JP2016054066A - Method for producing nonfired gas diffusion layer - Google Patents

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圭 小野
一史 児玉
Kazunori Kodama
一史 児玉
慎二 宮川
Shinji Miyagawa
慎二 宮川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method capable of more easily producing a gas diffusion layer.SOLUTION: A method for producing a nonfired gas diffusion layer includes: mixing fluorine-free elastomer resin, a conductive material and an oil-soluble solvent and preparing a liquid mixture; and applying the liquid mixture to a porous substrate, drying the liquid mixture, and forming a porous layer containing the fluorine-free elastomer resin and the conductive material on the porous substrate.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、非焼成ガス拡散層の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a non-fired gas diffusion layer.

近年、エネルギー・環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、常温でも作動して高出力密度が得られる燃料電池が電気自動車用電源、定置型電源として注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。固体高分子形燃料電池は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。この単セルは、高分子電解質膜、当該膜の両面に順次形成される一対の触媒層および一対のガス拡散層(GDL)を有する膜−電極接合体(MEA)を備える。そして、個々の単セルが有するMEAは、セパレータを介して隣接する単セルのMEAと電気的に接続される。このようにして単セルが積層されることにより、燃料電池スタックが構成される。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能する。   In recent years, in response to social demands and trends against the background of energy and environmental problems, fuel cells that can operate at room temperature and obtain high output density have attracted attention as power sources for electric vehicles and stationary power sources. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of an electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is expected as a power source for electric vehicles because it operates at a relatively low temperature. The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a plurality of single cells that exhibit a power generation function are stacked. This single cell includes a polymer-electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly (MEA) having a pair of catalyst layers and a pair of gas diffusion layers (GDL) that are sequentially formed on both surfaces of the membrane. And MEA which each single cell has is electrically connected with MEA of an adjacent single cell through a separator. Thus, a fuel cell stack is comprised by laminating | stacking a single cell. The fuel cell stack functions as power generation means that can be used for various applications.

上記構成のうち、ガス拡散層としては、ガス拡散層基材及び微多孔質層からなるものが知られている。ここで、微多孔質層は、ガス拡散層と触媒層との間の電気抵抗を下げると共にガスの流れを良くするための中間層として機能し、ガス拡散層の触媒層側に配置される。上記微多孔質層は、ガス拡散層基材と共に、ガス拡散層全体と同様に、ガス透過性、排水性に優れていることが要求される。   Among the above-mentioned configurations, as the gas diffusion layer, a gas diffusion layer substrate and a microporous layer are known. Here, the microporous layer functions as an intermediate layer for reducing the electrical resistance between the gas diffusion layer and the catalyst layer and improving the gas flow, and is disposed on the catalyst layer side of the gas diffusion layer. The microporous layer is required to be excellent in gas permeability and drainage, together with the gas diffusion layer base material, as in the whole gas diffusion layer.

上記要求を満たすために、例えば、特許文献1では、微多孔質層が形成されたガス拡散層の製造方法として、以下のような製造方法が開示されている。まず、粉末状導電物質と、撥水剤とを、水に分散させた塗料組成物を多孔質基材に塗布して内部に含浸させる。この後、粉末状導電物質と、薄片状導電物質と、撥水剤とを、水に分散させた塗料組成物を、ガス拡散層基材に塗布して、多孔質基材表面に微多孔質層を形成させる。上記特許文献1に記載のガス拡散層は、薄片状導電物質の配合比率やサイズによって撥水性や排水性を調整できる。   In order to satisfy the above requirements, for example, Patent Document 1 discloses the following manufacturing method as a manufacturing method of a gas diffusion layer in which a microporous layer is formed. First, a coating composition in which a powdered conductive material and a water repellent are dispersed in water is applied to a porous substrate and impregnated inside. Thereafter, a coating composition in which a powdered conductive material, a flaky conductive material, and a water repellent are dispersed in water is applied to the gas diffusion layer substrate, and the surface of the porous substrate is microporous. A layer is formed. The gas diffusion layer described in Patent Document 1 can adjust water repellency and drainage according to the blending ratio and size of the flaky conductive material.

特開2008−59917号公報JP 2008-59917 A

しかしながら、上記特許文献1に記載のガス拡散層の製造には、撥水剤としてPTFE等のフッ素樹脂が使用されている(特許文献1の段落「0026」)。このため、フッ素樹脂を溶融させるために通常300℃を超える高温での焼成工程を必要とする(例えば、特許文献1の段落「0042」、「0045」)。このため、ガス拡散層を製造するにあたって、エネルギーコストがかかる。   However, in the production of the gas diffusion layer described in Patent Document 1, a fluororesin such as PTFE is used as a water repellent (paragraph “0026” in Patent Document 1). For this reason, in order to melt a fluororesin, the baking process at the high temperature normally exceeding 300 degreeC is required (for example, Paragraph "0042" of patent document 1, "0045"). For this reason, when manufacturing a gas diffusion layer, energy cost starts.

したがって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、より安価に製造できるガス拡散層の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a gas diffusion layer that can be manufactured at a lower cost.

本発明の他の目的は、簡便に(少ない工程数で)製造できるガス拡散層の製造方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a method for producing a gas diffusion layer that can be produced simply (with a small number of steps).

本発明者らは、上記課題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、非フッ素系エラストマー樹脂及び導電性物質を含む混合液を多孔質基材に塗布することによって、焼成工程を必要とせずに安価に微多孔質層を基材に形成できることを知得し、本発明を完成した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied. As a result, it was found that a microporous layer can be formed on a substrate at low cost without the need for a firing step by applying a mixed liquid containing a non-fluorinated elastomer resin and a conductive material to the porous substrate. The present invention has been completed.

本発明によれば、非フッ素系エラストマー樹脂及び導電性物質を含む混合液を多孔質基材に塗布・乾燥することより、多孔層を多孔質基材上に形成できるため、製造工程で高温焼成を必要としない。このため、ガス拡散層を安価に製造できる。   According to the present invention, a porous layer can be formed on a porous substrate by applying and drying a liquid mixture containing a non-fluorine-based elastomer resin and a conductive material on the porous substrate. Do not need. For this reason, a gas diffusion layer can be manufactured cheaply.

本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of the polymer electrolyte fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. ガス拡散層(4a、4c)の一実施形態を示す拡大断面模式図である。It is an expanded section schematic diagram showing one embodiment of a gas diffusion layer (4a, 4c). 図3Aは、実施例1で作製したガス拡散層(1)の断面写真であり、図3Bは、実施例1で作製したガス拡散層(1)の表面写真である。3A is a cross-sectional photograph of the gas diffusion layer (1) produced in Example 1, and FIG. 3B is a surface photograph of the gas diffusion layer (1) produced in Example 1. FIG. 図4は、実施例2で作製したガス拡散層(2)の表面写真である。FIG. 4 is a surface photograph of the gas diffusion layer (2) produced in Example 2. 実施例1,2および比較例1で作製したガス拡散層のガス拡散能を示す図である。It is a figure which shows the gas-diffusion ability of the gas diffusion layer produced in Examples 1, 2 and Comparative Example 1. 実施例1,2および比較例1で作製したガス拡散層の電気抵抗を示す図である。It is a figure which shows the electrical resistance of the gas diffusion layer produced in Example 1, 2 and the comparative example 1. FIG.

本発明の非焼成ガス拡散層の製造方法は、下記工程:
(1)非フッ素系エラストマー樹脂、導電性物質および溶剤を混合して混合液を調製する(工程(1));および
(2)前記混合液を多孔質基材に塗布した後、乾燥して、前記非フッ素系エラストマー樹脂および導電性物質を含む多孔層を前記多孔質基材に形成する(工程(2))
ことを有する。本発明の方法によると、ガス拡散層を、焼成工程を必要とせずに安価におよび/または少ない工程数で簡便に製造できる。また、本発明の方法によって製造されるガス拡散層は、燃料電池の部材として用いられ、好適には触媒層とセパレータとの間に配置されて、高いガス透過性および/または排水性を有する。なお、本明細書において、「非焼成」とは、製造時時に焼成工程(高温焼成工程)を経ないことを意図する。ここで、「高温焼成工程」または「焼成工程」とは、250℃以上の熱処理工程を意味する。
The method for producing the non-fired gas diffusion layer of the present invention includes the following steps:
(1) A non-fluorinated elastomer resin, a conductive material and a solvent are mixed to prepare a mixed solution (step (1)); and (2) the mixed solution is applied to a porous substrate and then dried. And forming a porous layer containing the non-fluorinated elastomer resin and a conductive material on the porous substrate (step (2)).
Have that. According to the method of the present invention, the gas diffusion layer can be easily produced at a low cost and / or with a small number of steps without requiring a firing step. In addition, the gas diffusion layer produced by the method of the present invention is used as a member of a fuel cell, and is preferably disposed between the catalyst layer and the separator and has high gas permeability and / or drainage. In the present specification, “non-firing” means that a firing step (high-temperature firing step) is not performed during production. Here, the “high temperature firing step” or “baking step” means a heat treatment step at 250 ° C. or higher.

本明細書において、非焼成ガス拡散層を、単に「本発明のガス拡散層」とも称する。また、本明細書では、「非フッ素系エラストマー樹脂」を、単に「エラストマー樹脂」とも称する。本発明に係る「多孔層」は、「ガス拡散多孔層」、「微多孔層」、「微多孔質層」、「マイクロポーラス層」または「MPL層」とも呼ばれる。また、本発明に係る「多孔質基材」は、「ガス拡散基材」または「ガス拡散層基材」とも呼ばれる。   In the present specification, the non-fired gas diffusion layer is also simply referred to as “the gas diffusion layer of the present invention”. In the present specification, the “non-fluorinated elastomer resin” is also simply referred to as “elastomer resin”. The “porous layer” according to the present invention is also referred to as “gas diffusion porous layer”, “microporous layer”, “microporous layer”, “microporous layer”, or “MPL layer”. The “porous substrate” according to the present invention is also referred to as “gas diffusion substrate” or “gas diffusion layer substrate”.

特許文献1のように、粉末状導電物質及び撥水剤を含む塗料組成物を多孔質基材に塗布・含浸させた後、粉末状導電物質、薄片状導電物質及び撥水剤を含む塗料組成物をさらに塗布して、多孔質基材表面に微多孔質層を形成する方法が知られている。しかしながら、上記方法は、塗布工程を2段階で行う必要があり、工程数が多く、大量生産の観点からは望ましくない。また、撥水剤として使用されるPTFEなどのフッ素樹脂は高価であり、燃料電池のコスト上昇の要因となっていた。加えて、フッ素樹脂を含む塗料組成物は塗布後、高温で焼成する必要がある(例えば、特許文献1の段落「0042」、「0045」参照)。このため、上記方法は、時間、エネルギーコストの観点からも、大量生産するには問題があった。また、焼成温度に耐えうる基材(例えば、ポリイミドフィルム)を使用する必要があるなどの点でもデメリットがあった。   As in Patent Document 1, after coating and impregnating a porous substrate with a coating composition containing a powdered conductive material and a water repellent, the coating composition containing the powdered conductive material, the flaky conductive material and the water repellent A method is known in which a product is further applied to form a microporous layer on the surface of a porous substrate. However, the above method requires the coating process to be carried out in two stages, has a large number of processes, and is not desirable from the viewpoint of mass production. In addition, a fluororesin such as PTFE used as a water repellent is expensive and has been a factor in increasing the cost of the fuel cell. In addition, a coating composition containing a fluororesin must be baked at a high temperature after application (see, for example, paragraphs “0042” and “0045” of Patent Document 1). For this reason, the above method has a problem in mass production from the viewpoint of time and energy cost. Further, there is a demerit in that it is necessary to use a substrate (for example, a polyimide film) that can withstand the firing temperature.

そこで、本発明者らは、PTFEなどのフッ素系樹脂を用いない系で、焼成工程を必要とせずにガス拡散層を製造できる方法について鋭意検討を行った。その結果、非フッ素系エラストマー樹脂と導電性物質との混合液を多孔質基材に塗布・乾燥して、多孔層を多孔質基材に形成すると、多孔質層を高温での焼成工程を経ずに多孔質基材上に形成できることを知得した。焼成工程が不要であるため、多孔質基材(カーボンペーパー等)が焼成工程により酸化して電気抵抗が上昇することを抑制・防止できると共に、多孔質基材の劣化もまた抑制・防止できる。このため、本発明の方法によって製造されるガス拡散層は、高い導電性を発揮・維持できる(耐久性に優れる)。また、本発明の方法によると、焼成工程を必要としない上、非フッ素系エラストマー樹脂と導電性物質との混合液を直接多孔質基材に塗布・乾燥して、多孔層を多孔質基材に形成するため、高温焼成に耐えうる耐熱性の基材を用いる必要もない。このため、微多孔質層を生産する際のコストを低減することができ、さらに生産時のエネルギーコストを低減することもでき、量産に適する。   Therefore, the present inventors diligently studied a method that can produce a gas diffusion layer without using a baking step in a system that does not use a fluororesin such as PTFE. As a result, when a mixture of non-fluorinated elastomer resin and conductive material is applied to a porous substrate and dried to form a porous layer on the porous substrate, the porous layer is subjected to a high-temperature baking step. It has been found that the film can be formed on a porous substrate without using it. Since the firing step is unnecessary, it is possible to suppress / prevent the oxidation of the porous base material (carbon paper or the like) due to the firing step and increase the electrical resistance, and it is also possible to suppress / prevent deterioration of the porous base material. For this reason, the gas diffusion layer produced by the method of the present invention can exhibit and maintain high conductivity (excellent in durability). In addition, according to the method of the present invention, a baking step is not required, and a mixed liquid of a non-fluorinated elastomer resin and a conductive substance is directly applied to a porous substrate and dried to form a porous layer. Therefore, it is not necessary to use a heat-resistant base material that can withstand high-temperature firing. For this reason, the cost at the time of producing a microporous layer can be reduced, and also the energy cost at the time of production can be reduced, which is suitable for mass production.

さらに、特許文献1のように、撥水剤としてフッ素樹脂を使用する場合には、当該フッ素樹脂の分散を目的として界面活性剤を使用する必要がある。界面活性剤が水溶性である場合には、固体高分子形燃料電池のカソード側で生成した水によりガス拡散層中の界面活性剤が触媒層に溶出して性能の低下を引き起こす。また、配管の腐食の原因ともなる。また、界面活性剤がイオン性である場合には、固体高分子形燃料電池の触媒層に含まれる高分子電解質(アイオノマー)のイオンを消費して導電性を低下させる。これに対して、非フッ素系エラストマー樹脂を用いて多孔層を形成する場合には、上記したような界面活性剤等の分散剤を使用せずとも、非フッ素系エラストマー樹脂を溶液の形態で多孔質基材に塗布できる。このため、上記したような界面活性剤等の分散剤の存在による問題がほとんどあるいはまったく生じない。   Further, when a fluororesin is used as a water repellent as in Patent Document 1, it is necessary to use a surfactant for the purpose of dispersing the fluororesin. When the surfactant is water-soluble, the surfactant in the gas diffusion layer is eluted into the catalyst layer by water generated on the cathode side of the polymer electrolyte fuel cell, causing a decrease in performance. It also causes piping corrosion. Further, when the surfactant is ionic, the polymer electrolyte (ionomer) ions contained in the catalyst layer of the solid polymer fuel cell are consumed to lower the conductivity. On the other hand, when forming a porous layer using a non-fluorine-based elastomer resin, the non-fluorine-based elastomer resin is porous in the form of a solution without using a dispersant such as a surfactant as described above. It can be applied to a porous substrate. For this reason, the problem by presence of dispersing agents, such as above-mentioned surfactant, hardly arises at all.

加えて、PTFEの分散液を微多孔質層の形成に用いる場合には、沈降して濃度のばらつきが生じるため、使用前に攪拌しないとならないが、強く攪拌すると固化してしまうため、時間をかけて緩やかに攪拌する必要があった。このため、生産効率の点で難があった。これに対して、非フッ素系エラストマー樹脂を用いて多孔層を形成する場合には、1回の塗布工程で多孔質基材に多孔層を形成できる(ガス拡散層を製造できる)ため、生産性が向上すると共に、工程数が少ないため、簡便に製造できる。このため、本発明の方法は大量生産の点からも非常に好ましい。   In addition, when the dispersion of PTFE is used to form a microporous layer, it will settle and the concentration will vary, so it must be stirred before use, but it will solidify if stirred strongly, so it will take time. It was necessary to stir gently. For this reason, there was a difficulty in terms of production efficiency. On the other hand, when a porous layer is formed using a non-fluorine-based elastomer resin, the porous layer can be formed on the porous substrate in one application step (gas diffusion layer can be manufactured). Since the number of steps is small, it can be easily produced. For this reason, the method of this invention is very preferable also from the point of mass production.

したがって、本発明の方法によって製造されるガス拡散層は、焼成工程を経ずに安価に、少ない工程数で簡便に製造できる。   Therefore, the gas diffusion layer manufactured by the method of the present invention can be easily manufactured at a low cost and with a small number of steps without going through the firing step.

上記に加えて、本発明の方法によって得られるガス拡散層は、ガス透過性および排水性に優れる。本発明のガス拡散層がかようなガス透過性および排水性を有している詳細なメカニズムは不明であるが、以下のように推測される。なお、本発明は下記メカニズムに何ら拘束されるものではない。PTFEなどのフッ素樹脂を多孔層(微多孔質層)に用いた場合、撥水性能は高いため、撥水速度は速い。一方、ガス拡散層製造時に多孔質基材に塗布されたPTFE及び導電物質を含む塗膜を焼成するが、この際、フッ素樹脂の一部が溶けて、導電性物質表面を被覆してバインダとして機能する。しかしながら、焼成工程で溶融しなかった未溶融PTFEは、物質輸送に何ら関与しないばかりか、体積当たりのカーボン量を低下させて、または未溶融PTFEがガス拡散層が目詰まりの原因になって、ガス透過性を低下させる。   In addition to the above, the gas diffusion layer obtained by the method of the present invention is excellent in gas permeability and drainage. The detailed mechanism by which the gas diffusion layer of the present invention has such gas permeability and drainage is unknown, but is presumed as follows. In addition, this invention is not restrained by the following mechanism at all. When a fluororesin such as PTFE is used for the porous layer (microporous layer), the water repellency is high and the water repellency is high. On the other hand, the coating film containing PTFE and the conductive material applied to the porous base material at the time of manufacturing the gas diffusion layer is baked. At this time, a part of the fluororesin is melted to cover the surface of the conductive material and serve as a binder. Function. However, unmelted PTFE that has not been melted in the firing step does not participate in mass transport at all, reduces the amount of carbon per volume, or unmelted PTFE causes clogging of the gas diffusion layer, Reduce gas permeability.

これに対して、本発明によると、非フッ素系エラストマー樹脂の樹脂溶液が多孔質基材に浸透する。この非フッ素系エラストマー樹脂溶液の多孔質基材への浸透によって、多孔質基材表面および空孔表面に薄い非フッ素系エラストマー樹脂被膜が形成する。エラストマー樹脂は撥水性を示すため、本発明のガス拡散層は、優れた排水性を示す。また、エラストマー樹脂の撥水性により、多孔質基材の撥水処理が不要である。また、多孔質基材の空孔表面には薄い樹脂被膜が形成され、空孔内に目詰まりの原因となる樹脂粒子は存在しない。このため、多孔質基材の多孔性は実質的にそのまま維持され、多孔質基材は高いガス拡散性、ガス透過性を維持できる。さらに、非フッ素系エラストマー樹脂を溶液の形態で導電性物質と混合することによって、導電性物質表面に非フッ素系エラストマー樹脂被膜を形成する。このため、非フッ素系エラストマー樹脂が粒子形態で多孔層内に存在することがほとんどまたは全くない。このため、本発明に係る多孔層は、導電性物質間の空隙を最大限に利用できるため、優れたガス拡散性、ガス透過性を示す。また、非フッ素系エラストマー樹脂によるゴム弾性によって、近隣の導電性物質は多孔層内で僅かに引き寄せられ、電気抵抗を一層低減できる。ただし、この場合であっても、エラストマー樹脂被膜は薄いため、全体を大きく縮めるほどの応力は発生しない。このため、本発明のガス拡散層は十分な導電性を確保できる。ゆえに、ガス拡散層を用いる燃料電池は、発電性能に優れる。   On the other hand, according to the present invention, the resin solution of the non-fluorinated elastomer resin penetrates into the porous substrate. By penetration of the non-fluorinated elastomer resin solution into the porous substrate, a thin non-fluorinated elastomer resin film is formed on the porous substrate surface and the pore surface. Since the elastomer resin exhibits water repellency, the gas diffusion layer of the present invention exhibits excellent drainage. Further, due to the water repellency of the elastomer resin, the water repellent treatment of the porous substrate is not necessary. Further, a thin resin film is formed on the pore surface of the porous substrate, and there are no resin particles that cause clogging in the pores. For this reason, the porosity of the porous substrate is substantially maintained as it is, and the porous substrate can maintain high gas diffusibility and gas permeability. Furthermore, a non-fluorinated elastomer resin film is formed on the surface of the conductive material by mixing the non-fluorinated elastomer resin with the conductive material in the form of a solution. For this reason, there is little or no non-fluorinated elastomer resin in the porous layer in the form of particles. For this reason, the porous layer according to the present invention can utilize the gaps between the conductive substances to the maximum, and thus exhibits excellent gas diffusibility and gas permeability. Further, due to the rubber elasticity of the non-fluorine-based elastomer resin, nearby conductive substances are slightly attracted within the porous layer, and the electrical resistance can be further reduced. However, even in this case, since the elastomer resin film is thin, no stress is generated to the extent that the whole is greatly contracted. For this reason, the gas diffusion layer of this invention can ensure sufficient electroconductivity. Therefore, the fuel cell using the gas diffusion layer is excellent in power generation performance.

したがって、本発明の方法によって製造されるガス拡散層は、高いガス拡散性、ガス透過性、排水性及び導電性を発揮・維持できる。   Therefore, the gas diffusion layer produced by the method of the present invention can exhibit and maintain high gas diffusivity, gas permeability, drainage, and conductivity.

以下、本発明のガス拡散層の製造方法の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態のみには制限されない。また、本明細書において、範囲を示す「X〜Y」は「X以上Y以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20〜25℃)/相対湿度40〜50%の条件で測定する。   Hereinafter, embodiments of the method for producing a gas diffusion layer of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited only to the following embodiments. In this specification, “X to Y” indicating a range means “X or more and Y or less”. Unless otherwise specified, measurement of operation and physical properties is performed under conditions of room temperature (20 to 25 ° C.) / Relative humidity 40 to 50%.

[工程(1)]
本工程では、非フッ素系エラストマー樹脂、導電性物質および油溶性溶剤を混合して混合液(分散液、インク組成物)を調製する。
[Step (1)]
In this step, a non-fluorinated elastomer resin, a conductive substance, and an oil-soluble solvent are mixed to prepare a mixed liquid (dispersion liquid, ink composition).

ここで、非フッ素系エラストマー樹脂は、特に制限されないが、撥水性および/または油溶性を有することが好ましく、撥水性及び油溶性双方を有することが好ましい。エラストマー樹脂が撥水性を有することによって、多孔層はさらに優れた排水性を発揮できる。また、エラストマー樹脂が油溶性を有することによって、エラストマー樹脂溶液を用いて導電性物質表面にエラストマー樹脂被膜をより容易に形成できる。このため、多孔層におけるエラストマー樹脂粒子の存在を有意に低減できるため、多孔層はさらに優れたガス透過性を発揮できる。   Here, the non-fluorinated elastomer resin is not particularly limited, but preferably has water repellency and / or oil solubility, and preferably has both water repellency and oil solubility. When the elastomer resin has water repellency, the porous layer can exhibit further excellent drainage. Further, since the elastomer resin has oil solubility, the elastomer resin film can be more easily formed on the surface of the conductive material using the elastomer resin solution. For this reason, since the presence of the elastomer resin particles in the porous layer can be significantly reduced, the porous layer can exhibit further excellent gas permeability.

ここで、本明細書において、「撥水性」は、樹脂を平滑な被膜として形成したものに対し、水滴を滴下した際に形成される表面接触角(本明細書では、単に「表面接触角」とも称する)が90°以上であることを意味する。好ましくは、エラストマー樹脂の表面接触角は、好ましくは95°以上、より好ましくは100°以上である。なお、エラストマー樹脂の表面接触角の上限は、特に制限されないが、好ましくは150°以下であり、より好ましくは140°以下である。本明細書において、「表面接触角」または「水に対する表面接触角」は、エラストマー樹脂を平滑な皮膜として形成したものに対し、水滴を滴下した際に形成される表面接触角であり、以下の方法によって測定される値である。   Here, in this specification, “water repellency” means a surface contact angle formed when a water droplet is dropped on a resin formed as a smooth film (in this specification, simply “surface contact angle”). Also referred to as 90 ° or more. Preferably, the surface contact angle of the elastomer resin is preferably 95 ° or more, more preferably 100 ° or more. The upper limit of the surface contact angle of the elastomer resin is not particularly limited, but is preferably 150 ° or less, and more preferably 140 ° or less. In the present specification, the “surface contact angle” or “surface contact angle with respect to water” is a surface contact angle formed when a water droplet is dropped with respect to an elastomer resin formed as a smooth film. The value measured by the method.

(水に対する表面接触角(表面接触角)の測定方法)
多孔層を両面テープでガラス板に固定する(サンプル)。このサンプルに純水を3μl滴下し、楕円フィッティング法を用い純水の滴下から20秒後における接触角を、接触角測定装置(Auto Dispenser AD-31、DropMaster700、協和界面化学社製)を用いて測定する。
(Measurement method of water surface contact angle (surface contact angle))
A porous layer is fixed to a glass plate with a double-sided tape (sample). 3 μl of pure water was dropped onto this sample, and the contact angle 20 seconds after the addition of pure water using an ellipse fitting method was measured using a contact angle measuring device (Auto Dispenser AD-31, DropMaster700, manufactured by Kyowa Interface Chemical Co., Ltd.). taking measurement.

また、明細書において、「エラストマー樹脂が油溶性を有する」とは、エラストマー樹脂が有機溶剤に対して5重量%以上の溶解性を示すことを意味する。ここで、有機溶剤は、ヘキサン、ヘプタン、トルエン、キシレン及び石油ベンジン等の石油系溶剤、アセトン、メチルエチルケトン及びシクロヘキサノン等のケトン系溶剤、ならびにメチルセロソルブ、ジメチルセロソルブ、テトラヒドロフラン及びジオキサン等のエーテル系溶剤が挙げられる。本発明ではエラストマー樹脂は、25℃または30℃で、上記有機溶剤、特にトルエン、THFおよびヘキサンの少なくとも一(好ましくは2種の溶剤、より好ましくは3種全ての溶剤)に対して、5重量%以上の溶解性を示すことが好ましく、10重量%以上の溶解性を示すことがより好ましい。なお、エラストマー樹脂の有機溶剤に対する溶解性の上限は、エラストマー樹脂を含むインク組成物が作製できる範囲であれば特に制限されず、適宜選択できる。   In the specification, “the elastomer resin has oil solubility” means that the elastomer resin has a solubility of 5% by weight or more with respect to the organic solvent. Here, the organic solvent includes petroleum solvents such as hexane, heptane, toluene, xylene and petroleum benzine, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone and cyclohexanone, and ether solvents such as methyl cellosolve, dimethyl cellosolve, tetrahydrofuran and dioxane. Can be mentioned. In the present invention, the elastomer resin is 5 wt.% At 25 ° C. or 30 ° C. with respect to at least one of the above organic solvents, particularly toluene, THF and hexane (preferably two solvents, more preferably all three solvents). % Or more is preferable, and it is more preferable that the solubility is 10% by weight or more. The upper limit of the solubility of the elastomer resin in the organic solvent is not particularly limited as long as the ink composition containing the elastomer resin can be produced, and can be appropriately selected.

すなわち、エラストマー樹脂は、水に対する表面接触角が100°以上であるおよび/または有機溶剤に対する溶解性が5重量%以上であることが好ましく、水に対する表面接触角が100°以上でありかつ有機溶剤に対する溶解性が5重量%以上であることがより好ましい。   That is, the elastomer resin preferably has a surface contact angle with water of 100 ° or more and / or a solubility with respect to an organic solvent of 5% by weight or more, a surface contact angle with water of 100 ° or more, and an organic solvent. More preferably, the solubility in is 5% by weight or more.

本発明に使用されるエラストマー樹脂は、ゴム弾性を有するものであれば特に制限されないが、上記したような撥水性および/または油溶性を示すことが好ましい。このようなエラストマー樹脂としては、水素添加石油樹脂、ポリスチレンとポリオレフィンとのブロック共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体(SBR樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体(NBR樹脂)およびアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂)などが挙げられる。上記エラストマー樹脂は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   The elastomer resin used in the present invention is not particularly limited as long as it has rubber elasticity, but preferably exhibits the above water repellency and / or oil solubility. Examples of such elastomer resins include hydrogenated petroleum resins, block copolymers of polystyrene and polyolefin, styrene-butadiene copolymers (SBR resins), acrylonitrile-butadiene copolymers (NBR resins), and acrylonitrile-butadiene-styrenes. A copolymer (ABS resin) etc. are mentioned. The elastomer resin may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

ここで、水素添加石油樹脂としては、特に制限されないが、化学劣化の抑制・防止性、耐候性、耐スチーム性などの観点から、スチレン系構造単位(例えば、スチレン、メチルスチレン)を有することが好ましい。また、スチレン系構造単位を有する水素添加石油樹脂は、有機溶剤溶解性(油溶性)及び適度な弾性率(ゴム弾性)を有する点からも好ましい。特に、スチレン系構造単位の一部を還元処理(水素添加)して、ポリオレフィン化することによって、高い撥水性とゴム弾性を付与できる。このような水素添加石油樹脂としては、特開平6−322020号公報、特開2004−189764号公報等の公知の樹脂が使用できる。水素添加石油樹脂は、市販品を使用してもよい。具体的には、アイマーブ(登録商標)Sグレード(S−100、S−110)(部分水素添加タイプ)、アイマーブ(登録商標)Pグレード(P−100、P−125、P−140)(完全水素添加タイプ)(C5留分を主原料とする、DCPD(ジシクロペンタジエン)/芳香族共重合系の水添石油樹脂)(いずれも出光興産(株)製);液状ゴム クラプレン(登録商標)LIR(水素添加型)(200(水添率=約100%)、230(水添率=約100%)、290(水添率=約90%)(いずれも(株)クラレ製)などが挙げられる。   Here, the hydrogenated petroleum resin is not particularly limited, but may have a styrenic structural unit (for example, styrene or methylstyrene) from the viewpoints of suppression / prevention of chemical deterioration, weather resistance, steam resistance, and the like. preferable. Moreover, the hydrogenated petroleum resin which has a styrene-type structural unit is preferable also from the point which has organic-solvent solubility (oil solubility) and moderate elastic modulus (rubber elasticity). In particular, high water repellency and rubber elasticity can be imparted by subjecting a part of the styrene-based structural unit to reduction treatment (hydrogenation) to obtain a polyolefin. As such a hydrogenated petroleum resin, known resins such as JP-A-6-322020 and JP-A-2004-189964 can be used. A commercially available product may be used as the hydrogenated petroleum resin. Specifically, I'mabe (registered trademark) S grade (S-100, S-110) (partially hydrogenated type), Imabe (registered trademark) P grade (P-100, P-125, P-140) (completely) Hydrogenated type) (DCPD (dicyclopentadiene) / aromatic copolymer-based hydrogenated petroleum resin made mainly from C5 fraction) (all manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.); Liquid rubber Claprene (registered trademark) LIR (hydrogenation type) (200 (hydrogenation rate = about 100%), 230 (hydrogenation rate = about 100%), 290 (hydrogenation rate = about 90%) (all manufactured by Kuraray Co., Ltd.) Can be mentioned.

ポリスチレンとポリオレフィンとのブロック共重合体は、ポリオレフィンを有することによって、適度なゴム弾性を付与できる。ポリスチレンとポリオレフィンとのブロック共重合体は、特に制限されないが、ポリスチレンと、エチレン、プロピレン、ブチレン、メチルペンテン等の少なくとも一種のオレフィンポリマーとのブロック共重合体などが挙げられる。ポリスチレンとポリオレフィンとのブロック共重合体は、結晶性及び有機溶剤溶解性(油溶性)を有するスチレン構造単位と非結晶性及び有機溶剤不溶性を有する非結晶性ポリオレフィン構造単位とを併せもち、100℃以下でゴム弾性を発揮できる。ポリスチレンとポリオレフィンとのブロック共重合体は、市販品を使用してもよい。具体的には、熱可塑性エラストマー セプトン(SEPTON)(登録商標)SEPシリーズ(SEP1001、SEP1020)(ポリスチレン−ポリ(エチレン/プロピレン)ブロック:PS(−CH−CH(CH)−CH−CH−)(PSは、ポリスチレンを示し、mは、(エチレン/プロピレン)ブロックの数を示す)、セプトン(登録商標)SEPSシリーズ(SEPS2002、SEPS2004、SEPS2005、SEPS2006、SEPS2007、SEPS2104、SEPS2063)(ポリスチレン−ポリ(エチレン/プロピレン)ブロック−ポリスチレン:PS(−CH−CH(CH)−CH−CH−)PS(PSは、ポリスチレンを示し、mは、(エチレン/プロピレン)ブロックの数を示す)、セプトン(登録商標)SEBSシリーズ(SEBS8004、SEBS8004、SEBS8006、SEBS8007、SEBS8076、SEBS8104)(ポリスチレン−ポリ(エチレン/ブチレン)ブロック−ポリスチレン:PS[(−CH−CH−CH−CH−)−(CH−CH(CHCH)−)]PS(PSは、ポリスチレンを示し、mは、(エチレン)ブロックの数を示し、nは、(ブチレン)ブロックの数を示す)、セプトン(登録商標)SEEPSシリーズ(SEEPS4033、SEEPS4044、SEEPS4055、SEEPS4077、SEEPS4099)(ポリスチレン−ポリ(エチレン−エチレン/プロピレン)ブロック−ポリスチレン:PS(−CH−CH(CH)−CH−CH−)−(CH−CH−)PS(PSは、ポリスチレンを示し、mは、(エチレン/プロピレン)ブロックの数を示し、nは、(エチレン)ブロックの数を示す)(いずれも(株)クラレ製)などが挙げられる。 The block copolymer of polystyrene and polyolefin can give moderate rubber elasticity by having polyolefin. The block copolymer of polystyrene and polyolefin is not particularly limited, and examples thereof include a block copolymer of polystyrene and at least one olefin polymer such as ethylene, propylene, butylene, and methylpentene. The block copolymer of polystyrene and polyolefin has both a styrene structural unit having crystallinity and organic solvent solubility (oil solubility) and an amorphous polyolefin structural unit having non-crystallinity and organic solvent insolubility, and is 100 ° C. The rubber elasticity can be exhibited in the following. A commercial product may be used as the block copolymer of polystyrene and polyolefin. Specifically, the thermoplastic elastomer SEPTON (registered trademark) SEP series (SEP1001, SEP1020) (polystyrene-poly (ethylene / propylene) block: PS (—CH 2 —CH (CH 3 ) —CH 2 —CH) 2- ) m (PS represents polystyrene, m represents the number of (ethylene / propylene) blocks), Septon (registered trademark) SEPS series (SEPS 2002, SEPS 2004, SEPS 2005, SEPS 2006, SEPS 2007, SEPS 2104, SEPS 2063) ( polystyrene - poly (ethylene / propylene) block - a polystyrene: PS (-CH 2 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 2 -) m PS (PS represents polystyrene, m is (ethylene / propylene) Shows the number of locks), Septon (TM) SEBS series (SEBS8004, SEBS8004, SEBS8006, SEBS8007 , SEBS8076, SEBS8104) ( polystyrene - poly (ethylene / butylene) block - a polystyrene: PS [(- CH 2 -CH 2 - CH 2 —CH 2 —) m — (CH 2 —CH (CH 2 CH 3 ) —) n ] PS (PS represents polystyrene, m represents the number of (ethylene) blocks, and n represents (butylene) ) Indicates the number of blocks), Septon® SEEPS series (SEEPS 4033, SEEPS 4044, SEEPS 4055, SEEPS 4077, SEEPS 4099) (polystyrene-poly (ethylene-ethylene / propylene) block-polystyrene: PS -CH 2 -CH (CH 3) -CH 2 -CH 2 -) m - (CH 2 -CH 2 -) n PS (PS represents polystyrene, m is (ethylene / propylene) indicates the number of blocks , N represents the number of (ethylene) blocks) (all manufactured by Kuraray Co., Ltd.).

同様にして、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体及びアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体もまた、市販品を使用してもよい。スチレン−ブタジエン共重合体の市販品としては、以下に制限されないが、スチレン・ブタジエンゴム(SBR樹脂)(Performix社製、Plasti Dip:成分は、石油ナフサ 35重量%、ヘキサン18重量%、トルエン15重量%、MEK 5重量%、SBR(樹脂)26重量%)、タフデン(登録商標)シリーズ(旭化成(株)製)、アサプレン(登録商標)シリーズ(例えば、アサプレン(登録商標)610A、625A、670A)(旭化成(株)製)などが挙げられる。アクリロニトリル・ブタジエン共重合体の市販品としては、以下に制限されないが、アクリロニトリル・ブタジエンゴム(NBR樹脂)(コニシ社製、ボンドG103)、セメダイン521(ニトリルゴム系、セメダイン(株)製)などが挙げられる。アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体としては、サンプラテック製ABS、電気化学工業(株)製デンカABSなどが挙げられる。   Similarly, commercially available styrene-butadiene copolymers, acrylonitrile-butadiene copolymers and acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers may also be used. Commercially available styrene-butadiene copolymer is not limited to the following, but styrene-butadiene rubber (SBR resin) (Performix, Plastici Dip: components are petroleum naphtha 35% by weight, hexane 18% by weight, toluene 15 Wt%, MEK 5 wt%, SBR (resin) 26 wt%), Toughden (registered trademark) series (manufactured by Asahi Kasei Corporation), Asaprene (registered trademark) series (for example, Asaprene (registered trademark) 610A, 625A, 670A) ) (Manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.). Commercially available products of acrylonitrile-butadiene copolymer include, but are not limited to, acrylonitrile-butadiene rubber (NBR resin) (manufactured by Konishi, Bond G103), cemedine 521 (nitrile rubber, manufactured by Cemedine Co., Ltd.), and the like. Can be mentioned. Examples of the acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer include ABS manufactured by Sampleratech and Denka ABS manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.

これらのエラストマー樹脂のうち、撥水性、油溶性、導電性物質の被覆性などを考慮すると、エラストマー樹脂が、水素添加石油樹脂、ポリスチレンとポリオレフィンとのブロック共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体およびアクリロニトリル・ブタジエン共重合体からなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましく、水素添加石油樹脂、ポリスチレンとポリオレフィンとのブロック共重合体であることがより好ましい。   Among these elastomer resins, in consideration of water repellency, oil solubility, conductive material coverage, etc., the elastomer resin is a hydrogenated petroleum resin, a block copolymer of polystyrene and polyolefin, a styrene-butadiene copolymer, and It is preferably at least one selected from the group consisting of acrylonitrile-butadiene copolymers, and more preferably a hydrogenated petroleum resin, a block copolymer of polystyrene and polyolefin.

また、導電性物質としては、特に制限されないが、導電性の高さ等の観点から、カーボンが好ましい。カーボンとしては、特に限定されず、カーボンブラック、繊維状黒鉛、棒状黒鉛、針状黒鉛、板状黒鉛、柱状黒鉛、鱗片状黒鉛、紡錘状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛、膨張黒鉛などの従来公知の材料が適宜採用されうる。   The conductive substance is not particularly limited, but carbon is preferable from the viewpoint of high conductivity. The carbon is not particularly limited, and is conventionally known, such as carbon black, fibrous graphite, rod-like graphite, acicular graphite, plate-like graphite, columnar graphite, flake graphite, spindle-like graphite, spherical graphite, and expanded graphite. These materials can be appropriately employed.

これらのうち、導電性物質が、アスペクト比を有する黒鉛を含むことが好ましく、棒状黒鉛、針状黒鉛、板状黒鉛、柱状黒鉛、鱗片状黒鉛および紡錘状黒鉛からなる群より選択される少なくとも一種を含むことがより好ましい。なお、以下では、上記黒鉛を一括して「特定形状黒鉛」とも称する。図2に示されるように、特定形状黒鉛31は、長辺に沿って多孔質基材20表面の空孔32を覆う(塞ぐ)。このため、特定形状31を存在させることによって、他の小さな導電性物質33が存在しても、導電性物質33が空孔32を通って多孔質基材20内部の空孔(図示せず)の目詰まりの原因になることを防ぐことができる。ゆえに、本発明のガス拡散層は、十分な空孔を確保できるため、ガス透過性、ガス拡散性をより向上できる。一方で、特定形状黒鉛32の短辺の長さは短い。このため、このような特定形状黒鉛32を多孔質基材上に塗布しても、多孔層の表面は十分平滑である。このため、多孔層と触媒層とを積層した場合であっても、両者は密接に積層できる。加えて、エラストマー樹脂は溶液形態であるため、樹脂溶液(ゆえに樹脂)が特定形状黒鉛間の空隙を介して多孔質基材表面及び内部の空孔内に容易に侵入する。このため、多孔質基材自体が撥水性を有さない場合であっても、多孔質基材表面および空孔表面に薄い非フッ素系エラストマー樹脂被膜が形成して、多孔質基材はエラストマー樹脂により撥水処理される。加えて、黒鉛はある程度撥水性を有するため、ガス拡散層の撥水性をより向上できる。ゆえに、多孔質基材を予め撥水処理せずとも、本発明のガス拡散層は高い撥水性、排水性を発揮できる。   Among these, the conductive material preferably contains graphite having an aspect ratio, and is at least one selected from the group consisting of rod-like graphite, needle-like graphite, plate-like graphite, columnar graphite, scale-like graphite, and spindle-like graphite. It is more preferable to contain. In the following, the above graphite is also collectively referred to as “specific shape graphite”. As shown in FIG. 2, the specific shape graphite 31 covers (closes) the pores 32 on the surface of the porous substrate 20 along the long side. For this reason, the presence of the specific shape 31 allows the conductive material 33 to pass through the holes 32 and to form holes (not shown) inside the porous substrate 20 even if other small conductive substances 33 are present. Can prevent clogging. Therefore, since the gas diffusion layer of the present invention can secure sufficient pores, the gas permeability and gas diffusibility can be further improved. On the other hand, the length of the short side of the specific shape graphite 32 is short. For this reason, even if such specific shape graphite 32 is applied on the porous substrate, the surface of the porous layer is sufficiently smooth. For this reason, even if it is a case where a porous layer and a catalyst layer are laminated | stacked, both can be laminated | stacked closely. In addition, since the elastomer resin is in the form of a solution, the resin solution (and hence the resin) easily penetrates into the porous substrate surface and the internal pores through the voids between the specific shape graphite. For this reason, even if the porous substrate itself does not have water repellency, a thin non-fluorinated elastomer resin film is formed on the porous substrate surface and the pore surface, and the porous substrate is an elastomer resin. The water repellent treatment. In addition, since graphite has some water repellency, the water repellency of the gas diffusion layer can be further improved. Therefore, the gas diffusion layer of the present invention can exhibit high water repellency and drainage without the water repellent treatment of the porous substrate in advance.

導電性物質として特定形状黒鉛を使用する場合には、特定形状黒鉛の大きさは特に制限されないが、長辺の長さが多孔質基材の空孔径の0.05〜5倍であることが好ましい。すなわち、導電性物質は、長辺の長さが前記多孔質基材の空孔径の0.05〜5倍の導電性物質を含むことが好ましい。より好ましくは、特定形状黒鉛の長辺の長さが多孔質基材の空孔径の0.1〜1倍である。このような大きさであれば、特定形状黒鉛は多孔質基材を構成する繊維や屈曲部に引っ掛かり、空孔を閉塞して目詰まりすることをより有効に抑制・防止できる。また、特定形状黒鉛が長辺に沿って多孔質基材表面の空孔をより有効に覆う(塞ぐ)ため、他の導電性物質を使用した場合であっても、他の導電性物質による空孔の目詰まりをより有効に抑制・防止できる。ゆえに、上記大きさの特定形状黒鉛を使用したガス拡散層は、ガス透過性、ガス拡散性をさらにより有効に向上できる。また、このような大きさであっても、樹脂溶液(ゆえに樹脂)は特定形状黒鉛間の空隙を介して多孔質基材表面及び内部の空孔内に侵入できる。ゆえに、多孔質基材の撥水処理の有無にかかわらず、ガス拡散層は十分撥水性、排水性を発揮できる。   When specific shape graphite is used as the conductive material, the size of the specific shape graphite is not particularly limited, but the length of the long side is 0.05 to 5 times the pore diameter of the porous substrate. preferable. That is, the conductive material preferably includes a conductive material having a long side length of 0.05 to 5 times the pore diameter of the porous substrate. More preferably, the length of the long side of the specific shape graphite is 0.1 to 1 times the pore diameter of the porous substrate. If it is such a magnitude | size, it can suppress / prevent more effectively that specific shape graphite is caught in the fiber and bending part which comprise a porous base material, obstruct | occludes a void | hole. In addition, because the specific shape graphite covers (closes) the pores on the surface of the porous substrate more effectively along the long side, even when other conductive materials are used, voids due to other conductive materials are used. Hole clogging can be more effectively suppressed / prevented. Therefore, the gas diffusion layer using the specific shape graphite of the above size can improve the gas permeability and gas diffusibility more effectively. Moreover, even if it is such a magnitude | size, the resin solution (hence resin) can penetrate | invade in the porous base material surface and an internal void | hole through the space | gap between specific-shaped graphite. Therefore, the gas diffusion layer can exhibit sufficient water repellency and drainage regardless of the presence or absence of the water repellent treatment of the porous substrate.

または、特定形状黒鉛の長辺の長さは、特に制限されないが、好ましくは1〜50μm、より好ましくは10〜25μmである。また、特定形状黒鉛の短辺の長さは、特に制限されないが、好ましくは0.01〜5μm、より好ましくは0.1〜1μmである。さらに、特定形状黒鉛のアスペクト比(=長辺の長さ/短辺の長さ)は、特に制限されないが、好ましくは10〜1000、より好ましくは20〜100である。このような大きさであれば、特定形状黒鉛は多孔質基材を構成する繊維や屈曲部に引っ掛かり、空孔を閉塞して目詰まりすることをより有効に抑制・防止できる。また、特定形状黒鉛が長辺に沿って多孔質基材表面の空孔をより有効に覆う(塞ぐ)ため、他の導電性物質を使用した場合であっても、他の導電性物質による空孔の目詰まりをより有効に抑制・防止できる。ゆえに、上記大きさの特定形状黒鉛を使用したガス拡散層は、ガス透過性、ガス拡散性をさらにより有効に向上できる。また、このような大きさであっても、樹脂溶液(ゆえに樹脂)は特定形状黒鉛間の空隙を介して多孔質基材表面及び内部の空孔内に侵入できる。ゆえに、多孔質基材の撥水処理の有無にかかわらず、ガス拡散層は十分撥水性、排水性を発揮できる。   Or although the length of the long side of specific shape graphite is not restrict | limited in particular, Preferably it is 1-50 micrometers, More preferably, it is 10-25 micrometers. Moreover, the length of the short side of the specific shape graphite is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 5 μm, more preferably 0.1 to 1 μm. Furthermore, the aspect ratio (= long side length / short side length) of the specific shape graphite is not particularly limited, but is preferably 10 to 1000, and more preferably 20 to 100. If it is such a magnitude | size, it can suppress / prevent more effectively that specific shape graphite is caught in the fiber and bending part which comprise a porous base material, obstruct | occludes a void | hole. In addition, because the specific shape graphite covers (closes) the pores on the surface of the porous substrate more effectively along the long side, even when other conductive materials are used, voids due to other conductive materials are used. Hole clogging can be more effectively suppressed / prevented. Therefore, the gas diffusion layer using the specific shape graphite of the above size can improve the gas permeability and gas diffusibility more effectively. Moreover, even if it is such a magnitude | size, the resin solution (hence resin) can penetrate | invade in the porous base material surface and an internal void | hole through the space | gap between specific-shaped graphite. Therefore, the gas diffusion layer can exhibit sufficient water repellency and drainage regardless of the presence or absence of the water repellent treatment of the porous substrate.

ここで、特定形状黒鉛の大きさは、公知の方法によって測定できる。例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、レーザー散乱式粒度分布計などの手段を用い、統計学的に有意な数の視野(例えば、数〜数十視野)中に観察される粒子の粒子径(直径)の平均値として算出されうる。また、「粒径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。本明細書では、導電性物質(特定形状黒鉛および他の導電性物質双方を含む)の大きさは、特に言及のない限り、下記レーザー散乱式粒度分布計によって測定される。   Here, the size of the specific shape graphite can be measured by a known method. For example, using means such as a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), or a laser scattering particle size distribution analyzer, a statistically significant number of fields (for example, several to several tens of fields) It can be calculated as an average value of the particle diameter (diameter) of the observed particles. The “particle diameter” means the maximum distance among the distances between any two points on the particle outline. In the present specification, the size of the conductive material (including both specific-shaped graphite and other conductive materials) is measured by the following laser scattering particle size distribution meter unless otherwise specified.

(特定形状黒鉛の大きさの測定方法)
特定形状黒鉛0.2gを分散助剤(エマルゲン709,花王製)を0.3重量%の濃度で含む純水溶液30mlに投入し、室温(25℃)で1分間450rpmの速度で撹拌を行い、特定形状黒鉛溶液を得た。この特定形状黒鉛溶液について、レーザー回折・散乱式粒子径測定装置(日機装社製、Microtrac MT3000)を用いて、特定形状黒鉛の粒子径を測定する。得られた粒度分布において、ピークを示す値を特定形状黒鉛の長辺の長さ(μm)とする。また、特定形状黒鉛の短辺は、以下の画像イメージング法により測定する。すなわち、前記特定形状黒鉛溶液を、アルミニウム板に塗布し乾燥させて、被膜を形成する。この被膜を走査電子顕微鏡(SEM)にて観察を行い、SEM写真を撮影する。ここで、撮影された特定形状黒鉛のうち、垂直に立っているものを統計上有意な数(少なくとも200個、好ましくは少なくとも300個)選択し、その端部から端部までの距離を測定し、各測定値の平均値を特定形状黒鉛の短辺の長さ(μm)とする。
(Method for measuring the size of specific shape graphite)
0.2 g of specific shape graphite is added to 30 ml of a pure aqueous solution containing a dispersion aid (Emulgen 709, manufactured by Kao Co., Ltd.) at a concentration of 0.3% by weight, and stirred at a speed of 450 rpm for 1 minute at room temperature (25 ° C.) A specific shape graphite solution was obtained. About this specific shape graphite solution, the particle diameter of specific shape graphite is measured using the laser diffraction and scattering type particle diameter measuring apparatus (the Nikkiso Co., Ltd. make, Microtrac MT3000). In the obtained particle size distribution, the value indicating the peak is defined as the length (μm) of the long side of the specific shape graphite. Moreover, the short side of specific shape graphite is measured with the following image imaging methods. That is, the specific shape graphite solution is applied to an aluminum plate and dried to form a film. This film is observed with a scanning electron microscope (SEM), and an SEM photograph is taken. Here, a statistically significant number (at least 200, preferably at least 300) of the specific shape graphite photographed standing vertically is selected, and the distance from the end to the end is measured. The average value of the measured values is defined as the short side length (μm) of the specific shape graphite.

なお、特定形状黒鉛は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   The specific shape graphite may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

上述したように、導電性物質は、特定形状黒鉛を含むことが好ましいが、上記特定形状黒鉛に加えて、他の導電性物質を含むことが好ましい。このような場合の導電性物質としては、特に制限されないが、オイルファーネスブラック、チャネルブラック、ランプブラック、サーマルブラック、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、オイルファーネスブラックを用いることが好ましく、アセチレンブラック、オイルファーネスブラックを用いることがより好ましい。これらの他の導電性物質は、導電助剤として作用するため、導電性をより向上できる。また、これらの他の導電性物質は、電子伝導性にも優れ、水溶性および油溶性の不純物が少ない。   As described above, the conductive material preferably includes specific shape graphite, but preferably includes other conductive material in addition to the specific shape graphite. The conductive material in such a case is not particularly limited, but carbon black such as oil furnace black, channel black, lamp black, thermal black, and acetylene black, and oil furnace black are preferably used, and acetylene black and oil furnace are preferable. It is more preferable to use black. Since these other conductive substances act as a conductive additive, the conductivity can be further improved. In addition, these other conductive substances are excellent in electronic conductivity and have few water-soluble and oil-soluble impurities.

また、他の導電性物質の形状は特に限定されず、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状など任意の構造をとりうる。好ましくは、他の導電性物質は球状である。また、他の導電性物質の大きさもまた特に限定されないが、ガス透過性、導電性のより向上効果などを考慮すると、他の導電性物質が球状である場合には、他の導電性物質の平均粒径(平均一次粒子径)が、2〜250nmであることが好ましく、10〜100nmであることがより好ましい。このような範囲であれば、ガス拡散係数が向上し、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。   The shape of the other conductive material is not particularly limited, and may have any structure such as a spherical shape, a rod shape, a needle shape, a plate shape, a column shape, an indefinite shape, a flake shape, and a spindle shape. Preferably, the other conductive material is spherical. In addition, the size of the other conductive material is not particularly limited, but considering the effect of improving gas permeability and conductivity, when the other conductive material is spherical, The average particle size (average primary particle size) is preferably 2 to 250 nm, and more preferably 10 to 100 nm. Within such a range, the gas diffusion coefficient is improved, high drainage due to capillary force is obtained, and the contact property with the catalyst layer can be improved.

ここで、他の導電性物質の大きさは、公知の方法によって測定できる。例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、レーザー散乱式粒度分布計などの手段を用い、統計学的に有意な数の視野(例えば、数〜数十視野)中に観察される粒子の粒子径(直径)の平均値として算出されうる。また、「粒径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。   Here, the size of the other conductive material can be measured by a known method. For example, using means such as a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), or a laser scattering particle size distribution analyzer, a statistically significant number of fields (for example, several to several tens of fields) It can be calculated as an average value of the particle diameter (diameter) of the observed particles. The “particle diameter” means the maximum distance among the distances between any two points on the particle outline.

また、他の導電性物質は、混合液中では凝集して二次粒子を形成する場合がある。このような場合の二次粒子の平均粒径(平均二次粒径)もまた特に制限されないが、0.5〜25μm程度とするのがよい。これにより、ガス拡散係数が向上し、毛細管力による高い排水性が得られるとともに、触媒層との接触性も向上させることが可能となる。なお、特定形状黒鉛は、混合液中でほとんどまたは全く凝集せず、実質的に単体で存在する。本明細書において、他の導電性物質の平均二次粒径の測定は、公知の方法によって測定できるが、本明細書では、特に言及のない限り、下記方法によって測定される。   In addition, other conductive substances may aggregate in the mixed solution to form secondary particles. The average particle size (average secondary particle size) of the secondary particles in such a case is not particularly limited, but is preferably about 0.5 to 25 μm. As a result, the gas diffusion coefficient is improved, high drainage due to capillary force is obtained, and the contact property with the catalyst layer can be improved. In addition, the specific shape graphite hardly or not aggregates in the mixed solution, and is substantially present alone. In this specification, the average secondary particle size of other conductive materials can be measured by a known method, but in this specification, unless otherwise specified, it is measured by the following method.

(平均二次粒径の測定方法)
導電性物質0.2gを分散助剤(エマルゲン709,花王製)を0.3重量%の濃度で含む純水溶液30mlに投入し、室温(25℃)で1分間450rpmの速度で撹拌を行い、導電性物質溶液を得た。この導電性物質溶液について、レーザー回折・散乱式粒子径測定装置(日機装社製、Microtrac MT3000)を用いて、導電性物質の粒子径(直径)を測定する。得られた粒度分布において、ピークを示す値を導電性物質の平均二次粒径(μm)とする。なお、導電性物質は「真円」相当として概算する。
(Measurement method of average secondary particle size)
Into 30 ml of a pure aqueous solution containing 0.2 g of a conductive substance and a dispersion aid (Emulgen 709, manufactured by Kao) at a concentration of 0.3% by weight, stirring is performed at room temperature (25 ° C.) for 1 minute at a speed of 450 rpm, A conductive substance solution was obtained. About this electroconductive substance solution, the particle diameter (diameter) of an electroconductive substance is measured using the laser diffraction and scattering type particle diameter measuring apparatus (The Nikkiso Co., Ltd. make, Microtrac MT3000). In the obtained particle size distribution, a value indicating a peak is defined as an average secondary particle size (μm) of the conductive material. Note that the conductive material is roughly estimated to be equivalent to a “perfect circle”.

上記導電性物質は、市販品を用いることができ、キャボット社製バルカンXC−72、バルカンP、ブラックパールズ880、ブラックパールズ1100、ブラックパールズ1300、ブラックパールズ2000、リーガル400、ライオン社製ケッチェンブラックEC、三菱化学社製#3150、#3250などのオイルファーネスブラック;電気化学工業社製デンカブラックHS100、AB6などのアセチレンブラック等が挙げられる。また、カーボンブラックのほか、天然の黒鉛、ピッチ、コークス、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂、フラン樹脂などの有機化合物から得られる人工黒鉛や炭素などであってもよい。さらに、日本黒鉛製、黒鉛粉末ACPシリーズ、ACBシリーズ、SPシリーズ、HOPシリーズ;薄片化黒鉛粉末、球状化黒鉛粉末などの黒鉛粉末を使用してもよい。また、耐食性などを向上させるために、前記他の導電性物質に黒鉛化処理などの加工を行ってもよい。他の導電性物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。   Commercially available materials can be used as the conductive material, such as Vulcan XC-72, Vulcan P, Black Pearls 880, Black Pearls 1100, Black Pearls 1300, Black Pearls 2000, Legal 400, Ketjen Black manufactured by Lion. EC, oil furnace black such as # 3150 and # 3250 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; acetylene black such as Denka Black HS100 and AB6 manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. and the like. In addition to carbon black, artificial graphite or carbon obtained from organic compounds such as natural graphite, pitch, coke, polyacrylonitrile, phenol resin, furan resin may be used. Further, graphite powder such as graphite graphite ACP series, ACB series, SP series, HOP series; exfoliated graphite powder, spheroidized graphite powder, etc. may be used. In order to improve the corrosion resistance and the like, the other conductive material may be subjected to processing such as graphitization. Other conductive materials may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

また、導電性物質(特定形状黒鉛および他の導電性物質双方を包含する)のBET比表面積は、混合液中の高い分散性などを考慮すると、1〜300m/gであることが好ましく、5〜100m/gであることがより好ましい。 In addition, the BET specific surface area of the conductive material (including both the specific shape graphite and other conductive materials) is preferably 1 to 300 m 2 / g in view of high dispersibility in the mixed solution, More preferably, it is 5-100 m < 2 > / g.

導電性物質が特定形状黒鉛と他の導電性物質との混合物である場合の、特定形状黒鉛と他の導電性物質との混合比は特に制限されない。特定形状黒鉛と他の導電性物質との混合比(特定形状黒鉛:他の導電性物質の重量比)は、好ましくは1:0.5〜25、より好ましくは1:2〜10である。このような混合比であれば、特定形状黒鉛が十分多孔質基材表面の空孔を塞ぎつつ、ガス透過性、導電性をより向上できる。   When the conductive material is a mixture of specific shape graphite and other conductive material, the mixing ratio of specific shape graphite and other conductive material is not particularly limited. The mixing ratio of specific shape graphite and other conductive material (specific shape graphite: weight ratio of other conductive material) is preferably 1: 0.5 to 25, and more preferably 1: 2 to 10. With such a mixing ratio, the specific shape graphite can sufficiently improve gas permeability and conductivity while sufficiently closing the pores on the surface of the porous substrate.

エラストマー樹脂および導電性物質(特定形状黒鉛および他の導電性物質双方を包含する)の混合比(重量比)は、特に限定されるものではない。ガス拡散層のガス透過性、排水性、撥水性、機械的強度、電気抵抗等を考慮すると、エラストマー樹脂:導電性物質の混合比(重量比)が、1:1〜10であることが好ましく、1:1を超えて4以下であることがより好ましく、1:2前後であることが特に好ましい。このような範囲であれば、電気抵抗を低減でき、ガス拡散層(特に多孔層)の機械的強度を十分確保できる。特にエラストマー樹脂:導電性物質の混合比(重量比)が1:2程度であると、電気抵抗をエラストマー樹脂:導電性物質の混合比(重量比)が1:1の場合に比べ、1/10程度にまで低下させることができる。なお、エラストマー樹脂に対して導電性物質の混合量が少なすぎると、電気抵抗が増大する可能性がある。逆に、エラストマー樹脂に対して導電性物質の混合量が多すぎると、多孔層の機械的強度の強度が低下する可能性がある。なお、上記導電性物質が2種類以上の混合物である場合には、エラストマー樹脂:導電性物質の混合比(重量比)は、エラストマー樹脂とこれらの導電性物質の合計量との混合比(重量比)である。   The mixing ratio (weight ratio) of the elastomer resin and the conductive material (including both the specific shape graphite and other conductive materials) is not particularly limited. Considering the gas permeability, drainage, water repellency, mechanical strength, electrical resistance, etc. of the gas diffusion layer, the elastomer resin: conductive material mixing ratio (weight ratio) is preferably 1: 1-10. More preferably, the ratio is more than 1: 1 and 4 or less, and particularly preferably around 1: 2. If it is such a range, an electrical resistance can be reduced and the mechanical strength of a gas diffusion layer (especially porous layer) can fully be ensured. In particular, when the mixing ratio (weight ratio) of elastomer resin: conductive material is about 1: 2, the electrical resistance is 1 / compared to the case where the mixing ratio (weight ratio) of elastomer resin: conductive material is 1: 1. It can be reduced to about 10. In addition, when there is too little mixing amount of an electroconductive substance with respect to elastomer resin, an electrical resistance may increase. On the contrary, if the amount of the conductive material mixed with the elastomer resin is too large, the mechanical strength of the porous layer may be lowered. When the conductive material is a mixture of two or more kinds, the mixing ratio (weight ratio) of elastomer resin: conductive material is the mixing ratio (weight) of the elastomer resin and the total amount of these conductive materials. Ratio).

また、本工程で混合液を調製するために使用される溶剤は、特に制限されないが、油溶性溶剤(有機溶剤)であることが好ましい。油溶性溶剤は、エラストマー樹脂を溶解するものである限り特に制限されないが、沸点が40〜150℃程度の溶剤が好ましく使用される。沸点が150℃以下の溶剤であれば、比較的低い温度での乾燥により塗膜を形成できるため、コストの点で好ましい。また、沸点が40℃以上の溶剤であれば、エラストマー樹脂、導電性物質及び油溶性溶剤を混合する際の溶剤の蒸発を抑制できるため、塗布しやすい混合物を容易に調製できる。なお、沸点の測定は公知の技術を適用できる他、単体の場合には化学便覧等の文献中に記載の値も参照することができる。このような溶剤としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、トルエン、キシレン及び石油ベンジン等の石油系溶剤、アセトン、メチルエチルケトン及びシクロヘキサノン等のケトン系溶剤、ならびにメチルセロソルブ、ジメチルセロソルブ、テトラヒドロフラン(THF)及びジオキサン等のエーテル系溶剤などが挙げられる。溶剤の添加量は、特に制限されないが、エラストマー樹脂の濃度が1〜50重量%になるような量であることが好ましく、2.5〜25重量%になるような量であることがより好ましい。このような濃度であれば、塗布しやすい混合物を容易に調製できる。   The solvent used for preparing the mixed liquid in this step is not particularly limited, but is preferably an oil-soluble solvent (organic solvent). The oil-soluble solvent is not particularly limited as long as it dissolves the elastomer resin, but a solvent having a boiling point of about 40 to 150 ° C. is preferably used. A solvent having a boiling point of 150 ° C. or lower is preferable in terms of cost because a coating film can be formed by drying at a relatively low temperature. Moreover, if it is a solvent whose boiling point is 40 degreeC or more, since evaporation of the solvent at the time of mixing an elastomer resin, an electroconductive substance, and an oil-soluble solvent can be suppressed, the mixture which is easy to apply | coat can be prepared easily. In addition, a well-known technique can be applied to the measurement of the boiling point, and in the case of a simple substance, values described in documents such as a chemical handbook can also be referred to. Examples of such solvents include petroleum solvents such as hexane, heptane, toluene, xylene and petroleum benzine, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone and cyclohexanone, and methyl cellosolve, dimethyl cellosolve, tetrahydrofuran (THF) and dioxane. And ether solvents. The amount of the solvent added is not particularly limited, but is preferably such an amount that the concentration of the elastomer resin is 1 to 50% by weight, and more preferably 2.5 to 25% by weight. . If it is such a density | concentration, the mixture which is easy to apply | coat can be prepared easily.

本工程において、エラストマー樹脂、導電性物質及び油溶性溶剤の添加順序は、特に制限されず、上記全成分を一括して混合する;上記いずれかの成分を混合した後、残りの成分を添加する;上記いずれかの成分を順次混合する、のいずれでもよい。好ましくは、エラストマー樹脂を溶剤(好ましくは油溶性溶剤)に溶解した後、導電性物質を得られた溶液に添加することが好ましい。これにより、エラストマー樹脂が容易にかつ均一に油溶性溶剤に溶解できる。この際、導電性物質を添加する前に、エラストマー樹脂を溶剤(好ましくは油溶性溶剤)に溶解した溶液を25〜120℃で加熱しながら250〜1000rpmで5〜60分間攪拌することが好ましい。これにより、エラストマー樹脂をより均一に溶剤に溶解できる。   In this step, the order of addition of the elastomer resin, the conductive material and the oil-soluble solvent is not particularly limited, and all the above components are mixed together; after mixing any of the above components, the remaining components are added. Any of the above components may be mixed sequentially. Preferably, it is preferable to dissolve the elastomer resin in a solvent (preferably an oil-soluble solvent) and then add the conductive substance to the obtained solution. Thereby, the elastomer resin can be easily and uniformly dissolved in the oil-soluble solvent. At this time, it is preferable to stir at a temperature of 250 to 1000 rpm for 5 to 60 minutes while heating a solution obtained by dissolving the elastomer resin in a solvent (preferably an oil-soluble solvent) at 25 to 120 ° C. before adding the conductive substance. Thereby, the elastomer resin can be more uniformly dissolved in the solvent.

上記混合液は、その他、界面活性剤などの分散助剤、造孔剤、粘度調整剤などの添加剤を含んでいてもよい。または、混合液には、多孔層中に空孔を作製することを目的として、水溶性物質を添加してもよい。   The mixed liquid may further contain additives such as a dispersion aid such as a surfactant, a pore-forming agent, and a viscosity modifier. Or you may add a water-soluble substance to a liquid mixture for the purpose of producing a void | hole in a porous layer.

水溶性物質は、特に制限されないが、下記(a)〜(e)の少なくとも一を満たすことが好ましい:
(a)充分な水溶性を有する、具体的には、常温(20℃)で水溶性であり、常温(20℃)で100mlの水に3g以上、好ましくは5g以上溶解する;
(b)粉砕処理が可能である(常温で固形であり、粉砕時に微粉末となりうる);
(c)エラストマー樹脂を溶解する油溶性溶剤には溶けない;
(d)触媒被毒能が低いまたはない(触媒被毒の抑制・防止効果の観点から、アミノ基、硫黄原子及びリン原子の少なくとも一を含まない);および
(e)電解質膜劣化の抑制・防止効果の観点から、重金属元素、特に鉄および銅の含有量の低いまたは0である。
The water-soluble substance is not particularly limited, but preferably satisfies at least one of the following (a) to (e):
(A) It has sufficient water solubility, specifically, it is water-soluble at room temperature (20 ° C.) and dissolves in 3 ml or more, preferably 5 g or more in 100 ml of water at room temperature (20 ° C.);
(B) Can be pulverized (solid at room temperature and can become a fine powder when pulverized);
(C) Insoluble in oil-soluble solvent that dissolves elastomer resin;
(D) low or no catalyst poisoning ability (does not contain at least one of an amino group, a sulfur atom and a phosphorus atom from the viewpoint of suppression / prevention of catalyst poisoning); and (e) suppression of electrolyte membrane deterioration From the viewpoint of the prevention effect, the content of heavy metal elements, particularly iron and copper, is low or zero.

上記観点から、蔗糖(砂糖)やグルコース等の糖類、クエン酸、アスコルビン酸、尿素などの有機化合物;塩化ナトリウム、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、塩化カルシウム等のアルカリ金属・アルカリ土類金属の塩類、ホウ酸などの無機化合物などが挙げられる。これらのうち、生産コスト、取り扱いの容易さ、安全性などの観点から、蔗糖、グルコース、塩化ナトリウム、炭酸ナトリウムが好ましく、特に蔗糖、塩化ナトリウム、炭酸ナトリウムがより好ましい。ここで、水溶性物質の形状は特に限定されず、球状(粒子状)、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状など任意の構造をとりうるが、溶解性の観点から、球状(粒子状)が好ましい。また、水溶性物質を、エラストマー樹脂、導電性カーボンや溶剤と混合する前に、予め粉砕し、所定の大きさになるように分級することが好ましい。水溶性物質は水性溶媒で洗浄することによって除去することができ、所望の空孔分布を有する多孔層が形成できる。このため、上記粉砕・分級工程を行うことによって、得られる多孔層に所望の空孔分布(空孔径、空隙率など)を形成できる。このため、水溶性物質の粉砕・分級条件は、多孔層の所望の空孔分布(空孔径、空隙率など)を考慮して適切に設定される。   From the above viewpoint, sugars such as sucrose and glucose, organic compounds such as citric acid, ascorbic acid and urea; salts of alkali metals and alkaline earth metals such as sodium chloride, sodium carbonate, sodium nitrate and calcium chloride; Examples include inorganic compounds such as acids. Of these, sucrose, glucose, sodium chloride, and sodium carbonate are preferred from the viewpoints of production cost, ease of handling, safety, etc., and sucrose, sodium chloride, and sodium carbonate are more preferred. Here, the shape of the water-soluble substance is not particularly limited, and may take any structure such as a spherical shape (particulate shape), a rod shape, a needle shape, a plate shape, a column shape, an indefinite shape, a flake shape, and a spindle shape. From the viewpoint of, spherical (particulate) is preferable. Moreover, it is preferable that the water-soluble substance is pulverized in advance and classified so as to have a predetermined size before being mixed with the elastomer resin, conductive carbon or solvent. The water-soluble substance can be removed by washing with an aqueous solvent, and a porous layer having a desired pore distribution can be formed. For this reason, by performing the pulverization / classification step, a desired pore distribution (pore diameter, porosity, etc.) can be formed in the obtained porous layer. For this reason, the pulverization / classification conditions for the water-soluble substance are appropriately set in consideration of the desired pore distribution (pore diameter, porosity, etc.) of the porous layer.

水溶性物質の添加量は、特に制限されず、所望の空孔分布(特に空隙率)に応じて適宜選択される。具体的には、水溶性物質の添加量は、エラストマー樹脂に対して、好ましくは0.01〜25重量%、より好ましくは0.1〜5重量%である。このような量であれば、多孔層に所望の空孔分布(特に空隙率)を形成できる。   The addition amount of the water-soluble substance is not particularly limited, and is appropriately selected according to a desired pore distribution (particularly porosity). Specifically, the addition amount of the water-soluble substance is preferably 0.01 to 25% by weight, more preferably 0.1 to 5% by weight with respect to the elastomer resin. With such an amount, a desired pore distribution (particularly porosity) can be formed in the porous layer.

水溶性物質は、下記工程(2)の後、水性溶媒で洗浄することによって除去することができる。使用できる水性溶媒は、水溶性物質を洗い流せる水性溶媒であれば特に制限されない。具体的には、水、メタノール、エタノール等の低級アルコール系溶媒などが使用できる。これらのうち、コストおよび安全性の点から、水が好ましく使用される。なお、上記水性溶媒は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。また、水性溶媒で塗膜中に析出した水溶性物質を洗い流す条件は、水溶性物質を十分除去して所望の空孔分布が得られる条件であればよい。具体的には、過剰量の水性溶媒で塗膜を洗い流す(洗浄する);過剰量の水性溶媒に塗膜を、好ましくは攪拌しながら、浸漬する;過剰量の水性溶媒に塗膜を浸漬して、超音波処理を行なうなどが使用できる。また、水溶性物質の溶出(除去)を促進する目的で、水性溶媒を加温することが好ましい。水性溶媒の温度は、特に制限されないが、好ましくは25〜80℃、より好ましくは30〜60℃である。このような温度であれば、水性溶媒で水溶性物質を容易に除去する共に、多孔層を基材から容易に剥離(除去)できる。   The water-soluble substance can be removed by washing with an aqueous solvent after the following step (2). The aqueous solvent that can be used is not particularly limited as long as it is an aqueous solvent that can wash away water-soluble substances. Specifically, water, lower alcohol solvents such as methanol, ethanol and the like can be used. Of these, water is preferably used from the viewpoint of cost and safety. In addition, the said aqueous solvent may be used independently or may be used with the form of 2 or more types of mixtures. In addition, the condition for washing away the water-soluble substance deposited in the coating film with the aqueous solvent may be any condition as long as the water-soluble substance is sufficiently removed to obtain a desired pore distribution. Specifically, the coating film is washed away with an excessive amount of aqueous solvent (washing); the coating film is immersed in an excessive amount of aqueous solvent, preferably while stirring; the coating film is immersed in an excessive amount of aqueous solvent. For example, ultrasonic treatment can be used. In order to promote elution (removal) of the water-soluble substance, it is preferable to warm the aqueous solvent. The temperature of the aqueous solvent is not particularly limited, but is preferably 25 to 80 ° C, more preferably 30 to 60 ° C. At such a temperature, the water-soluble substance can be easily removed with an aqueous solvent, and the porous layer can be easily peeled (removed) from the substrate.

上記したようにしてエラストマー樹脂、導電性物質、油溶性溶剤および必要であれば水溶性物質を混合した後、必要により、均質化、塗布に適した粘度への調整を目的として、脱泡処理、攪拌(攪拌)処理や粉砕処理を行ってもよい。脱泡処理、攪拌(攪拌)処理及び粉砕処理は、いずれか一を行ってもあるいは2種以上を適宜組み合わせて行ってもよい。このうち、攪拌(混錬)処理に用いられる機械としては、以下に制限されないが、自公転式攪拌脱泡ミキサー、真空攪拌脱泡ミキサー、可変速攪拌脱泡ミキサー、攪拌子(スターラー)、超音波分散器などを用いることができる。攪拌(混錬)条件は、上記混合物を均一にできる条件であれば特に制限されない。攪拌(混錬)速度は、好ましくは100〜2000rpm、より好ましくは300〜1500rpmである。また、攪拌(混錬)時間の合計は、好ましくは2〜15分、より好ましくは5〜30分である。このような条件であれば、混合物は十分均質化されうる。また、粉砕処理に用いられる機械としては、以下に制限されないが、ボールミルやビーズミルなどの球状メディアで衝撃を与えるミリング装置、二本ロールや三本ロールなどのローラー間隙で剪断応力を加える装置、ホモジナイザーやミキサーなどの撹拌羽根を回す装置、被粉砕体同士を衝突させるジェットミル装置などを用いることができる。粉砕条件は適宜設定すればよい。例えば、粉砕処理は、好ましくは3000〜30000回転/分で1〜30分間、より好ましくは5000〜15000回転/分で1〜10分間の条件で行われる。なお、上記粉砕処理は、使用する装置によって異なり、上記条件(特に回転数)は特にホモジナイザーを使用する場合に好適に適用できる。このような条件であれば、水溶性物質および導電性物質を所望の大きさに粉砕でき、また、混合物を十分均質化できる。   After mixing the elastomer resin, conductive material, oil-soluble solvent and water-soluble material if necessary as described above, if necessary, defoaming treatment for the purpose of adjusting to a viscosity suitable for application, You may perform a stirring (stirring) process and a grinding | pulverization process. The defoaming process, the stirring (stirring) process, and the pulverizing process may be performed in any one or in combination of two or more. Among these, the machine used for the stirring (kneading) treatment is not limited to the following, but is a self-revolving stirring defoaming mixer, vacuum stirring defoaming mixer, variable speed stirring defoaming mixer, stirrer (stirrer), ultra A sonic disperser or the like can be used. The stirring (kneading) conditions are not particularly limited as long as the above mixture can be made uniform. The stirring (kneading) speed is preferably 100 to 2000 rpm, more preferably 300 to 1500 rpm. The total stirring (kneading) time is preferably 2 to 15 minutes, more preferably 5 to 30 minutes. Under such conditions, the mixture can be sufficiently homogenized. In addition, the machine used for the pulverization is not limited to the following, but is a milling device that gives impact with a spherical media such as a ball mill or a bead mill, a device that applies a shear stress in a roller gap such as a two-roll or three-roll, a homogenizer A device that rotates stirring blades such as a mixer or a jet mill device that collides the objects to be crushed can be used. What is necessary is just to set grinding | pulverization conditions suitably. For example, the pulverization treatment is preferably performed at 3000 to 30000 rotations / minute for 1 to 30 minutes, more preferably 5000 to 15000 rotations / minute for 1 to 10 minutes. In addition, the said grinding | pulverization process changes with apparatuses to be used, and the said conditions (especially rotation speed) are applicable suitably when using a homogenizer especially. Under such conditions, the water-soluble substance and the conductive substance can be pulverized to a desired size, and the mixture can be sufficiently homogenized.

また、上記脱泡処理、攪拌(攪拌)処理または粉砕処理を行った後、粗大粒子を除去する目的で濾過を行ってもよい。濾過方法としては、常圧で行う自然濾過、吸引濾過、加圧濾過、遠心濾過のいずれであってもよい。   Moreover, you may filter for the purpose of removing a coarse particle, after performing the said deaeration process, stirring (stirring) process, or a grinding | pulverization process. The filtration method may be natural filtration performed at normal pressure, suction filtration, pressure filtration, or centrifugal filtration.

[工程(2)]
本工程では、上記工程(1)で調製した混合液(分散液、インク組成物)を多孔質基材に塗布した後、乾燥して、前記非フッ素系エラストマー樹脂および導電性物質を含む多孔層を前記多孔質基材に形成する。
[Step (2)]
In this step, the liquid mixture (dispersion liquid, ink composition) prepared in the above step (1) is applied to a porous substrate, and then dried to obtain a porous layer containing the non-fluorinated elastomer resin and a conductive substance. Is formed on the porous substrate.

混合液を多孔質基材に塗布した後、乾燥することで、導電性物質にエラストマー樹脂が吸着し、混合液中の油溶性溶剤が揮発(蒸発)することで、エラストマー樹脂が導電性物質を被覆すると考えられる。また、上記塗布工程で、樹脂溶液(ゆえに樹脂)が多孔質基材の表面および空孔内に浸透するため、上記塗布工程は多孔質基材の撥水処理工程でありうる。このため、多孔質基材は、予め撥水処理を施す必要がない。なお、水溶性物質を使用する場合には、水溶性物質は析出して塗膜内に均一に固体の状態で導電性物質間に存在すると考えられる。   After the mixture is applied to the porous substrate, the elastomeric resin is adsorbed to the conductive material by drying, and the oil-soluble solvent in the mixed solution volatilizes (evaporates). It is thought to cover. Moreover, since the resin solution (and hence the resin) penetrates into the surface of the porous substrate and the pores in the application step, the application step can be a water repellent treatment step of the porous substrate. For this reason, the porous substrate does not need to be subjected to water repellent treatment in advance. In addition, when using a water-soluble substance, it is thought that a water-soluble substance precipitates and exists between electroconductive substances in the state of a solid uniformly in a coating film.

用いられる多孔質基材は特に限定されず、従来のガス拡散層基材として使用される多孔質基材が使用できる。従来のPTFEを用いた系では、後工程の高温焼成に耐えうる基材(例えば、ポリイミドフィルム)を別途用いる必要があったため、コスト高の一因となっていた。これに対して、本発明の方法によると、このような基材を使用する必要はなく、従来のガス拡散層基材を多孔質基材として使用できるため、ガス拡散層の生産コストを低減できる。また、上述したように、従来のガス拡散層基材には通常撥水処理が施されていたが、本発明の方法では、撥水処理を省略できるため、ガス拡散層の生産コストをさらに低減できる。   The porous substrate used is not particularly limited, and a porous substrate used as a conventional gas diffusion layer substrate can be used. In a system using conventional PTFE, it is necessary to separately use a base material (for example, a polyimide film) that can withstand high-temperature baking in a subsequent process, which is a cause of high cost. On the other hand, according to the method of the present invention, it is not necessary to use such a base material, and the conventional gas diffusion layer base material can be used as the porous base material, so that the production cost of the gas diffusion layer can be reduced. . In addition, as described above, the conventional gas diffusion layer base material is usually subjected to water repellency treatment. However, in the method of the present invention, the water repellency treatment can be omitted, thereby further reducing the production cost of the gas diffusion layer. it can.

多孔質基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等の炭素繊維で形成された炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性および多孔質性を有するシート状材料;ならびに金網、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングプレート、精密プレス加工プレート、金属メッシュ、金属細線焼結体、金属不織布などが挙げられる。   Examples of the porous substrate include carbon-based fabrics made of carbon fibers such as carbon paper and carbon cloth, sheet-like materials having conductivity and porosity such as paper-like paper bodies, felts, and nonwoven fabrics; , Foam metal, expanded metal, punching metal, etching plate, precision press-worked plate, metal mesh, metal wire sintered body, metal nonwoven fabric and the like.

多孔質基材は、空孔を有する。ここで、多孔質基材の空孔径は特に制限されないが、好ましくは10〜200μmであり、より好ましくは50〜150μmである。このような空孔径であれば、導電性物質が実質的に多孔質基材の空孔の目詰まりの原因とはならない。ここで、多孔質基材の空孔径は、公知の方法によって測定できるが、本明細書では、特に言及のない限り、下記方法によって測定される。   The porous substrate has pores. Here, the pore diameter of the porous substrate is not particularly limited, but is preferably 10 to 200 μm, and more preferably 50 to 150 μm. With such a pore diameter, the conductive material does not substantially cause clogging of the pores of the porous substrate. Here, the pore diameter of the porous substrate can be measured by a known method, but in this specification, unless otherwise specified, it is measured by the following method.

(多孔質基材の空孔径の測定方法)
以下のバブルポイント法に従って、多孔質基材の空孔径を測定する(JIS K 3832−1990に準拠)。すなわち、多孔質基材を直径25mmの大きさに切断し、サンプルを調製する。このサンプルを試液として界面活性剤液(ガルウィック液、15.9dyn/cm)10ml中に室温(25℃)で30分間浸漬する。次に、このようにして含浸したサンプルを、パームポロメータ装置(PMI社製)にセットし、細孔径分布測定試験を行い、サンプルの空孔分布を測定した。得られた空孔分布により、細孔径分布の中心値(μm)を求め、この値を多孔質基材の空孔径とする。なお、ガルウィック液(GALWICK)の組成は、プロピレン,1,1,2,3,3,3酸化ヘキサフッ酸(Porous Materials,Inc社製)である。
(Measurement method of pore diameter of porous substrate)
The pore diameter of the porous substrate is measured according to the following bubble point method (based on JIS K3832-1990). That is, a porous base material is cut into a diameter of 25 mm to prepare a sample. This sample is immersed as a test solution in 10 ml of a surfactant solution (Gullwick solution, 15.9 dyn / cm) at room temperature (25 ° C.) for 30 minutes. Next, the sample impregnated in this manner was set in a palm porometer device (manufactured by PMI), a pore size distribution measurement test was performed, and the pore distribution of the sample was measured. The center value (μm) of the pore size distribution is obtained from the obtained pore distribution, and this value is taken as the pore size of the porous substrate. The composition of the GALWICK solution is propylene, 1,1,2,3,3,3 oxide hexahydrofluoric acid (Porous Materials, Inc.).

多孔質基材の厚さは、得られるガス拡散層の特性を考慮して適宜決定すればよいが、30〜500μm程度とすればよい。基材の厚さがかような範囲内の値であれば、機械的強度とガスおよび水などの拡散性とのバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the porous base material may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained gas diffusion layer, but may be about 30 to 500 μm. If the thickness of the substrate is within such a range, the balance between mechanical strength and diffusibility such as gas and water can be appropriately controlled.

多孔質基材は、予め撥水処理を施す必要は必ずしもないが、撥水剤を含んでもよい。撥水剤としては、特に限定されず、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、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(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの従来公知の撥水剤を用いてもよい。撥水処理方法は特に制限されず、一般的な撥水処理方法を用いて行えばよい。例えば、ガス拡散層に用いられる基材を撥水剤の分散液に浸漬した後、オーブン等で加熱乾燥させる方法などが挙げられる。また、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の多孔体にカーボン粒子を含浸させて焼結させたシート体を用いてもよい。シート体とすることによって、製造工程が簡易になり、また、燃料電池の各部材を積層する際の取り扱い及び組み立てが容易になる。   The porous substrate does not necessarily need to be subjected to water repellent treatment in advance, but may contain a water repellent. The water repellent is not particularly limited, and is a fluorine-based polymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyhexafluoropropylene, and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Conventionally known water repellents such as molecular materials, polypropylene, and polyethylene may be used. The water repellent treatment method is not particularly limited, and may be performed using a general water repellent treatment method. For example, after immersing the base material used for a gas diffusion layer in the dispersion liquid of a water repellent agent, the method of heat-drying with oven etc. is mentioned. Alternatively, a sheet body in which a porous body of polytetrafluoroethylene (PTFE) is impregnated with carbon particles and sintered may be used. By using the sheet body, the manufacturing process is simplified, and handling and assembly when the members of the fuel cell are stacked are facilitated.

多孔質基材は、その他の添加剤を有していてもよい。添加剤としては、導電性カーボン、分散剤、分散助剤などが挙げられる。   The porous substrate may have other additives. Examples of the additive include conductive carbon, a dispersant, and a dispersion aid.

混合液の塗布厚みは、特に限定されるものではない。具体的には、乾燥後の多孔層の厚みが下記のようになるに制御されることが好ましい。   The coating thickness of the mixed solution is not particularly limited. Specifically, it is preferable to control the thickness of the porous layer after drying as follows.

混合液の塗布方法としては、特に限定されず、スプレーコート、スピンコート、バーコート、ブレードコーティング等の従来公知の方法を用いることができる。   A method for applying the mixed solution is not particularly limited, and a conventionally known method such as spray coating, spin coating, bar coating, blade coating, or the like can be used.

混合液を塗布した後、好適には乾燥する。乾燥条件としては、適宜設定すればよいが、乾燥温度は、10〜150℃未満であることが好ましく、25〜40℃であることが好ましい。また、乾燥時間は、2〜30分間であることが好ましい。本発明の方法によると、PTFE溶液を用いる場合に必要な基材塗布・乾燥後の焼成が不要となる。焼成が必要であるとエネルギーコストの面で不利となる。したがって、本発明においては、工程(2)において、焼成工程を含まない。ここで、焼成工程とは、250℃以上、例えば、250〜400℃の温度で15分〜3時間処理する工程を指す。   After applying the mixed solution, it is preferably dried. The drying conditions may be set as appropriate, but the drying temperature is preferably less than 10 to 150 ° C, and preferably 25 to 40 ° C. The drying time is preferably 2 to 30 minutes. According to the method of the present invention, it is not necessary to perform baking after coating and drying of the base material, which is necessary when a PTFE solution is used. If firing is necessary, it is disadvantageous in terms of energy costs. Therefore, in this invention, a baking process is not included in a process (2). Here, a baking process refers to the process of processing for 15 minutes-3 hours at the temperature of 250 degreeC or more, for example, 250-400 degreeC.

ここで、乾燥後、さらに熱プレスを行ってもよい。熱プレスを行うことによってカーボン粒子同士を結着しやすくなり、多孔層の靱性が高まるため好ましい。熱プレスの条件としては、特に制限されるものではなく、塗布基材の種類、高分子材料種、および導電性カーボン含有量などを考慮して適宜設定すればよいが、例えば、熱プレス温度は、常温から基材変形温度までであることが好ましく、100〜150℃であることがより好ましい。また、熱プレス圧力は、0.2〜2MPaであることが好ましく、0.5〜1MPaであることがより好ましい。熱プレス時間は、0.2〜1分であることが好ましく、0.3〜0.5分であることがより好ましい。   Here, after drying, a hot press may be performed. Hot pressing is preferable because the carbon particles are easily bonded to each other and the toughness of the porous layer is increased. The conditions for the hot press are not particularly limited, and may be set as appropriate in consideration of the type of coated substrate, the type of polymer material, and the content of conductive carbon. The temperature is preferably from room temperature to the base material deformation temperature, more preferably from 100 to 150 ° C. Moreover, it is preferable that it is 0.2-2 Mpa, and, as for a hot press pressure, it is more preferable that it is 0.5-1 Mpa. The hot press time is preferably 0.2 to 1 minute, and more preferably 0.3 to 0.5 minute.

多孔層の厚さは、特に制限されず、ガス拡散性および抵抗を考慮して適宜決定すればよい。多孔層の厚さ(乾燥膜厚)は、好ましく20〜500μmであり、より好ましくは50〜400μmである。かような範囲にあれば、機械的強度、ガス透過性、排水性のバランスが適切に制御できる。なお、本明細書において、「多孔層の厚さ」は、非フッ素系エラストマー樹脂及び導電性物質を含む層の厚さを意味する。例えば、下記実施例によるように、本工程の塗布時に、混合液の一部が多孔質基材中に浸透して、多孔質基材表面近傍に多孔層が形成されることがある。このような場合には、多孔質基材表面近傍に形成された多孔層部分の厚さおよび多孔質基材上に形成された多孔層部分の厚さの合計を、「多孔層の厚さ」とする。   The thickness of the porous layer is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of gas diffusibility and resistance. The thickness (dry film thickness) of the porous layer is preferably 20 to 500 μm, more preferably 50 to 400 μm. If it is in such a range, the balance of mechanical strength, gas permeability, and drainage can be appropriately controlled. In the present specification, “the thickness of the porous layer” means the thickness of a layer containing a non-fluorinated elastomer resin and a conductive substance. For example, as in the following examples, a part of the mixed solution may permeate into the porous substrate during the application in this step, and a porous layer may be formed near the surface of the porous substrate. In such a case, the sum of the thickness of the porous layer portion formed in the vicinity of the surface of the porous substrate and the thickness of the porous layer portion formed on the porous substrate is expressed as “the thickness of the porous layer”. And

上記製造方法によって、エラストマー樹脂および導電性物質を含有する多孔層が多孔質基材上に形成されて、ガス拡散層が得られる。ここで、エラストマー樹脂は撥水性を示すため、多孔層に優れた排水性を付与できる。また、エラストマー樹脂の溶液を導電性物質と混合することによって、導電性物質表面にエラストマー樹脂被膜を形成できる。また、エラストマー樹脂は溶液の形態で多孔質基材に塗布されるため、エラストマー樹脂は多孔質基材中にも浸透して、多孔質基材の空孔表面にエラストマー樹脂被膜を形成できる。エラストマー樹脂が粒子形態で存在することがほとんどまたは全くないため、物質(燃料ガスや酸化剤ガス)拡散に寄与しない体積を低減できる。ゆえに、ガス拡散層(多孔層および多孔質基材)に優れたガス透過性を付与できる。加えて、多孔層では、エラストマー樹脂によるゴム弾性によって、近隣の導電性物質は僅かに引き寄せられ、電気抵抗を一層低減できる。ただし、この場合であっても、エラストマー樹脂被膜は薄いため、全体を大きく縮めるほどの応力は発生しない。このため、多孔層に高い導電率をも付与できる。   By the above manufacturing method, a porous layer containing an elastomer resin and a conductive substance is formed on the porous substrate, and a gas diffusion layer is obtained. Here, since the elastomer resin exhibits water repellency, it can impart excellent drainage to the porous layer. Moreover, the elastomer resin film can be formed on the surface of the conductive material by mixing the solution of the elastomer resin with the conductive material. In addition, since the elastomer resin is applied to the porous substrate in the form of a solution, the elastomer resin can also penetrate into the porous substrate and form an elastomer resin film on the pore surface of the porous substrate. Since there is little or no elastomer resin in the form of particles, the volume that does not contribute to substance (fuel gas or oxidant gas) diffusion can be reduced. Therefore, excellent gas permeability can be imparted to the gas diffusion layer (porous layer and porous substrate). In addition, in the porous layer, the nearby conductive material is slightly attracted by the rubber elasticity of the elastomer resin, and the electrical resistance can be further reduced. However, even in this case, since the elastomer resin film is thin, no stress is generated to the extent that the whole is greatly contracted. For this reason, high conductivity can be imparted to the porous layer.

さらに、エラストマー樹脂を用いるため、多孔層形成時に250℃以上の高温焼成が不要であり、また、高温焼成に耐えうる耐熱性の基材を用いる必要もない。このため、微多孔質層を生産する際のコストを低減することができ、さらに生産時のエネルギーコストを低減することもできる。材料の投入が1工程で可能であるため、生産性が向上し、量産に適するといった利点もある。   Furthermore, since an elastomer resin is used, high-temperature baking at 250 ° C. or higher is not necessary when forming the porous layer, and there is no need to use a heat-resistant substrate that can withstand high-temperature baking. For this reason, the cost at the time of producing a microporous layer can be reduced, and also the energy cost at the time of production can be reduced. Since the material can be input in one step, there is an advantage that productivity is improved and it is suitable for mass production.

以上のような製造方法を経てガス拡散層が得られる。得られたガス拡散層の厚みは、50〜500μmであることが好ましく、100〜300μmであることがより好ましい。   A gas diffusion layer is obtained through the manufacturing method as described above. The thickness of the obtained gas diffusion layer is preferably 50 to 500 μm, and more preferably 100 to 300 μm.

かようにして得られたガス拡散層は、溶剤に溶解したエラストマー樹脂が多孔質基材に浸透して表面や空孔表面に樹脂被膜を形成する。このため、多孔質基材は十分な空孔を確保するため、本発明の方法によって製造されるガス拡散層はガス拡散性、ガス透過性に優れる。具体的には、本発明の方法によって製造されるガス拡散層は、ガーレー透気度が、好ましくは0.01〜200(cc/cm/sec)、より好ましくは0.1〜100(cc/cm/sec)である。なお、本明細書において、「ガーレー透気度(cc/cm/sec)」は、下記実施例に記載される方法によって測定される値である。 In the gas diffusion layer thus obtained, the elastomer resin dissolved in the solvent penetrates into the porous base material to form a resin film on the surface or the surface of the pores. For this reason, since the porous substrate ensures sufficient pores, the gas diffusion layer produced by the method of the present invention is excellent in gas diffusibility and gas permeability. Specifically, the gas diffusion layer produced by the method of the present invention preferably has a Gurley air permeability of 0.01 to 200 (cc / cm 2 / sec), more preferably 0.1 to 100 (cc / Cm 2 / sec). In the present specification, “Gurley air permeability (cc / cm 2 / sec)” is a value measured by the method described in the following examples.

また、本発明の方法によって製造されるガス拡散層の透過時間が、好ましくは0秒を超えて5秒以下であり、より好ましくは0.1〜3秒である、および/または本発明の方法によって製造されるガス拡散層のガス透過性が、好ましくは1×10−13以上であり、より好ましくは5×10−13〜1×10−11である。なお、本明細書において、「透過時間」および「ガス透過性」は、下記実施例に記載される方法によって測定される値である。 Further, the permeation time of the gas diffusion layer produced by the method of the present invention is preferably more than 0 seconds and 5 seconds or less, more preferably 0.1 to 3 seconds, and / or the method of the present invention. The gas permeability of the gas diffusion layer produced by is preferably 1 × 10 −13 m 2 or more, more preferably 5 × 10 −13 to 1 × 10 −11 m 2 . In this specification, “permeation time” and “gas permeability” are values measured by the methods described in the following examples.

また、かようにして得られたガス拡散層は、撥水性に優れるエラストマー樹脂を含むため、撥水性(排水性)にも優れる。具体的には、本発明に係る非焼成ガス拡散層の少なくとも一方の表面の水に対する表面接触角が110°以上であることが好ましい。より好ましくは、本発明に係る非焼成ガス拡散層の少なくとも一方の表面の水に対する表面接触角が、好ましくは100〜160°、より好ましくは110〜155°であり、特に好ましくは120〜150°である。   Moreover, since the gas diffusion layer obtained in this way contains an elastomer resin having excellent water repellency, it is also excellent in water repellency (drainage). Specifically, the surface contact angle with respect to water of at least one surface of the non-fired gas diffusion layer according to the present invention is preferably 110 ° or more. More preferably, the surface contact angle with respect to water of at least one surface of the non-fired gas diffusion layer according to the present invention is preferably 100 to 160 °, more preferably 110 to 155 °, and particularly preferably 120 to 150 °. It is.

本発明に係るガス拡散層は、膜電極接合体(MEA)や燃料電池に好ましく適用できる。したがって、本発明は、本発明の方法によって製造される非焼成ガス拡散層、当該ガス拡散層を有する膜電極接合体(MEA)、特に燃料電池用膜電極接合体、および当該膜電極接合体を含む燃料電池を包含する。   The gas diffusion layer according to the present invention can be preferably applied to a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel cell. Accordingly, the present invention provides a non-fired gas diffusion layer produced by the method of the present invention, a membrane electrode assembly (MEA) having the gas diffusion layer, particularly a fuel cell membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly. Including a fuel cell.

ガス拡散層は燃料電池の部材として用いられる。以下、ガス拡散層が用いられる燃料電池について説明する。   The gas diffusion layer is used as a member of a fuel cell. Hereinafter, a fuel cell using a gas diffusion layer will be described.

[燃料電池]
燃料電池は、膜電極接合体(MEA)と、燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有するアノード側セパレータと酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路を有するカソード側セパレータとからなる一対のセパレータとを有する。
[Fuel cell]
A fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA), a pair of separators including an anode side separator having a fuel gas flow path through which fuel gas flows and a cathode side separator having an oxidant gas flow path through which oxidant gas flows. Have.

図1は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池(PEFC)1の基本構成を示す概略図である。PEFC1は、まず、固体高分子電解質膜2と、これを挟持する一対の触媒層(アノード触媒層3aおよびカソード触媒層3c)とを有する。そして、固体高分子電解質膜2と触媒層(3a、3c)との積層体はさらに、一対のガス拡散層(GDL)(アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4c)により挟持されている。このように、固体高分子電解質膜2、一対の触媒層(3a、3c)および一対のガス拡散層(4a、4c)は、積層された状態で膜電極接合体(MEA)10を構成する。ここで、アノードガス拡散層4aおよびカソードガス拡散層4cは、触媒層(3a、3c)側に多孔層を有する。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 according to an embodiment of the present invention. The PEFC 1 first includes a solid polymer electrolyte membrane 2 and a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer 3a and a cathode catalyst layer 3c) that sandwich the membrane. The laminate of the solid polymer electrolyte membrane 2 and the catalyst layers (3a, 3c) is further sandwiched between a pair of gas diffusion layers (GDL) (anode gas diffusion layer 4a and cathode gas diffusion layer 4c). Thus, the polymer electrolyte membrane 2, the pair of catalyst layers (3a, 3c), and the pair of gas diffusion layers (4a, 4c) constitute a membrane electrode assembly (MEA) 10 in a stacked state. Here, the anode gas diffusion layer 4a and the cathode gas diffusion layer 4c have a porous layer on the catalyst layer (3a, 3c) side.

PEFC1において、MEA10はさらに、一対のセパレータ(アノードセパレータ5aおよびカソードセパレータ5c)により挟持されている。図1において、セパレータ(5a、5c)は、図示したMEA10の両端に位置するように図示されている。ただし、複数のMEAが積層されてなる燃料電池スタックでは、セパレータは、隣接するPEFC(図示せず)のためのセパレータとしても用いられるのが一般的である。換言すれば、燃料電池スタックにおいてMEAは、セパレータを介して順次積層されることにより、スタックを構成することとなる。なお、実際の燃料電池スタックにおいては、セパレータ(5a、5c)と固体高分子電解質膜2との間や、PEFC1とこれと隣接する他のPEFCとの間にガスシール部(ガスケット)が配置されるが、図1ではこれらの記載を省略する。   In PEFC1, the MEA 10 is further sandwiched between a pair of separators (anode separator 5a and cathode separator 5c). In FIG. 1, the separators (5 a, 5 c) are illustrated so as to be positioned at both ends of the illustrated MEA 10. However, in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, the separator is generally used as a separator for an adjacent PEFC (not shown). In other words, in the fuel cell stack, the MEAs are sequentially stacked via the separator to form a stack. In an actual fuel cell stack, gas seal portions (gaskets) are disposed between the separators (5a, 5c) and the solid polymer electrolyte membrane 2 or between the PEFC 1 and another adjacent PEFC. However, these descriptions are omitted in FIG.

セパレータ(5a、5c)は、例えば、厚さ0.5mm以下の薄板にプレス処理を施すことで図1に示すような凹凸状の形状に成形することにより得られる。セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凸部はMEA10と接触している。これにより、MEA10との電気的な接続が確保される。また、セパレータ(5a、5c)のMEA側から見た凹部(セパレータの有する凹凸状の形状に起因して生じるセパレータとMEAとの間の空間)は、PEFC1の運転時にガスを流通させるためのガス流路として機能する。具体的には、アノードセパレータ5aのアノードガス流路6aには燃料ガス(例えば、水素など)を流通させ、カソードセパレータ5cのカソードガス流路6cには酸化剤ガス(例えば、空気など)を流通させる。   The separators (5a, 5c) are obtained, for example, by forming a concavo-convex shape as shown in FIG. 1 by subjecting a thin plate having a thickness of 0.5 mm or less to a press treatment. The convex part seen from the MEA side of the separator (5a, 5c) is in contact with the MEA 10. Thereby, the electrical connection with MEA10 is ensured. Further, a recess (space between the separator and the MEA generated due to the concavo-convex shape of the separator) viewed from the MEA side of the separator (5a, 5c) is a gas for circulating gas during operation of the PEFC 1 Functions as a flow path. Specifically, fuel gas (for example, hydrogen) is circulated through the anode gas channel 6a of the anode separator 5a, and oxidant gas (for example, air) is circulated through the cathode gas channel 6c of the cathode separator 5c. Let

一方、セパレータ(5a、5c)のMEA側とは反対の側から見た凹部は、PEFC1の運転時にPEFCを冷却するための冷媒(例えば、水)を流通させるための冷媒流路7とされる。さらに、セパレータには通常、マニホールド(図示せず)が設けられる。このマニホールドは、スタックを構成した際に各セルを連結するための連結手段として機能する。かような構成とすることで、燃料電池スタックの機械的強度が確保されうる。   On the other hand, the recess viewed from the side opposite to the MEA side of the separator (5a, 5c) serves as a refrigerant flow path 7 for circulating a refrigerant (for example, water) for cooling the PEFC during operation of the PEFC 1. . Further, the separator is usually provided with a manifold (not shown). This manifold functions as a connection means for connecting cells when a stack is formed. With such a configuration, the mechanical strength of the fuel cell stack can be ensured.

なお、図1に示す実施形態においては、セパレータ(5a、5c)は凹凸状の形状に成形されている。ただし、セパレータは、かような凹凸状の形態のみに限定されるわけではなく、ガス流路および冷媒流路の機能を発揮できる限り、平板状、一部凹凸状などの任意の形態であってもよい。   In addition, in embodiment shown in FIG. 1, the separator (5a, 5c) is shape | molded by the uneven | corrugated shape. However, the separator is not limited to such a concavo-convex shape, and may be any form such as a flat plate shape and a partially concavo-convex shape as long as the functions of the gas flow path and the refrigerant flow path can be exhibited. Also good.

なお、多孔層は、少なくとも触媒層(3a、3c)側に配置されることが好ましい。   In addition, it is preferable that a porous layer is arrange | positioned at least on the catalyst layer (3a, 3c) side.

また、多孔層は、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層のいずれか一方に設けられてもよく、また、双方に設けられてもよいが、カソード側で水が生成するため、少なくともカソード側に設けることが好ましく、より好ましくは双方のガス拡散層に多孔層を設ける形態である。   Further, the porous layer may be provided in either one of the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer, or may be provided in both of them, but since water is generated on the cathode side, at least on the cathode side. It is preferable to provide a porous layer in both gas diffusion layers.

ガス拡散層(アノードガス拡散層4a、カソードガス拡散層4c)は、セパレータのガス流路(6a、6c)を介して供給されたガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)の触媒層(3a、3c)への拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。   The gas diffusion layers (anode gas diffusion layer 4a, cathode gas diffusion layer 4c) are catalyst layers (3a, 3c) of gas (fuel gas or oxidant gas) supplied via the gas flow paths (6a, 6c) of the separator. ) And a function as an electron conduction path.

[触媒層]
触媒層(アノード触媒層3a、カソード触媒層3c)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層3aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層3cでは酸素の還元反応が進行する。
[Catalyst layer]
The catalyst layers (the anode catalyst layer 3a and the cathode catalyst layer 3c) are layers in which the cell reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer 3a, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer 3c.

触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体(導電性担体)、および電解質を含む。以下、触媒担体に触媒成分が担持されてなる複合体を「電極触媒」とも称する。   The catalyst layer includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier (conductive carrier) that supports the catalyst component, and an electrolyte. Hereinafter, a composite in which a catalyst component is supported on a catalyst carrier is also referred to as an “electrode catalyst”.

アノード触媒層に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層に用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。   The catalyst component used in the anode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used in the cathode catalyst layer is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it may be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. .

これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金の含有量を30〜90原子%とし、白金と合金化する金属の含有量を10〜70原子%とするのがよい。なお、合金とは、一般に金属元素に1種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全に溶け合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、いずれであってもよい。この際、アノード触媒層に用いられる触媒成分およびカソード触媒層に用いられる触媒成分は、上記の中から適宜選択されうる。本明細書では、特記しない限り、アノード触媒層用およびカソード触媒層用の触媒成分についての説明は、両者について同様の定義である。よって、一括して「触媒成分」と称する。しかしながら、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒成分は同一である必要はなく、上記したような所望の作用を奏するように、適宜選択されうる。   Among these, those containing at least platinum are preferably used in order to improve catalyst activity, poisoning resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance, and the like. Although the composition of the alloy depends on the type of metal to be alloyed, the content of platinum is preferably 30 to 90 atomic%, and the content of the metal to be alloyed with platinum is preferably 10 to 70 atomic%. In general, an alloy is a generic term for a metal element having one or more metal elements or non-metal elements added and having metallic properties. The alloy structure consists of a eutectic alloy, which is a mixture of the component elements as separate crystals, a component element completely melted into a solid solution, and a component element composed of an intermetallic compound or a compound of a metal and a nonmetal. There is what is formed, and any may be sufficient. At this time, the catalyst component used in the anode catalyst layer and the catalyst component used in the cathode catalyst layer can be appropriately selected from the above. In the present specification, unless otherwise specified, descriptions of the catalyst components for the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer have the same definition for both. Therefore, they are collectively referred to as “catalyst components”. However, the catalyst components of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer do not have to be the same, and can be appropriately selected so as to exhibit the desired action as described above.

触媒成分の形状や大きさは、特に制限されず公知の触媒成分と同様の形状および大きさが採用されうる。例えば、触媒成分の形状は、粒状、鱗片状、層状などのものが使用できるが、粒状であることが好ましい。この際、触媒粒子の平均粒子径は、好ましくは1〜30nm、より好ましくは1〜10nm、さらに好ましくは1〜5nm、特に好ましくは2〜4nmである。触媒粒子の平均粒子径がかような範囲内の値であると、電気化学反応が進行する有効電極面積に関連する触媒利用率と担持の簡便さとのバランスが適切に制御されうる。なお、本発明における「触媒粒子の平均粒子径」は、X線回折における触媒成分の回折ピークの半値幅より求められる結晶子径や、透過型電子顕微鏡(TEM)より調べられる触媒成分の粒子径の平均値として測定されうる。   The shape and size of the catalyst component are not particularly limited, and the same shape and size as known catalyst components can be adopted. For example, the catalyst component may be granular, scale-like, or layered, but is preferably granular. At this time, the average particle diameter of the catalyst particles is preferably 1 to 30 nm, more preferably 1 to 10 nm, still more preferably 1 to 5 nm, and particularly preferably 2 to 4 nm. When the average particle diameter of the catalyst particles is within such a range, the balance between the catalyst utilization rate related to the effective electrode area where the electrochemical reaction proceeds and the ease of loading can be appropriately controlled. The “average particle diameter of the catalyst particles” in the present invention is the crystallite diameter determined from the half-value width of the diffraction peak of the catalyst component in X-ray diffraction, or the particle diameter of the catalyst component determined by a transmission electron microscope (TEM). It can be measured as an average value of.

上述した触媒成分は好適には導電性担体に担持された電極触媒として触媒層に含まれる。   The catalyst component described above is preferably contained in the catalyst layer as an electrode catalyst supported on a conductive carrier.

導電性担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。導電性担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなる導電性物質が挙げられる。なお、「主成分がカーボンである」とは、主成分として炭素原子を含むことをいい、炭素原子のみからなる、実質的に炭素原子からなる、の双方を含む概念である。場合によっては、燃料電池の特性を向上させるために、炭素原子以外の元素が含まれていてもよい。なお、実質的に炭素原子からなるとは、2〜3重量%程度以下の不純物の混入が許容されることを意味する。   The conductive carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and another member. Any conductive carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst particles in a desired dispersed state and has sufficient electronic conductivity as a current collector. The main component is carbon. Is preferred. Specific examples include conductive materials made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like. “The main component is carbon” means that the main component contains carbon atoms, and is a concept that includes both carbon atoms and substantially carbon atoms. In some cases, elements other than carbon atoms may be included in order to improve the characteristics of the fuel cell. In addition, being substantially composed of carbon atoms means that mixing of impurities of about 2 to 3% by weight or less is allowed.

導電性担体のBET比表面積は、触媒成分を高分散担持させるのに十分な比表面積であればよいが、好ましくは20〜1600m/g、より好ましくは80〜1200m/gとするのがよい。比表面積が上記したような範囲であれば、導電性担体への触媒成分および高分子電解質が十分分散して十分な発電性能が得られ、また、触媒成分および高分子電解質を十分有効利用できる。 The BET specific surface area of the conductive carrier may be a specific surface area sufficient to carry the catalyst component in a highly dispersed state, but is preferably 20 to 1600 m 2 / g, more preferably 80 to 1200 m 2 / g. Good. When the specific surface area is in the above range, the catalyst component and the polymer electrolyte are sufficiently dispersed in the conductive support to obtain sufficient power generation performance, and the catalyst component and the polymer electrolyte can be used sufficiently effectively.

また、導電性担体の大きさは、特に限定されないが、担持の容易さ、触媒利用率、電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するなどの観点からは、平均粒子径が5〜200nm、好ましくは10〜100nm程度とするのがよい。   In addition, the size of the conductive carrier is not particularly limited, but from the viewpoint of controlling the ease of loading, catalyst utilization, and the thickness of the electrode catalyst layer within an appropriate range, the average particle size is 5 to 200 nm, The thickness is preferably about 10 to 100 nm.

導電性担体に触媒成分が担持された電極触媒において、触媒成分の担持量は、電極触媒の全量に対して、好ましくは10〜80重量%、より好ましくは30〜70重量%とするのがよい。触媒成分の担持量がかような範囲内の値であると、触媒担体上での触媒成分の分散度と触媒性能とのバランスが適切に制御されうる。なお、触媒成分の担持量は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)によって調べることができる。   In the electrode catalyst in which the catalyst component is supported on the conductive support, the supported amount of the catalyst component is preferably 10 to 80% by weight, more preferably 30 to 70% by weight, based on the total amount of the electrode catalyst. . When the supported amount of the catalyst component is within such a range, the balance between the degree of dispersion of the catalyst component on the catalyst support and the catalyst performance can be appropriately controlled. The amount of the catalyst component supported can be examined by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP).

触媒層には、電極触媒に加えて、イオン伝導性の高分子電解質が含まれる。当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、下記電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加されうる。   The catalyst layer includes an ion conductive polymer electrolyte in addition to the electrode catalyst. The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. For example, the ion exchange resin which comprises the following electrolyte layer can be added to a catalyst layer as a polymer electrolyte.

当該高分子電解質は特に限定されず従来公知の知見が適宜参照されうる。高分子電解質は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質とに大別される。なお、フッ素系高分子電解質と炭化水素系高分子電解質の具体的な説明は下記固体高分子電解質膜における説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。これらのうち、高分子電解質は、耐熱性、化学的安定性などに優れることから、フッ素原子を含むのが好ましい。特に、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)などのフッ素系電解質が好ましく挙げられる。   The polymer electrolyte is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. Polymer electrolytes are roughly classified into fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. In addition, since the specific description of the fluorine-based polymer electrolyte and the hydrocarbon-based polymer electrolyte is the same as the description of the solid polymer electrolyte membrane below, the description is omitted here. Among these, the polymer electrolyte preferably contains a fluorine atom because it is excellent in heat resistance, chemical stability, and the like. Particularly preferred are fluorine-based electrolytes such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like.

触媒層中の高分子電解重量の含有量は特に限定されるものではないが、電極触媒中のカーボンに対する高分子電解重量の比が0.3〜1.2であることが好ましい。   The content of the polymer electrolysis weight in the catalyst layer is not particularly limited, but the ratio of the polymer electrolysis weight to carbon in the electrode catalyst is preferably 0.3 to 1.2.

また、導電性担体への触媒成分の担持は公知の方法で行うことができる。例えば、含浸法、液相還元担持法、蒸発乾固法、コロイド吸着法、噴霧熱分解法、逆ミセル(マイクロエマルジョン法)などの公知の方法が使用できる。または、電極触媒は、市販品を用いてもよい。   The catalyst component can be supported on the conductive carrier by a known method. For example, known methods such as impregnation method, liquid phase reduction support method, evaporation to dryness method, colloid adsorption method, spray pyrolysis method, reverse micelle (microemulsion method) can be used. Alternatively, a commercially available electrode catalyst may be used.

触媒層の形成方法は特に限定されないが、好適には、上記したような電極触媒、高分子電解質および溶剤からなる触媒インクを、高分子電解質膜表面に塗布することによって、触媒層を形成する方法が挙げられる。この際、溶剤としては、特に制限されず、触媒層を形成するのに使用される通常の溶剤が同様にして使用できる。具体的には、水、シクロヘキサノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等の低級アルコールが使用できる。また、溶剤の使用量もまた、特に制限されず公知と同様の量が使用できる。触媒インクにおいて、電極触媒は、所望の作用、即ち、水素の酸化反応(アノード側)および酸素の還元反応(カソード側)を触媒する作用を十分発揮できる量であればいずれの量で、使用されてもよい。電極触媒が、触媒インク中、5〜30重量%、より好ましくは9〜20重量%となるような量で存在することが好ましい。   The method for forming the catalyst layer is not particularly limited, but preferably a method for forming the catalyst layer by applying a catalyst ink comprising the electrode catalyst, polymer electrolyte and solvent as described above to the surface of the polymer electrolyte membrane. Is mentioned. In this case, the solvent is not particularly limited, and usual solvents used for forming the catalyst layer can be used in the same manner. Specifically, lower alcohols such as water, cyclohexanol, ethanol, 1-propanol and 2-propanol can be used. Further, the amount of the solvent used is not particularly limited, and a known amount can be used. In the catalyst ink, the electrocatalyst is used in any amount as long as it can sufficiently exhibit the desired action, that is, the action of catalyzing the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side). May be. It is preferable that the electrode catalyst is present in the catalyst ink in an amount of 5 to 30% by weight, more preferably 9 to 20% by weight.

触媒インクは、電極触媒、電解質および溶剤、ならびに必要であれば撥水性高分子および/または増粘剤、が適宜混合されたものであればその調製方法は特に制限されない。例えば、電解質を極性溶媒に添加し、この混合液を加熱・攪拌して、電解質を極性溶媒に溶解した後、これに電極触媒を添加することによって、触媒インクが調製できる。または、電解質を、溶剤中に一旦分散/懸濁された後、上記分散/懸濁液を電極触媒と混合して、触媒インクを調製してもよい。また、電解質が予め上記他の溶媒中に調製されている市販の電解質溶液(例えば、デュポン製のNafion溶液:1−プロパノール中に5wt%の濃度でNafionが分散/懸濁したもの)をそのまま上記方法に使用してもよい。   The preparation method of the catalyst ink is not particularly limited as long as the electrode catalyst, the electrolyte and the solvent, and if necessary, the water-repellent polymer and / or the thickener are appropriately mixed. For example, a catalyst ink can be prepared by adding an electrolyte to a polar solvent, heating and stirring the mixed solution to dissolve the electrolyte in the polar solvent, and then adding an electrode catalyst thereto. Alternatively, after the electrolyte is once dispersed / suspended in a solvent, the dispersion / suspension may be mixed with an electrode catalyst to prepare a catalyst ink. In addition, a commercially available electrolyte solution (for example, DuPont Nafion solution: Nafion dispersed / suspended at a concentration of 5 wt% in 1-propanol) in which the electrolyte is previously prepared in the above other solvent is used as it is. May be used in the method.

上記したような触媒インクを、高分子電解質膜上にまたはガス拡散層上に、塗布して、各触媒層が形成される。この際、高分子電解質膜上へのカソード/アノード触媒層の形成条件は、特に制限されず、公知の方法が同様にしてあるいは適宜修飾を加えて使用できる。例えば、触媒インクを高分子電解質膜上に、乾燥後の厚みが所望の厚みになるように、塗布し、真空乾燥機内にてまたは減圧下で、25〜150℃、より好ましくは60〜120℃で、5〜30分間、より好ましくは10〜20分間、乾燥する。なお、上記工程において、触媒層の厚みが十分でない場合には、所望の厚みになるまで、上記塗布・乾燥工程を繰り返す。   Each catalyst layer is formed by applying the catalyst ink as described above on the polymer electrolyte membrane or the gas diffusion layer. At this time, the conditions for forming the cathode / anode catalyst layer on the polymer electrolyte membrane are not particularly limited, and can be used in the same manner as known methods or appropriately modified. For example, the catalyst ink is applied onto the polymer electrolyte membrane so that the thickness after drying becomes a desired thickness, and is 25 to 150 ° C., more preferably 60 to 120 ° C. in a vacuum dryer or under reduced pressure. And drying for 5 to 30 minutes, more preferably for 10 to 20 minutes. In addition, in the said process, when the thickness of a catalyst layer is not enough, the said application | coating and drying process is repeated until it becomes desired thickness.

また、単位触媒塗布面積当たりの触媒含有量(mg/cm)は、特に制限されないが、十分な触媒の担体上での分散度、発電性能などを考慮すると、0.01〜1.0mg/cmである。ただし、触媒が白金または白金含有合金を含む場合、単位触媒塗布面積当たりの白金含有量が0.5mg/cm以下であることが好ましい。白金(Pt)や白金合金に代表される高価な貴金属触媒の使用は燃料電池の高価格要因となっている。したがって、高価な白金の使用量(白金含有量)を上記範囲まで低減し、コストを削減することが好ましい。下限値は発電性能が得られる限り特に制限されず、例えば、0.01mg/cm以上である。なお、本明細書において、「単位触媒塗布面積当たりの触媒(白金)含有量(mg/cm)」の測定(確認)には、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP)を用いる。所望の「単位触媒塗布面積当たりの触媒(白金)含有量(mg/cm)」にせしめる方法も当業者であれば容易に行うことができ、インクの組成(触媒濃度)と塗布量を制御することで量を調整することができる。 Further, the catalyst content per unit catalyst coating area (mg / cm 2 ) is not particularly limited, but in view of sufficient dispersion of the catalyst on the carrier, power generation performance, etc., 0.01 to 1.0 mg / cm 2 . However, when the catalyst contains platinum or a platinum-containing alloy, the platinum content per unit catalyst coating area is preferably 0.5 mg / cm 2 or less. The use of expensive noble metal catalysts typified by platinum (Pt) and platinum alloys has become a high cost factor for fuel cells. Therefore, it is preferable to reduce the amount of expensive platinum used (platinum content) to the above range and reduce the cost. The lower limit is not particularly limited as long as power generation performance is obtained, and is, for example, 0.01 mg / cm 2 or more. In this specification, inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP) is used for measurement (confirmation) of “catalyst (platinum) content per unit catalyst application area (mg / cm 2 )”. A person skilled in the art can easily carry out a method of making the desired “catalyst (platinum) content per unit catalyst coating area (mg / cm 2 )”, and control the ink composition (catalyst concentration) and coating amount. You can adjust the amount.

触媒層の厚みは触媒層(乾燥後)の厚みは、好ましくは0.5〜30μm、より好ましくは1〜20μm、さらに好ましくは2〜15μmである。なお、上記厚みは、カソード触媒層およびアノード触媒層双方に適用される。カソード触媒層およびアノード触媒層の厚みは、同じであってもあるいは異なってもよい。   The thickness of the catalyst layer is preferably 0.5 to 30 μm, more preferably 1 to 20 μm, and still more preferably 2 to 15 μm. In addition, the said thickness is applied to both a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer. The thickness of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer may be the same or different.

[固体高分子電解質膜]
固体高分子電解質膜2は、PEFC1の運転時にアノード触媒層3aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層3cへと選択的に透過させる機能を有する。また、固体高分子電解質膜2は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
[Solid polymer electrolyte membrane]
The solid polymer electrolyte membrane 2 has a function of selectively allowing protons generated in the anode catalyst layer 3a during operation of the PEFC 1 to permeate the cathode catalyst layer 3c along the film thickness direction. The solid polymer electrolyte membrane 2 also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side from being mixed.

固体高分子電解質膜2は、構成材料であるイオン交換樹脂の種類によって、フッ素系高分子電解質膜と炭化水素系高分子電解質膜とに大別される。フッ素系高分子電解質膜を構成するイオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン(登録商標、デュポン社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー、パーフルオロカーボンホスホン酸系ポリマー、トリフルオロスチレンスルホン酸系ポリマー、エチレンテトラフルオロエチレン−g−スチレンスルホン酸系ポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオリド−パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーなどが挙げられる。耐熱性、化学的安定性などの発電性能を向上させるという観点からは、これらのフッ素系高分子電解質膜が好ましく用いられ、特に好ましくはパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜が用いられる。   The solid polymer electrolyte membrane 2 is roughly classified into a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane depending on the type of ion exchange resin that is a constituent material. Examples of ion exchange resins constituting the fluorine-based polymer electrolyte membrane include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like. Perfluorocarbon sulfonic acid polymer, perfluorocarbon phosphonic acid polymer, trifluorostyrene sulfonic acid polymer, ethylene tetrafluoroethylene-g-styrene sulfonic acid polymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride- Examples include perfluorocarbon sulfonic acid polymers. From the viewpoint of improving power generation performance such as heat resistance and chemical stability, these fluorine-based polymer electrolyte membranes are preferably used, and particularly preferably fluorine-based polymer electrolytes composed of perfluorocarbon sulfonic acid polymers. A membrane is used.

炭化水素系電解質として、具体的には、スルホン化ポリエーテルスルホン(S−PES)、スルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、ホスホン化ポリベンズイミダゾールアルキル、スルホン化ポリスチレン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(S−PEEK)、スルホン化ポリフェニレン(S−PPP)などが挙げられる。これらの炭化水素系高分子電解質膜は、原料が安価で製造工程が簡便であり、かつ材料の選択性が高いといった製造上の利点がある。   Specific examples of the hydrocarbon electrolyte include sulfonated polyethersulfone (S-PES), sulfonated polyaryletherketone, sulfonated polybenzimidazole alkyl, phosphonated polybenzimidazole alkyl, sulfonated polystyrene, and sulfonated poly. Examples include ether ether ketone (S-PEEK) and sulfonated polyphenylene (S-PPP). These hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes have manufacturing advantages such as low cost raw materials, simple manufacturing processes, and high material selectivity.

なお、上述したイオン交換樹脂は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、上述した材料のみに制限されず、その他の材料が用いられてもよい。   In addition, as for the ion exchange resin mentioned above, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. Moreover, it is not restricted only to the material mentioned above, Other materials may be used.

固体高分子電解質膜の厚さは、得られる燃料電池の特性を考慮して適宜決定すればよく、特に制限されない。電解質膜の厚さは、通常は5〜100μm程度である。電解質膜の厚さがかような範囲内の値であると、製膜時の強度や使用時の耐久性および使用時の出力特性のバランスが適切に制御されうる。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane may be appropriately determined in consideration of the characteristics of the obtained fuel cell, and is not particularly limited. The thickness of the electrolyte membrane is usually about 5 to 100 μm. When the thickness of the electrolyte membrane is within such a range, the balance of strength during film formation, durability during use, and output characteristics during use can be appropriately controlled.

[膜電極接合体の製造方法]
膜電極接合体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を使用できる。例えば、固体高分子電解質膜に触媒層をホットプレスで転写または塗布し、これを乾燥したものに、ガス拡散層を接合する方法や、ガス拡散層の多孔層面に触媒層を予め塗布して乾燥することによりガス拡散電極(GDE)を2枚作製し、固体高分子電解質膜の両面にこのガス拡散電極をホットプレスで接合する方法を使用することができる。ホットプレス等の塗布、接合条件は、固体高分子電解質膜や触媒層内の高分子電解質の種類(パ−フルオロスルホン酸系や炭化水素系)によって適宜調整すればよい。
[Production method of membrane electrode assembly]
A method for producing the membrane electrode assembly is not particularly limited, and a conventionally known method can be used. For example, a catalyst layer is transferred or applied to a solid polymer electrolyte membrane by hot pressing and dried, and a gas diffusion layer is bonded to the dried layer, or a catalyst layer is applied in advance to the porous layer surface of the gas diffusion layer and dried. By doing so, two gas diffusion electrodes (GDE) can be produced, and this gas diffusion electrode can be joined to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane by hot pressing. Application and joining conditions such as hot pressing may be appropriately adjusted according to the type of polymer electrolyte in the solid polymer electrolyte membrane or catalyst layer (perfluorosulfonic acid type or hydrocarbon type).

[セパレータ]
セパレータは、固体高分子形燃料電池などの燃料電池の単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列に接続する機能を有する。また、セパレータは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互に分離する隔壁としての機能も有する。これらの流路を確保するため、上述したように、セパレータのそれぞれにはガス流路および冷却流路が設けられていることが好ましい。セパレータを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく採用できる。セパレータの厚さやサイズ、設けられる各流路の形状やサイズなどは特に限定されず、得られる燃料電池の所望の出力特性などを考慮して適宜決定できる。
[Separator]
The separator has a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells of a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell are connected in series to form a fuel cell stack. The separator also functions as a partition that separates the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other. In order to secure these flow paths, as described above, each of the separators is preferably provided with a gas flow path and a cooling flow path. As a material constituting the separator, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metal such as stainless steel can be appropriately employed without limitation. The thickness and size of the separator and the shape and size of each flow path provided are not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the desired output characteristics of the obtained fuel cell.

燃料電池の種類としては、特に限定されず、上記した説明中では高分子電解質型燃料電池(PEFC)を例に挙げて説明したが、この他にも、アルカリ型燃料電池、ダイレクトメタノール型燃料電池、マイクロ燃料電池などが挙げられる。なかでも小型かつ高密度・高出力化が可能であるから、高分子電解質型燃料電池が好ましく挙げられる。また、燃料電池は、搭載スペースが限定される車両などの移動体用電源の他、定置用電源などとして有用であるが、特にシステムの起動/停止や出力変動が頻繁に発生する自動車用途で特に好適に使用できる。   The type of the fuel cell is not particularly limited. In the above description, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has been described as an example. However, in addition to the above, an alkaline fuel cell and a direct methanol fuel cell are used. And a micro fuel cell. Among them, a polymer electrolyte fuel cell is preferable because it is small in size, and can achieve high density and high output. The fuel cell is useful as a power source for stationary vehicles as well as a power source for a moving body such as a vehicle in which a mounting space is limited. Particularly, the fuel cell is particularly useful for an automobile application in which system start / stop and output fluctuation frequently occur. It can be suitably used.

燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照されうる。   The manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the field of the fuel cell.

燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、第2級ブタノール、第3級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどが用いられうる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましく用いられる。   The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol and the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferably used in that high output is possible.

さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of membrane electrode assemblies are stacked and connected in series via a separator may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

上述したPEFCや膜電極接合体は、ドライアウト耐性とフラッディング耐性とを両立できる部材を用いている。したがって、当該PEFCや膜電極接合体は湿度の変動による影響を受けにくい優れた発電性能を発揮する。   The PEFC and membrane electrode assembly described above use a member that can achieve both dryout resistance and flooding resistance. Therefore, the PEFC and the membrane electrode assembly exhibit excellent power generation performance that is not easily affected by fluctuations in humidity.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。なお、下記実施例において、特記しない限り、操作は室温(25℃)で行われた。また、特記しない限り、「%」および「部」は、それぞれ、「重量%」および「重量部」を意味する。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples. In the following examples, the operation was performed at room temperature (25 ° C.) unless otherwise specified. Unless otherwise specified, “%” and “part” mean “% by weight” and “part by weight”, respectively.

実施例1
スチレンブロックポリマー(ポリスチレン−ポリ(エチレン−エチレン/プロピレン)ブロック−ポリスチレン SEPTON(登録商標)SEEPS4055、(株)クラレ製)2gをトルエン40gに加えた。この混合物を、80℃に加熱しながら600rpmで15分間攪拌して、ポリマー溶液(1)(樹脂固形分濃度:5重量%)を得た。なお、本実施例で使用されたスチレンブロックポリマーは、水に対する表面接触角(撥水性)が101.2°であり、トルエンにおける溶解性(30℃)が10重量%以上である。
Example 1
2 g of styrene block polymer (polystyrene-poly (ethylene-ethylene / propylene) block-polystyrene SEPTON (registered trademark) SEEPS4055, manufactured by Kuraray Co., Ltd.) was added to 40 g of toluene. The mixture was stirred at 600 rpm for 15 minutes while being heated to 80 ° C. to obtain a polymer solution (1) (resin solid content concentration: 5% by weight). The styrene block polymer used in this example has a surface contact angle (water repellency) to water of 101.2 ° and a solubility in toluene (30 ° C.) of 10% by weight or more.

このようにして得られたポリマー溶液(1)に、スチレンブロックポリマーに対して1.75倍量(重量)(3.5g)のアセチレンブラックおよびスチレンブロックポリマーに対して0.25倍量(重量)(0.5g)の黒鉛を添加・混合して、混合物を得た。なお、アセチレンブラックとして、デンカブラックAB6(電気化学工業製、一次平均粒径:40nm、BET比表面積:37m/g)を使用した。また、黒鉛として、SP−20(日本黒鉛製、鱗片状、BET比表面積:6m/g、平均長辺:16.8μm、平均短辺:0.63μm)を使用した。 In the polymer solution (1) thus obtained, 1.75 times (weight) (3.5 g) of the styrene block polymer and 0.25 times (weight) of the acetylene black and styrene block polymer. ) (0.5 g) of graphite was added and mixed to obtain a mixture. As acetylene black, Denka Black AB6 (manufactured by Denki Kagaku Kogyo, primary average particle size: 40 nm, BET specific surface area: 37 m 2 / g) was used. Moreover, SP-20 (made of Japanese graphite, scaly, BET specific surface area: 6 m 2 / g, average long side: 16.8 μm, average short side: 0.63 μm) was used as graphite.

次に、上記混合物を、自公転式攪拌脱泡ミキサー(EME製,型式:UFO−3)にて、公転・自転速度を共に450rpmに設定して4分間攪拌した後、公転・自転速度をそれぞれ900rpm,450rpmに設定して8分間攪拌して、インクを得た。得られたインクを、ホモジナイザー(IKA製、ULTRA−TURREX T25)で13500回転/分にて3分間粉砕処理を行い、インク組成物(1)を得た。なお、インク組成物(1)において、アセチレンブラックは、平均二次粒径が約1.7μmの凝集物として存在していた。   Next, after the above mixture was stirred for 4 minutes by setting the revolution / spinning speed at 450 rpm in a self-revolving stirring deaerator mixer (manufactured by EME, model: UFO-3), the revolution / spinning speed was respectively set. The ink was obtained by stirring for 8 minutes at 900 rpm and 450 rpm. The obtained ink was pulverized for 3 minutes at 13500 revolutions / minute with a homogenizer (manufactured by IKA, ULTRA-TURREX T25) to obtain an ink composition (1). In the ink composition (1), acetylene black was present as an aggregate having an average secondary particle size of about 1.7 μm.

次に、このインク組成物(1)を、カーボンペーパー(厚さ:190μm、空孔径:126.7μm、表面接触角129.9°)上にアプリケーターによって塗布(ブレードコーティング)した。塗布後、カーボンペーパーを室温(25℃)で20分間自然乾燥して、膜厚(乾燥膜厚)が60μmの多孔層をカーボンペーパー上に形成して、合計の厚みが220μmとなるガス拡散層(1)を得た。
なお、カーボンペーパーとして、SGL社製の型番:25BA(5重量%PTFEで疎水化)(厚さ:190μm)を使用した。また、このカーボンペーパーの空孔径を測定したところ、126.7μmであった。
Next, this ink composition (1) was applied (blade coating) on carbon paper (thickness: 190 μm, pore diameter: 126.7 μm, surface contact angle 129.9 °) with an applicator. After coating, the carbon paper is naturally dried at room temperature (25 ° C.) for 20 minutes to form a porous layer having a film thickness (dry film thickness) of 60 μm on the carbon paper, resulting in a gas diffusion layer having a total thickness of 220 μm. (1) was obtained.
As carbon paper, model number: 25BA (hydrophobized with 5 wt% PTFE) (thickness: 190 μm) manufactured by SGL was used. Moreover, when the hole diameter of this carbon paper was measured, it was 126.7 micrometers.

このようにして得られたガス拡散層(1)の断面を走査電子顕微鏡(SEM)にて観察して、その結果を図3Aに示す。また、ガス拡散層(1)の表面を光学顕微鏡(25倍)にて観察して、その結果を図3Bに示す。図3Aに示されるように、膜厚(乾燥膜厚)が60μmの多孔層(図3A中の「4」部分)がカーボンペーパー(多孔質基材)(図3A中の「2」部分)上に形成していることが観察される。また、カーボンペーパー(多孔質基材)の表層近傍部分(表面から約30μmの厚み部分:図3A中の「2」から「1」を引いた部分)にも、多孔層が形成されていることが観察される。このため、ガス拡散層(1)は、多孔層の厚み(図3A中の「3」部分)が合計90μmであるが、ガス拡散層(1)の合計厚みは220μmとなる。また、図3Bから、ガス拡散層(1)の多孔層形成面(図3B中の塗布面)は表面が平滑であり、また、塗布不良部位がないことが観察される。これは、黒鉛及びアセチレンブラックがカーボンペーパー上に均一に積層するため、ガス拡散層表面は平滑性を維持できると考察される。また、図3Bから、本発明のガス拡散層(1)では、多孔質基材側(図3B中の裏面)には混合物が観察されない(上記3Aの結果と一致している)ことも分かる。   The cross section of the gas diffusion layer (1) thus obtained was observed with a scanning electron microscope (SEM), and the result is shown in FIG. 3A. Further, the surface of the gas diffusion layer (1) was observed with an optical microscope (25 times), and the result is shown in FIG. 3B. As shown in FIG. 3A, a porous layer (“4” portion in FIG. 3A) having a film thickness (dry film thickness) of 60 μm is on carbon paper (porous substrate) (“2” portion in FIG. 3A). Are observed to form. In addition, a porous layer is also formed in the vicinity of the surface layer of carbon paper (porous substrate) (thickness portion of about 30 μm from the surface: a portion obtained by subtracting “1” from “2” in FIG. 3A). Is observed. For this reason, the gas diffusion layer (1) has a total thickness of 90 μm (portion “3” in FIG. 3A), but the gas diffusion layer (1) has a total thickness of 220 μm. Further, from FIG. 3B, it is observed that the porous layer forming surface (application surface in FIG. 3B) of the gas diffusion layer (1) has a smooth surface and there is no defective application portion. This is considered that graphite and acetylene black are uniformly laminated on carbon paper, so that the surface of the gas diffusion layer can maintain smoothness. FIG. 3B also shows that in the gas diffusion layer (1) of the present invention, no mixture is observed on the porous substrate side (the back surface in FIG. 3B) (corresponding to the result of 3A above).

また、このようにして得られたガス拡散層(1)の水に対する表面接触角(撥水性)を測定したところ、多孔層が形成されている側の表面接触角が132.0°、多孔層が形成されていない側の表面接触角は130.0°であった。この結果から、本発明のガス拡散層は充分な撥水性を発揮できると考察される。   Further, when the surface contact angle (water repellency) of the gas diffusion layer (1) thus obtained with respect to water was measured, the surface contact angle on the side where the porous layer was formed was 132.0 °, and the porous layer The surface contact angle on the side where no is formed was 130.0 °. From this result, it is considered that the gas diffusion layer of the present invention can exhibit sufficient water repellency.

実施例2
実施例1において、カーボンペーパー(SGL社製の型番:25AA(疎水化処理されていないもの)(厚さ:190μm)を多孔質基材として代わりに使用した以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層(2)を作製した。なお、本実施例で使用したカーボンペーパーの表面接触角は、水が浸透するため、測定できなかった(表面接触角=90°未満)。また、このカーボンペーパーの空孔径を測定したところ、126.7μmであった。
Example 2
In Example 1, carbon paper (model number manufactured by SGL: 25AA (non-hydrophobized) (thickness: 190 μm) was used in the same manner as Example 1 except that it was used instead as a porous substrate. A gas diffusion layer (2) was produced, and the surface contact angle of the carbon paper used in this example could not be measured because water penetrated (surface contact angle = less than 90 °). When the pore diameter of the carbon paper was measured, it was 126.7 μm.

このようにして得られたガス拡散層(2)の断面を走査電子顕微鏡(SEM)にて観察したところ、膜厚(乾燥膜厚)が30μmの多孔層がカーボンペーパー(多孔質基材)上に形成していた。また、カーボンペーパー(多孔質基材)の表層近傍部分(表面から約60μmの厚み部分)にも、多孔層が形成されていることが観察される。このため、ガス拡散層(2)は、多孔層の厚みが合計90μmであるが、ガス拡散層(2)の合計厚みは220μmである。また、ガス拡散層(2)(塗膜)表面は平滑であることも観察される。これは、黒鉛及びアセチレンブラックがカーボンペーパー上に均一に積層するため、ガス拡散層表面は平滑性を維持できると考察される。   When the cross section of the gas diffusion layer (2) thus obtained was observed with a scanning electron microscope (SEM), a porous layer having a film thickness (dry film thickness) of 30 μm was found on the carbon paper (porous substrate). Was formed. Moreover, it is observed that the porous layer is formed also in the surface layer vicinity part (thickness part of about 60 micrometers from the surface) of carbon paper (porous base material). Therefore, the gas diffusion layer (2) has a total porous layer thickness of 90 μm, but the gas diffusion layer (2) has a total thickness of 220 μm. It is also observed that the surface of the gas diffusion layer (2) (coating film) is smooth. This is considered that graphite and acetylene black are uniformly laminated on carbon paper, so that the surface of the gas diffusion layer can maintain smoothness.

このようにして得られたガス拡散層(2)の表面を光学顕微鏡(100倍)にて観察して、その結果を図4に示す。図4に示されるように、ガス拡散層(2)の多孔層形成面(図4中の塗布面)は表面が平滑であり、また、多孔質基材を構成するカーボン繊維の露出は観察されない。また、ガス拡散層(2)の多孔層形成面(図4中の塗布面)には塗布不良部位も観察されない。これは、黒鉛及びアセチレンブラックがカーボンペーパー上に均一に積層するため、ガス拡散層表面は平滑性を維持できると考察される。また、図示しないが、ガス拡散層(2)の断面をSEMで観察したところ、実施例1と同様、膜厚(乾燥膜厚)が60μmの多孔層がカーボンペーパー上に、また、表層近傍部分(表面から約30μmの厚み部分)に多孔層が、それぞれ、形成されたことが観察される。このため、ガス拡散層(2)は、多孔層の厚みが合計90μmであるが、ガス拡散層(2)の合計厚みは220μmとなる。   The surface of the gas diffusion layer (2) thus obtained was observed with an optical microscope (100 times), and the results are shown in FIG. As shown in FIG. 4, the porous layer forming surface (application surface in FIG. 4) of the gas diffusion layer (2) has a smooth surface, and no exposure of carbon fibers constituting the porous substrate is observed. . Moreover, a poorly applied part is not observed on the porous layer forming surface (application surface in FIG. 4) of the gas diffusion layer (2). This is considered that graphite and acetylene black are uniformly laminated on carbon paper, so that the surface of the gas diffusion layer can maintain smoothness. Although not shown, when the cross section of the gas diffusion layer (2) was observed with an SEM, a porous layer with a film thickness (dry film thickness) of 60 μm was formed on the carbon paper and in the vicinity of the surface layer as in Example 1. It is observed that a porous layer was formed on each (thickness portion of about 30 μm from the surface). Therefore, the gas diffusion layer (2) has a total thickness of 90 μm, but the gas diffusion layer (2) has a total thickness of 220 μm.

また、このようにして得られたガス拡散層(2)の水に対する表面接触角(撥水性)を測定したところ、多孔層が形成されている側の表面接触角が131.4°、多孔層が形成されていない側の表面接触角は119.1°であった。この結果から、本発明のガス拡散層は充分な撥水性を発揮できると考察される。   Further, when the surface contact angle (water repellency) of the gas diffusion layer (2) thus obtained with respect to water was measured, the surface contact angle on the side where the porous layer was formed was 131.4 °. The surface contact angle on the side where no is formed was 119.1 °. From this result, it is considered that the gas diffusion layer of the present invention can exhibit sufficient water repellency.

比較例1
参照比較例として、実施例1と同じガス拡散層基材であるカーボンペーパー(25BA)に微多孔層が形成された、市販のガス拡散層用部材(25BCH、SGL社製、厚さ225μm、微多孔層:5重量%PTFE含有、微多孔層の厚み35μm)を用いた。このガス拡散層用部材をガス拡散層(3)と称する。なお、このガス拡散層用部材(25BCH)の水に対する表面接触角(撥水性)を測定したところ、微多孔層が形成されている側の表面接触角が145.8°、微多孔層が形成されていない側の表面接触角は135.0°であった。
Comparative Example 1
As a reference comparative example, a commercially available member for gas diffusion layer (25BCH, manufactured by SGL, thickness 225 μm, fine) in which a microporous layer is formed on carbon paper (25BA) which is the same gas diffusion layer base material as in Example 1. Porous layer: 5 wt% PTFE-containing, microporous layer thickness of 35 μm) was used. This gas diffusion layer member is referred to as a gas diffusion layer (3). When the surface contact angle (water repellency) of this gas diffusion layer member (25BCH) with respect to water was measured, the surface contact angle on the side where the microporous layer was formed was 145.8 °, and the microporous layer was formed. The surface contact angle on the unfinished side was 135.0 °.

上記実施例1〜2及び比較例1で得られたガス拡散層(1)〜(3)について、下記方法に従ってガス透過性および厚さ方向の電気抵抗を測定した。   For the gas diffusion layers (1) to (3) obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, gas permeability and electrical resistance in the thickness direction were measured according to the following methods.

(評価方法)
1.厚さ方向ガス透過性の測定
ガーレー透気度JIS P8117:2009に規定のガーレー透気度測定を使用し、外径28.6mmの円孔を有する締め付け板に、多孔層面が上面に来るように試料を固定し100cc(0.1dm)の空気が透過する時間[透過時間(秒)]を測定し、ガーレー透気度[Permeability(単位:cc/cm/秒)]を測定した。この値を用い、厚さで標準化されたガス透過性[Permeability(単位:m)]を算出した。結果を下記表1および図5に示す。
(Evaluation method)
1. Measurement of gas permeability in thickness direction Gurley Air Permeability Using Gurley Air Permeability Measurement as specified in JIS P8117: 2009, a clamping plate having a circular hole with an outer diameter of 28.6 mm is placed so that the porous layer surface is on the upper surface. The sample was fixed and the time required for 100 cc (0.1 dm 3 ) of air to pass through (permeation time (seconds)) was measured, and the Gurley air permeability [Permeability (unit: cc / cm 2 / second)] was measured. Using this value, the gas permeability standardized by thickness [Permeability (unit: m 2 )] was calculated. The results are shown in Table 1 below and FIG.

上記表1及び図5から、本発明のガス拡散層(1)及び(2)は、比較例のガス拡散層(3)に比して、ガス拡散性に有意に優れることが分かる。これは、鱗片状の黒鉛がカーボンペーパー表面の空孔の一部に蓋をして、アセチレンブラックがカーボンペーパーの全厚み方向に浸透して、空孔を完全に塞ぐのを防いでいるため、本発明のガス拡散層は優れたガス拡散性を発揮できると考察される。   From the above Table 1 and FIG. 5, it can be seen that the gas diffusion layers (1) and (2) of the present invention are significantly superior in gas diffusivity compared to the gas diffusion layer (3) of the comparative example. This is because scaly graphite covers a part of the pores on the surface of the carbon paper, and acetylene black penetrates in the entire thickness direction of the carbon paper to prevent the pores from being completely blocked. It is considered that the gas diffusion layer of the present invention can exhibit excellent gas diffusibility.

2.厚さ方向の電気抵抗測定
測定に当たっては、面積0.95cmの試験片の両面を金箔で挟み、貫通電気抵抗測定装置(TER−2000SS:アルバック理工社製)にセットし、荷重をかけた状態で通電して測定した。電流値は1Aで、0.5MPa〜5MPaまでを1サイクルとし、2サイクル目の1MPaにおける値を比較した。結果を下記表2および図6に示す。
2. Measurement of electrical resistance in the thickness direction In measurement, both sides of a 0.95 cm 2 test piece are sandwiched between gold foils, set in a penetration electrical resistance measurement device (TER-2000SS: ULVAC-RIKO), and a load is applied. Measured by energizing with The current value was 1 A, and 0.5 MPa to 5 MPa was taken as one cycle, and the values at 1 MPa in the second cycle were compared. The results are shown in Table 2 below and FIG.

上記表2及び図6から、本発明のガス拡散層(1)及び(2)は、比較例のガス拡散層(3)よりも抵抗値が低いことが分かる。これから、本発明のガス拡散層は、優れた電気伝導性を発揮できると考察される。   From Table 2 and FIG. 6, it can be seen that the gas diffusion layers (1) and (2) of the present invention have a lower resistance than the gas diffusion layer (3) of the comparative example. From this, it is considered that the gas diffusion layer of the present invention can exhibit excellent electrical conductivity.

また、上記表1,2及び図5、6から、本発明のガス拡散層(1)及び(2)は、十分な導電性を確保したまま高いガス透過性を発揮できると考えられる。   From Tables 1 and 2 and FIGS. 5 and 6, it is considered that the gas diffusion layers (1) and (2) of the present invention can exhibit high gas permeability while ensuring sufficient conductivity.

1…固体高分子形燃料電池(PEFC)、
2…固体高分子電解質膜、
3…触媒層、
3a…アノード触媒層、
3c…カソード触媒層、
4a…アノードガス拡散層、
4c…カソードガス拡散層、
5a…アノードセパレータ、
5c…カソードセパレータ、
6a…アノードガス流路、
6c…カソードガス流路、
7…冷媒流路、
10…電解質膜−電極接合体(MEA)、
20…多孔質基材、
21…多孔層、
31…特定形状黒鉛、
32…空孔、
33…他の導電性物質。
1 ... Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
2 ... Solid polymer electrolyte membrane,
3 ... Catalyst layer,
3a ... anode catalyst layer,
3c ... cathode catalyst layer,
4a ... anode gas diffusion layer,
4c ... cathode gas diffusion layer,
5a ... anode separator,
5c ... cathode separator,
6a ... anode gas flow path,
6c ... cathode gas flow path,
7: Refrigerant flow path,
10: Electrolyte membrane-electrode assembly (MEA),
20 ... porous substrate,
21 ... porous layer,
31 ... Specific shape graphite,
32 ... holes,
33 ... Other conductive substance.

Claims (6)

非フッ素系エラストマー樹脂、導電性物質および油溶性溶剤を混合して混合液を調製し、
前記混合液を多孔質基材に塗布した後、乾燥して、前記非フッ素系エラストマー樹脂および導電性物質を含む多孔層を前記多孔質基材に形成することを有する、非焼成ガス拡散層の製造方法。
Mix the non-fluorinated elastomer resin, conductive material and oil-soluble solvent to prepare a mixture,
A non-fired gas diffusion layer comprising: applying the mixed liquid to a porous substrate; and drying to form a porous layer containing the non-fluorinated elastomer resin and a conductive material on the porous substrate. Production method.
前記非フッ素系エラストマー樹脂が、水に対する表面接触角が100°以上であるおよび/または有機溶剤に対する溶解性が5重量%以上である、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the non-fluorinated elastomer resin has a surface contact angle with water of 100 ° or more and / or a solubility with respect to an organic solvent of 5% by weight or more. 前記非フッ素系エラストマー樹脂が、水素添加石油樹脂、ポリスチレンとポリオレフィンとのブロック共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリル・ブタジエン共重合体およびアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体からなる群より選択される少なくとも一種である、請求項2に記載の方法。   The non-fluorinated elastomer resin is selected from the group consisting of hydrogenated petroleum resin, block copolymer of polystyrene and polyolefin, styrene-butadiene copolymer, acrylonitrile-butadiene copolymer, and acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer. The method according to claim 2, which is at least one of the following. 前記導電性物質が、棒状黒鉛、針状黒鉛、板状黒鉛、柱状黒鉛、鱗片状黒鉛および紡錘状黒鉛からなる群より選択される少なくとも一種を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   4. The method according to claim 1, wherein the conductive substance includes at least one selected from the group consisting of rod-like graphite, needle-like graphite, plate-like graphite, columnar graphite, scale-like graphite, and spindle-like graphite. The method described. 前記導電性物質は、長辺の長さが前記多孔質基材の空孔径の0.05〜5倍の導電性物質を含む、請求項4に記載の方法。   The method according to claim 4, wherein the conductive material includes a conductive material having a long side length of 0.05 to 5 times a pore diameter of the porous substrate. 前記非焼成ガス拡散層の少なくとも一方の表面の水に対する表面接触角が110°以上である請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein a surface contact angle of at least one surface of the non-fired gas diffusion layer with respect to water is 110 ° or more.
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