JP6257443B2 - Microporous layer forming paste composition, method for producing the same, and method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell - Google Patents

Microporous layer forming paste composition, method for producing the same, and method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell Download PDF

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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(GDL:Gas Diffusion Layer)のマイクロポーラス層(MPL:Micro Porous Layer)を形成するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物及びその製造方法、並びに、かかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を採用した燃料電池用のガス拡散層の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a microporous layer that is applied to the surface of a base material made of a conductive porous material such as carbon paper to form a microporous layer (MPL) of a gas diffusion layer (GDL: Gas Diffusion Layer). forming paste composition and a method for producing the same, and relates to a manufacturing method for a gas diffusion layer for a fuel cell employing such a microporous layer forming paste composition.

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、電極触媒層の外側に配置する多孔質のガス拡散層とによって構成されている。   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. The electrode catalyst layer is made of carbon black supporting a catalyst and an ion exchange resin, and a porous gas diffusion layer disposed outside the electrode catalyst layer.

固体高分子型燃料電池のガス拡散層は、高分子電解質膜の外部から供給されるアノードガス(燃料ガス)またはカソードガス(酸化ガス)をガス拡散層と隣接する触媒層に拡散させる役目(ガス拡散性・透過性)を担っており、反応に供する電子が移動できるように導電性が要求されるのに加え、フラッディング現象(ガス拡散層の細孔が水で閉塞する現象)の抑制として、発電時の水素及び酸素の電気化学的反応によって生成した水を排出させるための撥水性が要求される。
このようなガス拡散層は、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、導電性を付与するためのカーボン粒子等の導電性材料及び撥水性を付与するためのポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」とも略する。)等の撥水性樹脂を主成分として含有するマイクロポーラス層形成用のペースト組成物を塗工することにより形成できることが知られている。
なお、燃料電池のガス拡散層において、特許文献1、特許文献2等に開示されているように、ポリエチレンオキサイド等の水溶性高分子を造孔剤として使用することにより所定の孔を形成した基材が使用されることもある。
The gas diffusion layer of the polymer electrolyte fuel cell serves to diffuse anode gas (fuel gas) or cathode gas (oxidizing gas) supplied from the outside of the polymer electrolyte membrane into the catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer (gas In order to suppress the flooding phenomenon (a phenomenon in which the pores of the gas diffusion layer are clogged with water), in addition to being required to be conductive so that the electrons used for the reaction can move, Water repellency is required to discharge water generated by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen during power generation.
Such a gas diffusion layer includes a conductive material such as carbon particles for imparting conductivity and a polytetragon for imparting water repellency to a substrate made of a conductive porous material such as carbon cloth or carbon paper. It is known that it can be formed by applying a paste composition for forming a microporous layer containing a water-repellent resin such as fluoroethylene (hereinafter also abbreviated as “PTFE”) as a main component.
In the gas diffusion layer of the fuel cell, as disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, etc., a group in which predetermined pores are formed by using a water-soluble polymer such as polyethylene oxide as a pore-forming agent. Sometimes wood is used.

ここで、ガス拡散層を形成するためのマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の作製には、カーボン粒子等の導電性材料とPTFE等の撥水性樹脂に加え、通常、カーボン粒子等の導電性材料やPTFE微粒子等の撥水性樹脂を均一に水等の溶媒に分散させたりするために、分散剤が配合される。分散剤が配合されずに導電性材料や撥水性樹脂の凝集が生じ分散不良となると、ペーストの安定性が低く、塗布時において配管やポンプ等に目詰まりや濃度変化が生じることもあり、成膜性に悪影響を及ぼすためである。また、成膜後の膜中に凝集物が多く存在するとマイクロポーラス層の均質性に欠けてガス拡散性等の特性に悪影響を及ぼしたり、マイクロポーラス層の表面起伏が大きくなり接触抵抗が増加したりして、燃料電池において安定した出力を得ることが困難となるからである。   Here, in preparation of a microporous layer forming paste composition for forming a gas diffusion layer, in addition to a conductive material such as carbon particles and a water repellent resin such as PTFE, usually a conductive material such as carbon particles. In order to uniformly disperse a water repellent resin such as PTFE fine particles or the like in a solvent such as water, a dispersant is blended. If the conductive material or water-repellent resin is agglomerated without a dispersing agent, resulting in poor dispersion, the stability of the paste is low, and clogging and concentration changes may occur in the piping and pump during application. This is because it adversely affects the film properties. In addition, if there are many aggregates in the film after film formation, the microporous layer lacks homogeneity and adversely affects gas diffusivity and other characteristics, and the surface roughness of the microporous layer increases and contact resistance increases. This is because it becomes difficult to obtain a stable output in the fuel cell.

こうして導電性材料及び撥水性樹脂及び分散剤が混合されてなるマイクロポーラス層形成用のペースト組成物は、導電性多孔質材料からなる基材の表面に塗布した後、分散剤(PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂に予め含まれている分散剤も含まれる)を分解・揮発させるための乾燥・焼成処理を行うことで、ガス拡散層のマイクロポーラス層を形成する。例えば、マイクロポーラス層形成用のペースト組成物が導電性材料としてのカーボン粒子、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン、及び分散剤としての非イオン系界面活性剤で構成されている場合、通常、300℃程度の乾燥・焼成温度で処理できる。   A paste composition for forming a microporous layer in which a conductive material, a water-repellent resin and a dispersant are mixed in this manner is applied to the surface of a substrate made of a conductive porous material, and then a dispersant (such as a PTFE emulsion) is applied. The microporous layer of the gas diffusion layer is formed by performing a drying / firing process for decomposing and volatilizing (including a dispersant previously contained in the water-repellent resin). For example, when the paste composition for forming a microporous layer is composed of carbon particles as a conductive material, PTFE emulsion as a water repellent resin, and a nonionic surfactant as a dispersant, it is usually 300 ° C. It can be processed at a moderate drying / firing temperature.

ところが、基材の表面にマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を塗布した後に乾燥・焼成することで基材表面に形成される塗膜(以下マイクロポーラス層と言うこともある)において、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物中に含有されていた分散剤が十分に分解・揮発していないと、分散剤の親水性基によって水分が捕捉されるため、形成されたガス拡散層のマイクロポーラス層は十分な撥水性を発現することができない。このため、ペースト組成物中の分散剤を十分に分解・揮発して消失させて、撥水性を確保するためには、長い乾燥・焼成時間が必要となり、特に、分散剤の量が多いと分散剤の分解・揮発に伴う乾燥・焼成時間も一段と長くなる。しかし、乾燥・焼成時間が長くなると、連続製造ラインにおけるトンネル炉の炉長も長くなり、また、加熱のための電気量等も増大することから、製造コストに大きく影響する。乾燥・焼成温度を上げることで、乾燥・焼成時間の短縮化を図る考え方もあるが、乾燥・焼成温度の上昇により自然環境に与える負荷が増加する問題が生じる。また、必要以上に高温とすることで、塗膜成分が劣化したり、加熱に起因する温度変化によりクラックが発生したり、基材への定着力が低下したりする等の不具合が生じることがある。   However, in a coating film (hereinafter sometimes referred to as a microporous layer) formed on the surface of a substrate by applying a paste composition for forming a microporous layer on the surface of the substrate and then drying and firing, the microporous layer If the dispersant contained in the forming paste composition is not sufficiently decomposed and volatilized, moisture is trapped by the hydrophilic group of the dispersant, so the microporous layer of the formed gas diffusion layer is sufficient It is not possible to develop a good water repellency. For this reason, a long drying and firing time is required to ensure that the dispersant in the paste composition is sufficiently decomposed, volatilized and disappeared to ensure water repellency. The drying and firing time associated with the decomposition and volatilization of the agent is further increased. However, if the drying / firing time becomes longer, the length of the tunnel furnace in the continuous production line becomes longer, and the amount of electricity for heating increases, which greatly affects the production cost. Although there is an idea of shortening the drying / firing time by raising the drying / firing temperature, there is a problem that the load on the natural environment increases due to an increase in the drying / firing temperature. In addition, by setting the temperature higher than necessary, the coating film components may deteriorate, cracks may occur due to temperature changes caused by heating, and the fixing power to the substrate may be reduced. is there.

ここで、特許文献3においては、ガス拡散層の基材上に塗布されるカーボンブラック及びPTFEを含有する塗工液中に、空気中における質量半減温度が100〜300℃である低温熱分解型の非イオン系界面活性剤を、PTFEと界面活性剤との合量に対して0.5〜10質量%を含有させることにより、基材への塗布後に300℃〜390℃の乾燥・焼成温度で界面活性剤が十分に熱分解されて残存することなく、高い撥水性を長期間維持できるガス拡散層を開示している。   Here, in Patent Document 3, in a coating liquid containing carbon black and PTFE applied on the base material of the gas diffusion layer, a low temperature pyrolysis type whose mass half-temperature in air is 100 to 300 ° C. The non-ionic surfactant of 300 to 390 ° C. after drying on the base material by adding 0.5 to 10% by mass with respect to the total amount of PTFE and surfactant The gas diffusion layer that can maintain high water repellency for a long time without the surfactant remaining sufficiently thermally decomposed is disclosed.

また、特許文献4には、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おり、粘度調製用に非イオン性セルロース系列化合物を使用することで、導電性物質がよく分散されることが記載されている。   Patent Document 4 discloses a catalyst layer, a gas diffusion layer composed of a conductive base material, and a conductive substance, methylcellulose, ethylcellulose, hydroxypropyl, which is located between the catalyst layer and the gas diffusion layer. A fuel cell comprising a thickening agent which is a nonionic cellulose series compound selected from methylcellulose and hydroxypropylethylcellulose and a microporous layer containing a fluorine series resin is disclosed, and a nonionic cellulose series for viscosity adjustment is disclosed It is described that a conductive substance is well dispersed by using a compound.

特開2005−267981号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-267981 特開2010−062021号公報JP 2010-062021 A 特開2007−194004号公報JP 2007-194004 A 特開2006−019300号公報JP 2006-019300 A

特許文献3の技術においては、空気中における質量半減温度が100〜300℃である低温熱分解型の非イオン系界面活性剤を使用することで従来公知の界面活性剤と比較して比較的低温の300〜390℃の乾燥・焼成で界面活性剤を完全に除去し、高い撥水性を維持できるとしている。しかしながら、低温熱分解型の非イオン系界面活性剤は、主に、PTFE微粒子の凝集や沈降を抑えPTFE微粒子を水に安定に分散させるためのものであり、これのみでは、カーボンブラック等の導電性材料の凝集を防止し均一に分散させるのが困難である。カーボンブラック等の導電性材料を均一に分散させるための分散剤を別途加えても、分散剤の量が多い場合には分散剤の分解・揮発に伴う乾燥・焼成時間が長くなるという現状に変わりはなく、乾燥・焼成時間の短縮化を図ることはできない。なお、特許文献3において、撥水性を付与するためにガス拡散層の基材に含浸させるPTFEを含有する水性分散液には、必要に応じて、ポリエチレンオキサイド系増粘剤が含まれていてもよいことが記載されているが、ポリエチレンオキサイド系増粘剤についての具体的特定がなく、その技術意義は不明である。   In the technology of Patent Document 3, the use of a low-temperature pyrolysis-type nonionic surfactant having a mass half-temperature in air of 100 to 300 ° C. is relatively low compared to conventionally known surfactants. The surfactant is completely removed by drying and baking at 300 to 390 ° C., and high water repellency can be maintained. However, the low-temperature pyrolysis-type nonionic surfactant is mainly for suppressing the aggregation and sedimentation of PTFE fine particles and stably dispersing the PTFE fine particles in water. It is difficult to prevent the aggregating material from agglomerating and uniformly disperse. Even if a dispersant for uniformly dispersing a conductive material such as carbon black is added separately, if the amount of the dispersant is large, the drying and firing time associated with the decomposition and volatilization of the dispersant will increase. It is not possible to shorten the drying and baking time. In Patent Document 3, the aqueous dispersion containing PTFE impregnated in the base material of the gas diffusion layer to impart water repellency may contain a polyethylene oxide thickener as necessary. Although it is described as being good, there is no specific specification about the polyethylene oxide thickener, and its technical significance is unknown.

また、特許文献4の技術においては、増粘剤が非イオン性セルロース系列化合物であり、セルロース系の水溶性高分子は300℃程度の乾燥・焼成温度では完全に分解せず、乾燥・焼成温度を350℃程度まで上げないとマイクロポーラス層が撥水性を発現しないため、現状の乾燥・焼成温度を上げる必要があり、乾燥・焼成工程の負荷が増加する問題が生じる。   In the technique of Patent Document 4, the thickener is a nonionic cellulose series compound, and the cellulose-based water-soluble polymer is not completely decomposed at a drying / calcination temperature of about 300 ° C. Since the microporous layer does not exhibit water repellency unless the temperature is increased to about 350 ° C., it is necessary to increase the current drying / firing temperature, which causes a problem of increasing the load of the drying / firing process.

そこで、本発明は、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることなく、乾燥・焼成時間を短縮でき、低コスト化が可能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、並びに、燃料電池用の拡散層の製造方法の提供を課題とするものである。 Accordingly, the present invention provides a microporous layer-forming paste composition that can shorten the drying / firing time without increasing the load of the drying / firing process and can reduce the cost, a method for producing the same, and a fuel cell the provision of manufacturing method of the diffusion layer in which an object.

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、導電性材料と、撥水性樹脂と、分散剤と、分散助剤としてポリエチレンオキサイドを含有するペースト組成物であって、前記ポリエチレンオキサイドは、分子量が25万〜220万の範囲内で、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1重量部〜2重量部の範囲内で添加したものであり、基材に塗布して乾燥・焼成することで燃料電池用のガス拡散層のマイクロポーラス層を形成するものである。   The paste composition for forming a microporous layer according to claim 1 is a paste composition containing a conductive material, a water repellent resin, a dispersant, and polyethylene oxide as a dispersion aid, The molecular weight is within the range of 250,000 to 2,200,000, and the conductive material and the water repellent resin are added within the range of 1 part by weight to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content, A microporous layer of a gas diffusion layer for a fuel cell is formed by applying to a substrate, drying and firing.

ここで、上記ポリエチレンオキサイドの分子量が25万〜220万の範囲内との特定は、本発明者らが鋭意実験研究を重ねた結果、分子量が25万未満のポリエチレンオキサイドの場合、粘度が小さいために、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることのない少量の添加量では、分散時のペースト組成物が発現する流動特性の向上効果が得られず、分散剤の添加量を低減して乾燥・焼成時間の短縮を図ることが困難であり、一方、分子量が220万を超えるポリエチレンオキサイドでは、分子量が大きすぎて、ポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなり、却って、乾燥・焼成工程の負荷が増大することを見出し、この知見に基づいて設定されたものである。
なお、ポリエチレンオキサイドの分子量は、粘度平均分子量(Mv)と重量平均分子量(Mw)があるが、本発明では粘度平均分子量を基準にしている。
Here, the specification that the molecular weight of the polyethylene oxide is in the range of 250,000 to 2,200,000 is a result of repeated experiments conducted by the present inventors. As a result, in the case of polyethylene oxide having a molecular weight of less than 250,000, the viscosity is small. In addition, with a small addition amount that does not increase the load of the drying and firing process, the effect of improving the flow characteristics that the paste composition at the time of dispersion cannot be obtained, the amount of dispersant added is reduced to the drying / On the other hand, it is difficult to shorten the baking time. On the other hand, in polyethylene oxide having a molecular weight exceeding 2.2 million, the molecular weight is too large, and the drying and baking time associated with the thermal decomposition of polyethylene oxide becomes long. It was found based on this knowledge that the process load increases.
In addition, although the molecular weight of polyethylene oxide has a viscosity average molecular weight (Mv) and a weight average molecular weight (Mw), in this invention, it is based on a viscosity average molecular weight.

また、上記ポリエチレンオキサイドを導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加との特定は、本発明者らが実験研究を重ねた結果、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対してポリエチレンオキサイドの添加量が1重量部未満である場合、添加量が少なすぎて、ポリエチレンオキサイドによる分散時のペースト組成物が発現する流動特性の向上効果を得ることができず、分散剤の添加量を低減して乾燥・焼成時間の短縮を図ることが困難であり、一方、ポリエチレンオキサイドの添加量が2重量部を超えると、添加量が多すぎて、ポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなり、却って乾燥・焼成工程の負荷が増大することを見出し、この知見に基づいて設定されたものである。
なお、上記の数値は、厳格ものでなく概ねの値であり、当然、測定等による誤差を含む概略値であり、数割の誤差を否定するものではない。
In addition, the inventors of the present invention have repeatedly conducted experimental studies to specify that the polyethylene oxide is added within the range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water-repellent resin. As a result, when the addition amount of polyethylene oxide is less than 1 part by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water-repellent resin, the addition amount is too small and the paste composition when dispersed with polyethylene oxide It is difficult to improve the flow characteristics expressed by the product, and it is difficult to reduce the addition amount of the dispersant to shorten the drying and baking time. On the other hand, the addition amount of polyethylene oxide is 2 parts by weight. If the amount exceeds 1, the addition amount is too large, and the drying and baking time associated with the thermal decomposition of polyethylene oxide becomes longer, and on the contrary, the load of the drying and baking process is found to increase. Based those that are set.
Note that the above numerical values are not strict, but are approximate values, and are naturally approximate values including errors due to measurement or the like, and do not deny errors of several percent.

請求項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、撥水性樹脂と、分散剤と、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを分散助剤として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1重量部〜2重量部の範囲内で添加し、所定時間混合分散するものである。 The method for producing a microporous layer-forming paste composition of the invention of claim 2 is a method for dispersing a conductive material, a water repellent resin, a dispersant, and polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000. As an agent, it is added within a range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin, and is mixed and dispersed for a predetermined time.

請求項の発明の燃料電池用のガス拡散層の製造方法は、請求項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り製造されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質材料からなる基材に塗布した後、乾燥・焼成するものである。 Method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell of the invention of claim 3, claim 2 of the microporous layer conductive porous microporous layer forming paste composition produced by the production method of forming paste composition After applying to the base material made of the material, it is dried and fired.

請求項1の発明に係る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、分散助剤として分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを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1重量部〜2重量部の範囲内で含有する。
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の中でも、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加することでペースト組成物の流動特性が向上し、少量の分散剤でも導電性材料(例えば、カーボン粒子)等のペースト成分を容易に均一に分散させることが可能となり、分散剤の添加量を低減できる。そして、分散助剤のポリエチレンオキサイドを所定量添加しても、ポリエチレンオキサイド添加量以上に分散剤の添加量が低減されることで、基材への塗布後に行われる乾燥・焼成工程において、分散剤及び分散助剤を十分に分解・揮発して消失させるための乾燥・焼成にかかる時間を短縮でき、短い乾燥・焼成時間でも十分な撥水性を発現させることができる。
The paste composition for forming a microporous layer according to the invention of claim 1 comprises a conductive material, a water repellent resin, a dispersant, and a polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000 as a dispersion aid. It contains in the range of 1 weight part-2 weight part with respect to 100 weight part of solid content total amount of the said electroconductive material and the said water repellent resin.
Among polyethylene oxides of water-soluble resins that thermally decompose at less than 300 ° C., polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000 is 1 with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water-repellent resin. Addition within the range of parts by weight to 2 parts by weight improves the flow characteristics of the paste composition, and easily and uniformly disperses paste components such as conductive materials (for example, carbon particles) with a small amount of dispersant. And the amount of dispersant added can be reduced. And even if a predetermined amount of polyethylene oxide as a dispersion aid is added, the amount of the dispersant added is reduced more than the amount of polyethylene oxide added, so that in the drying / firing process performed after application to the substrate, In addition, it is possible to shorten the time required for drying and baking for sufficiently decomposing and volatilizing and dispersing the dispersion aid, and to exhibit sufficient water repellency even with a short drying and baking time.

つまり、分散助剤として使用されるポリエチレンオキサイドは、300℃未満で熱分解する水溶性樹脂であり、分子量が25万〜220万の範囲内で、添加量が導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内と少量であることから、ポリエチレンオキサイドの添加により乾燥・焼成工程での負荷を増大させることもなく、分散剤添加量低減効果による乾燥・焼成時間の短縮化によって乾燥・焼成にかかる電力を低減でき、また、乾燥・焼成炉の炉長を短くできることから、製造コストを低減することができる。
このようにして、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることなく、短い乾燥・焼成時間で撥水性が発現されることで乾燥・焼成時間を短縮でき、低コスト化が可能なマイクロポーラス層形成用ペースト組成物となる。
ここでポリエチレンオキサイドは、分散を効率よく行うための分散剤を補助する分散助剤として分散剤と併用して使用することを基本とするが、導電性材料及び撥水性樹脂の添加量や組み合わせによっては分散剤として単独使用することもでき乾燥・焼成時間の短縮化を図ることが可能である。
That is, polyethylene oxide used as a dispersion aid is a water-soluble resin that is thermally decomposed at less than 300 ° C., and has a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000, and the addition amount is a solid of a conductive material and a water-repellent resin. Since the amount is in the range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total amount, the addition of polyethylene oxide reduces the amount of dispersant added without increasing the load in the drying / firing process. By shortening the drying / firing time due to the effect, the power required for drying / firing can be reduced, and the furnace length of the drying / firing furnace can be shortened, so that the manufacturing cost can be reduced.
In this way, without increasing the load of the drying / firing process, the water repellency is expressed in a short drying / firing time, so that the drying / firing time can be shortened and the cost can be reduced. It becomes a paste composition.
Here, polyethylene oxide is basically used in combination with a dispersant as a dispersion aid for assisting a dispersant for efficiently dispersing, but depending on the amount and combination of conductive material and water-repellent resin. Can be used alone as a dispersant, and the drying and firing time can be shortened.

請求項の発明に係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、導電性材料と、撥水性樹脂と、分散剤と、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドとを分散助剤として、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1重量部〜2重量部の範囲内で添加し、所定時間混合分散する。
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の中でも、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加することでペースト組成物の流動特性が向上し、少量の分散剤でも導電性材料(例えば、カーボン粒子)等のペースト成分を容易に均一に分散させることが可能となり、分散剤の量を低減できる。少量の分散助剤の添加によって分散剤の量が低減されることで、基材への塗布後に行われる乾燥・焼成工程において分散剤及び分散助剤を十分に分解・揮発して消失させるための時間を短縮でき、短い乾燥・焼成時間でも十分な撥水性を発現させることができる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a microporous layer-forming paste composition comprising: a conductive material, a water-repellent resin, a dispersant, and polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000. As a dispersion aid, it is added within a range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water-repellent resin, and is mixed and dispersed for a predetermined time.
Among polyethylene oxides of water-soluble resins that thermally decompose at less than 300 ° C., polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000 is 1 with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water-repellent resin. Addition within the range of parts by weight to 2 parts by weight improves the flow characteristics of the paste composition, and easily and uniformly disperses paste components such as conductive materials (for example, carbon particles) with a small amount of dispersant. And the amount of the dispersant can be reduced. The amount of the dispersant is reduced by adding a small amount of the dispersion aid, so that the dispersant and the dispersion aid are sufficiently decomposed and volatilized and disappeared in the drying and baking process performed after application to the substrate. The time can be shortened, and sufficient water repellency can be exhibited even with a short drying and baking time.

こうして乾燥・焼成時間が短縮化されることにより、乾燥・焼成にかかる電力を低減でき、また、乾燥・焼成炉の炉長を短くできることから、製造コストを低減することができる。このようにして、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることなく短い乾燥・焼成時間で撥水性が発現されることで乾燥・焼成時間を短縮でき、低コスト化が可能なマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法となる。   By shortening the drying / firing time in this way, it is possible to reduce the electric power required for drying / firing, and the furnace length of the drying / firing furnace can be shortened, so that the manufacturing cost can be reduced. In this way, a microporous layer forming paste that can reduce the drying and baking time and reduce the cost by exhibiting water repellency in a short drying and baking time without increasing the load of the drying and baking process. It becomes the manufacturing method of a composition.

請求項の燃料電池用のガス拡散層の製造方法は、請求項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り製造されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質材料からなる基材に塗布した後、乾燥・焼成したものである。
上述の如く、このマイクロポーラス層形成用ペースト組成物によれば、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドが添加されていることで、ペースト組成物の流動特性が向上し、少ない分散剤でペースト成分が均一に分散される。
このため、かかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質材料からなる基材に塗布し乾燥・焼成してなるガス拡散層の製造方法によれば、分散助剤の添加量以上に分散剤の低減量が大きくなることで、短い乾燥・焼成時間でも分散剤及び分散助剤が消失して塗膜(マイクロポーラス層)中に残存することがなく、形成されたガス拡散層のマイクロポーラス層において、燃料電池の発電効率に影響を与える撥水性が十分に発現される。よって、電池反応で生成した水の排出がスムーズに行われてフラッディング現象が防止される。これより、ガス拡散性等の特性の低下が抑制され、電池性能の低下を防止できる。また、ポリエチレンオキサイドの添加によって、少ない分散剤でペースト成分が均一に分散され、基材に塗布した後に行われる分散剤及び分散助剤を消失させるための乾燥・焼成にかかる時間が短縮されることから、形成されたガス拡散層のマイクロポーラス層において、ペースト成分の不均一や長時間の加熱に起因するクラックの発生が防止されて、安定して均一なガス拡散性等の特性を発揮できる。故に、安定した出力が得られ、固体高分子形燃料電池を長期間安定して作動できる膜電極接合体に好適に用いることができる。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the microporous layer-forming paste composition produced by the method for producing a microporous layer-forming paste composition of claim 2 is formed from a conductive porous material. After being applied to a base material, it is dried and fired.
As described above, according to the paste composition for forming a microporous layer, the molecular weight is 250,000 within a range of 1 part by weight to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin. By adding polyethylene oxide in the range of ˜2.2 million, the flow characteristics of the paste composition are improved, and the paste components are uniformly dispersed with a small amount of dispersant.
For this reason, according to the method for producing a gas diffusion layer obtained by applying the paste composition for forming a microporous layer to a base material made of a conductive porous material, drying and firing, the dispersion amount exceeds the addition amount of the dispersion aid. By reducing the amount of the agent, the dispersant and dispersion aid disappear even in a short drying and baking time and do not remain in the coating film (microporous layer), and the microporous layer of the formed gas diffusion layer The layer sufficiently exhibits water repellency that affects the power generation efficiency of the fuel cell. Therefore, the water generated by the battery reaction is discharged smoothly and the flooding phenomenon is prevented. As a result, deterioration in characteristics such as gas diffusivity is suppressed, and deterioration in battery performance can be prevented. In addition, the addition of polyethylene oxide allows the paste components to be uniformly dispersed with a small amount of dispersant, and shortens the time required for drying and baking to eliminate the dispersant and dispersion aid applied after application to the substrate. Therefore, in the formed microporous layer of the gas diffusion layer, the occurrence of cracks due to non-uniform paste components and long-time heating is prevented, and stable and uniform characteristics such as gas diffusivity can be exhibited. Therefore, a stable output can be obtained, and the polymer electrolyte fuel cell can be suitably used for a membrane electrode assembly that can operate stably for a long period of time.

図1は本発明の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を使用する燃料電池用ガス拡散層を有する固体高分子型燃料電池の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a polymer electrolyte fuel cell having a gas diffusion layer for a fuel cell that uses the paste composition for forming a microporous layer according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について説明する。
なお、実施の形態において、表1及び表2の同一欄に記載の数値は、数量の大きさを示すものであり、基本的に材料に違いはないので、ここでは重複する説明を省略する。
Embodiments of the present invention will be described below.
In the embodiment, the numerical values described in the same column of Table 1 and Table 2 indicate the magnitude of the quantity, and basically there is no difference in the material, and therefore, a duplicate description is omitted here.

まず、本実施の形態に係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、分散助剤としてポリエチレンオキサイドとを含有するペースト状混合物である。
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-like mixture containing a conductive material, a water repellent resin, a dispersant, and polyethylene oxide as a dispersion aid.

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(カーボンナノチューブ)等の繊維状の導電性材料を用いることができる。中でも、塗布対象の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、チャンネルブラック、ランプ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電子伝導性に優れ、比表面積が大きく、純度が高くて使いやすいことから、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。これらは1種を単独でまたは2種以上を適宜組み合わせて使用することが可能である。   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 (carbon nanotubes). Among them, carbon black is preferable from the viewpoint of compatibility with the carbon base material to be coated, and examples of the carbon black include carbon particles such as acetylene black, ketjen black, furnace black, channel black, and lamp black. Since acetylene black is excellent in electron conductivity, has a large specific surface area, has a high purity and is easy to use, it is suitable for forming a coating layer used for an electrode of a fuel cell. These can be used singly or in appropriate combination of two or more.

撥水性樹脂としては、形成する塗膜層で撥水性を発現でき、かつ、樹脂バインダーとして機能するものであればよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂や、シリコーン樹脂等を使用できる。中でも、撥水性、電極反応時の耐食性等に優れるフッ素系の高分子材料が好ましく、特に、PTFEのエマルジョンを用いるのが好ましい。なお、PTFEは、テトラフルオロエチレンの単独重合体であってもよく、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン等のハロゲン化オレフィン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)等の他のフッ素系単量体に由来する単位を含む変性PTFEであってもよい。これらは、1種を単独でまたは2種以上を適宜組み合わせて使用することが可能である。   Any water-repellent resin may be used as long as it can exhibit water repellency in the coating layer to be formed and functions as a resin binder. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene Copolymer (FEP), perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), A fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVdF), a silicone resin, or the like can be used. Among them, a fluorine-based polymer material excellent in water repellency, corrosion resistance during electrode reaction, and the like is preferable, and in particular, an emulsion of PTFE is preferably used. PTFE may be a tetrafluoroethylene homopolymer, derived from halogenated olefins such as chlorotrifluoroethylene and hexafluoropropylene, and other fluorine-based monomers such as perfluoro (alkyl vinyl ether). It may be a modified PTFE containing units. These can be used singly or in appropriate combination of two or more.

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。   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”.

分散助剤としてのポリエチレンオキサイドは、300℃未満で熱分解する水溶性樹脂である。主に、カーボンブラック等の導電性材料の凝集を防止して均一に分散しやすくさせるために用いるが、それ以外にも、PTFE微粒子等の撥水性樹脂を均一に分散しやすくさせて水等の溶媒に溶解させるために用いることもできる。
ここで、ポリエチレンオキサイドを分散助剤用途として使用する理由を以下に説明する。ポリエチレンオキサイドは、その添加によってマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の粘度を増粘させる効果を有している。この増粘効果によってマイクロポーラス層形成用ペースト組成物中に撥水性樹脂と導電性材料を効率よく分散させることができ、分散剤の添加量を減らすことが可能となる。
この際、分散剤及び分散助剤がガス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における撥水性等の特性、さらに、電池性能に悪影響を及ぼす。このため、分散剤及び分散助剤は乾燥・焼成を行う乾燥・焼成工程にて熱分解される必要があるが、ポリエチレンオキサイドはその分解温度が低く、また、分子量による分解温度の差も小さいことから、分子量が大きくなっても乾燥・焼成温度が300℃未満で熱分解するため乾燥・焼成温度を高くする必要はない。しかし、ポリエチレンオキサイドの分子量や添加量によっては、ポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなり、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることになるが、本発明では、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して固形分で1重量部〜2重量部の範囲内で添加するものとなっている。
Polyethylene oxide as a dispersion aid is a water-soluble resin that thermally decomposes at less than 300 ° C. Mainly used for preventing aggregation of conductive materials such as carbon black and facilitating uniform dispersion, but in addition to this, water repellent resins such as PTFE fine particles can be easily dispersed uniformly, It can also be used to dissolve in a solvent.
Here, the reason why polyethylene oxide is used as a dispersion aid will be described below. Polyethylene oxide has the effect of increasing the viscosity of the paste composition for forming a microporous layer by its addition. Due to this thickening effect, the water-repellent resin and the conductive material can be efficiently dispersed in the microporous layer-forming paste composition, and the amount of dispersant added can be reduced.
At this time, if the dispersant and the dispersion aid remain in the microporous layer forming the gas diffusion layer, the characteristics such as water repellency in the microporous layer and further battery performance are adversely affected. For this reason, dispersants and dispersion aids need to be thermally decomposed in a drying / firing process in which drying / firing is carried out, but polyethylene oxide has a low decomposition temperature, and a difference in decomposition temperature depending on molecular weight is also small. Therefore, even if the molecular weight is increased, the drying / baking temperature is less than 300 ° C., so that the pyrolysis is not necessary. However, depending on the molecular weight and addition amount of polyethylene oxide, the drying / firing time associated with the thermal decomposition of polyethylene oxide becomes longer, increasing the load of the drying / firing process. In the present invention, the molecular weight is 250,000- Polyethylene oxide within the range of 2,200,000 is added within the range of 1 to 2 parts by weight of solid content with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin. .

分子量が25万未満のポリエチレンオキサイドの場合、増粘効果が小さく、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることのない少量の添加量では、効率よく分散させる領域までマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の流動特性を向上させる効果が得られないため、分散剤の添加量を低減して乾燥・焼成時間の短縮を図ることが困難である。一方で、分子量が220万を超えるポリエチレンオキサイドでは、分子量が大きすぎてポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなる。即ち、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることになり、所望とする短い乾燥・焼成時間にて十分な撥水性を確保することが困難である。   In the case of polyethylene oxide having a molecular weight of less than 250,000, the effect of thickening is small, and with a small addition amount that does not increase the load of the drying / firing process, the microporous layer forming paste composition can be efficiently dispersed to the region where it is dispersed. Since the effect of improving the flow characteristics cannot be obtained, it is difficult to reduce the addition amount of the dispersant to shorten the drying / firing time. On the other hand, in the case of polyethylene oxide having a molecular weight exceeding 2.2 million, the molecular weight is too large, and the drying and firing time associated with the thermal decomposition of polyethylene oxide becomes long. That is, the load of the drying / firing process is increased, and it is difficult to ensure sufficient water repellency in a desired short drying / firing time.

また、ポリエチレンオキサイドの添加量が導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部未満である場合、添加量が少なすぎて、ポリエチレンオキサイドによるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の流動特性向上効果が得難く、導電性材料及び撥水性樹脂を十分に分散させるためには分散剤の添加量を大きく低減させることができ難い。つまり、ポリエチレンオキサイドの添加量の有無にかかわらず分散剤の添加量が略同量必要であり、ポリエチレンオキサイドの添加による効果が得難い。一方で、2重量部を超えると、添加量が多すぎて、ポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなる。即ち、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることになり、所望とする短い乾燥・焼成時間にて十分な撥水性を確保することが困難である。   Moreover, when the addition amount of polyethylene oxide is less than 1 part by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin, the addition amount is too small, and the paste for forming a microporous layer by polyethylene oxide The effect of improving the flow characteristics of the composition is difficult to obtain, and in order to sufficiently disperse the conductive material and the water-repellent resin, it is difficult to greatly reduce the addition amount of the dispersant. That is, approximately the same amount of dispersant is required regardless of whether or not polyethylene oxide is added, and the effect of adding polyethylene oxide is difficult to obtain. On the other hand, when the amount exceeds 2 parts by weight, the amount added is too large, and the drying and firing time associated with the thermal decomposition of polyethylene oxide becomes long. That is, the load of the drying / firing process is increased, and it is difficult to ensure sufficient water repellency in a desired short drying / firing time.

これに対し、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して固形分で1重量部〜2重量部の範囲内で添加すると、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物の粘性が高まり分散しやすくなる状態にすることができる。このようにポリエチレンオキサイドを、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物のペースト成分を分散する時に分散しやすくする分散助剤として使用することで分散剤の添加量を低減可能とし、乾燥・焼成時の負荷を増大させることなく乾燥・焼成時間の短縮を可能とする。
なお、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。
On the other hand, polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000 is in the range of 1 to 2 parts by weight in terms of solid content with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water-repellent resin. When added inside, the viscosity of the paste composition for forming a microporous layer can be increased to facilitate dispersion. By using polyethylene oxide as a dispersion aid that facilitates dispersion when the paste component of the microporous layer forming paste composition is dispersed in this manner, the amount of dispersant added can be reduced, and the load during drying and firing is reduced. This makes it possible to shorten the drying and baking time without increasing the temperature.
Examples of such polyethylene oxide include commercially available products sold by Sumitomo Seika Co., Ltd. (trade name: PEO), Meisei Chemical Industry Co., Ltd. (trade name: Alcox), and the like. Can be used.

また、分散剤としては例えば、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX−100)、ポリオキシエチレンラウリルエーテル等の非イオン系界面活性剤、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキレンアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルエーテル等のノニオン系分散剤、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウムクロリド、アルキルピリジウムクロリド等のカチオン系分散剤、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、酸性基含有構造変性ポリアクリレート等のアニオン系分散剤等が挙げられ、これら1種を単独でまたは2種以上を用いることが可能である。例えば、導電性材料としてカーボンブラック、撥水性樹脂としてPTFEエマルジョンを使用する場合には、非イオン系界面活性剤の分散剤が使用される。なお、撥水性樹脂が分散剤を含む状態で混合される場合もある。   Examples of the dispersing agent include nonionic surfactants such as polyoxyethylene alkylphenyl ether (Triton X-100) and polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene distyrenated phenyl ether, and polyoxyethylene alkylene alkyl ether. , Nonionic dispersants such as polyethylene glycol alkyl ethers, cationic dispersants such as alkyltrimethylammonium salts, dialkyldimethylammonium chlorides and alkylpyridinium chlorides, anionic systems such as polyoxyethylene fatty acid esters and acid group-containing structurally modified polyacrylates Examples thereof include a dispersant, and one of these can be used alone or two or more of them can be used. For example, when carbon black is used as the conductive material and PTFE emulsion is used as the water repellent resin, a nonionic surfactant dispersant is used. In some cases, the water repellent resin is mixed in a state containing a dispersant.

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、分散剤、及び分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを分散助剤として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後述する燃料電池用ガス拡散層14(図1参照)に適用する際は、イオン交換水等の溶媒中で混合分散することでマイクロポーラス層形成用ペースト組成物としている。
以上説明してきたように、本発明はポリエチレンオキサイド以外の分散剤にポリエチレンオキサイドを分散助剤として併用するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物である。
なお、ポリエチレンオキサイドは分散助剤としてではなく、分散剤として単独で使用することも有り得る。
Thus, the microporous layer forming paste composition of the present embodiment has a conductive material such as carbon black, a water-repellent resin such as PTFE emulsion, a dispersant, and a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000. A certain amount of polyethylene oxide is blended as a dispersion aid at a predetermined ratio. When this microporous layer forming paste composition is applied to a fuel cell gas diffusion layer 14 (see FIG. 1) described later, A microporous layer-forming paste composition is obtained by mixing and dispersing in a solvent such as exchange water.
As described above, the present invention is a paste composition for forming a microporous layer in which polyethylene oxide is used in combination with a dispersant other than polyethylene oxide as a dispersion aid.
Polyethylene oxide may be used alone as a dispersing agent, not as a dispersing aid.

次に本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ついて説明する。導電性材料、撥水性樹脂、分散剤、及び分散助剤としてのポリエチレンオキサイドを溶媒に混合して混合分散処理する方法としては、通常のディスパー等のミキサーが使用できるが、攪拌用羽根等によるせん断力を用いることなく、材料同士の接触(衝突)や材料の撹拌容器内壁への接触(衝突)によって発生する衝突エネルギー等を利用して分散することが望ましく、例えば、公転・自転を特定の値に設定可能な遊星式撹拌・脱泡装置等を用いて混合分散させることが好ましい。これにより、導電性材料の三次元構造の破壊を招くことなく、導電性材料の三次元構造を維持したまま、導電性材料を分散できることから、撥水性樹脂と導電性材料との強固な三次元構造を形成でき、十分な塗膜強度を得ることができる。また、遊星式撹拌・脱泡装置を用いることで、かかる装置においては撹拌用の羽根等を有しないため洗浄に手間がかかることがなく、歩留まりも向上することから、低コスト化が可能となる。
なお、溶媒は、導電性材料、撥水性樹脂、分散剤及びポリエチレンオキサイドの各成分を混合してペースト化するための溶媒であり、乾燥・焼成後においては消失するものである。
Next, the manufacturing method of the paste composition for microporous layer formation of this invention is demonstrated. As a method of mixing and dispersing a conductive material, a water-repellent resin, a dispersant, and polyethylene oxide as a dispersion aid in a solvent, an ordinary mixer such as a disper can be used. It is desirable to disperse by using collision energy generated by contact (collision) between materials and contact with the inner wall of the stirring vessel (collision) without using force. It is preferable to mix and disperse using a planetary stirring / defoaming device or the like that can be set to 1. As a result, the conductive material can be dispersed while maintaining the three-dimensional structure of the conductive material without causing the destruction of the three-dimensional structure of the conductive material. A structure can be formed, and sufficient coating strength can be obtained. Further, by using a planetary agitation / defoaming device, since such an apparatus does not have a stirring blade or the like, it does not take time for cleaning, and the yield is improved, so that the cost can be reduced. .
In addition, a solvent is a solvent for mixing each component of a conductive material, a water-repellent resin, a dispersant, and polyethylene oxide to form a paste, and disappears after drying and baking.

そして、このようにして調整したマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質材料からなる基材16(図1参照)に塗布したのち、乾燥・焼成することで、その塗膜はマイクロポーラス層としての表面層15となり、基材16にマイクロポーラス層としての表面層15(図1参照)が形成された燃料電池用のガス拡散層14とされる。
即ち、本実施の形態の燃料電池用のガス拡散層14は、導電性多孔質材料からなる基材16にマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を塗布した後、乾燥・焼成するという簡単な作業工程によって形成され、基材16の形状により任意の形状に仕上げることができる。
And after apply | coating the paste composition for microporous layer formation prepared in this way to the base material 16 (refer FIG. 1) which consists of an electroconductive porous material, the coating film becomes microporous by drying and baking. A surface layer 15 as a layer is formed, and a gas diffusion layer 14 for a fuel cell in which a surface layer 15 (see FIG. 1) as a microporous layer is formed on a substrate 16 is formed.
That is, the gas diffusion layer 14 for a fuel cell according to the present embodiment is a simple work process in which a paste composition for forming a microporous layer is applied to a base material 16 made of a conductive porous material, and then dried and fired. And can be finished into an arbitrary shape depending on the shape of the substrate 16.

ここで、本実施の形態に係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14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。   Here, the structure of the polymer electrolyte fuel cell (single cell) to which the fuel cell gas diffusion layer 14 using the microporous layer forming paste composition according to the present embodiment is applied is schematically shown in FIG. This will be described with reference to the drawings.

図示のように、本実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物が用いられる燃料電池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、酸化ガス及び燃料ガスが反応して、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 fuel cell 1 in which the microporous layer forming paste composition according to the present embodiment is used, an oxidizing gas such as oxygen gas reacts on one surface of an electrolyte membrane 11 that becomes the core of a single cell. The cathode electrode 12A is disposed on the surface of the cathode electrode 12A of the membrane-electrode assembly 10 and the membrane-electrode assembly 10 in which an anode electrode 12B on which the fuel gas such as hydrogen gas reacts is disposed on the other surface. The cathode-side separator 20A and the anode-side separator 20B disposed on the surface of the anode electrode 12B of the membrane-electrode assembly 10 are configured. The membrane-electrode assembly 10 is also called a membrane-electrode assembly, and an oxidizing gas and a fuel gas react with each other, and electric power is taken out between the cathode side separator 20A and the anode side separator 20B.

イオン交換基と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。そして、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、ガス拡散層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 composed of an ion exchange group and a polymer membrane has a property of binding firmly to specific ions and selectively transmitting cations or anions. The electrodes 12 (cathode electrode 12A and anode electrode 12B) formed on both surfaces of the electrolyte membrane 11 are a catalyst layer 13 (cathode side catalyst layer 13A and anode side catalyst layer 13B) and a gas diffusion layer 14 (cathode side). 14A and anode side diffusion layer 14B).

酸化ガスまたは燃料ガスが反応する触媒層13(カソード側触媒層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。
また、ガス透過性及び水透過性を有するガス拡散層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 oxidizing gas or the fuel gas reacts is a catalyst-supporting carbon in which a noble metal catalyst such as platinum, gold or palladium is supported by carbon, and this catalyst-supporting carbon. And a resin that adheres to the electrolyte membrane 11.
The gas 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). Is done.

ガス拡散層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、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)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)の表面に接触し、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 gas 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 as a microporous layer (microporous layer). (The cathode side surface layer 15A or the anode side surface layer 15B), and the surface layer 15 (cathode side surface layer 15A or anode side surface layer 15B) as a microporous layer is the catalyst layer 13 (cathode side catalyst layer 13A or The base material 16 (cathode side base material 16A or anode side base material 16B) is disposed on the surface of the surface layer 15 (cathode side surface layer 15A or anode side surface layer 15B) in contact with the surface of the anode side catalyst layer 13B). Is done.

このような構成によって、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ガス拡散層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ガス拡散層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 such a 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 a gas diffusion layer on the cathode side. It penetrates into the inside from the surface of the substrate 16A side of 14A. Other unreacted oxidizing gas flows along the oxidizing gas channel 21 </ b> A and is discharged to the outside of the fuel cell 1. Similarly, when fuel gas is supplied from the outside to the fuel gas passage 21B of the anode separator 20B, a part of the fuel gas flowing along the fuel gas passage 21B is based on the anode-side gas diffusion layer 14B. The material 16B enters the inside from the surface. Other unreacted fuel gas flows along the fuel gas flow path 21B as it is, and is discharged to the outside of the fuel cell 1.

本実施の形態では、導電性多孔質材料からなる基材16(カソード側基材16Aまたはアノード側基材16B)に対して、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を塗布した後、乾燥・焼成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、かかる表面層15と基材16とでガス透過性及び水透過性を有するガス拡散層14(カソード側拡散層14Aまたはアノード側拡散層14B)を構成する。
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、本実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物に含有されたカーボンブラック等の導電性材料によって導電性が付与され、更に、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂によって撥水性が付与される。因みに、撥水性樹脂は、乾燥・焼成後に溶融し、基材16表面のカーボン上や表面層15のカーボン上に付着した状態になることから、撥水性樹脂によって表面層15のカーボンが基材16表面のカーボンに強固に結着されることになる。
In the present embodiment, the microporous layer forming paste composition is applied to the base material 16 (cathode side base material 16A or anode side base material 16B) made of a conductive porous material, and then dried and fired. Thus, a surface layer 15 (cathode side surface layer 15A or anode side surface layer 15B) as a microporous layer is formed, and the gas diffusion layer 14 having gas permeability and water permeability is formed between the surface layer 15 and the base material 16. (Cathode side diffusion layer 14A or anode side diffusion layer 14B) is formed.
At this time, the surface layer 15 (cathode-side surface layer 15A or anode-side surface layer 15B) is made conductive by a conductive material such as carbon black contained in the microporous layer forming paste composition according to the present embodiment. Furthermore, water repellency is imparted by a water repellent resin such as PTFE emulsion. Incidentally, the water-repellent resin melts after drying and firing, and is in a state of adhering to the carbon on the surface of the base material 16 or the carbon of the surface layer 15. It is firmly bound to the surface carbon.

なお、本実施の形態において、導電性多孔質材料からなる基材16(カソード側基材16Aまたはアノード側基材16B)としては、従来の燃料電池(特に、固体高分子形燃料電池)のガス拡散層で一般的に用いられているガス透過性と導電性を備える任意の材料で構成されたものを用いることができ、例えば、黒鉛、膨張黒鉛等の炭素材料や、これらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタンの導電性無機材料等が、繊維状、粒子状、織布、不織布の形態で構成されたものを用いることができる。より具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト(カーボン不織布)等が好適に使用される。更に、カーボンペーパー、カーボンクロス等の導電性多孔質材料からなる基材16は、ガス拡散層14の撥水性をより向上させるために撥水処理が施されていることが望ましい。
また、基材16に対するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の塗布は、刷毛塗り、筆塗り、ロールコーター塗布、バーコーター塗布、ダイコーター塗布、スクリーン印刷、スプレー塗布、ドクターブレード塗布、ワイヤーバー塗布、アプリケーター塗布等の方法で行うことができる。
In the present embodiment, the base material 16 (cathode side base material 16A or anode side base material 16B) made of a conductive porous material is a gas of a conventional fuel cell (in particular, a polymer electrolyte fuel cell). A material composed of any material having gas permeability and conductivity generally used in a diffusion layer can be used, for example, carbon materials such as graphite and expanded graphite, and these nanocarbon materials, A conductive inorganic material such as stainless steel, molybdenum, or titanium that is formed in the form of fibers, particles, woven fabric, or nonwoven fabric can be used. More specifically, carbon paper, carbon cloth, carbon felt (carbon nonwoven fabric) and the like are preferably used. Furthermore, the base material 16 made of a conductive porous material such as carbon paper or carbon cloth is preferably subjected to a water repellent treatment in order to further improve the water repellency of the gas diffusion layer 14.
Further, the application of the paste composition for forming the microporous layer on the substrate 16 is performed by brush coating, brush coating, roll coater coating, bar coater coating, die coater coating, screen printing, spray coating, doctor blade coating, wire bar coating, It can be performed by a method such as applicator application.

ここで、本実施の形態では、分子量が25万〜220万の範囲内である300℃未満で熱分解するポリエチレンオキサイドが、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して、1重量部〜2重量部の範囲内で添加されている。このため、主にカーボンブラック等の導電性材料の凝集を防止し均一に分散させるために用いられる分散剤の添加量、つまりマイクロポーラス層形成用ペースト組成物における添加量を少なくできることで、基材16にペースト組成物を塗布した後に行われる分散剤及びポリエチレンオキサイドを分解・揮発して消失させるための乾燥・焼成にかかる時間、換言すると、撥水性樹脂による撥水性を発現するための乾燥・焼成にかかる時間を短縮できる。即ち、乾燥・焼成時間が短くても、分散剤及びポリエチレンオキサイドが完全に消失して残存することなく、高い撥水性を発現できる。   Here, in the present embodiment, the polyethylene oxide that thermally decomposes at a molecular weight of less than 300 ° C. within the range of 250,000 to 2.2 million is based on 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin. It is added within the range of 1 to 2 parts by weight. For this reason, it is possible to reduce the addition amount of a dispersant used mainly for preventing and uniformly dispersing a conductive material such as carbon black, that is, the addition amount in the paste composition for forming a microporous layer. The time required for drying and baking to decompose and volatilize and disperse the dispersant and polyethylene oxide performed after applying the paste composition to 16, in other words, drying and baking to develop water repellency by the water-repellent resin Can reduce the time it takes. That is, even when the drying and baking time is short, high water repellency can be expressed without the dispersant and polyethylene oxide completely disappearing and remaining.

つまり、本実施の形態においては、添加するポリエチレンオキサイドの分子量及び添加量を特定することによって、分散剤の分解・揮発に伴う乾燥・焼成時間よりも、ポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなることはない。また、ポリエチレンオキサイドが300℃未満の低い温度で熱分解するものであることから、ポリエチレンオキサイドを使用しないときに比べて乾燥・焼成温度が高くなることもなく、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることはない。そして、ポリエチレンオキサイドの添加量以上に分散剤の添加量を低減できることから、本実施の形態では、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を基材16に塗布してマイクロポーラス層を形成する際に行う乾燥・焼成にかかる時間を短くでき、乾燥・焼成にかかる電力を低減できる。更に、乾燥・焼成炉の炉長を短くできる。よって、製造コスト抑えることができる。
また、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内の添加量とし、分子量を25万〜220万の範囲内としたポリエチレンオキサイドの少量添加によって、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物の流動特性が飛躍的に向上して導電性材料等のペースト成分の分散性が高まることで、ポリエチレンオキサイドの添加量以上に分散剤の添加量を低減でき、分散剤の添加量を従来よりも少なくできることから、材料コストを低減することも可能である。
故に、燃料電池の低コスト化を図ることができる。
In other words, in this embodiment, by specifying the molecular weight and addition amount of polyethylene oxide to be added, the drying and baking time associated with the thermal decomposition of polyethylene oxide rather than the drying and baking time associated with the decomposition and volatilization of the dispersant. Will not be long. In addition, since polyethylene oxide is thermally decomposed at a low temperature of less than 300 ° C., the drying / firing temperature is not increased compared to when polyethylene oxide is not used, and the load of the drying / firing process is increased. There is nothing. And since the addition amount of a dispersing agent can be reduced more than the addition amount of a polyethylene oxide, in this Embodiment, it applies when apply | coating the paste composition for microporous layer formation to the base material 16, and forming a microporous layer. The time required for drying and baking can be shortened, and the electric power required for drying and baking can be reduced. Furthermore, the length of the drying / firing furnace can be shortened. Therefore, manufacturing cost can be reduced.
Further, the polyethylene oxide having a molecular weight within the range of 250,000 to 2,200,000 is added within the range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin. By adding a small amount, the flow characteristics of the paste composition for forming a microporous layer are dramatically improved and the dispersibility of paste components such as conductive materials is increased, so that the amount of dispersant added can be increased more than the amount of polyethylene oxide added. Since the amount of the dispersant can be reduced and the amount of the dispersant added can be reduced as compared with the prior art, the material cost can be reduced.
Therefore, the cost of the fuel cell can be reduced.

更に、乾燥・焼成時間の短縮化で乾燥・焼成にかかる電力が低減されることにより、CO2の排出量を削減でき環境への負荷を軽減できる。加えて、乾燥・焼成時間の短縮により、生産効率を上げることができる。 Furthermore, since the electric power required for drying and baking is reduced by shortening the drying and baking time, the amount of CO 2 emission can be reduced and the burden on the environment can be reduced. In addition, production efficiency can be increased by shortening the drying and baking time.

そして、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を基材16に塗工してガス拡散層14を形成した燃料電池においては、乾燥・焼成時間が短くても、分散剤及び分散助剤としてのポリエチレンオキサイドが消失してマイクロポーラス層に残存することなく、燃料電池の発電効率に影響を与えるガス拡散層14の重要特性である撥水性が長時間良好に維持される。これにより、電池反応で生成した水の排出がスムーズに行われて、フラッディング現象も防止され、ガス拡散性等の特性の低下による電池性能の低下が抑制される。
また、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物において特定の分子量及び特定の添加量のポリエチレンオキサイドを含有することで、分散剤を少なくしてもマイクロポーラス層形成用ペースト組成物中に導電性材料及び撥水性樹脂が均質に分散安定化されて、分散安定性の良いマイクロポーラス層形成用ペースト組成物が得られることから、塗布時の配管やポンプ等において目詰まりや濃度変化が生じることがなく、基材16への塗着不良も抑制できる。
更に、ペースト成分つまり導電性材料及び撥水性樹脂の不均一(凝集による偏り)に起因する表面層15のクラックや長時間の加熱に起因するクラックの発生も防止でき、マイクロポーラス層において均一なガス拡散性等の特性が得られる。
加えて、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物において特定の分子量及び特定の添加量のポリエチレンオキサイドを含有することで、ペースト組成物の流動特性が良いため、基材16に対して滑らかに塗布できて均一な塗布が可能であり、ガスの拡散を均一にできる。
故に、ガス拡散層14において安定したガス拡散性等の特性が発揮され、燃料電池として安定した出力が得られる。このため、製造品質を均一化でき、固体高分子形燃料電池を長期間安定して作動できる膜電極接合体に好適に用いることができる。
In the fuel cell in which the gas diffusion layer 14 is formed by applying the microporous layer forming paste composition of the present embodiment to the base material 16, even if the drying and firing time is short, the dispersant and the dispersion aid The polyethylene oxide as the agent disappears and does not remain in the microporous layer, and the water repellency, which is an important characteristic of the gas diffusion layer 14 that affects the power generation efficiency of the fuel cell, is maintained well for a long time. Thereby, the water generated by the battery reaction is smoothly discharged, the flooding phenomenon is also prevented, and the deterioration of the battery performance due to the deterioration of the characteristics such as gas diffusibility is suppressed.
Further, by containing a specific molecular weight and a specific addition amount of polyethylene oxide in the microporous layer-forming paste composition, the conductive material and the repellent properties can be contained in the microporous layer-forming paste composition even if the amount of the dispersant is reduced. Since the aqueous resin is homogeneously dispersed and stabilized and a paste composition for forming a microporous layer with good dispersion stability is obtained, there is no clogging or concentration change in pipes or pumps during coating, and the base It is also possible to suppress poor application to the material 16.
Furthermore, the occurrence of cracks in the surface layer 15 due to non-uniformity (bias due to aggregation) of the paste component, that is, the conductive material and the water-repellent resin, and cracks due to long-time heating can be prevented, and uniform gas in the microporous layer. Characteristics such as diffusivity can be obtained.
In addition, since the paste composition for forming a microporous layer contains polyethylene oxide having a specific molecular weight and a specific addition amount, the paste composition has good flow characteristics, so that it can be smoothly applied to the substrate 16. Uniform application is possible and gas diffusion can be made uniform.
Therefore, characteristics such as stable gas diffusibility are exhibited in the gas diffusion layer 14, and a stable output as a fuel cell can be obtained. Therefore, the production quality can be made uniform, and the polymer electrolyte fuel cell can be suitably used for a membrane electrode assembly capable of operating stably for a long period of time.

また、本実施の形態においては、ポリエチレンオキサイドを少量添加するだけでポリエチレンオキサイドを使用しないときに比べてマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の流動特性が向上するため、ペーストの塗工性が改善され生産効率が上がる。
なお、ポリエチレンオキサイドについて、その分子量が25万〜220万の範囲内であり、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内とする添加量であれば、それらの範囲内において分子量や添加量を調整することにより、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物の粘度特性を塗工条件に合わせた粘度特性に調整することも可能となる。
In the present embodiment, the flow characteristics of the microporous layer-forming paste composition are improved by adding a small amount of polyethylene oxide and not using polyethylene oxide, thereby improving the coating properties of the paste. Increases production efficiency.
In addition, about polyethylene oxide, the molecular weight is in the range of 250,000 to 2,200,000, and within the range of 1 part by weight to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin. If it is an addition amount, it becomes possible to adjust the viscosity characteristic of the paste composition for microporous layer formation to the viscosity characteristic according to coating conditions by adjusting molecular weight and addition amount in those ranges.

次に、本発明の実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の各成分の配合内容及び配合量を具体的に示して、各実施例について説明する。   Next, each example will be described by specifically showing the blending content and blending amount of each component of the paste composition for forming a microporous layer according to the embodiment of the present invention.

[実施例]
実施例1に係る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2.4g、溶媒としてのイオン交換水を379.4g、分散助剤としての分子量が約110万のポリエチレンオキサイド (明成化学工業(株)製:商品名「アルコックス(登録商標) E−60」を1.5g含有するものである。ここで、ポリエチレンオキサイドは分子量分布を有する。そのため実施例、比較例のポリエチレンオキサイド分子量は、分子量分布の最大の分子量と最小の分子量の平均(算術平均)分子量を分子量とし、「約」を記載している。
実施例1では、かかる配合材料を、公転800rpm、自転900rpmに設定した遊星式撹拌・脱泡装置(倉敷紡績(株)製:商品名「マゼルスター KK−1000W」)で3分間混合分散・脱泡することで調製して実施例1に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。
[Example]
The paste composition for forming a microporous layer according to Example 1 includes 75.0 g of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd .: trade name “DENKA BLACK”) as a conductive material, and a PTFE emulsion as a water repellent resin. (Daikin Kogyo Co., 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 2.4 g, 379.4 g of ion-exchanged water as a solvent, and polyethylene oxide having a molecular weight of about 1.1 million as a dispersion aid (manufactured by Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: trade name “Alcox (registered trademark) E-60” The polyethylene oxide has a molecular weight distribution. Therefore, the polyethylene oxide of Examples and Comparative Examples is included. Id molecular weight is described as “about” with the molecular weight being the average (arithmetic average) molecular weight of the maximum molecular weight and the minimum molecular weight in the molecular weight distribution.
In Example 1, such a blended material was mixed and dispersed and defoamed for 3 minutes using a planetary agitation and defoaming device (Kurashinbo Co., Ltd .: trade name “Mazerustar KK-1000W”) set at a revolution of 800 rpm and a rotation of 900 rpm. Thus, a microporous layer forming paste composition according to Example 1 was prepared.

実施例2では、分子量が約110万のポリエチレンオキサイド (明成化学工業(株)製:商品名「アルコックス(登録商標) E−60」の添加量を実施例1よりも減らして1.0gとし、その分、溶媒としてのイオン交換水を379.9gに増やした以外は実施例1と同様の条件で作製して、実施例2に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。   In Example 2, polyethylene oxide having a molecular weight of about 1.1 million (manufactured by Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: trade name “Alcox (registered trademark) E-60” was reduced to 1.0 g compared to Example 1. The microporous layer forming paste composition according to Example 2 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the amount of ion-exchanged water as a solvent was increased to 379.9 g.

実施例3では、分子量が約110万のポリエチレンオキサイド (明成化学工業(株)製:商品名「アルコックス(登録商標) E−60」の添加量を実施例1よりも増やして2.0gとし、その分、溶媒としてのイオン交換水を378.9gに減らした以外は、実施例1と同様の条件で作製して、実施例3に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。   In Example 3, the amount of polyethylene oxide having a molecular weight of about 1.1 million (made by Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: trade name “Alcox (registered trademark) E-60” was increased from Example 1 to 2.0 g. A microporous layer forming paste composition according to Example 3 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the amount of ion-exchanged water as a solvent was reduced to 378.9 g.

実施例4では、分子量が約27万のポリエチレンオキサイド(明成化学工業(株)製:商品名「アルコックス(登録商標);R−1000」を1.5g添加し、実施例1よりも分子量が小さいポリエチレンオキサイドを使用した以外は実施例1と同様の条件で作製して、実施例4に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。   In Example 4, 1.5 g of polyethylene oxide having a molecular weight of about 270,000 (manufactured by Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: trade name “Alcox (registered trademark); R-1000”) was added, and the molecular weight was higher than that of Example 1. A microporous layer-forming paste composition according to Example 4 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that a small polyethylene oxide was used.

実施例5では、分子量が約180万のポリエチレンオキサイド (住友精化(株)製:商品名「PEO(登録商標);PEO−8」)を1.5g添加し、実施例1よりも分子量が大きいポリエチレンオキサイドを使用した以外は実施例1と同様の条件で作製して、実施例5に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。   In Example 5, 1.5 g of polyethylene oxide having a molecular weight of about 1.8 million (manufactured by Sumitomo Seika Co., Ltd .: trade name “PEO (registered trademark); PEO-8”) was added, and the molecular weight was higher than that of Example 1. A microporous layer-forming paste composition according to Example 5 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that a large polyethylene oxide was used.

続いて、比較のために作製した比較例1乃至比較例6の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。
[比較例]
比較例1においては、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形成用ペースト組成物を作製した。
即ち、比較例1では、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」)75.0gと、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%])41.7g(固形分量25.4g、水分量16.3g)と、分散剤としてのトリトンXー1002.4gと、溶媒としてのイオン交換水380.9gとを、公転800rpm、自転900rpmに設定した遊星式撹拌・脱泡装置(倉敷紡績(株)製:商品名「マゼルスター KK−1000W」)で3分間混合分散・脱泡することで調製して比較例1に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。つまり、ポリエチレンオキサイドを使用しなかった以外は、実施例1と同様の条件で作製した。
Then, the paste composition for microporous layer formation of the comparative example 1 thru | or the comparative example 6 produced for the comparison is demonstrated.
[Comparative example]
In Comparative Example 1, a microporous layer forming paste composition was prepared without using polyethylene oxide.
That is, in Comparative Example 1, 75.0 g of carbon particles acetylene black (trade name “DENKA BLACK” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a conductive material and PTFE emulsion (Daikin Industries, Ltd.) as a water-repellent resin. ): POLYFLON PTFE D-210C [solid content (resin content) 61%]) 41.7 g (solid content 25.4 g, moisture content 16.3 g), Triton X-1002.4 g as a dispersant, solvent And mixed with 30.9 minutes of planetary agitation and defoaming device (Kurashita Boshoku Co., Ltd .: trade name “Mazerustar KK-1000W”) set at 800 rpm for revolution and 900 rpm for rotation. A paste composition for forming a microporous layer according to Comparative Example 1 was prepared by foaming. That is, it produced on the conditions similar to Example 1 except not having used polyethylene oxide.

比較例2では、分散剤としてのトリトンXー100の添加量を比較例1の2.5倍量である6gに増やし、その分、溶媒としてのイオン交換水を377.3gに減らした以外は比較例1と同様の条件で作製して、比較例2に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。   In Comparative Example 2, the amount of Triton X-100 added as a dispersant was increased to 6 g, which is 2.5 times the amount of Comparative Example 1, and the amount of ion-exchanged water as a solvent was reduced to 377.3 g. A paste composition for forming a microporous layer according to Comparative Example 2 was prepared under the same conditions as in Comparative Example 1.

比較例3では、分子量が約22万のポリエチレンオキサイド (明成化学工業(株)製:商品名「アルコックス(登録商標) R−400」 を1.5g添加し、実施例4よりも分子量が小さいポリエチレンオキサイドを使用した以外は実施例1と同様の条件で作製して、比較例3に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。   In Comparative Example 3, 1.5 g of polyethylene oxide having a molecular weight of about 220,000 (manufactured by Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: trade name “Alcox (registered trademark) R-400”) was added, and the molecular weight was smaller than that of Example 4. A paste composition for forming a microporous layer according to Comparative Example 3 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that polyethylene oxide was used.

比較例4では、分子量が約230万のポリエチレンオキサイド (明成化学工業(株)製:商品名「アルコックス(登録商標) E−75」 を1.5g添加し、実施例5よりも分子量が大きいポリエチレンオキサイドを使用した以外は実施例1と同様の条件で作製して、比較例4に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。   In Comparative Example 4, 1.5 g of polyethylene oxide having a molecular weight of about 2.3 million (manufactured by Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: trade name “Alcox (registered trademark) E-75”) was added, and the molecular weight was larger than that of Example 5. A paste composition for forming a microporous layer according to Comparative Example 4 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that polyethylene oxide was used.

比較例5では、分子量が約110万のポリエチレンオキサイド (明成化学工業(株)製:商品名「アルコックス(登録商標) E−60」の添加量を実施例2よりも減らして0.5gとし、その分、溶媒としてのイオン交換水を380.4gに増やした以外は実施例1と同様の条件で作製して、比較例5に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。   In Comparative Example 5, polyethylene oxide having a molecular weight of about 1.1 million (manufactured by Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: trade name “Alcox (registered trademark) E-60” was reduced to 0.5 g from that in Example 2. Thus, a microporous layer forming paste composition according to Comparative Example 5 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the amount of ion-exchanged water as a solvent was increased to 380.4 g.

比較例6では、分子量が約110万のポリエチレンオキサイド (明成化学工業(株)製:商品名「アルコックス(登録商標) E−60」の添加量を実施例3よりも増やして2.5gとし、その分、溶媒としてのイオン交換水を378.4gに減らした以外は実施例1と同様の条件で作製して、比較例6に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物とした。   In Comparative Example 6, the amount of polyethylene oxide having a molecular weight of about 1.1 million (made by Meisei Chemical Industry Co., Ltd .: trade name “Alcox (registered trademark) E-60” was increased from that of Example 3 to 2.5 g. The microporous layer forming paste composition according to Comparative Example 6 was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the amount of ion-exchanged water as a solvent was reduced to 378.4 g.

これら実施例の配合組成を表1の上段に示し、また、比較例の配合組成を表2の上段に示す。   The composition of these examples is shown in the upper part of Table 1, and the composition of Comparative Example is shown in the upper part of Table 2.

Figure 0006257443
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ここで、各実施例及び各比較例のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物についてペースト成分の分散性を観察評価し、更に、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を基材16に塗工したときの塗面(マイクロポーラス層としての表面層15)の撥水性の評価試験を行った。その評価結果について、表1の下段及び表2の下段に示して、説明する。   Here, the dispersibility of the paste component was observed and evaluated for the microporous layer forming paste compositions of each Example and each Comparative Example, and when the microporous layer forming paste composition was applied to the substrate 16 A water repellency evaluation test of the coated surface (surface layer 15 as a microporous layer) was performed. The evaluation results will be described with reference to the lower part of Table 1 and the lower part of Table 2.

マイクロポーラス層形成用ペースト組成物におけるペースト成分の分散性については、ミキサーにて混合分散させて作製したマイクロポーラス層形成用ペースト組成物をステンレスの板にアプリケーターを用いて縦7.5mm、横6mm、厚み150μmに塗布して導電性材料としてのアセチレンブラックのカーボン粒子の分散状態を目視で確認した。カーボン粒子の凝集が確認されなかった場合を○と評価し、カーボン粒子の凝集体が見られた場合を×と評価した。   Regarding the dispersibility of the paste component in the paste composition for forming a microporous layer, the paste composition for forming a microporous layer prepared by mixing and dispersing with a mixer was used for a stainless steel plate with an applicator of 7.5 mm in length and 6 mm in width. The dispersion state of the carbon particles of acetylene black as a conductive material was visually confirmed after being applied to a thickness of 150 μm. The case where the aggregation of the carbon particles was not confirmed was evaluated as “good”, and the case where the aggregate of the carbon particles was observed was evaluated as “poor”.

撥水性の評価試験に際しては、まず、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を薄膜塗布工具(ダイヘッド)で基材16としてのカーボンペーパー上に、移動速度1.0m/min、目付け5.0mg/cm2で塗布した。塗布後、300℃で10分、30分、60分の所定時間乾燥・焼成し、表面層15にマイクロポーラス層を形成したガス拡散層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。そして、作製したガス拡散層14において、マイクロポーラス層としての表面層15の撥水性を確認するために、作製されたガス拡散層14を垂直に立て、かかるガス拡散層14の表面層15側表面にイオン交換水3gを霧吹きで5回に分けて吹き付け、水滴が転落するか否かの試験を行った。水滴がガス拡散層14の塗工面表面(マイクロポーラス層としての表面層15表面)に残らず転落したものについては撥水性が良好であると判断して○と評価し、水滴がガス拡散層14の塗工面表面に付着したままの状態であったものについては撥水性が不足していると判断して×と評価した。なお、乾燥・焼成時間は10分から評価を開始し、10分間の乾燥・焼成で撥水性が確認できないものについては新たな試験品にて乾燥・焼成時間を30分間として乾燥・焼成を行い撥水性の評価を実施した。30分間の乾燥・焼成で撥水性が確認できないものについてはさらに新たな試験品にて乾燥・焼成時間を60分間として乾燥・焼成を行い撥水性の評価を実施した。 In the water repellency evaluation test, first, the microporous layer forming paste composition was transferred onto carbon paper as the base material 16 with a thin film coating tool (die head) at a moving speed of 1.0 m / min and a basis weight of 5.0 mg / cm. 2 applied. After coating, the gas diffusion layer 14 (cathode side diffusion layer 14A or anode side diffusion layer 14B) in which a microporous layer is formed on the surface layer 15 by drying and baking for 10 minutes, 30 minutes, and 60 minutes at 300 ° C. Produced. And in the produced gas diffusion layer 14, in order to confirm the water repellency of the surface layer 15 as a microporous layer, the produced gas diffusion layer 14 is set up vertically, and the surface of the gas diffusion layer 14 on the surface layer 15 side Then, 3 g of ion-exchanged water was sprayed in five times by spraying, and a test was conducted to determine whether the water droplets would fall. Water droplets that have fallen without remaining on the coated surface of the gas diffusion layer 14 (surface of the surface layer 15 as a microporous layer) are judged to have good water repellency. Those that remained attached to the surface of the coated surface were judged to be poor in water repellency and evaluated as x. In addition, evaluation is started from 10 minutes for drying and baking time. For those for which water repellency cannot be confirmed by drying and baking for 10 minutes, drying and baking are performed with a new test product with a drying and baking time of 30 minutes. Evaluation was conducted. For those for which water repellency could not be confirmed by drying and baking for 30 minutes, drying and baking were carried out with a new test product at a drying and baking time of 60 minutes, and water repellency was evaluated.

各実施例及び各比較例の配合組成によって作成されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物における分散性、及びマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の基材16への塗布、乾燥・焼成によって形成されたガス拡散層14における表面層15(マイクロポーラス層)の撥水性の評価結果については表1及び表2の下段に示した通りである。   Dispersibility in the paste composition for forming a microporous layer prepared by the composition of each example and each comparative example, and the paste composition for forming a microporous layer was applied to the substrate 16, dried and baked. The evaluation results of the water repellency of the surface layer 15 (microporous layer) in the gas diffusion layer 14 are as shown in the lower part of Tables 1 and 2.

評価結果から分かるように、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加した実施例1乃至実施例6のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、分散に適した粘性を有する流動特性となり、分散剤の添加量が2.4gと少量であってもアセチレンブラックのカーボン粒子の凝集物がなく均一に分散されていた。また、かかる実施例1乃至実施例6のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を基材16に塗布し、乾燥・焼成することによって形成されたガス拡散層14の表面層15(マイクロポーラス層)は、10分間という短時間の乾燥・焼成で十分な撥水性が発現されていた。
即ち、実施例1乃至実施例6では、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドが導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加されていることで、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物の流動特性が良くなり、分散剤の添加量が少なくても、ペースト成分であるカーボン粒子が均一に分散されていた。そして、分散剤の添加量が少なくなることで、10分間という短時間の乾燥・焼成でも十分な撥水性が発現されることが確認された。
As can be seen from the evaluation results, polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000 is 1 weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of acetylene black as a conductive material and PTFE emulsion as a water repellent resin. The paste compositions for forming the microporous layer of Examples 1 to 6 added within the range of 2 parts by weight to 2 parts by weight have flow characteristics having viscosity suitable for dispersion, and the amount of the dispersant added is 2.4 g. Even in a small amount, there was no aggregate of carbon particles of acetylene black and it was uniformly dispersed. Further, the surface layer 15 (microporous layer) of the gas diffusion layer 14 formed by applying the microporous layer forming paste composition of Examples 1 to 6 to the base material 16 and drying and baking the paste composition. Sufficient water repellency was expressed by drying and baking in a short time of 10 minutes.
That is, in Examples 1 to 6, polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000 is added to 100 parts by weight of the total solid content of acetylene black as a conductive material and PTFE emulsion as a water repellent resin. On the other hand, when it is added in the range of 1 to 2 parts by weight, the flow characteristics of the microporous layer forming paste composition are improved, and even if the amount of the dispersant added is small, carbon that is a paste component The particles were uniformly dispersed. And it was confirmed that sufficient water repellency was expressed even if drying and baking for a short time of 10 minutes by reducing the addition amount of a dispersing agent.

これに対し、比較例1は、導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン及び分散剤としてのトリトンXー100の配合量を実施例1と同じとするものの、ポリエチレンオキサイドを添加していない組成である。
この比較例1では、ポリエチレンオキサイドが添加されず、分散剤の添加量が2.4gと少ないため、作製されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物において、分散特性が悪く、カーボン粒子の凝集が確認され、実用化に適さないことが分かった。なお、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は、実用化に適さないことから、撥水性の評価試験は実施しなかった。
On the other hand, in Comparative Example 1, although the blending amounts of acetylene black as a conductive material, PTFE emulsion as a water repellent resin, and Triton X-100 as a dispersant are the same as those in Example 1, polyethylene oxide is added. The composition is not.
In Comparative Example 1, polyethylene oxide was not added, and the amount of dispersant added was as small as 2.4 g. Thus, in the prepared paste composition for forming a microporous layer, the dispersion characteristics were poor, and agglomeration of carbon particles was confirmed. It was found that it was not suitable for practical use. In addition, about the paste composition for microporous layer formation, since it was not suitable for practical use, the water-repellent evaluation test was not implemented.

また、比較例2は、比較例1と同じくポリエチレンオキサイドを添加しなかったが、分散剤の添加量を比較例1より多くした組成であり、従来例に相当するものである。
この比較例2では、ポリエチレンオキサイドが添加されていなものの、分散剤の添加量を6.0gまで多くすることで、作製されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物において、カーボン粒子は凝集することなく均一に分散されていた。しかしながら、かかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を基材16に塗布し、乾燥・焼成することによって形成されたガス拡散層14の表面層15(マイクロポーラス層)は、10分間、30分間の乾燥・焼成では撥水性が不十分で、60分間という長時間乾燥・焼成を行うことで所望の撥水性が確認された。即ち、短時間の乾燥・焼成では、高い撥水性が得られなかった。これは、分散剤の添加量が多いことで、短時間の乾燥・焼成では、親水性基を有する分散剤が完全に消失せずマイクロポーラス層に残存するためである。
In Comparative Example 2, polyethylene oxide was not added as in Comparative Example 1, but the amount of dispersant added was larger than that in Comparative Example 1, and corresponds to the conventional example.
In Comparative Example 2, although polyethylene oxide was not added, carbon particles were not agglomerated in the prepared microporous layer-forming paste composition by increasing the amount of dispersant added to 6.0 g. It was uniformly dispersed. However, the surface layer 15 (microporous layer) of the gas diffusion layer 14 formed by applying the paste composition for forming the microporous layer to the substrate 16 and drying and baking is dried for 30 minutes for 10 minutes. -The water repellency was insufficient in firing, and the desired water repellency was confirmed by drying and firing for a long time of 60 minutes. That is, high water repellency was not obtained by drying and baking for a short time. This is because the amount of the dispersant added is large, and the dispersant having a hydrophilic group does not completely disappear and remains in the microporous layer after drying and baking for a short time.

比較例3は、導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン及び分散剤としてのトリトンXー100及びポリエチレンオキサイドの配合量を実施例1と同じとするものの、分子量が約22万であるポリエチレンオキサイドを使用した組成である。
この比較例3では、添加されたポリエチレンオキサイドの分子量が小さいことから、作製されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物において、ペースト組成物の流動特性の向上効果が少なく、少量の分散剤では、カーボン粒子を均一に分散させることができず、カーボン粒子の凝集が確認された。なお、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は、実用化に適さないことから、撥水性の評価試験は実施しなかった。
In Comparative Example 3, although the blending amounts of acetylene black as a conductive material, PTFE emulsion as a water repellent resin, Triton X-100 as a dispersant and polyethylene oxide are the same as those in Example 1, the molecular weight is about 220,000. This is a composition using polyethylene oxide.
In Comparative Example 3, since the added polyethylene oxide has a small molecular weight, the produced microporous layer-forming paste composition has little effect of improving the flow characteristics of the paste composition. The particles could not be uniformly dispersed, and aggregation of carbon particles was confirmed. In addition, about the paste composition for microporous layer formation, since it was not suitable for practical use, the water-repellent evaluation test was not implemented.

比較例4は、導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン及び分散剤としてのトリトンXー100及びポリエチレンオキサイドの配合量を実施例1と同じとするものの、分子量が約230万であるポリエチレンオキサイドを使用した組成である。
この比較例4では、作製されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物において、カーボン粒子は凝集することなく均一に分散されていた。しかしながら、かかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を塗布し、乾燥・焼成することによって形成されたガス拡散層14の表面層15(マイクロポーラス層)は、10分間の乾燥・焼成では撥水性が不十分であり、30分間の乾燥・焼成を行うことで、十分な撥水性が確認された。即ち、所望とする10分間の短時間の乾燥・焼成では、高い撥水性が得られなかった。これは、ポリエチレンオキサイドの分子量が大きいことで、短時間の乾燥・焼成では、ポリエチレンオキサイドが完全に熱分解されずに残存し、ポリエチレンオキサイドの存在により撥水性が妨げられたためである。これより、分散剤の分解・揮発に伴う乾燥・焼成時間よりも、ポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなって、ポリエチレンオキサイドの添加により乾燥・焼成工程における負荷を増大させてしまうことが分かった。
In Comparative Example 4, although the blending amounts of acetylene black as a conductive material, PTFE emulsion as a water repellent resin, Triton X-100 as a dispersant and polyethylene oxide are the same as those in Example 1, the molecular weight is about 2.3 million. This is a composition using polyethylene oxide.
In Comparative Example 4, the carbon particles were uniformly dispersed without agglomeration in the prepared microporous layer forming paste composition. However, the surface layer 15 (microporous layer) of the gas diffusion layer 14 formed by applying the paste composition for forming a microporous layer, drying and baking, has no water repellency when dried and fired for 10 minutes. It was sufficient, and sufficient water repellency was confirmed by performing drying and baking for 30 minutes. That is, high water repellency could not be obtained in the desired drying and baking for a short period of 10 minutes. This is because the polyethylene oxide has a large molecular weight, and after drying and baking for a short time, the polyethylene oxide remains without being completely thermally decomposed, and the water repellency is hindered by the presence of the polyethylene oxide. As a result, the drying and firing time associated with the thermal decomposition of polyethylene oxide becomes longer than the drying and firing time associated with the decomposition and volatilization of the dispersant, and the load in the drying and firing process is increased by the addition of polyethylene oxide. I understood that.

比較例5は、導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン及び分散剤としてのトリトンXー100の配合量を実施例1と同じとするものの、分子量が約110万であるポリエチレンオキサイドの添加量を導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して0.5重量部とした組成である。
この比較例5では、ポリエチレンオキサイドの添加量が少ないため、作製されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物において流動特性の向上効果が少なく、少量の分散剤では、カーボン粒子を均一に分散させることができず、カーボン粒子の凝集が確認された。なお、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は、実用化に適さないことから、撥水性の評価試験は実施しなかった。
Comparative Example 5 is a polyethylene having a molecular weight of about 1.1 million, although the blending amounts of acetylene black as a conductive material, PTFE emulsion as a water repellent resin, and Triton X-100 as a dispersant are the same as those in Example 1. In this composition, the amount of oxide added is 0.5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of acetylene black as the conductive material and PTFE emulsion as the water-repellent resin.
In Comparative Example 5, since the amount of polyethylene oxide added is small, the produced microporous layer-forming paste composition has little effect of improving the flow characteristics, and a small amount of dispersant can uniformly disperse the carbon particles. It was not possible to agglomerate carbon particles. In addition, about the paste composition for microporous layer formation, since it was not suitable for practical use, the water-repellent evaluation test was not implemented.

比較例6は、導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョン及び分散剤としてのトリトンXー100の配合量を実施例1と同じとするものの、分子量が約110万であるポリエチレンオキサイドの添加量を導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して2.5重量部とした組成である。
この比較例6では、作製されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物において、カーボン粒子は凝集することなく均一に分散されていた。しかしながら、かかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を塗布し、乾燥・焼成することによって形成されたガス拡散層14の表面層15(マイクロポーラス層)は、10分間の乾燥・焼成では撥水性が不十分であり、30分間の乾燥・焼成を行うことで、十分な撥水性が確認された。即ち、所望とする10分間の短時間の乾燥・焼成では、高い撥水性が得られなかった。これは、ポリエチレンオキサイドの添加量が多いことで、短時間の乾燥・焼成では、ポリエチレンオキサイドが完全に熱分解されずに残存し、このポリエチレンオキサイドの残存により撥水性が妨げられたためである。これより、分散剤の分解・揮発に伴う乾燥・焼成時間よりも、ポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなって、ポリエチレンオキサイドの添加により乾燥・焼成工程における負荷を増大させてしまうことが分かった。
Comparative Example 6 is a polyethylene having a molecular weight of about 1.1 million, although the blending amounts of acetylene black as a conductive material, PTFE emulsion as a water repellent resin, and Triton X-100 as a dispersant are the same as those in Example 1. In this composition, the amount of oxide added is 2.5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of acetylene black as a conductive material and PTFE emulsion as a water repellent resin.
In Comparative Example 6, carbon particles were uniformly dispersed without agglomeration in the prepared paste composition for forming a microporous layer. However, the surface layer 15 (microporous layer) of the gas diffusion layer 14 formed by applying the paste composition for forming a microporous layer, drying and baking, has no water repellency when dried and fired for 10 minutes. It was sufficient, and sufficient water repellency was confirmed by performing drying and baking for 30 minutes. That is, high water repellency could not be obtained in the desired drying and baking for a short period of 10 minutes. This is because the amount of polyethylene oxide added is large, and in a short period of drying and baking, polyethylene oxide remains without being completely thermally decomposed, and the water repellency is hindered by the remaining polyethylene oxide. As a result, the drying and firing time associated with the thermal decomposition of polyethylene oxide becomes longer than the drying and firing time associated with the decomposition and volatilization of the dispersant, and the load in the drying and firing process is increased by the addition of polyethylene oxide. I understood that.

以上の評価結果から、本実施例に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物においては、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドが導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加されることにより、ポリエチレンオキサイドが添加されていないときよりもマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の粘性が増加し分散に適した流動特性が得られ、比較例1との比較から明らかなように、分散剤の添加量が少なくても、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が均一に分散された。そして、特に、従来例である比較例2との比較から分かるように、本実施例においては、分散剤の添加量を従来と比較して60%低減しても、カーボン粒子を均一に分散させることができた。そして、従来例の比較例2では十分な撥水性を発現させるために60分間の乾燥・焼成時間が必要であったのに対し、本実施例においては、10分間という極めて短時間の乾燥・焼成で十分な撥水性が発現され、分散剤及び分散助剤のポリエチレンオキサイドを消失させて撥水性を発現させるのに必要な乾燥・焼成時間を大幅に短縮できることが明らかとなった。   From the above evaluation results, in the microporous layer forming paste composition according to this example, polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000 is used as acetylene black as a conductive material and as a water repellent resin. The viscosity of the paste composition for forming a microporous layer is less than when no polyethylene oxide is added by being added within the range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the PTFE emulsion. As can be seen from the comparison with Comparative Example 1, the flow characteristics suitable for dispersion were obtained, and the carbon particles of acetylene black as a paste component were uniformly dispersed even when the amount of the dispersant added was small. . In particular, as can be seen from the comparison with the comparative example 2 which is the conventional example, in this example, even if the additive amount of the dispersant is reduced by 60% compared to the conventional example, the carbon particles are uniformly dispersed. I was able to. And in Comparative Example 2 of the conventional example, 60 minutes of drying and baking time was required to develop sufficient water repellency, whereas in this example, drying and baking for an extremely short time of 10 minutes were required. Thus, it was revealed that sufficient water repellency was exhibited, and that the drying and firing time necessary for developing the water repellency by eliminating the polyethylene oxide of the dispersant and dispersion aid could be greatly shortened.

また、本実施例と、比較例3・比較例4との評価結果から、添加するポリエチレンオキサイドの分子量が25万未満である場合、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることのない少ない添加量ではペースト組成物の流動特性の向上効果が得られず、一方で、分子量が220万を超えると、ポリエチレンオキサイドを300℃の乾燥・焼成温度で熱分解できるものの、ポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなり、所望とする10分間の短い乾燥・焼成時間では十分な撥水性を確保できないことが明らかとなった。   In addition, from the evaluation results of this example and Comparative Examples 3 and 4, when the molecular weight of the polyethylene oxide to be added is less than 250,000, the addition amount does not increase the load of the drying / firing process. The effect of improving the flow characteristics of the paste composition cannot be obtained. On the other hand, when the molecular weight exceeds 2.2 million, polyethylene oxide can be thermally decomposed at a drying and baking temperature of 300 ° C. It has been clarified that the firing time becomes long and sufficient water repellency cannot be secured with a desired drying and firing time of 10 minutes.

更に、本実施例と、比較例5・比較例6との評価結果から、導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して、ポリエチレンオキサイドの添加量が1重量部未満である場合、添加量が少なすぎて、ポリエチレンオキサイドによる流動特性の向上効果が得られず、一方で、ポリエチレンオキサイドの添加量が2重量部を超えると、ポリエチレンオキサイドを300℃の乾燥・焼成温度で熱分解できるものの、ポリエチレンオキサイドの熱分解に伴う乾燥・焼成時間が長くなり、所望とする10分間の短い乾燥・焼成時間では十分な撥水性を確保できないことが明らかとなった。   Furthermore, from the evaluation results of this example and Comparative Examples 5 and 6, the polyethylene oxide was used for 100 parts by weight of the total solid content of acetylene black as the conductive material and PTFE emulsion as the water repellent resin. When the addition amount is less than 1 part by weight, the addition amount is too small to obtain the effect of improving the flow characteristics due to polyethylene oxide. On the other hand, when the addition amount of polyethylene oxide exceeds 2 parts by weight, polyethylene oxide is added. Although it can be thermally decomposed at a drying and baking temperature of 300 ° C., the drying and baking time associated with the thermal decomposition of polyethylene oxide becomes longer, and it is clear that sufficient water repellency cannot be ensured with the desired short drying and baking time of 10 minutes. It became.

したがって、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物に配合するポリエチレンオキサイドは、分子量が25万〜220万の範囲内であるものを使用して、導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加することにより、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物の流動特性が確実に向上し、分散剤の添加量が少なくても、ペースト成分が均一に分散される。また、ポリエチレンオキサイドの添加によって乾燥・焼成工程の負荷が増大することもなく、所望とする10分という短時間の乾燥・焼成で十分な撥水性を発現させることができる。   Accordingly, the polyethylene oxide blended in the microporous layer forming paste composition has a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000, and uses acetylene black as a conductive material and PTFE emulsion as a water repellent resin. By adding within a range of 1 part by weight to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content, the flow characteristics of the microporous layer forming paste composition are reliably improved, and the amount of dispersant added is At least, the paste component is uniformly dispersed. Further, the addition of polyethylene oxide does not increase the load of the drying / firing process, and sufficient water repellency can be expressed by the desired short drying / firing of 10 minutes.

こうして、本実施例では、導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加される分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを分散助剤として含有させることでマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の粘性が分散に適した粘性に調節され、その結果、分散剤の添加量が少なくてもペースト成分が均一に分散される。そして、分散剤及び分散助剤の添加量が少ないことで、分散剤及び分散助剤を消失させて撥水性を発現させるのに必要な乾燥・焼成時間が短縮される。そして、このように乾燥・焼成にかかる時間が短くなることで、乾燥・焼成にかかる電力が低減され、乾燥・焼成炉の炉長も短くて済むことから、製造コストが抑えられ、燃料電池の低コスト化を図ることができる。   Thus, in this example, the molecular weight added in the range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of acetylene black as the conductive material and PTFE emulsion as the water repellent resin is 25 parts by weight. By including polyethylene oxide in the range of 10,000 to 2,200,000 as a dispersion aid, the viscosity of the paste composition for forming a microporous layer is adjusted to a viscosity suitable for dispersion, and as a result, the amount of dispersant added is small. However, the paste component is uniformly dispersed. And since there are few addition amounts of a dispersing agent and a dispersing aid, drying and baking time required in order to make a dispersing agent and a dispersing aid disappear and to express water repellency are shortened. And since the time required for drying / firing is shortened in this way, the electric power required for drying / firing is reduced, and the furnace length of the drying / firing furnace can be shortened. Cost reduction can be achieved.

以上説明したように、本実施例に係る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、分散剤とを有するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物であって、ポリエチレンオキサイドを分散助剤として使用するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物である。ここで、ポリエチレンオキサイドは、分子量が25万〜220万の範囲内であり、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加されるものである。   As described above, the microporous layer-forming paste composition according to the present example is a microporous layer-forming paste composition having a conductive material, a water-repellent resin, and a dispersant, and includes polyethylene oxide. Is a paste composition for forming a microporous layer in which is used as a dispersion aid. Here, the polyethylene oxide has a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000, and is added in the range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water-repellent resin. It is what is done.

そして、導電性材料と、撥水性樹脂と、分散剤に、分散助剤として分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加し、所定時間混合分散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とすることもできる。   Then, the conductive material, the water repellent resin, the dispersant, polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000 as a dispersion aid, and the total solid content of the conductive material and the water repellent resin are 100 weights. It can also be set as the manufacturing method of the paste composition for microporous layer formation added within the range of 1 weight part-2 weight part with respect to a part, and mixing and dispersing for predetermined time.

このように、ポリエチレンオキサイドの中でも、分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドを、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で添加することで、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物の粘性が高まり、分散しやすくなる領域まで流動特性が向上する。この粘性改良効果によって、導電性材料及び撥水性樹脂を容易に均一に分散させることが可能となり、分散剤の添加量をポリエチレンオキサイドの添加量以上に低減できる。これによって、乾燥・焼成にかかる時間を短縮でき、短い乾燥・焼成時間でも十分な撥水性を発現させることができる。
また、使用されるポリエチレンオキサイドは、300℃未満で熱分解する水溶性樹脂であり、分子量が25万〜220万の範囲内で、添加量が導電性材料としてのアセチレンブラック及び撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンの固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内と少量であることから、ポリエチレンオキサイドの添加による乾燥・焼成工程での負荷を増大させることもない。そして、乾燥・焼成時間の短縮化により、乾燥・焼成にかかる電力を低減でき、また、焼乾燥・成炉の炉長を短くできることから、製造コストを低減することができる。その結果、燃料電池のコストを下げることが可能となる。
Thus, among polyethylene oxide, polyethylene oxide having a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000 is 1 part by weight to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin. By adding within this range, the viscosity of the paste composition for forming a microporous layer is increased, and the flow characteristics are improved up to a region where it is easy to disperse. This viscosity improving effect makes it possible to easily and uniformly disperse the conductive material and the water-repellent resin, and the amount of the dispersant added can be reduced to be more than the amount of polyethylene oxide added. As a result, the time required for drying and baking can be shortened, and sufficient water repellency can be exhibited even with a short drying and baking time.
The polyethylene oxide used is a water-soluble resin that is thermally decomposed at less than 300 ° C., has a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000, and an addition amount of acetylene black as a conductive material and water repellent resin. Since it is in the range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the PTFE emulsion, the load in the drying and baking process due to the addition of polyethylene oxide is not increased. And by shortening drying and baking time, the electric power concerning drying and baking can be reduced, and since the furnace length of a baking and drying furnace can be shortened, manufacturing cost can be reduced. As a result, the cost of the fuel cell can be reduced.

このようにして本発明は、乾燥・焼成工程の負荷を増大させることなく、乾燥・焼成時間を短縮でき、低コスト化が可能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となる。   Thus, the present invention provides a microporous layer-forming paste composition that can shorten the drying / firing time without increasing the load of the drying / firing process and can reduce the cost, and a method for producing the same.

そして、このマイクロポーラス層形成用ペースト組成物をカーボンペーパー等の導電性多孔質材料からなる基材16に塗布し、乾燥・焼成することで燃料電池用のガス拡散層14が形成される。
マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質材料からなる基材16に塗布した後、乾燥・焼成してなる燃料電池用のガス拡散層14によれば、短い乾燥・焼成時間でも分散剤及び分散助剤が消失されて残存することなく、燃料電池の発電効率に影響を与える撥水性が十分に発現される。したがって、電池反応で生成した水の排出がスムーズに行われてフラッディング現象が防止される。これより、ガス拡散性等の特性の低下を抑制でき、電池性能の低下を防止できる。
また、ポリエチレンオキサイドの添加によって、少ない分散剤で導電性材料及び撥水性樹脂のペースト成分が均一に分散されて、基材16に塗布した後に行われる乾燥・焼成にかかる時間が短縮されることから、ガス拡散層14のマイクロポーラス層において、ペースト成分の不均一や長時間の加熱に起因するクラックの発生が防止されて、安定して均一なガス拡散性等の特性を発揮できる。故に、安定した出力が得られ、固体高分子形燃料電池を長期間安定して作動できる膜電極接合体に好適に用いることができる。
Then, the gas diffusion layer 14 for the fuel cell is formed by applying this microporous layer forming paste composition to the base material 16 made of a conductive porous material such as carbon paper, followed by drying and baking.
According to the gas diffusion layer 14 for a fuel cell obtained by applying a paste composition for forming a microporous layer to a base material 16 made of a conductive porous material, followed by drying and firing, the dispersant can be used even in a short drying and firing time. In addition, the water repellency that affects the power generation efficiency of the fuel cell is sufficiently exhibited without the dispersion aid disappearing and remaining. Therefore, the water generated by the battery reaction is smoothly discharged and the flooding phenomenon is prevented. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in characteristics such as gas diffusibility and to prevent a decrease in battery performance.
In addition, the addition of polyethylene oxide allows the conductive material and the water-repellent resin paste component to be uniformly dispersed with a small amount of dispersant, thereby reducing the time required for drying and baking performed after application to the substrate 16. In the microporous layer of the gas diffusion layer 14, the occurrence of cracks due to non-uniform paste components and long-time heating is prevented, and stable and uniform characteristics such as gas diffusivity can be exhibited. Therefore, a stable output can be obtained, and the polymer electrolyte fuel cell can be suitably used for a membrane electrode assembly that can operate stably for a long period of time.

上記実施例に係る燃料電池用のガス拡散層は、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質材料からなる基材に塗布し、乾燥・焼成してなるものである。The gas diffusion layer for a fuel cell according to the above example is formed by applying a paste composition for forming a microporous layer to a base material made of a conductive porous material, and drying and firing.
上述の如く、このマイクロポーラス層形成用ペースト組成物によれば、導電性材料及び撥水性樹脂の固形分合計量100重量部に対して1重量部〜2重量部の範囲内で分子量が25万〜220万の範囲内であるポリエチレンオキサイドが分散助剤として添加されていることで、ペースト組成物の流動特性が向上し、少ない分散剤でペースト成分が均一に分散される。As described above, according to the paste composition for forming a microporous layer, the molecular weight is 250,000 within a range of 1 part by weight to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin. By adding polyethylene oxide in the range of ˜2.2 million as a dispersion aid, the flow characteristics of the paste composition are improved, and the paste components are uniformly dispersed with a small amount of dispersant.
したがって、かかるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質材料からなる基材に塗布し乾燥・焼成してなるガス拡散層によれば、分散剤及び分散助剤が少ないことで、短い乾燥・焼成時間でも分散剤及び分散助剤が消失して塗膜(マイクロポーラス層)中に残存することがないため、燃料電池の発電効率に影響を与える撥水性が十分に発現される。よって、電池反応で生成した水の排出がスムーズに行われてフラッディング現象が防止される。これより、ガス拡散性等の特性の低下が抑制され、電池性能の低下を防止できる。また、少ない分散剤及び分散助剤でペースト成分が均一に分散され、基材に塗布した後に行われる分散剤及び分散助剤を消失させるための乾燥・焼成にかかる時間が短縮されることから、形成されるガス拡散層のマイクロポーラス層において、ペースト成分の不均一や長時間の加熱に起因するクラックの発生が防止されて、安定して均一なガス拡散性等の特性を発揮できる。故に、安定した出力が得られ、固体高分子形燃料電池を長期間安定して作動できる膜電極接合体に好適に用いることができる。Therefore, according to the gas diffusion layer formed by applying the paste composition for forming a microporous layer to a base material made of a conductive porous material, and drying and firing, a short drying time due to a small amount of dispersant and dispersion aid. -Since the dispersant and the dispersion aid do not disappear and remain in the coating film (microporous layer) even during the firing time, the water repellency that affects the power generation efficiency of the fuel cell is sufficiently expressed. Therefore, the water generated by the battery reaction is discharged smoothly and the flooding phenomenon is prevented. As a result, deterioration in characteristics such as gas diffusivity is suppressed, and deterioration in battery performance can be prevented. In addition, since the paste component is uniformly dispersed with a small amount of dispersant and dispersion aid, the time taken for drying and baking to eliminate the dispersant and dispersion aid performed after coating on the substrate is shortened. In the formed microporous layer of the gas diffusion layer, the occurrence of cracks due to non-uniform paste components and long-time heating is prevented, and stable and uniform characteristics such as gas diffusivity can be exhibited. Therefore, a stable output can be obtained, and the polymer electrolyte fuel cell can be suitably used for a membrane electrode assembly that can operate stably for a long period of time.

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、燃料電池用の拡散層のその他の部分の組成、成分、配合量、材質、その他の製造工程について、本実施の形態に限定されるものではない。
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 microporous layer forming paste composition, the composition of other portions of the diffusion layer for fuel cells, the components, the blending amount, the material, and other manufacturing processes are described in the present embodiment. It is not limited.
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)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 11 Electrolyte membrane 10 Membrane-electrode assembly 12 Electrode (cathode electrode 12A, anode electrode 12B)
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)

Claims (3)

導電性材料と、撥水性樹脂と、分散剤と、分散助剤としてポリエチレンオキサイドを含有するペースト組成物であって、
前記ポリエチレンオキサイドは、分子量が25万〜220万の範囲内であり、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1重量部〜2重量部の範囲内で添加し、
前記分散剤の配合量100重量部に対して、前記ポリエチレンオキサイドの配合量が42〜83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。
A paste composition containing a conductive material, a water repellent resin, a dispersant, and polyethylene oxide as a dispersion aid,
The polyethylene oxide has a molecular weight in the range of 250,000 to 2,200,000, and is added in the range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water-repellent resin. And
A paste composition for forming a microporous layer, wherein the blending amount of the polyethylene oxide is in the range of 42 to 83 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the dispersing agent.
導電性材料と、撥水性樹脂と、分散剤と、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1重量部〜2重量部の範囲内で分子量が25万〜220万の範囲内である分散助剤としてポリエチレンオキサイドを添加し、また、前記分散剤の配合量100重量部に対して、前記ポリエチレンオキサイドの配合量が42〜83重量部の範囲内とし、それらを所定時間混合分散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。   Conductive material, water repellent resin, dispersant, molecular weight of 250,000 to within a range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin Polyethylene oxide is added as a dispersion aid within the range of 2.2 million, and the blending amount of the polyethylene oxide is within the range of 42 to 83 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the dispersing agent. A method for producing a paste composition for forming a microporous layer, comprising mixing and dispersing for a predetermined time. 導電性材料と、撥水性樹脂と、分散剤と、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1重量部〜2重量部の範囲内で分子量が25万〜220万の範囲内である分散助剤としてポリエチレンオキサイドを添加し、また、前記分散剤の配合量100重量部に対して、前記ポリエチレンオキサイドの配合量が42〜83重量部の範囲内とし、それらを所定時間混合分散することにより製造されたマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質材料からなる基材に塗布した後、乾燥・焼成することを特徴とする燃料電池用のガス拡散層の製造方法。   Conductive material, water repellent resin, dispersant, molecular weight of 250,000 to within a range of 1 to 2 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the conductive material and the water repellent resin Polyethylene oxide is added as a dispersion aid within the range of 2.2 million, and the blending amount of the polyethylene oxide is within the range of 42 to 83 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the dispersing agent. A gas diffusion layer for a fuel cell, characterized in that a microporous layer-forming paste composition produced by mixing and dispersing for a predetermined time is applied to a substrate made of a conductive porous material, and then dried and fired. Manufacturing method.
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