KR100717797B1 - Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 캐소드 촉매는 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 담지된 결정질 M1-M2-Ch 및 비정질 M1-M2-Ch(M1은 Ru, Pt 및 Rh로 이루어진 군에서 선택되는 금속이고, M2는 W 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 금속이며, Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 칼코겐 원소이다)을 포함한다. The present invention relates to a cathode catalyst for a fuel cell, a membrane-electrode assembly and a fuel cell system for a fuel cell comprising the same, wherein the cathode catalyst is a carbon-based material and crystalline M 1 -M 2 -Ch and amorphous supported on the carbon-based material. M 1 -M 2 -Ch (M 1 is a metal selected from the group consisting of Ru, Pt and Rh, M 2 is a metal selected from the group consisting of W and Mo, Ch is a group consisting of S, Se and Te) Is a chalcogen element selected from).

본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하여, 그를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. The cathode catalyst for a fuel cell of the present invention is excellent in activity and selectivity for a reduction reaction of an oxidant, and has an advantage of improving performance of a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell system including the same.

연료 전지, 전극, 비정질, 결정질, M1-M2-Ch Fuel Cell, Electrode, Amorphous, Crystalline, M1-M2-Ch

Description

연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템{CATHODE CATALYST FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell system for fuel cell comprising same {CATHODE CATALYST FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 단면을 모식적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing a cross section of a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.2 schematically illustrates the structure of a fuel cell system according to an embodiment of the invention.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 촉매의 X-Ray 회절 분석 결과를 나타낸 그래프.3 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the catalyst prepared according to Example 1 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 1의 촉매의 TEM(transmission electron microscopy)사진.4 is a transmission electron microscopy (TEM) photograph of the catalyst of Example 1 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 촉매의 전압 변화에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프. 5 is a graph showing the current density according to the voltage change of the catalyst of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

[산업상 이용 분야] [Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하며, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode catalyst for a fuel cell, a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell system including the same, and more particularly, has an excellent activity and selectivity for a reduction reaction of an oxidant, and includes a membrane-electrode for a fuel cell including the same. A cathode catalyst capable of improving the performance of an assembly and a fuel cell system, and a membrane-electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell system comprising the same.

[종래 기술]  [Prior art]

연료 전지(Fuel cell)는 수소 또는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목 받고 있다. A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of hydrogen and oxidant contained in hydrogen or hydrocarbon-based material directly into electrical energy. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

일반적으로 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.In general, polymer electrolyte fuel cells have the advantages of high energy density and high output, but they require attention to the handling of hydrogen gas and fuels for reforming methane, methanol and natural gas to produce hydrogen, fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a reforming device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 반응속도가 느려서 고분자 전해질형에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 전극 촉매를 사용하여야 하나, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮으며 특히 연료 개질 장치를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.In contrast, the direct oxidation fuel cell has a slower reaction rate, which results in lower energy density, lower power, and a larger amount of electrode catalyst than the polymer electrolyte type, but it is easy to handle liquid fuel and has a low operating temperature. In particular, it has the advantage of not requiring a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다. In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity may comprise several to tens of unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (or bipolar plate). It has a laminated structure. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer therebetween. Has a structure in which

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다. The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

본 발명의 목적은 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수한 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a cathode catalyst for a fuel cell having excellent activity and selectivity for the reduction reaction of an oxidant.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다. Yet another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the cathode catalyst.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly for the fuel cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 담지된 결정질 M1-M2-Ch 및 비정질 M1-M2-Ch(M1은 Ru, Pt 및 Rh로 이루어진 군에서 선택되는 금속이고, M2는 W 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 금속이며, Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 칼코겐 원소이다)을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is a carbon-based material and crystalline M 1 -M 2 -Ch and amorphous M 1 -M 2 -Ch supported on the carbon-based material (M 1 is Ru, Pt and Rh group It is a metal selected from, M 2 is a metal selected from the group consisting of W and Mo, Ch is a chalcogen element selected from the group consisting of S, Se and Te) provides a cathode catalyst for a fuel cell.

본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 도전성 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하고, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 상기 본 발명의 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also includes an anode electrode and a cathode electrode positioned to face each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, the anode electrode and the cathode electrode comprises a conductive electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate It includes, and the catalyst layer of the cathode electrode provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the cathode catalyst of the present invention.

본 발명은 또한, 상기 본 발명의 막-전극 어셈블리와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. The present invention also provides an electricity generator including the membrane electrode assembly of the present invention and separators located on both sides of the membrane electrode assembly, a fuel supply unit supplying fuel to the electricity generator, and an oxidant to the electricity generator. It provides a fuel cell system comprising an oxidant supply.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

연료 전지(Fuel cell)는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기 에너지를 얻어내는 발전 시스템으로, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 캐소드 전극에서는 산화제의 환원 반응이 일어난다. A fuel cell is a power generation system that obtains electrical energy through oxidation of a fuel and reduction of an oxidant. An oxidation reaction of a fuel occurs at an anode electrode and a reduction reaction of an oxidant occurs at a cathode electrode.

애노드 전극과 캐소드 전극의 촉매층에는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 촉진시킬 수 있는 촉매가 사용되는데, 애노드 전극의 촉매층에는 백금-루테늄이, 캐소드 전극의 촉매층에는 백금이 대표적으로 사용된다. Catalysts capable of promoting the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant are used for the catalyst layers of the anode electrode and the cathode electrode, and platinum-ruthenium is typically used for the catalyst layer of the anode electrode and platinum is used for the catalyst layer of the cathode electrode.

그러나, 캐소드 촉매로 사용되는 백금은 산화제의 환원 반응에 대한 선택성이 부족하고, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에서 전해질 막을 통과하여 캐소드 영역으로 넘어 온 연료에 의해 감극(減極, depolarized)되어 비활성화 되는 문제가 있어, 백금을 대신할 수 있는 촉매에 대한 관심이 집중되고 있다. However, the platinum used as the cathode catalyst lacks the selectivity for the reduction reaction of the oxidant, and is depolarized by the fuel that has passed through the electrolyte membrane to the cathode region in a direct oxidation fuel cell. As a result, there is a problem of deactivation, and attention is focused on a catalyst that can replace platinum.

본 발명의 캐소드 촉매는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 담지된 결정질 M1-M2-Ch 및 비정질 M1-M2-Ch(M1은 Ru, Pt 및 Rh로 이루어진 군에서 선택되는 금속이고, M2는 W 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 금속이며, Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 칼코겐 원소이다)을 포함하는 것으로서, 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성 및 선택성을 나타낸다. Cathode catalyst of the present invention is to solve the above problems, the carbon-based material and the crystalline M 1 -M 2 -Ch and amorphous M 1 -M 2 -Ch supported on the carbon-based material (M 1 is Ru, A metal selected from the group consisting of Pt and Rh, M 2 is a metal selected from the group consisting of W and Mo, and Ch is a chalcogen element selected from the group consisting of S, Se, and Te). It exhibits good activity and selectivity for the reduction of oxidants.

M1은 Ru, Pt 및 Rh로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로, Ru, Pt 및 Rh는 백 금계 금속 원소로서 산화제의 환원 반응에 대한 높은 활성을 나타낸다. 다만, 공기 중의 산소는 상기 금속들에 쉽게 흡착하여 산화물을 형성하고, 이러한 산소는 산화제의 환원 반응이 일어나는 상기 금속들의 활성 중심(active center)을 막아 산화제의 환원 반응을 어렵게 만든다. M 1 is a metal selected from the group consisting of Ru, Pt, and Rh, and Ru, Pt, and Rh are platinum-based metal elements and exhibit high activity for the reduction reaction of the oxidant. However, oxygen in the air easily adsorbs to the metals to form an oxide, and this oxygen makes the reduction reaction of the oxidant difficult by blocking an active center of the metals in which the reduction reaction of the oxidant occurs.

Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 칼코겐 원소로서, S, Se 또는 Te은 상기 Ru, Pt 또는 Rh과 결합하여, 공기 중의 산소가 Ru, Pt 또는 Rh에 흡착하여 산화물을 형성하는 것을 막는다.Ch is a chalcogen element selected from the group consisting of S, Se, and Te, and S, Se, or Te combines with Ru, Pt, or Rh, and oxygen in the air adsorbs to Ru, Pt, or Rh to form an oxide. To prevent

M2는 W 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로, W 또는 Mo은 전자를 Ru, Pt 또는 Rh에 제공하여 Ru, Pt 또는 Rh의 활성을 향상시킨다.M 2 is a metal selected from the group consisting of W and Mo, where W or Mo provides electrons to Ru, Pt or Rh to enhance the activity of Ru, Pt or Rh.

결국, M1-M2-Ch은 산화제의 환원 반응에 대한 높은 활성뿐만 아니라, 우수한 선택성을 가져, 캐소드 전극으로 연료가 크로스오버 되더라도 캐소드 전극의 성능을 유지시킬 수 있다. As a result, M 1 -M 2 -Ch not only has a high activity for the reduction reaction of the oxidant, but also has excellent selectivity, so that the performance of the cathode can be maintained even if the fuel is crossover to the cathode.

상기 M1-M2-Ch 에 있어서, M1과 M2의 비는 1 대 6 내지 8인 것이 바람직하다. M1과 Ch의 비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 촉매의 활성이 떨어지는 문제가 있다. 또한, M1과 Ch의 비는 1 대 0.5 내지 1인 것이 바람직하다. M1에 대한 Ch의 비가 0.5 미만인 경우 산소 환원 반응에 대한 선택성이 떨어지고, M1에 대한 Ch의 비가 1을 초과할 경우 촉매 활성이 저하되는 문제가 있다. In the M 1 -M 2 -Ch, the ratio of M 1 and M 2 is preferably 1 to 6 to 8. If the ratio of M 1 and Ch is out of the above range, there is a problem in that the activity of the catalyst falls. Incidentally, the ratio of M 1 and Ch is preferably 1 to 0.5 to 1. If the ratio of Ch to M 1 is less than 0.5, the selectivity to the oxygen reduction reaction is inferior, and if the ratio of Ch to M 1 exceeds 1, there is a problem that the catalytic activity is lowered.

본 발명의 캐소드 촉매에 있어서, M1-M2-Ch은 결정질과 비정질이 모두 포함되 는데, 이들을 함께 포함함으로써 산화제의 환원 반응에 대한 활성을 향상시킬 수 있다. In the cathode catalyst of the present invention, M 1 -M 2 -Ch includes both crystalline and amorphous, by including them together to improve the activity of the oxidizing agent for the reduction reaction.

이는 결정질의 M1-M2-Ch과 비정질의 M1-M2-Ch이 접하는 영역에 존재하는 활성 중심(active center)의 표면 에너지가 결정질 영역에 존재하는 활성 중심의 표면 에너지보다 약 10 내지 50배 정도 높아, 상기 결정질과 비정질의 M1-M2-Ch이 접하는 영역에서 산화제의 환원 반응에 대한 활성이 훨씬 크기 때문이다. This means that the surface energy of the active center in the region where the crystalline M 1 -M 2 -Ch and the amorphous M 1 -M 2 -Ch is in contact is about 10 to about 10 to the surface energy of the active center in the crystalline region. It is about 50 times higher, since the activity of the reduction reaction of the oxidant is much greater in the region where the crystalline and amorphous M 1 -M 2 -Ch contact.

비정질 M1-M2-Ch은 전체 M1-M2-Ch에 대하여 20 내지 80 중량%를 차지하는 것이 바람직하고, 30 내지 70 중량%를 차지하는 것이 더욱 바람직하며, 40 내지 60 중량%를 차지하는 것이 더욱 더 바람직하다. 비정질의 비율이 80 중량%를 초과하는 경우는 M1-M2-Ch상이 안정하지 않고, 20 중량% 미만인 경우는 촉매의 활성이 저하되는 문제가 있어 바람직하지 못하다. The amorphous M 1 -M 2 -Ch preferably accounts for 20 to 80% by weight, more preferably 30 to 70% by weight, more preferably 40 to 60% by weight based on the total M 1 -M 2 -Ch. Even more preferred. When the ratio of amorphous exceeds 80% by weight, the M 1 -M 2 -Ch phase is not stable, and when it is less than 20% by weight, there is a problem that the activity of the catalyst is lowered, which is not preferable.

상기 M1-M2-Ch은 그 자체로 사용할 경우 입자들이 서로 뭉치게 되어 작은 크기의 입자를 얻을 수 없으므로, 비표면적을 넓게 하기 위해 탄소계 물질에 담지시켜 사용한다. The M 1 -M 2 -Ch is used by itself to be supported on a carbon-based material in order to widen the specific surface area because the particles are agglomerated with each other to obtain a small particle size.

상기 탄소계 물질로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 및 탄소나노와이어 등이 바람직하게 사용될 수 있다. As the carbon-based material, graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers and carbon nanowires may be preferably used.

상기 설명한 본 발명의 캐소드 촉매는 금속 M1의 수용성 염 및 금속 M2의 수용 성 염을 용매에 용해시키고, 제조된 용액에 탄소계 물질 분말을 혼합시킨 후, 1차 진공 처리하고, 1차 진공 처리에 의해 제조된 분말과 칼코겐 원소의 공급원을 용매에 첨가한 후, 2차 진공 처리하고, 2차 진공 처리에 의해 제조된 분말을 열처리하는 단계를 포함하는 촉매 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. The cathode catalyst of the present invention described above dissolves the water-soluble salt of the metal M 1 and the water-soluble salt of the metal M 2 in a solvent, mixes the carbonaceous material powder with the prepared solution, and then performs a first vacuum treatment and a first vacuum. The powder prepared by the treatment and the source of the chalcogen element may be added to the solvent, followed by a second vacuum treatment, and a heat treatment of the powder prepared by the second vacuum treatment. .

먼저, 금속 M1의 수용성 염 및 금속 M2의 수용성 염을 용매에 용해시키고, 제조된 용액에 탄소계 물질 분말을 혼합하다. 금속 M1의 수용성 염 중 루테늄의 수용성 염으로는 루테늄 클로라이드, 루테늄 아세틸아세토네이트 또는 루테늄 카르보닐이, 금속 M2의 수용성 염 중 텅스텐의 수용성 염으로는 암모니움 메타텅스테이트가 대표적으로 사용될 수 있다. 상기 용매로는 물, 아세톤 또는 벤젠이 사용될 수 있다. 또한, 상기 탄소계 물질로는 앞서 설명한 바와 같은 물질들이 바람직하게 사용될 수 있다. First, the water-soluble salt of metal M 1 and the water-soluble salt of metal M 2 are dissolved in a solvent, and the carbonaceous material powder is mixed with the prepared solution. Ruthenium chloride, ruthenium acetylacetonate or ruthenium carbonyl may be used as the water-soluble salt of ruthenium in the water-soluble salt of metal M 1 , and ammonium metatungstate may be used as the water-soluble salt of tungsten in the water-soluble salt of metal M 2 . . Water, acetone or benzene may be used as the solvent. In addition, the materials described above may be preferably used as the carbon-based material.

다음으로, 상기 혼합 단계에서 제조된 혼합물을 1차 진공 처리한다. 1차 진공 처리는 진공 상태에서, 100 내지 300℃의 온도로, 1 내지 24시간 동안 처리하는 것이 바람직하다. Next, the mixture prepared in the mixing step is subjected to a first vacuum treatment. The primary vacuum treatment is preferably performed at a temperature of 100 to 300 ° C. for 1 to 24 hours in a vacuum state.

상기 1차 진공 처리 후에는, 1차 진공 처리를 통해 얻어진 분말과 칼코겐 원소의 공급원을 용매에 첨가한 후, 2차 진공 처리한다. 상기 용매로는 물, 아세톤 또는 벤젠이 바람직하게 사용될 수 있으며, 칼코겐 원소의 공급원으로는 S 분말, Se 분말, Te 분말, H2SO3, H2SeO3 및 H2TeO3가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 2차 진공 처리는 진공 상태에서, 100 내지 300℃의 온도로 1 내지 24 시간 동안 처리하 는 것이 바람직하다. After the primary vacuum treatment, the source of the powder and chalcogen element obtained through the primary vacuum treatment is added to the solvent, followed by secondary vacuum treatment. Water, acetone or benzene may be preferably used as the solvent, and S powder, Se powder, Te powder, H 2 SO 3 , H 2 SeO 3 and H 2 TeO 3 may be preferably used as a source of the chalcogen element. Can be. The secondary vacuum treatment is preferably performed for 1 to 24 hours at a temperature of 100 to 300 ℃ in a vacuum state.

마지막으로, 2차 진공 처리에 의해 얻어진 분말을 열처리한다. 상기 열처리는 수소 분위기에서, 200 내지 350℃의 온도로, 3 내지 6시간 동안 처리하는 것이 바람직하다. Finally, the powder obtained by the secondary vacuum treatment is heat treated. The heat treatment is preferably performed at a temperature of 200 to 350 ° C. for 3 to 6 hours in a hydrogen atmosphere.

상기 과정을 통해 결정질 및 비정질의 M1-M2-Ch을 포함하는 본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조할 수 있다. Through the above process, the cathode catalyst for a fuel cell of the present invention including crystalline and amorphous M 1 -M 2 -Ch can be prepared.

본 발명은 또한, 상기 본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell membrane-electrode assembly comprising the cathode catalyst for fuel cell of the present invention.

본 발명의 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것으로서, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 도전성 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함한다.The membrane-electrode assembly of the present invention includes an anode electrode and a cathode electrode positioned to face each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, wherein the anode electrode and the cathode electrode are formed on a conductive electrode substrate and the electrode substrate. It includes a catalyst layer formed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(131)의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 이하, 도면을 참고하여 본 발명의 막-전극 어셈블리(131)를 설명한다. 1 is a view schematically showing a cross section of the membrane-electrode assembly 131 according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the membrane-electrode assembly 131 of the present invention will be described with reference to the drawings.

상기 막-전극 어셈블리(131)는 연료의 산화와 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 부분으로, 하나 또는 수 개가 적층되어 스택에 장착된다. The membrane-electrode assembly 131 generates electricity through oxidation of a fuel and reduction of an oxidant, and one or several are stacked and mounted in a stack.

상기 캐소드 전극의 촉매층(53)에서는 산화제의 환원 반응이 일어나며, 그 촉매층에는 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 담지된 결정질 M1-M2-Ch 및 비정질 M1-M2-Ch을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매가 포함된다. 상기 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성 및 선택성을 보여, 이를 포함하는 캐소드 전극(5) 및 막-전극 어셈블리(131)의 성능을 향상시킬 수 있다.A reduction reaction of the oxidant occurs in the catalyst layer 53 of the cathode electrode, and the catalyst layer includes a carbonaceous material and crystalline M 1 -M 2 -Ch and amorphous M 1 -M 2 -Ch supported on the carbonaceous material. A cathode catalyst for a fuel cell is included. The cathode catalyst shows excellent activity and selectivity for the reduction reaction of the oxidant, thereby improving the performance of the cathode electrode 5 and the membrane-electrode assembly 131 including the same.

상기 애노드 전극의 촉매층(33)에서는 연료의 산화 반응이 일어나며, 이를 촉진시킬 수 있는 촉매가 포함되는데, 종래 통상적으로 사용되던 백금계 촉매가 사용될 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. In the catalyst layer 33 of the anode electrode, an oxidation reaction of fuel occurs, and a catalyst capable of promoting this may be included. A platinum-based catalyst, which is conventionally used, may be used. The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one catalyst selected from the group consisting of Cu and Zn, and at least one transition metal selected from the group consisting of Cu and Zn.

상기 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수 도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 및 탄소나노와이어와 같은 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 탄소계 물질이 가장 바람직하게 사용될 수 있다.The catalyst may be used as the catalyst itself (black) or may be used on a carrier. As the carrier, carbon-based materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, activated carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber and carbon nanowire may be used, or inorganic materials such as alumina, silica, titania, zirconia, and the like. Particulates may be used, but carbon-based materials may be most preferably used.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층(33,53)은 바인더를 포함할 수 있는데, 이 바인더로는 일반적으로 연료 전지용 전극에서 사용되는 물질은 어떠한 것도 사용될 수 있으며, 그 대표적인 예로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴클루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트, 폴리(퍼플루오로설폰산) 등을 사용할 수 있다. Catalyst layers 33 and 53 of the anode electrode and the cathode electrode may include a binder. As the binder, any material generally used in an electrode for a fuel cell may be used, and representative examples thereof include polytetrafluoroethylene, Polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, poly (perfluorosulfonic acid) and the like can be used.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 전극 기재(31,51)는 전극을 지지하는 역할을 하면서, 반응원 즉 연료와 산화제가 상기 촉매층(31,51)으로 쉽게 접근할 수 있게 하는 역할을 하는데, 상기 전극 기재(31,51)로는 도전성 기재를 사용하며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천(섬유 상태의 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrates 31 and 51 of the anode electrode and the cathode electrode serve to support the electrode, and serve to easily access a reaction source, that is, a fuel and an oxidant, to the catalyst layers 31 and 51. As the substrates 31 and 51, a conductive substrate is used, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film composed of metal in a fibrous state or The metal film is formed on the surface of the cloth formed of polymer fibers) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드에틸렌프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. As the fluorine-based resin, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, fluoroethylene polymer, or the like may be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring. The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, and the like may be preferably used. The solvent may be ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, or the like. Alcohol, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 고분자 전해질 막(1)으로는 애노드 전극의 촉매층(33)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층(53)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지며, 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. As the polymer electrolyte membrane 1, a polymer having an ion exchange function of transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer 33 of the anode electrode to the catalyst layer 53 of the cathode electrode, and having excellent hydrogen ion conductivity may be used.

그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸](poly[2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole]) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 일반적으로 상기 고분자 전해질 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include at least one selected from a polymer, a polyether-etherketone-based polymer or a polyphenylquinoxaline-based polymer, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenziimi 1 or more types chosen from polyazole (poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole]) or poly (2,5-benzimidazole). In general, the polymer electrolyte membrane has a thickness of 10 to 200㎛.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.  In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In case of replacing H by Na in the ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted in the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of using tetrabutylammonium, and K, Li or Cs is also substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 또한, 상술한 바와 같은 본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다. The present invention also provides a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly of the present invention as described above. The fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generating portion, a fuel supply portion and an oxidant supply portion.

상기 전기 발생부는 상기 본 발명의 막-전극 어셈블리와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다. The electricity generating unit includes the membrane-electrode assembly of the present invention and a separator (bipolar plate) located on both sides of the membrane-electrode assembly. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant.

상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 상기 연료는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 의미하며, 대표적인 탄화수소 연료로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 부탄올 등을 들 수 있다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 순수한 산소 또는 공기를 주입하여 사용할 수 있 다. 다만, 연료 및 산화제가 이에 한정되는 것은 아니다. The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generation unit. The fuel means hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state, and typical hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol or butanol, and the like. Oxygen is typically used as the oxidant, and may be used by injecting pure oxygen or air. However, the fuel and the oxidant are not limited thereto.

본 발명의 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에 제한없이 채용될 수 있다. 다만, 캐소드 전극의 촉매층에 사용되는 촉매의 산소 환원 반응에 대한 선택성이 우수하여, 연료의 크로스오버가 문제되는 직접 산화형 연료 전지에 더욱 효과적으로 사용될 수 있으며, 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)에 가장 효과적으로 사용될 수 있다.The fuel cell system of the present invention may be employed without limitation in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) and Direct Oxidation Fuel Cell (PEMFC). However, since the selectivity to the oxygen reduction reaction of the catalyst used in the catalyst layer of the cathode electrode is excellent, it can be used more effectively in a direct oxidized fuel cell in which crossover of fuel is problematic, and a direct methanol fuel cell (DMFC: Direct Methanol) Fuel Cell) can be used most effectively.

연료 전지 시스템(100)의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프(151,171)를 사용하여 전기 발생부(130)로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리(131)가 이러한 구조에 한정되어 사용되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 구조의 연료 전지 시스템에도 사용될 수 있음은 당연한 일이다. A schematic structure of the fuel cell system 100 is shown in FIG. 2, which will be described in more detail with reference to the following. 2 shows a system for supplying fuel and oxidant to the electricity generation unit 130 using pumps 151 and 171, but the fuel cell membrane-electrode assembly 131 of the present invention is limited to such a structure. Of course, it can be used in a fuel cell system having a structure using a diffusion method without using a pump.

연료 전지 시스템(100)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(130)를 갖는 스택(110)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(150)와, 산화제를 전기 발생부(130)로 공급하는 산화제 공급부(170)를 포함하여 구성된다. The fuel cell system 100 includes a stack 110 having at least one electricity generator 130 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, and a fuel supply unit 150 for supplying the fuel. ) And an oxidant supply unit 170 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 130.

상기 연료를 공급하는 연료 공급부(150)는 연료를 저장하는 연료 탱크(153)와, 연료 탱크(153)에 연결 설치되는 연료 펌프(151)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(151)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(153)에 저장된 연료를 배출시키는 기능 을 하게 된다. The fuel supply unit 150 supplying the fuel includes a fuel tank 153 for storing fuel and a fuel pump 151 connected to the fuel tank 153. The fuel pump 151 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 153 by a predetermined pumping force.

상기 스택(110)의 전기 발생부(130)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(170)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(171)를 구비한다. The oxidant supply unit 170 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 130 of the stack 110 includes at least one oxidant pump 171 that sucks the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(130)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(131)와 이 막-전극 어셈블리(131)의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)(133,135)로 구성된다. The electricity generating unit 130 is a membrane-electrode assembly 131 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant and a separator (bipolar plate) 133 and 135 for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly 131. It is composed of

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1) (Example 1)

물 4ml에 루테늄클로라이드 1g 및 암모니움메타탕스테이트 3g을 용해시킨 후, 제조된 용액에 케첸블랙 1g을 넣고 혼합하였다. 상기 제조된 혼합 용액을 진공 상태, 150℃에서 12시간 동안 1차 진공 처리하였다. 1차 진공 처리 후 얻어진 분말을 0.0075% 농도의 셀레늄 산 용액 4ml에 넣고, 골고루 섞어 주었다. 그 후, 상기 과정에서 얻어진 용액을 진공 상태, 150℃에서 12 시간 동안 2차 진공 처리하였다. 2차 진공 처리에서 얻어진 분말을 수소 가스 분위기, 250℃에서 3 시간 동안 열처리하여 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다.After dissolving 1 g of ruthenium chloride and 3 g of ammonium metatangate in 4 ml of water, 1 g of ketjen black was added to the prepared solution and mixed. The prepared mixed solution was first vacuumed at 150 ° C. for 12 hours. The powder obtained after the first vacuum treatment was put into 4 ml of a selenium acid solution having a concentration of 0.0075%, and mixed evenly. Thereafter, the solution obtained in the above process was subjected to secondary vacuum treatment at 150 ° C. for 12 hours in a vacuum state. The powder obtained by the secondary vacuum treatment was heat-treated at 250 ° C. for 3 hours in a hydrogen gas atmosphere to prepare a cathode catalyst for a fuel cell.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

0.6g의 루테늄카르보닐과 0.6g의 텅스텐카르보닐을 150ml의 벤젠에 용해시 켰다. 제조된 용액에 0.01g의 셀레늄 분말과 1g의 케첸블랙을 넣고, 120℃에서 환류(reflux)시키면서 24시간동안 교반한 후, 세척하고, 80℃에서 12시간 동안 건조하였다. 상기 과정에서 얻어진 분말을 수소 분위기에서 250℃의 온도로 3시간 동안 열처리하여 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다.0.6 g ruthenium carbonyl and 0.6 g tungstencarbonyl were dissolved in 150 ml benzene. 0.01 g of selenium powder and 1 g of ketjen black were added to the prepared solution, stirred for 24 hours while refluxing at 120 ° C., washed, and dried at 80 ° C. for 12 hours. The powder obtained in the above process was heat-treated at a temperature of 250 ° C. for 3 hours in a hydrogen atmosphere to prepare a cathode catalyst for a fuel cell.

비교예 1을 통해 결정질의 Ru-W-Se이 케첸블랙에 담지된 촉매를 얻었으며, 실시예 1을 통해 케첸블랙 위에 결정질 및 비정질의 Ru-W-Se이 담지된 촉매를 얻을 수 있었다.In Comparative Example 1, a catalyst in which crystalline Ru-W-Se was supported on Ketjenblack was obtained, and in Example 1, a catalyst in which crystalline and amorphous Ru-W-Se was supported on Ketjenblack was obtained.

도 3은 실시예 1의 촉매의 X-Ray 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3에서 가장 큰 세 개의 피크(peak) 중 27도에서 나타나는 피크는 탄소의 피크이고, 30도에서 나타나는 피크는 텅스텐의 피크이고, 45도에서 나타나는 피크는 루테늄의 피크이다. 그 외 폭 넓게 분포하는 작은 피크들은 모두 루테늄의 피크이다. 셀레늄의 피크는 나타나지 않는다. 3 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the catalyst of Example 1. Of the three largest peaks in FIG. 3, a peak at 27 degrees is a peak of carbon, a peak at 30 degrees is a peak of tungsten, and a peak at 45 degrees is a peak of ruthenium. The other broadly distributed small peaks are all ruthenium peaks. There is no peak of selenium.

이를 통해 셀레늄의 양은 매우 적으며, 셀레늄의 모든 입자들이 루테늄-텅스텐 합금 위에 위치한다는 것을 알 수 있다. 텅스텐의 피크와 루테늄의 메인 피크(45도)는 탄소의 피크와 강도가 동일하게 나타나는데, 탄소가 비정질로 존재하므로 탄소 외의 다른 물질들도 비정질에 가깝게 존재함을 알 수 있다. 또한, 루테늄의 피크가 폭 넓게 존재하는데, 이를 통해 루테늄 입자의 크기가 매우 작다는 것을 알 수 있다. 루테늄 입자의 크기는 대략 2.5 내지 3.5nm이다. This shows that the amount of selenium is very small and all particles of selenium are located on the ruthenium-tungsten alloy. The peak of tungsten and the main peak of ruthenium (45 degrees) have the same intensity as the peak of carbon, and since carbon is amorphous, it can be seen that other materials besides carbon are close to amorphous. In addition, there is a wide range of ruthenium peak, which shows that the size of the ruthenium particles is very small. The ruthenium particles are approximately 2.5 to 3.5 nm in size.

도 4는 실시예 1의 촉매의 TEM 사진이다. 도 4에는 신뢰성을 높이기 위해 실시예 1의 촉매의 서로 다른 네 부분에 대한 사진을 나타내었다. 도 4에서 어두운 점들은 Ru-W-Se를 나타내고, 넓게 분포하는 회색 부분은 비정질의 탄소를 타나내는 부분이다. Ru-W-Se를 나타내는 부분에서도 명암의 차이가 있는데 더욱 어두울수록 결정질에 가깝게 된다. 이를 통해 실시예 1의 촉매에는 결정질의 Ru-W-Se와 비정질의 Ru-W-Se가 혼재되어 있다는 것을 알 수 있다. 4 is a TEM photograph of the catalyst of Example 1. FIG. Figure 4 is a photograph of four different parts of the catalyst of Example 1 to increase the reliability. In FIG. 4, the dark dots represent Ru-W-Se, and the widely distributed gray portions represent portions of amorphous carbon. There is a difference in contrast in the part showing Ru-W-Se. The darker it is, the closer it is to crystalline. This shows that the crystalline Ru-W-Se and the amorphous Ru-W-Se are mixed in the catalyst of Example 1.

실시예 1 및 비교예 1의 촉매의 활성을 알아 보기 위해, 0.5M 농도의 황산 용액에 산소 기체를 2시간 동안 버블링(bubbling)하여 산소가 포화된 황산 용액을 제조하고, 상기 실시예 1의 촉매 및 비교예 1의 촉매를 각각 글래씨카본(glassy carbon)위에 3.78 x 10-3mg씩 로딩시켜 작업 전극으로 하고, 백금 메시를 상대 전극으로 하여 상기 황산 용액에 넣고 전압을 변화시키면서 전류 밀도를 측정하였다. To determine the activity of the catalysts of Example 1 and Comparative Example 1, Oxygen gas was bubbling for 2 hours in a sulfuric acid solution of 0.5 M concentration to prepare an oxygen saturated sulfuric acid solution, and the catalyst of Example 1 and the catalyst of Comparative Example 1 were each glassy carbon. 3.78 x 10 -3 mg each was loaded as a working electrode, the platinum mesh was placed in the sulfuric acid solution as a counter electrode, and the current density was measured while changing the voltage.

도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 촉매의 전압 변화에 따른 전류 밀도를 나타낸 곡선이다. 도 5를 통해 실시예 1의 촉매가 비교예 1의 촉매에 비해 훨씬 향상된 활성을 나타냄을 확인하였다. 5 is a curve showing the current density according to the voltage change of the catalyst of Example 1 and Comparative Example 1. 5, it was confirmed that the catalyst of Example 1 exhibited much improved activity compared to that of Comparative Example 1.

본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하며, 그를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. The cathode catalyst for a fuel cell of the present invention is excellent in activity and selectivity for a reduction reaction of an oxidant, and has an advantage of improving performance of a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell system including the same.

Claims (18)

탄소계 물질; 및 Carbon-based materials; And 상기 탄소계 물질에 담지된 결정질 M1-M2-Ch 및 비정질 M1-M2-Ch(M1은 Ru, Pt 및 Rh로 이루어진 군에서 선택되는 금속이고, M2는 W 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 금속이며, Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 칼코겐 원소이다)을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매.Crystalline M 1 -M 2 -Ch and amorphous M 1 -M 2 -Ch supported on the carbonaceous material (M 1 is a metal selected from the group consisting of Ru, Pt, and Rh, and M 2 is composed of W and Mo) And a metal selected from the group, and Ch is a chalcogen element selected from the group consisting of S, Se, and Te). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 캐소드 촉매에 포함되는 M1-M2-Ch 중 상기 결정질 M1-M2-Ch 및 비정질 M1-M2-Ch의 함량은 결정질 M1-M2-Ch이 20 내지 80 중량%, 비정질 M1-M2-Ch이 20 내지 80 중량%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The content of the crystalline M 1 -M 2 -Ch and amorphous M 1 -M 2 -Ch in M 1 -M 2 -Ch included in the cathode catalyst is 20 to 80% by weight of crystalline M 1 -M 2 -Ch, A cathode catalyst for a fuel cell, wherein the amorphous M 1 -M 2 -Ch is 20 to 80% by weight. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 캐소드 촉매에 포함되는 M1-M2-Ch 중 상기 결정질 M1-M2-Ch 및 비정질 M1-M2-Ch의 함량은 결정질 M1-M2-Ch이 30 내지 70 중량%, 비정질 M1-M2-Ch이 30 내지 70 중량%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The content of the crystalline M 1 -M 2 -Ch and amorphous M 1 -M 2 -Ch in the M 1 -M 2 -Ch included in the cathode catalyst is 30 to 70% by weight of crystalline M 1 -M 2 -Ch, A cathode catalyst for a fuel cell, wherein amorphous M 1 -M 2 -Ch is 30 to 70% by weight. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 캐소드 촉매에 포함되는 M1-M2-Ch 중 상기 결정질 M1-M2-Ch 및 비정질 M1-M2-Ch의 함량은 결정질 M1-M2-Ch가 40 내지 60 중량%, 비정질 M1-M2-Ch이 40 내지 60 중량%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The content of the crystalline M 1 -M 2 -Ch and amorphous M 1 -M 2 -Ch in M 1 -M 2 -Ch included in the cathode catalyst is 40 to 60% by weight of crystalline M 1 -M 2 -Ch, A cathode catalyst for a fuel cell, wherein amorphous M 1 -M 2 -Ch is 40 to 60% by weight. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 M1-M2-Ch 의 M1과 M2의 비는 1 대 6 내지 8인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The ratio of M 1 to M 2 of M 1 -M 2 -Ch is 1 to 6 to 8 for the cathode catalyst for fuel cells. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 M1-M2-Ch 의 M1과 Ch의 비는 1 대 0.5 내지 1인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The ratio of M 1 to Ch of M 1 -M 2 -Ch is 1 to 0.5 to 1 cathode for fuel cell. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 탄소계 물질은 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 및 탄소나노와이어로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The carbon-based material is a cathode catalyst for a fuel cell is selected from the group consisting of graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers and carbon nanowires. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,A polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 도전성 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하고, The anode electrode and the cathode electrode includes a conductive electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.8. The membrane-electrode assembly of a fuel cell, wherein the catalyst layer of the cathode comprises the cathode catalyst according to any one of claims 1 to 7. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 고분자 전해질 막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The polymer electrolyte membrane comprises a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 고분자 수지는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The polymer resin may be a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a poly Membrane-electrode assembly for fuel cell, which is at least one polymer resin selected from the group consisting of ether-etherketone-based polymers and polyphenylquinoxaline-based polymers. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 고분자 수지는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌. 술폰산기를 포함하는 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸](poly[2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole]) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The polymer resin is tetrafluoroethylene including poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), sulfonic acid group. Copolymers of fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly [2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole] (poly [ 2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole]) and poly (2,5-benzimidazole). The membrane-electrode assembly for a fuel cell, which is at least one polymer resin selected from the group consisting of: 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The catalyst layer of the anode electrode is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising at least one catalyst selected from the group consisting of one or more transition metals selected from the group consisting of Cu and Zn. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12, 상기 애노드 전극의 촉매층에 포함되는 촉매는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 및 탄소나노와이어, 알루미나, 실리카, 티타니아 및 지르코니아로 이루어진 군에서 선택되는 담체에 담지되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The catalyst included in the catalyst layer of the anode electrode is a carrier selected from the group consisting of graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers and carbon nanowires, alumina, silica, titania and zirconia Membrane-electrode assembly for fuel cell. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 상기 촉매층은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴 클루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트 및 폴리(퍼플루오로설폰산)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The catalyst layer further comprises at least one binder selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate and poly (perfluorosulfonic acid). Membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 상기 전극 기재는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 및 금속 천(섬유 상태의 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도전성 기재를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The electrode substrate may be formed of a carbon film, a carbon cloth, a carbon felt, a carbon felt, and a metal cloth (a porous film composed of a metal in a fibrous state or a metal film formed on a surface of a cloth formed of polymer fibers). Membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising at least one conductive substrate selected from the group consisting of. 제 8 항에 따른 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부; An electricity generating unit including a membrane-electrode assembly according to claim 8 and a separator located on both sides of the membrane-electrode assembly; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.A fuel cell system comprising an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generation unit. 제 16 항에 있어서, The method of claim 16, 상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 및 직접 산화형 연료 전 지로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.The fuel cell system is selected from the group consisting of a polymer electrolyte fuel cell and a direct oxidation fuel cell. 제 17 항에 있어서, The method of claim 17, 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지인 것인 연료 전지 시스템.And the fuel cell system is a direct oxidation fuel cell.
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