KR20080024706A - Pt/pd catalysts for use of direct methanol fuel cell - Google Patents

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Abstract

A catalyst for an air electrode, an electrode containing the catalyst for a fuel cell, a membrane electrode assembly containing the electrode, a direct methanol fuel cell containing the membrane electrode assembly, and a method for preparing the catalyst are provided to lower the reactivity to the crossover methanol, to prevent the deterioration of oxygen reduction and to decrease the adsorption to carbon monoxide. A catalyst for an air electrode comprises 0.5-99.5 mol% of platinum (Pt); and 0.5-99.5 mol% of palladium (Pd). Preferably the platinum and the palladium are supported by a catalyst carrier material. Preferably the catalyst carrier material is at least one porous carbon selected from the group consisting of activated carbon, carbon fiber, graphite fiber and carbon nanotube; at lest one conductive polymer selected from the group consisting of poly(vinyl carbazole) and its derivative, polyaniline and its derivative, and polypyrrole and its derivative; or at least one metal oxide selected from the group consisting of tungsten oxide, titanium dioxide, nickel oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide and cobalt oxide.

Description

직접 메탄올 연료전지용 백금/팔라듐 촉매{Pt/Pd CATALYSTS FOR USE OF DIRECT METHANOL FUEL CELL} Platinum / Palladium Catalysts for Direct Methanol Fuel Cells {Pt / Pd CATALYSTS FOR USE OF DIRECT METHANOL FUEL CELL}

도 1은 직접메탄올 연료전지를 개략적으로 나타낸 모식도이다. 1 is a schematic diagram showing a direct methanol fuel cell.

도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매와 백금촉매의 X-선 회절(X-ray Diffraction, XRD)로 분석한 결과를 도시한 것이다.FIG. 2 shows the results of X-ray diffraction (XRD) analysis of the platinum / palladium binary catalyst prepared by Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention and the platinum catalyst.

도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매와 백금촉매의 조성 분석을 위한 X-선분광학조성분석(EDX) 결과이다. 백금/팔라듐 촉매들의 몰% 조성은 5 : 95이다. FIG. 3 shows the results of X-ray spectroscopy composition analysis (EDX) for the composition analysis of the platinum / palladium binary catalyst prepared by Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention and the platinum catalyst. The mole% composition of platinum / palladium catalysts is 5:95.

도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매와 백금촉매에 의한 산소 환원전류를 비교하여 도시한 것으로서, 0.05 몰 황산수용액에서의 결과이다. Figure 4 is a comparison of the oxygen reduction current by the platinum / palladium binary catalyst and the platinum catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention, the result in a 0.05 mol sulfuric acid aqueous solution.

도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매와 백금촉매에 의한 산소 환원전류를 비교하여 도시한 것으로서, 0.5 몰 메탄올이 포함된 0.05 몰 황산수용액에서의 결과이다. FIG. 5 is a graph comparing oxygen reduction currents of platinum / palladium binary catalysts prepared by Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention with platinum catalysts, and in a 0.05 mol sulfuric acid solution containing 0.5 mol methanol. The result is.

도 6은 2 몰 농도(2 M) 메탄올 조건 하에서 백금/팔라듐 2원계 촉매와 순수한 백금 촉매의 연료전지 성능곡선을 비교한 결과를 도시한 것이다. FIG. 6 shows a comparison of fuel cell performance curves of a platinum / palladium binary catalyst and a pure platinum catalyst under 2 molar concentration (2 M) methanol conditions.

도 7은 4 몰 농도(4 M) 메탄올 조건 하에서 백금/팔라듐 2원계 촉매와 순수한 백금 촉매의 연료전지 성능곡선을 비교한 결과를 도시한 것이다. FIG. 7 shows the result of comparing the fuel cell performance curves of the platinum / palladium binary catalyst and the pure platinum catalyst under 4 molar concentration (4 M) methanol conditions.

도 8은 6 몰 농도(6 M) 메탄올 조건 하에서 백금/팔라듐 2원계 촉매와 순수한 백금 촉매의 연료전지 성능곡선을 비교한 결과를 도시한 것이다. FIG. 8 shows a comparison of fuel cell performance curves of a platinum / palladium binary catalyst and a pure platinum catalyst under 6 molar concentration (6 M) methanol conditions.

도 9는 2 몰 및 4 몰 메탄올 조건 하에서 백금/팔라듐 2원계 촉매와 순수한 백금 촉매의 30 mA/cm2 하에서 장기적인 연료전지 성능곡선을 비교한 결과를 도시한 것이다. 0 ~ 100시간까지는 2몰 농도의 메탄올, 100시간 ~ 200시간까지는 4몰 농도의 메탄올에 대한 결과이다. FIG. 9 shows a comparison of long-term fuel cell performance curves at 30 mA / cm 2 of platinum / palladium binary catalysts and pure platinum catalysts under 2 mol and 4 mol methanol conditions. Results are from 2 moles of methanol from 0 to 100 hours and from 4 moles of methanol from 100 to 200 hours.

도 10은 본 발명의 실시예 1및 비교예1에 의해 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매와 백금촉매에 대하여, 0.05몰 황산수용액 상에서 일정전위법(chroropotentiometry)을 이용하여 시간을 달리하여 흡착시킨 일산화탄소의 산화반응특성 실험결과이다.10 is carbon monoxide adsorbed on a platinum / palladium binary catalyst prepared by Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention and a platinum catalyst at different times using a constant potential method (chroropotentiometry) on a 0.05 mol sulfuric acid solution. Is the result of the oxidation reaction test.

본 발명은 백금과 그 외 귀금속을 기본으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 합성 촉매에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)의 공기극 촉매에 있어서, 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 포함하는 공기극 촉매에 관한 것이다. The present invention relates to a synthesis catalyst for a direct methanol fuel cell based on platinum and other precious metals, and more particularly, to a cathode catalyst of a direct methanol fuel cell (DMFC), which includes platinum (Pt) and palladium (Pd). It relates to an air cathode catalyst.

최근 휴대용 전자기기 및 무선통신기기의 급격한 보급으로 휴대용 전원 공급 장치인 배터리로서 연료전지의 개발, 무공해 자동차용 연료전지 및 청정 에너지원으로서 발전용 연료전지의 개발에 많은 관심과 연구가 진행되고 있다. Recently, due to the rapid spread of portable electronic devices and wireless communication devices, much attention and research is being conducted on the development of fuel cells as a battery as a portable power supply device, a fuel cell for a pollution-free automobile, and a fuel cell for power generation as a clean energy source.

연료전지는 연료가스 (수소, 메탄올, 또는 기타 유기물)와 산화제(산소 또는 공기)가 가지는 화학적 에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서 이는 작동조건에 따라 고체산화물 전해질형 연료전지, 용융탄산염 전해질형 연료전지, 인산염 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질 형 연료전지 등으로 나뉜다. A fuel cell is a power generation system that converts chemical energy of fuel gas (hydrogen, methanol, or other organic substance) and oxidant (oxygen or air) directly into electrical energy through an electrochemical reaction. Battery, molten carbonate electrolyte fuel cell, phosphate electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell.

상기 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 세분하면 수소가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell : PEMFC)와 액상의 메탄올을 직접 연료로 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 화석에너지를 대체할 수 있는 청정에너지원으로서, 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고, 상온에서 작동이 가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신 장비의 휴대용 전원, 군사용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용이 가능하다. The polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) is subdivided directly into a fuel supply using hydrogen gas as a fuel (Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC) and liquid methanol directly Methanol Fuel Cell (DMFC). Polymer electrolyte fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy. It has high power density and energy conversion efficiency, can operate at room temperature, and can be miniaturized and encapsulated. It can be widely used in fields such as portable power supply and military equipment.

일반적으로 수소를 연료로 사용하는 기체형 연료전지는 에너지 밀도가 크다는 장점이 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위해서 메탄이나 메탄올 및 천연가스 등을 개질하기 위한 연료 개질장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다. In general, gaseous fuel cells using hydrogen as a fuel have an advantage of high energy density, but require attention to handling hydrogen gas, and fuel for reforming methane, methanol, and natural gas to produce hydrogen, fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a reformer.

메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접메탄올 연료전지는 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전온도가 낮으며 특히 연료개질 장치를 필요로 하지 않는다는 특성 때문에 전반적인 연료전지 시스템을 간소화시킬 수 있다. 하지만 메탄올 산화반응의 느린 반응속도와 백금 촉매의 일산화탄소의 촉매독작용에 대한 내성 향상을 꾀하기 의해 백금/루테늄(Pt/Ru) 2원 촉매가 개발되고 있으며 이미 상용화까지 되어 있다. 그럼에도 불구하고 메탄올 산화 반응에 대한 활성이 낮아 백금/루테늄을 기본으로 하는 3원계 또는 4원계 촉매에 대한 연구가 여전히 진행되고 있는 실정이다. Direct methanol fuel cells using methanol as a direct fuel simplifies the overall fuel cell system due to the ease of handling of liquid fuels, low operating temperatures, and particularly no need for a fuel reformer. However, platinum / ruthenium (Pt / Ru) binary catalysts have been developed and commercialized to improve the slow reaction rate of methanol oxidation and to improve the catalyst poisoning resistance of carbon monoxide. Nevertheless, research on the ternary or quaternary catalysts based on platinum / ruthenium is still underway due to the low activity for methanol oxidation.

또한 연료극에서 산화되어야 할 메탄올이 고분자 전해질을 통해 공기극(캐소드)으로 넘어가 공기극에서 산화반응을 일으키는 메탄올 크로스오버(cross-over)현상으로 인해 공기극 촉매피독은 물론, 혼성전압(Mixed potential)형성으로 인한 전체 연료전지 성능 저하 및 연료 이용률 감소를 가져오게 된다. 이러한 이유로 인해 사용가능한 메탄올 농도에 제약이 따르게 된다. In addition, due to methanol cross-over phenomenon, in which the methanol to be oxidized at the anode passes through the polymer electrolyte to the cathode (cathode) and causes oxidation at the cathode, cathode poisoning as well as formation of a mixed voltage is generated. This results in lower overall fuel cell performance and reduced fuel utilization. For this reason, there are restrictions on the methanol concentration available.

이러한 메탄올 크로스오버현상을 방지하기 위해서 지금까지 행하여져 오고 있는 연구는 크게 두 가지로 분류될 수 있다. 하나는 메탄올을 근본적으로 공기극으로 넘어오지 못하게 하는 새로운 고분자 전해질을 개발하는 것이며, 나머지는 메탄올이 공기극으로 흘러 들어오더라도, 공기극 촉매와 메탄올이 전기화학적 반응은 하지 않는 대신 산소와 선택적으로 반응하는, 메탄올에 내성이 있는 새로운 공기극 촉매를 개발하는 것이다. In order to prevent the methanol crossover phenomenon, the researches that have been conducted so far can be classified into two categories. One is to develop a new polymer electrolyte that essentially prevents methanol from passing through the cathode, while the other reacts selectively with oxygen, even though methanol flows into the cathode, instead of the electrochemical reaction. It is to develop a new cathode catalyst that is resistant to methanol.

메탄올의 크로스오버 현상을 감소시킨다고 보고되어 있는 고분자 전해질로는 기존의 NafionTM(Dupont)에 SiO2, TiO2, BaTiO3, ZrO(HPO4)2와 같은 무기물질을 포함한 혼성 멤브레인(hydrid membrane)과 폴리벤지미다졸(acid-doped polybenzimidazole, PBI) 및 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide, PAA)등이 있다. 그러나 이들 전해질 역시 메탄올 투과력은 감소시키지만, 그에 상응하는 이온전도도의 감소, 내구성의 저하 및 고온에서의 선택적 이온전도성 등의 문제점을 보이고 있다. Polymer electrolytes that have been reported to reduce methanol crossover include conventional membranes such as hybrid membranes containing NafionTM (Dupont) and inorganic materials such as SiO 2 , TiO 2 , BaTiO 3 , and ZrO (HPO 4 ) 2. Polybenzimidazole (PBI) and polyacrylamide (PAA). However, these electrolytes also reduce methanol permeability, but show a corresponding decrease in ion conductivity, degradation in durability, and selective ion conductivity at high temperatures.

메탄올에 내성이 있다고 보고되고 있는 공기극 촉매들로(Ru1 - xMox)ySeOz(T.J. Schmidt, U.A. Paulus, H.A. Gasteiger, N. Alonso-Vante, R.H. Behm, J. Electrochem. Soc. 147(7), 2000, 2026), MoxRuySz(R.W. Reeve, P.A. Christensen, A. Hamnett, S.A. Hatdock, S.C. Haydock, S.C. Roy, J. Electrochem. Soc. 145, 1998, 3463), MoxRhSz(R.W. Reeve, P.A. Christensen, A.J. Dickinson, A. Hamnett, K. Scott, Electrochimica Acta, 45, 2000, 4237), 및 금속을 포함하고 있는 porphyrin system(S. L. Gojkovic, S. Gupta, R.F. Savinell, J. Electroanal. Chem. 462, 1999, 63) 등이 있다. 이러한 백금을 포함하고 있지 않는 몇몇 금속화합물 들은 선택적인 산소환원반응을 보인다. 그러나 순수한 백금에 비해서 산소환원 반응속도가 매우 느리기 때문에 실질적으로 연료전지 공기극에 응용하기에는 한계를 가진다. 이러한 촉매들은 90 ℃에서 대략 50 mW/cm2의 성능을 보이는 수준이다. Cathode catalysts reported to be resistant to methanol (Ru 1 - x Mo x ) y SeO z (TJ Schmidt, UA Paulus, HA Gasteiger, N. Alonso-Vante, RH Behm, J. Electrochem. Soc. 147) 7), 2000, 2026), Mo x Ru y S z (RW Reeve, PA Christensen, A. Hamnett, SA Hatdock, SC Haydock, SC Roy, J. Electrochem.Soc. 145, 1998, 3463), Mo x RhS z (RW Reeve, PA Christensen, AJ Dickinson, A. Hamnett, K. Scott, Electrochimica Acta, 45, 2000, 4237), and porphyrin systems containing metals (SL Gojkovic, S. Gupta, RF Savinell, J.). Electroanal. Chem. 462, 1999, 63). Some metal compounds that do not contain platinum show selective oxygen reduction. However, since the oxygen reduction reaction rate is very slow compared to pure platinum, it is practically limited in application to fuel cell cathodes. These catalysts are at a level of approximately 50 mW / cm 2 at 90 ° C.

또한, 백금계 촉매에는 Pt/Ni(M. Neergat, A.K Shukla, K.S. Gandhi, J. Appl. Electrochem. 31, 2001, 373), Pt/Fe(Wenzhen Li, Weijiang Zhou, Hyanqiao Li, Zhemhua Zhou, Bing Zhou, Gongquan Sun, Qin Xin, Electrochimica Acta, 2004, 1045), Pt/Co(M. Neergat, A.K. Shulkla, K.S. Gandhi, J Appl. Electrochem. 31, 2001, 373)등이 보고되고 있다. 이들 촉매들은 산소환원반응 속도가 순수한 백금에 비해서 더 빠르다고 알려져 있기 때문에 DMFC 공기극 촉매로 사용할 경우 좋은 성능을 나타낸다고 보고 되어 있다. 그러나, 상기 문헌들에서 보고된 백금계 다성분계 촉매(Pt-Ni, Pt-Fe, Pt-Co)의 경우, 메탄올이 없는 조건에서는 순수한 백금촉매보다 고성능을 보이나, 메탄올이 존재하는 경우에는 메탄올산화반응에 대한 활성을 보여 메탄올 크로스오버 현상에 대한 해결책이 되기 힘든 실정이다. In addition, platinum-based catalysts include Pt / Ni (M. Neergat, AK Shukla, KS Gandhi, J. Appl. Electrochem. 31, 2001, 373), Pt / Fe (Wenzhen Li, Weijiang Zhou, Hyanqiao Li, Zhemhua Zhou, Bing Zhou, Gongquan Sun, Qin Xin, Electrochimica Acta, 2004, 1045), Pt / Co (M. Neergat, AK Shulkla, KS Gandhi, J Appl. Electrochem. 31, 2001, 373). These catalysts have been reported to perform well when used as DMFC cathode catalysts because they are known to be faster than pure platinum. However, the platinum-based multicomponent catalysts (Pt-Ni, Pt-Fe, Pt-Co) reported in the above documents show higher performance than pure platinum catalysts in the absence of methanol, but methanol oxidation in the presence of methanol It is difficult to solve the methanol crossover due to its activity.

특히, 상기의 촉매들은 저농도의 메탄올(0.5 몰 ~ 2 몰)에서는 좋은 성능을 보였으나, 고농도에서는 (2몰이상) 어떠한 성능결과도 보고되어 있지 않다. In particular, the catalysts showed good performance at low concentrations of methanol (0.5 mol to 2 mol), but no performance results were reported at high concentrations (more than 2 mol).

상기 종래기술의 공기극 촉매보다 성능이 뛰어난 공기극 촉매 개발을 위해 다양한 전이금속에 대해 실험한 결과, 본 발명의 백금/팔라듐 공기극 촉매들이 촉매독으로 작용하는 일산화탄소의 합착을 어렵게 하고 높은 산소 환원반응속도는 유지하면서도, 크로스오버되어 공기극으로 흘러들어온 메탄올에 대해서는 매우 낮은 반응성을 갖음을 확인할 수 있었다. As a result of experimenting with various transition metals to develop a cathode catalyst having better performance than the cathode catalyst of the prior art, the platinum / palladium cathode catalysts of the present invention make it difficult to coalesce carbon monoxide acting as a catalyst poison and high oxygen reduction reaction rate While maintaining, it was confirmed that the crossover was very low reactivity to methanol flowing into the cathode.

또한, 저농도의 메탄올에서 뿐만 아니라 고농도의 메탄올에서도 활성이 유지 되어 우수한 성능의 연료전지를 얻을 수 있음을 확인하였다. In addition, the activity was maintained not only in the low concentration of methanol, but also in the high concentration of methanol, and it was confirmed that an excellent performance fuel cell was obtained.

따라서, 본 발명은 일산화탄소에 대해 내성을 가지고 공기극으로 흘러들어온 메탄올에 대해서 낮은 반응성을 가지면서도 산소환원반응은 빠르게 일으킬 수 있는 백금/팔라듐을 기본으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 합성촉매, 그 제조방법, 상기 촉매를 포함하는 연료전지용 전극, 막 전극 접합체, 및 직접 메탄올 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. Accordingly, the present invention is a synthetic catalyst for a direct methanol fuel cell based on platinum / palladium which is resistant to carbon monoxide and has a low reactivity with respect to methanol flowing into the air electrode and can rapidly cause an oxygen reduction reaction. An object of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly, and a direct methanol fuel cell including a catalyst.

본 발명은 직접 메탄올 연료전지(DMFC)의 공기극 촉매에 있어서, 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 포함하는 촉매를 제공한다. The present invention provides a catalyst comprising platinum (Pt) and palladium (Pd) in a cathode catalyst of a direct methanol fuel cell (DMFC).

또한, 본 발명은 상기의 촉매를 포함하는 연료전지용 전극, 막 전극 접합체, 및 직접 메탄올 연료전지를 제공한다. The present invention also provides a fuel cell electrode, a membrane electrode assembly, and a direct methanol fuel cell including the catalyst.

그리고, 본 발명은 a) 백금과 팔라듐의 염의 수용액을 준비하는 제 1단계; b) 상기 수용액에 환원제를 투입하여 백금/팔라듐의 합금 촉매 입자의 침전물을 얻는 제 2단계; 및 c) 상기 침전물을 용액으로부터 분리하고, 이를 동결건조 시키는 제 3단계; 를 포함하여 상기에 기재된 촉매를 제조하는 방법을 제공한다. And, the present invention a) a first step of preparing an aqueous solution of a salt of platinum and palladium; b) a second step of obtaining a precipitate of alloy catalyst particles of platinum / palladium by adding a reducing agent to the aqueous solution; And c) a third step of separating the precipitate from the solution and lyophilizing it; It provides a method for producing the catalyst described above.

이하 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

<백금/팔라듐 촉매><Platinum / Palladium Catalyst>

본 발명의 백금/팔라듐 촉매의 제조시에 사용되는, 백금과 팔라듐의 금속염은 특별히 제한되지 않으나, 상기 금속을 함유하는 염화물, 질화물, 황산염 등을 사용할 수 있다. 상기 금속염의 비제한적인 예로서 H2PtCl6·xH2O, K2PtCl6, PdCl2, PdBr2, Pd(NO3)3·xH2O 등이 있다. Metal salts of platinum and palladium used in the production of the platinum / palladium catalyst of the present invention are not particularly limited, but chlorides, nitrides, sulfates and the like containing the metals can be used. Non-limiting examples of the metal salt include H 2 PtCl 6 · xH 2 O , K 2 PtCl 6, PdCl 2, PdBr 2, Pd (NO 3) 3 · xH 2 O.

상기의 금속염을 원하는 몰 비율이 되도록 적정량을 취하여 각각 증류수에 넣어 상온에서 교반한 후 각각의 금속염 용액을 혼합하여 다시 교반한다. 상기 금속염 혼합 용액의 pH를 7 내지 8, 바람직하게는 pH 8로 조정한 후, 여기에 환원제를 일시에 첨가하여 금속염들을 환원시켜 침전물을 얻는다.An appropriate amount of the metal salt is added to the desired molar ratio, and the mixture is added to distilled water and stirred at room temperature, followed by mixing and mixing the respective metal salt solutions. After adjusting the pH of the mixed metal salt solution to 7 to 8, preferably pH 8, a reducing agent is added thereto to reduce the metal salts to obtain a precipitate.

상기 환원제는 특별히 제한되지는 않으나, 수소화붕소나트늄(NaBH4), 히드라진(N2H4), 포름산나트륨(HCOONa)등을 사용할 수 있다. The reducing agent is not particularly limited, but sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine (N 2 H 4 ), sodium formate (HCOONa), or the like may be used.

얻어진 침전물은 증류수로 세척한 후 동결건조하여 최종적으로 합성촉매를 얻을 수 있다. The obtained precipitate may be washed with distilled water and then lyophilized to finally obtain a synthetic catalyst.

본 발명의 촉매에 있어서, 백금의 함량은 0.5 mol% 내지 99.5 mol%의 범위일 수 있고, 팔라듐의 함량은 0.5 mol% 내지 99.5 mol%의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 백금의 함량은 0.5 mol% 내지 50 mol%의 범위일 수 있고, 팔라듐의 함량은 50 mol% 내지 99.5 mol%의 범위일 수 있다. In the catalyst of the present invention, the content of platinum may range from 0.5 mol% to 99.5 mol%, the content of palladium may range from 0.5 mol% to 99.5 mol%, preferably the content of platinum is 0.5 mol It may range from% to 50 mol%, and the content of palladium may range from 50 mol% to 99.5 mol%.

본 발명의 백금/팔라듐 촉매에서 백금의 함량에 대해서 상기의 범위에만 한정하는 것은 아니지만, 고농도 메탄올을 연료로 이용하는 연료전지의 경우에는 상기와 같이 백금의 양이 한정된 것이 더욱 바람직하며, 원료의 가격이 높은 백금 양을 줄여 연료전지의 제작단가를 낮출 수 있다는 점에서도 더욱 그러하다. 다만, 본 발명의 백금/팔라듐 촉매는 고농도의 메탄올 뿐 만 아니라, 저농도의 메탄올을 연 료로 하는 경우에도 적용가능하며, 이 경우에는 산소환원반응의 활성이 높은 백금의 함량을 상기 범위보다 높여 전극성능을 향상시킬 수도 있다. In the platinum / palladium catalyst of the present invention, the content of platinum is not limited to the above range, but in the case of a fuel cell using a high concentration of methanol as a fuel, it is more preferable that the amount of platinum is limited as described above. This is even more so in that the cost of manufacturing fuel cells can be lowered by reducing the amount of high platinum. However, the platinum / palladium catalyst of the present invention can be applied not only to a high concentration of methanol but also to a low concentration of methanol as a fuel. In this case, the electrode performance is increased by increasing the content of platinum having a high oxygen reduction activity higher than the above range. You can also improve.

한편, 본 발명의 촉매는 백금 및 팔라듐을 포함하는 합금 금속 입자 자체로 이용될 수도 있으며, 촉매의 사용량을 줄이기 위해서 촉매 담체 물질에 의해 지지되는 것일 수도 있다. 담체 물질은 중량에 비해 매우 넓은 비표면적을 가지므로, 촉매의 활성 면적을 넓혀 주고, 촉매 금속을 지지하여 촉매의 유실을 방지해 주는 역할을 할 수 있다. Meanwhile, the catalyst of the present invention may be used as an alloy metal particle itself including platinum and palladium or may be supported by a catalyst carrier material in order to reduce the amount of catalyst used. Since the carrier material has a very large specific surface area relative to the weight, the carrier material may increase the active area of the catalyst and may support the catalyst metal to prevent loss of the catalyst.

상기의 촉매 담체 물질은 당업자에게 알려진 것으로서, 다공성 물질이라면 특별히 제한되지는 않으며, 그 비제한적인 예로는 활성탄, 탄소섬유, 흑연섬유 및 탄소나노튜브로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 다공성  탄소, 폴리비닐카발졸(polyvinylcarbazole)과 그 유도체, 폴리아닐린(polyaniline)과 그 유도체, 및 폴리피롤(polypyrrole)과 그 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전도성 고분자, 및 텅스텐산화물, 티탄산화물, 니켈산화물, 루테늄산화물, 탄탈륨산화물, 코발트산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종이상의 금속산화물 등이 있다. The catalyst carrier material is known to those skilled in the art, and is not particularly limited as long as it is a porous material, and non-limiting examples thereof include at least one porous carbon or polyvinyl selected from the group consisting of activated carbon, carbon fiber, graphite fiber and carbon nanotubes. One or more conductive polymers selected from the group consisting of polyvinylcarbazole and its derivatives, polyaniline and its derivatives, and polypyrrole and its derivatives, and tungsten oxide, titanium oxide, nickel oxide, ruthenium oxide, tantalum At least one metal oxide selected from the group consisting of oxides and cobalt oxides.

이 때, 촉매 담체 물질의 촉매금속에 대한 중량비율은 5 wt% 내지 99 wt % 일 수 있다. In this case, the weight ratio of the catalyst carrier material to the catalyst metal may be 5 wt% to 99 wt%.

본 발명의 촉매는 백금과 팔라듐의 2원계 촉매인 것을 기본으로 하나, 경우에 따라서는 백금, 팔라듐 이외에 철, 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 금, 은, 오스뮴, 및 이리듐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속원소를 더 포함할 수도 있다. The catalyst of the present invention is based on a binary catalyst of platinum and palladium, but in some cases selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, gold, silver, osmium, and iridium in addition to platinum and palladium. It may further comprise at least a metal element.

백금, 팔라듐 이외에 추가로 더 포함되는 상기의 원소(Fe, Co, Ni등)는 백금과 합금을 형성하여 Pt-Fe, Pt-Co, Pt-Ni 촉매로 제조되었을 때, 메탄올이 없는 조건에서 순수한 Pt보다 큰 산소환원반응의 특성을 나타낼 수 있는 원소들이다. 따라서, 메탄올산화반응에 대한 활성이 낮은 팔라듐과 함께 상기의 원소들을 포함하는 촉매는 메탄올산화반응을 최대한 억제하며, 산소환원반응을 보다 선택적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. In addition to platinum and palladium, the above-mentioned elements (Fe, Co, Ni, etc.), which are further included, form an alloy with platinum and are pure in the absence of methanol when produced with Pt-Fe, Pt-Co, and Pt-Ni catalysts. These elements can exhibit the characteristics of oxygen reduction reaction larger than Pt. Therefore, it is expected that the catalyst containing the above elements together with palladium having low activity for methanol oxidation can suppress the methanol oxidation as much as possible and can improve the oxygen reduction reaction more selectively.

한편, 본 발명의 촉매가 연료전지의 공기극 촉매로 사용되는 경우, 크로스오버된 메탄올에 대해 낮은 반응성을 가지므로, 고농도의 메탄올을 연료로 사용하더라도 우수한 출력성능을 보일 수 있다. On the other hand, when the catalyst of the present invention is used as a cathode catalyst of a fuel cell, since it has low reactivity with respect to the crossover methanol, even when using a high concentration of methanol as a fuel it can exhibit excellent output performance.

본 발명의 백금-팔라듐이 메탄올산화반응에 대한 활성이 매우 낮은 것은 백금과 팔라듐의 합금형성에 따른 전자구조의 변화와 관계가 있는 것으로 생각된다. 백금과 팔라듐이 합금을 형성할 경우 백금에서 팔라듐으로 전자의 이동이 이루어지며, 팔라듐은 보다 많은 외곽전자를 갖는, 환원된 상태로 존재하고, 백금은, 외곽의 전자를 잃은, 산화된 상태로 존재한다. 따라서, 산화수가 증가한 백금은 수산화기(-OH, hydroxy)같은 분자와의 흡착을 통해 최외곽의 전자를 채우고자 하는 특성이 강해지며, 백금 표면에 흡착된 수산화기는 백금 표면에 메탄올 또는 산소 분자가 흡착하는 것을 방해하는 역할을 하므로, 메탄올이 산화될 수 있는 백금의 활성부위(active site)가 감소하게 된다. 그리하여 공기극에서의 산화전류 발생은 줄어들게 되고, 결과적으로 공기극에서 산화전류의 감소는 연료전지의 전극성능을 향상시킬 수 있다. The very low activity of the platinum-palladium in the methanol oxidation reaction of the present invention is considered to be related to the change of the electronic structure according to the alloy formation of platinum and palladium. When platinum and palladium form an alloy, electrons move from platinum to palladium, and palladium is in a reduced state, with more outer electrons, and platinum is in an oxidized state, with the outer electrons lost. do. Therefore, platinum with increased oxidation number becomes stronger to fill the outermost electrons through adsorption with molecules such as hydroxyl (-OH, hydroxy), and the hydroxyl adsorbed on the surface of platinum adsorbs methanol or oxygen molecules on the surface of platinum. It acts as a barrier to doing so, reducing the active site of platinum, where methanol can be oxidized. Thus, the generation of the oxidation current at the cathode is reduced, and as a result, the reduction of the oxidation current at the cathode can improve the electrode performance of the fuel cell.

본 발명의 촉매는 메탄올 산화 반응성이 낮은 것을 특징으로 하므로, 연료전지의 공기극에 메탄올이 존재하는 경우에 더 좋은 효과를 낼 수 있으며, 이는 연료인 메탄올의 농도가 고농도일 때에 더욱 심각하게 나타날 수 있는 문제이다. 따라서, 본 발명의 촉매가 사용되는 연료전지의 산화극 연료 농도는 2몰 이상의 고농도인 경우가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2몰 내지 6몰 범위 일 수 있다. (실험예 1의 3) 참조)Since the catalyst of the present invention is characterized by low methanol oxidation reactivity, it may have a better effect when methanol is present in the cathode of the fuel cell, which may be more severe when the concentration of methanol as fuel is high. It is a problem. Therefore, the anode fuel concentration of the fuel cell in which the catalyst of the present invention is used is preferably a high concentration of 2 mol or more, more preferably in the range of 2 mol to 6 mol. (See 3 in Experimental Example 1)

<전극, 막 전극 접합체, 및 연료전지><Electrode, membrane electrode assembly, and fuel cell>

본 발명에 의한 백금과 팔라듐을 포함하는 공기극 촉매를 포함하는 연료전지용 전극은 예를 들면, 기체확산층과 촉매층으로 이루어질 수 있으며, 당업자에게 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 이의 일 실시예를 들면 상기 촉매를 수소 이온 전도도가 높은 고분자 물질 및 촉매분산을 증진시키는 혼합용매를 포함하는 촉매 잉크와 혼합하여 슬러리를 제조한 후 프린팅(printing), 분무(spray), 롤링(rolling) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법으로 탄소 종이에 도포 및 건조하여 제조할 수 있다. The electrode for a fuel cell including the cathode catalyst including platinum and palladium according to the present invention may be formed of, for example, a gas diffusion layer and a catalyst layer, and may be manufactured according to conventional methods known to those skilled in the art. For example, a slurry may be prepared by mixing the catalyst with a catalyst ink including a polymer material having high hydrogen ion conductivity and a mixed solvent for enhancing catalyst dispersion, and then printing, spraying, and rolling. Or by brushing, or the like, and can be produced by coating and drying the carbon paper.

또한, 본 발명은 상기의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체(membrane electrode assembly: MEA)를 제공하며, 이때 제 1 전극 및 제 2 전극 중 하나는 양극이고, 다른 하나는 음극이다.The present invention also provides a membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell comprising the above electrode, wherein one of the first electrode and the second electrode is an anode, and the other is a cathode. .

전극막 접합체(MEA)는 연료와 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극과 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 막의 접합체를 의미하는 것으로서, 촉매 전극과 전해질 막이 접착된 단일의 일체형 유니트(unit)이다.The electrode membrane assembly (MEA) refers to a conjugate of an electrode in which an electrochemical catalytic reaction between fuel and air occurs and a polymer membrane in which hydrogen ions are transferred, and is a single unitary unit to which a catalyst electrode and an electrolyte membrane are bonded.

상기 연료전지용 전극막 접합체는 음극의 촉매층과 양극의 촉매층이 전해질 막에 접촉하도록 하는 형태로서, 당업자에게 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 일례로, 음극과 양극 사이에 전해질 막을 위치시킨 후 약 140℃ 정도의 온도를 유지하면서 유압으로 작동되는 2 장의 열판 사이에 넣은 후 압력을 가해 가열 압착함으로써 제조될 수 있다.The fuel cell electrode membrane assembly is a type in which the catalyst layer of the cathode and the catalyst layer of the anode are in contact with the electrolyte membrane, and may be manufactured according to conventional methods known to those skilled in the art. For example, it may be prepared by placing an electrolyte membrane between the cathode and the anode, and then placing the electrolyte membrane between two hot plates that are hydraulically operated while maintaining a temperature of about 140 ° C., and then applying pressure under pressure.

전해질 막으로는 예를 들면, 수소이온 전도성, 필름을 형성할 수 있을 정도의 기계적 강도 및 높은 전기화학적 안전성을 갖는 물질이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 이의 비제한적인 예로는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체가 있으며, 플루오로비닐에테르 모이어티는 수소이온을 전도하는 기능을 갖는다.As the electrolyte membrane, any material having hydrogen ion conductivity, mechanical strength enough to form a film, and high electrochemical stability can be used without particular limitation, and non-limiting examples thereof include tetrafluoroethylene and fluorine. There is a copolymer of rhovinyl ether, and the fluorovinyl ether moiety has a function of conducting hydrogen ions.

본 발명에서 제공하는 연료전지는 산소환원 반응을 환원극 반응으로 채택하고 있는 고분자 전해질 연료전지와 직접 액체 연료전지가 가능하나, 이를 제한하는 것은 아니다. 특히 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지 또는 직접 디메틸에테르 연료전지가 바람직하다. 또한, 인산염 전해질형 연료전지에도 사용 가능하다. The fuel cell provided in the present invention may be a polymer electrolyte fuel cell and a direct liquid fuel cell employing an oxygen reduction reaction as a cathode reaction, but are not limited thereto. In particular, a direct methanol fuel cell, a direct formic acid fuel cell, a direct ethanol fuel cell or a direct dimethyl ether fuel cell is preferable. It can also be used in phosphate electrolyte fuel cells.

이때, 상기 연료전지를 구성하는 모든 재료는 본 발명에서 제조한 전극용 촉매를 제외하고는, 당 업계에서 알려진 통상적인 연료전지에서 사용되고 있는 모든 재료가 사용 가능하다. 또한, 연료전지의 제조방법은 특별한 제한이 없으며, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 환원극, 산화극 및 상기 촉매 물질을 포함하는 활성층으로 도포된 전해질을 포함하는 막전극 접합체(MEA)와 바이폴라 플레이 트(bipolar plate)로 구성하여 제조될 수 있다. At this time, all the materials constituting the fuel cell can be used any material used in the conventional fuel cell known in the art, except for the electrode catalyst prepared in the present invention. In addition, the manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar including an electrolyte coated with a cathode, an anode, and an active layer including the catalyst material according to conventional methods known in the art. It can be manufactured by constructing a bipolar plate.

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 자세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명이 이로써 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited thereto.

[실시예 1] 백금/팔라듐 2원계 공기극 촉매의 제조 Example 1 Platinum / Palladium Binary System Preparation of Cathode Catalyst

백금의 금속염(H2PtCl6·xH2O)과 팔라듐의 금속염(PdCl2)을 각각 백금 :팔라듐의 몰 비가 0.5 : 0.95가 되도록 해당량을 취하였다. 상기 금속염들을 각각 증류수에 넣어 상온(25 ℃)에서 3시간 동안 교반한 후 각각의 금속염 용액을 혼합하여 다시 3시간 동안 교반하였다. 본 실험에서는 알드리치(ALDRICH)사의 금속염을 사용하였으나, 위와 같은 조성의 시그마(SIGMA)사, 또는 삼화공업사 등의 금속염도 사용이 가능하며 K2PtCl6, PdBr2, Pd(NO3)3·xH2O등의 다른 형태의 금속염도 사용 가능하다. The metal salts of platinum (H 2 PtCl 6 .xH 2 O) and the metal salts of palladium (PdCl 2 ) were each taken so that the molar ratio of platinum: palladium was 0.5: 0.95. Each of the metal salts was put in distilled water and stirred at room temperature (25 ° C.) for 3 hours, and then mixed with each of the metal salt solutions, and stirred for another 3 hours. In this experiment, AlDRICH metal salt was used, but metal salts such as SIGMA or Samwha Co., Ltd. of the above composition can be used, and K 2 PtCl 6 , PdBr 2 , and Pd (NO 3 ) 3 · xH Other forms of metal salts, such as 2 O, can also be used.

상기 금속염 혼합 용액의 pH를 8로 조정한 후, 환원제로 2몰의 수소화붕소나트륨 (NaBH4) 수용액을 과량(대략 화학양론적 필요량의 3배 정도) 상기 금속염 혼합용액에 일시에 첨가하여 금속염들을 환원시켜 침전물을 얻었다. 얻어진 침전물은 증류수로 3회 세척한 후 12 시간 동안 동결건조하여 최종적으로 합성촉매를 얻었으며 이렇게 제조된 촉매를 대상으로 성능측정 실험을 실시하였다. After adjusting the pH of the mixed metal salt solution to 8, an excess of 2 mol of sodium borohydride (NaBH 4 ) aqueous solution with a reducing agent (approximately three times the stoichiometric requirement) was added to the mixed metal salt solution at a time to obtain the metal salts. Reduction gave a precipitate. The obtained precipitate was washed three times with distilled water and then lyophilized for 12 hours to obtain a synthetic catalyst, and performance measurement experiments were performed on the catalyst thus prepared.

[비교예 1] 백금 촉매의 제조 Comparative Example 1 Preparation of Platinum Catalyst

백금만으로 된 단일금속 촉매를 제조하기 위하여, 팔라듐 원료를 사용하지 않고, 백금의 금속염(H2PtCl6·xH2O)만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하여, 백금 합성 촉매를 얻을 수 있었으며, 이렇게 제조된 촉매를 대상으로 물성분석 및 성능측정 실험을 실시하였다.In order to prepare a single metal catalyst composed of platinum, a catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that only a metal salt of platinum (H 2 PtCl 6 .xH 2 O) was used, without using a palladium raw material. Platinum synthesis catalysts were obtained, and physical properties analysis and performance measurement experiments were conducted on the catalysts thus prepared.

[실험예 1] 촉매의 물성분석 및 성능측정 실험 Experimental Example 1 Physical Property Analysis and Performance Measurement Experiment of Catalyst

1) 촉매의 물성 분석1) Analysis of physical properties of catalyst

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 금속촉매에 대하여 X선 회절분석 및 X선분광학조성분석(EDX)을 실시하여 금속촉매의 합성여부와 조성비를 확인하였으며, 도 2와 도 3에서 그 결과를 나타내었다. 분석 결과 합성촉매의 경우 비교적 작은 크기의 결정성 나노 합성촉매가 합성됨을 확인할 수 있었고 합성된 조성비가 의도한 조성비와 잘 일치함을 확인할 수 있었다. X-ray diffraction analysis and X-ray spectroscopy composition analysis (EDX) were performed on the metal catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 1 to confirm the synthesis and composition ratio of the metal catalysts. Indicated. As a result of the analysis, it was confirmed that a relatively small crystalline nano-synthesis catalyst was synthesized in the synthesis catalyst, and the synthesized composition ratio was in good agreement with the intended composition ratio.

2) 촉매 활성 측정 2) catalyst activity measurement

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매 분말과 나피온 용액(Nafion perfluorinated ion-exchange resin, 5 wt. % solution in a mixture of lower aliphatic alcohols and water, Aldrich. Co.)을 이용하여 촉매 슬러리를 제조하였으며, 제조된 슬러리를 회전원판전극에 도포하여 촉매 활성 측정을 위한 전극을 제작하였다. Catalyst slurry using the catalyst powder prepared in Example 1 and Comparative Example 1 (Nafion perfluorinated ion-exchange resin, 5 wt.% Solution in a mixture of lower aliphatic alcohols and water, Aldrich. Co.) Was prepared, and the prepared slurry was applied to a rotating disc electrode to prepare an electrode for measuring catalytic activity.

산소환원반응에 대한 활성을 비교하기 위하여, 상온에서 백금선(Pt wire)을 상대전극(counter electrode)으로, Ag/AgCl을 기준전극(reference electrode)으로, 유리탄소(glassy carbon)를 회전원판전극(rotating disk electrode)으로 하는 3계 전극 셀(three electrode cell)을 이용하여 산소로 포화된 0.05 몰 황산용액과 0.5 몰 메탄올/산소로 포화된 0.05 몰 황산용액에서 환원전류밀도(reduction current density)를 측정함으로써 촉매의 활성을 측정하였다. To compare the activities for the oxygen reduction reaction, at room temperature, Pt wire as counter electrode, Ag / AgCl as reference electrode, and glassy carbon as rotating disc electrode ( Reduction current density was measured in 0.05 mole sulfuric acid solution saturated with oxygen and 0.05 mole sulfuric acid solution saturated with 0.5 mole methanol / oxygen using a three electrode cell serving as a rotating disk electrode. The activity of the catalyst was then measured.

도 4와 도 5는 산소로 포화된 0.05 몰 황산용액(도 4)과 0.5 몰 메탄올/산소로 포화된 0.05 몰 황산용액(도 5)에서 일정 범위의 전압을 순차적으로 가하며 전류의 변화값을 측정하고, 상대적 비교를 위해 측정된 전류를 촉매의 수소이온의 탈착을 통해 구한 면적으로 나누어 비교한 그래프이다. 동일한 금속을 사용하더라도 합성된 조성비에 따라 산소환원반응이 다름을 확인할 수 있었고 도 4와 도 5에 나타난 바와 같이 본 발명의 2원계 촉매는 순수한 백금일 때보다 산소 환원반응은 동일한 전압 하에서 발생하는 환원전류밀도가 더 작은 값을 나타내었지만, 메탄올 존재 하에서는 기존 촉매보다 향상된 촉매활성을 보였다. 4 and 5 are measured sequentially by applying a range of voltage in a 0.05 mol sulfuric acid solution saturated with oxygen (FIG. 4) and a 0.05 mol sulfuric acid solution saturated with 0.5 mol methanol / oxygen (FIG. 5). And, it is a graph comparing the current measured for the relative comparison divided by the area obtained through the desorption of hydrogen ions of the catalyst. Even if the same metal was used, the oxygen reduction reaction was different according to the synthesized composition ratio, and as shown in FIGS. 4 and 5, the reduction reaction of the oxygen reduction reaction occurring under the same voltage was higher than that of pure platinum in the binary catalyst of the present invention. Although the current density showed a smaller value, it showed improved catalytic activity in the presence of methanol than the conventional catalyst.

3) 단위전지 성능실험3) Unit battery performance test

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매를 공기극 촉매로 사용한 단위전지를 제작하여 성능을 측정하였다. The performance was measured by preparing a unit cell using the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 1 as the cathode catalyst.

각각의 공기극 촉매의 양은 금속기준으로 2.8 mg/cm2이었으며, 산화극 촉매는 모두 5 mg/cm2 의 PtRu black(Johnson Matthey사, 영국)을 Nafion 117(Dupont사, 미국)과 접합하여 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 형성시킨 것을 사용하였다. 시험한 단위전지는 2 cm2크기 이었으며 흑연 채널(graphite channel)을 통해 메탄올 용액과 산소를 0.2 ~ 2 cc/min 및 300 cc/min의 유속으로 공급하였다.The amount of each cathode catalyst was 2.8 mg / cm 2 based on the metal, and the anode catalysts were all 5 mg / cm 2 of PtRu black (Johnson Matthey, UK) and Nafion 117 (Dupont, USA). What formed the conjugate (Membrane Electrode Assembly, MEA) was used. The unit cell tested was 2 cm 2 in size and supplied with methanol solution and oxygen at a flow rate of 0.2 to 2 cc / min and 300 cc / min through a graphite channel.

도 6에서, 2 몰의 메탄올 용액 및 산소 공급 조건에서 본 발명의 백금/팔라 듐 이원계 촉매와 순수한 백금촉매의 단위전지 성능 테스트 결과를 비교한 그래프를 나타내었다. 시험결과 0.3 V에서 순수한 백금촉매를 사용한 경우 169 mA/cm2의 전류밀도를 나타내었으나, 본 실시 예 1에서 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매를 사용한 경우에는 200 mA/cm2로 약 18 %의 성능 향상을 보였다. In FIG. 6, a graph comparing unit cell performance test results of the platinum / palladium binary catalyst and the pure platinum catalyst of the present invention in a 2-mole methanol solution and an oxygen supply condition is shown. As a result, when the pure platinum catalyst was used at 0.3 V, the current density was 169 mA / cm 2 , but when the platinum / palladium binary catalyst prepared in Example 1 was used, 200 mA / cm 2 was about 18%. Performance improvement was seen.

도 7은 도 6과 동일한 실험 조건에서 4 몰 메탄올 용액을 사용했을 때의 단위전지 성능 테스트를 비교한 그래프이다. 시험결과 0.3 V에서 순수한 백금촉매를 사용한 경우 172 mA/cm2의 전류 밀도를 나타내었으나, 본 실시 예 1에서 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매를 사용한 경우에는 249 mA/cm2로 약 45 %의 성능향상을 보였다. FIG. 7 is a graph comparing unit cell performance tests when 4 mole methanol solution is used under the same experimental conditions as FIG. 6. The test result showed a current density of 172 mA / cm 2 when the pure platinum catalyst was used at 0.3 V. However, when the platinum / palladium binary catalyst prepared in Example 1 was used, about 45% of 249 mA / cm 2 was used. The performance was improved.

도 8은 동일한 시험 조건에서 6 몰 메탄올 용액을 사용했을 때의 단위전지 성능 테스트를 비교한 그래프이다. 시험결과 0.3 V에서 순수한 백금촉매를 사용한 경우 85 mA/cm2의 전류 밀도를 나타내었으나, 본 실시 예 1에서 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매를 사용한 경우에는 206 mA/cm2로 약 140 %의 성능향상을 보였다. 8 is a graph comparing unit cell performance tests when 6 mole methanol solution was used under the same test conditions. The test result showed a current density of 85 mA / cm 2 when using pure platinum catalyst at 0.3 V, but about 140% of 206 mA / cm 2 when using the platinum / palladium binary catalyst prepared in Example 1 The performance was improved.

도 9는 공기극 연료로 순수한 산소가 아닌 공기를 500 cc/min의 유속으로 주입하며, 2 몰 및 4 몰 메탄올 용액을 사용했을 때의 장기적인 단위전지 성능을 운전시간에 따라 비교한 그래프로서, 0 ~ 100시간까지는 2몰 농도의 메탄올, 100시간 ~ 200시간까지는 4몰 농도의 메탄올에 대한 결과이다.FIG. 9 is a graph comparing long-term unit cell performance according to operation time when air, not pure oxygen, is injected at a flow rate of 500 cc / min as a cathode fuel, and 2 mol and 4 mol methanol solutions are used. Results are for 2 moles of methanol up to 100 hours and 4 moles of methanol for 100 to 200 hours.

이 때 운전온도는 30 ℃, 양쪽 전극에 걸어준 부하는 30 mA/cm2이다. 메탄올 크로스오버 효과가 더 크게 나타나는 공기를 공기극 연료로 사용한 경우에도 본 실시예 1에서 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매가 더 큰 성능을 나타내었다. 시험결과 2 몰에서 100 시간 운전 후 순수한 백금촉매를 사용한 경우 365 mV를 나타내었으나 백금/팔라듐 2원계 촉매는 416 mV로 약 14 %의 성능 향상을 보였다. 동일한 조건 4 몰에서 100 시간 운전 후 순수한 백금촉매를 사용한 경우 334 mV를 나타내었으나 백금/팔라듐 2원계 촉매는 405 mV로 약 21 %의 성능향상을 보였다. At this time, the operating temperature is 30 ° C, and the load applied to both electrodes is 30 mA / cm 2 . Even when air having a greater methanol crossover effect was used as the cathode fuel, the platinum / palladium binary catalyst prepared in Example 1 exhibited greater performance. As a result, the pure platinum catalyst showed 365 mV after 100 hours of operation at 2 moles, but the performance of the platinum / palladium binary catalyst was 416 mV, which was about 14%. The pure platinum catalyst showed 334 mV after 100 hours of operation at 4 moles of the same condition, but the performance of the platinum / palladium binary catalyst was 405 mV at 21%.

4) 흡착된 일산화탄소(CO)의 산화실험4) Oxidation test of adsorbed carbon monoxide (CO)

상기 실시예 1및 비교예1에 의해 제조된 백금/팔라듐 2원계 촉매와 백금촉매에, 0.05몰 황산수용액 상에서 일정전위법(chroropotentiometry)을 이용하여 각각 시간을 달리하여 일산화탄소를 흡착시킨 후, 그 산화반응 특성을 분석하였고, 그 결과는 도 10에 나타내었다. Carbon monoxide was adsorbed on the platinum / palladium binary catalyst prepared by Example 1 and Comparative Example 1 and the platinum catalyst by varying the time using a constant potential method (chroropotentiometry) in 0.05 mol sulfuric acid solution, and then the oxidation thereof. The reaction characteristics were analyzed and the results are shown in FIG. 10.

도 10으로부터, CO의 흡착시간에 따른 덮힘율(coverage)을 계산하였을 때, 순수한 백금 촉매보다 본 발명의 백금-팔라듐 촉매가 CO의 덮힘율이 낮은 것을 확인할 수 있었고, 이는 CO에 의한 피독현상(CO poisoning)이 Pt-Pd 2원계촉매에서 줄어드는 것으로 판단 할 수 있다. 10, when the coverage (coverage) according to the adsorption time of the CO, it was confirmed that the platinum-palladium catalyst of the present invention is lower than the pure platinum catalyst, the coverage of CO, which is a poisoning phenomenon by CO ( CO poisoning) can be judged to decrease in Pt-Pd binary catalyst.

본 발명에 의한 백금/팔라듐 합성 촉매는 직접 메탄올 연료전지의 공기극 촉매로서, 크로스오버 되어 공기극으로 흘러 들어온 메탄올에 대해 낮은 반응성을 가 지면서도, 높은 산소환원 반응성을 유지한다는 장점이 있다. 또한 일산화탄소에 대해서도 근본적으로 흡착특성이 낮은 장점을 가지고 있다. The platinum / palladium synthesis catalyst according to the present invention is an anode catalyst of a direct methanol fuel cell, and has an advantage of maintaining high oxygen reduction reactivity while having low reactivity to methanol flowing into the cathode by crossover. In addition, carbon monoxide has the advantage of low adsorption properties fundamentally.

이러한 장점들은 저농도의 연료를 사용하는 직접 메탄올 연료전지에서의 응용뿐만 아니라 특히 고농도의 농축연료를 사용 가능하게 한다. 고농도의 연료를 사용하는 경우, 제한된 연료탱크 부피 하에서 연료전지 운전시간을 늘릴 수 있다는 장점이 있다. These advantages make it possible to use concentrated fuels in particular, as well as applications in direct methanol fuel cells using low concentrations of fuel. When using a high concentration of fuel, there is an advantage that can increase the fuel cell operating time under a limited fuel tank volume.

또한, 백금/팔라듐 합성촉매의 특성상 팔라듐의 조성이 많아지면 고농도의 연료에서 산소환원반응의 촉매적 활성을 유지하는 특성을 가지고 있다. 이러한 장점은 촉매를 제조하는 데 드는 비용을 상당히 감소시키는 효과가 있다. In addition, due to the characteristics of the platinum / palladium synthesis catalyst, the composition of palladium is increased to maintain the catalytic activity of the oxygen reduction reaction in a high concentration of fuel. This advantage has the effect of significantly reducing the cost of preparing the catalyst.

따라서 기존의 직접 메탄올 연료전지용으로 상용화된 백금촉매와 실질적인 메탄올 연료전지 공기극과 비슷한 환경 하에서 산소환원반응에 대한 활성을 비교했을 때 백금/팔라듐으로 이루어진 2원계 촉매의 경우 직접 메탄올 연료전지에서 고출력을 얻을 수 있고, 촉매의 상용화 또한 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. Therefore, when comparing the platinum catalyst commercialized for the direct methanol fuel cell and the activity of oxygen reduction reaction under the environment similar to the actual methanol fuel cell cathode, the binary catalyst composed of platinum / palladium can obtain high output from the direct methanol fuel cell. It is expected that the catalyst can be accelerated.

Claims (17)

직접 메탄올 연료전지의 공기극 촉매에 있어서, 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)을 포함하는 촉매.A cathode catalyst of a direct methanol fuel cell, the catalyst comprising platinum (Pt) and palladium (Pd). 제 1항에 있어서, 2몰 이상 농도의 산화극 연료를 사용하는 연료전지에 사용하는 것이 특징인 촉매.The catalyst according to claim 1, which is used in a fuel cell using an anode fuel having a concentration of 2 mol or more. 제 1항에 있어서, 2몰 내지 6몰 범위 농도의 산화극 연료를 사용하는 연료전지에 사용하는 것이 특징인 촉매. The catalyst according to claim 1, which is used in a fuel cell using an anode fuel in a concentration range of 2 mol to 6 mol. 제 1항에 있어서, 백금의 함량이 0.5 mol% 내지 99.5 mol%의 범위이고, 팔라듐의 함량이 0.5 mol% 내지 99.5 mol%의 범위 인 것이 특징인 촉매. The catalyst of claim 1 wherein the platinum content is in the range of 0.5 mol% to 99.5 mol% and the palladium content is in the range of 0.5 mol% to 99.5 mol%. 제 1항에 있어서, 백금의 함량이 0.5 mol% 내지 50 mol%의 범위이고, 팔라듐의 함량이 50 mol% 내지 99.5 mol%의 범위 인 것이 특징인 촉매. The catalyst of claim 1 wherein the platinum content is in the range of 0.5 mol% to 50 mol% and the palladium content is in the range of 50 mol% to 99.5 mol%. 제 1항에 있어서, 백금과 팔라듐이 촉매 담체 물질에 의해 지지되는 것이 특징인 촉매. The catalyst of claim 1 wherein platinum and palladium are supported by a catalyst carrier material. 제 6항에 있어서, 촉매 담체 물질은 활성탄, 탄소섬유, 흑연섬유 및 탄소나노튜브로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 다공성  탄소인 것이 특징인 촉매. The catalyst of claim 6, wherein the catalyst carrier material is at least one porous carbon selected from the group consisting of activated carbon, carbon fiber, graphite fiber and carbon nanotubes. 제 6항에 있어서, 촉매 담체 물질은 폴리비닐카발졸(polyvinylcarbazole)과 그 유도체, 폴리아닐린(polyaniline)과 그 유도체, 및 폴리피롤(polypyrrole)과 그 유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전도성 고분자인 것이 특징인 촉매. The method of claim 6, wherein the catalyst carrier material is at least one conductive polymer selected from the group consisting of polyvinylcarbazole and its derivatives, polyaniline and its derivatives, and polypyrrole and its derivatives. Phosphorus catalyst. 제 6항에 있어서, 촉매 담체 물질은 텅스텐산화물, 티탄산화물, 니켈산화물, 루테늄산화물, 탄탈륨산화물, 코발트산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종이상의 금속산화물인 것이 특징인 촉매. The catalyst according to claim 6, wherein the catalyst carrier material is at least one metal oxide selected from the group consisting of tungsten oxide, titanium oxide, nickel oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, and cobalt oxide. 제 6항에 있어서, 촉매 담체 물질의 중량비는 백금/팔라듐 촉매금속에 대해 5 wt% 내지 99 wt % 인 것이 특징인 촉매. The catalyst of claim 6 wherein the weight ratio of catalyst carrier material is from 5 wt% to 99 wt% relative to the platinum / palladium catalyst metal. 제 1항에 있어서, 상기 백금, 팔라듐 이외에 철, 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 금, 은, 오스뮴, 및 이리듐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속원소를 더 포함하는 것이 특징인 촉매. The catalyst of claim 1, further comprising at least one metal element selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, gold, silver, osmium, and iridium in addition to the platinum and palladium. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 기재된 촉매를 포함하는 연료전지용 전극. A fuel cell electrode comprising the catalyst according to any one of claims 1 to 11. 제 12항에 기재된 연료전지용 전극을 포함하는 막 전극 접합체.A membrane electrode assembly comprising the fuel cell electrode according to claim 12. 제 13항에 기재된 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지. A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 13. 제 14항에 있어서, 산화극(애노드)연료는 메탄올, 에탄올, 및 개미산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며, 그 농도는 2몰 이상인 것이 특징인 연료전지. 15. The fuel cell according to claim 14, wherein the anode (anode) fuel is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, and formic acid, and its concentration is at least 2 moles. 제 14항에 있어서, 산화극 연료는 메탄올, 에탄올, 및 개미산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며, 그 농도는 2몰 내지 6몰의 범위인 것이 특징인 연료전지. 15. The fuel cell according to claim 14, wherein the anode fuel is at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, and formic acid, and its concentration is in the range of 2 mol to 6 mol. a) 백금과 팔라듐의 염의 수용액을 준비하는 제 1단계; b) 상기 수용액에 환원제를 투입하여 백금/팔라듐의 합금 촉매 입자의 침전물을 얻는 제 2단계; 및 c) 상기 침전물을 용액으로부터 분리하고, 이를 동결건조 시키는 제 3단계; 를 포함하여 제 1항에 기재된 촉매를 제조하는 방법.a) a first step of preparing an aqueous solution of a salt of platinum and palladium; b) a second step of obtaining a precipitate of alloy catalyst particles of platinum / palladium by adding a reducing agent to the aqueous solution; And c) a third step of separating the precipitate from the solution and lyophilizing it; Method for producing a catalyst according to claim 1, including.
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