JP2024005571A - Coating paste for forming microporous layer and manufacturing method thereof, and gas diffusion layer for fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the performance of a gas diffusion layer by forming a microporous layer with high porosity.
SOLUTION: A coating paste for forming a microporous layer includes a carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, and the carbon black with DBP absorption within the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less has a secondary aggregation diameter in which the carbon black passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less).
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)を構成する導電性多孔質基材(ガス拡散層電極基材)の表面に塗布してマイクロポーラス層(MPL:Micro Porous Layer)を形成するマイクロポーラス層形成用塗工ペースト及びその製造方法、並びに、それを採用した燃料電池用ガス拡散層に関するもので、特に、高空隙率のマイクロポーラス層を形成できるマイクロポーラス層形成用塗工ペースト及びその製造方法、並びに、それを採用した燃料電池用ガス拡散層に関するものである。 The present invention provides a microporous layer (MPL) by coating the surface of a conductive porous base material (gas diffusion layer electrode base material) constituting a gas diffusion layer (GDL: Gas Diffusion Layer) for fuel cells. The present invention relates to a coating paste for forming a microporous layer that forms a microporous layer, a method for producing the same, and a gas diffusion layer for fuel cells using the same. The present invention relates to an industrial paste, a method for producing the same, and a gas diffusion layer for a fuel cell using the same.

近年、燃料電池、中でも、自動車用、家庭電源、家電等に広範囲な用途への適用可能性から固体高分子形燃料電池(PEFC)に大きな注目が集められている。
固体高分子形燃料電池は、イオン伝導性の高分子膜を電解質として用い、これに負極と正極を貼り合わせて1つの単セル(single cell)を形成し、セパレータを介して単セルを複数個積層することにより高電圧を得る構成(スタック)となっている。
In recent years, fuel cells, particularly polymer electrolyte fuel cells (PEFC), have been attracting a lot of attention because of their applicability to a wide range of applications such as automobiles, household power sources, and home appliances.
Polymer electrolyte fuel cells use an ion-conducting polymer membrane as an electrolyte, bond a negative electrode and a positive electrode to this to form a single cell, and then connect multiple single cells through a separator. It has a structure (stack) that obtains high voltage by laminating layers.

一般的に、固体高分子形燃料電池を構成する1つの単セル(single cell)は、特定イオンを選択的に透過する高分子電解質膜(イオン伝導性固体高分子電解質膜)の両面に、白金等の触媒を担持したカーボン等の導電材及びイオン交換樹脂からなる電極触媒層と、電極触媒層の外側に配置する多孔質のガス拡散層(GDL)とによって構成されるカソード(+)側電極及びアノード(-)側電極を配設し、膜/電極接合体(MEGA:Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly)を形成している。
そして、固体高分子形燃料電池では、この膜/電極接合体を構成するガス拡散層の外側に、燃料ガス(アノードガス)または酸化ガス(カソードガス)を供給したり生成ガス及び過剰ガスを排出したりするガス流路を形成したセパレータが配設され、膜/電極接合体をセパレータで挟持し複数個の単セルを積層する構成(スタック)により発電性を高めている。
Generally, one single cell that constitutes a polymer electrolyte fuel cell has platinum on both sides of a polymer electrolyte membrane (ion-conductive solid polymer electrolyte membrane) that selectively permeates specific ions. A cathode (+) side electrode composed of an electrode catalyst layer made of a conductive material such as carbon and an ion exchange resin supporting a catalyst, and a porous gas diffusion layer (GDL) placed outside the electrode catalyst layer. and an anode (-) side electrode, forming a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly (MEGA).
In polymer electrolyte fuel cells, fuel gas (anode gas) or oxidizing gas (cathode gas) is supplied to the outside of the gas diffusion layer that constitutes this membrane/electrode assembly, and generated gas and excess gas are discharged. The membrane/electrode assembly is sandwiched between the separators, and a structure (stack) in which a plurality of single cells are stacked increases power generation performance.

このような構成の固体高分子形燃料電池については、高効率でエネルギが得られ、環境負荷も低いことから、自動車用の動力源(駆動源)としての活用が進められ、自動車用燃料電池としての更なる普及に向けて燃料電池を構成する各部材の高性能化による電池の高出力化が望まれている。 Polymer electrolyte fuel cells with this configuration are being used as power sources (driving sources) for automobiles because they can obtain energy with high efficiency and have a low environmental impact. In order to further popularize fuel cells, it is desired to increase the output of the fuel cell by improving the performance of each component that makes up the fuel cell.

ところで、こうした固体高分子形燃料電池の構成では、上述したように、効率的に燃料ガス(アノードガス)及び酸化ガス(カソードガス)を反応させるために、白金等の触媒を担持し電気化学反応を行う触媒層にセパレータのガス流路から供給される燃料ガスまたは酸化ガスを導くガス拡散層を隣接させている。即ち、単セル電池の電極を構成するガス拡散層は、反応ガスの拡散性を高めるために形成されるものであり、セパレータのガス流路から供給される燃料ガスまたは酸化ガスを隣接する触媒層に拡散させる役目(ガス拡散性、ガス透過性)を担う。また、セパレータと触媒層の間にあるこのガス拡散層においては、電気化学反応のために必要な電子を効率的に移動させるための導電機能、集電機能が要求される。更に、発電性能の向上や安定した発電性能のためには、電極において高プロトン伝導性(導電性)を得る観点から高分子電解質膜を最適な湿潤状態に保つ一方で、触媒層の過剰な水分を速やかに排出してフラッディング現象(ガス拡散層の細孔が水で閉塞する現象)を抑制することが重要であるところ、水分の通り道でもあるガス拡散層においては、反応系内に必要な水分を適切に取り入れる一方で、発電時の水素及び酸素の電気化学的反応によって生成した過剰な反応生成水や結露水を排出する排水性(撥水性、水分透過性)が必要とされ、水分を適切に取り入れたり、排出したりする役割、即ち、拡散性による水分管理性も要求されている。 By the way, in the structure of such a polymer electrolyte fuel cell, in order to efficiently react the fuel gas (anode gas) and the oxidizing gas (cathode gas), a catalyst such as platinum is supported and the electrochemical reaction is carried out. A gas diffusion layer that guides the fuel gas or oxidizing gas supplied from the gas flow path of the separator is adjacent to the catalyst layer that performs this process. In other words, the gas diffusion layer constituting the electrode of a single cell battery is formed to increase the diffusivity of the reaction gas, and the gas diffusion layer that constitutes the electrode of a single cell battery is formed to increase the diffusivity of the reaction gas, and is designed to diffuse the fuel gas or oxidizing gas supplied from the gas flow path of the separator to the adjacent catalyst layer. (gas diffusivity, gas permeability). Further, this gas diffusion layer between the separator and the catalyst layer is required to have a conductive function and a current collecting function to efficiently transfer the electrons necessary for the electrochemical reaction. Furthermore, in order to improve power generation performance and stabilize power generation performance, it is necessary to maintain the polymer electrolyte membrane in an optimally moist state from the viewpoint of obtaining high proton conductivity (electroconductivity) at the electrode, and to prevent excess moisture in the catalyst layer. It is important to suppress the flooding phenomenon (a phenomenon in which the pores of the gas diffusion layer are clogged with water) by quickly discharging the water. At the same time, it is necessary to have drainage properties (water repellency, moisture permeability) to discharge excess reaction product water and dew water generated by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen during power generation. It is also required to have a role in taking in and discharging moisture, that is, moisture management through diffusivity.

そこで、近年では、このガス拡散層において、それを構成する、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト等からなる導電性多孔質基材(ガス拡散層電極基材)に対して、PTFE等の撥水性樹脂及びカーボンブラック等の導電性材料を主成分とするマイクロポーラス層(MPL)と称されるコーティング薄膜(微細多孔質層、カーボン層、目止め層と呼ばれることもある)を形成することにより、隣接する触媒層との界面で液膜が生じるのを抑制し、水分排出や生成水の逆拡散を促進させ、固体高分子形燃料電池の水分管理性(水分量制御)を向上させることで、発電性能を向上させることが提案されている。なお、導電性多孔質基材に対してマイクロポーラス層を形成することにより、マイクロポーラス層は、触媒層と導電性多孔質基材との緩衝材や、導電性多孔質基材の表面を電解質膜に転写しないようにする化粧直し効果としても機能する。また、マイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材に塗布し、乾燥焼成してマイクロポーラス層を形成するものでは、ペースト成分の調製によりガス拡散層の細かな特性制御も容易に可能とする。 Therefore, in recent years, in this gas diffusion layer, for example, a conductive porous base material (gas diffusion layer electrode base material) made of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, etc., has been replaced with a material such as PTFE. Forming a coating thin film called a microporous layer (MPL) (sometimes called a microporous layer, carbon layer, or sealing layer) whose main components are a water-repellent resin and a conductive material such as carbon black. This suppresses the formation of a liquid film at the interface with the adjacent catalyst layer, promotes water discharge and back-diffusion of produced water, and improves the water management performance (water content control) of polymer electrolyte fuel cells. It has been proposed to improve power generation performance. By forming the microporous layer on the conductive porous base material, the microporous layer can act as a buffer between the catalyst layer and the conductive porous base material, or as a buffer material for the surface of the conductive porous base material. It also functions as a make-up touch-up effect to prevent transfer to the film. In addition, in the case where a microporous layer-forming paste is applied to a conductive porous substrate and then dried and fired to form a microporous layer, fine control of the characteristics of the gas diffusion layer is easily possible by adjusting the paste components. do.

ここで、この種の公知な技術として、例えば、特許文献1や特許文献2がある。
特許文献1においては、炭素シートとマイクロポーラス層とを有し、炭素シートは多孔質であって、マイクロポーラス層に含まれる炭素粉末のDBP吸油量が70~155ml/100gであり、マイクロポーラス層は、マイクロポーラス層の目付(W)とマイクロポーラス層の厚さ(L)から算出される染み込みの指標(L/W)が1.10~8.00であり、マイクロポーラス層の厚さ(L)が10~100μmであるガス拡散電極基材を開示している。
Here, as this type of known technology, there are, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.
Patent Document 1 has a carbon sheet and a microporous layer, the carbon sheet is porous, the DBP oil absorption amount of carbon powder contained in the microporous layer is 70 to 155 ml/100 g, and the microporous layer The penetration index (L/W) calculated from the basis weight (W) of the microporous layer and the thickness (L) of the microporous layer is 1.10 to 8.00, and the thickness of the microporous layer ( Discloses a gas diffusion electrode base material in which L) is 10 to 100 μm.

また、特許文献2においては、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有し、カーボンブラックとして、DBP吸収量が210ml/100g~262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g~48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用し、更に、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g~97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g~20mg/gの範囲内であるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を開示している。 Further, in Patent Document 2, a first carbon containing carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent and having a DBP absorption amount within the range of 210 ml/100 g to 262 ml/100 g is used as the carbon black. black and a second carbon black whose DBP absorption is within the range of 32 ml/100 g to 48 ml/100 g, and further, where the iodine adsorption amount of the first carbon black is within the range of 85 mg/g to 97 mg/g. The present invention discloses a paste composition for forming a microporous layer in which the second carbon black has an iodine adsorption amount within a range of 15 mg/g to 20 mg/g.

特許文献1の技術によれば、マイクロポーラス層(以下、「MPL」と略す場合がある)を形成するための炭素のDBP吸油量を高くすることにより、MPL塗工液の炭素シートへの浸み込みを抑制できるとされており、また、特許文献2の技術によれば、ストラクチャの発達度合に特定の差があるカーボンブラックを組み合わせカーボン粒子の連鎖構造、3次元構造を制御することで、MPLのクラックを抑制できるとしている。 According to the technology disclosed in Patent Document 1, by increasing the DBP oil absorption of carbon to form a microporous layer (hereinafter sometimes abbreviated as "MPL"), the MPL coating liquid is impregnated into the carbon sheet. According to the technology of Patent Document 2, by combining carbon blacks with specific differences in the degree of structure development and controlling the chain structure and three-dimensional structure of carbon particles, It is said that it can suppress cracks in MPL.

そして、特許文献1や特許文献2においては、MPLを形成するための塗工ペーストに配合するカーボンについて、ストラクチャの発達が小さくてDBP吸収量が小さいものでは、炭素シート等からなる導電性多孔質基材への塗布時に導電性多孔質基材に浸透して裏抜けしやすく、また、強度的にも弱くクラックが生じやすくなることから、DBP吸収量の高いカーボンの使用が提案されている。 In Patent Document 1 and Patent Document 2, regarding the carbon mixed in the coating paste for forming MPL, if the structure is small and the DBP absorption is small, conductive porous material made of carbon sheet etc. The use of carbon with a high DBP absorption rate has been proposed because it tends to penetrate the conductive porous substrate and strike through when applied to the substrate, and is also weak in strength and prone to cracks.

国際公開第2016/076132号公報International Publication No. 2016/076132 特開2019ー040791号公報(特許第6932447号公報)JP 2019-040791 (Patent No. 6932447)

しかしながら、DBP吸収量の高いカーボンは、ストラクチャ(アグリゲード)同士が絡み合いやすくストラクチャが過度に発達(その二次凝集径は数十μm以上)し、凝集物(凝集粒子)を発生させたり樹脂分や溶媒を多く吸着保持したりすることで、分散性が悪く、塗料の粘度上昇を招いて塗工性が低下することにより、ガス拡散電極の表面不良(表面平滑性の低下や塗工幅の縮小)が生じさせ、また、生産性を低下させる問題がある。
加えて、カーボン製品には異物(不純物)、例えば、硫黄、金属(カリウム、鉛、ナトリウム、鉄等)、カルシウム、塩素等が含まれていることが多く、それらの異物、特に、鉄異物は、ガス拡散層に隣接する触媒層の耐久性、寿命を低下させて電池性能や電池の寿命の低下を招きやすいところ、MPLを形成するための塗工ペーストにDBP吸収量の高いカーボンを配合すると、その凝集物が、カーボン製品中の異物、特に、鉄異物を除去するための異物除去フィルタとしての細かい目の濾過フィルタで目詰まりを生じることにより、濾過フィルタへの通過性が低下し、電池の耐久性、寿命を低下させる鉄異物等の除去が困難となる問題もある。
However, carbon with a high DBP absorption rate tends to have structures (aggregates) that become entangled with each other, resulting in excessive structure development (the diameter of secondary aggregation is several tens of micrometers or more), generating aggregates (agglomerated particles), and resin content. By adsorbing and retaining a large amount of solvent, the dispersibility is poor, leading to an increase in the viscosity of the paint and a decrease in coating properties, resulting in surface defects of the gas diffusion electrode (decreased surface smoothness and reduced coating width). ) and also reduce productivity.
In addition, carbon products often contain foreign substances (impurities) such as sulfur, metals (potassium, lead, sodium, iron, etc.), calcium, chlorine, etc. These foreign substances, especially iron foreign substances, , the durability and life of the catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer are likely to be reduced, leading to a decline in battery performance and battery life. However, when carbon with a high DBP absorption is added to the coating paste for forming MPL, , the aggregates clog the fine-mesh filtration filter used to remove foreign matter, especially iron foreign matter, in carbon products, reducing the permeability to the filtration filter and causing battery damage. There is also the problem that it is difficult to remove iron foreign substances that reduce the durability and life of the steel.

したがって、DBP吸収量の高いカーボンの使用は、凝集を生じ、また、塗工ペーストの粘度を上昇させる問題があることから、従来、ストラクチャが高度に発達したカーボンの使用により空隙率(気孔率)を向上させてガス拡散層の拡散性等の性能を向上させるには限界があった。 Therefore, the use of carbon with a high DBP absorption amount causes aggregation and increases the viscosity of the coating paste. There was a limit to the ability to improve the performance of the gas diffusion layer, such as its diffusivity.

そこで、本発明は、空隙率の高いマイクロポーラス層の形成によりガス拡散層の性能向上を図ることができるマイクロポーラス層形成用塗工ペースト及びその製造方法、並びに燃料電池用ガス拡散層の提供を課題とするものである。 Therefore, the present invention provides a coating paste for forming a microporous layer that can improve the performance of the gas diffusion layer by forming a microporous layer with a high porosity, a method for manufacturing the same, and a gas diffusion layer for fuel cells. This is an issue to be addressed.

請求項1の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有し、前記カーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものであり、カーボン繊維シート等からなる導電性多孔質基材の表面に塗布され、乾燥・焼成されることにより燃料電池用ガス拡散層のマイクロポーラス層を形成するものである。 The coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 1 contains carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, and the carbon black has a DBP absorption amount of 300 ml/100 g to 500 ml/ The secondary aggregation size is such that 100 g of carbon black passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, and is applied to the surface of a conductive porous base material such as a carbon fiber sheet and dried.・It forms a microporous layer of a gas diffusion layer for a fuel cell by being fired.

上記カーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が使用できるが、ガス拡散性、強度、導電性等の高いマイクロポーラス層を形成できる点から、アセチレンブラックが好適である。
そして、上記DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものとは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックの二次凝集体(数十μm)が高シェアの分散によって目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、400メッシュ以下を通過できる2次凝集径(数μm)までに解砕(解凝集)されたものであることを意味する。即ち、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックの二次凝集体が解砕されて、目開き34~154μmのメッシュ(100~400メッシュ)を通過できる2次凝集径を有するものであることを意味する。
As the carbon black, for example, furnace black, thermal black, Ketjen black, acetylene black, etc. can be used, but acetylene black is preferable because it can form a microporous layer with high gas diffusivity, strength, and conductivity. It is.
Carbon black with a DBP absorption amount of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm. Secondary aggregates (several tens of μm) of carbon black in the range of 100 g or more and 500 ml/100 g or less are dispersed with high shear to form a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less, that is, 100 mesh or more and 400 mesh or less. This means that the particles have been disintegrated (deagglomerated) to a secondary aggregation diameter (several μm) that can pass through. That is, secondary aggregates of carbon black whose DBP absorption amount is within the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less are crushed and can pass through a mesh with an opening of 34 to 154 μm (100 to 400 mesh). This means that it has the following agglomeration diameter.

ここで、「DBP吸収量」はJIS K6217-4に準拠して測定したものである。DBPの吸収量(吸油量)は、カーボンブラックのアグリゲート間の空隙率がストラクチャと正の相関があることを利用し、その空隙にDBP(フタル酸ジブチル:Dibutyl Phthalate)を吸収させDBP吸収量によりストラクチャを間接的に定量するものであり、この数値が大きい(高い)ものほどカーボンブラックのストラクチャ構造が発達し、ストラクチャが高いものであることを示し、数値が小さい(低い)ものほど、ストラクチャ構造があまり発達せずにストラクチャが低いものであることを示している。なお、ストラクチャとは、カーボンブラックの数個または数十個からなる連鎖状の凝集体(アグリゲート)の発達度合、即ち、カーボンブラック粒子のつながりの発達度合を示している。凝集体を構成するカーボン粒子の個数が多かったり、複雑な形状をしていたりすると、DBP吸収量は高いものとなる。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において、メッシュの目開きはJIS G 3556規格における目開きである。
Here, "DBP absorption amount" is measured in accordance with JIS K6217-4. The absorption amount (oil absorption amount) of DBP is determined by using the fact that the porosity between aggregates of carbon black has a positive correlation with the structure, and by absorbing DBP (dibutyl phthalate) into the pores. The structure is indirectly quantified using This indicates that the structure is not very developed and the structure is low. Note that the term "structure" refers to the degree of development of a chain-like aggregate made up of several or tens of carbon black particles, that is, the degree of development of the connections between carbon black particles. If the number of carbon particles constituting the aggregate is large or the carbon particles have a complicated shape, the amount of DBP absorbed will be high.
Note that in this specification and claims, the opening of the mesh is the opening of the mesh according to the JIS G 3556 standard.

請求項2の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、その固形分重量比で、9/1≦カーボンブラック/撥水性樹脂≦5/5であるものである。 The carbon black and the water-repellent resin in the coating paste for forming a microporous layer of the invention according to claim 2 have a solid content weight ratio of 9/1≦carbon black/water-repellent resin≦5/5. be.

請求項3の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、せん断速度50[1/s]における粘度が0.05Pa・s以上、1.0Pa・s以下、より好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下、更に好ましくは、0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のものである。 The coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 3 has a viscosity at a shear rate of 50 [1/s] of 0.05 Pa·s or more and 1.0 Pa·s or less, more preferably 0.1 Pa·s. It is in the range of 0.9 Pa·s or less, more preferably 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less.

請求項4の発明の燃料電池用ガス拡散層は、導電性多孔質基材の表面に形成したカーボンブラックと撥水性樹脂からなるマイクロポーラス層のカーボンブラックが、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものである。 In the gas diffusion layer for fuel cells according to the invention of claim 4, the carbon black of the microporous layer formed on the surface of the conductive porous base material and composed of carbon black and water-repellent resin has a DBP absorption amount of 300 ml/100 g to 500 ml. The secondary agglomeration diameter is such that carbon black within the range of /100g passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm.

上記導電性多孔質基材は、ガス拡散層電極基材であり、導電性を有し、マイクロポーラス層よりも平均細孔径が大きい多孔質体のものであり、例えば、炭素繊維織物、炭素繊維抄紙体、炭素繊維不織布、カーボンフェルト、カーボンペーパ、カーボンクロス等の炭素繊維(例えば、黒鉛繊維等)からなる多孔質基材や、発泡焼結金属、金属メッシュ、エキスパンドメタルなどの金属多孔質基材が使用される。
上記マイクロポーラス層は、前記導電性多孔質基材の表面に、カーボンブラックと撥水性樹脂を含有したマイクロポーラス層形成用塗工ペーストを塗布し、乾燥・焼成することにより形成されカーボンブラックが撥水性樹脂で結着されたものであり、そのカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものである。
The conductive porous base material is a gas diffusion layer electrode base material, and is a porous body that has conductivity and has a larger average pore diameter than the microporous layer, such as carbon fiber fabric, carbon fiber Porous substrates made of carbon fibers (e.g., graphite fibers, etc.) such as paper bodies, carbon fiber nonwoven fabrics, carbon felt, carbon paper, and carbon cloth, and metal porous substrates such as foamed sintered metals, metal meshes, and expanded metals. material is used.
The microporous layer is formed by applying a coating paste for forming a microporous layer containing carbon black and a water-repellent resin onto the surface of the conductive porous base material, and drying and baking the coating paste to repel the carbon black. The carbon black is bound with a water-based resin, and the carbon black has a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g. It is of the agglomerate size.

ここで、上記カーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が使用できるが、ガス拡散性、強度、導電性等の高いマイクロポーラス層を形成できる点から、アセチレンブラックが好適である。
そして、上記DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものとは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックの二次凝集体(数十μm)が高シェアの分散によって目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、400メッシュ以下を通過できる2次凝集径(数μm)までに解砕(解凝集)されたものであることを意味する。即ち、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックの二次凝集体が解砕されて、目開き34~154μmのメッシュ(100~400メッシュ)を通過できる2次凝集径を有するものであることを意味する。
Here, as the above-mentioned carbon black, for example, furnace black, thermal black, Ketjen black, acetylene black, etc. can be used, but acetylene black Black is preferred.
Carbon black with a DBP absorption amount of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm. Secondary aggregates (several tens of μm) of carbon black in the range of 100 g or more and 500 ml/100 g or less are dispersed with high shear to form a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less, that is, 100 mesh or more and 400 mesh or less. This means that the particles have been disintegrated (deagglomerated) to a secondary aggregation diameter (several μm) that can pass through. That is, secondary aggregates of carbon black whose DBP absorption amount is within the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less are crushed and can pass through a mesh with an opening of 34 to 154 μm (100 to 400 mesh). This means that it has the following agglomeration diameter.

請求項5の発明の燃料電池用ガス拡散層の前記マイクロポーラス層における前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、その固形分重量比で、9/1≦カーボンブラック/撥水性樹脂≦5/5であるものである。 The carbon black and the water-repellent resin in the microporous layer of the gas diffusion layer for a fuel cell according to the invention of claim 5 have a solid content weight ratio of 9/1≦carbon black/water-repellent resin≦5/5. It is something.

請求項6の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、分散剤が混合されて分散剤が溶解・混和した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して薄膜旋回法により攪拌するものである。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 6 is such that a dispersant is mixed into a solvent in which the dispersant is dissolved and mixed, and a DBP absorption amount is in a range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less. Carbon black and water-repellent resin are mixed together and stirred using a thin film swirling method.

ここで、上記薄膜旋回法とは、処理物(配合材料)を遠心力により装置内壁面に薄膜円筒状に押し付けた状態で高速回転させて、遠心力と旋回流の装置内壁面との速度差により発生するせん断応力を分散処理物(配合材料)に作用させることにより、槽内全体を高エネルギの乱流状態にして、薄膜円筒状の処理物(配合材料)中の凝集粒子を分散させる分散方法である。こうした高速旋回薄膜流を利用した旋回薄膜型高速攪拌機としては、例えば、薄膜旋回型高速ミキサ「フィルミックス」(登録商標)シリーズ(プライミックス社製)を好適に用いることができる。このときの攪拌条件としては、好ましくは、攪拌翼先端部における周速を25m/s以上で攪拌するものであり、周速25m/s以上であり、その上限値は機械の性能限界からすれば、60m/s以下である。
また、上記カーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が使用できるが、ガス拡散性、強度、導電性等の高いマイクロポーラス層を形成できる点から、アセチレンブラックが好適である。
Here, the above-mentioned thin film swirling method is a method in which the processed material (compounded material) is pressed against the inner wall surface of the device in a thin cylindrical shape by centrifugal force and rotated at high speed, and the speed difference between the centrifugal force and the swirling flow on the inner wall surface of the device is By applying the shear stress generated by this to the dispersed material (compounded material), the entire tank is brought into a high-energy turbulent state, and the agglomerated particles in the thin cylindrical processed material (compounded material) are dispersed. It's a method. As a swirling thin film type high speed stirrer that utilizes such a high speed swirling thin film flow, for example, a thin film swirling type high speed mixer "Filmix" (registered trademark) series (manufactured by Primex Co., Ltd.) can be suitably used. The stirring conditions at this time are preferably such that stirring is performed at a circumferential speed of 25 m/s or more at the tip of the stirring blade, and the upper limit value is 25 m/s or more, considering the performance limit of the machine. , 60 m/s or less.
Further, as the above-mentioned carbon black, for example, furnace black, thermal black, Ketjen black, acetylene black, etc. can be used, but acetylene black is suitable.

請求項7の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、分散剤が混合されて分散剤が溶解・混和した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものである。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 7 is to add a dispersant to a solvent in which the dispersant is dissolved and mixed, and a DBP absorption amount in a range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less. Carbon black and water-repellent resin are mixed and stirred at a circumferential speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less.

ここで、上記周速25m/s以上で攪拌は、ホモミクサ、ホモディスパ、ネオカイザ(登録商標)、ネオミクサ(登録商標)、薄膜旋回型高速ミキサ、ホモミキサ等の高速攪拌機によって攪拌翼先端部における周速を25m/s以上で攪拌するものであり、その上限値は機械の性能限界からすれば、60m/s以下である。中でも、薄膜旋回型高速ミキサ「フィルミックス」(登録商標)シリーズ(プライミックス社製)を好適に用いることができる。
また、上記カーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が使用できるが、ガス拡散性、強度、導電性等の高いマイクロポーラス層を形成できる点から、アセチレンブラックが好適である。
Here, stirring at the circumferential speed of 25 m/s or more is performed by controlling the circumferential speed at the tip of the stirring blade using a high-speed stirrer such as Homo Mixer, Homo Dispa, Neokaiser (registered trademark), Neomixer (registered trademark), thin film swirl type high-speed mixer, or Homomixer. The stirring speed is 25 m/s or more, and the upper limit thereof is 60 m/s or less considering the performance limit of the machine. Among these, a thin film swirl type high speed mixer "Filmix" (registered trademark) series (manufactured by Primex Co., Ltd.) can be suitably used.
Further, as the above-mentioned carbon black, for example, furnace black, thermal black, Ketjen black, acetylene black, etc. can be used, but acetylene black is suitable.

請求項8の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、更に、前記攪拌後に、目開き34~154μmのメッシュ(100~400メッシュ)、好ましくは、目開き45~154μmのメッシュ(100~300メッシュ)、より好ましくは、目開き45~150μmのメッシュ(100~300メッシュ)を通過させるものである。 In the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 8, after the stirring, a mesh having an opening of 34 to 154 μm (100 to 400 mesh), preferably a mesh having an opening of 45 to 154 μm ( 100 to 300 mesh), more preferably through a mesh with an opening of 45 to 150 μm (100 to 300 mesh).

請求項9の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、分散剤が混合されて分散剤が溶解・混和した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合してディスパまたはタービン・ステータ型の攪拌機でプレ攪拌してから薄膜旋回法によりまたは周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものである。 In the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 9, a dispersant is mixed into a solvent in which the dispersant is dissolved and mixed, and a DBP absorption amount is in a range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less. Carbon black and a water-repellent resin are mixed, pre-stirred using a disper or turbine stator type stirrer, and then stirred by a thin film swirling method or at a circumferential speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less.

ここで、上記ディスパは、ディスクタービンやディゾルバ(ディスパ)等の攪拌翼の高速回転によりせん断を発生させて処理物(配合材料)を攪拌するものである。
また、上記攪タービン・ステータ型は、タービンとステータ間の隙間でせん断力を与え処理物(配合材料)を攪拌するものである。
Here, the above-mentioned disper stirs the processed material (compounded material) by generating shear through high-speed rotation of stirring blades such as a disk turbine or a dissolver (disper).
Further, the above-mentioned stirring turbine/stator type stirs the processed material (compounded material) by applying shear force in the gap between the turbine and the stator.

請求項10の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、分散剤が混合されて分散剤が溶解・混和した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速1m/s以上、周速20m/s以下でプレ攪拌してから薄膜旋回法によりまたは周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものである。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 10 is such that a dispersant is mixed into a solvent in which the dispersant is dissolved and mixed, and a DBP absorption amount is in a range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less. Carbon black and water-repellent resin are mixed and pre-stirred at a circumferential speed of 1 m/s or more and 20 m/s or less, and then stirred by thin film swirling method or at a circumferential speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less. It is something to do.

ここで、上記周速1m/s以上、周速20m/s以下の攪拌は、攪拌機によって攪拌翼先端部における周速を1m/s以上、周速20m/s以下、好ましくは、10m/s以上、周速20m/s以下で攪拌するものであり、例えば、ディスパまたはタービン・ステータ型の攪拌機が使用できる。 Here, in the above-mentioned stirring at a peripheral speed of 1 m/s or more and 20 m/s or less, the peripheral speed at the tip of the stirring blade is controlled by a stirrer to be 1 m/s or more and 20 m/s or less, preferably 10 m/s or more. For example, a disper or turbine stator type stirrer can be used.

請求項11の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法の前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、その固形分重量比で、9/1≦カーボンブラック/撥水性樹脂≦5/5であるものである。 In the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 11, the carbon black and the water-repellent resin have a solid content weight ratio of 9/1≦carbon black/water-repellent resin≦5/5. It is something.

請求項12の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法の前記マイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、せん断速度50[1/s]における粘度が0.05Pa・s以上、1.0Pa・s以下、より好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下、更に好ましくは、0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内ものである。 The coating paste for forming a microporous layer in the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 12 has a viscosity of 0.05 Pa·s or more and 1.0 Pa at a shear rate of 50 [1/s].・s or less, more preferably 0.1 Pa·s or more and 0.9 Pa·s or less, still more preferably 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less.

請求項1の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有し、前記カーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものであり、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、ペーストの粘度上昇が抑えられて、導電性多孔質基材の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるマイクロポーラス層においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高いものとなる。 According to the coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 1, the coating paste contains carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, and the carbon black has a DBP absorption amount of 300 ml/100 g. As mentioned above, carbon black within the range of 500 ml/100 g or less has a secondary agglomerate diameter that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, and the secondary agglomerates of carbon black with high DBP absorption are dissolved. Because it is crushed, the increase in viscosity of the paste is suppressed, and it can be applied to the surface of the conductive porous substrate with good coating properties, and is formed by drying and baking the applied paste. In the microporous layer, the carbon black having a high DBP absorption amount has a high porosity due to a high structure, resulting in a high void ratio (porosity).

特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりマイクロポーラス層において良好な表面平滑性を確保できるうえ、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。即ち、高空隙率で、かつ、表面平滑性が良くクラックも少なくて触媒層への密着性が良好となるマイクロポース層を形成できる。よって、係るマイクロポーラス層は、水分が溜り難くて排水性が高く、高いガス拡散性が良好に維持され、耐久性も良好なものとなる。
また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、電池の耐久性、寿命を低下させ難いものである。
こうして、請求項1の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、空隙率が高く、ガス拡散層のガス拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるマイクロポーラス層を形成できる。
In particular, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation size that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, due to the good coating properties of the paste. In addition to ensuring good surface smoothness in the microporous layer, it is also possible to achieve both high porosity and coating film strength that does not easily cause cracks. That is, it is possible to form a microporous layer that has a high porosity, good surface smoothness, few cracks, and good adhesion to the catalyst layer. Therefore, such a microporous layer is difficult to accumulate moisture, has high drainage performance, maintains high gas diffusivity well, and has good durability.
In addition, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation size that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, and the durability of the catalyst layer that performs the battery reaction is The size of the battery is such that it can pass through a fine mesh filter that removes foreign substances such as iron that affect the battery's durability and lifespan, so it does not easily reduce the durability and lifespan of the battery.
In this way, according to the coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 1, a microporous layer is formed that has a high porosity and can improve the performance of gas diffusion and moisture management of the gas diffusion layer. can.

請求項2の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、前記カーボンブラックと撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であるから、形成するマイクロポーラス層の硬化塗膜において樹脂分による接着性(結着性、バインダ効果)が良好でクラックが生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、請求項1に記載の効果に加えて、塗膜強度とガスや水分の透過性とを両立できるマイクロポーラス層を形成できる。 According to the coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 2, since the carbon black and the water-repellent resin are in a weight ratio of 9/1 to 5/5, the microporous layer to be formed is In the cured coating film, the adhesion (binding property, binder effect) due to the resin component is good and cracks are less likely to occur, and the clogging of voids due to the excessive resin component is suppressed. Therefore, in addition to the effects described in claim 1, it is possible to form a microporous layer that can achieve both coating film strength and gas and moisture permeability.

請求項3の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であるから、ガス拡散層を構成する導電性多孔質基材への塗布時にペーストの裏抜け(ペーストの塗布面とは反対側の導電性多孔質基材の裏面側に抜ける現象)を抑制でき、かつ、所望の塗工幅で平滑性が良好なマイクロポーラス層の硬化塗膜を形成できて塗工性が良好なものとなる。よって、導電性多孔質基材の空隙率を低下させることなく、平滑なマイクロポーラス層が得られ触媒層への密着性を高めることができるから、請求項1に記載の効果に加えて、ガス拡散層の性能をより良好に発揮できるマイクロポーラス層を形成できる。 According to the coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 3, the viscosity at a shear rate of 50 s -1 is within the range of 0.05 Pa·s to 1.0 Pa·s, so that the coating paste forms a gas diffusion layer. It is possible to suppress paste bleed-through (a phenomenon in which the paste bleeds through to the back side of the conductive porous base material on the opposite side from the applied surface) when applying it to the conductive porous base material, and to maintain the desired coating width. A cured coating film of a microporous layer with good smoothness can be formed, resulting in good coating properties. Therefore, a smooth microporous layer can be obtained without reducing the porosity of the conductive porous base material, and the adhesion to the catalyst layer can be improved. A microporous layer that can better exhibit the performance of the diffusion layer can be formed.

請求項4の発明に係る燃料電池用ガス拡散層によれば、導電性繊維等からなる導電性多孔質基材表面に形成されたカーボンブラックと撥水性樹脂からなるマイクロポーラス層のカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、150μm以下のメッシュを通過する2次凝集径のものであり、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、マイクロポーラス層を形成するペーストの粘度上昇が抑えられて、マイクロポーラス層は導電性多孔質基材の表面に対し良好な塗工性で形成されたものであり、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高いものとなる。 According to the gas diffusion layer for fuel cells according to the invention of claim 4, the carbon black in the microporous layer made of carbon black and water-repellent resin formed on the surface of the conductive porous base material made of conductive fibers, etc. Carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 150 μm or less, and the secondary carbon black with high DBP absorption Since the aggregates were crushed, the increase in viscosity of the paste forming the microporous layer was suppressed, and the microporous layer was formed with good coating properties on the surface of the conductive porous substrate. Carbon black with a high DBP absorption amount has a high porosity due to a high structure, resulting in a high porosity.

特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりマイクロポーラス層が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高空隙率で、かつ、表面平滑性が良くクラックも少なくて触媒層への密着性が良好なマイクロポース層は、水分が溜り難くて排水性が高く、高いガス拡散性が良好に維持され、耐久性も良好なものとなる。
また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、150μm以下のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、電池の耐久性、寿命を低下させ難いものである。
こうして、請求項4の発明に係る燃料電池用ガス拡散層によれば、空隙率の高いマイクロポーラス層を有するから、ガス拡散層のガスの拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるものである。
In particular, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation size that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, due to the good coating properties of the paste. The microporous layer has good surface smoothness, and can achieve both high porosity and coating film strength that does not easily cause cracks. Therefore, a microporous layer with high porosity, good surface smoothness, few cracks, and good adhesion to the catalyst layer is difficult for moisture to accumulate, has high drainage performance, and maintains high gas diffusivity. and has good durability.
In addition, carbon black with DBP absorption within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation size that passes through a mesh with openings of 34 μm or more and 150 μm or less, and the durability of the catalyst layer that performs the battery reaction is Since the size of the battery is such that it can pass through a fine mesh filter that makes it possible to remove foreign substances such as iron that affect the battery life, it does not easily reduce the durability and life of the battery.
In this way, according to the gas diffusion layer for a fuel cell according to the invention of claim 4, since it has a microporous layer with a high porosity, it is possible to improve the performance of the gas diffusion property and moisture management property of the gas diffusion layer. It is something.

請求項5の発明に係る燃料電池用ガス拡散層によれば、前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であるから、マイクロポーラス層の硬化塗膜において樹脂分による接着(結着、バインダ効果)性が良好でクラックがより生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、請求項4に記載の効果に加えて、マイクロポーラス層は塗膜強度とガスや水分の透過性とを両立できる。 According to the gas diffusion layer for fuel cells according to the invention of claim 5, since the carbon black and the water-repellent resin have a weight ratio in the range of 9/1 to 5/5, the cured coating of the microporous layer is In the film, the adhesion (bonding, binder effect) due to the resin content is good, making cracks less likely to occur, and clogging of voids due to excessive resin content is suppressed. Therefore, in addition to the effect described in claim 4, the microporous layer can achieve both coating film strength and gas and moisture permeability.

請求項6の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して薄膜旋回法により攪拌するものであり、薄膜旋回法による高シェアで配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を解砕することができ、ペーストの粘度上昇を抑えることができる。したがって、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕され粘度上昇が抑えられたマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、導電性多孔質基材の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるマイクロポーラス層においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高いものとなる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 6, carbon black having a DBP absorption within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g is added to the solvent mixed with the dispersant. A water-repellent resin is mixed and stirred using a thin film swirling method. By dispersing the compounded materials with high shear using the thin film swirling method, secondary aggregates of carbon black with high DBP absorption can be broken up. It is possible to suppress the increase in viscosity of the paste. Therefore, according to the coating paste for forming a microporous layer in which the secondary aggregates of carbon black with a high DBP absorption amount are crushed and the viscosity increase is suppressed, the coating paste can be coated well on the surface of the conductive porous substrate. In the microporous layer formed by drying and firing the applied paste, carbon black with high DBP absorption has a high porosity due to its high structure. ) will be high.

特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりマイクロポーラス層が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。即ち、高空隙率で、かつ、表面平滑性が良くクラックも少なくて触媒層への密着性が良好となるマイクロポース層を形成できる。よって、係るマイクロポーラス層は、水分が溜り難くて排水性が高く、高いガス拡散性が良好に維持され、耐久性も良好なものとなる。
したがって、請求項6の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、空隙率が高く、ガス拡散層の拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。
In particular, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation size that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, due to the good coating properties of the paste. The microporous layer has good surface smoothness, and can achieve both high porosity and coating film strength that does not easily cause cracks. That is, it is possible to form a microporous layer that has a high porosity, good surface smoothness, few cracks, and good adhesion to the catalyst layer. Therefore, such a microporous layer is difficult to accumulate moisture, has high drainage performance, maintains high gas diffusivity well, and has good durability.
Therefore, according to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 6, the microporous layer has a high porosity and can improve the diffusivity and moisture management performance of the gas diffusion layer. A coating paste is obtained that can form a coating paste.

請求項7の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものであり、周速25m/s以上、60m/s以下の攪拌による高シェアで配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を解砕することができ、ペーストの粘度上昇を抑えることができる。したがって、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕され粘度上昇が抑えられたマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、導電性多孔質基材の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるマイクロポーラス層においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高いものとなる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 7, carbon black having a DBP absorption within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g is added to the solvent mixed with the dispersant. Water-repellent resin is mixed and stirred at a circumferential speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less, and by dispersing the compounded materials with high shear by stirring at a circumferential speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less, Secondary aggregates of carbon black with a high DBP absorption amount can be disintegrated, and an increase in the viscosity of the paste can be suppressed. Therefore, according to the coating paste for forming a microporous layer in which the secondary aggregates of carbon black with a high DBP absorption amount are crushed and the viscosity increase is suppressed, the coating paste can be coated well on the surface of the conductive porous substrate. In the microporous layer formed by drying and firing the applied paste, carbon black with high DBP absorption has a high porosity due to its high structure. ) will be high.

特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりマイクロポーラス層が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。即ち、高空隙率で、かつ、表面平滑性が良くクラックも少なくて触媒層への密着性が良好となるマイクロポース層を形成できる。よって、係るマイクロポーラス層は、水分が溜り難くて排水性が高く、高いガス拡散性が良好に維持され、耐久性も良好なものとなる。
したがって、請求項7の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、空隙率が高く、ガス拡散層の拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。
In particular, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation size that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, due to the good coating properties of the paste. The microporous layer has good surface smoothness, and can achieve both high porosity and coating film strength that does not easily cause cracks. That is, it is possible to form a microporous layer that has a high porosity, good surface smoothness, few cracks, and good adhesion to the catalyst layer. Therefore, such a microporous layer is difficult to accumulate moisture, has high drainage performance, maintains high gas diffusivity well, and has good durability.
Therefore, according to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 7, the microporous layer has a high porosity and can improve the diffusivity and moisture management performance of the gas diffusion layer. A coating paste is obtained that can form a coating paste.

請求項8の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、更に、前記攪拌後に、目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過させるものであるから、触媒層の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物が少ないものが得られる。よって、請求項6または請求項7に記載の効果に加えて、電池の耐久性、寿命を低下させることないマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 8, the durability of the catalyst layer is further improved by passing the coating paste through a mesh having an opening in the range of 34 to 154 μm after the stirring. It is possible to obtain products with less foreign substances such as iron that affect durability and lifespan. Therefore, in addition to the effects described in claim 6 or claim 7, a coating paste can be obtained that can form a microporous layer without reducing the durability and life of the battery.

請求項9の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、前記攪拌前に、分散剤、溶媒、カーボンブラック、及び撥水性樹脂の混合物をディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式でプレ攪拌する。このように、ディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式でプレ攪拌してから、薄膜旋回法または周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものでは、プレ攪拌でカーボンブラックと溶媒との馴染みを良くでき、更に、攪拌脱泡できることにより、カーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑えることが可能であり、また、気泡も少なくできる。したがって、請求項6または請求項7に記載の効果に加えて、空隙の分布のバラつきが抑制されたより均一なマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 9, before the stirring, the mixture of the dispersant, solvent, carbon black, and water-repellent resin is stirred using a disper or turbine stator type stirring system. Pre-stir with. In this way, when pre-stirring is performed using a disper or turbine stator type stirring system, and then the thin film swirling method or stirring is performed at a circumferential speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less, the pre-stirring can improve the compatibility between the carbon black and the solvent. Furthermore, by being able to improve the temperature and degassing by stirring, it is possible to suppress variations in the distribution of the secondary aggregation diameter of carbon black, and also to reduce the number of air bubbles. Therefore, in addition to the effects described in claim 6 or claim 7, a coating paste can be obtained that can form a more uniform microporous layer in which variations in the distribution of voids are suppressed.

請求項10の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、前記攪拌前に、分散剤、溶媒、カーボンブラック、及び撥水性樹脂の混合物を周速1m/s以上、周速20m/s以下でプレ攪拌する。このように、低シェアでプレ攪拌したのち、高シェアで拡散するものでは、プレ攪拌でカーボンブラックと溶媒との馴染みを良くでき、カーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑えることが可能である。したがって、請求項6または請求項7に記載の効果に加えて、空隙の分布のバラつきが抑制されたマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 10, before the stirring, a mixture of a dispersant, a solvent, carbon black, and a water-repellent resin is heated at a circumferential speed of 1 m/s or more. Pre-stir at a speed of 20 m/s or less. In this way, for products that are pre-stirred with low shear and then diffused with high shear, pre-stirring can improve the compatibility between carbon black and the solvent, and it is possible to suppress variations in the distribution of the secondary agglomerate diameter of carbon black. It is. Therefore, in addition to the effects described in claim 6 or 7, a coating paste can be obtained that can form a microporous layer in which variation in the distribution of voids is suppressed.

請求項11の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であるから、形成するマイクロポーラス層の硬化塗膜において樹脂分による接着性(結着性、バインダ効果)が良好でクラックが生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、請求項6または請求項7に記載の効果に加えて、塗膜強度とガスや水分の透過性とを両立したマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 11, since the carbon black and the water-repellent resin are in a weight ratio of 9/1 to 5/5, the formation In the cured coating film of the microporous layer, the adhesion (binding property, binder effect) due to the resin content is good, and cracks are less likely to occur, and the clogging of voids due to excessive resin content is suppressed. Therefore, in addition to the effects described in claim 6 or 7, a coating paste can be obtained that can form a microporous layer that has both coating film strength and gas and moisture permeability.

請求項12の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造法によれば、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であるから、ガス拡散層を構成する導電性多孔質基材への塗布時にペーストの裏抜け(ペーストの塗布面とは反対側の導電性多孔質基材の裏面側に抜ける現象)を抑制でき、かつ、所望の塗工幅で平滑性が良好なマイクロポーラス層の硬化塗膜を形成できて塗工性が良好なものとなる。よって、導電性多孔質基材の空隙率を低下させることなく、平滑なマイクロポーラス層が得られ触媒層への密着性を高めることができるから、請求項6または請求項7に記載の効果に加えて、ガス拡散層の性能をより良好に発揮できるマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 12, since the viscosity at a shear rate of 50 s -1 is within the range of 0.05 Pa.s to 1.0 Pa.s, gas diffusion is prevented. When applying the paste to the conductive porous base material that makes up the layer, it is possible to suppress paste strike-through (a phenomenon in which the paste escapes to the back side of the conductive porous base material on the opposite side from the applied surface), and to achieve the desired coating. It is possible to form a cured coating film of a microporous layer with good smoothness in the width of the coating, resulting in good coating properties. Therefore, a smooth microporous layer can be obtained without reducing the porosity of the conductive porous base material, and the adhesion to the catalyst layer can be improved. In addition, a coating paste can be obtained that can form a microporous layer that can better exhibit the performance of the gas diffusion layer.

図1は本発明の実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストを導電性多孔質基材に塗布して形成したガス拡散層を用いた固体高分子形燃料電池の概略構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the general configuration of a polymer electrolyte fuel cell using a gas diffusion layer formed by applying a coating paste for forming a microporous layer according to an embodiment of the present invention to a conductive porous base material. It is a diagram.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、実施の形態において、同一の記号及び同一の符号は、実施の形態中の同一または相当する機能部分を意味するものであるから、ここでは重複する詳細な説明を省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Note that in the embodiments, the same symbols and the same reference numerals mean the same or corresponding functional parts in the embodiments, and therefore, redundant detailed explanations will be omitted here.

[実施の形態]
まず、本実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストが塗布されマイクロポーラス層が形成された燃料電池用ガス拡散層が組み込まれる固体高分子形燃料電池(単セル)の構造について、図1の概略構成図を参照しながら説明する。なお、図中、アノード側をA、カソード側をKとする。
[Embodiment]
First, the structure of a polymer electrolyte fuel cell (single cell) in which a fuel cell gas diffusion layer in which a microporous layer is formed by applying the coating paste for forming a microporous layer according to the present embodiment is incorporated is shown in FIG. This will be explained with reference to a schematic configuration diagram of No. 1. In addition, in the figure, the anode side is designated as A, and the cathode side is designated as K.

図1に示すように、ガス拡散層14(カソード側ガス拡散層14K,アノード側ガス拡散層14A)は、白金、金、パラジウム等の貴金属触媒をカーボンで担持した触媒担持カーボン及びイオン交換樹脂からなり酸化ガスまたは燃料ガスが反応する触媒層13(カソード側触媒層13K,アノード側触媒層13A)と接合し、一体となって電極12(カソード電極12K,アノード電極12A)を構成する。そして、ガス拡散層14は、特定イオンを選択的に透過する高分子電解質膜11(単セルの芯)の両面に触媒層13と共に配設されて、膜/電極接合体(MEGA)10を構成する。
この膜/電極接合体10は、カソード側ガス拡散層14Kの外側において酸化剤となる酸化ガスを供給する酸化ガス流路21Kを設けたカソード側セパレータ20K、また、アノード側ガス拡散層14Aの外側において燃料ガスを供給する燃料ガス流路21Aを設けたアノード側セパレータ20Aに挟持され、燃料電池1の単セル(single cell)を形成している。
As shown in FIG. 1, the gas diffusion layer 14 (cathode side gas diffusion layer 14K, anode side gas diffusion layer 14A) is made of catalyst-supported carbon in which precious metal catalysts such as platinum, gold, palladium, etc. are supported on carbon and ion exchange resin. It is joined to the catalyst layer 13 (cathode side catalyst layer 13K, anode side catalyst layer 13A) with which oxidizing gas or fuel gas reacts, and together constitutes the electrode 12 (cathode electrode 12K, anode electrode 12A). The gas diffusion layer 14 is disposed together with the catalyst layer 13 on both sides of the polymer electrolyte membrane 11 (the core of the single cell) that selectively transmits specific ions, thereby forming a membrane/electrode assembly (MEGA) 10. do.
This membrane/electrode assembly 10 includes a cathode-side separator 20K provided with an oxidizing gas flow path 21K for supplying an oxidizing gas serving as an oxidizing agent on the outside of the cathode-side gas diffusion layer 14K, and also on the outside of the anode-side gas diffusion layer 14A. It is sandwiched between an anode-side separator 20A provided with a fuel gas flow path 21A for supplying fuel gas, thereby forming a single cell of the fuel cell 1.

即ち、本実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストを適用するガス拡散層14が使用される燃料電池1は、高分子電解質膜11の一方の表面に、酸素ガス等の酸化ガスが反応するカソード側触媒層13K及びカソード側ガス拡散層14Kにより構成されるカソード電極12Kを配設し、他方の表面に、水素ガス等の燃料ガスが反応するアノード側触媒層13A及びアノード側ガス拡散層14Aにより構成されるアノード電極12Aを配設して、発電部を構成する膜/電極接合体10と、膜/電極接合体10のカソード電極12Kの表面に配置されるカソード側セパレータ20K及び膜/電極接合体10のアノード電極12Aの表面に配置されるアノード側セパレータ20Aとから構成される。 That is, in the fuel cell 1 in which the gas diffusion layer 14 to which the coating paste for forming a microporous layer according to the present embodiment is applied is used, an oxidizing gas such as oxygen gas is present on one surface of the polymer electrolyte membrane 11. A cathode electrode 12K composed of a reacting cathode catalyst layer 13K and a cathode gas diffusion layer 14K is disposed, and an anode catalyst layer 13A and an anode gas diffusion layer are provided on the other surface, and an anode catalyst layer 13A and an anode gas diffusion layer are provided on the other surface. A membrane/electrode assembly 10 having an anode electrode 12A configured by a layer 14A and forming a power generation section, and a cathode side separator 20K and a membrane disposed on the surface of a cathode electrode 12K of the membrane/electrode assembly 10. /anode side separator 20A disposed on the surface of the anode electrode 12A of the electrode assembly 10.

ここで、本実施の形態に係るガス拡散層14(カソード側ガス拡散層14K,アノード側ガス拡散層14A)は、後述するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストを導電性多孔質基材16(カソード側導電性多孔質基材16K,アノード側導電性多孔質基材16A)の表面に塗布して乾燥・焼成することにより、マイクロポーラス層(微多孔質層)15(カソード側マイクロポーラス層15K,アノード側マイクロポーラス層15A)が導電性多孔質基材16(カソード側導電性多孔質基材16K,アノード側導電性多孔質基材16A)の片面に形成されてなるものである。
そして、これらマイクロポーラス層15及び導電性多孔質基材16からなるガス拡散層14は、そのマイクロポーラス層15側が触媒層13に隣接し、導電性多孔質基材16側がセパレータ20に隣接して配設するように組み込まれ、燃料電池1を構成する。
Here, in the gas diffusion layer 14 (cathode side gas diffusion layer 14K, anode side gas diffusion layer 14A) according to the present embodiment, a coating paste for forming a microporous layer, which will be described later, is applied to the conductive porous base material 16 (cathode side gas diffusion layer 14K, anode side gas diffusion layer 14A). The microporous layer (microporous layer) 15 (cathode side microporous layer 15K, The anode side microporous layer 15A) is formed on one side of the conductive porous base material 16 (cathode side conductive porous base material 16K, anode side conductive porous base material 16A).
The gas diffusion layer 14 composed of the microporous layer 15 and the conductive porous base material 16 has the microporous layer 15 side adjacent to the catalyst layer 13 and the conductive porous base material 16 side adjacent to the separator 20. The fuel cell 1 is assembled in such a manner that the fuel cell 1 is disposed therein.

このようなセル構成により、外部から酸化ガスがカソード側セパレータ20Kの酸化ガス流路21Kに供給されると、酸化ガス流路21Kに沿って流れる酸化ガスのうち、一部がカソード側ガス拡散層14Kの導電性多孔質基材16K側表面より内部へ浸入する。なお、その他の未反応の酸化ガスは、酸化ガス流路21Kに沿って流れ、燃料電池1の外部へ排出される。同様に、外部から燃料ガスがアノード側セパレータ20Aの燃料ガス流路21Aに供給されると、燃料ガス流路21Aに沿って流れる燃料ガスのうち、一部がアノード側ガス拡散層14Aの導電性多孔質基材16A側表面より内部へ浸入する。その他の未反応の燃料ガスは、そのまま燃料ガス流路21Aに沿って流れ、燃料電池1の外部へ排出される。そして、酸化ガス及び燃料ガスが反応することにより、カソード側セパレータ20Kとアノード側セパレータ20Aとの間で電力が取り出されることになる。なお、導電性多孔質基材16の表裏の両面に、マイクロポーラス層15を形成してもよい。 With such a cell configuration, when oxidizing gas is supplied from the outside to the oxidizing gas flow path 21K of the cathode-side separator 20K, a portion of the oxidizing gas flowing along the oxidizing gas flow path 21K reaches the cathode-side gas diffusion layer. It penetrates into the inside of the 14K conductive porous base material from the 16K side surface. Note that other unreacted oxidizing gas flows along the oxidizing gas flow path 21K and is discharged to the outside of the fuel cell 1. Similarly, when fuel gas is supplied from the outside to the fuel gas flow path 21A of the anode side separator 20A, part of the fuel gas flowing along the fuel gas flow path 21A is absorbed by the conductivity of the anode side gas diffusion layer 14A. It penetrates into the inside of the porous base material 16A side surface. Other unreacted fuel gas flows as it is along the fuel gas flow path 21A and is discharged to the outside of the fuel cell 1. Then, as the oxidizing gas and the fuel gas react, electric power is extracted between the cathode side separator 20K and the anode side separator 20A. Note that the microporous layer 15 may be formed on both the front and back surfaces of the conductive porous base material 16.

次に、このような構成の燃料電池1に組み込まれる燃料電池用ガス拡散層14(カソード側ガス拡散層14K,アノード側ガス拡散層14A)に適用されるマイクポーラス層15を形成するためのマイクロポーラス層形成用塗工ペーストについて説明する。 Next, a microporous layer 15 to be applied to the fuel cell gas diffusion layer 14 (cathode side gas diffusion layer 14K, anode side gas diffusion layer 14A) incorporated in the fuel cell 1 having such a configuration is prepared. The coating paste for forming a porous layer will be explained.

本実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペースト(以下、『MPL塗工ペースト』と略記する場合がある)は、導電性材料であるカーボンブラック、撥水性樹脂、溶媒、カーボンブラックや撥水性樹脂を分散させる分散剤等を含有するものである。 The coating paste for forming a microporous layer (hereinafter sometimes abbreviated as "MPL coating paste") of this embodiment includes carbon black, which is a conductive material, a water-repellent resin, a solvent, carbon black, and a water-repellent material. It contains a dispersant and the like to disperse the resin.

本実施の形態のMPL塗工ペーストに配合されるカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内、好ましくは、300ml/100g以上、480ml/100g以下の範囲内、より好ましくは、300ml/100g以上、450ml/100g以下の範囲内であるものである。こうした高DBP吸収量のカーボンブラックでは、その平均一次粒子径が、約25nm~45nmの範囲内であり、好ましくは、30nm~45nmの範囲内のものである。 The carbon black blended into the MPL coating paste of this embodiment has a DBP absorption of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less, preferably 300 ml/100 g or more and 480 ml/100 g or less, More preferably, it is within the range of 300 ml/100 g or more and 450 ml/100 g or less. Such high DBP absorption carbon black has an average primary particle size in the range of about 25 nm to 45 nm, preferably in the range of 30 nm to 45 nm.

カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が使用できるが、好ましくは、アセチレンブラックである。アセチレンブラックは、高ストラクチャのものが得られるうえ、高純度で金属等の不純物が少なく、また、表面官能基が少なく、更に、高結晶であることで、ガス拡散性や強度や導電性の高いマイクロポーラス層15(以下、『MPL15』と略記する場合がある)を形成できる。
なお、こうしたカーボンブラックは、一次粒子が鎖状に繋がったストラクチャ構造、即ち、一次粒子が融着したアグリゲート(一次凝集体)構造を形成しており、更に、アグリゲート同士がファンデルワールス力により結合したアグロメレート(二次凝集体)が凝集して、粉状または粒状の凝集体の構造として存在するものである。因みに、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックは、縮合ベンゼン環のπ電子の移動により導電性を発現するものである。
そして、カーボンブラックであれば、他のカーボンと比較しても低価格であるため、材料コストも低コストで済む。
As carbon black, furnace black, thermal black, acetylene black, Ketjen black, etc. can be used, but acetylene black is preferable. Acetylene black has a high structure, is highly pure, has few impurities such as metals, has few surface functional groups, and is highly crystalline, so it has high gas diffusivity, strength, and conductivity. A microporous layer 15 (hereinafter sometimes abbreviated as "MPL15") can be formed.
In addition, such carbon black has a structural structure in which primary particles are connected in a chain, that is, an aggregate structure in which the primary particles are fused together. Agglomerates (secondary aggregates) bonded together are aggregated and exist as a powder or granular aggregate structure. Incidentally, carbon blacks such as acetylene black and Ketjen black exhibit electrical conductivity through the movement of π electrons in their condensed benzene rings.
Furthermore, since carbon black is inexpensive compared to other carbons, the material cost can also be kept low.

また、MPL塗工ペーストに配合される撥水性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素系樹脂や、シリコーン樹脂等を使用できる。これらは1種を単独でまたは2種以上を適宜組み合わせて使用することが可能である。 In addition, examples of water-repellent resins to be added to the MPL coating paste include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer (FEP), perfluoroalkoxyfluororesin (PFA), Fluorine resins such as polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene/tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene/chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and silicone resins etc. can be used. These can be used alone or in an appropriate combination of two or more.

これらの中でも、撥水性及び電極反応時の耐食性等に優れるフッ素系の高分子材料が好ましく、特に、高い撥水性が得られるフッ素樹脂のPTFEが好ましい。撥水性樹脂としてのPTFEは、テトラフルオロエチレンの単独重合体であってもよく、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン等のハロゲン化オレフィン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)等の他のフッ素系単量体に由来する単位を含む変性PTFEであってもよい。 Among these, fluorine-based polymer materials are preferred because they have excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reactions, and PTFE, which is a fluororesin that provides high water repellency, is particularly preferred. PTFE as the water-repellent resin may be a homopolymer of tetrafluoroethylene, halogenated olefins such as chlorotrifluoroethylene and hexafluoropropylene, and other fluorine-based monomers such as perfluoro(alkyl vinyl ether). It may also be a modified PTFE containing units derived from.

また、撥水性樹脂は、平均分子量が5万~100万の範囲内であるものが好ましい。平均分子量が低すぎるものを使用した場合には、カーボンブラックの粒子を結合させるバインダとしての結着性が小さく、形成されるMPL15にクラックが発生しやすくなる。一方で、平均分子量の大きすぎるもの使用した場合には、他の原料と混合したときに繊維化して分散不良になり易くペーストの安定性が低下したり、攪拌時の剪断力により繊維化して固まり、濃度変化が生じたり、配管やポンプ、異物除去フィルタ等の目詰まりや塗膜の付着不良、表面不良を起こしたりする原因となる。なお、撥水性樹脂がフッ素系重合体である場合、フッ素系重合体は溶媒に溶解しにくいため、溶融粘度では平均分子量を測定しにくい。このため、比重と数平均分子量との関係から平均分子量を求める比重法が適用される。 Further, the water-repellent resin preferably has an average molecular weight within the range of 50,000 to 1,000,000. If a material having an average molecular weight that is too low is used, the binding property as a binder for binding carbon black particles will be low, and cracks will easily occur in the formed MPL 15. On the other hand, if a material with an average molecular weight that is too large is used, it tends to become fibrous when mixed with other raw materials, resulting in poor dispersion and reduce the stability of the paste, or it may become fibrous and harden due to the shearing force during stirring. This can cause concentration changes, clogging of piping, pumps, foreign matter removal filters, etc., poor adhesion of paint films, and surface defects. Note that when the water-repellent resin is a fluoropolymer, it is difficult to measure the average molecular weight using melt viscosity because the fluoropolymer is difficult to dissolve in a solvent. For this reason, the specific gravity method is applied to determine the average molecular weight from the relationship between specific gravity and number average molecular weight.

そして、通常、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂は、そのままでは水には分散しないため、適当な分散剤(界面活性剤)によって水中に分散させたもの、例えば、PTFEエマルジョン等のフッ素系樹脂等の撥水性樹脂が乳化されたエマルジョンや、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂が分散されたディスパージョン等の形態で配合される。即ち、組成物原料として混合する撥水性樹脂のエマルジョン等に予め分散剤が含まれている場合がある。 Generally, water-repellent resins such as fluororesins do not disperse in water as they are, so they can be dispersed in water using an appropriate dispersant (surfactant), such as fluororesins such as PTFE emulsion. It is formulated in the form of an emulsion in which a water-repellent resin is emulsified, or a dispersion in which a water-repellent resin such as a fluororesin is dispersed. That is, a dispersant may be included in advance in the water-repellent resin emulsion or the like that is mixed as a composition raw material.

因みに、エマルジョン(emulsion;「エマルション」ともいう。)とは、乳濁液ともいい、液体中に液体粒子がコロイド粒子或いはそれより粗大な粒子として乳状をなすもの(分散系)が本来の意味であるが(長倉三郎他編「岩波理化学辞典(第5版)」152頁,1998年2月20日株式会社岩波書店発行)、本明細書においては、より広い意味で一般的に用いられている「液体中に固体または液体の粒子が分散しているもの」として、ここでは「エマルジョン」という用語を用いるものとする。 Incidentally, an emulsion (also referred to as an "emulsion") is also called an emulsion, and its original meaning is a system in which liquid particles form a milky state as colloidal particles or coarser particles (a dispersion system). However, in this specification, it is generally used in a broader sense. The term "emulsion" is used here as "a substance in which solid or liquid particles are dispersed in a liquid."

また、本実施の形態のMPL塗工ペーストでは、カーボンブラックや撥水性樹脂等の配合材料を溶媒中で分散、安定化等させるための分散剤が使用される。この分散剤としては、例えば、ポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX-100等)、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキレンアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルエーテル等の非イオン系(ノニオン系)界面活性剤、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウムクロリド、アルキルピリジウムクロリド等のカチオン系界面活性剤、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、酸性基含有構造変性ポリアクリレート等のアニオン系界面活性剤といった界面活性剤や、ポリエチレンオキサイド系、メチルセルロース系、ヒドロキシエチルセルロース系、ポリエチレングリコール系(例えば、アルキルフェノールとポリエチレングリコールのエーテル類、高級脂肪族アルコールとポリエチレングリコールのエーテル類等)、ポリビニルアルコール系等の増粘剤を使用できる。 Further, in the MPL coating paste of this embodiment, a dispersant is used to disperse and stabilize compounding materials such as carbon black and water-repellent resin in a solvent. Examples of the dispersant include polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene alkylphenyl ether (Triton X-100, etc.), polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene distyrenated phenyl ether, polyoxyethylene alkylene alkyl ether , nonionic surfactants such as polyethylene glycol alkyl ether, cationic surfactants such as alkyltrimethylammonium salts, dialkyldimethylammonium chloride, alkylpyridium chloride, polyoxyethylene fatty acid ester, acidic group-containing structure Surfactants such as anionic surfactants such as modified polyacrylates, polyethylene oxide-based, methylcellulose-based, hydroxyethylcellulose-based, polyethylene glycol-based (for example, ethers of alkylphenols and polyethylene glycol, ethers of higher aliphatic alcohols and polyethylene glycol) etc.), polyvinyl alcohol-based thickeners, etc. can be used.

これらの中でも、非イオン系(ノニオン系)の界面活性剤は、金属イオンの含有量が少ないため、短絡等による電池性能の低下を招く恐れが少なくて好ましく、特に、カーボンブラックと撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを溶媒に分散させる場合には、これらカーボンブラック粒子やPTFE粒子の濡れ性を良くして分散性を高めるために、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX-100)等が好適に用いられる。
なお、MPL15に要求される特性や配合材料に応じて界面活性剤または増粘剤といった分散剤の種類が選択され、分散剤が分散性及び増粘性の両方の機能を有することもある。
更に、必要に応じて、粘度調整のためのポリビニルアルコール系等の増粘剤が配合される場合もある。
Among these, nonionic (nonionic) surfactants are preferable because they have a low content of metal ions and are less likely to cause deterioration in battery performance due to short circuits, etc., and are particularly suitable for carbon black and water-repellent resins. When dispersing a PTFE emulsion in a solvent, polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene alkyl is used to improve the wettability and dispersibility of these carbon black particles and PTFE particles. Phenyl ether (Triton X-100) and the like are preferably used.
Note that the type of dispersant such as a surfactant or a thickener is selected depending on the characteristics required for MPL15 and the compounded materials, and the dispersant may have both dispersing and thickening functions.
Furthermore, if necessary, a thickener such as polyvinyl alcohol may be added to adjust the viscosity.

本実施の形態のMPL塗工ペーストの溶媒としては、イオン交換水等の水系の溶媒が使用される。イオン交換水等の水系の溶媒であれば、有機系溶剤を使用した場合よりも、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂の分散性が良くて撥水性樹脂が分離することもなく、良好な成膜性が得られる。また、塗工や焼成の際の作業性が良く、発火の恐れもない。更に、環境負荷にもならず、低コストである。 As the solvent for the MPL coating paste of this embodiment, an aqueous solvent such as ion-exchanged water is used. When using an aqueous solvent such as ion-exchanged water, the dispersibility of water-repellent resins such as PTFE emulsion is better than when using organic solvents, and the water-repellent resin does not separate, resulting in good film-forming properties. is obtained. In addition, it has good workability during coating and firing, and there is no risk of ignition. Furthermore, it does not cause any environmental burden and is low cost.

こうした、本実施の形態のMPL塗工ペーストでは、固形分換算で、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックが、好ましくは55~90質量%、より好ましくは、70~85質量%、更に好ましくは、75~80質量%の範囲内、撥水性樹脂が、好ましくは、10~45質量%、より好ましくは、15~30質量%の範囲内、更に好ましくは、20~25質量%の範囲内、分散剤が、カーボンを100質量部に対し、好ましくは、5~30質量部、より好ましくは、8~20質量部、更に好ましくは、10~15質量部の範囲内で配合される。 In the MPL coating paste of the present embodiment, carbon black having a DBP absorption amount of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less in terms of solid content is preferably 55 to 90% by mass, more preferably is within the range of 70 to 85% by mass, more preferably 75 to 80% by mass, and the water repellent resin is preferably within the range of 10 to 45% by mass, more preferably 15 to 30% by mass, even more preferably is within the range of 20 to 25% by weight, and the dispersant is preferably 5 to 30 parts by weight, more preferably 8 to 20 parts by weight, even more preferably 10 to 15 parts by weight, based on 100 parts by weight of carbon. It is blended within the range of 50%.

そして、本実施の形態のMPL塗工ペーストは、溶媒と分散剤を混合し攪拌する分散剤混和・溶解工程と、分散剤が混和・溶解した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラック(通常、粉末または粒状)と、撥水性樹脂(通常、樹脂エマルジョンまたは樹脂ディスパージョン)とを混合し、それら混合物を薄膜旋回型攪拌機等により周速25m/s以上で攪拌する攪拌工程と、攪拌により配合材料が分散されたペーストを所定サイズのメッシュフィルタで濾過し、異物を取り除く濾過工程とを経て得られるものである。 The MPL coating paste of this embodiment includes a dispersant mixing/dissolving step in which a solvent and a dispersant are mixed and stirred, and a DBP absorption amount of 300 ml/100 g or more and 500 ml in a solvent in which the dispersant is mixed and dissolved. /100g or less of carbon black (usually powder or granules) and a water-repellent resin (usually resin emulsion or resin dispersion) are mixed, and the mixture is stirred at a circumferential speed of 25m/100g using a thin-film rotary stirrer or the like. It is obtained through a stirring step of stirring at a stirring speed of s or more, and a filtration step of filtering the paste in which the ingredients are dispersed by stirring through a mesh filter of a predetermined size to remove foreign substances.

即ち、本実施の形態においては、まず、分散剤と溶媒を混合し攪拌することにより、溶媒に分散剤を混和・溶解させる分散剤混和・溶解工程を実施する。このときの攪拌手段及び攪拌条件は、分散剤を溶媒に均一に混和、溶解できれば特に限定されず、例えば、水に可溶な分散剤であればスターラによる攪拌(例えば、回転数:100~1500rpm(回転/分)、攪拌時間:1分~15分程度の攪拌条件)で均一な溶液にできる。 That is, in this embodiment, first, a dispersant mixing/dissolving step is performed in which the dispersant is mixed and dissolved in the solvent by mixing and stirring the dispersant and the solvent. The stirring means and stirring conditions at this time are not particularly limited as long as the dispersant can be uniformly mixed and dissolved in the solvent. For example, if the dispersant is soluble in water, stirring with a stirrer (for example, rotation speed: 100 to 1500 rpm) (rotations/min) and stirring conditions (stirring time: about 1 to 15 minutes), a uniform solution can be obtained.

次に、分散剤が混和・溶解された溶媒に対し、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂とを混合し、薄膜旋回型攪拌機等で周速25m/s以上で攪拌する攪拌工程を実施する。
上記周速25m/s以上での攪拌工程では、例えば、ホモミクサ、ホモディスパ、ネオカイザ(登録商標)、ネオミクサ(登録商標)、薄膜旋回型高速ミキサ、ホモミキサ等の高速攪拌機によって攪拌翼先端部における周速を25m/s以上で攪拌する。
特に、薄膜旋回型攪拌機による攪拌は、薄膜旋回法と呼ばれ、撹拌機の槽内全体を高エネルギ状態の乱流状態とするものである。このような攪拌方法によれば、乱流状態とする旋回流で凝集粒子が槽壁面に押し付けられて壁面に沿って旋回運動を行い、このとき、タービンの回転と溶媒の液流によって薄く引き伸ばされた旋回薄膜が形成され、壁面に押し付けられる遠心力と旋回流で移動しようとする力とのせん断応力でカーボンブラックの凝集体が解砕されることになる。更に、このような薄膜旋回法による攪拌では、液滴界面の安定化等により二次凝集体の再凝集(フロキュレーション)は防止され、二次凝集体の解砕状態が安定化されたものとなる。簡単な工程で時間をかけずに高DBP吸収量のカーボンブラックを高分散させ、また、分散安定化することできる。なお、分散剤によっても、こうした強大なシェアリングにより微分散された二次凝集体の再凝集(フロキュレーション)を防止し、二次凝集体の解砕状態を安定化することが可能である。
Next, a water-repellent resin and carbon black whose DBP absorption amount is within the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less are mixed with the solvent in which the dispersant has been mixed and dissolved, and then mixed with a thin film swirl type stirrer or the like. A stirring step of stirring at a circumferential speed of 25 m/s or more is carried out.
In the above-mentioned stirring process at a circumferential speed of 25 m/s or more, the circumferential speed at the tip of the stirring blade is Stir at 25 m/s or more.
In particular, stirring using a thin film swirling type stirrer is called a thin film swirling method, and the entire interior of the tank of the stirrer is brought into a high-energy turbulent state. According to such a stirring method, the agglomerated particles are pressed against the tank wall surface by the swirling flow that creates a turbulent flow, and perform a swirling motion along the wall surface, and at this time, the particles are stretched thinly by the rotation of the turbine and the liquid flow of the solvent. A swirling thin film is formed, and the carbon black aggregates are broken up by the shear stress of the centrifugal force pressed against the wall and the force of the swirling flow. Furthermore, in stirring using such a thin film swirling method, re-agglomeration (flocculation) of secondary aggregates is prevented by stabilizing the droplet interface, etc., and the disintegration state of secondary aggregates is stabilized. becomes. Carbon black with a high DBP absorption amount can be highly dispersed and the dispersion can be stabilized with a simple process without taking much time. Furthermore, a dispersant can also prevent the re-agglomeration (flocculation) of the finely dispersed secondary aggregates due to such strong shearing and stabilize the crushed state of the secondary aggregates. .

薄膜旋回型攪拌機等での攪拌条件は、本発明者らの実験研究により、撹拌部の周速が遅過ぎる場合や攪拌時間が少なすぎる場合、カーボンブラックの凝集物が十分に解砕されないことで所定の目開きのメッシュフィルタを所定圧力条件下で通過させることが困難であることを確認したことから、攪拌部の周速を、25m/s以上とするのが好ましく、また、攪拌時間を、20秒以上とするのが好ましく、より好ましくは、25秒以上、更に好ましくは、30秒以上である。なお、周速の上限は、攪拌機の性能限界(最高周速)で有限値であり、60m/s程度であるが、本発明者らの実験研究によれば、周速50m/s以上でも所定の攪拌時間で所望とする粘度特性が得られることを確認している。特に、こうした薄膜旋回法による拡散では、周速や攪拌時間の条件によって、二次凝集径の制御も可能であり、MPL15の目的とする特性に応じて、カーボンブラックの二次凝集径を設計することも可能である。 The conditions for stirring using a thin film swirl type stirrer, etc., have been determined through experimental research by the present inventors.If the circumferential speed of the stirring section is too slow or the stirring time is too short, carbon black aggregates will not be sufficiently broken down. Since it has been confirmed that it is difficult to pass through a mesh filter with a predetermined opening under a predetermined pressure condition, it is preferable that the circumferential speed of the stirring section is 25 m/s or more, and the stirring time is The time is preferably 20 seconds or more, more preferably 25 seconds or more, and even more preferably 30 seconds or more. Note that the upper limit of the circumferential speed is a finite value at the performance limit (maximum circumferential speed) of the stirrer, and is approximately 60 m/s, but according to the experimental research of the present inventors, the specified value can be achieved even at a circumferential speed of 50 m/s or more. It has been confirmed that the desired viscosity characteristics can be obtained with a stirring time of . In particular, in diffusion using such thin film swirling method, it is possible to control the diameter of secondary agglomeration by changing the circumferential speed and stirring time conditions, and the diameter of secondary agglomeration of carbon black can be designed according to the desired characteristics of MPL15. It is also possible.

ここで、薄膜旋回型攪拌機等での攪拌時間が長すぎると、カーボンブラックの二次凝集径が細かくなってペーストの粘度の低下が大きくなり、ガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16へ塗布したときに、導電性多孔質基材16に浸透し厚みを通過する裏抜けが生じやすくなる。このため、多量の増粘剤の添加で粘度を上げる必要が生じる。しかし、多量の増粘剤を添加した場合には、ペースト塗布後の焼成・乾燥工程でその増粘剤を分解除去する負荷を増大させることになる。即ち、増粘剤は、焼成・乾燥工程の加熱で十分に分解されていないと、撥水性を悪くすることから、増粘剤を多量に添加した場合には、乾燥・焼成時間を長くとる必要が生じ、焼成・乾燥工程の負荷を増大させることになる。
攪拌部の周速を好ましくは、25m/s以上で、攪拌時間を、好ましくは、20秒~200秒、より好ましくは、25秒~150秒、更に好ましくは、30秒~100秒程度であれば、増粘剤の多量の添加を要することなく、せん断速度50S-1における粘度が0.05~1.0Pa・Sの範囲内の所望の粘度特性を得ることが可能である。
Here, if the stirring time using a thin film swirl type stirrer or the like is too long, the diameter of the secondary agglomeration of carbon black becomes fine and the viscosity of the paste decreases greatly, and the conductive porous base constituting the gas diffusion layer 14 When applied to the conductive porous base material 16, strike-through that penetrates the conductive porous base material 16 and passes through its thickness is likely to occur. Therefore, it becomes necessary to increase the viscosity by adding a large amount of thickener. However, when a large amount of thickener is added, the burden of decomposing and removing the thickener during the baking and drying steps after applying the paste increases. In other words, if the thickener is not sufficiently decomposed by heating during the baking and drying process, water repellency will deteriorate, so if a large amount of thickener is added, it is necessary to take longer drying and baking times. This results in an increase in the load on the firing and drying processes.
The peripheral speed of the stirring section is preferably 25 m/s or more, and the stirring time is preferably about 20 seconds to 200 seconds, more preferably 25 seconds to 150 seconds, and still more preferably about 30 seconds to 100 seconds. For example, it is possible to obtain desired viscosity characteristics within the range of 0.05 to 1.0 Pa·S at a shear rate of 50 S -1 without requiring the addition of a large amount of thickener.

そして、薄膜旋回法等により所定時間攪拌することによって、カーボンブラック製品に含まれる金属異物等を除去できる目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上をペーストが通過できるサイズにまでカーボンブラックの二次凝集体が解砕できればよい。但し、目の細かすぎるフィルタを通過させるサイズまで解砕しても、生産性が低下することから、上記攪拌によって、目開き34μm以上、目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、400メッシュ以下、好ましくは、目開き45μm以上、目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、300メッシュ以下、更に好ましくは、目開き45μm以上、目開き150μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、300メッシュ以下を通過できるサイズに分散できればよい。 Then, by stirring for a predetermined time using a thin film swirling method or the like, the carbon black is heated to a size that allows the paste to pass through a mesh with an opening of 154 μm or less, that is, 100 mesh or more, which can remove metal foreign substances contained in the carbon black product. It is sufficient if the secondary aggregates can be broken up. However, even if it is crushed to a size that allows it to pass through a filter that is too fine, productivity will decrease. Hereinafter, preferably a mesh with an opening of 45 μm or more and 154 μm or less, i.e., 100 mesh or more and 300 mesh or less, more preferably a mesh with an opening of 45 μm or more and 150 μm or less, i.e. 100 mesh or more, 300 mesh It is sufficient if it can be dispersed to a size that can pass through the mesh.

ところで、本発明を実施する場合には、必要に応じ、薄膜旋回型攪拌機等で攪拌する前にディスパ型またはタービン・ステータ型等の撹拌機で攪拌するプレ攪拌(プレ分散)を行っても良い。
薄膜旋回型攪拌機等で攪拌する前に、ディスパ型またはタービン・ステータ型の撹拌機等で攪拌することで、配合材料が粗分散され、薄膜旋回型攪拌機等での攪拌後のカーボンブラックにおいて二次凝集径の分布のバラつきを抑えること(粒度分布をシャープに整えること)や分散の安定化が可能であり、安定性が高くなり、また、MPL15において空隙の分布のバラつきを抑制して安定した性能、均一な拡散性を得ることが可能となる。これは、薄膜旋回型攪拌機等による高シェアリングでの攪拌前に、ディスパ型またはタービン・ステータ型等の撹拌機による低シェアリングでの攪拌を行うことで、カーボンブラックの濡れ(湿潤)性、カーボンブラックと水溶媒との馴染みが向上し、高シェアな攪拌による分散性を高めることができるためと考えられる。そして、ストラクチャが高発達したカーボンブラックであれば、比表面積も大きいことで水分が吸着しやすく、濡れやすいものとも推測できる。なお、分散剤によってもカーボンブラックの濡れ(湿潤)性を向上させることが可能である。
By the way, when carrying out the present invention, if necessary, pre-stirring (pre-dispersion) may be performed by stirring with a disper type or turbine stator type stirrer before stirring with a thin film swirl type stirrer or the like. .
By stirring with a disper type or turbine stator type stirrer, etc. before stirring with a thin film swirl type stirrer, etc., the compounded materials are roughly dispersed, and the secondary carbon black after stirring with a thin film swirl type stirrer etc. It is possible to suppress variations in the distribution of agglomerate diameters (sharply adjust the particle size distribution) and stabilize dispersion, resulting in higher stability, and also suppresses variations in the distribution of voids in MPL15, resulting in stable performance. , it becomes possible to obtain uniform diffusivity. This improves the wettability of carbon black by stirring at a low shear using a disper type or turbine stator type stirrer before stirring at a high shear using a thin film swirl type stirrer. This is thought to be because the compatibility between the carbon black and the water solvent is improved, and the dispersibility can be improved by high-shear stirring. It can also be assumed that carbon black with a highly developed structure has a large specific surface area, so it easily absorbs moisture and becomes wet. Note that it is also possible to improve the wettability of carbon black by using a dispersant.

因みに、ディスパ型の撹拌機は、ディスクタービンやディゾルバと呼ばれる高速攪拌翼を高速回転させることで、剪断力を発生させるものである。また、タービン・ステータ型の撹拌機は、高速で回転するタービン羽根(ホモミキサ―)とその周囲を取り巻くように形成され回転しないステーター(固定環)とから構成され、それらの隙間(クリアランス)で剪断力を与えるものであり、例えば、ホモミクサ、櫛歯型タービン・ステータ、インライン型(ケーシング内にタービン・ステータ型が装着されたもの)の撹拌機が使用できる。なお、ディスパ型とタービン・ステータ側が組み合わされた複合の撹拌機を使用してもよい。これらは何れも局所的なエネルギの投入で剪断力を発生させるものである。
特に、ディスパ型またはタービン・ステータ型の撹拌機であれば、攪拌脱泡できることにより気泡の少ない均一な塗膜を形成できるペーストを作製できる。
Incidentally, a disper-type stirrer generates shear force by rotating a high-speed stirring blade called a disk turbine or a dissolver at high speed. In addition, a turbine-stator type agitator consists of turbine blades (homo mixer) that rotate at high speed and a stator (fixed ring) that surrounds the turbine blades and does not rotate. For example, a homomixer, a comb-teeth turbine stator, or an in-line type (turbine stator type stirrer installed in a casing) type stirrer can be used. Note that a composite stirrer in which a disper type stirrer and a turbine stator side stirrer are combined may be used. All of these generate shearing force by applying local energy.
In particular, a disperser type or turbine stator type stirrer can produce a paste that can form a uniform coating film with few air bubbles by stirring and defoaming.

ディスパ型またはタービン・ステータ型の撹拌機等での攪拌条件は、周速1m/s以上、周速20m/s以下、好ましくは、周速10m/s以上、周速20m/s以下とする。このときの撹拌機の周速(回転数)が小さ過ぎる場合、カーボンブラック粒子の濡れ性を十分に向上させることができず、効果的にカーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑制することができない。一方、撹拌機の回転数が所定以上では、周速(回転数)や攪拌時間を大きくしすぎしても、空運転(ボルテックス)が生じ、濡れ性、分散性の向上効果に影響がなく撹拌機の負荷、エネルギ消費を大きくさせるだけである。上記範囲内であれば、生産性良く低エネルギ量で効果的にカーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑制することができる。
なお、これら攪拌によって泡が多量に発生する場合には、攪拌前または攪拌後に脱泡工程を設けてもよい。
The stirring conditions for the disper type or turbine stator type stirrer or the like are a circumferential speed of 1 m/s or more and a circumferential speed of 20 m/s or less, preferably a circumferential speed of 10 m/s or more and a circumferential speed of 20 m/s or less. If the peripheral speed (rotation speed) of the stirrer at this time is too low, the wettability of carbon black particles cannot be sufficiently improved, and variations in the distribution of secondary agglomerate diameters of carbon black can be effectively suppressed. I can't. On the other hand, if the rotation speed of the stirrer exceeds a certain level, even if the peripheral speed (rotation speed) or stirring time is increased too much, idle operation (vortex) will occur, and the effect of improving wettability and dispersibility will not be affected. This only increases the load and energy consumption of the machine. Within the above range, variations in the distribution of secondary agglomerate diameters of carbon black can be effectively suppressed with good productivity and low energy consumption.
Note that if a large amount of foam is generated by these stirrings, a defoaming step may be provided before or after the stirring.

そして、本実施の形態において、薄膜旋回型攪拌機で攪拌した後は、その攪拌後のペーストを、所定の目開きのメッシュフィルタで濾過することにより鉄分等の異物の除去を行う濾過工程を実施する。
この濾過工程では、攪拌後のペーストを、ラムプレス(加圧式押出装置)等を使用して目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上のフィルタに通す。これにより、ペーストの配合材料中に含まれた異物、特に、カーボンブラック製品に含まれ短絡を生じさせることで触媒層13の耐久性、電池1の寿命に悪影響を及ぼす鉄分等の金属異物が除去される。目の細かすぎるフィルタであると生産性が低下することから、好ましくは、目開き34μm以上、目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、400メッシュ以下、好ましくは、目開き45μm以上、目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、300メッシュ以下、更に好ましくは、目開き45μm以上、目開き150μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、300メッシュ以下のものであればよい。
In this embodiment, after stirring with the thin film swirl type stirrer, a filtration step is performed in which the stirred paste is filtered through a mesh filter with a predetermined mesh size to remove foreign substances such as iron. .
In this filtration step, the stirred paste is passed through a filter with a mesh opening of 154 μm or less, ie, 100 mesh or more, using a ram press (pressurized extrusion device) or the like. This removes foreign substances contained in the paste compounding materials, especially metal foreign substances such as iron contained in carbon black products that cause short circuits and adversely affect the durability of the catalyst layer 13 and the lifespan of the battery 1. be done. If the mesh is too fine, the productivity will decrease, so it is preferable to use a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less, i.e., 100 mesh or more and 400 mesh or less, preferably a filter with an opening of 45 μm or more, and a mesh with an opening of 45 μm or more. Any mesh with an opening of 154 μm or less, ie, 100 mesh or more and 300 mesh or less, more preferably a mesh with an opening of 45 μm or more and 150 μm or less, ie, 100 mesh or more and 300 mesh or less, is sufficient.

このとき、攪拌後のペーストのせん断速度50S-1における粘度が1.0Pa・Sを超えるものでは、異物を取り除くための細かいメッシュを通過させる際に圧力損失が大きくなり、生産性が低下する。このため、攪拌後のペーストのせん断速度50S-1における粘度が1.0Pa・Sを超えるものでは、所定のフィルタを通過させる前に、溶媒を添加してせん断速度50S-1における粘度が1.0Pa・S以下となるように減粘させる粘度調整を行うのが好ましい。より好ましくは、せん断速度50S-1における粘度が0.9Pa・S以下、更に好ましくは、0.5Pa・S以下に粘度調整する。 At this time, if the viscosity of the paste after stirring at a shear rate of 50 S -1 exceeds 1.0 Pa·S, pressure loss will increase when passing through a fine mesh for removing foreign matter, resulting in a decrease in productivity. Therefore, if the viscosity of the paste at a shear rate of 50 S -1 exceeds 1.0 Pa·S after stirring, a solvent may be added before passing through a predetermined filter to reduce the viscosity to 1.0 Pa·S at a shear rate of 50 S -1 . It is preferable to adjust the viscosity to reduce the viscosity to 0 Pa·S or less. More preferably, the viscosity at a shear rate of 50 S -1 is adjusted to 0.9 Pa.S or less, and even more preferably 0.5 Pa.S or less.

更には、MPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布した際のペーストの裏抜けを防止するために、導電性多孔質基材16に塗布するMPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度は、0.05Pa・S以上が好ましく、より好ましくは、0.1Pa・S以上である。
即ち、所定目開き(メッシュ)のフィルタを通過させたペーストについて、その粘度が低すぎると、ガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16へ塗布したときに、ペーストが導電性多孔質基材16に浸透し導電性多孔質基材16を通過して塗布面とは反対側の裏面に達する裏抜けが生じ、ペースト成分が導電性多孔質基材16の空隙を塞いでガスや水分の透過性を低下させることになる。
Furthermore, in order to prevent the paste from bleed-through when the MPL coating paste is applied to the conductive porous base material 16, the shear rate of the MPL coating paste applied to the conductive porous base material 16 is set to 50S -1 . The viscosity is preferably 0.05 Pa·S or more, more preferably 0.1 Pa·S or more.
That is, if the viscosity of the paste passed through a filter with a predetermined opening (mesh) is too low, the paste will become conductive porous when applied to the conductive porous base material 16 constituting the gas diffusion layer 14. A strike-through occurs that penetrates into the base material 16, passes through the conductive porous base material 16, and reaches the back surface opposite to the coated surface, and the paste component closes the voids in the conductive porous base material 16 and removes gas and moisture. This will reduce the permeability of

このため、所定目開き(メッシュ)のフィルタによる濾過後のペーストのせん断速度50S-1における粘度が0.05Pa・S未満である場合には、増粘剤の添加により、せん断速度50S-1における粘度が好ましくは、0.05Pa・S以上、1.0Pa・S以下の範囲内となるように粘度調整する。増粘剤の添加によってせん断速度50S-1における粘度を上昇させすぎると、MPL塗工ペーストの塗工性が低下するうえ、上述したように、増粘剤を分解するための焼成・乾燥工程の負荷を増大させることになるから、導電性多孔質基材16に塗布するMPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度は、0.05Pa・S以上、1.0Pa・S以下の範囲内とするのが好ましく、より好ましくは、0.1Pa・S以上、0.9Pa・S以下、更に好ましくは、0.1Pa・S以上、1.0Pa・S以下の範囲内である。 Therefore, if the viscosity of the paste at a shear rate of 50S -1 after filtration through a filter with a predetermined opening (mesh) is less than 0.05 Pa・S, by adding a thickener, The viscosity is preferably adjusted to be within the range of 0.05 Pa·S or more and 1.0 Pa·S or less. If the viscosity at a shear rate of 50 S -1 is increased too much by adding a thickener, the coatability of the MPL coating paste will decrease, and as mentioned above, the baking and drying steps to decompose the thickener will be difficult. Since this will increase the load, the viscosity of the MPL coating paste applied to the conductive porous substrate 16 at a shear rate of 50S -1 should be within the range of 0.05 Pa.S or more and 1.0 Pa.S or less. It is preferably within the range of 0.1 Pa·S or more and 0.9 Pa·S or less, and even more preferably 0.1 Pa·S or more and 1.0 Pa·S or less.

導電性多孔質基材16に塗布するMPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度が0.05Pa・S以上、1.0Pa・S以下の範囲内であれば、導電性多孔質基材16に塗布したときのペーストの裏抜けを防止して導電性多孔質基材16の良好な性能を発揮させることができ、かつ、焼成・乾燥工程の負荷を増大させることもなく、導電性多孔質基材16への塗工性(表面平滑性等)が良好であることで、触媒層13との密着性もよくてMPL15による良好な水分管理性、ガス拡散性が発揮される。なお、この目的とする粘度設定からすれば固形分率は変動することになる。 If the viscosity of the MPL coating paste applied to the conductive porous base material 16 at a shear rate of 50S -1 is within the range of 0.05 Pa·S or more and 1.0 Pa·S or less, the conductive porous base material 16 It is possible to prevent the paste from bleed-through when applied to the conductive porous base material 16, thereby exhibiting good performance of the conductive porous base material 16, and without increasing the load of the firing and drying process. Since the coatability to the substrate 16 (surface smoothness, etc.) is good, the adhesion to the catalyst layer 13 is also good, and MPL15 exhibits good moisture management properties and gas diffusivity. Note that the solid content will vary depending on the intended viscosity setting.

このようにして調製されたMPL塗工ペーストは、燃料電池1用のガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16の表面に塗布したのち、乾燥・焼成することで、MPL15を構成する硬化塗膜となる。そして、図1に示すように、ガス拡散層電極基材としての導電性多孔質基材16と、その片面側または両面側に形成した硬化塗膜のMPL15とによって燃料電池用電極のガス拡散層14を構成する。 The MPL coating paste prepared in this manner is applied to the surface of the conductive porous base material 16 that constitutes the gas diffusion layer 14 for the fuel cell 1, and then dried and fired to constitute the MPL 15. It becomes a hardened coating film. As shown in FIG. 1, the gas diffusion layer of the fuel cell electrode is formed by the conductive porous base material 16 as the gas diffusion layer electrode base material and the cured coating film MPL 15 formed on one or both sides of the conductive porous base material 16. 14.

ここで、本実施の形態のMPL塗工ペーストを塗布する導電性多孔質基材16としては、従来の燃料電池1(特に、固体高分子形燃料電池1)のガス拡散層14において一般的に用いられているもの、例えば、金属や黒鉛等の炭素材料(ナノカーボン材料を含む)が繊維状、粒子状、織布状、不織布状、メッシュ状、格子状、パンチング体、発泡体等の多孔質体の形態で構成されたものを用いることができ、ガス透過性と導電性を備える多孔質の基材が使用される。特に、ガス透過性等の観点から、カーボン繊維(炭素繊維、カーボン系繊維、カーボン系ファイバとも呼ばれる)が好ましく、黒鉛繊維等としてポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維等が使用される。基材の形態には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト(カーボン不織布)等のカーボン繊維シートが好適に使用される。これらは、燃料電池1の使用環境、運転条件等を考慮して選択される。こうした導電性多孔質基材16は、通常、10μm以上、100μm以下の範囲内に細孔径のピークを有する多孔体である。 Here, the conductive porous base material 16 to which the MPL coating paste of this embodiment is applied is generally used in the gas diffusion layer 14 of the conventional fuel cell 1 (particularly, the polymer electrolyte fuel cell 1). For example, carbon materials such as metals and graphite (including nanocarbon materials) are used in porous forms such as fibrous, particulate, woven fabric, nonwoven fabric, mesh, lattice, punched bodies, and foamed bodies. A material configured in the form of a solid body can be used, and a porous base material having gas permeability and electrical conductivity is used. In particular, from the viewpoint of gas permeability, carbon fibers (also called carbon fibers, carbon-based fibers, carbon-based fibers) are preferable, and examples of graphite fibers include polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, and rayon-based carbon fibers. Fibers, phenolic carbon fibers, etc. are used. Carbon fiber sheets such as carbon paper, carbon cloth, and carbon felt (carbon nonwoven fabric) are preferably used as the base material. These are selected in consideration of the usage environment, operating conditions, etc. of the fuel cell 1. Such a conductive porous base material 16 is usually a porous body having a peak pore diameter within a range of 10 μm or more and 100 μm or less.

なお、必要に応じて、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト等の導電性多孔質基材16には、ガス拡散層14の撥水性の向上等のために、撥水処理が施される。撥水処理する方法は、特に問われず、例えば、撥水剤を含むエマルション、ディスパージョン等に導電性多孔質基材16を浸漬したり、ダイコート、スプレーコート等によって導電性多孔質基材16に撥水剤を塗布する塗布したり、フッ素樹脂のスパッタリング等のドライプロセスにより加工したりすることで撥水処理を施すことができる。なお、撥水処理の後、必要に応じて乾燥、焼成を行っても良い。この撥水処理に使用する撥水剤としては、MPL塗工ペーストにも用いることができる上述した撥水性樹脂と同様のものが使用される。このときの撥水剤の量は特に限定されないが、撥水性と良好なガスの拡散経路、排水経路との両立の観点から、好ましくは、導電性多孔質基材16の全体100質量%中に0.1質量%~20質量%の範囲内とされる。 Note that, if necessary, the conductive porous base material 16 such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt is subjected to water repellent treatment in order to improve the water repellency of the gas diffusion layer 14 or the like. The method for water repellent treatment is not particularly limited, and for example, the conductive porous base material 16 may be immersed in an emulsion, dispersion, etc. containing a water repellent, or the conductive porous base material 16 may be treated with a water repellent by die coating, spray coating, etc. Water-repellent treatment can be performed by applying a water-repellent agent or processing by a dry process such as sputtering of fluororesin. Note that after the water repellent treatment, drying and baking may be performed as necessary. The water repellent used in this water repellent treatment is the same as the above-mentioned water repellent resin that can also be used in the MPL coating paste. The amount of water repellent at this time is not particularly limited, but from the viewpoint of achieving both water repellency and a good gas diffusion path and drainage path, it is preferably included in 100% by mass of the entire conductive porous base material 16. It is within the range of 0.1% by mass to 20% by mass.

燃料電池1用のガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16の厚さは、燃料電池1の運転条件等や求められる性能を考慮して設定されるが、導電性多孔質基材16が薄すぎると、強度が不足して安定的なガス拡散性、水分管理性、導電性等のガス拡散層14の性能が得られなくなったり、取扱い性(ハンドリング性)が悪く触媒層13との位置ずれが生じたりして、電池性能の低下を招く。また、導電性多孔質基材16が厚すぎても、抵抗の増大によりガス拡散性が低下し、高い電池性能を得ることができなくなる。このため、例えば、2μm以上、500μm以下、好ましくは、10μm以上、250μm以下、より好ましくは、70μm以上、150μm以下の厚みのものが使用される。 The thickness of the conductive porous base material 16 constituting the gas diffusion layer 14 for the fuel cell 1 is set in consideration of the operating conditions of the fuel cell 1 and the required performance. If the layer 16 is too thin, the strength may be insufficient and the performance of the gas diffusion layer 14 such as stable gas diffusion, moisture management, and electrical conductivity may not be obtained, and the ease of handling may be poor and the catalyst layer 13 and This may cause the position of the battery to shift, resulting in a decrease in battery performance. Furthermore, if the conductive porous base material 16 is too thick, gas diffusivity will decrease due to increased resistance, making it impossible to obtain high battery performance. For this reason, a thickness of, for example, 2 μm or more and 500 μm or less, preferably 10 μm or more and 250 μm or less, more preferably 70 μm or more and 150 μm or less is used.

また、本実施の形態のMPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布する塗布手段としては、刷毛塗り、筆塗り、ロールコータ法、バーコータ法、ダイコータ法、ブレード法、ナイフコータ法、スピンコータ法、スクリーン印刷、ロータリースクリーン印刷、カーテンコーティング法、ディップコータ法、スプレーコータ法、グラビアコータ法、アプリケータ、スプレー噴霧等がある。特に、ダイコータ法は、導電性多孔質基材16の表面粗さによらず塗工量の定量化を図ることができるため、好適であるが、必ずしもこれに限定されるものではない。 Further, as a coating method for applying the MPL coating paste of this embodiment to the conductive porous base material 16, brush coating, brush coating, roll coater method, bar coater method, die coater method, blade method, knife coater method, spin coater etc. method, screen printing, rotary screen printing, curtain coating method, dip coater method, spray coater method, gravure coater method, applicator, spray atomization, etc. In particular, the die coater method is suitable because the coating amount can be quantified regardless of the surface roughness of the conductive porous base material 16, but it is not necessarily limited thereto.

そして、本実施の形態のMPL塗工ペーストは、導電性多孔質基材16の表面に塗布し、乾燥・焼成を行い、溶媒を乾燥除去することにより、導電性多孔質基材16の表面にMPL15を形成するが、このときの乾燥・焼成の温度は、界面活性剤等の分散剤や増粘剤を分解して除去でき、かつ、撥水性樹脂を熱分解させない温度であればよく、例えば、250~400℃の範囲内で、5~20分間加熱処理される。
このときの乾燥・焼成温度が低すぎると、乾燥・焼成時間を長くしても、分散剤等を十分に熱分解、揮発させて除去することができず、分散剤が残存してそれらの親水性基によって水分が捕捉されるため、形成するガス拡散層14において十分な撥水性を発現できない。一方で、乾燥・焼成温度が高すぎる場合、撥水性樹脂等の塗膜成分が熱分解されてMPL15の成分が劣化したり、大きな温度変化によりMPL15の変形が大きくなって平滑性が低下したり、亀裂が生じたりすることで、所望の要求性能を満たすMPL15の形成が困難となる。更に、乾燥・焼成工程での負荷や自然環境に与える負荷が増え、製造コストも高くなる。所定の温度範囲での乾燥焼成により、MPL塗工ペーストに含まれ界面活性剤等の分散剤や増粘剤を除去し界面活性剤等の分散剤や増粘剤による撥水性の阻害を防止でき、また、撥水剤の溶融によりカーボンブラックを結着させ、所望強度のMPL15を形成することができる。
The MPL coating paste of this embodiment is applied to the surface of the conductive porous base material 16, dried and fired, and the solvent is removed by drying. MPL15 is formed, but the temperature for drying and baking at this time may be any temperature that can decompose and remove dispersants and thickeners such as surfactants, and that does not thermally decompose the water-repellent resin. For example, , heat-treated within the range of 250 to 400°C for 5 to 20 minutes.
If the drying and firing temperature at this time is too low, even if the drying and firing time is prolonged, the dispersant, etc. cannot be sufficiently thermally decomposed and volatilized to be removed, and the dispersant remains and becomes hydrophilic. Since moisture is captured by the chemical groups, the formed gas diffusion layer 14 cannot exhibit sufficient water repellency. On the other hand, if the drying/baking temperature is too high, coating film components such as water-repellent resin may be thermally decomposed and the components of MPL15 may deteriorate, or large temperature changes may increase the deformation of MPL15 and reduce smoothness. , cracks may occur, making it difficult to form an MPL 15 that satisfies the desired required performance. Furthermore, the load in the drying and firing process and the load on the natural environment increases, and the manufacturing cost also increases. By drying and baking in a specified temperature range, dispersants and thickeners such as surfactants contained in the MPL coating paste can be removed, and water repellency can be prevented from being inhibited by dispersants and thickeners such as surfactants. Furthermore, by melting the water repellent, carbon black can be bound to form an MPL 15 having a desired strength.

例えば、分散剤がポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX-100)等であれば、乾燥・焼成温度は250~350℃の範囲に設定される。当該範囲内であれば、分散剤等が十分に分解・揮発することで、発電効率に大きく影響を与えるガス拡散層14の重要特性である撥水性を確保できて所望特性のMPL15を形成でき、また、導電性多孔質基材16との良好な接合性を確保することができる。なお、こうした熱処理を伴う乾燥・焼成工程において、乾燥と焼成の順序は特に問われず、乾燥と焼成が同時に行われることもある。また、主に分散剤の分解除去を行うための熱処理と、主に撥水性樹脂の溶融による結着を行うための熱処理とで温度や時間条件を変え、各熱処理を分けて行うことも可能である。 For example, if the dispersant is polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene alkylphenyl ether (Triton X-100), etc., the drying/calcination temperature is set in the range of 250 to 350°C. Within this range, the dispersant and the like can be sufficiently decomposed and volatilized, thereby ensuring water repellency, which is an important characteristic of the gas diffusion layer 14 that greatly affects power generation efficiency, and forming an MPL 15 with desired characteristics. In addition, good bondability with the conductive porous base material 16 can be ensured. In addition, in the drying and baking process involving such heat treatment, the order of drying and baking is not particularly limited, and drying and baking may be performed simultaneously. It is also possible to perform each heat treatment separately by changing the temperature and time conditions for the heat treatment mainly for decomposing and removing the dispersant and the heat treatment mainly for binding by melting the water-repellent resin. be.

本実施の形態のMPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布するときの塗布膜厚は、燃料電池1の運転条件等やMPL15に要求される性能等を考慮して設定される。例えば、MPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布して乾燥・焼成した後の硬化塗膜の厚み、即ち、乾燥膜厚であるMPL15の厚みが、1~300μmの範囲内、好ましくは、10~100μmの範囲内となるように設定される。
MPL15の厚み(硬化塗膜の乾燥膜厚)が薄すぎると、触媒層13との界面に液膜が生じるのを抑制する効果が少なく、また、導電性多孔質基材16の凹凸を吸収したり、導電性多孔質基材16の繊維が電解質膜11に突き刺さるのを阻止したりする効果が得られない。一方で、MPL塗工ペースの塗布膜厚が厚すぎると、乾燥・焼成による収縮によって表面平滑性が低下しやすく、触媒層13との接触抵抗が増大し密着性の低下による水分管理性の低下や導電性の低下を招く。また、乾燥膜厚が厚すぎると、厚さ方向の電気抵抗が高くなり、更に、ガス拡散抵抗も増す。
The coating thickness when applying the MPL coating paste of this embodiment to the conductive porous base material 16 is set in consideration of the operating conditions of the fuel cell 1 and the performance required of the MPL 15. For example, the thickness of the cured coating film after applying the MPL coating paste to the conductive porous substrate 16, drying and baking, that is, the thickness of the dry film thickness of the MPL 15, is preferably within the range of 1 to 300 μm. is set within the range of 10 to 100 μm.
If the thickness of the MPL 15 (the dry film thickness of the cured coating film) is too thin, the effect of suppressing the formation of a liquid film at the interface with the catalyst layer 13 will be small, and the unevenness of the conductive porous base material 16 will not be absorbed. Moreover, the effect of preventing the fibers of the conductive porous base material 16 from penetrating the electrolyte membrane 11 cannot be obtained. On the other hand, if the coating film thickness of the MPL coating paste is too thick, the surface smoothness tends to decrease due to shrinkage due to drying and baking, and the contact resistance with the catalyst layer 13 increases, resulting in a decrease in moisture management due to a decrease in adhesion. This may lead to a decrease in conductivity. Furthermore, if the dry film thickness is too thick, the electrical resistance in the thickness direction will increase, and the gas diffusion resistance will also increase.

MPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布して乾燥・焼成した後の硬化塗膜の厚み、即ち、MPL15の乾燥膜厚が、1~300μmの範囲内であれば、表面平滑性の高いMPL15が得られ、良好なガスや水分の透過性、導電性の性能を確保できる。好ましくは、10~100μmの範囲内である。また、導電性多孔質基材16の厚みに対してMPL15の厚みが50%以下であるのが望ましい。厚みの差が適度な範囲内であれば、乾燥・焼成による導電性多孔質基材16とMPL15間における収縮応力が小さく、高い接合強度が得られる。また、ガス拡散層14全体の平滑性が高くなり触媒層13との接触抵抗が小さいものとなるから、触媒層13との良好な密着性により良好な水分管理性及び導電性が発揮される。 If the thickness of the cured coating film after applying the MPL coating paste to the conductive porous substrate 16, drying and baking, that is, the dry film thickness of the MPL 15, is within the range of 1 to 300 μm, the surface smoothness is determined. A high MPL of 15 can be obtained, and good gas and moisture permeability and conductivity performance can be ensured. Preferably, it is within the range of 10 to 100 μm. Further, it is desirable that the thickness of the MPL 15 is 50% or less of the thickness of the conductive porous base material 16. If the difference in thickness is within an appropriate range, the shrinkage stress between the conductive porous base material 16 and the MPL 15 due to drying and firing is small, and high bonding strength can be obtained. Further, the smoothness of the entire gas diffusion layer 14 is increased and the contact resistance with the catalyst layer 13 is reduced, so that good moisture management and conductivity are exhibited due to good adhesion with the catalyst layer 13.

このようにして導電性多孔質基材16にMPL塗工ペーストを塗布し、それらを乾燥・焼成することによって、MPL塗工ペースト中の分散剤や増粘剤及び溶媒(水分)が除去され、カーボンブラックが撥水性樹脂により結着されたMPL15としての硬化塗膜が導電性多孔質基材16上に形成される。このとき、MPL塗工ペーストが導電性多孔質基材16と共に乾燥焼成されることにより、MPL塗工ペースト中の撥水性樹脂の一部が溶融されてカーボンブラック同士を撥水性樹脂により結着すると共に、カーボンブラックと導電性多孔質基材16の炭素繊維等の導電性材料も結着することで、導電性多孔質基材16との接着性を良くし、形成されるMPL15を強固なものとする。 By applying the MPL coating paste to the conductive porous substrate 16 in this way, and drying and baking it, the dispersant, thickener, and solvent (moisture) in the MPL coating paste are removed. A cured coating film as MPL 15 in which carbon black is bound by a water-repellent resin is formed on the conductive porous substrate 16. At this time, the MPL coating paste is dried and fired together with the conductive porous base material 16, so that a part of the water-repellent resin in the MPL coating paste is melted, and the carbon blacks are bound together by the water-repellent resin. At the same time, by bonding the carbon black with a conductive material such as carbon fiber of the conductive porous base material 16, the adhesion with the conductive porous base material 16 is improved, and the formed MPL 15 is made stronger. shall be.

こうして、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するMPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布して乾燥・焼成することにより導電性多孔質基材16上に形成した硬化塗膜のMPL15は、カーボンブラック及び撥水性樹脂で構成され、細孔径が0.1~0.5μm程度の極微細な多孔質の層であり、カーボンブラックによる導電性を有し、また、撥水性樹脂による撥水性を有し、更に、細孔(空隙)により水分やガスの透過性を有するものである。 In this way, the MPL coating paste containing carbon black, water-repellent resin, dispersant, and solvent is coated on the conductive porous base material 16 and dried and fired. MPL15, the cured coating film formed in Also, it has water repellency due to the water repellent resin, and also has moisture and gas permeability due to the pores (voids).

そして、導電性多孔質基材16の表面にMPL塗工ペーストを塗布して、乾燥・焼成することにより、導電性多孔質基材16上にMPL15を形成してなる燃料電池用ガス拡散層14によれば、それが組み込まれた燃料電池1では、MPL15の存在によって隣接する触媒層13との境界で水分が溜り難くなり、ガス拡散性及び水分管理性が向上し発電性能が安定化する。また、MPL15の成分調節により、導電性多孔質基材16のみでは困難である電池の使用環境や運転条件等に応じた性能の細かな制御性を獲得できる。更に、MPL15によって導電性多孔質基材16の起伏を吸収して平滑な表面が得られる。即ち、導電性多孔質基材16の炭素繊維のほつれや毛羽立ちが触媒層13や高分子電解質膜11に突き刺さったり接触したりすることによる短絡(ショート)の発生をMPL15によって回避できる。 Then, an MPL coating paste is applied to the surface of the conductive porous base material 16, and the MPL 15 is formed on the conductive porous base material 16 by drying and baking. According to , in the fuel cell 1 incorporating the MPL 15, the presence of the MPL 15 makes it difficult for moisture to accumulate at the boundary with the adjacent catalyst layer 13, improving gas diffusivity and moisture management, and stabilizing power generation performance. Further, by adjusting the components of the MPL 15, it is possible to obtain fine controllability of performance in accordance with the usage environment, operating conditions, etc. of the battery, which is difficult with the conductive porous base material 16 alone. Furthermore, the MPL 15 absorbs the undulations of the conductive porous base material 16 to obtain a smooth surface. That is, the MPL 15 can prevent short circuits caused by fraying or fuzzing of the carbon fibers of the conductive porous base material 16 penetrating or coming into contact with the catalyst layer 13 or the polymer electrolyte membrane 11.

特に、本実施の形態のMPL塗工ペーストによれば、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内である高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、ペーストの粘度上昇が抑えられて、導電性多孔質基材16の表面に対し所望とする幅広な塗布幅で塗布できて塗工スジが生じ難く良好な塗工性が得られ、生産性もよい。更に、本実施の形態のMPL塗工ペーストから形成されたMPL15は、塗工スジ等の凹凸や起伏が少なくて表面平滑性が良く、触媒層13との密着性が良いものとなり、触媒層13への食い込みも少なくて機械的ストレスを与え難いものである。また、周速25m/s以上の薄膜旋回法等による高シェア分散で高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであることで、凝集体の再凝集が生じ難く保存安定性も良いものである。 In particular, according to the MPL coating paste of this embodiment, secondary aggregates of carbon black with a high DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g are crushed. Because of this, the increase in viscosity of the paste is suppressed, and the desired wide coating width can be applied to the surface of the conductive porous substrate 16, and coating streaks are less likely to occur and good coating properties are obtained, which improves productivity. Sex is also good. Furthermore, the MPL 15 formed from the MPL coating paste of this embodiment has less unevenness and undulations such as coating streaks, has good surface smoothness, and has good adhesion to the catalyst layer 13. There is little biting into the material, so it is difficult to apply mechanical stress. In addition, secondary aggregates of carbon black with a high DBP absorption amount are broken up by high shear dispersion using a thin film swirling method at a circumferential speed of 25 m/s or more, so the aggregates are less likely to re-agglomerate and can be stored. Stability is also good.

そして、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、形成されたMPL15は空隙率(気孔率)が高く、また、空隙を均一に分布でき、高ストラクチャによるガスや水分の通路の形成により、ガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。よって、フラッティング(MPL内に生成水の溜りが生じる現象)が生じ難くなり、フラッティングによるガス拡散性の阻害が防止され、また、触媒層13との境界で溜まった水分が凍結することによるガス拡散性の阻害やMPL15の劣化が防止され、電池出力の安定化を図ることができる。 Since the carbon black with high DBP absorption has a high porosity due to its high structure, the formed MPL15 has a high porosity (porosity), and the pores can be uniformly distributed, allowing gas and moisture to be absorbed due to the high structure. By forming the passages, it is possible to improve the diffusion and drainage of gas and moisture. Therefore, flatting (a phenomenon in which generated water accumulates in the MPL) is less likely to occur, and gas diffusivity is prevented from being inhibited by flatting, and moisture accumulated at the boundary with the catalyst layer 13 is prevented from freezing Obstruction of gas diffusibility and deterioration of MPL 15 are prevented, and battery output can be stabilized.

また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15において良好な表面平滑性を確保できるうえ、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15の形成により、そのMPL15は、水分が溜り難くて、即ち、フラッティングが生じ難くて、安定した排水性やガス拡散性が得られ、また、塗膜の欠落も生じが難く耐久性も良好なものとなる。触媒層13との密着性が良いことで、接触面での接触抵抗を少なくすることもでき、また、クラックが生じ難く導電性を良好に発揮できるから、発電効率も良くできる。更に、スタッキングのセパレータからの締圧力に耐え得るものであり、セパレータからの締圧力によっても空隙が潰れ難いものでもある。
したがって、空隙率の高いMPL15を形成でき、MPL15のガスや水分の透過性を向上させることが可能であり、MPL15が形成されるガス拡散層14のガス拡散性や水分管理性の性能向上を図ることが可能である。
In addition, carbon black with DBP absorption within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration diameter that allows it to pass through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). Due to the good coating properties of the paste, good surface smoothness can be ensured in MPL15, and it is also possible to achieve both high porosity and coating film strength that does not easily cause cracks. Therefore, by forming the MPL 15 which has a high porosity but has good surface smoothness, is less prone to cracking, and has good adhesion to the catalyst layer 13, the MPL 15 is less likely to accumulate moisture, that is, less likely to cause flatting. As a result, stable drainage properties and gas diffusion properties can be obtained, and the coating film is less likely to be chipped and has good durability. By having good adhesion with the catalyst layer 13, the contact resistance at the contact surface can be reduced, and since cracks are less likely to occur and good conductivity can be exhibited, power generation efficiency can also be improved. Furthermore, it is able to withstand the clamping force from the separators of stacking, and the gaps are not easily crushed even by the clamping force from the separators.
Therefore, it is possible to form an MPL 15 with a high porosity and to improve the gas and moisture permeability of the MPL 15, thereby improving the performance of gas diffusion and moisture management of the gas diffusion layer 14 in which the MPL 15 is formed. Is possible.

そして、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層13の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、歩留まりもよく、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)のフィルタによる濾過で鉄分等の異物の除去できることで、電池の耐久性、寿命を低下させ難いものとなる。 Carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that allows it to pass through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). Since it is of a size that can pass through a fine mesh filter that makes it possible to remove foreign substances such as iron that affect the durability and life of the catalyst layer 13 that performs the battery reaction, the yield is good and the mesh opening is 34 μm or more. By filtering with a filter having a mesh size of 154 μm or less (100 mesh or more, 400 mesh or less), foreign substances such as iron can be removed, making it difficult to reduce the durability and life of the battery.

次に、本実施の形態に係るMPL塗工ペーストの実施例、また、本実施の形態のMPL塗工ペーストを用いて作製した燃料電池用ガス拡散層(ガス拡散電極)14の実施例について、比較例と共に説明する。
本実施例及び比較例のMPL塗工ペーストは、カーボンブラック、撥水性樹脂、分散剤、及び溶媒を配合したものである。
Next, regarding an example of the MPL coating paste according to the present embodiment, and an example of the gas diffusion layer (gas diffusion electrode) 14 for a fuel cell manufactured using the MPL coating paste of the present embodiment, This will be explained along with a comparative example.
The MPL coating pastes of Examples and Comparative Examples contain carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent.

カーボンブラックとしては、アセチレンブラック(例えば、電気化学工業(株)製の「デンカブラック(登録商標)」)を用い、撥水性樹脂としては、フッ素樹脂であるPTFEのエマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D-210C[固形分(樹脂分)61%])を用い、分散剤としては、界面活性剤のトリトンX-100を用い(カーボン比で10%の配合)、溶媒としては、イオン交換水を用いた。なお、PTFEエマルジョンには、撥水性樹脂としてのPTFE微粒子を安定化させるための非イオン系界面活性剤(分散剤)も含まれているものである。 As the carbon black, acetylene black (for example, "Denka Black (registered trademark)" manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was used, and as the water-repellent resin, an emulsion of PTFE, a fluororesin (manufactured by Daikin Industries, Ltd.) was used. : POLYFLON PTFE D-210C [solid content (resin content) 61%]), the surfactant Triton X-100 was used as the dispersant (10% carbon ratio), and the solvent was ion Exchange water was used. Note that the PTFE emulsion also contains a nonionic surfactant (dispersant) for stabilizing the PTFE fine particles as a water-repellent resin.

Figure 2024005571000002
Figure 2024005571000002

各実施例及び比較例においては、まず、溶媒と分散剤を混合し、スターラを使用して攪拌速度300rpmで10分程度攪拌し、溶媒に分散剤を溶解させた(分散剤混和・溶解工程)。次に、分散剤が溶解した溶媒に、表1に示した所定のカーボンブラックと、PTFEのエマルジョンとを混合し、タービン・ステータ型の高速攪拌機であるホモミクサー(プライミクス株式会社製の「ホモミクサーMARK II 2.5型」)を使用して30
00rpmで30分程度攪拌した後、薄膜旋回式高速攪拌機であるフィルミックスR(プライミクス株式会社製の「フィルミックスR56-L型」)を使用して、表1に示した所定の条件で攪拌した(攪拌工程)。
In each Example and Comparative Example, first, the solvent and the dispersant were mixed and stirred using a stirrer at a stirring speed of 300 rpm for about 10 minutes to dissolve the dispersant in the solvent (dispersant mixing/dissolving step). . Next, the specified carbon black shown in Table 1 and the PTFE emulsion are mixed into the solvent in which the dispersant is dissolved, and the mixture is mixed with a homomixer, which is a turbine stator type high-speed stirrer ("Homomixer MARK II" manufactured by Primix Co., Ltd.). 2.5 type) using 30
After stirring at 00 rpm for about 30 minutes, the mixture was stirred under the predetermined conditions shown in Table 1 using Filmix R ("Filmix R56-L type" manufactured by Primix Co., Ltd.), which is a thin film rotating high-speed stirrer. (Stirring process).

実施例1乃至実施例4、実施例7、比較例1及び比較例2では、薄膜旋回法による攪拌後のペーストの粘度を測定し、せん断速度50S-1における粘度が0.5Pa・s以下の範囲内であるペーストについては、そのまま粘度調整を行うことなく、ラムプレス機を使用して0.45MPaの圧力下(押圧力)で目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタを通過させることで鉄異物等を除去するためのフィルタ濾過を行った(濾過工程)。更に、フィルタ通過後のペースト粘度を測定して、せん断速度50S-1における粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のものについてはそれがそのまま仕上がり粘度のMPL塗工ペーストとされ、0.1Pa・s未満のものについては増粘剤を添加して、仕上がり粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内となるように粘度調整し、仕上がり粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のMPL塗工ペーストを得た。 In Examples 1 to 4, Example 7, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, the viscosity of the paste after stirring by the thin film swirling method was measured, and the viscosity at a shear rate of 50S -1 was 0.5 Pa・s or less. For pastes within this range, without adjusting the viscosity, they are passed through a filter with a mesh opening of 45 μm (300 mesh) using a ram press machine under a pressure of 0.45 MPa (pressing force). Filter filtration was performed to remove foreign substances and the like (filtration step). Furthermore, the viscosity of the paste after passing through the filter is measured, and if the viscosity at a shear rate of 50S -1 is within the range of 0.1 Pa・s or more and 0.5 Pa・s or less, it is used as it is for MPL coating with the finished viscosity. If the paste is less than 0.1 Pa・s, a thickener is added to adjust the viscosity so that the finished viscosity is within the range of 0.1 Pa・s or more and 0.5 Pa・s or less. An MPL coating paste with a viscosity of 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less was obtained.

一方、薄膜旋回法による攪拌後のペーストの粘度が、せん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sを超えたものについては、溶媒(イオン交換水)を添加して粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内となるように粘度調整してから、ラムプレス機を使用して0.45MPaの圧力下(押圧力)で目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタを通過させることで鉄異物等を除去するためのフィルタ濾過を行った(濾過工程)。更に、フィルタ通過後のペースト粘度を測定して、上述と同様、せん断速度50S-1における粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のものについてはそれがそのまま仕上がり粘度のMPL塗工ペーストとされ、0.1Pa・s未満のものについては増粘剤を添加して、仕上がり粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内となるように粘度調整し、仕上がり粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のMPL塗工ペーストを得た。 On the other hand, if the viscosity of the paste after stirring by the thin film swirling method exceeds 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 , a solvent (ion-exchanged water) may be added to reduce the viscosity to 0.1 Pa·s. After adjusting the viscosity so that it is within the range of s or more and 0.5 Pa・s or less, use a ram press machine to apply a filter with a mesh opening of 45 μm (300 mesh) under a pressure of 0.45 MPa (pressing force). was passed through a filter to remove iron foreign substances, etc. (filtration step). Furthermore, the viscosity of the paste after passing through the filter is measured, and as mentioned above, if the viscosity at a shear rate of 50S -1 is within the range of 0.1 Pa・s or more and 0.5 Pa・s or less, it is used as the finished viscosity. MPL coating paste is used, and if it is less than 0.1 Pa・s, a thickener is added to adjust the viscosity so that the finished viscosity is within the range of 0.1 Pa・s or more and 0.5 Pa・s or less. An MPL coating paste with a finished viscosity of 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less was obtained.

実施例5については、薄膜旋回法による攪拌後、ラムプレス機を使用して0.45MPaの圧力下(押圧力)で目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタを通過させて鉄異物等を除去するためのフィルタ濾過を行った(濾過工程)後に、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.05Pa・sとなるように溶媒を添加し、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.05Pa・sとしたMPL塗工ペーストを得た。
実施例6については、薄膜旋回法による攪拌後、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で1.0Pa・sとなるように増粘剤を添加してから、ラムプレス機を使用して0.45MPaの圧力下(押圧力)で目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタを通過させて鉄異物等を除去するためのフィルタ濾過を行い(濾過工程)、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で1.0Pa・sとしたMPL塗工ペーストを得た。
Regarding Example 5, after stirring by the thin film swirling method, iron foreign substances etc. were removed by passing through a filter with a mesh opening of 45 μm (300 mesh) under a pressure of 0.45 MPa (pressing force) using a ram press machine. After performing filter filtration (filtration step), a solvent is added so that the finished viscosity is 0.05 Pa s at a shear rate of 50 S -1 , and the finished viscosity is at a shear rate of 50 S -1 . An MPL coating paste with a pressure of 0.05 Pa·s was obtained.
In Example 6, after stirring by the thin film swirling method, a thickener was added so that the finished viscosity was 1.0 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 , and then 0.0 Pa·s was added using a ram press machine. Filtration was performed under a pressure of 45 MPa (pressing force) to remove iron foreign substances by passing through a filter with a mesh opening of 45 μm (300 mesh) (filtration process), and the finished viscosity was determined at a shear rate of 50 S -1. An MPL coating paste with a viscosity of 1.0 Pa·s was obtained.

ここで、実施例1乃至実施例6では、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンブラックA(電気化学工業(株)製の「デンカブラックLi-250」、平均一次粒子径:37nm、比表面積:58m2/g、ヨウ素吸着量:82mg/g)(以下、「カーボンA」と略記する)を使用してMPL塗工ペーストを作製した。 Here, in Examples 1 to 6, carbon black A (“Denka Black Li-250” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) with a DBP absorption amount of 315 ml/100 g, average primary particle diameter: 37 nm, specific surface area: 58 m 2 /g, iodine adsorption amount: 82 mg/g) (hereinafter abbreviated as "carbon A") to prepare an MPL coating paste.

実施例1は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン//フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例1に係るMPL塗工ペーストにおいては、カーボンブラック、フッ素樹脂、分散剤等の固形分比率が15%のものである。
実施例2は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速50m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.1Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例2に係るMPL塗工ペーストの固形分比率も15%である。
実施例3は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を5/5とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで100秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.1Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例3に係るMPL塗工ペーストの固形分比率も15%である。
In Example 1, carbon A with a DBP absorption amount of 315 ml/100 g was used, the blending ratio of carbon/fluororesin (solid content) was 9/1, and stirring by the thin film swirling method was performed at a circumferential speed of 25 m/s. The MPL coating paste was stirred for 30 seconds and had a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . In addition, in the MPL coating paste according to Example 1, the solid content ratio of carbon black, fluororesin, dispersant, etc. is 15%.
In Example 2, carbon A with a DBP absorption amount of 315 ml/100 g was used, the blending ratio of carbon/fluororesin (solid content) was 9/1, and stirring by the thin film swirling method was performed at a circumferential speed of 30 m/s. This is an MPL coating paste that is stirred for seconds and has a finished viscosity of 0.1 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . Note that the solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 2 is also 15%.
In Example 3, carbon A with a DBP absorption amount of 315 ml/100 g was used, the blending ratio of carbon/fluororesin (solid content) was 5/5, and stirring by the thin film swirling method was performed at a circumferential speed of 25 m/s. This is an MPL coating paste that is stirred for seconds and has a finished viscosity of 0.1 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . Note that the solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 3 is also 15%.

実施例4は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を5/5とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例4に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は20%である。 In Example 4, carbon A with a DBP absorption amount of 315 ml/100 g was used, the blending ratio of carbon/fluororesin (solid content) was 5/5, and stirring by the thin film swirling method was performed at a circumferential speed of 30 m/s. This is an MPL coating paste that is stirred for seconds and has a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . Note that the solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 4 is 20%.

実施例5は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度をせん断速度50S-1における粘度で0.05Pa・sとしたMPL塗工ペーストである。なお、実施例5に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は12%である。
実施例6は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度をせん断速度50S-1における粘度で1.0Pa・sとしたMPL塗工ペーストである。なお、実施例6に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は15%である。
In Example 5, carbon A with a DBP absorption amount of 315 ml/100 g was used, the blending ratio of carbon/fluororesin (solid content) was 9/1, and stirring by the thin film swirling method was performed at a circumferential speed of 30 m/s. This is an MPL coating paste that was stirred for seconds to give a finished viscosity of 0.05 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . Note that the solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 5 is 12%.
In Example 6, carbon A with a DBP absorption amount of 315 ml/100 g was used, the blending ratio of carbon/fluororesin (solid content) was 9/1, and stirring by the thin film swirling method was performed at a circumferential speed of 30 m/s. This is an MPL coating paste that was stirred for seconds to give a finished viscosity of 1.0 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . Note that the solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 6 is 15%.

更に、実施例7では、DBP吸収量が425ml/100gのカーボンブラックB(電気化学工業(株)製の「デンカブラックLi-100」、平均一次粒子径:35nm、比表面積:68m2/g、ヨウ素吸着量:92mg/g))(以下、「カーボンB」と略記する)を使用してMPL塗工ペーストを作製した。
実施例7は、DBP吸収量が425ml/100gのカーボンBを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例7に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は8%である。
Furthermore, in Example 7, carbon black B (“Denka Black Li-100” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) with a DBP absorption amount of 425 ml/100 g, average primary particle diameter: 35 nm, specific surface area: 68 m 2 /g, An MPL coating paste was prepared using iodine adsorption amount: 92 mg/g) (hereinafter abbreviated as "carbon B").
In Example 7, carbon B with a DBP absorption amount of 425 ml/100 g was used, the blending ratio of carbon/fluororesin (solid content) was 9/1, and stirring by the thin film swirling method was performed at a circumferential speed of 30 m/s. This is an MPL coating paste that is stirred for seconds and has a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . Note that the solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 7 is 8%.

一方、比較例1においては、DBP吸収量が220ml/100gのカーボンブラックC(電気化学工業(株)製の「デンカブラックLi-400」、平均一次粒子径:48nm、比表面積:39m2/g、ヨウ素吸着量:52mg/g))(以下、「カーボンC」と略記する)を使用してMPL塗工ペーストを作製した。
比較例1は、DBP吸収量が220ml/100gのカーボンCを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法によるによる攪拌では、周速10m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、比較例1に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は13%である。
On the other hand, in Comparative Example 1, carbon black C (“Denka Black Li-400” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) with a DBP absorption amount of 220 ml/100 g, average primary particle diameter: 48 nm, specific surface area: 39 m 2 /g , iodine adsorption amount: 52 mg/g) (hereinafter abbreviated as "carbon C") to prepare an MPL coating paste.
Comparative Example 1 uses carbon C with a DBP absorption of 220 ml/100 g, the blending ratio of carbon/fluororesin (solid content) is 9/1, and stirring by the thin film swirling method is performed at a circumferential speed of 10 m/s. The MPL coating paste was stirred for 30 seconds and had a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . Note that the solid content ratio of the MPL coating paste according to Comparative Example 1 is 13%.

また、比較例2においては、DBP吸収量が510ml/100gのカーボンD(電気化学工業(株)製の「デンカブラックLi-435」、平均一次粒子径:23nm、比表面積:133m2/g、ヨウ素吸着量:180mg/g))(以下、「カーボンD」と略記する)を使用してMPL塗工ペーストを作製した。
この比較例2は、DBP吸収量が510ml/100gのカーボンDを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を5/5とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速10m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、比較例2に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は13%である。
In addition, in Comparative Example 2, carbon D (“Denka Black Li-435” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) with a DBP absorption amount of 510 ml/100 g, average primary particle diameter: 23 nm, specific surface area: 133 m 2 /g, An MPL coating paste was prepared using iodine adsorption amount: 180 mg/g) (hereinafter abbreviated as "Carbon D").
In this comparative example 2, carbon D with a DBP absorption amount of 510 ml/100 g was used, the blending ratio of carbon/fluororesin (solid content) was 5/5, and the stirring by the thin film swirling method was performed at a circumferential speed of 10 m/s. The MPL coating paste was stirred for 30 seconds and had a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . Note that the solid content ratio of the MPL coating paste according to Comparative Example 2 is 13%.

なお、上記カーボンブラックのDBP吸収量(ml/100g)は、JIS K 6217-4に準拠し、S-500吸収量測定装置(あさひ総研社製)を用いて、カーボンブラックにDBP(フタル酸ジブチル)を添加したときの粘度特性の変化によって発生するトルクを検出し、最大トルクの70%時のDBP添加量を試料100g当たりに換算して求めたものである。
また、上記粘度は、E型粘度計(東機産業製)を使用して測定したものである。
The DBP absorption amount (ml/100g) of the above carbon black is determined based on JIS K 6217-4 using an S-500 absorption measuring device (manufactured by Asahi Souken Co., Ltd.). ) was detected, and the amount of DBP added at 70% of the maximum torque was calculated per 100 g of sample.
Further, the above viscosity was measured using an E-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo).

ここで、各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストについて、鉄異物等を除去するための所定のフィルタに対する通過性の評価を行った。各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストは、上述したように、ラムプレス機を使用して目開き45μmの300メッシュのフィルタに対して0.45MPaの押圧力で押出して通過させたものであるが、そのときの0.45MPaの押出圧力で目開き45μmの300メッシュのフィルタを全く変形させることなく通過させることができたMPL塗工ペーストについては、カーボンブラックの凝集物(凝集粒子)によるフィルタの目詰まりが抑制されており、カーボンブラック製品に含有する鉄異物等を除去するための細かい目のフィルタを容易に通過できて生産性が良好であり、また、導電性多孔質基材16に塗布する際の粘度特性(流動特性)も良くて、平滑性が良好な塗工性が得られるものとして◎の評価とし、MPL塗工ペーストの押出の際に、フィルタがやや変形したものについては〇と評価し、フィルタが破れたものは、生産性の低下、鉄異物等の除去率が低下することから×と評価した。このときの評価結果は表1の下段に示した通りである。 Here, the MPL coating pastes of each example and comparative example were evaluated for their permeability through a predetermined filter for removing iron foreign matter and the like. As mentioned above, the MPL coating paste of each Example and Comparative Example was extruded and passed through a 300-mesh filter with an opening of 45 μm using a ram press at a pressing force of 0.45 MPa. However, at that time, the MPL coating paste was able to pass through a 300 mesh filter with an opening of 45 μm without being deformed at all under an extrusion pressure of 0.45 MPa. Clogging of the conductive porous base material 16 is suppressed, and the carbon black product can easily pass through a fine-mesh filter for removing iron foreign substances contained in the product, resulting in good productivity. A rating of ◎ is given if the viscosity characteristics (flow characteristics) are good during application and coating properties with good smoothness are obtained.If the filter is slightly deformed during extrusion of the MPL coating paste, it is evaluated as ◎. It was evaluated as 〇, and those with broken filters were evaluated as × because productivity decreased and the removal rate of iron foreign substances etc. decreased. The evaluation results at this time are as shown in the lower part of Table 1.

更に、各実施例及び比較例に係るMPL塗工ペーストは、薄膜塗布工具(ダイヘッド)を用いて移動速度1.0m/min、目付け3.5mg/cm2の条件で、導電性多孔質基材16として、フッ素樹脂溶液に含浸して撥水処理した不織布炭素繊維シートの片面に塗布し、300℃で10分間乾燥、焼成させた。これより、導電性多孔質基材16としての撥水処理された不織布炭素繊維シートの表面に塗布したMPL塗工ペーストからMPL15となる硬化塗膜を形成し、不織布炭素繊維シートからなる導電性多孔質基材16とMPL塗工ペーストから形成された硬化塗膜からなるMPL15とで構成されるガス拡散層14を作製した。 Furthermore, the MPL coating paste according to each example and comparative example was applied to a conductive porous substrate using a thin film coating tool (die head) at a moving speed of 1.0 m/min and a basis weight of 3.5 mg/cm 2 . As No. 16, it was coated on one side of a nonwoven carbon fiber sheet that had been impregnated with a fluororesin solution to make it water repellent, and dried and baked at 300° C. for 10 minutes. From this, a cured coating film to become MPL 15 is formed from the MPL coating paste applied to the surface of the water-repellent nonwoven carbon fiber sheet as the conductive porous substrate 16, and a conductive porous film made of the nonwoven carbon fiber sheet is formed. A gas diffusion layer 14 was prepared, which was composed of a solid base material 16 and an MPL 15 made of a cured coating film formed from an MPL coating paste.

このとき各実施例及び比較例に係るMPL塗工ペーストについて、導電性多孔質基材16としての撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布したときのぺーストの粘度特性を裏抜け(ペーストが塗布面とは反対側の導電性多孔質基材16の裏面側に抜ける現象)の様子から観察した。各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストにおいて、撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布を行ったときに、撥水処理された不織布炭素繊維シートにMPL塗工ペーストが浸み込んでも不織布炭素繊維シートの塗布面とは反対側の面で、MPL塗工ペーストの浸み込み部分の外接円が6mm2/個以下であれば、MPL塗工ペーストの成分が導電性多孔質基材16の空隙(孔)を埋めることによる水分やガスの透過性低下が抑制されており、ペースト成分の裏抜けを抑制できる適度に高い粘度特性(流動特性)であるとして◎と評価し、外接円が6mm2/個を超える個数が3個/m2以下のものについては〇と評価した。 At this time, regarding the MPL coating pastes according to each example and comparative example, the viscosity characteristics of the paste when applied to the water-repellent nonwoven carbon fiber sheet as the conductive porous substrate 16 were determined by The phenomenon was observed from the viewpoint of the phenomenon in which the conductive porous substrate 16 was leaked to the back side of the conductive porous base material 16 on the side opposite to the coated surface. In the MPL coating paste of each example and comparative example, when the MPL coating paste was applied to a water-repellent non-woven carbon fiber sheet, even if the MPL coating paste penetrated into the water-repellent non-woven carbon fiber sheet, the non-woven fabric If the circumscribed circle of the permeated portion of the MPL coating paste is 6 mm 2 /piece or less on the surface opposite to the coated surface of the carbon fiber sheet, the components of the MPL coating paste are the conductive porous base material 16. It is rated as ◎ because it suppresses the decrease in permeability of moisture and gas due to filling the voids (pores) of the paste, and has moderately high viscosity characteristics (flow characteristics) that can suppress the bleed-through of paste components. Those in which the number exceeding 6 mm 2 /piece was 3 pieces/m 2 or less were evaluated as ○.

更に、各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストを撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布し、乾燥・焼成することにより不織布炭素繊維シート上に形成されたMPL15としての硬化塗膜について、光学顕微鏡を用いて表面クラックの有無を確認した。具体的には、不織布炭素繊維シート上に形成されたMPL15としての硬化塗膜の任意の10か所で10mm×10mmのサイズで光学顕微鏡写真を1枚ずつ撮影し、任意の10か所のうち、9か所以上で、長軸の長さ0.5mm以上のクラック(塗膜の亀裂)が2つ以下であれば、塗膜強度に優れると判断して◎と評価し、8か所以上で長軸の長さ0.5mm以上のクラックが3つ以上のものは、実用的でないと判断し×と評価した。 Furthermore, regarding the cured coating film as MPL15 formed on the nonwoven carbon fiber sheet by applying the MPL coating paste of each example and comparative example to a water-repellent treated nonwoven carbon fiber sheet, drying and baking, The presence or absence of surface cracks was confirmed using an optical microscope. Specifically, optical micrographs with a size of 10 mm x 10 mm were taken one by one at 10 arbitrary locations of the cured coating film as MPL15 formed on a nonwoven carbon fiber sheet, and out of the 10 arbitrary locations. , If there are 2 or less cracks (cracks in the paint film) with a major axis length of 0.5 mm or more in 9 or more places, the film is judged to have excellent strength and is evaluated as ◎, and in 8 or more places. If there were three or more cracks with a major axis length of 0.5 mm or more, it was judged to be impractical and rated as ×.

また、各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストを撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布し、乾燥・焼成することにより不織布炭素繊維シート上に硬化塗膜を形成して作製した、不織布炭素繊維シートからなる導電性多孔質基材16とMPL塗工ペーストから形成された硬化塗膜からなるMPL15とで構成されるガス拡散層14について、そのガス拡散抵抗を測定して、ガス拡散性を評価した。具体的には、作製したガス拡散層14から、直径4.7cmの円形サンプルを切り出し、そのガス拡散層サンプルのMPL15側の面から反対側の面に向かって、空気を58cc/min/cm2の流速で透過させたちときの、MPL15側の面とその反対側の面(不織布炭素繊維シートの面)との差圧を差圧計で測定することによりガス拡散抵抗を調べた。このときの差圧が小さいほどガス拡散抵抗が小さくガス拡散性(ガス透過性)が高いといえ、ガス拡散抵抗が25mmAq以下のものは、ガス拡散性に優れるものと判断して◎と評価し、25mmAqを超え50mmAq以下のものについては、×と評価した。
これらの評価結果は表1の下段に示した通りである。
In addition, a nonwoven fabric was prepared by applying the MPL coating paste of each example and comparative example to a water-repellent nonwoven carbon fiber sheet, and drying and baking to form a cured coating film on the nonwoven carbon fiber sheet. The gas diffusion resistance of the gas diffusion layer 14 composed of the conductive porous base material 16 made of a carbon fiber sheet and the MPL 15 made of a cured coating film formed from an MPL coating paste was measured to determine the gas diffusion property. was evaluated. Specifically, a circular sample with a diameter of 4.7 cm was cut out from the prepared gas diffusion layer 14, and air was blown at 58 cc/min/cm 2 from the surface of the gas diffusion layer sample on the MPL 15 side to the opposite surface. Gas diffusion resistance was investigated by measuring the differential pressure between the surface on the MPL 15 side and the surface on the opposite side (the surface of the nonwoven carbon fiber sheet) with a differential pressure gauge when the gas was permeated at a flow rate of . It can be said that the smaller the differential pressure at this time, the lower the gas diffusion resistance and the higher the gas diffusion (gas permeability).If the gas diffusion resistance is 25 mmAq or less, it is judged to have excellent gas diffusion and is evaluated as ◎. , those exceeding 25 mmAq and 50 mmAq or less were evaluated as ×.
These evaluation results are shown in the lower part of Table 1.

表1に示したように、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラック、詳細には、DBP吸収量が315ml/100gであるカーボンAやDBP吸収量が425ml/100gであるカーボンBを使用し、配合材料をタービン・ステータ型攪拌式で攪拌したのち、薄膜旋回法により周速25m/s以上の高シェアで攪拌して作製した実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストでは、何れも、目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタに対し0.45MPaの押圧力でフィルタを大きく変形させることなく、即ち、目詰まりを生じさせることなく容易に通過できたものであった。 As shown in Table 1, carbon black whose DBP absorption is within the range of 300ml/100g to 500ml/100g, specifically carbon A whose DBP absorption is 315ml/100g and carbon black whose DBP absorption is 425ml/100g. The MPLs of Examples 1 to 7 were prepared by using Carbon B, which is carbon B, and stirring the compounded materials with a turbine stator type stirring system, and then stirring with a high shear at a circumferential speed of 25 m/s or more using the thin film swirling method. All of the coating pastes could easily pass through a filter with a mesh opening of 45 μm (300 mesh) under a pressing force of 0.45 MPa without significantly deforming the filter, that is, without causing clogging. It was something.

また、実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストでは、何れも、導電性多孔質基材16としての不織布炭素繊維シートに塗布した際にもペーストの裏抜けが少なく、適度な粘度特性で塗工性に優れるものであった。
更に、実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストを撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布して、乾燥・焼成させることで形成したMPL15の硬化塗膜は表面のクラックが少なくて塗膜強度に優れるものであった。
In addition, the MPL coating pastes of Examples 1 to 7 all had little paste bleed-through when applied to the nonwoven carbon fiber sheet as the conductive porous substrate 16, and had appropriate viscosity characteristics. It had excellent coatability.
Furthermore, the cured coating film of MPL15, which was formed by applying the MPL coating paste of Examples 1 to 7 to a water-repellent treated nonwoven carbon fiber sheet, drying and baking it, had fewer cracks on the surface and was coatable. The film had excellent strength.

そして、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックを使用した実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストによれば、ガス拡散性に優れるガス拡散層14を得ることができた。
即ち、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックを使用した実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストを撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布して、乾燥・焼成させることで作製した硬化塗膜からなるMPL15と不織布炭素繊維シートからなる導電性多孔質基材16とで構成されたガス拡散層14については、DBP吸収量が220ml/100gであるカーボンブラックを使用した比較例1のものと比較して、差圧が小さくてガス透過性が向上し、ガス拡散性に優れるものであった。
これは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックでは、ストラクチャ構造が発達していることで、高シェアで分散されていてもその一次凝集体では高空隙が維持されているため、MPL塗工ペーストの硬化塗膜として形成されたMPL15の空隙率を高めることができたためである。
According to the MPL coating pastes of Examples 1 to 7 using carbon black having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g, a gas diffusion layer 14 having excellent gas diffusion properties is obtained. I was able to do that.
That is, the MPL coating pastes of Examples 1 to 7 using carbon black having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g were applied to a water-repellent nonwoven carbon fiber sheet. The gas diffusion layer 14 is composed of the MPL 15, which is a cured coating film prepared by drying and baking, and the conductive porous base material 16, which is a nonwoven carbon fiber sheet. Compared to Comparative Example 1 using black, the differential pressure was small, gas permeability was improved, and gas diffusivity was excellent.
This is because carbon black, whose DBP absorption is within the range of 300ml/100g to 500ml/100g, has a well-developed structure, so even if it is dispersed with a high shear, its primary aggregate maintains high voids. This is because it was possible to increase the porosity of MPL15 formed as a cured coating film of the MPL coating paste.

これに対し、DBP吸収量が300ml/100g未満であるカーボンブラック、詳細には、DBP吸収量が220ml/100gであるカーボンCを用いた比較例1のMPL塗工ペーストでは、せん断速度50S-1における粘度が0.5Pa・Sの仕上がり粘度であっても、得られたガス拡散層14はガス拡散性に劣るものであった。 On the other hand, in the MPL coating paste of Comparative Example 1 using carbon black with a DBP absorption amount of less than 300 ml/100 g, specifically, carbon C with a DBP absorption amount of 220 ml/100 g, the shear rate was 50 S -1 Even if the finished viscosity was 0.5 Pa·S, the obtained gas diffusion layer 14 was inferior in gas diffusivity.

また、DBP吸収量が500ml/100gを超えるカーボンブラック、詳細には、DBP吸収量が510ml/100gであるカーボンDを用いた比較例2のMPL塗工ペーストから形成されたMPL15の硬化塗膜においては、クラックが多く見られ、塗膜強度に劣るものであった。
これは、DBP吸収量が500ml/100gを超えるカーボンブラックでは、ストラクチャ構造が大きく発達していることで、高シェアで分散され二次凝集体が解砕されてもその一次凝集体では高空隙率が維持されており、DBP吸収量が500ml/100gを超えるカーボンブラックではMPL15の空隙率が高くなりすぎることで、塗膜強度が低下しクラックが多く生じたものと推測できる。
In addition, in the cured coating film of MPL15 formed from the MPL coating paste of Comparative Example 2 using carbon black with a DBP absorption amount of more than 500 ml/100 g, specifically, carbon D with a DBP absorption amount of 510 ml/100 g. Many cracks were observed and the coating film strength was poor.
This is because carbon black with a DBP absorption of more than 500ml/100g has a highly developed structure, so even if it is dispersed with a high shear and the secondary aggregates are crushed, the primary aggregates have a high porosity. was maintained, and it can be assumed that in carbon black with a DBP absorption amount exceeding 500 ml/100 g, the porosity of MPL15 became too high, resulting in a decrease in coating film strength and the occurrence of many cracks.

即ち、DBP吸収量が高すぎるものでは、空隙率が高くなり過ぎることでMPL15の硬化塗膜が脆くなるが、MPL15の硬化塗膜が脆いと、触媒層13との密着性も低下することで、MPL15内に生成水の溜りができるフラッティングが生じやすくなり、ガス拡散性及び排水性が低下して、電池性能が低下することになる。即ち、MPL15の表面クラックが多いと、燃料電池1に組み込まれた際に触媒層13とガス拡散層14の密着性が低下し、それらの層間に空隙が生じそこに液水が溜まることで水分管理性が低下することになる。一方、塗膜の厚みを増やすことで、所定の強度を得る対応も可能であるが、MPL15の厚みが増えるとガス拡散抵抗が増大しガス拡散性等を低下させることになり、電池性能の低下を招くことになる。
これに対し、実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストによれば、MPL15のクラックが生じ難い塗膜強度が得られることで、触媒層13との密着性も良くてフラッティングを抑制できることでガスや水分の透過性、水分管理性が低下することなく安定した電池性能を得ることが可能となる。
That is, if the DBP absorption amount is too high, the porosity becomes too high and the cured coating film of MPL15 becomes brittle, but if the cured coating film of MPL15 is brittle, the adhesion with the catalyst layer 13 also decreases. , flatting in which generated water accumulates in the MPL 15 is likely to occur, gas diffusivity and drainage properties are reduced, and battery performance is reduced. In other words, if there are many surface cracks on the MPL 15, the adhesion between the catalyst layer 13 and the gas diffusion layer 14 will decrease when it is assembled into the fuel cell 1, and voids will be created between these layers, where liquid water will accumulate and moisture will be absorbed. This will reduce manageability. On the other hand, it is possible to obtain a certain level of strength by increasing the thickness of the coating film, but increasing the thickness of MPL15 increases gas diffusion resistance and reduces gas diffusivity, leading to a decrease in battery performance. will be invited.
On the other hand, according to the MPL coating pastes of Examples 1 to 7, the strength of the coating film that makes it difficult for MPL15 to crack can be obtained, and the adhesion with the catalyst layer 13 is also good, so that flatting can be suppressed. This makes it possible to obtain stable battery performance without deteriorating gas and moisture permeability and moisture management.

こうして、実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストでは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックを使用し、そのカーボンブラックと、撥水性樹脂としてのフッ素樹脂とを分散剤が溶解された水に混合し、それらを薄膜旋回型の高速攪拌機によって高シェアで攪拌することで、ストラクチャが高発達したカーボンブラックであってもその二次凝集体が数μmまで解砕されたことにより、0.45MPaの押圧力下で、金属分等の異物を取り除くことができる目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)の目の細かいフィルタを目詰まりさせることなく通過させることができる。よって、生産性を低下させることなく、電池の耐久性、寿命の低下を招くカーボンブラック製品中の金属分等の異物を取り除くことが可能であり、電池の耐久性を良好なものとすることができる。 Thus, in the MPL coating pastes of Examples 1 to 7, carbon black having a DBP absorption amount within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g is used, and the carbon black and the fluororesin as the water-repellent resin are used. By mixing these with water in which a dispersant is dissolved and stirring them at a high shear using a thin-film swirl type high-speed stirrer, even if the carbon black has a highly developed structure, its secondary aggregates can be reduced to a few micrometers. By being crushed, it is possible to pass through a fine-mesh filter with an opening of 45 μm (300 mesh) that can remove foreign substances such as metal under a pressure of 0.45 MPa without clogging. can. Therefore, it is possible to remove foreign substances such as metals from carbon black products that cause a decrease in battery durability and life without reducing productivity, and it is possible to improve battery durability. can.

そして、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックでは、その二次凝集体を数μmまで解砕しても、そのストラクチャ構造の空隙率が高いことで、それを含んだMPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布し、乾燥・焼成することで形成した硬化塗膜のMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックによる高空隙率によって、ガスや水分の透過性に優れ、優れたガス拡散性や水分管理性が得られるものとなる。 Carbon black, whose DBP absorption is within the range of 300ml/100g to 500ml/100g, has a high porosity in its structure, so even if the secondary aggregates are broken down to several micrometers, In MPL15, a cured coating film formed by coating the conductive porous substrate 16 with the MPL coating paste containing MPL, and drying and baking, the high porosity of carbon black with high DBP absorption prevents gas and moisture. It has excellent permeability, and provides excellent gas diffusivity and moisture management.

特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックであれば、高い空隙率と耐クラック性を両立できる。即ち、MPL15の空隙率が高すぎると、MPL15にクラックが生じやすくなり、MPL15にクラックがあると、耐久性も低く、MPL15の特性を十分に発揮させることができないばかりか、触媒層13との間に水分が溜まりやすいことから、水分制御性が低下し安定した電池性能が得られ難いものとなる。また、クラックと触媒層13の界面に溜まった水が氷点下時に凍結し、MPL15と触媒層13が剥離しそれらの一部が欠落してしまうことで、燃料電池1の性能に悪影響を与え、燃料電池1の寿命を短くする恐れもある。 In particular, carbon black with a DBP absorption within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g can achieve both high porosity and crack resistance. That is, if the porosity of the MPL 15 is too high, cracks will easily occur in the MPL 15, and if there are cracks in the MPL 15, the durability will be low, and the characteristics of the MPL 15 will not be fully exhibited, and the bond between the catalyst layer 13 and the catalyst layer 13 will be reduced. Since moisture tends to accumulate between the two, moisture controllability deteriorates, making it difficult to obtain stable battery performance. In addition, the water accumulated at the interface between the crack and the catalyst layer 13 freezes at subzero temperatures, causing the MPL 15 and the catalyst layer 13 to separate and part of them to be missing, which adversely affects the performance of the fuel cell 1 and fuel There is also a risk that the life of the battery 1 will be shortened.

DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックであれば、高い空隙率と塗膜強度が両立し、塗膜強度が良好であることで触媒層13との密着性も良くて接触抵抗ムラを少なくでき均一な厚さにできることで、導電性も良く、また、クラックやMPL15内に生成水の溜りができるフラッティングも生じ難く、更にスタッキングの圧力に耐え得る圧縮強度や低圧縮クリープ性が得られることから、ガス拡散層14において安定して優れたガス拡散性や水分管理性が発揮され、安定した高い電池性能が得られるものとなる。更に、上述したように、生産性を低下させることなく金属分等の異物を取り除くことができる目の細かいフィルタを通過させることができ、そこで金属分等の異物を取り除くことができるから、電池の寿命、耐久性も良好にできる。更に、高DBP吸収量のカーボンブラックでは、高発達したストラクチャのネットワークによる導電性の向上効果が期待できる。 If the carbon black has a DBP absorption amount within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g, high porosity and coating film strength are compatible, and good coating film strength also improves adhesion to the catalyst layer 13. At best, it can reduce unevenness in contact resistance and create a uniform thickness, which results in good conductivity, prevents cracks and flatting where generated water collects inside the MPL15, and has a compressive strength that can withstand the pressure of stacking. Since low compression creep property is obtained, the gas diffusion layer 14 stably exhibits excellent gas diffusivity and moisture management property, and stable and high battery performance can be obtained. Furthermore, as mentioned above, the battery can be passed through a fine-mesh filter that can remove foreign substances such as metal without reducing productivity. Longer life and durability can also be achieved. Furthermore, carbon black with a high DBP absorption can be expected to have an effect of improving conductivity due to a highly developed structural network.

ところで、本発明者らの実験研究によれば、カーボンブラックと撥水性樹脂(固形分)の比率は、重量比で9/1~5/5の範囲内であるのが好ましい。カーボンブラックに対する撥水性樹脂(固形分)の配合比率が低すぎると、樹脂分によるカーボンブラックの結着が弱く、MPL15の硬化塗膜にクラックが生じやすくなり、塗膜強度が低下する。更に、MPL15と導電性多孔質基材16との結着性も低下し、接触抵抗が高まる。一方で、カーボンブラックに対する撥水性樹脂(固形分)の配合比率が高すぎると、樹脂分が多くなり過ぎることで、樹脂分が空隙(カーボン粒子の間隙)を塞ぐことで空隙率、ガス拡散性が低下する。カーボンブラックと撥水性樹脂(固形分)の比率が、好ましくは、重量比で9/1~5/5の範囲内であれば、クラックが生じ難くて高い塗膜強度で、かつ、ガス拡散性の高いマイクロポーラス層の硬化塗膜が得られる。 According to the experimental research conducted by the present inventors, the ratio of carbon black to water-repellent resin (solid content) is preferably within the range of 9/1 to 5/5 by weight. If the blending ratio of water-repellent resin (solid content) to carbon black is too low, the binding of carbon black by the resin content will be weak, and the cured coating film of MPL15 will be prone to cracking, resulting in a decrease in coating strength. Furthermore, the binding property between the MPL 15 and the conductive porous base material 16 also decreases, and the contact resistance increases. On the other hand, if the blending ratio of water-repellent resin (solid content) to carbon black is too high, the resin content will become too large and the resin content will close the voids (spaces between carbon particles), resulting in a decrease in porosity and gas diffusivity. decreases. If the ratio of carbon black and water-repellent resin (solid content) is preferably within the range of 9/1 to 5/5 by weight, cracks will not easily occur, the coating will have high strength, and gas diffusivity will be achieved. A cured coating film with a high microporous layer can be obtained.

更に、本発明者らの実験研究によれば、MPL塗工ペーストの固形分比率は、5質量%以上、40質量%以下が好ましい。カーボン、撥水性樹脂等の固形分比率が小さすぎると、MPL成膜時の収縮応力が大きくなることもあって、MPL15の硬化塗膜にクラックが生じやすくなり、塗膜強度が低下する。一方で、固形分比率が大きすぎるものでは、空隙率が低下することでガス拡散性が低下する。MPL塗工ペーストの固形分比率が、好ましくは、5質量%以上、40質量%以下であれば、クラックが生じ難くて高い塗膜強度で、かつ、ガス拡散性の高いMPL15の硬化塗膜が得られる。より好ましくは、5質量%以上、30質量%以下、更に好ましくは、5質量%以上、25質量%以下である。 Further, according to the experimental research conducted by the present inventors, the solid content ratio of the MPL coating paste is preferably 5% by mass or more and 40% by mass or less. If the solid content ratio of carbon, water-repellent resin, etc. is too small, the shrinkage stress during MPL film formation may become large, making the cured coating film of MPL15 more likely to crack, resulting in a decrease in coating film strength. On the other hand, if the solid content ratio is too large, the porosity decreases and gas diffusivity decreases. If the solid content ratio of the MPL coating paste is preferably 5% by mass or more and 40% by mass or less, a cured coating film of MPL15 that is difficult to crack, has high coating strength, and has high gas diffusivity can be obtained. can get. More preferably, it is 5% by mass or more and 30% by mass or less, and still more preferably 5% by mass or more and 25% by mass or less.

また、本発明者らの実験研究によれば、薄膜旋回法による攪拌においては、その周速を25m/s以上とするのが好ましい。周速が遅すぎると、高DBP吸収量のカーボンの二次凝集体が十分に解砕されず、触媒層13の耐久性、即ち、電池の耐久性、寿命を損なうことになる鉄異物等を除去するための目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過させるときに、目詰まりを生じさせ、生産性が低下したり、フィルタの通過が困難になったりすることで電池の耐久性、寿命を低下させることになる。また、塗工性が低下し、硬化塗膜が表面不良となり触媒層13との密着性が低下することでMPL15内に生成水が溜まりフラッティングが生じやすくなり排水性が低下する。一方、実施例2で示したように、周速を50m/sとしても、導電性多孔質基材16への塗布した際でもペーストの裏抜けが生じ難く、ガス拡散性にも優れるものである。特に、周速を高めることにより、二次凝集径の微小化が可能であり、また、二次凝集径の均一化が可能であり、硬化塗膜の均一化を可能とする。 Further, according to the experimental research conducted by the present inventors, in stirring by the thin film swirling method, it is preferable that the circumferential speed is 25 m/s or more. If the circumferential speed is too slow, the secondary aggregates of carbon with a high DBP absorption amount will not be sufficiently broken down, and iron foreign substances will be generated which will impair the durability of the catalyst layer 13, that is, the durability and life of the battery. When passing through a fine filter with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) for removal, it may become clogged, reducing productivity or preventing the filter from passing through. If this becomes difficult, the durability and life of the battery will be reduced. Further, the coating properties are reduced, the cured coating film has a surface defect, and the adhesion with the catalyst layer 13 is reduced, so that generated water is likely to accumulate in the MPL 15, causing flatting, and the drainage performance is reduced. On the other hand, as shown in Example 2, even when the circumferential speed is 50 m/s, the paste hardly bleeds through even when applied to the conductive porous substrate 16 and has excellent gas diffusivity. . In particular, by increasing the circumferential speed, it is possible to miniaturize the diameter of the secondary agglomerates, and also to make the diameters of the secondary agglomerates uniform, thereby making it possible to make the cured coating film uniform.

薄膜旋回法の高速撹拌機の性能限界を考慮すれば、薄膜旋回法による攪拌時の周速は25m/s以上、60m/s以下であれば、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過できる二次凝集径のサイズまで高DBP吸収量のカーボンの二次凝集体が十分に解砕されることで、良好な粘度特性(流動特性)で塗布時に表面不良が生じ難く十分な塗工幅が確保できる良好な塗工性が得られることにより、触媒層13との密着性もよく、安定した水分管理性の確保により安定した電池性能が得られ、また、電池の耐久性、寿命も良好に確保できるものとなる。 Considering the performance limits of high-speed stirrers for the thin film swirling method, if the circumferential speed during stirring by the thin film swirling method is 25 m/s or more and 60 m/s or less, mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh The secondary aggregates of carbon with a high DBP absorption amount are sufficiently broken down to a size that allows them to pass through a fine-mesh filter (400 mesh or less), resulting in good viscosity characteristics (flow characteristics). As a result, surface defects are less likely to occur during coating and a sufficient coating width can be obtained, resulting in good coating properties, resulting in good adhesion with the catalyst layer 13, and stable battery performance due to stable moisture management. In addition, the durability and life of the battery can be ensured favorably.

更に、本発明者らの実験研究によれば、薄膜旋回法による上記周速の攪拌においては、その攪拌時間を20秒以上が好ましく、より好ましくは、25秒以上、更に好ましくは、30秒以上とするのが好ましい。攪拌時間が短すぎると、高DBP吸収量のカーボンの二次凝集体が十分に解砕されず、触媒層13の耐久性、即ち、電池の耐久性、寿命を損なうことになる鉄異物等を除去するための目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過させるときに、目詰まりを生じさせ、生産性が低下したり、フィルタの通過が困難になったりすることで電池の耐久性、寿命を低下させることになる。一方、攪拌時間が過度に長時間であっては、粘度の過度な低下により導電性多孔質基材16への塗布時にペースト成分の裏抜けが生じてしまう。増粘剤の添加によって粘度を上げることもできるが、増粘剤の使用はそれを分解するための焼成時間を長くすることになり、増粘剤の使用及び焼成の高負荷による高コスト化及び生産性の低下を招くことになる。薄膜旋回法における攪拌時間が好ましくは、20秒以上、200秒以下、より好ましくは、25秒以上、150秒以下、更に好ましくは、30秒以上、100秒以下であれば、生産性の低下やコスト増を招くことなく、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過できる二次凝集径のサイズまで高DBP吸収量のカーボンの二次凝集体が十分に解砕されることで、良好な粘度特性(流動特性)で塗布時に表面不良が生じ難く十分な塗工幅が確保できる良好な塗工性が得られることにより、触媒層13との密着性もよく、安定した水分管理性の確保により安定した電池性能が得られ、また、電池の耐久性、寿命も良好に確保できるものとなる。 Further, according to the experimental research of the present inventors, in stirring at the above peripheral speed by the thin film swirling method, the stirring time is preferably 20 seconds or more, more preferably 25 seconds or more, and even more preferably 30 seconds or more. It is preferable that If the stirring time is too short, the secondary aggregates of carbon with a high DBP absorption amount will not be sufficiently broken down, and iron foreign substances will be generated which will impair the durability of the catalyst layer 13, that is, the durability and life of the battery. When passing through a fine filter with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) for removal, it may become clogged, reducing productivity or preventing the filter from passing through. If this becomes difficult, the durability and life of the battery will be reduced. On the other hand, if the stirring time is too long, the viscosity decreases excessively, resulting in strike-through of the paste components during application onto the conductive porous substrate 16. The viscosity can be increased by adding a thickener, but the use of a thickener increases the firing time to decompose it, resulting in higher costs and higher costs due to the use of the thickener and the high load of firing. This will lead to a decrease in productivity. If the stirring time in the thin film swirling method is preferably 20 seconds or more and 200 seconds or less, more preferably 25 seconds or more and 150 seconds or less, and even more preferably 30 seconds or more and 100 seconds or less, productivity may be reduced. Secondary coagulation of carbon with high DBP absorption to a size that allows it to pass through a fine filter with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) without increasing cost. By sufficiently crushing the aggregates, good viscosity properties (flow properties) ensure good coating properties that prevent surface defects from occurring during coating and ensure a sufficient coating width. Adhesion is also good, and by ensuring stable moisture management, stable battery performance can be obtained, and the durability and life of the battery can also be ensured favorably.

加えて、本発明者らの実験研究によれば、MPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度は、好ましくは、0.05Pa・s以上、1.0Pa・s以下、より好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下、更に好ましくは、0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下である。粘度が低すぎると、導電性多孔質基材16への塗布時にペーストの裏抜けが生じ、導電性多孔質基材16の空隙を塞いでガスや水分の透過性を低下させることになる。一方で、粘度が高すぎると、導電性多孔質基材16に塗布するときの表面平滑性が低下し、また、所望の塗工幅での塗工が困難になり生産性が低下し、良好な塗工性が得られない。更に、触媒層13の耐久性を損なうことになる金属分等の異物を取り除くことができる目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過させるときの圧力損失が大きくなりフィルタの通過も困難である。MPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度は、好ましくは、0.05Pa・s以上、1.0Pa・s以下、より好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下、更に好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下であれば、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過できる良好な粘度特性が得られ生産性も良好であり、また、塗布時に表面不良が生じ難く十分な塗工幅が確保できる良好な塗工性が得られ、触媒層13との密着性もよく安定した水分管理性の確保により安定した電池性能が得られ、更に、電池の耐久性、寿命も良好に確保できるものとなる。 In addition, according to the experimental research conducted by the present inventors, the viscosity of the MPL coating paste at a shear rate of 50 S -1 is preferably 0.05 Pa·s or more and 1.0 Pa·s or less, more preferably 0. .1 Pa·s or more and 0.9 Pa·s or less, more preferably 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less. If the viscosity is too low, the paste will bleed through when applied to the conductive porous base material 16, closing the voids in the conductive porous base material 16 and reducing the permeability of gas and moisture. On the other hand, if the viscosity is too high, the surface smoothness will decrease when coating the conductive porous substrate 16, and it will also become difficult to coat with the desired coating width, reducing productivity. It is not possible to obtain good coating properties. Further, when passing through a fine mesh filter with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) that can remove foreign substances such as metals that may impair the durability of the catalyst layer 13. The pressure loss is large and it is difficult to pass through the filter. The viscosity of the MPL coating paste at a shear rate of 50 S -1 is preferably 0.05 Pa·s or more and 1.0 Pa·s or less, more preferably 0.1 Pa·s or more and 0.9 Pa·s or less, and further Preferably, if the viscosity is 0.1 Pa·s or more and 0.9 Pa·s or less, it has good viscosity characteristics that can pass through a fine mesh filter with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). It is possible to obtain good productivity, and also to obtain good coating properties that prevent surface defects from occurring during coating and ensure a sufficient coating width, and to have good adhesion to the catalyst layer 13 and stable moisture management. By ensuring this, stable battery performance can be obtained, and furthermore, good durability and service life of the battery can be ensured.

以上説明してきたように、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストであって、カーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものである。 As explained above, the coating paste for forming a microporous layer of the above embodiment is a coating paste for forming a microporous layer containing carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent. Therefore, the carbon black has a DBP absorption amount of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less and passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). It is of the agglomerate size.

したがって、本実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、ペーストの粘度上昇が抑えられて、導電性多孔質基材16の表面に対し良好な塗工性でMPL15を形成でき、そのMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高く、また、空隙が均一に分布され、高ストラクチャ構造によるガスや水分の通路の形成によりガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。また、MPL15を良好な平滑性にできることで、触媒層13との良好な密着性が得られる。よって、フラッティングが生じ難くガス拡散層14のガス拡散性及び水分管理性を向上させることができ、電池出力、発電性能の安定化、電池性能の向上を図ることができる。 Therefore, according to the coating paste for forming a microporous layer of the present embodiment, since the secondary aggregates of carbon black with a high DBP absorption amount are crushed, the viscosity increase of the paste is suppressed, MPL15 can be formed on the surface of the conductive porous base material 16 with good coating properties. In addition, the voids are uniformly distributed, and the highly structured structure forms passages for gas and moisture, which improves the diffusion and drainage of gas and moisture. Furthermore, by making the MPL 15 have good smoothness, good adhesion with the catalyst layer 13 can be obtained. Therefore, flatting is less likely to occur, and the gas diffusion properties and moisture management properties of the gas diffusion layer 14 can be improved, and battery output, stabilization of power generation performance, and improvement of battery performance can be achieved.

特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15において良好な表面平滑性を確保できるうえ、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15の形成により、そのMPL15においては、水分が溜り難くて排水性も高く、高いガス拡散性が維持され、更に、耐久性も良好なものとなる。 In particular, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration size that passes through a mesh with openings of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). Due to the good coating properties of the paste, good surface smoothness can be ensured in MPL15, and it is also possible to achieve both high porosity and coating film strength that does not easily cause cracks. Therefore, by forming the MPL 15 which has a high porosity, has good surface smoothness, is less prone to cracking, and has good adhesion to the catalyst layer 13, the MPL 15 has a high porosity, is difficult to accumulate moisture, has high drainage performance, and has a high gas flow rate. Diffusibility is maintained, and durability is also improved.

また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層13の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、電池の耐久性、寿命を低下させ難いものである。
よって、空隙率の高いMPL15を形成でき、MPL15のガスや水分の透過性を向上させることが可能であり、MPL15が形成されるガス拡散層14のガス拡散性や水分管理性の性能向上を図ることが可能となる。
In addition, carbon black with DBP absorption within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration diameter that allows it to pass through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). Since it is of a size that can pass through a fine mesh filter that makes it possible to remove foreign substances such as iron that affect the durability and lifespan of the catalyst layer 13 that performs battery reactions, it reduces the durability and lifespan of the battery. It is difficult to do so.
Therefore, it is possible to form an MPL 15 with a high porosity, and it is possible to improve the gas and moisture permeability of the MPL 15, thereby improving the performance of gas diffusion and moisture management of the gas diffusion layer 14 in which the MPL 15 is formed. becomes possible.

更に、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストにおいて、カーボンブラックと撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であれば、形成するMPL15の硬化塗膜において樹脂分による接着性(結着性)が良好でクラックが生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制されるから、MPL15の塗膜強度とガスや水分の透過性を両立できることで、ガス拡散層14の高いガス拡散性や水分管理性をより良好に発揮できる。 Furthermore, in the coating paste for forming a microporous layer of the above embodiment, if the weight ratio of carbon black and water-repellent resin is within the range of 9/1 to 5/5, it will be effective in the cured coating film of MPL15 to be formed. The adhesive properties (binding properties) due to the resin content are good, making it difficult for cracks to occur, and the clogging of voids due to excessive resin content is suppressed, making it possible to achieve both the coating strength of MPL15 and the permeability of gas and moisture. , the gas diffusion layer 14 can exhibit high gas diffusivity and moisture management performance better.

加えて、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストにおいて、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であれば、ガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16への塗布時にペーストの裏抜け(ペーストの塗布面とは反対側の導電性多孔質基材の裏面側に抜ける現象)を抑制でき、かつ、所望の塗工幅で平滑性が良好なMPL15の硬化塗膜を形成できて塗工性が良好なものとなる。よって、導電性多孔質基材16の空隙率を低下させることなく、平滑なMPL15が得られ触媒層13への密着性を高めることができるから、ガス拡散層14のガス拡散性や水分管理性がより安定化する。 In addition, in the coating paste for forming a microporous layer of the above embodiment, if the viscosity at a shear rate of 50 s -1 is within the range of 0.05 Pa·s to 1.0 Pa·s, the gas diffusion layer 14 can be formed. When applying the paste to the conductive porous base material 16 to be coated, it is possible to suppress paste strike-through (a phenomenon in which the paste escapes to the back side of the conductive porous base material on the opposite side from the applied surface), and to achieve the desired coating width. A cured coating film of MPL15 with good smoothness can be formed and the coating properties are good. Therefore, a smooth MPL 15 can be obtained without reducing the porosity of the conductive porous base material 16, and the adhesion to the catalyst layer 13 can be improved, so that the gas diffusion properties and moisture management properties of the gas diffusion layer 14 can be improved. becomes more stable.

また、上記実施の形態は、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法であって、分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して薄膜旋回法により攪拌するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法の発明と捉えることができる。 Further, the above embodiment is a method for producing a coating paste for forming a microporous layer containing carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, in which the solvent mixed with the dispersant contains This invention can be considered as an invention of a method for producing a coating paste for forming a microporous layer, in which carbon black with a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and a water-repellent resin are mixed and stirred by a thin film swirling method. .

上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、薄膜旋回法による高シェアで配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を解砕することができ、ペーストの粘度上昇を抑えることができる。好ましくは、周速25m/s~周速60m/sの攪拌で配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を高効率で解砕することができる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the embodiment described above, secondary aggregates of carbon black having a high DBP absorption amount are disintegrated by dispersing the compounded material with high shear using the thin film swirling method. It is possible to suppress the increase in viscosity of the paste. Preferably, by dispersing the blended materials by stirring at a circumferential speed of 25 m/s to 60 m/s, secondary aggregates of carbon black with a high DBP absorption amount can be crushed with high efficiency.

したがって、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕され粘度上昇が抑えられたマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、導電性多孔質基材16の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高く、また、空隙が均一に分布されるものとなる。よって、高ストラクチャ構造によるガスや水分の通路の形成によりガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。また、MPL15を良好な平滑性にできることで、触媒層13との良好な密着性が得られる。故に、フラッティングが生じ難くガス拡散層14のガス拡散性及び水分管理性を向上させることができ、電池出力、発電性能の安定化を図ることができる。 Therefore, according to the coating paste for forming a microporous layer in which the secondary aggregates of carbon black having a high DBP absorption amount are disintegrated and the increase in viscosity is suppressed, good coating on the surface of the conductive porous substrate 16 is achieved. In MPL15, which can be applied manually and is formed by drying and firing the applied paste, carbon black with high DBP absorption has a high porosity due to its high structure, resulting in a high porosity. In addition, the voids are uniformly distributed. Therefore, the diffusion and drainage properties of gas and moisture can be improved by forming gas and moisture passages through the highly structured structure. Furthermore, by making the MPL 15 have good smoothness, good adhesion with the catalyst layer 13 can be obtained. Therefore, flatting is less likely to occur, and the gas diffusion properties and moisture management properties of the gas diffusion layer 14 can be improved, and the battery output and power generation performance can be stabilized.

特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15の形成により、そのMPL15においては、水分が溜り難くて排水性も高く、高いガス拡散性が維持され、更に、耐久性も良好なものとなる。
したがって、空隙率が高く、ガス拡散層14の拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。
In particular, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration size that passes through a mesh with openings of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). Due to the good coating properties of the paste, MPL15 has good surface smoothness, and can achieve both high porosity and coating film strength that does not easily cause cracks. Therefore, by forming the MPL 15 which has a high porosity, has good surface smoothness, is less prone to cracking, and has good adhesion to the catalyst layer 13, the MPL 15 has a high porosity, is difficult to accumulate moisture, has high drainage performance, and has a high gas flow rate. Diffusibility is maintained, and durability is also improved.
Therefore, the MPL coating paste can form an MPL 15 that has a high porosity and can improve the performance of the gas diffusion layer 14 in terms of diffusivity and moisture management.

また、上記実施の形態は、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法であって、分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速25m/s以上、周速60m/s以下で攪拌するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法の発明と捉えることもできる。 Further, the above embodiment is a method for producing a coating paste for forming a microporous layer containing carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, in which the solvent mixed with the dispersant contains A coating paste for forming a microporous layer in which carbon black with a DBP absorption amount within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and a water-repellent resin are mixed and stirred at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less. It can also be regarded as an invention of a manufacturing method.

上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、周速25m/s以上、周速60m/s以下の高シェアで配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を解砕することができ、ペーストの粘度上昇を抑えることができる。好ましくは、周速25m/s~周速60m/sの攪拌で配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を高効率で解砕することができる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the embodiment described above, by dispersing the compounded material at a high shear at a circumferential speed of 25 m/s or more and a circumferential speed of 60 m/s or less, a high DBP absorption amount can be achieved. It is possible to disintegrate secondary aggregates of carbon black, and it is possible to suppress an increase in the viscosity of the paste. Preferably, by dispersing the blended materials by stirring at a circumferential speed of 25 m/s to 60 m/s, secondary aggregates of carbon black with a high DBP absorption amount can be crushed with high efficiency.

したがって、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕され粘度上昇が抑えられたマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、導電性多孔質基材16の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高く、また、空隙が均一に分布されるものとなる。よって、高ストラクチャ構造によるガスや水分の通路の形成によりガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。また、MPL15を良好な平滑性にできることで、触媒層13との良好な密着性が得られる。故に、フラッティングが生じ難くガス拡散層14のガス拡散性及び水分管理性を向上させることができ、電池出力、発電性能の安定化を図ることができる。 Therefore, according to the coating paste for forming a microporous layer in which the secondary aggregates of carbon black having a high DBP absorption amount are disintegrated and the increase in viscosity is suppressed, good coating on the surface of the conductive porous substrate 16 is achieved. In MPL15, which can be applied manually and is formed by drying and firing the applied paste, carbon black with high DBP absorption has a high porosity due to its high structure, resulting in a high porosity. In addition, the voids are uniformly distributed. Therefore, the diffusion and drainage properties of gas and moisture can be improved by forming gas and moisture passages through the highly structured structure. Furthermore, by making the MPL 15 have good smoothness, good adhesion with the catalyst layer 13 can be obtained. Therefore, flatting is less likely to occur, and the gas diffusion properties and moisture management properties of the gas diffusion layer 14 can be improved, and the battery output and power generation performance can be stabilized.

特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15の形成により、そのMPL15においては、水分が溜り難くて排水性も高く、高いガス拡散性が維持され、更に、耐久性も良好なものとなる。
したがって、空隙率が高く、ガス拡散層14の拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。
In particular, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration size that passes through a mesh with openings of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). Due to the good coating properties of the paste, MPL15 has good surface smoothness, and can achieve both high porosity and coating film strength that does not easily cause cracks. Therefore, by forming the MPL 15 which has a high porosity, has good surface smoothness, is less prone to cracking, and has good adhesion to the catalyst layer 13, the MPL 15 has a high porosity, is difficult to accumulate moisture, has high drainage performance, and has a high gas flow rate. Diffusibility is maintained, and durability is also improved.
Therefore, the MPL coating paste can form an MPL 15 that has a high porosity and can improve the performance of the gas diffusion layer 14 in terms of diffusivity and moisture management.

更に、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法において、薄膜旋回法等または周速25m/s~周速60m/sでの攪拌前に、分散剤、溶媒、カーボンブラック、及び撥水性樹脂の混合物をディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式等の撹拌機によってまたは周速1m/s~周速20m/sでプレ攪拌すると、即ち、ディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式等の撹拌機で周速1m/s~周速20m/sの低シェア分散してから、薄膜旋回法等で周速25m/s~周速60m/sの高シェア分散するものでは、カーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑えることが可能であり、空隙の分布のバラつきを抑制して均質なMPL15を形成し、安定したガスや水分の透過性を得ることが可能となる。したがって、空隙の分布のバラつきを抑制して安定した性能を得ることが可能となるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。特に、このときのプレ攪拌に、ディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式等の撹拌機を使用すれば、攪拌脱泡により気泡の少ないペーストを得ることができる。 Furthermore, in the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the above embodiment, a dispersant, a solvent, carbon black, When the mixture of water-repellent resin and water-repellent resin is pre-stirred with a stirrer such as a Disper or a turbine stator type stirrer or at a circumferential speed of 1 m/s to 20 m/s, that is, agitator such as a Disper or a turbine stator type stirrer is used. In the case of low shear dispersion at a circumferential speed of 1 m/s to 20 m/s using a machine, and then high shear dispersion at a circumferential speed of 25 m/s to 60 m/s using a thin film swirling method, etc., the secondary dispersion of carbon black It is possible to suppress variations in the distribution of aggregate diameters, suppress variations in the distribution of voids, form a homogeneous MPL 15, and obtain stable gas and moisture permeability. Therefore, it becomes an MPL coating paste that can form MPL 15 that can suppress variations in the distribution of voids and obtain stable performance. In particular, if a stirrer such as a disper or a turbine stator type stirrer is used for the pre-stirring at this time, a paste with few air bubbles can be obtained by stirring and degassing.

加えて、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、更に、薄膜旋回法等による周速25m/s~周速60m/sでの攪拌後に、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過させるものであるから、触媒層13の耐久性、寿命に影響を与える鉄等の異物が少ないものが得られる。よって、燃料電池1の耐久性を良好に維持できる。即ち、燃料電池1の耐久性、寿命を低下させることないMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。 In addition, according to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the above embodiment, after stirring at a circumferential speed of 25 m/s to 60 m/s by a thin film swirling method or the like, the opening of the mesh is 34 μm or more. , 154 μm or less mesh (100 mesh or more, 400 mesh or less), it is possible to obtain a catalyst layer 13 with less foreign matter such as iron that affects its durability and life. Therefore, the durability of the fuel cell 1 can be maintained satisfactorily. That is, the MPL coating paste can form the MPL 15 without reducing the durability and life of the fuel cell 1.

また、上記マイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法において、カーボンブラックと撥水性樹脂が、重量比で9/1~5/5の範囲内であれば、形成するMPL15の硬化塗膜において樹脂分による接着性(結着性)が良好でクラックが生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、塗膜強度とガスや水分の透過性とを両立できるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。 In addition, in the above method for producing a coating paste for forming a microporous layer, if the weight ratio of carbon black and water-repellent resin is within the range of 9/1 to 5/5, the resin may be used in the cured coating film of MPL15 to be formed. The resin has good adhesion (binding ability) and is less likely to cause cracks, and the clogging of voids due to excessive resin content is suppressed. Therefore, it becomes an MPL coating paste that can form MPL15 that can achieve both coating film strength and gas and moisture permeability.

加えて、上記マイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法において、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であれば、ガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16への塗布時にペーストの裏抜けを抑制でき、かつ、所望の塗工幅で平滑性が良好なMPL15の硬化塗膜を形成できて塗工性が良好なものとなる。よって、導電性多孔質基材16の空隙率を低下させることなく、平滑なMPL15が得られ触媒層13への密着性を高めることができるから、安定した性能を確保できるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。 In addition, in the above method for producing a coating paste for forming a microporous layer, if the viscosity at a shear rate of 50 s is within the range of 0.05 Pa s to 1.0 Pa s, the gas diffusion layer 14 is formed. It is possible to suppress paste bleed-through during application to the conductive porous substrate 16, and to form a cured coating film of MPL 15 with good smoothness in a desired coating width, resulting in good coating properties. . Therefore, a smooth MPL 15 can be obtained without reducing the porosity of the conductive porous base material 16, and the adhesion to the catalyst layer 13 can be improved, so the MPL coating can form an MPL 15 that can ensure stable performance. It becomes a paste.

更に、上記実施の形態は、導電性繊維等からなる導電性多孔質基材16と、導電性多孔質基材16の表面に形成されたカーボンブラックと撥水性樹脂とからなるMPL15とから構成された燃料電池用ガス拡散層14であって、MPL15のカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものである燃料電池用ガス拡散層14の発明と捉えることもできる。 Furthermore, the above embodiment is composed of a conductive porous base material 16 made of conductive fibers or the like, and an MPL 15 made of carbon black and water-repellent resin formed on the surface of the conductive porous base material 16. In the gas diffusion layer 14 for fuel cells, the carbon black of MPL15 has a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g. , 400 mesh or less).

本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14によれば、導電性繊維等からなる導電性多孔質基材16の表面に形成されたカーボンブラックと撥水性樹脂からなるMPL15のカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものであり、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、MPL15を形成するペーストの粘度上昇が抑えられて、導電性多孔質基材16の表面に対し良好な塗工性で形成されたMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高く、また、空隙が均一に分布されるものとなる。よって、高ストラクチャ構造によるガスや水分の通路の形成によりガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。また、MPL15を良好な平滑性にできることで、触媒層13との良好な密着性が得られる。故に、フラッティングが生じ難くガス拡散層14のガス拡散性及び水分管理性を向上させることができ、電池出力、発電性能の安定化を図ることができる。 According to the fuel cell gas diffusion layer 14 of the present embodiment, the carbon black formed on the surface of the conductive porous base material 16 made of conductive fibers and the like and the carbon black of the MPL 15 made of a water-repellent resin are DBP. Carbon black with an absorption amount within the range of 300ml/100g to 500ml/100g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), and has a high DBP. Since the secondary aggregates of the absorbed amount of carbon black are crushed, the increase in viscosity of the paste forming MPL 15 is suppressed, and it has good coating properties on the surface of the conductive porous base material 16. In the formed MPL 15, carbon black with a high DBP absorption amount has a high porosity due to a high structure, so that the porosity (porosity) is high and the pores are uniformly distributed. Therefore, the diffusion and drainage properties of gas and moisture can be improved by forming gas and moisture passages through the highly structured structure. Furthermore, by making the MPL 15 have good smoothness, good adhesion with the catalyst layer 13 can be obtained. Therefore, flatting is less likely to occur, and the gas diffusion properties and moisture management properties of the gas diffusion layer 14 can be improved, and the battery output and power generation performance can be stabilized.

特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15では、水分が溜り難くて排水性も高く、高いガス拡散性が維持され、更に、耐久性も良好なものとなる。 In particular, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration size that passes through a mesh with openings of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). Due to the good coating properties of the paste, MPL15 has good surface smoothness, and can achieve both high porosity and coating film strength that does not easily cause cracks. Therefore, in MPL15, which has a high porosity but has good surface smoothness, is difficult to crack, and has good adhesion to the catalyst layer 13, it is difficult for water to accumulate, has high drainage performance, maintains high gas diffusivity, and , the durability is also good.

また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層13の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、電池1の耐久性、寿命を低下させ難いものである。
よって、上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14によれば、空隙率の高いMPL15を有するから、ガスや水分の透過性を向上させることが可能であり、ガスの拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるものである。
In addition, carbon black with DBP absorption within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration diameter that allows it to pass through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less). Since it is of a size that can pass through a fine mesh filter that makes it possible to remove foreign substances such as iron that affect the durability and lifespan of the catalyst layer 13 that performs battery reactions, it reduces the durability and lifespan of the battery 1. This is difficult to lower.
Therefore, according to the fuel cell gas diffusion layer 14 of the above embodiment, since it has the MPL 15 with a high porosity, it is possible to improve gas and moisture permeability, and improve gas diffusivity and moisture management performance. It is possible to improve the performance of

更に、上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14において、MPL15のカーボンブラックと撥水性樹脂が重量比で9/1~5/5の範囲内であれば、MPL15の硬化塗膜において樹脂分による接着(結着)性が良好でクラックがより生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、ガス拡散層14の水分やガスの透過性が良好に発揮されるものである。 Furthermore, in the fuel cell gas diffusion layer 14 of the above embodiment, if the weight ratio of carbon black and water-repellent resin in MPL15 is within the range of 9/1 to 5/5, the resin content in the cured coating film of MPL15 will be reduced. It has good adhesion (binding) properties, making it more difficult for cracks to occur, and also suppressing the clogging of voids due to excessive resin content. Therefore, the gas diffusion layer 14 exhibits good moisture and gas permeability.

なお、本実施の形態のMPL塗工ペースト及びそれを用いて作製した燃料電池用ガス拡散層14は固体高分子形燃料電池1に限らず、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池等のその他燃料電池にも適用可能である。
また、本発明を実施するに際しては、MPL塗工ペーストや燃料電池用ガス拡散層14のその他の部分の組成、成分、配合量、材質、その他の製造工程について、本実施の形態に限定されるものではない。
更に、上述した数値範囲は、厳格なものでなく、当然、測定等による誤差を含む概略値であり、数割の誤差を否定するものではない。また、本発明の実施の形態で挙げている数値は、臨界値を示すものではなく、実施に好適な適正値を示すものであるから、上記数値を若干変更してもその実施を否定するものではない。
Note that the MPL coating paste of this embodiment and the fuel cell gas diffusion layer 14 produced using the same are applicable not only to the polymer electrolyte fuel cell 1 but also to other fuel cells such as a direct methanol fuel cell. is also applicable.
Furthermore, when carrying out the present invention, the composition, components, blending amounts, materials, and other manufacturing processes of the MPL coating paste and other parts of the fuel cell gas diffusion layer 14 are limited to the present embodiment. It's not a thing.
Further, the above-mentioned numerical range is not strict, but is an approximate value that naturally includes errors due to measurement, etc., and does not deny an error of several tenths. Further, the numerical values listed in the embodiments of the present invention do not indicate critical values, but indicate appropriate values suitable for implementation, so even if the above numerical values are slightly changed, the implementation thereof will be denied. isn't it.

1 燃料電池
14 ガス拡散層
15 マイクロポーラス層
16 導電性多孔質基材
1 Fuel cell 14 Gas diffusion layer 15 Microporous layer 16 Conductive porous base material

Claims (12)

カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストであって、
前記カーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものであることを特徴とするマイクロポーラス層形成用塗工ペースト。
A coating paste for forming a microporous layer containing carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent,
The carbon black is characterized in that the carbon black having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that allows the carbon black to pass through a mesh with an opening in the range of 34 to 154 μm. Coating paste for forming microporous layers.
前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロポーラス層形成用塗工ペースト。 The coating paste for forming a microporous layer according to claim 1, wherein the weight ratio of the carbon black and the water-repellent resin is within a range of 9/1 to 5/5. 前記マイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のマイクロポーラス層形成用塗工ペースト。 The microporous layer forming coating paste according to claim 1, wherein the coating paste for forming a microporous layer has a viscosity within a range of 0.05 Pa·s to 1.0 Pa·s at a shear rate of 50 s −1 . Coating paste. 導電性多孔質基材と、前記導電性多孔質基材の表面に形成されたカーボンブラックと撥水性樹脂とからなるマイクロポーラス層とから構成された燃料電池用ガス拡散層であって、
前記マイクロポーラス層のカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものであることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
A gas diffusion layer for a fuel cell, comprising a conductive porous base material and a microporous layer formed on the surface of the conductive porous base material and made of carbon black and a water-repellent resin,
The carbon black of the microporous layer has a secondary agglomeration diameter that allows carbon black with a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g to pass through a mesh with an opening in the range of 34 to 154 μm. A gas diffusion layer for fuel cells characterized by:
前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用ガス拡散層。 5. The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 4, wherein the carbon black and the water-repellent resin have a weight ratio of 9/1 to 5/5. カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法であって、
分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して薄膜旋回法により攪拌することを特徴とするマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法。
A method for producing a coating paste for forming a microporous layer containing carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, the method comprising:
Formation of a microporous layer characterized by mixing a water-repellent resin and carbon black whose DBP absorption is within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g in a solvent mixed with a dispersant, and stirring the mixture by a thin film swirling method. Method for producing coating paste for use.
カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法であって、
分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速25m/s以上、周速60m/s以下で攪拌することを特徴とするマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法。
A method for producing a coating paste for forming a microporous layer containing carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, the method comprising:
Carbon black and water-repellent resin having a DBP absorption within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g are mixed in a solvent mixed with a dispersant, and stirred at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less. A method for producing a coating paste for forming a microporous layer, characterized by:
前記攪拌後に、目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過させることを特徴とする請求項6または請求項7に記載のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to claim 6 or 7, characterized in that after the stirring, the paste is passed through a mesh having an opening within a range of 34 to 154 μm. 前記攪拌前に、ディスパまたはタービン・ステータ型の攪拌機でプレ攪拌することを特徴とする請求項6または請求項7に記載のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to claim 6 or 7, characterized in that, before the stirring, pre-stirring is performed using a disper or a turbine stator type stirrer. 前記攪拌前に、周速1m/s以上、周速20m/s以下でプレ攪拌することを特徴とする請求項6または請求項7に記載のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to claim 6 or 7, characterized in that, before the stirring, pre-stirring is performed at a peripheral speed of 1 m/s or more and 20 m/s or less. 前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であることを特徴とする請求項6または請求項7に記載のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法。 Production of a coating paste for forming a microporous layer according to claim 6 or 7, wherein the carbon black and the water-repellent resin are in a weight ratio of 9/1 to 5/5. Method. 前記マイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であることを特徴とする請求項6または請求項7に記載のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法。 The microporous layer-forming coating paste according to claim 6 or 7, wherein the viscosity at a shear rate of 50 s -1 is within the range of 0.05 Pa.s to 1.0 Pa.s. A method for producing a coating paste for forming a microporous layer.
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