KR100982645B1 - 연료 전지 촉매용 지지체 - Google Patents

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그레고리 씨. 가라베디안
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Abstract

한 쪽 표면 위에 연료극이 있고 다른 쪽 표면 위에 산소-환원 공기극이 있는 고분자 전해질 막을 가지는 연료 전지의 내구성은 산소-환원 및 수소-산화 촉매 지지체로서 탄소 입자들을 전기적으로 전도성의 티타늄 카바이드 또는 티타늄 나이트라이드 입자들로 대체함으로써 개선된다. 예를 들어 나노크기의 티타늄 카바이드 또는 티타늄 나이트라이드 지지체 입자들 위에 침착된 나노크기의 백금 입자들은 좋은 산소 환원 능력을 제공하고 산성 환경에서 부식 저항성이 있다. 개선된 전극 성능을 위해서 티타늄 카바이드(나이트라이드) 위의 촉매 입자들은 전극 재료로 비촉매를 포함하는 탄소가 혼합되는 것이 바람직하다.
연료 전지, 촉매용 지지체, 티타늄 카바이드, 티타늄 나이트라이드

Description

연료 전지 촉매용 지지체{ＳＵＰＰＯＲＴＳ ＦＯＲ ＦＵＥＬ ＣＥＬＬ ＣＡＴＡＬＹＳＴＳ}
본 발명은 막의 양쪽 각각에 전극을 포함하는 촉매를 가진 각 전지 내의 고체 고분자 전해질막을 채용하는 것들과 같은 저온 산성 및 알칼리성 연료 전지에 적합하다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 그러한 전지를 위한 촉매 지지체 재료에 적합하다.
연료 전지는 동기식 및 고정식 전력 발전을 위해 개발되어 온 전기화학적 전지이다. 하나의 연료 전지 디자인은 연료극(anode)과 공기극(cathode) 사이에 이온 수송을 제공하기 위해서 고체 고분자 전해질(solid polymer electrolyte, SPE) 막 또는 양성자 교환막(proton exchange membrance, PEM)을 사용한다. 양성자의 제공이 가능한 가스상 및 액체 연료가 사용된다. 수소가 우세한, 수소와 메탄올이 그 예에 포함된다. 수소는 연료 전지의 연료극에 공급된다. (공기로서) 산소는 전지 산화제이고 전지의 공기극에 공급된다. 전극들은 연료 공급 전극을 마주하고 있는 막의 표면 위로 연료가 분산될 수 있도록 하는 직조된 흑연(woven graphite), 흑연화 시트(graphitized sheets) 또는 탄소 종이(carbon paper)와 같은 기공성의 전도성 재료로 형성된다. 각 전극은 연료극에서의 수소의 이온화 및 공기극에서의 산소의 환원을 촉진시키기 위해서 탄소 입자상에서 지지된 미세하게 나누어진 촉매 입자(예를 들면, 백금 입자)를 담지한다. 양성자는 이온적으로 전도성인 고분자 막을 통하여 연료극으로부터 산소와 결합하여 물을 형성하는 공기극으로 흐르는데, 물은 전지로부터 배출이 된다. 도체판은 연료극에서 형성된 전자를 다른 곳으로 전달한다.
현재, PEM 연료 전지의 상태는 DuPont's Nafion® 과 같은 퍼플루오르화 이오노머로 만들어진 막을 이용한다. 이오노머는 막을 통하여 연료극에서 공기극으로 양성자를 수송시키기 위하여 펜던트 이온화 가능한 그룹(예를 들어, 설포네이트기)을 담지한다.
큰 규모의 연료 전지 기술의 실행을 방해하는 중요한 문제는 장기간에 걸친 작동 즉, 자동차의 정지/시동 사이클링 뿐만 아니라 보통의 자동차 작동 동안의 전력 요구 사이클링, 동안 성능의 감소이다. 본 발명은 PEM 연료 전지의 성능 감소의 상당한 부분이 산소 환원 전극 촉매의 열화와 관련되어 있다는 인식에 기초한다. 이 열화는 대개는 백금 입자의 성장, 백금 입자의 용해 및 탄소 지지체 재료의 부식에 의해 야기된다. 전지내에 설포네이트기와 물의 존재는 각 전지의 전극들에서 이러한 변화들에 기여하는 산성 환경을 만든다.
탄소가 1.2V 이상의 전위에서 심각하게 부식되는 것이 발견되었고 백금 입자의 탄소 표면으로의 부가가 1.2V 이하의 전위에서 상당하게 부식속도을 증가시킨다. 이러한 공정들은 산소 전극 성능의 감소를 일으키는 백금 촉매의 활성 표면 영역의 감소를 이끈다. 그러나, 주기 실험은 수소 흡수 영역의 감소만으로는 산소 환원 활성의 감소를 설명할 수 없다는 것을 밝혀왔다. 부가적인 요소들은 산소 환원에 대한 백금 촉매의 전기촉매 특성을 변화시킬 수 있는 흡수된 OH 종의 가능한 자리-교환 및 흡수된 OH 종으로부터의 간섭을 포함한다. 그래서, 촉매 지지체를 가진 백금의 특정한 상호작용은 백금 전기촉매의 성능 안정성에 큰 영향을 준다.
본 발명에 따르면, 탄소는 연료 전지의 공기극, 또는 두 전극 모두,에서 사용되는 촉매 입자용 지지체 재료로서 교체된다. 티타늄 카바이드 및/또는 티타늄 나이트라이드가 사용되는데, 이들은 적합한 전기 전도도(즉, 3 내지 300μΩcm 범위의 저항률) 및 훌륭한 산화 저항성과 산성 부식 저항성을 가지고 있기 때문이다. 특히 나노크기 입자로서, 티타늄 카바이드 및/또는 티타늄 나이트라이드 지지체 재료의 독특한 특성은 연료 전지 전극의 증가된 내구성 뿐만 아니라 향상된 촉매 거동으로 이끌 수 있다. 그들은 연료 전지 환경에서 황산과 같은 산에 대해 좋은 저항성을 보여준다. 탄소(바람직하게는 탄소 입자)는 촉매 함유 티타늄 화합물 입자와 혼합되거나 분산된다. 그러나, 탄소는 촉매를 담지하지 않고 촉매와 접촉하지 않는다.
이러한 특정 티타늄 화합물은 연료 전지의 촉매용 지지체로서 사용되기 위해 개조되었다. 그래서, 수소-산소 연료 전지 스택의 각 전지 내의 막 전극 조립체는 한 쪽에는 얇은 수소 산화 연료극(anode)과 다른 한 쪽에는 산소 환원 공기극(cathode)을 가진 적합한 양성자 교환막을 포함한다. 최소한 공기극 또는 두 전극 모두에서, 촉매는 티타늄 카바이드 또는 티타늄 나이트라이드 또는 그러한 금속화합물의 혼합물의 나노미터 크기 입자상에서 지지된다.
바람직한 구현례에서, 탄소 복합체 및 나노크기의 TiC 입자 또는 TiN 입자의 백금 침입형 화합물들은 지지체를 가진 백금 전기촉매의 상호작용을 촉진시키고 전위 주기 동안 성능의 열화를 방지하기 위하여 연료 전지 전극에서 촉매 지지체 재료로서 사용된다. 백금과 백금이 포함된 합금은 연료 전지 응용분야에 있어서 효과적이고 바람직한 촉매들이다. 다른 귀금속 조성들 또한 적합하다.
(비-촉매 함유 탄소를 가진) 티타늄 카바이드 및/또는 티타늄 나이트라이드 촉매 지지체 재료의 사용은 저온 (예를 들어, 약 200℃ 미만) 산성 및 알칼리성 연료 전지에서 적용가능하다. 티타늄 카바이드 또는 나이트라이드 위에 촉매 입자를 지지함으로써 전지의 부식 저항성은 개선되고, 전극 재료에 탄소를 포함함으로써 전극의 전체적인 성능이 개선된다. 탄소, 바람직하게는 탄소 입자는 촉매 입자들이 탄소 입자들과 물리적인 접촉을 하지 않도록 하기 위하여 촉매를 지지하는 티타늄 카바이드 (또는 티타늄 나이트라이드)와 혼합된다.
본 발명의 다른 목적과 장점들은 후속하는 설명적인 바람직한 구현례의 묘사로부터 더욱 분명해질 것이다.
도1은 조립된 연료 전지 스택의 각 전지에서 사용되는 고체 고분자 막 전해질과 전극 조립체(MEA)의 조합의 개략도이다.
도2는 도1의 MEA의 확대된 부분 단면도이다.
도3은 나노크기의 티타늄 카바이드 위의 백금 전극과 가역 수소 전극(reversible hydrogen electrode, rhe)을 포함하는 전지의 전류(i, mA) 대 전위(E, V/rhe)를 나타내는, 20사이클, 100사이클, 500사이클 후, 세 주기의 볼타모그램의 그래프이다. 이러한 세 CV 주기의 도안은 사이클 수의 함수로써 Pt/TiN 전극의 수소흡수(HAD) 영역의 감소를 나타낸다. HAD 영역은 공기극의 (감소하는) 전위 스캔 동안 0.35 V와 0.05 V 사이를 통과하는 전하로부터 결정된다. 이 전하는, 이중층 커패시터로부터의 기여에 대한 보정을 뺀, 반전류에서(즉, 주기 전위 스캔의 감소 부분 동안에 기록된) 0.05 V과 0.35 V 에 의해 범위가 정해지는 볼타모그램의 영역에 의해 주어진다.
도4는 높은 표면적의 탄소 입자들과 혼합된 나노크기의 티타늄 카바이드 위의 백금(platinum-on-nanosize titanium carbide)으로 형성된 전극과 가역 수소 전극(reversible hydrogen electrode, rhe)을 포함하는 전지의 전류(i, mA) 대 전위(E, V/rhe)를 나타내는, 20사이클, 100사이클, 1000사이클 후, 세 주기의 볼타모그램의 그래프이다. 도4는 탄소 첨가 재료와 혼합된 나노크기의 티타늄 카바이드에 침착된 백금의 촉매를 포함하는 전극에 대하여 사이클 수와 함께 HAD 영역의 보유를 설명한다.
도5는 나노크기의 티타늄 나이트라이드 위의 백금 전극과 가역 수소 전극(reversible hydrogen electrode, rhe)을 포함하는 전지의 전류(i, mA) 대 전위(E, V/rhe)를 나타내는, 20사이클, 100사이클, 500사이클 후, 세 주기의 볼타모그램의 그래프이다. 도5는 나노크기의 티타늄 나이트라이드에 침착된 백금 촉매를 포함하는 전극에 대하여 사이클 수의 함수로써 HAD 영역의 감소를 설명한다.
도6은 높은 표면적의 탄소 입자들과 혼합된 나노크기의 티타늄 나이트라이드 위의 백금으로 형성된 전극과 가역 수소 전극(reversible hydrogen electrode, rhe)을 포함하는 전지의 전류(i, mA) 대 전위(E, V/rhe)를 나타내는, 20사이클, 100사이클, 1000사이클 후, 세 주기의 볼타모그램의 그래프이다. 도6은 탄소 첨가 재료와 혼합된 나노크기의 티타늄 나이트라이드에 침착된 백금의 촉매를 포함하는 전극에 대하여 사이클 수를 가진 HAD 영역의 보유를 설명한다.
본 발명의 양수인에게 양도된 많은 미국 특허들은 고체 고분자 전해질막의 조립체와 전극 조립체를 가지는 전기화학적 연료 전지 조립체를 기술한다. 예를 들어 U.S. 6,277,513 의 도1-4는 그러한 서술을 포함하고, 그 특허의 명세서와 도면은 참조에 의해 이 명세서로 편입되었다.
이 응용례의 도1은 U.S. 6,277,513 특허의 도1에서 도시되어진 전기화학적 전지의 일부인 막 전극 조립체(10)를 설명한다. 이 명세서의 도1을 참조하면, 막 전극 조립체(10)는 연료극(12)과 공기극(14)를 포함한다. 예를 들면, 수소/산소 (공기) 연료 전지에서 수소는 연료극(12)에서 H+ (양성자)로 산화되고, 산소는 공기극(14)에서 물로 환원된다.
도2는 도1에서 보여진 막 전극 조립체(10)의 매우 확대된 부분 단면도를 제공한다. 도2에서 연료극(12)과 공기극(14)은 양성자 교환막(16)의 반대 면(각각 32면, 30면)에 적용된다. PEM(16)은 적당하게는 DuPont's Nafion® 과 같은 퍼플루오르화 이오노머로 만들어진 막이다. 막의 이오노머 분자들은 막(16)의 하단 면(32)에 적용된 연료극(12)으로부터 막(16)의 상부 표면(30)에 적용된 공기극(14)까지 막을 통한 양성자의 수송을 위하여 펜던트 이온화 가능한 그룹(예를 들어, 설포네이트기)을 담지한다. 전형적인 전지에서 고분자 전해질 막은 100 mm × 100 mm × 0.05 mm 의 치수를 가진다. 후술하는 바와 같이, 연료극(12)과 공기극(14)은 모두 잉크로부터 준비되고 도안을 통하여 PEM(16)의 반대 면들(30,32) 중 어느 한 쪽에 직접적으로 도포되거나, (탄소 시트) 집전기에 적용되는 얇은 기공성의 전극 층이다.
본 발명에 따르면, 공기극(14)은 적당하게는 티타늄 카바이드 및/또는 티타늄 나이트라이드의 나노미터 크기의 촉매 지지체 입자(18)를 포함한다. 나노미터 크기는 약 1에서 100 nm의 범위의 직경 또는 가장 큰 치수를 가진 입자를 포함한다. 촉매 지지체 입자(18)는 백금과 같은 산소에 대한 환원 촉매의 더 작은 입자(20)를 담지한다. 백금 지지체 입자(18)는 적합한 전도성의 매트릭스 재료(22)에 내장된다. 이 구현례에서, 매트릭스 재료(22)는 적당하게는 고분자 전해질 막(16) 재료와 같은 양성자 전도성의 퍼플루오르화 이오노머 재료이다. 매트릭스 재료는 또한 탄소 입자(21)와 같은 전자 전도성 재료를 포함할 수도 있다. 본 발명에 따르면, 탄소 입자(21). 탄소 입자(21)를 갖춘 백금 입자(20)를 함유하는 촉매 지지체 입자(18)와 매트릭스 재료(22)의 혼합물은 적합한 휘발성 액체 용액(vehicle)에 현탁되어 있고, 양성자 교환막(16)의 표면(30)에 적용된다. 용액은 증발에 의해 제거되고 건조된 공기극(14) 재료는 공기극(16)을 형성하기 위해 PEM(16)의 표면(30)으로 더욱 압축되고 소성(baking)된다.
종래기술의 막 전극 조립체와 대조를 이루어, 조립체(10)는 바람직하게는 티타늄 카바이드 입자 및/또는 티타늄 나이트라이드 입자(18)에 침착된 백금 촉매 입자(20)와 혼합된 공기극 층(14)내 탄소 입자(21)를 포함한다. 이 예에서, 내구성이 있고 전기적으로 전도성인 티타늄 카바이드 입자(18)는 공기극(14)에서 탄소 촉매 지지체 입자를 대신한다. 본 발명의 도2 구현례에서, 연료극(12)은 공기극(14)과 동일한 재료로 구성된다. 그러나 연료극(12)은 탄소 또는 이 예에서 사용된 것이 아닌 비탄소 촉매 지지체 및 촉매를 채용할 수 있다.
티타늄 카바이드 및/또는 티타늄 나이트라이드 입자(18)는 전지(10)의 최소한 공기극 면(14)에 대해 촉매-지지체 입자로서 사용된다. 바람직한 실시예에서 Vulcan XC-72R 같은 탄소 입자는 TiC 또는 TiN 입자를 담지하는 촉매와 혼합된다. (예를 들어) 약 70:30의 Pt/TiC 대 탄소의 중량 비가 바람직하다. 각각 5:95 에서 95:5 까지의 중량비를 가지는 촉매를 포함하는 티타늄 화합물과 탄소의 혼합물들이 적합하다. 다른 탄소 재료들은 백금 카바이드 또는 백금 나이트라이드 입자 위의 촉매와 혼합되어질 수 있다.
언급한 대로, 막 전극 조립체 내의 촉매 지지체 재료로서 탄소를 TiC 및/또는 TiN로 대신하는 목적은 전지 유효 작동 수명을 개선하기 위함이다. 그러므로 촉매의 산소 환원 성능은 자동차 또는 다른 응용예에 대한 연료 전지의 부하 주기 및 정지-시작 주기 동안 안정화될 수 있다. 탄소 부식이 연료 전지 공기극의 유용한 수명을 제한하는 주요한 인자이기 때문에, 탄소 촉매 지지체를 TiC 또는 TiN으로 교체하는 것은 연료 전지 공기극의 수명을 개선시킨다.
상술하였듯이, 티타늄 카바이드 및 티타늄 나이트라이드는 훌륭한 화학적 산화 및 부식 저항성 뿐만 아니라 금속에 가까운 전기 전도도(즉, 3 내지 300μΩcm 범위의 저항률)를 보여준다. 이 재료들, 특히 나노크기의 입자들로써의, 독특하고 유용한 특성들은 연료 전지 전극의 증가된 내구성 뿐만 아니라 향상된 촉매 거동을 이끌어 낼 수 있다.
모사된 연료 전지 환경(95℃에서 0.5M H2SO4 수용액)에서 화학적 그리고 전기화학적 부식 테스트가 수개의 이 재료들에 수행되어져 왔다. 티타늄 나이트라이드 뿐만 아니라 티타늄 카바이드에 침착된 백금으로 만들어진 전극의 수소 흡수 영역이 10 mV/s의 인가된 전기화학적 전위 스캔 속도에서 0 에서 1.2 V/rhe (여기서 "rhe"는 가역 수소 전극의 전기화학적 전위를 나타낸다) 전위 범위에서 500 전기화학적 주기 동안 측정되었다.
티타늄 카바이드 및 티타늄 나이트라이드에 대한 실온에서의 수성 0.5M H2SO4 에서의 화학적 부식속도를 표1에 열거하였다.
재료 TiN TiC
용해속도,
μmole·m-2·week-1 		3.9
 5.6
본 발명의 구현례로서, 티타늄 카바이드 입자상에 침착된 백금 입자를 포함하는 촉매가 준비되었고, 유사한 방법으로, 티타늄 나이트라이드 입자 위에 백금 입자를 포함하는 촉매가 준비되었다. 예를 들어, 준비에는 100 nm 입자 크기의 티타늄 카바이드 입자 위에 백금 나노입자를 생산하기 위하여 일산화탄소의 존재하에 클로로플래티닉 산을 환원시키기 위해 히드라진을 사용하는 것이 포함된다. 특히, 1.00 g 의 TiC (20 m2/g)는 170 ml H2O에서 1.80 g 의 H2PtCl6 와 혼합된다. pH 는 1M NaOH 에서 5로 조절되었고 혼합물은 15분 동안 초음파 처리되었다. 그리고 나서 혼합물은 15분 동안 200 sccm 에서 용액을 통하여 CO가 기포로 발생하는 동안 교반되었다. 10 ml의 히드라진 수화물 0.21g 의 용액이 반응 혼합물에 방울 방울 첨가되었고 CO 기포발생은 한 시간 동안 계속되었다. 그리고 나서 CO 흐름은 50 sccm 으로 감소되었고 혼합물은 16 시간 동안 반응이 계속되도록 허용되었다. 매우 작은 백금 입자 (평균 3.2 nm)는 나노크기의 티타늄 카바이드 입자 위에 침착되었다. 나노크기의 티타늄 나이트라이드 입자 위에 작은 입자를 포함하는 유사한 촉매가 준비되었다. 지지되는 촉매 제품은 공기 건조가 허용되기 전에 풍부한 양의 물로 여과되고 세정되었다. 최종 건조는 진공 상태의 실온에서 이루어졌다. 백금 촉매는 30m2/g 의 수소 흡수 영역을 가진다.
0.5M H2SO4 용액에서 T=95℃ 그리고 1.2 V 및 1.4 V 의 전위에서 상업적으로 이용가능한 백금 탄소 벤치마크 촉매와 상기 준비된 백금 티타늄 카바이드에 대한 전기화학적 부식속도의 비교가 표2에 주어졌다. 탄소 지지체의 부식이 CO2 또는 CO 발생을 통한 질량 손실에 도달하게 하는 반면, TiC에서 부식은 TiO2 의 형성 때문에 질량 증가를 이끈다. 티타늄 산화물의 형성은 백금 입자의 안정화, 입자 성장의 감소 및 개선된 산소 환원 촉매작용을 이끄는 티타늄 산화물을 가진 백금의 상호작용 향상에 의해서 연료 전지의 성능에 있어 유익한 효과를 가질 수 있다.
재료 탄소 위의 백금 TiC 위의 Pt
E=1.2V 에서의 부식속도,
μmole·m-2·hr-1 		-1.8 +20
E=1.4V 에서의 부식속도,
μmole·m-2·hr-1 		-15 +19
도 3, 4, 5 및 6은 80℃의 온도에서 가역 수소 전극에 대한 0과 1.2V 전위 경계 사이에서 10 mV/s 의 스캔 속도에서 수개의 작동 전극의 전위 주기 동안 1-2-5 단계에서 2 mV/s의 스캔 속도에서 수집된 주기 볼타모그램 (지금부터 줄여서 "V/rhe" 라 함) 을 나타낸다. 0 에서 0.35 V/rhe 까지의 볼타모그램의 영역은 각각 전위의 감소(공기극 스캔)와 증가(연료극 스캔) 값을 가진 스캔에 대하여 수소의 흡수 및 탈착에 대응된다. 공기극 스캔에서 0.05와 0.35 V 사이의 영역은 이중층(double layer) 충전/방전으로부터의 기여를 뺀 후에 촉매의 수소 흡수(HAD) 영역을 판정하는 데 사용되어질 수 있다. HAD 영역은 재료의 촉매적인 활성 영역의 척도를 나타낸다. 도3 및 도5는 단독의(전극에서 탄소 입자 없이) 티타늄 카바이드 위에 백금 및 단독의 티타늄 나이트라이드 위에 백금의 사용이 주요한 결핍을 겪게 한다는 것을 분명하게 보여준다 : HAD 영역, 그러므로 백금화 TiC 및 백금화 TiN 모두에 대하여 촉매 활동은 500 주기에 붕괴된다. 그러나, 촉매를 포함하는 티타늄 카바이드 또는 티타늄 나이트라이드와 혼합된 탄소의 첨가는 도4 및 도6에서 보여주는 것처럼 Pt/TiC 및 Pt/TiN 모두에 대하여 HAD 보유를 크게 개선시킨다.
도 3, 4, 5 및 6에서 표시된 데이터는 압력의 적용을 통하여 금제 집전기에 연결된 펠렛의 형태의 작동 전극에 대하여 수집되었다. 펠렛은 Pt/TiC 또는 Pt/TiN 촉매, 모두, 그리고 탄소 첨가물없이, 그리고 10% 테프론 바인더로부터 압연과 페이스트 방법을 통하여 만들어졌다. 그리고 나서 각 펠렛 전극은 상기 작동 전극과 탄소 대향 전극 및 밀봉된 수소 기준 전극을 포함하는 3-전극 전지에서 10 mV/s 의 일정 스캔 속도로 순환되었다. 전지는 80℃의 일정온도로 유지된 0.5M H2SO4 수용액으로 채워졌고 실험 전 기간에 걸쳐 전극을 통하여 아르곤 기포를 발생시킴으로써 공기를 제거하였다. 2 mV/s의 더 낮은 스캔 속도에서의 주기 볼타모그램은 사이클 수를 가진 HAD 영역의 발생을 검사하기 위하여 전위 주기 동안 1-2-5 단계에서 수집되었다.
티타늄 카바이드 및 티타늄 나이트라이드 모두 연료 전지 환경에서 촉매 지지체로서 좋은 부식 저항성을 제공한다는 것이 보여진다. 그리고 연료 전지 촉매로서 티타늄 카바이드 입자 및 티타늄 나이트라이드 입자 위에 백금 입자의 사용이 예시적인 예의 목적으로 묘사되어져 왔다. 이러한 티타늄 화합물 촉매 담체들은 연료 전지의 연료극과 공기극 전극 모두에서 사용될 수 있으나 특히 전지의 부식성의 산소-환원 부분(즉, 공기극)에서 특히 좋은 부식 저항성을 제공한다. 더 양호한 촉매 성능은 티타늄 화합물 담체 상의 촉매가 탄소와 혼합되었을 때 유지된다. 탄소 입자들이 바람직하다. 티타늄 화합물 입자 위의 촉매와 탄소를 포함하는 전극 물질이 전극에서 사용되는 막 재료 등과 같은 고분자 바인더 재료로 결합되는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명은 저온 (약 200℃ 이하에서 작동되는) 산성 및 알칼리성 연료 전지에서 사용되기에 적절하다.

Claims (10)

  1. 연료극과 산소-환원 공기극 사이에 개재된 고분자 전해질 막; 및
    나노미터 크기의 촉매 지지체 입자들 상에 담지된 산소-환원 촉매의 입자들과 탄소를 포함하며, 여기서 상기 공기극내의 탄소는 상기 산소-환원 촉매를 담지하지 않는 산소-환원 공기극;을 포함하는
    200℃ 이하의 온도에서 작동하는 산성 또는 알칼리성 연료 전지로서,
    상기 촉매 지지체 입자들은 티타늄 카바이드 및 티타늄 나이트라이드 중 적어도 하나 및 촉매 지지체 입자들과 함께 내부에 분산된 탄소로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산소-환원 공기극은 지지체 입자들 위의 촉매와 탄소에 대한 고분자 바인더를 더 포함하는 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산소-환원 촉매는 귀금속을 포함하는 연료 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산소-환원 촉매는 백금 또는 백금을 함유하는 합금을 포함하는 연료 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소는 탄소 입자들을 포함하는 연료 전지.
  6. 수소-산화 연료극(anode)과 산소-환원 공기극(cathode) 사이에 개재된 고분자 전해질 막; 및
    촉매 지지체 입자들 상에 담지된 수소-산화 촉매 입자들을 포함하는 수소-산화 연료극으로서 상기 촉매 지지체는 티타늄 카바이드 및 티타늄 나이트라이드 중 적어도 하나로 필수적으로 구성되는 수소-산화 연료극; 및
    촉매 지지체 입자들 상에 담지된 산소-환원 촉매와 탄소를 포함하는 산소-환원 공기극으로서;
    상기 촉매 지지체는 티타늄 카바이드 및 티타늄 나이트라이드 중 적어도 하나, 촉매 지지체 입자들과 함께 내부에 분산된 탄소 및 탄소와 접촉하지 않는 산소-환원 촉매 입자들로 필수적으로 구성되는 산소-환원 공기극;을 포함하는
    연료 전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 산소-환원 공기극은 지지체 입자들 위의 촉매와 탄소에 대한 고분자 바인더를 더 포함하는 연료 전지.
  8. 제6항에 있어서, 상기 산소-환원 촉매는 귀금속을 포함하는 연료 전지.
  9. 제6항에 있어서, 상기 산소-환원 촉매가 백금 또는 백금이 함유된 합금을 포함하는 연료 전지.
  10. 제6항에 있어서, 상기 탄소는 탄소 입자를 포함하는 연료 전지.
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