KR20130060119A - 연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지 - Google Patents

연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지 Download PDF

Info

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

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9041—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

9족 금속 및 8족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한 연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지가 제시된다.

Description

연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지{Electrode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same}
연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함한 연료 전지가 제시된다.
연료전지(fuel cell)는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전형 전지로서, 일반 배터리와 달리 외부로부터 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 여러 단계를 거치는 동안 효율의 손실이 발생하는 기존의 발전 방식과는 달리 바로 전기를 만들 수 있어서 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다.
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.
고분자 전해질형 연료전지 및 직접메탄올 연료전지는 통상적으로 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)로 구성된다. 연료전지의 애노드 전극에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드 전극에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다.
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 백금 사용량을 감소시킬 수 있으면서, 우수산 전지성능을 제공할 수 있는 전극 촉매의 개발이 필요하다.
우수한 촉매 활성 및 장수명 전지를 제공할 수 있는 연료 전지용 전극 촉매 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 전극 촉매를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지를 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면, 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한, 연료 전지용 전극 촉매가 제공된다.
상기 8족 금속은 철(Fe), 루테늄(Ru) 및 오스뮴(Os) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 9족 금속은 코발트(Co), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 8족 금속의 함량은 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 92원자%일 수 있다.
상기 9족 금속의 함량은 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 90원자%일 수 있다.
상기 합금 입자는 코어-쉘 구조를 갖고, 상기 코어는 상기 8족 금속을 포함하고 상기 9족 금속을 비포함하고, 상기 쉘은 상기 9족 금속을 포함하거나, 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속을 포함할 수 있다.
상기 8족 금속은 루테늄이고, 상기 9족 원소는 이리듐일 수 있다.
상기 합금 입자는 루테늄 및 이리듐으로 이루어져 있고, 상기 합금 입자는 코어-쉘 구조를 갖고, 상기 코어는 상기 루테늄으로 이루어져 있고, 상기 쉘은 상기 이리듐으로 이루어져 있거나, 상기 루테늄과 이리듐의 합금으로 이루어져 있을 수 있다.
상기 연료 전지용 전극 촉매는, 탄소계 담체를 더 포함하고, 상기 탄소계 담체에 상기 합금 입자가 담지되어 있을 수 있다.
다른 측면에 따르면, 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 포함한 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 혼합물 중 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 환원시켜 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한 연료 전지용 전극 촉매를 제공하는 단계;를 포함한 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법이 제공된다.
상기 전극 촉매 제조 방법 중, 상기 혼합물은 탄소계 담체를 더 포함하고, 상기 전극 촉매는 탄소계 담체를 더 포함하며, 상기 합금 입자는 상기 탄소계 담체에 담지되어 있을 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 캐소드; 상기 캐소드와 대향하여 위치하는 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드의 사이에 위치하는 전해질막;을 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나가, 상기 연료 전지용 전극 촉매를 포함한, 연료 전지용 막 전극 접합체가 제공된다. 여기서, 상기 전극 촉매는 상기 애노드에 포함되어 있을 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 막 전극 접합체를 포함한, 연료 전지가 제공된다. 여기서, 상기 전극 촉매는, 상기 애노드에 포함되어 있을 수 있다.
상기 연료 전지용 전극 촉매는 우수한 수소 산화 활성을 갖는 바, 이를 이용하면 저비용 고품위의 연료 전지를 구현할 수 있다.
도 1은 상기 전극 촉매의 일 구현예의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 상기 연료 전지의 일 구현예를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 연료 전지를 구성하는 막-전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.
도 4는 합성예 3 및 비교합성예 2의 촉매의 X선 회절(X-Ray diffraction: XRD) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 비교합성예 1, 합성예 5, 합성예 1, 합성예 2, 합성예 4 및 비교합성예 2의 촉매의 X선 회절(X-Ray diffraction: XRD) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 합성예 2 및 3과 비교합성예 1 및 2의 EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) 스펙트럼의 푸리에 변환 그래프를 나타낸 것이다.
도 7은 합성예 1 내지 4, 비교합성예 1 및 2 및 PtRu/C 촉매(commercial)를 각각 포함한 반쪽 전지(half cell)의 수소산화반응(HOR) 활성도 평가 결과이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 단위 전지의 전류 밀도-전압 그래프이다.
상기 연료 전지용 전극 촉매(이하, "전극 촉매"라고도 함)는, 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한다.
상기 "합금 입자"의 단위 격자 내에는 8족 금속의 원자와 9족 금속의 원자가 함께 존재하므로, 상기 "8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자"는 8족 금속 입자와 9족 금속 입자의 혼합물과는 완전히 구분되는 것이다. 8족 금속 입자와 9족 금속 입자의 혼합물은 하나의 단위 격자 내에 8족 금속 원자 또는 9족 금속 원자가 존재한다.
한편, 상기 "합금 입자"는 무정형의 입자인 바, 복수개의 "합금 입자"는 서로 개별적으로 떨어져서 소정의 기재(support)에 분산되어 존재할 수 있으며, 이는 상기 8족 금속 및 9족 금속으로 이루어진 층과는 구분되는 것이다. 무정형의 입자 형태를 갖는 상기 "8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자"는, 8족 금속 및 9족 금속으로 이루어진 층에 비하여, 전기화학 반응의 대상이 되는 각종 기체 및/또는 액체와 접촉할 수 있는 비표면적이 대단히 크므로, 촉매, 예를 들면, 연료 전지용 전극 촉매로 유용하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 상기 "합금 입자"는 후술될 탄소계 담체에 담지되어 분산되어 있을 수 있다.
상기 8족 금속은 철(Fe), 루테늄(Ru) 및 오스뮴(Os) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 8족 금속은 루테늄일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 9족 금속은 코발트(Co), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 9족 금속은 이리듐일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 8족 금속의 함량은 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 92원자%, 예를 들면, 20원자% 내지 90원자%일 수 있다. 한편, 상기 9족 금속의 함량은 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 90원자%, 예를 들면, 10원자% 내지 80원자%일 수 있다. 상기 8족 금속 및 9족 금속의 함량이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 상기 전극 촉매를 채용한 전극은 우수한 수소 산화 반응 성능을 가질 수 있다.
상기 합금 입자는 코어-쉘 구조를 가질 수 있으며, 상기 코어-쉘 구조는 도 1을 참조할 수 있다. 도 1은 합금 입자(50)의 단면을 개략적으로 나타낸 것으로서, 상기 합금 입자(50)는 코어(51) 및 상기 코어(51) 표면의 일부 이상을 덮는 쉘(53)을 포함한다. 상기 쉘(53)은 상기 코어(51) 표면 전체를 덮는 연속적인 층이거나, 상기 코어(51) 표면의 일부를 덮는 불연속적인 층일 수 있다.
상기 코어(51)는 상기 8족 금속을 포함하되, 상기 9족 금속을 비포함할 수 있다. 한편, 상기 쉘(53)은 상기 9족 금속을 포함하거나, 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속을 포함할 수 있다.
도 1의 합금 입자(50) 구조는 후술하는 바와 같은 EXAFS(Extended X-ray Absoprtion Fine Structure) 분석에 의하여 확인할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 8족 금속은 루테늄이고, 상기 9족 원소가 이리듐일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전극 촉매 중 합금 입자는 8족 금속 및 상기 9족 금속의 합금으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 합금 입자의 조성은 하기 일반식 1로 표시될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다:
<일반식 1>
IrxRuy
일반식 1 중, x 및 y는 서로 독립적으로 1 내지 10의 실수이고, x/y는 Ir/Ru의 원자비를 나타낸다.
예를 들어, 상기 일반식 1 중, 1≤x≤8이고, 1≤y≤9.7일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 일반식 1 중, 1≤x≤4이고, 1≤y≤9.5일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 일반식 1 중 1≤x≤8이고, 1≤y≤9일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 일반식 1 중 1≤x≤1.2이고, 1≤y≤9일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 예로서, 상기 일반식 1 중 1≤x≤5이고, 1≤y≤2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따르면 상기 도 1의 합금 입자(50)는 루테늄 및 이리듐으로 이루어져 있되, 코어(51)은 루테늄으로 이루어져 있고, 쉘(53)은 이리듐으로 이루어져 있거나, 상기 루테늄과 이리듐의 합금으로 이루어져 있을 수 있다.
상기 합금 입자는, 상기 8족 금속 및 9족 금속 외에, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐(W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있는데, 이들은 상기 8족 금속 및 9족 금속과 합금화되어 존재할 수 있다.
한편, 상기 전극 촉매는 상술한 바와 같은 합금 입자 외에, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐(W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있는데, 이들은 상기 합금 입자 표면의 일부 이상에 존재하는 코팅층에 존재하거나, 상기 합금 입자와 물리적으로 혼합되어 있는 입자 등의 형태로 존재할 수 있는 등 다양한 변형이 가능하다.
상기 합금 입자의 평균 입경은 0.5nm 내지 30nm일 수 있다. 상기 합금 입자의 평균 입경이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 상기 전극 촉매를 포함한 전극은 우수한 수소 산화 반응 성능을 가질 수 있다.
상기 전극 촉매는 상술한 바와 같은 합금 입자 외에, 탄소계 담체를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 촉매가 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 합금 입자는 상기 탄소계 담체에 담지되어 있을 수 있다.
상기 탄소계 담체는 전기 전도성 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소계 담체로는, 케첸블랙, 카본블랙, 그래파이트카본, 카본 나노튜브(carbon nanotube), 카본 파이버(carbon fiber), 중형 다공성 탄소 (mesoporous carbon), 그래핀(graphene) 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되지 아니하며, 이들을 단독으로 사용하거나 2 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
상기 전극 촉매가 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 합금 입자의 함량은 상기 탄소계 담체를 포함한 전극 촉매 100중량부 당 10중량부 내지 80중량부, 예를 들면, 40중량부 내지 60중량부일 수 있다. 상기 합금 입자와 상기 탄소계 담체의 비율이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 우수한 전극 촉매 입자의 비표면적 및 높은 담지량을 달성할 수 있다.
상기 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 포함한 혼합물을 제공한다. 상기 전극 촉매의 합금 입자가 8족 금속으로서 2종 이상의 서로 다른 금속을 포함할 경우, 2종 이상의 서로 다른 8족 금속 전구체가 사용될 수 있다.
상기 8족 금속 전구체는, 상술한 바와 같은 8족 금속을 포함한 염화물, 질화물, 시안화물, 황화물, 브롬화염, 질산염, 아세테이트, 황산염, 옥시드(oxides), 수산화물 및 알콕시드(alkoxide) 중 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 8족 금속이 루테늄을 포함할 경우, 상기 루테늄 전구체는, 루테늄 질화물(ruthnium nitride), 루테늄 염화물(ruthnium chloride), 루테늄 황화물(ruthnium sulfide), 루테늄 아세테이트(ruthnium acetate), 루테늄 아세틸아세토네이트(ruthnium acetylacetonate), 루테늄 시안화물(ruthnium cyanate), 루테늄 이소프로필옥사이드(ruthnium isopropyl oxide) 및 루테늄 부톡사이드(ruthnium butoxide) 중 1종 이상의 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 9족 금속 전구체는, 상술한 바와 같은 9족 금속을 포함한 염화물, 질화물, 시안화물, 황화물, 브롬화염, 질산염, 아세테이트, 황산염, 옥시드(oxides), 수산화물 및 알콕시드(alkoxide) 중 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 9족 금속이 이리듐을 포함할 경우, 상기 이리듐 전구체는, 이리듐 질화물(iridium nitride), 이리듐 염화물(iridium chloride), 이리듐 황화물(iridium sulfide), 이리듐 아세테이트(iridium acetate), 이리듐 아세틸아세토네이트(iridium acetylacetonate), 이리듐 시안화물(iridium cyanate), 이리듐 이소프로필옥사이드(iridium isopropyl oxide) 및 이리듐 부톡사이드(iridium butoxide) 중 1종 이상의 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 혼합물은, 상술한 바와 같은 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체 외에, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐(W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf) 중 하나 이상의 전구체(예를 들면, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐 (W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf) 중 하나 이상의 염화물, 질화물, 시안화물, 황화물, 브롬화염, 질산염, 아세테이트, 황산염, 옥시드(oxides) 및 알콕시드(alkoxide) 중 1종 이상의 화합물)를 포함할 수 있다.
상기 혼합물은 상기 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체 외에, 탄소계 담체를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합물이 탄소계 담체를 더 포함할 경우, 상기 탄소계 담체 및 상기 탄소계 담체에 담지된 합금 입자를 포함한 전극 촉매를 수득할 수 있다.
상기 혼합물은 상기 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체 외에, 이들을 용해시킬 수 있는 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매로는, 에틸렌글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 네오펜틸 글리콜, 디에틸렌글리콜, 3-메틸-1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올, 트리메틸올 프로판 등의 글리콜계 용매 또는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜(IPA), 부탄올 등의 알코올계 용매 또는 물(H2O)를 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고, 전구체를 용해시킬 수 있는 공지된 용매라면 모두 사용할 수 있다.
상기 혼합물은 상기 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체가 동시에 환원되도록 하는 킬레이팅제(예를 들면, 시트릭 산, 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA) 등), pH 조절제(예를 들면, NaOH 수용액 등) 등을 더 포함할 수 있다.
이어서, 상기 혼합물 중 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 환원시켜, 수소 산화 활성을 갖는 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한 전극 촉매를 형성한다. 여기서, 상기 혼합물이 탄소계 담체를 포함할 경우, 상기 합금 입자가 탄소계 담체에 분산되어 있는 전극 촉매를 수득할 수 있다.
상기 혼합물 중 전구체를 환원시키는 단계는, 상기 혼합물에 환원제를 부가함으로써 수행될 수 있다. 또는, 상기 혼합물 중 전구체를 환원시키는 단계는, 상기 혼합물을 건조(예를 들면, 감압 건조)하여 상기 전구체가 탄소계 담체에 담지된 상태의 탄소계 담체와 전구체와의 복합체를 수득한 후, 이를 불활성 또는 가스 분위기(예를 들면, 수소 분위기) 하에서 열처리(예를 들면, 전기로에서의 열처리)함으로써, 수행될 수 있다.
상기 환원제는, 상기 혼합물에 포함된 전구체들을 환원시킬 수 있는 물질 중에서 선택될 수 있는데, 예를 들면, 환원제로는 히드라진(NH2NH2), 수소화 붕소 나트륨(NaBH4), 개미산(formic acid), 아스코빅 산 (ascomic acid) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 환원제의 함량은 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체 총합 1몰을 기준으로 하여 1 내지 3몰을 사용할 수 있는데, 상기 환원제의 함량이 상술한 바와 같은 범위를 만족할 경우, 만족스러운 환원 반응을 유도할 수 있다.
한편, 상기 탄소계 담체와 전구체와의 복합체의 불활성 분위기하에서의 열처리는, 100℃ 내지 500℃, 예를 들면, 150℃ 내지 450℃의 범위의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 측면에 따른 연료전지용 막 전극 접합체는 서로 대향하여 위치하는 캐소드와 애노드, 및 상기 캐소드와 상기 애노드의 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료전지용 막 전극 접합체(MEA)로서, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나가 상술한 연료 전지용 전극 촉매를 포함한다. 예를 들어, 상기 전극 촉매는 상기 막 전극 접합체의 애노드에 포함될 수 있다.
또 다른 측면에 따른 연료 전지는 상기 막 전극 접합체를 포함한다. 상기 막 전극 접합체의 양측에는 분리판이 적층되어 구비될 수 있다. 상기 막 전극 접합체는 캐소드와 애노드, 및 상기 캐소드와 애노드의 사이에 위치하는 전해질막을 구비하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나는 상술한 전극 촉매를 포함한다. 상기 전극 촉매는 상기 연료 전지의 애노드에 포함될 수 있다.
상기 연료전지는 예를 들면, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)로서 구현될 수 있다.
도 2는 연료전지의 일 구현예를 나타내는 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체(MEA)의 단면 모식도이다.
도 2에 나타내는 연료 전지(100)는 2개의 단위셀(111)이 한 쌍의 홀더(112,112)에 협지되어 개략 구성되어 있다. 단위셀(111)은 막-전극 접합체(110)와, 막-전극 접합체(110)의 두께 방향의 양측에 배치된 바이폴라 플레이트(120,120)로 구성되어 있다. 바이폴라 플레이트(120,120)는 도전성을 가진 금속 또는 탄소 등으로 구성되어 있고, 막-전극 접합체(110)에 각각 접합함으로써, 집전체로서 기능함과 동시에, 막-전극 접합체(110)의 촉매층에 대해 산소 및 연료를 공급한다.
한편, 도 2에 나타내는 연료 전지(100)는 단위셀(111)의 수가 2개인데, 단위셀의 수는 2개에 한정되지 않고, 연료 전지에 요구되는 특성에 따라 수십 내지 수백 정도까지 늘릴 수도 있다.
막-전극 접합체(110)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 전해질막(200)과, 전해질막(200)의 두께 방향의 양측에 배치되고 그 중 하나에 본 발명의 일구현예에 따른 전극 촉매가 적용된 촉매층(210,210')과, 촉매층(210,210')에 각각 적층된 제1 기체 확산층(221,221')과, 제1 기체 확산층(221,221')에 각각 적층된 제2 기체 확산층(220,220')으로 구성될 수 있다.
촉매층(210,210')은 연료극 및 산소극으로서 기능하는 것으로, 촉매 및 바인더가 포함되어 각각 구성되어 있으며, 상기 촉매의 전기화학적인 표면적을 증가시킬 수 있는 물질이 더 포함될 수 있다.
제1 기체 확산층(221,221') 및 제2 기체 확산층(220, 220')은 각각 예를 들면 탄소 시트, 탄소 페이퍼 등으로 형성될 수 있고, 바이폴라 플레이트(120, 120)를 통해 공급된 산소 및 연료를 촉매층(210,210')의 전면으로 확산시킨다.
이 막-전극 접합체(110)를 포함하는 연료전지(100)는 100 내지 300℃의 온도에서 작동하고, 한 쪽 촉매층 측에 바이폴라 플레이트(120)를 통해 연료로서 예를 들어 수소가 공급되고, 다른 쪽 촉매층 측에는 바이폴라 플레이트(120)를 통해 산화제로서 예를 들면 산소 또는 공기가 공급된다. 그리고 한 쪽 촉매층에 있어서 수소가 산화되어 수소이온(H+)이 생기고, 이 수소이온(H+)이 전해질막(200)을 전도하여 다른 쪽 촉매층에 도달하고, 다른 쪽 촉매층에 있어서 수소이온(H+)과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물(H2O)을 생성함과 동시에, 전기 에너지를 발생시킨다. 또한, 연료로서 공급되는 수소는 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소일 수도 있고, 또 산화제로서 공급되는 산소는 공기에 포함되는 상태에서 공급될 수도 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 더욱 상세하게 설명하나, 이하의 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 것일 뿐이고 본 발명이 아래의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
합성예 1: IrRu/C 촉매의 합성
이리듐(Ir) 전구체인 이리듐 염화물 0.785g, 루테늄(Ru) 전구체인 루테늄 염화물 0.443g 및 증류수를 포함한 혼합물에 탄소계 담체인 케첸 블랙(Ketjen Black(KB)) 0.5g을 첨가하고 교반하였다. 이로부터 수득한 혼합물을 50℃에서 감압 증류시켜서 건조한 결과물을 300℃의 온도의 수소 분위기에서 열처리하여 탄소계 담체에 담지된 이리듐 전구체 및 루테늄 전구체를 환원시킴으로써 IrRu/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
합성예 2 : IrRu 4 /C 촉매의 합성
이리듐 전구체의 사용량을 0.393g으로 조정하고 루테늄 전구체의 사용량을 0.885g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 IrRu4/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
합성예 3 : IrRu 6 /C 촉매의 합성
이리듐 전구체의 사용량을 0.293g으로 조정하고 루테늄 전구체의 사용량을 0.934g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 IrRu6/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
합성예 4 : IrRu 9 /C 촉매의 합성
이리듐 전구체의 사용량을 0.213g으로 조정하고 루테늄 전구체의 사용량을 1.078g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 IrRu9/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
합성예 5 : Ir 4 Ru/C 촉매의 합성
이리듐 전구체의 사용량을 1.077g으로 조정하고 루테늄 전구체의 사용량을 0.142g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 Ir4Ru/C의 연료전지용 전극 촉매를 제조하였다.
비교합성예 1: Ir/C 촉매의 제조
이리듐 전구체의 사용량을 1.219g으로 조정하고 루테늄 전구체를 사용하지 않았다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 Ir/C 촉매를 제조하였다.
비교합성예 2: Ru/C 촉매의 제조
이리듐 전구체를 사용하지 않고 루테늄 전구체의 사용량을 1.231g으로 조정하였다는 점을 제외하고는 상기 합성예 1과 동일한 방법을 이용하여 Ru/C 촉매를 제조하였다.
촉매 조성 탄소계 담체에 담지된
활성 입자		 이리듐과 루테늄의 원자비
합성예 1 IrRu/C 이리듐과 루테늄의 합금 입자 1:1
합성예 2 IrRu4/C 이리듐과 루테늄의 합금 입자 1:4
합성예 3 IrRu6/C 이리듐과 루테늄의 합금 입자 1:6
합성예 4 IrRu9/C 이리듐과 루테늄의 합금 입자 1:9
합성예 5 Ir4Ru/C 이리듐과 루테늄의 합금 입자 4:1
비교합성예 1 Ir/C 이리듐 입자 -
비교합성예 2 Ru/C 루테늄 입자 -
평가예 1: 유도 결합 플라즈마 ( ICP ) 분석
합성예 1 내지 5 및 비교합성예 1 및 2의 촉매에 대하여, ICP 분석(ICP-AES, ICPS-8100, SHIMADZU / RF source 27.12MHz / sample uptake rate 0.8ml/min)을 수행하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

촉매 조성
금속 함량(중량%)
이리듐 루테늄
합성예 1 IrRu/C 13.1 29.8
합성예 2 IrRu4/C 12.6 26.8
합성예 3 IrRu6/C 9.1 28.4
합성예 4 IrRu9/C 7.08 34.2
합성예 5 Ir4Ru/C 35.5 4.5
비교합성예 1 Ir/C 39.2 -
비교합성예 2 Ru/C - 40.5
상기 표 2로부터, 합성예 1 내지 5의 촉매에는 이리듐 및 루테늄이 모두 존재함을 확인할 수 있다.
평가예 2: X-선 회절(XRD) 분석
합성예 1, 2, 4 및 5와 비교합성예 1 및 2의 촉매에 대하여, X-선 회절(XRD) 분석 (MP-XRD, Xpert PRO, Philips / Power 3kW)을 수행하여, 그 결과를 도 4 및 5에 나타내고, 각 촉매의 격자 상수를 하기 표 3에 정리하였다:
촉매 조성 촉매 입자 결정 구조 회절각
(Ir 주피크의 2θ)
(111)		 회절각
(Ru 주피크의 2θ)
(102)
합성예 1 IrRu/C FCC1 41.194 -
합성예 2 IrRu4/C HCP2 - 43.845
합성예 4 IrRu9/C HCP - 43.977
합성예 5 Ir4Ru/C FCC 40.734
비교합성예 1 Ir/C FCC 40.605 -
비교합성예 2 Ru/C HCP - 44.037
1: 면심입방구조(Face Centered Cubic)
2: 조밀육방구조(Hexagonal Closed-Packed)
상기 표 3과 도 4 및 5에 따르면, 합성예 1, 2, 4 및 5의 촉매 각각은, 합성예 1, 2, 4 및 5의 촉매에 포함된 원소(금속)의 비율에 따라 상이한 결정 구조를 가지며, 함량비가 높은 원소의 결정 구조를 따르는 합금 입자를 포함함을 확인할 수 있다.
참고로, 합성예 1의 IrRu/C 촉매의 실제 조성을 ICP 분석을 통하여 확인한 결과, 합성예 1의 IrRu/C 촉매의 실제 조성은 Ir1.2Ru1/C이었으며(표 2 참조), 그 결과 합성예 1의 IrRu/C 촉매의 XRD 패턴은 Ir의 주피크가 우세하게 나타남을 확인할 수 있다.
한편, 합성예 1의 촉매의 주피크(main peak) 2θ(41.194)는 비교합성예 1의 촉매의 주피크 2θ(40.605)보다 큰 값으로 이동(shift)한 것을 확인할 수 있는 바, 이로써, 합성예 1의 촉매의 합금 입자는 이리듐과 루테늄의 합금 입자임을 확인할 수 있다. 또한, 합성예 2의 촉매의 주피크(main peak) 2θ(43.895)와 합성예 4의 촉매의 주피크(main peak) 2θ(43.977)는 비교합성예 2의 촉매의 주피크 2θ(44.037)보다 낮은 값으로 이동(shift)한 것을 확인할 수 있는 바, 이로써, 합성예 1의 촉매의 합금 입자는 이리듐과 루테늄의 합금 입자임을 확인할 수 있다.
평가예 3: EXAFS(Extened X-ray Absorption Fine Sturcture) 분석
합성예 2 내지 5와 비교합성예 1 및 2의 촉매에 대하여, EXAFS 분석을 수행하여, 촉매 구조를 평가하고 그 결과를 도 6 및 표 4에 나타내었다.
EXAFS 실험은 Rigaku사의 R-XAS 기기를 상온 대기압 조건에서 측정한 결과를 Artemis와 Athena를 이용하여 분석함으로써, 수행하였다.
흡수 에지
(Absorption edge)		 합성예 No. 촉매 조성 관측된 결합 R(nm) N σ2(pm2)
Ir LIII 흡수 에지




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


 비교합성예 2 Ru/C Ru-Ru 0.268 6.4 57
합성예 4 IrRu9/C Ru-Ru
Ru-Ir		 0.267
0.265		 3.1
1.3		 19
11
합성예 3 IrRu6/C Ru-Ru
Ru-Ir		 0.266
0.264		 2.2
1.4		 2
0
합성예 2 IrRu4/C Ru-Ru
Ru-Ir		 0.266
0.262		 3.5
2.7		 39
54
상기 표 4 및 도 6에 따르면, 각 금속의 흡수단의 국부 구조를 정량적으로 분석한 결과, 합성예 1 내지 5의 촉매 중, Ir 원자 주변에서는 Ir과 Ru의 결합을 확인할 수 있고 Ru 원자 주변에서도 Ru과 Ir이 동시에 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이로부터, 합성예 1 내지 5의 촉매 입자 내에는 Ir과 Ru의 합금이 형성되어 있음을 알 수 있다.
한편, 표 4의 Ru K 흡수 에지 중 Ru-Ir 결합의 N값(원자 배위수)을 비교하면, Ir이 늘어남에 따라 Ru 주변의 Ir의 배위는 증가(즉, 합성예 4 : 1.3 / 합성예 3 : 1.4 / 합성예 2 : 2.7)함을 확인할 수 있고, 표 4의 Ru K 흡수 에지 중 Ru-Ru 결합의 N값을 비교하면, Ru 사이의 배위수는 크게 증가하지 않고 실질적으로 유지(즉, 합성예 4 : 3.1 / 합성예 3 : 2.2 / 합성예 4 : 3.5)됨을 확인할 수 있다. 또한, 표 4의 Ir LIII edge 흡수 에지 중 Ir-C(O) 결합의 N값은 일정 수준의 값을 가짐을 확인할 수 있다. 이는, 합성예 1 내지 5의 촉매 입자 중 외측에 Ir이 상대적으로 다량 존재하여 담체 중 탄소(C) 또는 산소와의 결합을 이루기 때문인 것으로 해석될 수 있다. 이로부터, 합성예 1 내지 5의 촉매 입자는 코어-쉘 구조를 갖되, 상기 코어에는 Ru이 존재하고, 상기 쉘에는 Ir 또는 Ir과 Ru의 합금이 존재함을 알 수 있다.
평가예 4: 반쪽 전지(half cell) 성능 평가
작용 전극으로서 회전 디스크 전극(rotating disk electrode; RDE)을 준비하였다. RDE 전극은, 합성예 1 내지 4, 비교합성예 1 및 2 및 TKK사의 PtRu/C 촉매(탄소계 담체에 담지된 Pt와 Ru의 합금 입자의 함량은 촉매 100wt% 당 53.4wt%이고, Pt와 Ru의 원자비는 1:1.5임) 각각을 나피온 용액(Nafion perfluorinated ion-exchange resin, 5 wt % solution in a mixture of lower aliphatic alcohols and water, Aldrich)과 혼합하고 균질화하여 촉매 슬러리를 제조한 후, 이를 유리상 카본 (glassy carbon)에 도포하여 박막 형태의 전극을 형성함으로써 제작하였다.
전기화학 평가는 3전극 시스템을 이용하여 수행하였으며, 전해액은 수소로 포화된 0.1M H3PO4 수용액, 대극과 기준 전극으로 각각 Pt 호일(foil)과 Ag/AgCl 전극을 사용하였다. 모든 전기화학 실험은 상온에서 수행되었다. 상기 측정 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에 따르면, 합성예 1 내지 4의 촉매를 각각 포함한 반쪽 전지의 HOR 성능은 비교합성예 1의 촉매, 비교합성예 2의 촉매 보다 우수함을 확인할 수 있으며, 상기 PtRu/C 촉매를 각각 포함한 반쪽 전지의 HOR 성능과 동등하거나 우수한 것을 확인할 수 있다.
실시예 1
고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)의 애노드 전극 제작을 위해 합성예 2의 촉매(IrRu4/C 촉매) 1g 당 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)를 0.03g과 적절한 양의 용매 n-메틸-2-피롤리돈을 혼합하여 애노드 전극 형성용 슬러리를 제조하였다. 상기 애노드 슬러리를 미세다공층(microporous layer)이 코팅된 카본 페이퍼(carbon paper) 위에 바 코터기(bar coater)로 코팅한 후 상온부터 150℃까지 단계적으로 온도를 올리는 건조 공정을 거쳐 애노드를 제작하였다. 애노드 중 상기 촉매의 로딩량은 1mgPdIr/cm2 이었다.
캐소드로는 카본 담지 PtCo 촉매(Tanaka 귀금속, Pt: 45중량%, Co: 5중량%)를 사용하여 상기 애노드 제조 방법과 동일한 방법으로 캐소드를 제작하였다. 캐소드 중 상기 촉매의 로딩량은 1.5mgPt/cm2 이었다.
상기 애노드 및 캐소드 사이에 전해질막으로서 85% 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸(poly(2,5-benzimidazole))을 전해질막으로 사용하여 연료 전지를 제조하였다.
비교예 1
합성예 2의 촉매 대신 비교합성예 1의 촉매(Ir/C 촉매)를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 연료 전지를 제조하였다.
비교예 2
합성예 2의 촉매 대신 비교합성예 2의 촉매(Ru/C 촉매)를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 연료 전지를 제조하였다.
비교예 3
합성예 2의 촉매 대신 TKK사의 PtRu/C 촉매(탄소계 담체에 담지된 Pt와 Ru의 합금 입자의 함량은 촉매 100wt% 당 53.4wt%이고, Pt와 Ru의 원자비는 1:1.5임)를 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 연료 전지를 제조하였다.
평가예 5: 단위 전지 성능 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 전지 성능을 캐소드용으로 무가습 공기와 애노드용으로 무가습 수소를 사용하여 150℃에서 평가한 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8로부터, 실시예 1의 전지의 OCV(open circuit voltage)가 비교예 1 내지 3의 전지의 OCV보다 높음을 확인할 수 있다. OCV는 촉매의 산소환원반응 개시전압(oxygen reduction reaction onset potential)과 관련이 있으므로, 실시예 1의 전지의 성능은 비교예 1 내지 2의 전지의 성능에 비하여 개선됨을 확인할 수 있다.
100 … 연료전지
110 … 막-전극 접합체
112 … 홀더
210, 210' … 촉매층
220, 220'… 제2기체 확산층
221, 221'… 제1기체확산층
120 … 바이폴라 플레이트

Claims (20)

  1. 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 8족 금속이 철(Fe), 루테늄(Ru) 및 오스뮴(Os) 중 하나 이상을 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 9족 금속이 코발트(Co), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중 하나 이상을 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 8족 금속의 함량이 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 92원자%인, 연료 전지용 전극 촉매.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 8족 금속의 함량이 상기 합금 입자 100원자% 당 20원자% 내지 90원자%인, 연료 전지용 전극 촉매.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 9족 금속의 함량이 상기 합금 입자 100원자% 당 8원자% 내지 90원자%인, 연료 전지용 전극 촉매.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 합금 입자가 코어-쉘 구조를 갖고,
    상기 코어는 상기 8족 금속을 포함하고 상기 9족 금속을 비포함하고,
    상기 쉘은 상기 9족 금속을 포함하거나, 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속을 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 쉘이 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속의 합금을 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 8족 금속이 루테늄이고, 상기 9족 원소가 이리듐인, 연료 전지용 전극 촉매.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 합금 입자가 상기 8족 금속 및 상기 9족 금속의 합금으로 이루어진, 연료 전지용 전극 촉매.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 합금 입자가 루테늄 및 이리듐으로 이루어져 있고,
    상기 합금 입자가 코어-쉘 구조를 갖고,
    상기 코어는 상기 루테늄으로 이루어져 있고,
    상기 쉘은 상기 이리듐으로 이루어져 있거나, 상기 루테늄과 이리듐의 합금으로 이루어져 있는, 연료 전지용 전극 촉매.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 합금 입자가 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 텡스텐 (W), 바나듐(V), 니오뮴(Nb), 몰리브데늄(Mo) 및 하프늄 (Hf)중 하나 이상을 더 포함한, 연료 전지용 전극 촉매.
  13. 제1항에 있어서,
    탄소계 담체를 더 포함하고, 상기 탄소계 담체에 상기 합금 입자가 담지되어 있는, 연료 전지용 전극 촉매.
  14. 8족 금속 전구체 및 9족 금속 전구체를 포함한 혼합물을 제공하는 단계; 및
    상기 혼합물 중 상기 8족 금속 전구체와 상기 9족 전구체를 환원시켜, 8족 금속 및 9족 금속을 포함한 합금 입자를 포함한 연료 전지용 전극 촉매를 제공하는 단계;
    를 포함한 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 혼합물이 탄소계 담체를 더 포함하고, 상기 전극 촉매는 탄소계 담체를 더 포함하며, 상기 합금 입자는 상기 탄소계 담체에 담지되어 있는, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 혼합물이 글리콜계 용매 및 알코올계 용매 중 1종 이상을 더 포함한, 연료 전지용 전극 촉매의 제조 방법.
  17. 캐소드;
    상기 캐소드와 대향하여 위치하는 애노드; 및
    상기 캐소드와 애노드의 사이에 위치하는 전해질막;을 포함하고,
    상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나가, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 촉매를 포함한, 연료 전지용 막 전극 접합체.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 촉매가 상기 애노드에 포함되어 있는, 연료 전지용 막 전극 접합체.
  19. 제18항의 막 전극 접합체를 포함한, 연료 전지.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 촉매가 상기 애노드에 포함되어 있는, 연료 전지.
KR1020120123746A 2011-11-29 2012-11-02 연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지 KR20130060119A (ko)

Priority Applications (2)

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

Applications Claiming Priority (2)

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

Publications (1)

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

Family

ID=48858794

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120123746A KR20130060119A (ko) 2011-11-29 2012-11-02 연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20130060119A (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180085254A (ko) * 2017-01-18 2018-07-26 한국과학기술연구원 이리듐계 합금을 포함하는 산소 환원 반응용 촉매
US10693147B2 (en) 2013-11-08 2020-06-23 Lg Chem, Ltd. Fuel cell and method for manufacturing same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10693147B2 (en) 2013-11-08 2020-06-23 Lg Chem, Ltd. Fuel cell and method for manufacturing same
KR20180085254A (ko) * 2017-01-18 2018-07-26 한국과학기술연구원 이리듐계 합금을 포함하는 산소 환원 반응용 촉매

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101819038B1 (ko) 활성 입자 함유 촉매, 그 제조방법, 이를 포함한 연료전지, 상기 활성 입자를 함유하는 리튬공기전지용 전극 및 이를 포함한 리튬공기전지
KR101350865B1 (ko) 연료전지용 담지 촉매 및 그 제조방법, 상기 담지 촉매를포함하는 연료전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지
KR101397020B1 (ko) 연료전지용 전극촉매, 그 제조방법, 상기 전극촉매를포함하는 전극을 구비한 연료전지
EP2600451A2 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, and membrane electrode assembly and fuel cell including electrode catalyst
KR101669217B1 (ko) 연료전지용 전극 촉매, 그 제조방법 및 이를 이용한 연료전지
US20130149632A1 (en) Electrode catalyst for a fuel cell, method of preparing the same, and membrane electrode assembly and fuel cell including the electrode catalyst
EP2634850B1 (en) Composite, catalyst including the same, fuel cell and lithium air battery including the same
KR101494432B1 (ko) 연료전지용 전극 촉매, 그 제조방법 및 이를 이용한 연료전지
KR102007412B1 (ko) 연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지
KR20100069492A (ko) 연료전지용 전극 촉매, 상기 전극 촉매를 포함하는 전극을 구비한 연료전지
US20140154609A1 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, electrode for fuel cell including the electrode catalyst, and fuel cell including the electrode
KR20130067476A (ko) 연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지
US9466843B2 (en) Electrode catalyst and method of preparing electrode catalyst for fuel cell, and membrane electrode assembly and fuel cell including same
KR20060104821A (ko) 연료전지용 촉매, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는연료전지 시스템
US20120196207A1 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same
KR20130060119A (ko) 연료 전지용 전극 촉매, 이의 제조 방법, 및 이를 포함한 막 전극 접합체 및 연료 전지
US9147886B2 (en) Electrode catalyst for fuel cell, method of preparing the same, membrane electrode assembly, and fuel cell including the same
KR20120052799A (ko) 알칼리 전해질형 전지용 촉매 복합체, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료 전지
KR20090051648A (ko) 연료 전지용 담지 촉매의 제조 방법
KR20170018690A (ko) 연료 전지용 촉매, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전극, 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR20150035319A (ko) Ｉｒ-Ｎｉ계 삼원 비백금 연료전지용 전극 촉매, 그 제조방법 및 이를 이용한 연료전지

Legal Events

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