JP6801224B2 - Fine porous layer forming paste, gas diffusion layer for fuel cells and fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、微細多孔質層形成ペーストに関する。 The present invention relates to a fine porous layer forming paste.
燃料電池は、電気化学システムを用いて化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できるシステムであり、高効率であるため次世代エネルギーとして期待されている。特に、固体高分子形燃料電池は自動車用、定置用、小型モバイル用に活発に開発が進められている。 A fuel cell is a system that can directly convert chemical energy into electrical energy using an electrochemical system, and is expected as next-generation energy because of its high efficiency. In particular, polymer electrolyte fuel cells are being actively developed for automobiles, stationary, and small mobiles.
一般に固体高分子形燃料電池においては、高分子電解質膜の両面にカソード側電極及びアノード側電極を形成しており、通常、これらのカソード側電極及びアノード側電極は、白金等の触媒を担持したカーボンブラックとイオン交換樹脂からなる電極触媒層と、この触媒層に反応ガスを供給すると共に触媒層に発生する電荷を集電するガス拡散層によって構成されている。ガス拡散層には、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。具体的には、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン基材が用いられる。 Generally, in a polymer electrolyte fuel cell, cathode side electrodes and anode side electrodes are formed on both sides of a polymer electrolyte membrane, and these cathode side electrodes and anode side electrodes usually carry a catalyst such as platinum. It is composed of an electrode catalyst layer made of carbon black and an ion exchange resin, and a gas diffusion layer that supplies a reaction gas to the catalyst layer and collects charges generated in the catalyst layer. As the gas diffusion layer, a conductive porous base material having both gas diffusion ability and conductivity is generally used. Specifically, a carbon base material such as carbon cloth or carbon paper is used.
このような固体高分子形燃料電池に用いられるガス拡散層においては、当該ガス拡散層と触媒層との間の電気抵抗を下げると共に、ガス拡散層基材の繊維ほつれによる電解質膜の損傷を未然に防止し、また、さらなる撥水性を付与するための中間層として、ガス拡散層を構成する導電性多孔質基材の上に、カーボンブラックなどの炭素粉末およびフッ素樹脂分散液を主成分とする微細多孔質層(Micro Porous Layer。以下、「MPL」と略記することがある)を設けることが知られている(例えば、特許文献1)。 In the gas diffusion layer used in such a polymer electrolyte fuel cell, the electric resistance between the gas diffusion layer and the catalyst layer is lowered, and the electrolyte film is not damaged due to fiber fraying of the gas diffusion layer base material. As an intermediate layer for further preventing water repellency and imparting further water repellency, a carbon powder such as carbon black and a fluororesin dispersion are used as main components on a conductive porous base material constituting a gas diffusion layer. It is known to provide a microporous layer (Micro Porous Layer, hereinafter may be abbreviated as "MPL") (for example, Patent Document 1).
このようなMPLを形成する方法としては、水を溶媒としてカーボンブラックなどの炭素粉末からなるペーストを作製し、スプレー法または印刷法、バーコーター、ドクターブレードなどを用いて、このペーストを導電性多孔質基材上に塗工する方法などが挙げられる。 As a method for forming such an MPL, a paste made of carbon powder such as carbon black is prepared using water as a solvent, and the paste is made conductively porous by using a spray method or a printing method, a bar coater, a doctor blade or the like. Examples include a method of coating on a quality substrate.
カーボンクロスやカーボンペーパー等の導電性多孔質基材は、反応ガスや過剰な水が内部を通過しやすくするために多孔質であり、したがって、MPLを形成するためのMPL形成用ペーストを基材に塗工すると、ペーストの一部が基材内部に染み込むが、染み込んだペーストの量が多いと、基材中の細孔が塞がり、反応に必要なガスを触媒層に供給する性能や、過剰な水を排出する性能が低下してしまい、電池特性を低下させる恐れがある。 Conductive porous substrates such as carbon cloth and carbon paper are porous to facilitate the passage of reaction gas and excess water, and therefore use an MPL-forming paste for forming MPL as a substrate. When applied to, part of the paste soaks into the base material, but if the amount of soaked paste is large, the pores in the base material are blocked, and the ability to supply the gas required for the reaction to the catalyst layer and excess There is a risk that the performance of discharging a large amount of water will deteriorate and the battery characteristics will deteriorate.
また、基材にMPL形成用ペーストを塗工して形成したMPLはガス拡散層の一部を構成するものであり、ガス拡散層全体として、ガス拡散能および導電性を兼ね備えたものが要求される以上、MPLについても、ガス拡散能と共に導電性に優れていることが要求されることは言うまでもない。 Further, the MPL formed by applying the MPL forming paste to the base material constitutes a part of the gas diffusion layer, and the gas diffusion layer as a whole is required to have both gas diffusion ability and conductivity. As mentioned above, it goes without saying that MPL is also required to have excellent conductivity as well as gas diffusion ability.
そこで、MPL形成用のペーストとして、塗工後のタレや導電性基材への染み込みを防止するために、ガス拡散層用撥水ペーストの粘性を調整することを目的として、特許文献2においては、カーボンブラック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溶け易い溶剤とを混合した基材への適度の浸透性を有するガス拡散層用撥水ペーストが開示されている。 Therefore, as a paste for forming MPL, in order to prevent sagging after coating and permeation into a conductive substrate, Patent Document 2 aims to adjust the viscosity of the water-repellent paste for a gas diffusion layer. Disclosed is a water-repellent paste for a gas diffusion layer, which is a mixture of a carbon black slurry with a fluororesin dispersion, a solvent that is difficult to dissolve in water, and a solvent that is easily soluble in water, and has appropriate permeability to a substrate.
また、特許文献3においては、電気抵抗を変化させないか、あるいは減少させる機能、及びガス流路を確保しガス透過性を向上させる機能を保有させることを目的として、触媒層とガス拡散シート基材との間に、撥水性樹脂及び繊維径10〜300nm、繊維長100μm以下である気相成長炭素繊維を含む成分を混合してなるガス拡散層を有することを特徴とする燃料電池の接合体が開示されている。 Further, in Patent Document 3, the catalyst layer and the gas diffusion sheet base material have a function of not changing or reducing the electric resistance and a function of securing a gas flow path and improving gas permeability. A fuel cell junction characterized by having a gas diffusion layer obtained by mixing a water-repellent resin and a component containing a vapor-grown carbon fiber having a fiber diameter of 10 to 300 nm and a fiber length of 100 μm or less is provided between the two. It is disclosed.
しかしながら、上記特許文献2に記載された技術においては、水に溶け難い溶剤として分子量が70以上の直鎖または側鎖のアルコール、エステル、ケトン、エーテルのいずれかを用い、水に溶け易い溶剤としてHLB値が8〜13のアルコールのエチレンオキサイド付加界面活性剤を用いることでガス拡散層用撥水ペーストの粘性を調整しているが、ペーストの基材への染み込みを完全には防げないという問題点があった。また、使用する溶剤の種類によってはガス拡散層用撥水ペーストの塗工時における塗工ムラやピンホールが発生するという問題点もある。 However, in the technique described in Patent Document 2, any of a linear or side chain alcohol having a molecular weight of 70 or more, an ester, a ketone, or an ether is used as a solvent which is hardly soluble in water, and as a solvent which is easily soluble in water. The viscosity of the water-repellent paste for the gas diffusion layer is adjusted by using an ethylene oxide-added surfactant of alcohol with an HLB value of 8 to 13, but there is a problem that the penetration of the paste into the substrate cannot be completely prevented. There was a point. Further, depending on the type of solvent used, there is also a problem that coating unevenness and pinholes occur at the time of coating the water-repellent paste for the gas diffusion layer.
また、上記特許文献3に記載された技術においては、MPL形成用ペーストの導電性フィラーとして繊維径10〜300nm、繊維長100μm以下である気相成長炭素繊維を用いることで電気抵抗を変化させないか、あるいは減少させる機能、及びガス流路を確保しガス透過性を向上させる機能を保有させているが、気相成長炭素繊維の分散安定化は困難であり、粒度を十分に小さくできないため、MPL形成用ペースト中の粗大粒子に起因する塗工ムラやピンホールが発生してしまうという問題点があった。塗工ムラやピンホールのあるMPL付きガス拡散層を用いた燃料電池は、その発電性能が劣ることは言うまでもない。 Further, in the technique described in Patent Document 3, is it possible to change the electric resistance by using a gas phase-grown carbon fiber having a fiber diameter of 10 to 300 nm and a fiber length of 100 μm or less as the conductive filler of the MPL forming paste? Or, it has a function to reduce it and a function to secure a gas flow path and improve gas permeability, but it is difficult to stabilize the dispersion of vapor-grown carbon fibers and the particle size cannot be made sufficiently small. There is a problem that coating unevenness and pinholes occur due to the coarse particles in the forming paste. It goes without saying that a fuel cell using a gas diffusion layer with MPL having uneven coating and pinholes is inferior in its power generation performance.
本発明が解決しようとする課題は、流動特性(粒度、粘度等)と基材への塗工性(染み込み量の抑制、ピンホールの発生)に優れ、MPL中に空孔を増すことでガス拡散能を向上させるMPL形成に適した微細多孔質層形成ペーストと、それを用いた発電特性が良好な燃料電池を提供することである。 The problems to be solved by the present invention are excellent in flow characteristics (particle size, viscosity, etc.) and coatability on a base material (suppression of penetration amount, generation of pinholes), and gas by increasing pores in MPL. It is an object of the present invention to provide a fine porous layer forming paste suitable for MPL formation that improves diffusivity, and a fuel cell using the same and having good power generation characteristics.
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発明に至った。 The present inventors have reached the present invention as a result of repeated diligent studies to solve the above problems.
すなわち、本発明の実施態様は、燃料電池の微細多孔質層の形成に用いられる微細多孔質層形成ペーストであって、水と、炭素系導電性フィラーと、フッ素系樹脂分散液と、昇温速度10℃/分で加熱した際に全質量の60%が減量する温度の異なる二種類の第1界面活性剤および第2界面活性剤、とを含有することを特徴とする微細多孔質層形成ペーストに関する。 That is, an embodiment of the present invention is a fine porous layer forming paste used for forming a fine porous layer of a fuel cell, which comprises water, a carbon-based conductive filler, a fluorine-based resin dispersion, and a temperature rise. Formation of a microporous layer characterized by containing two types of first and second surfactants having different temperatures, in which 60% of the total mass is reduced when heated at a rate of 10 ° C./min. Regarding paste.
また、本発明の実施態様は、前記全質量の60%が減量する温度の異なる二種類の界面活性剤は、全質量の60%が減量する温度の高い第1界面活性剤と、前記全質量の60%が減量する温度の低い第2界面活性剤とを含み、第1界面活性剤と第2界面活性剤の全質量の60%が減量する温度の差が5〜75℃の温度域に含まれることを特徴とする微細多孔質層形成ペーストに関する。 Further, in the embodiment of the present invention, the two types of surfactants having different temperatures at which 60% of the total mass is reduced are the first surfactant having a high temperature at which 60% of the total mass is reduced and the total mass. The temperature difference between the first surfactant and the second surfactant, which is 60% of the total mass of the first surfactant and the second surfactant, is 5 to 75 ° C. The present invention relates to a fine porous layer-forming paste, which is characterized by being contained.
また、本発明の実施態様は、前記全質量の60%が減量する温度の高い第1界面活性剤と、前記全質量の60%が減量する温度の低い第2界面活性剤は、全質量の60%が減量する温度が220〜350℃である前記微細多孔質層形成ペーストに関する。 Further, in the embodiment of the present invention, the first surfactant having a high temperature at which 60% of the total mass is reduced and the second surfactant having a low temperature at which 60% of the total mass is reduced are the total mass. The present invention relates to the fine porous layer-forming paste in which the temperature at which the weight is reduced by 60% is 220 to 350 ° C.
また、本発明の実施態様は、前記炭素系導電性フィラー100質量部に対して、前記全質量の60%が減量する温度の異なる第1界面活性剤と第2界面活性剤の総和が、50〜200質量部を含有してなる前記微細多孔質層形成ペーストに関する。 Further, in the embodiment of the present invention, the total amount of the first surfactant and the second surfactant having different temperatures at which 60% of the total mass is reduced is 50 with respect to 100 parts by mass of the carbon-based conductive filler. The present invention relates to the fine porous layer forming paste containing ~ 200 parts by mass.
また、本発明の実施態様は、前記微細多孔質層形成ペーストを基材上に備えてなる燃料電池用ガス拡散層に関する。 Further, an embodiment of the present invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, which comprises the fine porous layer-forming paste on a substrate.
さらに、本発明の実施態様は、前記燃料電池用ガス拡散層を備えてなる燃料電池に関する。 Further, an embodiment of the present invention relates to a fuel cell including the gas diffusion layer for a fuel cell.
本発明によれば、水と、炭素系導電性フィラーと、フッ素系樹脂分散液と、昇温速度10℃/分で加熱した際に全質量の60%が減量する温度の異なる二種類の第1界面活性剤および第2界面活性剤、とを主成分とする簡単な組成によって、流動特性と基材への塗工性に優れ、MPL中に空孔を増すことでガス拡散能を向上させるMPL形成に適した微細多孔質層形成ペーストを提供することが可能となる。これにより、発電特性が良好な燃料電池を提供することが可能となる。 According to the present invention, water, a carbon-based conductive filler, a fluororesin-based resin dispersion, and two types of different temperatures in which 60% of the total mass is reduced when heated at a heating rate of 10 ° C./min. With a simple composition containing 1 surfactant and 2nd surfactant as the main components, it has excellent flow characteristics and coatability on the base material, and improves gas diffusion ability by increasing the number of pores in the MPL. It becomes possible to provide a fine porous layer forming paste suitable for MPL formation. This makes it possible to provide a fuel cell having good power generation characteristics.
以下、本発明について、さらに詳細に説明する。
1.微細多孔質層形成ペースト
本発明のペースト中に含まれる溶媒、水と、炭素系導電性フィラーと、フッ素系樹脂分散液と、昇温速度10℃/分で加熱した際に全質量の60%が減量する温度の異なる二種類の第1界面活性剤および第2界面活性剤の割合は、特に限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択され得る。フッ素系樹脂分散液の含有量は、微細多孔質層形成ペースト中の炭素系導電性フィラー100質量部に対し、フッ素系樹脂固形分で15〜60質量部、好ましくは20〜50質量部、より好ましくは30〜40質量部である。また、昇温速度10℃/分で加熱した際に全質量の60%が減量する温度の異なる二種類の第1界面活性剤および第2界面活性剤の総和は、微細多孔質層形成ペースト中の炭素系導電性フィラー100質量部に対し、50〜200質量部、好ましくは75〜175質量部、100〜160質量部であることがより好ましい。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
1. 1. Fine Porous Layer Forming Paste 60% of the total mass of the solvent, water, carbon-based conductive filler, and fluorine-based resin dispersion contained in the paste of the present invention when heated at a heating rate of 10 ° C./min. The ratio of the two types of the first surfactant and the second surfactant having different temperatures at which the paste is reduced is not particularly limited and may be appropriately selected within a wide range. The content of the fluorine-based resin dispersion is 15 to 60 parts by mass, preferably 20 to 50 parts by mass, based on 100 parts by mass of the carbon-based conductive filler in the fine porous layer-forming paste. It is preferably 30 to 40 parts by mass. In addition, the sum of the two types of first and second surfactants having different temperatures, in which 60% of the total mass is reduced when heated at a heating rate of 10 ° C./min, is contained in the fine porous layer-forming paste. It is more preferably 50 to 200 parts by mass, preferably 75 to 175 parts by mass, and 100 to 160 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon-based conductive filler.
<炭素系導電性フィラー>
本発明における微細多孔質層形成ペーストの構成成分である炭素系導電性フィラーとしては、カーボンブラック粉末、カーボンナノチューブ粉末、グラファイト粉末等が挙げられる。
<Carbon-based conductive filler>
Examples of the carbon-based conductive filler which is a constituent component of the fine porous layer-forming paste in the present invention include carbon black powder, carbon nanotube powder, graphite powder and the like.
カーボンブラック粉末としては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ミディアムサーマルカーボンブラック、等が挙げられる。カーボンブラックは、種類やメーカーによって、粒子径、形状、BET比表面積、DBP吸油量、表面酸塩基度、表面親水度、導電性など様々な物性やコストが異なるため、使用する用途や要求性能に合わせて最適な材料を選択することができる。カーボンブラックのDBP吸油量としては、JIS K 6217−4:2008に準拠して測定された値が100〜250mL/100gであることが好ましい。 Examples of the carbon black powder include furnace black, acetylene black, ketjen black, and medium thermal carbon black. Carbon black has various physical properties and costs such as particle size, shape, BET specific surface area, DBP oil absorption, surface acid basicity, surface hydrophilicity, and conductivity depending on the type and manufacturer, so it is suitable for the application and required performance. The optimum material can be selected accordingly. As the DBP oil absorption amount of carbon black, it is preferable that the value measured in accordance with JIS K 6217-4: 2008 is 100 to 250 mL / 100 g.
市販のカーボンブラックとしては、例えば、ケッチェンブラックEC−300J、及びEC−600JD等のアクゾ社製ケッチェンブラック;トーカブラック#4300、#4400、#4500、及び#5500等の東海カーボン社製ファーネスブラック;PrinteX L等のオリオン・エンジニアド カーボンズ社製ファーネスブラック;Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA、Conductex SC ULTRA、975ULTRA、PUER BLACK100、115、205等のコロンビヤン社製ファーネスブラック;#2350、#2400B、#2600B、#3050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、及び#5400B等の三菱化学社製ファーネスブラック;MONARCH1400、1300、1000、900、VulcanXC−72R、及びBlackPearls2000等のキャボット社製ファーネスブラック;Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、及びSuperP−Li等のTIMCAL社製ファーネスブラック;デンカブラック、デンカブラックHS−100、FX−35等の電気化学工業社製アセチレンブラック等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Commercially available carbon blacks include, for example, Ketjen Black EC-300J and EC-600JD made by Axo; Talker Black # 4300, # 4400, # 4500, and # 5500 made by Tokai Carbon. Black; Furnace Black manufactured by Orion Engineered Carbons Co., Ltd. such as PinteXL; Furnace Black manufactured by Colombian Co., Ltd. Mitsubishi Chemical Furnace Black such as 2400B, # 2600B, # 3050B, # 3030B, # 3230B, # 3350B, # 3400B, and # 5400B; Cabot Corporation such as MONARCH1400, 1300, 1000, 900, VulcanXC-72R, and BlackPearls2000. Furness Black manufactured by TIMCAL such as Ensaco250G, Ensaco260G, Ensaco350G, and SuperP-Li; Denka Black, Denka Black HS-100, FX-35 and other acetylene black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. It is not limited to.
カーボンナノチューブ粉末は、グラファイトの1枚面を巻いて円筒状にした形状を有しており、そのグラファイト層が1層で巻いた構造を持つ単層カーボンナノチューブ、2層またはそれ以上で巻いた多層カーボンナノチューブでも、これらが混在するものであっても良いが、コスト面から多層カーボンナノチューブであることが好ましい。また、カーボンナノチューブの側壁がグラファイト構造ではなく、アモルファス構造をもったカーボンナノチューブを用いることもできる。 The carbon nanotube powder has a shape in which one surface of graphite is wound into a cylindrical shape, and the graphite layer is a single-walled carbon nanotube having a structure in which one layer is wound, and two or more layers are wound. The carbon nanotubes may be mixed, but the multilayer carbon nanotubes are preferable from the viewpoint of cost. Further, it is also possible to use carbon nanotubes having an amorphous structure instead of the graphite structure on the side wall of the carbon nanotube.
カーボンナノチューブの形状は、針状、円筒チューブ状、魚骨状(フィッシュボーン、カップ積層型)、トランプ状(プレートレット)、コイル状の形態などいずれの形態を有するものであってもよい。具体的には、例えばグラファイトウィスカー、フィラメンタスカーボン、グラファイトファイバー、極細炭素チューブ、カーボンチューブ、カーボンフィブリル、カーボンマイクロチューブ、カーボンナノファイバーなどを挙げることができる。これらの形態として1種または2種以上を組み合わせた形態において使用することができる。本発明は魚骨状(フィッシュボーン、カップ積層型)、トランプ状(プレートレット)、コイル状以外の形態であることが好ましい。 The shape of the carbon nanotube may be any form such as a needle shape, a cylindrical tube shape, a fish bone shape (fishbone, cup laminated type), a playing card shape (platelet), and a coil shape. Specific examples thereof include graphite whisker, firamentas carbon, graphite fiber, ultrafine carbon tube, carbon tube, carbon fibril, carbon microtube, carbon nanofiber and the like. As these forms, one type or a combination of two or more types can be used. The present invention preferably has a form other than fish bone shape (fish bone, cup laminated type), playing card shape (platelet), and coil shape.
カーボンナノチューブは、一般にレーザーアブレーション法、アーク放電法、熱CVD法、プラズマCVD法、燃焼法などで製造できるが、本発明はどのような方法で製造したカーボンナノチューブでも構わない。例えば、触媒を用いて、酸素濃度が1体積%以下の雰囲気中、500〜1000℃にて、炭素源として炭化水素および/またはアルコールとを接触反応させてカーボンナノチューブを製造することができる。 The carbon nanotubes can be generally produced by a laser ablation method, an arc discharge method, a thermal CVD method, a plasma CVD method, a combustion method, or the like, but the present invention may be any carbon nanotube produced by any method. For example, carbon nanotubes can be produced by contact-reacting a hydrocarbon and / or alcohol as a carbon source at 500 to 1000 ° C. in an atmosphere having an oxygen concentration of 1% by volume or less using a catalyst.
カーボンナノチューブの炭素源としての原料ガスは、従来公知の任意のものを使用でき、例えば、炭素を含むガスとしてメタン、エチレン、プロパン、ブタンやアセチレン等の炭化水素や一酸化炭素、アルコールなどを用いることができるが、特に使いやすさの理由により、炭化水素やアルコールを用いることが望ましい。 As the raw material gas as the carbon source of the carbon nanotube, any conventionally known raw material gas can be used. For example, hydrocarbons such as methane, ethylene, propane, butane and acetylene, carbon monoxide, alcohol and the like are used as the gas containing carbon. However, it is desirable to use hydrocarbons or alcohols, especially for ease of use.
カーボンナノチューブを製造するために使用する触媒は、必要に応じて、還元性ガス雰囲気下で活性化した後、又は還元性ガスと共に、酸素濃度1体積%以下の雰囲気中、炭素源としての原料ガスと接触反応させて製造することが好ましい。酸素濃度1体積%以下の雰囲気は特に制限はないが、アルゴンガスのような希ガスや窒素ガス等の不活性ガスの雰囲気が好ましい。活性化に使用する還元性ガスとしては、水素、アンモニア等を用いることができるが、特に水素が好ましい。 The catalyst used for producing carbon nanotubes is, if necessary, activated in a reducing gas atmosphere, or together with the reducing gas, in an atmosphere having an oxygen concentration of 1% by volume or less, as a raw material gas as a carbon source. It is preferable to produce by contact-reacting with. The atmosphere having an oxygen concentration of 1% by volume or less is not particularly limited, but an atmosphere of a rare gas such as argon gas or an inert gas such as nitrogen gas is preferable. As the reducing gas used for activation, hydrogen, ammonia and the like can be used, but hydrogen is particularly preferable.
カーボンナノチューブを製造するために使用する触媒としては、従来公知の様々な金属酸化物を使用することができる。例えば、コバルト、ニッケルや鉄等の活性成分を含む金属とマグネシウム、アルミニウム等の担持成分を含む金属を組み合わせた触媒が挙げられる。 As the catalyst used for producing carbon nanotubes, various conventionally known metal oxides can be used. For example, a catalyst in which a metal containing an active component such as cobalt, nickel or iron and a metal containing a supporting component such as magnesium or aluminum are combined can be mentioned.
カーボンナノチューブの繊維径は、分散の容易さの観点から、1〜500nmが好ましく、5〜150nmがより好ましい。 The fiber diameter of the carbon nanotube is preferably 1 to 500 nm, more preferably 5 to 150 nm from the viewpoint of ease of dispersion.
カーボンナノチューブの繊維径は、走査透過電子顕微鏡によって、カーボンナノチューブを観測し、観測写真において、任意の100個のカーボンナノチューブを選び、それぞれの外径を計測し、その数平均値を求めることにより、平均粒径(nm)を算出することで測定できる。 For the fiber diameter of carbon nanotubes, observe the carbon nanotubes with a scanning transmission electron microscope, select any 100 carbon nanotubes in the observation photograph, measure the outer diameter of each, and obtain the average value of the numbers. It can be measured by calculating the average particle size (nm).
カーボンナノチューブの繊維長は、分散の容易さの観点から、0.1〜150μmが好ましく、1〜10μmがより好ましい。 The fiber length of the carbon nanotubes is preferably 0.1 to 150 μm, more preferably 1 to 10 μm, from the viewpoint of ease of dispersion.
カーボンナノチューブの炭素純度は、カーボンナノチューブ100質量%中、85質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましく、95質量%以上がさらに好ましい。 The carbon purity of the carbon nanotubes is preferably 85% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, still more preferably 95% by mass or more, based on 100% by mass of the carbon nanotubes.
カーボンナノチューブは、表面処理を行ったものや、カルボキシル基などの官能基を付与させたカーボンナノチューブ誘導体であってもよい。また、有機化合物や金属原子、フラーレン等を内包させたカーボンナノナノチューブ等も用いることができる。 The carbon nanotube may be a surface-treated one or a carbon nanotube derivative to which a functional group such as a carboxyl group is imparted. Further, carbon nanotubes containing organic compounds, metal atoms, fullerenes and the like can also be used.
市販のカーボンナノチューブとしては、例えば、VGCF−H等の昭和電工社製カーボンナノチューブ;NC7000等のNanocyl社製カーボンナノチューブ;Flotube9000、Flotube9100、Flotube9110等のCNano社製カーボンナノチューブ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of commercially available carbon nanotubes include carbon nanotubes manufactured by Showa Denko Co., Ltd. such as VGCF-H; carbon nanotubes manufactured by Nanocil Co., Ltd. such as NC7000; carbon nanotubes manufactured by CNano Co., Ltd. It is not limited.
グラファイトとしては例えば人造黒鉛や燐片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛などの天然黒鉛が挙げられるが、組み合わせて用いても良い。 Examples of graphite include natural graphite such as artificial graphite, flake graphite, lump graphite, and earth graphite, but they may be used in combination.
<界面活性剤>
本発明における微細多孔質層形成用ペーストの構成成分である、昇温速度10℃/分で加熱した際に全質量の60%が減量する温度の異なる少なくとも二種類の界面活性剤は、全質量の60%が減量する温度の高い第1界面活性剤と、全質量の60%が減量する温度の低い第2界面活性剤であり、好ましくは全質量の60%が減量する温度の差が5〜75℃、より好ましくは10〜55℃、さらに好ましくは15〜35℃である。なお、本明細書での全質量の60%が減量する温度は、リガク社製示差熱天秤Thermo plus TG8120を用いて測定を行った値である。
<Surfactant>
At least two kinds of surfactants having different temperatures, which are components of the paste for forming a fine porous layer in the present invention, in which 60% of the total mass is reduced when heated at a heating rate of 10 ° C./min, have a total mass. A first surfactant having a high temperature at which 60% of the total mass is lost and a second surfactant having a low temperature at which 60% of the total mass is lost, preferably the difference in temperature at which 60% of the total mass is lost is 5. It is ~ 75 ° C., more preferably 10 to 55 ° C., still more preferably 15 to 35 ° C. The temperature at which 60% of the total mass is reduced in the present specification is a value measured using a differential thermal balance Thermo plus TG8120 manufactured by Rigaku Corporation.
全質量の60%が減量する温度の高い第1界面活性剤と、前記全質量の60%が減量する温度の低い第2界面活性剤は、全質量の60%が減量する温度が220〜350℃、好ましくは225〜300℃、より好ましく230〜270℃である。 The high temperature first surfactant that loses 60% of the total mass and the low temperature second surfactant that loses 60% of the total mass have a temperature at which 60% of the total mass is lost 220 to 350 to 350. ° C., preferably 225 to 300 ° C., more preferably 230 to 270 ° C.
そのような界面活性剤としては、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレンアリールエーテル、ポリオキシアルキレン脂肪酸エステル、ポリアルキレングリコール脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール等の非イオン系界面活性剤が挙げられる。なかでも、炭素系導電性フィラーの分散能と、ペースト乾燥・焼成時の負荷を低減できる点から、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルが好ましい。以下に、全質量の60%が減量する温度が220〜350℃の非イオン系界面活性剤の具体例を挙げる(カッコ内の数値は全質量の60%が減量する温度(℃)を表す)。 Examples of such surfactants include nonionic surfactants such as polyoxyalkylene alkyl ether, polyoxyalkylene aryl ether, polyoxyalkylene fatty acid ester, polyalkylene glycol fatty acid ester, glycerin fatty acid ester, and polyoxyethylene polyoxypropylene glycol. Activators can be mentioned. Of these, the polyoxyalkylene alkyl ether is preferable because of the dispersibility of the carbon-based conductive filler and the ability to reduce the load during paste drying and firing. The following is a specific example of a nonionic surfactant having a temperature at which 60% of the total mass is reduced at 220 to 350 ° C. (The values in parentheses represent the temperature at which 60% of the total mass is reduced (° C.)). ..
ポリオキシアルキレンアルキルエーテルとしては、例えば、エマルゲン130K(237)、150(231)、350(242)、430(309)、709(246)、4085(236)、2025G(250)(以上、花王社製)、ノニオンS−215(250)、ノニオンB−250(256)、ユニルーブMS−70K(240)(以上、日油社製)等が挙げられる。 Examples of the polyoxyalkylene alkyl ether include Emargen 130K (237), 150 (231), 350 (242), 430 (309), 709 (246), 4085 (236), 2025G (250) (above, Kao Corporation). , Nonion S-215 (250), Nonion B-250 (256), Unilube MS-70K (240) (all manufactured by NOF CORPORATION) and the like.
ポリオキシアルキレンアリールエーテルとしては、例えば、エマルゲンA−500(330)(以上、花王社製)、トリトンX−100(295)(以上、ナカライテスク社製)等が挙げられる。 Examples of the polyoxyalkylene aryl ether include Emargen A-500 (330) (above, manufactured by Kao Corporation), Triton X-100 (295) (above, manufactured by Nacalai Tesque, Inc.) and the like.
ポリオキシアルキレン脂肪酸エステルとしては、例えば、エマノーン3199V(245)(以上、花王社製)、エマルミン862(242)(以上、三洋化成工業社製)等が挙げられる。 Examples of the polyoxyalkylene fatty acid ester include Emanone 3199V (245) (above, manufactured by Kao Corporation), Emalmin 862 (242) (above, manufactured by Sanyo Chemical Industries, Ltd.) and the like.
グリセリン脂肪酸エステルとしては、例えば、レオドールMS−165V(282)(以上、花王社製)等が挙げられる。 Examples of the glycerin fatty acid ester include Leodor MS-165V (282) (all manufactured by Kao Corporation).
ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコールとしては、例えば、ユニルーブ70DP−950B(254)(以上、日油社製)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the polyoxyethylene polyoxypropylene glycol include, but are not limited to, Unilube 70DP-950B (254) (all manufactured by NOF CORPORATION).
<フッ素系樹脂分散液>
本発明における微細多孔質層形成ペーストの構成成分であるフッ素系樹脂分散液としては、撥水性を付与するために用いられ、例えば、フッ素系樹脂の水性分散液、フッ素系樹脂のアルコール分散液などがあげられる。なかでも、乾燥時の排ガス処理の容易さからは、フッ素系樹脂の水性分散液であることが好ましい。
<Fluorine-based resin dispersion>
The fluorine-based resin dispersion, which is a constituent component of the fine porous layer-forming paste in the present invention, is used to impart water repellency. For example, an aqueous dispersion of a fluorine-based resin, an alcohol dispersion of a fluorine-based resin, and the like. Can be given. Of these, an aqueous dispersion of a fluororesin is preferable from the viewpoint of ease of exhaust gas treatment during drying.
フッ素系樹脂としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等が挙げられる。中でも、撥水性に優れることからPTFEが好ましい。市販のフッ素系樹脂分散液としては、例えば、ポリフロンPTFE D−210C等のダイキン工業社製PTFE水分散液;テフロン(登録商標)PTFEディスパージョン 31−JR、34−JR等の三井デュポンフロロケミカル社製PTFE分散液;フルオンPTFEディスパージョン AD911E等の旭硝子社製PTFE水分散液等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and the like. Of these, PTFE is preferable because it has excellent water repellency. Examples of commercially available fluororesin dispersions include PTFE aqueous dispersions manufactured by Daikin Industries, Ltd. such as Polyflon PTFE D-210C; and Mitsui DuPont Fluorochemicals such as Teflon (registered trademark) PTFE dispersion 31-JR and 34-JR. Fluoron PTFE dispersion AD911E and other PTFE aqueous dispersions manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., but are not limited thereto.
<微細多孔質層形成ペーストのその他構成成分>
本発明の効果を損なわない範囲であれば、例えば増粘剤、消泡剤、有機溶剤などの添加剤を微細多孔質層形成ペーストに混合してもよい。
<Other constituents of the fine porous layer forming paste>
Additives such as thickeners, defoamers, and organic solvents may be mixed with the fine porous layer-forming paste as long as the effects of the present invention are not impaired.
<増粘剤>
増粘剤としては、例えばメチルセルロース、及びエチルセルロース等のセルロース系水溶性高分子、ノニオン系ポリウレタン等のウレタン会合型増粘剤等が挙げられる。
<Thickener>
Examples of the thickener include cellulose-based water-soluble polymers such as methyl cellulose and ethyl cellulose, and urethane-associated thickeners such as nonionic polyurethane.
<消泡剤>
消泡剤としては、例えばシリコーン系界面活性剤、ノニオン、アニオン、カチオン系界面活性剤、ジメチルポリシロキサン等が挙げられる。
<Defoamer>
Examples of the defoaming agent include silicone-based surfactants, nonions, anions, cationic surfactants, and dimethylpolysiloxane.
<有機溶剤>
有機溶剤としては、水と親和性が高い水溶性有機溶剤が挙げられる。水溶性有機溶剤としては、アルコールが好適に使用できる。アルコールとしては、1価または多価アルコールが挙げられる。沸点が80〜200℃のアルコールが好ましく、炭素数が4以下のアルコールが好ましい。具体的には、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等が挙げられる。1価アルコールとしては、2−プロパノール、1−ブタノール、t−ブタノールが好ましい。これらの有機溶剤は、1種または2種以上を混合して使用することができる。
<Organic solvent>
Examples of the organic solvent include a water-soluble organic solvent having a high affinity with water. Alcohol can be preferably used as the water-soluble organic solvent. Examples of the alcohol include monohydric or polyhydric alcohols. Alcohol having a boiling point of 80 to 200 ° C. is preferable, and alcohol having 4 or less carbon atoms is preferable. Specific examples thereof include 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, t-butanol and the like. As the monohydric alcohol, 2-propanol, 1-butanol and t-butanol are preferable. These organic solvents can be used alone or in admixture of two or more.
<本発明の微細多孔質層形成ペーストの製造方法>
次に、本発明の微細多孔質層形成ペーストの製造方法について説明する。微細多孔質層形成ペーストの構成成分である炭素系導電性フィラーを界面活性剤で水に分散し、フッ素系樹脂分散液と混合するための装置としては、顔料分散等に通常用いられている分散機が使用できる。例えば、ディスパー、ホモミキサー、プラネタリーミキサー等のミキサー類、ホモジナイザー(エム・テクニック社製「クレアミックス」、PRIMIX社「フィルミックス」等、シルバーソン社製「アブラミックス」等)類、ペイントコンディショナー(レッドデビル社製)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、コボールミル等のメディア型分散機、湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS−5」、奈良機械社製「MICROS」等のメディアレス分散機、その他ロールミル等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、分散装置は、1種のみを使用しても良いし、複数種の装置を組み合わせて使用しても良い。
<Method for producing microporous layer-forming paste of the present invention>
Next, a method for producing the fine porous layer-forming paste of the present invention will be described. As a device for dispersing a carbon-based conductive filler, which is a component of a fine porous layer-forming paste, in water with a surfactant and mixing it with a fluorine-based resin dispersion liquid, it is a dispersion usually used for pigment dispersion and the like. The machine can be used. For example, mixers such as disposables, homomixers, planetary mixers, homogenizers (M-Technique's "Clearmix", PRIMIX's "Fillmix", Sugino's "Abramix", etc.), paint conditioners ( Red Devil), ball mill, sand mill (Simmal Enterprises "Dyno Mill" etc.), Atwriter, Pearl Mill (Eirich "DCP Mill" etc.), media type disperser such as Coball Mill, wet jet mill (Genus) Medialess disperser such as "Genus PY" manufactured by Sugino Machine Limited, "Star Burst" manufactured by Sugino Machine Limited, "Nanomizer" manufactured by Nanomizer, etc.), "Claire SS-5" manufactured by M-Technique, "MICROS" manufactured by Nara Machinery Co., Ltd. , Other roll mills, etc., but are not limited to these. Further, as the disperser, only one type may be used, or a plurality of types of devices may be used in combination.
2.燃料電池用ガス拡散層
次に、上記で説明した本発明の微細多孔質層形成ペーストを用いた燃料電池用ガス拡散層について説明する。
2. 2. Gas Diffusion Layer for Fuel Cell Next, the gas diffusion layer for fuel cell using the fine porous layer forming paste of the present invention described above will be described.
<燃料電池用ガス拡散層の製造方法>
本発明の微細多孔質層形成ペーストを基材上に塗布し、その後焼成することで燃料電池用ガス拡散層が得られる。微細多孔質層形成ペーストの塗布方法については、特に制限はなく公知の方法を用いることができる。具体的には、ダイコーティング法、ディップコーティング法、ロールコーティング法、ドクターコーティング法、スプレーコティング法、グラビアコーティング法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
<Manufacturing method of gas diffusion layer for fuel cells>
A gas diffusion layer for a fuel cell can be obtained by applying the fine porous layer forming paste of the present invention on a base material and then firing the paste. The method for applying the fine porous layer-forming paste is not particularly limited, and a known method can be used. Specific examples thereof include a die coating method, a dip coating method, a roll coating method, a doctor coating method, a spray coating method, a gravure coating method, and a screen printing method.
基材上に微細多孔質層形成ペーストを塗布した後の焼成は、界面活性剤を完全に除去するという理由から、250〜400℃の温度雰囲気下、さらには300〜380℃の温度雰囲気下で焼成することが好ましい。また、焼成時間としては、焼成温度によって異なるが、界面活性剤を完全に除去できる程度の時間という点から、30〜120分間あればよい。 Firing after applying the microporous layer-forming paste on the substrate completely removes the surfactant, so that the temperature atmosphere is 250 to 400 ° C., and further, the temperature atmosphere is 300 to 380 ° C. It is preferable to bake. The firing time varies depending on the firing temperature, but may be 30 to 120 minutes from the viewpoint of the time required for completely removing the surfactant.
<基材>
基材としては、特に制限されるわけではないが、燃料又は酸化剤を透過させることができ、かつ導電性を有する導電性多孔質基材が好ましい。一般に、その材質は、金属材料、炭素材料等が選択されるが、耐久性、価格等の観点から、好ましくは炭素繊維からなるカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト、カーボン不織布等がよい。基材の厚みは特に制限されるわけではなく、燃料電池用ガス拡散層として一般的に採用される範囲とすれば良い。具体的には、通常50〜1000μm程度、好ましくは100〜400μm程度である。
<Base material>
The base material is not particularly limited, but a conductive porous base material capable of allowing fuel or an oxidizing agent to permeate and having conductivity is preferable. Generally, a metal material, a carbon material or the like is selected as the material, but from the viewpoint of durability, price and the like, carbon paper made of carbon fiber, carbon cloth, carbon felt, carbon non-woven fabric and the like are preferable. The thickness of the base material is not particularly limited, and may be within a range generally adopted as a gas diffusion layer for a fuel cell. Specifically, it is usually about 50 to 1000 μm, preferably about 100 to 400 μm.
3.燃料電池
上記のようにして得られる本発明の微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層に触媒層を形成してアノードおよびカソードに用いれば、燃料電池を得ることができる。
3. 3. Fuel cell A fuel cell can be obtained by forming a catalyst layer on a gas diffusion layer for a fuel cell coated with the fine porous layer forming paste of the present invention obtained as described above and using it as an anode and a cathode.
<触媒層>
燃料電池用触媒層は、燃料電池用として一般的に使用されるものであれば特に制限はなく、一般的には、触媒担持炭素粒子(触媒を担持させた炭素粒子)及び水素イオン伝導性ポリマーを含むものが使用される。触媒担持炭素粒子と水素イオン伝導性ポリマーとの含有割合は、触媒担持炭素粒子を100質量部に対して、水素イオン伝導性ポリマーが10〜300質量部程度、好ましくは20〜250質量部程度とすればよい。
<Catalyst layer>
The catalyst layer for a fuel cell is not particularly limited as long as it is generally used for a fuel cell, and is generally a catalyst-supported carbon particle (carbon particle carrying a catalyst) and a hydrogen ion conductive polymer. Those containing are used. The content ratio of the catalyst-supported carbon particles and the hydrogen ion-conducting polymer is about 10 to 300 parts by mass, preferably about 20 to 250 parts by mass, with respect to 100 parts by mass of the catalyst-supported carbon particles. do it.
<触媒担持炭素粒子>
触媒担持炭素粒子は炭素粒子に触媒が担持されたものであり、公知又は市販のものを使用することができる。触媒担持炭素粒子を構成する炭素粒子は、特に制限されず、例えば、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、ランプブラック等のカーボンブラック、黒鉛、活性炭、カーボン繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。炭素粒子に担持する触媒としては、燃料電池の燃料極又は空気極における電池反応を起こさせるものであれば特に限定されないが、白金及び遷移金属からなるものが好ましく、遷移金属としては、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、銅、マンガン、チタン、ジルコニウム、バナジウム、及び亜鉛等から選択される1種以上が挙げられる。
<Catalyst-supported carbon particles>
The catalyst-supported carbon particles are carbon particles on which a catalyst is supported, and known or commercially available ones can be used. The carbon particles constituting the catalyst-supported carbon particles are not particularly limited, and examples thereof include carbon black such as channel black, furnace black, thermal black, acetylene black, and lamp black, graphite, activated carbon, carbon fibers, and carbon nanotubes. .. The catalyst carried on the carbon particles is not particularly limited as long as it causes a battery reaction at the fuel electrode or the air electrode of the fuel cell, but a catalyst composed of platinum and a transition metal is preferable, and the transition metal is iron or cobalt. , Nickel, chromium, copper, manganese, titanium, zirconium, vanadium, zinc and the like.
<水素イオン伝導性ポリマー>
水素イオン伝導性ポリマーとしては、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂、スルホ基などの強酸性官能基を導入したオレフィン系樹脂、ポリイミド系樹脂等が挙げられる。例えば電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホ基の解離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。このような水素イオン伝導性ポリマーの具体例としては、デュポン社製の「Nafion」、旭硝子(株)製の「Flemion」、旭化成(株)製の「Aciplex」、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」等が挙げられる。通常、水素イオン伝導性ポリマーは、ポリマーを5〜30質量%含むアルコール水溶液として使用される。アルコールとしては、例えば、メタノール、プロパノール、エタノールジエチルエーテル等が使用される。
<Hydrogen ion conductive polymer>
Examples of the hydrogen ion conductive polymer include a fluorine ion exchange resin such as a perfluorosulfonic acid type, an olefin resin having a strongly acidic functional group such as a sulfo group introduced therein, and a polyimide resin. For example, by introducing a fluorine atom having a high electronegativity, it is chemically very stable, the dissociation degree of the sulfo group is high, and high ionic conductivity can be realized. Specific examples of such hydrogen ion conductive polymers include "Nafion" manufactured by DuPont, "Flemion" manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., "Aciplex" manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and "Gore" manufactured by Gore. "Gore Select" and the like can be mentioned. Usually, the hydrogen ion conductive polymer is used as an aqueous alcohol solution containing 5 to 30% by mass of the polymer. As the alcohol, for example, methanol, propanol, ethanol diethyl ether and the like are used.
<触媒層形成用ペースト>
触媒層形成用ペーストとしては、例えば、触媒担持炭素粒子、水素イオン伝導性ポリマー、及び粘度調整用溶剤を混合して得られるものがあげられる。触媒層形成用ペースト中に含まれる上記触媒担持炭素粒子、水素イオン伝導性ポリマー、及び粘度調整用溶剤の割合は、限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択され得る。触媒担持炭素粒子及び水素イオン伝導性ポリマーは、上記のものを使用することができる。触媒層を形成する方法としては、例えば、触媒層形成用ペーストを微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層上に塗布及び乾燥する方法があげられる。
<Paste for forming catalyst layer>
Examples of the catalyst layer forming paste include those obtained by mixing catalyst-supported carbon particles, a hydrogen ion conductive polymer, and a viscosity adjusting solvent. The proportions of the catalyst-supporting carbon particles, the hydrogen ion conductive polymer, and the viscosity adjusting solvent contained in the catalyst layer forming paste are not limited, and can be appropriately selected within a wide range. As the catalyst-supported carbon particles and the hydrogen ion conductive polymer, those described above can be used. Examples of the method for forming the catalyst layer include a method of applying and drying the catalyst layer forming paste on the gas diffusion layer for a fuel cell to which the fine porous layer forming paste is applied.
<粘度調整用溶剤>
粘度調整用溶剤としては、水または水と親和性が高い水溶性有機溶剤が挙げられる。水溶性有機溶剤としては、アルコールが好適に使用できる。アルコールとしては、1価または多価アルコールが挙げられる。沸点が80〜200℃のアルコールが好ましく、炭素数が4以下のアルコールが好ましい。具体的には、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等が挙げられる。1価アルコールとしては、2−プロパノール、1−ブタノール、t−ブタノールが好ましい。多価アルコールとしては、水素イオン伝導性ポリマーとの相溶性及び触媒インキ組成物とした場合の乾燥効率の問題から、プロピレングリコール、エチレングリコールが好ましく、プロピレングリコールがより好ましい。これらの粘度調整用溶剤は、1種または2種以上を混合して使用することができる。
<Solvent for adjusting viscosity>
Examples of the viscosity adjusting solvent include water and a water-soluble organic solvent having a high affinity with water. Alcohol can be preferably used as the water-soluble organic solvent. Examples of the alcohol include monohydric or polyhydric alcohols. Alcohol having a boiling point of 80 to 200 ° C. is preferable, and alcohol having 4 or less carbon atoms is preferable. Specific examples thereof include 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, t-butanol and the like. As the monohydric alcohol, 2-propanol, 1-butanol and t-butanol are preferable. As the polyhydric alcohol, propylene glycol and ethylene glycol are preferable, and propylene glycol is more preferable, from the viewpoint of compatibility with the hydrogen ion conductive polymer and the problem of drying efficiency when the catalyst ink composition is used. These viscosity adjusting solvents can be used alone or in admixture of two or more.
<触媒層形成用ペーストの調製方法>
触媒層形成用ペーストの調製方法も特に制限は無い。調製は、各成分を同時に分散しても良いし、触媒担持炭素粒子を分散後、水素イオン伝導性ポリマー成分を添加してもよく、使用する触媒担持炭素粒子、水素イオン伝導性ポリマー、及び粘度調整用溶剤種により最適化することができる。但し、触媒担持炭素粒子を先に分散し、水素イオン伝導性ポリマーを後添加して触媒層形成用ペーストを作製すると、分散時間の短縮などコストダウンに大きく貢献することができる。
<Method of preparing paste for forming catalyst layer>
The method for preparing the paste for forming the catalyst layer is also not particularly limited. In the preparation, each component may be dispersed at the same time, or the catalyst-supported carbon particles may be dispersed and then the hydrogen ion-conducting polymer component may be added. The catalyst-supported carbon particles to be used, the hydrogen ion-conducting polymer, and the viscosity may be added. It can be optimized by the adjusting solvent type. However, if the catalyst-supported carbon particles are dispersed first and the hydrogen ion conductive polymer is added afterwards to prepare a paste for forming a catalyst layer, the dispersion time can be shortened and the cost can be greatly reduced.
<触媒層の形成方法>
燃料電池用触媒層は、上記触媒層形成用ペーストを上記微細多孔室層形成用ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層に直接塗布及び乾燥することにより形成されてもよく、また触媒層形成用ペーストをテフロン(登録商標)シート等の剥離可能な転写シート(基材)に塗布乾燥して形成した触媒層転写シートを作製し、その後、固体高分子電解質膜に転写することにより形成されてもよい。
<Method of forming catalyst layer>
The catalyst layer for a fuel cell may be formed by directly applying and drying the paste for forming the catalyst layer to the gas diffusion layer for the fuel cell to which the paste for forming the fine porous chamber layer is applied, or forming the catalyst layer. A catalyst layer transfer sheet formed by applying and drying a paste for use on a peelable transfer sheet (base material) such as a Teflon (registered trademark) sheet is produced, and then transferred to a solid polymer electrolyte membrane. May be good.
燃料電池用触媒層は、上記触媒層形成用ペーストを転写シート(テフロン(登録商標)シートなど)に塗布するか、または上記触媒層形成用ペーストを上記微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層に直接塗布し、その後乾燥することにより製造する場合、塗布方法は通常の塗布方法を用いることができる。塗布方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、ナイフコーター、バーコーター、ブレードコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷等の一般的な方法を適用できる。 The catalyst layer for a fuel cell is a fuel obtained by applying the catalyst layer forming paste to a transfer sheet (such as a Teflon (registered trademark) sheet) or applying the catalyst layer forming paste to the fine porous layer forming paste. When it is produced by directly applying it to the gas diffusion layer for a battery and then drying it, a usual coating method can be used as the coating method. The coating method is not particularly limited, and for example, general methods such as knife coater, bar coater, blade coater, spray, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater, and screen printing can be used. Applicable.
塗布した後、乾燥することにより、塗膜(燃料電池用触媒層)が形成される。乾燥温度は、通常40〜120℃、好ましくは75〜95℃である。また、乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常5分〜2時間、好ましくは30分〜1時間である。塗布乾燥後の燃料電池用触媒層の厚みは、通常5〜80μm、好ましくは10〜70μmがよい。 A coating film (catalyst layer for a fuel cell) is formed by applying and drying. The drying temperature is usually 40 to 120 ° C, preferably 75 to 95 ° C. The drying time is usually 5 minutes to 2 hours, preferably 30 minutes to 1 hour, although it depends on the drying temperature. The thickness of the catalyst layer for a fuel cell after coating and drying is usually 5 to 80 μm, preferably 10 to 70 μm.
上記の燃料電池用触媒層を固体高分子電解質膜に転写する場合の加圧レベルは、転写不良を避けるために、通常0.5〜20MPa、好ましくは1〜10MPaがよい。また、この加圧操作の際に、転写不良を避けるために、加圧面を加熱するのが好ましい。加熱温度は、固体高分子電解質膜の破損、変性等を避けるために、通常200℃以下、好ましくは120〜150℃がよい。 The pressurization level when the above catalyst layer for a fuel cell is transferred to the solid polymer electrolyte membrane is usually 0.5 to 20 MPa, preferably 1 to 10 MPa in order to avoid transfer failure. Further, during this pressurization operation, it is preferable to heat the pressurizing surface in order to avoid transfer defects. The heating temperature is usually 200 ° C. or lower, preferably 120 to 150 ° C., in order to avoid damage, denaturation, etc. of the solid polymer electrolyte membrane.
<膜電極接合体>
燃料電池用膜電極接合体とは、水素イオン伝導性の固体高分子電解質膜の片面もしくは両面に、燃料電池用触媒層が密着して形成され、さらに、その片面もしくは両面に、上記微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層が密着して具備したものを意味する。
<Membrane electrode assembly>
The membrane electrode assembly for a fuel cell is formed by adhering a catalyst layer for a fuel cell on one side or both sides of a hydrogen ion conductive solid polymer electrolyte membrane, and further, the fine porous material is formed on one side or both sides thereof. It means a fuel cell gas diffusion layer coated with a layer-forming paste in close contact with the gas diffusion layer.
燃料電池用膜電極接合体の製造方法としては、上記微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層上に予め形成された燃料電池用触媒層を、固体高分子電解質膜の片面もしくは両面に熱圧着することで燃料電池用膜電極接合体を作製してもよいし、転写基材上に予め形成された燃料電池用触媒層を、転写によって固体高分子電解質膜上に形成後、上記微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層を熱圧着することで燃料電池用膜電極接合体を作製してもよい。この際、使用する上記微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層は、予め燃料電池触媒層が形成されたものを使用することもできる。 As a method for manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell, a fuel cell catalyst layer previously formed on a fuel cell gas diffusion layer coated with the fine porous layer forming paste is formed on one side of a solid polymer electrolyte membrane. Alternatively, a fuel cell membrane electrode assembly may be produced by heat-bonding on both sides, or a fuel cell catalyst layer previously formed on the transfer substrate may be formed on the solid polymer electrolyte membrane by transfer. The fuel cell membrane electrode assembly may be produced by heat-bonding the fuel cell gas diffusion layer coated with the fine porous layer forming paste. At this time, as the gas diffusion layer for a fuel cell to which the fine porous layer forming paste to be used is applied, a fuel cell catalyst layer may be formed in advance.
上記の燃料電池用膜電極接合体において、上記微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層と燃料電池用触媒層及び固体高分子電解質膜間を熱圧着する場合の加圧レベルは、通常0.1〜100MPa、好ましくは1〜20MPaがよい。また、加熱温度としては、固体高分子電解質膜の破損、変性等を避けるために、通常200℃以下、好ましくは120〜150℃がよい。 In the above membrane electrode assembly for fuel cells, the pressure level when the gas diffusion layer for fuel cells coated with the fine porous layer forming paste, the catalyst layer for fuel cells, and the solid polymer electrolyte membrane are thermally pressure-bonded. Is usually 0.1 to 100 MPa, preferably 1 to 20 MPa. The heating temperature is usually 200 ° C. or lower, preferably 120 to 150 ° C., in order to avoid damage and denaturation of the solid polymer electrolyte membrane.
<固体高分子電解質膜>
固体高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホ基の解離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としてはデュポン社製の「Nafion」、旭硝子社製の「Flemion」、旭化成社製の「Aciplex」、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」等を用いて形成した膜が挙げられる。電解質膜の膜厚は、通常20〜250μm、好ましくは20〜80μmである。
<Solid polymer electrolyte membrane>
Examples of the solid polymer electrolyte membrane include a perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resin and the like. By introducing a fluorine atom having a high electronegativity, it is chemically very stable, the dissociation degree of the sulfo group is high, and high ionic conductivity can be realized. Specific examples of such hydrogen ion conductive polymer electrolytes include "Nafion" manufactured by DuPont, "Flemion" manufactured by Asahi Glass, "Aciplex" manufactured by Asahi Kasei, and "Gore Select" manufactured by Gore. Examples thereof include a film formed by using the above. The film thickness of the electrolyte membrane is usually 20 to 250 μm, preferably 20 to 80 μm.
<転写基材>
転写基材は触媒層形成用ペーストを塗布することで燃料電池用触媒層を形成し、転写基材上にある触媒層をナフィオンなどの固体高分子電解質膜に転写するためのフィルム基材である。転写基材としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。転写基材の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から、通常6〜100μm、好ましくは10〜50μm、より好ましくは15〜30μmとするのがよい。
<Transfer substrate>
The transfer base material is a film base material for forming a catalyst layer for a fuel cell by applying a catalyst layer forming paste and transferring the catalyst layer on the transfer base material to a solid polymer electrolyte membrane such as Nafion. .. As the transfer base material, an inexpensive and easily available polymer film is preferable, and polytetrafluoroethylene, polyimide, polyethylene terephthalate and the like are more preferable. The thickness of the transfer base material is usually 6 to 100 μm, preferably 10 to 50 μm, and more preferably 15 to 30 μm from the viewpoint of handleability and economy.
<燃料電池>
本発明の燃料電池は、従来の燃料電池と比べ、上記微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層を用いることで、通常、トレードオフ関係にあるガス拡散層の低抵抗と高拡散とを両立することができ、性能が向上する。
<Fuel cell>
Compared with the conventional fuel cell, the fuel cell of the present invention uses the gas diffusion layer for a fuel cell coated with the fine porous layer forming paste, so that the resistance of the gas diffusion layer, which is usually in a trade-off relationship, is low. High diffusion can be achieved at the same time, and performance is improved.
以下に、燃料電池の性能を評価する方法の一例を示す。燃料電池用膜電極接合体を4cm角の試料とし、その両側からガスケットを2枚、次いでグラファイトプレートであるセパレータを2枚はさみ、更に両側から集電板を2枚装着して単セルとして作製する。カソード(空気極)側から加湿した酸素ガスを供給し、アノード(燃料極)側から加湿した水素ガスを供給して電池特性を測定する。 An example of a method for evaluating the performance of a fuel cell is shown below. A fuel cell membrane electrode assembly is used as a 4 cm square sample, two gaskets are sandwiched from both sides, then two separators, which are graphite plates, are sandwiched, and two current collector plates are mounted from both sides to prepare a single cell. .. Humidified oxygen gas is supplied from the cathode (air electrode) side, and humidified hydrogen gas is supplied from the anode (fuel electrode) side to measure the battery characteristics.
以上述べたように、本発明の微細多孔質層形成ペーストは、簡単な成分組成で製造することができ、流動特性を改善することで、導電性多孔質基材への微細多孔質層形成ペーストの染み込み量を制御するとともに、基材への塗工時の生産効率を向上させられるという利点がある。また、微細多孔質層形成ペーストを基材へ塗工した後、乾燥することで空孔の多いMPLを作製することができる。その結果、本発明の微細多孔質層形成ペーストが塗布された燃料電池用ガス拡散層は、通常、トレードオフ関係にあるガス拡散層の低抵抗と高拡散とを両立することができる。したがって、本発明の微細多孔質層形成ペースト及び燃料電池用ガス拡散層を用いて製造された燃料電池は、従来の燃料電池と比べて発電性能に優れるという長所を有する。 As described above, the microporous layer-forming paste of the present invention can be produced with a simple composition, and by improving the flow characteristics, the microporous layer-forming paste on the conductive porous substrate can be produced. There is an advantage that the amount of the paste can be controlled and the production efficiency at the time of coating on the base material can be improved. Further, an MPL having many pores can be produced by applying the fine porous layer forming paste to the base material and then drying it. As a result, the gas diffusion layer for a fuel cell coated with the fine porous layer forming paste of the present invention can achieve both low resistance and high diffusion of the gas diffusion layer, which usually have a trade-off relationship. Therefore, the fuel cell produced by using the fine porous layer forming paste of the present invention and the gas diffusion layer for a fuel cell has an advantage that it is superior in power generation performance as compared with a conventional fuel cell.
次に実施例により、本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に特に限定されるものではない。各例において、特に断りのない限り、「部」とは質量部を、「%」とは質量%をそれぞれ表す。 Next, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not particularly limited to the Examples. In each example, unless otherwise specified, "parts" means parts by mass and "%" means% by mass.
(微細多孔質層形成ペーストおよびガス拡散層の作製)
[実施例1]
カーボンブラックA100部、全質量の60%が減量する温度の異なる少なくとも二種類の界面活性剤:全質量の60%が減量する温度の高い第1界面活性剤A80部と、全質量の60%が減量する温度の低い第2界面活性剤B80部(全質量の60%が減量する温度の差15℃)及び水780部を、ホモジナイザーを用いて混合、分散した後、更にフッ素系樹脂分散液A58部添加して、10分間攪拌を行い、微細多孔質層形成ペーストを得た。得られた微細多孔質層形成ペーストを、アプリケーターを用いて基材であるカーボンペーパー(東レ社製、TGP−H090、厚み280μm)に乾燥後目付量20g/m2となるように塗工し、その後340℃で10分間乾燥・焼成してガス拡散層を作製した。
(Preparation of fine porous layer forming paste and gas diffusion layer)
[Example 1]
100 parts of carbon black A, at least two kinds of surfactants with different temperatures that lose 60% of the total mass: 80 parts of the high temperature first surfactant A that loses 60% of the total mass and 60% of the total mass After mixing and dispersing 80 parts of the second surfactant B (the temperature difference of 60% of the total mass is 15 ° C.) and 780 parts of water, which have a low temperature to be reduced, using a homogenizer, the fluororesin dispersion A58 is further added. The mixture was partially added and stirred for 10 minutes to obtain a fine porous layer-forming paste. The obtained fine porous layer-forming paste was applied to carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc., TGP-H090, thickness 280 μm) as a base material using an applicator so as to have a grain size of 20 g / m 2 after drying. Then, it was dried and calcined at 340 ° C. for 10 minutes to prepare a gas diffusion layer.
本発明において、界面活性剤の全質量の60%が減量する温度は、リガク社製示差熱天秤Thermo plus TG8120を用いて測定を行った。測定条件は、フローガス種空気、フローガス流量500mL/分、サンプル量10mg、昇温速度10℃/分、温度範囲室温〜400℃であった。 In the present invention, the temperature at which 60% of the total mass of the surfactant is reduced was measured using a thermo-plus TG8120 differential heat balance manufactured by Rigaku Corporation. The measurement conditions were flow gas type air, flow gas flow rate 500 mL / min, sample volume 10 mg, heating rate 10 ° C./min, and temperature range room temperature to 400 ° C.
[実施例2〜10、比較例1〜4]
微細多孔質層形成ペーストを構成する材料の種類、組成を、表1の通りに変更した以外は実施例1と同様にして、それぞれ微細多孔質層形成ペーストおよびガス拡散層を作製した。
ただし、本明細書において実施例2、4、5および9のペーストおよびこれらを使用したガス拡散層及び燃料電池は参考例である。
[Examples 2 to 10, Comparative Examples 1 to 4]
A fine porous layer-forming paste and a gas diffusion layer were prepared in the same manner as in Example 1 except that the types and compositions of the materials constituting the fine porous layer-forming paste were changed as shown in Table 1.
However, in the present specification, the pastes of Examples 2, 4, 5 and 9 and the gas diffusion layer and the fuel cell using them are reference examples.
尚、例中で使用した材料を下記に列挙する。
<炭素系導電性フィラー>
カーボンブラックA:電気化学工業社製、デンカブラックHS−100
カーボンブラックB:ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製、ケッチェンブラックEC−300J
カーボンブラックC:キャボット社製、REGAL99R
The materials used in the examples are listed below.
<Carbon-based conductive filler>
Carbon Black A: Denka Black HS-100 manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.
Carbon Black B: Ketjen Black EC-300J, manufactured by Lion Specialty Chemicals
Carbon Black C: Made by Cabot, REGAL99R
<カーボンナノチューブ>
カーボンナノチューブD:昭和電工社製、VGCF−H
カーボンナノチューブE:Cnano社製、Flotube9000
<Carbon nanotube>
Carbon Nanotube D: Showa Denko VGCF-H
Carbon Nanotube E: Flotube 9000 manufactured by Canon
<非炭素系導電性フィラー>
非炭素系導電性フィラーF:石原産業社製、FT−3000
<Non-carbon conductive filler>
Non-carbon conductive filler F: manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd., FT-3000
<界面活性剤>
界面活性剤A:花王社製、エマルゲン709、全質量の60%が減量する温度246℃
界面活性剤B:花王社製、エマルゲン150、全質量の60%が減量する温度231℃
界面活性剤C:花王社製、レオドールMS−165V、全質量の60%が減量する温度282℃
界面活性剤D:花王社製、エマルゲン2025G、全質量の60%が減量する温度250℃
界面活性剤E:花王社製、エマノーン3199V、全質量の60%が減量する温度245℃
界面活性剤F:花王社製、エマルゲン430、全質量の60%が減量する温度309℃
界面活性剤G:日油社製、ユニルーブ70DP−950B、全質量の60%が減量する温度254℃
界面活性剤H:花王社製、エマルゲン4085、全質量の60%が減量する温度236℃
界面活性剤I:三洋化成工業社製、エマルミン862、全質量の60%が減量する温度242℃
界面活性剤J:花王社製、エマルゲンA−500、全質量の60%が減量する温度330℃
界面活性剤K:ナカライテクス社製、トリトンX−100、全質量の60%が減量する温度295℃
界面活性剤L:日油社製、ユニルーブMS−70K、全質量の60%が減量する温度240℃
<Surfactant>
Surfactant A: Kao Corporation, Emargen 709, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 246 ° C.
Surfactant B: Kao Corporation, Emargen 150, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 231 ° C.
Surfactant C: manufactured by Kao Corporation, Leodor MS-165V, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 282 ° C.
Surfactant D: Kao Corporation, Emargen 2025G, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 250 ° C.
Surfactant E: Kao Corporation, Emanone 3199V, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 245 ° C.
Surfactant F: Kao Corporation, Emargen 430, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 309 ° C.
Surfactant G: NOF Corporation, Unilube 70DP-950B, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 254 ° C.
Surfactant H: Kao Corporation, Emargen 4085, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 236 ° C.
Surfactant I: Sanyo Chemical Industries, Ltd., Emulmin 862, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 242 ° C.
Surfactant J: Kao Corporation, Emargen A-500, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 330 ° C.
Surfactant K: manufactured by Nacalai Tesque, Triton X-100, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 295 ° C.
Surfactant L: manufactured by NOF CORPORATION, Unilube MS-70K, temperature at which 60% of the total mass is reduced at 240 ° C.
<フッ素系樹脂分散液>
フッ素系樹脂分散液A:ダイキン社製、ポリフロン PTFE D−210C 固形分60%
フッ素系樹脂分散液B:三井・デュポン フロロケミカル社製、PTFEディスパージョン31−JR 固形分60%
<Fluorine-based resin dispersion>
Fluorine-based resin dispersion A: Daikin Corporation, Polyflon PTFE D-210C Solid content 60%
Fluorine-based resin dispersion B: Mitsui / DuPont Fluorochemical Co., Ltd., PTFE dispersion 31-JR solid content 60%
<微細多孔質層形成ペーストの粒度の測定>
上記各実施例及び比較例により得られた微細多孔質層形成ペーストの粒度の測定結果を表1に示す。測定は、100μm粒ゲージを用いて、JIS K5600−2−5に規定された方法により測定した。分散が良好な状態である程、低い粒度を示す。
<Measurement of particle size of fine porous layer forming paste>
Table 1 shows the measurement results of the particle size of the fine porous layer-forming paste obtained in each of the above Examples and Comparative Examples. The measurement was carried out by the method specified in JIS K5600-2-5 using a 100 μm grain gauge. The better the dispersion, the lower the particle size.
<微細多孔質層形成ペーストの粘度の測定>
上記各実施例及び比較例により得られた微細多孔質層形成ペーストの粘度は、JIS Z 8803:2011に規定された方法により測定した。単一円筒形回転粘度計(東機産業株式会社製、型番:TVB10M)により、25℃における6回転/分での粘度を測定した。結果を表1に示す。
<Measurement of viscosity of fine porous layer forming paste>
The viscosity of the microporous layer-forming paste obtained in each of the above Examples and Comparative Examples was measured by the method specified in JIS Z 8803: 2011. The viscosity at 6 rpm at 25 ° C. was measured with a single cylindrical rotational viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd., model number: TVB10M). The results are shown in Table 1.
表1から明らかなように、全質量の60%が減量する温度の異なる二種類の界面活性剤を用いた場合(実施例1〜10)、一種類の界面活性剤を用いた場合(比較例1〜3)と比較して、いずれも粒度が小さく十分な分散ができており、流動特性に優れていることが明らかとなった。比較例3については、微細多孔質層形成ペーストがゲル化してしまい、基材への塗工ができなかったため、ガス拡散層を作成することはできなかった。 As is clear from Table 1, when two types of surfactants having different temperatures at which 60% of the total mass is reduced are used (Examples 1 to 10), and when one type of surfactant is used (Comparative Example). Compared with 1 to 3), it was clarified that the particle size was small and sufficient dispersion was possible, and the flow characteristics were excellent. In Comparative Example 3, the gas diffusion layer could not be prepared because the fine porous layer-forming paste gelled and could not be applied to the base material.
<微細多孔質層形成ペーストを基材へ塗工した際の評価>
上記実施例および比較例で得た微細多孔質層形成ペーストをカーボンペーパーに塗工してガス拡散層を作製した際の塗工性、塗面のピンホールの発生の有無、基材への染み込みについて、下記の基準に基づいて判定した。その結果を表2に示す。
<Evaluation when the fine porous layer forming paste is applied to the base material>
When the fine porous layer-forming paste obtained in the above Examples and Comparative Examples is applied to carbon paper to prepare a gas diffusion layer, the coatability, the presence or absence of pinholes on the coated surface, and the penetration into the base material Was determined based on the following criteria. The results are shown in Table 2.
<微細多孔質層形成ペーストの塗工性>
○:均一な塗膜(層)を作製でき、塗膜に濃淡(塗りムラ)が観察されない(良好)。
△:均一な塗膜(層)を作製できるが、塗膜に縞の長さが5mm未満の濃淡(塗りムラ)が1〜3箇所観察される(実用上問題ない)。
×:均一な塗膜(層)を作製できず、塗膜に縞の長さが5mm未満の濃淡(塗りムラ)が4箇所以上観察される、または縞の長さが5mm以上の濃淡が1箇所以上観察される(不良)。
<Applicability of fine porous layer forming paste>
◯: A uniform coating film (layer) can be produced, and no shading (uneven coating) is observed on the coating film (good).
Δ: A uniform coating film (layer) can be produced, but shading (coating unevenness) with a stripe length of less than 5 mm is observed in 1 to 3 places on the coating film (no problem in practical use).
X: A uniform coating film (layer) cannot be produced, and four or more shades (uneven coating) with a stripe length of less than 5 mm are observed on the coating film, or one shade with a stripe length of 5 mm or more is observed. Observed more than one place (defective).
<塗面のピンホールの発生の有無>
○:ピンホールが全く観察されない(良好)。
△:直径1mm未満のピンホールが1〜3箇所観察される(不良)。
×:直径1mm未満のピンホールが4箇所観察される、または直径1mm以上のピンホールが1箇所以上観察される(極めて不良)。
<Presence or absence of pinholes on the painted surface>
◯: No pinhole is observed (good).
Δ: Pinholes with a diameter of less than 1 mm are observed at 1 to 3 places (defective).
X: Four pinholes with a diameter of less than 1 mm are observed, or one or more pinholes with a diameter of 1 mm or more are observed (extremely defective).
<微細多孔質層形成ペーストの基材への染み込み>
5:塗工部位からの滲みがなく、塗工部位の裏面を指で擦ってもペーストが付着しない(極めて良好)。
4:塗工部位からの滲みが塗工部位端から2mm以内に見られるが、塗工部位の裏面を指で擦ってもペーストが付着しない(良好)。
3:塗工部位からの滲みが塗工部位端から2mm以内に見られ、塗工部位の裏面を指で擦るとペーストが付着する(実用上問題ない)。
2:塗工部位からの滲みが塗工部位端から2mmを越えて4mm未満の範囲まで見られ、塗工部位の裏面に指で触れただけでペーストが付着する(不良)。
1:塗工部位からの滲みが塗工部位端から4mm以上まで広がり、塗工部位の裏面に指で触れただけでペーストが大量に付着する(極めて不良)。
<Penetration of microporous layer-forming paste into the substrate>
5: There is no bleeding from the coated part, and the paste does not adhere even if the back surface of the coated part is rubbed with a finger (very good).
4: Bleeding from the coated part is seen within 2 mm from the edge of the coated part, but the paste does not adhere even if the back surface of the coated part is rubbed with a finger (good).
3: Bleeding from the coated part is seen within 2 mm from the edge of the coated part, and when the back surface of the coated part is rubbed with a finger, the paste adheres (there is no problem in practical use).
2: Bleeding from the coated part is observed from the edge of the coated part to a range of more than 2 mm and less than 4 mm, and the paste adheres to the back surface of the coated part just by touching it with a finger (defective).
1: Bleeding from the coated part spreads to 4 mm or more from the edge of the coated part, and a large amount of paste adheres to the back surface of the coated part just by touching it with a finger (extremely defective).
<乾燥後の塗工膜厚>
上記実施例および比較例で得た微細多孔質層形成ペーストをカーボンペーパーに乾燥後目付量20g/m2となるよう塗工してガス拡散層を作製した際のMPLの塗工膜厚を測定した結果を表2に示す。測定は、ニコン社製デジマイクロヘッドMH−15Mを用いて、JIS K5600−1−7:2014に規定された方法により測定した。膜厚が厚い程大きい値を示し、MPL中に空孔が多数あることを意味する。
<Coating film thickness after drying>
The coating film thickness of MPL was measured when the fine porous layer-forming paste obtained in the above Examples and Comparative Examples was applied to carbon paper to a basis weight of 20 g / m 2 after drying to prepare a gas diffusion layer. The results are shown in Table 2. The measurement was carried out by a method specified in JIS K5600-1-7: 2014 using a Nikon Digimicro Head MH-15M. The thicker the film thickness, the larger the value, which means that there are many pores in the MPL.
表2からも明らかなように、全質量の60%が減量する温度の異なる二種類の界面活性剤を使用した実施例1〜10では、全ての項目で実用上問題ない結果が得られた。これに対して比較例1及び2では、塗工性に関してはいずれも実用上問題なかったが、塗面のピンホール発生が認められ、基材への染み込みも不良であった。 As is clear from Table 2, in Examples 1 to 10 using two types of surfactants having different temperatures in which 60% of the total mass is reduced, practically no problem was obtained in all the items. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, there was no problem in practical use in terms of coatability, but pinholes were observed on the coated surface, and the penetration into the base material was also poor.
乾燥後の塗工膜厚については、表2からも明らかなように、全質量の60%が減量する温度の異なる二種類の界面活性剤を使用した実施例1〜10では膜厚が10μm以上の厚膜となった。これに対して比較例1及び2では、10μmより薄い薄膜となった。 As is clear from Table 2, the coating film thickness after drying is 10 μm or more in Examples 1 to 10 using two types of surfactants having different temperatures in which 60% of the total mass is reduced. It became a thick film. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the thin film was thinner than 10 μm.
<燃料電池用触媒層形成用ペーストの作製>
燃料電池用膜電極接合体の作製に使用する燃料電池用触媒層の作製方法について以下に述べる。白金触媒担持カーボン4質量部(田中貴金属社製、白金量46%)、溶剤としてブタノール(キシダ化学社製)56質量部、および水20質量部をディスパー(プライミクス社製、TKホモディスパー)にて攪拌混合し調製した。次いで、20質量%ナフィオン(Nafion)溶液(水素イオン伝導性ポリマー、デュポン社製、溶剤:水及び1−プロパノール)20質量部を添加し、ディスパー(プライミクス社製、T.Kホモディスパー)にて攪拌混合することで触媒層形成用ペースト(固形分濃度8質量%、触媒層形成用ペースト100質量%とした触媒層形成用ペースト)を作製した。
<Preparation of paste for forming catalyst layer for fuel cells>
The method for producing the catalyst layer for the fuel cell used for producing the membrane electrode assembly for the fuel cell will be described below. 4 parts by mass of platinum catalyst-supported carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., platinum amount 46%), 56 parts by mass of butanol (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) as a solvent, and 20 parts by mass of water with a disper (manufactured by Primix, TK homodisper). It was prepared by stirring and mixing. Next, 20 parts by mass of a 20 mass% Nafion solution (hydrogen ion conductive polymer, manufactured by DuPont, solvent: water and 1-propanol) was added, and the mixture was prepared with a disper (Primix, TK homodisper). A paste for forming a catalyst layer (a paste for forming a catalyst layer having a solid content concentration of 8% by mass and a paste for forming a catalyst layer of 100% by mass) was prepared by stirring and mixing.
<燃料電池用触媒層の作製>
上記触媒層形成用ペーストを白金触媒担持カーボンの目付け量が0.46mg/cm2になるようにテフロン(登録商標)フィルム上に塗布し、大気雰囲気中95℃の条件で15分間乾燥することにより、燃料電池用触媒層を作製した。
<Preparation of catalyst layer for fuel cell>
The above catalyst layer forming paste was applied onto a Teflon (registered trademark) film so that the amount of platinum catalyst-supported carbon was 0.46 mg / cm 2 , and dried in an air atmosphere at 95 ° C. for 15 minutes. , A catalyst layer for a fuel cell was prepared.
<燃料電池用膜電極接合体の作製>
上記燃料電池用触媒層を、固体高分子電解質膜(デュポン社製、Nafion212、膜厚50μm)の両面に密着して、150℃、5MPaの条件で狭持した後、テフロン(登録商標)フィルムを剥離した。次いで、更に両側から本発明の上記微細多孔質層形成ペーストにより形成されたMPL付きガス拡散層を密着させ、本発明の燃料電池用電極膜接合体(ガス拡散層/触媒層/固体高分子電解質膜/触媒層/ガス拡散層)を作製した。
<Manufacturing of membrane electrode assembly for fuel cells>
The catalyst layer for a fuel cell is brought into close contact with both sides of a solid polymer electrolyte membrane (DuPont, Nafion212, film thickness 50 μm), held at 150 ° C. and 5 MPa, and then a Teflon (registered trademark) film is applied. It peeled off. Next, the gas diffusion layer with MPL formed by the fine porous layer forming paste of the present invention is further adhered from both sides, and the electrode membrane junction for a fuel cell of the present invention (gas diffusion layer / catalyst layer / solid polymer electrolyte) is further adhered. Membrane / catalyst layer / gas diffusion layer) was prepared.
<燃料電池(単セル)の作製>
上記で得られた燃料電池用電極膜接合体を4cm角の試料とし、その両側からガスケット2枚、次いでグラファイトプレートであるセパレータ2枚ではさみ、更に両側から集電板を2枚装着して燃料電池(単セル)として作製した。測定はAuto PEMシリーズ「PEFC評価システム」(東陽テクニカ社製)で実施した。カソード(空気極)側から加湿した酸素ガスを供給し、アノード(燃料極)側から加湿した水素ガスを供給して電池特性を測定した。
<Manufacturing of fuel cell (single cell)>
The electrode film joint for a fuel cell obtained above is used as a 4 cm square sample, sandwiched between two gaskets from both sides, then two separators which are graphite plates, and two current collector plates are attached from both sides to fuel. It was manufactured as a battery (single cell). The measurement was carried out with the Auto PEM series "PEFC evaluation system" (manufactured by Toyo Corporation). Humidified oxygen gas was supplied from the cathode (air electrode) side, and humidified hydrogen gas was supplied from the anode (fuel electrode) side to measure the battery characteristics.
上記により得られた小型単セルの電流−電圧特性を測定することにより、電池特性を評価した。なお、電池特性は比較例1を用いて作製した小型単セルの最大電流密度を1.00とする相対値で判定した。本評価において、0.10以上の差が認められれば、明らかに顕著な電池特性に差があるといえる。この結果を表3に示す。 The battery characteristics were evaluated by measuring the current-voltage characteristics of the small single cell obtained as described above. The battery characteristics were determined by a relative value with the maximum current density of the small single cell manufactured using Comparative Example 1 as 1.00. If a difference of 0.10 or more is observed in this evaluation, it can be said that there is a clearly remarkable difference in battery characteristics. The results are shown in Table 3.
表3からも明らかなように、全質量の60%が減量する温度の異なる少なくとも二種類の界面活性剤を使用した実施例1〜10の微細多孔質層形成ペーストを用いて作製した小型単セルは、いずれの比較例よりも著しく優れた電池特性を示すことが明らかとなった。非炭素系導電性フィラーを用いた比較例4については、セル抵抗が大きく発電しなかった。 As is clear from Table 3, a small single cell prepared by using the fine porous layer-forming paste of Examples 1 to 10 using at least two kinds of surfactants having different temperatures at which 60% of the total mass is reduced. Was found to exhibit significantly better battery characteristics than any of the comparative examples. In Comparative Example 4 using the non-carbon conductive filler, the cell resistance was large and no power was generated.
Claims (3)
前記全質量の60%が減量する温度の異なる二種類の界面活性剤は、全質量の60%が減量する温度の高い第1界面活性剤と、前記全質量の60%が減量する温度の低い第2界面活性剤とを含み、第1界面活性剤と第2界面活性剤の全質量の60%が減量する温度の差が5〜75℃の温度域に含まれ、第1界面活性剤と第2界面活性剤の全質量の60%が減量する温度が230〜270℃であり、
前記炭素系導電性フィラー100質量部に対して、前記全質量の60%が減量する温度の異なる第1界面活性剤と第2界面活性剤の総和が、120〜200質量部を含有してなることを特徴とする微細多孔質層形成ペースト。 A fine porous layer forming paste used for forming a fine porous layer of a fuel cell when heated with water, a carbon-based conductive filler, a fluorine-based resin dispersion, and a heating rate of 10 ° C./min. Contains two types of surfactants with different temperatures, which reduces the weight by 60% of the total mass .
The two types of surfactants having different temperatures at which 60% of the total mass is lost are the first surfactant having a high temperature at which 60% of the total mass is lost and the first surfactant having a low temperature at which 60% of the total mass is lost. A temperature difference of 5 to 75 ° C., which contains a second surfactant and is reduced by 60% of the total mass of the first surfactant and the second surfactant, is included in the temperature range of the first surfactant. The temperature at which 60% of the total mass of the second surfactant is lost is 230-270 ° C.
With respect to 100 parts by mass of the carbon-based conductive filler, the total of the first surfactant and the second surfactant having different temperatures at which 60% of the total mass is reduced contains 120 to 200 parts by mass. A fine porous layer-forming paste characterized by this.
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