KR100981283B1 - Process for the polymer electrolyte composite catalysts attached with ionomers - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 촉매 복합체(composite)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 통칭 "in-situ 주형 합성법"을 적용하여 1~10nm 의 균일한 금속 입자를 먼저 제조한 후 상기 금속 입자를 탄소 담지체에 담지 시 고분자 전해질 이오노머(ionomer) 입자를 동시에 부착시킴으로써 동일한 탄소 담지체 위에 상이한 역할을 하는 두 종류의 입자가 균일하게 담지된 고분자 전해질 복합 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a catalyst composite used in a polymer electrolyte fuel cell, and more specifically, to prepare a uniform metal particles of 1 ~ 10nm by applying a generic "in-situ template synthesis method" and then the metal particles The present invention relates to a polymer electrolyte composite catalyst having two kinds of particles uniformly supported on the same carbon carrier by simultaneously attaching the polymer electrolyte ionomer particles to the carbon carrier, and a method of preparing the same.

본 발명에 따르면 상기 고분자 전해질 복합 촉매를 이용한 막-전극 복합체(MEA: Membrane Electrode Assembly) 또는 이를 이용한 연료전지에 적용 시, 종래에 비해 전기화학적 활성 면적이 커서 성능이 대폭 향상되고 제조 공정이 용이할 뿐만 아니라 내구성 또한 개선되는 효과를 가진다.According to the present invention, when applied to a membrane-electrode composite (MEA) using the polymer electrolyte composite catalyst or a fuel cell using the same, the electrochemically active area is large compared to the prior art, which greatly improves the performance and facilitates the manufacturing process. In addition, durability also has the effect of improving.

고분자 전해질 연료전지, 막-전극 복합체, 전기화학 촉매 Polymer electrolyte fuel cell, membrane-electrode composite, electrochemical catalyst

Description

이오노머가 부착된 고분자 전해질 복합 촉매의 제조 방법{Process for the polymer electrolyte composite catalysts attached with ionomers}Process for the polymer electrolyte composite catalysts attached with ionomers}

본 발명은 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 다공성 전극재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이오노머(iomomer)가 부착된 고분자 전해질 컴파지트 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous electrode material used in a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a method for producing a polymer electrolyte composite catalyst with an ionomer (iomomer) attached.

연료전지는 수소나 메탄올 같은 연료를 산소와 전기화학적으로 반응시켜 연료의 화학 에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로 기존의 화력 발전과는 달리 카르노 사이클을 거치지 않아 발전 효율이 높고 NOX, SOX와 같은 오염 물질의 배출량이 적으며 운전 중 소음이 발생하지 않아 차세대 청정 에너지원으로서 각광받고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질에 따라 고분자전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 등으로 구별되는데, 이 중 고분자 전해질 연료 전지는 타 종류에 비해 작동 온도가 낮으면서도 발전 효율이 좋으며 컴팩트한 특징이 있어 전기자동차의 동력원, 가정용 등 소규모 발전 장치, 이동 및 비상용 전원, 군사용 전원 등으로의 이용이 유력시되고 있다.A fuel cell is hydrogen or methanol by the reaction of fuel with oxygen and electrochemical do not go through the conventional thermal power generation unlike the Carnot cycle to a device which directly converts chemical energy of fuel into electrical energy with high power generating efficiency NO X, SO X Low emissions of pollutants, such as no noise during operation is attracting attention as the next generation of clean energy sources. Depending on the electrolyte used, the fuel cell may be a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a phosphate acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), or a solid oxide fuel. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), etc. Among these, the polymer electrolyte fuel cell has a low operating temperature and high power generation efficiency compared to other types, and has a compact feature, so that it can be used for small power generation devices such as power sources of electric vehicles, households, The use of mobile and emergency power supplies, military power supplies, etc. is promising.

고분자 전해질 연료전지는 통상 세퍼레이터/가스확산전극/연료전극/고분자전해질막/공기전극/가스확산전극/세퍼레이터의 7층 구조로 되어 있다. 이 중 양 쪽의 세퍼레이터를 제외한 5층 구조를 통칭 막-전극 복합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)라고 부른다. 연료전지의 작동 원리를 살펴보면, 먼저 연료전극에는 수소나 메탄올 등과 같은 연료가 세퍼레이터의 유로와 가스확산전극을 통해 균일하게 공급되고 공기전극에는 공기 또는 산소가 상기 연료전극과 마찬가지로 세퍼레이터의 유로와 가스확산전극을 통해 균일하게 공급된다. 연료전극에서는 연료가 산화되어 수소 이온 및 전자(electron)가 발생되는데 이 때 수소 이온은 전해질 막을 통하여 공기 전극 쪽으로 이동하며 전자는 외부회로를 구성하는 도선과 부하(load)를 통해 공기 전극 쪽으로 이동한다. 수소이온과 전자는 공기전극에서 산소와 환원 반응하여 물이 생성되고 물은 연료전지의 외부로 배출된다.The polymer electrolyte fuel cell has a seven-layer structure of a separator / gas diffusion electrode / fuel electrode / polymer electrolyte membrane / air electrode / gas diffusion electrode / separator. The five-layer structure excluding the separators on both sides is called a membrane-electrode assembly (MEA). Referring to the operating principle of the fuel cell, first, fuel such as hydrogen or methanol is uniformly supplied to the fuel electrode through the flow path of the separator and the gas diffusion electrode, and air or oxygen is supplied to the air electrode like the fuel electrode. It is supplied evenly through the electrode. At the fuel electrode, the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. At this time, the hydrogen ions move toward the air electrode through the electrolyte membrane, and the electrons move toward the air electrode through the conductor and the load constituting the external circuit. . Hydrogen ions and electrons react with oxygen at the air electrode to produce water, and water is discharged to the outside of the fuel cell.

고분자전해질 연료전지의 양 전극은 상기 산화 환원 반응을 활성화시키기 위해 촉매, 고분자전해질, 용매로 이루어진 잉크를 탄소종이나 탄소천 위에 도포하여 촉매 층을 형성시킴으로써 제조된다. 상기 촉매로는 탄소 입상 담지체에 촉매 활성이 매우 우수한 백금 또는 백금/루테늄 합금을 담지시킨 통칭 백금계 촉매가 실용화되어 있다.Both electrodes of the polymer electrolyte fuel cell are manufactured by applying an ink consisting of a catalyst, a polymer electrolyte and a solvent on a carbon species or a carbon cloth to form a catalyst layer in order to activate the redox reaction. As the catalyst, a commonly known platinum-based catalyst having a platinum or platinum / ruthenium alloy having excellent catalytic activity on a carbon granular support is put to practical use.

고분자연료전지용 촉매의 특성은 금속 입자의 큰 비표면적, 금속 입자와 담 지체간의 강한 결착력, 일산화탄소(CO)에 대한 내피독성, 합금시 금속 원자들간의 화학적 균일성 등 여러 가지가 요구되지만 무엇보다도 탄소 입상 담지체 표면에 금속 입자가 응집되지 않고 균일하면서도 많은 양이 담지되어야 하고 이로 인해 전기화학적 촉매 활성도가 높아야 한다.The characteristics of the catalyst for the polymer fuel cell require a large specific surface area of the metal particles, a strong binding force between the metal particles and the support, endothelial toxicity to carbon monoxide (CO), and chemical uniformity between the metal atoms in the alloy. Metal particles should not be aggregated on the surface of the granular support, but should be supported uniformly and in large amounts, thereby increasing the electrochemical catalytic activity.

종래의 촉매 제조 방법으로 백금 화합물의 수용액 또는 백금 화합물과 루테늄 화합물의 수용액을 담지체인 탄소 분말과 혼합하여 분산시키고 소디움보로하이드라이드(NaBH4), 알코올, 알데하이드 등과 같은 환원제를 첨가하여 입자를 석출하거나 또는 수소 분위기에서 열처리하여 환원시키는 흡착 환원법(J Power Sources, 2005, 250)이 일반적으로 사용되고 있다. 이 방법은 쉽고 간편하긴 하나 금속 입자의 담지량을 늘렸을 경우 응집이 없이 균일하게 담지하기 어렵고 입자의 크기를 제어하기가 매우 까다롭다는 점이 문제점으로 지적되어 왔다.In a conventional catalyst preparation method, an aqueous solution of a platinum compound or an aqueous solution of a platinum compound and a ruthenium compound is mixed with a carbon powder as a carrier to disperse and precipitated particles by adding a reducing agent such as sodium borohydride (NaBH 4 ), alcohol, aldehyde, and the like. Adsorption reduction (J Power Sources, 2005, 250) for reducing or heat treatment in a hydrogen atmosphere is generally used. Although this method is easy and simple, it has been pointed out that when the amount of metal particles is increased, it is difficult to uniformly support them without aggregation and it is very difficult to control the size of the particles.

다른 방법으로는 와타나베(Watanabe, 일본 특허 2005-63713) 등이 제안한 콜로이드 법이 있다. 이 방법은 환원제로 NaHSO3, H2O2를 사용하여 콜로이드 상에서 입자를 균일하게 석출하는 것이 가능하나 pH와 반응 단계에서 발생하는 중간체들을 제어하기가 어렵고 입자의 상이 산화물의 형태로 석출되기 때문에 고온의 수소 열처리가 필요하여 제조 비용이 상승한다는 점이 문제점으로 지적되어 왔다.Another method is the colloidal method proposed by Watanabe (Japanese Patent 2005-63713). This method makes it possible to uniformly precipitate particles on colloids using NaHSO 3 , H 2 O 2 as reducing agents, but it is difficult to control the intermediates generated in the pH and reaction stages, and because the phases of particles precipitate in the form of oxides, The problem has been pointed out that the cost of hydrogen is required to increase the production cost.

또 다른 방법으로서 계면활성제로 안정화된 금속 입자를 먼저 합성한 후 탄소 담지체에 부착하여 촉매를 제조하는 보네만(Bonnemann) 방법(Eur. J. Inorg. Chem., 2001, 2455)도 있으나 유해 용제인 테트라하이드로퓨란(THF)을 사용하고 상 기 와타나베(Watanabe) 방법과 같이 고온의 수소 열처리가 필요하며 금속 입자와 탄소 담지체 간의 결착력이 상대적으로 약다는 점이 문제점으로 지적되어 왔다. Another method is the Bonnemann method (Eur. J. Inorg. Chem., 2001, 2455), in which a metal particle stabilized with a surfactant is first synthesized and then attached to a carbon carrier to prepare a catalyst. Problems have been pointed out that using tetrahydrofuran (THF), high temperature hydrogen heat treatment is required, such as the Watanabe method, and the binding strength between the metal particles and the carbon carrier is relatively weak.

막-전극 복합체를 제조하는 방법으로는 촉매, 고분자 전해질, 용매로 이루어진 잉크를 고분자 전해질 막에 직접 도포하는 방법이 일반적이며, 크게 잉크의 조성을 변화시키거나 제조 공정(특히 코팅 공정)을 개선시킴으로써 막-전극 복합체의 성능을 개선하려는 시도가 많았다. As a method of preparing a membrane-electrode composite, a method of directly applying an ink composed of a catalyst, a polymer electrolyte, and a solvent to a polymer electrolyte membrane is generally used. Many attempts have been made to improve the performance of electrode composites.

전자와 같이 잉크의 조성을 변화시켜 촉매 층의 기공 구조를 제어하고 이를 통해 전기화학적 성능을 향상시키고자 한 시도로서는 일본 특개 2000-353528과 같이 삼차원 네트웍 모양의 다공질 구조를 가지도록 촉매 담지체와 1종 이상의 폴리머를 이용하여 촉매 폴리머 복합체를 합성하여 잉크에 사용한다거나 다른 시도로서 일본 특개평 08-264190와 김의 논문(J.H. Kim etal, J. Power Sources 135(2004) 29.)에서와 같이 잉크에 들어가는 고분자 전해질인 이오노머를 분산 용매상에서 콜로이드화하고 촉매 입자에 흡착하여 잉크에 사용한다거나 또 다른 시도로서 일본 특개 2000-188110, 일본 특개 2005-108827에서처럼 잉크 중에 포함된 이오노머의 분자량을 작게 조절하여 잉크에 사용한다거나 하는 예들이 있었으나 도포된 촉매 층 내에 가스 확산성, 이온 전도성, 보습성이 양립하는 유효 반응 면적(통칭, 3상 계면 반응 면적)이 적어 성능이 발현되기 어려우며, 3상 계면을 통해 전기화학 반응에 참여하는 촉매의 이용률이 적어 결과적으로 촉매의 과다 사용으로 인한 원가 상승이 유발되며 촉매 잉크 제조 시 이오노머와 호환성이 있는 용매, 첨가제 등의 선정이 어렵고 공정이 복잡하게 된다는 점 등이 문제점으로 지적되어 왔다.As an attempt to control the pore structure of the catalyst layer by changing the composition of the ink as in the former, and to improve the electrochemical performance through this, the catalyst carrier and one kind such as to have a three-dimensional network-like porous structure as in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-353528. Using the above polymers, the catalyst polymer composite may be synthesized and used in the ink, or alternatively, it may be used in the ink as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-264190 and Kim's paper (JH Kim etal, J. Power Sources 135 (2004) 29.). Ionomer, a polymer electrolyte, is colloidalized in a dispersing solvent and adsorbed to catalyst particles to be used in ink. Alternatively, as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-188110, Japanese Patent Application No. 2005-108827, the molecular weight of the ionomer contained in the ink is adjusted to be used in the ink. However, there are examples of gas diffusion, ion conductivity, and moisture retention in the applied catalyst layer. The effective reaction area (commonly referred to as the three-phase interfacial reaction area) is low, which makes it difficult to express the performance.The utilization of the catalyst that participates in the electrochemical reaction through the three-phase interface is low, resulting in a cost increase due to overuse of the catalyst. Problems have been pointed out in that it is difficult to select solvents and additives compatible with ionomers in the preparation of catalyst inks and the process is complicated.

본 발명의 목적은 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 촉매층의 3가지 구성 성분인 고분자 전해질, 금속 나노입자 및 탄소 담지체의 3상 계면을 통해 전기화학 반응에 참여하는 촉매의 이용률을 향상시키는 고분자 전해질 복합 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 것이며, 보다 구체적으로는 탄소 담지체 위에 상이한 역할을 하는 금속 촉매 입자 및 이오노머 입자가 균일하게 분산되어 결합되어 전기화학적 활성 면적이 큰 고분자 전해질 복합 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to improve the utilization of the catalyst to participate in the electrochemical reaction through the three-phase interface of the three components of the polymer electrolyte, metal nanoparticles and carbon carriers of the catalyst layer used in the polymer electrolyte fuel cell The present invention provides a catalyst and a method for preparing the same, and more specifically, a metal electrolyte composite catalyst having a large electrochemically active area and a method for preparing the same, wherein metal catalyst particles and ionomer particles having different roles on the carbon carrier are uniformly dispersed and combined. To provide.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 상기 고분자 전해질 복합 촉매를 사용함으로써 가스 확산성, 이온 전도성, 보습성이 양립하는 유효 반응 면적이 향상되고 이로 인해 연료 전지의 성능 및 내구성이 향상된 연료전지용 막-전극 접합체를 제공하는 것이며, 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to improve the effective reaction area of the gas diffusion, ion conductivity, and moisture retention by using the polymer electrolyte composite catalyst, thereby improving the performance and durability of the fuel cell membrane-electrode assembly for fuel cells To provide, and to provide a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로 통칭 "in-situ 주형 합성법"을 적용하여 1~10nm의 균일한 금속 나노 입자를 먼저 제조한 후 상기 금속 나노 입자를 탄소 담지체에 담지 시 이오노머 입자를 동시에 부착시킴으로써 동일한 탄소 담지체 위에 상이한 역할을 하는 두 종류의 입자가 균일하고 고르면서 많은 양이 담지될 수 있는 통칭 "고분자 전해질 복합(composite) 촉매"를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention is designed to solve the above-mentioned problems, by first producing uniform metal nanoparticles of 1 ~ 10nm by applying a generic "in-situ template synthesis method" and then ionomer particles when the metal nanoparticles are supported on a carbon carrier The present invention relates to a method for producing a commonly-known "polymer electrolyte composite catalyst" in which two kinds of particles serving different roles on the same carbon support can be uniformly and evenly loaded on the same carbon support.

본 발명에 따르면 상기 고분자 전해질 복합 촉매는 추가적인 이오노머를 투입하지 않고 용매만으로 잉크를 제조할 수 있어 이를 막-전극 복합체(MEA: Membrane Electrode Assembly) 또는 이를 이용한 연료전지에 적용 시, 종래에 비해 전기화학적 활성 면적이 커서 성능이 향상되고 제조 공정이 용이할 뿐만 아니라 내구성 또한 개선되는 효과를 가진다.According to the present invention, the polymer electrolyte composite catalyst can be prepared with only a solvent without adding an additional ionomer, and thus, when applied to a membrane-electrode assembly (MEA) or a fuel cell using the same, an electrochemical The large active area improves performance, facilitates the manufacturing process, and improves durability.

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

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다. 또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art. Repeated descriptions of the same technical constitution and operation as those of the conventional art will be omitted.

본 발명에 따른 고분자 전해질 복합(composite) 촉매는 도 1에서 도시한 바와 같이 촉매 제조 시 탄소 담지체에 백금 또는 백금 합금 입자로 대표되는 금속 나노입자와 나피온 등의 이오노머 입자가 동시에 담지된 것으로, 금속 나노입자의 크기는 1 내지 10nm이며, 금속 나노 입자(C)와 이오노머(D)의 중량비(C:D)는 1:0.1~10 이고, 금속 나노 입자와 이오노머의 총 중량(C+D) 대비 탄소 담지체(E)의 중량비(E:C+D)는 1:0.01~0.9이며, 금속 전구체 용액의 금속 전구체를 환원하여 제조된 금속 나노 입자 분산액과, 이오노머 용액을 혼합하여 혼합액을 제조한 후 상기 혼합액에 탄소 담지체를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte composite catalyst according to the present invention is a metal nanoparticle represented by platinum or platinum alloy particles and ionomer particles such as Nafion, simultaneously supported on a carbon carrier when the catalyst is prepared. The size of the metal nanoparticles is 1 to 10 nm, the weight ratio (C: D) of the metal nanoparticles (C) and the ionomer (D) is 1: 0.1 to 10, and the total weight of the metal nanoparticles and the ionomer (C + D) The weight ratio (E: C + D) of the carbon support (E) is 1: 0.01 to 0.9, and the metal nanoparticle dispersion prepared by reducing the metal precursor of the metal precursor solution and the ionomer solution were mixed to prepare a mixed solution. After the mixture is characterized in that it is prepared by mixing the carbon carrier.

본 발명에 따른 고분자 전해질 복합(composite) 촉매의 제조방법은 구체적으로 하기의 제조단계를 포함하여 이루어진다.The preparation method of the polymer electrolyte composite catalyst according to the present invention specifically includes the following preparation steps.

a) 금속 전구체 용액의 금속 전구체를 환원하여 금속 나노 입자 분산액을 제조하는 단계;a) reducing the metal precursor of the metal precursor solution to prepare a metal nanoparticle dispersion;

b) 상기 금속 나노입자 분산액과 이오노머 용액을 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;b) mixing the metal nanoparticle dispersion and ionomer solution to prepare a mixed solution;

c) 상기 혼합액에 탄소 담지체를 혼합하여 금속 나노입자 및 이오노머가 담지된 금속-이오노머-탄소 복합체를 형성하는 단계.c) mixing the carbon carrier with the mixed solution to form a metal-ionomer-carbon composite on which metal nanoparticles and ionomers are supported.

상기 a) 단계의 금속 전구체 용액은 용매를 포함하며, 환원은 용액의 산도를 중성 또는 염기성으로 조절한 후 환류하는 방법으로 수행될 수 있으며, 상기 환원 후 금속 나노 입자 분산액을 상온에서 숙성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The metal precursor solution of step a) includes a solvent, and the reduction may be performed by adjusting the acidity of the solution to neutral or basic and refluxing, and after the reduction, the step of aging the metal nanoparticle dispersion at room temperature It may further include.

또한, 상기 c) 단계 후 금속-이오노머-탄소 복합체를 물과 알코올류의 혼합액으로 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the step c) may further comprise the step of washing the metal-ionomer-carbon complex with a mixture of water and alcohols.

도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질 복합 촉매 제조방법에 대한 하나의 실시 형태를 나타낸 것으로 이하 도 1의 제조 공정도를 참조하여 본 발명의 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.Figure 1 shows one embodiment of a method for producing a polymer electrolyte composite catalyst according to the present invention with reference to the manufacturing process of Figure 1 will be described in more detail the method for producing a polymer electrolyte composite catalyst of the present invention.

도 1에서 균일한 금속 나노입자 제조 시에 사용되는 용매는 온도를 가할 시 관능기를 가진 표면 개질제로 변환할 수 있어 나노 입자의 결정핵이 용액상에서 형성되고 성장될 때 입자 주위에 미셀(micelle)을 형성하여 주형으로서 작용할 수 있는 관능기를 가지는 용매가 바람직하며, 상기 관능기는 히드록시기(OH), 알데히드기(COH), 또는 카르복시기(COOH)로부터 선택되는 1종 이상이 바람직하고, 상기 관 능기를 가지는 용매로서는 글리콜산, 글리옥살, 옥살산, 아세트알데하이드, 에틸렌글리콜 또는 이들의 혼합물 중에서 선택하여 사용할 수 있다.In FIG. 1, the solvent used to prepare uniform metal nanoparticles can be converted into a surface modifier having a functional group upon application of temperature, thereby forming micelles around the particles when the nuclei of the nanoparticles are formed and grown in solution. The solvent which has a functional group which can form and act as a template is preferable, The said functional group is 1 or more types chosen from a hydroxyl group (OH), an aldehyde group (COH), or a carboxy group (COOH), and as a solvent which has the said functional group It can be selected from glycolic acid, glyoxal, oxalic acid, acetaldehyde, ethylene glycol or a mixture thereof.

상기 금속 전구체는 상기 용매에 용해 가능한 물질이 바람직하고, 금속 염화물, 금속 염산화물, 금속 아세틸아세톤화합물, 금속 암모늄염, 금속 브롬화물 또는 이들의 혼합물이고 상기 금속은 Pt, Pd, Os, Ir, Ru, Co, Fe, Mo, W, Cr, 및 Ni에서 선택되는 1종 이상이며, 금속 성분이 다른 2 이상의 금속 전구체를 사용하여 금속 합금 나노입자를 형성할 수 있다.The metal precursor is preferably a substance soluble in the solvent, and is a metal chloride, a metal hydrochloride, a metal acetylacetone compound, a metal ammonium salt, a metal bromide or a mixture thereof, and the metal is Pt, Pd, Os, Ir, Ru, Metal alloy nanoparticles can be formed using two or more metal precursors which are at least one selected from Co, Fe, Mo, W, Cr, and Ni, and whose metal components are different.

금속 전구체(A)와 용매(B)의 중량비(A:B)가 1:1 ~ 1:200가 적합하며, 중량비가 1:1보다 낮을 때에는 필요 생산량에 따른 공정비가 증가하게 되며, 중량비가 1:200보다 높을 때에는 금속 입자간의 응집 현상이 있을 수 있다. The weight ratio (A: B) of the metal precursor (A) and the solvent (B) is preferably 1: 1 to 1: 200, and when the weight ratio is lower than 1: 1, the process cost increases according to the required production amount, and the weight ratio is 1 When it is higher than 200, there may be an aggregation phenomenon between metal particles.

a)단계의 금속 전구체의 환원 반응 전에 금속 전구체 용액의 산도를 중성 또는 염기성, 보다 구체적으로는 pH 7 ~ 14가 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 이는 금속 전구체 용액의 산도를 중성 또는 염기성, 보다 좋게는 염기성으로 조절함으로써 1 ~ 10nm의 균일한 금속 나노 입자를 얻을 수 있고 금속 전구체 용액의 산도가 산성, 보다 구체적으로 pH 7 미만인 경우 불균일한 크기의 나노 입자를 얻게 되어 불리하기 때문이다.It is preferable to adjust the acidity of the metal precursor solution to be neutral or basic, more specifically pH 7-14, before the reduction reaction of the metal precursor of step a). It is possible to obtain uniform metal nanoparticles of 1-10 nm by adjusting the acidity of the metal precursor solution to neutral or basic, better basic, and of non-uniform size when the acidity of the metal precursor solution is acidic, more specifically below pH 7. This is because it is disadvantageous to obtain nanoparticles.

금속 전구체 및 용매의 혼합 용액을 용매의 끓는점에서 환류 반응시키되 충분한 입자 형성을 위해 반응 시간은 30분 ~ 2시간이 적합하다. 30분 미만에서는 입자의 생성이 완전히 이루어 지지 않으며, 2시간 초과 시에는 입자의 응집이 발생할 수 있다.The mixed solution of the metal precursor and the solvent is refluxed at the boiling point of the solvent, but a reaction time of 30 minutes to 2 hours is suitable for sufficient particle formation. In less than 30 minutes, the formation of particles is not complete, and in excess of 2 hours, aggregation of the particles may occur.

금속 전구체의 환원에 생성된 금속 나노입자의 크기는 1 ~ 10nm 이하가 바람직하다. 입자의 크기는 촉매의 활성 면적과 직접적인 관련이 있으며, 입자의 크기가 작을수록 활성면적이 증대되지만, 내구성이 떨어지는 단점이 있다. 동일 백금 담지량 하에서 나노 입자의 크기가 1nm 이하 시에는 나노 입자 자체의 활성이 커지고 입자간의 거리가 가까워져 연료전지 운전 중 녹아 나오거나, 응집이 일어날 가능성이 크며, 반대로 10nm 이상의 경우에는 동일 담지량 하에서 입자의 크기가 크고 입자간 거리가 멀기 때문에 연료전지 운전 중 내구성은 좋지만, 활성면적이 감소하게 되어 연료전지 전체 성능의 저하로 이어진다.The size of the metal nanoparticles produced in the reduction of the metal precursor is preferably 1 to 10 nm or less. The particle size is directly related to the active area of the catalyst, and the smaller the particle size is, the larger the active area is, but the disadvantage is that durability is poor. When the size of nanoparticles is less than 1nm under the same platinum loading, the activity of nanoparticles themselves increases and the distance between particles increases, so that they may melt or coalesce during fuel cell operation. Due to the large size and long distance between particles, durability is good during fuel cell operation, but the active area is reduced, leading to deterioration of overall fuel cell performance.

금속 나노 입자를 함유하는 분산액을 금속 나노입자의 안정성 확보를 목적으로 상온에서 1시간 이상 숙성하는 단계를 거칠 수 있으며, 상기 숙성과정이 1시간 미만인 경우에는 상기 효과가 미미하므로 1시간 이상 진행하고, 구체적으로는 1 내지 5시간 정도가 효과와 공정시간을 고려하여 바람직하다The dispersion containing the metal nanoparticles may be subjected to the step of aging for at least 1 hour at room temperature for the purpose of ensuring the stability of the metal nanoparticles, if the aging process is less than 1 hour, the effect is insignificant and proceeds for at least 1 hour, Specifically, about 1 to 5 hours are preferable in consideration of effects and process time.

다음 단계로서 b) 단계는 a)단계에서 제조된 금속 나노입자 분산액과 이오노머 용액을 균일하게 혼합하여 금속 나노입자와 이오노머의 혼합액을 제조하는 단계이다.As a next step, step b) is to uniformly mix the metal nanoparticle dispersion prepared in step a) and the ionomer solution to prepare a mixed solution of the metal nanoparticles and the ionomer.

금속 나노 입자 분산액과 이오노머 용액의 혼합에 있어 금속 나노 입자(C)와 이오노머(D)의 중량비(C:D)는 1:0.1~1:10인 것이 바람직한데, 이는 상기 중량비(C:D)가 1:0.1 미만으로 이오노머의 양이 적은 경우에는 MEA 적용시 전극의 접착성이 떨어지며, 수소이온의 전도도 또한 감소하는 문제점이 발생할 수 있고, 1:10을 초과하여 이오노머의 양이 너무 많은 경우에는 나노입자가 이오노머에 덮여 상 대적으로 활성 면적이 감소하기 때문이다.In the mixing of the metal nanoparticle dispersion and the ionomer solution, the weight ratio (C: D) of the metal nanoparticles (C) and the ionomer (D) is preferably 1: 0.1 to 1:10, which is the weight ratio (C: D). When the amount of ionomer is less than 1: 0.1, the adhesiveness of the electrode is decreased when the MEA is applied, and the conductivity of hydrogen ions may also decrease, and when the amount of the ionomer is too high in excess of 1:10. This is because the nanoparticles are covered by the ionomer and the active area decreases relatively.

상기 이오노머 용액은 이오노머가 물, 저급알코올 또는 이의 혼합용매에 분산된 것으로서, 상기 이오노머는 고분자전해질(polyelectrolyte)로서 전기적으로 중성인 반복단위와 이온화된 단위를 포함하는 공중합체로 정의할 수 있으며, 고분자 전해질 연료전지 분야에서는 통상적으로 술포산기(SO3H)를 가지는 불소수지를 의미하고, 대표적으로 "나피온(Nafion)"이라 불리는 술폰화테트라플루오로에틸렌 공중합체(sulfonated tetrafluoroethylene copolymer)를 예로 들 수 있고, 이오노머 용액으로는 시판되고 있는 나피온 용액(Nafion 5wt% Solution(DE521, Dupont))을 사용할 수 있다.The ionomer solution is an ionomer dispersed in water, a lower alcohol or a mixed solvent thereof, and the ionomer may be defined as a copolymer including an electrically neutral repeating unit and an ionized unit as a polyelectrolyte, and a polymer In the field of electrolyte fuel cells, it usually means a fluorine resin having a sulfonic acid group (SO 3 H), and a sulfonated tetrafluoroethylene copolymer, which is typically referred to as "Nafion", is exemplified. As the ionomer solution, a commercially available Nafion solution (Nafion 5wt% Solution (DE521, Dupont)) may be used.

다음 단계는 상기 금속 나노입자와 이오노머의 혼합액에 탄소 담지체를 투입하여 금속 나노입자와 이오노머를 탄소 담지체에 담지함으로써 금속-이오노머-탄소 복합체를 형성하는 단계이다. 이때 탄소 담지체(E)는 금속 나노 입자와 이오노머의 총 중량(C+D)에 대한 중량비(E:C+D)가 1:0.01 ~ 1:0.9 인 것이 바람직하다. 상기 중량비가 1:0.01 미만으로 금속 나노 입자와 이오노머의 총 중량이 적은 경우에는 촉매의 전기적 활성이 낮아지는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 중량비가 1:0.9를 초과하는 경우에는 금속 나노 입자와 이오노머의 양이 많아져서 탄소 담지체 상의 금속 나노입자 담지 분산도가 낮아지며, 금속 나노입자의 2차 응집을 유발할 수 있다는 점에서 불리할 수 있다.The next step is to form a metal-ionomer-carbon composite by adding a carbon carrier to the mixed solution of the metal nanoparticles and the ionomer to support the metal nanoparticles and the ionomer on the carbon carrier. In this case, the carbon carrier (E) preferably has a weight ratio (E: C + D) of 1: 0.01 to 1: 0.9 with respect to the total weight (C + D) of the metal nanoparticles and the ionomer. When the weight ratio is less than 1: 0.01 and the total weight of the metal nanoparticles and the ionomer is small, there may be a problem that the electrical activity of the catalyst is lowered. When the weight ratio exceeds 1: 0.9, the metal nanoparticles and the ionomer The amount may be disadvantageous in that the amount of the metal nanoparticle supported dispersion on the carbon support is lowered and may cause secondary aggregation of the metal nanoparticles.

상기 금속 나노 입자(C)와 이오노머(D)의 중량비(C:D) 및 탄소 담지체(E)와 의 혼합 중량비에 의해 막-전극 접합체의 3상계면 형성이 크게 좌우된다. 상기 금속나노입자와 탄소담지체의 합(C+E)에 대한 이오노머(D)의 중량비(C+E:D)는 1:0.2 ~ 1:0.5 인 것이 바람직하다. 이는 상기 범위보다 이오노머 함량이 작은 경우에는 전극과 전해질 막 사이에 충분한 결합력을 주지 못하고, 상기 범위보다 이오노머 함량이 많은 경우에는 촉매 활성 면적이 감소하는 단점이 있다.Formation of the three-phase interface of the membrane-electrode assembly largely depends on the weight ratio (C: D) of the metal nanoparticles (C) and the ionomer (D) and the mixing weight ratio of the carbon carrier (E). The weight ratio (C + E: D) of the ionomer (D) to the sum (C + E) of the metal nanoparticles and the carbon support is preferably 1: 0.2 to 1: 0.5. This does not give sufficient bonding force between the electrode and the electrolyte membrane when the ionomer content is smaller than the above range, and decreases the catalytically active area when the ionomer content is above the above range.

본 발명에 사용되는 탄소 담지체는 다공성 기공 구조를 갖는 전도체로서, 카본블랙, 카본나노튜브, 카본 파이버, 풀러렌 등의 전기 전도도를 갖는 다공성의 탄소 재료가 바람직하며, 금속 나노 입자와 이오노머의 담지 시 반응기 온도는 100 ℃ 이하, 보다 바람직하게는 상온 내지 100 ℃에서 교반 시간은 1시간 이상으로 충분한 시간을 두고 담지 시킨다. 온도가 100 ℃ 이상에서는 용매가 휘발될 수 있으며, 금속 입자의 크기가 커질 수 있는 단점이 있다.The carbon carrier used in the present invention is a conductor having a porous pore structure, and a porous carbon material having electrical conductivity such as carbon black, carbon nanotubes, carbon fibers, and fullerenes is preferable, and when carrying the metal nanoparticles and ionomers, Reactor temperature is below 100 ℃, more preferably from room temperature to 100 Stirring time at ℃ is supported over 1 hour with sufficient time. If the temperature is more than 100 ℃ solvent may be volatilized, there is a disadvantage that the size of the metal particles can be increased.

상기 c) 단계 후 금속-이오노머-탄소 복합체를 세정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 세정은 용매에 녹아 있는 Na+, Cl- 와 같은 부반응 이온들과 잔류 용매를 제거하기 위해 필요하며, 세정액은 물과 알코올류의 혼합액으로 하며 그 조성의 중량비(물:알코올류)는 1:0.1 ~ 1:10이 적합하다. 중량비가 0.1보다 작을 시나, 10보다 클 시에는 이오노머가 상 분리될 수 있다. 통상 4회 이상 충분한 세정이 필요하며, 불순물이 잔존하게 되면 막-전극 접합체 제조 후 성능 발현 시 성능 저하의 원인이 된다.It is preferable to further include the step of cleaning the metal-ionomer-carbon composite after the step c). The cleaning is necessary to remove residual reaction solvents and side reaction ions such as Na + and Cl - dissolved in the solvent. The cleaning solution is a mixture of water and alcohols and the weight ratio (water: alcohols) of the composition is 1: 0.1 to 1:10 is suitable. When the weight ratio is less than 0.1, but greater than 10, the ionomer may phase separate. Normally, sufficient cleaning is required four times or more, and the remaining impurities may cause performance deterioration during the development of the membrane-electrode assembly.

본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 고분자 전해질 복합 촉매를 함유하 는 촉매잉크를 제공한다. 통상적으로 고분자 전해질 연료전지용 촉매 잉크 제조 시에 나피온계 이오노머 용액을 추가하여 잉크를 제조하나, 본 발명에 따른 고분자 전해질 복합 촉매는 이오노머 용액에 혼합하지 않고 본 발명에 따른 고분자 전해질 복합 촉매를 물, 알코올류 또는 이의 혼합용매 등에 분산하여 제조할 수 있다.The present invention provides a catalyst ink containing a polymer electrolyte composite catalyst prepared by the above production method. Typically, the ink is prepared by adding a Nafion-based ionomer solution when preparing a catalyst ink for a polymer electrolyte fuel cell, but the polymer electrolyte composite catalyst according to the present invention is mixed with the polymer electrolyte composite catalyst according to the present invention without mixing with the ionomer solution. It can manufacture by disperse | distributing to alcohol, its mixed solvent, etc.

또한 본 발명은 상기 고분자 전해질 복합 촉매를 포함하는 막-전극 접합체(MEA)를 제공하며, 상기 막-전극 접합체를 연료전지를 제공한다. 상기 연료전지는 1개 이상의 단위 연료전지 또는 연료전지 스텍 또는 상기 연료전지를 이용한 연료전지 시스템을 포함한다. 상기 단위 연료전지는 음극/가스확산층/가스켓/막-전극 접합체/가스켓/가스확산층/양극을 포함하며, 상기 연료전지 스텍은 집전체/음극/고분자전해질멤브레인/양극/집전체/음극/고분자전해질멤브레인/양극/집전체의 순으로 이루어진 적층체이며, 상기 연료전지 시스템은 상기 적층체, 상기 음극 및 양극에 연료 및 산화제를 공급하기 위하여 연결된 단자, 및 상기 적층체를 둘러싸서 밀봉하는 전지케이스를 포함한다.In another aspect, the present invention provides a membrane-electrode assembly (MEA) comprising the polymer electrolyte composite catalyst, the membrane-electrode assembly provides a fuel cell. The fuel cell includes at least one unit fuel cell or fuel cell stack or a fuel cell system using the fuel cell. The unit fuel cell includes a cathode / gas diffusion layer / gasket / membrane-electrode assembly / gasket / gas diffusion layer / anode, and the fuel cell stack includes a current collector / anode / polymer electrolyte membrane / anode / current collector / cathode / polymer electrolyte. And a fuel cell system including a terminal connected to supply fuel and an oxidant to the stack, the cathode and the anode, and a battery case surrounding and enclosing the stack. Include.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 고분자 전해질 복합 촉매는 금속 나노입자와 이오노머가 탄소 담지체에 균일하게 분산되어 결합되어 있어 이를 함유하는 촉매 잉크로 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly) 또는 상기 막-전극 접합체를 이용한 연료전지에 적용 시, 종래의 촉매 잉크에 비해 전기화학적 활성 면적이 크며, 가스 확산성, 이온 전도성, 보습성이 양립하는 유효 반응 면적(통칭, 3상 계면 반응 면적)이 커서 전기적 활성이 현저히 향상되며 제조 공정 상 간편할 뿐만 아니라 내구성 또한 개선되는 결과를 제공한다.As described above, in the polymer electrolyte composite catalyst according to the present invention, the metal nanoparticle and the ionomer are uniformly dispersed and bonded to the carbon carrier, and thus, a membrane-electrode assembly (MEA) or a membrane is used as a catalyst ink containing the same. When applied to a fuel cell using an electrode assembly, the electrochemically active area is larger than that of the conventional catalyst ink, and the effective reaction area (commonly referred to as three-phase interfacial reaction area) that is compatible with gas diffusivity, ion conductivity, and moisture retention is large. The result is a marked improvement in electrical activity and simplicity in the manufacturing process as well as improved durability.

이하, 본 발명을 하기 실시 예 및 비교 예에 의거하여 좀 더 상세히 설명하고자 한다. 단 하기 실시 예는 본 발명의 한 예일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 국한되지는 않는다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following Examples and Comparative Examples. However, the following examples are merely examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예][Example]

(1) 고분자 전해질 복합(composite) 촉매 제조(1) Preparation of Polymer Electrolyte Composite Catalyst

염화백금(PtCl4, Kojima, 99.9%) 0.5g을 EG(Ethylene Glycol, Junsei, 98%) 100ml 에 1시간 동안 교반하여 녹이고 용액의 pH가 11이 되도록 NaOH로 적정한다. 적정이 끝난 용액을 160 ℃ 가 되도록 30분 이내로 급격히 승온시켜 3시간 환류(Reflux)하여 평균 2nm로 균일한 크기의 백금 나노 입자가 형성된 분산액을 제조한다. 상기 분산액의 온도가 실온으로 냉각될 때까지 상온에서 3시간 교반한다. 교반 후 이오노머 용액(Nafion 5wt% Solution(DE521, Dupont))을 백금과 나피온의 중량비가 1:1이 되도록 상기 분산액에 투입한 후 1시간 교반한다. 이후 탄소 담지체로 탄소 입자(Cabot사, Vulcan XC 72R)을 탄소와 백금의 중량비가 7:3가 되도록 투입하고 24시간 교반하여 백금과 이오노머를 동시에 담지시킨다. 담지된 촉매의 세정을 위해 물과 알코올류(D.I. Water:IPA=5:5, 중량비)의 혼합액 5L를 사용하여 1L 씩 5회 세정하고 여과, 건조하여 탄소 담체 대비 백금 함량이 30wt%인 Pt/C 고분자 전해질 복합 촉매를 얻었으며, Pt/C촉매 대비 이오노머 함량은 20 wt%임을 TGA(Thermogravimetric Analysis) 분석을 통해 확인하였다.0.5 g of platinum chloride (PtCl 4 , Kojima, 99.9%) is dissolved in 100 ml of EG (Ethylene Glycol, Junsei, 98%) for 1 hour, and the solution is titrated with NaOH so that the solution has a pH of 11. The titrated solution was rapidly heated up to 30 ° C. within 30 minutes to reflux for 3 hours to prepare a dispersion in which platinum nanoparticles of uniform size were formed at an average of 2 nm. Stir at room temperature for 3 hours until the temperature of the dispersion is cooled to room temperature. After stirring, an ionomer solution (Nafion 5wt% Solution (DE521, Dupont)) was added to the dispersion so that the weight ratio of platinum and Nafion was 1: 1 and stirred for 1 hour. Then, carbon particles (Cabot, Vulcan XC 72R) are added to the carbon carrier so that the weight ratio of carbon to platinum is 7: 3, and stirred for 24 hours to simultaneously support platinum and ionomer. To clean the supported catalyst, 5 L of water and alcohol (DI Water: IPA = 5: 5, weight ratio) was mixed 5 times with 1 L each, filtered and dried, and the Pt / The C polymer electrolyte composite catalyst was obtained, and the ionomer content of the Pt / C catalyst was confirmed to be 20 wt% through TGA (Thermogravimetric Analysis) analysis.

(2) 고분자 전해질 복합 촉매 평가(2) Evaluation of Polymer Electrolyte Composite Catalyst

고분자 전해질 복합 촉매의 표면 분석과 원소분석을 위해 주사전자현미경(SEM)을 사용하였으며 전기화학적 특성 평가를 위해 RDE(Rotating Disk Electrode) 분석을 실시하였다.Scanning electron microscopy (SEM) was used for surface analysis and elemental analysis of the polymer electrolyte composite catalyst, and RDE (Rotating Disk Electrode) analysis was performed to evaluate the electrochemical properties.

고분자 컴파지트 촉매의 전기화학적 특성 및 성능을 파악하기 위하여, 기준전극과 상대전극, 작업전극으로 구성되는 3전극 셀을 구성하였다. 기준 전극은 SCE(saturated calomel electrode)를 사용하였으며, 상대 전극은 탄소를 사용하였다. 작업 전극을 구성하기 위하여, 탄소 전극의 한 종류인 글래시 카본(glassy carbon 전극을 사용하였으며, 탄소전극 위에 촉매를 도포하여 작업 전극을 준비하였다. In order to understand the electrochemical properties and performance of the polymer composite catalyst, a three-electrode cell composed of a reference electrode, a counter electrode, and a working electrode was constructed. SCE (saturated calomel electrode) was used as the reference electrode and carbon was used as the counter electrode. In order to construct a working electrode, a glassy carbon electrode, which is a kind of carbon electrode, was used, and a working electrode was prepared by applying a catalyst on the carbon electrode.

탄소전극 위에 촉매를 도포하기 위하여 촉매 잉크를 제조하였다. 촉매 잉크는 물과 이소프로필 알코올을 사용하였다. 작업 전극 위에 같은 양의 촉매를 도포하기 위하여, 동일 부피의 촉매 잉크를 사용하였으며, 70 ℃ 오븐에서 건조한 후 촉매의 전기화학적 특성을 평가하였다. 평가 방법으로서는 CV(cyclic voltammetry)와 LSV(linear sweep Voltammetry), %H2O2를 사용하였다.Catalyst ink was prepared to apply the catalyst on the carbon electrode. The catalyst ink used water and isopropyl alcohol. In order to apply the same amount of catalyst onto the working electrode, the same volume of catalyst ink was used and the electrochemical properties of the catalyst were evaluated after drying in a 70 ° C. oven. As evaluation methods, CV (cyclic voltammetry), LSV (linear sweep voltammetry) and% H 2 O 2 were used.

(3) 막-전극 접합체 용 컴파지트 촉매 잉크 제조(3) Preparation of composite catalyst ink for membrane electrode assembly

고분자 컴파지트 촉매/물/이소프로필알콜을 1.3:6:6의 비로 혼합한 후에 4 ℃로 유지된 액조(bath)에 넣은 후, 2 시간 동안 호모지나이저(homogenizer)를 이용하여 10,000 RPM으로 교반하였다. 제조된 촉매 잉크는 24 시간 동안 숙성시키고, 코팅 전 10 분 동안 초음파를 가한 후에 사용하였다.The polymer composite catalyst / water / isopropyl alcohol was mixed at a ratio of 1.3: 6: 6 and then placed in a bath maintained at 4 ° C., followed by a homogenizer at 10,000 RPM for 2 hours. Stirred. The prepared catalyst ink was aged for 24 hours and used after sonication for 10 minutes before coating.

(4) 막-전극 접합체 제조(4) Preparation of membrane-electrode assembly

25cm2 크기의 MEA를 전사 방식으로 제조하였다. 테플론 전사 필름에 컴파지트 촉매 잉크를 백금량이 0.2mg/cm2이 되도록 도포하여 전해질 막(Dupont사, NRE212)에 열압착전사(130℃, 1.5ton, 8분) 시켜 제조하였다.A 25 cm 2 size MEA was prepared by the transfer method. The composite catalyst ink was applied to the Teflon transfer film so that the platinum amount was 0.2 mg / cm 2 , and thermocompression-transferred (130 ° C., 1.5 ton, 8 minutes) was applied to the electrolyte membrane (Dupont, NRE212).

(5) 단위전지의 체결 및 평가(5) Fastening and evaluation of unit cell

End plate/Mono-polar plate/가스확산층/가스켓/막-전극 접합체/가스켓/가스확산층/Mono-polar plate/End plate 순으로 체결하였다. 가스확산층은 SGL사 10BC, 가스켓은 테플론시트(Teflon sheet 280μm), Mono-polar plate 및 End plate은 Electrochem사, 25 cm2 Single Cell을 사용하였다. 체결되는 체결 토크(torque)는 100 kgf·cm로 고정하였다. 제조된 단위전지는 가스공급창치, 가습장치. 히터, 전자부하기(pro-digit사 제조)와 연결된 후에, 수소와 공기를 각각 0.5 SLM, 1.6 SLM으로 공급하면서, 정전압 순환방식(1 V ~ 0.4 V, step 0.05 V)로 활성화 단계를 거쳤다. 활성화 단계 종료 후, 수소와 공기의 당량비를 1.2:2로 유지하면서 전류-전압 특성을 측정하였다.End plate / Mono-polar plate / gas diffusion layer / gasket / membrane-electrode assembly / gasket / gas diffusion layer / Mono-polar plate / End plate. Gas diffusion layer was used SGL 10BC, gasket Teflon sheet (280μm), Mono-polar plate and End plate Electrochem, 25 cm 2 Single Cell was used. The tightening torque to be fastened was fixed at 100 kgf · cm. Manufactured unit cell is gas supply window, humidifier. After being connected to a heater and an electronic load (pro-digit company), hydrogen and air were supplied to 0.5 SLM and 1.6 SLM, respectively, and the activation step was carried out by the constant voltage circulation method (1 V to 0.4 V, step 0.05 V). After the completion of the activation step, the current-voltage characteristics were measured while maintaining the equivalent ratio of hydrogen and air at 1.2: 2.

[비교예 1]Comparative Example 1

(1) Pt/C 촉매 제조(1) Preparation of Pt / C Catalyst

"고분자 전해질 연료전지용 전기화학촉매의 제조방법" 대한민국 특허출원 제2006-0083224호에 따라 제조된 종래의 방법을 이용하여 30wt% Pt/C 촉매를 다음과 같이 제조하였다. "Method for Producing Electrochemical Catalyst for Polymer Electrolyte Fuel Cell" A 30wt% Pt / C catalyst was prepared using the conventional method prepared according to Korean Patent Application No. 2006-0083224.

Vulcan XC 72R 담지체 2 g을 용매 500mL(물: 메탄올(V/V)=4:1)에 넣고 고출력 초음파와 교반기를 동시에 작동시키면서 3시간 동안 분산시켰다. 별도의 반응기에 염화백금산염(H2PtCl6·6H2O) 을 탄소와 백금의 중량비가 7:3이 되도록 용매 500mL(물:메탄올(V/V)=4:1)에 넣고 1시간 동안 교반하여 용액을 제조하였다. 두 용액을 혼합하여 1시간 정도 더 교반시킨다. 별도의 30L 반응기에 용액 4L(물:메탄올(V/V)=4:1)를 85℃ 까지 가온시켜 유지시키고, 두 혼합액을 투입시켜 30분간 반응시킨다. 반응이 끝난 후 냉각, 여과시키고 충분한 물로 세정한다. 이후 세정된 촉매는 100℃ 진공 오븐에서 12시간 이상 건조한 최종적으로 42wt% Pt/C 백금 촉매를 얻었다.2 g of a Vulcan XC 72R carrier was added to 500 mL of solvent (water: methanol (V / V) = 4: 1) and dispersed for 3 hours while simultaneously operating high power ultrasound and agitator. In a separate reactor, chloroplatinate (H 2 PtCl 6 · 6H 2 O) was added to 500 mL of solvent (water: methanol (V / V) = 4: 1) so that the weight ratio of carbon to platinum was 7: 3. The solution was prepared by stirring. The two solutions are mixed and stirred for another hour. In a separate 30 L reactor, 4 L of solution (water: methanol (V / V) = 4: 1) was maintained at 85 ° C., and the two mixed liquids were added and reacted for 30 minutes. After the reaction, it is cooled, filtered and washed with sufficient water. The washed catalyst was then dried in a 100 ° C. vacuum oven for at least 12 hours to obtain a 42 wt% Pt / C platinum catalyst.

(2) 촉매 평가(2) catalyst evaluation

실시예와 동일한 방법에 의해 실시하였다.It carried out by the same method as Example.

(3) 막-전극 접합체 용 Pt/C 촉매 잉크제조(3) Preparation of Pt / C catalyst ink for membrane electrode assembly

Pt/C 촉매/물/이소프로필알콜/이오노머(5 wt% Nafion solution)를 1:6:6:6의 비로 혼합한 후에 4 ℃로 유지된 액조(bath)에 넣은 후, 2 시간 동안 호모지나이저 를 이용하여 10,000 RPM으로 교반한다. 제조된 촉매 잉크는 24 시간 동안 숙성시키고, 코팅 전 10 분 동안 초음파를 가한 후에 사용한다. Pt / C catalyst / water / isopropylalcohol / ionomer (5 wt% Nafion solution) was mixed in a ratio of 1: 6: 6: 6, then placed in a bath maintained at 4 ° C., and then homogenized for 2 hours. Stir at 10,000 RPM using a Niger. The prepared catalyst ink is aged for 24 hours and used after sonication for 10 minutes before coating.

이후 제조방법은 실시 예와 동일한 방법에 의해 실시하였다.Since the manufacturing method was carried out by the same method as in Example.

[비교예 2]Comparative Example 2

실시 예와 동일한 방법으로 백금 나노입자를 제조하였고 탄소 담지체에 담지하여 제조하였으며, 실시 예와는 달리 이오노머가 담지되지 않은 Pt/C 촉매를 제조하였다. Platinum nanoparticles were prepared in the same manner as in Example and prepared on a carbon carrier. Unlike the examples, Pt / C catalyst without ionomer was prepared.

염화백금(PtCl4, Kojima, 99.9%) 0.5g을 EG(Ethylene Glycol, Junsei, 98%) 100ml 에 1시간 동안 교반하여 녹이고 용액의 pH가 11이 되도록 NaOH(98%)로 적정한다. 적정이 끝난 용액을 160 ℃ 가 되도록 30분 이내로 급격히 승온시켜 3시간 환류(Reflux)하고 균일한 백금 나노입자(평균 입경 2nm)가 형성된 백금 나노입자 분산액을 제조한다. 상기 분산액의 온도가 실온으로 냉각될 때까지 3시간 상온에서 교반한다. 이후 탄소 담지체인 Vulcan XC 72R 을 탄소와 백금의 중량비가 7:3가 되도록 투입하고 24시간 교반하여 담지시킨다. 담지된 촉매는 비교 예와 같은 방법으로 여과, 세정, 건조과정을 통해 30wt% Pt/C 백금 촉매를 얻었다.0.5 g of platinum chloride (PtCl 4 , Kojima, 99.9%) was dissolved in 100 ml of EG (Ethylene Glycol, Junsei, 98%) for 1 hour, and then titrated with NaOH (98%) so that the solution had a pH of 11. The titrated solution was rapidly heated to 30 ° C. within 30 minutes to reflux for 3 hours to prepare a platinum nanoparticle dispersion in which uniform platinum nanoparticles (average particle diameter 2 nm) were formed. Stir at room temperature for 3 hours until the temperature of the dispersion is cooled to room temperature. Thereafter, the carbon carrier Vulcan XC 72R was added so that the weight ratio of carbon to platinum was 7: 3, followed by stirring for 24 hours. The supported catalyst was obtained in the same manner as the comparative example by filtration, washing, and drying to obtain a 30 wt% Pt / C platinum catalyst.

이후 제조공정 및 평가는 비교 예 1과 동일한 방법에 의해 실시하였다.Thereafter, the manufacturing process and evaluation were performed by the same method as in Comparative Example 1.

상기 실시 예와 비교 예 2에 의해 제조된 촉매는 도 3에서의 주사 전자현미 경의 사진과 EM(Element Mapping) 분석에 의해 실시 예에 의해 제조된 고분자 전해질 복합 촉매가 비교 예 2에 의해 제조된 백금 촉매와는 달리 나피온 이오노머가 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다. The catalyst prepared according to Example 2 and Comparative Example 2 was prepared by Comparative Example 2 of the polymer electrolyte composite catalyst prepared according to Example 2 by scanning electron microscope and EM (Element Mapping) analysis. Unlike the catalyst, it was confirmed that Nafion ionomer was uniformly distributed.

또한, 전기화학적 활성 평가를 위해 RDE(Rotating Disk Electrode) 분석을 실시하였으며 그 결과는 도 4 내지 도 6에 도시하였다. 도 4의 CV(Cyclic Voltammetry)결과와 같이 실시 예에 의해 제조된 컴파지트 촉매의 활성 표면적이 비교 예에 의해 제조된 촉매에 비해 상대적으로 우수함을 확인할 수 있었다. 도 5의 LSV(Linear Sweep Voltage)는 산소전극의 활성을 측정하는 것으로 동일한 전압 하에서 실시 예에서 제조된 고분자 전해질 복합 촉매의 발생 전류값이 가장 큰 것을 알 수 있는데, 이는 산소환원반응에 의해 발생한 전류의 양을 의미하며, 촉매의 전기화학적 활성에 비례한다. ORR(Oxygen Reduction Rate) 반응 활성 또한 우수함을 확인하였다. 도 6의 H2O2% 는 미반응된 산소의 양을 측정하는 것으로 막-전극 접합체 적용 시, 음극 쪽의 H2O2 발생량과 관련이 있으며, 특히 연료전지의 내구성과도 큰 관련이 있다. 좀 더 자세히 살펴보면, 음극에서의 산소환원반응(ORR; Oxygen Reduction Reaction)은 몇 개의 반응들에 의해 이루어지는데, 산소가 전극 표면에 흡착을 하고 전자를 받아 환원되는데, 이 때, 두 개의 전자를 받으면 과산화수소(H2O2)가 되고 네 개의 전자를 받으면 물(H2O)이 된다. 과산화수소가 다시 전자 두 개를 받아 물이 되기도 한다. 연료전지에서 이상적인 산소환원반응은 산소가 네 개의 전자를 받아 물이 되는 것이며, 생성된 과산화수소는 연료전지의 효율 저하를 야기시킬 뿐만 아니라 과산화수소가 HO·, O2·, HO2·와 같이 매우 강한 라디칼을 형성하여 연료전지 작동에 치명적인 영향을 끼쳐 내구성 저하로 이어진다. 도 6으로부터 본 특허의 실시 예와 같이 제조된 고분자 전해질 복합 촉매의 경우 H2O2 발생량이 월등히 낮은 것을 확인하였으며, 이는 상술한 바와 같이 연료전지의 내구성을 향상시키는데 큰 도움을 준다.In addition, a Rotating Disk Electrode (RDE) analysis was performed to evaluate the electrochemical activity, and the results are shown in FIGS. 4 to 6. As shown in the CV (Cyclic Voltammetry) result of FIG. 4, it was confirmed that the active surface area of the composite catalyst prepared by the example was relatively superior to the catalyst prepared by the comparative example. LSV (Linear Sweep Voltage) of Figure 5 is to measure the activity of the oxygen electrode can be seen that the generated current value of the polymer electrolyte composite catalyst prepared in Example under the same voltage is the largest, which is the current generated by the oxygen reduction reaction Means the amount of and is proportional to the electrochemical activity of the catalyst. Oxygen Reduction Rate (ORR) reaction activity was also excellent. 6, H 2 O 2 % is a measure of the amount of unreacted oxygen, which is related to the amount of H 2 O 2 generated at the cathode side when the membrane-electrode assembly is applied, and is particularly related to the durability of the fuel cell. . In more detail, the oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode is carried out by several reactions, in which oxygen is adsorbed on the electrode surface and receives electrons and is reduced. Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and receives four electrons become water (H 2 O). Hydrogen peroxide receives two electrons again and becomes water. The ideal oxygen reduction reaction in a fuel cell is that oxygen receives four electrons and becomes water, and the generated hydrogen peroxide not only causes the efficiency of the fuel cell, but also the hydrogen peroxide is very strong such as HO, O 2 , HO 2. The formation of radicals has a fatal effect on the operation of fuel cells, leading to reduced durability. It was confirmed from FIG. 6 that the H 2 O 2 generation amount was significantly lower in the polymer electrolyte composite catalyst prepared as in the embodiment of the present patent, which greatly improves the durability of the fuel cell as described above.

막-전극 접합체로 제조하여 전기화학적 특성결과는 도 7 에 도시하였다. 전압-전류 특성 측정결과 본 발명에 따른 복합 촉매의 초기 성능값이 600mA@0.6V 로 비교 예에 의한 촉매의 특성값 550mA@0.6V에 비해 동등 이상임을 확인하였다.Electrochemical properties of the membrane-electrode assembly were shown in FIG. 7. As a result of the voltage-current characteristic measurement, the initial performance value of the composite catalyst according to the present invention was 600 mA@0.6V, and it was confirmed that the equivalent value of the catalyst according to the comparative example was 550 mA@0.6V or more.

도 1은 본 발명에 따른 이오노머가 부착된 고분자 전해질 복합(composite) 촉매의 제조 공정도이다.1 is a manufacturing process chart of an ionomer-attached polymer electrolyte composite catalyst according to the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 이오노머가 부착된 고분자 전해질 복합 촉매의 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram of a polymer electrolyte composite catalyst with an ionomer prepared according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 이오노머가 부착된 고분자 전해질 복합 촉매(a) 및 이오노머가 부착되지 않은 비교예 2의 촉매(b)에 대한 주사 전자 현미경 사진 및 EM(element mapping) 분석 결과를 도시한 것이다.Figure 3 is a scanning electron micrograph and EM (element mapping) analysis of the ionomer-attached polymer electrolyte composite catalyst (a) and the catalyst (b) of Comparative Example 2 without the ionomer prepared according to an embodiment of the present invention The results are shown.

도 4 는 본 발명에 따라 제조된 이오노머가 부착된 고분자 전해질 복합 촉매의 CV(Cyclic Voltammetry) 측정 결과를 도시한 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the results of measuring the CV (Cyclic Voltammetry) of the ionomer-attached polymer electrolyte composite catalyst prepared according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따라 제조된 이오노머가 부착된 고분자 전해질 복합 촉매의 LSV(Linear Sweeping Voltammetry) 측정 결과를 도시한 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing LSV (Linear Sweeping Voltammetry) measurement results of an ionomer-attached polymer electrolyte composite catalyst prepared according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따라 제조된 이오노머가 부착된 고분자 전해질 복합 촉매의 잔류 과산화수소(H2O2) 측정 결과를 도시한 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the residual hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) measurement results of the ionomer-attached polymer electrolyte composite catalyst prepared according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따라 제조된 고분자 복합 촉매로 제조된 막-전극 접합체의 전류-전압 특성 결과를 도시한 그래프이다.7 is a graph showing the current-voltage characteristic results of the membrane-electrode assembly prepared from the polymer composite catalyst prepared according to the present invention.

Claims (17)

a) 금속 염화물, 금속 염산화물, 금속 아세틸아세톤화합물, 금속 암모늄염, 금속 브롬화물 또는 이들의 혼합물이고 상기 금속은 Pt, Pd, Os, Ir, Ru, Co, Fe, Mo, W, Cr, 및 Ni에서 선택되는 1종 이상인 금속 전구체를 함유하는 금속 전구체 용액의 금속 전구체를 환원하여 금속 나노 입자 분산액을 제조하는 단계;a) a metal chloride, a metal hydrochloride, a metal acetylacetone compound, a metal ammonium salt, a metal bromide or a mixture thereof and the metal is Pt, Pd, Os, Ir, Ru, Co, Fe, Mo, W, Cr, and Ni Preparing a metal nanoparticle dispersion by reducing a metal precursor of a metal precursor solution containing at least one metal precursor selected from the group; b) 상기 금속 나노입자 분산액과 술포산기(SO3H)를 가지는 불소수지인 이오노머를 함유하는 이오노머 용액을 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;b) preparing a mixed solution by mixing the metal nanoparticle dispersion and an ionomer solution containing an ionomer which is a fluorine resin having a sulfonic acid group (SO 3 H); c) 상기 혼합액에 카본블랙, 카본나노튜브, 카본 파이버, 또는 풀러렌으로부터 선택되는 다공성 탄소 재료인 탄소 담지체를 혼합하여 금속 나노입자 및 이오노머가 담지된 금속-이오노머-탄소 복합체를 형성하는 단계;c) mixing the carbon carrier, which is a porous carbon material selected from carbon black, carbon nanotube, carbon fiber, or fullerene, to the mixed solution to form a metal-ionomer-carbon composite on which metal nanoparticles and ionomers are supported; 를 포함하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.Method for producing a polymer electrolyte composite catalyst comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 a) 단계의 용액은 히드록시기(OH), 알데히드기(COH), 또는 카르복시기(COOH)로부터 선택되는 1종 이상의 관능기를 가지는 용매를 함유하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.The solution of step a) comprises a solvent having at least one functional group selected from a hydroxyl group (OH), an aldehyde group (COH), or a carboxy group (COOH). 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 용매는 글리콜산, 글리옥살, 옥살산, 아세트알데하이드, 에틸렌글리콜 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.Said solvent is glycolic acid, glyoxal, oxalic acid, acetaldehyde, ethylene glycol or a mixture thereof. 삭제delete 삭제delete 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 금속 전구체(A)와 용매(B)의 중량비(A: B)는 1:1~200인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.Method for producing a polymer electrolyte composite catalyst, characterized in that the weight ratio (A: B) of the metal precursor (A) and the solvent (B) is 1: 1 to 200. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 b) 단계 혼합액 내의 금속 나노 입자(C)와 이오노머(D)의 중량비(C:D)는 1:0.1~10인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.The b) weight ratio (C: D) of the metal nanoparticles (C) and the ionomer (D) in the mixed solution is 1: 0.1 ~ 10 method for producing a polymer electrolyte composite catalyst. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 금속 나노 입자와 이오노머의 총 중량(C+D) 대비 탄소 담지체(E)의 중량 비(E:C+D)는 1:0.01~0.9인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.Method for producing a polymer electrolyte composite catalyst, characterized in that the weight ratio (E: C + D) of the carbon carrier (E) to the total weight (C + D) of the metal nanoparticles and the ionomer is 1: 0.01 to 0.9. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 금속나노입자와 탄소담지체의 합(C+E)에 대한 이오노머(D)의 중량비(C+E:D)는 1:0.2 ~1:0.5 인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.The weight ratio (C + E: D) of the ionomer (D) to the sum (C + E) of the metal nanoparticles and the carbon carrier is 1: 0.2 to 1: 0.5, wherein the polymer electrolyte composite catalyst is prepared. . 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 a) 단계의 환원은 금속 전구체 용액의 pH를 7~14로 조절한 후 30분~ 2시간 동안 환류(reflux)하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.Reduction of the step a) is a method for producing a polymer electrolyte composite catalyst, characterized in that it is carried out by reflux for 30 minutes to 2 hours after adjusting the pH of the metal precursor solution to 7 ~ 14. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 a) 단계에서 환원 후 금속 나노입자 분산액을 상온에서 숙성하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.The method of producing a polymer electrolyte composite catalyst, characterized in that the step of aging the metal nanoparticle dispersion at room temperature after reduction in step a). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 c) 단계 후 금속-이오노머-탄소 복합체를 물과 알코올류의 혼합액으로 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조 방법.And c) washing the metal-ionomer-carbon composite with a mixture of water and alcohol after step c). 제 1 항에 있어서The method of claim 1 금속-이오노머-탄소 복합체에 담지된 금속 나노 입자의 크기는 1 내지 10nm인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매의 제조방법.A method for producing a polymer electrolyte composite catalyst, wherein the size of the metal nanoparticles supported on the metal-ionomer-carbon composite is 1 to 10 nm. 금속 염화물, 금속 염산화물, 금속 아세틸아세톤화합물, 금속 암모늄염, 금속 브롬화물 또는 이들의 혼합물이고 상기 금속은 Pt, Pd, Os, Ir, Ru, Co, Fe, Mo, W, Cr, 및 Ni에서 선택되는 1종 이상인 금속 전구체를 함유하는 금속 전구체 용액의 금속 전구체를 환원하여 얻어진 금속 나노입자 및 술포산기(SO3H)를 가지는 불소수지인 이오노머가 탄소 담지체에 담지된 고분자 전해질-촉매 복합체에 있어서,Metal chloride, metal hydrochloride, metal acetylacetone compound, metal ammonium salt, metal bromide or mixtures thereof and the metal is selected from Pt, Pd, Os, Ir, Ru, Co, Fe, Mo, W, Cr, and Ni A metal nanoparticle obtained by reducing a metal precursor of a metal precursor solution containing at least one metal precursor and an ionomer, a fluorine resin having a sulfonic acid group (SO 3 H), is supported on a polymer electrolyte-catalyst composite supported on a carbon carrier. In 상기 탄소 담지체는 카본블랙, 카본나노튜브, 카본 파이버, 또는 풀러렌으로부터 선택되는 다공성 탄소 재료이며, The carbon carrier is a porous carbon material selected from carbon black, carbon nanotubes, carbon fibers, or fullerenes, 금속 나노입자의 크기는 1 내지 10nm이며, 금속 나노 입자(C)와 이오노머(D)의 중량비(C:D)는 1:0.1~10이고, 금속 나노 입자와 이오노머의 총 중량(C+D) 대비 탄소 담지체(E)의 중량비(C+D:E)는 1:0.01~0.9이며, 금속 전구체 용액의 금속 전구체를 환원하여 제조된 금속 나노 입자 분산액과, 이오노머 용액을 혼합하여 혼합액을 제조한 후 상기 혼합액에 탄소 담지체를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 복합 촉매.The size of the metal nanoparticles is 1 to 10 nm, the weight ratio (C: D) of the metal nanoparticles (C) and the ionomer (D) is 1: 0.1 to 10, and the total weight of the metal nanoparticles and the ionomer (C + D) The weight ratio (C + D: E) of the carbon support (E) is 1: 0.01 to 0.9, and the metal nanoparticle dispersion prepared by reducing the metal precursor of the metal precursor solution and the ionomer solution were mixed to prepare a mixed solution. After the polymer electrolyte composite catalyst, characterized in that the mixture is prepared by mixing the carbon carrier. 제 14항에 따른 고분자 전해질 복합 촉매를 포함하는 촉매 잉크.A catalyst ink comprising the polymer electrolyte composite catalyst according to claim 14. 제 14항에 따른 고분자 전해질 복합 촉매를 포함하는 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly comprising the polymer electrolyte composite catalyst according to claim 14. 제 16항에 따른 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 16.
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