KR20110111744A - 연료전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

담체 및 상기 담체에 분산 담지된 활성금속을 포함하고, 하기 일반식 1로 표시되는 분산도(Dp)가 0.01 내지 1.0 범위인 연료전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 연료전지 시스템을 제공한다.
[일반식 1]
분산도(Dp)={(X-X10)/(X1-B)}*(B/X)2
상기 일반식 1에서 X, X10, X1, 및 B의 정의는 명세서 내에 기재한 바와 같다.

Description

연료전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 연료전지 시스템{CATALYST FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY INCLUDING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING SAME}
본 기재는 연료전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4 내지 10 배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우를 직접 메탄올형 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 캐소드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극" 이라 한다)과 애노드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다.)이 위치하는 구조를 가진다.
연료전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 캐소드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 환원극인 애노드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 상기 산화제, 수소 이온 및 전자가 애노드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 일 구현예는 우수한 효율 특성을 나타내어, 연료전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 촉매를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 연료전지용 촉매를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 연료전지용 촉매를 포함하는 연료전지 시스템를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 담체 및 상기 담체에 분산 담지된 활성금속을 포함하고, 하기 일반식 1로 표시되는 분산도(Dp)가 0.01 내지 1.0 범위인 연료전지용 촉매를 제공한다.
[일반식 1]
분산도(Dp)={(X-X10)/(X1-B)}*(B/X)2
상기 일반식 1에서 X는 CuKα선을 사용한 X선 회절 스펙트럼(XRD)으로부터 얻어진 활성금속의 평균입경 및 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(m2/g)을 나타내는 것이고, X10은 활성금속의 입경이 10nm인 경우, 상기 활성금속의 입경과 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(m2/g)을 나타내는 것이고, X1은 활성금속의 입경이 1nm인 경우, 상기 활성금속의 입경과 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(m2/g)을 나타내는 것이고, B는 BET(Brunauer, Emmett, Teller) 비표면적 분석법으로부터 얻어진 연료전지용 촉매의 비표면적으로부터 계산된 활성금속의 비표면적(m2/g)을 나타내는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 촉매를 고분자 전해질형 연료전지에 사용하는 경우의 분산도(Dp)는 0.1 내지 1.0 범위일 수 있고, 직접 산화형 연료전지에 사용하는 경우의 분산도(Dp)는 0.01 내지 1.0 범위일 수 있다.
상기 연료전지용 촉매가 고분자 전해질형 연료전지의 캐소드 촉매로 사용되는 경우, 분산도(Dp)는 0.1 내지 1.0의 범위의 값이 적절하고, 직접 산화형 연료전지의 캐소드 촉매로 사용되는 경우, 0.01 내지 1.0의 범위의 값이 적절할 수 있다.
아울러, 고분자 전해질형 연료전지의 애노드 전극용 촉매로 사용되는 경우의 분산도(Dp)는 0.2 내지 1.0의 범위의 값이 적절하고, 직접 산화형 연료전지의 애노드 전극용 촉매로 사용되는 경우, 분산도(Dp)는 0.1 내지 1.0의 범위의 값이 적절할 수 있다.
상기 담체는 탄소계 물질, 무기물 미립자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, BET 분석으로부터 얻어진 비표면적이 50 내지 3000m2/g 범위인 것을 사용할 수 있다.
상기 활성금속은 백금계 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 것으로, 보다 구체적으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 활성금속의 평균 입경은 1 내지10nm 범위일 수 있다.
상기 활성금속의 함량은 상기 연료전지용 촉매 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 95 중량% 범위일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극, 및 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 캐소드 전극 기재와 캐소드 촉매층을 포함하고, 상기 애노드 전극은 애노드 전극 기재와 애노드 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 이때, 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중에서 선택되는 하나 이상의 촉매층은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 촉매를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 포함하고, 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 상기 캐소드 전극은 캐소드 전극 기재와 캐소드 촉매층을 포함하고, 상기 애노드 전극은 애노드 전극 기재와 애노드 촉매층을 포함하고, 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중에서 선택되는 하나 이상의 촉매층은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 촉매를 포함한다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 촉매는 우수한 효율 특성을 나타내어, 우수한 성능을 가지는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지용 촉매의 주사전자현미경 관찰 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지용 촉매의 주사전자현미경 관찰 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 연료전지용 촉매의 주사전자현미경 관찰 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1, 3, 및 4에 따른 연료전지용 촉매의 BET 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
일반적인 연료전지용 촉매는, 활성금속 나노입자가 카본과 같은 담체의 내부 표면에 잘 분산되어 있는 구조를 갖는다. 이러한 분산성은 촉매활성을 향상시키는데 중요한 역할을 하게 된다. 즉, 담체에 담지된 활성금속을 포함하는 연료전지용 촉매에 있어서, 분산도는 촉매의 성능을 좌우하는 중요한 변수이다.
그러나 어느 정도의 분산도를 보유해야 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는지를 정의하기는 쉽지 않았기에 이에 대한 연구가 이루어지지 않았다. 이것은 분산도가 활성금속의 담지량, 활성금속 입자의 크기, 담체 및 전해질 막과의 접촉등에 의하여 많은 영향을 받게 되기 때문이다. 본 발명의 일 구현예는 연료전지의 효과를 대표할 수 있는 연료전지용 촉매의 분산도에 대하여 연구한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 담체 및 상기 담체에 분산 담지된 활성금속을 포함하는 연료전지용 촉매로서, 이 촉매의 하기 일반식 1로 표시되는 분산도(Dp)가 0.01 내지 1.0 범위인 연료전지용 촉매를 제공한다.
[일반식 1]
분산도(Dp)={(X-X10)/(X1-B)}*(B/X)2
상기 일반식 1에서 X는 CuKα선을 사용한 X선 회절 스펙트럼(XRD)으로부터 얻어진 활성금속의 평균입경 및 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(X, m2/g))을 나타내는 것이고,
X10은 활성금속의 입경이 10nm인 경우, 상기 활성금속의 입경과 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(X10, m2/g)을 나타내는 것이고,
X1은 활성금속의 입경이 1nm인 경우, 상기 활성금속의 입경과 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(X1, m2/g)을 나타내는 것이고,
B는 BET(Brunauer, Emmett, Teller) 비표면적 분석법으로부터 얻어진 연료전지용 촉매의 비표면적으로부터 계산된 활성금속의 비표면적(B, m2/g)을 나타내는 것이다.
상기 "활성금속의 평균입경과 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(X)"이란 하기 일반식 2-1로 표시되는 비표면적을 의미하는 것이다. 이 때, 상기 활성금속의 밀도는 25℃에서의 밀도(예를 들어, 백금인 경우 21.45g/cm3임)를 의미하는 것이다. 또한, 상기 비표면적(X10) 및 비표면적(X1)은 하기 일반식 2-1에서 활성금속의 입경이 각각 10nm 및 1nm인 경우의 값을 의미한다.
[일반식 2-1]
활성금속의 비표면적(X, m2/g)
= 6/(활성금속의 평균입경 X 활성금속의 밀도)
또한, 본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, 활성금속의 입경은 X선 회절 스펙트럼(XRD)으로 측정되는 것으로, X선 회절 스펙트럼(XRD)은 CuKα선을 사용하여, 측정할 수 있다.
또한, BET(Brunauer, Emmett, Teller) 비표면적 분석법은 분말 표면에 질소 가스를 흡착시켜 흡착된 질소 가스의 양을 측정하여 분말이 갖고 있는 비표면적, 총 기공 부피, 기공 분포 등을 측정하는 분석법으로, 본 발명의 일구현예에 따른 연료전지용 촉매의 비표면적(B)은 BET(Brunauer, Emmett, Teller) 비표면적 분석법으로 활성금속을 담지시키기 전의 담체의 비표면적을 측정하고, 활성금속을 담지시킨 후의 비표면적을 측정한 후, 그 차이로 계산되는, 즉 하기 일반식 2-2에 따라 얻어지는 촉매의 비표면적으로부터 계산된 활성금속의 비표면적을 의미한다.
[일반식 2-2]
활성금속의 비표면적(B, m2/g) = Bo × (1 Ll) - Bl
Bo: 촉매 담체의 비표면적(BET법으로 측정, m2/g)
Ll: 활성금속 입자의 담지량(wt%/100)
Bl: 활성금속이 담지된 촉매의 비표면적(BET법으로 측정, m2/g)
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 촉매의 분산도(Dp)는 사용되는 연료전지 종류에 따라 조절하는 것이 보다 적절할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 구현예에 따른 촉매를 고분자 전해질형 연료전지에 사용하는 경우의 분산도(Dp)는 0.1 내지 1.0 범위가 적절하며, 직접 산화형 연료전지에 사용하는 경우의 분산도(Dp)는 0.01 내지 1.0 범위가 적절하다.
본 발명의 일 구현예에 따른 촉매의 분산도(Dp)가 상기 범위에 포함되는 경우, 촉매의 분산성이 향상되어, 높은 촉매 활성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 촉매는 연료전지 종류뿐만 아니라, 사용되는 전극 종류에 따라 분산도(Dp)를 조절할 수도 있다. 따라서, 상기 연료전지용 촉매를 고분자 전해질형 연료전지의 캐소드 촉매로 사용하는 경우, 분산도(Dp)는 0.1 내지 1.0의 범위의 값이 적절하고, 직접 산화형 연료전지의 캐소드 촉매로 사용하는 경우, 분산도(Dp)는 0.01 내지 1.0의 범위의 값이 적절하다. 또한, 상기 연료전지용 촉매를 고분자 전해질형 연료전지의 애노드 촉매로 사용하는 경우, 분산도(Dp)는 0.2 내지 1.0의 범위의 값이 적절하고, 직접 산화형 연료전지의 애노드 촉매로 사용하는 경우, 0.1 내지 1.0의 범위의 값이 적절하다.
상기 담체는 탄소계 물질, 무기물 미립자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 탄소계 물질로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등을 사용할 수 있고, 상기 무기물 미립자로는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등을 사용할 수 있다.
담체로 특히, 넓은 표면적을 갖는 케첸 블랙을 사용하거나, 전도성이 좋은 카본 나노튜브를 사용하는 것이 촉매의 고분산의 효과로 보다 고성능을 얻을 수 있다. 담체에 활성금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
또한, 상기 담체는 BET 분석으로부터 얻어진 비표면적이 50 내지 3000m2/g 범위인 것을 사용하여 활성금속의 담지와 분산성을 높이는 효과를 얻을 수 있다.
상기 활성금속은 백금계 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 것으로, 보다 구체적으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 연료전지용 촉매의 활성금속으로 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 애노드 전극 촉매의 활성금속으로 백금-루테늄 합금이 사용되는 것이 좋다. 구체적인 예로는Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
이 때, 상기 활성금속은 1 내지 10nm 범위의 평균 입경, 보다 구체적으로 1.8 내지 8nm 범위의 평균 입경을 갖는 것이 보다 우수한 촉매활성 및 적절한 표면적을 가질 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 촉매를 고분자 전해질형 연료전지에 사용하는 경우, 전극 종류에 상관없이 활성금속의 평균 입경 약 1.8 내지 5nm가 보다 적절하다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 촉매를 직접 산화형 연료전지에 사용하는 경우에는, 전극 종류에 따라 활성금속의 평균 입경을 조절하는 것이 적절하며, 일 예로 애노드 전극 촉매로 사용시에는 평균 입경이 약 1.8 내지 5nm인 것이 적절하며, 캐소드 전극 촉매로 사용시에는 약 2 내지 8nm인 것이 적절할 수 있다.
상기 연료전지용 촉매는 활성금속이 담체에 분산 담지된 것으로, 활성금속의 함량, 즉 담지량은 촉매 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 95 중량%일 수 있고, 이때, 보다 고분산의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 활성금속의 함량은 사용되는 연료전지 종류에 따라 조절할 수 있다. 일 예로, 고분자 전해질형 연료전지에 사용되는 촉매인 경우, 활성금속의 함량은 촉매 전체 100 중량%에 대하여 50 중량% 이하, 최소 5 중량%인 것이 적절하고, 직접 산화형 연료전지에 사용되는 촉매인 경우, 활성금속의 함량은 촉매 전체 100 중량%에 대하여 60 중량% 이상, 최대 95 중량%인 것이 적절하다.
본 발명의 다른 일 구현예는 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극, 및 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 캐소드 전극 기재와 캐소드 촉매층을 포함하고, 상기 애노드 전극은 애노드 전극 기재와 애노드 촉매층을 포함하고, 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중에서 선택되는 하나 이상의 촉매층은 연료전지용 촉매를 포함하고, 상기 연료전지용 촉매는 담체 및 상기 담체에 분산 담지된 활성금속을 포함하고, 상기 일반식 1로 표시되는 분산도(Dp)가 0.1 내지 1.0 범위인 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것을 사용할 수 있다. 이러한 바인더 수지로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바인더 수지의 구체적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 들 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환된 수소 이온 전도성 고분자는 이후 촉매층의 황산 처리시 재술폰화되어 프로톤형으로 전환될 수 있다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용할 수 있다.
상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 포함한다.
또한, 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 캐소드 전극은 캐소드 전극 기재와 캐소드 촉매층을 포함하고, 상기 애노드 전극은 애노드 전극 기재와 애노드 촉매층을 포함하고, 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중에서 선택되는 하나 이상의 촉매층은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 촉매를 포함한다.
상기 연료전지 시스템이 수소및 개질 수소를 이용하는 고분자 전해질형 연료전지 시스템인 경우, 상기연료전지용 촉매는 분산도(Dp)가 0.1 내지 1.0의 범위인 것을, 메탄올 등의 알코올을 연료로 사용하는 직접 산화형 연료전지인 경우 상기 연료전지용 촉매는 분산도(Dp)가 0.01 내지 1.0의 범위인 것을 사용할 수 있다.
상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(3)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
〈연료전지용 촉매의 제조〉
실시예 1: 백금 촉매의 제조
반응기 내에서 염화백금산(H2PtCl6·xH2O, Pt 함량 약 38 내지 40 중량%, Aldrich) 화합물 2.5g을 증류수 14ml에 용해하여 전구체 용액을 제조하였다.
케첸 블랙 담체 1g에 전구체 용액 14ml을 첨가한 후, 통상의 인시피언트 습식(incipient wetness) 방법으로 혼합하였다.
상기 혼합물을 건조하고, 이 건조 생성물을 수소 10 부피% 및 질소 90 부피를 포함하는 분위기하 200℃에서 소성하여, 케첸 블랙 담체에 백금이 담지된 연료전지용 촉매를 제조하였다. 이 때, 상기 연료전지용 촉매는 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하여 도 2에 나타내었다.
상기 연료전지용 촉매는 분석결과, 촉매 전체 100 중량%에 대하여 담지된 백금의 함량(담지량)이 48 중량%이었고, 담체는 52 중량%이었다.
상기 백금의 평균 입경은 CuKα선을 사용한 X선 회절 스펙트럼(XRD, X-ray Diffractometer, PW1710, PHILIPS) 분석으로부터 분석한 결과 약 2.8nm임을 확인할 수 있었다. 백금의 밀도는 25℃에서 21.45g/cm3이므로, 상기 X선 회절 스펙트럼(XRD)으로부터 얻어진 백금의 평균 입경과 상기 백금의 밀도로부터, 일반식 2-1로 계산된 촉매의 비표면적(X)는 99.9m2/g 이었다.
또한, 백금의 입경이 10nm인 경우, 상기 백금의 입경과 상기 백금의 밀도로부터, 일반식 2-1로 계산된 백금의 비표면적(X10)은 28.0m2/g이고, 백금의 입경이 1nm인 경우, 상기 백금의 입경과 상기 백금의 밀도로부터 계산된 촉매의 비표면적(X1)은 279.7m2/g이었다.
한편, 상기 연료전지용 촉매를 구성하는 활성금속의 비표면적(B)을 알아보기 위하여, 담체로 사용한 케첸 블랙(i) 및 이 담체에 담지시켜 제조한 촉매(ii)의 질소 등온 흡착 및 탈착 실험을 실시하여, 그 질소 흡착-탈착 등온선 결과(★ 및 ●는 흡착, ☆ 및 ○는 탈착)를 도 5에 나타내었다. 이 결과와 BET식(Brunauer-Emmett-Teller)을 이용하여 계산된 담체로 사용한 케첸 블랙의 표면적 Bo는 876m2/g이었고, 48 중량% 활성금속이 담지된 후의 담체의 표면적(B1)은 361m2/g 이었다. 이로써 일반식 2-2로부터 계산된 연료전지용 촉매의 비표면적(B)은 94.5m2/g이 되었다.
이로써, 실시예 1에 따른 연료전지용 촉매의 일반식 1로 계산된 분산도(Dp)는 0.347 인 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1에 따라 제조된 촉매의 X, X10, X1, B 및 Dp를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2: 백금 촉매의 제조
반응기 내에서 염화백금산(H2PtCl6·xH2O, Pt 함량 약 38 내지 40 중량%, Aldrich) 2.5g을 증류수 14ml에 용해하여 전구체 용액을 제조하였다.
케첸 블랙 담체 1g에 상기 전구체 용액 14ml을 첨가한 후, 통상의 인시피언트 습식(incipient wetness) 방법으로 혼합하였다.
상기 혼합물을 건조하고, 이 건조 생성물을 수소 10 부피% 및 질소 90 부피를 포함하는 분위기하 400℃에서 소성하여, 케첸 블랙 담체에 백금이 담지된 연료전지용 촉매를 제조하였다.
상기 연료전지용 촉매는 분석결과, 촉매 전체 100 중량%에 대하여 백금의 함량(담지량)이 48 중량%이었고, 담체는 52 중량%이었다
상기 백금의 평균 입경은 CuKα선을 사용한 X선 회절 스펙트럼(XRD, X-ray Diffractometer, PW1710, PHILIPS) 분석으로부터 분석한 결과 약 4.8nm임을 확인할 수 있었다. 백금의 밀도는 25℃에서 21.45g/cm3이므로, 상기 X선 회절 스펙트럼(XRD)으로부터 얻어진 백금의 평균 입경과 상기 백금의 밀도로부터, 일반식 2-1로 계산된 촉매의 비표면적(X)는 58.3m2/g이었다.
또한, 백금의 입경이 10 nm인 경우, 상기 백금의 입경과 상기 백금의 밀도로부터, 일반식 2-1로 계산된 백금의 비표면적(X10)은 28.0m2/g인 것을 확인할 수 있었고, 백금의 입경이 1 nm인 경우, 상기 백금의 입경과 상기 백금의 밀도로부터 계산된 촉매의 비표면적(X1)은 279.7m2/g인 것을 확인할 수 있었다.
한편, 상기 연료전지용 촉매를 구성하는 활성금속의 비표면적(B)은 BET방법으로 분석한 결과, 담체로 사용한 케첸 블랙의 비표면적 Bo는 876m2/g이었고, 48 중량% 활성금속이 담지된 후의 담체의 비표면적(B1)은 403m2/g 이었다. 이로써 일반식 2-2로부터 계산된 연료전지용 활성금속의 비표면적(B)은 52.5m2/g임을 확인하였다.
실시예 2에 따라 제조된 촉매의 X, X10, X1, B 및 Dp를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1: 백금 촉매의 제조
반응기 내에서 염화백금산(H2PtCl6·xH2O, Pt 함량 약 38 내지 40 중량%, Aldrich) 2.5g을 증류수 14ml에 용해하여 전구체 용액을 제조하였다.
케첸 블랙 담체 1g에 상기 전구체 용액 14ml을 첨가한 후, 통상의 인시피언트 습식(incipient wetness) 방법으로 혼합하였다.
상기 혼합물을 건조하고, 이 건조 생성물을 수소 10 부피% 및 질소 90 부피를 포함하는 분위기하 800℃에서 소성하여, 케첸 블랙 담체에 백금이 담지된 연료전지용 촉매를 제조하였다.
상기 연료전지용 촉매는 분석결과, 촉매 전체 100 중량%에 백금의 함량(담지량)이 48 중량%이었고, 담체는 52 중량%이었다.
상기 백금의 평균 입경은 CuKα선을 사용한 X선 회절 스펙트럼(XRD, X-ray Diffractometer, PW1710, PHILIPS) 분석으로부터 분석한 결과 약 8.5nm임을 확인할 수 있었다. 백금의 밀도는 25℃에서 21.45g/cm3이므로, 상기 X선 회절 스펙트럼(XRD)으로부터 얻어진 백금의 평균 입경과 상기 백금의 밀도로부터, 일반식 2-1로 계산된 촉매의 비표면적(X)는 32.9m2/g이었다.
또한, 백금의 입경이 10 nm인 경우, 상기 백금의 입경과 상기 백금의 밀도로부터, 일반식 2-1로 계산된 백금의 비표면적(X10)은 28.0m2/g인 것을 확인할 수 있었고, 백금의 입경이 1 nm인 경우, 상기 백금의 입경과 상기 백금의 밀도로부터 계산된 촉매의 비표면적(X1)은 279.7m2/g인 것을 확인할 수 있었다.
한편, 상기 연료전지용 촉매를 구성하는 활성금속의 비표면적(B)은 BET 방법으로 분석한 결과, 담체로 사용한 케첸 블랙의 비표면적 Bo는 876m2/g이었고, 48중량% 활성금속이 담지된 후의 담체의 비표면적은 439m2/g 이었다. 이로써 일반식 2-2로부터 계산된 연료전지용 촉매의 비표면적(B)은 16.5m2/g임을 확인하였다.
비교예 1에 따라 제조된 촉매의 X, X10, X1, B 및 Dp를 하기 표 1에 나타내었다.
X(m2/g) X10(m2/g) X1(m2/g) B(m2/g) Dp
실시예 1 99.9 28 280 94.5 0.347
실시예 2 58.3 28 280 52.5 0.108
비교예 1 32.9 28 280 16.5 0.005
실시예 3: 백금-코발트 합금 촉매의 제조
반응기 내에서 염화백금산(H2PtCl6·xH2O, Pt 함량 약 38 내지 40 중량%, Aldrich) 2.5g을 증류수 14ml에 용해하여 전구체 용액을 제조하였다.
케첸 블랙 담체 1g에 상기 전구체 용액 14ml을 첨가한 후, 통상의 인시피언트 습식(incipient wetness) 방법으로 혼합하였다.
상기 혼합물을 건조하고, 이 건조 생성물을 수소 10 부피% 및 질소 90 부피를 포함하는 분위기하 200℃에서 소성하여, 케첸 블랙 담체에 백금이 담지된 생성물을 얻었다.
코발트 전구체인 Co(NO3)2·6H2O을 10ml 증류수에 첨가하여 코발트 용액을 제조한 후, 상기 생성물을 상기 코발트 용액에 인시피언트-습식방법으로 침지하였다. 이때, 백금:코발트=3:1 몰비가 되도록 하였다.
상기 혼합물을 건조하고, 이 건조 생성물을 수소 10 부피% 및 질소 90 부피를 포함하는 분위기하 500℃에서 소성하여 백금-코발트 합금의 연료전지용 촉매를 제조하였다.
제조된 연료전지용 촉매를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하여 도 3에 나타내었다.
상기 연료전지용 촉매는 촉매 전체 100 중량%에 대하여 백금-코발트 합금의 함량(담지량)이 51.2 중량%이었고, 담체의 함량은 49.8 중량%이었다. 또한, 상기 백금-코발트 합금의 평균 입경은 CuKα선을 사용한 X선 회절 스펙트럼(XRD) 분석으로부터 확인 한 결과, 약 4.5nm였다. 백금의 밀도는 25℃에서 21.45g/cm3이므로, 상기 X선 회절 스펙트럼(XRD)으로부터 얻어진 백금-코발트 합금의 평균 입경과 상기 백금의 밀도로부터, 일반식 2-1로 계산된 촉매의 비표면적(X)은 62.2m2/g이었다. 백금-코발트 합금의 경우, 촉매 활성 반응에 백금만 참여하기에 백금의 밀도로부터 비표면적을 계산하였다.
한편, 상기 연료전지용 촉매의 또다른 비표면적 (B)는 BET방법으로 분석하였다. 담체로 사용한 케첸 블랙의 표면적 Bo는 876m2/g이었고, 51.2 중량%의 활성금속이 담지된 후의 담체의 표면적(B1)은 362m2/g이었다. 이로써 일반식 2-2로부터 계산된 연료전지용 활성금속의 비표면적(B)은 65.5m2/g이었다.
이로써, 실시예 3에 따른 연료전지용 촉매의 일반식 1로 계산된 분산도(Dp)는 0.178인 것을 확인할 수 있었다.
실시예 4: 백금-루테늄 합금 촉매의 제조
반응기 내에서 염화백금산(H2PtCl6·xH2O, Pt 함량 약 38 내지 40 중량%, Aldrich) 화합물 2.5g과 염화루테늄(루테늄 함량 약 10 중량%) 화합물 5.18g을 증류수 150ml에 용해하였다.
상기 용액에 상용 카본담체인 케첸 블랙(Ketjen black) 담체를 첨가하고, 혼합하여, 슬러리를 제조하였다.
상기 슬러리의 pH를 NH4OH를 첨가해 12.0로 유지하면서, 에틸렌 글라이콜(EG) 150ml를 첨가하고, 환류하였다.
상기 환류 생성물을 건조하고, 이 건조 생성물을 수소 10 부피% 및 질소 90 부피를 포함하는 분위기하 200℃에서 소성하여 담체에 담지된 백금-루테늄(PtRu/C) 합금촉매를 제조하였다.
제조된 연료전지용 촉매를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하여 도 4에 나타내었다.
상기 연료전지용 촉매는 촉매 100 중량%에 대하여 백금-루테늄 합금의 담지량이 53.2 중량%이었고, 담체의 함량은 47.8 중량%이었다. 또한, 상기 백금-루테늄 합금의 평균 입경은 CuKα선을 사용한 X선 회절 스펙트럼(XRD) 분석으로부터 확인 한 결과 평균 입경은 3.7nm였다. 백금-루테늄 합금의 밀도는 25℃에서 17.51g/cm3이므로, 상기 X선 회절 스펙트럼(XRD)으로부터 얻어진 백금-루테늄 합금의 평균 입경과 상기 백금-루테늄 합금의 밀도로부터, 일반식 2-1로 계산된 촉매의 비표면적(X)은 92.6m2/g이었다.
한편, 상기 연료전지용 촉매의 또다른 비표면적(B)는 BET 방법으로 분석하였다. 담체로 사용한 케첸 블랙의 비표면적 Bo는 876m2/g이었고, 53.2 중량% 활성금속이 담지된 후의 담체의 비표면적(B1)은 334m2/g 이었다. 이로써 일반식 2-2로부터 계산된 연료전지용 촉매의 비표면적(B)은 76.0m2/g이 되었다.
이로써, 실시예 4에 따른 연료전지용 촉매의 일반식 1로 계산된 분산도(Dp)는 0.214인 것을 확인할 수 있었다.
〈연료전지의 제조〉
실시예 5
상기 실시예 1에서 제조된 촉매를 물과 이소프로필알코올의 혼합용매(50 : 50 부피비)에 90 : 10 중량비로 첨가한 다음, 상기 혼합물 100 중량부에 대하여, 나피온 용액(Nafion 1100 EW, Dupont 사제) 37 중량부를 넣고 혼합하였다.
상기 혼합물에 초음파를 인가하여 균일하게 교반하여 캐소드 촉매 조성물을 제조하였다.
상기 실시예 4에서 제조된 촉매(PtRu/C: Pt-Ru 담지량: 53.2 wt%) 촉매를 사용한 것을 제외하고는 상기 캐소드 촉매 조성물 제조 방법과 동일하게 실시하여, 애노드 촉매 조성물을 제조하였다.
상기 캐소드 촉매 조성물 및 애노드 촉매 조성물을 각각 전사 필름 위에 닥터 블레이드 코팅을 하여 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층을 형성하였다. 이어서, 나피온 고분자 전해질 막(듀폰사제 Nafion 115)에 상기 전사 필름 위에 형성된 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층이 접하도록 위치시킨 후, 고온 및 고압(150℃ 및 20 기압) 하에서, 상기 고분자 전해질 막에 전사시켜, 고분자 전해질 막의 표면에 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층을 형성시켰다.
상기 고분자 전해질 막 표면에 접하지 않는 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층에 테플론 처리된 카본 페이퍼 기재(애노드 전극/캐소드 전극: SGL 35BC/35BC SGL carbon group 제품)를 전극 기재(기체확산층(GDL))로 형성하여, 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
제조된 막-전극 어셈블리에서, 캐소드 전극 촉매층의 캐소드 전극 촉매 로딩량은 0.25 mg/cm2이 되게 하였고, 애노드 전극 촉매층의 애노드 전극 촉매의 로딩량은 0.35 mg/cm2이 되게 하였다.
상기 제조된 막-전극 어셈블리를 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후, 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 제조된 촉매를 대신하여 상기 실시예 3에서 제조된 촉매를 캐소드 촉매로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 단전지를 제조하였다
비교예 2
상기 실시예 1에서 제조된 촉매를 대신하여 상기 비교예 1에서 제조된 촉매를 캐소드 촉매로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 단전지를 제조하였다.
상기 실시예 5 및 6과, 비교예 2에 따라 제조된 단전지의 OCV(open circuit voltage) 및 출력 밀도를 60℃에서 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
이때, 연료로는 H2 가스를 사용하고, 산화제로는 공기를 사용하였다.
(캐소드 및 애노드 각각 상대습도 80%, 가습 조건)
캐소드 촉매의 분산도(Dp) OCV (open circuit voltage) 출력 밀도(mW/cm2)
0.7V Max
실시예 5 0.347 985 582 856
실시예 6 0.178 991 612 812
비교예 2 0.005 986 324 614
상기 표 2에 나타낸 것과 같이, 실시예 5 및 6의 연료전지는 OCV는 비교예 2와 유사하나, 출력 밀도가 0.7V 및 최대(Max)에서 비교예 1에 비하여 월등하게 우수함을 알 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 연료전지시스템 3: 전기 발생부
5: 연료 공급부 7: 산화제 공급부
9: 연료 탱크 11: 연료 펌프
13: 산화제 펌프15: 스택
17: 막-전극 어셈블리 19, 19': 세퍼레이터

Claims (14)

  1. 담체 및 상기 담체에 분산 담지된 활성금속을 포함하고,
    하기 일반식 1로 표시되는 분산도(Dp)가 0.01 내지 1.0 범위인 것인
    연료전지용 촉매.
    [일반식 1]
    분산도(Dp)={(X-X10)/(X1-B)}*(B/X)2
    (상기 일반식 1에서
    X는 CuKα선을 사용한 X선 회절 스펙트럼(XRD)으로부터 얻어진 활성금속의 평균입경 및 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(m2/g)을 나타내는 것이고,
    X10은 활성금속의 입경이 10 nm인 경우, 상기 활성금속의 입경과 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(m2/g)을 나타내는 것이고,
    X1은 활성금속의 입경이 1 nm인 경우, 상기 활성금속의 입경과 활성금속의 밀도로부터 계산된 활성금속의 비표면적(m2/g)을 나타내는 것이고,
    B는 BET(Brunauer, Emmett, Teller) 비표면적 분석법으로부터 얻어진 연료전지용 촉매의 비표면적으로부터 계산된 활성금속의 비표면적(m2/g)을 나타내는 것이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 촉매는 직접 산화형 연료전지용 촉매인 연료전지용 촉매.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료전지용 촉매는 캐소드 촉매인 연료전지용 촉매.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 촉매는 고분자 전해질형 연료전지용 촉매이고,
    상기 분산도(Dp)는 0.1 내지 1.0 범위인 연료전지용 촉매.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지용 촉매는 캐소드 촉매인 연료전지용 촉매.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 촉매는 고분자 전해질형 연료전지용 애노드 촉매이고,
    상기 분산도(Dp)는 0.2 내지 1.0 범위인 연료전지용 촉매.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 담체는 탄소계 물질, 무기물 미립자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 촉매.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 담체는 BET 분석으로부터 얻어진 비표면적이 50 내지 3000m2/g 범위인 것인 연료전지용 촉매.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 활성금속은 백금계 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 촉매.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 활성금속은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 촉매.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 활성금속은 1 내지 10nm 범위의 평균입경을 가지는 것인 연료전지용 촉매.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 활성금속의 함량은 상기 촉매 전체 100 중량%에 대하여 5 내지 95 중량%인 연료전지용 촉매.
  13. 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극; 및
    상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 캐소드 전극은 캐소드 전극 기재와 캐소드 촉매층을 포함하고, 상기 애노드 전극은 애노드 전극 기재와 애노드 촉매층을 포함하고,
    상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중에서 선택되는 하나 이상의 촉매층은 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 촉매를 포함하는 것인
    연료전지용 막-전극 어셈블리.
  14. 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하고,
    상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 캐소드 전극과 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 캐소드 전극은 캐소드 전극 기재와 캐소드 촉매층을 포함하고, 상기 애노드 전극은 애노드 전극 기재와 애노드 촉매층을 포함하고,
    상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중에서 선택되는 하나 이상의 촉매층은 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 촉매를 포함하는 것인
    연료전지 시스템.
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