KR20070035710A - 연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 촉매는 촉매금속 및 중심 금속에 질소-탄소 결합에 의하여 연결된 착화합물을 포함하는 촉매 전구체로부터 제조되고, 3 내지 20 nm의 평균입경을 가진다. 또한, 본 발명은 방향족 탄화수소계 용매를 이용하여 촉매 전구체에 용해시키는 방법으로 제조하는 연료전지용 촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 연료 전지용 촉매는 활성물질의 크기가 작아 촉매 금속 담지율이 높고, 분산이 잘되어 있어, 촉매효율 증진으로 우수한 물성의 연료 전지를 제공할 수 있다.
연료전지, 촉매, 전구체, 슬러리

Description

연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템{CATALYST FOR FUEL CELL AND PREPARATION METHOD THEREOF, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
도 1은 본 발명의 연료 전지 촉매를 포함하는 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료 전지용 촉매의 I-V 값을 비교하여 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지용 촉매의 TEM 사진.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매 금속 담지율이 높고, 분산이 잘 되어 고활성을 가지는 연료 전지용 촉매, 그의 제조 방법 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로 작동되는 온도에 따라 고온형 연료 전지와 저온형 연료 전지로 분류한다.
이 중에서 상기 저온형 연료 전지로는 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. 상기 고분자 전해질 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고, 상온에서 작동이 가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신 장비의 휴대용 전원, 군사용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용이 가능하다.
일반적으로 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 액체를 연료로 사용하는 직접 산화형 연료 전지는 반응속도가 느려서 고분자 전해질형에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 전극 촉매를 사용하여야 하나, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮으며 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.
상기 애노드 전극과 캐소드 전극에 포함하는 촉매는 일반적으로 백금 촉매가 여러 가지 형태로 사용되며, 그 중 하나로 백금을 탄소 담체에 담지시킨 것이 널리 사용되고 있다. 그러나, 백금의 가격이 비싸서 상용화하기에는 제약이 있다. 따라서, 백금을 쓰지 않는 물질의 개발이 진행되고 있는데, 대표적인 물질이 물리적으로 혼합한 유기 금속을 이용한 촉매이다.
대표적인 유기 금속 전구체는 철, 코발트, 니켈등의 포피린, 테트라페닐포피린, 프탈로시아닌 등이다. 그런데, 이러한 전구체들은 용해도가 낮아서 대부분 카본과 물리적으로 혼합하여 사용되고 있다. 또한 제조된 촉매들이 불안정하게 되어 많은 응집(aggregation)이 존재하여 큰 덩어리의 입자가 형성되므로 촉매의 이용 효율면에서 바람직하지 못하다.
본 발명의 목적은 활성물질의 크기를 종래보다 작게하여 촉매효율을 향상시키고, 촉매 금속의 담지량이 높으며 고분산되어 고활성을 가지게 하는 연료 전지용 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 촉매를 용이하게 제조할 수 있는 연료 전지용 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 촉매를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 촉매금속, 및 중심 금속에 질소-탄소 결합에 의하여 연결된 착화합물을 포함하는 촉매 전구체로부터 제조되고, 3 내지 20 nm의 평균입경을 가지는 연료 전지용 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한, 촉매금속, 및 중심 금속에 질소-탄소 결합에 의하여 연결된 착화합물을 혼합하여 촉매 전구체를 제조하고, 상기 촉매 전구체를 방향족 탄화수소 용매에 첨가하여, 촉매 전구체를 용해시켜 습윤 함침(wet impregnation)시키고, 상기 촉매 전구체 용액의 용매를 증발시킨 후, 강하게 기계적으로 혼합하고, 상기 슬러리 형태의 촉매 전구체를 불활성 가스 분위기 하에서 열처리하는 공정을 포함하는 연료 전지용 촉매의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 상기한 구성의 촉매를 포함하는 촉매층과 이 촉매층을 지지하는 도전성 기재로 이루어지는 전극 기재
를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나의 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하며 연료의 산화반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며,
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 상기한 구성의 촉매를 포함하는 촉매층과 이 촉매층을 지지하는 도전성 기재로 이루어지는 전극 기재를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
유기금속 물질을 이용하여 촉매를 제조하는 경우, 일반적으로 유기 금속 물질을 촉매 전구체로 사용하여, 이를 용액 상태로 제조한 후, 탄소 담체에 함침시키고, 이를 건조하고 환원하는 공정으로 제조된다. 그러나, 상기 방법은 유기 금속 촉매의 물에 대한 낮은 용해도 때문에, 카본 담체에 촉매금속을 담지할 때 휘발성이 높은 알코올, 또는 아세톤류에 카본을 함께 섞은 후 물리적 혼합에 의해 촉매를 제조하여야만 하며, 제조된 촉매의 활성물질의 크기가 크기 때문에 촉매효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명에서는 촉매 활성물질의 크기를 작게 하여, 촉매 이용 효율을 향상시키며, 담체에 담지된 촉매를 제조하는 경우 담지량이 높고, 또한 분산이 잘되도록 하는 특징이 있다.
즉, 촉매 입자의 평균 입경이 미세할수록, 촉매 이용 효율이 향상되고, 결과적으로 전지 성능을 향상시킬 수 있어 바람직하다. 따라서, 본 발명은 촉매 제조시, 방향족 탄화수소계 용매를 사용하여 촉매전구체를 용해하는 공정에 의해, 촉매 금속, 금속 함유 포피린계 화합물 또는 금속 함유 프탈로시아닌계 화합물을 포함하는 촉매 전구체 조성물로부터 제조되어, 3 내지 20 nm의 평균입경을 가진다.
본 발명의 촉매는 담체에 담지된 형태의 촉매인 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 촉매의 제조방법의 일실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명은 촉매금속, 및 중심 금속에 질소-탄소 결합에 의하여 연결된 착화합물을 포함하는 촉매전구체를 알코올보다 낮은 방향족 탄화수소계 용매에 완전히 용해시킨다. 이후, 이 용액을 카본 담체 또는 금속이 담지된 카본 담체에 습윤 함침(wet impregnation)시킨다. 그런 다음, 분산도를 높이기 위하여 슬러리 형태가 될 때까지 용매를 증발시킨 후, 강한 물리적 혼합을 한다. 이후, 건조된 전구체를 불활성 가스 분위기 하에서 열처리하여 촉매를 제조한다.
본 발명에서 사용되는 촉매금속은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 또한, 상기 촉매금속은 퓸드 실리카, 알루미나, 제올라이트 및 티타늄 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 담지 보조제를 추가로 포함할 수도 있다.
본 발명에서 담체에 담지된 형태인 경우 담체로는 일반적으로 연료 전지용 촉매에서 사용되는 케첸블랙(Ketjen black), 벌칸 X(Vulcan-X), 아세틸렌 블랙 또는 흑연과 같은 탄소 담체 또는 알루미나, 실리카 등의 Al 또는 Si 산화물의 무기물 담체를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 당해 분야에서 담체로 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
본 발명에서 사용되는 촉매전구체는 중심금속에 질소-탄소원자를 가지는 화합물이 결합된 착물 형태를 가지며, 금속 함유 포피린계 화합물 또는 프탈로시아닌계 화합물을 포함한다. 상기 중심금속은 Fe, Co, Cr, Ni, Cu, Zn, Mn 등의 비금속을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 질소-탄소 결합을 갖는 화합물은 포피린, 프탈로시아닌, 테트라페닐포피린 등이 있다. 바람직하게, 상기 금속 함유 포피린계 화합물 또는 프탈로시아닌계 화합물로는 Fe-프탈로시아닌, Fe-포피린, Fe-테트라페닐포피린 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 촉매전구체를 용해하기 위해 사용되는 용매는 종래 알코올이나 아세톤 등에 비해 휘발성이 낮은 방향족 탄화수소계 화합물이 바람직하며, 일례를 들면 벤젠, 피리딘, 톨루엔, 자일렌 등을 사용할 수 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합 사용할 수 있다.
본 발명에서 용매와 촉매 전구체의 혼합비율은 특별히 한정되지 않으며, 10 내지 90 중량% : 90 내지 10 중량%의 범위로 사용할 수 있다.
상기 불활성 가스 분위기는 아르곤, 질소, 헬륨 분위기가 바람직하고, 상기 열처리 공정은 500 내지 1000 ℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 온도가 500 ℃보다 낮으면 활성상이 충분히 생성되지 못하고, 온도가 1000 ℃보다 높으면 분산도가 크게 감소한다.
이와 같이, 본 발명의 촉매의 제조방법은, 일반적으로 사용되는 용매를 사용하여 간단하고 경제적인 방법으로 촉매를 제조할 수 있다. 아울러, 촉매전구체 중 금속 함유 포피린 화합물은 촉매에 분자 단위로 고르게 분산되어 있어 탄소 담체에 고분산된 고활성 촉매를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 연료(수소, 메탄올, 에탄올, 개미산 등) 산화용 애노드 및 산화제(예를 들면, 산소 또는 공기)의 환원용 캐소드로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 촉매는 캐소드 및 애노드 전극에 모두 사용할 수 있다. 즉, 상기 연료 전지의 작동상태를 일례를 들면, 수소 또는 그 밖의 연료를 상기 애노드 전극에 공급하고, 산화제를 상기 캐소드 전극에 공급하여, 애노드 전극과 캐소드 전극의 전기 화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 이때, 애노드 전극에서 유기 연료의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극 간의 전압차를 발생시키게 된다.
본 발명의 연료전지용 전극은 캐소드 및 애노드 전극 중 적어도 어느 하나가 상기 촉매를 포함하여 구성된 촉매층과 전극기재로 이루어진다.
상기 전극기재는 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재는 기체확산층(gas diffusion layer)을 포함하는 것으로서 도전성 기재를 사용하며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 기체 확산층은 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
또한, 본 발명의 전극은 전극 기재와 상기 촉매층 사이에 기체 확산층의 기체 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여, 미세 다공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 상기 미세 다공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말이 사용될 수 있으며, 예를 들면 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브 등의 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 미세 다공층은 도전성 분말, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 바인더 수지 및 필요에 따라 아이오노머, 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 형성될 수 있다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알콜, 부틸알콜 등과같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전극을 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 캐소드 전극 및 애노드 전극 사이에 고분자 전해질 막을 구비한 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(또는 바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함하며, 연료의 산화반응과 산화제의 환원반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다. 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 상기한 구성을 갖는 촉매를 포함하는 촉매층과 이 촉매층을 지지하는 도전성 기재로 이루어지는 전극 기재를 포함한다.
상기 고분자 전해질막은 수소이온 전도성이 우수한 고분자를 포함하며, 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다.
상기 수소이온 전도성 고분자로는 수소이온전도성을 갖는 것이라면 어느 것이나 사용 가능하고, 예를 들면 퍼플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 수소이온 전도성 고분자의 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸 등을 1종 이상 선택하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 고분자 막은 10 내지 200㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 연료 공급부는 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
도 1에서, 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)를 갖는 스택(7)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급원(1)과, 산화제를 전기 발생부(19) 로 공급하는 산화제 공급원(5)을 포함하여 구성된다. 상기에서 연료의 일례로는 수소가스가 사용될 수 있으며, 산화제는 공기(산소)가 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(1)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9)와, 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 스택(7)의 전기 발생부(19)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(5)는 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하는 적어도 하나의 공기 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(19)는 연료와 산화제를 산화/환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(21)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(또는 바이폴라 플레이트라고도 함)(23,25)로 구성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
벤젠 23.6 ml에 철-프탈로시아닌 0.205 g을 용해시킨 후 이 용액을 카본 담체 0.5 g에 습윤 함침(wet impregnation)시켰다. 이후, 분산도를 높이기 위하여 슬러리 형태로 용매가 거의 증발될때 볼밀로 강한 물리적 혼합을 하여 건조 함침(dry impregnation)과 유사한 환경을 제공하였다. 이후, 불활성 분위기인 Ar 분위 기 하에서 500 ℃의 온도로 열처리하여 연료 전지용 촉매를 제조하였다.
상기 실시예 1에 의해 제조된 촉매를 각각 글래씨카본(glassy carbon) 위에 3.78×10-3 mg씩 로딩시켜 작업전극으로 하고, 백금 메시를 상대전극으로 하여 반쪽 전지를 제작하였다. 0.5M 농도의 황산 용액에 산소 기체를 2시간 동안 버블링(bubling)하여 산소가 포화된 황산 용액을 제조하고, 전압을 변화시키면서 전류 밀도를 측정하여, 그 결과를 나타낸 그래프를 도 2에 도시하였다.
(실시예 2)
용매로 피리딘을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 촉매를 제조하였다.
(실시예 3)
실시예 1에서 카본 담체대신 백금이 담지된 Pt/C를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 촉매를 제조하였다.
(실시예 4)
촉매 제조시, 불활성 분위기인 N2 분위기 하에서 1000 ℃의 온도로 열처리한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 촉매를 제조하였다.
(비교예 1)
카본 담체를 담지할 때 촉매 전구체를 물과 이소프로필 알콜의 혼합용매(1:1 부피비)에 첨가한 후 물리적으로 혼합하고, 혼합용매를 80 ℃의 온도에서 건조한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 촉매를 제조하였다.
(실험예)
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 대하여, 통상의 방법으로 연료전지용 촉매에 대한 I-V를 측정하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보면, 본 발명의 실시예 1의 촉매가 비교예 1의 경우보다 활성물질의 크기가 작기 때문에 일정 전압에서 전류밀도가 우수하였다.
또한, 본 발명의 실시예 1에 따른 촉매의 TEM 사진을 도 3에 나타내었다. 도 3에 따르면, 본 발명의 촉매는 활성물질의 크기가 약 20 nm 이하임을 알 수 있다.
본 발명의 연료전지용 촉매는 경제적이고 간단한 방법으로 제조할 수 있으며, 활성물질의 크기가 작아 담지율이 높으며, 분산이 잘되어 촉매 효율이 우수한 연료 전지를 제공할 수 있다.

Claims (17)

  1. 촉매금속, 및
    중심 금속에 질소-탄소 결합에 의하여 연결된 착화합물을 포함하는 촉매 전구체로부터 제조되고,
    3 내지 20 nm의 평균입경을 가지는
    연료 전지용 촉매.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 전구체는 금속 함유 포피린계 화합물 또는 금속 함유 프탈로시아닌계 화합물을 포함하는 것인 연료 전지용 촉매.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중심 금속은 Fe, Co, Cr, Ni, Cu, Zn 및 Mn로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 연료전지용 촉매.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매금속은 담체에 담지되어 있으며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 연료 전지용 촉매.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 담체는 벌칸-X, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 및 카본 나노 튜브로 이루어진 군에서 선택되는 연료 전지용 촉매.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매금속은 퓸드 실리카, 알루미나, 제올라이트 및 티타늄 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 담지 보조제를 추가로 포함하는 연료 전지용 촉매.
  7. 촉매금속, 및 중심 금속에 질소-탄소 결합에 의하여 연결된 착화합물을 혼합하여 촉매 전구체를 제조하고,
    상기 촉매 전구체를 방향족 탄화수소 용매에 첨가하여, 촉매 전구체를 용해시켜 습윤 함침(wet impregnation)시키고,
    상기 촉매 전구체 용액의 용매를 증발시킨 후, 기계적으로 혼합하고,
    상기 촉매 전구체를 불활성 가스 분위기 하에서 열처리하는 공정
    을 포함하는 연료 전지용 촉매의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 방향족 탄화수소 용매는 벤젠, 피리딘 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 연료 전지용 촉매의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 촉매 전구체는 금속 함유 포피린계 화합물 또는 금속 함유 프탈로시아닌계 화합물을 포함하는 것인 연료 전지용 촉매.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 중심 금속은 Fe, Co, Cr, Ni, Cu, Zn 및 Mn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 연료 전지용 촉매의 제조 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 촉매 금속은 담체에 담지되어 있으며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 연료 전지용 촉매의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 담체는 벌칸-X, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 및 카본 나노 튜브로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 촉매의 제조방법.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 열처리 공정은 500 내지 1000 ℃의 불활성 분위기하에 이루어지는 것인 연료 전지용 촉매의 제조 방법.
  14. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및
    상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 제1항 내지 제6항에 따른 촉매를 포함하는 촉매층과 이 촉매층을 지지하는 도전성 기재로 이루어지는 전극 기재
    를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  15. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및
    상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 제7항 내지 제13항에 따른 방법으로 제조된 촉매를 포함하는 촉매층과 이 촉매층을 지지하는 도전성 기재로 이루어지는 전극 기재
    를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  16. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나의 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화반응과 산화제의 환원반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부,
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 제1항 내지 제6항에 따 른 촉매를 포함하는 촉매층과 이 촉매층을 지지하는 도전성 기재로 이루어지는 전극 기재
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나의 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화반응과 산화제의 환원반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부,
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 제7항 내지 제13항에 따른 방법으로 제조된 촉매를 포함하는 촉매층과 이 촉매층을 지지하는 도전성 기재로 이루어지는 전극 기재
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
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