KR20090033288A - Catalyst for low temperature fuel cell using carbon nanofiber as a support, electrode for low temperature fuel cell using the catalyst, and low temperature fuel cell using the catalyst - Google Patents

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Abstract

A catalyst for a low temperature fuel cell is provided to maximize the efficiency while increasing the surface area of the dipped platinum catalyst, and to reduce noble metals. A catalyst for a low temperature fuel cell comprises a support and a catalyst. The support is fiber-like nano carbon of highly effective surface area, having the specific surface area measured with a nitrogen BET method of 100 m^2/g or more. The fiber-like nano carbon of highly effective surface area comprises the steps of: (i) manufacturing a transition metal alloy catalyst containing (a) iron single catalyst through oxidation reaction and reduction reaction and (b) at least one metal elected from the group consisting of nickel, cobalt, copper, and molybdenum; (ii) adding hydrogen gas to the catalyst, and performing reduction reaction to produce minute metals on the surface of the catalyst; and (iii) adding C1-4 saturated and unsaturated gas or the mixed gas consisting of carbon monoxide and hydrogen gas and heat-treating them.

Description

섬유상 나노탄소를 담체로 이용한 저온연료전지용 촉매, 상기 촉매를 이용한 저온연료전지용 전극, 및 상기 촉매를 이용한 저온연료전지{Catalyst for low temperature fuel cell using carbon nanofiber as a support, Electrode for low temperature fuel cell using the catalyst, and Low temperature fuel cell using the catalyst}Catalyst for low temperature fuel cell using a fibrous nanocarbon as a carrier, electrode for low temperature fuel cell using the catalyst, and low temperature fuel cell using the catalyst {Catalyst for low temperature fuel cell using carbon nanofiber as a support, Electrode for low temperature fuel cell using the catalyst, and Low temperature fuel cell using the catalyst}

본 발명은 탄소 나노로드를 기본 단위 구조로 가지는 섬유상 나노탄소를 백금 귀금속 촉매의 담체로 사용한 저온연료전지용 촉매, 상기 촉매를 이용한 저온연료전지용 전극, 및 상기 촉매를 이용한 저온연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for a low temperature fuel cell using fibrous nanocarbon having a carbon nanorod as a basic unit structure as a carrier of a platinum noble metal catalyst, an electrode for a low temperature fuel cell using the catalyst, and a low temperature fuel cell using the catalyst.

연료전지는 연료의 화학 에너지를 전기 화학적 반응을 거쳐, 직접 전기로 변환시키는 시스템으로서, 다른 에너지 변환 시스템보다 높은 효율을 발현시킨다. A fuel cell converts chemical energy of a fuel directly into electricity through an electrochemical reaction, and exhibits higher efficiency than other energy conversion systems.

이러한 연료전지는 화학반응에 의해서 전자가 한쪽 전극에서 방출되어 외부의 회로를 통과하여 다른 쪽 전극으로 이동하는 볼타 전지와 같은 1차 전지와 유사한 점을 지니고 있다. Such a fuel cell has a similarity to a primary cell such as a voltaic cell in which electrons are released from one electrode by a chemical reaction and move through an external circuit to the other electrode.

그러나, 일반전지와 연료전지 사이에는 중요한 차이가 있는데, 일반 전지에서는 전극 내에 반응물질이 포함되어 있어 반응이 진행되면서 반응물질이 화학적으로 변환되어 점차 소멸되는 반면, 연료전지는 한쪽 전극에는 액체 또는 기체 형태로 연료가 계속 공급되고, 다른 쪽 전극에는 산소 또는 공기가 외부로부터 계속 공급되기 때문에 일반 축전지보다 훨씬 긴 시간 동안 전기 에너지를 생산할 수 있는 장점을 가진다. However, there is an important difference between the general cell and the fuel cell. In the general cell, the reactant is contained in the electrode, and as the reaction proceeds, the reactant is chemically converted and gradually extinguished, whereas the fuel cell has a liquid or gas at one electrode. The fuel is continuously supplied in the form, and the other electrode is continuously supplied with oxygen or air from the outside, and thus has an advantage of generating electric energy for a much longer time than a general battery.

이 중에서도 저온형 연료전지(이하 “저온연료전지”라고 한다)인 고분자 전해질막 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 이하 'PEMFC'라 한다)와 직접 메탄올 연료 전지 (Direct Methanol Fuel Cell, 이하 'DMFC' 라 한다)는 휴대용, 가정용 정치형, 자동차용 전원을 목적으로 주로 개발되고 있다. Among them, a polymer electrolyte membrane fuel cell (hereinafter referred to as "PEMFC"), which is a low-temperature fuel cell (hereinafter referred to as "low temperature fuel cell"), and a direct methanol fuel cell (DMFC) Is mainly developed for the purpose of portable, home stationary and automotive power.

특히, 이들은 다른 전지와 달리 상온 내지 100℃ 이하의 온도에서 작동되며, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있다. 또한, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등의 하이드로카본을 개질시켜 만들어진 수소를 연료로 사용하므로 상기 용도로의 응용 범위가 광범위한 장점을 가지고 있다.In particular, they operate at temperatures ranging from room temperature to 100 ° C., unlike other batteries, and have fast startup and response characteristics. In addition, since hydrogen is produced by reforming hydrocarbons such as methanol, ethanol or natural gas as a fuel, the application range for the above use has a wide range of advantages.

한편, PEMFC와 DMFC는 기본적으로 연료전지 본체인 스택(stack), 연료 탱크 및 연료 펌프 등이 필요하다. On the other hand, PEMFC and DMFC basically need a fuel cell stack (stack), fuel tank and fuel pump.

PEMFC는 DMFC와 비교하여 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키는 개질기가 특별히 필요하며, 개질기의 촉매로서 활성이 가장 높은 백금을 사용하여 높은 온도에서 수소를 발생시키고, 이를 고순도로 정제하여 사용하므로, 가격상승의 크나큰 요인으로 작용한다. 또한, 개질기를 대체하기 위해 고압 수소 탱크를 장착해야 하므로 고압수소탱크의 안정성이나 재료에서도 치명적인 문제점을 안고 있다. 그러나, PEMFC는 수소를 직접 이용하므로 DMFC보다출력 특성이 월등히 높은 특성이 있으므로 이에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. PEMFC needs a reformer that generates hydrogen gas by reforming fuel in the process of supplying fuel to the stack as compared to DMFC, and generates hydrogen at high temperature using platinum, which is the most active catalyst, as a catalyst of the reformer. As it is purified and used in high purity, it acts as a big factor of price increase. In addition, the high pressure hydrogen tank to replace the reformer has a fatal problem in the stability and materials of the high pressure hydrogen tank. However, since PEMFC uses hydrogen directly, the output characteristics of the PEMFC are much higher than those of DMFC.

한편, 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급하는 DMFC는 PEMFC와 달리 개질기가 필요 없으므로 개질기나 수소탱크의 안전성 문제가 없으며, 상대적으로 싼 가격으로 제조가 가능하지만, 출력 특성이 떨어지는 단점이 있다. On the other hand, DMFC supplying the liquid methanol fuel directly to the stack does not require a reformer, unlike PEMFC, so there is no safety problem of the reformer or the hydrogen tank, and it can be manufactured at a relatively low price, but has a disadvantage in that the output characteristics are poor.

DMFC와 PEMFC는 공통적으로 수소이온 전도성 전해질막을 사이에 두고 메탄올이나 수소를 원료로 사용하여 원료에서 수소 이온을 생성시키는 부극(또는 연료극)과, 전해질막을 통과하여 전달되어 온 수소이온과 공기 또는 산소에서 얻어지는 산소이온을 반응시켜 물을 생성시키는 정극(또는 공기극)으로 이루어지는 바, 이를 요약하면 연료극, 전해질막, 공기극을 압착 제조하여 막전극 접합체 (Membrane Electrode Assembly, 이하 “MEA” 라 한다)라고 한다. DMFC and PEMFC commonly have a negative electrode (or fuel electrode) that generates hydrogen ions from a raw material using methanol or hydrogen as a raw material with a hydrogen ion conductive electrolyte membrane interposed therebetween, and hydrogen ions and air or oxygen transferred through the electrolyte membrane. It consists of a positive electrode (or air electrode) that reacts the obtained oxygen ions to generate water. In summary, the fuel electrode, the electrolyte membrane, and the air electrode are compressed and manufactured to be called a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as "MEA").

그러나, 대부분의 연료전지 제조에 사용되는 촉매는 상기 기술한 바와 같이 백금 단일금속 또는 백금-루테늄 합금을 사용하므로 가격이 대단히 비싼 문제점을 가지고 있다. 그러므로, 현재까지의 대부분의 연구는 한정된 촉매량으로 촉매의 활성을 극대화시키는 목적으로 진행되거나, 백금사용량을 무시하고 최대한의 활성을 도출하는 연구가 수행되어 왔다. However, since the catalyst used in the manufacture of most fuel cells uses a platinum single metal or a platinum-ruthenium alloy as described above, the catalyst has a very expensive problem. Therefore, most of the studies up to now have been conducted for the purpose of maximizing the activity of the catalyst with a limited amount of catalyst, or studies that derive the maximum activity ignoring platinum consumption.

그러나, 연료전지의 상용화에 필수 불가결한 것이 상기 백금 촉매가격의 저감이며, 또한 촉매의 가격은 사용되는 백금의 양과 직결된다. 현재 널리 사용되어지고 있는 상용촉매는 Johnson Matthey 사 및 E-TEK사에서 제조 판매하는 촉매가 대부분이다. However, it is indispensable for the commercialization of fuel cells to reduce the platinum catalyst price, and the price of the catalyst is directly related to the amount of platinum used. Currently used commercial catalysts are mostly catalysts manufactured and sold by Johnson Matthey and E-TEK.

특히, DMFC의 연료극 촉매로는 백금과 루테니움이 총 촉매 중 60wt%이고, 탄소담체가 40wt%인 Pt-Ru 촉매가 표준적으로 사용되고 있으며, PEMFC의 연료극 촉매로는 백금이 총 촉매 중 20wt%이며, 탄소담체가 80wt% 인 Pt 촉매가 사용되고 있으며, 각각의 공기극 촉매로는 모두 탄소 담체를 사용하지 않는 순수한 백금 미립자만을 분산시킨 Pt black을 사용하고 있다. In particular, Pt-Ru catalyst with platinum and ruthenium and 60 wt% of the total catalyst and 40 wt% carbon carrier is used as the anode catalyst of DMFC, and platinum is 20wt of the total catalyst as the anode catalyst of PEMFC. Pt catalyst having a carbon carrier of 80% by weight is used, and each cathode catalyst uses Pt black having only pure platinum particles dispersed without a carbon carrier.

본 발명은 상기와 같은 값비싼 백금을 촉매로 사용함에 따른 제조단가 상승 등의 종래 저온연료전지의 문제점을 해결하여 촉매 제조 가격을 낮출 수 있고, 촉매의 수명을 연장시키기 위한 것이다. The present invention is to solve the problems of the conventional low-temperature fuel cell, such as the production cost increase by using such expensive platinum as a catalyst to lower the catalyst manufacturing price, and to extend the life of the catalyst.

따라서, 본 발명은 귀금속 백금 촉매가 담지될 수 있는 담체의 유효표면적을 극대화시켜 귀금속 백금 촉매의 활성을 증대시킬 수 있고, 이로 인하여 상기 귀금속 촉매 사용량의 저감이 가능한 탄소나노로드로 구성된 섬유상 나노탄소 담체를 제공하여 촉매 제조 가격을 줄일 수 있으며, 촉매의 장기적 안정성 확보를 통하여 수명이 긴 저온형 연료전지용 촉매, 상기 촉매를 이용한 전극, 및 저온연료전지를 제공하는 데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention can maximize the effective surface area of the carrier on which the precious metal platinum catalyst can be supported to increase the activity of the precious metal platinum catalyst, and thus, the fibrous nanocarbon carrier composed of carbon nanorods capable of reducing the amount of the precious metal catalyst used. It is possible to reduce the production cost of the catalyst, and to provide a long-life low-temperature fuel cell catalyst, an electrode using the catalyst, and a low-temperature fuel cell through long-term stability of the catalyst.

또한, 본 발명에서는 상기 탄소나노로드로 구성되는 섬유상 나노탄소를 촉매 담체로 사용한 촉매를 연료극으로 사용함으로써 기존 상용 촉매 대비 높은 활성을 가지는 저온연료전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a low-temperature fuel cell having a higher activity than conventional commercial catalysts by using a catalyst using a fibrous nanocarbon consisting of the carbon nanorods as a catalyst carrier as a fuel electrode.

본 발명의 탄소 나노로드를 기본 단위구조로 가지는 섬유상 나노탄소를 촉매 담체로 사용하여 제조된 연료전지용 촉매는 담체 표면에 실제로 백금을 담지할 수 있는 유효 담지 표면적을 극대화시키며, 담지된 백금촉매의 표면적과 함께 이용효 율을 극대화시킴으로서, 상기와 같이 제조된 촉매를 사용하면 상용촉매의 귀금속 사용량을 3mg/㎠에서 2mg/㎠으로 저하시킴에도 불구하고 단전지에서 1.5배 내지 2배에 가까운 고활성의 연료전지 제조가 가능하다. 또한, 귀금속 사용량을 줄임으로서 촉매 가격저하에 크게 기여하며, 궁극적으로는 연료전지 스택의 가격저감에도 크게 기여할 수 있다. The fuel cell catalyst prepared using the fibrous nanocarbon having the carbon nanorods as the basic unit structure of the present invention as a catalyst carrier maximizes the effective supported surface area capable of actually supporting platinum on the surface of the carrier, and the surface area of the supported platinum catalyst. In addition, by maximizing the utilization efficiency, using the catalyst prepared as described above, even though the use of the precious metal of the commercial catalyst is lowered from 3mg / ㎠ to 2mg / ㎠ high-performance fuel of 1.5 to 2 times in a single cell Battery manufacturing is possible. In addition, the reduction of the use of precious metals can greatly contribute to lowering the catalyst price, and ultimately can also significantly reduce the price of the fuel cell stack.

상기와 같은 본 발명의 목적은 담체; 및 촉매로 이루어진 저온연료전지용 촉매에 있어서, 상기 담체는 직경 2 내지 8nm, 길이 4 내지 30nm인 나노로드를 기본 단위구조로 가지는 질소 BET법으로 측정한 비표면적이 100m2/g 이상인 고유효 표면적의 섬유상 나노탄소이고, 상기 고유효 표면적의 섬유상 나노탄소 담체에 담지된 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매에 의하여 달성된다.The object of the present invention as described above is a carrier; And a catalyst for a low temperature fuel cell comprising a catalyst, wherein the carrier has a specific surface area of 100 m 2 / g or more, measured by nitrogen BET method having a nanorod having a diameter of 2 to 8 nm and a length of 4 to 30 nm as a basic unit structure. It is achieved by a catalyst for low temperature fuel cells, characterized in that it comprises fibrous nanocarbon and a catalyst supported on the fibrous nanocarbon carrier having the high effective surface area.

또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 저온연료전지용 전극은 고유효표면적 섬유상 나노탄소 담체에 담지된 금속촉매를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.In addition, an electrode for a low temperature fuel cell to achieve another object of the present invention is characterized in that it comprises a metal catalyst supported on a high effective surface area fibrous nano-carbon carrier.

또한, 본 발명의 추가의 다른 목적을 달성하기 위한 저온연료전지는 고유효표면적 섬유상 나노탄소 담체에 담지된 금속촉매를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.In addition, the low-temperature fuel cell for achieving another object of the present invention is characterized in that it comprises a metal catalyst supported on a high effective surface area fibrous nano-carbon carrier.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

이하 본 발명에 따른 저온연료전지용 촉매 제조를 위한 상기 고유효 표면적 섬유상 나노탄소 담체의 제조방법을 설명한다. Hereinafter, a method for preparing the high effective surface area fibrous nanocarbon carrier for preparing a catalyst for a low temperature fuel cell according to the present invention will be described.

먼저 산화반응 및 환원반응을 거쳐 철 단일 금속 촉매; 또는 니켈, 코발트, 구리 및 몰리브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 전이금속을 포함하는 합금 촉매를 제조하는 단계; 상기 촉매에 수소 가스를 가하여 환원 반응시켜 상기 촉매의 표면에 금속미립자를 생성시키는 단계; 및 금속미립자가 생성된 상기 촉매에 탄소수 1 내지 4의 포화 및 불포화 가스와 수소 가스를 혼합한 혼합 가스를 가하여 열처리시키는 단계를 거친다. First an iron and a metal catalyst through an oxidation reaction and a reduction reaction; Or preparing an alloy catalyst comprising at least one transition metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, copper and molybdenum; Reducing gas by adding hydrogen gas to the catalyst to generate metal particles on the surface of the catalyst; And a heat treatment by adding a mixed gas of a saturated and unsaturated gas having 1 to 4 carbon atoms and a hydrogen gas to the catalyst in which the metal fine particles are produced.

이를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다. This will be described in more detail as follows.

(1)첫째, 탄소 나노 로드(nano rod)를 기본 단위구조로 가지는 고유효 표면적 섬유상 나노탄소 담체 제조를 위한 촉매인 철 단일 금속 또는 합금 촉매를 제조하는 단계이다. 구체적으로는, 질산철, 질산니켈, 및 질산구리의 일정 혼합용액을 암모니움 하이드로카보네이트로 반응시켜 탄산철 및 탄산니켈-구리를 제조한다. (1) The first step is to prepare an iron single metal or alloy catalyst, which is a catalyst for the production of high effective surface area fibrous nanocarbon carriers having carbon nanorods as a basic unit structure. Specifically, iron carbonate, nickel nitrate, and copper nitrate are reacted with a certain mixed solution with ammonium hydrocarbonate to produce iron carbonate and nickel carbonate-copper.

상기 제조액을 350 내지 500℃의 온도 범위에서 충분한 양의 공기를 가하여 30분 내지 12시간 동안 산화 반응시켜 철산화물을 제조한다. 그 다음, 상기 철산화물에 400 내지 600℃의 온도 범위에서 충분한 양의 수소 가스를 1 내지 50vol.%로 포함하는 질소 혼합가스를 가하여 환원 반응시키면 철(Fe) 단일 금속 촉매; 또는 전이금속의 합금 촉매를 얻는다. 상기 고유효 표면적 섬유상 나노탄소의 제조에 사용되는 최종적으로 얻어지는 상기 촉매에는 철 성분이 5 내지 5중량%로 포함되는 것이 바람직하다. Iron oxide is prepared by oxidizing the preparation solution in a temperature range of 350 to 500 ° C., followed by oxidation for 30 minutes to 12 hours. Then, a reduction reaction is performed by adding a nitrogen mixed gas containing a sufficient amount of hydrogen gas at 1 to 50 vol.% In the iron oxide at a temperature in the range of 400 to 600 ° C .; Or an alloy catalyst of a transition metal. It is preferred that the finally obtained catalyst used in the preparation of the high effective surface area fibrous nanocarbon contains 5 to 5% by weight of iron.

상기 고유효표면적 섬유상 나노탄소 담체 제조를 위한 두번째 단계는, (2)상기 제조된 촉매를 환원시켜 그 표면에 금속미립자를 생성시키는 단계로서, 구체적으로는 상기 제조된 촉매를 일반적인 수평로에 일정량을 분산장치시킨 후, 수소 가스를 1 내지 50vol% 포함하는 질소, 아르곤, 및 헬륨으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 불활성 혼합가스를 가하면서 1 내지 30시간 동안 400 내지 600℃에서 환원시키면 상기 제조된 철 단일 촉매; 및 전이금속 합금 촉매의 표면에 2.5 내지 60nm의 금속 미립자가 생성된다. The second step for producing the high effective surface area fibrous nanocarbon carrier is (2) reducing the prepared catalyst to produce metal particles on the surface thereof, specifically, preparing a predetermined amount of the prepared catalyst on a general horizontal line. After the dispersing apparatus is added, at least one inert mixed gas selected from the group consisting of nitrogen, argon, and helium containing 1 to 50 vol% of hydrogen gas is reduced at 400 to 600 ° C. for 1 to 30 hours to produce the iron. Single catalyst; And metal particles of 2.5 to 60 nm are produced on the surface of the transition metal alloy catalyst.

상기 고유효표면적 섬유상 나노탄소 담체 제조를 위한 세번째 단계는, (3)금속 미립자가 생성된 상기 촉매의 표면을 혼합가스로 열처리시켜 나노로드 구조를 가지는 섬유상 나노탄소로 제조하는 단계이다. 구체적으로는 상기 금속 미립자가 생성된 촉매의 표면에 체적당 5 내지 80%의 탄소수 1 내지 4의 포화 및 불포화 가스 또는 일산화탄소를 수소와 혼합한 혼합가스하여 공급하면서, 350 내지 700℃의 온도 범위에서 1분 내지 48시간 열처리시키면, 나노 로드(nano rod)를 기본 구조 단위로 가지는 섬유상 나노탄소를 얻는다. The third step for preparing the high effective surface area fibrous nanocarbon carrier is (3) a step of preparing fibrous nanocarbon having a nanorod structure by heat-treating the surface of the catalyst on which the metal fine particles are formed with a mixed gas. Specifically, in the temperature range of 350 to 700 ° C. while supplying a saturated and unsaturated gas having 1 to 4 carbon atoms and a mixed gas of carbon monoxide mixed with hydrogen to 5 to 80% by volume on the surface of the catalyst on which the metal fine particles are produced. When heat treated for 1 minute to 48 hours, fibrous nanocarbon having nanorods as a basic structural unit is obtained.

상기와 같은 과정으로 제조된 본 발명의 나노 로드를 기본 구조단위로 가지는 섬유상 나노탄소는 이하의 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이 직경 2-8nm, 길이 4-30nm인 나노 로드(nano rod)를 기본 구성 단위로 가지는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 섬유상 나노탄소는 입체적으로 연필과 같은 구조를 지닌 나노 로드의 기본 단위에 의해 구성되어 있다. The fibrous nanocarbon having the nanorods of the present invention manufactured as described above as a basic structural unit has a nanorod having a diameter of 2-8 nm and a length of 4-30 nm as shown in FIGS. 1 and 3 below. It is preferable to have it as a basic structural unit. That is, the fibrous nanocarbon according to the present invention is constituted by the basic unit of the nanorod having a three-dimensional pencil-like structure.

특히 이런 단위 구조가 일정 방향으로 배열하여 섬유상 나노탄소를 구성함으 로써 섬유상 나노탄소의 표면에는 나노 로드 단면의 요철에 의한 2차 구조의 형성과 탄소육각망면의 에지면이 표면에 드러나 배열함으로써 기저면보다 많은 전자밀도로 구성되어 있음을 알 수 있다. Particularly, these unit structures are arranged in a certain direction to form fibrous nanocarbon, so that the surface of the fibrous nanocarbon is formed by the formation of a secondary structure by the unevenness of the cross section of the nanorods, and the edge surface of the carbon hexagonal mesh is exposed to the surface to arrange the fibrous nanocarbon than the base surface. It can be seen that it is composed of many electron densities.

본 발명에 따른 나노로드로 구성된 섬유상 나노탄소는 일반적인 플레이트(plate) 상의 기본 구성 단위로 구성된 섬유상 나노탄소와는 달리 표면에 2-8nm 크기의 금속입자가 효과적으로 분산될 수 있는 요철 구조(2차 구조)를 제공하여 분산된 금속입자가 반응 시 혹은 반응 후에도 표면으로 이동하여 서로 응집(entanglement) 되어 금속입자의 반응성이 저하되는 현상을 방지하는데 유효한 역할을 한다. The fibrous nanocarbon composed of nanorods according to the present invention has a concave-convex structure in which metal particles having a size of 2-8 nm can be effectively dispersed on a surface, unlike fibrous nanocarbon composed of basic structural units on a plate. ) And the dispersed metal particles move to the surface during or after the reaction and are entangled with each other to play a role in preventing the reactivity of the metal particles.

이렇게 형성된 2차 구조 및 풍부한 전자밀도는 백금 및 루테니움의 안정적인 분산에 기여하여 보다 미세한 입자의 분산이 가능하며, 또한 분산된 백금 및 루테니움 미립자가 거듭된 전기화학적 반응에도 응집되지 않고 안정적인 분산상태로 존재할 수 있는 앵커링 사이트로 역할을 함으로써 기존의 탄소 망면으로 주로 표면이 구성된 탄소나노튜브 및 카본블랙 보다 높은 촉매활성을 나타낼 수 있다. The secondary structure and the rich electron density thus formed contribute to the stable dispersion of platinum and ruthenium, and thus finer particles can be dispersed. Also, the dispersed platinum and ruthenium fine particles are not aggregated and stable even in repeated electrochemical reaction By acting as an anchoring site which may exist in a state, it can exhibit higher catalytic activity than carbon nanotubes and carbon black mainly composed of conventional carbon mesh.

상기 고유효 표면적 섬유상 나노탄소 담지체에서 “고유효 표면적” 의 의미는 실제로 촉매가 담지가능한 표면적으로서, 질소BET 법으로 측정되는 비표면적과는 차이가 있다. The meaning of “high effective surface area” in the high effective surface area fibrous nanocarbon support is actually the surface area on which the catalyst is supported, which is different from the specific surface area measured by the nitrogen BET method.

통상 활성탄의 경우, 질소BET 법으로 측정하여 얻어지는 비표면적의 97% 이상이 지름 1nm 이하의 극세 기공에서 얻어지는 비표면적이다. 그러나 연료전지 촉매에서는 백금입자의 크기가 2 내지 4nm를 나타내므로, 상기 활성탄과 같은 1nm 이 하의 극세 기공은 백금입자가 담지될 수 없는 기공이 되기 때문에, 이러한 기공은 의미가 없고, 또한 상기 극세 기공에서 얻어지는 비표면적은 촉매가 담지가능한 유효표면적에서는 제외된다. 따라서, 촉매가 들어갈수 없는 작은 기공에서 얻어지는 표면적을 뺀 것이 유효표면적 값이 되므로, 이러한 유효표면적은 질소BET법으로 측정한 비표면적보다 반드시 적은 수치로 나타난다. Usually, in the case of activated carbon, 97% or more of the specific surface area measured by the nitrogen BET method is the specific surface area obtained in the ultrafine pores of 1 nm or less in diameter. However, in the fuel cell catalyst, since the particle size of the platinum particles is 2 to 4 nm, such pores are meaningless because the microscopic pores below 1 nm, such as activated carbon, cannot be supported by the platinum particles. The specific surface area obtained at is excluded from the effective surface area supported by the catalyst. Therefore, the effective surface area is obtained by subtracting the surface area obtained from the small pores into which the catalyst cannot enter, so that the effective surface area is necessarily smaller than the specific surface area measured by the nitrogen BET method.

그러나 불행하게도 현재의 분석장비로는 유효표면적만을 측정할 수 있는 분석법이 개발되어 있지 않고, 단지 표면적을 수치화 할 수 있는것이 질소BET법으로 측정한 비표면적 밖에 없기 때문에 질소BET 법으로 측정되는 비표면적을 본 발명에서는 사용한 것이다. 따라서, 질소BET 법으로 측정된 비표면적 값을 사용한다 하더라도, 본 발명에서 유효표면적이 의미하는 바는 상기 고유한 비표면적과는 상이한 것임을 누차 밝혀둔다. Unfortunately, the current analytical equipment has not developed an analytical method that can measure only the effective surface area, and the specific surface area measured by the nitrogen BET method is only available because the surface area can only be quantified. Is used in the present invention. Therefore, even if the specific surface area value measured by the nitrogen BET method is used, it is evident that the effective surface area in the present invention is different from the intrinsic specific surface area.

따라서, 상기 언급한 바와 같이 극세 기공을 집중적으로 만들어준 활성탄과 비교하여, 섬유상 나노탄소의 경우에는 보다 직경이 큰 기공의 비율이 상대적으로 높으며, 이경우 비표면적이 크면 상대적으로 유효표면적도 증가하게 된다. Therefore, compared to the activated carbon which makes the ultrafine pores intensive as mentioned above, in the case of fibrous nanocarbon, the ratio of pores having a larger diameter is relatively high, and in this case, the specific surface area increases relatively effective surface area. .

즉, 저온형 연료전지의 연료극 촉매는 초미세 금속입자가 담지체의 표면에 분산되어 활성을 나타내는 바, 담지체의 고유효 표면적의 의미에는 이런 금속의 고분산에 의한 금속의 균일 및 미세 분산성을 제공하는 것과, 분산된 금속입자의 촉매반응에 의한 활성저하를 방지하는 의미를 동시에 지니고 있다. In other words, the anode catalyst of the low-temperature fuel cell exhibits activity by dispersing ultrafine metal particles on the surface of the carrier. The meaning of the high effective surface area of the carrier is that uniformity and fine dispersibility of the metal due to high dispersion of the metal. It has the meaning of providing a, and to prevent the degradation of the activity due to the catalytic reaction of the dispersed metal particles.

이러한 본 발명에서 담체가 가지는 고유효 표면적이 의미하는 비표면적은 100m2/g 이상인 것, 바람직하기로는 100 내지 250 m2/g인 것을 특징으로 한다. The specific surface area of the present invention means that the specific surface area of the carrier has a high effective surface area of 100 m 2 / g or more, preferably 100 to 250 m 2 / g.

본 발명에 따른 저온연료전지용 촉매는 상기 백금 단일 촉매 또는 백금 합금 촉매를 상기 나노 로드를 기본 구조 단위로 가지는 고유효 표면적 섬유상 나노탄소 담체 중량 대비 5 내지 95중량%, 바람직하게는 20∼80%의 촉매 금속을 담지시키는 것이 바람직하다. 담지 과정은 백금 또는 루테늄 염화물을 물에 용해시키고, 환원제인 NaBH4를 이용하여 재침전시키면 미립자로 고분산 담지된다. The catalyst for a low temperature fuel cell according to the present invention is 5 to 95% by weight, preferably 20 to 80% of the high effective surface area fibrous nanocarbon carrier having the platinum single catalyst or the platinum alloy catalyst as the basic structural unit. It is preferable to support the catalytic metal. In the supporting process, platinum or ruthenium chloride is dissolved in water, and reprecipitated using a reducing agent, NaBH 4, to be highly dispersed as fine particles.

상기 담지되는 금속 촉매의 예를 들면, 백금 단일 금속촉매를 사용하거나, 또는 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 몰르브덴, 텅스텐, 금, 철 및 셀레늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 백금-합금 촉매를 사용하는 바, 여기서 상기 백금-합금 촉매 중 백금과 혼합되는 다른 금속과의 몰비는 1:0.5 내지 1:2인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 중에서도 특별히 백금-루테늄 합금 촉매가 바람직하다. Examples of the supported metal catalysts include platinum single metal catalysts or include at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, palladium, iridium, osmium, rhodium, molybdenum, tungsten, gold, iron and selenium A platinum-alloy catalyst is used, wherein the molar ratio of the platinum-alloy catalyst to other metals mixed with platinum is preferably 1: 0.5 to 1: 2, but is not limited thereto. Among these, a platinum-ruthenium alloy catalyst is especially preferable.

상기 제조된 나노로드를 단위 구조로 가지는 고유효표면적 섬유상 나노탄소의 표면에 백금 또는 백금 합금 촉매를 담지하여 연료전지 촉매를 제조하는 방법은 가장 일반적인 방법으로 널리 알려져 있는 함침 및 화학 환원법을 사용하여 제조한다. 이때, NaBH4를 환원제로 사용하며, 백금 및 루테늄의 전구체로서 (NH3)4Pt(NO3)2 및 (NH3)6RuCl3, 또는 H2PtCl6·6H2O 및 RuCl3·nH2O 등을 증류수에 용해시키고, 상기 섬유상 나노탄소 담체와 함께 혼합하여 NaBH4 용액에 투입하여 환원하고 세척, 여과 후 건조하여 사용한다. A method of preparing a fuel cell catalyst by supporting a platinum or platinum alloy catalyst on the surface of the high effective surface area fibrous nanocarbon having the nanorods as a unit structure is prepared using impregnation and chemical reduction methods, which are widely known as the most common methods. do. At this time, NaBH 4 is used as a reducing agent, and precursors of platinum and ruthenium are (NH 3 ) 4 Pt (NO 3 ) 2 and (NH 3 ) 6 RuCl 3 , or H 2 PtCl 6 .6H 2 O and RuCl 3 .nH 2 O and the like are dissolved in distilled water, mixed with the fibrous nanocarbon carrier, added to a NaBH 4 solution, reduced, washed, filtered and dried.

한편, 본 발명에서는 상기 나노로드를 기본 단위구조로 가지는 섬유상 나노탄소 담체에 백금 촉매 또는 백금 합금 촉매를 담지시킨 촉매는 저온 연료전지의 전극으로 사용된다. 이러한 본 발명에 따른 전극을 사용한 연료전지는 본 발명의 섬유상 나노탄소 담체가 가지는 구조적인 특징으로 그 성능이 향상되고, 백금 촉매의 사용량을 저감시킴으로써 연료전지 스택의 원가 비용을 현저하게 절감시킬 수 있다.Meanwhile, in the present invention, a catalyst having a platinum catalyst or a platinum alloy catalyst supported on a fibrous nanocarbon carrier having the nanorods as a basic unit structure is used as an electrode of a low temperature fuel cell. The fuel cell using the electrode according to the present invention is a structural feature of the fibrous nanocarbon carrier of the present invention, the performance is improved, and the cost of the fuel cell stack can be significantly reduced by reducing the amount of platinum catalyst used. .

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상게하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples, but the present invention is not limited thereto.

실시예Example 1 : 탄소  1: carbon 나노로드를Nanorods 기본 단위구조로 가지는  With basic unit structure 고유효High fidelity 표면적  Surface area 섬유상Fibrous 나노탄소에On nanocarbon 담지된Supported 백금-루테늄 합금 촉매의 제조 Preparation of Platinum-Ruthenium Alloy Catalysts

(1)나노로드 구조를 가지는 섬유상 나노탄소 담체의 제조 (1) Preparation of fibrous nanocarbon carrier having a nanorod structure

질산철 73g을 증류슈 300g에 교반하면서 용해시켜 혼합한 후, 침전이 형성될 때까지 암모니움하이드로카보네이트 31g을 첨가하였다. 형성된 침전물(철 카보네이트)을 여과지를 사용하여 여과시킨 후, 여분의 암모니움하이드로카보네이트를 제거하기 위하여 50℃ 정도의 증류수로 2회, 에틸알콜로 1회 세척한 후, 진공건조기를 사용하여 80℃에서 8시간 건조시켰다. 73 g of iron nitrate was dissolved in 300 g of distilled shoe, mixed with stirring, and 31 g of ammonium hydrocarbonate was added until a precipitate was formed. The formed precipitate (iron carbonate) was filtered using filter paper, and then washed twice with distilled water at about 50 ° C. and once with ethyl alcohol to remove excess ammonium hydrocarbonate, followed by 80 ° C. using a vacuum dryer. Dried for 8 hours.

건조된 침전물을 수직형 또는 수평형의 가열로를 사용하여 400℃에서 5시간 공기중에서 산화처리하여 철산화물을 얻었다. 상기 철산화물은 다시 가열로를 사용 하여 수소 가스를 20vol%로 포함하는 질소 혼합가스를 사용하여 섭씨 500℃에서 20시간 환원하여 철 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 철 촉매는 대기 중에 도출하기 전에 산소 함량이 5vol%인 질소 혼합가스를 사용하여 상온에서 1시간 처리하여 표면부를 수동화 처리하여 보관하였다. The dried precipitate was oxidized in air at 400 ° C. for 5 hours using a vertical or horizontal furnace to obtain iron oxide. The iron oxide was reduced by using a nitrogen mixed gas containing 20 vol% of hydrogen gas again using a heating furnace at 20 ° C. for 20 hours to prepare an iron catalyst. The iron catalyst prepared above was treated with a nitrogen mixed gas having an oxygen content of 5 vol% for 1 hour at room temperature and passively stored at the surface of the iron catalyst.

상기 철(Fe) 촉매를 지름 5cm의 석영제 튜브 위에 고르게 분산시키고, 일산화탄소와 20vol.%의 수소가스를 포함하는 혼합가스를 200sccm (분당 도입되는 cc량) 주입하면서, 600℃에서 2시간 동안 열처리시켜 탄소 나노로드를 구조단위로 가지는 섬유상 나노탄소 담체를 제조하였으며, 이때의 비표면적은 250m2/g이다. The iron (Fe) catalyst was evenly dispersed on a quartz tube having a diameter of 5 cm, and a mixed gas containing carbon monoxide and 20 vol.% Hydrogen gas was injected at 200 sccm (cc amount introduced per minute), followed by heat treatment at 600 ° C. for 2 hours. To prepare a fibrous nano-carbon carrier having a carbon nanorod as a structural unit, the specific surface area is 250m 2 / g.

이때 0.5g의 철 촉매를 사용하여 4시간 동안 반응하여 50g, 8시간 동안 반응하여 200g의 탄소 나노로드를 구조단위로 가지는 섬유상 나노탄소를 제조하였으며, 제조된 상기 섬유상 나노탄소의 표면 구조를 주사전자현미경으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 1에 나타내었다. 다음 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 입체적으로 연필과 같은 구조를 지닌 나노로드의 기본 단위에 의해 구성되어 있고, 섬유상 나노탄소의 축방향에 대하여 거의 수직으로 적층되어있는 구조를 가지며, 상기 나노로드는 직경이 약 2-8nm, 길이가 4-30nm로 구성되어 있으며, 이런 단위구조의 배열에 의해 섬유상 나노탄소가 이루어져 있음을 도1의 사진에 의해 확인할 수 있다.At this time, by using a 0.5g iron catalyst for 4 hours to react 50g, 8 hours to prepare a fibrous nanocarbon having a carbon nanorod of 200g as a structural unit, the surface structure of the prepared fibrous nanocarbon scanning electron Measured under a microscope, the results are shown in Figure 1 below. As can be seen in the following 1, it is composed of the base unit of the nanorod having a three-dimensional pencil-like structure, and has a structure stacked almost perpendicular to the axial direction of the fibrous nanocarbon, the nanorod is It is composed of about 2-8nm in diameter and 4-30nm in length, it can be confirmed by the photograph of Figure 1 that the fibrous nano-carbon is made by the arrangement of this unit structure.

(2)(2) 고유효표면적Specific Effective Surface Area 섬유상Fibrous 나노탄소Nanocarbon 담체에On the carrier 담지된Supported 백금-루테늄 합금 촉매의 제조 Preparation of Platinum-Ruthenium Alloy Catalysts

상기 제조된 섬유상 나노탄소 1g과 H2PtCl6·6H2O 1.18g, RuCl3·2H2O 0.55g을 물 20cc에 혼합하고, 교반하면서 용해시켰다. 이 용액을 0.5몰 NaBH4에 점적 투입하고 교반하며 환원반응후 세척, 여과, 건조후 PtRu 40중량%의 저온연료 전지용 촉매를 제조하였다. 1 g of the fibrous nanocarbon prepared above, 1.18 g of H 2 PtCl 6 .6H 2 O, and 0.55 g of RuCl 3 · 2H 2 O were mixed in 20 cc of water, and dissolved with stirring. This solution was added dropwise to 0.5 mol NaBH 4 and stirred to prepare a catalyst for a low-temperature fuel cell of 40 wt% PtRu after washing, filtration and drying after reduction.

(3)저온연료전지용 전극 및 전지의 제조(3) Production of electrodes and batteries for low temperature fuel cells

상기 제조된 촉매 1g과 20중량%의 나피온 용액을 혼합하여 슬러리를 제조하고, Toray사에서 제조된 카본페이퍼(2.5x2.5㎠)에 상기 슬러리 5mg/㎠ (Pt 1.33, Ru 0.77, carbon 3mg/㎠)을 붓으로 도포하여 연료극 전극을 제조하였다. A slurry was prepared by mixing 1 g of the catalyst and 20% by weight of Nafion solution, and the slurry was 5 mg / cm 2 (Pt 1.33, Ru 0.77, carbon 3 mg) in carbon paper (2.5x2.5 cm 2) manufactured by Toray. / Cm 2) was applied with a brush to prepare a fuel electrode electrode.

섬유상 나노탄소를 이용한 모든 촉매는 백금-루테늄 40중량%로 제조되었으며, 나피온 115막을 사용하였으며, 고온프레스를 이용하여 섭씨 135℃에서, 100Kg/㎠의 압력으로 10분간 가압하여 제조하였다. 모든 MEA의 공기극 전극에는 Johnson Matthey사의 Pt black 6mg/㎠를 붓으로 도포하여 사용하였다. All catalysts using fibrous nanocarbon were prepared by 40 wt% of platinum-ruthenium, and used Nafion 115 membrane, and were pressurized at a temperature of 100 Kg / cm 2 at 135 ° C. for 10 minutes using a high temperature press. All MEA cathode electrodes were coated with Pt black 6mg / cm2 by Johnson Matthey.

DMFC 단전지 활성은 각각 30, 60, 90℃에서, 연료극(anode)에는 2M 메탄올 수용액을 4ml/min로 투입하였고, 공기극(cathode)에는 산소를 200ml/min 으로 투입하면서 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 2에 나타내었다. 다음 도 2의 전압-전류곡선에서 확인할 수 있는 바와 같이, 30, 60, 90℃ 0.4V(볼트)에서의 전류밀도(current density)는 각각 116, 328, 549 mA/㎠이며, 최고 전력밀도(power density)는 각각 72, 140, 246 mW/㎠의 결과를 얻었다.DMFC unit cell activity was measured at 30, 60 and 90 ° C, 2M methanol solution at 4ml / min in anode and 200ml / min at cathode in cathode. 2 is shown. As can be seen in the voltage-current curve of FIG. 2, the current densities at 0.4 V (volts) at 30, 60, and 90 ° C. are 116, 328, and 549 mA / cm 2, respectively. power density) of 72, 140 and 246 mW / cm 2, respectively.

또한 본 발명은 PtRu 60중량%의 시판촉매 5mg/㎠ (Pt/Ru/Carbon black=2/1/2mg/㎠)과 비교하여, 귀금속 사용량을 감소시킨 PtRu 40중량%의 촉매 5mg/㎠ (Pt/Ru/C(Carbon))=1.33/0.77/3mg/㎠)를 사용하면서도, 전극 활성은 우수함을 확인하였다.In addition, the present invention compared to PtRu 60% by weight of the commercial catalyst 5mg / ㎠ (Pt / Ru / Carbon black = 2/1 / 2mg / ㎠), PtRu 40% by weight of the catalyst reduced the use of precious metals 5mg / ㎠ (PtRu /Ru/C(Carbon))=1.33/0.77/3mg/cm 2), the electrode activity was confirmed to be excellent.

실시예Example 2 2

나노로드 구조를 가지는 섬유상 나노탄소 담체의 제조시 질산철을 단독으로사용하는 대신 질산구리 8g과 질산 니켈 40g을 증류슈 300g에 용해하여 교반하며 혼합한 후, 침전이 형성될 때까지 암모니움하이드로카보네이트 29g을 첨가하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 섬유상 나노탄소의 제조촉매를 제조하였다. Instead of using iron nitrate alone in the preparation of the fibrous nanocarbon carrier having a nanorod structure, 8 g of copper nitrate and 40 g of nickel nitrate were dissolved in 300 g of distilled water, stirred and mixed, and then ammonia hydrocarbonate until precipitation was formed. A catalyst for preparing fibrous nanocarbon was prepared in the same manner as in Example 1 except that 29 g was added.

제조한 촉매를 지름 30cm의 석영제 반응기 위에 고르게 분산시키고 에틸렌과 10vol% 수소의 혼합가스를 3000 sccm 도입하면서 600℃에서 2시간동안 열처리하여 탄소 나노로드를 구조단위로 가지는 섬유상 나노탄소를 제조하였으며, 이때의 비표면적은 100m2/g이다. The prepared catalyst was uniformly dispersed on a 30 cm diameter quartz reactor and heat-treated at 600 ° C. for 2 hours while introducing 3000 sccm of a mixed gas of ethylene and 10 vol% hydrogen to prepare a fibrous nanocarbon having carbon nanorods as a structural unit. The specific surface area at this time is 100 m 2 / g.

이때, 0.5g의 철촉매를 사용하여 2시간 동안 반응하여 150g의 탄소 나노로드를 구조단위로 가지는 섬유상 나노탄소를 제조하였으며, 제조된 상기 섬유상 나노탄소의 표면 구조를 주사전자현미경으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 3에 나타내었다. 다음 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 입체적으로 연필과 같은 구조 를 지닌 나노로드의 기본 단위에 의해 구성되어 있고, 섬유상 나노탄소의 축방향에 대하여 일정한 사각을 가지는 두방향의 나노로드가 물고기 뼈와 같은 형태로 적층되어있는 구조를 가지며, 상기 나노로드는 직경이 약 2-8nm, 길이가 4-30nm로 구성되어 있으며, 이런 단위구조의 배열에 의해 섬유상 나노탄소가 이루어져 있음을 도 3에서 관찰할 수 있다.At this time, 0.5g of an iron catalyst was used for 2 hours to prepare fibrous nanocarbon having 150g of carbon nanorods as a structural unit, and the surface structure of the prepared fibrous nanocarbon was measured by a scanning electron microscope. The results are shown in FIG. 3. Next, as can be seen in Figure 3, the three-dimensional nanorods having a pencil-like structure consisting of three, the nanorods in two directions having a constant square with respect to the axial direction of the fibrous nanocarbon is a fish bone and It has a structure that is stacked in the same form, the nanorods are composed of about 2-8nm in diameter, 4-30nm in length, it can be observed in Figure 3 that the fibrous nanocarbon is made by the arrangement of this unit structure Can be.

상기 제조된 섬유상 나노탄소 1g을 이용하여 상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 저온연료전지용 촉매를 제조하고, 이촉매를 이용한 DMFC 단전지 측정 결과의 전압-전류곡선을 다음 도 4에 나타내었다. 다음 도 4의 전압-전류곡선에서 확인할 수 있는 바와 같이, 30, 60, 90℃에서의 0.4볼트에서의 전류밀도는 각각 86, 262, 419 mA/㎠이며, 최고 전력밀도는 각각 62, 122, 197 mW/㎠의 결과를 얻었다. A low-temperature fuel cell catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 using 1 g of the prepared fibrous nanocarbon, and the voltage-current curve of the DMFC unit cell measurement result using the dicatalyst is shown in FIG. 4. As can be seen from the voltage-current curve of FIG. 4, the current densities at 0.4 volts at 30, 60, and 90 ° C. are 86, 262, and 419 mA / cm 2, respectively, and the highest power densities are 62, 122, and A result of 197 mW / cm 2 was obtained.

또한, 본 발명은 PtRu 60중량%의 시판촉매 5mg/㎠ (Pt/Ru/Carbon black=2/1/2mg/㎠)과 비교하여, 귀금속 사용량을 감소시킨 PtRu 40중량%의 촉매 5mg/㎠ (Pt/Ru/C(Carbon))=1.33/0.77/3mg/㎠)를 사용하면서도, 전극 활성은 우수함을 확인하였다.In addition, the present invention compared to the commercial catalyst 5mg / cm 2 (Pt / Ru / Carbon black = 2/1 / 2mg / cm 2) of PtRu 60% by weight, 5mg / cm 2 (40% by weight of PtRu catalyst having reduced precious metal usage) Pt / Ru / C (Carbon)) = 1.33 / 0.77 / 3 mg / cm 2), but the electrode activity was confirmed to be excellent.

비교예Comparative example 1 :  One : PtRuPtRu 60중량%의  60% by weight JohnsonJohnson MattheyMatthey 사 상용촉매의 활성평가Activity Evaluation of Commercial Catalysts

연료전지 촉매담체로서 일반적으로 가장 널리 사용되는 Vulcan XC-72 카본블랙을 촉매 담체로 사용한 Johnson Matthey사에서 제조된 PtRu 60중량%의 상용촉매를 구입하여, 5mg/㎠ (Pt/Ru/Carbon black=2/1/2mg/㎠)를 상기 실시예 1-(3)에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하여 사용하였다. 단전지 활성을 평가한 결과의 전압-전 류곡선을 다음 도5에 나타내었다. 다음 도 5의 전압-전류곡선에서 확인할 수 있는 바와 같이, 30, 60, 90℃에서의 0.4볼트에서의 전류밀도는 각각 50, 222, 318 mA/㎠이며, 최고 전력밀도는 각각 55, 121, 162 mW/㎠의 결과를 얻었다.Purchasing a commercial catalyst of 60% by weight of PtRu manufactured by Johnson Matthey, which used Vulcan XC-72 carbon black, which is the most widely used fuel cell catalyst carrier, was used as a catalyst carrier, 5 mg / cm 2 (Pt / Ru / Carbon black = 2/1/2 mg / cm 2) was prepared and used in the same manner as in Example 1- (3). The voltage-current curve of the result of evaluating unit cell activity is shown in FIG. 5. As can be seen in the voltage-current curve of FIG. 5, the current densities at 0.4 volts at 30, 60, and 90 ° C. are 50, 222, 318 mA / cm 2, respectively, and the highest power densities are 55, 121, A result of 162 mW / cm 2 was obtained.

비교예Comparative example 2 :  2 : PtRuPtRu 60중량%의 E- 60% by weight of E- TEKTEK 사 상용촉매의 활성평가Activity Evaluation of Commercial Catalysts

연료전지 촉매담체로서 일반적으로 가장 널리 사용되는 Vulcan XC-72 카본블랙을 촉매 담체로 사용한 E-TEK사에서 제조된 PtRu 60중량%의 상용촉매를 구입하여, 상기 실시예 1-(3)에서와 같은 방법으로 MEA를 제조하고 단전지 활성을 평가한 결과의 전압-전류곡선을 다음 도 6에 나타내었다. 다음 도 6의 전압-전류곡선에서 확인할 수 있는 바와 같이, 30, 60, 90℃에서의 0.4볼트에서의 전류밀도는 각각 44, 210, 265 mA/㎠이며, 최고 전력밀도는 각각 40, 116, 140 mW/㎠의 결과를 얻었다.As a fuel cell catalyst carrier, PtRu 60% by weight of a commercial catalyst manufactured by E-TEK using Vulcan XC-72 carbon black, which is generally used as a catalyst carrier, was purchased. The voltage-current curve of the MEA prepared in the same manner and the activity of the unit cell was evaluated in FIG. 6. As can be seen in the voltage-current curve of FIG. 6, the current densities at 0.4 volts at 30, 60, and 90 ° C. are 44, 210, and 265 mA / cm 2, respectively. A result of 140 mW / cm 2 was obtained.

한편, 상기 실시예 1,2와 비교예 1,2에서 측정한 단전지 활성평가의 결과를 다음 표 1에서 종합 비교하여 정리하였다. 실제의 스택에서 중요한 특성인 0.4V에서의 전류밀도와 최대 전력밀도를 서로 비교하였다. On the other hand, the results of the single cell activity evaluation measured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were summarized in Table 1 below. The current density and the maximum power density at 0.4V, which are important characteristics of the actual stack, were compared.

0.4V에서의 전류밀도 (mA/㎠)Current density at 0.4 V (mA / ㎠) 최대전력밀도 (mA/㎠)Power density (mA / ㎠) 30℃30 60℃60 ℃ 90 ℃90 ℃ 30℃30 60℃60 ℃ 90 ℃90 ℃ 실시예 1Example 1 116116 328328 549549 7272 140140 246246 실시예 2Example 2 8686 262262 419419 6262 122122 197197 비교예 1Comparative Example 1 5050 222222 318318 5555 121121 162162 비교예 2Comparative Example 2 4444 210210 265265 4040 116116 140140

상기 표 1의 결과에서처럼, 탄소 나노로드를 구조단위로 가지는 섬유상 나노탄소를 금속 촉매의 담체로 사용한 저온연료전지용 촉매를 포함하는 본 발명의 저온연료전지의 경우 상용촉매인 Johnson Matthey와 E-TEK사 촉매보다 우수하며, 탄소 나노로드를 구조단위로 가지는 섬유상 나노탄소로부터 제조한 저온 연료전지용 촉매는 백금 사용량을 2에서 1.33 mg/㎠, 그리고 루테늄 사용량을 1에서 0.67 mg/㎠으로 감소시킴에도 불구하고 상용촉매보다 월등한 촉매활성을 보인다.As shown in Table 1, Johnson Matthey and E-TEK are commercial catalysts for the low-temperature fuel cell of the present invention including a low-temperature fuel cell catalyst using a fibrous nanocarbon having carbon nanorods as a structural unit as a metal catalyst carrier. The catalyst for low temperature fuel cells, which is superior to the catalyst and manufactured from fibrous nanocarbons having carbon nanorods as structural units, reduces platinum usage from 2 to 1.33 mg / cm 2 and ruthenium from 1 to 0.67 mg / cm 2. It shows superior catalytic activity than commercial catalysts.

도 1은 각각 순수 철(Fe) 촉매를 이용하여 제조된 탄소 나노로드를 기본단위로 가지는 섬유상 나노탄소의 TEM과 STM 사진이고,1 is a TEM and STM picture of the fibrous nanocarbon having carbon nanorods as basic units, respectively, prepared using pure iron (Fe) catalyst,

도 2는 실시예 1에서 제조된 탄소 나노로드를 기본단위로 가지는 섬유상 나노탄소를 담체로 이용하여 제조된 Pt/Ru 40중량%의 DMFC 연료극 촉매의 단전지 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이고,FIG. 2 is a graph showing unit cell voltage-current characteristics of a DMFC anode catalyst of 40 wt% Pt / Ru prepared using fibrous nanocarbon having carbon nanorods prepared in Example 1 as a carrier,

도 3은 구리-니켈 공촉매를 이용하여 제조된 탄소 나노로드를 기본단위로 가지는 섬유상 나노탄소의 TEM 및 STM 사진이고,3 is a TEM and STM photograph of the fibrous nanocarbon having carbon nanorods as a basic unit prepared using a copper-nickel cocatalyst,

도 4는 실시예 3에서 제조된 탄소 나노로드를 기본단위로 가지는 섬유상 나노탄소를 담체로 이용하여 제조된 Pt/Ru 40중량%의 DMFC 연료극 촉매의 단전지 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이고,FIG. 4 is a graph showing unit cell voltage-current characteristics of Pt / Ru 40 wt% DMFC anode catalyst prepared using fibrous nanocarbon having carbon nanorods prepared in Example 3 as a carrier,

도 5는 비교예 1의 Pt/Ru 60중량%의 상용화된 연료극 촉매의 DMFC 단전지 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이고,FIG. 5 is a graph showing DMFC unit cell voltage-current characteristics of Pt / Ru 60 wt% of the commercially available anode catalyst of Comparative Example 1;

도 6은 비교예 2의 Pt/Ru 60중량%의 상용화된 연료극 촉매의 DMFC 단전지 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing DMFC unit cell voltage-current characteristics of Pt / Ru 60 wt% of the commercially available anode catalyst of Comparative Example 2. FIG.

Claims (15)

담체 및 촉매로 이루어진 저온연료전지용 촉매에 있어서, In the low-temperature fuel cell catalyst consisting of a carrier and a catalyst, 상기 담체는 나노로드를 기본 단위구조로 가지는 질소 BET법으로 측정한 비표면적이 100m2/g 이상인 고유효 표면적의 섬유상 나노탄소인 것을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.The carrier is a low-temperature fuel cell catalyst, characterized in that the high surface area of the fibrous nanocarbon having a specific surface area of 100m 2 / g or more measured by the nitrogen BET method having a nanorod as a basic unit structure. 제 1항에 있어서, 상기 고유효표면적 섬유상 나노탄소는 직경 2 내지 8nm, 길이 4 내지 30nm인 나노 로드(nano rod)를 기본 구성 단위로 가짐을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.The catalyst for a low temperature fuel cell according to claim 1, wherein the high effective surface area fibrous nanocarbon has a nano rod having a diameter of 2 to 8 nm and a length of 4 to 30 nm as a basic structural unit. 제 1항에 있어서, 상기 담체의 비표면적은 100 내지 250 m2/g임을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.The catalyst for a low temperature fuel cell according to claim 1, wherein the specific surface area of the carrier is 100 to 250 m 2 / g. 제 1항에 있어서, 상기 고유효표면적 섬유상 나노탄소 담체는 The method according to claim 1, wherein the high effective surface area fibrous nanocarbon carrier 산화반응 및 환원반응을 거쳐 철 단일 촉매; 또는 니켈, 코발트, 구리, 몰리 브덴으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속으로 이루어진 전이금속 합금 촉매를 제조하는 단계;Iron monocatalyst through oxidation and reduction; Or preparing a transition metal alloy catalyst composed of at least one metal selected from the group consisting of nickel, cobalt, copper and molybdenum; 상기 촉매에 수소 가스를 가하여 환원 반응시켜 상기 촉매의 표면에 금속미립자를 생성시키는 단계; 및Reducing gas by adding hydrogen gas to the catalyst to generate metal particles on the surface of the catalyst; And 금속미립자가 생성된 상기 촉매에 탄소수 1 내지 4의 포화 및 불포화 가스또는 일산화탄소와 수소 가스를 혼합한 혼합 가스를 가하여 열처리시키는 단계를 거쳐 제조됨을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.A catalyst for a low temperature fuel cell, wherein the catalyst is prepared by adding a saturated gas having 1 to 4 carbon atoms and a mixed gas of carbon monoxide and hydrogen gas. 제 4항에 있어서, 상기 철 단일 촉매, 또는 합금 촉매 제조 단계의 산화 반응은 350-500℃의 온도 범위에서 공기를 주입시켜 수행됨을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.The catalyst for a low temperature fuel cell according to claim 4, wherein the oxidation reaction of the iron single catalyst or the alloy catalyst manufacturing step is performed by injecting air in a temperature range of 350 to 500 ° C. 제 4항에 있어서, 상기 철 단일 촉매, 또는 합금 촉매 제조 단계의 환원 반응은 400-550℃의 온도 범위에서 수소 가스를 5 내지 80 vol.% 포함하는 불활 가스를 주입시켜 수행됨을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.5. The low temperature of claim 4, wherein the reducing reaction of the iron monocatalyst or the alloy catalyst preparing step is performed by injecting an inert gas containing 5 to 80 vol.% Of hydrogen gas in a temperature range of 400 to 550 ° C. 6. Catalyst for fuel cell. 제 4항에 있어서, 상기 금속미립자의 직경은 2.5 내지 60nm임을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.The catalyst for low temperature fuel cells according to claim 4, wherein the metal fine particles have a diameter of 2.5 to 60 nm. 제 4항에 있어서, 상기 금속미립자 제조단계의 환원 반응은 수소 가스 하에서 1 내지 30시간 동안 수행됨을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매. The catalyst for a low temperature fuel cell according to claim 4, wherein the reduction reaction of the metal particulate production step is performed for 1 to 30 hours under hydrogen gas. 제 4항에 있어서, 상기 열처리는 탄소수 1 내지 4의 포화 및 불포화 가스, 또는 일산화가스에 수소 가스를 체적당 5 내지 80%의 비율로 혼합하여, 350 내지 700℃의 범위에서 1분 이상 수행됨을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.The method of claim 4, wherein the heat treatment is performed by mixing hydrogen gas to a saturated and unsaturated gas having 1 to 4 carbon atoms or a monoxide gas at a ratio of 5 to 80% by volume, and performing at least 1 minute in the range of 350 to 700 ° C. Catalyst for low temperature fuel cell, characterized in that. 제 1항에 있어서, 상기 금속 촉매는 백금 단일 금속; 또는 루테늄, 팔라듐, 이리듐, 오스뮴, 로듐, 몰르브덴, 텅스텐, 금, 철 및 셀레늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 백금-합금 촉매로서, 상기 고 유효표면적 섬유상 나노탄소 담체 중량 대비 5 내지 95중량%로 포함됨을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.The method of claim 1, wherein the metal catalyst is a platinum single metal; Or a platinum-alloy catalyst comprising at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, palladium, iridium, osmium, rhodium, molybdenum, tungsten, gold, iron and selenium, wherein the high effective surface area fibrous nanocarbon carrier is 5 Catalyst for low temperature fuel cell, characterized in that contained in 95% by weight. 제 10항에 있어서, 상기 백금-합금 촉매 중 백금과 혼합되는 다른 금속과의 몰 비는 1:0.5 내지 1:2로 구성됨을 특징으로 하는 저온연료전지용 촉매.11. The catalyst for low temperature fuel cell according to claim 10, wherein the molar ratio of the platinum-alloy catalyst to other metals mixed with platinum is 1: 0.5 to 1: 2. 저온연료전지용 전극에 있어서,In the low-temperature fuel cell electrode, 나노-로드를 기본 단위구조로 가지는 고유효표면적 섬유상 나노탄소 담체에 금속촉매를 담지시킨 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온연료전지용 전극.An electrode for a low temperature fuel cell comprising a catalyst having a metal catalyst supported on a high effective surface area fibrous nanocarbon carrier having a nano-rod as a basic unit structure. 제 12항에 있어서, 상기 고유효표면적 섬유상 나노탄소 담체는 직경 2 내지 8nm, 길이 4 내지 30nm인 나노 로드(nano rod)를 기본 구성 단위로 가지는 것을 특징으로 하는 저온연료전지용 전극.13. The low temperature fuel cell electrode as claimed in claim 12, wherein the high effective surface area fibrous nanocarbon carrier has a nano rod having a diameter of 2 to 8 nm and a length of 4 to 30 nm as a basic structural unit. 저온연료전지에 있어서,In low temperature fuel cell, 나노-로드를 기본 단위구조로 가지는 고유효표면적 섬유상 나노탄소 담체에 금속촉매를 담지시킨 촉매를 전극으로 포함하는 것을 특징으로 하는 저온연료전지.A low temperature fuel cell comprising a catalyst having a metal catalyst supported on a high effective surface area fibrous nanocarbon carrier having a nano-rod as a basic unit structure as an electrode. 제 14항에 있어서, 상기 고유효표면적 섬유상 나노탄소 담체는 직경 2 내지 8nm, 길이 4 내지 30nm인 나노 로드(nano rod)를 기본 구성 단위로 가지는 것을 특 징으로 하는 저온연료전지.15. The low temperature fuel cell of claim 14, wherein the high effective surface area fibrous nanocarbon carrier has a nano rod having a diameter of 2 to 8 nm and a length of 4 to 30 nm as a basic structural unit.
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