JP6439263B2 - Gas diffusion electrode manufacturing equipment - Google Patents
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Description
燃料電池は水素と酸素を反応させて水が生成する際に生起するエネルギーを電気的に取り出す機構であり、エネルギー効率が高く排出物が水しかないことからクリーンエネルギーとして期待されている。本発明は、燃料電池に用いられるガス拡散電極およびその製造方法に関し、特に、燃料電池の中でも燃料電池車などの電源として使用される高分子電解質型燃料電池に用いるガス拡散電極の製造方法および製造装置に関する。 A fuel cell is a mechanism that electrically extracts energy generated when water is generated by reacting hydrogen and oxygen, and is expected to be clean energy because it has high energy efficiency and only emits water. The present invention relates to a gas diffusion electrode used for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method and a method for manufacturing a gas diffusion electrode used for a polymer electrolyte fuel cell used as a power source for a fuel cell vehicle. Relates to the device.
高分子電解質型燃料電池に使用される電極は、高分子電解質型燃料電池において2つのセパレータで挟まれてその間に配置されるもので、高分子電解質膜の両面において、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層と、この触媒層の外側に形成されるガス拡散層とからなる構造を有する。電極でのガス拡散層を形成するための個別の部材として、ガス拡散電極が流通している。そして、このガス拡散電極に求められる性能としては、例えばガス拡散性、触媒層で発生した電気を集電するための導電性、および触媒層表面に発生した水分を効率よく除去する排水性などがあげられる。このようなガス拡散電極を得るため、一般的に、ガス拡散能および導電性を兼ね備えた導電性多孔質基材が用いられる。 An electrode used in a polymer electrolyte fuel cell is sandwiched between two separators in a polymer electrolyte fuel cell, and is disposed between the two separators. On both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the electrode is on the surface of the polymer electrolyte membrane. It has a structure comprising a formed catalyst layer and a gas diffusion layer formed outside the catalyst layer. A gas diffusion electrode is distributed as an individual member for forming a gas diffusion layer on the electrode. The performance required for the gas diffusion electrode includes, for example, gas diffusivity, conductivity for collecting electricity generated in the catalyst layer, and drainage for efficiently removing moisture generated on the surface of the catalyst layer. can give. In order to obtain such a gas diffusion electrode, generally, a conductive porous substrate having gas diffusion ability and conductivity is used.
導電性多孔質基材としては、具体的には、炭素繊維からなるカーボンフェルト、カーボンペーパーおよびカーボンクロスなどが用いられ、中でも機械的強度などの点からカーボンペーパーが最も好ましいとされる。 Specifically, carbon felt made of carbon fiber, carbon paper, carbon cloth, and the like are used as the conductive porous substrate, and carbon paper is most preferable from the viewpoint of mechanical strength.
また、燃料電池は水素と酸素が反応し水が生成する際に生じるエネルギーを電気的に取り出すシステムであるため、電気的な負荷が大きくなると、即ち電池外部へ取り出す電流を大きくすると多量の水(水蒸気)が発生し、この水蒸気が低温では凝縮して水滴になり、ガス拡散電極の細孔を塞いでしまうとガス(酸素あるいは水素)の触媒層への供給量が低下し、最終的に全ての細孔が塞がれてしまうと発電が停止することになる(この現象をフラッディングという)。 In addition, since a fuel cell is a system that electrically extracts energy generated when hydrogen and oxygen react to produce water, when the electrical load increases, that is, when the current taken out of the cell increases, a large amount of water ( When the water vapor is condensed and becomes water droplets at low temperatures, and the pores of the gas diffusion electrode are blocked, the amount of gas (oxygen or hydrogen) supplied to the catalyst layer decreases, and finally all If the pores are blocked, the power generation stops (this phenomenon is called flooding).
このフラッディングを可能な限り発生させないように、逆に言うとフラッディングを起こす電流値を出来る限り大きくするために、ガス拡散電極には排水性が求められる。この排水性を高める手段として、通常、導電性多孔質基材に撥水処理を施したガス拡散電極基材を用いて撥水性を高めている。 In other words, in order to prevent the flooding from occurring as much as possible, the gas diffusion electrode is required to have drainage in order to increase the current value causing the flooding as much as possible. As means for improving the drainage, the water repellency is usually increased by using a gas diffusion electrode base material obtained by subjecting the conductive porous base material to water repellency treatment.
また、上記のような撥水処理を施した導電性多孔質基材をそのままガス拡散電極として用いると、その繊維の目が粗いため、水蒸気が凝縮すると大きな水滴が発生し、フラッディングを起こしやすい。このため、撥水処理を施した導電性多孔質基材の上に、カーボンブラックなどの導電性微粒子を分散した塗液を塗布し乾燥焼結することにより、微多孔層と呼ばれる層(マイクロポーラスレヤーともいう)を設ける場合がある。この微多孔層にも撥水性を付与するため、撥水材としてフッ素系樹脂を含有させることが知られている(特許文献1、2、3)。微多孔層の役割としては、上記の他、触媒層が目の粗いガス拡散電極基材に貫入することを防ぐ(特許文献4)、また、導電性多孔質基材の粗さを電解質膜に転写させないための化粧直し効果がある。
Further, when the conductive porous substrate subjected to the water repellent treatment as described above is used as a gas diffusion electrode as it is, the fiber has a coarse mesh, so that when water vapor condenses, large water droplets are generated and flooding is likely to occur. For this reason, a layer called a microporous layer (microporous layer) is formed by applying a coating liquid in which conductive fine particles such as carbon black are dispersed on a conductive porous substrate that has been subjected to a water repellent treatment, followed by drying and sintering. May also be provided). In order to impart water repellency to this microporous layer, it is known to contain a fluorine-based resin as a water repellent material (
撥水材は極力撥水性が高いほうが好ましいため、フッ素系樹脂が好適に用いられる。そのなかでも特に高い撥水性が得られるPTFE、FEPなどが好ましく用いられる。これらのフッ素系樹脂は、通常水系の分散媒に界面活性剤などの分散剤で分散させたディスパージョンの状態で市販されている。環境負荷低減の意味でも、水系塗布が好ましい。 Since the water repellent material preferably has as high a water repellency as possible, a fluorine-based resin is preferably used. Among these, PTFE, FEP, etc., which can obtain particularly high water repellency, are preferably used. These fluororesins are usually marketed in a dispersion state in which they are dispersed in a water-based dispersion medium with a dispersant such as a surfactant. Water-based coating is also preferable from the viewpoint of reducing environmental burden.
上記のように、導電性多孔質基材に撥水処理を施し、微多孔層を設けるのが好ましい様態である。微多孔層はカーボンブラックなどの導電性微粒子とフッ素樹脂などの撥水材を混合分散した塗液を導電性多孔質基材上に塗布して形成するが、カーボンブラックなどの導電性微粒子を水系分散媒に分散させるには通常、界面活性剤を分散剤あるいは分散安定剤として用いる。 As described above, it is preferable that the conductive porous substrate is subjected to water repellent treatment to provide a microporous layer. A microporous layer is formed by applying a coating liquid in which conductive fine particles such as carbon black and a water repellent material such as fluororesin are mixed and dispersed on a conductive porous substrate. In order to disperse in a dispersion medium, a surfactant is usually used as a dispersant or a dispersion stabilizer.
また、上記したように導電性多孔質基材の粗さを電解質膜に転写させないための化粧直し効果を機能させるには、微多孔層はある程度厚く塗ることが望ましい。厚みの大きい塗布膜を形成するためには、塗布適性のある範囲で高粘度であることが望ましい。また、導電性多孔質基材は多孔質であるため表面に粘度の低い塗液を塗ると裏側に塗液が抜けてしまう可能性もある。微多孔層塗液を高粘度にするために増粘剤として有機系化合物を用いることがある。前記分散剤として用いる界面活性剤が増粘作用を持つならばこれを多めに添加して増粘剤として活用してもよい。 Further, as described above, it is desirable to apply the microporous layer to a certain degree of thickness in order to function the retouching effect for preventing the roughness of the conductive porous substrate from being transferred to the electrolyte membrane. In order to form a coating film having a large thickness, it is desirable that the viscosity is high within a range suitable for coating. Further, since the conductive porous substrate is porous, there is a possibility that the coating liquid may come off on the back side when a coating liquid having a low viscosity is applied to the surface. An organic compound may be used as a thickener in order to increase the viscosity of the microporous layer coating solution. If the surfactant used as the dispersant has a thickening action, it may be added in a large amount and used as a thickening agent.
一方、ガス拡散電極のガス拡散性や導電性を高めるため、撥水材の分散に用いる分散剤、微多孔層におけるカーボンブラックなどの導電性微粒子を分散させるための分散剤、増粘剤は何らかの方法で除去する必要がある。除去することによりガスの拡散経路ができ、また水蒸気や凝縮水の排水経路ができる。 On the other hand, in order to improve the gas diffusibility and conductivity of the gas diffusion electrode, there are some dispersants for dispersing the water repellent material, dispersants for dispersing conductive fine particles such as carbon black in the microporous layer, and thickeners. Need to be removed by the method. By removing the gas, a gas diffusion path can be formed, and a water vapor or condensed water drainage path can be formed.
従来、ガス拡散層の製造方法は特許文献1に代表されるように、導電性多孔質基材に撥水処理を施し、乾燥、必要に応じ焼結、微多孔層塗布、乾燥、焼結といった工程が取られてきた。ここで、焼結工程の意義は、分散剤として用いる界面活性剤除去、フッ素系樹脂などの撥水材を一度溶融してバインダーとして機能を高める働きがある。
Conventionally, as represented by
しかし、上記したような微多孔層の塗液の分散性、分散安定性、あるいは増粘作用を高めるためには、この目的のために用いる界面活性剤を多量に用いる必要が生じる。通常の顔料分散系の塗液では分散剤として用いる界面活性剤は顔料の高々数%の添加量で済むが、ガス拡散層を形成するための塗液の場合には数十%あるいはそれ以上の界面活性剤を添加する場合もありうる。このような場合に上記焼結工程をどのように行なえば安全に効率よく性能の良いガス拡散電極が得られるかは明確にされていなかった。 However, in order to enhance the dispersibility, dispersion stability, or thickening action of the coating solution for the microporous layer as described above, it is necessary to use a large amount of the surfactant used for this purpose. In a normal pigment dispersion coating solution, the surfactant used as a dispersing agent may be an addition amount of at most several percent of the pigment, but in the case of a coating solution for forming a gas diffusion layer, several tens of percent or more. A surfactant may be added. In such a case, it has not been clarified how to perform the above-described sintering step to obtain a gas diffusion electrode that is safe, efficient, and good in performance.
例えば特許文献1にあるように、微多孔層を塗布して分散媒である水を乾燥させたのち、360℃の焼結工程に導入すると、界面活性剤が急激に分解して可燃性ガスが発生してこれが燃焼、発火する危険性が生じる。あるいは撥水材であるフッ素系樹脂が半溶融して導電性微粒子と結着する際に未分解の界面活性剤が残存しているとその結着が完結できず、導電性微粒子の脱落が起こりやすい。さらに、導電性微粒子とフッ素系樹脂の結着が不十分であると、ガス拡散電極を燃料電池に組み込んだとき、導電性微粒子表面においてカソードで発生した水蒸気の凝縮が発生しやすく、高電流密度における発電性能が低下する可能性がある。特許文献2には、焼結後にホットプレスを行なって、フッ素樹脂と導電性微粒子を結着させる技術を開示しているが、プレスすることにより微多孔層の空隙がつぶれてしまい、微多孔層内のガスの拡散性が損なわれ、発電性能が低下する問題があった。
For example, as described in
本発明は、ガス拡散電極としての発電性能の良好なガス拡散電極を安全性高くかつ生産性高く量産可能な製造方法および製造装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus capable of mass-producing a gas diffusion electrode having good power generation performance as a gas diffusion electrode with high safety and high productivity.
本発明のガス拡散電極の製造方法は上記の課題を解決するため、次のような手段を採用するものである。すなわち、導電性多孔質基材の少なくとも片面に微多孔層が形成された、高分子電解質型燃料電池に用いるガス拡散電極の製造方法であって、導電性多孔質基材上に、導電性微粒子、撥水性樹脂、分散媒および界面活性剤を含有する微多孔層塗液を塗布する塗液塗布工程、分散媒を除去するために微多孔層塗液を乾燥させる塗液乾燥工程、界面活性剤を除去しうる温度で熱処理する第1の熱処理工程、および、第1の熱処理工程を経た導電性多孔質基材を、撥水剤の融点以上の温度で熱処理する第2の熱処理工程を含む、ガス拡散電極の製造方法である。
また電性多孔質基材の少なくとも片面に微多孔層が形成された、高分子電解質型燃料電池に用いるガス拡散電極の製造方法であって、順に
長尺の導電性多孔質基材をロール状に巻いた巻回体から導電性多孔質基材を巻き出す巻き出し工程、
導電性多孔質基材上に、導電性微粒子、撥水性樹脂、分散媒および界面活性剤を含有する微多孔層塗液を塗布する塗液塗布工程、
分散媒を除去するために微多孔層塗液を乾燥させる塗液乾燥工程、
界面活性剤を除去しうる温度かつ350℃未満で熱処理する第1の熱処理工程、
第1の熱処理工程を経た導電性多孔質基材を、撥水性樹脂の融点以上の温度で熱処理する第2の熱処理工程、および
前記第2の熱処理工程を経て得たガス拡散電極を巻き取る巻き取り工程を含む、
ガス拡散電極の製造方法である。
The gas diffusion electrode manufacturing method of the present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, a method for producing a gas diffusion electrode for use in a polymer electrolyte fuel cell, in which a microporous layer is formed on at least one surface of a conductive porous substrate, wherein the conductive fine particles are formed on the conductive porous substrate. , A coating liquid coating process for coating a microporous layer coating liquid containing a water repellent resin, a dispersion medium and a surfactant, a coating liquid drying process for drying the microporous layer coating liquid to remove the dispersion medium, and a surfactant A first heat treatment step of heat-treating at a temperature capable of removing water, and a second heat treatment step of heat-treating the conductive porous substrate that has undergone the first heat treatment step at a temperature equal to or higher than the melting point of the water repellent. It is a manufacturing method of a gas diffusion electrode.
A method for producing a gas diffusion electrode for use in a polymer electrolyte fuel cell in which a microporous layer is formed on at least one surface of an electrically conductive porous substrate,
An unwinding step of unwinding the conductive porous substrate from a wound body obtained by winding a long conductive porous substrate into a roll;
A coating liquid coating step of coating a microporous layer coating liquid containing conductive fine particles, a water-repellent resin, a dispersion medium and a surfactant on the conductive porous substrate;
A coating liquid drying step of drying the microporous layer coating liquid to remove the dispersion medium,
A first heat treatment step of heat treatment at a temperature at which the surfactant can be removed and less than 350 ° C .;
A second heat treatment step of heat treating the conductive porous substrate that has undergone the first heat treatment step at a temperature equal to or higher than the melting point of the water-repellent resin; and
Including a winding step of winding the gas diffusion electrode obtained through the second heat treatment step,
It is a manufacturing method of a gas diffusion electrode.
また、本発明のガス拡散電極の製造装置は上記の課題を解決するため、次のいずれかの手段を採用するものである。
・導電性多孔質基材の少なくとも片面に微多孔層が形成された、高分子電解質型燃料電池に用いるガス拡散電極の製造装置であって、ロール状に巻いた長尺の導電性多孔質基材を巻き出すための巻き出し機、巻き出し機により巻き出され、予め微多孔層前駆体が形成された導電性多孔質基材から界面活性剤を除去するための第1の熱処理炉、第1の熱処理炉を経由した導電性多孔質基材をさらに熱処理し撥水性樹脂を焼結するための第2の熱処理炉、第2の熱処理炉を経由して得られるガス拡散電極を巻き取るための巻き取り機から構成され、第1の熱処理炉は、単一パス方式熱処理炉であり、第2の熱処理炉は、熱風循環方式熱処理炉である、ガス拡散電極の製造装置。
・導電性多孔質基材の少なくとも片面に微多孔層が形成された、高分子電解質型燃料電池に用いるガス拡散電極の製造装置であって、ロール状に巻いた長尺の導電性多孔質基材を巻き出すための巻き出し機、巻き出し機により巻き出された導電性多孔質基材上に、微多孔層塗液を塗布するための塗工機、導電性多孔質基材から微多孔層塗液を乾燥させるための乾燥機、乾燥機で乾燥された基材から界面活性剤を除去するための第1の熱処理炉、第1の熱処理炉を経由した導電性多孔質基材をさらに熱処理し撥水性樹脂を焼結するための第2の熱処理炉、第2の熱処理炉を経由して得られるガス拡散電極を巻き取るための巻き取り機から構成され、第1の熱処理炉は、単一パス方式熱処理炉であり、第2の熱処理炉は、熱風循環方式熱処理炉である、ガス拡散電極の製造装置。
Moreover, in order to solve said subject, the manufacturing apparatus of the gas diffusion electrode of this invention employs one of the following means.
A device for producing a gas diffusion electrode for use in a polymer electrolyte fuel cell in which a microporous layer is formed on at least one surface of a conductive porous substrate, which is a long conductive porous substrate wound in a roll shape A first heat treatment furnace for removing the surfactant from the conductive porous substrate that is unwound by the unwinder and unwinder for unwinding the material and previously formed with the microporous layer precursor; In order to wind up the gas diffusion electrode obtained through the second heat treatment furnace and the second heat treatment furnace for further heat-treating the conductive porous substrate through the heat treatment furnace and sintering the water-repellent resin. An apparatus for producing a gas diffusion electrode, wherein the first heat treatment furnace is a single-pass heat treatment furnace and the second heat treatment furnace is a hot air circulation heat treatment furnace.
A device for producing a gas diffusion electrode for use in a polymer electrolyte fuel cell in which a microporous layer is formed on at least one surface of a conductive porous substrate, which is a long conductive porous substrate wound in a roll shape An unwinding machine for unwinding the material, a coating machine for applying a microporous layer coating liquid on the conductive porous substrate unwound by the unwinding machine, and a microporous material from the conductive porous substrate A dryer for drying the layer coating liquid, a first heat treatment furnace for removing the surfactant from the substrate dried by the dryer, and a conductive porous substrate through the first heat treatment furnace A second heat treatment furnace for heat treatment and sintering of the water repellent resin, and a winder for winding up the gas diffusion electrode obtained through the second heat treatment furnace, the first heat treatment furnace, It is a single-pass heat treatment furnace, and the second heat treatment furnace is a hot air circulation heat treatment furnace. An apparatus for manufacturing a gas diffusion electrode.
本発明のガス拡散電極の製造方法および製造装置を用いることにより、以下の効果が期待できる。
・製造中に発火の危険性なくガス拡散電極を製造することができる。
・製造においてエネルギーの消費を削減できる。
・ガス拡散性が高く、排水性が良いガス拡散電極を製造することができ、それを用いると、発電性能の高い燃料電池が得られる。
The following effects can be expected by using the gas diffusion electrode manufacturing method and manufacturing apparatus of the present invention.
-Gas diffusion electrodes can be manufactured without risk of ignition during manufacture.
・ Energy consumption can be reduced in manufacturing.
-A gas diffusion electrode with high gas diffusibility and good drainage can be produced, and when it is used, a fuel cell with high power generation performance can be obtained.
本発明において製造するガス拡散電極は、導電性多孔質基材の少なくとも片面に微多孔層が形成されてなる。 The gas diffusion electrode produced in the present invention has a microporous layer formed on at least one surface of a conductive porous substrate.
固体高分子型燃料電池において、ガス拡散電極は、セパレータから供給されるガスを触媒へと拡散するための高いガス拡散性、電気化学反応に伴って生成する水をセパレータへ排出するための高い排水性、発生した電流を取り出すため、高い導電性が必要である。このため、ガス拡散電極には、導電性を有し、平均細孔径が通常10μm以上100μm以下の多孔体からなる基材である導電性多孔質基材を用いる。導電性多孔質基材としては、具体的には、例えば、炭素繊維抄紙体、カーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンクロスなどの炭素繊維を含む多孔質基材、発泡焼結金属、金属メッシュ、エキスパンドメタルなどの金属多孔質基材を用いることが好ましい。中でも、耐腐食性が優れることから、炭素繊維を含むカーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンクロスなどの多孔質基材を用いることが好ましく、さらには、電解質膜の厚み方向の寸法変化を吸収する特性、すなわち「ばね性」に優れることから、炭素繊維抄紙体を炭化物で結着してなる基材、すなわちカーボンペーパーを用いることが好適である。 In a polymer electrolyte fuel cell, the gas diffusion electrode has a high gas diffusibility for diffusing the gas supplied from the separator to the catalyst, and a high drainage for discharging the water generated by the electrochemical reaction to the separator. In order to take out the generated electric current, high conductivity is required. For this reason, a conductive porous base material, which is a base material made of a porous body having conductivity and an average pore diameter of usually 10 μm or more and 100 μm or less, is used for the gas diffusion electrode. Specific examples of the conductive porous base material include porous base materials containing carbon fibers such as carbon fiber papermaking bodies, carbon felt, carbon paper, and carbon cloth, foam sintered metal, metal mesh, and expanded metal. It is preferable to use a metal porous substrate such as. Among them, since the corrosion resistance is excellent, it is preferable to use a porous substrate such as carbon felt containing carbon fiber, carbon paper, carbon cloth, and moreover, a property of absorbing a dimensional change in the thickness direction of the electrolyte membrane, That is, since it is excellent in “spring property”, it is preferable to use a base material obtained by binding a carbon fiber papermaking body with a carbide, that is, carbon paper.
微多孔層は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、炭素繊維のチョップドファイバー、グラフェン、黒鉛などの導電性微粒子を含んでなる。カーボンブラックとしては、不純物が少なく触媒の活性を低下させにくいという点でアセチレンブラックが好適に用いられる。また、微多孔層には、導電性、ガス拡散性、水の排水性、あるいは保湿性、熱伝導性といった特性、さらには燃料電池内部のアノード側での耐強酸性、カソード側での耐酸化性が求められるため、微多孔層には、導電性微粒子に加えて、フッ素樹脂をはじめとする撥水性樹脂を含んでいる。微多孔層に用いられる撥水性樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)(たとえば“テフロン”(登録商標))、FEP(四フッ化エチレン六フッ化プロピレン共重合体)、PFA(ペルフルオロアルコキシフッ化樹脂)、ETFA(エチレン四フッ化エチレン共重合体)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PVF(ポリフッ化ビニル)等のフッ素樹脂が挙げられるが、撥水性が特に高いという点でPTFE、あるいはFEPが好ましい。 The microporous layer comprises conductive fine particles such as carbon black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, chopped fibers of carbon fibers, graphene, and graphite. As the carbon black, acetylene black is preferably used because it has few impurities and hardly reduces the activity of the catalyst. In addition, the microporous layer has characteristics such as conductivity, gas diffusivity, water drainage, moisture retention, and thermal conductivity, as well as strong acid resistance on the anode side inside the fuel cell and oxidation resistance on the cathode side. Therefore, the microporous layer contains a water-repellent resin such as a fluororesin in addition to the conductive fine particles. Examples of the water-repellent resin used for the microporous layer include PTFE (polytetrafluoroethylene) (for example, “Teflon” (registered trademark)), FEP (tetrafluoroethylene hexafluoropropylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy fluoride). Resin), ETFA (ethylene tetrafluoride ethylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVF (polyvinyl fluoride), etc., but PTFE or FEP is particularly high in water repellency. Is preferred.
導電性多孔質基材に微多孔層を設けるためには、導電性多孔質基材上に、微多孔層塗液を塗布する塗液塗布工程が採用される。微多孔層塗液は、水やアルコールなどの分散媒に、前記した導電性微粒子、撥水性樹脂、および、導電性微粒子を分散媒に分散するための分散剤として界面活性剤が配合されてなる。 In order to provide the microporous layer on the conductive porous substrate, a coating liquid coating step of coating a microporous layer coating liquid on the conductive porous substrate is employed. The microporous layer coating liquid comprises a dispersion medium such as water or alcohol and the above-described conductive fine particles, water-repellent resin, and a surfactant as a dispersant for dispersing the conductive fine particles in the dispersion medium. .
微多孔層塗液における導電性微粒子の濃度は、生産性の点から、塗液全体の質量に対して、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上である。粘度、導電性粒子の分散安定性、塗液の塗布性などが適性であれば濃度に上限はないが、実際的には50質量%を超えると塗液としての適性が損なわれる可能性がある。特に導電性微粒子としてアセチレンブラックを用いた場合には、本発明者らの検討では水系塗液の場合、25質量%程度が上限であり、これ以上の濃度になるとアセチレンブラックどうしが再凝集しいわゆるパーコレーションが発生し急激な粘度増加で塗液の塗布性が損なわれる。 From the viewpoint of productivity, the concentration of the conductive fine particles in the microporous layer coating solution is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, with respect to the mass of the entire coating solution. There is no upper limit to the concentration if the viscosity, dispersion stability of the conductive particles, applicability of the coating liquid, and the like are appropriate, but in reality, if it exceeds 50% by mass, the suitability as a coating liquid may be impaired. . In particular, when acetylene black is used as the conductive fine particles, in the study by the present inventors, the upper limit is about 25% by mass in the case of an aqueous coating liquid. Percolation occurs, and the applicability of the coating liquid is impaired due to a sudden increase in viscosity.
微多孔層の役割としては、(1)触媒の保護、(2)目の粗い導電性多孔質基材の表面が電解質膜に転写しないようにする化粧直し効果、(3)カソードで発生する水蒸気を凝縮防止の効果などである。上記のうち、化粧直し効果を発現するためには、微多孔層にある程度の厚みが必要となる。 The role of the microporous layer is as follows: (1) protection of the catalyst, (2) re-dressing effect that prevents the surface of the rough conductive porous substrate from being transferred to the electrolyte membrane, and (3) water vapor generated at the cathode. This is an effect of preventing condensation. Among the above, a certain amount of thickness is required for the microporous layer in order to exhibit a re-dressing effect.
微多孔層の厚みについては、導電性多孔質基材の粗さを考慮すれば、乾燥膜厚で10μm以上は必要であるが、60μmを超えるとガス拡散電極自体の電気抵抗が高くなるため好ましくない。 In consideration of the roughness of the conductive porous substrate, the thickness of the microporous layer needs to be 10 μm or more in terms of the dry film thickness, but if it exceeds 60 μm, the electric resistance of the gas diffusion electrode itself is preferably increased. Absent.
微多孔層塗液は、前記したように導電性微粒子を分散媒(水系の場合には水)に分散して調製する。導電性微粒子を分散させるためには導電性微粒子の100質量部あたり0.1質量部ないし高々10質量部も分散剤を添加すれば良い。しかし、この分散を長時間安定させて塗液粘度の上昇を防ぎ、液が分離したりしないようにするために分散剤としての界面活性剤の添加量を増量することが有効である。 The microporous layer coating liquid is prepared by dispersing conductive fine particles in a dispersion medium (water in the case of an aqueous system) as described above. In order to disperse the conductive fine particles, a dispersant may be added in an amount of 0.1 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the conductive fine particles. However, it is effective to increase the amount of the surfactant added as a dispersing agent in order to stabilize this dispersion for a long time, prevent an increase in the viscosity of the coating liquid and prevent the liquid from separating.
また、前記したように微多孔層の厚みを乾燥塗膜で10μm以上にする場合、塗液の粘度を少なくとも1000mPa・s以上に保つことが好ましい。粘度がこれより低いと塗液が導電性多孔質基材表面上で流れてしまい、また細孔に塗液が流入して裏抜けを起こしてしまう。逆にあまり高粘度になると塗布性が悪くなるため、上限は25Pa・s程度である。好ましい粘度の範囲としては、3000mPa・s以上、20Pa・s以下、さらに好ましくは5000mPa・s以上、15Pa・s以下である。 In addition, as described above, when the thickness of the microporous layer is 10 μm or more with a dry coating film, it is preferable to keep the viscosity of the coating liquid at least 1000 mPa · s or more. If the viscosity is lower than this, the coating liquid flows on the surface of the conductive porous substrate, and the coating liquid flows into the pores to cause back-through. On the other hand, if the viscosity is too high, the applicability deteriorates, so the upper limit is about 25 Pa · s. A preferable viscosity range is 3000 mPa · s or more and 20 Pa · s or less, and more preferably 5000 mPa · s or more and 15 Pa · s or less.
上記のように塗液の粘度を高粘度に保つためには、増粘剤を添加することが有効である。ここで用いる増粘剤は一般的に良く知られたもので良い。例えば、メチルセルロース系、ポリエチレングリコール系、ポリビニルアルコール系などの界面活性剤が増粘剤として好適に用いられる。 In order to keep the viscosity of the coating liquid at a high viscosity as described above, it is effective to add a thickener. The thickener used here may be a well-known one. For example, surfactants such as methyl cellulose, polyethylene glycol, and polyvinyl alcohol are preferably used as the thickener.
これらの分散剤や増粘剤は同じ界面活性剤に二つの機能を持たせても良く、またそれぞれの機能に適した界面活性剤を選んでも良い。ただし、増粘剤と分散剤を別個に選定する場合には、導電性微粒子の分散系およびフッ素樹脂などの撥水性樹脂の分散系を壊さないものを選ぶ必要がある。いずれにしても、本発明では、分散剤および増粘剤として界面活性剤を使用する。本発明の範囲においては、界面活性剤の総量は、導電性微粒子の100質量部当たり、好ましくは50質量部以上であり、より好ましくは100質量部以上、さらに好ましくは150質量部を超える量である。界面活性剤の添加量の上限としては導電性微粒子の100質量部当たり500質量部以下であり、これを超えるようだと後の焼結工程において多量の蒸気や分解ガスが発生し、安全性、生産性を低下させる可能性があり好ましくない。 These dispersants and thickeners may have two functions for the same surfactant, or a surfactant suitable for each function may be selected. However, when the thickener and the dispersant are selected separately, it is necessary to select one that does not break the dispersion of conductive fine particles and the dispersion of a water-repellent resin such as a fluororesin. In any case, in the present invention, a surfactant is used as a dispersant and a thickener. In the scope of the present invention, the total amount of the surfactant is preferably 50 parts by mass or more, more preferably 100 parts by mass or more, and further preferably more than 150 parts by mass per 100 parts by mass of the conductive fine particles. is there. The upper limit of the amount of the surfactant added is 500 parts by mass or less per 100 parts by mass of the conductive fine particles, and if it exceeds this, a large amount of vapor or decomposition gas is generated in the subsequent sintering step, safety, Productivity may be reduced, which is not preferable.
燃料電池の部材としては金属類のコンタミネーションが存在すると短絡や触媒劣化により電池性能が低下するおそれがあるため、本発明で用いる界面活性剤は金属イオンの含有量が少ないノニオン系(非イオン系)の界面活性剤が好ましい。この点から、メチルセルロース系、ポリエチレングリコール系、なかでもアルキルフェノールとポリエチレングリコールのエーテル類、高級脂肪族アルコールとポリエチレングリコールのエーテル、ポリビニルアルコール系などが好適に用いられる。 The presence of metal contamination as a fuel cell member may reduce battery performance due to short circuit or catalyst degradation. Therefore, the surfactant used in the present invention is a nonionic (nonionic) material with a low metal ion content. ) Is preferred. From this point, methyl cellulose, polyethylene glycol, especially ethers of alkylphenol and polyethylene glycol, ethers of higher aliphatic alcohol and polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, and the like are preferably used.
微多孔層塗液の導電性多孔質基材への塗工は、市販されている各種の塗工機を用いて行うことができる。塗工方式としては、スクリーン印刷、ロータリースクリーン印刷、スプレー噴霧、凹版印刷、グラビア印刷、ダイコーター塗工、バー塗工、ブレード塗工などが使用できるが、導電性多孔質基材の表面粗さによらず塗工量の定量化を図ることができるため、ダイコーター塗工が好ましい。以上例示した塗工方法はあくまでも例示のためであり、必ずしもこれらに限定されるものではない。 Application of the microporous layer coating liquid to the conductive porous substrate can be performed using various commercially available coating machines. As the coating method, screen printing, rotary screen printing, spray spraying, intaglio printing, gravure printing, die coater coating, bar coating, blade coating, etc. can be used, but the surface roughness of the conductive porous substrate However, since the amount of coating can be quantified, die coating is preferred. The coating methods exemplified above are only for illustrative purposes, and are not necessarily limited thereto.
塗液塗布工程を経た後、塗液の分散媒(水系の場合は水)を除去するために微多孔層塗液を乾燥する塗液乾燥工程に供する。乾燥の温度は、界面活性剤が除去されない温度とするのが好ましく、具体的には、室温(20℃前後)から150℃未満が好ましく、さらには60℃以上120℃以下がより好ましい。塗液乾燥工程を経た基材は、分散媒が除去されることにより、導電性微粒子、撥水性樹脂および界面活性剤を含有する微多孔層前駆体が形成された基材となる。 After passing through the coating liquid coating process, it is subjected to a coating liquid drying process for drying the microporous layer coating liquid in order to remove the dispersion medium (water in the case of an aqueous system). The drying temperature is preferably a temperature at which the surfactant is not removed. Specifically, the drying temperature is preferably from room temperature (around 20 ° C.) to less than 150 ° C., more preferably from 60 ° C. to 120 ° C. The substrate that has undergone the coating liquid drying step becomes a substrate on which a microporous layer precursor containing conductive fine particles, a water-repellent resin, and a surfactant is formed by removing the dispersion medium.
塗液乾燥工程を経た後、導電性微粒子の分散に用いた界面活性剤を除去する目的および撥水性樹脂を一度溶融して導電性微粒子を結着させる目的で、焼結を行なうことが一般的であるが、本発明においては、塗液乾燥工程を経た後、界面活性剤の除去を主に行う第1の熱処理工程と、撥水性樹脂の溶融結着、いわゆる焼結を主に行う第2の熱処理工程をそれぞれの最適温度で別個に行なう。 After the coating liquid drying process, sintering is generally performed for the purpose of removing the surfactant used to disperse the conductive fine particles and for the purpose of binding the conductive fine particles by once melting the water-repellent resin. However, in the present invention, after the coating liquid drying step, the first heat treatment step that mainly removes the surfactant, and the second step that mainly performs the melt-binding of the water-repellent resin, so-called sintering. These heat treatment steps are performed separately at each optimum temperature.
界面活性剤の除去のための第1の熱処理工程における熱処理温度は、界面活性剤を除去しうる温度、すなわち界面活性剤が蒸発あるいは熱分解して減量できる温度で行なう。本発明者らの検討では、本発明に使用する界面活性剤を完全に熱処理により短時間で除去するためには、290℃以上の温度で熱処理を行うのが好ましく、300℃以上の温度で熱処理を行うのがより好ましい。また、さらに好ましくは、最初に200℃程度の温度で熱処理してから徐々に290℃以上の温度に加熱していくと、分解ガスの濃度が急激に上がらず、発火などの危険性がより少なくなる。 The heat treatment temperature in the first heat treatment step for removing the surfactant is a temperature at which the surfactant can be removed, that is, a temperature at which the surfactant can be reduced by evaporation or thermal decomposition. In the study by the present inventors, in order to completely remove the surfactant used in the present invention by heat treatment in a short time, it is preferable to perform heat treatment at a temperature of 290 ° C. or higher, and heat treatment at a temperature of 300 ° C. or higher. It is more preferable to carry out. More preferably, when the heat treatment is first performed at a temperature of about 200 ° C. and then gradually heated to a temperature of 290 ° C. or more, the concentration of the decomposition gas does not increase rapidly, and the risk of ignition or the like is reduced. Become.
第1の熱処理の温度の上限としては、撥水性樹脂が熱により分解してしまうのは好ましくないため、撥水性樹脂の分解温度以下で熱処理を行なうことが好ましく、フッ素樹脂の場合には400℃以下、さらには350℃未満が好ましく、後述する撥水性樹脂の実質的溶融温度以下の温度で熱処理するのが特に好ましい。 As the upper limit of the temperature of the first heat treatment, it is not preferable that the water-repellent resin is decomposed by heat. Therefore, it is preferable to perform the heat treatment at a temperature equal to or lower than the decomposition temperature of the water-repellent resin. Hereinafter, it is more preferably less than 350 ° C., and it is particularly preferable to perform heat treatment at a temperature not higher than a substantial melting temperature of a water repellent resin described later.
また、使用する界面活性剤の特性にもよるが、熱処理による界面活性剤の除去は、界面活性剤が分解してガスが発生せずに、界面活性剤自体の蒸気の状態で除去する方が炉内から炉外へ排出させるための大気の風量を低減できるので好ましい。したがって、第1の熱処理工程における熱処理温度は、界面活性剤の沸点よりも分解温度が十分高い場合には、界面活性剤の分解温度以下、界面活性剤の沸点以上であることが好ましい。 Depending on the characteristics of the surfactant used, the surfactant can be removed by heat treatment without the decomposition of the surfactant and the generation of gas, but in the vapor state of the surfactant itself. This is preferable because the air volume for discharging from the inside of the furnace to the outside of the furnace can be reduced. Therefore, when the decomposition temperature is sufficiently higher than the boiling point of the surfactant, the heat treatment temperature in the first heat treatment step is preferably not more than the decomposition temperature of the surfactant and not less than the boiling point of the surfactant.
第1の熱処理工程における熱処理時間は、生産性の点から、できるかぎり短時間、好ましくは20分以内、さらに好ましくは10分以内さらに好ましくは5分以内であるが、あまり短時間に第1の熱処理を行なうと界面活性剤の蒸気や分解性生物が急激に発生し、大気中で行なう場合には発火の危険性が生じるので好ましくない。通常2分以上が好ましい。 The heat treatment time in the first heat treatment step is as short as possible from the viewpoint of productivity, preferably within 20 minutes, more preferably within 10 minutes, and even more preferably within 5 minutes. If heat treatment is carried out, surfactant vapors and degradable organisms are rapidly generated. If it is carried out in the air, there is a risk of ignition, which is not preferable. Usually, 2 minutes or more is preferable.
第1の熱処理工程における熱源としては熱風が好ましい。熱風は給気口から熱処理炉に供給し、ヒーターなどで加熱したあと熱処理炉内に導入し、炉内の被加熱基材に熱を供給し、発生してくる界面活性剤の蒸気や分解生成物を随伴して排気口より熱処理炉外へ排出する。この際発生する、界面活性剤の蒸気や分解生成物などのガスの濃度が爆発限界以上にならないよう十分な風量を供給する。さらに安全性を向上するため、排気口より熱処理炉外へ排出された熱風は、ヒータなどによる加熱部に戻さない、いわゆる単一パス方式とするのが良い。 Hot air is preferable as the heat source in the first heat treatment step. Hot air is supplied to the heat treatment furnace from the air supply port, heated by a heater, etc., then introduced into the heat treatment furnace, heat is supplied to the substrate to be heated in the furnace, and the generated surfactant vapor and decomposition are generated. The product is discharged from the heat treatment furnace through the exhaust port. Sufficient air volume is supplied so that the concentration of gas such as surfactant vapor and decomposition products generated at this time does not exceed the explosion limit. In order to further improve safety, a so-called single-pass method is preferable in which hot air discharged from the exhaust port to the outside of the heat treatment furnace is not returned to the heating unit such as a heater.
第2の熱処理工程、いわゆる焼結工程は、撥水性樹脂の融点以上の温度で行なう必要があるが、後述する実質的溶融温度を超える温度である熱処理温度(焼結温度)で行なうことが好ましい。撥水性樹脂としてPTFEを使用する場合には、PTFEの融点が330℃付近であるが、350℃を超える焼結温度、好ましくは370℃以上の焼結温度で30秒以上の条件で焼結を行なうのがよい。撥水性樹脂としてFEPを使用する場合には、FEPの融点は240℃付近であるが、320℃を超える焼結温度で焼結することが好ましい。 The second heat treatment step, so-called sintering step, needs to be performed at a temperature equal to or higher than the melting point of the water-repellent resin, but is preferably performed at a heat treatment temperature (sintering temperature) that exceeds a substantial melting temperature described later. . When PTFE is used as the water repellent resin, the melting point of PTFE is around 330 ° C., but sintering is performed at a sintering temperature exceeding 350 ° C., preferably at a sintering temperature of 370 ° C. or more for 30 seconds or more. It is good to do. When FEP is used as the water repellent resin, the melting point of FEP is around 240 ° C., but it is preferable to sinter at a sintering temperature exceeding 320 ° C.
本発明者らの検討では、FEPの焼結温度が240℃以上320℃以下では、ガス拡散電極を燃料電池に組み込んで発電させる場合、低温(40℃付近)での排水性が十分に機能せず、また、FEPの導電性微粒子に対するバインダーとしての機能が十分に発揮されず、導電性微粒子の粉落ちなどの懸念があることが分かった。即ち、FEPの実質的溶融温度は320℃であり、焼結に適した温度は、320℃を超える温度範囲ということになる。ここで実質的溶融温度は、実験的に求めることができる。即ち、ガス拡散電極の微多孔層の塗布乾燥後に実際に焼結を行い、低温での発電性能が良好になる温度、即ち、撥水材が燃料電池内部で発生した凝縮水を排水する能力を有効に発揮する温度を見極める。本発明者らの検討結果ではPTFEの実質的溶融温度は350℃、FEPの実質的溶融温度は320℃である。 According to the study by the present inventors, when the sintering temperature of FEP is 240 ° C. or higher and 320 ° C. or lower, when the gas diffusion electrode is incorporated in a fuel cell to generate electric power, the drainage at low temperature (around 40 ° C.) can function sufficiently. In addition, it was found that the function as a binder for the conductive fine particles of FEP is not sufficiently exhibited, and there is a concern that the conductive fine particles may fall off. That is, the substantial melting temperature of FEP is 320 ° C., and the temperature suitable for sintering is a temperature range exceeding 320 ° C. Here, the substantial melting temperature can be obtained experimentally. That is, the temperature at which the power generation performance at low temperature is improved after applying and drying the microporous layer of the gas diffusion electrode, that is, the ability of the water repellent material to drain the condensed water generated inside the fuel cell. Determine the effective temperature. As a result of examination by the present inventors, the substantial melting temperature of PTFE is 350 ° C., and the substantial melting temperature of FEP is 320 ° C.
また、焼結温度は、高すぎるとフッ素樹脂などの撥水性樹脂が分解する懸念があるので、通常400℃程度が上限であり、また、焼結時間については1分以上かけて行なうことが好ましく、生産性の観点から60分を上限に、10分未満、さらに好ましくは5分未満で行なうのが良い。 Further, if the sintering temperature is too high, water repellent resin such as fluororesin may be decomposed. Therefore, the upper limit is usually about 400 ° C, and the sintering time is preferably over 1 minute. From the viewpoint of productivity, the upper limit is 60 minutes, and it is preferably less than 10 minutes, more preferably less than 5 minutes.
上記第2の熱処理工程における熱源としては熱風が好ましい。また、エネルギー効率を高めるために、熱風は循環させることが望ましい。第1の熱処理工程において可燃性の分解生成物はほぼ除去されており、第2の熱処理工程では熱風を循環させても発火したりする危険性が少ない。すなわち、第2の熱処理工程では、熱処理に使用する熱風がヒーターにより加熱されて炉内に供給され、炉外へ排気されるガスの大部分をヒーターによる加熱部に戻し、一部を装置外へ排出し、排出されたガスに見合う空気を供給する、いわゆる循環方式とするのが良い。 Hot air is preferable as the heat source in the second heat treatment step. In order to increase energy efficiency, it is desirable to circulate hot air. In the first heat treatment step, combustible decomposition products are almost removed, and in the second heat treatment step, there is little risk of ignition even if hot air is circulated. That is, in the second heat treatment step, the hot air used for the heat treatment is heated by the heater and supplied into the furnace, most of the gas exhausted outside the furnace is returned to the heating part by the heater, and a part is outside the apparatus. It is preferable to use a so-called circulation system that exhausts air and supplies air commensurate with the exhausted gas.
本発明において、塗液塗布工程に供する導電性多孔質基材には、撥水処理が施されていることが好ましい。撥水処理には通常、フッ素樹脂などの撥水材を分散媒に分散した撥水材ディスパージョンを用いる。撥水材としては、前記した微多孔層塗液に用いられる撥水性樹脂と同様のフッ素樹脂が挙げられるが、強い撥水性を発現するPTFE、あるいはFEPが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the conductive porous substrate subjected to the coating liquid coating process is subjected to a water repellent treatment. For the water repellent treatment, a water repellent dispersion in which a water repellent material such as a fluororesin is dispersed in a dispersion medium is usually used. Examples of the water repellent material include a fluororesin similar to the water repellent resin used in the above-mentioned microporous layer coating liquid, but PTFE or FEP exhibiting strong water repellency is preferable.
また、これら撥水材は水あるいはその他の分散媒に分散させた状態の撥水材ディスパージョンとして撥水処理に用いるが、この分散に使用する分散剤(界面活性剤)は撥水材自体の融点より低い温度で蒸発あるいは分解除去できることが好ましい。 These water repellent materials are used for water repellent treatment as a water repellent dispersion in a state of being dispersed in water or other dispersion medium. The dispersant (surfactant) used for this dispersion is the water repellent material itself. It is preferable that evaporation or decomposition can be performed at a temperature lower than the melting point.
撥水処理で付与する撥水材の量は特に限定されないが、導電性多孔質基材100質量部に対して0.1質量部以上20質量部以下程度が適切である。0.1質量部より少ないと撥水性が十分に発揮されず、20質量部を超えるとガスの拡散経路あるいは排水経路となる細孔を塞いでしまう、あるいは電気抵抗が増加する可能性があり好ましくない。 The amount of the water repellent material to be imparted by the water repellent treatment is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the conductive porous substrate. If the amount is less than 0.1 parts by mass, the water repellency is not sufficiently exerted. If the amount exceeds 20 parts by mass, pores serving as gas diffusion paths or drainage paths may be blocked, or electrical resistance may increase. Absent.
撥水処理の方法は一般的に知られている撥水材ディスパージョンに導電性多孔質基材を浸漬する処理技術のほか、ダイコート、スプレーコートなどの塗布技術も適用可能である。撥水処理の後、塗液塗布工程に供する前に、必要に応じて乾燥工程、さらには熱処理工程を加えても良いが、生産性という観点からはこれらの乾燥工程、熱処理工程は、塗液塗布工程後の乾燥工程、第1の熱処理工程で一括で行なうことが望ましい。 As a method of water repellent treatment, a coating technique such as die coating and spray coating can be applied in addition to a treatment technique of immersing a conductive porous substrate in a generally known water repellent dispersion. After the water-repellent treatment, before being subjected to the coating liquid coating process, a drying process and further a heat treatment process may be added as necessary. From the viewpoint of productivity, these drying process and heat treatment process are performed according to the coating liquid. It is desirable to carry out in a lump in the drying step after the coating step and the first heat treatment step.
本発明において、ガス拡散電極を効率よく製造するためには、導電性多孔質基材を長尺に巻いた状態のものを巻きだして、巻き取るまでの間に連続的に一貫して加工することが好ましい。すなわち、第1の熱処理工程の前に、長尺の導電性多孔質基材をロール状に巻いた巻回体から導電性多孔質基材を巻き出す巻き出し工程を含み、第2の熱処理工程の後に、第2の熱処理工程を経て得たガス拡散電極を巻き取る巻き取り工程を含むようにする。巻回体とされる長尺の導電性多孔質基材は微多孔層塗液を塗布していない状態のものでも、微多孔層前駆体が形成されたものでも良いが、巻き出し工程が、塗液塗布工程の前であると、塗液を塗布していない導電性多孔質基材からガス拡散電極までを連続的に一貫して加工することができるようになり、より好ましい。巻き出し工程では、長尺の導電性多孔質基材をロール状に巻いた巻回体を巻き出し機から巻きだす。巻き出し工程と塗液塗布工程の間に、必要に応じて、撥水処理工程を加える。第2の熱処理工程の後で、巻き取り工程の前に、必要に応じて、第2の熱処理工程を経て得たガス拡散電極を冷却しても良い。巻き取り工程では、ガス拡散電極を連続的に巻き取り機にて巻き取る。巻き取る際、塗布面を保護するため、合い紙を共巻きにしても良い。また、巻き取り直前にエッジ部分をトリミングあるいは製品幅にスリットした後巻き取っても良い。 In the present invention, in order to efficiently manufacture the gas diffusion electrode, the conductive porous base material is wound in a long state and continuously processed until it is wound up. It is preferable. That is, before the first heat treatment step, the method includes a step of unwinding the conductive porous substrate from a wound body obtained by winding a long conductive porous substrate into a roll shape, and the second heat treatment step. After that, a winding step of winding the gas diffusion electrode obtained through the second heat treatment step is included. The long conductive porous base material to be a wound body may be a state in which the microporous layer coating liquid is not applied, or a microporous layer precursor may be formed. It is more preferable that it is before the coating liquid coating step because the process from the conductive porous substrate to which the coating liquid is not applied to the gas diffusion electrode can be continuously and consistently processed. In the unwinding step, a wound body in which a long conductive porous substrate is wound in a roll shape is unwound from an unwinding machine. A water-repellent treatment step is added between the unwinding step and the coating liquid coating step as necessary. After the second heat treatment step and before the winding step, the gas diffusion electrode obtained through the second heat treatment step may be cooled as necessary. In the winding process, the gas diffusion electrode is continuously wound by a winder. When winding up, in order to protect the coated surface, an interleaf may be wound together. Further, the winding may be performed after trimming the edge portion or slitting to the product width immediately before winding.
また、撥水処理して巻き取る、塗液塗布、乾燥して巻き取る、熱処理して巻き取るなど、いくつかの加工工程ごとに巻き取って加工すると、加工装置をコンパクトにできるという利点がある。 In addition, there is an advantage that the processing apparatus can be made compact by winding and processing every several processing steps, such as water repellent treatment, winding, coating liquid application, drying and winding, heat treatment and winding. .
以下、図面を用いて、本発明をより詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
本発明の製造方法を実現する好ましい製造装置の一つの様態は、図6のように、ロール状に巻いた長尺の導電性多孔質基材を巻き出すための巻き出し機1と、熱処理炉B9(第2の熱処理炉)を経由して得られるガス拡散電極を巻き取るための巻き取り機6があり、その間に、巻き出し機1により巻き出され、予め導電性微粒子、撥水性樹脂および界面活性剤を含有する微多孔層前駆体が形成された導電性多孔質基材から界面活性剤を除去するための第1の熱処理処理炉(熱処理炉A8)と、第1の熱処理炉を経由した導電性多孔質基材をさらに熱処理し撥水性樹脂を焼結するための第2の熱処理炉(熱処理炉B9)がこの順に設置される。微多孔層前駆体が形成された導電性多孔質基材は、巻き出し機1から巻き出されても良いし、微多孔層前駆体が形成されていない導電性多孔質基材を巻き出し機1から巻き出し、第1の熱処理炉に供する前に、図示しない適宜加工により微多孔層前駆体を形成したものであっても良い。
One aspect of a preferable manufacturing apparatus for realizing the manufacturing method of the present invention is as shown in FIG. 6, an unwinding
巻き取り機6には、製品の塗布面を保護するための合い紙15を巻き取るための合い紙の巻き出し機5を設置することが好ましい。また、巻き出し側には、合い紙が基材に共巻きされている場合には合い紙の巻き取り機14を設置することが好ましい。巻き出し機1と第1の熱処理炉A8までの間には、基材の搬送を円滑にするためのガイドロール3を適宜配置する。基材の搬送は巻き取り機6を駆動させて行なうが、必要に応じて基材をニップし、張力をカットしながら搬送させても良い。このためのニップロール2を設置することも好ましい。また、製品の塗布面にロールを接触させたくない場合には、ニップロールの替わりにサクションロールを用いることもより好ましい。なお、ガイドロール3は非駆動であって良い。また、熱処理炉Bの後に基材を冷却するためのファンなどの装置を設置しても良く、必要に応じて塗膜をプレスするカレンダー装置を設置しても良い。
The
第1の熱処理炉(熱処理炉A)は320℃まで温度を上げる能力があることが好ましく、400℃程度まで昇温できることがより好ましい。熱源としては熱風が好ましく、外気を炉内に送り込むためのブロワー、炉内に送る空気を昇温するためのヒーター、空気を炉内に導く給気ダクト、炉内から排出されるガスの排気ダクト、排気ガスを送り出すためのブロワー等を適宜設置する。このとき、排気されたガスは全て、直接冷却器でトラップ、または空気で希釈して外気へ放出する、あるいは燃焼装置に送り込んで熱分解するなどの処置をとる。ここで排気されるガスは一切ヒーター側には戻さない、いわゆる単一パス方式とすることが好ましい。単一パス方式熱処理炉とは、熱処理炉から排気されるガスを熱処理炉に供給しない方式の熱処理炉である。 The first heat treatment furnace (heat treatment furnace A) is preferably capable of raising the temperature to 320 ° C., and more preferably capable of raising the temperature to about 400 ° C. As a heat source, hot air is preferable, a blower for sending outside air into the furnace, a heater for raising the temperature of air sent into the furnace, an air supply duct for introducing air into the furnace, and an exhaust duct for gas discharged from the furnace A blower or the like for sending out exhaust gas is appropriately installed. At this time, all the exhausted gas is directly trapped by a cooler, or diluted with air and discharged to the outside air, or sent to a combustion device and thermally decomposed. Here, it is preferable to adopt a so-called single pass system in which no exhausted gas is returned to the heater side. A single-pass heat treatment furnace is a heat treatment furnace of a type that does not supply gas exhausted from the heat treatment furnace to the heat treatment furnace.
第2の熱処理炉(熱処理炉B)は400℃まで昇温できる能力があることが好ましい。熱源としては温度制御が容易であることから熱風が好ましく、第1の熱処理によって、処理されるべき基材中の界面活性剤などの有機物は除去されていることが前提となるので、熱効率を考え、炉内から排出されるガスは一部を処理装置へ、他をヒーター側へ戻して循環させる、いわゆる循環方式とすることが好ましい。循環方式熱処理炉とは、熱処理炉から排気されるガスの少なくとも一部を熱処理炉に再度供給する方式の熱処理炉である。 The second heat treatment furnace (heat treatment furnace B) preferably has the ability to raise the temperature to 400 ° C. As the heat source, hot air is preferable because temperature control is easy, and it is assumed that organic substances such as surfactants in the base material to be treated are removed by the first heat treatment. The gas discharged from the furnace is preferably circulated in such a manner that a part of the gas is returned to the processing apparatus and the other is returned to the heater and circulated. The circulation type heat treatment furnace is a heat treatment furnace in which at least a part of the gas exhausted from the heat treatment furnace is supplied again to the heat treatment furnace.
本発明の製造装置について、さらに好ましい様態を、図5に示す。すなわち、図1に示す装置に加えて、巻き出し機1と熱処理炉A8の間に、微多孔層塗液を塗布するための塗工機12と、塗工機で微多孔層塗液が塗布された導電性多孔質基材から微多孔層塗液を乾燥させるための乾燥機7をこの順に設置することである。このようにすることで、長尺の導電性多孔質基材に対して微多孔層塗液塗布、乾燥、熱処理が一貫してできるようになる。
FIG. 5 shows a more preferable aspect of the manufacturing apparatus of the present invention. That is, in addition to the apparatus shown in FIG. 1, between the unwinding
また、図5に示すように、巻き出し機1と塗工機12の間に、スプレー13のような撥水処理のための器具を設置することで、長尺の導電性多孔質基材に対して撥水処理から微多孔層塗布、乾燥、熱処理が一貫してできるようになり、より好ましい装置となる。
Moreover, as shown in FIG. 5, by installing a device for water repellent treatment such as a
本発明の製造方法、製造装置により製造されたガス拡散電極は、触媒層を両面に設けた電解質膜の両側に触媒層とガス拡散電極が接するように圧着し、さらに、セパレータなどの部材を組みこんで単電池を組み立てて燃料電池として使用される。微多孔層が片面にのみ設けられたガス拡散電極を用いる場合には、微多孔層と触媒層が接するように組み立てるのが好ましい。 The gas diffusion electrode manufactured by the manufacturing method and manufacturing apparatus of the present invention is pressure-bonded so that the catalyst layer and the gas diffusion electrode are in contact with both sides of the electrolyte membrane provided with the catalyst layer on both sides, and a member such as a separator is assembled. The unit cell is assembled and used as a fuel cell. When using a gas diffusion electrode in which a microporous layer is provided only on one side, it is preferable to assemble the microporous layer and the catalyst layer in contact with each other.
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。実施例で用いた各種評価方法を次に示した。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. Various evaluation methods used in the examples are shown below.
<基材および微多孔層の膜厚測定>
基材(ガス拡散電極および導電性多孔質基材)の厚みについては、ミツトヨ製デジマイクロを用い、基材に0.15MPaの荷重を加えながら測定を行った。微多孔層の厚みについては、ガス拡散電極の厚みから導電性多孔質基材の厚みを差し引いて測定した。
<Measurement of film thickness of substrate and microporous layer>
The thickness of the base material (gas diffusion electrode and conductive porous base material) was measured using a Mitutoyo Digimicro and applying a load of 0.15 MPa to the base material. The thickness of the microporous layer was measured by subtracting the thickness of the conductive porous substrate from the thickness of the gas diffusion electrode.
<粘度測定>
スペクトリス社製ボーリン回転型レオメーターの粘度測定モードにおいて、直径40mm、傾き2°の円形コーンプレートを用いプレートの回転数を増加させながら(シェアレートを上昇)応力を測定していく。このとき、シェレート0.17/秒における粘度の値を塗液の粘度とした。
<Viscosity measurement>
In the viscosity measurement mode of the Spectris Borin rotary rheometer, the stress is measured using a circular cone plate having a diameter of 40 mm and an inclination of 2 ° while increasing the number of rotations of the plate (increase the share rate). At this time, the value of viscosity at 0.17 / sec.
<発電性能評価>
得られたガス拡散電極を、電解質膜・触媒層一体化品(日本ゴア製の電解質膜“ゴアセレクト”(登録商標)に、日本ゴア製触媒層“PRIMEA”(登録商標)を両面に形成したもの)の両側に、触媒層と微多孔層が接するように挟み、ホットプレスすることにより、膜電極接合体(MEA)を作製した。この膜電極接合体を燃料電池用単セルに組み込み、電池温度40℃、燃料利用効率を70%、空気利用効率を40%、アノード側の水素、カソード側の空気をそれぞれ露点が75℃、60℃となるように加湿して発電させ、電流密度を高くしていって発電が停止する電流密度の値(限界電流密度)を耐フラッディング性の指標とした。また、通常の運転条件(電池温度70℃)での発電性能も測定した。
<Evaluation of power generation performance>
The obtained gas diffusion electrode was formed by integrating an electrolyte membrane / catalyst layer integrated product (Nippon Gore's electrolyte membrane “Gore Select” (registered trademark) and Nippon Gore's catalyst layer “PRIMEA” (registered trademark) on both sides. The membrane electrode assembly (MEA) was manufactured by sandwiching the catalyst layer and the microporous layer so that the catalyst layer and the microporous layer were in contact with each other and hot pressing. This membrane electrode assembly is incorporated into a single cell for a fuel cell. The cell temperature is 40 ° C., the fuel utilization efficiency is 70%, the air utilization efficiency is 40%, the hydrogen on the anode side, and the air on the cathode side have dew points of 75 ° C. and 60 ° C., respectively. The value of current density (limit current density) at which power generation is stopped when the current density is increased by humidifying the temperature to be 0 ° C. is used as an index for flooding resistance. Further, the power generation performance under normal operating conditions (
(実施例1)
図1に概略を示すように、巻き出し機1、インフィードロール2、ガイドロール3、バックロール4、合い紙の巻き出し機5、巻き取り機6、乾燥機7、熱処理炉A8を備えた巻き取り式の搬送装置を用意した。
Example 1
As schematically shown in FIG. 1, an
ここで、熱処理炉A8における熱源は熱風であるが、給気口からブロワーで大気を導入し、これをヒーターHで過熱して炉内に送り込み、炉内を過熱した後そのまま排気口から炉外へ排気される単一パス方式とした。 Here, although the heat source in the heat treatment furnace A8 is hot air, air is introduced from the air supply port by a blower, is heated by the heater H, is sent into the furnace, is heated in the furnace, and is directly heated from the exhaust port to the outside of the furnace. A single pass system is used.
幅約400mmの導電性多孔質基材であるカーボンペーパー(東レ(株)製 TGP−R−060)を400mロール状に巻いた原反を巻き出し機1にセットした。
An original fabric obtained by winding a carbon paper (TGP-R-060 manufactured by Toray Industries, Inc.), which is a conductive porous substrate having a width of about 400 mm, into a roll of 400 m was set in the unwinding
巻き出し部、巻き取り部、コーター部に設置された駆動ロールにより原反を搬送した。図1に示す搬送装置において、コーター部にディッピング用のステンレス製の槽10を装着した図2に示す撥水処理装置を用い、該槽に撥水材ディスパージョン(ダイキン工業製PTFEディスパージョンD−210Cを精製水で5倍に薄めたもの)で満たし、その中を原反が浸漬されるように搬送し、絞りロール11で余分な液を搾り取り、さらに80℃に温度設定した乾燥機7を通過させ、昇温しないで室温のままの熱処理炉A8を通過させたあと、巻き取った。この時の乾燥時間は2分であった。また、撥水材の量は、カーボンペーパー100質量部に対して5質量部であった。
The raw material was conveyed by drive rolls installed at the unwinding unit, the winding unit, and the coater unit. In the transport apparatus shown in FIG. 1, the water repellent treatment apparatus shown in FIG. 2 in which a dipping
図3に示すダイコーティング装置を用い、上記撥水処理した原反を、巻き出し機1にセットし、撥水処理は行なわず、塗工機12としてダイコーターを用いて微多孔層塗液を塗布したのち、乾燥機7において100℃の熱風により水分を乾燥、さらに温度を320℃に設定した熱処理炉A8において、第1の熱処理工程を行なった後、巻取り機6にて巻き取った。第1の熱処理時間は5分とした。
Using the die coating apparatus shown in FIG. 3, the water repellent treated raw material is set in the unwinding
さらに、図3に示す装置を用い、上記の第1の熱処理工程まで行なったウェブを再度巻き出し機1にセットして巻き出し、第1の熱処理工程を行なわずに、380℃に設定した熱処理炉A8を通して第2の熱処理工程を行い、巻き取った。第2の熱処理時間は2分とした。
Further, using the apparatus shown in FIG. 3, the web which has been subjected to the first heat treatment step is set on the
ここで、熱処理炉A8における熱源は熱風であるが、給気口からブロワーで大気を導入し、これをヒーターHで過熱して炉内に送り込み、炉内を過熱した後そのまま排気口から炉外へ排気される単一パス方式とした。 Here, although the heat source in the heat treatment furnace A8 is hot air, air is introduced from the air supply port by a blower, is heated by the heater H, is sent into the furnace, is heated in the furnace, and is directly heated from the exhaust port to the outside of the furnace. A single pass system is used.
なお、微多孔層塗液は以下のように調製した。 The microporous layer coating solution was prepared as follows.
電気化学工業(株)製“デンカブラック”(登録商標)7.7質量部、PTFEディスパージョン(ダイキン工業株式会社製 ポリフロンD−210C)2.5質量部、界面活性剤(ナカライテスク(株)製、“TRITON”(登録商標) X−100:分解温度 200℃から270℃ )14質量部、精製水 75.8質量部をプラネタリーミキサーで混練し、塗液を調製した。この時の塗液粘度は、9.5Pa・sであった。
“Denka Black” (registered trademark), 7.7 parts by mass, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., 2.5 parts by mass of PTFE dispersion (Polyflon D-210C, manufactured by Daikin Industries, Ltd.), surfactant (Nacalai Tesque Co., Ltd.) “TRITON” (registered trademark) X-100:
微多孔層塗液の塗布にあたっては、第2の熱処理後の微多孔層の目付け量は15g/m2となるように調整した。このとき、微多孔層の厚み(ガス拡散電極の厚みからカーボンペーパーの厚みを差し引いた値)は約30μmであった。 In applying the microporous layer coating liquid, the basis weight of the microporous layer after the second heat treatment was adjusted to 15 g / m 2 . At this time, the thickness of the microporous layer (the value obtained by subtracting the thickness of the carbon paper from the thickness of the gas diffusion electrode) was about 30 μm.
また、上記のように調製したガス拡散電極を、触媒層が両面に設けられた電解質膜の両側に熱圧着し、燃料電池の単セルに組み込み、40℃と70℃の温度で発電性能(限界電流密度)評価を行った。 In addition, the gas diffusion electrode prepared as described above is thermocompression bonded to both sides of the electrolyte membrane provided with the catalyst layer on both sides, and incorporated into a single cell of the fuel cell, and the power generation performance (limits) at temperatures of 40 ° C and 70 ° C. Current density) was evaluated.
図7は、第1の熱処理工程に供する直前の基材について、この基材から直径5mmの4つの試料を打ち抜いて、熱重量分析(TG)を行った際の重量減少―経過時間の関係を示している。熱重量分析装置としては島津製作所製 熱分析装置DTG−60を用いた。 FIG. 7 shows the relationship between the weight loss and the elapsed time when four samples having a diameter of 5 mm are punched from the base material just before the first heat treatment step and thermogravimetric analysis (TG) is performed. Show. As the thermogravimetric analyzer, Shimadzu Corporation thermal analyzer DTG-60 was used.
それぞれの試料について、図8に示すように、最初に約25分かけて室温から110℃まで温度を上げて乾燥する。ここから、Aのサンプルは200℃まで昇温してそのまま保持、Bのサンプルでは260℃まで昇温して保持、Cのサンプルは320℃まで昇温して保持、Dのサンプルでは380℃まで昇温して保持した。理論的には、界面活性剤が分解除去されることによる理論減量は、59%であったが、200℃に温度を上げてから20分以内にこの理論減量まで近づくには最低290℃以上が必要であり、300℃以上が好ましいことが分かった。この実験に基づき、第1の熱処理温度を設定した。 For each sample, as shown in FIG. 8, the temperature is first raised from room temperature to 110 ° C. over about 25 minutes and dried. From here, the A sample is heated up to 200 ° C. and held as it is, the B sample is heated up to 260 ° C. and held, the C sample is heated up to 320 ° C. and held, and the D sample is held up to 380 ° C. The temperature was raised and held. Theoretically, the theoretical weight loss due to the decomposition and removal of the surfactant was 59%, but at least 290 ° C or more is necessary to reach this theoretical weight loss within 20 minutes after the temperature is raised to 200 ° C. It was necessary and it turned out that 300 degreeC or more is preferable. Based on this experiment, a first heat treatment temperature was set.
(比較例1)
実施例1において、第1の熱処理工程の熱処理温度を380℃に変更し、かつ第2の熱処理工程を行わなかった以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散電極を得た。このガス拡散電極を実施例1同様に燃料電池用単セルに組み込み、発電性能評価を行なった。
(Comparative Example 1)
In Example 1, a gas diffusion electrode was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature in the first heat treatment step was changed to 380 ° C. and the second heat treatment step was not performed. This gas diffusion electrode was incorporated into a single cell for a fuel cell in the same manner as in Example 1 to evaluate the power generation performance.
(実施例2)
実施例1において、図2に示す撥水処理装置を用いた撥水処理を省略し、替わりに、図3に示す装置のダイコーターの前にスプレーを設置した図4に示す装置を用い、このスプレーにより撥水材ディスパージョンを塗布して撥水処理し、続いて、撥水材の乾燥、巻取りはせずに、ダイコーターによる微多孔層の塗布以降、第1の熱処理工程までの工程を一貫で行なった以外は、実施例1と同様にしてガス拡散電極を調製し、評価を行なった。
(Example 2)
In Example 1, the water repellent treatment using the water repellent treatment device shown in FIG. 2 was omitted, and instead, using the device shown in FIG. 4 in which a spray was installed in front of the die coater of the device shown in FIG. Water repellent material dispersion is applied by spraying, followed by water repellent treatment, and then the steps from the application of the microporous layer by the die coater to the first heat treatment process without drying and winding the water repellent material A gas diffusion electrode was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the above was performed consistently.
(比較例2)
実施例2において、第1の熱処理工程の温度を380℃に設定して、第2の熱処理工程を省略した以外は、実施例2と同じにしてガス拡散電極を作製し、各種評価を行った。
(Comparative Example 2)
In Example 2, the gas diffusion electrode was prepared in the same manner as in Example 2 except that the temperature of the first heat treatment step was set to 380 ° C. and the second heat treatment step was omitted, and various evaluations were performed. .
(実施例3)
実施例1,2で用いた図3に示すダイコーティング装置の熱処理炉A8の後にさらに、熱処理炉B9を追加した図5に示す装置を用いた。熱処理炉B9の熱源となる熱風は、基本的に大気を循環しながら一部給気してその分を炉内に導入し、給気した分だけを排出する循環方式を取った。この装置を用い、実施例2と同様に、撥水材をスプレー塗布、微多孔層をダイコーターで塗布し、100℃で乾燥を行い、さらに200℃に設定した熱処理炉Aを通して、巻き取り機6で巻き取った。熱処理時間は2分とした。
Example 3
The apparatus shown in FIG. 5 in which a heat treatment furnace B9 is further added after the heat treatment furnace A8 of the die coating apparatus shown in FIG. The hot air as a heat source for the heat treatment furnace B9 was basically circulated through the atmosphere, partially supplied with air, introduced into the furnace, and discharged. Using this apparatus, in the same manner as in Example 2, the water repellent material was applied by spraying, the microporous layer was applied by a die coater, dried at 100 ° C., and further passed through a heat treatment furnace A set at 200 ° C. 6 was wound up. The heat treatment time was 2 minutes.
上記200℃での熱処理まで行なった基材を再び図5に示す装置の巻き出し機1にセットして、熱処理機Aの温度を320℃に、また熱処理炉Bの温度を380℃に設定して熱処理を行なって巻き取り機6で巻き取った。各熱処理時間は2分とした。
The base material that has been subjected to the heat treatment at 200 ° C. is set again in the unwinding
この実施例3においては、第1の熱処理を200℃と320℃の2段階に分けて行なったことになる。 In Example 3, the first heat treatment was performed in two stages of 200 ° C. and 320 ° C.
熱処理炉Bは上記したように熱風を循環する方式であるが、第1の熱処理において界面活性剤の蒸気や分解生成物がほぼ除去された状態であるため、熱処理炉B内で発火などの現象は見られなかった。 The heat treatment furnace B is a system in which hot air is circulated as described above. However, since the surfactant vapor and decomposition products are substantially removed in the first heat treatment, a phenomenon such as ignition in the heat treatment furnace B is performed. Was not seen.
このようにして作成したガス拡散電極について発電評価を行なった。 A power generation evaluation was performed on the gas diffusion electrode thus prepared.
(実施例4)
実施例3において、図5に示す装置を1回目に使用する際に、熱処理炉Aの温度を320℃に変更し、熱処理炉Bの温度を380℃に変更し、第1の熱処理、第2の熱処理のそれぞれの時間を3分に変更し、図5に示す装置の2回目の使用を行なわなかった以外は、実施例3と同様にしてガス拡散電極を作成し、発電評価を行なった。
(Example 4)
In Example 3, when the apparatus shown in FIG. 5 is used for the first time, the temperature of the heat treatment furnace A is changed to 320 ° C., the temperature of the heat treatment furnace B is changed to 380 ° C., the first heat treatment, A gas diffusion electrode was prepared and evaluated for power generation in the same manner as in Example 3 except that each time of the heat treatment was changed to 3 minutes and the apparatus shown in FIG. 5 was not used for the second time.
(実施例5)
実施例4において、熱処理炉Aの温度を330℃に変更した以外は、実施例4と同様にして、ガス拡散電極を作成し、発電評価を行なった。
(Example 5)
In Example 4, except that the temperature of the heat treatment furnace A was changed to 330 ° C., a gas diffusion electrode was prepared and power generation evaluation was performed in the same manner as in Example 4.
(実施例6)
実施例4において、撥水処理における撥水材および微多孔層塗液における撥水性樹脂として用いるPTFEディスパージョンを、FEPディスパージョン(ダイキン工業(株)製 “ポリフロン”(登録商標)ND−110)に変更し、熱処理炉Aの温度を320℃に、熱処理炉Bの温度を350℃に変更した以外は、実施例4と同様にして、ガス拡散電極を作成し、発電評価を行なった。
(Example 6)
In Example 4, the PTFE dispersion used as the water-repellent material in the water-repellent treatment and the water-repellent resin in the microporous layer coating liquid was FEP dispersion ("Polyflon" (registered trademark) ND-110 manufactured by Daikin Industries, Ltd.). The gas diffusion electrode was prepared and evaluated for power generation in the same manner as in Example 4 except that the temperature of the heat treatment furnace A was changed to 320 ° C. and the temperature of the heat treatment furnace B was changed to 350 ° C.
表1に各実施例、比較例における発電性能評価の結果を示す。本発明の製造方法により作成したガス拡散電極を用いた燃料電池は、従来技術により作成したものに比べ、いずれも発電性能が良いことが分かる。 Table 1 shows the results of power generation performance evaluation in each example and comparative example. It can be seen that the fuel cells using the gas diffusion electrodes prepared by the manufacturing method of the present invention all have better power generation performance than those prepared by the conventional technique.
本発明の製造方法により、微多孔層および導電性多孔質基材中に含まれる界面活性剤を熱処理により除去したのち、撥水材の融点以上の温度で熱処理して微多孔層中の導電性微粒子、導電性多孔質基材に対して撥水材の結着が良好な状態になり、それによってガス拡散電極のガス拡散性や、燃料電池内部で発生する水の排水性が高まるため、発電性能が向上するものと考えられる。 After removing the surfactant contained in the microporous layer and the conductive porous substrate by heat treatment by the production method of the present invention, the conductive agent in the microporous layer is heat-treated at a temperature equal to or higher than the melting point of the water repellent material. The water-repellent material is well bonded to the fine particles and the conductive porous substrate, which increases the gas diffusibility of the gas diffusion electrode and the drainage of water generated inside the fuel cell. It is considered that the performance is improved.
1 巻き出し機
2 インフィードロール(ニップロール)
3 ガイドロール
4 バックロール
5 合い紙の巻き出し機
6 巻き取り機
7 乾燥機
8 熱処理炉A
9 熱処理炉B
10 槽
11 絞りロール
12 塗工機
13 スプレー
14 合い紙の巻き取り機
15 合い紙
H ヒーター
SP 吸気
EX 排気
1 Unwinding
3
9 Heat treatment furnace B
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