JP2017022046A - Paste for microporous layer formation and gas diffusion layer for fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に固体高分子電解質形燃料電池(PEFC)の電極に用いられるガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)に関するもので、特に、カーボンペーパー等の導電性多孔質基材の表面に塗布してマイクロポーラス層(MPL:Micro Porous Layer)を形成するマイクロポーラス層形成用ペースト及び前記マイクロポーラス層形成用ペーストを採用した燃料電池用ガス拡散層に関するものである。 The present invention relates to a gas diffusion layer (GDL) used mainly for an electrode of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and in particular, on the surface of a conductive porous substrate such as carbon paper. The present invention relates to a microporous layer forming paste that is applied to form a microporous layer (MPL) and a gas diffusion layer for a fuel cell that employs the microporous layer forming paste.
自動車等の動力源として使用が拡大されている固体高分子形燃料電池においては、一般に、特定イオンを選択的に透過する高分子電解質膜の両面に、白金等の触媒を担持したカーボン等の導電材及びイオン交換樹脂からなる電極触媒層と、電極触媒層の外側に配置する多孔質のガス拡散層(GDL)とによって構成されるカソード(+)側電極及びアノード(−)側電極が配設され、膜/電極接合体(MEGA;Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly)を形成している。また、この膜/電極接合体を構成するガス拡散層の外側に、燃料ガス(アノードガス)または酸化ガス(カソードガス)を供給し、かつ、生成ガス及び過剰ガスを排出するガス流路を形成したセパレータが配設され、膜/電極接合体がセパレータで挟持された単セル (single cell)を形成している。 In polymer electrolyte fuel cells, which are increasingly used as power sources for automobiles, etc., in general, conductive materials such as carbon carrying a catalyst such as platinum on both sides of a polymer electrolyte membrane that selectively permeates specific ions. A cathode (+) side electrode and an anode (−) side electrode constituted by an electrode catalyst layer made of a material and an ion exchange resin and a porous gas diffusion layer (GDL) arranged outside the electrode catalyst layer are arranged. Thus, a membrane / electrode assembly (MEGA) is formed. In addition, a gas flow path for supplying fuel gas (anode gas) or oxidizing gas (cathode gas) and discharging generated gas and excess gas is formed outside the gas diffusion layer constituting the membrane / electrode assembly. A single cell is formed in which the membrane / electrode assembly is sandwiched between the separators.
このような構成の固体高分子形燃料電池におけるガス拡散層では、セパレータに形成されたガス流路から供給される燃料ガスまたは酸化ガスをガス拡散層と隣接する触媒層に拡散させる役目(ガス拡散性・透過性)を担うことからガス拡散性が要求されると共に、触媒層での反応に必要な電子を伝達する役目及び発電電気(電荷)をセパレータに効率的に集電させる役目を担い、電子を移動させる導電性も要求される。更に、ガス拡散層は水の通り道ともなることから、高分子電解質膜と触媒層を常に最適な湿潤状態に保ち、また、フラッディング現象(ガス拡散層の細孔が水で閉塞する現象)を抑制して、安定した発電性能を維持するために、発電時の水素及び酸素の電気化学的反応によって生成した過剰な反応生成水や結露水を排出させる撥水性(水分透過性)も必要とされる。 In the gas diffusion layer in the polymer electrolyte fuel cell having such a configuration, the function of diffusing the fuel gas or the oxidizing gas supplied from the gas flow path formed in the separator to the catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer (gas diffusion) Gas diffusivity is required, and the role of transmitting electrons necessary for the reaction in the catalyst layer and the role of efficiently collecting the generated electricity (charge) in the separator, Conductivity to move electrons is also required. Furthermore, since the gas diffusion layer also serves as a water path, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer are always kept in an optimal wet state, and the flooding phenomenon (a phenomenon in which the pores of the gas diffusion layer are blocked by water) is suppressed. In order to maintain stable power generation performance, water repellency (moisture permeability) is also required to discharge excess reaction product water and condensed water generated by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen during power generation. .
このため、従来のガス拡散層では、所定のガス拡散性、導電性(集電性)、撥水性を確保するために、ガス拡散性及び導電性を有する炭素繊維からなるカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の導電性多孔質基材が一般的に用いられる。また、この導電性多孔質基材に対して、撥水性を付与するためのポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」とも略する。)等の撥水性樹脂や、導電性(集電性)を向上させるためのカーボン等の導電性材料を含浸、塗布等することが行われている。 For this reason, in the conventional gas diffusion layer, in order to ensure predetermined gas diffusibility, conductivity (current collection), water repellency, carbon paper made of carbon fiber having gas diffusibility and conductivity, carbon cloth, A conductive porous substrate such as carbon felt is generally used. Further, a water repellent resin such as polytetrafluoroethylene (hereinafter also abbreviated as “PTFE”) for imparting water repellency to the conductive porous substrate, and conductivity (current collecting). Impregnation, application, and the like of a conductive material such as carbon for improvement are performed.
特に、近年では、導電性多孔質基材に対してマイクロポーラス層(MPL)と称されるコーティング薄膜を形成した多層構造からなるガス拡散層が開発されており、この多層構造としたガス拡散層の導電性多孔質基材側をセパレータに接触させると共に、マイクロポーラス層側を触媒層に接触させて固体高分子形燃料電池に組み込んで適用することで、ガス拡散性及び水管理性が向上し発電性能が安定化することが知られている。また、マイクロポーラス層の成分調節により、導電性多孔質基材では困難である電池の使用環境や運転条件等に応じた性能の制御性を獲得できる点で有用とされている。なお、この多層構造からなるガス拡散層では、何れの層でも発電時に生成する水の排水性を良好にするために撥水性を備えることが望ましく、通常、双方に適宜の撥水処理が施される。 In particular, in recent years, a gas diffusion layer having a multilayer structure in which a coating thin film called a microporous layer (MPL) is formed on a conductive porous substrate has been developed. In addition to bringing the conductive porous substrate side into contact with the separator and bringing the microporous layer side into contact with the catalyst layer and incorporating it into the polymer electrolyte fuel cell, the gas diffusibility and water management are improved. It is known that power generation performance is stabilized. In addition, it is useful in that the controllability of the performance according to the use environment and operating conditions of the battery, which is difficult with a conductive porous substrate, can be obtained by adjusting the components of the microporous layer. In addition, in this gas diffusion layer having a multilayer structure, it is desirable to provide water repellency in order to improve the drainage of water generated during power generation in any layer, and usually both are appropriately subjected to water repellency treatment. The
このような導電性多孔質基材及びマイクロポーラス層からなるガス拡散層は、例えば、カーボン粒子等の導電性材料、PTFEエマルジョン等のフッ素系の撥水性樹脂、及び分散剤を含有するマイクロポーラス層形成用のペースト状混合物を、撥水処理が施された導電性多孔質基材の表面に塗布し、更に、分散剤及び水分を揮発させるための乾燥・焼成処理を行うことによって形成することができる。
特に、導電性材料にカーボン粒子等の粉末状のものを使用してマイクロポーラス層を形成した場合には、マイクロポーラス層の表面が均一になりやすく、触媒層との接触抵抗が低減し、また、ガスの拡散が均一になるから、電池の高出力化が可能となる。
Such a gas diffusion layer comprising a conductive porous substrate and a microporous layer is, for example, a microporous layer containing a conductive material such as carbon particles, a fluorine-based water repellent resin such as PTFE emulsion, and a dispersant. The forming paste-form mixture is applied to the surface of a conductive porous substrate that has been subjected to a water repellent treatment, and further formed by performing a drying and baking treatment for volatilizing the dispersant and moisture. it can.
In particular, when the microporous layer is formed by using a powdery material such as carbon particles as the conductive material, the surface of the microporous layer is likely to be uniform, the contact resistance with the catalyst layer is reduced, and Since the gas diffusion becomes uniform, the output of the battery can be increased.
しかし、導電性材料としてカーボン粒子等の粉末状のものを使用する場合、その導電性粉末と、フッ素系の撥水性樹脂と、分散剤との混合物を導電性多孔質基材に対して塗布し、乾燥・焼成しただけでは、触媒層と結合させて電池に組み付ける作業時の取扱いによってはマイクロポーラス層となる塗膜が導電性多孔質基材から剥がれるという問題が発生していた。 However, when using a powdery material such as carbon particles as the conductive material, a mixture of the conductive powder, a fluorine-based water repellent resin, and a dispersant is applied to the conductive porous substrate. However, only by drying and firing, there has been a problem that the coating film that becomes the microporous layer is peeled off from the conductive porous substrate depending on the handling during the operation of bonding to the catalyst layer and assembling to the battery.
ここで特許文献1では、炭素繊維、結合剤樹脂、導電性微粒子、特定の膜厚と繊維長を有する熱融着性有機繊維を含み、熱融着性有機繊維が加熱により相互に熱融着させられて構成される多孔質骨材構造内において、炭素繊維が導電性微粒子と共に結合剤樹脂によって相互に結着されているガス拡散層を開示している。この特許文献1では、熱融着性有機繊維が60〜180℃の相対的に低融点・低軟化点を有する鞘側樹脂及び200〜350℃の相対的に高融点・高軟化点を有する芯部樹脂で構成されて、鞘側樹脂の融点・軟化点より高い温度(実施の形態では150℃程度と記載されている)が加えられることで、熱融着性有機繊維同士が相互に熱融着するとされている。また、熱融着性有機繊維に対し結合剤樹脂が付着し、それに炭素繊維及び導電性微粒子が絡みついて、熱融着性有機繊維同士を熱融着する時の温度で、結合剤樹脂が乾燥硬化されることで固定され、これにより炭素繊維が相互に絡み合い、かつ、導電性微粒子を介して結合剤樹脂で接合されると記載されている。このときの結合剤樹脂としては、フェノール系樹脂等の熱硬化性樹脂や熱融着性樹脂が挙げられている。
Here,
また、従来から、高い導電性を確保するために炭素繊維を炭素により結着したガス拡散層の導電性多孔質基材が開発されており、例えば、特許文献2において、炭素繊維及び炭素粉を結着する炭素として、水性フェノール樹脂を不活性雰囲気下で1000℃以上の高温で加熱し炭化させてなる樹脂炭化物が開示されている。この樹脂炭化物により炭素繊維及び炭素粉を結着することで、強固な導電パスを形成し良好な多孔質電極基材を提供できるとしている。
Conventionally, a conductive porous substrate of a gas diffusion layer in which carbon fibers are bound with carbon in order to ensure high conductivity has been developed. For example, in
ここで、特許文献1では、200〜350℃の融点・軟化点を有する芯部樹脂を溶融・軟化させることなく60〜180℃の融点・軟化点を有する鞘側樹脂を溶融・軟化させて熱溶着させる温度が加えられることから、フェノール系樹脂等の熱硬化性樹脂を結合剤樹脂として使用した場合には、その温度で熱硬化性樹脂が乾燥硬化し、硬化した熱硬化性樹脂によって炭素繊維が導電性微粒子と共に熱融着性有機繊維に固定化されることになる。即ち、特許文献1においては、フェノール系樹脂等の熱硬化樹脂は熱融着性有機繊維に炭素繊維と導電性微粒子を固定するために利用されている。
Here, in
また、特許文献2では、フェノール樹脂を1000℃以上の高温で加熱して炭化させた樹脂炭化物として用いて、炭素繊維及び炭素粉を結着させているが、これは導電性を高めるためのものである。
Moreover, in
そこで、本発明は、マイクロポーラス層が導電性多孔質基材から剥離し難いマイクロポーラス層形成用ペースト、及び、マイクロポーラス層が導電性多孔質基材から剥離し難い燃料電池用ガス拡散層の提供を課題とするものである。 Therefore, the present invention provides a microporous layer forming paste in which the microporous layer is difficult to peel from the conductive porous substrate, and a gas diffusion layer for a fuel cell in which the microporous layer is difficult to peel from the conductive porous substrate. Providing is an issue.
請求項1のマイクロポーラス層形成用ペーストは、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、前記導電性粉末100重量部に対し固形分で0.35重量部〜1.3重量部の範囲内で配合される水性フェノール樹脂と、溶媒とを混合してなり、導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成することで燃料電池用のガス拡散層のマイクロポーラス層を形成する。このとき前記水性フェノール樹脂は、前記導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成するときの乾燥・焼成温度で炭化状態となるものである。
ここで、上記水性フェノール樹脂としては、溶剤(有機溶媒)が使用されることなく(溶剤で希釈することなく)、フェノール樹脂が水に溶解した水溶性フェノール樹脂またはフェノール樹脂が水に分散された水分散性フェノール樹脂の製品が使用される。
The paste for forming a microporous layer according to
Here, as the aqueous phenol resin, a water-soluble phenol resin or a phenol resin in which the phenol resin is dissolved in water is dispersed without using a solvent (organic solvent) (without diluting with a solvent). Water dispersible phenolic resin products are used.
請求項2の燃料電池用拡散層は、請求項1に記載のマイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材に塗布し、乾燥・焼成してなるものである。 A fuel cell diffusion layer according to a second aspect is obtained by applying the microporous layer forming paste according to the first aspect to a conductive porous base material, followed by drying and firing.
請求項1の発明のマイクロポーラス層形成用ペーストによれば、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、前記導電性粉末100重量部に対し固形分で0.35重量部〜1.3重量部の範囲内で配合される水性フェノール樹脂と、溶媒とを混合してなるものである。そして、水性フェノール樹脂は、マイクロポーラス層形成用ペーストを前記導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成するときの乾燥・焼成温度で炭化状態となるものである。 According to the paste for forming a microporous layer of the first aspect of the invention, the conductive powder, the water repellent resin, the dispersant, and 0.35 parts by weight to 1 .. The aqueous phenolic resin blended within the range of 3 parts by weight and a solvent are mixed. The aqueous phenol resin is in a carbonized state at the drying / firing temperature when the microporous layer forming paste is applied to the conductive porous substrate and dried / fired.
本発明者らは、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成することで形成される燃料電池用のガス拡散層について、導電性多孔質基材に形成されたマイクロポーラス層が燃料電池への組み付け時に導電性多孔質基材から剥離しないようにするために、鋭意実験研究を積み重ねた結果、マイクロポーラス層形成用ペーストに水性フェノール樹脂を前記導電性粉末100重量部に対し固形分で0.35重量部〜1.3重量部の範囲内で配合し、この水性フェノール樹脂が乾燥・焼成後に炭化状態となることで導電性多孔質基材に形成されたマイクロポーラス層の塗膜が導電性多孔質基材から剥離する剥離強度(マイクロポーラス層の塗膜を導電性多孔質基材から剥離させるのに必要な力・荷重)が顕著に向上することを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。 The present inventors formed a microporous layer forming paste containing a conductive powder, a water repellent resin, a dispersant, and a solvent on a conductive porous substrate, followed by drying and baking. In order to prevent the microporous layer formed on the conductive porous substrate from peeling off from the conductive porous substrate when it is assembled to the fuel cell, we have conducted extensive experimental research. As a result, an aqueous phenol resin was blended in a solid content of 0.35 to 1.3 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the conductive powder in the microporous layer forming paste, and the aqueous phenol resin was dried. -Peel strength at which the microporous layer coating film formed on the conductive porous substrate peels off from the conductive porous substrate by becoming a carbonized state after firing (the microporous layer coating film becomes conductive porous It found that the force-load required to peel from the substrate) is significantly improved, in which to complete the present invention based on this finding.
ここで、水性フェノール樹脂の配合が0.35重量部より少なすぎる場合、マイクロポーラス層となる塗膜の剥離強度を高める効果が小さく実用化に適さない。一方で、水性フェノール樹脂の配合が1.3重量部より多すぎる場合、剥離強度は却って低くなる。
水性フェノール樹脂の配合量を、導電性粉末100重量部に対し、固形分(樹脂分)で0.35重量部〜1.3重量部の範囲内とすることで、確実に、マイクロポーラス層が導電性多孔質基材から剥離し難いものとなる。
Here, when the amount of the aqueous phenol resin is less than 0.35 parts by weight, the effect of increasing the peel strength of the coating film to be a microporous layer is small and not suitable for practical use. On the other hand, when the amount of the aqueous phenol resin is more than 1.3 parts by weight, the peel strength is lowered.
By making the blending amount of the aqueous phenol resin within the range of 0.35 to 1.3 parts by weight (solid content) with respect to 100 parts by weight of the conductive powder, the microporous layer is surely formed. It becomes difficult to peel from the conductive porous substrate.
請求項2の発明の燃料電池用ガス拡散層によれば、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、前記導電性粉末100重量部に対し固形分で0.35〜1.3重量部の範囲内で配合される水性フェノール樹脂と、溶媒とを混合してなり、導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成することでマイクロポーラス層を形成するマイクロポーラス層形成用ペーストを、導電性多孔質基材に塗布し、乾燥・焼成してなるものである。そして、前記水性フェノール樹脂は、前記マイクロポーラス層形成用ペーストを前記導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成するときの乾燥・焼成温度で炭化状態となるものである。
本発明者らは、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成することで形成される燃料電池用のガス拡散層について、導電性多孔質基材に形成されたマイクロポーラス層が燃料電池への組み付け時に導電性多孔質基材から剥離しないようにするために、鋭意実験研究を積み重ねた結果、マイクロポーラス層形成用ペーストに水性フェノール樹脂を前記導電性粉末100重量部に対し固形分で0.35重量部〜1.3重量部の範囲内で配合し、この水性フェノール樹脂が乾燥・焼成後に炭化状態となることで導電性多孔質基材に形成されたマイクロポーラス層の塗膜が導電性多孔質基材から剥離する剥離強度(マイクロポーラス層の塗膜を導電性多孔質基材から剥離させるのに必要な力・荷重)が顕著に向上することを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。
According to the gas diffusion layer for a fuel cell of the invention of
The present inventors formed a microporous layer forming paste containing a conductive powder, a water repellent resin, a dispersant, and a solvent on a conductive porous substrate, followed by drying and baking. In order to prevent the microporous layer formed on the conductive porous substrate from peeling off from the conductive porous substrate when it is assembled to the fuel cell, we have conducted extensive experimental research. As a result, an aqueous phenol resin was blended in a solid content of 0.35 to 1.3 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the conductive powder in the microporous layer forming paste, and the aqueous phenol resin was dried. -Peel strength at which the microporous layer coating film formed on the conductive porous substrate peels off from the conductive porous substrate by becoming a carbonized state after firing (the microporous layer coating film becomes conductive porous It found that the force-load required to peel from the substrate) is significantly improved, in which to complete the present invention based on this finding.
ここで、水性フェノール樹脂の配合が0.35重量部より少なすぎる場合、マイクロポーラス層となる塗膜の剥離強度を高める効果が小さく実用化に適さない。一方で、水性フェノール樹脂の配合が1.3重量部より多すぎる場合、剥離強度は却って低くなる。
水性フェノール樹脂の配合量を、導電性粉末100重量部に対し、固形分(樹脂分)で0.35重量部〜1.3重量部の範囲内とすることで、確実に、マイクロポーラス層が導電性多孔質基材から剥離し難いものとなる。
したがって、本発明のマイクロポーラス層形成用ペーストを使用した燃料電池用拡散層は、燃料電池への組み付け時にマイクロポーラス層が導電性多孔質基材から剥離しないため燃料電池の信頼性が高まる。
なお、上記の数値は、厳格なものでなく概ねであり、当然、測定等による誤差を含む概略値であり、数割の誤差を否定するものではない。
Here, when the amount of the aqueous phenol resin is less than 0.35 parts by weight, the effect of increasing the peel strength of the coating film to be a microporous layer is small and not suitable for practical use. On the other hand, when the amount of the aqueous phenol resin is more than 1.3 parts by weight, the peel strength is lowered.
By making the blending amount of the aqueous phenol resin within the range of 0.35 to 1.3 parts by weight (solid content) with respect to 100 parts by weight of the conductive powder, the microporous layer is surely formed. It becomes difficult to peel from the conductive porous substrate.
Therefore, the fuel cell diffusion layer using the microporous layer forming paste of the present invention increases the reliability of the fuel cell because the microporous layer does not peel from the conductive porous substrate when assembled to the fuel cell.
In addition, said numerical value is not a strict thing but is approximate, and naturally, it is an approximate value including an error due to measurement or the like, and does not deny an error of several percent.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本実施の形態にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストについて説明する。
本実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペーストは、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、所定量の水性フェノール樹脂と、溶媒とを混合してなるものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the microporous layer forming paste according to the present embodiment will be described.
The microporous layer forming paste of the present embodiment is obtained by mixing a conductive powder, a water repellent resin, a dispersant, a predetermined amount of an aqueous phenol resin, and a solvent.
導電性粉末としては、例えば、カーボンブラック粉末、グラファイト粉末、気相成長炭素粉末等のカーボン粉末が挙げられ、これら1種を単独で用いることもできるし、2種以上を併用することも可能である。 Examples of the conductive powder include carbon powders such as carbon black powder, graphite powder, and vapor growth carbon powder. One of these can be used alone, or two or more can be used in combination. is there.
また、本実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペーストの塗布対象としての導電性多孔質基材は、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等のカーボン基材であり、これらカーボン基材との相性の点から、更には、導電性、比表面積、耐食性、電気抵抗、コストの観点から、導電性粉末としてはカーボンブラックが好ましい。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ランプブラック等が挙げられるが、これらは1種を単独でまたは2種以上を適宜組み合わせて使用することが可能である。
中でも、アセチレンブラックは純度が高くて使いやすく、また、比表面積が大きく分散性に優れ、電子伝導性や撥水性も良好で、化学的安定性が高く、更に、良好な揺変性(チキソトロピー)を付与して膜の成形が容易であることから、燃料電池の電極に使用されるマイクロポーラス層の塗膜を形成するのに好適である。
In addition, the conductive porous substrate as the application target of the microporous layer forming paste of the present embodiment is a carbon substrate such as carbon paper, carbon cloth, carbon felt, and the like and compatible with these carbon substrates. In view of conductivity, specific surface area, corrosion resistance, electrical resistance, and cost, carbon black is preferable as the conductive powder. Examples of carbon black include acetylene black, ketjen black, furnace black, channel black, thermal black, lamp black and the like. These can be used alone or in combination of two or more. is there.
Among them, acetylene black has high purity and is easy to use, has a large specific surface area, excellent dispersibility, good electronic conductivity and water repellency, high chemical stability, and good thixotropy. Since it is easy to form a film by application, it is suitable for forming a coating film of a microporous layer used for an electrode of a fuel cell.
なお、導電性粉末の中位径(一次粒子径)は、均一分散性の観点から、20nm〜150nmの範囲内であることが好ましい。
因みに、JIS Z 8901「試験用粉体及び試験用粒子」の本文及び解説の用語の定義によれば、中位径とは、粉体の粒径分布において、ある粒子径より大きい個数(または質量)が、全粉体のそれの50%を占めるときの粒子径(直径)、即ち、オーバサイズ50%の粒径であり、通常、メディアン径または50%粒子径といいD50と表わされる。定義的には、平均粒子径と中位径で粒子群のサイズを表現されるが、ここでは、商品説明の表示、レーザ回折・散乱法によって測定した値である。
そして、この「レーザ回折・散乱法によって測定した中位径」とは、レーザ回折式粒度分布測定装置を用いてレーザ回折・散乱法によって得られた粒度分布において積算重量部が50%となる粒子径(D50)をいう。
なお、上記数値は、厳格なものでなく概ねであり、当然、測定等による誤差を含む概略値であり、数割の誤差を否定するものではない。この誤差の観点から見ると、平均粒子径との差も正規分布に近いほど僅少であり、平均粒子径≒中位径であり、平均粒子径=中位径と見做すこともできる。
In addition, it is preferable that the median diameter (primary particle diameter) of electroconductive powder exists in the range of 20 nm-150 nm from a uniform dispersible viewpoint.
Incidentally, according to the definition of terms in the text and explanation of JIS Z 8901 “Test Powder and Test Particles”, the median diameter is the number (or mass) larger than a certain particle diameter in the particle size distribution of the powder. ) is the particle diameter when occupying 50% of its Zenkonatai (diameter), i.e., a particle size of oversized 50%, usually expressed as the median diameter or 50% particle size and good D 50. By definition, the size of the particle group is expressed by the average particle diameter and the median diameter, but here, it is a value measured by the display of the product description and the laser diffraction / scattering method.
The “median diameter measured by the laser diffraction / scattering method” is a particle whose cumulative weight part is 50% in the particle size distribution obtained by the laser diffraction / scattering method using a laser diffraction particle size distribution measuring apparatus. This refers to the diameter (D 50 ).
The above numerical values are not strict, but are approximate, and are naturally approximate values including errors due to measurement and the like, and do not deny errors of several percent. From the point of view of this error, the difference from the average particle size is closer as the distribution is closer to the normal distribution. The average particle size is about the median diameter, and the average particle size can be regarded as the median size.
また、導電性粉末は、含有量が少なすぎる場合、導電性が不足し、一方で、含有量が多すぎると、マイクロポーラス層の空孔が少なくなり、ガス透過性が低下することから、マイクロポーラス層形成用ペースト中の全固形分において50〜95重量%の範囲内の含有量とすることが望ましい。 In addition, when the content of the conductive powder is too small, the conductivity is insufficient. On the other hand, when the content is too large, the pores of the microporous layer are reduced and the gas permeability is decreased. The total solid content in the porous layer-forming paste is preferably 50 to 95% by weight.
撥水性樹脂としては、形成するマイクロポーラス層の塗膜において撥水性を発現でき、かつ、焼成によりその少なくとも一部が軟化・溶融して導電材(マイクロポーラス層の導電性粉末や導電性多孔質基材の炭素繊維等の導電性物質)を結着する樹脂バインダーとして機能するものであればよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素系樹脂や、シリコーン樹脂等を使用できる。これらは1種を単独でまたは2種以上を適宜組み合わせて使用することが可能である。フッ素系樹脂等の撥水剤は、そのままでは水には分散しないため、適当な分散剤(界面活性剤)によって水中に分散させたもの、例えば、フッ素系樹脂等の撥水剤が乳化されたエマルジョンや、フッ素系樹脂等の撥水剤が分散されたディスパージョン等を用いることができる。
中でも、撥水性、電極反応時の耐食性等に優れるフッ素系の高分子材料が好ましく、特に、PTFEのエマルジョンを用いるのが好ましい。なお、PTFEは、テトラフルオロエチレンの単独重合体であってもよく、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン等のハロゲン化オレフィン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)等の他のフッ素系単量体に由来する単位を含む変性PTFEであってもよい。
As the water-repellent resin, a water-repellent resin can exhibit water repellency in the coating film of the microporous layer to be formed, and at least a part thereof is softened and melted by baking to form a conductive material (conductive powder of the microporous layer or conductive porous material). Any material can be used as long as it functions as a resin binder that binds a conductive material such as carbon fiber of the base material. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP) ), Perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF) ) And the like, and silicone resins can be used. These can be used singly or in appropriate combination of two or more. Since water repellents such as fluororesins do not disperse in water as they are, those dispersed in water with an appropriate dispersant (surfactant), for example, water repellents such as fluororesins are emulsified. An emulsion or a dispersion in which a water repellent such as a fluorine-based resin is dispersed can be used.
Among them, a fluorine-based polymer material excellent in water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like is preferable, and in particular, an emulsion of PTFE is preferably used. PTFE may be a tetrafluoroethylene homopolymer, derived from halogenated olefins such as chlorotrifluoroethylene and hexafluoropropylene, and other fluorine-based monomers such as perfluoro (alkyl vinyl ether). It may be a modified PTFE containing units.
なお、撥水性樹脂の平均分子量は、5万〜100万の範囲内であることが望ましい。平均分子量が低すぎるものは、導電材(マイクロポーラス層の導電性粉末や導電性多孔質基材の炭素繊維等の導電性物質)を結合させるバインダーとしての結着性が小さく、一方で、平均分子量の大きすぎるものは、混合時に繊維化して分散不良になり易くてペーストの安定性が低下したり、塗工等の製造プロセスにおける剪断力により繊維化して固まり、配管やポンプ等に目詰まりや濃度変化を起こし、塗着不良を起こしたりする原因となる。因みに撥水性樹脂がフッ素系重合体である場合、フッ素系重合体は溶媒に溶解しにくいため、溶融粘度では平均分子量を測定しにくい。このため、比重と数平均分子量との関係から平均分子量を求める比重法が適用される。
また、撥水性樹脂の含有量が少なすぎる場合、撥水性が不足したり、バインダー効果が小さくて高い膜強度や接合強度が得られなくなったりする。一方で、含有量が多すぎると、マイクロポーラス層の空孔が少なくなり、ガス透過性が低下する。よって、撥水性樹脂は、マイクロポーラス層形成用ペースト中の全固形分において5〜50重量%の範囲内の含有量とすることが望ましい。
The average molecular weight of the water repellent resin is preferably in the range of 50,000 to 1,000,000. Those having an average molecular weight that is too low have a low binding property as a binder for binding a conductive material (conductive powder such as a conductive powder of a microporous layer or carbon fiber of a conductive porous substrate), while the average If the molecular weight is too large, the fiber tends to become dispersible due to mixing and the stability of the paste is lowered, or the fiber is solidified by shearing force in the manufacturing process such as coating, and clogging occurs in pipes and pumps. It causes density change and causes poor coating. Incidentally, when the water-repellent resin is a fluoropolymer, the fluoropolymer is difficult to dissolve in a solvent, and therefore it is difficult to measure the average molecular weight with melt viscosity. For this reason, the specific gravity method which calculates | requires an average molecular weight from the relationship between specific gravity and a number average molecular weight is applied.
On the other hand, when the content of the water repellent resin is too small, the water repellency is insufficient, or the binder effect is small and high film strength and bonding strength cannot be obtained. On the other hand, when there is too much content, the void | hole of a microporous layer will decrease and gas permeability will fall. Therefore, it is desirable that the water repellent resin has a content in the range of 5 to 50% by weight with respect to the total solid content in the microporous layer forming paste.
因みに、エマルジョン(emulsion;「エマルション」ともいう。)とは、乳濁液ともいい、液体中に液体粒子がコロイド粒子或いはそれより粗大な粒子として乳状をなすもの(分散系)が本来の意味であるが(長倉三郎他編「岩波理化学辞典(第5版)」152頁,1998年2月20日株式会社岩波書店発行)、本明細書においては、より広い意味で一般的に用いられている「液体中に固体または液体の粒子が分散しているもの」として、ここでは「エマルジョン」という用語を用いるものとする。 Incidentally, an emulsion (also referred to as an “emulsion”) is also called an emulsion, and the original meaning is that the liquid particles form a milky form as colloidal particles or coarser particles in the liquid (dispersed system). Although it is (Saburo Nagakura et al., “Iwanami Rikagaku Dictionary (5th edition)” page 152, published by Iwanami Shoten Co., Ltd. on February 20, 1998), it is generally used in a broader sense in this specification. The term “emulsion” is used herein as “a solid or liquid particle dispersed in a liquid”.
分散剤としては、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX−100等)、ポリオキシエチレンラウリルエーテル等の非イオン系界面活性剤、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキレンアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルエーテル等のノニオン系分散剤、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウムクロリド、アルキルピリジウムクロリド等のカチオン系分散剤、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、酸性基含有構造変性ポリアクリレート等のアニオン系分散剤等が挙げられ、これら1種を単独でまたは2種以上を用いることが可能である。例えば、導電性粉末としてカーボンブラック、撥水性樹脂としてPTFEエマルジョンを使用する場合には、これら導電性粉末や撥水性樹脂微粒子等の濡れ性を良くし分散性を向上させるために、非イオン系界面活性剤の分散剤が好ましい。なお、撥水性樹脂が分散剤を含む状態で混合される場合もある。 Dispersing agents include polyoxyethylene alkylphenyl ether (Triton X-100, etc.), nonionic surfactants such as polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene distyrenated phenyl ether, polyoxyethylene alkylene alkyl ether, polyethylene Nonionic dispersants such as glycol alkyl ethers, cationic dispersants such as alkyltrimethylammonium salts, dialkyldimethylammonium chlorides, and alkylpyridium chlorides, anionic dispersants such as polyoxyethylene fatty acid esters and acid group-containing structure-modified polyacrylates These can be used alone or in combination of two or more. For example, when carbon black is used as the conductive powder and PTFE emulsion is used as the water repellent resin, in order to improve the wettability and improve the dispersibility of these conductive powder and water repellent resin fine particles, a nonionic interface is used. An activator dispersant is preferred. In some cases, the water repellent resin is mixed in a state containing a dispersant.
分散剤が配合されることによって、導電性粉末や撥水性樹脂の凝集を防止して溶媒に均一に分散させることができる。これにより、ペーストの安定性が高まり、また、塗布時において配管やポンプ等に目詰まりや濃度変化が生じることが防止されて、良好な成膜性を得ることができる。更に、均質で表面起伏が少ないマイクロポーラス層として良好なガス拡散性等の特性を得ることができる。加えて、触媒層との接触抵抗も小さくなり、燃料電池において安定した出力を得ることができる。
なお、分散剤は、分散性を確保するためにマイクロポーラス層形成用ペースト中に0.1重量%以上含有されるが、含有量が多すぎると、ペーストが発泡しやすくなり、また乾燥・焼成時間が長くなり負担となるから5重量%以下とするのが好ましい。
By blending the dispersant, the conductive powder and the water-repellent resin can be prevented from agglomerating and uniformly dispersed in the solvent. As a result, the stability of the paste is increased, and clogging and concentration change are prevented from occurring in the piping, pump, etc. during application, and good film forming properties can be obtained. Furthermore, it is possible to obtain characteristics such as good gas diffusibility as a microporous layer that is homogeneous and has less surface undulations. In addition, the contact resistance with the catalyst layer is reduced, and a stable output can be obtained in the fuel cell.
The dispersant is contained in the microporous layer forming paste in an amount of 0.1% by weight or more in order to ensure dispersibility. However, if the content is too large, the paste is liable to foam and is dried and fired. Since the time is increased and a burden is imposed, the content is preferably 5% by weight or less.
ここで、本発明者らは、鋭意実験研究を積み重ねた結果、これら導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤とを含有するマイクロポーラス層形成用ペーストにおいて、所定量の水性フェノール樹脂を配合すると、マイクロポーラス層形成用ペーストを、カーボン基材の導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成したマイクロポーラス層の導電性多孔質基材からの剥離強度、即ち、導電性多孔質基材に対しての接合強度(密着性)が顕著に向上することを見出した。
これは、所定量の水性フェノール樹脂が配合されたマイクロポーラス層形成用ペーストは、導電性多孔質基材に塗布された後、マイクロポーラス層を形成するための乾燥・焼成工程において、水性フェノール樹脂の分解温度より低い乾燥・焼成時の温度にて水性フェノール樹脂が炭化状態となり、その炭化した成分がマイクロポーラス層内の結着と、マイクロポーラス層と導電性多孔質基材の界面の結着を促進する結着成分として働くためと推定している。
Here, as a result of accumulating extensive experimental research, the present inventors formulated a predetermined amount of aqueous phenolic resin in a microporous layer forming paste containing these conductive powder, water repellent resin, and dispersant. Then, the peel strength from the conductive porous substrate of the microporous layer obtained by applying the microporous layer forming paste to the conductive porous substrate of the carbon substrate, drying and firing, that is, the conductive porous substrate It has been found that the bonding strength (adhesion) to the material is remarkably improved.
This is because a microporous layer-forming paste containing a predetermined amount of aqueous phenolic resin is applied to a conductive porous substrate, and then dried and fired to form a microporous layer. The aqueous phenolic resin is carbonized at a drying / firing temperature lower than the decomposition temperature of the resin, and the carbonized component is bound in the microporous layer and the interface between the microporous layer and the conductive porous substrate. It is presumed to work as a binding component that promotes
更に推論すると、水性フェノール樹脂は、他の水性樹脂と比較して、炭化した際にカーボンを結着しやすいことから、導電性粉末としてのカーボンブラック等のカーボン成分や導電性多孔質基材に含有されるカーボン成分との結合力が強くなる。これによって効果的にマイクロポーラス層の導電性粉末や導電性多孔質基材を結着して、有効にマイクロポーラス層を強固とし、導電性多孔質基材とマイクロポーラス層の剥離強度を高めることができる。また、マイクロポーラス層から導電性粉末が脱落するのを防止できる。 ここで、水性フェノール樹脂の分解温度が400℃〜500℃のものは、後述する乾燥・焼成温度250℃〜350℃において炭化状態として残存する成分が多く(炭化率が高く)効率が良い。そして、このような分解温度を有するものとしては重量平均分子量(Mw)が小さいものが適するが、あまり小さいものはマイクロポーラス層の膜強度や導電性多孔質基材とマイクロポーラス層の剥離強度の向上に不適である。したがって、40%以上の残炭率を有する水性フェノール樹脂が好適である。なお、水性フェノール樹脂の含有量に対する炭化状態の割合(残炭率)は、使用する水性フェノール樹脂の種類、含有量と乾燥・焼成温度によって決定され、含有させた水性フェノール樹脂の全てが炭化すると炭化率は100%となる。 It is further inferred that water-based phenolic resins tend to bind carbon when carbonized compared to other water-based resins, so that carbon components such as carbon black as a conductive powder and conductive porous substrates can be used. The bond strength with the contained carbon component is increased. This effectively binds the conductive powder and conductive porous substrate of the microporous layer, effectively strengthens the microporous layer, and increases the peel strength between the conductive porous substrate and the microporous layer. Can do. Moreover, it is possible to prevent the conductive powder from dropping from the microporous layer. Here, when the decomposition temperature of the aqueous phenol resin is 400 ° C. to 500 ° C., there are many components remaining in a carbonized state (high carbonization rate) at a drying / calcination temperature 250 ° C. to 350 ° C. described later, and the efficiency is high. A material having such a decomposition temperature is suitable having a low weight average molecular weight (Mw), but a material having a very low molecular weight is not suitable for the film strength of the microporous layer or the peel strength between the conductive porous substrate and the microporous layer. Not suitable for improvement. Therefore, an aqueous phenol resin having a residual carbon ratio of 40% or more is suitable. In addition, the ratio of the carbonization state (residual carbon ratio) to the content of the aqueous phenol resin is determined by the type of the aqueous phenol resin used, the content and the drying / calcination temperature, and when all of the contained aqueous phenol resin is carbonized. The carbonization rate is 100%.
ここで、フェノール樹脂には、水性のものと、水に不溶な溶剤系(溶剤希釈型)のものとがあるが、本発明では、水性のフェノール樹脂が使用され、溶剤(有機溶媒)を使用せずに(溶剤で希釈せずに)水に溶解・分散させているフェノール樹脂製品(エマルジョン(乳濁液)、ディスパージョンを含む)が使用される。有機溶媒を使用している場合、マイクロポーラス層形成用ペーストに混合した際に、有機溶媒によってPTFEエマルジョン等の撥水性樹脂の分散状態が安定し難くなり、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂が分離して、成膜性が悪くなったり、撥水性等の特性が低下したりして、高い電池性能を得ることができなくなるためである。 Here, there are two types of phenolic resins, water-based ones and water-insoluble solvent-based ones (solvent dilution type). In the present invention, aqueous phenolic resins are used, and solvents (organic solvents) are used. Phenol resin products (including emulsions (emulsions) and dispersions) that are dissolved and dispersed in water without being diluted (without being diluted with a solvent) are used. When an organic solvent is used, when mixed with the microporous layer forming paste, the dispersion state of the water repellent resin such as PTFE emulsion becomes difficult to be stabilized by the organic solvent, and the water repellent resin such as PTFE emulsion is separated. This is because the film formability is deteriorated and the characteristics such as water repellency are deteriorated, so that high battery performance cannot be obtained.
このような水性フェノール樹脂としては、例えば、住友ベークライト(株)製のスミライトレジンや、DIC(株)製のフェノライトや、昭和電工(株)製のショウノール等の市販商品を使用することができる。
なお、この水性フェノール樹脂は合成の際に金属触媒やアルカリ触媒を用いていないものを使用するのが好ましい。水性フェノール樹脂中にナトリウムやカルシウム等のイオンが存在すると、これらの金属イオンが燃料電池を構成する固体高分子形電解質膜のプロトン伝導性の低下を引き起こし、電池性能を低下させる恐れがあるからである。
As such an aqueous phenol resin, for example, commercially available products such as Sumitrite Resin manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd., Phenolite manufactured by DIC Co., Ltd., Shounol manufactured by Showa Denko Co., Ltd., etc. should be used. Can do.
In addition, it is preferable to use what does not use a metal catalyst or an alkali catalyst for this aqueous phenol resin in the case of a synthesis | combination. If ions such as sodium and calcium are present in the aqueous phenolic resin, these metal ions may cause a decrease in proton conductivity of the solid polymer electrolyte membrane constituting the fuel cell, thereby reducing the battery performance. is there.
また、水性フェノール樹脂の配合は、導電性粉末100重量部に対し固形分(樹脂分)で0.35重量部〜1.3重量部の範囲内とするのが好ましい。
水性フェノール樹脂の配合がこの範囲外では後述する試験結果から、マイクロポーラス層と導電性多孔質基材の剥離強度を高める効果が小さいからである。
Moreover, it is preferable to mix | blend aqueous phenolic resin in the range of 0.35 weight part-1.3 weight part by solid content (resin content) with respect to 100 weight part of electroconductive powder.
It is because the effect which raises the peeling strength of a microporous layer and an electroconductive porous base material is small from the test result mentioned later when the mixing | blending of aqueous phenol resin is outside this range.
そして、本実施の形態においては、以上説明してきたカーボンブラック等の導電性粉末、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂、分散剤、及び規定量範囲内の水性フェノール樹脂に加え、溶媒としてイオン交換水等の水が配合され、これら配合材料が混合分散されてマイクロポーラス層形成用ペーストが得られる(図1のステップS1)。 In the present embodiment, in addition to the conductive powder such as carbon black described above, the water repellent resin such as PTFE emulsion, the dispersant, and the aqueous phenol resin within the specified amount range, ion-exchanged water or the like as a solvent. The blended materials are mixed and dispersed to obtain a microporous layer forming paste (step S1 in FIG. 1).
溶媒は、導電性粉末、撥水性樹脂、分散剤、水性フェノール樹脂の各配合成分を混合分散してペースト化するための溶媒であり、乾燥・焼成後においては消失するものである。溶媒としてイオン交換水等の水系の溶媒を使用した場合には、有機系溶剤を使用した場合よりも、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂の分散性が良くてPTFEエマルジョン等の撥水性樹脂が分離することなく、良好な成膜性が得られる。また、塗工や焼成の際の作業性が良く、発火の恐れもない。更に、環境負荷にもならず、低コストで製造できる。 The solvent is a solvent for mixing and dispersing each component of conductive powder, water repellent resin, dispersant, and aqueous phenol resin to form a paste, and disappears after drying and baking. When an aqueous solvent such as ion-exchanged water is used as the solvent, the water-repellent resin such as PTFE emulsion is more dispersible and the water-repellent resin such as PTFE emulsion is separated than when an organic solvent is used. Therefore, good film formability can be obtained. In addition, workability during coating and firing is good, and there is no risk of ignition. Furthermore, it can be manufactured at low cost without causing environmental load.
ここで、配合材料の混合分散処理は、一般的なディスパー、プラネタリー等のミキサーや、ビーズミル等を使用した攪拌も可能であるが、攪拌用羽根等による剪断力を用いることなく、材料同士の接触(衝突)や材料の撹拌容器内壁への接触(衝突)によって発生する衝突エネルギー等を利用して分散させるのが望ましく、例えば、公転・自転を特定の値に設定可能な遊星式撹拌・脱泡装置等を用いて混合分散させることが好ましい。これにより、カーボン等の導電性粒子の三次元構造の破壊を招くことなく、導電性粒子の三次元構造を維持したまま、導電性粉末を分散できることから、撥水性樹脂と導電性粒子との強固な三次元結合を形成し、膜強度の向上を図ることができる。また、分散時に高い剪断応力がかかると導電性粉末及び撥水性樹脂エマルジョン中の樹脂分が凝集して凝集物を生じ塗工時のフィルターの目詰まりや塗膜の欠落を発生するが、遊星式撹拌・脱泡装置を用いることで、導電性粉末及び撥水性樹脂エマルジョン中の樹脂分が凝集して凝集物が生じるのが防止され、塗工時のフィルターの目詰まりや塗膜の欠落が防止される。更に、遊星式撹拌・脱泡装置を用いることで、かかる装置においては撹拌用の羽根等を有しないため洗浄に手間がかかることがなく、歩留まりも向上することから、低コスト化が可能となる。 Here, the mixing / dispersing treatment of the blended material can be performed by using a mixer such as a general disper or planetary, or a bead mill, but without using a shearing force by a stirring blade or the like. It is desirable to disperse using collision energy generated by contact (collision) or contact of the material with the inner wall of the stirring vessel (collision). For example, planetary agitation / removal can be set to a specific value for revolution and rotation. It is preferable to mix and disperse using a foaming device or the like. As a result, the conductive powder can be dispersed while maintaining the three-dimensional structure of the conductive particles without destroying the three-dimensional structure of the conductive particles such as carbon. 3D bonds can be formed and the film strength can be improved. In addition, if high shear stress is applied during dispersion, the resin content in the conductive powder and the water-repellent resin emulsion aggregates to form aggregates, resulting in clogging of the filter during coating and loss of the coating film. By using an agitation / defoaming device, the resin content in the conductive powder and water-repellent resin emulsion is prevented from agglomerating to prevent agglomeration, preventing clogging of the filter during coating and loss of the coating film. Is done. Furthermore, by using a planetary agitation / defoaming device, since such an apparatus does not have a stirring blade or the like, it does not take time for cleaning, and the yield is improved, so that the cost can be reduced. .
なお、本発明を実施する場合には、必要に応じてその他添加剤を配合することも可能である。例えば、導電性や強度を高めるために炭素繊維(カーボンナノチューブ)等の繊維状の導電性材料を用いることも可能である。但し、繊維状の導電性材が多いと、ガス拡散層を構成する導電性多孔質基材及びマイクロポーラス層のうちマイクロポーラス層が触媒層に接触されることから、繊維が高分子膜に突き刺さりやすくなり、高分子膜を劣化させ、発電性能を低下させる恐れがある。また、繊維によって表面に凹凸が発生しやすくなることから、触媒層との接触面積が低下し、接触抵抗が増加して十分な導電性や排水性が得られなくなる可能性がある。このため、このような不具合を生じない範囲での添加が好ましい。 In addition, when implementing this invention, it is also possible to mix | blend other additives as needed. For example, a fibrous conductive material such as carbon fiber (carbon nanotube) can be used to increase conductivity and strength. However, if the fibrous conductive material is large, the microporous layer of the conductive porous substrate and the microporous layer constituting the gas diffusion layer comes into contact with the catalyst layer, so that the fiber pierces the polymer film. There is a risk that the polymer film is deteriorated and the power generation performance is lowered. Further, since unevenness is likely to be generated on the surface by the fiber, the contact area with the catalyst layer is reduced, and the contact resistance is increased, so that there is a possibility that sufficient conductivity and drainage cannot be obtained. For this reason, addition in the range which does not produce such a malfunction is preferable.
次に、この本実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペーストを用いて形成される燃料電池用のガス拡散層について説明する。
本実施の形態と挙げている燃料電池用のガス拡散層の製造においては、図1のステップS1の混合分散工程を経て得られたマイクロポーラス層形成用ペーストを、図1のステップS2の塗布工程にて、導電性多孔質基材に塗布する。
Next, a gas diffusion layer for a fuel cell formed by using the microporous layer forming paste of this embodiment will be described.
In the production of the gas diffusion layer for a fuel cell referred to as the present embodiment, the paste for forming the microporous layer obtained through the mixing and dispersing step in step S1 in FIG. 1 is applied to the coating step in step S2 in FIG. And apply to the conductive porous substrate.
導電性多孔質基材としては、従来の燃料電池(特に、固体高分子形燃料電池)のガス拡散層で一般的に用いられているガス透過性と導電性を備える多孔質のものを用い、本発明のマイクロポーラス層形成用ペーストによって形成されるマイクロポーラス層に含まれる炭化成分との結着性が良好なカーボン成分を含有しているものである。例えば、黒鉛、膨張黒鉛等の炭素材料(ナノカーボン材料を含む)の導電性材料が繊維状、粒子状、織布状、不織布状、メッシュ状、格子状、パンチング体、発泡体等の多孔質体の形態で構成されたものを用いることができる。特に、ガス透過性等の観点から、炭素繊維が好ましく、より具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト(カーボン不織布)等が好適に使用される。これらは、燃料電池の使用状況、運転条件等を考慮して選択される。 As the conductive porous substrate, a porous material having gas permeability and conductivity generally used in gas diffusion layers of conventional fuel cells (particularly, polymer electrolyte fuel cells) is used. It contains a carbon component having good binding properties with the carbonized component contained in the microporous layer formed by the microporous layer forming paste of the present invention. For example, conductive materials of carbon materials (including nanocarbon materials) such as graphite and expanded graphite are porous such as fibers, particles, woven fabrics, nonwoven fabrics, meshes, lattices, punched bodies, foams, etc. What was comprised by the form of the body can be used. In particular, from the viewpoint of gas permeability, carbon fibers are preferable, and more specifically, carbon paper, carbon cloth, carbon felt (carbon nonwoven fabric), and the like are preferably used. These are selected in consideration of the use state of the fuel cell, operating conditions, and the like.
因みに、カーボンクロスやカーボンフェルト(カーボン不織布)は構造上、ガス透過性が高く、高湿度条件での使用に適している。カーボンペーパーは、カーボンファイバーをバインダーで結着させており、孔径分布がカーボンクロスやカーボンフェルト(カーボン不織布)に比べて小さいためガス透過性が低く、低湿度条件での使用に適している。カーボンペーパーは、カーボンクロスやカーボンフェルト(カーボン不織布)に比べて、薄くても面方向や厚さ方向の寸法安定性が高く、成形加工性が優れており、また、曲げ剛性が高いために膜/電極接合体をスタック化する際のハンドリング性に優れている。更に、カーボンペーパーは、カーボンクロスやカーボンフェルト(カーボン不織布)に比べて薄くできて成形しやすいため、スタックサイズの小型化が容易である。加えて、ガス拡散層を所定寸法にカットする工程時のカット後の寸法安定性も良好で、ロボットによる搬送工程における易チャック性・易移動性に優れるため、燃料電池の大量生産化に有利である。 Incidentally, carbon cloth and carbon felt (carbon non-woven fabric) are structurally highly gas permeable and suitable for use in high humidity conditions. Carbon paper is obtained by binding carbon fibers with a binder, and its pore size distribution is smaller than that of carbon cloth or carbon felt (carbon non-woven fabric), so it has low gas permeability and is suitable for use in low humidity conditions. Compared to carbon cloth and carbon felt (carbon non-woven fabric), carbon paper has high dimensional stability in the surface direction and thickness direction, excellent molding processability, and high bending rigidity. / Excellent handling when stacking electrode assemblies. Furthermore, since carbon paper can be made thinner and easier to mold than carbon cloth or carbon felt (carbon nonwoven fabric), it is easy to reduce the stack size. In addition, the dimensional stability after cutting during the process of cutting the gas diffusion layer to a predetermined dimension is also good, and it is advantageous for mass production of fuel cells because it is excellent in easy chucking and easy mobility in the transfer process by the robot. is there.
更に、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質基材には、ガス拡散層の撥水性をより向上させて燃料電池の発電性能や耐久性をより向上させるために、撥水処理が施される。また、導電性多孔質基材に撥水処理(図1のステップS11)が施されていると、マイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材に塗布した際に、その一部が導電性多孔質基材に染み込んで(浸透して)空間の目詰まりを起こすのが防止される。即ち、マイクロポーラス層形成用ペーストが導電性多孔質基材に染み込むことなく成膜することができ、ガス拡散性を阻害することがない。これにより、導電性多孔質基材の気孔率が大きく保たれ圧力損失が小さくなり、均一なガス供給及び反応生成水の良好な排出を行うことができ、固体高分子形燃料電池の高出力化を図ることができる。 In addition, conductive porous substrates such as carbon paper and carbon cloth are subjected to water repellent treatment in order to improve the water repellency of the gas diffusion layer and improve the power generation performance and durability of the fuel cell. The In addition, if the conductive porous substrate is subjected to water repellent treatment (step S11 in FIG. 1), when the microporous layer forming paste is applied to the conductive porous substrate, a part of the conductive porous substrate is electrically conductive. It is prevented that the porous porous substrate soaks (permeates) and clogs the space. That is, the microporous layer forming paste can be formed without soaking into the conductive porous substrate, and gas diffusivity is not hindered. As a result, the porosity of the conductive porous substrate is kept large, the pressure loss is reduced, the uniform gas supply and the good discharge of the reaction product water can be performed, and the output of the solid polymer fuel cell is increased. Can be achieved.
導電性多孔質基材に施される撥水処理(図1のステップS11)は、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)やテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)等、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂が分散した分散液(PTFEディスパージョン等)に導電性多孔質基材を浸漬させ、乾燥させることによって含浸させることで行うことができる。所望量のフッ素樹脂が含浸されるまで、浸漬と乾燥とを繰り返してもよい。この方法によれば、面内方向、厚み方向への含浸量の均一性が高いものとなる。その他にも、撥水性樹脂が分散した分散液を噴霧するスプレー法等による含浸処理も可能である。撥水処理に使用する撥水剤は、上述のマイクロポーラス層形成用ペーストに用いることができる撥水性樹脂と同様のものを用いて行うことができる。
なお、撥水性確保の点から導電性多孔質基材中に撥水剤が1重量%以上となるようにするのが望ましいが、撥水剤が過剰であるとガス拡散性や排水性が低下するから、30重量%以下とするのが好ましい。
The water-repellent treatment (step S11 in FIG. 1) applied to the conductive porous substrate is, for example, a fluorine-based material such as PTFE (polytetrafluoroethylene) or tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA). It can be carried out by immersing the conductive porous substrate in a dispersion liquid (PTFE dispersion or the like) in which a water-repellent resin such as a resin is dispersed, and then impregnating it by drying. Immersion and drying may be repeated until a desired amount of fluororesin is impregnated. According to this method, the uniformity of the amount of impregnation in the in-plane direction and the thickness direction is high. In addition, an impregnation treatment by a spray method or the like that sprays a dispersion liquid in which a water-repellent resin is dispersed is also possible. The water repellent used for the water repellent treatment can be performed using the same water repellent resin that can be used for the above-mentioned microporous layer forming paste.
From the viewpoint of ensuring water repellency, it is desirable that the water-repellent agent is 1% by weight or more in the conductive porous substrate. However, if the water-repellent agent is excessive, gas diffusibility and drainage will be reduced. Therefore, the content is preferably 30% by weight or less.
導電性多孔質基材の厚さは、燃料電池の運転条件等や求められる性能を考慮して設定されるが、導電性多孔質基材が薄すぎると、強度が不足して安定的なガス拡散性、排水性、導電性等のガス拡散層の性能が得られなくなったり、取扱い性が悪くなり触媒層との位置ずれが生じたりして、電池性能の低下を招く。また、導電性多孔質基材が厚すぎても、ガス拡散性が低下したり、内部抵抗値が増大したりし、高い電池性能を得ることができなくなる。このため、2μm〜500μmの範囲内が好ましい。なお、通常、導電性多孔質基材の厚みは、マイクロポーラス層の厚みよりも厚いものとなる。 The thickness of the conductive porous substrate is set in consideration of the operating conditions of the fuel cell and the required performance, but if the conductive porous substrate is too thin, the strength is insufficient and a stable gas The performance of the gas diffusion layer such as diffusibility, drainage, conductivity, etc. cannot be obtained, or the handleability is deteriorated and the displacement with respect to the catalyst layer is caused, leading to a decrease in battery performance. Moreover, even if the conductive porous substrate is too thick, the gas diffusibility is lowered or the internal resistance value is increased, so that high battery performance cannot be obtained. For this reason, the inside of the range of 2 micrometers-500 micrometers is preferable. In general, the thickness of the conductive porous substrate is larger than the thickness of the microporous layer.
導電性多孔質基材に対するマイクロポーラス層形成用ペーストの塗布は、刷毛塗り、筆塗り、ロールコータ法、バーコータ法、ダイコータ法、ブレード法、ナイフコータ法、スピンコータ法、スクリーン印刷、カーテンコーティング法、ディップコータ法、スプレーコータ法、グラビアコータ法、アプリケータ等の方法で行うことができる。 Application of the microporous layer forming paste to the conductive porous substrate is brush coating, brush coating, roll coater method, bar coater method, die coater method, blade method, knife coater method, spin coater method, screen printing, curtain coating method, dip A coater method, a spray coater method, a gravure coater method, an applicator or the like can be used.
このときマイクロポーラス層形成用ペーストの塗布膜厚は、燃料電池の運転条件等や求められる性能を考慮して設定されるが乾燥・焼成後の塗膜の乾燥膜厚(マイクロポーラス層厚み)が、1μm〜300μmの範囲内となるように設定されるのが好ましい。
乾燥膜厚が薄すぎると導電性多孔質基材の凹凸を吸収したり、導電性多孔質基材の繊維が電解質膜に突き刺さるのを阻止したりする効果が得られない。一方で、塗布膜厚が厚すぎると、乾燥・焼成による収縮によって表面平滑性が低下しやすく、触媒層との接触抵抗が増大する。また、乾燥膜厚が厚いと、厚さ方向の電気抵抗が高くなる。
At this time, the coating thickness of the microporous layer forming paste is set in consideration of the operating conditions of the fuel cell and the required performance, but the dry film thickness (microporous layer thickness) of the coating film after drying and baking is It is preferably set to be in the range of 1 μm to 300 μm.
If the dry film thickness is too thin, the effect of absorbing the irregularities of the conductive porous substrate or preventing the fibers of the conductive porous substrate from sticking into the electrolyte membrane cannot be obtained. On the other hand, if the coating film thickness is too thick, the surface smoothness tends to decrease due to shrinkage due to drying and baking, and the contact resistance with the catalyst layer increases. Moreover, when the dry film thickness is thick, the electrical resistance in the thickness direction increases.
乾燥膜厚が1μm〜300μmの範囲内であれば、表面平滑性の高いマイクロポーラス層が得られ、良好なガス透過性、電気抵抗性の性能を確保できる。また、導電性多孔質基材の厚みに対してマイクロポーラス層の厚みが50%以下であるのが望ましい。厚みの差が適度な範囲内であれば、乾燥・焼成による導電性多孔質基材とマイクロポーラス層間における収縮応力が小さく、高い接合強度が得られる。また、拡散層全体の平滑性が高くなり触媒層との接触抵抗が小さいものとなる。 When the dry film thickness is in the range of 1 μm to 300 μm, a microporous layer with high surface smoothness can be obtained, and good gas permeability and electrical resistance performance can be ensured. Further, it is desirable that the thickness of the microporous layer is 50% or less with respect to the thickness of the conductive porous substrate. If the difference in thickness is within an appropriate range, the shrinkage stress between the conductive porous substrate and the microporous layer due to drying and firing is small, and high bonding strength is obtained. Further, the smoothness of the entire diffusion layer is increased, and the contact resistance with the catalyst layer is reduced.
そして、図1のステップS2の塗布工程にてマイクロポーラス層形成用ペーストが塗布された導電性多孔質基材は、図1のステップS3の乾燥・焼成工程にて乾燥・焼成される。
この乾燥・焼成によって、導電性多孔質基材に塗布されたマイクロポーラス層形成用ペーストによる塗膜中の分散剤及び水分が除去され、空隙(細孔)が形成されると共に、撥水性樹脂による撥水性が発現される。さらに、本実施の形態において配合された水性フェノール樹脂が炭化状態になり、これによってマイクロポーラス層の補強とマイクロポーラス層からの導電性粉末の脱落防止、及びマイクロポーラス層と導電性多孔質基材との付着性を向上させることが可能となる。
The conductive porous substrate to which the microporous layer forming paste is applied in the application process in step S2 in FIG. 1 is dried and fired in the drying and firing process in step S3 in FIG.
By this drying and baking, the dispersant and moisture in the coating film by the microporous layer forming paste applied to the conductive porous substrate are removed, voids (pores) are formed, and the water-repellent resin is used. Water repellency is exhibited. Furthermore, the aqueous phenolic resin blended in the present embodiment becomes carbonized, thereby reinforcing the microporous layer and preventing the conductive powder from falling off the microporous layer, and the microporous layer and the conductive porous substrate. It becomes possible to improve the adhesiveness.
このため乾燥・焼成温度は、分散剤及び水分を除去できる温度であり、かつ、撥水性樹脂を軟化・溶融させて撥水性樹脂による撥水性を発現させることができる温度であり、更に水性フェノール樹脂を炭化状態としてマイクロポーラス層の導電性粉末や導電性多孔質基材と結着できる温度である。これらを可能とする温度として通常、250℃〜350℃の範囲内に設定される。 Therefore, the drying / baking temperature is a temperature at which the dispersant and moisture can be removed, and the water repellent resin can be softened and melted to exhibit water repellency by the water repellent resin. Is a temperature at which can be bound to the conductive powder of the microporous layer or the conductive porous substrate. The temperature enabling these is usually set in the range of 250 ° C to 350 ° C.
乾燥・焼成温度が低すぎると、分散剤が残存して分散剤の親水性基によって水分が捕捉されるため、ガス拡散層において十分な撥水性を発現できず、燃料電池に適用した場合に実用的な排水性を得ることができない。また、撥水性樹脂によるバインダー効果及び水性フェノール樹脂の炭化成分による結着力が小さく、マイクロポーラス層の高い機械的強度や導電性多孔質基材との接合強度(剥離強度)を確保することが難しくなる。一方で、乾燥・焼成温度が高すぎると、マイクロポーラス層の成分が劣化したり、高い温度変化によりマイクロポーラス層の変形が大きくなって平滑性が低下したり、亀裂が生じたりすることで、所望の要求性能を有するマイクロポーラス層の形成が困難となる。更に、乾燥から焼成までを行う乾燥・焼成工程での負荷や自然環境に与える負荷が増え、製造コストも高くなる。
乾燥・焼成温度が250℃〜350℃の範囲内であれば、分散剤や水分が完全に分解・揮発して消失し残存することなく、発電効率に大きく影響を与える拡散層の重要特性である撥水性を確保でき、かつ、所望のマイクロポーラス層の形成と良好な導電性多孔質基材との接合を確保することができる。
If the drying / firing temperature is too low, the dispersant remains and water is trapped by the hydrophilic groups of the dispersant, so that sufficient water repellency cannot be expressed in the gas diffusion layer and is practical when applied to a fuel cell. Can not get a good drainage. In addition, the binder effect due to the water-repellent resin and the binding force due to the carbonized component of the aqueous phenol resin are small, making it difficult to ensure high mechanical strength of the microporous layer and bonding strength (peel strength) with the conductive porous substrate. Become. On the other hand, if the drying / firing temperature is too high, the components of the microporous layer are deteriorated, the deformation of the microporous layer is increased due to a high temperature change, the smoothness is lowered, or cracks are generated, It becomes difficult to form a microporous layer having desired performance. Furthermore, the load in the drying / firing process from drying to baking and the load on the natural environment are increased, and the manufacturing cost is increased.
If the drying / firing temperature is in the range of 250 ° C to 350 ° C, the dispersing agent and moisture are not completely decomposed and volatilized and lost and remain, which is an important characteristic of the diffusion layer that greatly affects the power generation efficiency. Water repellency can be ensured, and formation of a desired microporous layer and good bonding with a conductive porous substrate can be ensured.
こうしてステップS3の乾燥・焼成工程にてマイクロポーラス層形成用ペーストが塗布された導電性多孔質基材が乾燥・焼成されることで、導電性多孔質基材にマイクロポーラス層が形成された燃料電池用のガス拡散層となる。 Thus, the fuel in which the microporous layer is formed on the conductive porous substrate by drying and firing the conductive porous substrate coated with the microporous layer forming paste in the drying / firing process of step S3. It becomes a gas diffusion layer for a battery.
このようにして、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、所定量の水性フェノール樹脂と、溶媒とを混合してなるマイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成することにより得られた本実施の形態のガス拡散層では、マイクロポーラス層形成用ペーストによって形成されたマイクロポーラス層中の導電性粉末及び導電性多孔質基材を構成する炭素繊維等の導電性物質によって導電性が発揮され、また、PTFE等の撥水性樹脂によって撥水性が発揮される。また、マイクロポーラス層には、導電性多孔質基材の空隙(細孔)よりも小さい微細孔が形成され、ガス拡散性や排水性を確保できる。特徴的なのは、マイクロポーラス層を形成する際に新たにマイクロポーラス層内に発現させた水性フェノール樹脂の炭化成分によって、マイクロポーラス層は、水性フェノール樹脂を含有しないときに比べてより強固となり、導電性多孔質基材から剥離しにくくなっていることである。このため本実施の形態の拡散層は信頼性、耐久性が向上する。 In this way, the microporous layer forming paste formed by mixing the conductive powder, the water repellent resin, the dispersant, a predetermined amount of the aqueous phenol resin, and the solvent is applied to the conductive porous substrate. In the gas diffusion layer of the present embodiment obtained by drying and firing, the conductive powder in the microporous layer formed by the microporous layer forming paste and the carbon fiber constituting the conductive porous substrate Conductivity is exhibited by a conductive material such as PT, and water repellency is exhibited by a water repellent resin such as PTFE. Moreover, micropores smaller than the voids (pores) of the conductive porous substrate are formed in the microporous layer, and gas diffusibility and drainage can be ensured. Characteristically, the microporous layer becomes stronger and stronger than the case of not containing the aqueous phenol resin due to the carbonized component of the aqueous phenol resin newly developed in the microporous layer when the microporous layer is formed. It is difficult to peel from the porous porous substrate. For this reason, the diffusion layer of the present embodiment is improved in reliability and durability.
次に、本実施の形態にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストを用いて形成されたマイクロポーラス層及び導電性多孔質基材からなる燃料電池用ガス拡散層が組み込まれる固体高分子形燃料電池(単セル)の構造について、図2の概略構成図を参照しながら説明する。なお、図中、アノード側をA、カソード側をKとする。
図示のように、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14(カソード側拡散層14Kまたはアノード側拡散層14A)は、酸化ガスまたは燃料ガスが反応する触媒層13(カソード側触媒層13Kまたはアノード側触媒層13A)と接合して一体となって電極12(カソード電極12K及びアノード電極12A)を構成し、触媒層13と共に、単セルの芯となる電解質膜11の両面に配設されて、膜/電極接合体10を構成する。そして、この膜/電極接合体10は、カソード側ガス拡散層14Kの外側に酸化剤となる酸化ガスを供給する酸化ガス流路21Kを設けたカソード側セパレータ20K、また、アノード側ガス拡散層14Aの外側に燃料ガスを供給する燃料ガス流路21Aを設けたカソード側セパレータ20Aに挟持され、燃料電池1の単セル(single cell)を形成する。
Next, a polymer electrolyte fuel cell (single unit) in which a microporous layer formed using the microporous layer forming paste according to the present embodiment and a gas diffusion layer for a fuel cell made of a conductive porous substrate are incorporated. The structure of the cell) will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. In the figure, the anode side is A and the cathode side is K.
As shown in the figure, the fuel cell gas diffusion layer 14 (cathode
即ち、本実施の形態にかかる燃料電池用ガス拡散層14を使用した燃料電池1の単セルは、電解質膜11の一方の表面に酸素ガス等の酸化ガスが反応するカソード側触媒層1313K及びカソード側拡散層14Kにより構成されるカソード電極12Kを配設し、他方の表面に水素ガス等の燃料ガスが反応するアノード側触媒層13A及びアノード側拡散層14Aにより構成されるアノード電極12Aを配設して発電部を構成する膜−電極接合体10と、膜−電極接合体10のカソード電極12Kの表面に配置されるカソード側セパレータ20K及び膜−電極接合体10のアノード電極12Aの表面に配置されるアノード側セパレータ20Aとから構成される。
なお、燃料電池1の組み付けの際には、触媒層13とガス拡散層14を接合して電極12を形成し、その電極12を電解質膜11と接合するという順序をとってもよいし、先に触媒層13を電解質膜11へ転写し、電解質膜11と接合した状態の触媒層13にガス拡散層14を接合するという工程をとってもよい。
That is, the single cell of the
When assembling the
ここで、このような構成の燃料電池1に組み込まれる本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14は、上述したように、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、所定量の水性フェノール樹脂と、溶媒とを混合してなるマイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材16に塗布して乾燥・焼成してなるものであることから、マイクロポーラス層15の膜強度、及びマイクロポーラス層15と導電性多孔質基材16との接合強度(密着性)、剥離強度が高いものである。
Here, as described above, the
即ち、本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14においては、マイクロポーラス層15の形成材料であるマイクロポーラス層形成用ペーストに乾燥・焼成温度に比べて高温の分解温度を有する水性フェノール樹脂が含まれていることから、マイクロポーラス層15を形成するときの乾燥・焼成によって水性フェノール樹脂が炭化されてマイクロポーラス層15には水性フェノール樹脂に起因する炭化成分が新たに含まれることになる。この炭化成分がマイクロポーラス層15の導電性粉末や導電性多孔質基材16を結着させる作用を発揮し、マイクロポーラス層15からの導電性粉末の脱落防止と、マイクロポーラス層15の膜強度、及びマイクロポーラス層15と導電性多孔質基材16の接合強度(密着性)、剥離強度を向上させる。そして、水性フェノール樹脂の炭化成分は、更に炭化率によってはマイクロポーラス層15の導電性を高める効果を発する。
That is, in the fuel cell
よって、導電性多孔質基材16に形成されたマイクロポーラス層15は強固な膜となり、導電性多孔質基材16との接合強度、剥離強度が高いため、燃料電池1への組み付け時にマイクロポーラス層15を形成する導電性粉末が粉落ち(欠落)し難く、また、マイクロポーラス層15が導電性多孔質基材16から剥離し難く、取扱いが向上する。
更に、燃料電池組み付け後において、例えば、燃料電池の運転による電解質膜11も膨張または収縮によって、または、スタック時のセパレータの圧等によって外力が加わることがあっても、マイクロポーラス層15が欠落(剥離)し難く、耐久性に優れ、マイクロポーラス層15を形成する導電性粉末が流されて導電性多孔質基材16の空孔やガス流路21を塞いでしまい、目詰まりによる出力低下を引き起こす恐れもない。
したがって、燃料電池用拡散層14の性能が安定する。
Therefore, the
Further, after assembly of the fuel cell, the
Therefore, the performance of the fuel
なお、撥水性樹脂による導電材(マイクロポーラス層15の導電性粉末や導電性多孔質基材16の炭素繊維等の導電性物質)の結合は柔軟性を有するため、撥水性樹脂による結着のみでは、燃料電池1に組み込んだときセパレータ20で挟圧されて、マイクロポーラス層15の空孔が圧潰されることがある。
しかし、本実施の形態では、水性フェノール樹脂の炭化した成分がマイクロポーラス層15の結着成分を増加させるため、マイクロポーラス層15が適度に硬くなり、燃料電池に組み込んだときセパレータ20で挟圧されてもイクロポーラス層15の空孔が圧潰され難くて保持され、安定したガス拡散性及び排水性等の性能を確保できる。
In addition, since the bonding of the conductive material (conductive powder of the
However, in this embodiment, since the carbonized component of the aqueous phenol resin increases the binding component of the
ところで、導電性多孔質基材16にマイクロポーラス層15を形成した拡散層14は、マイクロポーラス層15によって導電性多孔質基材16の起伏を吸収して平滑な表面が得られ、また、導電性多孔質基材16の炭素繊維がほつれや毛羽立ちしても、導電性多孔質基材16の炭素繊維が触媒層13と接触することを回避でき、導電性多孔質基材16の炭素繊維と触媒層13によって起こる短絡(ショート)の発生が予防できる。ここで、拡散層14のマイクロポーラス層15の膜強度や剥離強度が弱いと、燃料電池1の組み付け時や、燃料電池1の使用中にマイクロポーラス層15が部分的に導電性多孔質基材16から剥がれ落ちることが起こると、拡散層14の触媒層13との接触面での平滑性が失われることによる接触抵抗の増加による発電効率の低下や、触媒層13との導電性多孔質基材16の炭素繊維の接触による短絡(ショート)が懸念される。
By the way, the
しかし、触媒層13と導電性多孔質基材16の間に本実施の形態のマイクロポーラス層15を介在させると、マイクロポーラス層15は水性フェノール樹脂による炭化成分の発現により膜強度が強く、導電性多孔質基材16との剥離強度も強いため、導電性多孔質基材16からマイクロポーラス層15が剥離するのを防止でき、接触抵抗の増加や短絡(ショート)の発生の恐れがなくなり信頼性が高まる。
そして、このような本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14を触媒層13と一体にあわせて燃料電池1の電極12(アノード及びカソード)を形成して、燃料電池1に組み込まれた際には、製造品質を均一化でき、ガス拡散層14のガス拡散性、発生水分の除去能力(排水性)、導電性等の安定した特性が長期間得られることで、耐久性に優れた燃料電池1が得られる。
However, when the
When the fuel cell
次に、本発明の実施の形態にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストの各成分の配合内容を具体的に示して、マイクロポーラス層形成用ペースト及びそのマイクロポーラス層形成用ペーストを用いて作製した燃料電池用ガス拡散層14の実施例について説明する。
Next, the content of each component of the microporous layer forming paste according to the embodiment of the present invention is specifically shown, and the microporous layer forming paste and the fuel produced using the microporous layer forming paste Examples of the battery
本実施の形態にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストの配合組成として表1に示す配合内容で、実施例1乃至実施例3にかかる3種類の配合のマイクロポーラス層形成用ペーストを作製した。また、比較のために、比較例1乃至比較例3にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストも合わせて作製した。各実施例及び各比較例の配合内容を表1の上段に示す。 Three types of microporous layer forming pastes according to Examples 1 to 3 were prepared with the mixing contents shown in Table 1 as the mixing composition of the microporous layer forming paste according to the present embodiment. For comparison, pastes for forming a microporous layer according to Comparative Examples 1 to 3 were also produced. The composition of each Example and each Comparative Example is shown in the upper part of Table 1.
本実施例及び比較例にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストでは、導電性粉末としてアセチレンブラック(電気化学工業(株)製:商品名「デンカブラック」)、撥水性樹脂としてPTFEエマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D−210C[固形分(樹脂分)61%])、分散剤としてトリトンXー100、溶媒としてイオン交換水を使用した。また、水性フェノール樹脂として、レゾール型水分散性フェノール樹脂(住友ベークライト(株)製:商品名『スミライトレジンPR−50607B』[固形分(樹脂分)65%]、残炭率46%/800℃(JIS K2270)を用いた。 In the paste for forming a microporous layer according to Examples and Comparative Examples, acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd .: trade name “Denka Black”) is used as the conductive powder, and PTFE emulsion (Daikin Industries, Ltd.) is used as the water repellent resin. ): POLYFLON PTFE D-210C [solid content (resin content) 61%]), Triton X-100 as a dispersant, and ion-exchanged water as a solvent. In addition, as an aqueous phenolic resin, a resol-type water-dispersible phenolic resin (manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd .: trade name “Sumilite Resin PR-50607B” [solid content (resin content) 65%], residual carbon ratio 46% / 800 C. (JIS K2270) was used.
そして、これら導電性粉末としてのアセチレンブラック、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン、分散剤としてのトリトンXー100、溶媒としてのイオン交換水、水性フェノール樹脂としてのレゾール型水分散性フェノール樹脂をそれぞれ表1に示した配合量で配合し、公転800rpm、自転900rpmに設定した遊星式撹拌・脱泡装置(倉敷紡績(株)製:商品名「マゼルスター KK−1000W」)で3分間混合分散・脱泡することにより実施例及び比較例にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストを得た。 The acetylene black as the conductive powder, the PTFE emulsion as the water repellent resin, the Triton X-100 as the dispersant, the ion exchange water as the solvent, and the resol type water dispersible phenol resin as the aqueous phenol resin, respectively. Mixing and dispersing and defoaming for 3 minutes using a planetary agitation and defoaming device (manufactured by Kurashiki Boseki Co., Ltd .: trade name “Mazerustar KK-1000W”) blended in the blending amount shown in 1 and set at 800 rpm for revolution and 900 rpm for rotation Thus, a microporous layer forming paste according to Examples and Comparative Examples was obtained.
実施例や比較例相互においては、表1に示したように、水性フェノール樹脂としてのレゾール型水分散性フェノール樹脂及び溶媒としてのイオン交換水以外の配合内容を全て同一とし、レゾール型水分散性フェノール樹脂のアセチレンブラックに対する配合割合を変え、それの増減に合わせてイオン交換水の配合量を調整した。 In Examples and Comparative Examples, as shown in Table 1, all the contents other than the resol-type water-dispersible phenol resin as the aqueous phenol resin and the ion-exchanged water as the solvent are the same, and the resol-type water-dispersibility. The blending ratio of the phenol resin to acetylene black was changed, and the blending amount of ion-exchanged water was adjusted according to the increase / decrease.
即ち、本実施例及び比較例においては、導電性粉末のアセチレンブラックを75.0g、撥水性樹脂のPTFEエマルジョンを41.7g(固形分量25.4g)、分散剤のトリトンXー100を7.5gの配合とし、アセチレンブラック、PTFEエマルジョン、トリトンXー100についてはそれぞれ実施例及び比較例の全てで同一の分量で統一し、更に本実施例及び比較例の総量(合計量)をすべて500gで統一した。
そして、実施例や比較例相互で、レゾール型水分散性フェノール樹脂について、アセチレンブラックに対する配合割合を変えて配合し、その変化に合わせて総量が500gとなるように溶媒としてのイオン交換水の配合量を調整した。
That is, in this example and comparative example, 75.0 g of conductive powder acetylene black, 41.7 g of PTFE emulsion of water repellent resin (solid content 25.4 g), and Triton X-100 as a dispersant are 7. The acetylene black, PTFE emulsion, and Triton X-100 are unified in the same amount in all of the examples and comparative examples, and the total amount (total amount) of the present examples and comparative examples is all 500 g. Unified.
Then, between the examples and comparative examples, the resol-type water-dispersible phenol resin was blended by changing the blending ratio with respect to acetylene black and blended with ion-exchanged water as a solvent so that the total amount became 500 g according to the change. The amount was adjusted.
つまり、実施例1では、アセチレンブラックの配合量に対するレゾール型水分散性フェノール樹脂の配合量が0.53重量%であり、レゾール型水分散性フェノール樹脂がアセチレンブラックに対して固形分配合比で0.35重量%の割合で配合されている。即ち、アセチレンブラック100重量部に対してレゾール型水分散性フェノール樹脂が固形分で0.35重量部の割合で配合されていることになる。 That is, in Example 1, the blending amount of the resol-type water-dispersible phenol resin with respect to the blending amount of acetylene black is 0.53% by weight, and the resol-type water-dispersible phenol resin is in a solid content blending ratio with respect to acetylene black. It is blended at a ratio of 0.35% by weight. That is, the resol-type water-dispersible phenol resin is blended at a solid content of 0.35 parts by weight with respect to 100 parts by weight of acetylene black.
実施例2では、アセチレンブラックの配合量に対するレゾール型水分散性フェノール樹脂の配合量が1.1重量%であり、レゾール型水分散性フェノール樹脂がアセチレンブラックに対して固形分配合比で0.7重量%の割合で配合されている。即ち、アセチレンブラック100重量部に対してレゾール型水分散性フェノール樹脂が固形分で0.7重量部の割合で配合されていることになる。 In Example 2, the blending amount of the resol-type water-dispersible phenol resin with respect to the blending amount of acetylene black is 1.1% by weight, and the resol-type water-dispersible phenol resin has a solid content blending ratio of 0.1% with respect to acetylene black. It is blended at a ratio of 7% by weight. That is, the resol-type water-dispersible phenol resin is blended at a ratio of 0.7 parts by weight in solid content to 100 parts by weight of acetylene black.
実施例3では、アセチレンブラックの配合量に対するレゾール型水分散性フェノール樹脂の配合量が2.0重量%であり、レゾール型水分散性フェノール樹脂がアセチレンブラックに対して固形分配合比で1.3重量%の割合で配合されている。即ち、アセチレンブラック100重量部に対してレゾール型水分散性フェノール樹脂が固形分で0.7重量部の割合で配合されていることになる。 In Example 3, the blending amount of the resol-type water-dispersible phenol resin with respect to the blending amount of acetylene black is 2.0% by weight, and the resol-type water-dispersible phenol resin is 1. It is blended at a rate of 3% by weight. That is, the resol-type water-dispersible phenol resin is blended at a ratio of 0.7 parts by weight in solid content to 100 parts by weight of acetylene black.
また、比較例1では、レゾール型水分散性フェノール樹脂を全く配合していないため、配合量は0重量%である。 In Comparative Example 1, since no resol type water dispersible phenol resin is blended, the blending amount is 0% by weight.
比較例2では、アセチレンブラックの配合量に対するレゾール型水分散性フェノール樹脂の配合量が0.27重量%であり、レゾール型水分散性フェノール樹脂がアセチレンブラックに対して固形分配合比で0.17重量%の割合で配合されている。即ち、アセチレンブラック100重量部に対してレゾール型水分散性フェノール樹脂が固形分で0.17重量部の割合で配合されていることになる。 In Comparative Example 2, the amount of the resol-type water-dispersible phenol resin based on the amount of acetylene black is 0.27% by weight, and the amount of the resol-type water-dispersible phenol resin relative to acetylene black is 0. It is blended at a ratio of 17% by weight. That is, the resol-type water-dispersible phenol resin is blended at a solid content of 0.17 parts by weight with respect to 100 parts by weight of acetylene black.
更に、比較例3では、アセチレンブラックの配合量に対するレゾール型水分散性フェノール樹脂の配合量が3.1重量%であり、レゾール型水分散性フェノール樹脂がアセチレンブラックに対して固形分配合比で2.0重量%の割合で配合されている。即ち、アセチレンブラック100重量部に対してレゾール型水分散性フェノール樹脂が固形分で2.0重量部の割合で配合されていることになる。 Furthermore, in Comparative Example 3, the blending amount of the resol-type water-dispersible phenol resin with respect to the blending amount of acetylene black is 3.1% by weight, and the resol-type water-dispersible phenol resin is in a solid content blending ratio with respect to acetylene black. It is blended at a ratio of 2.0% by weight. That is, the resol-type water-dispersible phenol resin is blended at a ratio of 2.0 parts by weight in solid content with respect to 100 parts by weight of acetylene black.
そして、このように配合して得られた実施例1乃至実施例3及び比較例1乃至比較例3にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストを用いて燃料電池用の拡散層14を作製した。
詳細には、目付け1mg/cm2になるようにPTFEエマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D−210C[固形分(樹脂分)61%])を含浸させ、乾燥させて水分を除去することにより撥水処理を施した導電性多孔質基材16としてのカーボンペーパーに対し、その片面に、薄膜塗布工具(ダイヘッド)を用いて、移動速度1.0m/min、目付け5.0mg/cm2の条件でマイクロポーラス層形成用ペーストを塗布し、その後、300℃で30分間乾燥・焼成した。
これによって、撥水処理が施されたカーボンペーパーからなる導電性多孔質基材16にマイクロポーラス層15が形成された実施例1乃至実施例3及び比較例1乃至比較例3にかかる燃料電池用のガス拡散層14を得た。
And the
Specifically, a PTFE emulsion (made by Daikin Industries, Ltd .: POLYFLON PTFE D-210C [solid content (resin content) 61%]) is impregnated to a basis weight of 1 mg / cm 2 and dried to remove moisture. With respect to the carbon paper as the conductive
Thus, the fuel cell according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 in which the
ここで、得られた実施例1乃至実施例3及び比較例1乃至比較例3にかかる燃料電池用のガス拡散層14について、剥離(引張)強度の評価試験(剥離試験)を行った。なお、この剥離(引張)試験に際しては、JIS K6854−2を参考にした。
具体的には、まず、ガス拡散層14を幅30mmに切断し、図3(a)に示したようにマイクロポーラス層15の表面にガス拡散層14と同じ幅で粘着テープTを貼り付けた。次に、図3(b)に示したように、マイクロポーラス層15に貼り付けた粘着テープTの一部を剥がし、そのマイクロポーラス層15から剥がした粘着テープTの端部Aと粘着テープTが剥がされた側のガス拡散層14の端部Bとをそれぞれ引張試験機(オートグラフ)の挟持部で挟み、引張(剥離)速度100mm/分で180°方向に引張り、マイクロポーラス層15が導電性多孔質基材16から剥離したときの剥離強度(引張強度)を測定した。測定結果は表1の下段に示した通りである。
Here, with respect to the gas diffusion layers 14 for fuel cells according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 obtained, an evaluation test (peeling test) of peeling (tensile) strength was performed. In this peeling (tensile) test, JIS K6854-2 was referred.
Specifically, first, the
表1に示したように、レゾール型水分散性フェノール樹脂を添加していない従来例の比較例1では、剥離強度が15N/mであった。
また、レゾール型水分散性フェノール樹脂をアセチレンブラック100重量部に対して固形分で0.17重量部の配合割合で配合した比較例2では、比較例1よりも剥離強度が僅かに増大するものの、その値は17N/mであった。
一方、レゾール型水分散性フェノール樹脂をアセチレンブラック100重量部に対して固形分で2.0重量部の配合割合で配合した比較例3では、比較例1よりも剥離強度が低下し、その値は、12N/mであった。
As shown in Table 1, the peel strength was 15 N / m in the comparative example 1 of the conventional example in which no resol type water dispersible phenol resin was added.
In Comparative Example 2 in which the resol-type water-dispersible phenol resin was blended at a blending ratio of 0.17 parts by weight in solid content with respect to 100 parts by weight of acetylene black, the peel strength was slightly increased as compared with Comparative Example 1. The value was 17 N / m.
On the other hand, in Comparative Example 3 in which the resol-type water-dispersible phenol resin was blended at a blending ratio of 2.0 parts by weight with respect to 100 parts by weight of acetylene black, the peel strength was lower than that in Comparative Example 1, and the value Was 12 N / m.
これに対し、レゾール型水分散性フェノール樹脂をアセチレンブラック100重量部に対して固形分で0.35重量部〜1.3重量部の範囲内の配合割合で配合した実施例1乃至実施例3では、比較例1乃至比較例3よりも剥離強度が顕著に大きくなり、その値は29N/m〜38N/mの範囲内であった。 On the other hand, Example 1 thru | or Example 3 which mix | blended the resol type water-dispersible phenol resin with the compounding ratio in the range of 0.35 weight part-1.3 weight part by solid content with respect to 100 weight part of acetylene black. Then, the peel strength was significantly higher than those of Comparative Examples 1 to 3, and the value thereof was in the range of 29 N / m to 38 N / m.
これより、所定量のアセチレンブラック、PTFEエマルジョン、トリトンXー100、及びイオン交換水を含有するマイクロポーラス形成用ペーストにレゾール型水分散性フェノール樹脂をアセチレンブラック100重量部に対して固形分で0.35重量部〜1.3重量部の範囲内の配合割合で配合することで、レゾール型水分散性フェノール樹脂を配しない比較例1に比べて剥離強度の大幅な増加となっている。 From this, a resol-type water-dispersible phenol resin was added in a solid content to 100 parts by weight of acetylene black in a microporous forming paste containing a predetermined amount of acetylene black, PTFE emulsion, Triton X-100, and ion-exchanged water. By blending at a blending ratio within the range of .35 parts by weight to 1.3 parts by weight, the peel strength is significantly increased as compared with Comparative Example 1 in which no resol type water-dispersible phenol resin is disposed.
ここで、水性フェノール樹脂の配合による剥離強度向上の要因は、上述したように、水性フェノール樹脂の分解温度より低い乾燥・焼成時の温度にて水性フェノール樹脂が炭化状態となり、その炭化した成分がマイクロポーラス層内の結着と、マイクロポーラス層15と導電性多孔質基材16の界面の結着を促進する結着成分として働くためであると推定している。これは、本発明者らの実験研究により、マイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材16に塗布して焼成する前の塗布膜と、焼成後のマイクロポーラス層15の塗膜との抵抗値を測定したところ、焼成前後で抵抗値が大きく変化したことに裏付けられている。
Here, as described above, the factor of the peel strength improvement due to the blending of the aqueous phenol resin is that the aqueous phenol resin becomes carbonized at a drying and firing temperature lower than the decomposition temperature of the aqueous phenol resin, and the carbonized component is It is presumed that this is because it acts as a binding component that promotes binding in the microporous layer and binding at the interface between the
即ち、マイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材16に塗布した焼成前の塗布膜について、水分を飛ばしてからその電気抵抗値を鶴賀電機(株)製のディジタル低抵抗計 モデル3566で測定し、更に、焼成(300℃,20分)した後のマイクロポーラス層15の塗膜についても、その電気抵抗値を同様の機器で測定したところ、表1に示したように、焼成前においては、水性フェノール樹脂を配合した実施例1乃至実施例3では、抵抗値が16.2〜19.1(mΩ・cm2)であり、水性フェノール樹脂を添加していない比較例1の抵抗値5.8(mΩ・cm2)よりも大幅に高くなっている。しかし、焼成後においては、水性フェノール樹脂を添加していない比較例1では抵抗値が5.4(mΩ・cm2)と焼成前よりも少し低くなる程度であるのに対し、水性フェノール樹脂を配合した実施例1乃至実施例3の抵抗値は5.1〜5.4(mΩ・cm2)と焼成前よりも大幅に減少し、水性フェノール樹脂を添加していない比較例1と同等以下になっている。
That is, with respect to the coating film before firing, in which the microporous layer forming paste is applied to the conductive
ここで、未炭化状態の樹脂成分では導電性を有さないところ、樹脂成分が炭化状態になると通電し抵抗値が低下する。
したがって、水性フェノール樹脂を配合した実施例1乃至実施例3においては、焼成後の抵抗値が焼成前よりも大きく減少していることから、乾燥・焼成によって水性フェノール樹脂が炭化状態となっていることが推測される。そして、水性フェノール樹脂が乾燥・焼成により炭化状態となったことで、その炭化した成分がマイクロポーラス層15内の結着と、マイクロポーラス層15と導電性多孔質基材16の界面の結着を促進する結着成分として働き、そのことによって、剥離強度が向上したと考えられる。
Here, the resin component in the uncarbonized state does not have conductivity, but when the resin component is in the carbonized state, current is passed and the resistance value is lowered.
Therefore, in Example 1 thru | or Example 3 which mix | blended the aqueous phenol resin, since the resistance value after baking has decreased significantly compared with before baking, the aqueous phenol resin is carbonized by drying and baking. I guess that. Then, since the aqueous phenol resin is in a carbonized state by drying and firing, the carbonized component is bound in the
ところで、実施例1乃至実施例3と比較例2及び比較例3とを比較すると、レゾール型水分散性フェノール樹脂の配合がアセチレンブラック100重量部に対して固形分で0.35重量部未満である場合、及び1.3重量部を超えると剥離強度が小さくなり、レゾール型水分散性フェノール樹脂の配合量には適量な範囲が存在することが分かった。これは、レゾール型水分散性フェノール樹脂が0.35重量部未満の少量では結着成分が剥離に対し充分な効果を発するほどの量に足りず、逆に1.3重量部を超えるとマイクロポーラス層15中の結着成分が多くなりすぎて割れ易くなるためと推定している。
By the way, when Examples 1 to 3 are compared with Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the resol-type water-dispersible phenolic resin is less than 0.35 parts by weight in solid content with respect to 100 parts by weight of acetylene black. In some cases, and exceeding 1.3 parts by weight, the peel strength was reduced, and it was found that there was an appropriate range for the amount of the resol-type water-dispersible phenol resin. This is because when the amount of the resol-type water-dispersible phenol resin is less than 0.35 parts by weight, the amount of the binder component is not sufficient to exert a sufficient effect on peeling. It is presumed that the binder component in the
実施例1乃至実施例3で示したように、レゾール型水分散性フェノール樹脂がアセチレンブラック100重量部に対して固形分で0.35重量部〜1.3重量部の所定の範囲内の配合であればアセチレンブラックに対するレゾール型水分散性フェノール樹脂の配合が適切な範囲となり、導電性多孔質基材16への接着力(密着力)及びマイクロポーラス層15の膜強度が共に優れたマイクロポーラス層15が形成される。
したがって、実施例1乃至実施例3にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材16に塗布し乾燥・焼成することにより形成された燃料電池ガス拡散層14においては、燃料電池1への組み付け時に、マイクロポーラス層15が壊れ難く、また、導電性多孔質基材16から剥がれ難い。
As shown in Examples 1 to 3, the resol-type water-dispersible phenol resin is blended in a predetermined range of 0.35 to 1.3 parts by weight in solid content with respect to 100 parts by weight of acetylene black. If so, the blending of the resol-type water-dispersible phenol resin with respect to acetylene black is within an appropriate range, and the microporous layer is excellent in both the adhesive strength (adhesive strength) to the conductive
Therefore, in the fuel cell
以上説明したように、本実施例にかかるマイクロポーラス層形成用ペーストは、導電性粉末としてのアセチレンブラックと、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンと、分散剤としてのトリトンXー100と、アセチレンブラック100重量部に対して固形分で0.35重量部〜1.3重量部の水性フェノール樹脂としてのレゾール型水分散性フェノール樹脂と、溶媒としてのイオン交換水とを混合分散したものである。そして、マイクロポーラス層形成用ペーストを撥水処理が施されたカーボンペーパーの導電性多孔質基材16に塗布し、所定の乾燥・焼成温度(実施例では300℃)で乾燥・焼成すると、マイクロポーラス層形成用ペースト中の水性フェノール樹脂としてのレゾール型水分散性フェノール樹脂が炭化状態になるものである。
As described above, the microporous layer forming paste according to the present example is composed of acetylene black as a conductive powder, PTFE emulsion as a water repellent resin, Triton X-100 as a dispersant, and acetylene black 100. A resol-type water-dispersible phenol resin as an aqueous phenol resin having a solid content of 0.35 to 1.3 parts by weight with respect to parts by weight and ion-exchanged water as a solvent are mixed and dispersed. Then, the microporous layer forming paste is applied to the conductive
そして、本実施例にかかる燃料電池用のガス拡散層14は、導電性粉末としてのアセチレンブラックと、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンと、分散剤としてのトリトンXー100と、アセチレンブラック100重量部に対して固形分で0.35重量部〜1.3重量部の水性フェノール樹脂としてのレゾール型水分散性フェノール樹脂と、溶媒としてのイオン交換水とを混合分散して得られたマイクロポーラス層形成用ペーストを撥水処理が施されたカーボンペーパーの導電性多孔質基材16に塗布し、所定の乾燥・焼成温度(実施例では300℃)で乾燥・焼成することにより水性フェノール樹脂としてのレゾール型水分散性フェノール樹脂が炭化状態になったマイクロポーラス層15を有するものである。
The
本発明を実施するに際しては、マイクロポーラス層形成用ペースト及びそれを用いて形成する燃料電池用のガス拡散層14のその他の部分の構成、組成、成分、配合量、材質、その他の製造工程について、本実施の形態に限定されるものではない。
なお、本発明の実施の形態及び実施例で上げている数値は、臨界値を示すものではなく、実施に好適な適正値を示すものであるから、上記数値を若干変更しても実施を否定するものではない。
In practicing the present invention, the structure, composition, components, blending amount, material, and other manufacturing processes of the microporous layer forming paste and other parts of the
Note that the numerical values given in the embodiments and examples of the present invention do not indicate critical values but indicate appropriate values suitable for implementation, so even if the numerical values are slightly changed, implementation is denied. Not what you want.
1 燃料電池
11 電解質膜
10 膜/電極接合体
12 電極(カソード電極12K,アノード電極12A)
13 触媒層(カソード側触媒層13K,アノード側触媒層13A)
14 ガス拡散層(カソード側拡散層14K,アノード側拡散層14A)
15 マイクロポーラス層
16 導電性多孔質基材
1 Fuel Cell 11
13 catalyst layer (cathode
14 Gas diffusion layer (cathode
15
Claims (2)
前記水性フェノール樹脂は、前記マイクロポーラス層形成用ペーストを前記導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成するときの乾燥・焼成温度で炭化状態となることを特徴とするマイクロポーラス層形成用ペースト。 A conductive powder, a water-repellent resin, a dispersant, an aqueous phenol resin blended in a range of 0.35 to 1.3 parts by weight in solid content with respect to 100 parts by weight of the conductive powder, and a solvent. A paste for forming a microporous layer, which is formed by mixing, forming a microporous layer of a gas diffusion layer for a fuel cell by applying to a conductive porous substrate, drying and firing,
For forming a microporous layer, the aqueous phenolic resin is carbonized at a drying / firing temperature when the microporous layer forming paste is applied to the conductive porous substrate and dried / fired. paste.
前記水性フェノール樹脂は、前記マイクロポーラス層形成用ペーストを前記導電性多孔質基材に塗布して乾燥・焼成するときの乾燥・焼成温度で炭化状態となることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 A conductive powder, a water-repellent resin, a dispersant, an aqueous phenol resin blended in a range of 0.35 to 1.3 parts by weight in solid content with respect to 100 parts by weight of the conductive powder, and a solvent. Apply a microporous layer forming paste that forms a microporous layer by mixing, applying to a conductive porous substrate, drying and baking, and then drying and baking to a conductive porous substrate. A fuel cell gas diffusion layer comprising:
The aqueous phenolic resin is in a carbonized state at a drying / firing temperature when the microporous layer forming paste is applied to the conductive porous substrate and then dried / firing. layer.
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