KR100647296B1 - 금속 촉매 및 이를 포함한 전극을 채용한 연료전지 - Google Patents

금속 촉매 및 이를 포함한 전극을 채용한 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도전성 촉매 물질과 그 물질의 표면에 프로톤 전도성 물질로 된 코팅층을 갖는 금속 촉매 및 이를 채용한 전극을 구비한 연료전지를 제공한다. 본 발명의 금속 촉매는 도전성 촉매 입자 표면에 프로톤 전도성 물질이 균일하게 코팅되어 전기화학반응을 위한 삼상 계면의 형성과 제어를 용이하고, 촉매 입자상에 형성된 얇은 두께의 프로톤 전도성 물질로 된 코팅층을 통한 기체 반응물로의 촉매로의 접금을 돕고 전기화학반응으로 생성된 프로톤 이온을 효과적으로 전달한다. 이러한 촉매를 이용하여 전극을 형성하는 경우 이상적인 3상 계면 전극 구조를 형성할 수 있고, 이러한 전극을 구비한 연료전지는 효율 등의 성능이 향상된다.

Description

금속 촉매 및 이를 포함한 전극을 채용한 연료전지{Metal catalyst and a fuel cell employing an electrode including the same}
도 1a 및 1b는 본 발명 및 종래의 금속 촉매의 구조를 각각 개략적으로 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 전극의 제조공정을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 전극의 I-V 특성을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>
11… 카본 12… 프로톤 전도성 물질
13… 백금 촉매 입자
본 발명은 금속 촉매, 이를 포함한 전극을 채용한 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 전기화학반응에 참여하는 촉매의 효율이 개선되고 기체 반응물의 빠른 침투를 돕는 구조를 갖는 금속 촉매와 이를 포함하는 전극을 채용하여 효율 등의 성능이 개선된 연료전지에 관한 것이다.
연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 많은 관심과 기대를 받고 있다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 전력생성 시스템으로서, 전해질을 중심으로 애노드와 캐소드의 두 전극이 위치하는 MEA (Membrane Electrode Assembly)와 기체들을 전달하는 유로판으로 구성되어 있다. 이 때 전극은 다시 탄소종이 혹은 탄소천의 지지층 위에 형성된 촉매층으로 이루어진다. 하지만, 실제 촉매층에서 기체 반응물들의 촉매로의 접근이 어렵고 전기화학반응에 의해 생성된 프로톤 이온들의 빠른 이동이 어려워 전극내의 촉매들이 효과적으로 이용되지 못하고 있다.
상기 캐소드 및 애노드는 촉매와 이오노머를 함유하는 슬리러를 지지층인 가스 확산층 상부에 캐스팅한 뒤 건조하여 촉매층을 형성함으로써 완성된다.
상기한 바와 같이 전극의 촉매층을 제작하면, 이오노머가 촉매층에 도핑 또는 단순히 혼합되어 제작되므로 촉매와 분산성이 떨어지며 촉매층내에서 응집 현상이 심화되어 2차 기공 형성 및 이오노머 불균일 현상으로 미반응 촉매 증가에 의한 촉매 이용률 저하, 연료 공급 통로의 부족 및 연료의 투과성 저하 등 여러가지 문제점이 발생하여 성능이 현저하게 감소된다. 그리고 전기화학반응을 위한 삼상계면의 형성과 제어가 어려우며, 촉매 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 기체 반응물의 촉매로의 접근을 용이하게 하고 전기화학반응으로 생성된 프로 톤 이온을 빠르게 전달할 수 있는 이상적인 3상 계면 구조를 구비하여 촉매 효율이 개선된 금속 촉매, 그 제조방법과 상기 촉매층을 구비하여 효율이 향상된 전극, 그 제조방법 및 상기 전극을 채용하여 효율 등의 성능이 개선된 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 첫번째 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는,
도전성 촉매 물질과 그 물질의 표면에 프로톤 전도성 물질로 된 코팅층을 갖는 금속 촉매를 제공한다.
상기 프로톤 전도성 물질은 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤(PolyEtherKetone: PEK), 폴리에테르이미드(PolyEtherImide), 폴리술폰(Polysulfone), 퍼플루오로술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 이오노머(ionomer)이거나 또는 상기 이오노머에 산 도핑처리된 것이다.
상기 프로톤 전도성 물질이 도전성 촉매 물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부인 것이 바람직하다. 특히 프로톤 전도성 물질이 폴리벤즈이미다졸-산의 경우, 도전성 촉매 물질 100 중량부 기준으로 하여, 폴리벤즈이미다졸 1-50 중량부, 바람직하게는 3-10 중량부이다.
본 발명의 두번째 기술적 과제는 이오노머를 제1용매(양용매)에 혼합하여 이오노머 용액을 얻는 제1단계;
도전성 촉매 물질을 제1용매(양용매)에 혼합하여 도전성 촉매 용액을 얻는 제2단계;
상기 제2단계에 따라 얻은 도전성 촉매 용액을 상기 제1단계에 따라 얻은 이오노머 용액에 부가(dripping)하는 제3단계;
상기 제3단계에 따라 얻은 결과물을 제2용매에 부가(dripping)하는 제4단계;
상기 제4단계에 따라 얻은 결과물로부터 제1용매 및 제2용매를 제거하는 제5단계;를 포함하여
도전성 촉매 물질과 그 물질 표면상에 프로톤 전도성 물질로 된 코팅층을 갖는 금속 촉매를 제조하는 것을 특징으로 하는 금속 촉매의 제조방법에 의하여 이루어진다.
상기 제5단계로부터 얻은 결과물을 산 용액으로 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 세번째 기술적 과제는 상술한 금속 촉매를 포함하는 전극에 의하
여 이루어진다.
본 발명의 네번째 기술적 과제는 금속 촉매를 소수성 바인더 및 제3
용매와 혼합하여 촉매층 형성용 조성물을 얻는 단계;.
상기 촉매층 형성용 조성물을 전극 지지체상에 코팅 및 건조하는 단계; 및
상기 결과물을 산 용액으로 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법에 의하여 이루어진다.
본 발명의 다섯번째 기술적 과제는 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 전해질막을 포함하며,
상기 캐소드 및 애노드 중의 적어도 하나가, 상술한 금속 촉매를 함유하고 있는 연료전지에 의하여 이루어진다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 금속 촉매 물질은 도전성 촉매 물질과 그 물질의 표면에 프로톤 전도성 물질로 된 코팅층을 갖는다. 상기 프로톤 전도성 물질은 폴리벤즈이미다졸, PEK(PolyEtherKetone), PEI(PolyEtherImide), 폴리술폰(Polysulfone), 퍼플루오로술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 이오노머(ionomer)이거나 또는 상기 이오노머에 산 도핑처리된 것이다.
상기 산은 특별하게 제한되는 것은 아니며, 예로서 인산 등을 들 수 있다. 상기 인산으로는 인산이 물에 희석된 약 85 중량%의 인산 수용액을 사용한다.
상기 도전성 촉매 물질로는 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 그 혼합물, 그 합금, 및 상기 원소들이 담지된 카본 물질이 있다.
바람직하게는 상기 도전성 촉매 물질은 백금이 담지된 카본 (Pt/C)이고, 상기 프로톤 전도성 물질이 PBI가 인산 도핑 처리된 것이다.
바람직한 폴리벤즈이미다졸의 인산 흡수 정도는 200-750 mol%의 범위이다.
본 발명의 금속 촉매에 있어서, 상기 프로톤 전도성 물질의 함량은 도전성 촉매 물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부이다. 만약 프로톤 전도성 물질의 함량이 1 중량부 미만이면 촉매층 내, 삼상계면 형성에 필요한 폴리벤즈이미다졸의 함량이 부족하게 되어 촉매의 효율 저하를 초래하고, 50 중량부를 초과하 면 폴리벤즈이미다졸이 촉매 위에 두꺼운 층을 형성하여 기체 반응물들의 촉매로의 확산을 느리게하여 바람직하지 못하다.
도 1a를 참조하여 본 발명의 금속 촉매의 구조를 설명하기로 하되, 도전성 촉매로는 카본에 담지된 백금(Pt/C) 촉매를 그리고 프로톤 전도성 물질로는 폴리벤즈이미다졸(PBI)를 일예로 들어 살펴보기로 한다.
금속 촉매(10)는 카본(11) 상부에 PBI(12)가 코팅되어 있고, 카본(11)의 표면상부에는 백금(Pt) 입자(13)가 존재하며, 도면에는 나타나 있지 않으나 백금 입자(13) 표면에도 PBI가 다공성을 가지며 얇게 코팅되어 있다.
그리고 도면에는 미도시된 상태이나, 상기 PBI에 인산과 같은 산 도핑을 실시하면 PBI의 N-H 사이트에 H3PO4가 수소 결합으로 결합되어 프로톤 전도 경로가 형성된다. 여기에서 카본(11)은 전자 이동 경로가 되고, 프로톤은 인산을 통하여 전달된다.
도 1b는 통상적인 금속 촉매의 구조를 나타낸 도면이다.
이를 참조하면, 통상적인 금속 촉매(10)은 카본(11) 표면에 백금 입자(13)가 존재하고, 상기 카본(11) 표면 근처에 PBI(12)가 존재한다. 이러한 구조를 갖는 경우, PBI와 Pt/C와의 분산성이 떨어지며 전기화학반응을 위한 삼상 계면의 확보가 어려워져 촉매의 효율이 저하하게 된다.
본 발명에서 도전성 촉매인 Pt/C 분말상에 PBI가 코팅되는 원리에 대하여 살펴보면, 상분리 현상에 의한 고분자 석출로 설명될 수 있다.
비결정성 PBI를 양용매(good solvent)인 제1용매(예: NMP)중에 완전용해하여 균일한 용액을 형성함과 동시에, 이와 별도의 용기에 Pt/C 분말을 제1용매인 NMP에 혼합한 후, 상기 PBI-NMP 용액과 Pt/C-NMP 용액을 균일하게 교반 및 혼합한다. 그리고 상기 PBI-NMP 용액과 Pt/C-NMP 용액의 혼합물을 PBI에 대한 용해성이 전혀 없는 제2용매인 비용매(Non solvent)(예: 물 또는 헥산)에 적정하면 양용매와 비용매간에 상분리 현상이 유도되어 PBI막이 Pt/C 분말상에 코팅된다. 이 때 상분리 원리에 의하여 Pt/C 분말에 석출되는 PBI막의 두께 및 흡착 정도는 상기 혼합용액의 교반기 회전 rpm 및 초음파 세기 등에 따라 조절될 수 있다.
상기 혼합용액의 회전속도는 약 250RPM, 초음파 세기 조건은 0.3kW, 시간은 20-30min.이다.
본 발명에서는, PBI와 같은 이오노머가 도전성 촉매를 둘러싸고 있는 구조를 사전에 형성하고 그 이후에 프로톤 전도성을 부여하여 전기화학반응을 위한 삼상계면의 형성과 제어를 용이하도록 함과 동시에, 촉매상에 형성된 얇은 두께의 코팅층을 통한 기체 반응물로의 촉매로의 접금을 돕고 전기화학반응으로 생성된 프로톤 이온을 효과적으로 전달한다.
이하, 본 발명에 따른 금속 촉매 및 이를 이용한 전극의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 금속 촉매 및 이를 이용한 전극의 제조공정을 설명하기 도면이다. 이를 참조하여, 먼저 도전성 촉매 물질이 산에 의하여 도핑된 경우, 도전성 촉매 물질과 프로톤 전도가 가능한 이오노머를 각각 제1용매에 용해 또는 분산 하여 도전성 촉매 용액 B과 이오노머 용액 A을 각각 얻는다. 여기에서 이오노머의 예로는 폴리벤즈이미다졸, PEK(PolyEtherKetone), PEI(PolyEtherImide), 폴리술폰, 퍼플루오로술폰산(상품명: 나피온) 등이 있다. 그리고 상기 이오노머의 함량은 도전성 촉매 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부를 사용한다. 만약 이오노머의 함량이 1 중량부 미만이면, 촉매층 내, 삼상계면 형성에 필요한 폴리벤즈이미다졸의 함량이 부족하게 되어 촉매의 효율 저하를 초래하고, 50 중량부를 초과하면 폴리벤즈이미다졸이 촉매 위에 두꺼운 층을 형성하여 기체 반응물들의 촉매로의 확산을 느리게하여 바람직하지 못하다.
상기 제1용매는 양용매(good solvent)로서, 프로톤 전도성 물질에 대한 용해도를 지녀야 하며, 금속 촉매에 대한 좋은 분산성을 갖는 특성을 갖고 있고, 구체적인 예로서, N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), 트리플루오로아세트산(TFA) 등이 있다. 여기에서 상기 도전성 촉매 물질을 용해하기 위한 제1용매의 함량은 도전성 촉매 물질 100 중량부를 기준으로 하여 400 내지 600 중량부를 사용하고, 상기 이오노머를 용해하기 위한 제1용매의 함량은 이오노머 100 중량부를 기준으로 하여 4000 내지 6000 중량부를 사용한다. 만약 제1용매의 함량이 상기 범위 미만이면, 프로톤 전도성 물질을 충분히 용해하지 못하며, 도전성 촉매 물질을 균일하게 분산시키지 못하고, 상기 범위를 초과하여 사용되면 슬러리 형성에 바람직하지 못하다.
상기 이오노머 용액 A을 도전성 촉매 용액 B에 적가하고 나서, 이 혼합물을 제2용매에 적정하는 과정을 거친다.
이러한 적정과정을 통하여 상분리 현상에 의하여 교반 rpm과 초음파에 의한 분산에 의하여 석출된 이오노머막이 도전성 촉매 표면에 화학적으로 흡착되어 도전성 촉매와 이오노머간의 결합이 유지된다.
상기 제2용매는 저비점이라서 건조가 잘 되는 특성을 갖고 있고, 이러한 용매는 일명 "비용매"라고 한다. 이러한 제2용매의 구체적인 예로서, 물, 헥산중에서 선택된 하나 이상을 사용한다. 그리고 제2용매의 함량은 이오노머 100 중량부를 기준으로 하여 20000 내지 30000 중량부를 사용한다.
상술한 과정후, 상기 과정에 따라 얻은 결과물을 산 용액을 처리하는 단계를 거칠 수 있다. 이 때 상기 산 용액으로는 인산을 사용한다.
상기한 바와 같은 과정을 거치면 대응되는 염이 형성되어 최종적으로 도전성 촉매의 표면에 프로톤 전도성 물질로 된 코팅층을 갖는 금속 촉매를 얻을 수 있다. 상기 코팅층은 본 발명의 상분리 원리에 의해, PBI의 적정 농도에 따라, 촉매 Pt/C 표면에는 다공성의 불연속적 또는 연속적인 코팅층이 형성된다. 즉, 농도가 증가 할수록 연속적인 코팅층이 형성되나, PBI의 함량이 Pt/C와 PBI의 총중량 100 중량%를 기준으로 하여 약 15-20wt% 미만의 경우, 다공성 불연속층이 형성된다.
상기한 바와 같은 금속 촉매를 소수성 바인더 및 제3용매와 혼합하고 이를 가스 확산층(GDL)에 캐스팅한 후, 이를 건조하면 전극이 얻어진다. 여기에서 상기 전극 지지체로는 탄소 종이 또는 탄소 천 등을 사용한다.
상기 소수성 바인더의 예로서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불소화된 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene: FEP) 등을 들 수 있고, 이의 함 량은 금속 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 40 중량부인 것이 바람직하다. 만약 소수성 바인더의 함량이 상기 범위를 벗어나면 프로톤 전도도 및 전기전도도 측면에서 바람직하지 못하다.
상기 제3용매 및 그의 함량은 소수성 바인더 물질에 따라서 달라지며, 제3용매의 예로서 물, 이소프로필알콜 또는 그 혼합용매를 사용한다. 그리고 그 함량은 금속 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 500 내지 10,000 중량부이다.
상기 건조과정을 실시하기 위한 조건은 특별하게 한정되는 것은 아니지만, 60-120℃에서 일반 건조하거나 또는 -20 내지 -60℃에서 동결건조하는 것이 가능하다. 만약 일반건조시 상기 온도 범위를 벗어나면 건조가 잘 이루어지지 않거나, 카본 담체가 산화되고, 동결건조시 상기 범위를 벗어나면 응집 현상이 발생하여 바람직하지 못하다.
이어서, 상기 과정에 따라 얻어진 전극에 인산 용액과 같은 산 용액을 도핑하는 과정을 거친다. 만약 금속 촉매 입자에 PBI 고분자를 코팅하는 경우, 이와 같은 인산 용액의 도핑과정을 거치게 되면 PBI 고분자의 N-H 사이트에 H3PO4가 수소 결합으로 결합하므로 프로톤 전도 경로가 형성된다.
이하에서는, 본 발명의 연료전지를 상세히 설명한다.
본 발명의 연료전지는 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 전해질막을 포함하는데, 이때, 상기 캐소드 및 애노드 중의 적어도 하나가, 앞에서 설명한 본 발명의 담지 촉매를 함유하고 있다.
본 발명의 연료전지는, 구체적인 예를 들면, 인산형 연료전지(PAFC), 수소 이온 교환막 연료전지(PEMFC) 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)로서 구현될 수 있다. 이러한 연료전지의 구조 및 제조 방법은 특별히 한정되지 않으며, 구체적인 예가 각종 문헌에 상세히 공지되어 있으므로 여기에서는 더이상 상세히 설명하지 않는다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
PBI 0.2g을 NMP 10ml와 상온에서 250rpm으로 30분동안 교반하여 PBI 용액을 제조하였다.
이와 별도로 Pt/C 2.0g을 NMP 10ml와 상온에서 250rpm으로 10분동안 교반하여 Pt/C 용액을 제조하였다.
초음파 조건하에서 상기 PBI 용액에 Pt/C 용액을 적가한 다음, 이를 물 50ml에 소량씩 적가하였다. 그리고 나서, 상기 용액을 80 o C에서 24시간동안 PBI 코팅층을 갖는 Pt/C 촉매를 얻었다.
상기 PBI 코팅층을 갖는 Pt/C 촉매 1 g을 소수성 바인더인 플루오로사프(상품명) 0.1g과 용매 9.9 ml를 혼합하여 상온에서 3시간 가량 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 슬러리 상태로 얻었다.
상기 슬리러를 탄소 종이위에 애플리케이터(갭: 약 120㎛)를 사용하여 코팅 한 다음, 이를 80℃에서 3시간동안 그리고 120℃에서 1시간동안 건조하여 전극을 완성하였다.
실시예 2
PBI 코팅층을 갖는 Pt/C 촉매 제조시 물 대신 헥산을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 전극을 완성하였다.
실시예 3
PBI 코팅층을 갖는 Pt/C 촉매 제조시, 일반건조 대신 동결건조를 실시하는 것을 제외하고는,실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 전극을 완성하였다.
실시예 4
제조된 PBI 코팅층을 갖는 Pt/C 촉매에 인산을 처리한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 전극을 완성하였다.
실시예 5
완성된 전극에 인산을 처리한 후, 연료전지 셀을 구성하였다.
실시예 6
실시예 6의 연료전지는, 실시예 1의 촉매를 함유하는 캐소드, PtRu 블랙 (PtRu black) 촉매를 함유하는 애노드, 및 나피온 117 전해질막으로 구성되었다. 그리고 연료로는 수소를 산화제로는 공기를 이용하였다.
비교예 1
Pt/C 촉매 1g을 PBI 0.1g, 소수성 바인더를 혼합하여 상온에서 3시간 가량 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 슬러리 상태로 얻었다.
상기 슬리러를 탄소 종이위에 애플리케이터(갭: 약 120㎛)를 사용하여 코팅한 다음, 이를 80℃에서 3시간동안 그리고 120℃에서 1시간동안 건조하여 전극을 완성하였다.
상기 실시예 1에 따라 제조된 전극의 전류-전압(I-V) 특성을 살펴보았고, 그 결과는 도 3에 나타난 바와 같다.
도 3은 본 발명에 의한 PBI 코팅 촉매 분말을 적용한 전극과 종래 방식에 의해 제작된 전극을 채용한 단위셀의 분극 특성을 보여 준다. 애노드에는 순수 수소가 100ml/min으로, 캐소드에는 공기(air)가 200ml/min으로 각각 공급되었으며, 단위 셀은 150℃에서 운행되었다. 전류 밀도 0.2A/cm2에서 실시예의 경우 약 0.53V를 보였으며, 비교예의 약 0.5V에 비해 보다 우수한 특성이 얻어졌다.
또한, 상기 실시예 1에 따라 Pt/C 분말상에 PBI 코팅 정도를 정량적으로 확인하기 위하여 TEM-EDS 분석을 실시하였다.
분석 결과, 종래 방식에 의해 제작된 전극(비교예 1)에서 Pt/C 분말 표면의 경우 PBI의 N의 함량이 약 40wt%로 확인되었으나, 본 발명에 의한 PBI가 코팅된 Pt/C 분말상의 경우 N의 함량이 약 20wt%로 확인되었다. 따라서, 상기 실시예 1의 경우는 Pt/C상에 PBI가 보다 균일하게 코팅되어 있다는 것을 알 수 있었다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 금속 촉매는 도전성 촉매 입자 표면에 프로톤 전도성 물질이 균일하게 코팅되어 전기화학반응을 위한 삼상 계면의 형성과 제어를 용이하고, 촉매 입자상에 형성된 얇은 두께의 프로톤 전도성 물질로 된 코팅층을 통한 기체 반응물로의 촉매로의 접금을 돕고 전기화학반응으로 생성된 프로톤 이온을 효과적으로 전달한다. 이러한 촉매를 이용하여 전극을 형성하는 경우 이상적인 3상 계면 전극 구조를 형성할 수 있고, 이러한 전극을 구비한 연료전지는 효율 등의 성능이 향상된다.

Claims (22)

  1. 도전성 촉매 물질과 그 물질의 표면에 프로톤 전도성 물질로 된 코팅층을 갖고, 상기 도전성 촉매 물질이 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 그 혼합물, 그 합금, 및 상기 원소들이 담지된 카본 물질인 것을 특징으로 하는 금속 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로톤 전도성 물질이 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, PEK(PolyEtherKetone), PEI(PolyEtherImide), 폴리술폰(Polysulfone) 및 퍼플루오로술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 이오노머(ionomer)이거나 또는 상기 이오노머에 산 도핑처리된 것임을 특징으로 하는 금속 촉매.
  3. 제2항에 있어서, 상기 산이 인산인 것을 특징으로 하는 금속 촉매.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 도전성 촉매 물질이 백금이 담지된 카본 (Pt/C)이고, 상기 프로톤 전도성 물질이 폴리벤즈이미다졸(PBI)이 인산 도핑 처리된 것임을 특징으로 하는 금속 촉매.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프로톤 전도성 물질의 함량이 도전성 촉매 물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부인 것을 특징으로 하는 금속 촉매.
  7. 이오노머를 제1용매에 혼합하여 이오노머 용액을 얻는 제1단계;
    도전성 촉매 물질을 제1용매에 혼합하여 도전성 촉매 용액을 얻는 제2단계;
    상기 제2단계에 따라 얻은 도전성 촉매 용액을 상기 제1단계에 따라 얻은 이오노머 용액에 부가(dripping)하는 제3단계;
    상기 제3단계에 따라 얻은 결과물을 제2용매에 부가(dripping)하는 제4단계;
    상기 제4단계에 따라 얻은 결과물로부터 제1용매 및 제2용매를 제거하는 제5단계;를 포함하여 도전성 촉매 물질과 그 물질 표면상에 프로톤 전도성 물질로 된 코팅층을 갖는 금속 촉매를 제조하고,
    상기 제1용매가 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF) 및 트리플루오로아세트산(TFA)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고,
    상기 제2용매가 물 및 헥산중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금속 촉매의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제5단계에 따라 얻은 결과물을 산 용액으로 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 촉매의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 산 용액이 인산인 것을 특징으로 하는 금속 촉매의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서, 상기 이오노머가 폴리벤즈이미다졸, PEK(PolyEtherKetone), PEI(PolyEtherImide), 폴리술폰 및 퍼플루오로술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금속 촉매의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 이오노머의 함량이 도전성 촉매 물질 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 50 중량부인 것을 특징으로 하는 금속 촉매의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 제1단계에서 제1용매의 함량은 이오노머 100 중량부를 기준으로 하여 4000 내지 6000 중량부이고,
    상기 제2단계에서 제1용매의 함량은 도전성 촉매 물질 100 중량부를 기준으로 하여 400 내지 600 중량부인 것을 특징으로 하는 금속 촉매의 제조방법.
  15. 제7항에 있어서, 상기 제4단계에서 제2용매의 함량은 이오노머 100 중량부를 기준으로 하여 20000 내지 40000 중량부인 것을 특징으로 하는 금속 촉매의 제조방법.
  16. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항중 어느 한 항에 따른 금속 촉매를 포함하는 전극.
  17. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항중 어느 한 항에 따른 금속 촉매를 소수성 바인더 및 제3용매와 혼합하여 촉매층 형성용 조성물을 얻는 단계;
    상기 촉매층 형성용 조성물을 전극 지지체상에 코팅 및 건조하는 단계; 및
    상기 결과물을 산 용액으로 처리하는 단계;를 포함하며,
    상기 제3용매가 물, 이소프로필알콜 또는 그 혼합용매인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 소수성 바인더가 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불소화된 에틸렌 프로필렌(FEP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, 그 함량은 금속 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 1 내지 40 중량부인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  19. 삭제
  20. 제17항에 있어서, 상기 산 용액이 인산 용액인 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 건조시 60-120℃에서 건조하거나 또는 -20 내지 -60℃에서 동결건조하는 것을 특징으로 하는 전극의 제조방법.
  22. 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 전해질막을 포함하며,
    상기 캐소드 및 애노드 중의 적어도 하나가, 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항중 어느 한 항에 따른 금속 촉매를 함유하고 있는 연료전지.
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