KR100728186B1 - Cathod catalyst for fuel cell, and cathod electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system comprising same - Google Patents

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Abstract

Provided are a cathode catalyst for a fuel cell, which is superior in catalytic activity for the reduction of an oxidant, and a cathode electrode for a fuel cell comprising the same, which has excellent catalytic activity. The cathode catalyst for a fuel cell comprises a metal oxide represented by a formula 1 of Co_xM_yO_z, wherein M is a rare earth element, x is 40-60, y is 25-30, and z is 10-35. The cathode electrode(5) for a fuel cell includes an electrode substrate(31) and a catalytic layer(33) formed on the electrode substrate(31), wherein the catalytic layer(33) comprises the cathode catalyst including metal oxide represented by the formula 1.

Description

연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 캐소드 전극, 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템{CATHOD CATALYST FOR FUEL CELL, AND CATHOD ELECTRODE FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}Cathode catalyst for fuel cell, cathode electrode for fuel cell comprising same, membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system TECHNICAL CELL, AND CATHOD ELECTRODE FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL 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 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.2 is a view schematically showing the structure of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 캐소드 전극, 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화제의 환원 반응에 대한 촉매 활성이 매우 우수한 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 캐소드 전극, 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell cathode catalyst, a fuel cell cathode electrode comprising the same, a fuel cell membrane-electrode assembly, and a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell cathode catalyst having excellent catalytic activity against a reduction reaction of an oxidant. And a cathode electrode for a fuel cell, a membrane-electrode assembly for a fuel cell, and a fuel cell system including the same.

[종래 기술][Prior art]

연료전지(Fuel cell)는 수소 또는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.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.

연료전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올형 연료전지(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 연료전지는 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.Generally, polymer electrolyte fuel cells have the advantages of high energy density and high output, but they require attention to handling hydrogen gas and fuels for reforming methane, methanol, and natural gas to produce hydrogen, which is fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a reforming device.

이에 반해 직접 산화형 연료전지는 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 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower reaction speed than the polymer electrolyte type due to the slow reaction rate, and requires a large amount of electrode catalyst, but it is easy to handle the liquid fuel and the operating temperature is low. In particular, it has the advantage of not requiring a fuel reformer.

이러한 연료전지 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 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함 하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity may have 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 containing a hydrogen ion conductive polymer therebetween. Has a bonded structure.

연료전지에서 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 대하여 우수한 촉매 활성을 갖는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a cathode catalyst for a fuel cell having excellent catalytic activity against the reduction reaction of an oxidant.

본 발명의 다른 목적은 촉매 활성이 우수한 연료 전지용 캐소드 전극을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a cathode electrode for a fuel cell having excellent catalytic activity.

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 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a fuel cell system comprising the cathode catalyst.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1의 금속 산화물을 포 함하는 연료전지용 캐소드 촉매를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a cathode catalyst for a fuel cell containing a metal oxide of the formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

CoxMyOz Co x M y O z

(상기 식에서, M는 희토류 원소이고, x는 40 내지 60, y는 25 내지 30, 및 z는 10 내지 35이다)(Wherein M is a rare earth element, x is 40 to 60, y is 25 to 30, and z is 10 to 35)

본 발명은 또한 전극 기재, 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 상기 화학식 1의 금속 산화물을 포함하는 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 캐소드 전극을 제공한다. 이때 상기 촉매층은 전기 전도성 고분자를 더 포함할 수도 있다.The present invention also provides an electrode substrate, and a catalyst layer formed on the electrode substrate, wherein the catalyst layer provides a cathode electrode for a fuel cell comprising a cathode catalyst comprising the metal oxide of the formula (1). In this case, the catalyst layer may further include an electrically conductive polymer.

본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하며 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며, 상기 캐소드 전극은 상기 화학식 1의 금속 산화물을 포함하는 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also includes an anode electrode and a cathode electrode located opposite to each other, and an electrolyte located between the anode electrode and the cathode electrode, wherein the cathode electrode comprises a cathode catalyst comprising a metal oxide of the formula (1) A membrane-electrode assembly for phosphorus fuel cells is provided.

본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 적어도 하나 이상의 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며, 상기 캐소드 전극은 상기 화학식 1의 금속 산화물을 포함하는 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지 시스템을 제공한다.The invention also relates to at least one electricity generating unit comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other, and at least one membrane-electrode assembly including an electrolyte located between the anode electrode and the cathode electrode, and a separator; It provides a fuel cell system comprising a fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generation unit and an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generation unit, wherein the cathode electrode comprises a cathode catalyst comprising a metal oxide of the formula (1). do.

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

본 발명은 연료 전지의 캐소드 촉매에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전해질로 알칼리 용액을 사용하는 알칼리 전해질형 연료 전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)의 캐소드 촉매에 관한 것이다. 이러한 알칼리 전해질형 연료 전지는 출력 밀도가 높고, 작동 온도가 낮고, 구동이 신속히 이루어지는 등의 특성으로 인해 우주선이나 잠수함 등의 전원용과 같은 특수 목적용으로 연구가 진행되고 있으며, 특히 -40℃ 정도의 낮은 온도에서도 작동하기 때문에 극한 지역에서의 동력원으로 주목받고 있는 전지이다.The present invention relates to a cathode catalyst of a fuel cell. In particular, the present invention relates to a cathode catalyst of an alkaline electrolyte fuel cell (AlFC) using an alkaline solution as an electrolyte. These alkaline electrolyte fuel cells have a high power density, low operating temperature, and rapid driving, and thus, are being researched for special purposes such as spacecraft or submarine power supplies. It operates at low temperatures, making it a popular power source in extreme regions.

이러한 알칼리 전해질형 연료 전지는, 애노드 전극에서 H2 연료와 전해질 중에 존재하는 OH-가 반응하여 물과 전자를 생성하고, 생성된 물과 전자는 캐소드 전극으로 이동한 후 캐소드 전극내로 공급된 산소와 반응하여 OH- 이온을 형성하고 전기를 발생시키는 전지이다.In the alkaline electrolyte fuel cell, H 2 fuel and OH present in the electrolyte react at the anode to generate water and electrons, and the generated water and electrons move to the cathode electrode and then oxygen and oxygen supplied into the cathode electrode. It is a battery that reacts to form OH - ions and generates electricity.

AB2O4의 산화물(A는 Co, Ni 또는 Cu이고, B는 Co, Fe, 또는 Mn이다)은 스피넬 구조를 가지며, 상기 산화물의 스피넬 구조가 불안정할수록 산화제 환원 반응에 대해 우수한 촉매 활성을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 이에 따라 상기 스피넬 구조를 갖는 산화물을 캐소드 전극의 촉매로 이용하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 이와 관련하여 CoFe2O4입자와 폴리피롤(polypyrrole: PPy)을 포함하는 복합 필름이 산소 환원 반응에 대해 우수한 촉매 활성을 가짐이 보고된 바 있 다(R.N.Singh et al., Electrochimica Acta 49(2004) 4605-4612).An oxide of AB 2 O 4 (A is Co, Ni or Cu, B is Co, Fe, or Mn) has a spinel structure, and the more unstable spinel structure of the oxide shows excellent catalytic activity against oxidant reduction reactions. It is reported. Accordingly, various studies have been made to use the oxide having the spinel structure as a catalyst for the cathode electrode. In this regard, it has been reported that composite films containing CoFe 2 O 4 particles and polypyrrole (PPy) have excellent catalytic activity against oxygen reduction reactions (RNSingh et al., Electrochimica Acta 49 (2004) 4605). -4612).

이에 대해 본 발명은 종래 CoFe2O4에서 Fe 대신에 희토류 원소를 포함하는 하기 화학식 1의 금속 산화물을 포함하는 연료전지용 캐소드 촉매를 제공한다.On the other hand, the present invention provides a cathode catalyst for a fuel cell comprising a metal oxide of the formula (1) comprising a rare earth element in place of Fe in the conventional CoFe 2 O 4 .

[화학식 1][Formula 1]

CoxMyOz Co x M y O z

(상기 식에서, M는 희토류 원소이고, x는 40 내지 60, y는 25 내지 30, 및 z는 10 내지 35이고, 보다 바람직하게는 x는 45 내지 55, y는 26 내지 28, 및 z는 20 내지 30이다)Wherein M is a rare earth element, x is from 40 to 60, y is from 25 to 30, and z is from 10 to 35, more preferably x is from 45 to 55, y is from 26 to 28, and z is from 20 To 30)

상기 식에서 x, y 및 z는 각 원소의 몰%를 나타낸다.In the above formula, x, y and z represent mol% of each element.

상기 금속산화물에서 Co의 함량인 x가 40몰% 미만이면 촉매 안정성이 저하되어 바람직하지 않고, x가 60몰%를 초과하면 입자 크기가 커지게 되어 촉매 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. If the content of Co in the metal oxide x is less than 40 mol%, the catalyst stability is not preferable, and if x is more than 60 mol%, the particle size may be increased and the catalytic activity may be lowered, which is not preferable.

또한 M 의 함량인 y가 25몰% 미만이면 촉매 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, y가 30몰%를 초과하면 촉매 안정성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. Moreover, when y which is content of M is less than 25 mol%, there exists a possibility that a catalyst activity may fall, and when y exceeds 30 mol%, there exists a possibility that catalyst stability may fall and it is unpreferable.

O의 함량인 z가 10몰% 미만이면 산화제 환원 반응에 대한 선택성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, z가 35몰%를 초과하면 촉매 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.If the z content of O is less than 10 mol%, the selectivity to the oxidant reduction reaction may be lowered, which is not preferable. If z exceeds 35 mol%, the catalytic activity may be lowered, which is not preferable.

또한 M은 희토류 원소로 다양한 산화수를 가지며, 스피넬 구조를 용이하게 형성할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 캐소드 촉매는 금속 산화물의 스피넬 구조로 인해 산화제의 환원 반응에 대해 우수한 촉매 활성을 나타낼 뿐만 아니라, 알칼리 조건에서도 매우 안정하다. 보다 바람직하게는 상기 M은 La, Yb 또는 이들의 조합인 것이 좋다.In addition, M is a rare earth element and has various oxidation numbers, and can easily form a spinel structure. Accordingly, the cathode catalyst of the present invention not only exhibits excellent catalytic activity against the reduction reaction of the oxidant due to the spinel structure of the metal oxide, but is also very stable under alkaline conditions. More preferably, M is La, Yb or a combination thereof.

상기와 같은 구성을 갖는 캐소드 촉매는 3 내지 15nm의 평균 입자 직경을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 4 내지 10nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 금속 산화물의 평균 입자 직경이 3nm 미만이면 안정성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, 15nm를 초과하면 입자 크기의 증가에 따른 반응 비표면적의 감소로 촉매 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.It is preferable that the cathode catalyst having the above configuration has an average particle diameter of 3 to 15 nm, and more preferably, an average particle diameter of 4 to 10 nm. If the average particle diameter of the metal oxide is less than 3 nm, the stability may be deteriorated, and if it is more than 15 nm, the catalytic activity may be deteriorated due to the decrease of the reaction specific surface area due to the increase in the particle size.

또한 상기 캐소드 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.In addition, the cathode catalyst may be used as the catalyst itself (black), or may be used on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기와 같은 조성을 갖는 캐소드 촉매는 Co 공급원 및 희토류 원소 공급원을 용매중에서 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 건조하여 분말을 얻고, 상기 얻어진 분말에 대하여 열처리하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.The cathode catalyst having the composition as described above is prepared by a manufacturing method comprising mixing a Co source and a rare earth element source in a solvent to prepare a mixture, drying the mixture to obtain a powder, and heat treating the obtained powder. Can be.

상기 Co 공급원으로는 Co(NO3)2 등의 Co의 수용성 염을 사용할 수 있으며, 희토류 원소 공급원으로는 희토류 원소를 포함하는 수용성 염을 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 La(NO3)3·6H2O 등을 들 수 있다.As the Co source, a water-soluble salt of Co such as Co (NO 3 ) 2 may be used, and as a rare earth element source, a water-soluble salt containing a rare earth element may be used, and representative examples thereof include La (NO 3 ) 3. 6H 2 O, etc. may be mentioned.

상기 Co 공급원과 희토류 원소 공급원의 첨가량은 최종 얻어지는 금속 산화물에서의 각 원소의 함량비를 고려하여 적절히 조절될 수 있다.The addition amount of the Co source and the rare earth element source may be appropriately adjusted in consideration of the content ratio of each element in the finally obtained metal oxide.

상기 용매로는 물; 메탄올, 에탄올 등의 알코올; 또는 이들의 혼합용매 등을 사용할 수 있다.The solvent includes water; Alcohols such as methanol and ethanol; Or a mixed solvent thereof.

상기 건조 공정은 60 내지 130℃에서 실시되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80 내지 100℃에서 실시될 수 있다. 건조시 온도가 60℃ 미만이면 건조 시간이 오래 걸려 바람직하지 않고, 130℃를 초과하면 입자의 응집으로 촉매 입자의 크기가 커질 우려가 있어 바람직하지 않다.The drying process is preferably carried out at 60 to 130 ℃, more preferably may be carried out at 80 to 100 ℃. If the drying temperature is less than 60 ° C, drying takes a long time, and if it is over 130 ° C, the size of the catalyst particles may increase due to the aggregation of particles, which is not preferable.

건조 후 얻어진 분말에 대한 열처리 공정은 450 내지 800℃의 온도에서 실시되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 650 내지 800℃의 온도에서 실시될 수 있다. 열처리 온도가 450℃ 미만이면 원료물질로 사용된 각 원소의 공급원들이 충분히 분해되지 않을 우려가 있어 바람직하지 않고, 800℃를 초과하면 입자간의 응집으로 촉매 입자의 크기가 커질 우려가 있어 바람직하지 않다.The heat treatment process for the powder obtained after drying is preferably carried out at a temperature of 450 to 800 ℃, more preferably may be carried out at a temperature of 650 to 800 ℃. If the heat treatment temperature is less than 450 ° C., the source of each element used as a raw material may not be sufficiently decomposed, and it is not preferable. If the heat treatment temperature is higher than 800 ° C., the size of the catalyst particles may increase due to the aggregation of particles, which is not preferable.

상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 캐소드 촉매는 스피넬 구조를 갖는 금속 산화물을 포함함으로써 산화제의 환원 반응에 대해 높은 촉매 활성을 나타낸다. 이에 따라, 본 발명의 캐소드 촉매는 알칼리 전해질형 연료 전지, 직접 산화 형 연료전지 또는 혼합형 연료전지 등에 사용될 수 있으며, 특히 상기 알칼리 전해질형 연료 전지에서의 활성이 매우 우수하여 알칼리 전해질형 연료전지에 효과적으로 사용될 수 있다. 또한 알칼리 전해질형 연료 전지 중에서도, 탄화수소 연료를 사용하는 직접 산화형 연료 전지에서의 활성이 보다 우수하며, 연료로 에탄올을 사용하는 직접 에탄올형 연료 전지에서의 촉매 활성이 매우 우수하므로, 직접 에탄올형 연료 전지에서 가장 유용하게 사용할 수 있다.The cathode catalyst of the present invention prepared by the above method includes a metal oxide having a spinel structure, thereby exhibiting high catalytic activity for the reduction reaction of the oxidant. Accordingly, the cathode catalyst of the present invention can be used in an alkaline electrolyte fuel cell, a direct oxidation fuel cell or a mixed fuel cell, and the like. Can be used. In addition, among the alkaline electrolyte fuel cells, the activity in the direct oxidation fuel cell using a hydrocarbon fuel is more excellent, and the catalytic activity in the direct ethanol fuel cell using ethanol as the fuel is very excellent. It is most useful in battery.

본 발명은 또한 상기 캐소드 촉매를 포함하는 연료전지용 캐소드 전극을 제공한다.The present invention also provides a cathode electrode for a fuel cell comprising the cathode catalyst.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 전극은, 전극 기재, 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 상기 화학식 1의 금속 산화물을 포함하는 캐소드 촉매를 포함한다. That is, the cathode electrode according to the embodiment of the present invention includes an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate, and the catalyst layer includes a cathode catalyst including the metal oxide of Chemical Formula 1.

상기 촉매층은 촉매과 함께 전기 전도성 고분자를 포함할 수도 있다.The catalyst layer may comprise an electrically conductive polymer together with the catalyst.

상기 전기 전도성 고분자는 전자 전도성을 가지며, 촉매층내에서 바인더의 역할도 할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 금속 산화물의 촉매와 전기 전도성 고분자를 촉매층에 함께 사용할 경우, 스피넬 구조의 금속 산화물과 전기 전도성 고분자 사이의 전도성 결합이 증가하여 촉매 활성도를 더욱 증가시킬 수 있다.The electrically conductive polymer has electron conductivity and may also serve as a binder in the catalyst layer. In addition, when the metal oxide catalyst and the electrically conductive polymer are used together in the catalyst layer, the conductive bond between the metal oxide of the spinel structure and the electrically conductive polymer may be increased to further increase the catalytic activity.

이와 같은 전기 전도성 고분자로는 분자내 이중결합을 갖거나 또는 N, O 또는 S의 원자를 포함하는 고분자를 사용할 수 있다. 구체적으로 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아센(polyacene), 폴리티오펜(polythiophene), 및 이들의 공중합체(copolymer)로 이 루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리피롤을 사용할 수 있다.As the electrically conductive polymer, a polymer having an intramolecular double bond or containing an atom of N, O, or S may be used. Specifically, those selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polyacene, polythiophene, and copolymers thereof may be used. have. More preferably, polypyrrole can be used.

상기 전기 전도성 고분자를 포함할 경우 상기 촉매층은 촉매와 전기전도성 고분자를 5:95 내지 75:25의 중량비로 포함하는 것이 바림직하고, 보다 바람직하게는 10:90 내지 60:40의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 함량비 범위내에서는 우수한 전기 전도성 및 촉매 활성도를 얻을 수 있다. 그러나 상기 함량비 범위를 벗어나 촉매에 대한 전기 전도성 고분자의 함량이 지나치게 높을 경우에는 촉매 중심이 전기 전도성 고분자에 의해 덮혀 촉매 활성이 저하되거나 또는 상대적으로 촉매량이 너무 작아 촉매활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. When the electrically conductive polymer is included, the catalyst layer preferably includes a catalyst and the electrically conductive polymer in a weight ratio of 5:95 to 75:25, and more preferably 10:90 to 60:40. Can be. Within the content ratio range, excellent electrical conductivity and catalytic activity can be obtained. However, when the content of the electrically conductive polymer to the catalyst is out of the content ratio range is too high, the catalyst center is covered by the electrically conductive polymer and thus the catalytic activity is reduced or the amount of the catalyst is relatively small so that the catalytic activity may be reduced. Not.

또한 촉매층은 수소 이온의 전달능을 향상시키기 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.In addition, the catalyst layer may further include a binder resin in order to improve the transfer capacity of hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테 트라플루오로에틸렌과 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 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably 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. Any polymer resin which has can be used. Preferably, 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 polyether One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenziimi One containing at least one hydrogen ion conductive polymer selected from poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) may be used. .

상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 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. The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in an ion exchange group at the side chain end. 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.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비수소 이온 전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a non-hydrogen ion conductive compound for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비수소 이온 전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이 루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다. Examples of the non-hydrogen ion conductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / Copolymer of tetrafluoroethylene (ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE)), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) At least one selected from the group consisting of dodecylbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

이와 같은 구성을 갖는 촉매층은 5nm 내지 15㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 100nm 내지 12㎛의 두께를 가질 수 있다. 촉매층의 두께가 5nm 미만이면 안정성이 저하되어 바람직하지 않고, 15㎛를 초과하면 촉매 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.The catalyst layer having such a configuration is preferably formed to a thickness of 5nm to 15㎛, more preferably may have a thickness of 100nm to 12㎛. If the thickness of the catalyst layer is less than 5 nm, the stability is lowered, which is not preferable.

이와 같은 촉매층은 전극 기재에 의해 지지된다.This catalyst layer is supported by the electrode substrate.

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. A conductive substrate is used as the electrode substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer composed of metal cloth in a fibrous state). It means that the metal film is formed on the surface of the cloth formed of fibers) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material, since it is possible to prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공 층(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. 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.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 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. The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may 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.

이와 같은 본 발명의 연료 전지용 캐소드 전극은, 상기 금속 산화물을 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재 위에 통상의 방법으로 코팅한 후 건조하여 형성될 수 있다.Such a cathode electrode for a fuel cell of the present invention may be formed by coating a composition for forming a catalyst layer comprising the metal oxide on an electrode substrate and then drying.

또한 상기 캐소드 전극의 촉매층이 전지 전도성 고분자를 포함할 경우에는 촉매를 전기 전도성 고분자와 혼합한 후 전극 기재위에 통상의 코팅방법을 이용하 여 도포하여 형성할 수도 있고, 또는 촉매를 전기 전도성 고분자와 혼합하여 전해액을 제조한 후 전극 기재를 상기 전해액중에 담그고 전착(electro-deposit) 공정을 실시함으로써 촉매층을 형성할 수도 있다.In addition, when the catalyst layer of the cathode electrode includes a cell conductive polymer, the catalyst may be mixed with the electrically conductive polymer and then coated on the electrode substrate using a conventional coating method, or the catalyst may be mixed with the electrically conductive polymer. After preparing the electrolyte, the catalyst layer may be formed by dipping the electrode substrate in the electrolyte and performing an electrodeposition process.

이와 같이 전기 전도성 고분자가 함께 사용될 경우, 상기 촉매와 전기 전도성 고분자는 5:95 내지 75:25의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10:90 내지 60:40의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 함량비 범위를 벗어나 촉매에 대한 전기 전도성 고분자의 함량이 지나치게 높을 경우에는 촉매 중심이 전기 전도성 고분자에 의해 덮혀 촉매 활성이 저하되거나 또는 상대적으로 촉매량이 너무 작아 촉매활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.When the electrically conductive polymer is used together, the catalyst and the electrically conductive polymer are preferably mixed in a weight ratio of 5:95 to 75:25, and more preferably in a weight ratio of 10:90 to 60:40. have. If the content of the electrically conductive polymer to the catalyst is out of the content ratio range is too high, the center of the catalyst is covered by the electrically conductive polymer, the catalytic activity is reduced or the amount of the catalyst is relatively small, so the catalytic activity may be reduced. not.

또한, 전착 공정에 의해 촉매층을 형성하는 경우, 상기 제조된 전해액중에 전극 기재를 담그고 전착 공정을 실시하면, 전극 기재에 전기 전도성 고분자가 증착하게 되고, 상기 전기 전도성 고분자 사이에 촉매가 존재하게 된다.In addition, when the catalyst layer is formed by the electrodeposition process, when the electrode substrate is immersed in the prepared electrolyte solution and subjected to the electrodeposition process, an electrically conductive polymer is deposited on the electrode substrate, and a catalyst is present between the electrically conductive polymers.

상기 전착(electro-deposit) 공정은 0.1 내지 25mAcm- 2 의 전류밀도 조건하에서 실시하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2 내지 20mAcm- 2 의 전류밀도 조건하에서 실시하는 것이 좋다. 전류밀도가 0.1mAcm-2 미만이면 전착이 충분히 일어나지 않을 우려가 있어 바람직하지 않고, 전류밀도가 25mAcm-2 초과하면 물질이 전해액중에서 산화될 우려가 있어 바람직하지 않다.The electro-deposit process is preferably performed under a current density condition of 0.1 to 25 mAcm - 2 , more preferably under a current density condition of 2 to 20 mAcm - 2 . If the current density is less than 0.1 mAcm -2, electrodeposition may not occur sufficiently, and if the current density exceeds 25 mAcm -2, the material may be oxidized in the electrolyte, which is not preferable.

상기와 같이 제조된 본 발명의 캐소드 전극내 포함된 촉매는 산화제의 환원 반응에 대해 높은 촉매 활성을 나타낸다. 이에 따라 앞서 설명한 바와 같이 상기 캐소드 촉매를 포함하는 캐소드 전극은 알칼리 전해질형 연료전지, 그 중에서도 탄화수소 연료를 사용하는 직접 산화형 연료 전지에 보다 유효하게 채용될 수 있다.The catalyst included in the cathode electrode of the present invention prepared as described above exhibits high catalytic activity for the reduction reaction of the oxidant. Accordingly, as described above, the cathode electrode including the cathode catalyst may be more effectively employed in an alkaline electrolyte fuel cell, especially a direct oxidation fuel cell using a hydrocarbon fuel.

본 발명은 또한 상기 캐소드 전극을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the cathode electrode.

본 발명의 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함한다. 상기 캐소드 전극은 앞서 설명한 바와 동일하며, 상기 애노드 전극은 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 located opposite each other, and an electrolyte located between the anode and the cathode electrode. The cathode electrode is the same as described above, the anode electrode includes an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate.

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 전극(5)는 앞서 설명된 바와 같이, 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성 및 선택성을 나타내는 금속 산화물을 포함하여, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리(131)의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 상기 촉매층은 전기 전도성 고분자를 더 포함할 수도 있다.As described above, the cathode electrode 5 may include a metal oxide exhibiting excellent activity and selectivity for the reduction reaction of the oxidant, thereby improving performance of the membrane-electrode assembly 131 including the same. In addition, as described above, the catalyst layer may further include an electrically conductive polymer.

상기 애노드 전극(3)은 촉매층(33) 및 전극기재(31)를 포함하며, 상기 촉매층은 금속 촉매를 포함하며, 선택적으로 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.The anode electrode 3 includes a catalyst layer 33 and an electrode base 31, and the catalyst layer includes a metal catalyst, and may further include a binder resin.

상기 애노드 전극의 촉매층(33)에서는 연료의 산화 반응이 일어나며, 이를 촉진시킬 수 있는 촉매가 포함되는데, Pt 또는 Ni 계열 합금의 애노드 촉매를 포함한다. 상기 Ni 계열 합금으로는 Co-Ni, Fe-Ni 등 일반적으로 알칼리형 연료 전지에서 애노드 전극으로 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다.In the catalyst layer 33 of the anode electrode, an oxidation reaction of the fuel occurs, and includes a catalyst capable of promoting this, and includes an anode catalyst of Pt or Ni-based alloy. As the Ni-based alloy, any one commonly used as an anode electrode in an alkaline fuel cell such as Co-Ni or Fe-Ni may be used.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 애노드 전극의 촉매층(33) 또한 캐소드 전극에서와 같이 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. 상기 바인더 수지는 앞서 설명한 바와 같다.The catalyst layer 33 of the anode electrode may also further include a binder resin to improve adhesion of the catalyst layer and transfer of hydrogen ions as in the cathode electrode. The binder resin is as described above.

상기 애노드 전극의 전극 기재(31)는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료를 확산시켜 촉매층으로 연료가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재(31) 역시 앞서 설명한 바와 동일하다.The electrode substrate 31 of the anode electrode serves to support the electrode and diffuses the fuel into the catalyst layer to play the fuel easily accessible to the catalyst layer. The electrode substrate 31 is also the same as described above.

또한, 반응물 확산 효과를 증진시키기 위하여, 전극 기재 상에 미세 기공층(microporous layer; 미도시)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브 를 포함할 수 있다. Further, in order to enhance the reactant diffusion effect, a microporous layer (not shown) may be further included on the electrode substrate. This microporous layer may generally comprise a conductive powder having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, ketjen black, activated carbon, carbon fiber, fullerene or carbon nanotubes.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 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. The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may 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.

상기와 같은 구조를 갖는 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에는 전해질(1)이 위치한다.The electrolyte 1 is positioned between the anode electrode and the cathode electrode having the above structure.

상기 전해질(1)은 OH- 이온을 선택적으로 투과시키는 역할을 하는 물질로서, 알칼리 수용액, 또는 -OH기를 가져 OH- 이온을 전달할 수 있는 고체 전해질 막을 사용할 수도 있다. 상기 알칼리 수용액으로는 KOH, NaOH 또는 LiOH를 1종 또는 1종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 상기 OH-기를 갖는 고체 전해질 막으로는 상업적으로 입수가능한 고체 고분자 막(예를 들면 Tokuyama 사제 고체 고분자 막)을 사용할 수 있다. 상기 알칼리 수용액의 농도는 촉매내 구성 원소들의 함량에 따라 적절히 조절하여 사용할 수 있다.The electrolyte 1 is OH - ions as a material which serves to selectively transmit, an aqueous alkali solution, or -OH groups brought OH - is also possible to use a solid electrolyte capable of carrying ions film. The alkaline aqueous solution include KOH, NaOH or LiOH to may be used alone or a mixture one or more of, the OH - group the solid electrolyte membrane as the commercially available polymer film (for example, Tokuyama Co. solid polymer film) having Can be used. The concentration of the aqueous alkali solution may be appropriately adjusted according to the content of the constituent elements in the catalyst.

본 발명은 또한 상기와 같은 구성을 갖는 막-전극 어셈블리를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템을 제공한다.The present invention also provides a fuel cell system of the present invention comprising the membrane-electrode assembly having the above configuration.

본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.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 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating portion includes a membrane-electrode assembly and a separator (also called bipolar plate). The membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode, and an electrolyte located between the anode electrode and the cathode electrode. 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 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit.

본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.In the present invention, the fuel may include hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 발명의 연료 전지 시스템은 알칼리 전해질형 연료 전지, 알칼리 전해질형 직접 산화형 연료전지 또는 혼합 주입형 연료 전지 등에 제한없이 채용될 수 있다.The fuel cell system of the present invention can be employed without limitation, for example, an alkaline electrolyte fuel cell, an alkaline electrolyte direct oxidation fuel cell, or a mixed injection fuel cell.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타 낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프(151,171)를 사용하여 전기 발생부(130)로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리(131)가 이러한 구조에 한정되어 사용되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 구조의 연료전지 시스템에도 사용될 수 있음은 당연한 일이다.A schematic structure of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. 2, which will be described in more detail with reference to the following. 2 illustrates a system for supplying fuel and oxidant to the electricity generator 130 using pumps 151 and 171, but the membrane-electrode assembly 131 for fuel cells of the present invention is limited to such a structure. Of course, it is not used, it can also be used in a fuel cell system having a structure using a diffusion method without using a pump.

연료전지 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 기능을 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 구성되며, 이러한 전기 발생부(130)가 적어도 하나 모여 스택(110)을 구성한다.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. ), The electricity generating unit 130 is at least one gather to constitute a stack (110).

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시 예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples 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 1) 캐소드 촉매의 제조Example 1 Preparation of Cathode Catalyst

물 20ml중에 코발트 니트레이트 1.2g 및 란타늄 니트레이트 1.6g을 첨가한 후 실온에서 24시간 동안 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 100℃ 에서 4시간 동안 처리하여 물을 증발시켜 분말을 얻고, 상기 분말을 공기하 650℃에서 열처리하여 CoxLayOz를 제조하였다.A mixture was prepared by adding 1.2 g of cobalt nitrate and 1.6 g of lanthanum nitrate in 20 ml of water and then mixing at room temperature for 24 hours. The mixture was treated at 100 ° C. for 4 hours to evaporate water to obtain a powder, and the powder was heat treated at 650 ° C. under air to prepare Co x La y O z .

상기 CoxLayOz에서 x는 43몰%, y는 28몰%, z는 29몰%이었으며, 또한 상기 금속산화물의 입자 크기는 4nm이었다.In Co x La y O z , x was 43 mol%, y was 28 mol%, z was 29 mol%, and the particle size of the metal oxide was 4 nm.

상기 실시예 1에서 제조된 CoxLayOz(x=43몰, y=28몰% 및 z=29몰%) 촉매의 촉매활성을 측정하기 위하여, 0.5M 농도의 황산 용액에 산소 기체를 2시간 동안 버블링(bubbling)하여 산소가 포화된 KOH 용액을 제조하고, 상기 실시예 1의 촉매를 각각 글래씨카본(glassy carbon)위에 3.78x10-3mg씩 로딩시켜 작업 전극으로 하고, 백금 메시를 상대 전극으로 하여 상기 황산 용액에 넣고 전압을 변화시키면서 전류 밀도를 측정하였다. In order to measure the catalytic activity of the Co x La y O z (x = 43 mol, y = 28 mol% and z = 29 mol%) catalyst prepared in Example 1, oxygen gas was added to a 0.5 M sulfuric acid solution. Bubbling (bubbling) for 2 hours to prepare an oxygen-saturated KOH solution, the catalyst of Example 1 was loaded by 3.78x10 -3 mg onto glassy carbon, respectively, as a working electrode, platinum mesh Was added to the sulfuric acid solution as a counter electrode and the current density was measured while changing the voltage.

측정 결과, 1.18mA/cm2 의 전류밀도를 나타내었다. 이로부터 실시예 1의 촉매가 우수한 촉매 활성을 나타냄을 확인할 수 있었다.The measurement result showed a current density of 1.18 mA / cm 2 . From this, it was confirmed that the catalyst of Example 1 exhibited excellent catalytic activity.

(실시예 2) 캐소드 전극의 제조Example 2 Fabrication of Cathode Electrode

상기 실시예 1 에서 얻어진 CoxLayOz(x=43몰, y=28몰% 및 z=29몰%) 10중량부를 물과 이소프로필알코올을 10:80의 중량비로 혼합한 용매에 첨가하였다. 이어서, 상기 용매에 10중량% 나피온 (Nafion® Dupont사제) 수계 분산액 40중량부를 더 넣고 혼합하고, 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 촉매층 형성 조성물을 제조하였다. 테플론 처리된 카본 페이퍼 기재(SGL carbon group사제)에 상기 제조된 촉매층 형성용 조성물을 스프레이 코팅하여 캐소드 전극을 제조하였다.10 parts by weight of Co x La y O z (x = 43 mol, y = 28 mol% and z = 29 mol%) obtained in Example 1 was added to a solvent in which water and isopropyl alcohol were mixed at a weight ratio of 10:80. It was. Then, it puts more in the solvent of 10 wt% Nafion (Nafion ® Dupont Co.) aqueous dispersion of 40 parts by weight, and mixed, to thereby prepare a catalyst layer-forming composition was uniformly stirred by applying ultrasound. The cathode electrode was prepared by spray coating the composition for forming a catalyst layer on the Teflon-treated carbon paper substrate (manufactured by SGL carbon group).

(실시예 3) 캐소드 전극의 제조Example 3 Fabrication of Cathode Electrode

상기 실시예 1 에서 얻어진 CoxLayOz(x=43몰, y=28몰% 및 z=29몰%) 0.5g을 물 100ml중의 0.1M 폴리피롤 혼합물에 첨가하여 제조한 전해질 중에 카본 페이퍼 기재를 넣은 후 j=2mA/cm2에서 전착 공정을 실시하여 카본 페이퍼 위에 12㎛ 두께를 갖는 촉매층을 형성하였다. 이후 촉매층이 형성된 카본 페이퍼 기재를 증류수로 세척한 후 90℃에서 건조하여 전극을 제조하였다.Carbon paper substrate in an electrolyte prepared by adding 0.5 g of Co x La y O z (x = 43 mol, y = 28 mol% and z = 29 mol%) obtained in Example 1 to a 0.1 M polypyrrole mixture in 100 ml of water After the addition of the electrodeposition process was carried out at j = 2mA / cm 2 to form a catalyst layer having a thickness of 12㎛ on the carbon paper. Thereafter, the carbon paper substrate on which the catalyst layer was formed was washed with distilled water and dried at 90 ° C. to prepare an electrode.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

Pt 블랙 0.7g을 물 100ml중의 0.2M 폴리피롤 혼합물에 첨가하여 제조한 전해질 중에 카본 페이퍼 기재를 넣은 후 j=7mA/cm2에서 전착 공정을 실시하여 카본 페이퍼 위에 12㎛ 두께를 갖는 촉매층을 형성하였다. 이후 촉매층이 형성된 카본 페이퍼 기재를 증류수로 세척한 후 90℃에서 건조하여 전극을 제조하였다.0.7 g of Pt black was added to a 0.2 M polypyrrole mixture in 100 ml of water, and the carbon paper substrate was placed in an electrolyte. Then, an electrodeposition process was performed at j = 7 mA / cm 2 to form a catalyst layer having a thickness of 12 μm on the carbon paper. Thereafter, the carbon paper substrate on which the catalyst layer was formed was washed with distilled water and dried at 90 ° C. to prepare an electrode.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

CoFe2O4 8.33g을 물 100ml중의 0.1M 폴리피롤 혼합물에 첨가하여 제조한 전해질 중에 카본 페이퍼 기재를 넣은 후 j=2 mA/cm2에서 전착 공정을 실시하여 카본 페이퍼 위에 12㎛ 두께를 갖는 촉매층을 형성하였다. 이후 촉매층이 형성된 카본 페이퍼 기재를 증류수로 세척한 후 90℃에서 건조하여 전극을 제조하였다.8.33 g of CoFe 2 O 4 was added to a 0.1 M polypyrrole mixture in 100 ml of water, and the carbon paper substrate was placed in an electrolyte, followed by electrodeposition at j = 2 mA / cm 2 to form a catalyst layer having a thickness of 12 μm on the carbon paper. Formed. Thereafter, the carbon paper substrate on which the catalyst layer was formed was washed with distilled water and dried at 90 ° C. to prepare an electrode.

(테스트 셀의 제조)(Manufacture of Test Cells)

상기 실시예 3 및 비교예 1, 2에서 제조된 캐소드 전극을 사용하여 하기와 같은 방법으로 테스트용 셀을 제조하였다.Test cells were prepared in the following manner using the cathode electrodes prepared in Example 3 and Comparative Examples 1 and 2.

상기 실시예 3 또는 비교예 1, 2에서의 제조된 캐소드 전극을 사용하였다. The cathode electrodes prepared in Example 3 or Comparative Examples 1 and 2 were used.

Pt/Ru 블랙 촉매 10중량부를 물과 이소프로필알코올을 10:80의 중량비로 혼합한 용매에 첨가하였다. 이어서, 상기 용매에 10중량% 나피온(Nafion® Dupont사제) 수계 분산액 40중량부를 더 넣고 혼합하고, 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 애노드 촉매층 형성 조성물을 제조하였다.10 parts by weight of Pt / Ru black catalyst was added to a solvent in which water and isopropyl alcohol were mixed in a weight ratio of 10:80. Then, the further into the solvent of 10 wt% Nafion (Nafion ® Dupont Co.) aqueous dispersion of 40 parts by weight, mixed and uniformly stirred by applying ultrasound to prepare an anode catalyst layer forming composition.

테플론 처리된 카본 페이퍼 기재(SGL carbon group사제)에 상기 제조된 촉매층 형성용 조성물을 스프레이 코팅하여 애노드 전극을 제조하였다. An anode electrode was prepared by spray coating a composition for forming a catalyst layer on the Teflon-treated carbon paper substrate (manufactured by SGL carbon group).

다음으로 상업용 연료전지용 고분자 전해질 막(Nafion 115 Membrane, 듀폰사제) 양면에 적층하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 상기 제조된 막/전극 어셈블리를 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후, 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.Next, a polymer electrolyte membrane (Nafion 115 Membrane, manufactured by DuPont) for commercial fuel cells was laminated on both sides to prepare a membrane-electrode assembly. After inserting the prepared membrane / electrode assembly between the gasket (gasket), and inserted into the two separator gas channel channel and the cooling channel formed of a predetermined shape, and then compressed between the copper end (end) plate to manufacture a unit cell It was.

상기 실시예 3 및 비교예 1, 2에서 제조된 전극을 포함하는 단전지에 대하여, 1M 메탄올과 건조 공기를 공급하고 70℃의 온도에서 10시간 동안 운전하여, 전압을 측정하고 전류 밀도를 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.For the unit cells including the electrodes prepared in Example 3 and Comparative Examples 1 and 2, 1M methanol and dry air were supplied and operated at a temperature of 70 ° C. for 10 hours to measure voltage and evaluate current density. . The results are shown in Table 1 below.

전류 밀도(mA/cm2, at 0.7 V)Current density (mA / cm 2 , at 0.7 V) 실시예 3Example 3 1.421.42 비교예 1Comparative Example 1 0.910.91 비교예 2Comparative Example 2 0.480.48

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1의 촉매 및 전기 전도성 고분자를 포함하는 실시예 3의 전극을 포함하는 단전지가 백금계 금속 촉매 및 전기 전도성 고분자를 포함하는 비교예 1의 전극, 및 CoFe2O4의 금속 산화물 및 전기 전도성 고분자를 포함하는 비교예 2의 단전지에 비해 보다 우수한 전류 밀도를 나타냄을 확인할 수 있었다. As shown in Table 1, the electrode of Comparative Example 1 comprising a platinum-based metal catalyst and an electrically conductive polymer is a unit cell including the electrode of Example 3 including the catalyst of Example 1 and the electrically conductive polymer, and CoFe It was confirmed that the current density was better than that of the unit cell of Comparative Example 2 containing a metal oxide of 2 O 4 and an electrically conductive polymer.

상기 실시예 2의 전극에 대해서도 상기와 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하고 이에 대하여 전류 밀도를 측정하였다.The electrode of Example 2 was also fabricated in the same manner as above to prepare a single cell and to measure the current density thereof.

측정 결과 실시예 2의 전극을 포함하는 단전지 역시 실시예 3의 전극을 포함하는 단전지와 동등한 수준의 전류밀도를 나타냄을 확인하였다.As a result, it was confirmed that the unit cell including the electrode of Example 2 also exhibited the same current density as the unit cell including the electrode of Example 3.

본 발명의 캐소드 전극은 산화제의 환원 반응에 대한 촉매 활성이 매우 우수하여 그를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.The cathode electrode of the present invention is very excellent in catalytic activity for the reduction reaction of the oxidant can improve the performance of the fuel cell membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising the same.

Claims (20)

하기 화학식 1의 금속 산화물을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매.Cathode catalyst for a fuel cell comprising a metal oxide of the formula (1). [화학식 1][Formula 1] CoxMyOz Co x M y O z (상기 식에서, M는 희토류 원소이고, x는 40 내지 60, y는 25 내지 30, 및 z는 10 내지 35이다)(Wherein M is a rare earth element, x is 40 to 60, y is 25 to 30, and z is 10 to 35) 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 M은 La, Yb 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.M is selected from the group consisting of La, Yb, and combinations thereof. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 x는 45 내지 55, y는 26 내지 28, 및 z는 20 내지 30인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.X is 45 to 55, y is 26 to 28, and z is 20 to 30 cathode catalyst for fuel cells. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속 산화물은 3 내지 15nm의 평균 입자 직경을 갖는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The metal oxide is a cathode catalyst for a fuel cell having an average particle diameter of 3 to 15nm. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료 전지용 캐소드 촉매는 알칼리 전해질형 연료 전지용 캐소드 촉매인 연료 전지용 캐소드 촉매.The fuel cell cathode catalyst is a cathode catalyst for fuel cell, which is an alkali electrolyte type cathode catalyst. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료 전지용 캐소드 촉매는 알칼리 전해질형 직접 산화형 연료 전지용 캐소드 촉매인 연료 전지용 캐소드 촉매.The fuel cell cathode catalyst is a cathode catalyst for fuel cell which is an alkali electrolyte type direct oxidation fuel cell cathode catalyst. 전극 기재; 및Electrode substrates; And 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하고,It includes a catalyst layer formed on the electrode substrate, 상기 촉매층은 하기 화학식 1의 금속 산화물을 포함하는 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.The catalyst layer is a fuel cell cathode electrode comprising a cathode catalyst comprising a metal oxide of the formula (1). [화학식 1][Formula 1] CoxMyOz Co x M y O z (상기 식에서, M는 희토류 원소이고, x는 40 내지 60, y는 25 내지 30, 및 z는 10 내지 35이다)(Wherein M is a rare earth element, x is 40 to 60, y is 25 to 30, and z is 10 to 35) 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 캐소드 촉매는 10 내지 15nm의 평균 입자 직경을 갖는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.The cathode catalyst is a fuel cell cathode electrode having an average particle diameter of 10 to 15nm. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 촉매층은 전기 전도성 고분자를 더 포함하는 것인 연료전지용 캐소드 전극.The catalyst layer is a cathode for a fuel cell that further comprises an electrically conductive polymer. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 촉매층은 캐소드 촉매 및 전기 전도성 고분자를 5:95 내지 75:25의 중량비로 포함되는 것인 연료전지용 캐소드 전극.The catalyst layer is a cathode electrode for a fuel cell comprising a cathode catalyst and an electrically conductive polymer in a weight ratio of 5:95 to 75:25. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 전기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리아센, 폴리티오펜, 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.The electrically conductive polymer is selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, polyacene, polythiophene, and copolymers thereof. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 촉매층은 바인더 수지를 더 포함하는 것인 연료전지용 캐소드 전극.The catalyst layer is a cathode electrode for a fuel cell further comprises a binder resin. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 바인더 수지는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지인 것인 연료전지용 캐소드 전극.The binder resin is a cathode electrode for a fuel cell is 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. 서로 대향하여 위치하며 애노드 전극과 캐소드 전극; 및An anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other; And 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하며,An electrolyte located between the anode electrode and the cathode electrode, 상기 캐소드 전극은 제7항 내지 제13항중 어느 한 항에 따른 캐소드 전극인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.14. The membrane-electrode assembly of a fuel cell, wherein said cathode is the cathode of any one of claims 7-13. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 전해질은 알칼리 수용액 또는 -OH기를 갖는 고체 전해질 막인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The electrolyte is a membrane-electrode assembly for a fuel cell which is a solid electrolyte membrane having an aqueous alkali solution or -OH group. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 알칼리 전해질형 연료 전지용인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The fuel cell membrane electrode assembly is a fuel cell membrane electrode assembly for an alkaline electrolyte fuel cell. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 연료 전지용 애노드 촉매는 알칼리 전해질형 직접 산화형 연료 전지용 애노드 촉매인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The fuel cell anode catalyst is an anode catalyst for an alkaline electrolyte type direct oxidation fuel cell membrane-electrode assembly for a fuel cell. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 적어도 하나 이상의 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부;At least one electricity generating unit including an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and at least one membrane-electrode assembly including an electrolyte positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and a separator; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며, An oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit, 상기 캐소드 전극은 제7항 내지 제13항중 어느 한 항에 따른 캐소드 전극인 것인 연료 전지 시스템.14. The fuel cell system of claim 7, wherein the cathode electrode is a cathode electrode according to claim 7. 제18항에 있어서,The method of claim 18, 상기 연료 전지 시스템은 알칼리 전해질형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템.And the fuel cell system is an alkaline electrolyte fuel cell system. 제18항에 있어서, The method of claim 18, 상기 연료 전지 시스템은 알칼리 전해질형 직접 산화형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템. The fuel cell system is an alkali electrolyte type direct oxidation type fuel cell system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20040014468A (en) * 2001-03-16 2004-02-14 케이티에이치 홀딩 에이비 Oxygen reduction electrode

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