KR101660783B1 - 탄소 구의 표면에 활성 금속이 전코팅되어 있는 전극 촉매 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소 구의 표면에 전코팅되어 있는 촉매층을 포함하는 전극 촉매 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 여러 구현예에 따르면, 기본 입도가 큰 구형의 촉매를 적용함으로써 촉매층의 평균 기공 크기가 증가되고 기공부피 또한 증가됨에 따라서, 현재 연료전지용 전극의 성능 향상에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 산소 확산 저항을 크게 줄임으로 인하여 전극의 백금 사용량을 현저하게 줄일 수 있는 동시에 연료전지 성능 또한 현격히 증가하는 효과를 달성할 수 있다.

Description

탄소 구의 표면에 활성 금속이 전코팅되어 있는 전극 촉매 및 이를 포함하는 연료전지{Electrode catalyst comprising active metal coated on spherical carbon particles, and fuel cell comprising the same}
본 발명은 탄소 구의 표면에 활성 금속이 전코팅되어 있는 전극 촉매 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
최근 기존 연료전지 기술의 한계를 극복하는 새로운 기술들이 선보이면서 연료전지 상용화가 일부 자동차사들을 중심으로 가시화되고 있다. 이러한 신기술들은 기본적으로 연료전지 전극으로 불리어지는 MEA의 획기적인 성능 향상에 기반하고 있다. 그간 연료전지 MEA는 0.6V 기준으로 1.0 A/cm2라는 고착화된 성능을 벗어나지 못하고 있었지만 최근 전극 구조의 획기적인 설계를 기반으로 기존 성능의 2배 혹은 3배에 달하는 고성능 MEA에 대한 연구 결과들이 보고되고 있다. 이러한 MEA들의 가장 뚜렷한 설계적 접근은 산소 확산 저항의 저감에 기반하고 있다. 토요타사의 Vertically Alligned CNT (VACNT) 혹은 3M 사의 NanoStructured Thin Film (NSTF)와 같은 촉매 기반의 전극들은 산소 확산 저항을 획기적으로 줄이기 위한 구조를 취하고 있으며 특히 산소 확산에 큰 문제를 야기하는 액상 물의 원활한 배출 등을 고려한 구조를 지니고 있다. 이에 반하여 기존 연료전지 전극은 20 ~ 50 nm 직경의 탄소 구들 표면에 4 nm 전후의 백금이 무게비로 대략 40% 담지된 형태를 지니는 촉매구들이 총 10 um 두께로 전해질 막 표면에 적층되어 코팅된 구조를 취하고 있다. 또한 이러한 촉매구들이 전해질 막 양면에 코팅되기 위해서는 바인더가 필요하며 바인더로서 Nafion (Dupont) 이오노머가 촉매 표면을 코팅하게 된다. 결국 연료전지 전극 촉매층은 무게비로 약 30%에 달하는 이오노머에 둘러싸인 평균 직경 40 nm의 촉매구들이 약 250층 정도의 두께로 전해질막 양쪽에 코팅되어 있는 구조를 취하고 있으며, 이때 이렇게 제조된 촉매층의 기공율은 60% 내외이며 평균 기공크기는 대략 50 nm 내외를 보이고 있다. 따라서, 기존의 이러한 촉매층들은 촉매층이 지니는 상대적으로 낮은 기공크기 및 기공도와 연료전지 반응시 생성되는 물에 의한 이러한 기공내부의 플러딩 현상 등으로 인하여 산소 확산에 매우 취약한 구조를 지니고 있다.
따라서, 최근의 VACNT 혹은 NSTF와 같은 촉매전극들은 촉매들을 막 표면에 대하여 수직성장 시킨 형태를 취함으로 인하여 기체확산에 매우 용이한 구조를 취하고 그로 인하여 높은 성능을 보여주고 있다. 한편, 최근에는 Inverse Opal Structure 형태의 매크로기공을 형성시킨 촉매층을 제조하여 산소확산저항을 크게 줄임으로써 연료전지 성능을 향상시키는 결과가 보고되기도 하였다. 따라서, 최근의 연구 결과들을 보면 촉매층 구조를 수직 배열 형태 혹은 매크로 기공의 생성 등을 기반으로 설계하고 제조함으로써 산소확산 저항을 크게 줄이고 이로 인하여 연료전지 MEA의 성능을 획기적으로 향상시키는 접근이 매우 효과적임을 보여준다.
1. WO 2009/149540 A1 2. US 8,361,663 B2 3. WO 2012/036349 A1
1. S. Uurtata et al., Journal of Power Sources 253 (2014) 104-113. 2. O. K. Kim et al., Nature Communications 4, Article number: 2473 (2013). 3. X. Sun and Y. Li, Angew. Chem. Int. Ed. 43 (2004) 597-601.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다음과 같다.
종래의 일반적인 전극 촉매들이 적용해오던 평균 40 nm 크기의 탄소구를 기반으로한 전극 대신에 200 nm 이상의 대형 탄소구를 사용함으로써 이러한 탄소구 사이사이에 생기는 매크로 기공을 산소 확산 저항 저감에 활용하고자 한다. 따라서, 이를 실현하기 위해서는 200 nm 이상의 대형 탄소구를 매우 균일한 크기로 제조하는 것이 필요하며, 이렇게 제조된 탄소구 표면에 담지되는 백금크기 및 양을 제어하고 동시에 전극을 제조하기 위해서 필요한 나피온 이오노머 함량을 적절하게 제어함으로써 매크로 기공 기반의 촉매층을 효과적으로 제조하고 이를 활용한 연료전지 MEA에서 백금과 같은 활성금속 사용량을 줄임과 동시에 높은 성능을 구현하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 탄소 구, 및 상기 탄소 구의 표면에 활성 금속이 전체적으로 코팅되어 있는 연료전지용 전극 촉매에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매, 나피온 이오노머, 용매를 포함하는 촉매 슬러리에 관한 것으로서, 특히 상기 나피온 이오노머의 함량이 상기 촉매 슬러리 내 고형분 전체 중량의 3 내지 15 중량%인 촉매 슬러리에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 전해질 막, 상기 전해질 막의 일면에 형성되어 있는 수소극 층, 상기 전해질 막의 타면에 형성되어 있는 공기극 층을 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것으로서, 특히 상기 공기극 촉매층이 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매를 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매를 포함하는 연료전지 자동차에 관한 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 기본 입도가 큰 구형의 촉매를 적용함으로써 촉매층의 평균 기공 크기가 증가되고 기공 부피 또한 증가됨에 따라서, 현재 연료전지용 전극의 성능 향상에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 산소 확산 저항을 크게 줄일 수 있고, 전극의 백금 사용량도 현저하게 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지 성능 또한 현격히 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라서 큰 구형의 촉매를 적용한 촉매층에 대한 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라서 제조된 200 nm 크기의 탄소 구에 대한 SEM 분석 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라서 제조된 500 nm 크기의 탄소 구에 대한 SEM 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라서 제조된 200 nm 크기의 탄소 구에 담지된 백금 전극 촉매에 대한 TEM 분석 결과이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면은 탄소 구, 및 상기 탄소 구의 표면에 활성 금속이 전체적으로 코팅되어 있는 연료전지용 전극 촉매에 관한 것이다.
전체적으로 코팅되어 있지 않은 경우 본 대형 탄소구들은 낮은 비표면적을 지니고 있는 문제점으로 인하여 연료전지 반응에 필요한 촉매 활성점을 충분히 확보하기 어려운 점에서 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서 구란 반드시 기하학적으로 완벽한 구(sphere)만을 의미하는 것은 아니며, 구형(spherical) 또는 거의 구에 가까운 형태(approximately spherical)도 포함하는 의미이다.
본 발명에서 표면에 전체적으로 코팅되어 있다는 표현은 상기 표면 중 코팅되지 않은 부분이 없이 표면 전체가 코팅되어 있다는 의미이다.
일 구현예에 따르면, 상기 탄소 구는 직경이 100 내지 1,000 nm이다.
이와 같이 단위 촉매만 놓고 보면 표면적 감소로 촉매 효율이 감소될 수는 있지만, MEA 전체로 보았을 때에는 산소 확산 저항이 작아져서 MEA의 전체 성능이 향상되는 결과를 얻을 수 있다. 이와 같은 산소 확산의 장점 외에도 물 제어에도 큰 이점이 있으며, 이러한 물제어 이점은 MEA의 내구성 향상을 가져다 준다.
이와 같이, 상기 탄소 구는 직경이 200 내지 1,000 nm, 바람직하게는 200 내지 700 nm이다.
상기 탄소 구의 직경에 관한 바람직한 수치 범위의 하한 값 미만인 경우에는 상기 바람직한 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 작은 기공을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 바람직한 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 큰 확산 저항을 야기할 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 탄소 구의 직경에 관한 바람직한 수치 범위의 상한 값을 초과하는 경우에는, 상기 바람직한 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 탄소 구 간 형성되어야 하는 전자 이동 경로가 작아져 전기적 저항이 너무 커질 수 있을 뿐만 아니라, 상기 바람직한 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 탄소 구 표면에 담지할 수 있는 촉매 활성 금속 절대량이 부족할 수 있어 역시 바람직하지 않다.
다른 구현예에 따르면, 상기 탄소 구는 비표면적이 5 내지 15 m2/g이다.
특히, 상기 비표면적에 관한 수치 범위의 하한 값 미만인 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 탄소 구 표면에 담지할 수 있는 촉매 활성 금속 절대량이 부족할 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 비표면적에 관한 수치 범위의 상한 값을 초과하는 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 작은 기공을 많이 형성하게 되어 산소 확산 저항이 크게 증가할 수 있어 역시 바람직하지 않다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 활성 금속의 예에는 백금, 팔라듐, 이리듐, 코발트, 니켈 및 이들 2종 이상이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 전극 촉매 내 활성 금속의 담지 양은 5 내지 17 중량%이다.
상기 백금 담지 양에 대한 수치 범위의 하한 값 미만인 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 백금 담지량 절대량 부족으로 인하여 연료전지 키네틱(kinetic) 저항이 급격하게 증가할 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 백금 담지 양에 관한 수치 범위의 상한 값을 초과하는 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 백금 이용률이 감소할 수 있을 뿐만 아니라 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 백금 크기 제어가 불가능해질 수 있어 역시 바람직하지 않다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매, 나피온 이오노머, 용매를 포함하는 촉매 슬러리에 관한 것으로서, 특히 상기 나피온 이오노머의 함량이 상기 촉매 슬러리 내 고형분 전체 중량의 3 내지 15 중량%인 촉매 슬러리에 관한 것이다.
상기 나피온 이오노머의 함량에 대한 수치 범위의 하한 값 미만인 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 고분자 바인더의 부족으로 전극층의 기계적 강도가 약해지거나 혹은 소수성 부여 부족으로 인한 물 제어 문제가 심각해질 수 있을 뿐만 아니라, 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 수소이온 전도도가 매우 낮아져 연료전지 반응저항이 급격히 증가할 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 나피온 이오노머의 함량에 관한 수치 범위의 상한 값을 초과하는 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 촉매를 둘러싸게 되는 나피온 이오노머의 두께가 지나치게 두꺼워져 산소 확산 저항이 급격히 증가할 수 있어 역시 바람직하지 않다.
본 발명의 또 다른 측면은 전해질 막, 상기 전해질 막의 일면에 형성되어 있는 수소극 촉매 층, 상기 전해질 막의 타면에 형성되어 있는 공기극 촉매 층을 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것으로서, 특히 상기 공기극 촉매층이 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매를 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것이다.
일 구현예에 따르면, 상기 공기극 촉매 층의 건조 후 두께는 5 내지 15 μm이다.
상기 공기극 촉매 층의 건조 두께에 대한 수치 범위의 하한 값 미만인 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 촉매층 내 기공 부피가 지나치게 낮아져 물 제어가 문제될 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 공기극 촉매 층의 건조 두께에 관한 수치 범위의 상한 값을 초과하는 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 산소 확산 저항이 지나치게 증가할 수 있어 역시 바람직하지 않다.
다른 구현예에 따르면, 상기 막-전극 접합체 내 백금 함량은 0.03 내지 0.20 mg/cm2이다.
상기 막-전극 접합체 내 백금 함량에 대한 수치 범위의 하한 값 미만인 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 백금 담지량의 절대량 부족으로 인하여 연료전지 키네틱 저항이 지나치게 증가할 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 막-전극 접합체 내 백금 함량에 관한 수치 범위의 상한 값을 초과하는 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 촉매층이 지나치게 두꺼워져 산소 확산저항이 급격히 증가할 수 있어 역시 바람직하지 않다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 공기극 촉매 층의 평균 기공 크기는 300 내지 1500 nm이다.
상기 막-전극 접합체 내 공기극 촉매 층의 평균 기공 크기에 대한 수치 범위의 하한 값 미만인 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 산소 확산저항이 지나치게 클 수 있을 뿐만 아니라, 상기 수치 범위 내에 있는 경우와 달리 물 제어 문제가 발생할 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 막-전극 접합체 내 층의 평균 기공 크기에 관한 수치 범위의 상한 값을 초과하는 경우에는 상기 수치 범위 내에 있는 경우에 비하여 촉매층 기계적 강도가 낮아 질 수 있어 역시 바람직하지 않다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매를 포함하는 연료전지 자동차에 관한 것이다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.
실시예
제조예 1
D-글루코오스 0.5 M 수용액 50 mL를 100 mL 고압 반응기에 주입하고, 180 ℃로 세팅된 오븐에서 5시간 유지하였다. 반응기 내부에서 합성된 슬러리 형태의 생성물을 에탄올과 증류수를 이용하여 충분히 세척하고, 70 ℃로 세팅된 건조로에서 12 시간 동안 충분히 건조함으로써 탄소 구를 제조하였다. 이렇게 제조된 탄소 구는 평균 직경이 약 200 nm이고, 세부 기공이 전혀 없으며, 비표면적이 15 m2/g인 것으로 확인되었다.
제조예 2
(i) D-글루코오스 0.5 M 수용액 50 mL를 사용하고, (ii) 180 ℃에서 5 시간 동안 반응시키는 대신에 180 ℃에서 15 시간 반응시키는 것을 제외하고는, 위 실시예 1과 동일하게 실험을 진행하여 탄소 구를 제조하였다. 이에 대한 분석 결과, 평균 직경은 약 250 nm이고, 세부 기공이 전혀 없으며, 비표면적이 12 m2/g인 것으로 확인되었다.
제조예 3
(i) D-글루코오스 0.5 M 수용액 50 mL을 사용하는 대신에 0.5 M 수용액 70 mL를 사용하고, (ii) 180 ℃에서 5 시간 동안 반응시키는 대신에 180 ℃에서 3 시간 반응시키는 것을 제외하고는, 위 실시예 1과 동일하게 실험을 진행하여 탄소 구를 제조하였다. 이에 대한 분석 결과, 평균 직경은 약 500 nm이고, 세부 기공이 전혀 없으며, 비표면적이 6 m2/g인 것으로 확인되었다.
비교제조예 1
(i) D-글루코오스 0.5 M 수용액 50 mL을 사용하는 대신에 2.0 M 수용액 50 mL를 사용하고, (ii) 180 ℃에서 5 시간 동안 반응시키는 대신에 180 ℃에서 3 시간 반응시키는 것을 제외하고는, 위 실시예 1과 동일하게 실험을 진행하여 탄소 구를 제조하였다. 이에 대한 분석 결과, 평균 직경은 약 100 nm이고, 세부 기공이 전혀 없으며, 비표면적이 30 m2/g인 것으로 확인되었다.
실시예 1-1
증류수 150 mL에 2-프로판올 150 mL를 섞은 후 여기에 PtCl2 16 g을 완전히 녹였다. 위 용액에 제조예 1에서 제조한 직경 200 nm의 탄소 구를 2.4 g 첨가하고 30 분 동안 충분히 섞어 주었다. 위 슬러리 형태의 혼합물에 일산화탄소 기체를 3 시간 동안 흘려주고 나서, 기체 주입을 멈추고 90 ℃로 가열하면서 15 시간 동안 환류시켰다. 상온으로 식힌 후, 백금이 담지된 탄소 구 슬러리를 여과하여 얻은 후 증류수로 충분히 세척하였다. 제조된 시료를 70 ℃ 오븐에서 12 시간 동안 건조하였다. 분석 결과, 탄소 구에 담지된 백금 양은 20 중량%임을 확인하였다.
실시예 1-2
제조예 1에서 제조한 직경 200 nm의 탄소 구를 사용하는 대신에, 제조예 2에서 제조한 직경 250 nm의 탄소 구을 사용하는 것을 제외하고는, 위 실시예 1-1과 동일하게 실험을 진행하여 백금 담지 탄소 구를 제조하였다. 분석 결과, 백금 담지 양은 17%임을 확인하였다.
실시예 1-3
제조예 1에서 제조한 직경 200 nm의 탄소 구를 사용하는 대신에, 제조예 3에서 제조한 직경 500 nm의 탄소 구을 사용하는 것을 제외하고는, 위 실시예 1-1과 동일하게 실험을 진행하여 백금 담지 탄소 구를 제조하였다. 분석 결과, 백금 담지 양은 10 중량%임을 확인하였다.
비교예 1-1
제조예 1에서 제조한 직경 200 nm의 탄소 구를 사용하는 대신에, 비교제조예 1에서 제조한 직경 100 nm의 탄소 구을 사용하는 것을 제외하고는, 위 실시예 1-1과 동일하게 실험을 진행하여 백금 담지 탄소 구를 제조하였다. 분석 결과, 백금 담지 양은 33%임을 확인하였다.
실시예 2-1
실시예 1-1에서 제조한 백금 담지 탄소 구 1 g과 나피온 이오노머 3.5 g (5% 현탁액) 및 이소프로필 알코올(IPA) 수용액(IPA와 물의 부피비 5:1) 2 g을 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 이때 나피온 이오노머 함량은 전체 고형분 기준으로 15 중량%로 하였다.
이렇게 제조된 촉매 슬러리를 12 시간 이상 충분히 교반시키고 나서, 수소 이온 전도성 전해질 막(Nafion 212, Dupont 표면에 직접 코팅함으로써, 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다. 촉매 슬러리의 코팅 양은 건조 후 전극 촉매 층의 두께가 약 10 μm이 되도록 조절하였다. 이렇게 제조된 MEA의 백금 함량은 약 20 mg/cm2로 분석되었다.
실시예 2-2
(i) 실시예 1-1에서 제조한 백금 담지 탄소 구를 사용하는 대신에 실시예 1-2에서 제조한 백금 담지 탄소 구를 사용하고, (ii) 나피온 이오노머 (5% 현탁액) 3.5 g을 사용하는 대신에 2.2 g을 사용함으로써 촉매 슬러리의 전체 고형분 내 나피온 이오노머의 함량을 10 중량%로 하는 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일하게 실험을 진행하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 건조 후 전극 촉매 층의 두께는 약 10 μm이고, MEA 내 백금 함량은 약 0.14 mg/cm2로 분석되었다.
실시예 2-3
(i) 실시예 1-1에서 제조한 백금 담지 탄소 구를 사용하는 대신에 실시예 1-3에서 제조한 백금 담지 탄소 구를 사용하고, (ii) 나피온 이오노머 (5% 현탁액) 3.5 g을 사용하는 대신에 1.1 g을 사용함으로써 촉매 슬러리의 전체 고형분 내 나피온 이오노머의 함량을 5 중량%로 하는 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일하게 실험을 진행하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 건조 후 전극 촉매 층의 두께는 약 10 μm이고, MEA 내 백금 함량은 약 0.08 mg/cm2로 분석되었다.
비교예 2-1
(i) 실시예 1-1에서 제조한 백금 담지 탄소 구를 사용하는 대신에 비교예 1-1에서 제조한 백금 담지 탄소 구를 사용하고, (ii) 나피온 이오노머 (5% 현탁액) 3.5 g을 사용하는 대신에 6.7 g을 사용함으로써 촉매 슬러리의 전체 고형분 내 나피온 이오노머의 함량을 25 중량%로 하는 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일하게 실험을 진행하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 건조 후 전극 촉매 층의 두께는 약 10 μm이고, MEA 내 백금 함량은 약 0.3 mg/cm2로 분석되었다.
시험예 및 비교시험예
위 실시예 2-1 및 비교예 2-1에서 제조한 MEA를 사용하여, 전기화학적 특성을 분석하였으며, 구체적인 분석 방법은 유효 면적 10 cm2의 단위전지에서 충분히 가습된 수소/공기를 각각 수소극과 공기극에 흘려주며 셀 온도 80 ℃에서 전위에 따른 생성 전류를 측정하였다. 그 결과 실시예 2-1에서 제조한 MEA는 고전류 영역에서 높은 셀 전압을 보이며 낮은 산소 확산 저항을 보이는 반면, 비교예 2-1는 고전류 영역에서 급격한 성능 저하를 보이며 높은 산소 확산 저항을 보이는 것으로 분석되어, 실시예에 비해 성능이 저하된 것으로 확인되었다.
또한, 위 실시예 2-1 및 비교예 2-1에서 제조한 MEA를 사용하여, mercury porosimetry도 분석하였으며, 그 결과 실시예 2-1에서 제조한 MEA는 200 nm 이상의 영역에서 큰 기공들이 많이 형성되는 것으로 분석된 반면, 비교예 2-1에서 제조한 MEA는 상대적으로 작은 기공 크기 영역에서 다수의 기공들이 분석되어, 이로 인해 실시예에 비해 성능이 저하된 것으로 확인되었다.

Claims (11)

  1. 탄소 구, 및 상기 탄소 구의 표면에 직접 활성 금속이 전체적으로 코팅되어 있는 고분자 전해질막 연료전지용 전극 촉매로서,
    상기 탄소 구는 직경이 200 내지 700 nm이고,
    상기 탄소 구는 비표면적이 5 내지 15 m2/g이며,
    상기 전극 촉매 내 상기 활성 금속의 담지 양은 5 내지 17 중량%인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 전극촉매.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 전해질 막, 상기 전해질 막의 일면에 형성되어 있는 수소극 층, 상기 전해질 막의 타면에 형성되어 있는 공기극 층을 포함하는 고분자 전해질막 연료전지용 막-전극 접합체로서,
    상기 공기극 층은 제1항에 따른 연료전지용 전극 촉매를 포함하고,
    상기 공기극 촉매층의 건조 후 두께는 5 내지 15 μm이며,
    상기 막-전극 접합체 내 백금 함량은 0.02 내지 0.2 mg/cm2이고,
    상기 공기극 층의 평균 기공 크기는 300 내지 1,500 nm인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 막-전극 접합체.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 따른 고분자 전해질막 연료전지용 전극 촉매를 포함하는 연료전지.
  11. 제1항에 따른 고분자 전해질막 연료전지용 전극 촉매를 포함하는 연료전지 자동차.
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