JP6596886B2 - Method for producing gas diffusion layer - Google Patents

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Description

本発明は、ガス拡散層、より詳細には固体高分子形燃料電池に用いられるガス拡散層、およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a gas diffusion layer, and more particularly to a gas diffusion layer used for a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing the same.

固体高分子形燃料電池は、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化ガスを電気化学的に反応させることにより起電力を得る装置であり、前記固体高分子形燃料電池には、水素イオン(プロトン)を選択的に伝導する高分子電解質膜を有する。また、高分子電解質膜の両面には、内側から貴金属系触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層及びガス拡散電極基材とを有する2組のガス拡散電極が接合されている。   A polymer electrolyte fuel cell is an apparatus that obtains an electromotive force by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as oxygen. The polymer electrolyte fuel cell includes a hydrogen ion (proton). And a polymer electrolyte membrane that selectively conducts. Further, two sets of gas diffusion electrodes each having a catalyst layer mainly composed of carbon powder carrying a noble metal catalyst and a gas diffusion electrode substrate are joined to both surfaces of the polymer electrolyte membrane.

このような高分子電解質膜と2組のガス拡散電極からなる接合体は膜−電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。また、MEAの両外側には、燃料ガスまたは酸化ガスを供給し、かつ生成ガスおよび過剰ガスを排出することを目的とするガス流路を形成したセパレーターが設置されている。   Such a joined body composed of a polymer electrolyte membrane and two sets of gas diffusion electrodes is called a membrane-electrode assembly (MEA). Further, on both outer sides of the MEA, separators are provided in which gas flow paths for supplying fuel gas or oxidizing gas and for discharging generated gas and excess gas are formed.

ガス拡散電極基材は、主に次の3つの機能が要求される。第一の機能は、その外側に配置されたセパレーターに形成されたガス流路から触媒層中の貴金属系触媒に均一に燃料ガスまたは酸化ガスを供給する機能である。第2の機能は、触媒層での反応により生成した水を排出する機能である。第3の機能は、触媒層での反応に必要な電子または触媒層での反応により生成される電子をセパレーターへ導電する機能である。これらの機能を充足する基材としては、通常、炭素質材料からなる多孔質構造を有する基材が使用される。具体的には、カーボンペーパー、炭素繊維クロス、炭素繊維フェルト等の炭素繊維を用いた基材が一般的に用いられる。これらの基材は炭素繊維によって高い導電性を示すだけでなく、多孔質材料であるため、燃料ガスおよび生成水などの液体の透過性が高いためガス拡散層に好適な材料である。   The gas diffusion electrode substrate is mainly required to have the following three functions. The first function is a function of uniformly supplying the fuel gas or the oxidizing gas to the noble metal-based catalyst in the catalyst layer from the gas flow path formed in the separator disposed outside the first function. The second function is a function of discharging water generated by the reaction in the catalyst layer. The third function is a function of conducting electrons necessary for the reaction in the catalyst layer or electrons generated by the reaction in the catalyst layer to the separator. As a base material satisfying these functions, a base material having a porous structure made of a carbonaceous material is usually used. Specifically, substrates using carbon fibers such as carbon paper, carbon fiber cloth, carbon fiber felt, etc. are generally used. These base materials are not only highly conductive due to carbon fibers, but are porous materials, and are therefore suitable materials for gas diffusion layers because of high permeability of liquids such as fuel gas and generated water.

以上に挙げたカーボンペーパーやカーボンクロスなどの多孔質炭素電極基材と電極触媒層との接触抵抗を下げ、発電時に発生する生成水を効率よく排出することを目的として、カーボン微粒子や撥水剤からなるコーティング層を多孔質炭素電極基材と電極触媒層との間に設けることがある。このコーティング層として撥水層を設けたガス拡散層が特許文献1に示されている。   For the purpose of reducing the contact resistance between the porous carbon electrode substrate such as carbon paper and carbon cloth mentioned above and the electrode catalyst layer, and efficiently discharging generated water generated during power generation, carbon fine particles and water repellent A coating layer made of may be provided between the porous carbon electrode substrate and the electrode catalyst layer. Patent Document 1 discloses a gas diffusion layer provided with a water repellent layer as the coating layer.

特開2010−129451号公報JP 2010-129451 A

しかし、この方法で形成されたガス拡散層は、ガス拡散層基材に比べてコーティング層の緻密性が著しく高いため、電極触媒層との接着性が悪く、効率的に液水を系外に排出することが困難であった。そこで、電極触媒層との接着性が向上させるとともに、発電時に発生した液水を効率良く排出可能なガス拡散層が求められていた。   However, the gas diffusion layer formed by this method has a remarkably high density of the coating layer compared to the gas diffusion layer base material, so that the adhesion with the electrode catalyst layer is poor, and the liquid water is efficiently removed from the system. It was difficult to discharge. Therefore, there has been a demand for a gas diffusion layer that improves the adhesion with the electrode catalyst layer and can efficiently discharge liquid water generated during power generation.

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、コーティング層に凹凸を設けることで、電極触媒層との接着性を向上させるとともに、発電時に発生した液水を効率良く排出可能なとなることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち本発明の要旨は、以下の(1)〜(7)に存する。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have improved the adhesion with the electrode catalyst layer by providing irregularities in the coating layer, and can efficiently discharge liquid water generated during power generation. As a result, the present invention has been completed. That is, the gist of the present invention resides in the following (1) to (7).

(1) 多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と撥水剤からなるコーティング層を設けたガス拡散層であって、シート長手方向に沿って直線状の凹凸を有するコーティング層を形成しているガス拡散層。   (1) A gas diffusion layer in which a coating layer made of carbon powder and a water repellent agent is provided on at least one surface of a porous carbon electrode substrate, and the coating has linear irregularities along the longitudinal direction of the sheet A gas diffusion layer forming a layer.

(2) ガス拡散層を構成する多孔質炭素電極基材の厚みが50〜250μmであり、少なくとも一方の面に形成されたコーティング層の厚みが5〜100μmである上記(1)に記載のガス拡散層。 (2) The gas according to (1) above, wherein the porous carbon electrode substrate constituting the gas diffusion layer has a thickness of 50 to 250 μm, and the coating layer formed on at least one surface has a thickness of 5 to 100 μm. Diffusion layer.

(3) コーティング層上の凹部の平均深さHの、コーティング層の平均厚みAに対する比率H/Aが、0.01〜0.3である上記(1)または(2)に記載のガス拡散層。   (3) Gas diffusion as described in said (1) or (2) whose ratio H / A of the average depth H of the recessed part on a coating layer with respect to the average thickness A of a coating layer is 0.01-0.3. layer.

(4) コーティング層上の凹部および凸部の幅がそれぞれ0.1〜1000μmの範囲内である上記(1)〜(3)のいずれかに記載のガス拡散層。   (4) The gas diffusion layer according to any one of (1) to (3), wherein the width of the concave portion and the convex portion on the coating layer is in the range of 0.1 to 1000 μm.

(5) 前記凹部の幅と凸部の幅の差が、0.1〜500μmである上記(1)〜(4)のいずれかに記載のガス拡散層。   (5) The gas diffusion layer according to any one of (1) to (4), wherein a difference between the width of the concave portion and the width of the convex portion is 0.1 to 500 μm.

(6) ピッチが0.1mm〜1.5mm深さが5〜350μmのコーティングロッドを用いて1〜10m/分の速度で、カーボン粉、撥水剤、界面活性剤、および水からなるコーティング液を多孔質炭素電極基材上に塗工し、シート長手方向に沿って連続的な凹凸を有するコーティング層を形成するガス拡散層の製造方法。 (6) Coating liquid comprising carbon powder, water repellent, surfactant, and water at a speed of 1 to 10 m / min using a coating rod having a pitch of 0.1 mm to 1.5 mm and a depth of 5 to 350 μm. A method for producing a gas diffusion layer in which a coating is formed on a porous carbon electrode substrate to form a coating layer having continuous irregularities along the longitudinal direction of the sheet.

(7) 塗工したコーティング液が平坦化される前に固化、乾燥し、シート長手方向に沿って連続的な凹凸を有するコーティング層を形成する、上記(6)に記載のガス拡散層の製造方法。   (7) Production of the gas diffusion layer according to (6) above, wherein the coated coating liquid is solidified and dried before being flattened to form a coating layer having continuous irregularities along the longitudinal direction of the sheet. Method.

簡便な製造方法でありながらも、コーティング層に凹凸を設けることで、電極触媒層との接着性を向上させるとともに、発電時に発生した液水を効率良く排出可能なガス拡散層を提供することができる。   Providing a gas diffusion layer capable of efficiently discharging liquid water generated during power generation while improving the adhesion to the electrode catalyst layer by providing irregularities in the coating layer while being a simple manufacturing method it can.

本発明のガス拡散層の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the gas diffusion layer of this invention.

以下、本発明について詳細に示す。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

1.ガス拡散層の製造方法
本発明のガス拡散層は、以下の工程[1]〜[4]を含む製造方法によって製造することができる。
1. Method for Producing Gas Diffusion Layer The gas diffusion layer of the present invention can be produced by a production method including the following steps [1] to [4].

工程[1]:カーボン粉、撥水剤、界面活性剤、および水からなる液を、攪拌機を用い、混合撹拌してコーティング液を得る工程。   Step [1]: A step of mixing and stirring a liquid composed of carbon powder, a water repellent, a surfactant, and water using a stirrer to obtain a coating liquid.

工程[2]:ピッチが0.1mm〜1.5mm深さが5〜350μmのコーティングロッドを用いて1〜10m/分の速度でコーティング液を多孔質炭素電極基材上に塗工し、表面にシート幅方向に沿って凹部及び凸部を有するコーティング層であって、前記凹部及び前記凸部がそれぞれシート長手方向に沿って連続的に形成されているコーティング層を形成する工程。 Step [2]: Using a coating rod having a pitch of 0.1 mm to 1.5 mm and a depth of 5 to 350 μm, the coating liquid is applied onto the porous carbon electrode substrate at a speed of 1 to 10 m / min, and the surface Forming a coating layer having a concave portion and a convex portion along the sheet width direction, wherein the concave portion and the convex portion are respectively continuously formed along the sheet longitudinal direction .

工程[3]:塗工したコーティング液が平坦化される前に固化、乾燥し、表面にシート幅方向に沿って凹部及び凸部を有するコーティング層であって、前記凹部及び前記凸部がそれぞれシート長手方向に沿って連続的に形成されているコーティング層を形成する工程。 Step [3]: a coating layer that is solidified and dried before the coated coating solution is flattened, and has concave and convex portions along the sheet width direction on the surface, wherein the concave and convex portions are respectively Forming a coating layer continuously formed along the longitudinal direction of the sheet ;

工程[4]:コーティング層を形成した多孔質炭素電極基材を200〜400℃に加熱してガス拡散層を得る工程。   Step [4]: A step of heating the porous carbon electrode substrate on which the coating layer is formed to 200 to 400 ° C. to obtain a gas diffusion layer.

<工程[1]:カーボン粉、撥水剤、界面活性剤、および水からなる液を、攪拌機を用い、混合撹拌してコーティング液を得る工程>
使用するカーボン粉としては、たとえば、黒鉛粉やカーボンブラックなどを用いることができる。例えばカーボンブラックとしてはアセチレンブラック(例えば電気化学工業(株)製のデンカブラック)、ケッチェンブラック(例えばライオン(株)製のKetjen Black EC)、ファーネスブラック(例えばCABOT社製のバルカンXC72)などを用いることができる。より高い導電性を発現するといった観点から、カーボンブラックを用いることが好ましい。
<Step [1]: Step of obtaining a coating solution by mixing and stirring a liquid composed of carbon powder, water repellent, surfactant and water using a stirrer>
As the carbon powder to be used, for example, graphite powder or carbon black can be used. For example, acetylene black (for example Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), ketjen black (for example Ketjen Black EC manufactured by Lion Co., Ltd.), furnace black (for example, Vulcan XC72 manufactured by CABOT), etc. are used as carbon black. Can be used. From the viewpoint of expressing higher conductivity, it is preferable to use carbon black.

撥水剤は、たとえば、フッ素樹脂などが挙げられる。フッ素樹脂としては例えばテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体などがあげられ、とりわけポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が好ましい。PTFEを界面活性剤によって水中に分散させても良いし、あらかじめ分散されたディスパージョンを用いることも出来る。   Examples of the water repellent include a fluororesin. Examples of the fluororesin include tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer and the like, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is particularly preferable. PTFE may be dispersed in water with a surfactant, or a dispersion dispersed in advance may be used.

界面活性剤は公知のものを利用できる。例えばポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル(例えばACROS ORGANICS社製のTriton X−100)、アルキルエーテル、アルキルフェニルエーテルなど非イオン性界面活性剤が挙げられる。取扱い性および分解温度から、ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテルを用いることが好ましい。   A known surfactant can be used. Examples thereof include nonionic surfactants such as polyoxyethylene (10) octylphenyl ether (for example, Triton X-100 manufactured by ACROS ORGANICS), alkyl ether, alkylphenyl ether, and the like. From the viewpoint of handleability and decomposition temperature, it is preferable to use polyoxyethylene (10) octylphenyl ether.

カーボン粉と、撥水剤および界面活性剤と水よりコーティング液を作成する方法としては、公知の方法を用いることができる。カーボン粉の分散液および撥水剤の分散液をそれぞれ調製し、混合することで得られる。カーボン分散液を得るためには、カーボン粉に水を混合するが、このとき、カーボン粉の濡れ性をよくして分散性を向上させるために有機溶媒や界面活性剤を添加するのが好ましい。かかる有機溶媒としては、低級のアルコール類及びアセトンなどが好ましい。界面活性剤の添加量としては、カーボン粉の分散性を上げるためにと塗工液全体に対し0.1wt%以上であれば良く、また添加量が多すぎると発泡してしまうため、5wt%以下であることが好ましい。所望の粘度に応じて、増粘剤等を加えることも出来る。撹拌に用いる装置としては一般的な攪拌機例えば、ディスパー、ホモジナイザー、サンドミル、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル等を用いることができる。操作が簡便であることおよび処理時間を短縮する観点から、ディスパーやホモジナイザー等を用いることが好ましい。撥水剤を繊維化するため、カーボン粉および撥水剤を分散させたコーティング液の撹拌温度を30℃以上に保ち、ディスパーを用いた際の撹拌速度が5000rpm以上の条件にて、15分以上混合撹拌することが好ましい。コーティング液の粘度は100〜10000mPa・sの範囲内にあることが好ましい。コーティング液の粘度が100mPa・sより小さいとコーティング層に凹凸を設けることが困難になる。また、コーティング液の粘度が100mPa・sより大きいと、塗膜を形成することが困難となる。   As a method for preparing a coating liquid from carbon powder, a water repellent and a surfactant, and water, a known method can be used. A carbon powder dispersion and a water repellent dispersion are respectively prepared and mixed. In order to obtain the carbon dispersion, water is mixed into the carbon powder. At this time, it is preferable to add an organic solvent or a surfactant in order to improve the wettability of the carbon powder and improve the dispersibility. Such organic solvents are preferably lower alcohols and acetone. The addition amount of the surfactant may be 0.1 wt% or more with respect to the entire coating liquid in order to increase the dispersibility of the carbon powder, and if the addition amount is too large, foaming occurs, so that 5 wt%. The following is preferable. A thickener or the like can be added according to the desired viscosity. As a device used for stirring, a general stirrer such as a disper, a homogenizer, a sand mill, a jet mill, a ball mill, a bead mill, or the like can be used. It is preferable to use a disper, a homogenizer, or the like from the viewpoint that the operation is simple and the processing time is shortened. In order to fiberize the water repellent, the stirring temperature of the coating liquid in which the carbon powder and the water repellent are dispersed is kept at 30 ° C. or higher, and the stirring speed when using a disper is at least 5000 rpm for 15 minutes or longer. It is preferable to mix and stir. The viscosity of the coating liquid is preferably in the range of 100 to 10,000 mPa · s. When the viscosity of the coating liquid is less than 100 mPa · s, it becomes difficult to provide unevenness on the coating layer. On the other hand, if the viscosity of the coating liquid is greater than 100 mPa · s, it is difficult to form a coating film.

<工程[2]:ピッチが0.1mm〜1.5mm深さが5〜350μmのコーティングロッドを用いて1〜10m/分の速度でコーティング液を多孔質炭素電極基材上に塗工し、表面にシート幅方向に沿って凹部及び凸部を有するコーティング層であって、前記凹部及び前記凸部がそれぞれシート長手方向に沿って連続的に形成されているコーティング層を形成する工程>
<<多孔質炭素電極基材の処理>>
多孔質炭素電極基材に撥水性を付与すべく行う撥水処理には、フッ素樹脂などの撥水剤の粒子を溶媒中に分散させた分散液を用いる。溶媒として水を用いる場合、撥水剤は、そのままでは水には分散しないため、適当な界面活性剤によって水中に分散させる。また、分散液としてはあらかじめ撥水剤が分散されたディスパージョン等を用いることもできる。
<Step [2]: Using a coating rod having a pitch of 0.1 mm to 1.5 mm and a depth of 5 to 350 μm, the coating liquid is applied onto the porous carbon electrode substrate at a speed of 1 to 10 m / min, Step of forming a coating layer having a concave portion and a convex portion along the sheet width direction on the surface, wherein the concave portion and the convex portion are respectively continuously formed along the sheet longitudinal direction >
<< Treatment of porous carbon electrode substrate >>
In the water repellent treatment performed to impart water repellency to the porous carbon electrode substrate, a dispersion liquid in which particles of a water repellent such as a fluororesin are dispersed in a solvent is used. When water is used as the solvent, the water repellent is not dispersed in water as it is, and is thus dispersed in water with an appropriate surfactant. Further, as the dispersion, a dispersion in which a water repellent is dispersed in advance can be used.

<<塗工膜の形成>>
多孔質炭素電極基材上に塗工膜を形成するための塗工液を塗布方法としては、従来公知の方法を用いることができ、例えばバーコート法、ブレード法、スクリーン印刷法、スプレー法、カーテンコーティング法およびロールコート法などがあげられる。これらの方法により、多孔質炭素電極基材上に均一な塗工膜を形成することができる。
<< Formation of coating film >>
As a coating method for forming a coating liquid for forming a coating film on a porous carbon electrode substrate, a conventionally known method can be used, for example, a bar coating method, a blade method, a screen printing method, a spray method, Examples include curtain coating and roll coating. By these methods, a uniform coating film can be formed on the porous carbon electrode substrate.

本発明においては、コーティング層に凹凸を形成するため、バーコート法を適用することが好ましい。   In the present invention, it is preferable to apply a bar coating method in order to form irregularities in the coating layer.

塗工膜の厚みは、50〜2000μmであることが好ましい。塗工膜の厚みが50μmよりも薄すぎると厚みの均一な膜を得ることが困難となり、2000μmより大きいと乾燥後に意図しない大きなクラックをコーティング層に生じやすくなるため、好ましくない。より好ましい塗工膜の厚みの範囲は50〜1000μmである。   The thickness of the coating film is preferably 50 to 2000 μm. If the thickness of the coating film is less than 50 μm, it is difficult to obtain a film having a uniform thickness, and if it is more than 2000 μm, unintended large cracks are likely to occur in the coating layer after drying, such being undesirable. A more preferable range of the thickness of the coating film is 50 to 1000 μm.

塗工速度は、生産性の観点から1〜10m/分の範囲内であることが好ましい。   The coating speed is preferably in the range of 1 to 10 m / min from the viewpoint of productivity.

<<コーティングロッド>>
コーティングロッドとしては従来から使用されているワイヤーバーに限らず、金属棒の表面に溝を賦形したバーを用いることも出来る。コーティングロッドのピッチは0.1mm〜1.5mmであることが好ましく、さらに深さが5〜350μmの範囲内にあることが好ましい。
<< Coating rod >>
The coating rod is not limited to a wire bar that has been used conventionally, and a bar having a groove formed on the surface of a metal rod can also be used. The pitch of the coating rod is preferably 0.1 mm to 1.5 mm, and the depth is preferably in the range of 5 to 350 μm.

<工程[3]:塗工したコーティング液が平坦化される前に固化、乾燥し、表面にシート幅方向に沿って凹部及び凸部を有するコーティング層であって、前記凹部及び前記凸部がそれぞれシート長手方向に沿って連続的に形成されているコーティング層を形成する工程>
本発明においては、塗工したコーティング液が平坦化される前に固化、乾燥することで表面にシート幅方向に沿って凹部及び凸部を有するコーティング層であって、前記凹部及び前記凸部がそれぞれシート長手方向に沿って連続的に形成されているコーティング層を形成する。乾燥方法は例えばプレートヒーター、加熱ロールや、熱風乾燥機やIRヒーターなどを用いることができる。乾燥させる際の雰囲気温度としては、50℃〜300℃の範囲であることが好ましく、より好ましくは100〜300℃である。乾燥温度が50℃よりも小さいと、塗膜の乾燥速度が遅くなり、コーティング層に凹凸を形成することができない、また、乾燥温度が300℃よりも大きくなると、溶媒の蒸発速度が速すぎるため、意図しない大きなクラックが塗膜に生じてしまい、塗工膜の強度が低下してしまう。乾燥時間としては、生産性を考慮すると0.5分〜20分であることが好ましく、より好ましくは0.5〜10分である。
<Step [3]: A coating layer that is solidified and dried before the coated coating liquid is flattened, and has concave and convex portions along the sheet width direction on the surface, wherein the concave and convex portions are Step of forming a coating layer formed continuously along the longitudinal direction of the sheet >
In the present invention, it is a coating layer having a concave portion and a convex portion along the sheet width direction on the surface by solidifying and drying before the coated coating liquid is flattened, and the concave portion and the convex portion are Each of the coating layers is formed continuously along the longitudinal direction of the sheet . As a drying method, for example, a plate heater, a heating roll, a hot air dryer, an IR heater, or the like can be used. As an atmospheric temperature at the time of drying, it is preferable that it is the range of 50 to 300 degreeC, More preferably, it is 100 to 300 degreeC. When the drying temperature is lower than 50 ° C., the drying speed of the coating film is slow, and unevenness cannot be formed on the coating layer. When the drying temperature is higher than 300 ° C., the evaporation rate of the solvent is too high. Unintended large cracks are generated in the coating film, and the strength of the coating film is lowered. The drying time is preferably 0.5 minutes to 20 minutes, more preferably 0.5 to 10 minutes in consideration of productivity.

<工程[4]:コーティング層を形成した多孔質炭素電極基材を200〜400℃に加熱してガス拡散層を得る工程>
本発明においては、乾燥後の「塗工膜を形成した多孔質炭素電極基材」を300〜400℃の環境下において焼成させることでガス拡散層を製造する。
<Step [4]: Step of obtaining a gas diffusion layer by heating the porous carbon electrode substrate on which the coating layer is formed to 200 to 400 ° C.>
In the present invention, the gas diffusion layer is produced by baking the “porous carbon electrode substrate on which a coating film has been formed” in an environment of 300 to 400 ° C. after drying.

この焼成工程においては、第一に多孔質炭素電極基材および塗工膜中に含まれる界面活性剤等の分散剤を消失させ、加えて撥水剤を融点付近まで加熱することによって、撥水剤粒子を溶融させてその形状をコントロールすることでコーティング層の細孔構造制御とカーボン粉のバインディングを強固にする。したがって、温度としては、300〜400℃の範囲が好ましく、より好ましくは340〜400℃である。また焼成時間としては5〜90分が好ましく、より好ましくは10〜60分である。   In this firing step, first, the dispersant such as the surfactant contained in the porous carbon electrode substrate and the coating film is eliminated, and in addition, the water repellent is heated to near the melting point, thereby making the water repellent By controlling the shape by melting the agent particles, the pore structure control of the coating layer and the binding of the carbon powder are strengthened. Therefore, the temperature is preferably in the range of 300 to 400 ° C, more preferably 340 to 400 ° C. The firing time is preferably 5 to 90 minutes, more preferably 10 to 60 minutes.

<<多孔質炭素電極基材>>
本発明の製造方法により、多孔質炭素電極基材から電気抵抗が低く、排水性の良い固体高分子形燃料電池用の多孔質炭素電極を製造することができる。多孔質炭素電極基材であれば、どのようなものであっても本発明の技術を使用することにより、従来の製造技術を使用するよりも上記の効果を発現することができる。
<< Porous carbon electrode base material >>
By the production method of the present invention, a porous carbon electrode for a polymer electrolyte fuel cell having a low electrical resistance and good drainage can be produced from a porous carbon electrode substrate. As long as it is a porous carbon electrode substrate, the above effect can be expressed by using the technique of the present invention rather than using the conventional manufacturing technique.

上述した通り、本発明における多孔質炭素電極基材はどのようなものであっても使用することができる。   As described above, any porous carbon electrode substrate in the present invention can be used.

多孔質炭素電極基材としては、導電性フィラーである炭素粉や炭素繊維や金属繊維そして樹脂などを原料とした導電性ペーパーやクロス、不織布などのあらゆる導電性多孔質材料を用いることができる。具体的には、市販のカーボンペーパーなどを用いることが出来るが、炭素短繊維が炭素により結着された多孔質炭素電極基材を用いることもできる。炭素短繊維を結着する炭素としては、炭素繊維前駆体短繊維や樹脂等があり、これらを高温で処理することで炭素化する方法がある。炭素短繊維と炭素源となる短繊維および樹脂などから炭素繊維シートを作成し、成形・炭素化工程を経て炭素短繊維が炭素により結着された多孔質炭素電極基材を製造することが出来る。これらの工程は品質および生産性の観点から連続的に製造されることが望ましい。また、上記の多孔質炭素電極基材に限らず、炭素化工程を有さない、エネルギーコストの小さい多孔質炭素電極基材も使用することができる。これらの例としては、炭素短繊維を導電性物質粒子を充てんさせたバインダーで決着させた炭素繊維ウェブやカーボンなどの微細な導電性物質を樹脂などのバインダーで結着させた多孔質炭素電極基材などがある。   As the porous carbon electrode base material, it is possible to use any conductive porous material such as conductive paper, cloth, non-woven fabric made of carbon powder, carbon fiber, metal fiber, and resin as conductive fillers. Specifically, commercially available carbon paper or the like can be used, but a porous carbon electrode base material in which short carbon fibers are bound by carbon can also be used. Examples of the carbon that binds the short carbon fibers include carbon fiber precursor short fibers, resins, and the like, and there is a method of carbonizing them by treating them at a high temperature. A carbon fiber sheet can be created from short carbon fibers and short fibers as a carbon source and a resin, and a porous carbon electrode base material in which carbon short fibers are bound by carbon can be manufactured through a molding and carbonization process. . These processes are desirably manufactured continuously from the viewpoint of quality and productivity. Moreover, not only said porous carbon electrode base material but the porous carbon electrode base material which does not have a carbonization process and has low energy cost can also be used. Examples of these are porous carbon electrode bases in which fine conductive materials such as carbon fiber webs and carbon bonded with short binder fibers filled with conductive material particles are bonded with a binder such as resin. There are materials.

<<<多孔質炭素電極基材の製造方法>>>
シート状物を製造するにあたっては、液体の媒体中に、炭素短繊維(A)を分散させて抄造する湿式法、空気中に、炭素短繊維(A)を分散させて降り積もらせる乾式法などの抄紙方法を適用できる。好ましくは湿式法である。
<<< Method for Producing Porous Carbon Electrode Base Material >>>
In manufacturing a sheet-like material, a wet method in which a short carbon fiber (A) is dispersed in a liquid medium for paper making, a dry method in which the short carbon fiber (A) is dispersed in an air, and the like is deposited. The papermaking method can be applied. A wet method is preferred.

炭素繊維(A)と共に、炭素繊維前駆体短繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b’)を分散させることにより、炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b’)とが絡み合うことでシート状物の強度が向上し、実質的にバインダーフリーとすることもできる。   By dispersing the carbon fiber precursor short fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) together with the carbon fiber (A), the carbon short fiber (A) and the carbon fiber precursor short fiber (b) and / or Alternatively, the strength of the sheet-like material is improved by entanglement with the fibrillar fibers (b ′), and the binder-free material can be made substantially free.

なお、本発明においては、有機高分子化合物をバインダーとして少量用いてもよい。バインダーとして使用する有機高分子化合物は特に限定されないが、例えばポリビニルアルコール(PVA)や、熱融着するポリエステル系あるいはポリオレフィン系のバインダー等が挙げられる。バインダーは繊維や粒子のような固体状でも液体状でもよい。バインダーの含有量としては100g/m以下が好ましく、より好ましくは50g/m以下、特に好ましくは30g/m以下である。バインダーの添加方法は特に限定されない。 In the present invention, a small amount of an organic polymer compound may be used as a binder. The organic polymer compound used as the binder is not particularly limited, and examples thereof include polyvinyl alcohol (PVA) and polyester or polyolefin binders that are heat-sealed. The binder may be solid or liquid such as fibers or particles. The binder content is preferably 100 g / m 2 or less, more preferably 50 g / m 2 or less, and particularly preferably 30 g / m 2 or less. The addition method of a binder is not specifically limited.

以下、炭素短繊維を用いた場合の多孔質炭素電極基材の製造方法の一例について詳細に述べる。多孔質炭素電極基材は以下の手順(1)〜(4)を経て製造される。   Hereinafter, an example of a method for producing a porous carbon electrode substrate using short carbon fibers will be described in detail. The porous carbon electrode substrate is manufactured through the following procedures (1) to (4).

手順(1):炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を分散させた抄紙体を製造する工程Procedure (1): The process of manufacturing the papermaking body which disperse | distributed the carbon short fiber (A), the carbon fiber precursor short fiber (b), and / or the fibril-like fiber (b ').

〔炭素短繊維(A)〕
炭素短繊維(A)としては、その原料によらず用いることができるが、ポリアクリロニトリル(以後PANと略す。)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維から選ばれる1つ以上の炭素繊維を含むことが好ましく、PAN系炭素繊維あるいはピッチ系炭素繊維を含むことがより好ましい。炭素短繊維(A)の平均直径は、ガス拡散層としての表面平滑性と導電性の観点から、3〜30μm程度が好ましく、4〜20μmがより好ましく、4〜8μmがさらに好ましい。炭素短繊維(A)の長さは、抄紙時の分散性とガス拡散層としての機械的強度の観点から、2〜12mmが好ましく、3〜9mmがさらに好ましい。
[Short carbon fiber (A)]
The short carbon fiber (A) can be used regardless of the raw material, but is selected from polyacrylonitrile (hereinafter abbreviated as PAN) carbon fiber, pitch carbon fiber, rayon carbon fiber, and phenolic carbon fiber. It is preferable to include one or more carbon fibers, and it is more preferable to include PAN-based carbon fibers or pitch-based carbon fibers. The average diameter of the short carbon fibers (A) is preferably about 3 to 30 μm, more preferably 4 to 20 μm, and even more preferably 4 to 8 μm, from the viewpoint of surface smoothness and conductivity as a gas diffusion layer. The length of the short carbon fibers (A) is preferably 2 to 12 mm, more preferably 3 to 9 mm, from the viewpoint of dispersibility during papermaking and mechanical strength as a gas diffusion layer.

〔炭素繊維前駆体短繊維(b)〕
炭素繊維前駆体短繊維(b)は、長繊維状の炭素繊維前駆体繊維を適当な長さにカットしたものである。炭素繊維前駆体短繊維(b)の繊維長は、分散性の点から、2〜20mm程度が好ましい。炭素繊維前駆体短繊維(b)の断面形状は特に限定されないが、炭素化した後の機械的強度、製造コストの面から、真円度の高いものが好ましい。また、炭素繊維前駆体短繊維(b)の直径は、炭素化時の収縮による破断を抑制するため、5μm以下であることが好ましい。
[Carbon fiber precursor short fiber (b)]
The carbon fiber precursor short fiber (b) is obtained by cutting a carbon fiber precursor fiber having a long fiber shape into an appropriate length. The fiber length of the carbon fiber precursor short fiber (b) is preferably about 2 to 20 mm from the viewpoint of dispersibility. Although the cross-sectional shape of the carbon fiber precursor short fiber (b) is not particularly limited, a high roundness is preferable from the viewpoint of mechanical strength after carbonization and production cost. The diameter of the carbon fiber precursor short fiber (b) is preferably 5 μm or less in order to suppress breakage due to shrinkage during carbonization.

このような炭素繊維前駆体短繊維(b)として用いられるポリマーとして、炭素化処理する工程における残存質量が20質量%以上であることが好ましい。このようなポリマーとしては、アクリル系ポリマー、セルロース系ポリマー、フェノール系ポリマーを挙げることができる。   As a polymer used as such a carbon fiber precursor short fiber (b), it is preferable that the residual mass in the carbonization treatment step is 20% by mass or more. Examples of such polymers include acrylic polymers, cellulose polymers, and phenolic polymers.

紡糸性および低温から高温にかけて炭素短繊維(A)同士を接合させることができ、炭素化時の残存質量が大きい点、さらに、後述する交絡処理を行う際の繊維弾性、繊維強度を考慮すると、アクリロニトリル単位を50質量%以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。従って、炭素繊維前駆体繊維(b)としては、アクリル繊維、(アクリロニトリル単位を50質量%以上含有する)アクリル系繊維が好ましい。   When considering the spinnability and the short carbon fibers (A) from low temperature to high temperature, the remaining mass at the time of carbonization is large, and the fiber elasticity and fiber strength when performing the entanglement treatment described below, It is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of acrylonitrile units. Accordingly, the carbon fiber precursor fiber (b) is preferably an acrylic fiber or an acrylic fiber (containing 50% by mass or more of acrylonitrile units).

炭素繊維前駆体短繊維(b)は、1種類を用いてもよく、繊維直径やポリマー種が異なる2種類以上の炭素繊維前駆体短繊維(b)を用いてもよい。   One type of carbon fiber precursor short fiber (b) may be used, or two or more types of carbon fiber precursor short fibers (b) having different fiber diameters and polymer types may be used.

〔フィブリル状繊維(b´)〕
フィブリル状繊維(b´)は、天然繊維、合成繊維の区別なく、いかなる繊維を用いることも出来る。たとえば、アクリル等を主成分とするフィブリル状炭素前駆体(b´−1)から天然繊維である木材パルプまで含む。中でも含有する金属分が少ないことが好ましいため、フィブリル状繊維(b´)は、合成繊維であることが好ましい。より好ましくはフィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)などを用いることができる。これらをそれぞれ単独で用いてもよいし、併用してもよい。また、炭素化収率を向上させるには、以下に示すフィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)を用いることが好ましい。
[Fibrillar fiber (b ')]
As the fibrillar fiber (b ′), any fiber can be used regardless of whether it is a natural fiber or a synthetic fiber. For example, it includes fibrillar carbon precursor (b′-1) mainly composed of acrylic or the like to wood pulp which is a natural fiber. Among these, since it is preferable that the metal content is small, the fibrillar fiber (b ′) is preferably a synthetic fiber. More preferably, a fibrillar carbon precursor fiber (b′-1) or the like can be used. These may be used alone or in combination. Moreover, in order to improve a carbonization yield, it is preferable to use the fibrillar carbon precursor fiber (b′-1) shown below.

フィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)とは、適当な長さにカットした長繊維状の易割繊性海島複合繊維であり、リファイナーやパルパーなどによって叩解しフィブリル化するものである。フィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)は、共通の溶剤に溶解し、かつ非相溶性である2種類以上の異種ポリマーを用いて製造され、少なくとも1種類のポリマーが、炭素化処理する工程における残存質量が20質量%以上であることが好ましい。   The fibrillar carbon precursor fiber (b′-1) is a long-fiber, easily splittable sea-island composite fiber cut to an appropriate length, and is fibrillated by beating with a refiner, a pulper, or the like. The fibrillar carbon precursor fiber (b′-1) is produced using two or more kinds of different polymers that are dissolved in a common solvent and are incompatible, and at least one kind of polymer is carbonized. The residual mass in the process is preferably 20% by mass or more.

易割繊性海島複合繊維に用いられるポリマーのうち、炭素化処理する工程における残存質量が20質量%以上であるものとしては、アクリル系ポリマー、セルロース系ポリマー、フェノール系ポリマーが挙げられる。中でも、紡糸性および炭素化処理工程における残存質量の観点から、アクリロニトリル単位を50質量%以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。   Among the polymers used for the easily splittable sea-island composite fibers, those having a residual mass of 20% by mass or more in the carbonization treatment include acrylic polymers, cellulose polymers, and phenol polymers. Among them, it is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of an acrylonitrile unit from the viewpoint of spinnability and the remaining mass in the carbonization treatment step.

フィブリル状繊維(b´)の断面形状は、特に限定されない。分散性、炭素化時の収縮による破断を抑制するため、フィブリル状繊維(b´)の繊度は、1〜10dtexであることが好ましい。フィブリル状繊維(b´)の平均繊維長は、分散性の観点から、1〜20mmが好ましい。   The cross-sectional shape of the fibrillar fiber (b ′) is not particularly limited. In order to suppress dispersibility and breakage due to shrinkage at the time of carbonization, the fineness of the fibrillar fiber (b ′) is preferably 1 to 10 dtex. The average fiber length of the fibrillar fibers (b ′) is preferably 1 to 20 mm from the viewpoint of dispersibility.

〔抄紙体の製造〕
抄紙体の製造にあたっては、以下の方法をとることもできる。好適な長さに切断した炭素短繊維(A)を水中に均一に分散させ、分散している炭素短繊維を網上に抄造し、抄造した炭素短繊維シートをポリビニルアルコールの水系分散液に浸漬し、浸漬したシートを引き上げて乾燥させる。前記ポリビニルアルコールは、炭素短繊維同士を結着するバインダーの役目を果たし、炭素短繊維が分散した状態において、それらがバインダーにより結着された状態の炭素短繊維のシートが製造される。バインダーとしては、他に、スチレン−ブタジエンゴム、エポキシ樹脂などを用いることが出来る。
[Manufacture of paper bodies]
The following methods can also be used for the production of paper bodies. The short carbon fibers (A) cut to a suitable length are uniformly dispersed in water, the dispersed carbon short fibers are made on a net, and the made carbon short fiber sheet is immersed in an aqueous dispersion of polyvinyl alcohol. Then, the immersed sheet is pulled up and dried. The polyvinyl alcohol serves as a binder for binding the short carbon fibers, and in a state where the short carbon fibers are dispersed, a sheet of short carbon fibers in a state where they are bound by the binder is produced. In addition, styrene-butadiene rubber, epoxy resin, or the like can be used as the binder.

炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を分散させた抄紙体の製造方法としては、液体の媒体中に炭素短繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)とを分散させて抄造する湿式法、空気中に炭素短繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)とを分散させて降り積もらせる乾式法、などの抄紙方法を適用できる。しかし、抄紙体の均一性が高いという観点から、湿式法を用いることが好ましい。   As a method for producing a paper body in which short carbon fibers (A) and carbon fiber precursor fibers (b) and / or fibrillar fibers (b ′) are dispersed, short carbon fibers (A) in a liquid medium, Wet method in which carbon fiber precursor fibers (b) and / or fibrillar fibers (b ′) are dispersed to make paper, carbon short fibers (A) in the air, carbon fiber precursor fibers (b) and / or A paper making method such as a dry method in which the fibrillar fibers (b ′) are dispersed and accumulated can be applied. However, it is preferable to use a wet method from the viewpoint of high uniformity of the paper body.

炭素短繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)の混合比としては、炭素短繊維(A)100重量部に対し、炭素繊維前駆体繊維(b)およびフィブリル状繊維(b´)の総量が、20〜100重量部となるように混合することが好ましい。炭素繊維前駆体繊維(b)およびフィブリル状繊維(b´)の総量が少ないと、抄紙体の強度が低くなり、炭素繊維前駆体繊維(b)およびフィブリル状繊維(b´)の総量が多いと、結果的に得られる多孔質炭素電極基材の電気伝導性が低くなってしまう。また、炭素繊維前駆体繊維(b)とフィブリル状繊維(b´)との割合は、炭素繊維前駆体繊維(b)100重量部に対し、フィブリル状繊維(b´)が25〜100重量部の割合で含まれることが好ましい。   The mixing ratio of the carbon short fiber (A), the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) is 100 parts by weight of the carbon short fiber (A), and the carbon fiber precursor fiber ( It is preferable to mix so that the total amount of b) and a fibrillar fiber (b ') may be 20-100 weight part. When the total amount of the carbon fiber precursor fiber (b) and the fibrillar fiber (b ′) is small, the strength of the papermaking body is lowered, and the total amount of the carbon fiber precursor fiber (b) and the fibrillar fiber (b ′) is large. And the electrical conductivity of the porous carbon electrode base material obtained as a result will become low. The ratio of the carbon fiber precursor fiber (b) to the fibrillar fiber (b ′) is 25 to 100 parts by weight of the fibrillar fiber (b ′) with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber precursor fiber (b). It is preferable that it is contained in the ratio.

炭素短繊維(A)が単繊維に開繊するのを助け、開繊した単繊維が再収束することを防止するためにも、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を使用する。また、必要に応じてバインダーを使用して、湿式抄紙することもできる。   Carbon fiber precursor fibers (b) and / or fibrillar fibers (b) are also used to help the short carbon fibers (A) open into single fibers and prevent the opened single fibers from refocusing. ´) is used. Further, if necessary, wet papermaking can be performed using a binder.

バインダーとは、炭素短繊維(A)と、炭素前駆体繊維(b)とを含む前駆体シート中で、各成分をつなぎとめる糊剤としての役割を有する。バインダーとしては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。特に、抄紙工程での結着力に優れ、炭素短繊維(A)の脱落が少ないことから、ポリビニルアルコールが好ましい。本発明では、バインダーを繊維形状にして用いることも可能である。   A binder has a role as a glue which connects each component in the precursor sheet | seat containing a carbon short fiber (A) and a carbon precursor fiber (b). As the binder, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate, or the like can be used. In particular, polyvinyl alcohol is preferable because it has excellent binding power in the paper making process and the short carbon fibers (A) are less dropped. In the present invention, it is also possible to use the binder in a fiber shape.

本発明では、バインダーを用いずに抄紙化しても、炭素短繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)との適度な絡みを得ることができる。   In the present invention, even if papermaking is performed without using a binder, an appropriate entanglement between the short carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) can be obtained. .

炭素短繊維(A)および炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を分散させる液体の媒体としては、例えば、水、アルコールなどの炭素前駆体繊維(b)が溶解しない媒体が挙げられる。この中でも、生産性の観点から、水を用いることが好ましい。   Examples of the liquid medium in which the carbon short fibers (A) and the carbon fiber precursor fibers (b) and / or the fibrillar fibers (b ′) are dispersed include carbon precursor fibers (b) such as water and alcohol. Media that do not. Among these, it is preferable to use water from a viewpoint of productivity.

繊維質を分散させたスラリー中の繊維質濃度が1〜50g/L程度となる割合で水などの媒体を用いることが好ましい。スラリー中の繊維質濃度が低いと、抄紙速度を遅くせざるを得ず、生産性が悪くなり、繊維質濃度が高くなりすぎるとスラリー中の繊維質の分散性が低下するため、繊維質の塊が発生しやすく、目付ムラの大きな抄紙体が得られる。   It is preferable to use a medium such as water at a rate that the fiber concentration in the slurry in which the fiber is dispersed is about 1 to 50 g / L. If the fiber concentration in the slurry is low, the papermaking speed has to be slowed down, resulting in poor productivity, and if the fiber concentration is too high, the dispersibility of the fiber in the slurry is reduced. A lump is easily generated, and a papermaking body with large unevenness in weight per unit area is obtained.

炭素短繊維(A)および炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を混合する方法としては、水中で攪拌分散させる方法、これらを直接混ぜ込む方法が挙げられるが、均一に分散させる観点から、水中で拡散分散させる方法が好ましい。炭素短繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)とを混合し、抄紙して抄紙体を製造することにより、抄紙体の強度を向上させることができる。また、その製造途中で、前駆体シートから炭素短繊維(A)が剥離し、炭素短繊維(A)の配向が変化することを防止することができる。   Examples of the method of mixing the short carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (b) and / or the fibrillar fiber (b ′) include a method of stirring and dispersing in water and a method of directly mixing them. From the viewpoint of uniformly dispersing, a method of diffusing and dispersing in water is preferable. The strength of the papermaking body is improved by mixing the short carbon fibers (A), the carbon fiber precursor fibers (b) and / or the fibrillar fibers (b ′), and making paper to produce a papermaking body. Can do. Moreover, it can prevent that the carbon short fiber (A) peels from a precursor sheet | seat during the manufacture, and the orientation of a carbon short fiber (A) changes.

手順(2)抄紙体に交絡処理を施す工程
交絡処理は必ずしも必要ではないが、シート状物を交絡処理することで、炭素短繊維
Procedure (2) The process of entanglement of the paper body is not necessarily entangled, but the carbon fiber is obtained by entanglement of the sheet-like material.

(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)が3次元に交絡した交絡構造を有するシート(交絡構造シート)を形成することができる。 A sheet (entangled structure sheet) having an entangled structure in which (A) and carbon fiber precursor short fibers (b) and / or fibrillar fibers (b ′) are entangled three-dimensionally can be formed.

交絡処理は、交絡構造が形成される方法から必要に応じて選択することができ、特に限定されない。ニードルパンチング法などの機械交絡法、ウォータージェットパンチング法などの高圧液体噴射法、スチームジェットパンチング法などの高圧気体噴射法、あるいはこれらの組み合わせによる方法で行うことができる。交絡処理工程での炭素短繊維(A)の破断と、炭素繊維前駆体短繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)の破断を、容易に抑制することができ、かつ適切な交絡性が容易に得られるという点で、高圧液体噴射法が好ましい。   The entanglement process can be selected as needed from the method of forming the entangled structure, and is not particularly limited. A mechanical entanglement method such as a needle punching method, a high pressure liquid injection method such as a water jet punching method, a high pressure gas injection method such as a steam jet punching method, or a combination thereof can be used. It is possible to easily suppress the breakage of the short carbon fibers (A) and the breakage of the carbon fiber precursor short fibers (b) and / or the fibrillar fibers (b ′) in the entanglement treatment step, and appropriate entanglement The high-pressure liquid injection method is preferable in that the property can be easily obtained.

交絡処理工程により抄紙体の引張強度が向上するため、通常抄紙で使用されるポリビニルアルコール等のバインダーを使用せずに済み、かつ水中あるいは湿潤状態でもシートの引張強度を維持できる。   Since the tensile strength of the papermaking body is improved by the entanglement treatment step, it is not necessary to use a binder such as polyvinyl alcohol usually used in papermaking, and the tensile strength of the sheet can be maintained even in water or in a wet state.

手順(3):抄紙体に樹脂を含浸させ、乾燥・成形を行う工程Step (3): A step of impregnating a paper body with a resin, followed by drying and molding

〔樹脂〕
抄紙体に含浸させる樹脂としては、炭素化した段階でガス拡散層の炭素繊維を結着することのできる公知の樹脂から適宜選んで用いることができる。炭素化工程を有する多孔質炭素電極基材を製造する場合は、炭素化後に導電性物質として残存しやすいという観点から、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ピッチ等が好ましく、加熱による炭素化の際に炭化率の高いフェノール樹脂が特に好ましい。炭素化工程を有さない多孔質炭素電極基材を製造する際には、熱可塑性・熱硬化性樹脂を問わず、使用することができる。多孔質炭素電極基材の撥水性を高める観点から、フッ素樹脂が好ましい。また、炭素化工程の有無に関わらず、多孔質炭素電極基材の導電性をさらに向上させることを目的として、これらの樹脂に炭素粉を混合することも有効である。炭素粉としては、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、膨張化黒鉛、葉片状黒鉛、塊状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛粒子、更には、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブなどが挙げられる。特に限定はされないが、上記炭素粉のうちでも、黒鉛粒子、カーボンブラックがより好ましい。これらを単数あるいは複数用いてもよい。⇒東レ・東邦対策で炭素粉について追記しました。
〔resin〕
As the resin to be impregnated into the papermaking body, a known resin that can bind the carbon fiber of the gas diffusion layer at the stage of carbonization can be appropriately selected and used. When producing a porous carbon electrode substrate having a carbonization step, phenol resin, epoxy resin, furan resin, pitch, etc. are preferred from the viewpoint of easily remaining as a conductive substance after carbonization. In particular, a phenol resin having a high carbonization rate is particularly preferred. When producing a porous carbon electrode base material that does not have a carbonization step, it can be used regardless of whether it is a thermoplastic or thermosetting resin. From the viewpoint of increasing the water repellency of the porous carbon electrode substrate, a fluororesin is preferred. It is also effective to mix carbon powder with these resins for the purpose of further improving the conductivity of the porous carbon electrode substrate regardless of the presence or absence of the carbonization step. Carbon powder includes graphite particles such as flaky graphite, flaky graphite, earthy graphite, artificial graphite, expanded graphite, expanded graphite, flake graphite, massive graphite, spherical graphite, carbon black, fullerene, carbon And nanotubes. Although not particularly limited, graphite particles and carbon black are more preferable among the carbon powders. One or more of these may be used. ⇒Added carbon powder for Toray and Toho measures.

〔含浸方法〕
熱硬化性樹脂を含浸させる方法としては、公知の方法を用いることが出来る。たとえば、ディップ法やキスコート法、スプレー法、カーテンコート法などを用いることが出来る。とりわけ製造コストの観点から、スプレー法やカーテンコート法を用いることが好ましい。
[Impregnation method]
As a method for impregnating the thermosetting resin, a known method can be used. For example, a dip method, a kiss coat method, a spray method, a curtain coat method, or the like can be used. In particular, from the viewpoint of production cost, it is preferable to use a spray method or a curtain coat method.

〔乾燥・成形工程]
乾燥方法としては、公知の技術を用いることが出来る。加熱されたロールに接触させて乾燥させるドラム乾燥や熱風による乾燥方法などを用いることが出来る。メンテナンスの簡便さから、非接触方式による乾燥が好ましい。乾燥温度としては、樹脂が硬化しない温度範囲60〜110℃、より好ましくは70〜100℃が好ましい。
[Drying and forming process]
A known technique can be used as a drying method. For example, a drum drying method in which a heated roll is brought into contact with the heated roll or a drying method using hot air can be used. From the standpoint of maintenance, drying by a non-contact method is preferable. The drying temperature is preferably 60 to 110 ° C., more preferably 70 to 100 ° C., at which the resin does not cure.

樹脂含浸・乾燥後の抄紙体を成形する工程が重要である。炭素化工程を有する多孔質炭素電極基材を製造する場合は、これにより前駆体シート中の炭素短繊維(A)を炭素繊維前駆体短繊維(b)および/またはフィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)で融着させ、かつ熱硬化性樹脂を硬化させることで、炭素化後の多孔質炭素電極基材の強固な導電パスが形成される。炭素化工程を有さない多孔質炭素電極基材を製造する場合は、成形工程によって製品寸法が決まってしまうため、フィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)と樹脂の溶融状態をコントロールしなければならない。成形の後200−400℃の雰囲気中で熱処理を行うことで、炭素化工程の製造プロセスは終了となる。   The process of molding the paper body after resin impregnation and drying is important. When manufacturing the porous carbon electrode base material which has a carbonization process, the carbon short fiber (A) in a precursor sheet | seat is thereby made into carbon fiber precursor short fiber (b) and / or fibril-like carbon precursor fiber ( By fusing in b′-1) and curing the thermosetting resin, a strong conductive path of the carbonized porous carbon electrode substrate is formed. When manufacturing a porous carbon electrode base material that does not have a carbonization process, the product dimensions are determined by the molding process, so the molten state of the fibrillated carbon precursor fiber (b′-1) and the resin is controlled. There must be. By performing heat treatment in an atmosphere of 200 to 400 ° C. after the molding, the manufacturing process of the carbonization step is completed.

成形方法は、抄紙体を均等に加熱加圧成形できる技術であれば、いかなる技術も適用できる。例えば、抄紙体の両面に平滑な剛板を当てて熱プレスする方法、連続ロールプレス装置や、連続ベルトプレス装置を用いる方法が挙げられる。   Any technique can be applied as long as the papermaking body can be uniformly heated and pressed. For example, a method in which a smooth rigid plate is applied to both sides of the paper body and hot-pressed, a continuous roll press apparatus, and a continuous belt press apparatus are used.

加熱加圧成形における加熱温度は、前駆体シートの表面を効果的に平滑にするために、200℃未満が好ましく、120〜190℃がより好ましい。   In order to effectively smooth the surface of the precursor sheet, the heating temperature in the hot pressing is preferably less than 200 ° C, more preferably 120 to 190 ° C.

成形圧力は特に限定されないが、抄紙体中における炭素繊維前駆体短繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)の含有比率が多い場合は、成形圧が低くても容易にシートYの表面を平滑にすることができる。このとき必要以上にプレス圧を高くすると、加熱加圧成形時に炭素短繊維(A)が破壊されるという問題や、多孔質炭素電極基材の組織が緻密になりすぎるという問題等が生じる可能性がある。成形圧力は、20kPa〜10MPa程度が好ましい。   Although the molding pressure is not particularly limited, when the content ratio of the carbon fiber precursor short fibers (b) and / or the fibrillar fibers (b ′) in the papermaking body is large, the sheet Y can be easily formed even if the molding pressure is low. The surface can be smoothed. If the press pressure is increased more than necessary at this time, there may be a problem that the short carbon fibers (A) are destroyed during the heat-pressure molding, a problem that the structure of the porous carbon electrode base material is too dense, or the like. There is. The molding pressure is preferably about 20 kPa to 10 MPa.

加熱加圧成形の時間は、例えば30秒〜10分とすることができる。抄紙体を2枚の剛板に挟んでまたは連続ロールプレス装置や連続ベルトプレス装置で加熱加圧成形する時は、剛板またはロールやベルトに炭素繊維前駆体短繊維(b)および/またはフィブリル状炭素前駆体繊維(b´)などが付着しないように、あらかじめ剥離剤を塗っておくことや、抄紙体と剛板またはロールやベルトとの間に離型紙を挟むことが好ましい。   The time for heat and pressure molding can be, for example, 30 seconds to 10 minutes. When the paper body is sandwiched between two rigid plates or heated and pressed with a continuous roll press or continuous belt press, carbon fiber precursor short fibers (b) and / or fibrils are applied to the rigid plate or roll or belt. It is preferable to apply a release agent in advance so that the carbon-like carbon precursor fibers (b ′) do not adhere, or to sandwich the release paper between the papermaking body and the rigid plate or roll or belt.

手順(4):前記手順(3)で得られた前駆体シートを、窒素雰囲気下において2000〜3000℃で炭素化して多孔質炭素質電極基材を製造する工程 Procedure (4): The process of carbonizing the precursor sheet | seat obtained by the said procedure (3) at 2000-3000 degreeC in nitrogen atmosphere, and manufacturing a porous carbonaceous electrode base material .

〔炭素化〕
炭素化処理は前駆体シート中の炭素繊維前駆体短繊維(b)および/またはフィブリル状炭素前駆体繊維(b´)および熱硬化性樹脂を炭素化する。炭素化処理は多孔質炭素電極基材の導電性を高めるために、不活性ガス中で行うことが好ましい。炭素化処理は、通常1000℃以上の温度で行なわれる。炭素化処理温度範囲は、1000〜3000℃が好ましく、1000〜2200℃がより好ましい。炭素化処理時間は、例えば10分間〜1時間程度である。また、炭素化処理の前に、300〜800℃の程度の不活性雰囲気での焼成による前処理を行うことができる。
[Carbonization]
The carbonization treatment carbonizes the carbon fiber precursor short fibers (b) and / or the fibrillar carbon precursor fibers (b ′) and the thermosetting resin in the precursor sheet. The carbonization treatment is preferably performed in an inert gas in order to increase the conductivity of the porous carbon electrode substrate. The carbonization treatment is usually performed at a temperature of 1000 ° C. or higher. The carbonization temperature range is preferably 1000 to 3000 ° C, more preferably 1000 to 2200 ° C. The carbonization treatment time is, for example, about 10 minutes to 1 hour. Moreover, the pretreatment by baking in an inert atmosphere of about 300 to 800 ° C. can be performed before the carbonization treatment.

連続的に製造された前駆体シートを炭素化処理する場合は、製造コスト低減化の観点から、前駆体シートの全長にわたって連続で炭素化処理を行うことが好ましい。多孔質炭素電極基材が長尺であればハンドリング性が高く、多孔質炭素電極基材の生産性が高くなり、かつその後の膜−電極接合体(MEA)の製造も連続で行うことができるので、燃料電池の製造コストを低減できる。また、多孔質炭素電極基材や燃料電池の生産性および製造コスト低減化の観点から、製造された多孔質炭素電極基材を連続的に巻き取ることが好ましい。   When carbonizing the continuously manufactured precursor sheet, it is preferable to perform the carbonizing process continuously over the entire length of the precursor sheet from the viewpoint of reducing the manufacturing cost. If the porous carbon electrode base material is long, the handling property is high, the productivity of the porous carbon electrode base material is high, and the subsequent production of the membrane-electrode assembly (MEA) can also be performed continuously. Therefore, the manufacturing cost of the fuel cell can be reduced. Moreover, it is preferable to wind up the manufactured porous carbon electrode base material continuously from a viewpoint of productivity and reduction of manufacturing cost of a porous carbon electrode base material or a fuel cell.

上述した手順を経て多孔質炭素電極基材を得ることが出来る。なお手順(2)および手順(3)は省略することも出来る。   A porous carbon electrode substrate can be obtained through the procedure described above. Procedure (2) and procedure (3) can be omitted.

〔炭素化工程を省略した多孔質炭素電極基材の製造方法〕
炭素化工程を省略することで、炭素化を行う場合に比べてエネルギーコストを大幅に低減することができる。炭素化工程の省略による導電性の低下を抑制するため、さらなる導電性物質を導入することが必要である。上述した、炭素短繊維が分散した抄紙体に前記導電性物質などを添加・定着させる方法や、導電性物質とバインダー樹脂からなるスラリーを調製し、それらを製膜後、熱処理を行って多孔質炭素電極基材を製造する方法がある。前者の方法であれば、上述した炭素化工程を有する多孔質炭素電極基材の製造方法に準じて、抄紙体に樹脂含浸を行う要領で、導電性物質を添加し、その後にプレス成形することで定着させて多孔質炭素電極基材を製造することができる。また、後者の製造方法においても、上記抄紙体を製造する際のスラリー調製方法と同様にして、導電性物質を単数もしくは複数選択し、バインダー物質と溶液中で混合することでスラリーを調製し、公知のコーティング技術を用いて製膜後、乾燥・熱処理を施すことで多孔質炭素電極基材を製造できる。また、これらに供する導電性物質は、特に限定されるものではなく、例えば、炭素繊維であればポリアクリロニトリル系(PAN系)炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、その他、カーボンブラック、カーボンナノチューブなどを適宜用いることができる。用いる種類は限定されず、単独で使用してもよくあるいは複数選択して用いてもよい。導電性物質を決着させるバインダーとしては、樹脂を用いることができる。樹脂としては、撥水性を有するフッ素系、あるいはシリコン系樹脂などが好適である。上記スラリーを調製するにあたっては、スラリーの溶媒として、水、アセトン、エタノール、メタノールなどを適宜用いることができるが、環境負荷の低減、製造装置のコスト低減の観点から、溶媒としては水を用いることが最も好ましい。また、スラリー中における導電性物質およびバインダー物質の分散性を向上させるべく、界面活性剤や粘剤などの添加剤を適宜用いてもよい。
[Method for producing porous carbon electrode base material without carbonization step]
By omitting the carbonization step, the energy cost can be greatly reduced as compared with the case of performing carbonization. In order to suppress a decrease in conductivity due to omission of the carbonization step, it is necessary to introduce a further conductive material. The above-described method for adding and fixing the conductive material to the paper body in which short carbon fibers are dispersed, and preparing a slurry comprising the conductive material and a binder resin, forming them, and then heat-treating them to make the porous body There is a method for producing a carbon electrode substrate. If it is the former method, according to the manufacturing method of the porous carbon electrode base material which has the carbonization process mentioned above, a conductive substance is added in the way of impregnating a paper body with resin, and it press-molds after that. The porous carbon electrode base material can be manufactured by fixing with the above. Also in the latter production method, in the same manner as the slurry preparation method in producing the paper body, a single or a plurality of conductive materials are selected, and a slurry is prepared by mixing in a solution with a binder material, A porous carbon electrode substrate can be produced by performing drying and heat treatment after film formation using a known coating technique. In addition, the conductive material to be used for these is not particularly limited. For example, in the case of carbon fiber, polyacrylonitrile-based (PAN-based) carbon fiber, pitch-based carbon fiber, rayon-based carbon fiber, others, carbon black, A carbon nanotube etc. can be used suitably. The kind to be used is not limited, and may be used alone or a plurality may be selected and used. As the binder for fixing the conductive substance, a resin can be used. As the resin, a fluorine-based or silicon-based resin having water repellency is preferable. In preparing the slurry, water, acetone, ethanol, methanol, or the like can be appropriately used as a solvent for the slurry, but water is used as the solvent from the viewpoint of reducing environmental burden and cost of manufacturing equipment. Is most preferred. Further, additives such as a surfactant and a sticking agent may be appropriately used to improve the dispersibility of the conductive substance and the binder substance in the slurry.

2.ガス拡散層
本発明の製造方法により得られる多孔質炭素電極は、炭素短繊維が炭素により結着された多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と繊維化された撥水剤からなるコーティング層が形成されたガス拡散層である。
2. Gas diffusion layer The porous carbon electrode obtained by the production method of the present invention is a water repellent fiberized with carbon powder on at least one surface of a porous carbon electrode base material in which short carbon fibers are bound by carbon. It is a gas diffusion layer in which a coating layer made of an agent is formed.

<多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と繊維化された撥水剤からなるコーティング層が形成されたガス拡散層>
本発明においては、「多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と撥水剤からなるコーティング層が形成されたもの」を「ガス拡散層」という。本発明のガス拡散層は、固体高分子形燃料電池用のガス拡散層として有用である。
<Gas diffusion layer in which a coating layer made of carbon powder and fiberized water repellent is formed on at least one surface of a porous carbon electrode substrate>
In the present invention, “a layer in which a coating layer made of carbon powder and a water repellent agent is formed on at least one surface of a porous carbon electrode substrate” is referred to as a “gas diffusion layer”. The gas diffusion layer of the present invention is useful as a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell.

コーティング層は多孔質炭素電極基材の一方の面上、もしくは両面に形成されていてもよい。多孔質炭素電極基材の一方の面のみにコーティング層を形成する場合は、触媒層と多孔質炭素電極基材間の接触抵抗を低減する観点から、固体高分子形燃料電池内の触媒層と接する側の多孔質炭素電極基材の面上にコーティング層を設けることが好ましい。 The coating layer may be formed on one surface or both surfaces of the porous carbon electrode substrate. When forming the coating layer only on one surface of the porous carbon electrode substrate, from the viewpoint of reducing the contact resistance between the catalyst layer and the porous carbon electrode substrate, the catalyst layer in the polymer electrolyte fuel cell It is preferable to provide a coating layer on the surface of the porous carbon electrode substrate on the contact side.

コーティング層に用いるカーボン粉は、たとえば、黒鉛粉やカーボンブラックなどを用いることができる。例えばアセチレンブラック(例えば電気化学工業(株)製のデンカブラック)、ケッチェンブラック(例えばライオン(株)製のKetjen Black EC)、ファーネスブラック(例えばCABOT社製のバルカンXC72)などを用いることができる。カーボン粉を用いる割合としては、カーボン粉を溶媒に分散させた際の濃度が、5〜30%となるように用いることが好ましい。   As the carbon powder used for the coating layer, for example, graphite powder or carbon black can be used. For example, acetylene black (for example, Denka black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), ketjen black (for example, Ketjen Black EC manufactured by Lion Corporation), furnace black (for example, Vulcan XC72 manufactured by CABOT) and the like can be used. . The proportion of the carbon powder used is preferably such that the concentration when the carbon powder is dispersed in a solvent is 5 to 30%.

撥水剤としてはフッ素樹脂やシリコン樹脂などが挙げられ、これらを水などの溶媒に分散させて用いることが出来る。撥水性の高さから特に好ましくはフッ素樹脂である。フッ素樹脂としては例えばテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体などがあげられ、特にPTFEが好ましい。撥水剤を用いる割合としては、撥水剤を溶媒に分散させた際の濃度が、5〜60%となるように用いることが好ましい。本発明においては撥水剤を繊維化させるため、乳化重合により製造されるPTFEが好ましく、中でもディスパージョンタイプの使用が好ましい。   Examples of the water repellent include fluororesins and silicon resins, which can be used by dispersing them in a solvent such as water. A fluororesin is particularly preferred because of its high water repellency. Examples of the fluororesin include tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene (PTFE), and tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, and PTFE is particularly preferable. The ratio of the water repellent used is preferably such that the concentration when the water repellent is dispersed in the solvent is 5 to 60%. In the present invention, in order to fiberize the water repellent, PTFE produced by emulsion polymerization is preferable, and among these, the use of a dispersion type is preferable.

カーボン粉および撥水剤を分散させる溶媒としては、水や有機溶媒を用いることが出来る。有機溶媒の危険性、コスト及び環境負荷の観点から、水を使用することが好ましい。有機溶媒を使用する際には、水と混合可能な溶媒である低級アルコールやアセトンなどの使用が好ましい。これら有機溶媒を用いる割合としては、水1に対して0.5〜2の比率で用いることが好ましい。   Water or an organic solvent can be used as a solvent for dispersing the carbon powder and the water repellent. From the viewpoint of the risk of organic solvents, cost, and environmental load, it is preferable to use water. When an organic solvent is used, it is preferable to use a lower alcohol, acetone or the like that is a solvent that can be mixed with water. As a ratio of using these organic solvents, it is preferable to use them at a ratio of 0.5 to 2 with respect to water 1.

カーボン粉と撥水剤からなるコーティング層とは、カーボン粉がバインダーである撥水剤によって結合されたものである。言い換えれば、撥水剤によって形成されるネットワーク中にカーボン粉が取り込まれ、微細な網目構造を有する。コーティング層を形成させる際に、組成物の一部が多孔質炭素電極基材へと染み込むため、コーティング層と多孔質炭素電極基材との明確な境界線の定義は困難であるが、本発明においてはコーティング層組成物の多孔質炭素電極基材へのしみこみが生じていない部分、すなわちカーボン粉と撥水剤のみから構成される層のみをコーティング層と定義する。本発明のコーティング層中には繊維化された撥水剤を含むため、上記網目構造がより強固なものとなり、コーティング層の強度が向上するだけでなく、繊維状撥水剤と多孔質炭素電極基材との絡みあいが生じることで、コーティング層と多孔質炭素電極基材の接着性が向上し、コーティング層の剥離強度が高い固体高分子形燃料電池用のガス拡散層が得られる。本発明のガス拡散層は、多孔質炭素電極基材の面のいずれか一方の面上にカーボン粉と撥水剤からなるコーティング層を有している。両面に当該コーティング層を有していてもよいが、プロセスが増加による生産性の低下および両面にコーティング層を有することでガス拡散性と排水性が低下する可能性があることから片面塗布が好ましい。コーティング層を形成させる表面はどちらでも良いが、強固なコーティング層を形成させるためにはある程度の表面粗さを有する面であることが好ましい。ただし、多孔質炭素電極基材の一方の面にガス流路を形成したものなどはこの限りではなく、もう一方の平滑な面に形成することが好ましい。   The coating layer composed of carbon powder and a water repellent is a combination of carbon powder and a water repellent that is a binder. In other words, carbon powder is taken into the network formed by the water repellent and has a fine network structure. When forming the coating layer, since a part of the composition penetrates into the porous carbon electrode substrate, it is difficult to define a clear boundary line between the coating layer and the porous carbon electrode substrate. The coating layer composition defines only the portion of the coating layer composition that does not penetrate into the porous carbon electrode substrate, that is, the layer composed only of carbon powder and a water repellent. Since the coating layer of the present invention contains a fiberized water repellent, the above-mentioned network structure becomes stronger and not only the strength of the coating layer is improved, but also the fibrous water repellent and the porous carbon electrode. As a result of the entanglement with the base material, the adhesion between the coating layer and the porous carbon electrode base material is improved, and a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell having a high peel strength of the coating layer is obtained. The gas diffusion layer of the present invention has a coating layer composed of carbon powder and a water repellent agent on one of the surfaces of the porous carbon electrode substrate. The coating layer may be provided on both sides, but single-sided coating is preferable because productivity decreases due to an increase in the process, and gas diffusibility and drainage may be reduced by having a coating layer on both sides. . The surface on which the coating layer is formed may be either, but in order to form a strong coating layer, a surface having a certain degree of surface roughness is preferable. However, what formed the gas flow path in one surface of a porous carbon electrode base material is not this limitation, and it is preferable to form in the other smooth surface.

<多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と撥水剤からなるコーティング層を設けたガス拡散層であって、前記コーティング層が、表面にシート幅方向に沿って凹部及び凸部を有し、前記凹部及び前記凸部がそれぞれシート長手方向に沿って連続的に形成されているガス拡散層>
ここで言う凹凸とは、コーティング層おける厚みの不均一な形態のことを指す。この凹凸は、コーティングに用いるロッドの形態および、塗工膜の乾燥速度を調節することにより形成することができる。コーティング層上の凹部の平均深さHの、コーティング層の平均厚みAに対する比率H/Aが、0.01〜0.3となるように調整することが好ましい。ここで比率H/Aが0.01よりも小さいと凹凸による効果は発現しない。一方で、H/Aが0.3よりも大きくなるとコーティング層の強度が低下する。コーティング層上の凹部および凸部の幅については、それぞれ0.1〜1000μmの範囲内であることが好ましい。ここで言う凹部は平均厚みよりも小さな厚みを有する部分を指し、凸部は、平均厚みよりも大きな厚みを持つ部分のことを指す。
<A gas diffusion layer in which a coating layer made of carbon powder and a water repellent agent is provided on at least one surface of a porous carbon electrode substrate, and the coating layer has a recess and a surface along the sheet width direction. Gas diffusion layer having a convex part, and each of the concave part and the convex part being continuously formed along the sheet longitudinal direction >
The irregularities here, refers to a heterogeneous form of thickness definitive in the coating layer. This unevenness can be formed by adjusting the form of the rod used for coating and the drying speed of the coating film. It is preferable to adjust the ratio H / A of the average depth H of the recesses on the coating layer to the average thickness A of the coating layer to be 0.01 to 0.3. Here, when the ratio H / A is smaller than 0.01, the effect due to the unevenness is not exhibited. On the other hand, when H / A is larger than 0.3, the strength of the coating layer is lowered. About the width | variety of the recessed part and convex part on a coating layer, it is preferable to exist in the range of 0.1-1000 micrometers, respectively. The concave portion here refers to a portion having a thickness smaller than the average thickness, and the convex portion refers to a portion having a thickness larger than the average thickness.

各部分(凹部および凸部のそれぞれ)の幅が、0.1μmよりも小さいと凹凸による排水性向上の効果が小さくなる。また、1000μmよりも大きくなると、電極触媒層との接触抵抗が大きくなる。また、前記凹部の幅と凸部の幅の差は、0.1〜500μmであることが好ましい。これらの凹凸はシート流れ方向に沿って連続して形成されていることが好ましい。   When the width of each portion (recessed portion and raised portion) is smaller than 0.1 μm, the effect of improving drainage due to the unevenness is reduced. Moreover, when it becomes larger than 1000 micrometers, contact resistance with an electrode catalyst layer will become large. Moreover, it is preferable that the difference of the width | variety of the said recessed part and the width | variety of a convex part is 0.1-500 micrometers. These irregularities are preferably formed continuously along the sheet flow direction.

<ガス拡散層の平均厚み>
ガス拡散層の厚みは、良好な電気導電性と排水性を発現するために、55〜350μmの範囲にあることが好ましい。55μm以上であれば、ハンドリング可能であり、350μm以下であれば良好な電気伝導性が得られる。さらに好ましい厚みは、100〜250μmの範囲である。ガス拡散層を構成する多孔質炭素電極基材の厚みが50〜250μmであることが好ましく、さらに少なくとも一方の面に形成されたコーティング層の平均厚みが5〜100μmであることが好ましい。多孔質炭素電極基材の厚みが50μmより小さいと搬送が困難であり、コーティング層を設けることが困難である。また、多孔質炭素電極基材の厚みが350μmよりも大きいと取扱い性は向上するが、電気抵抗が大きくなるため、発電性能が低下してしまう。コーティング層の厚みは、5μmよりも小さいと、多孔質炭素電極基材を構成する炭素短繊維がコーティング層を突き破り、触媒層や電解質膜まで到達する恐れがあるため好ましくない。100μmよりも厚すぎるとコーティング層による電子抵抗が増大し、発電性能の低下を招くこととなるため好ましくない。
<Average thickness of gas diffusion layer>
The thickness of the gas diffusion layer is preferably in the range of 55 to 350 μm in order to express good electrical conductivity and drainage. If it is 55 μm or more, handling is possible, and if it is 350 μm or less, good electrical conductivity is obtained. A more preferable thickness is in the range of 100 to 250 μm. The thickness of the porous carbon electrode base material constituting the gas diffusion layer is preferably 50 to 250 μm, and the average thickness of the coating layer formed on at least one surface is preferably 5 to 100 μm. If the thickness of the porous carbon electrode substrate is smaller than 50 μm, it is difficult to convey and it is difficult to provide a coating layer. Further, when the thickness of the porous carbon electrode base material is larger than 350 μm, the handleability is improved, but the electric resistance is increased, so that the power generation performance is lowered. If the thickness of the coating layer is less than 5 μm, the short carbon fibers constituting the porous carbon electrode substrate may break through the coating layer and reach the catalyst layer or the electrolyte membrane, which is not preferable. When the thickness is more than 100 μm, the electronic resistance due to the coating layer is increased, and the power generation performance is deteriorated.

下記の手法を用いて各種物性値の測定を行った。   Various physical property values were measured using the following methods.

<多孔質炭素電極基材、およびコーティング層厚みの算出>
製造した多孔質炭素電極基材、およびガス拡散層から、3×3cm角の試験片を10点、ランダムに取り出し、それぞれの厚みをマイクロメーターにより各サンプルに対して5点ずつ測定して平均厚みを算出し、ガス拡散層の平均厚みより多孔質炭素電極基材の平均厚みを差し引くことで、コーティング層の厚みを算出した。
<Calculation of porous carbon electrode substrate and coating layer thickness>
From the produced porous carbon electrode substrate and the gas diffusion layer, 10 3 × 3 cm square test pieces were randomly taken out, and each thickness was measured with a micrometer at 5 points for each sample to obtain an average thickness. The thickness of the coating layer was calculated by subtracting the average thickness of the porous carbon electrode substrate from the average thickness of the gas diffusion layer.

<凹凸の計測>
製造したガス拡散層から、1mあたり、5×5mm角の試験片を10個作成し、各々の試験片について、走査型電子顕微鏡にて加速電圧5kV、スポットサイズ30mm、焦点距離15mm、倍率1000倍にて各サンプルの全面積について撮影を行った。凹凸のサイズ検出には断面観察および、画像解析ソフトImage−Pro Plus(日本ローパー社製)を用いて行った。各サンプルのクラックのサイズは平均値により決定した。
<Measurement of unevenness>
Ten test pieces of 5 × 5 mm square per 1 m 2 were prepared from the manufactured gas diffusion layer, and each test piece was subjected to an acceleration voltage of 5 kV, a spot size of 30 mm, a focal length of 15 mm, and a magnification of 1000 using a scanning electron microscope. The entire area of each sample was taken at double magnification. The size of the irregularities was detected using cross-sectional observation and image analysis software Image-Pro Plus (manufactured by Nippon Roper). The crack size of each sample was determined by an average value.

<電極触媒層との接着性評価>
片面に触媒担持カーボン(触媒:Pt、触媒担持量:50質量%)及び撥水剤、アイオノマーからなる触媒層(触媒層面積:25cm2、Pt付着量:0.3mg/cm)を形成したパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜(膜厚:30μm)に対し、触媒層とガス拡散層のコーティング層が接するように重ね合わせ、120℃で1.5MPaの面圧を付与して膜電極接合体を形成した。この膜電極接合体を20mm角にカットし、試験サンプルとする。試験サンプルの両面から、万能試験機を用いて試験サンプルを厚み方向に引っ張る向きに2Nの試験力を加え、試験サンプルに剥離が生じるか否かにより接着性を評価した。一つの例に対し、試験サンプルは10点作製・試験を実施し、1点でも剥離が生じた際には接着性は×とした。
<Adhesive evaluation with electrode catalyst layer>
A par on which a catalyst layer (catalyst layer area: 25 cm 2 , Pt adhesion amount: 0.3 mg / cm 2 ) made of catalyst-supported carbon (catalyst: Pt, catalyst support amount: 50 mass%), water repellent, and ionomer is formed on one side. Membrane electrode bonding is performed by applying a surface pressure of 1.5 MPa at 120 ° C to the fluorosulfonic acid polymer electrolyte membrane (film thickness: 30 µm) so that the coating layer of the catalyst layer and the gas diffusion layer are in contact with each other. Formed body. This membrane electrode assembly is cut into 20 mm squares to obtain test samples. From both sides of the test sample, a universal testing machine was used to apply a test force of 2N in the direction of pulling the test sample in the thickness direction, and the adhesiveness was evaluated based on whether or not peeling occurred in the test sample. For one example, 10 test samples were prepared and tested, and when even one point was peeled, the adhesiveness was x.

<実施例1>
(多孔質炭素電極基材)
多孔質炭素電極基材は、市販のカーボンペーパーやカーボンクロスなどを用いることが出来るが、本発明では平滑な多孔質炭素電極基材を得るべく、多孔質炭素電極基材から製造を行った。
<Example 1>
(Porous carbon electrode substrate)
Commercially available carbon paper, carbon cloth, or the like can be used as the porous carbon electrode substrate, but in the present invention, the porous carbon electrode substrate was manufactured from the porous carbon electrode substrate in order to obtain a smooth porous carbon electrode substrate.

炭素短繊維(A)として、平均繊維径が7μm、平均繊維長が3mmのPAN系炭素繊維を用意した。また、炭素繊維前駆体短繊維(b)として、平均繊維径が4μm、平均繊維長が3mmのアクリル短繊維(三菱レイヨン(株)製、商品名:D122)、フィブリル状繊維(b´)として、叩解によってフィブリル化するアクリル系ポリマーとジアセテート(酢酸セルロース)とからなる易割繊性アクリル系海島複合短繊維(三菱レイヨン(株)製、商品名:ボンネルM.V.P.−C651、平均繊維長:3mm)を用意した。   As the carbon short fiber (A), a PAN-based carbon fiber having an average fiber diameter of 7 μm and an average fiber length of 3 mm was prepared. Further, as carbon fiber precursor short fibers (b), acrylic short fibers (Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: D122) having an average fiber diameter of 4 μm and an average fiber length of 3 mm, and fibrillar fibers (b ′) , An easily split fiber acrylic sea-island composite short fiber (made by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: Bonnell MVP-C651, made of an acrylic polymer fibrillated by beating and diacetate (cellulose acetate), Average fiber length: 3 mm) was prepared.

以下の<1>〜<10>の操作によってガス拡散層を製造した。   A gas diffusion layer was produced by the following operations <1> to <10>.

<1> 炭素短繊維(A)の離解
炭素短繊維(A)を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散して、ミキサーを通して離解処理し、離解スラリー繊維(SA)とした。
<1> Disaggregation of carbon short fibers (A) The carbon short fibers (A) are dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g / L), disaggregated through a mixer, and disaggregated slurry fibers (SA). ).

<2> 炭素繊維前駆体短繊維(b)の離解
炭素繊維前駆体短繊維(b)を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散して、ミキサーを通して離解処理し、離解スラリー繊維(Sb)とした。
<2> Disaggregation of carbon fiber precursor short fibers (b) The carbon fiber precursor short fibers (b) are dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g / L), and then disaggregated through a mixer. A disaggregated slurry fiber (Sb) was obtained.

<3> フィブリル状繊維(b´)の離解
前記易割繊性アクリル系海島複合短繊維を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散させミキサーを通して叩解・離解処理し、離解スラリー繊維(Sb´)とした。
<3> Disaggregation of fibrillar fibers (b ') The above split fiber acrylic sea-island composite short fibers are dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g / L), and beaten and disaggregated through a mixer. A disaggregated slurry fiber (Sb ′) was obtained.

<4> 抄紙体の製造
炭素短繊維(A)と炭素繊維前駆体短繊維(b)およびフィブリル状繊維(b´)とが、質量比70:10:20で、かつスラリー中の繊維の濃度が、1.44g/Lとなるように離解スラリー繊維(SA)、離解スラリー繊維(Sb)、離解スラリー繊維(Sb´)、希釈水を計量し、分散させた。抄紙には、ネット駆動部及び幅60cm×長さ585cmのプラスチックネット製平織メッシュをベルト状につなぎあわせて連続的に回転させるネットよりなるシート状物搬送装置、スラリー供給部幅が48cm、ネット下部に配置した減圧脱水装置からなる処理装置を用いた。処理装置の下流に下記の3本のウォータージェットノズルを備えた加圧水流噴射処理装置を配置した。
<4> Manufacture of papermaking body The carbon short fiber (A), the carbon fiber precursor short fiber (b), and the fibrillar fiber (b ′) are in a mass ratio of 70:10:20, and the concentration of fibers in the slurry. However, the disaggregation slurry fiber (SA), the disaggregation slurry fiber (Sb), the disaggregation slurry fiber (Sb ′), and the dilution water were weighed and dispersed so as to be 1.44 g / L. For papermaking, a sheet drive unit consisting of a net drive unit and a flat net mesh made of plastic net with a width of 60cm x length of 585cm connected in a belt shape and continuously rotated, the slurry supply unit width is 48cm, the bottom of the net A processing apparatus consisting of a vacuum dehydration apparatus arranged in the above was used. A pressurized water jet treatment apparatus provided with the following three water jet nozzles was disposed downstream of the treatment apparatus.

ノズル1:孔径φ0.15mm×501孔
幅方向孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)
1列配置、ノズル有効幅500mm
Nozzle 1: hole diameter φ0.15mm × 501 hole
Width direction hole pitch 1mm (1001 hole / width 1m)
1 row arrangement, nozzle effective width 500mm

ノズル2:孔径φ0.15mm×501孔
幅方向孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)
1列配置、ノズル有効幅500mm
Nozzle 2: hole diameter φ0.15 mm × 501 hole
Width direction hole pitch 1mm (1001 hole / width 1m)
1 row arrangement, nozzle effective width 500mm

ノズル3:孔径φ0.15mm×1002孔
幅方向孔間ピッチ1.5mm
3列配置、列間ピッチ5mm、ノズル有効幅500mm
Nozzle 3: hole diameter φ0.15 mm × 1002 holes
Width direction hole pitch 1.5mm
3 rows, 5 mm pitch between rows, 500 mm nozzle effective width

加圧水流噴射圧力を1MPaノズル1、圧力2MPa(ノズル2)、圧力1MPa(ノズル3)として、繊維の分散したスラリーをスラリー供給部より投入し、減圧脱水を経た後、ノズル1、ノズル2、ノズル3の順で通過させて交絡処理を加え3次元交絡構造を持つ抄紙体を得た。抄紙体を、ピンテンター試験機(辻井染機工業(株)製PT−2A−400)により150℃で3分間、乾燥させて抄紙体を得た。なお、抄紙体における炭素短繊維(A)および炭素繊維前駆体短繊維(b)、フィブリル状繊維(b´)の分散状態は、良好でさらにハンドリング性は良好であった。   The pressurized water jet pressure is 1MPa nozzle 1, pressure 2MPa (nozzle 2), pressure 1MPa (nozzle 3), and the slurry in which the fibers are dispersed is introduced from the slurry supply unit, and after dehydration under reduced pressure, nozzle 1, nozzle 2, nozzle The papermaking body having a three-dimensional entanglement structure was obtained by passing through in the order of 3 and applying entanglement treatment. The paper body was dried at 150 ° C. for 3 minutes using a pin tenter tester (PT-2A-400 manufactured by Sakurai Dyeing Machine Co., Ltd.) to obtain a paper body. In addition, the dispersion state of the carbon short fiber (A), the carbon fiber precursor short fiber (b), and the fibrillar fiber (b ′) in the papermaking body was good, and the handling property was also good.

<5> 樹脂含浸・乾燥
得られた抄紙体にフェノール樹脂ディスパージョンを含浸させ、熱風乾燥機を用いて雰囲気温度100℃にて乾燥させた。
<5> Resin impregnation / drying The obtained paper body was impregnated with a phenol resin dispersion and dried at an ambient temperature of 100 ° C. using a hot air dryer.

<6> 加圧加熱成形
次に、この抄紙体の両面を、シリコーン系離型剤をコートした紙で挟み込むように配置し、ダブルベルトプレス装置にて190℃、ベルト速度0.2m/分にてプレス成形を行った。
<6> Pressurization and heating molding Next, both sides of this papermaking body are arranged so as to be sandwiched by paper coated with a silicone release agent, and at 190 ° C. and a belt speed of 0.2 m / min with a double belt press device. The press molding was performed.

<7> 炭素化処理
その後、この前駆体シートを炭素化炉にて、窒素ガス雰囲気中、2000℃の条件下で炭素化処理して多孔質炭素電極基材を得た。得られた多孔質炭素電極基材は反りやうねりが生じておらず平滑であった。得られた多孔質炭素電極基材の厚みは155μmであった。
<7> Carbonization treatment Subsequently, this precursor sheet was carbonized in a carbonization furnace in a nitrogen gas atmosphere at 2000 ° C. to obtain a porous carbon electrode substrate. The obtained porous carbon electrode substrate was smooth without warping or undulation. The thickness of the obtained porous carbon electrode base material was 155 μm.

<8> コーティング液1の調製
デンカブラック(電気化学工業株式会社製)、イオン交換水、イソプロピルアルコールをそれぞれ5:100:80の割合で混合し、ホモミクサーMARK−II(プライミクス株式会社製)を用いて、冷却しながら15000rpmで30分間撹拌を行って、コーティング液1を得た。
<8> Preparation of Coating Solution 1 Denka Black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), ion-exchanged water, and isopropyl alcohol are mixed at a ratio of 5: 100: 80, respectively, and a homomixer MARK-II (manufactured by Primix Co., Ltd.) is used. Then, stirring was performed at 15000 rpm for 30 minutes while cooling to obtain a coating liquid 1.

<9> コーティング液2の調製
コーティング液1に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョンをカーボンブラック1に対し、0.3の割合で添加しディスパーによって5000rpmで15分間の撹拌を行い、コーティング液2を得た。
<9> Preparation of coating solution 2 Polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion is added to coating solution 1 at a rate of 0.3 to carbon black 1, and the dispersion is stirred at 5000 rpm for 15 minutes. 2 was obtained.

<10> 多孔質炭素電極基材用の撥水処理液の作成
多孔質炭素電極基材用の撥水処理液の作成には、PTFEディスパージョン(31−JR、三井デュポンフロロケミカル製)と界面活性剤(ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル)および蒸留水を用いた。撥水処理液における固形分濃度が、PTFEは1wt%、界面活性剤は2wt%となるように調整した後、蒸留水を添加して、ディスパーを用いて1000rpm、10分間撹拌することによって撥水処理液を作成した。
<10> Preparation of water-repellent treatment liquid for porous carbon electrode base material PTFE dispersion (31-JR, manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical) and interface are used for preparation of water-repellent treatment liquid for porous carbon electrode base material. An activator (polyoxyethylene (10) octylphenyl ether) and distilled water were used. After adjusting the solid content concentration in the water repellent treatment liquid to 1 wt% for PTFE and 2 wt% for the surfactant, water was added by adding distilled water and stirring with a disper at 1000 rpm for 10 minutes. A treatment solution was prepared.

<11> 多孔質炭素電極基材への撥水処理
多孔質炭素電極基材を上記の撥水処理液に浸漬することによって含浸させた。含浸後の多孔質炭素電極基材をアプリケーター(テスター産業製)のガラス面に静置し、付属のアプリケーターバーを多孔質炭素電極基材に押し当て、アプリケーターバーを100mm/secの速度で搬送することによって、多孔質炭素電極基材に付着した余分な撥水処理液を取り除き、乾燥機にて60℃30分間多孔質炭素電極基材を乾燥処理することで撥水処理が施された多孔質炭素電極基材を得た。
<11> Water-repellent treatment for porous carbon electrode substrate The porous carbon electrode substrate was impregnated by being immersed in the water-repellent treatment solution. The impregnated porous carbon electrode substrate is allowed to stand on the glass surface of an applicator (manufactured by Tester Sangyo), the attached applicator bar is pressed against the porous carbon electrode substrate, and the applicator bar is conveyed at a speed of 100 mm / sec. By removing the excess water-repellent treatment liquid adhering to the porous carbon electrode base material, the porous carbon electrode base material was subjected to a water-repellent treatment by drying the porous carbon electrode base material at 60 ° C. for 30 minutes with a dryer. A carbon electrode substrate was obtained.

<12> コーティング層の形成
さらに、コーティング液2を多孔質炭素電極基材上にピッチが0.1mm、深さが10μmのコーティングロッドを用いて塗工速度1m/minにて塗工し、すぐさま100℃に設定した熱風乾燥炉を用いて20分間乾燥させた。さらに、乾燥後焼結炉にて360℃1時間焼結処理をおこなってコーティング層を形成したガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<12> Formation of coating layer Further, the coating liquid 2 was applied onto the porous carbon electrode substrate using a coating rod having a pitch of 0.1 mm and a depth of 10 μm at a coating speed of 1 m / min. It dried for 20 minutes using the hot air drying furnace set to 100 degreeC. Further, after drying, a gas diffusion layer having a coating layer formed by sintering at 360 ° C. for 1 hour in a sintering furnace was obtained. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例2>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを20μmとしたことと、塗工速度を5m/minとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 2>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the depth of the coating rod used for coating was 20 μm and the coating speed was 5 m / min. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例3>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを50μmとしたことと、塗工速度を10m/minとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 3>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the depth of the coating rod used for coating was 50 μm and the coating speed was 10 m / min. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例4>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを100μmとしたこと以外は、実施例3と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 4>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 3 except that the depth of the coating rod used for coating was 100 μm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例5>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを300μmとしたこと以外は、実施例3と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 5>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 3 except that the depth of the coating rod used for coating was 300 μm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例6>
塗工に用いるコーティングロッドのピッチを0.5mm、深さを20μmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 6>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the pitch of the coating rod used for coating was 0.5 mm and the depth was 20 μm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例7>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを50μmとしたことと、塗工速度を5m/minとしたこと以外は、実施例6と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 7>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 6 except that the depth of the coating rod used for coating was 50 μm and the coating speed was 5 m / min. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例8>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを100μmとしたことと、塗工速度を10m/minとしたこと以外は、実施例6と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 8>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 6 except that the depth of the coating rod used for coating was 100 μm and the coating speed was 10 m / min. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例9>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを300μmとしたこと以外は、実施例8と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 9>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 8 except that the depth of the coating rod used for coating was 300 μm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例10>
塗工に用いるコーティングロッドのピッチを1mm、深さを50μmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 10>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the pitch of the coating rod used for coating was 1 mm and the depth was 50 μm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例11>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを80μmとしたことと、塗工速度を5m/minとしたこと以外は、実施例10と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 11>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 10 except that the depth of the coating rod used for coating was 80 μm and the coating speed was 5 m / min. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例12>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを100μmとしたことと、塗工速度を10m/minとしたこと以外は、実施例10と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 12>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 10 except that the depth of the coating rod used for coating was 100 μm and the coating speed was 10 m / min. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例13>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを300μmとしたこと以外は、実施例12と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 13>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 12 except that the depth of the coating rod used for coating was 300 μm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例14>
塗工に用いるコーティングロッドのピッチを1.5mm、深さを80μmとしたこと以外は、実施例12と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 14>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 12 except that the pitch of the coating rod used for coating was 1.5 mm and the depth was 80 μm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例15>
塗工に用いるコーティングロッドのピッチを1.5mmとしたこと以外は、実施例4と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 15>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 4 except that the pitch of the coating rod used for coating was 1.5 mm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例16>
塗工に用いるコーティングロッドの深さを200μmとしたこと以外は、実施例14と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 16>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 14 except that the depth of the coating rod used for coating was 200 μm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<実施例17>
塗工に用いるコーティングロッドのピッチを1.5mmとしたこと以外は、実施例5と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の厚みおよび形成された凹凸の情報を計測したところ、表1のようになった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離は生じず良好な結果が得られた。
<Example 17>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 5 except that the pitch of the coating rod used for coating was 1.5 mm. When the thickness of the coating layer of the obtained gas diffusion layer and the information of the formed unevenness were measured, it was as shown in Table 1. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer did not arise, but the favorable result was obtained.

<比較例1>
コーティングロッドとして、ピッチ及び深さを有さない丸棒を用いたこと以外は実施例1と同様にして、ガス拡散層を得ようとしたが、均一なコーティング層を得ることができなかった。コーティング層の厚み等は計測できなかった。
<Comparative Example 1>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that a round rod having no pitch and depth was used as the coating rod, but a uniform coating layer could not be obtained. The thickness of the coating layer could not be measured.

<比較例2>
コーティングロッドとして、ピッチ及び深さを有さない丸棒を用いたこと以外は実施例2と同様にして、ガス拡散層を得ようとしたが、均一なコーティング層を得ることができなかった。コーティング層の厚み等は計測できなかった。
<Comparative example 2>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except that a round bar having no pitch and depth was used as the coating rod, but a uniform coating layer could not be obtained. The thickness of the coating layer could not be measured.

<比較例3>
コーティング液を多孔質炭素電極基材上に塗工する際に、ブレードを用いてコーティング層の厚みが50μmとなるよう塗工を行ったこと以外は、実施例4と同様にしてガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の表面には凹凸がなく、平滑な表面であった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離が10点測定中8点において発生し、接着性が弱い傾向が確認された。評価結果は表1にまとめた。
<Comparative Example 3>
A gas diffusion layer was formed in the same manner as in Example 4 except that when the coating liquid was applied onto the porous carbon electrode substrate, coating was performed using a blade so that the thickness of the coating layer was 50 μm. Obtained. The surface of the coating layer of the obtained gas diffusion layer had no irregularities and was a smooth surface. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer generate | occur | produced in 8 points | pieces in 10 point measurement, and the tendency for adhesiveness to be weak was confirmed. The evaluation results are summarized in Table 1.

<比較例4>
コーティング液を多孔質炭素電極基材上に塗工する際に、スロットダイを用いてコーティング層の厚みが50μmとなるよう塗工を行ったこと以外は、実施例4と同様にしてガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層の表面には凹凸がなく、平滑な表面であった。また電極触媒層との接着性評価を実施したところ、触媒層とコーティング層間での剥離が10点測定中6点において発生し、接着性が弱い傾向が確認された。評価結果は表1にまとめた。
<Comparative Example 4>
A gas diffusion layer was formed in the same manner as in Example 4 except that when the coating liquid was applied onto the porous carbon electrode substrate, the coating layer was applied to a thickness of 50 μm using a slot die. Got. The surface of the coating layer of the obtained gas diffusion layer had no irregularities and was a smooth surface. Moreover, when adhesiveness evaluation with an electrode catalyst layer was implemented, the peeling between a catalyst layer and a coating layer generate | occur | produced in 6 points | pieces during 10-point measurement, and the tendency for adhesiveness to be weak was confirmed. The evaluation results are summarized in Table 1.

Claims (2)

ピッチが0.1mm〜1.5mm深さが5〜350μmのコーティングロッドを用いて1〜10m/分の速度で、カーボン粉、撥水剤、界面活性剤、および水からなるコーティング液を多孔質炭素電極基材上に塗工し、表面にシート幅方向に沿って凹部及び凸部を有するコーティング層であって、前記凹部及び前記凸部がそれぞれシート長手方向に沿って連続的に形成されているコーティング層を形成するガス拡散層の製造方法。   Porous coating liquid consisting of carbon powder, water repellent, surfactant, and water at a speed of 1 to 10 m / min using a coating rod having a pitch of 0.1 mm to 1.5 mm and a depth of 5 to 350 μm A coating layer coated on a carbon electrode substrate and having concave and convex portions along the sheet width direction on the surface, wherein the concave and convex portions are continuously formed along the longitudinal direction of the sheet, respectively. A method for producing a gas diffusion layer for forming a coating layer. 塗工した前記コーティング液が平坦化される前に固化、乾燥し、前記コーティング層を形成する、請求項に記載のガス拡散層の製造方法。 The method for producing a gas diffusion layer according to claim 1 , wherein the coating liquid is solidified and dried before being flattened to form the coating layer.
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