KR100489215B1 - Method for preparing electrocatalyst for fuel cell and electrocatalyst for fuel cell - Google Patents

Method for preparing electrocatalyst for fuel cell and electrocatalyst for fuel cell Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 촉매의 제조방법 및 연료전지용 촉매에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 나노 틀에 촉매용 금속을 담지하여 연료전지용 촉매를 제조하는 것이다. 본 발명의 제조방법은 촉매용 금속이 나노 입자 크기로 규칙적이고 다분산되어, 고가인 촉매용 금속의 사용량을 줄일 수 있으므로, 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 촉매는 종래의 연료전지용 촉매보다 산화-환원 활성 전류밀도가 월등히 높은 전기화학적인 특성으로 인하여 이를 구비한 연료전지의 효율 및 성능을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a method for producing a catalyst for a fuel cell and a catalyst for a fuel cell, and more particularly, to manufacture a catalyst for a fuel cell by supporting a catalyst metal on a nano-frame. In the production method of the present invention, since the catalyst metal is regularly and polydispersed in the size of nanoparticles, it is possible to reduce the amount of expensive catalyst metal used, thereby improving the price competitiveness. In addition, the catalyst of the present invention can improve the efficiency and performance of a fuel cell having the same due to the electrochemical characteristics of the oxidation-reduction active current density is significantly higher than the conventional catalyst for fuel cells.

Description

연료전지용 촉매의 제조방법 및 연료전지용 촉매{METHOD FOR PREPARING ELECTROCATALYST FOR FUEL CELL AND ELECTROCATALYST FOR FUEL CELL}METHODS FOR PREPARING ELECTROCATALYST FOR FUEL CELL AND ELECTROCATALYST FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 촉매의 제조방법 및 연료전지용 촉매에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 나노 틀에 촉매용 금속을 담지하는 연료전지용 촉매의 제조방법 및 연료전지용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a catalyst for a fuel cell and a catalyst for a fuel cell, and more particularly, to a method for producing a catalyst for a fuel cell and a fuel cell catalyst supporting a catalyst metal on a nano-frame.

연료전지(Fuel cell)란 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 전지를 말하며, 산화환원을 이용한 점은 보통의 화학전지와 같지만 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거된다. A fuel cell is a battery that converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. The point of using redox is the same as that of a normal chemical cell, but it is a cell reaction in a closed system. Unlike chemical cells, the reactant is continuously supplied from the outside, and the reaction product is continuously removed out of the system.

연료전지는 수소 이외에 메탄 또는 천연가스 등의 화석원료를 이용하는 기체연료와 메탄올 또는 히드라진 등을 이용하는 액체연료로 구분된다. 또한 전해질의 종류에 따라서는 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형 및 고체고분자 전해질형 등으로 분류되고 있다.Fuel cells are classified into gas fuel using fossil raw materials such as methane or natural gas in addition to hydrogen and liquid fuel using methanol or hydrazine. In addition, depending on the type of electrolyte, it is classified into alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type and solid polymer electrolyte type.

이 중에서, 작동온도가 300℃ 이하인 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형이라고 한다. 또 발전효율에 따라, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 용융탄산염 연료전지를 제 2 세대, 보다 높은 온도로 발전을 하는 고체고분자 전해질 연료전지를 제 3 세대 연료전지라 한다. Among them, those having an operating temperature of 300 deg. In addition, according to power generation efficiency, a molten carbonate fuel cell that does not use a noble metal catalyst is referred to as a second generation fuel cell.

최근, 가장 실용화에 접근한 것으로는 제 1 세대 연료전지이며, 미국 UT사(社)를 중심으로 일반 민수용(民需用)으로 개발된 인산전해질(燐酸電解質) 연료전지가 그 좋은 예이다. 이것은 화석연료를 개질(改質)한 수소를 주성분으로 하는 수소 가스와 공기 속의 산소를 이용한 수소-공기 연료전지이다. 1988년 한국에서는 동력자원연구소와 한국전력(주) 기술연구소에서 메탄올을 주원료로 하여 열과 전기를 동시에 얻는 5 kW급의 연료전지를 개발하였다. 이외에도 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Feul Cell, DMFC)의 전극 제조방법이 이미 공지되어 있다[대한민국특허 제 10-1999-0025037호].In recent years, the most practical approach is the first generation fuel cell, and a phosphate electrolyte fuel cell developed for general civilian use, especially in the US UT, is a good example. This is a hydrogen-air fuel cell using hydrogen gas mainly containing hydrogen reformed fossil fuel and oxygen in the air. In 1988, the Korea Institute of Energy and Resources developed a 5 kW class fuel cell that obtains heat and electricity simultaneously with methanol as its main raw material. In addition, a method of manufacturing an electrode of a direct methanol fuel cell (DMFC) is already known (Korean Patent No. 10-1999-0025037).

상기 연료전지는 탄화수소 또는 수소가 물과 반응하여 이산화탄소가 산화극에서 배출되고, 환원극에서는 공기중의 산소가 전해질을 통해 전달된 H+과 반응하여 물이 배출되는 친환경적인 반응기구이다.The fuel cell is an environmentally friendly reactor in which hydrocarbons or hydrogen react with water to discharge carbon dioxide from the anode, and in the reduction electrode, oxygen in the air reacts with H + delivered through the electrolyte to discharge water.

따라서, 연료전지를 자동차에 이용할 경우, 공해 문제가 해결될 수 있고, 이외에도 연료전지는 지금까지의 어떠한 에너지 변환 기구보다도 효율이 뛰어나기 때문에 에너지 고갈에 대비한 대체에너지 측면에서도 매우 중요하다.Therefore, when the fuel cell is used in automobiles, the pollution problem can be solved, and in addition, since the fuel cell is more efficient than any energy conversion mechanism so far, it is very important in terms of alternative energy for energy depletion.

또한 연료전지는 충전의 불편함이 없이 연료가 공급되는 이상 5 만 시간 이상 사용 가능한 에너지 전환 시스템으로서, 휴대용 전자기기에 이용되는 경우에는 배터리의 교체 또는 충전없이 편리하게 지속적으로 사용할 수 있으므로 상업화시, 이차전지 시장의 30% 정도를 차지할 것으로 전망하고 있다. In addition, the fuel cell is an energy conversion system that can be used for more than 50,000 hours when fuel is supplied without the inconvenience of charging. When using a portable electronic device, the fuel cell can be continuously used conveniently without replacing or recharging the battery. It is expected to account for about 30% of the rechargeable battery market.

그러나 이러한 장점에도 불구하고, 전극의 주재료인 촉매를 제조하기 위해서는 주로 백금 및 루테늄과 같은 귀금속을 사용하고, 또한 상온에 가까운 낮은 온도에서 작동하는 저온형 연료전지의 경우에는 귀금속 촉매가 과량으로 사용되어야 하는 기술적인 한계 때문에 상업화가 이루어지지 못하고 있다. In spite of these advantages, however, precious metal catalysts such as platinum and ruthenium are mainly used to produce the catalyst, which is the main material of the electrode, and in the case of low-temperature fuel cells operating at low temperatures near room temperature, an excessive amount of precious metal catalyst has to be used. Due to technical limitations, commercialization is not achieved.

특히, 산화 환원극의 촉매는 매우 고운 금속 분말 또는 전도성 카본에 귀금속이 담지된 형태로 이용되고, 이를 카본 종이나 전해질 막에 얇게 코팅하기 위해서는 테프론이나 나피온과 같은 바인더와 섞어서 전극을 제조하게 된다. 이때 사용되는 바인더는 촉매 분말을 고정하거나 H+ 등을 전달하는 긍정적인 역할을 하기도 하지만 다공성 촉매의 미세 기공을 막아 귀금속의 이용율이 급격히 감소하는 부정적 역할도 하게된다.In particular, the catalyst of the redox electrode is used in the form of very fine metal powder or conductive carbon supported on the conductive carbon, and in order to thinly coat the carbon paper or the electrolyte membrane, it is mixed with a binder such as Teflon or Nafion to prepare the electrode. . In this case, the binder used may play a positive role in fixing the catalyst powder or delivering H + , but may also play a negative role in blocking the fine pores of the porous catalyst and thus rapidly decreasing the utilization of precious metals.

연료전지가 기존 전지를 대체하려면 현재의 제품보다 가격과 성능이 더 우수해야 할 뿐 아니라 개발되고 있는 리튬금속전지와 같은 새로운 제품에 대한 경쟁력이 있어야 한다. In order to replace existing cells, fuel cells must not only have better price and performance than current products, but also be competitive with new products such as lithium metal batteries being developed.

연료전지의 성능을 향상시키기 위하여, 여러 조성의 연료전지용 촉매가 공지되었으며, 연료전지 촉매의 여러 금속 조성비를 조절함으로써, 연료전지의 성능을 향상시키려는 연구가 진행되어 왔다[미국특허 6,284,402호].In order to improve the performance of a fuel cell, fuel cell catalysts of various compositions have been known, and researches to improve the performance of fuel cells by adjusting various metal composition ratios of fuel cell catalysts have been conducted (US Pat. No. 6,284,402).

이러한 노력의 일환으로, 본 발명자들은 나노 틀에 촉매용 금속을 담지하여 연료전지용 촉매를 제조함으로써, 연료전지 촉매의 형상을 조절하여 백금 또는 루테늄의 사용량을 줄일 수 있는 동시에 성능을 향상시킬 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.As part of this effort, the present inventors can manufacture a fuel cell catalyst by carrying a catalyst metal on a nano-frame, thereby adjusting the shape of the fuel cell catalyst to reduce the amount of platinum or ruthenium and to improve performance. By confirming, the present invention was completed.

본 발명의 목적은 연료전지용 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a catalyst for a fuel cell.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 제조방법에 따른 연료전지용 촉매를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a catalyst for a fuel cell according to the production method of the present invention.

본 발명은 연료전지용 촉매의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a catalyst for a fuel cell.

본 발명의 제조방법은 나노 틀에 촉매용 금속을 담지하여 연료전지용 촉매를 제조하는 것이다.The production method of the present invention is to prepare a catalyst for a fuel cell by supporting a catalyst metal on a nano-frame.

보다 구체적으로, 1) 규소 산화물 형태의 나노 틀에 촉매용 금속을 담지시키는 단계 및 2) 상기 나노 틀을 제거하는 단계로 구성된다.종래 연료전지용 촉매가 카본에 촉매용 금속을 담지하는 2 단계의 제조 공정을 거쳐 얻어지는 것과는 달리, 본 발명은 나노 틀에 촉매용 금속을 담지하여, 1 단계의 공정으로 이루어짐으로써, 보다 경제적이며, 종래의 불균일계 촉매를 사용한 공정이면 별도의 장치 변경없이 적용할 수 있다. 상기 촉매용 금속을 담지시키는 단계는 상기 규소 산화물 형태의 나노 틀에 상기 촉매용 금속의 전구체를 함침시키는 단계 및 상기 촉매용 금속의 전구체를 환원시키는 단계로 구성될 수 있다.상기 촉매용 금속의 전구체를 환원시키는 단계는 수소분위기 하에서 환원을 수행할 수 있다.More specifically, the method comprises the steps of: 1) supporting the catalyst metal on the nano mold in the form of silicon oxide; and 2) removing the nano mold. Unlike the process obtained by the manufacturing process, the present invention is carried out in one step process by supporting the metal for the catalyst on the nano-frame, it is more economical, if the process using a conventional heterogeneous catalyst, it can be applied without any additional device change have. The supporting of the catalyst metal may include impregnating the precursor of the catalyst metal in the nano mold in the form of silicon oxide and reducing the precursor of the catalyst metal. Reducing the step may be carried out under a hydrogen atmosphere.

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본 발명의 나노 틀은 규소 산화물의 형태를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 실리카, 알루미나 단독 또는 이들의 혼합물 형태인 실리카/알루미나를 사용할 수 있다.The nano-frame of the present invention may use the form of silicon oxide, preferably silica / alumina in the form of silica, alumina alone or a mixture thereof.

촉매용 금속으로는 백금, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 몰리브덴, 텅스텐, 금, 철 및 셀레늄으로 구성된 군에서 선택된 것을 사용한다. 바람직하게는 백금, 루테늄, 또는 이들의 혼합 형태인 백금-루테늄(Pt-Ru)을 사용한다.As the catalyst metal, one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, iridium, osmium, rhodium, molybdenum, tungsten, gold, iron and selenium is used. Preferably platinum, ruthenium, or a mixture of platinum-ruthenium (Pt-Ru) is used.

이때, 백금 및 루테늄의 전구체로는 (NH3)4Pt(NO3)2 및 (NH3)6RuCl3를 각각 사용할 수 있으며, 나노 틀 1 g에 무게비 10∼70%의 백금 또는 백금-루테늄(Pt-Ru)을 함침시키는 것이다.In this case, as precursors of platinum and ruthenium, (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 and (NH 3 ) 6 RuCl 3 may be used, respectively, and a weight ratio of 10 to 70% of platinum or platinum-ruthenium in 1 g of the nano-frame. Impregnating (Pt-Ru).

또한, 본 발명은 규소 산화물 형태의 나노 틀에 촉매용 금속을 담지하여 제조되는 연료전지용 촉매를 제공한다.The present invention also provides a catalyst for a fuel cell prepared by supporting a catalyst metal on a nano mold in the form of a silicon oxide.

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이때, 본 발명의 연료전지용 촉매는 금속 분말 형태로 얻어진다.At this time, the catalyst for a fuel cell of the present invention is obtained in the form of a metal powder.

상기 금속 분말 형태는 나노 입자 크기로 2 차원 또는 3 차원 구조로 규칙적으로 배열되어 있다.The metal powder forms are regularly arranged in a two-dimensional or three-dimensional structure in nanoparticle size.

도 1은 나노 틀에 촉매용 금속을 담지한 경우 얻어진 금속 분말의 표면 사진으로서, 금속 전구체인 Pt-Ru 금속 분말이 나노 선으로 연결되어 3 차원 구조로 관찰된다. FIG. 1 is a surface photograph of a metal powder obtained when a catalyst metal is supported on a nanoframe, and a metal precursor, Pt-Ru metal powder, is connected by nanowires and observed in a three-dimensional structure.

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그러므로 본 발명은 나노 틀을 이용하여 제조된 금속 분말은 종래 사용되는 제조방법보다 간단하게 제조되어 경제적인 장점을 제공할 뿐만 아니라 금속이 나노 입자 크기로 규칙적이고 다분산되어 있으므로 백금 또는 루테늄과 같은 귀금속의 사용을 줄일 수 있어, 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다. Therefore, in the present invention, the metal powder prepared using the nano-frame is not only simpler than the conventional manufacturing method, but also provides economic advantages, and precious metals such as platinum or ruthenium because the metal is regularly and polydisperse in nanoparticle size. It can reduce the use of, can improve the price competitiveness.

도 2는 본 발명에서 제조된 촉매를 산화극 및 환원극으로 구비한 연료전지의 전극-전해질 접합체에 대한 전류-전압을 측정한 결과로서, 종래에 사용되는 촉매보다 전류밀도가 높은 것을 확인할 수 있다. 2 is a result of measuring the current-voltage of an electrode-electrolyte assembly of a fuel cell having an anode and a cathode prepared with the catalyst prepared in the present invention, and it can be confirmed that the current density is higher than that of the catalyst used in the prior art. .

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더 나아가, 본 발명은 나노 틀을 이용하여 제조된 금속 분말 형태의 연료전지용 촉매를 카본 종이에 코팅하고, 전해질과 접착하여 연료전지의 전극-전해질 집합체로 사용함으로써, 종래보다 훨씬 향상된 효율 및 성능과 경제적인 잇점을 나타내는 연료전지를 제조할 수 있다.Furthermore, the present invention is a metal powder-type fuel cell catalyst prepared by using a nano-frame coated on carbon paper, and adhered with an electrolyte to be used as an electrode-electrolyte assembly of the fuel cell, thereby improving the efficiency and performance than the conventional It is possible to manufacture fuel cells that exhibit economic advantages.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 당해 분야의 전문가라면, 본 발명 범위 및 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 명세서를 참고하여 변형시키거나 개선시킬 수 있다.This embodiment is intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples. Those skilled in the art can make modifications or improvements with reference to the present specification without departing from the scope and object of the present invention.

<제조예 1> 나노 틀의 합성Preparation Example 1 Synthesis of Nano Framework

미리 가열하여 준비한 1 M 수산화나트륨 77.5 g과 Ludox HS 40 22.5 g을 80℃에서 교반 및 혼합하여 실리카 원으로 사용하였다. 상기 제조된 실리카 원, 옥타데실트리메틸 암모늄 클로라이드(octadecytrimethyl ammonium chloride) 및 트리톤 (Triton X-100)을 잘 혼합하여 젤 혼합물을 만들고 100℃ 오븐에서 60 시간 동안 반응시켰다. 지금까지의 결과물에 아세트산을 소량 첨가한 후 100℃ 오븐에서 40 시간동안 더 반응을 시켜 나노 틀(MCM-48)을 얻었다. 77.5 g of 1 M sodium hydroxide prepared in advance and 22.5 g of Ludox HS 40 were stirred and mixed at 80 ° C. to be used as a silica source. The prepared silica source, octadecytrimethyl ammonium chloride, and Triton (Triton X-100) were mixed well to make a gel mixture and reacted in an oven at 100 ° C. for 60 hours. After adding a small amount of acetic acid to the result so far, the reaction was further carried out for 40 hours in an oven at 100 ℃ to obtain a nano mold (MCM-48).

플로닉(Pluronic) P123 및 테트라에틸오서실레이트(tetraethylorthosilicate)를 1.6 M 염산 수용액에 용해시켜 나노 틀을 제조하였다. 상기 반응물을 상온에서 20 시간 동안 반응시키고, 100℃ 오븐에서 24 시간 추가 반응시켜 여과한 후, 건조하여 사용하였다. 이때 사용한 반응물은 플로닉(Pluronic) P123:테트라에틸오서실레이트(tetraethylorthosilicate):HCl:water= 1:60:350:11400의 몰비율로 구성되었다.Pluronic P123 and tetraethylorthosilicate were dissolved in 1.6 M aqueous hydrochloric acid to prepare nano templates. The reaction was allowed to react for 20 hours at room temperature, further reacted for 24 hours in an oven at 100 ° C., filtered, and dried. The reaction product used was composed of a molar ratio of Pluronic P123: tetraethylorthosilicate: HCl: water = 1: 60: 350: 11400.

<실시예 1> 나노 틀을 이용한 Pt-Ru 금속 분말의 제조Example 1 Preparation of Pt-Ru Metal Powder Using Nano Framework

상기 제조예 1에서 제조된 나노 틀을 300 ℃에서 소성시킨 후, 나노 틀 1 g에 무게 비 67%의 Pt(75)Ru(25)가(원자비) 함침되도록 증발건조기를 이용해 제조하였다. 이때, Pt 및 Ru의 전구체로는 (NH3)4Pt(NO3)2와 (NH 3)6RuCl3를 사용하였다. 함침 후, 300 ℃의 수소분위기 하에서 환원시키고, 희석된 불산 수용액을 이용하여 나노 틀을 녹이고, 이를 제거한 후 세척함으로써, Pt-Ru 금속 분말을 제조하였다.After firing the nano mold prepared in Preparation Example 1 at 300 ℃, it was prepared by using an evaporator to impregnate 1 g of nano mold Pt (75) Ru (25) (atomic ratio) by weight ratio of 67%. In this case, as precursors of Pt and Ru, (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 and (NH 3 ) 6 RuCl 3 were used. After impregnation, Pt-Ru metal powder was prepared by reducing under a hydrogen atmosphere of 300 ° C., dissolving the nano mold using a dilute hydrofluoric acid solution, removing it, and then washing the nano mold.

<실시예 2> 나노 틀을 이용한 백금(Pt) 금속 분말의 제조Example 2 Preparation of Platinum (Pt) Metal Powder Using Nano Framework

상기 제조예 1에서 제조된 나노 틀을 300 ℃에서 소성시킨 후, 나노 틀 1 g에 무게비로 67%의 Pt가 함침되도록 증발건조기를 이용해 제조하였다. 이때, Pt의 전구체로서, (NH3)4Pt(NO3)2을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여, Pt 금속 분말을 제조하였다.After firing the nano mold prepared in Preparation Example 1 at 300 ℃, it was prepared by using an evaporator to impregnate 1% of the nano mold Pt by weight ratio of 67%. In this case, Pt metal powder was prepared in the same manner as in Example 1 except that (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 was used as the precursor of Pt.

상기 실시예에서 나노 틀을 이용하여 제조된 금속 분말에 대한 구조 분석 및 연로전지용 촉매로서의 성능을 하기와 같이 실험하였다.In the above embodiment, the structural analysis of the metal powder prepared using the nano-frame and the performance as a catalyst for a fuel cell were tested as follows.

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<실험예 1> 나노 구조 분석 실험Experimental Example 1 Nanostructure Analysis Experiment

상기 실시예에서 제조된 연료전지용 촉매의 구조를 분석하기 위하여, TEM을 이용하여 실시하였다. In order to analyze the structure of the catalyst for a fuel cell prepared in the above embodiment, it was carried out using a TEM.

도 1는 실시예 1에서 나노 틀을 이용하여 제조된 Pt-Ru 금속 분말을 관찰한 결과로서, Pt-Ru 금속 분말은 나노 선이 연결된 3 차원 구조로 관찰되었다.그러므로, 본 발명에서 제조된 금속 분말을 연료전지용 촉매로 사용할 경우, 종래 사용된 촉매와 같은 수준의 표면적을 가지면서도 규칙적인 2 차원 또는 3 차원구조로 연결된 촉매를 사용함으로써, 연료전지 제작 시, 바인더의 양을 줄임과 동시에 바인더가 미세 기공 구조를 막지 않아 사용된 귀금속이 보다 많이 모두 반응에 참여할 수 있다. 따라서, 백금 또는 루테늄 등의 귀금속의 사용량을 줄일 수 있다. 1 is a result of observing the Pt-Ru metal powder prepared by using a nano-frame in Example 1, the Pt-Ru metal powder was observed in a three-dimensional structure connected nanowires. Therefore, the metal produced in the present invention When the powder is used as a catalyst for a fuel cell, by using a catalyst having a surface area similar to that of a conventionally used catalyst and connected in a regular two-dimensional or three-dimensional structure, the amount of binder and the amount of binder in the production of a fuel cell can be reduced. Do not block the micro-pore structure so that more precious metals used can all participate in the reaction. Therefore, the amount of precious metals such as platinum or ruthenium can be reduced.

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<실험예 2> 연료전지용 촉매를 이용한 전극-전해질 접합체의 전류-전압 성능 비교Experimental Example 2 Current-Voltage Performance Comparison of Electrode-electrolyte Conjugates Using Fuel Cell Catalysts

실시예 2에서 제조된 Pt-Ru 금속 분말을 산화극으로, Pt 금속 분말을 환원극으로 사용하여, 직접 메탄올 연료전지를 제작하고 그 성능을 측정하였다. Using a Pt-Ru metal powder prepared in Example 2 as an anode and a Pt metal powder as a reducing electrode, a methanol fuel cell was fabricated directly and its performance was measured.

산화극의 제조를 위해서, 2 M 메탄올을 주입하였고, 나피온 15%를 첨가하였으며, 환원극의 제조를 위해서, 산소 500 ml/min를 주입하였고, 나피온 7%를 첨가하였다. 어셈블리 제조는 나피온 전해질막을 사이에 두고 두 산화극 및 환원극을 120℃에서 2 분간 열압착하였다. 각각 얻어진 어셈블리의 전압-전류를 측정하였다. 이때, 산화극의 조건은 Pt-Ru 금속 분말 5 ㎎/sq.㎝, 2 M 메탄올 2 ㎖/min 및 O psig이며, 환원극의 조건은 Pt 금속 분말 5 ㎎/sq.㎝, 산소 500 ㎖/min 및 O psig이고, 사용 전해질은 나피온 117(Nafion 117)이었다. 운전온도는 40℃ 및 80℃에서 각각 실시하였다, For the preparation of the anode, 2 M methanol was injected, Nafion 15% was added, for the production of the cathode, 500 ml / min of oxygen was added, and Nafion 7% was added. In the assembly preparation, two anodes and a cathode were thermally compressed at 120 ° C. for 2 minutes with a Nafion electrolyte membrane interposed therebetween. The voltage-current of each obtained assembly was measured. At this time, the anode conditions were Pt-Ru metal powder 5 mg / sq.cm, 2 M methanol 2 ml / min and O psig, and the reducing electrode conditions were Pt metal powder 5 mg / sq.cm and oxygen 500 ml /. min and O psig, and the electrolyte used was Nafion 117. Operation temperature was carried out at 40 ℃ and 80 ℃, respectively,

또한, 종래의 연료전지 제작에 사용하는 상업용 Pt-Ru 및 Pt 금속분말을 산화극 및 환원극으로 이용하여 동일한 방법으로 어셈블리를 제작하여 성능을 측정하였다. 상기 결과를 도 2에 나타내었으며, 도면 중 (가)는 본 발명의 실시예에서 제조된 촉매로 사용한 것이고, (나)는 종래의 촉매를 사용한 것이다.In addition, by using the commercial Pt-Ru and Pt metal powder used in the conventional fuel cell production as the anode and the cathode, the assembly was manufactured in the same manner to measure the performance. The results are shown in FIG. 2 , wherein (a) is used as the catalyst prepared in Examples of the present invention, and (b) is a conventional catalyst.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 제조된 촉매를 산화극 및 환원극으로 구비한 연료전지의 전극-전해질 접합체에 대한 전류-전압을 측정한 결과, 종래에 사용되는 촉매보다 40℃ 및 80℃의 각각의 온도 조건에서 전류밀도가 높은 것을 확인하였다. 이러한 결과는 본 발명에 의한 3 차원 구조의 나노 금속 촉매가 보다 높은 활성을 보였으며, 본 발명의 나노 크기의 금속 촉매는 자체 활성도 우수하지만 얇은 전극-전해질 접합 구조에서 전자/수소 또는 양이온/산소 종 등의 물질 전달이 원활히 진행시킴으로써, 촉매 자체의 활성뿐만 아니라 전극 구조의 활성도 증가시킬 수 있다.As shown in FIG. 2 , as a result of measuring the current-voltage of the electrode-electrolyte assembly of the fuel cell having the catalyst prepared in the embodiment of the present invention as an anode and a cathode, the temperature was 40 ° C. over that of a conventional catalyst. And it was confirmed that the current density is high under each temperature condition of 80 degreeC. These results showed that the three-dimensional nano metal catalyst of the present invention showed higher activity, and the nano-sized metal catalyst of the present invention exhibited excellent self-activity but electron / hydrogen or cation / oxygen species in a thin electrode-electrolyte junction structure. By smoothly carrying out mass transfer, the activity of the electrode structure as well as the activity of the catalyst itself can be increased.

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이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 나노 틀을 이용하여 제조된 금속 분말 형태의 연료전지용 촉매는 금속이 나노 입자 크기로 규칙적이고 다분산되어 있고, 종래 사용된 촉매와 같은 수준의 표면적을 가지면서도 규칙적인 2 차원 또는 3 차원구조로 연결된 촉매를 사용함으로써, 바인더의 양을 줄임과 동시에 바인더가 미세 기공 구조를 막지 않아 사용된 귀금속이 보다 많이 모두 반응에 참여하여 촉매로 사용되는 귀금속의 사용량을 줄일 수 있다. 동시에, 본 발명의 연료전지용 촉매를 구비한 연료전지의 효율 및 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. As described above, the catalyst for the fuel cell in the form of metal powder prepared using the nano-frame of the present invention has a regular and polydisperse metal in the nanoparticle size, and has the same surface area as the conventional catalyst, By using a catalyst connected in two or three dimensional structures, the amount of the noble metal used as a catalyst can be reduced by reducing the amount of binder and at the same time the binder does not block the micropore structure, so that all of the used noble metals participate in the reaction. have. At the same time, the efficiency and performance of the fuel cell including the catalyst for fuel cell of the present invention can be further improved.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 Pt-Ru 금속 분말의 구조분석 결과이고, 1 is a structural analysis result of the Pt-Ru metal powder prepared in Example 1 of the present invention,

도 2는 본 발명에서 제조된 촉매 및 종래 상용 촉매에 대한 전극-전해질 접합체의 전류-전압 성능을 비교한 것이다. Figure 2 compares the current-voltage performance of the electrode-electrolyte conjugates for the catalysts prepared in the present invention and conventional commercial catalysts.

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(가) 본 발명의 실시예 1에서 제조된 Pt-Ru을 산화극, 실시예 2에서 제조된 Pt 금속을 환원극으로 구비한 전극-전해질 접합체이고, (A) An electrode-electrolyte assembly comprising Pt-Ru prepared in Example 1 of the present invention as an anode and Pt metal prepared in Example 2 as a reducing electrode,

(나) 종래 상용 촉매로 구비한 전극-전해질 접합체이다.(B) It is an electrode-electrolyte assembly provided with the conventional commercial catalyst.

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Claims (13)

연료전지용 촉매의 제조방법에 있어서, 규소 산화물 형태의 나노 틀에 촉매용 금속을 담지시키는 단계 및 상기 나노 틀을 제거하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매의 제조방법.A method of manufacturing a catalyst for a fuel cell, the method comprising the steps of supporting the catalyst metal on the nano-form in the form of silicon oxide and removing the nano-frame. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매용 금속을 담지시키는 단계는 상기 규소 산화물 형태의 나노 틀에 상기 촉매용 금속의 전구체를 함침시키는 단계 및 상기 촉매용 금속의 전구체를 환원시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the supporting of the catalyst metal comprises impregnating a precursor of the catalyst metal in the nano-frame in the form of silicon oxide and reducing the precursor of the catalyst metal. Manufacturing method. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 틀이 실리카, 알루미나 단독 또는 이들의 혼합물 형태인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the nano mold is in the form of silica, alumina alone or a mixture thereof. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매용 금속이 백금, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 몰리브덴, 텅스텐, 금, 철 및 셀레늄으로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the catalyst metal is selected from the group consisting of platinum, ruthenium, iridium, osmium, rhodium, molybdenum, tungsten, gold, iron and selenium. 제 4 항에 있어서, 상기 촉매용 금속이 백금, 루테늄, 또는 이들의 혼합 형태인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 4, wherein the catalyst metal is platinum, ruthenium, or a mixture thereof. 규소 산화물 형태의 나노 틀에 촉매용 금속을 담지하고, 상기 나노 틀을 제거하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매.A catalyst for a fuel cell, which is obtained by supporting a catalyst metal on a nano mold in a silicon oxide form and removing the nano mold. 제 6 항에 있어서, 상기 연료전지용 촉매가 금속 분말 형태인 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매. The fuel cell catalyst of claim 6, wherein the fuel cell catalyst is in the form of a metal powder. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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