JP2010232043A - Method for manufacturing gas diffusion layer or gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a gas diffusion layer and a method for manufacturing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell for manufacturing the polymer electrolyte fuel cell having high performance without obstructing supply of fuel and an oxidant to a catalyst layer and exhaust of excess moisture by preventing penetration of a microporous layer and the catalyst layer into a conductive porous substrate. <P>SOLUTION: The method for manufacturing the gas diffusion layer for the polymer electrolyte fuel cell includes the steps of: (A) impregnating a penetration preventing agent in a molten state into a conductive porous substrate; (B) forming a microporous layer by applying a paste composition for forming the microporous layer to the conductive porous substrate into which a penetration preventing agent is impregnated and drying; and (C) removing the penetration preventing agent impregnated into the conductive porous substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池用ガス拡散層又はガス拡散電極の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a gas diffusion layer or gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、電解質膜の両面に電極が配置され、水素と酸素との電気化学反応により発電する電気化学システムであり、発電時に発生するのは水のみである。このように、従来の内燃機関とは異なり、燃料電池は、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないため、次世代のクリーンエネルギーシステムとして普及が見込まれている。その中でも、特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので、小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として早期の実用化が見込まれている。   A fuel cell is an electrochemical system in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane and generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and only water is generated during power generation. Thus, unlike conventional internal combustion engines, fuel cells do not generate environmental load gases such as carbon dioxide, and therefore are expected to become popular as next-generation clean energy systems. Among them, the polymer electrolyte fuel cell, in particular, has a low operating temperature, low electrolyte resistance, and uses a highly active catalyst, so it can obtain high output even in a small size, such as a home cogeneration system. As soon as practical use is expected.

この固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用い、この電解質膜の両面に触媒層が配置され、さらにその外側にガス拡散層が配置された構造を有している。そして、触媒層及びガス拡散層からなる電極の周囲を囲むようにガスケットを配置し、さらにこれをセパレータで挟んだ構造を有している。   This polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity is used, a catalyst layer is arranged on both sides of the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer is arranged on the outside thereof. Yes. And it has the structure which has arrange | positioned the gasket so that the circumference | surroundings of the electrode which consists of a catalyst layer and a gas diffusion layer may be enclosed, and also this was pinched | interposed with the separator.

通常、固体高分子形燃料電池では、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性を高く保つために、燃料又は酸化剤を加湿して供給することで乾燥を防いでいる。その一方で、過剰な水分が供給されると、触媒層及びガス拡散層中で水が凝縮して細孔内を閉塞するフラッディングという現象が起こる。その結果、燃料及び酸化剤の電極内での移動が阻害され、燃料電池の発電に不具合が生じる恐れがある。そこで、フラッディングを防止するために、ガス拡散層及び触媒層に撥水性を持たせることが重要である。   Normally, in a polymer electrolyte fuel cell, drying is prevented by humidifying and supplying a fuel or an oxidant in order to keep proton conductivity of the polymer electrolyte membrane high. On the other hand, when excessive moisture is supplied, a phenomenon called flooding occurs in which water is condensed in the catalyst layer and the gas diffusion layer to block the pores. As a result, the movement of the fuel and the oxidant within the electrode is hindered, and there is a possibility that a problem occurs in the power generation of the fuel cell. Therefore, in order to prevent flooding, it is important that the gas diffusion layer and the catalyst layer have water repellency.

一般に、ガス拡散層には、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質基材が用いられ、これに撥水性を持たせるために、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等で表面処理が施される。   Generally, a conductive porous substrate such as carbon paper or carbon cloth is used for the gas diffusion layer, and surface treatment is performed with polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like in order to impart water repellency thereto. .

例えば、特許文献1の実施例に記載されるように、PTFEの分散液に導電性多孔質基材を浸漬させた後、分散媒、分散剤等を除去するために350℃程度の高温で焼成することで、撥水処理が行われる。   For example, as described in the Examples of Patent Document 1, after immersing the conductive porous substrate in a dispersion of PTFE, firing is performed at a high temperature of about 350 ° C. to remove the dispersion medium, the dispersant, and the like. By doing so, a water repellent treatment is performed.

また、上述のようにガス拡散層には導電性多孔質基材が用いられるが、導電性多孔質基材と触媒層との間に中間層が設けられることがある。これは、下地層やMPL(micro porous layer、マイクロポーラスレイヤー)等と呼ばれ、ガス拡散層上に均一な厚さの触媒層を形成したり、触媒層へのガス供給を均一化したりする等の役割を持つ機能層となっている。このマイクロポーラスレイヤーには、ガス拡散層と同様に、フラッディングを防止するために撥水性を持たせることが望ましい。例えば、マイクロポーラスレイヤーは、カーボン粒子とPTFEとから構成されている。なお、上記マイクロポーラスレイヤーが設けられる場合には、導電性多孔質基材はガス拡散基材と呼ばれ、ガス拡散基材上にマイクロポーラスレイヤーが形成されたものがガス拡散層と呼ばれる。   As described above, a conductive porous substrate is used for the gas diffusion layer, but an intermediate layer may be provided between the conductive porous substrate and the catalyst layer. This is called an underlayer, MPL (micro porous layer), etc., and a catalyst layer having a uniform thickness is formed on the gas diffusion layer, gas supply to the catalyst layer is made uniform, etc. It is a functional layer with the role of As with the gas diffusion layer, it is desirable that the microporous layer has water repellency in order to prevent flooding. For example, the microporous layer is composed of carbon particles and PTFE. In the case where the microporous layer is provided, the conductive porous substrate is called a gas diffusion substrate, and the one in which the microporous layer is formed on the gas diffusion substrate is called a gas diffusion layer.

マイクロポーラスレイヤーは、例えば、カーボン粒子、PTFE、分散剤等からなるペースト組成物を上記導電性多孔質基材上に塗布及び乾燥することにより形成される。しかし、ペースト組成物を塗布する際に、ペースト組成物の一部が導電性多孔質基材の細孔中に染み込んでしまう。この染み込み量が多いと、導電性多孔質基材の細孔が閉塞され、反応に必要な燃料又は酸化剤の触媒層への供給が阻害されたり、過剰な水の排出が阻害されたりすることにより、燃料電池として充分な発電性能が得られない。また、ペースト組成物の染み込み量が不均一であると、反応に必要な燃料又は酸化剤の供給、過剰な水の排出に電極内で分布が生じ、燃料電池の発電性能が低下する。   The microporous layer is formed, for example, by applying and drying a paste composition made of carbon particles, PTFE, a dispersant, and the like on the conductive porous substrate. However, when the paste composition is applied, a part of the paste composition penetrates into the pores of the conductive porous substrate. If this amount of soaking is large, the pores of the conductive porous substrate will be blocked, and the supply of fuel or oxidant necessary for the reaction to the catalyst layer will be hindered, or excessive water discharge will be hindered. Therefore, sufficient power generation performance as a fuel cell cannot be obtained. In addition, if the amount of the soaked paste composition is not uniform, distribution occurs in the electrode due to the supply of fuel or oxidant necessary for the reaction and excessive water discharge, and the power generation performance of the fuel cell decreases.

上記の様な、マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物の導電性多孔質基材中への染み込みを防止するために、従来法としては、上記のような導電性多孔質基材の撥水化処理が行われる。しかし、導電性多孔質基材の撥水性を高めることで得られるペースト組成物の染み込みを抑制する効果は不充分であった。   In order to prevent the microporous layer forming paste composition from penetrating into the conductive porous substrate as described above, as a conventional method, the water repellent treatment of the conductive porous substrate as described above is used. Is done. However, the effect of suppressing the penetration of the paste composition obtained by increasing the water repellency of the conductive porous substrate was insufficient.

さらに、特許文献2では、導電性多孔質基材の細孔中に消失性物質を溶媒に溶解させて充填することで、導電性多孔質基材中へのペースト組成物の染み込みを抑制する方法が提案されている。しかし、その充填方法は、消失性物質を溶解させた溶液を浸漬させたり、塗布により散布したりするものであり、導電性多孔質基材の細孔内への消失性物質の分布は不均一であった。そのため、特許文献2の技術では、導電性多孔質基材の細孔内部へのマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物の染み込みを充分に抑制できなかった。   Furthermore, in Patent Document 2, a method of suppressing penetration of a paste composition into a conductive porous substrate by dissolving a disappearing substance in a solvent and filling the pores of the conductive porous substrate. Has been proposed. However, the filling method involves immersing the solution in which the disappearing substance is dissolved or spraying it by coating, and the distribution of the disappearing substance in the pores of the conductive porous substrate is uneven. Met. For this reason, the technique of Patent Document 2 cannot sufficiently suppress the penetration of the microporous layer forming paste composition into the pores of the conductive porous substrate.

特開2005−19298号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-19298 特開2005−38695号公報JP-A-2005-38695

本発明は、マイクロポーラスレイヤー及び触媒層を構成する成分の導電性多孔質基材中への染み込みを防止することで、触媒層への燃料及び酸化剤の供給、過剰な水分の排出等を阻害することなく、高性能な固体高分子形燃料電池を製造できる固体高分子形燃料電池用ガス拡散層及びガス拡散電極の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention prevents the components constituting the microporous layer and the catalyst layer from penetrating into the conductive porous substrate, thereby inhibiting the supply of fuel and oxidant to the catalyst layer, the discharge of excess moisture, etc. It is an object of the present invention to provide a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing a gas diffusion electrode, which can produce a high-performance polymer electrolyte fuel cell without performing the above.

本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、導電性多孔質基材に融解した状態の染み込み防止剤を充填し、次いでマイクロポーラスレイヤー又は触媒層を形成し、さらに染み込み防止剤を除去することで、上記課題を解決した所望のガス拡散層及びガス拡散電極が得られることを見出した。本発明は、このような知見に基づき完成されたものである。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors filled the conductive porous base material with an infiltration agent in a molten state, and then formed a microporous layer or a catalyst layer. It has been found that a desired gas diffusion layer and gas diffusion electrode that solve the above-mentioned problems can be obtained by removing the penetration inhibitor. The present invention has been completed based on such findings.

すなわち、本発明は、以下のガス拡散層及びガス拡散電極の製造方法、ガス拡散層、ガス拡散電極、膜−電極接合体並びに固体高分子形燃料電池に係る。   That is, the present invention relates to the following gas diffusion layer and gas diffusion electrode manufacturing method, gas diffusion layer, gas diffusion electrode, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell.

項1.(A)導電性多孔質基材に、融解した状態の染み込み防止剤を充填する工程、
(B)染み込み防止剤が充填された導電性多孔質基材上にマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を塗布及び乾燥し、マイクロポーラスレイヤーを形成する工程、及び
(C)導電性多孔質基材に充填された染み込み防止剤を除去する工程
を備える、固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
Item 1. (A) A step of filling a conductive porous substrate with a permeation preventive agent in a molten state,
(B) Applying and drying a microporous layer forming paste composition on a conductive porous substrate filled with an infiltration inhibitor, and forming a microporous layer; and (C) a conductive porous substrate. A method for producing a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of removing an infiltration agent filled in the solid polymer fuel cell.

項2.染み込み防止剤の融点が0〜30℃であり、沸点が50〜120℃である、項1に記載のガス拡散層の製造方法。   Item 2. Item 2. The method for producing a gas diffusion layer according to Item 1, wherein the penetration inhibitor has a melting point of 0 to 30 ° C and a boiling point of 50 to 120 ° C.

項3.工程(A)が、導電性多孔質基材を、融解した状態の染み込み防止剤の液膜中に浸漬する工程である、項1又は2に記載のガス拡散層の製造方法。   Item 3. Item 3. The method for producing a gas diffusion layer according to Item 1 or 2, wherein the step (A) is a step of immersing the conductive porous substrate in a liquid film of the infiltration agent in a melted state.

項4.染み込み防止剤の液膜の厚みが、導電性多孔質基材の厚みの40〜80%である、項3に記載のガス拡散層の製造方法。   Item 4. Item 4. The method for producing a gas diffusion layer according to Item 3, wherein the thickness of the liquid film of the penetration inhibitor is 40 to 80% of the thickness of the conductive porous substrate.

項5.項1〜4のいずれかに記載のガス拡散層の製造方法により得られる、固体高分子形燃料電池用ガス拡散層。   Item 5. Item 5. A gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell obtained by the method for producing a gas diffusion layer according to any one of Items 1 to 4.

項6.項5に記載のガス拡散層のマイクロポーラスレイヤー上に触媒層が形成されてなる、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極。   Item 6. Item 6. A gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, wherein a catalyst layer is formed on the microporous layer of the gas diffusion layer according to Item 5.

項7.(a)導電性多孔質基材に、融解した状態の染み込み防止剤を充填する工程、
(b)染み込み防止剤が充填された導電性多孔質基材上に触媒層形成用ペースト組成物を塗布及び乾燥し、触媒層を形成する工程、及び
(c)導電性多孔質基材に充填された染み込み防止剤を除去する工程
を備える、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。
Item 7. (A) filling a conductive porous substrate with a soaking agent in a molten state;
(B) a step of applying and drying the catalyst layer forming paste composition on the conductive porous substrate filled with the infiltration inhibitor and forming a catalyst layer; and (c) filling the conductive porous substrate. A method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of removing the permeation inhibitor.

項8.染み込み防止剤の融点が0〜30℃であり、沸点が50〜120℃である、項7に記載の固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。   Item 8. Item 8. The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to Item 7, wherein the infiltration agent has a melting point of 0 to 30 ° C and a boiling point of 50 to 120 ° C.

項9.工程(a)が、導電性多孔質基材を、融解した状態の染み込み防止剤の液膜中に浸漬する工程である、項7又は8に記載の固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。   Item 9. Item 9. The gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to Item 7 or 8, wherein the step (a) is a step of immersing the conductive porous substrate in a liquid film of the infiltration agent in a melted state. Production method.

項10.染み込み防止剤の液膜の厚みが、導電性多孔質基材の厚みの40〜80%である、項9に記載の固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。   Item 10. Item 10. The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to Item 9, wherein the liquid film of the infiltration agent is 40 to 80% of the thickness of the conductive porous substrate.

項11.項7〜10のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法により得られる、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極。   Item 11. Item 11. A gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell obtained by the method for producing a gas diffusion electrode according to any one of Items 7 to 10.

項12.電解質膜の片面又は両面に触媒層が形成されてなる触媒層−電解質膜積層体の片面又は両面に、項5に記載のガス拡散層が、触媒層とマイクロポーラスレイヤーとが接するように積層されてなる、固体高分子形燃料電池用膜−電極接合体。   Item 12. The gas diffusion layer of Item 5 is laminated so that the catalyst layer and the microporous layer are in contact with one side or both sides of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate in which the catalyst layer is formed on one side or both sides of the electrolyte membrane. A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell.

項13.電解質膜の片面又は両面に、項6又は11に記載のガス拡散電極が、電解質膜と触媒層とが接するように積層されてなる、固体高分子形燃料電池用膜−電極接合体。   Item 13. A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the gas diffusion electrode according to Item 6 or 11 is laminated on one surface or both surfaces of the electrolyte membrane so that the electrolyte membrane and the catalyst layer are in contact with each other.

項14.項12又は13に記載の膜−電極接合体を具備する、固体高分子形燃料電池。   Item 14. Item 14. A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to Item 12 or 13.

1.ガス拡散層
本発明の固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、
(A)導電性多孔質基材に、融解した状態の染み込み防止剤を充填する工程、
(B)染み込み防止剤が充填された導電性多孔質基材上にマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を塗布及び乾燥し、マイクロポーラスレイヤーを形成する工程、及び
(C)導電性多孔質基材に充填された染み込み防止剤を除去する工程
を備える。
1. Gas diffusion layer The method for producing a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises:
(A) A step of filling a conductive porous substrate with a permeation preventive agent in a molten state,
(B) Applying and drying a microporous layer forming paste composition on a conductive porous substrate filled with an infiltration inhibitor, and forming a microporous layer; and (C) a conductive porous substrate. The step of removing the permeation preventive agent filled in is provided.

<工程(A)>
工程(A)では、導電性多孔質基材に、融解した状態の染み込み防止剤を充填する。
<Process (A)>
In the step (A), the conductive porous base material is filled with a soaking agent in a melted state.

導電性多孔質基材としては、特に制限されるわけではないが、燃料又は酸化剤を透過させることができ、かつ電子伝導性を有する基材が使用される。一般に、その材質は、金属材料、炭素材料等が選択されるが、耐久性、価格等の観点から、炭素繊維からなるカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト、カーボン不織布等が好ましく使用される。   The conductive porous substrate is not particularly limited, and a substrate that can permeate the fuel or the oxidant and has electronic conductivity is used. In general, a metal material, a carbon material, or the like is selected as the material, but carbon paper, carbon cloth, carbon felt, carbon nonwoven fabric, or the like made of carbon fiber is preferably used from the viewpoint of durability, price, and the like.

導電性多孔質基材の厚みは、特に制限されるわけではなく、固体高分子形燃料電池のガス拡散層として一般的に採用される範囲とすればよい。具体的には、通常50〜1000μm程度、好ましくは100〜400μm程度である。   The thickness of the conductive porous substrate is not particularly limited, and may be in a range generally adopted as a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell. Specifically, it is about 50-1000 micrometers normally, Preferably it is about 100-400 micrometers.

本発明では、染み込み防止剤は、融解した状態で、導電性多孔質基材中に充填される。特許文献2のように、染み込み防止剤を溶媒に溶解させて充填させると、導電性多孔質基材の細孔中の染み込み防止剤の分布は不均一となる。本発明では、溶媒等を使用せず、染み込み防止剤を融解した状態で充填することで、導電性多孔質基材の細孔中に、均一に、満遍なく分布させることができる。これにより、工程(B)で形成するマイクロポーラスレイヤーが、導電性多孔質基材中に染み込むのを防止することができる。   In the present invention, the permeation preventive agent is filled in the conductive porous substrate in a molten state. As in Patent Document 2, when the penetration inhibitor is dissolved in a solvent and filled, the distribution of the penetration inhibitor in the pores of the conductive porous substrate becomes non-uniform. In this invention, it can distribute uniformly in the pore of an electroconductive porous base material by filling in the state which melt | dissolved the permeation preventive agent without using a solvent etc. Thereby, it can prevent that the microporous layer formed at a process (B) permeates into an electroconductive porous base material.

この染み込み防止剤は、工程(A)〜(C)を施す際の温度条件等にもよるが、融点が0〜30℃程度、好ましくは5〜26℃程度であり、沸点が50〜120℃程度、好ましくは59〜85℃程度のものが好ましい。染み込み防止剤の融点が上記の範囲内にあることにより、染み込み防止剤は室温で固体なので、工程(B)にて、室温でマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を塗布することができる。また、染み込み防止剤の沸点が上記の範囲内にあることにより、マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を塗布した後に乾燥する際に、同時に染み込み防止剤を除去することができる。   Although this penetration prevention agent is based also on the temperature conditions at the time of performing process (A)-(C), melting | fusing point is about 0-30 degreeC, Preferably it is about 5-26 degreeC, and a boiling point is 50-120 degreeC. A degree, preferably about 59-85 ° C. is preferred. When the melting point of the soaking inhibitor is within the above range, since the soaking inhibitor is solid at room temperature, the microporous layer forming paste composition can be applied at room temperature in step (B). Further, when the boiling point of the soaking inhibitor is within the above range, the soaking inhibitor can be removed at the same time when the microporous layer forming paste composition is applied and then dried.

また、染み込み防止剤は、工程(C)の除去工程において、マイクロポーラスレイヤーを損なわないもの、具体的にはマイクロポーラスレイヤーに接触することで分解、腐蝕等を誘発したりしないものが好ましい。また、燃焼、蒸発等の現象を利用する除去工程の場合、急速な体積膨張により物理的にマイクロポーラスレイヤーを破壊することが無いよう、物質の選定又は除去条件の設定に注意するべきである。   In addition, in the removal step of the step (C), a soaking agent that does not damage the microporous layer, specifically, a material that does not induce decomposition, corrosion, or the like by contacting the microporous layer is preferable. In addition, in the removal process utilizing phenomena such as combustion and evaporation, attention should be paid to the selection of substances or the setting of removal conditions so as not to physically destroy the microporous layer due to rapid volume expansion.

以上のような条件を満たす染み込み防止剤としては、例えば、t−ブチルアルコール(融点:25℃、沸点:83℃)、ベンゼン(融点:6℃、沸点:80℃)等が挙げられる。また、ポリエチレングリコール(分子量600程度、軟化点:20℃程度、沸点:250℃程度)のような低融点材料又は低軟化点材料も使用することができる。これらのなかでも、t−ブチルアルコールは、マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物の分散媒としても用いることができるため、マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を乾燥させる際に、同時に染み込み防止剤を除去することができるため好適である。   Examples of the permeation preventive agent satisfying the above conditions include t-butyl alcohol (melting point: 25 ° C., boiling point: 83 ° C.), benzene (melting point: 6 ° C., boiling point: 80 ° C.), and the like. A low melting point material or a low softening point material such as polyethylene glycol (molecular weight of about 600, softening point: about 20 ° C., boiling point: about 250 ° C.) can also be used. Among these, t-butyl alcohol can also be used as a dispersion medium for the microporous layer forming paste composition, so when the microporous layer forming paste composition is dried, the permeation preventive agent is simultaneously removed. This is preferable.

融解した状態の染み込み防止剤を導電性多孔質基材中に充填する方法は、特に制限はなく、例えば、図1に示すように、導電性多孔質基材を融解した状態の染み込み防止剤の液膜中に浸漬する方法等が挙げられる。   There is no particular limitation on the method of filling the conductive porous substrate with the melted infiltration agent. For example, as shown in FIG. 1, the infiltration agent in the molten state of the conductive porous substrate is used. Examples include a method of immersing in a liquid film.

導電性多孔質基材を融解した状態の染み込み防止剤の液膜中に浸漬する方法を採用する際、例えば、以下の方法により、導電性多孔質基材中に染み込み防止剤を充填することができる。   When adopting a method of immersing the conductive porous substrate in a liquid film of the infiltration agent in a melted state, for example, the following method may be used to fill the infiltration agent into the conductive porous substrate. it can.

まず、底が平坦であり、その周囲に液体が漏洩しない程度の高さの側壁を有する容器(バット、シャーレ等)に、融解した状態の染み込み防止剤を入れ、液膜の厚みが所望の厚さになるように調整する。この際、液膜の厚みは、導電性多孔質基材の厚みの40〜80%程度が好ましく、50〜75%程度がより好ましい。液膜の厚みをこの範囲内とすることにより、染み込み防止剤を、より均一に導電性多孔質基材の細孔中に分布させることができる。その結果、マイクロポーラスレイヤーの剥離及び脱落を防止することができるうえに、ガス供給及び水分の排出が均一となり、優れた電池特性が得られる。   First, in a container (bat, petri dish, etc.) having a flat bottom and a side wall high enough to prevent liquid from leaking, a soaked infiltration agent is placed in the container, and the liquid film has a desired thickness. Adjust so that At this time, the thickness of the liquid film is preferably about 40 to 80%, more preferably about 50 to 75% of the thickness of the conductive porous substrate. By setting the thickness of the liquid film within this range, the penetration inhibitor can be more uniformly distributed in the pores of the conductive porous substrate. As a result, peeling and dropping of the microporous layer can be prevented, and gas supply and moisture discharge are made uniform, and excellent battery characteristics can be obtained.

次いで、融解した状態の染み込み防止剤中に、導電性多孔質基材を浸漬し、水平に保持したまま冷却し、染み込み防止剤を凝固させる。容器を冷却する方法は、一般的に用いられる方法でよく、例えば、容器を保冷庫に入れてもよいし、冷却ステージ、保冷剤等を用いて容器を冷却してもよい。   Next, the conductive porous base material is immersed in the soaked infiltration agent in a melted state, and is cooled while being held horizontally to solidify the infiltration agent. The method for cooling the container may be a commonly used method. For example, the container may be placed in a cold storage box, or the container may be cooled using a cooling stage, a cooling agent, or the like.

<工程(B)>
次に、工程(B)では、染み込み防止剤が充填された導電性多孔質基材上にマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を塗布及び乾燥し、マイクロポーラスレイヤーを形成する。
<Process (B)>
Next, in the step (B), the microporous layer forming paste composition is applied and dried on the conductive porous base material filled with the soaking-in preventing agent to form a microporous layer.

マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物は、例えば、導電性炭素粒子と分散媒とを含むものが使用される。このマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物には、撥水剤、分散剤等が添加されていてもよい。   As the microporous layer forming paste composition, for example, a paste containing conductive carbon particles and a dispersion medium is used. The microporous layer forming paste composition may contain a water repellent, a dispersant and the like.

導電性炭素粒子としては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、活性炭等の粒子状又は粉末状の炭素材料が好適に用いられる。また、炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等を用いてもよい。   As the conductive carbon particles, for example, particulate or powdery carbon materials such as acetylene black, furnace black, activated carbon and the like are preferably used. Carbon fibers, carbon nanotubes, carbon nanofibers and the like may also be used.

分散媒としては、公知又は市販の溶剤を用いることができる。一般的には、水、エタノール等のアルコール等が好ましく使用される。   As the dispersion medium, a known or commercially available solvent can be used. In general, water and alcohols such as ethanol are preferably used.

分散剤は、いわゆる界面活性剤が好ましく使用され、例えば、公知又は市販の水系分散剤を使用することができる。例えば、ポリオキシエチレンアルキレンアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、酸性基含有構造変性ポリアクリレート等が挙げられる。抽出、熱分解等により容易に除去できる特性を持つことがより好ましいが、特に限定されない。この分散剤は、分散媒中に導電性炭素粒子、撥水剤等を均一に分散させるために用いられるものである。   As the dispersant, a so-called surfactant is preferably used. For example, a known or commercially available aqueous dispersant can be used. For example, polyoxyethylene alkylene alkyl ether, polyethylene glycol alkyl ether, polyoxyethylene fatty acid ester, acidic group-containing structure-modified polyacrylate and the like can be mentioned. Although it is more preferable that it has the characteristic which can be easily removed by extraction, thermal decomposition, etc., it is not specifically limited. This dispersant is used for uniformly dispersing conductive carbon particles, a water repellent, and the like in a dispersion medium.

撥水剤は、水分の滞留によるフラッディングを抑制することを目的として、マイクロポーラスレイヤーの撥水性を高めるために添加されるものである。一般に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ化カーボン、フッ化ピッチ等が用いられる。   The water repellent is added to increase the water repellency of the microporous layer for the purpose of suppressing flooding due to moisture retention. Generally, polytetrafluoroethylene (PTFE), carbon fluoride, fluoride pitch, or the like is used.

マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物中に含まれる各成分の割合は、限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択され得る。具体的には、導電性炭素粒子1重量部に対して、分散媒3〜20重量部程度(好ましくは4〜19重量部程度)、分散剤0.05〜3重量部程度(好ましくは0.07〜2重量部程度)、撥水剤0.05〜20重量部程度(好ましくは0.1〜10重量部程度)とすればよい。   The ratio of each component contained in the paste composition for forming a microporous layer is not limited and can be appropriately selected within a wide range. Specifically, about 3 to 20 parts by weight (preferably about 4 to 19 parts by weight) of the dispersion medium and about 0.05 to 3 parts by weight of the dispersant (preferably about 0.1 to 3 parts by weight) with respect to 1 part by weight of the conductive carbon particles. 07 to 2 parts by weight) and a water repellent of about 0.05 to 20 parts by weight (preferably about 0.1 to 10 parts by weight).

マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を塗布する方法は、一般的に用いられる手法を採用すればよく、特に限定されないが、例えば、スクリーン印刷、ダイコーティング、バーコーティング、ブレードコーティング、スプレーコーティング等が挙げられる。   The method for applying the microporous layer forming paste composition may be a generally used technique, and is not particularly limited. Examples thereof include screen printing, die coating, bar coating, blade coating, and spray coating. It is done.

また、マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を塗布後に乾燥する方法は、一般的な手法で行えばよく、特に限定されない。乾燥条件は、例えば、大気中で行ってもよいし、減圧下で行ってもよい。また、昇温してもよいし、常温でもよい。   Moreover, the method of drying after apply | coating the paste composition for microporous layer formation should just be performed by a general method, and is not specifically limited. Drying conditions may be performed, for example, in the air or under reduced pressure. Further, the temperature may be raised or it may be normal temperature.

なお、使用する分散媒の沸点が、染み込み防止剤の沸点と同程度の場合には、この乾燥処理を、染み込み防止剤の沸点以上の温度で施せば、マイクロポーラスレイヤーの形成と染み込み防止剤の除去を同時に行うことができる。この場合には、後述する工程(C)は不要である。   If the boiling point of the dispersion medium to be used is about the same as the boiling point of the soaking inhibitor, the drying treatment can be performed at a temperature equal to or higher than the boiling point of the soaking inhibitor to form a microporous layer and prevent the soaking agent. Removal can be done simultaneously. In this case, the step (C) described later is not necessary.

このようにして形成されるマイクロポーラスレイヤーの厚みは限定的ではないが、一般に、10〜100μm程度が好ましい。   The thickness of the microporous layer formed in this way is not limited, but generally about 10 to 100 μm is preferable.

<工程(C)>
さらに、工程(C)では、導電性多孔質基材に充填された染み込み防止剤を除去する。前述したように、工程(B)の乾燥処理で、染み込み防止剤の沸点以上の温度で施した場合には、この工程(C)は不要である。
<Process (C)>
Furthermore, in the step (C), the permeation preventive agent filled in the conductive porous substrate is removed. As described above, when the drying treatment in the step (B) is performed at a temperature equal to or higher than the boiling point of the soaking agent, this step (C) is unnecessary.

染み込み防止剤の導電性多孔質基材からの除去は、例えば、加熱により行われる。具体的には、染み込み防止剤の融点より高い温度まで加熱し、融解した染み込み防止剤を、溶媒を用いて洗い流して除去してもよいし、染み込み防止剤の沸点より高い温度までゆっくりと加熱し、染み込み防止剤を蒸発させて除去してもよい。   Removal of the soaking agent from the conductive porous substrate is performed, for example, by heating. Specifically, it may be heated to a temperature higher than the melting point of the anti-soaking agent and the molten anti-soaking agent may be removed by washing with a solvent, or slowly heated to a temperature higher than the boiling point of the anti-soaking agent. Alternatively, the penetration inhibitor may be removed by evaporation.

融解させた染み込み防止剤を洗い流して除去する場合には、マイクロポーラスレイヤーを損なうことがないように留意する必要がある。また、染み込み防止剤を蒸発させる場合には、急激に加熱すると、染み込み防止剤の突沸により、マイクロポーラスレイヤーが損なわれることがないように留意する必要がある。   Care must be taken not to damage the microporous layer when the melted penetration inhibitor is washed away. In addition, when evaporating the soaking preventive agent, it is necessary to take care that the microporous layer is not damaged by sudden boiling of the soaking preventive agent when heated rapidly.

<その他>
このようにして本発明のガス拡散層を得た後、マイクロポーラスレイヤーの形成に使用した撥水剤の熱処理のため、300℃程度の焼成処理を行ってもよい。これは、界面活性剤等の分散剤を分散除去するとともに、PTFE等の撥水剤を一旦融解させ、導電性炭素粒子の表面を被覆させるためである。
<Others>
Thus, after obtaining the gas diffusion layer of this invention, you may perform a baking process about 300 degreeC for the heat processing of the water repellent used for formation of a microporous layer. This is to disperse and remove the dispersant such as the surfactant and to once melt the water repellent such as PTFE to coat the surface of the conductive carbon particles.

2.ガス拡散電極
<MPL付きガス拡散電極>
本発明の第1の態様における固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極は、上記で説明した本発明のガス拡散層のマイクロポーラスレイヤー上に触媒層が形成されてなる。
2. Gas diffusion electrode < Gas diffusion electrode with MPL>
The gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect of the present invention has a catalyst layer formed on the microporous layer of the gas diffusion layer of the present invention described above.

触媒層は、固体高分子形燃料電池用として一般的に使用されるものであれば特に制限はなく、一般的には、(1)触媒担持炭素粒子(触媒を担持させた炭素粒子)及び(2)水素イオン伝導性電解質を含むものが使用される。   The catalyst layer is not particularly limited as long as it is generally used for a polymer electrolyte fuel cell. Generally, (1) catalyst-carrying carbon particles (carbon particles carrying a catalyst) and ( 2) A material containing a hydrogen ion conductive electrolyte is used.

触媒担持炭素粒子は、炭素粒子に触媒が担持したものであり、公知又は市販のものを使用することができる。   The catalyst-carrying carbon particles are those in which a catalyst is carried on carbon particles, and known or commercially available ones can be used.

触媒担持炭素粒子を構成する炭素粒子は、特に制限されず、例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。   The carbon particles constituting the catalyst-supporting carbon particles are not particularly limited, and examples thereof include carbon black such as channel black, furnace black, thermal black, acetylene black, and lamp black, graphite, activated carbon, carbon fiber, and carbon nanotube. .

炭素粒子に担持する触媒としては、燃料電池の燃料極又は空気極における電池反応を起こさせるものであれば特に限定されない。例えば、白金、白金合金、白金化合物等が挙げられる。白金合金としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄、コバルト等からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属と白金との合金等が挙げられる。   The catalyst supported on the carbon particles is not particularly limited as long as it causes a cell reaction in the fuel electrode or air electrode of the fuel cell. For example, platinum, a platinum alloy, a platinum compound, etc. are mentioned. Examples of the platinum alloy include an alloy of platinum and at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, palladium, nickel, molybdenum, iridium, iron, cobalt, and the like.

水素イオン伝導性電解質も限定的でなく、公知又は市販のものを使用できる。例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、特に炭化水素系イオン交換膜のC−H結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー(PFS系ポリマー)等が挙げられる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、例えば、デュポン社製の「Nafion」(登録商標)、旭硝子(株)製の「Flemion」(登録商標)、旭化成(株)製の「Aciplex」(登録商標)、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」(登録商標)等が挙げられる。   The hydrogen ion conductive electrolyte is not limited, and a known or commercially available one can be used. Examples thereof include perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resins, particularly perfluorocarbon sulfonic acid-based polymers (PFS-based polymers) in which C—H bonds of hydrocarbon-based ion exchange membranes are substituted with fluorine. Specific examples of such a hydrogen ion conductive polymer electrolyte include, for example, “Nafion” (registered trademark) manufactured by DuPont, “Flemion” (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and manufactured by Asahi Kasei Corporation. “Aciplex” (registered trademark), “Gore Select” (registered trademark) manufactured by Gore, and the like.

触媒担持炭素粒子と水素イオン伝導性電解質膜との含有割合は、前者1重量部に対して、後者を0.1〜5重量部程度、好ましくは0.2〜4重量部程度とすればよい。   The content ratio of the catalyst-supporting carbon particles and the hydrogen ion conductive electrolyte membrane may be about 0.1 to 5 parts by weight, preferably about 0.2 to 4 parts by weight, with respect to 1 part by weight of the former. .

触媒層には、必要に応じて、炭素繊維、例えば気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー等の公知の添加剤を含有していてもよい。   The catalyst layer may contain a known additive such as carbon fiber, for example, vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube, or carbon nanowire, if necessary.

触媒層の厚みは限定的でなく、固体高分子形燃料電池の触媒層として一般的に採用されている範囲とすればよい。例えば、5〜120μm程度、好ましくは10〜50μm程度、より好ましくは15〜30μm程度とすればよい。   The thickness of the catalyst layer is not limited and may be in a range generally adopted as a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell. For example, it may be about 5 to 120 μm, preferably about 10 to 50 μm, more preferably about 15 to 30 μm.

このような触媒層を形成する方法としては、例えば、触媒層形成用ペースト組成物をガス拡散層のマイクロポーラスレイヤー上に塗布及び乾燥する方法等が挙げられる。   Examples of a method for forming such a catalyst layer include a method of applying and drying a paste composition for forming a catalyst layer on a microporous layer of a gas diffusion layer.

触媒層形成用ペースト組成物としては、例えば、(1)触媒担持炭素粒子、(2)水素イオン伝導性電解質、及び(3)粘度調整用溶剤を混合して得られるものが挙げられる。   Examples of the paste composition for forming a catalyst layer include those obtained by mixing (1) catalyst-carrying carbon particles, (2) a hydrogen ion conductive electrolyte, and (3) a viscosity adjusting solvent.

触媒担持炭素粒子及び水素イオン伝導性電解質は、上述したものを使用することができる。   As the catalyst-supporting carbon particles and the hydrogen ion conductive electrolyte, those described above can be used.

溶剤としては、例えば、各種アルコール、各種エーテル、各種ジアルキルスルホキシド、水又はこれらの混合物等が挙げられる。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、2−ブタノール、イソブタノール、t−ブタノール等の炭素数1〜4の一価アルコール、プロピレングリコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等の多価アルコール等が挙げられる。   Examples of the solvent include various alcohols, various ethers, various dialkyl sulfoxides, water, or a mixture thereof. Examples of the alcohol include monohydric alcohols having 1 to 4 carbon atoms such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, 2-butanol, isobutanol, and t-butanol, propylene glycol, ethylene glycol, diethylene glycol, Examples include polyhydric alcohols such as glycerin.

触媒層形成用ペースト組成物中に含まれる上記(1)〜(3)成分の割合は、限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択され得る。   The proportions of the components (1) to (3) contained in the catalyst layer forming paste composition are not limited and can be appropriately selected within a wide range.

例えば、(1)の触媒担持炭素粒子1重量部に対して、(2)成分が0.1〜5重量部(好ましくは0.15〜3重量部)、(3)成分が5〜50重量部程度(好ましくは10〜25重量部)含まれているのがよく、残りが水等である。水の割合は、通常、触媒担持炭素粒子に対して、等重量〜10倍重量である。   For example, the component (2) is 0.1 to 5 parts by weight (preferably 0.15 to 3 parts by weight) and the component (3) is 5 to 50 parts by weight with respect to 1 part by weight of the catalyst-supported carbon particles of (1). About 10 parts by weight (preferably 10 to 25 parts by weight) should be contained, with the remainder being water. The ratio of water is usually from 10 to 10 times the weight of the catalyst-supporting carbon particles.

触媒層形成用ペースト組成物は、上記(1)〜(3)成分を混合することにより、製造される。(1)〜(3)成分の混合順序は、特に制限されない。例えば、(1)成分、(2)成分、及び(3)成分を順次又は同時に混合し、触媒担持炭素粒子を分散させることにより、触媒層形成用ペースト組成物を調製できる。   The catalyst layer forming paste composition is produced by mixing the components (1) to (3). The order of mixing the components (1) to (3) is not particularly limited. For example, the paste composition for forming a catalyst layer can be prepared by mixing the component (1), the component (2), and the component (3) sequentially or simultaneously to disperse the catalyst-supporting carbon particles.

塗布方法及び乾燥条件としては、特に制限はなく、上述のマイクロポーラスレイヤーを形成する際と同様とすることができる。   There is no restriction | limiting in particular as an application | coating method and drying conditions, It can carry out similarly to the time of forming the above-mentioned microporous layer.

また、触媒層を形成する方法としては、他にも、触媒層形成用ペースト組成物を転写基材上に形成した触媒層転写フィルムを用いて、ガス拡散層のマイクロポーラスレイヤー上に触媒層を転写する方法等も挙げられる。   As another method for forming a catalyst layer, a catalyst layer is formed on a microporous layer of a gas diffusion layer using a catalyst layer transfer film in which a paste composition for forming a catalyst layer is formed on a transfer substrate. Examples of the method include a transfer method.

転写基材は特に限定されず、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパラバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン等)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン等の高分子フィルムを挙げることができる。また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。更に、基材は、高分子フィルム以外に、アート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙等の非塗工紙等の紙であってもよい。これらの中でも、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。   The transfer substrate is not particularly limited. For example, polyimide, polyethylene terephthalate, polyparabanic acid aramid, polyamide (nylon, etc.), polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyetherimide, polyarylate, polyethylene Examples thereof include polymer films such as naphthalate and polypropylene. In addition, ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. It is also possible to use a heat-resistant fluororesin. Further, the base material may be paper such as art paper, coated paper, light coated paper, and other non-coated paper such as notebook paper and copy paper, in addition to the polymer film. Among these, an inexpensive and easily available polymer film is preferable, and polyethylene terephthalate or the like is more preferable.

転写基材の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から、通常5〜100μm程度、好ましくは10〜60μm程度とするのがよい。   The thickness of the transfer substrate is usually about 5 to 100 μm, preferably about 10 to 60 μm, from the viewpoint of handleability and economy.

また、転写基材には、離型層が積層されていてもよい。離型層としては、例えば、公知のワックスから構成されたもの、公知のフッ素系樹脂でコーティングされたプラスチックフィルムが挙げられる。   Further, a release layer may be laminated on the transfer substrate. Examples of the release layer include those composed of known waxes and plastic films coated with known fluororesins.

転写の際の加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常0.5〜20MPa程度、好ましくは1〜10MPa程度、より好ましくは1〜5MPa程度がよい。また、この加圧の際に、転写不良を避けるために、加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、電解質膜の破損、変性等を避けるために、通常30〜200℃程度、好ましくは135〜150℃程度とすればよい。   The pressure level at the time of transfer is usually about 0.5 to 20 MPa, preferably about 1 to 10 MPa, more preferably about 1 to 5 MPa in order to avoid transfer failure. In addition, it is preferable to heat the pressure surface during the pressurization in order to avoid transfer defects. The heating temperature is usually about 30 to 200 ° C., preferably about 135 to 150 ° C., in order to avoid breakage or modification of the electrolyte membrane.

本発明では、マイクロポーラスレイヤー上に触媒層を形成する工程は、染み込み防止剤を除去する工程(C)の後に行ってもよいし、工程(C)の前に行ってもよい。なお、触媒層に含まれる触媒が、染み込み防止剤に対して何らかの反応性を有する場合(例えば発火する場合等)には、触媒層形成前に染込み防止剤を除去しておくことが望ましい。   In the present invention, the step of forming the catalyst layer on the microporous layer may be performed after the step (C) of removing the permeation preventive agent or may be performed before the step (C). When the catalyst contained in the catalyst layer has some reactivity with the soaking agent (for example, when it ignites), it is desirable to remove the soaking agent before forming the catalyst layer.

<MPLなしガス拡散電極>
本発明の第2の態様における固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極は、
(a)導電性多孔質基材に、融解した状態の染み込み防止剤を充填する工程、
(b)染み込み防止剤が充填された導電性多孔質基材上に触媒層形成用ペースト組成物を塗布及び乾燥し、触媒層を形成する工程、及び
(c)導電性多孔質基材に充填された染み込み防止剤を除去する工程
を備える。
<Gas diffusion electrode without MPL>
The gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to the second aspect of the present invention comprises:
(A) filling a conductive porous substrate with a soaking agent in a molten state;
(B) a step of applying and drying the catalyst layer forming paste composition on the conductive porous substrate filled with the infiltration inhibitor and forming a catalyst layer; and (c) filling the conductive porous substrate. A step of removing the permeation preventive agent.

工程(a)〜(c)は、ガス拡散層を形成する際の工程(A)〜(C)とは、マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物ではなく、触媒層形成用ペースト組成物を用いて触媒層を形成することのみが相違しており、その他の条件等はすべて同様である。   Steps (a) to (c) are different from steps (A) to (C) in forming the gas diffusion layer, using a paste composition for forming a catalyst layer, not a paste composition for forming a microporous layer. Only the formation of the catalyst layer is different, and all other conditions are the same.

また、触媒層形成用ペースト組成物は、上記のMPL付きガス拡散電極にて説明したものを使用することができる。なお、触媒層に含まれる触媒が、染み込み防止剤に対して何らかの反応性を有する場合には、反応しないように対処することが望ましい。例えば、発火する場合には、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性雰囲気で密閉した容器内でペーストの塗布・乾燥を行うことが好適である。なお、冷却により発火を抑制することも有効な対策の一つである。   Moreover, what was demonstrated in said gas diffusion electrode with MPL can be used for the paste composition for catalyst layer formation. In addition, when the catalyst contained in a catalyst layer has a certain reactivity with respect to a permeation preventive agent, it is desirable to cope with not reacting. For example, when firing, it is preferable to apply and dry the paste in a container sealed in an inert atmosphere such as nitrogen gas or argon gas. It is also an effective measure to suppress ignition by cooling.

3.膜−電極接合体
<ガス拡散層を触媒層−電解質膜積層体に積層する場合>
本発明の第1の態様における固体高分子形燃料電池用膜−電極接合体は、電解質膜の片面又は両面に触媒層が形成されてなる触媒層−電解質膜積層体の片面又は両面に、本発明のガス拡散層が、触媒層とマイクロポーラスレイヤーとが接するように積層されてなる。例えば、触媒層−電解質膜積層体の片面又は両面に、ガス拡散層を、触媒層とマイクロポーラスレイヤーとが対面するように配置することにより、作製することができる。なお、熱プレスすることにより、触媒層−電解質膜積層体とガス拡散層とを接合してもよいし、しなくてもよい。
3. Membrane-electrode assembly <When gas diffusion layer is laminated on catalyst layer-electrolyte membrane laminate>
The membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect of the present invention is provided on one side or both sides of a catalyst layer-electrolyte membrane laminate in which a catalyst layer is formed on one side or both sides of an electrolyte membrane. The gas diffusion layer of the invention is laminated so that the catalyst layer and the microporous layer are in contact with each other. For example, it can be produced by disposing a gas diffusion layer on one side or both sides of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate so that the catalyst layer and the microporous layer face each other. Note that the catalyst layer-electrolyte membrane laminate and the gas diffusion layer may or may not be joined by hot pressing.

触媒層は、上記で説明したものとすることができる。   The catalyst layer can be as described above.

電解質膜は、水素イオン伝導性のものであれば限定的ではなく、公知又は市販のものを使用できる。電解質膜の具体例としては、例えば、デュポン社製の「Nafion」(登録商標)膜、旭硝子(株)製の「Flemion」(登録商標)膜、旭化成(株)製の「Aciplex」(登録商標)膜、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」(登録商標)膜等が挙げられる。   The electrolyte membrane is not limited as long as it is hydrogen ion conductive, and a known or commercially available membrane can be used. Specific examples of the electrolyte membrane include, for example, “Nafion” (registered trademark) membrane manufactured by DuPont, “Flemion” (registered trademark) membrane manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and “Aciplex” (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Corporation. ) Membrane, “Gore Select” (registered trademark) membrane manufactured by Gore, and the like.

電解質膜の膜厚は、通常10〜500μm程度、好ましくは15〜300μm程度、より好ましくは20〜150μm程度とすればよい。   The thickness of the electrolyte membrane is usually about 10 to 500 μm, preferably about 15 to 300 μm, more preferably about 20 to 150 μm.

また、触媒層−電解質膜積層体を作製する際の方法や条件等は、導電性多孔質基材の代わりに電解質膜を使用すること以外は本発明の第1の態様におけるガス拡散電極の製造方法と同様とすることができる。   Further, the method, conditions, and the like for producing the catalyst layer-electrolyte membrane laminate are the production of the gas diffusion electrode according to the first aspect of the present invention except that an electrolyte membrane is used instead of the conductive porous substrate. It can be similar to the method.

熱プレスする際の加圧レベルは、通常0.5〜20MPa程度、好ましくは1〜10MPa程度がよい。また、この際の加熱温度は、通常30〜200℃程度でよい。   The pressure level at the time of hot pressing is usually about 0.5 to 20 MPa, preferably about 1 to 10 MPa. Moreover, the heating temperature in this case may be about 30-200 degreeC normally.

<ガス拡散電極を電解質膜に積層する場合>
本発明の第2の態様における固体高分子形燃料電池用膜−電極接合体は、電解質膜の片面又は両面に、本発明のガス拡散電極が、電解質膜と触媒層とが接するように積層されてなる。例えば、電解質膜の片面又は両面に、ガス拡散電極を、電解質膜と触媒層とが対面するように配置し、熱プレスすることにより、作製することができる。
<When gas diffusion electrode is laminated on electrolyte membrane>
In the membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell according to the second aspect of the present invention, the gas diffusion electrode of the present invention is laminated on one surface or both surfaces of the electrolyte membrane so that the electrolyte membrane and the catalyst layer are in contact with each other. Become. For example, the gas diffusion electrode can be arranged on one side or both sides of the electrolyte membrane so that the electrolyte membrane and the catalyst layer face each other and hot-pressed.

電解質膜及びガス拡散電極は、前述したものを使用することができる。   As the electrolyte membrane and the gas diffusion electrode, those described above can be used.

熱プレスする際の加圧レベルは、通常0.5〜20MPa程度、好ましくは1〜10MPa程度がよい。また、この際の加熱温度は、通常30〜200℃程度でよい。   The pressure level at the time of hot pressing is usually about 0.5 to 20 MPa, preferably about 1 to 10 MPa. Moreover, the heating temperature in this case may be about 30-200 degreeC normally.

4.固体高分子形燃料電池
本発明の膜−電極接合体に公知又は市販のセパレータを設けることにより、本発明の固体高分子形燃料電池を得ることができる。
4). Polymer electrolyte fuel cell The polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be obtained by providing a known or commercially available separator to the membrane-electrode assembly of the present invention.

本発明によれば、マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物及び触媒層形成用ペースト組成物の導電性多孔質基材への染み込みを防止し、触媒層への燃料及び酸化剤の供給並びに過剰な水分の排出を阻害することなく、セル電位の低下を抑制することができるガス拡散層及びガス拡散電極を得ることができる。これにより、発電性能に優れた固体高分子形燃料電池が得られる。   According to the present invention, the penetration of the microporous layer-forming paste composition and the catalyst layer-forming paste composition into the conductive porous substrate is prevented, the supply of fuel and oxidant to the catalyst layer, and excess moisture. Thus, it is possible to obtain a gas diffusion layer and a gas diffusion electrode that can suppress a decrease in cell potential without hindering the discharge of gas. Thereby, a polymer electrolyte fuel cell excellent in power generation performance can be obtained.

本発明において、融解した状態の染み込み防止剤を導電性多孔質基材に充填する方法の一例として、導電性多孔質基材を融解した状態の染み込み防止剤の液膜中に浸漬する方法を示す概略図である。In the present invention, as an example of a method for filling a conductive porous substrate with a melted infiltration agent, a method of immersing the conductive porous substrate in a melted infiltration liquid film is shown. FIG. 実施例1〜4及び比較例1のガス拡散層を用いて作製した固体高分子形燃料電池の電流−電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of the polymer electrolyte fuel cell produced using the gas diffusion layer of Examples 1-4 and the comparative example 1. FIG.

以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではないことは言うまでもない。   The present invention will be described more specifically with reference to the following examples and comparative examples. Needless to say, the present invention is not limited to the following examples.

実施例1
マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物は、カーボンブラック(CABOT社製、VULCAN XC−72)3重量部、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)分散液(ALDRICH社製、60wt%)1.66重量部及び純水35.3重量部を混合、分散して調製した。
Example 1
The paste composition for forming a microporous layer is composed of 3 parts by weight of carbon black (manufactured by CABOT, VULCAN XC-72), 1.66 parts by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion (manufactured by ALDRICH, 60 wt%) and pure It was prepared by mixing and dispersing 35.3 parts by weight of water.

気温約26℃の環境において、ステンレス製のバットにt−ブチルアルコール(ナカライテスク(株)製、特級)を注ぎ、これにカーボンペーパー(東レ(株)製、TGP−H−090、厚み280μm)を浸した。バットを水平に保った状態で、その液膜の厚みが200μmとなるように液量を調節した(染み込み防止剤の液膜の厚みは、導電性多孔質基材の厚みの約71.4%)。この状態を保持したままバットを保冷庫に移して10分間冷却した。   In an environment where the temperature is about 26 ° C., t-butyl alcohol (manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd., special grade) is poured into a stainless steel vat, and carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H-090, thickness 280 μm). Soaked. With the bat kept horizontal, the amount of liquid was adjusted so that the thickness of the liquid film was 200 μm (the thickness of the liquid film of the infiltration agent was about 71.4% of the thickness of the conductive porous substrate. ). While maintaining this state, the bat was moved to a cool box and cooled for 10 minutes.

バット内のt−ブチルアルコールが固化したことを目視にて確認し、バットを取り出した。室温24℃の環境で、バット内のt−ブチルアルコールが充填されたカーボンペーパー上に、調製したマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を素早く塗布した。バットを90℃に保持した乾燥オーブン内に移し、水平を保ったまま20分間乾燥させ、染み込み防止剤を除去した。さらに、350℃で1時間焼成した。   It was visually confirmed that the t-butyl alcohol in the bat had solidified, and the bat was taken out. The prepared paste composition for forming a microporous layer was quickly applied onto carbon paper filled with t-butyl alcohol in a vat in an environment at room temperature of 24 ° C. The vat was transferred into a drying oven maintained at 90 ° C., and dried for 20 minutes while maintaining the level to remove the soaking agent. Furthermore, it baked at 350 degreeC for 1 hour.

実施例2
t−ブチルアルコールの液膜の厚みを約140μmとなるように液量を調節したこと以外は、実施例1と同様の操作により、実施例2のガス拡散層を作製した(染み込み防止剤の液膜の厚みは、導電性多孔質基材の厚みの約50.0%)。
Example 2
A gas diffusion layer of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of liquid was adjusted so that the thickness of the liquid film of t-butyl alcohol was about 140 μm (solution of the soaking inhibitor). The thickness of the membrane is about 50.0% of the thickness of the conductive porous substrate).

実施例3
t−ブチルアルコールのかわりにベンゼンを染込み防止剤として用いたこと以外は、実施例1と同様の操作により、実施例3のガス拡散層を作製した(染込み防止剤の液膜の厚みは、導電性多孔質基材の厚みの約71.4%)。
Example 3
A gas diffusion layer of Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1 except that benzene was used as an anti-soaking agent instead of t-butyl alcohol (the thickness of the anti-soaking liquid film was About 71.4% of the thickness of the conductive porous substrate).

実施例4
マイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物は、実施例1と同様のものを使用した。
Example 4
The paste composition for forming a microporous layer was the same as in Example 1.

気温約26℃の環境において、ステンレス製のバットにポリエチレングリコール600(キシダ化学(株)製、1級)を注ぎ、これにカーボンペーパー(東レ(株)製、TGP−H−090、厚み280μm)を浸した。バットを水平に保った状態で、その液膜の厚みが200μmとなるように液量を調節した(染み込み防止剤の液膜の厚みは、導電性多孔質基材の厚みの約71.4%)。この状態を保持したままバットを保冷庫に移して10分間冷却した。   In an environment where the temperature is about 26 ° C., polyethylene glycol 600 (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd., grade 1) is poured into a stainless steel vat, and carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H-090, thickness 280 μm). Soaked. With the bat kept horizontal, the amount of liquid was adjusted so that the thickness of the liquid film was 200 μm (the thickness of the liquid film of the infiltration agent was about 71.4% of the thickness of the conductive porous substrate. ). While maintaining this state, the bat was moved to a cool box and cooled for 10 minutes.

バット内のポリエチレングリコールが固化したことを目視にて確認し、バットを取り出した。室温24℃の環境で、バット内のポリエチレングリコールが充填されたカーボンペーパー上に、調製したマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を素早く塗布した。バットを90℃に保持した乾燥オーブン内に移し、水平を保ったまま20分間乾燥させた。その後、ステンレス製のバット内にエタノールを注ぎ、約40℃に加熱した状態でマイクロポーラスレイヤーを形成した導電性多孔質基材を浸漬し、ポリエチレングリコールを溶解、除去した。次いで、90℃に保持した乾燥オーブン中で10分間乾燥させ、最後に、350℃で1時間焼成し、ポリエチレングリコールを完全に除去した。   It was visually confirmed that the polyethylene glycol in the bat had solidified, and the bat was taken out. The prepared paste composition for forming a microporous layer was quickly applied onto carbon paper filled with polyethylene glycol in a vat in an environment at room temperature of 24 ° C. The vat was transferred into a drying oven maintained at 90 ° C. and dried for 20 minutes while maintaining the level. Thereafter, ethanol was poured into a stainless steel vat, and the conductive porous substrate on which the microporous layer was formed was immersed in a state heated to about 40 ° C. to dissolve and remove polyethylene glycol. Subsequently, it was dried in a drying oven maintained at 90 ° C. for 10 minutes, and finally baked at 350 ° C. for 1 hour to completely remove polyethylene glycol.

比較例1
特許文献2を参考に比較例1のガス拡散層を作製した。
Comparative Example 1
A gas diffusion layer of Comparative Example 1 was prepared with reference to Patent Document 2.

パラジクロロベンゼンのエタノール溶液(体積比1:1)をステンレス製バットに用意し、これに導電性多孔質基材としてカーボンペーパー(東レ(株)製、TGP−H−090、厚み280μm)を浸漬した。5分後、浸漬したカーボンペーパーを取り出し、室温大気中で30分間乾燥させた。以下、実施例1と同様の方法によりマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を塗布し、350℃で2時間焼成することで比較例2のガス拡散層を形成した。なお、導電性多孔質基材中に充填したパラジクロロベンゼンが、上記350℃での焼成を経て消失したことを目視観察にて確認した。   An ethanol solution of paradichlorobenzene (volume ratio 1: 1) was prepared in a stainless steel vat, and carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H-090, thickness 280 μm) was immersed in the stainless steel vat. . After 5 minutes, the immersed carbon paper was taken out and dried for 30 minutes in the air at room temperature. Hereinafter, the gas diffusion layer of Comparative Example 2 was formed by applying a paste composition for forming a microporous layer by the same method as in Example 1 and baking at 350 ° C. for 2 hours. In addition, it confirmed by visual observation that the para dichlorobenzene with which it filled in the electroconductive porous base material lose | disappeared through the baking at the said 350 degreeC.

試験例:PEFC発電性能
電解質膜としてNafion(登録商標)112膜(デュポン社製、膜厚:50μm)を用い、Pt/C触媒(田中貴金属工業(株)製、TEC10E50E、白金担持量45.9wt%)及びNafion(登録商標)溶液(デュポン社製、DN520)を用いて形成した触媒層を有する触媒層−電解質膜積層体(CCM)を作製した。
Test example: Nafion (registered trademark) 112 membrane (manufactured by DuPont, film thickness: 50 μm) was used as the electrolyte membrane for PEFC power generation , and Pt / C catalyst (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., TEC10E50E, platinum loading 45.9 wt. %) And Nafion (registered trademark) solution (manufactured by DuPont, DN520) to prepare a catalyst layer-electrolyte membrane laminate (CCM) having a catalyst layer.

触媒ロード量は両極とも0.5mg−Pt/cmとした。ガス拡散層として、燃料極側には未処理の東レ(株)製カーボンペーパーTGP−H−090を、空気極側には実施例1〜2及び比較例1〜2のガス拡散層を使用した。セル温度80℃、燃料極露点80℃、空気極露点70℃、燃料利用率Uf/Uo=70%/40%での単セル評価より電流−電圧特性を得た。その結果を図2に示す。図2より、実施例1〜4では発電性能に大きな差異がないことが分かる。その一方で、比較例1では600−700mA/cm付近からセル電位が大きく低下していることがわかる。実施例1〜4に比べるとその程度は著しく、フラッディングにより発電性能が低下することが示唆される。 The catalyst load was 0.5 mg-Pt / cm 2 for both electrodes. As the gas diffusion layer, untreated Toray Co., Ltd. carbon paper TGP-H-090 was used on the fuel electrode side, and the gas diffusion layers of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 were used on the air electrode side. . Current-voltage characteristics were obtained from single cell evaluation at a cell temperature of 80 ° C., a fuel electrode dew point of 80 ° C., an air electrode dew point of 70 ° C., and a fuel utilization factor of Uf / Uo = 70% / 40%. The result is shown in FIG. From FIG. 2, it can be seen that Examples 1 to 4 have no significant difference in power generation performance. On the other hand, in Comparative Example 1, it can be seen that the cell potential is greatly reduced from around 600-700 mA / cm 2 . Compared with Examples 1-4, the degree is remarkable, and it is suggested that power generation performance falls by flooding.

Claims (14)

(A)導電性多孔質基材に、融解した状態の染み込み防止剤を充填する工程、
(B)染み込み防止剤が充填された導電性多孔質基材上にマイクロポーラスレイヤー形成用ペースト組成物を塗布及び乾燥し、マイクロポーラスレイヤーを形成する工程、及び
(C)導電性多孔質基材に充填された染み込み防止剤を除去する工程
を備える、固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
(A) A step of filling a conductive porous substrate with a permeation preventive agent in a molten state,
(B) Applying and drying a microporous layer forming paste composition on a conductive porous substrate filled with an infiltration inhibitor, and forming a microporous layer; and (C) a conductive porous substrate. A method for producing a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of removing an infiltration agent filled in the solid polymer fuel cell.
染み込み防止剤の融点が0〜30℃であり、沸点が50〜120℃である、請求項1に記載のガス拡散層の製造方法。 The manufacturing method of the gas diffusion layer of Claim 1 whose melting | fusing point of a permeation prevention agent is 0-30 degreeC, and whose boiling point is 50-120 degreeC. 工程(A)が、導電性多孔質基材を、融解した状態の染み込み防止剤の液膜中に浸漬する工程である、請求項1又は2に記載のガス拡散層の製造方法。 The method for producing a gas diffusion layer according to claim 1 or 2, wherein the step (A) is a step of immersing the conductive porous substrate in a liquid film of a permeation preventive in a molten state. 染み込み防止剤の液膜の厚みが、導電性多孔質基材の厚みの40〜80%である、請求項3に記載のガス拡散層の製造方法。 The manufacturing method of the gas diffusion layer of Claim 3 whose thickness of the liquid film of a permeation preventive agent is 40 to 80% of the thickness of a conductive porous base material. 請求項1〜4のいずれかに記載のガス拡散層の製造方法により得られる、固体高分子形燃料電池用ガス拡散層。 A gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell obtained by the method for producing a gas diffusion layer according to any one of claims 1 to 4. 請求項5に記載のガス拡散層のマイクロポーラスレイヤー上に触媒層が形成されてなる、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極。 A gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a catalyst layer formed on the microporous layer of the gas diffusion layer according to claim 5. (a)導電性多孔質基材に、融解した状態の染み込み防止剤を充填する工程、
(b)染み込み防止剤が充填された導電性多孔質基材上に触媒層形成用ペースト組成物を塗布及び乾燥し、触媒層を形成する工程、及び
(c)導電性多孔質基材に充填された染み込み防止剤を除去する工程
を備える、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。
(A) filling a conductive porous substrate with a soaking agent in a molten state;
(B) a step of applying and drying the catalyst layer forming paste composition on the conductive porous substrate filled with the infiltration inhibitor and forming a catalyst layer; and (c) filling the conductive porous substrate. A method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a step of removing the permeation inhibitor.
染み込み防止剤の融点が0〜30℃であり、沸点が50〜120℃である、請求項7に記載の固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。 The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 7, wherein the infiltration agent has a melting point of 0 to 30 ° C and a boiling point of 50 to 120 ° C. 工程(a)が、導電性多孔質基材を、融解した状態の染み込み防止剤の液膜中に浸漬する工程である、請求項7又は8に記載の固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。 The gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 7 or 8, wherein the step (a) is a step of immersing the conductive porous substrate in a liquid film of a permeation preventive in a molten state. Manufacturing method. 染み込み防止剤の液膜の厚みが、導電性多孔質基材の厚みの40〜80%である、請求項9に記載の固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極の製造方法。 The method for producing a gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 9, wherein the thickness of the liquid film of the infiltration agent is 40 to 80% of the thickness of the conductive porous substrate. 請求項7〜10のいずれかに記載のガス拡散電極の製造方法により得られる、固体高分子形燃料電池用ガス拡散電極。 A gas diffusion electrode for a polymer electrolyte fuel cell, obtained by the method for producing a gas diffusion electrode according to any one of claims 7 to 10. 電解質膜の片面又は両面に触媒層が形成されてなる触媒層−電解質膜積層体の片面又は両面に、請求項5に記載のガス拡散層が、触媒層とマイクロポーラスレイヤーとが接するように積層されてなる、固体高分子形燃料電池用膜−電極接合体。 The gas diffusion layer according to claim 5 is laminated so that the catalyst layer and the microporous layer are in contact with one side or both sides of the catalyst layer-electrolyte membrane laminate in which the catalyst layer is formed on one side or both sides of the electrolyte membrane. A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell. 電解質膜の片面又は両面に、請求項6又は11に記載のガス拡散電極が、電解質膜と触媒層とが接するように積層されてなる、固体高分子形燃料電池用膜−電極接合体。 A membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, wherein the gas diffusion electrode according to claim 6 or 11 is laminated on one or both surfaces of the electrolyte membrane so that the electrolyte membrane and the catalyst layer are in contact with each other. 請求項12又は13に記載の膜−電極接合体を具備する、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 12 or 13.
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