JP7640495B2 - Coating paste for forming microporous layer, its manufacturing method, and gas diffusion layer for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)を構成する導電性多孔質基材(ガス拡散層電極基材)の表面に塗布してマイクロポーラス層(MPL:Micro Porous Layer)を形成するマイクロポーラス層形成用塗工ペースト及びその製造方法、並びに、それを採用した燃料電池用ガス拡散層に関するもので、特に、高空隙率のマイクロポーラス層を形成できるマイクロポーラス層形成用塗工ペースト及びその製造方法、並びに、それを採用した燃料電池用ガス拡散層に関するものである。 The present invention relates to a coating paste for forming a microporous layer, which is applied to the surface of a conductive porous substrate (gas diffusion layer electrode substrate) that constitutes a gas diffusion layer (GDL) for a fuel cell to form a microporous layer (MPL), and a manufacturing method thereof, as well as a gas diffusion layer for a fuel cell employing the same. In particular, the present invention relates to a coating paste for forming a microporous layer that can form a microporous layer with a high porosity, a manufacturing method thereof, and a gas diffusion layer for a fuel cell employing the same.
近年、燃料電池、中でも、自動車用、家庭電源、家電等に広範囲な用途への適用可能性から固体高分子形燃料電池(PEFC)に大きな注目が集められている。
固体高分子形燃料電池は、イオン伝導性の高分子膜を電解質として用い、これに負極と正極を貼り合わせて1つの単セル(single cell)を形成し、セパレータを介して単セルを複数個積層することにより高電圧を得る構成(スタック)となっている。
In recent years, fuel cells, particularly polymer electrolyte fuel cells (PEFCs), have been attracting much attention due to their potential for a wide range of applications, including automobiles, home power sources, and home appliances.
A polymer electrolyte fuel cell uses an ion-conductive polymer membrane as an electrolyte, and a negative electrode and a positive electrode are bonded to this to form a single cell. Multiple single cells are stacked with separators between them to generate high voltage.
一般的に、固体高分子形燃料電池を構成する1つの単セル(single cell)は、特定イオンを選択的に透過する高分子電解質膜(イオン伝導性固体高分子電解質膜)の両面に、白金等の触媒を担持したカーボン等の導電材及びイオン交換樹脂からなる電極触媒層と、電極触媒層の外側に配置する多孔質のガス拡散層(GDL)とによって構成されるカソード(+)側電極及びアノード(-)側電極を配設し、膜/電極接合体(MEGA:Membrane-Electrode-Gas Diffusion Layer Assembly)を形成している。
そして、固体高分子形燃料電池では、この膜/電極接合体を構成するガス拡散層の外側に、燃料ガス(アノードガス)または酸化ガス(カソードガス)を供給したり生成ガス及び過剰ガスを排出したりするガス流路を形成したセパレータが配設され、膜/電極接合体をセパレータで挟持し複数個の単セルを積層する構成(スタック)により発電性を高めている。
Generally, one single cell constituting a polymer electrolyte fuel cell has a cathode (+) side electrode and an anode (-) side electrode constituted by an electrode catalyst layer made of a conductive material such as carbon carrying a catalyst such as platinum and an ion exchange resin, and a porous gas diffusion layer (GDL) disposed on the outside of the electrode catalyst layer, on both sides of a polymer electrolyte membrane (ion-conductive solid polymer electrolyte membrane) that selectively transmits specific ions, thereby forming a membrane-electrode-gas diffusion layer assembly (MEGA).
In a polymer electrolyte fuel cell, a separator having gas flow paths for supplying a fuel gas (anode gas) or an oxidizing gas (cathode gas) and discharging generated gas and excess gas is disposed on the outside of the gas diffusion layer constituting the membrane/electrode assembly, and the membrane/electrode assembly is sandwiched between the separators to form a stack of multiple unit cells, thereby improving power generation.
このような構成の固体高分子形燃料電池については、高効率でエネルギが得られ、環境負荷も低いことから、自動車用の動力源(駆動源)としての活用が進められ、自動車用燃料電池としての更なる普及に向けて燃料電池を構成する各部材の高性能化による電池の高出力化が望まれている。 Since solid polymer fuel cells with this configuration generate energy with high efficiency and have a low environmental impact, they are increasingly being used as a power source (driving source) for automobiles, and there is a demand for higher output cells through improved performance of the various components that make up the fuel cell, in order to further popularize them as automobile fuel cells.
ところで、こうした固体高分子形燃料電池の構成では、上述したように、効率的に燃料ガス(アノードガス)及び酸化ガス(カソードガス)を反応させるために、白金等の触媒を担持し電気化学反応を行う触媒層にセパレータのガス流路から供給される燃料ガスまたは酸化ガスを導くガス拡散層を隣接させている。即ち、単セル電池の電極を構成するガス拡散層は、反応ガスの拡散性を高めるために形成されるものであり、セパレータのガス流路から供給される燃料ガスまたは酸化ガスを隣接する触媒層に拡散させる役目(ガス拡散性、ガス透過性)を担う。また、セパレータと触媒層の間にあるこのガス拡散層においては、電気化学反応のために必要な電子を効率的に移動させるための導電機能、集電機能が要求される。更に、発電性能の向上や安定した発電性能のためには、電極において高プロトン伝導性(導電性)を得る観点から高分子電解質膜を最適な湿潤状態に保つ一方で、触媒層の過剰な水分を速やかに排出してフラッディング現象(ガス拡散層の細孔が水で閉塞する現象)を抑制することが重要であるところ、水分の通り道でもあるガス拡散層においては、反応系内に必要な水分を適切に取り入れる一方で、発電時の水素及び酸素の電気化学的反応によって生成した過剰な反応生成水や結露水を排出する排水性(撥水性、水分透過性)が必要とされ、水分を適切に取り入れたり、排出したりする役割、即ち、拡散性による水分管理性も要求されている。 In the configuration of such a polymer electrolyte fuel cell, as described above, in order to efficiently react the fuel gas (anode gas) and the oxidizing gas (cathode gas), a gas diffusion layer that guides the fuel gas or oxidizing gas supplied from the gas flow path of the separator is adjacent to a catalyst layer that supports a catalyst such as platinum and performs an electrochemical reaction. In other words, the gas diffusion layer that constitutes the electrode of the single cell battery is formed to increase the diffusibility of the reactant gas, and plays the role of diffusing the fuel gas or oxidizing gas supplied from the gas flow path of the separator to the adjacent catalyst layer (gas diffusibility, gas permeability). In addition, this gas diffusion layer between the separator and the catalyst layer is required to have a conductive function and a current collecting function to efficiently move the electrons necessary for the electrochemical reaction. Furthermore, to improve and stabilize power generation performance, it is important to keep the polymer electrolyte membrane in an optimal wet state in order to obtain high proton conductivity (conductivity) in the electrodes, while quickly draining excess moisture from the catalyst layer to prevent flooding (the phenomenon in which the pores of the gas diffusion layer are blocked by water). The gas diffusion layer, which is also a moisture passageway, is required to properly take in the necessary moisture into the reaction system while also having drainage properties (water repellency, moisture permeability) to drain excess reaction water and condensation water generated by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen during power generation. It is also required to properly take in and drain moisture, i.e., moisture management through diffusivity.
そこで、近年では、このガス拡散層において、それを構成する、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト等からなる導電性多孔質基材(ガス拡散層電極基材)に対して、PTFE等の撥水性樹脂及びカーボンブラック等の導電性材料を主成分とするマイクロポーラス層(MPL)と称されるコーティング薄膜(微細多孔質層、カーボン層、目止め層と呼ばれることもある)を形成することにより、隣接する触媒層との界面で液膜が生じるのを抑制し、水分排出や生成水の逆拡散を促進させ、固体高分子形燃料電池の水分管理性(水分量制御)を向上させることで、発電性能を向上させることが提案されている。なお、導電性多孔質基材に対してマイクロポーラス層を形成することにより、マイクロポーラス層は、触媒層と導電性多孔質基材との緩衝材や、導電性多孔質基材の表面を電解質膜に転写しないようにする化粧直し効果としても機能する。また、マイクロポーラス層形成用ペーストを導電性多孔質基材に塗布し、乾燥焼成してマイクロポーラス層を形成するものでは、ペースト成分の調製によりガス拡散層の細かな特性制御も容易に可能とする。 In recent years, it has been proposed to form a coating thin film (sometimes called a microporous layer, carbon layer, or filling layer) called a microporous layer (MPL) mainly composed of a water-repellent resin such as PTFE and a conductive material such as carbon black on the conductive porous substrate (gas diffusion layer electrode substrate) that constitutes the gas diffusion layer, for example, made of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, etc., to suppress the generation of a liquid film at the interface with the adjacent catalyst layer, promote water discharge and reverse diffusion of generated water, and improve the water management (water content control) of the solid polymer electrolyte fuel cell, thereby improving the power generation performance. In addition, by forming a microporous layer on the conductive porous substrate, the microporous layer also functions as a buffer material between the catalyst layer and the conductive porous substrate, and as a cosmetic effect that prevents the surface of the conductive porous substrate from being transferred to the electrolyte membrane. In addition, in a case where a microporous layer is formed by applying a paste for forming a microporous layer to a conductive porous substrate and drying and baking it, the fine characteristics of the gas diffusion layer can be easily controlled by adjusting the paste components.
ここで、この種の公知な技術として、例えば、特許文献1や特許文献2がある。
特許文献1においては、炭素シートとマイクロポーラス層とを有し、炭素シートは多孔質であって、マイクロポーラス層に含まれる炭素粉末のDBP吸油量が70~155ml/100gであり、マイクロポーラス層は、マイクロポーラス層の目付(W)とマイクロポーラス層の厚さ(L)から算出される染み込みの指標(L/W)が1.10~8.00であり、マイクロポーラス層の厚さ(L)が10~100μmであるガス拡散電極基材を開示している。
Here, examples of this type of known technology include those disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233699 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233699.
また、特許文献2においては、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有し、カーボンブラックとして、DBP吸収量が210ml/100g~262ml/100gの範囲内である第1カーボンブラックと、DBP吸収量が32ml/100g~48ml/100gの範囲内である第2カーボンブラックとを併用し、更に、第1カーボンブラックの沃素吸着量が85mg/g~97mg/gの範囲内であり、第2カーボンブラックの沃素吸着量が15mg/g~20mg/gの範囲内であるマイクロポーラス層形成用ペースト組成物を開示している。 Patent Document 2 discloses a paste composition for forming a microporous layer, which contains carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, and uses a first carbon black having a DBP absorption amount in the range of 210 ml/100 g to 262 ml/100 g and a second carbon black having a DBP absorption amount in the range of 32 ml/100 g to 48 ml/100 g, and further discloses that the iodine adsorption amount of the first carbon black is in the range of 85 mg/g to 97 mg/g, and the iodine adsorption amount of the second carbon black is in the range of 15 mg/g to 20 mg/g.
特許文献1の技術によれば、マイクロポーラス層(以下、「MPL」と略す場合がある)を形成するための炭素のDBP吸油量を高くすることにより、MPL塗工液の炭素シートへの浸み込みを抑制できるとされており、また、特許文献2の技術によれば、ストラクチャの発達度合に特定の差があるカーボンブラックを組み合わせカーボン粒子の連鎖構造、3次元構造を制御することで、MPLのクラックを抑制できるとしている。
According to the technology of
そして、特許文献1や特許文献2においては、MPLを形成するための塗工ペーストに配合するカーボンについて、ストラクチャの発達が小さくてDBP吸収量が小さいものでは、炭素シート等からなる導電性多孔質基材への塗布時に導電性多孔質基材に浸透して裏抜けしやすく、また、強度的にも弱くクラックが生じやすくなることから、DBP吸収量の高いカーボンの使用が提案されている。
In addition, in
しかしながら、DBP吸収量の高いカーボンは、ストラクチャ(アグリゲード)同士が絡み合いやすくストラクチャが過度に発達(その二次凝集径は数十μm以上)し、凝集物(凝集粒子)を発生させたり樹脂分や溶媒を多く吸着保持したりすることで、分散性が悪く、塗料の粘度上昇を招いて塗工性が低下することにより、ガス拡散電極の表面不良(表面平滑性の低下や塗工幅の縮小)が生じさせ、また、生産性を低下させる問題がある。
加えて、カーボン製品には異物(不純物)、例えば、硫黄、金属(カリウム、鉛、ナトリウム、鉄等)、カルシウム、塩素等が含まれていることが多く、それらの異物、特に、鉄異物は、ガス拡散層に隣接する触媒層の耐久性、寿命を低下させて電池性能や電池の寿命の低下を招きやすいところ、MPLを形成するための塗工ペーストにDBP吸収量の高いカーボンを配合すると、その凝集物が、カーボン製品中の異物、特に、鉄異物を除去するための異物除去フィルタとしての細かい目の濾過フィルタで目詰まりを生じることにより、濾過フィルタへの通過性が低下し、電池の耐久性、寿命を低下させる鉄異物等の除去が困難となる問題もある。
However, carbon with a high DBP absorption capacity has structures (aggregates) that tend to become entangled with each other, causing the structures to develop excessively (with secondary agglomerate diameters of several tens of μm or more), which generates agglomerates (aggregated particles) and adsorbs and retains large amounts of resin and solvent, resulting in poor dispersibility and an increase in the viscosity of the paint, which reduces the coatability, causing surface defects in the gas diffusion electrode (reduced surface smoothness and narrowed coating width) and reducing productivity.
In addition, carbon products often contain foreign matter (impurities), such as sulfur, metals (potassium, lead, sodium, iron, etc.), calcium, chlorine, etc., and these foreign matter, particularly iron foreign matter, tend to reduce the durability and lifespan of the catalyst layer adjacent to the gas diffusion layer, thereby reducing battery performance and lifespan. When carbon with a high DBP absorption is blended into the coating paste for forming the MPL, the agglomerates cause clogging in fine-mesh filtration filters used as foreign matter removal filters for removing foreign matter in carbon products, particularly iron foreign matter, reducing passability through the filtration filter, making it difficult to remove iron foreign matter and the like that reduces the durability and lifespan of the battery.
したがって、DBP吸収量の高いカーボンの使用は、凝集を生じ、また、塗工ペーストの粘度を上昇させる問題があることから、従来、ストラクチャが高度に発達したカーボンの使用により空隙率(気孔率)を向上させてガス拡散層の拡散性等の性能を向上させるには限界があった。 The use of carbon with a high DBP absorption rate therefore causes aggregation and increases the viscosity of the coating paste, so there have traditionally been limitations to the use of carbon with a highly developed structure to improve the porosity (air porosity) and thereby improve the diffusivity and other performance of the gas diffusion layer.
そこで、本発明は、空隙率の高いマイクロポーラス層の形成によりガス拡散層の性能向上を図ることができるマイクロポーラス層形成用塗工ペースト及びその製造方法、並びに燃料電池用ガス拡散層の提供を課題とするものである。 The present invention aims to provide a coating paste for forming a microporous layer that can improve the performance of the gas diffusion layer by forming a microporous layer with a high porosity, a method for producing the same, and a gas diffusion layer for a fuel cell.
請求項1の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有し、前記カーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものであり、カーボン繊維シート等からなる導電性多孔質基材の表面に塗布され、乾燥・焼成されることにより燃料電池用ガス拡散層のマイクロポーラス層を形成するものである。
The coating paste for forming a microporous layer of the invention of
上記カーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が使用できるが、ガス拡散性、強度、導電性等の高いマイクロポーラス層を形成できる点から、アセチレンブラックが好適である。
そして、上記DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものとは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックの二次凝集体(数十μm)が高シェアの分散によって目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、400メッシュ以下を通過できる2次凝集径(数μm)までに解砕(解凝集)されたものであることを意味する。即ち、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックの二次凝集体が解砕されて、目開き34~154μmのメッシュ(100~400メッシュ)を通過できる2次凝集径を有するものであることを意味する。
As the carbon black, for example, furnace black, thermal black, ketjen black, acetylene black, etc. can be used, but acetylene black is preferred since it can form a microporous layer having high gas diffusivity, strength, conductivity, etc.
The carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and having a secondary agglomerate size that can pass through a mesh with an opening of 34 to 154 μm means that the secondary agglomerates (several tens of μm) of the carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g have been disintegrated (disaggregated) by high shear dispersion to a secondary agglomerate size (several μm) that can pass through a mesh with an opening of 34 μm to 154 μm, i.e., 100 mesh to 400 mesh. In other words, the carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has been disintegrated to have a secondary agglomerate size that can pass through a mesh with an opening of 34 to 154 μm (100 to 400 mesh).
ここで、「DBP吸収量」はJIS K6217-4に準拠して測定したものである。DBPの吸収量(吸油量)は、カーボンブラックのアグリゲート間の空隙率がストラクチャと正の相関があることを利用し、その空隙にDBP(フタル酸ジブチル:Dibutyl Phthalate)を吸収させDBP吸収量によりストラクチャを間接的に定量するものであり、この数値が大きい(高い)ものほどカーボンブラックのストラクチャ構造が発達し、ストラクチャが高いものであることを示し、数値が小さい(低い)ものほど、ストラクチャ構造があまり発達せずにストラクチャが低いものであることを示している。なお、ストラクチャとは、カーボンブラックの数個または数十個からなる連鎖状の凝集体(アグリゲート)の発達度合、即ち、カーボンブラック粒子のつながりの発達度合を示している。凝集体を構成するカーボン粒子の個数が多かったり、複雑な形状をしていたりすると、DBP吸収量は高いものとなる。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において、メッシュの目開きはJIS G 3556規格における目開きである。
Here, the "DBP absorption amount" is measured in accordance with JIS K6217-4. The DBP absorption amount (oil absorption amount) utilizes the fact that the porosity between carbon black aggregates is positively correlated with the structure, and the DBP (dibutyl phthalate) is absorbed into the voids to indirectly quantify the structure based on the DBP absorption amount. The larger (higher) this value is, the more developed the carbon black structure is, and the higher the structure is, and the smaller (lower) the value is, the less developed the structure is, and the lower the structure is. The structure indicates the degree of development of chain-like aggregates (aggregates) consisting of several or several tens of carbon black particles, that is, the degree of development of the connections between carbon black particles. If the number of carbon particles constituting the aggregate is large or the aggregate has a complex shape, the DBP absorption amount is high.
In this specification and claims, the mesh openings are those specified in JIS G 3556.
請求項1の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、せん断速度50[1/s]における粘度が0.05Pa・s以上、1.0Pa・s以下、より好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下、更に好ましくは、0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のものである。
The coating paste for forming a microporous layer of the invention of
請求項2の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、その固形分重量比で、9/1≦カーボンブラック/撥水性樹脂≦5/5であるものである。 In the coating paste for forming a microporous layer according to the invention, the carbon black and the water-repellent resin have a solid weight ratio of 9/1≦carbon black/water-repellent resin≦5/5 .
請求項3の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、分散剤が混合されて分散剤が溶解・混和した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して薄膜旋回法により攪拌するものである。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer of the invention of claim 3 comprises mixing carbon black having a DBP absorption capacity in the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less and a water-repellent resin in a solvent in which a dispersant has been mixed and in which the dispersant has been dissolved and mixed, and stirring the mixture by a thin film swirling method.
ここで、上記薄膜旋回法とは、処理物(配合材料)を遠心力により装置内壁面に薄膜円筒状に押し付けた状態で高速回転させて、遠心力と旋回流の装置内壁面との速度差により発生するせん断応力を分散処理物(配合材料)に作用させることにより、槽内全体を高エネルギの乱流状態にして、薄膜円筒状の処理物(配合材料)中の凝集粒子を分散させる分散方法である。こうした高速旋回薄膜流を利用した旋回薄膜型高速攪拌機としては、例えば、薄膜旋回型高速ミキサ「フィルミックス」(登録商標)シリーズ(プライミックス社製)を好適に用いることができる。このときの攪拌条件としては、好ましくは、攪拌翼先端部における周速を25m/s以上で攪拌するものであり、周速25m/s以上であり、その上限値は機械の性能限界からすれば、60m/s以下である。
また、上記カーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が使用できるが、ガス拡散性、強度、導電性等の高いマイクロポーラス層を形成できる点から、アセチレンブラックが好適である。
Here, the thin film swirling method is a dispersion method in which the material to be treated (mixed material) is rotated at high speed while being pressed against the inner wall surface of the device in a thin cylindrical shape by centrifugal force, and the shear stress generated by the centrifugal force and the speed difference between the inner wall surface of the device and the swirling flow is applied to the dispersed material (mixed material), thereby creating a high-energy turbulent state throughout the tank, dispersing the aggregated particles in the thin cylindrical processed material (mixed material). As a swirling thin film type high-speed agitator using such a high-speed swirling thin film flow, for example, the thin film swirling type high-speed mixer "Filmix" (registered trademark) series (manufactured by Primix Co., Ltd.) can be suitably used. The stirring conditions at this time are preferably a circumferential speed at the tip of the stirring blade of 25 m/s or more, and the circumferential speed is 25 m/s or more, and the upper limit is 60 m/s or less in terms of the performance limit of the machine.
As the carbon black, for example, furnace black, thermal black, ketjen black, acetylene black, etc. can be used, but acetylene black is preferred because it is capable of forming a microporous layer having high gas diffusivity, strength, conductivity, etc.
請求項4の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、分散剤が混合されて分散剤が溶解・混和した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものである。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer of the invention of claim 4 comprises mixing carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less and a water-repellent resin into a solvent in which a dispersant has been mixed and in which the dispersant has been dissolved and mixed, and stirring the mixture at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less.
ここで、上記周速25m/s以上で攪拌は、ホモミクサ、ホモディスパ、ネオカイザ(登録商標)、ネオミクサ(登録商標)、薄膜旋回型高速ミキサ、ホモミキサ等の高速攪拌機によって攪拌翼先端部における周速を25m/s以上で攪拌するものであり、その上限値は機械の性能限界からすれば、60m/s以下である。中でも、薄膜旋回型高速ミキサ「フィルミックス」(登録商標)シリーズ(プライミックス社製)を好適に用いることができる。
また、上記カーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が使用できるが、ガス拡散性、強度、導電性等の高いマイクロポーラス層を形成できる点から、アセチレンブラックが好適である。
Here, the stirring at a peripheral speed of 25 m/s or more refers to stirring at a peripheral speed of 25 m/s or more at the tip of the stirring blade using a high-speed stirrer such as Homomixer, Homodisper, Neokaisa (registered trademark), Neomixa (registered trademark), thin film swirl type high-speed mixer, Homomixer, etc., the upper limit being 60 m/s or less in view of the performance limit of the machine. Among them, the thin film swirl type high-speed mixer "Filmix" (registered trademark) series (manufactured by Primix Corporation) can be preferably used.
As the carbon black, for example, furnace black, thermal black, ketjen black, acetylene black, etc. can be used, but acetylene black is preferred because it is capable of forming a microporous layer having high gas diffusivity, strength, conductivity, etc.
請求項5の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、更に、前記攪拌後に、目開き34~154μmのメッシュ(100~400メッシュ)、好ましくは、目開き45~154μmのメッシュ(100~300メッシュ)、より好ましくは、目開き45~150μmのメッシュ(100~300メッシュ)を通過させるものである。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer of the invention of claim 5 further comprises passing the mixture through a mesh having an opening of 34 to 154 μm (100 to 400 mesh), preferably a mesh having an opening of 45 to 154 μm (100 to 300 mesh), more preferably a mesh having an opening of 45 to 150 μm (100 to 300 mesh), after the stirring.
請求項6の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、分散剤が混合されて分散剤が溶解・混和した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合してディスパまたはタービン・ステータ型の攪拌機でプレ攪拌してから薄膜旋回法によりまたは周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものである。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer of the invention of claim 6 comprises mixing carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less and a water-repellent resin with a solvent in which a dispersant has been mixed and in which the dispersant has been dissolved and mixed, pre-stirring with a Disper or turbine-stator type stirrer, and then stirring by a thin film swirling method or at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less.
ここで、上記ディスパは、ディスクタービンやディゾルバ(ディスパ)等の攪拌翼の高速回転によりせん断を発生させて処理物(配合材料)を攪拌するものである。
また、上記攪タービン・ステータ型は、タービンとステータ間の隙間でせん断力を与え処理物(配合材料)を攪拌するものである。
Here, the disperser is a device for stirring the material to be treated (blended material) by generating shear through high speed rotation of stirring blades such as a disk turbine or a dissolver (dispers).
The above-mentioned turbine/stator type agitator applies shear force in the gap between the turbine and the stator to agitate the material to be treated (mixed materials).
請求項7の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法は、分散剤が混合されて分散剤が溶解・混和した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速1m/s以上、周速20m/s以下でプレ攪拌してから薄膜旋回法によりまたは周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものである。 The method for producing a coating paste for forming a microporous layer of the invention of claim 7 comprises mixing carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less and a water-repellent resin into a solvent in which a dispersant has been mixed and in which the dispersant has been dissolved and mixed, pre-stirring at a peripheral speed of 1 m/s or more and 20 m/s or less, and then stirring by a thin film swirling method or at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less.
ここで、上記周速1m/s以上、周速20m/s以下の攪拌は、攪拌機によって攪拌翼先端部における周速を1m/s以上、周速20m/s以下、好ましくは、10m/s以上、周速20m/s以下で攪拌するものであり、例えば、ディスパまたはタービン・ステータ型の攪拌機が使用できる。 Here, the stirring at a peripheral speed of 1 m/s or more and 20 m/s or less refers to stirring at a peripheral speed at the tip of the stirring blade of an agitator of 1 m/s or more and 20 m/s or less, preferably 10 m/s or more and 20 m/s or less, and for example, a Disper or turbine-stator type agitator can be used.
請求項8の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法の前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、その固形分重量比で、9/1≦カーボンブラック/撥水性樹脂≦5/5であるものである。 In the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 8 , the carbon black and the water-repellent resin have a solid weight ratio of 9/1≦carbon black/water-repellent resin≦5/5.
請求項9の発明のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法の前記マイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、せん断速度50[1/s]における粘度が0.05Pa・s以上、1.0Pa・s以下、より好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下、更に好ましくは、0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内ものである。 The coating paste for forming a microporous layer in the method for producing a coating paste for forming a microporous layer of the invention of claim 9 has a viscosity at a shear rate of 50 [1/s] of 0.05 Pa·s or more and 1.0 Pa·s or less, more preferably 0.1 Pa·s or more and 0.9 Pa·s or less, and even more preferably 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less.
請求項1の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有し、前記カーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものであり、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、ペーストの粘度上昇が抑えられて、導電性多孔質基材の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるマイクロポーラス層においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高いものとなる。
According to the coating paste for forming a microporous layer according to the invention of
特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりマイクロポーラス層において良好な表面平滑性を確保できるうえ、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。即ち、高空隙率で、かつ、表面平滑性が良くクラックも少なくて触媒層への密着性が良好となるマイクロポース層を形成できる。よって、係るマイクロポーラス層は、水分が溜り難くて排水性が高く、高いガス拡散性が良好に維持され、耐久性も良好なものとなる。
また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、電池の耐久性、寿命を低下させ難いものである。
こうして、請求項1の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、空隙率が高く、ガス拡散層のガス拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるマイクロポーラス層を形成できる。
In particular, when carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, the paste has good coating properties to ensure good surface smoothness in the microporous layer, and can achieve both high porosity and coating strength that is less likely to cause cracks. That is, a microporous layer can be formed that has high porosity, good surface smoothness, few cracks, and good adhesion to the catalyst layer. Therefore, such a microporous layer is less likely to accumulate moisture and has high drainage properties, maintains high gas diffusivity, and has good durability.
In addition, when carbon black having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration diameter that passes through a mesh with an opening size in the range of 34 to 154 μm, the carbon black is of a size that can pass through a fine mesh filter that enables the removal of foreign matter such as iron that affects the durability and lifespan of the catalyst layer in which the cell reaction takes place, and is therefore unlikely to reduce the durability and lifespan of the battery.
Thus, the coating paste for forming a microporous layer according to the invention of
請求項1の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であるから、ガス拡散層を構成する導電性多孔質基材への塗布時にペーストの裏抜け(ペーストの塗布面とは反対側の導電性多孔質基材の裏面側に抜ける現象)を抑制でき、かつ、所望の塗工幅で平滑性が良好なマイクロポーラス層の硬化塗膜を形成できて塗工性が良好なものとなる。よって、導電性多孔質基材の空隙率を低下させることなく、平滑なマイクロポーラス層が得られ触媒層への密着性を高めることができるから、ガス拡散層の性能をより良好に発揮できるマイクロポーラス層を形成できる。
According to the coating paste for forming a microporous layer according to the invention of
請求項2の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、前記カーボンブラックと撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であるから、形成するマイクロポーラス層の硬化塗膜において樹脂分による接着性(結着性、バインダ効果)が良好でクラックが生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、請求項1に記載の効果に加えて、塗膜強度とガスや水分の透過性とを両立できるマイクロポーラス層を形成できる。
According to the coating paste for forming a microporous layer of the invention of claim 2 , the weight ratio of the carbon black to the water-repellent resin is within the range of 9/1 to 5/5, so that the adhesiveness (binding property, binder effect) of the resin in the cured coating film of the microporous layer formed is good, cracks are unlikely to occur, and clogging of voids due to excess resin is suppressed. Therefore, in addition to the effect of
請求項3の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して薄膜旋回法により攪拌するものであり、薄膜旋回法による高シェアで配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を解砕することができ、ペーストの粘度上昇を抑えることができる。したがって、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕され粘度上昇が抑えられたマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、導電性多孔質基材の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるマイクロポーラス層においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高いものとなる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 3 , carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and a water-repellent resin are mixed in a solvent mixed with a dispersant and stirred by a thin film swirling method, and by dispersing the compounded materials with a high shear by the thin film swirling method, the secondary aggregates of the carbon black with a high DBP absorption can be broken down, and the viscosity increase of the paste can be suppressed. Therefore, according to the coating paste for forming a microporous layer in which the secondary aggregates of the carbon black with a high DBP absorption are broken down and the viscosity increase is suppressed, it can be applied to the surface of a conductive porous substrate with good coatability, and in the microporous layer formed by drying and baking the applied paste, the carbon black with a high DBP absorption has a high porosity due to its high structure, and therefore has a high porosity (air porosity).
特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりマイクロポーラス層が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。即ち、高空隙率で、かつ、表面平滑性が良くクラックも少なくて触媒層への密着性が良好となるマイクロポース層を形成できる。よって、係るマイクロポーラス層は、水分が溜り難くて排水性が高く、高いガス拡散性が良好に維持され、耐久性も良好なものとなる。
したがって、請求項3の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、空隙率が高く、ガス拡散層の拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。
In particular, when carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, the good coating properties of the paste result in a microporous layer with good surface smoothness, and high porosity and coating strength that is less likely to cause cracks can be achieved. That is, a microporous layer can be formed that has high porosity, good surface smoothness, few cracks, and good adhesion to the catalyst layer. Therefore, such a microporous layer is less likely to accumulate moisture and has high drainage properties, maintains high gas diffusivity, and has good durability.
Therefore, according to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer of the invention of claim 3 , a coating paste can be obtained that can form a microporous layer having a high porosity and that can improve the diffusion and moisture management performance of the gas diffusion layer.
請求項4の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものであり、周速25m/s以上、60m/s以下の攪拌による高シェアで配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を解砕することができ、ペーストの粘度上昇を抑えることができる。したがって、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕され粘度上昇が抑えられたマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、導電性多孔質基材の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるマイクロポーラス層においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高いものとなる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 4 , carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and a water-repellent resin are mixed in a solvent mixed with a dispersant and stirred at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less, and the compounded materials are dispersed at a high shear by stirring at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less, so that secondary aggregates of carbon black with high DBP absorption can be broken down and the viscosity increase of the paste can be suppressed. Therefore, according to the coating paste for forming a microporous layer in which secondary aggregates of carbon black with high DBP absorption are broken down and the viscosity increase is suppressed, it can be applied to the surface of a conductive porous substrate with good coating properties, and in the microporous layer formed by drying and baking the applied paste, the carbon black with high DBP absorption has a high porosity due to its high structure, so that the porosity (air porosity) is high.
特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりマイクロポーラス層が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。即ち、高空隙率で、かつ、表面平滑性が良くクラックも少なくて触媒層への密着性が良好となるマイクロポース層を形成できる。よって、係るマイクロポーラス層は、水分が溜り難くて排水性が高く、高いガス拡散性が良好に維持され、耐久性も良好なものとなる。
したがって、請求項4の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、空隙率が高く、ガス拡散層の拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。
In particular, when carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, the good coating properties of the paste result in a microporous layer with good surface smoothness, and high porosity and coating strength that is less likely to cause cracks can be achieved. That is, a microporous layer can be formed that has high porosity, good surface smoothness, few cracks, and good adhesion to the catalyst layer. Therefore, such a microporous layer is less likely to accumulate moisture and has high drainage properties, maintains high gas diffusivity, and has good durability.
Therefore, according to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer of the invention of claim 4 , a coating paste can be obtained that can form a microporous layer having a high porosity and that can improve the diffusion and moisture management performance of the gas diffusion layer.
請求項5の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、更に、前記攪拌後に、目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過させるものであるから、触媒層の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物が少ないものが得られる。よって、請求項3または請求項4に記載の効果に加えて、電池の耐久性、寿命を低下させることないマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 5 , the mixture is passed through a mesh having an opening of 34 to 154 μm after the stirring, so that the mixture contains less foreign matter such as iron that affects the durability and lifespan of the catalyst layer. Thus, in addition to the effects of claim 3 or 4 , a coating paste capable of forming a microporous layer that does not reduce the durability and lifespan of the battery can be obtained.
請求項6の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、前記攪拌前に、分散剤、溶媒、カーボンブラック、及び撥水性樹脂の混合物をディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式でプレ攪拌する。このように、ディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式でプレ攪拌してから、薄膜旋回法または周速25m/s以上、60m/s以下で攪拌するものでは、プレ攪拌でカーボンブラックと溶媒との馴染みを良くでき、更に、攪拌脱泡できることにより、カーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑えることが可能であり、また、気泡も少なくできる。したがって、請求項3または請求項4に記載の効果に加えて、空隙の分布のバラつきが抑制されたより均一なマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 6 , a mixture of a dispersant, a solvent, carbon black, and a water-repellent resin is pre-mixed by a Disper or a turbine-stator type agitator before the stirring. In this way, by pre-mixing by a Disper or a turbine-stator type agitator and then stirring by a thin film rotation method or at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less, the carbon black and the solvent can be made to blend well with each other by pre-mixing, and further, by stirring and degassing, it is possible to suppress the variation in the distribution of the secondary agglomeration diameter of the carbon black, and also to reduce the number of bubbles. Therefore, in addition to the effects described in claim 3 or claim 4 , a coating paste capable of forming a more uniform microporous layer in which the variation in the distribution of voids is suppressed can be obtained.
請求項7の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、前記攪拌前に、分散剤、溶媒、カーボンブラック、及び撥水性樹脂の混合物を周速1m/s以上、周速20m/s以下でプレ攪拌する。このように、低シェアでプレ攪拌したのち、高シェアで拡散するものでは、プレ攪拌でカーボンブラックと溶媒との馴染みを良くでき、カーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑えることが可能である。したがって、請求項3または請求項4に記載の効果に加えて、空隙の分布のバラつきが抑制されたマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 7 , a mixture of a dispersant, a solvent, carbon black, and a water-repellent resin is pre-mixed at a peripheral speed of 1 m/s or more and 20 m/s or less before the stirring. In this way, when the mixture is pre-mixed at a low shear and then diffused at a high shear, the pre-mixing can improve the compatibility of the carbon black with the solvent, and it is possible to suppress the variation in the distribution of the secondary agglomeration diameter of the carbon black. Therefore, in addition to the effects described in claim 3 or claim 4 , a coating paste can be obtained that can form a microporous layer in which the variation in the distribution of voids is suppressed.
請求項8の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、前記カーボンブラックと前記撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であるから、形成するマイクロポーラス層の硬化塗膜において樹脂分による接着性(結着性、バインダ効果)が良好でクラックが生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、請求項3または請求項4に記載の効果に加えて、塗膜強度とガスや水分の透過性とを両立したマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing a coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 8 , the weight ratio of the carbon black to the water-repellent resin is within the range of 9/1 to 5/5, so that the adhesiveness (binding property, binder effect) of the resin in the cured coating film of the microporous layer formed is good, cracks are unlikely to occur, and clogging of voids due to excess resin is suppressed. Thus, in addition to the effects of claim 3 or 4 , a coating paste capable of forming a microporous layer that combines coating film strength and gas and moisture permeability can be obtained.
請求項9の発明に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造法によれば、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であるから、ガス拡散層を構成する導電性多孔質基材への塗布時にペーストの裏抜け(ペーストの塗布面とは反対側の導電性多孔質基材の裏面側に抜ける現象)を抑制でき、かつ、所望の塗工幅で平滑性が良好なマイクロポーラス層の硬化塗膜を形成できて塗工性が良好なものとなる。よって、導電性多孔質基材の空隙率を低下させることなく、平滑なマイクロポーラス層が得られ触媒層への密着性を高めることができるから、請求項3または請求項4に記載の効果に加えて、ガス拡散層の性能をより良好に発揮できるマイクロポーラス層を形成できる塗工ペーストが得られる。 According to the method for producing the coating paste for forming a microporous layer according to the invention of claim 9 , since the viscosity at a shear rate of 50 s -1 is within the range of 0.05 Pa.s to 1.0 Pa.s, the back penetration of the paste (the phenomenon of the paste penetrating to the back side of the conductive porous substrate opposite to the coated surface) can be suppressed when applied to the conductive porous substrate constituting the gas diffusion layer, and a cured coating film of a microporous layer with good smoothness can be formed at the desired coating width, resulting in good coatability. Therefore, a smooth microporous layer can be obtained without reducing the porosity of the conductive porous substrate, and adhesion to the catalyst layer can be improved, so that in addition to the effects described in claim 3 or claim 4 , a coating paste that can form a microporous layer that can better exhibit the performance of the gas diffusion layer can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、実施の形態において、同一の記号及び同一の符号は、実施の形態中の同一または相当する機能部分を意味するものであるから、ここでは重複する詳細な説明を省略する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the embodiments, the same symbols and the same reference characters denote the same or corresponding functional parts in the embodiments, so that repeated detailed explanations will be omitted here.
[実施の形態]
まず、本実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストが塗布されマイクロポーラス層が形成された燃料電池用ガス拡散層が組み込まれる固体高分子形燃料電池(単セル)の構造について、図1の概略構成図を参照しながら説明する。なお、図中、アノード側をA、カソード側をKとする。
[Embodiment]
First, the structure of a polymer electrolyte fuel cell (single cell) incorporating a gas diffusion layer for a fuel cell on which a microporous layer is formed by applying a coating paste for forming a microporous layer according to the present embodiment will be described with reference to the schematic diagram of Fig. 1. In the figure, the anode side is designated as A and the cathode side is designated as K.
図1に示すように、ガス拡散層14(カソード側ガス拡散層14K,アノード側ガス拡散層14A)は、白金、金、パラジウム等の貴金属触媒をカーボンで担持した触媒担持カーボン及びイオン交換樹脂からなり酸化ガスまたは燃料ガスが反応する触媒層13(カソード側触媒層13K,アノード側触媒層13A)と接合し、一体となって電極12(カソード電極12K,アノード電極12A)を構成する。そして、ガス拡散層14は、特定イオンを選択的に透過する高分子電解質膜11(単セルの芯)の両面に触媒層13と共に配設されて、膜/電極接合体(MEGA)10を構成する。
この膜/電極接合体10は、カソード側ガス拡散層14Kの外側において酸化剤となる酸化ガスを供給する酸化ガス流路21Kを設けたカソード側セパレータ20K、また、アノード側ガス拡散層14Aの外側において燃料ガスを供給する燃料ガス流路21Aを設けたアノード側セパレータ20Aに挟持され、燃料電池1の単セル(single cell)を形成している。
1, the gas diffusion layers 14 (cathode-side
This membrane/
即ち、本実施の形態に係るマイクロポーラス層形成用塗工ペーストを適用するガス拡散層14が使用される燃料電池1は、高分子電解質膜11の一方の表面に、酸素ガス等の酸化ガスが反応するカソード側触媒層13K及びカソード側ガス拡散層14Kにより構成されるカソード電極12Kを配設し、他方の表面に、水素ガス等の燃料ガスが反応するアノード側触媒層13A及びアノード側ガス拡散層14Aにより構成されるアノード電極12Aを配設して、発電部を構成する膜/電極接合体10と、膜/電極接合体10のカソード電極12Kの表面に配置されるカソード側セパレータ20K及び膜/電極接合体10のアノード電極12Aの表面に配置されるアノード側セパレータ20Aとから構成される。
That is, the
ここで、本実施の形態に係るガス拡散層14(カソード側ガス拡散層14K,アノード側ガス拡散層14A)は、後述するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストを導電性多孔質基材16(カソード側導電性多孔質基材16K,アノード側導電性多孔質基材16A)の表面に塗布して乾燥・焼成することにより、マイクロポーラス層(微多孔質層)15(カソード側マイクロポーラス層15K,アノード側マイクロポーラス層15A)が導電性多孔質基材16(カソード側導電性多孔質基材16K,アノード側導電性多孔質基材16A)の片面に形成されてなるものである。
そして、これらマイクロポーラス層15及び導電性多孔質基材16からなるガス拡散層14は、そのマイクロポーラス層15側が触媒層13に隣接し、導電性多孔質基材16側がセパレータ20に隣接して配設するように組み込まれ、燃料電池1を構成する。
Here, the gas diffusion layer 14 (cathode side
The
このようなセル構成により、外部から酸化ガスがカソード側セパレータ20Kの酸化ガス流路21Kに供給されると、酸化ガス流路21Kに沿って流れる酸化ガスのうち、一部がカソード側ガス拡散層14Kの導電性多孔質基材16K側表面より内部へ浸入する。なお、その他の未反応の酸化ガスは、酸化ガス流路21Kに沿って流れ、燃料電池1の外部へ排出される。同様に、外部から燃料ガスがアノード側セパレータ20Aの燃料ガス流路21Aに供給されると、燃料ガス流路21Aに沿って流れる燃料ガスのうち、一部がアノード側ガス拡散層14Aの導電性多孔質基材16A側表面より内部へ浸入する。その他の未反応の燃料ガスは、そのまま燃料ガス流路21Aに沿って流れ、燃料電池1の外部へ排出される。そして、酸化ガス及び燃料ガスが反応することにより、カソード側セパレータ20Kとアノード側セパレータ20Aとの間で電力が取り出されることになる。なお、導電性多孔質基材16の表裏の両面に、マイクロポーラス層15を形成してもよい。
With this cell configuration, when oxidizing gas is supplied from the outside to the oxidizing
次に、このような構成の燃料電池1に組み込まれる燃料電池用ガス拡散層14(カソード側ガス拡散層14K,アノード側ガス拡散層14A)に適用されるマイクポーラス層15を形成するためのマイクロポーラス層形成用塗工ペーストについて説明する。
Next, we will explain the coating paste for forming the
本実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペースト(以下、『MPL塗工ペースト』と略記する場合がある)は、導電性材料であるカーボンブラック、撥水性樹脂、溶媒、カーボンブラックや撥水性樹脂を分散させる分散剤等を含有するものである。 The coating paste for forming the microporous layer in this embodiment (hereinafter sometimes abbreviated as "MPL coating paste") contains carbon black, which is a conductive material, a water-repellent resin, a solvent, a dispersant for dispersing the carbon black and the water-repellent resin, etc.
本実施の形態のMPL塗工ペーストに配合されるカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内、好ましくは、300ml/100g以上、480ml/100g以下の範囲内、より好ましくは、300ml/100g以上、450ml/100g以下の範囲内であるものである。こうした高DBP吸収量のカーボンブラックでは、その平均一次粒子径が、約25nm~45nmの範囲内であり、好ましくは、30nm~45nmの範囲内のものである。 The carbon black blended into the MPL coating paste of this embodiment has a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less, preferably 300 ml/100 g or more and 480 ml/100 g or less, and more preferably 300 ml/100 g or more and 450 ml/100 g or less. Such carbon black with high DBP absorption has an average primary particle size in the range of about 25 nm to 45 nm, and preferably in the range of 30 nm to 45 nm.
カーボンブラックとしては、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、ケッチェンブラック等が使用できるが、好ましくは、アセチレンブラックである。アセチレンブラックは、高ストラクチャのものが得られるうえ、高純度で金属等の不純物が少なく、また、表面官能基が少なく、更に、高結晶であることで、ガス拡散性や強度や導電性の高いマイクロポーラス層15(以下、『MPL15』と略記する場合がある)を形成できる。
なお、こうしたカーボンブラックは、一次粒子が鎖状に繋がったストラクチャ構造、即ち、一次粒子が融着したアグリゲート(一次凝集体)構造を形成しており、更に、アグリゲート同士がファンデルワールス力により結合したアグロメレート(二次凝集体)が凝集して、粉状または粒状の凝集体の構造として存在するものである。因みに、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックは、縮合ベンゼン環のπ電子の移動により導電性を発現するものである。
そして、カーボンブラックであれば、他のカーボンと比較しても低価格であるため、材料コストも低コストで済む。
As the carbon black, furnace black, thermal black, acetylene black, ketjen black, etc. can be used, but acetylene black is preferable. Acetylene black is highly structured, has high purity, has few impurities such as metals, has few surface functional groups, and is highly crystalline, so that a microporous layer 15 (hereinafter sometimes abbreviated as "MPL15") having high gas diffusivity, strength, and conductivity can be formed.
In addition, such carbon black has a structure in which primary particles are connected in a chain shape, i.e., a structure of aggregates (primary agglomerates) formed by fusing primary particles, and further, agglomerates (secondary agglomerates) formed by bonding aggregates with van der Waals forces are aggregated to exist as a powder or granular aggregate structure. Incidentally, carbon black such as acetylene black and ketjen black exhibits electrical conductivity by the movement of π electrons of condensed benzene rings.
Furthermore, carbon black is less expensive than other types of carbon, so the material cost is also low.
また、MPL塗工ペーストに配合される撥水性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・四フッ化エチレン共重合体(ETFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素系樹脂や、シリコーン樹脂等を使用できる。これらは1種を単独でまたは2種以上を適宜組み合わせて使用することが可能である。 In addition, examples of water-repellent resins that can be used in the MPL coating paste include fluorine-based resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), perfluoroalkoxy fluorine resin (PFA), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), and polyvinylidene fluoride (PVdF), as well as silicone resins. These can be used alone or in appropriate combination of two or more.
これらの中でも、撥水性及び電極反応時の耐食性等に優れるフッ素系の高分子材料が好ましく、特に、高い撥水性が得られるフッ素樹脂のPTFEが好ましい。撥水性樹脂としてのPTFEは、テトラフルオロエチレンの単独重合体であってもよく、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン等のハロゲン化オレフィン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)等の他のフッ素系単量体に由来する単位を含む変性PTFEであってもよい。 Among these, fluorine-based polymer materials that have excellent water repellency and corrosion resistance during electrode reactions are preferred, and in particular, PTFE, a fluororesin that provides high water repellency, is preferred. PTFE as a water-repellent resin may be a homopolymer of tetrafluoroethylene, or may be a modified PTFE that contains units derived from other fluorine-based monomers such as halogenated olefins such as chlorotrifluoroethylene and hexafluoropropylene, and perfluoro(alkyl vinyl ether).
また、撥水性樹脂は、平均分子量が5万~100万の範囲内であるものが好ましい。平均分子量が低すぎるものを使用した場合には、カーボンブラックの粒子を結合させるバインダとしての結着性が小さく、形成されるMPL15にクラックが発生しやすくなる。一方で、平均分子量の大きすぎるもの使用した場合には、他の原料と混合したときに繊維化して分散不良になり易くペーストの安定性が低下したり、攪拌時の剪断力により繊維化して固まり、濃度変化が生じたり、配管やポンプ、異物除去フィルタ等の目詰まりや塗膜の付着不良、表面不良を起こしたりする原因となる。なお、撥水性樹脂がフッ素系重合体である場合、フッ素系重合体は溶媒に溶解しにくいため、溶融粘度では平均分子量を測定しにくい。このため、比重と数平均分子量との関係から平均分子量を求める比重法が適用される。 The water-repellent resin preferably has an average molecular weight in the range of 50,000 to 1,000,000. If a resin with too low an average molecular weight is used, the binding ability as a binder for binding carbon black particles is low, and cracks are likely to occur in the MPL15 formed. On the other hand, if a resin with too large an average molecular weight is used, it is likely to become fibrous when mixed with other raw materials, resulting in poor dispersion and a decrease in paste stability, or it may become fibrous and solidify due to the shear force during stirring, causing changes in concentration, clogging of pipes, pumps, foreign matter removal filters, etc., poor adhesion of the coating film, and surface defects. In addition, if the water-repellent resin is a fluoropolymer, it is difficult to measure the average molecular weight by melt viscosity because the fluoropolymer is difficult to dissolve in a solvent. For this reason, the specific gravity method is applied, which determines the average molecular weight from the relationship between specific gravity and number average molecular weight.
そして、通常、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂は、そのままでは水には分散しないため、適当な分散剤(界面活性剤)によって水中に分散させたもの、例えば、PTFEエマルジョン等のフッ素系樹脂等の撥水性樹脂が乳化されたエマルジョンや、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂が分散されたディスパージョン等の形態で配合される。即ち、組成物原料として混合する撥水性樹脂のエマルジョン等に予め分散剤が含まれている場合がある。 Since water-repellent resins such as fluororesins do not usually disperse in water as is, they are dispersed in water using a suitable dispersant (surfactant), for example, in the form of an emulsion in which a water-repellent resin such as a fluororesin is emulsified, such as a PTFE emulsion, or in the form of a dispersion in which a water-repellent resin such as a fluororesin is dispersed. In other words, the emulsion of the water-repellent resin to be mixed as a composition raw material may already contain a dispersant.
因みに、エマルジョン(emulsion;「エマルション」ともいう。)とは、乳濁液ともいい、液体中に液体粒子がコロイド粒子或いはそれより粗大な粒子として乳状をなすもの(分散系)が本来の意味であるが(長倉三郎他編「岩波理化学辞典(第5版)」152頁,1998年2月20日株式会社岩波書店発行)、本明細書においては、より広い意味で一般的に用いられている「液体中に固体または液体の粒子が分散しているもの」として、ここでは「エマルジョン」という用語を用いるものとする。 Incidentally, an emulsion is also called an emulsion, and its original meaning is a system in which liquid particles are in the form of colloidal particles or larger particles that form a milk-like consistency in a liquid (dispersed system) (Nagakura Saburo et al., eds., Iwanami Physics and Chemistry Dictionary (5th Edition), p. 152, published February 20, 1998 by Iwanami Shoten Co., Ltd.), but in this specification, the term "emulsion" is used in the broader sense of the word, meaning "a dispersion of solid or liquid particles in a liquid."
また、本実施の形態のMPL塗工ペーストでは、カーボンブラックや撥水性樹脂等の配合材料を溶媒中で分散、安定化等させるための分散剤が使用される。この分散剤としては、例えば、ポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX-100等)、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキレンアルキルエーテル、ポリエチレングリコールアルキルエーテル等の非イオン系(ノニオン系)界面活性剤、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウムクロリド、アルキルピリジウムクロリド等のカチオン系界面活性剤、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、酸性基含有構造変性ポリアクリレート等のアニオン系界面活性剤といった界面活性剤や、ポリエチレンオキサイド系、メチルセルロース系、ヒドロキシエチルセルロース系、ポリエチレングリコール系(例えば、アルキルフェノールとポリエチレングリコールのエーテル類、高級脂肪族アルコールとポリエチレングリコールのエーテル類等)、ポリビニルアルコール系等の増粘剤を使用できる。 In addition, in the MPL coating paste of this embodiment, a dispersant is used to disperse and stabilize the compounding materials such as carbon black and water-repellent resin in the solvent. Examples of the dispersant include nonionic surfactants such as polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene alkylphenyl ether (Triton X-100, etc.), polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene distyrenated phenyl ether, polyoxyethylene alkylene alkyl ether, and polyethylene glycol alkyl ether; cationic surfactants such as alkyltrimethylammonium salt, dialkyldimethylammonium chloride, and alkylpyridinium chloride; anionic surfactants such as polyoxyethylene fatty acid ester and acidic group-containing structurally modified polyacrylate; and thickeners such as polyethylene oxide, methylcellulose, hydroxyethylcellulose, polyethylene glycol (e.g., ethers of alkylphenol and polyethylene glycol, ethers of higher aliphatic alcohol and polyethylene glycol, etc.), and polyvinyl alcohol.
これらの中でも、非イオン系(ノニオン系)の界面活性剤は、金属イオンの含有量が少ないため、短絡等による電池性能の低下を招く恐れが少なくて好ましく、特に、カーボンブラックと撥水性樹脂としてのPTFEエマルジョンを溶媒に分散させる場合には、これらカーボンブラック粒子やPTFE粒子の濡れ性を良くして分散性を高めるために、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX-100)等が好適に用いられる。
なお、MPL15に要求される特性や配合材料に応じて界面活性剤または増粘剤といった分散剤の種類が選択され、分散剤が分散性及び増粘性の両方の機能を有することもある。
更に、必要に応じて、粘度調整のためのポリビニルアルコール系等の増粘剤が配合される場合もある。
Among these, nonionic surfactants are preferred because they have a low metal ion content and are therefore less likely to cause a decrease in battery performance due to short circuits, etc. In particular, when carbon black and a PTFE emulsion as a water-repellent resin are dispersed in a solvent, polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene alkyl phenyl ether (Triton X-100), etc. are preferably used to improve the wettability of the carbon black particles and PTFE particles and increase their dispersibility.
The type of dispersant, such as a surfactant or a thickener, is selected depending on the properties required of MPL15 and the ingredients used, and the dispersant may have both dispersing and thickening functions.
Furthermore, if necessary, a thickener such as a polyvinyl alcohol-based thickener may be added to adjust the viscosity.
本実施の形態のMPL塗工ペーストの溶媒としては、イオン交換水等の水系の溶媒が使用される。イオン交換水等の水系の溶媒であれば、有機系溶剤を使用した場合よりも、PTFEエマルジョン等の撥水性樹脂の分散性が良くて撥水性樹脂が分離することもなく、良好な成膜性が得られる。また、塗工や焼成の際の作業性が良く、発火の恐れもない。更に、環境負荷にもならず、低コストである。 In this embodiment, an aqueous solvent such as ion-exchanged water is used as the solvent for the MPL coating paste. Aqueous solvents such as ion-exchanged water provide better dispersion of water-repellent resins such as PTFE emulsions than organic solvents, and the water-repellent resins do not separate, resulting in good film-forming properties. In addition, the workability during coating and firing is good and there is no risk of fire. Furthermore, it is environmentally friendly and low cost.
こうした、本実施の形態のMPL塗工ペーストでは、固形分換算で、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックが、好ましくは55~90質量%、より好ましくは、70~85質量%、更に好ましくは、75~80質量%の範囲内、撥水性樹脂が、好ましくは、10~45質量%、より好ましくは、15~30質量%の範囲内、更に好ましくは、20~25質量%の範囲内、分散剤が、カーボンを100質量部に対し、好ましくは、5~30質量部、より好ましくは、8~20質量部、更に好ましくは、10~15質量部の範囲内で配合される。 In the MPL coating paste of this embodiment, the carbon black, which has a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less, is preferably mixed in an amount of 55 to 90 mass %, more preferably 70 to 85 mass %, and even more preferably 75 to 80 mass %, the water-repellent resin is preferably mixed in an amount of 10 to 45 mass %, more preferably 15 to 30 mass %, and even more preferably 20 to 25 mass %, and the dispersant is preferably mixed in an amount of 5 to 30 mass parts, more preferably 8 to 20 mass parts, and even more preferably 10 to 15 mass parts per 100 mass parts of carbon.
そして、本実施の形態のMPL塗工ペーストは、溶媒と分散剤を混合し攪拌する分散剤混和・溶解工程と、分散剤が混和・溶解した溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラック(通常、粉末または粒状)と、撥水性樹脂(通常、樹脂エマルジョンまたは樹脂ディスパージョン)とを混合し、それら混合物を薄膜旋回型攪拌機等により周速25m/s以上で攪拌する攪拌工程と、攪拌により配合材料が分散されたペーストを所定サイズのメッシュフィルタで濾過し、異物を取り除く濾過工程とを経て得られるものである。 The MPL coating paste of this embodiment is obtained through a dispersant mixing/dissolving process in which a solvent and a dispersant are mixed and stirred, a stirring process in which carbon black (usually powder or granular) with a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less and a water-repellent resin (usually a resin emulsion or resin dispersion) are mixed with the solvent in which the dispersant has been mixed and dissolved, and the mixture is stirred at a peripheral speed of 25 m/s or more using a thin film rotary stirrer or the like, and a filtration process in which the paste in which the compounding materials have been dispersed by stirring is filtered through a mesh filter of a specified size to remove foreign matter.
即ち、本実施の形態においては、まず、分散剤と溶媒を混合し攪拌することにより、溶媒に分散剤を混和・溶解させる分散剤混和・溶解工程を実施する。このときの攪拌手段及び攪拌条件は、分散剤を溶媒に均一に混和、溶解できれば特に限定されず、例えば、水に可溶な分散剤であればスターラによる攪拌(例えば、回転数:100~1500rpm(回転/分)、攪拌時間:1分~15分程度の攪拌条件)で均一な溶液にできる。 That is, in this embodiment, a dispersant mixing and dissolving step is first carried out in which the dispersant is mixed and dissolved in the solvent by mixing and stirring the dispersant and the solvent. The stirring means and stirring conditions at this time are not particularly limited as long as the dispersant can be uniformly mixed and dissolved in the solvent. For example, if the dispersant is soluble in water, a uniform solution can be obtained by stirring with a stirrer (for example, stirring conditions of rotation speed: 100 to 1500 rpm (revolutions/minute), stirring time: about 1 to 15 minutes).
次に、分散剤が混和・溶解された溶媒に対し、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂とを混合し、
薄膜旋回型攪拌機等で周速25m/s以上で攪拌する攪拌工程を実施する。
上記周速25m/s以上での攪拌工程では、例えば、ホモミクサ、ホモディスパ、ネオカイザ(登録商標)、ネオミクサ(登録商標)、薄膜旋回型高速ミキサ、ホモミキサ等の高速攪拌機によって攪拌翼先端部における周速を25m/s以上で攪拌する。
特に、薄膜旋回型攪拌機による攪拌は、薄膜旋回法と呼ばれ、撹拌機の槽内全体を高エネルギ状態の乱流状態とするものである。このような攪拌方法によれば、乱流状態とする旋回流で凝集粒子が槽壁面に押し付けられて壁面に沿って旋回運動を行い、このとき、タービンの回転と溶媒の液流によって薄く引き伸ばされた旋回薄膜が形成され、壁面に押し付けられる遠心力と旋回流で移動しようとする力とのせん断応力でカーボンブラックの凝集体が解砕されることになる。更に、このような薄膜旋回法による攪拌では、液滴界面の安定化等により二次凝集体の再凝集(フロキュレーション)は防止され、二次凝集体の解砕状態が安定化されたものとなる。簡単な工程で時間をかけずに高DBP吸収量のカーボンブラックを高分散させ、また、分散安定化することできる。なお、分散剤によっても、こうした強大なシェアリングにより微分散された二次凝集体の再凝集(フロキュレーション)を防止し、二次凝集体の解砕状態を安定化することが可能である。
Next, carbon black having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less and a water-repellent resin are mixed into the solvent in which the dispersant has been mixed and dissolved,
A stirring step is carried out using a thin film rotary stirrer or the like at a peripheral speed of 25 m/s or more.
In the above-mentioned stirring step at a peripheral speed of 25 m/s or more, the mixture is stirred at a peripheral speed of 25 m/s or more at the tip of the stirring blade using a high-speed stirrer such as Homomixer, Homodisper, Neokaisa (registered trademark), Neomixa (registered trademark), thin film swirling type high-speed mixer, or Homomixer.
In particular, the stirring by the thin film swirling type agitator is called the thin film swirling method, and the entire inside of the agitator tank is made into a turbulent state of high energy. According to this stirring method, the agglomerated particles are pressed against the tank wall surface by the swirling flow that creates a turbulent state, and perform a swirling motion along the wall surface, at which time a swirling thin film is formed that is stretched thin by the rotation of the turbine and the liquid flow of the solvent, and the carbon black agglomerates are disintegrated by the shear stress of the centrifugal force pressed against the wall surface and the force that moves by the swirling flow. Furthermore, in the stirring by such a thin film swirling method, the re-agglomeration (flocculation) of the secondary agglomerates is prevented by stabilizing the droplet interface, etc., and the disintegration state of the secondary agglomerates is stabilized. Carbon black with a high DBP absorption can be highly dispersed and the dispersion can be stabilized by a simple process without spending a lot of time. It is also possible to prevent the re-agglomeration (flocculation) of the secondary agglomerates that have been finely dispersed by such strong shearing, and to stabilize the disintegration state of the secondary agglomerates, using a dispersant.
薄膜旋回型攪拌機等での攪拌条件は、本発明者らの実験研究により、撹拌部の周速が遅過ぎる場合や攪拌時間が少なすぎる場合、カーボンブラックの凝集物が十分に解砕されないことで所定の目開きのメッシュフィルタを所定圧力条件下で通過させることが困難であることを確認したことから、攪拌部の周速を、25m/s以上とするのが好ましく、また、攪拌時間を、20秒以上とするのが好ましく、より好ましくは、25秒以上、更に好ましくは、30秒以上である。なお、周速の上限は、攪拌機の性能限界(最高周速)で有限値であり、60m/s程度であるが、本発明者らの実験研究によれば、周速50m/s以上でも所定の攪拌時間で所望とする粘度特性が得られることを確認している。特に、こうした薄膜旋回法による拡散では、周速や攪拌時間の条件によって、二次凝集径の制御も可能であり、MPL15の目的とする特性に応じて、カーボンブラックの二次凝集径を設計することも可能である。 The inventors' experimental research has confirmed that if the peripheral speed of the stirring section is too slow or the stirring time is too short, the carbon black aggregates are not sufficiently broken down, making it difficult to pass through a mesh filter with a specified mesh size under specified pressure conditions. Therefore, it is preferable that the peripheral speed of the stirring section is 25 m/s or more, and the stirring time is 20 seconds or more, more preferably 25 seconds or more, and even more preferably 30 seconds or more. The upper limit of the peripheral speed is a finite value at the performance limit (maximum peripheral speed) of the stirrer, which is about 60 m/s, but the inventors' experimental research has confirmed that the desired viscosity characteristics can be obtained for a specified stirring time even at a peripheral speed of 50 m/s or more. In particular, in diffusion using this thin film swirling method, it is possible to control the secondary aggregate diameter by changing the peripheral speed and stirring time conditions, and it is also possible to design the secondary aggregate diameter of carbon black according to the desired characteristics of MPL15.
ここで、薄膜旋回型攪拌機等での攪拌時間が長すぎると、カーボンブラックの二次凝集径が細かくなってペーストの粘度の低下が大きくなり、ガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16へ塗布したときに、導電性多孔質基材16に浸透し厚みを通過する裏抜けが生じやすくなる。このため、多量の増粘剤の添加で粘度を上げる必要が生じる。しかし、多量の増粘剤を添加した場合には、ペースト塗布後の焼成・乾燥工程でその増粘剤を分解除去する負荷を増大させることになる。即ち、増粘剤は、焼成・乾燥工程の加熱で十分に分解されていないと、撥水性を悪くすることから、増粘剤を多量に添加した場合には、乾燥・焼成時間を長くとる必要が生じ、焼成・乾燥工程の負荷を増大させることになる。
攪拌部の周速を好ましくは、25m/s以上で、攪拌時間を、好ましくは、20秒~200秒、より好ましくは、25秒~150秒、更に好ましくは、30秒~100秒程度であれば、増粘剤の多量の添加を要することなく、せん断速度50S-1における粘度が0.05~1.0Pa・Sの範囲内の所望の粘度特性を得ることが可能である。
Here, if the stirring time with a thin film swirling stirrer or the like is too long, the secondary agglomeration diameter of the carbon black becomes finer, and the viscosity of the paste decreases significantly, and when the paste is applied to the conductive porous substrate 16 constituting the
If the peripheral speed of the stirring part is preferably 25 m/s or more and the stirring time is preferably 20 seconds to 200 seconds, more preferably 25 seconds to 150 seconds, and even more preferably about 30 seconds to 100 seconds, it is possible to obtain the desired viscosity characteristics in the range of 0.05 to 1.0 Pa·S at a shear rate of 50 S-1 without the need to add a large amount of thickener.
そして、薄膜旋回法等により所定時間攪拌することによって、カーボンブラック製品に含まれる金属異物等を除去できる目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上をペーストが通過できるサイズにまでカーボンブラックの二次凝集体が解砕できればよい。但し、目の細かすぎるフィルタを通過させるサイズまで解砕しても、生産性が低下することから、上記攪拌によって、目開き34μm以上、目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、400メッシュ以下、好ましくは、目開き45μm以上、目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、300メッシュ以下、更に好ましくは、目開き45μm以上、目開き150μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、300メッシュ以下を通過できるサイズに分散できればよい。 Then, by stirring for a predetermined time using a thin film rotation method or the like, it is sufficient if the secondary agglomerates of carbon black can be disintegrated to a size that allows the paste to pass through a mesh with an opening of 154 μm or less, i.e., 100 mesh or more, which can remove metal foreign matter contained in the carbon black product. However, since disintegration to a size that allows the paste to pass through a filter with too fine a mesh reduces productivity, it is sufficient if the secondary agglomerates of carbon black can be dispersed by the above stirring to a size that allows the paste to pass through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less, i.e., 100 mesh or more and 400 mesh or less, preferably, a mesh with an opening of 45 μm or more and 154 μm or less, i.e., 100 mesh or more and 300 mesh or less, more preferably, a mesh with an opening of 45 μm or more and 150 μm or less, i.e., 100 mesh or more and 300 mesh or less.
ところで、本発明を実施する場合には、必要に応じ、薄膜旋回型攪拌機等で攪拌する前にディスパ型またはタービン・ステータ型等の撹拌機で攪拌するプレ攪拌(プレ分散)を行っても良い。
薄膜旋回型攪拌機等で攪拌する前に、ディスパ型またはタービン・ステータ型の撹拌機等で攪拌することで、配合材料が粗分散され、薄膜旋回型攪拌機等での攪拌後のカーボンブラックにおいて二次凝集径の分布のバラつきを抑えること(粒度分布をシャープに整えること)や分散の安定化が可能であり、安定性が高くなり、また、MPL15において空隙の分布のバラつきを抑制して安定した性能、均一な拡散性を得ることが可能となる。これは、薄膜旋回型攪拌機等による高シェアリングでの攪拌前に、ディスパ型またはタービン・ステータ型等の撹拌機による低シェアリングでの攪拌を行うことで、カーボンブラックの濡れ(湿潤)性、カーボンブラックと水溶媒との馴染みが向上し、高シェアな攪拌による分散性を高めることができるためと考えられる。そして、ストラクチャが高発達したカーボンブラックであれば、比表面積も大きいことで水分が吸着しやすく、濡れやすいものとも推測できる。なお、分散剤によってもカーボンブラックの濡れ(湿潤)性を向上させることが可能である。
Incidentally, when carrying out the present invention, pre-mixing (pre-dispersion) may be carried out, if necessary, by mixing with a disperse type or turbine stator type mixer before mixing with a thin film swirl type mixer or the like.
By stirring with a Disper or turbine stator type agitator before stirring with a thin film swirl agitator, the compounding materials are roughly dispersed, and it is possible to suppress the variation in the distribution of secondary agglomeration diameters in the carbon black after stirring with a thin film swirl agitator (sharply align the particle size distribution) and stabilize the dispersion, resulting in high stability. It is also possible to suppress the variation in the distribution of voids in MPL15, thereby obtaining stable performance and uniform diffusibility. This is thought to be because, by stirring with a Disper or turbine stator type agitator at low shear before stirring with a thin film swirl agitator at high shear, the wettability of the carbon black and the affinity between the carbon black and the water solvent are improved, and the dispersibility due to high shear stirring can be improved. And, if the carbon black has a highly developed structure, it can be assumed that it is easy to adsorb water and wet due to its large specific surface area. It is also possible to improve the wettability of the carbon black by using a dispersant.
因みに、ディスパ型の撹拌機は、ディスクタービンやディゾルバと呼ばれる高速攪拌翼を高速回転させることで、剪断力を発生させるものである。また、タービン・ステータ型の撹拌機は、高速で回転するタービン羽根(ホモミキサ―)とその周囲を取り巻くように形成され回転しないステーター(固定環)とから構成され、それらの隙間(クリアランス)で剪断力を与えるものであり、例えば、ホモミクサ、櫛歯型タービン・ステータ、インライン型(ケーシング内にタービン・ステータ型が装着されたもの)の撹拌機が使用できる。なお、ディスパ型とタービン・ステータ側が組み合わされた複合の撹拌機を使用してもよい。これらは何れも局所的なエネルギの投入で剪断力を発生させるものである。
特に、ディスパ型またはタービン・ステータ型の撹拌機であれば、攪拌脱泡できることにより気泡の少ない均一な塗膜を形成できるペーストを作製できる。
Incidentally, the Disper type agitator generates shear force by rotating high-speed agitating blades called disk turbines or dissolvers at high speed. The turbine-stator type agitator is composed of a turbine blade (homogenizer) that rotates at high speed and a stator (fixed ring) that is formed to surround the periphery and does not rotate, and applies shear force through the gap (clearance) between them. For example, homogenizers, comb-tooth turbine-stators, and in-line types (turbine-stator types installed inside a casing) can be used. A composite agitator that combines the Disper type and the turbine-stator side can also be used. All of these generate shear force by inputting energy locally.
In particular, if a disperse type or turbine-stator type agitator is used, it is possible to prepare a paste that can form a uniform coating film with few bubbles by agitating and degassing the mixture.
ディスパ型またはタービン・ステータ型の撹拌機等での攪拌条件は、周速1m/s以上、周速20m/s以下、好ましくは、周速10m/s以上、周速20m/s以下とする。このときの撹拌機の周速(回転数)が小さ過ぎる場合、カーボンブラック粒子の濡れ性を十分に向上させることができず、効果的にカーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑制することができない。一方、撹拌機の回転数が所定以上では、周速(回転数)や攪拌時間を大きくしすぎしても、空運転(ボルテックス)が生じ、濡れ性、分散性の向上効果に影響がなく撹拌機の負荷、エネルギ消費を大きくさせるだけである。上記範囲内であれば、生産性良く低エネルギ量で効果的にカーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑制することができる。
なお、これら攪拌によって泡が多量に発生する場合には、攪拌前または攪拌後に脱泡工程を設けてもよい。
The stirring conditions for a Disper-type or turbine-stator-type stirrer are a peripheral speed of 1 m/s or more and 20 m/s or less, preferably 10 m/s or more and 20 m/s or less. If the peripheral speed (rotation speed) of the stirrer is too low, the wettability of the carbon black particles cannot be sufficiently improved, and the variation in the distribution of the secondary agglomeration diameter of the carbon black cannot be effectively suppressed. On the other hand, if the rotation speed of the stirrer is higher than a certain level, even if the peripheral speed (rotation speed) or stirring time is too long, idling (vortexing) occurs, which does not affect the improvement of wettability and dispersibility, but only increases the load and energy consumption of the stirrer. If it is within the above range, the variation in the distribution of the secondary agglomeration diameter of the carbon black can be effectively suppressed with good productivity and low energy consumption.
If a large amount of bubbles are generated by the stirring, a defoaming step may be performed before or after the stirring.
そして、本実施の形態において、薄膜旋回型攪拌機で攪拌した後は、その攪拌後のペーストを、所定の目開きのメッシュフィルタで濾過することにより鉄分等の異物の除去を行う濾過工程を実施する。
この濾過工程では、攪拌後のペーストを、ラムプレス(加圧式押出装置)等を使用して目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上のフィルタに通す。これにより、ペーストの配合材料中に含まれた異物、特に、カーボンブラック製品に含まれ短絡を生じさせることで触媒層13の耐久性、電池1の寿命に悪影響を及ぼす鉄分等の金属異物が除去される。目の細かすぎるフィルタであると生産性が低下することから、好ましくは、目開き34μm以上、目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、400メッシュ以下、好ましくは、目開き45μm以上、目開き154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、300メッシュ以下、更に好ましくは、目開き45μm以上、目開き150μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、300メッシュ以下のものであればよい。
In this embodiment, after stirring with the thin film rotary stirrer, a filtration step is carried out in which the paste after stirring is filtered through a mesh filter with a predetermined mesh size to remove foreign matter such as iron.
In this filtration step, the paste after stirring is passed through a filter having a mesh size of 154 μm or less, i.e., a mesh size of 100 mesh or more, using a ram press (pressure extrusion device) or the like. This removes foreign matter contained in the paste blending materials, particularly metal foreign matter such as iron contained in carbon black products that causes short circuits and adversely affects the durability of the catalyst layer 13 and the life of the
このとき、攪拌後のペーストのせん断速度50S-1における粘度が1.0Pa・Sを超えるものでは、異物を取り除くための細かいメッシュを通過させる際に圧力損失が大きくなり、生産性が低下する。このため、攪拌後のペーストのせん断速度50S-1における粘度が1.0Pa・Sを超えるものでは、所定のフィルタを通過させる前に、溶媒を添加してせん断速度50S-1における粘度が1.0Pa・S以下となるように減粘させる粘度調整を行うのが好ましい。より好ましくは、せん断速度50S-1における粘度が0.9Pa・S以下、更に好ましくは、0.5Pa・S以下に粘度調整する。 In this case, if the viscosity of the paste after stirring exceeds 1.0 Pa·S at a shear rate of 50 S -1 , the pressure loss increases when passing through a fine mesh for removing foreign matter, resulting in reduced productivity. For this reason, if the viscosity of the paste after stirring exceeds 1.0 Pa·S at a shear rate of 50 S -1 , it is preferable to adjust the viscosity by adding a solvent to reduce the viscosity to 1.0 Pa·S or less at a shear rate of 50 S-1 before passing through a specified filter. More preferably, the viscosity is adjusted to 0.9 Pa·S or less, and even more preferably to 0.5 Pa·S or less at a shear rate of 50 S-1.
更には、MPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布した際のペーストの裏抜けを防止するために、導電性多孔質基材16に塗布するMPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度は、0.05Pa・S以上が好ましく、より好ましくは、0.1Pa・S以上である。
即ち、所定目開き(メッシュ)のフィルタを通過させたペーストについて、その粘度が低すぎると、ガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16へ塗布したときに、ペーストが導電性多孔質基材16に浸透し導電性多孔質基材16を通過して塗布面とは反対側の裏面に達する裏抜けが生じ、ペースト成分が導電性多孔質基材16の空隙を塞いでガスや水分の透過性を低下させることになる。
Furthermore, in order to prevent the MPL coating paste from striking through when applied to the conductive porous substrate 16, the viscosity of the MPL coating paste applied to the conductive porous substrate 16 at a shear rate of 50 S -1 is preferably 0.05 Pa·S or more, and more preferably 0.1 Pa·S or more.
In other words, if the viscosity of a paste that has been passed through a filter with a specified mesh size is too low, when it is applied to the conductive porous substrate 16 that constitutes the
このため、所定目開き(メッシュ)のフィルタによる濾過後のペーストのせん断速度50S-1における粘度が0.05Pa・S未満である場合には、増粘剤の添加により、せん断速度50S-1における粘度が好ましくは、0.05Pa・S以上、1.0Pa・S以下の範囲内となるように粘度調整する。増粘剤の添加によってせん断速度50S-1における粘度を上昇させすぎると、MPL塗工ペーストの塗工性が低下するうえ、上述したように、増粘剤を分解するための焼成・乾燥工程の負荷を増大させることになるから、導電性多孔質基材16に塗布するMPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度は、0.05Pa・S以上、1.0Pa・S以下の範囲内とするのが好ましく、より好ましくは、0.1Pa・S以上、0.9Pa・S以下、更に好ましくは、0.1Pa・S以上、1.0Pa・S以下の範囲内である。 For this reason, if the viscosity of the paste after filtration through a filter with a predetermined mesh size is less than 0.05 Pa·S at a shear rate of 50 S - 1 , the viscosity is adjusted by adding a thickener so that the viscosity at a shear rate of 50 S -1 is preferably in the range of 0.05 Pa·S or more and 1.0 Pa·S or less. If the viscosity at a shear rate of 50 S-1 is increased too much by adding a thickener, the coatability of the MPL coating paste will decrease, and as described above, the load of the firing and drying process for decomposing the thickener will increase. Therefore, the viscosity of the MPL coating paste applied to the conductive porous substrate 16 at a shear rate of 50 S -1 is preferably in the range of 0.05 Pa·S or more and 1.0 Pa·S or less, more preferably 0.1 Pa·S or more and 0.9 Pa·S or less, and even more preferably 0.1 Pa·S or more and 1.0 Pa·S or less.
導電性多孔質基材16に塗布するMPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度が0.05Pa・S以上、1.0Pa・S以下の範囲内であれば、導電性多孔質基材16に塗布したときのペーストの裏抜けを防止して導電性多孔質基材16の良好な性能を発揮させることができ、かつ、焼成・乾燥工程の負荷を増大させることもなく、導電性多孔質基材16への塗工性(表面平滑性等)が良好であることで、触媒層13との密着性もよくてMPL15による良好な水分管理性、ガス拡散性が発揮される。なお、この目的とする粘度設定からすれば固形分率は変動することになる。
If the viscosity of the MPL coating paste applied to the conductive porous substrate 16 at a shear rate of 50 S -1 is within the range of 0.05 Pa.S or more and 1.0 Pa.S or less, the paste can be prevented from penetrating through when applied to the conductive porous substrate 16, allowing the conductive porous substrate 16 to exhibit good performance, and the load of the firing and drying process is not increased. Since the coating property (surface smoothness, etc.) on the conductive porous substrate 16 is good, adhesion with the catalyst layer 13 is also good, and good moisture management and gas diffusivity by the
このようにして調製されたMPL塗工ペーストは、燃料電池1用のガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16の表面に塗布したのち、乾燥・焼成することで、MPL15を構成する硬化塗膜となる。そして、図1に示すように、ガス拡散層電極基材としての導電性多孔質基材16と、その片面側または両面側に形成した硬化塗膜のMPL15とによって燃料電池用電極のガス拡散層14を構成する。
The MPL coating paste prepared in this manner is applied to the surface of the conductive porous substrate 16 that constitutes the
ここで、本実施の形態のMPL塗工ペーストを塗布する導電性多孔質基材16としては、従来の燃料電池1(特に、固体高分子形燃料電池1)のガス拡散層14において一般的に用いられているもの、例えば、金属や黒鉛等の炭素材料(ナノカーボン材料を含む)が繊維状、粒子状、織布状、不織布状、メッシュ状、格子状、パンチング体、発泡体等の多孔質体の形態で構成されたものを用いることができ、ガス透過性と導電性を備える多孔質の基材が使用される。特に、ガス透過性等の観点から、カーボン繊維(炭素繊維、カーボン系繊維、カーボン系ファイバとも呼ばれる)が好ましく、黒鉛繊維等としてポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維等が使用される。基材の形態には、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト(カーボン不織布)等のカーボン繊維シートが好適に使用される。これらは、燃料電池1の使用環境、運転条件等を考慮して選択される。こうした導電性多孔質基材16は、通常、10μm以上、100μm以下の範囲内に細孔径のピークを有する多孔体である。
Here, as the conductive porous substrate 16 to which the MPL coating paste of this embodiment is applied, those generally used in the
なお、必要に応じて、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルト等の導電性多孔質基材16には、ガス拡散層14の撥水性の向上等のために、撥水処理が施される。撥水処理する方法は、特に問われず、例えば、撥水剤を含むエマルション、ディスパージョン等に導電性多孔質基材16を浸漬したり、ダイコート、スプレーコート等によって導電性多孔質基材16に撥水剤を塗布する塗布したり、フッ素樹脂のスパッタリング等のドライプロセスにより加工したりすることで撥水処理を施すことができる。なお、撥水処理の後、必要に応じて乾燥、焼成を行っても良い。この撥水処理に使用する撥水剤としては、MPL塗工ペーストにも用いることができる上述した撥水性樹脂と同様のものが使用される。このときの撥水剤の量は特に限定されないが、撥水性と良好なガスの拡散経路、排水経路との両立の観点から、好ましくは、導電性多孔質基材16の全体100質量%中に0.1質量%~20質量%の範囲内とされる。
If necessary, the conductive porous substrate 16 such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt is subjected to a water-repellent treatment in order to improve the water repellency of the
燃料電池1用のガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16の厚さは、燃料電池1の運転条件等や求められる性能を考慮して設定されるが、導電性多孔質基材16が薄すぎると、強度が不足して安定的なガス拡散性、水分管理性、導電性等のガス拡散層14の性能が得られなくなったり、取扱い性(ハンドリング性)が悪く触媒層13との位置ずれが生じたりして、電池性能の低下を招く。また、導電性多孔質基材16が厚すぎても、抵抗の増大によりガス拡散性が低下し、高い電池性能を得ることができなくなる。このため、例えば、2μm以上、500μm以下、好ましくは、10μm以上、250μm以下、より好ましくは、70μm以上、150μm以下の厚みのものが使用される。
The thickness of the conductive porous substrate 16 constituting the
また、本実施の形態のMPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布する塗布手段としては、刷毛塗り、筆塗り、ロールコータ法、バーコータ法、ダイコータ法、ブレード法、ナイフコータ法、スピンコータ法、スクリーン印刷、ロータリースクリーン印刷、カーテンコーティング法、ディップコータ法、スプレーコータ法、グラビアコータ法、アプリケータ、スプレー噴霧等がある。特に、ダイコータ法は、導電性多孔質基材16の表面粗さによらず塗工量の定量化を図ることができるため、好適であるが、必ずしもこれに限定されるものではない。 In addition, examples of coating methods for applying the MPL coating paste of this embodiment to the conductive porous substrate 16 include brush coating, paint brush coating, roll coater method, bar coater method, die coater method, blade method, knife coater method, spin coater method, screen printing, rotary screen printing, curtain coating method, dip coater method, spray coater method, gravure coater method, applicator, spray atomization, etc. In particular, the die coater method is preferable because it allows the amount of coating to be quantified regardless of the surface roughness of the conductive porous substrate 16, but is not necessarily limited to this.
そして、本実施の形態のMPL塗工ペーストは、導電性多孔質基材16の表面に塗布し、乾燥・焼成を行い、溶媒を乾燥除去することにより、導電性多孔質基材16の表面にMPL15を形成するが、このときの乾燥・焼成の温度は、界面活性剤等の分散剤や増粘剤を分解して除去でき、かつ、撥水性樹脂を熱分解させない温度であればよく、例えば、250~400℃の範囲内で、5~20分間加熱処理される。
このときの乾燥・焼成温度が低すぎると、乾燥・焼成時間を長くしても、分散剤等を十分に熱分解、揮発させて除去することができず、分散剤が残存してそれらの親水性基によって水分が捕捉されるため、形成するガス拡散層14において十分な撥水性を発現できない。一方で、乾燥・焼成温度が高すぎる場合、撥水性樹脂等の塗膜成分が熱分解されてMPL15の成分が劣化したり、大きな温度変化によりMPL15の変形が大きくなって平滑性が低下したり、亀裂が生じたりすることで、所望の要求性能を満たすMPL15の形成が困難となる。更に、乾燥・焼成工程での負荷や自然環境に与える負荷が増え、製造コストも高くなる。所定の温度範囲での乾燥焼成により、MPL塗工ペーストに含まれ界面活性剤等の分散剤や増粘剤を除去し界面活性剤等の分散剤や増粘剤による撥水性の阻害を防止でき、また、撥水剤の溶融によりカーボンブラックを結着させ、所望強度のMPL15を形成することができる。
The MPL coating paste of this embodiment is applied to the surface of the conductive porous substrate 16, dried and fired, and the solvent is dried and removed to form
If the drying and baking temperature is too low, even if the drying and baking time is extended, the dispersant and the like cannot be sufficiently pyrolyzed and volatilized to be removed, and the dispersant remains and the hydrophilic groups capture moisture, so that the
例えば、分散剤がポリオキシエチレントリデシルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル(トリトンX-100)等であれば、乾燥・焼成温度は250~350℃の範囲に設定される。当該範囲内であれば、分散剤等が十分に分解・揮発することで、発電効率に大きく影響を与えるガス拡散層14の重要特性である撥水性を確保できて所望特性のMPL15を形成でき、また、導電性多孔質基材16との良好な接合性を確保することができる。なお、こうした熱処理を伴う乾燥・焼成工程において、乾燥と焼成の順序は特に問われず、乾燥と焼成が同時に行われることもある。また、主に分散剤の分解除去を行うための熱処理と、主に撥水性樹脂の溶融による結着を行うための熱処理とで温度や時間条件を変え、各熱処理を分けて行うことも可能である。
For example, if the dispersant is polyoxyethylene tridecyl ether, polyoxyethylene alkylphenyl ether (Triton X-100), etc., the drying and baking temperature is set in the range of 250 to 350°C. Within this range, the dispersant etc. is sufficiently decomposed and volatilized, so that the water repellency, which is an important characteristic of the
本実施の形態のMPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布するときの塗布膜厚は、燃料電池1の運転条件等やMPL15に要求される性能等を考慮して設定される。例えば、MPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布して乾燥・焼成した後の硬化塗膜の厚み、即ち、乾燥膜厚であるMPL15の厚みが、1~300μmの範囲内、好ましくは、10~100μmの範囲内となるように設定される。
MPL15の厚み(硬化塗膜の乾燥膜厚)が薄すぎると、触媒層13との界面に液膜が生じるのを抑制する効果が少なく、また、導電性多孔質基材16の凹凸を吸収したり、導電性多孔質基材16の繊維が電解質膜11に突き刺さるのを阻止したりする効果が得られない。一方で、MPL塗工ペースの塗布膜厚が厚すぎると、乾燥・焼成による収縮によって表面平滑性が低下しやすく、触媒層13との接触抵抗が増大し密着性の低下による水分管理性の低下や導電性の低下を招く。また、乾燥膜厚が厚すぎると、厚さ方向の電気抵抗が高くなり、更に、ガス拡散抵抗も増す。
The coating thickness when the MPL coating paste of this embodiment is applied to the conductive porous substrate 16 is set in consideration of the operating conditions of the
If the thickness of the MPL 15 (the dry film thickness of the cured coating film) is too thin, the effect of suppressing the formation of a liquid film at the interface with the catalyst layer 13 is small, and the effect of absorbing the unevenness of the conductive porous substrate 16 or preventing the fibers of the conductive porous substrate 16 from piercing the
MPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布して乾燥・焼成した後の硬化塗膜の厚み、即ち、MPL15の乾燥膜厚が、1~300μmの範囲内であれば、表面平滑性の高いMPL15が得られ、良好なガスや水分の透過性、導電性の性能を確保できる。好ましくは、10~100μmの範囲内である。また、導電性多孔質基材16の厚みに対してMPL15の厚みが50%以下であるのが望ましい。厚みの差が適度な範囲内であれば、乾燥・焼成による導電性多孔質基材16とMPL15間における収縮応力が小さく、高い接合強度が得られる。また、ガス拡散層14全体の平滑性が高くなり触媒層13との接触抵抗が小さいものとなるから、触媒層13との良好な密着性により良好な水分管理性及び導電性が発揮される。
If the thickness of the cured coating film after applying the MPL coating paste to the conductive porous substrate 16 and drying and baking, i.e., the dry film thickness of
このようにして導電性多孔質基材16にMPL塗工ペーストを塗布し、それらを乾燥・焼成することによって、MPL塗工ペースト中の分散剤や増粘剤及び溶媒(水分)が除去され、カーボンブラックが撥水性樹脂により結着されたMPL15としての硬化塗膜が導電性多孔質基材16上に形成される。このとき、MPL塗工ペーストが導電性多孔質基材16と共に乾燥焼成されることにより、MPL塗工ペースト中の撥水性樹脂の一部が溶融されてカーボンブラック同士を撥水性樹脂により結着すると共に、カーボンブラックと導電性多孔質基材16の炭素繊維等の導電性材料も結着することで、導電性多孔質基材16との接着性を良くし、形成されるMPL15を強固なものとする。
In this way, the MPL coating paste is applied to the conductive porous substrate 16, and then dried and fired, thereby removing the dispersant, thickener, and solvent (moisture) in the MPL coating paste, and a cured coating film of
こうして、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するMPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布して乾燥・焼成することにより導電性多孔質基材16上に形成した硬化塗膜のMPL15は、カーボンブラック及び撥水性樹脂で構成され、細孔径が0.1~0.5μm程度の極微細な多孔質の層であり、カーボンブラックによる導電性を有し、また、撥水性樹脂による撥水性を有し、更に、細孔(空隙)により水分やガスの透過性を有するものである。 In this way, the MPL coating paste containing carbon black, water-repellent resin, dispersant, and solvent is applied to the conductive porous substrate 16, and then dried and baked to form a cured coating film MPL15 on the conductive porous substrate 16. The cured coating film MPL15 is made of carbon black and water-repellent resin, and is an extremely fine porous layer with pores of about 0.1 to 0.5 μm in diameter. The MPL15 has electrical conductivity due to the carbon black, water repellency due to the water-repellent resin, and moisture and gas permeability due to the pores (voids).
そして、導電性多孔質基材16の表面にMPL塗工ペーストを塗布して、乾燥・焼成することにより、導電性多孔質基材16上にMPL15を形成してなる燃料電池用ガス拡散層14によれば、それが組み込まれた燃料電池1では、MPL15の存在によって隣接する触媒層13との境界で水分が溜り難くなり、ガス拡散性及び水分管理性が向上し発電性能が安定化する。また、MPL15の成分調節により、導電性多孔質基材16のみでは困難である電池の使用環境や運転条件等に応じた性能の細かな制御性を獲得できる。更に、MPL15によって導電性多孔質基材16の起伏を吸収して平滑な表面が得られる。即ち、導電性多孔質基材16の炭素繊維のほつれや毛羽立ちが触媒層13や高分子電解質膜11に突き刺さったり接触したりすることによる短絡(ショート)の発生をMPL15によって回避できる。
Then, the MPL coating paste is applied to the surface of the conductive porous substrate 16, and then dried and baked to form the
特に、本実施の形態のMPL塗工ペーストによれば、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内である高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、ペーストの粘度上昇が抑えられて、導電性多孔質基材16の表面に対し所望とする幅広な塗布幅で塗布できて塗工スジが生じ難く良好な塗工性が得られ、生産性もよい。更に、本実施の形態のMPL塗工ペーストから形成されたMPL15は、塗工スジ等の凹凸や起伏が少なくて表面平滑性が良く、触媒層13との密着性が良いものとなり、触媒層13への食い込みも少なくて機械的ストレスを与え難いものである。また、周速25m/s以上の薄膜旋回法等による高シェア分散で高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであることで、凝集体の再凝集が生じ難く保存安定性も良いものである。
In particular, according to the MPL coating paste of this embodiment, secondary aggregates of carbon black with a high DBP absorption amount, which is in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g, are crushed, so that the viscosity increase of the paste is suppressed, and the paste can be applied to the surface of the conductive porous substrate 16 in a desired wide coating width, and coating streaks are unlikely to occur, resulting in good coating properties and good productivity. Furthermore, the
そして、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、形成されたMPL15は空隙率(気孔率)が高く、また、空隙を均一に分布でき、高ストラクチャによるガスや水分の通路の形成により、ガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。よって、フラッティング(MPL内に生成水の溜りが生じる現象)が生じ難くなり、フラッティングによるガス拡散性の阻害が防止され、また、触媒層13との境界で溜まった水分が凍結することによるガス拡散性の阻害やMPL15の劣化が防止され、電池出力の安定化を図ることができる。 And because the carbon black with high DBP absorption has a high porosity due to its high structure, the formed MPL15 has a high porosity (air porosity) and the pores can be distributed uniformly. The high structure allows for the formation of gas and moisture passages, which improves the diffusibility and drainage of gas and moisture. This makes it difficult for flooding (the phenomenon in which generated water accumulates in the MPL) to occur, preventing the inhibition of gas diffusibility due to flooding, and also preventing the inhibition of gas diffusibility and deterioration of the MPL15 due to the freezing of moisture accumulated at the boundary with the catalyst layer 13, thereby stabilizing the battery output.
また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15において良好な表面平滑性を確保できるうえ、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15の形成により、そのMPL15は、水分が溜り難くて、即ち、フラッティングが生じ難くて、安定した排水性やガス拡散性が得られ、また、塗膜の欠落も生じが難く耐久性も良好なものとなる。触媒層13との密着性が良いことで、接触面での接触抵抗を少なくすることもでき、また、クラックが生じ難く導電性を良好に発揮できるから、発電効率も良くできる。更に、スタッキングのセパレータからの締圧力に耐え得るものであり、セパレータからの締圧力によっても空隙が潰れ難いものでもある。
したがって、空隙率の高いMPL15を形成でき、MPL15のガスや水分の透過性を向上させることが可能であり、MPL15が形成されるガス拡散層14のガス拡散性や水分管理性の性能向上を図ることが可能である。
In addition, when carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), the good coating property of the paste ensures good surface smoothness in the
Therefore, it is possible to form an
そして、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層13の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、歩留まりもよく、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)のフィルタによる濾過で鉄分等の異物の除去できることで、電池の耐久性、寿命を低下させ難いものとなる。 Carbon black with a DBP absorption capacity in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), and is of a size that can pass through a fine mesh filter that allows the removal of foreign matter such as iron that affects the durability and lifespan of the catalyst layer 13 in which the cell reaction occurs. This results in good yield, and the removal of foreign matter such as iron by filtration through a filter with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) makes it less likely to reduce the durability and lifespan of the battery.
次に、本実施の形態に係るMPL塗工ペーストの実施例、また、本実施の形態のMPL塗工ペーストを用いて作製した燃料電池用ガス拡散層(ガス拡散電極)14の実施例について、比較例と共に説明する。
本実施例及び比較例のMPL塗工ペーストは、カーボンブラック、撥水性樹脂、分散剤、及び溶媒を配合したものである。
Next, examples of the MPL coating paste according to this embodiment and examples of the gas diffusion layer (gas diffusion electrode) 14 for a fuel cell produced using the MPL coating paste according to this embodiment will be described together with comparative examples.
The MPL coating paste of the present embodiment and the comparative example is a blend of carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent.
カーボンブラックとしては、アセチレンブラック(例えば、電気化学工業(株)製の「デンカブラック(登録商標)」)を用い、撥水性樹脂としては、フッ素樹脂であるPTFEのエマルジョン(ダイキン工業(株)製:POLYFLON PTFE D-210C[固形分(樹脂分)61%])を用い、分散剤としては、界面活性剤のトリトンX-100を用い(カーボン比で10%の配合)、溶媒としては、イオン交換水を用いた。なお、PTFEエマルジョンには、撥水性樹脂としてのPTFE微粒子を安定化させるための非イオン系界面活性剤(分散剤)も含まれているものである。 As the carbon black, acetylene black (for example, Denka Black (registered trademark) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was used, as the water-repellent resin, an emulsion of PTFE, a fluororesin (POLYFLON PTFE D-210C manufactured by Daikin Industries, Ltd. [solids (resin) 61%]), as the dispersant, the surfactant Triton X-100 was used (10% carbon blend), and as the solvent, ion-exchanged water was used. The PTFE emulsion also contains a non-ionic surfactant (dispersant) to stabilize the PTFE fine particles as the water-repellent resin.
各実施例及び比較例においては、まず、溶媒と分散剤を混合し、スターラを使用して攪拌速度300rpmで10分程度攪拌し、溶媒に分散剤を溶解させた(分散剤混和・溶解工程)。次に、分散剤が溶解した溶媒に、表1に示した所定のカーボンブラックと、PTFEのエマルジョンとを混合し、タービン・ステータ型の高速攪拌機であるホモミクサー(プライミクス株式会社製の「ホモミクサーMARK II 2.5型」)を使用して3000rpmで30分程度攪拌した後、薄膜旋回式高速攪拌機であるフィルミックスR(プライミクス株式会社製の「フィルミックスR56-L型」)を使用して、表1に示した所定の条件で攪拌した(攪拌工程)。 In each example and comparative example, the solvent and dispersant were first mixed and stirred using a stirrer at a stirring speed of 300 rpm for about 10 minutes to dissolve the dispersant in the solvent (dispersant mixing and dissolving process). Next, the solvent in which the dispersant was dissolved was mixed with the specified carbon black and PTFE emulsion shown in Table 1, and stirred at 3000 rpm for about 30 minutes using a homomixer ("Homomixer MARK II 2.5 type" manufactured by Primix Corporation), which is a turbine-stator type high-speed stirrer, and then stirred under the specified conditions shown in Table 1 using Filmix R ("Filmix R56-L type" manufactured by Primix Corporation), which is a thin film swirling high-speed stirrer (mixing process).
実施例1乃至実施例4、実施例7、比較例1及び比較例2では、薄膜旋回法による攪拌後のペーストの粘度を測定し、せん断速度50S-1における粘度が0.5Pa・s以下の範囲内であるペーストについては、そのまま粘度調整を行うことなく、ラムプレス機を使用して0.45MPaの圧力下(押圧力)で目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタを通過させることで鉄異物等を除去するためのフィルタ濾過を行った(濾過工程)。更に、フィルタ通過後のペースト粘度を測定して、せん断速度50S-1における粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のものについてはそれがそのまま仕上がり粘度のMPL塗工ペーストとされ、0.1Pa・s未満のものについては増粘剤を添加して、仕上がり粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内となるように粘度調整し、仕上がり粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のMPL塗工ペーストを得た。 In Examples 1 to 4, Example 7, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the viscosity of the paste after stirring by the thin film swirling method was measured, and for pastes having a viscosity in the range of 0.5 Pa·s or less at a shear rate of 50 S-1 , the paste was passed through a filter with a mesh size of 45 μm (300 mesh) under a pressure (pressing force) of 0.45 MPa using a ram press machine without adjusting the viscosity as it is, thereby performing filter filtration to remove iron foreign matter and the like (filtration process). Furthermore, the viscosity of the paste after passing through the filter was measured, and for those having a viscosity in the range of 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less at a shear rate of 50 S -1 , the paste was used as it is as the MPL coating paste with the finished viscosity, and for those having a viscosity less than 0.1 Pa·s, a thickener was added to adjust the viscosity so that the finished viscosity was in the range of 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less, and an MPL coating paste with a finished viscosity in the range of 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less was obtained.
一方、薄膜旋回法による攪拌後のペーストの粘度が、せん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sを超えたものについては、溶媒(イオン交換水)を添加して粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内となるように粘度調整してから、ラムプレス機を使用して0.45MPaの圧力下(押圧力)で目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタを通過させることで鉄異物等を除去するためのフィルタ濾過を行った(濾過工程)。更に、フィルタ通過後のペースト粘度を測定して、上述と同様、せん断速度50S-1における粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のものについてはそれがそのまま仕上がり粘度のMPL塗工ペーストとされ、0.1Pa・s未満のものについては増粘剤を添加して、仕上がり粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内となるように粘度調整し、仕上がり粘度が0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下の範囲内のMPL塗工ペーストを得た。 On the other hand, when the viscosity of the paste after stirring by the thin film swirling method exceeded 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 , a solvent (ion-exchanged water) was added to adjust the viscosity to within the range of 0.1 Pa·s or more and 0.5 Pa·s or less, and then the paste was passed through a filter with a mesh opening of 45 μm (300 mesh) under a pressure (pressing force) of 0.45 MPa using a ram press machine to perform filter filtration to remove iron foreign matter, etc. (filtration process). Furthermore, the viscosity of the paste after passing through the filter was measured, and as described above, those having a viscosity at a shear rate of 50 S -1 in the range of 0.1 Pa.s or more and 0.5 Pa.s or less were used as the MPL coating paste with the final viscosity as is, and those having a viscosity of less than 0.1 Pa.s were viscosity-adjusted by adding a thickener so that the final viscosity was in the range of 0.1 Pa.s or more and 0.5 Pa.s or less, thereby obtaining an MPL coating paste with a final viscosity in the range of 0.1 Pa.s or more and 0.5 Pa.s or less.
実施例5については、薄膜旋回法による攪拌後、ラムプレス機を使用して0.45MPaの圧力下(押圧力)で目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタを通過させて鉄異物等を除去するためのフィルタ濾過を行った(濾過工程)後に、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.05Pa・sとなるように溶媒を添加し、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.05Pa・sとしたMPL塗工ペーストを得た。
実施例6については、薄膜旋回法による攪拌後、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で1.0Pa・sとなるように増粘剤を添加してから、ラムプレス機を使用して0.45MPaの圧力下(押圧力)で目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタを通過させて鉄異物等を除去するためのフィルタ濾過を行い(濾過工程)、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で1.0Pa・sとしたMPL塗工ペーストを得た。
For Example 5, after stirring by the thin film swirling method, the mixture was passed through a filter with a mesh opening of 45 μm (300 mesh) using a ram press under a pressure (pressing force) of 0.45 MPa to remove iron foreign matter and the like (filtration process), and then a solvent was added so that the final viscosity was 0.05 Pa·s at a shear rate of 50 S - 1 , to obtain an MPL coating paste with a final viscosity of 0.05 Pa·s at a shear rate of 50 S-1.
For Example 6, after stirring by the thin film swirling method, a thickener was added so that the finished viscosity would be 1.0 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 , and then the mixture was passed through a filter with a mesh opening of 45 μm (300 mesh) under a pressure (pressing force) of 0.45 MPa using a ram press to perform filter filtration to remove iron foreign matter and the like (filtration process), thereby obtaining an MPL coating paste with a finished viscosity of 1.0 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 .
ここで、実施例1乃至実施例6では、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンブラックA(電気化学工業(株)製の「デンカブラックLi-250」、平均一次粒子径:37nm、比表面積:58m2/g、ヨウ素吸着量:82mg/g)(以下、「カーボンA」と略記する)を使用してMPL塗工ペーストを作製した。 In Examples 1 to 6, the MPL coating paste was prepared using carbon black A ("Denka Black Li-250" manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average primary particle diameter: 37 nm, specific surface area: 58 m2 /g, iodine adsorption amount: 82 mg/g) (hereinafter abbreviated as "Carbon A") with a DBP absorption capacity of 315 ml/100 g.
実施例1は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン//フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例1に係るMPL塗工ペーストにおいては、カーボンブラック、フッ素樹脂、分散剤等の固形分比率が15%のものである。
実施例2は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速50m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.1Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例2に係るMPL塗工ペーストの固形分比率も15%である。
実施例3は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を5/5とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで100秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.1Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例3に係るMPL塗工ペーストの固形分比率も15%である。
Example 1 is an MPL coating paste that uses carbon A with a DBP absorption of 315 ml/100 g, has a carbon/fluororesin (solid content) blending ratio of 9/1, is stirred for 30 seconds at a peripheral speed of 25 m/s by the thin film swirling method, and has a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . Note that the MPL coating paste according to Example 1 has a solid content ratio of carbon black, fluororesin, dispersant, etc. of 15%.
Example 2 is an MPL coating paste that uses carbon A with a DBP absorption of 315 ml/100 g, has a carbon/fluororesin (solid content) blending ratio of 9/1, and is stirred for 30 seconds at a peripheral speed of 50 m/s by the thin film swirling method, with a finished viscosity of 0.1 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . The solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 2 is also 15%.
Example 3 is an MPL coating paste that uses carbon A with a DBP absorption of 315 ml/100 g, has a carbon/fluororesin (solid content) blending ratio of 5/5, is stirred for 100 seconds at a peripheral speed of 25 m/s by the thin film swirling method, and has a finished viscosity of 0.1 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . The solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 3 is also 15%.
実施例4は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を5/5とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例4に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は20%である。 Example 4 is an MPL coating paste that uses carbon A with a DBP absorption of 315 ml/100 g, has a carbon/fluororesin (solid content) blending ratio of 5/5, is stirred for 30 seconds at a peripheral speed of 25 m/s by the thin film swirling method, and has a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . The solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 4 is 20%.
実施例5は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度をせん断速度50S-1における粘度で0.05Pa・sとしたMPL塗工ペーストである。なお、実施例5に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は12%である。
実施例6は、DBP吸収量が315ml/100gのカーボンAを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度をせん断速度50S-1における粘度で1.0Pa・sとしたMPL塗工ペーストである。なお、実施例6に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は15%である。
Example 5 is an MPL coating paste that uses carbon A with a DBP absorption of 315 ml/100 g, has a carbon/fluororesin (solid content) blending ratio of 9/1, is stirred for 30 seconds at a peripheral speed of 25 m/s by the thin film swirling method, and has a finished viscosity of 0.05 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . The solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 5 is 12%.
Example 6 is an MPL coating paste that uses carbon A with a DBP absorption of 315 ml/100 g, has a carbon/fluororesin (solid content) blending ratio of 9/1, is stirred for 30 seconds at a peripheral speed of 25 m/s by the thin film swirling method, and has a finished viscosity of 1.0 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . The solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 6 is 15%.
更に、実施例7では、DBP吸収量が425ml/100gのカーボンブラックB(電気化学工業(株)製の「デンカブラックLi-100」、平均一次粒子径:35nm、比表面積:68m2/g、ヨウ素吸着量:92mg/g))(以下、「カーボンB」と略記する)を使用してMPL塗工ペーストを作製した。
実施例7は、DBP吸収量が425ml/100gのカーボンBを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速25m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、実施例7に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は8%である。
Furthermore, in Example 7, an MPL coating paste was prepared using carbon black B ("Denka Black Li-100" manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average primary particle diameter: 35 nm, specific surface area: 68 m2 /g, iodine adsorption amount: 92 mg/g) (hereinafter abbreviated as "carbon B") having a DBP absorption amount of 425 ml/100 g.
Example 7 is an MPL coating paste that uses carbon B with a DBP absorption of 425 ml/100 g, has a carbon/fluororesin (solid content) blending ratio of 9/1, is stirred for 30 seconds at a peripheral speed of 25 m/s by the thin film swirling method, and has a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . The solid content ratio of the MPL coating paste according to Example 7 is 8%.
一方、比較例1においては、DBP吸収量が220ml/100gのカーボンブラックC(電気化学工業(株)製の「デンカブラックLi-400」、平均一次粒子径:48nm、比表面積:39m2/g、ヨウ素吸着量:52mg/g))(以下、「カーボンC」と略記する)を使用してMPL塗工ペーストを作製した。
比較例1は、DBP吸収量が220ml/100gのカーボンCを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を9/1とし、薄膜旋回法によるによる攪拌では、周速10m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、比較例1に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は13%である。
On the other hand, in Comparative Example 1, an MPL coating paste was prepared using carbon black C ("Denka Black Li-400" manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average primary particle diameter: 48 nm, specific surface area: 39 m2 /g, iodine adsorption amount: 52 mg/g) (hereinafter abbreviated as "Carbon C") with a DBP absorption capacity of 220 ml/100 g.
Comparative Example 1 is an MPL coating paste that uses carbon C with a DBP absorption of 220 ml/100 g, has a carbon/fluororesin (solid content) blending ratio of 9/1, is stirred for 30 seconds at a peripheral speed of 10 m/s by the thin film swirling method, and has a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . The solid content ratio of the MPL coating paste according to Comparative Example 1 is 13%.
また、比較例2においては、DBP吸収量が510ml/100gのカーボンD(電気化学工業(株)製の「デンカブラックLi-435」、平均一次粒子径:23nm、比表面積:133m2/g、ヨウ素吸着量:180mg/g))(以下、「カーボンD」と略記する)を使用してMPL塗工ペーストを作製した。
この比較例2は、DBP吸収量が510ml/100gのカーボンDを使用し、カーボン/フッ素樹脂(固形分)の配合比率を5/5とし、薄膜旋回法による攪拌では、周速10m/sで30秒間攪拌を行い、仕上がり粘度がせん断速度50S-1における粘度で0.5Pa・sであるMPL塗工ペーストである。なお、比較例2に係るMPL塗工ペーストの固形分比率は13%である。
In addition, in Comparative Example 2, an MPL coating paste was prepared using Carbon D ("Denka Black Li-435" manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., average primary particle diameter: 23 nm, specific surface area: 133 m2 /g, iodine adsorption amount: 180 mg/g) (hereinafter abbreviated as "Carbon D") with a DBP absorption capacity of 510 ml/100 g.
This comparative example 2 is an MPL coating paste that uses carbon D with a DBP absorption of 510 ml/100 g, has a carbon/fluororesin (solid content) blending ratio of 5/5, and is stirred for 30 seconds at a peripheral speed of 10 m/s by the thin film swirling method, and has a finished viscosity of 0.5 Pa·s at a shear rate of 50 S -1 . The solid content ratio of the MPL coating paste according to comparative example 2 is 13%.
なお、上記カーボンブラックのDBP吸収量(ml/100g)は、JIS K 6217-4に準拠し、S-500吸収量測定装置(あさひ総研社製)を用いて、カーボンブラックにDBP(フタル酸ジブチル)を添加したときの粘度特性の変化によって発生するトルクを検出し、最大トルクの70%時のDBP添加量を試料100g当たりに換算して求めたものである。
また、上記粘度は、E型粘度計(東機産業製)を使用して測定したものである。
The DBP absorption (ml/100 g) of the carbon black was determined in accordance with JIS K 6217-4 by detecting the torque generated due to the change in viscosity characteristics when DBP (dibutyl phthalate) is added to carbon black using an S-500 absorption measuring device (manufactured by Asahi Research Institute Co., Ltd.) and converting the amount of DBP added at 70% of the maximum torque into a value per 100 g of sample.
The viscosity was measured using an E-type viscometer (manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.).
ここで、各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストについて、鉄異物等を除去するための所定のフィルタに対する通過性の評価を行った。各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストは、上述したように、ラムプレス機を使用して目開き45μmの300メッシュのフィルタに対して0.45MPaの押圧力で押出して通過させたものであるが、そのときの0.45MPaの押出圧力で目開き45μmの300メッシュのフィルタを全く変形させることなく通過させることができたMPL塗工ペーストについては、カーボンブラックの凝集物(凝集粒子)によるフィルタの目詰まりが抑制されており、カーボンブラック製品に含有する鉄異物等を除去するための細かい目のフィルタを容易に通過できて生産性が良好であり、また、導電性多孔質基材16に塗布する際の粘度特性(流動特性)も良くて、平滑性が良好な塗工性が得られるものとして◎の評価とし、MPL塗工ペーストの押出の際に、フィルタがやや変形したものについては〇と評価し、フィルタが破れたものは、生産性の低下、鉄異物等の除去率が低下することから×と評価した。このときの評価結果は表1の下段に示した通りである。 Here, the MPL coating pastes of each Example and Comparative Example were evaluated for passability through a predetermined filter for removing iron foreign matter, etc. As described above, the MPL coating pastes of each Example and Comparative Example were extruded and passed through a 300-mesh filter with an opening of 45 μm using a ram press machine at a pressing force of 0.45 MPa. The MPL coating pastes that could pass through the 300-mesh filter with an opening of 45 μm without any deformation at that time at an extrusion pressure of 0.45 MPa suppressed clogging of the filter due to carbon black aggregates (aggregated particles), and could easily pass through a fine-mesh filter for removing iron foreign matter, etc. contained in carbon black products, and had good productivity. In addition, the viscosity characteristics (flow characteristics) when applied to the conductive porous substrate 16 were good, and the coating properties with good smoothness were evaluated as ◎. Filters that were slightly deformed during extrusion of the MPL coating paste were evaluated as ◯, and filters that were torn were evaluated as × due to reduced productivity and reduced removal rate of iron foreign matter, etc. The evaluation results at this time are shown in the lower part of Table 1.
更に、各実施例及び比較例に係るMPL塗工ペーストは、薄膜塗布工具(ダイヘッド)を用いて移動速度1.0m/min、目付け3.5mg/cm2の条件で、導電性多孔質基材16として、フッ素樹脂溶液に含浸して撥水処理した不織布炭素繊維シートの片面に塗布し、300℃で10分間乾燥、焼成させた。これより、導電性多孔質基材16としての撥水処理された不織布炭素繊維シートの表面に塗布したMPL塗工ペーストからMPL15となる硬化塗膜を形成し、不織布炭素繊維シートからなる導電性多孔質基材16とMPL塗工ペーストから形成された硬化塗膜からなるMPL15とで構成されるガス拡散層14を作製した。
Furthermore, the MPL coating paste according to each Example and Comparative Example was applied to one side of a nonwoven carbon fiber sheet impregnated with a fluororesin solution and treated for water repellency as the conductive porous substrate 16 using a thin film coating tool (die head) at a moving speed of 1.0 m/min and a basis weight of 3.5 mg/cm2, and then dried and baked for 10 minutes at 300 ° C. As a result, a cured coating film that becomes
このとき各実施例及び比較例に係るMPL塗工ペーストについて、導電性多孔質基材16としての撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布したときのぺーストの粘度特性を裏抜け(ペーストが塗布面とは反対側の導電性多孔質基材16の裏面側に抜ける現象)の様子から観察した。各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストにおいて、撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布を行ったときに、撥水処理された不織布炭素繊維シートにMPL塗工ペーストが浸み込んでも不織布炭素繊維シートの塗布面とは反対側の面で、MPL塗工ペーストの浸み込み部分の外接円が6mm2/個以下であれば、MPL塗工ペーストの成分が導電性多孔質基材16の空隙(孔)を埋めることによる水分やガスの透過性低下が抑制されており、ペースト成分の裏抜けを抑制できる適度に高い粘度特性(流動特性)であるとして◎と評価し、外接円が6mm2/個を超える個数が3個/m2以下のものについては〇と評価した。 At this time, for the MPL coating paste according to each Example and Comparative Example, the viscosity characteristics of the paste when applied to a water-repellent treated nonwoven carbon fiber sheet as the conductive porous substrate 16 were observed from the state of strike-through (the phenomenon in which the paste penetrates to the back side of the conductive porous substrate 16 opposite the coating surface). In the MPL coating paste of each Example and Comparative Example, when the paste is applied to a water-repellent treated nonwoven carbon fiber sheet, even if the MPL coating paste penetrates into the water-repellent treated nonwoven carbon fiber sheet, if the circumscribed circle of the MPL coating paste soaked in is 6 mm 2 / piece or less on the surface opposite the coating surface of the nonwoven carbon fiber sheet, the components of the MPL coating paste fill the voids (holes) of the conductive porous substrate 16, thereby suppressing the decrease in moisture and gas permeability, and the paste components have a moderately high viscosity characteristic (flow characteristic) that can suppress strike-through. The paste was evaluated as ◎, and the number of circumscribed circles exceeding 6 mm 2 / piece was 3 pieces / m 2 or less.
更に、各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストを撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布し、乾燥・焼成することにより不織布炭素繊維シート上に形成されたMPL15としての硬化塗膜について、光学顕微鏡を用いて表面クラックの有無を確認した。具体的には、不織布炭素繊維シート上に形成されたMPL15としての硬化塗膜の任意の10か所で10mm×10mmのサイズで光学顕微鏡写真を1枚ずつ撮影し、任意の10か所のうち、9か所以上で、長軸の長さ0.5mm以上のクラック(塗膜の亀裂)が2つ以下であれば、塗膜強度に優れると判断して◎と評価し、8か所以上で長軸の長さ0.5mm以上のクラックが3つ以上のものは、実用的でないと判断し×と評価した。 Furthermore, the MPL coating paste of each Example and Comparative Example was applied to a water-repellent treated nonwoven carbon fiber sheet, and the cured coating film as MPL15 formed on the nonwoven carbon fiber sheet by drying and baking was examined for the presence or absence of surface cracks using an optical microscope. Specifically, optical microscope photographs of 10 mm x 10 mm size were taken at 10 arbitrary locations of the cured coating film as MPL15 formed on the nonwoven carbon fiber sheet, and if there were 2 or less cracks (cracks in the coating film) with a major axis length of 0.5 mm or more at 9 or more of the arbitrary 10 locations, the coating film was judged to have excellent coating strength and rated as ◎, and if there were 3 or more cracks with a major axis length of 0.5 mm or more at 8 or more locations, the coating film was judged to be impractical and rated as ×.
また、各実施例及び比較例のMPL塗工ペーストを撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布し、乾燥・焼成することにより不織布炭素繊維シート上に硬化塗膜を形成して作製した、不織布炭素繊維シートからなる導電性多孔質基材16とMPL塗工ペーストから形成された硬化塗膜からなるMPL15とで構成されるガス拡散層14について、そのガス拡散抵抗を測定して、ガス拡散性を評価した。具体的には、作製したガス拡散層14から、直径4.7cmの円形サンプルを切り出し、そのガス拡散層サンプルのMPL15側の面から反対側の面に向かって、空気を58cc/min/cm2の流速で透過させたちときの、MPL15側の面とその反対側の面(不織布炭素繊維シートの面)との差圧を差圧計で測定することによりガス拡散抵抗を調べた。このときの差圧が小さいほどガス拡散抵抗が小さくガス拡散性(ガス透過性)が高いといえ、ガス拡散抵抗が25mmAq以下のものは、ガス拡散性に優れるものと判断して◎と評価し、25mmAqを超え50mmAq以下のものについては、×と評価した。
これらの評価結果は表1の下段に示した通りである。
In addition, the MPL coating paste of each Example and Comparative Example was applied to a water-repellent treated nonwoven carbon fiber sheet, and dried and baked to form a cured coating on the nonwoven carbon fiber sheet. The
The evaluation results are shown in the lower part of Table 1.
表1に示したように、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラック、詳細には、DBP吸収量が315ml/100gであるカーボンAやDBP吸収量が425ml/100gであるカーボンBを使用し、配合材料をタービン・ステータ型攪拌式で攪拌したのち、薄膜旋回法により周速25m/s以上の高シェアで攪拌して作製した実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストでは、何れも、目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)のフィルタに対し0.45MPaの押圧力でフィルタを大きく変形させることなく、即ち、目詰まりを生じさせることなく容易に通過できたものであった。 As shown in Table 1, the MPL coating pastes of Examples 1 to 7 were prepared by using carbon black with a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g, specifically carbon A with a DBP absorption of 315 ml/100 g and carbon B with a DBP absorption of 425 ml/100 g, and mixing the compounded materials with a turbine-stator type mixing system, followed by mixing with a high shear at a peripheral speed of 25 m/s or more using the thin film rotation method. All of the pastes could easily pass through a 45 μm mesh (300 mesh) filter at a pressing force of 0.45 MPa without significantly deforming the filter, i.e., without causing clogging.
また、実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストでは、何れも、導電性多孔質基材16としての不織布炭素繊維シートに塗布した際にもペーストの裏抜けが少なく、適度な粘度特性で塗工性に優れるものであった。
更に、実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストを撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布して、乾燥・焼成させることで形成したMPL15の硬化塗膜は表面のクラックが少なくて塗膜強度に優れるものであった。
In addition, all of the MPL coating pastes of Examples 1 to 7 had little bleed-through when applied to a nonwoven carbon fiber sheet as the conductive porous substrate 16, and had moderate viscosity characteristics and excellent coatability.
Furthermore, the MPL15 cured coating film formed by applying the MPL coating paste of Examples 1 to 7 to a water-repellent treated nonwoven carbon fiber sheet and then drying and baking had few cracks on the surface and excellent coating strength.
そして、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックを使用した実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストによれば、ガス拡散性に優れるガス拡散層14を得ることができた。
即ち、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックを使用した実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストを撥水処理された不織布炭素繊維シートに塗布して、乾燥・焼成させることで作製した硬化塗膜からなるMPL15と不織布炭素繊維シートからなる導電性多孔質基材16とで構成されたガス拡散層14については、DBP吸収量が220ml/100gであるカーボンブラックを使用した比較例1のものと比較して、差圧が小さくてガス透過性が向上し、ガス拡散性に優れるものであった。
これは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックでは、ストラクチャ構造が発達していることで、高シェアで分散されていてもその一次凝集体では高空隙が維持されているため、MPL塗工ペーストの硬化塗膜として形成されたMPL15の空隙率を高めることができたためである。
Furthermore, according to the MPL coating pastes of Examples 1 to 7, which used carbon black with a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g, a
That is, the
This is because carbon black with a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a well-developed structure, so that even when dispersed at a high shear, the primary aggregates maintain a high degree of porosity, thereby making it possible to increase the porosity of MPL15 formed as a cured coating film of the MPL coating paste.
これに対し、DBP吸収量が300ml/100g未満であるカーボンブラック、詳細には、DBP吸収量が220ml/100gであるカーボンCを用いた比較例1のMPL塗工ペーストでは、せん断速度50S-1における粘度が0.5Pa・Sの仕上がり粘度であっても、得られたガス拡散層14はガス拡散性に劣るものであった。
In contrast, in the MPL coating paste of Comparative Example 1, which used carbon black having a DBP absorption of less than 300 ml/100 g, specifically, carbon C having a DBP absorption of 220 ml/100 g, the resulting
また、DBP吸収量が500ml/100gを超えるカーボンブラック、詳細には、DBP吸収量が510ml/100gであるカーボンDを用いた比較例2のMPL塗工ペーストから形成されたMPL15の硬化塗膜においては、クラックが多く見られ、塗膜強度に劣るものであった。
これは、DBP吸収量が500ml/100gを超えるカーボンブラックでは、ストラクチャ構造が大きく発達していることで、高シェアで分散され二次凝集体が解砕されてもその一次凝集体では高空隙率が維持されており、DBP吸収量が500ml/100gを超えるカーボンブラックではMPL15の空隙率が高くなりすぎることで、塗膜強度が低下しクラックが多く生じたものと推測できる。
Furthermore, in the cured coating film of MPL15 formed from the MPL coating paste of Comparative Example 2, which used carbon black with a DBP absorption of more than 500 ml/100 g, specifically, carbon D with a DBP absorption of 510 ml/100 g, many cracks were observed and the coating film strength was poor.
This is thought to be because carbon black with a DBP absorption of more than 500 ml/100 g has a highly developed structure, so even when it is dispersed at a high shear and the secondary agglomerates are broken down, the primary agglomerates maintain a high porosity; and because carbon black with a DBP absorption of more than 500 ml/100 g has an excessively high porosity for MPL15, which reduces the coating strength and causes many cracks.
即ち、DBP吸収量が高すぎるものでは、空隙率が高くなり過ぎることでMPL15の硬化塗膜が脆くなるが、MPL15の硬化塗膜が脆いと、触媒層13との密着性も低下することで、MPL15内に生成水の溜りができるフラッティングが生じやすくなり、ガス拡散性及び排水性が低下して、電池性能が低下することになる。即ち、MPL15の表面クラックが多いと、燃料電池1に組み込まれた際に触媒層13とガス拡散層14の密着性が低下し、それらの層間に空隙が生じそこに液水が溜まることで水分管理性が低下することになる。一方、塗膜の厚みを増やすことで、所定の強度を得る対応も可能であるが、MPL15の厚みが増えるとガス拡散抵抗が増大しガス拡散性等を低下させることになり、電池性能の低下を招くことになる。
これに対し、実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストによれば、MPL15のクラックが生じ難い塗膜強度が得られることで、触媒層13との密着性も良くてフラッティングを抑制できることでガスや水分の透過性、水分管理性が低下することなく安定した電池性能を得ることが可能となる。
That is, if the DBP absorption amount is too high, the porosity becomes too high, and the cured coating film of MPL15 becomes brittle, but if the cured coating film of MPL15 is brittle, the adhesion with the catalyst layer 13 also decreases, and flooding in which generated water accumulates in MPL15 occurs easily, and gas diffusion and drainage properties decrease, resulting in a decrease in cell performance. That is, if there are many surface cracks in MPL15, the adhesion between the catalyst layer 13 and the
In contrast, the MPL coating pastes of Examples 1 to 7 provide a coating strength that makes the
こうして、実施例1乃至実施例7のMPL塗工ペーストでは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックを使用し、そのカーボンブラックと、撥水性樹脂としてのフッ素樹脂とを分散剤が溶解された水に混合し、それらを薄膜旋回型の高速攪拌機によって高シェアで攪拌することで、ストラクチャが高発達したカーボンブラックであってもその二次凝集体が数μmまで解砕されたことにより、0.45MPaの押圧力下で、金属分等の異物を取り除くことができる目開き45μmのメッシュ(300メッシュ)の目の細かいフィルタを目詰まりさせることなく通過させることができる。よって、生産性を低下させることなく、電池の耐久性、寿命の低下を招くカーボンブラック製品中の金属分等の異物を取り除くことが可能であり、電池の耐久性を良好なものとすることができる。 In this way, in the MPL coating pastes of Examples 1 to 7, carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g is used, and the carbon black and fluororesin as a water-repellent resin are mixed with water in which a dispersant is dissolved, and they are stirred at high shear with a thin-film swirling type high-speed mixer. As a result, even carbon black with a highly developed structure has its secondary aggregates broken down to several μm, and can pass through a fine mesh filter with a mesh opening of 45 μm (300 mesh) that can remove foreign matter such as metals under a pressing force of 0.45 MPa without clogging. Therefore, it is possible to remove foreign matter such as metals from carbon black products that reduce the durability and life of batteries without reducing productivity, and the durability of the batteries can be improved.
そして、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックでは、その二次凝集体を数μmまで解砕しても、そのストラクチャ構造の空隙率が高いことで、それを含んだMPL塗工ペーストを導電性多孔質基材16に塗布し、乾燥・焼成することで形成した硬化塗膜のMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックによる高空隙率によって、ガスや水分の透過性に優れ、優れたガス拡散性や水分管理性が得られるものとなる。
Carbon black with a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a high porosity in its structure, even when its secondary aggregates are broken down to a few μm. When an MPL coating paste containing the carbon black is applied to a conductive porous substrate 16 and then dried and fired to form a cured coating film,
特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックであれば、高い空隙率と耐クラック性を両立できる。即ち、MPL15の空隙率が高すぎると、MPL15にクラックが生じやすくなり、MPL15にクラックがあると、耐久性も低く、MPL15の特性を十分に発揮させることができないばかりか、触媒層13との間に水分が溜まりやすいことから、水分制御性が低下し安定した電池性能が得られ難いものとなる。また、クラックと触媒層13の界面に溜まった水が氷点下時に凍結し、MPL15と触媒層13が剥離しそれらの一部が欠落してしまうことで、燃料電池1の性能に悪影響を与え、燃料電池1の寿命を短くする恐れもある。
In particular, carbon black with a DBP absorption rate in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g can achieve both high porosity and crack resistance. That is, if the porosity of
DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックであれば、高い空隙率と塗膜強度が両立し、塗膜強度が良好であることで触媒層13との密着性も良くて接触抵抗ムラを少なくでき均一な厚さにできることで、導電性も良く、また、クラックやMPL15内に生成水の溜りができるフラッティングも生じ難く、更にスタッキングの圧力に耐え得る圧縮強度や低圧縮クリープ性が得られることから、ガス拡散層14において安定して優れたガス拡散性や水分管理性が発揮され、安定した高い電池性能が得られるものとなる。更に、上述したように、生産性を低下させることなく金属分等の異物を取り除くことができる目の細かいフィルタを通過させることができ、そこで金属分等の異物を取り除くことができるから、電池の寿命、耐久性も良好にできる。更に、高DBP吸収量のカーボンブラックでは、高発達したストラクチャのネットワークによる導電性の向上効果が期待できる。
Carbon black with DBP absorption in the range of 300ml/100g to 500ml/100g has both high porosity and coating strength, and the good coating strength provides good adhesion to the catalyst layer 13, reduces uneven contact resistance, and allows for a uniform thickness, resulting in good conductivity. In addition, cracks and flooding in the
ところで、本発明者らの実験研究によれば、カーボンブラックと撥水性樹脂(固形分)の比率は、重量比で9/1~5/5の範囲内であるのが好ましい。カーボンブラックに対する撥水性樹脂(固形分)の配合比率が低すぎると、樹脂分によるカーボンブラックの結着が弱く、MPL15の硬化塗膜にクラックが生じやすくなり、塗膜強度が低下する。更に、MPL15と導電性多孔質基材16との結着性も低下し、接触抵抗が高まる。一方で、カーボンブラックに対する撥水性樹脂(固形分)の配合比率が高すぎると、樹脂分が多くなり過ぎることで、樹脂分が空隙(カーボン粒子の間隙)を塞ぐことで空隙率、ガス拡散性が低下する。カーボンブラックと撥水性樹脂(固形分)の比率が、好ましくは、重量比で9/1~5/5の範囲内であれば、クラックが生じ難くて高い塗膜強度で、かつ、ガス拡散性の高いマイクロポーラス層の硬化塗膜が得られる。 According to the inventors' experimental research, the ratio of carbon black to water-repellent resin (solid content) is preferably within the range of 9/1 to 5/5 by weight. If the blending ratio of water-repellent resin (solid content) to carbon black is too low, the binding of carbon black by the resin is weak, cracks are likely to occur in the cured coating film of MPL15, and the coating film strength is reduced. Furthermore, the binding between MPL15 and the conductive porous substrate 16 is also reduced, and the contact resistance is increased. On the other hand, if the blending ratio of water-repellent resin (solid content) to carbon black is too high, the resin content becomes too high, and the resin content blocks the voids (gaps between carbon particles), resulting in a decrease in porosity and gas diffusion. If the ratio of carbon black to water-repellent resin (solid content) is preferably within the range of 9/1 to 5/5 by weight, a cured coating film of a microporous layer that is less likely to crack, has high coating film strength, and has high gas diffusion properties can be obtained.
更に、本発明者らの実験研究によれば、MPL塗工ペーストの固形分比率は、5質量%以上、40質量%以下が好ましい。カーボン、撥水性樹脂等の固形分比率が小さすぎると、MPL成膜時の収縮応力が大きくなることもあって、MPL15の硬化塗膜にクラックが生じやすくなり、塗膜強度が低下する。一方で、固形分比率が大きすぎるものでは、空隙率が低下することでガス拡散性が低下する。MPL塗工ペーストの固形分比率が、好ましくは、5質量%以上、40質量%以下であれば、クラックが生じ難くて高い塗膜強度で、かつ、ガス拡散性の高いMPL15の硬化塗膜が得られる。より好ましくは、5質量%以上、30質量%以下、更に好ましくは、5質量%以上、25質量%以下である。 Furthermore, according to the experimental research of the present inventors, the solid content ratio of the MPL coating paste is preferably 5% by mass or more and 40% by mass or less. If the solid content ratio of carbon, water-repellent resin, etc. is too small, the shrinkage stress during MPL film formation may become large, making the cured coating film of MPL15 more likely to crack and reducing the coating film strength. On the other hand, if the solid content ratio is too large, the porosity decreases and the gas diffusion properties decrease. If the solid content ratio of the MPL coating paste is preferably 5% by mass or more and 40% by mass or less, a cured coating film of MPL15 that is less likely to crack, has high coating film strength, and has high gas diffusion properties can be obtained. More preferably, it is 5% by mass or more and 30% by mass or less, and even more preferably, it is 5% by mass or more and 25% by mass or less.
また、本発明者らの実験研究によれば、薄膜旋回法による攪拌においては、その周速を25m/s以上とするのが好ましい。周速が遅すぎると、高DBP吸収量のカーボンの二次凝集体が十分に解砕されず、触媒層13の耐久性、即ち、電池の耐久性、寿命を損なうことになる鉄異物等を除去するための目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過させるときに、目詰まりを生じさせ、生産性が低下したり、フィルタの通過が困難になったりすることで電池の耐久性、寿命を低下させることになる。また、塗工性が低下し、硬化塗膜が表面不良となり触媒層13との密着性が低下することでMPL15内に生成水が溜まりフラッティングが生じやすくなり排水性が低下する。一方、実施例2で示したように、周速を50m/sとしても、導電性多孔質基材16への塗布した際でもペーストの裏抜けが生じ難く、ガス拡散性にも優れるものである。特に、周速を高めることにより、二次凝集径の微小化が可能であり、また、二次凝集径の均一化が可能であり、硬化塗膜の均一化を可能とする。
In addition, according to the inventors' experimental research, in the stirring by the thin film swirling method, the peripheral speed is preferably 25 m/s or more. If the peripheral speed is too slow, the secondary aggregates of carbon with a high DBP absorption amount are not sufficiently disintegrated, and when passing through a fine filter with a mesh size of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) for removing iron foreign matter that will impair the durability of the catalyst layer 13, i.e., the durability and life of the battery, clogging occurs, productivity decreases, and it becomes difficult to pass through the filter, which reduces the durability and life of the battery. In addition, the coating property decreases, the cured coating film has a poor surface, and the adhesion with the catalyst layer 13 decreases, so that the generated water accumulates in the
薄膜旋回法の高速撹拌機の性能限界を考慮すれば、薄膜旋回法による攪拌時の周速は25m/s以上、60m/s以下であれば、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過できる二次凝集径のサイズまで高DBP吸収量のカーボンの二次凝集体が十分に解砕されることで、良好な粘度特性(流動特性)で塗布時に表面不良が生じ難く十分な塗工幅が確保できる良好な塗工性が得られることにより、触媒層13との密着性もよく、安定した水分管理性の確保により安定した電池性能が得られ、また、電池の耐久性、寿命も良好に確保できるものとなる。 Considering the performance limits of the high-speed agitator for the thin film swirling method, if the peripheral speed during stirring using the thin film swirling method is 25 m/s or more and 60 m/s or less, the secondary agglomerates of carbon with a high DBP absorption capacity are sufficiently broken down to a secondary agglomerate size that can pass through a fine filter with a mesh size of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), and good viscosity characteristics (flow characteristics) are obtained, and good coatability is obtained that is unlikely to cause surface defects during coating and ensures a sufficient coating width, resulting in good adhesion to the catalyst layer 13 and stable moisture management, resulting in stable battery performance, and also ensuring good battery durability and lifespan.
更に、本発明者らの実験研究によれば、薄膜旋回法による上記周速の攪拌においては、その攪拌時間を20秒以上が好ましく、より好ましくは、25秒以上、更に好ましくは、30秒以上とするのが好ましい。攪拌時間が短すぎると、高DBP吸収量のカーボンの二次凝集体が十分に解砕されず、触媒層13の耐久性、即ち、電池の耐久性、寿命を損なうことになる鉄異物等を除去するための目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過させるときに、目詰まりを生じさせ、生産性が低下したり、フィルタの通過が困難になったりすることで電池の耐久性、寿命を低下させることになる。一方、攪拌時間が過度に長時間であっては、粘度の過度な低下により導電性多孔質基材16への塗布時にペースト成分の裏抜けが生じてしまう。増粘剤の添加によって粘度を上げることもできるが、増粘剤の使用はそれを分解するための焼成時間を長くすることになり、増粘剤の使用及び焼成の高負荷による高コスト化及び生産性の低下を招くことになる。薄膜旋回法における攪拌時間が好ましくは、20秒以上、200秒以下、より好ましくは、25秒以上、150秒以下、更に好ましくは、30秒以上、100秒以下であれば、生産性の低下やコスト増を招くことなく、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過できる二次凝集径のサイズまで高DBP吸収量のカーボンの二次凝集体が十分に解砕されることで、良好な粘度特性(流動特性)で塗布時に表面不良が生じ難く十分な塗工幅が確保できる良好な塗工性が得られることにより、触媒層13との密着性もよく、安定した水分管理性の確保により安定した電池性能が得られ、また、電池の耐久性、寿命も良好に確保できるものとなる。 Furthermore, according to the inventors' experimental research, in the stirring at the above peripheral speed by the thin film swirling method, the stirring time is preferably 20 seconds or more, more preferably 25 seconds or more, and even more preferably 30 seconds or more. If the stirring time is too short, the secondary aggregates of carbon with a high DBP absorption amount are not sufficiently broken down, and when passing through a fine filter with a mesh size of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) for removing iron foreign matter that will impair the durability of the catalyst layer 13, i.e., the durability and life of the battery, clogging occurs, productivity decreases, and it becomes difficult to pass through the filter, which reduces the durability and life of the battery. On the other hand, if the stirring time is too long, the viscosity will be excessively reduced, causing the paste components to run through the back when applied to the conductive porous substrate 16. The viscosity can be increased by adding a thickener, but the use of a thickener will lengthen the firing time to decompose it, leading to high costs and reduced productivity due to the use of a thickener and the high load of firing. If the stirring time in the thin film swirling method is preferably 20 seconds or more and 200 seconds or less, more preferably 25 seconds or more and 150 seconds or less, and even more preferably 30 seconds or more and 100 seconds or less, the secondary aggregates of carbon with a high DBP absorption amount are sufficiently disintegrated to a secondary aggregate size that can pass through a fine filter with a mesh size of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) without causing a decrease in productivity or an increase in cost. This results in good viscosity characteristics (flow characteristics) that are unlikely to cause surface defects during application, and good coatability that ensures a sufficient coating width. This results in good adhesion to the catalyst layer 13, and stable moisture management, resulting in stable battery performance, and also ensures good battery durability and life.
加えて、本発明者らの実験研究によれば、MPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度は、好ましくは、0.05Pa・s以上、1.0Pa・s以下、より好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下、更に好ましくは、0.1Pa・s以上、0.5Pa・s以下である。粘度が低すぎると、導電性多孔質基材16への塗布時にペーストの裏抜けが生じ、導電性多孔質基材16の空隙を塞いでガスや水分の透過性を低下させることになる。一方で、粘度が高すぎると、導電性多孔質基材16に塗布するときの表面平滑性が低下し、また、所望の塗工幅での塗工が困難になり生産性が低下し、良好な塗工性が得られない。更に、触媒層13の耐久性を損なうことになる金属分等の異物を取り除くことができる目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過させるときの圧力損失が大きくなりフィルタの通過も困難である。MPL塗工ペーストのせん断速度50S-1における粘度は、好ましくは、0.05Pa・s以上、1.0Pa・s以下、より好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下、更に好ましくは、0.1Pa・s以上、0.9Pa・s以下であれば、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)の目の細かいフィルタを通過できる良好な粘度特性が得られ生産性も良好であり、また、塗布時に表面不良が生じ難く十分な塗工幅が確保できる良好な塗工性が得られ、触媒層13との密着性もよく安定した水分管理性の確保により安定した電池性能が得られ、更に、電池の耐久性、寿命も良好に確保できるものとなる。 In addition, according to the experimental research of the present inventors, the viscosity of the MPL coating paste at a shear rate of 50 S -1 is preferably 0.05 Pa.s or more and 1.0 Pa.s or less, more preferably 0.1 Pa.s or more and 0.9 Pa.s or less, and even more preferably 0.1 Pa.s or more and 0.5 Pa.s or less. If the viscosity is too low, the paste will penetrate through the conductive porous substrate 16 when applied to the conductive porous substrate 16, blocking the voids in the conductive porous substrate 16 and reducing the permeability of gas and moisture. On the other hand, if the viscosity is too high, the surface smoothness when applied to the conductive porous substrate 16 will decrease, and coating at the desired coating width will become difficult, productivity will decrease, and good coating properties will not be obtained. Furthermore, when passing through a fine filter with a mesh opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) that can remove foreign matter such as metal components that will impair the durability of the catalyst layer 13, the pressure loss will increase and it will be difficult to pass through the filter. The viscosity of the MPL coating paste at a shear rate of 50 S -1 is preferably 0.05 Pa.s or more and 1.0 Pa.s or less, more preferably 0.1 Pa.s or more and 0.9 Pa.s or less, and even more preferably 0.1 Pa.s or more and 0.9 Pa.s or less, so that good viscosity characteristics that allow the paste to pass through a fine filter with a mesh size of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less) can be obtained, and productivity is good. In addition, good coatability is obtained in which surface defects are unlikely to occur during coating and a sufficient coating width can be ensured, and good adhesion to the catalyst layer 13 is also achieved, and stable moisture controllability is ensured, resulting in stable battery performance, and further, the durability and life of the battery can be well ensured.
以上説明してきたように、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストであって、カーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものである。 As described above, the coating paste for forming a microporous layer in the above embodiment is a coating paste for forming a microporous layer that contains carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, and the carbon black has a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g or more and 500 ml/100 g or less and has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less).
したがって、本実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、ペーストの粘度上昇が抑えられて、導電性多孔質基材16の表面に対し良好な塗工性でMPL15を形成でき、そのMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高く、また、空隙が均一に分布され、高ストラクチャ構造によるガスや水分の通路の形成によりガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。また、MPL15を良好な平滑性にできることで、触媒層13との良好な密着性が得られる。よって、フラッティングが生じ難くガス拡散層14のガス拡散性及び水分管理性を向上させることができ、電池出力、発電性能の安定化、電池性能の向上を図ることができる。
Therefore, according to the coating paste for forming the microporous layer of this embodiment, the secondary aggregates of carbon black with high DBP absorption are crushed, so that the viscosity increase of the paste is suppressed, and
特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15において良好な表面平滑性を確保できるうえ、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15の形成により、そのMPL15においては、水分が溜り難くて排水性も高く、高いガス拡散性が維持され、更に、耐久性も良好なものとなる。 In particular, when carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), the paste's good coatability ensures good surface smoothness in MPL15, and it is possible to achieve both high porosity and coating strength that is less susceptible to cracking. Therefore, by forming an MPL15 that has high porosity but good surface smoothness, is less susceptible to cracking, and has good adhesion to the catalyst layer 13, the MPL15 is less likely to accumulate moisture, has high drainage properties, maintains high gas diffusion properties, and also has good durability.
また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層13の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、電池の耐久性、寿命を低下させ難いものである。
よって、空隙率の高いMPL15を形成でき、MPL15のガスや水分の透過性を向上させることが可能であり、MPL15が形成されるガス拡散層14のガス拡散性や水分管理性の性能向上を図ることが可能となる。
In addition, when carbon black having a DBP absorption amount within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration diameter that passes through a mesh with an opening size of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), the carbon black is of a size that can pass through a fine mesh filter that enables the removal of foreign matter such as iron that affects the durability and lifespan of the catalyst layer 13 in which the cell reaction takes place, and is therefore unlikely to reduce the durability and lifespan of the battery.
Therefore, it is possible to form an
更に、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストにおいて、カーボンブラックと撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であれば、形成するMPL15の硬化塗膜において樹脂分による接着性(結着性)が良好でクラックが生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制されるから、MPL15の塗膜強度とガスや水分の透過性を両立できることで、ガス拡散層14の高いガス拡散性や水分管理性をより良好に発揮できる。
Furthermore, in the coating paste for forming the microporous layer of the above embodiment, if the weight ratio of carbon black to water-repellent resin is within the range of 9/1 to 5/5, the adhesiveness (binding properties) of the resin in the cured coating film of MPL15 formed is good and cracks are unlikely to occur, and clogging of voids due to excess resin is suppressed, so that the coating film strength of MPL15 and gas and moisture permeability can be achieved at the same time, and the high gas diffusion and moisture management properties of the
加えて、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストにおいて、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であれば、ガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16への塗布時にペーストの裏抜け(ペーストの塗布面とは反対側の導電性多孔質基材の裏面側に抜ける現象)を抑制でき、かつ、所望の塗工幅で平滑性が良好なMPL15の硬化塗膜を形成できて塗工性が良好なものとなる。よって、導電性多孔質基材16の空隙率を低下させることなく、平滑なMPL15が得られ触媒層13への密着性を高めることができるから、ガス拡散層14のガス拡散性や水分管理性がより安定化する。
In addition, in the coating paste for forming the microporous layer of the above embodiment, if the viscosity at a shear rate of 50 s -1 is within the range of 0.05 Pa.s to 1.0 Pa.s, the back penetration of the paste (the phenomenon of the paste penetrating to the back side of the conductive porous substrate opposite to the coated surface) can be suppressed when applied to the conductive porous substrate 16 constituting the
また、上記実施の形態は、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法であって、分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して薄膜旋回法により攪拌するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法の発明と捉えることができる。 The above embodiment can also be considered as an invention of a method for producing a coating paste for forming a microporous layer, which contains carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, in which carbon black and a water-repellent resin having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g are mixed into a solvent containing a dispersant, and the mixture is stirred by a thin film swirling method.
上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、薄膜旋回法による高シェアで配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を解砕することができ、ペーストの粘度上昇を抑えることができる。好ましくは、周速25m/s~周速60m/sの攪拌で配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を高効率で解砕することができる。 According to the manufacturing method of the coating paste for forming a microporous layer in the above embodiment, the secondary agglomerates of carbon black with high DBP absorption can be broken down by dispersing the compounding materials with a high shear by the thin film swirling method, and the increase in viscosity of the paste can be suppressed. Preferably, the secondary agglomerates of carbon black with high DBP absorption can be broken down with high efficiency by dispersing the compounding materials with stirring at a peripheral speed of 25 m/s to 60 m/s.
したがって、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕され粘度上昇が抑えられたマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、導電性多孔質基材16の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高く、また、空隙が均一に分布されるものとなる。よって、高ストラクチャ構造によるガスや水分の通路の形成によりガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。また、MPL15を良好な平滑性にできることで、触媒層13との良好な密着性が得られる。故に、フラッティングが生じ難くガス拡散層14のガス拡散性及び水分管理性を向上させることができ、電池出力、発電性能の安定化を図ることができる。
Therefore, the coating paste for forming the microporous layer, in which the secondary aggregates of carbon black with high DBP absorption are broken down and the increase in viscosity is suppressed, can be applied to the surface of the conductive porous substrate 16 with good coating properties, and in the
特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15の形成により、そのMPL15においては、水分が溜り難くて排水性も高く、高いガス拡散性が維持され、更に、耐久性も良好なものとなる。
したがって、空隙率が高く、ガス拡散層14の拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。
In particular, when carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), the good coatability of the paste gives MPL15 good surface smoothness, and it is possible to achieve both high porosity and coating strength that is less susceptible to cracking. Therefore, by forming MPL15 that has high porosity but good surface smoothness, is less susceptible to cracking, and has good adhesion to catalyst layer 13, MPL15 is less likely to accumulate moisture, has high drainage properties, maintains high gas diffusivity, and also has good durability.
Therefore, the MPL coating paste can form the
また、上記実施の形態は、カーボンブラックと、撥水性樹脂と、分散剤と、溶媒とを含有するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法であって、分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速25m/s以上、周速60m/s以下で攪拌するマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法の発明と捉えることもできる。 The above embodiment can also be considered as an invention of a method for producing a coating paste for forming a microporous layer, which contains carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent, in which carbon black and a water-repellent resin having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g are mixed into a solvent containing a dispersant, and the mixture is stirred at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less.
上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、周速25m/s以上、周速60m/s以下の高シェアで配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を解砕することができ、ペーストの粘度上昇を抑えることができる。好ましくは、周速25m/s~周速60m/sの攪拌で配合材料を分散することで、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体を高効率で解砕することができる。 According to the manufacturing method of the coating paste for forming a microporous layer in the above embodiment, by dispersing the compounding material with a high shear at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less, secondary agglomerates of carbon black with a high DBP absorption can be broken down and an increase in the viscosity of the paste can be suppressed. Preferably, by dispersing the compounding material with stirring at a peripheral speed of 25 m/s to 60 m/s, secondary agglomerates of carbon black with a high DBP absorption can be broken down with high efficiency.
したがって、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕され粘度上昇が抑えられたマイクロポーラス層形成用塗工ペーストによれば、導電性多孔質基材16の表面に対し良好な塗工性で塗布でき、塗布されたペーストが乾燥・焼成されることにより形成されるMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高く、また、空隙が均一に分布されるものとなる。よって、高ストラクチャ構造によるガスや水分の通路の形成によりガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。また、MPL15を良好な平滑性にできることで、触媒層13との良好な密着性が得られる。故に、フラッティングが生じ難くガス拡散層14のガス拡散性及び水分管理性を向上させることができ、電池出力、発電性能の安定化を図ることができる。
Therefore, the coating paste for forming the microporous layer, in which the secondary aggregates of carbon black with high DBP absorption are broken down and the increase in viscosity is suppressed, can be applied to the surface of the conductive porous substrate 16 with good coating properties, and in the
特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15の形成により、そのMPL15においては、水分が溜り難くて排水性も高く、高いガス拡散性が維持され、更に、耐久性も良好なものとなる。
したがって、空隙率が高く、ガス拡散層14の拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。
In particular, when carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), the good coatability of the paste gives MPL15 good surface smoothness, and it is possible to achieve both high porosity and coating strength that is less susceptible to cracking. Therefore, by forming MPL15 that has high porosity but good surface smoothness, is less susceptible to cracking, and has good adhesion to catalyst layer 13, MPL15 is less likely to accumulate moisture, has high drainage properties, maintains high gas diffusivity, and also has good durability.
Therefore, the MPL coating paste can form the
更に、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法において、薄膜旋回法等または周速25m/s~周速60m/sでの攪拌前に、分散剤、溶媒、カーボンブラック、及び撥水性樹脂の混合物をディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式等の撹拌機によってまたは周速1m/s~周速20m/sでプレ攪拌すると、即ち、ディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式等の撹拌機で周速1m/s~周速20m/sの低シェア分散してから、薄膜旋回法等で周速25m/s~周速60m/sの高シェア分散するものでは、カーボンブラックの二次凝集径の分布のバラつきを抑えることが可能であり、空隙の分布のバラつきを抑制して均質なMPL15を形成し、安定したガスや水分の透過性を得ることが可能となる。したがって、空隙の分布のバラつきを抑制して安定した性能を得ることが可能となるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。特に、このときのプレ攪拌に、ディスパまたはタービン・ステータ型攪拌式等の撹拌機を使用すれば、攪拌脱泡により気泡の少ないペーストを得ることができる。 Furthermore, in the manufacturing method of the coating paste for forming the microporous layer of the above embodiment, if a mixture of a dispersant, a solvent, carbon black, and a water-repellent resin is pre-mixed with a mixer such as a Disper or a turbine-stator type mixer at a peripheral speed of 1 m/s to 20 m/s before stirring by the thin film swirling method or the like or at a peripheral speed of 25 m/s to 60 m/s, that is, after dispersing at a low shear speed of 1 m/s to 20 m/s with a mixer such as a Disper or a turbine-stator type mixer, and then dispersing at a high shear speed of 25 m/s to 60 m/s by the thin film swirling method or the like, it is possible to suppress the variation in the distribution of the secondary agglomeration diameter of the carbon black, and it is possible to form a homogeneous MPL15 by suppressing the variation in the distribution of voids, and to obtain stable gas and moisture permeability. Therefore, it becomes an MPL coating paste that can form an MPL15 that can suppress the variation in the distribution of voids and obtain stable performance. In particular, if a mixer such as a Disper or turbine-stator type mixer is used for pre-mixing, a paste with fewer air bubbles can be obtained by mixing and degassing.
加えて、上記実施の形態のマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法によれば、更に、薄膜旋回法等による周速25m/s~周速60m/sでの攪拌後に、目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過させるものであるから、触媒層13の耐久性、寿命に影響を与える鉄等の異物が少ないものが得られる。よって、燃料電池1の耐久性を良好に維持できる。即ち、燃料電池1の耐久性、寿命を低下させることないMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。
In addition, according to the manufacturing method of the coating paste for forming the microporous layer of the above embodiment, after stirring at a peripheral speed of 25 m/s to 60 m/s by a thin film swirling method or the like, the mixture is passed through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), so that the catalyst layer 13 has less foreign matter such as iron that affects its durability and lifespan. Therefore, the durability of the
また、上記マイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法において、カーボンブラックと撥水性樹脂が、重量比で9/1~5/5の範囲内であれば、形成するMPL15の硬化塗膜において樹脂分による接着性(結着性)が良好でクラックが生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、塗膜強度とガスや水分の透過性とを両立できるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。 In addition, in the manufacturing method of the coating paste for forming the microporous layer, if the weight ratio of carbon black to water-repellent resin is within the range of 9/1 to 5/5, the adhesiveness (binding property) of the resin in the cured coating film of MPL15 formed is good, cracks are unlikely to occur, and clogging of voids due to excess resin is suppressed. Therefore, the MPL coating paste can form MPL15 that can achieve both coating film strength and gas and moisture permeability.
加えて、上記マイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法において、せん断速度50s-1における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であれば、ガス拡散層14を構成する導電性多孔質基材16への塗布時にペーストの裏抜けを抑制でき、かつ、所望の塗工幅で平滑性が良好なMPL15の硬化塗膜を形成できて塗工性が良好なものとなる。よって、導電性多孔質基材16の空隙率を低下させることなく、平滑なMPL15が得られ触媒層13への密着性を高めることができるから、安定した性能を確保できるMPL15を形成できるMPL塗工ペーストとなる。
In addition, in the above-mentioned method for producing a coating paste for forming a microporous layer, if the viscosity at a shear rate of 50 s -1 is within the range of 0.05 Pa·s to 1.0 Pa·s, then it is possible to suppress strike-through of the paste when it is applied to the conductive porous substrate 16 constituting the
更に、上記実施の形態は、導電性繊維等からなる導電性多孔質基材16と、導電性多孔質基材16の表面に形成されたカーボンブラックと撥水性樹脂とからなるMPL15とから構成された燃料電池用ガス拡散層14であって、MPL15のカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものである燃料電池用ガス拡散層14の発明と捉えることもできる。
Furthermore, the above embodiment can be considered as an invention of a
本実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14によれば、導電性繊維等からなる導電性多孔質基材16の表面に形成されたカーボンブラックと撥水性樹脂からなるMPL15のカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものであり、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、MPL15を形成するペーストの粘度上昇が抑えられて、導電性多孔質基材16の表面に対し良好な塗工性で形成されたMPL15においては、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高く、また、空隙が均一に分布されるものとなる。よって、高ストラクチャ構造によるガスや水分の通路の形成によりガスや水分の拡散性や排水性を高めることができる。また、MPL15を良好な平滑性にできることで、触媒層13との良好な密着性が得られる。故に、フラッティングが生じ難くガス拡散層14のガス拡散性及び水分管理性を向上させることができ、電池出力、発電性能の安定化を図ることができる。
According to the
特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりMPL15が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高い空隙率であるも表面平滑性が良好でクラックが生じ難く触媒層13への密着性が良好なMPL15では、水分が溜り難くて排水性も高く、高いガス拡散性が維持され、更に、耐久性も良好なものとなる。 In particular, when carbon black with DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), MPL15 has good surface smoothness due to the good coatability of the paste, and can achieve both high porosity and coating strength that is less susceptible to cracking. Therefore, MPL15, which has high porosity but good surface smoothness, is less susceptible to cracking, and has good adhesion to the catalyst layer 13, is less likely to accumulate moisture, has high drainage properties, maintains high gas diffusion properties, and also has good durability.
また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ(100メッシュ以上、400メッシュ以下)を通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層13の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、電池1の耐久性、寿命を低下させ難いものである。
よって、上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14によれば、空隙率の高いMPL15を有するから、ガスや水分の透過性を向上させることが可能であり、ガスの拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるものである。
In addition, when carbon black having a DBP absorption amount within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration diameter that passes through a mesh with an opening size of 34 μm or more and 154 μm or less (100 mesh or more and 400 mesh or less), the carbon black is of a size that can pass through a fine mesh filter that enables the removal of foreign matter such as iron that affects the durability and lifespan of the catalyst layer 13 in which the cell reaction takes place, and is therefore unlikely to reduce the durability and lifespan of the
Therefore, according to the
更に、上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層14において、MPL15のカーボンブラックと撥水性樹脂が重量比で9/1~5/5の範囲内であれば、MPL15の硬化塗膜において樹脂分による接着(結着)性が良好でクラックがより生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、ガス拡散層14の水分やガスの透過性が良好に発揮されるものである。
Furthermore, in the
上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層は、導電性多孔質基材の表面に形成したカーボンブラックと撥水性樹脂からなるマイクロポーラス層のカーボンブラックが、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものである。In the gas diffusion layer for a fuel cell of the above embodiment, the carbon black in the microporous layer formed on the surface of the conductive porous substrate and made of carbon black and water-repellent resin has a secondary aggregate diameter that allows the carbon black to pass through a mesh with an opening size of 34 to 154 μm and has a DBP absorption capacity in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g.
上記導電性多孔質基材は、ガス拡散層電極基材であり、導電性を有し、マイクロポーラス層よりも平均細孔径が大きい多孔質体のものであり、例えば、炭素繊維織物、炭素繊維抄紙体、炭素繊維不織布、カーボンフェルト、カーボンペーパ、カーボンクロス等の炭素繊維(例えば、黒鉛繊維等)からなる多孔質基材や、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が使用される。The conductive porous substrate is a gas diffusion layer electrode substrate, which is conductive and has a porous body with an average pore size larger than that of the microporous layer. For example, a porous substrate made of carbon fiber (e.g., graphite fiber, etc.) such as carbon fiber woven fabric, carbon fiber paper, carbon fiber nonwoven fabric, carbon felt, carbon paper, and carbon cloth, and a metal porous substrate such as foamed sintered metal, metal mesh, and expanded metal are used.
上記マイクロポーラス層は、導電性多孔質基材の表面に、カーボンブラックと撥水性樹脂を含有したマイクロポーラス層形成用塗工ペーストを塗布し、乾燥・焼成することにより形成されカーボンブラックが撥水性樹脂で結着されたものであり、そのカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものである。The microporous layer is formed by applying a coating paste for forming a microporous layer, containing carbon black and a water-repellent resin, to the surface of the conductive porous substrate, followed by drying and baking, so that the carbon black is bound with the water-repellent resin. The carbon black has a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and has a secondary agglomeration diameter that allows the carbon black to pass through a mesh with an opening of 34 to 154 μm.
ここで、上記カーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が使用できるが、ガス拡散性、強度、導電性等の高いマイクロポーラス層を形成できる点から、アセチレンブラックが好適である。Examples of the carbon black that can be used herein include furnace black, thermal black, ketjen black, and acetylene black. Acetylene black is preferred because it is capable of forming a microporous layer that has high gas diffusivity, strength, electrical conductivity, and the like.
そして、上記DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものとは、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックの二次凝集体(数十μm)が高シェアの分散によって目開き34μm以上、154μm以下のメッシュ、即ち、100メッシュ以上、400メッシュ以下を通過できる2次凝集径(数μm)までに解砕(解凝集)されたものであることを意味する。即ち、DBP吸収量が300ml/100g以上、500ml/100g以下の範囲内であるカーボンブラックの二次凝集体が解砕されて、目開き34~154μmのメッシュ(100~400メッシュ)を通過できる2次凝集径を有するものであることを意味する。The carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and having a secondary agglomerate size that can pass through a mesh with an opening of 34 to 154 μm means that the secondary agglomerates (several tens of μm) of the carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g have been disintegrated (disaggregated) by high shear dispersion to a secondary agglomerate size (several μm) that can pass through a mesh with an opening of 34 μm to 154 μm, i.e., 100 mesh to 400 mesh. In other words, the carbon black having a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has been disintegrated to have a secondary agglomerate size that can pass through a mesh with an opening of 34 to 154 μm (100 to 400 mesh).
上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層によれば、導電性繊維等からなる導電性多孔質基材表面に形成されたカーボンブラックと撥水性樹脂からなるマイクロポーラス層のカーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、150μm以下のメッシュを通過する2次凝集径のものであり、高DBP吸収量のカーボンブラックの二次凝集体が解砕されたものであるから、マイクロポーラス層を形成するペーストの粘度上昇が抑えられて、マイクロポーラス層は導電性多孔質基材の表面に対し良好な塗工性で形成されたものであり、高DBP吸収量のカーボンブラックが高ストラクチャによる高空隙率を有することで、空隙率(気孔率)が高いものとなる。According to the above embodiment of the gas diffusion layer for a fuel cell, the carbon black in the microporous layer made of carbon black and water-repellent resin formed on the surface of a conductive porous substrate made of conductive fibers or the like has a secondary agglomerate diameter that passes through a mesh with an opening of 34 μm or more and 150 μm or less, and the carbon black has a DBP absorption within the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g, and the secondary agglomerates of carbon black with high DBP absorption are crushed, so that an increase in viscosity of the paste forming the microporous layer is suppressed, and the microporous layer is formed with good coatability on the surface of the conductive porous substrate, and the carbon black with high DBP absorption has a high porosity due to its high structure, resulting in a high porosity (air porosity).
特に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、ペーストの良好な塗工性によりマイクロポーラス層が良好な表面平滑性を有し、高空隙率とクラックが生じ難い塗膜強度とを両立できる。よって、高空隙率で、かつ、表面平滑性が良くクラックも少なくて触媒層への密着性が良好なマイクロポース層は、水分が溜り難くて排水性が高く、高いガス拡散性が良好に維持され、耐久性も良好なものとなる。In particular, when carbon black with a DBP absorption in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary aggregation diameter that passes through a mesh with an opening of 34 to 154 μm, the microporous layer has good surface smoothness due to the good coatability of the paste, and high porosity and coating strength that is less likely to cause cracks can be achieved at the same time. Therefore, a microporous layer with high porosity, good surface smoothness, few cracks, and good adhesion to the catalyst layer is less likely to accumulate moisture, has high drainage properties, maintains high gas diffusivity, and has good durability.
また、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34μm以上、150μm以下のメッシュを通過する2次凝集径のものでは、電池反応を行う触媒層の耐久性、寿命に影響を与える鉄分等の異物の除去を可能とする細かな目のメッシュフィルタを通過できるサイズのものであるから、電池の耐久性、寿命を低下させ難いものである。In addition, when carbon black having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g has a secondary agglomeration diameter that passes through a mesh with an opening size of 34 μm or more and 150 μm or less, the carbon black is of a size that can pass through a fine mesh filter that enables the removal of foreign matter such as iron that affects the durability and lifespan of the catalyst layer in which the cell reaction takes place, and is therefore unlikely to reduce the durability and lifespan of the battery.
こうして、上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層によれば、空隙率の高いマイクロポーラス層を有するから、ガス拡散層のガスの拡散性や水分管理性の性能向上を図ることができるものである。Thus, the gas diffusion layer for a fuel cell according to the above embodiment has a microporous layer with a high porosity, so that the gas diffusion layer can have improved gas diffusivity and moisture management performance.
上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層のマイクロポーラス層におけるカーボンブラックと撥水性樹脂は、その固形分重量比で、9/1≦カーボンブラック/撥水性樹脂≦5/5であるものである。The carbon black and the water-repellent resin in the microporous layer of the gas diffusion layer for the fuel cell in the above embodiment have a solid weight ratio of 9/1≦carbon black/water-repellent resin≦5/5.
上記実施の形態の燃料電池用ガス拡散層によれば、カーボンブラックと撥水性樹脂は、重量比で9/1~5/5の範囲内であるから、マイクロポーラス層の硬化塗膜において樹脂分による接着(結着、バインダ効果)性が良好でクラックがより生じ難く、かつ、過剰な樹脂分による空隙の閉塞が抑制される。よって、マイクロポーラス層は塗膜強度とガスや水分の透過性とを両立できる。According to the gas diffusion layer for fuel cells of the above embodiment, the weight ratio of carbon black to water-repellent resin is within the range of 9/1 to 5/5, so that the adhesion (binding, binder effect) of the resin in the cured coating of the microporous layer is good, cracks are less likely to occur, and clogging of voids due to excess resin is suppressed. Therefore, the microporous layer can achieve both coating strength and gas and moisture permeability.
なお、本実施の形態のMPL塗工ペースト及びそれを用いて作製した燃料電池用ガス拡散層14は固体高分子形燃料電池1に限らず、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池等のその他燃料電池にも適用可能である。
また、本発明を実施するに際しては、MPL塗工ペーストや燃料電池用ガス拡散層14のその他の部分の組成、成分、配合量、材質、その他の製造工程について、本実施の形態に限定されるものではない。
更に、上述した数値範囲は、厳格なものでなく、当然、測定等による誤差を含む概略値であり、数割の誤差を否定するものではない。また、本発明の実施の形態で挙げている数値は、臨界値を示すものではなく、実施に好適な適正値を示すものであるから、上記数値を若干変更してもその実施を否定するものではない。
The MPL coating paste of this embodiment and the fuel cell
In addition, when implementing the present invention, the composition, ingredients, blending amounts, materials, and other manufacturing processes of the MPL coating paste and other parts of the fuel cell
Furthermore, the above-mentioned numerical ranges are not strict, and are of course approximate values including errors due to measurements, etc., and errors of several tens of percent are not denied. Furthermore, the numerical values given in the embodiments of the present invention do not indicate critical values, but indicate appropriate values suitable for implementation, so even if the numerical values are slightly changed, the implementation is not denied.
1 燃料電池
14 ガス拡散層
15 マイクロポーラス層
16 導電性多孔質基材
1
Claims (9)
前記カーボンブラックは、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックが目開き34~154μmの範囲内のメッシュを通過する2次凝集径のものであり、
前記マイクロポーラス層形成用塗工ペーストは、せん断速度50s -1 における粘度が0.05Pa・s~1.0Pa・sの範囲内であることを特徴とするマイクロポーラス層形成用塗工ペースト。 A coating paste for forming a microporous layer, comprising carbon black, a water-repellent resin, a dispersant, and a solvent,
The carbon black has a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and has a secondary agglomeration size that allows it to pass through a mesh with an opening size in the range of 34 to 154 μm,
The coating paste for forming a microporous layer is characterized in that the viscosity at a shear rate of 50 s −1 is within the range of 0.05 Pa·s to 1.0 Pa·s .
分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して薄膜旋回法により攪拌することを特徴とするマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法。 A method for producing a coating paste for forming a microporous layer, comprising:
A method for producing a coating paste for forming a microporous layer, comprising mixing carbon black having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and a water-repellent resin in a solvent containing a dispersant, and stirring the mixture by a thin film swirling method.
分散剤が混合された溶媒に、DBP吸収量が300ml/100g~500ml/100gの範囲内であるカーボンブラックと撥水性樹脂を混合して周速25m/s以上、周速60m/s以下で攪拌することを特徴とするマイクロポーラス層形成用塗工ペーストの製造方法。 A method for producing a coating paste for forming a microporous layer, comprising:
A method for producing a coating paste for forming a microporous layer, comprising mixing carbon black having a DBP absorption amount in the range of 300 ml/100 g to 500 ml/100 g and a water-repellent resin in a solvent containing a dispersant, and stirring the mixture at a peripheral speed of 25 m/s or more and 60 m/s or less.
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