JP2015022888A - Substrate for gas diffusion electrode, gas diffusion electrode, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell - Google Patents

Substrate for gas diffusion electrode, gas diffusion electrode, membrane-electrode assembly, and solid polymer fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for a gas diffusion electrode which not only prevents a solid polymer membrane from being damaged but also being excellent in drainage of produced water and diffusivity of supplied gas, to provide the gas diffusion electrode using the same, to provide a membrane-electrode assembly, and to provide a solid polymer fuel cell.SOLUTION: A substrate for a gas diffusion electrode includes: a fine nonwoven fabric layer containing an organic resin-made conductive fine fiber containing a conductive particle; and a thick nonwoven fabric layer containing a conductive thick fiber which is made of organic resin containing the conductive particle and has a larger average fiber diameter than the conductive fine fiber. The gas diffusion electrode, a membrane-electrode assembly and a solid polymer fuel cell are equipped with a substrate for the gas diffusion electrode.

Description

この発明は、ガス拡散電極用基材、ガス拡散電極、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a gas diffusion electrode substrate, a gas diffusion electrode, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell.

様々な形で利用されているエネルギーについては、石油資源の枯渇に対する懸念から、代替燃料の模索や省資源が重要な課題となっている。その中にあって、種々の燃料を化学エネルギーに変換し、電力として取り出す燃料電池について、活発な開発が続けられている。   Regarding energy used in various forms, exploring alternative fuels and conserving resources are important issues due to concerns over the depletion of petroleum resources. In the midst of this, active development has continued for fuel cells that convert various fuels into chemical energy and extract them as electric power.

燃料電池は、例えば『燃料電池に関する技術動向調査』(以下、非特許文献1)の第5頁に開示されるように、使用される電解質の種類によって、りん酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体酸化形燃料電池(SOFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC)の4つに分類される。これら各種の燃料電池は、その電解質に応じて作動温度範囲に制約が有り、PEFCでは100℃以下の低温領域、PAFCでは180〜210℃の中温領域、MCFCでは600℃以上、SOFCは1000℃近くの高温領域で動作することが知られている。このうち、低温領域での出力が可能である一般的なPEFCは、燃料となる水素ガスと酸素ガス(若しくは空気)との化合反応に伴って生じる電力を取り出すが、比較的小型の装置構成で効率的な電力を取り出すことができる点で、実用化が急がれている。   As disclosed in, for example, page 5 of “Technological Trend Survey on Fuel Cells” (hereinafter, Non-Patent Document 1), the fuel cell is a phosphoric acid fuel cell (PAFC), melted, depending on the type of electrolyte used. There are four types: carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC), and polymer electrolyte fuel cells (PEFC). These various fuel cells have a limited operating temperature range depending on the electrolyte, PEFC has a low temperature range of 100 ° C or lower, PAFC has a medium temperature range of 180-210 ° C, MCFC has a temperature of 600 ° C or higher, and SOFC has a temperature close to 1000 ° C. It is known to operate in the high temperature region. Among these, a general PEFC capable of outputting in a low temperature region takes out electric power generated by a combined reaction between hydrogen gas and oxygen gas (or air) as a fuel, but has a relatively small device configuration. There is an urgent need for practical use in that efficient power can be extracted.

図1は、従来知られているPEFCの基本構成を示す、燃料電池の要部断面の模式図である。図中、材質として実質的に同一の構成若しくは機能を有する構成成分には、同一のハッチングを付して示してある。PEFCは、図1に示すような、燃料極(ガス拡散電極)17a、固体高分子膜19及び空気極(ガス拡散電極)17cからなる膜−電極接合体(MEA)を、1対のバイポーラプレート11a、11cで挟んだセル単位を複数積層した構造からなる。前記燃料極17aはプロトンと電子とに分解する触媒層15aと、触媒層15aに燃料ガスを供給するガス拡散層13aとからなり、前記触媒層15aとガス拡散層13aとの間には水分管理層14aが形成されており、他方、空気極17cはプロトン、電子及び酸素含有ガスとを反応させる触媒層15cと、触媒層15cに酸素含有ガスを供給するガス拡散層13cとからなり、前記触媒層15cとガス拡散層13cとの間には水分管理層14cが形成されている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a main part of a fuel cell, showing the basic structure of a conventionally known PEFC. In the figure, components having substantially the same configuration or function as materials are indicated by the same hatching. The PEFC includes a membrane-electrode assembly (MEA) composed of a fuel electrode (gas diffusion electrode) 17a, a solid polymer film 19 and an air electrode (gas diffusion electrode) 17c as shown in FIG. It has a structure in which a plurality of cell units sandwiched between 11a and 11c are stacked. The fuel electrode 17a includes a catalyst layer 15a that decomposes into protons and electrons, and a gas diffusion layer 13a that supplies fuel gas to the catalyst layer 15a, and moisture management is provided between the catalyst layer 15a and the gas diffusion layer 13a. On the other hand, the air electrode 17c is composed of a catalyst layer 15c for reacting protons, electrons and oxygen-containing gas, and a gas diffusion layer 13c for supplying oxygen-containing gas to the catalyst layer 15c. A moisture management layer 14c is formed between the layer 15c and the gas diffusion layer 13c.

前記バイポーラプレート11aは燃料ガスを供給できる溝を有するため、このバイポーラプレート11aの溝を通して燃料ガスを供給すると、燃料ガスはガス拡散層13aを拡散し、水分管理層14aを透過して触媒層15aに供給される。供給された燃料ガスはプロトンと電子とに分解され、プロトンは固体高分子膜19を移動し、触媒層15cに到達する。他方、電子は図示しない外部回路を通り、空気極17cへと移動する。一方、バイポーラプレート11cは酸素含有ガスを供給できる溝を有するため、このバイポーラプレート11cの溝を通して酸素含有ガスを供給すると、酸素含有ガスはガス拡散層13cを拡散し、水分管理層14cを透過して触媒層15cに供給される。供給された酸素含有ガスは固体高分子膜19を移動したプロトン及び外部回路を通って移動した電子と反応し、水を生成する。この生成した水は水分管理層14cを通って、燃料電池外へ排出される。また、燃料極においては、空気極から逆拡散してきた水が水分管理層14aを通って、燃料電池外へ排出される。   Since the bipolar plate 11a has a groove capable of supplying a fuel gas, when the fuel gas is supplied through the groove of the bipolar plate 11a, the fuel gas diffuses through the gas diffusion layer 13a and permeates the moisture management layer 14a to pass through the catalyst layer 15a. To be supplied. The supplied fuel gas is decomposed into protons and electrons, and the protons move through the solid polymer film 19 and reach the catalyst layer 15c. On the other hand, the electrons pass through an external circuit (not shown) and move to the air electrode 17c. On the other hand, since the bipolar plate 11c has a groove capable of supplying an oxygen-containing gas, when the oxygen-containing gas is supplied through the groove of the bipolar plate 11c, the oxygen-containing gas diffuses through the gas diffusion layer 13c and permeates the moisture management layer 14c. And supplied to the catalyst layer 15c. The supplied oxygen-containing gas reacts with protons that have moved through the solid polymer membrane 19 and electrons that have moved through the external circuit, thereby generating water. The generated water is discharged out of the fuel cell through the moisture management layer 14c. In the fuel electrode, water that has been reversely diffused from the air electrode passes through the moisture management layer 14a and is discharged out of the fuel cell.

このようなガス拡散層13a及び水分管理層14a、又はガス拡散層13c及び水分管理層14cに必要な機能としては、低加湿条件下では固体高分子膜19を湿潤に保つための保湿性、高加湿条件下では燃料電池内に水が溜まり、フラッディングが起こるのを防ぐための排水性などがある。このようなガス拡散層13a及び水分管理層14a、又はガス拡散層13c及び水分管理層14cは、従来、カーボンペーパー等の導電性多孔質基材に、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂を含浸、又はカーボン粉末とフッ素系樹脂とを混合したペーストを塗布することによって、フッ素系樹脂が存在、又はカーボン粉末及びフッ素系樹脂が存在する水分管理層14a、14cを形成するとともに、これらが存在しない領域をガス拡散層13a、13cとしていた。しかしながら、このようにして形成した水分管理層14a、14cは、フッ素系樹脂、又はカーボン粉末及びフッ素系樹脂を導電性多孔質基材に塗布しているとはいえ、導電性多孔質基材としてカーボンペーパー等を使用しており、このカーボンペーパーを構成するカーボン繊維は剛性が高いため、水分管理層14a、14c及び触媒層15a、15cを突き抜けてしまい、固体高分子膜を損傷し、短絡してしまう場合があった。   The functions necessary for the gas diffusion layer 13a and the moisture management layer 14a, or the gas diffusion layer 13c and the moisture management layer 14c include a moisture retention property for keeping the solid polymer film 19 moist under a low humidification condition, and a high Under humidified conditions, water accumulates in the fuel cell, and has drainage to prevent flooding. Such gas diffusion layer 13a and moisture management layer 14a, or gas diffusion layer 13c and moisture management layer 14c are conventionally impregnated with a conductive porous substrate such as carbon paper with a fluorine-based resin such as polytetrafluoroethylene. Or by applying a paste in which carbon powder and fluororesin are mixed to form moisture management layers 14a and 14c in which fluororesin is present or carbon powder and fluororesin are present, and these are not present The regions were gas diffusion layers 13a and 13c. However, the moisture management layers 14a and 14c formed in this way are fluorinated resins or carbon powders and fluorinated resins applied to a conductive porous substrate. Carbon paper is used, and the carbon fibers that make up this carbon paper have high rigidity, so it penetrates the moisture management layers 14a and 14c and the catalyst layers 15a and 15c, damages the solid polymer film, and shorts. There was a case.

本願出願人も、「ガラス繊維にアクリル樹脂及び/又は酢酸ビニル樹脂を含むバインダを付着せしめたガラス不織布からなるガス拡散電極用基材に、カーボンブラックと、ポリテトラフルオロエチレン樹脂又はポリフッ化ビニリデン樹脂とを含む導電性ペーストを被着焼成したガス拡散電極」(特許文献1)を提案したが、従来のカーボンペーパーと同様に、ガラス繊維は剛性が高いため、水分管理層14a、14c及び触媒層15a、15cを突き抜けてしまい、固体高分子膜を損傷し、短絡してしまう場合があった。   The applicant of the present application also stated that “carbon black and a polytetrafluoroethylene resin or a polyvinylidene fluoride resin are applied to a base for a gas diffusion electrode comprising a glass nonwoven fabric in which a binder containing an acrylic resin and / or a vinyl acetate resin is adhered to glass fibers. Has been proposed "(Patent Document 1). Similar to the conventional carbon paper, the glass fiber has high rigidity, so the moisture management layers 14a and 14c and the catalyst layer In some cases, it penetrates 15a and 15c, damages the solid polymer film, and causes a short circuit.

特開2008−204945号公報JP 2008-204945 A

『燃料電池に関する技術動向調査』(特許庁技術調査課編,平成13年5月31日,<URL>http://www.jpo.go.jp/shiryou/index.htm)“Technological Trend Survey on Fuel Cells” (Edited by Technical Research Section, Patent Office, May 31, 2001, <URL> http://www.jpo.go.jp/shiryou/index.html)

そのため、本願出願人は、「有機樹脂の少なくとも内部に導電性粒子を含有する導電性繊維を含有する不織布を備えているガス拡散電極用基材」(特願2012−158122)を提案した。このガス拡散電極用基材は有機樹脂を含む導電性繊維を含んでいるため柔軟で、導電性繊維が固体高分子膜を損傷し、短絡するということはなかった。しかしながら、このガス拡散電極用基材は、固体高分子膜側からバイポーラプレート側への生成水の排水性、及び供給したガスの拡散性が不十分であった。   Therefore, the applicant of the present application has proposed “a base material for a gas diffusion electrode comprising a non-woven fabric containing conductive fibers containing conductive particles at least inside an organic resin” (Japanese Patent Application No. 2012-158122). This base material for a gas diffusion electrode is flexible because it contains conductive fibers containing an organic resin, and the conductive fibers did not damage the solid polymer film and cause a short circuit. However, this gas diffusion electrode substrate has insufficient drainage of generated water from the solid polymer membrane side to the bipolar plate side and the diffusibility of the supplied gas.

本発明はこのような状況下でなされたものであり、固体高分子膜を損傷することがないばかりでなく、生成水の排水性及び供給したガスの拡散性に優れるガス拡散電極用基材を提供すること、及びこれを用いたガス拡散電極、膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made under such circumstances, and not only does the solid polymer membrane be damaged, but also provides a substrate for a gas diffusion electrode that is excellent in drainage of generated water and diffusibility of supplied gas. It is an object of the present invention to provide a gas diffusion electrode, a membrane-electrode assembly, and a polymer electrolyte fuel cell using the same.

本発明は、
[1]導電性粒子を含有する有機樹脂製の導電性細繊維を含有する細不織布層と、導電性粒子を含有する有機樹脂製、かつ前記導電性細繊維よりも平均繊維径の大きい導電性太繊維を含有する太不織布層とを備えているガス拡散電極用基材、
[2]前記ガス拡散電極用基材に触媒が担持されているガス拡散電極、
[3]前記ガス拡散電極用基材を備えている膜−電極接合体、
[4]前記ガス拡散電極用基材を備えている固体高分子形燃料電池、
に関する。
The present invention
[1] A thin non-woven fabric layer containing conductive fine fibers made of organic resin containing conductive particles, and an organic resin made of organic resin containing conductive particles and having a larger average fiber diameter than the conductive fine fibers A gas diffusion electrode substrate comprising a thick nonwoven fabric layer containing thick fibers,
[2] A gas diffusion electrode in which a catalyst is supported on the base material for the gas diffusion electrode,
[3] A membrane-electrode assembly comprising the gas diffusion electrode substrate,
[4] A polymer electrolyte fuel cell comprising the gas diffusion electrode substrate,
About.

前記[1]の本発明のガス拡散電極用基材は、ガス拡散電極用基材が有機樹脂製の導電性細繊維を含有する細不織布層と、有機樹脂製の導電性太繊維を含有する太不織布層とを備えており、これら不織布層を構成する導電性繊維は有機樹脂製であることによって柔軟であるため、導電性繊維が固体高分子膜を損傷し、短絡するということがない。   [1] The gas diffusion electrode substrate of the present invention of [1] includes a fine nonwoven fabric layer containing conductive fine fibers made of organic resin and a conductive thick fiber made of organic resin. Since the conductive fibers constituting the nonwoven fabric layers are made of an organic resin and are flexible, the conductive fibers do not damage the solid polymer film and cause a short circuit.

また、生成水は発電条件によって液水及び/又は水蒸気となるが、本発明のガス拡散電極用基材は、細不織布層と太不織布層とを備えていることによって、液水が移動するか、水蒸気が凝縮して、孔径のより大きい太不織布層に液水が集中しやすく、液水の密度を高めることができるため、液水を押し出す作用が働いて排水性に優れるとともに、太不織布層においては、排水したことによってガス拡散電極用基材の空隙を確保でき、細不織布層には前述の通り、液水が存在しにくいため、供給したガスの拡散性に優れていると考えている。   In addition, the generated water becomes liquid water and / or water vapor depending on the power generation conditions, but the gas diffusion electrode substrate of the present invention includes the fine nonwoven fabric layer and the thick nonwoven fabric layer, so that the liquid water moves. Since water vapor is condensed and liquid water tends to concentrate on a thick non-woven fabric layer having a larger pore size, and the density of liquid water can be increased, the action of pushing out the liquid water works and has excellent drainage, and the thick non-woven fabric layer In this case, it is possible to secure a gap in the base material for the gas diffusion electrode by draining, and as described above, liquid water is unlikely to exist in the thin nonwoven fabric layer, so that the diffusibility of the supplied gas is excellent. .

前記[2]の本発明のガス拡散電極は、前記ガス拡散電極用基材に触媒が担持されているため、短絡しにくく、しかも生成水の排水性及び供給したガスの拡散性に優れているため、発電性能の優れる燃料電池を作製することのできるガス拡散電極である。   In the gas diffusion electrode of the present invention [2], since the catalyst is supported on the base material for the gas diffusion electrode, it is difficult to short-circuit, and is excellent in drainage of generated water and diffusibility of supplied gas. Therefore, the gas diffusion electrode is capable of producing a fuel cell with excellent power generation performance.

前記[3]の本発明の膜−電極接合体は、前記ガス拡散電極用基材を備えているため、短絡しにくく、しかも生成水の排水性及び供給したガスの拡散性に優れているため、発電性能の優れる燃料電池を作製することのできる膜−電極接合体である。   [3] Since the membrane-electrode assembly of the present invention includes the base material for gas diffusion electrode, it is difficult to short-circuit, and is excellent in drainage of generated water and diffusibility of supplied gas. A membrane-electrode assembly capable of producing a fuel cell with excellent power generation performance.

前記[4]の本発明の固体高分子形燃料電池は、前記ガス拡散電極用基材を備えているため、短絡しにくく、しかも生成水の排水性及び供給したガスの拡散性に優れているため、発電性能の優れる燃料電池である。   Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention of [4] includes the gas diffusion electrode substrate, it is difficult to short-circuit, and is excellent in drainage of generated water and diffusibility of supplied gas. Therefore, the fuel cell has excellent power generation performance.

固体高分子形燃料電池の概略構成を示す模式断面図Schematic sectional view showing the schematic configuration of a polymer electrolyte fuel cell

本発明のガス拡散電極用基材(以下、単に「電極基材」と表記することがある)は、導電性粒子を含有する有機樹脂製の導電性細繊維を含有する細不織布層と、導電性粒子を含有する有機樹脂製、かつ前記導電性細繊維よりも平均繊維径の大きい導電性太繊維を含有する太不織布層とを備えている。   The base material for gas diffusion electrodes of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “electrode base material”) includes a fine nonwoven fabric layer containing conductive fine fibers made of an organic resin containing conductive particles, and a conductive material. And a thick nonwoven fabric layer containing conductive thick fibers having an average fiber diameter larger than that of the conductive fine fibers.

これら不織布層(以下、単に「不織布層」と表記した場合は、細不織布層と太不織布層の両方を指す)を構成する導電性繊維(以下、単に「導電性繊維」と表記した場合は、導電性細繊維と導電性太繊維の両方を指す)は、有機樹脂製であることによって柔軟であるため、導電性繊維が固体高分子膜を損傷し、短絡するということがない。なお、本発明の導電性繊維を構成する有機樹脂に、ダイヤモンド、グラファイト、無定形炭素は含まれない。   Conductive fibers (hereinafter simply referred to as “conductive fibers”) constituting these nonwoven fabric layers (hereinafter simply referred to as “nonwoven fabric layers” refer to both fine nonwoven fabric layers and thick nonwoven fabric layers) Since both conductive fine fibers and conductive thick fibers are made of an organic resin and are flexible, the conductive fibers do not damage and short-circuit the solid polymer film. Note that the organic resin constituting the conductive fiber of the present invention does not include diamond, graphite, or amorphous carbon.

これら導電性繊維を構成する有機樹脂は、疎水性有機樹脂であっても、親水性有機樹脂であっても良く、特に限定するものではない。前者の疎水性有機樹脂であると、フッ素系樹脂等の疎水性樹脂を含浸しなくても、優れた排水性とガス拡散性を示すため、好適である。他方で、親水性有機樹脂であると、水分を保持することができるため、固体高分子膜を湿潤に保つことができ、十分な発電性能を発揮できる固体高分子形燃料電池を作製することができる。   The organic resin constituting these conductive fibers may be a hydrophobic organic resin or a hydrophilic organic resin, and is not particularly limited. The former hydrophobic organic resin is preferable because it exhibits excellent drainage and gas diffusibility without impregnation with a hydrophobic resin such as a fluorine resin. On the other hand, since the hydrophilic organic resin can retain moisture, the solid polymer membrane can be kept moist and a solid polymer fuel cell capable of exhibiting sufficient power generation performance can be produced. it can.

なお、導電性繊維は疎水性有機樹脂のみから構成されていても良いし、親水性有機樹脂のみから構成されていても良いし、疎水性有機樹脂と親水性有機樹脂が混合又は複合されていても良いが、特に、導電性繊維が疎水性有機樹脂のみから構成されていると、優れた排水性とガス拡散性を示すため、好適である。   The conductive fiber may be composed only of the hydrophobic organic resin, may be composed of only the hydrophilic organic resin, or the hydrophobic organic resin and the hydrophilic organic resin are mixed or combined. However, it is particularly preferable that the conductive fiber is composed only of a hydrophobic organic resin because it exhibits excellent drainage and gas diffusibility.

また、導電性細繊維を構成する有機樹脂と導電性太繊維を構成する有機樹脂とは、いずれも疎水性有機樹脂又は親水性有機樹脂から構成されていても良いし、いずれか一方が疎水性有機樹脂からなり、他方が親水性有機樹脂から構成されていても良い。なお、いずれも疎水性有機樹脂又は親水性有機樹脂から構成されている場合には、同じ有機樹脂から構成されていても、異なる有機樹脂から構成されていても良い。   Further, the organic resin constituting the conductive fine fiber and the organic resin constituting the conductive thick fiber may both be composed of a hydrophobic organic resin or a hydrophilic organic resin, and either one is hydrophobic. It may be made of an organic resin and the other may be made of a hydrophilic organic resin. In addition, when all are comprised from hydrophobic organic resin or hydrophilic organic resin, they may be comprised from the same organic resin or different organic resin.

この「疎水性有機樹脂」とは、水との接触角が90°以上の有機樹脂であり、その例として、フッ素系樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン・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、及び前記樹脂を構成する各種モノマーの共重合体;ポリオレフィン系樹脂、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP);ポリエステル系樹脂、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、などを挙げることができる。また、これらの樹脂は単独で用いることもできるし、2種類以上混合又は複合して使用することもできる。これらの中でも特に、フッ素系樹脂は耐熱性、耐薬品性、疎水性が強いため、好適に用いることができる。   The “hydrophobic organic resin” is an organic resin having a contact angle with water of 90 ° or more, and examples thereof include fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE). ), Polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer ( ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, and a copolymer of various monomers constituting the resin; polyolefin resin, for example, Polyethylene (PE), polypropylene (PP); Ether-based resins, e.g., polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), and the like. In addition, these resins can be used alone or in combination of two or more. Among these, in particular, a fluororesin can be suitably used because it has high heat resistance, chemical resistance, and hydrophobicity.

他方、「親水性有機樹脂」とは、水との接触角が90°未満の有機樹脂であり、その例として、セルロース、例えば、レーヨン;ポリアミド系樹脂、例えば、ナイロン6、ナイロン66;アクリル系樹脂、例えば、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸;親水性基(アミド基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、スルホン酸基等)を有する樹脂、例えば、親水性ポリウレタン、ポリビニルピロリドン;ポリアクリロニトリル、酸化アクリル、ポリビニルアルコール系樹脂、などを挙げることができる。また、これらの樹脂は単独で用いることもできるし、2種類以上混合して使用することもできる。これらの中でもポリアクリロニトリルは耐熱性に優れ、また、固体高分子膜の膨潤によっても厚さが潰れにくいため空隙が維持され、結果としてガス拡散性が維持されるため、好適である。   On the other hand, the “hydrophilic organic resin” is an organic resin having a contact angle with water of less than 90 °. Examples thereof include cellulose, such as rayon; polyamide resin, such as nylon 6, nylon 66; acrylic resin. Resins such as polyacrylic acid, polymethacrylic acid; resins having hydrophilic groups (amide group, carboxyl group, hydroxyl group, amino group, sulfonic acid group, etc.) such as hydrophilic polyurethane, polyvinyl pyrrolidone; polyacrylonitrile, acrylic oxide , Polyvinyl alcohol resins, and the like. These resins can be used alone or in combination of two or more. Among these, polyacrylonitrile is preferable because it is excellent in heat resistance, and since the thickness is not easily crushed by swelling of the solid polymer film, voids are maintained, and as a result, gas diffusibility is maintained.

なお、導電性繊維の剛性が高く、結果として電極基材の剛性が高いことによって、固体高分子膜の膨潤及び収縮を抑制して、固体高分子膜の亀裂を防止でき、また、固体高分子膜の膨潤によっても電極基材の厚さが潰れにくく空隙が維持され、結果としてガス拡散性を維持しやすいように、導電性繊維は上記疎水性有機樹脂及び/又は親水性有機樹脂が熱硬化性樹脂であっても良い。前記熱硬化性樹脂は導電性太繊維と導電性細繊維の両方ともに含んでいても良いし、どちらか一方のみが含んでいても良い。また、上記熱硬化性樹脂に加えて硬化促進剤を含んでいても良い。   In addition, since the rigidity of the conductive fiber is high and as a result, the rigidity of the electrode substrate is high, the solid polymer film can be prevented from swelling and shrinking to prevent cracking of the solid polymer film. The conductive fibers are thermoset by the hydrophobic organic resin and / or the hydrophilic organic resin so that the thickness of the electrode substrate is not easily crushed by the swelling of the film, and the gap is maintained. Resin may be used. The thermosetting resin may contain both conductive thick fibers and conductive fine fibers, or only one of them. In addition to the thermosetting resin, a curing accelerator may be included.

この「熱硬化性樹脂」としては、例えば、エポキシ樹脂、熱硬化ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂などを挙げることができる。これらの中でも、フェノール樹脂およびエポキシ樹脂は耐熱性、耐酸性に優れ、熱処理によって電極基材の剛性を高めることができるため好適である。なお、導電性繊維が熱硬化性樹脂を含んでいる場合、熱硬化性樹脂のみから構成されていても良いし、熱硬化性樹脂が2種類以上混合又は複合されていても良いし、熱硬化性樹脂1種類以上と熱可塑性の疎水性有機樹脂又は親水性有機樹脂1種類以上とが混合又は複合されていても良い。   Examples of the “thermosetting resin” include an epoxy resin, a thermosetting polyimide resin, a phenol resin, a melamine resin, an unsaturated polyester resin, and a diallyl phthalate resin. Among these, a phenol resin and an epoxy resin are preferable because they are excellent in heat resistance and acid resistance and can increase the rigidity of the electrode substrate by heat treatment. In addition, when the conductive fiber contains a thermosetting resin, it may be composed of only a thermosetting resin, two or more kinds of thermosetting resins may be mixed or combined, and thermosetting. One or more types of hydrophilic resins and one or more types of thermoplastic hydrophobic organic resins or hydrophilic organic resins may be mixed or combined.

本発明の導電性繊維はガス拡散電極として使用した場合に、電子移動性に優れているように、導電性粒子を含有している。なお、導電性繊維の外側表面にのみ導電性粒子が存在する状態にあると、導電性繊維内部における有機樹脂成分が抵抗成分となり、導電性に劣る傾向があるため、導電性繊維内部に導電性粒子を含有しているのが好ましい。また、導電性粒子は有機樹脂内に完全に埋没していても良いが、導電性に優れているように、導電性粒子の一部は導電性繊維を構成する有機樹脂から露出しているのが好ましい。このような導電性粒子を含有する導電性繊維は、例えば、有機樹脂と導電性粒子とを含む紡糸液を紡糸することによって製造することができる。   The conductive fiber of the present invention contains conductive particles so as to be excellent in electron mobility when used as a gas diffusion electrode. When conductive particles are present only on the outer surface of the conductive fiber, the organic resin component inside the conductive fiber becomes a resistance component and tends to be inferior in conductivity. It preferably contains particles. In addition, the conductive particles may be completely embedded in the organic resin, but some of the conductive particles are exposed from the organic resin constituting the conductive fiber so that the conductive property is excellent. Is preferred. The conductive fiber containing such conductive particles can be produced, for example, by spinning a spinning solution containing an organic resin and conductive particles.

なお、導電性繊維は、素材又は平均一次粒径の点で異なる2種類以上の導電性粒子を含有していても良い。また、導電性細繊維を構成する導電性粒子と導電性太繊維を構成する導電性粒子とは、素材又は平均一次粒径の点で同じであっても良いし、異なっていても良い。   In addition, the conductive fiber may contain two or more types of conductive particles that differ in terms of material or average primary particle size. Moreover, the electroconductive particle which comprises electroconductive fine fiber, and the electroconductive particle which comprises electroconductive thick fiber may be the same in the point of a raw material or an average primary particle diameter, and may differ.

この導電性粒子は特に限定するものではないが、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、金属粒子、金属酸化物粒子などを挙げることができる。これらの中でもカーボンブラックは耐薬品性、導電性及び分散性の点から好適に用いられる。この好適であるカーボンブラックの粒径は特に限定するものではないが、平均一次粒径が5nm〜200nm、より好ましくは10nm〜100nmのものを用いることができる。なお、導電性粒子の平均一次粒径は、脱落しにくく、また、繊維形態を形成しやすいように、後述の導電性繊維の繊維径よりも小さいのが好ましい。   The conductive particles are not particularly limited, and examples thereof include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, metal particles, and metal oxide particles. Among these, carbon black is preferably used in terms of chemical resistance, conductivity, and dispersibility. The particle size of the carbon black which is suitable is not particularly limited, but those having an average primary particle size of 5 nm to 200 nm, more preferably 10 nm to 100 nm can be used. In addition, it is preferable that the average primary particle diameter of the conductive particles is smaller than the fiber diameter of the conductive fibers to be described later so that the average primary particle diameter does not easily fall off and easily forms a fiber form.

このような導電性繊維における導電性粒子と有機樹脂との質量比は特に限定するものではないが、10〜90:90〜10であるのが好ましく、20〜80:80〜20であるのがより好ましく、30〜70:70〜30であるのが更に好ましく、40〜70:60〜30であるのが更に好ましい。導電性粒子が10mass%を下回ると導電性が不足しやすく、他方、導電性粒子が90mass%を上回ると繊維形成性が低下する傾向があるためである。なお、導電性細繊維における導電性粒子と有機樹脂との質量比と、導電性太繊維における導電性粒子と有機樹脂との質量比とは、同じであっても良いし、異なっていても良い。   The mass ratio between the conductive particles and the organic resin in such a conductive fiber is not particularly limited, but is preferably 10 to 90:90 to 10, and preferably 20 to 80:80 to 20. More preferably, it is 30-70: 70-30, still more preferably 40-70: 60-30. This is because if the conductive particles are less than 10 mass%, the conductivity tends to be insufficient, whereas if the conductive particles are more than 90 mass%, the fiber forming property tends to be lowered. In addition, the mass ratio of the conductive particles and the organic resin in the conductive fine fibers and the mass ratio of the conductive particles and the organic resin in the conductive thick fibers may be the same or different. .

なお、導電性に優れているように、導電性粒子は電極基材の10〜90mass%を占めているのが好ましく、20〜80mass%を占めているのがより好ましく、30〜70mass%を占めているのが更に好ましく、40〜70mass%を占めているのが更に好ましい。   The conductive particles preferably occupy 10 to 90 mass% of the electrode base material, more preferably 20 to 80 mass%, and more preferably 30 to 70 mass% so that the conductivity is excellent. More preferably, it occupies 40 to 70 mass%.

本発明の導電性繊維の平均繊維径は特に限定するものではないが、10nm〜10μmであるのが好ましい。平均繊維径が10μmを上回ると、電極基材における導電性繊維同士の接触点が少なく、導電性が不足しやすい傾向があり、他方、10nmを下回ると、繊維内部に導電性粒子を含有しにくい傾向があるためである。なお、導電性繊維の平均繊維径は導電性粒子が脱落しにくいように、導電性粒子の一次粒子径の5倍以上であるのが好ましい。   The average fiber diameter of the conductive fiber of the present invention is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 10 μm. When the average fiber diameter exceeds 10 μm, the number of contact points between the conductive fibers in the electrode substrate tends to be low, and the conductivity tends to be insufficient. On the other hand, when the average fiber diameter is less than 10 nm, it is difficult to contain conductive particles inside the fibers. This is because there is a tendency. In addition, it is preferable that the average fiber diameter of a conductive fiber is 5 times or more of the primary particle diameter of an electroconductive particle so that an electroconductive particle cannot drop out easily.

なお、本発明においては、液水が移動しやすいように、また、水蒸気が凝縮して液水が集中しやすいように、導電性細繊維よりも平均繊維径の大きい導電性太繊維を含有する、細不織布層よりも孔径の大きい太不織布層を形成している。そのため、導電性太繊維と導電性細繊維との平均繊維径の差が小さいと、選択的に太不織布層で液水を集中させることが困難になる傾向があるため、導電性太繊維と導電性細繊維との平均繊維径の差は100nm以上あるのが好ましい。   In the present invention, conductive thick fibers having an average fiber diameter larger than that of the conductive fine fibers are contained so that the liquid water can easily move and the water vapor is condensed and the liquid water is easily concentrated. A thick nonwoven fabric layer having a pore diameter larger than that of the thin nonwoven fabric layer is formed. Therefore, if the difference in the average fiber diameter between the conductive thick fiber and the conductive fine fiber is small, it tends to be difficult to selectively concentrate the liquid water in the thick nonwoven fabric layer. The difference in average fiber diameter from the fine fibers is preferably 100 nm or more.

本発明における「平均繊維径」とは、40点における繊維径の算術平均値を意味し、また、「繊維径」とは、顕微鏡写真をもとに計測した値であり、導電性粒子が露出した導電性繊維のみから構成されている場合には、露出した導電性粒子を含めた直径を意味し、導電性粒子が露出した導電性繊維を含有していないか、導電性粒子が露出した導電性繊維を含有していても、導電性粒子が露出していない部分を有する導電性繊維を含んで構成されている場合には、導電性粒子が露出していない部分における直径を意味する。   The “average fiber diameter” in the present invention means an arithmetic average value of fiber diameters at 40 points, and the “fiber diameter” is a value measured based on a micrograph, and the conductive particles are exposed. Means a diameter including exposed conductive particles, and the conductive particles do not contain the exposed conductive fibers or the conductive particles are exposed. Even if it contains conductive fibers, when it is configured to include conductive fibers having portions where the conductive particles are not exposed, it means the diameter of the portions where the conductive particles are not exposed.

本発明の導電性繊維は電子の移動性に優れているように、また、導電性繊維の端部が少なく、固体高分子膜を損傷しにくいように、連続繊維であるのが好ましい。このような導電性連続繊維は、例えば、静電紡糸法又はスパンボンド法により製造することができる。   The conductive fiber of the present invention is preferably a continuous fiber so that the electron mobility is excellent, and the end of the conductive fiber is small and the solid polymer film is hardly damaged. Such conductive continuous fibers can be produced, for example, by an electrostatic spinning method or a spunbond method.

本発明の電極基材は前述のような導電性細繊維を含有する細不織布層と、導電性太繊維を含有する太不織布層とを備えているが、いずれの不織布層においても、導電性に優れているように、導電性細繊維又は導電性太繊維の各層における質量含有割合は10%以上であるのが好ましく、50%以上であるのがより好ましく、70%以上であるのが更に好ましく、90%以上であるのが更に好ましく、導電性細繊維又は導電性太繊維のみから構成されているのが最も好ましい。なお、導電性繊維以外の繊維として、疎水性有機繊維、例えば、フッ素繊維、ポリオレフィン繊維;親水性有機繊維、例えば、アクリル繊維、ナイロン繊維(例えば、ナイロン6、ナイロン66など)を含んでいることができる。また、細不織布層における導電性細繊維の質量含有割合と、太不織布層における導電性太繊維の質量含有割合とは同じであっても、異なっていても良い。   The electrode base material of the present invention comprises a fine nonwoven fabric layer containing conductive fine fibers as described above and a thick nonwoven fabric layer containing conductive thick fibers. As excellent, the mass content ratio in each layer of the conductive fine fiber or conductive thick fiber is preferably 10% or more, more preferably 50% or more, and further preferably 70% or more. 90% or more, more preferably composed of only conductive fine fibers or conductive thick fibers. In addition, the fibers other than the conductive fibers include hydrophobic organic fibers such as fluorine fibers and polyolefin fibers; hydrophilic organic fibers such as acrylic fibers and nylon fibers (for example, nylon 6 and nylon 66). Can do. Moreover, the mass content ratio of the conductive fine fibers in the fine nonwoven fabric layer and the mass content ratio of the conductive thick fibers in the thick nonwoven fabric layer may be the same or different.

本発明の電極基材は導電性繊維以外の繊維を含んでいる場合もあるが、導電性に優れているように、電気抵抗が150mΩ・cm以下であるのが好ましく、100mΩ・cm以下であるのがより好ましく、50mΩ・cm以下であるのが更に好ましい。本発明の「電気抵抗」は、5cm角に切断した電極基材(25cm)をカーボンプレートで両面側から挟み、カーボンプレートの積層方向に、2MPaで加圧下、1Aの電流(I)を印加した状態で、電圧(V)を計測する。続いて、抵抗(R=V/I)を算出し、更に、電極基材の面積(25cm)を乗じることによって得られる値である。 Electrode substrate of the present invention may also containing fibers other than the conductive fibers, but as has excellent conductivity, is preferably an electric resistance of 150mΩ · cm 2 or less, 100 m [Omega · cm 2 or less It is more preferable that it is 50 mΩ · cm 2 or less. “Electrical resistance” of the present invention is a method in which an electrode base material (25 cm 2 ) cut into 5 cm square is sandwiched from both sides by a carbon plate, and a current (I) of 1 A is applied in the direction of carbon plate lamination under pressure of 2 MPa. In this state, the voltage (V) is measured. Then, resistance was (R = V / I) calculated, further, a value obtained by multiplying the area of the electrode substrate (25 cm 2).

なお、本発明の電極基材を構成する細不織布層又は太不織布層は接着剤によって接着していても良いが、導電性に優れるように、接着剤によって接着していないのが好ましい。例えば、導電性繊維同士の絡合、溶媒による有機樹脂の可塑化による結合、又は熱による有機樹脂の融着による結合、により各層を形成しているのが好ましい。なお、層毎に結合様式が異なっていても良い。   In addition, although the thin nonwoven fabric layer or the thick nonwoven fabric layer which comprises the electrode base material of this invention may be adhere | attached with the adhesive agent, it is preferable not to adhere | attach with the adhesive agent so that it may be excellent in electroconductivity. For example, each layer is preferably formed by entanglement between conductive fibers, bonding by plasticizing an organic resin with a solvent, or bonding by fusing an organic resin by heat. Note that the bonding mode may be different for each layer.

本発明の電極基材の目付は特に限定するものではないが、排水性、ガス拡散性、取り扱い性及び生産性の点から0.5〜200g/mであるのが好ましく、0.5〜100g/mであるのがより好ましく、0.5〜50g/mであるのが更に好ましい。また、厚さも特に限定するものではないが、1〜1000μmであるのが好ましく、1〜500μmであるのがより好ましく、1〜300μmであるのが更に好ましい。 The basis weight of the electrode substrate of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 200 g / m 2 from the viewpoint of drainage, gas diffusibility, handleability and productivity, more preferably from 100 g / m 2, and even more preferably 0.5 to 50 g / m 2. Moreover, although thickness is not specifically limited, It is preferable that it is 1-1000 micrometers, It is more preferable that it is 1-500 micrometers, It is still more preferable that it is 1-300 micrometers.

本発明における「目付」は、10cm角に切断した試料の質量を測定し、1mの大きさの質量に換算した値をいい、「厚さ」はシックネスゲージ((株)ミツトヨ製:コードNo.547−401:測定力3.5N以下)を用いて測定した値をいう。 “Weight” in the present invention is a value obtained by measuring the mass of a sample cut into a 10 cm square and converting it to a mass of 1 m 2. “Thickness” is a thickness gauge (manufactured by Mitutoyo Corporation: Code No.) .547-401: Measurement force 3.5N or less).

なお、本発明の電極基材は前述のような細不織布層と太不織布層とを備えるものであるが、細不織布層と太不織布層との質量比率は1〜99:99〜1であるのが好ましく、10〜90:90〜10であるのがより好ましく、20〜80:80〜20であるのが更に好ましい。細不織布層の質量比率が1mass%を下回ると、細不織布層によるガス拡散性が悪くなる傾向があり、他方、細不織布層の質量比率が99mass%を上回ると、太不織布層における集中した液水の排出が追いつかず、ガス拡散性も低下する傾向があるためである。   In addition, although the electrode base material of this invention is provided with the above-mentioned thin nonwoven fabric layer and a thick nonwoven fabric layer, the mass ratio of a thin nonwoven fabric layer and a thick nonwoven fabric layer is 1-99: 99-1. Is preferable, it is more preferable that it is 10-90: 90-10, and it is still more preferable that it is 20-80: 80-20. When the mass ratio of the fine nonwoven fabric layer is less than 1 mass%, gas diffusibility due to the fine nonwoven fabric layer tends to be deteriorated. On the other hand, when the mass ratio of the fine nonwoven fabric layer exceeds 99 mass%, concentrated liquid water in the thick nonwoven fabric layer This is because the discharge of gas cannot catch up and the gas diffusibility tends to decrease.

本発明の電極基材は多孔性であることから、面方向においても、排水性およびガス拡散性に優れ、発電性能の高い燃料電池を作製することができるものであるが、この多孔性は空隙率にして20%以上の多孔性を有するのが好ましい。好ましくは空隙率が30%以上の多孔性を有し、より好ましくは空隙率が50%以上の多孔性を有する。なお、空隙率の上限は特に限定するものではないが、形態安定性の点から99%以下である。また、空隙率P(単位:%)は次の式から得られる値をいう。
P=100−(Fr1+Fr2+・・+Frn)
ここで、Frnは電極基材を構成する成分nの充填率(単位:%)を示し、次の式から得られる値をいう。
Frn=(M×Prn/T×SGn)×100
ここで、Mは電極基材の目付(単位:g/cm)、Tは電極基材の厚さ(cm)、Prnは電極基材における成分n(例えば、有機樹脂、導電性粒子)の存在質量比率、SGnは成分nの比重(単位:g/cm)をそれぞれ意味する。
Since the electrode base material of the present invention is porous, a fuel cell having excellent drainage and gas diffusibility and high power generation performance can be produced even in the surface direction. It is preferable to have a porosity of 20% or more. Preferably, the porosity is 30% or more, more preferably the porosity is 50% or more. The upper limit of the porosity is not particularly limited, but is 99% or less from the viewpoint of form stability. The porosity P (unit:%) is a value obtained from the following equation.
P = 100- (Fr1 + Fr2 + .. + Frn)
Here, Frn indicates the filling rate (unit:%) of the component n constituting the electrode substrate, and is a value obtained from the following formula.
Frn = (M × Prn / T × SGn) × 100
Here, M is the basis weight (unit: g / cm 2 ) of the electrode substrate, T is the thickness (cm) of the electrode substrate, and Prn is the component n (for example, organic resin, conductive particles) in the electrode substrate. The existing mass ratio, SGn, means the specific gravity (unit: g / cm 3 ) of component n.

本発明の電極基材を構成する細不織布層の平均流量孔径は細不織布層に液水が集中しにくく、ガス拡散性に優れているように、10nm〜3μmであるのが好ましく、100nm〜3μmであるのがより好ましい。一方で、太不織布層の平均流量孔径は太不織布層に液水が集中しやすいように、細不織布層の平均流量孔径よりも大きければ良く、特に限定するものではないが、2μm〜100μmであるのが好ましく、2μm〜50μmであるのがより好ましい。   The average flow pore size of the fine nonwoven fabric layer constituting the electrode substrate of the present invention is preferably 10 nm to 3 μm, and preferably 100 nm to 3 μm, so that liquid water does not easily concentrate on the fine nonwoven fabric layer and is excellent in gas diffusibility. It is more preferable that On the other hand, the average flow pore size of the thick nonwoven fabric layer may be larger than the average flow pore size of the thin nonwoven fabric layer so that liquid water can easily concentrate on the thick nonwoven fabric layer, and is not particularly limited, but is 2 μm to 100 μm. Is preferable, and it is more preferable that it is 2 micrometers-50 micrometers.

なお、平均流量孔径は多孔性材料自動細孔径分布測定システム(パームポロメーター;ポーラスマテリアル社)を用い、測定液体として表面エネルギー15.7dyn/cm標準液を用いて測定した値である。   The average flow pore size is a value measured using a porous material automatic pore size distribution measurement system (Palm Porometer; Porous Material) and using a standard solution with a surface energy of 15.7 dyn / cm as the measurement liquid.

本発明の電極基材は前述のような細不織布層と太不織布層とを備えているが、これらの層は多孔性であるため、電極基材の空隙に何も充填されていない場合には、液水が太不織布層へ移動しやすく、また、生成水の水蒸気は孔径のより大きい太不織布層で凝縮して液水となり、太不織布層における液水の密度を高めることができるため、液水を押し出す作用が働いて、電極基材の厚さ方向への排水性に優れているとともに、太不織布層においては、排水されることによって電極基材の空隙を確保でき、しかも細不織布層には前述の通り、液水が存在しにくいため、供給したガスの拡散性にも優れている。なお、電極基材の空隙に何も充填されていない場合、多孔性であるため、電極基材の面方向においても、排水性およびガス拡散性に優れている。   The electrode base material of the present invention includes the fine nonwoven fabric layer and the thick nonwoven fabric layer as described above. However, since these layers are porous, when the voids of the electrode base material are not filled with anything, The liquid water is easy to move to the thick nonwoven fabric layer, and the water vapor of the generated water is condensed in the thick nonwoven fabric layer having a larger pore size to become liquid water, and the density of the liquid water in the thick nonwoven fabric layer can be increased. The action of pushing out water works, and it has excellent drainage properties in the thickness direction of the electrode base material, and in the thick nonwoven fabric layer, the voids of the electrode base material can be secured by draining, and the thin nonwoven fabric layer As described above, since liquid water hardly exists, the diffusibility of the supplied gas is also excellent. In addition, since it is porous when the space | gap of an electrode base material is not filled at all, it is excellent in the drainage property and gas diffusibility also in the surface direction of an electrode base material.

なお、電極基材の細不織布層又は太不織布層の空隙に、フッ素系樹脂及び/又はカーボンを含んでいると、前者のフッ素系樹脂を含有していることによって、液水が押し出されやすいため、排水性及びガス拡散性を高めることができ、後者のカーボンを含有していることによって、導電性を高めることができる。   In addition, when the fluorine-based resin and / or carbon is contained in the voids of the fine nonwoven fabric layer or the thick nonwoven fabric layer of the electrode base material, liquid water is easily pushed out by containing the former fluorine-based resin. Further, drainage and gas diffusibility can be enhanced, and the conductivity can be enhanced by containing the latter carbon.

このフッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン・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、及び前記樹脂を構成する各種モノマーの共重合体、などを挙げることができる。   Examples of the fluororesin include polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), tetrafluoroethylene. Ethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoro Examples thereof include a propylene copolymer and a copolymer of various monomers constituting the resin.

また、カーボンとしては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどを挙げることができる。   Examples of carbon include carbon black, carbon nanotube, and carbon nanofiber.

なお、本発明の電極基材は細不織布層と太不織布層とを少なくとも1層備えていれば良く、細不織布層又は太不織布層を2層以上備えていても良いが、排水性及びガス拡散性の点から厚さ方向に、平均繊維径が順に大きく、又は小さい不織布層を備えているのが好ましい。例えば、不織布層3層からなる電極基材の場合、第1不織布層、第1不織布層よりも平均繊維径の大きい(又は小さい)第2不織布層、第2不織布層よりも平均繊維径の大きい(又は小さい)第3不織布層を備えた電極基材であるのが好ましい。なお、本発明の電極基材は層構造を有するため、電極基材の厚さ方向における電子顕微鏡写真を撮影すれば、明確に層構造を確認することができる。   In addition, the electrode base material of this invention should just be equipped with at least 1 layer of a thin nonwoven fabric layer and a thick nonwoven fabric layer, and may be equipped with two or more layers of a thin nonwoven fabric layer or a thick nonwoven fabric layer. From the viewpoint of property, it is preferable to provide a nonwoven fabric layer having an average fiber diameter that is successively larger or smaller in the thickness direction. For example, in the case of an electrode substrate composed of three nonwoven fabric layers, the first nonwoven fabric layer, the second nonwoven fabric layer having an average fiber diameter larger (or smaller) than the first nonwoven fabric layer, and the average fiber diameter larger than the second nonwoven fabric layer. It is preferable that it is an electrode base material provided with the (or small) 3rd nonwoven fabric layer. In addition, since the electrode base material of this invention has a layer structure, if an electron micrograph in the thickness direction of an electrode base material is image | photographed, a layer structure can be confirmed clearly.

本発明の細不織布層1層と太不織布層1層とからなる電極基材は、例えば、次のようにして製造することができる。   The electrode base material which consists of one thin nonwoven fabric layer of this invention and one thick nonwoven fabric layer can be manufactured as follows, for example.

まず、第1有機樹脂と第1導電性粒子とを混合した第1紡糸液を用いて紡糸して、導電性太繊維を形成し、この導電性太繊維を直接捕集し、集積することによって、太繊維ウエブを形成する。この太繊維ウエブ自体に強度があれば、そのまま太繊維ウエブを太不織布層とすることができるし、強度を付与又は向上させるために、溶媒による第1有機樹脂の可塑化、第1有機樹脂の熱による融着、接着剤による接着等により結合して、太不織布層とすることもできる。なお、導電性太繊維を直接捕集し、集積して形成した太繊維ウエブを構成する導電性太繊維は連続した長繊維であるのが好ましい。連続した長繊維であることによって、導電性及び強度の点で優れているだけでなく、繊維の端部が少なく、固体高分子膜を損傷しにくいためである。   First, by spinning using a first spinning solution in which the first organic resin and the first conductive particles are mixed, conductive thick fibers are formed, and the conductive thick fibers are directly collected and accumulated. To form a thick fiber web. If the thick fiber web itself has strength, the thick fiber web can be used as it is as a thick non-woven fabric layer, and in order to impart or improve strength, plasticization of the first organic resin with a solvent, A thick nonwoven fabric layer can also be formed by bonding by heat fusion, adhesive bonding, or the like. The conductive thick fibers constituting the thick fiber web formed by directly collecting and accumulating conductive thick fibers are preferably continuous long fibers. This is because the continuous long fibers are not only excellent in terms of conductivity and strength, but also have few fiber ends and are difficult to damage the solid polymer film.

次いで、第2有機樹脂と第2導電性粒子とを混合した第2紡糸液を用いて紡糸して、導電性細繊維を形成し、この導電性細繊維を太不織布層上に直接捕集し、集積することによって、細繊維ウエブを形成する。この細繊維ウエブ自体に強度があれば、そのまま細繊維ウエブを細不織布層とすることができるし、強度を付与又は向上させるために、溶媒による第2有機樹脂の可塑化、第2有機樹脂の熱による融着、接着剤による接着等により結合して、細不織布層とすることもできる。なお、細繊維ウエブを構成する導電性細繊維は連続した長繊維であるのが好ましい。連続した長繊維であることによって、導電性及び強度の点で優れているだけでなく、繊維の端部が少なく、固体高分子膜を損傷しにくいためである。   Next, spinning is performed using a second spinning solution in which the second organic resin and the second conductive particles are mixed to form conductive fine fibers, and the conductive fine fibers are directly collected on the thick nonwoven fabric layer. The fine fiber web is formed by accumulating. If the fine fiber web itself has strength, the fine fiber web can be used as a thin non-woven fabric layer as it is, and in order to impart or improve strength, plasticization of the second organic resin with a solvent, The thin non-woven fabric layer can also be bonded by heat fusion, adhesive bonding, or the like. The conductive fine fibers constituting the fine fiber web are preferably continuous long fibers. This is because the continuous long fibers are not only excellent in terms of conductivity and strength, but also have few fiber ends and are difficult to damage the solid polymer film.

なお、前記方法は太不織布層を形成した後に、太不織布層上に細繊維ウエブを積層する方法であるが、太繊維ウエブ上に細繊維ウエブを積層し、太繊維ウエブと細繊維ウエブを同時に結合して、電極基材を形成しても良い。また、前記方法は太不織布層を形成した後に細不織布層を形成する方法であるが、細不織布層を形成した後に太不織布層を形成しても良い。   The above method is a method of laminating a fine fiber web on a thick non-woven fabric layer after forming the thick non-woven fabric layer, and laminating a fine fiber web on the thick fiber web, and the thick fiber web and the fine fiber web simultaneously. They may be bonded to form an electrode substrate. Moreover, although the said method is a method of forming a thin nonwoven fabric layer after forming a thick nonwoven fabric layer, you may form a thick nonwoven fabric layer after forming a thin nonwoven fabric layer.

なお、太繊維ウエブ又は細繊維ウエブの形成方法としては、例えば、静電紡糸法、スパンボンド法、メルトブロー法、或いは特開2009−287138号公報に開示されているような、液吐出部から吐出された紡糸液に対してガスを平行に吐出し、紡糸液に1本の直線状に剪断力を作用させて繊維化する方法、を挙げることができる。これらの中でも静電紡糸法又は特開2009−287138号公報に開示の方法によれば、繊維径の小さい導電性細繊維又は導電性太繊維を紡糸できることから、薄い電極基材を製造することができ、結果として燃料電池の抵抗を下げることができ、また、燃料電池の体積を小さくすることができるため好適である。   As a method for forming a thick fiber web or a fine fiber web, for example, an electrostatic spinning method, a spun bond method, a melt blow method, or a discharge from a liquid discharge unit as disclosed in JP 2009-287138 A A method may be mentioned in which a gas is discharged in parallel to the spinning solution and a fiber is formed by applying a shearing force to the spinning solution in a straight line. Among these, according to the electrostatic spinning method or the method disclosed in JP-A-2009-287138, conductive thin fibers or conductive thick fibers having a small fiber diameter can be spun, so that a thin electrode substrate can be produced. As a result, the resistance of the fuel cell can be lowered, and the volume of the fuel cell can be reduced, which is preferable.

なお、静電紡糸法又は特開2009−287138号公報に開示の方法のように、溶媒に第1有機樹脂又は第2有機樹脂を溶解させた溶液に導電性粒子を混合する場合、溶媒として、紡糸時に揮散しにくいものを使用し、太繊維ウエブ又は細繊維ウエブを形成した後に、溶媒置換により紡糸溶媒を除去すると、導電性太繊維同士、導電性細繊維同士、又は導電性太繊維と導電性細繊維とが可塑化結合した状態になりやすく、結果として導電性の高い電極基材を製造することができ、また、電極基材が緻密になり、燃料電池内での接触抵抗が低くなりやすいため好適である。   When the conductive particles are mixed with a solution in which the first organic resin or the second organic resin is dissolved in a solvent, as in the electrostatic spinning method or the method disclosed in JP2009-287138A, as the solvent, After using a material that is difficult to volatilize during spinning and forming a thick fiber web or a fine fiber web, removing the spinning solvent by solvent replacement will result in conductive thick fibers, conductive fine fibers, or conductive thick fibers and conductive As a result, a highly conductive electrode base material can be produced, and the electrode base material becomes dense, resulting in low contact resistance in the fuel cell. It is suitable because it is easy.

なお、導電性太繊維又は導電性細繊維を連続繊維として巻き取り、次いで導電性太繊維又は導電性細繊維を所望繊維長に切断して短繊維とした後、公知の乾式法又は湿式法により繊維ウエブを形成し、溶媒による有機樹脂の可塑化、熱による有機樹脂の融着、接着剤による接着等により結合し、太不織布層又は細不織布層とすることもできる。しかしながら、前述の通り、導電性太繊維又は導電性細繊維は連続した繊維であるのが好ましいため、連続した導電性太繊維又は導電性細繊維を直接捕集し、集積して形成した太繊維ウエブ又は細繊維ウエブに由来する太不織布層又は細不織布層であるのが好ましい。   In addition, after winding a conductive thick fiber or a conductive fine fiber as a continuous fiber, and then cutting the conductive thick fiber or the conductive fine fiber into a desired fiber length to make a short fiber, a known dry method or wet method is used. A fiber web can be formed and bonded by plasticizing an organic resin with a solvent, fusing the organic resin with heat, adhering with an adhesive, or the like to form a thick nonwoven fabric layer or a thin nonwoven fabric layer. However, as described above, it is preferable that the conductive thick fibers or conductive fine fibers are continuous fibers. Therefore, the thick fibers formed by directly collecting and collecting the continuous conductive thick fibers or conductive thin fibers. A thick nonwoven fabric layer or a fine nonwoven fabric layer derived from a web or a fine fiber web is preferred.

なお、導電性太繊維又は導電性細繊維を構成する有機樹脂が酸化アクリルである場合、アクリル樹脂と導電性粒子とを混合した紡糸液を用いて紡糸して、導電性太繊維又は導電性細繊維を形成し、この導電性太繊維又は導電性細繊維を含む繊維ウエブを、直接的に又は間接的に形成した後、空気中で温度200〜300℃で加熱することによって、アクリル樹脂を酸化アクリルとして、電極基材の導電性を更に高めることもできる。或いは、アクリル樹脂と導電性粒子とを混合した紡糸液を用いて紡糸した導電性太繊維又は導電性細繊維を、空気中、温度200〜300℃で加熱することによって、アクリル樹脂を酸化アクリルとした後に、酸化アクリルと導電性粒子からなる導電性太繊維又は導電性細繊維を使用して太不織布層又は細不織布層を形成することもできる。   When the organic resin constituting the conductive thick fiber or the conductive fine fiber is an acrylic oxide, the conductive thick fiber or the conductive fine fiber is spun using a spinning solution in which the acrylic resin and the conductive particles are mixed. After forming the fiber and forming the fiber web containing the conductive thick fiber or conductive fine fiber directly or indirectly, the acrylic resin is oxidized by heating at a temperature of 200 to 300 ° C. in air. As the acrylic, the conductivity of the electrode substrate can be further increased. Alternatively, conductive acrylic fibers and conductive fine fibers spun using a spinning solution in which acrylic resin and conductive particles are mixed are heated in air at a temperature of 200 to 300 ° C., thereby converting the acrylic resin to acrylic oxide. After that, a thick nonwoven fabric layer or a thin nonwoven fabric layer can be formed using conductive thick fibers or conductive fine fibers made of acrylic oxide and conductive particles.

また、導電性太繊維及び導電性細繊維を構成する有機樹脂が350℃を超えるような融点を有する耐熱性有機樹脂である場合、電極基材をポリテトラフルオロエチレンディスパージョンなどのフッ素系ディスパージョンに浸漬して付与した後、温度300〜350℃で焼結することで、撥水性を高め、排水性及びガス拡散性の優れる電極基材とすることができる。   In addition, when the organic resin constituting the conductive thick fiber and the conductive fine fiber is a heat-resistant organic resin having a melting point exceeding 350 ° C., the electrode base material is a fluorine-based dispersion such as polytetrafluoroethylene dispersion. After being immersed in and applied, sintering is performed at a temperature of 300 to 350 ° C., so that the electrode substrate can be improved in water repellency and excellent in drainage and gas diffusibility.

本発明のガス拡散電極は、上述の電極基材に触媒が担持されているため、短絡しにくく、しかも生成水の排水性及び供給したガスの拡散性に優れているため、発電性能の優れる燃料電池を作製することができる。また、本発明のガス拡散電極は、導電性繊維表面(導電性細繊維又は導電性太繊維表面)に触媒が担持され、触媒同士の接触による電子伝導だけではなく、導電性繊維による電子伝導パスも形成されているため、電子伝導パスから孤立した触媒が少ない。更に、本発明の電極基材は排水性およびガス拡散性に優れることから、三相界面(ガス、触媒、電解質樹脂が会合する反応場)へガスを十分に安定して供給することができる。これらの理由で、効率的に触媒を利用でき、触媒量を少なくできるという効果を奏する。   Since the gas diffusion electrode of the present invention has a catalyst supported on the electrode base material described above, it is difficult to short-circuit, and is excellent in the drainage of generated water and the diffusibility of the supplied gas. A battery can be fabricated. In addition, the gas diffusion electrode of the present invention has a catalyst supported on the surface of conductive fibers (surface of conductive fine fibers or conductive thick fibers), and not only the electron conduction caused by contact between the catalysts but also the electron conduction path caused by the conductive fibers. Is also formed, so there are few catalysts isolated from the electron conduction path. Furthermore, since the electrode substrate of the present invention is excellent in drainage and gas diffusibility, gas can be sufficiently stably supplied to the three-phase interface (reaction field where the gas, catalyst, and electrolyte resin are associated). For these reasons, the catalyst can be used efficiently and the amount of catalyst can be reduced.

本発明のガス拡散電極は上述のような電極基材を備えていること以外は、従来のガス拡散電極と全く同様の構造を有する。例えば、触媒としては、白金、白金合金、パラジウム、パラジウム合金、チタン、マンガン、マグネシウム、ランタン、バナジウム、ジルコニウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、金、ニッケル−ランタン合金、チタン−鉄合金などを挙げることができ、これらから選ばれる1種類以上の触媒を担持していることができる。   The gas diffusion electrode of the present invention has the same structure as that of a conventional gas diffusion electrode except that it includes the electrode base as described above. Examples of the catalyst include platinum, platinum alloy, palladium, palladium alloy, titanium, manganese, magnesium, lanthanum, vanadium, zirconium, iridium, rhodium, ruthenium, gold, nickel-lanthanum alloy, titanium-iron alloy, and the like. It is possible to carry one or more kinds of catalysts selected from these.

なお、触媒以外にも、電子伝導体及びプロトン伝導体を含んでいるのが好ましく、電子伝導体として、カーボンブラック等の導電性繊維に含まれている導電性粒子と同様の導電性粒子が好適であり、触媒はこの導電性粒子に担持されていても良い。また、プロトン伝導体として、イオン交換樹脂が好適である。   In addition to the catalyst, it is preferable that an electron conductor and a proton conductor are included, and as the electron conductor, conductive particles similar to the conductive particles contained in conductive fibers such as carbon black are suitable. The catalyst may be supported on the conductive particles. Moreover, an ion exchange resin is suitable as the proton conductor.

本発明のガス拡散電極においては、前述のような電極基材を用いているが、前述のような電極基材においては、太不織布層に液水が集中しやすく、集中した液水がバイポーラプレート側へ押し出す形で排水性に優れ、太不織布層においては、排水によって生じた空隙を通じてガス拡散性に優れ、また、細不織布層には液水が存在しにくく、ガス拡散性に優れると考えられるため、細不織布層側が固体高分子膜側となるように配置するのが好ましい。したがって、触媒は電極基材の細不織布層側に担持されているのが好ましい。   In the gas diffusion electrode of the present invention, the electrode base as described above is used, but in the electrode base as described above, liquid water tends to concentrate on the thick nonwoven fabric layer, and the concentrated liquid water is the bipolar plate. Extruded to the side with excellent drainage, thick nonwoven fabric layer is excellent in gas diffusivity through voids generated by drainage, and thin nonwoven fabric layer is unlikely to have liquid water and is considered to be excellent in gas diffusibility Therefore, it is preferable to arrange the fine nonwoven fabric layer side to be the solid polymer film side. Therefore, the catalyst is preferably supported on the fine nonwoven fabric layer side of the electrode substrate.

本発明のガス拡散電極は、例えば、次の方法で作製できる。   The gas diffusion electrode of the present invention can be produced, for example, by the following method.

まず、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、エチレングリコールジメチルエーテルなどからなる単一あるいは混合溶媒中に、触媒(例えば、白金などの触媒を担持したカーボン粉末)を加えて混合し、これにイオン交換樹脂溶液を加え、超音波分散等で均一に混合して触媒分散懸濁液とする。そして、前述のような電極基材に、好ましくは電極基材の細不織布層側に、前記触媒分散懸濁液をコーティング、或いは散布し、これを乾燥して、ガス拡散電極を製造することができる。   First, a catalyst (for example, carbon powder carrying a catalyst such as platinum) is added and mixed in a single or mixed solvent composed of ethyl alcohol, propyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol dimethyl ether, etc., and this is mixed with an ion exchange resin. The solution is added and mixed uniformly by ultrasonic dispersion or the like to obtain a catalyst dispersion suspension. Then, the gas dispersion electrode can be produced by coating or spraying the catalyst dispersion suspension on the electrode substrate as described above, preferably on the fine nonwoven fabric layer side of the electrode substrate, and drying the solution. it can.

本発明の膜−電極接合体は前述のようなガス拡散電極用基材を備えているため、短絡しにくく、しかも生成水の排水性及び供給したガスの拡散性に優れているため、発電性能の優れる燃料電池を作製することのできる膜−電極接合体である。   Since the membrane-electrode assembly of the present invention includes the base material for gas diffusion electrode as described above, it is difficult to short-circuit, and also has excellent drainage of generated water and excellent diffusibility of supplied gas. This is a membrane-electrode assembly capable of producing a fuel cell excellent in.

本発明の膜−電極接合体は前述のようなガス拡散電極用基材を備えていること以外は、従来の膜−電極接合体と全く同様であることができる。   The membrane-electrode assembly of the present invention can be exactly the same as the conventional membrane-electrode assembly except that the membrane-electrode assembly is provided with the base material for gas diffusion electrode as described above.

このような膜−電極接合体は、例えば、一対のガス拡散電極のそれぞれの触媒担持面の間に固体高分子膜を挟み、熱プレスすることによって接合し、製造できる。また、前述のような触媒分散懸濁液を支持体に塗布して触媒層を形成した後、この触媒層を固体高分子膜に転写し、その後、触媒層に前述のようなガス拡散電極用基材、好ましくはガス拡散電極用基材の細不織布層側表面が触媒層と当接するように積層し、熱プレスする方法によっても製造できる。   Such a membrane-electrode assembly can be manufactured, for example, by sandwiching a solid polymer membrane between the catalyst support surfaces of a pair of gas diffusion electrodes and hot pressing. Further, after applying the catalyst dispersion suspension as described above to the support to form a catalyst layer, this catalyst layer is transferred to a solid polymer film, and then the catalyst layer is used for the gas diffusion electrode as described above. It can also be produced by a method of laminating the base material, preferably the thin nonwoven fabric layer side surface of the base material for gas diffusion electrode so as to contact the catalyst layer, and hot pressing.

なお、固体高分子膜としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂膜、スルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜、アルキルスルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜などを用いることができる。   As the solid polymer film, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid resin film, a sulfonated aromatic hydrocarbon resin film, an alkylsulfonated aromatic hydrocarbon resin film, or the like can be used.

本発明の固体高分子形燃料電池は前述のようなガス拡散電極用基材を備えているため、短絡しにくく、しかも生成水の排水性及び供給したガスの拡散性に優れているため、発電性能の優れる燃料電池である。   Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is provided with the base material for gas diffusion electrode as described above, it is difficult to short-circuit, and is excellent in drainage of generated water and diffusibility of supplied gas. It is a fuel cell with excellent performance.

本発明の燃料電池は前述のようなガス拡散電極用基材を備えていること以外は、従来の燃料電池と全く同様であることができる。例えば、前述のような膜−電極接合体を1対のバイポーラプレートで挟んだセル単位を複数積層した構造からなり、例えば、セル単位を複数積層し、固定して製造できる。   The fuel cell of the present invention can be exactly the same as a conventional fuel cell except that it includes the gas diffusion electrode substrate as described above. For example, it has a structure in which a plurality of cell units sandwiching a membrane-electrode assembly as described above between a pair of bipolar plates are stacked. For example, a plurality of cell units can be stacked and fixed.

なお、バイポーラプレートとしては、導電性が高く、ガスを透過せず、ガス拡散電極にガスを供給できる流路を有するものであれば良く、特に限定するものではないが、例えば、カーボン成形材料、カーボン−樹脂複合材料、金属材料などを用いることができる。   The bipolar plate is not particularly limited as long as the bipolar plate has high conductivity, does not transmit gas, and has a flow path capable of supplying gas to the gas diffusion electrode. A carbon-resin composite material, a metal material, or the like can be used.

以下に、本発明の実施例を記載するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例)
<第1紡糸溶液の調製>
フッ化ビニリデン・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物をN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、濃度10mass%の溶液を得た。
(Example)
<Preparation of the first spinning solution>
A vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer was added to N, N-dimethylformamide (DMF) and dissolved using a rocking mill to obtain a solution having a concentration of 10 mass%.

次いで、導電性粒子として、カーボンブラック(デンカブラック粒状品、電気化学工業(株)製、平均一次粒子径:35nm)を前記溶液に混合し、撹拌した後、更にDMFを加えて希釈し、カーボンブラックを分散させ、カーボンブラックとフッ化ビニリデン・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物の固形質量比が40:60で、固形分濃度が13mass%の第1紡糸溶液を調製した。   Next, carbon black (Denka Black granular product, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average primary particle size: 35 nm) is mixed with the above solution as the conductive particles, stirred, and further diluted with DMF to obtain carbon. Black was dispersed to prepare a first spinning solution having a solid mass ratio of carbon black and vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer of 40:60 and a solid content concentration of 13 mass%.

<第2紡糸溶液の調製>
紡糸溶液の固形分濃度を8mass%としたこと以外は第1紡糸溶液と同様にして、第2紡糸溶液を調製した。
<Preparation of second spinning solution>
A second spinning solution was prepared in the same manner as the first spinning solution except that the solid concentration of the spinning solution was 8 mass%.

(実施例1)
<ガス拡散電極用基材の作製>
前記第1紡糸溶液を静電紡糸法により紡糸して得た導電性太繊維を、対向電極であるステンレスドラム上に、直接、集積して、連続した導電性太繊維のみからなる太不織布層(平均繊維径:800nm、目付:17g/m、厚さ:80μm)を作製した。
Example 1
<Preparation of base material for gas diffusion electrode>
Conductive thick fibers obtained by spinning the first spinning solution by an electrostatic spinning method are directly accumulated on a stainless drum, which is a counter electrode, and a thick non-woven fabric layer consisting only of continuous conductive thick fibers ( Average fiber diameter: 800 nm, basis weight: 17 g / m 2 , thickness: 80 μm).

次いで、第2紡糸溶液を静電紡糸法によって紡糸して得た導電性細繊維を、前記太不織布上に、直接、集積して、連続した導電性細繊維のみからなる細不織布層(平均繊維径:300nm、目付:6g/m、厚さ:30μm)を形成し、太不織布層と細不織布層とが連結し、空隙には何も充填されていない電極基材(目付:23g/m、厚さ:110μm、空隙率:89%、電気抵抗:25mΩ・cm、カーボンブラックの含有量:40mass%)を作製した。この導電性太繊維、導電性細繊維のいずれもカーボンブラックを繊維内部に含有するとともに、カーボンブラックの一部が繊維表面から露出した状態にあり、導電性太繊維同士、導電性細繊維同士、及び導電性太繊維と導電性細繊維とは集積時に結合した状態にあった。なお、静電紡糸条件は次の通りとした。 Subsequently, the conductive fine fibers obtained by spinning the second spinning solution by the electrospinning method are directly accumulated on the thick nonwoven fabric, and the fine nonwoven fabric layer (average fiber) consisting only of continuous conductive fine fibers is collected. An electrode base material having a diameter of 300 nm, a basis weight of 6 g / m 2 , and a thickness of 30 μm, in which a thick nonwoven fabric layer and a thin nonwoven fabric layer are connected, and nothing is filled in the voids (weight basis: 23 g / m) 2 , thickness: 110 μm, porosity: 89%, electric resistance: 25 mΩ · cm 2 , carbon black content: 40 mass%). Both the conductive thick fiber and the conductive fine fiber contain carbon black inside the fiber, and a part of the carbon black is exposed from the fiber surface, the conductive thick fibers, the conductive fine fibers, In addition, the conductive thick fibers and the conductive fine fibers were in a state of being bonded at the time of accumulation. The electrospinning conditions were as follows.

電極:金属性ノズル(内径:0.33mm)とステンレスドラム
吐出量:2g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:10cm
印加電圧:10kV
温度/湿度:25℃/35%RH
Electrode: Metal nozzle (inner diameter: 0.33 mm) and stainless steel drum Discharge amount: 2 g / hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 10 cm
Applied voltage: 10 kV
Temperature / humidity: 25 ° C / 35% RH

(実施例2)
太不織布層の目付を13g/mとし、厚さを63μmとし、細不織布層の目付を10g/mとし、厚さを50μmとしたこと以外は実施例1と同様にして、太不織布層と細不織布層とが連結し、空隙には何も充填されていない電極基材(目付:23g/m、厚さ:113μm、空隙率88%、電気抵抗:25mΩ・cm、カーボンブラックの含有量:40mass%)を作製した。この導電性太繊維、導電性細繊維のいずれもカーボンブラックを繊維内部に含有するとともに、カーボンブラックの一部が繊維表面から露出した状態にあり、導電性太繊維同士、導電性細繊維同士、及び導電性太繊維と導電性細繊維とは集積時に結合した状態にあった。
(Example 2)
The thick nonwoven fabric layer was formed in the same manner as in Example 1 except that the basis weight of the thick nonwoven fabric layer was 13 g / m 2 , the thickness was 63 μm, the basis weight of the thin nonwoven fabric layer was 10 g / m 2 , and the thickness was 50 μm. And a thin non-woven fabric layer connected to each other, and the gap is not filled with any electrode base material (weight per unit: 23 g / m 2 , thickness: 113 μm, porosity 88%, electric resistance: 25 mΩ · cm 2 , carbon black Content: 40 mass%). Both the conductive thick fiber and the conductive fine fiber contain carbon black inside the fiber, and a part of the carbon black is exposed from the fiber surface, the conductive thick fibers, the conductive fine fibers, In addition, the conductive thick fibers and the conductive fine fibers were in a state of being bonded at the time of accumulation.

(比較例1)
第1紡糸溶液を静電紡糸法により紡糸して得た導電性太繊維を、対向電極であるステンレスドラム上に、直接、集積して、連続した導電性太繊維のみからなる太不織布層のみからなる、空隙には何も充填されていないガス拡散電極用基材(平均繊維径:800nm、目付:23g/m、厚さ:108μm、電気抵抗:23mΩ・cm、空隙率:88%、カーボンブラックの含有量:40mass%)を作製した。この導電性太繊維はカーボンブラックを繊維内部に含有するとともに、カーボンブラックの一部が繊維表面から露出した状態にあり、導電性太繊維同士は集積時に結合した状態にあった。なお、静電紡糸条件は次の通りとした。
(Comparative Example 1)
The conductive thick fibers obtained by spinning the first spinning solution by the electrostatic spinning method are directly accumulated on the stainless drum as the counter electrode, and only from the thick nonwoven fabric layer composed only of continuous conductive thick fibers. The gas diffusion electrode base material in which nothing is filled in the voids (average fiber diameter: 800 nm, basis weight: 23 g / m 2 , thickness: 108 μm, electric resistance: 23 mΩ · cm 2 , porosity: 88%, Carbon black content: 40 mass%) was produced. This conductive thick fiber contained carbon black inside the fiber, a part of the carbon black was exposed from the fiber surface, and the conductive thick fibers were in a state of being bonded together. The electrospinning conditions were as follows.

電極:金属性ノズル(内径:0.33mm)とステンレスドラム
吐出量:2g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:10cm
印加電圧:15kV
温度/湿度:25℃/30%RH
Electrode: Metal nozzle (inner diameter: 0.33 mm) and stainless steel drum Discharge amount: 2 g / hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 10 cm
Applied voltage: 15 kV
Temperature / humidity: 25 ° C / 30% RH

(比較例2)
第2紡糸溶液を用いたこと以外は比較例1と同様にして、連続した導電性細繊維のみからなる細不織布層のみからなる、空隙には何も充填されていないガス拡散電極用基材(平均繊維径:300nm、目付:25g/m、厚さ:110μm、電気抵抗:24mΩ・cm、空隙率:87%、カーボンブラックの含有量:40mass%)を作製した。この導電性細繊維はカーボンブラックを繊維内部に含有するとともに、カーボンブラックの一部が繊維表面から露出した状態にあり、導電性細繊維同士は集積時に結合した状態にあった。
(Comparative Example 2)
Similar to Comparative Example 1 except that the second spinning solution was used, a gas diffusion electrode base material consisting of only a thin non-woven fabric layer consisting only of continuous conductive fine fibers, in which no voids were filled ( Average fiber diameter: 300 nm, basis weight: 25 g / m 2 , thickness: 110 μm, electric resistance: 24 mΩ · cm 2 , porosity: 87%, carbon black content: 40 mass%). This conductive fine fiber contained carbon black inside the fiber, and a part of the carbon black was exposed from the fiber surface, and the conductive fine fibers were in a state of being bonded together.

(平均流量孔径の測定)
多孔性材料自動細孔径分布測定システム(パームポロメーター;ポーラスマテリアル社)を用い、測定液体として表面エネルギー15.7dyn/cm標準液を用いて、実施例1〜2及び比較例1〜2のガス拡散電極用基材の平均流量孔径を測定した。なお、実施例1、2の太不織布層および細不織布層の平均流量孔径は、実施例1、2とは別に、導電性太繊維のみ又は導電性細繊維のみを、実施例1又は実施例2の太不織布層又は細不織布層と同じ目付となるように集積して繊維ウエブをそれぞれ形成し、それぞれの繊維ウエブを太不織布層又は細不織布層とみなした時の平均流量孔径である。この結果は表1に示す通りであった。
(Measurement of average flow hole diameter)
Gases of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 using a porous material automatic pore size distribution measuring system (Palm Porometer; Porous Materials Co., Ltd.) and using a surface energy of 15.7 dyn / cm standard solution as a measuring liquid. The average flow pore size of the diffusion electrode substrate was measured. In addition, the average flow pore diameters of the thick nonwoven fabric layer and the fine nonwoven fabric layer of Examples 1 and 2 are different from those of Examples 1 and 2 in that only conductive thick fibers or only conductive fine fibers are used in Example 1 or Example 2. These are the average flow pore diameters when the fiber webs are formed so as to have the same basis weight as the thick nonwoven fabric layer or the thin nonwoven fabric layer, and the respective fiber webs are regarded as the thick nonwoven fabric layer or the fine nonwoven fabric layer. The results are shown in Table 1.

Figure 2015022888
Figure 2015022888

<発電性試験>
エチレングリコールジメチルエーテル10.4gに対して、市販の白金担持炭素粒子(石福金属(株)製、炭素に対する白金担持量40質量%)を0.8g加え、超音波処理によって分散させた後、電解質樹脂溶液として、市販の5質量%ナフィオン溶液(米国シグマ・アルドリッチ社製、商品名)4.0gを加え、更に超音波処理により分散させ、更に攪拌機で攪拌して、触媒ペーストを調製した。
<Power generation test>
To 10.4 g of ethylene glycol dimethyl ether, 0.8 g of commercially available platinum-supported carbon particles (Ishifuku Metal Co., Ltd., platinum-supported amount of 40% by mass with respect to carbon) was added and dispersed by ultrasonic treatment. As a resin solution, 4.0 g of a commercially available 5% by mass Nafion solution (trade name, manufactured by Sigma-Aldrich, USA) was added, further dispersed by ultrasonic treatment, and further stirred with a stirrer to prepare a catalyst paste.

次いで、この触媒ペーストを25cmの支持体(商品名:ナフロンPTFEテープ、ニチアス(株)製、厚さ0.1mm)に塗布し、熱風乾燥機によって60℃で乾燥し、当該支持体に対する白金担持量が0.4mg/cmの触媒層を作製した。 Next, this catalyst paste was applied to a 25 cm 2 support (trade name: Naflon PTFE tape, manufactured by Nichias Co., Ltd., thickness 0.1 mm), dried at 60 ° C. with a hot air dryer, and platinum on the support A catalyst layer having a loading amount of 0.4 mg / cm 2 was produced.

他方、固体高分子膜として、Nafion NRE−212CS(商品名、米国デュポン社製)を用意した。この固体高分子膜の両面に、前記触媒層を夫々転写して積層した後、温度135℃、圧力2.6MPa、時間10分間の条件でホットプレスにより接合し、電極面積25cmの固体高分子膜−触媒層接合体を作製した。 On the other hand, Nafion NRE-212CS (trade name, manufactured by DuPont, USA) was prepared as a solid polymer film. The catalyst layers were transferred and laminated on both surfaces of the solid polymer membrane, and then joined by hot pressing under conditions of a temperature of 135 ° C., a pressure of 2.6 MPa, and a time of 10 minutes, and a solid polymer having an electrode area of 25 cm 2 . A membrane-catalyst layer assembly was produced.

そして、前記固体高分子膜−触媒層接合体を用いて膜−電極接合体(MEA)を作製した。つまり、実施例1〜2又は比較例1〜2のガス拡散電極用基材を前記固体高分子膜−触媒層接合体の両面に配置した後、ホットプレスによって、膜−電極接合体(MEA)をそれぞれ作製した。なお、実施例1、2のガス拡散電極用基材を用いた場合には、細不織布層が触媒層と当接するように配置した。   And the membrane-electrode assembly (MEA) was produced using the said solid polymer membrane-catalyst layer assembly. That is, after the gas diffusion electrode base materials of Examples 1 and 2 or Comparative Examples 1 and 2 are arranged on both surfaces of the solid polymer membrane-catalyst layer assembly, the membrane-electrode assembly (MEA) is formed by hot pressing. Were prepared. In addition, when the base material for gas diffusion electrodes of Examples 1 and 2 was used, it arrange | positioned so that a fine nonwoven fabric layer might contact | abut with a catalyst layer.

その後、締め付け圧1.5N・mで固体高分子形燃料電池セル『As−510−C25−1H』(商品名、エヌエフ回路設計ブロック(株)製)にそれぞれ組み付け、それぞれの発電性能を評価した。   After that, each was assembled in a polymer electrolyte fuel cell “As-510-C25-1H” (trade name, manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd.) with a clamping pressure of 1.5 N · m, and each power generation performance was evaluated. .

この標準セルは、バイポーラプレートを含み、膜−電極接合体(MEA)の評価試験に用いるものである。発電は燃料極側に水素ガス利用率70%、空気極側に空気ガス利用率45%を供給し、セル温度は80℃、バブラー温度80℃のフル加湿条件で、電位−電流曲線を測定した。この結果は表2に示す通りであった。   This standard cell includes a bipolar plate and is used for an evaluation test of a membrane-electrode assembly (MEA). For power generation, a hydrogen gas utilization rate of 70% was supplied to the fuel electrode side and an air gas utilization rate of 45% was supplied to the air electrode side, and the potential-current curve was measured under full humidification conditions at a cell temperature of 80 ° C and a bubbler temperature of 80 ° C. . The results are shown in Table 2.

Figure 2015022888
Figure 2015022888

表2の結果から、実施例1〜2の電極基材を用いた燃料電池は、比較例1〜2の電極基材を用いた燃料電池と比べて、電流密度2.0A/cm時における電圧が高いものであった。このことから、本発明の細不織布層と太不織布層とを備えている電極基材は、多量の水が生成される状況下においても、排水性及びガス拡散性を維持でき、発電性能の優れる燃料電池を作製できることがわかった。 From the results in Table 2, the fuel cells using the electrode base materials of Examples 1 and 2 were compared with the fuel cells using the electrode base materials of Comparative Examples 1 and 2 at a current density of 2.0 A / cm 2 . The voltage was high. From this, the electrode base material provided with the fine nonwoven fabric layer and the thick nonwoven fabric layer of the present invention can maintain drainage and gas diffusibility even under a situation where a large amount of water is generated, and has excellent power generation performance. It has been found that a fuel cell can be produced.

<リーク電流評価>
前記<発電性試験>で調製した、実施例1〜2又は比較例1〜2の電極基材を用いた膜−電極接合体(MEA、電極面積25cm)を、カーボンプレートで挟み、積層方向に2MPの圧力で締結し、セル単位をそれぞれ作製した。次いで、これらセル単位に対して0.2Vの電圧を印加し、リーク電流をそれぞれ測定した。その結果、全ての膜−電極接合体において、リーク電流は0.5mA以下であった。
<Evaluation of leakage current>
The membrane-electrode assembly (MEA, electrode area 25 cm 2 ) using the electrode base material of Examples 1-2 or Comparative Examples 1-2 prepared in the above <Power generation test> is sandwiched between carbon plates, and the lamination direction Each of the cell units was fabricated by fastening with a pressure of 2MP. Next, a voltage of 0.2 V was applied to these cell units, and leakage currents were measured. As a result, in all the membrane-electrode assemblies, the leakage current was 0.5 mA or less.

同様に、前記<発電性試験>後の膜−電極接合体に対しても、リーク電流を測定したが、リーク電流は0.5mA以下で、発電前後でのリーク電流の増加は確認されなかった。これらの結果から、本発明の電極基材は固体高分子膜を損傷しないことがわかった。   Similarly, the leakage current was measured for the membrane-electrode assembly after <Power generation test>, but the leakage current was 0.5 mA or less, and no increase in leakage current before and after power generation was confirmed. . From these results, it was found that the electrode substrate of the present invention did not damage the solid polymer film.

本発明の電極基材は固体高分子膜を損傷しないばかりでなく、排水性及びガス拡散性に優れているため、発電性能の優れる固体高分子形燃料電池を作製できるものである。   The electrode base material of the present invention not only does not damage the solid polymer membrane, but also has excellent drainage and gas diffusibility, so that a polymer electrolyte fuel cell having excellent power generation performance can be produced.

11a (燃料極側)バイポーラプレート
11c (空気極側)バイポーラプレート
13a (燃料極側)ガス拡散層
13c (空気極側)ガス拡散層
14a (燃料極側)水分管理層
14c (空気極側)水分管理層
15a (燃料極側)触媒層
15c (空気極側)触媒層
17a 燃料極(ガス拡散電極)
17c 空気極(ガス拡散電極)
19 固体高分子膜
11a (Fuel electrode side) Bipolar plate 11c (Air electrode side) Bipolar plate 13a (Fuel electrode side) Gas diffusion layer 13c (Air electrode side) Gas diffusion layer 14a (Fuel electrode side) Moisture management layer 14c (Air electrode side) Moisture Management layer 15a (fuel electrode side) catalyst layer 15c (air electrode side) catalyst layer 17a Fuel electrode (gas diffusion electrode)
17c Air electrode (gas diffusion electrode)
19 Solid polymer membrane

Claims (4)

導電性粒子を含有する有機樹脂製の導電性細繊維を含有する細不織布層と、導電性粒子を含有する有機樹脂製、かつ前記導電性細繊維よりも平均繊維径の大きい導電性太繊維を含有する太不織布層とを備えているガス拡散電極用基材。 A thin non-woven fabric layer containing conductive fine fibers made of organic resin containing conductive particles, an organic resin containing conductive particles, and conductive thick fibers having an average fiber diameter larger than that of the conductive fine fibers The base material for gas diffusion electrodes provided with the thick nonwoven fabric layer to contain. 請求項1に記載のガス拡散電極用基材に触媒が担持されているガス拡散電極。 A gas diffusion electrode in which a catalyst is supported on the gas diffusion electrode substrate according to claim 1. 請求項1に記載のガス拡散電極用基材を備えている膜−電極接合体。 A membrane-electrode assembly comprising the gas diffusion electrode substrate according to claim 1. 請求項1に記載のガス拡散電極用基材を備えている固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the gas diffusion electrode substrate according to claim 1.
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