や比較的高温での使用にも耐えうることが可能となる。   Furthermore, by applying the ion conductor of the present invention to a secondary battery, particularly a lithium battery, the non-volatile and non-flammable properties are effective, and the battery can be endured to be enlarged or used at a relatively high temperature. It becomes possible.

更にまた、キャパシタに適用する場合にも、二次電池と同様の効果を得ることが可能となる。   Furthermore, when applied to a capacitor, the same effect as that of a secondary battery can be obtained.

ここで、本発明のエネルギーデバイスの一例として、イオン伝導体を燃料電池に適用する場合を図面に基づいて説明する。
図1は、エネルギーデバイスの一例である燃料電池の構成を示す説明図である。
同図に示すように、電解質として機能するイオン伝導体10を挟んで対峙する一対の電極20が設けられている。かかる電極20は触媒層22とガス拡散層24とから構成されている。
Here, as an example of the energy device of the present invention, a case where an ion conductor is applied to a fuel cell will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell which is an example of an energy device.
As shown in the figure, a pair of electrodes 20 that face each other with an ion conductor 10 functioning as an electrolyte in between are provided. The electrode 20 includes a catalyst layer 22 and a gas diffusion layer 24.

また、これらを挟んで対峙する一対のセパレータ30が設けられている。
このように、各電極20にはセパレータ30によりガス流路26が形成されており、水素(又は水素を含有する燃料ガス)と酸素(又は酸素を含有する酸化ガス)が供給されるようになっている。
なお、電極20は、燃料ガスが供給される側がアノード、酸化ガスが供給される側がカソードとなる。
In addition, a pair of separators 30 that are opposed to each other are provided.
Thus, the gas flow path 26 is formed in each electrode 20 by the separator 30, and hydrogen (or a fuel gas containing hydrogen) and oxygen (or an oxidizing gas containing oxygen) are supplied. ing.
Note that the electrode 20 has an anode on the side supplied with the fuel gas and a cathode on the side supplied with the oxidizing gas.

この燃料電池で発電するときは、それぞれのガスがガス流路26からガス拡散層24を経て触媒層22に供給され、以下に示す電気化学反応が進行する。
→2H+2e…(式2)
2H+2e+(1/2)O→HO…(式3)
+(1/2)O→HO…(式4)
When power is generated by this fuel cell, each gas is supplied from the gas flow path 26 to the catalyst layer 22 through the gas diffusion layer 24, and the following electrochemical reaction proceeds.
H 2 → 2H + + 2e (Formula 2)
2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (Formula 3)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (Formula 4)

(式2)は、燃料電池の陰極側における反応を示している。
(式3)は、燃料電池の陽極側における反応を示している。
(式4)は、燃料電池全体で行われる反応となる。
(Equation 2) shows the reaction on the cathode side of the fuel cell.
(Equation 3) shows the reaction on the anode side of the fuel cell.
(Equation 4) is a reaction performed in the entire fuel cell.

以下、本発明を若干の実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to some examples and comparative examples, but the present invention is not limited to such examples.

(実施例1)
イミダゾリウム三置換誘導体カチオンの一種である1,2−ジエチル−3−メチル−イミダゾリウムカチオンとホウ素含有化合物アニオンの一種である四フッ化ホウ素アニオンとから成る常温溶融塩(2EtEMImBF)と、極性物質の一例である水をモル比で常温溶融塩:水=1:1となるように混合して、本例のイオン伝導体を得た。
Example 1
Room temperature molten salt (2 EtEMImBF 4 ) composed of 1,2-diethyl-3-methyl-imidazolium cation, which is a kind of imidazolium trisubstituted derivative cation, and boron tetrafluoride anion, which is a kind of boron-containing compound anion, and polarity Water, which is an example of the substance, was mixed at a molar ratio of room temperature molten salt: water = 1: 1 to obtain an ionic conductor of this example.

(比較例1)
水を混合させなかったこと以外は実施例1と同様の操作を繰り返し、本例のイオン伝導体を得た。
(Comparative Example 1)
Except that water was not mixed, the same operation as in Example 1 was repeated to obtain an ion conductor of this example.

[性能評価]
上記各例のイオン伝導体を用いて、燃料電池を模した発電装置を作製した。図2は、発電装置の構成を示す説明図である。
具体的には、白金等の触媒金属が塗布されたカーボンペーパーによって構成される電極20間にイオン伝導体10を保持した。
そして、一方の電極10の背面から水素を、他方の電極10の背面から酸素(空気)を供給して発電性能(IV特性)を評価した。
得られた結果である発電性能(電流と電圧の関係)を図3に示す。
[Performance evaluation]
Using the ionic conductors of the above examples, a power generation apparatus simulating a fuel cell was produced. FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a configuration of the power generation device.
Specifically, the ion conductor 10 was held between the electrodes 20 made of carbon paper coated with a catalyst metal such as platinum.
Then, hydrogen was supplied from the back surface of one electrode 10 and oxygen (air) was supplied from the back surface of the other electrode 10 to evaluate the power generation performance (IV characteristics).
FIG. 3 shows the power generation performance (relationship between current and voltage), which is the obtained result.

図3から、破線で示す比較例1(常温溶融塩のみ)の場合と比較して、実線で示す実施例1(常温溶融塩と極性物質(水)とを混合した)の場合の方が、IV特性が優れていることが分かる。   From FIG. 3, compared with the case of Comparative Example 1 (only room temperature molten salt) indicated by a broken line, the case of Example 1 (mixed room temperature molten salt and polar substance (water)) indicated by a solid line is It can be seen that the IV characteristics are excellent.

燃料電池の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of a fuel cell. 燃料電池を模した発電装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the electric power generating apparatus which imitated the fuel cell. 実施例1及び比較例1の発電性能を示すグラフ図である。It is a graph which shows the electric power generation performance of Example 1 and Comparative Example 1.

符号の説明Explanation of symbols

10 イオン伝導体
20 電極
22 触媒層
24 ガス拡散層
26 ガス流路
30 セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ion conductor 20 Electrode 22 Catalyst layer 24 Gas diffusion layer 26 Gas flow path 30 Separator

Claims (3)

1,2−ジエチル−3−メチル−イミダゾリウムカチオンと四フッ化ホウ素アニオンとから成る常温溶融塩と、水とを含有することを特徴とするイオン伝導体。 An ionic conductor comprising a room temperature molten salt composed of a 1,2-diethyl-3-methyl-imidazolium cation and a boron tetrafluoride anion, and water . 請求項1に記載のイオン伝導体を用いたことを特徴とするエネルギーデバイス。 An energy device using the ionic conductor according to claim 1 . 請求項1に記載のイオン伝導体を用いたことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell using the ionic conductor according to claim 1 .
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