JP2018018684A - Membrane-conductive porous sheet assembly and solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Membrane-conductive porous sheet assembly and solid polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-conductive porous sheet assembly excellent in the effect of suppressing a dimensional change when being used, and a fuel cell excellent in power generation performance.SOLUTION: The present invention provides: [1] a membrane-conductive porous sheet assembly which includes a catalyst layer between a membrane and a conductive porous sheet, the conductive porous sheet containing conductive fibers containing conductive particles, and the membrane having a minimum 90° peel strength between the conductive porous sheet and the catalyst layer of 0.06 N/cm or more after having been repeatedly swelled and contacted; and [2] a solid polymer electrolyte fuel cell including the membrane-conductive porous sheet assembly of [1], as a membrane-electrode assembly.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は膜−導電性多孔シート接合体及び固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a membrane-conductive porous sheet assembly and a polymer electrolyte fuel cell.

様々な形で利用されているエネルギーについては、石油資源の枯渇に対する懸念から、代替燃料の模索や省資源が重要な課題となっている。その中にあって、種々の燃料を化学エネルギーに変換し、電力として取り出す燃料電池について、活発な開発が続けられている。燃料電池の中でも、固体高分子形燃料電池は低温領域での出力が可能であり、しかも比較的小型でありながら、効率的に電力を取り出すことができるため、活発に開発されている。   Regarding energy used in various forms, exploring alternative fuels and conserving resources are important issues due to concerns over the depletion of petroleum resources. In the midst of this, active development has continued for fuel cells that convert various fuels into chemical energy and extract them as electric power. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells are being actively developed because they can output in a low temperature region and can efficiently extract power while being relatively small.

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

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

このようなガス拡散層13a及び水分管理層14a、又はガス拡散層13c及び水分管理層14cに必要な機能としては、低加湿条件下では固体高分子電解質膜19を湿潤に保つための保湿性、高加湿条件下では燃料電池内に水が溜まり、フラッディングが起こるのを防ぐための排水性などがある。このようなガス拡散層13a及び水分管理層14a、又はガス拡散層13c及び水分管理層14cは、従来、カーボンペーパー等の導電性多孔シートに、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂を含浸、又はカーボン粉末とフッ素系樹脂とを混合したペーストを塗布することによって、フッ素系樹脂が存在、又はカーボン粉末及びフッ素系樹脂が存在する水分管理層14a、14cを形成するとともに、これらが存在しない領域をガス拡散層13a、13cとしていた。しかしながら、このようにして形成した水分管理層14a、14cは、フッ素系樹脂、又はカーボン粉末及びフッ素系樹脂が導電性多孔シートに必要以上に染み込んでしまい、面方向(厚さと直交する方向)への排水性およびガス拡散性が低下しやすいものであった。例えば、多量の水が生成される状況下においては、排水性およびガス拡散性に劣るため、燃料電池の性能低下の要因となっていた。   The functions necessary for the gas diffusion layer 13a and the moisture management layer 14a or the gas diffusion layer 13c and the moisture management layer 14c include moisture retention for keeping the solid polymer electrolyte membrane 19 moist under low humidification conditions, Under high humidification conditions, water accumulates in the fuel cell, and there is drainage to prevent flooding. Such gas diffusion layer 13a and moisture management layer 14a, or gas diffusion layer 13c and moisture management layer 14c are conventionally impregnated with a fluororesin such as polytetrafluoroethylene in a conductive porous sheet such as carbon paper, or By applying a paste in which carbon powder and fluororesin are mixed, the moisture management layers 14a and 14c in which the fluororesin is present or the carbon powder and fluororesin are present are formed, and regions where these are not present are formed. The gas diffusion layers 13a and 13c were used. However, in the moisture management layers 14a and 14c formed in this way, the fluororesin, or the carbon powder and the fluororesin soak into the conductive porous sheet more than necessary, and in the surface direction (direction perpendicular to the thickness). The drainage property and gas diffusibility of the product were likely to deteriorate. For example, in a situation where a large amount of water is generated, drainage and gas diffusibility are inferior, and this has been a factor in reducing the performance of fuel cells.

そのため、本願出願人は、「固体高分子形燃料電池の触媒層と隣接して配置して使用する、自立した水分管理シートであり、前記水分管理シートは疎水性有機樹脂の少なくとも内部に導電性粒子を含有する導電性繊維を含有する不織布からなることを特徴とする水分管理シート。」(特許文献1)、「有機樹脂の少なくとも内部に導電性粒子を含有する導電性繊維を含有する不織布を備えているガス拡散電極用基材」(特許文献2)を提案した。この水分管理シートを使用する特許文献1の場合、触媒層を有する固体高分子電解質膜に水分管理シートを積層し、更に水分管理シートにガス拡散シートを積層し、ホットプレスにより接合して、膜−電極接合体を作製することを開示し、ガス拡散電極用基材を用いたガス拡散電極を使用する特許文献2の場合、触媒層を有する固体高分子電解質膜にガス拡散電極を積層し、ホットプレスにより接合して、膜−電極接合体を作製することを開示している。しかしながら、前記膜−電極接合体の使用時に、その接合状態を充分に維持することができず、一部箇所で水分管理シート又はガス拡散電極が剥離することがあり、固体高分子電解質膜の膨潤と収縮を充分に抑えることができなかった。このように固体高分子電解質膜の膨潤と収縮を充分に抑えることができないと、固体高分子電解質膜の変形による応力で触媒層が破断したり、触媒層が固体高分子電解質膜から剥離しやすくなり、その結果、物質輸送抵抗の増加や、電子や熱の界面抵抗の増加を招き、発電性能の低下に繋がる。   For this reason, the applicant of the present application stated that “it is a self-supporting moisture management sheet that is disposed adjacent to the catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, and the moisture management sheet is electrically conductive at least inside the hydrophobic organic resin. Moisture management sheet comprising a non-woven fabric containing conductive fibers containing particles "(Patent Document 1)," Non-woven fabric containing conductive fibers containing conductive particles at least inside an organic resin. " Proposed gas diffusion electrode substrate "(Patent Document 2). In Patent Document 1, which uses this moisture management sheet, a moisture management sheet is laminated on a solid polymer electrolyte membrane having a catalyst layer, a gas diffusion sheet is further laminated on the moisture management sheet, and bonded by hot pressing, -Disclosing producing an electrode assembly, and in the case of Patent Document 2 using a gas diffusion electrode using a base material for gas diffusion electrode, laminating a gas diffusion electrode on a solid polymer electrolyte membrane having a catalyst layer, It discloses that a membrane-electrode assembly is produced by bonding by hot pressing. However, when the membrane-electrode assembly is used, the bonding state cannot be sufficiently maintained, and the moisture management sheet or the gas diffusion electrode may be peeled off at a part of the membrane-electrode assembly. And the shrinkage could not be suppressed sufficiently. If the swelling and shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane cannot be sufficiently suppressed in this way, the catalyst layer is ruptured by the stress caused by the deformation of the solid polymer electrolyte membrane, or the catalyst layer is easily peeled off from the solid polymer electrolyte membrane. As a result, an increase in material transport resistance and an increase in interface resistance between electrons and heat are caused, leading to a decrease in power generation performance.

このような固体高分子電解質膜の膨潤と収縮を抑えるために、本願出願人は更に、「有機樹脂の少なくとも内部に導電性粒子を含有する導電性繊維を含有する不織布を含むガス拡散電極用基材であり、前記ガス拡散電極用基材の比見掛ヤング率が40[MPa/(g/cm)]以上であることを特徴とする、ガス拡散電極用基材。」(特許文献3)を提案した。このガス拡散電極用基材を用いたガス拡散電極を使用する特許文献3の場合、一対のガス拡散電極のそれぞれの触媒担持面の間に固体高分子膜を挟み、熱プレスすることによって接合して製造できることを開示しているが、固体高分子電解質膜の膨潤と収縮を抑える効果が不充分で、結果として、発電性能の低下を招く場合があった。 In order to suppress such swelling and shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane, the applicant of the present application further stated, “A gas diffusion electrode substrate including a nonwoven fabric containing conductive fibers containing conductive particles at least inside an organic resin. A gas diffusion electrode base material, characterized in that the material has a specific apparent Young's modulus of 40 [MPa / (g / cm 3 )] or more ”(Patent Document 3). ) Was proposed. In the case of Patent Document 3 in which a gas diffusion electrode using this base material for gas diffusion electrode is used, a solid polymer film is sandwiched between the catalyst support surfaces of the pair of gas diffusion electrodes and bonded by hot pressing. However, the effect of suppressing the swelling and shrinkage of the solid polymer electrolyte membrane is insufficient, and as a result, the power generation performance may be lowered.

以上は固体高分子形燃料電池の場合であるが、固体高分子形燃料電池以外にも、正極と負極との間に固体電解質膜を有する空気電池や、正極と負極との間に隔膜を有するレドックスフロー電池などの場合も同様に、発電時や充放電時に固体電解質膜又は隔膜の寸法変化を抑える効果が不充分で、性能の低下を招く場合があった。   The above is the case of the polymer electrolyte fuel cell. In addition to the polymer electrolyte fuel cell, there is an air cell having a solid electrolyte membrane between the positive electrode and the negative electrode, and a diaphragm between the positive electrode and the negative electrode. Similarly, in the case of a redox flow battery or the like, the effect of suppressing the dimensional change of the solid electrolyte membrane or the diaphragm at the time of power generation or charge / discharge is insufficient, and the performance may be deteriorated.

特開2012−199225号公報JP 2012-199225 A 国際公開WO/2014/010715号公報International Publication WO / 2014/010715 国際公開WO/2014/185491号公報International Publication WO / 2014/185491

本発明はこのような状況下でなされたものであり、使用時に膜の寸法変化を抑える効果に優れる膜−導電性多孔シート接合体、及び発電性能の優れる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made under such circumstances, and an object thereof is to provide a membrane-conductive porous sheet assembly excellent in the effect of suppressing the dimensional change of the membrane during use, and a fuel cell excellent in power generation performance. .

本発明は、
[1]膜と導電性多孔シートの間に触媒層が存在する膜−導電性多孔シート接合体であり、前記導電性多孔シートは導電性粒子を含有する導電性繊維を含有し、前記膜が膨潤と収縮とを繰り返した後における、導電性多孔シートと触媒層との最小90°剥離強度が0.06N/cm以上であることを特徴とする、膜−導電性多孔シート接合体、
[2]請求項1に記載の膜−導電性多孔シート接合体を膜−電極接合体として備えている固体高分子形燃料電池、
に関する。
The present invention
[1] A membrane-conductive porous sheet assembly in which a catalyst layer is present between a membrane and a conductive porous sheet, wherein the conductive porous sheet contains conductive fibers containing conductive particles, A membrane-conductive porous sheet assembly, wherein the minimum 90 ° peel strength between the conductive porous sheet and the catalyst layer after swelling and shrinking is 0.06 N / cm or more,
[2] A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-conductive porous sheet assembly according to claim 1 as a membrane-electrode assembly,
About.

[1]の膜−導電性多孔シート接合体は、膜が膨潤と収縮とを繰り返した後における、導電性多孔シートと触媒層との最小90°剥離強度が0.06N/cm以上であり、導電性多孔シートと触媒層とが良好に接着している。よって、使用時に膜の膨潤と収縮を充分に抑えることができる。つまり、膜の寸法変化を抑制することができる。このように、膜の変形による応力を小さくすることができるため、触媒層の破断や膜からの剥離を防止できるため、発電性能の優れる電池を作製可能である。なお、導電性繊維は導電性粒子を含有しているため導電性に優れている。また、導電性多孔シートに、フッ素系樹脂及び/又はカーボンが充填されていなければ、導電性多孔シートが本来有する多孔性の状態にあるため、面方向においても、通液性およびガス拡散性に優れている。   The membrane-conductive porous sheet assembly of [1] has a minimum 90 ° peel strength between the conductive porous sheet and the catalyst layer of 0.06 N / cm or more after the membrane has repeatedly swollen and contracted. The conductive porous sheet and the catalyst layer are well bonded. Therefore, the swelling and shrinkage of the film can be sufficiently suppressed during use. That is, the dimensional change of the film can be suppressed. As described above, since the stress due to the deformation of the film can be reduced, the catalyst layer can be prevented from being broken or peeled off from the film, so that a battery with excellent power generation performance can be manufactured. In addition, since an electroconductive fiber contains electroconductive particle, it is excellent in electroconductivity. In addition, if the conductive porous sheet is not filled with fluorine-based resin and / or carbon, the conductive porous sheet is inherently in a porous state, so that liquid permeability and gas diffusibility are also obtained in the surface direction. Are better.

[2]の固体高分子形燃料電池は前記膜−導電性多孔シート接合体を膜−電極接合体として備えているため、発電性能に優れている。   Since the polymer electrolyte fuel cell of [2] includes the membrane-conductive porous sheet assembly as a membrane-electrode assembly, it has excellent power generation performance.

固体高分子形燃料電池の基本構成を示す要部断面模式図Cross-sectional schematic diagram of the relevant part showing the basic structure of a polymer electrolyte fuel cell 膜が膨潤と収縮とを繰り返した後における、導電性多孔シートと触媒層との最小90°剥離強度を測定する際の、試験片の調製方法を示す、膜−導電性多孔シート接合体の正面図Front view of membrane-conductive porous sheet assembly showing a method for preparing a test piece when measuring the minimum 90 ° peel strength between the conductive porous sheet and the catalyst layer after the membrane repeats swelling and shrinking Figure

本発明の膜−導電性多孔シート接合体は、導電性多孔シートと触媒層との最小90°剥離強度が0.06N/cm以上と、導電性多孔シートと触媒層とが良好に接着している。よって、使用時における膜の膨潤と収縮による寸法変化を抑えることができ、その変形による応力を小さくすることができるため、触媒層の破断や膜からの剥離を防止し、発電性能の優れる電池を作製可能である。   The membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention has a minimum 90 ° peel strength between the conductive porous sheet and the catalyst layer of 0.06 N / cm or more, and the conductive porous sheet and the catalyst layer adhere well. Yes. Therefore, dimensional change due to swelling and shrinkage of the membrane during use can be suppressed, and stress due to the deformation can be reduced, so that a battery with excellent power generation performance can be prevented by preventing breakage of the catalyst layer and peeling from the membrane It can be produced.

(導電性多孔シート)
本発明の膜−導電性多孔シート接合体を構成する導電性多孔シートは導電性粒子を含有する導電性繊維を含有している。この導電性繊維は無機成分から構成されていても、有機成分から構成されていても、無機成分と有機成分の両方から構成されていても良いが、有機成分から構成されている導電性繊維を含有する導電性多孔シートは柔軟性を有するため、導電性多孔シートと隣接する部材(例えば、触媒層、ガス拡散層、バイポーラプレートなど)との隙間を小さくすることができ、電子や熱の界面抵抗を小さくでき、結果として、発電性能の優れる電池を作製しやすいため好適である。
(Conductive porous sheet)
The conductive porous sheet constituting the membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention contains conductive fibers containing conductive particles. The conductive fiber may be composed of an inorganic component, may be composed of an organic component, or may be composed of both an inorganic component and an organic component. Since the contained conductive porous sheet has flexibility, the gap between the conductive porous sheet and the adjacent member (for example, a catalyst layer, a gas diffusion layer, a bipolar plate, etc.) can be reduced, and the interface between electrons and heat can be reduced. This is preferable because the resistance can be reduced and, as a result, a battery having excellent power generation performance can be easily manufactured.

また、導電性繊維を構成できる有機成分は疎水性有機樹脂であっても、親水性有機樹脂であっても良く、特に限定するものではない。前者の疎水性有機樹脂であると、フッ素系樹脂等の疎水性樹脂を導電性多孔シートに付与しなくても疎水性に優れているため、排水性に優れている。例えば、固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体、又は空気電池の固体電解質膜−電極接合体として膜−導電性多孔シート接合体を使用した場合、電池使用時に発生する液滴の排出能を向上させることができる。他方で、親水性有機樹脂であると、膜が含水状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜である場合、膜の湿潤状態を保つことができ、また、水系電解液を用いる空気電池やレドックスフロー電池などの場合、電解液を導電性多孔シート全体、つまり電極全体に拡散させることができる。なお、有機樹脂にダイヤモンド、グラファイト、無定形炭素は含まない。   Further, the organic component that can constitute the conductive fiber may be a hydrophobic organic resin or a hydrophilic organic resin, and is not particularly limited. The former hydrophobic organic resin is excellent in drainage because it is excellent in hydrophobicity even if a hydrophobic resin such as a fluororesin is not applied to the conductive porous sheet. For example, when a membrane-conductive porous sheet assembly is used as a membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell or a solid electrolyte membrane-electrode assembly of an air cell, the ability to discharge droplets generated when the battery is used Can be improved. On the other hand, when the membrane is a hydrophilic organic resin, when the membrane is an electrolyte membrane exhibiting good proton conductivity in a water-containing state, the membrane can be kept in a wet state, and an air battery or redox using an aqueous electrolyte can be used. In the case of a flow battery or the like, the electrolytic solution can be diffused throughout the conductive porous sheet, that is, the entire electrode. The organic resin does not contain diamond, graphite, or amorphous carbon.

この「疎水性有機樹脂」とは、水との接触角が90°以上の有機樹脂であり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及び前記樹脂を構成する各種モノマーの共重合体、などのフッ素系樹脂;ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン系樹脂;ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)などのポリエステル系樹脂;などを挙げることができる。なお、これら疎水系有機樹脂は単独で用いることもできるし、2種類以上を混合又は複合していても良い。これらの中でもフッ素系樹脂は耐熱性、耐薬品性、疎水性が強いため、好適である。   The “hydrophobic organic resin” is an organic resin having a contact angle with water of 90 ° or more. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) , Polyvinyl fluoride (PVF), perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoro Fluorine resins such as ethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, and copolymers of various monomers constituting the resin; polyethylene (PE), polypropylene (PP ) And other polyolefin resins; polyethylene terf Rate (PET), polyester-based resins such as polyethylene naphthalate (PEN); and the like. These hydrophobic organic resins can be used alone or in combination of two or more. Among these, fluororesins are preferred because of their high heat resistance, chemical resistance, and hydrophobicity.

他方、「親水性有機樹脂」とは、水との接触角が90°未満の有機樹脂であり、その例として、レーヨンなどのセルロース;ポリアクリロニトリル、酸化アクリル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸などのアクリル系樹脂;ナイロン6、ナイロン66などのポリアミド系樹脂;ポリビニルアルコール系樹脂;親水性ポリウレタン;ポリビニルピロリドン;フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂;などの親水性基(アミド基、カルボキシル基、水酸基、アミノ基、スルホン酸基等)を有する樹脂を挙げることができる。また、これらの親水性有機樹脂は単独で用いることもできるし、2種類以上混合又は複合していても良い。なお、本発明の導電性繊維は疎水性有機樹脂1種類以上及び/又は親水性有機樹脂1種類以上とが、混合又は複合した状態にあっても良い。これら親水性有機樹脂の中でも、剛性の高い導電性繊維であることができ、触媒層と接合することによって、膜の膨潤及び収縮を抑制しやすい、熱硬化性樹脂を含んでいるのが好ましい。熱硬化性樹脂の中でもフェノール樹脂又はエポキシ樹脂は耐熱性、耐酸性、かつ剛性に優れているため好適である。   On the other hand, the “hydrophilic organic resin” is an organic resin having a contact angle with water of less than 90 °, and examples thereof include cellulose such as rayon; polyacrylonitrile, acrylic oxide, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, and the like. Acrylic resins; polyamide resins such as nylon 6 and nylon 66; polyvinyl alcohol resins; hydrophilic polyurethanes; polyvinyl pyrrolidone; thermosetting resins such as phenol resins, urea resins, melamine resins, unsaturated polyester resins, and epoxy resins; Examples thereof include resins having a hydrophilic group such as an amide group, a carboxyl group, a hydroxyl group, an amino group, and a sulfonic acid group. Moreover, these hydrophilic organic resins can also be used independently, and 2 or more types may be mixed or compounded. The conductive fiber of the present invention may be in a state where one or more types of hydrophobic organic resins and / or one or more types of hydrophilic organic resins are mixed or combined. Among these hydrophilic organic resins, it is preferable to include a thermosetting resin that can be a conductive fiber having high rigidity and can easily suppress swelling and shrinkage of the film by bonding with the catalyst layer. Among thermosetting resins, a phenol resin or an epoxy resin is preferable because it is excellent in heat resistance, acid resistance, and rigidity.

本発明の導電性多孔シートを構成する導電性繊維は電子移動性に優れているように、導電性粒子を含有している。この導電性粒子は電気抵抗率が10Ω・cm以下の粒子であり、導電性に優れているように、10Ω・cm以下であるのが好ましく、10Ω・cm以下であるのがより好ましい。このような導電性粒子は特に限定するものではないが、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、金属粒子、金属酸化物粒子などを挙げることができる。これらの中でもカーボンブラックは耐薬品性、導電性及び分散性の点で好適である。なお、導電性粒子の粒径は特に限定するものではないが、平均一次粒径が5nm〜200nmであるのが好ましく、10nm〜100nmであるのがより好ましい。この導電性粒子の平均一次粒径は脱落しにくく、また、繊維形態を形成しやすいように、導電性繊維の繊維径よりも小さいのが好ましい。また、気相法炭素繊維などのカーボンナノファイバーは繊維形態であることによって、導電性繊維の剛性を高めることができ、膜の膨潤及び収縮を抑制しやすいため好適である。 The conductive fiber constituting the conductive porous sheet of the present invention contains conductive particles so that the electron mobility is excellent. These conductive particles are particles having an electric resistivity of 10 5 Ω · cm or less, and preferably 10 3 Ω · cm or less so as to be excellent in conductivity, being 10 1 Ω · cm or less. Is more preferable. Such conductive particles are not particularly limited, and examples thereof include carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, metal particles, and metal oxide particles. Among these, carbon black is preferable in terms of chemical resistance, conductivity, and dispersibility. The particle size of the conductive particles is not particularly limited, but the average primary particle size is preferably 5 nm to 200 nm, and more preferably 10 nm to 100 nm. The average primary particle diameter of the conductive particles is preferably smaller than the fiber diameter of the conductive fibers so that the conductive particles are less likely to drop off and form a fiber form. In addition, carbon nanofibers such as vapor grown carbon fibers are preferable because they are in the form of fibers, so that the rigidity of the conductive fibers can be increased and swelling and shrinkage of the film can be easily suppressed.

このような導電性粒子は導電性繊維において、どのように存在していても良いが、繊維内部においても存在しているのが好ましい。導電性繊維の外側表面にのみ導電性粒子が存在していると、繊維内部成分が抵抗成分となり、導電性に劣る傾向があるためである。導電性という観点から、導電性繊維表面に、少なくとも一部が露出した導電性粒子と、導電性繊維内部に埋没した導電性粒子の両方を含んでいるのが好ましい。なお、導電性繊維は、繊維径のばらつきが比較的少なく、導電性多孔シート表面の平滑性に優れるように、分岐した構造を有しないのが好ましい。このような導電性粒子を含有する導電性繊維は、例えば、樹脂と導電性粒子とを含む紡糸液を紡糸することによって得ることができる。   Such conductive particles may be present in any manner in the conductive fiber, but are preferably present in the fiber. This is because if the conductive particles are present only on the outer surface of the conductive fiber, the fiber internal component becomes a resistance component and tends to be inferior in conductivity. From the viewpoint of conductivity, it is preferable that at least a part of the conductive particles exposed on the surface of the conductive fiber and the conductive particles embedded in the conductive fiber are included. In addition, it is preferable that an electroconductive fiber does not have a branched structure so that the dispersion | variation in a fiber diameter is comparatively small and the smoothness of the surface of an electroconductive porous sheet is excellent. The conductive fiber containing such conductive particles can be obtained, for example, by spinning a spinning solution containing a resin and conductive particles.

本発明の導電性繊維は導電性粒子を含有する繊維であり、導電性粒子の含有量は特に限定するものではないが、導電性に優れているように、導電性粒子と樹脂との質量比は10〜90:90〜10であるのが好ましく、20〜80:80〜20であるのがより好ましく、30〜70:70〜30であるのが更に好ましい。導電性粒子が10mass%未満であると、導電性が不足しやすい傾向があり、導電性粒子が90mass%を超えると、繊維形態保持性が低下する傾向があるためである。   The conductive fiber of the present invention is a fiber containing conductive particles, and the content of the conductive particles is not particularly limited, but the mass ratio between the conductive particles and the resin so as to be excellent in conductivity. Is preferably 10 to 90:90 to 10, more preferably 20 to 80:80 to 20, and still more preferably 30 to 70:70 to 30. This is because when the conductive particles are less than 10 mass%, the conductivity tends to be insufficient, and when the conductive particles exceed 90 mass%, the fiber shape retention tends to be lowered.

本発明の導電性多孔シートを構成する導電性繊維の平均繊維径は特に限定するものではないが、10nm〜10μmであるのが好ましく、50nm〜7μmであるのがより好ましく、100nm〜5μmであるのが更に好ましい。平均繊維径が10μmよりも太いと、導電性繊維同士の接触点が少なく、導電性が不足しやすい傾向があり、他方で、10nmよりも細いと、繊維内部に導電性粒子を含有しにくい傾向があるためである。なお、導電性繊維の平均繊維径は導電性粒子が脱落しにくいように、導電性粒子の一次粒子径の5倍以上であるのが好ましい。   The average fiber diameter of the conductive fibers constituting the conductive porous sheet of the present invention is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 10 μm, more preferably 50 nm to 7 μm, and 100 nm to 5 μm. Is more preferable. When the average fiber diameter is larger than 10 μm, there are few contact points between the conductive fibers, and the conductivity tends to be insufficient. On the other hand, when the average fiber diameter is smaller than 10 nm, it is difficult to contain the conductive particles inside the fiber. Because there is. In addition, it is preferable that the average fiber diameter of a conductive fiber is 5 times or more of the primary particle diameter of an electroconductive particle so that an electroconductive particle cannot drop out easily.

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

本発明の導電性繊維は電子の移動性に優れているように、連続繊維であるのが好ましい。このような導電性連続繊維は、例えば、静電紡糸法、スパンボンド法により製造することができ、特に、静電紡糸法により形成した導電性連続繊維は電子の移動性に優れているため好適である。本発明における「連続繊維」とは、電子顕微鏡を用いる導電性多孔シートの写真撮影を、撮影画像の一辺が導電性繊維の平均繊維径の60倍程度の長さとなる倍率で行なった場合に、電子顕微鏡写真1枚あたりの導電性繊維の端部数が0.3以下であることを意味する。つまり、電子顕微鏡写真20枚における導電性繊維の端部の総数を撮影枚数(20枚)で除した、電子顕微鏡写真1枚あたりの導電性繊維の端部数が0.3以下であることを意味する。なお、その写真撮影は、導電性多孔シートの切断部を含まない中央部における、連続的に異なる箇所において行なう。例えば、平均繊維径が1μmの導電性繊維が連続繊維であるかどうかを確認する場合、電子顕微鏡を用いる写真撮影を、導電性多孔シートの切断部を含まない中央部における、連続的に異なる箇所において、撮影画像の一辺が60μm程度となる倍率(2500倍)で20枚行ない、電子顕微鏡写真1枚あたりの導電性繊維の端部数を算出し、0.3以下であれば、連続繊維と考えることができる。   The conductive fiber of the present invention is preferably a continuous fiber so as to have excellent electron mobility. Such a conductive continuous fiber can be produced, for example, by an electrostatic spinning method or a spunbond method. In particular, a conductive continuous fiber formed by an electrostatic spinning method is suitable because it has excellent electron mobility. It is. “Continuous fiber” in the present invention, when taking a photograph of a conductive porous sheet using an electron microscope at a magnification at which one side of the photographed image is about 60 times the average fiber diameter of the conductive fiber, It means that the number of ends of the conductive fiber per one electron micrograph is 0.3 or less. In other words, the total number of ends of conductive fibers in 20 electron micrographs is divided by the number of photographs (20), which means that the number of ends of conductive fibers per electron micrograph is 0.3 or less. To do. In addition, the photography is performed in the location which is continuously different in the center part which does not include the cutting part of the conductive porous sheet. For example, when confirming whether a conductive fiber having an average fiber diameter of 1 μm is a continuous fiber, photography using an electron microscope is performed at different locations in the central portion not including the cut portion of the conductive porous sheet. , The number of ends of the conductive fiber per one electron micrograph is calculated, and if it is 0.3 or less, it is considered as a continuous fiber. be able to.

本発明の導電性多孔シートは上述のような導電性繊維を含有するものであるが、導電性多孔シートが本来有する多孔性を利用して、通液性およびガス拡散性に優れるように、フッ素系樹脂及び/又は導電性粒子(例えば、カーボン粒子)など、何も充填されていないのが好ましい。つまり、導電性繊維などの繊維のみから構成されているのが好ましく、導電性繊維のみから構成されているのがより好ましい。   The conductive porous sheet of the present invention contains the conductive fibers as described above, but the fluorine inherently possessed by the conductive porous sheet is used to improve the liquid permeability and gas diffusibility. It is preferable that nothing is filled, such as a system resin and / or conductive particles (for example, carbon particles). That is, it is preferable to be composed only of fibers such as conductive fibers, and it is more preferable to be composed only of conductive fibers.

本発明の導電性多孔シートの形態は特に限定するものではないが、例えば、不織布、織物、編物であることができる。これらの中でも不織布形態であると、孔径が比較的揃っており、通液性およびガス拡散性に優れていることができるため好適である。   Although the form of the electroconductive porous sheet of this invention is not specifically limited, For example, it can be a nonwoven fabric, a textile fabric, and a knitted fabric. Among these, the nonwoven fabric is preferable because the pore diameters are relatively uniform and the liquid permeability and gas diffusibility can be excellent.

本発明の導電性多孔シートが不織布形態からなる場合、導電性繊維同士は接着剤によって結合していても良いが、導電性に優れるように、導電性繊維を構成する樹脂によって結合しているのが好ましい。この好適である樹脂の結合として、例えば、導電性繊維同士の絡合、溶媒による可塑化結合、熱による融着、又は硬化による結合を挙げることができる。   When the conductive porous sheet of the present invention is in the form of a nonwoven fabric, the conductive fibers may be bonded together by an adhesive, but are bonded by a resin constituting the conductive fibers so as to be excellent in conductivity. Is preferred. Examples of the suitable resin bond include entanglement between conductive fibers, plasticization bond with a solvent, fusion by heat, or bond by curing.

本発明の導電性多孔シートにおける導電性繊維の含有割合は、電子の移動性に優れるように、10mass%以上であるのが好ましく、50mass%以上であるのがより好ましく、70mass%以上であるのが更に好ましく、90mass%以上であるのが更に好ましく、導電性繊維のみ(100mass%)から構成されているのが特に好ましい。なお、導電性繊維以外の繊維として、フッ素繊維、ポリオレフィン繊維、ポリエステル繊維などの疎水性有機樹脂繊維、セルロース、ポリアミド系繊維、アクリル系繊維、ポリビニルアルコール系繊維、親水性ポリウレタン繊維などの親水性有機樹脂繊維、又はフェノール繊維などの熱硬化性樹脂繊維などを含んでいることができる。   The content ratio of the conductive fibers in the conductive porous sheet of the present invention is preferably 10 mass% or more, more preferably 50 mass% or more, and more preferably 70 mass% or more so that the mobility of electrons is excellent. Is more preferably 90% by mass or more, particularly preferably composed of only conductive fibers (100% by mass). As fibers other than conductive fibers, hydrophobic organic resin fibers such as fluorine fibers, polyolefin fibers and polyester fibers, hydrophilic organic fibers such as cellulose, polyamide fibers, acrylic fibers, polyvinyl alcohol fibers and hydrophilic polyurethane fibers. Resin fibers or thermosetting resin fibers such as phenol fibers can be included.

本発明の導電性多孔シートは導電性繊維以外の繊維を含んでいることができるが、導電性に優れているように、電気抵抗が300mΩ・cm以下であるのが好ましく、150mΩ・cm以下であるのがより好ましく、50mΩ・cm以下であるのが更に好ましい。本発明の「電気抵抗」は、5cm角に切断した導電性多孔シート(25cm)を両面側から金メッキを施した金属プレートで挟み、金属プレートの積層方向に、2MPaで加圧下、1Aの電流(I)を印加した状態で、電圧(V)を計測する。続いて、抵抗(R=V/I)を算出し、更に、導電性多孔シートの面積(25cm)を乗じることによって得られる値である。 Conductive porous sheet of the present invention may be contain fibers other than the conductive fibers, as high conductivity, it is preferable electric resistance of 300mΩ · cm 2 or less, 150mΩ · cm 2 More preferably, it is more preferably 50 mΩ · cm 2 or less. The “electric resistance” of the present invention is a method in which a conductive porous sheet (25 cm 2 ) cut into 5 cm square is sandwiched between metal plates plated with gold from both sides, and a current of 1 A is applied under a pressure of 2 MPa in the stacking direction of the metal plates. The voltage (V) is measured with (I) applied. Then, resistance was calculated (R = V / I), further, a value obtained by multiplying the area of the conductive porous sheet (25 cm 2).

なお、導電性多孔シートは導電性に優れるように、導電性粒子は導電性多孔シートの10〜90mass%を占めているのが好ましく、20〜80mass%を占めているのがより好ましく、30〜70mass%を占めているのが更に好ましい。   In order to make the conductive porous sheet excellent in conductivity, the conductive particles preferably occupy 10 to 90 mass% of the conductive porous sheet, more preferably 20 to 80 mass%, more preferably 30 to 30%. More preferably, it occupies 70 mass%.

本発明の導電性多孔シートの目付は特に限定するものではないが、取り扱い性、生産性の点から0.1〜100g/mであるのが好ましく、0.1〜50g/mであるのがより好ましい。また、厚さも特に限定するものではないが、1〜500μmであるのが好ましく、1〜250μmであるのが更に好ましく、3〜100μmであるのが更に好ましい。導電性多孔シートの厚さが薄い程、抵抗が低く、また、膜−導電性多孔シート接合体の占める体積を小さくすることができる。この「目付」は導電性多孔シートを10cm角に切断して試料を調製し、その試料の質量から1mの大きさの質量に換算した値をいい、「厚さ」はシックネスゲージ((株)ミツトヨ製:コードNo.547−321:測定力1.5N以下)を用いて測定した値をいう。 The basis weight of the conductive porous sheet of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 100 g / m 2 from the viewpoint of handleability and productivity, and is 0.1 to 50 g / m 2 . Is more preferable. The thickness is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 μm, more preferably 1 to 250 μm, and further preferably 3 to 100 μm. The thinner the conductive porous sheet is, the lower the resistance is, and the volume occupied by the membrane-conductive porous sheet assembly can be reduced. This “weight per unit” is a value obtained by cutting a conductive porous sheet into 10 cm square and preparing a sample, and converting the mass of the sample to a mass of 1 m 2 , and “thickness” is a thickness gauge ( ) Made by Mitutoyo: code No. 547-321: measuring force 1.5N or less).

本発明の導電性多孔シートは本来有する多孔性を利用して、面方向においても、通液性およびガス拡散性に優れるように、60%以上の空隙率を有するのが好ましく、70%以上の空隙率を有するのがより好ましく、80%以上の空隙率を有するのが更に好ましい。なお、空隙率の上限は特に限定するものではないが、形態安定性の点から99%以下であるのが好ましく、95%以下であるのがより好ましく、90%以下であるのが更に好ましい。この「空隙率P(単位:%)」は次の式から得られる値をいう。
P=100−(Fr1+Fr2+・・+Frn)
ここで、Frnは導電性多孔シートを構成する成分nの充填率(単位:%)を示し、次の式から得られる値をいう。
Frn=[M×Prn/(T×SGn)]×100
ここで、Mは導電性多孔シートの目付(単位:g/cm)、Tは導電性多孔シートの厚さ(単位:cm)、Prnは導電性多孔シートにおける成分n(例えば、樹脂、導電性粒子)の存在質量比率、SGnは成分nの比重(単位:g/cm)を、それぞれ意味する。
The conductive porous sheet of the present invention preferably has a porosity of 60% or more so as to be excellent in liquid permeability and gas diffusibility even in the plane direction by utilizing the inherent porosity. It is more preferable to have a porosity, and it is even more preferable to have a porosity of 80% or more. The upper limit of the porosity is not particularly limited, but is preferably 99% or less, more preferably 95% or less, and still more preferably 90% or less from the viewpoint of form stability. This “porosity P (unit:%)” is a value obtained from the following equation.
P = 100- (Fr1 + Fr2 + .. + Frn)
Here, Frn indicates the filling rate (unit:%) of component n constituting the conductive porous sheet, and is a value obtained from the following formula.
Frn = [M × Prn / (T × SGn)] × 100
Here, M is the basis weight of the conductive porous sheet (unit: g / cm 2 ), T is the thickness of the conductive porous sheet (unit: cm), and Prn is the component n in the conductive porous sheet (for example, resin, conductive SGn means the specific gravity (unit: g / cm 3 ) of component n, respectively.

本発明の導電性多孔シートを構成する導電性繊維表面はフッ素系樹脂で被覆されていても良い。このようにフッ素系樹脂で被覆されていると、疎水性に優れ、排水性に優れている。例えば、固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体、又は空気電池の固体電解質膜−電極接合体として膜−導電性多孔シート接合体を使用した場合、電池使用時に発生する液滴の排出能に優れている。   The surface of the conductive fiber constituting the conductive porous sheet of the present invention may be covered with a fluororesin. Thus, when it coat | covers with a fluorine-type resin, it is excellent in hydrophobicity and is excellent in drainage. For example, when a membrane-conductive porous sheet assembly is used as a membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell or a solid electrolyte membrane-electrode assembly of an air cell, the ability to discharge droplets generated when the battery is used Is excellent.

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

また、導電性多孔シートは導電性に優れるように、導電性多孔シートの空隙に、カーボンを含有していることができる。このカーボンとしては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどを挙げることができる。   Moreover, the electroconductive porous sheet can contain carbon in the space | gap of an electroconductive porous sheet so that it may be excellent in electroconductivity. Examples of the carbon include carbon black, carbon nanotube, and carbon nanofiber.

本発明の導電性多孔シートは常法により製造することができる。例えば、好適である不織布形態の導電性多孔シートを構成する導電性繊維は、樹脂と導電性粒子とを混合した紡糸液を用いて紡糸して得ることができ、この紡糸した導電性繊維を直接捕集し、集積すれば、繊維ウエブを形成することができる。この繊維ウエブが適度に絡合していることによって、ある程度の強度があれば導電性多孔シートとして使用できるし、強度を付与又は向上させるために、溶媒による可塑化、熱による融着、接着剤による接着、樹脂の硬化等により結合して、導電性多孔シ−トとすることもできる。   The conductive porous sheet of the present invention can be produced by a conventional method. For example, the conductive fibers constituting the conductive porous sheet in the form of a suitable non-woven fabric can be obtained by spinning using a spinning solution in which a resin and conductive particles are mixed. A fiber web can be formed by collecting and accumulating. When the fiber web is moderately intertwined, it can be used as a conductive porous sheet if it has a certain level of strength, and in order to impart or improve the strength, plasticization with a solvent, fusion by heat, adhesive The conductive porous sheet can also be formed by bonding by adhesion, curing of the resin, or the like.

なお、導電性繊維を直接捕集し、集積して形成した繊維ウエブを構成する導電性繊維は連続繊維であるのが好ましい。連続繊維であることによって、導電性及び強度の点で優れているためである。   In addition, it is preferable that the conductive fiber which comprises the fiber web formed by collecting and accumulating the conductive fiber directly is a continuous fiber. It is because it is excellent in terms of conductivity and strength by being a continuous fiber.

また、剛性の強い導電性繊維であるように、熱硬化性樹脂(特にフェノール樹脂又はエポキシ樹脂)を含む紡糸液を用いて紡糸し、導電性繊維とするのが好ましい。更に、導電性繊維が熱硬化性樹脂を含んでいる場合には、熱によって硬化させることによって、導電性繊維の剛性を高めるのが好ましい。なお、後述のように、導電性繊維を構成する熱硬化性樹脂によって導電性多孔シートと触媒層とを接着する場合には、熱硬化性樹脂が半硬化状態である、いわゆるBステージの状態となる条件で熱処理するのが好ましく、この場合、触媒層と接着した後に、完全に硬化した状態となるように熱処理するのが好ましい。この熱硬化性樹脂を硬化させる条件、又は半硬化させる条件は熱硬化性樹脂の種類によって異なるため、熱硬化性樹脂の種類に応じて適宜設定する。   Further, it is preferable that the conductive fiber is spun by using a spinning solution containing a thermosetting resin (particularly a phenol resin or an epoxy resin) so that the conductive fiber has high rigidity. Furthermore, when the conductive fiber contains a thermosetting resin, it is preferable to increase the rigidity of the conductive fiber by curing with heat. As will be described later, when the conductive porous sheet and the catalyst layer are bonded by the thermosetting resin constituting the conductive fiber, the thermosetting resin is in a semi-cured state, and a so-called B-stage state. It is preferable to perform heat treatment under the following conditions. In this case, it is preferable to perform heat treatment so that the resin layer is completely cured after being adhered to the catalyst layer. Conditions for curing the thermosetting resin or conditions for semi-curing differ depending on the type of the thermosetting resin, and thus are appropriately set according to the type of the thermosetting resin.

なお、繊維ウエブの形成方法としては、例えば、静電紡糸法、スパンボンド法、メルトブロー法、或いは特開2009−287138号公報に開示されているような、液吐出部から吐出された紡糸液に対してガスを平行に吐出し、紡糸液に1本の直線状に剪断力を作用させて繊維化する方法、などを挙げることができる。これらの中でも静電紡糸法又は特開2009−287138号公報に開示の方法によれば、繊維径の小さい導電性繊維を紡糸できることから、厚さが薄く、抵抗の低い導電性多孔シートとすることができ、また、体積の小さい膜−導電性多孔シート接合体を製造できる。特に、静電紡糸法によれば、連続した導電性繊維を紡糸でき、繊維の端部が少なく、膜を損傷しにくいため好適である。 なお、静電紡糸法又は特開2009−287138号公報に開示の方法のように、溶媒に樹脂を溶解させた溶液に導電性粒子を混合した紡糸液を使用する場合、溶媒として、紡糸時に揮散しにくいものを使用し、繊維ウエブを形成した後に、溶媒置換により紡糸溶媒を除去すると、導電性繊維同士が可塑化結合した状態になりやすく、結果として導電性の優れる導電性多孔シートを製造することができ、また、導電性繊維同士が密着して接触抵抗が低くなるため好適である。   As a method for forming a fiber web, for example, an electrostatic spinning method, a spun bond method, a melt blow method, or a spinning solution discharged from a liquid discharging unit as disclosed in JP 2009-287138 A is used. On the other hand, a method of discharging the gas in parallel and applying a shearing force to the spinning solution in a straight line to form a fiber can be exemplified. Among these, according to the electrostatic spinning method or the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-287138, conductive fibers having a small fiber diameter can be spun, so that the conductive porous sheet is thin and has low resistance. In addition, a membrane-conductive porous sheet assembly having a small volume can be produced. In particular, the electrospinning method is preferable because continuous conductive fibers can be spun, the end portions of the fibers are small, and the membrane is hardly damaged. In addition, when using a spinning solution in which conductive particles are mixed in a solution in which a resin is dissolved in a solvent, as in the electrostatic spinning method or the method disclosed in JP2009-287138A, the solvent is volatilized during spinning. If a spinning solvent is removed by solvent replacement after forming a fiber web using a material that is difficult to form, conductive fibers tend to be in a plasticized state, and as a result, a conductive porous sheet having excellent conductivity is produced. It is also preferable because the conductive fibers are in close contact with each other and the contact resistance is lowered.

また、紡糸した導電性繊維を連続繊維として巻き取り、次いで導電性繊維を所望繊維長に切断して短繊維とした後、公知の乾式法又は湿式法により繊維ウエブを形成し、溶媒による可塑化、熱による融着、接着剤による接着、樹脂の硬化等により結合し、導電性多孔シートとすることもできる。   Also, after winding the spun conductive fiber as a continuous fiber, the conductive fiber is cut into a desired fiber length to make a short fiber, and then a fiber web is formed by a known dry method or wet method, and plasticized with a solvent. Bonding by heat fusion, adhesive bonding, resin curing, etc. can be used to form a conductive porous sheet.

なお、導電性繊維を構成する樹脂が酸化アクリルである場合、アクリル樹脂と導電性粒子とを混合した紡糸液を紡糸して導電性繊維を形成し、この導電性繊維を含む繊維ウエブを直接的に又は間接的に形成した後、空気中で温度200〜300℃で加熱することによって、アクリル樹脂を酸化アクリルとして、導電性多孔シートの導電性を更に高めることができる。或いは、アクリル樹脂と導電性粒子とを混合した紡糸液を用いて紡糸した導電性繊維を、空気中、温度200〜300℃で加熱することによって、アクリル樹脂を酸化アクリルとした後に、酸化アクリルと導電性粒子からなる導電性繊維を使用して不織布を形成することもできる。   When the resin constituting the conductive fiber is an acrylic oxide, a spinning solution in which an acrylic resin and conductive particles are mixed is spun to form a conductive fiber, and the fiber web containing the conductive fiber is directly formed. After forming indirectly or indirectly, by heating at a temperature of 200 to 300 ° C. in the air, the conductivity of the conductive porous sheet can be further increased by using the acrylic resin as acrylic oxide. Alternatively, after the conductive fiber spun using a spinning solution in which acrylic resin and conductive particles are mixed is heated in air at a temperature of 200 to 300 ° C., the acrylic resin is converted to acrylic oxide, It is also possible to form a nonwoven fabric using conductive fibers made of conductive particles.

更に、導電性多孔シートが液水を押し出しやすいように、導電性繊維表面をフッ素系樹脂で被覆する場合には、フッ素系樹脂を含む溶液又はペーストを導電性多孔シートに塗布、散布、又は含浸するなどの方法により付与した後、乾燥及び焼成する。導電性多孔シートの空隙にカーボンを含有させる場合も同様に、カーボンとフッ素系樹脂とを含む溶液又はペーストを導電性多孔シートに塗布、散布、又は含浸するなどの方法により付与した後、乾燥及び焼成する。   Furthermore, when the conductive fiber surface is coated with a fluorine-based resin so that the conductive porous sheet can easily extrude liquid water, a solution or paste containing the fluorine-based resin is applied, spread, or impregnated on the conductive porous sheet. After applying by a method such as carrying out, it is dried and fired. Similarly, when carbon is contained in the voids of the conductive porous sheet, similarly, a solution or paste containing carbon and a fluororesin is applied to the conductive porous sheet by a method such as application, dispersion, or impregnation, and then drying and Bake.

(膜)
本発明の膜−導電性多孔シート接合体を構成する膜は膜−導電性多孔シート接合体の用途によって異なるが、従来から公知のものであることができる。例えば、膜−導電性多孔シート接合体を固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体として使用する場合には、パーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂膜、スルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜、アルキルスルホン化芳香族炭化水素系樹脂膜、無機−有機複合系樹脂膜などの電解質膜であることができる。
(film)
The membrane constituting the membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention varies depending on the application of the membrane-conductive porous sheet assembly, but can be a conventionally known one. For example, when a membrane-conductive porous sheet assembly is used as a membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell, a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, a sulfonated aromatic hydrocarbon resin membrane, an alkyl sulfone It can be an electrolyte membrane such as a fluorinated aromatic hydrocarbon resin membrane or an inorganic-organic composite resin membrane.

また、膜−導電性多孔シート接合体を空気電池の固体電解質膜−電極接合体として使用する場合には、膜は負極材料に適したイオン伝導性固体電解質であれば良く、特に限定するものではないが、例えば、無機固体電解質、ポリマー電解質、ゲル状電解質から構成することができる。   Further, when the membrane-conductive porous sheet assembly is used as a solid electrolyte membrane-electrode assembly for an air battery, the membrane may be an ion conductive solid electrolyte suitable for the negative electrode material, and is not particularly limited. For example, it can be composed of an inorganic solid electrolyte, a polymer electrolyte, or a gel electrolyte.

更に、膜−導電性多孔シート接合体をレドックスフロー電池の隔膜−電極接合体として使用する場合には、膜は正極活物質のイオンと負極活物質のイオンとの隔離性に優れ、プロトンの透過性に優れるものであれば良く、特に限定するものではないが、例えば、陽イオン交換膜や陰イオン交換膜といったイオン交換膜から構成することができる。   Further, when the membrane-conductive porous sheet assembly is used as a diaphragm-electrode assembly of a redox flow battery, the membrane has excellent separability between ions of the positive electrode active material and ions of the negative electrode active material, and allows proton transmission. Any material can be used as long as it has excellent properties, and is not particularly limited. For example, it can be composed of an ion exchange membrane such as a cation exchange membrane or an anion exchange membrane.

なお、いずれの膜も、不織布等の補強材で補強されていても良い。   In addition, any film | membrane may be reinforced with reinforcement materials, such as a nonwoven fabric.

(触媒層)
本発明の膜−導電性多孔シート接合体の触媒層は膜−導電性多孔シート接合体の用途によって異なるが、従来から公知のものであることができる。
(Catalyst layer)
Although the catalyst layer of the membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention varies depending on the use of the membrane-conductive porous sheet assembly, it can be a conventionally known one.

例えば、膜−導電性多孔シート接合体を固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体として使用する場合には、触媒とイオン交換樹脂とを含む層であることができる。この触媒としては、特に限定するものではないが、例えば、白金、白金合金[ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金、銀、クロム、鉄、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、スズから選ばれる1種以上の金属と、白金との合金]、或いは白金又は白金合金が、活性炭、カーボンブラック等のカーボンに担持された触媒であることができる。なお、触媒は1種類、又は2種類以上を含むことができる。なお、カソード側触媒層の触媒とアノード側触媒層の触媒とは同じであっても異なっていても良い。一方、イオン交換樹脂は前述の電解質膜と同様であることができる。つまり、パーフルオロカーボンスルホン酸系樹脂、スルホン化芳香族炭化水素系樹脂、アルキルスルホン化芳香族炭化水素系樹脂、無機−有機複合系樹脂などであることができる。特に、電解質膜と同じであると、触媒層と電解質膜との親和性に優れるため好適である。なお、カソード側触媒層のイオン交換樹脂とアノード側触媒層のイオン交換樹脂とは同じであっても異なっていても良い。また、いずれの触媒層のイオン交換樹脂も1種類から構成されていても、2種類以上から構成されていても良い。   For example, when the membrane-conductive porous sheet assembly is used as a membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell, it can be a layer containing a catalyst and an ion exchange resin. The catalyst is not particularly limited. For example, platinum, platinum alloy [ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, gold, silver, chromium, iron, titanium, manganese, cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, An alloy of one or more metals selected from aluminum, silicon, zinc, and tin and platinum], or platinum or a platinum alloy may be a catalyst supported on carbon such as activated carbon or carbon black. In addition, a catalyst can contain 1 type, or 2 or more types. The catalyst of the cathode side catalyst layer and the catalyst of the anode side catalyst layer may be the same or different. On the other hand, the ion exchange resin can be the same as the electrolyte membrane described above. That is, it can be a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a sulfonated aromatic hydrocarbon resin, an alkylsulfonated aromatic hydrocarbon resin, an inorganic-organic composite resin, or the like. In particular, the same electrolyte membrane is preferable because the affinity between the catalyst layer and the electrolyte membrane is excellent. The ion exchange resin of the cathode side catalyst layer and the ion exchange resin of the anode side catalyst layer may be the same or different. Moreover, the ion exchange resin of any catalyst layer may be comprised from 1 type, or may be comprised from 2 or more types.

また、膜−導電性多孔シート接合体を空気電池の固体電解質膜−電極接合体として使用する場合には、触媒層は触媒と、フッ素系樹脂などの撥水剤兼バインダを含む層であることができる。この触媒としては、特に限定するものではないが、正極での酸素還元反応を起こし、触媒活性を有する粒子であれば良く、特に限定するものではないが、上記の固体高分子形燃料電池用の触媒と同様のもの以外に、二酸化マンガン、活性炭、ペロブスカイト型複合酸化物、金属含有顔料などであることができる。   When the membrane-conductive porous sheet assembly is used as a solid electrolyte membrane-electrode assembly for an air battery, the catalyst layer is a layer containing a catalyst and a water repellent / binder such as a fluororesin. Can do. The catalyst is not particularly limited as long as it is a particle that causes an oxygen reduction reaction at the positive electrode and has catalytic activity, and is not particularly limited, but for the above-mentioned polymer electrolyte fuel cell. In addition to the catalyst, manganese dioxide, activated carbon, perovskite complex oxide, metal-containing pigment, and the like can be used.

更に、膜−導電性多孔シート接合体をレドックスフロー電池の隔膜−電極接合体として使用する場合には、触媒層は触媒とイオン交換樹脂とを含む層であることができる。この触媒としては、特に限定するものではないが、例えば、酸化スズ、酸化ビスマスなどの金属酸化物や、酸化グラフェン、カーボンナノチューブ、金属担持炭素材料などであることができる。   Furthermore, when the membrane-conductive porous sheet assembly is used as a membrane-electrode assembly of a redox flow battery, the catalyst layer can be a layer containing a catalyst and an ion exchange resin. Although it does not specifically limit as this catalyst, For example, it can be metal oxides, such as a tin oxide and a bismuth oxide, a graphene oxide, a carbon nanotube, a metal carrying | support carbon material.

なお、いずれの触媒層においても、触媒以外に電子伝導体を含むことができる。この電子伝導体はカーボンブラック等の導電性繊維に含まれている導電性粒子と同様の導電性粒子が好適である。   In any catalyst layer, an electron conductor can be included in addition to the catalyst. The electron conductor is preferably conductive particles similar to the conductive particles contained in conductive fibers such as carbon black.

(膜−導電性多孔シート接合体)
本発明の膜−導電性多孔シート接合体は、前述のような導電性多孔シート、膜、及び触媒層を有するものであり、膜と導電性多孔シートの間に触媒層が存在し、膜が膨潤と収縮とを繰り返した後における、導電性多孔シートと触媒層との最小90°剥離強度が0.06N/cm以上であり、導電性多孔シートと触媒層とが良好に接着している。よって、膜−導電性多孔シート接合体使用時においても、膜の膨潤と収縮を充分に抑えることができ、その変形による応力を小さくすることができるため、触媒層の破断や膜からの剥離を防止できる。前記最小90°剥離強度が大きい程、前記作用に優れているため、最小90°剥離強度は0.08N/cm以上あるのがより好ましく、0.10N/cm以上であるのがより好ましく、0.12N/cm以上であるのが更に好ましい。この最小90°剥離強度が大きい程、膜の膨潤と収縮を抑えることができるため、上限は特にない。
(Membrane-conductive porous sheet assembly)
The membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention has a conductive porous sheet, a membrane, and a catalyst layer as described above, a catalyst layer is present between the membrane and the conductive porous sheet, and the membrane is The minimum 90 ° peel strength between the conductive porous sheet and the catalyst layer after repeated swelling and shrinkage is 0.06 N / cm or more, and the conductive porous sheet and the catalyst layer are well bonded. Therefore, even when the membrane-conductive porous sheet assembly is used, swelling and shrinkage of the membrane can be sufficiently suppressed, and stress due to the deformation can be reduced, so that the catalyst layer can be broken or peeled off from the membrane. Can be prevented. The larger the minimum 90 ° peel strength is, the better the action is. Therefore, the minimum 90 ° peel strength is more preferably 0.08 N / cm or more, and more preferably 0.10 N / cm or more. More preferably, it is 12 N / cm or more. As the minimum 90 ° peel strength increases, the swelling and shrinkage of the film can be suppressed, so there is no particular upper limit.

この「膜が膨潤と収縮とを繰り返した後における、導電性多孔シートと触媒層との最小90°剥離強度」は次の手順により得られる値である。
(1)50mm角の膜−導電性多孔シート接合体をウォーターバスにて温度80℃に維持した熱水中に1時間浸漬する。
(2)軽く水気を拭き取った後に、温度60℃に設定したドライヤーに入れて1時間乾燥する。
(3)前記(1)〜(2)の操作を3回繰り返すことで膜の膨潤と収縮を繰り返させる。
(4)膜−導電性多孔シート接合体を、図2に示すように、幅1cmの短冊に切り、5枚の試験片を調製する。
(5)試験片の一方の導電性多孔シート面に両面テープの片面を貼付し、前記両面テープの他面を、縦型電動計測スタンドに組み込んだ剥離試験用アタッチメント[(株)イマダ製]の試験台に固定する。
(6)試験片の導電性多孔シート/触媒層/膜/触媒層をピンセットで一部剥がし、つかみ部分とし、クリップでデジタルフォースゲージ[(株)イマダ製]に固定する。
(7)試験片の導電性多孔シート/触媒層/膜/触媒層を、速度60mm/min.で引張り、安定した接着状態にある変位10〜30mmにおける荷重(N)を測定する。
(8)前記荷重を試験片の幅(1cm)で除して、90°剥離強度を算出する。
(9)この90°剥離強度の測定を5枚の試験片について行ない、最も強度が弱い90°剥離強度を、最小90°剥離強度(単位:N/cm)とする。
This “minimum 90 ° peel strength between the conductive porous sheet and the catalyst layer after the membrane repeats swelling and shrinking” is a value obtained by the following procedure.
(1) A 50 mm square membrane-conductive porous sheet assembly is immersed in hot water maintained at a temperature of 80 ° C. for 1 hour in a water bath.
(2) After lightly wiping off moisture, it is placed in a dryer set at a temperature of 60 ° C. and dried for 1 hour.
(3) By repeating the operations (1) to (2) three times, the membrane is repeatedly swollen and contracted.
(4) Cut the membrane-conductive porous sheet assembly into 1 cm wide strips as shown in FIG. 2 to prepare five test pieces.
(5) A peel test attachment [manufactured by Imada Co., Ltd.] in which one side of a double-sided tape is attached to one conductive porous sheet surface of a test piece, and the other side of the double-sided tape is incorporated in a vertical electric measurement stand. Secure to the test bench.
(6) Part of the conductive porous sheet / catalyst layer / membrane / catalyst layer of the test piece is peeled off with tweezers to form a grip portion, and fixed to a digital force gauge (manufactured by Imada Co., Ltd.) with a clip.
(7) The conductive porous sheet / catalyst layer / membrane / catalyst layer of the test piece was measured at a speed of 60 mm / min. Then, the load (N) at a displacement of 10 to 30 mm in a stable adhesive state is measured.
(8) The 90 ° peel strength is calculated by dividing the load by the width of the test piece (1 cm).
(9) The 90 ° peel strength is measured for five test pieces, and the 90 ° peel strength having the weakest strength is defined as the minimum 90 ° peel strength (unit: N / cm).

本発明の膜−導電性多孔シート接合体は、例えば、膜の両面に触媒層を形成した後、導電性多孔シートをそれぞれの触媒層に積層し、加熱加圧することで製造できる。   The membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention can be produced, for example, by forming a catalyst layer on both surfaces of the membrane, then laminating the conductive porous sheet on each catalyst layer, and heating and pressing.

以下、固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体を例に説明すると、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、エチレングリコールジメチルエーテルなどからなる単一溶媒又は混合溶媒中に、触媒とイオン交換樹脂とを超音波分散機等で均一に混合して触媒ペーストを調製し、この触媒ペーストを膜の両面にコーティング又は散布して触媒層を形成した後、導電性多孔シートをそれぞれの触媒層上に積層し、加熱加圧することで、導電性繊維構成樹脂を流動又は溶融させ、固化又は硬化させることによって、触媒層と接着することができる。   Hereinafter, a membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell will be described as an example. In a single solvent or mixed solvent composed of ethyl alcohol, propyl alcohol, butyl alcohol, ethylene glycol dimethyl ether, etc., a catalyst and an ion exchange resin After uniformly mixing with an ultrasonic disperser, etc., a catalyst paste is prepared, and this catalyst paste is coated or spread on both sides of the membrane to form a catalyst layer, and then a conductive porous sheet is laminated on each catalyst layer. Then, by heating and pressurizing, the conductive fiber constituent resin can be flowed or melted and solidified or cured to be adhered to the catalyst layer.

本発明の導電性繊維の導電性粒子が繊維表面から露出している場合、繊維表面における樹脂の露出面積が小さいが、樹脂が加熱により流動または溶融し、固化又は硬化することによって、触媒層と接着し、前記最小90°剥離強度とすることができる。また、導電性粒子を含有していることによって、樹脂が加熱により流動又は溶融しても繊維形状を保つことができ、導電性多孔シートの多孔性を維持することができるため、通液性およびガス拡散性に優れている。   When the conductive particles of the conductive fiber of the present invention are exposed from the fiber surface, the exposed area of the resin on the fiber surface is small, but the resin flows or melts by heating and solidifies or cures, thereby The minimum 90 ° peel strength can be obtained by bonding. In addition, by containing conductive particles, the fiber shape can be maintained even when the resin flows or melts by heating, and the porosity of the conductive porous sheet can be maintained. Excellent gas diffusivity.

なお、膜−導電性多孔シート接合体を製造する際の加熱加圧は、例えば、ホットプレス機により実施することができ、その加熱温度は前記最小90°剥離強度とすることができる温度であれば良く、特に限定するものではないが、樹脂が加熱により流動し始める温度を下限とし、他の材料(触媒層構成材料、膜など)を劣化させず、かつ樹脂の液化により皮膜を形成しない温度を上限とした範囲であるのが望ましい。例えば、クレゾールノボラックエポキシ樹脂を主剤とし、ノボラック型フェノール樹脂を硬化剤とする場合、加熱温度は100℃〜200℃とするのが望ましく、130℃〜180℃とするのがより望ましく、150〜160℃とするのが更に好ましい。   In addition, the heating and pressing at the time of manufacturing the membrane-conductive porous sheet assembly can be performed by, for example, a hot press machine, and the heating temperature can be the minimum 90 ° peel strength. Although not particularly limited, the lower limit is the temperature at which the resin begins to flow by heating, the temperature at which other materials (catalyst layer constituent materials, membranes, etc.) are not deteriorated, and the coating is not formed by liquefaction of the resin. It is desirable that the upper limit is in the range. For example, when a cresol novolac epoxy resin is a main ingredient and a novolac type phenol resin is a curing agent, the heating temperature is preferably 100 ° C to 200 ° C, more preferably 130 ° C to 180 ° C, and more preferably 150 to 160 ° C. More preferably, the temperature is set to ° C.

また、加熱加圧時の圧力は前記最小90°剥離強度とすることができる圧力であれば良く、特に限定するものではないが、0.1MPa以上であるのが好ましく、1MPa以上であるのがより好ましく、1.2MPa以上であるのが更に好ましい。一方で、圧力が強過ぎると、導電性多孔シートの空隙が少なくなってしまい、通液性及び/又はガス拡散性が悪くなる傾向があるため、20MPa以下であるのが好ましく、10MPa以下であるのがより好ましく、5MPa以下であるのが更に好ましい。   The pressure at the time of heating and pressurization is not particularly limited as long as it is a pressure that can achieve the minimum 90 ° peel strength, but it is preferably 0.1 MPa or more, and preferably 1 MPa or more. More preferably, it is 1.2 MPa or more. On the other hand, when the pressure is too strong, voids in the conductive porous sheet are reduced, and liquid permeability and / or gas diffusibility tends to deteriorate. Therefore, the pressure is preferably 20 MPa or less, and is 10 MPa or less. More preferably, it is 5 MPa or less.

前記方法においては、触媒ペーストを膜の両面にコーティング又は散布して触媒層を形成しているが、これに替えて、ポリテトラフルオロエチレン基材等の転写基材に触媒ペーストをコーティング又は散布して触媒層を形成した後、膜の両面にホットプレスして、触媒層を転写することもできる。   In the above method, the catalyst layer is formed by coating or spraying the catalyst paste on both sides of the film. Instead, the catalyst paste is coated or sprayed on a transfer substrate such as a polytetrafluoroethylene substrate. After forming the catalyst layer, the catalyst layer can be transferred by hot pressing on both sides of the membrane.

また、前記方法においては、導電性多孔シートをそれぞれの触媒層上に積層しているが、紡糸した導電性繊維を直接触媒層上に集積することによって、導電性多孔シートを形成すると同時に積層することもできる。   Moreover, in the said method, although the electroconductive porous sheet is laminated | stacked on each catalyst layer, by laminating | stacking the electroconductive fiber which spun directly on the catalyst layer, it forms and laminates simultaneously with an electroconductive porous sheet. You can also

別の膜−導電性多孔シート接合体の製造方法として、導電性多孔シートと触媒層とを積層し、導電性多孔シートを構成する導電性繊維を触媒層に接着させた積層シートを2組作製した後、これら積層シートを膜の両面に触媒層が当接するように積層し、導電性多孔シートを構成する導電性繊維構成樹脂によって接着して製造することもできる。   As another method for producing a membrane-conductive porous sheet assembly, two sets of laminated sheets are prepared by laminating a conductive porous sheet and a catalyst layer and bonding the conductive fibers constituting the conductive porous sheet to the catalyst layer. After that, these laminated sheets can be produced by laminating such that the catalyst layers are in contact with both surfaces of the membrane and bonding them with the conductive fiber constituting resin constituting the conductive porous sheet.

なお、触媒層は導電性多孔シートに前述のような触媒ペーストをコーティング又は散布して形成できるし、ポリテトラフルオロエチレン基材等の転写基材に触媒ペーストをコーティング又は散布して触媒層を形成した後、導電性多孔シートに転写することもできる。更に、ポリテトラフルオロエチレン基材等の転写基材に触媒ペーストをコーティング又は散布して形成した触媒層に、紡糸した導電性繊維を直接集積することによって、導電性多孔シートを形成すると同時に積層することもできる。また、積層シートの膜との接着は加熱加圧(例えば、ホットプレス)により実施することができる。この加熱加圧は前記最小90°剥離強度とすることができる条件であれば良く、特に限定するものではないが、ホットプレスにより実施する場合、前述の方法の場合と同様の条件であることができる。   The catalyst layer can be formed by coating or spreading the above-mentioned catalyst paste on a conductive porous sheet, or the catalyst layer can be formed by coating or spreading the catalyst paste on a transfer substrate such as a polytetrafluoroethylene substrate. Then, it can be transferred to a conductive porous sheet. Furthermore, the conductive porous sheet is directly accumulated on the catalyst layer formed by coating or spraying the catalyst paste on the transfer base material such as a polytetrafluoroethylene base material, thereby simultaneously laminating the conductive porous sheet. You can also Moreover, adhesion | attachment with the film | membrane of a lamination sheet can be implemented by heat pressurization (for example, hot press). The heating and pressurization may be any conditions as long as the minimum 90 ° peel strength can be obtained, and is not particularly limited. However, when hot pressing is performed, the conditions may be the same as those in the above-described method. it can.

更に別の膜−導電性多孔シート接合体の製造方法として、導電性多孔シートと触媒層とを未硬化状態の熱硬化性樹脂を介して接着することもできる。例えば、膜の両面に触媒層を形成した後、未硬化状態の熱硬化性樹脂、導電性多孔シートの順に、それぞれの触媒層に積層し、加熱加圧して、未硬化状態の熱硬化性樹脂を硬化させることによって、導電性多孔シートと触媒層とを接着して製造できる。なお、未硬化状態の熱硬化性樹脂は導電性に優れているように、前述のような導電性粒子を、同程度含有しているのが好ましい。   As another method for producing a membrane-conductive porous sheet assembly, the conductive porous sheet and the catalyst layer can be bonded via an uncured thermosetting resin. For example, after forming a catalyst layer on both sides of the film, the uncured thermosetting resin and the conductive porous sheet are laminated on each catalyst layer in this order, heated and pressurized, and then uncured thermosetting resin. Can be produced by bonding the conductive porous sheet and the catalyst layer. In addition, it is preferable to contain the above-mentioned electroconductive particle to the same extent so that the thermosetting resin of a non-hardened state may be excellent in electroconductivity.

この未硬化状態の熱硬化性樹脂は導電性繊維を構成する熱硬化性樹脂と同様の熱硬化性樹脂から構成することができるが、導電性多孔シートとの接着性に優れるように、導電性多孔繊維シートを構成する導電性繊維が熱硬化性樹脂を含んでいる場合には、未硬化状態の熱硬化性樹脂は導電性繊維を構成する熱硬化性樹脂と同種であるのが好ましく、同じであるのがより好ましい。   This uncured thermosetting resin can be composed of the same thermosetting resin as the thermosetting resin that constitutes the conductive fiber, but it is conductive so that it has excellent adhesion to the conductive porous sheet. When the conductive fiber constituting the porous fiber sheet contains a thermosetting resin, the uncured thermosetting resin is preferably the same type as the thermosetting resin constituting the conductive fiber, and the same It is more preferable that

また、この未硬化状態の熱硬化性樹脂はどのような状態にあっても良く、液体であっても良いし、粒子、繊維などの固体であっても良い。これらの中でも、未硬化状態の熱硬化性樹脂が繊維であると、導電性多孔シートの空隙を塞ぎにくく、ガス拡散性に優れているため好適である。特に、熱硬化性繊維同士が絡合、半硬化等により結合したウエブ状態にあると、触媒層と面的に接着でき、膜−導電性多孔シート接合体の寸法安定性がより優れるため好適である。このような好適である未硬化状態の熱硬化性樹脂繊維は、例えば、静電紡糸法、又は特開2009−287138号公報に開示されているような、液吐出部から吐出された紡糸液に対してガスを平行に吐出し、紡糸液に1本の直線状に剪断力を作用させて繊維化する方法により作製でき、紡糸した未硬化状態の熱硬化性樹脂繊維を集積すれば、ウエブ状態とすることができる。なお、紡糸した未硬化状態の熱硬化性樹脂繊維を直接、触媒層又は導電性多孔シートに積層し、ウエブ状態とすることもできる。   The uncured thermosetting resin may be in any state and may be a liquid or a solid such as particles or fibers. Among these, it is preferable that the uncured thermosetting resin is a fiber because it is difficult to block the voids of the conductive porous sheet and is excellent in gas diffusibility. In particular, when the thermosetting fibers are in a web state bonded by entanglement, semi-curing, etc., it is preferable because it can be bonded to the catalyst layer and the dimensional stability of the membrane-conductive porous sheet assembly is more excellent. is there. Such a suitable uncured thermosetting resin fiber is, for example, an electrospinning method or a spinning solution discharged from a liquid discharging unit as disclosed in JP 2009-287138 A. On the other hand, it is possible to fabricate by spinning the gas in parallel and applying a shearing force to the spinning solution in the form of a single linear fiber, and if the spun uncured thermosetting resin fibers are accumulated, the web state It can be. In addition, the spun uncured thermosetting resin fiber can be directly laminated on the catalyst layer or the conductive porous sheet to obtain a web state.

なお、膜に触媒層を形成する方法は前述の方法と同様に、触媒ペーストのコーティング又は散布、若しくは触媒層の転写する方法であることができる。また、未硬化状態の熱硬化性樹脂の硬化条件は、前記最小90°剥離強度とすることができる条件であれば良く、特に限定するものではないが、ホットプレスにより実施する場合、前述の方法の場合と同様の条件であることができる。   The method for forming the catalyst layer on the film may be a method of coating or spreading the catalyst paste, or a method for transferring the catalyst layer in the same manner as described above. Further, the curing condition of the uncured thermosetting resin is not particularly limited as long as the minimum 90 ° peel strength can be obtained. The conditions can be the same as in the case of.

更に、別の膜−導電性多孔シート接合体の製造方法として、導電性多孔シートに、未硬化状態の熱硬化性樹脂、触媒層の順に積層した積層シートを2組作製した後、これら積層シートを膜の両面に触媒層が当接するように積層し、加熱加圧することにより、未硬化状態の熱硬化性樹脂を硬化させることによって接着して製造することもできる。なお、触媒層の形成、未硬化状態の熱硬化性樹脂の形成、加熱加圧等は、前述の方法の場合と同様の条件であることができる。また、未硬化状態の熱硬化性樹脂は導電性に優れているように、前述のような導電性粒子を、同程度含有しているのが好ましい。   Furthermore, as another method for producing a membrane-conductive porous sheet assembly, two sets of laminated sheets obtained by laminating an uncured thermosetting resin and a catalyst layer in this order on a conductive porous sheet were prepared, and then these laminated sheets were used. Can be manufactured by adhering by curing the uncured thermosetting resin by laminating the catalyst layer so that the catalyst layer is in contact with both surfaces of the film and applying heat and pressure. The formation of the catalyst layer, the formation of the uncured thermosetting resin, heating and pressurization, and the like can be performed under the same conditions as in the above-described method. Moreover, it is preferable to contain the above-mentioned electroconductive particle to the same extent so that the uncured thermosetting resin may be excellent in electroconductivity.

また、いずれの場合であっても、一方の導電性多孔シートと他方の導電性多孔シートは同じであっても良いし、導電性粒子に関して、種類、粒径、存在状態、含有量;導電性繊維に関して、平均繊維径、繊維長、構成樹脂、フッ素系樹脂での被覆の有無;導電性多孔シートに関して、形態、結合状態、導電性繊維の含有割合、電気抵抗、導電性粒子の占有率、目付、厚さ、空隙率、製造方法、フッ素系樹脂及び/又は導電性粒子等の充填の有無;などの点で異なる導電性多孔シートであっても良い。   In any case, one conductive porous sheet and the other conductive porous sheet may be the same, and regarding the conductive particles, the type, particle size, presence state, content; For fibers, average fiber diameter, fiber length, constituent resin, presence / absence of coating with fluororesin; for conductive porous sheet, morphology, bonding state, conductive fiber content, electrical resistance, conductive particle occupancy, The conductive porous sheet may be different in terms of basis weight, thickness, porosity, manufacturing method, presence or absence of filling with fluororesin and / or conductive particles, and the like.

以上に記載の製造方法は、固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体などの両極に導電性多孔シートを使用した場合の製造方法であるが、負極に金属を用いる空気電池など、片極のみに触媒層がある場合も、膜及び/又は触媒層が異なる場合があること以外は同様に、膜−導電性多孔シートを作製することができる。   The manufacturing method described above is a manufacturing method in the case where a conductive porous sheet is used for both electrodes such as a membrane-electrode assembly of a solid polymer fuel cell. In the case where only the catalyst layer is present, a membrane-conductive porous sheet can be similarly produced except that the membrane and / or the catalyst layer may be different.

(固体高分子形燃料電池)
本発明の固体高分子形燃料電池(以下、単に「燃料電池」と表記することがある)は前述の本発明の膜−導電性多孔シート接合体を膜−電極接合体として備えているため、発電時の熱水環境下においても触媒層の破断や剥離が生じにくいため、発電性能の優れるものである。特に、導電性繊維が有機樹脂を含んでいる場合、導電性多孔シートは柔軟性を有するため、導電性多孔シートと隣接する部材(例えば、ガス拡散層、バイポーラプレート)との隙間を小さくすることができ、電子や熱の界面抵抗が小さいため、発電性能の優れるものである。
(Solid polymer fuel cell)
Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “fuel cell”) includes the membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention as a membrane-electrode assembly, Since the catalyst layer is hardly broken or peeled off even in a hot water environment during power generation, the power generation performance is excellent. In particular, when the conductive fiber contains an organic resin, the conductive porous sheet has flexibility, so the gap between the conductive porous sheet and the adjacent member (for example, gas diffusion layer, bipolar plate) should be reduced. Since the interface resistance between electrons and heat is small, the power generation performance is excellent.

本発明の燃料電池は前述のような本発明の膜−導電性多孔シート接合体を膜−電極接合体として備えていること以外は、従来の燃料電池と全く同様であることができる。例えば、前述のような膜−導電性多孔シート接合体を1対のバイポーラプレートで挟んだセル単位を複数積層した構造からなる。このような燃料電池は、例えば、セル単位を複数積層し、固定して製造できる。   The fuel cell of the present invention can be exactly the same as a conventional fuel cell except that the membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention as described above is provided as a membrane-electrode assembly. For example, it has a structure in which a plurality of cell units in which a membrane-conductive porous sheet assembly as described above is sandwiched between a pair of bipolar plates are stacked. Such a fuel cell can be manufactured, for example, by stacking a plurality of cell units and fixing them.

なお、バイポーラプレートとしては、導電性が高く、ガスを透過せず、導電性多孔シートにガスを供給できる流路を有するものであれば良く、特に限定するものではないが、例えば、カーボンや金属などを材料としたプレス加工品や、メッシュ、発泡体などの多孔体であることができる。   The bipolar plate is not particularly limited as long as it has a flow path that is highly conductive, does not transmit gas, and can supply gas to the conductive porous sheet. For example, carbon or metal Or a porous material such as a mesh or a foam.

また、本発明の燃料電池においては、膜−導電性多孔シート接合体とバイポーラプレートとの間に、ガス拡散層として作用できる導電性多孔シート(以下、「ガス拡散多孔シート」と表記することがある)を介在させて、セル単位とすることもできる。このようにガス拡散多孔シートを介在させた場合、膜−導電性多孔シート接合体を構成する導電性多孔シートは従来のガス拡散層における水分管理層として作用することができるが、この水分管理層が、ガス拡散層として作用するガス拡散多孔シートに染み込み、ガス拡散多孔シートの排水性およびガス拡散性を阻害することはないため、ガス拡散多孔シートが本来有する排水性およびガス拡散性を発揮できる、排水性およびガス拡散性に優れる燃料電池である。   In the fuel cell of the present invention, a conductive porous sheet (hereinafter referred to as “gas diffusion porous sheet”) that can act as a gas diffusion layer between the membrane-conductive porous sheet assembly and the bipolar plate. It is also possible to make a cell unit. When the gas diffusion porous sheet is thus interposed, the conductive porous sheet constituting the membrane-conductive porous sheet assembly can act as a moisture management layer in the conventional gas diffusion layer. However, it does not penetrate into the gas diffusion porous sheet that acts as a gas diffusion layer, and does not hinder the drainage and gas diffusion properties of the gas diffusion porous sheet, so that the drainage and gas diffusion properties inherent to the gas diffusion porous sheet can be exhibited. The fuel cell is excellent in drainage and gas diffusibility.

なお、前記ガス拡散多孔シ−トとしては、例えば、カーボンペーパー、カーボン不織布、ガラス繊維不織布に導電剤とフッ素系樹脂を充填したもの;耐酸性のある有機繊維(例えば、ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリフッ化ビニリデン繊維、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維、ポリオレフィン繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維やポリトリメチレンテレフタレート繊維を代表とするポリエステル系繊維を単独で、又は2種類以上を含む)からなる有機繊維不織布に、導電剤とフッ素系樹脂を充填したもの;耐酸性のある金属(例えば、ステンレス鋼、チタンなど)の多孔体やメッシュなどを挙げることができる。   Examples of the gas diffusion porous sheet include carbon paper, carbon nonwoven fabric, and glass fiber nonwoven fabric filled with a conductive agent and a fluorine resin; acid-resistant organic fibers (for example, polytetrafluoroethylene fibers, Organic fiber made of polyvinylidene fluoride fiber, polyparaphenylene terephthalamide fiber, polyolefin fiber, polyphenylene sulfide fiber, polyester fiber typified by polyethylene terephthalate fiber or polytrimethylene terephthalate fiber, or two or more kinds thereof. Nonwoven fabric filled with a conductive agent and a fluororesin; porous bodies or meshes of acid-resistant metals (for example, stainless steel, titanium, etc.) can be mentioned.

(応用)
本発明の膜−導電性多孔シート接合体は膜の膨潤と収縮を充分に抑え、寸法安定性に優れており、その変形による応力を小さくすることができるため、固体高分子形燃料電池以外に、寸法安定性に優れる膜を必要とする電池に好適に使用できる。例えば、空気電池の固体電解質膜−電極接合体、また、レドックスフロー電池の隔膜−電極接合体として使用することができる。
(application)
The membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention sufficiently suppresses swelling and shrinkage of the membrane, is excellent in dimensional stability, and can reduce stress due to its deformation. It can be suitably used for a battery that requires a film having excellent dimensional stability. For example, it can be used as a solid electrolyte membrane-electrode assembly of an air battery or a diaphragm-electrode assembly of a redox flow battery.

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

〔触媒層付電解質膜の作製〕
エチレングリコールジメチルエーテル10.4gに対して、白金担持炭素粒子(田中貴金属(株)製、TEC10V40E)を0.8g加え、超音波処理によって分散させた後、イオン交換樹脂溶液である5mass%Nafion(登録商標)溶液(米国シグマ・アルドリッチ社製)を4.0g加え、超音波処理により分散させ、更に攪拌機で攪拌して、触媒ペーストを調製した。
(Production of electrolyte membrane with catalyst layer)
0.8 g of platinum-supported carbon particles (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., TEC10V40E) is added to 10.4 g of ethylene glycol dimethyl ether and dispersed by ultrasonic treatment, and then 5 mass% Nafion (registered resin solution), which is an ion exchange resin solution. (Trademark) solution (manufactured by Sigma-Aldrich, USA) (4.0 g) was added, dispersed by ultrasonic treatment, and further stirred with a stirrer to prepare a catalyst paste.

次いで、この触媒ペーストを50mm角に切断した支持体[ナフロン(登録商標)、ポリテトラフルオロエチレン製テープ、ニチアス(株)製、厚さ:0.1mm]に塗布し、熱風乾燥機によって温度60℃で乾燥して、白金担持量が0.5mg/cmの触媒層を形成した。 Next, this catalyst paste was applied to a support [Naflon (registered trademark), polytetrafluoroethylene tape, manufactured by Nichias Co., Ltd., thickness: 0.1 mm] cut to a square of 50 mm, and heated at 60 ° C. with a hot air dryer. The catalyst layer having a platinum loading of 0.5 mg / cm 2 was formed by drying at 0 ° C.

他方、電解質膜として、Nafion(登録商標)NRE212CS(米国デュポン社製、融点:200℃以上)を用意した。この電解質膜の両面に、前記触媒層を転写した後、温度140℃、圧力2.5MPa、時間10分間の条件でのホットプレスにより接合し、触媒層付電解質膜(触媒層:50mm角)を作製した。   On the other hand, Nafion (registered trademark) NRE212CS (manufactured by DuPont, USA, melting point: 200 ° C. or higher) was prepared as an electrolyte membrane. After transferring the catalyst layer on both surfaces of the electrolyte membrane, the catalyst layer was joined by hot pressing under conditions of a temperature of 140 ° C., a pressure of 2.5 MPa, and a time of 10 minutes, and an electrolyte membrane with a catalyst layer (catalyst layer: 50 mm square) was attached. Produced.

<実施例1>
フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合物をN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、濃度10mass%の溶液を得た。
<Example 1>
A vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer was added to N, N-dimethylformamide (DMF) and dissolved using a rocking mill to obtain a solution having a concentration of 10 mass%.

次いで、導電性粒子として、アセチレンブラック(デンカブラック粒状品、電気化学工業(株)製、平均一次粒子径:35nm)を前記溶液に混合し、撹拌した。   Next, acetylene black (Denka black granular product, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average primary particle size: 35 nm) was mixed with the solution as conductive particles, and stirred.

更に、主剤がクレゾールノボラックエポキシ樹脂で、硬化剤がノボラック型フェノール樹脂からなる熱硬化性樹脂を前記溶液に加え、アセチレンブラック、フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合物、及びエポキシ樹脂の固形質量比が50:40:10で、固形分濃度が12mass%の紡糸溶液を調製した。   Further, a thermosetting resin composed of a cresol novolac epoxy resin as a main component and a novolac type phenol resin as a curing agent is added to the solution, and acetylene black, a vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, and an epoxy resin are added. A spinning solution having a solid mass ratio of 50:40:10 and a solid content concentration of 12 mass% was prepared.

その後、この紡糸溶液を静電紡糸法により紡糸した後、直接集積して、アセチレンブラックを含有する導電性連続繊維(平均繊維径:400nm、繊維表面から一部が露出したアセチレンブラックと内部に埋没したアセチレンブラックを含む、分岐構造を有しない、エポキシ樹脂は未硬化状態)のみが絡合した導電性多孔不織布(目付:14g/m、厚さ:50μm、電気抵抗:6mΩ・cm、空隙率:84%、何も充填されていない)を形成した。なお、静電紡糸条件は次のとおりとした。 Thereafter, the spinning solution was spun by an electrostatic spinning method, and then directly accumulated, and conductive continuous fibers containing acetylene black (average fiber diameter: 400 nm, acetylene black partially exposed from the fiber surface and embedded inside) The conductive porous nonwoven fabric (weight per unit area: 14 g / m 2 , thickness: 50 μm, electrical resistance: 6 mΩ · cm 2) , voids containing only acetylene black, having no branched structure, and having an epoxy resin in an uncured state Rate: 84%, nothing is filled). The electrospinning conditions were as follows.

<静電紡糸条件>
電極:金属製ノズル(内径0.33mm)とステンレスドラム
吐出量:2g/時間
ノズル先端とステンレスドラムとの距離:10cm
印加電圧:12kV
温度/湿度:25℃/35%RH
<Electrostatic spinning conditions>
Electrode: Metal nozzle (inner diameter 0.33 mm) and stainless steel drum Discharge amount: 2 g / hour Distance between nozzle tip and stainless steel drum: 10 cm
Applied voltage: 12 kV
Temperature / humidity: 25 ° C / 35% RH

次いで、前記導電性多孔不織布を50mm角に切断し、前記触媒層付電解質膜の触媒層と完全に重なるように、触媒層付電解質膜の両面に積層した後、温度150℃、圧力1.5MPa、時間4分間の条件でホットプレスすることにより、導電性連続繊維を構成するエポキシ樹脂を硬化させて、電解質膜−導電性多孔シート接合体を製造した。   Next, the conductive porous nonwoven fabric is cut into 50 mm squares and laminated on both surfaces of the catalyst layer-attached electrolyte membrane so as to completely overlap the catalyst layer-attached electrolyte membrane, and then the temperature is 150 ° C. and the pressure is 1.5 MPa. The epoxy resin constituting the conductive continuous fiber was cured by hot pressing under the condition of 4 minutes, thereby producing an electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly.

<実施例2>
<実施例1>と同様にして、静電紡糸法により導電性多孔不織布を形成した後、温度150℃、時間30分の熱処理を実施し、エポキシ樹脂が硬化した硬化導電性多孔不織布(目付:14g/m、厚さ:50μm、電気抵抗:6mΩ・cm、空隙率:84%、何も充填されていない)を作製した。
<Example 2>
In the same manner as in <Example 1>, after forming a conductive porous nonwoven fabric by an electrostatic spinning method, a heat-treated porous nonwoven fabric (weight per unit area: 150 ° C., heat treatment for 30 minutes and cured epoxy resin) 14 g / m 2 , thickness: 50 μm, electric resistance: 6 mΩ · cm 2 , porosity: 84%, nothing is filled).

次いで、硬化導電性多孔不織布をステンレスドラム上に巻きつけた後、実施例1と同様に調製した紡糸溶液を、実施例1と同じ条件の静電紡糸法により紡糸し、直接、前記硬化導電性多孔不織布上に集積して、アセチレンブラックを含有する導電性連続繊維(平均繊維径:400nm、繊維表面から一部が露出したアセチレンブラックと内部に埋没したアセチレンブラックを含む、分岐構造を有しない)のみが絡合した、エポキシ樹脂が硬化していない未硬化導電性多孔不織布層(目付:2g/m、厚さ:6μm、空隙率:84%、何も充填されていない)と硬化導電性多孔不織布層の2層からなる積層導電性多孔不織布を調製した。 Next, after winding the cured conductive porous nonwoven fabric on a stainless steel drum, the spinning solution prepared in the same manner as in Example 1 was spun by the electrospinning method under the same conditions as in Example 1 and directly applied to the cured conductive material. Conductive continuous fiber containing acetylene black accumulated on a porous nonwoven fabric (average fiber diameter: 400 nm, including acetylene black partially exposed from the fiber surface and acetylene black buried inside, having no branched structure) Only intertwined, uncured conductive porous nonwoven fabric layer with epoxy resin not cured (weight per unit: 2 g / m 2 , thickness: 6 μm, porosity: 84%, nothing is filled) and cured conductivity A laminated conductive porous nonwoven fabric composed of two layers of porous nonwoven fabric layer was prepared.

次いで、前記積層導電性多孔不織布を50mm角に切断し、未硬化導電性多孔不織布層面が前記触媒層付電解質膜の触媒層と完全に重なるように、触媒層付電解質膜の両面に積層した後、温度150℃、圧力1.5MPa、時間4分間の条件でホットプレスすることにより、未硬化導電性多孔不織布層を構成する導電性連続繊維を構成するエポキシ樹脂を硬化させて、電解質膜−導電性多孔シート接合体を製造した。   Next, after the laminated conductive porous nonwoven fabric is cut into 50 mm square and laminated on both surfaces of the electrolyte membrane with catalyst layer so that the uncured conductive porous nonwoven fabric layer surface completely overlaps with the catalyst layer of the electrolyte membrane with catalyst layer The epoxy resin constituting the conductive continuous fiber constituting the uncured conductive porous nonwoven fabric is cured by hot pressing under the conditions of a temperature of 150 ° C., a pressure of 1.5 MPa, and a time of 4 minutes. A porous porous sheet assembly was produced.

<比較例1>
片面に、フッ素系樹脂とカーボン粒子からなるマイクロポーラス層を有するカーボン不織布(フロイデンベルグ社製、品名H15C5、目付:94g/m、厚さ:170μm、カーボン繊維の平均繊維径:10μm、電気抵抗:8mΩ・cm)を用意した。
<Comparative Example 1>
A carbon non-woven fabric having a microporous layer made of a fluororesin and carbon particles on one side (made by Freudenberg, product name H15C5, basis weight: 94 g / m 2 , thickness: 170 μm, average fiber diameter of carbon fibers: 10 μm, electrical resistance : 8 mΩ · cm 2 ).

また、5mass%Nafion(登録商標)溶液(米国シグマ・アルドリッチ社製)とアセチレンブラック[デンカブラック(登録商標)粒状品、電気化学工業(株)製、平均一次粒子径:35nm]とを、重量比で[Nafion(固形分)]:[アセチレンブラック]=4:5となるように混合して、接着溶液を調製した。   Further, a 5 mass% Nafion (registered trademark) solution (manufactured by Sigma Aldrich, USA) and acetylene black [Denka Black (registered trademark) granular product, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average primary particle size: 35 nm] The adhesive solution was prepared by mixing such that the ratio was [Nafion (solid content)]: [acetylene black] = 4: 5.

そして、前記カーボン不織布のマイクロポーラス層面に、前記接着溶液を2mg/cm(固形分)となるように塗工し、乾燥して、接着層付カーボン不織布を作製した。 And the said adhesive solution was apply | coated to the microporous layer surface of the said carbon nonwoven fabric so that it might become 2 mg / cm <2> (solid content), and it dried, and produced the carbon nonwoven fabric with an adhesive layer.

次いで、前記接着層付カーボン不織布を50mm角に切断し、接着層が前記触媒層付電解質膜の触媒層と完全に重なるように、触媒層付電解質膜の両面に積層した後、温度150℃、圧力1.5MPa、時間4分間の条件でホットプレスすることにより、接着層を構成するNafion樹脂で接着して、電解質膜−導電性多孔シート接合体を製造したが、直ぐに接着層付カーボン不織布と触媒層付電解質膜とが剥離してしまい、取り扱うことのできないものであった。   Next, the carbon non-woven fabric with an adhesive layer is cut into 50 mm square and laminated on both surfaces of the electrolyte membrane with a catalyst layer so that the adhesive layer completely overlaps with the catalyst layer of the electrolyte membrane with the catalyst layer. By hot pressing under conditions of a pressure of 1.5 MPa and a time of 4 minutes, an adhesive membrane-conductive porous sheet assembly was produced by adhering with a Nafion resin constituting the adhesive layer. The electrolyte membrane with a catalyst layer peeled off and could not be handled.

<比較例2>
フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合物(融点:146℃)をN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)に加え、ロッキングミルを用いて溶解させ、濃度10mass%の溶液を得た。
<Comparative example 2>
A vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (melting point: 146 ° C.) was added to N, N-dimethylformamide (DMF) and dissolved using a rocking mill to obtain a solution having a concentration of 10 mass%.

次いで、導電性粒子として、アセチレンブラック(デンカブラック粒状品、電気化学工業(株)製、平均一次粒子径:35nm)を前記溶液に混合し、撹拌した後、更にDMFを加えて希釈してアセチレンブラックを分散させ、アセチレンブラック、フッ化ビニリデン・テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合物の固形質量比が40:60で、固形分濃度が11mass%の紡糸溶液を調製した。   Next, acetylene black (Denka Black granular product, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average primary particle size: 35 nm) was mixed as the conductive particles in the solution, stirred, and further diluted by adding DMF to acetylene. Black was dispersed to prepare a spinning solution having a solid mass ratio of acetylene black and vinylidene fluoride / tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer of 40:60 and a solid content concentration of 11 mass%.

そして、この紡糸溶液を用い、<実施例1>と同様にして、アセチレンブラックを含有する導電性連続繊維(平均繊維径:420nm、繊維表面から一部が露出したアセチレンブラックと内部に埋没したアセチレンブラックを含む、分岐構造を有しない)のみが絡合した導電性多孔不織布(目付:11g/m、厚さ:50μm、電気抵抗:10mΩ・cm、空隙率:88%、何も充填されていない)を作製し、電解質膜−導電性多孔シート接合体を製造した。 Then, using this spinning solution, in the same manner as in <Example 1>, conductive continuous fibers containing acetylene black (average fiber diameter: 420 nm, acetylene black partially exposed from the fiber surface and acetylene embedded inside) Conductive porous nonwoven fabric intertwined only with black (not having a branched structure) (weight per unit: 11 g / m 2 , thickness: 50 μm, electrical resistance: 10 mΩ · cm 2 , porosity: 88%, filled with anything The electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly was manufactured.

<比較例3>
<比較例2>と同様の方法で導電性多孔不織布を作製した。
<Comparative Example 3>
A conductive porous nonwoven fabric was produced in the same manner as in <Comparative Example 2>.

次いで、導電性多孔不織布を50mm角に切断し、導電性多孔不織布が前記触媒層付電解質膜の触媒層と完全に重なるように、触媒層付電解質膜の両面に積層した後、温度100℃、圧力1.5MPa、時間4分間の条件でホットプレスすることにより、電解質膜−導電性多孔シート接合体を製造した。   Next, the conductive porous nonwoven fabric was cut into 50 mm square, and laminated on both surfaces of the catalyst layer-attached electrolyte membrane so that the conductive porous nonwoven fabric completely overlapped with the catalyst layer-attached electrolyte membrane, the temperature was 100 ° C., An electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly was manufactured by hot pressing under conditions of a pressure of 1.5 MPa and a time of 4 minutes.

<比較例4>
<実施例1>と同様にして紡糸溶液を作製し、静電紡糸法により導電性多孔不織布を作製した後、温度150℃に設定した熱風乾燥機で30分間の熱処理を実施して、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が硬化した硬化導電性多孔不織布(目付:14g/m、厚さ:50μm、電気抵抗:6mΩ・cm、空隙率:84%、何も充填されていない)を作製した。
<Comparative Example 4>
A spinning solution was prepared in the same manner as in Example 1, and a conductive porous nonwoven fabric was prepared by an electrostatic spinning method, followed by heat treatment for 30 minutes with a hot air dryer set at a temperature of 150 ° C., and thermosetting. A cured conductive porous non-woven fabric (weight per unit: 14 g / m 2 , thickness: 50 μm, electrical resistance: 6 mΩ · cm 2 , porosity: 84%, nothing is filled) cured with epoxy resin, which is a conductive resin did.

次いで、前記硬化導電性多孔不織布を、50mm角に切断し、硬化導電性多孔不織布が前記触媒層付電解質膜の触媒層と完全に重なるように、触媒層付電解質膜の両面に積層した後、温度150℃、圧力1.5MPa、時間4分間の条件でホットプレスすることにより、電解質膜−導電性多孔シート接合体を製造した。   Next, after cutting the cured conductive porous nonwoven fabric into 50 mm square and laminating on both sides of the catalyst layer-attached electrolyte membrane so that the cured conductive porous nonwoven fabric completely overlaps the catalyst layer of the catalyst layer-attached electrolyte membrane, An electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly was produced by hot pressing under conditions of a temperature of 150 ° C., a pressure of 1.5 MPa, and a time of 4 minutes.

<最小90°剥離強度の測定>
実施例1〜2及び比較例1〜4の電解質膜−導電性多孔シート接合体における、電解質膜が膨潤と収縮とを繰り返した後における、導電性多孔シートと触媒層との最小90°剥離強度を前述の方法により測定した。この結果は表1に示す通りであった。
<Measurement of minimum 90 ° peel strength>
Minimum 90 ° peel strength between conductive porous sheet and catalyst layer in electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-4 after the electrolyte membrane repeated swelling and shrinking Was measured by the method described above. The results are shown in Table 1.

<電解質膜の膨潤率測定および接着性評価>
実施例1〜2、比較例1〜4の50mm角の電解質膜−導電性多孔シート接合体、及び参考例として50mm角の触媒層付電解質膜を、それぞれウォーターバスにて温度80℃に維持した熱水中に1時間浸漬した。浸漬後、導電性多孔シート(50mm角)の四辺の長さを定規で測った。なお、導電性多孔シートと触媒層付電解質膜との一部又は全部に剥離がみられる場合(比較例2〜4、参考例)においては、触媒層(50mm角)の四辺の長さを定規で測った。
<Measurement of swelling ratio of electrolyte membrane and evaluation of adhesion>
The 50 mm square electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4, and the 50 mm square electrolyte membrane with a catalyst layer as a reference example were each maintained at a temperature of 80 ° C. in a water bath. It was immersed in hot water for 1 hour. After immersion, the length of the four sides of the conductive porous sheet (50 mm square) was measured with a ruler. When part or all of the conductive porous sheet and the electrolyte membrane with a catalyst layer is peeled off (Comparative Examples 2 to 4, Reference Example), the length of the four sides of the catalyst layer (50 mm square) is determined by a ruler. Measured at.

そして、次の式1から一辺あたりの平均寸法(=Dm、単位:mm)を算出した後、次の式2から電解質膜の膨潤率(=Sr、単位:%)を算出した。この結果は表1に示す通りであった。
Dm=(a+b+c+d)/4 ・・式1
Sr=(Dm/50)×100 ・・式2
ここで、a〜dは熱水浸漬後における導電性多孔シート又は触媒層の四辺の各辺の長さ(単位:mm)を意味する。
And after calculating the average dimension (= Dm, unit: mm) per side from the following formula 1, the swelling ratio (= Sr, unit:%) of the electrolyte membrane was calculated from the following formula 2. The results are shown in Table 1.
Dm = (a + b + c + d) / 4 Formula 1
Sr = (Dm / 50) × 100 (2)
Here, ad means the length (unit: mm) of each side of the four sides of the conductive porous sheet or the catalyst layer after immersion in hot water.

また、熱水浸漬後における導電性多孔シートと触媒層付電解質膜との接着状態を目視により観察し、次の基準にしたがって評価した。この結果は表1に示す通りであった。
○:導電性多孔シートと触媒層付電解質膜との間に剥離がみられなかった
△:導電性多孔シートと触媒層付電解質膜との間に一部剥離がみられた
×:導電性多孔シートと触媒層付電解質膜とが完全に剥離していた
Moreover, the adhesion state of the electroconductive porous sheet and the electrolyte membrane with a catalyst layer after immersion in hot water was visually observed and evaluated according to the following criteria. The results are shown in Table 1.
○: No separation was observed between the conductive porous sheet and the electrolyte membrane with a catalyst layer. Δ: Partial separation was observed between the conductive porous sheet and the electrolyte membrane with a catalyst layer. The sheet and the electrolyte membrane with the catalyst layer were completely peeled off

Figure 2018018684
Figure 2018018684

表1から、熱水に浸漬した後に、比較例2、4の電解質膜−導電性多孔シート接合体では導電性多孔シートの一部(四辺)で、触媒層からの剥離が観察され、膨潤率が105.8%以上であったのに対して、実施例1、2の電解質膜−導電性多孔シート接合体では導電性多孔シートの剥離が観察されず、膨潤率が103.4%以下であったことから、本発明の電解質膜−導電性多孔シート接合体は膜の寸法変化を抑える効果に優れていることが分かった。また、接着状態と最小90°剥離強度との間に相関関係が認められ、最小90°剥離強度が0.06N/cm以上であると、膜の寸法変化を抑える効果に優れていることが分かった。   From Table 1, after immersion in hot water, in the electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly of Comparative Examples 2 and 4, peeling from the catalyst layer was observed at a part (four sides) of the conductive porous sheet, and the swelling rate Was 105.8% or more, whereas in the electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly of Examples 1 and 2, peeling of the conductive porous sheet was not observed, and the swelling rate was 103.4% or less. Thus, it was found that the electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention was excellent in the effect of suppressing the dimensional change of the membrane. In addition, a correlation was found between the adhesion state and the minimum 90 ° peel strength, and when the minimum 90 ° peel strength was 0.06 N / cm or more, it was found that the effect of suppressing the dimensional change of the film was excellent. It was.

これらの結果は、実施例1、2の電解質膜−導電性多孔シート接合体はホットプレス時の熱によって、導電性連続繊維を構成する未硬化状態のエポキシ樹脂が流動し、硬化することによって、触媒層との接着が強固になったものと推測された。   These results indicate that the electrolyte membrane-conductive porous sheet assembly of Examples 1 and 2 flows and hardens the uncured epoxy resin constituting the conductive continuous fiber by heat during hot pressing. It was estimated that the adhesion with the catalyst layer was strengthened.

なお、実施例1と実施例2とは同程度の最小90°剥離強度を示したことから、導電性多孔シートの触媒層との接触面に、面接触する程度の量の未硬化状態の熱硬化性樹脂を備えていれば、触媒層との接着性に優れ、膜の寸法変化を抑えることができると推測できた。   In addition, since Example 1 and Example 2 showed the same minimum 90 ° peel strength, heat in an uncured state in such an amount as to come into surface contact with the contact surface of the conductive porous sheet with the catalyst layer. If it was provided with curable resin, it was estimated that it was excellent in adhesiveness with the catalyst layer, and the dimensional change of the film could be suppressed.

本発明の膜−導電性多孔シート接合体は膜の寸法変化を抑える効果に優れているため、寸法変化を生じやすい膜を使用した電池材料として好適である。特に、固体高分子形燃料電池の膜−電極接合体として好適に使用できる。   Since the membrane-conductive porous sheet assembly of the present invention is excellent in the effect of suppressing the dimensional change of the membrane, it is suitable as a battery material using a membrane that easily causes a dimensional change. In particular, it can be suitably used as a membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte fuel cell.

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

Claims (2)

膜と導電性多孔シートの間に触媒層が存在する膜−導電性多孔シート接合体であり、前記導電性多孔シートは導電性粒子を含有する導電性繊維を含有し、前記膜が膨潤と収縮とを繰り返した後における、導電性多孔シートと触媒層との最小90°剥離強度が0.06N/cm以上であることを特徴とする、膜−導電性多孔シート接合体。 A membrane-conductive porous sheet assembly in which a catalyst layer is present between the membrane and the conductive porous sheet, wherein the conductive porous sheet contains conductive fibers containing conductive particles, and the membrane swells and contracts The membrane-conductive porous sheet assembly is characterized in that the minimum 90 ° peel strength between the conductive porous sheet and the catalyst layer after repeating the above is 0.06 N / cm or more. 請求項1に記載の膜−導電性多孔シート接合体を膜−電極接合体として備えている固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell comprising the membrane-conductive porous sheet assembly according to claim 1 as a membrane-electrode assembly.
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