KR101149714B1 - 연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 캐소드 촉매는 메조포러스 W18O49 담체에 담지된 활성 금속을 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 캐소드 촉매는 전도도가 우수하고, 안정성이 우수하다.

Description

연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{CATHOD CATALYST FOR FUEL CELL, METHOD OF PREPARING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING SAME}
본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지는 높은 에너지 전환 효율을 갖고, 환경 오염이 거의 없어 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서 주목받고 있다.
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.
이러한 연료 전지 시스템에서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, “연료극” 또는 “산화 전극”이라 한다)과 캐소드 전극(일명 “공기극” 또는 “환원 전극”이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매를 포함하며, 이 촉매의 활성을 증가시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 상기 촉매로 주로 백금이 사용되고 있으며, 백금이 고가이기에, 백금의 사용량을 줄이기 위하여 탄소 담체에 담지된 형태로 주로 사용되고 있다. 특히 고분자 전해질형 연료 전지에서, 캐소드 전극에서 발생되는 산소 환원 반응(ORR)이 애노드 전극에서 발생되는 수소 산화 반응에 대하여 매우 느리므로, 캐소드 전극에 사용되는 촉매의 담지량 증가가 요구되고 있다.
촉매 담지량을 증가시키기 위하여, 카본 나노튜브 및 정렬된 메조포러스 카본(ordered mesoporous carbon: OMC)과 같은 나노구조 탄소물질이 캐소드 촉매 담체로 사용되고 있다. 이러한 담체로, 예를 들어, 나노다공성 탄소 물질의 관 형태(tubule type)를 갖는 나노관 타입의 담체가 연구되었다. 이러한 나노관 타입의 탄소 담체에 담지된 Pt 촉매를 PEM 연료 전지용 캐소드 촉매로 사용할 때, 매우 높은 중량 활성도 및 Pt/활성 탄소보다 높은 온-셋 전위(on-set potential)를 나타낼 수 있다. 또한 이러한 정렬된 메조포러스 카본을 포함하는 나노구조 탄소가 산소 환원 반응에 대하여 백금 촉매의 활성을 증가시킬 수 있다. 그러나 탄소 담체는 연료 전지의 작동 조건(높은 온도(80-100℃) 및 높은 전위(0.6-1.2V))에서 부식되기 쉬운 문제가 있다.
이에, 이러한 부식 문제를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그 일 예로, 탄소 물질의 안정성을 향상시키기 위하여 흑연화도를 증가시키는 것이나, 흑연화도가 높은 탄소 물질도 여전히 고분자 전해질형 연료 전지 작동 조건 하에서 불안정하다. 다른 방법으로는 전이 금속 산화물로 개질된 다공성 탄소를 담체로 사용하는 방법이다. 또 다른 방법은, 담체를 사용하지 않고, 정렬된 메조포러스 백금을 촉매로 사용하는 방법이다. 또 다른 방법은, 전기적 도전성 티타늄 아산화물(suboxide), 텅스텐 아산화물, 및 니오븀 아산화물을 산소 환원 전극용 촉매에 대한 담체로 사용하는 것이다.
Ebonex(Atraverda Ltd. UK)는 Ti4O7 및 Ti5O9로 구성된 전기적 도전성 세라믹로서, 도전성이 높고, 산성 및 염기 용액에서 전기화학적으로 안정하여 연료 전지의 전극 담체로 적용하기 위한 연구가 시도되고 있다. 그러나 Ebonex의 BET 표면적이 약 1㎡/g으로 너무 작아, 실제 적용되기에는 불가능하였다.
본 발명의 일 구현예는 안정성이 우수한 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 캐소드 전극을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 메조포러스 W18O49 담체에 담지된 활성 금속을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한, 하드 템플레이트와 텅스텐 전구체를 1차 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 1차 열처리하는 단계; 상기 1차 열처리 생성물과 텅스텐 전구체를 2차 혼합하는 단계; 상기 2차 혼합물을 2차 열처리하는 단계; 상기 2차 열처리 생성물을 3차 열처리하여 환원시키는 단계; 상기 환원 생성물로부터 하드 템플레이트를 제거하여 메조포러스 W18O49 담체를 제조하는 단계; 및 상기 메조포러스 W18O49 담체에 활성 금속을 담지시키는 공정을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 전기 발생부는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나의 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함한다.
상기 캐소드 전극은 메조포러스 W18O49 담체에 담지된 활성 금속을 포함하는 촉매를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 캐소드 촉매는 전도도가 우수하고, 안정성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 메조포러스 W18O49 담체의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 WO3/KIT-6 콤포지트의 사진.
도 2b는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 W18O49/KIT-6 콤포지트의 사진.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 WO3/KIT-6 콤포지트의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 W18O49/KIT-6 콤포지트 및 메조포러스 W18O49 담체의 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 실시예 1에서 제조된 W18O49 담체의 TEM 사진.
도 6은 실시예 1에서 제조된 W18O49 담체의 HRTEM 사진.
도 7은 실시예 1에서 제조된 W18O49 담체의 SAED 결과를 나타낸 사진.
도 8a는 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체의 비표면적 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 8b는 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체의 기공 크기 분포도를 나타낸 그래프.
도 9는 실시예 1에서 사용된 KIT-6 하드 템플레이트, 상기 실시예 1에서 제조된 WO3/KIT-6 콤포지트 및 W18O49/KIT-6 콤포지트의 비표면적 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 10a는 비교예 2에서 제조된 WO3 담체의 비표면적 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 10b는 비교예 2에서 제조된 WO3 담체의 기공 크기 분포도를 나타낸 그래프.
도 11은 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체 및 KIT-6 하드 템플레이트의 SAXS 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 12는 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체의 전기화학 활성 표면적 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매의 CV 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매의 산소 환원 반응에 대한 활성을 측정하여 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명은 메조포러스 W18O49 담체에 담지된 활성 금속을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공한다.
상기 메조포러스 W18O49 담체는 메조포러스 탄소와 유사한 정도로 전도도가 매우 높고, 정렬된 구조를 갖는 담체이다.
또한, 상기 메조포러스 W18O49 담체는 안정성이 매우 우수하다.
상기 메조포러스 W18O49 담체는 기공 및 기공벽(pore wall)을 포함할 수 있다.
본 발명에서 기공벽이란, 기공들 사이에 형성되어, 이들의 경계가 되는 벽을 의미한다. 또한 상기 기공들이 3차원(three dimensional) 형태로 존재하므로, 즉 상기 메조포러스 W18O49 담체는 3차원 골격 구조를 가질 수 있다.
상기 기공벽은 단일 결정 구조를 가질 수 있다. 기공벽이 단일 결정 구조를 가짐에 따라, 우수한 전도도를 나타낼 수 있다.
상기 기공벽은 5 내지 15nm의 두께를 가질 수 있고, 기공벽이 이 범위에 포함되는 경우, 우수한 기계적 강도를 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기공은 5 내지 20nm의 평균 크기를 가질 수 있고, 기공 크기가 이 범위에 포함되는 경우, 연료 확산에 유리하고 고표면적을 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성 금속은 연료 전지의 캐소드 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 상기 활성 금속의 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 캐소드 촉매에서 상기 활성 금속의 담지량은 전체 촉매 중량에 대하여 20 내지 60 중량%일 수 있다.
본 발명의 캐소드 촉매는 연료 전지에 유용하게 사용할 수 있고, 특히 고분자 전해질형 연료 전지에 보다 유용하게 사용할 수 있다.
본 발명의 메조포러스 W18O49 담체는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있으며, 이를 도 1에 개략적으로 나타내었다.
1) 함침 공정
하드 템플레이트와 텅스텐 전구체를 1차 혼합한다. 이 혼합 공정에서 하드 템플레이트의 기공으로 텅스텐 전구체가 충진될 수 있다.
템플레이트로 소프트 템플레이트를 사용하는 경우, 추후 고온 열처리 공정에서, 소프트 템플레이트의 기공이 소결되어, 이를 사용하여 제조된 물질은 정렬된 구조를 갖지 않아, 결과적으로 원하는 구조를 얻을 수 없어 적절하지 않다. 이에 반하여, 하드 템플레이트를 사용하는 경우, 고온 열처리시 목적 생성물이 밀폐 공간에서 결정화되기 때문에 목적 생성물의 결정화를 증가시킬 수 있다.
상기 하드 템플레이트로는 예를 들어 3차원 KIT-6 실리카 템플레이트, SBA-15 1차원 실리카 템플레이트를 사용할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 기 하드 템플레이트로 3차원 구조를 갖는 템플레이트를 사용하는 것이 얻어지는 담체의 구조가 3차원 골격 구조로 형성될 수 있어 더욱 바람직하다.
상기 텅스텐 전구체로는 H3PW12O40?xH2O을 사용할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 텅스텐 전구체는 액상 상태로 사용될 수 있는데, 액상 상태로 사용하는 경우, 용매로는 에탄올, 메탄올, 물, THF 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다
상기 하드 템플레이트와 텅스텐 전구체의 혼합 비율은 대략 1 : 2 내지 1 : 4 중량%일 수 있다. 하드 템플레이트와 텅스텐 전구체의 혼합 비율이 상기 범위에 포함될 때, 실리카 제거 후 메조퍼러스 물질을 보다 효과적으로 얻을 수 있다.
이어서, 상기 혼합물을 1차 열처리를 실시한다. 이 1차 열처리는 400℃ 내지 500 ℃에서 1 내지 2시간 동안 실시할 수 있다. 상기 1차 열처리 공정을 상기 조건 하에서 실시하면, 전구체가 산화물로 전환되어 기공 안에 더 큰 부피의 공간이 생기는 장점이 있을 수 있다.
얻어진 1차 열처리 생성물과 텅스텐 전구체를 2차 혼합하고, 이 혼합물을 2차 열처리한다. 상기 2차 혼합 공정에서 텅스텐 전구체의 사용량은 1차 혼합 공정에서 사용한 함량의 약 50 중량%를 사용하는 것이 적절하다.
상기 2차 열처리 공정은 500 내지 700℃의 온도에서 1 내지 4 시간 동안 실시한다. 또한 상기 2차 열처리 공정은 온도를 높이면서 실시할 수 있다. 이와 같은 2차 열처리 공정을 통해 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
이 공정에 따라, 텅스텐 전구체가 WO3와 같은 결정질 텅스텐 산화물로 전환된 결정질 텅스텐 산화물과 하드 템플레이트의 콤포지트가 제조된다.
2) 환원 공정
이어서, 상기 콤포지트를 불활성 분위기하에서 다시 600 내지 700℃로 1 내지 4 시간 동안 3차 열처리를 실시한다. 위와 같은 3차 열처리 공정을 통해 우수한 전기전도성을 얻을 수 있다.
상기 불활성 분위기는 예를 들어 H2/Ar, N2/H2 가스 분위기 하에서 실시할 수 있다. 이 공정에 따라, 결정질 턴스텐 산화물이 W18O49로 전환된다.
이어서, 하드 템플레이트를 제거하여, 메조포러스 W18O49 담체를 얻는다. 상기 하드 템플레이트 제거 공정은 HF 용액 등을 사용하여 실시할 수 있다. 또한 상기 용액에서 용매는 에탄올, 물 등 사용할 수 있고, 이때 농도는 5 내지 10 중량%일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 연료 전지 시스템은 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다. 상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소 또는 공기를 들 수 있다. 또한, 상기 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.
상기 전기 발생부는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함한다.
상기 캐소드 전극은 본 발명의 캐소드 촉매를 포함하는 캐소드 촉매층과, 전극 기재를 포함한다.
상기 애노드 전극은 전극 기재와 애노드 촉매층을 포함한다. 애노드 촉매층에서 애노드 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 애노드 촉매의 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
이러한 애노드 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
또한, 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층은 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 화합물로는 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 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.
상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
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.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 전해질 막은 수소 이온 전도성 고분자로 형성된 고분자 막일 수있다. 상기 수소 이온 전도성 고분자는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자의 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸][poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다. 또한 이러한 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환된 경우 이후, 연료 전지의 촉매층 산처리 과정에서 다시 프로톤형(H+-form) 고분자 전해질 막으로 되므로, 최종 연료 전지에서는 프로톤형 고분자 전해질 막으로 존재할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1): W18O49의 합성
1) 함침 공정
3차원 KIT-6 실리카 템플레이트(기공벽 두께: 3.6nm) 0.45g을 에탄올에 용해된 H3PW12O40?xH2O 전구체 1.2g에 첨가하고, 이 혼합물을 1시간 동안 교반하였다. 이 혼합물을 60℃에서 건조하고, 공기 중에서 350℃의 온도로 1차 열처리하였다. 1차 열처리된 시료의 색상은 노란빛 희색이었다.
이어서, 1차 열처리된 시료에 H3PW12O40?xH2O 전구체 0.6g을 첨가하고, 이 혼합물을 공기 중에서 550℃에서 2차 열처리(하소)하여 WO3/KIT-6 콤포지트를 얻었다.
WO3/KIT-6 콤포지트의 색상은 노란빛 녹색이었다(도 2a).
2) 환원 공정
제조된 WO3/KIT-6 콤포지트를 N2/H2 가스(4 중량%)에서 4시간 동안 600℃에서 3차 열처리를 실시하였다. 3차 열처리 결과, WO3는 W18O49 담체로 전환되었으며, 이는 도 2b에 나타낸 것과 같이, 결정상이 노란빛 녹색에서 어두운 파란색으로 색이 변화한 것으로 확인할 수 있었다. 결과적으로, W18O49/KIT-6 콤포지트가 제조되었다. 제조된 W18O49/KIT-6 콤포지트를 5 중량% 농도의 HF 에탄올 용액에 첨가하고, 교반하여, KIT-6 실리카 템플레이트를 제거하여 W18O49 담체를 제조하였다.
3) 촉매 제조
제조된 W18O49 담체에 Pt 활성 금속을 소디움 보로하이드라이드 환원 방법으로 담지시켜 Pt/메조포러스 W18O49 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다. 이때 Pt 활성 금속 담지량은 전체 촉매 중량에 대하여 20 중량%로 하였다.
(비교예 1)
불칸 XC-25 탄소 담체에 Pt를 소디움 보로하이드라이드 환원 방법으로 담지시켜 Pt/불칸 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다. 이때, Pt의 담지량은 전체 촉매 중량에 대하여 20 중량%로 하였다.
(비교예 2)
상기 실시예 1에서 제조된 WO3/KIT-6 콤포지트를 5 중량% 농도의 HF 에탄올 용액에 첨가하고, 교반하여 KIT-6 실리카 템플레이트를 제거하여 WO9 담체를 제조하였다. 이 담체에 Pt를 소디움 보로하이드라이드 환원 방법으로 담지시켜 Pt/불칸 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다. 이때, Pt의 담지량은 전체 촉매 중량에 대하여 20 중량%로 하였다.
* XRD(X-ray diffraction) 특성 측정
상기 실시예 1에서 제조된 WO3/KIT-6 콤포지트 담체의 XRD 특성을 엑스셀러레이터(X-Celerator) 측정기를 사용하여 패널리티컬 엑스퍼트(PANalyticalXPert) 회절기(CuKα radiation)를 사용하여 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3의 결과로부터, 정방정계(tetragonal) WO3가 얻어짐을 확인할 수 있었다(정방정계 P421m, JCPDS: 89-1287).
또한, 상기 실시예 1에서 제조된 W18O49/KIT-6 콤포지트 및 메조포러스 W18O49 담체의 XRD 측정 결과를 도 4에 함께 나타내었다. 상기 메조포러스 W18O49 담체 및 W18O49/KIT-6 콤포지트에서 회절 피크는 단사정계 W18O49 상(JCPDS 05-0392)로 분류되는 결과가 얻어졌다.
* 전도도 측정
상기 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체의 전도도를 측정한 결과, 300K에서 1.76S/cm이었다. 이 결과는, 큰 기공을 갖는 메조셀룰라 카본 폼(MSU-F-C)의 전도도(3.0S/cm)와 유사한 결과를 나타낸다.
또한, 아울러, 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체의 전도도는 메조포러스 인듐 틴 옥사이드(300K에서 1.2 X 10-3 S/cm)보다 1000배 높게 나타난 것이고, 또한 일반적인 W18O49의 전도도(300K에서 4.0S/cm)와 비교하면, 상기 메조포러스 W18O49는 일반적인 W18O49와 유사한 정도의 전도도를 나타낸다.
* 투과형 전자현미경(transmission electron microscopy: TEM) 및 HRTEM(High resolution TEM) 측정
상기 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체의 TEM 특성을 Jeol EM-2010 현미경을 사용하여 측정하였다. 그 결과를 도 5의 (a)에 나타내었다. 도 5의 (a)를 보면 메조포러스 W18O49 담체가 정렬된 큰 기공(약 10nm 크기의 메조기공)과, 정렬된 작은 기공(약 4nm 크기)을 가지면서, 3차원 골격 구조를 가짐을 알 수 있다. 큰 기공이 정렬되어 있는 구조의 확대도를 도 5의 (b) 및 (c)에 나타내었고, 작은 기공이 정렬되어 있는 구조의 확대도를 도 5의 (d) 및 (e)에 나타내었다. 도 5의 (d) 및 (e)에 나타낸 것과 같이, 약 4nm 크기의 기공이 정렬되어 있는 구조가 형성되어 있으므로, 이는 형성된 W18O49 담체에 형성된 기공 중 일부는 KIT-6 템플레이트의 정확한 음화 복제(negative replica)가 되었음을 의미한다. 아울러, 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)에 나타낸, 약 10nm 크기의 기공은 W18O49/KIT-6 콤포지트로부터 KIT-6 실리카를 제거하는 과정에서, 구조 변형(structure transformation)이 일어나서 형성된 것으로 보인다.
아울러, 상기 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체의 HRTEM 특성을 Jeol EM-2010 현미경을 사용하여 측정하여, 그 결과를 도 6의 (a)에 나타내었다. 도 6의 (a)에 나타낸 것과 같이, 메조구조화된 W18O49 담체 벽은 작은 결정자들로 구성된 것이 아니라 단일 결정 구조를 가짐을 알 수 있다.
또한, 도 6의 (a)에 나타낸 HRTEM 사진의 확대도를 도 6의 (b) 및 (c)에 각각 나타내었다. 도 6의 (b) 및 (c)에 나타낸 것과 같이, W18O49 담체 벽은 도 6의 (a)에 나타낸 단일 결정 구조가 정렬된 메조기공이 반복되는 구조를 가짐을 알 수 있다. 또한 도 6의 (b)에 나타낸, 메조포러스 W18O49 담체의 d415 층간 거리(spacing), d415가 2.2Å으로 나타났고, 이는 JCDPS 05-0392와 일치하는 결과였으므로, W18O49가 잘 형성되었음을 의미한다.
도 7에 나타낸 실시예 1에서 제조된 W18O49 담체의 SAED(selected-area electron diffraction: SAED) 패턴은 큰 단일 결정 도메인이 단일 메조구조화된 입자에 형성되어 있음을 나타낸다. 메조포러스 W18O49 담체의 높은 전도도는 이 메조구조화된 결정 입자의 단일 결정 성질로부터 유도된 것으로 생각된다.
* 비표면적 실험
상기 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체에 대한 비표면적을 질소 흡착-탈착하는 방법으로, Micromeritics tristar II 3020 시스템을 사용하여 77K에서 측정하였다. 그 결과를 도 8a에 나타내었으며, 측정 결과 약 0.5P/P0 에서 다소 약한 점프 및 약 0.9P/P0에서 급격한 점프를 나타내며, 이는 모두 동일한 크기의 메조기공이 형성된 것이 아니라, 두 종류의 바이모달 메조기공이 메조포러스 W18O49 담체에서 잘 발달된 것을 나타낸다. 즉, 약 4nm 크기 기공은 KIT-6 콤포지트의 음화 복제(negative replica)에 의하여 형성된 것으로, 이는 기공 크기(약 4nm)가 KIT-6의 기공벽 두께와 유사한 결과로부터 명확하게 알 수 있다. 또한, 크기가 약 10nm 이상인 기공은 KIT-6 기공으로부터 형성된 것이다. 이 결과는 도 8b에 나타낸 기공 크기 분포도에 상응하는 결과이다.
또한, 상기 실시예 1에서 사용된 KIT-6 하드 템플레이트, 상기 실시예 1에서 제조된 WO3/KIT-6 콤포지트 및 W18O49/KIT-6 콤포지트에 대한 비표면적 역시 동일하게, Micromeritics tristar II 3020 시스템을 사용하여 77K에서 측정하여, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에 나타낸 것과 같이, W18O49/KIT-6 콤포지트의 질소 흡착-탈착 등온선 결과는 WO3/KIT-6 콤포지트와 유사한 반면, KIT-6와는 상이함을 알 수 있다. 이 결과로부터, WO3/KIT-6 콤포지트와 W18O49/KIT-6 콤포지트의 비표면적이 유사하고, 또한 바이모달 메조기공이 형성된 것으로 보인다.
아울러, 상기 비교예 2에서 제조된 WO3 담체에 대한 질소 흡착-탈착 등온선을 Micromeritics tristar II 3020 시스템을 사용하여 77K에서 측정하여, 그 결과를 도 10a에 나타내었고, 기공 크기 분포도는 도 10b에 나타내었다. 도 10a 및 도 10b에 나타낸 것과 같이, WO3 담체의 기공 구조는 실시예 1에서 제조된 W18O49 담체와 유사함을 알 수 있다.
* SAXS(small angel X-ray scattering) 측정
상기 실시예 1에서 제조된 메조포러스 W18O49 담체 및 KIT-6 하드 템플레이트에 대한 소각 X선 산란에 의한 계면적 측정(SAXS)을 18-kW 회전 애노드 X-선 제조기(Rigaku Co. CuKα=1.542Å) 및 1차원 위치 민감 측정기(M. Braun Co.)로 구성된 장치를 사용하여 실시하였다. 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11에 나타낸 것과 같이, KIT-6에 대한 SAXS 패턴은 Cubic Ia(ㅡ)3d 구조에 대한 전형적인 (211) 및 (220) 피크가 관찰되었다. 또한, 메조포러스 W18O49의 SAXS 패턴은 (211) 및 (220) 피크와 함께, 14132 또는 14332 구조에 대한 전형적인 두 개의 피크, (110) 피크가 관찰되었다. 이 SAXS 결과는 제조된 메조포러스 W18O49가 KIT-6 하드 템플레이트의 음화 복제로 형성된 부분과, 14132 또는 14332 상 군을 갖는 새로운 정렬된 큐빅 구조를 갖는 부분을 갖음을 의미한다.
* 활성 표면적 특성
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 촉매의 전기화학 특성을 Gamry Reference 600potentiostat(Gamry Instruments, Warmonster, pA, USA) 및 종래 3전극 전기화학셀을 이용하여 측정하였다. 이때, 백금 메쉬 및 Ag/AgCl을 각각 대극 및 참조 전극으로 사용하였다.
작동 전극은 다음 공정으로 제조하였다. 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매 5mg, 나피온 용액 50μl(5 중량% 농도, 용매: 2-프로판올 및 이소프로필알코올, Aldrich) 및 초순수 0.5.ml를 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 이 촉매 슬러리 5μl를 글래시 탄소 전극(GC, 3mm 직경, 전극 기재)에 적하한 후, 333K에서 건조하여, 용매를 휘발시켜, 얇은 촉매층이 형성된 작동 전극을 제조하였다.
제조된 전극을 0.6 내지 1.3 VRHE(reversible hydrogen electrode)에서 1000사이클링한 후, 전기화학 활성 표면적(ESCA)을 측정하였다. 그 결과를 도 12에 나타내었다. 도 12에 나타낸 것과 같이, 비교예 1의 전기화학 표면적(ECSA)은 현저하게 감소되어, 1000 사이클 후, 초기 값의 26%에 불과하였다. 그 반면, 실시예 1의 전기화학 표면적은 1000 사이클 동안 거의 감소되지 않아, 1000 사이클 후, 초기 값의 87%를 유지하였다. 이 결과로부터 실시예 1의 캐소드 촉매가 비교예 1의 캐소드 촉매에 비하여 내구성이 우수함을 알 수 있다.
* 사이클릭 볼타메트리(CV) 측정
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매의 CV 특성 측정을 N2-포화된 0.5M H2SO4 용액에서 50mVs-1 스캔 속도로 0.05 내지 1.1VRHE에서 실시하였다. 이때, 전극은 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매 5mg, 나피온 용액 50μl(5 중량% 농도, 용매: 2-프로판올 및 이소프로필알코올, Aldrich) 및 초순수 0.5.ml를 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하고, 이 촉매 슬러리 5μl를 글래시 탄소 전극(GC, 3mm 직경, 전극 기재)에 적하한 후, 333K에서 건조하여, 용매를 휘발시켜, 얇은 촉매층이 형성된 작동 전극을 제조하였다.
20 사이클 후, 0.6 내지 1.3VRHE에서 전위 사이클을 100mVs-1 스캔 속도로 조정하였다. 500 및 1000 사이클 후, CV 측정을 0.05 내지 1.1 VRHE에서 ESCA에 대하여 50mVs-1의 스캔 속도로 실시하였다. 촉매의 전기화학 표면적(ECSA)은 수소 탈착으로부터 측정하였다(005 내지 0.4VRHE). 측정된 실시예 1에 대한 결과를 도 13의 (a)에, 비교예 1에 대한 결과를 도 13의 (b)에 나타내었다. 이러한 결과로부터 메조포러스 W18O49가 탄소 물질과 전기화학적으로 안정하다는 것을 알 수 있다.
* 산소 환원 활성 측정
상기 실시예 1 및 비교예 1과 2에서 제조된 촉매의 촉매 활성을 알아보기 위하여, 산소 환원 반응에 대한 활성을 O2-포화된 0.5N H2SO4 용액에서 5mVs-1의 스캔 속도로 실시하였다. RRDE-3(ALS Co. Ltd.)를 회전 디스크 전극(Rotating disk electrode: RDE)로 사용하였다. 작동 전극으로 개질된 글래시 탄소 디스크 -백금 링 전극(직경 6mm)을 사용하였다. 로테이팅 속도를 400-3600rpm으로 변화시키면서, RDE 측정으로 얻어진 동적 전류 밀도(jk) 결과 중, 실시예 1의 결과를 도 14의 a로, 비교예 1의 결과를 도 14의 b로 나타내었다.
0.65VRHE에서 실시예 1의 촉매에 대한 동력 전류 밀도는 도 14의 a에 나타낸 것과 같이, 5.51mA/cm2였으며, 비교예 2의 동력 전류 밀도(2.3mA/cm2)보다 2.3배 높게 나타났다. 이는 메조포러스 W18O49 담체의 전기 전도도가 높기 때문으로 생각된다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (15)

  1. 메조포러스 W18O49 담체에 담지된 활성 금속
    을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메조포러스 W18O49 담체는 기공 및 기공벽을 포함하는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기공벽은 단일 결정 구조를 갖는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기공벽은 5 내지 15nm의 두께를 갖는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  5. 제2항에 있어서
    상기 기공은 5 내지 20nm의 평균 크기를 갖는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  6. 제1항에 있어서
    상기 메조포러스 W18O49 담체는 3차원 골격 구조를 갖는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  7. 하드 템플레이트와 텅스텐 전구체를 1차 혼합하는 단계;
    상기 혼합물을 1차 열처리하는 단계;
    상기 1차 열처리 생성물과 텅스텐 전구체를 2차 혼합하는 단계;
    상기 2차 혼합물을 2차 열처리하는 단계;
    상기 2차 열처리 생성물을 3차 열처리하여 환원시키는 단계;
    상기 환원 생성물로부터 하드 템플레이트를 제거하여 메조포러스 W18O49 담체를 제조하는 단계; 및
    상기 메조포러스 W18O49 담체에 활성 금속을 담지시키는
    공정을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하드 템플레이트는 3차원 KIT-6 실리카 템플레이트 및 SBA-15 1차원 실리카 템플레이트로 이루어진 군에서 선택되는 것인 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 텅스텐 전구체는 H3PW12O40?xH2O로 이루어진 군에서 선택되는 것인 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 하드 템플레이트와 텅스텐 전구체의 혼합 비율은 1 : 2 내지 1 : 4 중량%인 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 1차 열처리 공정은 400℃ 내지 500℃에서 1 내지 2시간 동안 실시하는 것인 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 2차 열처리 공정은 500 내지 700℃의 온도에서 1 내지 4 시간 동안 실시하는 것인 제조 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 3차 열처리 공정은 600 내지 700℃의 온도에서 1 내지 4 시간 동안 실시하는 것인 제조 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 환원 생성물로부터 하드 템플레이트를 제거하는 공정은 HF 용액을 사용하여 실시하는 것인 제조 방법.
  15. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나의 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며,
    상기 캐소드 전극은 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 촉매를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
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