KR100728187B1 - Catalyst for fuel cell, method of preparing same, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 촉매, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 촉매는 실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 화합물, 및 1 내지 8nm의 평균 입자 크기를 갖는 촉매 금속을 포함하며, 상기 화합물은 촉매 총 중량에 대하여 5중량% 이하로 포함된다.The present invention relates to a catalyst for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same, wherein the catalyst for a fuel cell includes a compound including at least one element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum, and titanium, And a catalyst metal having an average particle size of 1 to 8 nm, wherein the compound is included at 5 wt% or less based on the total weight of the catalyst.

본 발명에 따른 연료전지용 촉매는 촉매 담지량에 따른 최적의 촉매 입자 크기를 가져 우수한 촉매 활성 및 자기 가습 효과를 나타내며 이에 따라 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. The catalyst for a fuel cell according to the present invention has an optimum catalyst particle size according to the amount of catalyst supported, thereby exhibiting excellent catalyst activity and self-humidification effect, and thus can improve the performance of the fuel cell.

연료전지, 촉매, Pt, 나노 입자 크기, 고순도, 촉매 활성. Fuel cell, catalyst, Pt, nanoparticle size, high purity, catalytic activity.

Description

연료 전지용 촉매, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리{CATALYST FOR FUEL CELL, METHOD OF PREPARING SAME, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME}Catalyst for fuel cell, method for manufacturing same, and membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same {CATALYST FOR FUEL CELL, METHOD OF PREPARING SAME, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing the structure of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1~4의 촉매 제조공정중 얻어진 촉매 전구체에 대한 X-선 회절 (X-ray diffraction: XRD) 패턴을 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the X-ray diffraction (XRD) pattern for the catalyst precursor obtained during the catalyst preparation process of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 연료전지용 촉매를 고해상도 투과전자현미경(high-resolution transmission electron microscope: HRTEM)으로 촬영한 사진.3 is a photograph taken with a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) of the catalyst for a fuel cell prepared in Example 2 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 5, 6에 따라 제조된 촉매에 대한 사이클릭 볼타모그램을 측정한 결과를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the results of measuring the cyclic voltammogram for the catalyst prepared according to Example 2 and Comparative Examples 5, 6 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 3 및 비교예 7에 따라 제조된 단전지의 출력 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프.5 is a graph showing the results of measuring the output characteristics of the unit cells prepared according to Example 3 and Comparative Example 7 of the present invention.

[산업상 이용분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 촉매, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우수한 촉매 활성 및 자기 가습 효과를 나타내는 연료 전지용 촉매, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell catalyst, a method for manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same. More particularly, a fuel cell catalyst, a method for manufacturing the same, and a fuel cell comprising the same, having excellent catalytic activity and self-humidifying effect A membrane-electrode assembly is provided.

[종래기술][Private Technology]

연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 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 주목받고 있다. The fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas 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 경우를 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)이라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). The use of methanol as fuel in the direct oxidation fuel cell is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

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

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require 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)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"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 comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxidation electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer therebetween. ) Is located.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고 또한 전자가 발생하며, 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, the fuel is ionized by an oxidation reaction, and electrons are generated, and the generated electrons are oxidized according to an external circuit. Reaching the cathode, which is the pole, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode. 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 우수한 촉매 활성 및 자기 가습 효과를 갖는 연료 전지용 촉매를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a catalyst for a fuel cell having excellent catalytic activity and self-humidifying effect.

본 발명의 다른 목적은 상기 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing the catalyst.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 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 catalyst.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 제1실시예에 따르면 실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 화합물, 및 1 내지 8nm의 평균 입자 크기를 갖는 촉매 금속을 포함하며, 상기 화합물은 촉매 총 중량에 대하여 5중량% 이하로 포함되는 연료전지용 촉매를 제공한다.In order to achieve the above object, according to the first exemplary embodiment of the present invention, a compound comprising at least one element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum and titanium, and a catalyst having an average particle size of 1 to 8 nm It includes a metal, the compound provides a fuel cell catalyst that is contained in 5% by weight or less based on the total weight of the catalyst.

본 발명의 예시적인 제2실시예에 따르면, 실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 원소의 화합물을 촉매 금속 전구체 용액에 첨가하여 촉매 전구체를 제조하고, 상기 촉매 전구체를 1차 열처리하고, 상기 1차 열처리된 촉매 전구체를 환원 분위기 하에서 2차 열처리하고, 상기 2차 열처리된 촉매 전구체를 산 또는 알칼리 처리하는 단계를 포함하는 상기 연료전지용 촉매의 제조방법을 제공한다.According to a second exemplary embodiment of the present invention, a compound of an element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum and titanium is added to a catalyst metal precursor solution to prepare a catalyst precursor, and the catalyst precursor is subjected to a first heat treatment And a second heat treatment of the first heat-treated catalyst precursor in a reducing atmosphere, and an acid or alkali treatment of the second heat-treated catalyst precursor.

본 발명의 예시적인 제3실시예에 따르면, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 어느 하나 또는 둘 모두는 상기 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.According to a third exemplary embodiment of the present invention, an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, any one of the anode electrode and the cathode electrode or Both provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the catalyst.

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

일반적으로 백금을 담체에 담지시키는 방법으로 상용화된 여러 가지 방법들 이 있다. 쉬우면서 낮은 담지량의 촉매 제조에 사용될 수 있는 방법 중 인시피언트 습식 방법(incipient wetness) 공정이 있다. 이 방법은 먼저 담체의 기공(pore)을 계산한 후, 그 기공의 양에 맞는 촉매 금속 전구체 용액을 제조하여 담체에 적가(dropping)하고 건조하여, 담체 기공 사이에 촉매 금속 전구체 용액을 채워넣으므로 담체에 촉매 금속이 담지되는 방법이다. 이 방법은 공정이 간단하나 고담지 촉매를 제조하기 위해서는 촉매 금속 전구체 용액에서 촉매 금속의 양을 증가시켜야 한다. 그러나, 담체의 기공이 사용할 수 있는 촉매 금속 전구체 용액의 양에 비해 너무 적기 때문에 촉매 금속 전구체 용액의 농도가 높아지게 되고 결국 용해도 문제로 용액 제조하기가 어려워지게 된다. 결국 이 방법으로 고담지 촉매를 제조하는 것이 불가능하다. 또한 일부 제조되더라도 촉매 금속이 응집되어 큰 입자로 존재하게 되고 이는 촉매 활성을 저하시키는 문제를 야기한다.In general, there are various commercially available methods for supporting platinum on a carrier. Among the methods that can be used to prepare easy and low loading catalysts is the Incipient wetness process. This method first calculates the pores of the carrier, then prepares a catalyst metal precursor solution suitable for the amount of the pores, drops the carrier and dries, and fills the catalyst metal precursor solution between the carrier pores. A method of supporting a catalyst metal on a carrier. This process is simple but requires increasing the amount of catalyst metal in the catalyst metal precursor solution in order to produce high supported catalysts. However, since the pores of the carrier are too small relative to the amount of the catalyst metal precursor solution that can be used, the concentration of the catalyst metal precursor solution becomes high, which makes it difficult to prepare the solution due to solubility problems. As a result, it is impossible to produce a high-damage catalyst in this way. In addition, even if partially prepared, the catalyst metal aggregates to exist as large particles, which causes a problem of lowering catalytic activity.

또한 촉매 금속의 응집을 막고, 용이하게 촉매의 입자 크기를 조절하기 위하여 계면활성제를 사용하고 있으나, 촉매 제조 후 계면활성제를 제거하기가 용이하지 않고, 또한 촉매에 잔류하는 계면 활성제는 촉매 피독을 일으키는 문제가 있었다.In addition, although surfactants are used to prevent agglomeration of the catalyst metal and to easily control the particle size of the catalyst, it is not easy to remove the surfactant after preparing the catalyst, and the surfactant remaining in the catalyst causes catalyst poisoning. There was a problem.

이에 대해 본 발명은 새로운 첨가제 화합물을 사용하고 열처리 조건을 제어함으로써, 고순도의 나노 입자 크기를 갖는 연료전지용 촉매를 제조할 수 있었다. 또한, 촉매 담지량에 따른 최적의 촉매 입자 크기를 조절함으로써 우수한 촉매 활성 및 자기 가습 효과를 나타내며 이에 따라 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있었다.In contrast, the present invention was able to prepare a catalyst for a fuel cell having a high purity nanoparticle size by using a novel additive compound and controlling the heat treatment conditions. In addition, by controlling the optimum catalyst particle size in accordance with the catalyst loading amount, it shows excellent catalytic activity and self-humidification effect, thereby improving the performance of the fuel cell.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매는, That is, the fuel cell catalyst according to the embodiment of the present invention,

실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 화합물; 및Compounds comprising at least one element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum and titanium; And

1 내지 8nm의 평균 입자 크기를 갖는 촉매 금속을 포함하며Includes a catalytic metal having an average particle size of 1 to 8 nm

상기 화합물은 촉매 총 중량에 대하여 5중량% 이하로 포함된다.The compound is included at 5% by weight or less based on the total weight of the catalyst.

보다 바람직하게는 상기 화합물은 촉매 총 중량에 대하여 0.1 내지 3중량% 이하로 포함될 수 있다. 상기 화합물이 5중량% 미만으로 포함될 경우 가습제 및 메탄올 산화반응을 돕는 물질로서 작용할 수 있으나, 5중량%를 초과할 경우 촉매층의 전도성을 저하시켜 바람직하지 않다.More preferably, the compound may be included in 0.1 to 3% by weight or less based on the total weight of the catalyst. When the compound is included in less than 5% by weight may act as a material to assist the humidification and methanol oxidation, but when it exceeds 5% by weight is not preferred to lower the conductivity of the catalyst layer.

상기 화합물은 실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물인 것 바람직하며, 보다 바람직하게는 실리카, 퓸드 실리카, 제올라이트, 지르코니아, 알루미나 및 티타니아로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것이다.The compound is preferably an oxide containing at least one element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum and titanium, more preferably selected from the group consisting of silica, fumed silica, zeolite, zirconia, alumina and titania. It is one or more.

상기 촉매 금속은 그 제조방법에서의 제어 조건에 따라 다양한 입자 크기를 갖도록 제조될 수 있다. 바람직하게는 상기 촉매 금속은 1 내지 8nm의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하고, 보다 더 바람직하게는 2 내지 8nm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 촉매 금속의 평균 입자 크기가 1nm 미만이면 촉매의 특성을 잃게 되어 바람직하지 않고, 8nm를 초과하면 촉매의 이용 효율이 저하되어 바람직하지 않다. 또한 상기 촉매 금속은 80% 이상의 입자 크기 균일성을 갖는다.The catalyst metal may be produced to have various particle sizes depending on the control conditions in the production method. Preferably, the catalyst metal preferably has an average particle size of 1 to 8 nm, even more preferably may have an average particle size of 2 to 8 nm. If the average particle size of the catalyst metal is less than 1 nm, the characteristics of the catalyst are lost, which is not preferable. The catalytic metal also has a particle size uniformity of at least 80%.

상기 촉매 금속으로는 백금 및 백금-전이 금속(V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Ir, W, Mo 및 Rh로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상임)의 2원 이상의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.The catalyst metal may be a two- or more member alloy of platinum and platinum-transition metal (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Ir, W, Mo, and Rh). One or more selected from the group consisting of can be used.

상기 촉매 금속은 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 담지시켜 사용할 경우 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연, 기상 성장 카본 파이버(Vapor Grown Carbon Fiber: VGCF), 카본 나노 튜브, 카본 나노 혼, 카본 나노 링, 카본 나노 와이어 또는 카본 나노 로드 등과 같은 탄소계 물질을 사용할 수도 있다.The catalyst metal may be used as a metal catalyst black or may be supported on a carrier. When supported, the carrier may be acetylene black, denka black, activated carbon, ketjen black, graphite, vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nano ring, carbon nanowire or Carbon-based materials such as carbon nanorods may also be used.

상기 담체에 담지될 경우 나노 입자 크기를 갖는 촉매 금속은 촉매 총 중량에 대하여 5 내지 95 중량%, 보다 바람직하게는 10 내지 80 중량%로 담지될 수 있다. 촉매 금속의 함량이 5중량% 미만일 경우 담체 대비 촉매 이용 효율이 떨어지고 95중량%를 초과할 경우 촉매 금속의 이용 효율이 떨어지게 되어 바람직하지 않다. 그러나, 상기 촉매 금속의 함량이 저 담지일 경우 고분자 전해질형 연료전지에 적합하고, 50중량% 이상으로 고담지될 경우 직접 메탄올형 연료전지에서 좋은 성능을 발휘할 수 있다.When supported on the carrier, the catalyst metal having a nanoparticle size may be supported by 5 to 95 wt%, more preferably 10 to 80 wt%, based on the total weight of the catalyst. When the content of the catalyst metal is less than 5% by weight, the catalyst use efficiency is lower than that of the carrier, and when the content of the catalyst metal is more than 95% by weight, the use efficiency of the catalyst metal is lowered. However, when the content of the catalyst metal is low, it is suitable for a polymer electrolyte fuel cell, and when it is highly supported at 50% by weight or more, it may exhibit good performance in a direct methanol type fuel cell.

보다 바람직하게는, 상기 촉매 금속이 2 내지 5nm의 평균 입자 크기를 가질 경우 촉매 총 중량에 대하여 85 내지 95중량%로 담체에 담지될 수 있으며, 또한 5 내지 8nm의 평균 입자 크기를 가질 경우 90 내지 95중량%로 담체에 담지 될 수 있다.More preferably, when the catalyst metal has an average particle size of 2 to 5nm, it may be supported on the carrier at 85 to 95% by weight based on the total weight of the catalyst, and also 90 to 90 when the catalyst metal has an average particle size of 5 to 8nm. It can be supported by the carrier at 95% by weight.

상기와 같은 연료 전지용 촉매는 다음의 방법에 의해 제조될 수 있다.The catalyst for a fuel cell as described above can be produced by the following method.

이하 본 발명의 촉매 제조 방법을 촉매의 형태에 따라, 즉 담체에 담지시키 지 않은 블랙 타입 촉매 또는 담체에 담지된 타입의 촉매로 구별하여 설명하기로 한다. 본 명세서에서 상기 "블랙(black)"이란 용어는 촉매 금속이 담체에 담지되지 않은 상태를 의미한다.Hereinafter, the method for preparing a catalyst according to the present invention will be described separately according to a type of catalyst, that is, a black type catalyst not supported on a carrier or a catalyst of a type supported on a carrier. As used herein, the term "black" refers to a state in which a catalyst metal is not supported on a carrier.

첫 번째로 블랙 타입 촉매 제조 방법을 설명하기로 한다.First, a black type catalyst preparation method will be described.

본 발명의 제2실시예에 따른 상기 연료전지용 촉매의 제조방법은,Method for producing a fuel cell catalyst according to a second embodiment of the present invention,

실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 원소의 화합물("이하 "첨가제 화합물"이라 한다)에 촉매 금속 전구체 용액에 첨가하여 촉매 전구체를 제조하고, A catalyst precursor is prepared by adding a compound of an element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum and titanium (hereinafter referred to as "additive compound") to a catalyst metal precursor solution,

상기 촉매 전구체를 1차 열처리하고, Primary heat treatment of the catalyst precursor,

상기 1차 열처리된 촉매 전구체를 환원 분위기 하에서 2차 열처리하고, Second heat treatment of the first heat-treated catalyst precursor in a reducing atmosphere,

상기 2차 열처리된 촉매 전구체를 산 또는 알칼리 처리하는 단계를 포함한다.Acid or alkali treatment of the secondary heat treated catalyst precursor.

상세하게는 첨가제 화합물을 촉매 금속 전구체 용액에 첨가하여 촉매 전구체를 제조한다.Specifically, an additive compound is added to the catalyst metal precursor solution to prepare a catalyst precursor.

상기 첨가제 화합물은 촉매 금속의 담지량 및 분산도를 증가시키는 역할을 하는 것으로, 대표적으로는 실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 원소의 화합물을 사용할 수 있다. 바람직하게는 실리카, 퓸드 실리카, 제올라이트, 지르코니아, 알루미나, 티타니아로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 퓸드 실리카를 사용할 수 있다.The additive compound serves to increase the amount and dispersion of the catalyst metal, and typically, a compound of an element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum, and titanium may be used. Preferably, at least one selected from the group consisting of silica, fumed silica, zeolite, zirconia, alumina and titania may be used, and more preferably fumed silica may be used.

상기 촉매 금속 전구체로는 H2PtCl6, PtCl2, PtBr2, (NH3)2Pt(NO2)2, K2PtCl6, K2PtCl4, K2[Pt(CN)4]3H2O, K2Pt(NO2)4, Na2PtCl6, Na2[Pt(OH)6] 플라티늄 아세틸아세토네이트(platinum acetylacetonate) 및 암모늄 테트라클로로플라티네이트(Ammonium tetrachloroplatinate)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 H2PtCl6를 사용할 수 있다.As the catalyst metal precursor, H 2 PtCl 6 , PtCl 2 , PtBr 2 , (NH 3 ) 2 Pt (NO 2 ) 2 , K 2 PtCl 6 , K 2 PtCl 4 , K 2 [Pt (CN) 4 ] 3H 2 O, K 2 Pt (NO 2 ) 4 , Na 2 PtCl 6 , Na 2 [Pt (OH) 6 ] platinum acetylacetonate and ammonium tetrachloroplatinate One or more may be used, and more preferably H 2 PtCl 6 may be used.

또한 전이 금속 전구체를 더욱 첨가하여 백금-전이 금속의 2원 이상, 바람직하게는 2 내지 4원의 합금 촉매를 제조할 수도 있다. 상기 전이 금속으로는 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Ir, W, Mo 또는 Rh를 사용할 수 있고, 연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극에 동일 촉매를 사용하는 것이 일반적이기는 하나, 본 발명의 촉매를 캐소드에 사용할 때에는 백금과 함께 사용되는 전이 금속으로 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 또는 Cu를 사용하고, 애노드에 사용할 때에는 Ru, Ir, W, Mo 또는 Rh를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 상기 전구체의 종류로는 할라이드, 질산염, 염산염, 황산염, 아민류 등 어떠한 형태의 화합물도 사용가능하며, 그 중에서 할라이드가 바람직하다.It is also possible to further add a transition metal precursor to produce an alloy catalyst of two or more, preferably two to four, members of the platinum-transition metal. The transition metal may be V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Ir, W, Mo or Rh, although it is common to use the same catalyst for the cathode and anode electrodes in a fuel cell. When the catalyst of the present invention is used for the cathode, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni or Cu is used as the transition metal used with platinum, and Ru, Ir, W, Mo or Rh is used for the anode. It is more preferable to do. As the kind of the precursor, compounds of any type such as halides, nitrates, hydrochlorides, sulfates, and amines can be used, and halides are preferred among them.

또한, 상기 촉매 금속 전구체 용액에서 용매로는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등과 같은 알코올, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.In the catalyst metal precursor solution, an alcohol such as water, methanol, ethanol, isopropanol, or a mixture thereof may be used as a solvent.

상기 촉매 금속 전구체 용액은 담지 보조제에 담지하고자 하는 촉매의 양을 계산하여 제조한다. 촉매의 담지량을 고려할 때, 상기 담지체와 촉매 금속 전구체는 70:30 내지 90:10의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80:20 내지 85:15의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 혼합비 내에서는 촉매 금속의 입자 조절이나 모양 조절이 가능하여 바람직하고, 상기 혼합비를 벗어나면 촉매의 입자가 커지거나 담지체를 비효율적으로 사용하게 되어 바람직하지 않다.The catalyst metal precursor solution is prepared by calculating the amount of catalyst to be supported on a supporting aid. In consideration of the loading of the catalyst, the support and the catalyst metal precursor are preferably mixed in a weight ratio of 70:30 to 90:10, and more preferably in a weight ratio of 80:20 to 85:15. Within the mixing ratio, it is preferable to control the particle size or shape of the catalyst metal. If the mixing ratio is out of the mixing ratio, the particles of the catalyst become large or the carrier is inefficiently used.

상기 첨가 공정은 적가 방법(drop)으로 실시하여 상기 촉매 금속 전구체 용액이 상기 첨가제 화합물에 보다 골고루 도포될 수 있도록 하는 것이 좋다.The addition process may be carried out by a drop so that the catalyst metal precursor solution may be evenly applied to the additive compound.

이후 공정인 열처리 공정 전에 얻어진 촉매 전구체에 대하여 건조 공정을 더욱 실시할 수도 있다. 건조 공정을 더욱 실시하는 경우 더욱 균일한 분산 상태가 얻어져 바람직하다. 건조 공정은 초음파 건조(ultra-sonication)등의 방법을 사용할 수 있으며, 건조 공정을 실시한 후, 분쇄 공정을 실시하여 미세한 분말의 촉매 전구체를 제조할 수 있다.The drying step may be further performed on the catalyst precursor obtained before the heat treatment step, which is a subsequent step. When performing a drying process further, a more uniform dispersion state is obtained and it is preferable. The drying process may be a method such as ultrasonic drying (ultra-sonication), and after performing the drying process, a pulverization process may be carried out to prepare a fine powder catalyst precursor.

이어서, 상기 촉매 전구체를 1차 열처리한다.Subsequently, the catalyst precursor is subjected to a first heat treatment.

상기 1차 열처리는 진공하에서 실시하는 것이 바람직하다. 진공하에서의 열처리로 나노 사이즈를 갖는 입자를 용이하게 제조할 수 있다.The primary heat treatment is preferably performed under vacuum. The heat treatment under vacuum can easily produce particles having a nano size.

상기 1차 열처리시 열처리 온도는 100 내지 500℃인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 150 내지 250℃에서 실시한다. 열처리 온도가 500℃를 초과하면 입자가 커지게 되어 바람직하지 않고, 열처리 온도가 100℃ 미만이면 결정성이 좋지 못하여 바람직하지 않다. The heat treatment temperature during the first heat treatment is preferably 100 to 500 ° C, more preferably 150 to 250 ° C. If the heat treatment temperature exceeds 500 ° C, the particles become large, which is not preferable. If the heat treatment temperature is less than 100 ° C, the crystallinity is not good, which is not preferable.

상기 1차 열처리 공정은 10분 내지 5시간, 보다 바람직하게는 1 내지 5 시간동안 실시할 수 있다. 열처리 시간이 10분 미만이면 촉매 금속의 결정성이 좋지 못하여 바람직하지 않고, 5시간을 초과하면 촉매 금속의 입자크기가 커져서 바람직하 지 않다.The first heat treatment process may be carried out for 10 minutes to 5 hours, more preferably 1 to 5 hours. If the heat treatment time is less than 10 minutes, the crystallinity of the catalyst metal is not good, and it is not preferable. If the heat treatment time is more than 5 hours, the particle size of the catalyst metal becomes large, which is not preferable.

이후 상기 1차 열처리된 촉매 전구체에 대하여 환원 분위기 하에서 2차 열처리를 실시한다.Thereafter, the first heat treated catalyst precursor is subjected to a second heat treatment under a reducing atmosphere.

보다 바람직하게는 상기 2차 열처리 공정은 수소 또는 CO 분위기 하에서 실시되는 것이 좋으며, 가장 바람직하게는 CO 분위기하에서 실시하는 것이 좋다. CO는 촉매 금속을 피독시켜 입자의 응집(aggregation)을 막아줄 수 있기 때문에 환원분위기로 좋다.More preferably, the secondary heat treatment step is preferably performed under hydrogen or CO atmosphere, and most preferably under CO atmosphere. CO is good as a reducing atmosphere because it can poison the catalyst metal and prevent the aggregation of particles.

상기 2차 열처리시 열처리 온도는 250℃ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 150 내지 200℃에서 실시한다. 열처리 온도가 250℃를 초과하면 입자가 커지게 되어 바람직하지 않다. It is preferable that the heat processing temperature at the time of the said secondary heat processing is 250 degrees C or less, More preferably, it carries out at 150-200 degreeC. If the heat treatment temperature exceeds 250 ° C., the particles become large, which is undesirable.

상기 2차 열처리 공정은 10분 내지 10시간, 보다 바람직하게는 1 내지 3시간동안 실시할 수 있다. 열처리 시간이 10분 미만이면 Pt의 결정성이 좋지 못하여 바람직하지 않고, 10시간을 초과하면 Pt의 입자크기가 커져서 바람직하지 않다.The secondary heat treatment process may be performed for 10 minutes to 10 hours, more preferably 1 to 3 hours. If the heat treatment time is less than 10 minutes, the crystallinity of Pt is not good, which is not preferable. If the heat treatment time is more than 10 hours, the particle size of Pt becomes large, which is not preferable.

또한 2차 열처리 공정시 승온 속도는 10℃/min 이하로 실시하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2℃/min로 실시할 수 있다. 승온 속도가 10℃/min를 초과하면 촉매 입자의 크기가 크게 되어 바람직하지 않다.In the second heat treatment step, the temperature increase rate is preferably performed at 10 ° C / min or less, and more preferably at 0.5 to 2 ° C / min. If the temperature increase rate exceeds 10 ° C / min, the size of the catalyst particles becomes large, which is not preferable.

상기와 같은 열처리 공정에 따라 이 열처리 공정에 따라 촉매 금속 전구체가 환원되어 촉매 금속으로 전환된다.According to the heat treatment process as described above, the catalyst metal precursor is reduced and converted to the catalyst metal according to this heat treatment process.

이후 상기 열처리 공정을 실시하여 얻어진 생성물을 산 또는 염기로 처리하여 연료 전지용 촉매를 제조한다.Thereafter, the product obtained by performing the heat treatment is treated with an acid or a base to prepare a catalyst for a fuel cell.

상기 산 또는 염기 처리 공정은 상기 생성물을 산 또는 염기와 혼합하는 공정으로 실시하는 것으로서, 이 공정에 따라 상기 첨가제 혼합물을 제거할 수 있다. 이때 상기 첨가제 혼합물에 대한 용출공정을 조절하여 첨가제 혼합물을 완전히 제거할 수도 있고, 또는 일부만 제거할 수도 있다.The acid or base treatment step is performed by mixing the product with an acid or a base, and the additive mixture can be removed according to this step. At this time, the elution process for the additive mixture may be adjusted to completely remove the additive mixture, or may remove only a part of the additive mixture.

상기 산 처리 공정은 40% 불소산을 이용하여 24시간 내지 48시간동안 조절하여 실시할 수도 있다. 또한 염기 처리 공정은 NaOH, KOH, NH3OH, NH3CO3, Na2CO3 등을 사용하여 pH를 10 내지 12로 맞추거나, 혼합 시간을 30분 내지 24시간으로 조절하여 실시할 수도 있다. 보다 상세하게는 불소산을 사용할 경우 40% HF용액을 정량식에 3배 가량 넣어주고 24시간 교반하면서 수행한다. 또한 NaOH를 사용할 경우 1M 이상의 NaOH 용액을 넣고 24시간 교반한 후 여과하여 제거할 수 있다.The acid treatment process may be performed by adjusting for 24 to 48 hours using 40% hydrofluoric acid. In addition, the base treatment step may be carried out by adjusting the pH to 10 to 12 using NaOH, KOH, NH 3 OH, NH 3 CO 3 , Na 2 CO 3 or the like, or adjusting the mixing time to 30 minutes to 24 hours. . More specifically, in the case of using fluoric acid, 40% HF solution is added about 3 times to the quantitative formula and is performed with stirring for 24 hours. In addition, when using NaOH, 1M NaOH solution or more can be stirred for 24 hours and then filtered to remove.

이때, 상기 첨가제 화합물이 일부 잔존하도록, 즉 바람직하게 5 중량% 이하로 잔존하도록, 산 또는 염기 처리 공정을 실시하는 것이, 상기 첨가제 화합물이 물을 잘 흡수하는 성질이 있어 자체 가습 촉매(self-humidification catalyst) 역할을 할 수 있으므로, 무가습 조건 하에서도 동작하는 촉매 제조가 가능하여 바람직하다. 또한 잔존된 첨가제 화합물이 물을 흡수하고 있으므로 메탄올 산화 또는 CO 산화 반응에 보다 효과적으로 작용할 수 있어 바람직하다. 첨가제 화합물제의 함량이 5 중량%보다 과량으로 존재하는 경우 촉매층의 전도성을 저하시켜 전지 성능을 저하시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.At this time, the acid or base treatment process is carried out so that some of the additive compound remains, that is, preferably less than 5% by weight, the additive compound has a property of absorbing water well, so that self-humidification It is possible to prepare a catalyst that can operate under a non-humidified condition because it can act as a catalyst). In addition, since the residual additive compound absorbs water, it is preferable because it can act more effectively on methanol oxidation or CO oxidation reaction. If the content of the additive compound is present in excess of 5% by weight, the conductivity of the catalyst layer may be lowered, which may lower battery performance.

보다 바람직하게는 상기 첨가제 화합물이 0.1 내지 3중량%로 잔존하도록 산 또는 염기 처리 공정을 실시하는 것이 좋다.More preferably, the acid or base treatment step is carried out so that the additive compound remains at 0.1 to 3% by weight.

상기와 같은 공정으로 제조된 본 발명의 연료 전지용 촉매는 상기 첨가제 화합물과 촉매 금속을 포함하며, 상기 첨가제 화합물이 촉매 내에 균일하게 존재한다. 제조된 촉매에서 상기 첨가제 화합물은 5중량% 이하, 바람직하게는 0.1 내지 3중량% 이하로 존재한다.The catalyst for a fuel cell of the present invention prepared by the above process includes the additive compound and the catalyst metal, and the additive compound is uniformly present in the catalyst. In the prepared catalyst, the additive compound is present at 5 wt% or less, preferably 0.1 to 3 wt% or less.

두 번째로 담체를 포함하는 촉매 제조 방법에 대하여 설명한다. 이하 설명에서 상기 블랙 타입의 촉매 제조 방법시 사용된 동일한 물질 및 동일 공정에 대하여는 이하에서 설명을 생략하기로 한다. Secondly, a method for preparing a catalyst including a carrier will be described. In the following description, the same materials and the same processes used in the black type catalyst preparation method will be omitted.

먼저 탄소계 물질과 담지 보조제를 혼합하여 담체를 제조한다. 이때, 상기 담지 보조제는 상술한 첨가제 화합물로서, 담체에 담지시켜 사용하는 경우 상기 첨가제 화합물이 담지 보조제 역할을 하여, 촉매 금속이 담체에 높은 담지량 및 고분산으로 담지될 수 있게 한다.First, a carrier is prepared by mixing a carbonaceous material and a supported adjuvant. At this time, the supported adjuvant as the above-described additive compound, when used on a carrier, the additive compound acts as a supporting adjuvant, so that the catalyst metal can be supported on the carrier with a high supported amount and high dispersion.

상기 탄소계 물질로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연, 기상 성장 카본 파이버(Vapor Grown Carbon Fiber: VGCF), 카본 나노 튜브, 카본 나노 혼, 카본 나노 링, 카본 나노 와이어 및 카본 나노 로드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 상기 탄소계 물질은 그대로 사용할 수도 있으나, 탈황 처리를 실시하여 사용하는 것이 제조된 촉매를 연료 전지에 사용시 불순물로 미량 포함되어 있는 황이 연료 전지 물성에 악영향을 끼칠 수 있는 문제를 없앨 수 있어서 바람직하다.The carbonaceous materials include acetylene black, denka black, activated carbon, ketjen black, graphite, vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nano rings, carbon nanowires, and carbon. One or more selected from the group consisting of nanorods may be used. Although the carbon-based material may be used as it is, it is preferable to use the desulfurization treatment because the sulfur contained in the trace amount as an impurity may be adversely affected in the fuel cell properties.

상기 탈황 처리 공정은 먼저 탄소계 화합물을 400 내지 500℃에서 5시간 내 지 12시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하고, 열처리한 카본계 화합물을 산으로 처리하고, 세척하여 실시한다. 산 처리 공정은 상온에서 10 내지 12 시간 동안 실시하며, 이러한 산 처리 공정에 따라 상기 탄소계 물질에 작용기(-OH, -COOH등)가 늘어나게 되므로, 촉매의 담지에 더 안정하게 되고 분산을 높여줄 수 있다. 또한 이런 영향으로 소수성인 탄소계 물질이 친수성으로 변화될 수 있다. 상기 산으로는 질산, 황산, 인산 또는 불산을 사용할 수 있다. The desulfurization treatment is first performed by heat treating the carbon-based compound at 400 to 500 ° C. for 5 to 12 hours in an air atmosphere, treating the heat-treated carbon-based compound with an acid, and washing it. The acid treatment process is performed at room temperature for 10 to 12 hours, and the acid treatment process increases functional groups (-OH, -COOH, etc.) in the carbonaceous material, thereby making it more stable to support the catalyst and increasing dispersion. Can be. In addition, this effect can change the hydrophobic carbon-based material to hydrophilic. The acid may be nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid or hydrofluoric acid.

이후 상기 세척 공정은 사용된 산을 제거하는 공정으로서, 충분한 증류수로 씻어 줄 수도 있고, 열처리를 통해 미량의 산을 제거할 수 있다. 또한 열처리 조건은 1~2회 세척 공정을 실시한 탄소계 화합물을 400 내지 500℃에서 5 내지 24 시간 동안 공기 분위기 하에서 다시 2차 열처리하는 공정을 더욱 실시하는 것이 미량 잔존할 수 있는 산을 완전히 제거할 수 있어서 좋다.Thereafter, the washing process is a process of removing the used acid, and may be washed with sufficient distilled water, and a small amount of acid may be removed through heat treatment. In addition, the heat treatment condition is to perform a second heat treatment again in the air atmosphere for 5 to 24 hours at 400 to 500 ℃ the carbon-based compound subjected to one or two washing process to completely remove the acid that may remain a trace It can be good.

상기와 같이 전처리된 탄소계 물질과 담지 보조제를 혼합한다. 이때 담지 보조제는 촉매 금속의 중량 대비 2배 내지 6배, 보다 4배 내지 5배로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 담지 보조제의 함량이 상기 범위 미만일 경우 담지 보조제의 양이 적어서 보조 담지체의 역할을 잘 할 수 없고 촉매 금속이 큰 입자로 생성될 가능성이 있어 바람직하지 않고, 또한 상기 범위를 초과할 경우 담지 보조제의 양이 너무 많이 들어가 경제적이지 못하다.The pretreated carbonaceous material and the supported auxiliaries are mixed as described above. At this time, the supported auxiliary agent is preferably added 2 to 6 times, more 4 times to 5 times the weight of the catalyst metal. If the content of the supported adjuvant is less than the above range, the amount of the supported adjuvant may not be good because it may not play a role as an auxiliary support, and the catalyst metal may be formed into large particles, which is not preferable. Too much of it is not economical.

담지 보조제와 탄소계 물질의 혼합 공정은 또한 유기 용매, 물 또는 이들의 혼합 용매 중에서 실시하는 것이 상기 탄소계 물질과 담지 보조제가 보다 균일하게 혼합되므로 바람직하다. 상기 유기 용매로는 n-프로필알콜, 이소프로필알콜, 메틸 알콜, 에틸알콜 또는 에틸렌 글리콜을 사용할 수 있다.The mixing step of the supported assistant and the carbonaceous substance is also preferably carried out in an organic solvent, water, or a mixed solvent thereof because the carbonaceous substance and the supported assistant are more uniformly mixed. As the organic solvent, n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, methyl alcohol, ethyl alcohol or ethylene glycol may be used.

탄소계 물질과 담지 보조제와의 혼합 공정을 용매를 사용하여 제조하는 경우에는 건조 공정을 더욱 실시한 후, 분쇄하여 분말 상태의 담체를 제조한다. 그러나 용매를 사용하지 않는 경우에는 건조 공정을 실시할 필요 없이 분쇄 공정만을 거쳐도 무방하다.In the case of preparing a mixing step of the carbon-based material and the supporting aid using a solvent, the drying step is further performed, followed by grinding to prepare a powder carrier. However, when not using a solvent, you may pass only a grinding | pulverization process, without performing a drying process.

다음으로, 상기 담체에 촉매 금속 전구체 용액을 골고루 첨가하여 촉매 전구체를 제조하고, 촉매 전구체를 진공하에서 1차 열처리하고, 상기 1차 열처리된 촉매 전구체를 수소 또는 일산화탄소와 같은 환원 분위기하에서 2차 열처리하고, 상기 2차 열처리된 촉매전구체를 산 또는 알칼리 처리하여 담체에 담지된 형태를 갖는 연료 전지용 촉매를 제조할 수 있다. Next, a catalyst precursor is prepared by uniformly adding a catalyst metal precursor solution to the support, the catalyst precursor is first heat treated under vacuum, and the first heat treated catalyst precursor is second heat treated under a reducing atmosphere such as hydrogen or carbon monoxide. In addition, an acid or alkali treatment of the secondary heat treated catalyst precursor may produce a fuel cell catalyst having a form supported on a carrier.

상기 담체 제조 이후의 공정은 앞서 설명한 바와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.Since the process after the preparation of the carrier is the same as described above, a detailed description thereof will be omitted.

상기와 같은 제조방법에 의해 담체가 없는 블랙 촉매를 계면활성제를 사용하지 않고도 나노 사이즈, 바람직하게는 1 내지 8nm, 보다 바람직하게는 2 내지 5nm의 입자 크기로 합성할 수 있다. 또한 탄소계 물질에 의해 담지시킬 경우, 연료전지의 성능 및 안정성을 고려하여 촉매 금속의 입자크기를 탄소계 물질의 양에 따라 적절히 조절할 수 있다. 바람직하게는 촉매 금속의 담지량이 85 내지 90중량%일 경우 촉매 금속은 2 내지 5nm의 평균 입자크기를 가질 수 있으며, 또한 담지량이 90 내지 95%일 경우 5 내지 8nm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 이와 같이 본원 발명에 따른 제조방법에 의해 촉매 금속의 입자 크기를 균일하게 조절할 수 있다. By the preparation method as described above, the black catalyst without a carrier can be synthesized in a particle size of nano size, preferably 1 to 8 nm, more preferably 2 to 5 nm, without using a surfactant. In addition, when supported by the carbon-based material, the particle size of the catalyst metal can be appropriately adjusted according to the amount of the carbon-based material in consideration of the performance and stability of the fuel cell. Preferably, when the supported amount of the catalyst metal is 85 to 90% by weight, the catalyst metal may have an average particle size of 2 to 5 nm, and when the supported amount is 90 to 95%, the catalyst metal may have an average particle size of 5 to 8 nm. . Thus, the particle size of the catalyst metal can be uniformly controlled by the production method according to the present invention.

또한 상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 촉매는 공기중에 있는 산소나 수증기에 의해 생기는 산화물을 제외하고는 유기 불순물이 없는(carbon free) 고순도를 갖는다. 일반적으로 순도는 탄소계 물질과 같은 담체를 제외한, 계면활성제로부터 나오는 탄화수소(hydrocarbon)나 백금 표면에 붙어있게되는 유기 불순물을 지칭하는데, 본원 발명의 제조방법에 따르면 계면 활성제를 사용하지 않기 때문에 금속 블랙 촉매내에 유기 불순문이 존재하지 않는다. 그러나, 촉매 제조시에 사용되는 첨가제 화합물 또는 보조 담지체를 산 또는 염기 처리에 의해 완전히 용출시키지 않고 일부 잔존시킨 경우 및 탄소계 물질의 담체를 불순물에 포함하는 경우를 고려하며 바람직하게는 상기 촉매는 90% 이상의 순도를 가지며, 보다 바람직하게는 90 내지 95%의 고순도를 가진다. 촉매 금속의 순도가 90% 미만이면 촉매 금속 내에 포함된 불순물로 인하여 촉매 피독이 일어날 우려가 있어 바람직하지 않다. In addition, the catalyst prepared by the above production method has a high purity (carbon free) free of organic impurities, except for oxides produced by oxygen or water vapor in the air. Purity generally refers to organic impurities that adhere to the surface of hydrocarbons or platinum from surfactants, except for carriers such as carbonaceous materials, and according to the method of the present invention, metal blacks are not used because they do not use surfactants. There is no organic impurity in the catalyst. However, the case where the additive compound or auxiliary carrier used in the preparation of the catalyst is partially left without eluting by acid or base treatment and the case where the carrier of the carbonaceous material is included in the impurities are preferable. It has a purity of at least 90%, more preferably a high purity of 90 to 95%. If the purity of the catalyst metal is less than 90%, the catalyst poisoning may occur due to impurities contained in the catalyst metal, which is not preferable.

이와 같이 제조된 연료전지용 촉매는 연료전지 중에서도 탄화수소 연료를 사용하는 직접 산화형 연료 전지에서의 활성이 보다 우수하며, 연료로 메탄올을 사용하는 직접 메탄올형 연료 전지에서의 촉매 활성이 매우 우수하므로, 직접 메탄올형 연료 전지에서 가장 유용하게 사용할 수 있다.The fuel cell catalyst thus prepared has a higher activity in a direct oxidation fuel cell using a hydrocarbon fuel and a very high catalytic activity in a direct methanol fuel cell using methanol as a fuel. Most useful in methanol fuel cells.

또한 상기 연료 전지용 촉매는 캐소드 및 애노드 전극에 모두 사용할 수 있다.In addition, the fuel cell catalyst may be used for both the cathode and the anode electrode.

연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 연료(수소, 메탄올, 에탄올, 개미산등) 산화용 애노드 및 산소(공기)의 환원용 캐소드로 구별된다. 즉, 연료 전지에 서 수소 또는 연료를 상기 애노드에 공급하고 산소를 상기 캐소드에 공급하여, 애노드와 캐소드의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 애노드에서 유기 연료의 산화 반응이 일어나고 캐소드에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극간의 전압차를 발생시키게 된다.Cathode and anode electrodes in fuel cells are not distinguished by materials, but by their role. Fuel cell electrodes are anodes for oxidizing fuels (hydrogen, methanol, ethanol, formic acid, etc.) and cathodes for reducing oxygen (air). Are distinguished. That is, a fuel cell supplies hydrogen or fuel to the anode and oxygen to the cathode to generate electricity by an electrochemical reaction between the anode and the cathode. An oxidation reaction of the organic fuel occurs at the anode and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode, thereby generating a voltage difference between the two electrodes.

따라서, 본 발명의 예시적인 제3실시예에 따르면, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 어느 하나 또는 둘 모두는 상기 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.Accordingly, according to a third exemplary embodiment of the present invention, an anode electrode and a cathode electrode are disposed to face each other, and a polymer electrolyte membrane is positioned between the anode electrode and the cathode electrode, and the anode electrode and the cathode electrode are located. Either or both provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the catalyst.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극에 포함되는 촉매는 앞서 설명한 바와 동일하다.The catalyst included in the anode electrode and the cathode electrode is the same as described above.

또한, 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극의 촉매들은 모두 전극 기재에 형성되어 있다. 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 금속 천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the catalysts of the cathode electrode and the anode electrode are all formed on the electrode substrate. 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 fiber composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the cloth formed of (referred to as a metalized polymer fiber) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸 렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머 등의 불소계 수지로 발수 처리된 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 보다 바람직하다.In addition, the electrode substrate is water-repellent treatment with a fluorine-based resin such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, fluoroethylene polymer The gas diffusion efficiency can be prevented from being lowered by water generated when the fuel cell is driven, which is more preferable.

또한, 상기 막-전극 어셈블리는 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여, 전극 기재 상에 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, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 전기 전도성을 갖는 고분자를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 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, the membrane-electrode assembly may further include a microporous layer on the electrode substrate to enhance the gas diffusion effect. 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. 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, a polymer having electrical conductivity may be used. Specifically, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, or the like may be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like 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.

또한, 상기 고분자 전해질 막은 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지는 것으로서, 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분 자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. In addition, the polymer electrolyte membrane has a function of ion exchange that transfers hydrogen ions generated in the catalyst layer of the electrode to the catalyst layer of the cathode electrode, and is generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell and has a polymer of hydrogen ion conductivity. Anything prepared with may be used. 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. 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 with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole or at least one selected from (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole).

또한 상기 고분자 전해질 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. In addition, the polymer electrolyte membrane preferably has a thickness of 10 to 200㎛.

고분자 전해질 막의 제조 방법, 열간 압연의 방법 및 조건은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.Since the method for preparing the polymer electrolyte membrane, the method and the conditions of hot rolling are well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 예시적인 제4실시예에 따르면, 상기 구성을 갖는 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.According to a fourth exemplary embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell system including the membrane-electrode assembly having the above configuration.

상기 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system includes at least one electricity generating unit including the membrane-electrode assembly and the separator, and includes a fuel supply unit supplying fuel to the electricity generating unit and an oxidant supply unit supplying an oxidant to the electricity generating unit.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly, a separator (also called a bipolar plate), and serves to generate electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an 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. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함한다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.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. Fuels in the present invention include hydrogen or hydrocarbon fuels in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고, 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 1, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 1 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator by using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and does not use a pump, but uses a fuel diffusion method. Of course, it can also be used in the battery system structure.

본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(150)를 갖는 스택(105)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(101)와, 산화제를 상기 전기 발생부(150)로 공급하는 산화제 공급부(103)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 of the present invention includes a stack 105 having at least one electricity generator 150 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and a fuel supply unit for supplying the fuel. 101 and an oxidant supply unit 103 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 150.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(101)는 연료를 저장하는 연료 탱크 (110)를 구비하며, 선택적으로, 상기 연료 탱크(110)에 연결 설치되는 연료 펌프(120)를 더 구비할 수도 있다. 상기한 연료 펌프(120)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(110)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 101 for supplying fuel includes a fuel tank 110 for storing fuel, and optionally, may further include a fuel pump 120 connected to the fuel tank 110. The fuel pump 120 serves to discharge fuel stored in the fuel tank 110 by a predetermined pumping force.

상기 스택(105)의 전기 발생부(150)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(103)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(130)를 구비할 수 있다.The oxidant supply unit 103 supplying the oxidant to the electricity generating unit 150 of the stack 105 may include at least one oxidant pump 130 that sucks the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(150)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(151)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(152,153)로 구성된다. The electricity generator 150 includes a membrane electrode assembly 151 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and separators 152 and 153 for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane electrode assembly.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 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)(Example 1)

퓸드 실리카 분말 80중량부에 Pt 전구체 용액인 H2PtCl6 용액 20중량부를 적가하여 촉매 전구체를 제조하였다. 제조된 촉매 전구체를 초음파 처리(ultrasonication) 건조하여 노란색의 촉매 전구체를 수득하였다. 이를 진공하에서 200℃에서 5시간동안 1차 열처리를 하고, 이후 수소분위기하 200℃에서 2.5시간동안 2차 열처리하였다. 상기 2차 열처리시 승온 속도는 2℃/min으로 하였다.A catalyst precursor was prepared by dropwise adding 20 parts by weight of a solution of H 2 PtCl 6 , a Pt precursor solution, to 80 parts by weight of fumed silica powder. The prepared catalyst precursor was ultrasonicated (ultrasonication) to give a yellow catalyst precursor. This was subjected to a first heat treatment at 200 ° C. for 5 hours under vacuum, and then to a second heat treatment at 200 ° C. for 2.5 hours under a hydrogen atmosphere. The temperature increase rate during the second heat treatment was 2 ° C / min.

다음으로, 열처리된 촉매를 60℃ 진공 오븐에서 하루 방치한 후, 0.5M NaOH 로 2시간 동안 처리하여 상기 퓸드 실리카를 용출 제거하였다. 이후, 여과, 세척 및 건조 오븐에서 건조하여 연료 전지용 촉매를 제조하였다. 제조된 연료전지용 촉매는 3.5nm의 입자크기 및 촉매 총 중량에 대하여 2중량%의 퓸드 실리카를 포함하는 Pt 나노 입자이었다.Next, the heat treated catalyst was left in a 60 ° C. vacuum oven for one day, and then treated with 0.5 M NaOH for 2 hours to elute and remove the fumed silica. Thereafter, the resultant was filtered, washed and dried in a drying oven to prepare a catalyst for a fuel cell. The prepared fuel cell catalyst was Pt nanoparticles containing 2 wt% of fumed silica based on a particle size of 3.5 nm and the total weight of the catalyst.

(실시예 2)(Example 2)

케첸 블랙을 500℃에서 10시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하고, 열처리한 케첸 블랙 5g과 HNO3 500ml를 상온에서 24시간 동안 혼합하는 산처리를 실시하고 여과하였다. 이어서, 얻어진 케첸 블랙을 물로 세척하고, 건조한 후, 500℃에서 24시간 동안 공기 분위기 하에서 다시 열처리하여, 케첸 블랙에서 불순물로 미량 존재할 수 있는 황을 제거하는 탈황 처리를 실시하였다.Ketjen black was heat-treated at 500 ° C. for 10 hours in an air atmosphere, and 5 g of heat treated Ketjen black and 500 ml of HNO 3 were mixed at room temperature for 24 hours and filtered. Subsequently, the obtained Ketjen Black was washed with water, dried, and then heat treated again at 500 ° C. for 24 hours in an air atmosphere to carry out a desulfurization treatment to remove sulfur which may be present as trace impurities in Ketjen Black.

탈황 처리된 케첸 블랙을 퓸드 실리카와 1:1의 중량비로 n-프로필알콜, 이소프로필알콜 및 물의 혼합 용매(1:1:1 부피비) 중에서 볼밀로 혼합하였다.The desulfurized Ketjen Black was mixed in a ball mill with fumed silica in a mixed solvent (1: 1: 1 volume ratio) of n-propyl alcohol, isopropyl alcohol and water in a weight ratio of 1: 1.

상기 혼합물을 건조한 후, 분쇄기로 분쇄하여 분말 상태의 담체를 제조하였다.The mixture was dried and then ground in a grinder to prepare a powder carrier.

상기 담체 80중량부에 Pt 전구체 용액인 H2PtCl6 용액 20중량부를 적가하여 촉매 전구체를 제조하였다. 제조된 촉매 전구체를 초음파 처리(ultrasonication) 건조하여 노란색의 촉매 전구체를 수득하였다. 이를 진공하에서 200℃에서 5시간동안 1차 열처리를 하고, 이후 수소분위기하 200℃에서 2.5시간동안 2차 열처리하였다. 상기 2차 열처리시 승온 속도는 2℃/min으로 하였다.A catalyst precursor was prepared by dropwise adding 20 parts by weight of a solution of H 2 PtCl 6 , a Pt precursor solution, to 80 parts by weight of the carrier. The prepared catalyst precursor was ultrasonicated (ultrasonication) to give a yellow catalyst precursor. This was subjected to a first heat treatment at 200 ° C. for 5 hours under vacuum, and then to a second heat treatment at 200 ° C. for 2.5 hours under a hydrogen atmosphere. The temperature increase rate during the second heat treatment was 2 ° C / min.

다음으로, 열처리된 촉매를 60℃ 진공 오븐에서 하루 방치한 후, 0.5M NaOH로 2시간 동안 처리하여 상기 퓸드 실리카를 용출 제거하였다. 이후, 여과, 세척 및 건조 오븐에서 건조하여 연료 전지용 촉매를 제조하였다. 제조된 연료전지용 촉매는 3nm의 입자 크기를 갖는 백금 촉매, 및 촉매 총 중량에 대하여 3중량%의 퓸드 실리카를 포함하는 캐첸 블랙에 담지된 Pt 나노 입자이었다.Next, the heat treated catalyst was left in a 60 ° C. vacuum oven for one day, and then treated with 0.5 M NaOH for 2 hours to elute and remove the fumed silica. Thereafter, the resultant was filtered, washed and dried in a drying oven to prepare a catalyst for a fuel cell. The prepared fuel cell catalyst was a Pt nanoparticle supported on Catchen Black containing a platinum catalyst having a particle size of 3 nm, and 3 wt% fumed silica based on the total weight of the catalyst.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

초음파 처리 건조한 촉매 전구체를 H2 분위기 하에서 200℃의 온도로 열처리하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 연료전지용 촉매를 제조하였다. 제조된 연료전지용 촉매는 9.5nm의 입자크기를 갖는 Pt 나노 입자이었다.Ultrasonic Treatment A catalyst for a fuel cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the dried catalyst precursor was heat-treated at a temperature of 200 ° C. under an H 2 atmosphere. The prepared fuel cell catalyst was Pt nanoparticles having a particle size of 9.5 nm.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

초음파 처리로 건조한 촉매 전구체를 대기하에서 200℃의 온도로 열처리하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 연료전지용 촉매를 제조하였다. 제조된 연료전지용 촉매는 백금 금속으로 완전히 환원되지 못하여 X-선회절법으로 입자크기를 알 수 없는 PtCl2 형태가 되었다.A catalyst for a fuel cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the dried catalyst precursor by ultrasonic treatment was heat-treated at a temperature of 200 ° C. in the air. The prepared fuel cell catalyst could not be completely reduced to platinum metal and became a PtCl 2 form whose particle size was unknown by X-ray diffraction.

(비교예 3)(Comparative Example 3)

초음파 처리로 건조한 촉매 전구체를 대기하에서 200℃의 온도로 1차 열처리하고 이후 수소분위기하에서 200℃의 온도로 2차 열처리하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 연료전지용 촉매를 제조하였다. 제조된 연료 전지용 촉매는 8.5nm의 입자크기를 갖는 Pt 나노 입자이었다.A catalyst for fuel cell was prepared by the same method as Example 1 except that the catalyst precursor dried by sonication was subjected to a first heat treatment at a temperature of 200 ° C. under air, and then a second heat treatment at a temperature of 200 ° C. under a hydrogen atmosphere. It was. The prepared fuel cell catalyst was Pt nanoparticles having a particle size of 8.5 nm.

(비교예 4)(Comparative Example 4)

초음파 처리로 건조한 촉매 전구체를 진공하에서 200℃의 온도로 열처리하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 연료전지용 촉매를 제조하였다. 제조된 연료전지용 촉매는 2.9nm의 입자 크기 및 촉매 총 중량에 대하여 3중량%의 퓸드 실리카를 포함하는 무결정형의 Pt 나노 입자이었다.A catalyst for a fuel cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the dried catalyst precursor by ultrasonic treatment was heat treated at a temperature of 200 ° C. under vacuum. The fuel cell catalyst prepared was amorphous Pt nanoparticles containing 3 wt% fumed silica based on a particle size of 2.9 nm and the total weight of the catalyst.

(비교예 5)(Comparative Example 5)

케첸 블랙을 500℃에서 10시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하고, 열처리한 케첸 블랙 5g과 HNO3 500ml를 상온에서 24시간 동안 혼합하는 산처리를 실시하고 여과하였다. 이어서, 얻어진 케첸 블랙을 물로 세척하고, 건조한 후, 500℃에서 24시간 동안 공기 분위기 하에서 다시 열처리하여, 케첸 블랙에서 불순물로 미량 존재할 수 있는 황을 제거하는 탈황 처리를 실시하였다.Ketjen black was heat-treated at 500 ° C. for 10 hours in an air atmosphere, and 5 g of heat treated Ketjen black and 500 ml of HNO 3 were mixed at room temperature for 24 hours and filtered. Subsequently, the obtained Ketjen Black was washed with water, dried, and then heat treated again at 500 ° C. for 24 hours in an air atmosphere to carry out a desulfurization treatment to remove sulfur which may be present as trace impurities in Ketjen Black.

탈황 처리된 케첸 블랙 80중량부에 Pt 전구체 용액인 H2PtCl6 용액 20중량부를 적가하여 촉매 전구체를 제조하였다. 제조된 촉매 전구체를 초음파 처리(ultrasonication) 건조한 후, H2 분위기 하에서 200℃의 온도로 열처리하여 연료 전지용 촉매를 제조하였다. A catalyst precursor was prepared by dropwise addition of 20 parts by weight of a solution of H 2 PtCl 6 , a Pt precursor solution, to 80 parts by weight of desulfurized Ketjen black. The prepared catalyst precursor was ultrasonicated (ultrasonication) and then heat treated at a temperature of 200 ° C. under H 2 atmosphere to prepare a catalyst for a fuel cell.

(비교예 6)(Comparative Example 6)

케첸 블랙을 500℃에서 10시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하고, 열처리한 케첸 블랙 5g과 HNO3 500ml를 상온에서 24시간 동안 혼합하는 산처리를 실시하고 여과하였다. 이어서, 얻어진 케첸 블랙을 물로 세척하고, 건조한 후, 500℃에서 24시간 동안 공기 분위기 하에서 다시 열처리하여, 케첸 블랙에서 불순물로 미량 존재할 수 있는 황을 제거하는 탈황 처리를 실시하였다.Ketjen black was heat-treated at 500 ° C. for 10 hours in an air atmosphere, and 5 g of heat treated Ketjen black and 500 ml of HNO 3 were mixed at room temperature for 24 hours and filtered. Subsequently, the obtained Ketjen Black was washed with water, dried, and then heat treated again at 500 ° C. for 24 hours in an air atmosphere to carry out a desulfurization treatment to remove sulfur which may be present as trace impurities in Ketjen Black.

탈황 처리된 케첸 블랙을 퓸드 실리카와 1:1의 중량비로 n-프로필알콜, 이소프로필알콜 및 물의 혼합 용매(1:1:1 부피비) 중에서 볼밀로 혼합하였다. 상기 혼합물을 건조한 후, 분쇄기로 분쇄하여 분말 상태의 담체를 제조하였다.The desulfurized Ketjen Black was mixed in a ball mill with fumed silica in a mixed solvent (1: 1: 1 volume ratio) of n-propyl alcohol, isopropyl alcohol and water in a weight ratio of 1: 1. The mixture was dried and then ground in a grinder to prepare a powder carrier.

상기 담체 80중량부에 Pt 전구체 용액인 H2PtCl6 용액 20중량부를 적가하여 촉매 전구체를 제조하였다. 제조된 촉매 전구체를 초음파 처리(ultrasonication) 건조한 후, H2 분위기 하에서 200℃의 온도로 열처리하여 연료 전지용 촉매를 제조하였다. A catalyst precursor was prepared by dropwise adding 20 parts by weight of a solution of H 2 PtCl 6 , a Pt precursor solution, to 80 parts by weight of the carrier. The prepared catalyst precursor was ultrasonicated (ultrasonication) and then heat treated at a temperature of 200 ° C. under H 2 atmosphere to prepare a catalyst for a fuel cell.

제조된 촉매에 포함된 퓸드 실리카의 함량은 전체 촉매 중량에 대하여 33중량%였고, 촉매 금속인 Pt의 함량은 33중량%였다. The content of fumed silica contained in the prepared catalyst was 33% by weight based on the total catalyst weight, and the content of Pt, which is a catalyst metal, was 33% by weight.

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 4에 따른 촉매제조시 산 또는 염기 처리전 열처리 공정 후 얻어진 촉매 전구체들에 대하여 X-Pert MPD1(PHILIPS Co.사제)를 이용하여 X-선 회절(X-ray diffraction: XRD) 패턴을 측정하였다. 결과를 도 2에 나타내었다.X-ray diffraction (X-ray) using X-Pert MPD1 (manufactured by PHILIPS Co.) for the catalyst precursors obtained after the heat treatment process before the acid or base treatment in the catalyst preparation according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 diffraction: XRD) pattern was measured. The results are shown in FIG.

도 2에 나타난 바와 같이, 열처리에 의한 환원전 담지 보조제인 SiO2에 의해 담지된 Pt/SiO2의 촉매 전구체는 무결정의 SiO2 피크와 H2PtCl6 유도체의 피크만이 확인되었다. 통상적인 수소분위기하에서 열처리하여 제조한 비교예 1의 촉매의 경 우 백금 나노 입자가 제조되었으나, 그 입자크기가 9.5nm로 매우 컸다. 또한 대기하에서 열처리한 비교예 2의 촉매의 경우 백금이 완전히 환원되지 않고, PtCl2로 남아있음을 확인할 수 있었다. 또한 대기하에서의 1차 열처리 후 수소분위기 하에서 2차 열처리한 비교예 3의 촉매의 경우 비교예 2의 촉매에 비해 입자크기가 1.0nm 정도 작은 8.5nm의 입자크기를 가짐을 확인할 수 있었다. 또한 진공하에서 열처리하여 얻은 비교예 4의 촉매의 경우 2.9nm의 입자 크기를 갖는 것으로 확인되었다. 그러나 비교예 4의 촉매의 경우 피크 강도가 낮아 결정성이 좋지 않음을 확인할 수 있다. 결론적으로 가장 바람직한 것은 진공하에서 1차 열처리 후 수소하에서 2차 열처리하여 얻은 실시예 1의 백금 입자가 2 내지 5nm 수준의 입자 크기를 가지며 결정성도 좋음을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 2, only the amorphous SiO 2 peak and the peak of the H 2 PtCl 6 derivative were confirmed in the catalyst precursor of Pt / SiO 2 supported by SiO 2 , a supporting agent before reduction by heat treatment. In the case of the catalyst of Comparative Example 1 prepared by heat treatment under a conventional hydrogen atmosphere, platinum nanoparticles were prepared, but the particle size was very large as 9.5 nm. In addition, in the case of the catalyst of Comparative Example 2 heat-treated in the atmosphere, it was confirmed that platinum was not completely reduced and remained as PtCl 2 . In addition, it was confirmed that the catalyst of Comparative Example 3 subjected to the second heat treatment under hydrogen atmosphere after the first heat treatment in the atmosphere had a particle size of 8.5 nm smaller than the catalyst of Comparative Example 2 by about 1.0 nm. It was also confirmed that the catalyst of Comparative Example 4 obtained by heat treatment under vacuum had a particle size of 2.9 nm. However, in the case of the catalyst of Comparative Example 4 it can be confirmed that the peak strength is low, the crystallinity is not good. In conclusion, the most preferred was that the platinum particles of Example 1 obtained by the first heat treatment under vacuum and the second heat treatment under hydrogen had a particle size of 2 to 5nm level and good crystallinity.

상기 실시예 2에서 제조된 촉매의 고해상도 투과전자현미경(high-resolution transmission electron microscope: HRTEM) 사진을 도 3에 나타내었다. A high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) photograph of the catalyst prepared in Example 2 is shown in FIG. 3.

도 3에 나타낸 것과 같이, 2 내지 4nm의 입자크기를 갖는 백금 입자가 CNT 담체 위에 균일하게 잘 분산되어 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, it can be seen that the platinum particles having a particle size of 2 to 4 nm are uniformly well dispersed on the CNT carrier.

상기 실시예 2 및 비교예 5, 6에서 제조된 촉매에 대하여 사이클릭 볼타모그램을 측정하였다. 측정 결과를 도 4에 나타내었다.The cyclic voltammogram was measured for the catalysts prepared in Example 2 and Comparative Examples 5 and 6. The measurement results are shown in FIG. 4.

도 4에 나타난 바와 같이, 퓸드 실리카를 3중량%로 포함하고 있는 실시예 2의 촉매는 퓸드 실리카를 전혀 포함하고 있지 않은 비교예 5의 촉매와는 거의 동등한 반응 표면적을 가지고 있는 반면, 퓸드 실리카를 33중량%로 포함하고 있는 비교 예 6의 촉매에 비해 증가된 표면적을 가짐을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 4, the catalyst of Example 2 containing 3% by weight of fumed silica had a reaction surface area almost the same as that of Comparative Example 5 containing no fumed silica, whereas fumed silica was used. It was confirmed that it has an increased surface area compared to the catalyst of Comparative Example 6 containing 33% by weight.

(실시예 3)(Example 3)

상기 실시예 2에서 제조된 촉매 10중량부를 물과 이소프로필알코올을 10:80의 중량비로 혼합한 용매에 넣은 다음, 나피온 용액(Nafion 1100 EW, Dupont 사제) 40중량부를 넣고 혼합하고, 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 촉매층 형성 조성물을 제조하였다. 10 parts by weight of the catalyst prepared in Example 2 was added to a solvent in which water and isopropyl alcohol were mixed at a weight ratio of 10:80, and then 40 parts by weight of Nafion solution (Nafion 1100 EW, manufactured by Dupont) was mixed and ultrasonic waves were mixed. It was applied and stirred uniformly to prepare a catalyst layer forming composition.

테플론 처리된 카본 페이퍼 기재(캐소드/애노드=SGL 31BC/10DA; SGL carbon group 제품)에 상기 제조된 촉매층 형성용 조성물을 스프레이 코팅하여 캐소드 전극을 제조하였다. PtRu 블랙 촉매(HiSPEC 6000, Johnson Matthey사제)를 사용하고 상기와 동일한 방법으로 실시하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때 애노드 전극용으로는 6mg/cm2의 촉매층을 코팅하였고, 캐소드 전극용으로는 4mg/cm2의 촉매층을 코팅하여 전극을 제조하였다. The cathode electrode was prepared by spray coating the composition for forming a catalyst layer on a Teflon-treated carbon paper substrate (cathode / anode = SGL 31BC / 10DA; manufactured by SGL carbon group). An anode electrode was prepared in the same manner as above using a PtRu black catalyst (HiSPEC 6000, manufactured by Johnson Matthey). In this case, a catalyst layer of 6 mg / cm 2 was coated for the anode electrode, and a catalyst layer of 4 mg / cm 2 was coated for the cathode electrode to prepare an electrode.

다음으로 상업용 연료전지용 고분자 전해질 막(catalyst coated membrane-type Fuel Cell MEA, 듀폰사제; Nafion 115 Membrane) 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 membrane / electrode assembly was manufactured by laminating the polymer electrolyte membrane (catalyst coated membrane-type Fuel Cell MEA, manufactured by DuPont; Nafion 115 Membrane) for commercial fuel cells. 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.

(비교예 7)(Comparative Example 7)

상기 비교예 5에서 제조된 촉매를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 3 과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.A single cell was manufactured by the same method as Example 3, except that the catalyst prepared in Comparative Example 5 was used.

상기 실시예 3 및 비교예 7에서 제조된 단전지를 1M 메탄올/건조 공기하에서 구동하여 전지성능을 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타내었다.Cell performance was measured by driving the cells prepared in Example 3 and Comparative Example 7 under 1M methanol / dry air. The results are shown in FIG.

도 5에 나타난 바와 같이 퓸드 실리카를 3중량% 포함하는 촉매를 포함하는 실시예 3의 단전지와 퓸드 실리카를 포함하지 않는 촉매를 포함하는 비교예 7의 단전지는 거의 동등한 출력 특성을 나타내었다. 그러나 전류 밀도 400℃ 이하에서 실시예 3의 단전지가 비교예 7의 단전지에 비해 더 높은 전압 및 출력 특성을 나타내었는데, 이는 실시예 3의 단전지내 촉매에 포함된 퓸드실리카의 자기 가습 효과에 따른 것으로 판단된다.As shown in FIG. 5, the unit cell of Example 3 including the catalyst including 3 wt% of fumed silica and the unit cell of Comparative Example 7 including the catalyst containing no fumed silica showed nearly equivalent output characteristics. However, at a current density of 400 ° C. or less, the unit cell of Example 3 exhibited higher voltage and output characteristics than the unit cell of Comparative Example 7, which affected the self-humidifying effect of fumed silica contained in the catalyst in the unit cell of Example 3. It seems to have been followed.

본 발명에 따른 연료전지용 촉매는 촉매 담지량에 따른 최적의 촉매 입자 크기를 가져 우수한 촉매 활성 및 자기 가습 효과를 나타내며 이에 따라 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The catalyst for a fuel cell according to the present invention has an optimum catalyst particle size according to the amount of catalyst supported, thereby exhibiting excellent catalyst activity and self-humidification effect, and thus can improve the performance of the fuel cell.

Claims (21)

실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 화합물; 및Compounds comprising at least one element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum and titanium; And 1 내지 8nm의 평균 입자 크기를 갖는 촉매 금속을 포함하며Includes a catalytic metal having an average particle size of 1 to 8 nm 상기 화합물은 촉매 총 중량에 대하여 5중량% 이하로 포함되는 것인 연료전지용 촉매.The compound is a fuel cell catalyst that is contained in less than 5% by weight based on the total weight of the catalyst. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 화합물은 촉매 총 중량에 대하여 0.1 내지 3중량%이하로 포함되는 것인 연료전지용 촉매.The compound is a fuel cell catalyst that is contained in less than 0.1 to 3% by weight based on the total weight of the catalyst. 제 1 항에 있어서,  The method of claim 1, 상기 화합물은 실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 산화물인 것인 연료 전지용 촉매.The compound is a fuel cell catalyst that is an oxide containing at least one element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum and titanium. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 화합물은 실리카, 퓸드 실리카, 제올라이트, 지르코니아, 알루미나 및 티타니아로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것인 연료 전지용 촉매.Wherein said compound is at least one catalyst selected from the group consisting of silica, fumed silica, zeolite, zirconia, alumina and titania. 제1항에 있어서,  The method of claim 1, 상기 촉매 금속은 백금 및 백금-전이 금속(V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Ir, W, Mo 및 Rh로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상임)의 2원 이상의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것인 연료 전지용 촉매.The catalytic metal is composed of two or more alloys of platinum and platinum-transition metals (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Ir, W, Mo and Rh). Catalyst for fuel cell, which is at least one selected from the group. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매 금속은 탄소계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 담체에 의해 담지된 것인 연료전지용 촉매.The catalyst metal is a fuel cell catalyst which is supported by at least one carrier selected from the group consisting of carbon-based materials. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 촉매 금속은 2 내지 5nm의 평균 입자 크기를 가지며,The catalytic metal has an average particle size of 2 to 5 nm, 촉매 총 중량에 대하여 85 내지 95중량%로 담체에 담지된 것인 연료 전지용 촉매.A catalyst for a fuel cell, which is supported on a carrier at 85 to 95% by weight based on the total weight of the catalyst. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 촉매 금속은 5 내지 8nm의 평균 입자 크기를 가지며,The catalytic metal has an average particle size of 5 to 8 nm, 촉매 총 중량에 대하여 90 내지 95중량%로 담체에 담지된 것인 연료 전지용 촉매.A catalyst for a fuel cell, which is supported on a carrier at 90 to 95% by weight based on the total weight of the catalyst. 실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 원소 의 화합물을 촉매 금속 전구체 용액에 첨가하여 촉매 전구체를 제조하고, A catalyst precursor is prepared by adding a compound of an element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum and titanium to the catalyst metal precursor solution, 상기 촉매 전구체를 1차 열처리하고, Primary heat treatment of the catalyst precursor, 상기 1차 열처리된 촉매 전구체를 환원 분위기 하에서 2차 열처리하고, Second heat treatment of the first heat-treated catalyst precursor in a reducing atmosphere, 상기 2차 열처리된 촉매 전구체를 산 또는 알칼리 처리하는 단계를 포함하는 연료전지용 촉매의 제조방법.A method of producing a catalyst for a fuel cell comprising the step of acid or alkali treatment of the secondary heat treated catalyst precursor. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 촉매 금속 전구체는 H2PtCl6, PtCl2, PtBr2, (NH3)2Pt(NO2)2, K2PtCl6, K2PtCl4, K2[Pt(CN)4]3H2O, K2Pt(NO2)4, Na2PtCl6, Na2[Pt(OH)6] 플라티늄 아세틸아세토네이트(platinum acetylacetonate) 및 암모늄 테트라클로로플라티네이트(Ammonium tetrachloroplatinate)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.The catalytic metal precursor is H 2 PtCl 6 , PtCl 2 , PtBr 2 , (NH 3 ) 2 Pt (NO 2 ) 2 , K 2 PtCl 6 , K 2 PtCl 4 , K 2 [Pt (CN) 4 ] 3H 2 O , K 2 Pt (NO 2 ) 4 , Na 2 PtCl 6 , Na 2 [Pt (OH) 6 ] platinum acetylacetonate and 1 selected from the group consisting of ammonium tetrachloroplatinate A method for producing a catalyst for fuel cell that is more than one species. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 화합물과 촉매 금속 전구체는 70:30 내지 90:10의 중량비로 혼합되는 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.The compound and the catalyst metal precursor is a method for producing a catalyst for a fuel cell is mixed in a weight ratio of 70:30 to 90:10. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 1차 열처리 공정은 진공하에서 실시되는 것인 연료전지용 촉매의 제조 방법.The first heat treatment process is a method for producing a catalyst for a fuel cell that is carried out under vacuum. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 1차 열처리 공정은 100℃ 내지 500℃의 온도에서 실시되는 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.The primary heat treatment process is a method for producing a catalyst for a fuel cell that is carried out at a temperature of 100 ℃ to 500 ℃. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 1차 열처리 공정은 10분 내지 5시간 동안 실시되는 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.The first heat treatment process is a method for producing a catalyst for a fuel cell that is carried out for 10 minutes to 5 hours. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 2차 열처리 공정은 수소 또는 CO 분위기 하에서 실시되는 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.The secondary heat treatment process is a method for producing a catalyst for a fuel cell that is carried out under hydrogen or CO atmosphere. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 2차 열처리 공정은 150 내지 250℃의 온도에서 실시되는 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.The secondary heat treatment process is a method for producing a catalyst for a fuel cell that is carried out at a temperature of 150 to 250 ℃. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 2차 열처리 공정은 10분 내지 10시간 동안 실시되는 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.The secondary heat treatment process is a method for producing a catalyst for a fuel cell that is carried out for 10 minutes to 10 hours. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 2차 열처리 공정은 10℃/min 이하의 승온 속도로 열처리 되는 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.The secondary heat treatment process is a method of producing a catalyst for a fuel cell that is heat-treated at a temperature rising rate of 10 ℃ / min or less. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 촉매 전구체 제조 공정 이전에 탄소계 물질과 상기 실리콘, 지르코늄, 알루미늄 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 원소의 화합물을 혼합하여 담체를 제조하는 공정을 더욱 포함하는 것인 연료 전지용 촉매의 제조 방법.And a process of preparing a carrier by mixing a carbon-based material with a compound of an element selected from the group consisting of silicon, zirconium, aluminum and titanium before the catalyst precursor manufacturing process. 제19항에 있어서,The method of claim 19, 상기 탄소계 물질은 탄소계 화합물을 공기 분위기 하에서 열처리하고, 상기 열처리한 탄소계 화합물을 산처리한 후 세척하는 공정에 의해 제조된 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.Wherein the carbon-based material is prepared by the process of heat-treating the carbon-based compound in an air atmosphere, the acid-treated and the heat treatment of the heat-treated carbon-based compound. 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 고분자 전해질 막을 포함하고,A polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 어느 하나 또는 둘 모두는 상기 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 따른 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블 리. 9. The membrane-electrode assembly of a fuel cell, wherein any one or both of the anode electrode and the cathode electrode comprise the catalyst according to any one of the preceding claims.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020084825A (en) * 2001-05-05 2002-11-11 오엠지 아게 운트 코 카게 A noble metal-containing supported catalyst and a process for its preparation
KR20040063010A (en) * 2003-01-04 2004-07-12 한국과학기술원 Method for preparing electrocatalyst for fuel cell
JP2005243583A (en) 2004-02-27 2005-09-08 Tama Tlo Kk Fuel cell
KR100599815B1 (en) 2004-10-28 2006-07-12 삼성에스디아이 주식회사 Catalyst for fuel cell, method of preparation same, and fuel cell system comprising same
KR20060081913A (en) * 2005-01-11 2006-07-14 (주)나노클러스터 Fabrication method of catalytic materials with metal nanoparticles dispersed colloid

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020084825A (en) * 2001-05-05 2002-11-11 오엠지 아게 운트 코 카게 A noble metal-containing supported catalyst and a process for its preparation
KR20040063010A (en) * 2003-01-04 2004-07-12 한국과학기술원 Method for preparing electrocatalyst for fuel cell
JP2005243583A (en) 2004-02-27 2005-09-08 Tama Tlo Kk Fuel cell
KR100599815B1 (en) 2004-10-28 2006-07-12 삼성에스디아이 주식회사 Catalyst for fuel cell, method of preparation same, and fuel cell system comprising same
KR20060081913A (en) * 2005-01-11 2006-07-14 (주)나노클러스터 Fabrication method of catalytic materials with metal nanoparticles dispersed colloid

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