KR20130060119A - Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same - Google Patents

Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same Download PDF

Info

Publication number
KR20130060119A
KR20130060119A KR1020120123746A KR20120123746A KR20130060119A KR 20130060119 A KR20130060119 A KR 20130060119A KR 1020120123746 A KR1020120123746 A KR 1020120123746A KR 20120123746 A KR20120123746 A KR 20120123746A KR 20130060119 A KR20130060119 A KR 20130060119A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
group
metal
fuel cell
catalyst
electrode catalyst
Prior art date
Application number
KR1020120123746A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
진선아
박찬호
유대종
이강희
Original Assignee
삼성전자주식회사
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사, 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to EP12194626.3A priority Critical patent/EP2600451A3/en
Priority to US13/688,426 priority patent/US20130137009A1/en
Publication of KR20130060119A publication Critical patent/KR20130060119A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9041Metals or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/921Alloys or mixtures with metallic elements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/925Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

PURPOSE: An electrode catalyst for a fuel cell is provided to provide a battery with a long lifetime by having excellent oxidation activity and catalyst activity. CONSTITUTION: An electrode catalyst for fuel cells comprises an alloy particle including group 8 and group 9 metals. A manufacturing method of the electrode catalyst comprises a step of preparing a mixture including a group 8 metal precursor and group 9 metal precursor; and a step of reducing the group 8 metal precursor and group 9 metal precursor to obtain an electrode catalyst including the alloy particles of group 8 and group 9 metals. The group 8 metal includes one or more of Fe, Ru, and Os. The group 9 metal includes one or more of Co, Rh, and Ir.

Description

연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지{Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same}Technical Field [0001] The present invention relates to an electrode catalyst for a fuel cell, a method for producing the same, a membrane electrode assembly including the electrode catalyst and a fuel cell,

연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함한 연료 전지가 제시된다.An electrode catalyst for a fuel cell, a method for producing the same, a membrane electrode assembly including the electrode catalyst, and a fuel cell including the membrane electrode assembly are disclosed.

연료전지(fuel cell)는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전형 전지로서, 일반 배터리와 달리 외부로부터 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 여러 단계를 거치는 동안 효율의 손실이 발생하는 기존의 발전 방식과는 달리 바로 전기를 만들 수 있어서 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다.A fuel cell is a power generation type cell that converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen directly into electrical energy. Unlike a conventional battery, a fuel cell can produce electricity continuously as long as hydrogen and oxygen are supplied from the outside. Unlike conventional power generation systems, which can produce electricity at a loss of efficiency over a long period of time, the efficiency is twice as high as that of an internal combustion engine.

연료전지는 사용되는 전해질 및 사용되는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올 연료공급방식(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC), 인산 방식(PAFC), 용융탄산염 방식(MCFC), 고체 산화물 방식(SOFC) 등으로 구분 가능하다.The fuel cell can be classified into a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC) (MCFC), and solid oxide (SOFC).

고분자 전해질형 연료전지 및 직접메탄올 연료전지는 통상적으로 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)로 구성된다. 연료전지의 애노드 전극에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드 전극에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다.The polymer electrolyte fuel cell and the direct methanol fuel cell are generally composed of a membrane-electrode assembly (MEA) including an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The anode electrode of the fuel cell is provided with a catalyst layer for promoting the oxidation of the fuel, and the cathode electrode is provided with a catalyst layer for promoting the reduction of the oxidant.

통상 애노드 및 캐소드의 구성 요소로서 백금(Pt)을 활성 성분으로 하는 촉매가 주로 이용되고 있으나 백금계 촉매는 고가의 귀금속으로 실제 상업적으로 실행 가능한 연료전지의 대량생산을 위해서는 전극 촉매에 사용되는 백금의 요구량은 여전히 많아 시스템의 비용절감이 필요하게 되고 있다. Catalysts containing platinum (Pt) as an active ingredient are generally used as constituent elements of anodes and cathodes. However, platinum catalysts are expensive noble metals, and in order to mass-produce commercially viable fuel cells, platinum The demand is still large and the cost of the system is required to be reduced.

따라서 백금 사용량을 감소시킬 수 있으면서, 우수산 전지성능을 제공할 수 있는 전극 촉매의 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop an electrode catalyst capable of reducing the amount of platinum and capable of providing excellent acid battery performance.

우수한 촉매 활성 및 장수명 전지를 제공할 수 있는 연료 전지용 전극 촉매 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is to provide an electrode catalyst for a fuel cell and a method for producing the same that can provide excellent catalyst activity and a long life battery.

상기 전극 촉매를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지를 제공하는 것이다.A membrane electrode assembly including the electrode catalyst, and a fuel cell.

일 측면에 따르면, 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한, 연료 전지용 전극 촉매가 제공된다.According to one aspect, there is provided an electrode catalyst for a fuel cell, including alloy particles comprising a Group 8 metal and a Group 9 metal.

상기 8족 금속은 철(Fe), 루테늄(Ru) 및 오스뮴(Os) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The Group 8 metal may include one or more of iron (Fe), ruthenium (Ru), and osmium (Os).

상기 9족 금속은 코발트(Co), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The Group 9 metal may include one or more of cobalt (Co), rhodium (Rh), and iridium (Ir).

상기 8족 금속의 함량은 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 92원자%일 수 있다. The content of the Group 8 metal may be 8 atomic% to 92 atomic% per 100 atomic% of the alloy particles.

상기 9족 금속의 함량은 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 90원자%일 수 있다. The content of the Group 9 metal may be 8 atomic% to 90 atomic% per 100 atomic% of the alloy particles.

상기 합금 입자는 코어-쉘 구조를 갖고, 상기 코어는 상기 8족 금속을 포함하고 상기 9족 금속을 비포함하고, 상기 쉘은 상기 9족 금속을 포함하거나, 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속을 포함할 수 있다.The alloy particles have a core-shell structure, the core includes the Group 8 metal and does not include the Group 9 metal, and the shell includes the Group 9 metal, or the Group 8 metal and the Group 9 metal. It may include.

상기 8족 금속은 루테늄이고, 상기 9족 원소는 이리듐일 수 있다. The Group 8 metal may be ruthenium, and the Group 9 element may be iridium.

상기 합금 입자는 루테늄 및 이리듐으로 이루어져 있고, 상기 합금 입자는 코어-쉘 구조를 갖고, 상기 코어는 상기 루테늄으로 이루어져 있고, 상기 쉘은 상기 이리듐으로 이루어져 있거나, 상기 루테늄과 이리듐의 합금으로 이루어져 있을 수 있다.The alloy particles are made of ruthenium and iridium, the alloy particles have a core-shell structure, the core is made of the ruthenium, the shell is made of the iridium, or may be made of an alloy of ruthenium and iridium. have.

상기 연료 전지용 전극 촉매는, 탄소계 담체를 더 포함하고, 상기 탄소계 담체에 상기 합금 입자가 담지되어 있을 수 있다.The fuel cell electrode catalyst may further include a carbon-based carrier, and the alloy particles may be supported on the carbon-based carrier.

다른 측면에 따르면, 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 포함한 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 혼합물 중 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 환원시켜 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한 연료 전지용 전극 촉매를 제공하는 단계;를 포함한 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법이 제공된다.According to another aspect, there is provided a method comprising: providing a mixture comprising a Group 8 metal precursor and a Group 9 metal precursor; And reducing the Group 8 metal precursors and the Group 9 metal precursors in the mixture to provide an electrode catalyst for a fuel cell including alloy particles including Group 8 metals and Group 9 metals. .

상기 전극 촉매 제조 방법 중, 상기 혼합물은 탄소계 담체를 더 포함하고, 상기 전극 촉매는 탄소계 담체를 더 포함하며, 상기 합금 입자는 상기 탄소계 담체에 담지되어 있을 수 있다. In the electrode catalyst manufacturing method, the mixture may further include a carbon-based carrier, the electrode catalyst may further include a carbon-based carrier, and the alloy particles may be supported on the carbon-based carrier.

또 다른 측면에 따르면, 캐소드; 상기 캐소드와 대향하여 위치하는 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드의 사이에 위치하는 전해질막;을 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나가, 상기 연료 전지용 전극 촉매를 포함한, 연료 전지용 막 전극 접합체가 제공된다. 여기서, 상기 전극 촉매는 상기 애노드에 포함되어 있을 수 있다. According to another aspect, there is provided a cathode comprising: a cathode; An anode positioned opposite the cathode; And an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein at least one of the cathode and the anode includes the fuel cell electrode catalyst. Here, the electrode catalyst may be included in the anode.

또 다른 측면에 따르면, 상기 막 전극 접합체를 포함한, 연료 전지가 제공된다. 여기서, 상기 전극 촉매는, 상기 애노드에 포함되어 있을 수 있다.According to another aspect, a fuel cell is provided, including the membrane electrode assembly. Here, the electrode catalyst may be included in the anode.

상기 연료 전지용 전극 촉매는 우수한 수소 산화 활성을 갖는 바, 이를 이용하면 저비용 고품위의 연료 전지를 구현할 수 있다.The electrode catalyst for the fuel cell has excellent hydrogen oxidation activity, and can be used to implement a fuel cell of low cost and high quality.

도 1은 상기 전극 촉매의 일 구현예의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 상기 연료 전지의 일 구현예를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 연료 전지를 구성하는 막-전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.
도 4는 합성예 3 및 비교합성예 2의 촉매의 X선 회절(X-Ray diffraction: XRD) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 비교합성예 1, 합성예 5, 합성예 1, 합성예 2, 합성예 4 및 비교합성예 2의 촉매의 X선 회절(X-Ray diffraction: XRD) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 합성예 2 및 3과 비교합성예 1 및 2의 EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 스펙트럼의 푸리에 변환 그래프를 나타낸 것이다.
도 7은 합성예 1 내지 4, 비교합성예 1 및 2 및 PtRu/C 촉매(commercial)를 각각 포함한 반쪽 전지(half cell)의 수소산화반응(HOR) 활성도 평가 결과이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 단위 전지의 전류 밀도-전압 그래프이다.
1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of the electrode catalyst.
2 is an exploded perspective view showing an embodiment of the fuel cell.
3 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly (MEA) constituting the fuel cell of FIG. 1.
Figure 4 shows the results of X-ray diffraction (XRD) analysis of the catalyst of Synthesis Example 3 and Comparative Synthesis Example 2.
FIG. 5 shows the results of X-ray diffraction (XRD) analysis of the catalysts of Comparative Synthesis Example 1, Synthesis Example 5, Synthesis Example 1, Synthesis Example 2, Synthesis Example 4, and Comparative Synthesis Example 2.
FIG. 6 shows Fourier transform graphs of EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) spectra of Synthesis Examples 2 and 3 and Comparative Synthesis Examples 1 and 2. FIG.
FIG. 7 shows the results of evaluating the hydrogen oxidation (HOR) activity of half cells containing Synthesis Examples 1 to 4, Comparative Synthesis Examples 1 and 2, and PtRu / C catalysts.
8 is a current density-voltage graph of the unit cells of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. FIG.

상기 연료 전지용 전극 촉매(이하, "전극 촉매"라고도 함)는, 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한다. The fuel cell electrode catalyst (hereinafter also referred to as "electrode catalyst") contains alloy particles containing a Group 8 metal and a Group 9 metal.

상기 "합금 입자"의 단위 격자 내에는 8족 금속의 원자와 9족 금속의 원자가 함께 존재하므로, 상기 "8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자"는 8족 금속 입자와 9족 금속 입자의 혼합물과는 완전히 구분되는 것이다. 8족 금속 입자와 9족 금속 입자의 혼합물은 하나의 단위 격자 내에 8족 금속 원자 또는 9족 금속 원자가 존재한다.Since the atoms of Group 8 metals and atoms of Group 9 metals are present together in the unit lattice of the "alloy particles", the "alloy particles including Group 8 metals and Group 9 metals" are made of Group 8 metal particles and Group 9 metal particles. It is completely distinct from the mixture. The mixture of Group 8 metal particles and Group 9 metal particles has Group 8 metal atoms or Group 9 metal atoms in one unit lattice.

한편, 상기 "합금 입자"는 무정형의 입자인 바, 복수개의 "합금 입자"는 서로 개별적으로 떨어져서 소정의 기재(support)에 분산되어 존재할 수 있으며, 이는 상기 8족 금속 및 9족 금속으로 이루어진 층과는 구분되는 것이다. 무정형의 입자 형태를 갖는 상기 "8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자"는, 8족 금속 및 9족 금속으로 이루어진 층에 비하여, 전기화학 반응의 대상이 되는 각종 기체 및/또는 액체와 접촉할 수 있는 비표면적이 대단히 크므로, 촉매, 예를 들면, 연료 전지용 전극 촉매로 유용하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 상기 "합금 입자"는 후술될 탄소계 담체에 담지되어 분산되어 있을 수 있다.On the other hand, the "alloy particles" are amorphous particles, a plurality of "alloy particles" may be separated from each other and dispersed in a predetermined support (support), which is a layer consisting of the Group 8 metal and Group 9 metal Is distinct from. The "alloy particles including Group 8 metals and Group 9 metals" having an amorphous particle form are in contact with various gases and / or liquids that are subject to electrochemical reactions, as compared with layers made of Group 8 metals and Group 9 metals. Since the specific surface area which can be made is very large, it can be usefully applied as a catalyst, for example, an electrode catalyst for fuel cells. For example, the plurality of “alloy particles” may be supported and dispersed on a carbon-based carrier to be described later.

상기 8족 금속은 철(Fe), 루테늄(Ru) 및 오스뮴(Os) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 8족 금속은 루테늄일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The Group 8 metal may include one or more of iron (Fe), ruthenium (Ru), and osmium (Os). For example, the Group 8 metal may be ruthenium, but is not limited thereto.

상기 9족 금속은 코발트(Co), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 9족 금속은 이리듐일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The Group 9 metal may include one or more of cobalt (Co), rhodium (Rh), and iridium (Ir). For example, the Group 9 metal may be iridium, but is not limited thereto.

상기 8족 금속의 함량은 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 92원자%, 예를 들면, 20원자% 내지 90원자%일 수 있다. 한편, 상기 9족 금속의 함량은 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 90원자%, 예를 들면, 10원자% 내지 80원자%일 수 있다. 상기 8족 금속 및 9족 금속의 함량이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 상기 전극 촉매를 채용한 전극은 우수한 수소 산화 반응 성능을 가질 수 있다.The content of the Group 8 metal may be 8 atomic% to 92 atomic%, for example, 20 atomic% to 90 atomic% per 100 atomic% of the alloy particles. On the other hand, the content of the Group 9 metal may be 8 atomic% to 90 atomic%, for example, 10 atomic% to 80 atomic% per 100 atomic% of the alloy particles. When the content of the Group 8 metal and the Group 9 metal satisfy the above range, the electrode employing the electrode catalyst may have excellent hydrogen oxidation performance.

상기 합금 입자는 코어-쉘 구조를 가질 수 있으며, 상기 코어-쉘 구조는 도 1을 참조할 수 있다. 도 1은 합금 입자(50)의 단면을 개략적으로 나타낸 것으로서, 상기 합금 입자(50)는 코어(51) 및 상기 코어(51) 표면의 일부 이상을 덮는 쉘(53)을 포함한다. 상기 쉘(53)은 상기 코어(51) 표면 전체를 덮는 연속적인 층이거나, 상기 코어(51) 표면의 일부를 덮는 불연속적인 층일 수 있다.The alloy particles may have a core-shell structure, and the core-shell structure may refer to FIG. 1. 1 schematically shows a cross section of an alloy particle 50, wherein the alloy particle 50 includes a core 51 and a shell 53 covering at least a portion of the surface of the core 51. The shell 53 may be a continuous layer covering the entire surface of the core 51 or a discontinuous layer covering a part of the surface of the core 51.

상기 코어(51)는 상기 8족 금속을 포함하되, 상기 9족 금속을 비포함할 수 있다. 한편, 상기 쉘(53)은 상기 9족 금속을 포함하거나, 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속을 포함할 수 있다.The core 51 may include the Group 8 metal, but may not include the Group 9 metal. The shell 53 may include the Group 9 metal, or may include the Group 8 metal and the Group 9 metal.

도 1의 합금 입자(50) 구조는 후술하는 바와 같은 EXAFS(Extended X-ray Absoprtion Fine Structure) 분석에 의하여 확인할 수 있다.The structure of the alloy particles 50 of FIG. 1 may be confirmed by an extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) analysis as described below.

일 구현예에 따르면, 상기 8족 금속은 루테늄이고, 상기 9족 원소가 이리듐일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment, the Group 8 metal is ruthenium, the Group 9 element may be iridium, but is not limited thereto.

상기 전극 촉매 중 합금 입자는 8족 금속 및 상기 9족 금속의 합금으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 합금 입자의 조성은 하기 일반식 1로 표시될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다:The alloy particles in the electrode catalyst may be made of an alloy of a Group 8 metal and the Group 9 metal. For example, the composition of the alloy particles may be represented by the following general formula 1, but is not limited thereto:

<일반식 1>&Lt; General Formula 1 &

IrxRuy Ir x Ru y

일반식 1 중, x 및 y는 서로 독립적으로 1 내지 10의 실수이고, x/y는 Ir/Ru의 원자비를 나타낸다.In General formula 1, x and y are the real numbers of 1-10 independently from each other, and x / y represents the atomic ratio of Ir / Ru.

예를 들어, 상기 일반식 1 중, 1≤x≤8이고, 1≤y≤9.7일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, in Formula 1, 1 ≦ x ≦ 8 and 1 ≦ y ≦ 9.7, but are not limited thereto.

또 다른 예로서, 상기 일반식 1 중, 1≤x≤4이고, 1≤y≤9.5일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As another example, in Formula 1, 1 ≦ x ≦ 4 and 1 ≦ y ≦ 9.5, but are not limited thereto.

또 다른 예로서, 상기 일반식 1 중 1≤x≤8이고, 1≤y≤9일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As another example, 1 ≦ x ≦ 8 and 1 ≦ y ≦ 9 in Formula 1, but are not limited thereto.

또 다른 예로서, 상기 일반식 1 중 1≤x≤1.2이고, 1≤y≤9일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As another example, 1 ≦ x ≦ 1.2 in Formula 1 and 1 ≦ y ≦ 9, but embodiments are not limited thereto.

또 다른 예로서, 상기 일반식 1 중 1≤x≤5이고, 1≤y≤2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As another example, 1 ≦ x ≦ 5 and 1 ≦ y ≦ 2 in Formula 1, but are not limited thereto.

일 구현예에 따르면 상기 도 1의 합금 입자(50)는 루테늄 및 이리듐으로 이루어져 있되, 코어(51)은 루테늄으로 이루어져 있고, 쉘(53)은 이리듐으로 이루어져 있거나, 상기 루테늄과 이리듐의 합금으로 이루어져 있을 수 있다.According to one embodiment, the alloy particles 50 of FIG. 1 are made of ruthenium and iridium, the core 51 is made of ruthenium, and the shell 53 is made of iridium or an alloy of ruthenium and iridium. There may be.

상기 합금 입자는, 상기 8족 금속 및 9족 금속 외에, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐(W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있는데, 이들은 상기 8족 금속 및 9족 금속과 합금화되어 존재할 수 있다.The alloy particles may be nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), tungsten (W), in addition to the Group 8 metals and Group 9 metals. , Vanadium (V), niobium (Nb), molybdenum (Mo), and hafnium (Hf) may be further included, and they may be present in an alloy with the Group 8 and Group 9 metals.

한편, 상기 전극 촉매는 상술한 바와 같은 합금 입자 외에, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐(W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있는데, 이들은 상기 합금 입자 표면의 일부 이상에 존재하는 코팅층에 존재하거나, 상기 합금 입자와 물리적으로 혼합되어 있는 입자 등의 형태로 존재할 수 있는 등 다양한 변형이 가능하다.On the other hand, the electrode catalyst, in addition to the alloy particles as described above, nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), tungsten (W), It may further comprise one or more of vanadium (V), niobium (Nb), molybdenum (Mo) and hafnium (Hf), which are present in the coating layer present on at least part of the surface of the alloy particles, or the alloy Various modifications are possible, such as being present in the form of particles that are physically mixed with the particles.

상기 합금 입자의 평균 입경은 0.5nm 내지 30nm일 수 있다. 상기 합금 입자의 평균 입경이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 상기 전극 촉매를 포함한 전극은 우수한 수소 산화 반응 성능을 가질 수 있다.The average particle diameter of the alloy particles may be 0.5nm to 30nm. When the average particle diameter of the alloy particles satisfies the above range, the electrode including the electrode catalyst may have excellent hydrogen oxidation performance.

상기 전극 촉매는 상술한 바와 같은 합금 입자 외에, 탄소계 담체를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 촉매가 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 합금 입자는 상기 탄소계 담체에 담지되어 있을 수 있다.The electrode catalyst may further include a carbon-based carrier in addition to the alloy particles as described above. When the electrode catalyst further includes a carbon-based carrier, the alloy particles may be supported on the carbon-based carrier.

상기 탄소계 담체는 전기 전도성 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소계 담체로는, 케첸블랙, 카본블랙, 그래파이트카본, 카본 나노튜브(carbon nanotube), 카본 파이버(carbon fiber), 중형 다공성 탄소 (mesoporous carbon), 그래핀(graphene) 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되지 아니하며, 이들을 단독으로 사용하거나 2 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.The carbon-based carrier may be selected from electrically conductive materials. For example, the carbonaceous carrier may include ketjen black, carbon black, graphite carbon, carbon nanotubes, carbon fibers, mesoporous carbon, graphene, and the like. Although it can be used, it is not limited to these, It is also possible to use these individually or in mixture of 2 or more.

상기 전극 촉매가 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 합금 입자의 함량은 상기 탄소계 담체를 포함한 전극 촉매 100중량부 당 10중량부 내지 80중량부, 예를 들면, 40중량부 내지 60중량부일 수 있다. 상기 합금 입자와 상기 탄소계 담체의 비율이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 우수한 전극 촉매 입자의 비표면적 및 높은 담지량을 달성할 수 있다.When the electrode catalyst further comprises a carbon-based carrier, the content of the alloy particles is 10 parts by weight to 80 parts by weight, for example, 40 parts by weight to 60 parts by weight per 100 parts by weight of the electrode catalyst including the carbon-based support. Can be. When the ratio of the alloy particles and the carbon-based carrier satisfies the range as described above, it is possible to achieve a specific surface area and a high supporting amount of the excellent electrode catalyst particles.

상기 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing the electrode catalyst for a fuel cell will be described in detail.

먼저, 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 포함한 혼합물을 제공한다. 상기 전극 촉매의 합금 입자가 8족 금속으로서 2종 이상의 서로 다른 금속을 포함할 경우, 2종 이상의 서로 다른 8족 금속 전구체가 사용될 수 있다. First, a mixture comprising a Group 8 metal precursor and a Group 9 metal precursor is provided. When the alloy particles of the electrode catalyst include two or more different metals as Group 8 metals, two or more different Group 8 metal precursors may be used.

상기 8족 금속 전구체는, 상술한 바와 같은 8족 금속을 포함한 염화물, 질화물, 시안화물, 황화물, 브롬화염, 질산염, 아세테이트, 황산염, 옥시드(oxides), 수산화물 및 알콕시드(alkoxide) 중 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.The Group 8 metal precursor is one of chlorides, nitrides, cyanides, sulfides, bromates, nitrates, acetates, sulfates, oxides, hydroxides and alkoxides containing the Group 8 metals as described above. It may contain the above compounds.

예를 들어, 상기 8족 금속이 루테늄을 포함할 경우, 상기 루테늄 전구체는, 루테늄 질화물(ruthnium nitride), 루테늄 염화물(ruthnium chloride), 루테늄 황화물(ruthnium sulfide), 루테늄 아세테이트(ruthnium acetate), 루테늄 아세틸아세토네이트(ruthnium acetylacetonate), 루테늄 시안화물(ruthnium cyanate), 루테늄 이소프로필옥사이드(ruthnium isopropyl oxide) 및 루테늄 부톡사이드(ruthnium butoxide) 중 1종 이상의 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, when the Group 8 metal includes ruthenium, the ruthenium precursor is ruthenium nitride, ruthenium chloride, ruthenium sulfide, ruthenium acetate, ruthenium acetyl It may be one or more compounds of acetonate (ruthnium acetylacetonate), ruthenium cyanate, ruthenium isopropyl oxide, and ruthenium butoxide, but are not limited thereto.

상기 9족 금속 전구체는, 상술한 바와 같은 9족 금속을 포함한 염화물, 질화물, 시안화물, 황화물, 브롬화염, 질산염, 아세테이트, 황산염, 옥시드(oxides), 수산화물 및 알콕시드(alkoxide) 중 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.The Group 9 metal precursor is one of chlorides, nitrides, cyanides, sulfides, bromates, nitrates, acetates, sulfates, oxides, hydroxides and alkoxides containing the Group 9 metals as described above. It may contain the above compounds.

예를 들어, 상기 9족 금속이 이리듐을 포함할 경우, 상기 이리듐 전구체는, 이리듐 질화물(iridium nitride), 이리듐 염화물(iridium chloride), 이리듐 황화물(iridium sulfide), 이리듐 아세테이트(iridium acetate), 이리듐 아세틸아세토네이트(iridium acetylacetonate), 이리듐 시안화물(iridium cyanate), 이리듐 이소프로필옥사이드(iridium isopropyl oxide) 및 이리듐 부톡사이드(iridium butoxide) 중 1종 이상의 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, when the Group 9 metal includes iridium, the iridium precursor may be iridium nitride, iridium chloride, iridium sulfide, iridium acetate, iridium acetyl It may be one or more compounds of acetonate (iridium acetylacetonate), iridium cyanate, iridium isopropyl oxide and iridium butoxide, but is not limited thereto.

상기 혼합물은, 상술한 바와 같은 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체 외에, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐(W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf) 중 하나 이상의 전구체(예를 들면, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐 (W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf) 중 하나 이상의 염화물, 질화물, 시안화물, 황화물, 브롬화염, 질산염, 아세테이트, 황산염, 옥시드(oxides) 및 알콕시드(alkoxide) 중 1종 이상의 화합물)를 포함할 수 있다.The mixture is nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), in addition to the Group 8 metal precursor and Group 9 metal precursor as described above One or more precursors of stenium (W), vanadium (V), niobium (Nb), molybdenum (Mo), and hafnium (Hf) (eg, nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt)) Chlorides, nitrides of one or more of cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), tungsten (W), vanadium (V), niobium (Nb), molybdenum (Mo), and hafnium (Hf) And one or more compounds of cyanide, sulfide, bromide, nitrate, acetate, sulfate, oxides and alkoxides).

상기 혼합물은 상기 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체 외에, 탄소계 담체를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합물이 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 탄소계 담체 및 상기 탄소계 담체에 담지된 합금 입자를 포함한 전극 촉매를 수득할 수 있다.The mixture may further include a carbon-based carrier in addition to the Group 8 metal precursor and the Group 9 metal precursor. When the mixture further includes a carbon-based carrier, an electrode catalyst including the carbon-based carrier and the alloy particles supported on the carbon-based carrier may be obtained.

상기 혼합물은 상기 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체 외에, 이들을 용해시킬 수 있는 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매로는, 에틸렌글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 네오펜틸 글리콜, 디에틸렌글리콜, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 트리메틸올 프로판 등의 글리콜계 용매 또는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜(IPA), 부탄올 등의 알코올계 용매 또는 물(H2O)를 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고, 전구체를 용해시킬 수 있는 공지된 용매라면 모두 사용할 수 있다. In addition to the Group 8 metal precursor and the Group 9 metal precursor, the mixture may further include a solvent capable of dissolving them. Examples of the solvent include ethylene glycol, 1,2-propylene glycol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, neopentyl glycol, diethylene glycol, 3-methyl-1,5-pentanediol, and 1,6- Glycol solvents such as hexanediol and trimethylol propane or alcohol solvents such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol (IPA) and butanol or water (H 2 O) may be used, but not limited thereto. Any known solvent that can be used can be used.

상기 혼합물은 상기 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체가 동시에 환원되도록 하는 킬레이팅제(예를 들면, 시트릭 산, 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA) 등), pH 조절제(예를 들면, NaOH 수용액 등) 등을 더 포함할 수 있다. The mixture may include a chelating agent (eg, citric acid, ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA), etc.), a pH adjusting agent (eg, aqueous NaOH solution, etc.) to simultaneously reduce the Group 8 metal precursor and the Group 9 metal precursor. ) May be further included.

이어서, 상기 혼합물 중 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 환원시켜, 수소 산화 활성을 갖는 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한 전극 촉매를 형성한다. 여기서, 상기 혼합물이 탄소계 담체를 포함할 경우, 상기 합금 입자가 탄소계 담체에 분산되어 있는 전극 촉매를 수득할 수 있다.Subsequently, the Group 8 metal precursor and the Group 9 metal precursor in the mixture are reduced to form an electrode catalyst including alloy particles containing a Group 8 metal and a Group 9 metal having hydrogen oxidation activity. Here, when the mixture includes a carbon-based carrier, it is possible to obtain an electrode catalyst in which the alloy particles are dispersed in the carbon-based carrier.

상기 혼합물 중 전구체를 환원시키는 단계는, 상기 혼합물에 환원제를 부가함으로써 수행될 수 있다. 또는, 상기 혼합물 중 전구체를 환원시키는 단계는, 상기 혼합물을 건조(예를 들면, 감압 건조)하여 상기 전구체가 탄소계 담체에 담지된 상태의 탄소계 담체와 전구체와의 복합체를 수득한 후, 이를 불활성 또는 가스 분위기(예를 들면, 수소 분위기) 하에서 열처리(예를 들면, 전기로에서의 열처리)함으로써, 수행될 수 있다.Reducing the precursor in the mixture may be performed by adding a reducing agent to the mixture. Alternatively, in the step of reducing the precursor in the mixture, the mixture is dried (eg, dried under reduced pressure) to obtain a complex of the carbon-based carrier and the precursor in which the precursor is supported on the carbon-based carrier, and then By heat treatment (eg, heat treatment in an electric furnace) under an inert or gas atmosphere (eg hydrogen atmosphere).

상기 환원제는, 상기 혼합물에 포함된 전구체들을 환원시킬 수 있는 물질 중에서 선택될 수 있는데, 예를 들면, 환원제로는 히드라진(NH2NH2), 수소화 붕소 나트륨(NaBH4), 개미산(formic acid), 아스코빅 산 (ascomic acid) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 환원제의 함량은 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체 총합 1몰을 기준으로 하여 1 내지 3몰을 사용할 수 있는데, 상기 환원제의 함량이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 만족스러운 환원 반응을 유도할 수 있다.The reducing agent may be selected from materials capable of reducing the precursors included in the mixture. For example, the reducing agent may include hydrazine (NH 2 NH 2 ), sodium borohydride (NaBH 4 ), and formic acid. Ascorbic acid may be used, but is not limited thereto. The reducing agent may be used in an amount of 1 to 3 moles based on a total of 1 mole of the Group 8 metal precursor and the Group 9 metal precursor. When the content of the reducing agent satisfies the range as described above, a satisfactory reduction reaction is induced. can do.

한편, 상기 탄소계 담체와 전구체와의 복합체의 불활성 분위기하에서의 열처리는, 100℃ 내지 500℃, 예를 들면, 150℃ 내지 450℃의 범위의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.On the other hand, the heat treatment in an inert atmosphere of the composite of the carbon-based carrier and the precursor may be carried out at a temperature in the range of 100 ℃ to 500 ℃, for example, 150 ℃ to 450 ℃, but is not limited thereto.

또 다른 측면에 따른 연료전지용 막 전극 접합체는 서로 대향하여 위치하는 캐소드와 애노드, 및 상기 캐소드와 상기 애노드의 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지용 막 전극 접합체(MEA)로서, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나가 상술한 연료 전지용 전극 촉매를 포함한다. 예를 들어, 상기 전극 촉매는 상기 막 전극 접합체의 애노드에 포함될 수 있다.A fuel cell membrane electrode assembly according to yet another aspect is a fuel cell membrane electrode assembly (MEA) comprising a cathode and an anode positioned to face each other, and an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, wherein the cathode and the anode At least one includes the above-described electrode catalyst for fuel cell. For example, the electrode catalyst may be included in the anode of the membrane electrode assembly.

또 다른 측면에 따른 연료 전지는 상기 막 전극 접합체를 포함한다. 상기 막 전극 접합체의 양측에는 분리판이 적층되어 구비될 수 있다. 상기 막 전극 접합체는 캐소드와 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드의 사이에 위치하는 전해질막을 구비하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나는 상술한 전극 촉매를 포함한다. 상기 전극 촉매는 상기 연료 전지의 애노드에 포함될 수 있다.A fuel cell according to another aspect includes the membrane electrode assembly. Separation plates may be provided on both sides of the membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly includes a cathode and an anode, and an electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode, and at least one of the cathode and the anode includes the electrode catalyst described above. The electrode catalyst may be included in the anode of the fuel cell.

상기 연료전지는 예를 들면, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)로서 구현될 수 있다. The fuel cell may be implemented as, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), or a direct methanol fuel cell (DMFC).

도 2는 연료전지의 일 구현예를 나타내는 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view showing one embodiment of the fuel cell, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly (MEA) constituting the fuel cell of FIG.

도 2에 나타내는 연료 전지(100)는 2개의 단위셀(111)이 한 쌍의 홀더(112,112)에 협지되어 개략 구성되어 있다. 단위셀(111)은 막-전극 접합체(110)와, 막-전극 접합체(110)의 두께 방향의 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(120,120)로 구성되어 있다. 바이폴라 플레이트(120,120)는 도전성을 가진 금속 또는 탄소 등으로 구성되어 있고, 막-전극 접합체(110)에 각각 접합함으로써, 집전체로서 기능함과 동시에, 막-전극 접합체(110)의 촉매층에 대해 산소 및 연료를 공급한다.In the fuel cell 100 shown in FIG. 2, two unit cells 111 are sandwiched by a pair of holders 112 and 112, and the outline of the fuel cell 100 is illustrated. The unit cell 111 includes a membrane-electrode assembly 110 and bipolar plates 120 and 120 disposed on both sides of the membrane-electrode assembly 110 in the thickness direction. The bipolar plates 120 and 120 are made of a conductive metal, carbon, or the like, and are bonded to the membrane-electrode assembly 110 to function as a current collector and oxygen to the catalyst layer of the membrane-electrode assembly 110. And fuel.

한편, 도 2에 나타내는 연료 전지(100)는 단위셀(111)의 수가 2개인데, 단위셀의 수는 2개에 한정되지 않고, 연료 전지에 요구되는 특성에 따라 수십 내지 수백 정도까지 늘릴 수도 있다.2, the number of unit cells 111 is not limited to two but may be increased to several tens to several hundreds depending on characteristics required for the fuel cell. have.

막-전극 접합체(110)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 전해질막(200)과, 전해질막(200)의 두께 방향의 양측에 배치되고 그 중 하나에 본 발명의 일구현예에 따른 전극 촉매가 적용된 촉매층(210,210')과, 촉매층(210,210')에 각각 적층된 제1 기체 확산층(221,221')과, 제1 기체 확산층(221,221')에 각각 적층된 제2 기체 확산층(220,220')으로 구성될 수 있다.As shown in FIG. 3, the membrane-electrode assembly 110 is disposed on both sides of the electrolyte membrane 200 and in the thickness direction of the electrolyte membrane 200, and an electrode catalyst according to one embodiment of the present invention A first gas diffusion layer 221 and 221 'laminated on the catalyst layers 210 and 210' and a second gas diffusion layer 220 and 220 'laminated on the first gas diffusion layers 221 and 221' respectively .

촉매층(210,210')은 연료극 및 산소극으로서 기능하는 것으로, 촉매 및 바인더가 포함되어 각각 구성되어 있으며, 상기 촉매의 전기화학적인 표면적을 증가시킬 수 있는 물질이 더 포함될 수 있다. The catalyst layers 210 and 210 'function as a fuel electrode and an oxygen electrode, respectively. The catalyst layers 210 and 210' may include a catalyst and a binder, and may further include a material capable of increasing the electrochemical surface area of the catalyst.

제1 기체 확산층(221,221') 및 제2 기체 확산층(220, 220')은 각각 예를 들면 탄소 시트, 탄소 페이퍼 등으로 형성될 수 있고, 바이폴라 플레이트(120, 120)를 통해 공급된 산소 및 연료를 촉매층(210,210')의 전면으로 확산시킨다.The first gas diffusion layers 221, 221 ′ and the second gas diffusion layers 220, 220 ′ may be formed of, for example, carbon sheets, carbon paper, and the like, respectively, and oxygen and fuel supplied through the bipolar plates 120 and 120. Is diffused to the front surface of the catalyst layers 210 and 210 '.

이 막-전극 접합체(110)를 포함하는 연료전지(100)는 100 내지 300℃의 온도에서 작동하고, 한 쪽 촉매층 측에 바이폴라 플레이트(120)를 통해 연료로서 예를 들어 수소가 공급되고, 다른 쪽 촉매층 측에는 바이폴라 플레이트(120)를 통해 산화제로서 예를 들면 산소 또는 공기가 공급된다. 그리고 한 쪽 촉매층에 있어서 수소가 산화되어 수소이온(H+)이 생기고, 이 수소이온(H+)이 전해질막(200)을 전도하여 다른 쪽 촉매층에 도달하고, 다른 쪽 촉매층에 있어서 수소이온(H+)과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물(H2O)을 생성함과 동시에, 전기 에너지를 발생시킨다. 또한, 연료로서 공급되는 수소는 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소일 수도 있고, 또 산화제로서 공급되는 산소는 공기에 포함되는 상태에서 공급될 수도 있다.The fuel cell 100 including the membrane-electrode assembly 110 operates at a temperature of 100 to 300 ° C., for example, hydrogen is supplied as fuel through the bipolar plate 120 to one catalyst layer side, and the other On the side of the catalyst layer, for example, oxygen or air is supplied as an oxidant through the bipolar plate 120. Hydrogen ions (H + ) are generated in the one catalyst layer by oxidizing hydrogen, and the hydrogen ions (H + ) conducts to the electrolyte membrane 200 to reach the other catalyst layer. In the other catalyst layer, hydrogen ions H + ) reacts with oxygen electrochemically to generate water (H 2 O) and generates electrical energy. The hydrogen supplied as the fuel may be hydrogen generated by reforming the hydrocarbon or the alcohol, and the oxygen supplied as the oxidant may be supplied in the air.

이하에서는 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 더욱 상세하게 설명하나, 이하의 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 것일 뿐이고 본 발명이 아래의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the following Examples are only for the purpose of clear understanding of the present invention and the present invention is not limited to the following Examples.

합성예 1: IrRu/C 촉매의 합성Synthesis Example 1 Synthesis of IrRu / C Catalyst

이리듐(Ir) 전구체인 이리듐 염화물 0.785g, 루테늄(Ru) 전구체인 루테늄 염화물 0.443g 및 증류수를 포함한 혼합물에 탄소계 담체인 케첸 블랙(Ketjen Black(KB)) 0.5g을 첨가하고 교반하였다. 이로부터 수득한 혼합물을 50℃에서 감압 증류시켜서 건조한 결과물을 300℃의 온도의 수소 분위기에서 열처리하여 탄소계 담체에 담지된 이리듐 전구체 및 루테늄 전구체를 환원시킴으로써 IrRu/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
To the mixture containing 0.785 g of iridium chloride, iridium (Ir) precursor, 0.443 g of ruthenium chloride (Ru) precursor, and distilled water, 0.5 g of Ketjen Black (KB), a carbon-based carrier, was added and stirred. The mixture obtained therefrom was distilled under reduced pressure at 50 ° C., and the resultant was heat-treated in a hydrogen atmosphere at a temperature of 300 ° C. to prepare an electrode catalyst for IrRu / C fuel cell by reducing the iridium precursor and the ruthenium precursor supported on the carbon-based carrier. .

합성예 2 : IrRuSynthesis Example 2 IrRu 44 /C 촉매의 합성Synthesis of A / C Catalyst

이리듐 전구체의 사용량을 0.393g으로 조정하고 루테늄 전구체의 사용량을 0.885g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 IrRu4/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
IrRu 4 / C fuel cell electrode catalyst was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1 except that the amount of iridium precursor was adjusted to 0.393 g and the amount of ruthenium precursor was adjusted to 0.885 g.

합성예 3 : IrRuSynthesis Example 3 IrRu 66 /C 촉매의 합성Synthesis of A / C Catalyst

이리듐 전구체의 사용량을 0.293g으로 조정하고 루테늄 전구체의 사용량을 0.934g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 IrRu6/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
An electrode catalyst for a fuel cell of IrRu 6 / C was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1 except that the amount of iridium precursor was adjusted to 0.293 g and the amount of ruthenium precursor was adjusted to 0.934 g.

합성예 4 : IrRuSynthesis Example 4 IrRu 99 /C 촉매의 합성Synthesis of A / C Catalyst

이리듐 전구체의 사용량을 0.213g으로 조정하고 루테늄 전구체의 사용량을 1.078g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 IrRu9/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
IrRu 9 / C fuel cell electrode catalyst was manufactured in the same manner as in Synthesis Example 1, except that the amount of iridium precursor was adjusted to 0.213 g and the amount of ruthenium precursor was adjusted to 1.078 g.

합성예 5 : IrSynthesis Example 5 Ir 44 Ru/C 촉매의 합성Synthesis of Ru / C Catalyst

이리듐 전구체의 사용량을 1.077g으로 조정하고 루테늄 전구체의 사용량을 0.142g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 Ir4Ru/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
An electrode catalyst for a fuel cell of Ir 4 Ru / C was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1 except that the amount of iridium precursor was adjusted to 1.077 g and the amount of ruthenium precursor was adjusted to 0.142 g.

비교합성예 1: Ir/C 촉매의 제조Comparative Synthesis Example 1 Preparation of Ir / C Catalyst

이리듐 전구체의 사용량을 1.219g으로 조정하고 루테늄 전구체를 사용하지 않았다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 Ir/C 촉매를 제조하였다.
Ir / C catalysts were prepared in the same manner as in Synthesis Example 1, except that the amount of the iridium precursor was adjusted to 1.219 g and the ruthenium precursor was not used.

비교합성예 2: Ru/C 촉매의 제조Comparative Synthesis Example 2 Preparation of Ru / C Catalyst

이리듐 전구체를 사용하지 않고 루테늄 전구체의 사용량을 1.231g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 Ru/C 촉매를 제조하였다.
A Ru / C catalyst was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1, except that the amount of the ruthenium precursor was adjusted to 1.231 g without using an iridium precursor.

촉매 조성Catalyst composition 탄소계 담체에 담지된
활성 입자
Supported on a carbon-based carrier
Active particles
이리듐과 루테늄의 원자비Atomic ratio of iridium and ruthenium
합성예 1Synthesis Example 1 IrRu/C IrRu / C 이리듐과 루테늄의 합금 입자Alloy particles of iridium and ruthenium 1:11: 1 합성예 2Synthesis Example 2 IrRu4/CIrRu 4 / C 이리듐과 루테늄의 합금 입자Alloy particles of iridium and ruthenium 1:41: 4 합성예 3Synthesis Example 3 IrRu6/CIrRu 6 / C 이리듐과 루테늄의 합금 입자Alloy particles of iridium and ruthenium 1:61: 6 합성예 4Synthesis Example 4 IrRu9/CIrRu 9 / C 이리듐과 루테늄의 합금 입자Alloy particles of iridium and ruthenium 1:91: 9 합성예 5Synthesis Example 5 Ir4Ru/CIr 4 Ru / C 이리듐과 루테늄의 합금 입자Alloy particles of iridium and ruthenium 4:14: 1 비교합성예 1Comparative Synthesis Example 1 Ir/CIr / C 이리듐 입자Iridium particles -- 비교합성예 2Comparative Synthesis Example 2 Ru/CRu / C 루테늄 입자Ruthenium particles --

평가예Evaluation example 1: 유도 결합  1: inductive coupling 플라즈마plasma (( ICPICP ) 분석) analysis

합성예 1 내지 5 및 비교합성예 1 및 2의 촉매에 대하여, ICP 분석(ICP-AES, ICPS-8100, SHIMADZU / RF source 27.12MHz / sample uptake rate 0.8ml/min)을 수행하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.For the catalysts of Synthesis Examples 1 to 5 and Comparative Synthesis Examples 1 and 2, ICP analysis (ICP-AES, ICPS-8100, SHIMADZU / RF source 27.12 MHz / sample uptake rate 0.8 ml / min) was performed to obtain the results. Table 2 shows.


촉매 조성

Catalyst composition

금속 함량(중량%)

Metal content (% by weight)
이리듐Iridium 루테늄ruthenium 합성예 1Synthesis Example 1 IrRu/C IrRu / C 13.113.1 29.829.8 합성예 2Synthesis Example 2 IrRu4/CIrRu 4 / C 12.612.6 26.826.8 합성예 3Synthesis Example 3 IrRu6/CIrRu 6 / C 9.19.1 28.428.4 합성예 4Synthesis Example 4 IrRu9/CIrRu 9 / C 7.087.08 34.234.2 합성예 5Synthesis Example 5 Ir4Ru/CIr 4 Ru / C 35.535.5 4.54.5 비교합성예 1Comparative Synthesis Example 1 Ir/CIr / C 39.239.2 -- 비교합성예 2Comparative Synthesis Example 2 Ru/CRu / C -- 40.540.5

상기 표 2로부터, 합성예 1 내지 5의 촉매에는 이리듐 및 루테늄이 모두 존재함을 확인할 수 있다.From Table 2, it can be confirmed that both iridium and ruthenium are present in the catalysts of Synthesis Examples 1 to 5.

평가예 2: X-선 회절(XRD) 분석Evaluation Example 2: X-ray Diffraction (XRD) Analysis

합성예 1, 2, 4 및 5와 비교합성예 1 및 2의 촉매에 대하여, X-선 회절(XRD) 분석 (MP-XRD, Xpert PRO, Philips / Power 3kW)을 수행하여, 그 결과를 도 4 및 5에 나타내고, 각 촉매의 격자 상수를 하기 표 3에 정리하였다:X-ray diffraction (XRD) analysis (MP-XRD, Xpert PRO, Philips / Power 3kW) was carried out on the catalysts of Synthesis Examples 1, 2, 4 and 5 and Comparative Synthesis Examples 1 and 2, and the results are shown. Shown in 4 and 5, the lattice constants of each catalyst are summarized in Table 3 below:

촉매 조성Catalyst composition 촉매 입자 결정 구조Catalyst particle crystal structure 회절각
(Ir 주피크의 2θ)
(111)
Diffraction angle
(2θ of Ir main peak)
(111)
회절각
(Ru 주피크의 2θ)
(102)
Diffraction angle
(2θ of Ru main peak)
(102)
합성예 1Synthesis Example 1 IrRu/CIrRu / C FCC1 FCC 1 41.19441.194 -- 합성예 2Synthesis Example 2 IrRu4/CIrRu 4 / C HCP2 HCP 2 -- 43.84543.845 합성예 4Synthesis Example 4 IrRu9/CIrRu 9 / C HCPHCP -- 43.97743.977 합성예 5Synthesis Example 5 Ir4Ru/CIr 4 Ru / C FCCFCC 40.73440.734 비교합성예 1Comparative Synthesis Example 1 Ir/CIr / C FCCFCC 40.60540.605 -- 비교합성예 2Comparative Synthesis Example 2 Ru/CRu / C HCPHCP -- 44.03744.037

1: 면심입방구조(Face Centered Cubic)1: Face Centered Cubic

2: 조밀육방구조(Hexagonal Closed-Packed)2: Hexagonal Closed-Packed

상기 표 3과 도 4 및 5에 따르면, 합성예 1, 2, 4 및 5의 촉매 각각은, 합성예 1, 2, 4 및 5의 촉매에 포함된 원소(금속)의 비율에 따라 상이한 결정 구조를 가지며, 함량비가 높은 원소의 결정 구조를 따르는 합금 입자를 포함함을 확인할 수 있다.According to Table 3 and FIGS. 4 and 5, each of the catalysts of Synthesis Examples 1, 2, 4 and 5 has a different crystal structure depending on the ratio of elements (metals) included in the catalysts of Synthesis Examples 1, 2, 4 and 5 It can be confirmed that it has an alloy particle having a crystal structure of the element having a high content ratio.

참고로, 합성예 1의 IrRu/C 촉매의 실제 조성을 ICP 분석을 통하여 확인한 결과, 합성예 1의 IrRu/C 촉매의 실제 조성은 Ir1.2Ru1/C이었으며(표 2 참조), 그 결과 합성예 1의 IrRu/C 촉매의 XRD 패턴은 Ir의 주피크가 우세하게 나타남을 확인할 수 있다.For reference, the actual composition of the IrRu / C catalyst of Synthesis Example 1 was confirmed by ICP analysis, and the actual composition of the IrRu / C catalyst of Synthesis Example 1 was Ir 1.2 Ru 1 / C (see Table 2). The XRD pattern of the IrRu / C catalyst of 1 can confirm that the main peak of Ir is predominant.

한편, 합성예 1의 촉매의 주피크(main peak) 2θ(41.194)는 비교합성예 1의 촉매의 주피크 2θ(40.605)보다 큰 값으로 이동(shift)한 것을 확인할 수 있는 바, 이로써, 합성예 1의 촉매의 합금 입자는 이리듐과 루테늄의 합금 입자임을 확인할 수 있다. 또한, 합성예 2의 촉매의 주피크(main peak) 2θ(43.895)와 합성예 4의 촉매의 주피크(main peak) 2θ(43.977)는 비교합성예 2의 촉매의 주피크 2θ(44.037)보다 낮은 값으로 이동(shift)한 것을 확인할 수 있는 바, 이로써, 합성예 1의 촉매의 합금 입자는 이리듐과 루테늄의 합금 입자임을 확인할 수 있다.
Meanwhile, it can be seen that the main peak 2θ (41.194) of the catalyst of Synthesis Example 1 shifted to a value larger than the main peak 2θ (40.605) of the catalyst of Comparative Synthesis Example 1, thereby synthesizing It can be confirmed that the alloy particles of the catalyst of Example 1 are alloy particles of iridium and ruthenium. Further, the main peak 2θ (43.895) of the catalyst of Synthesis Example 2 and the main peak 2θ (43.977) of the catalyst of Synthesis Example 4 were higher than those of the catalyst of Comparative Synthesis Example 2 (44.037). It can be seen that the shift (shift) to a low value, thereby, it can be confirmed that the alloy particles of the catalyst of Synthesis Example 1 are alloy particles of iridium and ruthenium.

평가예 3: EXAFS(Extened X-ray Absorption Fine Sturcture) 분석Evaluation Example 3: Extended X-ray Absorption Fine Sturcture (EXAFS) Analysis

합성예 2 내지 5와 비교합성예 1 및 2의 촉매에 대하여, EXAFS 분석을 수행하여, 촉매 구조를 평가하고 그 결과를 도 6 및 표 4에 나타내었다.For the catalysts of Synthesis Examples 2 to 5 and Comparative Synthesis Examples 1 and 2, EXAFS analysis was performed to evaluate the catalyst structure and the results are shown in FIG. 6 and Table 4. FIG.

EXAFS 실험은 Rigaku사의 R-XAS 기기를 상온 대기압 조건에서 측정한 결과를 Artemis와 Athena를 이용하여 분석함으로써, 수행하였다.
The EXAFS experiment was performed by analyzing the results of Rigaku's R-XAS instrument at room temperature and atmospheric pressure using Artemis and Athena.

흡수 에지
(Absorption edge)
Absorbing edge
(Absorption edge)
합성예 No.Synthesis Example No. 촉매 조성Catalyst composition 관측된 결합Observed coupling R(nm)R (nm) NN σ2(pm2)σ 2 (pm 2 )
Ir LIII 흡수 에지




Ir L III absorption edge




비교합성예 1Comparative Synthesis Example 1 Ir/CIr / C Ir-C
Ir-Ir
Ir-C
Ir-Ir
0.202
0.270
0.202
0.270
5.0
5.3
5.0
5.3
73
62
73
62
합성예 5Synthesis Example 5 Ir4Ru/CIr 4 Ru / C Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
0.196
0.263
0.259
0.196
0.263
0.259
2.0
9.2
0.5
2.0
9.2
0.5
0
108
44
0
108
44
합성예 1Synthesis Example 1 IrRu/CIrRu / C Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
0.197
0.259
0.261
0.197
0.259
0.261
2.2
3.5
1.0
2.2
3.5
1.0
2
50
22
2
50
22
합성예 2Synthesis Example 2 IrRu4/CIrRu 4 / C Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
0.196
0.255
0.258
0.196
0.255
0.258
2.1
3.8
1.2
2.1
3.8
1.2
0
57
41
0
57
41
합성예 3Synthesis Example 3 IrRu6/CIrRu 6 / C Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
0.197
0.260
0.263
0.197
0.260
0.263
2.9
2.1
1.8
2.9
2.1
1.8
0
38
20
0
38
20
합성예 4Synthesis Example 4 IrRu9/CIrRu 9 / C Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
Ir-C
Ir-Ir
Ir-Ru
0.197
0.256
0.260
0.197
0.256
0.260
3.1
1.2
0.8
3.1
1.2
0.8
0
0
0
0
0
0
Ru K 흡수 에지


Ru K absorption edge


비교합성예 2Comparative Synthesis Example 2 Ru/CRu / C Ru-RuRu-ru 0.2680.268 6.46.4 5757
합성예 4Synthesis Example 4 IrRu9/CIrRu 9 / C Ru-Ru
Ru-Ir
Ru-ru
Ru-ir
0.267
0.265
0.267
0.265
3.1
1.3
3.1
1.3
19
11
19
11
합성예 3Synthesis Example 3 IrRu6/CIrRu 6 / C Ru-Ru
Ru-Ir
Ru-ru
Ru-ir
0.266
0.264
0.266
0.264
2.2
1.4
2.2
1.4
2
0
2
0
합성예 2Synthesis Example 2 IrRu4/CIrRu 4 / C Ru-Ru
Ru-Ir
Ru-ru
Ru-ir
0.266
0.262
0.266
0.262
3.5
2.7
3.5
2.7
39
54
39
54

상기 표 4 및 도 6에 따르면, 각 금속의 흡수단의 국부 구조를 정량적으로 분석한 결과, 합성예 1 내지 5의 촉매 중, Ir 원자 주변에서는 Ir과 Ru의 결합을 확인할 수 있고 Ru 원자 주변에서도 Ru과 Ir이 동시에 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이로부터, 합성예 1 내지 5의 촉매 입자 내에는 Ir과 Ru의 합금이 형성되어 있음을 알 수 있다. According to Table 4 and Figure 6, as a result of quantitative analysis of the local structure of the absorption stage of each metal, in the catalysts of Synthesis Examples 1 to 5, it is possible to confirm the bonding of Ir and Ru around the Ir atom, even around the Ru atom It can be seen that Ru and Ir exist at the same time. From this, it can be seen that an alloy of Ir and Ru is formed in the catalyst particles of Synthesis Examples 1 to 5.

한편, 표 4의 Ru K 흡수 에지 중 Ru-Ir 결합의 N값(원자 배위수)을 비교하면, Ir이 늘어남에 따라 Ru 주변의 Ir의 배위는 증가(즉, 합성예 4 : 1.3 / 합성예 3 : 1.4 / 합성예 2 : 2.7)함을 확인할 수 있고, 표 4의 Ru K 흡수 에지 중 Ru-Ru 결합의 N값을 비교하면, Ru 사이의 배위수는 크게 증가하지 않고 실질적으로 유지(즉, 합성예 4 : 3.1 / 합성예 3 : 2.2 / 합성예 4 : 3.5)됨을 확인할 수 있다. 또한, 표 4의 Ir LIII edge 흡수 에지 중 Ir-C(O) 결합의 N값은 일정 수준의 값을 가짐을 확인할 수 있다. 이는, 합성예 1 내지 5의 촉매 입자 중 외측에 Ir이 상대적으로 다량 존재하여 담체 중 탄소(C) 또는 산소와의 결합을 이루기 때문인 것으로 해석될 수 있다. 이로부터, 합성예 1 내지 5의 촉매 입자는 코어-쉘 구조를 갖되, 상기 코어에는 Ru이 존재하고, 상기 쉘에는 Ir 또는 Ir과 Ru의 합금이 존재함을 알 수 있다.
On the other hand, when comparing the N value (atomic coordination number) of the Ru-Ir bond in the Ru K absorption edge of Table 4, as the Ir increases, the coordination of Ir around Ru increases (that is, Synthesis Example 4: 1.3 / Synthesis Example). 3: 1.4 / Synthesis Example 2: 2.7), and comparing the N value of the Ru-Ru bond in the Ru K absorption edge of Table 4, the coordination number between Ru does not increase significantly and is substantially maintained (ie , Synthesis Example 4: 3.1 / Synthesis Example 3: 2.2 / Synthesis Example 4: 3.5) can be confirmed. In addition, it can be seen that the N value of the Ir-C (O) coupling among the Ir L III edge absorption edges of Table 4 has a certain level. This may be interpreted to be due to the presence of a relatively large amount of Ir on the outside of the catalyst particles of Synthesis Examples 1 to 5 to form a bond with carbon (C) or oxygen in the carrier. From this, it can be seen that the catalyst particles of Synthesis Examples 1 to 5 have a core-shell structure, Ru is present in the core, and Ir or an alloy of Ir and Ru is present in the shell.

평가예 4: 반쪽 전지(half cell) 성능 평가Evaluation Example 4 Half Cell Performance Evaluation

작용 전극으로서 회전 디스크 전극(rotating disk electrode; RDE)을 준비하였다. RDE 전극은, 합성예 1 내지 4, 비교합성예 1 및 2 및 TKK사의 PtRu/C 촉매(탄소계 담체에 담지된 Pt와 Ru의 합금 입자의 함량은 촉매 100wt% 당 53.4wt%이고, Pt와 Ru의 원자비는 1:1.5임) 각각을 나피온 용액(Nafion perfluorinated ion-exchange resin, 5 wt % solution in a mixture of lower aliphatic alcohols and water, Aldrich)과 혼합하고 균질화하여 촉매 슬러리를 제조한 후, 이를 유리상 카본 (glassy carbon)에 도포하여 박막 형태의 전극을 형성함으로써 제작하였다. A rotating disk electrode (RDE) was prepared as a working electrode. The RDE electrode is composed of PtRu / C catalysts of Synthesis Examples 1 to 4, Comparative Synthesis Examples 1 and 2, and TKK (the content of alloy particles of Pt and Ru supported on a carbon-based carrier is 53.4 wt% per 100 wt% of the catalyst, The atomic ratio of Ru is 1: 1.5), each of which is mixed with a Nafion perfluorinated ion-exchange resin (5 wt% solution in a mixture of lower aliphatic alcohols and water, Aldrich) and homogenized to prepare a catalyst slurry. It was produced by coating it on glassy carbon to form an electrode in the form of a thin film.

전기화학 평가는 3전극 시스템을 이용하여 수행하였으며, 전해액은 수소로 포화된 0.1M H3PO4 수용액, 대극과 기준 전극으로 각각 Pt 호일(foil)과 Ag/AgCl 전극을 사용하였다. 모든 전기화학 실험은 상온에서 수행되었다. 상기 측정 결과를 도 7에 나타내었다.The electrochemical evaluation was performed using a three-electrode system, and the electrolyte solution was Pt foil and Ag / AgCl electrode as 0.1MH 3 PO 4 aqueous solution saturated with hydrogen, counter electrode and reference electrode, respectively. All electrochemical experiments were performed at room temperature. The measurement results are shown in FIG. 7.

도 7에 따르면, 합성예 1 내지 4의 촉매를 각각 포함한 반쪽 전지의 HOR 성능은 비교합성예 1의 촉매, 비교합성예 2의 촉매 보다 우수함을 확인할 수 있으며, 상기 PtRu/C 촉매를 각각 포함한 반쪽 전지의 HOR 성능과 동등하거나 우수한 것을 확인할 수 있다.
According to Figure 7, it can be seen that the HOR performance of the half-cell each containing the catalysts of Synthesis Examples 1 to 4 is superior to the catalyst of Comparative Synthesis Example 1, the catalyst of Comparative Synthesis Example 2, the half containing the PtRu / C catalyst, respectively It can be confirmed that the battery is equivalent to or superior to the HOR performance.

실시예 1Example 1

고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)의 애노드 전극 제작을 위해 합성예 2의 촉매(IrRu4/C 촉매) 1g 당 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 0.03g과 적절한 양의 용매 n-메틸-2-피롤리돈을 혼합하여 애노드 전극 형성용 슬러리를 제조하였다. 상기 애노드 슬러리를 미세다공층(microporous layer)이 코팅된 카본 페이퍼(carbon paper) 위에 바 코터기(bar coater)로 코팅한 후 상온부터 150℃까지 단계적으로 온도를 올리는 건조 공정을 거쳐 애노드를 제작하였다. 애노드 중 상기 촉매의 로딩량은 1mgPdIr/cm2 이었다.0.03 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) per 1 g of the catalyst of Synthesis Example 2 (IrRu 4 / C catalyst) and an appropriate amount of solvent n-methyl-2- were used to fabricate the anode electrode of the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). Pyrrolidone was mixed to prepare a slurry for forming an anode electrode. The anode slurry was coated with a bar coater on a carbon paper coated with a microporous layer, and then an anode was manufactured through a drying process of raising the temperature stepwise from room temperature to 150 ° C. . The loading of the catalyst in the anode was 1 mg PdIr / cm 2 .

캐소드로는 카본 담지 PtCo 촉매(Tanaka 귀금속, Pt: 45중량%, Co: 5중량%)를 사용하여 상기 애노드 제조 방법과 동일한 방법으로 캐소드를 제작하였다. 캐소드 중 상기 촉매의 로딩량은 1.5mgPt/cm2 이었다.As a cathode, a cathode was prepared in the same manner as the anode production method using a carbon supported PtCo catalyst (Tanaka noble metal, Pt: 45% by weight, Co: 5% by weight). The loading of the catalyst in the cathode was 1.5 mg Pt / cm 2 .

상기 애노드 및 캐소드 사이에 전해질막으로서 85% 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸(poly(2,5-benzimidazole))을 전해질막으로 사용하여 연료 전지를 제조하였다.
A fuel cell was prepared using polybenzimidazole (poly (2,5-benzimidazole)) doped with 85% phosphoric acid as an electrolyte membrane between the anode and the cathode.

비교예 1Comparative Example 1

합성예 2의 촉매 대신 비교합성예 1의 촉매(Ir/C 촉매)를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 연료 전지를 제조하였다.
A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the catalyst of Comparative Synthesis Example 1 (Ir / C catalyst) was used instead of the catalyst of Synthesis Example 2.

비교예 2Comparative Example 2

합성예 2의 촉매 대신 비교합성예 2의 촉매(Ru/C 촉매)를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 연료 전지를 제조하였다.
A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the catalyst of Comparative Synthesis Example 2 (Ru / C catalyst) was used instead of the catalyst of Synthesis Example 2.

비교예 3Comparative Example 3

합성예 2의 촉매 대신 TKK사의 PtRu/C 촉매(탄소계 담체에 담지된 Pt와 Ru의 합금 입자의 함량은 촉매 100wt% 당 53.4wt%이고, Pt와 Ru의 원자비는 1:1.5임)를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 연료 전지를 제조하였다.Instead of the catalyst of Synthesis Example 2, TKK's PtRu / C catalyst (the content of alloy particles of Pt and Ru supported on a carbon-based carrier is 53.4 wt% per 100 wt% of the catalyst, and the atomic ratio of Pt and Ru is 1: 1.5). A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that it was used.

평가예 5: 단위 전지 성능 평가Evaluation Example 5 Unit Battery Performance Evaluation

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 전지 성능을 캐소드용으로 무가습 공기와 애노드용으로 무가습 수소를 사용하여 150℃에서 평가한 결과를 도 8에 나타내었다.The battery performances of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were evaluated at 150 ° C. using unhumidified air for the cathode and unhumidified hydrogen for the anode.

도 8로부터, 실시예 1의 전지의 OCV(open circuit voltage)가 비교예 1 내지 3의 전지의 OCV보다 높음을 확인할 수 있다. OCV는 촉매의 산소환원반응 개시전압(oxygen reduction reaction onset potential)과 관련이 있으므로, 실시예 1의 전지의 성능은 비교예 1 내지 2의 전지의 성능에 비하여 개선됨을 확인할 수 있다.8, it can be seen that the open circuit voltage (OCV) of the battery of Example 1 is higher than that of the batteries of Comparative Examples 1 to 3. FIG. OCV is related to the oxygen reduction reaction onset potential of the catalyst, it can be seen that the performance of the battery of Example 1 is improved compared to the performance of the cells of Comparative Examples 1 and 2.

100 … 연료전지
110 … 막-전극 접합체
112 … 홀더
210, 210' … 촉매층
220, 220'… 제2기체 확산층
221, 221'… 제1기체확산층
120 … 바이폴라 플레이트
100 ... Fuel cell
110 ... Membrane-electrode assembly
112. holder
210, 210 '... Catalyst bed
220, 220 '... Second gas diffusion layer
221, 221 '... First gas diffusion layer
120... Bipolar plate

Claims (20)

8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.An electrode catalyst for a fuel cell comprising alloy particles containing a Group 8 metal and a Group 9 metal. 제1항에 있어서,
상기 8족 금속이 철(Fe), 루테늄(Ru) 및 오스뮴(Os) 중 하나 이상을 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
An electrode catalyst for a fuel cell, wherein the Group 8 metal comprises at least one of iron (Fe), ruthenium (Ru), and osmium (Os).
제1항에 있어서,
상기 9족 금속이 코발트(Co), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중 하나 이상을 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
An electrode catalyst for a fuel cell, wherein the Group 9 metal comprises one or more of cobalt (Co), rhodium (Rh), and iridium (Ir).
제1항에 있어서,
상기 8족 금속의 함량이 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 92원자%인, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
The content of the Group 8 metal is 8 atomic% to 92 atomic% per 100 atomic% of the alloy particles, the electrode catalyst for a fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 8족 금속의 함량이 상기 합금 입자 100원자% 당 20원자% 내지 90원자%인, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
The content of the Group 8 metal is 20 atomic% to 90 atomic% per 100 atomic% of the alloy particles, the electrode catalyst for a fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 9족 금속의 함량이 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 90원자%인, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
The content of the Group 9 metal is 8 atomic% to 90 atomic% per 100 atomic% of the alloy particles, the electrode catalyst for a fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 합금 입자가 코어-쉘 구조를 갖고,
상기 코어는 상기 8족 금속을 포함하고 상기 9족 금속을 비포함하고,
상기 쉘은 상기 9족 금속을 포함하거나, 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속을 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
The alloy particles have a core-shell structure,
The core comprises the Group 8 metal and does not include the Group 9 metal,
Wherein said shell comprises said Group 9 metal or comprises said Group 8 metal and said Group 9 metal.
제7항에 있어서,
상기 쉘이 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속의 합금을 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 7, wherein
An electrode catalyst for a fuel cell, wherein the shell comprises an alloy of the Group 8 metal and the Group 9 metal.
제1항에 있어서,
상기 8족 금속이 루테늄이고, 상기 9족 원소가 이리듐인, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
An electrode catalyst for a fuel cell, wherein the Group 8 metal is ruthenium and the Group 9 element is iridium.
제1항에 있어서,
상기 합금 입자가 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속의 합금으로 이루어진, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
The electrode catalyst for a fuel cell, wherein the alloy particles are made of an alloy of the Group 8 metal and the Group 9 metal.
제10항에 있어서,
상기 합금 입자가 루테늄 및 이리듐으로 이루어져 있고,
상기 합금 입자가 코어-쉘 구조를 갖고,
상기 코어는 상기 루테늄으로 이루어져 있고,
상기 쉘은 상기 이리듐으로 이루어져 있거나, 상기 루테늄과 이리듐의 합금으로 이루어져 있는, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 10,
The alloy particles are made of ruthenium and iridium,
The alloy particles have a core-shell structure,
The core consists of the ruthenium,
And the shell is composed of the iridium or an alloy of the ruthenium and iridium.
제1항에 있어서,
상기 합금 입자가 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐 (W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf)중 하나 이상을 더 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
The alloy particles are nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), tungsten (W), vanadium (V), niobium (Nb) Electrode catalyst for fuel cells, further comprising one or more of molybdenum (Mo) and hafnium (Hf).
제1항에 있어서,
탄소계 담체를 더 포함하고, 상기 탄소계 담체에 상기 합금 입자가 담지되어 있는, 연료 전지용 전극 촉매.
The method of claim 1,
An electrode catalyst for a fuel cell, further comprising a carbon-based carrier, wherein the alloy particles are supported on the carbon-based carrier.
8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 포함한 혼합물을 제공하는 단계; 및
상기 혼합물 중 상기 8족 금속 전구체와 상기 9족 전구체를 환원시켜, 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한 연료 전지용 전극 촉매를 제공하는 단계;
를 포함한 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법.
Providing a mixture comprising a Group 8 metal precursor and a Group 9 metal precursor; And
Reducing the Group 8 metal precursor and the Group 9 precursor in the mixture to provide an electrode catalyst for a fuel cell comprising alloy particles comprising a Group 8 metal and a Group 9 metal;
Method for producing an electrode catalyst for a fuel cell comprising a.
제14항에 있어서,
상기 혼합물이 탄소계 담체를 더 포함하고, 상기 전극 촉매는 탄소계 담체를 더 포함하며, 상기 합금 입자는 상기 탄소계 담체에 담지되어 있는, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
The mixture further comprises a carbon-based carrier, the electrode catalyst further comprises a carbon-based carrier, the alloy particles are supported on the carbon-based carrier, the method for producing an electrode catalyst for a fuel cell.
제14항에 있어서,
상기 혼합물이 글리콜계 용매 및 알코올계 용매 중 1종 이상을 더 포함한, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법.
15. The method of claim 14,
A method for producing an electrode catalyst for a fuel cell, wherein the mixture further comprises at least one of a glycol solvent and an alcohol solvent.
캐소드;
상기 캐소드와 대향하여 위치하는 애노드; 및
상기 캐소드와 애노드의 사이에 위치하는 전해질막;을 포함하고,
상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나가, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 촉매를 포함한, 연료 전지용 막 전극 접합체.
Cathode;
An anode positioned opposite the cathode; And
And an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode,
A membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein at least one of the cathode and the anode comprises the catalyst of any one of claims 1 to 13.
제17항에 있어서,
상기 촉매가 상기 애노드에 포함되어 있는, 연료 전지용 막 전극 접합체.
18. The method of claim 17,
The membrane electrode assembly for a fuel cell, wherein the catalyst is contained in the anode.
제18항의 막 전극 접합체를 포함한, 연료 전지.A fuel cell comprising the membrane electrode assembly of claim 18. 제19항에 있어서,
상기 촉매가 상기 애노드에 포함되어 있는, 연료 전지.
20. The method of claim 19,
And the catalyst is contained in the anode.
KR1020120123746A 2011-11-29 2012-11-02 Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same KR20130060119A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12194626.3A EP2600451A3 (en) 2011-11-29 2012-11-28 Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, and membrane electrode assembly and fuel cell including electrode catalyst
US13/688,426 US20130137009A1 (en) 2011-11-29 2012-11-29 Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, and membrane electrode assembly and fuel cell including electrode catalyst

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20110126278 2011-11-29
KR1020110126278 2011-11-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20130060119A true KR20130060119A (en) 2013-06-07

Family

ID=48858794

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120123746A KR20130060119A (en) 2011-11-29 2012-11-02 Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20130060119A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180085254A (en) * 2017-01-18 2018-07-26 한국과학기술연구원 Catalysts for oxygen reduction reaction including iridium based alloy
US10693147B2 (en) 2013-11-08 2020-06-23 Lg Chem, Ltd. Fuel cell and method for manufacturing same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10693147B2 (en) 2013-11-08 2020-06-23 Lg Chem, Ltd. Fuel cell and method for manufacturing same
KR20180085254A (en) * 2017-01-18 2018-07-26 한국과학기술연구원 Catalysts for oxygen reduction reaction including iridium based alloy

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101819038B1 (en) Catalyst including active particles, method of preparing the catalyst, fuel cell including the catalyst, electrode for lithium air battery inclucing the active particles, and lithium air battery including the electrode
KR101350865B1 (en) Supported catalyst for fuel cell, method for preparing the same, electrode for fuel cell comprising the same, membrane electrode assembly comprising the electrode and fuel cell comprising the membrane electrode assembly
KR101397020B1 (en) Electrocatalyst for fuel cell, method for preparing the same and fuel cell including the electrode comprising the electrocatalyst
EP2600451A2 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, and membrane electrode assembly and fuel cell including electrode catalyst
KR101669217B1 (en) Electrode catalyst for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same
US20130149632A1 (en) Electrode catalyst for a fuel cell, method of preparing the same, and membrane electrode assembly and fuel cell including the electrode catalyst
EP2634850B1 (en) Composite, catalyst including the same, fuel cell and lithium air battery including the same
KR101494432B1 (en) Electrode catalyst for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same
KR102007412B1 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same
KR20100069492A (en) Electrode catalyst for fuel cell and fuel cell including electrode comprising the electrode catalyst
US20140154609A1 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, electrode for fuel cell including the electrode catalyst, and fuel cell including the electrode
KR20130067476A (en) Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same
US9466843B2 (en) Electrode catalyst and method of preparing electrode catalyst for fuel cell, and membrane electrode assembly and fuel cell including same
KR20060104821A (en) Catalyst for fuel cell, preparation method thereof, and fuel cell system comprising the same
US20120196207A1 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same
KR20130060119A (en) Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same
US9147886B2 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, membrane electrode assembly, and fuel cell including the same
KR20120052799A (en) Catalyst composite for alkaline medium cell, method for preparing the same, membrane-electrode assembly including the same, and fuel cell system including the same
KR20090051648A (en) Method for preparing supported catalyst for fuel cell
KR20170018690A (en) Catalyst for fuel cell, and electrode, membrane-electrode assembly and fuel cell system and fuel cell system including same
KR20150035319A (en) Ir-Ni based ternary electrode catalyst for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Withdrawal due to no request for examination