KR20110001004A - Catalyst for fuel cell and low-humidified mea - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지용 촉매 및 이를 포함하는 막전극 집합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 값비싼 백금의 함량을 최소화할 수 있는 연료전지용 촉매와 이를 포함하는 저가습 막전극 집합체에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell catalyst and a membrane electrode assembly including the same, and more particularly, to a fuel cell catalyst and a low-humidity membrane electrode assembly including the same capable of minimizing expensive platinum content.
연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 화력발전과는 달리 카르노 사이클을 거치지 아니하므로 그 이론적인 발전 효율이 매우 높다. 연료전지는 산업용, 가정용 및 차량구동용 전력의 공급뿐 만 아니라, 소형의 전기/전자 제품, 특히 휴대용 장치의 전력공급에도 적용될 수 있다. 현재 알려져 있는 연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라 PEM (polymer electrolyte membrane, 고분자 전해질 막) 방식, 인산 (phosphoric acid) 방식, 용융탄산염 (molten carbonate) 방식, 고체산화물 (solid oxide) 방식 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.A fuel cell is a device that produces electric energy by electrochemically reacting fuel and oxygen. Unlike thermal power generation, a fuel cell does not undergo a Carno cycle, and thus its theoretical power generation efficiency is very high. Fuel cells can be applied not only to the supply of power for industrial, domestic and vehicle driving, but also to the power supply of small electrical / electronic products, especially portable devices. Currently known fuel cells include PEM (polymer electrolyte membrane), phosphoric acid, molten carbonate, solid oxide, etc., depending on the type of electrolyte used. Depending on the electrolyte used, the operating temperature of the fuel cell and the material of components may vary.
연료전지는 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료개질기를 통하여 연료 를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부개질형과, 기체 또는 액체 상태의 연료를 직접 애노드에 공급하는 연료 직접 공급형 또는 내부 개질형으로 구분될 수 있다. 연료 직접 공급형의 대표적인 예가 직접메탄올연료전지 (direct methanol fuel cell : DMFC) 이다. DMFC에 있어서, 일반적으로 메탄올 수용액, 또는 메탄올과 물의 혼합증기가 애노드에 공급된다. DMFC는, 외부 개질기를 필요로 하지 않으며, 연료의 취급이 용이하기 때문에, 연료전지의 다양한 종류 중에서 소형화 가능성이 가장 높은 종류인 것으로 알려져 있다. DMFC의 전기화학적 반응과정은, 연료가 산화되는 애노드 반응과, 수소이온과 산소의 환원에 의한 캐소드 반응으로 구성되며, 반응식은 다음과 같다.The fuel cell is an external reforming type that converts fuel into hydrogen-enriched gas through a fuel reformer and supplies the anode to the anode, and a fuel direct supply type that directly supplies gas or liquid fuel to the anode according to a fuel supply method to the anode. Or internally modified. A representative example of a direct fuel supply type is a direct methanol fuel cell (DMFC). In DMFC, an aqueous methanol solution or a mixed vapor of methanol and water is generally supplied to the anode. DMFC does not require an external reformer and is easy to handle fuel. Therefore, it is known that DMFC has the highest possibility of miniaturization among various types of fuel cells. The electrochemical reaction process of DMFC consists of an anode reaction in which fuel is oxidized and a cathode reaction by reduction of hydrogen ions and oxygen.
애노드 반응 : CH3OH + H2O → 6 H+ + 6 e- + CO2 Anode Reaction: CH 3 OH + H 2 O → 6 H + + 6 e- + CO 2
캐소드 반응 : 1.5 O2 + 6 H + 6 e → 3 H2OCathode reaction: 1.5 O 2 + 6 H + 6 e → 3 H 2 O
전체 반응 : CH3OH + 1.5 O2 → 2 H2O + CO2 Total reaction: CH 3 OH + 1.5 O 2 → 2 H 2 O + CO 2
상기 반응식에 나타난 바와 같이, 애노드에서는 메탄올과 물이 반응하여 이산화탄소, 6개의 수소이온 및 6개의 전자가 생성된다. 생성된 수소이온은, 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 수소 이온 전도성 전해질막을 매체로 하여, 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 수소이온, 외부회로를 통해 전달된 전자 및 산소가 반응하여 물이 생성된다. DMFC의 전체 반응은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 것이고, 이 과정에서 메탄올의 연소열에 해당하는 에너지의 상당량이 전기에너지로 전환된다. 이러한 반응을 촉진시키기 위하여, 애노드와 캐소드에는 촉매가 포함된다.As shown in the scheme, the anode reacts with methanol to produce carbon dioxide, six hydrogen ions and six electrons. The generated hydrogen ions move to the cathode using a hydrogen ion conductive electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode as a medium. In the cathode, hydrogen ions, electrons and oxygen delivered through an external circuit react to form water. The overall reaction of DMFC is the reaction of methanol and oxygen to produce water and carbon dioxide. In this process, much of the energy corresponding to the heat of combustion of methanol is converted into electrical energy. In order to promote this reaction, the anode and cathode contain a catalyst.
상기 수소 이온 전도성 전해질막은 애노드에서 산화반응에 의해 발생한 수소이온이 캐소드로 이동하기 위한 통로 역할을 할 뿐만 아니라, 애노드와 캐소드를 분리시키는 격리막의 역할도 한다. 일반적으로 수소 이온 전도성 전해질막은 친수성을 가지고 있으며, 적정량의 물을 함습하여 이온 전도성을 발휘한다. 따라서, 애노드에 공급된 메탄올의 일부는 친수성을 갖는 수소 이온 전도성 전해질막으로 확산되어 캐소드로 이동한다. 이러한 현상을 메탄올 크로스오버 (cross-over)라 한다. 일반적으로 DMFC의 캐소드에는 백금 촉매가 사용되는데, 백금촉매는 산소의 환원반응뿐만 아니라 메탄올의 산화반응도 촉진시킨다. 그러나, 상술한 연료전지에 사용되는 촉매는 일반적으로 Pt, Pd, Rh, Ru나 Pt와 다른 금속간의 합금이 많이 사용되고 있는데, 상기 금속촉매의 가격이 너무 비싸 연료전지의 가격경쟁력을 악화시키는 문제가 있었다.The hydrogen ion conductive electrolyte membrane not only serves as a passage for the hydrogen ions generated by the oxidation reaction in the anode to move to the cathode, but also serves as a separator for separating the anode and the cathode. In general, the hydrogen ion conductive electrolyte membrane has hydrophilicity and exhibits ion conductivity by impregnating an appropriate amount of water. Thus, part of the methanol supplied to the anode diffuses into the hydrophilic hydrogen ion conductive electrolyte membrane and moves to the cathode. This phenomenon is called methanol cross-over. In general, a platinum catalyst is used for the cathode of the DMFC. The platinum catalyst promotes not only the reduction of oxygen but also the oxidation of methanol. However, the catalyst used in the above-described fuel cell is generally Pt, Pd, Rh, Ru or alloys between Pt and other metals are used a lot, the price of the metal catalyst is too expensive to deteriorate the price competitiveness of the fuel cell there was.
한편, 연료전지는 통상적으로 나피온 타입의 퍼플루오르술폰산 고분자를 전해질막으로 사용하는데 나피온 전해질막은 프로톤 전도도를 유지하기 위하여 가습되어야 하며, 이를 위하여 연료전지에 별도의 가습기가 장착되어야 한다. 그러나 이러한 가습기 장착을 위하여는 별도의 공간이 필요하고 이에 따라 전체 연료 전지의 공간 활용을 저해하게 된다. 특히 이동형 전원 장치와 같이 보조적 부품의 사용이 최소화되어야 하는 전원용에 있어서 가습기의 사용은 적합하지 않다.Meanwhile, a fuel cell typically uses a Nafion type perfluorosulfonic acid polymer as an electrolyte membrane, and the Nafion electrolyte membrane must be humidified to maintain proton conductivity, and for this purpose, a separate humidifier must be installed in the fuel cell. However, in order to install the humidifier, a separate space is required, thereby inhibiting the space utilization of the entire fuel cell. The use of humidifiers is not particularly suitable for power supplies where the use of auxiliary components, such as mobile power supplies, should be minimized.
나아가, 가습기를 장착하는 경우 많은 양의 물이 연료 전지로 공급되는데 과량의 물이 공급되는 경우에는 오히려 일정한 셀 성능을 저해하므로 연료전지로부터 제거해야하는 불편이 따른다. 따라서, 연료전지에 사용되는 촉매층은 산소 전달 능력외에도 효과적인 물 제거 능력을 요구되나 통상의 연료전지용 촉매로는 한계가 있었다. Furthermore, when a humidifier is mounted, a large amount of water is supplied to the fuel cell. However, when an excessive amount of water is supplied, a certain cell performance is impaired, which causes inconvenience to be removed from the fuel cell. Therefore, the catalyst layer used in the fuel cell is required to have an effective water removal ability in addition to the oxygen transfer capacity, but there is a limit to the conventional fuel cell catalyst.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 과제는 값비싼 백금촉매의 함량을 획기적으로 줄이면서도 그 성능은 유지할 수 있는 연료전지용 촉매를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, the first problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell catalyst that can significantly reduce the content of expensive platinum catalyst while maintaining its performance.
본 발명이 해결하고자 하는 두번째 과제는 본 발명의 연료전지용 촉매를 포함하여 저가습 조건에서도 셀 성능이 저해되지 않는 연료전지용 촉매를 제공하는 것이다.The second problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell catalyst that does not inhibit cell performance even in low-humidity conditions, including the catalyst for the fuel cell of the present invention.
본 발명은 상기 첫번째 과제를 달성하기 위해서,The present invention to achieve the first object,
나노큐브(nano cube)의 표면에 촉매 금속입자가 코어-쉘 타입으로 코팅된 연료전지용 촉매를 제공한다.Provided is a catalyst for a fuel cell in which a catalytic metal particle is coated in a core-shell type on a surface of a nano cube.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 나노큐브는 옥사이드 입자일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the nanocube may be oxide particles.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 옥사이드 입자는 산화마그네슘 또는 산화제2구리일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the oxide particles may be magnesium oxide or cupric oxide.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 촉매 금속입자는 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the catalytic metal particles may be platinum (Pt) or palladium (Pd).
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 나노튜브 입자에 코팅된 촉매 금속입자층의 두께는 1 ~ 100㎚일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the thickness of the catalyst metal particle layer coated on the nanotube particles may be 1 ~ 100nm.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 촉매는 상기 나노튜브가 산화마그네슘이고 금속 촉매입자가 백금이거나, 나노튜브가 산화제2구리이고 금속 촉매입자가 팔라듐일 수 있다. According to another preferred embodiment of the present invention, the fuel cell catalyst may be the nanotubes magnesium oxide and the metal catalyst particles platinum, or the nanotubes cupric oxide and the metal catalyst particles may be palladium.
본 발명은 상기 두번째 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the second object,
전해질막의 양 표면에 다공성 전극 촉매층을 포함하는 전극을 구비하는 연료전지용 막전극접합체에 있어서, 상기 전극 촉매층은 상술한 본 발명의 연료전지용 촉매가 담지된 그래핀(graphene)을 함유한다.In a fuel cell membrane electrode assembly comprising electrodes on both surfaces of an electrolyte membrane including a porous electrode catalyst layer, the electrode catalyst layer contains graphene on which the catalyst for fuel cells of the present invention described above is supported.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 전극 촉매층은 산화세륨 및 제오라이트를 더 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the electrode catalyst layer may further include cerium oxide and zeolite.
이하, 본 발명에 사용된 용어를 설명한다.Hereinafter, terms used in the present invention will be described.
용어 '나노큐브'라 함은 나노크기의 입자가 입방체(cubic) 형상(바람직하게는 육면체 형상)을 가지는 것을 의미한다.The term 'nanocube' means that the nano-sized particles have a cubic shape (preferably a hexahedral shape).
본 발명의 연료전지용 촉매는 나노큐브(nano cube)의 표면에 촉매 금속입자가 코어-쉘 타입으로 코팅되므로 값비싼 촉매 금속입자(특히 백금)의 함량을 최소화하면서도 그 성능을 유지할 수 있다. In the fuel cell catalyst of the present invention, since the catalytic metal particles are coated in the core-shell type on the surface of the nanocube, the catalytic metal particles (particularly platinum) can be minimized while maintaining their performance.
또한, 본 발명의 촉매 급속입자를 그래핀에 담지하는 경우 통상의 탄소나노튜브에 담지하는 것에 비하여 가격이 현저하게 저렴하면서도 유사한 효과를 가진다.In addition, when the catalyst fast particles of the present invention are supported on graphene, the catalyst particles are significantly cheaper than conventional carbon nanotubes, and have similar effects.
상술한 연료전지용 촉매를 채용한 연료전지는 우수한 저가습 효과가 있다.The fuel cell employing the catalyst for the fuel cell described above has an excellent low-humidity effect.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
상술한 바와 같이, 연료전지의 촉매로 사용되는 금속입자촉매 특히 백금은 그 가격이 너무 비싼 문제가 있었다. 이에 본 발명에서는 백금의 사용량을 줄이기 위하여 기격이 저렴한 나노큐브(nano cube)의 표면에 촉매 금속입자가 코어-쉘 타입으로 코팅된 연료전지용 촉매를 제공한다.As described above, the metal particle catalyst, especially platinum, used as a catalyst of a fuel cell has a problem that its price is too expensive. Accordingly, the present invention provides a catalyst for a fuel cell in which a catalytic metal particle is coated in a core-shell type on a surface of a nano cube having low cost in order to reduce the amount of platinum.
본 발명의 연료전지용 촉매를 첨부된 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명하면, 도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 연료전지용 촉매에 대한 단면도와 사시도로서 연료전지용 촉매(100)는 그 내부에 육면체 형상의 나노큐브(110)와 상기 나노큐브(110)의 표면에 코팅된 촉매 금속입자(120)로 이루어진다. 이 중 상기 나노큐브(110)는 바람직하게는 옥사이드 입자일 수 있으며 보다 바람직하게는 상기 옥사이드 입자는 산화마그네슘 또는 산화제2구리일 수 있다. 이 경우 본 발명에 사용가능한 나노큐브(110)의 형상은 육면체의 형상인 것이 바람직하며, 상기 육면체의 한변의 길이는 대략 1 ~ 1000㎚인 것이 바람직하다. 한편 나노큐브가 육면체 형상이면 비표면적이 넓어지게 되어 반응성이 증대된다.Referring to the fuel cell catalyst of the present invention with reference to FIGS. 1A and 1B, FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views and perspective views, respectively, of the fuel cell catalyst of the present invention. The
상기 나노큐브(110)의 표면에 코팅되는 상기 촉매 금속입자(120)는 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd)일 수 있다. 특히 상기 촉매 금속입자(120)로서 팔라듐을 사용하는 경우 백금과 유사한 효과를 가지면서도 비용면에서 현저히 저렴하므로 상업화하기에 대단히 유리하다. 이 경우 상기 나노튜브 입자에 코팅된 촉매 금속입자층의 두 께는 1 ~ 100㎚일 수 있다. 만일 금속입자의 두께가 1㎚ 이하이면 촉매로서 작용이 곤란한 문제가 발생할 수 있고, 100 ㎚를 초과하면 백금의 사용량이 너무 많은 문제가 있다.The
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 촉매는 상기 나노튜브가 산화마그네슘이고 금속 촉매입자가 백금이거나, 나노튜브가 산화제2구리이고 금속 촉매입자가 팔라듐일 수 있다.On the other hand, according to a preferred embodiment of the present invention, the fuel cell catalyst may be the nanotube is magnesium oxide and the metal catalyst particles platinum, or the nanotubes are cupric oxide and the metal catalyst particles may be palladium.
본 발명에 따른 연료전지용 전극 촉매를 제조하는 방법은 크게 2가지로 분류할 수 있다. 첫번째로 나노큐브 형태의 산화마그네슘 또는 산화제2구리를 준비한 후 백금 용액에 상기 준비된 나노큐브를 함침시켜 대기 분위기에서 건조하여 백금을 나노큐브에 코팅시킨다. 그 뒤 상기 백금이 코팅된 촉매를 수소/질소 혼합가스를 운반기체로 하여 환원시켜 본 발명의 연료전지용 전극 촉매를 제조한다.The method for producing an electrode catalyst for a fuel cell according to the present invention can be broadly classified into two types. First, after preparing magnesium oxide or cupric oxide in the nanocube form, the platinum solution is impregnated with the prepared nanocube and dried in an atmospheric atmosphere to coat platinum on the nanocube. Thereafter, the platinum-coated catalyst is reduced by using a hydrogen / nitrogen mixed gas as a carrier gas to prepare an electrode catalyst for a fuel cell of the present invention.
보다 구체적으로 준비된 나노큐브를 백금 용액에 함침시키는 방법의 경우 함침법에 제한되지 않으며 콜로이드법, 침전법의 방법으로도 가능하다. 상기 백금 용액은 백금 또는 백금합금 전구체를 용해한 용액으로, 백금합금 전구체로는 염화백금산(H2PtCl6), 백금염화물(PtCl2), 백금질산화물(Pt(NO3)2) 등이 있고, 이 때의 용매로는 증류수, 메탄올 또는 에탄올이 사용가능하다. 백금 또는 백금합금 전구체를 용매에 녹여 원하는 종류의 나노큐브에 함침법으로 담지한 후, 대기 분위기에서 100∼150℃의 온도를 유지하여 12∼24 시간동안 건조한다. 상기 용매는 증류수, 메탄올, 에탄올로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택된 것을 특징으로 한다. 상기 백금합금에 사용되는 원소는 Cr, Ni, Mo, Co, Ti, Mn, Fe, Cu, Pd, Os, Ga, Zr, Hf, Ir 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.More specifically, the method of impregnating the prepared nanocube in the platinum solution is not limited to the impregnation method, it is also possible to colloid method, precipitation method. The platinum solution is a solution in which a platinum or platinum alloy precursor is dissolved. Examples of the platinum alloy precursor include platinum chloride (H 2 PtCl 6 ), platinum chloride (PtCl 2 ), and platinum oxide (Pt (NO 3 ) 2 ). As the solvent, distilled water, methanol or ethanol can be used. The platinum or platinum alloy precursor is dissolved in a solvent and impregnated in a nanocube of a desired type by impregnation, followed by drying for 12 to 24 hours while maintaining a temperature of 100 to 150 ° C. in an air atmosphere. The solvent is characterized in that at least one selected from the group consisting of distilled water, methanol, ethanol. As the element used in the platinum alloy, Cr, Ni, Mo, Co, Ti, Mn, Fe, Cu, Pd, Os, Ga, Zr, Hf, Ir, or a mixture thereof may be used.
그 뒤 백금 또는 백금합금 전구체가 담지된 촉매를 환원반응에 의하여 최종적으로 나노튜브의 표면을 코팅하고 이를 건조하여 최종 촉매를 제조한다. Thereafter, the catalyst on which the platinum or platinum alloy precursor is supported is finally coated by the reduction reaction and the surface of the nanotube is dried to prepare a final catalyst.
두번째로서 나노튜브의 표면에 에피성장(Epitaxial growth)를 통해서 백금이 노출된 코어/쉘 구조로 제작이 가능하며 이에 대한 상세한 조건 및 제조방법은 (J. Appl. Phys., 2005, 97, 10H303, (JACS, 2007, 129, 6974-6975))에 상세히 기재되어 있다.Secondly, it is possible to fabricate a core / shell structure in which platinum is exposed through epitaxial growth on the surface of nanotubes, and detailed conditions and manufacturing methods thereof are described in (J. Appl. Phys., 2005, 97, 10H303, (JACS, 2007, 129, 6974-6975).
본 발명의 다른 실시예로서, 전해질막의 양 표면에 다공성 전극 촉매층을 포함하는 전극을 구비하는 연료전지용 막전극접합체에 있어서, 상기 전극 촉매층은 상술한 본 발명의 연료전지용 촉매가 담지된 그래핀(graphene)을 함유한다.In another embodiment of the present invention, in the membrane electrode assembly for a fuel cell having an electrode including a porous electrode catalyst layer on both surfaces of the electrolyte membrane, the electrode catalyst layer is a graphene (graphene) carrying the catalyst for the fuel cell of the present invention described above ).
구체적으로 기공성 탄소는 비표면적과 기공체적이 높을 뿐 아니라 산이나 염기에서 안정하기 때문에 흡착제나 촉매 담체로 자주 활용되었다. 특히, 저온형 연료전지의 기술개발과 더불어 연료전지 촉매의 담체로 사용되는 탄소에 대해서 많은 관심이 집중되고 있다. 연료전지용 촉매 담체로서 탄소는 많은 금속을 담지하기 위해 비표면적이 높아야 하며 촉매-반응물-전해질의 삼상계면 형성이 용이하도록 기공이 커야 할 뿐 아니라, 전자의 이동을 원활히 하기 위해 전도성이 높고 전기화학 산화반응을 견딜 수 있어야 한다. 이러한 요구조건을 만족시키기 위해 본 발명에서는 탄소원자들이 벌집모양으로 연결되어 있는 얇은 막형태의 그래핀(평면형 판상구 조)을 담체로 활용하였다. 이를 통해 촉매의 전기 전도성 및 산화조건에서 안정성을 향상시킬 수 있다.Specifically, the porous carbon is frequently used as an adsorbent or a catalyst carrier because it has a high specific surface area and pore volume and is stable in an acid or a base. In particular, with the development of low temperature fuel cell technology, much attention has been focused on carbon used as a carrier for fuel cell catalysts. As a catalyst carrier for fuel cells, carbon must have a high specific surface area to support many metals, large pores to facilitate the formation of three-phase interface of catalyst-reactant-electrolyte, and high conductivity and electrochemical oxidation to facilitate electron transfer. It must be able to withstand the reaction. In order to satisfy these requirements, the present invention utilizes a thin film-like graphene (planar plate structure) in which carbon atoms are connected in a honeycomb shape as a carrier. This can improve the stability in the electrical conductivity and oxidation conditions of the catalyst.
이에 본 발명에서는 통상의 나피온이나 탄소나노튜브를 대체하여 그래핀을 담체로 사용하였다. 이 경우 통상의 나피온이나 탄소나노튜브에 촉매를 담지하는 방법과 동일한 방법에 이해 담지할 수 있으며 바람직하게는 상기 본 발명의 촉매를 반응기에 넣고, 여기에 부피비 1 : 4의 수소/질소 혼합기체를 흘려주면서 250∼350℃ 의 온도에서 1∼3 시간동안 환원반응을 수행한다. 환원반응이 끝나면 질소 분위기에서 상온으로 냉각하여 본 발명의 연료전지용 촉매가 담지된 그래핀(graphene)을 제조한다. 이 경우 그래핀 100 중량부에 대하여 본 발명의 촉매 0.1 ~ 80중량부를 혼합할 수 있다.Accordingly, in the present invention, graphene was used as a carrier in place of conventional Nafion or carbon nanotubes. In this case, it can be supported by the same method as the method of supporting a catalyst in a conventional Nafion or carbon nanotubes, and preferably the catalyst of the present invention is put in a reactor, and the hydrogen / nitrogen mixed gas having a volume ratio of 1: 4 Reducing the reaction for 1 to 3 hours at a temperature of 250 ~ 350 ℃ while flowing. After the reduction reaction is cooled to room temperature in a nitrogen atmosphere to prepare a graphene (graphene) loaded with the catalyst for a fuel cell of the present invention. In this case, 0.1 to 80 parts by weight of the catalyst of the present invention may be mixed with respect to 100 parts by weight of graphene.
그 뒤 고분자 전해질막에 대하여 스프레이 방법으로 전해질막에 직접 코팅할 수 있다. 직접 코팅법은 통상의 담지법에 비하여 촉매의 이용률이 증가하고 계면저항이 감소될 뿐 아니라 이온전도도가 증가하게 된다.Thereafter, the polymer electrolyte membrane may be directly coated on the electrolyte membrane by a spray method. The direct coating method increases the utilization of the catalyst, decreases the interfacial resistance as well as increases the ionic conductivity as compared with the conventional supporting method.
결국 본 발명의 연료전지용 촉매는 나노큐브(nano cube)의 표면에 촉매 금속입자가 코어-쉘 타입으로 코팅되므로 값비싼 촉매 금속입자(특히 백금)의 함량을 최소화하면서도 그 성능을 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 촉매 급속입자를 그래핀에 담지하는 경우 통상의 탄소나노튜브에 담지하는 것에 비하여 가격이 현저하게 저렴하면서도 유사한 효과를 가진다.As a result, the catalyst for the fuel cell of the present invention can maintain the performance while minimizing the content of expensive catalytic metal particles (particularly platinum) because the catalyst metal particles are coated in the core-shell type on the surface of the nano cube. In addition, when the catalyst fast particles of the present invention are supported on graphene, the catalyst particles are significantly cheaper than conventional carbon nanotubes, and have similar effects.
본 발명은 값비싼 백금의 함량을 최소화시킬 수 있어 화학산업에 대단히 유용한 발명이다.The present invention is very useful in the chemical industry because it can minimize the content of expensive platinum.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 연료전지용 전극촉매의 단면도 및 개략도이다.1A and 1B are cross-sectional views and schematic views of an electrode catalyst for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 사용되는 그래핀의 원자결합구조이다.2 is an atomic bond structure of graphene used in the present invention.
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Cited By (9)
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|---|---|---|---|---|
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| US9901907B1 (en) | 2016-08-31 | 2018-02-27 | GM Global Technology Operations LLC | Catalytic converters with age-suppressing catalysts |
| US10035133B2 (en) | 2016-10-25 | 2018-07-31 | GM Global Technology Operations LLC | Catalysts with atomically dispersed platinum group metal complexes and a barrier disposed between the complexes |
| US10046310B2 (en) | 2015-10-05 | 2018-08-14 | GM Global Technology Operations LLC | Catalytic converters with age-suppressing catalysts |
| US10159960B2 (en) | 2016-10-25 | 2018-12-25 | GM Global Technology Operations LLC | Catalysts with atomically dispersed platinum group metal complexes |
| US10422036B2 (en) | 2015-10-23 | 2019-09-24 | GM Global Technology Operations LLC | Suppressing aging of platinum group metal particles in a catalytic converter |
| KR20230063189A (en) | 2021-11-01 | 2023-05-09 | 한국과학기술연구원 | Method for manufacturing carbon nanotube mat and method for manufacturing membrane electrode assembly using the same |
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2009
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104353467A (en) * | 2014-11-07 | 2015-02-18 | 湖南科技大学 | Trace palladium nanoparticle for electrochemical catalysis ethanol oxidation, preparation method and application of trace palladium nanoparticle |
| CN104353467B (en) * | 2014-11-07 | 2016-06-01 | 湖南科技大学 | A kind of trace palladium nano particle for electrochemical catalysis oxidation of ethanol, preparation method and application thereof |
| US9827562B2 (en) | 2015-10-05 | 2017-11-28 | GM Global Technology Operations LLC | Catalytic converters with age-suppressing catalysts |
| US9855547B2 (en) | 2015-10-05 | 2018-01-02 | GM Global Technology Operations LLC | Low-temperature oxidation catalysts |
| US10046310B2 (en) | 2015-10-05 | 2018-08-14 | GM Global Technology Operations LLC | Catalytic converters with age-suppressing catalysts |
| US10422036B2 (en) | 2015-10-23 | 2019-09-24 | GM Global Technology Operations LLC | Suppressing aging of platinum group metal particles in a catalytic converter |
| US9901907B1 (en) | 2016-08-31 | 2018-02-27 | GM Global Technology Operations LLC | Catalytic converters with age-suppressing catalysts |
| US10035133B2 (en) | 2016-10-25 | 2018-07-31 | GM Global Technology Operations LLC | Catalysts with atomically dispersed platinum group metal complexes and a barrier disposed between the complexes |
| US10159960B2 (en) | 2016-10-25 | 2018-12-25 | GM Global Technology Operations LLC | Catalysts with atomically dispersed platinum group metal complexes |
| KR20230063189A (en) | 2021-11-01 | 2023-05-09 | 한국과학기술연구원 | Method for manufacturing carbon nanotube mat and method for manufacturing membrane electrode assembly using the same |
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