KR100551034B1 - Catalist for fuel cell, preparation method thereof, and fuel cell system comprising the same - Google Patents
Catalist for fuel cell, preparation method thereof, and fuel cell system comprising the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR100551034B1 KR100551034B1 KR1020040028908A KR20040028908A KR100551034B1 KR 100551034 B1 KR100551034 B1 KR 100551034B1 KR 1020040028908 A KR1020040028908 A KR 1020040028908A KR 20040028908 A KR20040028908 A KR 20040028908A KR 100551034 B1 KR100551034 B1 KR 100551034B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- platinum
- fuel cell
- containing material
- catalyst
- chromium
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
- H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
본 발명은 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 백금(Pt)의 산소 환원 전위(oxide reduction potential:ORP)가 450 mV 이상인 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a fuel cell system including the same. More specifically, a catalyst for a fuel cell having an oxide reduction potential (ORP) of platinum (Pt) of 450 mV or more, and a production thereof It relates to a method and a fuel cell system comprising the same.
본 발명의 연료전지용 촉매는 제조 비용이 적게 들면서도, 백금의 산소 환원 속도가 빠르고, 반응성이 우수하여, 전체 연료전지 시스템의 속도 성능을 개선할 수 있는 장점이 있다.The catalyst for a fuel cell of the present invention has the advantage of improving the speed performance of the entire fuel cell system while reducing the production cost and having a high oxygen reduction rate of platinum and excellent reactivity.
연료전지, 백금, 철, 합금, 열처리, 산소 환원 전위, 순환전류법Fuel cell, platinum, iron, alloy, heat treatment, oxygen reduction potential, cyclic ammeter
Description
도 1은 본 발명의 연료전지용 촉매의 백금-산소간 흡착 모델의 모식도.1 is a schematic diagram of a platinum-oxygen adsorption model of a catalyst for a fuel cell of the present invention.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도.2 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system of the present invention.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템의 스택을 도시한 분해 사시도.3 is an exploded perspective view showing a stack of the fuel cell system of the present invention.
도 4는 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 7에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 산소 환원 전위(oxide reduction potential:ORP) 값을 나타낸 그래프.4 is a graph showing Oxygen Reduction Potential (ORP) values of catalysts for fuel cells prepared according to Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 7. FIG.
도 5는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 순환전류(cyclic voltametry:CV) 그래프.5 is a cyclic voltametry (CV) graph of the catalyst for fuel cells prepared according to Examples 1 and 2. FIG.
도 6은 실시예 3 및 4에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 순환전류(cyclic voltametry:CV) 그래프.6 is a graph showing a cyclic voltametry (CV) graph of a catalyst for a fuel cell prepared according to Examples 3 and 4. FIG.
도 7은 실시예 5 및 6에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 순환전류(cyclic voltametry:CV) 그래프.7 is a graph showing a cyclic voltametry (CV) graph of a catalyst for a fuel cell prepared according to Examples 5 and 6. FIG.
도 8은 실시예 7 및 8에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 순환전류(cyclic voltametry:CV) 그래프.8 is a graph showing a cyclic voltametry (CV) graph of a catalyst for a fuel cell prepared according to Examples 7 and 8. FIG.
도 9는 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 순환전류(cyclic voltametry:CV) 그래프.9 is a graph of cyclic voltametry (CV) of a catalyst for a fuel cell prepared according to Comparative Examples 1 to 3. FIG.
도 10은 비교예 4 및 5에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 순환전류(cyclic voltametry:CV) 그래프.10 is a graph of the cyclic voltametry (CV) of the catalyst for fuel cells prepared according to Comparative Examples 4 and 5.
[산업상 이용분야][Industrial use]
본 발명은 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산소 환원 속도가 빠른 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell catalyst, a method for manufacturing the same, and a fuel cell system including the same. More particularly, the present invention relates to a fuel cell catalyst, a method for producing the same, and a fuel cell system including the same.
[종래기술][Private Technology]
일반적으로, 연료 전지는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함하는 공기를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다.In general, a fuel cell is a power generation that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction generated by using hydrogen, oxygen, or oxygen-containing air as a fuel contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, or natural gas. System.
이러한 연료 전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.These fuel cells are phosphoric acid fuel cells operating near 150 ~ 200 ℃, molten carbonate fuel cells operating at high temperature of 600 ~ 700 ℃, solid oxide type operating at high temperature of 1000 ℃ or higher depending on the type of electrolyte used. It is classified into fuel cell, polymer electrolyte type and alkaline type fuel cell operating at room temperature to below 100 ° C. Each of these fuel cells operates on the same principle, but the type of fuel, operating temperature, catalyst and electrolyte Are different.
이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.Among these, polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), which are being developed recently, have excellent output characteristics, low operating temperatures, fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells, and methanol and ethanol. In addition, using hydrogen produced by reforming natural gas as a fuel has a wide range of applications such as a mobile power source such as a car, a distributed power source such as a house and a public building, and a small power source such as an electronic device.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고, 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.In order for the polymer electrolyte fuel cell as described above to basically have a system configuration, a fuel cell body (hereinafter referred to as a stack for convenience) called a stack, a fuel tank, and a fuel tank are supplied from the fuel tank to the stack. A fuel pump for this purpose is needed. Further, a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the stack is further included in the process of supplying the fuel stored in the fuel tank to the stack. Therefore, the polymer electrolyte fuel cell supplies the fuel stored in the fuel tank to the reformer by the pumping force of the fuel pump, the reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas, and the stack electrochemically reacts the hydrogen gas with oxygen. Electric energy is produced.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.On the other hand, the fuel cell may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method that can supply the liquid methanol fuel directly to the stack. Such a direct methanol fuel cell fuel cell, unlike the polymer electrolyte fuel cell, the reformer is excluded.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.In the fuel cell system as described above, a stack that substantially generates electricity has a structure in which several to tens of unit cells composed of an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a bipolar plate are stacked. Has The electrode-electrolyte composite has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween. . The bipolar plate simultaneously serves as a passage for supplying hydrogen gas and oxygen necessary for the reaction of the fuel cell and a conductor connecting the anode electrode and the cathode electrode of each electrode-electrolyte composite in series. Therefore, hydrogen gas is supplied to the anode electrode by the bipolar plate, while oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, electrochemical oxidation of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and electrochemical reduction of oxygen occurs at the cathode electrode, and electricity, heat, and water can be obtained together due to the movement of the generated electrons.
여기서 캐소드의 산소환원 반응에 사용되는 촉매로는 백금(Pt)을 주로 사용하게 되는데 백금의 가격이 비싸기 때문에 그동안 다양한 합금촉매가 연구되어 왔다. Here, the catalyst used in the oxygen reduction reaction of the cathode is mainly used platinum (Pt), because the price of platinum is expensive, various alloy catalysts have been studied.
미국특허 제4447506호에는 백금(Pt)-크롬(Cr)-코발트(Co), 백금(Pt)-크롬(Cr) 등의 합금 촉매에 대한 내용이 기재되어 있으며, 미국특허 제4822699호에는 백금(Pt)-갈륨(Ga), 백금(Pt)-크롬(Cr) 등의 합금촉매에 관한 내용이 기재되어 있다. 그러나, 상기 특허문헌에서도 백금-산소간의 결합력이 어떠 한 방식으로 산소환원 반응에 영향을 미치고 촉매의 전체 활성과 관련되는지에 대해서 명확히 나타낸 바가 없으며 많은 연구가 필요하다. U.S. Patent No. 4447506 describes alloy catalysts such as platinum (Pt)-chromium (Cr)-cobalt (Co), platinum (Pt)-chromium (Cr), and U.S. Pat. Contents relating to alloy catalysts such as Pt) -gallium (Ga) and platinum (Pt) -chromium (Cr) are described. However, the patent document does not clearly indicate how the bonding force between the platinum and the oxygen affects the oxygen reduction reaction and is related to the overall activity of the catalyst, and much research is required.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 백금-산소간의 결합력을 조절하여 산소 환원 반응의 속도를 증가시킴으로써, 전체적인 연료전지 화학반응의 속도를 높일 수 있는 연료전지용 촉매를 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to increase the speed of the oxygen reduction reaction by controlling the bonding force between the platinum and oxygen, to increase the speed of the overall fuel cell chemical reaction catalyst for fuel cells To provide.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for preparing the fuel cell catalyst.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 촉매를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system including the catalyst for the fuel cell.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 백금(Pt)의 산소 환원 전위(oxide reduction potential:ORP)가 450 mV 이상인 연료전지용 촉매를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a catalyst for a fuel cell having an oxide reduction potential (ORP) of platinum (Pt) of 450 mV or more.
본 발명은 또한, 백금 함유 물질과 철 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하는 단계; 및 상기 건조된 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하는 연료전지용 촉매의 제조방법을 제공한다.The invention also comprises the steps of mixing the platinum-containing material and iron-containing material to prepare a mixture; Drying the mixture; And it provides a method for producing a catalyst for a fuel cell comprising the step of heat-treating the dried mixture.
본 발명은 또한, 백금 함유 물질, 크롬 함유 물질 및 니켈 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하는 단계; 및 상기 건조된 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하는 연료전지용 촉매의 제조방법을 제공한다.The invention also comprises the steps of mixing a platinum containing material, a chromium containing material and a nickel containing material to prepare a mixture; Drying the mixture; And it provides a method for producing a catalyst for a fuel cell comprising the step of heat-treating the dried mixture.
본 발명은 또한, 연료와 물이 혼합된 혼합연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 혼합연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부; 상기 연료전지용 촉매를 포함하며, 개질부로부터 공급되는 수소 기체가 외부 공기와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택; 및 외부 공기를 상기 스택 및 개질부로 공급하는 공기 공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a fuel supply unit for supplying a fuel mixed with fuel and water; A reforming unit reforming the mixed fuel to generate hydrogen gas; A stack comprising the catalyst for the fuel cell, wherein the hydrogen gas supplied from the reforming unit undergoes an electrochemical reaction with external air to generate electrical energy; And an air supply unit supplying external air to the stack and the reforming unit.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 연료전지의 화학반응은 아래와 같은 반응으로 전개된다.The chemical reaction of the fuel cell of the present invention is developed in the following reaction.
캐소드 : O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O Cathode: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O
애노드 : H2 → 2H+ + 2e- Anode: H 2 → 2H + + 2e -
전 체 : 2H2 + O2 → 2H2OTotal: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
위 반응식에서 캐소드의 산소 환원 반응이 속도 결정 단계(rate determining step:rds)에 해당하며, 상기 속도 결정 단계 반응인 산소 환원 반응의 자세한 메카니즘은 아직 자세히 밝혀지지는 않았다. In the above scheme, the oxygen reduction reaction of the cathode corresponds to the rate determining step (rds), and the detailed mechanism of the oxygen reduction reaction, which is the rate determining step reaction, has not yet been elucidated.
다만, 백금 표면에 산소가 적당한 힘으로 흡착되어 있는 동안 백금표면으로 수소가 접근하여 흡착된 산소와 반응하여 산소가 백금표면으로부터 떨어져 나가면서 물이 만들어 지는 것으로 추정하며, 이 추정에 의하면 백금 표면에 산소가 흡착하는 세기가 반응속도와 관련되고, 따라서, 연료전지 화학반응의 반응 속도는 백금-산소 간의 결합력과 밀접한 관련이 있다고 할 수 있다.However, while oxygen is adsorbed on the platinum surface with moderate force, hydrogen approaches the platinum surface and reacts with the adsorbed oxygen to estimate that oxygen is released from the platinum surface to make water. The intensity of oxygen adsorption is related to the reaction rate, and thus, the reaction rate of fuel cell chemistry is closely related to the bonding force between platinum and oxygen.
도 1은 백금-철 합금을 포함하는 본 발명의 연료전지용 촉매에 있어서, 백금-산소간 흡착 모델을 모식적으로 나타낸 그림이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 백금-산소간의 흡착모델은 여러 가지가 있는데 그 중에서도 브릿지모델(bridge model)이 가장 유력하다. 다만, 도 1에 도시한 어떤 모델의 경우이든 백금-산소간의 결합력이 연료전지 화학반응 메카니즘에 영향을 미치게 된다.1 is a diagram schematically showing a platinum-oxygen adsorption model in the catalyst for a fuel cell of the present invention containing a platinum-iron alloy. As shown in FIG. 1, there are various kinds of platinum-oxygen adsorption models, among which the bridge model is most likely. However, in any of the models shown in FIG. 1, the bonding force between the platinum and the oxygen affects the fuel cell chemical reaction mechanism.
본 발명의 연료전지용 촉매는 백금(Pt)의 산소 환원 전위(oxide reduction potential:ORP)가 450 mV 이상이고, 바람직하게는 450 내지 550 mV이며, 더 바람직하게는 450 내지 520 mV이다. 산소 환원 전위가 450 mV 미만인 경우에는 전체적인 연료전지 화학반응 속도가 느리다. 다만, 550mV 이상인 경우에는 촉매의 입자크기가 커질 수 있다.The catalyst for fuel cells of the present invention has an oxygen reduction potential (ORP) of platinum (Pt) of 450 mV or more, preferably 450 to 550 mV, and more preferably 450 to 520 mV. If the oxygen reduction potential is less than 450 mV, the overall fuel cell chemistry is slow. However, in the case of 550mV or more, the particle size of the catalyst may increase.
상기 산소 환원 전위(oxide reduction potential:ORP)란 순환전류법(cyclic voltametry:CV) 실험을 수행하였을 때 300 mV에서 600 mV 사이에서 나타나는 피크의 최대값를 의미하며, 본 발명에서의 산소 환원 전위 값은 표준전극으로 포화칼로멜전극(SCE)을 사용하고, 연료전지용 촉매에 10 중량%의 폴리테트라플루오로에탄(PTFE) 바인더를 사용하여 페이스트 전극으로 만들고, 카운터 전극으로 백금판을 사용하며, 1 M H2SO4 수용액을 전해질로 하여, 10 mV/sec의 스캔속도(scan rate)로 측정한 것을 기준으로 한다. The oxygen reduction potential (ORP) refers to the maximum value of the peak appearing between 300 mV to 600 mV when performing a cyclic voltametry (CV) experiment, the oxygen reduction potential value in the present invention Saturated calomel electrode (SCE) is used as a standard electrode, 10 wt% polytetrafluoroethane (PTFE) binder is used as a catalyst for fuel cells, and a paste electrode is used. A platinum plate is used as a counter electrode. 1 MH 2 Based on an aqueous solution of SO 4 as an electrolyte, measured at a scan rate of 10 mV / sec.
일반적으로 가장 많이 사용되는 연료전지용 촉매인 탄소에 담지된 백금(Pt/C) 촉매의 경우에는 백금의 산소 환원전위 값이 450 mV보다 낮다. 백금의 산소 환원 전위 값이 클수록 전기화학적으로 환원되기 쉬운 것을 의미한다. 다시 말해서, 연료전지의 화학반응이 일어나는 동안 속도 결정 단계인 캐소드의 산소환원 반응 과정에서 백금 표면에 산소가 흡착되고, 흡착된 산소가 환원되면서 다시 떨어져 나오는 과정을 거치게 되는데, 이때 백금 표면에 형성된 산소가 더 쉽고 빠르게 환원되는 것을 의미하며, 촉매의 활성이 더 커진다는 것을 의미한다. In general, in the case of a carbon-supported platinum (Pt / C) catalyst, which is the most commonly used catalyst for fuel cells, the oxygen reduction potential of platinum is lower than 450 mV. The larger the oxygen reduction potential value of platinum, the easier it is to be electrochemically reduced. In other words, oxygen is adsorbed on the surface of platinum during the oxygen reduction reaction of the cathode, which is a rate determining step, during the chemical reaction of the fuel cell, and the adsorbed oxygen is reduced and then falls off again. Means easier and faster reduction, which means that the activity of the catalyst is greater.
따라서, 더 높은 산소 환원 전위를 갖는다는 것은 촉매의 성능이 더 좋아지는 것을 의미하며, 전체 연료전지 성능 향상에도 기여한다는 것을 의미한다. Thus, having a higher oxygen reduction potential means that the performance of the catalyst is better and also contributes to the improvement of the overall fuel cell performance.
상기 연료전지용 촉매는 백금-철 합금, 백금-크롬-니켈 합금 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 상기 백금-철 합금 내에 포함되는 철의 함량은 백금 1몰에 대하여 0.3 내지 1.2몰인 것이 바람직하다. 철의 함량이 백금 1몰에 대하여 0.3몰 미만인 경우에는 합금 형성이 어려우며, 1.2몰을 초과하는 경우에는 합금에 의한 산소 환원 전위 향상의 효과를 얻기 어렵다. 또한, 상기 백금-크롬-니켈 합금은 백금 1몰에 대해서 크롬 및 니켈의 합이 0.3 내지 1.2몰 인 것이 바람직하다. 백금 1몰에 대해서 크롬 및 니켈의 합이 0.3몰 미만인 경우에는 합금 형성이 어려우며, 1.2몰을 초과하는 경우에는 합금에 의한 산소 환원 전위 향상의 효과를 얻기 어렵다. 다만, 이 경우에는 상기 백금-크롬-니켈 합금 내에서, 크롬과 니켈의 몰비가 4:6 내지 6:4인 것이 바람직하다. The fuel cell catalyst includes a platinum-iron alloy, a platinum-chromium-nickel alloy, or a mixture thereof. The content of iron contained in the platinum-iron alloy is preferably 0.3 to 1.2 moles with respect to 1 mole of platinum. If the iron content is less than 0.3 mole with respect to 1 mole of platinum, it is difficult to form an alloy. When the iron content is more than 1.2 mole, it is difficult to obtain an effect of improving the oxygen reduction potential by the alloy. In addition, the platinum-chromium-nickel alloy preferably has a sum of chromium and nickel of 0.3 to 1.2 moles with respect to 1 mole of platinum. When the sum of chromium and nickel is less than 0.3 mole with respect to 1 mole of platinum, alloy formation is difficult. When the molar amount exceeds 1.2 mole, the effect of improving the oxygen reduction potential by the alloy is hardly obtained. In this case, however, in the platinum-chromium-nickel alloy, the molar ratio of chromium and nickel is preferably 4: 6 to 6: 4.
상기 연료전지용 촉매에 있어서, 담지체를 제외한 합금 촉매 입자의 평균 입경은 30 내지 150 Å인 것이 바람직하며, 30 내지 100 Å인 것이 더 바람직하다. 상기 촉매 입자의 크기는 작을수록 좋으며, 다만 30 Å 미만인 경우에는 제조상의 어려움이 있으며, 150 Å을 초과하는 경우에는 반응표면적이 너무 작기 때문에 실용성이 없고, 높은 열처리 온도를 필요로 한다. In the fuel cell catalyst, the average particle diameter of the alloy catalyst particles excluding the carrier is preferably 30 to 150 mm 3, more preferably 30 to 100 mm 3. The smaller the particle size of the catalyst is better, but if it is less than 30 kPa, there is difficulty in manufacturing, and if it exceeds 150 kPa, the reaction surface area is too small, so it is not practical and requires a high heat treatment temperature.
본 발명의 연료전지용 촉매 중에서, 백금-철 합금을 포함하는 촉매는 백금 함유 물질과 철 함유 물질로부터 제조될 수 있으며, 보다 상세하게는 백금 함유 물질과 철 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하는 단계; 상기 건조된 혼합물을 열처리하는 단계를 포함한다. Among the catalysts for fuel cells of the present invention, the catalyst comprising a platinum-iron alloy may be prepared from a platinum-containing material and an iron-containing material, and more specifically, mixing the platinum-containing material and the iron-containing material to prepare a mixture; Drying the mixture; Heat-treating the dried mixture.
이 때, 상기 철 함유 물질과 백금 함유 물질은 백금 1몰에 대한 철의 함량이 0.3 내지 1.2몰이 되도록 혼합하는 것이 바람직하다. 철 함유 물질의 함량비가 백금 1몰에 대한 철의 함량을 기준으로 0.3몰 미만인 경우에는 합금에 의한 산소 환원 전위 향상의 효과를 얻기 어려우며, 1.2몰을 초과하는 경우에는 합금 형성이 어렵다. At this time, it is preferable that the iron-containing material and the platinum-containing material are mixed so that the iron content per mole of platinum is 0.3 to 1.2 moles. When the content ratio of the iron-containing material is less than 0.3 mole based on the iron content of 1 mole of platinum, it is difficult to obtain the effect of improving the oxygen reduction potential by the alloy, and when it exceeds 1.2 moles, it is difficult to form the alloy.
상기 백금 함유 물질은 연료전지에 통상적으로 사용되는 담체에 지지된 백금을 사용할 수 있으며, 상기 담체의 구체적인 예로는 탄소, 알루미나 또는 실리카 등이 있다. 이중에서도 바람직하게는 탄소를 담체로 하여 지지된 백금을 사용할 수 있으며, 이 때, 상기 탄소는 아세틸렌블랙, 흑연 등인 것이 더 바람직하다. The platinum-containing material may use platinum supported on a carrier commonly used in fuel cells. Specific examples of the carrier include carbon, alumina, silica, and the like. Of these, preferably platinum supported using carbon as a carrier can be used, and in this case, the carbon is more preferably acetylene black, graphite or the like.
상기 담체에 지지된 백금은 상용화된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 백금을 담지하여 사용할 수도 있다. 담체에 백금을 담지하는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.Platinum supported by the carrier may be commercially available, or may be used by supporting platinum on the carrier. The process of supporting platinum on the carrier is well known in the art, and thus detailed description thereof will be omitted.
또한, 상기 철 함유 물질은 철을 포함하며, 백금과 철의 합금을 형성할 수 있는 화합물이라면 어느 것이라도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 철을 포함하는 금속할라이드, 질산염, 염산염, 황산염 또는 아민류 등을 1종 이상 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 철을 포함하는 금속할라이드를 사용할 수 있다. In addition, the iron-containing material includes iron, any compound that can form an alloy of platinum and iron may be used, but preferably a metal halide, nitrate, hydrochloride, sulfate or amine containing iron One or more may be used, and more preferably, metal halides containing iron may be used.
상기 철 함유 물질은 액상으로 혼합하여 사용하며, 바람직하게는 상기 철 함유 물질이 알코올, 물 또는 알코올과 물의 혼합물에 용해된 용액 상태로 사용할 수 있다. 상기 용액은 철 함유 물질의 농도가 0.1 내지 1 M인 것이 바람직하다. The iron-containing material may be mixed and used in a liquid phase, and preferably, the iron-containing material may be used in a solution state in which alcohol, water, or a mixture of alcohol and water is dissolved. The solution preferably has a concentration of iron-containing material in the range of 0.1 to 1 M.
백금 함유 물질과 철 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조한 후에, 건조과정을 거친다. 상기 건조과정은 상기 혼합물에 포함된 수분을 증발시키는 과정으로서, 통상적인 건조과정에 따른다. After the mixture is prepared by mixing the platinum-containing material and the iron-containing material, it is dried. The drying process is a process of evaporating the water contained in the mixture, according to a conventional drying process.
상기 혼합물의 건조를 마친 후, 열처리 과정을 거치게 되며, 상기 열처리는 환원분위기에서 500℃ 이상의 온도로 실시하는 것이 바람직하고, 상기 열처리 온도가 700 내지 1500℃인 것이 더 바람직하며, 상기 열처리 온도가 700 내지 1000℃인 것이 가장 바람직하다. 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우에는 합금 형성이 어렵다. 또한, 열처리온도가 1500℃를 초과할 경우에는 전이금속의 증기화가 발생할 수 있으므로, 정확한 비율의 합금을 제조하기 어렵다.After drying the mixture, the heat treatment is performed, and the heat treatment is preferably performed at a temperature of 500 ° C. or higher in a reducing atmosphere, more preferably the heat treatment temperature is 700 to 1500 ° C., and the heat treatment temperature is 700 Most preferably, it is -1000 degreeC. If the heat treatment temperature is less than 500 ° C., alloy formation is difficult. In addition, when the heat treatment temperature exceeds 1500 ° C, since the transition metal vaporization may occur, it is difficult to manufacture the alloy of the correct ratio.
상기 열처리 시의 환원분위기는 수소기체, 질소기체, 또는 수소와 질소의 혼합기체를 사용할 수 있다. In the reducing atmosphere during the heat treatment, a hydrogen gas, a nitrogen gas, or a mixed gas of hydrogen and nitrogen may be used.
본 발명의 연료전지용 촉매 중에서, 백금-크롬-니켈 합금을 포함하는 촉매는 백금 함유 물질과 크롬 함유 물질 및 니켈 함유 물질로부터 제조될 수 있으며, 보다 상세하게는 백금 함유 물질, 크롬 함유 물질 및 니켈 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하는 단계; 상기 건조된 혼합물을 열처 리하는 단계를 포함한다. Among the catalysts for fuel cells of the present invention, the catalyst comprising a platinum-chromium-nickel alloy can be prepared from a platinum containing material, a chromium containing material and a nickel containing material, and more particularly, a platinum containing material, a chromium containing material and a nickel containing material. Mixing the materials to prepare a mixture; Drying the mixture; Thermally treating the dried mixture.
이 때, 상기 백금 함유 물질, 크롬 함유 물질 및 니켈 함유 물질은 백금 1몰에 대하여 크롬 및 니켈의 합이 0.3 내지 1.2몰이 되도록 혼합하는 것이 바람직하다. 백금 1몰에 대해서 크롬 및 니켈의 함량이 0.3몰 미만인 경우에는 합금에 의한 산소 환원 전위 향상의 효과를 얻기 어려우며, 1.2몰을 초과하는 경우에는 합금 형성이 어렵다. 단, 이 경우에 크롬 함유 물질과 니켈 함유 물질의 상대적 혼합비는 크롬과 니켈의 몰비를 기준으로 4:6 내지 6:4인 것이 바람직하다.At this time, the platinum-containing material, chromium-containing material and nickel-containing material are preferably mixed so that the sum of chromium and nickel is 0.3 to 1.2 moles with respect to 1 mole of platinum. When the content of chromium and nickel is less than 0.3 mole with respect to 1 mole of platinum, it is difficult to obtain an effect of improving the oxygen reduction potential by the alloy, and when it exceeds 1.2 moles, it is difficult to form an alloy. In this case, however, the relative mixing ratio of the chromium-containing material and the nickel-containing material is preferably 4: 6 to 6: 4 based on the molar ratio of chromium and nickel.
상기 백금 함유 물질은 연료전지에 통상적으로 사용되는 담체에 지지된 백금을 사용할 수 있으며, 상기 담체의 구체적인 예로는 탄소, 알루미나 또는 실리카 등이 있다. 이중에서도 바람직하게는 탄소를 담체로 하여 지지된 백금을 사용할 수 있으며, 이 때, 상기 탄소는 아세틸렌블랙, 흑연 등인 것이 더 바람직하다. The platinum-containing material may use platinum supported on a carrier commonly used in fuel cells. Specific examples of the carrier include carbon, alumina, silica, and the like. Of these, preferably platinum supported using carbon as a carrier can be used, and in this case, the carbon is more preferably acetylene black, graphite or the like.
또한, 상기 크롬 함유 물질은 크롬을 포함하며, 백금과 합금을 형성할 수 있는 화합물이라면 어느 것이라도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 크롬을 포함하는 금속할라이드, 질산염, 염산염, 황산염 또는 아민류 등을 1종 이상 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 크롬을 포함하는 질산염을 사용할 수 있다. In addition, the chromium-containing material may be used as long as it contains a chromium, and any compound capable of forming an alloy with platinum, preferably a metal halide, nitrate, hydrochloride, sulfate or amine containing chromium. The above may be used, and more preferably, nitrate containing chromium may be used.
또한, 상기 니켈 함유 물질은 니켈을 포함하며, 백금과 합금을 형성할 수 있는 화합물이라면 어느 것이라도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 니켈을 포함하는 금속할라이드, 질산염, 염산염, 황산염 또는 아민류 등을 1종 이상 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 니켈을 포함하는 금속할라이드를 사용할 수 있다. In addition, the nickel-containing material may be any compound as long as it contains nickel and may form an alloy with platinum. Preferably, the metal halide, nitrate, hydrochloride, sulfate, amine, etc. containing nickel may be used. It may be used as described above, and more preferably, metal halides containing nickel may be used.
상기 크롬 함유 물질 및 니켈 함유 물질은 액상으로 혼합하여 사용하며, 바 람직하게는 상기 크롬 함유 물질 및 니켈 함유 물질이 알코올, 물 또는 알코올과 물의 혼합물에 용해된 용액 상태로 사용할 수 있다. 상기 용액은 크롬 함유 물질 및 니켈 함유 물질의 농도가 각각 0.1 내지 1 M인 것이 바람직하다. The chromium-containing material and the nickel-containing material may be mixed and used in a liquid phase, and preferably, the chromium-containing material and the nickel-containing material may be used in a solution state in which alcohol, water, or a mixture of alcohol and water is dissolved. The solution preferably has a concentration of chromium-containing material and nickel-containing material of 0.1 to 1 M, respectively.
백금 함유 물질, 크롬 함유 물질 및 니켈 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조한 후에, 건조과정 및 열처리 과정을 거친다. 상기 건조과정은 상기 혼합물에 포함된 물, 알코올 등의 용매를 증발시키는 과정으로서, 통상적인 건조과정에 따른다. After the mixture is prepared by mixing the platinum-containing material, the chromium-containing material and the nickel-containing material, it is subjected to drying and heat treatment. The drying process is a process of evaporating a solvent, such as water and alcohol, included in the mixture, according to a conventional drying process.
상기 혼합물의 건조를 마친 후, 열처리 과정을 거치게 되며, 상기 열처리는 환원분위기에서 500℃ 이상의 온도로 실시하는 것이 바람직하고, 상기 열처리 온도가 700 내지 1500℃인 것이 더 바람직하며, 상기 열처리 온도가 700 내지 1000℃인 것이 가장 바람직하다. 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우에는 합금 형성이 어렵다. 또한, 열처리온도가 1500℃를 초과할 경우에는 전이금속의 증기화가 발생할 수 있으므로, 정확한 비율의 합금을 제조하기 어렵다.After drying the mixture, the heat treatment is performed, and the heat treatment is preferably performed at a temperature of 500 ° C. or higher in a reducing atmosphere, more preferably the heat treatment temperature is 700 to 1500 ° C., and the heat treatment temperature is 700 Most preferably, it is -1000 degreeC. If the heat treatment temperature is less than 500 ° C., alloy formation is difficult. In addition, when the heat treatment temperature exceeds 1500 ° C, since the transition metal vaporization may occur, it is difficult to manufacture the alloy of the correct ratio.
상기 열처리 시의 환원분위기는 수소기체, 질소기체, 또는 수소와 질소의 혼합기체를 사용할 수 있다. In the reducing atmosphere during the heat treatment, a hydrogen gas, a nitrogen gas, or a mixed gas of hydrogen and nitrogen may be used.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템(100)의 전체적인 구성을 도시한 개략도이며, 도 3은 본 발명의 연료전지 시스템의 스택(130)을 도시한 분해 사시도이다.2 is a schematic diagram showing the overall configuration of the
도 2와 도 3을 참고하면, 본 발명의 연료전지 시스템(100)은 연료와 물이 혼합된 혼합연료를 공급하는 연료 공급부(110); 상기 혼합연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부(120); 상기 연료전지용 촉매를 포함하며, 개질부로부터 공급 되는 수소 기체가 외부 공기와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(130); 및 외부 공기를 상기 개질부(120) 및 스택(130)으로 공급하는 공기 공급부(140)를 포함한다. 2 and 3, the
또한, 본 발명의 연료전지 시스템의 스택(130)은 개질부(120)로부터 공급되는 수소 기체와 공기 공급부로부터 공급되는 외부 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀(131)을 구비한다.In addition, the
각각의 단위 셀(131)은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 기체와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 전해질-전극 복합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)(132)와, 수소 기체와 공기를 전해질-전극 복합체(132)로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다.)(133)을 포함한다. 상기 분리판(133)은 전해질-전극 복합체(132)를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트(133a)라 칭하기도 한다. Each
상기 전해질-전극 복합체(132)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 구조를 가진다. The electrolyte-
애노드 전극은 분리판(133)을 통해 수소 기체를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 기체를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)으로 구성된다. The anode electrode is a portion receiving hydrogen gas through the
또한 캐소드 전극은 분리판(133)을 통해 공기를 공급받는 부분으로, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 상기 연료전지용 촉 매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50~200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다. In addition, the cathode electrode is a portion that receives air through the
또한 상기한 분리판 중 엔드 플레이트(133a)에는 개질부로부터 공급되는 수소 기체를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(133a1)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(133a2)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트(133a)에는 복수의 단위 셀(131)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 기체를 외부로 배출시키기 위한 제1배출관(133a3)과, 상기한 단위 셀(131)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 외부로 배출시키기 위한 제2배출관(133a4)이 구비된다. In addition, the
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
[실시예]EXAMPLE
실시예 1Example 1
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)를 FeCl2 농도 1.0 M인 수용액에 혼합하여 분산시켰다. 이 때, 백금/탄소(Pt/C) 촉매와 FeCl2의 함량은 백금:철의 몰비를 기준으로 1:1이 되도록 하였 다. Johnson Matthey Co. commercial platinum / carbon (Pt / C) catalyst (10 wt% platinum) was mixed and dispersed in an aqueous solution of 1.0 M FeCl 2 concentration. At this time, the platinum / carbon (Pt / C) catalyst and the content of FeCl 2 were set to 1: 1 based on the molar ratio of platinum: iron.
상기 혼합과정 후에, 100℃에서 1시간 건조시킨 후, 수소와 질소의 혼합기체(수소 10 부피%, 질소 90 부피%) 존재 하에서 700℃로 2.5시간 동안 열처리하여 연료전지용 촉매를 제조하였다. After the mixing process, the mixture was dried at 100 ° C. for 1 hour, and then heat-treated at 700 ° C. for 2.5 hours in the presence of a mixed gas of hydrogen and nitrogen (10% by volume of hydrogen and 90% by volume of nitrogen) to prepare a catalyst for a fuel cell.
실시예 2Example 2
열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. A catalyst for a fuel cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 900 ° C.
실시예 3Example 3
백금/탄소(Pt/C) 촉매와 FeCl2의 함량은 백금:철의 몰비를 기준으로 3:1이 되도록 하고, 열처리 온도를 700℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. The content of platinum / carbon (Pt / C) catalyst and FeCl 2 was 3: 1 based on the molar ratio of platinum: iron, and the fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 700 ° C. Catalyst was prepared.
실시예 4Example 4
백금/탄소(Pt/C) 촉매와 FeCl2의 함량은 백금:철의 몰비를 기준으로 3:1이 되도록 하고, 열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. The content of platinum / carbon (Pt / C) catalyst and FeCl 2 is 3: 1 based on the molar ratio of platinum: iron and the heat treatment temperature is 900 ° C. for the fuel cell. Catalyst was prepared.
실시예 5Example 5
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)를 Cr(NO3)3·9H2O와 NiCl2의 1 M 혼합수용액에 혼합하여 분산시켰다. 이 때, 백금/탄소(Pt/C) 촉매와 Cr(NO3)3·9H2O 및 NiCl2의 함량은 백금:크롬:니켈의 몰비를 기준으로 2:1:1 이 되도록 하였다.Johnson Matthey Co.'s commercial platinum / carbon (Pt / C) catalyst (platinum content 10% by weight) was mixed with a 1 M mixed solution of Cr (NO 3 ) 3 · 9H 2 O and NiCl 2 . Dispersed. At this time, the contents of the platinum / carbon (Pt / C) catalyst, Cr (NO 3 ) 3 .9H 2 O and NiCl 2 were set to be 2: 1: 1 based on the molar ratio of platinum: chromium: nickel.
상기 혼합과정 후에, 100℃에서 1시간 건조시킨 후, 수소와 질소의 혼합기체(수소 10 부피%, 질소 90 부피%) 존재 하에서 700℃로 2.5시간 동안 열처리하여 연료전지용 촉매를 제조하였다. After the mixing process, the mixture was dried at 100 ° C. for 1 hour, and then heat-treated at 700 ° C. for 2.5 hours in the presence of a mixed gas of hydrogen and nitrogen (10% by volume of hydrogen and 90% by volume of nitrogen) to prepare a catalyst for a fuel cell.
실시예 6Example 6
열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. A fuel cell catalyst was prepared in the same manner as in Example 5 except that the heat treatment temperature was 900 ° C.
실시예 7Example 7
백금/탄소(Pt/C) 촉매와 Cr(NO3)3·9H2O 및 NiCl2의 함량은 백금:크롬:니켈의 몰비를 기준으로 6:1:1 이 되도록 하고, 열처리 온도를 700℃로 한 것을 제외하고는 실시예 5과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. The content of platinum / carbon (Pt / C) catalyst, Cr (NO 3 ) 3 · 9H 2 O and NiCl 2 should be 6: 1: 1 based on the molar ratio of platinum: chromium: nickel, and the heat treatment temperature is 700 ℃. A catalyst for a fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 5 except for setting it as described above.
실시예 8Example 8
백금/탄소(Pt/C) 촉매와 Cr(NO3)3·9H2O 및 NiCl2의 함량은 백금:크롬:니켈의 몰비를 기준으로 6:1:1 이 되도록 하고, 열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 실시예 5과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. The content of platinum / carbon (Pt / C) catalyst, Cr (NO 3 ) 3 · 9H 2 O and NiCl 2 should be 6: 1: 1 based on the molar ratio of platinum: chromium: nickel and the heat treatment temperature is 900 ° C. A catalyst for a fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 5 except for setting it as described above.
비교예 1Comparative Example 1
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)를 연료전지용 촉매로 사용하였다. Johnson Matthey Co.'s platinum / carbon (Pt / C) catalyst (platinum content 10 wt%) was used as a catalyst for fuel cells.
비교예 2Comparative Example 2
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)를 수소와 질소의 혼합기체(수소 10 부피%, 질소 90 부피%) 존재 하에서 400℃로 2.5시간 동안 열처리하여 연료전지용 촉매를 제조하였다. Johnson Matthey Co.'s platinum / carbon (Pt / C) catalyst (platinum content 10% by weight) was heated to 400 ° C in the presence of a mixture of hydrogen and nitrogen (10% by volume hydrogen and 90% by volume nitrogen). Heat treatment for 2.5 hours to prepare a catalyst for a fuel cell.
비교예 3Comparative Example 3
열처리 온도를 500℃로 한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. A catalyst for a fuel cell was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the heat treatment temperature was 500 ° C.
비교예 4Comparative Example 4
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)를 NiCl2 농도 1.0 M인 수용액에 혼합하여 분산시켰다. 이 때, 백금/탄소(Pt/C) 촉매와 니켈함유 물질의 함량은 백금:니켈의 몰비를 기준으로 1:1이 되도록 하였다. Johnson Matthey Co. commercial platinum / carbon (Pt / C) catalyst (10 wt% platinum) was mixed and dispersed in an aqueous solution of 1.0 M NiCl 2 concentration. At this time, the content of the platinum / carbon (Pt / C) catalyst and the nickel-containing material was set to 1: 1 based on the molar ratio of platinum: nickel.
상기 혼합과정 후에, 100℃에서 1시간 건조시킨 후, 수소와 질소의 혼합기체(수소 10 부피%, 질소 90 부피%) 존재 하에서 700℃로 2.5시간 동안 열처리하여 연료전지용 촉매를 제조하였다. After the mixing process, the mixture was dried at 100 ° C. for 1 hour, and then heat-treated at 700 ° C. for 2.5 hours in the presence of a mixed gas of hydrogen and nitrogen (10% by volume of hydrogen and 90% by volume of nitrogen) to prepare a catalyst for a fuel cell.
비교예 5Comparative Example 5
열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. A catalyst for a fuel cell was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that the heat treatment temperature was 900 ° C.
비교예 6Comparative Example 6
백금/탄소(Pt/C) 촉매와 NiCl2의 함량은 백금:니켈의 몰비를 기준으로 3:1이 되도록 하고, 열처리 온도를 700℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. The content of platinum / carbon (Pt / C) catalyst and NiCl 2 should be 3: 1 based on the molar ratio of platinum: nickel and the same as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 700 ° C. Catalyst was prepared.
비교예 7Comparative Example 7
백금/탄소(Pt/C) 촉매와 NiCl2의 함량은 백금:니켈의 몰비를 기준으로 3:1이 되도록 하고, 열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다. The content of platinum / carbon (Pt / C) catalyst and NiCl 2 is 3: 1 based on the molar ratio of platinum: nickel, and the fuel cell is manufactured in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature is 900 ° C. Catalyst was prepared.
상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 7에 따라 제조된 연료전지용 촉매를 각각 10 중량%의 폴리테트라플루오로에탄(PTFE) 바인더와 혼합하여 페이스트 전극을 만들고, 카운터 전극으로 백금 판을 사용하고, 전해질로 1 M H2S04 수용액을 사용하고, 표준전극으로 포화칼로멜전극(SCE)을 사용하여 순환전류법으로 각 촉매의 백금의 산소 환원 전위를 측정하였다. 이 때, 스캔속도는 10 mV/sec로 하였다. The fuel cell catalysts prepared according to Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 7 were mixed with 10% by weight of polytetrafluoroethane (PTFE) binder to form a paste electrode, and a platinum plate was used as a counter electrode. The oxygen reduction potential of platinum of each catalyst was measured by a cyclic current method using a 1 MH 2 SO 4 aqueous solution as an electrolyte and a saturated calorie electrode (SCE) as a standard electrode. At this time, the scanning speed was 10 mV / sec.
도 4는 상기 방법으로 측정한 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 7에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 산소 환원 전위(oxide reduction potential:ORP) 값을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 각각 실시예 1 , 2, 실시예 3, 4, 실시예 5, 6 및 실시예 7, 8에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 순환전류(cyclic voltametry:CV) 그래프이며, 도 9는 비교예 1 내지 3, 도 10은 비교예 4, 5에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 순환전류(cyclic voltametry:CV) 그래프이다. Figure 4 is a graph showing the oxygen reduction potential (ORP) value of the catalyst for fuel cells prepared according to Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 7 measured by the above method. 5, 6, 7 and 8 are cyclic currents of a catalyst for a fuel cell prepared according to Examples 1, 2, 3, 4, 5, 6 and 7, respectively. Voltametry (CV) is a graph, Figure 9 is Comparative Examples 1 to 3, Figure 10 is a cyclic voltametry (CV) graph of the catalyst for a fuel cell prepared according to Comparative Examples 4 and 5.
상기 도 4에 도시한 상기 산소 환원 전위 값을 하기 표 1에 정리하였다. The oxygen reduction potential values shown in FIG. 4 are summarized in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 촉매는 통상적으로 사용되는 탄소에 담지된 백금(Pt/C) 촉매에 비해서 산소 환원 전위 값이 크며, 전기화학적으로 더 환원되기 쉽기 때문에, 촉매의 활성이 더 큰 것을 알 수 있다. As shown in Table 1, the catalyst for a fuel cell of the present invention has a higher oxygen reduction potential value and is more easily electrochemically reduced than a platinum (Pt / C) catalyst supported on carbon, which is commonly used. It can be seen that the activity is greater.
본 발명의 연료전지용 촉매는 제조 비용이 적게 들면서도, 백금의 산소 환원 속도가 빠르고, 반응성이 우수하여, 전체 연료전지 시스템의 속도 성능을 개선할 수 있다. The catalyst for a fuel cell of the present invention has a low production cost and has a high oxygen reduction rate and excellent reactivity of platinum, thereby improving the speed performance of the entire fuel cell system.
Claims (25)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020040028908A KR100551034B1 (en) | 2004-04-27 | 2004-04-27 | Catalist for fuel cell, preparation method thereof, and fuel cell system comprising the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020040028908A KR100551034B1 (en) | 2004-04-27 | 2004-04-27 | Catalist for fuel cell, preparation method thereof, and fuel cell system comprising the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20050103647A KR20050103647A (en) | 2005-11-01 |
KR100551034B1 true KR100551034B1 (en) | 2006-02-13 |
Family
ID=37281467
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020040028908A KR100551034B1 (en) | 2004-04-27 | 2004-04-27 | Catalist for fuel cell, preparation method thereof, and fuel cell system comprising the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100551034B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20210142062A (en) | 2020-05-15 | 2021-11-24 | 현대자동차주식회사 | catalystand a manufacturing method of the same |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100962418B1 (en) | 2009-08-25 | 2010-06-14 | 주식회사 위스코하이텍 | Plasma electrolysing oxcidation solution for mg alloys goods |
-
2004
- 2004-04-27 KR KR1020040028908A patent/KR100551034B1/en active IP Right Grant
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20210142062A (en) | 2020-05-15 | 2021-11-24 | 현대자동차주식회사 | catalystand a manufacturing method of the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20050103647A (en) | 2005-11-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100691117B1 (en) | Ruthenium-rhodium alloy electrode catalyst and fuel cell comprising the same | |
CN100372160C (en) | Fuel cell electrode and membrane-electrode assembly and fuel cell system | |
JP4994605B2 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system including the same | |
JP2004253385A (en) | Catalyst for cathode of fuel battery | |
US20090169962A1 (en) | Integrated flow field plate and diffusion electrode in a fuel cell | |
KR101624641B1 (en) | Electrode catalyst for fuel cell, manufacturing method thereof, membrane electrode assembly and fuel cell including the same | |
KR20110001004A (en) | Catalyst for fuel cell and low-humidified mea | |
KR20110037294A (en) | Electrode catalyst for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same | |
JP4937527B2 (en) | Platinum catalyst for fuel cell and fuel cell including the same | |
JPH09167622A (en) | Electrode catalyst and solid polymer type fuel cell using same | |
JP2004134132A (en) | Fuel regenerable fuel battery, method for generating electric power, and method for regenerating fuel | |
US7842422B2 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell comprising the same | |
Acres et al. | Electrocatalysts for fuel cells | |
EP2156492B1 (en) | Alkaline fuel cell electrode catalyst, alkaline fuel cell, manufacture method for alkaline fuel cell electrode catalyst, and manufacture method for alkaline fuel cell | |
KR101101497B1 (en) | Producing method for electrodes of fuel cell with high temperature type and membrane electrode assembly produced thereby | |
CN100578847C (en) | Fuel composittion for fuel cell and fuel cell using the same | |
KR100551034B1 (en) | Catalist for fuel cell, preparation method thereof, and fuel cell system comprising the same | |
JPH10162839A (en) | Fuel electrode for fuel cell, and manufacture thereof | |
KR100311731B1 (en) | Method for manufacturing electrode for direct methanol feul cell | |
US20050238947A1 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system including the same | |
JP2006244721A (en) | Fuel cell and its manufacturing method | |
KR102260935B1 (en) | High efficiency unitized regenerative fuel cell based on polymer electrolyte membrane, method of operating the same, and method of manufacturing the same | |
JP2001126738A (en) | Method for preparing electrode for fuel cell and direct methanol fuel cell using the same | |
KR100347873B1 (en) | electrodes treated to be magnetized and methods for the same | |
KR102172480B1 (en) | Ir-Ni based ternary electrode catalyst for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130122 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140123 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150120 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160119 Year of fee payment: 11 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170119 Year of fee payment: 12 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180122 Year of fee payment: 13 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190117 Year of fee payment: 14 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20200129 Year of fee payment: 15 |