JP6932447B2 - Paste composition for forming microporous layer and gas diffusion layer for fuel cell - Google Patents

Paste composition for forming microporous layer and gas diffusion layer for fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)を構成するカーボンペーパ等の導電性多孔質基材の表面に塗布してマイクロポーラス層(MPL:Micro Porous Layer)を形成するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物及びそれを用いたガス拡散層に関するもので、特に、低コストでマイクロポーラス層を形成できるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物及びそれを用いた燃料電池用ガス拡散層に関するものである。 According to the present invention, a micro is applied to the surface of a conductive porous base material such as carbon paper constituting a gas diffusion layer (GDL) for a fuel cell to form a microporous layer (MPL). It relates to a paste composition for forming a porous layer and a gas diffusion layer using the same, and particularly to a paste composition for forming a microporous layer capable of forming a microporous layer at low cost and a gas diffusion layer for a fuel cell using the same. It is a thing.

近年、燃料電池、中でも、自動車用や家庭電源、家電等に広範囲な用途への適用性から固体高分子形燃料電池(PEFC)に大きな注目が集められている。
固体高分子形燃料電池は、イオン伝導性の高分子膜を電解質として用い、これに負極と正極を貼り合わせて1つの単セル(single cell)を形成し、セパレータを介して単セルを複数個積層することにより高電圧を得る構成(スタック)となっている。
In recent years, fuel cells, especially polymer electrolyte fuel cells (PEFCs), have attracted a great deal of attention because of their applicability to a wide range of applications such as automobiles, household power supplies, and home appliances.
The polymer electrolyte fuel cell uses an ionic conductive polymer film as an electrolyte, and a negative electrode and a positive electrode are bonded to this to form one single cell, and a plurality of single cells are formed via a separator. It has a configuration (stack) that obtains a high voltage by stacking.

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

このような構成の固体高分子形燃料電池については、高効率でエネルギが得られ、環境負荷も低いことから、自動車用の動力源(駆動源)への活用が進められており、自動車用燃料電池の更なる普及に向けて燃料電池を構成する各部材の低コスト化が望まれている。 Since the polymer electrolyte fuel cell having such a configuration can obtain energy with high efficiency and has a low environmental load, it is being used as a power source (drive source) for automobiles, and is used as a fuel for automobiles. It is desired to reduce the cost of each member constituting the fuel cell for the further spread of the battery.

ところで、こうした固体高分子形燃料電池では、上述したように、効率的に燃料ガス(アノードガス)及び酸化ガス(カソードガス)を反応させるために、白金等の触媒を担持した触媒層にガスを導くガス拡散層を用いている。即ち、ガス拡散層は、セパレータのガス流路から供給される燃料ガスまたは酸化ガスをガス拡散層に隣接する触媒層に拡散させる役目(ガス拡散性)を担い、また、電子を効率的に移動させるための導電機能、集電機能を有する。更に、かかるガス拡散層には、フラッディング現象(ガス拡散層の細孔が水で閉塞する現象)を抑制してガス通路を確保し安定した発電性能を維持するために、発電時の水素及び酸素の電気化学的反応によって生成した過剰な反応生成水や結露水を排出させる撥水性(水分透過性)も必要とされている。 By the way, in such a polymer electrolyte fuel cell, as described above, in order to efficiently react the fuel gas (anodic gas) and the oxide gas (cathode gas), gas is applied to the catalyst layer carrying a catalyst such as platinum. A leading gas diffusion layer is used. That is, the gas diffusion layer plays a role of diffusing the fuel gas or oxidation gas supplied from the gas flow path of the separator to the catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer (gas diffusivity), and efficiently moves electrons. It has a conductive function and a current collecting function. Further, in the gas diffusion layer, hydrogen and oxygen during power generation are used in order to suppress a flooding phenomenon (a phenomenon in which the pores of the gas diffusion layer are blocked by water), secure a gas passage, and maintain stable power generation performance. Water repellency (moisture permeability) that discharges excess reaction-generated water and condensed water generated by the electrochemical reaction of the above is also required.

このようなガス拡散層としては、従来、炭素繊維からなるカーボンクロス、カーボンペーパ等のカーボン基材(導電性多孔質基材)の上に、カーボン及び撥水性樹脂を主成分とするマイクロポーラス層(Micro Porous Layer;以下、『MPL』と略記することがある)を設けたものが開発されている。このカーボン基材及びMPLからなるガス拡散層は、例えば、カーボンファイバをフェノール樹脂で結着し、そのフェノール樹脂を炭化することによって得られたカーボンペーパ等のカーボン基材に対し、カーボン及び撥水性樹脂を含有するMPL形成用のペースト状混合物を塗布し、乾燥・焼成させることにより形成できることが知られている。 Conventionally, such a gas diffusion layer is a microporous layer containing carbon and a water-repellent resin as main components on a carbon base material (conductive porous base material) such as carbon cloth made of carbon fiber and carbon paper. (Micro Porous Layer; hereinafter, sometimes abbreviated as "MPL") has been developed. The gas diffusion layer made of this carbon base material and MPL is made of carbon and water repellency with respect to a carbon base material such as carbon paper obtained by binding carbon fibers with a phenol resin and carbonizing the phenol resin, for example. It is known that it can be formed by applying a paste-like mixture for forming MPL containing a resin, drying and firing.

そして、この種の公知な技術として、例えば、特許文献1や特許文献2がある。特許文献1は、導電性フィラ、フッ素系樹脂、繊維状フィラ、及び焼成によって熱分解する造孔剤粒子を混合してなる撥水ペーストを、基材に塗布して乾燥・焼成することによりガス拡散層を得る技術を開示している。
また、特許文献2でも、導電性炭素粒子、導電性炭素繊維、撥水性樹脂、及び分散剤を含む導電性多孔質層形成用ペースト組成物について開示している。
And, as a known technique of this kind, there are, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2. Patent Document 1 describes a gas obtained by applying a water-repellent paste obtained by mixing a conductive filler, a fluororesin, a fibrous filler, and pore-forming agent particles that are thermally decomposed by firing to a base material, drying and firing. The technology for obtaining a diffusion layer is disclosed.
Patent Document 2 also discloses a paste composition for forming a conductive porous layer containing conductive carbon particles, conductive carbon fibers, a water-repellent resin, and a dispersant.

ここで、これら特許文献1及び特許文献2において、繊維状フィラや導電性炭素繊維の添加により塗布後の乾燥・焼成時にクラックが発生するのを抑えることができるとされているように、従来、MPL表面のクラック発生の防止策として、カーボンナノチューブ(Carbon Nanotube;以下、『CNT』と略記することがある)、気相成長炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber;以下、『VGCF』と略記することがある)、気相成長ナノ炭素繊維(Vapor Grown Nanocarbon Fiber;以下、『VGNF』と略記することがある)の使用が知られている。 Here, as described in Patent Documents 1 and 2, it is conventionally stated that the addition of fibrous fillers and conductive carbon fibers can prevent cracks from occurring during drying and firing after coating. As measures to prevent cracks on the surface of MPL, carbon nanotubes (hereinafter abbreviated as "CNT") and vapor-grown carbon fiber (hereinafter abbreviated as "VGCF") may be abbreviated. There is), the use of vapor-grown nanocarbon fiber (Vapor Grown Nanocarbon Fiber; hereinafter, sometimes abbreviated as "VGNF") is known.

特開2006−294559JP 2006-294559 特開2014−241290JP-A-2014-241290

ところが、従来、クラック抑制のために使用されているカーボンナノチューブ(CNT)、気相成長炭素繊維(VGCF)、気相成長ナノ炭素繊維等(VGNF)の材料は高価であり、特許文献1や特許文献2の技術では、コスト高となってしまう問題点があった。
しかし、このようなカーボンナノチューブ(CNT)、気相成長炭素繊維(VGCF)、気相成長ナノ炭素繊維等(VGNF)等の材料を省略してしまうと、MPLの成膜時の収縮応力が大きくなりMPLにクラックが発生しやすくなる。特に、MPLにクラックがあると、耐久性が低下し、MPLの特性を十分に発揮させることができないばかりか、クラックに水分が溜まりやすいことから、MPLに発生したクラックと触媒層の界面に溜まった水が氷点下時に凍結し、MPLと触媒層が剥離したりそれらの一部が欠落してしまう問題がある。このため、燃料電池の性能に悪影響を与え、燃料電池の寿命も短くなる。
However, materials such as carbon nanotubes (CNT), vapor-grown carbon fibers (VGCF), and vapor-grown nanocarbon fibers (VGNF) that have been conventionally used for crack suppression are expensive, and Patent Document 1 and Patents The technique of Document 2 has a problem of high cost.
However, if materials such as carbon nanotubes (CNT), vapor-grown carbon fibers (VGCF), and vapor-grown nanocarbon fibers (VGNF) are omitted, the shrinkage stress during film formation of MPL becomes large. As a result, cracks are likely to occur in the MPL. In particular, if there are cracks in the MPL, the durability is lowered and not only the characteristics of the MPL cannot be fully exhibited, but also water tends to accumulate in the cracks, so that the cracks are accumulated at the interface between the cracks generated in the MPL and the catalyst layer. There is a problem that the water is frozen when the temperature is below freezing, and the MPL and the catalyst layer are separated or a part of them is missing. Therefore, the performance of the fuel cell is adversely affected, and the life of the fuel cell is shortened.

なお、本出願人は、先に、MPL形成用ペーストに関する発明を特願2017−022945として特許出願した。この先願では、低比表面積の黒鉛と高比表面積のアセチレンブラックを組合わせることにより、MPLの導電性及びガス透過性の向上の両立を可能とし、更に、低コスト化を可能とする技術を提供しているも、低コストでMPLのクラックを抑制する技術については何ら開示も示唆もされていない。 The applicant has previously filed a patent application for an invention relating to an MPL forming paste as Japanese Patent Application No. 2017-022945. In this prior application, by combining graphite with a low specific surface area and acetylene black with a high specific surface area, it is possible to improve both the conductivity and gas permeability of MPL, and further provide a technology that enables cost reduction. However, no disclosure or suggestion has been made regarding a technique for suppressing MPL cracks at low cost.

そこで、本発明は、安価な材料を使用してマイクロポーラス層のクラックの発生を抑制できるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物及びそれを採用した燃料電池用ガス拡散層の提供を課題とするものである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a paste composition for forming a microporous layer capable of suppressing the occurrence of cracks in the microporous layer by using an inexpensive material, and a gas diffusion layer for a fuel cell using the same. be.

請求項1の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有し、前記カーボンブラックとして、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用したものであり、カーボンペーパ等の導電性多孔質基材の表面に塗布され、乾燥・焼成されることによりマイクロポーラス層を形成するものである。 The paste composition for forming a microporous layer according to the invention of claim 1 contains carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, and the carbon black has a DBP absorption amount of 210 ml / 100 g to 262 ml /. The first carbon black, which is in the range of 100 g and has an iodine adsorption amount in the range of 85 mg / g to 97 mg / g, and the DBP absorption amount is in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, and the iodine adsorption amount is in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g. It is used in combination with a second carbon black in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, and is applied to the surface of a conductive porous base material such as carbon paper, dried and fired to form a microporous layer. Is what forms.

上記第1カーボンブラックは、DBP吸収量が210ml/100g以上、262ml/100g以下であるものである。例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラックが挙げられる。特に、マイクロポーラス層において高いガス拡散性、高い強度、高い導電性等を確保でき良好な電池性能を発揮できる点からアセチレンブラックが好適である。
また、上記第2カーボンブラックは、DBP吸収量が32ml/100g以上、48ml/100g以下であるものである。例えば、サーマルブラック、ファーネスブラックが挙げられる。特に、不純物が少なくて、高い導電性等を確保でき、良好な電池性能を発揮できる点からサーマルブラックが好適である。
The first carbon black has a DBP absorption amount of 210 ml / 100 g or more and 262 ml / 100 g or less. For example, acetylene black and furnace black can be mentioned. In particular, acetylene black is preferable because it can secure high gas diffusivity, high strength, high conductivity, etc. in the microporous layer and can exhibit good battery performance.
The second carbon black has a DBP absorption amount of 32 ml / 100 g or more and 48 ml / 100 g or less. For example, thermal black and furnace black can be mentioned. In particular, thermal black is preferable because it contains few impurities, can secure high conductivity and the like, and can exhibit good battery performance.

ここで、上記DBP吸収量はJIS K6217−4に準拠して測定したものである。DBP吸収量はストラクチャの大きさを表す指標であり、カーボンブラックのアグリゲート間の空隙率がストラクチャと正の相関があることを利用し、その空隙にDBP(Dibutyl Phthalate)を吸収させDBP吸収量によりストラクチャを間接的に定量するものである。この数値が大きい(高い)ものほどカーボンブラックのストラクチャ構造が発達し、ストラクチャが高いものであることを示し、数値が小さい(低い)ものほど、ストラクチャ構造があまり発達せずにストラクチャが低いものであることを示している。なお、ストラクチャとは、カーボンブラックの数個から数十個からなる連鎖状の凝集体(アグリゲート)の発達度合、即ち、カーボンブラック粒子のつながりの発達度合を示している。凝集体を構成するカーボン粒子の個数が多かったり、複雑な形状をしていたりすると、DBP吸収量は高いものとなる。 Here, the amount of DBP absorbed is measured in accordance with JIS K6217-4. The amount of DBP absorbed is an index showing the size of the structure, and by utilizing the fact that the porosity between carbon black aggregates has a positive correlation with the structure, DBP (Dibutyl Phthalate) is absorbed in the space and the amount of DBP absorbed. The structure is indirectly quantified by. The larger (higher) this number is, the more developed the carbon black structure is, and the higher the structure is. It shows that there is. The structure indicates the degree of development of a chain of aggregates (aggregates) composed of several to several tens of carbon black, that is, the degree of development of the connection of carbon black particles. If the number of carbon particles constituting the aggregate is large or the shape is complicated, the amount of DBP absorbed becomes high.

即ち、上記カーボンブラックは、ストラクチャが高い第1カーボンブラックと、ストラクチャーが低い第2カーボンブラックとを併用したものである。
なお、ここでは、第1カーボンブラックと第2カーボンブラックの比較で、相対的に、アグリゲートが発達したストラクチャー(鎖状構造)の大きさをストラクチャが高い、アグリゲートがあまり発達していないストラクチャー(鎖状構造)の大きさをストラクチャが低いと表現している。
That is, the carbon black is a combination of a first carbon black having a high structure and a second carbon black having a low structure.
Here, in comparison between the first carbon black and the second carbon black, the size of the structure with developed aggregates (chain structure) is relatively high, and the structure with less developed aggregates. The size of (chain structure) is expressed as low structure.

また、上記第1カーボンブラックは、沃素吸着量が85mg/g以上、97mg/g以下であり、第2カーボンブラックは、沃素吸着量が15mg/g以上、20mg/g以下であるものである。 The first carbon black has an iodine adsorption amount of 85 mg / g or more and 97 mg / g or less, and the second carbon black has an iodine adsorption amount of 15 mg / g or more and 20 mg / g or less.

ここで、上記沃素吸着量は、カーボンブラックの表面積と相関性があってカーボンブラックの比表面積を表す指標であり、JIS K6217−1に準拠して測定したものである。この数値が大きいほどカーボンブラックの比表面積が大きく、数値が小さいほど比表面積が小さいことを示している。一般的に、粒子径が小さいほど比表面積は大きくなることから、この指標が大きいものほど粒子径は小さく、指標が小さいものほど粒子径は大きいものである。 Here, the amount of iodine adsorbed is an index showing the specific surface area of carbon black, which has a correlation with the surface area of carbon black, and is measured in accordance with JIS K6217-1. The larger the value, the larger the specific surface area of carbon black, and the smaller the value, the smaller the specific surface area. In general, the smaller the particle size, the larger the specific surface area. Therefore, the larger the index, the smaller the particle size, and the smaller the index, the larger the particle size.

即ち、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であるから、第1カーボンブラックは、第2カーボンブラックよりも比表面積が大きく、第2カーボンブラックは、第1カーボンブラックよりも比表面積が小さい。 That is, since the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g and the amount of iodine adsorbed by the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, the first carbon Black has a larger specific surface area than the second carbon black, and the second carbon black has a smaller specific surface area than the first carbon black.

請求項1の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラック=20/80〜80/20の範囲内であるものである。 In the paste composition for forming a microporous layer of the invention of claim 1, the blending ratio of the first carbon black / the second carbon black is the first carbon black / the second carbon black = 20/80 to 80 /. It is within the range of 20.

上記配合比を示す前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックのうち、その前者は、前記第1カーボンブラック及び前記第2カーボンブラックの合計質量に対する第1カーボンブラックの質量%を意味し、後者は前記第1カーボンブラック及び前記第2カーボンブラックの合計質量に対する第2カーボンブラックの質量%を意味する。即ち、前記第1カーボンブラックと前記第2カーボンブラックは、前記第1カーボンブラック及び前記第2カーボンブラックの総量に対し、前記第1カーボンブラックの配合量は20質量%以上、80質量%以下であり、前記第2カーボンブラックの配合量は20質量%以上、80質量%以下であり、それらの配合比率が20/80≦前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラック≦80/20の範囲内であるものである。 Of the first carbon black and the second carbon black showing the above compounding ratio, the former means the mass% of the first carbon black with respect to the total mass of the first carbon black and the second carbon black, and the latter. Means the mass% of the second carbon black with respect to the total mass of the first carbon black and the second carbon black. That is, in the first carbon black and the second carbon black, the blending amount of the first carbon black is 20% by mass or more and 80% by mass or less with respect to the total amount of the first carbon black and the second carbon black. Yes, the blending amount of the second carbon black is 20% by mass or more and 80% by mass or less, and the blending ratio thereof is within the range of 20/80 ≦ the first carbon black / the second carbon black ≦ 80/20. Is what.

請求項2の発明の燃料電池用ガス拡散層は、導電性多孔質基材に対して、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を塗布し、乾燥・焼成することによって、前記導電性多孔質基材上にマイクロポーラス層を形成してなるものである。 The gas diffusion layer for a fuel cell according to the invention of claim 2 has a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 85 mg / g to 97 mg with respect to the conductive porous base material. The first carbon black in the range of / g and the second carbon black in the DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g and the iodine adsorption amount in the range of 15 mg / g to 20 mg / g. A microporous layer-forming paste composition containing a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent is applied, dried, and fired to form a microporous layer on the conductive porous substrate. It is made up of.

上記第1カーボンブラックは、DBP吸収量が210ml/100g以上、262ml/100g以下であるものである。例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラックが挙げられる。特に、マイクロポーラス層において高いガス拡散性、高い強度、高い導電性等を確保でき良好な電池性能を発揮できる点からアセチレンブラックが好適である。
また、上記第2カーボンブラックは、DBP吸収量が32ml/100g以上、48ml/100g以下であるものである。例えば、サーマルブラック、ファーネスブラックが挙げられる。不純物が少なくて、高い導電性等を確保でき、良好な電池性能を発揮できる点からサーマルブラックが好適である。
The first carbon black has a DBP absorption amount of 210 ml / 100 g or more and 262 ml / 100 g or less. For example, acetylene black and furnace black can be mentioned. In particular, acetylene black is preferable because it can secure high gas diffusivity, high strength, high conductivity, etc. in the microporous layer and can exhibit good battery performance.
The second carbon black has a DBP absorption amount of 32 ml / 100 g or more and 48 ml / 100 g or less. For example, thermal black and furnace black can be mentioned. Thermal black is preferable because it contains few impurities, can secure high conductivity and the like, and can exhibit good battery performance.

ここで、上記DBP吸収量は、JIS K6217−4に準拠して測定したものである。DBP吸収量はストラクチャの大きさを表す指標であり、カーボンブラックのアグリゲート間の空隙率がストラクチャと正の相関があることを利用し、その空隙にDBP(Dibutyl Phthalate)を吸収させDBP吸収量によりストラクチャを間接的に定量するものである。この数値が大きい(高い)ものほどカーボンブラックのストラクチャ構造が発達し、ストラクチャが高いものであることを示し、数値が小さい(低い)ものほど、ストラクチャ構造があまり発達せずにストラクチャが低いものであることを示している。なお、ストラクチャとは、カーボンブラックの数個から数十個からなる連鎖状の凝集体(アグリゲート)の発達度合、即ち、カーボンブラック粒子のつながりの発達度合を示している。凝集体を構成するカーボン粒子の個数が多かったり、複雑な形状をしていたりすると、DBP吸収量は高いものとなる。 Here, the amount of DBP absorbed is measured in accordance with JIS K6217-4. The amount of DBP absorbed is an index showing the size of the structure, and by utilizing the fact that the porosity between carbon black aggregates has a positive correlation with the structure, DBP (Dibutyl Phthalate) is absorbed in the space and the amount of DBP absorbed. The structure is indirectly quantified by. The larger (higher) this number is, the more developed the carbon black structure is, and the higher the structure is. It shows that there is. The structure indicates the degree of development of a chain of aggregates (aggregates) composed of several to several tens of carbon black, that is, the degree of development of the connection of carbon black particles. If the number of carbon particles constituting the aggregate is large or the shape is complicated, the amount of DBP absorbed becomes high.

即ち、上記カーボンブラックは、ストラクチャが高い第1カーボンブラックと、ストラクチャーが低い第2カーボンブラックとを併用したものである。
なお、ここでは、第1カーボンブラックと第2カーボンブラックの比較で、相対的に、アグリゲートが発達したストラクチャー(鎖状構造)の大きさをストラクチャが高い、アグリゲートがあまり発達していないストラクチャー(鎖状構造)の大きさをストラクチャが低いと表現している。
That is, the carbon black is a combination of a first carbon black having a high structure and a second carbon black having a low structure.
Here, in comparison between the first carbon black and the second carbon black, the size of the structure with developed aggregates (chain structure) is relatively high, and the structure with less developed aggregates. The size of (chain structure) is expressed as low structure.

また、上記第1カーボンブラックは、沃素吸着量が85mg/g以上、97mg/g以下であり、第2カーボンブラックは、沃素吸着量が15mg/g以上、20mg/g以下であるものである。 The first carbon black has an iodine adsorption amount of 85 mg / g or more and 97 mg / g or less, and the second carbon black has an iodine adsorption amount of 15 mg / g or more and 20 mg / g or less.

ここで、上記沃素吸着量は、カーボンブラックの表面積と相関性があってカーボンブラックの比表面積を表す指標であり、JIS K6217−1に準拠して測定したものである。この数値が大きいほどカーボンブラックの比表面積が大きく、数値が小さいほど比表面積が小さいことを示している。一般的に、粒子径が小さいほど比表面積は大きくなることから、この指標が大きいものほど粒子径は小さく、指標が小さいものほど粒子径は大きいものである。 Here, the amount of iodine adsorbed is an index showing the specific surface area of carbon black, which has a correlation with the surface area of carbon black, and is measured in accordance with JIS K6217-1. The larger the value, the larger the specific surface area of carbon black, and the smaller the value, the smaller the specific surface area. In general, the smaller the particle size, the larger the specific surface area. Therefore, the larger the index, the smaller the particle size, and the smaller the index, the larger the particle size.

即ち、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であるから、第1カーボンブラックは、第2カーボンブラックよりも比表面積が大きく、第2カーボンブラックは、第1カーボンブラックよりも比表面積が小さい。 That is, since the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g and the amount of iodine adsorbed by the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, the first carbon Black has a larger specific surface area than the second carbon black, and the second carbon black has a smaller specific surface area than the first carbon black.

請求項2の発明の燃料電池用ガス拡散層は、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラック=20/80〜80/20の範囲内であるものである。 The gas diffusion layer for a fuel cell according to the second aspect of the present invention has a blending ratio of the first carbon black / the second carbon black of the first carbon black / the second carbon black = 20/80 to 80/20. It is within the range.

上記配合比を示す前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックのうち、その前者は、前記第1カーボンブラック及び前記第2カーボンブラックの合計質量に対する第1カーボンブラックの質量%を意味し、後者は前記第1カーボンブラック及び前記第2カーボンブラックの合計質量に対する第2カーボンブラックの質量%を意味する。即ち、上記第1カーボンブラックと前記第2カーボンブラックは、前記第1カーボンブラック及び前記第2カーボンブラックの総量に対し、前記第1カーボンブラックの配合量は20質量%以上、80質量%以下であり、前記第2カーボンブラックの配合量は20質量%以上、80質量%以下であり、それらの配合比率が20/80≦前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラック≦80/20の範囲内であるものである。 Of the first carbon black and the second carbon black showing the above compounding ratio, the former means the mass% of the first carbon black with respect to the total mass of the first carbon black and the second carbon black, and the latter. Means the mass% of the second carbon black with respect to the total mass of the first carbon black and the second carbon black. That is, in the first carbon black and the second carbon black, the blending amount of the first carbon black is 20% by mass or more and 80% by mass or less with respect to the total amount of the first carbon black and the second carbon black. Yes, the blending amount of the second carbon black is 20% by mass or more and 80% by mass or less, and the blending ratio thereof is within the range of 20/80 ≦ the first carbon black / the second carbon black ≦ 80/20. Is what.

請求項1の発明に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物によれば、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有し、前記カーボンブラックとしてDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用している。 According to the paste composition for forming a microporous layer according to the invention of claim 1, it contains carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, and the amount of DBP absorbed as the carbon black is 210 ml / 100 g or more. The first carbon black, which is in the range of 262 ml / 100 g and the amount of iodine adsorbed is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g, and the DBP absorption amount is in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, and the amount of iodine adsorbed. It is used in combination with a second carbon black whose amount is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g.

本発明者らは、MPLのクラックを抑制できる技術について鋭意実験研究を進めるなか、製造条件等によって極めて多様な物性値、特性を有し、安価に入手できるカーボンブラックに着目し、ストラクチャの発達度合に特定の差があるカーボンブラックを組み合わせカーボン粒子の連鎖構造、3次元構造を制御することで、MPLのクラックを抑制できることを見出し、これらの知見に基づいて本発明を完成させたものである。 The present inventors have been diligently conducting experimental research on a technology capable of suppressing cracks in MPL, focusing on carbon black, which has extremely diverse physical property values and characteristics depending on manufacturing conditions and is available at low cost, and the degree of structural development. It has been found that cracks in MPL can be suppressed by controlling the chain structure and three-dimensional structure of carbon particles by combining carbon black having a specific difference in the above, and the present invention has been completed based on these findings.

即ち、カーボンブラックとしてDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用すると、MPLを形成する成膜時の収縮応力(マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質基材に塗布した後の乾燥・焼成する際に生じる収縮応力)を緩和でき、MPLにおけるクラックの発生を抑制できた。 That is, as carbon black, a first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g are used in combination. Then, the shrinkage stress at the time of film formation forming the MPL (the shrinkage stress generated at the time of drying and firing after applying the paste composition for forming a microporous layer to the conductive porous base material) can be relaxed, and cracks in the MPL can be relaxed. Was able to be suppressed.

ここで、第1カーボンブラックのDBP吸収量が小さすぎるものでは、第1カーボンブラックのストラクチャの発達が低いことで、カーボンブラックの粒子の連鎖による強固な3次元構造の形成が少なくなることから、MPLにクラックが発生しやすくなる。また、塗布時にペースト成分の裏抜け(ペースト成分のカーボンブラックが塗布面とは反対側の導電性多孔質基材の裏面側に抜ける現象)が生じて塗工性が低下する。なお、ペースト成分の裏抜けが生じるとガス拡散層の撥水性、ガス拡散性等が低下し、燃料電池の発電性能の低下を招く。
一方で、第1カーボンブラックのDBP吸収量が大きすぎるものは、ストラクチャの発達が高いことで、塗布時の粘性が高くて塗工性が低下してしまい、MPLの表面平滑性も低下する。なお、MPLの表面平滑性の低下によって、触媒層との接合性が低下したり、触媒層への食い込みによってストレスを与えたりするために、燃料電池の電池性能や耐久性の低下を招く。
Here, if the DBP absorption amount of the first carbon black is too small, the development of the structure of the first carbon black is low, and the formation of a strong three-dimensional structure by the chain of carbon black particles is reduced. Cracks are likely to occur in the MPL. Further, during coating, strike-through of the paste component (a phenomenon in which carbon black of the paste component escapes to the back surface side of the conductive porous base material on the opposite side to the coated surface) occurs, and the coatability is deteriorated. If the paste component strikes through, the water repellency, gas diffusivity, etc. of the gas diffusion layer deteriorate, which leads to a decrease in the power generation performance of the fuel cell.
On the other hand, if the DBP absorption amount of the first carbon black is too large, the structure is highly developed, so that the viscosity at the time of coating is high and the coatability is lowered, and the surface smoothness of MPL is also lowered. It should be noted that the decrease in the surface smoothness of the MPL reduces the bondability with the catalyst layer and causes stress due to the bite into the catalyst layer, which leads to a decrease in the battery performance and durability of the fuel cell.

また、第2カーボンブラックのDBP吸収量が小さすぎるものでも、第2カーボンブラックのストラクチャの発達が低いことで、カーボンブラックの粒子の連鎖構造が弱く、MPLにクラックが発生しやすくなる。更に、塗布時にペースト成分の裏抜けが生じやすく、塗工性も低下する。
一方で、第2カーボンブラックのDBP吸収量が大きすぎるものでは、ストラクチャの発達が高いから、MPLのクラック抑制効果が得られない。
Further, even if the DBP absorption amount of the second carbon black is too small, the chain structure of the carbon black particles is weak due to the low development of the structure of the second carbon black, and cracks are likely to occur in the MPL. Further, the paste component is likely to strike through during coating, and the coatability is also lowered.
On the other hand, if the amount of DBP absorbed by the second carbon black is too large, the structure is highly developed, so that the crack suppressing effect of MPL cannot be obtained.

第1カーボンブラックがDBP吸収量210ml/100g〜262ml/100gの範囲内のものであり、第2カーボンブラックがDBP吸収量32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であるものであれば、塗工性及びMPLの表面平滑性を低下させることなく、効果的にMPLのクラックを抑制できる。 If the first carbon black is in the range of DBP absorption amount of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and the second carbon black is in the range of DBP absorption amount of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, the coating is applied. Cracks in MPL can be effectively suppressed without deteriorating the properties and surface smoothness of MPL.

ところで、従来、MPL形成用ペーストの作製では、塗工性や成膜性を確保するために、界面活性剤、増粘剤等の分散剤の使用によってカーボンや撥水性樹脂等を溶媒に分散させることが一般的に行われている。しかし、MPL形成用ペーストに配合された分散剤がMPLに残存してしまうと、MPLの撥水性が損なわれてしまう。これは、分散剤の親水性基によって水分が捕捉されてしまうためである。よって、十分な撥水性を発現させるためには、導電性多孔質基材にMPL形成用ペーストを塗布した後、MPL形成用ペーストに含まれていた分散剤を加熱によって十分に分解・除去する必要があった。
したがって、MPL形成用ペースト塗布後の乾燥・焼成工程では、分散剤を熱分解・揮発させるために多くの時間を要したり、高温で処理したりする必要があり、分散剤を分解・除去するための負担が大きくなっているのが実情である。このため、燃料電池の普及を考え、生産性の向上やコスト削減の観点から、乾燥・焼成工程時の分散剤の分解・除去にかかる負担を低減化させることも望まれている。
By the way, conventionally, in the production of MPL forming paste, carbon, water-repellent resin and the like are dispersed in a solvent by using a dispersant such as a surfactant and a thickener in order to secure coatability and film forming property. Is commonly done. However, if the dispersant blended in the MPL forming paste remains in the MPL, the water repellency of the MPL is impaired. This is because the hydrophilic groups of the dispersant trap water. Therefore, in order to develop sufficient water repellency, it is necessary to apply the MPL forming paste to the conductive porous substrate and then sufficiently decompose and remove the dispersant contained in the MPL forming paste by heating. was there.
Therefore, in the drying / baking step after applying the MPL forming paste, it takes a lot of time to thermally decompose and volatilize the dispersant, or it is necessary to treat the dispersant at a high temperature, and the dispersant is decomposed and removed. The reality is that the burden of this is increasing. Therefore, considering the widespread use of fuel cells, it is also desired to reduce the burden of decomposing and removing the dispersant during the drying / firing process from the viewpoint of improving productivity and reducing costs.

そこで、本発明者らは、更に乾燥・焼成時の負荷を軽減できる技術について、鋭意検討を積み重ねて追求した結果、第1カーボンブラックの沃素吸着量と第2のカーボンブラックの沃素吸着量を特定の範囲に制御することで、乾燥・焼成時の負荷を軽減できることを見出し、これらの知見に基づいて第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックの沃素吸着量を規定した。 Therefore, as a result of diligent studies and pursuit of a technique capable of further reducing the load during drying and firing, the present inventors have specified the amount of iodine adsorbed on the first carbon black and the amount of iodine adsorbed on the second carbon black. It was found that the load during drying and firing can be reduced by controlling the amount in the above range, and based on these findings, the amounts of iodine adsorbed on the first carbon black and the second carbon black were defined.

即ち、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であると、カーボンブラック全体で比表面積が抑えられるから、少ない分散剤の使用量でもカーボンブラックを十分に分散させることができて塗布に適した粘度特性を得ることができる。こうして、分散に必要な分散剤の使用量を抑えることができるから、分散剤を熱分解・揮発させる乾燥・焼成工程時の加熱時間の短縮化が可能となり、乾燥・焼成工程の負荷を軽減できる。 That is, when the iodine adsorption amount of the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g and the iodine adsorption amount of the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, the entire carbon black Since the specific surface area is suppressed, the carbon black can be sufficiently dispersed even with a small amount of the dispersant, and the viscosity characteristics suitable for coating can be obtained. In this way, since the amount of the dispersant required for dispersion can be suppressed, the heating time during the drying / firing step of thermally decomposing / volatilizing the dispersant can be shortened, and the load of the drying / firing step can be reduced. ..

ここで、第1カーボンブラックの沃素吸着量が少なすぎるものでは、カーボンブラックの粒子の3次元構造の連鎖が弱く、MPLにクラックが発生しやすくなる。
一方で、第1カーボンブラックの沃素吸着量が多すぎるものでは、塗布時の粘性が高く塗工性が低下してしまい、MPLの表面平滑性が低下する。また、比表面積が大きいからカーボンブラックの分散に必要な分散剤を多く要し、乾燥・焼成工程の負荷の軽減効果が得られない。
Here, if the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is too small, the chain of the three-dimensional structure of the carbon black particles is weak, and cracks are likely to occur in the MPL.
On the other hand, if the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is too large, the viscosity at the time of coating is high and the coatability is lowered, and the surface smoothness of MPL is lowered. Further, since the specific surface area is large, a large amount of dispersant required for dispersing carbon black is required, and the effect of reducing the load in the drying / firing step cannot be obtained.

第2カーボンブラックの沃素吸着量が少なすぎるものでは、比表面積が小さくて粒子径が大きいために、MPLの表面に凹凸が生じる。なお、MPLに凹凸があると、触媒層との接合性が低下したり、触媒層への食い込みによってストレスを与えたりするために、燃料電池の電池性能や耐久性の低下を招く。また、カーボンブラックの粒子の連鎖構造が弱く、MPLにクラックが発生しやすくなる。
一方で、第2カーボンブラックの沃素吸着量が多すぎるものでは、比表面積が大きいからカーボンブラックの分散に必要な分散剤を多く要し、乾燥・焼成工程の負荷の軽減効果が得られない。
If the amount of iodine adsorbed on the second carbon black is too small, the surface area of the MPL is uneven because the specific surface area is small and the particle size is large. If the MPL has irregularities, the bondability with the catalyst layer is lowered, and stress is applied by biting into the catalyst layer, which leads to deterioration of the battery performance and durability of the fuel cell. In addition, the chain structure of carbon black particles is weak, and cracks are likely to occur in the MPL.
On the other hand, if the amount of iodine adsorbed on the second carbon black is too large, a large amount of dispersant required for dispersing the carbon black is required because the specific surface area is large, and the effect of reducing the load in the drying / firing step cannot be obtained.

第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であれば、塗工性及びMPLの表面平滑性を低下させることなく、乾燥・焼成工程時の分散剤を分解・除去する加熱時間を短縮できて、効果的に乾燥・焼成工程の負荷を軽減できる。そして、乾燥・焼成工程の負荷を軽減できることで製造コストの削減及び生産性の向上が可能である。 If the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g and the amount of iodine adsorbed by the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, the coatability and MPL The heating time for decomposing and removing the dispersant during the drying / firing step can be shortened without lowering the surface smoothness of the surface, and the load on the drying / firing step can be effectively reduced. Then, by reducing the load in the drying / firing process, it is possible to reduce the manufacturing cost and improve the productivity.

このようにして安価に入手できるカーボンブラックを使用し、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用することで、塗工性及びMPLの表面平滑性を低下させることなく、低コストで効果的にMPLのクラックを抑制でき、かつ、乾燥・焼成工程の負荷を軽減できて低コスト化及び生産性の向上が可能なマイクロポーラス層形成用ペースト組成物となる。 Using carbon black that can be obtained inexpensively in this way, the first carbon having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and an iodine adsorption amount in the range of 85 mg / g to 97 mg / g. By using black in combination with a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g and an iodine adsorption amount in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, coatability is achieved. Microporous, which can effectively suppress cracks in MPL at low cost without lowering the surface smoothness of MPL, and can reduce the load in the drying / baking process, resulting in cost reduction and improvement in productivity. It becomes a layer-forming paste composition.

請求項1の発明のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物によれば、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラック=20/80〜80/20の範囲内である。 According to the paste composition for forming a microporous layer of the invention of claim 1 , the blending ratio of the first carbon black / the second carbon black is such that the first carbon black / the second carbon black = 20/80 to It is within the range of 80/20.

前記第1カーボンブラックに対する前記第2カーボンブラックの配合比が多くなり過ぎると、ペースト組成物の成分であるカーボンブラックの裏抜けが生じて塗工性が低下し、電池性能に影響を与える可能性がある。一方で、第1カーボンブラックに対する第2カーボンブラックの配合比が少なすぎても、MPLのクラックの抑制効果が低く、実用化に適さない。 If the blending ratio of the second carbon black to the first carbon black is too large, the carbon black, which is a component of the paste composition, may strike through and the coatability may be lowered, which may affect the battery performance. There is. On the other hand, if the blending ratio of the second carbon black to the first carbon black is too small, the effect of suppressing cracks in MPL is low, and it is not suitable for practical use.

前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、好ましくは、20/80以上、80/20以下であれば、塗工性を低下させることなく、効果的にMPLのクラックを抑制することができる。より好ましくは、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、20/80以上、50/50以下であり、更に好ましくは、20/80以上、30/70以下である。 When the blending ratio of the first carbon black / the second carbon black is preferably 20/80 or more and 80/20 or less, cracks in the MPL are effectively suppressed without deteriorating the coatability. be able to. More preferably, the blending ratio of the first carbon black / the second carbon black is 20/80 or more and 50/50 or less, and more preferably 20/80 or more and 30/70 or less.

請求項2の発明の燃料電池用ガス拡散層によれば、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質基材に対して塗布し、乾燥・焼成することによって前記導電性多孔質基材と、その表面に形成されたマイクロポーラス層とからなる。 According to the gas diffusion layer for a fuel cell of the invention of claim 2 , the DBP absorption amount is in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g, and the iodine adsorption amount is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g. Dispersion of 1 carbon black, a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, and an iodine adsorption amount in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, and a water-repellent resin. A paste composition for forming a microporous layer containing an agent and a solvent was applied to a conductive porous base material, dried and fired to form the conductive porous base material and its surface. It consists of a microporous layer.

本発明者らは、MPLのクラックを抑制できる技術について鋭意実験研究を進めるなか、製造条件等によって極めて多様な物性値、特性を有し、安価に入手できるカーボンブラックに着目し、ストラクチャの発達度合に特定の差があるカーボンブラックを組み合わせカーボン粒子の連鎖構造、3次元構造を制御することで、MPLのクラックを抑制できることを見出し、これらの知見に基づいて本発明を完成させたものである。 The present inventors have been diligently conducting experimental research on a technology capable of suppressing cracks in MPL, focusing on carbon black, which has extremely diverse physical property values and characteristics depending on manufacturing conditions and is available at low cost, and the degree of structural development. It has been found that cracks in MPL can be suppressed by controlling the chain structure and three-dimensional structure of carbon particles by combining carbon black having a specific difference in the above, and the present invention has been completed based on these findings.

即ち、カーボンブラックとしてDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用すると、MPLを形成する成膜時の収縮応力(マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質基材に塗布した後の乾燥・焼成する際に生じる収縮応力)を緩和でき、MPLにおけるクラックの発生を抑制できた。 That is, as carbon black, a first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g are used in combination. Then, the shrinkage stress at the time of film formation forming the MPL (the shrinkage stress generated at the time of drying and firing after applying the paste composition for forming a microporous layer to the conductive porous base material) can be relaxed, and cracks in the MPL can be relaxed. Was able to be suppressed.

ここで、第1カーボンブラックのDBP吸収量が小さすぎるものでは、第1カーボンブラックのストラクチャの発達が低いことで、カーボンブラックの粒子の連鎖による強固な3次元構造の形成が少なくなることから、MPLにクラックが発生しやすくなる。また、塗布時にペースト成分の裏抜け(ペースト成分のカーボンブラックが塗布面とは反対側の導電性多孔質基材の裏面側に抜ける現象)が生じて塗工性が低下する。なお、ペースト成分の裏抜けが生じるとガス拡散層の撥水性等が低下し、燃料電池の発電性能の低下を招く。
一方で、第1カーボンブラックのDBP吸収量が大きすぎるものは、ストラクチャの発達が高いことで、塗布時の粘性が高くて塗工性が低下してしまい、MPLの表面平滑性も低下する。なお、MPLの表面平滑性の低下によって、触媒層との接合性が低下したり、触媒層への食い込みによってストレスを与えたりするために、燃料電池の電池性能や耐久性の低下を招く。
Here, if the amount of DBP absorbed by the first carbon black is too small, the development of the structure of the first carbon black is low, and the formation of a strong three-dimensional structure by the chain of carbon black particles is reduced. Cracks are likely to occur in the MPL. Further, during coating, strike-through of the paste component (a phenomenon in which carbon black of the paste component escapes to the back surface side of the conductive porous base material on the opposite side to the coated surface) occurs, and the coatability is deteriorated. If the paste component strikes through, the water repellency of the gas diffusion layer decreases, which leads to a decrease in the power generation performance of the fuel cell.
On the other hand, if the DBP absorption amount of the first carbon black is too large, the structure is highly developed, so that the viscosity at the time of coating is high and the coatability is lowered, and the surface smoothness of MPL is also lowered. It should be noted that the decrease in the surface smoothness of the MPL reduces the bondability with the catalyst layer and causes stress due to the bite into the catalyst layer, which leads to a decrease in the battery performance and durability of the fuel cell.

また、第2カーボンブラックのDBP吸収量が小さすぎるものでも、第2カーボンブラックのストラクチャの発達が低いことで、カーボンブラックの粒子の連鎖構造が弱く、MPLにクラックが発生しやすくなる。更に、塗布時にペースト成分の裏抜けが生じやすく、塗工性も低下する。
一方で、第2カーボンブラックのDBP吸収量が大きすぎるものでは、ストラクチャの発達が高いから、MPLのクラック抑制効果が得られない。
Further, even if the DBP absorption amount of the second carbon black is too small, the chain structure of the carbon black particles is weak due to the low development of the structure of the second carbon black, and cracks are likely to occur in the MPL. Further, the paste component is likely to strike through during coating, and the coatability is also lowered.
On the other hand, if the amount of DBP absorbed by the second carbon black is too large, the structure is highly developed, so that the crack suppressing effect of MPL cannot be obtained.

第1カーボンブラックがDBP吸収量210ml/100g〜262ml/100gの範囲内のものであり、第2カーボンブラックがDBP吸収量32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であるものであれば、塗工性及びMPLの表面平滑性を低下させることなく、効果的にMPLのクラックを抑制できる。 If the first carbon black is in the range of DBP absorption amount of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and the second carbon black is in the range of DBP absorption amount of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, the coating is applied. Cracks in MPL can be effectively suppressed without deteriorating the properties and surface smoothness of MPL.

ところで、従来、MPL形成用ペーストの作製では、塗工性や成膜性を確保するために、界面活性剤、増粘剤等の分散剤の使用によってカーボンや撥水性樹脂等を溶媒に分散させることが一般的に行われている。しかし、ペーストに配合された分散剤がMPLに残存してしまうと、MPLの撥水性が損なわれてしまう。これは、分散剤の親水性基によって水分が捕捉されてしまうためである。よって、十分な撥水性を発現させるためには、導電性多孔質基材にペーストを塗布した後、ペーストに含まれていた分散剤を加熱によって十分に分解・除去する必要があった。
したがって、ペースト塗布後の乾燥・焼成工程では、分散剤を熱分解・揮発させるために多くの時間を要したり、高温で処理したりする必要があり、分散剤を分解・除去するための負担が大きくなっているのが実情である。このため、燃料電池の普及を考え、生産性の向上やコスト削減の観点から、乾燥・焼成工程時の分散剤の分解・除去にかかる負担を低減化させることも望まれている。
By the way, conventionally, in the production of MPL forming paste, carbon, water-repellent resin and the like are dispersed in a solvent by using a dispersant such as a surfactant and a thickener in order to secure coatability and film forming property. Is commonly done. However, if the dispersant blended in the paste remains in the MPL, the water repellency of the MPL is impaired. This is because the hydrophilic groups of the dispersant trap water. Therefore, in order to develop sufficient water repellency, it is necessary to sufficiently decompose and remove the dispersant contained in the paste by heating after applying the paste to the conductive porous substrate.
Therefore, in the drying / baking process after applying the paste, it takes a lot of time to thermally decompose and volatilize the dispersant, or it is necessary to treat the dispersant at a high temperature, which is a burden for decomposing and removing the dispersant. Is getting bigger. Therefore, considering the widespread use of fuel cells, it is also desired to reduce the burden of decomposing and removing the dispersant during the drying and firing steps from the viewpoint of improving productivity and reducing costs.

そこで、本発明者らは、更に乾燥・焼成時の負荷を軽減できる技術について、鋭意検討を積み重ねて追求した結果、第1カーボンブラックの沃素吸着量と第2のカーボンブラックの沃素吸着量を特定の範囲に制御することで、乾燥・焼成時の負荷を軽減できることを見出し、これらの知見に基づいて第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックの沃素吸着量を規定した。 Therefore, as a result of diligent studies and pursuit of a technique capable of further reducing the load during drying and firing, the present inventors have specified the amount of iodine adsorbed on the first carbon black and the amount of iodine adsorbed on the second carbon black. It was found that the load during drying and firing can be reduced by controlling the amount in the above range, and based on these findings, the amounts of iodine adsorbed on the first carbon black and the second carbon black were defined.

即ち、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であると、カーボングラック全体で比表面積が抑えられるから、少ない分散剤の使用量でもカーボンブラックを十分に分散させることができて塗布に適した粘度特性を得ることができる。こうして、分散に必要な分散剤の使用量を抑えることができるから、分散剤を熱分解・揮発させる乾燥・焼成工程時の加熱時間の短縮化が可能となり、乾燥・焼成工程の負荷を軽減できる。 That is, when the amount of iodide adsorbed on the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g and the amount of iodide adsorbed on the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, the entire carbon black Since the specific surface area is suppressed, the carbon black can be sufficiently dispersed even with a small amount of the dispersant, and the viscosity characteristics suitable for coating can be obtained. In this way, since the amount of the dispersant required for dispersion can be suppressed, the heating time during the drying / firing step of thermally decomposing / volatilizing the dispersant can be shortened, and the load of the drying / firing step can be reduced. ..

ここで、第1カーボンブラックの沃素吸着量が少なすぎるものでは、カーボンブラックの粒子の3次元構造の連鎖が弱く、MPLにクラックが発生しやすくなる。
一方で、第1カーボンブラックの沃素吸着量が多すぎるものでは、塗布時の粘性が高く塗工性が低下してしまい、MPLの表面平滑性が低下する。また、比表面積が大きいからカーボンブラックの分散に必要な分散剤を多く要し、乾燥・焼成工程の負荷の軽減効果が得られない。
Here, if the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is too small, the chain of the three-dimensional structure of the carbon black particles is weak, and cracks are likely to occur in the MPL.
On the other hand, if the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is too large, the viscosity at the time of coating is high and the coatability is lowered, and the surface smoothness of MPL is lowered. Further, since the specific surface area is large, a large amount of dispersant required for dispersing carbon black is required, and the effect of reducing the load in the drying / firing step cannot be obtained.

第2カーボンブラックの沃素吸着量が少なすぎるものでは、比表面積が小さくて粒子径が大きいために、MPLの表面に凹凸が生じる。なお、MPLに凹凸があると、触媒層との接合性が低下したり、触媒層への食い込みによってストレスを与えたりするために、燃料電池の電池性能や耐久性の低下を招く。また、カーボンブラックの粒子の連鎖構造が弱く、MPLにクラックが発生しやすくなる。
一方で、第2カーボンブラックの沃素吸着量が多すぎるものでは、比表面積が大きいからカーボンブラックの分散に必要な分散剤を多く要し、乾燥・焼成工程の負荷の軽減効果が得られない。
If the amount of iodine adsorbed on the second carbon black is too small, the surface area of the MPL is uneven because the specific surface area is small and the particle size is large. If the MPL has irregularities, the bondability with the catalyst layer is lowered, and stress is applied by biting into the catalyst layer, which leads to deterioration of the battery performance and durability of the fuel cell. In addition, the chain structure of carbon black particles is weak, and cracks are likely to occur in the MPL.
On the other hand, if the amount of iodine adsorbed on the second carbon black is too large, a large amount of dispersant required for dispersing the carbon black is required because the specific surface area is large, and the effect of reducing the load in the drying / firing step cannot be obtained.

第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であれば、塗工性及びMPLの表面平滑性を低下させることなく、乾燥・焼成工程時の分散剤を分解・除去する加熱時間を短縮できて、効果的に乾燥・焼成工程の負荷を軽減できる。そして、乾燥・焼成工程の負荷を軽減できることで製造コストの削減及び生産性の向上が可能である。 If the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g and the amount of iodine adsorbed by the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, the coatability and MPL The heating time for decomposing and removing the dispersant during the drying / firing step can be shortened without lowering the surface smoothness of the surface, and the load on the drying / firing step can be effectively reduced. Then, by reducing the load in the drying / firing process, it is possible to reduce the manufacturing cost and improve the productivity.

このようにしてマイクロポーラス層形成用組成物において安価に入手できるカーボンブラックを使用し、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用することで、塗工性及びMPLの表面平滑性を低下させることなく、低コストで効果的にMPLのクラックが抑制され、かつ、乾燥・焼成工程の負荷が軽減されて低コスト化及び生産性が向上された燃料電池用ガス拡散層を形成できる。 In this way, carbon black, which is inexpensively available in the composition for forming a microporous layer, is used, the amount of DBP absorbed is in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g, and the amount of iodine adsorbed is 85 mg / g to 97 mg / g. The first carbon black in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, and the second carbon black having an iodine adsorption amount in the range of 15 mg / g to 20 mg / g. When used in combination, cracks in MPL are effectively suppressed at low cost without deteriorating coatability and surface smoothness of MPL, and the load on the drying / baking process is reduced, resulting in cost reduction and production. A gas diffusion layer for a fuel cell with improved properties can be formed.

請求項2の発明に係る燃料電池用ガス拡散層によれば、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラック=20/80〜80/20の範囲内である。 According to the gas diffusion layer for a fuel cell according to the invention of claim 2 , the compounding ratio of the first carbon black / the second carbon black is the first carbon black / the second carbon black = 20/80 to 80. It is within the range of / 20.

前記第1カーボンブラックに対する前記第2カーボンブラックの配合比が多くなり過ぎると、ペースト組成物の成分であるカーボンブラックの裏抜けが生じて塗工性が低下し、電池性能に影響を与える可能性がある。一方で、第1カーボンブラックに対する第2カーボンブラックの配合比が少なすぎても、MPLのクラックの抑制効果が低く、実用化に適さない。 If the blending ratio of the second carbon black to the first carbon black is too large, the carbon black, which is a component of the paste composition, may strike through and the coatability may be lowered, which may affect the battery performance. There is. On the other hand, if the blending ratio of the second carbon black to the first carbon black is too small, the effect of suppressing cracks in MPL is low, and it is not suitable for practical use.

前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、好ましくは、20/80以上、80/20以下であれば、MPLの塗膜の塗工性が良好であり、効果的にMPLのクラックが抑制される。より好ましくは、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、20/80以上、50/50以下であり、更に好ましくは、20/80以上、30/70以下である。 Compounding ratio of the first carbon black / the second carbon black is preferably 20/80 or more, as long as 80/20 or less, good coating properties of the coating film M PL, effectively MPL Cracks are suppressed. More preferably, the blending ratio of the first carbon black / the second carbon black is 20/80 or more and 50/50 or less, and more preferably 20/80 or more and 30/70 or less.

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

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

まず、本実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を使用する燃料電池用ガス拡散層が組み込まれる固体高分子形燃料電池(単セル)の構造について、図1の概略構成図を参照しながら説明する。なお、図中、アノード側をA、カソード側をKとする。 First, with respect to the structure of the polymer electrolyte fuel cell (single cell) in which the gas diffusion layer for the fuel cell using the paste composition for forming the microporous layer according to the present embodiment is incorporated, refer to the schematic configuration diagram of FIG. I will explain while. In the figure, the anode side is A and the cathode side is K.

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

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

ここで、本実施の形態に係るガス拡散層14(カソード側ガス拡散層14K,アノード側ガス拡散層14A)は、後述するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質基材16の表面に塗布して乾燥・焼成することにより、マイクロポーラス層(微多孔質層)15(カソード側マイクロポーラス層15K,アノード側マイクロポーラス層15A)が導電性多孔質基材16(カソード側導電性多孔質基材16K,アノード側導電性多孔質基材16A)の片面に形成されてなるものである。
そして、これら導電性多孔質基材16及びマイクロポーラス層15から構成されるガス拡散層14は、マイクロポーラス層15側が触媒層13側に配設し、導電性多孔質基材16側がセパレータ20側に配設するように組み込まれ、燃料電池1を構成する。
Here, the gas diffusion layer 14 (cathode side gas diffusion layer 14K, anode side gas diffusion layer 14A) according to the present embodiment is a paste composition for forming a microporous layer, which will be described later, on the surface of the conductive porous base material 16. The microporous layer (microporous layer) 15 (cathode side microporous layer 15K, anode side microporous layer 15A) becomes a conductive porous base material 16 (cathode side conductive porous layer). It is formed on one side of a quality base material 16K and an anode-side conductive porous base material 16A).
The gas diffusion layer 14 composed of the conductive porous base material 16 and the microporous layer 15 is arranged with the microporous layer 15 side on the catalyst layer 13 side and the conductive porous base material 16 side on the separator 20 side. It is incorporated so as to be arranged in the fuel cell 1 to form a fuel cell 1.

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

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

本実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物(以下、『MPLペースト組成物』と略記する場合がある)は、マイクロポーラス層15(以下、『MPL15』と略記する場合がある)の導電性を確保するための導電性材料としてのカーボンブラックと、MPL15の撥水性を確保するための撥水性樹脂と、溶媒と、カーボンブラックや撥水性樹脂を溶媒に分散させるための分散剤とを含有するものである。 The paste composition for forming a microporous layer of the present embodiment (hereinafter, may be abbreviated as “MPL paste composition”) is the conductivity of the microporous layer 15 (hereinafter, may be abbreviated as “MPL15”). Contains carbon black as a conductive material for ensuring properties, a water-repellent resin for ensuring the water repellency of MPL15, a solvent, and a dispersant for dispersing carbon black or the water-repellent resin in the solvent. Is what you do.

MPL15に導電性を付与するための導電性材料としては、カーボンブラックが選択される。カーボンブラックは、一次粒子が複数個融着し、ストラクチャと称される立体構造を形成しているものである。 Carbon black is selected as the conductive material for imparting conductivity to MPL15. In carbon black, a plurality of primary particles are fused to form a three-dimensional structure called a structure.

本実施の形態のMPLペースト組成物に配合されるカーボンブラックとしては、ストラクチャが発達している高ストラクチャのアセチレンブラック等の第1カーボンブラックと、カーボンストラクチャの発達が低い低ストラクチャのサーマルブラック等の第2カーボンブラックとの併用である。 The carbon black blended in the MPL paste composition of the present embodiment includes a first carbon black such as high-structured acetylene black having a well-developed structure and a low-structured thermal black having a low carbon structure. It is used in combination with the second carbon black.

具体的には、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用する。好ましくは、第1カーボンブラックのDBP吸収量に対し、第2カーボンブラックのDBP吸収量が0.1〜0.2倍の範囲内、より好ましくは、0.12〜0.19倍の範囲内である。
このようにカーボンブラックとして、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックを併用すると、MPLペースト組成物からなる塗布膜においてカーボンブラックの連鎖構造がバランスされ成膜時に生じる収縮応力を緩和できるため、MPL15のクラックの発生が抑制される。そして、CNT、VGCF等と比較してカーボンブラックは安価に入手できる材料であるため、コスト削減を図ることができる。
Specifically, a first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g are used in combination. do. Preferably, the amount of DBP absorbed by the second carbon black is within the range of 0.1 to 0.2 times, more preferably within the range of 0.12 to 0.19 times, the amount of DBP absorbed by the first carbon black. Is.
As described above, as carbon black, the first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and the second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g are used. When used in combination, the chain structure of carbon black is balanced in the coating film made of the MPL paste composition, and the shrinkage stress generated during film formation can be relaxed, so that the occurrence of cracks in MPL15 is suppressed. Since carbon black is a material that can be obtained at a lower cost than CNT, VGCF, etc., cost reduction can be achieved.

特に、第1カーボンブラックのDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、第2カーボンブラックのDBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であれば、塗工性及びMPL15の表面平滑性を確保しつつ、効果的にMPL15のクラックを抑制できる。 In particular, if the DBP absorption amount of the first carbon black is in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and the DBP absorption amount of the second carbon black is in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, the coatability And, while ensuring the surface smoothness of MPL15, cracks in MPL15 can be effectively suppressed.

即ち、第1カーボンブラックのDBP吸収量が小さすぎるものでは、クラックの発生を防止できない。これは、第1カーボンブラックのストラクチャの発達が低いと、カーボンブラックの粒子の連鎖による強固な3次元構造の形成が少なくなるためである。
一方で、第1カーボンブラックのDBP吸収量が大きすぎるものは、塗工性及びMPL15の塗膜の平滑性も低下する。これは、ストラクチャの発達が高すぎると、MPLペースト組成物の粘度が上昇してMPLペースト組成物を導電性多孔質基材16に塗布したときに塗工スジが生じてしまい、均一な塗工性を確保できないためである。MPL15の塗膜に凹凸が多くなると、触媒層13との接合性が低下したり、凸部によって触媒層13にストレスを与えたりすることから、燃料電池1の出力や寿命を低下させる恐れがある。
That is, if the DBP absorption amount of the first carbon black is too small, the occurrence of cracks cannot be prevented. This is because if the structure of the first carbon black is low, the formation of a strong three-dimensional structure due to the chain of carbon black particles is reduced.
On the other hand, if the DBP absorption amount of the first carbon black is too large, the coatability and the smoothness of the coating film of MPL15 are also lowered. This is because if the structure is developed too high, the viscosity of the MPL paste composition increases, and when the MPL paste composition is applied to the conductive porous base material 16, coating streaks occur, resulting in uniform coating. This is because the sex cannot be secured. If the coating film of the MPL 15 has many irregularities, the bondability with the catalyst layer 13 may be deteriorated, or the catalyst layer 13 may be stressed by the convex portions, which may reduce the output and the life of the fuel cell 1. ..

第2カーボンブラックのDBP吸収量が小さすぎても、第2カーボンブラックのストラクチャの発達が低いために、カーボンブラックの粒子の連鎖による強固な3次元構造の形成が少なくなるから、クラックが発生しやすい。また、MPLペースト組成物の粘度が低くて塗工性が低下し、ペースト成分の裏抜け(ペースト成分のカーボンブラックが塗布面とは反対側の導電性多孔質基材16の裏面側に抜ける現象)が生じる。ペースト成分の裏抜けが生じると、電池性能に影響を与える可能性がある。
一方で、第2カーボンブラックのDBP吸収量が大きすぎるものでは、ストラクチャの発達が高いから、MPL15のクラック抑制効果が得られない。
Even if the amount of DBP absorbed by the second carbon black is too small, cracks occur because the structure of the second carbon black is less developed and the formation of a strong three-dimensional structure by the chain of carbon black particles is reduced. Cheap. Further, the viscosity of the MPL paste composition is low, the coatability is lowered, and the paste component strikes through (the phenomenon that the carbon black of the paste component escapes to the back surface side of the conductive porous base material 16 on the opposite side to the coated surface. ) Occurs. If the paste component strikes through, it may affect the battery performance.
On the other hand, if the amount of DBP absorbed by the second carbon black is too large, the crack suppressing effect of MPL15 cannot be obtained because the structure is highly developed.

よって、第1カーボンブラックのDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、第2カーボンブラックのDBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であれば、第1カーボンブラックと第2カーボンブラックのストラクチャのバランスが良く、カーボンブラックの粒子の適度な3次元の連鎖構造により成膜時に生じる収縮応力が緩和され、塗工性及びMPL15の表面平滑性を維持しつつ、安価な材料で安定してMPL15のクラックを抑制できる。より好ましくは、第1カーボンブラックのDBP吸収量が210ml/100g〜250ml/100gの範囲内であり、第2カーボンブラックのDBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である。当該範囲内であれば、第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックの配合比の調整によるMPL15の特性の制御が容易である。 Therefore, if the DBP absorption amount of the first carbon black is in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and the DBP absorption amount of the second carbon black is in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, the first carbon The structure of black and the second carbon black is well-balanced, and the shrinkage stress generated during film formation is alleviated by the appropriate three-dimensional chain structure of carbon black particles, while maintaining coatability and surface smoothness of MPL15. It is possible to stably suppress cracks in MPL15 with an inexpensive material. More preferably, the DBP absorption amount of the first carbon black is in the range of 210 ml / 100 g to 250 ml / 100 g, and the DBP absorption amount of the second carbon black is in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g. Within this range, it is easy to control the characteristics of MPL15 by adjusting the blending ratio of the first carbon black and the second carbon black.

更に、第1カーボンブラックについては沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であるのが好ましい。また、第2カーボンブラックについては、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であるのが好ましい。
当該範囲内であれば、カーボンブラック全体で比表面積が低いから、カーボンブラックの分散に必要な分散剤の使用量が少なくて済む。よって、乾燥・焼成工程において分散剤を分解・消失させて十分な撥水性を発現させるのに必要な乾燥・焼成時間を短縮できる。または、乾燥・焼成時の加熱温度の低減化が可能である。また、高分散させるために強い剪断応力を必要とすることもないのでカーボンブラックの3次元構造が維持され、MPL15の強度や耐久性を確保できる。更に、混合分散工程や乾燥焼成工程でのエネルギ消費や製造コストを抑えることができる。
Further, for the first carbon black, the iodine adsorption amount is preferably in the range of 85 mg / g to 97 mg / g. The amount of iodine adsorbed on the second carbon black is preferably in the range of 15 mg / g to 20 mg / g.
Within this range, the specific surface area of the entire carbon black is low, so that the amount of the dispersant required for dispersing the carbon black can be reduced. Therefore, it is possible to shorten the drying / firing time required for decomposing / eliminating the dispersant in the drying / firing step to develop sufficient water repellency. Alternatively, it is possible to reduce the heating temperature during drying and firing. Further, since a strong shear stress is not required for high dispersion, the three-dimensional structure of carbon black is maintained, and the strength and durability of MPL15 can be ensured. Further, energy consumption and manufacturing cost in the mixing and dispersing step and the drying and firing step can be suppressed.

好ましくは、第1カーボンブラックの沃素吸着量に対し、第2カーボンブラックの沃素吸着量が0.1〜0.2倍の範囲内であり、より好ましくは、0.15〜0.2倍の範囲内である。 Preferably, the amount of iodine adsorbed on the second carbon black is in the range of 0.1 to 0.2 times, more preferably 0.15 to 0.2 times, the amount of iodine adsorbed on the first carbon black. It is within the range.

ここで、第1カーボンブラックの沃素吸着量が少なすぎるものでは、MPLにクラックが発生しやすくなる。これは、カーボンブラックの粒子の連鎖による強固な3次元構造の形成が少なくなるためである。
一方で、第1カーボンブラックの沃素吸着量が多すぎるものでは、MPLペースト組成物の粘度上昇により塗工性が低下してしまい、MPL15の表面平滑性も低下する。また、比表面積が大きいからカーボンブラックの分散に必要な分散剤を多く要し、乾燥・焼成工程の負荷の軽減効果が得られない。
Here, if the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is too small, cracks are likely to occur in the MPL. This is because the formation of a strong three-dimensional structure due to the chain of carbon black particles is reduced.
On the other hand, if the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is too large, the coatability is lowered due to the increase in viscosity of the MPL paste composition, and the surface smoothness of MPL15 is also lowered. Further, since the specific surface area is large, a large amount of dispersant required for dispersing carbon black is required, and the effect of reducing the load in the drying / firing step cannot be obtained.

また、第2カーボンブラックの沃素吸着量が少なすぎるものでは、比表面積が小さく粒子径が大きいことでMPL15に凹凸を発生させやすくMPL15の表面平滑性が低下する。特に、MPL15に凸部があると、燃料電池1を構成する際に触媒層13への食い込みによりに構造的なストレスを与えることになる。また、触媒層13との接合性の低下が生じたり、凸部周辺で電荷の集中が生じたりすることもある。よって、燃料電池1の出力や寿命が低下する恐れがある。更に、カーボンブラックの粒子の連鎖構造が弱く、MPL15にクラックが発生しやすくなる。
一方で、第2カーボンブラックの沃素吸着量が多すぎるものでは、比表面積が大きいからカーボンブラックの分散に必要な分散剤を多く要し、乾燥・焼成工程の負荷の軽減効果が得られない。
Further, when the amount of iodine adsorbed on the second carbon black is too small, the MPL15 is likely to have irregularities due to its small specific surface area and large particle size, and the surface smoothness of the MPL15 is lowered. In particular, if the MPL 15 has a convex portion, structural stress is given to the MPL 15 by biting into the catalyst layer 13 when forming the fuel cell 1. Further, the bondability with the catalyst layer 13 may be deteriorated, or the electric charge may be concentrated around the convex portion. Therefore, the output and life of the fuel cell 1 may decrease. Further, the chain structure of carbon black particles is weak, and cracks are likely to occur in MPL15.
On the other hand, if the amount of iodine adsorbed on the second carbon black is too large, a large amount of dispersant required for dispersing the carbon black is required because the specific surface area is large, and the effect of reducing the load in the drying / firing step cannot be obtained.

よって、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であれば、塗工性及びMPL15の表面平滑性を維持しつつ、クラックの発生を抑制でき、かつ、乾燥・焼成工程時の分散剤を分解・除去する加熱時間を大幅に短縮できて、乾燥・焼成工程の負荷を軽減できる。そして、乾燥・焼成時間の短縮により、乾燥・焼成にかかる電力を低減でき、また、生産効率を上げることができる。加えて、電気量の削減によって二酸化炭素の排出量の低減も可能となり、自然環境に与える負荷を軽減できる。 Therefore, if the amount of iodine adsorbed by the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g and the amount of iodine adsorbed by the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, the coatability And while maintaining the surface smoothness of MPL15, the occurrence of cracks can be suppressed, and the heating time for decomposing and removing the dispersant during the drying and firing steps can be significantly shortened, reducing the load on the drying and firing steps. can. Then, by shortening the drying / firing time, the electric power required for drying / firing can be reduced, and the production efficiency can be improved. In addition, by reducing the amount of electricity, it is possible to reduce the amount of carbon dioxide emitted, and the load on the natural environment can be reduced.

このような第1カーボンブラックと第2カーボンブラックの配合は、好ましくは、20/80≦第1カーボンブラック/第2カーボンブラック≦80/20である。
第1カーボンブラックに比して第2カーボンブラックの配合比が大きくなりすぎると、MPLペースト組成物の粘度特性が低下してペースト成分の裏抜けが生じるから、電池性能を低下させる恐れがある。一方で、第1カーボンブラックに比して第2カーボンブラックの配合比が小さすぎると、成膜時の収縮応力を緩和する効果が得られず、クラックの発生を抑制できない。
Such a combination of the first carbon black and the second carbon black is preferably 20/80 ≦ first carbon black / second carbon black ≦ 80/20.
If the blending ratio of the second carbon black is too large as compared with the first carbon black, the viscosity characteristics of the MPL paste composition are lowered and the paste components are strike-through, which may lower the battery performance. On the other hand, if the compounding ratio of the second carbon black is too small as compared with the first carbon black, the effect of relaxing the shrinkage stress at the time of film formation cannot be obtained, and the occurrence of cracks cannot be suppressed.

したがって、好ましくは、第1カーボンブラックと第2カーボンブラックの配合比が、第1カーボンブラック/第2カーボンブラック=20/80〜80/20の範囲内とすることによって、塗工性を維持しつつ、MPL15のクラックの発生を安定的に抑制でき、燃料電池1の電池性能を高めることができる。 Therefore, preferably, the coating property is maintained by setting the blending ratio of the first carbon black and the second carbon black within the range of the first carbon black / the second carbon black = 20/80 to 80/20. At the same time, the occurrence of cracks in the MPL 15 can be stably suppressed, and the battery performance of the fuel cell 1 can be improved.

また、本実施の形態のMPLペースト組成物に配合する撥水性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素系樹脂や、シリコーン樹脂等を使用できる。これらは1種を単独でまたは2種以上を適宜組み合わせて使用することが可能である。通常、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂は、そのままでは水には分散しないため、適当な界面活性剤(分散剤)によって水中に分散させたもの、例えば、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂が乳化されたエマルジョンや、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂が分散されたディスパージョン等の形態で添加される。 Examples of the water-repellent resin to be blended in the MPL paste composition of the present embodiment include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), and perfluoroalkoxy alkanes resin. Fluorescent resins such as (PFA), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyfluorinated vinylidene (PVdF) , Silicone resin, etc. can be used. These can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types as appropriate. Normally, a water-repellent resin such as a fluororesin does not disperse in water as it is, so a water-repellent resin such as a fluororesin dispersed in water with an appropriate surfactant (dispersant) is emulsified. The emulsion is added in the form of a dispersion in which a water-repellent resin such as a fluororesin is dispersed.

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

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

なお、撥水性樹脂の平均分子量は、5万〜100万の範囲内であることが望ましい。平均分子量が低すぎるものは、カーボンブラックの粒子を結合させるバインダーとしての結着性が小さく、一方で、平均分子量の大きすぎるものは、混合時に繊維化して分散不良になり易くてペーストの安定性が低下したり、塗工等の製造プロセスにおける剪断力により繊維化して固まり、濃度変化が生じたり、配管やポンプ等の目詰まりや塗着不良を起こしたりする原因となる。因みに撥水性樹脂がフッ素系重合体である場合、フッ素系重合体は溶媒に溶解しにくいため、溶融粘度では平均分子量を測定しにくい。このため、比重と数平均分子量との関係から平均分子量を求める比重法が適用される。
また、撥水性樹脂の含有量が少なすぎる場合、撥水性が不足したり、バインダー効果が小さくて高い塗膜強度や接合強度が得られなくなったりする。一方で、含有量が多すぎると、MPL15の空孔が少なくなり、ガス透過性が低下する。よって、撥水性樹脂は、MPLペースト組成物の全固形分中において固形分換算で5〜50質量%の範囲内の含有量とすることが望ましい。
The average molecular weight of the water-repellent resin is preferably in the range of 50,000 to 1,000,000. If the average molecular weight is too low, the binding property as a binder for binding carbon black particles is small, while if the average molecular weight is too large, the paste tends to become fibrous during mixing and become poorly dispersed, resulting in paste stability. However, it becomes fibrous and hardens due to shearing force in the manufacturing process such as coating, which causes a change in concentration, clogging of pipes and pumps, and poor coating. Incidentally, when the water-repellent resin is a fluorine-based polymer, it is difficult to measure the average molecular weight by the melt viscosity because the fluorine-based polymer is difficult to dissolve in a solvent. Therefore, the specific gravity method for obtaining the average molecular weight from the relationship between the specific gravity and the number average molecular weight is applied.
Further, if the content of the water-repellent resin is too small, the water repellency is insufficient, or the binder effect is small and high coating film strength and bonding strength cannot be obtained. On the other hand, if the content is too large, the pores of MPL15 are reduced and the gas permeability is lowered. Therefore, it is desirable that the water-repellent resin has a content in the range of 5 to 50% by mass in terms of solid content in the total solid content of the MPL paste composition.

更に、本実施の形態のMPLペースト組成物においては、カーボンブラックや撥水性樹脂を溶媒中で分散させ安定化させたり、粘度を調製したりするために分散剤が配合される。
このような分散剤としては、例えば、ポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX−100等)、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキレンアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルエーテル等の非イオン系(ノニオン系)界面活性剤、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウムクロリド、アルキルピリジウムクロリド等のカチオン系界面活性剤、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、酸性基含有構造変性ポリアクリレート等のアニオン系界面活性剤といった界面活性剤や、ポリエチレンオキサイド系、メチルセルロース系、ヒドロキシエチルセルロース系、ポリエチレングリコール系(例えば、アルキルフェノールとポリエチレングリコールのエーテル類、高級脂肪族アルコールとポリエチレングリコールのエーテル類等)、ポリビニルアルコール系等の増粘剤が使用される。
Further, in the MPL paste composition of the present embodiment, a dispersant is added to disperse and stabilize carbon black or a water-repellent resin in a solvent, or to adjust the viscosity.
Examples of such dispersants include polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene alkyl phenyl ether (Triton X-100, etc.), polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene distyrene phenyl ether, and polyoxyethylene alkylene. Nonionic (nonionic) surfactants such as alkyl ethers and polyethylene glycol alkyl ethers, cationic surfactants such as alkyltrimethylammonium salts, dialkyldimethylammonium chlorides and alkylpyridium chlorides, polyoxyethylene fatty acid esters, acidic groups Surface active agents such as anionic surfactants such as structurally modified polyacrylates, polyethylene oxide, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, polyethylene glycol (for example, ethers of alkylphenol and polyethylene glycol, higher aliphatic alcohols and polyethylene glycol). (Ethers, etc.), polyvinyl alcohol-based thickeners, etc. are used.

これらの中でも、非イオン系(ノニオン系)の界面活性剤は、金属イオンの含有量が少ないため、短絡等による電池性能の低下を招く恐れが少なくて好ましく、特に、カーボンブラック、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを使用する場合には、これらカーボンブラックやPTFE粒子の濡れ性を良くし分散性を向上させるために、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX−100)等が好適に用いられる。なお、上述したように、撥水性樹脂のエマルジョン等が分散剤を含む状態で混合される場合もある。 Among these, nonionic (nonionic) surfactants are preferable because they have a low content of metal ions and are less likely to cause deterioration of battery performance due to short circuits, etc., and are particularly preferable as carbon black and water repellent resins. When using the PTFE emulsion of the above, in order to improve the wettability and dispersibility of these carbon blacks and polyethylene particles, polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene alkyl phenyl ether ( Triton X-100) and the like are preferably used. As described above, an emulsion of a water-repellent resin or the like may be mixed in a state containing a dispersant.

このような分散剤の配合によって、カーボンブラックや撥水性樹脂の分散性が向上してペーストの安定性が高まり、塗工性や貯蔵性が改善される。また、濃度変化が生じたり塗布時において配管やポンプ等に目詰まりが起こったりするのが防止されて、良好な成膜性を得ることができる。更に、均質で表面起伏が少ないMPL15を形成でき、触媒層13との接触抵抗も小さくなり良好なガス拡散性等の特性を得て、燃料電池1において安定した出力を得ることができる。なお、MPL15に要求される特性や配合材料に応じて界面活性剤または増粘剤といった分散剤の種類が選択され、分散剤が界面活性剤及び増粘剤の二つの機能を有することもある。 By blending such a dispersant, the dispersibility of carbon black and the water-repellent resin is improved, the stability of the paste is enhanced, and the coatability and storability are improved. In addition, it is possible to prevent a change in concentration and clogging of pipes, pumps, etc. at the time of coating, and good film forming property can be obtained. Further, the MPL 15 which is homogeneous and has less surface undulation can be formed, the contact resistance with the catalyst layer 13 becomes small, characteristics such as good gas diffusivity can be obtained, and a stable output can be obtained in the fuel cell 1. The type of dispersant such as a surfactant or a thickener is selected according to the properties required for MPL15 and the compounding material, and the dispersant may have two functions of a surfactant and a thickener.

分散剤の配合は、その添加によってカーボンブラックや撥水性樹脂を溶媒中に分散させ、塗布に適した塗布性を確保するのに必要な量が配合されるが、添加量が多いと塗工性や電池性能の低下を招くことから、そのような不具合が生じない範囲に調整される。 The dispersant is blended in an amount necessary to disperse carbon black or a water-repellent resin in a solvent by adding the dispersant to ensure coatability suitable for coating. And because it causes deterioration of battery performance, it is adjusted within the range where such a problem does not occur.

特に、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であると、
カーボンブラック全体で比表面積が低く、溶媒への分散に必要な分散剤(界面活性剤等)の使用量が少なくて済む。
In particular, when the iodine adsorption amount of the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g and the iodine adsorption amount of the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g,
The specific surface area of the entire carbon black is low, and the amount of dispersant (surfactant, etc.) required for dispersion in a solvent can be reduced.

そして、このようにDBP吸収量、沃素吸着量が所定の範囲のアセチレンブラック等の第1カーボンブラックと、第1カーボンブラックよりもDBP吸収量が少なく、また、沃素吸着量が少ないサーマルブラック等の第2カーボンブラックと、PTFE等の撥水性樹脂と、界面活性剤等の分散剤とを含有するMPLペースト組成物を燃料電池1用のガス拡散層14に適用するために、ガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16の表面に塗布する際には、上記の配合材料をイオン交換水等の溶媒中で混合分散させて、ペースト状に調製される。 As described above, the first carbon black such as acetylene black having a predetermined range of DBP absorption amount and iodine adsorption amount, and the thermal black having a smaller DBP absorption amount and less iodine adsorption amount than the first carbon black, etc. In order to apply the MPL paste composition containing the second carbon black, a water-repellent resin such as PTFE, and a dispersant such as a surfactant to the gas diffusion layer 14 for the fuel cell 1, the gas diffusion layer 14 is provided. When applied to the surface of the constituent conductive porous base material 16, the above-mentioned compounding material is mixed and dispersed in a solvent such as ion-exchanged water to prepare a paste.

このときの溶媒(分散媒)は、カーボンブラック、撥水性樹脂、分散剤の各配合材料を混合分散して塗工性を確保でき、導電性多孔質基材16の表面に塗布した後の乾燥・焼成工程において消失(揮発)するものであればよく、好ましくは、イオン交換水等の水系の溶媒が使用される。イオン交換水等の水系の溶媒であれば、有機系溶剤を使用した場合よりも、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂の分散性が良くて撥水性樹脂が分離することもなく、良好な成膜性が得られる。また、塗工や焼成の際の作業性が良く、発火の恐れもない。更に、環境負荷にもならず、低コストである。 As the solvent (dispersion medium) at this time, each compounding material of carbon black, water-repellent resin, and dispersant can be mixed and dispersed to ensure coatability, and the solvent is dried after being applied to the surface of the conductive porous base material 16. -It may be any one that disappears (volatilizes) in the firing step, and an aqueous solvent such as ion-exchanged water is preferably used. If it is an aqueous solvent such as ion-exchanged water, the dispersibility of the water-repellent resin such as PTFE emulsion is better than that when an organic solvent is used, the water-repellent resin does not separate, and the film forming property is good. Is obtained. In addition, workability during coating and firing is good, and there is no risk of ignition. Furthermore, it does not impose an environmental load and is low in cost.

また、各配合材料を任意の容器に添加して、それらを混合分散する処理は、一般的なディスパー、プラネタリー等のミキサーや、ビーズミル等を使用した攪拌も可能であるが、攪拌用羽根等による剪断力を用いることなく、材料同士の接触(衝突)や材料の撹拌容器内壁への接触(衝突)によって発生する衝突エネルギー等を利用して分散させるのが望ましい。例えば、公転・自転を特定の値に設定可能な遊星式撹拌・脱泡装置等を用いて混合分散させることが好ましい。これにより、カーボンブラックのカーボン粒子の三次元構造の破壊を招くことなく、カーボンブラックの三次元構造を維持したまま、カーボンブラックを分散できることから、撥水性樹脂とカーボンブラックとの強固な三次元結合を形成し、破壊され難い塗膜強度を得ることができ、クラックの発生を防止できる。また、混合分散時に高い剪断応力がかかるとカーボンブラックの粒子や撥水性樹脂の粒子が凝集しやすく、凝集物が多く生じて塗工時のフィルターの目詰まりや塗膜の欠落を発生するが、遊星式撹拌・脱泡装置を用いることで粒子の凝集が防止され、塗工時のフィルタの目詰まりや塗膜の欠落が防止される。更に、遊星式撹拌・脱泡装置を用いることで、かかる装置においては撹拌用の羽根等を有しないため洗浄に手間がかかることがなく、歩留まりも向上することから、低コスト化が可能となる。なお、本発明を実施する場合には、必要に応じてその他の添加剤を配合することも可能である。 Further, in the process of adding each compounding material to an arbitrary container and mixing and dispersing them, stirring using a general mixer such as a dispenser or planetary or a bead mill or the like is also possible, but a stirring blade or the like can be used. It is desirable to disperse by utilizing the collision energy generated by the contact (collision) between the materials and the contact (collision) of the material with the inner wall of the stirring container without using the shearing force of the material. For example, it is preferable to mix and disperse using a planetary stirring / defoaming device or the like that can set the revolution / rotation to a specific value. As a result, carbon black can be dispersed while maintaining the three-dimensional structure of carbon black without causing destruction of the three-dimensional structure of carbon particles of carbon black, so that a strong three-dimensional bond between the water-repellent resin and carbon black can be achieved. It is possible to obtain the strength of the coating film which is hard to be broken and prevent the occurrence of cracks. In addition, when high shear stress is applied during mixing and dispersion, carbon black particles and water-repellent resin particles tend to agglomerate, and a large amount of agglomerates occur, causing clogging of the filter and chipping of the coating film during coating. By using a planetary stirring / defoaming device, agglomeration of particles is prevented, and clogging of the filter and loss of the coating film during coating are prevented. Further, by using a planetary stirring / defoaming device, since the device does not have a stirring blade or the like, cleaning is not troublesome and the yield is improved, so that the cost can be reduced. .. In addition, when carrying out this invention, it is possible to add other additives as needed.

このようにしてペースト状に調製されたMPLペースト組成物は、燃料電池1用のガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16の表面に塗布されたのち、乾燥・焼成されることで、MPL15の塗膜となる。そして、図1に示すように、導電性多孔質基材16及びその片面側に形成されたMPL15の塗膜によってガス拡散層14が構成されることになる。 The MPL paste composition thus prepared in the form of a paste is applied to the surface of the conductive porous base material 16 constituting the gas diffusion layer 14 for the fuel cell 1, and then dried and fired. , MPL15 coating film. Then, as shown in FIG. 1, the gas diffusion layer 14 is formed by the conductive porous base material 16 and the coating film of MPL15 formed on one side thereof.

ここで、MPLペースト組成物の塗布対象である導電性多孔質基材16としては、従来の燃料電池1(特に、固体高分子形燃料電池1)のガス拡散層14で一般的に用いられているもの、即ち、ガス透過性と導電性を備える多孔質の基材が使用される。例えば、黒鉛等の炭素材料(ナノカーボン材料を含む)が繊維状、粒子状、織布状、不織布状、メッシュ状、格子状、パンチング体、発泡体等の多孔質体の形態で構成されたものを用いることができる。特に、ガス透過性等の観点から、カーボン繊維が好ましく、より具体的には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト(カーボン不織布)等のカーボン基材が好適に使用される。これらは、燃料電池1の使用状況、運転条件等を考慮して選択される。 Here, the conductive porous base material 16 to which the MPL paste composition is applied is generally used in the gas diffusion layer 14 of the conventional fuel cell 1 (particularly, the polymer electrolyte fuel cell 1). That is, a porous substrate having gas permeability and conductivity is used. For example, carbon materials such as graphite (including nanocarbon materials) are composed of fibrous, particulate, woven fabric, non-woven fabric, mesh, lattice, punched materials, foams and other porous materials. Can be used. In particular, carbon fiber is preferable from the viewpoint of gas permeability and the like, and more specifically, a carbon base material such as carbon paper, carbon cloth, and carbon felt (carbon non-woven fabric) is preferably used. These are selected in consideration of the usage status of the fuel cell 1, operating conditions, and the like.

なお、必要に応じてカーボンペーパ、カーボンクロス等の導電性多孔質基材16には、ガス拡散層14の撥水性の向上等のために、撥水処理が施される。この撥水処理に使用する撥水剤としては、上述のMPLペースト組成物に用いることができる撥水性樹脂と同様のものが使用される。 If necessary, the conductive porous base material 16 such as carbon paper and carbon cloth is subjected to a water repellent treatment in order to improve the water repellency of the gas diffusion layer 14. As the water repellent used for this water repellent treatment, the same water repellent resin that can be used in the above-mentioned MPL paste composition is used.

燃料電池1用のガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16の厚さは、燃料電池1の運転条件等や求められる性能を考慮して設定されるが、導電性多孔質基材16が薄すぎると、強度が不足して安定的なガス拡散性、排水性、導電性等のガス拡散層14の性能が得られなくなったり、取扱い性が悪くなり触媒層13との位置ずれが生じたりして、電池性能の低下を招く。また、導電性多孔質基材16が厚すぎても、ガス拡散性が低下したり、内部抵抗値が増大したりし、高い電池性能を得ることができなくなる。このため、例えば、2μm〜500μmの範囲内の厚みで使用される。 The thickness of the conductive porous base material 16 constituting the gas diffusion layer 14 for the fuel cell 1 is set in consideration of the operating conditions and the required performance of the fuel cell 1, but the conductive porous base material If 16 is too thin, the strength will be insufficient and the performance of the gas diffusion layer 14 such as stable gas diffusivity, drainage, and conductivity will not be obtained, or the handling will be poor and the position will be misaligned with the catalyst layer 13. It may occur and cause a decrease in battery performance. Further, if the conductive porous base material 16 is too thick, the gas diffusivity is lowered and the internal resistance value is increased, so that high battery performance cannot be obtained. Therefore, for example, it is used with a thickness in the range of 2 μm to 500 μm.

また、導電性多孔質基材16へのMPLペースト組成物の塗布は、刷毛塗り、筆塗り、ロールコータ法、バーコータ法、ダイコータ法、ブレード法、ナイフコータ法、スピンコータ法、スクリーン印刷、ロータリースクリーン印刷、カーテンコーティング法、ディップコータ法、スプレーコータ法、グラビアコータ法、アプリケータ、スプレー噴霧等の方法で行うことができる。特に、ダイコータ法は、導電性多孔質基材16の表面粗さによらず塗工量の定量化を図ることができるため、好適であるが、必ずしもこれに限定されるものではない。 The MPL paste composition is applied to the conductive porous substrate 16 by brush coating, brush coating, roll coater method, bar coater method, die coater method, blade method, knife coater method, spin coater method, screen printing, rotary screen printing. , Curtain coating method, dip coater method, spray coater method, gravure coater method, applicator, spray spray and the like. In particular, the die coater method is suitable because the amount of coating can be quantified regardless of the surface roughness of the conductive porous base material 16, but is not necessarily limited to this.

なお、MPLペースト組成物の塗布膜厚は、燃料電池1の運転条件等やMPL15に要求される性能等を考慮して設定される。例えば、乾燥・焼成後の塗膜の乾燥膜厚(MPL15の厚み)が、1μm〜300μmの範囲内、好ましくは10〜100μmの範囲内となるように設定される。
乾燥膜厚が薄すぎると導電性多孔質基材16の凹凸を吸収したり、導電性多孔質基材16の繊維が電解質膜11に突き刺さるのを阻止したりする効果が得られない。一方で、塗布膜厚が厚すぎると、乾燥・焼成による収縮によって表面平滑性が低下しやすく、触媒層13との接触抵抗が増大する。また、乾燥膜厚が厚いと、厚さ方向の電気抵抗が高くなる。
乾燥膜厚が1μm〜300μmの範囲内であれば、表面平滑性の高いMPL15が得られ、良好なガス透過性、電気抵抗性の性能を確保できる。また、導電性多孔質基材16の厚みに対してMPL15の厚みが50%以下であるのが望ましい。厚みの差が適度な範囲内であれば、乾燥・焼成による導電性多孔質基材16とMPL15間における収縮応力が小さく、高い接合強度が得られる。また、ガス拡散層14全体の平滑性が高くなり触媒層13との接触抵抗が小さいものとなる。
The coating film thickness of the MPL paste composition is set in consideration of the operating conditions of the fuel cell 1 and the performance required for the MPL 15. For example, the dry film thickness (thickness of MPL15) of the coating film after drying and firing is set to be in the range of 1 μm to 300 μm, preferably in the range of 10 to 100 μm.
If the dry film thickness is too thin, the effect of absorbing the unevenness of the conductive porous base material 16 and preventing the fibers of the conductive porous base material 16 from sticking into the electrolyte membrane 11 cannot be obtained. On the other hand, if the coating film thickness is too thick, the surface smoothness tends to decrease due to shrinkage due to drying and firing, and the contact resistance with the catalyst layer 13 increases. Further, when the dry film thickness is thick, the electric resistance in the thickness direction becomes high.
When the dry film thickness is in the range of 1 μm to 300 μm, MPL15 having high surface smoothness can be obtained, and good gas permeability and electrical resistance can be ensured. Further, it is desirable that the thickness of the MPL 15 is 50% or less with respect to the thickness of the conductive porous base material 16. When the difference in thickness is within an appropriate range, the shrinkage stress between the conductive porous base material 16 and the MPL 15 due to drying and firing is small, and high bonding strength can be obtained. Further, the smoothness of the entire gas diffusion layer 14 is increased, and the contact resistance with the catalyst layer 13 is reduced.

このようにして導電性多孔質基材16に塗布されたMPLペースト組成物は、乾燥・焼成されることにより、導電性、撥水性及びガス拡散性を有するMPL15からなる塗膜を形成する。即ち、乾燥・焼成によって、MPLペースト組成物中の分散剤及び溶媒(水分)が除去されて撥水性樹脂による撥水性が確保されると共に、細孔(空隙)が形成されてガス拡散性が確保され、そして、カーボンブラックによる導電性が確保されたMPL15を得ることができる。更に、撥水性樹脂の一部が溶融されて導電材(カーボン粒子や、導電性多孔質基材16の炭素繊維等の導電性物質)を結着して、形成されるMPL15を強固なものとする。 The MPL paste composition applied to the conductive porous base material 16 in this manner is dried and fired to form a coating film made of MPL15 having conductivity, water repellency and gas diffusivity. That is, by drying and firing, the dispersant and solvent (moisture) in the MPL paste composition are removed to ensure water repellency by the water-repellent resin, and pores (voids) are formed to ensure gas diffusivity. Then, it is possible to obtain MPL15 in which conductivity is ensured by carbon black. Further, a part of the water-repellent resin is melted and a conductive material (a conductive substance such as carbon particles or carbon fibers of the conductive porous base material 16) is bound to form MPL15 to be strong. do.

このとき、乾燥・焼成工程での熱処理による分散剤の除去が不十分であると、残存した分散剤の親水性基によって水分が捕捉されるため、MPL15において十分な撥水性を発現させることができず、燃料電池1に適用した場合に実用的な撥水性を得ることができない。このため、乾燥・焼成処理においては、分散剤の除去に十分な時間、温度が必要となってくる。 At this time, if the dispersant is not sufficiently removed by heat treatment in the drying / firing step, water is trapped by the remaining hydrophilic groups of the dispersant, so that sufficient water repellency can be exhibited in MPL15. However, when applied to the fuel cell 1, practical water repellency cannot be obtained. Therefore, in the drying / firing treatment, a sufficient time and temperature are required to remove the dispersant.

特に、本実施の形態において、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であると、カーボンブラック全体での比表面積が抑えられ、溶媒への分散に必要な分散剤(界面活性剤等)の使用量が少なくて済む。また、MPLペースト組成物の粘度上昇が抑えられて、少ない溶媒量で塗布に適した粘度特性となる。したがって、分散剤及び溶媒(水分)を熱分解・揮発させるのに必要な焼成・乾燥時間が短くて済み、短い乾燥・焼成時間で分散剤及び溶媒(水分)の十分な除去を可能とする。即ち、分散剤及び溶媒(水分)を十分に除去して撥水性を発現するのに要する乾燥・焼成時間を短縮できる。 In particular, in the present embodiment, the iodine adsorption amount of the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g, and the iodine adsorption amount of the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g. If there is, the specific surface area of the entire carbon black can be suppressed, and the amount of the dispersant (surfactant or the like) required for dispersion in the solvent can be reduced. Further, the increase in viscosity of the MPL paste composition is suppressed, and the viscosity characteristics suitable for coating can be obtained with a small amount of solvent. Therefore, the firing / drying time required for thermally decomposing / volatilizing the dispersant and the solvent (moisture) can be shortened, and the dispersant and the solvent (moisture) can be sufficiently removed in a short drying / firing time. That is, the drying / firing time required to sufficiently remove the dispersant and the solvent (moisture) to develop water repellency can be shortened.

そして、このように乾燥・焼成時間が短いと、乾燥・焼成にかかる電力を低減でき、また、乾燥・焼成炉の炉長を短くできることから、乾燥・焼成処理にかかる負荷を軽減でき、製造コストを低減することができる。その結果、ガス拡散層14、しいては燃料電池1の低コスト化を図ることが可能となる。また、電気量の削減によって二酸化炭素の排出量の低減が可能であるから、自然環境に与える負荷を軽減できる。加えて、乾燥・焼成時間の短縮により生産効率を上げることができる。 When the drying / firing time is short in this way, the electric power required for drying / firing can be reduced, and the length of the drying / firing furnace can be shortened, so that the load required for the drying / firing process can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced. Can be reduced. As a result, it is possible to reduce the cost of the gas diffusion layer 14, and thus the fuel cell 1. Moreover, since the amount of carbon dioxide emitted can be reduced by reducing the amount of electricity, the load on the natural environment can be reduced. In addition, the production efficiency can be improved by shortening the drying / firing time.

なお、このときの乾燥・焼成の温度は分散剤を熱分解・揮発して除去できる温度に設定され、例えば、分散剤がポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX−100)等であれば、250〜350℃の範囲に設定される。
乾燥・焼成温度が低すぎると、乾燥・焼成時間を長くしても、分散剤を十分に熱分解・揮発して除去することができず、分散剤が残存してそれらの親水性基によって水分が捕捉されるため、形成するガス拡散層14において十分な撥水性を発現できない。
一方で、乾燥・焼成温度が高すぎる場合、撥水性樹脂等の塗膜成分が熱分解されてMPL15の成分が劣化したり、高い温度変化によりMPL15の変形が大きくなって平滑性が低下したり、亀裂が生じたりすることで、所望の要求性能を満たすMPL15の形成が困難となる。更に、乾燥・焼成工程での負荷や自然環境に与える負荷が増え、製造コストも高くなる。
The drying / firing temperature at this time is set to a temperature at which the dispersant can be thermally decomposed / volatilized and removed. For example, the dispersants are polyoxyethylene tridecyl ether and polyoxyethylene alkyl phenyl ether (Triton X-100). ) Etc., the temperature is set in the range of 250 to 350 ° C.
If the drying / firing temperature is too low, the dispersant cannot be sufficiently thermally decomposed / volatilized to be removed even if the drying / firing time is lengthened, and the dispersant remains and moisture is caused by those hydrophilic groups. Is trapped, so that sufficient water repellency cannot be exhibited in the gas diffusion layer 14 to be formed.
On the other hand, if the drying / firing temperature is too high, the coating film components such as the water-repellent resin are thermally decomposed and the components of MPL15 are deteriorated, or the deformation of MPL15 is increased due to a high temperature change and the smoothness is lowered. , Cracks occur, and it becomes difficult to form MPL15 that satisfies the desired required performance. Furthermore, the load in the drying / firing process and the load on the natural environment increase, and the manufacturing cost also increases.

分散剤が、例えば、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX−100)やポリオキシエチレントリデシルエーテルであれば、乾燥・焼成温度を250℃〜350℃の範囲内とすることで、分散剤及が完全に分解・揮発して残存しないから、発電効率に大きく影響を与えるガス拡散層14の重要特性である撥水性を確保できて所望特性のMPL15を形成でき、また、導電性多孔質基材16との良好な接合を確保することができる。 If the dispersant is, for example, polyoxyethylene alkyl phenyl ether (Triton X-100) or polyoxyethylene tridecyl ether, the drying / firing temperature can be set within the range of 250 ° C to 350 ° C to spread the dispersant. Is completely decomposed and volatilized and does not remain, so that water repellency, which is an important characteristic of the gas diffusion layer 14, which greatly affects power generation efficiency, can be secured, MPL15 having desired characteristics can be formed, and a conductive porous base material can be formed. Good bonding with 16 can be ensured.

そして、上述したように、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であると、溶媒への分散に必要な分散剤(界面活性剤等)の使用量が少なくて済み、また、少ない溶媒量で塗布に適した粘度特性となることから、低い乾燥・焼成温度でも、分散剤及び溶媒(水分)の除去に要する乾燥・焼成時間が大幅に長くなることはなく短時間の乾燥・焼成で撥水性を発現させることも可能である。即ち、より低温での乾燥・焼成としても分散剤及び溶媒(水分)の除去に要する乾燥・焼成時間が短くて済み、乾燥・焼成温度の低減化も可能である。そして、乾燥・焼成温度の低減化によっても、乾燥・焼成にかかる電力を抑えて乾燥・焼成にかかる負荷を軽減でき、製造コストの低減化を図ることが可能である。また、自然環境に与える負荷を軽減することができ、更に、高温加熱に起因する塗膜成分の劣化やクラックの発生、導電性多孔質基材16への定着力の低下等を防止できる。 As described above, the iodine adsorption amount of the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g, and the iodine adsorption amount of the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g. Since the amount of dispersant (surfactant, etc.) required for dispersion in the solvent is small and the viscosity characteristics are suitable for coating with a small amount of solvent, it can be dispersed even at low drying and firing temperatures. The drying / firing time required for removing the agent and the solvent (moisture) does not become significantly long, and it is possible to develop water repellency by drying / firing for a short time. That is, even when drying / firing at a lower temperature, the drying / firing time required for removing the dispersant and the solvent (moisture) can be shortened, and the drying / firing temperature can be reduced. Further, by reducing the drying / firing temperature, it is possible to suppress the electric power required for drying / firing to reduce the load applied to drying / firing, and it is possible to reduce the manufacturing cost. Further, the load applied to the natural environment can be reduced, and further, deterioration of the coating film component due to high temperature heating, generation of cracks, deterioration of the fixing force to the conductive porous base material 16, and the like can be prevented.

なお、熱処理を伴う乾燥・焼成工程において、乾燥と焼成の順序は特に問われず、乾燥と焼成が同時に行われることもある。また、主に分散剤の分解除去を行うための熱処理と、主に撥水性樹脂の溶融による結着を行うための熱処理とで温度や時間条件を変え、各熱処理を分けて行うことも可能である。 In the drying / firing step involving heat treatment, the order of drying and firing is not particularly limited, and drying and firing may be performed at the same time. It is also possible to change the temperature and time conditions between the heat treatment mainly for decomposing and removing the dispersant and the heat treatment mainly for binding by melting the water-repellent resin, and each heat treatment can be performed separately. be.

このようにして、導電性多孔質基材16の表面にMPLペースト組成物を塗布して、乾燥・焼成することにより、導電性多孔質基材16上にMPL15が形成されて、導電性多孔質基材16及びMPL15からなる燃料電池用ガス拡散層14が得られるが、このような導電性多孔質基材16及びMPL15からなる燃料電池用拡散層14が組み込まれた燃料電池1では、MPL15の存在によってガス拡散性及び水管理性が向上し発電性能が安定化する。また、MPL15の成分調節により、導電性多孔質基材16のみでは困難である電池の使用環境や運転条件等に応じた性能の制御性を獲得できる。更に、MPL15によって導電性多孔質基材16の起伏を吸収して平滑な表面が得られる。即ち、導電性多孔質基材16の炭素繊維のほつれや毛羽立ちが触媒層13や高分子電解質膜11に突き刺さったり接触したりすることによる短絡(ショート)の発生をMPL15によって回避できる。 In this way, the MPL paste composition is applied to the surface of the conductive porous base material 16, dried and fired to form MPL 15 on the conductive porous base material 16, and the conductive porous material 16 is formed. A fuel cell gas diffusion layer 14 composed of the base material 16 and the MPL 15 can be obtained. In the fuel cell 1 in which the fuel cell diffusion layer 14 made of the conductive porous base material 16 and the MPL 15 is incorporated, the MPL 15 The presence improves gas diffusivity and water management and stabilizes power generation performance. Further, by adjusting the components of MPL15, it is possible to obtain controllability of performance according to the battery usage environment, operating conditions, etc., which is difficult only with the conductive porous base material 16. Further, the MPL 15 absorbs the undulations of the conductive porous base material 16 to obtain a smooth surface. That is, the MPL 15 can avoid the occurrence of a short circuit due to fraying or fluffing of the carbon fibers of the conductive porous base material 16 piercing or contacting the catalyst layer 13 or the polymer electrolyte membrane 11.

そして、本実施の形態のMPLペースト組成物を用いて作製されたガス拡散層14では、MPLペースト組成物においてDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとが併用されていることで、乾燥・焼成工程で加熱したときに塗膜に発生する収縮応力が緩和されて、MPL15表面のクラックの発生が抑制される。そして、MPL15のクラックの低減によりガス拡散層14の耐久性が向上しガス拡散層14の特性が安定するから、燃料電池1の耐久性及び出力特性を向上させることができる。 Then, in the gas diffusion layer 14 produced by using the MPL paste composition of the present embodiment, the first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g in the MPL paste composition is used. By using the second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g in combination, the shrinkage stress generated in the coating film when heated in the drying / firing step is alleviated. The generation of cracks on the surface of MPL15 is suppressed. Then, since the durability of the gas diffusion layer 14 is improved and the characteristics of the gas diffusion layer 14 are stabilized by reducing the cracks of the MPL 15, the durability and the output characteristics of the fuel cell 1 can be improved.

特に、MPLペースト組成物中の第1カーボンブラックのDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、第2カーボンブラックのDBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であると、粘性の低下によるペーストの裏抜けであったり、粘性の上昇による塗工スジが生じたりすることがなくて塗工性を確保でき、更に、MPL15の表面に凹凸、起伏が少なくて表面平滑性に優れる。そして、表面が平滑なMPL15を形成できることで、燃料電池1に組込んだときでも、触媒層13との接触性が良く、触媒層13に機械的なストレスを与えることもないから、燃料電池1の耐久性の向上及び安定した出力特性の向上が可能である。しかも、カーボンブラックはVGCFやCNTに比較して著しく低価格であるため、低コストで済む。 In particular, the DBP absorption amount of the first carbon black in the MPL paste composition is in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g, and the DBP absorption amount of the second carbon black is in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g. If there is, it is possible to secure the coatability without causing strike-through of the paste due to the decrease in viscosity or the occurrence of coating streaks due to the increase in viscosity, and further, the surface of MPL15 has less unevenness and undulations on the surface. Excellent smoothness. Since the MPL 15 having a smooth surface can be formed, the contact with the catalyst layer 13 is good even when the fuel cell 1 is incorporated, and the catalyst layer 13 is not mechanically stressed. It is possible to improve the durability and stable output characteristics. Moreover, since carbon black is remarkably low in price as compared with VGCF and CNT, the cost can be reduced.

こうして、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用して安価な材料であるカーボンブラックの使用により、MPL15表面のクラックの発生を抑制できる。そして、MPL15表面のクラックの発生を抑制できることで、MPL15表面のクラックに水が溜まる事態を防止できるから、触媒層13とMPL15との間でクラックに溜まった水が氷点下時に凍結することによる触媒層13とMPL15の剥離、破壊を防止できる。また、クラックが抑制されると、ガス拡散性が均一となり、均一なガス供給を行うことができる。よって、燃料電池1の周囲環境条件の変化にも対応でき耐久性が高く安定した燃料電池1の出力を可能とする。 In this way, the first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and the second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g are used in combination at low cost. By using carbon black, which is a suitable material, the occurrence of cracks on the surface of MPL15 can be suppressed. Since the occurrence of cracks on the surface of the MPL15 can be suppressed, the situation where water accumulates in the cracks on the surface of the MPL15 can be prevented. It is possible to prevent peeling and destruction of 13 and MPL15. Further, when cracks are suppressed, the gas diffusibility becomes uniform, and a uniform gas supply can be performed. Therefore, it is possible to cope with changes in the ambient environment conditions of the fuel cell 1 and to enable a stable output of the fuel cell 1 with high durability.

そして、このようにDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である高ストラクチャの第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である低ストラクチャの第2カーボンブラックとを併用するから、高ストラクチャの第1カーボンブラックと低ストラクチャの第2カーボンブラックの配合調整によるMPLの孔径、空隙率の制御、即ち、ガス拡散性、導電性等の特性の制御が容易に可能となる。 As described above, the high-structured first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and the low-structured first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g. Since 2 carbon black is used in combination, the pore size and porosity of MPL are controlled by adjusting the composition of the high-structured first carbon black and the low-structured second carbon black, that is, the characteristics such as gas diffusivity and conductivity are controlled. Is easily possible.

また、カーボンブラックは、一般的にその直径(一次粒子径)が3〜500nm程度の炭素粒子の凝集構造であるから、表面が滑らかな表面平滑性に優れたMPL15を得ることができる。したがって、触媒層13との密着性を増して接触面での接触抵抗を少なくでき、発電効率を向上可能である。更に、触媒層13への食い込みも防止され、ストレスを低減できる。よって、燃料電池1の出力の向上及び耐久性を向上させることができる。
即ち、MPL15の表面のクラックが抑制されるうえ、その表面平滑性に優れるから、触媒層13との接合強度もより高くなり、MPL15と触媒層13の剥離防止効果も高く、燃料電池1の長寿命化が可能となる。また、MPL15のクラックが抑制され、触媒層13との接触抵抗も少ないから、導電性の向上により電池性能を高めることも可能である。
Further, since carbon black generally has an aggregated structure of carbon particles having a diameter (primary particle diameter) of about 3 to 500 nm, MPL15 having a smooth surface and excellent surface smoothness can be obtained. Therefore, the adhesion to the catalyst layer 13 can be increased, the contact resistance on the contact surface can be reduced, and the power generation efficiency can be improved. Further, biting into the catalyst layer 13 is prevented, and stress can be reduced. Therefore, the output and durability of the fuel cell 1 can be improved.
That is, since cracks on the surface of MPL15 are suppressed and the surface smoothness is excellent, the bonding strength with the catalyst layer 13 is higher, the effect of preventing peeling between MPL15 and the catalyst layer 13 is also high, and the length of the fuel cell 1 is high. The life can be extended. Further, since the crack of the MPL 15 is suppressed and the contact resistance with the catalyst layer 13 is small, it is possible to improve the battery performance by improving the conductivity.

更に、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であると、溶媒への分散に必要な分散剤(界面活性剤等)の使用量が少なくて済む。また、粘度上昇が抑えられて、少ない溶媒量で塗布に適した粘度特性となる。したがって、分散剤及び溶媒(水分)を熱分解・揮発させるのに必要な焼成・乾燥時間の短縮が可能であり、ガス拡散層14の製造時間を短縮でき生産性を向上させることができる。また、焼成・乾燥時間の短縮によりエネルギの使用量、コストを削減できるから、製造コストを削減できる。 Further, when the amount of iodide adsorbed on the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g and the amount of iodide adsorbed on the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, it is added to the solvent. The amount of dispersant (surfactant, etc.) required for dispersion can be reduced. In addition, the increase in viscosity is suppressed, and the viscosity characteristics suitable for coating can be obtained with a small amount of solvent. Therefore, the firing / drying time required for thermally decomposing / volatilizing the dispersant and the solvent (moisture) can be shortened, the production time of the gas diffusion layer 14 can be shortened, and the productivity can be improved. Further, since the amount of energy used and the cost can be reduced by shortening the firing / drying time, the manufacturing cost can be reduced.

よって、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、かつ、沃素吸着量85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、かつ、沃素吸着量15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとの安価な材料である所定のカーボンブラックの併用によりMPL15のクラックの発生を抑制できるうえ、焼成・乾燥時間の短縮によって焼成・乾燥工程の負荷を軽減し、低コストでガス拡散層14を製造できる。 Therefore, the first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and an iodine adsorption amount in the range of 85 mg / g to 97 mg / g, and a DBP absorption amount of 32 ml / 100 g to The occurrence of cracks in MPL15 is caused by the combined use of a predetermined carbon black, which is an inexpensive material, with the second carbon black, which is in the range of 48 ml / 100 g and has an iodine adsorption amount in the range of 15 mg / g to 20 mg / g. In addition to being able to be suppressed, the load on the firing / drying step can be reduced by shortening the firing / drying time, and the gas diffusion layer 14 can be manufactured at low cost.

即ち、第1カーボンブラックがDBP吸収量210ml/100g〜262ml/100gの範囲内、かつ、沃素吸着量85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックがDBP吸収量32ml/100g〜48ml/100gの範囲内、かつ、沃素吸着量15mg/g〜20mg/gの範囲内であると、第1カーボンブラックの比表面積とストラクチャがバランスされ、また、第2カーボンブラックの比表面積とストラクチャがバランスされているから、塗工性及びMPL15の表面平滑性を良好に維持しつつ、MPL15表面のクラックを抑制でき、かつ、分散剤の除去に要する加熱処理時間を短縮でき、安価な材料であるカーボンブラックの使用及び加熱処理時間の短縮により低コスト化が可能である。 That is, the first carbon black is in the range of DBP absorption amount of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g, and the iodine adsorption amount is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g, and the second carbon black is in the range of DBP absorption amount of 32 ml / 100 g. When the amount is within the range of ~ 48 ml / 100 g and the amount of iodine adsorbed is within the range of 15 mg / g to 20 mg / g, the specific surface area and the structure of the first carbon black are balanced, and the specific surface area of the second carbon black Since the structure is balanced, it is possible to suppress cracks on the surface of MPL15 while maintaining good coatability and surface smoothness of MPL15, and it is possible to shorten the heat treatment time required for removing the dispersant, which is an inexpensive material. It is possible to reduce the cost by using carbon black and shortening the heat treatment time.

更に、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとの併用であるから、繊維のように高分子電解質膜11への突き刺さりが生じることもなく、また、それらのカーボンブラックは粒子径も小さいからMPL15の塗膜表面の凹凸が少ない。よって、燃料電池1に組み込んだときでも、高分子電解質膜11や触媒層13の劣化を招く恐れが少なく、燃料電池1の耐久性を向上させることができる。 Further, the first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and an iodine adsorption amount in the range of 85 mg / g to 97 mg / g, and a DBP absorption amount of 32 ml / 100 g to 48 ml / g. Since it is used in combination with the second carbon black, which is in the range of 100 g and has an iodine adsorption amount in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, it does not pierce the polymer electrolyte membrane 11 like fibers. In addition, since these carbon blacks have a small particle size, the surface of the coating film of MPL15 has less unevenness. Therefore, even when the fuel cell 1 is incorporated, the polymer electrolyte membrane 11 and the catalyst layer 13 are less likely to be deteriorated, and the durability of the fuel cell 1 can be improved.

次に、本発明の実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の配合組成を具体的に示して、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物及びそれを用いて作製した燃料電池用ガス拡散層14の実施例について説明する。 Next, the compounding composition of the paste composition for forming a microporous layer according to the embodiment of the present invention is specifically shown, and the paste composition for forming a microporous layer and the gas diffusion layer for a fuel cell produced using the same are shown. 14 examples will be described.

まず、本実施の形態に係るMPLペースト組成物の配合組成として表1に示す配合内容で、実施例1乃至実施例6の配合のMPLペースト組成物を作製した。また、比較のために併せて、比較例1乃至比較例5に係るMPLペースト組成物も作製した。各実施例の配合内容を表1の上段に示し、各比較例の配合内容を表2の上段に示す。 First, MPL paste compositions containing the formulations of Examples 1 to 6 were prepared with the formulation contents shown in Table 1 as the formulation composition of the MPL paste composition according to the present embodiment. In addition, for comparison, MPL paste compositions according to Comparative Examples 1 to 5 were also prepared. The compounding contents of each example are shown in the upper part of Table 1, and the compounding contents of each comparative example are shown in the upper part of Table 2.

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実施例及び比較例に係るMPLペースト組成物では、第1カーボンブラックとしてアセチレンブラック(例えば、電気化学工業(株)製の「デンカブラック(登録商標)」)を用い、第2カーボンブラックとしてサーマルブラック(例えば、Cancarb社製の「サーマックス(登録商標)」、旭カーボン(株)製の「アサヒサーマル」)を用いた。
また、撥水性樹脂としてPTFEのエマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D−210C[固形分(樹脂分)61%])を用い、分散剤として界面活性剤のトリトンX−100を用い、溶媒としてイオン交換水を用いた。なお、PTFEエマルジョンにも、撥水性樹脂としてのPTFE微粒子を安定化させるための非イオン系界面活性剤(分散剤)が含まれている。
In the MPL paste compositions according to Examples and Comparative Examples, acetylene black (for example, "Denka Black (registered trademark)" manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was used as the first carbon black, and thermal black was used as the second carbon black. (For example, "Thermax (registered trademark)" manufactured by Cancarb and "Asahi Thermal" manufactured by Asahi Carbon Co., Ltd.) were used.
Further, a PTFE emulsion (manufactured by Daikin Industries, Ltd .: POLYFLON PTFE D-210C [solid content (resin content) 61%]) was used as the water-repellent resin, and the surfactant Triton X-100 was used as the dispersant. Ion-exchanged water was used as the solvent. The PTFE emulsion also contains a nonionic surfactant (dispersant) for stabilizing PTFE fine particles as a water-repellent resin.

第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラック、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックの各DBP吸収量、沃素吸着量は表1、表2に示した通りである。
ここで、DBP吸収量(ml/100g)は、JIS K 6217−4に準拠し、S−500吸収量測定装置(あさひ総研社製)を用いて、カーボンブラックにDBPを添加したときの粘度特性の変化によって発生するトルクを検出し、最大トルクの70%時のDBP添加量を試料100g当たりに換算して求めたものである。
また、沃素吸着量(mg/g)は、JIS K 6217−1に準拠し、乾燥したカーボブラックを量りとり、標準沃素溶液(0.0473N)と混合し、遠心分離した上澄液をチオ硫酸ナトリウム溶液で滴定し、その滴定値及び試料の質量から算出したものである。
The DBP absorption amount and iodine adsorption amount of acetylene black as the first carbon black and thermal black as the second carbon black are as shown in Tables 1 and 2.
Here, the DBP absorption amount (ml / 100 g) conforms to JIS K 6217-4, and the viscosity characteristics when DBP is added to carbon black using an S-500 absorption amount measuring device (manufactured by Asahi Soken Co., Ltd.). The torque generated by the change in the above torque was detected, and the amount of DBP added at 70% of the maximum torque was obtained by converting it per 100 g of the sample.
The amount of iodine adsorbed (mg / g) is in accordance with JIS K 6217-1, and the dried carb black is weighed, mixed with a standard iodine solution (0.0473N), and the supernatant is centrifuged to thiosulfate. It was titrated with a sodium solution and calculated from the titrated value and the mass of the sample.

また、各材料の配合量(重量部)は表1、表2に示した通りである。実施例及び比較例の全てにおいて、MPLペースト組成物の合計量が400gになるように各材料の配合量、配合比を調整している。
実施例1では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が230ml/100g、沃素吸着量が92mg/gのアセチレンブラックを15.5重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が40ml/100g、沃素吸着量が17mg/gのサーマルブラックを3.9重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを4.3重量部(うち固形分(樹脂分);2.6重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を1.6重量部、イオン交換水を74.7重量部の配合によって実施例1に係るMPLペースト組成物とした。
The blending amount (part by weight) of each material is as shown in Tables 1 and 2. In all of Examples and Comparative Examples, the blending amount and blending ratio of each material are adjusted so that the total amount of the MPL paste composition is 400 g.
In Example 1, 15.5 parts by weight of acetylene black having a DBP absorption amount of 230 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 92 mg / g as the first carbon black, and a DBP absorption amount of 40 ml / 100 g as the second carbon black, iodine adsorption. 3.9 parts by weight of thermal black with an amount of 17 mg / g, 4.3 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 2.6 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Example 1 was prepared by blending 1.6 parts by weight of -100 and 74.7 parts by weight of ion-exchanged water.

この実施例1の配合では、第1カーボンブラック/第2カーボンブラックの配合比が80/20であり、第1カーボンブラックの配合量100重量部に対して、第2カーボンブラックの配合量が25重量部である。また、ペースト組成物の固形分総量100重量部に対して、第1カーボンブラックの配合量が65.7重量部であり、第2カーボンブラックの配合量が16.5重量部であり、第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックの合計配合量が82.2重量部である。 In the blending of Example 1, the blending ratio of the first carbon black / the second carbon black is 80/20, and the blending amount of the second carbon black is 25 with respect to 100 parts by weight of the blending amount of the first carbon black. It is a part by weight. Further, with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the paste composition, the blending amount of the first carbon black is 65.7 parts by weight, the blending amount of the second carbon black is 16.5 parts by weight, and the first. The total amount of carbon black and second carbon black blended is 82.2 parts by weight.

実施例2では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が230ml/100g、沃素吸着量が92mg/gのアセチレンブラックを10.6重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が40ml/100g、沃素吸着量が17mg/gのサーマルブラックを10.6重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを4.7重量部(うち固形分(樹脂分);2.9重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を1.2重量部、イオン交換水を72.9重量部の配合によって実施例2に係るMPLペースト組成物とした。 In Example 2, DBP absorption amount of 230 ml / 100 g as the first carbon black, 10.6 parts by weight of acetylene black having an iodine adsorption amount of 92 mg / g, DBP absorption amount of 40 ml / 100 g as the second carbon black, and iodine adsorption. 10.6 parts by weight of thermal black with an amount of 17 mg / g, 4.7 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 2.9 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Example 2 was prepared by blending -100 by 1.2 parts by weight and ion-exchanged water by 72.9 parts by weight.

この実施例2の配合では、第1カーボンブラック/第2カーボンブラックの配合比が50/50であり、第1カーボンブラックの配合量100重量部に対して、第2カーボンブラックの配合量が100重量部である。また、ペースト組成物の固形分総量100重量部に対して、第1カーボンブラックの配合量が41.9重量部であり、第2カーボンブラックの配合量が41.9重量部であり、第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックの合計配合量が83.8重量部である。なお、実施例2は、実施例1と比較すると、カーボンブラック全体の配合量が増しているが、第2カーボンブラックの配合割合を増大させたことから、少ない分散剤の使用量で十分にカーボンブラックを分散させることができた。 In the blending of Example 2, the blending ratio of the first carbon black / the second carbon black is 50/50, and the blending amount of the second carbon black is 100 with respect to 100 parts by weight of the blending amount of the first carbon black. It is a part by weight. Further, with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the paste composition, the blending amount of the first carbon black is 41.9 parts by weight, the blending amount of the second carbon black is 41.9 parts by weight, and the first. The total amount of carbon black and second carbon black blended is 83.8 parts by weight. In Example 2, the total amount of carbon black blended was increased as compared with Example 1, but since the blending ratio of the second carbon black was increased, a small amount of the dispersant used was sufficient for carbon. I was able to disperse the black.

実施例3では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が230ml/100g、沃素吸着量が92mg/gのアセチレンブラックを4.6重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が40ml/100g、沃素吸着量が17mg/gのサーマルブラックを18.3重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを5.1重量部(うち固形分(樹脂分);3.1重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を0.6重量部、イオン交換水を71.4重量部の配合によって実施例3に係るMPLペースト組成物とした。 In Example 3, the DBP absorption amount of 230 ml / 100 g as the first carbon black, 4.6 parts by weight of acetylene black having an iodine adsorption amount of 92 mg / g, and the DBP absorption amount of 40 ml / 100 g as the second carbon black, iodine adsorption 18.3 parts by weight of thermal black with an amount of 17 mg / g, 5.1 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 3.1 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Example 3 was prepared by blending -100 by 0.6 parts by weight and ion-exchanged water by 71.4 parts by weight.

この実施例3の配合では、第1カーボンブラック/第2カーボンブラックの配合比が20/80であり、第1カーボンブラックの配合量100重量部に対して、第2カーボンブラックの配合量が400重量部である。また、ペースト組成物の固形分総量100重量部に対して、第1カーボンブラックの配合量が17.2重量部であり、第2カーボンブラックの配合量が68.8重量部であり、第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックの合計配合量が86重量部である。なお、実施例3は、実施例1、実施例2と比較すると、カーボンブラック全体の配合量が増しているが、第2カーボンブラックの配合割合を増大させたことから、より少ない分散剤の使用量で十分にカーボンブラックを分散させることができた。 In the compounding of Example 3, the compounding ratio of the first carbon black / the second carbon black is 20/80, and the compounding amount of the second carbon black is 400 with respect to 100 parts by weight of the compounding amount of the first carbon black. It is a part by weight. Further, with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the paste composition, the amount of the first carbon black compounded is 17.2 parts by weight, the amount of the second carbon black compounded is 68.8 parts by weight, and the first. The total amount of carbon black and second carbon black blended is 86 parts by weight. In Example 3, the total amount of carbon black blended was increased as compared with Examples 1 and 2, but since the blending ratio of the second carbon black was increased, a smaller amount of dispersant was used. The amount was sufficient to disperse the carbon black.

実施例4では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が210ml/100g、沃素吸着量が85mg/gのアセチレンブラックを10.6重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が32ml/100g、沃素吸着量が15mg/gのサーマルブラックを10.6重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを4.7重量部(うち固形分(樹脂分);2.9重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を1.2重量部、イオン交換水を72.9重量部の配合によって実施例4に係るMPLペースト組成物とした。 In Example 4, a DBP absorption amount of 210 ml / 100 g as the first carbon black, an acetylene black having an iodine adsorption amount of 85 mg / g was 10.6 parts by weight, and a DBP absorption amount of 32 ml / 100 g as the second carbon black, iodine adsorption. 10.6 parts by weight of thermal black with an amount of 15 mg / g, 4.7 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 2.9 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Example 4 was prepared by blending -100 by 1.2 parts by weight and ion-exchanged water by 72.9 parts by weight.

この実施例4の配合では、第1カーボンブラック/第2カーボンブラックの配合比が50/50であり、第1カーボンブラックの配合量100重量部に対して、第2カーボンブラックの配合量が100重量部である。また、ペースト組成物の固形分総量100重量部に対して、第1カーボンブラックの配合量が41.9重量部であり、第2カーボンブラックの配合量が41.9重量部であり、第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックの合計配合量が83.8重量部である。 In the compounding of Example 4, the compounding ratio of the first carbon black / the second carbon black is 50/50, and the compounding amount of the second carbon black is 100 with respect to 100 parts by weight of the compounding amount of the first carbon black. It is a part by weight. Further, with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the paste composition, the blending amount of the first carbon black is 41.9 parts by weight, the blending amount of the second carbon black is 41.9 parts by weight, and the first. The total amount of carbon black and second carbon black blended is 83.8 parts by weight.

実施例5では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が250ml/100g、沃素吸着量が95mg/gのアセチレンブラックを10.6重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が48ml/100g、沃素吸着量が20mg/gのサーマルブラックを10.6重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを4.7重量部(うち固形分(樹脂分);2.9重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を1.2重量部、イオン交換水を72.9重量部の配合によって実施例5に係るMPLペースト組成物とした。 In Example 5, DBP absorption amount of 250 ml / 100 g as the first carbon black, 10.6 parts by weight of acetylene black having an iodine adsorption amount of 95 mg / g, DBP absorption amount of 48 ml / 100 g as the second carbon black, and iodine adsorption. 10.6 parts by weight of thermal black with an amount of 20 mg / g, 4.7 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 2.9 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Example 5 was prepared by blending -100 by 1.2 parts by weight and ion-exchanged water by 72.9 parts by weight.

この実施例5の配合でも、第1カーボンブラック/第2カーボンブラックの配合比が50/50であり、第1カーボンブラックの配合量100重量部に対して、第2カーボンブラックの配合量が100重量部である。また、ペースト組成物の固形分総量100重量部に対して、第1カーボンブラックの配合量が41.9重量部であり、第2カーボンブラックの配合量が41.9重量部であり、第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックの合計配合量が83.8重量部である。 Even in the compounding of Example 5, the compounding ratio of the first carbon black / the second carbon black is 50/50, and the compounding amount of the second carbon black is 100 with respect to 100 parts by weight of the compounding amount of the first carbon black. It is a part by weight. Further, with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the paste composition, the blending amount of the first carbon black is 41.9 parts by weight, the blending amount of the second carbon black is 41.9 parts by weight, and the first. The total amount of carbon black and second carbon black blended is 83.8 parts by weight.

実施例6では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が262ml/100g、沃素吸着量が97mg/gのアセチレンブラックを6.7重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が32ml/100g、沃素吸着量が15mg/gのサーマルブラックを15.8重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを4.8重量部(うち固形分(樹脂分);2.9重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を0.8重量部、イオン交換水を71.9重量部の配合によって実施例6に係るMPLペースト組成物とした。 In Example 6, acetylene black having a DBP absorption amount of 262 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 97 mg / g as the first carbon black was 6.7 parts by weight, and DBP absorption amount was 32 ml / 100 g as the second carbon black and iodine adsorption. 15.8 parts by weight of thermal black with an amount of 15 mg / g, 4.8 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 2.9 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Example 6 was prepared by blending 0.8 parts by weight of -100 and 71.9 parts by weight of ion-exchanged water.

この実施例6の配合では、第1カーボンブラック/第2カーボンブラックの配合比が30/70であり、第1カーボンブラックの配合量100重量部に対して、第2カーボンブラックの配合量が235.8重量部である。また、ペースト組成物の固形分総量100重量部に対して、第1カーボンブラックの配合量が25.6重量部であり、第2カーボンブラックの配合量が60.3重量部であり、第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックの合計配合量が85.9重量部である。 In the compounding of Example 6, the compounding ratio of the first carbon black / the second carbon black is 30/70, and the compounding amount of the second carbon black is 235 with respect to 100 parts by weight of the compounding amount of the first carbon black. 0.8 parts by weight. Further, with respect to 100 parts by weight of the total solid content of the paste composition, the blending amount of the first carbon black is 25.6 parts by weight, the blending amount of the second carbon black is 60.3 parts by weight, and the first. The total amount of carbon black and second carbon black blended is 85.9 parts by weight.

一方、比較例1乃至比較例4は、実施例1乃至実施例6とはDBP吸収量や沃素吸着量が相違するカーボンブラックを使用したものである。
比較例1では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が185ml/100g、沃素吸着量が81mg/gのアセチレンブラックを10.6重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が40ml/100g、沃素吸着量が17mg/gのサーマルブラックを10.6重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを4.7重量部(うち固形分(樹脂分);2.9重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を1.2重量部、イオン交換水を72.9重量部の配合によって比較例1に係るMPLペースト組成物とした。
On the other hand, Comparative Examples 1 to 4 use carbon black, which is different from Examples 1 to 6 in the amount of DBP absorbed and the amount of iodine adsorbed.
In Comparative Example 1, 10.6 parts by weight of acetylene black having a DBP absorption amount of 185 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 81 mg / g as the first carbon black, and a DBP absorption amount of 40 ml / 100 g as the second carbon black, iodine adsorption. 10.6 parts by weight of thermal black with an amount of 17 mg / g, 4.7 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 2.9 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Comparative Example 1 was prepared by blending -100 by 1.2 parts by weight and ion-exchanged water by 72.9 parts by weight.

比較例2では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が230ml/100g、沃素吸着量が92mg/gのアセチレンブラックを10.6重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が51ml/100g、沃素吸着量が26mg/gのサーマルブラックを10.6重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを4.7重量部(うち固形分(樹脂分);2.9重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を1.2重量部、イオン交換水を72.9重量部の配合によって比較例2に係るMPLペースト組成物とした。 In Comparative Example 2, 10.6 parts by weight of acetylene black having a DBP absorption amount of 230 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 92 mg / g as the first carbon black, and a DBP absorption amount of 51 ml / 100 g as the second carbon black, iodine adsorption. 10.6 parts by weight of thermal black with an amount of 26 mg / g, 4.7 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 2.9 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Comparative Example 2 was prepared by blending -100 by 1.2 parts by weight and ion-exchanged water by 72.9 parts by weight.

比較例3では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が230ml/100g、沃素吸着量が92mg/gのアセチレンブラックを10.6重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が26ml/100g、沃素吸着量が11mg/gのサーマルブラックを10.6重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを4.7重量部(うち固形分(樹脂分);2.9重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を1.2重量部、イオン交換水を72.9重量部の配合によって比較例3に係るMPLペースト組成物とした。 In Comparative Example 3, 10.6 parts by weight of acetylene black having a DBP absorption amount of 230 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 92 mg / g as the first carbon black, and 26 ml / 100 g of DBP absorption amount as the second carbon black, iodine adsorption. 10.6 parts by weight of thermal black with an amount of 11 mg / g, 4.7 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 2.9 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Comparative Example 3 was prepared by blending -100 by 1.2 parts by weight and ion-exchanged water by 72.9 parts by weight.

比較例4では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が270ml/100g、沃素吸着量が100mg/gのアセチレンブラックを10.6重量部、第2カーボンブラックとしてDBP吸収量が32ml/100g、沃素吸着量が15mg/gのサーマルブラックを10.6重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを4.7重量部(うち固形分(樹脂分);2.9重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を1.2重量部、イオン交換水を72.9重量部の配合によって比較例4に係るMPLペースト組成物とした。 In Comparative Example 4, 10.6 parts by weight of acetylene black having a DBP absorption amount of 270 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 100 mg / g as the first carbon black, and 32 ml / 100 g of DBP absorption amount as the second carbon black, iodine adsorption. 10.6 parts by weight of thermal black with an amount of 15 mg / g, 4.7 parts by weight of PTFE emulsion as a water-repellent resin (of which solid content (resin content); 2.9 parts by weight), Triton X as a dispersant The MPL paste composition according to Comparative Example 4 was prepared by blending -100 by 1.2 parts by weight and ion-exchanged water by 72.9 parts by weight.

更に、比較例5は、所定のDBP吸収量及び沃素吸着量の第1カーボンブラック及び第2カーボンブラックを併用することなく、カーボンブラックとして、第1カーボンブラックのみの配合である。
即ち、比較例5では、第1カーボンブラックとしてDBP吸収量が230ml/100g、沃素吸着量が92mg/gのアセチレンブラックを17.6重量部、撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを3.9重量部(うち固形分(樹脂分);2.4重量部)、分散剤としてのトリトンX−100を1.8重量部、イオン交換水を76.7重量部の配合によって比較例5に係るMPLペースト組成物とした。
Further, in Comparative Example 5, only the first carbon black is blended as the carbon black without using the first carbon black and the second carbon black having a predetermined DBP absorption amount and iodine adsorption amount in combination.
That is, in Comparative Example 5, 17.6 parts by weight of acetylene black having a DBP absorption amount of 230 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 92 mg / g as the first carbon black, and 3.9 parts by weight of the PTFE emulsion as a water-repellent resin. (Of which, solid content (resin content); 2.4 parts by weight), 1.8 parts by weight of Triton X-100 as a dispersant, and 76.7 parts by weight of ion-exchanged water were added to the MPL paste according to Comparative Example 5. It was made into a composition.

これら各実施例、各比較例に係るMPLペースト組成物の製造は、まず、溶媒としてのイオン交換水と分散剤としてのトリトンX−100を容器(近畿容器(株)製の「ナンコー容器No.60」)に入れ、攪拌してトリトンX−100を溶解させる。更に、そこに、所定のカーボンブラックと撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを入れる。そして、遊星式撹拌・脱泡装置(シンキー(株)製の「自転公転ミキサーAR500」)を用いて、順に、攪拌モードの回転数500rpmで1分間、攪拌モードの回転数2000rpmで3分間、脱泡モードの回転数2000rpmで2分間の混合分散・脱泡を行う。このようにして、実施例、比較例に係るMPLペースト組成物を製造した。 In the production of the MPL paste composition according to each of these Examples and Comparative Examples, first, ion-exchanged water as a solvent and Triton X-100 as a dispersant were placed in a container (Kinki Container Co., Ltd.'s "Nanko Container No. 60 ”) and stir to dissolve Triton X-100. Further, a predetermined carbon black and PTFE emulsion as a water-repellent resin are put therein. Then, using a planetary stirring / defoaming device (“Rotating / Revolving Mixer AR500” manufactured by Shinky Co., Ltd.), the stirring mode is defoamed in order at a rotation speed of 500 rpm for 1 minute and in a stirring mode at a rotation speed of 2000 rpm for 3 minutes. Mix and disperse and defoam for 2 minutes at a rotation speed of 2000 rpm in the foam mode. In this way, MPL paste compositions according to Examples and Comparative Examples were produced.

更に、このようにして製造された実施例、比較例に係るMPLペースト組成物を用いて燃料電池用ガス拡散層14を作製した。具体的には、導電性多孔質基材16としてのカーボンペーパ(東レ(株)製;TGP−060、平均貫通細孔径30μm;パームポロメータによる測定)を1m/分の速度で引張りながら、その片面に、薄膜塗布工具(ダイヘッド)を用いて、各実施例、各比較例に係るMPLペースト組成物を塗布した。このときの塗布量は、乾燥塗膜重量(マイクロポーラス層15を形成する乾燥・焼成後の塗膜の重量)換算で30g/m2となるように、薄膜塗布工具(ダイヘッド)からMPLペースト組成物を所定量吐出させた。その後、空気雰囲気下において350℃で乾燥・焼成(加熱処理)することによって、導電性多孔質基材16(カーボンペーパ)及びMPL15からなるガス拡散層14を製造した。 Further, a gas diffusion layer 14 for a fuel cell was produced using the MPL paste composition according to Examples and Comparative Examples produced in this manner. Specifically, while pulling carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc .; TGP-060, average penetrating pore diameter 30 μm; measured by a palm paste meter) as the conductive porous base material 16 at a speed of 1 m / min, the carbon paper is pulled. The MPL paste composition according to each Example and each Comparative Example was applied to one side using a thin film coating tool (die head). The coating amount at this time is 30 g / m 2 in terms of the weight of the dry coating film (the weight of the coating film after drying and firing to form the microporous layer 15) from the thin film coating tool (die head) to the MPL paste composition. A predetermined amount of the substance was discharged. Then, the gas diffusion layer 14 made of the conductive porous base material 16 (carbon paper) and MPL 15 was produced by drying and firing (heat treatment) at 350 ° C. in an air atmosphere.

ここで、350℃での乾燥・焼成(加熱処理)は、MPL15の撥水性が発現されるまでの所定時間行った。詳細には、乾燥・焼成(加熱処理)を所定時間行い、得られたガス拡散層14を垂直に立て、カーボンペーパからなる導電性多孔質基材16に塗布したMPLペースト組成物の塗布膜(MPL15)に対し、その表面に霧吹きでイオン交換水を噴霧(3g程度のイオン交換水を5回に分けて吹き付け)して、水滴が付着するか否かの撥水性の状態を確認した。このとき水滴が付着することなく転落した場合には、十分な撥水性が発現されていると判断した。一方で、水滴が付着したままの状態であったものについては撥水性が不足していると判断し、再び、新たな試験品にて乾燥・焼成(加熱処理)の時間を延ばして乾燥・焼成を行ったのち、再度、上記の撥水性確認試験を行った。撥水性が確認されなかったものについては再度新たな試験品にて乾燥・焼成時間を延ばし、上記撥水性の確認試験でMPL15の撥水性が確認されるまで乾燥・焼成を行った。 Here, drying and firing (heat treatment) at 350 ° C. was carried out for a predetermined time until the water repellency of MPL15 was developed. Specifically, a coating film of an MPL paste composition (a coating film of an MPL paste composition) which is dried and fired (heated) for a predetermined time, the obtained gas diffusion layer 14 is erected vertically, and is applied to a conductive porous base material 16 made of carbon paper. The surface of MPL15) was sprayed with ion-exchanged water (about 3 g of ion-exchanged water was sprayed in 5 portions), and the water-repellent state of whether or not water droplets adhered was confirmed. At this time, when the water droplets fell without adhering, it was judged that sufficient water repellency was exhibited. On the other hand, it was judged that the water repellency was insufficient for those with water droplets still attached, and the drying / firing time was extended again with a new test product to dry / fire. After that, the above water repellency confirmation test was performed again. For those whose water repellency was not confirmed, the drying and firing time was extended again with a new test product, and drying and firing were carried out until the water repellency of MPL15 was confirmed in the above water repellency confirmation test.

こうして、MPL15の十分な撥水性が確認されるまで乾燥・焼成(加熱処理)を行い、MPL15で十分な撥水性が発現されるまでに要する乾燥・焼成(加熱処理)の時間を求めた。各実施例、各比較例でMPL15において撥水性の十分な発現が確認されるまでに要した乾燥・焼成時間(加熱処理時間)は、表1、表2の下段に示した通りである。 In this way, drying and firing (heat treatment) was performed until sufficient water repellency of MPL15 was confirmed, and the time required for drying and firing (heat treatment) until sufficient water repellency was exhibited in MPL15 was determined. The drying / firing time (heat treatment time) required for confirming sufficient expression of water repellency in MPL15 in each Example and each Comparative Example is as shown in the lower part of Tables 1 and 2.

そして、このようにして製造されたMPLペースト組成物及びそれを使用したガス拡散層14について、諸特性の評価を行った。具体的には、表1及び表2の下段で示したように、塗工性、350℃の乾燥・焼成時間、MPL15のクラックの有無、MPL15の表面平滑性についての評価を行った。 Then, various characteristics of the MPL paste composition thus produced and the gas diffusion layer 14 using the MPL paste composition were evaluated. Specifically, as shown in the lower part of Tables 1 and 2, the coatability, the drying / firing time at 350 ° C., the presence or absence of cracks in MPL15, and the surface smoothness of MPL15 were evaluated.

塗工性については、カーボンペーパからなる導電性多孔質基材16へのMPLペースト組成物の塗工時に、MPLペースト組成物の塗布面(MPL15形成面)とは反対面側であるカーボンペーパ(導電性多孔質基材16)の裏面側に、MPLペースト組成物の成分であるカーボンブラックが抜けていないかその存在の有無を目視(カーボンブラックの黒色で判断)で確認した。即ち、MPLペースト組成物の塗布面とは反対面側の導電性多孔質基材16の裏面を見て、導電性多孔質基材16の表面に塗布されたMPLペースト組成物のカーボンブラックが導電性多孔質基材16の孔を通過して塗布面とは反対側の面まで浸透していないかを目視で観察した。 Regarding the coatability, when the MPL paste composition is applied to the conductive porous base material 16 made of carbon paper, the carbon paper (the surface opposite to the coated surface (MPL15 forming surface) of the MPL paste composition) ( It was visually confirmed (determined by the black color of carbon black) whether or not carbon black, which is a component of the MPL paste composition, was missing from the back surface side of the conductive porous base material 16). That is, looking at the back surface of the conductive porous base material 16 on the side opposite to the coated surface of the MPL paste composition, the carbon black of the MPL paste composition coated on the surface of the conductive porous base material 16 is conductive. It was visually observed whether or not the material had penetrated through the pores of the porous porous substrate 16 to the surface opposite to the coated surface.

また、カーボンペーパからなる導電性多孔質基材16に対してMPLペースト組成物を塗工した際、その塗布膜に塗工スジ、かすれ(擦れ)が形成されていないかを目視で確認した。 Further, when the MPL paste composition was applied to the conductive porous base material 16 made of carbon paper, it was visually confirmed whether or not coating streaks and scratches (rubbing) were formed on the coating film.

そして、塗工性については、MPLペースト組成物の塗布面とは反対面側である導電性多孔質基材16の裏面側において、ペースト成分であるカーボンブラックの存在が確認されず(ペースト成分の裏抜けがなく)、かつ、MPLペースト組成物の塗布膜に塗工スジ、かすれが確認されなかったものを○と評価した。一方で、導電性多孔質基材16の裏面側にペースト成分であるカーボンブラックの存在が確認されたもの、即ち、ペースト成分が導電性多孔質基材16に浸透して(染み込んで)その裏面側に抜けてしまったものについては、ガス拡散層14の撥水性やガス透過性が低下し、燃料電池1の電極内で発生した水分の除去がスムーズに行われず、電池性能に悪影響を与える恐れがあるため実用化に適さないとし判断し、×と評価した。また、塗布膜の塗工スジ、かすれが確認されたものについても、MPL15の機能が低下することから実用化に不向きであると判断し、×と評価した。 Regarding the coatability, the presence of carbon black, which is a paste component, was not confirmed on the back surface side of the conductive porous base material 16 on the side opposite to the coated surface of the MPL paste composition (paste component). (No strike-through) and no coating streaks or faintness were confirmed on the coating film of the MPL paste composition, which was evaluated as ◯. On the other hand, the presence of carbon black, which is a paste component, was confirmed on the back surface side of the conductive porous base material 16, that is, the paste component permeated (penetrated) into the conductive porous base material 16 and the back surface thereof. If it comes off to the side, the water repellency and gas permeability of the gas diffusion layer 14 will decrease, and the moisture generated in the electrodes of the fuel cell 1 will not be removed smoothly, which may adversely affect the battery performance. Therefore, it was judged that it was not suitable for practical use, and it was evaluated as x. Further, those in which coating streaks and faintness of the coating film were confirmed were also judged to be unsuitable for practical use because the function of MPL15 deteriorated, and were evaluated as x.

350℃の乾燥・焼成時間(熱処理時間)については、MPLペースト組成物の塗布膜(MPL15)に水を噴霧したときの付着の有無で撥水性の発現を確認し、水滴が付着することのない状態になるまでの乾燥・焼成にかかる時間を評価した。十分な撥水性が確認されるまでの乾燥・焼成時間、即ち、分散剤が十分に消失・除去されて撥水性が発現するまでに必要な乾燥・焼成時間が5分以下であれば、カーボンブラックとしてアセチレンブラックのみを配合した従来例に相当する比較例5の乾燥・焼成時間(7.5分)よりも大幅に短縮させることができ、乾燥・焼成工程の負荷が軽減されて製造コストを削減できると判断し、○と評価した。MPL15にて撥水性が発現されるまでにかかる乾燥・焼成時間が7分以上のものについては、従来と同等の乾燥・焼成工程の負荷であるから、×と評価した。 Regarding the drying / firing time (heat treatment time) at 350 ° C., the appearance of water repellency was confirmed by the presence or absence of adhesion when water was sprayed on the coating film (MPL15) of the MPL paste composition, and water droplets did not adhere. The time required for drying and firing until the state was reached was evaluated. If the drying / firing time until sufficient water repellency is confirmed, that is, the drying / firing time required for the dispersant to be sufficiently eliminated / removed and water repellency is developed, carbon black is used. As a result, the drying / firing time (7.5 minutes) of Comparative Example 5, which corresponds to the conventional example in which only acetylene black is blended, can be significantly shortened, the load of the drying / firing process is reduced, and the manufacturing cost is reduced. Judging that it could be done, it was evaluated as ○. The drying / firing time required for MPL15 to develop water repellency of 7 minutes or more was evaluated as x because the load of the drying / firing step was the same as the conventional one.

MPL15のクラックについては、室温(20〜25℃)下でガス拡散層14のMPL15の表面を観察し、その表面の3mm×2.5mmの範囲において、幅30μm以上、長さ200μm以上のクラックが5個未満であれば、従来のVGCF、CNT等を使用したMPL15と同等以上にクラックの発生が抑制されており、クラックの低減効果があると判断し、○と評価した。クラックが5個以上のものについては、MPL15の耐久性が低いと判断し×と評価した。 Regarding cracks in MPL15, the surface of MPL15 in the gas diffusion layer 14 was observed at room temperature (20 to 25 ° C.), and cracks having a width of 30 μm or more and a length of 200 μm or more were found in a range of 3 mm × 2.5 mm on the surface. If the number is less than 5, it is judged that the occurrence of cracks is suppressed to be equal to or higher than that of MPL15 using the conventional VGCF, CNT, etc., and the effect of reducing cracks is obtained, and the value is evaluated as ◯. Those having 5 or more cracks were evaluated as x because the durability of MPL15 was judged to be low.

表面平滑性については、室温(20〜25℃)下でガス拡散層14のMPL15の表面(15cm長さ程度)をレーザ顕微鏡で観察したときに、その表面に高さ10μmを超える凸部が無ければ(凸部が10μm以下であれば)、燃料電池1に組み込んだときでも触媒層13に凸部が食い込んでストレスを与えることもなく触媒層13との接着性も良好であると判断し、○と評価した。高さ10μmを超える凸部があるものについては、燃料電池1を構成する際に触媒層13に食い込んでその耐久性を低下させたり、触媒層13との接着性が低下したりして、燃料電池1の電池性能が低下する恐れがあると判断し、×と評価した。 Regarding the surface smoothness, when the surface (about 15 cm in length) of the MPL15 of the gas diffusion layer 14 is observed with a laser microscope at room temperature (20 to 25 ° C.), there should be no convex portion having a height of more than 10 μm on the surface. For example (if the convex portion is 10 μm or less), it is judged that the convex portion does not bite into the catalyst layer 13 and gives stress even when it is incorporated in the fuel cell 1, and the adhesiveness with the catalyst layer 13 is good. It was evaluated as ○. When the fuel cell 1 has a convex portion having a height of more than 10 μm, the fuel may bite into the catalyst layer 13 to reduce its durability or the adhesiveness to the catalyst layer 13 may be lowered. It was judged that the battery performance of the battery 1 might deteriorate, and the value was evaluated as x.

これらの評価結果は、表1及び表2の下段に示した通りである。
表1に示したように、実施例1乃至実施例6では、何れも、ペースト成分であるカーボンブラックの裏抜け(上述したように、ペースト成分のカーボンブラックが導電性多孔質基材16の孔を抜けて導電性多孔質基材16の裏面側まで浸透する現象)が確認されず、また、MPLペースト組成物の塗布膜に塗工スジや擦れがなく、塗工性が○の評価であった。
更に、撥水性が発現されるまでに要する350℃の乾燥・焼成時間も5分以下と従来よりも大幅に短縮でき、○の評価であった。
更にまた、MPL15において所定のクラックの発生が5個未満であり、クラックの発生が効果的に抑制されていて、○の評価であった。
そして、MPL15の表面平滑性についても、MPL15の表面において10μmを超える凸部の存在が確認されず、○の評価であった。
These evaluation results are as shown in the lower part of Tables 1 and 2.
As shown in Table 1, in each of Examples 1 to 6, the strike-through of the carbon black which is the paste component (as described above, the carbon black of the paste component is the pores of the conductive porous base material 16). The phenomenon of penetrating to the back surface side of the conductive porous base material 16) was not confirmed, and there were no coating streaks or rubbing on the coating film of the MPL paste composition, and the coating property was evaluated as ◯. rice field.
Furthermore, the drying / firing time at 350 ° C. required for the development of water repellency was 5 minutes or less, which was significantly shorter than before, and was evaluated as ◯.
Furthermore, in MPL15, the occurrence of predetermined cracks was less than 5, and the occurrence of cracks was effectively suppressed, which was evaluated as ◯.
As for the surface smoothness of MPL15, the presence of a convex portion exceeding 10 μm was not confirmed on the surface of MPL15, and the evaluation was ◯.

特に、実施例1と、実施例2乃至実施例6との評価結果から、第1カーボンブラックとしてのカーボンブラックと第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックの配合比が50/50≦アセチレンブラック/サーマルブラック≦20/80であれば、撥水性が発現されるまでに要する350℃の乾燥・焼成時間が3分以下であり、乾燥・焼成工程の負荷が大きく軽減され、製造コストの低減効果が高くなる。即ち、第1カーボンとしてのカーボンブラックに比して第2カーボンとしてのサーマルブラックを同等以上に配合することで、少ない分散剤の使用量及び溶媒量(イオン交換水の使用量)でカーボンブラックを溶媒(イオン交換水)中に分散させることができるから、分散剤及び溶媒の分解・揮発に要する乾燥・焼成時間を大幅に短縮できる。 In particular, from the evaluation results of Example 1 and Examples 2 to 6, the blending ratio of carbon black as the first carbon black and thermal black as the second carbon black is 50/50 ≦ acetylene black / thermal black. When ≤20 / 80, the drying / firing time at 350 ° C. required for water repellency to be developed is 3 minutes or less, the load on the drying / firing step is greatly reduced, and the effect of reducing the manufacturing cost is enhanced. .. That is, by blending the thermal black as the second carbon in the same amount or more as the carbon black as the first carbon, the carbon black can be produced with a small amount of the dispersant and the amount of the solvent (the amount of ion-exchanged water used). Since it can be dispersed in a solvent (ion-exchanged water), the drying / firing time required for decomposition / volatilization of the dispersant and the solvent can be significantly shortened.

このように、実施例1乃至実施例6については全ての評価項目で○の評価であった。
これに対し、比較例1は、実施例1乃至実施例6のときと比較し、アセチレンブラックのDBP吸収量及び沃素吸着量が少なく、DBP吸収量が185ml/100g、沃素吸着量が81mg/gのアセチレンブラックを使用したものである。
この比較例1では、撥水性が発現されるまでに要する乾燥・焼成時間、MPL15の表面平滑性については○の評価であるも、塗工性について、カーボンペーパのペースト塗布面とは反対側の裏面側において、カーボンブラックの存在が確認され、ペースト成分の裏抜けが生じており、×の評価であった。また、MPL15において多くのクラックが発生し、×の評価であった。
As described above, in Examples 1 to 6, all the evaluation items were evaluated as ◯.
On the other hand, in Comparative Example 1, the DBP absorption amount and the iodine adsorption amount of acetylene black were smaller than those in Examples 1 to 6, the DBP absorption amount was 185 ml / 100 g, and the iodine adsorption amount was 81 mg / g. It uses acetylene black from.
In Comparative Example 1, the drying / firing time required for water repellency to be exhibited and the surface smoothness of MPL15 were evaluated as ◯, but the coatability was evaluated on the side opposite to the paste-coated surface of carbon paper. On the back surface side, the presence of carbon black was confirmed, and strike-through of the paste component occurred, which was evaluated as x. In addition, many cracks were generated in MPL15, and the evaluation was x.

即ち、比較例1では、DBP吸収量が40ml/100g、沃素吸着量が17mg/gのサーマルブラックと併用したアセチレンブラックが、DBP吸収量185ml/100g、沃素吸着量81mg/gであり、アセチレンブラックのストラクチャが低く、また、その比表面積も小さいことから、クラックが発生しやすかった。更に、アセチレンブラックのストラクチャ構造の発達が低いことで、粘性が低く、塗工に適した粘度特性を確保できなかった。 That is, in Comparative Example 1, the acetylene black used in combination with the thermal black having a DBP absorption amount of 40 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 17 mg / g has a DBP absorption amount of 185 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 81 mg / g, and the acetylene black. Since the structure is low and its specific surface area is small, cracks are likely to occur. Furthermore, due to the low development of the structural structure of acetylene black, the viscosity was low, and it was not possible to secure the viscosity characteristics suitable for coating.

したがって、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックは、実施例1乃至実施例6から、そのDBP吸収量が210ml/100g以上、沃素吸着量が85mg/g以上であるものが好ましい。アセチレンブラックのDBP吸収量が210ml/100g以上、沃素吸着量が85mg/g以上であれば、ペースト成分の裏抜けが生じない塗工に適した流動特性、粘度特性を確保でき、かつ、所定のサーマルブラックとの併用でクラックを低減できる。 Therefore, the acetylene black as the first carbon black preferably has a DBP absorption amount of 210 ml / 100 g or more and an iodine adsorption amount of 85 mg / g or more from Examples 1 to 6. When the DBP absorption amount of acetylene black is 210 ml / 100 g or more and the iodine adsorption amount is 85 mg / g or more, the flow characteristics and the viscosity characteristics suitable for coating without strike-through of the paste component can be secured, and a predetermined value is obtained. Cracks can be reduced when used in combination with thermal black.

また、比較例2は、実施例1乃至実施例6のときと比較し、サーマルブラックのDBP吸収量及び沃素吸着量が多く、DBP吸収量が51ml/100g、沃素吸着量が26mg/gのサーマルブラックを使用したものである。
この比較例2では、塗工性、撥水性を発現させるのに必要な乾燥・焼成時間、及び、MPL15の表面平滑性については○の評価であるも、MPL15においてクラック発生の抑制効果に劣っており、×の評価であった。
Further, in Comparative Example 2, the DBP absorption amount and the iodine adsorption amount of the thermal black were larger than those in Examples 1 to 6, and the DBP absorption amount was 51 ml / 100 g and the iodine adsorption amount was 26 mg / g. It uses black.
In Comparative Example 2, the coatability, the drying / firing time required to develop water repellency, and the surface smoothness of MPL15 were evaluated as ◯, but the MPL15 was inferior in the effect of suppressing crack generation. It was evaluated as x.

即ち、比較例2では、DBP吸収量が230ml/100g、沃素吸着量が92mg/gのアセチレンブラックと併用するサーマルブラックが、DBP吸収量51ml/100g、沃素吸着量26mg/gのサーマルブラックでは、ストラクチャが高すぎることから、MPL15の成膜時における収縮応力の緩和効果が小さく、効果的にクラックの発生を抑制できなかった。 That is, in Comparative Example 2, the thermal black used in combination with acetylene black having a DBP absorption amount of 230 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 92 mg / g was different from the thermal black having a DBP absorption amount of 51 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 26 mg / g. Since the structure is too high, the effect of relaxing the shrinkage stress at the time of film formation of MPL15 is small, and the generation of cracks cannot be effectively suppressed.

したがって、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックは、実施例1乃至実施例6から、DBP吸収量が48ml/100g以下であるものが好ましい。サーマルブラックのDBP吸収量が48ml/100g以下であれば、効果的にMPL15のクラック発生を抑制できる。
また、本発明者らの実験研究によれば、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックの沃素吸着量が多すぎると、それを分散させるのに必要な分散剤の使用量が多くなるから、乾燥・焼成の負荷を軽減できないことを確認している。
よって、実施例1乃至実施例6から、サーマルブラックのDBP吸収量が48ml/100g以下、沃素吸着量が20mg/g以下であれば、効果的にMPL15のクラック発生を抑制でき、かつ、乾燥・焼成時間を大幅に短縮できて乾燥・焼成時の負荷を軽減できる。
Therefore, the thermal black as the second carbon black preferably has a DBP absorption amount of 48 ml / 100 g or less from Examples 1 to 6. When the DBP absorption amount of thermal black is 48 ml / 100 g or less, crack generation of MPL15 can be effectively suppressed.
Further, according to the experimental research by the present inventors, if the amount of iodine adsorbed by the thermal black as the second carbon black is too large, the amount of the dispersant required to disperse it increases, so that it is dried. It has been confirmed that the firing load cannot be reduced.
Therefore, from Examples 1 to 6, if the DBP absorption amount of thermal black is 48 ml / 100 g or less and the iodine adsorption amount is 20 mg / g or less, crack generation of MPL15 can be effectively suppressed and drying. The firing time can be significantly shortened, and the load during drying and firing can be reduced.

比較例3は、実施例1乃至実施例6のときと比較し、サーマルブラックのDBP吸収量及び沃素吸着量が少なく、DBP吸収量が26ml/100g、沃素吸着量が11mg/gのサーマルブラックを使用したものである。
この比較例3では、撥水性を発現させるのに必要な乾燥・焼成時間については○の評価であるも、塗工性について、カーボンペーパのペースト塗布面とは反対側の裏面側において、カーボンブラックの存在が確認され、ペースト成分の裏抜けが生じており×の評価であった。また、MPL15において多くのクラックが発生し、×の評価であった。更に、MPL15の表面平滑性に劣り、×の評価であった。
In Comparative Example 3, the DBP absorption amount and the iodine adsorption amount of the thermal black were smaller than those of Examples 1 to 6, and the thermal black having a DBP absorption amount of 26 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 11 mg / g was produced. It was used.
In Comparative Example 3, the drying / firing time required to develop water repellency was evaluated as ◯, but the coatability was carbon black on the back surface opposite to the paste-coated surface of carbon paper. Was confirmed, and the paste component was strike-through, and the evaluation was x. In addition, many cracks were generated in MPL15, and the evaluation was x. Further, the surface smoothness of MPL15 was inferior, and the evaluation was x.

即ち、比較例3では、DBP吸収量が230ml/100g、沃素吸着量が92mg/gのアセチレンブラックと併用するサーマルブラックが、DBP吸収量26ml/100g、沃素吸着量11mg/gであり、サーマルブラックのストラクチャが低く、また、比表面積が小さいことから、アセチレンブラックと組み合わせたときでも、粘性が低くて塗工に適した粘度特性を確保できず、そして、粒径が大きいからMPL15の表面の平滑性を確保できなかった。更に、MPL15の強固さに欠け、クラックが発生しやすかった。 That is, in Comparative Example 3, the thermal black used in combination with acetylene black having a DBP absorption amount of 230 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 92 mg / g has a DBP absorption amount of 26 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 11 mg / g, and is a thermal black. Due to its low structure and small specific surface area, even when combined with acetylene black, its viscosity is low and it is not possible to secure viscosity characteristics suitable for coating, and because of its large particle size, the surface of MPL15 is smooth. I couldn't secure the sex. Further, the MPL15 lacked the strength and cracks were likely to occur.

したがって、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックは、実施例1乃至実施例6から、そのDBP吸収量が32ml/100g以上、沃素吸着量が15g/g以上であるものが好ましい。サーマルブラックのDBP吸収量が32ml/100g以上、沃素吸着量が15mg/g以上であれば、ペースト成分の裏抜けが生じない塗工に適した流動特性、粘度特性を確保でき、また、MPL15の表面平滑性を低下させることもなく、MPL15のクラックを低減できる。 Therefore, the thermal black as the second carbon black preferably has a DBP absorption amount of 32 ml / 100 g or more and an iodine adsorption amount of 15 g / g or more from Examples 1 to 6. When the DBP absorption amount of thermal black is 32 ml / 100 g or more and the iodine adsorption amount is 15 mg / g or more, the flow characteristics and the viscosity characteristics suitable for coating without strike-through of the paste component can be secured, and the MPL15 Cracks in MPL15 can be reduced without reducing surface smoothness.

比較例4は、実施例1乃至実施例6のときと比較し、アセチレンブラックのDBP吸収量及び沃素吸着量が多く、DBP吸収量が270ml/100g、沃素吸着量が100mg/gのアセチレンブラックを使用したものである。
この比較例4では、撥水性を発現させるのに必要な乾燥・焼成時間及びMPL15のクラックについては○の評価であるも、塗工性について、MPL15の塗布膜に塗工スジが確認されて×の評価であった。更に、MPL15の表面平滑性にも劣り、×の評価であった。
In Comparative Example 4, the DBP absorption amount and the iodine adsorption amount of acetylene black were larger than those of Examples 1 to 6, and the acetylene black having a DBP absorption amount of 270 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 100 mg / g was produced. It was used.
In Comparative Example 4, the drying / firing time required to develop water repellency and the cracks in MPL15 were evaluated as ◯, but in terms of coatability, coating streaks were confirmed on the coating film of MPL15. It was an evaluation of. Further, the surface smoothness of MPL15 was also inferior, and the evaluation was x.

即ち、比較例4では、DBP吸収量が32ml/100g、沃素吸着量が15mg/gのサーマルブラックと併用したアセチレンブラックが、DBP吸収量270ml/100g、沃素吸着量100mg/gのアセチレンブラックであり、アセチレンブラックのストラクチャ構造が発達し、MPLペースト組成物の粘度が上昇して硬くなり、MPLペースト組成物の塗布膜にスジが入ってしまい、MPL15の表面の平滑性も劣っていた。 That is, in Comparative Example 4, the acetylene black used in combination with the thermal black having a DBP absorption amount of 32 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 15 mg / g is an acetylene black having a DBP absorption amount of 270 ml / 100 g and an iodine adsorption amount of 100 mg / g. , The structure structure of acetylene black was developed, the viscosity of the MPL paste composition was increased and became hard, streaks were formed in the coating film of the MPL paste composition, and the surface smoothness of MPL15 was also inferior.

したがって、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックは、実施例1乃至実施例6から、そのDBP吸収量が262ml/100g以下であるものが好ましい。アセチレンブラックのDBP吸収量が262ml/100g以下であれば、塗工に適した流動特性、粘度特性を確保でき、MPL15の表面平滑性を低下させることなく、クラックの発生を抑制できる。
また、本発明者らの実験研究によれば、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックの沃素吸着量が多すぎると、それを分散させるのに必要な分散剤の使用量が多くなるから、乾燥・焼成の負荷を軽減できないことを確認している。
よって、実施例1乃至実施例6から、アセチレンブラックのDBP吸収量が262ml/100g以下、沃素吸着量が97mg/g以下であれば、塗工に適した流動特性、粘度特性及びMPL15の表面平滑性を確保しつつ、クラックの発生を抑制でき、かつ、乾燥・焼成時間を大幅に短縮できて乾燥・焼成時の負荷を軽減できる。
Therefore, the acetylene black as the first carbon black preferably has a DBP absorption amount of 262 ml / 100 g or less from Examples 1 to 6. When the DBP absorption amount of acetylene black is 262 ml / 100 g or less, the flow characteristics and the viscosity characteristics suitable for coating can be secured, and the occurrence of cracks can be suppressed without lowering the surface smoothness of MPL15.
Further, according to the experimental research by the present inventors, if the amount of acetylene black adsorbed on iodine as the first carbon black is too large, the amount of the dispersant required to disperse the amount of acetylene black is too large. It has been confirmed that the firing load cannot be reduced.
Therefore, from Examples 1 to 6, if the DBP absorption amount of acetylene black is 262 ml / 100 g or less and the iodine adsorption amount is 97 mg / g or less, the flow characteristics and viscosity characteristics suitable for coating and the surface smoothness of MPL15 are smoothed. While ensuring the properties, the occurrence of cracks can be suppressed, the drying / firing time can be significantly shortened, and the load during drying / firing can be reduced.

更に、比較例5は、サーマルブラックを省略しアセチレンブラックのみを用いた組成である。
この比較例5では、所定のサーマルブラックを用いていないことで、MPL15のクラックも抑制されず、×の評価である。そして、撥水性が発現するまでに要する乾燥・焼成時間も長く、×の評価である。
Further, Comparative Example 5 is a composition in which thermal black is omitted and only acetylene black is used.
In Comparative Example 5, since the predetermined thermal black was not used, the crack of MPL15 was not suppressed, and the evaluation was x. The drying / firing time required for water repellency to develop is also long, and the evaluation is x.

また、本発明者らの実験によって、アセチレンブラックを省略しカーボンブラックとしてサーマルブラックのみを用いた組成では、MPLペースト組成物の成分であるカーボンブラックが裏抜けし、更に、クラックも多くて強固なMPL15を得ることができずMPL15としての機能を果たすことができないことを確認している。 Further, according to the experiments of the present inventors, in the composition in which acetylene black is omitted and only thermal black is used as carbon black, the carbon black which is a component of the MPL paste composition strikes through, and moreover, there are many cracks and it is strong. It has been confirmed that MPL15 cannot be obtained and the function as MPL15 cannot be fulfilled.

なお、本発明者らの実験研究により、上記実施例1乃至実施例6に係るMPLペースト組成物を導電性多孔質基材16の表面に塗布し、乾燥・焼成されることにより得られるMPL15及び導電性多孔質基材16からなるガス拡散層14について、セパレータ21のガス流路から供給される燃料ガスまたは酸化ガスをガス拡散層14に隣接する触媒層13に拡散させるのに十分なガス拡散性を備え、また、水詰まり(フラッディング)を防止する水の排出性が確保されていることを確認している。即ち、ガスの供給性、排水性も良く、燃料電池1に組み込んだ際の反応効率も良好である。更に、MPL15表面のクラックが抑制されているから、電子を効率的に移動させる導電性も高いものであることを確認している。特に、アノード側のガス拡散層14Aを構成するのに好適である。 According to the experimental research of the present inventors, the MPL 15 and the MPL 15 obtained by applying the MPL paste composition according to Examples 1 to 6 to the surface of the conductive porous base material 16 and drying and firing it. With respect to the gas diffusion layer 14 made of the conductive porous base material 16, gas diffusion sufficient to diffuse the fuel gas or oxidation gas supplied from the gas flow path of the separator 21 into the catalyst layer 13 adjacent to the gas diffusion layer 14. It has been confirmed that it has the property and that the water discharge property to prevent water clogging (flooding) is ensured. That is, the gas supply and drainage properties are good, and the reaction efficiency when incorporated into the fuel cell 1 is also good. Furthermore, since cracks on the surface of MPL15 are suppressed, it has been confirmed that the conductivity for efficiently moving electrons is also high. In particular, it is suitable for forming the gas diffusion layer 14A on the anode side.

このように、所定のDBP吸収量のアセチレンブラックとサーマルブラックを併用した上記実施例1乃至実施例6に係るMPLペースト組成物によれば、従来例に相当するアセチレンブラックのみを使用した比較例5と比較して、クラックの発生が抑制される。これは、所定のDBP吸収量のアセチレンブラックとサーマルブラックの併用により、粒子の間隙が減少して緻密性が高まり、また、カーボンブラックの粒子の3次元連鎖構造が適度に緩和されてバランスされ、成膜時の収縮応力が少なくなるためである。 As described above, according to the MPL paste composition according to Examples 1 to 6 in which a predetermined DBP absorption amount of acetylene black and thermal black are used in combination, Comparative Example 5 in which only acetylene black corresponding to the conventional example is used. Compared with, the occurrence of cracks is suppressed. This is because the combined use of acetylene black and thermal black with a predetermined amount of DBP absorption reduces the gaps between the particles and increases the density, and the three-dimensional chain structure of the carbon black particles is moderately relaxed and balanced. This is because the shrinkage stress during film formation is reduced.

そして、MPL15表面のクラックが抑制されているから、触媒層13とMPL15との間で電池反応により生成された水分も溜まり難いので、氷点下時の水分の凍結をきっかけに生じる触媒層13とMPL15の剥離や破壊を防止することができる。また、触媒層13とMPL15の一部の欠落や粒子の脱落による空孔やガス流路21の目詰まりを防止できる。よって、燃料電池1の寿命を長くでき、安定した電池性能、電池出力を確保できる。
また、このようにMPL15のクラックが抑制されていることから、燃料電池1に組み込む際のスタック時にセパレータの圧でセルを強く締結したときでも、MPL15が壊れ難い。
Since the cracks on the surface of the MPL15 are suppressed, the water generated by the battery reaction between the catalyst layer 13 and the MPL15 is unlikely to accumulate. It is possible to prevent peeling and breakage. Further, it is possible to prevent vacancies and clogging of the gas flow path 21 due to a part of the catalyst layer 13 and the MPL 15 being missing or particles falling off. Therefore, the life of the fuel cell 1 can be extended, and stable battery performance and battery output can be ensured.
Further, since the crack of the MPL 15 is suppressed in this way, the MPL 15 is not easily broken even when the cells are strongly fastened by the pressure of the separator at the time of stacking when the fuel cell 1 is incorporated.

更に、上記各実施例1乃至実施例6に係るMPLペースト組成物では、アセチレンブラックの沃素吸着量に対し、サーマルブラックの沃素吸着量が0.15〜0.21倍の範囲内であり、従来例に相当するアセチレンブラックのみを使用した比較例5と比較して、分散剤としてのトリトンX−100の使用量が0.3〜0.8倍である。即ち、カーボンブラックの総量を100重量部としたときに、比較例5の分散剤の配合量は、10.2重量部であるのに対し、実施例1乃至実施例6のMPLペースト組成物では、分散剤の配合量が2.6〜8.2重量部の範囲内であり、トリトンX−100の使用量を20%〜75%低減でき、少ない分散剤の使用量でカーボンブラックを分散可能である。また、上記実施例1乃至実施例6では、比較例5と比較して、溶媒としてのイオン交換水の量が少なくても、塗工に適した粘度特性が確保されている。 Further, in the MPL paste compositions according to each of the above Examples 1 to 6, the iodine adsorption amount of thermal black is in the range of 0.15 to 0.21 times the iodine adsorption amount of acetylene black, which is conventional. Compared with Comparative Example 5 in which only acetylene black corresponding to the example was used, the amount of Triton X-100 used as a dispersant was 0.3 to 0.8 times. That is, when the total amount of carbon black is 100 parts by weight, the amount of the dispersant in Comparative Example 5 is 10.2 parts by weight, whereas in the MPL paste compositions of Examples 1 to 6, the amount is 10.2 parts by weight. , The amount of the dispersant is in the range of 2.6 to 8.2 parts by weight, the amount of Triton X-100 used can be reduced by 20% to 75%, and carbon black can be dispersed with a small amount of dispersant. Is. Further, in Examples 1 to 6, the viscosity characteristics suitable for coating are secured even if the amount of ion-exchanged water as a solvent is smaller than that in Comparative Example 5.

そして、分散剤及びイオン交換水の使用量が少ないことから、分散剤及びイオン交換水を除去・消失させて撥水性を発現させるのに要する乾燥・焼成時間が少なくて済んでいる。即ち、上記実施例1乃至実施例6では、比較例5と比較して、撥水性を発現させるのに要する乾燥・焼成時間が0.2倍〜0.67倍であり、乾燥・焼成時間が従来の約1/5〜7/10の時間で済む。よって、エネルギの消費量が少なく、製造コストを低減できる。 Since the amount of the dispersant and the ion-exchanged water used is small, the drying and firing time required to remove and eliminate the dispersant and the ion-exchanged water to develop water repellency is short. That is, in Examples 1 to 6 above, the drying / firing time required to develop water repellency is 0.2 to 0.67 times that of Comparative Example 5, and the drying / firing time is 0.2 to 0.67 times. It takes about 1/5 to 7/10 of the conventional time. Therefore, the energy consumption is small and the manufacturing cost can be reduced.

このように上記実施例1乃至実施例6に係るマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、カーボンブラックと、撥水性樹脂としてのPTFE樹脂と、分散剤としてのトリトンX−100と、溶媒としてのイオン交換水とを含有するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物であって、カーボンブラックとして、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックを併用したものである。 As described above, the paste composition for forming a microporous layer according to Examples 1 to 6 includes carbon black, PTFE resin as a water-repellent resin, Triton X-100 as a dispersant, and ions as a solvent. A paste composition for forming a microporous layer containing exchanged water, which comprises acetylene black as a first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and DBP absorption as carbon black. Thermal black as a second carbon black whose amount is in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g is used in combination.

また、上記実施例1乃至実施例6に係るガス拡散層14は、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックと、撥水性樹脂としてのPTFE樹脂と、分散剤としてのトリトンX−100と、溶媒としてのイオン交換水とを含有するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質基材16に塗布し、乾燥・焼成してなるものであり、導電性多孔質基材16の表面に対して、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物から得られるコーティング層としてのMPL15が形成されたものである。 Further, the gas diffusion layer 14 according to Examples 1 to 6 has an acetylene black as the first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and a DBP absorption amount of 32 ml / 100 g. Micro containing thermal black as a second carbon black in the range of 100 g to 48 ml / 100 g, PTFE resin as a water-repellent resin, Triton X-100 as a dispersant, and ion-exchanged water as a solvent. A paste composition for forming a porous layer is applied to a conductive porous base material 16, dried and fired, and the paste composition for forming a microporous layer is applied to the surface of the conductive porous base material 16. MPL15 as a coating layer obtained from the above is formed.

このような上記実施例1乃至実施例6に係るMPLペースト組成物及びそれを用いたガス拡散層14によれば、安価に入手できるカーボンブラックとして、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックとを併用したことで、カーボンブラックのストラクチャであるカーボン粒子が連鎖する3次元構造のバランスが良くて成膜時の収縮応力が緩和され、MPL15のクラックの発生が抑制された。よって、MPL15の耐久性を向上でき、特に、クラックに水が溜まってそれが氷点下時に凍結することでMPL15と触媒層13との界面で剥離が生じたりMPL15が破壊されたりする事態を防止でき、燃料電池1の耐久性や出力特性を向上させることができる。 According to the MPL paste composition according to Examples 1 to 6 and the gas diffusion layer 14 using the same, the DBP absorption amount is 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g as inexpensively available carbon black. By using acetylene black as the first carbon black within the range and thermal black as the second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g in combination, the structure of the carbon black The three-dimensional structure in which certain carbon particles are chained is well-balanced, the shrinkage stress during film formation is relaxed, and the occurrence of cracks in MPL15 is suppressed. Therefore, the durability of the MPL15 can be improved, and in particular, it is possible to prevent a situation in which water accumulates in the cracks and freezes at a temperature below the freezing point, causing peeling at the interface between the MPL15 and the catalyst layer 13 or destroying the MPL15. The durability and output characteristics of the fuel cell 1 can be improved.

そして、上記実施例1乃至実施例6に係るMPLペースト組成物及びそれを用いたガス拡散層14によれば、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックのDBP吸収量が210ml/100g以上であると、塗布した際にペースト成分が裏抜けすることもなく良好な塗工性を確保でき、また、MPL15にクラックが発生し難い。第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックのDBP吸収量が260ml/100g以下であると、塗布膜に塗工スジが形成されることなく塗工性を確保でき、MPL15の表面の凹凸も少なく表面平滑性を確保できる。
更に、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックのDBP吸収量が32ml/100g以上であると、粘度特性の低下によるペーストの裏抜けがなくて塗工性も良く、また、MPL15にクラックが発生し難い。第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックのDBP吸収量が48ml/100g以下であると、MPLのクラックの発生を効果的に抑制できる。
According to the MPL paste composition according to Examples 1 to 6 and the gas diffusion layer 14 using the same, the DBP absorption amount of acetylene black as the first carbon black is 210 ml / 100 g or more. Good coatability can be ensured without the paste component strike-through when applied, and cracks are less likely to occur in MPL15. When the DBP absorption amount of acetylene black as the first carbon black is 260 ml / 100 g or less, the coatability can be ensured without forming coating streaks on the coating film, and the surface of MPL15 has less unevenness and surface smoothness. Can be secured.
Further, when the DBP absorption amount of the thermal black as the second carbon black is 32 ml / 100 g or more, the paste does not show through due to the decrease in viscosity characteristics, the coatability is good, and the MPL15 is less likely to crack. .. When the DBP absorption amount of the thermal black as the second carbon black is 48 ml / 100 g or less, the occurrence of cracks in the MPL can be effectively suppressed.

したがって、上記実施例1乃至実施例6に係るMPLペースト組成物及びそれを用いたガス拡散層14によれば、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックのDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックのDBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であれば、MPLのクラックの発生を効果的に抑制でき、そして、粘性の低下によるペーストの裏抜けであったり、粘性の上昇による塗工スジが生じたりすることもなくて塗工性が良い。更に、MPL15に凹凸が少なくて表面平滑性に優れる。よって、燃料電池1に組込んだときでも、触媒層13との接触性が良く、触媒層13に機械的なストレスを与えることもないから、燃料電池1の耐久性の向上及び安定した出力特性の向上が可能である。 Therefore, according to the MPL paste composition according to Examples 1 to 6 and the gas diffusion layer 14 using the same, the amount of DBP absorbed by acetylene black as the first carbon black is 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g. If the amount of DBP absorbed by the thermal black as the second carbon black is within the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, the occurrence of cracks in the MPL can be effectively suppressed, and the viscosity is reduced. Good coatability without strike-through of the paste or coating streaks due to increased viscosity. Further, the MPL15 has few irregularities and is excellent in surface smoothness. Therefore, even when the fuel cell 1 is incorporated, the contact with the catalyst layer 13 is good and no mechanical stress is applied to the catalyst layer 13, so that the durability of the fuel cell 1 is improved and stable output characteristics are achieved. Can be improved.

こうして、上記実施例1乃至実施例6に係るMPLペースト組成物及びそれを用いたガス拡散層14によれば、MPL15の表面平滑性に優れ、かつ、安価な材料である特定のカーボンブラックの併用により、MPL15のクラックの発生を抑制できるから、安定したガス拡散性、導電性等の特性を発揮できるMPL15を形成でき、また、MPL15の耐久性を向上できる。更には、燃料電池1に組込んだときでも、触媒層13との接触性が良く、触媒層13に機械的なストレスを与えることもない。したがって、燃料電池1の耐久性及び出力の安定性を向上できる。 Thus, according to the MPL paste composition according to Examples 1 to 6 and the gas diffusion layer 14 using the MPL paste composition, a specific carbon black which is an inexpensive material and has excellent surface smoothness of MPL15 is used in combination. As a result, the occurrence of cracks in the MPL15 can be suppressed, so that the MPL15 capable of exhibiting characteristics such as stable gas diffusivity and conductivity can be formed, and the durability of the MPL15 can be improved. Further, even when it is incorporated in the fuel cell 1, it has good contact with the catalyst layer 13 and does not give mechanical stress to the catalyst layer 13. Therefore, the durability and output stability of the fuel cell 1 can be improved.

特に、上記実施例1乃至実施例6に係るMPLペースト組成物及びそれを用いたガス拡散層14によれば、第1カーボンブラックはアセチレンブラックであり、第2カーボンブラックはサーマルブラックであるから、VGCF、CNTに比較して著しく低価格であるアセチレンブラックとサーマルブラックの併用であり、極めて低コストで済む。また、アセチレンブラック及びサーマルブラックは共に熱分解の製法で製造されたものでもあり、相性がよく、成膜時の収縮応力を効果的に緩和できる。更に、アセチレンブラックとサーマルブラックは、共に純度が高く、特にアセチレンブラックは極めて不純物が少ないものであるから、短絡等による電池性能の低下を招くことなく燃料電池1の出力特性の向上が可能である。 In particular, according to the MPL paste composition according to Examples 1 to 6 and the gas diffusion layer 14 using the same, the first carbon black is acetylene black and the second carbon black is thermal black. It is a combination of acetylene black and thermal black, which are significantly cheaper than VGCF and CNT, and the cost is extremely low. Further, both acetylene black and thermal black are manufactured by a thermal decomposition method, have good compatibility, and can effectively relieve shrinkage stress during film formation. Further, both acetylene black and thermal black have high purity, and in particular, acetylene black has extremely few impurities, so that the output characteristics of the fuel cell 1 can be improved without causing deterioration of battery performance due to a short circuit or the like. ..

そして、上記実施例1乃至実施例6に係るMPLペースト組成物及びそれを用いたガス拡散層14によれば、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であるから、溶媒への分散に必要な分散剤(界面活性剤等)の使用量が少なくて済む。また、粘度上昇が抑えられて、少ない溶媒量で塗布に適した粘度特性となる。したがって、分散剤及び溶媒(水分)を熱分解・揮発させるのに必要な焼成・乾燥時間の短縮が可能であり、ガス拡散層14の製造時間を短縮でき生産性を向上させることができる。また、焼成・乾燥時間の短縮によりエネルギの使用量、コストを削減できるから、製造コストを削減できる。 According to the MPL paste composition according to Examples 1 to 6 and the gas diffusion layer 14 using the MPL paste composition, the amount of acetylene black as the first carbon black adsorbed on iodine is 85 mg / g to 97 mg / g. Since the amount of iodine adsorbed by the thermal black as the second carbon black is within the range of 15 mg / g to 20 mg / g, the amount of the dispersant (surfactant, etc.) required for dispersion in the solvent is used. Is less. In addition, the increase in viscosity is suppressed, and the viscosity characteristics suitable for coating can be obtained with a small amount of solvent. Therefore, the firing / drying time required for thermally decomposing / volatilizing the dispersant and the solvent (moisture) can be shortened, the production time of the gas diffusion layer 14 can be shortened, and the productivity can be improved. Further, since the amount of energy used and the cost can be reduced by shortening the firing / drying time, the manufacturing cost can be reduced.

特に、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックの沃素吸着量が85mg/g以上であると、MPL15にクラックが発生し難い。また、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックの沃素吸着量が97mg/g以下であると、塗膜に塗工スジが形成されることもなくて塗工性がよく、MPL15の表面平滑性にも優れる。よって、燃料電池1に組込んだときでも、触媒層13との接触性が良く、触媒層13に機械的なストレスを与えることもないから、燃料電池1の耐久性の向上及び安定した出力特性の向上が可能である。
更に、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックの沃素吸着量が15mg/g以上であると、MPL15の表面に凹凸が少なくてMPL15の表面平滑性を確保できる。また、MPL15にクラックが発生し難い。加えて、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックの沃素吸着量が20mg/g以下であると、分散に必要な分散剤の使用量を効果的に抑えて、焼成・乾燥時間を大幅に短縮にできる。
In particular, when the amount of iodine adsorbed by acetylene black as the first carbon black is 85 mg / g or more, cracks are unlikely to occur in MPL15. Further, when the iodine adsorption amount of acetylene black as the first carbon black is 97 mg / g or less, the coating film is not formed with coating streaks and the coating property is good, and the surface smoothness of MPL15 is also improved. Excellent. Therefore, even when the fuel cell 1 is incorporated, the contact with the catalyst layer 13 is good and no mechanical stress is applied to the catalyst layer 13, so that the durability of the fuel cell 1 is improved and stable output characteristics are achieved. Can be improved.
Further, when the iodine adsorption amount of the thermal black as the second carbon black is 15 mg / g or more, the surface of the MPL15 has less unevenness and the surface smoothness of the MPL15 can be ensured. In addition, cracks are unlikely to occur in MPL15. In addition, when the amount of iodine adsorbed by the thermal black as the second carbon black is 20 mg / g or less, the amount of the dispersant required for dispersion can be effectively suppressed, and the firing / drying time can be significantly shortened. ..

したがって、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であれば、塗工性がよく、MPL15の表面平滑性にも優れ、かつ、クラックの発生を防止できるうえ、分散に必要な分散剤の使用量を効果的に抑えて、焼成・乾燥時間を大幅に短縮にできる。よって、MPL15の低コスト化及び生産性を向上でき、かつ、燃料電池1の耐久性の向上及び安定した出力特性をより高めることができる。 Therefore, the amount of iodine adsorbed by acetylene black as the first carbon black is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g, and the amount of iodine adsorbed by thermal black as the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g. If it is inside, the coatability is good, the surface smoothness of MPL15 is excellent, cracks can be prevented, and the amount of dispersant required for dispersion is effectively suppressed, and the firing / drying time is long. Can be significantly shortened. Therefore, the cost of the MPL 15 can be reduced and the productivity can be improved, and the durability of the fuel cell 1 can be improved and the stable output characteristics can be further improved.

こうして、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックとの併用より、塗工性及びMPL15の表面平滑性を低下させることなく、低コストで効果的にMPL15のクラックを抑制でき、かつ、乾燥・焼成工程の負荷を軽減できて低コスト化及び生産性の向上が可能である。 Thus, acetylene black as the first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and an iodine adsorption amount in the range of 85 mg / g to 97 mg / g, and a DBP absorption amount of 32 ml. The coatability and surface smoothness of MPL15 are improved by the combined use with thermal black as the second carbon black, which is in the range of / 100 g to 48 ml / 100 g and the amount of iodine adsorbed is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g. It is possible to effectively suppress cracks in MPL15 at low cost and reduce the load in the drying / baking process without reducing the cost, and it is possible to reduce the cost and improve the productivity.

特に、これら沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックでは、その平均1次粒子径(中位径)が20nm〜45nmの範囲内であり、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックでは、その平均1次粒子径(中位径)が200nm〜350nmの範囲内であり、このようなカーボンブラックでは何れも黒鉛粉末のように平均1次粒子径(中位径)が1μmを超える材料でなく、カーボンブラックの平均1次粒子径(中位径)は350nm以下であるから、表面が滑らかな表面平滑性に優れたMPL15を得ることができる。そして、MPL15表面の凹凸が極めて少ないと、触媒層13との密着性を増し、接触面での接触抵抗も少なく、発電効率を増大できる。また、触媒層13への食い込みが少なく機械的なストレスを与えることもない。よって、燃料電池1の安定した出力を確保でき、また、燃料電池1の長寿命化が可能である。 In particular, the average primary particle diameter (medium diameter) of acetylene black as the first carbon black in which the amount of these iodine adsorbed is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g is in the range of 20 nm to 45 nm. The average primary particle size (medium diameter) of the thermal black as the second carbon black is 200 nm to 350 nm in the thermal black as the second carbon black in which the amount of iodine adsorbed by the thermal black as the second carbon black is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g. In all of these carbon blacks, the average primary particle diameter (medium diameter) of carbon black is not more than 1 μm as in graphite powder, but the average primary particle diameter (medium diameter) of carbon black. Is 350 nm or less, so MPL15 having a smooth surface and excellent surface smoothness can be obtained. When the surface unevenness of the MPL 15 is extremely small, the adhesion to the catalyst layer 13 is increased, the contact resistance on the contact surface is also small, and the power generation efficiency can be increased. In addition, there is little biting into the catalyst layer 13 and no mechanical stress is given. Therefore, the stable output of the fuel cell 1 can be ensured, and the life of the fuel cell 1 can be extended.

なお、JIS Z 8901「試験用粉体及び試験用粒子」の本文及び解説の用語の定義によれば、中位径とは、粉体の粒径分布において、ある粒子径より大きい個数(または質量)が、全粉体のそれの50%を占めるときの粒子径(直径)、即ち、オーバサイズ50%の粒径であり、通常、メディアン径または50%粒子径といいD50と表わされる。定義的には、平均粒子径と中位径で粒子群のサイズを表現されるが、ここでは、商品説明の表示、レーザ回折・散乱法によって測定した値である。そして、この「レーザ回折・散乱法によって測定した中位径」とは、レーザ回折式粒度分布測定装置を用いてレーザ回折・散乱法によって得られた粒度分布において積算重量部が50%となる粒子径(D50)をいう。上記粒子径の数値は、厳格なものでなく概ねであり、当然、測定等による誤差を含む概略値であり、数割の誤差を否定するものではない。この誤差の観点から見ると、平均粒子径との差も正規分布に近いほど僅少であり、平均粒子径≒中位径であり、平均粒子径=中位径と見做すこともできる。 According to the definition of terms in the text and explanation of JIS Z 8901 "Test powder and test particles", the medium diameter is the number (or mass) larger than a certain particle size in the particle size distribution of the powder. ) Is the particle size (diameter) when occupying 50% of that of the total powder, that is, the particle size of oversize 50%, and is usually referred to as the median size or 50% particle size and is expressed as D50. By definition, the size of the particle group is expressed by the average particle diameter and the medium diameter, but here, it is a value measured by the display of the product description and the laser diffraction / scattering method. The "medium diameter measured by the laser diffraction / scattering method" is a particle whose integrated weight part is 50% in the particle size distribution obtained by the laser diffraction / scattering method using a laser diffraction type particle size distribution measuring device. Refers to the diameter (D50). The numerical value of the particle size is not strict but is approximate, and of course, it is a rough value including an error due to measurement or the like, and an error of several percent cannot be denied. From the viewpoint of this error, the difference from the average particle size is smaller as it is closer to the normal distribution, and the average particle size ≒ median diameter, and it can be considered that the average particle size = median diameter.

更に、本発明者らの実験研究によれば、上記実施例1で使用した第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックのDBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックのDBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内とした条件で、第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックと第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックの配合比がアセチレンブラック/サーマルブラック=10/90であると、効果的にクラックの抑制効果が得られず、アセチレンブラック/サーマルブラック=90/10であると、ペースト成分の裏抜けが生じやすいことを確認している。
したがって、好ましくは、アセチレンブラックとサーマルブラックの配合比が、アセチレンブラック/サーマルブラック=20/80〜80/20の範囲内であれば、塗工性を低下させることなく、所定のDBP吸収量のアセチレンブラックとサーマルブラックの併用により効果的にMPL15のクラックを抑制できる。そして、MPL15の所望特性の実現が容易である。
Furthermore, according to the experimental studies of the present inventors, the amount of DBP absorbed by acetylene black as the first carbon black used in Example 1 is in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g, and the amount of iodine adsorbed is high. The amount of DBP absorbed by thermal black as the second carbon black is in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g, and the amount of iodine adsorbed is in the range of 15 mg / g to 20 mg / g. When the compounding ratio of acetylene black as the first carbon black and thermal black as the second carbon black is acetylene black / thermal black = 10/90 under the condition of being within the range of, the effect of suppressing cracks is effectively obtained. It has been confirmed that when acetylene black / thermal black = 90/10, strike-through of the paste component is likely to occur.
Therefore, preferably, when the blending ratio of acetylene black and thermal black is within the range of acetylene black / thermal black = 20/80 to 80/20, the amount of DBP absorbed is predetermined without deteriorating the coatability. The combined use of acetylene black and thermal black can effectively suppress cracks in MPL15. Then, it is easy to realize the desired characteristics of MPL15.

ところで、上記実施例は、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックと、撥水性樹脂としてのPTFE樹脂と、分散剤としてのトリトンX−100と、溶媒としてのイオン交換水とを遊星式撹拌・脱泡装置で混合分散するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法の発明と捉えることもできる。 By the way, in the above examples, the amount of DBP absorbed is in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g, and the amount of iodine adsorbed is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g. Thermal black as a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g and an iodine adsorption amount in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, and PTFE resin as a water-repellent resin. It can also be regarded as an invention of a method for producing a paste composition for forming a microporous layer in which Triton X-100 as a dispersant and ion-exchanged water as a solvent are mixed and dispersed by a planetary stirring / defoaming device.

また、上記実施例は、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内である第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内であり、沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内である第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックと、撥水性樹脂としてのPTFE樹脂と、分散剤としてのトリトンX−100と、溶媒としてのイオン交換水とを遊星式撹拌・脱泡装置で混合分散することにより作製したマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質基材16に塗布し、乾燥・焼成する燃料電池用ガス拡散層14の製造方法の発明と捉えることもできる。 Further, in the above-mentioned examples, the amount of DBP absorbed is in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g, and the amount of iodine adsorbed is in the range of 85 mg / g to 97 mg / g. Thermal black as a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g and an iodine adsorption amount in the range of 15 mg / g to 20 mg / g, and PTFE resin as a water-repellent resin. A paste composition for forming a microporous layer prepared by mixing and dispersing Triton X-100 as a dispersant and ion-exchanged water as a solvent with a planetary stirring / defoaming device is used as a conductive porous base material. It can also be regarded as an invention of a method for manufacturing the gas diffusion layer 14 for a fuel cell, which is applied to 16 and dried / fired.

このようなマイクロポーラス層形成用ペースト組成物の製造方法及び燃料電池用ガス拡散層14の製造方法によれば、遊星式撹拌・脱泡装置によって低コストで分散可能であるうえ、第1カーボンブラックと第2カーボンブラックのカーボン粒子の3次元構造が維持され、そして、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックとしてのアセチレンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとしてのサーマルブラックとの併用により、MPL15の成膜時の収縮応力が緩和されて、MPL15表面のクラックの発生が抑制される。よって、低コストでMPL15表面のクラックの発生を抑制できる。 According to the method for producing the paste composition for forming a microporous layer and the method for producing the gas diffusion layer 14 for a fuel cell, the mixture can be dispersed at low cost by a planetary stirring / defoaming device, and the first carbon black is used. The three-dimensional structure of the carbon particles of the second carbon black is maintained, and the acetylene black as the first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and the DBP absorption amount of 32 ml / When used in combination with thermal black as the second carbon black in the range of 100 g to 48 ml / 100 g, the shrinkage stress during film formation of MPL15 is relaxed, and the occurrence of cracks on the surface of MPL15 is suppressed. Therefore, the occurrence of cracks on the surface of MPL15 can be suppressed at low cost.

なお、本実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物及びそれを用いて作製した燃料電池用ガス拡散層14は固体高分子形燃料電池1に限らず、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池等のその他燃料電池にも適用可能である。 The paste composition for forming a microporous layer of the present embodiment and the gas diffusion layer 14 for a fuel cell produced using the same are not limited to the polymer electrolyte fuel cell 1, and for example, a direct methanol fuel cell or the like. It can also be applied to other fuel cells.

また、本発明を実施するに際しては、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物、燃料電池用拡散層14のその他の部分の組成、成分、配合量、材質、その他の製造工程について、本実施の形態に限定されるものではない。
更に、本発明の実施の形態で挙げている数値は、臨界値を示すものではなく、実施に好適な適正値を示すものであるから、上記数値を若干変更してもその実施を否定するものではない。
Further, in carrying out the present invention, the composition, components, blending amount, material, and other manufacturing processes of the paste composition for forming the microporous layer and the other parts of the diffusion layer 14 for the fuel cell are described in the present embodiment. It is not limited.
Further, since the numerical values given in the embodiment of the present invention do not indicate a critical value but an appropriate value suitable for implementation, even if the above numerical value is slightly changed, the implementation is denied. is not it.

上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、第1カーボンブラックはアセチレンブラックであり、第2カーボンブラックはサーマルブラックであるものである。In the paste composition for forming a microporous layer of the above embodiment, the first carbon black is acetylene black and the second carbon black is thermal black.
カーボンブラックの製法には、炭化水素の不完全燃焼によるものと、熱分解によるものとがあるが、アセチレンブラック及びサーマルブラックは、共に、熱分解により製造されるものである。There are two methods for producing carbon black, one is by incomplete combustion of hydrocarbons and the other is by thermal decomposition. Both acetylene black and thermal black are produced by thermal decomposition.

上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、第1カーボンブラックはアセチレンブラックであり、第2カーボンブラックはサーマルブラックであるものである。In the fuel cell gas diffusion layer of the above embodiment, the first carbon black is acetylene black and the second carbon black is thermal black.
なお、カーボンブラックの製法には、炭化水素の不完全燃焼によるものと、熱分解によるものとがあるが、アセチレンブラック及びサーマルブラックは、共に、熱分解により製造されるものである。There are two methods for producing carbon black, one is by incomplete combustion of hydrocarbons and the other is by thermal decomposition. Both acetylene black and thermal black are produced by thermal decomposition.

上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用ペースト組成物によれば、第1カーボンブラックはアセチレンブラックであり、第2カーボンブラックはサーマルブラックである。第1カーボンブラックがアセチレンブラックであると、安価に入手できて塗布対象の導電性多孔質基材であるカーボンペーパ等との相性も良く、更に、カーボン粒子の連鎖構造及びグラファイト化等により導電性に優れる。また、第2カーボンブラックがサーマルブラックであると、アセチレンブラックより安価に入手できるうえ、純度が極めて高く燃料電池の機能を阻害する不純物が極めて少ないことで、燃料電池の安定した出力の向上が可能である。したがって、安価に燃料電池の電極に使用されるMPLを形成する材料として好適であり、導電性等の優れた性能のMPLを形成でき、燃料電池の安定した出力の向上を可能とする。According to the paste composition for forming a microporous layer of the above embodiment, the first carbon black is acetylene black and the second carbon black is thermal black. When the first carbon black is acetylene black, it can be obtained at a low price and has good compatibility with carbon paper or the like which is a conductive porous base material to be coated. Furthermore, it is conductive due to the chain structure of carbon particles and graphitization. Excellent for. Further, when the second carbon black is thermal black, it can be obtained at a lower cost than acetylene black, and the purity is extremely high and impurities that interfere with the function of the fuel cell are extremely small, so that the stable output of the fuel cell can be improved. Is. Therefore, it is suitable as a material for forming an MPL used for an electrode of a fuel cell at low cost, and an MPL having excellent performance such as conductivity can be formed, and a stable output of the fuel cell can be improved.

上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層によれば、第1カーボンブラックはアセチレンブラックであり、第2カーボンブラックはサーマルブラックである。According to the fuel cell gas diffusion layer of the above embodiment, the first carbon black is acetylene black and the second carbon black is thermal black.
第1カーボンブラックがアセチレンブラックであると、安価に入手できて塗布対象の導電性多孔質基材であるカーボンペーパ等との相性も良く、更に、カーボン粒子の連鎖構造及びグラファイト化等により導電性に優れる。また、第2カーボンブラックがサーマルブラックであると、アセチレンブラックより安価に入手できるうえ、純度が極めて高く燃料電池の機能を阻害する不純物が極めて少ないことで、燃料電池の安定した出力の向上が可能である。したがって、安価に燃料電池の電極に使用されるMPLを形成する材料として好適であり、優れた性能のMPLが形成され、燃料電池の安定した出力の向上を可能とする。When the first carbon black is acetylene black, it can be obtained at a low price and has good compatibility with carbon paper or the like which is a conductive porous base material to be coated. Furthermore, it is conductive due to the chain structure of carbon particles and graphitization. Excellent for. Further, when the second carbon black is thermal black, it can be obtained at a lower cost than acetylene black, and the purity is extremely high and impurities that interfere with the function of the fuel cell are extremely small, so that the stable output of the fuel cell can be improved. Is. Therefore, it is suitable as a material for forming MPL used for an electrode of a fuel cell at low cost, MPL having excellent performance is formed, and stable output of the fuel cell can be improved.

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

Claims (2)

カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物であって、
前記カーボンブラックとして、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用し、
更に、前記第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、前記第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であり、
前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラック=20/80〜80/20の範囲内であり、
前記撥水性樹脂は、前記ペースト組成物の全固形分中において固形分換算で5〜50質量%の範囲内の含有量であることを特徴とするマイクロポーラス層形成用ペースト組成物。
A paste composition for forming a microporous layer containing carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent.
As the carbon black, a first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g are used in combination. death,
Moreover, the iodine adsorption amount of the first carbon black is in the range of 85mg / g~97mg / g, iodine adsorption amount of the second carbon black is Ri range der of 15mg / g~20mg / g,
The blending ratio of the first carbon black / the second carbon black is in the range of the first carbon black / the second carbon black = 20/80 to 80/20.
The paste composition for forming a microporous layer is characterized in that the water-repellent resin has a content in the range of 5 to 50% by mass in terms of solid content in the total solid content of the paste composition.
カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を導電性多孔質基材の表面に塗布し、乾燥・焼成してなる燃料電池用ガス拡散層であって、
前記カーボンブラックとして、DBP吸収量が210ml/100g〜262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g〜48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用し、
更に、前記第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g〜97mg/gの範囲内であり、前記第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g〜20mg/gの範囲内であり、
前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラックの配合比が、前記第1カーボンブラック/前記第2カーボンブラック=20/80〜80/20の範囲内であり、
前記撥水性樹脂は、前記ペースト組成物の全固形分中において固形分換算で5〜50質量%の範囲内の含有量であることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
A paste composition for forming a microporous layer containing carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent is applied to the surface of a conductive porous base material, and dried and fired to diffuse gas for a fuel cell. It ’s a layer,
As the carbon black, a first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml / 100 g to 262 ml / 100 g and a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml / 100 g to 48 ml / 100 g are used in combination. death,
Moreover, the iodine adsorption amount of the first carbon black is in the range of 85mg / g~97mg / g, iodine adsorption amount of the second carbon black is Ri range der of 15mg / g~20mg / g,
The blending ratio of the first carbon black / the second carbon black is in the range of the first carbon black / the second carbon black = 20/80 to 80/20.
The gas diffusion layer for a fuel cell , wherein the water-repellent resin has a content in the range of 5 to 50% by mass in terms of solid content in the total solid content of the paste composition.
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