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KR100684853B1 - 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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KR100684853B1
KR100684853B1 KR1020050115919A KR20050115919A KR100684853B1 KR 100684853 B1 KR100684853 B1 KR 100684853B1 KR 1020050115919 A KR1020050115919 A KR 1020050115919A KR 20050115919 A KR20050115919 A KR 20050115919A KR 100684853 B1 KR100684853 B1 KR 100684853B1
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KR
South Korea
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fuel cell
group
membrane
polymer
electrode
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KR1020050115919A
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English (en)
Inventor
알렉산드로비치세로프 알렉세이
곽찬
이시현
Original Assignee
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.)
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Publication date
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Priority to DE602006006007T priority patent/DE602006006007D1/de
Priority to EP06124983A priority patent/EP1793443B1/en
Priority to CNB2006101608490A priority patent/CN100464454C/zh
Priority to US11/607,336 priority patent/US8053143B2/en
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Abstract

본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 캐소드 촉매는 In 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속 및 상기 금속에 담지된 Ru-Ch(Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소)를 포함한다.
본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하여 그를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
연료 전지, 전극, 촉매, 비활성화, 담체, 나노튜브, In, Ga

Description

연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템{CATHODE CATALYST FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 단면을 모식적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하며, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 수소 또는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
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.
일반적으로 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 전해질형에 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.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극" 이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.
본 발명의 목적은 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수한 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속 및 상기 금속에 담지된 Ru-Ch(Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소)를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 도전성 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하고, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 상기 본 발명의 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 본 발명의 막-전극 어셈블리와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
연료 전지(Fuel cell)는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기 에너지를 얻어내는 발전 시스템으로, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 캐소드 전극에서는 산화제의 환원 반응이 일어난다.
애노드 전극과 캐소드 전극의 촉매층에는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 촉진시킬 수 있는 촉매가 사용되는데, 애노드 전극의 촉매층에는 백금-루테늄이, 캐소드 전극의 촉매층에는 백금이 대표적으로 사용된다.
그러나, 캐소드 촉매로 사용되는 백금은 산화제의 환원 반응에 대한 선택성이 부족하고, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에서 전해질 막을 통과하여 캐소드 영역으로 넘어 온 연료에 의해 감극(減極, depolarized)되어 비활성화 되는 문제가 있어, 백금을 대신할 수 있는 촉매에 대한 관심이 집중되고 있다.
본 발명의 캐소드 촉매는 상기 문제점을 해결할 수 있는 것으로서, In 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속 및 상기 금속에 담지된 Ru-Ch(Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소)를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매을 포함한다.
Ru는 백금계 원소로서 산화제의 환원 반응에 대한 활성이 높다. 다만, 공기 중의 산소는 Ru에 쉽게 흡착하게 되는데, 이러한 산소는 산화제의 환원 반응이 일 어나는 Ru의 활성 중심(active center)을 막아 산화제의 환원 반응을 어렵게 만든다.
S, Se 및 Te는 Ru와 결합하여, 공기 중의 산소가 Ru에 흡착하는 것을 막음으로써, 전술한 바와 같이 Ru가 산화제의 환원 반응에 선택적으로 활성을 나타내도록 한다.
결국, Ru-Ch는 산화제의 환원 반응에 대한 높은 활성뿐만 아니라, 우수한 선택성을 가져, 캐소드 전극으로 연료가 넘어 오더라도 캐소드 전극의 성능을 유지시킬 수 있다.
상기 Ru-Ch의 조성비는 Ru가 70 내지 95 원자%이고, Ch가 5 내지 30 원자%인 것이 바람직하고, Ru가 80 내지 85 원자%이고, Ch가 15 내지 20 원자%인 것이 더욱 바람직하다. Ch의 함량이 5 원자% 미만인 경우는 산화제의 환원 반응에 대한 선택성이 떨어지고, Ch의 함량이 30 원자%를 초과하면 활성 중심의 수가 적어져 산화제의 환원 반응을 위한 활성이 지나치게 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
상기 Ru-Ch는 그 자체로 사용할 경우, 전기 전도성이 부족하고, 입자들이 서로 뭉치게 되어 작은 크기의 입자를 얻을 수 없는 문제가 있다. 결국, 단위 질량당 표면적, 즉 비표면적이 좁아지므로 요구되는 정도의 활성을 나타내기 힘들다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 주로 탄소계 물질에 담지시켜 사용하는 방법이 활용되고 있다.
본 발명에서는 담체로서 탄소 대신에 In 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속을 사용한다. In 및 Ga는 Ru-Ch의 담체로 사용될 경우, Ru-Ch와 강한 상호 결합력을 갖고 있어, 안정성을 부여한다. 또한, In 및 Ga는 Ru-Ch로 전자 주게(electron doner) 역할을 하고, 전자 궤도를 루테늄과 공유하여 높은 에너지의 전자간의 상호 작용을 유발시켜서 촉매의 활성을 더욱 증가시킨다. 즉, In 및 Ga는 기본적으로 담체의 역할을 할 뿐만 아니라, Ru-Ch와 결합을 하여 활성상을 구성하기도 한다.
In 및 Ga의 입자 크기는 작으면 작을수록 좋은데, 이는 담체인 In과 Ga의 입자 크기를 작게 하여 높은 비표면적을 제공함으로써, 담지되는 Ru-Ch의 양을 증가시킬 수 있기 때문이다.
In 및 Ga의 경우, 나노튜브 또는 나노스피어로 제조될 수 있으며, 이러한 In 및 Ga의 비표면적은 대략 100 내지 250m2/g 정도로, 담체로서 바람직하게 사용될 수 있다. 이러한 형태의 In 및 Ga을 담체로 사용할 경우, 3 내지 4nm의 입경을 갖는 Ru-Ch 입자를 얻을 수 있다.
In 및 Ga의 나노튜브 또는 나노와이어는 In 및 Ga의 산화물을 에틸렌글리콜과 고온, 고압에서 반응 시켜서 얻을 수 있다.
Ru-Ch의 In 또는 Ga로의 담지량은 담체와 Ru-Ch의 총 중량에 대하여 5 내지 80 중량%인 것이 바람직하다. 담지량이 5 중량% 미만이면 촉매 활성 물질의 양이 너무 작이 활성이 떨어지고, 80 중량%를 초과하면 담체로서 넓은 표면적을 제공하지 못하는 문제가 있다.
Ru-Ch의 In 또는 Ga으로의 담지는, 용매에 루테늄 염 및 칼코겐 원소의 파우 더를 넣고 용해시킨 후, In 또는 Ga의 분말을 넣고 적절히 혼합하고, 건조한 후 열처리함에 의해 이루어질 수 있다. 사용가능한 루테늄 염은 루테늄 클로라이드, 루테늄 아세틸아세토네이트, 또는 루테늄 카르보닐 등이 있다. 상기 용매로는 물, 아세톤 및 벤젠이 사용될 수 있으며, 열처리는 150 내지 200℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것으로서, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 도전성 기재로 이루어진 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(131)의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 이하, 도면을 참고하여 본 발명의 막-전극 어셈블리(131)를 설명한다.
상기 막-전극 어셈블리(131)는 연료의 산화와 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 부분으로, 하나 또는 수 개가 적층되어 스택에 장착된다.
상기 캐소드 전극의 촉매층(53)에서는 산화제의 환원 반응이 일어나며, 그 촉매층에는 In 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 담체 및 상기 담체에 담지된 Ru-Ch(Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소)을 포함하는 캐소드 촉매가 포함된다. 상기 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 우수한 활성 및 선택성을 보여, 이를 포함하는 캐소드 전극(5) 및 막-전극 어셈블리(131)의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 애노드 전극의 촉매층(33)에서는 연료의 산화 반응이 일어나며, 이를 촉진시킬 수 있는 촉매가 포함되는데, 종래 통상적으로 사용되던 백금계 촉매가 사용될 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다.　
상기 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수 도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다.　 이 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 탄소가 가장 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층(33,53)은 바인더를 포함할 수 있는데, 이 바인더로는 일반적으로 연료 전지용 전극에서 사용되는 물질은 어떠한 것도 사용될 수 있으며, 그 대표적인 예로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴 클루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트, 폴리(퍼플루오로설폰산) 등을 사용할 수 있다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 전극 기재(31,51)는 반응원 즉 연료와 산화제가 상기 촉매층(31,51)으로 쉽게 접근할 수 있게 하는 역할을 하는데, 상기 전극 기재(31,51)로는 도전성 기재를 사용하며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천(섬유 상태의 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 전해질 막(1)으로는 애노드 전극의 촉매층(33)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층(53)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지며, 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다.　
그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 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 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 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]) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.　 일반적으로 상기 고분자 전해질 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
본 발명은 또한, 상술한 바와 같은 본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 상기 본 발명의 막-전극 어셈블리와 이 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)를 포함한다.　 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.　 상기 연료는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 의미하며, 대표적인 탄화수소 연료로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 부탄올 등을 들 수 있다.　 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 순수한 산소 또는 공기를 주입하여 사용할 수 있다. 다만, 연료 및 산화제가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)에 제한없이 채용될 수 있다. 다만, 캐소드 전극의 촉매층에 사용되는 촉매의 산소 환원 반응에 대한 선택성이 우수하여, 연료의 크로스오버가 문제되는 직접 산화형 연료 전지에 더욱 효과적으로 사용될 수 있으며, 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)에 가장 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.　 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프(151,171)를 사용하여 전기 발생부(130)로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리(131)가 이러한 구조에 한정되어 사용되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 구조의 연료 전지 시스템에도 사용될 수 있음은 당연한 일이다.
연료 전지 시스템(100)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(130)를 갖는 스택(110)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(150)와, 산화제를 전기 발생부(130)로 공급하는 산화제 공급부(170)를 포함하여 구성된다.
상기 연료를 공급하는 연료 공급부(150)는 연료를 저장하는 연료 탱크(153)와, 연료 탱크(153)에 연결 설치되는 연료 펌프(151)를 구비한다.　 상기한 연료 펌프(151)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(153)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 스택(110)의 전기 발생부(130)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(170)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(171)를 구비한다.
상기 전기 발생부(130)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(131)와 이 막-전극 어셈블리(131)의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)(133,135)로 구성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다.　 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
상온에서 0.466g의 In2O3을 30 ml의 에틸렌글리콜에 섞은 후, 30분동안 교반하였다. 제조된 용액을 고압 반응기에 넣고 에틸렌글리콜을 고압 반응기 용량의 80%정도로 더 첨가한 후 200℃에서 2시간 동안 반응시키고, 상온으로 냉각 후 묽은 염산, 메탄올, 증류수의 순서로 세척, 여과한 후 60℃에서 4시간 동안 건조하여 In 나노튜브 분말을 얻었다. 그 후, 벤젠 용매 100ml에 루테늄클로라이드 1g 및 Se 파우더 0.1g을 넣고 용해시키고, 제조된 In 나노튜브 분말 1g을 넣고 혼합하였다.
상기 과정에서 얻어진 혼합물을 80℃에서 건조한 후, 170℃에서 4시간 동안 열처리하여 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다.
(비교예 1)
0.6g의 루테늄카르보닐을 150ml의 벤젠에 녹였다. 제조된 용액에 0.01g의 셀레늄 분말과 1g의 탄소 나노튜브를 넣고, 120℃에서 환류(reflux)하면서 24시간 동안 교반하고, 세척한 후 80℃에서 12시간 동안 건조하였다. 상기 과정에서 제조된 분말을 수소 분위기에서 250℃의 온도로 3시간 동안 열처리하여 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조하였다.
0.5M 농도의 황산 용액에 산소 기체를 2시간 동안 버블링(bubbling)하여 산소 가 포화된 황산 용액을 제조하고, 상기 실시예 1의 촉매(In 나노튜브에 담지된 Ru-Se) 비교예 1의 촉매(탄소 나노튜브에 담지된 Ru-Se)를 각각 글래씨카본(glassy carbon)위에 3.78x10-3mg씩 로딩시켜 작업 전극으로 하고, 백금 메시를 상대 전극으로 하여 상기 황산 용액에 넣고 0.7V에서 전류 밀도를 측정하였다. 측정 결과를 하기 표1에 나타내었다.
[표1]
전류밀도( mA/cm2 (0.7 V))
실시예 1 1.27
비교예 1 0.51
표 1에 기재된 바와 같이 실시예 1의 촉매가 비교예 1의 촉매에 비해 훨씬 향상된 촉매 활성을 나타냄을 알 수 있다.
본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매는 산화제의 환원 반응에 대한 활성 및 선택성이 우수하며, 그를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (18)

  1. In 및 Ga으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속; 및
    상기 금속에 담지된 Ru-Ch(Ch는 S, Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 원소)를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 나노튜브 및 나노스피어로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 형태를 갖는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ru-Ch의 조성비는 Ru가 70 내지 95 원자%이고, Ch가 5 내지 30 원자%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 Ru-Ch의 조성비는 Ru가 80 내지 85 원자%이고, Ch가 15 내지 20 원자%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ru-Ch의 담지량은 5 내지 80 중량%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 Ru-Ch의 담지량은 20 내지 60 중량%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ch는 Se인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.
  8. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 도전성 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되는 촉매층을 포함하고,
    상기 캐소드 전극의 촉매층은 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 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 이상의 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌. 술폰산기를 포함하는 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 이상의 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 촉매층은 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 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 촉매층에 포함되는 촉매는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연, 알루미나, 실리카, 티타니아 및 지르코니아로 이루어진 군에서 선택되는 담체에 담지되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 촉매층은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴 클루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트 및 폴리(퍼플루오로설폰산)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 전극 기재는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 및 금속 천(섬유 상태의 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도전성 기재를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  16. 제 8 항에 따른 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하 는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 및 직접 산화형 연료 전지로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지인 것인 연료 전지 시스템.
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