KR20100069492A - 연료전지용 전극 촉매, 상기 전극 촉매를 포함하는 전극을 구비한 연료전지 - Google Patents

연료전지용 전극 촉매, 상기 전극 촉매를 포함하는 전극을 구비한 연료전지 Download PDF

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Abstract

탄소계 촉매 담체; 상기 촉매 담체에 Pd, Ir, Au, Cu, Co, Ni, Fe, Ru , WC, W, Mo, Se로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물 또는 합금인 비(非)백금계 촉매 및 Ce 금속 촉매를 포함하는 연료전지용 전극 촉매와, 상기 전극 촉매를 포함하는 전극을 구비한 연료전지를 제공한다.

Description

연료전지용 전극 촉매, 상기 전극 촉매를 포함하는 전극을 구비한 연료전지{Electrode catalyst for fuel cell and fuel cell including electrode comprising the electrode catalyst}
본 발명의 일 구현예는 연료전지용 전극촉매, 그 제조방법, 상기 전극촉매를 포함하는 전극을 구비한 연료전지에 관한 것이다.
연료 전지는, 수소와 산소로부터 물을 얻는 전지 반응에 따라 기전력을 얻는다. 수소는 메탄올 등의 원재료 물질과 물을 개질 촉매의 존재하에 반응시킴으로써 얻어진다. 이와 같은 연료전지는 사용되는 전해질 및 사용되는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올 연료공급방식(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC), 인산 방식(PAFC), 용융탄산염 방식(MCFC), 고체 산화물 방식(SOFC) 등으로 구분 가능하다.
그리고 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질이 달라진다.
고분자 전해질형 연료전지 및 직접메탄올 연료전지는 통상적으로 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 고분자 전해질막를 포함하는 막-전극 접합 체(membrane-electrode assembly, MEA)로 구성된다. 연료전지의 애노드전극에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드 전극에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다.
통상 애노드 및 캐소드의 구성 요소로서 백금(Pt)을 활성 성분으로 하는 촉매가 주로 이용되고 있으나 백금계 촉매는 고가의 귀금속으로 실제 상업적으로 실행 가능한 연료전지의 대량생산을 위해서는
전극 촉매에 사용되는 백금의 요구량은 여전히 많아 시스템의 비용절감이 필요하게 되고 있다.
따라서 백금을 대체하기 위한 비 백금계 전극촉매 개발 및 이를 적용하여높은 전지성능을 나타내는 연료전지를 개발하려는 연구가 계속되고 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 세륨 산화물을 도입하여 촉매의 활성이 증가된 연료전지용 전극촉매, 및 상기 전극촉매를 포함하는 전극을 구비한 연료전지가 제공된다.
본 발명의 일구현예는 탄소계 촉매 담체; 상기 촉매 담체에 담지된 비(非)백금계 촉매 및 Ce 금속 촉매를 포함하는 연료전지용 전극 촉매를 제공한다.
본발명의 다른 일구현예에 있어서, 촉매 담체와 비백금계 촉매 및 Ce 금속 촉매의 총합 100 중량부를 기준으로 하여, 10~70 중량부의 비백금계 촉매, 0.1-30 중량부의 Ce 금속 촉매 및 29.9-60중량부의 촉매 담체를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일구현예에 있어서, 비 백금계 촉매는 Pd, Ir, Au, Cu, Co, Ni, Fe, Ru, WC, W, Mo, Se로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물 또는 합금을 포함 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일구현예에 있어서, 비 백금계 촉매는 Pd, Ir, Au, Cu, Ni, Fe, Ru , WC, W, Mo, Se로 　이루어진 군으로부터 선택되는 1종과 Co로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 비(非)백금계 촉매 및 Ce 금속 촉매는 서로 인접하여 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, Ce 금속 촉매는 산화물 형태로 존재한다.
본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기한 탄소계 촉매 담체는 케첸블랙, 카본블랙, 그래파이트카본, 카본 나노튜브(carbon nanotube) 및 카본 파이버(carbon fiber)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 일구현예에 따르면,
비백금계 촉매 전구체 및 Ce 전구체를 용액상에서 혼합하는 단계; 상기 혼합용액에 탄소계 촉매 담체를 함침시키는 단계; 및 상기 결과물을 수소 분위기 하에서 200 내지 350℃에서 열처리하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극촉매의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 일구현예에 따르면 상기한 연료전지용 전극촉매를 포함하는 전극; 및 전해질막을 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 전극은 캐소드일 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매는 산소의 활성화 능력 또는 전달 능력이 우수한 세륨 산화물로부터 유도된 제2 금속촉매를 함께 사용하여 200℃ 이하의 온도에서도 우수한 활성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매는 탄소계 촉매담체; 상기 촉매담체에 담지된 비(非)백금계 촉매 및 Ce 금속 촉매로 이루어진다.
통상의 연료전지는 고체 고분자막을 사이에 두고 애노드인 백금 촉매층과 캐소드인 백금 촉매층을 구비하고 있다. 애노드에서는 백금 촉매층에 의하여 이하의 반응이 일어난다.
H2 → 2H+ + 2e-
이 반응에 따라 생기는 H+이 확산한다. 한편 캐소드에서는 백금 촉매층에 의하여 이하의 반응이 일어난다.
2H+ + 2e- + 1/2O2 → H2O
본 발명의 일 구현예에 따른 전극 촉매는 통상의 Pt 촉매에 대신 비백금계 촉매와 Ce 금속을 사용함으로써, 연료전지용 전극촉매의 활성이 우수한 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 일 구현예에 따른 전극촉매는 산소의 활성화 능력 또는 전달 능력이 우수한 세륨 산화물로부터 유도된 제2 금속촉매를 함께 사용하여 200℃ 이하의 온도에서도 우수한 활성을 나타낼 수 있는 연료 전지용 전극촉매를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 전극 촉매는 비(非)백금계 촉매 및 Ce 금속촉매 를 포함하며 비 백금계 촉매는 Pd, Ir, Au, Cu, Co, Ni, Fe, Ru ,WC, W, Mo, Se로 　이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물 또는 합금인 연료전지 전극촉매를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 , 비 백금계 촉매는 Pd, Ir, Au, Cu, Ni, Fe, Ru, WC, W, Mo, Se로 　이루어진 군으로부터 선택되는 1종과 Co로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 비 백금계 촉매는 Pd, PdCo, PdNi, PdFe, PdAu, Ir, IrCo, IrFe, IrAu, IrPd로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물 또는 합금일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 전극촉매에 있어서, 각 금속 성분의 함량은 촉매의 전기화학적인 표면적 및 ORR 측면에서 촉매 담체와 비백금계촉매 및 Ce 금속촉매의 총합 100 중량부를 기준으로 비백금계 촉매가 10~70 중량부, Ce가 0.1~30 중량부, 촉매 담체가 29.9 - 60 중량부인 것이 바람직하다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 전극 촉매는 PdaCob(CeOX)c(x는 1.5 내지 2임)이다. 여기에서 a, b 및 c는 각 성분의 결합수를 나타내며, a는 1.0 내지 5.0의 수이고, b는 0.5 내지 2.0의 수이고, c는 0.1 내지 2.0의 수이고, CeOX는 CeO2 및 Ce2O3의 혼합물을 지칭하며, x는 1.5 내지 2이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 비백금계 촉매-Ce계 연료전지용 전극촉매를 개략적으로 도시한다.
비백금계 촉매인 제1 금속 촉매(1) 및 Ce계 제2 금속 촉매(2)는 탄소계 촉매 담체(3)에 담지되어 있다. 바람직하게는 상기 제1 금속 촉매(1) 및 제2 금속 촉매(2)는 서로 인접하여 위치한다.
Ce계 제2 금속 촉매(2)는 인접한 제1 금속 촉매(1)로의 산소 전달 능력이 우 수하여, 전극 촉매의 산화 환원 반응을 촉진한다.
또한 연료전지의 활성 측면에서, 비백금계 촉매인 제1 금속 촉매는 Pd, Ir, Au, Cu, Co, Ni, Fe, Ru , WC, W, Mo, Se로 　이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물 또는 합금일 수 있다.
또는 비백금계 촉매인 제1 금속촉매는 Pd, Ir, Au, Cu, Ni, Fe, Ru , WC, W, Mo, Se로 　이루어진 군으로부터 선택되는 1종과 Co로 이루어질 수 있다. 여기에서 Co의 함량은 비백금계 촉매인 제1금속 촉매의 총중량 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 50 중량부인 것이 바람직하다.
또한 비백금계 촉매인 제 1 금속촉매는 Pd, PdCo, PdNi, PdFe, PdAu, Ir, IrCo, IrFe, IrAu, IrPd로 　이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물 또는 합금일 수 있다
본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 전극촉매에 있어서, 탄소계 촉매 담체는 전기 전도성이 크고 표면적이 넓은 케첸블랙, 카본블랙, 그래파이트카본, 카본 나노튜브(carbon nanotube) 및 카본 파이버(carbon fiber)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 전극촉매는 콜로이드법(colloidal method)를 채용하여 제조될 수 있다.
도 2은 본 발명에 따른 연료전지용 전극촉매의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
먼저 팔라듐(Pt) 전구체 , 세륨(Ce) 전구체 및 코발트(Co) 전구체를
물에 녹인후 탄소계 담체를 첨가하고 pH를 조정한후 교반하며 함침한다.
팔라듐 전구체로서는, 팔라듐(II )염화물, 팔라듐(II ) 아세틸아세토네이트, 팔라듐(II) 시안화물, 팔라듐(II) 아세테이트 및 팔라듐(II)황화물, 팔라튬(II )질산염 등을 사용할 수 있다.
상기 세륨 전구체로서는 암모늄 세륨(Ⅳ) 나이트레이트(Ammonium cerium(Ⅳ) nitrate), 세륨(Ⅲ) 아세테이트(cerium(Ⅲ) acetate), 세륨(Ⅲ) 브로마이드(cerium(Ⅲ) bromide), 세륨(Ⅲ) 카보네이트(cerium(Ⅲ) carbonate), 세륨(Ⅲ) 클로라이드(cerium(Ⅲ)chloride), 세륨(Ⅳ) 하이드록사이드(cerium(Ⅳ) hydroxide), 세륨(Ⅲ) 나이트레이트(cerium(Ⅲ) nitrate), 세륨(Ⅲ)설페이트(cerium(Ⅲ) sulfate), 또는 세륨(Ⅳ) 설페이트(cerium(IV) sulfate) , 세륨등을 사용할 수 있다.
또한 상기 코발트 전구체로는 코발트(II) 클로라이드(CoCl2), 코발트(II) 설페이트(CoSO4), 코발트(II) 니트레이트(Co(NO3)2)등을 사용한다.이 때 pH는 염기성 조건(pH 7이상)인 경우 탄소계 담체의 함침이 좋다.
이를 물로 수회 세척하고 건조한 다음, 환원 조건하에서 열처리하여 본 발명에 따른 연료전지용 전극촉매가 얻어진다. 환원 열처리는 수소 분위기 하에서 200 내지 350℃에서 0.5 내지 4 시간 동안 이루어진다. 상기 열처리 조건 하에서 본 발명에 따른 연료전지용 전극 촉매는 우수한 활성을 나타내며, 특히 전극의 실제 사용 전압 범위인 0.6 내지 0.8V 범위에서 더욱 증가된 산화환원 전류를 나타낸다.
또한 본 발명의 일구현예에 따르면, 상술한 본 발명에 따른 전극 촉매를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 일구현예에 따른 연료전지는 캐소드, 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 전해질막을 포함하는데, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나가, 상술한 연료전지용 전극촉매를 함유하고 있다. 본 발명의 일구현예에 따른 담지 촉매는 캐소드 전극에 적용된다. 본 발명의 일구현예에 따른 연료전지는, 구체적인 예를 들면, 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지 PEMFC 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)로서 구현될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일구현예에 따른 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)이다.
도 6은 연료전지의 일 구현예를 나타내는 분해 사시도이고, 도 7는 도 6의 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체(MEA)의 단면모식도이다.
도 6에 나타내는 연료 전지(1)는 2개의 단위셀(11)이 한 쌍의 홀더(12,12)에 협지되어 개략 구성되어 있다. 단위셀(11)은 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체(10)의 두께 방향의 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(20, 20)로 구성되어 있다. 바이폴라 플레이트(20,20)는 도전성을 가진 금속 또는 카본 등으로 구성되어 있고, 막-전극 접합체(10)에 각각 접합함으로써, 집전체로서 기능함과 동시에, 막-전극 접합체(10)의 촉매층에 대해 산소 및 연료를 공급한다.
또한 도 6에 나타내는 연료 전지(1)는 단위셀(11)의 수가 2개인데, 단위셀의 수는 2개에 한정되지 않고, 연료 전지에 요구되는 특성에 따라 수십 내지 수백 정 도까지 늘릴 수도 있다.
막-전극 접합체(10)는 도 7에 나타내는 바와 같이, 전해질막(100)과, 전해질막(100)의 두께 방향의 양측에 배치된 본 발명에 따른 촉매층(110, 110')과, 촉매층(110, 110')에 각각 적층된 제1 기체 확산층(121, 121')과, 제1 기체 확산층(121, 121')에 각각 적층된 제2 기체 확산층(120, 120')으로 구성된다.
촉매층(110, 110')은 연료극 및 산소극으로서 기능하는 것으로, 촉매 및 바인더가 포함되어 각각 구성되어 있으며, 상기 촉매의 전기화학적인 표면적을 증가시킬 수 있는 물질이 더 포함될 수 있다.
제1 기체 확산층(121, 121') 및 제2 기체 확산층(120, 120')은 각각 예를 들어 카본 시트, 카본 페이퍼 등으로 형성되어 있고, 바이폴라 플레이트(20, 20)를 통해 공급된 산소 및 연료를 촉매층(110, 110')의 전면으로 확산시킨다.
이 막-전극 접합체(10)를 포함하는 연료전지(1)는 100 내지 300℃의 온도에서 작동하고, 한 쪽 촉매층 측에 바이폴라 플레이트(20)를 통해 연료로서 예를 들어 수소가 공급되고, 다른 쪽 촉매층 측에는 바이폴라 플레이트(20)를 통해 산화제로서 예를 들어 산소가 공급된다. 그리고, 한 쪽 촉매층에 있어서 수소가 산화되어 프로톤이 생기고, 이 프로톤이 전해질막(4)을 전도하여 다른 쪽 촉매층에 도달하고, 다른 쪽 촉매층에 있어서 프로톤과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물을 생성함과 동시에, 전기 에너지를 발생시킨다. 또한, 연료로서 공급되는 수소는 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소일 수도 있고, 또 산화제로서 공급되는 산소는 공기에 포함되는 상태에서 공급될 수도 있다.
이하, 본 발명을 하기 구체적인 실시예를 들어 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
하기 실시예에서 CeOX는 CeO2 및 Ce2O3의 혼합물을 지칭하며, x는 1.5 내지 2이다.
실시예 1: 3성분계 전극 촉매의 Pd 3 Co 1 (CeO X ) 1 의 제조
팔라듐 전구체로서 수화된 팔라듐질화물 (Pd(NO3)2.XH2O) 1.0 g을 물에 녹인 1M 수용액 200g에, 코발트 전구체로서 CoCl2·6H2O을 0.5g 및 세륨 전구체로서 (NH4)2Ce(NO3)6을 0.5g 첨가한 후, 탄소계 촉매 담체로서 케첸블랙을 0,5g 첨가하였다.
염기성 조건으로 pH를 조절하기 위해 1M의 수산화나트륨 용액을 적가하며 12 시간 더 교반하였다. 결과의 고체를 물로 수회 세척한 다음 질소 분위기 하에서 120℃에서 건조하였다.
그런 다음, 고상의 결과물을 수소 기체 중에서 300℃로 열처리하여 연료전지용 전극촉매를 제조하였다. 전극 촉매인 Pd3Co1(CeOX)1에서 각 금속의 혼합비는 ICP 분석법에 의하여 분석가능하다.
상기 제조한 실시예 1의 결과물을 XPS(X-ray Photoemission Spectroscopy)로 분석하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.
XPS에 의해 표면에 존재하는 Ce의 산화수를 분석한 결과, Ce3+ 와 Ce4+ 상태 로 나타나 세륨은 Ce2O3 및 CeO2 결정 형태의 산화물로 존재하는 것을 알 수 있었다.
비교예 1: Pd 3 Co 1 전극 촉매의 제조
수화된 팔라듐질화물 (Pd(NO3)2.XH2O) 1.0 g을 물에 녹인 1M 수용액 200g에, 코발트 전구체로서 CoCl2·6H2O을 0.5g을 첨가한 후, 여기에 탄소계 촉매 담체로서 케첸블랙 0.5g을 첨가하였다.
염기성 조건으로 Ph를 조절하기 위해 1M의 수산화나트륨 용액을 적가하며 12 시간 더 교반하였다. 상기 반응에 따라 얻어진 고체를 물로 수회 세척한 다음 질소 분위기 하에서 120℃에서 건조하였다.
그런 다음, 고상의 결과물을 수소 기체 중에서 300℃로 열처리하여 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다
실시예 2: 전극의 제조 및 ORR 활성도 평가
(1) 전극의 제조
실시예 1에서 합성한 촉매 1g 당 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를0.1g과 적절한 양의 용매 NMP를 혼합하여 로테이팅 디스크 전극(Rotating Disk Electrode: RDE) 형성용 슬러리를 제조하였다. 이와 같이 형성된 슬러리를 RDE의 기재로 사용되는 유리질 카본 필림(glassy carbon film) 위에 적하한 후 상온부터 150℃까지 단계적으로 온도를 올리는 건조 공정을 거쳐 RDE 전극을 제작하였다. 이를 작용 전극으로 사용하여 하기와 같이 촉매의 성능을 평가하여 도 4에 나타내었다.
이와 동시에, 비교예 1에서 제조한 촉매를 사용한 것을 제외하고 동일한 방 법으로 전극을 제조하여, 촉매의 성능 평가 결과를 도 4 에 함께 나타내었다.
(2) ORR 활성도 평가
ORR 활성은, 전해질에 산소를 포화 용해시킨 후, 개방회로전압(Open circuit voltage :OCV)로부터 음의 방향으로 포텐셜을 주사하면서 그에 따른 전류를 기록함으로써 평가되었다(scan rate: 1mV/s, 전극 회전수: 1000 rpm). OCV로부터 실제 전극의 산소의 환원반응이 주로 일어나는 포텐셜(0.6~0.8V)를 지난 후에 더 낮은 포텐셜에서는 물질한계전류에 이르게 된다. 물질한계전류는 반응물의 고갈에 따른 전류의 최대값으로 RDE 실험에서 전극 회전수를 증가함에 따라 전해질에 녹아 있는 산소의 전극 표면으로의 공급이 증가하게 되어 물질 한계 전류뿐만 아니라 전 포텐셜 영역에서 전류가 증가하게 된다.
이와 같은 방법으로 상기 제조한 전극을 이용하여 실시예 1과 비교예 1 의 촉매의 ORR 활성도를 비교하여 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4의 종축은 단위 g당 촉매량으로 표준화된 전류이며, 횡축은 표준수소전위(RHE)로 환산한 전압을 나타내고 PdCoCe/C는 실시예 1에 대한 것이고, PdCo/C는 비교예 1에 대한 것이다.
산소로 포화된 0.1M HClO4 전해질에서 전극을 회전하면서 (rpm: 900), 주사속도 1 mV/s로 전압을 변화시키며 개방회로전압 (OCV)부터 0.5V까지의 전압 영역에 대하여 ORR 전류를 측정한다. 촉매의 활성은 OCV에 가까운 전압에서의 ORR 전류값의 차이로 비교하게 된다.
도 4를 참조하면, 0.7V에서 실시예 1의 Pd3Co1(CeOX)1 촉매는 약 10A/g인 반면 Ce가 도입되지 않은 비교예 1의 PdCo촉매는 5A/g으로서 두배 정도의 ORR 전류가 증가함을 알수 있고 모든 포텐셜 영역에서 ORR 전류가 증가함을 알 수 있다.
실시예 3: 연료 전지의 제조 및 평가
실시예 1에서 합성한 촉매 1g 당 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 0.03g과 적절한 양의 용매 NMP를 혼합하여 캐소드 전극 형성용 슬러리를 제조하였다. 상기 캐소드용 슬러리를 미세다공층(microporous layer)이 코팅된 카본 페이퍼(carbon paper) 위에 바 코터기(bar coater)로 코팅한 후 상온부터 150℃까지 단계적으로 온도를 올리는 건조 공정을 거쳐 캐소드를 제작하였다.
이와 별도로, 통상의 본 담지 PtCo촉매 (Tanaka 귀금속) 사용하여 애노드를 제작하였다.
상기 캐소드 및 애노드 사이에 전해질막으로서 85% 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸(poly(2,5-benzimidazole))을 전해질막으로 사용하여 전극-막 접합체(MEA)를 제조하였다.
그런 다음, 캐소드용으로 무가습 공기와 애노드 용으로 무가습 수소를 사용하여 150℃에서 막-전극 접합체의 성능을 평가한 결과를 도 7에 나타내었다.
또한 실시예 1에서 제조한 촉매 대신 비교예 1에서 제조한 촉매를 사용한 것을 제외하고 상기 막-전극 접합체를 제조한 후, 상기 평가 방법과 동일한 방법으로 평가하여 그 결과를 도 5에 함께 나타내었다. 도 5에서 PdCoCe/C는 실시예 1에 대 한 것이고, PdCo/C는 비교예 1에 대한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 촉매는 거의 모든 작동 전류 영역에 걸쳐 전압이 상승되는 효과를 나타냄을 알 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 연료전지용 전극 촉매를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 연료전지용 전극촉매의 제조 방법에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 3는 본 발명의 실시예 1의 촉매를 XPS(X-ray Photoemission Spectroscopy)로 분석한 세륨 성분의 결과를 나타낸 스펙트럼이다
도 4는 실시예 1의 촉매 및 비교예 1 의 촉매를 이용하여 제조한 전극에 있어서, 촉매의 산소 환원 반응(ORR)의 활성도를 나타낸 그래프이다.
도 5은 실시예 1의 촉매 및 비교예 1의 촉매를 이용하여 제조한 연료전지에 있어서, 전류밀도에 따른 포텐셜 변화를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 분해 사시도이다.
도 7는 도 6의 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체의 단면모식도이다.

Claims (14)

  1. 탄소계 촉매 담체;
    상기 촉매 담체에 담지된 비(非)백금계 촉매 및 Ce 금속 촉매를 포함하는 연료전지용 전극 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비 백금계 촉매는,
    Pd, Ir, Au, Cu, Co, Ni, Fe, Ru , WC, W, Mo, Se로 이루어진 군으로부터 선택된1종 이상의 혼합물 또는 합금인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비 백금계 촉매는,
    Pd, Ir, Au, Cu, Ni, Fe, Ru , WC, W, Mo, Se로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종과, Co를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극 촉매가,
    촉매 담체와 비백금계 촉매 및 Ce 금속 촉매의 총합 100 중량부를 기준으로 하여, 10~70 중량부의 비백금계 촉매, 0.1-30 중량부의 Ce 금속 촉매 및 29.9-60중량부의 촉매 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  5. 제1항에 있어서, 상기 Ce 금속 촉매는,
    CeOx이고, x는 1.5 내지 2의 수인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극촉매.
  6. 제1항에 있어서, 상기 비 백금계 촉매는 Pd, Ir, Au, Cu, Ni, Fe, Ru , WC, W, Mo, Se로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종과 Co계 제1 금속 촉매를 포함하며,
    상기 Ce 금속 촉매는 Ce 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  7. 제1항에 있어서, 상기 비백금계 촉매는 Pd, PdCo, PdNi, PdFe, PdAu, Ir, IrCo, IrFe, IrAu, IrPd로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 혼합물 또는 합금인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  8. 제1항에 있어서, 상기 비 백금계 촉매 및 Ce 금속촉매는 서로 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극촉매.
  9. 제1항에 있어서, 상기 촉매 담체에 담지된 비(非)백금계 촉매 및 Ce 금속 촉매가,
    PdaCob(CeOX)c이고,
    a는 1.0 내지 5.0의 수이고, b는 0.5 내지 2.0의 수이고, c는 0.1 내지 2.0 의 수인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  10. 제9항에 있어서, 상기 촉매 담체에 담지된 비(非)백금계 촉매 및 Ce 금속 촉매가,
    Pd3Co1(CeOX)1(x는 1.5 내지 2임)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  11. 제1항에 있어서, 상기 탄소계 촉매 담체는,
    케첸블랙, 카본블랙, 그래파이트카본, 카본 나노튜브(carbon nanotube) 및 카본 파이버(carbon fiber)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 전극 촉매를 포함하는 전극; 및 전해질막을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전극은 캐소드인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  14. 제12항에 있어서, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)인 것을 특징으로 하는 연료전지.
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