KR101497640B1 - 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 하기 화학식 1로 표시되는 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매를 제공한다.
[화학식 1]
La1 - xSrxOsyM1 - yO3
상기 화학식 1에서,
M은 Ru, Ir, 또는 이들의 조합이고, x는 0≤x≤1이고, y는 0.1≤y≤1이다.

Description

연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{CATHODE CATALYST FOR FUEL CELL OR ELECTROLYZER, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 산소의 환원 반응 활성이 우수한 연료 전지용 캐소드 촉매 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제(예: 산소)의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융 탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
연료전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane 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. 상기 고분자 전해질형 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고, 상온에서 작동이 가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동 통신 장비의 휴대용 전원, 군사용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용이 가능하다.
본 발명의 일 구현예는 산소의 환원 반응 활성이 우수한 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매를 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 구조적인 안정성이 뛰어난 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예는, 상기 캐소드 촉매를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예는 다른 목적은 상기 촉매를 포함하여, 성능이 향상된 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에서는, 하기 화학식 1로 표시되는 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매를 제공한다.
[화학식 1]
La1 - xSrxOsyM1 - yO3
상기 화학식 1에서, M은 Ru, Ir, 또는 이들의 조합이고, x는 0≤x≤1이고, y는 0.1≤y≤1이다.
상기 x는 1이고, 상기 y는 1일 수 있다.
상기 연료 전지용 캐소드 촉매의 입경은 10nm 내지 50㎛ 일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, Sr 염을 포함하거나, Sr 염 및 La 염를 포함하는 제1 원료 물질을 준비하는 단계; Os 염을 포함하거나, Os 염 및 M 염을 포함하는 제2 원료 물질을 준비하는 단계; 상기 제1 원료 물질 및 상기 제2 원료 물질을 탈이온수(deionized water)에 투입한 후 혼합하는 단계; 및 상기 탈이온수에 혼합된 제1 원료 물질 및 제2 원료 물질을 건조한 후 열처리 하는 단계;를 포함하고, 상기 M은 Ru, Ir, 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 Sr 염을 포함하거나, Sr 염 및 La 염를 포함하는 제1 원료 물질을 준비하는 단계;에서, 상기 Sr 염 및 La 염은, 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride), 또는 이들의 조합인 음이온을 포함할 수 있다.
상기 Os 염을 포함하거나, Os 염 및 M 염을 포함하는 제2 원료 물질을 준비하는 단계;에서, 상기 Os 염 및 M 염은, 할로겐 하이드레이트(halogen hydrate), 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride) 또는 이들의 조합인 음이온을 포함할 수 있다.
상기 탈이온수에 혼합된 제1 원료 물질 및 제2 원료 물질을 건조한 후 열처리 하는 단계;에서, 상기 건조는 50 내지 100℃에서 10 내지 30 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 탈이온수에 혼합된 제1 원료 물질 및 제2 원료 물질을 건조한 후 열처리 하는 단계;에서, 상기 열처리는 800 내지 1300℃에서 5 내지 24 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법에 의해 제조된 촉매는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
La1 - xSrxOsyM1 - yO3
상기 화학식 1에서, M은 Ru, Ir, 또는 이들의 조합이고, x는 0≤x≤1이고, y는 0.1≤y≤1이다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 서로 대향하여 위치하는 애노드 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 전술한 본 발명의 일 구현예인 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하고, 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 상기 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부;를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 시스템 또는 직접 산화형 연료 전지 시스템일 수 있다.
산소의 환원 반응 활성이 우수한 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매를 제공할 수 있으며, 보다 구체적으로, 구조적인 안정성이 뛰어난 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 도면이다.
도 3은 하기 실시예 1에 따른 촉매의 제조 공정의 개략도이다.
도 4는 페롭스카이트형 산화물 촉매의 산소 생성 반응(OER)의 성능 평가 데이터이다.
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 발명의 일 구현예에서는, 하기 화학식 1로 표시되는 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매를 제공한다.
[화학식 1]
La1 - xSrxOsyM1 - yO3
상기 화학식 1에서,
M은 Ru, Ir, 또는 이들의 조합이고, x는 0≤x≤1이고, y는 0.1≤y≤1이다.
일반적으로 연료 전지 또는 수전해조에 사용되는 페롭스카이트 형태의 촉매의 경우, 물질의 격자 구조의 변형으로 인해 상기 촉매가 전해질에 녹게 되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 본 발명의 일 구현예에 따른 촉매의 경우, Os 물질을 페롭스카이트 구조로 안정화시켜 촉매의 내구성을 개선할 수 있다. 이에 높은 활성을 유지함과 동시에 내구성이 향상된 연조 전지 또는 수전해조를 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 x는 1이고, 상기 y는 1일 수 있다.
또한, 상기 연료 전지용 캐소드 촉매의 입경은 10nm 내지 50㎛ 일 수 있다. 이러한 범위를 만족하는 경우, 촉매의 활성을 개선할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, Sr 염을 포함하거나, Sr 염 및 La 염를 포함하는 제1 원료 물질을 준비하는 단계; Os 염을 포함하거나, Os 염 및 M 염을 포함하는 제2 원료 물질을 준비하는 단계; 상기 제1 원료 물질 및 상기 제2 원료 물질을 탈이온수(deionized water)에 투입한 후 혼합하는 단계; 및 상기 탈이온수에 혼합된 제1 원료 물질 및 제2 원료 물질을 건조한 후 열처리 하는 단계;를 포함하고, 상기 M은 Ru, Ir, 또는 이들의 조합인 것인 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공한다.
상기 본 발명의 일 구현예에 따른 제조 방법은, 화학적인 방법으로 액상법에서의 금속 원료 물질을 침전시켜 합성하는 것으로 고상법이나 졸겔법 보다 방법이 간단하고 합성 시간이 단축될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 Sr 염을 포함하거나, Sr 염 및 La 염를 포함하는 제1 원료 물질을 준비하는 단계;에서, 상기 Sr 염 및 La 염은, 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride) 또는 이들의 조합인 음이온을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 상기 준비된 염은 용매인 물에 쉽게 해리되어 합성이 용이할 수 있다.
상기 Os 염을 포함하거나, Os 염 및 M 염을 포함하는 제2 원료 물질을 준비하는 단계;에서, 상기 Os 염 및 M 염은, 할로겐 하이드레이트(halogen hydrate), 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride) 또는 이들의 조합인 음이온을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 상기 준비된 염은 용매인 물에 쉽게 해리되어 합성이 용이할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 탈이온수에 혼합된 제1 원료 물질 및 제2 원료 물질을 건조한 후 열처리 하는 단계;에서, 상기 건조는 50 내지 100℃에서 10 내지 30 시간 동안 수행될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 상기 탈이온수에 혼합된 제1 원료 물질 및 제2 원료 물질을 건조한 후 열처리 하는 단계;에서, 상기 열처리는 800 내지 1300℃에서 5 내지 24 시간 동안 수행될 수 있다. 이러한 경우 ,페로브스카이트 산화물 구조가 단일상으로 얻어질 수 있다.
상기 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법에 의해 제조된 촉매는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. 이에 대한 설명은 전술한 본 발명의 일 구현예와 동일하기 때문에 생략하도록 한다.
[화학식 1]
La1 - xSrxOsyM1 - yO3
상기 화학식 1에서, M은 Ru, Ir, 또는 이들의 조합이고, x는 0≤x≤1이고, y는 0.1≤y≤1이다.
본 발명의 일 구현예는 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 및 캐소드 전극 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 본 발명의 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 일 구현예는 또한 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터를 포함하고, 연료의 산화와 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및 상기 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 고분자 전해질 막 및 이 고분자 전해질 막 양면에 각각 배치되는 캐소드 전극 및 애노드 전극을 포함한다. 이하, 첨부된 도 1을 참조하여, 본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 설명하기로 한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 막-전극 어셈블리(10)는 고분자 전해질막(110) 및 상기 고분자 전해질막(110)의 양면에 각각 배치되는 전극(100, 100')을 포함한다. 상기 전극은 전극기재(105,105') 및 상기 전극기재 표면에 형성된 촉매층(102,102')을 포함한다.
상기 막-전극 어셈블리(10)에서, 고분자 전해질막(110)의 일면에 배치되는 전극(100)을 애노드 전극이라 하고, 다른 일면에 배치되는 전극(100')을 캐소드 전극이라 한다. 애노드 전극(100)은 전극기재(105)를 지나 애노드 촉매층(102)으로 전달된 연료로부터 수소이온과 전자를 생성시키는 산화반응을 일으키고, 고분자 전해질막(110)은 상기 애노드 전극(100)에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극(100')으로 이동시키며, 캐소드 전극(100')은 상기 고분자 전해질막(110)을 통해 공급받은 수소이온과 전극기재(105')를 지나 캐소드 촉매층(102')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으키며, 상기 과정을 통해 전기 에너지가 발생한다.
상기 캐소드 전극은 상술한 구성을 갖는 캐소드 촉매를 포함한다.
상기 애노드 촉매층(102)은 일반적으로 연료 전지에서 애노드 촉매로 사용되며, 연료의 산화 반응을 촉매적으로 도와주는 금속 촉매를 포함하는 것으로서, 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 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
또한 일반적으로 상기 금속 촉매로는 담체에 지지된 것이 사용된다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 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.
상기 전극기재(105,105')로는 탄소 페이퍼, 탄소 천(cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전극 기재는 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 함과 더불어, 반응에 필요하거나, 반응 중 생성된 전자를 도전하는 기능을 한다. 또한 상기 전극 기재는 탄소 페이퍼나 탄소 천을 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 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, 상기 전극(100, 100')은 상기 전극 기재(105, 105')와 상기 촉매층(102, 102') 사이에 기체 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여, 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말 물질, 바인더 및 필요에 따라 아이오노머를 포함하는 조성물을 도포하여 형성된다. 상기 도전성 분말로는 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 또는 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring) 등과 같은 나노 카본 등이 사용될 수 있다.
상기 고분자 전해질막(110)은 상기 애노드 전극에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극으로 이동시킨다. 따라서, 상기 고분자 전해질막(110)은 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. 또한 상기 양이온 교환 수지는 이온 교환비가 3 내지 33이고, 당량 중량(equivalent weight: EW)이 700 내지 2,000인 것이 바람직하다. 상기 이온 교환 수지의 이온 교환비란, 고분자 주쇄(backbone)의 탄소 및 양이온 교환기의 수에 의하여 정의된다. 또한, 이온 교환비가 3 내지 33이면, 당량 중량이 700 내지 2,000에 해당된다.
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 1종 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.
본 발명의 막/전극 어셈블리(10)를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리(10)와 세퍼레이터를 포함하고, 연료와 산화제가 세퍼레이터에 의해 촉매층에 공급됨으로써 연료와 산화제의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 사용할 수 있다. 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 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 모세관 현상을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템(50)은 연료와 산화제의 전기화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(1)과, 산화제를 상기 전기 발생부(19)로 공급하는 산화제 공급부(5)를 포함하여 구성된다.
상기 연료를 공급하는 연료 공급부(1)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9)와, 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(11)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/환원 반응시키는 막/전극 어셈블리(21)와 이 막/전극 어셈블리(21)의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(23, 25)로 구성된다.
본 발명의 연료 전지 시스템은 인산형, 고분자 전해질형, 직접 산화 연료 전지 또는 알칼리형 연료 전지일 수 있으며, 특히 고분자 전해질형 또는 직접 산화 연료 전지 시스템인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
( 실시예 1: 촉매의 제조)
도 3은 하기 실시예 1에 따른 촉매의 제조 공정의 개략도이다.
Strontium acetate 0.265g, Osmium chloride hydrate 0.350g를 각각 0.001mol을 탈이온수 20ml에 넣고 하룻동안 교반하였다. 오븐 내 80℃에서 하룻동안 말린 후 1000℃ 열처리하여 SrOsO3 촉매를 완성하였다. 이로부터 완선된 촉매의 입경은 500nm 였다.
( 실시예 2: 연료 전지의 제조)
연료 전지의 전극은 직경 5mm의 glassy carbon을 이용하였고, 합성한 촉매를 각각 전극 표면에 올려 회전 전극 실험(RDE)을 진행하였다. 촉매를 전극 표면에 올리는 방법은 촉매 20mg을 물 2ml에 초음파 분산시켜 20㎕ 를 전극 표면에 도포하여 건조하였다. 회전 전극 실험(RDE)은 KOH 0.1M의 전해질에서 백금 counter 전극, Hg/HgO reference 전극 및 촉매를 올린 working 전극을 이용한 3전극 시스템으로 실험하였다.
( 실험예 )
연료전지의 cathode 및 수전해조의 anode의 촉매로 사용 가능한 페롭스카이트형 산화물 촉매의 산소 생성 반응(OER)의 성능을 측정하였다.
도 4는 페롭스카이트형 산화물 촉매의 산소 생성 반응(OER)의 성능 평가 데이터이다.
산소 발생 반응(OER) 은 전해질에 질소를 10분 퍼징하여 1600rpm으로 전극 촉매를 회전시키면서 측정하였다. 기존 산소 생성반응 촉매로 잘 알려진 LaMnO3 및 LaCoO3보다 본 연구에서 합성한 SrOs0 .5Ru0 .5O3의 산소생성 반응의 속도가 빨라 먼저 반응이 시작되는 것을 확인할 수 있다.
또한 1.5V의 같은 전압에서 LaMnO3, LaCoO3, SrOs0 .5Ru0 .5O3는 각각 0.25 mA/cm2, 0.51 mA/cm2, 1.25mA/cm2로 SrOs0 .5Ru0 .5O3의 전류값이 가장 높았고, LaMnO3보다 5배나 월등히 높은 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매:
    [화학식 1]
    SrxOsyM1-yO3
    상기 화학식 1에서,
    M은 Ru이고, x는 1이고, y는 0.5≤y≤1이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 y는 1인 것인 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지용 캐소드 촉매의 입경은 10nm 내지 50㎛ 인 것인 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매.
  4. Sr 염을 포함하거나, Sr 염 및 La 염를 포함하는 제1 원료 물질을 준비하는 단계;
    Os 염을 포함하거나, Os 염 및 M 염을 포함하는 제2 원료 물질을 준비하는 단계;
    상기 제1 원료 물질 및 상기 제2 원료 물질을 탈이온수(deionized water)에 투입한 후 혼합하는 단계; 및
    상기 탈이온수에 혼합된 제1 원료 물질 및 제2 원료 물질을 건조한 후 열처리 하는 단계;를 포함하고,
    상기 M은 Ru, Ir, 또는 이들의 조합인 것인 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매의 제조 방법이되,
    제조된 촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 것인 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매의 제조 방법:
    [화학식 1]
    SrxOsyM1-yO3
    상기 화학식 1에서,
    M은 Ru이고, x는 1이고, y는 0.5≤y≤1이다.
    .
  5. 제4항에 있어서,
    상기 Sr 염을 포함하거나, Sr 염 및 La 염를 포함하는 제1 원료 물질을 준비하는 단계;에서,
    상기 Sr 염 및 La 염은, 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride) 또는 이들의 조합인 음이온을 포함하는 것인 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 Os 염을 포함하거나, Os 염 및 M 염을 포함하는 제2 원료 물질을 준비하는 단계;에서,
    상기 Os 염 및 M 염은, 할로겐 하이드레이트(halogen hydrate), 아세테이트(acetate), 나이트레이트(nitrate), 클로라이드(chloride) 또는 이들의 조합인 음이온을 포함하는 것인 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 탈이온수에 혼합된 제1 원료 물질 및 제2 원료 물질을 건조한 후 열처리 하는 단계;에서,
    상기 건조는 50 내지 100℃에서 10 내지 30 시간 동안 수행되는 것인 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 탈이온수에 혼합된 제1 원료 물질 및 제2 원료 물질을 건조한 후 열처리 하는 단계;에서,
    상기 열처리는 800 내지 1300℃에서 5 내지 24 시간 동안 수행되는 것인 연료 전지 또는 수전해조용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 서로 대향하여 위치하는 애노드 및 캐소드 전극; 및
    상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하고,
    상기 캐소드 전극은 제1항의 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 제10항의 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하고, 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    상기 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 시스템 또는 직접 산화형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템.
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