KR20170089486A - 혼합 촉매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물, 연료전지용 전극 및 이의 제조방법 - Google Patents

혼합 촉매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물, 연료전지용 전극 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 전극 형성용 조성물, 연료전지 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 전극은 제 1 담체 및 상기 제 1 담체에 담지된 제 1 금속 입자를 포함하는 제 1 촉매, 제 2 담체 및 상기 제 2 담체에 담지된 제 2 금속 입자를 포함하는 제 2 촉매, 이오노머, 및 용매를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명은 단일 담체 촉매 대비 촉매 이용율이 향상된 다종 담체 촉매를 제공할 수 있고, 적은 양의 촉매 물질로 우수한 전류 밀도와 전력 밀도를 얻을 수 있는 전극을 제공할 수 있다.

Description

혼합 촉매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물, 연료전지용 전극 및 이의 제조방법{THE MIXED CATALYSTS COMPOSITION FOR FUEL CELL ELECTRODE, THE ELECTRODE OF FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE ELECTRODE}
본 발명은 단일 담체 촉매 대비 단일 담체 촉매들 간의 혼합을 통해 촉매 이용율이 향상된 다종 담체 촉매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물, 연료전지용 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화수소 계열의 연료물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 산화/환원반응과 같은 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템을 구비한 전지로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있다.
이러한 연료 전지는 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.
연료전지에서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 막-전극 접합체는 일반적으로 전해질막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode, 또는, 연료극)과 환원극(Cathode, 또는 공기극)이 각각 형성된 구조를 이룬다.
연료 전지는 전해질막의 종류에 따라 알칼리 전해질 연료전지, 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에 고분자 전해질 연료 전지는 100 ℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다.
고분자 전해질 연료 전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등을 들 수 있다.
고분자 전해질 연료 전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자는 외부회로를 통해 환원극에 전달된다. 환원극에서는 산소가 공급되고, 산소가 수소이온 및 전자와 결합하여 산소의 환원반응에 의해 물이 생성된다.
한편, 상기 연료전지의 전극은 촉매, 이오노머 및 용매로 구성되는 전극 형성용 조성물을 통해 제조될 수 있는데, 이들 간의 결합 및 분산도가 전지의 성능 및 내구성에 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 상기 촉매의 함량을 늘려 전지 성능을 향상시키기 위하여 상기 촉매를 담체에 담지시켜 사용하기도 하는데, 이 경우 촉매의 균일한 담지가 어렵다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1275155호(공개: 2012.11.21.)
본 발명의 목적은 이종 이상의 담체를 포함하는 촉매를 혼합 사용하여 효율을 증대시킨 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 제조된 연료전지용 전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 담체 및 상기 제 1 담체에 담지된 제 1 금속 입자를 포함하는 제 1 촉매, 제 2 담체 및 상기 제 2 담체에 담지된 제 2 금속 입자를 포함하는 제 2 촉매, 이오노머, 및 용매를 포함하며, 상기 제 1 담체와 상기 제 2 담체는 서로 상이한 것인 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공하는 것이다.
상기 제 1 금속 입자 또는 상기 제 2 금속 입자는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-M 합금(상기 M은 Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제 1 담체 또는 상기 제 2 담체는 카본블랙, 중공형 탄소 캡슐(Hollow carbon capsule; HCC), 다중 세공 탄소(Multimodal porous carbon; MPC), 카본나노튜브(Carbon nanotube; CNT), 카본나노파이버(Carbon nanofiber; CNF), 메조다공성 탄소(Mesoporous carbon), 그래핀(Graphene), 고표면적 고전도성 카본블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제 1 담체는 카본블랙이고, 상기 제 2 담체는 중공형 탄소 캡슐, 다중 세공 탄소, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 메조다공성 탄소, 그래핀, 고표면적 고전도성 카본블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제 1 촉매는 표면적이 200 내지 1500 m2/g이고, 입경이 30 내지 100 nm인 구형 카본 블랙 담체에 금속 입자가 담지된 것일 수 있다.
상기 제 1 촉매 및 상기 제 2 촉매는 95:5 내지 80:20 의 중량비로 포함될 수 있다.
하기 수학식 1로 계산되는 제 1 촉매 및 제 2 촉매의 담지율의 비는 1:0.2 내지 1:0.8일 수 있다.
[수학식 1]
각 촉매의 담지율 = (금속 입자의 무게 / (담체의 무게 + 금속 입자의 무게)) X 100
하기 수학식 3으로 계산되는 제 1 촉매 및 제 2 촉매의 담지율 편차는 각각 독립적으로 0 내지 10 %일 수 있다.
[수학식 3]
각 촉매의 담지율 편차 = (각 촉매의 담지율 / 전체 촉매의 평균 담지율) X 100
[수학식 1]
각 촉매의 담지율 = (금속 입자의 무게 / (담체의 무게 + 금속 입자의 무게)) X 100
[수학식 2]
전체 촉매의 평균 담지율 = 각 촉매의 담지율의 합 / 각 촉매의 갯수
하기 수학식 4로 계산되는 상기 제 1 촉매와 제 2 촉매의 평균크기 편차는 각각 독립적으로 0 내지 10 %일 수 있다.
[수학식 4]
각 촉매의 평균크기 편차 = (각 촉매의 평균크기 / 전체 촉매의 평균크기) X 100
[수학식 5]
전체 촉매의 평균크기 = 각 촉매의 평균크기의 합 / 촉매의 갯수
상기 용매는 물, 이소프로필 알코올, 에톡시 에탄올, N-메틸피롤리돈, 에틸렌글리콜, 프로필렌 글리콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 연료전지 전극 형성용 조성물은, 제 1 촉매 및 제 2 촉매 100 중량부에 대하여, 이오노머 40 내지 70 중량부, 용매 1000 내지 1400 중량부로 포함될 수 있다.
상기 연료전지 전극 형성용 조성물은 상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매와 서로 다른 담체를 포함하는 제3 촉매를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 제 1 담체 및 상기 제 1 담체에 담지된 제 1 금속 입자를 포함하는 제 1 촉매, 제 2 담체 및 상기 제 2 담체에 담지된 제 2 금속 입자를 포함하는 제 2 촉매, 및 이오노머를 포함하며, 상기 제 1 담체와 상기 제 2 담체는 서로 상이한 것인 연료전지용 전극을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 제 1 금속 입자를 제 1 담체에 담지시켜 제 1 촉매를 준비하는 단계, 제 2 금속 입자를 제 2 담체에 담지시켜 제 2 촉매를 준비하는 단계, 상기 제 1 촉매, 상기 제 2 촉매 및 이오노머를 용매에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계, 및 상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매는 각각 독립적으로 폴리올 환원법, 전자빔 환원법, 및 수소화붕소나트륨 (NaBH4) 환원법, urea-assisted 균일환원법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 환원법으로 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명은 단일 담체 촉매 대비 단일 담체 촉매들 간의 혼합을 통해 촉매 이용율이 향상된 다종 담체 촉매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 전류 밀도와 전력 밀도가 우수한 연료전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 촉매가 혼합된 연료전지 전극을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 혼합에 사용된 이종 촉매의 TEM 사진과 이들을 혼합한 촉매의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에서 혼합에 사용된 이종 촉매의 TEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 비교예 1에서 사용된 촉매의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 실험예 1에서 막-전극 접합체의 성능을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 담체 및 상기 제 1 담체에 담지된 제 1 금속 입자를 포함하는 제 1 촉매, 제 2 담체 및 상기 제 2 담체에 담지된 제 2 금속 입자를 포함하는 제 2 촉매, 이오노머, 및 용매를 포함하며, 상기 제 1 담체와 상기 제 2 담체는 서로 상이한 것인 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공한다.
상기 제 1 금속 입자 및 상기 제 2 금속 입자는 연료전지의 반응에 참여하여 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 구체적으로는 백금계 촉매를 사용할 수 있다.
상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-M 합금(상기 M은 Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 입자를 사용할 수 있다.
상기 연료전지의 애노드 전극과 캐소드 전극은 서로 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 더욱 구체적인 예로는 Pt, 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 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 상기 금속 입자는 금속 입자 자체를 촉매로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다.
상기 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용될 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 탄소계 담체로는 중공형 탄소 캡슐 (hollow carbon capsule; HCC), 다중 세공 탄소 (multimodal porous carbon; MPC), 카본나노튜브 (carbon nanotube; CNT), 카본나노파이버 (carbon nanofiber; CNF), 메조다공성 탄소 (mesoporous carbon), 그래핀 (graphene), 고표면적 고전도성 카본블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 가장 바람직하다.
이 때, 상기 금속 입자는 상기 담체의 표면 위에 위치할 수도 있고, 상기 담체의 내부 기공(pore)을 채우면서 상기 담체 내부로 침투할 수도 있다.
상기 제 1 금속 입자 및 제 2 금속 입자는 같은 물질을 사용할 수도 있고 서로 다른 물질을 사용할 수도 있다. 그러나 본 발명에서 상기 제 1 담체 및 제 2 담체는 서로 다른 담체를 사용하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제 1 담체는 카본블랙이고, 상기 제 2 담체는 중공형 탄소 캡슐, 다중 세공 탄소, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 메조다공성 탄소, 그래핀, 고표면적 고전도성 카본블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 제 1 촉매와 제 2 촉매는 서로 다른 담체를 포함함에 따라 그 표면적, 흑연화도, 표면특성, 모양 및 크기가 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 촉매는 표면적이 200 내지 1500 m2/g이고 입경이 30 내지 100 nm인 구형 카본 블랙 담체에 금속 입자가 담지된 상용 촉매일 수 있고, 상기 제 2 촉매는 다양한 표면적의 선형, 구형, 3차원 구조 등의 다양한 나노 구조를 가지는 나노 구조 탄소 또는 고흑연화 탄소 및 고표면적 카본 블랙 담체에 금속 입자가 담지된 촉매일 수 있다.
상기 연료전지 전극 형성용 조성물에 있어서, 상기 제 1 촉매 및 상기 제 2 촉매는 95:5 내지 80:20의 중량비로 포함되는 것일 수 있다. 상기 제 1 촉매에 대하여 상기 제 2 촉매의 중량비가 80:20를 초과할 경우, 즉 상기 제 1 촉매 80 중량부에 대하여 상기 제 2 촉매의 함량이 20 중량부를 초과하는 경우 용매, 이오노머, 첨가제 등의 양이 최적활성을 나타낼 수 있는 기존 조성에서 벗어나게 되어 성능 저하에 따른 촉매 변경이 필요하며, 경제성 등의 문제가 있을 수 있고, 함량비가 95:5 미만일 경우, 즉 상기 제 1 촉매 95 중량부에 대하여 상기 제 2 촉매의 함량이 5 중량부 미만인 경우 적은 성능 변화로 혼합 효과가 미미할 수 있다.
이때, 더 많은 비율을 차지하는 상기 제 1 담체는 상기 제 2 담체와 비교하였을 때, 가격이 더 저렴한 것으로 선택하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 연료전지용 전극 형성용 조성물이 서로 상이한 담체를 포함하는 경우 각 담체에 금속 입자가 균일하게 담지되지 못하는 문제가 있다. 즉, 어느 하나의 담체에는 상기 담체의 단위 무게 당 금속 입자가 많이 담지되나, 다른 담체에는 상기 담체의 단위 무게 당 금속 입자가 적게 담지되는 문제가 있다.
그러나, 본 발명의 연료전지용 전극 형성용 조성물은 서로 상이한 담체를 포함하는 이종의 촉매를 포함하면서도 각 담체에 금속 입자가 담지되는 비율이 균일한 것을 특징으로 한다.
구체적으로 상기 제 1 촉매의 담지율과 제 2 촉매의 각각의 담지율은 1:0.2 내지 1:0.8일 수 있고, 상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매의 담지율 편차는 각각 독립적으로 0 내지 10 %일 수 있다.
상기 각 촉매의 담지율은 하기 수학식 1로 계산할 수 있다.
[수학식 1]
각 촉매의 담지율 = (금속 입자의 무게 / (담체의 무게 + 금속 입자의 무게)) X 100
즉, 상기 제 1 촉매의 담지율은 (제 1 금속 입자의 무게 / (제 1 담체의 무게 + 제 1 금속 입자의 무게)) X 100으로 계산할 수 있고, 상기 제 2 촉매의 담지율은 (제 2 금속 입자의 무게 / (제 2 담체의 무게 + 제 2 금속 입자의 무게)) X 100으로 계산할 수 있다.
상기 제 1 촉매의 담지율과 상기 제 2 촉매의 담지율이 각각 0.2 미만인 경우 성능 향상 보다는 상기 제 1 촉매의 고전류 성능 개선 효과만 나타날 수 있고, 0.8을 초과하는 경우 촉매가 응집되어 성능이 저하될 수 있다.
상기 각 촉매의 담지율 편차는 하기 수학식 3으로 계산할 수 있다.
[수학식 3]
각 촉매의 담지율 편차 = (각 촉매의 담지율 / 전체 촉매의 평균 담지율) X 100
상기 수학식 3에서 상기 각 촉매의 담지율은 상기 수학식 1로 계산할 수 있고, 상기 전체 촉매의 평균 담지율은 하기 수학식 2로 계산할 수 있다.
[수학식 2]
전체 촉매의 평균 담지율 = 각 촉매의 담지율의 합 / 각 촉매의 개수
예를 들어, 상기 전체 촉매의 평균 담지율은 (제 1 촉매의 담지율 + 제 2 촉매의 담지율) / 2로 계산할 수 있다. 여기서, 상기 각 촉매의 개수는 상기 제 1 촉매와 상기 제 2 촉매 2 가지가 존재하므로 2가 된다. 한편, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물이 제 3 촉매 등을 더 포함하는 경우, 상기 각 촉매의 개수는 3 이상이 될 수 있다. 또한, 상기 제 1 촉매의 담지율 편차는 (제 1 촉매의 담지율 / 전체 촉매의 평균 담지율) X 100으로 계산할 수 있고, 상기 제 2 촉매의 담지율 편차는 (제 2 촉매의 담지율 / 전체 촉매의 평균 담지율) X 100으로 계산할 수 있다.
상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매의 담지율 편차가 작을수록 성능 개선 효과가 우수하며, 10 % 를 초과하는 경우 본 발명과 같이 금속 입자를 서로 다른 담체에 담지 후 혼합하는 것과 금속 입자 및 서로 다른 담체를 혼합해서 담지시키는 경우와 차이가 없다는 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물이 서로 상이한 담체를 포함하는 경우 담체의 종류에 따라 촉매의 크기가 차이가 날 수 있는데, 이 경우 시료의 배치(batch)에 따라 편차가 심하게 되는 문제가 있다. 그러나 본 발명의 연료전지 전극 형성용 조성물은, 동일한 함량의 금속 입자를 담지시 상기 제 1 촉매와 제 2 촉매의 평균크기 편차는 각각 독립적으로 0 내지 10 % 이다.
상기 각 촉매의 평균크기 편차는 하기 수학식 4로 계산할 수 있다.
[수학식 4]
각 촉매의 평균크기 편차 = (각 촉매의 평균크기 / 전체 촉매의 평균크기) X 100
상기 수학식 4에서 상기 각 촉매의 평균크기는 예를 들어 제 1 촉매의 경우 제 1 촉매 전체 입자의 크기의 합을 제 1 촉매 전체 입자의 개수로 나누어 계산할 수 있고, 상기 전체 촉매의 평균크기는 하기 수학식 5로 계산할 수 있다.
[수학식 5]
전체 촉매의 평균크기 = 각 촉매의 평균크기의 합 / 촉매의 갯수
예를 들어, 상기 전체 촉매의 평균크기는 (제 1 촉매의 평균크기 + 제 2 촉매의 평균크기) / 2로 계산할 수 있다. 여기서, 상기 각 촉매의 개수는 상기 제 1 촉매와 상기 제 2 촉매 2 가지가 존재하므로 2가 된다. 한편, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물이 제 3 촉매 등을 더 포함하는 경우, 상기 각 촉매의 개수는 3 이상이 될 수 있다. 또한, 상기 제 1 촉매의 평균크기 편차는 (제 1 촉매의 평균크기 / 전체 촉매의 평균크기) X 100으로 계산할 수 있고, 상기 제 2 촉매의 평균크기 편차는 (제 2 촉매의 평균크기 / 전체 촉매의 평균크기) X 100으로 계산할 수 있다.
상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매의 평균크기 편차가 작을수록 성능 개선 효과가 우수하며, 10 % 를 초과하는 경우 본 발명과 같이 금속 입자를 서로 다른 담체에 담지 후 혼합하는 것과 금속 입자 및 서로 다른 담체를 혼합해서 담지시키는 경우와 차이가 없다는 문제가 있을 수 있다.
상기 용매는 물, 이소프로필 알코올, 에톡시 에탄올, N-메틸피롤리돈, 에틸렌글리콜, 프로필렌 글리콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 이오노머는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 어느 것이나 이용할 수 있다. 더 구체적으로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 구체적으로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화폴리에테르케톤, 아릴케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[Poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 수소이온 전도성을 갖는 고분자 수지는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 상기 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. 상기 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 이오노머는 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 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플로오로에틸렌(Ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 사용될 수 있다.
상기 이오노머 및 용매는 제 1 촉매 및 제 2 촉매 100 중량부에 대하여, 이오노머 40 내지 70 중량부, 용매 1000 내지 1400 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 이오노머가 20 중량부 미만일 경우 이온전달에 문제가 발생할 수 있고, 70 중량부 초과할 경우 기공의 감소로 물질전달에 문제가 발생할 수 있다.
상기 용매가 1000 중량부 미만일 경우 촉매 적심이나 분산 및 코팅에 문제가 발생할 수 있고, 1400 중량부 초과할 경우 점도조절, 코팅 및 건조에 문제가 발생할 수 있다.
상기 연료전지 전극 형성용 조성물은 상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매와 서로 다른 담체를 포함하는 제 3 촉매를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 연료전지 전극 형성용 조성물은 성능 및 내구도 개선을 위하여, 다른 종류의 담체를 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제 3 촉매는 제 1 촉매 및 제 2 촉매와 서로 다른 담체를 포함하며, 제 3 담체 이상의 다양한 담체로 구성될수록 성능 및 내구도가 향상된다. 3종 이상일 경우 전체 촉매 조절 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물은 이종 또는 이종 이상의 다종 담체의 혼합으로 촉매-이오노머의 균일한 혼합을 이끌어내어 단일 촉매 대비 촉매의 이용률이 증대되고, 촉매의 성능이 향상되었다. 즉, 동일한 양의 촉매로 성능향상이 이루어져 적은 양의 촉매로도 우수한 전류밀도와 전력밀도를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 제조된 연료전지용 전극을 제공한다.
이에 따라, 상기 연료전지용 전극은 제 1 담체 및 상기 제 1 담체에 담지된 제 1 금속 입자를 포함하는 제 1 촉매, 제 2 담체 및 상기 제 2 담체에 담지된 제 2 금속 입자를 포함하는 제 2 촉매, 및 이오노머를 포함한다.
상기 연료전지용 전극은 도 1과 같은 모식도로 나타낼 수 있다. 도 1은 본 발명의 하나의 예시에 따른 연료전지용 전극(40)의 구성을 간략하게 나타낸 모식도이다.
상기 도 1을 살펴보면 상기 연료전지용 전극(40)은 상기 제 1 촉매(10)과 상기 제 2 촉매(20)이 혼합되어 있으며, 상기 제 1 촉매(10)과 상기 제 2 촉매(20)의 주위에 상기 이오노머(30)가 감싸고 있는 형태이다.
이때, 상기 제 1 촉매(10)은 상기 제 1 금속 입자(11)가 카본블랙과 같은 구형의 상기 제 1 담체(12)에 담지되어 있고, 상기 제 2 촉매(20)은 상기 제 2 금속 입자(21)가 카본나노파이버와 같은 파이버 형상의 제 2 담체(22)에 담지되어 있다. 상기 연료전지용 전극(40)은 상기 본 발명에 따른 전극 형성용 조성물을 이용하여 제조되기 때문에 상기 금속 입자들이 상기 제 1 담체(12)와 상기 제 2 담체(22)에 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 전극은 선택적으로 전극기재를 더 포함할 수 있다. 상기 전극기재는 상기 전극을 지지하는 역할을 하며, 상기 촉매로 연료 및 산화제를 확산시켜 연료나 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.
상기 전극기재는 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소천(Carbon cloth), 탄소펠트(Carbon felt), 탄소섬유(Carbon fiber) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있고, 이들 중에서 바람직하게는 탄소섬유를 사용할 수 있다.
상기 전극기재는 기공을 포함할 수 있는데, 상기 기공의 크기와 기공율을 조절함으로써 연료전지의 성능을 개선시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 전극기재는 20 내지 40 ㎛ 직경의 평균 기공(Mean pore)을 상기 전극기재 총 부피에 대하여 30 내지 80 부피%의 기공율로 포함할 수 있다. 구체적으로는 20 내지 30 ㎛ 직경의 평균 기공을 상기 전극기재 총 부피에 대하여 50 내지 80 부피%의 기공율로 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지용 전극은 선택적으로 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(Microporous layer)을 더 포함할 수 있다. 상기 미세 기공층은 3 내지 80 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 10 내지 70 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 미세 기공층의 두께가 상기 범위 내일 경우, 80 %의 상대습도 가습조건에서 워터 플러딩(Water flooding)으로 유발되는 물질 전달 제한(Mass transfer limitation)으로 인한 저항 증가를 막을 수 있으며, 연료 전지 스택 제작시 체결 압력에 의한 분리판의 유로에 의한 눌림으로 인하여 발생되는 크랙이나 탈리를 막을 수 있다.
상기 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(Fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(Carbon nanohorn), 카본 나노 링(Carbon nano ring) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 미세 기공층은 상기 도전성 분말과 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극기재에 코팅하여 제조될 수 있다.
상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 이들의 코폴리머 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 제 1 금속 입자를 제 1 담체에 담지시켜 제 1 촉매를 준비하는 단계, 제 2 금속 입자를 제 2 담체에 담지시켜 제 2 촉매를 준비하는 단계, 상기 제 1 촉매, 상기 제 2 촉매 및 이오노머를 용매에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계, 및 상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매의 준비 단계에서, 상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매는 폴리올 환원법, 전자빔 환원법, 및 수소화붕소나트륨 (NaBH4) 환원법, urea-assisted 균일환원법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 환원법으로 제조될 수 있다.
상기 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계에서는 상기 준비된 상기 제 1 촉매 및 상기 제 2 촉매와 함께 이오노머를 용매에 첨가한 후 혼합하여 상기 전극 형성용 조성물을 제조한다. 상기 제 1 촉매, 제 2 촉매, 이오노머 및 용매에 대한 설명은 상기한 바와 같다.
상기와 같이, 상기 제 1 금속 입자가 상기 제 1 담체에 담지된 상기 제 1 촉매와 상기 제 2 금속 입자가 상기 제 2 담체에 담지된 상기 제 2 촉매를 별도로 준비한 후, 이들을 혼합하여 전극 형성용 조성물을 제조하기 때문에 상기 금속 입자들이 상기 제 1 담체와 상기 제 2 담체에 균일하게 분포될 수 있다.
마지막으로, 상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조한다.
상기 도포 공정은 상기 전극 형성용 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전극은 1 내지 100 ㎛의 두께로 도포될 수 있다. 상기 두께가 1 ㎛ 미만인 경우 반응 면적이 작아 활성이 떨어질 수 있고, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 이온 및 전자의 이동 거리가 증가하여 저항이 증가될 수 있다.
한편, 상기 전극 형성용 조성물을 도포한 후, 선택적으로 상기 전극 형성용 조성물을 건조시킬 수 있는데, 상기 건조 공정은 25 내지 90 ℃에서 12시간 이상 건조시키는 것일 수 있다. 상기 건조 온도가 25 ℃ 미만이고 건조온도가 12시간 미만인 경우에는 충분히 건조된 전극을 형성하지 못할 수 있는 문제가 발생될 수 있고, 90 ℃를 초과하는 온도에서 건조시키면 전극의 균열 등이 발생할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지용 전극(40)을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
도 2는 상기 막-전극 접합체를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 이하, 도 2를 참고하여, 상기 막-전극 접합체에 대하여 설명한다.
상기 막-전극 접합체(150)는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(110) 및 캐소드 전극(110); 및 상기 애노드 전극(110) 및 상기 캐소드 전극(110) 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(130)을 포함한다.
상기 애노드 전극(110) 및 상기 캐소드 전극(110) 중 적어도 하나는 전술한 본 발명의 연료전지용 전극(40)이 사용된다.
상기 고분자 전해질 막(130)은 두께가 10 내지 200 ㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 상기 애노드 전극(110)에서 생성된 수소 이온을 상기 캐소드 전극(110)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
상기 고분자 전해질 막(130)은 탄화수소계 고분자 전해질막, 불소계 고분자 전해질막 및 이들의 하나 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수 있다.
상기 탄화수소계 고분자 전해질막은 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있으며, 상기 고분자는 스티렌, 이미드, 술폰, 포스파젠, 에테르에테르 케톤, 에틸렌옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드 또는 방향족기의 호모폴리머 또는 코폴리머 및 이들의 유도체 등에서 선택할 수 있으며, 이들 고분자는 단독 또는 조합으로 사용할 수 있다. 탄화수소계 고분자를 사용하여 전해질막을 제조하는 것은 불소계 고분자를 사용하는 것보다 제조비용이 저렴하고, 제조가 용이하며, 높은 이온전도도를 나타낸다.
상기 적합한 탄화수소막으로는 보다 바람직하게는 술폰화 폴리술폰(sulfonated polysulfone), 술폰화 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone), 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonated polyetherketone), 술폰화 폴리에테르에테르케톤(sulfonated poly ether ether ketone), 술폰화 폴리아릴렌에테르에테르케톤(sulfonated poly aryrene ether ether ketone), 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated poly aryrene ether sulfone), 술폰화 폴리아릴렌에테르벤즈이미다졸(sulfonated poly aryrene ether benzimidazole) 및 이온전도체가 도입된 막으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 불소계 고분자 전해질막은 이온전도성 막으로 필름을 형성할 수 있을 정도의 기계적 강도 및 높은 전기화학적 안정성을 갖는 물질이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 불소계 고분자 전해질막의 구체적인 예로서는 퍼플루오로설폰산 수지, 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체 등이 있다. 플루오로비닐에테르 모이어티는 수소이온을 전도하는 기능을 갖는다. 상기 공중합체는 듀퐁(Dupont)사에서 나피온(Nafion)이라는 상품명으로 판매되고 있어서 상업적으로 입수가능하다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 도 3은 상기 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
참고로, 상기 연료전지는 인산 전해질형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지로서 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC)와 고온용 PEMFC 등 다양한 전해질형 연료전지일 수 있으며, 본 발명에서 그 종류가 한정되는 것은 아니다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 연료전지(200)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(210), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(220), 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(230), 및 산화제를 상기 개질부(220) 및 상기 스택(230)으로 공급하는 산화제 공급부(240)를 포함한다.
상기 스택(230)은 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(240)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한다.
각각의 단위 셀은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 상기 막-전극 접합체와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 접합체로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다)을 포함한다. 상기 분리판은 상기 막-전극 접합체를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.
상기 분리판 중 상기 엔드 플레이트에는 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제 1 공급관(231)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제 2 공급관(232)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에는 복수의 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 외부로 배출시키기 위한 제 1 배출관(233)과, 상기한 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제 2 배출관(234)이 구비된다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 당 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
[ 제조예 1: 연료전지 전극 형성용 조성물 제조]
< 실시예 1>
제 1 촉매로 Pt/CB(Tanaka, TEC10E50E) 2.79 g, 제 2 촉매로 Pt/CNF 0.31 g(비나텍, VFC-HE60)을 혼합하였다(도 4 참고). 혼합된 촉매를 적심용액 22 g 에 침지시켰다. 침지된 혼합 촉매에 20% 이오노머 용액 6.5 g과 추가 용매 9 g을 첨가하였다.
< 실시예 2>
제 1 촉매로 Pt/CB(Tanaka, TEC10E50E) 2.79 g, 제 2 촉매로 Pt/MPC 0.31 g (자체제작)을 혼합하였다(도 5 참고). 혼합된 촉매를 적심용액 22 g 에 침지시켰다. 침지된 혼합 촉매에 20% 이오노머 용액 6.5 g과 추가 용매 9 g을 첨가하였다.
< 실시예 3>
제 1 촉매로 Pt/CB(Tanaka, TEC10E50E) 2.79 g, 제 2 촉매로 Pt/HCC 0.31 g (자체제작)을 혼합하였다. 혼합된 촉매를 적심용액 22 g 에 침지시켰다. 침지된 혼합 촉매에 20% 이오노머 용액 6.5 g과 추가 용매 9 g을 첨가하였다.
< 비교예 1>
제 1 촉매로 Pt/CB(Tanaka, TEC10E50E) 3.1 g을 적심용액 22 g에 침지시켰다(도 6 참고). 침지된 혼합 촉매에 20% 이오노머 용액 6.5 g과 추가 용매 9 g을 첨가하였다.
[ 제조예 2: 막-전극 접합체의 제조]
상기 제조예에서 제조된 연료전지 전극 형성용 조성물을 폴리이미드 이형필름에 코팅속도 10 mm/s, 코팅 두께 100 ㎛의 조건으로 바 코팅한 후, 30 ℃, 6 시간 동안 건조시켜 전극을 제조하였다.
상기 건조된 전극을 필요한 크기로 자르고, 고분자 전해질 막(듀폰社 제품; Nafion 212 Membrane) 양면에 전극면과 전해질막이 맞닿게 정렬시킨 후, 100 ℃, 10 MPa의 열 및 압력 조건으로 5분간 압착한 후, 1 분간 상온에서 유지하는 방법으로 핫프레싱하여 전사하고, 이형필름을 박리하여 막-전극 접합체를 제조하였다.
[ 실험예 1: 막-전극 접합체의 성능 평가]
상기 제조예 2에서 상기 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 제조된 막-전극 접합체에 대하여 전극의 전압 전류 밀도의 출력 특성을 평가하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7을 참고하면, 단일 담체 촉매와 이오노머로만 이루어진 비교예 1에 비하여, 다중 담체 촉매와 이오노머로 이루어진 실시예 1의 전압 전류 밀도가 더 우수한 것을 확인할 수 있었다.
10: 제 1 촉매
11: 제 1 금속 입자 12: 제 1 담체
20: 제 2 촉매
21: 제 2 금속 입자 22: 제 2 담체
30: 이오노머
40: 전극
110: 애노드 전극 및 캐소드 전극
130: 고분자 전해질 막
150: 막-전극 접합체
200: 연료전지
210: 연료 공급부 220: 개질부
230: 스택 231: 제 1 공급관
232: 제 2 공급관 233: 제 1 배출관
234: 제 2 배출관 240: 산화제 공급부

Claims (17)

  1. 제 1 담체 및 상기 제 1 담체에 담지된 제 1 금속 입자를 포함하는 제 1 촉매,
    제 2 담체 및 상기 제 2 담체에 담지된 제 2 금속 입자를 포함하는 제 2 촉매,
    이오노머, 및
    용매를 포함하며,
    상기 제 1 담체와 상기 제 2 담체는 서로 상이한 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 금속 입자 또는 상기 제 2 금속 입자는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-M 합금(상기 M은 Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 담체 또는 상기 제 2 담체는 카본블랙, 중공형 탄소 캡슐(Hollow carbon capsule; HCC), 다중 세공 탄소(Multimodal porous carbon; MPC), 카본나노튜브(Carbon nanotube; CNT), 카본나노파이버(Carbon nanofiber; CNF), 메조다공성 탄소(Mesoporous carbon), 그래핀(Graphene), 고표면적 고전도성 카본블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 담체는 카본블랙이고,
    상기 제 2 담체는 중공형 탄소 캡슐, 다중 세공 탄소, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 메조다공성 탄소, 그래핀, 고표면적 고전도성 카본블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 촉매는 표면적이 200 내지 1500 m2/g이고, 입경이 30 내지 100 nm인 구형 카본 블랙 담체에 금속 입자가 담지된 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 촉매 및 상기 제 2 촉매는 95:5 내지 80:20 의 중량비로 포함되는 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
  7. 제 1항에 있어서,
    하기 수학식 1로 계산되는 제 1 촉매 및 제 2 촉매의 담지율의 비는 1:0.2 내지 1:0.8인 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
    [수학식 1]
    각 촉매의 담지율 = (금속 입자의 무게 / (담체의 무게 + 금속 입자의 무게)) X 100
  8. 제 1항에 있어서,
    하기 수학식 3으로 계산되는 제 1 촉매 및 제 2 촉매의 담지율 편차는 각각 독립적으로 0 내지 10 %인 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
    [수학식 3]
    각 촉매의 담지율 편차 = (각 촉매의 담지율 / 전체 촉매의 평균 담지율) X 100
    [수학식 1]
    각 촉매의 담지율 = (금속 입자의 무게 / (담체의 무게 + 금속 입자의 무게)) X 100
    [수학식 2]
    전체 촉매의 평균 담지율 = 각 촉매의 담지율의 합 / 각 촉매의 갯수
  9. 제 1항에 있어서,
    하기 수학식 4로 계산되는 상기 제 1 촉매와 제 2 촉매의 평균크기 편차는 각각 독립적으로 0 내지 10 %인 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
    [수학식 4]
    각 촉매의 평균크기 편차 = (각 촉매의 평균크기 / 전체 촉매의 평균크기) X 100
    [수학식 5]
    전체 촉매의 평균크기 = 각 촉매의 평균크기의 합 / 촉매의 갯수
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 용매는 물, 이소프로필 알코올, 에톡시 에탄올, N-메틸피롤리돈, 에틸렌글리콜, 프로필렌 글리콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 전극 형성용 조성물은, 제 1 촉매 및 제 2 촉매 100 중량부에 대하여, 이오노머 40 내지 70 중량부, 용매 1000 내지 1400 중량부로 포함되는 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 전극 형성용 조성물은 상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매와 서로 다른 담체를 포함하는 제3 촉매를 더 포함하는 것인 연료전지 전극 형성용 조성물.
  13. 제 1 담체 및 상기 제 1 담체에 담지된 제 1 금속 입자를 포함하는 제 1 촉매,
    제 2 담체 및 상기 제 2 담체에 담지된 제 2 금속 입자를 포함하는 제 2 촉매, 및
    이오노머를 포함하며,
    상기 제 1 담체와 상기 제 2 담체는 서로 상이한 것인 연료전지용 전극.
  14. 제 1 금속 입자를 제 1 담체에 담지시켜 제 1 촉매를 준비하는 단계,
    제 2 금속 입자를 제 2 담체에 담지시켜 제 2 촉매를 준비하는 단계,
    상기 제 1 촉매, 상기 제 2 촉매 및 이오노머를 용매에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계, 및
    상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조하는 단계
    를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 촉매 및 제 2 촉매는 각각 독립적으로 폴리올 환원법, 전자빔 환원법, 및 수소화붕소나트륨 (NaBH4) 환원법, urea-assisted 균일환원법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 환원법으로 제조되는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  16. 제 13항에 따른 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체.
  17. 제 13항에 따른 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지.
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