KR100570692B1 - 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 촉매는 금속 및 상기 금속 표면에 형성된 표면 처리 층을 포함한다.
본 발명의 연료 전지용 촉매는 향상된 수명 특성을 나타내는 연료 전지를 제공할 수 있다.
연료전지,촉매,산화물,수산화물,B2O3,수명

Description

연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지{CATALYST FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 전극을 포함하는 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따른 연료 전지의 성능을 나타낸 그래프.
[산업상 이용 분야]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
본 발명의 목적은 연료 전지의 수명을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료 전지용 촉매를 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속 및 상기 금속 표면에 형성된 표면 처리 층을 포함하는 연료 전지용 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극 중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 상기 촉매를 포함하는 것인 연료 전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지의 수명을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 촉매에 관한 것이다.
본 발명의 연료 전지용 촉매는 금속 및 이 금속 표면에 형성된 표면 처리 층을 포함한다. 상기 표면 처리 층은 표면 처리 화합물을 포함하는 수용액에 상기 금속을 침지하고, 이 침지된 금속을 건조 또는 열처리하는 공정으로 형성된다. 이 공정에 따라, 금속 표면에 수산화물 층 또는 산화물 층이 형성되며, 이러한 표면 처리 층은 연료 전지에서 촉매 역할을 하는 금속이 전지 작동 시간이 경과함에 따라 서로 응집되어 결과적으로 전지 수명이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상기 침지 공정에서, 상기 금속과 상기 표면 처리 화합물의 혼합 비율은 중량비로 0.01 내지 5 : 0.1 내지 1이 바람직하다.
상기 표면 처리 화합물로는 B2O3, Al-이소프로폭사이드, 인산, 디암모늄-하이드로젠포스페이트, 테트라-오르소 실리케이트, 틴 옥사이드 및 Al 나이트레이트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 표면 처리 화합물을 사용하여 형성된 표면 처리 층은 B, Al, P, Si 또는 Sn을 포함하는 수산화물 층 또는 산화물 층으로서, 그 예를 들면, B2O3, Al2O3 , P2O5, SiO2, SnO2 등의 산화물 층이 형성될 수 있다.
표면 처리 화합물을 포함하는 수용액의 농도는 1 내지 10 중량%인 것이 적당하다. 이러한 표면 처리 화합물을 포함하는 수용액의 농도가 농도가 1 중량% 미만으로 너무 묽으면, 필요 이상의 용매가 사용되어 건조에 시간이 많이 걸리고, 10 중량%를 초과하게 너무 진하면, 충분히 고르게 분산시키기 어려워 바람직하지 않다. 이러한 수용액의 농도는 금속과 표면 처리 화합물의 혼합 비율에 따라 적당하게 조절될 수 있다. 또한, 상기 표면 처리 화합물을 포함하는 용액에서 용매로 알콜을 사용하는 경우에는 연료 전지 작동 중에 화재가 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 금속으로는 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 금속으로서, 그 대표적인 예로는 백금, 백금과 전이 금속 또는 이들을 포함하는 이원계 내지 사원계 합금을 사용할 수 있다. 이들의 예로는 백금-루테늄, 백금-크롬, 백금-구리, 백금-니켈 또는 이들을 조합한 삼원계 또는 사원계 합금들을 들 수 있다. 이러한 금속이 고가의 귀금속이므로 담체에 담지시켜 귀금속 사용량을 감소시키는 것이 바람직하다. 상기 담체로는 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 탄소를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 침지 공정은 5 내지 30 분 동안 실시하는 것이, 금속 표면에 적절한 표면 처리 층을 형성시킬 수 있어 좋다.
표면 처리층의 두께가 너무 두꺼우면 전도도가 떨어져 성능 저하를 가져 올 수 있으며, 너무 얇으면 표면 처리층에 의한 효과가 미미하여 바람직하지 않다. 표면 처리층 두께는 코팅 용액의 농도, 건조 또는 열처리 온도 및 시간에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
또한, 침지 공정을 완료한 후, 표면 처리 화합물을 포함하는 수용액이 침지 된 금속은 용액으로부터 꺼내어 건조 공정 또는 열처리 공정을 실시한다. 상기 건조 공정은 80 내지 300℃에서 1 내지 10시간 동안 또는 300℃ 초과, 800℃의 온도에서 1 내지 10 시간 동안 실시한다. 이 건조 공정 또는 열처리 공정에 따라 금속에 침지된 표면 처리 화합물을 포함하는 수용액에서 수분이 휘발되어, 최종적으로 금속 표면에 표면 처리 화합물, 즉 수산화물 또는 산화물만 잔존하게 되어, 표면에 수산화물 층 또는 산화물 층의 표면 처리 층이 형성된 금속을 포함하는 연료 전지용 촉매가 제조된다.
연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 수소 산화용 애노드 및 산소의 환원용 캐소드로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 촉매는 캐소드 및 애노드 전극에 모두 사용할 수 있다. 즉, 연료 전지에서 수소 또는 연료를 상기 애노드에 공급하고 산소를 상기 캐소드에 공급하여, 애노드와 캐소드의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 애노드에서 유기 연료의 산화 반응이 일어나고 캐소드에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극간의 전압차를 발생시키게 된다.
도 1에 캐소드(10a) 및 애노드 전극(10b)을 포함하고, 상기 캐소드(10a) 및 애노드(10b) 전극 사이에 고분자 전해질막(15)이 위치하는 막/전극 접합체(20)가 구비된 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타내었다.
상기 고분자 전해질막(15)은 양성자-전도성 중합체 물질, 즉 이오노머(ionomer)로 이루어지며, 일반적으로 설폰산 그룹을 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아 릴 케톤 또는 폴리벤즈이미다졸 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로 상기 고분자 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
이 막/전극 접합체(20)를 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고, 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 연료 전지를 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
1 중량% 농도의 B2O3 수용액 10g과 탄소에 담지된 백금(Pt/C)(탄소 담체 질량에 대하여 백금이 20 중량% 포함되어 있음) 분말 3g을 균일하게 혼합한 후, 130℃ 오븐에서 10시간 동안 건조하여 수분을 제거하여 B2O3 층이 표면에 형성된 Pt/C 촉매를 제조하였다.
(실시예 2)
B2O3 수용액의 농도를 3 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 1)
탄소에 담지된 백금 촉매(Pt/C)(탄소 담체 질량에 대하여 백금이 20 중량% 포함되어 있음)를 사용하였다.
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1의 연료 전지용 촉매를 이용하여 통상의 방법으로 막/전극 접합체를 제조하고, 이를 이용하여 단위 전지 테스트(unit cell test)를 실시하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다. 또한, 일정전류(600mA/cm2 ) 하에서 장시간 수명 테스트를 실시한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
작동시간(600mA/ cm2로 구동시) 전압 강하 (Voltage drop)
0시간 1000시간
비교예 1 0.69 V 0.55 V 0.14
실시예 1 0.62 V 0.59 V 0.03
실시예 2 0.64 V 0.62 V 0.02
도 2에 나타낸 것과 같이, 실시예 1 및 2의 촉매를 사용한 연료 전지의 성능은 비교예 1보다 약간 저하된 것으로 나타났으나, 상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 600mA/ cm2 로 계속 전류를 뽑아 주며 장시간 수명 테스트를 실시한 결과 실시예 1 및 2의 촉매를 사용한 연료 전지의 전압강하가 월등하게 작아 수명 유지율이 비교예 1에 비하여 월등하게 우수함을 알 수 있다. 이러한 결과는 실시예 1 및 2의 촉매는 표면에 산화물 층이 형성되어 있어, 연료 전지가 작동하면서 백금 촉매가 응집되는 것이 방지됨에 따른 것으로 생각된다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 연료 전지용 촉매는 향상된 수명 특성을 나타내는 연료 전지를 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. 금속; 및
    상기 금속 표면에 형성된 표면 처리 층을 포함하며,
    상기 표면 처리층은 B, Al, P, Si, Sn 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 원소를 포함하는 수산화물 또는 산화물을 포함하는 것인 연료 전지용 촉매.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 처리층은
    상기 금속을 표면 처리 화합물을 포함하는 수용액에 침지하고;
    상기 침지된 금속을 건조 또는 열처리하는
    공정으로 형성되는 것인 연료 전지용 촉매.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 표면 처리 화합물은 B2O3, Al-이소프로폭사이드, 인산, 디암모늄-하이드로젠포스페이트, 테트라-오르토실리케이트, 틴 옥사이드 및 Al 나이트레이트로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 촉매.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 표면 처리 화합물을 포함하는 수용액의 농도는 1 내 지 10 중량%인 연료 전지용 촉매.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 금속과 상기 표면 처리 화합물의 혼합 비율은 중량비로 0.01 내지 5 : 0.1 내지 1인 연료 전지용 촉매.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속은 백금 또는 백금과 전이 금속의 이원계 내지 4원계 합금인 연료 전지용 촉매.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 금속은 담체에 담지된 것인 연료 전지용 촉매.
  9. 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극 중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 금속; 및 상기 금속 표면에 형성된 표면 처리 층을 포함하는 촉매를 포함하는 것인 연료 전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 표면 처리층은 B, Al, P, Si 및 Sn을 포함하는 수산화물 또는 산화물을 포함하는 것인 연료 전지.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 금속은 백금 또는 백금과 전이 금속의 이원계 내지 4원계 합금인 연료 전지.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 금속은 담체에 담지된 것인 연료 전지.
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