KR101223630B1 - 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매, 이의 제조 방법, 이를포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지의 캐소드 전극용 촉매, 이의 제조 방법, 이를포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 캐소드 전극용 촉매는 비정질 Ru-Se 합금을 포함한다.
본 발명의 캐소드 전극용 촉매는 비정질 촉매로서, 촉매 활성이 매우 우수하다.
연료전지,캐소드촉매,비정질,Ru,Se

Description

연료 전지의 캐소드 전극용 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{CATALYST FOR CATHODE OF FUEL CELL, METHOD OF PREPARING SAME, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 캐소드 촉매의 TEM 사진을 나타낸 사진.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 캐소드 촉매의 TEM 사진을 나타낸 사진.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 캐소드 촉매의 X-선 회절 피크를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 캐소드 촉매의 X-선 회절 피크를 나타낸 그래프.
도 7은 비교예 1에 따라 제조된 캐소드 촉매의 X-선 회절 피크를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예 1과 2, 및 비교예 1과 2에 따라 제조된 캐소드 촉 매를 이용한 연료 전지의 RDE(Rotating Disk Electrode)를 이용하여 측정한 촉매 활성 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예 3과 4, 및 비교예 3과 4에 따라 제조된 캐소드 촉매를 이용한 연료 전지의 RDE(Rotating Disk Electrode)를 이용하여 측정한 촉매 활성 결과를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예 1, 5 및 6에 따라 제조된 캐소드 촉매를 이용한 연료 전지의 RDE(Rotating Disk Electrode)를 이용하여 측정한 촉매 활성 결과를 나타낸 그래프.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매 활성이 우수한 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
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 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 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)이라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또 는 "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, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고또한 전자가 발생하며, 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.
본 발명의 목적은 촉매 활성이 우수한 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 비정질 Ru-Se 합금을 포함하는 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한 루테늄 수용성 전구체를 포함하는 루테늄 액을 건조하여 건조 생성물을 얻고, 상기 건조 생성물을 1차 열처리하여 루테늄 함유 열처리 생성물을 얻고, 상기 루테늄 함유 열처리 생성물에 Se 수용성 전구체를 포함하는 Se 액을 첨가하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 건조하여 루테늄 및 Se 함유 건조 생성물을 얻고, 상기 건조 생성물을 2차 열처리하는 공정을 포함하는 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 캐소드 전극은 상기 촉매를 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지의 캐소드 전극에 사용되는 촉매 중에서, 백금 계열 촉매를 대체하기 위하여 연구되고 있는 Ru 함유 촉매에 관한 것이다. 이러한 Ru 함유 촉매는 촉매 활성이 높고, 산소 환원 반응에 대한 안정성이 우수한 장점이 있다.
본 발명의 캐소드 전극용 촉매는 Ru 및 Se를 포함하는 Ru-Se 촉매이고, 비정질 촉매이다. Ru-Se 촉매는 연료, 특히 탄화수소 연료의 산화 반응에 대하여 반응 성이 없기 때문에, 백금 계열 촉매에 비하여 촉매 활성이 매우 우수하다. 비정질의 촉매는 결정질 촉매보다 더 많은 결함 사이트(defect site)를 제공하며, 이 결함 사이트가 촉매 활성점으로 작용하므로, 본 발명의 비정질 Ru-Se 촉매는 결정질 Ru-Se 촉매에 비하여 촉매 활성이 보다 더욱 우수하다.
또한, 본 발명의 캐소드 전극용 촉매는 평균 입경이 3 내지 5nm로서, 종래 백금계 촉매나, 결정성 Ru-Se 촉매보다 입경이 매우 작다. 따라서 촉매의 활성 표면적을 증가시킬 수 있으므로, 촉매 활성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 캐소드 전극용 촉매는 CuKα선을 이용한 X-선 회절 패턴에 있어서, 루테늄 피크 강도에 대한 카본 피크의 강도비인 Icarbon peak/Iruthenium peak가 0.4 내지 1.5가 바람직하다. 피크 강도비가 0.4 미만인 경우에는 비정질 성질이 너무 커져서 안정성이 없고, 1.5보다 큰 경우에는 결정화도가 너무 증가하여 촉매 활성이 감소되어 바람직하지 않다.
본 발명의 캐소드 전극용 촉매는 Se을 Ru 100 중량부에 대하여 3 내지 20 중량부의 양으로 포함한다. Se의 함량이 3 중량부 미만인 경우에는 촉매 활성이 떨어지고, 연료, 특히 메탄올과 같은 탄화수소 연료에 대한 저항성이 감소하여 바람직하지 않다. 또한 Se의 함량이 20 중량부를 초과하는 경우에는 Ru 위의 활성점이 감소하여 바람직하지 않다.
본 발명의 캐소드 전극용 촉매는 담체에 담지시켜 사용할 수도 있고, 담체에 담지시키지 않은 블랙(black) 타입으로도 사용할 수 있다. 상기 담체로는 활성 탄 소, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연 등과 같은 탄소를 사용할 수도 있다. 이와 같이 담체에 담지시켜 사용하는 경우 Ru의 중량은 전체 촉매 중량에 대하여 10 내지 90 중량%가 바람직하다. Ru의 중량이 10 중량% 미만일 경우에는 촉매 활성 금속이 부족하고, 90 중량%를 초과하는 경우에는 전기 전도성이 부족하여 바람직하지 않다. 담체에 담지시키는 경우에도 Se의 중량은 Ru 100 중량부에 대하여 3 내지 20 중량부가 바람직하다.
본 발명의 연료 전지의 캐소드용 촉매는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
먼저, 루테늄 수용성 전구체(ruthenium water soluble precursor)를 용매에 첨가한다. 상기 루테늄 수용성 전구체로는 RuCl3 수화물, 루테늄 아세틸아세토네이트(Ru(C5H7O2)3) 또는 루테늄 카르보닐(Ru3(CO)12)를 사용할 수 있고, 상기 용매로는 물, 아세톤 또는 메탄올 또는 에탄올과 같은 알코올을 사용할 수 있다.
이 공정에서, 담체를 더욱 사용하면 담체에 담지된 촉매를 제조할 수 있다. 이때 담체로는 상술한 담체는 어떠한 것도 사용할 수 있다.
상기 혼합물을 건조한다. 이 건조 공정은 1차 건조한 후, 1차 건조 생성물을 진공 상태에서 2차 건조하는 공정으로 실시하는 것이 바람직하다.
상기 1차 건조 공정의 온도는 70 내지 90℃가 적당하며, 상기 1차 건조 시간은 2 내지 30시간이 적당하다. 또한, 상기 2차 건조 공정은 1차 건조 생성물을 진공 상태에서 4 내지 9시간 동안 방치하여 실시하는 것이 좋다. 이때 방치 온도, 즉 2차 건조 온도는 루테늄 수용성 전구체가 분해되기에 적절한 온도가 적당하며, 예를 들어 RuCl3 수화물을 사용하는 경우 140℃ 이상, 바람직하게는 약 200℃로 조절하는 것이 좋다.
얻어진 혼합물을 1차 열처리한다. 이 1차 열처리 공정은 100 내지 450℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 열처리 공정은 환원 가스 분위기 하에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 환원 가스 분위기로는 H2 또는 H2와 N2의 혼합 가스 분위기를 들 수 있다. H2와 N2의 혼합 가스를 사용하는 경우 그 혼합 비율은 1 내지 0.25 : 0 내지 0.75 부피비가 적당하다.
1차 열처리 생성물에 Se 수용성 화합물을 포함하는 Se 액을 첨가한다. 이 Se 수용성 화합물로는 셀레늄산(Selenous acid, H2SeO3)를 사용할 수 있고, 상기 Se 액에서 용매로는 아세톤, 메탄올 또는 에탄올과 같은 알코올, 또는 물을 사용할 수 있다.
상기 혼합물을 다시 건조한다. 이 건조 공정은 3차 건조한 후, 이 3차 건조 생성물을 진공 상태에서 4차 건조하는 공정으로 실시하는 것이 바람직하다. 상기 3차 건조 온도는 70℃ 내지 90℃가 적당하며, 상기 3차 건조 공정의 시간은 2 내지 30시간이 적당하다. 또한, 상기 4차 건조 공정은 상기 3차 건조 생성물을 진공 상태에서 4 내지 9시간 동안 방치하는 것이 적당하다. 이때 방치 온도, 즉 2차 건조 온도는 루테늄 수용성 전구체가 분해되기에 적절한 온도가 적당하며, 예를 들어 RuCl3 수화물을 사용하는 경우 140℃ 이상, 바람직하게는 약 200℃로 조절하는 것이 좋다.
상기 혼합물을 2차 열처리하여 촉매를 제조한다. 상기 2차 열처리 공정은 100 내지 450℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 열처리 공정은 환원 분위기 하에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 환원 분위기로는 H2 또는 H2와 N2의 혼합 가스 분위기를 들 수 있다. H2와 N2의 혼합 가스를 사용하는 경우 그 혼합 비율은 1 내지 0.25 : 0 내지 0.75 부피비가 적당하다.
본 발명의 촉매는 캐소드 전극에 사용되며, 연료 전지의 애노드 전극에는 종래 백금계 촉매가 사용된다. 즉, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 애노드 전극에 사용할 수 있다.
또한, 이러한 금속 촉매는 담체에 담지시키지 않은 금속 촉매 자체인 블랙(black) 타입으로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 활성 탄소, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.
또한, 캐소드 전극 및 애노드 전극의 촉매들은 모두 전극 기재에 형성되어 있다. 상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화 제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 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 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다.
또한, 반응물 확산 효과를 증진시키기 위하여, 전극 기재 상에 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, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로 필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 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.
또한, 본 발명의 캐소드 전극을 포함하고, 상기 구성을 갖는 애노드 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 이러한 구성을 갖는 본 발명의 막-전극 어셈블리(20)를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 도 1에서, 도면 부호 10a는 캐소드 전극을 나타내며, 도면 부호 10b는 애노드 전극 그리고 도면 부호 12는 고분자 전해질 막을 나타낸다.
상기 고분자 전해질 막은 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지는 것으로서, 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1 종 이상을 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) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 일반적으로 상기 고분자 전해질 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
상기 구성을 갖는 막-전극 어셈블리를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함한다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고, 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(1)와, 산화제를 상기 전기 발생부(19)로 공급하는 산화제 공급부(5)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(1)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(15)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(15)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(19)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(5)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(19)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(21)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(23,25)로 구성되며, 이러한 전기 발생부(19)가 적어도 하나 모여 스택(7)을 구성한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
RuCl3 수화물 1g을 아세톤 2ml에 용해하였다. 이 용액에 1g의 카본 담체를 첨가하고, 이 혼합물을 70℃, 상압에서 24시간 동안 그리고, 다시 140℃의 진공에서 4시간 동안 건조하였다. 건조된 시료를 H2 및 N2 혼합 가스 분위기(1 : 1 부피비) 하에서 300℃로 4시간 동안 열처리하여 카본에 담지된 Ru/C를 제조하였다.
이어서, H2SeO3 0.075g을 아세톤 3ml에 용해시킨 후, 이 용액을 제조된 Ru/C에 담지한 후, 얻어진 생성물을 70℃, 상온에서 24시간 동안 그리고 140℃, 진공에서 4시간 동안 건조하였다. 건조된 시료를 H2 및 N2 혼합 가스 분위기(1 : 1 부피비) 하에서 300℃로 4시간 동안 열처리하여 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매를 제조하였다.
(실시예 2)
H2SeO3 0.075g 대신 H2SeO3 0.03g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 캐소드 전극용 촉매를 제조하였다.
(실시예 3)
RuCl3 수화물 1g 대신 RuCl3 수화물 5.4g을 사용하고, H2SeO3 0.075g 대신 H2SeO3 0.375g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 캐소드 전극용 촉매를 제조하였다.
(실시예 4)
RuCl3 수화물 1g 대신 RuCl3 수화물 0.74g을 사용하고, H2SeO3 0.075g 대신 H2SeO3 0.06g을 사용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 캐소드 전극용 촉매를 제조하였다.
(실시예 5)
0.6g의 루테늄 카르보닐을 150ml의 벤젠에 용해하였다. 이 용액에 1g의 카본 담체를 넣고, 이 혼합물을 120℃에서 환류하면서 24시간동안 교반한 후, 여과하였다. 얻어진 여과 생성물을 증류수로 세척 후 80℃에서 12시간 동안 건조하였다. 수소 분위기에서 250℃의 온도로 3시간 동안 열처리하여 카본에 담지된 루테늄인 Ru/C를 제조하였다.
이어서, H2SeO3 0.075g을 아세톤 3ml에 용해시킨 후, 이 용액을 제조된 Ru/C에 담지한 후, 얻어진 생성물을 70℃, 상온에서 24시간 동안 그리고 140℃, 진공에서 4시간 동안 건조하였다. 건조된 시료를 H2 및 N2 혼합 가스 분위기(1 : 1 부피비) 하에서 300℃로 4시간 동안 열처리하였다.
(실시예 6)
0.6g의 루테늄 카르보닐 대신에 1.0g의 루테늄 아세틸아세토네이트를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하여 캐소드 전극용 촉매를 제조하였다.
(비교예1)
H2SeO3 0.075g 대신 Se 0.06g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 캐소드 전극용 촉매를 제조하였다.
(비교예 2)
H2SeO3 0.075g 대신 H2SeO3 1.0g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 캐소드 전극용 촉매를 제조하였다.
(비교예 3)
RuCl3 수화물 1g 대신 RuCl3 수화물 0.074g을 사용하고, H2SeO3 0.075g 대신 H2SeO3 0.0075g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 캐소드 전극용 촉매를 제조하였다.
(비교예 4)
RuCl3 수화물 1g 대신 RuCl3 수화물 97g을 사용하고, H2SeO3 0.075g 대신H2SeO3 7.2g을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 캐소드 전극용 촉매를 제조하였다.
상기 실시예 1과 2에 따라 제조된 캐소드용 촉매의 TEM 사진을 도 3과 도 4에 각각 나타내었다. 도 3과 도 4에서 가장 진하게 나타난 부분이 Ru-Se이다. 도 3과 도 4에서 스케일 바가 10nm를 나타내므로, 따라서 실시예 1 및 2에 따라 제조된 촉매의 평균 입자 크기는 2 내지 4nm임을 알 수 있다.
상기 실시예 1과 실시예 2, 및 비교예 1에 따라 제조된 촉매의 X-선 회절 피크를 측정하여, 그 결과를 도 5 내지 도 7에 각각 나타내었다. X-선 회절 피크는 CuKα선을 이용하여 측정하였다. 도 5 내지 도 7에 나타낸 것과 같이, 실시예 1 및 실시예 2의 촉매의 X-선 회절 피크가 비교예 1에 비하여 피크가 샤프하지 않은 다소 뭉툭하게 나타났으며, 피크 크기도 작게 나타났다. 결과적으로 실시예 1 및 실시예 2의 촉매가 비교예 1에 비하여 비정질 성질이 큼을 알 수 있다.
실시예 1과 2, 비교예 1의 X-선 회절 피크에서 카본 피크와 루테늄 피크의 상대적인 크기를 계산해서 표 1에 나타내었다. X-선 회절 피크는 CuKα선을 이용하여 측정하였다. Icarbon peak/Iruthenium peak 값이 클수록 비정질의 루테늄을 많이 포함하고 있음을 나타낸다. 따라서, 하기 표 1에 나타낸 결과에 따라 실시예 1 및 2의 캐소드 전극용 촉매가 비교예 1에 비하여 비정질 루테늄을 많이 포함하고 있음을 알 수 있다.
Icarbon peak/Iruthenium peak
1.01 실시예 2
0.56 실시예 1
0.35 비교예 1
상기 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1과 2에 따라 제조된 촉매의 촉매 활성을 RDE(Rotating Disk Electrode)로 측정하였다. RDE 측정에서, 참조 전극(reference electrode)으로는 Ag/AgCl, 대극(counter electrode)으로는 Pt를 사용하고, 산소를 포화시킨 0.5M 황산 용액을 사용하고, 스캔 속도(scan rate) 10mV/s, 로테이팅 속도(rotating speed) 2000rpm으로 측정하였다. 그 결과를 도 8 내지 도 10에 각각 나타내었다.
실시예 1 및 실시예 2와 비교예 1 및 2의 촉매 활성 결과를 나타낸 도 8에 나타낸 것과 같이, 실시예 1 및 2의 비정질 촉매가 비교예 1 및 2의 결정질 촉매에 비하여 촉매 활성이 우수함을 알 수 있다.
또한 실시예 3과 4, 및 비교예 3과 4의 촉매의 촉매 활성 결과를 나타낸 도 9에 나타낸 것과 같이, 실시예 3 및 4가 비교예 3 및 4에 비하여 촉매 활성이 우수함을 알 수 있다.
또한 실시예 1과 5 및 6의 촉매의 촉매 활성 결과를 나타낸 도 10에 나타낸 것과 같이, 촉매 전구체를 변경함에 따라 촉매 활성이 다소 변경됨을 알 수 있다.
본 발명의 캐소드 전극용 촉매는 비정질 촉매로서, 결정질 촉매보다 더 많은 결함 사이트(defect site)를 제공하며, 이 결함 사이트가 촉매 활성 사이트로 작용하므로, 본 발명의 비정질 Ru-Se 촉매는 결정질 Ru-Se 촉매에 비하여 촉매 활성이 더욱 우수하다.

Claims (24)

  1. 비정질 Ru-Se 합금을 포함하는
    연료 전지의 캐소드 전극용 촉로서,
    상기 캐소드 전극용 촉매는 CuKα선을 이용한 X-선 회절 패턴에 있어서, 루테늄 피크 강도에 대한 카본 피크의 강도비인 Icarbon peak/Iruthenium peak가 0.4 내지 1.5인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극용 촉매는 3 내지 5nm의 평균 입자 크기를 갖는 것인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극용 촉매는 Se을 Ru 100 중량부에 대하여 3 내지 20 중량부의 양으로 포함하는 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극용 촉매는 담체를 더욱 포함하며, Ru을 전체 촉매 중량에 대하여 10 내지 90 중량%의 양으로 포함하는 것인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매.
  6. 루테늄 수용성 전구체를 포함하는 루테늄 액을 건조하여 건조 생성물을 얻고;
    상기 건조 생성물을 1차 열처리하여 루테늄 함유 열처리 생성물을 얻고;
    상기 루테늄 함유 열처리 생성물에 Se 수용성 화합물을 포함하는 Se 액을 첨가하여 혼합물을 제조하고;
    상기 혼합물을 건조하여 루테늄 및 Se 함유 건조 생성물을 얻고;
    상기 건조 생성물을 2차 열처리하는
    공정을 포함하는 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 루테늄 액을 건조하는 공정은 1차 건조하고, 1차 건조 생성물을 진공 상태에서 2차 건조하는 공정을 포함하고,
    상기 혼합물을 건조하는 공정은 이 혼합물을 3차 건조하고, 3차 건조 생성물을 진공 상태에서 4차 건조하는 공정을 포함하는 것인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 1차 및 3차 건조 공정은 70 내지 90℃에서 실시하는 것인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 1차 및 3차 건조 공정은 2 내지 30시간 동안 실시하는 것인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 2차 및 4차 건조 공정은 4 내지 9시간 동안 방치하여 실시하는 것인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 1차 및 2차 열처리 공정은 100 내지 450℃에서 실시하는 것인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  12. 제6 항에 있어서,
    상기 열처리 공정은 환원 가스 분위기 하에서 실시하는 것인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 환원 가스 분위기는 H2 가스 분위기 또는 H2 및 N2의 혼합 가스 분위기 인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  14. 제6 항에 있어서,
    상기 루테늄 수용성 전구체로는 RuCl3 수화물, 루테늄 아세틸아세토네이트 및 루테늄 카르보닐로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 하나 이상인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  15. 제6 항에 있어서,
    상기 Se 수용성 전구체로는 셀레늄산인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  16. 제6 항에 있어서,
    상기 루테늄 수용성 전구체를 포함하는 루테늄 용액에 담체를 더욱 첨가하는 것인 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매의 제조 방법.
  17. 서로 대향하여 위치하며 애노드 전극과 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막;
    을 포함하고,
    상기 캐소드 전극은 비정질 Ru-Se 합금을 포함하는 촉매를 포함하며,
    상기 촉매는 CuKα선을 이용한 X-선 회절 패턴에 있어서, 루테늄 피크 강도에 대한 카본 피크의 강도비인 Icarbon peak/Iruthenium peak가 0.4 내지 1.5인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  18. 삭제
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 촉매는 3 내지 5nm의 평균 입자 크기를 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극용 촉매는 Se을 Ru 100 중량부에 대하여 3 내지 20 중량부의 양으로 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  21. 제17 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극용 촉매는 담체를 더욱 포함하며, Ru을 전체 촉매 중량에 대하여 10 내지 90 중량%의 양으로 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  22. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하고,
    상기 캐소드 전극은 비정질 Ru-Se 합금을 포함하는 촉매를 포함하며,
    상기 촉매는 CuKα선을 이용한 X-선 회절 패턴에 있어서, 루테늄 피크 강도에 대한 카본 피크의 강도비인 Icarbon peak/Iruthenium peak가 0.4 내지 1.5인
    연료 전지 시스템.
  23. 삭제
  24. 제22 항에 있어서,
    상기 촉매는 3 내지 5nm의 평균 입자 크기를 갖는 것인 연료 전지 시스템.
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