KR20080009150A - 연료전지 전극용 전도성 매트릭스 - Google Patents

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이온 씨. 할라레이
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지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스, 인코포레이티드
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Abstract

한 쪽 표면 위에 음극이 있고 다른 쪽 표면 위에 산소-환원 양극이 있는 고분자 전해질 막을 가지는 연료 전지의 내구성은 전극 내의 전도성 탄소 매트릭스 재료들을 전기적 전도성 금속 화합물 입자들의 매트릭스로 대체함으로써 개선된다. 전극은 나노크기의 금속 산화물 및 금속 화합물의 전기적 전도성 나노크기의 매트릭스 입자들 상에 지지된 촉매를 포함한다. 코발트, 크롬, 니켈, 몰리브덴, 네오디뮴, 니오브, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 지르코늄과 같은 금속의 붕소화물, 탄화물, 질화물, 규화물, 카보나이트라이드, 산화붕소화물, 산화탄화물, 산화질화물과 같은 하나 이상의 금속 화합물들이 적합하다. 예를 들어, 티타늄 카바이드의 전도성 매트릭스 내에서 혼합된 이산화티타늄 지지체 입자들 상에 침착된 백금 입자들의 조합은 좋은 산소 환원 능력과 산성 환경에서 부식 저항성을 제공한다.
연료 전지, 도전성 매트릭스, 촉매 지지체

Description

연료전지 전극용 전도성 매트릭스{CONDUCTIVE MATRICES FOR FUEL CELL ELECTRODES}
본 발명은 막의 양쪽 각각에 전극을 포함하는 촉매를 가진 각 전지 내의 고체 고분자 전해질막을 채용하는 것들과 같은 저온 산성 및 알칼리성 연료 전지에 적합하다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 그러한 전지를 위한 촉매 지지체 재료에 적합하다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 전극들이 전기적 전도성이 있고 비전도성 촉매 지지체 입자들과 공동으로 사용되는 금속 화합물 매트릭스 입자들을 포함하는 그러한 전지용 전극 부재에 적합하다.
연료 전지는 동기식 및 고정식 전력 발전을 위해 개발되어 온 전기화학적 전지이다. 하나의 연료 전지 디자인은 음극과 양극 사이에 이온 수송을 제공하기 위해서 고체 고분자 전해질(solid polymer electrolyte, SPE) 막 또는 양성자 교환막(proton exchange membrance, PEM)을 사용한다. 양성자의 제공이 가능한 가스상 및 액체 연료가 사용된다. 수소가 우세한, 수소와 메탄올이 그 예에 포함된다. 수소는 연료 전지의 음극에 공급된다. (공기로서) 산소는 전지 산화제이고 전지의 양 극에 공급된다. 전극들은 연료 공급 전극을 마주하고 있는 막의 표면 위로 연료가 분산될 수 있도록 하는 직조된 흑연(woven graphite), 흑연화 시트(graphitized sheets) 또는 탄소 종이(carbon paper)와 같은 기공성의 전도성 재료로 형성된다. 각 전극은 음극에서의 수소의 이온화 및 양극에서의 산소의 환원을 촉진시키기 위해서 탄소 입자상에서 지지된 미세하게 나누어진 촉매 입자(예를 들면, 백금 입자)를 담지한다. 양성자는 이온적으로 전도성인 고분자 막을 통하여 음극으로부터 산소와 결합하여 물을 형성하는 양극으로 흐르는데, 물은 전지로부터 배출이 된다. 도체판은 음극에서 형성된 전자를 다른 곳으로 전달한다.
현재, PEM 연료 전지의 상태는 DuPont's Nafion® 과 같은 퍼플루오르화 이오노머로 만들어진 막을 이용한다. 이오노머는 막을 통하여 음극에서 양극으로 양성자를 수송시키기 위하여 펜던트 이온화 가능한 그룹(예를 들어, 설포네이트기)을 담지한다.
큰 규모의 연료 전지 기술의 실행을 방해하는 중요한 문제는 장기간에 걸친 작동 즉, 자동차의 정지/시동 사이클링 뿐만 아니라 보통의 자동차 작동 동안의 전력 요구 사이클링, 동안 성능의 감소이다. 본 발명은 PEM 연료 전지의 성능 감소의 상당한 부분이 산소 환원 전극 촉매의 열화와 관련되어 있다는 인식에 기초한다. 이 열화는 대개는 백금 입자의 성장, 백금 입자의 용해 및 탄소 지지체 재료의 부식에 의해 야기된다. 전지내에 설포네이트기와 물의 존재는 각 전지의 전극들에서 이러한 변화들에 기여하는 산성 환경을 만든다.
탄소가 1.2V 이상의 전위에서 심각하게 부식되는 것이 발견되었고 백금 입자의 탄소 표면으로의 부가가 1.2V 이하의 전위에서 상당하게 부식속도을 증가시킨다. 이러한 공정들은 산소 전극 성능의 감소를 일으키는 백금 촉매의 활성 표면 영역의 감소를 이끈다. 그러나, 주기 실험은 수소 흡수 영역의 감소만으로는 산소 성능의 감소를 설명할 수 없다는 것을 밝혀왔다. 부가적인 요소들은 산소 환원에 대한 백금 촉매의 전기촉매 특성을 변화시킬 수 있는 흡수된 OH 종의 가능한 자리-교환 및 흡수된 OH 종으로부터의 간섭을 포함한다. 그래서, 촉매 지지체를 가진 백금의 특정한 상호작용은 백금 전기촉매의 성능 안정성에 큰 영향을 준다.
전지 전극으로부터 탄소를 제거하고 다른 촉매 지지체 재료 및 다른 전기적 전도성 매트릭스 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일측면에 따르면, 백금 또는 다른 촉매 물질은 티타늄 산화물(TiO2)과 같은 전기적으로 비전도성이고 높은 표면적의 금속 산화물 상에서 지지된다. 그리고 나서, 본 발명의 또 다른 측면에서 백금화 티타니아는 전기적으로 전도성과 내부식성을 가지는 나노미터 크기의 적합한 금속 화합물의 매트릭스 입자들과 함께 혼합된다.
이 금속 화합물들은 붕소, 탄소, 질소 또는 실리콘의 비금속성 원소 중 하나 이상을 포함한다. 예를 들면, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 네오디뮴, 니켈, 니오브, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐 및 지르코늄의 붕소화물, 탄화물, 질화물 및 규화물은 금속에 가까운 전기 전도도(즉, 3 내지 300μΩcm 범위의 저항률)와 훌륭한 화학적 산화 및 부식 저항성을 나타낸다. 이러한 침입형 화합물은 예를 들어, Co2B, Co3B, Cr2B, CrB, Cr5B3, CrB2, MoB, Mo2B, Mo2B5, NbB, NbB2, NbB6, NiB, Ni2B, Ni3B, TaB, TaB2, TiB2, VB, VB2, W2B, WB, WB2, W2B5, ZrB2, ZrB12; Co2C, Cr3C2, NbC, Nb2C, TiC, VC, WC, ZrC; Co2N, CrN, Cr2N, NbN, TiN, VN, WN, TaN, ZrN, CoSi2, CrSi2, Cr5Si3, MoSi2, Mo5Si3, Ni2Si, NiSi2, NbSi2, Nb5Si3, TaSi2, TiSi2, TiSi, Ti5Si3, V3Si, VSi2, WSi2, W5Si3, 및 ZrSi2 를 포함한다. 이러한 금속 화합물들은 종종 불순물로서 원소 산소를 포함하는데, 이것은 지지체 재료의 적합한 전도성이 유지된다면 허용될 수 있다. 개개의 화합물들이 사용되어질 수 있으며 또한 다양한 비율의 이들 화합물의 혼합물이 사용되어 질 수 있다. 금속 화합물들은 카보나이트라이드 화합물로서 비금속 원소들의 조합들을 포함할 수 있다. 그리고 금속 화합물들은, 만약 그들이 전지 내에서 적합한 전도성과 내구성을 제공한다면, 금속 옥시보라이드, 옥시카바이드 및 옥시나이트라이드 내의 원소 산소와 같은 부가적인 비금속 원소들을 포함할 수 있다.
이러한 금속 화합물들 중 하나 이상은 연료 전지들의 전극 부재를 포함하는 지지된 촉매 내에서 미립자이고, 전기적 전도성 매트릭스 재료로서 사용되기에 적당하다. 그래서, 수소-산소 연료 전지 스택의 전지 각각에서의 막 전극 조합체는 한 쪽에는 얇은 수소 산화 음극과 다른 쪽에는 산소 환원 양극을 가진 적합한 양성자 교환 막을 포함한다. 최소한 양극에서, 또는 전극 양쪽 모두에서, 촉매는 그러한 전도성 금속 화합물 매트릭스 입자들과 직접적으로 혼합된 비전도성 금속 산화물 입자상에서 지지된다. 나노미터 크기의 전도성 금속 화합물 입자들이 바람직하다.
금속 산화물 촉매 지지체 입자들과 금속 화합물 매트릭스 입자들의 조합은 내구성이 있고 좋은 성능의 전지 내 전극을 생산할 수 있다. 특히 나노크기 입자들로서, 이러한 촉매화-전극, 전도성 매트릭스 재료의 독특한 특성들은 연료 전지 전극들의 증가된 내구성 뿐만 아니라 향상된 촉매 거동으로 이끌 수 있다.
특별한 예로써, 연료 전지 양극은 높은 표면적 나노미터 크기의 이산화티타늄 입자들 위로 분산된 백금의 촉매 입자들을 포함하고, 이러한 비전기적 전도성 산화물 지지체 입자들은 전기적 전도성이 있고 부식저항성이 있는 나노크기의 티타늄 나이트라이드 또는 티타늄 실리사이드의 매트릭스 입자들과 혼합된다. 이산화티타늄 입자들은 백금 입자들의 적재와 강한 상호작용을 촉진하고, 티타늄 나이트라이드 또는 실리사이드 매트릭스 입자들은 전극에 전기적 전도성을 제공한다. 지지체 재료와 매트릭스 재료 양쪽 모두 전위 주기 동안 전극 성능 열화를 견딘다.
금속 화합물 전기적으로 전도성인 전극 매트릭스 입자들의 사용은 저온 (예를 들어, 약 200℃ 미만) 산성 및 알칼리성 연료 전지에 적용가능하다.
본 발명의 다른 목적과 장점들은 후속하는 설명적인 바람직한 구현례들의 묘사로부터 더욱 분명해질 것이다.
도1은 조립된 연료 전지 스택의 각 전지에서 사용되는 고체 고분자 막 전해질과 전극 조립체(MEA)의 조합의 개략도이다.
도2는 도1의 MEA의 확대된 부분 단면도이다.
도3은 (i) 기준이 되는 탄소 상에 침착된 상업용 백금 촉매(채워진 원) , (ii) 나노크기의 티타늄 산화물 지지체 입자들 상에 침착된 백금 촉매(채워진 역삼각형)와, 본 발명에 따라, 수개의 전기적 전도성 매트릭스들 내의 나노크기의 티타늄 산화물 지지체 입자들 상에 침착된 백금 촉매로서: (iii) 탄소(채워진 정사각 형), (iv) TiN(채워진 위로 향한 삼각형), (v) TiS2 (채워진 마름모)에 대한 사이클 수의 함수로서 상대 질량 손실의 그래프이다.
본 발명의 양수인에게 양도된 많은 미국 특허들은 고체 고분자 전해질막의 조립체와 전극 조립체를 가지는 전기화학적 연료 전지 조립체를 기술한다. 예를 들어 U.S. 6,277,513의 도1-4는 그러한 서술을 포함하고, 그 특허의 명세서와 도면은 참조에 의해 이 명세서로 편입되었다.
이 응용례의 도1은 U.S. 6,277,513 특허의 도1에서 도시되어진 전기화학적 전지의 일부인 막 전극 조립체(10)를 설명한다. 이 명세서의 도1을 참조하면, 막 전극 조립체(10)는 음극(12)과 양극(14)를 포함한다. 예를 들면, 수소/산소 (공기) 연료 전지에서 수소는 음극(12)에서 H+ (양성자)로 산화되고, 산소는 양극(14)에서 물로 환원된다.
도2는 도1에서 보여진 막 전극 조립체(10)의 매우 확대된 부분 단면도를 제공한다. 도2에서 음극(12)과 양극(14)은 양성자 교환막(16)의 반대 면(각각 32면, 30면)에 적용된다. PEM(16)은 적당하게는 DuPont's Nafion® 과 같은 퍼플루오르화 이오노머로 만들어진 막이다. 막의 이오노머 분자들은 막(16)의 하단 면(32)에 적 용된 음극(12)으로부터 막(16)의 상부 표면(30)에 적용된 양극(14)까지 막을 통한 양성자의 수송을 위하여 펜던트 이온화 가능한 그룹(예를 들어, 설포네이트기)을 담지한다. 전형적인 전지에서 고분자 전해질 막은 100 mm × 100 mm × 0.05 mm 의 치수를 가진다. 후술하는 바와 같이, 음극(12)과 양극(14)은 모두 잉크로부터 준비되고 도안을 통하여 PEM(16)의 반대 면들(30,32)에 직접적으로 도포되는 얇은 기공성의 전극 층이다.
본 발명에 따르면, 양극(14)은 적당하게는, 예를 들면, 티타늄 산화물의 나노미터 크기의 금속 산화물 촉매 지지체 입자(18)를 포함한다. 나노미터 크기는 약 1에서 100 nm의 범위의 직경 또는 가장 큰 치수를 가진 입자를 포함한다. 촉매 지지체 입자(18)는 백금과 같은 산소에 대한 환원 촉매의 더 작은 입자(20)를 담지한다. 백금화 티타늄 산화물 지지체 입자(18)는 티타늄 나이트라이드 (또는 티타늄 실리사이드 또는 티타늄 카바이드)와 같은 적합한 금속 화합물의 전기적 전도성 매트릭스 입자들(19)과 직접적으로 혼합된다. 백금화 금속 산화물 지지체 입자(18)와 전자 전도성 금속 화합물 매트릭스 입자(19) 모두는 적합한 결합 재료(22)에 내장된다. 이 구현례에서, 결합 재료(22)는 적당하게는 고분자 전해질 막(16) 재료와 같은 퍼플루오르화 이오노머 재료이다. 퍼플루오르화 이오노머 결합 재료(22)는 양성자를 전도하지만, 전자의 전도체는 아니다. 따라서, 충분한 양의 전기적 전도성 금속 화합물 매트릭스 입자들이 전극이 적합한 전기 전도성을 가질 수 있도록 양극(14)으로 편입된다.
백금 입자(20)를 포함하는 촉매 지지체 입자들(18)과 전기적 전도성 금속 화합물 매트릭스 입자들(19) 및 전극 결합 재료(22)의 입자들의 공식화된 혼합물은 적합한 휘발성 액체 용액(vehicle)에 현탁되고, 양성자 교환막(16)의 표면(30)에 적용된다. 용액은 증발에 의해 제거되고 건조된 양극(14) 재료는 양극(16)을 형성하기 위해 PEM(16)의 표면(30)으로 더욱 압축되고 소성(baking)된다.
종래기술의 막 전극 조립체와 대조를 이루어, 백금 촉매를 포함한 조립체(10)는 전도성 탄소 지지체 입자들 대신에 나노미터 크기의 높은 표면적의 티타늄 산화물 입자들 상에 지지된다. 그리고 양극(16) 내 전기적 전도성은 적합한 내구성과 전기적 전도성이 있는 금속 산화물(들)의 매트릭스 입자들(19)에 의해 제공된다. 이 예에서, 티타늄 나이트라이드 입자(19)는 촉매 지지체 입자가 아닌 양극(14)에 있는 모든 탄소 전도성 재료를 대신한다. 본 발명의 도2 구현례에서, 음극(12)은 양극(14)과 동일한 재료로 구성된다. 그러나 음극(12)은 탄소 지지체 입자들 또는 매트릭스 입자들 또는 전도성 금속 화합물 매트릭스 입자들과 금속 산화물 촉매 지지체 입자들의 다른 조합을 채용할 수 있다.
티타늄 나이트라이드 전도성 매트릭스 입자들(또는 티타늄 다이실리사이드 입자들)(19)은 도2 구현례에서 사용되었다. 그러나 크롬, 코발트, 몰리브덴, 네오디뮴, 니켈, 니오브, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 또는 지르코늄 같은 금속의 다른 탄화물, 붕소화물, 질화물, 규화물, 산화붕소화물(oxyboride), 산화탄화물(oxycarbide), 산화질화물(oxynitride) 또는 탄질화물(carbonitride)은 적합한 곳으로 치환될 수 있다. 게다가, 전도성 매트릭스 입자들은 두 개 이상의 그러한 금속 화합물의 혼합물을 포함할 수 있다.
언급한 대로, 확인된 화합물들로 막 전극 조립체 내의 탄소를 교체하는 목적은 전지 유효 수명을 개선하기 위함이다. 그러므로 촉매의 산소 환원 성능은 양극 전위가 1.4 V 위로 변경될 수 있는 자동차 응용예에 대한 연료 전지의 부하 주기 및 완화되지 않은 정지-시작 주기 동안 안정화될 수 있다. 탄소 부식은 본 연료 전지 양극의 유용한 수명을 제한하는 주요한 인자이다. 그러나 그러한 연료 전지 전극의 수명은 탄소 전도성 매트릭스 재료를 붕소, 탄소, 질소 또는 실리콘 (및 산소) 중 적어도 하나와 함께 적합한 금속의 전도성 화합물의 입자들로 교체하는 것에 의하여 개선된다.
또한 언급한 대로, 상기 설명한 금속 붕소화물, 금속 탄화물, 금속 질화물 및 금속 규화물은 금속에 가까운 전기 전도도(즉, 3 내지 300μΩcm 범위의 저항률)와 훌륭한 화학적 산화 및 부식 저항성을 나타낸다. 특히 나노크기의 입자들로써, 이 재료들의 독특하고 유용한 특성들은 연료 전지 전극의 증가된 내구성 뿐만 아니라 향상된 촉매 거동을 이끌어 낼 수 있다.
수개의 이러한 재료들에 대한 실온에서의 수성 0.5M H2SO4 에서의 화학적 부식속도를 표1에 열거하였다.
재료 TaC WC TiN TiC ZrC
용해속도, μmole·m-2·week-1 0.065 0.12 3.9 5.6 24
95℃의 0.5M H2SO4 용액에서 상업용 탄소, 티타늄 카바이드 및 티타늄 나이트라이드에 대한 전기화학적 부식속도가 후술하는 표2에 주어졌다.
재료 탄소 TiC TiN
E=1.2V 에서의 부식속도, μmole·m-2·hr-1 -87 -14 -22
본 발명의 설명적인 구현례에서 20 m2/g의 비표면적을 가진 100nm 입자 크기의 티타늄 나이트라이드 분말이 얻어졌으며, 전도성 매트릭스 입자들로서 사용되었다. 1마이크로미터 입자 크기 및 0.5 m2/g의 비표면적의 티타늄 다이실리사이드 분말은 본 발명의 다른 하나의 설명적인 구현례에서 사용되었다. 또한, Vulcan XC-72R 탄소(230 m2/g의 비표면적)는 본 발명의 또 다른 설명적인 구현례에서 사용되었다.
이산화티타늄 (TiO2, 티타니아)의 입자 상에 침착된 백금 입자들을 포함하는 촉매가 준비되었다. 준비에는 100nm 입자 크기의 이산화티타늄 입자 위에 백금 나노입자를 생산하기 위하여 일산화탄소의 존재하에 클로로플래티닉 산을 환원시키기 위해 히드라진을 사용하는 것이 포함된다. 특히, 1.00g의 TiO2 (50 m2/g)는 170ml H2O에서 1.80g 의 H2PtCl6 와 혼합된다. pH는 1M NaOH에서 5로 조절되었고 혼합물은 15분 동안 초음파 처리되었다. 그리고 나서 혼합물은 15분 동안 200 sccm 에서 용액을 통하여 CO가 기포로 발생하는 동안 교반되었다. 10ml의 히드라진 수화물 0.21g의 용액이 반응 혼합물에 방울 방울 첨가되었고 CO 기포발생은 한 시간 동안 계속되었다. 그리고 나서 CO 흐름은 50 sccm 으로 감소되었고 혼합물은 16 시간 동안 반응이 계속되도록 허용되었다. 매우 작은 백금 입자 (평균 3.2 nm)는 나노크기의 이산화티타늄 입자 위에 침착되었다. 지지되는 촉매 제품은 공기 건조가 허용되기 전에 풍부한 양의 물로 여과되고 세정되었다. 최종 건조는 진공 상태의 실온에서 이루어졌다. 백금 촉매는 30m2/g의 수소 흡수 영역을 가진다.
롤(roll) 및 페이스트 방법을 통하여 32% Pt/TiO2 촉매 입자와 Vulcan XC-72R 탄소의 매트릭스 입자, TiN와 TiSi2의 수개의 50:50 혼합물을 10% 테플론 결합제와 함께 혼합함으로써 후막(ca. 두께 0.1mm)이 준비되었다. 그리고 나서 펠렛의 형태로 작업 전극들이 1.6 tons/cm2의 압력 하에서 금제 집전기 위로 이러한 시트로부터 갈라진 원형 디스크(직경 ~9mm)를 압축함으로써 준비되었다. 유사하게, 후막이 Vulcan XC-72R 탄소 상의 47중량% 백금을 포함하는 상업적으로 이용가능한 백금 촉매 뿐만 아니라 Pt/TiO2 와 10% 테플론 결합제로부터 준비되었고, 벤치마크 전극들이 전에 묘사된 것처럼 이러한 시트들로부터 준비되었다.
이러한 전극들의 내구성은 0 및 1.2 V/rhe의 전위 한계 내에서 10 mV/s의 확장된 전위 주기 동안에 일어나는 질량 변화를 측정함으로써 평가되었다. 결과적인 데이터는 도3에 요약된다. 질량 판정은 증류된 탈이온수에서 린스 및 소크(soak)하고 그 후 진공 오븐 건조가 후속한 후에 매 200 주기마다 있었다. 그리고 나서 주기는 각 계량 작업 후에 재시작되었다. 각 펠렛 전극은 작업 전극, 탄소 카운터 전극 및 봉인된 수소 기준 전극으로 구성된 3-전극 전지 내에서 10 mV/s의 일정한 스캔 속도에서 순환되었다. 전지는 80℃의 일정온도로 유지된 수성 0.5M H2SO4 수용액으로 채워졌고 실험 전 기간에 걸쳐 전극을 통하여 아르곤 기포를 발생시킴으로써 공기를 제거하였다.
탄소 위에 침착된 백금으로 만들어진 벤치마크 촉매와 비교되었을 때, Pt/TiO2 촉매와 전기적 전도성 매트릭스 재료로 만들어진 전극들에 대한 양쪽 모두의 감소된 질량을 주목하라.
연료 전지 전극 재료로서 티타늄 나이트라이드 매트릭스 및 티타늄 다이실리사이드 매트릭스 내 이산화티타늄 위의 백금의 조합은 설명적인 예들의 목적으로 묘사되어졌다. 그러나 일반적으로 비전도성 금속 산화물 지지체 상에 촉매 금속들 (귀금속, 다른 금속과 귀금속의 합금 및 비귀금속 촉매)의 이용은 본 발명의 범위 내에 있다. 그리고 또 다른 전기적 전도성이고 그리고 산성/알칼리성에 저항성이 있는 금속 화합물(들) 매트릭스 재료와 함께 그러한 지지된 촉매의 이용은 본 발명의 범위 내이다. 적합한 전도성 매트릭스 재료는 비금속 원소 - 붕소, 탄소, 질소, 실리콘 - 중 하나 이상과 결합된 적합한 금속 원소(들)의 하나 이상의 금속 화합물을 포함한다. 이러한 비금속 원소들은 금속 화합물 내에서 산소와 결합될 수 있다. 본 발명은 저온 (약 200℃ 이하에서 작동되는) 산성 및 알칼리성 연료 전지에서 사용되기에 적절하다.

Claims (14)

  1. 음극과 양극 사이에 개재된 고분자 전해질 막; 및
    전도성 입자들의 매트릭스 내에서 비전도성 촉매 지지체 입자들 상에 담지된 촉매의 입자들을 포함하는 음극 및 양극 중 적어도 하나를 포함하는 연료전지로서,
    상기 전도성 매트릭스 입자들은 붕소, 탄소, 질소, 또는 실리콘으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 비금속 원소를 포함하는 금속 화합물로 필수적으로 구성되고, 상기 금속 화합물은 300μΩcm 보다 작은 범위 내의 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 매트릭스 입자들은 금속 붕소화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 규화물, 금속 산화붕소화물, 금속 산화탄화물, 금속 산화질화물 또는 금속 탄질화물 중 적어도 하나로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전도성 입자들은 크롬, 코발트, 몰리브덴, 네오디뮴, 니켈, 니오브, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐 및 지르코늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 금속 화합물로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 매트릭스 입자들은 Co2B, Co3B, Cr2B, CrB, Cr5B3, CrB2, MoB, Mo2B, Mo2B5, NbB, NbB2, NbB6, NiB, Ni2B, Ni3B, TaB, TaB2, TiB2, VB, VB2, W2B, WB, WB2, W2B5, ZrB2, ZrB12; Co2C, Cr3C2, NbC, Nb2C, TiC, VC, WC, ZrC; Co2N, CrN, Cr2N, NbN, TiN, VN, WN, TaN, ZrN, CoSi2, CrSi2, Cr5Si3, MoSi2, Mo5Si3, Ni2Si, NiSi2, NbSi2, Nb5Si3, TaSi2, TiSi2, TiSi, Ti5Si3, V3Si, VSi2, WSi2, W5Si3 및 ZrSi2 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 화합물로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 음극과 산소-환원 양극 사이에 개재된 고분자 전해질 막; 및
    전도성 입자들의 매트릭스 내에서 비전도성 촉매 지지체 입자들 상에 담지된 산소-환원 촉매의 입자들을 포함하는 산소-환원 양극; 을 포함하는
    200℃ 보다 높지 않은 온도에서 작동하는 산성 또는 알칼리성 연료 전지로서,
    상기 전도성 매트릭스 입자들은 금속 붕소화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 규화물, 금속 산화붕소화물, 금속 산화탄화물, 금속 산화질화물 또는 금속 탄질화물 중 적어도 하나로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 산소-환원 양극은 크롬, 코발트, 몰리브덴, 네오디뮴, 니켈, 니오브, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐 및 지르코늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소를 포함하는 전도성 매트릭스 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제5항에 있어서, 상기 산소-환원 양극은 Co2B, Co3B, Cr2B, CrB, Cr5B3, CrB2, MoB, Mo2B, Mo2B5, NbB, NbB2, NbB6, NiB, Ni2B, Ni3B, TaB, TaB2, TiB2, VB, VB2, W2B, WB, WB2, W2B5, ZrB2, ZrB12; Co2C, Cr3C2, NbC, Nb2C, TiC, VC, WC, ZrC; Co2N, CrN, Cr2N, NbN, TiN, VN, WN, TaN, ZrN, CoSi2, CrSi2, Cr5Si3, MoSi2, Mo5Si3, Ni2Si, NiSi2, NbSi2, Nb5Si3, TaSi2, TiSi2, TiSi, Ti5Si3, V3Si, VSi2, WSi2, W5Si3 및 ZrSi2 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 화합물로 필수적으로 구성되는 전도성 매트릭스 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  8. 제5항에 있어서, 상기 산소-환원 양극은 금속 산화물 지지체 입자들 상에 담지된 산소 환원을 위한 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지로서, 상기 촉매는 귀금속 및 비귀금속과 백금의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  9. 제5항에 있어서, 상기 산소-환원 양극은 금속 산화물 상에 담지된 귀금속을 포함하고, 상기 전도성 매트릭스 입자들은 크롬, 코발트, 몰리브덴, 네오디뮴, 니켈, 니오브, 탄탈, 티타늄, 텅스텐, 바나듐 및 지르코늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속의 붕소화물, 탄화물, 질화물, 규화물, 산화붕소화물, 산화탄화물, 산화질화물 또는 탄질화물 중 적어도 하나로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  10. 제5항에 있어서, 상기 산소-환원 양극은
    (i) 하나 이상의 귀금속, (ii) 비귀금속과 백금의 합금, 또는 (iii) 비귀금속 산소 환원 촉매로 구성된 그룹의 하나로부터 선택된 재료를 포함하고, 상기 촉매 입자들은 금속 산화물의 입자들 상에 담지되고;
    상기 전도성 매트릭스 입자들은 Co2B, Co3B, Cr2B, CrB, Cr5B3, CrB2, MoB, Mo2B, Mo2B5, NbB, NbB2, NbB6, NiB, Ni2B, Ni3B, TaB, TaB2, TiB2, VB, VB2, W2B, WB, WB2, W2B5, ZrB2, ZrB12; Co2C, Cr3C2, NbC, Nb2C, TiC, VC, WC, ZrC; Co2N, CrN, Cr2N, NbN, TiN, VN, WN, TaN, ZrN, CoSi2, CrSi2, Cr5Si3, MoSi2, Mo5Si3, Ni2Si, NiSi2, NbSi2, Nb5Si3, TaSi2, TiSi2, TiSi, Ti5Si3, V3Si, VSi2, WSi2, W5Si3 및 ZrSi2 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 화합물로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  11. 제5항에 있어서, 상기 산소-환원 양극은 이산화티타늄 지지체 입자들 상에 담지된 백금을 포함하고, 상기 전도성 매트릭스 입자들은 금속 붕소화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 또는 금속 규화물 중 적어도 하나로 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  12. 제5항에 있어서, 상기 산소-환원 양극은 이산화티타늄 상에 담지된 백금을 포함하고, 상기 전도성 매트릭스 입자들은 Co2B, Co3B, Cr2B, CrB, Cr5B3, CrB2, MoB, Mo2B, Mo2B5, NbB, NbB2, NbB6, NiB, Ni2B, Ni3B, TaB, TaB2, TiB2, VB, VB2, W2B, WB, WB2, W2B5, ZrB2, ZrB12; Co2C, Cr3C2, NbC, Nb2C, TiC, VC, WC, ZrC; Co2N, CrN, Cr2N, NbN, TiN, VN, WN, TaN, ZrN, CoSi2, CrSi2, Cr5Si3, MoSi2, Mo5Si3, Ni2Si, NiSi2, NbSi2, Nb5Si3, TaSi2, TiSi2, TiSi, Ti5Si3, V3Si, VSi2, WSi2, W5Si3 및 ZrSi2 로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 금속 화합물이 필수적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  13. 제5항에 있어서, 상기 산소-환원 양극은 이산화티타늄 지지체 입자들 상에 담지된 백금을 포함하고, 상기 전도성 매트릭스 입자들은 티타늄 나이트라이드 및 티타늄 실리사이드 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  14. 수소-산화 음극과 산소-환원 양극 사이에 개재된 고분자 전해질 막;
    금속 붕소화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 규화물, 금속 산화붕소화물, 금속 산화탄화물, 금속 산화질화물 또는 금속 탄질화물 중 적어도 하나로 필수적으로 구성되는 금속 화합물의 전도성 입자들의 매트릭스 내에서 비전도성 촉매 지지체 입자들 상에 담지된 수소-산화 촉매의 입자들을 포함하는 상기 수소-산화 음극; 및
    금속 붕소화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 규화물, 금속 산화붕소화물, 금속 산화탄화물, 금속 산화질화물 또는 금속 탄질화물 중 적어도 하나로 필수적으로 구성되는 금속 화합물의 전도성 입자들의 매트릭스 내에서 비전도성 촉매 지지체 입자들 상에 담지된 산소-환원 촉매의 입자들을 포함하는 상기 산소-환원 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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