JP6958347B2 - Gas diffusion layer for fuel cells and its manufacturing method - Google Patents

Gas diffusion layer for fuel cells and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP6958347B2
JP6958347B2 JP2017253153A JP2017253153A JP6958347B2 JP 6958347 B2 JP6958347 B2 JP 6958347B2 JP 2017253153 A JP2017253153 A JP 2017253153A JP 2017253153 A JP2017253153 A JP 2017253153A JP 6958347 B2 JP6958347 B2 JP 6958347B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
water
particles
repellent
gas diffusion
diffusion layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017253153A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019121423A (en
Inventor
航 吉宗
憲治 工藤
小岩井 明彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2017253153A priority Critical patent/JP6958347B2/en
Publication of JP2019121423A publication Critical patent/JP2019121423A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6958347B2 publication Critical patent/JP6958347B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

本発明は、燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、ドライプロセスにより導電性基材の表面に膜厚が均一な撥水層を形成することが可能な燃料電池用ガス拡散層の製造方法、及び、このような方法により製造される燃料電池用ガス拡散層に関する。 The present invention relates to a fuel cell gas diffusion layer and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a fuel cell gas diffusion layer capable of forming a water-repellent layer having a uniform film thickness on the surface of a conductive substrate by a dry process. The present invention relates to a method for producing a layer and a gas diffusion layer for a fuel cell produced by such a method.

従来、燃料電池用のガス拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性基材を撥水処理し、その表面に撥水層形成用ペーストを塗工し、300℃から400℃程度の温度で焼成することによって製造されている。通常、撥水層形成用ペーストは、カーボン粒子、分散剤、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョン、及び水を混合・分散し、その後、増粘剤としてのポリエチレンオキサイドを配合・混合することによって製造される。 Conventionally, in the gas diffusion layer for a fuel cell, a conductive base material such as carbon paper or carbon cloth is water-repellent treated, and a water-repellent layer forming paste is applied to the surface thereof, and the temperature is about 300 ° C. to 400 ° C. Manufactured by firing in. Usually, the water-repellent layer-forming paste is prepared by mixing and dispersing carbon particles, a dispersant, a polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion, and water, and then adding and mixing polyethylene oxide as a thickener. Manufactured.

PTFEのような撥水性粒子を溶媒に分散させてインクを作製するためには、添加剤として界面活性剤が不可欠である。また、インクの塗工後には、界面活性剤を除去するための焼成処理が必要不可欠である。そのため、インクを用いて撥水層を形成するウェットプロセスでは、製造工程の複雑化、製造時間の長期化、製造コストの増加などの問題が生じる。さらに、焼成時に発生する熱分解物が環境を汚染する問題があるので、これを処理する工程まで必要となり、生産性を著しく阻害する要因となっていた。 In order to prepare an ink by dispersing water-repellent particles such as PTFE in a solvent, a surfactant is indispensable as an additive. Further, after the ink is applied, a firing treatment for removing the surfactant is indispensable. Therefore, in the wet process of forming a water-repellent layer using ink, problems such as complicated manufacturing process, long manufacturing time, and increased manufacturing cost occur. Further, since there is a problem that the pyrolyzed product generated during firing pollutes the environment, a process for treating the pyrolyzed product is required, which has been a factor that significantly impairs productivity.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、
(a)アセチレンブラック粉末と撥水性PTFE微粒子とを含む平均粒径5μmの複次粒子を造粒し、
(b)静電塗工法を用いて、高分子電解質膜の表裏両面に触媒を担持した導電体を堆積させることにより平均厚み10μmの触媒層を形成し、150℃のホットローラーを用いて触媒層を定着させ、
(c)静電塗工法により触媒層の表面に(a)の複次粒子を堆積させることにより平均厚み5μmの撥水層を形成し、150℃のホットローラーを用いて撥水層を定着させ、
(d)撥水層に接するようにカーボンペーパーを重ね、ホットプレスする
膜電極接合体(MEA)の製造方法が開示されている。
Therefore, in order to solve this problem, various proposals have been made conventionally.
For example, in Patent Document 1,
(A) Subatomic particles having an average particle size of 5 μm containing acetylene black powder and water-repellent PTFE fine particles are granulated.
(B) A catalyst layer having an average thickness of 10 μm is formed by depositing a conductor carrying a catalyst on both the front and back surfaces of a polymer electrolyte membrane using an electrostatic coating method, and the catalyst layer is formed using a hot roller at 150 ° C. Established,
(C) A water-repellent layer having an average thickness of 5 μm is formed by depositing the secondary particles of (a) on the surface of the catalyst layer by an electrostatic coating method, and the water-repellent layer is fixed using a hot roller at 150 ° C. ,
(D) A method for producing a membrane electrode assembly (MEA) in which carbon paper is laminated so as to be in contact with a water-repellent layer and hot-pressed is disclosed.

また、同文献には、
(a)分散室の上部の開口部に高分子電解質膜を配置し、高分子電解質膜をプラス極に帯電させ、
(b)分散室の下部に電極触媒粉末を投入し、電極触媒粉末を撹拌翼により撹拌して、電極触媒粉末をマイナス極に自己摩擦帯電させ、
(c)上部に設置された高分子電解質膜の表面に電極触媒粉末を吸着させる
静電塗工方法が開示されている。
In addition, in the same document,
(A) A polymer electrolyte membrane is placed in the upper opening of the dispersion chamber, and the polymer electrolyte membrane is charged to the positive electrode.
(B) The electrode catalyst powder is put into the lower part of the dispersion chamber, the electrode catalyst powder is stirred by a stirring blade, and the electrode catalyst powder is self-triboelectrically charged to the negative electrode.
(C) An electrostatic coating method for adsorbing an electrode catalyst powder on the surface of a polymer electrolyte membrane installed on the upper surface is disclosed.

同文献には、
(A)完全なドライプロセスにより電極を形成することができるため、有機溶媒などの有害物質による危険性がなく、電極触媒粉末を安定的に保存することができる点、及び、
(B)高分子電解質膜の表面に堆積可能な導電体は1〜2粒子層のみであるため、堆積させた粉体粒子の粒径がほぼ堆積層の膜厚となる点
が記載されている。
In the same document,
(A) Since the electrodes can be formed by a complete dry process, there is no danger of harmful substances such as organic solvents, and the electrode catalyst powder can be stably stored.
(B) Since only one or two particle layers can be deposited on the surface of the polyelectrolyte film, it is described that the particle size of the deposited powder particles is approximately the thickness of the deposited layer. ..

特許文献2には、ガス拡散層を製造するための装置ではないが、対象物の上方に配置されたスクリーンと、スクリーン上に配置されたスポンジローラーと、スポンジローラー上に粉体を供給するホッパと、スクリーンと対象物との間に電圧を印加する電圧印加装置と、スポンジローラーの外周面に沿った形状の内周面を有するローラーカバーとを備えた静電スクリーン印刷装置が開示されている。
同文献には、
(A)粉体はローラーカバーとスポンジローラーとの間に挟まれながらスクリーンまで運ばれるために、粉体はスポンジローラーからスクリーン上にこぼれ落ちることがほとんどない点、及び、
(B)これによって、ホッパから供給された粉体のほぼすべてがスポンジローラーによってスクリーンに擦り込まれる点
が記載されている。
Patent Document 2 describes a screen arranged above an object, a sponge roller arranged on the screen, and a hopper that supplies powder onto the sponge roller, although it is not an apparatus for manufacturing a gas diffusion layer. Disclosed is an electrostatic screen printing device including a voltage applying device for applying a voltage between a screen and an object, and a roller cover having an inner peripheral surface shaped along the outer peripheral surface of the sponge roller. ..
In the same document,
(A) Since the powder is carried to the screen while being sandwiched between the roller cover and the sponge roller, the powder hardly spills from the sponge roller onto the screen, and
(B) It is described that this causes almost all of the powder supplied from the hopper to be rubbed against the screen by the sponge roller.

特許文献3には、ガス拡散層の製造方法ではないが、
(a)スクリーン印刷により電解質膜の表面に高粘度バインダを塗布し、
(b)静電スクリーン印刷によりバインダ塗布部に白金触媒を塗布し、
(c)加熱ローラーにより電解質膜に白金電極を加熱定着させる
電極製造方法が開示されている。
同文献には、
(a)印加電界を制御することにより、電極の部位別の膜厚を制御できる点、
(b)印加電界によって、導電性スクリーンから落とされた電極材料を電解質膜の表面へほぼ均一に導くことができる点、及び、
(c)スクリーンによって電極材料の粒径が均一になる点
が記載されている。
Although Patent Document 3 does not describe a method for producing a gas diffusion layer,
(A) A high-viscosity binder is applied to the surface of the electrolyte membrane by screen printing.
(B) Platinum catalyst is applied to the binder application part by electrostatic screen printing.
(C) An electrode manufacturing method in which a platinum electrode is heat-fixed to an electrolyte membrane by a heating roller is disclosed.
In the same document,
(A) By controlling the applied electric field, the film thickness of each electrode site can be controlled.
(B) The applied electric field can guide the electrode material dropped from the conductive screen to the surface of the electrolyte membrane almost uniformly, and
(C) It is described that the screen makes the particle size of the electrode material uniform.

さらに、特許文献4には、
(a)スプレードライヤーを用いて白金担持カーボンと電解質とを含む触媒層用スラリーを噴霧乾燥させ、触媒層用粉体を作製し、
(b)スプレードライヤーを用いて球状カーボンとポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを含むスラリーを噴霧乾燥させ、マイクロポーラスレイヤ(MPL)層用粉体を作製し、
(c)触媒層用粉体とMPL層用粉体とを混合して中間層用粉体を作製し、
(d)静電スクリーン印刷装置を用いて電解質膜の表面に、触媒層用粉体、中間層用粉体、及びMPL層用粉体をこの順で堆積させ、
(e)MPL層の上に拡散層基材を配置し、140℃でホットプレスする
燃料電池の製造方法が開示されている。
Further, in Patent Document 4,
(A) A catalyst layer slurry containing platinum-supported carbon and an electrolyte is spray-dried using a spray dryer to prepare a catalyst layer powder.
(B) A slurry containing spherical carbon and polyvinylidene fluoride (PVDF) is spray-dried using a spray dryer to prepare a powder for a microporous layer (MPL) layer.
(C) The powder for the catalyst layer and the powder for the MPL layer are mixed to prepare a powder for the intermediate layer.
(D) The catalyst layer powder, the intermediate layer powder, and the MPL layer powder are deposited on the surface of the electrolyte film using an electrostatic screen printing device in this order.
(E) A method for manufacturing a fuel cell in which a diffusion layer base material is placed on an MPL layer and hot-pressed at 140 ° C. is disclosed.

特許文献1には、分散室の上部にプラスに帯電した基材を配置し、分散室の下部で粒子をマイナスに帯電させ、帯電粒子を基材の下面に付着させる静電塗工方法が開示されている。しかしながら、この方法は、帯電粒子の付着強度が弱く、堆積可能な粒子は1〜2粒子層である。そのため、膜厚は粒子径に依存し、厚膜の形成には適さない。
一方、特許文献4には、静電スクリーン印刷装置を用いて、電解質膜の表面に触媒層、中間層及び撥水層(MPL層)を付着させた後、ホットプレスする方法が開示されている。しかし、撥水層の密着性を強化するためには、撥水材の融点付近での焼成が必要となる。そのため、適用可能な撥水材はPVDFのような低融点撥水材に限られ、通常使用されているPTFEなどの高融点撥水材に適用することはできない。
Patent Document 1 discloses an electrostatic coating method in which a positively charged base material is placed in the upper part of the dispersion chamber, the particles are negatively charged in the lower part of the dispersion chamber, and the charged particles are attached to the lower surface of the base material. Has been done. However, in this method, the adhesion strength of the charged particles is weak, and the particles that can be deposited are one or two particle layers. Therefore, the film thickness depends on the particle size and is not suitable for forming a thick film.
On the other hand, Patent Document 4 discloses a method in which a catalyst layer, an intermediate layer and a water-repellent layer (MPL layer) are attached to the surface of an electrolyte film by using an electrostatic screen printing apparatus, and then hot-pressed. .. However, in order to enhance the adhesion of the water-repellent layer, it is necessary to bake the water-repellent material near the melting point. Therefore, the applicable water repellent material is limited to a low melting point water repellent material such as PVDF, and cannot be applied to a high melting point water repellent material such as PTFE which is usually used.

国際公開第WO2001/099216号International Publication No. WO2001 / 099216 特開2014−208405号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-208405 特開2004−281221号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-281221 特開2009−193777号公報JP-A-2009-193777

本発明が解決しようとする課題は、ドライプロセスにより導電性基材の表面に膜厚が均一な撥水層を形成することが可能な燃料電池用ガス拡散層の製造方法、及び、このような方法により製造される燃料電池用ガス拡散層を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、厚膜の(又は、厚い)撥水層を形成することが可能な燃料電池用ガス拡散層の製造方法、及び、このような方法により製造される燃料電池用ガス拡散層を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、高融点撥水材であっても適用可能な燃料電池用ガス拡散層の製造方法、及び、このような方法により製造される燃料電池用ガス拡散層を提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell capable of forming a water-repellent layer having a uniform thickness on the surface of a conductive base material by a dry process, and such a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell. The purpose is to provide a gas diffusion layer for a fuel cell manufactured by the method.
Another problem to be solved by the present invention is a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell capable of forming a thick (or thick) water-repellent layer, and a method for producing the gas diffusion layer for a fuel cell. The purpose is to provide a gas diffusion layer for a fuel cell.
Further, another problem to be solved by the present invention is a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, which can be applied even if it is a high melting point water repellent material, and a gas for a fuel cell produced by such a method. The purpose is to provide a diffusion layer.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、
導電性粒子と撥水性粒子とをメカノケミカル処理し、複合粒子を得る造粒工程と、
静電スクリーン印刷装置を用いて導電性基材の表面に前記複合粒子を塗工し、塗膜を得る成膜工程と、
前記塗膜をプレスし、撥水層を得るプレス工程と
を備えていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention is
A granulation process in which conductive particles and water-repellent particles are treated with mechanochemicals to obtain composite particles.
A film forming process of applying the composite particles to the surface of a conductive base material using an electrostatic screen printing device to obtain a coating film, and
The gist is that the coating film is pressed to obtain a water-repellent layer.

前記成膜工程は、前記導電性基材の上方にスクリーンを配置し、前記スクリーン上に前記複合粒子を載せ、押圧部材を用いて前記複合粒子を前記スクリーンに擦り込むものが好ましい。 In the film forming step, it is preferable that a screen is placed above the conductive substrate, the composite particles are placed on the screen, and the composite particles are rubbed against the screen using a pressing member.

本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、
導電性基材と、
前記導電性基材の表面に形成された撥水層と
を備え、
前記撥水層は、導電性粒子と撥水性粒子との複合粒子を含み、
前記撥水層の平均膜厚は、5μm以上50μm以下であることを要旨とする。
The gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention is
With a conductive base material
A water-repellent layer formed on the surface of the conductive base material is provided.
The water-repellent layer contains composite particles of conductive particles and water-repellent particles.
The gist is that the average film thickness of the water-repellent layer is 5 μm or more and 50 μm or less.

導電性粒子と撥水性粒子とをメカノケミカル処理すると、溶媒を用いることなく、両者が均一に分散している複合粒子を得ることができる。次に、静電スクリーン印刷装置を用いて導電性基材の表面に複合粒子を塗工し、塗膜をプレスすると、溶媒を用いることなく、撥水層を形成することができる。この時、導電性基材の上方にスクリーンを配置し、スクリーンから導電性基材に向かって帯電した複合粒子を落下させると、複合粒子の平均粒径を超える膜厚を有する塗膜を形成することができる。さらに、導電性基材には、通常、高融点材料が用いられるため、高融点撥水材を用いた高温ホットプレスも可能となる。 By mechanochemical treatment of the conductive particles and the water-repellent particles, it is possible to obtain composite particles in which both are uniformly dispersed without using a solvent. Next, when composite particles are applied to the surface of the conductive substrate using an electrostatic screen printing device and the coating film is pressed, a water-repellent layer can be formed without using a solvent. At this time, when the screen is arranged above the conductive base material and the charged composite particles are dropped from the screen toward the conductive base material, a coating film having a film thickness exceeding the average particle size of the composite particles is formed. be able to. Further, since a high melting point material is usually used for the conductive base material, high temperature hot pressing using a high melting point water repellent material is also possible.

メカノケミカル処理装置の模式図である。It is a schematic diagram of the mechanochemical processing apparatus. 静電スクリーン印刷装置の模式図である。It is a schematic diagram of the electrostatic screen printing apparatus. 実施例1で得られたガス拡散層の外観写真である。It is an appearance photograph of the gas diffusion layer obtained in Example 1.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 燃料電池用ガス拡散層の製造方法]
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、
導電性粒子と撥水性粒子とをメカノケミカル処理し、複合粒子を得る造粒工程と、
静電スクリーン印刷装置を用いて導電性基材の表面に前記複合粒子を塗工し、塗膜を得る成膜工程と、
前記塗膜をプレスし、撥水層を得るプレス工程と
を備えている。
燃料電池用ガス拡散層の製造方法は、プレス工程の後に、撥水層を焼成する焼成工程をさらに備えていても良い。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Manufacturing method of gas diffusion layer for fuel cells]
The method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention is as follows.
A granulation process in which conductive particles and water-repellent particles are treated with mechanochemicals to obtain composite particles.
A film forming process of applying the composite particles to the surface of a conductive base material using an electrostatic screen printing device to obtain a coating film, and
It includes a pressing step of pressing the coating film to obtain a water-repellent layer.
The method for producing the gas diffusion layer for a fuel cell may further include a firing step of firing the water-repellent layer after the pressing step.

[1.1. 造粒工程]
まず、導電性粒子と撥水性粒子とをメカノケミカル処理し、複合粒子を得る(造粒工程)。
[1.1. Granulation process]
First, the conductive particles and the water-repellent particles are mechanochemically treated to obtain composite particles (granulation step).

[1.1.1. 導電性粒子]
導電性粒子の材料は、目的とする導電性を有するものである限りにおいて、特に限定されない。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、VGCF(登録商標)、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどがある。導電性粒子には、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
[1.1.1. Conductive particles]
The material of the conductive particles is not particularly limited as long as it has the desired conductivity. Examples of the conductive particles include carbon black, VGCF (registered trademark), carbon nanofibers, carbon nanotubes, and carbon nanohorns. Any one of these may be used as the conductive particles, or two or more of them may be used in combination.

[1.1.2. 撥水性粒子]
撥水性粒子の材料は、目的とする撥水性を有するものである限りにおいて、特に限定されない。また、撥水性粒子は、融点が140℃超の材料が好ましい。
撥水性粒子としては、例えば、PTFE、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、ポリヘキサフルオロプロピレン(FEP)などがある。撥水性粒子には、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
[1.1.2. Water repellent particles]
The material of the water-repellent particles is not particularly limited as long as it has the desired water repellency. The water-repellent particles are preferably made of a material having a melting point of more than 140 ° C.
Examples of the water-repellent particles include PTFE, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), polyhexafluoropropylene (FEP) and the like. Any one of these may be used as the water-repellent particles, or two or more of them may be used in combination.

[1.1.3. 配合量]
導電性粒子及び撥水性粒子の配合量は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な配合量を選択することができる。
一般に、撥水性粒子の配合量が少なすぎると、撥水性が不十分となる。従って、撥水性粒子の配合量は、10wt%以上が好ましい。配合量は、好ましくは、20wt%以上、さらに好ましくは、40wt%以上である。
一方、撥水性粒子の配合量が過剰になると、導電性が低下する。従って、撥水性粒子の配合量は、70wt%以下が好ましい。配合量は、好ましくは、60wt%以下、さらに好ましくは、50wt%以下である。
[1.1.3. Blending amount]
The blending amount of the conductive particles and the water-repellent particles is not particularly limited, and the optimum blending amount can be selected according to the purpose.
Generally, if the amount of the water-repellent particles is too small, the water repellency becomes insufficient. Therefore, the blending amount of the water-repellent particles is preferably 10 wt% or more. The blending amount is preferably 20 wt% or more, more preferably 40 wt% or more.
On the other hand, if the amount of the water-repellent particles is excessive, the conductivity is lowered. Therefore, the blending amount of the water-repellent particles is preferably 70 wt% or less. The blending amount is preferably 60 wt% or less, more preferably 50 wt% or less.

[1.1.4. メカノケミカル処理]
[A. 定義]
「メカノケミカル処理」とは、複数の固体物質に対して摩擦、圧縮等の機械的エネルギーを加えることにより、固体物質間で結晶化反応、固溶反応、相転移反応などの化学反応を生じさせる処理をいう。
[1.1.4. Mechanochemical treatment]
[A. Definition]
"Mechanochemical treatment" is the application of mechanical energy such as friction and compression to a plurality of solid substances to cause chemical reactions such as crystallization reaction, solid dissolution reaction, and phase transition reaction between the solid substances. Refers to processing.

導電性粒子及び撥水性粒子の混合物に対してメカノケミカル処理を行うと、両者がファンデルワールス力より強い力で結合している複合粒子が得られる。メカノケミカル処理の方法としては、種々の方法が知られている。本発明において、メカノケミカル処理の方法は、特に限定されるものではなく、いずれの方法を用いても良い。 When a mixture of conductive particles and water-repellent particles is subjected to mechanochemical treatment, composite particles in which the two are bonded with a force stronger than the Van der Waals force can be obtained. Various methods are known as methods for mechanochemical treatment. In the present invention, the method of mechanochemical treatment is not particularly limited, and any method may be used.

[B. 具体例]
図1に、メカノケミカル処理装置の模式図を示す。図1において、メカノケミカル処理装置10は、は、容器12と、攪拌羽14と、モータ16とを備えている。容器12の上部には、原料の投入口12aが設けられ、容器12の下部には、処理後の粉末の取り出し口12bが設けられている。
攪拌羽14は、容器12内に挿入されている。容器12の内壁と攪拌羽14の先端との間にはギャップが設けられており、ギャップの大きさは、任意に設定することができる。さらに、攪拌羽14の回転軸は、モータ16に接続されている。
[B. Concrete example]
FIG. 1 shows a schematic view of a mechanochemical processing apparatus. In FIG. 1, the mechanochemical processing apparatus 10 includes a container 12, a stirring blade 14, and a motor 16. A raw material input port 12a is provided in the upper part of the container 12, and a processed powder take-out port 12b is provided in the lower part of the container 12.
The stirring blade 14 is inserted in the container 12. A gap is provided between the inner wall of the container 12 and the tip of the stirring blade 14, and the size of the gap can be arbitrarily set. Further, the rotating shaft of the stirring blade 14 is connected to the motor 16.

図1に示すメカノケミカル処理装置10を用いた処理は、以下のようにして行われる。まず、容器12の内壁と攪拌羽根14の先端との間のギャップを所定の間隔に設定する。この状態で、投入口12aから原料を投入し、攪拌羽14を所定の回転数で回転させる。これにより、原料粉末がギャップ間に押し込められ、粒子間に機械的エネルギーが加えられる。その結果、導電性粒子と撥水性粒子が強固に付着しており、かつ、適度な粒径に整粒された複合粒子が得られる。処理終了後、複合粒子を取り出し口12bから排出する。 The treatment using the mechanochemical treatment apparatus 10 shown in FIG. 1 is performed as follows. First, the gap between the inner wall of the container 12 and the tip of the stirring blade 14 is set at a predetermined interval. In this state, the raw material is charged from the charging port 12a, and the stirring blade 14 is rotated at a predetermined rotation speed. This pushes the raw material powder between the gaps and applies mechanical energy between the particles. As a result, composite particles in which the conductive particles and the water-repellent particles are firmly adhered and are sized to an appropriate particle size can be obtained. After the treatment is completed, the composite particles are discharged from the take-out port 12b.

[1.2. 成膜工程]
次に、静電スクリーン印刷装置を用いて導電性基材の表面に前記複合粒子を塗工し、塗膜を得る(成膜工程)。
[1.2. Film formation process]
Next, the composite particles are coated on the surface of the conductive base material using an electrostatic screen printing device to obtain a coating film (film formation step).

[1.2.1. 導電性基材]
本発明において、複合粒子が塗工される導電性基材は、燃料電池のガス拡散層の主構成要素であり、高い導電性と高いガス拡散性が求められる。導電性基材の材料は、目的とする導電性及びガス拡散性を有する限りにおいて、特に限定されない。導電性基材としては、例えば、
(a)カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボン等のカーボン多孔質体、
(b)金属メッシュ、発泡金属等の金属多孔体
などがある。導電性基材は、予め表面に撥水処理が施されているものでも良い。
[1.2.1. Conductive base material]
In the present invention, the conductive base material coated with the composite particles is a main component of the gas diffusion layer of the fuel cell, and is required to have high conductivity and high gas diffusivity. The material of the conductive base material is not particularly limited as long as it has the desired conductivity and gas diffusivity. As the conductive base material, for example,
(A) Carbon porous material such as carbon paper, carbon cloth, and glassy carbon,
(B) There are metal meshes, metal porous bodies such as foamed metals, and the like. The conductive base material may have a water-repellent treatment on the surface in advance.

[1.2.2. 静電スクリーン印刷装置]
[A. 定義]
「静電スクリーン印刷装置」とは、静電気を利用して基材表面に粒子を付着させる装置をいう。本発明において、基材には、ガス拡散層の主構成要素、すなわち、導電性基材が用いられる。静電スクリーン印刷の方法には、種々の方法がある。本発明においては、いずれの方法を用いても良い。
[1.2.2. Electrostatic screen printing device]
[A. Definition]
The "electrostatic screen printing device" refers to a device that uses static electricity to attach particles to the surface of a base material. In the present invention, the main component of the gas diffusion layer, that is, the conductive base material is used as the base material. There are various methods of electrostatic screen printing. In the present invention, any method may be used.

しかしながら、特許文献1に記載されているように、上方に配置された基材の下面に粒子を付着させる方法では、基材には粒子層が1〜2層しか付着せず、膜厚を厚くすることができない。基材表面の粒子層を撥水層として機能させるためには、撥水層の膜厚を3〜15μm程度にする必要がある。特許文献1に記載の方法を用いてこのような膜厚を有する撥水層を形成するためには、複合粒子の粒子径を3〜15μmとする必要がある。通常、撥水層の細孔径分布がガス拡散層の物性を支配するため、ガス拡散層の性能を制御するためには、任意の粒径を持つ複合粒子を塗工できる方法が好ましい。 However, as described in Patent Document 1, in the method of adhering the particles to the lower surface of the base material arranged above, only one or two particle layers are attached to the base material, and the film thickness is increased. Can not do it. In order for the particle layer on the surface of the base material to function as a water-repellent layer, the film thickness of the water-repellent layer needs to be about 3 to 15 μm. In order to form a water-repellent layer having such a film thickness by using the method described in Patent Document 1, it is necessary to set the particle size of the composite particles to 3 to 15 μm. Usually, the pore size distribution of the water-repellent layer controls the physical properties of the gas diffusion layer. Therefore, in order to control the performance of the gas diffusion layer, a method capable of coating composite particles having an arbitrary particle size is preferable.

そのため、前記成膜工程は、前記導電性基材の上方にスクリーンを配置し、前記スクリーン上に前記複合粒子を載せ、押圧部材を用いて前記複合粒子を前記スクリーンに擦り込むものが好ましい。このような方法を用いると、任意の粒径を持つ複合粒子を塗工することができ、かつ、塗膜の厚さを任意に制御することができる。 Therefore, in the film forming step, it is preferable that a screen is placed above the conductive base material, the composite particles are placed on the screen, and the composite particles are rubbed against the screen using a pressing member. By using such a method, composite particles having an arbitrary particle size can be applied, and the thickness of the coating film can be arbitrarily controlled.

[B. 具体例]
図2に、上述した機能を備えた静電スクリーン印刷装置の模式図を示す。図2において、静電スクリーン印刷装置20は、台座22と、スクリーン24と、高電圧発生器26とを備えている。
台座22は、被印刷物(導電性基材)30を載置するためのものである。台座22の上方には、所定の間隔を隔てて、スクリーン24が配置されている。
[B. Concrete example]
FIG. 2 shows a schematic view of an electrostatic screen printing apparatus having the above-mentioned functions. In FIG. 2, the electrostatic screen printing device 20 includes a pedestal 22, a screen 24, and a high voltage generator 26.
The pedestal 22 is for placing the printed matter (conductive base material) 30 on the pedestal 22. Above the pedestal 22, screens 24 are arranged at predetermined intervals.

スクリーン24は、枠部24aのほぼ中央にメッシュ網24bが設けられたものからなる。メッシュ網24bの開口径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な開口径を選択することができる。また、台座22上に載置された被印刷物30とスクリーン24との間のギャップGは、任意に調整可能になっている。
高電圧発生器26は、台座22及びその上に載置される被印刷物30をプラスに帯電させ、かつ、スクリーン24及びその上に載置される複合粒子(図示せず)をマイナスに帯電させるためのものである。高電圧発生器26のプラス極は台座22に接続され、マイナス極はスクリーン24に接続されている。
The screen 24 is composed of a mesh net 24b provided substantially in the center of the frame portion 24a. The opening diameter of the mesh net 24b is not particularly limited, and the optimum opening diameter can be selected according to the purpose. Further, the gap G between the printed matter 30 placed on the pedestal 22 and the screen 24 can be arbitrarily adjusted.
The high voltage generator 26 positively charges the pedestal 22 and the printed matter 30 placed on the pedestal 22, and negatively charges the screen 24 and the composite particles (not shown) placed on the screen 24. Is for. The positive pole of the high voltage generator 26 is connected to the pedestal 22, and the negative pole is connected to the screen 24.

図2に示す静電スクリーン印刷装置20を用いた成膜は、以下のようにして行われる。まず、台座22の上に被印刷物(導電性基材)30を載せ、被印刷物30とスクリーン24との間のギャップGを調整する。次いで、台座22−スクリーン24間に電界を印加した状態でスクリーン24上に複合粒子を載せ、図示しない押圧部材(例えば、スキージ、印刷ブラシなど)を用いて複合粒子をスクリーン24のメッシュ網24bに擦り込む。その結果、メッシュ網24bの開口径より小さな粒径を有する複合粒子がメッシュ網24bから台座22に向かって落下する。 The film formation using the electrostatic screen printing apparatus 20 shown in FIG. 2 is performed as follows. First, the printed matter (conductive base material) 30 is placed on the pedestal 22, and the gap G between the printed matter 30 and the screen 24 is adjusted. Next, the composite particles are placed on the screen 24 with an electric field applied between the pedestal 22 and the screen 24, and the composite particles are transferred to the mesh net 24b of the screen 24 by using a pressing member (for example, a squeegee, a printing brush, etc.) (not shown). Rub in. As a result, composite particles having a particle size smaller than the opening diameter of the mesh net 24b fall from the mesh net 24b toward the pedestal 22.

複合粒子はマイナスに帯電しているため、電界により加速され、プラスに帯電している被印刷物30の表面に衝突する。その結果、被印刷物30の表面に、メッシュ網24bの形状に対応する形状を持つ塗膜32が形成される。 Since the composite particles are negatively charged, they are accelerated by the electric field and collide with the surface of the positively charged printed matter 30. As a result, a coating film 32 having a shape corresponding to the shape of the mesh net 24b is formed on the surface of the printed matter 30.

[1.2.3. 印刷条件]
静電スクリーン印刷を行う場合の成膜条件は、塗膜の特性に影響を与える。特に電界強度は、塗膜の特性に与える影響が大きい。
[1.2.3. Printing conditions]
The film forming conditions when performing electrostatic screen printing affect the characteristics of the coating film. In particular, the electric field strength has a great influence on the characteristics of the coating film.

[A. ギャップ]
一般に、スクリーンと導電性基材との間のギャップGが小さくなりすぎると、複合粒子の塗工そのものが困難となる。従って、ギャップGは、1mm以上が好ましい。ギャップGは、好ましくは、1.5mm以上、さらに好ましくは、2mm以上である。
一方、ギャップGが大きくなりすぎると、塗工面が不均一となる。従って、ギャップGは、5.0mm以下が好ましい。
[A. gap]
In general, if the gap G between the screen and the conductive substrate becomes too small, the coating of the composite particles itself becomes difficult. Therefore, the gap G is preferably 1 mm or more. The gap G is preferably 1.5 mm or more, more preferably 2 mm or more.
On the other hand, if the gap G becomes too large, the coated surface becomes non-uniform. Therefore, the gap G is preferably 5.0 mm or less.

[B. 印加電圧]
一般に、塗工時の印加電圧が小さくなりすぎると、塗工面が不均一となる。従って、印加電圧は、1.0kV以上が好ましい。
一方、印加電圧が大きくなりすぎると、複合粒子の塗工そのものが困難となる。従って、印加電圧は、3.0kV以下が好ましい。
[B. Applied voltage]
Generally, if the applied voltage at the time of coating becomes too small, the coated surface becomes non-uniform. Therefore, the applied voltage is preferably 1.0 kV or more.
On the other hand, if the applied voltage becomes too large, it becomes difficult to coat the composite particles. Therefore, the applied voltage is preferably 3.0 kV or less.

[C. 平均膜厚]
上述した方法を用いると、複合粒子の粒径によらず、塗膜の平均膜厚を任意に制御することができる。しかしながら、このようにして塗工した塗膜をプレスして、ガス拡散層の撥水層とする場合において、塗膜の平均膜厚が薄くなりすぎると、十分な撥水性が得られない。従って、塗膜の平均膜厚は、5μm以上が好ましい。平均膜厚は、好ましくは、10μm以上、さらに好ましくは、20μm以上である。
一方、塗膜の平均膜厚が厚くなりすぎると、ガス拡散性能が低下する。従って、平均膜厚は、50μm以下が好ましい。平均膜厚は、好ましくは、40μm以下、さらに好ましくは、30μm以下である。
[C. Average film thickness]
By using the method described above, the average film thickness of the coating film can be arbitrarily controlled regardless of the particle size of the composite particles. However, when the coating film coated in this way is pressed to form a water-repellent layer of a gas diffusion layer, if the average film thickness of the coating film becomes too thin, sufficient water repellency cannot be obtained. Therefore, the average film thickness of the coating film is preferably 5 μm or more. The average film thickness is preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more.
On the other hand, if the average film thickness of the coating film becomes too thick, the gas diffusion performance deteriorates. Therefore, the average film thickness is preferably 50 μm or less. The average film thickness is preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less.

[1.3. プレス工程]
次に、前記塗膜をプレスし、撥水層を得る(プレス工程)。
[1.3. Press process]
Next, the coating film is pressed to obtain a water-repellent layer (pressing step).

[1.3.1. プレス圧力]
プレス圧力は、撥水層の特性に影響を与える。プレス圧力が小さくなりすぎると、基材と撥水層の密着性が低く、容易に剥がれてしまう。従って、プレス圧力は、0.1kgf/cm2(9.8×10-3MPa)以上が好ましい。プレス圧力は、好ましくは、0.5kgf/cm2(4.9×10-2MPa)以上、さらに好ましくは、1.0kgf/cm2(9.8×10-2MPa)以上である。
一方、プレス圧力が大きくなりすぎると、導電性基材が塑性変形又は座屈を起こす。従って、プレス圧力は、導電性基材の塑性崩壊荷重未満が好ましい。プレス圧力は、好ましくは、塑性崩壊荷重の80%以下、さらに好ましくは、60%以下である。
[13.1. Press pressure]
Press pressure affects the properties of the water repellent layer. If the press pressure becomes too small, the adhesion between the base material and the water-repellent layer is low, and the base material and the water-repellent layer are easily peeled off. Therefore, the press pressure is preferably 0.1 kgf / cm 2 (9.8 × 10 -3 MPa) or more. The press pressure is preferably 0.5 kgf / cm 2 (4.9 × 10 −2 MPa) or more, and more preferably 1.0 kgf / cm 2 (9.8 × 10 −2 MPa) or more.
On the other hand, if the press pressure becomes too high, the conductive base material undergoes plastic deformation or buckling. Therefore, the press pressure is preferably less than the plastic collapse load of the conductive substrate. The press pressure is preferably 80% or less, more preferably 60% or less of the plastic collapse load.

[1.3.2. プレス温度]
一般に、プレス温度が高くなるほど、撥水層の密着性が向上する。このような効果を得るためには、プレス温度は、室温以上が好ましい。プレス温度は、好ましくは、300℃以上、さらに好ましくは、360℃以上である。
一方、プレス温度が高すぎると、撥水性粒子が分解するおそれがある。従って、プレス温度は、撥水性粒子の分解温度未満が好ましい。プレス温度は、好ましくは、分解温度の90%以下、さらに好ましくは、80%以下である。
さらに、撥水性粒子の融点が140℃超である場合、プレス温度は、140℃超前記撥水性粒子の分解温度未満の温度が好ましい。
[1.3.2. Press temperature]
Generally, the higher the press temperature, the better the adhesion of the water repellent layer. In order to obtain such an effect, the press temperature is preferably room temperature or higher. The press temperature is preferably 300 ° C. or higher, more preferably 360 ° C. or higher.
On the other hand, if the press temperature is too high, the water-repellent particles may decompose. Therefore, the press temperature is preferably lower than the decomposition temperature of the water-repellent particles. The press temperature is preferably 90% or less, more preferably 80% or less of the decomposition temperature.
Further, when the melting point of the water-repellent particles is more than 140 ° C., the press temperature is preferably more than 140 ° C. and lower than the decomposition temperature of the water-repellent particles.

[1.4. 焼成工程]
塗膜をプレスして撥水層を形成した後、さらに撥水層を焼成しても良い(焼成工程)。撥水層の焼成を行うと、撥水層の密着性を向上させることができる。
[1.4. Baking process]
After pressing the coating film to form a water-repellent layer, the water-repellent layer may be further fired (firing step). By firing the water-repellent layer, the adhesion of the water-repellent layer can be improved.

焼成温度は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な温度を選択することができる。一般に、焼成温度が低すぎると、十分な効果が得られない。従って、焼成温度は、300℃以上が好ましい。焼成温度は、好ましくは、330℃以上、さらに好ましくは、360℃以上である。
一方、焼成温度が高すぎると、撥水性分子が分解するおそれがある。従って、焼成温度は、400℃以下が好ましい。焼成温度は、好ましくは、390℃以下、さらに好ましくは、380℃以下である。
焼成時間は、焼成温度に応じて最適な時間を選択する。一般に、焼成温度が高くなるほど、短時間で密着性を向上させることができる。
The firing temperature is not particularly limited, and the optimum temperature can be selected according to the purpose. Generally, if the firing temperature is too low, a sufficient effect cannot be obtained. Therefore, the firing temperature is preferably 300 ° C. or higher. The firing temperature is preferably 330 ° C. or higher, more preferably 360 ° C. or higher.
On the other hand, if the firing temperature is too high, the water-repellent molecules may be decomposed. Therefore, the firing temperature is preferably 400 ° C. or lower. The firing temperature is preferably 390 ° C. or lower, more preferably 380 ° C. or lower.
The optimum firing time is selected according to the firing temperature. Generally, the higher the firing temperature, the shorter the time required to improve the adhesion.

[2. 燃料電池用ガス拡散層]
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、
導電性基材と、
前記導電性基材の表面に形成された撥水層と
を備えている。
[2. Gas diffusion layer for fuel cells]
The gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention is
With a conductive base material
It is provided with a water-repellent layer formed on the surface of the conductive base material.

[2.1. 導電性基材]
導電性基材は、ガス拡散層の主構成要素である。導電性基材の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.1. Conductive base material]
The conductive substrate is the main component of the gas diffusion layer. The details of the conductive base material are as described above, and thus the description thereof will be omitted.

[2.2. 撥水層]
撥水層は、導電性粒子と撥水性粒子との複合粒子を含む。
[2.1.1. 導電性粒子、撥水性粒子、複合粒子]
導電性粒子、撥水性粒子、及び複合粒子の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。また、撥水層に含まれる撥水性粒子の配合量についても上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.2. Water repellent layer]
The water-repellent layer contains composite particles of conductive particles and water-repellent particles.
[2.1.1. Conductive particles, water-repellent particles, composite particles]
The details of the conductive particles, the water-repellent particles, and the composite particles are as described above, and thus the description thereof will be omitted. Further, since the blending amount of the water-repellent particles contained in the water-repellent layer is also as described above, the description thereof will be omitted.

[2.2.2. 平均膜厚]
撥水層の平均膜厚は、ガス拡散層の撥水性に影響を与える。撥水層の平均膜厚が薄すぎると、十分な撥水性が得られない。従って、撥水層の平均膜厚は、5μm以上が好ましい。平均膜厚は、好ましくは、10μm以上、さらに好ましくは、20μm以上である。
一方、撥水層の平均膜厚が厚くなりすぎると、ガス拡散性能が低下する。従って、平均膜厚は、50μm以下が好ましい。平均膜厚は、好ましくは、40μm以下、さらに好ましくは、30μm以下である
[2.2.2. Average film thickness]
The average film thickness of the water repellent layer affects the water repellency of the gas diffusion layer. If the average film thickness of the water-repellent layer is too thin, sufficient water repellency cannot be obtained. Therefore, the average film thickness of the water-repellent layer is preferably 5 μm or more. The average film thickness is preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more.
On the other hand, if the average film thickness of the water-repellent layer becomes too thick, the gas diffusion performance deteriorates. Therefore, the average film thickness is preferably 50 μm or less. The average film thickness is preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less.

[2.3. 浸み込み]
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、前記導電性基材への撥水層の浸み込みがないことを特徴とする。一般に、多孔質の基材にインク状の撥水層を塗工すると、基材にインクが浸み込んでしまい、基材の多孔性が失われる。そのため、ガス拡散性が低下することが問題となっている。これに対し、本発明は、インクを用いないドライプロセスであるため、導電性基材への撥水層の浸み込みがない。
[2.3. Penetration]
The gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention is characterized in that the water-repellent layer does not penetrate into the conductive substrate. Generally, when an ink-like water-repellent layer is applied to a porous base material, the ink permeates the base material and the porosity of the base material is lost. Therefore, there is a problem that the gas diffusibility is lowered. On the other hand, since the present invention is a dry process that does not use ink, the water-repellent layer does not penetrate into the conductive substrate.

[3. 作用]
導電性粒子と撥水性粒子とをメカノケミカル処理すると、溶媒を用いることなく、両者が均一に分散している複合粒子を得ることができる。次に、静電スクリーン印刷装置を用いて導電性基材の表面に複合粒子を塗工し、塗膜をプレスすると、溶媒を用いることなく、撥水層を形成することができる。この時、導電性基材の上方にスクリーンを配置し、スクリーンから導電性基材に向かって帯電した複合粒子を落下させると、複合粒子の平均粒径を超える膜厚を有する塗膜を形成することができる。さらに、導電性基材には、通常、高融点材料が用いられるため、高融点撥水材を用いた高温ホットプレスも可能となる。
本発明に係る方法を用いると、完全なドライプロセスで、任意の粒径を有する複合粒子、及び任意の膜厚を有する撥水層を形成することができる。
[3. Action]
By mechanochemical treatment of the conductive particles and the water-repellent particles, it is possible to obtain composite particles in which both are uniformly dispersed without using a solvent. Next, when composite particles are applied to the surface of the conductive substrate using an electrostatic screen printing device and the coating film is pressed, a water-repellent layer can be formed without using a solvent. At this time, when the screen is arranged above the conductive base material and the charged composite particles are dropped from the screen toward the conductive base material, a coating film having a film thickness exceeding the average particle size of the composite particles is formed. be able to. Further, since a high melting point material is usually used for the conductive base material, high temperature hot pressing using a high melting point water repellent material is also possible.
By using the method according to the present invention, composite particles having an arbitrary particle size and a water-repellent layer having an arbitrary film thickness can be formed by a complete dry process.

(実施例1〜5、比較例1〜5)
[1. 試料の作製]
[1.1. 複合粒子の作製]
導電性粒子には、1次粒子径が35nmであるカーボンブラック(デンカ(株)製)を用いた。撥水性粒子には、平均粒子径が4μmであるPTFE(3M社製)を用いた。これらをメカノケミカル処理することで、0.1〜20μm程度の粒径を有する複合粒子を作製した。複合粒子の作製には、図1に示すメカノケミカル処理装置(商品名:ノビルタ(登録商標)、ホソカワミクロン(株)製)を用いた。
(Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 5)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Fabrication of composite particles]
As the conductive particles, carbon black (manufactured by Denka Co., Ltd.) having a primary particle diameter of 35 nm was used. As the water-repellent particles, PTFE (manufactured by 3M) having an average particle diameter of 4 μm was used. By treating these with mechanochemicals, composite particles having a particle size of about 0.1 to 20 μm were produced. The mechanochemical treatment apparatus shown in FIG. 1 (trade name: Nobilta (registered trademark), manufactured by Hosokawa Micron Co., Ltd.) was used to prepare the composite particles.

カーボンブラック:PTFEの重量比が6:4である原料40gを処理装置に投入し、メカノケミカル処理を行った。攪拌羽の回転数は3000rpmとし、攪拌時間は15minとした。また、攪拌羽と容器の内壁との間のギャップは1.5mmとした。さらに、容器内は不活性雰囲気とした。 40 g of a raw material having a carbon black: PTFE weight ratio of 6: 4 was put into a processing apparatus and subjected to mechanochemical treatment. The rotation speed of the stirring blade was 3000 rpm, and the stirring time was 15 min. The gap between the stirring blade and the inner wall of the container was set to 1.5 mm. Further, the inside of the container has an inert atmosphere.

[1.2. 静電スクリーン印刷]
図2に示す静電スクリーン印刷装置を用いて、導電性基材表面に複合粒子からなる塗膜を形成した。メッシュ網の目開きは、100μmとした。導電性基材には、撥水処理済みカーボンペーパーF(米国エレクトロケム社製)を用いた。
メッシュ網上に、ねらい膜厚(膜厚:20μm)相当量の複合粒子を載せた。導電性基材とスクリーンの間に電圧を印加し、スキージを用いて複合粒子をスクリーンに擦り込んで塗工した。電圧は、1〜4kVとし、スクリーンと導電性基板との間のギャップは、0.5〜10mmとした。
[1.2. Electrostatic screen printing]
Using the electrostatic screen printing apparatus shown in FIG. 2, a coating film composed of composite particles was formed on the surface of a conductive substrate. The mesh mesh opening was set to 100 μm. Water-repellent treated carbon paper F (manufactured by Electrochem, USA) was used as the conductive base material.
An amount of composite particles equivalent to the target film thickness (film thickness: 20 μm) was placed on the mesh net. A voltage was applied between the conductive substrate and the screen, and the composite particles were rubbed into the screen using a squeegee for coating. The voltage was 1 to 4 kV, and the gap between the screen and the conductive substrate was 0.5 to 10 mm.

[1.3. 塗膜のプレス、及び焼成]
得られた塗膜をプレスした。プレス圧力は、1〜15kgf/cm2(9.8×10-2MPa〜1.47MPa)とし、プレス温度は、室温(25℃)〜300℃とした。
さらに、一部の試料については、プレス後に300℃で焼成した。
[1.3. Coating film pressing and firing]
The obtained coating film was pressed. Pressing pressure, and 1~15kgf / cm 2 (9.8 × 10 -2 MPa~1.47MPa), the pressing temperature was room temperature (25 ℃) ~300 ℃.
Further, some samples were calcined at 300 ° C. after pressing.

[2. 評価]
撥水層の密着性、及び外観を評価した。ここで、密着性の可否判断は、基材を90度傾けた時に、撥水層が剥がれ落ちないこととした。また、外観の可否判断は、塗工端が整っていること、塗工面が均一であり、めくれが無いことを基準とした。
[2. evaluation]
The adhesion and appearance of the water-repellent layer were evaluated. Here, the judgment as to whether or not the adhesion is possible is that the water-repellent layer does not peel off when the base material is tilted 90 degrees. In addition, the judgment as to whether or not the appearance is possible was based on the fact that the coated edges are in order, the coated surface is uniform, and there is no turning.

表1に、結果を示す。また、図3に、実施例1で得られたガス拡散層の外観写真を示す。表1及び図3より、以下のことが分かる。
なお、表1中、密着性に関して「○」は、静電スクリーン印刷後、プレス前の基材を90度傾けた時に撥水層が剥がれ落ちないことを表す。「×」は、基材を90度傾けた時に撥水層が剥がれ落ちることを表す。
また、外観に関して「○」は、塗工面にムラがなく、均一な状態、かつ、スクリーン面積に対して塗工面積が125%以内である状態を表す。また、「×」は、塗工面にムラがあり、めくれがある状態、もしくは、スクリーン面積に対して塗工面積が125%超の広がりを持つ状態を表す。
Table 1 shows the results. Further, FIG. 3 shows an external photograph of the gas diffusion layer obtained in Example 1. The following can be seen from Table 1 and FIG.
In Table 1, “◯” indicates that the water-repellent layer does not peel off when the base material before pressing is tilted 90 degrees after electrostatic screen printing. “X” indicates that the water-repellent layer peels off when the base material is tilted 90 degrees.
Further, regarding the appearance, “◯” indicates a state in which the coated surface is uniform and uniform, and the coated area is within 125% of the screen area. Further, "x" represents a state in which the coated surface is uneven and turned over, or a state in which the coated area has an area of more than 125% with respect to the screen area.

Figure 0006958347
Figure 0006958347

(1)塗工時の印加電圧が4kVである場合(比較例1)、塗工そのものができなかった。これは、空気の絶縁耐力以上の電界強度が印加され、絶縁破壊が起こり、スクリーンと台座が導通したためと考えられる。一方、印加電圧が0kVである場合(比較例3)、外観不良が生じた。これは、複合粒子自然落下により基材へ塗工されるため、塗工面が不均一となるためと考えられる。
(2)塗工時のギャップが0.5mmである場合(比較例2)、塗工そのものができなかった。これは、ギャップが小さいため、落下する複合粒子によって、スクリーンと台座が導通したためと考えられる。一方、ギャップが10mmである場合(比較例4)、外観不良が生じた。これは、ギャップが大きいため、塗工面が不均一でムラが生じたためと考えられる。
(1) When the applied voltage at the time of coating was 4 kV (Comparative Example 1), the coating itself could not be performed. It is considered that this is because an electric field strength higher than the dielectric strength of air was applied, dielectric breakdown occurred, and the screen and the pedestal became conductive. On the other hand, when the applied voltage was 0 kV (Comparative Example 3), poor appearance occurred. It is considered that this is because the coated surface becomes non-uniform because the composite particles are coated on the base material by free fall.
(2) When the gap at the time of coating was 0.5 mm (Comparative Example 2), the coating itself could not be performed. It is considered that this is because the screen and the pedestal are made conductive by the falling composite particles because the gap is small. On the other hand, when the gap was 10 mm (Comparative Example 4), poor appearance occurred. It is considered that this is because the coated surface is uneven and uneven due to the large gap.

(3)プレス圧力が1kgf/cm2(9.8×10-2MPa)であっても(実施例5)、良好な密着性が得られた。一方、プレス圧力が15kgf/cm2(1.47MPa)である場合(比較例5)、外観不良が生じた。これは、プレス圧力が高すぎるために、導電性基材が変形したためである。
(4)塗工時の印加電圧を1〜3kV、ギャップを1〜5mm、プレス圧力を1〜10kgf/cm2(9.8×10-2〜0.98MPa)、プレス温度を25〜300℃とすると、密着性及び外観ともに良好なガス拡散層が得られた。
(3) Even when the press pressure was 1 kgf / cm 2 (9.8 × 10-2 MPa) (Example 5), good adhesion was obtained. On the other hand, when the press pressure was 15 kgf / cm 2 (1.47 MPa) (Comparative Example 5), poor appearance occurred. This is because the conductive base material is deformed because the press pressure is too high.
(4) The applied voltage during coating is 1 to 3 kV, the gap is 1 to 5 mm, the press pressure is 1 to 10 kgf / cm 2 (9.8 × 10 −2 to 0.98 MPa), and the press temperature is 25 to 300 ° C. Then, a gas diffusion layer having good adhesion and appearance was obtained.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、車載動力源、定置型発電器などに用いられる燃料電池のガス拡散層として使用することができる。 The fuel cell gas diffusion layer according to the present invention can be used as a fuel cell gas diffusion layer used in an in-vehicle power source, a stationary power generator, or the like.

Claims (8)

導電性粒子と撥水性粒子とをメカノケミカル処理し、複合粒子を得る造粒工程と、
静電スクリーン印刷装置を用いて導電性基材の表面に前記複合粒子を塗工し、塗膜を得る成膜工程と、
前記塗膜をプレスし、撥水層を得るプレス工程と
を備えた燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
A granulation process in which conductive particles and water-repellent particles are treated with mechanochemicals to obtain composite particles.
A film forming process of applying the composite particles to the surface of a conductive base material using an electrostatic screen printing device to obtain a coating film, and
A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, comprising a pressing step of pressing the coating film to obtain a water-repellent layer.
前記成膜工程は、前記導電性基材の上方にスクリーンを配置し、前記スクリーン上に前記複合粒子を載せ、押圧部材を用いて前記複合粒子を前記スクリーンに擦り込むものからなる請求項1に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 The first aspect of the film forming step comprises arranging a screen above the conductive substrate, placing the composite particles on the screen, and rubbing the composite particles onto the screen using a pressing member. The method for manufacturing a gas diffusion layer for a fuel cell according to the above method. 前記成膜工程は、塗工時における前記静電スクリーン印刷装置のスクリーンと前記導電性基材との間のギャップが1mm以上5mm以下であり、かつ、印加電圧が1.0kV以上3.0kV以下である条件下において前記複合粒子を塗工するものからなり、
前記プレス工程は、プレス圧力が0.1kgf/cm2(9.8×10-3MPa)以上前記導電性基材の塑性崩壊荷重未満であり、プレス温度が室温以上前記撥水性粒子の分解温度未満である条件下において前記プレスを行うものからなる
請求項1又は2に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
In the film forming step, the gap between the screen of the electrostatic screen printing apparatus and the conductive substrate at the time of coating is 1 mm or more and 5 mm or less, and the applied voltage is 1.0 kV or more and 3.0 kV or less. It consists of coating the composite particles under certain conditions.
In the pressing step, the pressing pressure is 0.1 kgf / cm 2 (9.8 × 10 -3 MPa) or more and less than the plastic decay load of the conductive substrate, and the pressing temperature is room temperature or more and the decomposition temperature of the water-repellent particles. The method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the pressing is performed under the condition of less than.
前記成膜工程は、前記塗膜の平均膜厚が5μm以上50μm以下となるように、前記複合粒子の塗工を行うものからなる請求項1から3までのいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the film forming step comprises coating the composite particles so that the average film thickness of the coating film is 5 μm or more and 50 μm or less. A method for manufacturing a gas diffusion layer. 前記撥水性粒子は、融点が140℃超の材料からなり、
前記プレス工程は、140℃超前記撥水性粒子の分解温度未満の温度において、前記プレスを行うものからなる
請求項1から4までのいずれか1項に記載の燃料電池用ガス拡散層の製造方法。
The water-repellent particles are made of a material having a melting point of more than 140 ° C.
The method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the pressing step comprises performing the pressing at a temperature higher than 140 ° C. and lower than the decomposition temperature of the water-repellent particles. ..
導電性基材と、
前記導電性基材の表面に形成された撥水層と
を備え、
前記撥水層は、導電性粒子と撥水性粒子との複合粒子を含み、
前記撥水層の平均膜厚は、5μm以上50μm以下である燃料電池用ガス拡散層。
With a conductive base material
A water-repellent layer formed on the surface of the conductive base material is provided.
The water-repellent layer contains composite particles of conductive particles and water-repellent particles.
A gas diffusion layer for a fuel cell having an average film thickness of 5 μm or more and 50 μm or less.
前記撥水性粒子は、融点が140℃超の材料からなる請求項6に記載の燃料電池用ガス拡散層。 The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 6, wherein the water-repellent particles are made of a material having a melting point of more than 140 ° C. 前記導電性基材への前記撥水層の浸み込みがない請求項6又は7に記載の燃料電池用ガス拡散層。 The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 6 or 7, wherein the water-repellent layer does not penetrate into the conductive substrate.
JP2017253153A 2017-12-28 2017-12-28 Gas diffusion layer for fuel cells and its manufacturing method Active JP6958347B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017253153A JP6958347B2 (en) 2017-12-28 2017-12-28 Gas diffusion layer for fuel cells and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017253153A JP6958347B2 (en) 2017-12-28 2017-12-28 Gas diffusion layer for fuel cells and its manufacturing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019121423A JP2019121423A (en) 2019-07-22
JP6958347B2 true JP6958347B2 (en) 2021-11-02

Family

ID=67306455

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017253153A Active JP6958347B2 (en) 2017-12-28 2017-12-28 Gas diffusion layer for fuel cells and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6958347B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7370673B2 (en) 2020-02-11 2023-10-30 株式会社豊田中央研究所 Gas diffusion layer for fuel cells
JP7276369B2 (en) * 2021-03-08 2023-05-18 株式会社豊田中央研究所 Gas diffusion layer and manufacturing method thereof

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4944345B2 (en) * 2000-06-22 2012-05-30 パナソニック株式会社 POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL, AND METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING THE ELECTRODE
JP2004281221A (en) * 2003-03-14 2004-10-07 Toyota Motor Corp Apparatus and method for manufacturing electrode
JP4114617B2 (en) * 2004-02-19 2008-07-09 トヨタ自動車株式会社 Method and apparatus for forming catalyst layer on base material constituting membrane electrode assembly
JP2009193777A (en) * 2008-02-13 2009-08-27 Toyota Motor Corp Fuel cell, and manufacturing method of the fuel cell
JP2010153131A (en) * 2008-12-24 2010-07-08 Toyota Motor Corp Method for manufacturing electrode constituent for fuel cell
JP2014208405A (en) * 2013-04-16 2014-11-06 ベルク工業有限会社 Electrostatic screen printing apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019121423A (en) 2019-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1979970B1 (en) Microporous layer
CN109923697B (en) Anode paste for lithium ion battery
EP3816103A1 (en) Carbon nanotube dispersion and usage therefor
JP6958347B2 (en) Gas diffusion layer for fuel cells and its manufacturing method
JPH11288728A (en) Electrode for fuel cell and its manufacture
JP6354393B2 (en) Aqueous catalyst paste composition for fuel cell and fuel cell
CA2891105C (en) Production method of porous layer material and production method of membrane electrode and gas diffusion layer assembly including porous layer material
KR20120007984A (en) Manufacturing method of electrode of power storage device, electrode of power storage device, and power storage device
CN1204568C (en) Transparent conductive film and production method thereof
JP4093439B2 (en) Method for producing electrode for polymer electrolyte fuel cell
JP2014137965A (en) Method of manufacturing electrode
CN113224294B (en) Formula and application of positive electrode of double-ion battery
KR20200085949A (en) Separator coating material for secondary battery of electric vehicle or energy storage system and coating separator manufacturing method using the same, middle or large sized secondary battery of electric vehicle or energy storage system
JP6863536B2 (en) Gas diffusion electrode, manufacturing method of gas diffusion electrode, membrane electrode assembly, fuel cell
WO2022141866A1 (en) Positive electrode catalyst of magnesium metal-air battery, and continuous coating preparation method therefor
WO2011044703A1 (en) An air cathode for metal-air fuel cells
JPWO2018147226A1 (en) Positive electrode for alkaline secondary battery and alkaline secondary battery
CN112687889A (en) Waterproof breathable film of magnesium metal air battery and continuous coating preparation method thereof
CN111969252A (en) Solid-state battery and method for manufacturing same
CN105968929A (en) Preparation method of thin-film coating
JP2021091598A (en) Porous carbon, and production method thereof
US20120231364A1 (en) Cathode for molten carbonate fuel cell and manufacturing method of the same
JP6582390B2 (en) Water repellent paste for gas diffusion layer, gas diffusion layer for fuel cell and fuel cell
JP7276369B2 (en) Gas diffusion layer and manufacturing method thereof
JP2019160518A (en) Alkaline secondary battery positive electrode and alkaline secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20201016

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210819

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210907

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210920

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6958347

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150