KR100778438B1 - Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same and fuel cell system comprising same - Google Patents

Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same and fuel cell system comprising same Download PDF

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Abstract

A cathode catalyst for a fuel cell, a membrane electrode assembly containing the cathode catalyst, and a fuel cell system containing the membrane electrode assembly are provided to improve the activity and selectivity to the reduction of an oxidizing agent. A cathode catalyst comprises a carbon-based material; and 5-85 wt% of M-Ce supported on the carbon-based material, wherein M is at least one metal selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Os, Ir and their mixture. Preferably M-Ce comprises 10-90 atom% of M and 10-90 atom% of Ce; and the carbon-based material is at least one selected from the group consisting of graphite, denka black, ketchen black, acetylene black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, activated carbon, and their mixture.

Description

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

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

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

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 촉매 분말의 X-선 회절 피크를 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the X-ray diffraction peaks of the catalyst powder prepared according to Example 1 of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예 1 및 참고예 1에 따라 제조된 연료 전지용 캐소드 촉매를 이용한 연료 전지의 RDE(Rotating Disk Electrode)를 이용하여 측정한 촉매 활성 결과를 나타낸 그래프.4 is a graph showing the results of catalyst activity measured using Rotating Disk Electrode (RDE) of a fuel cell using a cathode catalyst for fuel cells prepared according to Example 1 and Reference Example 1 of the present invention.

[산업상 이용 분야] [Industrial use]

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

[종래 기술] [Prior art]

연료 전지(Fuel cell)는 수소 또는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of hydrogen and oxidant contained in hydrogen or hydrocarbon-based material directly into electrical energy.

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

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

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

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

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

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

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

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 담지된 M-Ce(여기서 M은 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속)을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is selected from the group consisting of carbon-based material and M-Ce supported on the carbon-based material (wherein M is Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, and combinations thereof) Provided is a cathode catalyst for a fuel cell comprising at least one metal).

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

본 발명은 또한, 본 발명의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. The present invention also provides a fuel cell system including an electricity generation unit including the membrane-electrode assembly and the separator of the present invention, a fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit, and an oxidant supply unit supplying an oxidant to the electricity generation unit. do.

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

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

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

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

본 발명의 캐소드 촉매는 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 담지된 M-Ce(여기서 M은 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속)을 포함한다. 상기 촉매에서 M-Ce는 산화제의 환원 반응에 대한 활성을 갖는 활성 물질이고, 상기 탄소계 물질은 상기 M-Ce를 담지시키는 담체에 해당한다. The cathode catalyst of the present invention is to solve the above problems, M-Ce (where M is Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, and a combination thereof supported on the carbon-based material and the carbon-based material At least one metal selected from the group). In the catalyst, M-Ce is an active material having activity against a reduction reaction of an oxidizing agent, and the carbonaceous material corresponds to a carrier supporting the M-Ce.

활성 물질인 M-Ce에 있어서, M은 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속으로, 산화제의 환원 반응에 대한 높은 활성을 갖는다. 다만, 상기와 같은 금속에는 공기 중의 산소가 쉽게 흡착하게 되는 문제점이 있는데, 흡착한 산소는 산화제의 환원 반응이 일어나는 활성 중심(active center)을 막아 산화제의 환원 반응을 어렵게 만든다.In the active substance M-Ce, M is at least one metal selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, and a combination thereof, and has a high activity for the reduction reaction of the oxidant. However, there is a problem that oxygen in the air is easily adsorbed to the metal as described above, and the adsorbed oxygen makes it difficult to reduce the oxidizing agent by blocking an active center where the reducing reaction of the oxidizing agent occurs.

Ce은 다양한 산화수를 가질 수 있어 강한 환원력을 가지므로, 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성을 나타낸다. 또한, 상기 금속들과 결합하여, 공기 중의 산소가 상기 금속에 흡착되는 것을 막음으로써, 상기 금속들의 산화제의 환원 반응에 대한 활성을 향상시킨다. 아울러, Ce가 상기 금속들과 결합하여 형성된 화합물은 많은 결함을 포함하게 되는데, 그러한 결함에는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 중심(active center)이 더 많이 존재할 수 있으므로, Ce와 상기 금속들이 결합하여 형성된 화합물은, 상승 작용으로 더욱 우수한 활성을 나타낼 수 있다. Ce has a strong reducing power because it can have a variety of oxidation water, it shows an excellent activity for the reduction reaction of the oxidizing agent. In addition, by combining with the metals, by preventing the oxygen in the air to be adsorbed to the metal, it improves the activity of the reduction of the oxidant of the metals. In addition, the compound formed by combining Ce with the metals includes many defects, and since such defects may have more active centers for the reduction reaction of the oxidizing agent, Ce and the metals are formed The compound can exhibit more excellent activity by synergism.

결국, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속과 Ce으로 이루어진 활성 물질인 M-Ce는 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성 및 선택성을 갖게 되어 연료 전지용 캐소드 촉매로 효과적으 로 사용될 수 있다. 특히, 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 선택성으로 인하여 연료의 크로스오버(crossover)가 문제되는 직접 산화형 연료 전지에 더욱 효과적으로 사용될 수 있다. After all, M-Ce, an active material consisting of Ce and at least one metal selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, and combinations thereof, has excellent activity and selectivity for the reduction reaction of the oxidizing agent. It can be effectively used as a cathode catalyst for fuel cells. In particular, due to the excellent selectivity to the reduction reaction of the oxidant, it can be used more effectively in a direct oxidation fuel cell in which crossover of fuel is a problem.

상기 M-Ce에 있어서, M의 함량은 10 내지 90 원자%이고, 상기 Ce의 함량은 10 내지 90 원자%인 것이 바람직하다. M의 함량이 90 원자%를 초과하는 경우는 촉매의 선택성이 떨어지고. M의 함량이 10원자% 미만인 경우는 촉매 활성이 떨어진다. Ce의 함량이 90 원자%를 초과하는 경우, 촉매 입자의 크기가 너무 커지고, Ce의 함량이 10 원자% 미만인 경우에는 촉매 활성이 떨어진다. In the M-Ce, the content of M is 10 to 90 atomic%, the content of Ce is preferably 10 to 90 atomic%. If the content of M exceeds 90 atomic%, the selectivity of the catalyst is inferior. When the content of M is less than 10 atomic%, the catalytic activity is inferior. If the content of Ce exceeds 90 atomic%, the size of the catalyst particles becomes too large, and if the content of Ce is less than 10 atomic%, the catalytic activity is inferior.

상기 M-Ce는 탄소계 물질에 담지시켜 사용하게 된다. 이는 M-Ce를 그 자체로 사용할 경우 전기 전도성이 부족하고, 입자들이 서로 뭉치게 되어 작은 크기의 입자를 얻을 수 없는 문제가 있기 때문이다. 탄소계 물질로의 담지에 의해 촉매의 전기 전도성을 향상시키고, 촉매 입자의 크기를 작게 하여 단위 질량당 표면적, 즉 비표면적을 크게 할 수 있다. 비표면적을 크게 함으로써 촉매의 단위 질량당 활성을 증가시킬 수 있다. The M-Ce is used by being supported on a carbon-based material. This is because when M-Ce is used by itself, there is a problem in that the electrical conductivity is insufficient, and particles are agglomerated with each other to obtain particles of small size. By supporting the carbon-based material, the electrical conductivity of the catalyst can be improved, and the size of the catalyst particles can be reduced to increase the surface area per unit mass, that is, the specific surface area. By increasing the specific surface area, the activity per unit mass of the catalyst can be increased.

담체로는 모든 탄소계 물질이 사용될 수 있으나, 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 및 탄소나노와이어 등이 바람직하게 사용될 수 있다. Any carbon-based material may be used as the carrier, but graphite, denka black, ketjen black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, and the like may be preferably used.

상기 M-Ce의 탄소계 물질로의 담지량은 촉매 총 중량에 대하여 5 내지 85 중량%인 것이 바람직하다. 담지량이 5 중량% 미만인 경우 촉매 단위 질량당 활성이 지나치게 떨어지는 문제가 있으며, 85 중량%를 초과하는 경우는 담지 촉매가 뭉쳐 서 덩어리를 이루게 되어 촉매 활성이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 못하다. The amount of M-Ce supported on the carbon-based material is preferably 5 to 85% by weight based on the total weight of the catalyst. If the supported amount is less than 5% by weight, there is a problem that the activity per unit mass of the catalyst is excessively lowered. If the supported amount is more than 85% by weight, the supported catalyst is agglomerated to form agglomerates, which is not preferable because the catalyst activity is lowered.

M-Ce는 탄소계 물질 담체 위에 결정질뿐만 아니라 비정질로도 존재할 수 있는데, 결정질의 M-Ce와 비정질의 M-Ce가 담체 위에 공존하는 것이 바람직하다. 이는 결정질과 비정질이 접하는 영역에서 결함(defect)이 다수 존재하게 되는데, 그러한 결함에 활성 중심(active center)이 많이 존재하기 때문이다.M-Ce may be present not only crystalline as well as amorphous on the carbon-based material carrier. Preferably, crystalline M-Ce and amorphous M-Ce coexist on the carrier. This is because a large number of defects exist in the region where the crystalline and the amorphous contact, since there are many active centers in such a defect.

이와 같은 본 발명의 캐소드 촉매는 산화제 환원 반응에 대한 매우 우수한 활성 및 선택성을 나타내는데, 종래 대표적인 선택성 촉매인 Ru-Se/C보다 약 2배 이상의 성능을 나타낸다. The cathode catalyst of the present invention exhibits very good activity and selectivity for the oxidant reduction reaction, and exhibits about twice the performance of Ru-Se / C, which is a typical selective catalyst.

상기 설명한 본 발명의 캐소드 촉매는 용매에 금속 M의 수용성 염 및 Ce의 수용성 염을 용해시키고, 제조된 용액에 탄소계 물질을 첨가하여 혼합하고, 제조된 혼합물을 건조하고 열처리하는 단계를 포함하는 촉매 제조 방법에 의해 제조될 수 있다. The cathode catalyst of the present invention described above is a catalyst comprising dissolving a water-soluble salt of metal M and a water-soluble salt of Ce in a solvent, adding and mixing a carbonaceous material to the prepared solution, and drying and heat-treating the prepared mixture. It can be manufactured by the manufacturing method.

먼저, 용매에 금속 M의 수용성 염 및 Ce의 수용성 염을 용해시키고, 제조된 용액에 탄소계 물질을 첨가하여 혼합한다. 상기 용매로는 물, 에탄올 또는 메탄올이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 금속 M의 수용성 염으로는 M 클로라이드(M chloride), M 아세틸 아세토네이트(M acetylacetonate) 및 M 니트로질니트레이트(M nitrozylnitrate)가, 상기 Ce의 수용성 염으로는 세륨 니트레이트(cerium nitrate)가 바람직하게 사용될 수 있다. First, a water-soluble salt of metal M and a water-soluble salt of Ce are dissolved in a solvent, and a carbon-based material is added to the prepared solution and mixed. Water, ethanol or methanol may be preferably used as the solvent, and M chloride, M acetylacetonate and M nitrozylnitrate may be used as the water-soluble salt of the metal M. As the water-soluble salt of Ce, cerium nitrate may be preferably used.

다음으로, 상기 과정을 통해 제조된 혼합물을 건조한다. 건조는 진공 상태에서 90℃의 온도로 실시하는 것이 바람직하다. Next, the mixture prepared through the above process is dried. It is preferable to perform drying at the temperature of 90 degreeC in a vacuum state.

마지막으로, 건조 단계가 끝난 후에는 열처리를 실시한다. 열처리는 수소 분위기에서 200 내지 300℃의 온도로 실시하는 것이 바람직하다. Finally, after the drying step, heat treatment is performed. It is preferable to perform heat processing at the temperature of 200-300 degreeC in hydrogen atmosphere.

상기와 같은 방법으로 본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조할 수 있으며, 상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 캐소드 촉매는 담체 위에 활성 물질이 결정질인 경우 뿐만 아니라 비정질인 경우에도 더욱 우수한 활성을 나타낼 수 있다. The cathode catalyst for a fuel cell of the present invention can be prepared by the above-described method, and the cathode catalyst of the present invention prepared by the above method exhibits excellent activity even when the active material is crystalline as well as amorphous on the carrier. Can be.

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

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

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

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

상기 캐소드 전극의 촉매층(53)에서는 산화제의 환원 반응이 일어나며, 그 촉매층에는 상기 본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매가 포함된다. 상기 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성 및 선택성을 보여, 이를 포함하는 캐 소드 전극(5) 및 막-전극 어셈블리(131)의 성능을 향상시킬 수 있다.A reduction reaction of the oxidant occurs in the catalyst layer 53 of the cathode electrode, and the catalyst layer includes the cathode catalyst for fuel cell of the present invention. The cathode catalyst shows excellent activity and selectivity for the reduction reaction of the oxidant, thereby improving performance of the cathode electrode 5 and the membrane-electrode assembly 131 including the same.

상기 애노드 전극의 촉매층(33)에서는 연료의 산화 반응이 일어나며, 이를 촉진시킬 수 있는 촉매가 포함되는데, 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다.  In the anode layer of the catalyst layer 33, the oxidation reaction of the fuel occurs, and includes a catalyst for promoting the reaction. Participating in the reaction of the fuel cell, anything that can be used as a catalyst can be used, and a representative example thereof is platinum-based Catalysts can be used.

상기 백금계 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, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전이 금속), 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 촉매를 사용할 수 있다.   As the platinum-based catalyst, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one catalyst selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof, and combinations thereof.

이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 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, Pt/Ru/Sn/W, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 것을 사용할 수 있다. As described above, the anode electrode and the cathode electrode may use the same material, but in order to prevent the catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction in the direct oxidation fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is used as the anode. It is more preferable as an electrode catalyst. Specific examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru At least one selected from the group consisting of / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, Pt / Ru / Sn / W, and a combination thereof may be used.

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

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층(33,53)은 바인더를 포함할 수 있는데, 상기 바인더로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기, 이들의 유도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. Catalyst layers 33 and 53 of the anode electrode and the cathode electrode may include a binder, it is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder, more preferably sulfonic acid groups, carboxyl in the side chain Any polymer resin having at least one cation exchange group selected from the group consisting of acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, derivatives thereof, and combinations thereof can be used.

바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. 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 At least one hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, and combinations thereof, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly ( Perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5 , 5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), and combinations thereof Being at least Of it can be used in that it comprises a hydrogen-ion conductive polymer.

상기 바인더는 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 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 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 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 More preferred is at least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid, sorbitol, and combinations thereof.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 전극 기재(31,51)는 반응원 즉 연료와 산화제가 상기 촉매층(31,51)으로 쉽게 접근할 수 있게 하는 역할을 하는데, 상기 전극 기재(31,51)로는 도전성 기재를 사용하며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천(섬유 상태의 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. The electrode substrates 31 and 51 of the anode electrode and the cathode electrode serve to make a reaction source, that is, a fuel and an oxidant, easily accessible to the catalyst layers 31 and 51, and the electrode substrates 31 and 51 are conductive. The surface of a fabric formed of a porous film or polymer fiber composed of carbon paper, carbon cloth, carbon felt or metal cloth (fibrous metal cloth) The metal film is formed on (metalized polymer fiber)) 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, 폴 리비닐리덴 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, polyvinyl hexafluoropropylene, 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 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다.  상기 바인더로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다.  The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder, and a solvent on the electrode substrate. The binder may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate or These copolymers etc. can be used preferably.

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

그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기, 이들의 유도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.Representative examples thereof include a polymer resin having at least one cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, derivatives thereof, and combinations 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, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 들 수 있다.  일반적으로 상기 고분자 전해질 막은 10 -200㎛의 두께를 갖는다. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone At least one selected from the group consisting of a polymer, a polyether-etherketone-based polymer, a polyphenylquinoxaline-based polymer, and a combination thereof, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (purple) Fluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5, 5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), and combinations thereof At least one It may generally have a thickness from 10 -200㎛ the polymer electrolyte membrane.

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, 테트라부틸암모 늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다.  이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다. In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. When H is replaced by Na in an ion exchange group at the side chain terminal, NaOH is substituted when preparing a catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used when tetrabutylammonium is used, and K, Li or Cs is also a suitable compound. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 또한, 상술한 바와 같은 본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다. The present invention also provides a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly of the present invention as described above.

본 발명의 연료전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 캐소드 및 애노드 전극을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating portion includes a membrane-electrode assembly and a separator (also called bipolar plate). The membrane-electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane and cathode and anode electrodes existing on both sides of the polymer electrolyte membrane. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant.

상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit.

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

본 발명의 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 및 혼합 주입형 연료전지(Mixed reactant fuel cell)에 제한없이 채용될 수 있으며, 직접 산화형 연료전지가 보다 바람직하다. The fuel cell system of the present invention can be employed without limitation in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Direct Oxidation Fuel Cell, and Mixed Reactant Fuel Cell. Direct oxidation fuel cells are more preferred.

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

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

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

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

상기 전기 발생부(130)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(131)와 이 막-전극 어셈블리(131)의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)(133,135)로 구성되며, 이러한 전기 발생부(130)가 적어도 하나 모여 스택(110)을 구성한다.The electricity generating unit 130 is a membrane-electrode assembly 131 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant and a separator (bipolar plate) 133 and 135 for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly 131. ), The electricity generating unit 130 is at least one gather to constitute a stack (110).

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 참고예를 기재한다.  그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and reference 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)

2.5g의 Ce(No3)3, 1.5g 의 RuCl3·H2O, 1g의 케첸블랙 및 용매인 5ml의 물을 2시간 동안 혼합하고, 80℃에서 건조시킨다. 상기 건조 생성물을 진공분위기하, 200℃에서 24시간 동안 놓아둔 후, 90℃에서 건조시킨다. 상기 건조 생성물을 250℃에서 3시간 동안 수소 분위기 하에서 열처리하여 연료 전지용 캐소드 촉매 분말(Ru-Ce/C)을 제조하였다. 상기 제조된 Ru-Ce에서 Ru의 함량은 68 원자%이고, 상기 Ce의 함량은 32 원자%였다. 또한, 상기 Ru-Ce의 담지량은 촉매 총 중량에 대하여 71 중량%였다. 2.5 g of Ce (No 3 ) 3 , 1.5 g of RuCl 3 .H 2 O, 1 g of ketjenblack and 5 ml of a solvent of 5 ml of water are mixed for 2 hours and dried at 80 ° C. The dried product is placed in a vacuum atmosphere at 200 ° C. for 24 hours and then dried at 90 ° C. The dried product was heat-treated at 250 ° C. for 3 hours in a hydrogen atmosphere to prepare a cathode catalyst powder (Ru-Ce / C) for a fuel cell. The content of Ru in the prepared Ru-Ce was 68 atomic%, and the content of Ce was 32 atomic%. In addition, the loading amount of Ru-Ce was 71% by weight based on the total weight of the catalyst.

(참고예 1)(Reference Example 1)

O.6g의 루테늄 카르보닐(ruthenium carbonyl), 0.03g의 Se, 1g의 카본(carbon) 및 용매인 150ml의 톨루엔(toluene)을 100℃에서 24시간 동안 혼합한다. 상기 혼합물을 여과시킨 후 80℃에서 건조하여 분말은 얻는다. 상기 분말을 수소분위기하, 250℃에서 3시간 동안 열처리하여 연료 전지용 캐소드 촉매 분 말(Ru-Se/C)을 얻었다.0.5 g of ruthenium carbonyl, 0.03 g of Se, 1 g of carbon, and 150 ml of toluene, a solvent, are mixed at 100 ° C. for 24 hours. The mixture is filtered and dried at 80 ° C. to obtain a powder. The powder was heat-treated at 250 ° C. for 3 hours under a hydrogen atmosphere to obtain a cathode catalyst powder (Ru-Se / C) for a fuel cell.

실시예 1에 따라 제조된 촉매 분말의 X-선 회절 피크를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 분석 결과(XRD)를 나타낸 그래프이다. X-선 회절 피크는 CuK선을 이용하여 측정하였다. 도 3에서 알 수 있듯이 실시예 1에서 제조한 캐소드 촉매는 결정화도가 낮은 영역이 존재한다. 또한, 실시예 1에서 제도한 캐소드 촉매는 3 내지 4nm의 입자 크기를 갖는다. X-ray diffraction peaks of the catalyst powder prepared according to Example 1 were measured and the results are shown in FIG. 3. It is a graph showing an analysis result (XRD). X-ray diffraction peaks were measured using CuK rays. As can be seen in Figure 3, the cathode catalyst prepared in Example 1 has a low crystallinity region. In addition, the cathode catalyst drawn in Example 1 has a particle size of 3 to 4 nm.

상기 실시예 1 및 참고예 1에 따라 제조된 촉매의 촉매 활성을 RDE(Rotating Disk Electrode)로 측정하였다. RDE 측정에서, 기준 전극(reference electrode)로는 AgCl, 반대 전극(counter electrode)으로는 Pt를 사용하고, 0.5M 농도의 황산 용액에 산소 기체를 2시간 동안 버블링(bubbling)하여 산소가 포화된 황산 용액을 사용하여, 10mV/s의 스캔 속도(scan rate), 2000rpm의 로테이팅 속도(rotating speed)로 측정하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 촉매는 참고예 1의 촉매와 비슷한 정도의 촉매 활성을 보임을 확인할 수 있다.The catalytic activity of the catalysts prepared according to Example 1 and Reference Example 1 was measured by Rotating Disk Electrode (RDE). In the RDE measurement, AgCl was used as a reference electrode, Pt was used as a counter electrode, and oxygen-saturated sulfuric acid was bubbled by bubbling oxygen gas in a 0.5 M sulfuric acid solution for 2 hours. Using the solution, it was measured at a scan rate of 10 mV / s and a rotating speed of 2000 rpm. The results are shown in FIG. As shown in Figure 4, it can be seen that the catalyst of Example 1 shows a similar catalytic activity as the catalyst of Reference Example 1.

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

Claims (13)

탄소계 물질; 및 Carbon-based materials; And 상기 탄소계 물질에 담지된 M-Ce(여기서 M은 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속)을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매.A cathode catalyst for a fuel cell comprising M-Ce (where M is at least one metal selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and combinations thereof) supported on the carbonaceous material. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 M-Ce에서 M의 함량은 10 내지 90 원자%이고, 상기 Ce의 함량은 10 내지 90 원자%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The content of M in the M-Ce is 10 to 90 atomic%, the content of Ce is 10 to 90 atomic% of the cathode catalyst for a fuel cell. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 M-Ce의 담지량은 촉매 총 중량에 대하여 5 내지 85 중량%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The supported amount of the M-Ce is 5 to 85% by weight based on the total weight of the catalyst cathode catalyst for fuel cells. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소계 물질은 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 탄소계 물질인 연료 전지용 캐소드 촉매.The carbonaceous material is at least one carbonaceous material selected from the group consisting of graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, activated carbon and mixtures thereof Cathode catalyst for phosphorus fuel cells. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,A polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, 상기 캐소드 전극은 도전성 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하고, The cathode electrode includes a conductive electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate, 상기 촉매층은 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.6. The membrane-electrode assembly for a fuel cell, wherein the catalyst layer comprises the cathode catalyst according to any one of claims 1 to 4. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 상기 고분자 전해질 막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기, 이들의 유도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 양이온 교환기를 갖는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The polymer electrolyte membrane comprises a polymer resin having at least one cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups, derivatives thereof, and combinations thereof in the side chain. -Electrode assembly. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6, 상기 고분자 수지는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The polymer resin may be a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a poly Membrane-electrode assembly for fuel cell, which is at least one polymer resin selected from the group consisting of ether-ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, and combinations thereof. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 고분자 수지는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌. 술폰산기를 포함하는 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The polymer resin is tetrafluoroethylene including poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), sulfonic acid group. Copolymers of fluorovinylethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyetherketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazoles (poly (2, Membrane-electrode assembly for fuel cell, which is at least one polymer resin selected from the group consisting of 2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), and combinations thereof . 제 5 항에 있어서, The method of claim 5, 상기 애노드 전극은 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, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 전이 금속), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The anode electrode is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and at least one transition metal selected from the group consisting of a combination thereof, and at least one catalyst selected from the group consisting of a combination thereof. 제 9 항에 있어서, The method of claim 9, 상기 촉매는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연, 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 담체에 담지되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The catalyst is supported on at least one carrier selected from the group consisting of acetylene black, denka black, activated carbon, ketjen black, graphite, alumina, silica, titania, zirconia, and combinations thereof. . 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 도전성 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 촉매를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부; An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, wherein the cathode electrode comprises a conductive electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate, wherein the catalyst layer is any one of claims 1 to 4. An electricity generator including a membrane-electrode assembly including the cathode catalyst and a separator positioned on both sides of the membrane-electrode assembly; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.A fuel cell system comprising an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generation unit. 제 11 항에 있어서, The method of claim 11, 상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 및 직접 산화형 연료 전지로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.The fuel cell system is selected from the group consisting of a polymer electrolyte fuel cell and a direct oxidation fuel cell. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12, 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지인 것인 연료 전지 시스템.And the fuel cell system is a direct oxidation fuel cell.
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