KR20060120194A - Formic acid fuel cells and catalysts - Google Patents

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KR20060120194A
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리차드 아이. 마셀
로버트 라센
수 윤 하
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Abstract

An exemplary fuel cell of the invention includes a formic acid fuel solution in communication with an anode (12, 134), an oxidizer in communication with a cathode (16, 135) electrically linked to the anode, and an anode catalyst that includes Pd. An exemplary formic acid fuel cell membrane electrode assembly (130) includes a proton- conducting membrane (131) having opposing first (132) and second surfaces (133), a cathode catalyst on the second membrane surface, and an anode catalyst including Pd on the first surface.

Description

포름산 연료 전지 및 촉매{FORMIC ACID FUEL CELLS AND CATALYSTS}FORMAT ACID FUEL CELL AND CATALYST

상호 참조Cross-reference

본 발명은 2003년 4월 4일자 출원된 미국 출원 번호 10/407,385; 2003년 11월 12일자 출원된 미국 가출원 번호 60/519,095; 2003년 9월 17일자 출원된 미국 출원 번호 10/664,772; 및 2004년 4월 2일자 출원된 미국 출원 번호 10/817,361을 우선권 주장으로 한 것으로, 이들 출원 각각은 본 명세서에 참고 인용되어 있다.The present invention discloses US application no. 10 / 407,385, filed April 4, 2003; US Provisional Application No. 60 / 519,095, filed November 12, 2003; US Application No. 10 / 664,772, filed September 17, 2003; And US Application No. 10 / 817,361, filed April 2, 2004, each of which is incorporated herein by reference.

정부 권리에 관한 진술Statement of Government Rights

본 발명은 에너지부 승인 번호(Department of Energy Grant No.) DEGF-02-99ER14993 및 DARPA 공군 협정 번호(Air Force Contract No.) F33615-01-C-2172 하에 정부의 지원으로 이루어진 것이다. 정부는 본 발명에 있어 특정 권리를 갖는다.The present invention is made with government support under the Department of Energy Grant No. DEGF-02-99ER14993 and DARPA Air Force Contract No. F33615-01-C-2172. The government has certain rights in the invention.

본 발명은 일반적으로 포름산 연료 전지, 포름산 연료 전지를 위한 촉매, 포름산 연료 전지 촉매를 제조하기 위한 방법 및 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates generally to formic acid fuel cells, catalysts for formic acid fuel cells, methods for producing formic acid fuel cell catalysts, and formic acid fuel cell membrane electrode assemblies.

연료 전지는 연료 산화 반응으로부터 결과로 생기는 자유 에너지 변화가 전기 에너지로 전환되는 전기화학적 전지이다. 연료 전지의 용도는 배터리 교체, 미니일렉트로닉스 및 마이크로일렉트로닉스, 자동차 엔진, 발전소 및 수 많은 다른 것들을 포함한다. 연료 전지의 한 장점은 실제로 무공해라는 것이다.A fuel cell is an electrochemical cell in which the free energy change resulting from a fuel oxidation reaction is converted into electrical energy. Applications of fuel cells include battery replacement, minielectronics and microelectronics, automotive engines, power plants and many others. One advantage of fuel cells is that they are actually pollution free.

수소 연료 전지에 있어서, 수소 가스는 산화되어 산화 반응의 부산물로서 생성된 유용한 전기 전류와 함께 물을 형성한다. 고체 중합체 막 전해질 층은 산소로부터 수소 연료를 분리하는데 사용될 수 있다. 애노드 및 캐소드는 막의 대향 면 상에 정렬된다. 막 전극 어셈블리의 애노드와 캐소드 층 사이의 전자 흐름은 전력을 제공하도록 활용될 수 있다. 그러나, 수소 연료 전지는 수소 가스의 저장 및 취급과 관련한 어려움 때문에 수 많은 용도에 있어 비실용적이다.In hydrogen fuel cells, hydrogen gas is oxidized to form water with the useful electric current generated as a byproduct of the oxidation reaction. The solid polymer membrane electrolyte layer can be used to separate hydrogen fuel from oxygen. The anode and the cathode are aligned on opposite sides of the membrane. Electron flow between the anode and cathode layers of the membrane electrode assembly may be utilized to provide power. However, hydrogen fuel cells are impractical for many applications because of the difficulties associated with storing and handling hydrogen gas.

유기 연료 전지는 수 많은 적용에 있어서 수소 연료 전지의 대체물로서 유용한 것으로 입증될 수 있다. 유기 연료 전지에 있어서, 유기 연료, 예컨대 메탄올은 공기 또는 산소가 캐소드에서 동시에 물로 환원되는 동안 애노드에서 이산화탄소로 산화된다. 수소 연료 전지에 비해 한 가지 장점은 유기/공기 연료 전지가 액체 유기 연료로 조작될 수 있다는 것이다. 이는 수소 가스 취급 및 저장과 관련한 문제를 제거한다. 일부 유기 연료 전지는 리포머(reformer)에 의한 유기 연료의 수소 가스로의 초기 전환을 요구한다. 이러한 전지는 "간접" 연료 전지로 불리운다. 개량제의 필요성으로 인하여 전지의 크기, 비용, 복잡성 및 개시 시간은 증가한다. "직접" 연료 전지라고 일컫는 다른 형태의 유기 연료 전지는 수소 기체로의 전환 없이 유기 연료를 직접 산화시킴으로써 이들 단점을 제거한다. 연료 전기의 추가 분류에서는 "능동" 전지로부터 "수동" 전지를 구분할 수 있다. 능동 전지에 있어서, 연료 용액은 애노드와의 접촉을 위해 연속적으로 (예를 들면, 펌핑에 의해) 제공되는 반면, "수동" 전지에 있어서, 연료 용액의 특정된 양이 반응을 위해 제공된다. Organic fuel cells may prove useful as a replacement for hydrogen fuel cells in many applications. In organic fuel cells, organic fuels, such as methanol, are oxidized to carbon dioxide at the anode while air or oxygen is simultaneously reduced to water at the cathode. One advantage over hydrogen fuel cells is that organic / air fuel cells can be operated with liquid organic fuels. This eliminates the problems associated with handling and storing hydrogen gas. Some organic fuel cells require an initial conversion of organic fuel to hydrogen gas by a reformer. Such cells are called "indirect" fuel cells. The need for modifiers increases the size, cost, complexity and start up time of the cell. Another type of organic fuel cell, referred to as a "direct" fuel cell, eliminates these drawbacks by directly oxidizing the organic fuel without conversion to hydrogen gas. Further classification of fuel electricity can distinguish "passive" cells from "active" cells. In active cells, the fuel solution is provided continuously (eg by pumping) for contact with the anode, while in a "passive" cell, a specified amount of fuel solution is provided for the reaction.

메탄올, 포름산 및 다른 유기 연료 전지를 비롯한 연료 전지는 애노드 촉매 및 캐소드 촉매를 사용하여 효율을 촉진시킨다. 촉매는 캐소드에서의 환원 반응과 애노드에서의 산화 반응을 촉진시킨다. 일부 종래의 시도들은 백금(Pt)계 촉매, 예를 들면 2 가지인 백금/루테늄 또는 백금/팔라듐 애노드 촉매에 집중되었다. 유기 연료 전지에 사용되는 경우, Pt계 촉매를 비롯한 공지된 애노드 촉매는 단지 수소 연료 전지에서의 것에 비해 낮은 수준의 활성만을 갖는다. 결과적으로, 유기 전지는 상대적으로 큰 장입량(loading)의 촉매를 요구하는 하는 경향이 있다. 이는 촉매 내에 존재하는 고가의 귀금속 및 반귀금속으로 인해 연료 전지에 상당한 비용을 부가하게 된다.Fuel cells, including methanol, formic acid and other organic fuel cells, utilize anode and cathode catalysts to promote efficiency. The catalyst promotes a reduction reaction at the cathode and an oxidation reaction at the anode. Some prior attempts have focused on platinum (Pt) based catalysts, for example two platinum / ruthenium or platinum / palladium anode catalysts. When used in organic fuel cells, known anode catalysts, including Pt-based catalysts, have only low levels of activity compared to those in hydrogen fuel cells. As a result, organic cells tend to require relatively large loading catalysts. This adds significant cost to the fuel cell due to the expensive precious and semi precious metals present in the catalyst.

본 발명의 예시적 연료 전지는 애노드와 소통하는 포름산 연료 용액, 애노드에 전기적으로 연결된 캐소드와 소통하는 산화제 및 Pd를 포함하는 애노드 촉매를 포함한다. 예시적 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리는 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖는 양성자 전도성 막, 제2 막 표면 상의 캐소드 촉매 및 제1 표면 상의 Pd를 포함하는 애노드 촉매를 포함한다. Exemplary fuel cells of the present invention include an anode catalyst comprising a formic acid fuel solution in communication with the anode, an oxidant in communication with the cathode electrically connected to the anode and Pd. An exemplary formic acid fuel cell membrane electrode assembly includes an anode catalyst comprising a proton conductive membrane having opposing first and second surfaces, a cathode catalyst on the second membrane surface and Pd on the first surface.

도면의 간단한 설명Brief description of the drawings

도 1은 포름산 환원 반응을 위한 다수의 본 발명 Pd-M 촉매의 촉매 활성을 예시하는 차트로서, 여기서 M은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Au이다. 1 is a chart illustrating the catalytic activity of a number of the Pd-M catalysts of the present invention for formic acid reduction, wherein M is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Au.

도 2는 포름산 산화 반응에 대한 상업적으로 이용가능한 PtRu 합금 촉매와 비교한 예시적 Pd-V 촉매 제제에 대한 타펠(Tafel) 데이타이다.2 is Tapel data for an exemplary Pd-V catalyst formulation compared to a commercially available PtRu alloy catalyst for formic acid oxidation.

도 3은 20 시간 동안의 포름산 산화 반응에 대한 예시적 Pd-V 촉매의 대시간전류법 활성(chronoamperometric activity)을 예시한 것이다.3 illustrates the chronoamperometric activity of an exemplary Pd-V catalyst for 20 hours of formic acid oxidation.

도 4는 20 시간 동안의 메탄올 산화 반응에 대한 Pd-V의 대시간전류법 활성을 예시한 것이다.Figure 4 illustrates the large-time amphoteric activity of Pd-V for methanol oxidation reaction for 20 hours.

도 5(a)는 본 발명의 예시적 포름산 연료 전지에 사용되는 예시적 Pd 촉매의 대시간전류법 활성을 예시한 것이다.5 (a) illustrates the large time amphoteric activity of an exemplary Pd catalyst used in the exemplary formic acid fuel cell of the present invention.

도 5(b)는 각 단위 당 Pd 중량 기준으로 정규화된 도 5(a)의 데이타를 나타낸 것이다.FIG. 5 (b) shows the data of FIG. 5 (a) normalized on the basis of Pd weight per unit.

도 5(c)는 Pd 활성 표면적 기준으로 정규화된 도 5(c)의 데이타를 나타낸 것이다.FIG. 5 (c) shows the data of FIG. 5 (c) normalized to Pd active surface area.

도 6은 본 발명의 예시적 연료 전지 및 연료 전지 촉매에 대한 실험 결과를 예시한 것이다.6 illustrates experimental results for exemplary fuel cells and fuel cell catalysts of the present invention.

도 7은 본 발명의 예시적 연료 전지 및 연료 전지 촉매에 대한 실험 결과를 예시한 것이다.Figure 7 illustrates the experimental results for the exemplary fuel cell and fuel cell catalyst of the present invention.

도 8은 본 발명의 예시적 연료 전지 및 연료 전지 촉매에 대한 실험 결과를 예시한 것이다.8 illustrates experimental results for an exemplary fuel cell and fuel cell catalyst of the present invention.

도 9는 본 발명의 예시적 연료 전지 및 연료 전지 촉매에 대한 실험 결과를 예시한 것이다.9 illustrates experimental results for exemplary fuel cells and fuel cell catalysts of the present invention.

도 10은 본 발명의 제1 예시적 연료 전지의 개략도이다.10 is a schematic diagram of a first exemplary fuel cell of the present invention.

도 11은 본 발명의 제2 예시적 연료 전지의 개략도이다.11 is a schematic diagram of a second exemplary fuel cell of the present invention.

도 12은 본 발명의 제2 예시적 연료 전지의 부분의 개략도이다.12 is a schematic diagram of a portion of a second exemplary fuel cell of the present invention.

도 13은 본 발명의 제2 예시적 연료 전지의 부분의 개략도이다.13 is a schematic diagram of a portion of a second exemplary fuel cell of the present invention.

도 14는 본 발명의 예시적 연료 전지를 이용하는 전기 회로의 개략도이다.14 is a schematic diagram of an electrical circuit utilizing an exemplary fuel cell of the present invention.

도 15는 본 발명의 제2 예시적 연료 전지의 부위의 개략도이다.15 is a schematic representation of a portion of a second exemplary fuel cell of the present invention.

발명에 관한 상세한 설명Detailed description of the invention

본 발명의 예시적 실시양태를 상세히 기술하기 전에, 당업자라면 본 발명은 포름산 연료 전지 및 포름산 연료 전지 촉매를 포함한다는 점을 이해할 수 있을 것이며, 바람직한 실시양태의 참조하여 수 많은 광범위한 발명의 양태를 이해할 수 있을 것이다. 추가로 본 발명의 하나의 예시적 실시양태를 기술할 때 또 다른 예시적 실시양태의 설명도 이루어진다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 촉매의 설명은 촉매의 사용을 연료 전지와 관련하여 논의할 때 연료 전지의 설명을 마찬가지로 포함할 수 있다. 본 발명의 한 양태는 포름산 연료 전지와 함께 사용하기 위한 촉매에 관한 것이다. 본 발명의 예시적 연료 전지 촉매는 Pd, 및 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 또는 Au의 군 중에서 선택되는 하나 이상의 금속을 포함한다. 본 발명의 촉매는 애노드 또는 캐소드 촉매[SF1]으로서 유용할 수 있으며, 지지되거나 비지지될 수 있다. 특히 카본은 지지체로서 사용될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시양태는 포름산 연료 전지를 위한 애노드 촉매를 포함한다. 본 발명의 Pd계 촉매는 Pt보다 더 적은 3 이상 인자일 수 있는 비용, 및 일부 조건에서 Pt계 촉매보다 더 큰 크기 차수(order of magnitude) 이상의 활성 수준을 비롯한 수 많은 이점 및 장점을 제공한다. 본 발명의 촉매를 설명하기 위해서, 수 많은 예시적 촉매를 제조하고 테스트한다.Before describing the exemplary embodiments of the present invention in detail, those skilled in the art will understand that the present invention includes a formic acid fuel cell and a formic acid fuel cell catalyst, and the numerous embodiments of the invention will be understood by reference to the preferred embodiments. Could be. It will further be appreciated that when describing one exemplary embodiment of the present invention, a description of another exemplary embodiment is also made. For example, the description of the catalyst may likewise include the description of the fuel cell when discussing the use of the catalyst in connection with the fuel cell. One aspect of the invention relates to a catalyst for use with a formic acid fuel cell. Exemplary fuel cell catalysts of the present invention include Pd and at least one metal selected from the group of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W or Au. The catalyst of the present invention may be useful as an anode or cathode catalyst [SF1] and may be supported or unsupported. In particular carbon can be used as a support. Exemplary embodiments of the invention include an anode catalyst for a formic acid fuel cell. Pd-based catalysts of the present invention provide a number of advantages and advantages, including the cost, which may be less than three factors less than Pt, and in some conditions, activity levels above the order of magnitude greater than Pt-based catalysts. To illustrate the catalyst of the present invention, a number of exemplary catalysts are prepared and tested.

예시적 촉매의 제1 군First group of exemplary catalysts

Ti(알파-애사(Alfa-Aesar) 44243), Zr(알파-애사 10594), Hf(알파-애사 10793), V(알파-애사 13783), Nb(알파-애사 10261), Ta(알파-애사 14266), Cr(알파-애사 42310), Mo(알파-애사 41764), W(알파-애사 10416) 및 Au(알파-애사 14721) 호일 샘플은 200 gr 샌드페이퍼로 샌딩 처리하여 세정하고, 이어서 밀리포어(Millipore) 수로 세척한다. 각각의 호일을 백금 카운터 전극을 구비한 표준 2원 전극 전기화학 전지에서 작용 전극에 부착한다. 0.01 M PdCl2(알파-애사 11034)의 액적을 작용 전극과 카운터 전극 사이에 배치한다. 이어서, 전위차 -450 mV를 호일 전극과 카운터 전극 사이에 인가한다. 전위는 Pd의 0.6 단일층이 금속 호일상에 침착될 때가지 유지한다. 이어서, 전위를 제거하고 호일을 밀리포어 수중에서 세척한다.Ti (Alfa-Aesar 44243), Zr (Alfa-Asa 10594), Hf (Alfa-Asa 10793), V (Alfa-Asa 13783), Nb (Alfa-Asa 10261), Ta (alpha-Asa) 14266), Cr (alpha-assa 4242), Mo (alpha-assa 4141), W (alpha-assa 10416) and Au (alpha-assa 14721) foil samples were washed by sanding with 200 gr sandpaper, followed by Millipore Wash with Millipore water. Each foil is attached to a working electrode in a standard binary electrode electrochemical cell equipped with a platinum counter electrode. Droplets of 0.01 M PdCl 2 (alpha-assay 11034) are placed between the working electrode and the counter electrode. A potential difference of -450 mV is then applied between the foil electrode and the counter electrode. The potential is maintained until a 0.6 monolayer of Pd is deposited on the metal foil. The dislocation is then removed and the foil is washed in Millipore water.

이어서, 호일은 백금 카운터 전극 및 은/염화은 기준 전극을 구비한 표준 3원 전극 전기화학 전지에서 테스트한다. 호일은 전위를 인가하는 일 없이 전기화학 전지에서 작용 전극에 부착한다. 밀리포어 수중에 5 M 포름산 및 0.1 M 황산을 함유하는 용액을 전지내로 장입 처리한다. 이어서, 가역 수소 전극과 관련한 전위 0.3 V를 전지에 인가한다. 도 1은 각각의 촉매 제제에 대해 측정된 팔라듐 mg 당 전류를 도시한 것이다. 전류는 최고 측정치를 제공하는 V와 함께 매우 높다. 매우 우수한 성능을 나타내는 것들은 Au, Mo, Ti 및 Mb을 포함한다. 또한, 전류는 RHE와 관련하여 0.3, 0.4, 0.5 및 0.6 V에서 시간의 함수로서도 측정한다.The foil is then tested in a standard three way electrode electrochemical cell equipped with a platinum counter electrode and a silver / silver chloride reference electrode. The foil adheres to the working electrode in the electrochemical cell without applying a potential. A solution containing 5 M formic acid and 0.1 M sulfuric acid in Millipore water is charged into the cell. Then, a potential of 0.3 V associated with the reversible hydrogen electrode is applied to the cell. 1 shows the current per mg of palladium measured for each catalyst formulation. The current is very high with V providing the highest measurement. Those exhibiting very good performance include Au, Mo, Ti and Mb. The current is also measured as a function of time at 0.3, 0.4, 0.5 and 0.6 V in relation to RHE.

도 2는 이러한 실험에서 2 시간 후에 얻어진 전류를 도시한 것이다. 또한, 도 2는 동일한 조건에서 선행 기술의 존슨 매테이 히스펙(Johnson Mathey Hispec) 6000 Pt/Ru 촉매로 측정한 전류를 예시한 것이다. 도 2는 귀금속 mg 당 전류가 Pt/Ru 촉매에 의한 것보다 본 발명의 Pd/V 촉매에 의해 것이 크기 차수 3 이상 더 높다는 것을 보여준다. 이는 실제적인 이점 및 장점이 본 발명의 촉매를 통해 이루어진다는 것을 시사하는 놀라운 결과이다. 도 2는 본 발명의 Pd/V 촉매의 20 시간 테스트의 결과를 보여준다. 또한, 본 발명의 Pd/V 촉매는 20 시간 테스트 동안 포름산의 산화 반응에 매우 활성적인 채로 유지된다는 점도 유의해야 한다. 또한 이는 놀라운 결과를 나타낸다.2 shows the current obtained after 2 hours in this experiment. Figure 2 also illustrates the current measured with the Johnson Mathey Hispec 6000 Pt / Ru catalyst of the prior art under the same conditions. 2 shows that the current per mg of noble metal is at least 3 orders of magnitude higher with the Pd / V catalyst of the present invention than with the Pt / Ru catalyst. This is a surprising result suggesting that the practical advantages and advantages are achieved through the catalyst of the present invention. 2 shows the results of a 20 hour test of the Pd / V catalyst of the present invention. It should also be noted that the Pd / V catalyst of the present invention remains very active in the oxidation reaction of formic acid during the 20 hour test. This also shows surprising results.

또한, V 상의 Pd의 도포(coverage)는 활성에 영향을 미치는 것으로 관찰된다. 너무 높은 도포는 Pd의 상대적으로 높은 비용에 의해 경제적으로 불리할 수 있다. 너무 낮은 도포는 결과적으로 바람직하지 않은 낮은 수준의 전류 밀도를 야기시킬 수 있다. 다른 수준이 예상되고 특별한 용도에 바람직할 수 있을지라도, V 상의 약 0.15 내지 약 0.55 Pd 단일층의 도포는 전류 밀도 및 Pd mg 당 전류에 유용한 수준을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 또한, Zr 상의 Pd의 도포는 활성에 영향을 미치는 것으로 관찰되었다. 다른 수준이 예상되고 특정한 용도에 바람직할 수 있을지라도, Zr 상의 약 0.45 내지 약 1의 Pd 단일층의 Pd 도포는 유용하는 것으로 밝혀졌다.In addition, the coverage of Pd on V is observed to affect activity. Too high application can be economically disadvantageous due to the relatively high cost of Pd. Too low application can result in undesirable low levels of current density. Although other levels are expected and may be desirable for particular applications, application of about 0.15 to about 0.55 Pd monolayers on V has been found to provide useful levels for current density and current per mg of Pd. In addition, the application of Pd on Zr was observed to affect the activity. Although other levels are anticipated and may be desirable for certain applications, Pd application of about 0.45 to about 1 Pd monolayer on Zr has been found to be useful.

Pd 촉매는 포름산 연료 전지와 함께 사용할 경우 경시적으로 중독될 수 있어서 어느 정도 감소된 활성을 나타낸다는 점을 유의해야 한다. OH 또는 다른 중독 화학종은 촉매 부위에 결합될 수 있어서 그 촉매 부위를 추후 촉매 활성에 이용할 수 없게 만들 것으로 추측된다. 금속 M, 구체적인 예인 Au, V 및 Zr을 첨가하는 것은 중독을 방지 또는 감소시킬 수 있을 것으로 여겨진다. 또한, 중독 작용은 크게 반전될 수 있으며, 중독 화학종은 고 전위의 인가를 통해 제거될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 그러므로, 예를 들면, Pd 촉매와 함께 본 발명의 포름산 연료 전지를 조작할 경우 중독 화학종의 Pd 촉매를 "세정"하기 위해 고전위를 간헐적으로 인가하는 것이 유용할 수 있다. It should be noted that the Pd catalyst can be poisoned over time when used with formic acid fuel cells, resulting in some reduced activity. It is speculated that OH or other poisoning species may bind to the catalytic site and render it unusable for future catalytic activity. It is believed that the addition of metal M, specific examples Au, V and Zr, can prevent or reduce intoxication. In addition, it has been found that the action of poisoning can be reversed significantly, and that poisoning species can be removed through application of high potential. Thus, for example, when operating the formic acid fuel cell of the present invention with a Pd catalyst, it may be useful to apply a high potential intermittently to "clean" the Pd catalyst of the poisoning species.

본 발명의 예시적 연료 전지는 커패시터 또는 다른 전하 저장 장치에 연결되므로 충분한 고전위가 경우에 따라 인가되어 Pd 촉매를 세정할 수 있다. 본 발명의 예시적 연료 전지에 의해 발생된 에너지의 일부는 커패시터 또는 다른 저장 장치를 30 분정도에 걸쳐 충전하고, 이어서 예를 들면, 커패시터로부터 유래한 전하를 인가하여 Pd 촉매를 세정하는 데 사용할 수 있다.Exemplary fuel cells of the present invention are connected to a capacitor or other charge storage device so that a sufficient high potential can be applied in some cases to clean the Pd catalyst. Some of the energy generated by the exemplary fuel cell of the present invention can be used to clean a Pd catalyst by charging a capacitor or other storage device over a period of about 30 minutes and then applying a charge, for example, from the capacitor. have.

예시적 촉매의 제2 군Second group of exemplary catalysts

본 발명의 예시적 촉매의 또 다른 군을 만들기 위해서, Ti(알파-애사 44243), Zr(알파-애사 10594), Hf(알파-애사 10793), V(알파-애사 13783), Nb(알파-애사 10261), Ta(알파-애사 14266), Cr(알파-애사 42310), Mo(알파-애사 41764), W(알파-애사 10416) 및 Au(알파-애사 14721) 호일 샘플은 200 gr 샌드페이퍼로 샌딩 처리하여 세정하고, 이어서 밀리포어 수로 세척한다. 이어서, 각각의 호일을 약 1 분 동안 0.01 M PdCl2 용액중에 배치한 후 밀리포어 수로 세척한다. 이어서, 각각의 호일을 백금 카운터 전극을 구비한 표준 2원 전극 전기화학 전지 내의 작용 전극에 부착한다. 0.1 M H2SO4의 액적을 작용 전극과 카운터 전극 사이에 배치한다. 이어서, 전위차 -450 mV를 호일 전극과 카운터 전극 사이에 약 30 초 동안 인가한다. 이어서 전위를 제거하고 호일을 밀리포어 수로 세척한다. 본 발명의 예시적 촉매가 결과로 생성된다. To make another group of exemplary catalysts of the present invention, Ti (alpha-assa 44243), Zr (alpha-assasa 10594), Hf (alpha-assasa 10793), V (alpha-assasa 13783), Nb (alpha- Asa 10261), Ta (alpha-assa 14266), Cr (alpha-assa 4242), Mo (alpha-assa 4141), W (alpha-assa 10416) and Au (alpha-assa 14721) foil samples were prepared with 200 gr sandpaper. It is washed by sanding and then by millipore water. Each foil is then placed in 0.01 M PdCl 2 solution for about 1 minute and then washed with Millipore water. Each foil is then attached to a working electrode in a standard binary electrode electrochemical cell equipped with a platinum counter electrode. A droplet of 0.1 MH 2 SO 4 is placed between the working electrode and the counter electrode. A potential difference of -450 mV is then applied for about 30 seconds between the foil electrode and the counter electrode. The dislocation is then removed and the foil is washed with Millipore water. The resulting catalyst of the present invention is the result.

제3 예시적 촉매Third Exemplary Catalyst

PdV 촉매는 포름산 연료 전지를 위한 애노드 촉매로서 사용할 경우 유용한 이점 및 장점을 보여줄 것으로 여겨지는 본 발명의 예시적 촉매이다. 이 촉매를 제조하는 방법 이외에도 그 예시적 촉매를 추가적으로 예시하기 위해서, 촉매를 합성하고 테스트를 실시한다.PdV catalysts are exemplary catalysts of the present invention which are believed to show useful benefits and advantages when used as anode catalysts for formic acid fuel cells. In addition to the process for preparing this catalyst, to further illustrate the exemplary catalyst, the catalyst is synthesized and tested.

먼저 V 금속 분말(알파-애사 12234) 50 mg을 1 M H2SO4 중에 침지하여 세정하고, 이어서 밀리포어 수중에서 세척한다. 이어서, 분말을 밀리포어 수중에서 격렬히 교반하면서 밀리포어 수중의 0.01 M PdCl2 0.4 mL를 그 교반되는 용액에 적가한다. 활성 V 분말을 Pd2+ 이온과 반응시키고, Pd 금속을 V 분말 표면 상에 침전시킨다. 다음은, 밀리포어 물 100 mg과 5 중량% NAFION 용액(Solution Technologies)(NAFION은 델라웨어주 소재, DuPont Chemical Co.로부터 구입한 테트라플루오로에틸렌과 페르플루오로비닐에테르 설폰산의 상업적으로 이용가능한 공중합체로 사용되는 등록 상표명임) 18.2 mg과의 용액을 Pd/V 3 mg과 함께 10 분 동안 초음파 처리하여 예시적 촉매 현탁액을 제제화한다. 이어서, 이 촉매 현탁액 약 40 mg은 마이크로피펫을 사용하여 흑연 로드 작용 전극(직경 6 mm)상에 배치한다. 이어서, 전극을 가열 램프 하에 25 분 동안 건조시켜 작용 전극상에서 약 20 중량% NAFION를 함유하는 Pd/V 촉매를 생성시킨다. 이어서, [SF2] 작용 전극을 밀리포어 수 중의 0.5 M 포름산 및 0.1 M 황산의 용액 중에 배치하고 전위 0.3 V로 설정하여 활성에 대해 테스트한다. 촉매는 상기 논의된 Pd/V 호일의 것과 매우 유사한 성능을 가질 정도로, 매우 활성적인 것으로 밝혀졌다.First 50 mg of V metal powder (alpha-Asa 12234) are immersed in 1 MH 2 SO 4 and then washed in Millipore water. Next, 0.4 mL of 0.01 M PdCl 2 in Millipore water is added dropwise to the stirred solution while the powder is vigorously stirred in Millipore water. The active V powder is reacted with Pd 2+ ions and the Pd metal precipitates on the V powder surface. Next, 100 mg of Millipore water and a 5 wt% NAFION solution (Solution Technologies) (NAFION was commercially available from tetrafluoroethylene and perfluorovinylether sulfonic acid purchased from DuPont Chemical Co., Delaware, A proprietary catalyst suspension is formulated by sonicating a solution with 18.2 mg with 10 mg of Pd / V for 10 minutes. Then about 40 mg of this catalyst suspension is placed on a graphite rod working electrode (6 mm in diameter) using a micropipette. The electrode is then dried under a heat lamp for 25 minutes to produce a Pd / V catalyst containing about 20 wt% NAFION on the working electrode. The [SF2] working electrode is then placed in a solution of 0.5 M formic acid and 0.1 M sulfuric acid in Millipore water and tested for activity by setting the potential to 0.3 V. The catalyst was found to be very active, having a performance very similar to that of the Pd / V foils discussed above.

당업자라면 본 발명의 촉매는 조촉매(promotor), 예컨대 Au, 은(Ag), 셀레늄(Se), 비스무트(Bi), Ru, 니켈(Ni), Pt, Mo, W, 망간(Mn)의 첨가를 통해 이익을 얻을 수 있다는 점을 이해할 것이다. 본 발명의 다른 촉매는 이러한 조촉매를 포함한다.Those skilled in the art will appreciate that catalysts of the present invention can be added with promoters such as Au, silver (Ag), selenium (Se), bismuth (Bi), Ru, nickel (Ni), Pt, Mo, W, manganese (Mn) You will understand that you can benefit from it. Other catalysts of the present invention include such promoters.

예시적 촉매의 제4 군Fourth group of exemplary catalysts

일부 촉매는 본 발명의 포름산 연료 전지와 함께 사용하는 경우 놀라운 수준의 촉매 활성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 카본 상에 금속 촉매를 지지하는 것은 금속의 질량 기준으로 촉매 활성을 유의적으로 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 카본상에 지지된 Pd를 함유하는 촉매는 비지지된 Pd를 비롯한 다른 촉매보다 우위의 이점 및 장점을 실현할 수 있는 것으로 밝혀졌다. Pd는 카본상에 지지된 나노입자의 형태일 수 있다. Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 또는 W 중의 하나 이상을 포함하는 또 다른 금속을 Pd와 조합시킬 수 있다. Au, V 및 Mo 중 하나 이상과 조합되고 카본상에 지지된 Pd는 포름산 연료 전지에 유리한 활성을 제공하는 것으로 간주되고, 놀라운 결과는 카본 나노입자상의 증가하는 금속 표면적에 의해 추가로 달성된다. 이러한 촉매를 제조하는 방법 이외에도, 본 발명은 이러한 촉매를 포함한다. 또한, Pd계 촉매를 합성하는 일부 방법은 다른 합성 방법을 통해 제조한 촉매보다 포름산 용액 전지와 함께 사용할 경우 더 높은 활성의 촉매를 생성하는 것으로 밝혀졌다. Some catalysts have been found to exhibit surprising levels of catalytic activity when used with the formic acid fuel cell of the present invention. For example, supporting a metal catalyst on carbon has been found to significantly increase catalyst activity on a mass basis of metal. For example, it has been found that catalysts containing Pd supported on carbon can realize advantages and advantages over other catalysts, including unsupported Pd. Pd may be in the form of nanoparticles supported on carbon. Another metal comprising at least one of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo or W can be combined with Pd. Pd combined with one or more of Au, V, and Mo and supported on carbon is considered to provide beneficial activity to formic acid fuel cells, and surprising results are further achieved by increasing metal surface area on carbon nanoparticles. In addition to the process for preparing such catalysts, the present invention includes such catalysts. In addition, some methods of synthesizing Pd-based catalysts have been found to produce higher activity catalysts when used with formic acid solution cells than catalysts prepared through other synthesis methods.

본 발명의 추가 예시적 촉매 및 이것의 제조 방법을 추가로 설명하기 위해서, 본 발명의 3 가지 예시적 카본 지지된 촉매의 합성을 설명한다. 3 가지 예시적 촉매는 카본(C) 상에 지지된 20 중량% Pb 촉매, 카본 상에 지지된 20 중량% PdAu 촉매, 및 카본 상에 지지된 40 중량% Pd 촉매이다. 백분율은 카본에 상대적인 Pd의 중량%를 의미한다. 예를 들면, 카본 상에 지지된 20 중량% Pd 촉매는 Pd 20 중량% 및 카본 80 중량%이다. 예시적 PdAu 촉매의 경우, Pd는 Au에 대하여 50:1의 비율로 제공되며, 조합된 PdAu는 총 20 중량%이고, 카본은 나머지 중량%이다.To further illustrate additional exemplary catalysts of the present invention and methods for their preparation, the synthesis of three exemplary carbon supported catalysts of the present invention is described. Three exemplary catalysts are 20 wt% Pb catalyst supported on carbon (C), 20 wt% PdAu catalyst supported on carbon, and 40 wt% Pd catalyst supported on carbon. Percentage refers to the weight percent of Pd relative to carbon. For example, the 20 wt% Pd catalyst supported on carbon is 20 wt% Pd and 80 wt% carbon. For the exemplary PdAu catalyst, Pd is provided in a ratio of 50: 1 relative to Au, combined PdAu is 20% by weight in total, and carbon is the remaining weight%.

카본 지지체에 대한 Pd의 상이한 중량 비율은 유용할 것이며 촉매 처리하고자 하는 연료 용액을 포함하는 인자 및 다른 인자에 기초하여 선택할 수 있다. 본 발명의 예시적 포름산 연료 전지에 대해서, 촉매의 총 중량을 기준으로 한 약 5 중량%(예를 들면, 5% Pd, 95% 카본) 이상이 유리한 것으로 여겨진다. 유용하다 여겨지는 다른 중량 비율은 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 Pd 약 10% 이상 및 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 Pd 약 20% 이상이다. 증가하는 중량 비율은 일반적으로 증가된 활성을 보여주지만, 또한 비용을 증가시킨다. 일부 중량 비율 지점에서, 증가된 활성은 증가된 비용으로 정당화되지 않는다. 약 20%의 중량 비율은 유의적인 촉매 활성을 보이는 유용한 수준이면서 또한 유의적인 비용 절감도 달성하는 것으로 여겨진다. 5% Pd 이하를 비롯한 다른 중량 비율도 고려된다.Different weight ratios of Pd to carbon support will be useful and may be selected based on factors including the fuel solution to be catalyzed and other factors. For the exemplary formic acid fuel cell of the present invention, at least about 5% by weight (eg, 5% Pd, 95% carbon) based on the total weight of the catalyst is considered advantageous. Other weight ratios that are considered useful are at least about 10% Pd based on the total weight of the catalyst and at least about 20% Pd based on the total weight of the catalyst. Increasing weight ratios generally show increased activity, but also increase cost. At some weight ratio points, increased activity is not justified at increased cost. A weight ratio of about 20% is believed to be a useful level of significant catalytic activity while also achieving significant cost savings. Other weight ratios are also contemplated, including up to 5% Pd.

각각의 예시적 카본-지지된 촉매는 금속 염화물 환원 공정에 의해 제조한다. 먼저, 카본(조지아주 알파레타 소재 Cabot Corp.로부터 이용가능한 VULCAN XC-72)을 밀리포어 수 중의 10 M HCl에서 약 12 시간 동안 교반하고 이어서 세척액의 pH가 7에 도달할 때까지 밀리포어 수로 세척함으로써 조건화한다. 다음은 5 M HCl 중의 PdCl2 8 g/L 용액 및 밀리포어 수의 용액을 비커에 첨가한다. 첨가되는 용액의 양은 제조되는 촉매내 Pd의 소정의 중량%에 의존한다:Each exemplary carbon-supported catalyst is prepared by a metal chloride reduction process. First, the carbon (VULCAN XC-72 available from Cabot Corp., Alpharetta, GA) was stirred in 10 M HCl in Millipore water for about 12 hours and then washed with Millipore water until the pH of the wash solution reached 7. Condition by doing. Next, a solution of 8 g / L PdCl 2 and Millipore water in 5 M HCl is added to the beaker. The amount of solution added depends on the desired weight percent of Pd in the catalyst prepared:

·카본 상의 20 중량% Pd 촉매 및 카본상의 20 중량% PdAu 촉매의 경우, 용액 약 5 mL를 첨가한다. For 20 wt% Pd catalyst on carbon and 20 wt% PdAu catalyst on carbon, add about 5 mL of solution.

·카본 상의 40 중량% Pd 촉매의 경우, 용액 약 14 mL를 첨가한다. For 40 wt% Pd catalyst on carbon, add about 14 mL of solution.

또한, 밀리포어 수 중의 5 g/L 폴리비닐 알콜(PVA)의 용액 약 1 mL로 비이커에 첨가한다. 이어서, 조건화된 카본 100 mg을 충분한 물과 함께 첨가하어 총 1 L를 만든다. 이어서, 그 용액을 격렬하게 교반하면서 밀리포어 수 중의 새롭게 제조된 0.05 M NaBH4의 50 mL를 적가한다. 이를 완료할 때, 용액의 pH는 5 M NaOH를 첨가하여 약 11로 상승시킨다. 이어서, 용액을 1 시간 동안 격렬하게 교반한 후, 촉매를 추가 30 분 동안 침전시킨다. 이어서, 카본 지지된 촉매를 여과하고 밀리포어 수 중에서 세척하며 약 8 시간 동안 80 ℃에서 건조시킨다.In addition, about 1 mL of a solution of 5 g / L polyvinyl alcohol (PVA) in Millipore water is added to the beaker. Then, 100 mg of conditioned carbon is added with sufficient water to make a total of 1 L. Then 50 mL of freshly prepared 0.05 M NaBH 4 in Millipore water is added dropwise with vigorous stirring of the solution. Upon completion of this, the pH of the solution is raised to about 11 by addition of 5 M NaOH. The solution is then vigorously stirred for 1 hour, after which the catalyst is allowed to settle for an additional 30 minutes. The carbon supported catalyst is then filtered, washed in millipore water and dried at 80 ° C. for about 8 hours.

예시적 카본 상의 PdAu 촉매의 경우, HAuCl4 용액은 금 분말(알파 애사)의 소정량을 용해시켜 왕수(부피상 진한 HCl 3부 대 진한 HN03 1부)의 최소량 중 Pd:Au 50:1의 최종 몰 비율을 제공하고 가열로 HN03을 제거함으로써 제조한다. 이어서, 이것을 상기와 같은 동일한 절차를 수행하는 PdCl2 첨가와 동일한 단계에서 그 용액에 첨가한다.In the case of the PdAu catalyst on the exemplary carbon, the HAuCl 4 solution dissolves a predetermined amount of gold powder (alpha Asa) to give Pd: Au 50: 1 in a minimum amount of aqua regia (3 parts thick HCl to 1 part HN0 3 thick). Prepared by providing a final molar ratio and removing HNO 3 with heating. This is then added to the solution in the same step as the addition of PdCl 2 which performs the same procedure as above.

이어서, 각각의 예시적 촉매는 활성에 대해 테스트한다. 촉매는 본 발명의 예시적 전지 연료 용액을 사용하여 테스트한다. 모든 실험은 관용적인 3원 전극 전지를 사용하여 공기 중에서 실온하에 수행한다. 전기화학적 측정은 코르웨어(CorrWare) 소프트웨어를 이용하는 컴퓨터에 부착된 솔라트론(Solartron) SI 1287을 이용하여 수행한다. 카운터 전극은 백금 와이어(직경 0.6 mm, 길이 12 cm, 99.5%, 알파 애사)에 부착된 52 메쉬 백금 처리된 백금 거즈(직경 0.1 mm 와이어로 직조됨, 99.9%, 알파 애사)의 25 mm x 50 mm 단편으로 제조한다. 기준 전극은 3.0 M NaCl 중의 Ag/AgCl(바스프(BASF), MF-2052)이다. 편리를 위해, 결과는 가역 수소 전극(RHE)과 대비하여 기록한다. 본 발명의 2개의 추가 예시적 Pd 촉매도 마찬가지로 테스트를 실시하고, 여기에 이 양 촉매는 모두 지지된 것이 아니다. 하나의 Pd 촉매는 알드리치 케미칼 컴파니(Aldrich Chemical Co.)으로부터 상업적으로 이용가능한 고 표면적 Pd("알드리치 Pd 블랙(Alfa Pd black)")이며, 나머지 다른 하나는 알파-애사 케미칼로부터 상업적으로 이용가능한 저 표면적 Pd("알파 Pd 블랙(Alfa Pd black)")이다.Each exemplary catalyst is then tested for activity. The catalyst is tested using the exemplary cell fuel solution of the present invention. All experiments are performed at room temperature in air using conventional three way electrode cells. Electrochemical measurements are performed using Solartron SI 1287 attached to a computer using CorrrWare software. Counter electrode is 25 mm x 50 of 52 mesh platinum treated platinum gauze (woven with 0.1 mm diameter, 99.9%, alpha asa) attached to the platinum wire (0.6 mm in diameter, 12 cm in length, 99.5%, Alpha Asa). Prepared in mm fragments. The reference electrode is Ag / AgCl (BASF, MF-2052) in 3.0 M NaCl. For convenience, the results are recorded against the reversible hydrogen electrode (RHE). Two further exemplary Pd catalysts of the invention are likewise tested, both of which are not supported. One Pd catalyst is high surface area Pd (“Alfa Pd black”) commercially available from Aldrich Chemical Co., and the other is commercially available from Alpha-Asa Chemical. Low surface area Pd (“Alfa Pd black”).

5 개의 모든 촉매는 전기화학 전지 중에서 테스트 하기 위한 흑연 작용 전극에 부착한다. 먼저, 밀리포어 수 중의 각 촉매의 현탁액 5 mg/mL를 제조한다. 이어서, 충분한 5 중량% NAFION 용액을 첨가하여 건조시 촉매 층내 20 중량% NAFION을 생성시킨다. 각각의 촉매를 10 분 동안 초음파 처리한다. 다음은, 마이크로피펫을 사용하여 현탁액 50 μL를 흑연 작용 전극에 배치하고 약 25 분 동안 가열 램프 하에 건조시킨다. 건조 후, 전극을 약 10 분 동안 냉각시킨 후 밀리포어 수로 세척한다. 모든 작용 전극은 안정화되고, 촉매 입자는 실험 동안에 탈착되는 것으로 관찰되지 않는다.All five catalysts are attached to graphite working electrodes for testing in electrochemical cells. First, 5 mg / mL of a suspension of each catalyst in Millipore water is prepared. Sufficient 5% by weight NAFION solution is then added to produce 20% by weight NAFION in the catalyst layer upon drying. Each catalyst is sonicated for 10 minutes. Next, 50 μL of the suspension is placed on a graphite working electrode using a micropipette and dried under a heat lamp for about 25 minutes. After drying, the electrodes are cooled for about 10 minutes and then washed with Millipore water. All working electrodes are stabilized and no catalyst particles are observed to desorb during the experiment.

촉매 샘플은 전지 내에 함유된 5 M HCOOH / 0.1 M H2SO4 용액의 계면과 작용 전극의 접촉으로 관용적인 3원 전극 전지에서 테스트한다. 이어서, 대시간전류법은 경시적으로 전류를 측정하면서 가역 수소 전극(RHE)에 대비하여 0.3 V에서 작용 전극를 유지함으로써 수행한다. 도 5(a)는 총 촉매 중량에 관계 없이 5 개의 각 촉매에 대해 RHE에 대비하여 0.3 V에서의 대시간전류법 측정을 도시한 것이고, 반면에 도 5(b)는 중량 당 Pd 기준으로 활성을 도시한 것이다. 양쪽 측정에 의해서, 저 표면적 Pb 블랙(Alfa)은 최저의 성능을 보유하고 처음 2 시간 후에 불활성화된다. 고 표면적 알드리치 Pd 블랙은 훨씬 더 우수한 성능을 보유하고 훨씬 더 느리게 불활성화된다. 도 5(a)는 고 표면적 알드리치 Pd 블랙이 가장 높은 전체 활성을 나타내고, 카본 상의 40 중량% Pd 촉매, 이어서, 카본 상의 20 중량% PdAu 촉매, 카본 상에서 20 중량% Pd 촉매 및 최종적으로 저 표면적 Pd 블랙의 순서로 전체 활성을 나타낸다는 것을 입증해 보여준다.Catalyst samples are tested in conventional three-way electrode cells by contacting the working electrode with the interface of a 5 M HCOOH / 0.1 MH 2 SO 4 solution contained in the cell. Subsequently, the large-time ammeter method is performed by holding the working electrode at 0.3 V against the reversible hydrogen electrode (RHE) while measuring the current over time. FIG. 5 (a) shows a large time amperometric measurement at 0.3 V versus RHE for each of the five catalysts regardless of the total catalyst weight, whereas FIG. 5 (b) shows activity on a Pd basis per weight. It is shown. By both measurements, low surface area Pb black (Alfa) has the lowest performance and is inactivated after the first two hours. High surface area Aldrich Pd blacks have much better performance and are inactivated much more slowly. FIG. 5 (a) shows that the high surface area Aldrich Pd black exhibits the highest overall activity, with 40 wt% Pd catalyst on carbon followed by 20 wt% PdAu catalyst on carbon, 20 wt% Pd catalyst on carbon and finally low surface area Pd It is shown that the order of black shows the total activity.

하지만, 도 5(a)의 결과는 촉매 중에 존재하는 Pd의 양을 고려하지 않는 것이다. 이는 주된 비용 요인이기 때문에 중요할 수 있다. 도 5(b)는 결과가 Pd 함량에 기초한 것이라는 점을 제외하고는 도 5(a)와 동일한 데이타를 기록한 것이다. 도 5(b)는 알파 Pd 블랙의 불활성화가 실제적으로 다른 Pd 촉매보다 크다는 것을 예시하여 보여준다. 본 발명의 카본 지지된 촉매는 초기에 알드리치 Pd 블랙보다 높은 전류 밀도를 나타낸다. 하지만, 알드리치 Pd 블랙은 더욱 느리게 불활성화되며, 따라서 보다 긴 시간으로 카본 지지된 촉매의 성능을 능가시킨다. 카본 상의 40 중량% Pd 촉매는 2개의 20 중량% Pd 촉매보다 낮은 초기 전류 밀도를 가지며, 더욱 느리게 불활성화된다. 도 5(a) 및 도 5(b)는 카본 지지된 Pd 촉매로의 소량 Au의 첨가가 촉매의 성능을 강화시킨다는 것을 보여준다.However, the result of FIG. 5 (a) does not consider the amount of Pd present in the catalyst. This may be important because it is a major cost factor. Figure 5 (b) records the same data as Figure 5 (a) except that the results are based on Pd content. 5 (b) shows that the inactivation of alpha Pd black is substantially greater than that of other Pd catalysts. The carbon supported catalyst of the present invention initially exhibits a higher current density than Aldrich Pd black. However, Aldrich Pd black deactivates more slowly, thus surpassing the performance of carbon supported catalysts for longer periods of time. The 40 wt% Pd catalyst on carbon has a lower initial current density than the two 20 wt% Pd catalysts and is inactivated more slowly. 5 (a) and 5 (b) show that the addition of small amounts of Au to the carbon supported Pd catalyst enhances the catalyst's performance.

Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 또는 W의 군으로부터 하나 이상의 금속이 Pd와 결합되고 카본 상에서 지지될 경우 유사한 이점 및 장점이 이루어질 것이라 여겨진다. Pd와 조합되는 금속 M은 전체 촉매 활성을 배가시킬 수 있고, 내식성을 증가시킬 수 있으며, 중독 작용을 감소시킬 수 있고, 다른 이점을 가질 수 있다. 특히, V 및 Mo는 Pd와 조합되고 카본 상에서 지지되었을 경우 포름산 연료 전지에 대한 유리한 활성 수준을 제공하는 것으로 여겨진다. Au는 상대적으로 높은 내식성 때문에 일부 용도에 있어 바람직한 금속이 될 수 있다. 본 발명의 촉매는 포름산 연료 전지에 대한 촉매로서 Pd와 조합되고 카본 상에 지지된 이들 금속의 용도를 포함한다. 당업자는 Pd 및 이러한 금속 중 임의의 것을 포함하는 예시적 촉매는 카본 촉매 상에 지지된 예시적 Pd의 제법을 참조하여 상기 기술된 본 발명의 예시적 합성과 일치한 방법을 이용하여 합성할 수 있다는 것을 이해할 것이다. It is believed that similar advantages and advantages will be achieved when one or more metals from the group of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo or W are combined with Pd and supported on carbon. Metal M in combination with Pd can double overall catalyst activity, increase corrosion resistance, reduce toxic effects and have other advantages. In particular, V and Mo are believed to provide advantageous activity levels for formic acid fuel cells when combined with Pd and supported on carbon. Au may be the preferred metal for some applications because of its relatively high corrosion resistance. Catalysts of the present invention include the use of these metals in combination with Pd and supported on carbon as catalysts for formic acid fuel cells. Those skilled in the art will appreciate that exemplary catalysts comprising Pd and any of these metals can be synthesized using methods consistent with the exemplary synthesis of the invention described above with reference to the preparation of exemplary Pd supported on carbon catalysts. I will understand that.

도 5(c)는 총 표면적 기준으로 RHE에 대비한 0.3 V에서의 본 발명의 예시적 Pd계 촉매의 대시간전류법 활성을 비교한 것이다. 카본 지지된 촉매는 최고의 초기 활성을 보유하고 8 시간 후 카본 상의 40 중량% Pd 촉매 및 20 중량% PdAu 촉매는 모두 알드리치 Pd 블랙과 동일하게 수행하지만, 반면에 카본상의 20 중량% Pd 촉매는 추가로 불활성된다. 저 표면적 알파 Pd 블랙은 최저 활성을 보유한다.FIG. 5 (c) compares the large time amphoteric activity of the exemplary Pd-based catalyst of the present invention at 0.3 V compared to RHE on a total surface area basis. The carbon supported catalyst has the best initial activity and after 8 hours both the 40 wt% Pd catalyst and the 20 wt% PdAu catalyst on carbon perform the same as Aldrich Pd Black, while the 20 wt% Pd catalyst on carbon is further Inactive. Low surface area alpha Pd blacks have the lowest activity.

일반적으로, 본 발명의 예시적 카본 지지된 촉매는 포름산 연료 전지와 함께 사용할 경우 매우 우수하게 수행한다. 이들 촉매의 성능은 전체 촉매 기준으로 고 표면적 알드리치 Pd 블랙보다 낮은 경향이 있으나, Pd 존재량을 고려하고 결과를 Pd 중량 당 기준 또는 활성 표면적 기준으로 비교할 경우, 카본 지지된 촉매는 비지지된 알드리치 Pd 블랙과 동일하거나 또는 그 블랙보다 우수하게 수행하는 경향이 있다. 이는 놀랍고 유리한 결과이다. 본 발명의 카본 지지된 촉매에서 Pd의 더욱 효율적인 사용은 충분히 높은 촉매 활성을 유지하면서 전체적인 Pd 장입량 및 이로 인한 전체적인 촉매 비용을 현저히 감소시킬 수 있다는 점을 고려한 것이다. In general, exemplary carbon supported catalysts of the present invention perform very well when used with formic acid fuel cells. The performance of these catalysts tends to be lower than the high surface area Aldrich Pd black on the basis of the total catalyst, but when considering the amount of Pd present and comparing the results on a per Pd basis or on an active surface area, the carbon supported catalyst was unsupported It tends to perform equal to or better than black. This is a surprising and advantageous result. The more efficient use of Pd in the carbon supported catalyst of the present invention takes into account that it is possible to significantly reduce the overall Pd loading and thus the overall catalyst cost while maintaining sufficiently high catalytic activity.

일부 연료 전지 배치는 연료 전지 막에 장입될 수 있는 촉매(예를 들면, Pd 및 카본)의 총량에 실제적 한계를 가질 수 있다는 점을 유의해야 한다. 수 많은 경우에 있어서, 이러한 한계는 막 표면적의 약 6-8 mg/cm2 내에 있다. 이 실제적 한계는 일부 연료 전지 배치에서, 막 상의 Pd의 총량이 경우에 따라 비지지된 촉매의 경우보다 현저히 적을 수 있다는 결과를 가진다. 또한, 이러한 실제적 한계에 직면해 있는 연료 전지에 있어서, 본 발명의 예시적 촉매의 개선된 효율은 제한될 수 있다. 또한, Pd의 소정량에 대하여, 촉매 층은 비지지된 Pd의 경우보다 본 발명의 카본 지지된 촉매의 경우 더 두꺼울 것이라는 점도 유의해야 한다. 이는 고 전류 밀도에서 어느 정도 질량 이동 문제를 야기시키는 가능성을 가진다. 이러한 잠재적인 염려에도 불구하고, Pd의 질량 당 본 발명의 Pd 촉매의 보다 높은 활성은 특히 포름산 연료 전지로 실시할 경우 중요한 장점 및 이점을 제공한다.It should be noted that some fuel cell arrangements may have practical limits on the total amount of catalyst (eg, Pd and carbon) that can be loaded into the fuel cell membrane. In many cases, this limit is within about 6-8 mg / cm 2 of the membrane surface area. This practical limitation has the consequence that in some fuel cell arrangements, the total amount of Pd on the membrane may be significantly less than in the case of unsupported catalysts in some cases. In addition, for fuel cells facing these practical limitations, the improved efficiency of the exemplary catalysts of the present invention may be limited. It should also be noted that for certain amounts of Pd, the catalyst layer will be thicker for the carbon supported catalyst of the present invention than for unsupported Pd. This has the potential to cause some mass transfer problems at high current densities. Despite these potential concerns, the higher activity of the Pd catalyst of the present invention per mass of Pd provides important advantages and advantages, particularly when implemented in formic acid fuel cells.

카본 상의 20 중량% PdAu 촉매는 카본 상의 20 중량% Pd 촉매보다 약간 낮은 분산 및 활성 표면적을 가지지만, 도 D1은 PdAu 촉매가 포름산과 사용되었을 때 보다 높은 활성은 갖는다는 것을 입증해 보여준다. 이는 놀라운 결과이다. 정확한 이유가 알려지지 않았지만, 이는 포름산의 전기적-산화(electro-oxidation)를 일부 방식으로 촉진시키는 Au의 성능과 관련되어 있을 수 있다고 여겨진다. 이러한 촉진은 촉매의 전기적 변형, 이체(two-body) 효과 또는 중독/포름산에 대한 금의 촉매 활성을 통해 일어날 수 있다고 여겨진다.The 20 wt% PdAu catalyst on carbon has a slightly lower dispersion and active surface area than the 20 wt% Pd catalyst on carbon, but FIG. D1 demonstrates that the PdAu catalyst has higher activity when used with formic acid. This is a surprising result. Although the exact reason is not known, it is believed that this may be related to the ability of Au to promote the electro-oxidation of formic acid in some way. It is believed that such promotion can occur through the electrical modification of the catalyst, the two-body effect or the catalytic activity of gold against poisoning / formic acid.

본 발명의 예시적 촉매의 제4 군은 5% 미만의 분산액을 가진다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "분산액"은 반응에 이용가능한 팔라듐 원자의 갯수를 광범위하게 의미하는 것으로 이해해야 한다. 예를 들면, 5% 분산액은 촉매 입자의 5%만이 표면에서 이용가능하고 그 외는 중독되지 않았다는 것을 의미할 수 있다. 분산액의 개량은 본 발명의 촉매의 성능에 있어서 유의적인 개선을 유도할 것이라고 여겨진다. 5% 이상의 높은 촉매 분산액을 갖는 본 발명의 다른 촉매는 현재 논의되는 예시적 촉매보다 높은 활성 수준을 제공한다고 여겨진다. 본 발명의 다른 촉매는 예를 들면, 약 10%, 약 20% 이상, 30% 이상, 50% 이상 또는 그 이상의 분산액을 가질 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.The fourth group of exemplary catalysts of the invention have a dispersion of less than 5%. As used herein, "dispersion" is to be understood as broadly meaning the number of palladium atoms available for the reaction. For example, a 5% dispersion can mean that only 5% of the catalyst particles are available at the surface and others are not poisoned. It is believed that the improvement of the dispersion will lead to a significant improvement in the performance of the catalyst of the present invention. It is believed that other catalysts of the present invention having a high catalyst dispersion of at least 5% provide higher activity levels than the exemplary catalysts currently discussed. Other catalysts of the present invention may have, for example, but are not limited to, about 10%, about 20% or more, 30% or more, 50% or more or more dispersions.

분산액은, 예를 들면 입자 응집을 방지하고/방지하거나 나노입자 크기를 감소시키는 개선된 나노입자 제조 방법을 통해 개선시킬 수 있다. 본 발명의 합성 방법에 있어서, Pd 나노입자는 용액중에 금속 염을 용해시키고 환원제, 예컨대 NaBH4를 첨가하여 Pd(2+)를 Pd 금속 나노입자로 환원시킴으로써 제조한다. Pd 나노입자의 크기는 환원제의 세기, 사용된 용매, 온도, 사용된 안정화 중합체, 등에 의존한다. 일단 나노입자가 형성된 후에는, 나노입자가 전형적으로 입자 위에 표면 전하를 갖게 된다. 카본은 그 표면이 산성이 되도록 제조한다. 용액의 pH가 염기성으로 변했을 때, 카본 표면 및 Pd 나노입자 사이의 정전기적 인력은 Pd가 카본에 부착되도록 한다. 일단 Pd 나노입자가 카본 표면 상에 존재한 후에는, Pd 나노입자가 거기에 보유된다.Dispersions can be improved through, for example, improved nanoparticle manufacturing methods that prevent particle aggregation and / or reduce nanoparticle size. In the synthetic method of the present invention, Pd nanoparticles are prepared by dissolving metal salts in solution and reducing Pd (2+) to Pd metal nanoparticles by adding a reducing agent such as NaBH 4 . The size of the Pd nanoparticles depends on the strength of the reducing agent, the solvent used, the temperature, the stabilizing polymer used, and the like. Once the nanoparticles are formed, the nanoparticles typically have a surface charge on the particles. Carbon is made so that its surface is acidic. When the pH of the solution changes to basic, the electrostatic attraction between the carbon surface and the Pd nanoparticles causes the Pd to adhere to the carbon. Once the Pd nanoparticles are on the carbon surface, the Pd nanoparticles are retained there.

따라서, 2 단계가 일어난다: 1) 나노입자의 형성과 2) 나노입자의 카본 표면으로의 부착. 예시적 촉매의 제4 군 중 다수에 있어서, Pd 나노입자는 5-10 nm의 범위에 있고 적은 부분이 보다 큰 20-40 nm 입자로 존재한다. 20-40 nm 입자는 더 낮은 분산 경향이 있다. 이러한 보다 큰 입자의 부분이 상대적으로 작을 수 있겠지만, 보다 큰 입자가 보다 작은 입자보다 매우 무겁기 때문에 질량 비율은 더욱 상당하게 커진다. 분산액의 유의적인 개선은 이러한 보다 큰 입자의 수가 작을 지라도 형성되는 것을 방지함으로써 이루어질 수 있다. 분산은 입자 크기가 축소되면서 급속히 증가한다. 증가된 활성을 실현하기 위해서, 본 발명의 다른 촉매는 실제로 모두 약 10 nm 미만의 Pd 나노입자를 가지며, 본 발며의 또다른 촉매는 실제적으로 모두 약 5 nm 미만의 모든 Pd 나노입자를 갖는다. 약 2 nm 크기의 Pd 입자 크기를 갖는 본 발명의 예시적 촉매는 결과적으로 약 26% 분산액을 생성하고, 약 1.2-1.5 nm 크기의 Pd 입자를 갖는 예시적 촉매는 약 50%-60%보다 큰 분산액을 달성한다. 또한, 보다 작은 입자 크기는 촉매에 대한 포름산 및 수소의 결합 에너지를 개선시킨다고 여겨진다.Thus, two steps occur: 1) formation of nanoparticles and 2) adhesion of the nanoparticles to the carbon surface. In many of the fourth group of exemplary catalysts, the Pd nanoparticles are in the range of 5-10 nm and small portions are present as larger 20-40 nm particles. 20-40 nm particles tend to have lower dispersion. The portion of these larger particles may be relatively small, but the mass ratio becomes considerably larger because the larger particles are much heavier than the smaller particles. Significant improvement of the dispersion can be made by preventing formation even if the number of such larger particles is small. Dispersion increases rapidly as particle size shrinks. In order to realize the increased activity, the other catalysts of the present invention actually all have less than about 10 nm of Pd nanoparticles, and yet another catalyst of the present invention actually has all of the Pd nanoparticles all less than about 5 nm. Exemplary catalysts of the present invention with Pd particle sizes of about 2 nm size result in about 26% dispersion and exemplary catalysts with Pd particles of about 1.2-1.5 nm size are greater than about 50% -60% Achieve dispersion. In addition, smaller particle sizes are believed to improve the binding energy of formic acid and hydrogen to the catalyst.

또한, 예시적 촉매는 촉매 활성을 증가시키는 소량(예를 들면, 약 1 중량% 또는 미만)으로 하나 이상의 조촉매를 첨가하는 것을 통해 유익할 수 있다. 예시적 조촉매는 금속 및 금속 화합물(예컨대, 금속 산화물)을 포함한다. 조촉매는 전자적으로 촉매를 변형는 방식, 촉매 표면으로부터 중독을 제거하는 방식, 부반응을 차단하는 방식, 촉매의 분산을 개선시키는 방식 등을 비롯한 다양한 방식으로 촉매 활성을 증가시킬 수 있다. 적합한 조촉매의 예로는 분산을 개선시키는 칼륨, 분산을 개선시키고 전자적으로 촉매를 변형하는 세리아(ceria)가 있다.Exemplary catalysts may also be beneficial through the addition of one or more cocatalysts in small amounts (eg, about 1 weight percent or less) to increase catalytic activity. Exemplary promoters include metals and metal compounds (eg, metal oxides). Cocatalysts can increase catalyst activity in a variety of ways, including electronically modifying the catalyst, removing poisoning from the catalyst surface, blocking side reactions, improving the dispersion of the catalyst, and the like. Examples of suitable promoters are potassium, which improves dispersion, and ceria, which improves dispersion and electronically modifies the catalyst.

본 발명의 예시적 촉매의 제4 군을 사용하는 예시적 포름산 연료 전지는 본 발명의 일부 이점 및 장점을 추가로 예시하기 위해 제작한다. 활성 전지 면적 5 cm2를 구비한 막 전극 어셈블리("MEA")는 촉매 층을 도포하는 직접 페인트(paint) 기법을 이용하여 제작한다. 이 기법은 일반적으로 막의 한 표면상에 촉매 잉크를 페인팅 처리하는 단계, 및 이후 건조시켜 고체 촉매 층을 잔류시키는 단계를 수반한다. 촉매 잉크는 촉매 나노 입자를 적당량의 밀리포어 수 및 5 % 리캐스트(recast) NAFION(등록상표) 용액(1100 EW, Solution Technology, Inc. 제품)에 분산시킴으로써 제조한다. 애노드 및 캐소드 촉매 잉크는 NAFION(등록상표)(112) 막의 각 측면에 직접 페인팅 처리한다.Exemplary formic acid fuel cells using a fourth group of exemplary catalysts of the present invention are fabricated to further illustrate some of the advantages and advantages of the present invention. Membrane electrode assemblies ("MEA") with an active cell area of 5 cm 2 are fabricated using a direct paint technique to apply a catalyst layer. This technique generally involves painting the catalyst ink on one surface of the film, and then drying to leave the solid catalyst layer. Catalyst inks are prepared by dispersing the catalyst nanoparticles in an appropriate amount of millipore water and 5% recast NAFION® solution (1100 EW, Solution Technology, Inc.). Anode and cathode catalyst inks are painted directly on each side of the NAFION® film.

예시적 MEA의 경우, 캐소드는 약 8 mg/cm2의 표준 장입량의 비지지된 백금 블랙 나노입자(27 m2/g, Johnson Matthey)로 구성된다. 다른 장입량이 고려되는데, 예를 들면 약 2 내지 약 8 mg/cm2 범위가 있다. 카본 클로쓰(cloth) 확산 층(E-TeK)은 캐소드 및 애노드 촉매 층 양쪽 상부에 배치한다. 캐소드 카본 클로쓰의 양쪽 측면은 물 제어를 위한 코팅된 테플론(등록상품)이다. 단일 전지 테스트 고정물(fixture)은 직접 액체 공급물을 구비한 기계 처리된 흑연 흐름 영역 및 부식을 피하기 위한 금 도금된 평판으로 구성된다. 애노드는 카본 지지된 Pd 촉매 또는 비지지된 Pd 촉매로 구성된다. Pd/C 촉매의 애노드 촉매 장입량을 카본 지지의 질량을 포함하는 약 6 mg/cm2이다. Pd 블랙 촉매의 장입량은 약 2.4 mg/cm2이다. 각각의 카본 지지된 촉매 잉크 뱃치(batch)의 경우에는, 촉매 10 mg 이하(카본과 Pd의 총 중량)가 제조된다. 카본 지지된 촉매 잉크를 중합체 전극 막에 페인팅 처리하기 전에, 5 중량% NAFION 용액의 2개의 층을 상부에 페인팅 처리하고 1 분 동안 건조시킨다. 이러한 NAFION 초기 층은 안정한 카본 지지된 Pd 촉매 층을 형성시키는데 유용하다고 여겨진다.For an exemplary MEA, the cathode consists of a standard loading of about 8 mg / cm 2 unsupported platinum black nanoparticles (27 m 2 / g, Johnson Matthey). Other loadings are contemplated, for example in the range of about 2 to about 8 mg / cm 2 . A carbon cloth diffusion layer (E-TeK) is placed on top of both the cathode and anode catalyst layers. Both sides of the cathode carbon cloth are coated Teflon (registered product) for water control. Single cell test fixtures consist of a machined graphite flow area with a direct liquid feed and a gold plated plate to avoid corrosion. The anode consists of a carbon supported Pd catalyst or an unsupported Pd catalyst. The anode catalyst loading of the Pd / C catalyst is about 6 mg / cm 2 including the mass of the carbon support. The loading of Pd black catalyst is about 2.4 mg / cm 2 . For each carbon supported catalyst ink batch, up to 10 mg of catalyst (total weight of carbon and Pd) is produced. Prior to painting the carbon supported catalyst ink on the polymer electrode film, two layers of 5% by weight NAFION solution are painted on top and dried for 1 minute. This NAFION initial layer is believed to be useful for forming a stable carbon supported Pd catalyst layer.

도 6은 이렇게 제작된 본 발명의 예시적 포름산 연료 전지의 전압 전류 특성 플롯(plot)을 도시한 것으로, 여기서는 본 발명의 상이한 촉매를 사용하여 운전한다. 모든 데이타는 30 ℃에서 산출한 것이다. 전류는 총 활성 표면적에 의해 정규화한다. 도 6에 따르면, 본 발명의 카본 지지된 Pd 촉매는 상업적 Pd 블랙 촉매보다 노출 표면적 당 활성을 더 크게 갖는다. 이는 놀랍고 유익한 결과이다. 카본 상에 지지된 PdAu 촉매는 가장 높은 활성을 보인다.FIG. 6 shows a plot of voltage and current characteristics of an exemplary formic acid fuel cell of the present invention fabricated as such, which is operated using different catalysts of the present invention. All data are calculated at 30 ° C. The current is normalized by the total active surface area. According to FIG. 6, the carbon supported Pd catalyst of the present invention has greater activity per exposed surface area than commercial Pd black catalysts. This is a surprising and beneficial result. PdAu catalysts supported on carbon show the highest activity.

도 7는 일정한 전지 전압(0.39 V)에서 3 개의 예시적 포름산 연료 전지의 전력 밀도를 측정한 것으로, 여기서는 본 발명의 상이한 애노드 촉매를 각각 사용한다. 전력 데이타는 총 활성 표면에 의해 정규화한다. 도 7에 따르면, 카본 지지된 Pd 촉매는 상업적 Pd 블랙 촉매보다 노출 표면적 당 활성을 더 크게 갖는다. 이는 놀랍고 유익한 결과이다. 카본 상에 지지된 PdAu 촉매는 가장 높은 활성을 보인다.FIG. 7 measures the power density of three exemplary formic acid fuel cells at a constant cell voltage (0.39 V), where different anode catalysts of the present invention are used, respectively. Power data is normalized by total active surface. According to FIG. 7, the carbon supported Pd catalyst has greater activity per exposed surface area than commercial Pd black catalysts. This is a surprising and beneficial result. PdAu catalysts supported on carbon show the highest activity.

도 8는 본 발명의 상이한 촉매를 사용하는 예시적 연료 전지에 의한 전지 성능에 미치는 포름산 공급물 농도의 효과를 예시한 것이다. 도 8에 따르면, 15 M 포름산에서 Pd 블랙 촉매를 사용하는 포름산 연료 전지는 약 146 mW/cm2의 전력 밀도를 제공하며, 이는 5 M 포름산에서 그 전력 밀도로부터 약 42% 성능 감소에 해당한다. 또한, 도 8은 예시적 카본 촉매 상에 지지된 20 중량% Pd 촉매를 구비한 포름산 연료 전지도 포름산 공급 농도가 3 M에서 20 M로 증가함에 따라 성능 열화를 나타낸다는 점을 보여준다. 그러나, 카본 상에 지지된 Pd 촉매의 열화는 비지지된 Pd 블랙의 것보다 덜 심각한 것이다. 도 8의 데이터에 따르면, 15 M에서 카본 지지된 Pd 촉매를 구비한 포름산 연료 전지는 약 107 mW/cm2의 전력 밀도를 산출하는데, 이는 5 M 포름산에서 그 전력밀도로부터 단지 약 23% 성능 감소에 해당한다. 이는 놀랍고 유익한 결과이다.8 illustrates the effect of formic acid feed concentration on cell performance by an exemplary fuel cell using different catalysts of the present invention. According to FIG. 8, a formic acid fuel cell using Pd black catalyst at 15 M formic acid provides a power density of about 146 mW / cm 2 , which corresponds to a performance reduction of about 42% from its power density at 5 M formic acid. FIG. 8 also shows that formic acid fuel cells with 20 wt% Pd catalyst supported on exemplary carbon catalysts also exhibit performance degradation as the formic acid feed concentration increases from 3 M to 20 M. FIG. However, degradation of Pd catalyst supported on carbon is less severe than that of unsupported Pd black. According to the data of FIG. 8, a formic acid fuel cell with a carbon supported Pd catalyst at 15 M yields a power density of about 107 mW / cm 2 , which is only about 23% performance reduction from its power density at 5 M formic acid. Corresponds to This is a surprising and beneficial result.

도 9는 본 발명의 예시적 촉매 및 연료 전지의 성능을 추가로 예시하는, 30℃에서 5 M 포름산 공급물 농도를 사용하는 포름산/공기 연료 전지 분극화 플롯을 도시한 것이다. 2개의 상이한 애노드 Pd 촉매를 사용한다: 1) 예시적 촉매의 제4 군을 참조하여 상기 기술한 합성 공정을 통해 제조되고 카본상에 지지되는 20 중량% Pd 촉매 및 2) 상업적으로 이용가능한 활성화된 카본 지지상에 지지된 20 중량% 알파-애사 Pd 촉매. PtBl 촉매는 캐소드에 유용하다. 애노드 및 캐소드 촉매 장입량은 각각 약 1.2 mg Pd/cm2와 약 8 mg/cm2이다. 애노드에 대한 포름산 유량은 약 1 ml/min이다. 무수 공기는 배압(back pressure)없이 390 sccm의 유량으로 캐소드로 공급한다. 도 9는 상업적으로 이용가능한 촉매 및 합성된 촉매 모두가 본 발명의 포름산 연료 전지와 함께 사용되었을 때 우수한 성능을 나타낸다는 점을 예시하여 보여준다. 놀랍게도, 양쪽 촉매는 단지 약 1.2 mg/cm2의 장입량으로만 사용되었을 때에도 결과적으로 비지지된 Pd의 약 8 mg/cm2의 훨씬 높은 장입량을 사용하는 동일 조건하에서 미리 이루어진 전류 활성과 일치하는 전류 활성 수준을 생성한다. 이는 본 발명의 Pd계 촉매가 카본 상에 지지되는 경우 상당한 이점과 장점을 제공한다는 추가적인 증거가 된다.9 shows a formic acid / air fuel cell polarization plot using 5 M formic acid feed concentration at 30 ° C., further illustrating the performance of the exemplary catalyst and fuel cell of the present invention. Two different anode Pd catalysts are used: 1) 20 wt% Pd catalyst prepared via the synthesis process described above with reference to the fourth group of exemplary catalysts and supported on carbon and 2) commercially available activated 20 wt% alpha-assay Pd catalyst supported on a carbon support. PtBl catalysts are useful for cathodes. The anode and cathode catalyst loadings are about 1.2 mg Pd / cm 2 and about 8 mg / cm 2, respectively. The formic acid flow rate for the anode is about 1 ml / min. Anhydrous air is supplied to the cathode at a flow rate of 390 sccm without back pressure. 9 exemplarily shows that both commercially available catalysts and synthesized catalysts exhibit excellent performance when used with the formic acid fuel cell of the present invention. Surprisingly, even when both catalysts were used with only a dose of about 1.2 mg / cm 2, the resulting current was consistent with the pre-formed current activity under the same conditions using a much higher loading of about 8 mg / cm 2 of unsupported Pd. Generate an active level. This is further evidence that the Pd-based catalyst of the present invention provides significant advantages and advantages when supported on carbon.

본 발명의 예시적 촉매의 제4 군을 예시하고 논의하기 하였지만, 이들은 단지 예시적인 것으로 본 발명의 다른 촉매를 고려된다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 예시적 촉매를 애노드 촉매를 참조하여 논의하기 하였지만, 또한 이들 예시적인 촉매는 캐소드 촉매로도 사용할 수 있을 것이다.While a fourth group of exemplary catalysts of the invention has been illustrated and discussed, it will be appreciated that these are merely exemplary and other catalysts of the invention are contemplated. In addition, although exemplary catalysts of the present invention have been discussed with reference to anode catalysts, these exemplary catalysts may also be used as cathode catalysts.

예시적 연료 전지 및 MEAExemplary Fuel Cells and MEAs

본 발명의 다른 실시양태는 본 발명의 촉매를 포함하는 포름산 연료 전지 및 막 전극 어셈블리("MEA")에 관한 것이다. 상기 논의한 바와 같이 이러한 전지와 MEA는 본 발명의 촉매의 상당한 성능 및 저 비용에 기인하여 상당한 이점 및 장점을 제공한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대 약 주위 온도 내지 40℃의 온도에서 전기 에너지 발생의 유용한 수준, 낮은 크로스오버(crossover) 및 무독성이면서 환경 친화적인 연료를 비롯한 다수의 장점 및 이점을 다른 유기 연료 전지에 비하여 포름산 연료 전지와 관련하여 발견하게 되었다.Another embodiment of the invention relates to a formic acid fuel cell and a membrane electrode assembly ("MEA") comprising the catalyst of the invention. As discussed above, it will be appreciated that such cells and MEAs offer significant advantages and advantages due to the significant performance and low cost of the catalysts of the present invention. Numerous advantages and advantages, including for example, useful levels of electrical energy generation, low crossover and non-toxic and environmentally friendly fuels at temperatures from about ambient to 40 ° C. in relation to formic acid fuel cells over other organic fuel cells. Found out.

제1 예시적 연료 전지First Exemplary Fuel Cell

도 10의 개략도는 일반적으로 식별 번호(10)으로 하여 본 발명의 예시적 포름산 연료 전지를 도시한 것이다. 연료 전지(10)는 애노드(12), 고체 중합체 양성자 전도성 전해질(14) 및 기체 확산 캐소드(16)를 포함한다. 애노드(12)는 애노드 인클로저(enclosure)(18) 내에 둘러싸여 있고, 반면에 캐소드(16) 캐소드 인클로저(20)내에 둘러싸여 있다. 캐소드 인클로저(20)는 주위에 개방될 수 있어서 캐소드(16)은 대기에 노출된다. 전기적 로드(도시되어 있지 않음)가 전기적 연결부(22)를 통해 캐소드(12)와 캐소드(16) 사이에서 연결될 때, 유기 연료의 전기적-산화는 애노드(12)에서 일어나고 산화제의 전기적-환원은 캐소드(16)에서 일어난다.The schematic diagram of FIG. 10 generally illustrates an exemplary formic acid fuel cell of the present invention with an identification number 10. The fuel cell 10 includes an anode 12, a solid polymer proton conductive electrolyte 14 and a gas diffusion cathode 16. The anode 12 is enclosed in an anode enclosure 18, while the cathode 16 is enclosed in a cathode enclosure 20. The cathode enclosure 20 may be open around so that the cathode 16 is exposed to the atmosphere. When an electrical rod (not shown) is connected between the cathode 12 and the cathode 16 via the electrical connection 22, the electro-oxidation of the organic fuel takes place at the anode 12 and the electro-reduction of the oxidant is carried out at the cathode. Happens at 16.

애노드(12) 및 캐소드(16)에서의 상이한 반응의 발생은 두 전극 사이의 전압 차이를 생성시킨다. 애노드(12)에서 전기적-산화에 의해 발생되는 전자는 연결부(22)를 통해 전도되고 마침내 캐소드(16)에서 포획된다. 애노드(12)에서 생성된 수소 이온 또는 양성자는 막 전해질(14)을 거쳐 캐소드(16)으로 이동된다. 그러므로, 전류의 흐름은 전지를 통한 이온의 흐름 및 연결부(22)를 통한 전자의 흐름에 의해 유지된다. 이 전류는 실제 예를 들면, 전기적 장치에 전력을 공급하거나 배터리를 충전하는 데 이용할 수 있다.The occurrence of different reactions at anode 12 and cathode 16 creates a voltage difference between the two electrodes. Electrons generated by electro-oxidation at the anode 12 are conducted through the connection 22 and are finally captured at the cathode 16. Hydrogen ions or protons produced at the anode 12 are transported to the cathode 16 via the membrane electrolyte 14. Therefore, the flow of current is maintained by the flow of ions through the cell and the flow of electrons through the connections 22. This current can actually be used to power an electrical device or to charge a battery, for example.

애노드(12), 고체 중합체 전해질(14) 및 캐소드(16)은 바람직하게는 막 전극 어셈블리(MEA)라고 칭할 수 있는 단일층 또는 다층 복합 구조이다. 바람직하게는 고체 중합체 전해질(14)은 음이온성 황산염을 함유하는 양성자 전도성 양이온 교환 막, 예컨대 듀폰 케미칼 컴파니(DuPont Chemical Co., 델라웨어주 소재)으로부터 상표 NAFION 하에 상업적으로 이용가능한 퍼플루오르화 술폰산 중합체 막이다. NAFION은 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로비닐에테르 술폰산의 중합체이다. 예를 들면, 변형된 퍼플루오로화된 술폰산 중합체의 막, 폴리히드로카본 술폰산의 막, 다른 산성 리간드를 함유하는 막 및 2개 이상 종류의 양성자 교환 막의 복합체를 비롯한 다른 막 재료도 사용할 수 있다.The anode 12, solid polymer electrolyte 14 and cathode 16 are preferably a single layer or multilayer composite structure, which may be referred to as a membrane electrode assembly (MEA). Preferably, the solid polymer electrolyte 14 is a proton conductive cation exchange membrane containing anionic sulfate, such as perfluorinated sulfonic acid commercially available under the trademark NAFION from DuPont Chemical Co., Delaware. Polymer membrane. NAFION is a polymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinylether sulfonic acid. For example, other membrane materials may be used, including membranes of modified perfluorinated sulfonic acid polymers, membranes of polyhydrocarbon sulfonic acid, membranes containing other acidic ligands, and complexes of two or more types of proton exchange membranes.

일부 예시적 연료 전지에 있어서, 포름산 연료 용액은 밸브(26) 또는 다른 메커니즘에 의해 연료 전지(10)에 부착될 수 있는 탈착가능한 용기(24)내에 제공할 수 있다. 용기(24)는 예를 들면, 일회용 또는 재생용 카트리지일 수 있다. 인클로저(28)에 상대적으로 상승된 압력에서 인클로저(18) 내로의 연료 용액의 흐름을 유발시킬 수 있다. 용기(24)는 예를 들면 액체 연료 용액을 인클로저(18) 내로 흐르게 하는 탄성 또는 다른 블래더(bladder)를 포함할 수 있다. 밸브(26)는 필요에 따라 애노드(12)와 연료 용액을 접촉 순환시키기 위해서 폐쇄하거나 개방할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같은 카드리지 배치는 연료 용액을 소모한 후 연료 용액을 교체할 수 있도록 고려한 것이다. 카트리지의 연료 용액은 예를 들면, 초기에 고 농도에서 제공되고 화학반응이 MEA에 걸쳐 일어남에 따라 점차로 소모될 수 있다.In some exemplary fuel cells, the formic acid fuel solution may be provided in a removable container 24 that may be attached to the fuel cell 10 by a valve 26 or other mechanism. The container 24 may be, for example, a disposable or remanufactured cartridge. It can cause the flow of fuel solution into the enclosure 18 at an elevated pressure relative to the enclosure 28. The vessel 24 may include, for example, an elastic or other bladder that allows the liquid fuel solution to flow into the enclosure 18. The valve 26 may be closed or open as needed to contact and circulate the anode 12 and the fuel solution. The cartridge arrangement as shown in FIG. 10 is considered to allow the fuel solution to be replaced after the fuel solution is consumed. The fuel solution of the cartridge is initially provided at high concentrations and may gradually be consumed as the chemical reaction occurs across the MEA.

밸브(26)는 연료 용액의 흐름을 제어하기 위해서 수동으로 또는 자동으로 조절할 수 있고, 또한 화학 반응의 속도 및 에너지 발생을 제어할 수 있다. 실제 예를 들면, 전기 장치를 사용하지 않고 전력 발생 수요가 존재하지 않을 때, 애노드(12)를 연료 용액으로부터 단리시키는 것이 바람직할 수 있다. 밸브(26)는 역시 소모 후에 용기(24)를 변경하기 위해서 폐쇄할 수 있다. 추가적 밸브(26) 또는 유사 메커니즘은 제공되어, 예를 들면 용기(24) 및 애노드 인클로저(18)를 시일 처리할 수 있다. 물과 농축된 연료 용액을 혼합하는 공정은 애노드 인클로저(18) 내에서 일어나는데, 여기서 혼합을 위해 물을 제공하기 위해서 애노드 인클로저와 유체 소통하는 순환 루프(loop)가 존재할 수 있다.The valve 26 can be adjusted manually or automatically to control the flow of fuel solution, and can also control the rate and energy generation of the chemical reaction. In practice, for example, it may be desirable to isolate the anode 12 from the fuel solution when there is no demand for power generation without using an electrical device. The valve 26 may also be closed to change the container 24 after consumption. Additional valves 26 or similar mechanisms may be provided, for example to seal the vessel 24 and the anode enclosure 18. The process of mixing the water with the concentrated fuel solution takes place in the anode enclosure 18, where there may be a circulation loop in fluid communication with the anode enclosure to provide water for mixing.

구체적인 예시적 연료 전지는 포름산 10 중량% 이상의 용액을 보유하는 포름산 전지이고, 반면에 다른 것은 포름산 25% 이상을 보유한다. 또 다른 것은 포름산 약 40% 내지 100% 및 포름산 약 65% 내지 100%를 보유할 수 있다. 10% 이하의 농도를 비롯한 다른 포름산 농도는 본 발명의 실시의 경우에 고려된다. 이러한 농도 또는 다른 농도를 보유하는 연료 용액은 용기(24)에 함유되고 애노드(12)와 접촉한 채로 흐를 수 있다. 애노드(12)에서의 연료 용액 농도는, 예를 들면 애노드 인클로저(18)에 존재하는 보다 낮은 농도 연료 용액으로 희석되기 때문에 용기(24) 중의 농도와는 다를 수 있다. 추가로, 그 농도는 포름산이 반응함에 따라 경시적으로 변할 수 있다.Specific exemplary fuel cells are formic acid cells having a solution of at least 10% by weight of formic acid, while others have at least 25% of formic acid. Another may have about 40% to 100% formic acid and about 65% to 100% formic acid. Other formic acid concentrations, including concentrations up to 10%, are contemplated in the practice of the present invention. Fuel solutions having these or other concentrations may be contained in the vessel 24 and flow in contact with the anode 12. The fuel solution concentration at the anode 12 may be different from the concentration in the vessel 24 because it is diluted with, for example, the lower concentration fuel solution present in the anode enclosure 18. In addition, the concentration may change over time as formic acid reacts.

포름산 연료 전지의 애노드(12)에서 일어나는 산화 반응은 하기 반응식과 같이 일어난다. The oxidation reaction occurring at the anode 12 of the formic acid fuel cell takes place as in the following reaction formula.

반응식 1Scheme 1

HCOOH- → 2H+ + C02 + 2e- HCOOH - → 2H + + C0 2 + 2e -

CO2 생성물은 챔버로부터 기체 제거 포트(port)를 통해 외부로 흐른다. 기체 제거 포트는 내부에 함유된 연료 용액의 효과적인 교반을 촉진하는 애노드 인클로저(18) 내의 가스의 흐름 통로를 촉진하기 위해서 크기, 위치 및 다른 요소를 고려하여 배치할 수 있다. 반응식 1의 H+ 생성물은 중합체 전해질 층(14)을 통해 캐소드(16)으로 통과하고, 유리 전자 e- 생성물은 전기적 연결부(22)를 통해 캐소드(16)로 흐른다. 캐소드(16)에서 환원 반응은 하기 반응식과 같이 일어난다.The CO 2 product flows out of the chamber through a degassing port. The degassing port may be positioned in consideration of size, location and other factors to facilitate the flow passage of gas in the anode enclosure 18 which promotes effective agitation of the fuel solution contained therein. The H + product of Scheme 1 passes through the polymer electrolyte layer 14 to the cathode 16, and the free electron e product flows through the electrical connection 22 to the cathode 16. The reduction reaction at the cathode 16 takes place as in the following scheme.

반응식 2Scheme 2

O2 + 2e- + 2H+ → 2H20 O 2 + 2e - + 2H + 2H 2 0

산화제 O2는 공기 또는 다른 공급원으로부터 얻을 수 있다.Oxidizer O 2 can be obtained from air or other sources.

펌프 또는 다른 수단은 포름산 연료 용액의 흐름 및 공기/O2의 흐름을 추진시키기 위해서 제공될 수 있다. 또는 수동 유기 연료 전지의 경우, 애노드 인클로저는 폐쇄될 수 있고 애노드 인클로저의 기체 흐름은 포름산 용액의 순환을 추진할 수 있다.Pumps or other means may be provided to propel the flow of formic acid fuel solution and the flow of air / O 2 . Or in the case of a passive organic fuel cell, the anode enclosure can be closed and the gas flow of the anode enclosure can drive the circulation of the formic acid solution.

H2O 생성물은 제거 포트(26)를 통해 캐소드 인클로저(20)으로부터 외부로 흐른다. 일부 예시적 연료 전지에 있어서, H2O 생성물은 포름산 연료 용액의 농도를 조절하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 상대적 고농도 포름산 연료 용액은 용기(24)에 제공되고 캐소드의 H2O 및/또는 다른 희석제로 애노드 인클로저에서 희석될 수 있다. 또한, 애노드 인클로저(18)에 연결된 추가 저장소(도시되어 있지 않음)는 제공되어 H2O 또는 다른 희석제를 함유할 수 있다. 이는 다른 이유 뿐만 아니라 매우 조밀하고 휴대가능한 용기(24)를 제공한다는 것에서 유익할 수 있다.The H 2 O product flows out of the cathode enclosure 20 through the removal port 26. In some exemplary fuel cells, the H 2 O product may be used to adjust the concentration of formic acid fuel solution. For example, a relatively high concentration of formic acid fuel solution may be provided to the vessel 24 and diluted in the anode enclosure with H 2 O and / or other diluents of the cathode. In addition, additional reservoirs (not shown) connected to the anode enclosure 18 may be provided to contain H 2 O or other diluents. This may be beneficial in that it provides a very compact and portable container 24 as well as other reasons.

실제 예를 들면, 본 발명의 포름산 연료 전지는 상대적으로 넓은 연료 농도 범위에 걸쳐 상대적으로 일정하고 유용한 수준의 전기 에너지를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 본 발명의 포름산 연료 전지는 약 3 M 내지 약 12 M의 포름산 연료 농도에서 작동하였을 때 상대적으로 일정하고 유용한 수준의 전기 에너지를 제공할 수 있다. 이러한 환경하에서, 연료를 보존하고, 촉매를 보존하며, 고농도에 대한 노출로부터 다른 성분을 보존하고, 및 다른 이유를 위해 낮은 농도에서 조작하는 것은 이로울 수 있다. 따라서, 포름산 연료 용액은 용기(24)에서 상대적으로 높은 농도에서 제공되고 애노드에서 희석될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 포름산 연료 전지는 경시적으로 연료 용액 농도의 어느 정도 변화를 가질 수 있으며, 애노드 인클로저(18) 및/또는 용기(24) 내에서 위치함에 따라 어느 정도 변화를 가질 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.In practical example, the formic acid fuel cell of the present invention has been found to provide a relatively constant and useful level of electrical energy over a relatively wide fuel concentration range. For example, the formic acid fuel cell of the present invention can provide a relatively constant and useful level of electrical energy when operated at formic acid fuel concentrations of about 3 M to about 12 M. Under these circumstances, it may be beneficial to conserve fuel, preserve catalyst, preserve other components from exposure to high concentrations, and operate at low concentrations for other reasons. Thus, the formic acid fuel solution can be provided at a relatively high concentration in the vessel 24 and diluted at the anode. Therefore, the formic acid fuel cell of the present invention may have a slight change in fuel solution concentration over time, and may vary to some extent as it is located within the anode enclosure 18 and / or vessel 24. I can understand.

각각의 애노드(12) 및 캐소드(16)는 지지되거나 비지지될 수 있는 본 발명의 촉매를 포함할 수 있다. 예시적 촉매는 본 명세서에서 상기 논의된 것들을 포함한다. Pd계 촉매는 비용, 포름산 환원에 대한 낮은 활성 에너지 및 전체 촉매 활성을 비롯한 다수의 이유로 본 발명의 포름산 연료 전지와 함께 사용할 경우 특히 유용할 수 있다. Pd 촉매는 일부 다른 촉매를 사용할 때 일어나는 바와 같이 CO 중간물의 형성을 피하는 직접 반응 경로를 촉진한다고 여겨진다.Each anode 12 and cathode 16 may comprise a catalyst of the present invention that may be supported or unsupported. Exemplary catalysts include those discussed above herein. Pd-based catalysts can be particularly useful when used with the formic acid fuel cell of the present invention for a number of reasons, including cost, low activity energy for formic acid reduction and overall catalytic activity. Pd catalysts are believed to promote a direct reaction pathway that avoids the formation of CO intermediates, as occurs when using some other catalysts.

카본 상에 지지된 Pd계 촉매는, 본 명세서에서 상기 논의한 바와 같이, 특히 놀라운 수준의 활성을 나타낸다. 카본 지지된 Pd는 본 명세서에서 상기 논의한 바와 같이 금속 M, 3가지 예인 Au, V 및 Mo와 조합될 수 있고/있거나 금속 M 상에서 지지될 수 있다. 본 발명의 촉매를 사용하는 본 발명의 포름산 연료 전지는 상대적으로 낮은 촉매 장입량을 요구하면서 상대적으로 높은 수준의 전기 에너지를 생성하는 것으로 보여진다. 이러한 놀라운 결과는 비용 절감(이에 국한되는 것은 아님)을 비롯한 이점 및 장점을 제공한다.Pd-based catalysts supported on carbon exhibit particularly surprising levels of activity, as discussed above herein. The carbon supported Pd may be combined with metal M, three examples Au, V and Mo and / or supported on metal M as discussed above herein. The formic acid fuel cell of the present invention using the catalyst of the present invention has been shown to produce relatively high levels of electrical energy while requiring a relatively low catalyst loading. These surprising results offer benefits and advantages, including, but not limited to, cost savings.

바람직한 MEA를 사용할 경우, 애노드(12) 및 캐소드(16)는 NAFION 막의 대향 측면에 직접 도포된 촉매 층으로 구성될 수 있다. 예를 들면, MEA는 막(14)의 반대 표면 상에 애노드 및 캐소드 촉매 잉크를 직접 페인팅 처리함으로써 제작될 수 있다. 또한, 전도를 촉진하기 위해서는 예를 들면 Au, C 및 다른 메쉬 또는 스크린을 비롯한 중간층도 제공할 수 있다. 실제 예를 들면, 애노드 잉크는 카본 상에 비지지되거나 지지된 PdAu 촉매뿐만 아니라 본 발명의 촉매 중 임의의 다른 것(들)을 포함할 수 있다. 촉매 잉크가 건조될 때, 고체 촉매 입자는 막(14)에 부착되어 애노드(12) 및 캐소드(16)를 형성한다. 약 0.05-20 mg/cm2의 장입량이 유용하다고 여겨지고 2-8 mg/cm2 및 4-6 mg/cm2의 다른 유용한 범위도 존재한다. 구체적인 장입량은 구체적으로 선택된 촉매, 연료 용액 농도(들), 소정의 전기 에너지 출력 및 다른 인자에 기초하여 선택될 수 있다.When using the preferred MEA, anode 12 and cathode 16 may be comprised of a catalyst layer applied directly to the opposite side of the NAFION membrane. For example, the MEA can be fabricated by painting the anode and cathode catalyst inks directly on the opposite surface of the film 14. In addition, interlayers can also be provided to facilitate conduction, including, for example, Au, C and other meshes or screens. In practice, the anode ink may include any other (s) of the catalyst of the present invention as well as PdAu catalysts unsupported or supported on carbon. When the catalyst ink dries, solid catalyst particles adhere to the membrane 14 to form an anode 12 and a cathode 16. A loading of about 0.05-20 mg / cm 2 is considered useful and other useful ranges of 2-8 mg / cm 2 and 4-6 mg / cm 2 exist. The specific loading may be selected based on the specifically selected catalyst, fuel solution concentration (s), the desired electrical energy output and other factors.

미세한 카본 입자 상에 지지되는 것 이외에도, 본 발명의 촉매는 전극촉매(electrocatalyst)의 입자와 전기적 접촉하는 고 표면적 카본 시트(sheeting) 상에 지지될 수 있다. 구체적인 예를 들면, 애노드(12)는 결합제, 예컨대 NAFION과 본 발명의 촉매, 예컨대 Pd/V를 혼합하고, 이어서 예시적 장입량으로 카본 백킹 페이퍼(backing paper) 상에 전연시킴으로써 형성시킬 수 있다. 이어서, 백킹 페이퍼를 NAFION 막(14)의 표면에 부착시킬 수 있다.In addition to being supported on fine carbon particles, the catalyst of the invention can be supported on high surface area carbon sheeting in electrical contact with particles of an electrocatalyst. As a specific example, the anode 12 can be formed by mixing a binder such as NAFION with a catalyst of the present invention such as Pd / V and then rolling it over carbon backing paper at an exemplary charge. The backing paper can then be attached to the surface of the NAFION film 14.

예시적 캐소드 전극촉매 합금 및 카본 섬유 백킹은 3 상의 경계를 생성하고 산소의 전기적-환원에 의해 생성된 물의 효과적인 제거를 달성하기 위해서 소수성을 제공하는 TEFLON 약 10-50 중량%를 추가로 함유할 수 있다. 캐소드 촉매 백킹은 애노드(12) 반대의 NAFION 전해질 막(14)의 표면에 부착한다.Exemplary cathode electrocatalyst alloys and carbon fiber backings may further contain about 10-50% by weight of TEFLON, which provides hydrophobicity to create three phase boundaries and to achieve effective removal of water generated by electro-reduction of oxygen. have. The cathode catalyst backing adheres to the surface of the NAFION electrolyte membrane 14 opposite the anode 12.

대부분의 본 발명의 연료 전지(10)를 병렬식 또는 직렬식으로 제공하는 것이 이점 및 장점일 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. It will be appreciated that it may be an advantage and advantage to provide most of the fuel cells 10 of the present invention in parallel or in series.

제2 예시적 연료 전지Second Exemplary Fuel Cell

먼저 도 11을 살펴보면, 단일 직접 액체 공급물 연료 전지(100)는 애노드 전류 콜렉터(collector)(110) 및 캐소드 전류 콜렉터(120)를 포함한다. 애노드 전류 콜렉터(110)는 주요 평면 부분(111) 및 애노드 전류 콜렉터 주요 평면 부분(111)으로부터 실질적으로 수직으로 확장하고 그 부분(11)을 실질적으로 외접하는 에지(112)를 보유한다. 애노드 전류 콜렉터 평면 부분(111)은 애노드 전류 콜렉터를 통한 유체 확산을 용이하게 하는 개구부(opening)(113)를 가진다. 예를 들면, 애노드 전류 콜렉터(110)는 금 도금된 티타늄으로부터 형성될 수 있다.Referring first to FIG. 11, a single direct liquid feed fuel cell 100 includes an anode current collector 110 and a cathode current collector 120. The anode current collector 110 has an edge 112 that extends substantially perpendicularly from the main planar portion 111 and the anode current collector main planar portion 111 and substantially circumscribes the portion 11. The anode current collector planar portion 111 has an opening 113 to facilitate fluid diffusion through the anode current collector. For example, anode current collector 110 may be formed from gold plated titanium.

캐소드 전류 콜렉터(120)는 주요 평면 부분(121) 및 캐소드 전류 콜렉터 주요 평면 부분(121)으로부터 실질적으로 수직으로 확장하고 그 부분(121)을 외접하는 에지(122)를 보유한다. 캐소드 전류 콜렉터 평면 부분(121)은 캐소드 전류 콜렉터를 통한 유체 확산을 용이하게 하는 내부에 형성된 개구부(123)를 보유한다. 예를 들면, 캐소드 전류 콜렉터(120)는 금 도금된 티타늄으로부터 형성될 수 있다.The cathode current collector 120 has an edge 122 that extends substantially perpendicularly from the main planar portion 121 and the cathode current collector main planar portion 121 and circumscribes the portion 121. The cathode current collector planar portion 121 has an opening 123 formed therein that facilitates fluid diffusion through the cathode current collector. For example, cathode current collector 120 may be formed from gold plated titanium.

추가로 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, MEA(130)는 애노드 전류 콜렉터(110) 및 캐소드 전류 콜렉터(120) 사이에 삽입된다. MEA(130)는 2개의 대향하는 주요 평면 표면(132, 133)을 지닌 막 전해질(131)을 포함한다. MEA 주요 평면 표면(132) 중 하나는 애노드 전류 콜렉터(110)를 접하고 있고, 다른 하나의 주요 평면 표면(133)은 캐소드 전류 콜렉터(120)를 접하고 있다. MEA 주요 평면 표면(132) 상에는, 제1 전극촉매 층(134)이 배치된다. MEA 주요 평면 표면(135) 상에는 제2 전극 층(135)이 배치된다. 구체적인 예를 들면, 막 전해질(131)은 퍼플루오로술폰산 막, 예컨대 NAFION으로부터 형성될 수 있다.As further shown in FIG. 11, MEA 130 is inserted between anode current collector 110 and cathode current collector 120. MEA 130 includes membrane electrolyte 131 having two opposing major planar surfaces 132, 133. One of the MEA major planar surfaces 132 abuts the anode current collector 110, and the other major planar surface 133 abuts the cathode current collector 120. On the MEA major planar surface 132, a first electrocatalyst layer 134 is disposed. A second electrode layer 135 is disposed on the MEA major planar surface 135. For example, the membrane electrolyte 131 may be formed from a perfluorosulfonic acid membrane such as NAFION.

애노드 유체 확산 층(140)은 애노드 전류 콜렉터(110)와 MEA(130) 사이에 삽입된다. 애노드 유체 분산 층(140)은 전기 전도성 물질(141)을 포함한다. 예를 들면, 이러한 전기 전도성 물질(141)은 스테인레스 스틸 메쉬, 금 도금된 스테인레스 스틸 메쉬, 고체 금 메쉬, 금 도금된 티타늄 메쉬, 티타늄 메쉬, 니오븀 메쉬, 금 도금된 니오븀 메쉬, 백금 도금된 니오븀 메쉬, 팔라듐 도금된 니오븀 메쉬, 카본 클로쓰, 카본 페이퍼, 테플론 코팅 처리된 카본 클로쓰, 테플론 코팅 처리된 카본 페이퍼, 금 도금된 발포성(expanded) 니오븀 호일, 백금 도금된 니오븀 호일 또는 팔라듐 도금된 니오듐 호일로부터 형성될 수 있다.The anode fluid diffusion layer 140 is inserted between the anode current collector 110 and the MEA 130. The anode fluid dispersion layer 140 includes an electrically conductive material 141. For example, these electrically conductive materials 141 may be stainless steel mesh, gold plated stainless steel mesh, solid gold mesh, gold plated titanium mesh, titanium mesh, niobium mesh, gold plated niobium mesh, platinum plated niobium mesh. Palladium plated niobium mesh, carbon cloth, carbon paper, Teflon coated carbon cloth, Teflon coated carbon paper, gold plated expanded niobium foil, platinum plated niobium foil or palladium plated nidium It can be formed from the foil.

캐소드 유체 확산 층(150)은 캐소드 교류 콜렉터(120)와 MEA(130) 사이에 삽입된다. 캐소드 유체 분산 층(150)은 전기 전도성 물질(151)을 함유한다. 예를 들면, 이러한 전기 전도성 물질(151)은 스테인레스 스틸 메쉬, 금 도금된 스테인레스 스틸 메쉬, 고체 금 메쉬, 금 도금된 티타늄 메쉬, 티타늄 메쉬, 니오븀 메쉬, 금 도금된 니오븀 메쉬, 백금 도금된 니오븀 메쉬, 팔라듐 도금된 니오븀 메쉬, 카본 클로쓰, 카본 페이퍼, 테플론 코팅 처리된 카본 클로쓰, 테플론 코팅 처리된 카본 페이퍼, 금 도금된 발포성 니오븀 호일, 백금 도금된 니오븀 호일 또는 팔라듐 도금된 니오듐 호일로부터 형성될 수 있다.The cathode fluid diffusion layer 150 is inserted between the cathode alternating collector 120 and the MEA 130. The cathode fluid dispersion layer 150 contains an electrically conductive material 151. For example, such electrically conductive material 151 can be stainless steel mesh, gold plated stainless steel mesh, solid gold mesh, gold plated titanium mesh, titanium mesh, niobium mesh, gold plated niobium mesh, platinum plated niobium mesh. Formed from palladium plated niobium mesh, carbon cloth, carbon paper, Teflon coated carbon cloth, Teflon coated carbon paper, gold plated expandable niobium foil, platinum plated niobium foil or palladium plated niobium foil Can be.

캐소드 전류 콜렉터(122)의 에지는 부분 시일(partial seal)을 형성시키기 위해서 애노드 전류 콜렉터(112)의 에지에 프레스 피팅 처리할 수 있다. 애노드와 캐소드 사이의 전기적 단리를 유지하기 위해서, 전기 절연성 물질(310)(도 15)의 층이 애노드 전류 콜렉터와 캐소드 콜렉터 사이에 위치되는 것이 필요하다. 본 발명의 내용에 있어서, 용어 전기 절연성 물질이란 양성자보다 전자에 대하여 보다 우수한 절연체인 물질을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 전기 절연성 물질은 모든 부류의 전형적인 절연체, 예컨대 고무, 유리, 공기 및 실리콘을 포함한다. 또한, 전기 절연성 물질은 H+ 이온의 흐름을 허용하면서 전자의 흐름을 차단하는 이온 교환 막도 포함한다. NAFION은 전기 절연성 물질인 이온 교환 막의 예이다. 캐소드-애노드 부분 시일은 애노드 전류 콜렉터(110)와 캐소드 전류 콜렉터(120) 사이에 배치된 유체를 함유할 때에 도움을 준다. 캐소드-애노드 부분 시일은 실란트(312, 314)(도 15)에 의해 추가적로 강화될 수 있다.The edge of cathode current collector 122 may be press fitting to the edge of anode current collector 112 to form a partial seal. In order to maintain electrical isolation between the anode and the cathode, a layer of electrically insulating material 310 (FIG. 15) needs to be located between the anode current collector and the cathode collector. In the context of the present invention, the term electrically insulating material is to be understood as meaning a material that is a better insulator for electrons than protons. Electrically insulating materials include all classes of typical insulators such as rubber, glass, air and silicon. The electrically insulating material also includes an ion exchange membrane that blocks the flow of electrons while allowing the flow of H + ions. NAFION is an example of an ion exchange membrane that is an electrically insulating material. The cathode-anode partial seal assists in containing fluid disposed between the anode current collector 110 and the cathode current collector 120. The cathode-anode portion seal may be further strengthened by sealants 312 and 314 (FIG. 15).

또다른 실시양태에 있어서, MEA(130)는 주요 평면 표면(132, 133)을 서로 마주 접하고 있는 MEA의 양 쪽을 외접하는 에지(136)를 보유한다. 캐소드 전류 콜렉터 에지(122)는 부분 시일을 형성하기 위해서 MEA 에지(136)와 프레스 피팅 처리할 수 있다. 캐소드-MEA 부분 시일은 실란트(sealant)(312)로 추가로 강화될 수 있다. 캐소드-MEA 부분 시일은 캐소드 전류 콜렉터(120)와 MEA(130) 사이에 배치된 유체를 함유할 때에 도움을 준다. 프레스 피팅 처리하는 동안, 비경화된 실란트(312)의 존재는 찢어짐을 방지하기 위해서 MEA 에지(136)를 매끄럽게 하는데 도움을 준다. In yet another embodiment, the MEA 130 has an edge 136 that circumscribes both sides of the MEA facing the major planar surfaces 132, 133. The cathode current collector edge 122 may press fit with the MEA edge 136 to form a partial seal. The cathode-MEA portion seal may be further reinforced with a sealant 312. The cathode-MEA partial seal assists in containing the fluid disposed between the cathode current collector 120 and the MEA 130. During the press fitting process, the presence of the uncured sealant 312 helps to smooth the MEA edge 136 to prevent tearing.

MEA 에지(136)는 추가로 부분 시일을 형성하기 위해서 애노드 전류 콜렉터 에지(112)와 프레스 피팅 처리할 수 있다. 애노드-MEA 부분 시일을 실란트(314)에 의해 추가로 강화될 수 있다. 애노드 MEA 부분 시일은 애노드 전류 콜렉터(110)와 MEA(130) 사이에 배치된 유체를 함유할 때에 도움을 준다. 프레스 피팅 처리하는 동안, 비경화된 실란트(314)의 존재는 찢어짐을 방지하기 위해서 MEA 에지(136)를 매끄럽게 하는데 도움을 준다. The MEA edge 136 may further press fit with the anode current collector edge 112 to form a partial seal. The anode-MEA portion seal may be further strengthened by sealant 314. The anode MEA partial seal assists in containing fluid disposed between the anode current collector 110 and the MEA 130. During the press fitting process, the presence of the uncured sealant 314 helps to smooth the MEA edge 136 to prevent tearing.

도 11 이외에도 도 13 및 15를 참조하면, 바람직한 실시양태에 있어서는, 액체 연료 스트림(220)이 애노드 전류 콜렉터 주요 평면 부분(111)에서 개구부(113)를 통과하고 애노드 유체 확산 층(140) 쪽으로 유도된다. 유체 산화제(221)는 캐소드 전류 콜렉터 주요 평면 부분(121)에서 개구부(123)를 통과하고 캐소드 유체 확산 층(150) 쪽으로 유도된다. 예시적 연료 전지에 있어서, 액체 연료 스트림(220)은 포름산을 포함하고, 유체 산화제(221)는 산소 함유 공기를 포함한다. 포름산이 부식성 성질을 보이기 때문에, 임의의 실란트(312, 314)는 포름산에 대하여 적절하게 내성은 지녀야 한다. 포름산의 광범위 사용에도 실패하지 않은 한가지 적절한 실란트는 실리콘 실란트, 예컨대 다우코닝(DowCorning)(등록상표)으로부터 이용가능한 PDMS 실리콘 엘라스토머(Silicone Elastomer)가 있다.Referring to FIGS. 13 and 15 in addition to FIG. 11, in a preferred embodiment, the liquid fuel stream 220 passes through the opening 113 in the anode current collector main planar portion 111 and directs towards the anode fluid diffusion layer 140. do. Fluid oxidant 221 passes through opening 123 in cathode current collector main planar portion 121 and is directed towards cathode fluid diffusion layer 150. In an exemplary fuel cell, the liquid fuel stream 220 includes formic acid and the fluid oxidant 221 includes oxygen containing air. Since formic acid exhibits corrosive properties, any sealants 312 and 314 must be adequately resistant to formic acid. One suitable sealant that has not failed the widespread use of formic acid is silicone sealant such as PDMS Silicone Elastomer available from DowCorning®.

도 12 및 13을 살펴보면, 직접 공급 연료 전지 배열(200)은 상기 기술한 바와 같이, 2개 이상의 직접 액체 공급물 연료 전지(100) 및 프레임(210)을 포함한다. 예를 들면, 프레임(210)은 경질 전기 절연체, 예컨대 폴리카보네이트 물질, 켈-에프(Kel-F)(등록상표) 또는 테플론(등록상표)로부터 형성될 수 있다.12 and 13, the direct feed fuel cell array 200 includes two or more direct liquid feed fuel cells 100 and a frame 210, as described above. For example, the frame 210 may be formed from a rigid electrical insulator, such as a polycarbonate material, Kel-F® or Teflon®.

프레임(210)은 2개 이상의 에지 부분(212)을 가지며, 각각의 에지 부분(212)은 채널(214)를 함유한다. 각각의 채널(214)은 애노드 전류 콜렉터 에지(112) 및 캐소드 전류 콜렉터 에지(122)를 수용할 수 있다. 또 다른 실시양태에 있어서, 각각의 채널은 추가로 막 전해질 에지(136)를 수용할 수 있다.Frame 210 has two or more edge portions 212, each edge portion 212 containing a channel 214. Each channel 214 may receive an anode current collector edge 112 and a cathode current collector edge 122. In another embodiment, each channel may additionally receive membrane electrolyte edge 136.

배열(200)은 프레임(210) 및 2개 이상의 직접 액체 공급물 연료 전지(100)가 부분적으로 봉입된 부피를 형성하도록 구성한다. 이 부피(240) 내부에 배치된 유체는 프레임(210) 및 2개 이상의 직접 액체 공급물 연료 전지(100)에 의해 부분적으로 포함된다. 하나의 실시양태에 있어서, 배열(200)의 부피(240) 내에 배치된 유체 중 하나는 유기 액체 연료, 예컨대 포름산이다. 추가 실시양태에 있어서, 배열(200)의 부피 내부에 배치된 유체를 추가로 함유하기 위해서는, 접착제를 사용하여 연료 전지 배열 플레임 채널(214)과 연료 전지 어셈블리 에지 부분(112, 122 또는 136)을 결합시킬 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 수명 테스트에 있어서, 실리콘 실란트는 포름산과 함께 사용되었을 때 우수하게 수행한다. 또 다른 실시양태에 있어서, 프레임은 프레임(210)의 본체를 횡단하는 하나 이상의 통로(passage)(230)를 보유한다. 통로(230)은 배열(200)의 편리한 연료 공급 및 애노드 산화 반응의 통풍로를 허용한다. Array 200 is configured such that frame 210 and two or more direct liquid feed fuel cells 100 form a partially enclosed volume. Fluid disposed within this volume 240 is partially contained by frame 210 and two or more direct liquid feed fuel cells 100. In one embodiment, one of the fluids disposed within the volume 240 of the array 200 is an organic liquid fuel, such as formic acid. In a further embodiment, the fuel cell array flame channel 214 and the fuel cell assembly edge portion 112, 122, or 136 may be bonded using an adhesive to further contain fluid disposed within the volume of the array 200. Can be combined. As discussed above, in life testing, silicone sealants perform well when used with formic acid. In yet another embodiment, the frame has one or more passages 230 traversing the body of frame 210. Passage 230 allows for convenient fuel supply and venting of the anode oxidation reaction of array 200.

도 14를 살펴보면, 2개의 연료 전지(100)으로 구성된 배열(200)은 전기 회로에서 도시되어 있다. 연료 전지(100)는 직렬로 연결되어 있고, 저항성 로드(400)는 일련의 연료 전지에 걸쳐 배치되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 전기 전력은 전류가 저항성 로드(400)를 통해 흐를 때 생성될 수 있다. 본 발명의 다른 다수의 연료 전지(100)는 필요에 따라 소정 수준의 전기 에너지를 제공하기 위해서 또는 다른 이유로 인하여 직렬 방식 또는 병렬 방식으로 제공할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.Referring to FIG. 14, an arrangement 200 consisting of two fuel cells 100 is shown in an electrical circuit. The fuel cells 100 are connected in series and the resistive rods 400 are arranged over a series of fuel cells. In such a configuration, electrical power may be generated when current flows through the resistive rod 400. It will be appreciated that many other fuel cells 100 of the present invention may be provided in series or parallel fashion to provide a predetermined level of electrical energy as needed or for other reasons.

본 발명의 구체적인 요소, 실시양태 및 용도를 제시하여 설명하기는 하였지만, 당업자라면 본 발명은 특히 전술한 교시 내용에 비추어 볼 때, 본 발명의 개시 내용의 영역으로부터 벗어나는 일 없이 변경예를 실시할 수 있으며 이것에 한정되지 않는다는 점을 이해할 수 있을 것이다.Although specific elements, embodiments, and uses of the present invention have been presented and described, those skilled in the art can make modifications without departing from the scope of the present disclosure, particularly in light of the above teachings. It is to be understood that the present invention is not limited thereto.

Claims (34)

애노드(12, 134) 및 캐소드(16, 135), 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재된 전해질(14, 131);An anode (12, 134) and a cathode (16, 135), and an electrolyte (14, 131) interposed between the anode and the cathode; 상기 캐소드와 소통하는 산화제;An oxidant in communication with the cathode; 상기 애노드와 소통하는 포름산 연료 용액; 및Formic acid fuel solution in communication with the anode; And Pd를 포함하는 애노드 촉매Anode catalyst containing Pd 를 포함하는 포름산 연료 전지.Formic acid fuel cell comprising a. 제1항에 있어서, 상기 애노드 촉매는 금속 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Au의 군으로부터 선택된 금속을 추가로 포함하는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 1, wherein the anode catalyst further comprises a metal selected from the group of metals Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and Au. 제1항에 있어서, M이 Au인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 1 wherein M is Au. 제1항에 있어서, M이 V인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell according to claim 1, wherein M is V. 제1항에 있어서, M이 Mo인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 1 wherein M is Mo. 제1항에 있어서, 상기 Pd를 포함하는 상기 애노드 촉매는 카본 상에 지지되어 있는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell in accordance with claim 1, wherein the anode catalyst comprising Pd is supported on carbon. 제6항에 있어서, 상기 Pd는 카본 상에 지지된 나노입자를 포함하는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 6, wherein the Pd comprises nanoparticles supported on carbon. 제7항에 있어서, 상기 Pd 나노입자는 약 10 nm 이하인 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 7, wherein the Pd nanoparticles are about 10 nm or less. 제7항에 있어서, 상기 Pd 나노입자는 약 5 nm 이하인 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 7, wherein the Pd nanoparticles are about 5 nm or less. 제6항에 있어서, 상기 애노드 촉매는 금속 염화물 환원 공정에 의해 제조되는 것인 포름산 연료 전지.7. The formic acid fuel cell of claim 6, wherein the anode catalyst is prepared by a metal chloride reduction process. 제6항에 있어서, 상기 Pd는 상기 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 상기 촉매의 약 5 중량% 이상을 포함하는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 6, wherein the Pd comprises at least about 5% by weight of the catalyst based on the total weight of the catalyst. 제6항에 있어서, 상기 Pd는 상기 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 상기 촉매의 약 10 중량% 이상을 포함하는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 6, wherein the Pd comprises at least about 10% by weight of the catalyst based on the total weight of the catalyst. 제6항에 있어서, 상기 Pd는 상기 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 상기 촉매 의 약 20 중량% 이상을 포함하는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 6, wherein the Pd comprises at least about 20% by weight of the catalyst based on the total weight of the catalyst. 제6항에 있어서, 상기 애노드 촉매는 약 20% 이상의 Pd 분산액을 보유하는 것인 포름산 연료 전지. The formic acid fuel cell of claim 6, wherein the anode catalyst has at least about 20% Pd dispersion. 제6항에 있어서, 상기 애노드 촉매는 약 50% 이상의 Pd 분산액을 보유하는 것인 포름산 연료 전지. The formic acid fuel cell of claim 6, wherein the anode catalyst has at least about 50% Pd dispersion. 제1항에 있어서, 상기 애노드 촉매는 카본 상에 지지된 Pd 및 Au를 포함하는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 1, wherein the anode catalyst comprises Pd and Au supported on carbon. 제1항에 있어서, 상기 포름산 연료 용액은 포름산 약 10 중량% 이상을 함유하는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 1, wherein the formic acid fuel solution contains at least about 10% by weight of formic acid. 제1항에 있어서, 상기 포름산 연료 용액은 포름산 약 25 중량% 이상을 함유하는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 1, wherein the formic acid fuel solution contains at least about 25% by weight of formic acid. 제1항에 있어서, 상기 포름산 연료 용액은 포름산 약 40 중량% 이상을 함유하는 것인 포름산 연료 전지.The formic acid fuel cell of claim 1, wherein the formic acid fuel solution contains at least about 40 wt% formic acid. 제1항에 있어서, 상기 포름산 연료 용액을 함유하는 교체가능한 카트리지를 추가로 더 포함하고, 상기 카트리지는 연료 전지에 탈착가능하게 부착되로록 배치되어 있고, 이로써 상기 포름산 연료 용액은 상기 애노드와 소통할 수 있는 것인 포름산 연료 전지.The method of claim 1, further comprising a replaceable cartridge containing the formic acid fuel solution, wherein the cartridge is disposed to be detachably attached to a fuel cell such that the formic acid fuel solution is in communication with the anode. What is formic acid fuel cell. 애노드 및 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 개재된 전해질;An anode and a cathode, and an electrolyte interposed between the anode and the cathode; 상기 캐소드와 소통하는 산화제;An oxidant in communication with the cathode; 상기 애노드와 소통하는 약 25% 이상 포름산의 농도를 갖는 포름산 연료 용액; 및Formic acid fuel solution having a concentration of at least about 25% formic acid in communication with the anode; And 카본 상에 지지된 Pd 나노입자를 포함하는 애노드 촉매Anode catalyst comprising Pd nanoparticles supported on carbon 를 포함하는 포름산 연료 전지.Formic acid fuel cell comprising a. 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖는 양성자 전도성 막;Proton conductive membranes having opposing first and second surfaces; 상기 제2 막 표면 상의 캐소드 촉매; 및A cathode catalyst on the second membrane surface; And 상기 제1 표면 상의 Pd를 포함하는 애노드 촉매An anode catalyst comprising Pd on the first surface 를 포함하는 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.Formic acid fuel cell membrane electrode assembly comprising a. 제22항에 있어서, 상기 막은 고체 중합체 양성자 교환 막을 포함하는 것인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.23. The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 22, wherein the membrane comprises a solid polymer proton exchange membrane. 제22항에 있어서, 상기 막은 퍼플루오로술폰산 이오노머를 포함하는 것인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.23. The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 22, wherein the membrane comprises a perfluorosulfonic acid ionomer. 제22항에 있어서, 상기 애노드 촉매는 금속 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Au 의 군에서부터 선택된 금속을 추가로 포함하는 것인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 22, wherein the anode catalyst further comprises a metal selected from the group of metals Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, and Au. 제25항에 있어서, 상기 애노드 촉매가 Au인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 25, wherein the anode catalyst is Au. 제22항에 있어서, 상기 Pd를 포함하는 애노드 촉매는 카본 상에 지지되어 있는 것인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.23. The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 22, wherein the anode catalyst comprising Pd is supported on carbon. 제22항에 있어서, 상기 Pd는 상기 카본 상에 지지된 나노입자를 포함하는 것인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 22, wherein the Pd comprises nanoparticles supported on the carbon. 제28항에 있어서, 상기 Pd 나노입자는 약 10 nm 이하인 것인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 28, wherein the Pd nanoparticles are about 10 nm or less. 제22항에 있어서, 상기 Pd는 상기 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 상기 촉 매의 약 10 중량% 이상을 포함하는 것인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 22, wherein the Pd comprises at least about 10% by weight of the catalyst based on the total weight of the catalyst. 제22항에 있어서, 상기 애노드 촉매는 카본 상에 지지된 Pd 및 Au를 포함하는 것인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.23. The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 22, wherein the anode catalyst comprises Pd and Au supported on carbon. 제 22항에 있어서, 상기 애노드 촉매 층과 소통하는 약 25 중량% 이상의 포름산 연료 용액을 추가로 포함하는 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 22, further comprising at least about 25% by weight of formic acid fuel solution in communication with the anode catalyst layer. 제22항에 있어서, 상기 애노드 촉매를 덮고 있는 전기 전도성 물질을 추가로 포함하는 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.23. The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 22, further comprising an electrically conductive material covering the anode catalyst. 제33항에 있어서, 상기 전기 전도성 물질은 금속 메쉬를 포함하는 것인 포름산 연료 전지 막 전극 어셈블리.34. The formic acid fuel cell membrane electrode assembly of claim 33, wherein the electrically conductive material comprises a metal mesh.
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