KR20070038645A - 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법, 이 방법으로 제조된촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법, 이 방법으로 제조된촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법, 이 제조 방법으로 제조된 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 제조 방법은 Fe2Fe(CN)6 및 Cu2Fe(CN)6로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 물질, 아세톤 및 탄소계 물질을 혼합하는 혼합 단계, 상기 혼합 단계에서 제조된 혼합물을 진공 처리하는 진공 처리 단계 및 상기 진공 처리된 혼합물을 열처리하는 열처리 단계를 포함한다.
본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법은 저온에서 이루어지는 간단한 공정이며, 활성 물질의 담체로의 담지량을 증가시켜 촉매의 산소 환원 반응에 대한 활성을 향상시킬 수 있으며, 그 촉매를 포함하는 연료 전지용 캐소드 전극 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
연료 전지, 전극, 촉매, 캐소드, 애노드

Description

연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법, 이 방법으로 제조된 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템{METHOD OF PREPARING CATHODE CATALYST FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING CATHODE CATALYST PREPARED BY THE METHOD}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 단면을 모식적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법, 이 방법으로 제조된 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저온에서 이루어지는 간단한 공정으로 활성 물질의 담체로의 담지량을 증가시켜 촉매의 산화제의 환원 반응에 대한 활성을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법 및 이 방법으로 제조된 연료 전지용 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
일반적으로 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 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.
본 발명의 목적은 저온에서 이루어지는 간단한 공정으로 활성 물질의 담체로의 담지량을 증가시켜 촉매의 산소 환원 반응에 대한 활성 및 선택성을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조 방법으로 제조된 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Fe2Fe(CN)6 및 Cu2Fe(CN)6로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 물질, 아세톤 및 탄소계 물질을 혼합하는 혼합 단계, 상기 혼합 단계에서 제조된 혼합물을 진공 처리하는 진공 처리 단계 및 상기 진공 처리된 혼합물을 열처리하는 열처리 단계를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치하는 애노드 및 캐소드 전극과 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 전극은 도전성 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하고, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 상기 본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지용 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 본 발명의 막-전극 어셈블리와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
연료 전지(Fuel cell)는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기 에너지를 얻어내는 발전 시스템으로, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 캐소드 전극에서는 산화제의 환원 반응이 일어난다.
애노드 전극 및 캐소드 전극에는 각각 연료의 산화와 산화제의 환원 반응을 돕는 촉매들이 사용되는데, 애노드 전극에는 백금-루테늄이 캐소드 전극에는 백금이 주로 사용된다.
그러나, 캐소드 촉매로 이용되는 백금은 고가라는 점과 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)에서 전해질 막을 통과하여 캐소드 영역으로 넘어 온 메탄올에 의해 감극(減極, depolarized)되어 비활성화 되는 문제가 있어, 백금을 대체할 수 있는 촉매에 대한 관심이 집중되고 있다.
그러한 촉매들 중의 하나로 FeN/C와 CuN/C가 있는데, 이들 촉매는 산소 환원 반응에 대한 활성 및 선택성의 우수함으로 인해 주목받고 있다. FeN/C와 CuN/C는 탄소 담체 위에 Fe 또는 Cu가 N과 상호 결합력을 가지면서 담지되어 있는 구조로 되어 있다.
FeN/C 와 CuN/C는 마크로사이클 또는 유기 금속을 전구체로 하여 열처리하는 방법에 의해 제조될 수 있으나, 마크로사이클을 전구체로 이용하는 방법은 전구체의 크기가 너무 커서 금속의 로딩량이 적고, 유기 금속을 이용하는 방법은 촉매 입자 크기가 커져서 촉매 활성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 저온에서 간단한 공정으로 FeN/C와 CuN/C를 제조할 수 있으며, 활성 물질의 담체로의 로딩량이 크게 증가된 FeN/C와 CuN/C를 제조할 수 있는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법은 Fe2Fe(CN)6 및 Cu2Fe(CN)6로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 물질, 아세톤 및 탄소계 물질을 혼합하는 혼합 단계, 상기 혼합 단계에서 제조된 혼합물을 진공 처리하는 진공 처리 단계 및 상기 진공 처리된 혼합물을 열처리하는 열처리 단계를 포함한다.
상기 혼합 단계에서, 탄소계 물질은 담체를 형성하는 것으로 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 및 탄소나노와이어가 바람직하게 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
아세톤은 Fe2Fe(CN)6 또는 Cu2Fe(CN)6 100중량부에 대하여 1000 내지 20000 중량부로 첨가되는 것이 바람직한데, 아세톤 함량이 1000 중량부 미만이면 용해도가 떨어지는 문제가 있고, 20000 중량부를 초과하면 증발시키는데 시간이 오래 걸리는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
탄소계 물질은 Fe2Fe(CN)6 또는 Cu2Fe(CN)6 100 중량부에 대하여 500 내지 1000 중량부로 첨가되는 것이 바람직한데, 탄소계 물질의 함량이 500 중량부 미만이면 담지에 의한 효과가 미미하며, 1000 중량부를 초과하면 활성 물질의 담지량이 적어 촉매의 활성이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
혼합 단계에서 제조된 혼합물은 진공 처리 단계를 거치게 되는데, 진공 처리를 통해 상기 혼합물에 포함되는 물질들이 분해하게 된다. 상기 진공 처리는 150 내지 250℃의 온도에서 실시되는 것이 바람직하며, 180 내지 220℃의 온도에서 실시되는 것이 더욱 바람직하다. 진공 처리 시간은 2 내지 6 시간이 바람직하다.
진공 처리 후에는 혼합물을 열처리하게 되며, 열처리에 의해 촉매 분말을 얻게 된다. 상기 열처리는 수소 또는 암모니아 가스 분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 열처리는 300 내지 450℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, 330 내지 400℃의 온도에서 이루어지는 것이 더욱 바람직하다. 열처리 시간은 2 내지 5 시간이 바람직하다.
본 발명의 제조 방법에 의해 상기 설명한 바와 같은 FeN/C 또는 CuN/C를 제조할 수 있다. 본 발명에 의해 제조된 FeN/C 및 CuN/C는 담체에 담지된 활성 물질의 양이 많아, 연료 전지용 캐소드 촉매로서 높은 활성 및 선택성을 나타낸다.
본 발명은 또한, 상기 설명한 바와 같은 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방 법에 의해 제조된 연료 전지용 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것으로서, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 도전성 기재로 이루어진 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(131)의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 이하, 도면을 참고하여 본 발명의 막-전극 어셈블리(131)를 설명한다.
상기 막-전극 어셈블리(131)는 연료의 산화와 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 부분으로, 하나 또는 수 개가 적층되어 스택에 장착된다.
상기 캐소드 전극의 촉매층(53)에서는 산화제의 환원 반응이 일어나며, 상기제조 방법에 의해 제조된 캐소드 촉매가 포함된다. 상기 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성 및 선택성을 보여, 이를 포함하는 캐소드 전극(5) 및 막-전극 어셈블리(131)의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 애노드 전극의 촉매층(33)에서는 연료의 산화 반응이 일어나며, 이를 촉진시킬 수 있는 촉매가 포함되는데, 종래 통상적으로 사용되던 백금계 촉매가 사용될 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 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) 중에 서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다.
상기 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 탄소가 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층(33,53)은 바인더를 포함할 수 있는데, 이 바인더로는 일반적으로 연료 전지용 전극에서 바인더로 사용되는 물질은 어떠한 것도 사용될 수 있으며, 그 대표적인 예로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴 클루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트, 폴리(퍼플루오로설폰산) 등을 사용할 수 있다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 전극 기재(31,51)는 반응원 즉 연료와 산화제가 상기 촉매층으로 쉽게 접근할 수 있게 하는 역할을 하는데, 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 전해질 막(1)으로는 애노드 전극의 촉매층(33)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층(53)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지며, 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다.
그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중을 들 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸)을 들 수 있다. 일반적으로 상기 고분자 전해질 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
상기 본 발명의 막-전극 어셈블리(131)는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 또는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)시스템의 일 구성 요소로 장착되어 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 막-전극 어셈블리(131)는 캐소드 촉매의 산화제의 환원 반응에 대한 선택성이 우수하여, 연료의 크로스오버(crossover)가 문제되는 직접 산화형 연료 전지에 더욱 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상술한 바와 같은 본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공한다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(131)와 이 막-전극 어셈블리(131)의 양면에 위치하는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 상기 연료는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 의미하며, 대표적인 탄화수소 연료로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 부탄올 등을 들 수 있다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 순수한 산소 또는 공기를 주입하여 사용할 수 있다. 다만, 연료 및 산화제가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 또는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에 제한 없이 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 연료 전지 시스템은 캐소드 촉매의 산화제의 환원 반응에 대한 선택성이 우수하여, 연료의 크로스오버(crossover)가 문제되는 직접 산화형 연료 전지에 더욱 효과적으로 사용될 수 있다.
연료 전지 시스템(100)의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 연료 전지 시스템은 산화제의 공급이 펌프로 이루어지는지의 여부에 따라 능동형(Active Type)과 수동형(Passive Type)으로 분류되며, 능동형과 수동형 모두 연료 공급을 위한 펌프가 구비될 수 있으나, 연료 전지 시스템의 소형화, 경량화를 위해 펌프 없이 사용하는 경우도 있다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부(130)로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리(131)가 이러한 구조에 한정되어 사용되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 구조의 연료 전지 시스템에도 사용될 수 있음은 당연한 일이다.
연료 전지 시스템(100)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(130)를 갖는 스택(110)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(150)와, 산화제를 전기 발생부(130)로 공급하는 산화제 공급부(170)를 포함하여 구성된다.
상기 연료를 공급하는 연료 공급부(150)는 연료를 저장하는 연료 탱크(153)를 구비하고, 또한 연료 탱크(153)에 연결 설치되는 연료 펌프(151)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(151)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(153)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 스택(110)의 전기 발생부(130)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(170)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(171)를 구비한다.
상기 전기 발생부(130)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(131)와 이 막-전극 어셈블리(131)의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)(133,135)로 구성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시 예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐, 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
Fe2Fe(CN)6 1g, 아세톤 100g, 카본 5g을 혼합하고, 얻어진 혼합물을 진공 상태, 200℃의 온도로 4시간 동안 진공 처리하고, 수소 가스 분위기, 350℃에서 3시간 동안 열처리하여 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다.
(실시예 2)
Fe2Fe(CN)6 1g 대신 Cu2Fe(CN)6 1g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다.
제조된 촉매의 활성을 확인하기 위해 0.5M 농도의 황산 용액에 산소 기체를 2시간 동안 버블링(bubling)하여 산소가 포화된 황산 용액을 제조하고, 상기 실시예 1의 촉매를 글래씨카본(glassy carbon)위에 3.78*10-3mg 로딩시켜 작업 전극으로 하고, 백금 메시를 상대 전극으로 하여 상기 황산 용액에 넣고 전압을 변화시키면서 전류 밀도를 측정하였다(실험 1). 또한, 실시예 1의 촉매 대신 실시예 2의 촉매를 글래씨카본(glassy carbon)위에 3.78*10-3mg 로딩시켜 작업 전극으로 한 것을 제외하고는 실험 1과 동일한 방법으로 전류 밀도를 측정하였다(실험 2).
또한, 제조된 촉매의 선택성을 확인하기 위해 황산 0.5M, 메탄올 1M 농도의 용액에 산소 기체를 2시간 동안 버블링(bubling)하여 산소가 포화된 용액을 제조하 고, 상기 실시예 1의 촉매를 글래씨카본(glassy carbon)위에 3.78*10-3mg 로딩시켜 작업 전극으로 하고, 백금 메시를 상대 전극으로 하여 상기 용액에 넣고 전압을 변화시키면서 전류 밀도를 측정하였다(실험 3). 또한, 실시예 1의 촉매 대신 실시예 2의 촉매를 글래씨카본(glassy carbon)위에 3.78*10-3mg 로딩시켜 작업 전극으로 한 것을 제외하고는 실험 3과 동일한 방법으로 전류 밀도를 측정하였다(실험 4).
실험1 및 실험 2를 통해 실시예 1 및 실시예 2의 촉매는 산소 환원 반응에 대한 높은 활성을 나타냄을 확인하였으며, 실험 3 및 실험 4를 통해 실시예 1 및 실시예 2의 촉매는 산소 환원 반응에 대한 높은 선택성을 나타냄을 확인하였다.
본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법은 저온에서 이루어지는 간단한 공정이며, 활성 물질의 담체로의 담지량을 증가시켜 촉매의 산소 환원 반응에 대한 활성 및 선택성을 향상시킬 수 있으며, 그 촉매를 포함하는 연료 전지용 캐소드 전극 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (18)

  1. Fe2Fe(CN)6 및 Cu2Fe(CN)6로 이루어지는 군에서 선택되는 1종의 물질, 아세톤 및 탄소계 물질을 혼합하는 혼합 단계;
    상기 혼합 단계에서 제조된 혼합물을 진공 처리하는 진공 처리 단계; 및
    상기 진공 처리된 혼합물을 열처리하는 열처리 단계
    를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소계 물질은 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 및 탄소나노와이어로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공 처리는 150 내지 250℃의 온도에서 이루어지는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 진공 처리는 180 내지 220℃의 온도에서 이루어지는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 300 내지 450℃의 온도에서 이루어지는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열처리는 330 내지 400℃의 온도에서 이루어지는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 수소 및 암모니아로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 가스 분위기에서 이루어지는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.
  8. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 도전성 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하고,
    상기 캐소드 전극의 촉매층은 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법에 의해 제조된 연료 전지용 캐소드 촉매를 포 함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있엇서,
    상기 고분자 수지는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌. 술폰산기를 포함하는 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 촉매층은 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)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 촉매층에 포함되는 촉매는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연, 알루미나, 실리카, 티타니아 및 지르코니아로 이루어진 군에서 선택되는 담체에 담지되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 촉매층은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴 클루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트 및 폴리(퍼플루오로설폰산)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극 기재는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 및 금속 천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도전성 기재를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리
  16. 제 8 항에 따른 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 및 직접 산화형 연료 전지로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지인 것인 연료 전지 시스템.
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