KR20070105701A - Cathode catalyst for fuel cell, and membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same - Google Patents

Cathode catalyst for fuel cell, and membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same Download PDF

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Abstract

A cathodic catalyst for a fuel cell is provided to ensure superior activity and selectivity for a reduction reaction of an oxidant and excellent stability under an acidic atmosphere. A cathodic catalyst for a fuel cell includes a Co-Fe-O-N active material. The active material has a structure represented by the formula 1 of (Co_aFe_b)O_cN_d, wherein 0.1<=a<=0.9, 0.1<=b<=0.9, 0.001<=c<=0.01, and 0.001<=d<=0.2. The active material is carried on a carrier in an amount of 10-80wt% based on the total weight of the catalyst. The carrier is a carbonaceous material selected from the group consisting of graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, active carbon, and combinations thereof.

Description

연료 전지용 캐소드 촉매, 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템{CATHODE CATALYST FOR FUEL CELL, AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}Cathode catalyst for fuel cell, and membrane-electrode assembly and fuel cell system for fuel cell including same TECHNICAL FIELD

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 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.2 is a view schematically showing the structure of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

[산업상 이용 분야] [Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 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 캐소드 촉매, 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode catalyst for a fuel cell, and a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell system including the same, and more particularly, to a fuel cell membrane having excellent activity and selectivity to a reduction reaction of an oxidant. A cathode catalyst capable of improving the performance of an electrode assembly and a fuel cell system, and a membrane-electrode assembly and a fuel cell system for a fuel cell comprising the same.

[종래 기술]  [Prior art]

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 시스템이다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

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 메탄올형 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 the fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 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. The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다. On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또 는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 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 "환원전극"이라 한다)이 위치하는 구조를 가진다. In such a fuel cell system, the stack that substantially generates electricity is comprised of a number of unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a stacked structure of several tens. 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. ) Is located.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다. The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

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 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다. 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 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Co-Fe-O-N의 활성물질을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a cathode catalyst for a fuel cell comprising an active material of Co-Fe-O-N.

본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 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 opposite to each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, wherein the cathode electrode comprises the cathode catalyst of the present invention- Provide an electrode assembly.

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 반응 및 산화제의 환원 반응을 촉진시킬 수 있는 촉매가 사용되는데, 애노드 전극의 촉매층에는 백금-루테늄이, 애노드 전극의 촉매층에는 백금이 대표적으로 사용된다. A catalyst capable of promoting the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant is 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 anode electrode.

그러나, 캐소드 촉매로 사용되는 백금은 산화제의 환원 반응에 대한 선택성이 낮고, 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, platinum used as a cathode catalyst has low selectivity for the reduction reaction of the oxidant and is depolarized by the fuel that has passed 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.

이에 대해 본 발명은 Co-Fe-O-N의 활성물질을 포함하는 연료전지용 캐소드 촉매를 제공한다. 상기 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하여 연료전지에 적용시 전지특성을 향상시킬 수 있다.In contrast, the present invention provides a cathode catalyst for a fuel cell comprising an active material of Co-Fe-O-N. The catalyst is excellent in activity and selectivity to the reduction reaction of the oxidizing agent can improve the battery characteristics when applied to the fuel cell.

금속 촉매는 산화제의 환원 반응에서 금속 표면에 흡수된 산화제와 결합을 형성하게 되고, 금속이 산화제로 전자를 제공함에 의해 촉매적 활성을 나타낸다. The metal catalyst forms a bond with the oxidant absorbed on the metal surface in the reduction reaction of the oxidant, and exhibits catalytic activity by the metal providing electrons to the oxidant.

본 발명의 캐소드 촉매에 사용되는 금속인 Co와 Fe는 함께 사용되어 합금을 형성함으로써, 산화제의 환원 반응에 대한 활성을 증가시킬 수 있다. 더불어 상기 Co와 Fe는 N과 Co-N 및 Fe-N을 형성함으로써 산화제의 환원 반응에 대해 보다 높은 촉매 활성 및 선택성을 나타낼 수 있다. Co and Fe, which are metals used in the cathode catalyst of the present invention, may be used together to form an alloy, thereby increasing activity for the reduction reaction of the oxidant. In addition, Co and Fe may exhibit higher catalytic activity and selectivity for the reduction reaction of the oxidant by forming N, Co-N and Fe-N.

또한 질소(N)는 비공유 전자쌍을 가져, 상기 촉매에서 금속 원자에 전자를 제공하는 전자 주게 및 전자 저장소로서의 역할을 한다. 산소(O)는 금속의 표면을 개질하여 금속 표면에 결함(defect)을 형성하며, 이와 같이 형성된 결함들은 금속 표면에 활성 중심(active center)을 만들어 촉매의 활성을 더욱 향상시킨다. 이에 더하여, 산소(O)는 막-전극 어셈블리의 전해질 막을 구성하는 물질로부터 촉매를 보호하는 기능을 한다.Nitrogen (N) also has lone pairs of electrons, which serve as electron donors and electron reservoirs for providing electrons to metal atoms in the catalyst. Oxygen (O) modifies the surface of the metal to form defects on the metal surface, and the defects thus formed create an active center on the metal surface to further enhance the activity of the catalyst. In addition, oxygen (O) functions to protect the catalyst from the material constituting the electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly.

상기 Co-Fe-O-N의 활성물질은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 것이 바람직하다.It is preferable that the active material of Co-Fe-O-N has a structure of Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

(CoaFeb)OcNd (Co a Fe b ) O c N d

(상기 식에서 0.1≤a≤0.9, 0.1≤b≤0.9, 0.001≤c≤0.01, 및 0.001≤d≤0.2이고, 보다 바람직하게는 0.3≤a≤0.6, 0.2≤b≤0.4, 0.006≤c≤0.008, 및 0.009≤d≤0.12이다.)(Wherein 0.1≤a≤0.9, 0.1≤b≤0.9, 0.001≤c≤0.01, and 0.001≤d≤0.2, more preferably 0.3≤a≤0.6, 0.2≤b≤0.4, 0.006≤c≤0.008 And 0.009 ≦ d ≦ 0.12.)

상기 화학식 1에서 a, b, c 및 d는 캐소드 촉매내에 포함되는 구성 원소들의 몰%를 나타낸다. 캐소드 촉매내 Co의 함량이 0.1몰% 미만이면 Fe와의 합금 형성이 용이하지 않아 촉매 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, 0.9몰%를 초과하면 촉매 입자 크기가 증가하게 될 우려가 있어 바람직하지 않다.In Formula 1, a, b, c, and d represent mol% of constituent elements included in the cathode catalyst. If the content of Co in the cathode catalyst is less than 0.1 mol%, alloy formation with Fe is not easy and there is a possibility that the catalytic activity may be lowered. If the content of Co is greater than 0.9 mol%, the catalyst particle size may be increased, which is not preferable. not.

또한 Fe의 함량이 0.1몰% 미만이면 Co와의 합금 형성이 용이하지 않아 촉매 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, 0.9몰%를 초과하면 촉매입자 크기가 증가하게 될 우려가 있어 바람직하지 않다.In addition, if the content of Fe is less than 0.1 mol%, alloy formation with Co is not easy and there is a possibility that the catalyst activity may be lowered, and if it is more than 0.9 mol%, there is a possibility that the catalyst particle size may increase, which is not preferable.

O의 함량이 0.001몰% 미만이면 촉매의 안정성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, 0.01몰%를 초과하면 촉매 표면 및 활성 중심이 O에 의해 덮여져 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.If the content of O is less than 0.001 mol%, there is a possibility that the stability of the catalyst may be deteriorated. If the content of O is more than 0.01 mol%, the surface of the catalyst and the active center may be covered by O, which may lower the activity.

N의 함량이 0.001몰% 미만이면 촉매의 안정성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, 0.2몰%를 초과하면 촉매 표면 및 활성 중심이 N에 의해 덮여져 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.If the content of N is less than 0.001 mol%, the stability of the catalyst may be deteriorated, which is not preferable. If the content of N is more than 0.2 mol%, the surface of the catalyst and the active center may be covered by N, which may lower the activity.

상기 Co-Fe-O-N는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 담체에 담지 시켜 사용할 경우 촉매 입자의 크기를 작게 할 수 있고, 이에 따라 촉매의 반응 표면적을 증가시킬 수 있기 때문에 보다 바람직하다. 상기 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수 있다. The Co-Fe-O-N may be used as a metal catalyst black or may be supported on a carrier. When used on a carrier, the size of the catalyst particles can be reduced, which is more preferable since the reaction surface area of the catalyst can be increased. As the carrier, carbon-based materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nano balls, or activated carbon may be used.

이때 상기 담체에 담지되는 Co-Fe-O-N 활성물질의 담지량은 Co-Fe-O-N과 담체의 질량을 모두 합한 촉매 총 중량에 대하여 10 내지 80중량%인 것이 바람직하며, 40 내지 60중량%인 것이 더욱 바람직하다. 담지량이 10중량% 미만인 경우는 촉매량이 작아 촉매의 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, 80중량%를 초과하는 경우에는 입자간의 응집으로 인해 촉매 활성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 못하다. In this case, the supported amount of the Co-Fe-ON active material supported on the carrier is preferably 10 to 80% by weight, and 40 to 60% by weight based on the total weight of the catalyst, in which both the masses of Co-Fe-ON and the carrier are combined. More preferred. If the supported amount is less than 10% by weight, the amount of catalyst is small and there is a possibility that the activity of the catalyst may be lowered, and if it is more than 80% by weight, the catalyst activity may be lowered due to aggregation between particles, which is not preferable.

상기와 같은 캐소드 촉매는 Co 공급원, Fe 공급원 및 N 공급원을 용매중에서 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 여과하여 얻어진 여과물을 열처리하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.The cathode catalyst as described above may be prepared by a manufacturing method comprising mixing a Co source, a Fe source, and an N source in a solvent to prepare a mixture, and heat treating the filtrate obtained by filtering the mixture.

상기 Co 공급원으로는 CoCl2·2H2O 등의 Co의 수용성 염을 사용할 수 있으며, 상기 Fe의 공급원으로는 Fe(NO3)3·9H2O 과 같은 Fe의 수용성 염을 사용할 수 있다. 또한 상기 N 공급원으로는 테트라메톡시페닐포르피린(tetramethoxyphenylporphyrin) 등을 사용할 수 있다. As the Co source, a water-soluble salt of Co such as CoCl 2 .2H 2 O may be used, and as the source of Fe, a water-soluble salt of Fe such as Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O may be used. In addition, tetramethoxyphenylporphyrin may be used as the N source.

더불어 상기 공급원으로서 Fe-프탈로시아닌, Co-프탈로시아닌과 같이, Co, Fe 또는 N 등을 함께 포함하는 화합물을 공급원으로 사용할 수도 있다.In addition, as the source, a compound including Co, Fe, or N, such as Fe-phthalocyanine and Co-phthalocyanine, may be used as the source.

상기 용매로는 벤젠, 톨루엔 등의 유기용매를 사용할 수 있다.As the solvent, organic solvents such as benzene and toluene can be used.

상기 각 원소를 포함하는 공급원의 혼합비는 최종 생성되는 캐소드 촉매에서 의 각 구성원소의 함량비를 고려하여 적절히 조절할 수 있다.The mixing ratio of the source containing each element can be appropriately adjusted in consideration of the content ratio of each element in the final catalyst produced.

담체에 담지시키고자 할 경우에는 상기 원료 물질의 혼합시 담체를 더 첨가할 수 있다. 상기 담체로는 앞서 설명한 바와 동일한 것을 사용할 수 있으며, 담체의 혼합량 역시 최종 얻어지는 캐소드 촉매에서의 담지량을 고려하여 적절히 조절할 수 있다.When supporting the carrier, a carrier may be further added when the raw material is mixed. As the carrier, the same ones as described above can be used, and the amount of the carrier can also be appropriately adjusted in consideration of the supported amount of the finally obtained cathode catalyst.

상기 제조된 혼합물을 여과하고, 여과후 얻어진 여과물을 열처리하여 캐소드 촉매를 제조할 수 있다.The prepared mixture may be filtered, and the resulting filtrate may be heat treated to prepare a cathode catalyst.

열처리시 열처리 온도는 450 내지 1150℃인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 800 내지 1000℃인 것이 좋다. 열처리 온도가 450℃ 미만이면 공급원 물질이 충분히 분해되지 않아 바람직하지 않고, 1150℃를 초과하면 촉매 입자의 응집으로 입자 크기가 커지게 되어 바람직하지 않다.It is preferable that the heat processing temperature at the time of heat processing is 450-1150 degreeC, More preferably, it is 800-1000 degreeC. If the heat treatment temperature is less than 450 ° C., the source material is not sufficiently decomposed and is not preferable. If the heat treatment temperature is more than 1150 ° C., the particle size becomes large due to aggregation of the catalyst particles, which is not preferable.

또한 상기 열처리는 1 내지 5시간동안 실시하는 것이 바람직하다. 열처리 시간이 1시간 미만이면 공급원 물질이 충분히 분해되지 않아 바람직하지 않고, 5시간을 초과하면 촉매 입자의 응집으로 입자 크기가 커지게 되어 바람직하지 않다.In addition, the heat treatment is preferably performed for 1 to 5 hours. If the heat treatment time is less than 1 hour, the source material is not sufficiently decomposed, and if it is more than 5 hours, the particle size becomes large due to aggregation of the catalyst particles, which is not preferable.

또한 상기 열처리 공정은 질소와 산소의 혼합 가스 분위기 하에서 실시하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상기 질소와 산소 가스는 1: 0.001 내지 1: 0.01의 부피비로 혼합될 수 있다. 질소에 대한 산소 가스의 부피비가 0.001 미만이면 산화될 수 없고, 0.01을 초과하면 표면에 너무 많은 산화물이 존재하게 되어 바람직하지 않다.In addition, the heat treatment step is preferably carried out in a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen. More preferably, the nitrogen and oxygen gas may be mixed in a volume ratio of 1: 0.001 to 1: 0.01. If the volume ratio of oxygen gas to nitrogen is less than 0.001, it cannot be oxidized. If it exceeds 0.01, too much oxide is present on the surface, which is not preferable.

상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성 및 선택성을 갖게 되어 연료 전지용 캐소드 촉매로 효과적으로 사용될 수 있다. Cathode catalyst prepared by the above production method has excellent activity and selectivity for the reduction reaction of the oxidizing agent can be effectively used as a cathode catalyst for fuel cells.

구체적으로는 본 발명의 연료전지용 캐소드 촉매는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 등에 사용될 수 있다. 또한, 애노드 촉매층에는 연료의 산화 반응에만 선택적으로 작용하는 촉매를 캐소드 촉매층에는 산화제의 환원 반응에만 선택적으로 작용하는 촉매를 사용함으로써, 연료와 산화제가 혼합된 혼합물을 애노드 및 캐소드 촉매층에 주입하더라도 애노드 촉매층에서는 연료의 산화 반응만이, 캐소드 촉매층에서는 산화제의 환원 반응만이 일어나는 구조로 되어 있는 혼합 주입형 연료전지(Mixed reactant fuel cell)에도 제한없이 채용될 수 있다. Specifically, the cathode catalyst for the fuel cell of the present invention may be used in a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct oxidation fuel cell (PEFCC), or the like. In addition, by using a catalyst that selectively acts only on the oxidation reaction of the fuel in the anode catalyst layer and a catalyst that selectively acts only in the reduction reaction of the oxidant in the cathode catalyst layer, even if a mixture of fuel and oxidant is injected into the anode and the cathode catalyst layer In the above, the fuel cell may be employed without limitation in a mixed reactant fuel cell in which only the oxidation reaction of the fuel and only the reduction reaction of the oxidant occurs in the cathode catalyst layer.

본 발명의 캐소드 촉매는 산소 환원 반응에 대한 선택성이 우수하여, 연료의 크로스오버가 문제되는 직접 산화형 연료전지에 더욱 효과적으로 사용될 수 있으며, 직접 메탄올형 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)에 가장 효과적으로 사용될 수 있다. Cathode catalyst of the present invention has excellent selectivity to the oxygen reduction reaction, it can be used more effectively in a direct oxidation fuel cell problem of fuel crossover, and is most suitable for a direct methanol fuel cell (DMFC) Can be used effectively.

본 발명은 또한, 상기 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.

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-electrode assembly 131 according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the membrane-electrode assembly 131 of the present invention will be described with reference to the drawings.

상기 막-전극 어셈블리(131)는 연료의 산화와 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 부분으로, 하나 또는 수 개가 적층되어 스택에 장착된다. The membrane-electrode assembly 131 generates electricity through oxidation of a fuel and reduction of an oxidant, and one or several are stacked and mounted in a stack.

상기 캐소드 전극의 촉매층(53)에서는 산화제의 환원 반응이 일어나며, 그 촉매층에는 Co-Fe-O-N을 포함하는 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 catalyst layer 53 of the cathode electrode, and the catalyst layer includes a cathode catalyst for fuel cells containing Co—Fe—O—N. The cathode catalyst shows excellent activity and selectivity for the reduction reaction of the oxidant, thereby improving the performance of the cathode electrode 5 and the membrane-electrode assembly 131 including the same.

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, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 사용할 수 있다. 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.In the catalyst layer 33 of the anode electrode, an oxidation reaction of fuel occurs, and a catalyst capable of promoting this may be included. A platinum-based catalyst, which is conventionally used, may be used. As the platinum-based catalyst, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Transition metal selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof), and a catalyst selected from the group consisting of combinations thereof. In the direct oxidation fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is more preferable as the anode electrode catalyst in order to prevent the catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction. Specific examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, Pt / Ru / Sn / W, and combinations thereof may be used.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층(33,53)은 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layers 33 and 53 of the anode electrode and the cathode electrode may further include a binder resin to improve adhesion of the catalyst layer and transfer of hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테 르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. Any polymer resin which has can be used. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenz Imideazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) and a combination of hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of To do It can be used.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive compound for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 보다 바람직하다.Examples of the non-conductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode More preferably, it is selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid, sorbitol, and combinations thereof.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 전극 기재(31,51)는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 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 금속천((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 support the electrode and diffuse the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. Conductive substrates are used as the electrode substrates 31 and 51, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porosity composed of metal cloth in fiber state). The film or the metal film formed on the surface of the cloth formed of polymer fibers (referred to metalized polymer fiber)) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재(31,51)는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. In addition, it is preferable to use the water repellent treatment of the electrode substrates 31 and 51 with a fluorine-based resin because it prevents the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

또한, 상기 전극 기재(31,51)에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer, 미도시)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), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring) 등을 포함할 수 있다.  In addition, a microporous layer (not shown) may be further included to enhance the diffusion effect of the reactants on the electrode substrates 31 and 51. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring, and the like.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있 다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 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. The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like may be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 고분자 전해질 막(1)은 애노드 전극의 촉매층(33)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층(53)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 한다.The polymer electrolyte membrane 1 functions as an ion exchange to move hydrogen ions generated in the catalyst layer 33 of the anode electrode to the catalyst layer 53 of the cathode electrode.

따라서 일반적으로 연료전지에서 고분자 전해질 막(1)으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.Therefore, generally used as the polymer electrolyte membrane (1) in the fuel cell, anything made of a polymer resin having hydrogen ion conductivity can be used. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain.

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 등을 들 수 있으며, 보다 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용하는 것이 좋다.Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone Polymers, polyether-etherketone-based polymers, or polyphenylquinoxaline-based polymers, and the like, and more preferably, tetra (fluoro) containing poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), and sulfonic acid groups. Copolymers of roethylene and fluorovinyl ether, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 It is preferable to use one selected from the group consisting of '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) and combinations thereof.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In case of replacing H by Na in the ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted in the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of using tetrabutylammonium, and K, Li or Cs is also substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 또한, 상술한 바와 같은 본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다. The present invention also provides a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly of the present invention as described above.

본 발명의 연료전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다. The fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 캐소드 및 애노드 전극을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating portion includes a membrane-electrode assembly and a separator (also called bipolar plate). The membrane-electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane and cathode and anode electrodes existing on both sides of the polymer electrolyte membrane. 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 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit.

본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포 함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.In the present invention, the fuel may include hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 발명의 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 및 혼합 주입형 연료전지(Mixed reactant fuel cell)에 제한없이 채용될 수 있다. The fuel cell system of the present invention can be employed without limitation in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Direct Oxidation Fuel Cell, and Mixed Reactant Fuel Cell. Can be.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 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)로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리(131)가 이러한 구조에 한정되어 사용되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 구조의 연료전지 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 electricity generation unit 130 using pumps 151 and 171, but the membrane-electrode assembly 131 for fuel cells of the present invention is limited to such a structure. Of course, it can be used in a fuel cell system having a structure using a diffusion method without using a pump.

연료전지 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. The fuel cell system 100 includes a stack 110 having at least one electricity generator 130 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, and a fuel supply unit 150 for supplying the fuel. ) And an oxidant supply unit 170 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 130.

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 fuel supply unit 150 supplying the fuel includes a fuel tank 153 for storing fuel and a fuel pump 151 connected to the fuel tank 153. The fuel pump 151 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 153 by a predetermined pumping force.

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 oxidant supply unit 170 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 130 of the stack 110 includes at least one oxidant pump 171 that sucks the oxidant with a predetermined pumping force.

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 구성되며, 이러한 전기 발생부(130)가 적어도 하나 모여 스택(110)을 구성한다.The electricity generating unit 130 is a membrane-electrode assembly 131 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant and a separator (bipolar plate) 133 and 135 for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly 131. ), The electricity generating unit 130 is at least one gather to constitute a stack (110).

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 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 one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example 1 One

벤젠 100ml중에 Fe-프탈로시아닌 5g 및 Co-프탈로시아닌 7g을 첨가하여 혼합한 후 케첸 블랙 1g을 더 첨가하여 60℃에서 24시간동안 교반하였다. 상기 혼합물을 여과한 후 얻어진 여과물을 N2 200ml/min 및 O2 1ml/min의 혼합 대기 분위기하, 1000℃에서 5시간동안 열처리하여 케첸블랙에 담지된 (Co0 .5Fe0 .6)O0 .008N0 .009의 캐소드 촉매를 제조하였다.5 g of Fe-phthalocyanine and 7 g of Co-phthalocyanine were added and mixed in 100 ml of benzene, and then 1 g of Ketjen black was further added and stirred at 60 ° C. for 24 hours. The filtrate obtained after the mixture was filtered N 2 200ml / min and O 2 1ml / min and the mixed air atmosphere, and heat treated at 1000 ℃ for 5 hours supported on Ketjen Black (Co 0 .5 Fe 0 .6) O 0 to prepare a cathode catalyst of .008 N 0 .009.

이때 상기 케첸블랙에 담지된 (Co0 .5Fe0 .6)O0 .008N0 .009의 활성물질의 담지량은 47중량%이었다. The amount of the (Co 0 .5 Fe 0 .6) O 0 N 0 .009 .008 of active material supported on the Ketjen black was 47 wt%.

비교예Comparative example 1 One

톨루엔 150ml 중에 루테늄카르보닐 0.6g, Se 분말 0.03g 및 케첸블랙 1g을 넣고 140℃에서 24시간동안 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 여과하여 여과물을 얻고, 얻어진 여과물을 80℃에서 건조하여 분말을 얻었다. 상기 분말을 수소분위기하 250℃에서 3시간동안 열처리하여 케첸블랙에 담지된 RuSe의 캐소드 촉매를 제조하였다.0.6 g of ruthenium carbonyl, 0.03 g of Se powder, and 1 g of ketjen black were added to 150 ml of toluene, and mixed at 140 ° C. for 24 hours to prepare a mixture. The mixture was filtered to obtain a filtrate, and the obtained filtrate was dried at 80 ° C. to obtain a powder. The powder was heat-treated at 250 ° C. for 3 hours under a hydrogen atmosphere to prepare a cathode catalyst of RuSe supported on Ketjen Black.

이때 상기 캐소드 촉매에 있어서 RuSe의 활성물질은 Ru 83몰% 및 Se 17몰%를 포함하며, 케첸블랙에 담지되는 상기 활성물질의 담지량은 56중량%이었다.At this time, the active material of RuSe in the cathode catalyst comprises 83 mol% of Ru and 17 mol% of Se, and the supporting amount of the active material supported on Ketjen Black was 56% by weight.

0.5M 농도의 황산 용액에 산소 기체를 2시간 동안 버블링(bubbling)하여 산소가 포화된 황산 용액을 제조하고, 상기 실시예 1의 촉매 및 비교예 1의 촉매를 각각 글래씨카본(glassy carbon)위에 3.78×10-3mg씩 로딩시켜 작업 전극으로 하고, 백금 메시를 상대 전극으로 하여 상기 황산 용액에 넣고 전압을 변화시키면서 전류 밀도를 측정하였다. Oxygen gas was bubbling for 2 hours in a sulfuric acid solution of 0.5 M concentration to prepare an oxygen saturated sulfuric acid solution, and the catalyst of Example 1 and the catalyst of Comparative Example 1 were each glassy carbon. 3.78 × 10 −3 mg was loaded onto the working electrode, and a platinum mesh was placed in the sulfuric acid solution as a counter electrode, and the current density was measured while changing the voltage.

측정 결과, 실시예 1에 따라 제조된 촉매가 비교예 1의 촉매에 비해 높은 전류밀도를 나타내었다. 이로부터 실시예 1의 촉매가 비교예 1의 촉매에 비해 우수한 촉매 활성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이때 실시예 1의 촉매는 비교예 1의 촉매에 비해 25%정도 증가된 촉매활성은 나타내었다.As a result of the measurement, the catalyst prepared according to Example 1 showed a higher current density than the catalyst of Comparative Example 1. From this, it was confirmed that the catalyst of Example 1 exhibited excellent catalytic activity compared to the catalyst of Comparative Example 1. At this time, the catalyst of Example 1 showed a catalytic activity increased by about 25% compared to that of Comparative Example 1.

본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하며, 산성 분위기 하에서도 안정성이 뛰어나 이를 포함하는 연료 전 지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. Cathode catalyst for fuel cell of the present invention is excellent in activity and selectivity to the reduction reaction of the oxidizing agent, excellent stability even in an acidic atmosphere, and can improve the performance of the fuel cell membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising the same There is this.

Claims (13)

Co-Fe-O-N의 활성물질을 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매.A cathode catalyst for a fuel cell comprising the active material of Co-Fe-O-N. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 활성물질은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 것인 연료전지용 캐소드 촉매.The active material is a cathode catalyst for a fuel cell having the structure of formula (1). [화학식 1][Formula 1] (CoaFeb)OcNd (Co a Fe b ) O c N d (상기 식에서 0.1≤a≤0.9, 0.1≤b≤0.9, 0.001≤c≤0.01, 및 0.001≤d≤0.2이다)(Wherein 0.1 ≦ a ≦ 0.9, 0.1 ≦ b ≦ 0.9, 0.001 ≦ c ≦ 0.01, and 0.001 ≦ d ≦ 0.2) 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 활성물질은 0.3≤a≤0.6, 0.2≤b≤0.4, 0.006≤c≤0.008, 및 0.009≤d≤0.12인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.Wherein the active material is 0.3 ≦ a ≦ 0.6, 0.2 ≦ b ≦ 0.4, 0.006 ≦ c ≦ 0.008, and 0.009 ≦ d ≦ 0.12. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 활성물질은 담체에 담지된 것인 연료전지용 캐소드 촉매.The active material is a cathode catalyst for a fuel cell that is supported on a carrier. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 담체는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 탄소계 물질인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.The carrier is a carbon-based material selected from the group consisting of graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, activated carbon, and combinations thereof. Cathode catalyst. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 활성물질은 촉매 총중량에 대하여 10 내지 80중량%로 담체에 담지되는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매. The active material is a cathode catalyst for a fuel cell that is supported on the carrier in 10 to 80% by weight relative to the total weight of the catalyst. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,A polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode, 상기 캐소드 전극은 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.7. The membrane-electrode assembly of a fuel cell, wherein the cathode electrode comprises the cathode catalyst according to any one of claims 1 to 6. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 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.The polymer electrolyte membrane comprises a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. 제8항에 있엇서, In claim 8, 상기 고분자 수지는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The polymer resin may be a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a poly A membrane-electrode assembly for a fuel cell, which is a polymer resin selected from the group consisting of ether-ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, and copolymers thereof. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 애노드 전극은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The anode electrode is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, A transition metal selected from the group consisting of Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof), and a catalyst selected from the group consisting of combinations thereof. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부; An electricity generating unit including an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a membrane-electrode assembly including a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode and separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며,An oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit, 상기 캐소드 전극은 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.The cathode electrode fuel cell system comprising a cathode catalyst according to any one of claims 1 to 6. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지, 직접 산화형 연료 전지 및 혼합 주입형 연료 전지로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.The fuel cell system is selected from the group consisting of a polymer electrolyte fuel cell, a direct oxidation fuel cell and a mixed injection fuel cell. 제11항에 있어서, The method of claim 11, 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지인 것인 연료 전지 시스템.And the fuel cell system is a direct oxidation fuel cell.
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CN105552391A (en) * 2015-12-28 2016-05-04 华南理工大学 Modified cobalt-manganese-oxide-doped carbon nanotube catalyst as well as preparation method and application thereof

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