JP7207025B2 - Paste for microporous layer and method for producing the same - Google Patents

Paste for microporous layer and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、マイクロポーラス層用ペースト及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、固体高分子形燃料電池のガス拡散層の表面にマイクロポーラス層を形成するために用いられるマイクロポーラス層用ペースト、及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a microporous layer paste and a method for producing the same, and more particularly, to a microporous layer paste used for forming a microporous layer on the surface of a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell, and the paste. It relates to a manufacturing method.

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を含む電極が接合された膜電極接合体(MEA)を基本単位とする。固体高分子形燃料電池において、電極は、一般に、ガス拡散層と触媒層の二層構造をとる。ガス拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質(触媒層アイオノマ)との複合体からなる。 A solid polymer fuel cell is based on a membrane electrode assembly (MEA) in which electrodes including catalyst layers are joined to both sides of a solid polymer electrolyte membrane. In polymer electrolyte fuel cells, electrodes generally have a two-layer structure of a gas diffusion layer and a catalyst layer. The gas diffusion layer is for supplying reaction gas and electrons to the catalyst layer, and is made of carbon paper, carbon cloth, or the like. The catalyst layer is a portion that serves as a reaction field for electrode reactions, and is generally composed of a composite of carbon carrying an electrode catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte (catalyst layer ionomer).

固体高分子形燃料電池のガス拡散層は、高いガス透過性に加えて、高い撥水性が求められる。そのため、ガス拡散層には、一般に、カーボンペーパーなどの多孔質基材の表面に、マイクロポーラス層(導電性粒子と撥水性粒子とを含み、相対的に大きな気孔率を持つ層)が形成されたものが用いられる。マイクロポーラス層は、一般に、導電性粒子及び撥水性粒子を含むペーストを多孔質基材の表面に塗布し、乾燥及び焼成することにより形成されている。
しかしながら、多孔質基材の表面にペーストを塗布する際に、ペーストが多孔質基材の内部に染み込む(裏移りする)ことがあった。ペーストの染み込みが発生すると、多孔質基材の細孔の一部が閉塞し、ガス拡散層のガス透過性や撥水性が低下する。
Gas diffusion layers of polymer electrolyte fuel cells are required to have high water repellency in addition to high gas permeability. Therefore, the gas diffusion layer is generally formed by forming a microporous layer (a layer containing conductive particles and water-repellent particles and having a relatively large porosity) on the surface of a porous substrate such as carbon paper. Others are used. A microporous layer is generally formed by applying a paste containing conductive particles and water-repellent particles to the surface of a porous substrate, followed by drying and baking.
However, when the paste is applied to the surface of the porous substrate, the paste sometimes penetrates into the interior of the porous substrate (set-off). When the paste permeates, some of the pores of the porous substrate are clogged, and the gas diffusion layer has reduced gas permeability and water repellency.

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、カーボン粒子、分散剤、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)エマルジョン、イオン交換水、及び、増粘剤として300℃未満で熱分解する水溶性のポリエチレンオキサイド(PEO)を含むマイクロポーラス層形成用ペースト組成物が開示されている。
同文献には、増粘剤として、300℃未満で熱分解する水溶性のポリエチレンオキサイドを用いると、乾燥工程の負荷が軽減され、ペーストの流動特性が改善され、塗工時の生産効率が向上し、かつ、長期保存も可能となる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have been conventionally made.
For example, Patent Document 1 contains carbon particles, a dispersant, a polytetrafluoroethylene (PTFE) emulsion, ion-exchanged water, and a water-soluble polyethylene oxide (PEO) that thermally decomposes at less than 300°C as a thickening agent. A paste composition for forming a microporous layer is disclosed.
In the same document, the use of water-soluble polyethylene oxide, which thermally decomposes at less than 300°C, as a thickener reduces the load in the drying process, improves the fluidity of the paste, and improves the production efficiency during coating. Moreover, it is described that long-term storage is possible.

特許文献2には、カーボンブラックと、フッ素系樹脂分散液と、界面活性剤と、水とを含み、前記界面活性剤は、HLB値が14~20の非イオン系界面活性剤であるガス拡散層用撥水ペーストが開示されている。
同文献には、
(A)このような組成にすることによって、流動特性と基材への塗工性に優れたガス拡散層用撥水ペーストが得られる点、及び、
(B)ペーストには、水との親和性が高い水溶性有機溶媒を添加しても良い点、
が記載されている。
Patent Document 2 discloses a gas diffusion method containing carbon black, a fluororesin dispersion, a surfactant, and water, wherein the surfactant is a nonionic surfactant having an HLB value of 14 to 20. A layer water-repellent paste is disclosed.
In the same document,
(A) By adopting such a composition, a water-repellent paste for a gas diffusion layer having excellent flow characteristics and coatability to a substrate can be obtained;
(B) the paste may contain a water-soluble organic solvent that has a high affinity for water;
is described.

特許文献3には、ペーストの染み込みの抑制を目的とするものではないが、カーボンスラリーにフッ素樹脂ディスパージョンとともに水に溶け難い溶剤及び水に溶け易い溶剤を混合したガス拡散層用撥水ペーストが開示されている。
同文献には、
(A)撥水性の高い高分子量のフッ素樹脂は、混合時の剪断力により繊維化しやすい点、
(B)フッ素樹脂が繊維化すると、分散不良になり、撥水ペーストの安定性が低下し、塗工不良の原因となる点、
(C)水に溶けやすい溶剤はフッ素樹脂の繊維化を促進するのに対し、水に溶け難い溶剤はフッ素樹脂の繊維化を抑制する点、並びに、
(D)ペースト中の両溶剤の割合を最適化すると、配管やポンプの中の比較的低い剪断力ではフッ素樹脂は繊維化せずに、高剪断力で塗工するときに基材上で繊維化させることが可能となる点、
が記載されている。
Patent Document 3 discloses a water-repellent paste for a gas diffusion layer in which a carbon slurry is mixed with a fluororesin dispersion and a solvent that is difficult to dissolve in water and a solvent that dissolves in water easily, although it is not intended to suppress the penetration of the paste. disclosed.
In the same document,
(A) A high molecular weight fluororesin with high water repellency is likely to be fibrillated by a shearing force during mixing.
(B) When the fluororesin becomes fibrous, it becomes poorly dispersed, the stability of the water-repellent paste is lowered, and this causes poor coating.
(C) A solvent that dissolves easily in water promotes fiberization of the fluororesin, whereas a solvent that dissolves poorly in water suppresses the fiberization of the fluororesin;
(D) By optimizing the ratio of both solvents in the paste, the fluororesin does not fibrillate at relatively low shear forces in pipes and pumps, and fibers form on the substrate when coated at high shear forces. The point that it is possible to convert
is described.

さらに、非特許文献1には、燃料電池のマイクロポーラス層用ペーストではないが、粒子と溶媒Aを主成分とするペーストに対して、溶媒Aと親和性の低い溶媒Bを添加すると、粒子間に液架橋力が発生し、ネットワーク構造が形成される点が記載されている。 Furthermore, in Non-Patent Document 1, although it is not a paste for a microporous layer of a fuel cell, when a solvent B having a low affinity with the solvent A is added to a paste mainly composed of particles and a solvent A, It is described that a liquid bridging force is generated and a network structure is formed.

基材へのマイクロポーラス層用ペーストの染み込みを抑制するために、ペーストにPEOなどの水溶性高分子を増粘剤として添加するのが一般的である。しかしながら、この方法を用いてマイクロポーラス層に撥水性を付与するためには、基材を300℃以上の温度で加熱し、増粘剤を熱分解させる必要がある。また、特許文献1に記載されているように、300℃未満で熱分解するPEOを用いたとしても、増粘剤の熱分解工程が必要となり、熱負荷が大きいという問題がある。 In order to suppress penetration of the microporous layer paste into the substrate, it is common to add a water-soluble polymer such as PEO to the paste as a thickening agent. However, in order to impart water repellency to the microporous layer using this method, it is necessary to heat the substrate at a temperature of 300° C. or higher to thermally decompose the thickening agent. Further, as described in Patent Document 1, even if PEO that thermally decomposes at less than 300° C. is used, a thermal decomposition step of the thickener is required, which poses a problem of a large heat load.

特許第5851386号公報Japanese Patent No. 5851386 特開2016-085894号公報JP 2016-085894 A 特会2004-247148号公報Special Meeting No. 2004-247148

"Capillary Forces in Suspension Rheology," Koos, E., et al., Science 2011, 331.6019, 897-900"Capillary Forces in Suspension Rheology," Koos, E., et al., Science 2011, 331.6019, 897-900

本発明が解決しようとする課題は、水溶性高分子を用いることなく、基材へのペーストの染み込み(裏移り)を抑制することが可能なマイクロポーラス層用ペースト、及びその製造方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a microporous layer paste capable of suppressing penetration (set-off) of the paste into a substrate without using a water-soluble polymer, and a method for producing the same. That's what it is.

上記課題を解決するために本発明に係るマイクロポーラス層用ペーストは、以下の構成を備えている。
(1)前記マイクロポーラス層用ペーストは、
燃料電池のマイクロポーラス層に導電性を付与するための導電性粒子と、
前記マイクロポーラス層に撥水性を付与するための撥水性粒子と、
前記導電性粒子及び前記撥水性粒子の水中における分散状態を安定化させるための分散剤と、
ペーストの粘度を増加させるための疎水性有機溶媒と、
前記導電性粒子及び前記撥水性粒子を分散させるための水と
を備えている。
(2)前記マイクロポーラス層用ペーストは、せん断速度1000s-1での粘度が0.05Pa・s以上1Pa・s以下である。
In order to solve the above problems, the microporous layer paste according to the present invention has the following configuration.
(1) The microporous layer paste is
conductive particles for imparting conductivity to the microporous layer of the fuel cell;
water repellent particles for imparting water repellency to the microporous layer;
a dispersant for stabilizing the dispersed state of the conductive particles and the water-repellent particles in water;
a hydrophobic organic solvent to increase the viscosity of the paste;
Water for dispersing the conductive particles and the water-repellent particles is provided.
(2) The microporous layer paste has a viscosity of 0.05 Pa·s or more and 1 Pa·s or less at a shear rate of 1000 s −1 .

本発明に係るマイクロポーラス層用ペーストの製造方法は、
導電性粒子と、撥水性粒子と、分散剤と、水とを所定の比率で混合し、分散させる第1工程と、
前記第1工程で得られた分散液に、増粘剤として疎水性有機溶媒を配合し、混合する第2工程と
を備えている。
The method for producing a microporous layer paste according to the present invention comprises:
A first step of mixing and dispersing conductive particles, water-repellent particles, a dispersant, and water in a predetermined ratio;
and a second step of adding a hydrophobic organic solvent as a thickening agent to the dispersion liquid obtained in the first step and mixing the mixture.

導電性粒子、疎水性粒子、及び分散剤を水中に分散させると、分散剤の疎水基が導電性粒子の凝集体、及び撥水性粒子の表面に吸着する。このような粒子が分散している分散液に疎水性有機溶媒を添加すると、導電性粒子の間隙に疎水性有機溶媒が侵入し、膨潤粒子となる。その結果、導電性粒子の凝集体の見かけの体積が増大し、ペーストの粘度が増大する。また、疎水性有機溶媒の添加量をさらに増加させると、膨潤粒子の少なくとも一部が疎水性有機溶媒の液架橋力を介して連結しているネットワーク構造が形成される。その結果、ペーストの粘度がさらに増大する。 When the conductive particles, hydrophobic particles, and dispersant are dispersed in water, the hydrophobic groups of the dispersant are adsorbed to the aggregates of the conductive particles and the surfaces of the water-repellent particles. When a hydrophobic organic solvent is added to the dispersion liquid in which such particles are dispersed, the hydrophobic organic solvent penetrates into the gaps between the conductive particles to form swollen particles. As a result, the apparent volume of the aggregates of the conductive particles increases, increasing the viscosity of the paste. Further, when the amount of the hydrophobic organic solvent added is further increased, a network structure is formed in which at least a portion of the swollen particles are linked via the liquid-bridging force of the hydrophobic organic solvent. As a result, the viscosity of the paste further increases.

このようにして得られたペーストは、水溶性高分子を含まないので、水溶性高分子を熱分解させるための熱処理が不要となる。そのため、ペーストの生産性が向上する。 Since the paste thus obtained does not contain water-soluble polymer, heat treatment for thermally decomposing the water-soluble polymer is unnecessary. Therefore, productivity of the paste is improved.

ペーストの剪断速度と粘度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the shear rate of a paste, and a viscosity. 1-オクタノールの含有量と粘度との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the content of 1-octanol and viscosity. 図3(A)は、X=0wt%(Xは、疎水性有機溶媒の含有量)である燃料電池マイクロポーラス層用ペーストの模式図である。図3(B)は、0<X≦1.3wt%である燃料電池マイクロポーラス層用ペーストの模式図である。図3(C)は、X>1.3wt%である燃料電池マイクロポーラス層用ペーストの模式図である。FIG. 3A is a schematic diagram of a fuel cell microporous layer paste in which X=0 wt % (X is the content of the hydrophobic organic solvent). FIG. 3B is a schematic diagram of a fuel cell microporous layer paste in which 0<X≦1.3 wt %. FIG. 3(C) is a schematic diagram of a fuel cell microporous layer paste in which X>1.3 wt %. オクタノール/水分配係数(logPow)と、せん断速度1s-1でのペーストの粘度との関係を示す図である。Fig. 3 shows the relationship between the octanol/water partition coefficient (log P ow ) and the viscosity of the paste at a shear rate of 1 s -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. マイクロポーラス層用ペースト]
本発明に係るマイクロポーラス層用ペースト(以下、単に「ペースト」ともいう)は、導電性粒子と、撥水性粒子と、分散剤と、疎水性有機溶媒と、水とを備えている。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Paste for microporous layer]
The microporous layer paste (hereinafter also simply referred to as "paste") according to the present invention comprises conductive particles, water-repellent particles, a dispersant, a hydrophobic organic solvent, and water.

[1.1. ペーストの成分]
[1.1.1. 導電性粒子]
[A. 材料]
導電性粒子は、マイクロポーラス層に導電性を付与するためのものである。導電性粒子の材料は、導電性と、燃料電池の使用環境下に耐える耐食性とを備えているものである限りにおいて、特に限定されない。
導電性粒子の材料としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、活性炭、天然黒鉛、メソポーラスカーボンなどのカーボン材料が挙げられる。
[1.1. Ingredients of the paste]
[1.1.1. Conductive particles]
[A. material]
The conductive particles are for imparting conductivity to the microporous layer. The material of the conductive particles is not particularly limited as long as it has conductivity and corrosion resistance to withstand the environment in which the fuel cell is used.
Materials for the conductive particles include, for example, carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, activated carbon, natural graphite, and mesoporous carbon.

[B. 平均粒径]
導電性粒子の平均粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。一般に、導電性粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、粒子間の接触抵抗が増大し、マイクロポーラス層の導電性が低下する。従って、導電性粒子の平均粒径は、20μm以下が好ましい。平均粒径は、好ましくは、10μm以下、さらに好ましくは、1μm以下である。
ここで、「平均粒径」とは、レーザー回折散乱法により測定される粒径のメディアン値(d50)をいう。
[B. Average particle size]
The average particle size of the conductive particles is not particularly limited, and an optimum value can be selected depending on the purpose. In general, when the average particle size of the conductive particles is too large, the contact resistance between particles increases and the conductivity of the microporous layer decreases. Therefore, the average particle size of the conductive particles is preferably 20 μm or less. The average particle size is preferably 10 μm or less, more preferably 1 μm or less.
Here, "average particle size" refers to the median value ( d50 ) of particle sizes measured by a laser diffraction scattering method.

[1.1.2. 撥水性粒子]
[A. 材料]
撥水性粒子は、マイクロポーラス層に撥水性を付与するためのものである。撥水性粒子の材料は、撥水性と、燃料電池の使用環境下に耐える耐食性とを備えているものである限りにおいて、特に限定されない。
撥水性粒子の材料としては、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(FED)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)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]
[A. material]
The water repellent particles are for imparting water repellency to the microporous layer. The material of the water-repellent particles is not particularly limited as long as it has water repellency and corrosion resistance to withstand the environment in which the fuel cell is used.
Materials for the water-repellent particles include, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene tetrafluoride, propylene hexafluoride copolymer (FED), perfluoroalkoxy fluororesin (PFA), polyvinylidene fluoride (PVdF), poly Chlorotrifluoroethylene (PCTFE) and the like.
Any one of these may be used for the water-repellent particles, or two or more of them may be used in combination.

[B. 平均粒径]
撥水性粒子の平均粒径は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。一般に、撥水性粒子の平均粒径が大きくなりすぎると、層全体に均一に撥水性を付与することができなくなる。従って、撥水性粒子の平均粒径は、10μm以下が好ましい。平均粒径は、好ましくは、5μm以下、さらに好ましくは、1μm以下である。
[B. Average particle size]
The average particle size of the water-repellent particles is not particularly limited, and an optimum value can be selected depending on the purpose. In general, when the average particle size of the water-repellent particles is too large, it becomes impossible to uniformly impart water repellency to the entire layer. Therefore, the average particle size of the water-repellent particles is preferably 10 μm or less. The average particle size is preferably 5 μm or less, more preferably 1 μm or less.

[1.1.3. 分散剤]
分散剤は、固形分(すなわち、導電性粒子及び撥水性粒子)の水中における分散状態を安定化させるためのものである。そのためには、分散剤は、分子内に親水基と疎水基を持っている必要がある。撥水性粒子の表面には、分散剤の疎水基が吸着する。また、導電性粒子が疎水性である場合、導電性粒子の表面には、分散剤の疎水基が吸着する。
[1.1.3. Dispersant]
The dispersant is for stabilizing the dispersed state of the solid content (that is, the conductive particles and the water-repellent particles) in water. For this purpose, the dispersant must have a hydrophilic group and a hydrophobic group in its molecule. The hydrophobic groups of the dispersant are adsorbed on the surface of the water-repellent particles. Further, when the conductive particles are hydrophobic, the hydrophobic groups of the dispersant are adsorbed on the surfaces of the conductive particles.

分散剤としては、例えば、非イオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤などがある。本発明においては、いずれを用いても良い。
これらの内、イオン性界面活性剤は溶媒中でイオンを生じ、このイオンが燃料電池の発電特性を阻害する場合がある。これに対し、非イオン性界面活性剤は、溶媒中でイオンを生じることがないので、分散剤として好適である。
分散剤の分子構造や分子量については、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。
Dispersants include, for example, nonionic surfactants, cationic surfactants, and anionic surfactants. Either may be used in the present invention.
Among these, ionic surfactants generate ions in the solvent, and these ions may impair the power generation characteristics of the fuel cell. On the other hand, nonionic surfactants are suitable as dispersants because they do not generate ions in solvents.
The molecular structure and molecular weight of the dispersant are not particularly limited, and an optimum one can be selected according to the purpose.

[1.1.4. 疎水性有機溶媒]
疎水性有機溶媒は、ペーストの粘度を増加させるためのものである。ここで、「疎水性有機溶媒」とは、水に対して不溶であり、室温において液体である有機化合物をいう。
高い増粘効果を得るためには、疎水性有機溶媒は、相対的に高い疎水性を持つものである必要がある。疎水性の程度は、オクタノール/水分配係数(logPow)(以下、単に「分配係数」ともいう)で表すことができる。高い増粘効果を得るためには、疎水性有機溶媒の分配係数は、1.65以上が好ましい。分配係数は、好ましくは、2.0以上、さらに好ましくは、3.0以上である。
[1.1.4. Hydrophobic organic solvent]
The hydrophobic organic solvent is for increasing the viscosity of the paste. Here, "hydrophobic organic solvent" refers to an organic compound that is insoluble in water and liquid at room temperature.
In order to obtain a high thickening effect, the hydrophobic organic solvent should have relatively high hydrophobicity. The degree of hydrophobicity can be represented by octanol/water partition coefficient (log P ow ) (hereinafter also simply referred to as “partition coefficient”). In order to obtain a high thickening effect, the partition coefficient of the hydrophobic organic solvent is preferably 1.65 or more. The partition coefficient is preferably 2.0 or higher, more preferably 3.0 or higher.

このような条件を満たす疎水性有機溶媒としては、例えば、1-オクタノール、1-ヘキサノール、キシレン、スチレン、トルエン、ベンゼン、ペンタンなどがある。
疎水性有機溶媒には、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。
Examples of hydrophobic organic solvents that satisfy these conditions include 1-octanol, 1-hexanol, xylene, styrene, toluene, benzene, and pentane.
Any one of these may be used as the hydrophobic organic solvent, or two or more thereof may be used in combination.

[1.1.5. 水]
水は、ペーストに含まれる固形分(すなわち、導電性粒子及び撥水性粒子)を分散させるため、及び、ペーストに対して塗工に必要な流動性を付与するために用いられる。
[1.1.5. water]
Water is used to disperse solids contained in the paste (that is, conductive particles and water-repellent particles) and to provide the paste with fluidity necessary for coating.

[1.2. ペーストの組成]
ペーストは、所定量の導電性粒子、撥水性粒子、分散剤、及び疎水性有機溶媒を含み、残部が水及び不可避的不純物からなる。各成分の含有量は、目的に応じて最適な含有量を選択するのが好ましい。
[1.2. Composition of paste]
The paste contains predetermined amounts of conductive particles, water-repellent particles, a dispersing agent, and a hydrophobic organic solvent, and the remainder consists of water and unavoidable impurities. As for the content of each component, it is preferable to select the optimum content according to the purpose.

[1.2.1. 導電性粒子の含有量]
ペースト中に含まれる導電性粒子の含有量は、ペーストの塗工性やマイクロポーラス層の特性に影響を与える。一般に、ペースト中の導電性粒子の含有量が少なすぎると、ペーストの染み込みを抑制するために必要な粘度が得られない。また、撥水性粒子に比べて導電性粒子の含有量が少なすぎると、マイクロポーラス層の導電性が低下する。従って、ペースト中の導電性粒子の含有量は、5wt%以上が好ましい。含有量は、好ましくは、7.5wt%以上、さらに好ましくは、10wt%以上である。
[1.2.1. Content of conductive particles]
The content of the conductive particles contained in the paste affects the coatability of the paste and the properties of the microporous layer. In general, if the content of the conductive particles in the paste is too low, the viscosity necessary for suppressing penetration of the paste cannot be obtained. Also, if the content of the conductive particles is too small compared to the water-repellent particles, the conductivity of the microporous layer will be lowered. Therefore, the content of the conductive particles in the paste is preferably 5 wt % or more. The content is preferably 7.5 wt% or more, more preferably 10 wt% or more.

一方、ペースト中の導電性粒子の含有量が過剰になると、ペーストの粘度が過度に高くなり、塗工そのものが困難となる場合がある。また、撥水性粒子に比べて導電性粒子の含有量が過剰になると、マイクロポーラス層の撥水性が低下する。従って、ペースト中の導電性粒子の含有量は、30wt%以下が好ましい。含有量は、好ましくは、25wt%以下、さらに好ましくは、20wt%以下である。 On the other hand, if the content of the conductive particles in the paste becomes excessive, the viscosity of the paste becomes excessively high, and coating itself may become difficult. Also, when the content of the conductive particles is excessive compared to the water-repellent particles, the water repellency of the microporous layer is lowered. Therefore, the content of the conductive particles in the paste is preferably 30 wt % or less. The content is preferably 25 wt% or less, more preferably 20 wt% or less.

[1.2.2. 撥水性粒子の含有量]
ペースト中に含まれる撥水性粒子の含有量は、ペーストの塗工性やマイクロポーラス層の特性に影響を与える。一般に、ペースト中の撥水性粒子の含有量が少なすぎると、ペーストの染み込みを抑制するために必要な粘度が得られない。また、導電性粒子に比べて撥水性粒子の含有量が少なすぎると、マイクロポーラス層の撥水性が低下する。従って、ペースト中の撥水性粒子の含有量は、0.5wt%以上が好ましい。含有量は、好ましくは、1wt%以上、さらに好ましくは、3wt%以上である。
[1.2.2. Content of water-repellent particles]
The content of the water-repellent particles contained in the paste affects the coatability of the paste and the properties of the microporous layer. In general, if the content of the water-repellent particles in the paste is too low, the viscosity necessary for suppressing penetration of the paste cannot be obtained. In addition, if the content of the water-repellent particles is too small compared to the conductive particles, the water repellency of the microporous layer is lowered. Therefore, the content of the water-repellent particles in the paste is preferably 0.5 wt % or more. The content is preferably 1 wt % or more, more preferably 3 wt % or more.

一方、ペースト中の撥水性粒子の含有量が過剰になると、ペーストの粘度が過度に高くなり、塗工そのものが困難となる場合がある。また、導電性粒子に比べて撥水性粒子の含有量が過剰になると、マイクロポーラス層の導電性が低下する。従って、ペースト中の撥水性粒子の含有量は、20wt%以下が好ましい。含有量は、好ましくは、10wt%以下、さらに好ましくは、5wt%以下である。 On the other hand, if the content of the water-repellent particles in the paste becomes excessive, the viscosity of the paste becomes excessively high, and coating itself may become difficult. Moreover, when the content of the water-repellent particles is excessive compared to the conductive particles, the conductivity of the microporous layer is lowered. Therefore, the content of the water-repellent particles in the paste is preferably 20 wt % or less. The content is preferably 10 wt% or less, more preferably 5 wt% or less.

[1.2.3. 分散剤の含有量]
ペースト中に含まれる分散剤の含有量は、ペーストの塗工性やマイクロポーラス層の特性に影響を与える。一般に、ペースト中の分散剤の含有量が少なすぎると、導電性粒子及び撥水性粒子の分散が不十分となる。従って、ペースト中の分散剤の含有量は、1wt%以上が好ましい。分散剤の含有量は、好ましくは、3wt%以上、さらに好ましくは、5wt%以上である。
[1.2.3. Dispersant content]
The content of the dispersant contained in the paste affects the coatability of the paste and the properties of the microporous layer. In general, if the content of the dispersant in the paste is too low, the conductive particles and the water-repellent particles will not be sufficiently dispersed. Therefore, the content of the dispersant in the paste is preferably 1 wt % or more. The content of the dispersant is preferably 3 wt % or more, more preferably 5 wt % or more.

一方、ペースト中の分散剤の含有量が過剰になると、分散剤を分解するための焼成負荷が大きくなる。従って、ペースト中の分散剤の含有量は、15wt%以下が好ましい。分散剤の含有量は、好ましくは、12.5wt%以下、さらに好ましくは、10wt%以下である。 On the other hand, if the content of the dispersant in the paste becomes excessive, the firing load for decomposing the dispersant increases. Therefore, the content of the dispersant in the paste is preferably 15 wt% or less. The content of the dispersant is preferably 12.5 wt% or less, more preferably 10 wt% or less.

[1.2.4. 疎水性有機溶媒の含有量]
疎水性有機溶媒の含有量は、ペーストの塗工性やマイクロポーラス層の特性に影響を与える。一般に、ペースト中の疎水性有機溶媒の含有量が少なすぎると、ペーストの染み込みを抑制するために必要な粘度が得られない。従って、ペースト中の疎水性有機溶媒の含有量は、0.5wt%以上が好ましい。含有量は、好ましくは、1wt%以上、さらに好ましくは、2wt%以上である。
[1.2.4. Content of Hydrophobic Organic Solvent]
The content of the hydrophobic organic solvent affects the coatability of the paste and the properties of the microporous layer. In general, if the content of the hydrophobic organic solvent in the paste is too low, the viscosity required to suppress penetration of the paste cannot be obtained. Therefore, the content of the hydrophobic organic solvent in the paste is preferably 0.5 wt % or more. The content is preferably 1 wt % or more, more preferably 2 wt % or more.

一方、ペースト中の疎水性有機溶媒の含有量が過剰になると、粘度が過度に上昇し、塗工そのものが困難となる。従って、ペースト中の疎水性有機溶媒の含有量は、3.0wt%以下が好ましい。含有量は、好ましくは、2.5wt%以下である。 On the other hand, if the content of the hydrophobic organic solvent in the paste becomes excessive, the viscosity will increase excessively, making coating itself difficult. Therefore, the content of the hydrophobic organic solvent in the paste is preferably 3.0 wt% or less. The content is preferably 2.5 wt% or less.

[1.3. 粘度]
本発明に係るペーストは、塗工に適した粘度を有し、かつ、基材への染み込みが少ないという特徴がある。また、ペーストの組成を最適化すると、高せん断速度時には低粘度となり、低せん断速度時には高粘度となる擬塑性流動を示す。
[1.3. viscosity]
The paste according to the present invention is characterized by having a viscosity suitable for coating and less permeation into a substrate. In addition, when the composition of the paste is optimized, it exhibits pseudoplastic flow with low viscosity at high shear rates and high viscosity at low shear rates.

具体的には、ペーストの組成を最適化すると、せん断速度1000s-1での粘度は、0.05Pa・s以上1Pa・s以下となる。ペーストの組成をさらに最適化すると、せん断速度1000s-1での粘度は、0.lPa・s以上0.5Pa・s以下となる。 Specifically, when the composition of the paste is optimized, the viscosity at a shear rate of 1000 s −1 becomes 0.05 Pa·s or more and 1 Pa·s or less. Further optimization of the composition of the paste resulted in a viscosity of 0.5 at a shear rate of 1000 s -1 . lPa·s or more and 0.5 Pa·s or less.

また、ペーストの組成を最適化すると、せん断速度0.1s-1での粘度は、10Pa・s以上1000Pa・s以下となる。ペーストの組成をさらに最適化すると、せん断速度0.1s-1での粘度は、10Pa・s以上100Pa・s以下となる。 Further, when the composition of the paste is optimized, the viscosity at a shear rate of 0.1 s −1 becomes 10 Pa·s or more and 1000 Pa·s or less. If the composition of the paste is further optimized, the viscosity at a shear rate of 0.1 s −1 will be 10 Pa·s or more and 100 Pa·s or less.

[1.4. ペーストの構造]
導電性粒子、疎水性粒子、及び分散剤を含む水分散液に疎水性有機溶媒を添加すると、塗工に適した粘度を有し、かつ、基材への染み込みが少ないペーストが得られる。特に、疎水性有機溶媒の含有量は、ペーストの粘度に与える影響が大きい。
[1.4. Structure of paste]
By adding a hydrophobic organic solvent to an aqueous dispersion containing conductive particles, hydrophobic particles, and a dispersing agent, a paste having a viscosity suitable for coating and less infiltration into a substrate can be obtained. In particular, the content of the hydrophobic organic solvent has a large effect on the viscosity of the paste.

ペーストに疎水性有機溶媒を添加すると、ペーストの粘度が増加する。これは、ペースト中において、凝集している導電性粒子の間隙に疎水性有機溶媒が侵入している粒子(以下、このような粒子を「膨潤粒子」ともいう)が生成し、導電性粒子の凝集体の見かけの体積が増加するためと考えられる。
また、疎水性有機溶媒の添加量がある臨界値を超えると、ペーストの粘度がさらに増加する。これは、膨潤粒子の少なくとも一部が疎水性有機溶媒の液架橋力を介して連結しているネットワーク構造が形成されるためと考えられる。
Addition of a hydrophobic organic solvent to the paste increases the viscosity of the paste. This is because in the paste, particles in which the hydrophobic organic solvent has penetrated into the gaps between the aggregated conductive particles (hereinafter, such particles are also referred to as “swollen particles”) are generated, and the conductive particles This is probably because the apparent volume of aggregates increases.
Also, if the amount of the hydrophobic organic solvent added exceeds a certain critical value, the viscosity of the paste will further increase. This is thought to be due to the formation of a network structure in which at least a portion of the swollen particles are linked via the liquid bridge force of the hydrophobic organic solvent.

[2. マイクロポーラス層用ペーストの製造方法]
本発明に係るマイクロポーラス層用ペーストの製造方法は、
導電性粒子と、撥水性粒子と、分散剤と、水とを所定の比率で混合し、分散させる第1工程と、
前記第1工程で得られた分散液に、増粘剤として疎水性有機溶媒を配合し、混合する第2工程と
を備えている。
[2. Method for producing paste for microporous layer]
The method for producing a microporous layer paste according to the present invention comprises:
A first step of mixing and dispersing conductive particles, water-repellent particles, a dispersant, and water in a predetermined ratio;
and a second step of adding a hydrophobic organic solvent as a thickening agent to the dispersion liquid obtained in the first step and mixing the mixture.

[2.1. 第1工程]
まず、導電性粒子と、撥水性粒子と、分散剤と、水とを所定の比率で混合し、分散させる(第1工程)。これらの原料の混合方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。
導電性粒子、撥水性粒子、及び分散剤の詳細、並びに、これらの添加量の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[2.1. First step]
First, conductive particles, water-repellent particles, a dispersant, and water are mixed in a predetermined ratio and dispersed (first step). A method of mixing these raw materials is not particularly limited, and an optimum method can be selected according to the purpose.
The details of the conductive particles, the water-repellent particles, and the dispersing agent, and the details of the amount of these to be added are as described above, so the description is omitted.

[2.2. 第2工程]
次に、前記第1工程で得られた分散液に、増粘剤として疎水性有機溶媒を配合し、混合する(第2工程)。疎水性有機溶媒の混合方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。
[2.2. Second step]
Next, a hydrophobic organic solvent is added as a thickening agent to the dispersion liquid obtained in the first step and mixed (second step). A method for mixing the hydrophobic organic solvent is not particularly limited, and an optimum method can be selected depending on the purpose.

第1工程で得られた分散液に疎水性有機溶媒を添加すると、粘度が増加する。また、疎水性有機溶媒の配合量がある臨界値を超えると、粘度がさらに増加すると同時に、擬塑性流動を示すようになる。
疎水性有機溶媒は、オクタノール/水分配係数(logPow)が1.65以上である有機溶媒が好ましい。疎水性有機溶媒は、特に、1-オクタノールが好ましい。
Addition of a hydrophobic organic solvent to the dispersion obtained in the first step increases the viscosity. In addition, when the blending amount of the hydrophobic organic solvent exceeds a certain critical value, the viscosity further increases and at the same time, pseudoplastic flow is exhibited.
The hydrophobic organic solvent is preferably an organic solvent having an octanol/water partition coefficient (log P ow ) of 1.65 or more. The hydrophobic organic solvent is particularly preferably 1-octanol.

さらに、第1工程及び第2工程は、
5wt%以上30wt%以下の前記導電性粒子、
0.5wt%以上20wt%以下の前記撥水性粒子、
1wt%以上15wt%以下の前記分散剤、及び、
0.5wt%以上3.0wt%以下の前記疎水性有機溶媒
を含み、残部が水及び不可避的不純物からなるペーストが得られるように、これらを配合するものが好ましい。
疎水性有機溶媒の詳細、及び、その添加量の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
Furthermore, the first step and the second step are
5 wt% or more and 30 wt% or less of the conductive particles;
0.5 wt % or more and 20 wt % or less of the water-repellent particles;
1 wt% or more and 15 wt% or less of the dispersant, and
0.5 wt% or more and 3.0 wt% or less of the hydrophobic organic solvent
with the balance being water and unavoidable impurities.
The details of the hydrophobic organic solvent and the details of its addition amount are as described above, so the description is omitted.

[3. 作用]
導電性粒子、疎水性粒子、及び分散剤を水中に分散させると、分散剤の疎水基が導電性粒子の凝集体、及び撥水性粒子の表面に吸着する。このような粒子が分散している分散液に疎水性有機溶媒を添加すると、導電性粒子の間隙に疎水性有機溶媒が侵入し、膨潤粒子となる。その結果、導電性粒子の凝集体の見かけの体積が増大し、ペーストの粘度が増大する。また、疎水性有機溶媒の添加量をさらに増加させると、膨潤粒子の少なくとも一部が疎水性有機溶媒の液架橋力を介して連結しているネットワーク構造が形成される。その結果、ペーストの粘度がさらに増大する。
[3. action]
When the conductive particles, hydrophobic particles, and dispersant are dispersed in water, the hydrophobic groups of the dispersant are adsorbed to the aggregates of the conductive particles and the surfaces of the water-repellent particles. When a hydrophobic organic solvent is added to the dispersion liquid in which such particles are dispersed, the hydrophobic organic solvent penetrates into the gaps between the conductive particles to form swollen particles. As a result, the apparent volume of the aggregates of the conductive particles increases, increasing the viscosity of the paste. Further, when the amount of the hydrophobic organic solvent added is further increased, a network structure is formed in which at least a portion of the swollen particles are linked via the liquid-bridging force of the hydrophobic organic solvent. As a result, the viscosity of the paste further increases.

このようにして得られたペーストは、水溶性高分子を含まないので、水溶性高分子を熱分解させるための熱処理が不要となる。そのため、ペーストの生産性が向上する。 Since the paste thus obtained does not contain water-soluble polymer, heat treatment for thermally decomposing the water-soluble polymer is unnecessary. Therefore, productivity of the paste is improved.

(実施例1~5、比較例1~6)
[1. 試料の作製]
[1.1. ペーストの作製]
[1.1.1. 実施例1~5]
主成分として、導電性粒子、撥水性粒子、分散剤、及び水を使用して、マイクロポーラス層用ペーストを調製した。導電性粒子には、カーボンブラック(Vulcan(登録商標)XC-72R、キャボット社製)を用いた。撥水性粒子には、PTFEディスパージョン(31-JR、濃度:55%、三井・デュポンフロロケミカル(株)製)を用いた。分散剤には、非イオン性界面活性剤(Triton X-100、キシダ化学(株)製)を用いた。
(Examples 1-5, Comparative Examples 1-6)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Preparation of paste]
[1.1.1. Examples 1-5]
A microporous layer paste was prepared using conductive particles, water-repellent particles, a dispersant, and water as main components. Carbon black (Vulcan (registered trademark) XC-72R, manufactured by Cabot Corporation) was used as the conductive particles. PTFE dispersion (31-JR, concentration: 55%, manufactured by Mitsui-DuPont Fluorochemical Co., Ltd.) was used as the water-repellent particles. A nonionic surfactant (Triton X-100, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as a dispersant.

水に対して、所定量の導電性粒子、撥水性粒子、及び分散剤を加えた。PTFEの重量比率(カーボン及びPTFEの総重量に対するPTFEの重量の割合)は、20wt%とした。ペーストを超音波分散処理した後、さらに撹拌・脱泡装置を用いて所定時間、混合分散処理した。
得られたペーストに対して所定量の増粘剤を加え、攪拌機で混合してペーストの粘度を調整した。増粘剤には、水に不溶な有機溶媒(1-オクタノール、東京化成工業(株)製)を用いた。また、増粘剤の添加量は、ペーストの全重量に対して0.7~3.0wt%とした。
Predetermined amounts of conductive particles, water-repellent particles, and dispersants were added to the water. The weight ratio of PTFE (the ratio of the weight of PTFE to the total weight of carbon and PTFE) was set to 20 wt%. After the paste was subjected to ultrasonic dispersion treatment, it was further subjected to mixing and dispersion treatment for a predetermined time using a stirring/defoaming device.
A predetermined amount of thickening agent was added to the obtained paste, and mixed with a stirrer to adjust the viscosity of the paste. A water-insoluble organic solvent (1-octanol, manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) was used as the thickening agent. Also, the amount of the thickening agent added was 0.7 to 3.0 wt % with respect to the total weight of the paste.

[1.1.2. 比較例1~4]
増粘剤の添加量を0wt%(比較例1)、0.3wt%(比較例2)、5.0wt%(比較例3)、又は、20.0wt%(比較例4)とした以外は、実施例1と同様にしてペーストを作製した。
[1.1.3. 比較例5~6]
増粘剤として水溶性高分子であるポリエチレンオキシド(アルコックス(登録商標)E-300、水溶液濃度:0.5wt%、明成化学工業(株)製)を用い、増粘剤の添加量を10.0wt%(比較例5)、又は、20.0wt%(比較例6)とした以外は、実施例1と同様にしてペーストを作製した。
[1.1.2. Comparative Examples 1 to 4]
Except that the amount of thickener added was 0 wt% (Comparative Example 1), 0.3 wt% (Comparative Example 2), 5.0 wt% (Comparative Example 3), or 20.0 wt% (Comparative Example 4) , a paste was prepared in the same manner as in Example 1.
[1.1.3. Comparative Examples 5-6]
Polyethylene oxide (Alcox (registered trademark) E-300, aqueous solution concentration: 0.5 wt%, manufactured by Meisei Chemical Industry Co., Ltd.), which is a water-soluble polymer, is used as a thickener, and the amount of thickener added is 10. A paste was prepared in the same manner as in Example 1 except that the content was 0 wt % (Comparative Example 5) or 20.0 wt % (Comparative Example 6).

[1.2. 拡散層の作製]
得られたペーストを薄膜塗布工具(アプリケータ)でカーボンペーパー上に塗布した。次いで、所定温度で10分間乾燥及び焼成し、マイクロポーラス層を形成した拡散層を作製した。焼成温度は、300℃又は350℃とした。
[1.2. Preparation of Diffusion Layer]
The resulting paste was applied onto carbon paper with a thin film application tool (applicator). Then, it was dried and baked at a predetermined temperature for 10 minutes to prepare a diffusion layer forming a microporous layer. The firing temperature was 300°C or 350°C.

[2. 試験方法]
[2.1. ペーストの分散性評価]
ペーストの分散状態を確認するため、ペースト外観を観察した。以下の評価結果において、「○」は、ペーストの分散状態が良好であることを表す。「×」は、ペーストの分散状態が悪いこと(例えば、カーボン粒子が凝集して沈降していること)を表す。
[2. Test method]
[2.1. Paste dispersibility evaluation]
In order to confirm the dispersion state of the paste, the appearance of the paste was observed. In the following evaluation results, "◯" indicates that the paste is well dispersed. “X” indicates that the paste is poorly dispersed (for example, carbon particles are agglomerated and sedimented).

[2.2. ペーストの塗工性評価]
ペーストの塗工性を確認するため、カーボンペーパー上への塗布工程における流動状態と均一性を評価した。以下の評価結果において、「○」は、塗面の表面が均一であり、かすれや裏抜けがない状態を表す。「×」は、塗面のかすれや裏抜けがある状態を表す。
[2.2. Paste coatability evaluation]
In order to confirm the coatability of the paste, the fluidity and uniformity during the coating process on the carbon paper were evaluated. In the following evaluation results, "◯" indicates that the coated surface is uniform and free of fading and strike-through. "X" indicates a state in which there is faintness or strike-through on the coating surface.

[2.3. マイクロポーラス層の撥水性評価]
拡散層の表面にあるマイクロポーラス層表面の撥水性を確認するために、拡散層を15°傾けた状態で、マイクロポーラス層の表面にスポイトを用いてイオン交換水を滴下した。その水滴が転落するか否かによって、撥水性の評価を行った。
以下の評価結果において、「○」は、水滴が転落することを表す。「×」は、水滴が転落せず、滞留する又は拡散層内に染み込むことを表す。
[2.3. Water repellency evaluation of microporous layer]
In order to confirm the water repellency of the surface of the microporous layer on the surface of the diffusion layer, ion-exchanged water was dropped onto the surface of the microporous layer using a dropper while the diffusion layer was tilted at 15°. Water repellency was evaluated based on whether or not the water droplets fell.
In the following evaluation results, "◯" indicates that water droplets fall. "X" indicates that the water droplets do not fall off and remain or permeate into the diffusion layer.

[2.4. ペーストの粘度評価]
水に不溶な有機溶媒の添加による増粘効果を確認するため、各ペーストの粘度のせん断速度依存性を測定した。測定は、TAインスツルメンツ製レオメーター(ARES-G2)にて、φ50mm、0.02radのコーン及びプレートを用いて行った。
[2.4. Paste viscosity evaluation]
In order to confirm the thickening effect of the addition of the water-insoluble organic solvent, the shear rate dependence of the viscosity of each paste was measured. The measurement was carried out using a rheometer (ARES-G2) manufactured by TA Instruments using cones and plates of φ50 mm and 0.02 rad.

[3. 結果]
[3.1. 分散性、塗工性、及び撥水性]
表1に、ペーストの分散性及び塗工性、並びに、マイクロポーラス層の撥水性を示す。表1には、各ペーストの配合組成も併せて示した。表1より、以下のことが分かる。
[3. result]
[3.1. Dispersibility, coatability, and water repellency]
Table 1 shows the dispersibility and coatability of the paste, and the water repellency of the microporous layer. Table 1 also shows the composition of each paste. Table 1 shows the following.

(1)増粘剤として1-オクタノールを用いた場合において、増粘剤の添加量が少ない時(比較例1、2)には、分散性は良好であったが、塗工性が劣っていた。また、マイクロポーラス層に撥水性を付与するためには、350℃での焼成が必要であった。
(2)増粘剤として1-オクタノールを用いた場合において、増粘剤の添加量が過剰である時(比較例3、4)には、分散性が劣っていた。また、粘度が過度に上昇したために、塗工そのものができなかった。
(3)増粘剤としてPEOを用いた場合(比較例5、6)、分散性及び塗工性は、いずれも良好であった。しかし、マイクロポーラス層に撥水性を付与するためには、350℃の焼成が必要であった。
(4)増粘剤として1-オクタノールを用いた場合において、増粘剤の添加量が適量である時(実施例1~5)には、分散性、塗工性、及び撥水性のいずれも良好であった。
(1) When 1-octanol was used as a thickener and the amount of the thickener added was small (Comparative Examples 1 and 2), the dispersibility was good, but the coatability was poor. rice field. In addition, baking at 350° C. was necessary to impart water repellency to the microporous layer.
(2) When 1-octanol was used as a thickening agent and the amount of the thickening agent added was excessive (Comparative Examples 3 and 4), the dispersibility was poor. Moreover, the coating itself could not be performed because the viscosity increased excessively.
(3) When PEO was used as a thickener (Comparative Examples 5 and 6), both the dispersibility and coatability were good. However, baking at 350° C. was necessary to impart water repellency to the microporous layer.
(4) When 1-octanol is used as a thickener, when the amount of thickener added is appropriate (Examples 1 to 5), dispersibility, coatability, and water repellency are all improved. It was good.

Figure 0007207025000001
Figure 0007207025000001

[3.2. 粘度]
図1に、ペーストの剪断速度と粘度との関係を示す。1-オクタノール添加量が0.3wt%である比較例2は、増粘剤を添加していない比較例1と同じ粘性挙動を示した。一方、1-オクタノール添加量が0.7wt%である実施例1は、PEO添加量が10.0wt%である比較例5とほぼ同じ粘性挙動を示し、増粘効果が認められた。さらに、1-オクタノールの添加量を増やしていくと、1.3wt%(実施例2)までは、測定を行ったせん断速度の全域で粘度が増加した。
[3.2. viscosity]
FIG. 1 shows the relationship between paste shear rate and viscosity. Comparative Example 2, in which the amount of 1-octanol added was 0.3 wt%, exhibited the same viscosity behavior as Comparative Example 1, in which no thickening agent was added. On the other hand, Example 1, in which the amount of 1-octanol added was 0.7 wt%, showed almost the same viscosity behavior as Comparative Example 5, in which the amount of PEO added was 10.0 wt%, and a thickening effect was recognized. Furthermore, when the amount of 1-octanol added was increased, the viscosity increased over the entire range of measured shear rates up to 1.3 wt% (Example 2).

しかし、1.6wt%以上(実施例3~6)では、せん断速度1000s-1における粘度は増加することなく、低せん断速度域速度域の粘度が増加し、擬塑性流動を示した。但し、添加量5wt%以上(比較例3~4)では、粘度の測定中に試料の一部がレオメータの治具から抜けてしまったため、正しく粘度を測定することができなかった。
以上の結果から、1-オクタノールの添加量としては、0.5wt%以上3.0wt%以下が適量であり、特に、1.5wt%以上3.0wt%以下において擬塑性が発現し、液だれ防止などの塗工性の観点から好ましい。
However, at 1.6 wt% or more (Examples 3 to 6), the viscosity at a shear rate of 1000 s -1 did not increase, and the viscosity increased in the low shear rate range, indicating pseudoplastic flow. However, when the added amount was 5 wt % or more (Comparative Examples 3 and 4), part of the sample fell out of the jig of the rheometer during the viscosity measurement, so the viscosity could not be measured correctly.
From the above results, the appropriate amount of 1-octanol to be added is 0.5 wt% or more and 3.0 wt% or less. It is preferable from the viewpoint of coatability such as prevention.

図2に、1-オクタノールの含有量と粘度との関係を示す。図3に示すように、1.5wt%以上の添加量において、添加量を増やしても高せん断速度(1000s-1)における粘度が上昇しないことは、本発明の特徴の一つである。 FIG. 2 shows the relationship between the 1-octanol content and the viscosity. As shown in FIG. 3, it is one of the characteristics of the present invention that the viscosity at a high shear rate (1000 s -1 ) does not increase even if the amount added is 1.5 wt % or more.

[3.3. ペースト構造]
[3.3.1. X=0wt%の場合]
図3(A)に、粘度測定により推察されたペースト構造であって、X=0wt%(Xは、疎水性有機溶媒の含有量)である時の燃料電池マイクロポーラス層用ペーストの模式図を示す。図3(A)において、ペースト10aは、導電性粒子12、12…と、撥水性粒子14、14…と、分散剤16、16…と、水18とを備えている。
[3.3. Paste structure]
[3.3.1. When X = 0 wt%]
FIG. 3(A) is a schematic diagram of the fuel cell microporous layer paste when X=0 wt % (X is the content of the hydrophobic organic solvent), which is the paste structure inferred from the viscosity measurement. show. 3A, the paste 10a includes conductive particles 12, 12, . . . , water-repellent particles 14, 14, .

導電性粒子12、12…は、複数個の1次粒子の凝集体からなる。また、分散剤16、16…は、疎水基を介して、導電性粒子12、12…の表面、及び、撥水性粒子14、14…の表面にそれぞれ吸着している。そのため、導電性粒子12、12…及び撥水性粒子14、14…は、水18中に安定に分散しているが、粘度は低い。 The conductive particles 12, 12... consist of aggregates of a plurality of primary particles. Also, the dispersants 16, 16, . . . are adsorbed to the surfaces of the conductive particles 12, 12, . Therefore, the conductive particles 12, 12, . . . and the water-repellent particles 14, 14, .

[3.3.2. 0<X≦1.3wt%の場合]
図3(B)に、粘度測定により推察されたペースト構造であって、0<X≦1.3wt%である時の燃料電池マイクロポーラス層用ペーストの模式図を示す。図3(B)において、ペースト10bは、導電性粒子12、12…と、撥水性粒子14、14…と、分散剤16、16…と、水18と、疎水性有機溶媒20とを備えている。
[3.3.2. 0 < X ≤ 1.3 wt%]
FIG. 3(B) shows a schematic diagram of the fuel cell microporous layer paste having a paste structure inferred from the viscosity measurement when 0<X≦1.3 wt %. 3B, the paste 10b includes conductive particles 12, 12, . . . , water-repellent particles 14, 14, . there is

図3(A)に示すペースト10aに対して疎水性有機溶媒20を添加すると、疎水性有機溶媒20は水18に不溶であるため、導電性粒子12、12…の間隙に入ることで安定な構造となる。そのため、図3(B)に示すように、凝集している導電性粒子12、12…の間隙に疎水性有機溶媒20が侵入している膨潤粒子が生成する。膨潤粒子が生成すると、導電性粒子12、12…の見かけの体積が増大する。1-オクタノールの添加量が1.3wt%以下である場合において、高せん断速度(1000s-1)における粘度が僅かに上昇した要因は、このような膨潤粒子によるものと考えられる。 When the hydrophobic organic solvent 20 is added to the paste 10a shown in FIG. 3A, since the hydrophobic organic solvent 20 is insoluble in the water 18, it enters the gaps between the conductive particles 12, 12 . structure. As a result, as shown in FIG. 3B, swollen particles are produced in which the hydrophobic organic solvent 20 enters the gaps between the aggregated conductive particles 12, 12, . . . . When the swollen particles are generated, the apparent volume of the conductive particles 12, 12... increases. When the amount of 1-octanol added is 1.3 wt % or less, the slight increase in viscosity at a high shear rate (1000 s -1 ) is thought to be due to such swollen particles.

なお、このような現象は、導電性粒子12、12…の親水的である場合であっても起こりうる。これは、疎水性有機溶媒20は水18に不溶であるために、水18中に分散するよりも、水より親水性が低い導電性粒子12、12の間隙に侵入する方がより安定となるためと考えられる。 Such a phenomenon can occur even when the conductive particles 12, 12, . . . are hydrophilic. This is because the hydrophobic organic solvent 20 is insoluble in the water 18, so it is more stable to enter the gaps of the conductive particles 12, 12, which are less hydrophilic than water, rather than dispersing in the water 18. It is considered to be for

[3.3.3. X>1.3wt%の場合]
図3(C)に、粘度測定により推察されたペースト構造であって、X>1.3wt%である時の燃料電池マイクロポーラス層用ペーストの模式図を示す。図3(C)において、ペースト10cは、導電性粒子12、12…と、撥水性粒子14、14…と、分散剤16、16…と、水18と、疎水性有機溶媒20とを備えている。
[3.3.3. When X>1.3 wt%]
FIG. 3(C) shows a schematic diagram of the fuel cell microporous layer paste when X>1.3 wt %, which is the paste structure inferred from the viscosity measurement. 3(C), the paste 10c includes conductive particles 12, 12, . . . , water-repellent particles 14, 14, . there is

疎水性有機溶媒20の添加量が多くなるほど、膨潤粒子の直径が大きくなる。さらに、疎水性有機溶媒20の添加量がある臨界値(1-オクタノールの例では、1.3wt%)を超えると、ペースト10cの粘度がさらに増大する。これは、図3(C)に示すように、膨潤粒子の少なくとも一部が疎水性有機溶媒20の液架橋力を介して連結しているネットワーク構造が形成されるためと考えられる。ある一定量以上の1-オクタノールを添加すると出現する擬塑性流動は、ネットワーク構造の形成に由来していると考えられる。 As the amount of the hydrophobic organic solvent 20 added increases, the diameter of the swollen particles increases. Furthermore, when the added amount of the hydrophobic organic solvent 20 exceeds a certain critical value (1.3 wt % in the example of 1-octanol), the viscosity of the paste 10c further increases. This is thought to be due to the formation of a network structure in which at least a portion of the swollen particles are linked via the liquid bridge force of the hydrophobic organic solvent 20, as shown in FIG. 3(C). The pseudoplastic flow that appears when a certain amount or more of 1-octanol is added is thought to originate from the formation of a network structure.

(実施例6: 有機溶媒の検討)
[1. 試料の作製]
有機溶媒として、1-オクタノール(O)に代えて、メタノール(M)、1-プロパノール(Pr)、1-ペンタノール(Pe)、又は、1-ヘキサノール(H)を用いた以外は、実施例4と同様にしてペーストを作製した。有機溶媒の添加量は、いずれも2wt%とした。表2に、各ペーストの配合組成を示す。なお、表2には、有機溶媒として1-オクタノール(O)を用いたペーストの配合組成(No.5、実施例4)も併せて示した。また、表3に、各溶媒の物性値を示す。
(Example 6: Examination of organic solvent)
[1. Preparation of sample]
Examples except that methanol (M), 1-propanol (Pr), 1-pentanol (Pe), or 1-hexanol (H) was used as the organic solvent instead of 1-octanol (O). A paste was prepared in the same manner as in 4. The amount of the organic solvent added was 2 wt % in each case. Table 2 shows the composition of each paste. Table 2 also shows the composition of the paste using 1-octanol (O) as the organic solvent (No. 5, Example 4). In addition, Table 3 shows physical property values of each solvent.

Figure 0007207025000002
Figure 0007207025000002

Figure 0007207025000003
Figure 0007207025000003

[2. 試験方法及び結果]
実施例1と同様にして、ペーストの粘度測定を行った。図4に、オクタノール/水分配係数(logPow)と、せん断速度1s-1でのペーストの粘度との関係を示す。図4より、水との親和性が低くなるほど(logPOWが大きくなるほど)、粘度が高くなることが分かった。最低限、撥水性の機能を発現するための粘度は、0.05Pa・sである(実施例1より)。従って、増粘効果の発現が期待できる有機溶媒は、オクタノール/水分配係数(logPOW)が1.65以上の有機溶媒であると考えられる。
[2. Test method and results]
The viscosity of the paste was measured in the same manner as in Example 1. FIG. 4 shows the relationship between the octanol/water partition coefficient (log P ow ) and the paste viscosity at a shear rate of 1 s −1 . From FIG. 4, it was found that the lower the affinity with water (the larger the log P OW ), the higher the viscosity. The minimum viscosity required to exhibit the water-repellent function is 0.05 Pa·s (from Example 1). Therefore, organic solvents that can be expected to exhibit a thickening effect are considered to be organic solvents having an octanol/water partition coefficient (logP OW ) of 1.65 or more.

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 by no means limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.

本発明に係るペーストは、燃料電池の拡散層の表面に形成されるマイクロポーラス層を形成するために用いられる。 The paste according to the present invention is used to form a microporous layer formed on the surface of the diffusion layer of a fuel cell.

Claims (11)

以下の構成を備えたマイクロポーラス層用ペースト。
(1)前記マイクロポーラス層用ペーストは、
燃料電池のマイクロポーラス層に導電性を付与するための導電性粒子と、
前記マイクロポーラス層に撥水性を付与するための撥水性粒子と、
前記導電性粒子及び前記撥水性粒子の水中における分散状態を安定化させるための分散剤と、
ペーストの粘度を増加させるための疎水性有機溶媒と、
前記導電性粒子及び前記撥水性粒子を分散させるための水と
を備えている。
(2)前記マイクロポーラス層用ペーストは、せん断速度1000s-1での粘度が0.05Pa・s以上1Pa・s以下である。
A microporous layer paste having the following composition:
(1) The microporous layer paste is
conductive particles for imparting conductivity to the microporous layer of the fuel cell;
water repellent particles for imparting water repellency to the microporous layer;
a dispersant for stabilizing the dispersed state of the conductive particles and the water-repellent particles in water;
a hydrophobic organic solvent to increase the viscosity of the paste;
Water for dispersing the conductive particles and the water-repellent particles is provided.
(2) The microporous layer paste has a viscosity of 0.05 Pa·s or more and 1 Pa·s or less at a shear rate of 1000 s −1 .
せん断速度0.1s-1での粘度が10Pa・s以上1000Pa・s以下である請求項1に記載のマイクロポーラス層用ペースト。 The paste for a microporous layer according to claim 1, which has a viscosity of 10 Pa·s or more and 1000 Pa·s or less at a shear rate of 0.1 s -1 . 5wt%以上30wt%以下の前記導電性粒子、
0.5wt%以上20wt%以下の前記撥水性粒子、
1wt%以上15wt%以下の前記分散剤、及び、
0.5wt%以上3.0wt%以下の前記疎水性有機溶媒
を含み、残部が水及び不可避的不純物からなる
請求項1又は2に記載のマイクロポーラス層用ペースト。
5 wt% or more and 30 wt% or less of the conductive particles;
0.5 wt % or more and 20 wt % or less of the water-repellent particles;
1 wt% or more and 15 wt% or less of the dispersant, and
0.5 wt% or more and 3.0 wt% or less of the hydrophobic organic solvent
3. The paste for a microporous layer according to claim 1 or 2, comprising water and unavoidable impurities.
前記疎水性有機溶媒は、オクタノール/水分配係数(logPow)が1.65以上である有機溶媒からなる請求項1から3までのいずれか1項に記載のに記載のマイクロポーラス層用ペースト。 The paste for a microporous layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrophobic organic solvent comprises an organic solvent having an octanol/water partition coefficient (log P ow ) of 1.65 or more. 前記疎水性有機溶媒は、1-オクタノールである請求項1から4までのいずれか1項に記載のマイクロポーラス層用ペースト。 The paste for a microporous layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the hydrophobic organic solvent is 1-octanol. 前記導電性粒子の間隙に前記疎水性有機溶媒が侵入している膨潤粒子を含む請求項1から5までのいずれか1項に記載のマイクロポーラス層用ペースト。 6. The paste for a microporous layer according to any one of claims 1 to 5, comprising swollen particles in which the hydrophobic organic solvent penetrates into the gaps between the conductive particles. 前記膨潤粒子の少なくとも一部が前記疎水性有機溶媒の液架橋力を介して連結しているネットワーク構造をさらに含む請求項6に記載のマイクロポーラス層用ペースト。 7. The paste for a microporous layer according to claim 6, further comprising a network structure in which at least part of said swollen particles are linked via the liquid bridging force of said hydrophobic organic solvent. 導電性粒子と、撥水性粒子と、分散剤と、水とを所定の比率で混合し、分散させる第1工程と、
前記第1工程で得られた分散液に、増粘剤として疎水性有機溶媒を配合し、混合する第2工程と
を備えたマイクロポーラス層用ペーストの製造方法。
A first step of mixing and dispersing conductive particles, water-repellent particles, a dispersant, and water in a predetermined ratio;
A method for producing a microporous layer paste, comprising a second step of adding a hydrophobic organic solvent as a thickening agent to the dispersion liquid obtained in the first step and mixing the mixture.
前記第1工程及び前記第2工程は、
5wt%以上30wt%以下の前記導電性粒子、
0.5wt%以上20wt%以下の前記撥水性粒子、
1wt%以上15wt%以下の前記分散剤、及び、
0.5wt%以上3.0wt%以下の前記疎水性有機溶媒
を含み、残部が水及び不可避的不純物からなるペーストが得られるように、これらを配合するものからなる
請求項8に記載のマイクロポーラス層用ペーストの製造方法。
The first step and the second step are
5 wt% or more and 30 wt% or less of the conductive particles;
0.5 wt % or more and 20 wt % or less of the water-repellent particles;
1 wt% or more and 15 wt% or less of the dispersant, and
0.5 wt% or more and 3.0 wt% or less of the hydrophobic organic solvent
9. The method for producing a microporous layer paste according to claim 8, wherein the paste is blended so as to obtain a paste containing water and unavoidable impurities as the balance.
前記疎水性有機溶媒は、オクタノール/水分配係数(logPow)が1.65以上である有機溶媒からなる請求項8又は9に記載のマイクロポーラス層用ペーストの製造方法。 The method for producing a microporous layer paste according to claim 8 or 9, wherein the hydrophobic organic solvent comprises an organic solvent having an octanol/water partition coefficient ( logPow ) of 1.65 or more. 前記疎水性有機溶媒は、1-オクタノールである請求項8から10までのいずれか1項に記載のマイクロポーラス層用ペーストの製造方法。 The method for producing a microporous layer paste according to any one of claims 8 to 10, wherein the hydrophobic organic solvent is 1-octanol.
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