JP6182995B2 - Composition for current collector coating for catalyst electrode, current collector with coat layer, catalyst electrode, fuel cell and air cell - Google Patents

Composition for current collector coating for catalyst electrode, current collector with coat layer, catalyst electrode, fuel cell and air cell Download PDF

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Description

本発明は、触媒電極用の集電体コート用組成物、その組成物を用いて得られるコート層付き集電体、触媒電極、その触媒電極を用いて得られる燃料電池及び空気電池に関する。   The present invention relates to a current collector coating composition for a catalyst electrode, a current collector with a coat layer obtained using the composition, a catalyst electrode, a fuel cell and an air battery obtained using the catalyst electrode.

近年、デジタルカメラや携帯電話のような小型携帯型電子機器が広く用いられるようになってきた。これらの電子機器には、容積を最小限にし、かつ重量を軽くすることが常に求められてきており、搭載される電池においても、小型、軽量かつ大容量の電池の実現が求められている。又、自動車搭載用等の大型二次電池においても、従来の鉛蓄電池に代えて、大型二次電池の実現が望まれている。   In recent years, small portable electronic devices such as digital cameras and mobile phones have been widely used. These electronic devices have always been required to minimize the volume and reduce the weight, and the batteries to be mounted are also required to be small, light, and have a large capacity. In addition, in a large-sized secondary battery for use in automobiles or the like, it is desired to realize a large-sized secondary battery instead of a conventional lead storage battery.

そこで近年では、空気中などの酸素を正極活物質とし、燃料となる化合物や負極活物質との化学反応のエネルギーを電気エネルギーとして取り出せる、燃料電池および空気電池の開発が活発に行われている。これらの電池では、リチウムイオン二次電池などよりも高い理論エネルギー容量を持つことが知られており、実現に向けて大きな期待が寄せられている。   Therefore, in recent years, fuel cells and air cells have been actively developed, in which oxygen in the air or the like is used as a positive electrode active material, and energy of a chemical reaction with a compound serving as a fuel or a negative electrode active material can be extracted as electric energy. These batteries are known to have a higher theoretical energy capacity than lithium ion secondary batteries and the like, and there are great expectations for their realization.

燃料電池や空気電池などの触媒電極を用いる電池において、その空気極の基本構成は、集電体上に触媒層を積層させたものであるが(特許文献1)、近年ではあらかじめ集電体上に導電撥水層を積層させておく構成も見られる(特許文献2)。
また、触媒反応を起させるためには触媒層へ酸素が行き渡らなければならないため、集電体はガス透過性を有することが好ましい。したがって、これまでに多孔性の集電体が数多く検討されており、具体的には、炭素繊維状の集電体や、金属メッシュ状の集電体などが開発されてきた。
In a battery using a catalyst electrode such as a fuel cell or an air battery, the basic configuration of the air electrode is a stack of a catalyst layer on a current collector (Patent Document 1). There is also a configuration in which a conductive water repellent layer is laminated (Patent Document 2).
Moreover, since oxygen must spread over the catalyst layer in order to cause a catalytic reaction, the current collector preferably has gas permeability. Therefore, many porous current collectors have been studied so far. Specifically, carbon fiber current collectors, metal mesh current collectors, and the like have been developed.

金属メッシュ状の集電体においては、導電性及び電解液に対する安定性などの面からステンレス線、ニッケル線、あるいはニッケルメッキされたステンレス線からなる金属メッシュが基板として用いられる。これらの集電体をガス拡散電極として電池に組み込んだ場合、酸素の酸化作用により集電体表面に薄い酸化被膜が形成されたり、電解質として用いるアルカリが、電池保存中に、比較的濡れ性の高い金属表面に浸透し表面の酸化作用を促進することがある。この表面酸化が進むと、電気的接触状態が低下することにより、内部抵抗の増加といった問題を引き起こす場合があった。また、表面酸化により、導電撥水層や触媒層との密着が悪化し、電池特性へ悪影響を及ぼすことが問題となった。 In a metal mesh-shaped current collector, a metal mesh made of a stainless steel wire, a nickel wire, or a nickel-plated stainless steel wire is used as a substrate in terms of conductivity and stability to an electrolytic solution. When these current collectors are incorporated in a battery as gas diffusion electrodes, a thin oxide film is formed on the surface of the current collector due to the oxidizing action of oxygen, or the alkali used as an electrolyte is relatively wettable during battery storage. May penetrate into high metal surface and promote surface oxidation. As this surface oxidation progresses, the electrical contact state decreases, which may cause problems such as an increase in internal resistance. Further, due to surface oxidation, the adhesion with the conductive water-repellent layer and the catalyst layer is deteriorated, which adversely affects battery characteristics.

上記課題を解決するために、例えば特許文献3、4には、集電体上に黒鉛からなる導電性塗料を塗布する手法が開示されている。撥水性の高い黒鉛材料を使用することで集電体表面への悪影響を抑制するものである。また、特許文献5には、金属粉末と黒鉛からなる導電性塗料を用いる手法が提案されている。しかし、これらの発明では、導電性塗料の分散性が悪く、集電体の酸化抑制効果は不十分であった。
一方、特許文献6には、集電体上にめっき処理を行うことで表面の粗さを調整し、触媒層との密着を強固にする手法が提案されている。
しかしながら、上記課題は完全には解決されておらず、さらなる改善により、内部抵抗が低く、長期耐久性に優れた電池の開発が望まれている。
In order to solve the above problems, for example, Patent Documents 3 and 4 disclose a technique of applying a conductive paint made of graphite on a current collector. By using a graphite material with high water repellency, adverse effects on the current collector surface are suppressed. Patent Document 5 proposes a technique using a conductive paint made of metal powder and graphite. However, in these inventions, the dispersibility of the conductive coating material is poor, and the effect of suppressing the oxidation of the current collector is insufficient.
On the other hand, Patent Document 6 proposes a method of adjusting the roughness of the surface by performing plating on the current collector and strengthening the adhesion with the catalyst layer.
However, the above-mentioned problem has not been completely solved, and further improvement has desired the development of a battery having low internal resistance and excellent long-term durability.

特開昭58−100363号公報JP 58-1003003 A 国際公開WO2010/131535号パンフレットInternational Publication WO2010 / 131535 Pamphlet 特開平7−220726号公報JP-A-7-220726 特開2005−19146号公報JP 2005-19146 A 特開平8−273672号公報JP-A-8-273672 特開平11−339864号公報JP 11-339864 A

本発明の目的は、サイクル保持率や電圧維持率といった長期耐久性に優れる触媒電極を用いた燃料電池、及び空気電池を形成するための集電体コート用組成物であって、炭素材料の分散性、及び集電体表面のへの密着性、耐水性に優れる集電体コート用組成物を提供することである。   An object of the present invention is a composition for a current collector coating for forming a fuel cell and an air cell using a catalyst electrode excellent in long-term durability such as cycle retention rate and voltage retention rate, and a dispersion of a carbon material It is to provide a current collector coating composition that is excellent in the properties, adhesion to the surface of the current collector, and water resistance.

本発明は、水性樹脂型分散剤(B)の利用により、炭素材料(A)の分散性、及び集電体表面のバリア性を向上出来たものである。
即ち、本発明は、炭素材料(A)と、下記単量体を共重合してなる水性樹脂型分散剤(B)と、水性液状媒体(C)とを含有する、触媒電極用の集電体コート用組成物に関する。
芳香環及び脂肪族骨格の少なくとも一方を有するエチレン性不飽和単量体(b1):10〜90重量%
酸性官能基を有するエチレン性不飽和単量体(b2):10〜90重量%
前記(b1)〜(b2)以外のその他の単量体(b3):0〜80重量%
(但し、前記(b1)〜(b3)の合計を100重量%とする)
In the present invention, the dispersibility of the carbon material (A) and the barrier property of the current collector surface can be improved by using the aqueous resin type dispersant (B).
That is, the present invention provides a current collector for a catalyst electrode, which contains a carbon material (A), an aqueous resin dispersant (B) obtained by copolymerizing the following monomers, and an aqueous liquid medium (C). The present invention relates to a body coating composition.
Ethylenically unsaturated monomer (b1) having at least one of aromatic ring and aliphatic skeleton: 10 to 90% by weight
Ethylenically unsaturated monomer having acidic functional group (b2): 10 to 90% by weight
Other monomers (b3) other than (b1) to (b2): 0 to 80% by weight
(However, the sum of (b1) to (b3) is 100% by weight)

更に、本発明は、水性樹脂型分散剤(B)の酸性官能基の少なくとも一部が塩基性化合物で中和されている、上記集電体コート用組成物に関する。   Furthermore, this invention relates to the said composition for collector coating in which at least one part of the acidic functional group of an aqueous resin type dispersing agent (B) is neutralized with the basic compound.

更に、本発明は、その他の単量体(b3)が、アミノ基を有するエチレン性不飽和単量体を含む上記集電体コート用組成物に関する。   Furthermore, this invention relates to the said composition for collector coating in which the other monomer (b3) contains the ethylenically unsaturated monomer which has an amino group.

更に、本発明は、ガス透過性を有する集電体と、上記集電体コート用組成物から形成された集電体コート層を具備する、触媒電極用のコート層付き集電体に関する。   Furthermore, this invention relates to the collector with a coating layer for catalyst electrodes which comprises the collector which has gas permeability, and the collector coating layer formed from the said collector coating composition.

更に、本発明は、上記コート層付き集電体と、触媒層とを具備する、触媒電極に関する。   Furthermore, this invention relates to the catalyst electrode which comprises the said collector with a coating layer, and a catalyst layer.

更に、本発明は、上記触媒電極を使用した、燃料電池または空気電池に関する。   Furthermore, the present invention relates to a fuel cell or air cell using the catalyst electrode.

水性樹脂型分散剤の利用により、炭素材料の分散性、及び集電体表面のバリア性を向上させた集電体コート用組成物を得ることができた。本発明の集電体コート用組成物は、耐水性及び集電体への密着性に優れるコート層を形成でき、触媒層や撥水層との密着性に優れる触媒電極、ひいては耐久性に優れる触媒電池を提供できる。   By using the aqueous resin type dispersant, it was possible to obtain a current collector coating composition with improved carbon material dispersibility and current collector surface barrier properties. The composition for current collector coating of the present invention can form a coating layer having excellent water resistance and adhesion to the current collector, and is excellent in the catalyst electrode excellent in adhesion to the catalyst layer and the water repellent layer, and thus excellent in durability. A catalyst battery can be provided.

本発明の集電体コート用組成物は、燃料電池や空気電池の触媒電極に使用される、ガス透過性集電体のコート層を形成するためのものである。
触媒電極は、下記の構成をとることが一般的である。
例えば、ガス透過性の集電体の表面に、
(1)触媒層を直接設けた触媒電極や、
(2)触媒層との間に導電撥水層を設けた触媒電極、
による電極構成であり、触媒層や導電撥水層は、それぞれに必要な材料を液状媒体などに分散した分散体を作製し、塗工することで所定の電極を形成することが可能である。
The current collector coating composition of the present invention is for forming a coating layer of a gas-permeable current collector used for a catalyst electrode of a fuel cell or an air cell.
The catalyst electrode generally has the following configuration.
For example, on the surface of a gas permeable current collector,
(1) a catalyst electrode directly provided with a catalyst layer,
(2) a catalyst electrode provided with a conductive water-repellent layer between the catalyst layer,
The catalyst layer and the conductive water-repellent layer can form a predetermined electrode by preparing and applying a dispersion in which necessary materials are dispersed in a liquid medium or the like.

電池の耐久性を向上させるためには、集電体の表面に、炭素材料と水性樹脂型分散剤と水性液状媒体とを含有する集電体コート用組成物を用いて集電体表面にコート層を形成し、該コート層上に、上記の触媒層、あるいは導電撥水層を形成する分散体を塗工し、電極を得ることが出来る。
本発明の集電体コート用組成物は、炭素材料の分散性に優れるため、多孔性の形状である、後述のガス透過性集電体の表面を均一にコートでき、集電体への密着性に優れ、耐水性に優れるコート層を形成することが可能である。
また、本発明の集電体コート用組成物から形成された集電体コート層は、耐水性に優れ、集電体との密着性に優れる。
In order to improve the durability of the battery, the surface of the current collector is coated on the surface of the current collector using a current collector coating composition containing a carbon material, an aqueous resin-type dispersant, and an aqueous liquid medium. An electrode can be obtained by forming a layer and applying the above-described catalyst layer or a dispersion for forming a conductive water-repellent layer on the coating layer.
Since the composition for current collector coating of the present invention is excellent in dispersibility of the carbon material, it can be uniformly coated on the surface of a gas-permeable current collector, which will be described later, which is a porous shape. It is possible to form a coat layer having excellent properties and water resistance.
Moreover, the current collector coating layer formed from the current collector coating composition of the present invention has excellent water resistance and excellent adhesion to the current collector.

<水性樹脂型分散剤(B)>
本発明の集電体コート用組成物で使用される水性樹脂型分散剤(B)は、炭素材料に対して分散剤として有効に機能し、炭素材料の凝集を緩和することが出来る。
そこで、まず本発明における水性樹脂型分散剤(B)について説明する。
本発明における水性樹脂型分散剤(B)は、芳香環、及び脂肪族骨格の少なくとも一方を有するエチレン性不飽和単量体(b1)と、酸性官能基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)と、を必須成分とする共重合体である。
水性樹脂型分散剤(B)は、酸性官能基の少なくとも一部を塩基性化合物で中和したものであることが好ましい。
<Aqueous resin type dispersant (B)>
The aqueous resin dispersant (B) used in the current collector coating composition of the present invention functions effectively as a dispersant for the carbon material and can alleviate aggregation of the carbon material.
First, the aqueous resin type dispersant (B) in the present invention will be described.
The aqueous resin dispersant (B) in the present invention comprises an ethylenically unsaturated monomer (b1) having at least one of an aromatic ring and an aliphatic skeleton, and an ethylenically unsaturated monomer having an acidic functional group ( b2) and an essential component.
The aqueous resin dispersant (B) is preferably one obtained by neutralizing at least a part of the acidic functional group with a basic compound.

<単量体(b1)>
芳香環、及び脂肪族骨格の少なくとも一方を有するエチレン性不飽和単量体(b1)としては、芳香環を有するエチレン性不飽和単量体(b1−1)、脂肪族骨格を有するエチレン性不飽和単量体(b1−2)、及び、芳香環と脂肪族骨格の両方を有するエチレン性不飽和単量体が挙げられる。これらは単独もしくは2種類以上を併用して使用することができる。
芳香環を有するエチレン性不飽和単量体(b1−1)としては、芳香環を有しているものであれば特に限定されない。例えば、スチレン、α−メチルスチレンもしくはベンジル(メタ)アクリレート等を例示することが出来る。
<Monomer (b1)>
Examples of the ethylenically unsaturated monomer (b1) having at least one of an aromatic ring and an aliphatic skeleton include an ethylenically unsaturated monomer (b1-1) having an aromatic ring and an ethylenically unsaturated monomer having an aliphatic skeleton. Examples thereof include a saturated monomer (b1-2) and an ethylenically unsaturated monomer having both an aromatic ring and an aliphatic skeleton. These can be used alone or in combination of two or more.
The ethylenically unsaturated monomer (b1-1) having an aromatic ring is not particularly limited as long as it has an aromatic ring. For example, styrene, α-methylstyrene, benzyl (meth) acrylate and the like can be exemplified.

脂肪族骨格を有するエチレン性不飽和単量体(b1−2)としては、脂肪族骨格を有しているものであれば特に限定されない。脂肪族骨格としては、飽和または不飽和の炭化水素基、及び1つ以上のヘテロ原子によって結合された飽和または不飽和の炭化水素である脂肪族基等があげられるが、その中でも、飽和炭化水素基、及びエーテル結合を有する飽和脂肪族基が好ましい。   The ethylenically unsaturated monomer (b1-2) having an aliphatic skeleton is not particularly limited as long as it has an aliphatic skeleton. Examples of the aliphatic skeleton include saturated or unsaturated hydrocarbon groups, and aliphatic groups that are saturated or unsaturated hydrocarbons bonded by one or more heteroatoms, among which saturated hydrocarbons. And saturated aliphatic groups having an ether bond are preferred.

飽和炭化水素基としては、鎖式飽和炭化水素基と環式飽和炭化水素基が挙げられる。
鎖式飽和炭化水素基を有する単量体としては、具体的に例示すると、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート等の炭素数1〜22のアルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレートがあり、好ましくは炭素数2〜12、さらに好ましくは炭素数3〜8のアルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレートが挙げられる。これらのアルキル基は分岐していてもよく、具体例としては、イソプロピル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、ターシャリーブチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、2−ブチルヘキシル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
また、α−オレフィン化合物としては、1−ヘキセン、1−オクテン、1−デセン、1−ドデセン、1−テトラデセン、1−ヘキサデセン等が挙げられる。
Examples of the saturated hydrocarbon group include a chain saturated hydrocarbon group and a cyclic saturated hydrocarbon group.
Specific examples of the monomer having a chain saturated hydrocarbon group include 1 to 22 carbon atoms such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, and butyl (meth) acrylate. There are alkyl (meth) acrylates having an alkyl group, preferably an alkyl (meth) acrylate having an alkyl group having 2 to 12 carbon atoms, more preferably 3 to 8 carbon atoms. These alkyl groups may be branched, and specific examples include isopropyl (meth) acrylate, isobutyl (meth) acrylate, tertiary butyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, 2-butylhexyl ( And (meth) acrylate.
Examples of the α-olefin compound include 1-hexene, 1-octene, 1-decene, 1-dodecene, 1-tetradecene, 1-hexadecene and the like.

環状飽和炭化水素基を有する単量体としては、イソボルニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、トリメチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、1−アダマンチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。   Examples of the monomer having a cyclic saturated hydrocarbon group include isobornyl (meth) acrylate, dicyclopentanyl (meth) acrylate, cyclohexyl (meth) acrylate, trimethylcyclohexyl (meth) acrylate, 1-adamantyl (meth) acrylate, and the like. Can be mentioned.

エーテル結合を有する飽和脂肪族基としてはポリオキシアルキレン構造が挙げられる。ポリオキシアルキレン構造を有する単量体の具体例としては、ジエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、及びポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート等の、末端に水酸基を有し、ポリオキシアルキレン鎖を有するモノアクリレートまたはモノメタアクリレート、メトキシエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシジエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、及びメトキシポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート等の、末端にアルコキシ基を有し、ポリオキシアルキレン鎖を有するモノアクリレートまたはモノメタアクリレートがある。また、アルキルビニルエーテル化合物としては、ブチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル等が挙げられる。   Examples of the saturated aliphatic group having an ether bond include a polyoxyalkylene structure. Specific examples of the monomer having a polyoxyalkylene structure include diethylene glycol mono (meth) acrylate, polyethylene glycol mono (meth) acrylate, and polypropylene glycol mono (meth) acrylate, which have a hydroxyl group at the terminal, Alkoxy groups at the end, such as monoacrylate or monomethacrylate having an alkylene chain, methoxyethylene glycol (meth) acrylate, methoxydiethylene glycol (meth) acrylate, methoxypolyethylene glycol (meth) acrylate, and methoxypolypropylene glycol (meth) acrylate And monoacrylate or monomethacrylate having a polyoxyalkylene chain. Examples of the alkyl vinyl ether compound include butyl vinyl ether and ethyl vinyl ether.

また、エーテル結合を有する飽和脂肪族化合物は環式でもよく、具体例としては、グリシジル(メタ)クリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート等が挙げられる。   The saturated aliphatic compound having an ether bond may be cyclic, and specific examples include glycidyl (meth) acrylate, tetrahydrofurfuryl (meth) acrylate, and the like.

<単量体(b2)>
酸性官能基を有するエチレン性不飽和化合物(b2)が有する酸性官能基としては、例えばカルボキシル基、スルホ基、リン酸基等を挙げることができ、これらのアルカリ金属塩若しくはアルカリ土類金属塩又はアンモニウム塩も使用することができる。
<Monomer (b2)>
Examples of the acidic functional group possessed by the ethylenically unsaturated compound (b2) having an acidic functional group include a carboxyl group, a sulfo group, and a phosphoric acid group. These alkali metal salts or alkaline earth metal salts or Ammonium salts can also be used.

カルボキシル基を有する単量体としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸、または、これらのアルキルもしくはアルケニルモノエステル、フタル酸β−(メタ)アクリロキシエチルモノエステル、イソフタル酸β−(メタ)アクリロキシエチルモノエステル、テレフタル酸β−(メタ)アクリロキシエチルモノエステル、コハク酸β−(メタ)アクリロキシエチルモノエステル、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、けい皮酸等を例示することが出来る。特にメタクリル酸、アクリル酸が好ましい。   Examples of the monomer having a carboxyl group include maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, citraconic acid, or alkyl or alkenyl monoesters thereof, phthalic acid β- (meth) acryloxyethyl monoester, isophthalic acid β- ( Examples include meth) acryloxyethyl monoester, terephthalic acid β- (meth) acryloxyethyl monoester, succinic acid β- (meth) acryloxyethyl monoester, acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, cinnamic acid and the like. I can do it. In particular, methacrylic acid and acrylic acid are preferable.

スルホ基を有する単量体としては、ビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、(メタ)アクリロイルオキシエチルスルホン酸、イソプレンスルホン酸、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、アリルオキシベンゼンスルホン酸等が挙げられる。   Examples of the monomer having a sulfo group include vinyl sulfonic acid, (meth) allyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, (meth) acryloyloxyethyl sulfonic acid, isoprene sulfonic acid, 2- (meth) acrylamide-2-methylpropane sulfone. Examples include acid and allyloxybenzene sulfonic acid.

リン酸基を有する単量体としては、モノ(2−アクリロイルオキシエチル)アシッドホスフェート、モノ(2−メタクリロイルオキシエチル)アシッドホスフェート、ジフェニル(2−アクリロイルオキシエチル)ホスフェート、ジフェニル(2−メタクリロイルオキシエチル)ホスフェート、フェニル(2−アクリロイルオキシエチル)ホスフェート、アシッド・ホスホオキシエチルメタクリレート、メタクロイル・オキシエチルアシッドホスフェート・モノエタノールアミン塩、3−クロロ−2−アシッド・ホスホオキシプロピルメタクリレート、アシッド・ホスホオキシポリオキシエチレングリコールモノメタクリレート、アシッド・ホスホオキシポリオキシプロピレングリコールメタクリレート、(メタ)アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート、(メタ)アクリロイルオキシプロピルアシッドホスフェート、(メタ)アクリロイルオキシ−2−ヒドロキシプロピルアシッドホスフェート、(メタ)アクリロイルオキシ−3−ヒドロキシプロピルアシッドホスフェート、(メタ)アクリロイルオキシ−3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルアシッドホスフェート、アリルアルコールアシッドホスフェート等が挙げられる。 Monomers having a phosphoric acid group include mono (2-acryloyloxyethyl) acid phosphate, mono (2-methacryloyloxyethyl) acid phosphate, diphenyl (2-acryloyloxyethyl) phosphate, diphenyl (2-methacryloyloxyethyl). ) Phosphate, phenyl (2-acryloyloxyethyl) phosphate, acid phosphooxyethyl methacrylate, methacryloyl oxyethyl acid phosphate monoethanolamine salt, 3-chloro-2-acid phosphooxypropyl methacrylate, acid phosphooxypoly Oxyethylene glycol monomethacrylate, acid phosphooxypolyoxypropylene glycol methacrylate, (meth) acryloyloxyethyl Cyd phosphate, (meth) acryloyloxypropyl acid phosphate, (meth) acryloyloxy-2-hydroxypropyl acid phosphate, (meth) acryloyloxy-3-hydroxypropyl acid phosphate, (meth) acryloyloxy-3-chloro-2- Examples thereof include hydroxypropyl acid phosphate, allyl alcohol acid phosphate, and the like.

<単量体(b3)>
前記(b1)〜(b2)以外のその他の単量体(b3)は、特に限定されないが、例えば下記のものが挙げられる。
<Monomer (b3)>
Other monomers (b3) other than (b1) to (b2) are not particularly limited, and examples thereof include the following.

水酸基含有の単量体としては、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、グリセロールモノ(メタ)アクリレート、アリルアルコール等が挙げられる。   Examples of the hydroxyl group-containing monomer include 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, 4-hydroxybutyl (meth) acrylate, glycerol mono (meth) acrylate, and allyl alcohol.

窒素含有不飽和化合物としては、(メタ)アクリルアミド、N−メチロール(メタ)アクリルアミド、N−メトキシメチル−(メタ)アクリルアミド等のモノアルキロール(メタ)アクリルアミド、
N,N−ジ(メチロール)アクリルアミド、N−メチロール−N−メトキシメチル(メタ)アクリルアミド、N,N−ジ(メトキシメチル)アクリルアミド等のジアルキロール(メタ)アクリルアミド等のアクリルアミド系不飽和化合物を例示できる。
As nitrogen-containing unsaturated compounds, monoalkylol (meth) acrylamides such as (meth) acrylamide, N-methylol (meth) acrylamide, N-methoxymethyl- (meth) acrylamide,
Examples thereof include acrylamide-type unsaturated compounds such as N, N-di (methylol) acrylamide, N-methylol-N-methoxymethyl (meth) acrylamide, and dialalkylol (meth) acrylamide such as N, N-di (methoxymethyl) acrylamide. .

更にその他の不飽和化合物としては、パーフルオロメチルメチル(メタ)アクリレート、パーフルオロエチルメチル(メタ)アクリレート、2−パーフルオロブチルエチル(メタ)アクリレート、2−パーフルオロヘキシルエチル(メタ)アクリレート等の炭素数1〜20のパーフルオロアルキル基を有するパーフルオロアルキルアルキル(メタ)アクリレート類;
パーフルオロブチルエチレン、パーフルオロヘキシルエチレン、パーフルオロオクチルエチレン、パーフルオロデシルエチレン等のパーフルオロアルキル、アルキレン類等のパーフルオロアルキル基含有ビニルモノマー、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリス(βメトキシエトキシ)シラン、ビニルトリエトキシシラン、γ-(メタ)アクリロキシプロピルトリメトキシシラン等のシラノール基含有ビニル化合物及びその誘導体などを挙げることができ、これらの群から複数用いることができる。
Furthermore, as other unsaturated compounds, perfluoromethylmethyl (meth) acrylate, perfluoroethylmethyl (meth) acrylate, 2-perfluorobutylethyl (meth) acrylate, 2-perfluorohexylethyl (meth) acrylate, etc. Perfluoroalkyl alkyl (meth) acrylates having a C 1-20 perfluoroalkyl group;
Perfluoroalkyl such as perfluorobutylethylene, perfluorohexylethylene, perfluorooctylethylene, perfluorodecylethylene, and perfluoroalkyl group-containing vinyl monomers such as alkylene, vinyltrichlorosilane, vinyltris (βmethoxyethoxy) silane, vinyl Examples thereof include silanol group-containing vinyl compounds such as triethoxysilane and γ- (meth) acryloxypropyltrimethoxysilane and derivatives thereof, and a plurality of them can be used from these groups.

アミノ基を有するエチレン性不飽和単量体としては、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、メチルエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノスチレン、ジエチルアミノスチレン等が挙げられる。   Examples of the ethylenically unsaturated monomer having an amino group include dimethylaminoethyl (meth) acrylate, diethylaminoethyl (meth) acrylate, methylethylaminoethyl (meth) acrylate, dimethylaminostyrene, diethylaminostyrene and the like.

その他の単量体(b3)の中でも、好ましくはアミノ基を有するエチレン性不飽和単量体である。 Among the other monomers (b3), an ethylenically unsaturated monomer having an amino group is preferable.

<単量体(b1)〜(b3)の構成比、及び機能>
本発明で用いられる水性樹脂型分散剤(B)中の共重合体を構成する単量体の比率は、単量体(b1)〜(b3)の合計を100重量%とした場合に、
芳香環及び脂肪族骨格の少なくとも一方を有するエチレン性不飽和単量体(b1):10〜90重量%
酸性官能基を有するエチレン性不飽和単量体(b2):10〜90重量%
前記(b1)〜(b2)以外のその他の単量体(b3):0〜80重量%
好ましくは、(b1):15〜70重量%、(b2):15〜70重量%、(b3):1〜70重量%である。
より好ましくは、(b1):30〜70重量%、(b2):15〜50重量%、(b3):1〜40重量%である。
<Composition ratio and function of monomers (b1) to (b3)>
The ratio of the monomers constituting the copolymer in the aqueous resin dispersant (B) used in the present invention is as follows when the total of the monomers (b1) to (b3) is 100% by weight:
Ethylenically unsaturated monomer (b1) having at least one of aromatic ring and aliphatic skeleton: 10 to 90% by weight
Ethylenically unsaturated monomer having acidic functional group (b2): 10 to 90% by weight
Other monomers (b3) other than (b1) to (b2): 0 to 80% by weight
Preferably, (b1): 15-70 wt%, (b2): 15-70 wt%, (b3): 1-70 wt%.
More preferably, they are (b1): 30-70 weight%, (b2): 15-50 weight%, (b3): 1-40 weight%.

芳香環及び脂肪族骨格の少なくとも一方を有するエチレン性不飽和単量体(b1)由来の芳香環や脂肪族骨格が、後述する炭素材料(A)への主たる吸着部位となると推測している。アミノ基を有するエチレン性不飽和単量(b3)を含む場合は、アミノ基も炭素材料(A)への吸着部位となるため好ましい。
また、酸性官能基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)は、共重合体を水性液状媒体に溶解ないし分散させる機能を担う。酸性官能基を中和した場合、その効果がより大きくなるため好ましい。
そして、炭素材料(A)に、芳香環や脂肪族骨格を介してコポリマーが吸着し、好ましくは中和され、イオン化された酸性官能基の電荷反発により、炭素材料(A)の水性液状媒体中における分散状態を安定に保つことが出来るようになったものと考察される。
It is presumed that the aromatic ring or aliphatic skeleton derived from the ethylenically unsaturated monomer (b1) having at least one of an aromatic ring and an aliphatic skeleton becomes the main adsorption site to the carbon material (A) described later. When the ethylenically unsaturated monomer having an amino group (b3) is contained, the amino group is also an adsorption site for the carbon material (A), which is preferable.
The ethylenically unsaturated monomer (b2) having an acidic functional group has a function of dissolving or dispersing the copolymer in an aqueous liquid medium. The neutralization of the acidic functional group is preferable because the effect becomes greater.
Then, the copolymer is adsorbed to the carbon material (A) through an aromatic ring or an aliphatic skeleton, preferably neutralized, and in the aqueous liquid medium of the carbon material (A) by charge repulsion of the ionized acidic functional group. It is considered that the dispersion state in can be kept stable.

上記単量体(b1)〜(b3)を共重合してなる共重合体の分子量は特に制限はないが、水性樹脂型分散剤(B)の固形分20%水溶液における粘度が、好ましくは5〜100,000mPa・sであり、さらに好ましくは10〜50,000mPa・sである。所定範囲の粘度より低く、水性樹脂型分散剤(B)の分子量が小さすぎる場合、あるいは所定範囲の粘度より高く、水性樹脂型分散剤(B)の分子量が大きすぎる場合には、炭素材料(A)の分散不良を引き起こす可能性がある。
尚、本発明における粘度とは、B型粘度計を用いて25℃の条件下で測定した値である。
The molecular weight of the copolymer obtained by copolymerizing the above monomers (b1) to (b3) is not particularly limited, but the viscosity of the aqueous resin dispersant (B) in a 20% solid content aqueous solution is preferably 5 ~ 100,000 mPa · s, more preferably 10 ~ 50,000 mPa · s. When the molecular weight of the aqueous resin type dispersant (B) is lower than the predetermined range and the molecular weight of the aqueous resin type dispersant (B) is higher than the predetermined range and the molecular weight of the aqueous resin type dispersant (B) is too high, the carbon material ( A) may result in poor dispersion.
In addition, the viscosity in this invention is the value measured on 25 degreeC conditions using the B-type viscosity meter.

水性樹脂型分散剤(B)の酸価は、50mgKOH/g以上400mgKOH/g以下の範囲であることが好ましく、更には、酸価が80mgKOH/g以上300mgKOH/g以下の範囲であることが好ましい。
水性樹脂型分散剤(B)の酸価が上記した範囲よりも低いと分散体の分散安定性が低下し、粘度が増加する傾向がある。また、水性樹脂型分散剤(B)酸価が上記した範囲より高いと、炭素表面に対する水性樹脂型分散剤(B)の付着力が低下し、分散体の保存安定性が低下する傾向がある。
尚、本発明における水性樹脂型分散剤(B)の酸価は、JIS K 0070の電位差滴定法に準拠し、測定した酸価(mgKOH/g)を固形分換算した値である。
The acid value of the aqueous resin dispersant (B) is preferably in the range of 50 mgKOH / g to 400 mgKOH / g, and more preferably in the range of 80 mgKOH / g to 300 mgKOH / g. .
If the acid value of the aqueous resin dispersant (B) is lower than the above range, the dispersion stability of the dispersion tends to decrease and the viscosity tends to increase. In addition, when the acid value of the aqueous resin dispersant (B) is higher than the above range, the adhesion of the aqueous resin dispersant (B) to the carbon surface tends to decrease, and the storage stability of the dispersion tends to decrease. .
The acid value of the aqueous resin dispersant (B) in the present invention is a value obtained by converting the measured acid value (mgKOH / g) into a solid content in accordance with the potentiometric titration method of JIS K0070.

<製造方法>
水性樹脂型分散剤(B)は、種々の製造方法で得ることができる。
例えば、上記単量体(b1)〜(b3)を、水と共沸し得る有機溶剤中で重合する。その後、水に代表される水性液状媒体と、好ましくは中和剤とを加えて酸性官能基の少なくとも一部を中和し、共沸可能な溶剤を留去し、水性樹脂型分散剤(B)の水溶液ないし水性分散液を得ることができる。
重合時の有機溶剤としては、水と共沸するものであれば良いが、コポリマーに対し溶解性の高いものが良く、好ましくはエタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノールがあり、さらに好ましくは1−ブタノールがある。
<Manufacturing method>
The aqueous resin dispersant (B) can be obtained by various production methods.
For example, the monomers (b1) to (b3) are polymerized in an organic solvent that can be azeotroped with water. Thereafter, an aqueous liquid medium typified by water and preferably a neutralizing agent are added to neutralize at least a part of the acidic functional groups, the azeotropic solvent is distilled off, and an aqueous resin-type dispersant (B ) Aqueous solution or dispersion.
As the organic solvent at the time of polymerization, any solvent that azeotropes with water may be used, but those having high solubility in the copolymer are preferable, and ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and 1-butanol are preferable. Preferably 1-butanol.

あるいは、親水性有機溶剤中で共重合し、水と、好ましくは中和剤を加えて中和し、親水性有機溶剤は留去せず、親水性有機溶剤と水とを含む水性液状媒体に、水性樹脂型分散剤(B)が溶解ないし分散した液を得ることができる。
この場合、用いられる親水性有機溶剤としては、コポリマーに対し溶解性の高いものが良く、好ましくはグリコールエーテル類、ジオール類、さらに好ましくは(ポリ)アルキレングリコールモノアルキルエーテル、炭素数3〜6のアルカンジオール類が良い。
Alternatively, it is copolymerized in a hydrophilic organic solvent, neutralized with water, preferably by adding a neutralizing agent, the hydrophilic organic solvent is not distilled off, and an aqueous liquid medium containing the hydrophilic organic solvent and water is used. A liquid in which the aqueous resin dispersant (B) is dissolved or dispersed can be obtained.
In this case, the hydrophilic organic solvent used is preferably one having high solubility in the copolymer, preferably glycol ethers, diols, more preferably (poly) alkylene glycol monoalkyl ethers having 3 to 6 carbon atoms. Alkanediols are good.

コポリマーの中和に使用される中和剤としては、下記のものが挙げられる。
例えば、アンモニア水、ジメチルアミノエタノール、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等の各種有機アミン、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属の水酸化物等の無機アルカリ剤、有機酸や鉱酸等を使用することができる。上記したようなコポリマーは、水性液媒体中に、分散又は溶解される。
The following are mentioned as a neutralizing agent used for neutralization of a copolymer.
For example, inorganic alkaline agents such as ammonia water, various organic amines such as dimethylaminoethanol, diethanolamine, and triethanolamine, alkali metal hydroxides such as sodium hydroxide, lithium hydroxide, and potassium hydroxide, organic acids and mineral acids Etc. can be used. The copolymer as described above is dispersed or dissolved in an aqueous liquid medium.

<炭素材料(A)>
本発明における炭素材料(A)としては、導電性を有する炭素材料であれば特に限定されるものではないが、グラファイト、カーボンブラック、導電性炭素繊維(カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー)、フラーレン等を単独で、もしくは2種類以上併せて使用することができる。導電性、入手の容易さ、およびコスト面から、カーボンブラックの使用が好ましい。
<Carbon material (A)>
The carbon material (A) in the present invention is not particularly limited as long as it is a carbon material having conductivity, but graphite, carbon black, conductive carbon fiber (carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon fiber), Fullerenes or the like can be used alone or in combination of two or more. From the viewpoint of conductivity, availability, and cost, it is preferable to use carbon black.

カーボンブラックとしては、気体もしくは液体の原料を反応炉中で連続的に熱分解し製造するファーネスブラック、特にエチレン重油を原料としたケッチェンブラック、原料ガスを燃焼させて、その炎をチャンネル鋼底面にあて急冷し析出させたチャンネルブラック、ガスを原料とし燃焼と熱分解を周期的に繰り返すことにより得られるサーマルブラック、特にアセチレンガスを原料とするアセチレンブラックなどの各種のものを単独で、もしくは2種類以上併せて使用することができる。また、通常行われている酸化処理されたカーボンブラックや、中空カーボン等も使用できる。   Carbon black is a furnace black produced by continuously pyrolyzing a gas or liquid raw material in a reactor, especially ketjen black using ethylene heavy oil as a raw material. Channel black that has been rapidly cooled and precipitated, thermal black obtained by periodically repeating combustion and thermal decomposition using gas as a raw material, and particularly various types such as acetylene black using acetylene gas as a raw material, or 2 More than one type can be used in combination. Ordinarily oxidized carbon black, hollow carbon and the like can also be used.

カーボンの酸化処理は、カーボンを空気中で高温処理したり、硝酸や二酸化窒素、オゾン等で二次的に処理したりすることより、例えばフェノール基、キノン基、カルボキシル基、カルボニル基の様な酸素含有極性官能基をカーボン表面に直接導入(共有結合)する処理であり、カーボンの分散性を向上させるために一般的に行われている。しかしながら、官能基の導入量が多くなる程カーボンの導電性が低下することが一般的であるため、酸化処理をしていないカーボンの使用が好ましい。   The oxidation treatment of carbon is performed by treating carbon at a high temperature in the air or by secondary treatment with nitric acid, nitrogen dioxide, ozone, etc., for example, such as phenol group, quinone group, carboxyl group, carbonyl group. This is a treatment for directly introducing (covalently bonding) an oxygen-containing polar functional group to the carbon surface, and is generally performed to improve the dispersibility of carbon. However, since it is common for the conductivity of carbon to fall, so that the introduction amount of a functional group increases, it is preferable to use the carbon which has not been oxidized.

用いるカーボンブラックの比表面積は、値が大きいほど、カーボンブラック粒子同士の接触点が増えるため、電極の内部抵抗を下げるのに有利となる。具体的には、窒素の吸着量から求められる比表面積(BET)で、20m/g以上、1500m/g以下、好ましくは50m/g以上、1500m/g以下、更に好ましくは100m/g以上、1500m/g以下のものを使用することが望ましい。比表面積が20m/gを下回るカーボンブラックを用いると、十分な導電性を得ることが難しくなる場合があり、1500m/gを超えるカーボンブラックは、市販材料での入手が困難となる場合がある。 As the specific surface area of the carbon black used increases, the contact point between the carbon black particles increases, which is advantageous for lowering the internal resistance of the electrode. Specifically, the specific surface area (BET) determined from the adsorption amount of nitrogen is 20 m 2 / g or more and 1500 m 2 / g or less, preferably 50 m 2 / g or more and 1500 m 2 / g or less, more preferably 100 m 2. / G or more and 1500 m 2 / g or less are desirable. When carbon black having a specific surface area of less than 20 m 2 / g is used, it may be difficult to obtain sufficient conductivity, and carbon black of more than 1500 m 2 / g may be difficult to obtain from commercially available materials. is there.

また、用いるカーボンブラックの粒径は、一次粒子径で0.005〜1μmが好ましく、特に、0.01〜0.2μmが好ましい。ただし、ここでいう一次粒子径とは、電子顕微鏡などで測定された粒子径を平均したものである。   Further, the particle size of the carbon black to be used is preferably 0.005 to 1 μm, particularly preferably 0.01 to 0.2 μm in terms of primary particle size. However, the primary particle diameter here is an average of the particle diameters measured with an electron microscope or the like.

集電体コート用組成物中の炭素材料(A)の分散粒径は、0.03μm以上、5μm以下に微細化することが望ましい。炭素材料の分散粒径が0.03μm未満の組成物は、その作製が難しい場合がある。又、炭素材料の分散粒径が2μmを超える組成物を用いた場合には、コート層塗膜の材料分布のバラつき、電極の抵抗分布のバラつき等の不具合が生じる場合がある。
ここでいう分散粒径とは、体積粒度分布において、粒子径の細かいものからその粒子の体積割合を積算していったときに、50%となるところの粒子径(D50)であり、一般的な粒度分布計、例えば、動的光散乱方式の粒度分布計(日機装社製「マイクロトラックUPA」)等で測定される。
The dispersed particle diameter of the carbon material (A) in the current collector coating composition is desirably refined to 0.03 μm or more and 5 μm or less. A composition having a carbon material having a dispersed particle size of less than 0.03 μm may be difficult to produce. In addition, when a composition having a dispersed particle diameter of the carbon material exceeding 2 μm is used, problems such as variations in the material distribution of the coat layer coating film and variations in the resistance distribution of the electrode may occur.
The dispersed particle size referred to here is a particle size (D50) that is 50% when the volume ratio of the particles is integrated from the fine particle size distribution in the volume particle size distribution. A particle size distribution meter such as a dynamic light scattering type particle size distribution meter ("Microtrack UPA" manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).

市販のカーボンブラックとしては、例えば、トーカブラック#4300、#4400、#4500、#5500等(東海カーボン社製、ファーネスブラック)、プリンテックスL等(デグサ社製、ファーネスブラック)、Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA等、Conductex SC ULTRA、Conductex 975ULTRA等、PUER BLACK100、115、205等(コロンビヤン社製、ファーネスブラック)、#2350、#2400B、#2600B、#30050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B等(三菱化学社製、ファーネスブラック)、MONARCH1400、1300、900、VulcanXC−72R、BlackPearls2000等(キャボット社製、ファーネスブラック)、Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、SuperP−Li(TIMCAL社製)、ケッチェンブラックEC−300J、EC−600JD(アクゾ社製)、デンカブラック、デンカブラックHS−100、FX−35(電気化学工業社製、アセチレンブラック)等、グラファイトとしては例えば人造黒鉛や燐片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛などの天然黒鉛が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、2種以上を組み合わせて用いても良い。   Examples of commercially available carbon black include Toka Black # 4300, # 4400, # 4500, # 5500 (Tokai Carbon Co., Furnace Black), Printex L and the like (Degussa Co., Furnace Black), Raven 7000, 5750, 5250, 5000 ULTRA III, 5000 ULTRA, etc., Conductex SC ULTRA, Conductex 975 ULTRA, etc., PUER BLACK100, 115, 205, etc. (manufactured by Colombian, Furnace Black), # 2350, # 2400B, # 2600B, # 30050B, # 3030B, # 3030B, # 3030B 3350B, # 3400B, # 5400B, etc. (Mitsubishi Chemical Corporation, furnace black), MONARCH1400, 1300, 900, VulcanXC-7 2R, BlackPearls2000, etc. (Cabot, Furnace Black), Ensaco 250G, Ensaco 260G, Ensaco 350G, SuperP-Li (manufactured by TIMCAL), Ketjen Black EC-300J, EC-600JD (manufactured by Akzo), Denka Black, Denka Black HS Examples of graphite such as -100, FX-35 (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., acetylene black) include natural graphite such as artificial graphite, flake graphite, lump graphite, and earth graphite, but are not limited thereto. They may be used in combination of two or more.

導電性炭素繊維としては石油由来の原料から焼成して得られるものが良いが、植物由来の原料からも焼成して得られるものも用いることができる。例えば石油由来の原料で製造される昭和電工社製のVGCFなどを挙げることができる。   As the conductive carbon fibers, those obtained by firing from petroleum-derived raw materials are preferable, but those obtained by firing from plant-derived raw materials can also be used. For example, VGCF manufactured by Showa Denko Co., Ltd. manufactured with petroleum-derived raw materials can be mentioned.

<水性液状媒体(C)>
本発明に使用する水性液状媒体(C)としては、水を使用することが好ましいが、必要に応じて、例えば、集電体への塗工性向上のために、水と相溶する液状媒体を使用しても良い。
水と相溶する液状媒体としては、アルコール類、グリコール類、セロソルブ類、アミノアルコール類、アミン類、ケトン類、カルボン酸アミド類、リン酸アミド類、スルホキシド類、カルボン酸エステル類、リン酸エステル類、エーテル類、ニトリル類等が挙げられ、水と相溶する範囲で使用しても良い。
<Aqueous liquid medium (C)>
As the aqueous liquid medium (C) used in the present invention, it is preferable to use water, but if necessary, for example, a liquid medium compatible with water in order to improve the coating property to the current collector. May be used.
Liquid media compatible with water include alcohols, glycols, cellosolves, amino alcohols, amines, ketones, carboxylic acid amides, phosphoric acid amides, sulfoxides, carboxylic acid esters, and phosphoric acid esters , Ethers, nitriles and the like, and may be used as long as they are compatible with water.

<集電体コート用組成物>
集電体コート用組成物は、炭素材料(A)と、下記単量体を共重合してなる水性樹脂型分散剤(B)と、水性液状媒体(C)とを少なくとも含有するものである。
集電体コート用組成物は、集電体との密着性を向上させて集電体の耐久性を向上させるために、さらにバインダーを含有することもできる。
本発明の中のバインダーとは、炭素材料などの粒子を結着させるために使用されるものであり、それら粒子を溶媒中へ分散させる効果は小さいものである。
<Composition for current collector coating>
The composition for current collector coating contains at least a carbon material (A), an aqueous resin dispersant (B) obtained by copolymerizing the following monomers, and an aqueous liquid medium (C). .
The current collector coating composition may further contain a binder in order to improve adhesion to the current collector and improve the durability of the current collector.
The binder in the present invention is used for binding particles such as a carbon material, and the effect of dispersing these particles in a solvent is small.

バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、カルボキシメチルセルロース等のセルロース樹脂、スチレン−ブタジエンゴムやフッ素ゴム等の合成ゴム、ポリアニリンやポリアセチレン等の導電性樹脂等、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、及びテトラフルオロエチレン等のフッ素原子を含む高分子化合物が挙げられる。又、これらの樹脂の変性物、混合物、又は共重合体でも良く、水溶性の樹脂であっても、水分散型の樹脂であっても良い。これらバインダーは、1種または複数を組み合わせて使用することも出来る。   Examples of the binder include acrylic resins, polyurethane resins, polyester resins, phenol resins, epoxy resins, phenoxy resins, urea resins, melamine resins, alkyd resins, formaldehyde resins, silicone resins, fluororesins, carboxymethylcellulose and other cellulose resins, styrene -Synthetic rubbers such as butadiene rubber and fluorine rubber, conductive resins such as polyaniline and polyacetylene, and the like, and polymer compounds containing fluorine atoms such as polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, and tetrafluoroethylene. Further, a modified product, a mixture, or a copolymer of these resins may be used, which may be a water-soluble resin or a water-dispersed resin. These binders can be used alone or in combination.

さらに、集電体コート用組成物には、成膜助剤、消泡剤、レベリング剤、防腐剤、pH調整剤、粘性調整剤などを必要に応じて配合できる。   Furthermore, a film-forming auxiliary, an antifoaming agent, a leveling agent, a preservative, a pH adjusting agent, a viscosity adjusting agent and the like can be blended in the current collector coating composition as necessary.

集電体コート用組成物の総固形分に占める炭素材料(A)の割合は、20重量%以上、80重量%以下が好ましく、30重量%以上、60重量%以下が更に好ましい。炭素材料(A)が少ないと、下地層の導電性が保てない場合があり、一方、導電助剤である炭素材料(A)が多すぎると、塗膜の耐性が低下する場合がある。
また、集電体コート用組成物中の固形分に占める水性樹脂型分散剤(B)の割合は、1〜70重量%以下であることが好ましい。
さらに、バインダーを含む場合、集電体コート用組成物中の固形分に占めるバインダーの割合は、19〜79重量%であることが好ましい。
また、塗工方法によるが、固形分5〜50重量%の範囲で、集電体コート用組成物の粘度は、1mPa・s以上、20,000mPa・s以下とするのが好ましい。
集電体のコート層の厚みは、一般的には0.2μm以上、20μm以下であり、好ましくは0.5μm以上、5μm以下である。
The proportion of the carbon material (A) in the total solid content of the current collector coating composition is preferably 20% by weight or more and 80% by weight or less, and more preferably 30% by weight or more and 60% by weight or less. If the amount of the carbon material (A) is small, the conductivity of the underlayer may not be maintained. On the other hand, if the amount of the carbon material (A) that is a conductive auxiliary agent is too large, the resistance of the coating film may be reduced.
Moreover, it is preferable that the ratio of the aqueous resin type dispersing agent (B) to solid content in the composition for collector coating is 1 to 70 weight% or less.
Furthermore, when a binder is included, the ratio of the binder to the solid content in the current collector coating composition is preferably 19 to 79% by weight.
Moreover, although it depends on the coating method, the viscosity of the current collector coating composition is preferably 1 mPa · s or more and 20,000 mPa · s or less in the range of 5 to 50% by weight of the solid content.
The thickness of the coat layer of the current collector is generally 0.2 μm or more and 20 μm or less, preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less.

このような集電体コート用組成物は、種々の方法で得ることができる。
炭素材料(A)と水性樹脂型分散剤(B)とバインダーと水性液状媒体(C)とを含有する、集電体コート用組成物の場合を例にとって説明する。
例えば、
(X−1) 炭素材料(A)と水性樹脂型分散剤(B)と水性液状媒体(C)とを含有する炭素材料の水性分散体を得、該水性分散体にとバインダーとを加え、集電体コート用組成物を得ることができる。
(X−2) 炭素材料(A)と水性樹脂型分散剤(B)とバインダーと水性液状媒体(C)と含有する活物質の水性分散体を得、集電体コート用組成物を得ることができる。
(X−3) 水性樹脂型分散剤(C)とバインダーと水性液状媒体(D)とを含有する溶液を得、さらに炭素材料(A)を加え、集電体コート用組成物を得ることができる。
Such a current collector coating composition can be obtained by various methods.
A case of a current collector coating composition containing a carbon material (A), an aqueous resin type dispersant (B), a binder, and an aqueous liquid medium (C) will be described as an example.
For example,
(X-1) Obtaining an aqueous dispersion of a carbon material containing the carbon material (A), the aqueous resin dispersant (B), and the aqueous liquid medium (C), adding a binder to the aqueous dispersion, A composition for current collector coating can be obtained.
(X-2) Obtaining an aqueous dispersion of the active material containing the carbon material (A), the aqueous resin dispersant (B), the binder, and the aqueous liquid medium (C) to obtain a composition for current collector coating Can do.
(X-3) Obtaining a solution containing the aqueous resin dispersant (C), the binder, and the aqueous liquid medium (D), and further adding the carbon material (A) to obtain a current collector coating composition. it can.

(分散機・混合機)
集電体コート用組成物を得る際に用いられる装置としては、顔料分散等に通常用いられている分散機、混合機が使用できる。
例えば、ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類;エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社「フィルミックス」等のホモジナイザー類;ペイントコンディショナー(レッドデビル社製)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、若しくはコボールミル等のメディア型分散機;湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS−5」、若しくは奈良機械社製「MICROS」等のメディアレス分散機;または、その他ロールミル等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、分散機としては、分散機からの金属混入防止処理を施したものを用いることが好ましい。
(Disperser / Mixer)
As an apparatus used for obtaining the current collector coating composition, a disperser or a mixer usually used for pigment dispersion or the like can be used.
For example, mixers such as dispersers, homomixers, or planetary mixers; homogenizers such as “Clearmix” manufactured by M Technique, or “fillmix” manufactured by PRIMIX; paint conditioner (manufactured by Red Devil), ball mill, sand mill (Shinmaru Enterprises "Dynomill", etc.), Attritor, Pearl Mill (Eirich "DCP Mill", etc.), or Coball Mill, etc .; Media type dispersers; Wet Jet Mill (Genus, "Genus PY", Sugino Media-less dispersers such as “Starburst” manufactured by Machine, “Nanomizer” manufactured by Nanomizer, etc., “Claire SS-5” manufactured by M Technique, or “MICROS” manufactured by Nara Machinery; or other roll mills, etc. Although The present invention is not limited to these. Moreover, as the disperser, it is preferable to use a disperser that has been subjected to a metal contamination prevention treatment from the disperser.

例えば、メディア型分散機を使用する場合は、アジテーター及びベッセルがセラミック製又は樹脂製の分散機を使用する方法や、金属製アジテーター及びベッセル表面をタングステンカーバイド溶射や樹脂コーティング等の処理をした分散機を用いることが好ましい。そして、メディアとしては、ガラスビーズ、または、ジルコニアビーズ、若しくはアルミナビーズ等のセラミックビーズを用いることが好ましい。また、ロールミルを使用する場合についても、セラミック製ロールを用いることが好ましい。分散装置は、1種のみを使用しても良いし、複数種の装置を組み合わせて使用しても良い。また、強い衝撃で粒子が割れたり、潰れたりしやすい正または負極活物質の場合は、メディア型分散機よりは、ロールミルやホモジナイザー等のメディアレス分散機が好ましい。   For example, when using a media-type disperser, a disperser in which the agitator and vessel are made of a ceramic or resin disperser, or the surface of the metal agitator and vessel is treated with tungsten carbide spraying or resin coating. Is preferably used. As the media, it is preferable to use glass beads, ceramic beads such as zirconia beads or alumina beads. Moreover, also when using a roll mill, it is preferable to use a ceramic roll. Only one type of dispersion device may be used, or a plurality of types of devices may be used in combination. Further, in the case of a positive or negative electrode active material in which particles are easily broken or crushed by a strong impact, a medialess disperser such as a roll mill or a homogenizer is preferable to a media type disperser.

<コート層付き集電体>
本発明のコート層付き集電体は、ガス透過性を有する集電体と、前記集電体コート用組成物から形成された集電体コート層を具備する。
(集電体)
触媒電極に使用する集電体の材質は特に限定されないが、ガス透過性を有する形状が必要であり、該当する集電体を適宜選択することができる。
例えば、集電体の材質としては、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、又はステンレス等の金属や合金、および樹脂等が挙げられる。燃料電池、および空気電池の場合、ステンレス、ニッケル、アルミニウムが好ましい。
又、形状としては、一般的に多孔性のものが選択され、パンチングメタル、エキスパンドメタルのような穴あき箔状のもの、発泡金属箔、不織布、及びメッシュ状の集電体が使用できる。
<Current collector with coat layer>
The current collector with a coat layer of the present invention includes a current-permeable current collector and a current collector coat layer formed from the current collector coating composition.
(Current collector)
The material of the current collector used for the catalyst electrode is not particularly limited, but a shape having gas permeability is required, and the corresponding current collector can be appropriately selected.
For example, examples of the material of the current collector include metals such as aluminum, copper, nickel, titanium, and stainless steel, alloys, and resins. In the case of a fuel cell and an air cell, stainless steel, nickel, and aluminum are preferable.
As the shape, a porous material is generally selected, and a perforated foil shape such as a punching metal or an expanded metal, a foam metal foil, a nonwoven fabric, or a mesh current collector can be used.

(塗工方法)
集電体上に集電体コート用組成物を塗工する方法としては、特に制限はなく公知の方法を用いることができる。
具体的には、グラビアコーティング法、ダイコーティング法、ディップコーティング法、ロールコーティング法、ドクターコーティング法、ナイフコーティング法、スプレーコティング法、スクリーン印刷法または静電塗装法等が挙げる事ができる。
乾燥方法としては放置乾燥、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、遠赤外線加熱機などが使用できるが、特にこれらに限定されるものではない。
又、塗布後に平版プレスやカレンダーロール等による圧延処理を行っても良い。
(Coating method)
The method for applying the current collector coating composition on the current collector is not particularly limited, and a known method can be used.
Specific examples include a gravure coating method, a die coating method, a dip coating method, a roll coating method, a doctor coating method, a knife coating method, a spray coating method, a screen printing method, or an electrostatic coating method.
As the drying method, standing drying, blow dryer, hot air dryer, infrared heater, far infrared heater and the like can be used, but not particularly limited thereto.
Moreover, you may perform the rolling process by a lithographic press, a calender roll, etc. after application | coating.

<触媒電極>
本発明の触媒電極は、少なくともコート層付き集電体と、触媒層とを具備するものであって、燃料電池または空気電池に使用できる。触媒電極は、コート層付き集電体と触媒層との間に撥水層を有していてもよい。
触媒電極に含まれる触媒層は、触媒材料を少なくとも含むものであり、さらにバインダーを含んでいてもよい。触媒層の形成方法は特に限定されないが、例えば、コート層付き集電体上に、触媒材料とバインダーと溶剤とを少なくとも含む触媒インキ組成物を用いて形成することができる。
触媒インキ組成物の塗布方法及び乾燥方法は、従来公知の塗布方法を用いることができ、上記集電体コート用組成物で例示した方法と同様の方法を用いることができる。
<Catalyst electrode>
The catalyst electrode of the present invention comprises at least a current collector with a coat layer and a catalyst layer, and can be used for a fuel cell or an air cell. The catalyst electrode may have a water repellent layer between the current collector with a coat layer and the catalyst layer.
The catalyst layer included in the catalyst electrode includes at least a catalyst material, and may further include a binder. Although the formation method of a catalyst layer is not specifically limited, For example, it can form on a collector with a coating layer using the catalyst ink composition which contains a catalyst material, a binder, and a solvent at least.
As the coating method and the drying method of the catalyst ink composition, a conventionally known coating method can be used, and the same method as the method exemplified for the current collector coating composition can be used.

<燃料電池>
本発明のコート層付き集電体、及び触媒電極は燃料電池のカソード及びアノードに使用できる。
(燃料電池用触媒材料)
燃料電池用触媒材料は、公知もしくは市販のものを使用することができる。例えば、触媒粒子が、触媒担持体としての炭素粒子、酸化物粒子、あるいは窒化物粒子上に担持してなるものが挙げられる。
<Fuel cell>
The current collector with a coat layer and the catalyst electrode of the present invention can be used for a cathode and an anode of a fuel cell.
(Catalyst material for fuel cells)
A known or commercially available catalyst material for the fuel cell can be used. For example, the catalyst particles may be those supported on carbon particles, oxide particles, or nitride particles as a catalyst support.

触媒粒子としては、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム又はこれらの合金等が挙げられる。
触媒担持体としては、例えば、下記のものが挙げられる。
炭素粒子としては、炭素材料(A)と同様のものが挙げられる。
酸化物粒子としては、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン、シリカ、アルミナ等が挙げられる。
窒化物粒子としては、例えば、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化タンタル、窒化クロム、窒化バナジウム等が挙げられる。
これら触媒担持体は、要求性能に合わせて最適な材料を選択することができる。
Examples of the catalyst particles include platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, and alloys thereof.
Examples of the catalyst carrier include the following.
Examples of the carbon particles include those similar to the carbon material (A).
Examples of the oxide particles include indium oxide, tin oxide, zinc oxide, titanium oxide, silica, and alumina.
Examples of the nitride particles include titanium nitride, zirconium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, chromium nitride, vanadium nitride, and the like.
For these catalyst supports, an optimum material can be selected according to the required performance.

触媒粒子の触媒担持体上への担持率は特に限定されない。触媒粒子として白金、触媒担持体として炭素粒子を用いた場合は、触媒粒子100重量%に対して、通常1〜70重量%程度までの担持が可能である。 The loading rate of the catalyst particles on the catalyst carrier is not particularly limited. When platinum is used as the catalyst particles and carbon particles are used as the catalyst carrier, the catalyst particles can normally be loaded up to about 1 to 70% by weight with respect to 100% by weight of the catalyst particles.

市販の燃料電池用触媒材料としては、例えば、
TEC10E50E、TEC10E70TPM、TEC10V30E、TEC10V50E、TEC66E50等の白金担持炭素粒子;
TEC66E50、TEC62E58等の白金−ルテニウム合金担持炭素粒子;
をいずれも田中貴金属工業社より購入することができるが、これらに限定されるものではない。
Examples of commercially available fuel cell catalyst materials include:
Platinum-supported carbon particles such as TEC10E50E, TEC10E70TPM, TEC10V30E, TEC10V50E, TEC66E50;
Platinum-ruthenium alloy-supported carbon particles such as TEC66E50 and TEC62E58;
Can be purchased from Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., but is not limited thereto.

(燃料電池用バインダー)
燃料電池用のバインダーとしては、プロトン伝導性ポリマーが好ましい。プロトン伝導性ポリマーは触媒材料を結着させるためのバインダーとして従来公知のものを使用することができる。プロトン伝導性ポリマーとしては、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂、スルホン酸基などの強酸性官能基を導入したオレフィン系樹脂、ポリイミド系樹脂等が挙げられる。例えば電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホン酸基の乖離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。このようなプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、デュポン社製の「Nafion」等が挙げられる。通常、プロトン伝導性ポリマーは、ポリマーを5〜30重量%程度含むアルコール水溶液として使用される。アルコールとしては、例えば、メタノール、プロパノール等が使用される。
(Fuel cell binder)
As the binder for the fuel cell, a proton conductive polymer is preferable. As the proton conductive polymer, a conventionally known one can be used as a binder for binding the catalyst material. Examples of the proton conductive polymer include a fluorine-based ion exchange resin such as perfluorosulfonic acid, an olefin resin into which a strongly acidic functional group such as a sulfonic acid group is introduced, and a polyimide resin. For example, by introducing a fluorine atom having a high electronegativity, it is chemically very stable, a sulfonic acid group has a high degree of detachment, and high ionic conductivity can be realized. Specific examples of such proton conductive polymers include “Nafion” manufactured by DuPont. Usually, the proton conductive polymer is used as an alcohol aqueous solution containing about 5 to 30% by weight of the polymer. As the alcohol, for example, methanol, propanol or the like is used.

(燃料電池用触媒インキ組成物)
触媒インキ組成物中に含まれる触媒材料、およびプロトン伝導性ポリマー、溶剤の種類および割合は、限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択することができる。好ましい範囲としては
例えば、触媒材料を100重量部に対して、プロトン伝導性ポリマーが10〜300重量部、好ましくは20〜250重量部である。
(Catalyst ink composition for fuel cells)
The types and ratios of the catalyst material, the proton conductive polymer, and the solvent contained in the catalyst ink composition are not limited and can be appropriately selected within a wide range. As a preferable range, for example, the proton conductive polymer is 10 to 300 parts by weight, preferably 20 to 250 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the catalyst material.

触媒インキ組成物の調製方法も特に限定されるものではない。調製は、各成分を同時に分散しても良いし、触媒ペースト組成物を分散後、プロトン伝導性ポリマー成分を添加してもよく、使用する触媒材料、プロトン伝導性ポリマーや、溶剤種により最適化することができる。   The method for preparing the catalyst ink composition is not particularly limited. Preparation can be carried out by dispersing each component at the same time, or after dispersing the catalyst paste composition, a proton-conductive polymer component may be added, and is optimized depending on the catalyst material, proton-conductive polymer, and solvent type used. can do.

(燃料電池用電極膜接合体)
本発明の燃料電池は、燃料電池用電極膜接合体を含み、燃料電池用電極膜接合体を挟むように、対向配置されたセパレータと集電板より構成される。
燃料電池用電極膜接合体とは、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の片面もしくは両面に、燃料電池用触媒層が密着して形成され、さらに、その片面もしくは両面に、集電体が密着して具備したものである。
(Fuel cell electrode membrane assembly)
The fuel cell of the present invention includes a fuel cell electrode membrane assembly, and is composed of a separator and a current collector plate disposed so as to sandwich the fuel cell electrode membrane assembly.
A fuel cell electrode membrane assembly is formed by adhering a fuel cell catalyst layer to one or both sides of a proton-conducting solid polymer electrolyte membrane, and a current collector adhering to one or both sides thereof It is provided.

燃料電池用電極膜接合体の製造方法としては、固体高分子電解質膜の片面もしくは両面に、上記触媒電極を熱圧着する方法が挙げられる。また、固体高分子電解質膜上に、転写基材上に予め形成された触媒層を転写によって形成した後、上記のコート層付集電体を熱圧着する方法も挙げられる。 Examples of the method for producing a fuel cell electrode membrane assembly include a method in which the catalyst electrode is thermocompression bonded to one or both sides of a solid polymer electrolyte membrane. Moreover, after forming the catalyst layer previously formed on the transfer base material on the solid polymer electrolyte membrane by transfer, the above-mentioned current collector with a coat layer may be thermocompression bonded.

(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入する事で化学的に非常に安定し、スルホン酸基の乖離度が高く、高いイオン導電性が実現できる。具体例としてはデュポン社製の「Nafion」、旭硝子社製の「Flemion」、旭化成社製の「Aciplex」、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」等が挙げられる。電解質膜の膜厚としては、通常20μm〜250μm程度、好ましくは10μm〜80μm程度である。
(Solid polymer electrolyte membrane)
Examples of the solid polymer electrolyte membrane include perfluorosulfonic acid-based fluorine ion exchange resins. By introducing a fluorine atom having a high electronegativity, it is chemically very stable, the degree of sulfonic acid group dissociation is high, and high ionic conductivity can be realized. Specific examples include “Nafion” manufactured by DuPont, “Flemion” manufactured by Asahi Glass, “Aciplex” manufactured by Asahi Kasei, “Gore Select” manufactured by Gore, and the like. The thickness of the electrolyte membrane is usually about 20 μm to 250 μm, preferably about 10 μm to 80 μm.

(導電性撥水層)
本発明の電極膜接合体は、触媒層の集電体と接触する側に微多孔質の層を含んでいてもよい。この層は、触媒層の一部として取り扱われたり、あるいは導電性撥水層や撥水層、MPL(micro porous layer、マイクロポーラスレイヤー)とも呼ばれ、触媒層へのガス供給の均一化や、導電性の向上に加え、カソード側で発電時に発生する水の排水性を向上させる等の役割を持つ。導電性撥水層は、例えば、炭素材料と、撥水性材料を含むペースト組成物を集電体上に塗工後、大気中で300℃程度で焼成することにより形成できる。
(Conductive water repellent layer)
The electrode membrane assembly of the present invention may include a microporous layer on the side of the catalyst layer that contacts the current collector. This layer is handled as a part of the catalyst layer, or is also referred to as a conductive water repellent layer, a water repellent layer, or MPL (micro porous layer), and uniform gas supply to the catalyst layer, In addition to improving conductivity, it has the role of improving the drainage of water generated during power generation on the cathode side. The conductive water-repellent layer can be formed by, for example, applying a carbon material and a paste composition containing a water-repellent material on a current collector, and then baking the material at about 300 ° C. in the atmosphere.

(転写基材)
転写基材は触媒インキ組成物を塗布することで燃料電池用触媒層を形成し、転写基材上にある触媒層をナフィオンなどの固体高分子電解質膜に転写するためのフィルム基材である。転写基材としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。具体例としてはテフロンシート等が挙げられる。
(Transfer substrate)
The transfer substrate is a film substrate for applying a catalyst ink composition to form a fuel cell catalyst layer and transferring the catalyst layer on the transfer substrate to a solid polymer electrolyte membrane such as Nafion. As the transfer substrate, a polymer film that is inexpensive and easily available is preferable, and polytetrafluoroethylene, polyimide, polyethylene terephthalate, and the like are more preferable. Specific examples include a Teflon sheet.

(セパレータ)
セパレータは、燃料ガス(水素)や酸化剤ガス(酸素)等の反応ガスの供給、排出を行う。そして、アノード及びカソードの触媒粒子にガス拡散基材(集電体)を通じてそれぞれ均一に反応ガスが供給されると、両電極に備えられた触媒粒子とプロトン伝導性ポリマーとの境界において、気相(反応ガス)、液相(プロトン伝導性ポリマー)、固相(両電極が持つ触媒粒子の三相界面が形成される。そして、電気化学反応を生じさせることで直流電流が発生する。
(Separator)
The separator supplies and discharges a reaction gas such as a fuel gas (hydrogen) and an oxidant gas (oxygen). When the reaction gas is uniformly supplied to the anode and cathode catalyst particles through the gas diffusion base material (current collector), a gas phase is formed at the boundary between the catalyst particles and the proton conductive polymer provided in both electrodes. (Reactive gas), liquid phase (proton conducting polymer), solid phase (three-phase interface of catalyst particles possessed by both electrodes) is formed, and a direct current is generated by causing an electrochemical reaction.

上記電気化学反応において、
カソード側:O+4H+4e→2H2
アノード側:H→2H+2e
の反応が起こり、アノード側で生成されたH(プロトン)は固体高分子電解質膜中をカソード側に向かって移動し、e(電子)は外部の負荷を通ってカソード側に移動する。
In the above electrochemical reaction,
Cathode side: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O
Anode side: H 2 → 2H + + 2e
H + (proton) generated on the anode side moves toward the cathode side through the solid polymer electrolyte membrane, and e (electron) moves to the cathode side through an external load.

一方、カソード側では酸化剤ガス中に含まれる酸素と、アノード側から移動してきたH及びeとが反応して水が生成される。この結果、上述の燃料電池は、水素と酸素とから直流電力を発生し、水を生成することになる。 On the other hand, on the cathode side, oxygen contained in the oxidant gas reacts with H + and e moving from the anode side to generate water. As a result, the above-described fuel cell generates direct-current power from hydrogen and oxygen to generate water.

<空気電池>
本発明のコート層付き集電体、及び触媒電極は空気電池のカソードに使用できる。
空気電池は、上記触媒電極からなるカソード電極、負極活物質を有するアノード電極、前記カソード電極と前記アノード電極の間で金属イオンの伝導を行う電解質層、およびセパレータより構成されている。
<Air battery>
The current collector with a coat layer and the catalyst electrode of the present invention can be used for a cathode of an air battery.
The air battery includes a cathode electrode composed of the catalyst electrode, an anode electrode having a negative electrode active material, an electrolyte layer that conducts metal ions between the cathode electrode and the anode electrode, and a separator.

(空気電池カソード用触媒材料)
空気電池用の触媒材料は、触媒粒子と、必要に応じて、触媒粒子を担持する導電性の触媒担持体とを含むものである。
触媒粒子としては、例えば、MnO、CeO、TiO、Co、Fe等の無機セラミックス材料やコバルトフタロシアニン、鉄ポルフィリン等の有機錯体、およびこれらの複合材料を挙げることができる。また、上記燃料電池で例示した触媒材料と同様のものを使用することもできる。
(Catalyst material for cathode of air battery)
The catalyst material for an air battery includes catalyst particles and, if necessary, a conductive catalyst support that supports the catalyst particles.
Examples of the catalyst particles include inorganic ceramic materials such as MnO 2 , CeO 2 , TiO 2 , Co 3 O 4 , and Fe 3 O 4 , organic complexes such as cobalt phthalocyanine and iron porphyrin, and composite materials thereof. it can. In addition, the same catalyst materials as exemplified in the fuel cell can be used.

(空気電池用バインダー)
空気電池用のバインダーは、上記の集電体コート用組成物で例示したバインダーと同様のものを使用することができる。
(Binder for air battery)
As the binder for the air battery, the same binders as exemplified in the above-mentioned current collector coating composition can be used.

(空気電池用アノード電極)
空気電池用アノード電極は、負極活物質を有する負極層を有しており、必要に応じて負極集電体を使用してもよい。上記負極層と接触するように電解質層が配置されている。負極活物質は、通常、伝導するイオンとなる金属元素を有している。上記金属元素としては、例えば、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、亜鉛(Zn)、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、クロム(Cr)及びバナジウム(V)などを挙げることができる。中でも、エネルギー密度が高い電池を得ることができるため、Liであることが好ましい。また、金属単体だけでなく、合金や金属酸化物、金属窒化物なども挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、空気電池に適用される従来公知のものを適用することができる。
(Anode for air battery)
The air battery anode electrode has a negative electrode layer having a negative electrode active material, and a negative electrode current collector may be used as necessary. An electrolyte layer is disposed in contact with the negative electrode layer. The negative electrode active material usually has a metal element that becomes conductive ions. Examples of the metal element include lithium (Li), sodium (Na), zinc (Zn), iron (Fe), aluminum (Al), magnesium (Mg), manganese (Mn), silicon (Si), titanium ( Ti), chromium (Cr), vanadium (V), and the like. Among these, Li is preferable because a battery having a high energy density can be obtained. Moreover, not only a metal simple substance but an alloy, a metal oxide, a metal nitride etc. can be mentioned, However It is not limited to these, The conventionally well-known thing applied to an air battery can be applied. .

(電解質層)
電解質層は、上記の空気電池用カソード電極と上記の空気電池用アノード電極の間で金属イオンの伝導を行うものである。金属イオンの種類は、上述した負極活物質の種類によって異なり、その形態も金属イオン伝導性が有するものであれば特に限定されるものではない。例えば、水溶液や非水溶液を適用することもできるし、それらをポリマーマトリクスで保持したゲル状高分子電解質や、ポリマー電解質及び無機固体電解質を使用してもよい。また、固体電解質やセパレータを使用して、カソード側、アノード側で異なる電解液を使用してもよい。
(Electrolyte layer)
The electrolyte layer conducts metal ions between the air battery cathode electrode and the air battery anode electrode. The type of metal ion varies depending on the type of the negative electrode active material described above, and the form thereof is not particularly limited as long as it has metal ion conductivity. For example, an aqueous solution or a non-aqueous solution can be applied, or a gel polymer electrolyte in which they are held by a polymer matrix, a polymer electrolyte, and an inorganic solid electrolyte may be used. Further, different electrolytes may be used on the cathode side and the anode side using a solid electrolyte or a separator.

リチウムイオンの伝導を考えた場合、電解液としては、リチウムを含んだ電解質を水または非水系の溶剤に溶解したものを用いる。
電解質としては、LiBF、LiClO、LiPF、LiAsF、LiSbF、LiCFSO、Li(CFSON、LiCSO、Li(CFSOC、LiI、LiBr、LiCl、LiAlCl、LiHF、LiSCN、又はLiBPh等が挙げられるがこれらに限定されない。
In consideration of lithium ion conduction, an electrolytic solution in which an electrolyte containing lithium is dissolved in water or a non-aqueous solvent is used.
As the electrolyte, LiBF 4 , LiClO 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiC 4 F 9 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 3 C , LiI, LiBr, LiCl, LiAlCl , LiHF 2, LiSCN, or LiBPh 4 etc. but are not limited to.

非水系の溶剤としては特に限定はされないが、例えば、
エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、及びジエチルカーボネート等のカーボネート類;
γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、及びγ−オクタノイックラクトン等のラクトン類;
テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,2−メトキシエタン、1,2−エトキシエタン、及び
1,2−ジブトキシエタン等のグライム類;
メチルフォルメート、メチルアセテート、及びメチルプロピオネート等のエステル類;
ジメチルスルホキシド、及びスルホラン等のスルホキシド類;並びに、
アセトニトリル等のニトリル類等が挙げられる。又これらの溶剤は、それぞれ単独で使用しても良いが、2種以上を混合して使用しても良い。
The non-aqueous solvent is not particularly limited.
Carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate;
Lactones such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, and γ-octanoic lactone;
Glymes such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,2-methoxyethane, 1,2-ethoxyethane, and 1,2-dibutoxyethane;
Esters such as methyl formate, methyl acetate, and methyl propionate;
Sulfoxides such as dimethyl sulfoxide and sulfolane; and
Nitriles such as acetonitrile are exemplified. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

さらに上記電解液を、ポリマーマトリクスに保持しゲル状とした高分子電解質とする場合、ポリマーマトリクスとしては、ポリアルキレンオキシドセグメントを有するアクリレート系樹脂、ポリアルキレンオキシドセグメントを有するポリホスファゼン系樹脂、及びポリアルキレンオキシドセグメントを有するポリシロキサン等が挙げられるがこれらに限定されない。   Furthermore, when the electrolyte solution is a polymer electrolyte held in a polymer matrix and made into a gel, the polymer matrix includes an acrylate resin having a polyalkylene oxide segment, a polyphosphazene resin having a polyalkylene oxide segment, and a polyelectrolyte. Examples include, but are not limited to, a polysiloxane having an alkylene oxide segment.

(セパレータ)
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布、ポリアミド不織布及びそれらに親水性処理を施したものが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
(Separator)
Examples of the separator include, but are not limited to, a polyethylene nonwoven fabric, a polypropylene nonwoven fabric, a polyamide nonwoven fabric, and those subjected to hydrophilic treatment.

以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、以下の実施例は本発明の権利範囲を何ら制限するものではない。尚、実施例および比較例における「部」は「重量部」を表す。   EXAMPLES The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the following examples do not limit the scope of rights of the present invention. In the examples and comparative examples, “part” represents “part by weight”.

(合成例1)
ガス導入管、温度計、コンデンサー、攪拌機を備えた反応容器に、n−ブタノール200.0部を仕込み、窒素ガスで置換した。反応容器内を110℃に加熱して、スチレン140.0部、アクリル酸60.0部、およびV−601(和光純薬工業社製)12.0部の混合物を2時間かけて滴下し、重合反応を行った。滴下終了後、さらに110℃で3時間反応させた後、V−601(和光純薬工業社製)0.6部を添加し、さらに110℃で1時間反応を続けて、共重合体(1)溶液を得た。また、共重合体(1)の酸価は219.1(mgKOH/g)であった。
さらに、室温まで冷却した後、ジメチルアミノエタノール74.2部添加し中和した。これは、アクリル酸を100%中和する量である。さらに、水を400部添加して水性化した後、100℃まで加熱し、ブタノールを水と共沸させてブタノールを留去した。
水で希釈し、不揮発分20%の水性樹脂型分散剤(1)の水溶液ないし水性分散体を得た。また、不揮発分20%の水性樹脂型分散剤(1)の水溶液の粘度は、40mPa・sであった。
(Synthesis Example 1)
A reaction vessel equipped with a gas introduction tube, a thermometer, a condenser, and a stirrer was charged with 200.0 parts of n-butanol and replaced with nitrogen gas. The inside of the reaction vessel was heated to 110 ° C., and a mixture of 140.0 parts of styrene, 60.0 parts of acrylic acid, and 12.0 parts of V-601 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added dropwise over 2 hours. A polymerization reaction was performed. After completion of the dropwise addition, the mixture was further reacted at 110 ° C. for 3 hours, 0.6 parts of V-601 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added, and the reaction was further continued at 110 ° C. for 1 hour to obtain a copolymer (1 ) A solution was obtained. Moreover, the acid value of the copolymer (1) was 219.1 (mgKOH / g).
Further, after cooling to room temperature, 74.2 parts of dimethylaminoethanol was added for neutralization. This is the amount that neutralizes 100% of acrylic acid. Furthermore, after adding 400 parts of water and making it aqueous, it heated to 100 degreeC, butanol was azeotroped with water, and butanol was distilled off.
Dilution with water gave an aqueous solution or dispersion of an aqueous resin dispersant (1) with a nonvolatile content of 20%. Further, the viscosity of the aqueous solution of the aqueous resin dispersant (1) having a nonvolatile content of 20% was 40 mPa · s.

(合成例2〜14)
表1に示す配合組成で、合成例1と同様の方法で合成し、合成例2〜14の分散剤を得た。
(Synthesis Examples 2-14)
The compounding compositions shown in Table 1 were synthesized in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain dispersants of Synthesis Examples 2-14.

Figure 0006182995


St:スチレン
BA:ブチルアクリレート
AA:アクリル酸
MAA:メタクリル酸
2−SEMA:2−スルホエチルメタクリレート
HEMA:ヒドロキシルエチルメタクリレート
DM:ジメチルアミノエチルメタクリレート

DMAE:ジメチルアミノエタノール
NaOH:水酸化ナトリウム
Figure 0006182995


St: Styrene BA: Butyl acrylate AA: Acrylic acid MAA: Methacrylic acid 2-SEMA: 2-Sulfoethyl methacrylate HEMA: Hydroxyethyl methacrylate DM: Dimethylaminoethyl methacrylate

DMAE: Dimethylaminoethanol NaOH: Sodium hydroxide

<集電体コート用組成物の作製>
[実施例1:集電体コート用組成物(1)]
炭素材料としてアセチレンブラック(デンカブラックHS−100)10部、合成例(1)に記載の水性樹脂型分散剤(1)の水溶液ないし水性分散体を10部(固形分として2部)、水66.7部をミキサーに入れて混合し、更にサンドミルに入れて分散を行った。次に、バインダーとして(ポリテトラフルオロエチレン30−J:三井・デュポンフロロケミカル社製、60%水系分散体)13.3部(固形分として8部)を加えてディスパーで撹拌混合し、集電体コート用組成物(1)を得た。
<Preparation of current collector coating composition>
[Example 1: Composition for current collector coating (1)]
10 parts of acetylene black (DENKA BLACK HS-100) as a carbon material, 10 parts (2 parts as a solid content) of an aqueous solution or dispersion of the aqueous resin type dispersant (1) described in Synthesis Example (1), water 66 7 parts were mixed in a mixer and further dispersed in a sand mill. Next, 13.3 parts (8 parts as a solid content) (polytetrafluoroethylene 30-J: made by Mitsui / Dupont Fluorochemical Co., Ltd., 60% aqueous dispersion) is added as a binder, and stirred and mixed with a disper. A body coating composition (1) was obtained.

[実施例2〜13、比較例1〜4:集電体コート用組成物(2)〜(17)]

表2に示す炭素材料、分散剤を使用して、集電体コート用組成物(1)と同様の方法で、同じ固形分となるよう水の添加量を調整して集電体コート用組成物(2)〜(17)を得、以下の方法にて、集電体コート用組成物としての分散度を求めた。
[Examples 2 to 13, Comparative Examples 1 to 4: Current collector coating compositions (2) to (17)]

Using the carbon material and dispersant shown in Table 2, the amount of water added was adjusted to the same solid content by the same method as the current collector coating composition (1), and the current collector coating composition Products (2) to (17) were obtained, and the dispersity as a current collector coating composition was determined by the following method.

(分散度の判定)
集電体コート用組成物の分散度は、グラインドゲージによる判定(JISK5600−2−5に準ず)より求めた。
評価結果を表2に示す。表中の数字は粗大粒子の大きさを示し、数値が小さいほど分散性に優れ、均一な集電体コート用組成物であることを示している。
(Determining the degree of dispersion)
The degree of dispersion of the current collector coating composition was determined by determination with a grind gauge (according to JISK5600-2-5).
The evaluation results are shown in Table 2. The numbers in the table indicate the size of coarse particles, and the smaller the value, the better the dispersibility and the more uniform current collector coating composition.

Figure 0006182995
Figure 0006182995

表2に示すように、本発明の集電体コート用組成物(1)〜(13)は、炭素材料の分散性に優れ、均一な集電体コート用組成物であることが明らかとなった。   As shown in Table 2, it is clear that the collector coating compositions (1) to (13) of the present invention are excellent in dispersibility of the carbon material and are uniform collector coating compositions. It was.

<コート層付き集電体の作製>
[実施例14:コート層付き集電体(1)]
容器中に集電体コート用組成物(1)を加え、その中にアルミ材質で出来たパンチングメタル箔(厚み30μm)を一定時間浸漬して引き上げた後、120℃で30分間乾燥し、コート層付き集電体(1)を得た。また、コート層の厚みは1.5μmであった。
<Preparation of current collector with coat layer>
[Example 14: Current collector with coat layer (1)]
A collector coating composition (1) is added to a container, and a punching metal foil (thickness 30 μm) made of an aluminum material is immersed in the container for a certain period of time, and then dried at 120 ° C. for 30 minutes. A layered current collector (1) was obtained. The thickness of the coat layer was 1.5 μm.

[実施例15〜26、比較例5〜8:コート層付き集電体(2)〜(17)]
集電体コート用組成物(2)〜(17)を使用し、コート層付き集電体(1)と同様にしてコート層付き集電体(2)〜(17)を得た。
[Examples 15 to 26, Comparative Examples 5 to 8: Current collector with coat layer (2) to (17)]
The current collector coating compositions (2) to (17) were used to obtain current collectors with coat layers (2) to (17) in the same manner as the current collector with coat layer (1).

(耐水性評価)
上記で作製したコート層付き集電体(1)〜(17)について、水が含まれた綿布で集電体の表面を擦り耐水性を評価した。評価基準を下記に示し、結果を表3に示す。
(Water resistance evaluation)
With respect to the current collectors (1) to (17) prepared as described above, the surface of the current collector was rubbed with a cotton cloth containing water to evaluate the water resistance. The evaluation criteria are shown below, and the results are shown in Table 3.

○:「削れは見られない(実用上問題のないレベル)」
○△:「下地層がわずかに削れて綿布への付着が見られるが、集電体表面は剥き出しにはなっていない(問題はあるが使用可能レベル)」
△:「下地層が削れて、集電体表面が部分的に剥き出しになっている」
×:「下地層が完全に削れ落ちている」
○: “No shaving is seen (a level where there is no practical problem)”
○ △: “The foundation layer is slightly scraped and attached to the cotton cloth, but the surface of the current collector is not exposed (although there is a problem, it can be used)”
Δ: “Underlayer is shaved and the current collector surface is partially exposed”
×: “Underly layer is completely scraped off”

(密着性評価)
上記で作製したコート層付き集電体(1)〜(17)に、セロテープを貼り付けて引き剥がし、コート層の脱落の程度を目視判定で判定した。評価基準を下記に示し、結果を表3に示す。
(Adhesion evaluation)
A cellophane tape was applied to the current collectors with coat layer (1) to (17) produced above and peeled off, and the degree of drop-off of the coat layer was determined by visual judgment. The evaluation criteria are shown below, and the results are shown in Table 3.

○:「剥離なし(実用上問題のないレベル)」
○△:「わずかに剥離(問題はあるが使用可能レベル)」
△:「半分程度剥離」
×:「ほとんどの部分で剥離」
○: “No peeling (practical level)”
○ △: “Slightly peeled (problem but usable level)”
Δ: “About half peel”
×: “Peeling at most parts”

Figure 0006182995
Figure 0006182995

表3に示すように、本発明のコート層付き集電体(1)〜(14)は、耐水性に優れることが明らかであった。耐水性は、水蒸気を含むガスが透過する際や、触媒層や導電撥水層形成用の水性ペーストを途工する際に、コート層が崩壊しないために重要である。   As shown in Table 3, it was clear that the current collectors with coat layer (1) to (14) of the present invention were excellent in water resistance. Water resistance is important because the coating layer does not collapse when a gas containing water vapor passes through or when an aqueous paste for forming a catalyst layer or a conductive water repellent layer is prepared.

<空気電池用触媒電極の作製>
[実施例27]
導電性炭素材料としてファーネスブラック(Cabot社製、vulcan xc−72)75部、PTFE粉末25部、N−メチルピロリドン20部を乳鉢で混合し、導電性炭素材料の目付量が2mg/cmとなるように、コート層付き集電体(1)へ熱圧着した後、加熱真空乾燥することにより、コート層付き集電体上に導電性撥水層を形成した。
<Preparation of catalyst electrode for air battery>
[Example 27]
As a conductive carbon material, 75 parts of furnace black (manufactured by Cabot, vulcan xc-72), 25 parts of PTFE powder, and 20 parts of N-methylpyrrolidone are mixed in a mortar, and the basis weight of the conductive carbon material is 2 mg / cm 2 . Thus, after thermocompression bonding to the current collector with a coat layer (1), a conductive water-repellent layer was formed on the current collector with a coat layer by heating and vacuum drying.

続いて、触媒材料として白金触媒担持カーボン4重量部(田中貴金属社製、白金量46%、TEC10E50E)、溶剤としてプロパノール56重量部、およびイオン交換水20重量部をディスパーにて攪拌混合することで触媒ペースト組成物(固形分濃度4重量%)を調製した後、バインダーとして20重量%PTFE分散溶液(PTFE 30−J;三井・デュポンフロロケミカル社製、60%ポリテトラフルオロエチレン水系分散体をイオン交換水にて希釈して使用)20重量部を添加し、ディスパーにて攪拌混合することで空気電池用の触媒インキ組成物(固形分濃度8重量%、触媒インキ組成物100重量%としたときの炭素系触媒材料とバインダーの合計した割合)を作製した。得られた触媒インキ組成物を、上記で作製した導電性撥水層が形成されたコート層付き集電体の導電性撥水層上に、白金触媒担持カーボンの目付け量が0.46mg/cm2になるように塗布し、加熱真空乾燥することにより、空気電池用の触媒電極(1)を作製した。 Subsequently, 4 parts by weight of platinum catalyst-supporting carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., 46% platinum, TEC10E50E) as a catalyst material, 56 parts by weight of propanol as a solvent, and 20 parts by weight of ion-exchanged water are stirred and mixed with a disper. After preparing a catalyst paste composition (solid content concentration 4% by weight), a 20% PTFE dispersion solution (PTFE 30-J; made by Mitsui DuPont Fluoro Chemical Co., Ltd., 60% polytetrafluoroethylene aqueous dispersion was ionized as a binder. 20 parts by weight are added and diluted with a disperser to mix and mix with a catalyst ink composition for an air battery (when the solid content concentration is 8% by weight and the catalyst ink composition is 100% by weight) Of carbon-based catalyst material and binder). The obtained catalyst ink composition has a basis weight of platinum catalyst-supported carbon of 0.46 mg / cm on the conductive water-repellent layer of the current collector with a coat layer on which the conductive water-repellent layer prepared above is formed. The catalyst electrode (1) for an air battery was produced by applying to 2 and heating and vacuum drying.

<空気電池用評価セルの作製>
Li箔上へ、非水系電解液(1M LiPF、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=1/1、体積比)を含ませたセパレータ(多孔質ポリプロピレンフィルム)、固体電解質(オハラ社製、LiCGC Plate 1inch×150μmt)を配置し、アルミラミネートフィルムにて固定した。この際、固体電解質側のアルミラミネートフィルムを16mm角の大きさに切り抜き、固体電解質の露出面を作製し、空気電池用アノード電極を作製した。
空気電池用アノード電極の固体電解質上に、水性電解液として、1MのLiCl水溶液を含浸した不織布を、次いで、触媒電極(1)を配置し、アルミラミネートフィルムにより固定、熱圧着することで、空気電池用評価セルを得た。
<Production of evaluation cell for air battery>
A separator (porous polypropylene film) containing a non-aqueous electrolyte solution (1M LiPF 6 , ethylene carbonate / diethyl carbonate = 1/1, volume ratio) on a Li foil, a solid electrolyte (manufactured by OHARA, LiCGC Plate 1 inch × 150 μmt), and fixed with an aluminum laminate film. At this time, the aluminum laminate film on the solid electrolyte side was cut out to a size of 16 mm square to produce an exposed surface of the solid electrolyte, and an anode electrode for an air battery was produced.
A non-woven fabric impregnated with a 1M LiCl aqueous solution as an aqueous electrolyte on the solid electrolyte of the anode electrode for an air battery, and then the catalyst electrode (1) is placed, fixed with an aluminum laminate film, and thermocompression bonded. A battery evaluation cell was obtained.

[実施例28〜39、比較例9〜12]
コート層付き集電体(2)〜(17)を使用した以外は、実施例27と同様にして空気電池用触媒電極(2)〜(17)、及び空気電池用評価セルを作製した。
[Examples 28 to 39, Comparative Examples 9 to 12]
Except having used the collector (2)-(17) with a coating layer, it carried out similarly to Example 27, and produced the catalyst electrode (2)-(17) for air batteries, and the evaluation cell for air batteries.

(空気電池の特性評価:容量保持率)
得られた空気電池評価セルを用いて、2.0V―4.8Vのカット電圧、0.5mA/cmの電流密度の条件で、3サイクルの慣らし運転を行った。その後、同条件にて、30サイクルの充放電テストを行うことで、容量保持率を求めた。評価結果を表4に示す。
(Characteristic evaluation of air battery: capacity retention)
Using the obtained air battery evaluation cell, a 3-cycle break-in operation was performed under the conditions of a cut voltage of 2.0 V to 4.8 V and a current density of 0.5 mA / cm 2 . Then, the capacity | capacitance retention was calculated | required by performing the charge / discharge test of 30 cycles on the same conditions. The evaluation results are shown in Table 4.

Figure 0006182995
Figure 0006182995

表3に示すように、本発明のコート層付き集電体を用いた触媒電極は、空気電池の充放電における30サイクル後での容量保持率が優れていることが分かった。また、コート層の耐水性や密着性が良好なほど、電池の容量保持率が優れた傾向にあることも分かった。一方、集電体コート用組成物の分散性と、コート層の耐水性や密着性との相関性が見られている。従って、集電体コート用組成物の分散性が良いと集電体コート層の内部構造が密になり、さらに集電体表面を保護することが出来たため、容量保持率の改善に繋がったのではないかと考えている。 As shown in Table 3, it was found that the catalyst electrode using the current collector with a coating layer of the present invention was excellent in capacity retention after 30 cycles in charge and discharge of the air battery. It was also found that the better the water resistance and adhesion of the coat layer, the better the capacity retention of the battery. On the other hand, there is a correlation between the dispersibility of the current collector coating composition and the water resistance and adhesion of the coating layer. Therefore, if the dispersibility of the current collector coating composition is good, the current collector coat layer has a dense internal structure, and the current collector surface can be protected, leading to an improvement in capacity retention. I think that.

<燃料電池用触媒電極の作製> <Fabrication of catalyst electrode for fuel cell>

[実施例40]
実施例27と同様にして、コート層付き集電体(1)へ導電性撥水層を形成した。続いて、触媒材料として白金触媒担持カーボン4重量部(田中貴金属社製、白金量46%、TEC10E50E)、溶剤としてプロパノール56重量部、およびイオン交換水20重量部をディスパーにて攪拌混合することで触媒ペースト組成物(固形分濃度4重量%)を調製した後、プロトン伝導性ポリマーとして20重量%ナフィオン(Nafion)分散溶液(デュポン社製、CStypeDE2020)20重量部を添加し、ディスパーにて攪拌混合することで燃料電池用触媒インキ組成物(固形分濃度8重量%、触媒インキ組成物100重量%としたときの炭素系触媒材料とプロトン伝導性ポリマーの合計した割合)を作製した。得られた燃料電池用触媒インキ組成物を、上記で作製した導電性撥水層が形成されたコート層付き集電体の導電性撥水層上に、白金触媒担持カーボンの目付け量が0.46mg/cm2になるように塗布し、加熱真空乾燥することにより、燃料電池用の触媒電極(18)を作製した。
[Example 40]
In the same manner as in Example 27, a conductive water-repellent layer was formed on the current collector with coat layer (1). Subsequently, 4 parts by weight of platinum catalyst-supporting carbon (manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., 46% platinum, TEC10E50E) as a catalyst material, 56 parts by weight of propanol as a solvent, and 20 parts by weight of ion-exchanged water are stirred and mixed with a disper. After preparing a catalyst paste composition (solid content concentration of 4% by weight), 20 parts by weight of 20% by weight Nafion dispersion (DuPont Ctype DE2020) is added as a proton conductive polymer, and the mixture is stirred and mixed with a disper. Thus, a catalyst ink composition for a fuel cell (a total ratio of the carbon-based catalyst material and the proton conductive polymer when the solid content concentration was 8% by weight and the catalyst ink composition was 100% by weight) was produced. The obtained catalyst ink composition for a fuel cell has a weight per unit area of platinum catalyst-supporting carbon of 0. 0 on the conductive water-repellent layer of the current collector with the coating layer formed with the conductive water-repellent layer prepared above. The catalyst electrode (18) for a fuel cell was produced by applying to 46 mg / cm 2 and drying by heating under vacuum.

触媒電極(18)作製時に使用した燃料電池用触媒インキ組成物を、白金触媒担持カーボンの目付け量が0.46mg/cm2になるようにテフロンフィルム上に塗布し、加熱真空乾燥することにより、燃料電池用アノード触媒シートを作製した。 By applying the catalyst ink composition for a fuel cell used at the time of preparing the catalyst electrode (18) onto a Teflon film so that the weight per unit area of the platinum catalyst-supported carbon is 0.46 mg / cm 2 , and heating and vacuum drying, A fuel cell anode catalyst sheet was prepared.

<燃料電池用評価セルの作製>
燃料電池用の触媒電極(18)と、燃料電池用アノード触媒シートとを、それぞれ固体高分子電解質膜(Nafion NR−212、デュポン社製、膜厚51μm)の両面に密着して、150℃、5MPaの条件で狭持した後、燃料電池用アノード触媒シートのテフロンフィルムを剥離し、その表面に炭素繊維からなるカーボンペーパ基材(TGP−H−090、東レ社製)を密着することで、燃料電池用電極膜接合体を作製した。
得られた燃料電池用電極膜接合体を5cm角の試料とし、その両側からガスケット2枚、次いでグラファイトプレートであるセパレータ2枚ではさみ、更に両側から集電板を2枚装着して燃料電池(単セル)として作製した。
<Production of evaluation cell for fuel cell>
The catalyst electrode (18) for the fuel cell and the anode catalyst sheet for the fuel cell were adhered to both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane (Nafion NR-212, DuPont, film thickness 51 μm), respectively, After nipping under the condition of 5 MPa, the Teflon film of the anode catalyst sheet for fuel cells is peeled off, and a carbon paper substrate made of carbon fiber (TGP-H-090, manufactured by Toray Industries, Inc.) is adhered to the surface. A fuel cell electrode membrane assembly was prepared.
The obtained fuel cell electrode membrane assembly was used as a sample of 5 cm square, sandwiched between two gaskets from both sides and then two separators, which were graphite plates, and two current collector plates were attached from both sides. Single cell).

[実施例41〜52、比較例13〜16]
コート層付き集電体(2)〜(17)を使用した以外は、実施例40と同様にして燃料電池用触媒電極(18)〜(34)、及び燃料電池(単セル)を作製した。
[Examples 41 to 52, Comparative Examples 13 to 16]
Fuel cell catalyst electrodes (18) to (34) and a fuel cell (single cell) were produced in the same manner as in Example 40 except that the collectors with coat layer (2) to (17) were used.

(燃料電池(単セル)の特性評価:電圧維持率)
得られた燃料電池用評価セルを用いて、セル温度を80℃とし、カソード側(触媒電極側)から温度60℃、相対湿度42%で加湿した空気を流量160mL/minで供給し、アノード側から温度77℃、相対湿度88%で加湿した水素ガスを流量110mL/min供給し、電流密度500mA/cmで3時間保持した後の電圧を初期電圧とした。また、同条件で24時間保持後の電圧を記録し、電圧維持率を算出した。評価結果を表5に示す。
(Fuel cell (single cell) characteristics evaluation: voltage maintenance rate)
Using the obtained evaluation cell for a fuel cell, the cell temperature was set to 80 ° C., and air humidified at a temperature of 60 ° C. and a relative humidity of 42% was supplied from the cathode side (catalyst electrode side) at a flow rate of 160 mL / min. Then, a hydrogen gas humidified at a temperature of 77 ° C. and a relative humidity of 88% was supplied at a flow rate of 110 mL / min, and the voltage after maintaining at a current density of 500 mA / cm 2 for 3 hours was defined as the initial voltage. Moreover, the voltage after 24 hours holding | maintenance was recorded on the same conditions, and the voltage maintenance factor was computed. The evaluation results are shown in Table 5.

Figure 0006182995
Figure 0006182995

表5に示すように、本発明のコート層付き集電体を用いた触媒電極は、燃料電池の発電特性における電圧維持率が優れていることが分かった。また、コート層の耐水性や密着性が良好なほど、電池の電圧維持率が優れた傾向にあることも分かった。一方、表2に記した、集電体コート用組成物の分散性と、コート層の耐水性や密着性との相関性が見られており、燃料電池においても集電体コート用組成物の分散性が良いと集電体コート層の内部構造が密になり、さらに集電体表面を保護することが出来たため、電圧維持率の改善に繋がったのではないかと考えている。 As shown in Table 5, it was found that the catalyst electrode using the current collector with a coat layer of the present invention has an excellent voltage maintenance ratio in the power generation characteristics of the fuel cell. It was also found that the better the water resistance and adhesion of the coat layer, the better the voltage retention rate of the battery. On the other hand, there is a correlation between the dispersibility of the current collector coating composition shown in Table 2 and the water resistance and adhesion of the coat layer. If the dispersibility is good, the internal structure of the current collector coating layer becomes dense, and the current collector surface can be protected, which may lead to an improvement in the voltage maintenance ratio.

以上より、水性樹脂型分散剤を使用することで、炭素材料の分散性が高い集電体コート用組成物、耐水性及び密着性に優れるコート層付き集電体、耐久性に優れる触媒電極が作製可能となり、容量保持率の高い空気電池、および電圧維持率の高い燃料電池を作製することが出来たと考えられる。   As described above, by using an aqueous resin type dispersant, a composition for a current collector coat having a high dispersibility of the carbon material, a current collector with a coat layer having excellent water resistance and adhesion, and a catalyst electrode having excellent durability can be obtained. It is possible to produce an air battery having a high capacity retention rate and a fuel cell having a high voltage maintenance ratio.

Claims (6)

炭素材料(A)と、下記単量体を共重合してなる水性樹脂型分散剤(B)と、水性液状媒体(C)とを含有する、触媒電極用の集電体コート用組成物。
芳香環及び脂肪族骨格の少なくとも一方を有するエチレン性不飽和単量体(b1):10〜90重量%
酸性官能基を有するエチレン性不飽和単量体(b2):10〜90重量%
前記(b1)〜(b2)以外のその他の単量体(b3):0〜80重量%
(但し、前記(b1)〜(b3)の合計を100重量%とする)
A current collector coating composition for a catalyst electrode, comprising a carbon material (A), an aqueous resin type dispersant (B) obtained by copolymerizing the following monomers, and an aqueous liquid medium (C).
Ethylenically unsaturated monomer (b1) having at least one of aromatic ring and aliphatic skeleton: 10 to 90% by weight
Ethylenically unsaturated monomer having acidic functional group (b2): 10 to 90% by weight
Other monomers (b3) other than (b1) to (b2): 0 to 80% by weight
(However, the sum of (b1) to (b3) is 100% by weight)
水性樹脂型分散剤(B)の酸性官能基の少なくとも一部が塩基性化合物で中和されている、請求項1記載の集電体コート用組成物。   The composition for collector coating according to claim 1, wherein at least a part of the acidic functional group of the aqueous resin dispersant (B) is neutralized with a basic compound. その他の単量体(b3)が、アミノ基を有するエチレン性不飽和単量体を含む請求項1または2記載の集電体コート用組成物。   The collector coating composition according to claim 1 or 2, wherein the other monomer (b3) comprises an ethylenically unsaturated monomer having an amino group. ガス透過性を有する集電体と、請求項1〜3記載の集電体コート用組成物から形成された集電体コート層を具備する、触媒電極用のコート層付き集電体。 A current collector with a coat layer for a catalyst electrode, comprising a current collector having gas permeability and a current collector coat layer formed from the current collector coat composition according to claim 1. 請求項4に記載のコート層付き集電体と、触媒層とを具備する、触媒電極。 A catalyst electrode comprising the current collector with a coat layer according to claim 4 and a catalyst layer. 請求項5記載の触媒電極を使用した、燃料電池または空気電池。
A fuel cell or an air cell using the catalyst electrode according to claim 5.
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