JP6143299B2 - Microporous layer forming paste composition and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンペーパー等の導電性多孔質材料からなる基材の表面に塗布してガス拡散層のマイクロポーラス層を形成するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a paste composition for forming a microporous layer, which is applied to the surface of a substrate made of a conductive porous material such as carbon paper to form a microporous layer of a gas diffusion layer, and a method for producing the same.
燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池においては、高分子電解質膜の両面にカソード側電極及びアノード側電極を形成しており、通常、これらのカソード側電極及びアノード側電極は、白金等の触媒を担持したカーボンブラック及びイオン交換樹脂からなる電極触媒層と、カーボンクロスやカーボンペーパー等の導電性多孔質材料からなる基材に、導電性を付与するためのカーボン粒子等の導電性粉末と撥水性を付与するためのポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」とも略する。)エマルジョン等の撥水性樹脂とを混練した撥水ペーストを塗工してなるガス拡散層とによって構成されている。なお、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)、本明細書及び特許請求の範囲においては、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。 In a fuel cell, in particular, a polymer electrolyte fuel cell, a cathode side electrode and an anode side electrode are formed on both sides of a polymer electrolyte membrane. Usually, the cathode side electrode and the anode side electrode are made of platinum or the like. An electrocatalyst layer made of carbon black and an ion exchange resin supporting a catalyst, and a conductive powder such as carbon particles for imparting conductivity to a base material made of a conductive porous material such as carbon cloth or carbon paper; It is composed of a gas diffusion layer formed by coating a water-repellent paste kneaded with a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (hereinafter also referred to as “PTFE”) emulsion for imparting water repellency. . Emulsion (also referred to as “emulsion”) is also called an emulsion, and the original meaning is that the liquid particles form a milky form as colloidal particles or coarser particles (dispersed system). Although it is (Saburo Nagakura et al., “Iwanami Rikagaku Dictionary (5th edition)” page 152, published by Iwanami Shoten Co., Ltd. on February 20, 1998), in this specification and claims, it is more general. As used herein, the term “emulsion” is used herein as “in which solid or liquid particles are dispersed in a liquid”.
このような燃料電池のガス拡散層の基材においては、燃料電池の電極内で発生した水をすばやく除去するために、通常、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理が施される。しかし、撥水処理が施されたカーボンペーパー等のカーボン基材の表面にマイクロポーラス層形成用のペースト状混合物を塗布してガス拡散層を形成する燃料電池において、マイクロポーラス層形成用のペースト状混合物がカーボンブラック等の導電性粉末とPTFEエマルジョン等の撥水性樹脂と分散剤で構成されている場合、かかるマイクロポーラス層形成用のペースト状混合物を撥水処理したカーボン基材の表面に塗布すると、撥水処理により基材裏面に移動した水に追従して、ペースト成分がカーボン基材の裏面に抜けてしまう問題があった。ペースト成分がカーボン基材の裏面に抜けてしまうと、その裏抜け部位においてはカーボン基材が撥水処理されているにも関わらず撥水性が低下する減少が生じるため、燃料電池の電極内で発生した水の除去がスムーズに行われず、電池性能に悪影響を与える。 In the base material of the gas diffusion layer of such a fuel cell, a water-repellent treatment is usually applied to a conductive porous material such as carbon paper and carbon cloth in order to quickly remove water generated in the electrode of the fuel cell. Applied. However, in a fuel cell in which a gas diffusion layer is formed by applying a paste-like mixture for forming a microporous layer on the surface of a carbon substrate such as carbon paper that has been subjected to water repellent treatment, When the mixture is composed of conductive powder such as carbon black, a water repellent resin such as PTFE emulsion, and a dispersant, the paste-like mixture for forming a microporous layer is applied to the surface of a carbon substrate that has been subjected to a water repellent treatment. There was a problem that the paste component escapes to the back surface of the carbon base material following the water moved to the back surface of the base material by the water repellent treatment. If the paste component escapes to the back surface of the carbon base material, the water repellency of the carbon base material is reduced at the back-through portion even though the carbon base material is water-repellent. The generated water is not smoothly removed, which adversely affects battery performance.
そこで、このペースト成分の裏抜けを抑制するために、粘度調整によって組成物を高粘度化する方法が考えられる。
ここで、組成物の粘度を向上させる技術としては、特許文献1において、触媒層と、導電性基材で構成される気体拡散層と、前記触媒層と前記気体拡散層との間に位置し、導電性物質、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース及びヒドロキシプロピルエチルセルロースから選択される非イオン性セルロース系列化合物である増粘剤並びにフッ素系列樹脂を含む微細気孔層とを具備する燃料電池が開示されている。
Therefore, in order to suppress the penetration of the paste component, a method of increasing the viscosity of the composition by adjusting the viscosity can be considered.
Here, as a technique for improving the viscosity of the composition, in
しかしながら、特許文献1では、増粘剤が非イオン性セルロース系列化合物であり、セルロース系化合物は300℃程度の温度では完全には分解しないため、現状の乾燥・焼成温度を上げる必要があり、乾燥・焼成時の負荷が増加する問題が生じる。
また、粘度調整としてセルロース系化合物を使用し組成物の粘度を向上させた場合、粘度上昇に背反して組成物の流動性が悪くなることから平滑性が低下して塗膜の凹凸が大きくなり、燃料電池の出力安定のために拡散層に要求されるマイクロポーラス層の平滑性を確保することが困難となり、生産効率を上げることもできない。
However, in
In addition, when the viscosity of the composition is improved by using a cellulose compound for viscosity adjustment, the fluidity of the composition deteriorates against the increase in viscosity, so the smoothness decreases and the unevenness of the coating film increases. In addition, it becomes difficult to ensure the smoothness of the microporous layer required for the diffusion layer in order to stabilize the output of the fuel cell, and the production efficiency cannot be increased.
そこで、本発明は、かかる問題を解決すべくなされたものであって、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることなく、ペースト成分の裏抜けを抑制でき、かつ、平滑性も良好なマイクロポーラス層形成用ペースト組成物及びその製造方法の提供を課題とするものである。 Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and can prevent the penetration of the paste component without increasing the load of the drying process more than necessary, and has excellent smoothness. It is an object of the present invention to provide a layer forming paste composition and a method for producing the same.
請求項1の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、増粘剤とを含有するペースト組成物であって、前記増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと、平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用し、前記導電性粉末及び前記撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して、前記低分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部〜1.1重量部の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.3重量部〜1.0重量部の範囲内であるものである。
Microporous layer forming paste composition of the invention of
ここで、上記導電性材料としては、カーボンブラック粉末、グラファイト粉末、気相成長炭素粉末等のカーボン粒子が挙げられる。
また、上記撥水性樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を始めとして、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)等のフッ素樹脂等が挙げられる。
更に、分散剤としては、トリトンX−100、ポリオキシエチレンラウリルエーテル等が挙げられる。
そして、上記増粘剤としては、分子量が大きくても300℃未満で熱分解する水溶性樹脂のポリエチレンオキサイドを使用し、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとの平均分子量が異なるポリエチレンオキサイドを併用する。この併用は、平均分子量が160万未満の低分子量側のポリエチレンオキサイドによって塗工に適した粘度特性を確保し、高分子量側のポリエチレンオキサイドによって裏抜けを抑制する粘度特性を確保する。
Here, examples of the conductive material include carbon particles such as carbon black powder, graphite powder, and vapor growth carbon powder.
Examples of the water repellent resin include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), polychlorotrifluoroethylene ( PCTFE), fluoropolymers such as ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), and polyvinylidene fluoride (PVdF).
Furthermore, examples of the dispersant include Triton X-100 and polyoxyethylene lauryl ether.
As the thickener, polyethylene oxide which is a water-soluble resin that is thermally decomposed at less than 300 ° C. even when the molecular weight is large is used. Low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and average molecular weight of 1.6 million or more Polyethylene oxide having an average molecular weight different from that of high molecular weight polyethylene oxide is used in combination. This combined use ensures a viscosity characteristic suitable for coating by a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million, and a viscosity characteristic that suppresses the back-through by a high molecular weight polyethylene oxide.
本発明にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、前記低分子量のポリエチレンオキサイドの平均分子量が60万以上〜160万未満の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの平均分子量が160万以上〜650万以下の範囲内であるものである。 In the microporous layer forming paste composition according to the present invention, the low molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight in the range of 600,000 to less than 1.6 million, and the high molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight of 1,600,000 or more. It is in the range of ˜6.5 million or less .
請求項2の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、導電性材料としてのカーボン粒子と、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンと、分散剤と、増粘剤として平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを含有し、前記カーボン粒子及び前記PTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、前記低分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部〜1.1重量部の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.3重量部〜1.0重量部の範囲内であり、少なくとも前記カーボン粒子と前記PTFEエマルジョンと前記分散剤は、遊星式撹拌・脱泡装置で所定時間混合分散することによってマイクロポーラス層用ペーストとし、それを導電性多孔質材料の基材に塗布し、乾燥・焼成することで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 paste composition for forming a microporous layer according to the invention of
本発明にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、前記低分子量のポリエチレンオキサイドの平均分子量が60万以上〜160万未満の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの平均分子量が160万以上〜650万以下の範囲内であるものである。 In the microporous layer forming paste composition according to the present invention, the low molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight in the range of 600,000 to less than 1.6 million, and the high molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight of 1,600,000 or more. It is in the range of ˜6.5 million or less .
請求項3の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法は、導電性材料としてのカーボン粒子と、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンと、分散剤と、分散媒と、増粘剤として平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドとの混合材料を、遊星式撹拌・脱泡装置で所定時間混合分散し、その後、更に増粘剤として平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドを配合し、攪拌機で混合してマイクロポーラス層用ペーストとし、前記カーボン粒子及び前記PTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、前記低分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量を0.2重量部〜1.1重量部の範囲内とし、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量を0.3重量部〜1.0重量部の範囲内とするものである。
The method for producing a microporous layer forming paste composition according to the invention of
本発明にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法は、前記低分子量のポリエチレンオキサイドは、平均分子量が60万以上〜160万未満の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドは、平均分子量が160万以上〜650万以下の範囲内であるものである。 In the method for producing a microporous layer forming paste composition according to the present invention, the low molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight in the range of 600,000 to less than 1.6 million, and the high molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight are those in the range of more than 1.6 million to 650 than 10,000.
請求項4の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法の前記マイクロポーラス用ペーストは、カーボンクロスやカーボンペーパー等の導電性多孔質材料からなる基材に塗布を施しマイクロポーラス層としたことを特徴とするものである。 The microporous paste of the method for manufacturing the microporous layer forming paste composition of the invention of claim 4, was subjected to a applied to a substrate made of a conductive porous material such as carbon cloth or carbon paper microporous layer It is characterized by this.
請求項1の発明にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、導電性粉末と、撥水性樹脂と、分散剤と、増粘剤とを含有するペースト組成物であって、前記増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用した。
Microporous layer forming paste composition according to the invention of
本発明者らは、導電性多孔質材料からなる基材裏面へのペースト成分の裏抜け抑制とペーストの基材への良好な平滑性とを両立させるために、鋭意実験研究を重ねた結果、増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと、平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用することによって、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることなく、ペースト成分の基材裏面への裏抜けを抑制でき、しかも、凹凸のない平滑なガス拡散層のマイクロポーラス層(塗布膜)を形成できて塗工性も良好であることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成したものである。
即ち、発明者らの実験によれば、増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用することで、平均分子量が160万未満の低分子量側のポリエチレンオキサイドによって塗工に適した粘度特性を確保でき、高分子量側のポリエチレンオキサイドによって裏抜けを抑制する粘度特性を確保でき、ペースト成分の基材裏面への裏抜け抑制と良好な平滑性の双方を効果的に確保することができる。そして、増粘剤として、分子量が大きくなっても300℃未満で熱分解する水溶性樹脂のポリエチレンオキサイドを使用することで、マイクロポーラス層形成時に要求される特性を確保するために、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることもない。
よって、請求項1の発明によれば、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることなく、燃料電池の出力安定のために拡散層に要求されるペースト成分の基材裏面への裏抜け抑制及びマイクロポーラス層の平滑性を確保できる。そして、ペースト成分の裏抜けが抑制されることにより基材裏面の撥水性が低下することもなく、更に、平滑なマイクロポーラス層が得られることにより、ガスの拡散を均一にでき、また、触媒層との密着性も増すことから、燃料電池において安定した出力が得られる。
The present inventors have conducted extensive experimental research in order to achieve both suppression of the back-through of the paste component on the back surface of the base material made of a conductive porous material and good smoothness to the base material of the paste, As a thickener, a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are used in combination without unnecessarily increasing the load of the drying process. It was found that the penetration of the paste component to the back of the base material can be suppressed, and that a smooth microporous layer (coating film) of the gas diffusion layer without unevenness can be formed and the coating property is also good. The present invention has been completed based on the above.
That is, according to the experiments by the inventors, as a thickener, a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are used in combination. The polyethylene oxide on the low molecular weight side with a molecular weight of less than 1.6 million can secure the viscosity characteristics suitable for coating, the polyethylene oxide on the high molecular weight side can secure the viscosity characteristics to suppress the back-through, and the back of the paste component on the back of the substrate Both omission control and good smoothness can be effectively ensured. And as a thickener, in order to ensure the characteristics required at the time of microporous layer formation by using polyethylene oxide of a water-soluble resin that thermally decomposes at less than 300 ° C. even when the molecular weight increases, The load is not increased more than necessary.
Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to suppress the penetration of the paste component required for the diffusion layer for the stabilization of the output of the fuel cell to the back surface of the substrate without increasing the load of the drying process more than necessary, and The smoothness of the microporous layer can be ensured. And by suppressing the penetration of the paste component, the water repellency of the back surface of the base material is not lowered, and further, a smooth microporous layer is obtained, so that gas diffusion can be made uniform, and the catalyst Since the adhesion to the layer is also increased, a stable output can be obtained in the fuel cell.
本発明にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物によれば、前記低分子量のポリエチレンオキサイドは平均分子量が60万以上〜160万未満の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの平均分子量は160万以上〜650万の範囲内である。
ここで、ポリエチレンオキサイドの低分子側の平均分子量が60万未満である場合、塗工後のタレや基材への染み込みが生じて燃料電池における電力低下を招く恐れがある。また、高分子側の平均分子量が650万を超える場合、流動特性が悪くなって基材上に均一な膜の作製ができず、平滑なマイクロポーラス層の形成が困難となる。更に、イオン交換水等の分散媒にも溶けにくくなり取扱い性が悪くなり、実用に適さない。
したがって、低分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が60万以上〜160万未満の範囲内であることによって、塗工後のタレや基材への染み込みを防止して塗工に適した粘度特性を確保でき、高分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が160万以上〜650万の範囲内であることによって、取扱い性も良く、平滑性の低下を招くことなく裏抜けを抑制する粘度特性を確保できる。
よって、裏抜け抑制効果及び良好な平滑性を安定して確保でき、燃料電池における出力もより安定化させることができる。
According to the microporous layer forming paste composition of the present invention, the low molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight in the range of from 600,000 to less than 1.6 million, and the high molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight of 160. It is in the range of 10,000 to 6.5 million.
Here, when the average molecular weight of the low molecular weight side of the polyethylene oxide is less than 600,000, there is a possibility that the sagging after coating or the penetration into the base material occurs and the power in the fuel cell is reduced. Further, if the average molecular weight of the polymer side exceeds 6.5 million, can not produce a uniform film on the flow characteristics becomes poor substrate, forming a smooth microporous layer becomes difficult. Furthermore, it becomes difficult to dissolve in a dispersion medium such as ion-exchanged water, so that the handleability is deteriorated and it is not suitable for practical use.
Therefore, when the average molecular weight of the polyethylene oxide on the low molecular weight side is in the range of 600,000 to less than 1.6 million, it prevents the penetration after coating and the penetration into the base material and has a viscosity characteristic suitable for coating. By ensuring that the average molecular weight of polyethylene oxide on the high molecular weight side is in the range of from 1.6 million to 6.5 million, it is easy to handle, and it is possible to secure a viscosity characteristic that suppresses through-through without causing a decrease in smoothness. .
Drunk, stable print-through suppression and good smoothness can be secured, the output of the fuel cell can also be further stabilized.
請求項2の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、導電性材料としてのカーボン粒子と、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンと、分散剤と、増粘剤として平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを含有し、少なくとも前記カーボン粒子と前記PTFEエマルジョンと前記分散剤は、遊星式撹拌・脱泡装置で所定時間混合分散することによってマイクロポーラス層用ペーストするものである。
The paste composition for forming a microporous layer according to the invention of
即ち、本発明ではマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の増粘剤に、分子量が大きくなっても300℃未満で熱分解する水溶性樹脂のポリエチレンオキサイドとして、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用する。
増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用することで、低分子量側のポリエチレンオキサイドによって塗工に適した粘度特性を確保でき、また、高分子量側のポリエチレンオキサイドによって裏抜けを抑制する粘度特性を確保できることから、ペースト成分の基材裏面への裏抜け抑制と良好な平滑性の双方を効果的に確保することができる。
そして、増粘剤として、分子量が大きくなっても300℃未満で熱分解する水溶性樹脂のポリエチレンオキサイドを使用することで、マイクロポーラス層形成時に要求される特性を確保するために、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることもない。
よって、請求項2の発明によれば、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることなく、燃料電池の出力安定のために拡散層に要求されるペースト成分の基材裏面への裏抜け抑制及びマイクロポーラス層の平滑性を確保できる。そして、ペースト成分の裏抜けが抑制されることにより基材裏面の撥水性が低下することもなく、更に、平滑なマイクロポーラス層が得られることにより、ガスの拡散を均一にでき、また、触媒層との密着性も増すことから、燃料電池において安定した出力が得られる。
That is, in the present invention, the thickener of the paste composition for forming a microporous layer is a low molecular weight having an average molecular weight of less than 1.6 million as polyethylene oxide of a water-soluble resin that is thermally decomposed at less than 300 ° C. even if the molecular weight is increased. Polyethylene oxide and high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are used in combination.
Viscosity suitable for coating with polyethylene oxide on the low molecular weight side by using a low molecular weight polyethylene oxide with an average molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide with an average molecular weight of 1.6 million or more as a thickener. The properties can be secured, and the viscosity property that suppresses the back-through by the high molecular weight polyethylene oxide can be secured, so that both the back-through suppression to the back of the base material of the paste component and good smoothness can be effectively secured. be able to.
And as a thickener, in order to ensure the characteristics required at the time of microporous layer formation by using polyethylene oxide of a water-soluble resin that thermally decomposes at less than 300 ° C. even when the molecular weight increases, The load is not increased more than necessary.
Therefore, according to the second aspect of the present invention, it is possible to suppress the penetration of the paste component required for the diffusion layer for the stabilization of the output of the fuel cell to the back surface of the substrate without increasing the load of the drying process more than necessary, and The smoothness of the microporous layer can be ensured. And by suppressing the penetration of the paste component, the water repellency of the back surface of the base material is not lowered, and further, a smooth microporous layer is obtained, so that gas diffusion can be made uniform, and the catalyst Since the adhesion to the layer is also increased, a stable output can be obtained in the fuel cell.
本発明にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物によれば、前記低分子量のポリエチレンオキサイドは平均分子量が60万以上〜160万未満の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの平均分子量は160万以上〜650万の範囲内である。
ここで、ポリエチレンオキサイドの低分子側の平均分子量が60万未満である場合、塗工後のタレや基材への染み込みが生じて燃料電池における電力低下を招く恐れがある。また、高分子側の平均分子量が650万を超える場合、流動特性が悪くなって基材上に均一な膜の作製ができず、平滑なマイクロポーラス層の形成が困難となる。更に、イオン交換水等の分散媒にも溶けにくくなり取扱い性が悪くなり、実用に適さない。
したがって、低分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が60万以上〜160万未満の範囲内であることによって、塗工後のタレや基材への染み込みを防止して塗工に適した粘度特性を確保でき、高分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が160万以上〜650万の範囲内であることによって、取扱い性も良く、平滑性の低下を招くことなく裏抜けを抑制する粘度特性を確保できる。
よって、裏抜け抑制効果及び良好な平滑性を安定して確保でき、燃料電池における出力もより安定化させることができる。
According to the microporous layer forming paste composition of the present invention, the low molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight in the range of from 600,000 to less than 1.6 million, and the high molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight of 160. It is in the range of 10,000 to 6.5 million.
Here, when the average molecular weight of the low molecular weight side of the polyethylene oxide is less than 600,000, there is a possibility that the sagging after coating or the penetration into the base material occurs and the power in the fuel cell is reduced. Further, if the average molecular weight of the polymer side exceeds 6.5 million, can not produce a uniform film on the flow characteristics becomes poor substrate, forming a smooth microporous layer becomes difficult. Furthermore, it becomes difficult to dissolve in a dispersion medium such as ion-exchanged water, so that the handleability is deteriorated and it is not suitable for practical use.
Therefore, when the average molecular weight of the polyethylene oxide on the low molecular weight side is in the range of 600,000 to less than 1.6 million, it prevents the penetration after coating and the penetration into the base material and has a viscosity characteristic suitable for coating. By ensuring that the average molecular weight of polyethylene oxide on the high molecular weight side is in the range of from 1.6 million to 6.5 million, it is easy to handle, and it is possible to secure a viscosity characteristic that suppresses through-through without causing a decrease in smoothness. .
Drunk, stable print-through suppression and good smoothness can be secured, the output of the fuel cell can also be further stabilized.
請求項3の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法によれば、導電性材料としてのカーボン粒子と、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンと、分散剤と、分散媒と、増粘剤として平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドとの混合材料を、遊星式撹拌・脱泡装置で所定時間混合分散し、その後、更に増粘剤として平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドを配合し、攪拌機で混合してマイクロポーラス層用ペーストとするものである。
According to the method for producing the microporous layer forming paste composition of the invention of
即ち、本発明ではマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の増粘剤に、分子量が大きくなっても300℃未満で熱分解する水溶性樹脂のポリエチレンオキサイドとして、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用する。
増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用することで、低分子量側のポリエチレンオキサイドによって、塗工に適した粘度特性を確保でき、また、高分子量側のポリエチレンオキサイドで裏抜けを抑制する粘度特性を確保できることから、ペースト成分の基材裏面への裏抜け抑制と良好な平滑性の双方を効果的に確保することができる。
また、増粘剤として平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドは、その他の材料を撹拌後に配合して攪拌機で混合するため、高分子量のポリエチレンオキサイドが過分散により低分子化することを防止できる。高分子量のポリエチレンオキサイドは、その他の材料と同時に添加して分散する場合、高分子量のポリエチレンオキサイドが低分子化することがある。この場合、所望の特性が得られない恐れがある。
したがって、高分子量のポリエチレンオキサイドは、その他の材料を撹拌後に配合することが好ましい。
そして、増粘剤として、分子量が大きくなっても300℃未満で熱分解する水溶性樹脂のポリエチレンオキサイドを使用することで、マイクロポーラス層形成時に要求される特性を確保するために、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることもない。
よって、請求項3の発明によれば、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることなく、燃料電池の出力安定のために拡散層に要求されるペースト成分の基材裏面への裏抜け抑制及びマイクロポーラス層の平滑性を確保できるマイクロポーラス層用ペーストが得られる。そして、かかるマイクロポーラス層用ペーストによれば、ペースト成分の裏抜けが抑制されることにより基材裏面の撥水性も低下することもなく、更に、平滑なマイクロポーラス層が得られることで、ガスの拡散を均一にでき、また、触媒層との密着性も増すことから、燃料電池において安定した出力が得られる。
That is, in the present invention, the thickener of the paste composition for forming a microporous layer is a low molecular weight having an average molecular weight of less than 1.6 million as polyethylene oxide of a water-soluble resin that is thermally decomposed at less than 300 ° C. even if the molecular weight is increased. Polyethylene oxide and high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are used in combination.
As a thickener, a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are used in combination, so that the polyethylene oxide on the low molecular weight side is suitable for coating. Viscosity characteristics can be ensured, and the high-molecular-weight polyethylene oxide can ensure the viscosity characteristics to suppress the back-through, effectively ensuring both the back-through suppression of the paste component to the back of the substrate and good smoothness. can do.
In addition, high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more as a thickener is blended with other materials after stirring and mixed with a stirrer, so that high molecular weight polyethylene oxide is reduced in molecular weight by overdispersion. Can be prevented. When high molecular weight polyethylene oxide is added and dispersed simultaneously with other materials, the high molecular weight polyethylene oxide may have a low molecular weight. In this case, the desired characteristics may not be obtained.
Therefore, the high molecular weight polyethylene oxide is preferably blended after stirring other materials.
And as a thickener, in order to ensure the characteristics required at the time of microporous layer formation by using polyethylene oxide of a water-soluble resin that thermally decomposes at less than 300 ° C. even when the molecular weight increases, The load is not increased more than necessary.
Therefore, according to the invention of
本発明にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法は、前記低分子量のポリエチレンオキサイドの平均分子量が60万以上〜160万未満の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの平均分子量が160万以上〜650万の範囲内であるものである。
ここで、ポリエチレンオキサイドの低分子側の平均分子量が60万未満である場合、塗工後のタレや基材への染み込みが生じて燃料電池における電力低下を招く恐れがある。また、高分子側の平均分子量が650万を超える場合、流動特性が悪くなって基材上に均一な膜の作製ができず、平滑なマイクロポーラス層の形成が困難となる。更に、イオン交換水等の分散媒にも溶けにくくなり取扱い性が悪くなり、実用に適さない。
したがって、低分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が60万以上〜160万未満の範囲内であることによって、塗工後のタレや基材への染み込みを防止して塗工に適した粘度特性を確保でき、高分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が160万以上〜650万の範囲内であることによって、取扱い性も良く、平滑性の低下を招くことなく裏抜けを抑制する粘度特性を確保できる。
よって、裏抜け抑制効果及び良好な平滑性を安定して確保でき、また、燃料電池における出力もより安定化させることができるマイクロポーラス層形成用ペーストが得られる。
The method for producing a microporous layer forming paste composition according to the present invention is such that the low molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight in the range of 600,000 to less than 1.6 million, and the high molecular weight polyethylene oxide has an average molecular weight. It is within the range of 1.6 million to 6.5 million.
Here, when the average molecular weight of the low molecular weight side of the polyethylene oxide is less than 600,000, there is a possibility that the sagging after coating or the penetration into the base material occurs and the power in the fuel cell is reduced. On the other hand, when the average molecular weight on the polymer side exceeds 6.5 million, the flow characteristics are deteriorated and a uniform film cannot be produced on the substrate, and it becomes difficult to form a smooth microporous layer. Furthermore, it becomes difficult to dissolve in a dispersion medium such as ion-exchanged water, so that the handleability is deteriorated and it is not suitable for practical use.
Therefore, when the average molecular weight of the polyethylene oxide on the low molecular weight side is in the range of 600,000 to less than 1.6 million, it prevents the penetration after coating and the penetration into the base material and has a viscosity characteristic suitable for coating. By ensuring that the average molecular weight of polyethylene oxide on the high molecular weight side is in the range of from 1.6 million to 6.5 million, it is easy to handle, and it is possible to secure a viscosity characteristic that suppresses through-through without causing a decrease in smoothness. .
Drunk, stable print-through suppression and good smoothness can be ensured, also, microporous layer forming paste capable of output even further stabilize the fuel cell can be obtained.
請求項4の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法は、カーボンクロスやカーボンペーパー等の導電性多孔質材料からなる基材に前記マイクロポーラス用ペーストを塗布したものであるから請求項3に記載の効果に加えて、簡単に製造できるし、基材の形状により任意の形状に仕上げることができる。 Method for producing a microporous layer forming paste composition of the invention of claim 4, claim since it is obtained by coating the microporous paste on a substrate made of a conductive porous material such as carbon cloth or carbon paper In addition to the effects described in 3, it can be easily manufactured, and can be finished in any shape depending on the shape of the substrate.
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
まず、本実施の形態にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物について説明する。
本実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、導電性材料と、撥水性樹脂と、分散剤と、増粘剤とを含有するペースト組成物であって、増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと、平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用したものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the microporous layer forming paste composition according to the present embodiment will be described.
The microporous layer forming paste composition of the present embodiment is a paste composition containing a conductive material, a water repellent resin, a dispersant, and a thickener, and has an average molecular weight as the thickener. Is a combination of a low molecular weight polyethylene oxide having a molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more.
導電性材料としては、例えば、カーボンブラック粉末、グラファイト粉末、気相成長炭素粉末等の粉末状の導電性材料や、炭素繊維等の繊維状の導電性材料を用いることができる。中でも、基材として用いられるカーボン基材との相性の点からカーボンブラックが好ましく、このカーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等のカーボン粒子が挙げられるが、特に、アセチレンブラックが純度が高くて使いやすく、燃料電池の電極に使用される塗膜層を形成するのに好適である。 Examples of the conductive material that can be used include powdered conductive materials such as carbon black powder, graphite powder, and vapor-grown carbon powder, and fibrous conductive materials such as carbon fibers. Among them, carbon black is preferable from the viewpoint of compatibility with the carbon base material used as the base material. Examples of the carbon black include carbon particles such as acetylene black, ketjen black, and furnace black. It has high purity and is easy to use, and is suitable for forming a coating layer used for an electrode of a fuel cell.
撥水性樹脂としては、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)等のフッ素樹脂のエマルジョンを使用できるが、特にPTFEのエマルジョンを用いるのが好ましい。
また、分散剤としては、トリトンX−100、ポリオキシエチレンラウリルエーテル等が使用される。
Examples of water-repellent resins include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / tetra Fluorine resin emulsions such as fluorinated ethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), and polyvinylidene fluoride (PVdF) can be used, and it is particularly preferable to use an emulsion of PTFE.
Moreover, as a dispersing agent, Triton X-100, polyoxyethylene lauryl ether, etc. are used.
増粘剤は、拡散層を形成するマイクロポーラス層に残存するとマイクロポーラス層の特性に悪影響を及ぼすため乾燥と焼成を行う乾燥工程にて熱分解されるが、増粘剤の熱分解温度によっては乾燥工程の温度を、増粘剤を使用しないときに比べて高くする必要が生じ負荷が増す。そのため本発明では増粘剤に300℃未満で熱分解する水溶性樹脂のポリエチレンオキサイドを使用することで増粘剤の熱分解に伴う乾燥工程での負荷を、増粘剤を使用しない場合に比べて必要以上に増大せずに負荷の抑制を可能としている。
そして、本発明においては、増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと、平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用する。このようなポリエチレンオキサイドは、例えば、住友精化(株)(商品名:ペオ(PEO))、明成化学工業(株)(商品名:アルコックス)等から発売されている市販のものを使用することができる。
If the thickener remains in the microporous layer that forms the diffusion layer, it adversely affects the properties of the microporous layer, so it is thermally decomposed in the drying and drying process. Depending on the thermal decomposition temperature of the thickener, The temperature of the drying process needs to be higher than when no thickener is used, and the load increases. Therefore, in the present invention, the load in the drying process associated with the thermal decomposition of the thickener by using polyethylene oxide, which is a water-soluble resin that thermally decomposes at less than 300 ° C., is used as a thickener, compared to the case where no thickener is used. Therefore, the load can be suppressed without increasing more than necessary.
In the present invention, as a thickener, a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are used in combination. As such polyethylene oxide, for example, those commercially available from Sumitomo Seika Co., Ltd. (trade name: PEO), Meisei Chemical Industry Co., Ltd. (trade name: Alcox) are used. be able to.
ここで、増粘剤としての低分子量ポリエチレンオキサイドの平均分子量は、60万以上〜160万未満の範囲内であり、高分子量ポリエチレンオキサイドの平均分子量は160万以上〜650万の範囲内であることが好ましい。
低分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が60万未満である場合、塗工後のタレや基材への染み込みが生じ燃料電池における電力低下を招く恐れがあり、また、高分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が650万を超える場合、イオン交換水に溶けにくくて取扱い性が悪く、また、平滑性が低下することから実用化に適さないためである。
Here, the average molecular weight of the low molecular weight polyethylene oxide as the thickener is in the range of 600,000 to less than 1.6 million, and the average molecular weight of the high molecular weight polyethylene oxide is in the range of 1.6 million to 6.5 million. Is preferred.
When the average molecular weight of the polyethylene oxide on the low molecular weight side is less than 600,000, there is a possibility that the sagging after coating or penetration into the base material may occur, resulting in a decrease in power in the fuel cell. When the average molecular weight exceeds 6.5 million, it is difficult to dissolve in ion-exchanged water, the handleability is poor, and the smoothness is lowered, so that it is not suitable for practical use.
また、増粘剤の配合量は、導電性材料及び前撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して、低分子量のポリエチレンオキサイド及び高分子量のポリエチレンオキサイドの合計固形分配合量が0.5重量部〜2.5重量部の範囲内であることが好ましい。
増粘剤としての低分子量のポリエチレンオキサイド配合量及び高分子量のポリエチレンオキサイドの合計固形分配合量が0.5重量部未満である場合、増粘剤が少なくて裏抜け抑制及び良好な平滑性を確保する粘度特性が得られず、一方、2.5重量部を超えると、粘度上昇が大きくなり平滑性が低下する傾向にあるからである。
更には、前記導電性材料及び前記撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して、低分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部〜1.1重量部の範囲内であり、高分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部〜1.1重量部の範囲内であることが好ましい。
分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部未満である場合、低分子量のポリエチレンオキサイドの配合量が少なく平滑性が低下する恐れがあり、一方で、1.1重量部を超えた場合、流動特性が高くなり、流動特性が悪くなって基材上に均一な膜の作製ができず、平滑なマイクロポーラス層の形成が困難となるからである。
The blending amount of the thickening agent is such that the total solid content of the low molecular weight polyethylene oxide and the high molecular weight polyethylene oxide is 0. 0 parts by weight based on the total solid content of the conductive material and the water-repellent resin. It is preferably within the range of 5 to 2.5 parts by weight.
When the total solid content of the low molecular weight polyethylene oxide and the high molecular weight polyethylene oxide as the thickener is less than 0.5 parts by weight, the amount of the thickener is small, and the through-through suppression and good smoothness are achieved. This is because the viscosity characteristics to be ensured cannot be obtained, and on the other hand, when it exceeds 2.5 parts by weight, the increase in viscosity tends to increase and the smoothness tends to decrease.
Furthermore, the solid content of the low molecular weight polyethylene oxide is in the range of 0.2 to 1.1 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solids of the conductive material and the water repellent resin. The solid content of the high molecular weight polyethylene oxide is preferably in the range of 0.2 to 1.1 parts by weight.
When the solid content of the molecular weight polyethylene oxide is less than 0.2 parts by weight, the blending amount of the low molecular weight polyethylene oxide is small and the smoothness may be lowered, while the amount exceeds 1.1 parts by weight. In such a case, the flow characteristics are increased, the flow characteristics are deteriorated, and a uniform film cannot be produced on the substrate, so that it is difficult to form a smooth microporous layer.
このように、本実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、カーボン粒子等の導電性材料、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂、分散剤、増粘剤としての平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイド及び平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドを所定の割合で配合するわけであるが、このマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を燃料電池用ガス拡散層14(図1参照)に適用する際は、カーボン粒子等の導電性材料、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂、分散剤と、分散媒としてのイオン交換水等の水、及び増粘剤として平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドを混合した材料を、公転・自転を特定の値に設定した遊星式撹拌・脱泡装置にて混合分散し、次に、この混合分散した材料に、更に増粘剤として平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドを配合し、それを攪拌機で混合することでマイクロポーラス層用ペーストする。そして、このマイクロポーラス層用ペーストを導電性多孔質材料に撥水処理を施した基材16(図1参照)に塗工することで、マイクロポーラス層を形成してなる拡散層14(図1参照)とされる。 Thus, the microporous layer forming paste composition of the present embodiment has an average molecular weight of less than 1.6 million as a conductive material such as carbon particles, a water repellent resin such as PTFE emulsion, a dispersant, and a thickener. A low molecular weight polyethylene oxide and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are blended in a predetermined ratio. This microporous layer-forming paste composition is used as a fuel cell gas diffusion layer 14 (FIG. 1). When applied to a conductive material such as carbon particles, a water repellent resin such as PTFE emulsion, a dispersant, water such as ion-exchanged water as a dispersion medium, and an average molecular weight of less than 1.6 million as a thickener. The material mixed with low molecular weight polyethylene oxide was mixed with a planetary agitation / defoaming device with a specific value for revolution and rotation. And, then, to this mixture dispersed material, further average molecular weight blended 1,600,000 more high molecular weight polyethylene oxide as a thickener, to paste microporous layer by mixing it with a stirrer. Then, the microporous layer paste is applied to a base material 16 (see FIG. 1) obtained by subjecting the conductive porous material to a water repellent treatment, thereby forming a diffusion layer 14 (FIG. 1) formed with a microporous layer. Reference).
続いて、本実施の形態にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を用いた燃料電池用ガス拡散層が適用される固体高分子型燃料電池(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。 1 is a schematic configuration diagram of FIG. 1 regarding the structure of a polymer electrolyte fuel cell (single cell) to which the fuel cell gas diffusion layer using the microporous layer forming paste composition according to the present embodiment is applied. This will be described with reference to FIG.
図示のように、本実施の形態にかかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を用いた燃料電池1は、単セルの芯となる電解質膜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電極12Aを、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電極12Bを配設してなる膜−電極接合体10と、膜−電極接合体10のカソード電極12Aの表面に配置されるカソード側セパレータ20Aと、膜−電極接合体10のアノード電極12Bの表面に配置されるアノード側セパレータ20Bとで構成されている。膜−電極接合体10は膜−電極アッセンブリ(Membrane Electrode Assembly)とも呼ばれ、燃料ガス及び酸化ガスが反応して、カソード側セパレータ20Aとアノード側セパレータ20Bとの間で電力が取り出される。
As shown in the figure, in the
イオン交換基となる高分子膜からなる電解質膜11は、特定のイオンと強固に結合し、陽イオンまたは陰イオンを選択的に透過する性質を有する。電解質膜11の両表面に形成される電極12(カソード電極12A及びアノード電極12B)は、触媒層13(カソード側触媒層13A及びアノード側触媒層13B)と、拡散層14(カソード側拡散層14A及びアノード側拡散層14B)とで構成される。 The electrolyte membrane 11 made of a polymer membrane serving as an ion exchange group has a property of binding firmly to specific ions and selectively transmitting cations or anions. Electrodes 12 (cathode electrode 12A and anode electrode 12B) formed on both surfaces of electrolyte membrane 11 are composed of catalyst layer 13 (cathode side catalyst layer 13A and anode side catalyst layer 13B) and diffusion layer 14 (cathode side diffusion layer 14A). And the anode side diffusion layer 14B).
燃料ガスまたは酸化ガスが反応する触媒層13(カソード側触媒層13Aまたはアノード側触媒層13B)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と、この触媒担持カーボンを電解質膜11に接着する樹脂とで構成されている。ガス透過性及び水透過性を有する拡散層14(カソード側拡散層14Aまたはアノード側拡散層14B)は、触媒層13(カソード側触媒層13Aまたはアノード側触媒層13B)の表面に形成される。 The catalyst layer 13 (cathode side catalyst layer 13A or anode side catalyst layer 13B) with which the fuel gas or the oxidizing gas reacts is a catalyst-supported carbon in which a noble metal catalyst such as platinum, gold, palladium, etc. is supported by carbon, and this catalyst-supported carbon. And a resin that adheres to the electrolyte membrane 11. The diffusion layer 14 (cathode side diffusion layer 14A or anode side diffusion layer 14B) having gas permeability and water permeability is formed on the surface of the catalyst layer 13 (cathode side catalyst layer 13A or anode side catalyst layer 13B).
拡散層14(カソード側拡散層14Aまたはアノード側拡散層14B)は、基材16(カソード側基材16Aまたはアノード側基材16B)とマイクロポーラス層(微多孔質層)としての表面層15(カソード側表面層15Aまたはアノード側表面層15B)とを有し、表面層15(カソード側表面層15Aまたはアノード側表面層15B)は触媒層13(カソード側触媒層13Aまたはアノード側触媒層13B)の表面に形成され、基材16(カソード側基材16Aまたはアノード側基材16B)は表面層15(カソード側表面層15Aまたはアノード側表面層15B)の表面に配設される。 The diffusion layer 14 (cathode side diffusion layer 14A or anode side diffusion layer 14B) includes a base material 16 (cathode side base material 16A or anode side base material 16B) and a surface layer 15 (microporous layer) as a microporous layer (microporous layer). Cathode side surface layer 15A or anode side surface layer 15B), and surface layer 15 (cathode side surface layer 15A or anode side surface layer 15B) is catalyst layer 13 (cathode side catalyst layer 13A or anode side catalyst layer 13B). The substrate 16 (cathode side substrate 16A or anode side substrate 16B) is disposed on the surface of the surface layer 15 (cathode side surface layer 15A or anode side surface layer 15B).
この構成によって、外部より酸化ガスがカソード側セパレータ20Aの酸化ガス流路21Aに供給されると、酸化ガス流路21Aに沿って流れる酸化ガスのうち、一部がカソード側の拡散層14Aの基材16A側表面より内部へ浸入する。その他の未反応の酸化ガスは、酸化ガス流路21Aに沿って流れ、燃料電池1の外部へ排出される。同様に、外部より燃料ガスがアノード側セパレータ20Bの燃料ガス流路21Bに供給されると、燃料ガス流路21Bに沿って流れる燃料ガスのうち、一部がアノード側の拡散層14Bの基材16B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21Bに沿って流れ、燃料電池1の外部へ排出される。
With this configuration, when an oxidizing gas is supplied from the outside to the oxidizing gas channel 21A of the cathode-side separator 20A, a part of the oxidizing gas flowing along the oxidizing gas channel 21A is based on the cathode-side diffusion layer 14A. It penetrates into the inside from the surface of the material 16A. Other unreacted oxidizing gas flows along the oxidizing
本実施の形態では、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施した基材16(カソード側基材16Aまたはアノード側基材16B)に対して、本実施の形態にかかるマイクロポーラス層用ペースト組成物からなるマイクロポーラス層用ペーストを塗工することによって、マイクロポーラス層としての表面層15(カソード側表面層15Aまたはアノード側表面層15B)が形成され、ガス透過性及び水透過性を有する拡散層14(カソード側拡散層14Aまたはアノード側拡散層14B)となる。
このとき、表面層15(カソード側表面層15Aまたはアノード側表面層15B)は、本実施の形態にかかるマイクロポーラス層用ペースト組成物の導電性材料、例えば、カーボンブラック等のカーボン粒子等によって導電性が付与され、また、撥水性樹脂、例えば、PTFEエマルジョン等によって撥水性が付与される。
また、基材16(カソード側基材16Aまたはアノード側基材16B)は、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施したものからなる。
In the present embodiment, the present embodiment is applied to the base material 16 (cathode side base material 16A or anode side base material 16B) obtained by subjecting a conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth to a water repellent treatment. By applying a microporous layer paste made of such a microporous layer paste composition, a surface layer 15 (cathode-side surface layer 15A or anode-side surface layer 15B) as a microporous layer is formed, and gas permeability is achieved. And a
At this time, the surface layer 15 (cathode side surface layer 15A or anode side surface layer 15B) is electrically conductive by the conductive material of the microporous layer paste composition according to the present embodiment, for example, carbon particles such as carbon black. In addition, water repellency is imparted by a water repellent resin such as a PTFE emulsion.
Moreover, the base material 16 (cathode side base material 16A or anode side base material 16B) is formed by subjecting a conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth to a water repellent treatment.
そして、本実施の形態では、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施した基材16(カソード側基材16Aまたはアノード側基材16B)に塗布するマイクロポーラス層用ペースト組成物において、増粘剤として平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイド及び平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドが併用されていることによって、導電性多孔質材料に撥水処理を施した基材16に塗布を行なっても、撥水処理により基材16の裏面aに移動した水に追従してペースト成分が基材16の裏面aへと抜ける事態は防止される。
また、増粘剤として平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイド及び平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドを併用していることで、基材16に塗布する際の流動特性も良く、塗布量を均一にでき、凹凸のない平滑なマイクロポーラス層(塗布膜)を形成することができる。即ち、平滑性も良好であり、塗工時の生産効率もよい。
In this embodiment, the microporous layer is applied to a base material 16 (cathode side base material 16A or anode side base material 16B) obtained by subjecting a conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth to a water repellent treatment. In the paste composition, a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1,600,000 and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1,600,000 or more are used in combination as a thickener, thereby making the conductive porous material water repellent. Even if the coating is performed on the
In addition, the low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and the high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are used in combination as a thickener, so that flow characteristics when applied to the
このように増粘剤としての平均分子量が160万未満の低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が650万以下の高分子量ポリエチレンオキサイドを併用することで、ペースト塗工時におけるペースト成分の裏抜け抑制とマイクロポーラス層の平滑性、即ち、良好な平滑性との両立が可能となるのは、低分子量側のポリエチレンオキサイドによって塗工に適した粘度特性を確保できると共に、高分子量側のポリエチレンオキサイドでペースト成分の裏抜けを抑制する粘度特性を確保できるためであると考えられる。 In this way, by using together a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 6.5 million or less as a thickener, it is possible to suppress the penetration of paste components during paste coating and The smoothness of the porous layer, that is, good smoothness can be achieved together with the low molecular weight side polyethylene oxide ensuring the viscosity characteristics suitable for coating and the high molecular weight side polyethylene oxide being the paste component. This is considered to be because it is possible to ensure the viscosity characteristic that suppresses the back-through of the film.
したがって、本実施の形態のマイクロポーラス層用ペースト組成物からなるマイクロポーラス層用ペーストを塗工してガス拡散層14を形成した燃料電池においては、ペースト成分が基材16の裏面aへと抜ける裏抜けが抑制されるため、基材16の裏面aの撥水性の低下が防止される。更に、表面層15(カソード側表面層15Aまたはアノード側表面層15B)において平滑なマイクロポーラス層が得られることにより、ガスの拡散を均一にでき、また、触媒層13(カソード側触媒層13Aまたはアノード側触媒層13B)との密着性も増す。故に、安定した出力が得られる。加えて、平滑なマイクロポーラス層が得られることから、燃料電池製造時の作業性(ハンドリング)も向上する。
Therefore, in the fuel cell in which the
ここで、本実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の増粘剤として使用したポリエチレンオキサイドは、水溶性樹脂であり、分解温度が低く、分子量による分解温度の差も小さいため、分子量が大きくなっても焼成温度が300℃未満で熱分解する。よって、増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイド及び平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドを併用しても、ポリエチレンオキサイドの分解消失のための焼成の負荷は必要以上に増大しないため乾燥工程の負荷の増大は抑制される。因みに、発明者らの実験によれば、分子量と耐熱性の関係は、同じ分子構造の場合、ある一定の分子量までは分子量が大きくなると耐熱性も良くなるが、それ以上分子量が大きくなっても耐熱性は変わらないことが確認された。 Here, polyethylene oxide used as a thickener for the microporous layer forming paste composition of the present embodiment is a water-soluble resin, has a low decomposition temperature, and a difference in decomposition temperature depending on molecular weight is small. Even if it becomes larger, it is thermally decomposed at a firing temperature of less than 300 ° C. Therefore, even when a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1,600,000 or more are used in combination as a thickener, the firing load for decomposing and disappearing the polyethylene oxide is Since it does not increase more than necessary, an increase in the load of the drying process is suppressed. By the way, according to the experiments by the inventors, the relationship between the molecular weight and the heat resistance has the same molecular structure, the heat resistance improves as the molecular weight increases up to a certain molecular weight, but even if the molecular weight increases further. It was confirmed that the heat resistance did not change.
故に、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物の増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が160万以上の高分子量ポリエチレンオキサイドを併用することで、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることなく、燃料電池の発電効率に影響を与える拡散層14の重要特性であるペースト成分の裏抜けを抑制することができ、かつ、良好な平滑性も得られる。
Therefore, as a thickener for the microporous layer forming paste composition, a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are used in combination, thereby reducing the load of the drying process. Without increasing it more than necessary, it is possible to suppress the penetration of the paste component, which is an important characteristic of the
なお、増粘剤としての低分子量側のポリエチレンオキサイド及び高分子量側のポリエチレンオキサイドにおいて、それぞれ分子量や添加量を調整することにより、塗工特性に合わせた粘度特性に設定でき、塗工条件に合わせた粘度特性による施工が可能となる。
また、本実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物からなるマイクロポーラス層形成用ペーストは、流動特性が良く塗工時の生産効率もよいことから、連続高速生産に対応することも可能である。
In addition, in the low molecular weight side polyethylene oxide and the high molecular weight side polyethylene oxide as thickeners, by adjusting the molecular weight and addition amount, respectively, it can be set to the viscosity characteristics that match the coating characteristics and match the coating conditions. Construction with high viscosity characteristics is possible.
In addition, the microporous layer-forming paste comprising the microporous layer-forming paste composition of the present embodiment has good flow characteristics and good production efficiency at the time of coating. is there.
次に、本発明の実施の形態にかかるマイクロポーラス層用ペースト組成物の各成分の配合内容及び配合量を表1及び表2にて具体的に示して、各実施例について説明する。 Next, the content and amount of each component of the paste composition for a microporous layer according to the embodiment of the present invention are specifically shown in Tables 1 and 2, and each example will be described.
[実施例]
実施例1にかかるマイクロポーラス層用ペースト組成物は、導電性材料としてのカーボン粒子のアセチレンブラック(電気化学工業(株)製:商品名「デンカブラック」を75.0g、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D−210C[固形分(樹脂分)61%])を41.7g(固形分量25.4g、水分量16.3g)、分散剤としてのトリトンXー100を7.5g、分散媒としてのイオン交換水を295.8g、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−4)の1.25%水溶液を40.0g(固形分量0.5g、水分量39.5g)配合した材料を、公転600rpm、自転600rpmに設定した遊星式撹拌・脱泡装置(倉敷紡績(株)製:商品名「マゼルスター KK−1000W」)で3分間混合分散し、カーボン粒子の凝集物が無いように均一に分散した。
次に、この混合材料に増粘剤として平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイド (明成化学製 E−160)の1.25%水溶液を40.0g(固形分量0.5g、水分量39.5g)を配合して、攪拌機としてのスリーワンモーター(HEIDON社製:HEIDON600G、)に径10cmの4枚プロペラを取り付けて回転数300rpmで回転させて混合、脱泡することで実施例1のマイクロポーラス層用ペーストとした。
なお、高分子量ポリエチレンオキサイド添加後の攪拌は、過分散の場合には高分子量ポリエチレンオキサイドが低分子化することが懸念されるため注意する必要がある。
[Example]
The paste composition for a microporous layer according to Example 1 is composed of carbon particle acetylene black (made by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd .: 75.0 g of trade name “Denka Black” as a conductive material, and PTFE as a water repellent resin. 41.7 g of emulsion (made by Daikin Industries, Ltd .: POLYFLON PTFE D-210C [solid content (resin content) 61%]) (solid content 25.4 g, moisture content 16.3 g), Triton X- as a dispersant 7.5 g of 100, 295.8 g of ion-exchanged water as a dispersion medium, and 1.25% aqueous solution of low molecular weight polyethylene oxide (PEO-4 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) having an average molecular weight of 1.1 to 1.5 million as a thickener 40.0 g (solid content 0.5 g, moisture content 39.5 g) in a planetary agitation set to revolution 600 rpm and rotation 600 rpm Deaerator (Kurabo Co., Ltd.: trade name "Mazerustar KK-1000W") for 3 min mixed and dispersed in, and evenly dispersed as aggregates of carbon particles is not.
Next, 40.0 g (0.5 g solid content, water content) of a 1.25% aqueous solution of high molecular weight polyethylene oxide (Esei-160, manufactured by Meisei Chemical Co., Ltd.) having an average molecular weight of 3.6 to 4 million as a thickener is added to this mixed material. Example 3 by blending 39.5 g), three propellers having a diameter of 10 cm to a three-one motor as a stirrer (manufactured by HEIDON: HEIDON 600G), rotating at 300 rpm, mixing, and degassing This was a microporous layer paste.
It should be noted that the stirring after the addition of the high molecular weight polyethylene oxide is concerned because the molecular weight of the high molecular weight polyethylene oxide may be lowered in the case of overdispersion.
実施例2は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−4)の0.75%水溶液を40.0g(固形分量0.3g、水分量39.7g)及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイド (明成化学製 E−160)の0.75%水溶液を40.0g(固形分量0.3g、水分量132.3g)配合した。即ち、実施例1よりも増粘剤としての低分子量ポリエチレンオキサイド及び高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を減らした。かかる配合量が異なる以外は、実施例1と同様の条件で作製し実施例2のマイクロポーラス層用ペーストとした。 Example 2 is 40.0 g (solid content 0.3 g, moisture content) of a 0.75% aqueous solution of low molecular weight polyethylene oxide (PEO-4, manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) having an average molecular weight of 1.1 to 1,500,000 as a thickener. 39.7 g) and 40.0 g (solid content 0.3 g, moisture content 132.3 g) of a 0.75% aqueous solution of high molecular weight polyethylene oxide (Meisei Chemical E-160) having an average molecular weight of 3.6 to 4 million did. That is, the solid content blending amount of the low molecular weight polyethylene oxide and the high molecular weight polyethylene oxide as thickeners was reduced as compared with Example 1. A microporous layer paste of Example 2 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the blending amounts were different.
実施例3は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−4)の2.5%水溶液を40.0g(固形分量1.0g、水分量39.0g)及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイド (明成化学製 E−160)の2.5%水溶液を40.0g(固形分量1.0g、水分量39.0g)配合した。即ち、実施例1よりも増粘剤としての低分子量ポリエチレンオキサイド及び高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を増やした。かかる配合量が異なる以外は、実施例1と同様の条件で作製し実施例3のマイクロポーラス層用ペーストとした。 In Example 3, 40.0 g of a 2.5% aqueous solution of low molecular weight polyethylene oxide (PEO-4 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) having an average molecular weight of 1.1 to 1,500,000 as a thickening agent (solid content: 1.0 g, water content) 30.0 g) and 40.0 g (solid content: 1.0 g, water content: 39.0 g) of 2.5% aqueous solution of high molecular weight polyethylene oxide (M-sei Chemical E-160) having an average molecular weight of 3.6 million to 4 million did. That is, the solid content compounding amount of the low molecular weight polyethylene oxide and the high molecular weight polyethylene oxide as the thickener was increased as compared with Example 1. A microporous layer paste of Example 3 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the blending amounts were different.
実施例4は、増粘剤の低分子量ポリエチレンオキサイドとして平均分子量が60万〜110万のポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−3)を用い、増粘剤としての低分子量ポリエチレンオキサイドの平均分子量が異なる以外は実施例1と同様の条件で作製し、実施例4のマイクロポーラス層用ペーストとした。 Example 4 uses polyethylene oxide having an average molecular weight of 600,000 to 1,100,000 (PEO-3 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) as the low molecular weight polyethylene oxide of the thickener, and the average molecular weight of the low molecular weight polyethylene oxide as the thickener is A microporous layer paste of Example 4 was prepared under the same conditions as in Example 1 except for the differences.
実施例5は、増粘剤の高分子量ポリエチレンオキサイドとして平均分子量が170万〜220万のポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−8)を用い、増粘剤としての高分子量ポリエチレンオキサイドの平均分子量が異なる以外は実施例1と同様の条件で作製し実施例5のマイクロポーラス層用ペーストとした。 Example 5 uses polyethylene oxide (PEO-8 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) having an average molecular weight of 1.7 to 2.2 million as the high molecular weight polyethylene oxide of the thickener, and the average molecular weight of the high molecular weight polyethylene oxide as the thickener is A microporous layer paste of Example 5 was prepared under the same conditions as in Example 1 except for the differences.
実施例6は、増粘剤の高分子量ポリエチレンオキサイドとして平均分子量が550万〜650万のポリエチレンオキサイド (明成化学製 E−300)を用い、増粘剤としての高分子量ポリエチレンオキサイドの平均分子量が異なる以外は実施例1と同様の条件で作製し実施例6のマイクロポーラス層用ペーストとした。 Example 6 uses polyethylene oxide having an average molecular weight of 5.5 million to 6.5 million (E-300 manufactured by Meisei Chemical Co., Ltd.) as the high molecular weight polyethylene oxide as the thickener, and the average molecular weight of the high molecular weight polyethylene oxide as the thickener is different. The microporous layer paste of Example 6 was prepared under the same conditions as in Example 1 except for the above.
続いて、比較のために作製した比較例1乃至比較例9のマイクロポーラス層用ペーストについて説明する。
[比較例]
比較例1は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイドのみを使用してマイクロポーラス層用ペーストを作製した。
即ち、導電性材料としてのカーボン粒子のアセチレンブラック(電気化学工業(株)製:商品名「デンカブラック」を75.0g、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D−210C[固形分(樹脂分)61%])を41.7g(固形分量25.4g、水分量16.3g)、分散剤としてのトリトンXー100を7.5g、分散媒としてのイオン交換水を295.8g、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−4)の1.25%水溶液を80.0g(固形分量1.0g、水分量79.0g)配合した材料を、公転600rpm、自転600rpmに設定した遊星式撹拌・脱泡装置(倉敷紡績(株)製:商品名「マゼルスター KK−1000W」)にて3分間混合分散・脱泡することで比較例1のマイクロポーラス層用ペーストとした。
Next, the microporous layer pastes of Comparative Examples 1 to 9 produced for comparison will be described.
[Comparative example]
In Comparative Example 1, a microporous layer paste was prepared using only a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 as a thickener.
That is, acetylene black of carbon particles as a conductive material (made by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd .: 75.0 g of trade name “Denka Black”, PTFE emulsion as a water-repellent resin (made by Daikin Industries, Ltd .: POLYFLON PTFE D) -210C [solid content (resin content) 61%]) 41.7 g (solid content 25.4 g, moisture content 16.3 g), Triton X-100 as a dispersant 7.5 g, ion exchange as a dispersion medium 290.0 g of water, 80.0 g of a 1.25% aqueous solution of low molecular weight polyethylene oxide (PEO-4 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) having an average molecular weight of 1.1 to 1,500,000 as a thickener (solid content 1.0 g, moisture Planetary agitation and defoaming device (manufactured by Kurashiki Boseki Co., Ltd .: trade name “Mazerusta”) KK-1000W ") was at 3 minutes mixing and dispersion of Comparative Example 1 by and defoamed microporous layer paste.
比較例2においても、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイドのみを使用したが、平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド(住友精化製 PEO−4)の2.5%水溶液を80.0g(固形分量2.0g、水分量78.0g)配合し、比較例1よりも増粘剤としての平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を増やした。かかる配合量が異なる以外は、比較例1と同様の条件で作製し比較例2のマイクロポーラス層用ペーストとした。 Also in Comparative Example 2, only a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 was used as a thickener, but a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1,100,000 to 1,500,000 (PEO-4 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.). 80.0 g (solid content 2.0 g, moisture content 78.0 g), and a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 as a thickener than Comparative Example 1 The amount of solid content was increased. A microporous layer paste of Comparative Example 2 was prepared under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the blending amounts were different.
比較例3は、増粘剤のポリエチレンオキサイドを使用せずにマイクロポーラス層用ペーストを作製した。
即ち、導電性材料としてのカーボン粒子のアセチレンブラック(電気化学工業(株)製:商品名「デンカブラック」を75.0g、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D−210C[固形分(樹脂分)61%])を41.7g(固形分量25.4g、水分量16.3g)、分散剤としてのトリトンXー100を7.5g、分散媒としてのイオン交換水を375.8g配合した材料を、公転600rpm、自転600rpmに設定した遊星式撹拌・脱泡装置(倉敷紡績(株)製:商品名「マゼルスター KK−1000W」)にて3分間混合分散・脱泡することで比較例3のマイクロポーラス層用ペーストとした。
In Comparative Example 3, a microporous layer paste was prepared without using polyethylene oxide as a thickener.
That is, acetylene black of carbon particles as a conductive material (made by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd .: 75.0 g of trade name “Denka Black”, PTFE emulsion as a water-repellent resin (made by Daikin Industries, Ltd .: POLYFLON PTFE D) -210C [solid content (resin content) 61%]) 41.7 g (solid content 25.4 g, moisture content 16.3 g), Triton X-100 as a dispersant 7.5 g, ion exchange as a dispersion medium The material containing 375.8 g of water was mixed, dispersed and removed for 3 minutes using a planetary agitation and deaerator (trade name “Mazerustar KK-1000W” manufactured by Kurashiki Boseki Co., Ltd.) set at 600 rpm for revolution and 600 rpm for rotation. It was set as the microporous layer paste of the comparative example 3 by bubbling.
比較例4は、増粘剤として平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイドのみを使用しマイクロポーラス層用ペーストを作製した。
即ち、導電性材料としてのカーボン粒子のアセチレンブラック(電気化学工業(株)製:商品名「デンカブラック」を75.0g、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D−210C[固形分(樹脂分)61%])を41.7g(固形分量25.4g、水分量16.3g)、分散剤としてのトリトンXー100を7.5g、分散媒としてのイオン交換水を295.8g配合した材料を、公転8、自転9に設定した遊星式撹拌・脱泡装置(倉敷紡績(株)製:商品名「マゼルスター KK−1000W」)で3分間混合分散・脱泡、次に、この混合材料に増粘剤として平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイド (明成化学製 E−160)の1.25%水溶液を80.0g(固形分量1.0g、水分量79.0g)配合して、攪拌機としてのスリーワンモーター(HEIDON社製:HEIDON600G、)に径10cmで4枚プロペラを取り付けて回転数300rpmで回転させて混合・脱泡することで比較例4のマイクロポーラス層用ペーストとした。
In Comparative Example 4, a microporous layer paste was prepared using only high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 3.6 to 4 million as a thickener.
That is, acetylene black of carbon particles as a conductive material (made by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd .: 75.0 g of trade name “Denka Black”, PTFE emulsion as a water-repellent resin (made by Daikin Industries, Ltd .: POLYFLON PTFE D) -210C [solid content (resin content) 61%]) 41.7 g (solid content 25.4 g, moisture content 16.3 g), Triton X-100 as a dispersant 7.5 g, ion exchange as a dispersion medium Mix and disperse and degas for 3 minutes with a planetary agitation / deaerator (trade name “Mazerustar KK-1000W” manufactured by Kurashiki Boseki Co., Ltd.) set to revolution 8 and rotation 9. Next, an 80% 1.25% aqueous solution of high molecular weight polyethylene oxide (E-160, manufactured by Meisei Chemical Co., Ltd.) having an average molecular weight of 3.6 to 4 million is used as a thickener in this mixed material. 0g (solid content 1.0g, moisture content 79.0g) is blended and mixed with a three-one motor (HEIDON: HEIDON 600G) as a stirrer with a 10cm diameter propeller attached and rotated at 300rpm. By defoaming, the paste for the microporous layer of Comparative Example 4 was obtained.
比較例5は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−4)の1.25%水溶液を40.0g(固形分量0.5g、水分量39.5g)及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイド (明成化学製 E−160)の0.25%水溶液を40.0g(固形分量0.1g、水分量39.9g)配合した。即ち、実施例1よりも高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を少量とし、かかる配合量が異なる以外は、実施例1と同様の条件で作製して比較例5のマイクロポーラス層用ペーストとした。 In Comparative Example 5, 40.0 g (0.5 g solid content, water content) of a 1.25% aqueous solution of low molecular weight polyethylene oxide (PEO-4, manufactured by Sumitomo Seika) having an average molecular weight of 1.1 to 1,500,000 as a thickener 39.5 g) and 40.0 g (solid content 0.1 g, water content 39.9 g) of a 0.25% aqueous solution of high molecular weight polyethylene oxide (Meisei Chemical E-160) having an average molecular weight of 3.6 million to 4 million did. That is, the microporous layer paste of Comparative Example 5 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the amount of the solid content of the high molecular weight polyethylene oxide was smaller than that of Example 1 and the amount was different. .
比較例6は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−4)の1.25%水溶液を40.0g(固形分量0.5g、水分量39.5g)及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイド (明成化学製 E−160)の3.%水溶液を40.0g(固形分量1.2g、水分量38.8g)配合した。即ち、実施例1よりも高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を増やし、かかる配合量が異なる以外は、実施例1と同様の条件で作製して比較例6のマイクロポーラス層用ペーストとした。 In Comparative Example 6, 40.0 g (0.5 g solid content, water content) of a 1.25% aqueous solution of a low molecular weight polyethylene oxide (PEO-4 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 as a thickener. 39.5 g) and 3 of high molecular weight polyethylene oxide (Esei-160, manufactured by Meisei Chemical Co., Ltd.) having an average molecular weight of 3.6 to 4 million. % Aqueous solution was blended in an amount of 40.0 g (solid content 1.2 g, moisture content 38.8 g). That is, the solid content blending amount of the high molecular weight polyethylene oxide was increased from that in Example 1, and the microporous layer paste of Comparative Example 6 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the blending amount was different.
比較例7は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−4)の3%水溶液を40.0g(固形分量1.2g、水分量38.8g)及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイド (明成化学製 E−160)の2.5%水溶液を40.0g(固形分量1.0g、水分量39.0g)配合した。即ち、実施例3よりも低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を増やし、かかる配合量が異なる以外は、実施例3と同様の条件で作製して比較例7のマイクロポーラス層用ペーストとした。 In Comparative Example 7, 40.0 g of a 3% aqueous solution of low molecular weight polyethylene oxide (PEO-4 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) having an average molecular weight of 1.1 to 1,500,000 as a thickener (solid content: 1.2 g, water content: 38. 80.0) and 2.5% aqueous solution of high molecular weight polyethylene oxide (E-160 manufactured by Meisei Chemical Co., Ltd.) having an average molecular weight of 3.6 million to 4 million was blended in an amount of 40.0 g (solid content 1.0 g, moisture content 39.0 g). That is, the solid content blending amount of the low molecular weight polyethylene oxide was increased as compared with Example 3, and the microporous layer paste of Comparative Example 7 was prepared under the same conditions as in Example 3 except that the blending amount was different.
比較例8は、増粘剤としての平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−4)の2.5%水溶液を40.0g(固形分量1.0g、水分量39.0g)及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイド (明成化学製 E−160)の3%水溶液を40.0g(固形分量1.2g、水分量38.8g)配合した。即ち、実施例3よりも高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を増やし、かかる配合量が異なる以外は、実施例3と同様の条件で作製し比較例8のマイクロポーラス層用ペーストとした。 In Comparative Example 8, 40.0 g of a 2.5% aqueous solution of low molecular weight polyethylene oxide (PEO-4 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 as a thickening agent (1.0 g of solid content, moisture) 30.0 g) and a 3% aqueous solution of a high molecular weight polyethylene oxide (E-160 manufactured by Meisei Chemical Co., Ltd.) having an average molecular weight of 3.6 million to 4 million was blended with 40.0 g (solid content 1.2 g, moisture content 38.8 g). . That is, the solid content blending amount of the high molecular weight polyethylene oxide was increased from that in Example 3, and the microporous layer paste of Comparative Example 8 was prepared under the same conditions as in Example 3 except that the blending amount was different.
比較例9は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−4)の1.25%水溶液を40.0g(固形分量0.5g、水分量39.5g)及び平均分子量が600万〜800万の高分子量ポリエチレンオキサイド (住友精化製 PEO−27)の01.25%水溶液を40.0g(固形分量0.5g、水分量39.5g)配合した。即ち、高分子量ポリエチレンオキサイドとして、実施例1及び実施例6のときよりも平均分子量が大きいポリエチレンオキサイドを用い、かかる高分子量ポリエチレンオキサイドの平均分子量が異なる以外は、実施例1及び実施例6と同様の条件で作製し比較例9のマイクロポーラス層用ペーストとした。 In Comparative Example 9, 40.0 g (0.5 g solid content, water content) of a 1.25% aqueous solution of low molecular weight polyethylene oxide (PEO-4 manufactured by Sumitomo Seika) having an average molecular weight of 1.1 to 1,500,000 as a thickener 30.0 g) and 40.0 g of a 0.125% aqueous solution of high molecular weight polyethylene oxide (PEO-27 manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd.) having an average molecular weight of 6 to 8 million (solid content 0.5 g, moisture content 39.5 g) Blended. That is, as high molecular weight polyethylene oxide, polyethylene oxide having a higher average molecular weight than those in Examples 1 and 6 was used, and the high molecular weight polyethylene oxide was the same as in Examples 1 and 6 except that the average molecular weight was different. The microporous layer paste of Comparative Example 9 was prepared under the above conditions.
そして、各実施例及び各比較例のマイクロポーラス層用ペースト組成物からなるマイクロポーラス層形成用ペーストについて、平滑性及び裏抜けの評価試験を行った。
具体的には、目付け1mg/cm2になるようにPTFEマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D−210C[固形分(樹脂分)61%])を含浸後、乾燥させることにより撥水処理を施した基材16としての各種カーボンペーパー(CP1、CP2、CP3)上に各種ペーストを薄膜塗布工具(ダイヘッド)を用いてカーボンペーパーの移動速度1.0m/min、目付け5.0mg/cm2で塗布した。塗布後、300℃、30分間乾燥・焼成し、表面層15にマイクロポーラス層を形成した拡散層14(カソード側拡散層14Aまたはアノード側拡散層14B)を作製した。表3は、各種ペーストを塗布する基材16としてのカーボンペーパー(CP1、CP2、CP3)の厚さ及び気孔率を示したものであり、ここでは、基材16として厚さ及び気孔率が異なる3種類のカーボンペーパー(CP1、CP2、CP3)を使用し各種拡散層14を作製した。なお、このカーボンペーパーの気孔率とは、カーボンペーパーの断面をSEM観察した際の空隙の割合である。
And about the paste for microporous layer formation which consists of the paste composition for microporous layers of each Example and each comparative example, the evaluation test of smoothness and a strike-through was done.
Specifically, after impregnating with PTFE Marujon (Daikin Kogyo Co., Ltd .: POLYFLON PTFE D-210C [solid content (resin content) 61%]) so as to have a basis weight of 1 mg / cm 2 , water repellent by drying. Various pastes on various carbon papers (CP1, CP2, CP3) as treated
平滑性については、拡散層14の表面層15として形成されたマイクロポーラス層の表面状態の外観の均一性、即ち、凹凸の有無を観察して評価した。表面層15の縦3cm横3.6cmの範囲内の中央部と4隅の計5点の膜厚をデジタル式のダイアルゲージにて圧力0.1MPaにて測定し、測定した5点各々の膜厚が、平均膜厚に対して±20%未満の場合に凹凸なしと判断し、差が±20%以上の場合に凹凸ありと判断した。
また、裏抜けについては、作製された拡散層14にて、カーボンペーパー(基材16)のペースト塗布面の裏側aを観察した。ペースト塗布面の裏側aにおいて、ペースト成分であるアセチレンブラックのカーボン粒子の存在の有無を目視で確認し、カーボン粒子が存在しなかった場合を○、カーボン粒子が存在した場合を×と判断した。即ち、気孔率80%以下のカーボンペーパーにペーストを塗布した際に、カーボンペーパーへの塗布面の裏側aにおいて、カーボン粒子が存在しなかった場合を○として裏抜けが抑制されていると判断した。
The smoothness was evaluated by observing the uniformity of the surface appearance of the microporous layer formed as the
Moreover, about the back-through, the back side a of the paste application surface of the carbon paper (base material 16) was observed in the produced
これら実施例及び比較例の配合組成、及びそれらの平滑性及び裏抜けの評価試験結果についてまとめて表1及び表2に示す。また、表3に、ペーストが塗布される基材16として使用したカーボンペーパー(CP1、CP2、CP3)の厚さ及び気孔率を示す。
Tables 1 and 2 collectively show the blending compositions of these Examples and Comparative Examples, and the evaluation results of the smoothness and back-through. Table 3 shows the thickness and porosity of the carbon paper (CP1, CP2, CP3) used as the
実施例1乃至実施例6では、作製されたマイクロポーラス層形成用ペーストは流動特性が良く、基材16としてのカーボンペーパー上に滑らかに均一に塗布でき、かかるマイクロポーラス層形成用ペーストを塗工、乾燥、焼成することによって得られた拡散層14のマイクロポーラス層は凹凸のない平滑なものであった。よって、平滑性が良好であることが確認された。
また、基材16として使用した全てのカーボンペーパー(CP1、CP2、CP3)、即ち、気孔率が80%以下のカーボンペーパーのペースト塗布面の裏側aにおいて、ペースト成分であるカーボン粒子の存在が確認されず、ペースト成分の基材16への裏抜けが抑制されていた。
こうして、実施例1乃至実施例6では、ペースト成分の裏抜けが抑制され、かつ、平滑性も良好であることが確認された。
In Examples 1 to 6, the prepared microporous layer forming paste has good flow characteristics, and can be applied smoothly and uniformly on the carbon paper as the
In addition, the presence of carbon particles as a paste component was confirmed on the back side a of the paste application surface of all the carbon papers (CP1, CP2, CP3) used as the
Thus, in Examples 1 to 6, it was confirmed that the penetration of the paste components was suppressed and the smoothness was also good.
これに対し、比較例1及び比較例2は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイドのみを使用した組成である。この比較例1及び比較例2では、得られた拡散層14のマイクロポーラス層は凹凸がなく平滑であり、良好な平滑性が確認された。しかし、全てのカーボンペーパーのペースト塗布面の裏側aにおいて、ペースト成分であるカーボン粒子の存在が確認され、ペースト成分の基材16への裏抜けが生じていた。
On the other hand, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are compositions using only low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 as a thickener. In Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the microporous layer of the obtained
また、比較例3は、増粘剤としてのポリエチレンオキサイドを使用していない組成である。この比較例3では、マイクロポーラス層用ペーストの流動特性が悪く、基材16としてのカーボンペーパー上に均一な塗布膜の作製ができなかったことから、得られた拡散層14のマイクロポーラス層には凹凸があり、平滑性が悪かった。そのうえ、全てのカーボンペーパーのペースト塗布面の裏側aにおいて、ペースト成分であるカーボン粒子の存在が確認され、ペースト成分の基材16への裏抜けも生じていた。
Moreover, the comparative example 3 is a composition which does not use the polyethylene oxide as a thickener. In Comparative Example 3, since the flow characteristics of the microporous layer paste were poor and a uniform coating film could not be produced on the carbon paper as the
更に、比較例4は、増粘剤として平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイドのみを使用した組成である。この比較例4では、ペースト成分の裏抜け抑制効果が確認された。しかし、マイクロポーラス層用ペーストの流動特性が悪く、基材16としてのカーボンペーパー上に均一な膜の作製ができなかったことから、得られた拡散層14のマイクロポーラス層には凹凸があり、平滑性が悪かった。
Furthermore, the comparative example 4 is a composition which uses only high molecular weight polyethylene oxide whose average molecular weight is 3.6 million to 4 million as a thickener. In Comparative Example 4, the effect of suppressing the breakthrough of the paste component was confirmed. However, since the flow characteristics of the microporous layer paste are poor and a uniform film could not be produced on the carbon paper as the
比較例5は、増粘剤としての平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイドを配合するものの、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの固形分合計量固形分100重量部に対して、低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を0.5重量部、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を0.1重量部とした組成である。この比較例5では、得られた拡散層14のマイクロポーラス層は凹凸がなく平滑であり、良好な平滑性が確認された。しかしながら、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量が少ないことから、CP3カーボンペーパー(厚さ0.28mm、気孔率78%)へのペースト塗布においては、ペースト成分の基材16への裏抜けが抑制されていたものの、CP1カーボンペーパー(厚さ0.11mm、気孔率80%)及びCP2カーボンペーパー(厚さ0.19mm、気孔率78%)へのペースト塗布においては、ペースト塗布面の裏側aにおいて、ペースト成分であるカーボン粒子の存在が確認され、ペースト成分の基材16への裏抜けが生じていた。
Comparative Example 5 is a blend of low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 as a thickener and high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 3.6 million to 4 million, but the solid content of acetylene black and PTFE emulsion. This is a composition in which the solid content of the low molecular weight polyethylene oxide is 0.5 parts by weight and the solid content of the high molecular weight polyethylene oxide is 0.1 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content. In Comparative Example 5, the microporous layer of the obtained
また、比較例6は、増粘剤としての平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイドを配合するものの、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を0.5重量部、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を1.2重量部とした組成である。この比較例6では、ペースト成分の裏抜け抑制効果が確認された。しかしながら、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量が多いことから、マイクロポーラス層用ペーストの流動特性が低下し基材16としてのカーボンペーパー上に均一な膜の作製が困難となって拡散層14のマイクロポーラス層において凹凸が生じやすく、平滑性が悪かった。
Comparative Example 6 is a blend of low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 and high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 3,600,000 to 4,000,000 as a thickener, but acetylene black and PTFE emulsion. This is a composition in which the solid content of low molecular weight polyethylene oxide is 0.5 parts by weight and the solid content of high molecular weight polyethylene oxide is 1.2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content. In Comparative Example 6, the effect of suppressing the penetration of the paste component was confirmed. However, since the solid content of the high molecular weight polyethylene oxide is large, the flow characteristics of the microporous layer paste are lowered, making it difficult to produce a uniform film on the carbon paper as the
更に、比較例7は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイドを配合するものの、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を1.2重量部、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を1.0重量部とした組成である。この比較例7では、ペースト成分の裏抜け抑制効果が確認された。しかしながら、低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量が多いことから、マイクロポーラス層用ペーストの流動特性が高く基材16としてのカーボンペーパー上に均一な膜の作製が困難となって拡散層14のマイクロポーラス層において凹凸が生じやすく、平滑性が悪かった。
Furthermore, although the comparative example 7 mix | blends the low molecular weight polyethylene oxide whose average molecular weight is 1.1 million to 1.5 million and the high molecular weight polyethylene oxide whose average molecular weight is 3.6 million to 4 million as a thickener, it is solid of acetylene black and PTFE emulsion. This is a composition in which the solid content of low molecular weight polyethylene oxide is 1.2 parts by weight and the solid content of high molecular weight polyethylene oxide is 1.0 part by weight with respect to 100 parts by weight of the total amount. In Comparative Example 7, the effect of suppressing the breakthrough of the paste component was confirmed. However, since the amount of the solid content of the low molecular weight polyethylene oxide is large, the flow characteristics of the microporous layer paste are high, making it difficult to produce a uniform film on the carbon paper as the
比較例8は、増粘剤として平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が360万〜400万の高分子量ポリエチレンオキサイドを配合するものの、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を1.0重量部、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を1.2重量部とした組成である。この比較例8では、ペースト成分の裏抜け抑制効果が確認された。しかしながら、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量が多いことから、マイクロポーラス層用ペーストの流動特性が低下し基材16としてのカーボンペーパー上に均一な膜の作製が困難となって拡散層14のマイクロポーラス層において凹凸が生じやすく、平滑性が悪かった。
Comparative Example 8 is a blend of low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 and high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 3.6 million to 4 million as a thickener, but the total solid content of acetylene black and PTFE emulsion. This is a composition in which the solid content of low molecular weight polyethylene oxide is 1.0 part by weight and the solid content of high molecular weight polyethylene oxide is 1.2 parts by weight with respect to 100 parts by weight. In Comparative Example 8, the effect of suppressing the breakthrough of the paste component was confirmed. However, since the solid content of the high molecular weight polyethylene oxide is large, the flow characteristics of the microporous layer paste are lowered, making it difficult to produce a uniform film on the carbon paper as the
また、比較例9は、増粘剤としての平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が600万〜800万の高分子量ポリエチレンオキサイドを配合し、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を0.5重量部、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量を0.5重量部とした組成である。この比較例9では、ペースト成分の裏抜け抑制効果が確認された。しかしながら、配合した高分子量ポリエチレンオキサイドの平均分子量が大きいことから、マイクロポーラス層用ペーストの流動特性が低下し基材16としてのカーボンペーパー上に均一な膜の作製が困難となって拡散層14のマイクロポーラス層において凹凸が生じやすく、平滑性が悪かった。
なお、上記実施例及び比較例においては、乾燥・焼成温度が300℃で、増粘剤としての低分子量のポリエチレンオキサイド及び高分子量のポリエチレンオキサイドが熱分解されていた。したがって、乾燥・焼成工程での負荷の増大は抑制されている。
In Comparative Example 9, a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 as a thickener and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 6 million to 8 million were blended, and solids of acetylene black and PTFE emulsion were mixed. This is a composition in which the solid content of low molecular weight polyethylene oxide is 0.5 parts by weight and the solid content of high molecular weight polyethylene oxide is 0.5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total amount. In Comparative Example 9, the effect of suppressing the breakthrough of the paste component was confirmed. However, since the blended high molecular weight polyethylene oxide has a large average molecular weight, the flow characteristics of the microporous layer paste are deteriorated, making it difficult to produce a uniform film on the carbon paper as the
In the above Examples and Comparative Examples, the drying and baking temperature was 300 ° C., and the low molecular weight polyethylene oxide and the high molecular weight polyethylene oxide as the thickener were thermally decomposed. Therefore, an increase in load in the drying / firing process is suppressed.
以上の結果から、増粘剤として平均分子量が60万〜160万未満の範囲内である低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が160万〜650万の範囲内である高分子量ポリエチレンオキサイドを併用することで、流動特性が良好で基材16上への塗布量を均一にできることから凹凸のない平滑なマイクロポーラス層(塗布膜)を形成できて平滑性が良く、かつ、ペースト成分の基材16への裏抜けを抑制できるマイクロポーラス層用ペーストとなる。
From the above results, by using a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight in the range of 600,000 to less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight in the range of 1.6 million to 6.5 million as a thickener. Since the flow characteristics are good and the coating amount on the
ここで、本発明者らの実験研究によれば、低分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が60万未満である場合、塗工後のタレや基材への染み込みが生じ燃料電池における電力低下を招く恐れがある。また、高分子量側のポリエチレンオキサイドの平均分子量が650万を超えた場合、比較例9で示したように、流動特性が低下して基材16上への均一な膜の作製が困難となり、拡散層14のマイクロポーラス層に凹凸が生じやすくなる。また、イオン交換水に溶けにくくて取扱いも困難となることから、実用化に適さない。
よって、増粘剤としての低分子量ポリエチレンオキサイドの平均分子量は、60万〜160万未満の範囲内であり、高分子量ポリエチレンオキサイドの平均分子量は160万〜650万の範囲内であることが好ましい。
Here, according to the experimental study by the present inventors, when the average molecular weight of the polyethylene oxide on the low molecular weight side is less than 600,000, the sagging after coating and the penetration into the base material occur, resulting in a decrease in power in the fuel cell. There is a risk of inviting. Further, when the average molecular weight of the polyethylene oxide on the high molecular weight side exceeds 6.5 million, as shown in Comparative Example 9, it is difficult to produce a uniform film on the
Accordingly, the average molecular weight of the low molecular weight polyethylene oxide as a thickener is in the range of less than 600000 to 1600000, have an average molecular weight of the high molecular weight polyethylene oxide is in the range of 1 6 00,000 to 6,500,000 preferable.
また、実施例1乃至実施例6と比較例5至比較例8との比較から、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部〜1.1重量部の範囲内であり、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.3重量部〜1.0重量部の範囲内であることで、平滑性に優れ、かつ、顕著な裏抜け抑制効果を発揮するマイクロポーラス層用ペーストが確実に得られる。
即ち、低分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部未満である場合、低分子量のポリエチレンオキサイドの配合量が少なくて平滑性が低下する恐れがあり、一方で、1.1重量部を超えた場合、比較例7で示したように、低分子量のポリエチレンオキサイドの配合量が多いことから流動特性が悪化し、基材16への均一な膜の作製が困難で拡散層14のマイクロポーラス層において凹凸が生じやすく、平滑性が低下する。
また、高分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部未満である場合、比較例5で示したように、高分子量のポリエチレンオキサイド配合量が少なくて裏抜けを抑制できる程度に十分な粘度特性が得られず、一方で、1.1重量部を超えた場合、比較例6及び比較例8で示したように、高分子量のポリエチレンオキサイドの配合量が多いことから粘度上昇が大きくなり、基材16への均一な膜の作製が困難で拡散層14のマイクロポーラス層において凹凸が生じやすく、平滑性が低下する。
よって、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、低分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部〜1.1重量部の範囲内であり、高分子量ポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.3重量部〜1.0重量部の範囲内であることが好ましい。
Further, from the comparison between Example 1 to Example 6 and Comparative Example 5 to Comparative Example 8, the solid content of low molecular weight polyethylene oxide was 0 with respect to 100 parts by weight of the total solid content of acetylene black and PTFE emulsion. It is within the range of 2 parts by weight to 1.1 parts by weight, and the blending amount of the solid content of the high molecular weight polyethylene oxide is within the range of 0.3 parts by weight to 1.0 part by weight. And the paste for microporous layers which exhibits the remarkable strike-through suppression effect is obtained reliably.
That is, when the solid content of the low molecular weight polyethylene oxide is less than 0.2 parts by weight, the blending amount of the low molecular weight polyethylene oxide is small and the smoothness may be lowered. When the amount exceeds 50 parts, as shown in Comparative Example 7, since the blending amount of the low molecular weight polyethylene oxide is large, the flow characteristics are deteriorated, and it is difficult to produce a uniform film on the
Further, when the solid content of the high molecular weight polyethylene oxide is less than 0.2 parts by weight, as shown in Comparative Example 5, the amount of the high molecular weight polyethylene oxide is small enough to suppress the show-through. On the other hand, when it exceeds 1.1 parts by weight, as shown in Comparative Example 6 and Comparative Example 8, the increase in viscosity is large due to the large amount of high molecular weight polyethylene oxide. Therefore, it is difficult to produce a uniform film on the
Therefore, the solid content of the low molecular weight polyethylene oxide is in the range of 0.2 to 1.1 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solids of acetylene black and PTFE emulsion, and the high molecular weight polyethylene oxide The solid content is preferably in the range of 0.3 to 1.0 part by weight.
更に、実施例1乃至実施例6で示したように、増粘剤としての低分子量のポリエチレンオキサイド及び高分子量のポリエチレンオキサイドの合計固形分配合量は、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの合計量固形分100重量部に対して、0.5重量部〜2.5重量部の範囲内であることが好ましい。
本発明者らの実験研究によれば、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、増粘剤としての低分子量のポリエチレンオキサイド及び高分子量のポリエチレンオキサイドの合計固形分配合量が0.5重量部未満である場合、増粘剤の配合量が少なくて裏抜け抑制効果及び良好な平滑性を確保する粘度特性が得られず、一方で、2.5重量部を超えると、粘度上昇が大きくなり平滑性が低下することが確認されている。
よって、増粘剤としての低分子量のポリエチレンオキサイド及び高分子量のポリエチレンオキサイドの合計固形分配合量は、アセチレンブラック及びPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、0.5重量部〜2.5重量部の範囲内であることで、裏抜け抑制効果及び良好な平滑性をより確実に確保できる。
Further, as shown in Examples 1 to 6, the total solid content of the low molecular weight polyethylene oxide and the high molecular weight polyethylene oxide as the thickener is the total solid content of acetylene black and PTFE emulsion. It is preferable to be within the range of 0.5 to 2.5 parts by weight with respect to parts by weight.
According to the experimental study by the present inventors, the total solid content of low molecular weight polyethylene oxide and high molecular weight polyethylene oxide as a thickener is 100 parts by weight of the total solid content of acetylene black and PTFE emulsion. When the amount is less than 0.5 parts by weight, the blending amount of the thickener is small, and the viscosity characteristic that ensures the effect of suppressing the back-through and good smoothness cannot be obtained. It has been confirmed that the increase in viscosity increases and the smoothness decreases.
Therefore, the total solid content of the low molecular weight polyethylene oxide and the high molecular weight polyethylene oxide as the thickener is 0.5 parts by weight to 2 parts per 100 parts by weight of the total solids of the acetylene black and the PTFE emulsion. By being within the range of 5 parts by weight, it is possible to more reliably ensure the effect of suppressing the breakthrough and good smoothness.
そして、上記実施例において、増粘剤として使用した平均分子量が110万〜150万の低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が600万〜800万の高分子量ポリエチレンオキサイドは、乾燥・焼成温度300℃で熱分解してマイクロポーラス層から揮散しマイクロポーラス層の特性に影響を与えない。
つまり、乾燥工程での負荷増大を招くことなく、ペースト成分の裏抜け抑制及び塗膜の平滑性といったマイクロポーラス層(塗布膜)に要求される特性確保を両立することができる。
In the above examples, the low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.1 million to 1,500,000 and the high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 6 million to 8 million were used as a thickener. It decomposes and volatilizes from the microporous layer and does not affect the characteristics of the microporous layer.
That is, the characteristics required for the microporous layer (coating film) such as suppression of paste component back-through and smoothness of the coating film can be achieved at the same time without increasing the load in the drying process.
こうして、マイクロポーラス層用ペーストをカーボンペーパー等の基材16(カソード側基材16Aまたはアノード側基材16B)の表面に塗布してガス拡散層14を形成する燃料電池において、マイクロポーラス層形成用のペースト組成物がアセチレンブラック等の導電性材料、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂、トリトンX−100等の分散剤を含有する場合でも、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物において増粘剤として平均分子量が60万〜150万の範囲内である低分子量ポリエチレンオキサイド及び平均分子量が160万〜650万の範囲内である高分子量ポリエチレンオキサイドを併用することで、300℃で乾燥できて乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることなく、ペースト成分の基材16への裏抜けが抑制され、しかも、凹凸がなく平滑なガス拡散層14のマイクロポーラス層を形成できる。
Thus, in the fuel cell in which the
このように、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、カーボン粒子等の導電性粉末と、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂と、トリトンXー100等の分散剤と、増粘剤と含有するペースト組成物であって、増粘剤として平均分子量が150万以下の低分子量のポリエチレンオキサイドと、平均分子量が170万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用したものであり、カーボン粒子等の導電性粉末と、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂と、トリトンXー100等分散剤と、イオン交換水等の分散媒と、増粘剤として平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドとの混合材料を、遊星式撹拌・脱泡装置で所定時間混合分散し、その後、更に増粘剤として平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドを配合し、攪拌機で混合することによってマイクロポーラス層用ペーストとし、それをカーボンペーパー等の導電性多孔質材料の基材16に塗布し、乾燥・焼成することでガス拡散層14のマイクロポーラス層を形成する製造方法となっている。
As described above, the microporous layer forming paste composition of the above embodiment includes a conductive powder such as carbon particles, a water repellent resin such as PTFE emulsion, a dispersant such as Triton X-100, and a thickener. A paste composition containing a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1,500,000 or less and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1,700,000 or more as a thickener. Conductive powder such as PTFE emulsion, water repellent resin such as PTFE emulsion, dispersant such as Triton X-100, dispersion medium such as ion-exchanged water, and low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million as a thickener The mixed material is mixed and dispersed for a predetermined time with a planetary stirring and defoaming device, and then the average molecular weight is 1.6 million or more as a thickener. A high-molecular-weight polyethylene oxide is blended and mixed with a stirrer to form a microporous layer paste, which is applied to a
上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法は、カーボン粒子等の導電性粉末と、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂と、トリトンXー100等の分散剤と、イオン交換水等の分散媒と、増粘剤として平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドとの混合材料を、遊星式撹拌・脱泡装置で所定時間混合分散し、その後、更に増粘剤として平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドを配合し、攪拌機で混合することによってマイクロポーラス層用ペーストとしたものである。 The manufacturing method of the microporous layer forming paste composition of the above embodiment includes conductive powder such as carbon particles, water repellent resin such as PTFE emulsion, dispersant such as Triton X-100, ion-exchanged water, and the like. A mixture of the above dispersion medium and a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million as a thickener is mixed and dispersed for a predetermined time using a planetary stirring and defoaming device, and then further an average molecular weight as a thickener. Is a paste for a microporous layer by blending a high molecular weight polyethylene oxide of 1.6 million or more and mixing with a stirrer.
上記実施の形態では、増粘剤として、平均分子量が160万未満の低分子量のポリエチレンオキサイドと平均分子量が160万以上の高分子量のポリエチレンオキサイドとを併用することで、平均分子量が160万未満の低分子量側のポリエチレンオキサイドによって、塗工に適した粘度特性を確保でき、高分子量側のポリエチレンオキサイドによってペースト成分の裏抜けを抑制する粘度特性を確保でき、良好な平滑性とペースト成分の基材裏面への裏抜け抑制との双方を効果的に確保することができる。そして、増粘剤として、分子量が大きくなっても300℃未満で熱分解する水溶性樹脂のポリエチレンオキサイドを使用することで、マイクロポーラス層形成時に要求される特性を確保するために、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることなく、良好な平滑性及びペースト成分の裏抜け抑制の双方を満足させることができる。 In the above embodiment, as a thickener, a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of less than 1.6 million and a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight of 1.6 million or more are used in combination, whereby the average molecular weight is less than 1.6 million. Polyethylene oxide on the low molecular weight side can ensure the viscosity characteristics suitable for coating, and the high molecular weight side polyethylene oxide can ensure the viscosity characteristics to suppress the back-through of the paste component, providing good smoothness and paste component base material It is possible to effectively secure both the back-through suppression to the back surface. And as a thickener, in order to ensure the characteristics required at the time of microporous layer formation by using polyethylene oxide of a water-soluble resin that thermally decomposes at less than 300 ° C. even when the molecular weight increases, Without increasing the load more than necessary, it is possible to satisfy both good smoothness and suppression of paste component penetration.
こうして、上記実施の形態では、乾燥工程の負荷を必要以上に増大させることなく、燃料電池の出力安定のために拡散層に要求されるペースト成分の基材裏面への裏抜け抑制及びマイクロポーラス層の平滑性を確保できる。したがって、ペースト成分の裏抜け抑制により基材裏面の撥水性も低下することなく、更に、平滑なマイクロポーラス層を得られることにより、ガスの拡散を均一にでき、また、触媒層との密着性も増すことから、燃料電池において安定した出力を確保できる。 Thus, in the above embodiment, the microporous layer and the microporous layer are prevented from passing through to the back surface of the base material of the diffusion layer required for stabilizing the output of the fuel cell without increasing the load of the drying process more than necessary. Smoothness can be ensured. Therefore, by suppressing the penetration of the paste component, the water repellency of the back surface of the base material is not lowered, and a smooth microporous layer can be obtained, so that gas diffusion can be made uniform and the adhesion to the catalyst layer can be improved. Therefore, a stable output can be secured in the fuel cell.
なお、本発明を実施するに際しては、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物のその他の部分の組成、成分、配合量、材質等、また、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法のその他の工程について、本実施の形態に限定されるものではない。
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。
In carrying out the present invention, the composition, components, blending amount, material, etc. of other parts of the microporous layer-forming paste composition, and other steps of the method for producing the microporous layer-forming paste composition However, the present invention is not limited to this embodiment.
In addition, the numerical values listed in the embodiment of the present invention do not indicate critical values but indicate appropriate values suitable for implementation, and therefore, even if the numerical values are slightly changed, the implementation is denied. is not.
1 燃料電池
11 電解質膜
10 膜−電極接合体
12 電極(カソード電極12A,アノード電極12B)
13 触媒層(カソード側触媒層13A,アノード側触媒層13B)
14 拡散層(カソード側拡散層14A,アノード側拡散層14B)
15 表面層(カソード側表面層15A,アノード側表面層15B)
16 基材(カソード側基材16A,アノード側基材16B)
a 基材の裏面
DESCRIPTION OF
13 catalyst layer (cathode side catalyst layer 13A, anode side catalyst layer 13B)
14 diffusion layer (cathode side diffusion layer 14A, anode side diffusion layer 14B)
15 surface layers (cathode side surface layer 15A, anode side surface layer 15B)
16 base materials (cathode side base material 16A, anode side base material 16B)
a Back of base material
Claims (4)
前記導電性粉末及び前記撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して、前記低分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部〜1.1重量部の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.3重量部〜1.0重量部の範囲内であることを特徴とするマイクロポーラス層形成用ペースト組成物。 Conductive powder and a water-repellent resin, a dispersant, a paste composition containing a thickening agent, as the thickener, low average molecular weight in the range of less than 600,000 or more to 160 ten thousand Combined use of molecular weight polyethylene oxide and high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight in the range of from 1.6 million to 6.5 million ,
The solid content of the low molecular weight polyethylene oxide is in the range of 0.2 to 1.1 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solids of the conductive powder and the water repellent resin, A paste composition for forming a microporous layer, wherein the solid content of the high molecular weight polyethylene oxide is in the range of 0.3 to 1.0 part by weight .
前記カーボン粒子及び前記PTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、前記低分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.2重量部〜1.1重量部の範囲内であり、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量が0.3重量部〜1.0重量部の範囲内であり、
少なくとも前記カーボン粒子と前記PTFEエマルジョンと前記分散剤は、遊星式撹拌・脱泡装置で所定時間混合分散したことを特徴とするマイクロポーラス層形成用ペースト組成物。 Carbon particles as a conductive material, PTFE emulsion as a water repellent resin, a dispersant , a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight in the range of 600,000 to less than 1.6 million as a thickener, and an average molecular weight Containing high molecular weight polyethylene oxide in the range of 1.6 million to 6.5 million ,
The solid content of the low molecular weight polyethylene oxide is in the range of 0.2 parts by weight to 1.1 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solids of the carbon particles and the PTFE emulsion. The solid content of polyethylene oxide having a molecular weight is in the range of 0.3 to 1.0 part by weight,
At least the dispersant and the carbon particles and the PTFE emulsion is microporous layer forming paste composition characterized in that the predetermined time mixed and dispersed in a planetary stirrer-deaerator.
前記カーボン粒子及び前記PTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、前記低分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量を0.2重量部〜1.1重量部の範囲内とし、前記高分子量のポリエチレンオキサイドの固形分配合量を0.3重量部〜1.0重量部の範囲内とすることを特徴とするマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法。 A mixed material of carbon particles as a conductive material, PTFE emulsion as a water repellent resin, a dispersant, and a low molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight in the range of 600,000 to less than 1.6 million as a thickener. Is mixed and dispersed for a predetermined time with a planetary stirring and defoaming device, and then blended with a high molecular weight polyethylene oxide having an average molecular weight in the range of 1.6 million to 6.5 million as a thickener and mixed with a stirrer. To make a paste for the microporous layer ,
The solid content of the low molecular weight polyethylene oxide is in the range of 0.2 to 1.1 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solids of the carbon particles and the PTFE emulsion, and the high molecular weight The manufacturing method of the paste composition for microporous layer formation characterized by making solid content of polyethylene oxide into the range of 0.3 weight part-1.0 weight part .
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