KR20070076284A - Cathode catalyst for fuel cell, manufacturing method thereof, membrane-electrode assembly and fuel cell system for fuel cell comprising same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 단면을 모식적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing a cross section of a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면. 2 schematically illustrates the structure of a fuel cell system according to an embodiment of the invention.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료 전지용 캐소드 촉매를 이용한 연료 전지의 RDE(Rotating Disk Electrode)를 이용하여 측정한 촉매 활성 결과를 나타낸 그래프.3 is a graph showing the results of catalyst activity measured using Rotating Disk Electrode (RDE) of a fuel cell using a cathode catalyst for fuel cells prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 캐소드 촉매의 X-선 회절 피크를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the X-ray diffraction peaks of the cathode catalyst prepared according to Example 1 of the present invention.
[산업상 이용 분야] [Industrial use]
본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하며, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode catalyst for a fuel cell, a method of manufacturing the same, a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same, and a fuel cell system including the same, and more particularly, has excellent activity and selectivity for a reduction reaction of an oxidant, and The present invention relates to a fuel cell cathode catalyst and a method for manufacturing the same, a fuel cell membrane electrode assembly and a fuel cell system including the same.
[종래 기술] [Prior art]
연료 전지(Fuel cell)는 수소 또는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of hydrogen and oxidant contained in hydrogen or hydrocarbon-based material directly into electrical energy.
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. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).
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.In general, polymer electrolyte fuel cells have the advantages of high energy density and high output, but they require attention to the handling of hydrogen gas and fuels for reforming methane, methanol and natural gas to produce hydrogen, fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a reforming device.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 반응속도가 느려서 고분자 전해질형에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 전극 촉매를 사용하여야 하 나, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮으며 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation type fuel cell has a lower reaction speed than the polymer electrolyte type due to the slower reaction rate, which requires a large amount of electrode catalyst, but it is easy to handle liquid fuel and the operating temperature is high. It has the advantage of being low and in particular not requiring a fuel reformer.
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 -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.In such a fuel cell system, the stack that substantially generates electricity is comprised of several to several dozen unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (or bipolar plate). It has a laminated structure. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer therebetween. Has a bonded structure.
본 발명의 목적은 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수한 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a cathode catalyst for a fuel cell having excellent activity and selectivity for the reduction reaction of an oxidant.
본 발명의 다른 목적은 상기 캐소드 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for preparing the cathode catalyst.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다. Yet another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the cathode catalyst.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질 에 담지된 Ru-In-Ch(Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소)를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is a fuel cell comprising a carbon-based material and Ru-In-Ch (Ch is one element selected from the group consisting of S, Se and Te) supported on the carbon-based material It provides a cathode catalyst.
본 발명은 또한, 탄소계 물질 분말, 루테늄 함유 물질, 인듐 함유 물질 및 용매를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하고, 상기 제1 혼합물, 칼코겐 원소 함유 물질 및 상기 용매를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하고, 상기 제2 혼합물을 하소하는 단계를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공한다. The present invention also prepares a first mixture by mixing a carbonaceous material powder, a ruthenium-containing material, an indium-containing material and a solvent, and a second mixture by mixing the first mixture, the chalcogen element-containing material and the solvent. And it provides a method for producing a cathode catalyst for a fuel cell comprising the step of calcining the second mixture.
본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 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 상기 본 발명의 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also includes an anode electrode and a cathode electrode positioned to face each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, the anode electrode and the cathode electrode comprises a conductive electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate It includes, and the catalyst layer of the cathode electrode provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the cathode catalyst of the present invention.
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. The present invention also provides an electricity generator including the membrane electrode assembly of the present invention and separators located on both sides of the membrane electrode assembly, a fuel supply unit supplying fuel to the electricity generator, and an oxidant to the electricity generator. It provides a fuel cell system comprising an oxidant supply.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
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. A fuel cell is a power generation system that obtains electrical energy through oxidation of a fuel and reduction of an oxidant. An oxidation reaction of a fuel occurs at an anode electrode and a reduction reaction of an oxidant occurs at a cathode electrode.
애노드 전극과 캐소드 전극의 촉매층에는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 촉진시킬 수 있는 촉매가 사용되는데, 애노드 전극의 촉매층에는 백금-루테늄이, 캐소드 전극의 촉매층에는 백금이 대표적으로 사용된다. Catalysts capable of promoting the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant are used for the catalyst layers of the anode electrode and the cathode electrode, and platinum-ruthenium is typically used for the catalyst layer of the anode electrode and platinum is used for the catalyst layer of the cathode electrode.
그러나 캐소드 촉매로 사용되는 백금은 산화제의 환원 반응에 대한 선택성이 부족하고, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에서 전해질 막을 통과하여 캐소드 영역으로 넘어 온 연료에 의해 감극(減極, depolarized)되어 비활성화 되는 문제가 있어, 백금을 대신할 수 있는 촉매에 대한 관심이 집중되고 있다. However, the platinum used as the cathode catalyst lacks the selectivity for the reduction reaction of the oxidant, and is depolarized by the fuel passing through the electrolyte membrane to the cathode region in a direct oxidation fuel cell. There is a problem that is deactivated, attention is focused on the catalyst that can replace platinum.
본 발명의 캐소드 촉매는 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 탄소계 물질 및 상기 탄소계 물질에 담지된 Ru-In-Ch(Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소)를 포함한다. 상기 촉매에서 Ru-In-Ch는 산화제의 환원 반응에 대한 활성을 갖는 활성 물질이고, 상기 탄소계 물질은 상기 Ru-In-Ch를 담지시키는 담체에 해당한다. The cathode catalyst of the present invention is to solve the above problems, the Ru-In-Ch (Ch is one element selected from the group consisting of S, Se and Te) supported on the carbon-based material and the carbon-based material Include. In the catalyst, Ru-In-Ch is an active material having activity for the reduction reaction of an oxidant, and the carbon-based material corresponds to a carrier supporting the Ru-In-Ch.
활성 물질인 Ru-In-Ch에 있어서, 루테늄(Ru)은백금계 원소로서 산화제의 환원 반응에 대한 높은 활성을 갖는다. 다만, 공기 중의 산소는 루테늄에 쉽게 흡착하게 되는데, 흡착된 산소는 산화제의 환원 반응이 일어나는 루테늄의 활성 중심(active center)을 막아 산화제의 환원 반응을 어렵게 만든다.In Ru-In-Ch as an active substance, ruthenium (Ru) is a platinum-based element and has a high activity for the reduction reaction of the oxidant. However, oxygen in the air is easily adsorbed to ruthenium, which makes the reduction reaction of the oxidant difficult by blocking the active center of ruthenium where the reduction reaction of the oxidant occurs.
황(S), 셀레늄(Se) 및 텔레륨(Te)와 같은 칼코겐 원소는 루테늄과 결합하여, 공기 중의 산소가 루테늄에 흡착되는 것을 막음으로써, 전술한 바와 같이 루테늄이 산화제의 환원 반응에 선택적으로 활성을 나타내도록 한다.Chalcogen elements such as sulfur (S), selenium (Se), and telelium (Te) combine with ruthenium to prevent oxygen in the air from adsorbing to ruthenium, thereby ruthenium is selective for the reduction of oxidant as described above. To indicate activity.
상기 인듐(In)은 루테늄의 촉매적 활성을 더욱 증가시킨다. 이는 인듐이 5 주기 13족의 전형 금속 원소로서 최외곽 전자 껍질의 p-오비탈 내에 전자를 갖고 있어, 이러한 전자가 루테늄으로 용이하게 전달될 수 있기 때문이다. The indium (In) further increases the catalytic activity of ruthenium. This is because indium has electrons in the p-orbital of the outermost electron shell as a typical metal element of 5-cycle group 13, and these electrons can be easily transferred to ruthenium.
결국, 활성 물질인 Ru-In-Ch는 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성 및 선택성을 갖게 되어 연료 전지용 캐소드 촉매로 효과적으로 사용될 수 있다. 특히, 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 선택성으로 인하여 연료의 크로스오버(crossover)가 문제되는 직접 산화형 연료 전지에 더욱 효과적으로 사용될 수 있다. As a result, the active material Ru-In-Ch has excellent activity and selectivity for the reduction reaction of the oxidizing agent can be effectively used as a cathode catalyst for fuel cells. In particular, due to the excellent selectivity to the reduction reaction of the oxidant, it can be used more effectively in a direct oxidation fuel cell in which crossover of fuel is a problem.
상기 Ru-In-Ch에 있어서, 루테늄, 인듐 및 칼코겐 원소의 함량은 루테늄이 40-60 원자%이고, 인듐이 30-35원자%이며, 칼코겐 원소가 5-30 원자%인 것이 바람직하다. 루테늄이 40 원자%보다 낮거나 60 원자%를 초과하는 경우, 또한 인듐이 30 원자%보다 낮거나 35 원자%를 초과하는 경우에는 결정화도가 너무 증가하여 활성이 저하되어 바람직하지 않다. 또한 칼코겐 원소가 5 원자% 미만이면 산소가 루테늄에 흡착되는 것을 방지하는, 즉 활성 사이트를 보호할 수가 없고, 또한 30 원자%를 초과하는 경우에는 칼코겐 원소의 함량이 너무 높아 활성 사이트가 모두 칼코겐 원소로 덮혀 활성이 저하되어 바람직하지 않다.In the Ru-In-Ch, the ruthenium, indium and chalcogen content is preferably 40-60 atomic% ruthenium, 30-35 atomic% indium and 5-30 atomic% chalcogen. . If ruthenium is lower than 40 atomic% or higher than 60 atomic%, and also if indium is lower than 30 atomic% or higher than 35 atomic%, the crystallinity is increased so much that the activity is lowered, which is not preferable. In addition, when the chalcogen element is less than 5 atomic%, oxygen is prevented from adsorbing to ruthenium, that is, it cannot protect the active site, and when it exceeds 30 atomic%, the content of the chalcogen element is so high that both active sites It is not preferable because it is covered with a chalcogen element and the activity is lowered.
상기 Ru-In-Ch는 결정질뿐만 아니라 비정질로도 형성할 수 있는데, 본 발명의 캐소드 촉매에는 결정질 Ru-In-Ch 및 비정질 Ru-In-Ch를 모두 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 결정질 Ru-In-Ch 및 비정질 Ru-In-Ch가 혼재되어 있는 상태가 바람직하며, 이는 결정질과 비정질의 경계에서 다수의 결함(defect)이 생성되는데, 그러한 결함에 활성 영역(active site)이 더 많이 존재할 수 있기 때문이다. The Ru-In-Ch may be formed not only crystalline but also amorphous. The cathode catalyst of the present invention preferably includes both crystalline Ru-In-Ch and amorphous Ru-In-Ch. That is, a state in which crystalline Ru-In-Ch and amorphous Ru-In-Ch are mixed is preferable, which generates a large number of defects at the boundary between crystalline and amorphous, and active sites Because there may be more.
상기 Ru-In-Ch는 탄소계 물질에 담지시켜 사용하게 된다. 이는 Ru-In-Ch를 그 자체로 사용할 경우 전기 전도성이 부족하고, 입자들이 서로 뭉치게 되어 작은 크기의 입자를 얻을 수 없는 문제가 있기 때문이다. 탄소계 물질로의 담지에 의해 촉매의 전기 전도성을 향상시키고, 촉매 입자의 크기를 작게 하여 단위 질량당 표면적, 즉 비표면적을 크게 할 수 있다. 비표면적을 크게 함으로써 촉매의 단위 질량당 활성을 증가시킬 수 있다. The Ru-In-Ch is used by being supported on a carbon-based material. This is because when Ru-In-Ch is used by itself, there is a problem in that the electrical conductivity is insufficient and particles are agglomerated with each other to obtain particles of small size. By supporting the carbon-based material, the electrical conductivity of the catalyst can be improved, and the size of the catalyst particles can be reduced to increase the surface area per unit mass, that is, the specific surface area. By increasing the specific surface area, the activity per unit mass of the catalyst can be increased.
담체로는 모든 탄소계 물질이 사용될 수 있으나, 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소나노와이어, 탄소나노혼(carbon nano-horns), 탄소나노볼(carbon nano-balls) 등이 바람직하게 사용될 수 있다. Any carbon-based material may be used as the carrier, but graphite, denka black, ketjen black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nano-horns, and carbon nano-balls ) May be preferably used.
상기 탄소계 물질 분말의 입경은 본 발명의 효과에 큰 영향을 미치지 않으므로 적절한 수준이면 된다. 단, Ru-In-Ch가 담지된 탄소계 물질을 포함하는 촉매의 입경이 촉매 활성과 안정성에 영향을 미치므로 안정성 및 촉매 활성을 고려하여 촉매 입경이 2 내지 3nm를 갖는 것이 바람직하다.The particle size of the carbon-based material powder does not have a great influence on the effects of the present invention and may be appropriate level. However, since the particle size of the catalyst including the Ru-In-Ch-supported carbon-based material affects the catalytic activity and stability, it is preferable to have a catalyst particle diameter of 2 to 3 nm in consideration of stability and catalyst activity.
상기 Ru-In-Ch의 탄소계 물질로의 담지량은 촉매 총 중량에 대하여 5 내지 90 중량%인 것이 바람직하며, 20 내지 80 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 담지량이 5 중량% 미만인 경우 촉매 단위 질량당 활성이 지나치게 떨어지는 문제가 있으며, 90 중량%를 초과하는 경우는 상기 Ru-In-Ch이 너무 과량이라 응집되어 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 못하다. The amount of the Ru-In-Ch supported on the carbon-based material is preferably 5 to 90% by weight, more preferably 20 to 80% by weight based on the total weight of the catalyst. If the supported amount is less than 5% by weight, there is a problem that the activity per mass of the catalyst falls too much, and if it exceeds 90% by weight, the Ru-In-Ch is excessively excessive, which is not preferable because the activity may be reduced.
본 발명은 또한, 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공한다. 상기 제조 방법은 촉매 내에 결정질 및 비정질의 Ru-In-Ch를 모두 형성하여 촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있다. The present invention also provides a method for producing a cathode catalyst for a fuel cell. The production method can further improve the catalytic activity by forming both crystalline and amorphous Ru-In-Ch in the catalyst.
상기 본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법은 탄소계 물질 분말, 루테늄 함유 물질, 인듐 함유 물질 및 용매를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하고, 상기 제1 혼합물, 칼코겐 원소 함유 물질 및 상기 용매를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하고, 상기 제2 혼합물을 하소하는 단계를 포함한다. In the method for preparing a cathode catalyst for a fuel cell of the present invention, a carbon-based powder, a ruthenium-containing material, an indium-containing material, and a solvent are mixed to prepare a first mixture, and the first mixture, the chalcogen element-containing material, and the solvent are prepared. Mixing to prepare a second mixture, and calcining the second mixture.
이하, 각 단계별로 상세하게 설명하도록 한다. Hereinafter, each step will be described in detail.
먼저, 탄소계 물질 분말, 루테늄 함유 물질, 인듐 함유 물질 및 용매를 혼합하여 제1 혼합물을 제조한다. 이러한 제1 혼합물의 제조 단계에서 상기 탄소계 물질로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소나노와이어, 탄소나노혼 또는 탄소나노볼이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한 상기 루테늄 함유 물질로는 수용성을 갖으며 루테늄을 포함하는 것이 바람직하며, 그 대표적인 예로 루테늄 클로라이드(ruthenium chloride), 루테늄 아세틸 아세토네이트(ruthenium acetylacetonate) 또는 루테늄 니트로질나이트레이트(ruthenium nitrozylnitrate)를 들 수 있다. 또한 상기 인듐 함유 물질로는 수용성을 갖으며 인듐을 포함하는 것이 바람직하며, 그 대표적인 예로 인듐 클로라이드(indium chloride)를 들 수 있다. 아울러, 상기 용매로는 물, 에탄올 또는 메탄올이 바람직하게 사용될 수 있다. First, a first mixture is prepared by mixing a carbonaceous material powder, a ruthenium-containing material, an indium-containing material, and a solvent. Graphite, denka black, ketjen black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanohorn or carbon nanoballs may be preferably used as the carbonaceous material in the preparation of the first mixture. In addition, the ruthenium-containing material is preferably water-soluble and includes ruthenium, and examples thereof include ruthenium chloride, ruthenium acetylacetonate, or ruthenium nitrozylnitrate. have. In addition, the indium-containing material preferably has water solubility and includes indium, and representative examples thereof include indium chloride. In addition, water, ethanol or methanol may be preferably used as the solvent.
상기와 같이 제1 혼합물이 제조되면 제1 혼합물을 건조하는 공정을 실시할 수 있다. 상기 건조는 진공 상태에서 실시하는 것이 바람직하며, 건조 온도는 150-300℃인 것이 바람직하다. 이러한 건조 단계를 통해 용매가 증발되고, 흑색의 분말이 형성된다. When the first mixture is prepared as described above, a process of drying the first mixture may be performed. The drying is preferably carried out in a vacuum state, the drying temperature is preferably 150-300 ℃. This drying step causes the solvent to evaporate and form a black powder.
상기 제1 혼합물, 칼코겐 원소 함유 물질 및 용매를 용매를 혼합하여 제2 혼합물을 제조한다. 용매로는 제1 혼합물 제조 단계에서와 같이 물, 메탄올 또는 에탄올을 사용할 수 있다. The second mixture is prepared by mixing the first mixture, the chalcogen element-containing material and the solvent with a solvent. As the solvent, water, methanol or ethanol may be used as in the preparation of the first mixture.
상기 칼코겐 원소 함유 물질로는 Se, S 또는 Te을 포함하는 화합물 또는 염은 모두 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 아셀렌산(Selenious acid, H2SeO3)을 들 수 있다. As the chalcogen element-containing material, any compound or salt containing Se, S or Te may be used, and representative examples thereof include selenic acid (Selenious acid, H 2 SeO 3 ).
마지막으로 상기 제2 혼합물을 하소하는 단계를 거쳐 촉매 분말을 얻을 수 있다. 상기 하소 단계는 환원 분위기에서 200-300℃의 온도로 실시하는 것이 바람직하다. 상기 환원 분위기는 수소 분위기 또는 N2/H2 (약 1:1 부피비)의 혼합 분위기도 가능하다.Finally, the catalyst powder may be obtained by calcining the second mixture. The calcination step is preferably carried out at a temperature of 200-300 ℃ in a reducing atmosphere. The reducing atmosphere may be a hydrogen atmosphere or a mixed atmosphere of N 2 / H 2 (about 1: 1 volume ratio).
상기 제조 방법을 통해 탄소계 물질 및 탄소계 물질에 담지된 Ru-In-Ch를 포함하는 촉매를 제조할 수 있으며, 이러한 촉매에는 결정질의 Ru-In-Ch 및 비정질의 Ru-In-Ch가 공존하고 있어 더욱 향상된 활성을 보일 수 있다. Through the preparation method, a catalyst including Ru-In-Ch supported on a carbon-based material and a carbon-based material may be prepared, and crystalline Ru-In-Ch and amorphous Ru-In-Ch coexist in the catalyst. It can show more improved activity.
본 발명은 또한, 앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell membrane-electrode assembly comprising the cathode catalyst for fuel cell of the present invention as described above.
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.The membrane-electrode assembly of the present invention includes an anode electrode and a cathode electrode positioned to face each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, wherein the anode electrode and the cathode electrode are formed of an electrode substrate and a conductive substrate. It includes a catalyst layer formed on the electrode substrate.
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. 1 is a view schematically showing a cross section of the membrane-
상기 막-전극 어셈블리(131)는 연료의 산화와 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 부분으로, 하나 또는 수 개가 적층되어 스택을 구성한다. The membrane-
상기 캐소드 전극의 촉매층(53)에서는 산화제의 환원 반응이 일어나며, 그 촉매층에는 상기 본 발명의 연료 전지용 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.A reduction reaction of the oxidant occurs in the
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) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. In the
상기 애노드 전극의 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 바람직하 게 사용될 수 있다.The anode electrode catalyst may be used as the catalyst itself (black), or may be supported on a carrier. As the carrier, carbon such as acetylene black, denka black, activated carbon, ketjen black, graphite may be used, or inorganic fine particles such as alumina, silica, titania, zirconia may be used, but carbon may be most preferably used. have.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층(33,53)은 바인더를 포함할 수 있는데, 이 바인더로는 일반적으로 연료 전지용 전극에서 사용되는 물질은 어떠한 것도 사용될 수 있으며, 그 대표적인 예로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트, 폴리(퍼플루오로설폰산) 등을 사용할 수 있다. Catalyst layers 33 and 53 of the anode electrode and the cathode electrode may include a binder. As the binder, any material generally used in an electrode for a fuel cell may be used, and representative examples thereof include polytetrafluoroethylene, Polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, poly (perfluorosulfonic acid) and the like can be used.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 전극 기재(31,51)는 반응원 즉 연료와 산화제가 상기 촉매층(31,51)으로 쉽게 접근할 수 있게 하는 역할을 하는데, 상기 전극 기재(31,51)로는 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. The electrode substrates 31 and 51 of the anode electrode and the cathode electrode serve to make a reaction source, that is, a fuel and an oxidant, easily accessible to the catalyst layers 31 and 51, and the
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. As the
그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고 분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리설폰계 고분자, 폴리에테르설폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 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) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 일반적으로 상기 고분자 전해질 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다. Representative examples of the polymer resin include fluorine polymer, benzimidazole polymer, polyimide polymer, polyetherimide polymer, polyphenylene sulfide polymer, polysulfone polymer, polyether sulfone polymer, polyether ketone It may include one or more selected from the group polymer, polyether-ether ketone-based polymer or polyphenylquinoxaline-based polymer, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid ), Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bi Benzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) may be used. Electrolyte membrane is 10-200㎛ Has a thickness.
또한, 상기 캐소드 및 애노드 전극은 상기 전극 기재에서의 반응물의 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다. In addition, the cathode and anode electrodes may further include a microporous layer for enhancing the diffusion effect of the reactants on the electrode substrate. This microporous layer may generally comprise a conductive powder having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene or carbon nanotubes.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알콜, 부틸알콜 등과 같은 알콜, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크 린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, and the like may be preferably used. The solvent may be ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, or the like. Alcohols, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can be preferably used. The coating process may be a screen printing method, a spray coating method or a coating method using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 전극을 제조하는 공정은 촉매, 바인더 및 용매를 포함하는 촉매 조성물을 스프레이 코팅, 닥터 블레이드 등 통상의 방법을 이용하여 전극 기재에 촉매층을 형성하는 공정으로 실시할 수 있다. 이러한 전극 제조 공정은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로, 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다. The process of manufacturing the electrode of the present invention having such a configuration can be carried out by the process of forming a catalyst layer on the electrode substrate using a conventional method such as spray coating, doctor blade, and the like, the catalyst composition comprising a catalyst, a binder and a solvent. Since the electrode manufacturing process is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.
본 발명은 또한, 상술한 바와 같은 본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다. The present invention also provides a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly of the present invention as described above. The fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generating portion, a fuel supply portion and an oxidant supply portion.
상기 전기 발생부는 상기 본 발명의 막-전극 어셈블리와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다. The electricity generating unit includes the membrane-electrode assembly of the present invention and a separator (bipolar plate) located on both sides of the membrane-electrode assembly. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant.
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. The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generation unit. The fuel means hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state, and typical hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol or butanol, and the like. Oxygen is typically used as the oxidant, and may be used by injecting pure oxygen or air. However, the fuel and the oxidant are not limited thereto.
본 발명의 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에 제한없이 채용될 수 있다. 다만, 캐소드 전극의 촉매층에 사용되는 촉매의 산소 환원 반응에 대한 선택성이 우수하여, 연료의 크로스오버가 문제되는 직접 산화형 연료 전지에 더욱 효과적으로 사용될 수 있으며, 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)에 가장 효과적으로 사용될 수 있다.The fuel cell system of the present invention may be employed without limitation in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) and Direct Oxidation Fuel Cell (PEMFC). However, since the selectivity to the oxygen reduction reaction of the catalyst used in the catalyst layer of the cathode electrode is excellent, it can be used more effectively in a direct oxidized fuel cell in which crossover of fuel is problematic, and a direct methanol fuel cell (DMFC: Direct Methanol) Fuel Cell) can be used most effectively.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프(151,171)를 사용하여 전기 발생부(130)로공급하는 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. A schematic structure of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. 2, which will be described in more detail with reference to the following. 2 shows a system for supplying fuel and oxidant to the
연료 전지 시스템(100)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(130)를갖는 스택(110)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(150)와, 산화제를 전기 발생부(130)로공급하는 산화제 공급부(170)를 포함하여 구성된다. The fuel cell system 100 includes a
상기 연료를 공급하는 연료 공급부(150)는 연료를 저장하는 연료 탱크(153)와, 연료 탱크(153)에 연결 설치되는 연료 펌프(151)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(151)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(153)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다. The
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. The
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. The
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(실시예 1) (Example 1)
물 5ml에 흑연 분말 1g, 루테늄 클로라이드 2.5g 및 인듐 클로라이드 1.7g를 2시간 동안 혼합하고, 80℃에서 건조하였다. 얻어진 건조 생성물을 진공 오븐에서 200℃의 온도로 24시간 동안 건조하여 흑색 분말을 얻었다. To 5 ml of water, 1 g of graphite powder, 2.5 g of ruthenium chloride and 1.7 g of indium chloride were mixed for 2 hours, and dried at 80 ° C. The dried product obtained was dried in a vacuum oven at a temperature of 200 ° C. for 24 hours to obtain black powder.
물 5ml에 상기 흑색 분말 1g 및 아셀렌 산(Selenious acid, H2SeO3) 0.21g을 혼합하고, 80℃에서 건조하였다. 이어서, 이 건조 생성물을 진공 오븐에서 200℃의 온도로 24시간 동안 건조하고, 수소 분위기에서 250℃의 온도로 3 시간 동안 하소하여 Ru 55 원자%, In 35 원자% 및 Se 10 원자%를 포함하며, Ru-In-Se의 로딩량이 50 중량%인 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다. 1 g of the black powder and 0.21 g of selenious acid (
(실시예 2)(Example 2)
Ru 40 원자%, In 30 원자% 및 Se 5 원자%를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉 매가 제조되도록 루테늄 클로라이드, 인듐 클로라이드 및 아셀렌 산의 사용량을 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. The same procedure as in Example 1 was conducted except that the amount of ruthenium chloride, indium chloride, and selenic acid was changed to prepare a cathode catalyst for a fuel cell including 40 atomic% of Ru, 30 atomic% of In, and 5 atomic% of Se. It was.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
루테늄 클로라이드 0.6g, 아셀렌 산(Selenious acid, H2SeO3) 0.03g 및 카본 1g을 150ml 톨루엔에 용해한 후, 140℃에서 24시간 동안 혼합하였다. 이 혼합물을 여과하고, 90℃에서 건조하고, 250℃의 온도로 3 시간 동안 하소하여 연료 전지용 캐소드 촉매 분말을 제조하였다. 0.6 g of ruthenium chloride, 0.03 g of selenious acid (
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 촉매의 촉매 활성을 RDE(Rotating Disk Electrode)로 측정하였다. RDE 측정에서, 참조 전극(reference electrode)로는 Ag/AgCl, 대극(counter electrode)으로는 Pt를 사용하고, 0.5M 농도의 황산 용액에 산소 기체를 2시간 동안 버블링(bubbling)하여 산소가 포화된 황산 용액을 사용하여, 10mV/s의 스캔 속도(scan rate), 2000rpm의 로테이팅 속도(rotating speed)로 측정하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 촉매가 비교예 1에 비하여 촉매 활성이 우수함을 알 수 있다. 또한 실시예 2의 촉매를 이용하여 동일한 실험을 실시한 결과 실시예 1과 동일한 결과가 얻어졌다.The catalytic activity of the catalysts prepared according to Example 1 and Comparative Example 1 was measured by Rotating Disk Electrode (RDE). In the RDE measurement, Ag / AgCl was used as the reference electrode and Pt was used as the counter electrode, and oxygen gas was saturated by bubbling oxygen gas in a 0.5 M sulfuric acid solution for 2 hours. Using a sulfuric acid solution, it was measured at a scan rate of 10 mV / s, a rotating speed of 2000 rpm. The results are shown in FIG. As shown in Figure 3, it can be seen that the catalyst of Example 1 is superior to the catalytic activity compared to Comparative Example 1. In addition, the same results as in Example 1 were obtained when the same experiment was conducted using the catalyst of Example 2.
또한, 실시예 1에 따라 제조된 촉매의 X-선 회절 피크를 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. X-선 회절 피크는 CuK선을 이용하여 측정하였다. 도 4에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 촉매의 X-선 회절 피크가 샤프하지 않은 것을 보아 결정성이 낮음을 알 수 있다.In addition, X-ray diffraction peaks of the catalyst prepared according to Example 1 were measured and the results are shown in FIG. 4. X-ray diffraction peaks were measured using CuK rays. As shown in FIG. 4, it can be seen that the crystallinity is low because the X-ray diffraction peaks of the catalyst of Example 1 are not sharp.
본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하며, 그를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.The cathode catalyst for a fuel cell of the present invention is excellent in activity and selectivity for a reduction reaction of an oxidant, and has an advantage of improving performance of a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell system including the same.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20060118 |
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PG1501 | Laying open of application | ||
PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |