KR20190009584A - Catalyst for fuel cell and method of manufacturing the same, and membrane-electrode assmbly and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

A catalyst for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a predetermined metal doped on a platinum-nickel (Pt-Ni) nanoparticle catalyst. The doped predetermined metal may be at least one selected from the group consisting of indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium. According to the present invention, a catalyst for a fuel cell and a membrane-electrode assembly excellent in activity and durability against an oxygen reduction reaction can be provided.

Description

연료 전지용 촉매 및 이의 제조 방법, 그리고 막-전극 접합체 및 이의 제조 방법{CATALYST FOR FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSMBLY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME} TECHNICAL FIELD The present invention relates to a catalyst for a fuel cell, a method for producing the same, a membrane-electrode assembly, and a method for manufacturing the same. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 연료 전지용 촉매 및 막-전극 접합체에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 탄소에 담지된 백금-니켈 상에 소정의 금속을 도핑하여 연료 전지용 촉매를 형성하고, 이러한 촉매로 구성된 전극으로 제조되는 막-전극 접합체에 관한 것이다. The present invention relates to a catalyst for a fuel cell and a membrane-electrode assembly, and more particularly, to a catalyst for fuel cell by doping a predetermined metal on platinum-nickel supported on carbon, Electrode assembly.

고분자 전해질 연료전지는 고효율 및 고출력을 기반으로, 다른 형태의 연료전지에 비해 전류 밀도가 큰 고출력 연료전지로, 저온에서 작동되고 구조가 간단하다. 또한, 빠른 시동과 응답 특성을 가지고 있어 자동차의 동력원 및 건물용 전원으로 적합한 시스템이다. 고분자 전해질 연료전지의 전극 소재로는 탄소에 담지된 백금 촉매 (Pt/C) 를 사용하는데, 가격 저감을 위해 백금 사용량을 줄여야 한다. The polymer electrolyte fuel cell is a high-output fuel cell based on high efficiency and high output, which has a higher current density than other types of fuel cells. It operates at low temperatures and has a simple structure. Also, it has a quick start and response characteristics and is suitable for power source of vehicles and building power. Platinum catalyst (Pt / C) supported on carbon is used as an electrode material of polymer electrolyte fuel cell, and platinum usage should be reduced to reduce the price.

Pt/C 촉매는 음극에서는 빠른 수소 산화 반응성을 보이는 반면, 양극 촉매에서는 느린 산소 환원 반응성을 보여, 많은 양의 백금 촉매가 양극에 사용되고 있다. 이를 극복하고자, 백금과 전이금속간의 합금 및 형상 제어를 통해 높은 산소 환원 반응 활성을 지닌 촉매를 개발하려는 시도가 이루어져, 산소 환원 반응 활성이 우수한 면이 노출된 백금-니켈계 팔면체 구조 촉매가 산소 환원 반응 활성이 매우 우수하다고 보고된 바 있다. 그러나, 연료전지 구동환경에서 니켈이 쉽게 용출되고 장기간 사용 시 팔면체 구조가 구형으로 변형되어, 초기 성능은 우수하나 내구성이 취약한 한계를 갖는다. 또한 용출된 니켈은 나피온 멤브레인과 전극의 나피온 이오노머를 오염시켜 이온전도도를 저하시키고 연료전지의 성능 저하의 원인이 된다. 즉, 여전히 백금-니켈계 팔면체 구조의 촉매로 구현된 연료 전지 구동 환경에서도 내구성 문제와 산소 환원 반응의 활성도가 낮다는 문제가 남아있는 것이다.The Pt / C catalyst showed fast hydrogen oxidation reactivity at the cathode, while the slow - oxygen reduction reaction at the anode catalyst showed a large amount of platinum catalyst in the anode. In order to overcome this problem, an attempt has been made to develop a catalyst having a high oxygen reduction activity through the control of the alloy and shape between platinum and transition metal. As a result, a platinum-nickel octahedral catalyst having an oxygen- It has been reported that the reaction activity is very excellent. However, nickel easily dissolves in the fuel cell operating environment and the octahedral structure is deformed into a spherical shape when used for a long period of time, so that the initial performance is excellent but the durability is poor. Also, the eluted nickel may contaminate the Nafion membrane of the Nafion membrane and the Nafion ionomer of the electrode, which may deteriorate the ionic conductivity and deteriorate the performance of the fuel cell. That is, there remains a problem that the durability problem and the activity of the oxygen reduction reaction are low even in the fuel cell driving environment implemented with the catalyst of the platinum-nickel octahedral structure.

본 발명은 종래의 백금 촉매가 갖는 한계를 극복하고자 백금-니켈에 소정의 금속이 도핑된 연료 전지용 촉매를 제조함으로써, 산소환원반응에 대한 활성과 내구성이 우수한 연료 전지용 촉매 및 막-전극 접합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to overcome the limitations of the conventional platinum catalyst, the present invention provides a catalyst for a fuel cell and a membrane-electrode assembly excellent in activity and durability against an oxygen reduction reaction by preparing a catalyst for a fuel cell doped with a predetermined metal in platinum- .

또한, 소정의 금속이 도핑됨으로써, 연료 전지 구동 환경에서 니켈의 용출을 최소화하여 안정성을 높이는 것을 목적으로 한다. It is also intended to minimize the elution of nickel in the fuel cell driving environment by doping a predetermined metal, thereby enhancing the stability.

그리고, 소정의 금속이 도핑된 연료 전지용 촉매로 구성된 막-전극 접합체의 경우, 보다 높은 초기 단위 전지 성능을 나타내고, 높은 최대 전류 밀도를 생성할 수 있도록 함을 목적으로 한다. In the case of a membrane-electrode assembly composed of a catalyst for a fuel cell doped with a predetermined metal, a higher initial unit cell performance is exhibited and a higher maximum current density can be generated.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매는 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매를 포함하고, 상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것일 수 있다.The catalyst for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a Pt-Ni (Ni) nanoparticle catalyst doped with a predetermined metal, and the doped predetermined metal is indium (In), gallium (Ga) , Tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium (Gd).

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체는 음극과 양극, 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 음극은 백금(Pt) 나노 입자 촉매로 구성되고, 상기 양극은 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매로 구성되고, 상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것일 수 있다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a cathode, an anode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode, wherein the anode is formed of a Pt (nano-sized) The anode is made of a platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst doped with a predetermined metal, and the doped predetermined metal is indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium Ru), zirconium (Zr), and gadolinium (Gd).

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매 제조 방법은 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매 상에 소정의 금속을 도핑하는 단계를 포함하고, 상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것일 수 있다. The method for preparing a catalyst for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes the step of doping a predetermined metal on a Pt-Ni (Ni) nanoparticle catalyst, wherein the doped predetermined metal is indium (In) , Gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium (Gd).

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체 제조 방법은 백금(Pt) 나노 입자 촉매로 음극을 구성하는 단계, 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매를 포함하는 연료전지용 촉매로 양극을 구성하는 단계, 상기 음극과 상기 양극 사이에 고분자 전해질 막을 위치하는 단계 및 상기 음극과 상기 양극을 상기 고분자 전해질 막의 양쪽에 각각 코팅하는 단계를 포함하고, 상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것일 수 있다.The method for fabricating a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes forming a cathode using a platinum (Pt) nanoparticle catalyst, forming a predetermined metal-doped platinum-nickel (Ni) Forming a cathode by a catalyst for a fuel cell, placing a polymer electrolyte membrane between the cathode and the anode, and coating each of the anode and the anode on both sides of the polymer electrolyte membrane, The metal may be one or more selected from the group consisting of indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium (Gd).

본 발명의 일 실시예에 따르면 종래의 백금 촉매가 갖는 한계를 극복하고자 백금-니켈에 소정의 금속이 도핑된 연료 전지용 촉매를 제조함으로써, 산소환원반응에 대한 활성과 내구성이 우수한 연료 전지용 촉매 및 막-전극 접합체를 제공할 수 있게 된다.According to an embodiment of the present invention, a catalyst for a fuel cell doped with a predetermined metal in platinum-nickel is prepared in order to overcome the limitations of the conventional platinum catalyst, -Electrode < / RTI > junction.

또한, 소정의 금속이 도핑됨으로써, 연료 전지 구동 환경에서 니켈의 용출을 최소화하여 안정성이 보다 높아질 수 있게 된다.Further, by doping a predetermined metal, the dissolution of nickel in the fuel cell driving environment can be minimized and the stability can be further increased.

그리고, 소정의 금속이 도핑된 연료 전지용 촉매로 구성된 막-전극 접합체의 경우, 보다 높은 초기 단위 전지 성능을 나타내고, 높은 최대 전류 밀도를 생성할 수 있게 된다.In the case of a membrane-electrode assembly composed of a catalyst for a fuel cell doped with a predetermined metal, higher initial unit cell performance is obtained and high maximum current density can be produced.

마지막으로, 소정의 금속이 도핑된 연료 전지용 촉매의 경우, 내구성 평가시 산소 환원 반응의 감소율과 전기화학적 활성 면적의 감소율이 보다 낮아지게 된다. Finally, in the case of a catalyst for a fuel cell doped with a predetermined metal, the reduction rate of the oxygen reduction reaction and the reduction rate of the electrochemically active area are lowered in the durability evaluation.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류-전압값에 따른 도핑 효과 분석 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 X-선 회절 (XRD) 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고배율 투과전자현미경(HR-TEM) 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반전지 활성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 활성 면적 (ECSA) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내구성 평가 이후의 산소 환원 반응 및 전기화학적 활성 면적을 비교한 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 내구성 평가에 따른 화학적 조성의 변화 분석을 나타내기 위해 참조되는 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)를 나타낸 개략도이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 11은 단위 전지의 성능을 비교한 결과를 나타내기 위해 참조되는 도면이다.
도 12 및 도 13은 단위 전지의 내구성을 평가한 결과를 나타내기 위해 참조되는 도면이다.
FIG. 1 is a graph illustrating a doping effect analysis result according to a current-voltage value according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an X-ray diffraction (XRD) analysis result according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a result of a high magnification transmission electron microscope (HR-TEM) analysis according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the results of evaluating the activity of a reversed electrode according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing an electrochemical active area (ECSA) change according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph comparing an oxygen reduction reaction and an electrochemical active area after the durability test according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 7 to 9 are views referred to for illustrating analysis of change in chemical composition according to the durability evaluation according to an embodiment of the present invention.
10A is a schematic view showing a membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10B is a schematic view showing the overall configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG.
10C is an exploded perspective view showing a stack of fuel cells according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram for referencing the results of comparing the performance of a unit cell.
12 and 13 are drawings referred to for showing the result of evaluating the durability of the unit cell.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 촉매 및 막-전극 접합체를 설명한다.Hereinafter, a catalyst for a fuel cell and a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매는 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매를 포함하고, 상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것일 수 있다. 이 때, 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는 팔면체 구조로 구성될 수 있으며, 상기 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는, 백금(Pt)과 니켈(Ni)을 탄소 담체상에 담지하여 생성된 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매의 구조가 팔면체 구조임을 예시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따른 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매가 팔면체 구조인 경우, 팔면체 구조의 모서리는 약 6.0±0.4 nm 일 수 있다.. 또한, 소정의 금속이 도핑 되지 않은 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매 또한 동일한 크기를 가질 수 있으며, 상기 범위의 입자 크기를 가지는 경우에 상용 Pt/C 촉매보다 산소 환원 반응이 증가하는 장점이 있다. 그리고, 백금은 니켈 입자 표면상 구형의 점(dot) 형태로 니켈과 공존해 있는 것일 수 있다.The catalyst for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a Pt-Ni (Ni) nanoparticle catalyst doped with a predetermined metal, and the doped predetermined metal is indium (In), gallium (Ga) , Tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium (Gd). At this time, the platinum (Pt) -nickel nanoparticle catalyst may be composed of octahedral structure, and the platinum (Pt) -nickel (Ni) Or may be one produced by being carried on a carrier. Although the structure of the platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst according to an embodiment of the present invention is illustrated as an octahedral structure, the present invention is not limited thereto. When the predetermined metal-doped Pt-Ni (Ni) nanoparticle catalyst according to the embodiment of the present invention has an octahedral structure, the edge of the octahedral structure may be about 6.0 + - 0.4 nm. The platinum (Pt) - nickel (Ni) nanoparticle catalyst without metal doping can also have the same size, and the oxygen reduction reaction is more advantageous than the commercial Pt / C catalyst when the particle size is within the above range. Further, platinum may be in the form of spherical dots coexisting with nickel on the surface of nickel particles.

본 발명의 일 실시예에 따른 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, BP2000, 카본나노튜브, 카본나노 파이버, 카본나노 와이어, 카본나노볼, 카본 나노혼, 메조세공을 가지고 있는 다공성 탄소, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수 있으며, 이 중 하나 또는 그 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 바람직한 탄소 담체로 HMC, OMC이 있다. 구체적으로, 속 빈 메조세공 탄소(hollow mesoporous carbon: HMC)는 중공형 코어로서 직경 50 ~ 600 nm, 메조세공 크기 2 ~ 5 nm, 메조세공 쉘의 두께 20 ~ 200 nm를 가질 수 있다. 또한, OMC (ordered mesoporous carbon) 은 규칙적 메조세공을 가진 탄소 구조체를 총징하는 것으로, 메조세공의 발달 형태 및 구조뿐만 아니라, 전체 모양 및 크기면에서 다양하게 합성되기 때문에 다양한 구조 및 형태의 메조 세공 탄소가 가능하며, 탄소 담체에 담지시켜 사용할 경우, 촉매 입자의 크기를 작게할 수 있고, 촉매입자의 분산도를 증대시킬 수 있다. 이에 따라 촉매의 반응 표면적을 증가시킬 수 있기 때문에 보다 바람직하다.Examples of the support according to an embodiment of the present invention include graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, BP2000, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, carbon nanophones, Carbon, or activated carbon may be used. One or more of them may be selected and used. Preferred carbon supports for use in one embodiment of the present invention are HMC, OMC. Specifically, hollow mesoporous carbon (HMC) is a hollow core having a diameter of 50 to 600 nm, a mesopore size of 2 to 5 nm, and a mesoporous shell thickness of 20 to 200 nm. In addition, OMC (ordered mesoporous carbon) is a carbon structure having regular mesopores, and it is synthesized not only in the development mode and structure of mesopores but also in various shapes and sizes. Therefore, mesoporous carbons When the catalyst is supported on a carbon carrier, the size of the catalyst particles can be reduced and the degree of dispersion of the catalyst particles can be increased. Thereby increasing the reaction surface area of the catalyst.

본 발명의 일 실시예에 따른 백금(Pt)은 전체의 약 14±1 wt%로 구성될 수 있으며, 일 실시예로 14wt%로 구성될 수 있다. 백금 함유량이 14+1 wt%를 초과하는 경우, 백금이 서로 뭉치게 되는 현상이 발생되어 산소환원 반응 활성이 떨어질 수도 있다. 그리고, 도핑된 소정의 금속은 상기 백금(Pt) 및 상기 니켈(Ni) 대비 0.2at% 내지 2.2at%로 구성될 수 있다. 상기 백금과 상기 니켈의 중량비에 따르면, 규칙적인 원자 배열을 형성할 수 있고, 촉매의 산소환원 반응을 증가시킬 수 있게 된다. Platinum (Pt) according to one embodiment of the present invention has a total of about 14 +/- 1 wt%, and in one embodiment 14 wt%. When the content of platinum is more than 14 + 1 wt%, platinum may aggregate with each other and the oxygen reduction activity may be lowered. The predetermined doped metal may be composed of 0.2 at% to 2.2 at% of the platinum (Pt) and the nickel (Ni). According to the weight ratio of the platinum and the nickel, regular atomic arrangement can be formed and the oxygen reduction reaction of the catalyst can be increased.

상기 구성을 갖는 연료 전지용 촉매는 다음 공정으로 제조될 수 있다.The catalyst for a fuel cell having the above-described structure can be produced by the following process.

백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매 상에 소정의 금속을 도핑하여 연료전지용 촉매를 제조할 수 있으며, 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것일 수 있다.A catalyst for a fuel cell can be prepared by doping a predetermined metal on a platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst. The predetermined metal doped is selected from the group consisting of indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide ), Ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium (Gd).

이 때, 상기 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는 백금(Pt)과 니켈(Ni)을 탄소 담체상에 담지하여 생성할 수 있다.At this time, the platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst can be produced by supporting platinum (Pt) and nickel (Ni) on a carbon carrier.

상기 소정의 금속을 도핑시, 약 170˚C에서 48 시간 동안 교반 및 열적 환원 반응을 통해 도핑할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 디메틸포름아미드 (N, N-Dimethylformamide, DMF) 용매의 끓는점을 고려하여 약 170˚C 상에서 가열할 수 있으며, 상기 온도 미만이거나 48시간 보다 낮은 시간 동안 가열시 열적 환원 반응이 잘 이루어지지 않을 수 있다. When the predetermined metal is doped, it may be doped through stirring and thermal reduction at about 170 ° C for 48 hours. According to an embodiment of the present invention, heating can be performed at about 170 DEG C in consideration of the boiling point of a solvent of N, N-dimethylformamide (DMF), and when heating is performed at a temperature lower than the above temperature or less than 48 hours, The reaction may not be successful.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체는 음극과 양극 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함할 수 있다. 상기 음극은 백금(Pt) 나노 입자 촉매로 구성되고, 상기 양극은 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매 상에 도핑된 소정의 금속을 포함하고, 상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것일 수 있다. The membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention may include a cathode and an anode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode. Wherein the anode comprises a platinum (Pt) nanoparticle catalyst and the anode comprises a predetermined metal doped on a platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst, wherein the doped predetermined metal is indium ), Gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium (Gd).

상기 구성을 갖는 연료전지용 막-전극 접합체는 다음 공정으로 제조될 수 있다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell having the above-described structure can be manufactured by the following process.

백금(Pt) 나노 입자 촉매로 음극을 구성하고, 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매상에 도핑된 소정의 금속을 포함하는 연료전지용 촉매로 양극을 구성할 수 있다. 상기 음극과 상기 양극 사이에 고분자 전해질 막을 위치하고, 상기 음극과 상기 양극을 상기 고분자 전해질 막의 양쪽에 각각 코팅할 수 있다.A cathode can be constituted of a platinum (Pt) nanoparticle catalyst and a cathode for a fuel cell comprising a predetermined metal doped on a platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst. A polymer electrolyte membrane may be disposed between the cathode and the anode, and the cathode and the anode may be respectively coated on both sides of the polymer electrolyte membrane.

상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것일 수 있다.The doped predetermined metal is one or more selected from the group consisting of indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium .

이 때, 상기 음극에 구성된 백금 나노 입자 촉매는 백금을 탄소 담체상에 담지하여 생성할 수 있으며, 상기 양극에 구성된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는 백금(Pt)과 니켈(Ni)을 탄소 담체상에 담지하여 생성할 수 있다.At this time, the platinum nanoparticle catalyst formed on the anode can be produced by supporting platinum on a carbon carrier, and the platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst formed on the anode contains platinum (Pt) and nickel ) On a carbon carrier.

상기 소정의 금속을 도핑시, 170˚C에서 48 시간 동안 교반 및 열적 환원 반응을 통해 도핑할 수 있다.When the predetermined metal is doped, it may be doped through stirring and thermal reduction at 170 DEG C for 48 hours.

비교예Comparative Example A-1:  A-1: Ni이Ni 결합되지Not combined 않은 Pt 촉매(Pt/C) Pt catalyst (Pt / C)

Ni를 결합하지 않고 Pt 함량을 전체의 46wt%로 하여 탄소 담체에 담지한 Pt/C을 구매하여 비교예로 활용하였다.Pt / C supported on a carbon support was purchased as a comparative example at a Pt content of 46 wt% as a whole without bonding Ni.

비교예Comparative Example A-2: 연료전지용 촉매 제조( A-2: Preparation of catalyst for fuel cell 도핑되지Not doped 않은  Not PtNiPtNi /C 제조)/ C manufactured)

본 발명의 일 실시예에 따라 백금 전구체인 백금 아세틸아세트네이트 (Platinum(II) acetylacetonate, Pt(acac)2), 니켈 전구체인 니켈 아세틸아세트네이트 (Nickel(II) acetylacetonate, Ni(acac)2), 그리고 구조 제어 물질인 벤조산 (Benzoic acid)을 탄소 담체인 Vulcan Carbon-72R과 함께 용매제인 디메틸포름아미드 (N, N-Dimethylformamide, DMF)을 넣고 교반하였다. 백금 및 니켈 전구체 혼합물 제조 시 Pt:Ni 의 원자비 (atomic ratio)가 1.5:1이 되도록 정량하였다. 상기 혼합물을 충분히 교반 후. 정적인 상태에서 초음파 처리로 20 분간 분산시켜주었다. 분산된 물질은 160oC로 가열된 실리콘 오일 베스에서 12 시간 동안 교반 및 열적 반응을 통해 백금과 니켈 전구체의 각 이온들을 환원시켜, 탄소 담체 위에 고르게 담지 시켰다. 반응이 끝난 후, 원심분리기를 이용하여 상기 결과물과 에탄올 및 아세톤의 혼합 용액으로부터 불순물을 제거하고 촉매 물질을 분리시켰다. 진공오븐에서 완전히 건조시켜, 탄소 담체 상에 백금 니켈 팔면체 구조의 나노 입자가 담지된 촉매(PtNi/C)를 수득하였다. 이 때, 백금 함량은 전체의 10wt%인 촉매를 수득하였다. (Platinum (II) acetylacetonate, Pt (acac) 2) which is a platinum precursor, nickel precursor nickel (II) acetylacetonate, Ni (acac) 2) according to an embodiment of the present invention, Then, benzoic acid, a structural control substance, was added with Vulcan Carbon-72R, which is a carbon carrier, and stirred with N, N-dimethylformamide (DMF) as a solvent. The atomic ratio of Pt to Ni was determined to be 1.5: 1 in the preparation of the platinum and nickel precursor mixture. After thoroughly stirring the mixture. And dispersed for 20 minutes by ultrasonic treatment in a static state. The dispersed materials were supported on a carbon carrier by reducing the respective ions of the platinum and nickel precursors by stirring and thermal reaction in a silicone oil bath heated to 160 ° C. for 12 hours. After completion of the reaction, impurities were removed from the resultant and a mixed solution of ethanol and acetone using a centrifugal separator, and the catalyst material was separated. And completely dried in a vacuum oven to obtain a catalyst (PtNi / C) carrying nano-particles of a platinum nickel octahedral structure on a carbon carrier. At this time, the platinum content was 10 wt% of the whole catalyst.

이와 같은 공정은 열처리와 같은 추가적인 공정이 없이 전구체와 담체를 한 용액 안에서 합성하고, 이 과정이 매우 단순하여 재현성이 높고, 경제적이며 효율적인 공정이다.This process is a very simple, economical and efficient process because the precursor and carrier are synthesized in one solution without any additional process such as heat treatment.

실시예Example A: 연료전지용 촉매 제조 A: Manufacture of catalyst for fuel cell

실시예Example 1: 연료전지용 촉매 제조(In이  1: Manufacture of catalysts for fuel cells (In 도핑된Doped PtNiPtNi /C 제조: In- / C Manufacture: In- PtNiPtNi /C)/ C)

상기 비교예 A-2의 용액 상태에서 소량의 금속 인듐(In)을 첨가하여 초음파를 이용해 분산시킨 후, 170oC 에서 48 시간 동안 교반 및 열적 환원 반응을 통해 인듐을 도핑한 후, 상기 실시 예 1에 기재된 바와 동일하게 세척 및 여과 그리고 건조 과정을 거쳐 In-PtNi/C 촉매를 수득하였다. 구체적으로, 실시예 1의 공정으로부터 얻은 탄소 담체 상의 백금 니켈 구조의 나노 입자가 담지된 촉매(PtNi/C)가 용해된 혼합물에 소량의 금속 인듐(In)을 도핑하여, 정적인 상태에서 초음파 처리로 약 30분간 분산시켜주었다. 분산된 혼합물은 170oC로 가열된 실리콘 오일 베스에서 48시간 동안 교반 및 열적 반응을 통해, 소량의 금속 인듐(In)을 탄소 담체상의 백금 니켈 팔면체 구조의 나노 입자가 담지된 촉매(PtNi/C)표면에 도핑시켰다. 반응이 끝난 후, 원심분리기를 이용하여 상기 결과물과 에탄올 및 아세톤의 혼합 용액으로부터 불순물 제거 및 촉매 물질을 분리시켰다. 진공오븐에서 완전히 건조시킨 후에, 소량의 금속 인듐(In)이 도핑된 백금 니켈 팔면체 구조의 나노 입자가 탄소 담체에 담지된 촉매(In- PtNi/C)를 수득하였다.A small amount of metal indium (In) was added in the solution state of Comparative Example A-2 and dispersed by ultrasonic wave. Then, indium was doped through stirring and thermal reduction at 170 ° C for 48 hours, 1 < / RTI > to yield an In-PtNi / C catalyst. Specifically, a small amount of metal indium (In) was doped into the mixture of the catalyst (PtNi / C) in which the nanoparticles of the platinum nickel structure on the carbon carrier supported on the carbon support was dissolved, and the resultant was subjected to ultrasonic treatment For about 30 minutes. The dispersed mixture was subjected to stirring and thermal reaction in a silicone oil bath heated at 170 ° C for 48 hours so that a small amount of metal indium (In) was added to a catalyst (PtNi / C ) Surface. After completion of the reaction, impurities were removed from the mixed solution of ethanol and acetone and the catalyst material was separated using a centrifuge. After drying completely in a vacuum oven, a catalyst (In-PtNi / C) was obtained in which nanoparticles of a platinum nickel octahedral structure doped with a small amount of metal indium (In) were supported on a carbon carrier.

이 때, 백금 함량은 전체의 14wt%로, 도핑된 인듐은 1.6at%인 촉매를 수득하였다. (In- PtNi/C, 14wt%)At this time, a catalyst having a platinum content of 14 wt% and doped indium of 1.6 at% was obtained. (In-PtNi / C, 14 wt%)

실시예Example 2: 연료전지용 촉매 제조(Ga이  2: Preparation of Catalyst for Fuel Cell (Ga 도핑된Doped PtNiPtNi /C 제조: Ga- / C Manufacture: Ga- PtNiPtNi /C)/ C)

상기 비교예 A-2의 용액 상태에서 소량의 금속 갈륨(Ga)을 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 Ga-PtNi/C을 수득하였다. 이 때, 백금 함량은 전체의 14wt%로, 도핑된 갈륨은 1.4at%인 촉매를 수득하였다. (Ga- PtNi/C, 14wt%)Ga-PtNi / C was obtained in the same manner as in Example 1, except that a small amount of metallic gallium (Ga) was added in the solution state of Comparative Example A-2. At this time, a catalyst having a platinum content of 14 wt% and doped gallium of 1.4 at% was obtained. (Ga-PtNi / C, 14 wt%)

실시예Example 3: 연료전지용 촉매 제조( 3: Preparation of catalyst for fuel cell TaO가TaO 도핑된Doped PtNiPtNi /C 제조: / C Manufacture: TaOTaO - - PtNiPtNi /C)/ C)

상기 비교예 A-2의 용액 상태에서 소량의 금속 탄탈럼 산화물(Tao)을 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 TaO-PtNi/C을 수득하였다. 이 때, 백금 함량은 전체의 14wt%로, 도핑된 탄탈럼 산화물은 2.2at%인 촉매를 수득하였다. (TaO- PtNi/C, 14wt%)TaO-PtNi / C was obtained in the same manner as in Example 1, except that a small amount of metal tantalum oxide (Tao) was added in the solution state of Comparative Example A-2. At this time, a catalyst having a platinum content of 14 wt% as a whole and a doped tantalum oxide of 2.2 at% was obtained. (TaO-PtNi / C, 14 wt%)

실시예Example 4: 연료전지용 촉매 제조( 4: Preparation of catalyst for fuel cell Ru가Ru 도핑된Doped PtNiPtNi /C 제조: / C Manufacture: RuRu - - PtNiPtNi /C)/ C)

상기 비교예 A-2 용액 상태에서 소량의 금속 루테늄(Ru)을 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 Ru-PtNi/C을 수득하였다. 이 때, 백금 함량은 전체의 14wt%로, 도핑된 루테늄은 1.0at%인 촉매를 수득하였다. (Ru- PtNi/C, 14wt%)Comparative Example A-2 Ru-PtNi / C was obtained in the same manner as in Example 1, except that a small amount of metal ruthenium (Ru) was added in a solution state. At this time, a catalyst having a platinum content of 14 wt% and doped ruthenium of 1.0 at% was obtained. (Ru-PtNi / C, 14 wt%),

실시예Example 5: 연료전지용 촉매 제조( 5: Preparation of catalyst for fuel cell Zr이Zr 도핑된Doped PtNiPtNi /C 제조: / C Manufacture: ZrZr - - PtNiPtNi /C)/ C)

상기 비교예 A-2의 용액 상태에서 소량의 금속 지르코늄(Zr)을 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 Zr-PtNi/C을 수득하였다.Zr-PtNi / C was obtained in the same manner as in Example 1, except that a small amount of metal zirconium (Zr) was added in the solution state of Comparative Example A-2.

이 때, 백금 함량은 전체의 14wt%로, 도핑된 지르코늄은 1.1at%인 촉매를 수득하였다. (Zr- PtNi/C, 14wt%)At this time, a catalyst having platinum content of 14 wt% and doped zirconium of 1.1 at% was obtained. (Zr-PtNi / C, 14 wt%)

실시예Example 6: 연료전지용 촉매 제조(Ga이  6: Preparation of catalyst for fuel cell (Ga 도핑된Doped PtNiPtNi /C 제조: Ga- / C Manufacture: Ga- PtNiPtNi /C)/ C)

상기 비교예 A-2의 용액 상태에서 소량의 금속 가돌리늄(Ga)을 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 Ga-PtNi/C을 수득하였다.Ga-PtNi / C was obtained in the same manner as in Example 1, except that a small amount of metal gadolinium (Ga) was added in the solution state of Comparative Example A-2.

이 때, 백금 함량은 전체의 14wt%로, 도핑된 가돌리늄은 0.2at%인 촉매를 수득하였다. (Ga- PtNi/C, 14wt%)At this time, a catalyst having a platinum content of 14 wt% and a doped gadolinium content of 0.2 at% was obtained. (Ga-PtNi / C, 14 wt%)

전술한 실시예 1 내지 실시예 6, 그리고 비교예 A-1 및 비교예 A-2에 대한 백금, 니켈, 도핑 원소의 화학적 조성(at%)과 백금의 함량(wt%)을 하기 표 1에 정리하였다. The chemical composition (at%) and the platinum content (wt%) of the platinum, nickel, and doping elements for the above-described Examples 1 to 6 and Comparative Examples A-1 and A- Respectively.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

평가예Evaluation example A-1: 전류- A-1: current- 전압값에Voltage value 따른 도핑 효과 분석 Doping effect analysis

도 1에 도시한 바에 따르면, 전압 변화에 따른 전류값를 나타내는 그래프로, 그래프상 곡선이 0.9V에 가까이 갈수록 산소 환응 반응이 우세함을 알 수 있다. 예를 들어, 동일한 0.9V에 대한 전류값은 실시예 2가 비교예 A-1 및 비교예 A-2보다 더 높은 것을 알 수 있으며, 이로서 실시예 2의 산소 환원 반응이 더 우세함을 알 수 있다.As shown in FIG. 1, the graph shows the current value according to the voltage change. As the curve approaches to 0.9 V, the oxygen response becomes dominant. For example, it can be seen that the current value for the same 0.9 V is higher than that of Comparative Example A-1 and Comparative Example A-2 in Example 2, have.

평가예Evaluation example A-2: X-선 회절 ( A-2: X-ray diffraction ( XRDXRD ) 분석) analysis

도 2에 도시한 각 곡선들의 Pt 피크의 위치로부터, 비교예 A-1인 탄소 담체 상 담지된 단일 백금 촉매인 Pt/C 의 경우 40˚(degree) 근방에서 피크가 나타나는 것에 비하여, 비교예 A-2 와 실시예 1 내지 6의 피크 위치가 오른쪽으로 이동한 것으로 보아, 비교예 A-2 와 실시예 1 내지 6이 비교예 A-1 보다 Pt과 Ni이 잘 합성되어 합금이 잘 형성되었음을 알 수 있다. 또한, 비교예 A-2 와 실시예 1 내지 6의 피크 위치를 통해, 촉매가 규칙화된 원자 배열 구조를 가져, 산소 환원 반응이 증가됨을 알 수 있다.From the positions of the Pt peaks of the respective curves shown in Fig. 2, a peak appears near 40 degrees in the case of Pt / C, which is a single platinum catalyst supported on the carbon carrier of Comparative Example A-1, -2 and the peaks of Examples 1 to 6 were shifted to the right, it was found that Comparative Example A-2 and Examples 1 to 6 had better alloy of Pt and Ni than Comparative Example A-1. . In addition, it can be seen that, through the peak positions of Comparative Example A-2 and Examples 1 to 6, the catalyst has an ordered atomic structure and the oxygen reduction reaction is increased.

Figure pat00002
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평가예Evaluation example A-3: 고배율 투과전자현미경(HR- A-3: High magnification transmission electron microscope (HR- TEMTEM ) 분석 결과) Analysis

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고배율 투과전자현미경(HR-TEM) 분석을 통해 상기 공정으로 합성된 촉매 비교예 A-2 및 실시예 2 모두 약 6 nm의 모서리를 가지는 팔면체 구조가 형성됨을 확인하였다. 비교예 A-1은 상용 Pt/C 촉매로, 약 2-4 nm의 Pt 나노 입자가 C 담체에 고르게 분포함을 알 수 있었다. 비교예 A-2에 의하여 형성된 금속을 도핑하지 않은 PtNi/C 팔면체 구조의 촉매와 실시예 2에 의하여 소량의 Ga을 도핑한 Ga-PtNi/C 팔면체 구조를 비교한 결과, 고배율 TEM 이미지를 통한 형상에서는 큰 변화가 없음을 확인하였다. 비교예 A-2 및 실시예 2 의 나노 입자간 격자 거리 분석을 통해 산소 환원 반응의 활성이 좋은 (111) 면이 잘 노출되었음을 확인할 수 있다.FIG. 3 shows that an octahedral structure having an edge of about 6 nm is formed in Comparative Example A-2 and Example 2 synthesized through the above-described process through a high-power transmission electron microscope (HR-TEM) analysis according to an embodiment of the present invention Respectively. Comparative Example A-1 was a commercial Pt / C catalyst, and Pt nanoparticles of about 2-4 nm were evenly distributed in the C carrier. As a result of comparing the catalyst of the PtNi / C octahedral structure not doped with metal formed by Comparative Example A-2 and the Ga-PtNi / C octahedral structure doped with a small amount of Ga according to Example 2, No significant change was observed. The lattice distance analysis between the nanoparticles of Comparative Example A-2 and Example 2 revealed that the (111) surface with good oxygen reduction activity was well exposed.

평가예Evaluation example A-4:  A-4: 반전지Half 활성 평가 결과 Activity evaluation results

도 4는 비교 예 A 및 본 발명의 실시 예에 따른 반전지 활성 평가 결과이다. 도 4는 LSV (Linear sweep voltage) 곡선을 통해 산소 환원 반응 활성을 전압 대비 전류로 나타낸 것이다. 도 4에 도시한 바에 따르면, 그래프상 곡선이 0.9V에 가까이 갈수록 산소 환응 반응이 우세함을 알 수 있다. 예를 들어, 동일한 0.9V에 대한 전류값은 실시예 2가 비교예 A-1 및 비교예 A-2보다 더 높은 것을 알 수 있으며, 이로서 실시예 2의 산소 환원 반응이 더 우세함을 알 수 있다.Fig. 4 shows the result of the evaluation of the activity of the reversed electrode according to Comparative Example A and the embodiment of the present invention. FIG. 4 shows the oxygen reduction reaction activity as a voltage vs. current through a linear sweep voltage (LSV) curve. As shown in FIG. 4, it can be seen that the oxygen response is dominant as the curve on the graph approaches 0.9 V. FIG. For example, it can be seen that the current value for the same 0.9 V is higher than that of Comparative Example A-1 and Comparative Example A-2 in Example 2, have.

평가예Evaluation example A-5: 전기화학적 활성 면적 (ECSA) 변화 A-5: Change in electrochemically active area (ECSA)

도 5에서 도핑의 여부에 따른 전기화학적 활성 면적 (ECSA) 변화를 비교해보았다. 비교예 A-2에 의하여 형성된 도핑되지 않은 백금 니켈 팔면체 구조와 도 4를 통해 산소 환원 반응 활성이 가장 우수한, 소량의 갈륨을 도핑한 촉매인 실시예 2를 대표적으로 비교해본 결과, 금속 도핑으로 인한 전기화학적 활성 면적에 미친 영향은 미미함을 알 수 있었다. 따라서, 실시예 2와 비교예 A-2는 거의 유사한 내지는 동일한 전기화학적 활성 면적을 가졌으나, 실시예 2가 금속이 도핑되지 않은 비교예 A-2보다 산소 환원 반응 활성에는 우수한 효과를 가져왔음을 도 4,5의 전기화학적 활성 평가 데이터를 통해 확인할 수 있었다. FIG. 5 shows the comparison of the electrochemical active area (ECSA) with doping. As a result of comparison between the undoped platinum nickel octahedral structure formed by Comparative Example A-2 and the small amount of gallium-doped catalyst having the best oxygen reduction reaction activity shown in FIG. 4, The effect on the electrochemical active area was found to be insignificant. Thus, Example 2 and Comparative Example A-2 had almost the same electrochemically active area or the same electrochemically active area, but Example 2 had a better effect on oxygen reduction activity than Comparative Example A-2 without metal doping It was confirmed through the electrochemical activity evaluation data of FIGS.

평가예Evaluation example A-6: 내구성 평가 결과 분석 A-6: Analysis of durability evaluation results

도 6은 비교예 A-2 및 실시예 2의 내구성 평가에 따른 산소 환원 반응 및 전기화학적 활성 면적을 비교한 것이다. (a)와 (b)는 싸이클에 따른 비교예 A-2 및 실시예 2의 산소 환원 반응 활성 변화를, (c) 와 (d) 는 싸이클에 따른 비교예 A-2 및 실시예 2의 전기화학적 활성 면적 변화를 나타낸 결과이다. 6 compares the oxygen reduction reaction and the electrochemical active area according to the durability evaluation of Comparative Example A-2 and Example 2. Fig. (a) and (b) show changes in the oxygen reduction reaction activity of Comparative Example A-2 and Example 2 according to the cycles, (c) and (d) This is the result of showing the change of chemical active area.

도 6에 도시한 바와 같이, 산소가 퍼징된 산성 전해질 용액 환경의 가혹한 내구성 평가에서, 약 0.9V 인 상태에서, 실시예 2의 경우 초기 상태에서 3만 싸이클을 시행한 이후 전류값이 약 -5mA에서 약 -3.8mA로 약 1.2 mA 정도 감소하였으나, 도핑되지 않은 백금 니켈 팔면체 구조인 비교예 A-2는 0.9V인 상태에서, 전류값이 약 -3.8 mA에서 약 -0.2mA로 약 3.6mA 감소한 것으로, 실시예 2가 비교예 A-2보다 전류값의 감소 정도가 낮아 내구성 평가에서 산소 환원 반응이 더 우세함을 알 수 있다. As shown in Fig. 6, in the severe durability evaluation of the oxygen-pumped acidic electrolyte solution environment, the current value after about 30,000 cycles in the initial state of about 0.9 V, about 5 mA In Comparative Example A-2, which is a non-doped platinum nickel octahedron structure, the current value was decreased from about -3.8 mA to about -0.2 mA by about 3.6 mA in the state of 0.9 V . It can be seen that the reduction degree of the current value of Example 2 is lower than that of Comparative Example A-2, and the oxygen reduction reaction is more dominant in the durability evaluation.

또한, 실시예 2의 경우 초기 상태에서 3만 싸이클을 시행한 이후에도 전기화학적 활성 면적의 변화가 약 -10 %로 거의 변화가 없으나, 비교예 A-2의 경우 전기화학적 활성 면적의 변화가 약 -43% 로 상대적으로 실시예 2에 비해 전기화학적 활성 면적의 감소율이 더 큰 것을 확인하였다. In the case of Example 2, even after 30,000 cycles were performed in the initial state, the electrochemically active area showed almost no change of about -10%, whereas in Comparative Example A-2, 43%, and the decrease rate of the electrochemically active area was larger than that of Example 2.

즉, 도 6에 따르면, 금속이 도핑된 실시예 2가 금속이 도핑되지 않은 비교예 A-2에 비해 싸이클을 반복하여 내구성 평가시, 산소 환원 반응의 감소율과 전기화학적 활성 면적의 감소율이 보다 낮음을 확인할 수 있다.That is, according to FIG. 6, in Example 2 in which the metal was doped, cycles were repeated as compared with Comparative Example A-2 in which the metal was not doped, so that the reduction rate of the oxygen reduction reaction and the reduction rate of the electrochemically active area were lower can confirm.

평가예Evaluation example 7: 내구성 평가에 따른 화학적 조성의 변화 분석 7: Analysis of change in chemical composition according to durability evaluation

도 7 및 도 8에 의해, 내구성 평가 전후 (30,000 싸이클) 의 형상, EDX mapping 및 Line profile scanning 분석을 통한 원자 함량과 분포를 비교해 본 결과, 비교예 A-2는 도 7과 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 4000 싸이클만에 니켈이 39.8at% 에서 19.3at%로 많이 용출되어 팔면체 구조가 무너지고, 팔면체 구조가 무너진 상태에서 30,000 싸이클 이후에는 니켈이 9.9at%가 됨을 알 수 있었다 (A->B). 반면, 도 8은 실시예 2에 해당하는 결과로, 도 8과 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이 30,000 싸이클 이후에도 니켈이 38.5at%에서 30.4at%로 소량 용출됨을 확인할 수 있었다. (도 7 및 도 8의 y축상의 Counts값은 각 원소들의 절대치가 아닌 상대적인 Counts 값을 의미한다) 도 8에 도시한 바와 같이, 실시예 2는 백금 니켈 팔면체 구조 촉매 표면에 소량의 갈륨을 도핑함으로써 니켈의 용출을 막아주어 최종적으로 백금 니켈 팔면체 구조가 30,000 싸이클 이후에도 잘 유지되었음을 확인할 수 있었다(A->B). 7 and Fig. 8, the comparison of the atomic content and the distribution through the shape, EDX mapping and line profile scanning analysis before and after the durability evaluation (30,000 cycles) shows that the comparative example A- ), It was found that the octahedral structure collapsed due to a large amount of nickel eluting from 39.8 at% to 19.3 at% in 4000 cycles, and nickel was 9.9 at% after 30,000 cycles in the state where the octahedral structure was collapsed (A-> B). On the other hand, FIG. 8 corresponds to Example 2, and as shown in FIG. 8 and FIG. 9 (b), it was confirmed that a small amount of nickel was eluted from 38.5 at% to 30.4 at% after 30,000 cycles. (The Counts value on the y-axis in Figs. 7 and 8 means a relative Counts value, not an absolute value of each element.) As shown in Fig. 8, in Example 2, a platinum nickel octahedral structure catalyst surface was doped with a small amount of gallium (A-> B). In addition, it was confirmed that the nickel octahedral structure was maintained well after 30,000 cycles.

내구성 평가에 따른 정확한 화학적 조성의 변화를 확인하기 위해 EDS 결과를 도 9에 정리하여 나타내었다. 도 9에서 알 수 있듯이, 비교예 2에 비해 실시예 2의 촉매가 내구성 평가 후에도 높은 니켈의 함량을 유지하고 있음을 확인할 수 있다.The results of EDS are shown in FIG. 9 in order to confirm the change of the exact chemical composition according to the durability evaluation. As can be seen from FIG. 9, it can be seen that the catalyst of Example 2 maintains a high nickel content even after the durability evaluation as compared with Comparative Example 2. [

표 2를 통해 비교예 A-2 및 실시예 2의 30,000 싸이클 이후의 반 전지 내구성 평가 후의 전해질 용액 기반 ICP-MS 분석 결과를 이용해 용출된 백금 및 니켈 함량을 비교 확인한 결과, 실시예 2에 비해 비교예 2의 경우에 훨씬 더 많은 니켈이 용출 되었음을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 소량의 도핑된 갈륨이 니켈과의 강한 결합을 형성하여 니켈의 용출을 막아주었음을 확인하였다. 아래 표는 각 원소의 용출량을 나타낸다.The platinum and nickel eluted by the electrolyte solution-based ICP-MS analysis after the evaluation of the half-cell durability after 30,000 cycles of Comparative Example A-2 and Example 2 were compared and compared with those of Example 2, In the case of Example 2, it was confirmed that much more nickel was eluted. Through this, it was confirmed that a small amount of doped gallium formed a strong bond with nickel, thereby preventing the elution of nickel. The table below shows the elution of each element.

[표 2](단위 ppb (μg / kg) )[Table 2] (Unit ppb (μg / kg))

Figure pat00003
Figure pat00003

도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)를 나타낸 개략도이다.10A is a schematic view showing a membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 10a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 접합체(MEA, 20)는 고분자 전해질 막(25) 및 고분자 전해질 막(25)에 양면에 각각 위치하는 양극 또는 음극(21, 22)을 포함한다.10A, a membrane electrode assembly (MEA) 20 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a polymer electrolyte membrane 25 and a polymer electrolyte membrane 25, (21, 22).

본 발명의 일 실시예에 따라, 음극은 백금(Pt)이 탄소 담체상에 담지되어 생성된 탄소 담체상의 백금(Pt) 나노 입자 촉매로 구성될 수 있고, 양극은 백금(Pt)과 니켈(Ni)을 탄소 담체상에 담지하고, 상기 담지로 생성된 상기 탄소 담체상의 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매상에 도핑된 소정의 금속을 포함하는 연료전지용 촉매로 구성될 수 있다. 그리고 고분자 전해질 막(25)는 양극과 음극(21, 22) 사이에 위치할 수 있다. 이러한 양극과 음극(21,22)은 고분자 전해질 막(25)의 양면에 각각 코팅한 것일 수 있다. 고분자 전해질 막(25)은 두께가 10 내지 200 ㎛인 고체 고분자 전해질로서, 산화 전극의 촉매층에서 생성된 수소이온을 환원 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다. 고분자 전해질 막(25)은 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며 수소이온 전도성을 가지는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 구체적인 예로는, 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로부터 선택되는 적어도 하나의 양이온 교환기를 가지는 고분자 수지를 예로 들 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the anode may be composed of a platinum (Pt) nanoparticle catalyst on a carbon carrier produced by supporting platinum (Pt) on a carbon carrier, and the anode may be formed of platinum (Pt) ) Supported on a carbon carrier, and a predetermined metal doped on the platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst on the carbon support produced by the loading. And the polymer electrolyte membrane 25 may be positioned between the anode and the cathode 21, 22. These positive and negative electrodes 21 and 22 may be coated on both sides of the polymer electrolyte membrane 25, respectively. The polymer electrolyte membrane 25 is a solid polymer electrolyte having a thickness of 10 to 200 탆 and has a function of ion exchange for moving hydrogen ions produced in the catalyst layer of the oxidizing electrode to the catalyst layer of the reducing electrode. The polymer electrolyte membrane 25 is generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, and any polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity may be used. Specific examples thereof include a polymer resin having at least one cation-exchange group selected from a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain.

본 발명의 실시예에 따라 상기 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매상에 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the predetermined metal doped on the Pt-Ni nanoparticle catalyst may be indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru) Zirconium (Zr), and gadolinium (Gd).

도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도이고, 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 스택을 도시한 분해 사시도이다. 도 10b와 도 10c는 도 10a의 막-전극 접합체(MEA, 20 이하 MEA라고만 기술한다)를 설명하기 위하여 참조되는 도면이다. FIG. 10B is a schematic view showing the overall structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10C is an exploded perspective view showing a stack of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIGS. 10B and 10C are views for explaining the membrane-electrode assembly (MEA, only 20 or less MEAs) of FIG. 10A.

도 10b 및 도 10c는 연료 전지의 일 예를 보여주는 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.10B and 10C show an example of the fuel cell, but the present invention is not limited thereto.

도 10b 및 10c를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(110), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(120), 개질부로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(130), 및 산화제를 상기 개질부(120) 및 스택(130)으로 공급하는 산화제 공급부(140)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 10B and 10C, the fuel cell 100 according to an embodiment of the present invention includes a fuel supply unit 110 for supplying a mixed fuel in which fuel and water are mixed, A reforming unit 120 for generating a reforming gas, a stack 130 for generating an electric energy by generating an electrochemical reaction with the reforming gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit with the oxidizing agent, And an oxidant supplier 140 for supplying the oxidant to the stack 130.

스택(130)은 상기 개질부(120)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(140)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀(131)을 구비한다.The stack 130 includes a plurality of unit cells 131 for generating an electric energy by inducing an oxidizing / reducing reaction of an oxidizing agent supplied from the oxidizing agent supplying unit 140 and a reforming gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit 120 ).

각각의 단위 셀(131)은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 접합체(132)와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 접합체(132)로 공급하기 위한 세퍼레이터(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 함)(133)를 포함할 수 있다. 상기 세퍼레이터(133)는 막-전극 접합체(132)를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 세퍼레이터를 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다. 상기 막-전극 접합체(132)는 도 10a에서 전술한 바와 같다.Each unit cell 131 refers to a cell that generates electricity. The unit cell 131 includes a membrane-electrode assembly 132 for oxidizing / reducing a reformed gas containing hydrogen gas and oxygen in an oxidant, (Or a bipolar plate) 133 for supplying a reforming gas and an oxidant to the membrane-electrode assembly 132. The membrane- The separator 133 is disposed on both sides of the membrane-electrode assembly 132 at the center. At this time, the separator located at the outermost side of the stack may be referred to as an end plate. The membrane-electrode assembly 132 is as described above in Fig.

비교예Comparative Example B: 막-전극 접합체 제조((-) Pt/C | Pt/C (+)) B: Preparation of membrane-electrode assembly ((-) Pt / C | Pt / C (+))

양극과 음극 모두에 Pt/C 촉매인 전술한 비교예 A를 멤브레인 양쪽에코팅한 것을 제외하고는, 실시예 B와 동일한 방법을 사용하여 막-전극 접합체를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example B, except that both of the positive electrode and the negative electrode were coated with the Pt / C catalyst, Comparative Example A, on both sides of the membrane.

실시예Example B: 막-전극 접합체 제조((-) Pt/C | Ga- B: Preparation of membrane-electrode assembly ((-) Pt / C | Ga- PtNiPtNi /C (+))/ C (+))

스프레이 제조 방식을 통해 음극에는 상용 Pt/C 촉매인 전술한 비교예 A를, 양극에는 갈륨이 도핑된 백금 니켈 팔면체 구조 촉매인 전술한 실시예 3을 나피온 211 멤브레인을 기준으로 양쪽에 코팅하였다. 상기 제조 방식으로 형성된 전극 면적은 양극, 음극 모두 5cm2에 해당하며, 백금 로딩양은 또한 양쪽 0.15mgpt/cm2으로 동일시하였다. 코팅한 후, 24 시간 동안 상온에서 건조시켰다. 건조가 완료되면 제조된 MEA(20)를 세퍼레이터(133) 사이에 위치하게 하였다. 수소 등의 연료로부터 발생된 전자가 이동하여 수집되는 전류 수집기와 엔드 플레이트를 면압 80 Ib를 일정하게 주어 체결하였다.Comparative Example A, which is a commercially available Pt / C catalyst, was applied to the cathode through a spraying method, and Example 3, which was a platinum nickel octahedral structure catalyst doped with gallium, was coated on both sides with reference to a Nafion 211 membrane. The electrode area formed by the above manufacturing method corresponds to 5 cm 2 for both the positive electrode and the negative electrode, and the amount of platinum loading is also 0.15 mg pt / cm 2 for both sides. After coating, it was dried at room temperature for 24 hours. When the drying is completed, the prepared MEA 20 is positioned between the separators 133. The current collector and the end plate, which are collected by the movement of the electrons generated from the fuel such as hydrogen, are tightened with constant surface pressure of 80 Ib.

평가예Evaluation example B-1: 단위 전지의 성능 비교 B-1: Performance comparison of unit cell

도 11은 실시예 B로 구성된 단위 전지와 비교예 B로 구성된 단위 전지의 성능을 비교한 결과를 나타낸 것이다. 각 단위 전지의 온도는 65oC로 유지하며, 가습 조건은 양극, 음극 모두 100%로 유지하였다. 음극에서의 수소는 209 mL min-1, 그리고 양극에서의 공기는 663 mL min-1로 유입하였으며, 양극, 음극 모두 배압(Back pressure)은 실시하지 않았다. 그 결과, 실시예 B가 비교예 B에 비해 저전압에서 높은 분극 곡선을 보였으며, 이는 반 전지 평가 결과, 실시예 B에 포함된 촉매 고유 활성이 높은 결과와 일치함을 확인 하였다. 도 11에서 하강곡선은 전류 밀도를, 상승곡선은 최대 전류 밀도를 나타낸다. 도 11에서, 단위 전지 성능 비교 기준인 전지 전압 0.6 V에서의 전류 밀도를 비교해본 결과, 0.55 Acm-2의 전류 밀도를 가지는 비교예 B 에 비해, 0.70 Acm-2의 전류 밀도를 가지는 실시예 B가 약 27 % 높은 초기 단위 전지 성능을 보였다. 또한, 417 mW/cm2의 최대 전류 밀도를 생성할 수 있는 비교예 B에 비해, 실시예 B은 529 mW/cm2로 비교 예 A보다 약 27 % 높은 최대 전류 밀도를 생성할 수 있는 것으로 확인하여 최대 전류 밀도 역시 실시예 B가 더 좋은 성능을 보였다.Fig. 11 shows the results of comparing the performance of the unit cell made of Example B and the unit cell made of Comparative Example B. Fig. The temperature of each unit cell was maintained at 65 ° C, and humidification conditions were maintained at 100% for both the anode and cathode. 209 mL min -1 of hydrogen at the cathode, 663 mL min -1 of air at the anode, and no back pressure was applied to both the anode and the cathode. As a result, Example B showed a high polarization curve at low voltage as compared with Comparative Example B, and it was confirmed that the result of the half cell was consistent with the result of high intrinsic activity of the catalyst contained in Example B. 11, the descending curve shows the current density and the rising curve shows the maximum current density. 11, the comparison of the current density at a cell voltage of 0.6 V, which is the reference for comparing the performance of a unit cell, shows that the current density of Example B having a current density of 0.70 Acm -2 is higher than that of Comparative Example B having a current density of 0.55 Acm -2 . Showed about 27% higher initial unit cell performance. It was also found that Example B produces a maximum current density of about 27% higher than Comparative A at 529 mW / cm 2 , compared to Comparative Example B, which can produce a maximum current density of 417 mW / cm 2 The maximum current density also showed better performance in Example B.

평가예Evaluation example B-2: 단위 전지의 내구성 평가 B-2: Evaluation of durability of unit cell

도 12 및 도 13은 실시예 B로 구성된 단위 전지와 비교예 B로 구성된 단위 전지의 내구성을 평가한 결과이다. 내구성 평가는 단위 전지 온도 65oC 로 유지하며, 가습 조건은 양극, 음극 모두 100 %로 유지하였다. 또한 음극에서의 수소는 20 mL min-1, 그리고 양극에서의 질소를 100 mL min-1로 유지하였으며, 양극, 음극 모두 배압(Back pressure)은 실시하지 않았다. 내구성 평가의 싸이클의 전압 범위는 0.6 V에서 1.0 V로 실시하였으며, 싸이클은 3천, 1만, 1만 5천, 그리고 3만 싸이클까지 전압 싸이클링을 반복하였다. 내구성 평가 기준으로 지정된 각 싸이클이 끝난 후, 상기 평가예 B-1의 단위 전지 성능 평가와 동일한 방법으로 전압 대비 전류 분극을 측정하고 단위 전지 성능의 감소율을 비교하여 비교예 B 및 실시예 B의 내구성을 평가하였다. Figs. 12 and 13 are the results of evaluating the durability of the unit cell constituted by Example B and the unit cell constituted by Comparative Example B. Fig. The durability test was carried out at a unit cell temperature of 65 ° C and humidification conditions were maintained at 100% for both the anode and the cathode. Also, the hydrogen in the cathode was maintained at 20 mL min -1 , and the nitrogen in the anode was maintained at 100 mL min -1 . No back pressure was applied to both the anode and the cathode. The durability evaluation cycle voltage range was 0.6 V to 1.0 V, and the cycle repeated voltage cycling to 3,000, 10,000, 15,000, and 30,000 cycles. After completion of each cycle designated as the durability evaluation standard, the current polarization versus voltage was measured in the same manner as in the evaluation of the unit cell performance of the evaluation example B-1, and the reduction rate of the unit cell performance was compared to determine the durability .

도 12 및 도 13에서 하강곡선은 전류 밀도를, 상승곡선은 최대 전류 밀도를 나타낸다. 도 12 및 도 13에서 상기 내구성 평가를 실시한 결과, 초기 상태에서 3만 싸이클 후, 도 12에서 0.6 V 에서 비교예 B는 전류 밀도가 0.55 -> 0.24 Acm-2로 약 56 % 감소한 반면, 도 13의 실시예 B는 전류 밀도가 0.70 -> 0.47 Acm-2로 약 32 % 감소하여 비교예 B에 비해 높은 내구성을 가졌음을 확인하였다. 최대 전류 밀도 또한 초기 상태에서 3만 싸이클 후, 도 12의 비교예 B는 417 -> 213 mW/cm2로 약 49%의 최대 전류 밀도가 감소한 데 비해, 도 13의 실시예 B는 529 -> 371mW/cm2로 약 29 % 감소한 최대 전류 밀도를 나타내어, 보다 높은 내구성이 있음을 확인하였다. In Figs. 12 and 13, the descending curve shows the current density and the rising curve shows the maximum current density. As a result of the durability evaluation in FIGS. 12 and 13, after 30,000 cycles in the initial state, in Comparative Example B, the current density was reduced by about 56% from 0.55 to 0.24 Acm -2 at 0.6 V in FIG. 12, Of Example B had a higher durability than Comparative Example B, with a current density of about 0.70 - > 0.47 Acm < -2 > The maximum current density was also decreased to about 49% at a maximum current density of about 417 to 213 mW / cm 2 in Comparative Example B of FIG. 12 after 30,000 cycles in the initial state, whereas in Example B of FIG. 13, The maximum current density decreased by about 29% at 371 mW / cm 2 , indicating higher durability.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects and the like described in the embodiments are included in one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects and the like illustrated in the embodiments can be combined and modified by other persons skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of illustration, It can be seen that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.

Claims (22)

소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매를 포함하고,
상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것인, 연료전지용 촉매.
(Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst doped with a predetermined metal,
The doped predetermined metal is one or more selected from the group consisting of indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium Catalyst for fuel cells.
제 1항에 있어서,
상기 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는 팔면체 구조로 구성된 연료전지용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the predetermined metal-doped platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst has an octahedral structure.
제 1항에 있어서,
상기 백금(Pt)은 전체의 약 14±1 wt%로 구성되고,
상기 도핑된 소정의 금속은 상기 백금(Pt) 및 상기 니켈(Ni) 대비 0.2at% 내지 2.2at%로 구성된 연료전지용 촉매.
The method according to claim 1,
The platinum (Pt) has a total of about 14 +/- 1 wt.%,
Wherein the doped predetermined metal is composed of 0.2 at% to 2.2 at% of the platinum (Pt) and the nickel (Ni).
제 1항에 있어서,
상기 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는,
상기 백금(Pt)과 상기 니켈(Ni)을 탄소 담체상에 담지하여 생성된 것인, 연료전지용 촉매.
The method according to claim 1,
The predetermined metal-doped platinum (Pt) -nickel (Ni)
Wherein the catalyst is formed by supporting the platinum (Pt) and the nickel (Ni) on a carbon carrier.
제 4항에 있어서,
상기 탄소 담체는 흑연, 덴카블랙, 메첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 와이어, 카본나노볼, HMC, 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것인 연료전지용 촉매.
5. The method of claim 4,
Wherein the carbon support is one or more selected from the group consisting of graphite, denka black, methane black, acetylene black, carbon nanowire, carbon nanoballs, HMC, and activated carbon.
음극과 양극, 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며,
상기 음극은 백금(Pt) 나노 입자 촉매로 구성되고,
상기 양극은 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매로 구성되고,
상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것인,
연료전지용 막-전극 접합체.
A cathode and an anode, and a polymer electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode,
The negative electrode is composed of a platinum (Pt) nanoparticle catalyst,
The anode comprises a platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst doped with a predetermined metal,
The doped predetermined metal is one or more selected from the group consisting of indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium sign,
Membrane - electrode junction for fuel cell.
제 6항에 있어서,
상기 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는 팔면체 구조로 구성된 연료전지용 막-전극 접합체.
The method according to claim 6,
Wherein the predetermined metal-doped platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst has an octahedral structure.
제 6항에 있어서,
상기 백금(Pt)은 전체의 약 14±1 wt%로 구성되고,
상기 도핑된 소정의 금속은 상기 백금(Pt) 및 상기 니켈(Ni) 대비 0.2at% 내지 2.2at%로 구성된 연료전지용 막-전극 접합체.
The method according to claim 6,
The platinum (Pt) has a total of about 14 +/- 1 wt.%,
Wherein the doped predetermined metal is 0.2 atomic% to 2.2 atomic% of the platinum (Pt) and the nickel (Ni) atom.
제 6항에 있어서,
상기 백금(Pt) 나노 입자 촉매는, 상기 백금(Pt)을 탄소 담체상에 담지하여 생성된 것이고,
상기 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는,
상기 백금(Pt)과 상기 니켈(Ni)을 탄소 담체상에 담지하여 생성된 것인, 연료전지용 막-전극 접합체.
The method according to claim 6,
The platinum (Pt) nanoparticle catalyst is produced by carrying the platinum (Pt) on a carbon carrier,
The predetermined metal-doped platinum (Pt) -nickel (Ni)
Wherein the catalyst layer is formed by supporting the platinum (Pt) and the nickel (Ni) on a carbon support.
제 9항에 있어서,
상기 탄소 담체는 흑연, 덴카블랙, 메첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 와이어, 카본나노볼, HMC, 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것인 연료전지용 막-전극 접합체.
10. The method of claim 9,
Wherein the carbon support is one or more selected from the group consisting of graphite, denka black, methane black, acetylene black, carbon nanowire, carbon nanoballs, HMC, and activated carbon.
백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매 상에 소정의 금속을 도핑하는 단계를 포함하고,
상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것인, 연료전지용 촉매 제조방법.
Comprising the step of doping a predetermined metal onto a platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst,
The doped predetermined metal is one or more selected from the group consisting of indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium By weight of the catalyst.
제 11항에 있어서,
상기 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는 팔면체 구조로 구성된 연료전지용 촉매 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the predetermined metal-doped platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst has an octahedral structure.
제 11항에 있어서,
상기 백금(Pt)은 전체의 약 14±1 wt%로 구성되고,
상기 도핑된 소정의 금속은 상기 백금(Pt) 및 상기 니켈(Ni) 대비 0.2at% 내지 2.2at%로 구성된 연료전지용 촉매 제조방법.
12. The method of claim 11,
The platinum (Pt) has a total of about 14 +/- 1 wt.%,
Wherein the doped predetermined metal is comprised between 0.2 at% and 2.2 at% based on the platinum (Pt) and the nickel (Ni).
제 11항에 있어서,
상기 소정의 금속을 도핑하는 단계는,
170˚C에서 48 시간 동안 교반 및 열적 환원 반응을 통해 도핑하는 것인, 연료전지용 촉매 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the doping the predetermined metal comprises:
Lt; RTI ID = 0.0 > 170 C < / RTI > for 48 hours through a stirring and thermal reduction reaction.
제 11항에 있어서,
상기 백금(Pt)과 상기 니켈(Ni)을 탄소 담체상에 담지하여, 상기 탄소 담체상에 담지된 상기 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매를 생성하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 촉매 제조방법.
12. The method of claim 11,
(Ni) nanoparticle catalyst supported on the carbon carrier by supporting the platinum (Pt) and the nickel (Ni) on a carbon carrier to produce a catalyst for a fuel cell Gt;
제 15항에 있어서,
상기 탄소 담체는 흑연, 덴카블랙, 메첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 와이어, 카본나노볼, HMC, 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것인 연료전지용 촉매 제조방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the carbon carrier is one or more selected from the group consisting of graphite, denka black, methane black, acetylene black, carbon nanowire, carbon nanoballs, HMC, and activated carbon.
백금(Pt) 나노 입자 촉매로 음극을 구성하는 단계;
소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매를 포함하는 연료전지용 촉매로 양극을 구성하는 단계;
상기 음극과 상기 양극 사이에 고분자 전해질 막을 위치하는 단계; 및
상기 음극과 상기 양극을 상기 고분자 전해질 막의 양쪽에 각각 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 도핑된 소정의 금속은 인듐(In), 갈륨(Ga), 탄탈럼 산화물(TaO), 루테늄(Ru), 지르코늄(Zr), 및 가돌리늄(Gd) 으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것인,
연료전지용 막-전극 접합체 제조방법.
Forming a cathode with a platinum (Pt) nanoparticle catalyst;
Forming a positive electrode with a catalyst for a fuel cell comprising a predetermined metal-doped platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst;
Placing a polymer electrolyte membrane between the cathode and the anode; And
And coating the negative electrode and the positive electrode on both sides of the polymer electrolyte membrane,
The doped predetermined metal is one or more selected from the group consisting of indium (In), gallium (Ga), tantalum oxide (TaO), ruthenium (Ru), zirconium (Zr), and gadolinium sign,
A method for manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell.
제 17항에 있어서,
상기 소정의 금속이 도핑된 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매는 팔면체 구조로 구성된 연료전지용 막-전극 접합체 제조방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the predetermined metal-doped platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst has an octahedral structure.
제 17항에 있어서,
상기 백금(Pt)은 전체의 약 14±1 wt%로 구성되고,
상기 도핑된 소정의 금속은 상기 백금(Pt) 및 상기 니켈(Ni) 대비 0.2at% 내지 2.2at%로 구성된 연료전지용 막-전극 접합체 제조방법.
18. The method of claim 17,
The platinum (Pt) has a total of about 14 +/- 1 wt.%,
Wherein the doped predetermined metal is comprised between 0.2 at% and 2.2 at% based on the platinum (Pt) and the nickel (Ni).
제 17항에 있어서,
상기 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매상에 도핑된 소정의 금속을 포함하는 연료전지용 촉매로 양극을 구성하는 단계는,
170˚C에서 48 시간 동안 교반 및 열적 환원 반응을 통해 상기 소정의 금속을 도핑함으로써 상기 양극을 구성하는 것인, 연료전지용 막-전극 접합체 제조방법.
18. The method of claim 17,
The step of constructing the anode with a catalyst for a fuel cell comprising a predetermined metal doped on the platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst,
Wherein the anode is constituted by doping the predetermined metal through stirring and a thermal reduction reaction at 170 DEG C for 48 hours.
제 17항에 있어서,
상기 백금(Pt)을 탄소 담체상에 담지하여 상기 백금(Pt) 나노 입자 촉매를 생성하는 단계; 및
상기 백금(Pt)과 상기 니켈(Ni)을 탄소 담체상에 담지하여 상기 백금(Pt)-니켈(Ni) 나노 입자 촉매를 생성하는 단계를 더 포함하는, 연료전지용 막-전극 접합체 제조방법.
18. The method of claim 17,
Supporting the platinum (Pt) on a carbon carrier to produce the platinum (Pt) nanoparticle catalyst; And
Further comprising the step of supporting the platinum (Pt) and the nickel (Ni) on a carbon carrier to produce the platinum (Pt) -nickel (Ni) nanoparticle catalyst.
제 21항에 있어서,
상기 탄소 담체는 흑연, 덴카블랙, 메첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 와이어, 카본나노볼, HMC, 활성 탄소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 그 이상인 것인 연료전지용 막-전극 접합체 제조방법.
22. The method of claim 21,
Wherein the carbon support is one or more selected from the group consisting of graphite, denka black, methane black, acetylene black, carbon nanowire, carbon nanoballs, HMC, and activated carbon.
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JP2021150249A (en) * 2020-03-23 2021-09-27 エヌ・イーケムキャット株式会社 Electrode catalyst, gas diffusion electrode formation composition, gas diffusion electrode, membrane-electrode assembly, and fuel cell stack

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