KR100759435B1 - Catalyst for fuel cell and membrane-electrode assembly for fuel cell - Google Patents

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Abstract

A catalyst and a membrane-electrode assembly for a fuel cell, including the same are provided to improve an amount of a supported organic metal material and a degree of dispersion, thereby producing a fuel cell system with excellent performances. A catalyst for a fuel cell comprises a conductive carrier having an average pore size of 20-30 nm and an organic metal material supported on the carrier. Preferably, the conductive carrier is selected from the group consisting of carbon aerosol, mesoporous carbon and a combination thereof, and the organic metal material is selected from the group consisting of a compound represented by the formulae 1-4(wherein, M is Fe, Co, Ni or Cu) and a combination thereof. A membrane-electrode assembly includes a cathode comprising the catalyst, an anode comprising a platinum-based catalyst or the catalyst, which is opposed to the cathode, and a polymer electrolytic membrane disposed between the cathode and the anode.

Description

연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리{CATALYST FOR FUEL CELL AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}Catalysts for fuel cells and membrane-electrode assemblies for fuel cells including the same {CATALYST FOR FUEL CELL AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 막-전극 어셈블리의 구조를 나타낸 개략도.1 is a schematic view showing the structure of the membrane-electrode assembly of the present invention.

도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸 개략도.2 is a schematic view showing a configuration of a fuel cell system of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고담지량 및 고분산도를 갖는 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell catalyst and a fuel cell membrane-electrode assembly including the same, and more particularly, to a fuel cell catalyst having a high loading amount and a high dispersion and a fuel cell membrane-electrode assembly including the same.

[종래 기술][Prior art]

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. A 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.

이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖 고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. Such a fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has a merit of generating a wide range of output by stacking unit cells stacked, and 4-10 times more energy than a small lithium battery. Due to its density, it is attracting attention as a compact and portable portable power source.

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

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as 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 a “fuel electrode” or an “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, 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.

상기 촉매는 일반적으로 백금 촉매가 여러 가지 형태로 사용되며, 그 중 하나로 백금을 탄소 담체에 담지시킨 것이 널리 사용되고 있다. 그러나 백금이 고가의 귀금속이므로, 과량을 사용할 수 없어, 전지 성능 향상에 한계가 있다. 따라서 백금과 같은 귀금속 대신 연료 전지용 촉매로 사용가능한 촉매에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 중 하나가 유기 금속 물질을 이용하여 촉매를 제조하는 방법이나, 유기 금속 자체의 부피가 커서 고담지가 어려워 만족할만한 고활성 촉매를 제조하는데 어려움이 있다.The catalyst is generally used in various forms of platinum catalyst, one of which is widely used to support the platinum on the carbon carrier. However, since platinum is an expensive precious metal, an excessive amount cannot be used, and battery performance is limited. Therefore, studies on catalysts that can be used as catalysts for fuel cells instead of precious metals such as platinum are being actively conducted. One of them is a method of preparing a catalyst using an organometallic material, or it is difficult to produce a satisfactory high activity catalyst due to the large volume of the organic metal itself, which is difficult to support.

본 발명의 목적은 고담지 및 고분산된 연료 전지용 촉매를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide catalysts for high tack and highly dispersed fuel cells.

본 발명의 다른 목적은 상기 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.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 발명은 기공 크기가 20 내지 30nm인 도전성 담체 및 이 담체에 담지된 유기 금속 물질을 포함하는 연료 전지용 촉매를 제공 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a catalyst for a fuel cell comprising a conductive carrier having a pore size of 20 to 30nm and an organometallic material supported on the carrier.

본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 이 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 캐소드 전극은 본 발명의 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 상기 애노드 전극은 백금계 촉매를 포함할 수도 있고, 상기 본 발명의 촉매를 포함할 수도 있다.The invention also includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other; And a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, wherein the cathode electrode includes the catalyst of the present invention. The anode electrode may include a platinum-based catalyst or may include the catalyst of the present invention.

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

본 발명은 촉매 활성 물질로 유기 금속 물질을 사용하는 것으로서, 유기 금속 물질은 부피가 커서 일반적으로 담체에 사용되는 케첸 블랙과 같은 탄소계 물질에는 많은 양을 담지시키기 어렵고 또한 담체의 기공이 막히는 등의 문제가 있었다.The present invention uses an organometallic material as a catalytically active material. The organometallic material has a large volume, so that it is difficult to support a large amount in a carbon-based material such as Ketjen Black, which is generally used for a carrier, and the pores of the carrier are blocked. There was a problem.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 기공 크기가 큰 도전성 담체를 사용하였다.In the present invention, a conductive carrier having a large pore size was used to solve this problem.

즉, 본 발명의 연료 전지용 촉매는 기공 크기가 20 내지 30nm인 도전성 담체 및 상기 도전성 담체에 담지된 유기 금속 물질을 포함한다.That is, the catalyst for a fuel cell of the present invention includes a conductive carrier having a pore size of 20 to 30 nm and an organometallic material supported on the conductive carrier.

본 발명의 도전성 담체에서 기공 크기가 20nm보다 작으면 부피가 큰 유기 금속 물질이 기공을 막는 문제가 있고, 30nm보다 크면 담체의 표면적이 줄어들거나 큰 기공과 큰 표면적을 동시에 유지할 경우에는 촉매의 밀도가 낮아서 막-전극 어셈블리에 도포하는 양이 줄어드는 문제가 있다. 이러한 도전성 담체는 종래 담체로 사용되던 케첸 블랙 및 불칸X 등의 카본 담체가 약 5nm 정도의 기공 크기를 갖 는 것에 비하여, 큰 기공을 가지므로 부피가 큰 유기 금속 물질을 고담지시킬 수 있다.In the conductive carrier of the present invention, when the pore size is smaller than 20 nm, a bulky organometallic material has a problem of blocking pores. When the pore size is larger than 30 nm, the surface area of the carrier is reduced or the density of the catalyst is maintained when the large pore and the large surface area are simultaneously maintained. There is a problem that the amount applied to the membrane-electrode assembly is reduced because it is low. Such a conductive carrier has a large pore size compared to a carbon carrier such as Ketjen Black and Vulcan X, which is used as a conventional carrier, having a pore size of about 5 nm, and thus can support a bulky organometallic material.

상기 도전성 담체는 탄소계 물질로서, 카본 에어로젤, 메조포러스카본 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 또한 이러한 큰 기공을 갖는 도전성 담체는 원하는 기공을 갖는 도전성 담체가 제조되는 방법이면 어떠한 방법을 이용하여서도 제조가 가능하며, 그 대표적인 일 예로 다음 방법을 들 수 있다. 이하설명에서 담체 제조에 사용된 레졸시놀, 탄산 나트륨, 포름알데하이드 및 물은 대표적인 예일뿐 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive carrier may be selected from the group consisting of carbon aerogels, mesoporous carbon, and combinations thereof as the carbon-based material. In addition, the conductive carrier having such large pores can be manufactured using any method as long as the conductive carrier having the desired pores is prepared. Examples thereof include the following method. In the following description, resorcinol, sodium carbonate, formaldehyde, and water used to prepare a carrier are representative examples, but are not limited thereto.

레졸시놀(resorcinol), 탄산 나트륨, 물, 포름알데하이드(formaldehyde) 및를 혼합하고, 교반한 후, 얻어진 생성물을 방치하여 겔화시키는 단계를 거치고, 이 겔화된 용액을 473K 내지 1273K의 고온, 5MPa 내지 30MPa의 고압 하에서 CO2 초임계 건조 과정을 거치면 카본 에어로젤(Carbonized Aerogel) 파우더 담체가 제조된다. 이 공정으로 담체에 유기금속화합물을 담지시킨후 열처리하여 촉매를 제조한다Resorcinol, sodium carbonate, water, formaldehyde, and the mixture are mixed and stirred, and the obtained product is left to gel by leaving the gelled solution at a high temperature of 473K to 1273K, 5MPa to 30MPa. Under a high pressure of CO 2 supercritical drying process to produce a carbonized aerogel (Carbonized Aerogel) powder carrier. In this process, an organic metal compound is supported on a carrier and then heat-treated to prepare a catalyst.

상기 유기 금속 물질로는 하기 화학식 1 내지 4로 표현되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 1종 이상 사용할 수 있다.As the organometallic material, one or more selected from the group consisting of compounds represented by the following Chemical Formulas 1 to 4 may be used.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112006084807388-pat00001
Figure 112006084807388-pat00001

[화학식 2] [Formula 2]

Figure 112006084807388-pat00002
Figure 112006084807388-pat00002

(상기 화학식 1 또는 2에서, M은 Fe, Co, Ni 또는 Cu이다)(In Formula 1 or 2, M is Fe, Co, Ni or Cu)

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112006084807388-pat00003
Figure 112006084807388-pat00003

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112006084807388-pat00004
Figure 112006084807388-pat00004

본 발명의 촉매는 금속의 담지량이 전체 촉매 중량 중 20 내지 30 중량%를 차지하므로, 종래 10 중량% 이하에 비하여 매우 고담지시킬 수 있음을 알 수 있다. In the catalyst of the present invention, since the supported amount of the metal occupies 20 to 30% by weight of the total catalyst weight, it can be seen that it can be very highly supported compared to the conventional 10% by weight or less.

본 발명의 촉매는 연료 전지에서 캐소드 전극의 촉매로 또는 애노드 전극 및 캐소드 전극인 모든 전극의 촉매로 유용하게 사용될 수 있다. The catalyst of the present invention can be usefully used as a catalyst for a cathode electrode in a fuel cell or as a catalyst for all electrodes that are anode electrodes and cathode electrodes.

본 발명의 촉매를 포함하는 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 이 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention comprising the catalyst of the present invention includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other, and includes a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 전극 기재 및 이 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다. 상기 캐소드 전극은 본 발명의 촉매를 포함하고, 상기 애노드 촉매는 일반적인 백금계 촉매를 포함할 수도 있고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 모두 본 발명의 촉매를 포함할 수도 있다.The anode electrode and the cathode electrode include an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate. The cathode electrode may include the catalyst of the present invention, the anode catalyst may include a general platinum-based catalyst, and both the anode electrode and the cathode electrode may include the catalyst of the present invention.

상기 애노드 전극이 일반적인 백금계 촉매를 포함하는 경우에 상기 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금((M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.When the anode electrode includes a common platinum-based catalyst, the catalyst is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy ((M is Ga, Ti, A catalyst selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru, and combinations thereof; Specific examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru Or at least one selected from the group consisting of / W, Pt / Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W.

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 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layer may further include a binder resin for improving the adhesion of the catalyst layer and the transfer 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 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) 중에서선택되는 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 with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole 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, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 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 with Na in the side chain terminal ion exchanger, NaOH is substituted for the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is substituted for tetrabutylammonium, and K, Li or Cs may be 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 비전도성 고분자와 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 nonconductive polymer 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 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중 합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이루어진 군에서 선택된1종 이상의 것이 보다 바람직하다.Examples of the nonconductive polymer include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode At least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

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 연료 전지의 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 because it can 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 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. 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.

상기 고분자 전해질 막으로는 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. The polymer electrolyte membrane is generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, and any one made of a polymer resin having hydrogen ion conductivity may be used. Representative examples thereof include 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.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴 리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 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 one or more selected from a polymer, a polyether-ether ketone-based polymer or a polyphenylquinoxaline-based polymer, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), Poly (perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) Or at least one selected from -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) Can be.

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

본 발명의 막-전극 어셈블리를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 막-전극 어셈블리(20)는 고분자 전해질 막(25)을 포함하고, 이 고분자 전해질 막(25)의 양면에 위치하며, 본 발명의 촉매를 포함하는 캐소드 전극(21) 및 애노드 전극(22)을 포함한다. The membrane-electrode assembly of the present invention is schematically shown in FIG. As shown in FIG. 1, the membrane-electrode assembly 20 of the present invention includes a polymer electrolyte membrane 25 and is located on both sides of the polymer electrolyte membrane 25, and a cathode electrode including the catalyst of the present invention. 21 and the anode electrode 22 is included.

본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system including the membrane-electrode assembly of the present invention includes at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply.

상기 전기 발생부는 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트 라고도 함)를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating unit includes the membrane-electrode assembly and the separator (also referred to as bipolar plate), and serves to generate electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant.

상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 상기 연료로는 수소를 함유한 연료, 또는 메탄올, 에탄올 또는 프로판올과 같은 탄화수소 연료를 사용할 수 있다. 상기 산화제로는 공기 또는 산소를 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 to the electricity generation unit. The fuel may be a hydrogen-containing fuel or a hydrocarbon fuel such as methanol, ethanol or propanol. Examples of the oxidant include air or oxygen.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 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. 2, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 2 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and a fuel cell using a diffusion method without using a pump is shown. Of course, it can also be used for system architecture.

본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 1 of the present invention includes at least one electricity generation unit 3 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 5 for supplying the fuel, And an oxidant supply unit 7 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 3.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 5 for supplying the fuel may include a fuel tank 9 storing fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The oxidant supply unit 7 for supplying the oxidant to the electricity generating unit 3 includes at least one oxidant pump 13 for sucking the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(3)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다. The electricity generator 3 is composed of a membrane-electrode assembly 17 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and a separator 19 and 19 'for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly. At least one of these electricity generating units 3 constitutes a stack 15.

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

(실시예 1)(Example 1)

1.6g 레졸시놀과 0.03g 탄산 나트륨(sodium carbonate)을 48ml의 증류수에 용해하였다. 이 용액에 2.2ml의 37% 농도의 포름알데하이드를 첨가한 후, 질산을 소량 첨가하여 pH가 6이 되게 하였다. 이어서, 얻어진 용액을 85℃에서 5일 동안 방치하여 겔화시키고, 여기에 10ml의 아세톤을 첨가한 후 3일 동안 방치하였다. 방치한 용액에 온도 773K, 압력 7.6MPa 하에서 CO2 초임계 건조 과정을 거쳐 카본 에어로졸 파우더 담체를 제조하였다. 제조된 담체는 평균 기공 크기가 약 20nm였다.1.6 g resorcinol and 0.03 g sodium carbonate were dissolved in 48 ml of distilled water. 2.2 ml of 37% formaldehyde was added to the solution, followed by addition of nitric acid to a pH of 6. The resulting solution was then gelled by standing at 85 ° C. for 5 days, after which 10 ml of acetone was added and left for 3 days. The carbon aerosol powder carrier was prepared through the CO 2 supercritical drying process at a temperature of 773 K and a pressure of 7.6 MPa. The prepared carrier had an average pore size of about 20 nm.

제조된 담체 1g에 크실렌 200cc에 녹인 철-프탈로시아닌(하기 화학식 1에서 M이 Fe임) 2.5g을 담지시킨 후 건조 및 열처리 하여 연료 전지 촉매를 제조하였다. 제조된 촉매에서, 평균 기공 크기는 약 20nm였으며 금속 담지량은 22 중량%였다.A fuel cell catalyst was prepared by supporting 2.5 g of iron-phthalocyanine (M is Fe in Formula 1) dissolved in 200 cc of xylene in 1 g of the prepared carrier, followed by drying and heat treatment. In the prepared catalyst, the average pore size was about 20 nm and the metal loading was 22% by weight.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112006084807388-pat00005
Figure 112006084807388-pat00005

상기 실시예 1에 따라 제조된 담체는 기공 크기가 약 20nm로 시판되는 케첸 블랙 담체 기공 크기 약 5nm에 비하여 매우 크므로 유기 금속 물질의 담지량 및 분산도가 높음을 알 수 있고, 따라서 이 촉매를 사용하여 성능이 우수한 연료 전지 시스템을 얻을 수 있음을 예측할 수 있다. Since the carrier prepared according to Example 1 was very large compared to the Ketjen black carrier pore size of about 5 nm, which has a pore size of about 20 nm, it can be seen that the supporting amount and the dispersibility of the organic metal material are high, and thus this catalyst is used. It can be predicted that a fuel cell system having excellent performance can be obtained.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

본 발명의 연료 전지용 촉매는 부피가 큰 유기 금속 물질의 담지량 및 분산도가 높아 성능이 우수한 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다.The catalyst for a fuel cell of the present invention can provide a fuel cell system having excellent performance with high loading amount and dispersion degree of bulky organometallic material.

Claims (8)

평균 기공 크기가 20 내지 30nm인 도전성 담체; 및Conductive carriers having an average pore size of 20 to 30 nm; And 상기 담체에 담지된 유기 금속 물질Organometallic material supported on the carrier 을 포함하는 연료 전지용 촉매.Catalyst for fuel cell comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 도전성 담체는 카본 에어로졸, 메조포러스카본 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 촉매.The conductive carrier is a fuel cell catalyst selected from the group consisting of carbon aerosol, mesoporous carbon and combinations thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 유기 금속 물질은 하기 화학식 1 내지 4로 표현되는 화합물 및 이들의 조합에서 선택되는 것인 연료 전지용 촉매.The organometallic material is a fuel cell catalyst that is selected from the compounds represented by the following formulas (1) to 4 and combinations thereof. [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006084807388-pat00006
Figure 112006084807388-pat00006
[화학식 2][Formula 2]
Figure 112006084807388-pat00007
Figure 112006084807388-pat00007
(상기 화학식 1 또는 2에서, M은 M은 Fe, Co, Ni 또는 Cu이다) (In Formula 1 or 2, M is M is Fe, Co, Ni or Cu) [화학식 3][Formula 3]
Figure 112006084807388-pat00008
Figure 112006084807388-pat00008
[화학식 4][Formula 4]
Figure 112006084807388-pat00009
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서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막A polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode 을 포함하고,Including, 상기 캐소드 전극은 The cathode electrode 기공 크기가 20 내지 30nm인 도전성 담체; 및Conductive carriers having a pore size of 20 to 30 nm; And 상기 담체에 담지된 유기 금속 물질을 포함하는 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a catalyst comprising an organic metal material supported on the carrier. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 애노드 전극은 백금계 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The anode electrode is a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a platinum-based catalyst. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 애노드 전극은The anode electrode 기공 크기가 20 내지 30nm인 도전성 담체 및A conductive carrier having a pore size of 20 to 30 nm and 상기 담체에 담지된 유기 금속 물질을 포함하는 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a catalyst comprising an organic metal material supported on the carrier. 제4항 또는 제6항에 있어서,The method according to claim 4 or 6, 상기 도전성 담체는 카본 에어로졸, 메조포러스카본 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The conductive carrier is selected from the group consisting of carbon aerosol, mesoporous carbon, and combinations thereof. 제4항 또는 제6항에 있어서, The method according to claim 4 or 6, 상기 유기 금속 물질은 하기 화학식 1 내지 4로 표현되는 화합물 및 이들의 조합에서 선택되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The organometallic material is a fuel cell membrane-electrode assembly selected from the compounds represented by the following Chemical Formulas 1 to 4 and combinations thereof. [화학식 1][Formula 1]
Figure 112006084807388-pat00010
Figure 112006084807388-pat00010
[화학식 2][Formula 2]
Figure 112006084807388-pat00011
Figure 112006084807388-pat00011
(상기 화학식 1 또는 2에서, M은 M은 Fe, Co, Ni 또는 Cu이다) (In Formula 1 or 2, M is M is Fe, Co, Ni or Cu) [화학식 3][Formula 3]
Figure 112006084807388-pat00012
Figure 112006084807388-pat00012
[화학식 4][Formula 4]
Figure 112006084807388-pat00013
Figure 112006084807388-pat00013
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