KR101319377B1 - 연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및이를 포함하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 촉매는 카본을 포함하는 코어 및 상기 카본 코어에 이오노머를 매개로 부착된 활성 금속을 포함하는 쉘을 포함한다.
본 발명의 연료 전지용 촉매는 활용도가 우수하며, 연료 공급이 원활하여 고효율 및 고출력 전지를 제공할 수 있다.
카본,코어쉘,에그쉘,촉매,연료전지

Description

연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{CATALYST FOR FUEL CELL, AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 연료 전지용 촉매를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 막-전극 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 출력 특성을 측정하여 나타낸 그래프.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매 활용도가 높고, 효율 및 고출력 전지를 제공할 수 있는 연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 반응속도가 느려서 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 전극 촉매를 사용하여야 하나, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮으며 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
본 발명의 목적은 활용도가 우수한 연료 전지용 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 촉매를 포함하여, 연료 공급이 원활하여 성능이 향상된 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하여, 고효율 및 고출력을 나타낼 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 카본을 포함하는 코어 및 상기 카본 코어에 이오노머를 매개로 부착된 활성 금속을 포함하는 연료 전지용 촉매를 제공한다. 상기 촉매는 카본 코어 및 상기 카본 코어에 이오노머를 매개로 부착된 활성 금속을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극은 전극 기재 및 상기 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지용 촉매에 관한 것으로서, 본 발명의 연료 전지용 촉매 는 카본을 포함하는 코어 및 이 코어에 이오노머를 매개로 부착된 활성 금속을 포함한다.
도 1a에 코어(22) 및 이 코어에 이오노머(24)를 매개로 부착된 활성 금속(26)을 포함하는 본 발명의 촉매(20)를 개략적으로 나타내었다. 또한 도 1b에 나타낸 촉매의 단면에서 알 수 있듯이, 본 발명의 촉매는 코어 내부에는 활성 금속이 존재하지 않음을 알 수 있다. 또한 이와 같이 활성 금속이 이오노머를 매개로 코어에 부착되어 있는, 즉 코어 표면에만 존재하므로 촉매가 연료와 접촉하는 면적이 증가하여 촉매의 활용성을 향상시킬 수 있다. 이에 반하여 만약 활성 금속과 코어의 부착력을 더욱 증가시키기 위하여 활성 금속의 외부에도 이오노머가 위치한다면 활성 금속이 연료와 접촉하는 면적이 감소하여 촉매 활용성이 저하되므로 바람직하지않다.
상기 카본으로는 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 볼칸(volcan), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 사용할 수 있다.
상기 코어는 1㎛ 이상의 평균 입자 크기를 갖는 것이 바람직하며, 1 내지 100㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 더욱 바람직하며, 1 내지 50㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것이 가장 바람직하다. 상기 코어의 평균 입자 크기가 1㎛ 보다 작으면 연료 및 산화제와 같은 물질 전달(mass transfer)이 원활하지 않아 고출력(저전압에서 출력이 낮음)을 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 아울러, 100㎛를 넘지 않 는 평균 입자 크기를 갖는 경우, 우수한 전기 전도도 및 출력을 얻을 수 있어서 바람직하다.
아울러, 상기 코어의 다공도는 30 내지 50%가 바람직하다. 코어의 다공도가 50%를 초과하는 경우에는 촉매양이 너무 적어 출력이 낮아지고 전극층이 두꺼워져 전기저항이 커지는 단점이 있고, 또한 다공도가 30%보다 작을 경우 물질 전달(Mass transfer)이 나빠져 고전류에서의 출력이 나빠지므로 바람직하지 않다.
이와 같이 코어가 다공성임에 따라 연료 및 산화제의 공급이 원활하게 일어날 수 있고 또한 탄화수소 연료를 사용하는 전지의 애노드 전극에서 발생되는 CO2 배출이 용이해지는 효과가 있다. 아울러, 코어 내부에 연료가 저장될 수 있어, 연료 공급원의 역할도 할 수 있다.
상기 활성 금속은 일반적으로 연료 전지의 촉매 활성을 나타내는 것으로서, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 또는 이 금속이 담체에 담지된 것을 사용할 수 있다. 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 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
상기 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜 브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.
상기 활성 금속은 평균 입자 크기가 2 내지 15nm인 1차 입자가 조립된 평균 입자 크기가 50 내지 200nm인 2차 입자가 바람직하고, 2차 입자의 평균 입자 크기는 60 내지 100nm가 더욱 바람직하다. 상기 활성 금속의 2차 입자의 평균 입자 크기가 50nm보다 작으면, 활성 금속이 이오노머에 둘러쌓이게되어(encapsulation) 바람직하지 않고, 200nm보다 크면 비표면적이 저하되어 바람직하지 않다.
상기 활성 금속을 상기 탄소 코어에 부착시키는 이오노머로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 더욱 바람직하다.
상기 코어와 활성 금속의 혼합 비율은 0.0001 내지 0.05 : 99.9999 내지 99.95 중량%가 바람직하며, 0.01 내지 0.25 : 99.99 내지 99.75 중량%가 더욱 바람 직하다. 또한 이때 이오노머의 함량은 코어와 활성 금속의 전체 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부가 바람직하다. 이오노머의 함량이 10 중량부 미만이면, 수소이온 전도도가 낮아져서 출력 저하가 발생되므로 바람직하지 않고, 20 중량부를 초과하는 경우에는 촉매층이 두꺼워지고, 촉매가 이오노머에 둘러쌓이게되어(capsulate) 출력이 저하되므로 바람직하지 않다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 연료 전지용 촉매는 촉매가 카본 표면에 위치하므로 촉매 활용율이 높고, 담체인 카본을 촉매가 싸고 있으므로 안정성이 높아 서로 뭉침이 적고 기계적 안정성이 우수하다. 또한 본 발명의 연료 전지용 촉매는 일반적인 담지 촉매에 비하여 촉매 활용율이 높아지고, 카본 코어에 형성된 기공으로 연료와 가스의 교환이 용이하며 카본 내에 축적된 연료가 직접 연료에 공급될 수 있어 연료 공급이 원활하여 활성 저하가 적다. 이는 일반적인 담지 촉매가 반응물의 공급이 원활하지 않는 문제점이 발생될 수 있는 것과는 상반되는 결과이다. 또한 촉매의 활용성이 높아 촉매 사용량을 감소시킬 수 있어 경제적이다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 연료 전지용 촉매는 1차 입자가 조립되어 형성된 2차 입자를 포함하는 카본 코어에 활성 물질을 이오노머를 사용하여 부착시키는 공정으로 제조될 수 있다.
본 발명의 촉매는 연료 전지용 애노드 전극 및 캐소드 전극에 사용되며, 특히 탄화수소 연료를 사용하는 직접 산화형 연료 전지에 더욱 적합하다.
본 발명의 촉매를 포함하는 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고 분자 전해질을 포함한다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극은 전극 기재 및 이 전극 기재에 형성되고, 본 발명의 촉매를 포함하는 촉매층을 포함한다. 도 2에 전극 기재(32), 기체 확산층(34) 및 본 발명의 촉매(20)를 포함하는 촉매층(36)을 포함하고, 촉매층(36)에 위치하는 고분자 전해질 막(38)을 포함하는 본 발명의 막-전극 어셈블리(30)를 나타내었다.
상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 또는 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 또는 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.
또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플로우로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 상기 전극 기재에서의 기체 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 기체 확산층에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 전해질 막으로는 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고 분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반 응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서, 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 3에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 3에 나타낸 구조는 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(17)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
평균 입자 크기가 1㎛인 카본(기공도는 95%: VOLCAN)(E-tec사))에 평균 입자 크기가 50nm인 Pt-Ru 블랙 활성 물질(Johnson Matthey) 및 Pt 블랙 활성 물질(Johnson Matthey)을 폴리퍼플루오로설폰산을 사용하여 균일하게 각각 부착시켜 연료 전지용 애노드 촉매 및 캐소드 촉매를 각각 제조하였다. 이때 카본과 활성 물질의 혼합 비율은 50 : 50 부피%, 즉 0.02 중량% : 99.98 중량%였고, 폴리퍼플루오로설폰산의 사용량은 카본과 활성 물질의 전체 100 중량부에 대하여 18 중량부이었다.
제조된 애노드 촉매 및 캐소드 촉매 각각 82 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 18 중량%를 혼합하여 애노드 촉매 조성물 및 캐소드 촉매 조성물을 각각 제조하였다.
이어서, 상기 애노드 전극용 촉매 조성물을0.2mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄 소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하고, 상기 캐소드 전극용 촉매 조성물을 1.3mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 촉매 로딩량은 각각 4mg/cm2로 하였다.
제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설포네이트) 고분자 전해질 막을 이용하여 단위 전지를 제조하였다.
(비교예 1)
평균 입자 크기가 1㎛인 카본을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 단위 전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 단위 전지에 1M 메탄올을 상기 단위 전지에 공급하여 구동하였다. 이어서, 이 연료 전지의 0.45V 및 0.4V에서의 출력 밀도를 50℃, 60℃ 및 70℃에서 각각 측정하여 그 결과를 하기 표 1 및 도 4에 내었다. 또한, 및 0.4V에서의 최대값(표 1에 Max로 표기)도 하기 표 1에 함께 나타내었다.
비교예 1 실시예 1
0.45V 0.4V Max 0.45V 0.4V Max
50℃ 32 45 58 43 53 66
60℃ 39 53 71 46 69 90
70℃ 46 64 84 59 85 113
상기 표 1 및 도 4에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 촉매를 이용한 연료 전지의 출력 밀도가 비교예 1보다 우수하며, 특히 고온에서의 출력 밀도는 매우 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지용 촉매는 활용도가 우수하며, 연료 공급이 원활하여 고효율 및 고출력 전지를 제공할 수 있다.

Claims (17)

  1. 카본을 포함하는 코어; 및
    상기 카본 코어에 이오노머를 매개로 부착된 활성 금속을 포함하고,
    상기 코어와 활성 금속의 혼합 비율은 0.0001 내지 0.05 : 99.9999 내지 99.95 중량%인 연료 전지용 촉매.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 1㎛ 이상의 평균 입자 크기를 갖는 것인 연료 전지용 촉매.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코어는 1 내지 100㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것인 연료 전지용 촉매.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코어는 1 내지 50㎛의평균 입자 크기를 갖는 것인 연료 전지용 촉매.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코어는 30 내지 50%의 다공도를 갖는 것인 연료 전지용 촉매.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 활성 금속은 평균 입자 크기가 2 내지 15nm의 1차 입자가 조립되어 형 성된 평균 입자 크기가 50 내지 200nm의 2차 입자를 포함하는 것인 연료 전지용 촉매.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 활성 금속의 2차 입자의 평균 입자 크기는 60 내지 100nm인 연료 전지용 촉매.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 활성 금속은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 또는 이 금속이 담체에 담지된 것인 연료 전지용 촉매.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 담체는 탄소계 물질 또는 무기물인 연료 전지용 촉매.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 촉매.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 이오노머는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 촉매.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 이오노머의 함량은 코어와 활성 금속의 전체 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부인 연료 전지용 촉매.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 직접 산화형 연료 전지용 촉매인 연료 전지용 촉매.
  16. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질
    을 포함하고,
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극은
    전극 기재; 및
    상기 전극 기재에 형성되고, 제1항 내지 제11항 및 제14항 내지 제15항 중 어느 한 항의 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  17. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것인 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 연료 전지 시스템으로서,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은
    전극 기재; 및
    상기 전극 기재에 형성되고, 제1항 내지 제11항 및 제14항 내지 제15항 중 어느 한 항의 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
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