JP6750192B2 - Gas diffusion layer for polymer electrolyte fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子形燃料電池に用いられるガス拡散層、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a gas diffusion layer used in a polymer electrolyte fuel cell and a method for manufacturing the gas diffusion layer.
固体高分子形燃料電池は、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化ガスを電気化学的に反応させることにより起電力を得る装置であり、前記固体高分子形燃料電池には、水素イオン(プロトン)を選択的に伝導する高分子電解質膜を有する。また、高分子電解質膜の両面には、内側から貴金属系触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層及びガス拡散電極基材とを有する2組のガス拡散電極が接合されている。 A polymer electrolyte fuel cell is a device that obtains an electromotive force by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as oxygen. The polymer electrolyte fuel cell includes hydrogen ions (protons). ) Has a polymer electrolyte membrane which selectively conducts. Further, two sets of gas diffusion electrodes having a catalyst layer containing a carbon powder carrying a noble metal catalyst as a main component and a gas diffusion electrode base material are joined from both sides to the both sides of the polymer electrolyte membrane.
このような高分子電解質膜と2組のガス拡散電極からなる接合体は膜−電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)と呼ばれている。また、MEAの両外側には、燃料ガスまたは酸化ガスを供給し、かつ生成ガスおよび過剰ガスを排出することを目的とするガス流路を形成したセパレーターが設置されている。 A joined body composed of such a polymer electrolyte membrane and two sets of gas diffusion electrodes is called a membrane-electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly). Further, on both outer sides of the MEA, separators having gas flow paths for supplying the fuel gas or the oxidizing gas and discharging the generated gas and the excess gas are installed.
ガス拡散電極基材は、主に次の3つの機能が要求される。第一の機能は、その外側に配置されたセパレーターに形成されたガス流路から触媒層中の貴金属系触媒に均一に燃料ガスまたは酸化ガスを供給する機能である。第2の機能は、触媒層での反応により生成した水を排出する機能である。第3の機能は、触媒層での反応に必要な電子または触媒層での反応により生成される電子をセパレーターへ導電する機能である。これらの機能を充足する基材としては、通常、炭素質材料からなる多孔質構造を有する基材が使用される。具体的には、カーボンペーパー、炭素繊維クロス、炭素繊維フェルト等の炭素繊維を用いた基材が一般的に用いられる。これらの基材は炭素繊維によって高い導電性を示すだけでなく、多孔質材料であるため、燃料ガスおよび生成水などの液体の透過性が高いためガス拡散層に好適な材料である。 The gas diffusion electrode substrate is mainly required to have the following three functions. The first function is to uniformly supply the fuel gas or the oxidizing gas to the noble metal-based catalyst in the catalyst layer from the gas flow path formed in the separator arranged on the outside thereof. The second function is to discharge the water generated by the reaction in the catalyst layer. The third function is a function of conducting electrons necessary for the reaction in the catalyst layer or electrons generated by the reaction in the catalyst layer to the separator. As a base material satisfying these functions, a base material made of a carbonaceous material and having a porous structure is usually used. Specifically, a base material using carbon fibers such as carbon paper, carbon fiber cloth, and carbon fiber felt is generally used. These base materials are not only highly conductive due to carbon fibers, but also porous materials, and therefore have high permeability to liquids such as fuel gas and generated water, and are therefore suitable materials for the gas diffusion layer.
以上に挙げたカーボンペーパーやカーボンクロスなどの多孔質炭素電極基材と電極触媒層との接触抵抗を下げ、発電時に発生する生成水を効率よく排出することを目的として、カーボン微粒子や撥水剤からなるコーティング層を多孔質炭素電極基材と電極触媒層との間に設けることがある。このコーティング層として撥水層を設けたガス拡散層が特許文献1に示されている。 For the purpose of reducing the contact resistance between the electrode catalyst layer and the porous carbon electrode base material such as the carbon paper and the carbon cloth mentioned above, and efficiently discharging the generated water generated during power generation, carbon fine particles and a water repellent agent. In some cases, a coating layer composed of is provided between the porous carbon electrode substrate and the electrode catalyst layer. Patent Document 1 discloses a gas diffusion layer provided with a water repellent layer as the coating layer.
しかし、この方法で形成されたガス拡散層は、ガス拡散層基材に比べてコーティング層の緻密性が著しく高いため、ロール状に巻き取った際に、コーティング層に意図せぬクラックが生じてしまい、連続製造することが困難であった。本発明は、上記の問題点を克服し意図的にコーティング層に微細なクラックを設けることで巻き取り前後においてコーティング層の構造に変化が生じない、ロール状に巻き取り可能なガス拡散層を提供することを目的とする。 However, since the gas diffusion layer formed by this method has a remarkably high density of the coating layer as compared with the gas diffusion layer base material, unintentional cracks are generated in the coating layer when wound into a roll. Therefore, it was difficult to manufacture continuously. The present invention provides a gas diffusion layer that can be wound into a roll, overcoming the above-mentioned problems and intentionally providing fine cracks in the coating layer so that the structure of the coating layer does not change before and after winding. The purpose is to
具体的には、前記課題は以下の発明(1)〜(8)によって解決される。 Specifically, the above problems are solved by the following inventions (1) to (8).
(1) 多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と撥水剤からなり、表面に長さが0.001〜1mm、幅0.05〜10μmのクラックを25〜1000個/m2有するコーティング層を設けたガス拡散層。 (1) On at least one surface of a porous carbon electrode substrate, carbon powder and a water repellent agent are formed, and 25 to 1000 cracks having a length of 0.001 to 1 mm and a width of 0.05 to 10 μm are formed on the surface. Gas diffusion layer provided with a coating layer having a /m 2 .
(2) ガス拡散層を構成する多孔質電極基材の厚みが50〜250μmであり、少なくとも一方の面に形成されたコーティング層の厚みが5〜100μmである上記(1)に記載のガス拡散層。 (2) The gas diffusion according to (1) above, wherein the thickness of the porous electrode base material forming the gas diffusion layer is 50 to 250 μm, and the thickness of the coating layer formed on at least one surface is 5 to 100 μm. layer.
(3) 上記(1)または(2)に記載のガス拡散層が、外径が84.2〜167.4mmの芯材にロール状に巻き付けられたガス拡散層のロール状物。 (3) A roll-shaped product of the gas diffusion layer, wherein the gas diffusion layer according to (1) or (2) is wound around a core material having an outer diameter of 84.2 to 167.4 mm in a roll shape.
(4) コーティング層が芯材に対して多孔質炭素電極基材よりも外側に配されるようにガス拡散層が巻き付けられた上記(3)に記載のガス拡散層のロール状物。 (4) The roll-shaped material of the gas diffusion layer according to (3) above, wherein the gas diffusion layer is wound so that the coating layer is arranged outside the porous carbon electrode substrate with respect to the core material.
(5) コーティング層が芯材に対して多孔質炭素電極基材よりも内側に配されるようにガス拡散層が巻き付けられた上記(3)に記載のガス拡散層のロール状物。 (5) The roll-shaped product of the gas diffusion layer according to (3) above, in which the gas diffusion layer is wound so that the coating layer is arranged inside the porous carbon electrode substrate with respect to the core material.
(6) 芯材の材質が紙である上記(3)〜(5)のいずれかに記載のガス拡散層のロール状物。 (6) The roll-shaped material of the gas diffusion layer according to any one of (3) to (5), wherein the core material is paper.
(7) 芯材の材質が樹脂である上記(3)〜(5)のいずれかに記載のガス拡散層のロール状物。 (7) The roll-shaped material of the gas diffusion layer according to any one of (3) to (5), wherein the core material is a resin.
(8) 厚みが5〜100μmの保護層がガス拡散層とともに心材に巻き付けられた上記(3)〜(7)のいずれかに記載のガス拡散層のロール状物。 (8) The roll-shaped product of the gas diffusion layer according to any one of (3) to (7) above, wherein a protective layer having a thickness of 5 to 100 μm is wound around the core material together with the gas diffusion layer.
(9) 以下の工程[1]〜[4]を含むことを特徴とするガス拡散層の製造方法。 (9) A method for producing a gas diffusion layer, which comprises the following steps [1] to [4].
工程[1]:カーボン粉、撥水剤、界面活性剤、および水からなる液を、攪拌機を用い、混合撹拌することによりコーティング液を得る工程。 Step [1]: A step of obtaining a coating liquid by mixing and stirring a liquid consisting of carbon powder, a water repellent, a surfactant, and water with a stirrer.
工程[2]:多孔質炭素電極基材上に、上記工程[1]で得られたコーティング液を塗布し、多孔質炭素電極基材上に均一な塗工膜を形成する工程。 Step [2]: A step of applying the coating liquid obtained in the above step [1] onto the porous carbon electrode substrate to form a uniform coating film on the porous carbon electrode substrate.
工程[3]:塗工膜を形成した多孔質炭素電極基材を150℃〜300℃の環境下にて乾燥し、塗膜における水分を除去し多孔質炭素電極基材上にコーティング層を形成する工程。 Step [3]: The porous carbon electrode base material on which the coating film is formed is dried in an environment of 150°C to 300°C to remove water in the coating film to form a coating layer on the porous carbon electrode base material. The process of doing.
工程[4]:コーティング層を形成した多孔質炭素電極基材を200〜400℃に加熱してガス拡散層を得る工程。 Step [4]: A step of heating the porous carbon electrode substrate having the coating layer at 200 to 400° C. to obtain a gas diffusion layer.
簡便な製造方法でありながらも、意図的にコーティング層に微細なクラックを設けることで巻き取り前後においてコーティング層の構造に変化が生じない、ロール状に巻き取り可能なガス拡散層を提供することができる。 To provide a gas diffusion layer that can be wound into a roll, which is a simple manufacturing method, but does not change the structure of the coating layer before and after winding by intentionally providing fine cracks in the coating layer. You can
以下、本発明について詳細に示す。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
1.多孔質炭素電極の製造方法
本発明の多孔質炭素電極は、以下の工程[1]〜[4]を含む製造方法によって製造することができる。
1. Method of Manufacturing Porous Carbon Electrode The porous carbon electrode of the present invention can be manufactured by a manufacturing method including the following steps [1] to [4].
工程[1]:カーボン粉、撥水剤、界面活性剤、および水からなる液を、攪拌機を用い、混合撹拌することによりコーティング液を得る工程。 Step [1]: A step of obtaining a coating liquid by mixing and stirring a liquid consisting of carbon powder, a water repellent, a surfactant, and water with a stirrer.
工程[2]:多孔質炭素電極基材上に、上記工程[1]で得られたコーティング液を塗布し、多孔質炭素電極基材上に均一な塗工膜を形成する工程。 Step [2]: A step of applying the coating liquid obtained in the above step [1] onto the porous carbon electrode substrate to form a uniform coating film on the porous carbon electrode substrate.
工程[3]:塗工膜を形成した多孔質炭素電極基材を150℃〜300℃の環境下にて乾燥し、塗膜における水分を除去し多孔質炭素電極基材上にコーティング層を形成する工程。 Step [3]: The porous carbon electrode base material on which the coating film is formed is dried in an environment of 150°C to 300°C to remove water in the coating film to form a coating layer on the porous carbon electrode base material. The process of doing.
工程[4]:コーティング層を形成した多孔質炭素電極基材を200〜400℃に加熱してガス拡散層を得る工程。 Step [4]: A step of heating the porous carbon electrode substrate having the coating layer at 200 to 400° C. to obtain a gas diffusion layer.
<工程[1]:カーボン粉、撥水剤、界面活性剤、および水からなる液を、攪拌機を用い、混合撹拌することによりコーティング液を得る工程>
使用するカーボン粉としては、たとえば、黒鉛粉やカーボンブラックなどを用いることができる。例えば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)、ケッチェンブラック(例えばライオン(株)製のKetjen Black EC)、ファーネスブラック(例えばCABOT社製のバルカンXC72)などを用いることができる。より高い導電性を発現するといった観点から、カーボンブラックを用いることが好ましい。
<Step [1]: A step of obtaining a coating liquid by mixing and stirring a liquid consisting of carbon powder, a water repellent, a surfactant, and water with a stirrer>
As the carbon powder to be used, for example, graphite powder or carbon black can be used. For example, as carbon black, acetylene black (for example, Denka black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), Ketjen black (for example, Ketjen Black EC manufactured by Lion Co., Ltd.), furnace black (for example, Vulcan XC72 manufactured by CABOT), etc. are used. Can be used. It is preferable to use carbon black from the viewpoint of exhibiting higher conductivity.
撥水剤は、たとえば、フッ素樹脂などが挙げられる。フッ素樹脂としては例えばテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体などがあげられ、とりわけポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が好ましい。PTFEを界面活性剤によって水中に分散させても良いし、あらかじめ分散されたディスパージョンを用いることも出来る。 Examples of the water repellent include fluororesin. Examples of the fluororesin include tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, and the like, and polytetrafluoroethylene (PTFE) is particularly preferable. PTFE may be dispersed in water with a surfactant, or a dispersion previously dispersed may be used.
界面活性剤は公知のものを利用できる。例えばポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル(例えばACROS ORGANICS社製のTriton X−100)、アルキルエーテル、アルキルフェニルエーテルなど非イオン性界面活性剤が挙げられる。取扱い性および分解温度から、ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテルを用いることが好ましい。 Known surfactants can be used. Examples thereof include nonionic surfactants such as polyoxyethylene (10) octyl phenyl ether (for example, Triton X-100 manufactured by ACROS ORGANICS), alkyl ethers and alkyl phenyl ethers. From the viewpoint of handleability and decomposition temperature, it is preferable to use polyoxyethylene (10) octyl phenyl ether.
カーボン粉と、撥水剤および界面活性剤と水よりコーティング液を作成する方法としては、公知の方法を用いることができる。カーボン粉の分散液および撥水剤の分散液をそれぞれ調製し、混合することで得られる。カーボン分散液を得るためには、カーボン粉に水を混合するが、このとき、カーボン粉の濡れ性をよくして分散性を向上させるために有機溶媒や界面活性剤を添加するのが好ましい。かかる有機溶媒としては、低級のアルコール類及びアセトンなどが好ましい。界面活性剤の添加量としては、カーボン粉の分散性を上げるためにと塗工液全体に対し0.1wt%以上であれば良く、また添加量が多すぎると発泡してしまうため、5wt%以下であることが好ましい。所望の粘度に応じて、増粘剤等を加えることも出来る。撹拌に用いる装置としては一般的な攪拌機例えば、ディスパー、ホモジナイザー、サンドミル、ジェットミル、ボールミル、ビーズミル等を用いることができる。操作が簡便であることおよび処理時間を短縮する観点から、ディスパーやホモジナイザー等を用いることが好ましい。撥水剤を繊維化するため、カーボン粉および撥水剤を分散させたコーティング液の撹拌温度を30℃以上に保ち、ディスパーを用いた際の撹拌速度が5000rpm以上の条件にて、15分以上混合撹拌することが好ましい。 A known method can be used as a method for preparing a coating liquid from carbon powder, a water repellent, a surfactant, and water. It is obtained by respectively preparing and mixing a dispersion liquid of carbon powder and a dispersion liquid of a water repellent. In order to obtain the carbon dispersion liquid, water is mixed with the carbon powder. At this time, it is preferable to add an organic solvent or a surfactant in order to improve the wettability of the carbon powder and improve the dispersibility. As such an organic solvent, lower alcohols and acetone are preferred. The amount of the surfactant added may be 0.1 wt% or more with respect to the entire coating liquid in order to improve the dispersibility of the carbon powder, and if the addition amount is too large, foaming will occur, so that 5 wt% The following is preferable. A thickener and the like can be added depending on the desired viscosity. As a device used for stirring, a general stirrer, for example, a disper, a homogenizer, a sand mill, a jet mill, a ball mill, a bead mill, or the like can be used. It is preferable to use a disperser, a homogenizer or the like from the viewpoint of easy operation and shortening of the processing time. To make the water repellent into fibers, keep the stirring temperature of the coating liquid in which the carbon powder and the water repellent are dispersed at 30° C. or higher, and at a stirring speed of 5000 rpm or higher when using a disper, for 15 minutes or longer. Mixing and stirring are preferable.
<工程[2]:多孔質炭素電極基材上に、上記工程[1]で得られたコーティング液を塗布し、多孔質炭素電極基材上に均一な塗工膜を形成する工程> <Step [2]: Step of applying the coating liquid obtained in the above step [1] on the porous carbon electrode substrate to form a uniform coating film on the porous carbon electrode substrate>
<多孔質炭素電極基材の処理>
多孔質炭素電極基材に撥水性を付与すべく行う撥水処理には、フッ素樹脂などの撥水剤の粒子を溶媒中に分散させた分散液を用いる。溶媒として水を用いる場合、撥水剤は、そのままでは水には分散しないため、適当な界面活性剤によって水中に分散させる。また、分散液としてはあらかじめ撥水剤が分散されたディスパージョン等を用いることもできる。
<Treatment of porous carbon electrode substrate>
For the water repellent treatment for imparting water repellency to the porous carbon electrode substrate, a dispersion liquid in which particles of a water repellent agent such as a fluororesin are dispersed in a solvent is used. When water is used as the solvent, the water-repellent agent is not dispersed in water as it is, and therefore it is dispersed in water with an appropriate surfactant. Further, as the dispersion liquid, a dispersion or the like in which a water repellent is previously dispersed can be used.
<<塗工膜の形成>>
多孔質炭素電極基材上に塗工膜を形成するための塗工液を塗布方法としては、従来公知の方法を用いることができ、例えばバーコート法、ブレード法、スクリーン印刷法、スプレー法、カーテンコーティング法およびロールコート法などがあげられる。これらの方法により、多孔質炭素電極基材上に均一な塗工膜を形成することができる塗工膜の厚みは、50〜2000μmであることが好ましい。塗工膜の厚みが50μmよりも薄すぎると厚みの均一な膜を得ることが困難となり、2000μmより大きいと乾燥後に意図しない大きなクラックをコーティング層に生じやすくなるため、好ましくない。より好ましい塗工膜の厚みの範囲は50〜1000μmである。
<<Formation of coating film>>
As a coating method for forming a coating film on the porous carbon electrode substrate, a conventionally known method can be used, for example, a bar coating method, a blade method, a screen printing method, a spray method, Curtain coating method and roll coating method can be used. The thickness of the coating film capable of forming a uniform coating film on the porous carbon electrode substrate by these methods is preferably 50 to 2000 μm. If the thickness of the coating film is less than 50 μm, it becomes difficult to obtain a film having a uniform thickness, and if it is more than 2000 μm, unintended large cracks are likely to occur in the coating layer after drying, which is not preferable. A more preferable thickness range of the coating film is 50 to 1000 μm.
<工程[3]:塗工膜を形成した多孔質炭素電極基材を150℃〜300℃の環境下にて乾燥し、塗膜における水分を除去し多孔質炭素電極基材上にコーティング層を形成する工程>
本発明においては、塗工膜を形成した多孔質炭素電極基材を150℃〜300℃の環境下におくことにより、塗工膜を乾燥させる。例えばプレートヒーター、加熱ロールや、熱風乾燥機やIRヒーターなどを用いて150℃〜300℃の環境を作ることができる。
<Step [3]: The porous carbon electrode substrate having a coating film formed thereon is dried in an environment of 150° C. to 300° C. to remove water in the coating film to form a coating layer on the porous carbon electrode substrate. Forming process>
In the present invention, the porous carbon electrode substrate on which the coating film is formed is placed in an environment of 150°C to 300°C to dry the coating film. For example, a plate heater, a heating roll, a hot air dryer, an IR heater, or the like can be used to create an environment of 150°C to 300°C.
本発明においては、乾燥させる際の雰囲気温度としては、塗工膜に意図的にクラック発生させるため、150℃〜300℃の範囲であることが好ましく、より好ましくは200〜300℃である。乾燥温度が150℃よりも小さいと、急激な溶媒の蒸発が生じず、クラックを発生させることができない、また、乾燥温度が300℃よりも大きくなると、溶媒の蒸発速度が速すぎるため、大きなクラックが塗膜に生じてしまい、塗工膜の強度が低下してしまう。乾燥時間としては、生産性を考慮すると0.5分〜20分であることが好ましく、より好ましくは0.5〜10分である。 In the present invention, the atmospheric temperature at the time of drying is preferably in the range of 150°C to 300°C, more preferably 200 to 300°C, in order to intentionally generate cracks in the coating film. If the drying temperature is lower than 150°C, rapid evaporation of the solvent does not occur and cracks cannot be generated. Also, if the drying temperature is higher than 300°C, the evaporation rate of the solvent is too fast, resulting in large cracks. Will occur in the coating film, and the strength of the coating film will decrease. In consideration of productivity, the drying time is preferably 0.5 minutes to 20 minutes, more preferably 0.5 minutes to 10 minutes.
<工程[4]:コーティング層を形成した多孔質炭素電極基材を200〜400℃に加熱してガス拡散層を得る工程>
本発明においては、乾燥後の「塗工膜を形成した多孔質炭素電極基材」を300〜400℃の環境下において焼成させることでガス拡散層を製造する。
<Step [4]: Step of heating the porous carbon electrode substrate having the coating layer to 200 to 400° C. to obtain a gas diffusion layer>
In the present invention, the gas diffusion layer is produced by firing the dried “coated film-formed porous carbon electrode substrate” in an environment of 300 to 400° C.
この焼成工程においては、第一に多孔質炭素電極基材および塗工膜中に含まれる界面活性剤等の分散剤を消失させ、加えて撥水剤を融点付近まで加熱することによって、撥水剤粒子を溶融させてその形状をコントロールすることでコーティング層の細孔構造制御とカーボン粉のバインディングを強固にする。したがって、温度としては、300〜400℃の範囲が好ましく、より好ましくは340〜400℃である。また焼成時間としては5〜90分が好ましく、より好ましくは10〜60分である。 In this baking step, first, the dispersant such as a surfactant contained in the porous carbon electrode substrate and the coating film is eliminated, and in addition, the water repellent is heated up to around the melting point to repel water. By melting the agent particles and controlling their shape, the pore structure control of the coating layer and the binding of the carbon powder are strengthened. Therefore, the temperature is preferably in the range of 300 to 400°C, more preferably 340 to 400°C. The firing time is preferably 5 to 90 minutes, more preferably 10 to 60 minutes.
<<多孔質炭素電極基材>>
本発明の製造方法により、多孔質炭素電極基材から電気抵抗が低く、排水性の良い固体高分子形燃料電池用の多孔質炭素電極を製造することができる。多孔質炭素電極基材であれば、どのようなものであっても本発明の技術を使用することにより、従来の製造技術を使用するよりも上記の効果を発現することができる。
<< Porous carbon electrode substrate >>
According to the production method of the present invention, it is possible to produce a porous carbon electrode for a polymer electrolyte fuel cell having low electric resistance and good drainage from a porous carbon electrode substrate. Any porous carbon electrode substrate can exhibit the above effects by using the technique of the present invention as compared with the conventional manufacturing technique.
上述した通り、本発明における多孔質炭素電極基材はどのようなものであっても使用することができる。 As described above, any porous carbon electrode substrate in the present invention can be used.
多孔質炭素電極基材としては、導電性フィラーである炭素粉や炭素繊維や金属繊維そして樹脂などを原料とした導電性ペーパーやクロス、不織布などのあらゆる導電性多孔質材料を用いることができる。具体的には、市販のカーボンペーパーなどを用いることが出来るが、炭素繊維が炭素により結着された多孔質炭素電極基材を用いることもできる。炭素繊維を結着する炭素としては、炭素繊維前駆体繊維や樹脂等があり、これらを高温で処理することで炭素化する方法がある。炭素繊維と炭素源となる繊維および樹脂などから炭素繊維シートを作成し、成形・炭素化工程を経て炭素繊維が炭素により結着された多孔質炭素電極基材を製造することが出来る。これらの工程は品質および生産性の観点から連続的に製造されることが望ましい。また、上記の多孔質炭素電極基材に限らず、炭素化工程を有さない、エネルギーコストの小さい多孔質炭素電極基材も使用することができる。これらの例としては、炭素繊維を導電性物質粒子を充てんさせたバインダーで決着させた炭素繊維ウェブやカーボンなどの微細な導電性物質を樹脂などのバインダーで結着させた多孔質炭素電極基材などがある。 As the porous carbon electrode base material, it is possible to use all conductive porous materials such as conductive paper, cloth, and non-woven fabric made of conductive powder such as carbon powder, carbon fiber, metal fiber and resin. Specifically, commercially available carbon paper or the like can be used, but a porous carbon electrode base material in which carbon fibers are bound by carbon can also be used. The carbon that binds the carbon fibers includes carbon fiber precursor fibers and resins, and there is a method of carbonizing them by treating them at high temperatures. A carbon fiber sheet can be prepared from carbon fibers, fibers serving as a carbon source, a resin, etc., and a porous carbon electrode substrate in which carbon fibers are bound by carbon can be manufactured through a molding/carbonization process. It is desirable that these steps are continuously manufactured in terms of quality and productivity. Further, not only the above-mentioned porous carbon electrode base material, but also a porous carbon electrode base material that does not have a carbonization step and has a low energy cost can be used. Examples of these are porous carbon electrode base material obtained by binding a carbon fiber web or carbon or other fine conductive material bound by a binder such as resin to a carbon fiber web bound by a binder filled with conductive material particles. and so on.
<多孔質炭素電極基材の製造方法>
シート状物を製造するにあたっては、液体の媒体中に、炭素繊維(A)を分散させて抄造する湿式法、空気中に、炭素繊維(A)を分散させて降り積もらせる乾式法などの抄紙方法を適用できる。好ましくは湿式法である。
<Method for producing porous carbon electrode substrate>
In the production of the sheet-like material, a papermaking method such as a wet method in which the carbon fiber (A) is dispersed in a liquid medium for papermaking, or a dry method in which the carbon fiber (A) is dispersed in the air and accumulated. The method can be applied. The wet method is preferred.
炭素繊維(A)と共に、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b’)を分散させることにより、炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b’)とが絡み合うことでシート状物の強度が向上し、実質的にバインダーフリーとすることもできる。 By dispersing the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar fiber (b′) together with the carbon fiber (A), the carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar state are dispersed. Entangling with the fibers (b′) improves the strength of the sheet-like material, and can be substantially binder-free.
なお、本発明においては、有機高分子化合物をバインダーとして少量用いてもよい。バインダーとして使用する有機高分子化合物は特に限定されないが、例えばポリビニルアルコール(PVA)や、熱融着するポリエステル系あるいはポリオレフィン系のバインダー等が挙げられる。バインダーは繊維や粒子のような固体状でも液体状でもよい。バインダーの含有量としては100g/m2以下が好ましく、より好ましくは50g/m2以下、特に好ましくは30g/m2以下である。バインダーの添加方法は特に限定されない。 In the present invention, a small amount of organic polymer compound may be used as a binder. The organic polymer compound used as the binder is not particularly limited, but examples thereof include polyvinyl alcohol (PVA), and a polyester or polyolefin binder that is heat-sealed. The binder may be solid such as fibers or particles or liquid. The content of the binder is preferably 100 g/m 2 or less, more preferably 50 g/m 2 or less, and particularly preferably 30 g/m 2 or less. The method of adding the binder is not particularly limited.
以下、炭素繊維を用いた場合の多孔質炭素電極基材の製造方法の一例について詳細に述べる。多孔質炭素電極基材は以下の手順(1)〜(4)を経て製造される。 Hereinafter, an example of a method for producing a porous carbon electrode substrate using carbon fiber will be described in detail. The porous carbon electrode substrate is manufactured through the following procedures (1) to (4).
手順(1):炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を分散させた抄紙体を製造する工程
<炭素繊維(A)>
炭素繊維(A)としては、その原料によらず用いることができるが、ポリアクリロニトリル(以後PANと略す。)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から選ばれる1つ以上の炭素繊維を含むことが好ましく、PAN系炭素繊維あるいはピッチ系炭素繊維を含むことがより好ましい。炭素繊維(A)の平均直径は、ガス拡散層としての表面平滑性と導電性の観点から、3〜30μm程度が好ましく、4〜20μmがより好ましく、4〜8μmがさらに好ましい。炭素繊維(A)の長さは、抄紙時の分散性とガス拡散層としての機械的強度の観点から、2〜12mmが好ましく、3〜9mmがさらに好ましい。
Procedure (1): Process for producing a paper body in which carbon fibers (A) and carbon fiber precursor fibers (b) and/or fibrillar fibers (b') are dispersed <carbon fibers (A)>
The carbon fiber (A) can be used regardless of its raw material, but is selected from polyacrylonitrile (hereinafter abbreviated as PAN)-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, rayon-based carbon fiber, and phenol-based carbon fiber 1 It is preferable to contain three or more carbon fibers, and it is more preferable to contain PAN-based carbon fibers or pitch-based carbon fibers. The average diameter of the carbon fibers (A) is preferably about 3 to 30 μm, more preferably 4 to 20 μm, and further preferably 4 to 8 μm, from the viewpoint of surface smoothness and conductivity as a gas diffusion layer. The length of the carbon fiber (A) is preferably 2 to 12 mm, more preferably 3 to 9 mm, from the viewpoint of dispersibility during papermaking and mechanical strength of the gas diffusion layer.
<炭素繊維前駆体繊維(b)>
炭素繊維前駆体繊維(b)は、長繊維状の炭素繊維前駆体繊維を適当な長さにカットしたものである。炭素繊維前駆体繊維(b)の繊維長は、分散性の点から、2〜20mm程度が好ましい。炭素繊維前駆体繊維(b)の断面形状は特に限定されないが、炭素化した後の機械的強度、製造コストの面から、真円度の高いものが好ましい。また、炭素繊維前駆体繊維(b)の直径は、炭素化時の収縮による破断を抑制するため、5μm以下であることが好ましい。
<Carbon fiber precursor fiber (b)>
The carbon fiber precursor fiber (b) is a long fiber-like carbon fiber precursor fiber cut into an appropriate length. From the viewpoint of dispersibility, the fiber length of the carbon fiber precursor fiber (b) is preferably about 2 to 20 mm. The cross-sectional shape of the carbon fiber precursor fiber (b) is not particularly limited, but from the viewpoint of mechanical strength after carbonization and manufacturing cost, one having a high roundness is preferable. The diameter of the carbon fiber precursor fiber (b) is preferably 5 μm or less in order to prevent breakage due to shrinkage during carbonization.
このような炭素繊維前駆体繊維(b)として用いられるポリマーとして、炭素化処理する工程における残存質量が20質量%以上であることが好ましい。このようなポリマーとしては、アクリル系ポリマー、セルロース系ポリマー、フェノール系ポリマーを挙げることができる。 As the polymer used as the carbon fiber precursor fiber (b), the residual mass in the carbonization treatment step is preferably 20% by mass or more. Examples of such polymers include acrylic polymers, cellulose polymers, and phenolic polymers.
紡糸性および低温から高温にかけて炭素繊維(A)同士を接合させることができ、炭素化時の残存質量が大きい点、さらに、後述する交絡処理を行う際の繊維弾性、繊維強度を考慮すると、アクリロニトリル単位を50質量%以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。従って、炭素繊維前駆体繊維(b)としては、アクリル繊維、(アクリロニトリル単位を50質量%以上含有する)アクリル系繊維が好ましい。 Considering the spinnability and the ability to bond the carbon fibers (A) to each other from a low temperature to a high temperature, the large residual mass during carbonization, and further the fiber elasticity and the fiber strength during the entanglement treatment described later, acrylonitrile is considered. It is preferable to use an acrylic polymer containing a unit of 50% by mass or more. Therefore, as the carbon fiber precursor fiber (b), acrylic fiber and acrylic fiber (containing 50% by mass or more of acrylonitrile unit) are preferable.
炭素繊維前駆体繊維(b)は、1種類を用いてもよく、繊維直径やポリマー種が異なる2種類以上の炭素繊維前駆体繊維(b)を用いてもよい。 As the carbon fiber precursor fiber (b), one kind may be used, or two or more kinds of carbon fiber precursor fiber (b) having different fiber diameters and polymer types may be used.
<フィブリル状繊維(b´)>
フィブリル状繊維(b´)は、天然繊維、合成繊維の区別なく、いかなる繊維を用いることも出来る。たとえば、アクリル等を主成分とするフィブリル状炭素前駆体(b´−1)から天然繊維である木材パルプまで含む。中でも含有する金属分が少ないことが好ましいため、フィブリル状繊維(b´)は、合成繊維であることが好ましい。より好ましくはフィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)などを用いることができる。これらをそれぞれ単独で用いてもよいし、併用してもよい。また、炭素化収率を向上させるには、以下に示すフィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)を用いることが好ましい。
<Fibril-like fiber (b')>
As the fibrillar fiber (b′), any fiber can be used without distinction between natural fiber and synthetic fiber. For example, it includes fibrillar carbon precursor (b'-1) containing acrylic as a main component to wood pulp which is a natural fiber. Above all, since it is preferable that the metal content is small, the fibrillar fiber (b′) is preferably a synthetic fiber. More preferably, fibrillar carbon precursor fiber (b'-1) or the like can be used. These may be used alone or in combination. Further, in order to improve the carbonization yield, it is preferable to use the fibrillar carbon precursor fiber (b′-1) shown below.
フィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)とは、適当な長さにカットした長繊維状の易割繊性海島複合繊維であり、リファイナーやパルパーなどによって叩解しフィブリル化するものである。フィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)は、共通の溶剤に溶解し、かつ非相溶性である2種類以上の異種ポリマーを用いて製造され、少なくとも1種類のポリマーが、炭素化処理する工程における残存質量が20質量%以上であることが好ましい。 The fibrillar carbon precursor fiber (b′-1) is a long fiber-like easily splittable sea-island composite fiber cut into an appropriate length, and is beaten by a refiner or pulper to be fibrillated. The fibrillar carbon precursor fiber (b′-1) is manufactured by using two or more kinds of different polymers that are soluble and incompatible in a common solvent, and at least one kind of the polymer is carbonized. The residual mass in the process is preferably 20% by mass or more.
易割繊性海島複合繊維に用いられるポリマーのうち、炭素化処理する工程における残存質量が20質量%以上であるものとしては、アクリル系ポリマー、セルロース系ポリマー、フェノール系ポリマーが挙げられる。中でも、紡糸性および炭素化処理工程における残存質量の観点から、アクリロニトリル単位を50質量%以上含有するアクリル系ポリマーを用いることが好ましい。 Among the polymers used for the easily splittable sea-island composite fiber, those having a residual mass of 20% by mass or more in the carbonization treatment step include acrylic polymers, cellulose polymers and phenolic polymers. Above all, it is preferable to use an acrylic polymer containing 50% by mass or more of an acrylonitrile unit from the viewpoint of spinnability and residual mass in the carbonization treatment step.
フィブリル状繊維(b´)の断面形状は、特に限定されない。分散性、炭素化時の収縮による破断を抑制するため、フィブリル状繊維(b´)の繊度は、1〜10dtexであることが好ましい。フィブリル状繊維(b´)の平均繊維長は、分散性の観点から、1〜20mmが好ましい。 The cross-sectional shape of the fibrillar fibers (b') is not particularly limited. The fineness of the fibrillar fibers (b′) is preferably 1 to 10 dtex in order to prevent dispersibility and breakage due to shrinkage during carbonization. The average fiber length of the fibrillar fibers (b′) is preferably 1 to 20 mm from the viewpoint of dispersibility.
<抄紙体の製造>
抄紙体の製造にあたっては、以下の方法をとることもできる。好適な長さに切断した炭素繊維(A)を水中に均一に分散させ、分散している炭素繊維を網上に抄造し、抄造した炭素繊維シートをポリビニルアルコールの水系分散液に浸漬し、浸漬したシートを引き上げて乾燥させる。前記ポリビニルアルコールは、炭素繊維同士を結着するバインダーの役目を果たし、炭素繊維が分散した状態において、それらがバインダーにより結着された状態の炭素繊維のシートが製造される。バインダーとしては、他に、スチレン−ブタジエンゴム、エポキシ樹脂などを用いることが出来る。
<Manufacture of papermaking body>
The following method can be used in the production of the papermaking body. The carbon fiber (A) cut into a suitable length is uniformly dispersed in water, the dispersed carbon fiber is made into a paper, and the made carbon fiber sheet is dipped in an aqueous dispersion of polyvinyl alcohol and dipped. Pull up the dried sheet to dry. The polyvinyl alcohol serves as a binder that binds the carbon fibers together, and when the carbon fibers are dispersed, a carbon fiber sheet in which the carbon fibers are bound by the binder is manufactured. As the binder, styrene-butadiene rubber, epoxy resin or the like can be used as well.
炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を分散させた抄紙体の製造方法としては、液体の媒体中に炭素繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)とを分散させて抄造する湿式法、空気中に炭素繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)とを分散させて降り積もらせる乾式法、などの抄紙方法を適用できる。しかし、抄紙体の均一性が高いという観点から、湿式法を用いることが好ましい。 As a method for producing a paper body in which carbon fibers (A) and carbon fiber precursor fibers (b) and/or fibrillar fibers (b′) are dispersed, carbon fibers (A) and carbon fibers in a liquid medium are used. Wet method of dispersing precursor fiber (b) and/or fibrillar fiber (b') for papermaking, carbon fiber (A) in air, carbon fiber precursor fiber (b) and/or fibrillar fiber A paper-making method such as a dry method in which (b′) is dispersed and accumulated is applicable. However, the wet method is preferably used from the viewpoint of high uniformity of the paper body.
炭素繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)の混合比としては、炭素繊維(A)100重量部に対し、炭素繊維前駆体繊維(b)およびフィブリル状繊維(b´)の総量が、20〜100重量部となるように混合することが好ましい。炭素繊維前駆体繊維(b)およびフィブリル状繊維(b´)の総量が少ないと、抄紙体の強度が低くなり、炭素繊維前駆体繊維(b)およびフィブリル状繊維(b´)の総量が多いと、結果的に得られる多孔質炭素電極基材の電気伝導性が低くなってしまう。また、炭素繊維前駆体繊維(b)とフィブリル状繊維(b´)との割合は、炭素繊維前駆体繊維(b)100重量部に対し、フィブリル状繊維(b´)が25〜100重量部の割合で含まれることが好ましい。 The mixing ratio of the carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar fiber (b') is 100 parts by weight of the carbon fiber (A), and the carbon fiber precursor fiber (b). It is preferable that the total amount of the fibrillar fibers (b′) is 20 to 100 parts by weight. When the total amount of the carbon fiber precursor fibers (b) and the fibrillar fibers (b') is small, the strength of the papermaking body is low, and the total amount of the carbon fiber precursor fibers (b) and the fibrillar fibers (b') is large. Then, the electrical conductivity of the resulting porous carbon electrode substrate will be low. Further, the ratio of the carbon fiber precursor fiber (b) and the fibrillar fiber (b') is 25 to 100 parts by weight of the fibrillar fiber (b') with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber precursor fiber (b). It is preferable to be included in the ratio of.
炭素繊維(A)が単繊維に開繊するのを助け、開繊した単繊維が再収束することを防止するためにも、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を使用する。また、必要に応じてバインダーを使用して、湿式抄紙することもできる。 The carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar fiber (b′) also help the carbon fibers (A) to open into single fibers and prevent the opened single fibers from re-converging. ) Is used. If necessary, a binder may be used for wet papermaking.
バインダーとは、炭素繊維(A)と、炭素前駆体繊維(b)とを含む前駆体シート中で、各成分をつなぎとめる糊剤としての役割を有する。バインダーとしては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリ酢酸ビニルなどを用いることができる。特に、抄紙工程での結着力に優れ、炭素繊維(A)の脱落が少ないことから、ポリビニルアルコールが好ましい。本発明では、バインダーを繊維形状にして用いることも可能である。 The binder has a role as a sizing agent that holds each component together in the precursor sheet containing the carbon fiber (A) and the carbon precursor fiber (b). As the binder, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate or the like can be used. In particular, polyvinyl alcohol is preferable because it has excellent binding force in the papermaking process and the carbon fiber (A) is less likely to fall off. In the present invention, the binder may be used in the form of fibers.
本発明では、バインダーを用いずに抄紙化しても、炭素繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)との適度な絡みを得ることができる。 In the present invention, even if papermaking is performed without using a binder, it is possible to obtain an appropriate entanglement between the carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar fiber (b′).
炭素繊維(A)および炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を分散させる液体の媒体としては、例えば、水、アルコールなどの炭素前駆体繊維(b)が溶解しない媒体が挙げられる。この中でも、生産性の観点から、水を用いることが好ましい。 As a liquid medium in which the carbon fibers (A) and the carbon fiber precursor fibers (b) and/or the fibrillar fibers (b′) are dispersed, for example, the carbon precursor fibers (b) such as water and alcohol are not dissolved. The medium may be mentioned. Among these, it is preferable to use water from the viewpoint of productivity.
繊維質を分散させたスラリー中の繊維質濃度が1〜50g/L程度となる割合で水などの媒体を用いることが好ましい。スラリー中の繊維質濃度が低いと、抄紙速度を遅くせざるを得ず、生産性が悪くなり、繊維質濃度が高くなりすぎるとスラリー中の繊維質の分散性が低下するため、繊維質の塊が発生しやすく、目付ムラの大きな抄紙体が得られる。 It is preferable to use a medium such as water at a rate such that the fiber concentration in the slurry in which the fiber is dispersed is about 1 to 50 g/L. When the fiber concentration in the slurry is low, the papermaking speed must be slowed down, the productivity becomes poor, and when the fiber concentration is too high, the dispersibility of the fiber in the slurry decreases, A lump is easily generated, and a paper body having a large uneven weight is obtained.
炭素繊維(A)および炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)を混合する方法としては、水中で攪拌分散させる方法、これらを直接混ぜ込む方法が挙げられるが、均一に分散させる観点から、水中で拡散分散させる方法が好ましい。炭素繊維(A)と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)とを混合し、抄紙して抄紙体を製造することにより、抄紙体の強度を向上させることができる。また、その製造途中で、前駆体シートから炭素繊維(A)が剥離し、炭素繊維(A)の配向が変化することを防止することができる。 Examples of the method for mixing the carbon fiber (A) and the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar fiber (b′) include a method of stirring and dispersing in water and a method of directly mixing them, but they are uniform. From the viewpoint of dispersion in water, a method of diffusion dispersion in water is preferable. By mixing the carbon fiber (A) with the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar fiber (b′) and making a paper to produce a papermaking body, it is possible to improve the strength of the papermaking body. it can. Further, it is possible to prevent the carbon fibers (A) from peeling off from the precursor sheet during the production thereof and changing the orientation of the carbon fibers (A).
手順(2)抄紙体に交絡処理を施す工程
交絡処理は必ずしも必要ではないが、シート状物を交絡処理することで、炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)が3次元に交絡した交絡構造を有するシート(交絡構造シート)を形成することができる。
Step (2) Step of performing entanglement treatment on the papermaking body The entanglement treatment is not always necessary, but by performing the entanglement treatment on the sheet-like material, the carbon fibers (A) and the carbon fiber precursor fibers (b) and/or fibrils are formed. A sheet (entangled structure sheet) having an entangled structure in which the fibers (b′) are entangled three-dimensionally can be formed.
交絡処理は、交絡構造が形成される方法から必要に応じて選択することができ、特に限定されない。ニードルパンチング法などの機械交絡法、ウォータージェットパンチング法などの高圧液体噴射法、スチームジェットパンチング法などの高圧気体噴射法、あるいはこれらの組み合わせによる方法で行うことができる。交絡処理工程での炭素繊維(A)の破断と、炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)の破断を、容易に抑制することができ、かつ適切な交絡性が容易に得られるという点で、高圧液体噴射法が好ましい。 The entanglement treatment can be selected as necessary from the method of forming the entangled structure and is not particularly limited. Mechanical entangling method such as needle punching method, high pressure liquid injection method such as water jet punching method, high pressure gas injection method such as steam jet punching method, or a combination thereof can be used. The breakage of the carbon fiber (A) and the breakage of the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar fiber (b′) in the entanglement treatment step can be easily suppressed, and an appropriate entanglement property can be obtained. The high-pressure liquid jet method is preferable because it can be easily obtained.
交絡処理工程により抄紙体の引張強度が向上するため、通常抄紙で使用されるポリビニルアルコール等のバインダーを使用せずに済み、かつ水中あるいは湿潤状態でもシートの引張強度を維持できる。 Since the tensile strength of the papermaking body is improved by the entanglement treatment step, it is not necessary to use a binder such as polyvinyl alcohol usually used in papermaking, and the tensile strength of the sheet can be maintained even in water or in a wet state.
手順(3):抄紙体に樹脂を含浸させ、乾燥・成形を行う工程
<樹脂>
抄紙体に含浸させる樹脂としては、炭素化した段階でガス拡散層の炭素繊維を結着することのできる公知の樹脂から適宜選んで用いることができる。炭素化工程を有する多孔質炭素電極基材を製造する場合は、炭素化後に導電性物質として残存しやすいという観点から、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ピッチ等が好ましく、加熱による炭素化の際に炭化率の高いフェノール樹脂が特に好ましい。炭素化工程を有さない多孔質炭素電極基材を製造する際には、熱可塑性・熱硬化性樹脂を問わず、使用することができる。多孔質炭素電極基材の撥水性を高める観点から、フッ素樹脂が好ましい。また、炭素化工程の有無に関わらず、多孔質炭素電極基材の導電性をさらに向上させることを目的として、これらの樹脂に炭素粉を混合することも有効である。炭素粉としては、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、膨張化黒鉛、葉片状黒鉛、塊状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛粒子、更には、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブなどが挙げられる。特に限定はされないが、上記炭素粉のうちでも、黒鉛粒子、カーボンブラックがより好ましい。これらを単数あるいは複数用いてもよい。
Step (3): a step of impregnating a paper body with a resin, drying and molding <resin>
The resin with which the papermaking body is impregnated can be appropriately selected from known resins that can bind the carbon fibers of the gas diffusion layer at the carbonization stage. When producing a porous carbon electrode substrate having a carbonization step, phenol resin, epoxy resin, furan resin, pitch and the like are preferable from the viewpoint that they are likely to remain as a conductive substance after carbonization. Particularly preferred is a phenol resin having a high carbonization rate. When manufacturing a porous carbon electrode substrate having no carbonization step, any thermoplastic or thermosetting resin can be used. From the viewpoint of enhancing the water repellency of the porous carbon electrode substrate, fluororesin is preferable. Further, it is also effective to mix carbon powder with these resins for the purpose of further improving the conductivity of the porous carbon electrode base material regardless of the presence or absence of the carbonization step. Examples of the carbon powder include scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite, artificial graphite, expanded graphite, expanded graphite, flake graphite, lump graphite, spherical graphite, and other graphite particles, and further carbon black, fullerene, carbon. Examples include nanotubes. Although not particularly limited, graphite particles and carbon black are more preferable among the above carbon powders. One or more of these may be used.
<含浸方法>
熱硬化性樹脂を含浸させる方法としては、公知の方法を用いることが出来る。たとえば、ディップ法やキスコート法、スプレー法、カーテンコート法などを用いることが出来る。とりわけ製造コストの観点から、スプレー法やカーテンコート法を用いることが好ましい。
<Impregnation method>
As a method for impregnating the thermosetting resin, a known method can be used. For example, a dip method, a kiss coat method, a spray method, a curtain coat method or the like can be used. Particularly, from the viewpoint of manufacturing cost, it is preferable to use the spray method or the curtain coating method.
<乾燥・成形工程>
乾燥方法としては、公知の技術を用いることが出来る。加熱されたロールに接触させて乾燥させるドラム乾燥や熱風による乾燥方法などを用いることが出来る。メンテナンスの簡便さから、非接触方式による乾燥が好ましい。乾燥温度としては、樹脂が硬化しない温度範囲60〜110℃、より好ましくは70〜100℃が好ましい。
<Drying/molding process>
As a drying method, a known technique can be used. A drum drying method of contacting with a heated roll for drying or a drying method using hot air can be used. Drying by a non-contact method is preferable because of easy maintenance. As the drying temperature, a temperature range in which the resin does not cure is 60 to 110°C, more preferably 70 to 100°C.
樹脂含浸・乾燥後の抄紙体を成形する工程が重要である。炭素化工程を有する多孔質炭素電極基材を製造する場合は、これにより前駆体シート中の炭素繊維(A)を炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)で融着させ、かつ熱硬化性樹脂を硬化させることで、炭素化後の多孔質炭素電極基材の強固な導電パスが形成される。炭素化工程を有さない多孔質炭素電極基材を製造する場合は、成形工程によって製品寸法が決まってしまうため、フィブリル状炭素前駆体繊維(b´−1)と樹脂の溶融状態をコントロールしなければならない。成形の後200−400℃の雰囲気中で熱処理を行うことで、炭素化工程の製造プロセスは終了となる。 The step of molding the paper body after resin impregnation and drying is important. When producing a porous carbon electrode substrate having a carbonization step, the carbon fiber (A) in the precursor sheet is thereby converted into the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar carbon precursor fiber (b′). By fusing at -1) and curing the thermosetting resin, a strong conductive path of the carbonized porous carbon electrode substrate is formed. When manufacturing a porous carbon electrode substrate without a carbonization step, the product size is determined by the molding step, so the molten state of the fibrillar carbon precursor fiber (b'-1) and the resin is controlled. There must be. The manufacturing process of the carbonization step is completed by performing heat treatment in an atmosphere of 200 to 400° C. after molding.
成形方法は、抄紙体を均等に加熱加圧成形できる技術であれば、いかなる技術も適用できる。例えば、抄紙体の両面に平滑な剛板を当てて熱プレスする方法、連続ロールプレス装置や、連続ベルトプレス装置を用いる方法が挙げられる。 As the molding method, any technology can be applied as long as it is a technology capable of uniformly heating and pressing the papermaking body. For example, a method in which smooth rigid plates are applied to both sides of a papermaking body to perform hot pressing, a method using a continuous roll pressing device, or a continuous belt pressing device can be mentioned.
加熱加圧成形における加熱温度は、前駆体シートの表面を効果的に平滑にするために、200℃未満が好ましく、120〜190℃がより好ましい。 The heating temperature in the heat and pressure molding is preferably less than 200°C, and more preferably 120 to 190°C in order to effectively smooth the surface of the precursor sheet.
成形圧力は特に限定されないが、抄紙体中における炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状繊維(b´)の含有比率が多い場合は、成形圧が低くても容易にシートYの表面を平滑にすることができる。このとき必要以上にプレス圧を高くすると、加熱加圧成形時に炭素繊維(A)が破壊されるという問題や、多孔質炭素電極基材の組織が緻密になりすぎるという問題等が生じる可能性がある。成形圧力は、20kPa〜10MPa程度が好ましい。 The molding pressure is not particularly limited, but when the content ratio of the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar fiber (b′) in the papermaking body is high, the surface of the sheet Y can be easily formed even if the molding pressure is low. Can be smoothed. At this time, if the pressing pressure is increased more than necessary, there is a possibility that the carbon fiber (A) is destroyed during the heat and pressure forming, the structure of the porous carbon electrode substrate becomes too dense, and the like. is there. The molding pressure is preferably about 20 kPa to 10 MPa.
加熱加圧成形の時間は、例えば30秒〜10分とすることができる。抄紙体を2枚の剛板に挟んでまたは連続ロールプレス装置や連続ベルトプレス装置で加熱加圧成形する時は、剛板またはロールやベルトに炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状炭素前駆体繊維(b´)などが付着しないように、あらかじめ剥離剤を塗っておくことや、抄紙体と剛板またはロールやベルトとの間に離型紙を挟むことが好ましい。 The time for heat and pressure molding can be set to, for example, 30 seconds to 10 minutes. When sandwiching the papermaking body between two rigid plates or when heat-pressing with a continuous roll pressing device or a continuous belt pressing device, carbon fiber precursor fibers (b) and/or fibrils are formed on the rigid plates or rolls or belts. It is preferable to apply a release agent in advance so that the carbon precursor fibers (b′) and the like do not adhere, and to sandwich a release paper between the papermaking body and the rigid plate or roll or belt.
手順(4):前記手順(3)で得られた前駆体シートを、窒素雰囲気下において2000〜3000℃で炭素化して多孔質炭素質電極基材を製造する工程。 Step (4): A step of carbonizing the precursor sheet obtained in the above step (3) at 2000 to 3000° C. in a nitrogen atmosphere to produce a porous carbonaceous electrode substrate .
<炭素化>
炭素化処理は前駆体シート中の炭素繊維前駆体繊維(b)および/またはフィブリル状炭素前駆体繊維(b´)および熱硬化性樹脂を炭素化する。炭素化処理は多孔質炭素電極基材の導電性を高めるために、不活性ガス中で行うことが好ましい。炭素化処理は、通常1000℃以上の温度で行なわれる。炭素化処理温度範囲は、1000〜3000℃が好ましく、1000〜2200℃がより好ましい。炭素化処理時間は、例えば10分間〜1時間程度である。また、炭素化処理の前に、300〜800℃の程度の不活性雰囲気での焼成による前処理を行うことができる。
<Carbonization>
The carbonization treatment carbonizes the carbon fiber precursor fiber (b) and/or the fibrillar carbon precursor fiber (b′) and the thermosetting resin in the precursor sheet. The carbonization treatment is preferably performed in an inert gas in order to enhance the conductivity of the porous carbon electrode substrate. The carbonization treatment is usually performed at a temperature of 1000°C or higher. The carbonization treatment temperature range is preferably 1000 to 3000°C, more preferably 1000 to 2200°C. The carbonization treatment time is, for example, about 10 minutes to 1 hour. Further, before the carbonization treatment, a pretreatment by firing in an inert atmosphere of about 300 to 800° C. can be performed.
連続的に製造された前駆体シートを炭素化処理する場合は、製造コスト低減化の観点から、前駆体シートの全長にわたって連続で炭素化処理を行うことが好ましい。多孔質炭素電極基材が長尺であればハンドリング性が高く、多孔質炭素電極基材の生産性が高くなり、かつその後の膜−電極接合体(MEA)の製造も連続で行うことができるので、燃料電池の製造コストを低減できる。また、多孔質炭素電極基材や燃料電池の生産性および製造コスト低減化の観点から、製造された多孔質炭素電極基材を連続的に巻き取ることが好ましい。 In the case of carbonizing the precursor sheet that is continuously manufactured, it is preferable to continuously perform carbonization over the entire length of the precursor sheet from the viewpoint of reducing the manufacturing cost. If the porous carbon electrode substrate is long, the handling property is high, the productivity of the porous carbon electrode substrate is high, and the subsequent production of the membrane-electrode assembly (MEA) can be continuously performed. Therefore, the manufacturing cost of the fuel cell can be reduced. Further, it is preferable to continuously wind up the manufactured porous carbon electrode base material from the viewpoint of productivity of the porous carbon electrode base material and the fuel cell and reduction of manufacturing cost.
上述した手順を経て多孔質炭素電極基材を得ることが出来る。なお手順(2)および手順(3)は省略することも出来る。 A porous carbon electrode base material can be obtained through the procedure described above. The procedure (2) and the procedure (3) can be omitted.
<炭素化工程を省略した多孔質炭素電極基材の製造方法>
炭素化工程を省略することで、炭素化を行う場合に比べてエネルギーコストを大幅に低減することができる。炭素化工程の省略による導電性の低下を抑制するため、さらなる導電性物質を導入することが必要である。上述した、炭素繊維が分散した抄紙体に前記導電性物質などを添加・定着させる方法や、導電性物質とバインダー樹脂からなるスラリーを調製し、それらを製膜後、熱処理を行って多孔質炭素電極基材を製造する方法がある。前者の方法であれば、上述した炭素化工程を有する多孔質炭素電極基材の製造方法に準じて、抄紙体に樹脂含浸を行う要領で、導電性物質を添加し、その後にプレス成形することで定着させて多孔質炭素電極基材を製造することができる。また、後者の製造方法においても、上記抄紙体を製造する際のスラリー調製方法と同様にして、導電性物質を単数もしくは複数選択し、バインダー物質と溶液中で混合することでスラリーを調製し、公知のコーティング技術を用いて製膜後、乾燥・熱処理を施すことで多孔質炭素電極基材を製造できる。また、これらに供する導電性物質は、特に限定されるものではなく、例えば、炭素繊維であればポリアクリロニトリル系(PAN系)炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、その他、カーボンブラック、カーボンナノチューブなどを適宜用いることができる。用いる種類は限定されず、単独で使用してもよくあるいは複数選択して用いてもよい。導電性物質を決着させるバインダーとしては、樹脂を用いることができる。樹脂としては、撥水性を有するフッ素系、あるいはシリコーン系樹脂などが好適である。上記スラリーを調製するにあたっては、スラリーの溶媒として、水、アセトン、エタノール、メタノールなどを適宜用いることができるが、環境負荷の低減、製造装置のコスト低減の観点から、溶媒としては水を用いることが最も好ましい。また、スラリー中における導電性物質およびバインダー物質の分散性を向上させるべく、界面活性剤や粘剤などの添加剤を適宜用いてもよい。
<Method of manufacturing porous carbon electrode substrate without carbonization step>
By omitting the carbonization step, the energy cost can be significantly reduced as compared with the case where carbonization is performed. In order to suppress the decrease in conductivity due to the omission of the carbonization step, it is necessary to introduce a further conductive substance. As described above, a method of adding and fixing the conductive substance or the like to the paper body in which the carbon fibers are dispersed, or preparing a slurry composed of the conductive substance and a binder resin, and after forming them into a film, heat treatment is performed to obtain porous carbon. There is a method of manufacturing an electrode base material. In the case of the former method, according to the method for producing a porous carbon electrode substrate having the above-mentioned carbonization step, a conductive material is added in the manner of resin impregnation of the papermaking body, and then press molding is performed. The porous carbon electrode base material can be manufactured by fixing with. Further, also in the latter production method, in the same manner as in the slurry preparation method for manufacturing the papermaking body, a single or a plurality of conductive materials are selected, and a slurry is prepared by mixing with a binder material in a solution, A porous carbon electrode substrate can be manufactured by performing drying and heat treatment after forming a film using a known coating technique. In addition, the conductive material provided for these is not particularly limited, and for example, in the case of carbon fiber, polyacrylonitrile-based (PAN-based) carbon fiber, pitch-based carbon fiber, rayon-based carbon fiber, other, carbon black, Carbon nanotubes or the like can be used as appropriate. The type to be used is not limited and may be used alone or may be selected in plural. A resin can be used as the binder for fixing the conductive substance. As the resin, a water-repellent fluorine-based or silicone-based resin is suitable. In preparing the above-mentioned slurry, water, acetone, ethanol, methanol or the like can be appropriately used as the solvent of the slurry, but from the viewpoint of reducing environmental load and cost of the manufacturing apparatus, use water as the solvent. Is most preferred. Further, in order to improve the dispersibility of the conductive substance and the binder substance in the slurry, additives such as a surfactant and a sticky agent may be appropriately used.
2.ガス拡散層
本発明の製造方法により得られる多孔質炭素電極は、炭素繊維が炭素により結着された多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と繊維化された撥水剤からなるコーティング層が形成されたガス拡散層である。
2. Gas diffusion layer The porous carbon electrode obtained by the production method of the present invention has a water repellent agent in which carbon powder and fiber are formed on at least one surface of a porous carbon electrode substrate in which carbon fibers are bound by carbon. Is a gas diffusion layer having a coating layer formed of.
<多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と繊維化された撥水剤からなるコーティング層が形成されたガス拡散層>
本発明においては、「多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と撥水剤からなるコーティング層が形成されたもの」を「ガス拡散層」という。コーティング層は多孔質電極基材の一方の面上、もしくは両面に形成されていてもよい。多孔質炭素電極基材の一方の面のみにコーティング層を形成する場合は、触媒層と多孔質炭素電極基材間の接触抵抗を低減する観点から、固体高分子形燃料電池内の触媒層と接する側の多孔質電極基材の面上にコーティング層を設けることが好ましい。
<A gas diffusion layer in which a coating layer made of carbon powder and a fibrous water repellent is formed on at least one surface of a porous carbon electrode substrate>
In the present invention, "a porous carbon electrode substrate having a coating layer formed of carbon powder and a water repellent on at least one surface thereof" is referred to as a "gas diffusion layer". The coating layer may be formed on one surface or both surfaces of the porous electrode substrate. When forming a coating layer only on one surface of the porous carbon electrode substrate, from the viewpoint of reducing the contact resistance between the catalyst layer and the porous carbon electrode substrate, with the catalyst layer in the polymer electrolyte fuel cell It is preferable to provide a coating layer on the surface of the porous electrode base material on the contact side.
コーティング層に用いるカーボン粉は、たとえば、黒鉛粉やカーボンブラックなどを用いることができる。例えば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)、ケッチェンブラック(例えばライオン(株)製のKetjen Black EC)、ファーネスブラック(例えばCABOT社製のバルカンXC72)などを用いることができる。カーボン粉を用いる割合としては、カーボン粉を溶媒に分散させた際の濃度が、5〜30%となるように用いることが好ましい。撥水剤としてはフッ素樹脂やシリコーン樹脂などが挙げられ、これらを水などの溶媒に分散させて用いることが出来る。撥水性の高さから特に好ましくはフッ素樹脂である。フッ素樹脂としては例えばテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体などがあげられ、特にPTFEが好ましい。撥水剤を用いる割合としては、撥水剤を溶媒に分散させた際の濃度が、5〜60%となるように用いることが好ましい。本発明においては撥水剤を繊維化させるため、乳化重合により製造されるPTFEが好ましく、中でもディスパージョンタイプの使用が好ましい。 As the carbon powder used for the coating layer, for example, graphite powder or carbon black can be used. For example, acetylene black (for example, Denka black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), Ketjen black (for example, Ketjen Black EC manufactured by Lion Co., Ltd.), furnace black (for example, Vulcan XC72 manufactured by CABOT) can be used. .. The carbon powder is preferably used so that the concentration when the carbon powder is dispersed in the solvent is 5 to 30%. Examples of the water repellent include fluororesins and silicone resins, which can be used by dispersing them in a solvent such as water. A fluororesin is particularly preferable because of its high water repellency. Examples of the fluororesin include tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene (PTFE), and tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, and PTFE is particularly preferable. Regarding the proportion of the water repellent, it is preferable to use the water repellent such that the concentration of the water repellent when dispersed in the solvent is 5 to 60%. In the present invention, since the water repellent agent is made into fibers, PTFE produced by emulsion polymerization is preferable, and among them, the dispersion type is preferably used.
カーボン粉および撥水剤を分散させる溶媒としては、水や有機溶媒を用いることが出来る。有機溶媒の危険性、コスト及び環境負荷の観点から、水を使用することが好ましい。有機溶媒を使用する際には、水と混合可能な溶媒である低級アルコールやアセトンなどの使用が好ましい。これら有機溶媒を用いる割合としては、水1に対して0.5〜2の比率で用いることが好ましい。 Water or an organic solvent can be used as a solvent for dispersing the carbon powder and the water repellent. From the viewpoint of the danger of organic solvent, cost and environmental load, it is preferable to use water. When using an organic solvent, it is preferable to use a lower alcohol, acetone, or the like, which is a solvent miscible with water. The ratio of these organic solvents used is preferably 0.5 to 2 with respect to 1 part of water.
カーボン粉と撥水剤からなるコーティング層とは、カーボン粉がバインダーである撥水剤によって結合されたものである。言い換えれば、撥水剤によって形成されるネットワーク中にカーボン粉が取り込まれ、微細な網目構造を有する。コーティング層を形成させる際に、組成物の一部が多孔質炭素電極基材へと染み込むため、コーティング層と多孔質炭素電極基材との明確な境界線の定義は困難であるが、本発明においてはコーティング層組成物の多孔質炭素電極基材へのしみこみが生じていない部分、すなわちカーボン粉と撥水剤のみから構成される層のみをコーティング層と定義する。本発明のコーティング層中には繊維化された撥水剤を含むため、上記網目構造がより強固なものとなり、コーティング層の強度が向上するだけでなく、繊維状撥水剤と多孔質炭素電極基材との絡みあいが生じることで、コーティング層と多孔質炭素電極基材の接着性が向上し、コーティング層の剥離強度が高い固体高分子形燃料電池用のガス拡散層が得られる。本発明のガス拡散層は、多孔質炭素電極基材の面のいずれか一方の面上にカーボン粉と撥水剤からなるコーティング層を有している。両面に当該コーティング層を有していてもよいが、プロセスが増加による生産性の低下および両面にコーティング層を有することでガス拡散性と排水性が低下する可能性があることから片面塗布が好ましい。コーティング層を形成させる表面はどちらでも良いが、強固なコーティング層を形成させるためにはある程度の表面粗さを有する面であることが好ましい。ただし、多孔質炭素電極基材の一方の面にガス流路を形成したものなどはこの限りではなく、もう一方の平滑な面に形成することが好ましい。 The coating layer composed of carbon powder and a water repellent is carbon powder bonded by a water repellent which is a binder. In other words, carbon powder is incorporated into the network formed by the water repellent, and has a fine network structure. Since a part of the composition permeates into the porous carbon electrode substrate when forming the coating layer, it is difficult to define a clear boundary line between the coating layer and the porous carbon electrode substrate. In (1), a portion of the coating layer composition where the porous carbon electrode substrate is not soaked, that is, only a layer composed of carbon powder and a water repellent is defined as a coating layer. Since the coating layer of the present invention contains a fibrous water repellent agent, the network structure becomes stronger and not only the strength of the coating layer is improved, but also the fibrous water repellent agent and the porous carbon electrode. The entanglement with the base material improves the adhesion between the coating layer and the porous carbon electrode base material, and a gas diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell having a high peel strength of the coating layer can be obtained. The gas diffusion layer of the present invention has a coating layer composed of carbon powder and a water repellent agent on one of the surfaces of the porous carbon electrode substrate. Although it may have the coating layer on both sides, single-side coating is preferable because productivity may decrease due to an increase in the number of processes and gas diffusion and drainage may decrease due to having coating layers on both sides. .. The surface on which the coating layer is formed may be either surface, but it is preferably a surface having a certain degree of surface roughness in order to form a strong coating layer. However, this is not limited to the case where a gas flow path is formed on one surface of the porous carbon electrode substrate, and it is preferable to form it on the other smooth surface.
<多孔質炭素電極基材の少なくとも一方の面上に、カーボン粉と撥水剤からなり、表面に長さが0.001〜1mm、幅0.05〜10μmのクラックを25〜1000個/m2有するコーティング層を設けたガス拡散層>
ここで言うクラックとは、コーティング層をにおける亀裂のことを指す。このクラックは、コーティング層を乾燥する際に、塗工膜から除去される溶媒の除去速度を変化させることで、発生度合いを変えることができる。クラックの長さとしては、0.001〜1mmが好ましく、0.001〜0.05mmであることがさらに好ましい。クラックが0.001mmより小さいとクラックによるコーティング層の屈曲性が発現せず、また1mmより大きいとコーティング層の排水性低下が著しくなる。クラックの幅については、幅0.05〜10μmの範囲内にあることが好ましい。0.05μmより小さいと、クラックによるコーティング層の屈曲性が発現せず、また10μmより大きいと多孔質炭素電極基材の細孔径サイズと同等の孔径になるため、コーティング層による保水効果が低下してしまう。さらに好ましいクラックの幅については、0.05〜5μmである。クラックの個数は25〜1000個/m2であることが好ましい。25個/m2より少ないと、コーティング層の柔軟性が足りず、後述する巻き取り試験にて、巻き取り前後でコーティング層の構造変化が著しくなる。1000個以上であると、コーティング層の強度が著しく低下してしまう。より好ましいクラック数は25〜500個/m2である。
<25-1000 cracks/meter on the surface of at least one surface of the porous carbon electrode substrate, which are made of carbon powder and a water repellent and have a length of 0.001 to 1 mm and a width of 0.05 to 10 μm. 2 gas diffusion layer provided with a coating layer>
The term "crack" as used herein refers to a crack in the coating layer. The degree of occurrence of these cracks can be changed by changing the removal rate of the solvent removed from the coating film when the coating layer is dried. The crack length is preferably 0.001 to 1 mm, and more preferably 0.001 to 0.05 mm. If the crack is smaller than 0.001 mm, the flexibility of the coating layer due to the crack does not appear, and if it is larger than 1 mm, the drainage property of the coating layer is significantly deteriorated. The width of the crack is preferably in the range of 0.05 to 10 μm. If it is less than 0.05 μm, the flexibility of the coating layer due to cracks does not appear, and if it is more than 10 μm, the pore diameter is the same as the pore diameter size of the porous carbon electrode substrate, so the water retention effect of the coating layer decreases. Will end up. A more preferable crack width is 0.05 to 5 μm. The number of cracks is preferably 25 to 1000/m 2 . When it is less than 25/m 2 , the flexibility of the coating layer is insufficient, and the structural change of the coating layer becomes significant before and after winding in the winding test described later. If the number is 1000 or more, the strength of the coating layer is significantly reduced. The more preferable number of cracks is 25 to 500/m 2.
<ガス拡散層の厚み>
ガス拡散層の厚みは、良好な電気導電性と排水性を発現するために、55〜350μmの範囲にあることが好ましい。55μm以上であれば、ハンドリング可能であり、350μm以下であれば良好な電気伝導性が得られる。さらに好ましい厚みは、100〜250μmの範囲である。ガス拡散層を構成する多孔質電極基材の厚みが50〜250μmであることが好ましく、さらに少なくとも一方の面に形成されたコーティング層の厚みが5〜100μmであることが好ましい。多孔質電極基材の厚みが50μmより小さいと搬送が困難であり、コーティング層を設けることが困難である。また、多孔質電極基材の厚みが350μmよりも大きいと取扱い性は向上するが、電気抵抗が大きくなるため、発電性能が低下してしまう。コーティング層の厚みは、5μmよりも小さいと、多孔質炭素電極基材を構成する炭素繊維がコーティング層を突き破り、触媒層や電解質膜まで到達する恐れがあるため好ましくない。100μmよりも厚すぎるとコーティング層による電子抵抗が増大し、発電性能の低下を招くこととなるため好ましくない。
<Thickness of gas diffusion layer>
The thickness of the gas diffusion layer is preferably in the range of 55 to 350 μm in order to exhibit good electric conductivity and drainage property. If it is 55 μm or more, handling is possible, and if it is 350 μm or less, good electric conductivity is obtained. A more preferable thickness is in the range of 100 to 250 μm. The thickness of the porous electrode substrate forming the gas diffusion layer is preferably 50 to 250 μm, and the thickness of the coating layer formed on at least one surface is preferably 5 to 100 μm. If the thickness of the porous electrode base material is smaller than 50 μm, it is difficult to carry it and it is difficult to provide the coating layer. Further, if the thickness of the porous electrode base material is larger than 350 μm, the handling property is improved, but the electric resistance is increased, so that the power generation performance is deteriorated. If the thickness of the coating layer is smaller than 5 μm, the carbon fibers forming the porous carbon electrode substrate may break through the coating layer and reach the catalyst layer or the electrolyte membrane, which is not preferable. If the thickness is more than 100 μm, the electronic resistance due to the coating layer increases and the power generation performance deteriorates, which is not preferable.
<ガス拡散層のロール状物>
ガス拡散層の生産性、および後加工性を鑑みるとロール状物であることが好ましい。
ガス拡散層を巻きつける芯材は、軽量で、巻出し・巻き取り装置に保持しやすい中空形状の芯材が良く、その材質は、紙または樹脂が好ましい。芯材の装置へ取り付ける際に発生する粉じんを減らす観点からは樹脂製の芯材がより好ましい。樹脂としてはポリエチレン、ABS樹脂、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタラート等の樹脂が好ましい。また、芯材をリサイクルする観点および、安価である点からは材質を紙製のものとするのが好ましい。
<Roll of gas diffusion layer>
In view of the productivity of the gas diffusion layer and the post-processability, it is preferably a roll-shaped material.
The core material around which the gas diffusion layer is wound is preferably a hollow core material that is lightweight and easy to hold in the unwinding/winding device, and the material is preferably paper or resin. A resin core material is more preferable from the viewpoint of reducing dust generated when the core material is attached to the device. The resin is preferably polyethylene, ABS resin, polystyrene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyethylene terephthalate, or the like. Further, it is preferable to use paper as the material from the viewpoint of recycling the core material and from the viewpoint of low cost.
紙製の芯材であっても、表面に樹脂加工を施した芯材を用いることで、上述した装置への取り付け時に発生する粉じんを極力減らすことができる。 Even with a paper core material, by using a resin-processed core material, it is possible to reduce as much dust as possible when it is attached to the above-mentioned device.
芯材の芯径としてはガス拡散層に対する曲げ半径の関係より、その外径は84.2〜182.4mmの範囲内にあることが好ましい。外径は84.2mm未満であると、ガス拡散層の最大曲率半径に近くなるため、巻き取り前後での構造変化が生じやすくなるため、好ましくない。また、182.4mmよりも大きくなると、巻き取り径が大きくなりすぎてしまい、生産性および輸送時のコストが増すことから好ましくない。芯材外径のより好ましい範囲は、82.4〜172.4mmである。芯材が中空形状である場合は、芯材の内径としては76.2〜152.4mmであることが好ましく、芯材の厚みとしては4〜15mmの範囲内にあることが好ましい。芯材の厚みが4mm未満では繰り返し使用した際の耐久性に乏しく、また15mmよりも大きいとロール状物とした際の重量が大きくなってしまうため好ましくない。なお、芯材はガス拡散層をロール状に巻きとったあとに抜きとっても良い。 As the core diameter of the core material, the outer diameter thereof is preferably in the range of 84.2 to 182.4 mm from the relationship of the bending radius with respect to the gas diffusion layer. If the outer diameter is less than 84.2 mm, it is close to the maximum radius of curvature of the gas diffusion layer, and the structure change easily occurs before and after winding, which is not preferable. On the other hand, when it is larger than 182.4 mm, the winding diameter becomes too large, which is not preferable because productivity and transportation cost increase. A more preferable range of the outer diameter of the core material is 82.4 to 172.4 mm. When the core material is hollow, the inner diameter of the core material is preferably 76.2 to 152.4 mm, and the thickness of the core material is preferably in the range of 4 to 15 mm. If the thickness of the core material is less than 4 mm, the durability upon repeated use is poor, and if it is more than 15 mm, the weight of the roll-shaped material becomes large, which is not preferable. The core material may be removed after the gas diffusion layer is wound into a roll.
ロール状物におけるコーティング層の配し方としては、ロール状物の内側にコーティング層を配する方法、および外側に配する方法の2通りがある。本発明においてはどちらの方法をとることも可能である。コーティング層をロール状物の内側に配する場合、外層に多孔質炭素電極基材が配されるため、外的な衝撃や巻長さが増加した際の巻締りによるコーティング層へのダメージを緩和することができる。一方で、ロール状物の外側にコーティング層を配することによって、コーティング層の曲げ半径は大きくなることから、巻きつけ時のコーティング層へのダメージを緩和することができる点で好ましい。また、外側にコーティング層を配することでコーティング層に付着した異物や塗工ムラ等を容易に確認することができる。コーティング層の上すなわち、コーティング層と内層もしくは外層のガス拡散層との間に保護層を設けることも出来る。保護層を設けることでコーティング層に傷や多孔質炭素電極基材から脱落した炭素繊維や炭化物等の異物が付着することを防ぐことができる。保護層の材質としてはコーティング層と接着しないものであればよく、各種離型紙や、ポリエチレン、ABS樹脂、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタラート、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂フィルムの使用が好ましい。保護層の厚みは5〜100μmであることが好ましい。保護層の厚みが5μm未満であると、炭素繊維の保護層への突き刺さりによりコーティング層へダメージが生じうることから好ましくない。また、保護層の厚みが100μmより大きいと、コーティング層の保護効果は期待できるが、ロール状物の巻き径が大きくなりすぎてしまい、生産性の低下および輸送コストがかさむことから好ましくない。保護層の幅は、ガス拡散層の幅と同一以上であり、その差は200mm以下であることが好ましい。幅がガス拡散層よりも小さいと保護層のエッジ部分がコーティング層を傷つけるだけでなく、幅が足りない部分には保護層の効果が得られないため好ましくない。また、保護層の幅が、ガス拡散層よりも大きく、その差が200mmより大きいと、保護層のコストが大きくなるだけでなく、巻き取り時のバランスが悪くなり、結果として巻形態が安定しないため好ましくない。 There are two methods for arranging the coating layer in the roll-shaped material, namely, a method of arranging the coating layer inside the roll-shaped material and a method of arranging it outside. Either method can be used in the present invention. When the coating layer is placed inside the roll-shaped material, the porous carbon electrode substrate is placed on the outer layer, which reduces damage to the coating layer due to external shock and winding tightening when the winding length increases. can do. On the other hand, by arranging the coating layer on the outer side of the roll-shaped material, the bending radius of the coating layer becomes large, which is preferable in that damage to the coating layer at the time of winding can be mitigated. Further, by disposing the coating layer on the outer side, it is possible to easily confirm foreign matters attached to the coating layer, coating unevenness, and the like. A protective layer may be provided on the coating layer, that is, between the coating layer and the inner or outer gas diffusion layer. By providing the protective layer, it is possible to prevent scratches and foreign substances such as carbon fibers and carbides that have fallen off from the porous carbon electrode substrate from adhering to the coating layer. Any material that does not adhere to the coating layer may be used as the material of the protective layer, and various release papers and resin films such as polyethylene, ABS resin, polystyrene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyethylene terephthalate, and polytetrafluoroethylene may be used. preferable. The thickness of the protective layer is preferably 5 to 100 μm. When the thickness of the protective layer is less than 5 μm, the carbon fiber may be pierced into the protective layer to damage the coating layer, which is not preferable. Further, if the thickness of the protective layer is larger than 100 μm, the protective effect of the coating layer can be expected, but the winding diameter of the roll-shaped material becomes too large, which is not preferable because the productivity is lowered and the transportation cost is increased. The width of the protective layer is equal to or larger than the width of the gas diffusion layer, and the difference is preferably 200 mm or less. When the width is smaller than that of the gas diffusion layer, not only the edge portion of the protective layer damages the coating layer, but the effect of the protective layer cannot be obtained in the portion where the width is insufficient, which is not preferable. Further, if the width of the protective layer is larger than that of the gas diffusion layer and the difference is larger than 200 mm, not only the cost of the protective layer increases but also the balance at the time of winding becomes poor, and as a result, the winding form is not stable. Therefore, it is not preferable.
下記の手法を用いて各種物性値の測定を行った。 Various physical property values were measured using the following methods.
<多孔質炭素電極基材、およびコーティング層厚みの算出>
製造した多孔質炭素電極基材、およびガス拡散層から、3×3cm角の試験片を10点、ランダムに取り出し、それぞれの厚みをマイクロメーターにより各サンプルに対して5点ずつ測定して平均厚みを算出し、ガス拡散層の平均厚みより多孔質炭素電極基材の平均厚みを差し引くことで、コーティング層の厚みを算出した。
<Calculation of porous carbon electrode substrate and coating layer thickness>
From the produced porous carbon electrode substrate and gas diffusion layer, 10 test pieces of 3×3 cm square were randomly taken out, and the thickness of each was measured with a micrometer at 5 points for each sample, and the average thickness was measured. Was calculated and the average thickness of the porous carbon electrode substrate was subtracted from the average thickness of the gas diffusion layer to calculate the thickness of the coating layer.
<クラックの計測>
製造したガス拡散層から、1m2あたり、5×5mm角の試験片を10個作成し、各々の試験片について、走査型電子顕微鏡にて加速電圧5kV、スポットサイズ30mm、焦点距離15mm、倍率1000倍にて各サンプルについてランダムに10点撮影を行い、クラックのサイズおよび個数を検出した。クラックのサイズおよび個数の検出には画像解析ソフトImage−Pro Plus(日本ローパー社製)を用いて2値化処理を行った。各サンプルのクラックのサイズおよび個数は平均値により決定した。
<Measurement of cracks>
From the produced gas diffusion layer, 10 test pieces of 5×5 mm square were created per 1 m 2 , and for each test piece, an accelerating voltage of 5 kV, a spot size of 30 mm, a focal length of 15 mm, and a magnification of 1000 with a scanning electron microscope. The sample was randomly photographed at 10 times and the size and number of cracks were detected. To detect the size and number of cracks, image processing software Image-Pro Plus (manufactured by Nippon Roper Co.) was used for binarization. The size and number of cracks in each sample were determined by the average value.
<ロール巻きつけ前後での変化の確認>
上述のクラック計測をロール状に巻きつけたガス拡散層を巻きだした後にも実施し、巻きつけ前後でクラックのサイズおよび個数の変化を確認した。その変化率が5%未満である物を変化なし、5%以上のものを変化有りとした。またコーティング層への炭素繊維の付着の有無を確認した。
<Confirmation of changes before and after winding the roll>
The above-mentioned crack measurement was performed even after unwinding the gas diffusion layer wound in a roll shape, and changes in the size and number of cracks were confirmed before and after winding. Those with a rate of change of less than 5% were considered as no change, and those with a rate of change of 5% or more were considered as change. In addition, it was confirmed whether or not carbon fibers were attached to the coating layer.
<実施例1>
(多孔質炭素電極基材)
多孔質炭素電極基材は、市販のカーボンペーパーやカーボンクロスなどを用いることが出来るが、本発明では平滑な多孔質炭素電極基材を得るべく、多孔質炭素電極基材から製造を行った。
<Example 1>
(Porous carbon electrode substrate)
As the porous carbon electrode substrate, commercially available carbon paper or carbon cloth can be used, but in the present invention, the porous carbon electrode substrate was manufactured in order to obtain a smooth porous carbon electrode substrate.
炭素繊維(A)として、平均繊維径が7μm、平均繊維長が3mmのPAN系炭素繊維を用意した。また、炭素繊維前駆体繊維(b)として、平均繊維径が4μm、平均繊維長が3mmのアクリル繊維(三菱レイヨン(株)製、商品名:D122)、フィブリル状繊維(b´)として、叩解によってフィブリル化するアクリル系ポリマーとジアセテート(酢酸セルロース)とからなる易割繊性アクリル系海島複合繊維(三菱レイヨン(株)製、商品名:ボンネルM.V.P.−C651、平均繊維長:3mm)を用意した。 As the carbon fiber (A), a PAN-based carbon fiber having an average fiber diameter of 7 μm and an average fiber length of 3 mm was prepared. Further, as the carbon fiber precursor fiber (b), an acrylic fiber having an average fiber diameter of 4 μm and an average fiber length of 3 mm (Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: D122), fibrillar fiber (b′), beaten Easily splittable acrylic sea-island composite fiber composed of acrylic polymer and diacetate (cellulose acetate) that are fibrillated by Mitsubishi Rayon Co., Ltd., trade name: Bonnell MVP-C651, average fiber length : 3 mm) was prepared.
以下の<1>〜<10>の操作によってガス拡散層を製造した。 A gas diffusion layer was manufactured by the following operations <1> to <10>.
<1> 炭素繊維(A)の離解
炭素繊維(A)を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散して、ミキサーを通して離解処理し、離解スラリー繊維(SA)とした。
<1> Disaggregation of carbon fiber (A) Carbon fiber (A) is dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g/L), and disaggregated through a mixer to form disaggregated slurry fiber (SA). did.
<2> 炭素繊維前駆体繊維(b)の離解
炭素繊維前駆体繊維(b)を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散して、ミキサーを通して離解処理し、離解スラリー繊維(Sb)とした。
<2> Disaggregation of carbon fiber precursor fiber (b) Carbon fiber precursor fiber (b) is dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g/L), and disaggregated through a mixer to disaggregate. The slurry fiber (Sb) was used.
<3> フィブリル状繊維(b´)の離解
前記易割繊性アクリル系海島複合繊維を、繊維濃度が1%(10g/L)になるように水中へ分散させミキサーを通して叩解・離解処理し、離解スラリー繊維(Sb´)とした。
<3> Disaggregation of fibrillar fibers (b′) The easily splittable acrylic sea-island composite fibers are dispersed in water so that the fiber concentration is 1% (10 g/L), and beaten and disaggregated through a mixer, The disaggregated slurry fiber (Sb') was used.
<4> 抄紙体の製造
炭素繊維(A)と炭素繊維前駆体繊維(b)およびフィブリル状繊維(b´)とが、質量比70:10:20で、かつスラリー中の繊維の濃度が、1.44g/Lとなるように離解スラリー繊維(SA)、離解スラリー繊維(Sb)、離解スラリー繊維(Sb´)、希釈水を計量し、分散させた。抄紙には、ネット駆動部及び幅60cm×長さ585cmのプラスチックネット製平織メッシュをベルト状につなぎあわせて連続的に回転させるネットよりなるシート状物搬送装置、スラリー供給部幅が48cm、ネット下部に配置した減圧脱水装置からなる処理装置を用いた。処理装置の下流に下記の3本のウォータージェットノズルを備えた加圧水流噴射処理装置を配置した。
<4> Production of papermaking body Carbon fiber (A), carbon fiber precursor fiber (b) and fibrillar fiber (b') have a mass ratio of 70:10:20, and the fiber concentration in the slurry is The disaggregated slurry fibers (SA), the disaggregated slurry fibers (Sb), the disaggregated slurry fibers (Sb'), and the dilution water were weighed and dispersed so as to be 1.44 g/L. For the papermaking, a net drive unit and a sheet-like material conveying device composed of a net which is 60 cm wide x 585 cm long and made of a plastic net plain weave mesh which is continuously rotated by connecting it in a belt shape, the width of the slurry supply part is 48 cm, and the lower part of the net. A processing apparatus comprising a reduced pressure dehydration apparatus arranged in the above was used. A pressurized water jet injection treatment device equipped with the following three water jet nozzles was arranged downstream of the treatment device.
ノズル1:孔径φ0.15mm×501孔
幅方向孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)
1列配置、ノズル有効幅500mm
Nozzle 1: Hole diameter φ0.15 mm x 501 holes
Width hole pitch 1mm (1001 hole/width 1m)
1 row arrangement, nozzle effective width 500mm
ノズル2:孔径φ0.15mm×501孔
幅方向孔間ピッチ1mm(1001孔/幅1m)
1列配置、ノズル有効幅500mm
Nozzle 2: Hole diameter φ0.15 mm x 501 holes
Width hole pitch 1mm (1001 holes/width 1m)
1 row arrangement, nozzle effective width 500mm
ノズル3:孔径φ0.15mm×1002孔
幅方向孔間ピッチ1.5mm
3列配置、列間ピッチ5mm、ノズル有効幅500mm
Nozzle 3: Hole diameter φ0.15 mm x 1002 holes
Width hole pitch 1.5mm
3 rows arrangement, pitch between rows 5mm, effective nozzle width 500mm
加圧水流噴射圧力を1MPaノズル1、圧力2MPa(ノズル2)、圧力1MPa(ノズル3)として、繊維の分散したスラリーをスラリー供給部より投入し、減圧脱水を経た後、ノズル1、ノズル2、ノズル3の順で通過させて交絡処理を加え3次元交絡構造を持つ抄紙体を得た。抄紙体を、ピンテンター試験機(辻井染機工業(株)製PT−2A−400)により150℃で3分間、乾燥させて抄紙体を得た。なお、抄紙体における炭素繊維(A)および炭素繊維前駆体繊維(b)、フィブリル状繊維(b´)の分散状態は、良好でさらにハンドリング性は良好であった。 With the pressurized water jet pressure set to 1 MPa nozzle 1, pressure 2 MPa (nozzle 2), pressure 1 MPa (nozzle 3), the slurry in which the fibers are dispersed is charged from the slurry supply unit, and after decompression dehydration, nozzle 1, nozzle 2, nozzle The paper was passed through in the order of 3 and subjected to the entanglement treatment to obtain a paper body having a three-dimensional entangled structure. The papermaking body was dried at 150° C. for 3 minutes with a pin tenter tester (PT-2A-400 manufactured by Tsujii Dyeing Machine Co., Ltd.) to obtain a papermaking body. The dispersed state of the carbon fibers (A), the carbon fiber precursor fibers (b), and the fibrillar fibers (b′) in the papermaking body was good, and the handleability was good.
<5> 樹脂含浸・乾燥
得られた抄紙体にフェノール樹脂ディスパージョンを含浸させ、熱風乾燥機を用いて雰囲気温度100℃にて乾燥させた。
<5> Resin Impregnation/Drying The obtained papermaking body was impregnated with a phenol resin dispersion and dried at an ambient temperature of 100° C. using a hot air dryer.
<6> 加圧加熱成形
次に、この抄紙体の両面を、シリコーン系離型剤をコートした紙で挟み込むように配置し、ダブルベルトプレス装置にて190℃、ベルト速度0.2m/分にてプレス成形を行った。
<6> Pressurizing and Heat-Molding Next, both sides of the papermaking body are arranged so as to be sandwiched between papers coated with a silicone-based release agent, and a double belt press machine is operated at 190° C. and a belt speed of 0.2 m/min. And press-molded.
<7> 炭素化処理
その後、この前駆体シートを炭素化炉にて、窒素ガス雰囲気中、2000℃の条件下で炭素化処理して多孔質炭素電極基材を得た。得られた多孔質炭素電極基材は反りやうねりが生じておらず平滑であった。得られた多孔質炭素電極基材の厚みは155μmであった。
<7> Carbonization treatment After that, this precursor sheet was carbonized in a carbonization furnace in a nitrogen gas atmosphere at 2000° C. to obtain a porous carbon electrode substrate. The obtained porous carbon electrode substrate was smooth without warping or waviness. The thickness of the obtained porous carbon electrode substrate was 155 μm.
<8> コーティング液1の調製
デンカブラック(電気化学工業株式会社製)、イオン交換水、イソプロピルアルコールをそれぞれ5:100:80の割合で混合し、ホモミクサーMARK−II(プライミクス株式会社製)を用いて、冷却しながら15000rpmで30分間撹拌を行って、コーティング液1を得た。
<8> Preparation of coating liquid 1 Denka Black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), ion-exchanged water, and isopropyl alcohol were mixed at a ratio of 5:100:80, and a homomixer MARK-II (manufactured by Primix Co., Ltd.) was used. Then, stirring was performed at 15000 rpm for 30 minutes while cooling to obtain a coating liquid 1.
<9> コーティング液2の調製
コーティング液1に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ディスパージョンをカーボンブラック1に対し、0.3の割合で添加しディスパーによって500rpmで5分間の撹拌を行い、コーティング液2を得た。
<9> Preparation of coating liquid 2 Polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion was added to coating liquid 1 at a ratio of 0.3 to carbon black 1, and the dispersion was stirred at 500 rpm for 5 minutes to prepare coating liquid 1. Got 2.
<10> 多孔質炭素電極基材用の撥水処理液の作成
多孔質炭素電極基材用の撥水処理液の作成には、PTFEディスパージョン(31−JR、三井デュポンフロロケミカル製)と界面活性剤(ポリオキシエチレン(10)オクチルフェニルエーテル)および蒸留水を用いた。撥水処理液における固形分濃度が、PTFEは1wt%、界面活性剤は2wt%となるように調整した後、蒸留水を添加して、ディスパーを用いて1000rpm、10分間撹拌することによって撥水処理液を作成した。
<10> Preparation of Water Repellent Treatment Liquid for Porous Carbon Electrode Base Material To prepare a water repellent treatment liquid for porous carbon electrode base material, PTFE dispersion (31-JR, manufactured by Mitsui DuPont Fluorochemical) and an interface were used. An activator (polyoxyethylene (10) octyl phenyl ether) and distilled water were used. After adjusting the solid content concentration in the water repellent treatment solution to be 1 wt% for PTFE and 2 wt% for the surfactant, distilled water was added, and the water repellency was obtained by stirring with a disper at 1000 rpm for 10 minutes. A processing solution was prepared.
<11> 多孔質炭素電極基材への撥水処理
多孔質炭素電極基材を上記の撥水処理液に浸漬することによって含浸させた。含浸後の多孔質炭素電極基材をバーに押し当て、余剰の撥水処理液を除去した後2m/minの速度で搬送することによって、多孔質炭素電極基材に付着した余分な撥水処理液を取り除き、熱処理炉にて多孔質炭素電極基材を熱処理することで撥水処理が施された多孔質炭素電極基材を得た。
<11> Water-repellent treatment on porous carbon electrode substrate A porous carbon electrode substrate was impregnated by immersing it in the above water-repellent treatment liquid. Excessive water repellent treatment adhered to the porous carbon electrode substrate by pressing the impregnated porous carbon electrode substrate against the bar, removing excess water repellent treatment liquid, and then conveying at a speed of 2 m/min. The liquid was removed and the porous carbon electrode substrate was heat-treated in a heat treatment furnace to obtain a water repellent porous carbon electrode substrate.
<12> コーティング層の形成
さらに、コーティング液2を多孔質炭素電極基材上に目標厚み10μmで塗工し、ついで150℃に設定した熱風乾燥炉を用いて20分間乾燥させた。さらに、乾燥後焼結炉にて360℃1時間焼結処理をおこなってコーティング層を形成したガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.019mm、幅0.11μm個数は34個/m2であった。得られたガス拡散層を内径76.2mm厚み4mm外径84.2mmの紙製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるように巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<12> Formation of coating layer Further, the coating liquid 2 was applied onto the porous carbon electrode substrate with a target thickness of 10 µm, and then dried for 20 minutes using a hot air drying oven set at 150°C. Further, after drying, sintering treatment was performed in a sintering furnace at 360° C. for 1 hour to obtain a gas diffusion layer having a coating layer formed thereon. The number of cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer was 0.019 mm, and the number of 0.11 μm wide cracks was 34/m 2 . The obtained gas diffusion layer was wound on a paper core having an inner diameter of 76.2 mm, a thickness of 4 mm, and an outer diameter of 84.2 mm so that the coating layer was always on the inner side, and it was wound in a good form. I was able to. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例2>
多孔質炭素電極基材の厚みを78μmとし、コーティング層の乾燥温度を200℃とし、コーティング層の目標厚みを30μmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.021mm、幅0.25μm個数は511個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み4mm外径160.4mmのポリエチレン製の芯材にコーティング層がロール状物の常に外側となるように巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 2>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the porous carbon electrode base material was 78 μm, the drying temperature of the coating layer was 200° C., and the target thickness of the coating layer was 30 μm. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.021 mm and a width of 0.25 μm and the number of cracks was 511/m 2 . The obtained gas diffusion layer was wound on a polyethylene core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 4 mm and an outer diameter of 160.4 mm so that the coating layer was always on the outer side. I was able to. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例3>
多孔質炭素電極基材の厚みを201μmとし、コーティング層の乾燥温度を300℃とし、コーティング層の目標厚みを50μmとした以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.025mm、幅0.30μm個数は777個/m2であった。得られたガス拡散層を内径76.2mm厚み4mm外径84.2mmのポリ塩化ビニル製の芯材にコーティング層がロール状物の常に外側となるように巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 3>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the porous carbon electrode substrate was 201 μm, the drying temperature of the coating layer was 300° C., and the target thickness of the coating layer was 50 μm. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.025 mm and a width of 0.30 μm and the number was 777/m 2 . The obtained gas diffusion layer was wound on a polyvinyl chloride core material having an inner diameter of 76.2 mm, a thickness of 4 mm and an outer diameter of 84.2 mm so that the coating layer was always on the outer side. I was able to take it. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例4>
多孔質炭素電極基材の厚みを144μmとし、コーティング層の乾燥にプレートヒーターを用いて、加熱面の温度が150℃となるように設定し、加熱面にコーティング層を形成していない面を接触させることで乾燥したこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.444mm、幅4.5μm個数は33個/m2であった。得られたガス拡散層を内径76.2mm厚み15mm外径106.2mmのポリ塩化ビニル製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるように配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み25μmのポリプロピレン(PP)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 4>
The thickness of the porous carbon electrode substrate is 144 μm, the plate heater is used to dry the coating layer, and the temperature of the heating surface is set to 150° C., and the surface without the coating layer is in contact with the heating surface. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the drying was performed. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer were 0.444 mm in length and 4.5 μm in width, and the number of cracks was 33/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a polyvinyl chloride core having an inner diameter of 76.2 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 106.2 mm so that the coating layer was always on the inner side of the roll-shaped material, and as a protective film for the coating layer. A film made of polypropylene (PP) having a thickness of 25 μm was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width, and the film was wound in a good form. It was When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例5>
多孔質炭素電極基材の厚みを82μmとし、コーティング層の乾燥にプレートヒーターを用いて、加熱面の温度が200℃となるように設定し、加熱面にコーティング層を形成していない面を接触させることで乾燥したこと以外は、実施例2と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.812mm、幅2.1μm個数は311個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmのポリエチレン製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるよう巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 5>
The thickness of the porous carbon electrode base material is 82 μm, the plate heater is used to dry the coating layer, and the temperature of the heating surface is set to 200° C., and the surface without the coating layer is brought into contact with the heating surface. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except that the drying was performed. The length of the cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer was 0.812 mm, and the number of 2.1 μm wide cracks was 311/m 2 . The obtained gas diffusion layer was wound around a polyethylene core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the inner side. did it. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例6>
多孔質炭素電極基材の厚みを210μmとし、コーティング層の乾燥にプレートヒーターを用いて、加熱面の温度が300℃となるように設定し、加熱面にコーティング層を形成していない面を接触させることで乾燥したこと以外は、実施例3と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.914mm、幅1.8μm個数は741個/m2であった。得られたガス拡散層を内径76.2mm厚み4mm外径84.2mmの紙製の芯材にコーティング層が常にロール状物の外側となるように配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリプロピレン(PP)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 6>
The thickness of the porous carbon electrode base material is 210 μm, the plate heater is used to dry the coating layer, and the temperature of the heating surface is set to 300° C., and the surface without the coating layer is brought into contact with the heating surface. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 3 except that the drying was performed. The number of cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer was 0.914 mm in length and the number of 1.8 μm in width was 741 pieces/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a paper core having an inner diameter of 76.2 mm, a thickness of 4 mm, and an outer diameter of 84.2 mm so that the coating layer was always on the outer side of the roll-shaped material, and the thickness was used as a protective film for the coating layer. When a film made of 50 μm polypropylene (PP) was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width, the film was able to be wound in a good form. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例7>
多孔質炭素電極基材の厚みを148μmとし、コーティング層の乾燥に加熱ロールを用いて、加熱面の温度が150℃となるように設定し、加熱面にコーティング層を形成していない面を接触させることで乾燥したこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.714mm、幅2.2μm個数は35個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmのポリ塩化ビニル製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるよう巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 7>
The thickness of the porous carbon electrode substrate is set to 148 μm, a heating roll is used to dry the coating layer, and the temperature of the heating surface is set to 150° C., and the surface on which the coating layer is not formed contacts the heating surface. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the drying was performed. The number of cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer was 0.714 mm in length and the number of 2.2 μm in width was 35/m 2 . The obtained gas diffusion layer was wound around a polyvinyl chloride core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the inner side, and was wound in a good form. I was able to. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例8>
多孔質炭素電極基材の厚みを84μmとし、コーティング層の乾燥に加熱ロールを用いて、加熱面の温度が200℃となるように設定し、加熱面にコーティング層を形成していない面を接触させることで乾燥したこと以外は、実施例2と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.623mm、幅2.1μm個数は256個/m2であった。得られたガス拡散層を内径76.2mm厚み4mm外径84.2mmのポリプロピレン製の芯材にコーティング層がロール状物の常に外側となるよう巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 8>
The thickness of the porous carbon electrode substrate is 84 μm, the heating layer is used to dry the coating layer, the temperature of the heating surface is set to 200° C., and the surface without the coating layer is brought into contact with the heating surface. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except that the drying was performed. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.623 mm and a width of 2.1 μm and the number of cracks was 256/m 2 . The obtained gas diffusion layer was wound on a polypropylene core material having an inner diameter of 76.2 mm, a thickness of 4 mm and an outer diameter of 84.2 mm so that the coating layer was always on the outer side. did it. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例9>
多孔質炭素電極基材の厚みを202μmとし、コーティング層の乾燥に加熱ロールを用いて、加熱面の温度が300℃となるように設定し、加熱面にコーティング層を形成していない面を接触させることで乾燥したこと以外は、実施例3と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.412mm、幅1.3μm個数は711個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmのポリエチレン製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるよう巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 9>
The thickness of the porous carbon electrode substrate is set to 202 μm, a heating roll is used to dry the coating layer, and the temperature of the heating surface is set to 300° C., and the surface without the coating layer is brought into contact with the heating surface. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 3 except that the drying was performed. The number of cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer was 0.412 mm in length and 1.3 μm in width, and the number was 711/m 2 . The obtained gas diffusion layer was wound around a polyethylene core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the inner side. did it. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例10>
多孔質炭素電極基材の厚みを148μmとし、コーティング層の乾燥に赤外線炉を用いて、加熱される多孔質炭素電極基材およびコーティング層の温度が150℃となるように設定し、乾燥したこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.049mm、幅7.7μm個数は28個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmのポリ塩化ビニル製の芯材にコーティング層がロール状物の常に外側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み25μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 10>
The thickness of the porous carbon electrode substrate was set to 148 μm, an infrared oven was used to dry the coating layer, and the temperature of the porous carbon electrode substrate and coating layer to be heated was set to 150° C. and dried. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.049 mm and a width of 7.7 μm and the number was 28/m 2. The obtained gas diffusion layer was placed on a polyvinyl chloride core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the outer side of the roll-shaped material, and as a protective film for the coating layer, A film made of polyethylene terephthalate (PET) having a thickness of 25 μm was wound so that the film was arranged between the layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width, and the film was wound in a good shape. It was When wound up, it could be wound up in a good form. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例11>
多孔質炭素電極基材の厚みを74μmとし、コーティング層の乾燥に赤外線炉を用いて、加熱される多孔質炭素電極基材およびコーティング層の温度が200℃となるように設定し、乾燥したこと以外は、実施例2と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.088mm、幅8.8μm個数は511個/m2であった。得られたガス拡散層を内径76.2mm厚み4mm外径84.2mmの紙製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるよう巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 11>
The thickness of the porous carbon electrode substrate was set to 74 μm, an infrared oven was used to dry the coating layer, and the temperature of the heated porous carbon electrode substrate and the coating layer was set to 200° C. and dried. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except for the above. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.088 mm and a width of 8.8 μm and the number thereof was 511/m 2 . The obtained gas diffusion layer was wound on a paper-made core material having an inner diameter of 76.2 mm, a thickness of 4 mm and an outer diameter of 84.2 mm so that the coating layer was always on the inner side. did it. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<実施例12>
多孔質炭素電極基材の厚みを188μmとし、コーティング層の乾燥に赤外線炉を用いて、加熱される多孔質炭素電極基材およびコーティング層の温度が300℃となるように設定し、乾燥したこと以外は、実施例3と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.021mm、幅6.6μm個数は684個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmのポリプロピレン製の芯材にコーティング層がロール状物の常に外側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。巻き取ったところ、良好な形態で巻き取ることができた。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、変化は5%未満であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着も少なかった。表1に結果をまとめた。
<Example 12>
The thickness of the porous carbon electrode substrate was set to 188 μm, an infrared oven was used to dry the coating layer, and the temperature of the porous carbon electrode substrate and the coating layer to be heated were set to 300° C. and dried. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 3 except for the above. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.021 mm and a width of 6.6 μm and the number of cracks was 684/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a polypropylene core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 182.4 mm, so that the coating layer was always on the outer side of the roll-shaped material, and a protective film of the coating layer had a thickness of 50 μm. When a film made of polyethylene terephthalate (PET) of 1 was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width, the film could be wound in a good form. When wound up, it could be wound up in a good form. When the roll was rewound and a crack was confirmed, the change was less than 5%. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was also small. The results are summarized in Table 1.
<比較例1>
多孔質炭素電極基材の厚みを81μmとし、コーティング層の乾燥に赤外線炉を用いて、加熱される多孔質炭素電極基材およびコーティング層の温度が100℃となるように設定し、乾燥したこと以外は、実施例2と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.0008mm、幅0.15μm個数は104個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmの紙製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取った。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、クラックの長さおよび個数が大幅に増加し、変化は5%を超えてしまい、不良であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着が部分的に見られた。表1に結果をまとめた。
<Comparative Example 1>
The thickness of the porous carbon electrode base material was 81 μm, the coating layer was dried using an infrared oven, and the temperature of the heated porous carbon electrode base material and the coating layer was set to 100° C. and dried. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except for the above. The number of cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer was 0.0008 mm and the number of cracks was 0.15 μm in width was 104/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a paper core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the inner side of the roll-shaped material, and a protective film of the coating layer had a thickness of 50 μm. A film made of polyethylene terephthalate (PET) was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width. When the roll-shaped material was rewound and cracks were confirmed, the length and number of cracks significantly increased, and the change exceeded 5%, which was unsatisfactory. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was partially seen. The results are summarized in Table 1.
<比較例2>
多孔質炭素電極基材の厚みを91μmとし、コーティング層の乾燥に赤外線炉を用いて、加熱される多孔質炭素電極基材およびコーティング層の温度が350℃となるように設定し、乾燥したこと以外は、実施例2と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ1.5mm、幅8.5μm個数は28個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmのポリエチレン製の芯材にコーティング層がロール状物の常に外側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取った。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、クラックの長さ、幅、および個数が大幅に増加し、変化は5%を超えてしまい、不良であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着が部分的に見られた。表1に結果をまとめた。
<Comparative example 2>
The thickness of the porous carbon electrode substrate was set to 91 μm, an infrared oven was used to dry the coating layer, and the temperature of the heated porous carbon electrode substrate and coating layer was set to 350° C. and dried. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except for the above. The number of cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer was 1.5 mm in length and 8.5 μm in width, and the number was 28/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a polyethylene core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the outer side of the roll-shaped material, and a protective film for the coating layer had a thickness of 50 μm. A film made of polyethylene terephthalate (PET) was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width. When the roll-shaped product was rewound and a crack was confirmed, the length, width, and number of the crack were significantly increased, and the change exceeded 5%, which was a defect. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was partially seen. The results are summarized in Table 1.
<比較例3>
多孔質炭素電極基材の厚みを77μmとし、コーティング層の乾燥に加熱ロールを用いて、加熱面の温度が50℃となるように設定し、加熱面にコーティング層を形成していない面を接触させることで乾燥したこと以外は、実施例2と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.028mm、幅0.02μm個数は311個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmのポリ塩化ビニル製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取った。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、クラックの長さ、幅、および個数が大幅に増加し、変化は5%を超えてしまい、不良であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着が部分的に見られた。表1に結果をまとめた。
<Comparative example 3>
The thickness of the porous carbon electrode substrate is set to 77 μm, a heating roll is used to dry the coating layer, and the temperature of the heating surface is set to 50° C., and the surface without the coating layer is brought into contact with the heating surface. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except that the drying was performed. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.028 mm and a width of 0.02 μm of 311 cracks/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a polyvinyl chloride core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the inner side of the roll-shaped material, and as a protective film for the coating layer, A film made of polyethylene terephthalate (PET) having a thickness of 50 μm was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width. When the roll-shaped product was rewound and a crack was confirmed, the length, width, and number of the crack were significantly increased, and the change exceeded 5%, which was a defect. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was partially seen. The results are summarized in Table 1.
<比較例4>
多孔質炭素電極基材の厚みを74μmとし、コーティング層の乾燥に加熱ロールを用いて、加熱面の温度が350℃となるように設定し、加熱面にコーティング層を形成していない面を接触させることで乾燥したこと以外は、実施例2と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.040mm、幅16μm個数は35個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmのポリプロピレン製の芯材にコーティング層がロール状物の常に外側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取った。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、クラックの長さ、幅、および個数が大幅に増加し、変化は5%を超えてしまい、不良であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着が部分的に見られた。表1に結果をまとめた。
<Comparative example 4>
The thickness of the porous carbon electrode base material is 74 μm, the heating roll is used to dry the coating layer, and the temperature of the heating surface is set to 350° C., and the surface without the coating layer is brought into contact with the heating surface. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except that the drying was performed. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.040 mm and a width of 16 μm, and the number of cracks was 35/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a polypropylene core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the outer side of the roll-like material, and a protective film of the coating layer had a thickness of 50 μm. A film made of polyethylene terephthalate (PET) was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width. When the roll-shaped product was rewound and a crack was confirmed, the length, width, and number of the crack were significantly increased, and the change exceeded 5%, which was a defect. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was partially seen. The results are summarized in Table 1.
<比較例5>
多孔質炭素電極基材の厚みを75μmとし、コーティング層の乾燥温度が50℃となるように設定したこと以外は、実施例2と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.049mm、幅5.1μm個数は15個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmの紙製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取った。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、クラックの長さ、幅、および個数が大幅に増加し、変化は5%を超えてしまい、不良であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着が部分的に見られた。表1に結果をまとめた。
<Comparative Example 5>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except that the thickness of the porous carbon electrode substrate was set to 75 μm and the drying temperature of the coating layer was set to 50° C. The number of cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer was 0.049 mm in length and the number of 5.1 μm in width was 15/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a paper core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the inner side of the roll-shaped material, and a protective film of the coating layer had a thickness of 50 μm. A film made of polyethylene terephthalate (PET) was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width. When the roll-shaped product was rewound and a crack was confirmed, the length, width, and number of the crack were significantly increased, and the change exceeded 5%, which was a defect. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was partially seen. The results are summarized in Table 1.
<比較例6>
多孔質炭素電極基材の厚みを81μmとし、コーティング層の乾燥温度が350℃となるように設定したこと以外は、実施例2と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.485mm、幅2.1μm個数は1210個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmの紙製の芯材にコーティング層がロール状物の常に外側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取った。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、巻出し時にコーティング層の剥離が発生し、クラックの長さ、幅、および個数が大幅に増加し、変化は5%を超えてしまい、不良であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着が部分的に見られた。表1に結果をまとめた。
<Comparative example 6>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 2 except that the thickness of the porous carbon electrode substrate was 81 μm and the drying temperature of the coating layer was set to 350° C. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.485 mm and a width of 2.1 μm and the number of cracks was 1210/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a paper core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the outer side of the roll-like material, and a protective film of the coating layer had a thickness of 50 μm. A film made of polyethylene terephthalate (PET) was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width. When the roll-shaped material was rewound and cracks were confirmed, the coating layer peeled off when unwound, and the length, width, and number of cracks significantly increased, and the change exceeded 5%, which was a defect. Met. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was partially seen. The results are summarized in Table 1.
<比較例7>
多孔質炭素電極基材の厚みを81μmとし、コーティング層の乾燥を大気中で自然乾燥するように設定したこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ0.0008mm、幅0.03μm個数は11個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmの紙製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取った。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、クラックの長さ、幅、および個数が大幅に増加し、変化は5%を超えてしまい、不良であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着が部分的に見られた。表1に結果をまとめた。
<Comparative Example 7>
A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the porous carbon electrode substrate was 81 μm and the coating layer was set to be naturally dried in the air. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 0.0008 mm and a width of 0.03 μm and the number of cracks was 11/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a paper core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the inner side of the roll-shaped material, and a protective film of the coating layer had a thickness of 50 μm. A film made of polyethylene terephthalate (PET) was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width. When the roll-shaped product was rewound and a crack was confirmed, the length, width, and number of the crack were significantly increased, and the change exceeded 5%, which was a defect. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was partially seen. The results are summarized in Table 1.
<比較例8>
多孔質炭素電極基材の厚みを78μmとし、コーティング層の乾燥にプレートヒーターを用いて、加熱面の温度が350℃となるように設定し、加熱面にコーティング層を形成していない面を接触させることで乾燥したこと以外は、実施例1と同様にして、ガス拡散層を得た。得られたガス拡散層のコーティング層に形成されたクラックは、長さ1.4mm、幅15μm個数は1450個/m2であった。得られたガス拡散層を内径152.4mm厚み15mm外径182.4mmの紙製の芯材にコーティング層がロール状物の常に内側となるよう配置し、さらにコーティング層の保護フィルムとして、厚み50μmのポリエチレンテレフタレート(PET)製のフィルムをコーティング層を全幅にわたって保護するように、ガス拡散層の各層間にフィルムが配置されるように巻き取った。ロール状物を再度巻きだしてクラックを確認したところ、巻出し時にコーティング層の剥離が発生し、クラックの長さ、幅、および個数が大幅に増加し、変化は5%を超えてしまい、不良であった。また、コーティング層への炭素繊維の付着が部分的に見られた。表1に結果をまとめた。
<Comparative Example 8>
The thickness of the porous carbon electrode substrate is set to 78 μm, the plate heater is used to dry the coating layer, and the temperature of the heating surface is set to 350° C., and the surface without the coating layer is brought into contact with the heating surface. A gas diffusion layer was obtained in the same manner as in Example 1 except that the drying was performed. The cracks formed in the coating layer of the obtained gas diffusion layer had a length of 1.4 mm and a number of 15 μm in width of 1450/m 2 . The obtained gas diffusion layer was placed on a paper core material having an inner diameter of 152.4 mm, a thickness of 15 mm, and an outer diameter of 182.4 mm so that the coating layer was always on the inner side of the roll-shaped material, and a protective film of the coating layer had a thickness of 50 μm. A film made of polyethylene terephthalate (PET) was wound so that the film was arranged between the respective layers of the gas diffusion layer so as to protect the coating layer over the entire width. When the roll-shaped material was rewound and cracks were confirmed, the coating layer peeled off when unwound, and the length, width, and number of cracks significantly increased, and the change exceeded 5%, which was a defect. Met. Further, the adhesion of carbon fibers to the coating layer was partially seen. The results are summarized in Table 1.
Claims (8)
に長さが0.001〜1mm、幅0.05〜10μmのクラックを25〜1000個/m
2有するコーティング層を設けたガス拡散層。 25 to 1,000 cracks/m on the surface of at least one surface of the porous carbon electrode base material, which are composed of carbon particles and a water repellent and have a length of 0.001 to 1 mm and a width of 0.05 to 10 μm.
A gas diffusion layer provided with a coating layer having 2 .
方の面に形成されたコーティング層の厚みが5〜100μmである請求項1に記載のガス
拡散層。 The gas diffusion layer according to claim 1, wherein the porous electrode substrate constituting the gas diffusion layer has a thickness of 50 to 250 µm, and the coating layer formed on at least one surface has a thickness of 5 to 100 µm.
ール状に巻き付けられたガス拡散層のロール状物。 A roll-shaped product of the gas diffusion layer, wherein the gas diffusion layer according to claim 1 or 2 is wound around a core material having an outer diameter of 84.2 to 167.4 mm in a roll shape.
散層が巻き付けられた請求項3に記載のガス拡散層のロール状物。 The roll-shaped product of the gas diffusion layer according to claim 3, wherein the gas diffusion layer is wound so that the coating layer is arranged outside the porous carbon electrode substrate with respect to the core material.
散層が巻き付けられた請求項3に記載のガス拡散層のロール状物。 The roll-shaped material of the gas diffusion layer according to claim 3, wherein the gas diffusion layer is wound so that the coating layer is arranged inside the porous carbon electrode substrate with respect to the core material.
。 The roll-shaped material of the gas diffusion layer according to claim 3, wherein the material of the core material is a resin.
7のいずれか1項に記載のガス拡散層のロール状物。 A protective layer having a thickness of 5 to 100 μm is wound around the core together with the gas diffusion layer.
7. The roll-shaped material of the gas diffusion layer according to any one of 7 above .
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