KR20070031133A - Electrode catalyst with improved oxygen reduction activity and fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자; 및 (b) 상기 입자의 일부 또는 전부에 접촉된 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 포함하는 전극 촉매 및 이의 제조방법, 상기 전극 촉매를 포함하는 전극막 접합체(MEA) 및 상기 전극막 접합체를 구비하는 연료전지를 제공한다. The present invention (a) metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity; And (b) an electrode catalyst comprising a substance for storing or moving oxygen in contact with a part or all of the particles, a method for manufacturing the same, an electrode membrane assembly (MEA) including the electrode catalyst, and the electrode membrane assembly Provide a fuel cell.

본 발명에 따른 전극 촉매는 촉매의 구성 성분으로 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 사용함으로써, 산소극에 투입되었으나 촉매 금속과 미처 반응하지 못한 다량의 산소를 일시 저장하고, 추후 이를 촉매 활성을 갖는 금속에 공급하여 산소극 활성을 높일 수 있으므로, 이를 포함하는 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The electrode catalyst according to the present invention uses a material that stores or moves oxygen as a constituent of the catalyst, thereby temporarily storing a large amount of oxygen that has been added to the oxygen electrode but failed to react with the catalyst metal, and subsequently has a metal having catalytic activity. By supplying to the oxygen electrode activity can be increased, it is possible to improve the performance of the fuel cell comprising the same.

산소, 저장, 이동, 촉매 활성, 산소극, 전극 촉매, 연료전지 Oxygen, storage, transfer, catalytic activity, oxygen electrode, electrode catalyst, fuel cell

Description

산소 환원 활성이 증대된 전극 촉매 및 이를 이용한 연료전지{ELECTRODE CATALYST WITH IMPROVED OXYGEN REDUCTION ACTIVITY AND FUEL CELL USING THE SAME}ELECTRODE CATALYST WITH IMPROVED OXYGEN REDUCTION ACTIVITY AND FUEL CELL USING THE SAME

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속함유 합금 입자와 산소를 저장하거나 이동시키는 물질이 합금(alloy)화 구조를 이루는 전극 촉매의 모식도이다.1 is a schematic diagram of an electrode catalyst in which a metal or metal-containing alloy particle having catalytic activity and a material for storing or transferring oxygen form an alloying structure according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 변형예로서, 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유합금 입자와 산소를 저장하거나 이동시키는 물질이 코어-쉘(core-shell) 구조를 이루는 전극 촉매의 모식도이다.FIG. 2 is a schematic diagram of an electrode catalyst in which a metal or metal-containing alloy particle having catalytic activity and a material for storing or transporting oxygen form a core-shell structure as a modification of the present invention.

도 3은 본 발명의 다른 변형예로서, 산소를 저장하거나 이동시키는 물질이 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속함유 합금 입자 표면을 둘러싸는 띠(band) 형태로 존재하는 전극 촉매의 모식도이다.3 is a schematic diagram of an electrode catalyst in which a substance for storing or moving oxygen exists in a band surrounding a surface of a metal or a metal-containing alloy particle having catalytic activity.

본 발명은 연료전지 산소극에서의 산소 환원 반응 활성을 증대시키는 전극 촉매 및 이의 제조방법, 상기 전극 촉매를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode catalyst for increasing the oxygen reduction reaction activity in a fuel cell oxygen electrode, a manufacturing method thereof, and a fuel cell including the electrode catalyst.

연료 전지는 기존의 에너지원을 대체할 무공해 청정 에너지원으로서 차세대 에너지원으로 많은 관심 아래 활발한 연구가 진행되고 있다. 연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다. 연료 전지는 수소 등을 포함하는 연료가스와 산소 등을 포함하는 산화제의 화학반응 에너지를 전기에너지로 직접 변환하여 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지로 정의되며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산한다. 연료전지는 작동 조건에 따라 인산형 연료전지, 알칼리형 연료전지, 수소이온 교환막 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 직접메탄올 연료전지와 고체전해질 연료전지 등으로 구분할 수 있으며, 운전 온도에 따라 고온형과 저온형으로 분류되기도 한다. Fuel cells are pollution-free and clean energy sources that can replace existing energy sources. The basic concept of a fuel cell can be explained by the use of electrons generated by the reaction of hydrogen and oxygen. A fuel cell is defined as a battery having a capability of directly producing a direct current by directly converting the chemical reaction energy of an oxidant including hydrogen and a fuel gas including hydrogen and the like into electrical energy. And supply air to produce electricity continuously. Fuel cells can be classified into phosphate fuel cells, alkaline fuel cells, hydrogen ion exchange membrane fuel cells, molten carbonate fuel cells, direct methanol fuel cells and solid electrolyte fuel cells according to operating conditions. Sometimes classified as low temperature.

저온형 연료전지에서 산소극의 산소 환원반응은 수소극의 수소 산화 반응보다 106 정도 느리게 일어나게 되므로, 산소극의 산소 환원 활성 반응은 전체 반응 속도를 결정하는 주요 요소일 뿐만 아니라, 연료전지 성능을 저하시키는 원인이 된다. 종래 산소극의 산소 환원 반응 활성을 증대시키기 위해 실시되는 방법은 크게 2가지가 있다. 첫째는 백금 입자의 크기를 줄여 산소와 반응할 수 있는 활성 면적을 증가시키는 방법으로서, 백금 입자 크기를 줄이는 것은 연료전지의 수명과 반비례 관계가 있어 입자 크기를 줄이는 방법으로는 한계가 있다. 둘째는 백금 입자의 담지량을 증가시키는 방법으로서, 담지되는 백금의 양을 증가시키는 것 역시 연료전지의 경제성 확보에 역행하는 일이기 때문에 적절하지 않다. Oxygen reduction reaction of oxygen electrode in low temperature fuel cell is 10 6 times higher than hydrogen oxidation of hydrogen electrode Since it occurs slowly, the oxygen reduction activity of the oxygen electrode is not only a major factor in determining the overall reaction rate, but also causes a decrease in fuel cell performance. There are largely two methods performed in order to increase the oxygen reduction reaction activity of the conventional oxygen electrode. The first is to increase the active area that can react with oxygen by reducing the size of platinum particles. Reducing the size of platinum particles is inversely related to the life of the fuel cell. The second method is to increase the amount of platinum particles supported, which is not appropriate because increasing the amount of platinum supported is counter to the economics of fuel cells.

본 발명자들은 상술한 문제점을 고려하여, 촉매 금속과 미처 반응하지 못한 다량의 산소를 일시 저장하고, 추후 이를 촉매 활성을 갖는 금속에 공급할 수 있는 물질을 당 업계에 알려진 통상적인 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자와 서로 접촉시켜 전극 촉매로 사용하면, 산소극의 산소 환원반응 활성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 연료전지의 반응 속도 향상 및 성능 향상이 도모된다는 것을 발견하였다. In view of the above-described problems, the present inventors provide a material capable of temporarily storing a large amount of oxygen that has not reacted with the catalyst metal and subsequently supplying it to a metal having catalytic activity, or a metal having conventional catalytic activity known in the art. When contacted with the metal-containing alloy particles and used as an electrode catalyst, it was found that not only can the oxygen reduction reaction activity of the oxygen electrode be increased, but also the reaction rate and performance of the fuel cell can be improved.

이에, 본 발명은 연료전지의 산소극 활성이 증대된 전극 촉매 및 이의 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrode catalyst and its catalyst having increased oxygen cathode activity in a fuel cell.

또한, 본 발명은 상기 전극 촉매를 포함하는 막전극 접합체(MEA) 및 상기 막전극 접합체를 구비하는 연료전지를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly (MEA) including the electrode catalyst and a fuel cell including the membrane electrode assembly.

나아가, 본 발명은 전술한 바와 같이 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 촉매 활성 금속과 접촉시켜 연료전지의 산소극 활성을 증대시키는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.Furthermore, another object of the present invention is to provide a method for increasing the oxygen activity of a fuel cell by contacting a material for storing or moving oxygen with a catalytically active metal as described above.

본 발명은 (a) 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자; 및 (b) 상기 입자의 일부 또는 전부에 접촉된 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 포함하는 전극 촉매 및 이의 제조방법, 상기 전극 촉매를 포함하는 전극막 접합체(MEA) 및 상기 전극막 접합체를 구비하는 연료전지를 제공한다.The present invention (a) metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity; And (b) an electrode catalyst comprising a substance for storing or moving oxygen in contact with a part or all of the particles, a method for manufacturing the same, an electrode membrane assembly (MEA) including the electrode catalyst, and the electrode membrane assembly Provide a fuel cell.

또한, 본 발명은 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자; 및 상기 입자의 일부 또는 전부에 접촉된 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 포함하는 전극 촉매를 산소극 촉매로 사용하여 연료전지 산소극의 산소 환원 반응 활성을 증대시키는 방법을 제공한다.The present invention also provides metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity; And it provides a method for increasing the oxygen reduction reaction activity of the fuel cell oxygen electrode using an electrode catalyst comprising an electrode catalyst containing a substance for storing or moving oxygen in contact with some or all of the particles as the oxygen electrode catalyst.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명은 연료전지의 전체 반응 속도를 결정하는 산소극 산소 환원반응을 활성화시키기 위해, 촉매 금속과 미처 반응하지 못한 다량의 산소를 일시 저장하고, 추후 이를 촉매 활성을 갖는 금속에 공급할 수 있는 물질, 즉 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자와 서로 접촉된 형태, 즉 합금(alloy)화하거나 또는 코팅시켜 전극 촉매를 구성하는 것을 특징으로 한다.The present invention is to temporarily store a large amount of oxygen that did not react with the catalyst metal in order to activate the oxygen cathode oxygen reduction reaction to determine the overall reaction rate of the fuel cell, which can be subsequently supplied to the metal having catalytic activity, In other words, the electrode catalyst is constituted by forming a material for storing or moving oxygen in contact with each other, that is, alloying or coating the metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity.

이와 같은 특징에 따라 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 하기와 같다.According to such a feature, the effects obtainable in the present invention are as follows.

1) 종래 연료전지의 산소극 산소 환원 반응 활성을 증대시키기 위해 촉매 활성 성분인 금속, 예컨대 백금 입자의 크기를 수 나노 미터 정도 범위로 조절하기도 하였으나, 이들 촉매 활성 성분 입자들은 전기화학적 반응이 진행됨에 따라 불안정해지게 되고, 이로 인해 조대화가 발생하여 결국 반응에 필요한 촉매 입자의 표면 감소 및 연료전지의 성능 저하가 필수적으로 초래되었다. 또한, 상기 촉매 활성 성분의 담지량을 증가시키는 방법 역시 부작용이 발생하였다.1) In order to increase the oxygen cathode oxygen reduction activity of a conventional fuel cell, the size of a catalytically active metal, such as platinum particles, has been adjusted to a range of several nanometers, but these catalytically active component particles undergo electrochemical reactions. This leads to instability, which leads to coarsening, which inevitably leads to reduction of the surface of catalyst particles and deterioration of the fuel cell. In addition, a method of increasing the amount of the catalytically active component also caused side effects.

그러나, 본 발명에서는 산소를 저장하거나 이동시킬 수 있는 물질을 촉매 활성 성분 입자와 합금화 또는 코팅시켜 전극 촉매를 구성함으로써, 산소극에서의 산소 환원 반응 활성을 높일 뿐만 아니라 연료전지의 제반 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 종래 산소극에 투입되나 촉매 금속과 미처 반응하지 못한 다량의 산소는 촉매 금속 주위에 적체된 형태로 존재하게 되고, 이로 인해 촉매 금속과 산소와의 환원 반응이 지속적으로 지체되도록 하는 주요 원인이 되었다. 그러나, 본 발명에서는 상기 물질에 다량의 산소를 일시 저장하고, 이후 촉매 활성 입자와 저장된 산소와의 반응이 진행될 수 있을 때 이를 촉매 활성 입자에 공급하여 산소극에서의 산소 환원 반응을 향상시킬 있으므로, 연료전지의 반응 속도 및 제반 성능 향상을 도모할 수 있다. However, in the present invention, by forming an electrode catalyst by alloying or coating a material capable of storing or moving oxygen with the catalytically active ingredient particles, not only can the oxygen reduction reaction activity be improved at the oxygen electrode, but the overall performance of the fuel cell can be improved. Can be. That is, a large amount of oxygen introduced into the conventional oxygen electrode but not reacted with the catalyst metal is present in the form of accumulated around the catalyst metal, which is the main cause of the continuous retardation of the reduction reaction between the catalyst metal and oxygen. It became. However, in the present invention, since a large amount of oxygen is temporarily stored in the material, and then, when the reaction between the catalytically active particles and the stored oxygen can proceed, it is supplied to the catalytically active particles to improve the oxygen reduction reaction at the oxygen electrode. The reaction speed and overall performance of the fuel cell can be improved.

2) 또한, 상기 전극 촉매를 제조하는 공정이 단순하여 기존 공정에 용이하게 적용될 수 있을 뿐만 아니라 원가절감 효과 또한 얻을 수 있다.2) In addition, since the process of preparing the electrode catalyst is simple, not only can be easily applied to the existing process, but also cost reduction effect can be obtained.

본 발명에 따라 전극 촉매를 구성하는 주요 성분 중 하나는 전술한 산소를 저장하거나 이동시킬 수 있는 물질로서, 이와 같은 기능을 수행하기만 하면 형태, 종류에 상관없이 모두 적용 가능하다. 상기 산소를 저장하거나 이동시키는 물질로는 격자 구조 내 산소 결함(defect)을 갖는 물질이 바람직하며, 이와 같은 산소 결함을 통해 산소극에 투입된 산소(O2)를 일시 저장하고, 상기 산소를 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자로 이동시킬 수 있다. One of the main components constituting the electrode catalyst according to the present invention is a material capable of storing or transporting the above-described oxygen, and can be applied regardless of the form or type just by performing such a function. As the material for storing or moving the oxygen, a material having an oxygen defect in a lattice structure is preferable. The oxygen (O 2 ) injected into the oxygen electrode through the oxygen defect is temporarily stored, and the oxygen is catalytically active. It can be transferred to a metal or metal-containing alloy particles having.

상기 산소를 저장하거나 이동시키는 물질의 비제한적인 예로는 란탄족, 악티늄족, 니켈 또는 이들의 조합 형태의 금속과 이 금속을 포함하는 금속 산화물 등이 있으며, 구체적인 예로는 세륨옥사이드(CeO2), 레늄옥사이드(ReO2) 또는 니켈 (Ni) 등이 있다. 산소 저장 능력을 향상시키기 위해, 상기 금속 산화물에 금속 또는 금 속 산화물을 합금화시켜 사용할 수도 있다. Non-limiting examples of the material for storing or transporting oxygen include a metal in the form of lanthanide, actinium, nickel or a combination thereof and a metal oxide including the metal, and specific examples thereof include cerium oxide (CeO 2 ), Rhenium oxide (ReO 2 ) or nickel (Ni). In order to improve the oxygen storage capacity, a metal or a metal oxide may be alloyed with the metal oxide.

산소를 저장하거나 이동시키는 물질의 함량은 특별한 제한은 없으나, 전체 촉매 100 중량부 당 10 내지 90 중량부 범위가 바람직하다. 상기 물질의 함량이 10 중량부 미만 및 90 중량부를 초과하는 경우 산소극에서의 산소 환원 활성 증대 효과가 미미하게 나타날 수 있다.The content of the substance for storing or transporting oxygen is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 to 90 parts by weight per 100 parts by weight of the total catalyst. When the content of the substance is less than 10 parts by weight and more than 90 parts by weight, the effect of increasing oxygen reduction activity in the oxygen electrode may be minimal.

본 발명에 따라 전극 촉매를 구성하는 주요 촉매 활성 성분은 산소의 환원이 가능한, 당 업계에 잘 알려진 통상적인 금속 또는 금속 함유 합금이 제한없이 사용 가능하며, 특히 귀금속류, 예컨대 백금(Pt) 단독이거나 백금 함유 합금 형태가 바람직하다. 이때, 백금과 합금을 이루는 금속의 비제한적인 예로는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Au), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 또는 이들의 2종 이상 혼합 형태 등이 있다. The main catalytically active component constituting the electrode catalyst according to the invention can be used without limitation, conventional metals or metal-containing alloys well known in the art, capable of reducing oxygen, in particular precious metals such as platinum (Pt) alone or platinum Preferred alloy forms are preferred. At this time, non-limiting examples of the metal constituting the alloy with ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), gold (Au), silver (Au), iridium (Ir), osmium (Os) or these And 2 or more types of mixed forms.

상기 금속 촉매 입자의 크기(입경)는 특별한 제한이 없으나, 1.0 내지 15nm 범위가 바람직하다. 또한 상기 금속 촉매의 함량은 특별한 제한은 없으나, 전체 촉매 100 중량부 당 10 내지 90 중량부 범위가 바람직하다. 상기 물질의 함량이 10 중량부 미만 및 90 중량부를 초과하는 경우 산소극에서의 산소 환원 활성 증대 효과가 미미하게 나타날 수 있다. The size (particle diameter) of the metal catalyst particles is not particularly limited, but is preferably in the range of 1.0 to 15 nm. In addition, the content of the metal catalyst is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 to 90 parts by weight per 100 parts by weight of the total catalyst. When the content of the substance is less than 10 parts by weight and more than 90 parts by weight, the effect of increasing oxygen reduction activity in the oxygen electrode may be minimal.

본 발명의 전극 촉매는 촉매 활성을 갖는 금속과 산소를 저장하거나 이동시키는 물질이 서로 접촉된 형태로 존재하여 산소를 촉매 금속쪽으로 공급할 수 있기만 하면, 이의 형태는 특별한 제한이 없다. 이의 실시 형태로는 크게 3가지가 가능하며, 이에 대하여 도시한 것이 도 1 내지 도 3이다. 첫째는 상기 산소를 저장하거 나 이동시키는 물질과 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자와 합금(alloy)을 이루는 형태이며(도 1 참조), 둘째는 상기 산소를 저장하거나 이동시키는 물질이 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자와 코어-쉘(core-shell) 구조를 이루는 형태이고(도 2 참조), 셋째는 상기 산소를 저장하거나 이동시키는 물질이 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자 표면을 둘러싸는 띠(band) 형태로 존재하는 것이다(도 3 참조). The electrode catalyst of the present invention is not particularly limited as long as the metal having catalytic activity and a substance for storing or moving oxygen exist in contact with each other to supply oxygen to the catalyst metal. Three types of this embodiment are possible, and these are shown in FIGS. First, the alloy forms a alloy with a metal or metal-containing alloy particle having a catalytic activity and a substance that stores or moves oxygen (see FIG. 1). Second, a substance that stores or transfers oxygen is a catalytic activity. And a core-shell structure with the metal or metal-containing alloy particles having a core (see FIG. 2), and the third surface of the metal or metal-containing alloy particles having a catalytic activity of the material for storing or transporting oxygen. It is present in the form of a band surrounding (see FIG. 3).

이중, 상기 코어-쉘(core-shell) 구조에서 코어와 쉘은 도 2에 도시된 바와 같이 각각 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자; 또는 산소를 저장하거나 이동시키는 물질로 구성될 수 있으며, 이때 코어와 쉘은 동일한 성분으로 구성되지 아니한다.In the core-shell structure, the core and the shell may include metal or metal-containing alloy particles each having catalytic activity, as shown in FIG. 2; Or a substance that stores or migrates oxygen, where the core and the shell are not composed of the same components.

본 발명의 전극 촉매는 당 분야에 알려진 통상적인 촉매 담체에 담지된 형태도 가능하다.The electrode catalyst of the present invention may be in a form supported on a conventional catalyst carrier known in the art.

담체는 넓은 표면적을 이용하여 귀금속 촉매를 넓게 분산시키고, 금속 촉매만으로는 얻기 어려운 열적 및 기계적 안정성 등의 물리적 성질을 향상시키기 위하여 사용하는 것으로서, 예를 들면, 당 분야의 통상적인 미립자의 지지체에 코팅하거나 그 외 다른 방법을 적용할 수 있다. 사용 가능한 담체로는 다공성 탄소, 전도성 고분자 또는 금속 산화물 등이 있다. The carrier is used to disperse the noble metal catalyst widely by using a large surface area and to improve physical properties such as thermal and mechanical stability that are difficult to obtain only by the metal catalyst. For example, the carrier may be coated on a support of conventional fine particles in the art. Other methods can be applied. Usable carriers include porous carbon, conductive polymers or metal oxides.

다공성 탄소로는 활성탄, 탄소 섬유, 흑연 섬유 또는 탄소 나노튜브 등이 사용 가능하며, 전도성 고분자는 폴리비닐카발졸(polyvinylcarbazole), 폴리아닐린(polyanilin), 폴리피롤(polypyrrole) 또는 그들의 유도체를 사용할 수 있다. 또 한, 금속 산화물은 텅스텐, 티타늄, 니켈, 루테늄, 탄탈륨 또는 코발트 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속산화물을 사용할 수 있다. Activated carbon, carbon fibers, graphite fibers or carbon nanotubes may be used as the porous carbon, and the conductive polymer may be polyvinylcarbazole, polyanilin, polypyrrole or derivatives thereof. In addition, the metal oxide may be used at least one metal oxide selected from the group consisting of tungsten, titanium, nickel, ruthenium, tantalum or cobalt oxide.

상기 담체의 크기는 특별한 제한이 없으나, 0.01 내지 10 ㎛가 바람직하다. 또한, 담체의 비표면적 역시 특별한 제한이 없으나, 가능하면 20 내지 2000 m2/g 범위가 바람직하다.The size of the carrier is not particularly limited, but 0.01 to 10 ㎛ is preferred. In addition, the specific surface area of the carrier is also not particularly limited, but is preferably in the range of 20 to 2000 m 2 / g.

본 발명의 전극 촉매는 당 분야의 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 이의 일 실시예를 들면 (a) 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자와 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 합금(alloy)화하거나; 또는 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자를 산소를 저장하거나 이동시키는 물질로 코팅하거나 또는 이와 반대로 코팅하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 결과물을 건조하는 단계를 포함할 수 있다. The electrode catalyst of the present invention may be prepared according to conventional methods in the art, and for example, (a) alloys metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity with a substance for storing or transporting oxygen. ); Or coating metal or metal containing alloy particles having catalytic activity with a material that stores or migrates oxygen or vice versa; And (b) drying the resultant obtained in step (a).

우선, 1) 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자와 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 합금화하는 방법은 특별한 제한이 없으며, 당 업계에 알려진 통상적인 방법, 예컨대 습식 및/또는 건식법을 사용할 수 있다. 마찬가지로, 상기 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자를 산소를 저장하거나 이동시키는 물질로 코팅하거나 또는 이와 반대로 코팅하는 것 역시 당 업계에 알려진 통상적인 코팅 방법, 예컨대 브러쉬 방법 (brush method), 스프레이 (spray)법, 스핀코팅 (spin coating)법 또는 이들의 혼합 방식 등을 제한 없이 사용할 수 있다. First, there is no particular limitation on the method of alloying metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity with a substance for storing or transporting oxygen, and conventional methods known in the art, such as wet and / or dry methods, may be used. . Likewise, coating the catalytically active metal or metal containing alloy particles with a material that stores or migrates oxygen or vice versa is also common coating methods known in the art, such as brush methods, sprays ( Spray method, spin coating method or a mixture thereof can be used without limitation.

이때, 상기 단계에서 당 업계의 통상적인 촉매 담체를 첨가하거나 또는촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자가 담지된 담체를 사용할 수 있으며, 이럴 경우 촉매 담체에 담지된 형태의 전극 촉매를 수득할 수 있다. At this time, it is possible to add a catalyst carrier conventional in the art or to use a carrier carrying metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity in this step, in which case an electrode catalyst supported on the catalyst carrier can be obtained. have.

2) 상기와 같이 제조된 결과물에 건조를 실시함으로써 본 발명에 따른전극 촉매를 얻을 수 있다. 이때, 건조법 역시 특별히 제한되지 않으며, 90℃ 이하에서 수 시간동안 건조하는 것이 바람직하다.2) The electrode catalyst according to the present invention can be obtained by drying the resultant prepared as described above. At this time, the drying method is also not particularly limited, it is preferable to dry for several hours at 90 ℃ or less.

본 발명은 상기와 같이 제조된 전극 촉매를 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.The present invention provides an electrode for a fuel cell comprising the electrode catalyst prepared as described above.

연료전지용 전극은 예를 들면, 기체확산층과 촉매층으로 이루어질 수 있으며, 촉매층 만으로 구성되어도 무방하며, 기체확산층 상에 촉매층이 형성된 조합의 형태도 가능하다. The fuel cell electrode may be formed of, for example, a gas diffusion layer and a catalyst layer, and may be composed of only a catalyst layer, and a combination of a catalyst layer formed on the gas diffusion layer may be used.

본 발명의 연료전지용 전극은 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 이의 일 실시예를 들면 상기 전극 촉매를 수소 이온 전도도가 높은 고분자 물질 및 촉매분산을 증진시키는 혼합용매를 포함하는 촉매 잉크와 혼합하여 슬러리를 제조한 후 프린팅(printing), 분무(spray), 롤링(rolling) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법으로 탄소 종이에 도포 및 건조하여 제조할 수 있다. The electrode for a fuel cell of the present invention may be prepared according to a conventional method known in the art, and for example, the electrode catalyst may include a catalyst including a polymer material having high hydrogen ion conductivity and a mixed solvent for enhancing catalyst dispersion. The slurry may be prepared by mixing with ink, and then coated and dried on a carbon paper by printing, spraying, rolling, or brushing.

또한, 본 발명은 (a) 제 1 촉매층을 갖는 제 1 전극; (b) 제 2 촉매층을 갖는 제 2 전극; 및 (c) 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 개재된 전해질 막을 포함하는 연료전지용 전극막 접합체로서, 제 1 촉매층, 제 2 촉매층 또는 제 1 촉매층 및 제 2 촉매층이 전술한 본 발명의 전극 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체(membrane electrode assembly: MEA)를 제공한다.In addition, the present invention (a) a first electrode having a first catalyst layer; (b) a second electrode having a second catalyst layer; And (c) an electrode membrane assembly for a fuel cell comprising an electrolyte membrane interposed between a first electrode and a second electrode, wherein the first catalyst layer, the second catalyst layer, or the first catalyst layer and the second catalyst layer use the electrode catalyst of the present invention. It provides a fuel electrode electrode membrane assembly (MEA) comprising a.

이때, 제 1 전극 및 제 2 전극 중 하나는 양극이고, 다른 하나는 음극이다. 특히, 산소 환원 반응이 진행되는 양극(산소극)이 바람직하다.At this time, one of the first electrode and the second electrode is an anode, the other is a cathode. In particular, a positive electrode (oxygen electrode) to which an oxygen reduction reaction proceeds is preferable.

전극막 접합체(MEA)는 연료와 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극과 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 막의 접합체를 의미하는 것으로서, 촉매 전극과 전해질 막이 접착된 단일의 일체형 유니트(unit)이다.The electrode membrane assembly (MEA) refers to a conjugate of an electrode in which an electrochemical catalytic reaction between fuel and air occurs and a polymer membrane in which hydrogen ions are transferred, and is a single unitary unit to which a catalyst electrode and an electrolyte membrane are bonded.

상기 연료전지용 전극막 접합체는 음극의 촉매층과 양극의 촉매층이 전해질 막에 접촉하도록 하는 형태로서, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 음극과 양극 사이에 전해질 막을 위치시킨 후 약 140℃ 정도의 온도를 유지하면서 유압으로 작동되는 2 장의 열판 사이에 넣은 후 압력을 가해 가열 압착함으로써 제조될 수 있다.The electrode membrane assembly for a fuel cell is a type in which the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode are in contact with the electrolyte membrane, and may be manufactured according to conventional methods known in the art. For example, it may be prepared by placing an electrolyte membrane between the cathode and the anode, and then placing the electrolyte membrane between two hot plates that are hydraulically operated while maintaining a temperature of about 140 ° C., and then applying pressure under pressure.

전해질 막으로는 예를 들면, 수소이온 전도성, 필름을 형성할 수 있을 정도의 기계적 강도 및 높은 전기화학적 안전성을 갖는 물질이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체가 있으며, 플루오로비닐에테르 모이어티는 수소이온을 전도하는 기능을 갖는다.As the electrolyte membrane, any material having hydrogen ion conductivity, mechanical strength enough to form a film, and high electrochemical stability can be used without particular limitation, and non-limiting examples thereof include tetrafluoroethylene and fluorine. There is a copolymer of rhovinyl ether, and the fluorovinyl ether moiety has a function of conducting hydrogen ions.

추가적으로, 본 발명은 상기 전극막 접합체(MEA)를 포함하는 연료전지를 제공한다. In addition, the present invention provides a fuel cell including the electrode membrane assembly (MEA).

이때, 상기 연료전지를 구성하는 모든 재료는 본 발명에서 제조한 전극용 촉매를 제외하고는, 당 업계에서 알려진 통상적인 연료전지 분야에서 사용되고 있는 모든 재료가 사용 가능하다. 또한, 연료전지의 제조방법은 특별한 제한이 없으며, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 상기에서 제조된 전극막 접합체(MEA)와 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 구성하여 제조될 수 있다. In this case, all materials constituting the fuel cell may be any material used in the conventional fuel cell field known in the art, except for the electrode catalyst prepared in the present invention. In addition, the manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and may be manufactured by configuring an electrode membrane assembly (MEA) and a bipolar plate manufactured according to conventional methods known in the art.

상기 연료전지는 산소의 환원 반응을 채택하는 모든 전지에 적용 가능하며, 이를 특별히 제한하지 않는다. The fuel cell is applicable to any cell that adopts a reduction reaction of oxygen, and is not particularly limited thereto.

추가로, 본 발명은 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자; 및 상기 입자의 일부 또는 전부에 접촉된 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 포함하는 전극 촉매를 산소극 촉매로 사용하여 연료전지 산소극의 산소 환원 반응 활성을 증대시키는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity; And it provides a method for increasing the oxygen reduction reaction activity of the fuel cell oxygen electrode using an electrode catalyst comprising an electrode catalyst containing a substance for storing or moving oxygen in contact with some or all of the particles as the oxygen electrode catalyst.

상기 방법은 산소극에서의 산소 환원반응 활성을 증대시키기 위해 많이 사용되는 종래 기술, 예컨대 a) 촉매의 비표면적 증가법 및 b) 촉매의 담지량 증가법과 차별화되는 신규 방법으로서, 연료전지의 성능 향상 뿐만 아니라 제조 공정의 단순화, 경제성 확보 등의 잇점이 있다.The method is a novel method that is differentiated from the conventional techniques, such as a) increasing the specific surface area of the catalyst and b) increasing the loading amount of the catalyst, which are widely used to increase the oxygen reduction activity at the oxygen electrode. In addition, there are advantages such as simplifying the manufacturing process and securing economic feasibility.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to help understanding of the present invention, but the following examples are merely to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1 Example 1

1-1. 금속 산화물로 코팅된 백금 담지 카본 촉매 제조1-1. Preparation of platinum supported carbon catalyst coated with metal oxide

소정량의 증류수에 질화암모늄 세륨(Ce(NH4)2(NO3)6을 첨가하여 충분히 교반시켜 녹여준 후 세륨염을 침전시키기 위해 암모니아수를 천천히 첨가하였다. 우유 빛 현탁액이 형성되면 300℃에서 6시간 동안 가열한 후, 그 용액을 여과하여 증류수로 세척하고 건조하였다. 이 파우더 0.2g을 지지체로 사용되는 표면적이 1200m2/g인 탄소 블랙 (KB600JD) 0.4g과 30 ml의 증류수에 넣은 후, 강한 교반으로 콜로이드 상태의 용액을 얻었으며 이를 90℃의 온도로 가열하였다. 콜로이드 용액에 1M의 탄산나트륨 용액을 부가하여 pH를 8에서 9사이의 범위로 조절하였으며, pH 값이 안정된 후 원하는 백금 담지량 40 중량%에 상응하는 1.01g의 염화백금산 (H2PtCl6.xH2O)을 포함하고 있는 수용액 4 ml를 콜로이드 용액에 부가하였다. 염화백금산에 의해 낮아진 pH값을 다시 1 M의 탄산나트륨 용액을 부가하여 pH 값을 8에서 9사이의 범위로 조절하였으며, 이 용액에 포름 알데하이드 용액을 부가하여 액상에서 백금을 환원하였다. 용액을 여과하고 얻어진 분말을 세척한 후, 80℃에서 진공건조하여 최종적으로 백금/탄소분말을 얻었다.Ammonium cerium nitride (Ce (NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 ) was added to a predetermined amount of distilled water, and the mixture was sufficiently stirred to dissolve, followed by slowly adding ammonia water to precipitate the cerium salt. After heating for 6 hours, the solution was filtered, washed with distilled water and dried, 0.2 g of this powder was added to 0.4 g of carbon black (KB600JD) having a surface area of 1200 m 2 / g and 30 ml of distilled water. , Agitated to obtain a colloidal solution, which was heated to a temperature of 90 ° C. 1M sodium carbonate solution was added to the colloidal solution to adjust the pH in the range of 8 to 9, and the desired platinum loading after the pH was stabilized. 4 ml of an aqueous solution containing 1.01 g of chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .xH 2 O) corresponding to 40% by weight was added to the colloidal solution. The pH value was adjusted to a range of 8 to 9 by addition of sodium solution, and formaldehyde solution was added to the solution to reduce platinum in the liquid phase.The solution was filtered and the powder obtained was washed and then vacuum dried at 80 ° C Finally, a platinum / carbon powder was obtained.

1-2. 전극 제조1-2. Electrode manufacturing

실시예 1-1에서 제조된 세리아로 코팅된 백금 담지 촉매를 이소프로필알콜을 무게비로 1:100으로 희석한 용액에 나피온 용액을 첨가하여 기계적 교반을 이용하여 분산시켜 촉매 슬러리를 제조하였다. 제조된 촉매 슬러리 중 필요한 촉매량을 계산하여 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)에 스프레이하여 전극을 제조하였다.A catalyst slurry was prepared by dispersing the ceria-coated platinum supported catalyst prepared in Example 1-1 by adding Nafion solution to a solution diluted 1: 100 by weight ratio of isopropyl alcohol using mechanical stirring. The required amount of catalyst in the prepared catalyst slurry was calculated and sprayed on a gas diffusion layer (GDL) to prepare an electrode.

1-3. 전극막 접합체(MEA) 제조1-3. Manufacture of Electrode Film Assembly (MEA)

상기 실시예 1-2에서 제조된 양(兩) 전극 사이에 나피온 전해질 막을 열적, 기계적으로 접합하여 전극막 접합체를 제조하였으며, 이를 이용하여 수소 이온 교환막 연료전지를 제조하였다.An electrode membrane assembly was prepared by thermally and mechanically bonding a Nafion electrolyte membrane between the positive electrodes prepared in Examples 1-2, thereby preparing a hydrogen ion exchange membrane fuel cell.

본 발명에서는 전극용 촉매 물질 입자상에 상기 촉매 물질에 산소를 공급하거나 저장할 수 있는 물질을 합금화 또는 코팅시킴으로써, 산소극에서의 산소 환원 활성 증대 및 연료전지의 성능 향상을 제공할 수 있다.In the present invention, by alloying or coating a material capable of supplying or storing oxygen to the catalyst material particles on the electrode catalyst material particles, it is possible to provide an increase in the oxygen reduction activity at the oxygen electrode and an improvement in the performance of the fuel cell.

Claims (19)

(a) 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자; 및(a) metal or metal containing alloy particles having catalytic activity; And (b) 상기 입자의 일부 또는 전부에 접촉된 산소를 저장하거나 이동시키는 물질(b) a substance that stores or migrates oxygen in contact with some or all of the particles 을 포함하는 전극 촉매.Electrode catalyst comprising a. 제 1항에 있어서, 상기 산소를 저장하거나 이동시키는 물질은 격자 구조 내 산소 결함(defect)을 갖는 물질인 전극 촉매.The electrode catalyst of claim 1, wherein the material that stores or moves oxygen is a material having oxygen defects in a lattice structure. 제 1항에 있어서, 상기 산소를 저장하거나 이동시키는 물질은 산소극에 투입된 산소(O2)를 일시 저장하고, 상기 산소를 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자로 이동시키는 것이 특징인 전극 촉매.The electrode catalyst according to claim 1, wherein the material for storing or moving oxygen temporarily stores oxygen (O 2 ) injected into the oxygen electrode and moves the oxygen to metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity. . 제 1항에 있어서, 상기 산소를 저장하거나 이동시키는 물질은 란탄족, 악티늄족 및 니켈로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 또는 상기 금속을 포함하는 금속 산화물인 전극 촉매.The electrode catalyst of claim 1, wherein the material for storing or moving oxygen is at least one metal selected from the group consisting of lanthanides, actinides, and nickel or a metal oxide including the metal. 제 4항에 있어서, 상기 금속 산화물은 세륨옥사이드(CeO2), 레늄옥사이드 (ReO2) 또는 니켈 (Ni)인 전극 촉매.The electrode catalyst of claim 4, wherein the metal oxide is cerium oxide (CeO 2 ), rhenium oxide (ReO 2 ), or nickel (Ni). 제 1항에 있어서, 상기 산소를 저장하거나 이동시키는 물질은The method of claim 1, wherein the material for storing or moving oxygen is (i) 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자와 합금(alloy)을 이루거나;(i) alloying metal or metal containing alloy particles with catalytic activity; (ii) 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자와 코어-쉘(core-shell) 구조를 이루거나; 또는(ii) form a core-shell structure with metal or metal containing alloy particles having catalytic activity; or (iii) 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자 표면을 둘러싸는 띠(band) 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 전극 촉매.(iii) an electrode catalyst, characterized by being in the form of a band surrounding the surface of the metal or metal containing alloy particles having catalytic activity. 제 6항에 있어서, 상기 코어-쉘(core-shell) 구조에서 코어와 쉘은 각각 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자 또는 산소를 저장하거나 이동시키는 물질로 구성되며, 상기 코어와 쉘은 서로 동일한 성분으로 구성되지 않는 것이 특징인 전극 촉매.7. The core and shell structure of claim 6, wherein the core and the shell are made of metal or metal-containing alloy particles or a substance for storing or moving oxygen, each having catalytic activity, and the core and the shell are each other. An electrode catalyst characterized by not being composed of identical components. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자에서 금속은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Au), 이리듐(Ir) 및 오스뮴(Os)으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 전극 촉매.The method of claim 1, wherein the metal in the catalytically active metal or metal-containing alloy particles are platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), gold (Au), silver (Au), At least one electrode catalyst selected from the group consisting of iridium (Ir) and osmium (Os). 제 1항에 있어서, 상기 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자의 입도는 1.0 내지 15nm 범위인 전극 촉매.The electrode catalyst of claim 1, wherein the particle size of the metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity ranges from 1.0 to 15 nm. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금의 함량은 전체 촉매 100 중량부 당 10 내지 90 중량부 범위이며, 산소를 저장하거나 이동시키는 물질의 함량은 전체 촉매 100 중량부 당 10 내지 90 중량부 범위인 전극 촉매.The amount of the metal or the metal-containing alloy having catalytic activity is in the range of 10 to 90 parts by weight per 100 parts by weight of the total catalyst, and the content of the substance for storing or transferring oxygen is 10 per 100 parts by weight of the total catalyst. Electrode catalyst in the range from to 90 parts by weight. 제 1항에 있어서, 상기 촉매는 다공성 탄소, 전도성 고분자 및 금속 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 촉매 담체에 담지된 전극 촉매.The electrode catalyst of claim 1, wherein the catalyst is supported on at least one catalyst carrier selected from the group consisting of porous carbon, conductive polymers, and metal oxides. 제 11항에 있어서, 상기 담체의 비표면적은 20 내지 2000m2/g 범위인 것이 특징인 전극 촉매.The electrode catalyst according to claim 11, wherein the specific surface area of the carrier is in the range of 20 to 2000 m 2 / g. 제 1항에 있어서, 상기 촉매는 양극(산소극) 촉매인 것이 특징인 전극 촉매.The electrode catalyst according to claim 1, wherein the catalyst is an anode (oxygen) catalyst. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항의 전극 촉매를 포함하는 전극.An electrode comprising the electrode catalyst of claim 1. (a) 제 1 촉매층을 갖는 제 1 전극; (a) a first electrode having a first catalyst layer; (b) 제 2 촉매층을 갖는 제 2 전극; 및 (b) a second electrode having a second catalyst layer; And (c) 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 개재된 전해질 막(c) an electrolyte membrane interposed between the first electrode and the second electrode 을 포함하는 연료전지용 전극막 접합체로서, 제 1 촉매층, 제 2 촉매층 또는 제 1 촉매층 및 제 2 촉매층이 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항의 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체(membrane electrode assembly: MEA).An electrode membrane assembly for a fuel cell comprising: an electrode membrane assembly wherein the first catalyst layer, the second catalyst layer, or the first catalyst layer and the second catalyst layer comprise the catalyst of any one of claims 1 to 13. electrode assembly: MEA). 제 15항의 전극막 접합체(MEA)를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the electrode membrane assembly of claim 15. (a) 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자와 산소를 저장하거나 이동시키는 물질을 합금(alloy)화하거나; 또는 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자를 산소를 저장하거나 이동시키는 물질로 코팅하거나 또는 이와 반대로 코팅하는 단계; 및(a) alloying metal or metal containing alloy particles having catalytic activity with a substance that stores or migrates oxygen; Or coating metal or metal containing alloy particles having catalytic activity with a material that stores or migrates oxygen or vice versa; And (b) 상기 단계 (a)에서 얻어진 결과물을 건조하는 단계(b) drying the resultant obtained in step (a) 를 포함하는 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항의 전극 촉매의 제조방법.The method for producing an electrode catalyst of any one of claims 1 to 13 comprising a. 제 17항에 있어서, 상기 제조방법은 단계 (a)에서 촉매 담체를 첨가하거나 또는 촉매 활성을 갖는 금속 또는 금속 함유 합금 입자가 담지된 담체를 사용하는 것을 포함하는 제조방법.18. The method according to claim 17, wherein the production method includes adding a catalyst carrier in step (a) or using a carrier on which metal or metal-containing alloy particles having catalytic activity are supported. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항의 전극 촉매를 산소극 촉매로 사용하여 연료전지 산소극의 산소 환원 반응 활성을 증대시키는 방법.A method for increasing the oxygen reduction activity of a fuel cell oxygen electrode using the electrode catalyst of any one of claims 1 to 13 as an oxygen electrode catalyst.
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