KR100814840B1 - Cathode catalyst for fuel cell, method for preparing the same, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same, and fuel cell system comprising the same - Google Patents

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Abstract

A cathode catalyst for a fuel cell, a method for manufacturing the cathode catalyst, a membrane-electrode assembly for the fuel cell comprising the cathode catalyst, and a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly are provided to decrease the oxidative reactivity of fuel, thereby reducing the influence due to crossover of fuel. A cathode catalyst(53) for a fuel cell comprises a carbonized aerogel carrier and Me-Ch supported on the carrier, wherein Me element is selected from a group consisting of Rh, Ru, Pd, and a combination thereof, and Ch element is selected from a group consisting of S, Se, and a combination thereof. Me-Ch contains 50-98 atom % of Me and 2-50 atom% of Ch, based on the entire part thereof. Further, 5-75 wt.% of support weight of the Me-Ch is comprised in 100 wt.% of the cathode catalyst.

Description

연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{CATHODE CATALYST FOR FUEL CELL, METHOD FOR PREPARING THE SAME, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING THE SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}Cathode catalyst for fuel cell, method for manufacturing the same, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same, and fuel cell system including the same AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 단면을 모식적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing a cross section of a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.2 is a view schematically showing the structure of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료의 크로스오버에 의한 영향을 감소시키고, 촉매의 담지량을 증가시킨 연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode catalyst for a fuel cell, a method for manufacturing the same, a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same, and a fuel cell system including the same, and more particularly, to reduce the effect of fuel crossover, The present invention relates to a cathode catalyst for a fuel cell having increased loading, a method of manufacturing the same, a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the same, and a fuel cell system including the same.

[종래 기술][Prior art]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

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 내지 10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목 받고 있다. Such a fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has a merit of outputting a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4 to 10 times compared to a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

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. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

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.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are positioned with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer interposed therebetween.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

본 발명의 목적은 촉매 효율이 우수한 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a cathode catalyst for a fuel cell which is excellent in catalyst efficiency.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the cathode catalyst for fuel cells.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.Yet another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the cathode catalyst.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 카본에어로겔(Carbonized Aerogel) 담체; 및 이 담체에 담지된 Me-Ch (Me는 Rh, Pt, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is a carbonized airgel (Carbonized Aerogel) carrier; And Me-Ch supported on this carrier (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Pt, Ru, Pd, and combinations thereof, and Ch is a circle selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof. Provided is a cathode catalyst for a fuel cell comprising a).

상기 Me-Ch는 Me-Ch 전체에 대하여 Me를 50 내지 98 원자%, Ch를 2 내지 50 원자%로 포함하는 것이 바람직하다, The Me-Ch preferably contains 50 to 98 atomic% of Me and 2 to 50 atomic% of Ch based on the total Me-Ch.

상기 연료 전지용 캐소드 촉매에 있어서 Me-Ch의 담지량은 촉매 전체 중량에 대하여 5 내지 75 중량%인 것이 바람직하다. In the fuel cell cathode catalyst, the amount of Me-Ch supported is preferably 5 to 75% by weight based on the total weight of the catalyst.

본 발명은 또한, 유기산을 겔화시켜 유기겔을 제조하는 단계; Me 전구체 용액(Me는 Rh, Pt, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)에 상기 유기겔을 함침시켜 Me가 도핑된 겔을 제조하는 단계; 상기 Me가 도핑된 겔을 고온 및 고압 하에서 초임계 건조하여 Me가 담지된 카본에어로겔을 제조하는 단계; 및 상기 Me가 담지된 카본에어로겔과 Ch 전구체를 용매에 첨가하여 제조한 용액을 가열하는 단계를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공한다. The present invention also comprises the steps of gelling an organic acid to prepare an organic gel; Preparing a gel doped with Me by impregnating the organic gel in a Me precursor solution (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Pt, Ru, Pd, and combinations thereof); Preparing a carbon aerogel on which Me is carried by supercritical drying the gel doped with Me under high temperature and high pressure; And it provides a method for producing a cathode catalyst for a fuel cell comprising the step of heating the solution prepared by adding the carbon aerogel and Ch precursor on which Me is supported in a solvent.

상기 Me가 담지된 카본에어로겔을 제조하는 단계에서 상기 Me가 도핑된 겔은 473K 내지 1273K의 고온 하에서 초임계 건조되는 것이 바람직하고, 5MPa 내지 30MPa의 고압 하에서 초임계 건조되는 것이 바람직하다. In the step of preparing the Me-supported carbon aerogel, the gel doped with Me is preferably supercritical dried at a high temperature of 473K to 1273K, and is preferably supercritical dried under a high pressure of 5MPa to 30MPa.

상기 가열하는 단계는 50 내지 150℃의 온도에서 실시하는 것이 바람직하고, 상기 가열하는 단계는 12 내지 36 시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다. Preferably, the heating is performed at a temperature of 50 to 150 ° C., and the heating is preferably performed for 12 to 36 hours.

본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 상기 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. The present invention also provides an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other; And a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, wherein the cathode electrode includes the cathode catalyst.

본 발명은 또한, 상기 캐소드 촉매를 포함하는 막-전극 어셈블리와 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. The present invention also provides a fuel cell system comprising a membrane-electrode assembly comprising the cathode catalyst and at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매는 카본에어로겔(Carbonized Aerogel) 담체; 및 이 담체에 담지된 Me-Ch (Me는 Rh, Pt, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)를 포함한다. The cathode catalyst for a fuel cell of the present invention includes a carbonized aerogel carrier; And Me-Ch supported on this carrier (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Pt, Ru, Pd, and combinations thereof, and Ch is a circle selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof. Post).

상기 에어로겔(Aerogel)이란 초임계 조건에서 건조시켜 얻는 젤(파우더)을 말하고, 카본에어로겔(Carbonized Aerogel)이란 탄소를 초임계 조건에서 건조시켜 얻는 큰 기공과 넓은 표면적을 가진 젤이다. The aerogel refers to a gel (powder) obtained by drying under supercritical conditions, and a carbonized aerogel (carbonized aerogel) refers to a gel having large pores and a large surface area obtained by drying carbon under supercritical conditions.

본 발명에서는 이러한 큰 기공과 넓은 표면적을 갖는 카본에어로겔을 담체로 사용함에 따라, 산소 환원 반응에 대한 선택성이 백금계 촉매에 비하여 20 내지 30배 우수하지만 고담지가 어려웠던 Me-Ch(Me는 Rh, Pt, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)를 사용하여 넓은 표면적과 큰 촉매 담지량을 갖는 연료 전 지용 캐소드 촉매를 제공한다.In the present invention, using a carbon aerogel having such a large pore and a large surface area as a carrier, Me-Ch (Me is Rh, Pt, which is difficult to support high oxygen but 20 to 30 times better selectivity for the platinum-based catalyst than the platinum-based catalyst) Element selected from the group consisting of Ru, Pd, and combinations thereof, and Ch is an element selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof. It provides a paper cathode catalyst.

본 발명의 캐소드 촉매에서, Me-Ch(Me는 Rh, Pt, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)의 담체에 대한 담지량은 촉매 전체 중량에 대하여 20 내지 75 중량%로 담지량이 종래 약 5 내지 20 중량%보다 매우 높다. In the cathode catalyst of the present invention, Me-Ch (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Pt, Ru, Pd, and combinations thereof, Ch is selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof Of the carrier) is 20 to 75% by weight based on the total weight of the catalyst, which is much higher than about 5 to 20% by weight.

상기 Me-Ch 전체에 대하여, Me는 50 내지 98 원자%로 포함되고, Ch는 2 내지 50 원자%로 포함되는 것이 바람직하다. Ch가 2 원자% 미만이면 산화제의 연료 산화 반응과 산화제의 환원 반응에 대한 선택성이 떨어져 바람직하지 못하고, Ch가 50 원자% 초과이면 활성 중심의 수가 적어져 산화제의 환원 반응을 위한 활성이 지나치게 떨어지게 된다. It is preferable that Me is contained in 50 to 98 atomic% and Ch is included in 2 to 50 atomic% with respect to the entire Me-Ch. If Ch is less than 2 atomic%, the selectivity to the fuel oxidation reaction of the oxidant and the reduction of the oxidant is poor, and it is not preferable. If Ch is more than 50 atomic%, the number of active centers is small, and the activity for the reduction reaction of the oxidant is excessively reduced. .

상기 구성을 갖는 연료 전지용 캐소드 촉매는 활성 물질로 사용한 Me-Ch가 산소 환원 반응성에 대한 선택성이 백금계 촉매에 비하여 20배 내지 30배 더 좋기 때문에 연료의 크로스오버에 의한 성능 저하를 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라 고농도의 연료의 사용을 가능하게 함으로써 전지 성능 향상에 기여할 수 있다. 또한 이러한 효과는 탄화수소 연료를 사용하는 직접 산화형 연료 전지에서 보다 극대화되므로 본 발명의 캐소드 전극은 직접 산화형 연료 전지 시스템에 보다 바람직하게 적용될 수 있다. Cathode catalyst for fuel cell having the above configuration can improve the performance degradation due to crossover of fuel because Me-Ch used as active material has 20 to 30 times better selectivity to oxygen reduction reactivity than platinum based catalyst. In addition, it is possible to contribute to the improvement of battery performance by enabling the use of a high concentration of fuel. In addition, since this effect is maximized in a direct oxidation fuel cell using a hydrocarbon fuel, the cathode electrode of the present invention can be more preferably applied to a direct oxidation fuel cell system.

또한, 본 발명은 유기산을 겔화시켜 유기겔을 제조하는 단계; Me 전구체 용액(Me는 Rh, Pt, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)에 상기 유기겔을 함침시켜 Me가 도핑된 겔을 제조하는 단계; 상기 Me가 도핑된 겔을 고온 및 고압 하에서 초임계 건조하여 Me가 담지된 카본에어로겔을 제조하는 단계; 및 상기 Me가 담지된 카본에어로겔과 Ch 전구체를 용매에 첨가하여 제조한 용액을 가열하는 단계를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of gelling the organic acid to prepare an organic gel; Preparing a gel doped with Me by impregnating the organic gel in a Me precursor solution (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Pt, Ru, Pd, and combinations thereof); Preparing a carbon aerogel on which Me is carried by supercritical drying the gel doped with Me under high temperature and high pressure; And it provides a method for producing a cathode catalyst for a fuel cell comprising the step of heating the solution prepared by adding the carbon aerogel and Ch precursor on which Me is supported in a solvent.

먼저, 유기산을 겔화시켜 유기겔을 제조한다. 상기 유기겔을 이루는 유기산은 Me 전구체와 이온 교환에 의하여 Me가 겔 내로 도핑될 수 있는 것이면 어느 것이나 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 유기겔을 이루는 유기산은 산성을 가진 작용기를 포함하는 것이 바람직하고, 하이드록시기를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다. First, an organic acid is gelled to prepare an organic gel. The organic acid constituting the organic gel may be preferably used as long as Me can be doped into the gel by ion exchange with a Me precursor. The organic acid constituting the organic gel preferably includes a functional group having an acid, and more preferably further includes a hydroxyl group.

상기 유기산으로는 C6 내지 C30인 지방산을 바람직하게 사용할 수 있고, 상기 지방산은 방향족 지방산인 것이 더욱 바람직하다. 상기 방향족 지방산으로는 벤조산을 예로 들 수 있고, 특히, 2,4-디하이드록시 벤조산(2,4-dihydroxybenzoic acid)을 바람직하게 사용할 수 있다. As the organic acid, a C 6 to C 30 fatty acid can be preferably used, and the fatty acid is more preferably an aromatic fatty acid. Examples of the aromatic fatty acid include benzoic acid, and particularly, 2,4-dihydroxybenzoic acid can be preferably used.

상기 유기산을 겔화시키는 방법은 종래에 알려진 방법을 사용하면 되므로 자세한 설명은 생략하도록 한다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 겔화는 유기산 및 겔화 촉매를 용매에 첨가하여 상온 및 상압에서 방치함으로써 이루어질 수 있다. Since the method of gelling the organic acid may be a conventionally known method, detailed description thereof will be omitted. However, according to one embodiment of the present invention, the gelation may be performed by adding the organic acid and the gelling catalyst to the solvent and left at room temperature and atmospheric pressure.

상기 방치는 2 일 내지 4일 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 방치가 2일 미만으로 이루어지는 경우, 겔화가 완전히 이루어지지 않아 바람직하지 않고, 4일을 초과하는 경우, 겔화가 이미 완료되어 공정 시간을 낭비하게 되므로 바람직 하지 않다. The leaving is preferably performed for 2 to 4 days. If the neglect is less than 2 days, it is not preferable that the gelation is not completed completely, if it is more than 4 days, since the gelation is already completed and waste the process time is not preferable.

상기 용매는 포름알데하이드(formaldehyde)를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 겔화 촉매는 K2CO3인 알칼리 금속의 탄산염을 사용하는 것이 바람직하다. It is preferable to use formaldehyde as the solvent, and the gelling catalyst preferably uses a carbonate of an alkali metal of K 2 CO 3 .

Me 전구체 용액(Me는 Rh, Pt, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)에 상기 제조된 유기겔을 함침시켜 Me가 도핑된 겔을 제조한다. 상기 유기겔을 상기 Me 전구체 용액에 함침시키면, 유기겔과 Me 전구체 사이의 이온 교환에 의하여 Me가 유기겔 내로 도핑된다. Me-doped gel is prepared by impregnating Me precursor solution (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Pt, Ru, Pd, and combinations thereof). When the organic gel is impregnated into the Me precursor solution, Me is doped into the organic gel by ion exchange between the organic gel and the Me precursor.

상기 Me 전구체 용액은 Me 클로라이드, Me 아세틸아세토나이트, Me 카르보닐, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물을 용매에 첨가하여 제조할 수 있다. 상기 용매는 물, 에탄올, 아세톤, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 바람직하게 사용할 수 있다. The Me precursor solution may be prepared by adding a compound selected from the group consisting of Me chloride, Me acetylacetonite, Me carbonyl, and combinations thereof to a solvent. The solvent may be preferably selected from the group consisting of water, ethanol, acetone, and combinations thereof.

상기 Me가 도핑된 겔을 고온 및 고압 하에서 초임계 건조하면 Me가 담지된 카본에어로겔을 제조할 수 있다.When the Me-doped gel is supercritically dried under high temperature and high pressure, a carbon aerogel bearing Me may be prepared.

상기 Me가 담지된 카본에어로겔은 473K 내지 1273K의 고온 및 5MPa 내지 30MPa의 고압 하에서 초임계 건조하여 제조하는 것이 바람직하다. 상기 Me가 도핑된 겔에 상기 고온 및 고압 조건을 가해주는 경우 초임계 건조가 가능한 초임계 조건이 형성되어 Me가 담지된 카본에어로겔을 제조할 수 있어 바람직하다. 상기 초임계 건조는 CO2 초임계 건조인 것이 바람직하다.The Me-supported carbon aerogel is preferably prepared by supercritical drying under high temperature of 473K to 1273K and high pressure of 5MPa to 30MPa. When the high temperature and high pressure conditions are applied to the gel doped with Me, a supercritical condition capable of supercritical drying may be formed to prepare a carbon aerogel carrying Me. The supercritical drying is preferably CO 2 supercritical drying.

상기 제조된 Me가 담지된 카본에어로겔과 Ch 전구체를 용매에 첨가하여 제조 한 용액을 가열하면 카본에어로겔(Carbonized Aerogel) 담체에 담지된 Me-Ch(Me는 Rh, Pt, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매를 제조할 수 있다. Me-Ch (Me is Rh, Pt, Ru, Pd, and these supported on a carbonized aerogel carrier) is heated by heating the solution prepared by adding the prepared carbon aerogel and Ch precursor to the solvent. An element selected from the group consisting of combinations, and Ch is an element selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof.

상기 Ch 전구체(Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)는 S 분말, Se 분말, CH3CSNH2, H2SO3, H2SeO3, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 용매는 물, 에탄올, 아세톤, 벤젠, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. The Ch precursor (Ch is an element selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof) is S powder, Se powder, CH 3 CSNH 2 , H 2 SO 3 , H 2 SeO 3 , and combinations thereof It is preferably selected from the group consisting of. In addition, the solvent is preferably selected from the group consisting of water, ethanol, acetone, benzene, and combinations thereof.

상기 가열하는 단계는 50 내지 150℃의 온도로, 12 내지 36 시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 Me가 담지된 카본에어로겔과 Ch 전구체를 제2 용매에 첨가하여 제조된 용액을 50 내지 150℃의 온도에서, 12 내지 36 시간 동안 가열하는 경우, 상기 카본에어로겔에 담지된 Me를 황화 또는 셀레늄화시킬 수 있어 바람직하다.The heating step is a temperature of 50 to 150 ℃, preferably for 12 to 36 hours. When the solution prepared by adding the Me-supported carbon aerogel and the Ch precursor to a second solvent is heated at a temperature of 50 to 150 ° C. for 12 to 36 hours, the Me supported on the carbon aerogel is sulfided or selenized It is preferable to make it possible.

본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 상기 본 발명의 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. The present invention also provides an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other; And a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, wherein the cathode electrode includes the cathode catalyst of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 일 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

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. 1 is a view schematically showing a cross section of the membrane-electrode assembly 131 according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the membrane-electrode assembly 131 of the present invention will be described with reference to the drawings.

상기 막-전극 어셈블리(131)는 연료의 산화와 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 부분으로, 하나 또는 수 개가 적층되어 스택을 형성한다. The membrane-electrode assembly 131 is a portion that generates electricity through oxidation of fuel and reduction of oxidant, and one or several are stacked to form a stack.

상기 캐소드 전극의 촉매층(53)에서는 산화제의 환원 반응이 일어나며, 그 촉매층에는 상기 본 발명의 연료 전지용 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.A reduction reaction of the oxidant occurs in the catalyst layer 53 of the cathode electrode, and the catalyst layer includes the cathode catalyst for fuel cell of the present invention. The cathode catalyst shows excellent activity and selectivity for the reduction reaction of the oxidant, thereby improving the performance of the cathode electrode 5 and the membrane-electrode assembly 131 including the same.

상기 애노드 전극의 촉매층(33)에서는 연료의 산화 반응이 일어나며, 이를 촉진시킬 수 있는 촉매가 포함되는데, 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 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, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 중에서 선택되는 적어도 하나의 촉매를 사용할 수 있다. In the anode layer of the catalyst layer 33, the oxidation reaction of the fuel occurs, and includes a catalyst for promoting the reaction. Participating in the reaction of the fuel cell, anything that can be used as a catalyst can be used, and a representative example thereof is platinum-based Catalysts can be used. The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one catalyst selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru, and mixtures thereof.

이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 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, Pt/Ru/Sn/W 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 사용할 수 있다. As described above, the anode electrode and the cathode electrode may use the same material, but in order to prevent the catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction in the direct oxidation fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is used as the anode. It is more preferable as an electrode catalyst. Specific examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru At least one selected from the group consisting of / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, Pt / Ru / Sn / W and mixtures thereof may be used.

상기 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.The catalyst may be used as the catalyst itself (black), or may be supported on a carrier. As the carrier, carbon-based materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, or activated carbon may be used, or alumina, silica, titania Inorganic fine particles such as zirconia and the like may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층(33,53)은 바인더를 포함할 수 있는데, 상기 바인더로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. Catalyst layers 33 and 53 of the anode electrode and the cathode electrode may include a binder, it is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder, more preferably sulfonic acid groups, carboxyl in the side chain Any polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of an acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and derivatives thereof can be used.

바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택 되는 적어도 하나의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether It may include at least one hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of ether ketone-based polymer, polyphenylquinoxaline-based polymer, and mixtures thereof.

보다 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. More preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, Poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5- Benzimidazole), and mixtures containing at least one hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of these can be used.

상기 바인더는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. The binder may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive polymer for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것이 보다 바람직하다. Examples of the nonconductive polymer include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode It is more preferable that it is at least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid, sorbitol, and mixtures thereof.

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 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrates 31 and 51 of the anode electrode and the cathode electrode serve to make a reaction source, that is, a fuel and an oxidant, easily accessible to the catalyst layers 31 and 51, and the electrode substrates 31 and 51 are conductive. The surface of a fabric formed of a porous film or polymer fiber composed of carbon paper, carbon cloth, carbon felt or metal cloth (fibrous metal cloth) The metal film is formed on)) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 상기 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. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. The microporous layer is generally a conductive powder having a small particle diameter, for example, carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano horn (carbon nano) -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴 리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder, and a solvent on the electrode substrate. As the binder, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used.

상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, 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.As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

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. As the polymer electrolyte membrane 1, a polymer having an ion exchange function of transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer 33 of the anode electrode to the catalyst layer 53 of the cathode electrode, and having excellent hydrogen ion conductivity may be used.

그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라 플루오로에틸렌과 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 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 들 수 있다. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone At least one selected from the group consisting of a polymer, a polyether-etherketone-based polymer, a polyphenylquinoxaline-based polymer, and a mixture thereof, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (purple) Fluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5, At least one selected from the group consisting of 5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) and mixtures thereof One It can be given.

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 Na로 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.In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In the hydrogen ion conducting group of the hydrogen ion conducting polymer, NaOH is substituted when H is replaced with Na, and tetrabutylammonium hydroxide is used when the substituent is substituted with tetrabutylammonium, and K, Li or Cs is also substituted with a suitable compound. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 또한, 상기 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. The present invention also includes an electricity generation unit including the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention, and a separator; A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And an oxidant supply unit supplying an oxidant to the electricity generation unit.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다. The electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly and a separator (bipolar plate). The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant.

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 탄화수 소 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. The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generation unit. The fuel means hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state, and typical hydrocarbon fuels include methanol, ethanol, propanol or butanol, and the like. Oxygen is typically used as the oxidant, and may be used by injecting pure oxygen or air. However, the fuel and the oxidant are not limited thereto.

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. A schematic structure of the fuel cell system 100 is shown in FIG. 2, which will be described in more detail with reference to the following. 2 shows a system for supplying fuel and oxidant to the electricity generation unit 130 using pumps 151 and 171, but the fuel cell membrane-electrode assembly 131 of the present invention is limited to such a structure. Of course, it can be used in a fuel cell system having a structure using a diffusion method without using a pump.

본 발명의 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. The fuel cell system 100 of the present invention includes a stack 110 having at least one electricity generating unit 130 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, and a fuel supplying the fuel. And a supply unit 150 and an oxidant supply unit 170 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 130.

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. The fuel supply unit 150 supplying the fuel includes a fuel tank 153 for storing fuel and a fuel pump 151 connected to the fuel tank 153. The fuel pump 151 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 153 by a predetermined pumping force.

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. The oxidant supply unit 170 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 130 of the stack 110 includes at least one oxidant pump 171 that sucks the oxidant with a predetermined pumping force.

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.The electricity generating unit 130 is a membrane-electrode assembly 131 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant and a separator (bipolar plate) 133 and 135 for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly 131. It is composed of

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(연료 전지용 캐소드 촉매의 제조)(Production of Cathode Catalyst for Fuel Cell)

(실시예 1)(Example 1)

2ml의 포름알데하이드(formaldehyde)에 1g의 2,4-디하이드록시 벤조산 및 0.1g의 K2CO3를 첨가하고, 3일 동안 상온 및 상압에서 겔화시켜 유기겔을 제조하였다. 상기 제조된 유기겔을 물에 Rh(NH3)4Cl2를 0.1M로 첨가하여 제조한 용액에 함침시켜 Rh가 도핑된 겔을 제조하였다. 상기 Rh가 도핑된 겔을 온도 304K, 압력 7.6MPa 하에서 CO2 초임계 건조하여 Rh가 담지된 카본에어로겔을 얻었다.1 g of 2,4-dihydroxy benzoic acid and 0.1 g of K 2 CO 3 were added to 2 ml of formaldehyde, and gelled at room temperature and atmospheric pressure for 3 days to prepare an organic gel. The prepared organic gel was impregnated into a solution prepared by adding Rh (NH 3 ) 4 Cl 2 to 0.1M in water to prepare a gel doped with Rh. The Rh-doped gel was CO 2 supercritical dried under a temperature of 304K and a pressure of 7.6 MPa to obtain a carbon aerogel bearing Rh.

얻어진 1g의 Rh가 담지된 카본에어로겔과 0.06g의 황을 벤젠에 넣어 현탁액을 만들었다. 이 현탁액을 100℃에서 24시간 동안 끊인 후, 여과 및 80℃에서의 건조 과정을 거쳐 카본에어로겔(Carbonized Aerogel)에 담지된 RhS 촉매를 제조하였다. 상기 촉매의 담지량은 전체 촉매에 대하여 RhS가 47중량%였고, 상기 RhS 전체에 대하여 RhS에서 Rh는 88원자%이고 S는 12원자%였다. 1 g of Rh supported carbon aerogel and 0.06 g of sulfur were added to benzene to form a suspension. The suspension was suspended at 100 ° C. for 24 hours, and then filtered and dried at 80 ° C. to prepare a RhS catalyst supported on a carbonized aerogel. The loading amount of the catalyst was 47% by weight of RhS based on the total catalyst, RhS was 88 atom% and S was 12 atom% in the total RhS.

(실시예 2)(Example 2)

황을 대신하여 Se 분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 촉매를 제조하였다. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that Se powder was used instead of sulfur.

(실시예 3)(Example 3)

Rh(NH3)4Cl2를 대신하여 Pt 클로라이드를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 촉매를 제조하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that Pt chloride was used instead of Rh (NH 3 ) 4 Cl 2 .

(실시예 4)(Example 4)

황을 대신하여 Se 분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하여 촉매를 제조하였다. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 3 except that Se powder was used instead of sulfur.

(실시예 5)(Example 5)

Rh(NH3)4Cl2를 대신하여 Ru 클로라이드를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 촉매를 제조하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that Ru chloride was used instead of Rh (NH 3 ) 4 Cl 2 .

(실시예 6)(Example 6)

황을 대신하여 Se 분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 실시하여 촉매를 제조하였다. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 5 except that Se powder was used instead of sulfur.

(실시예 7)(Example 7)

Rh(NH3)4Cl2를 대신하여 Pd 클로라이드를 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 촉매를 제조하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that Pd chloride was used instead of Rh (NH 3 ) 4 Cl 2 .

(실시예 8)(Example 8)

황을 대신하여 Se 분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일하게 실시 하여 촉매를 제조하였다. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 7, except that Se powder was used instead of sulfur.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

시판되는 Pt 블랙(JM사, Hispec1000)을 연료 전지용 촉매로 사용하였다.Commercially available Pt black (JM Hispec1000) was used as a catalyst for fuel cells.

(연료 전지의 제조 및 연료 전지의 성능 평가)(Manufacture of Fuel Cell and Performance Evaluation of Fuel Cell)

상기 실시예 1 내지 8에서 제조한 촉매를 캐소드 전극으로 하는 연료 전지 시스템을 제조하여 비교예 1의 백금계 촉매를 캐소드 전극으로 하는 연료 전지 시스템과 성능 비교를 실시하였다. 그 결과 실시예 1 내지 8에서 제조한 촉매를 캐소드 전극으로 하는 연료 전지가 메탄올 산화 반응과 산소 환원 반응의 선택성에 있어서 비교예 1의 백금계 촉매를 사용한 연료 전지 보다 20 내지 30 배의 향상된 효과를 볼 수 있었으며 메탄올 크로스오버에 의한 전지의 성능 저하 현상도 덜 발생한다는 결과를 얻었다. A fuel cell system using the catalysts prepared in Examples 1 to 8 as the cathode electrode was manufactured, and performance was compared with the fuel cell system using the platinum-based catalyst of Comparative Example 1 as the cathode electrode. As a result, the fuel cell using the catalysts prepared in Examples 1 to 8 as the cathode electrode had a 20 to 30 times better effect on the selectivity of the methanol oxidation reaction and the oxygen reduction reaction than the fuel cell using the platinum-based catalyst of Comparative Example 1. It was found that the degradation of the battery due to the methanol crossover occurred less.

또한, 담체로서 카본에어로겔(Carbonized Aerogel)을 사용함으로써 촉매입자의 담지량을 증가시키고 그 결과 촉매의 산소 환원 반응성도 증가시킬 수 있었다. In addition, by using a carbonized aerogel (Carbonized Aerogel) as a carrier it was possible to increase the loading amount of the catalyst particles, and as a result also increased the oxygen reduction reactivity of the catalyst .

본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매는 연료 산화 반응성이 상대적으로 낮아 연료의 크로스오버 현상에 의한 영향을 감소시킨다. 그 결과 고농도 연료의 사용을 가능하게 함으로써 연료 전지의 성능을 향상시킨다. 또한, 본 발명의 연료 전지용 캐소드 촉매는 단위 면적당 많은 양의 촉매를 담지할 수 있어 촉매의 산소 환원 반응성을 향상시킨다.The cathode catalyst for a fuel cell of the present invention has a relatively low fuel oxidation reactivity, thereby reducing the influence of fuel crossover. As a result, the performance of the fuel cell is improved by enabling the use of high concentration fuel. In addition, the cathode catalyst for fuel cells of the present invention can support a large amount of catalyst per unit area, thereby improving the oxygen reduction reactivity of the catalyst.

Claims (18)

카본에어로겔(Carbonized Aerogel) 담체; 및Carbonized Aerogel carrier; And 상기 담체에 담지된 Me-Ch(Me는 Rh, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)Me-Ch supported on the carrier (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd, and combinations thereof, and Ch is an element selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof) 를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매.Cathode catalyst for a fuel cell comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 Me-Ch(Me는 Rh, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이고, Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)는 Me-Ch 전체에 대하여 Me를 50 내지 98 원자%, Ch를 2 내지 50 원자%로 포함하는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.Me-Ch (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd, and combinations thereof, and Ch is an element selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof). A cathode catalyst for a fuel cell comprising 50 to 98 atomic% of Me and 2 to 50 atomic% of Ch. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료 전지용 캐소드 촉매에 있어서 Me-Ch(Me는 Rh, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소, Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소)의 담지량은 촉매 전체 중량에 대하여 5 내지 75 중량%인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매. In the fuel cell cathode catalyst, Me-Ch (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd, and combinations thereof, Ch is an element selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof) The supported amount is a cathode catalyst for a fuel cell is 5 to 75% by weight based on the total weight of the catalyst. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Me는 Rh이고, 상기 Ch는 S인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매.Me is Rh, Ch is S cathode catalyst for fuel cells. 유기산을 겔화시켜 유기겔을 제조하는 단계;Gelling the organic acid to prepare an organic gel; Me 전구체 용액(Me는 Rh, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)에 상기 유기겔을 함침시켜 Me가 도핑된 겔을 제조하는 단계;Preparing a gel doped with Me by impregnating the organic gel in a Me precursor solution (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd, and combinations thereof); 상기 Me가 도핑된 겔을 473K 내지 1273K의 고온 및 5MPa 내지 30MPa의 고압 하에서 초임계 건조하여 Me가 담지된 카본에어로겔을 제조하는 단계; 및 Preparing a Me-supported carbon aerogel by supercritical drying the gel doped with Me at a high temperature of 473K to 1273K and a high pressure of 5MPa to 30MPa; And 상기 Me가 담지된 카본에어로겔과 Ch 전구체를 용매에 첨가하여 제조한 용액을 가열하는 단계Heating the solution prepared by adding the Me-supported carbon aerogel and Ch precursor to a solvent 를 포함하는 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.Method for producing a cathode catalyst for a fuel cell comprising a. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 유기산은 벤조산인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.The organic acid is a method for producing a cathode catalyst for a fuel cell is benzoic acid. 제5항에 있어서, The method of claim 5, 상기 Me 전구체 용액(Me는 Rh, Ru, Pd, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)은 Me 클로라이드, Me 아세틸아세토나이트, Me 카르보닐, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물을 용매에 첨가하여 제조되는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.The Me precursor solution (Me is an element selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd, and combinations thereof) is a compound selected from the group consisting of Me chloride, Me acetylacetonite, Me carbonyl, and combinations thereof A method for producing a cathode catalyst for fuel cell, which is prepared by adding to a solvent. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 용매는 물, 에탄올, 아세톤, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.Wherein said solvent is selected from the group consisting of water, ethanol, acetone, and combinations thereof. 삭제delete 삭제delete 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 초임계 건조는 CO2 초임계 건조인 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.The supercritical drying is a method for producing a cathode catalyst for fuel cells that is CO 2 supercritical drying. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 Ch 전구체(Ch는 S, Se, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소임)는 S 분말, Se 분말, CH3CSNH2, H2SO3, H2SeO3, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.The Ch precursor (Ch is an element selected from the group consisting of S, Se, and combinations thereof) is S powder, Se powder, CH 3 CSNH 2 , H 2 SO 3 , H 2 SeO 3 , and combinations thereof Method for producing a cathode catalyst for a fuel cell that is selected from the group consisting of. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 용매는 물, 에탄올, 아세톤, 벤젠, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.Wherein said solvent is selected from the group consisting of water, ethanol, acetone, benzene, and combinations thereof. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 가열하는 단계는 50 내지 150℃의 온도에서 실시하는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.The heating step is a method of producing a cathode catalyst for a fuel cell that is carried out at a temperature of 50 to 150 ℃. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 가열하는 단계는 12 내지 36 시간 동안 이루어지는 것인 연료 전지용 캐소드 촉매의 제조 방법.The heating step is a method for producing a cathode catalyst for a fuel cell will be 12 to 36 hours. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및 An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함 하고A polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode; 상기 캐소드 전극은 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 캐소드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The cathode-electrode assembly of claim 1, wherein the cathode electrode comprises the cathode catalyst of claim 1. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부;An electricity generating unit including an electrode electrode and a separator including an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and an electrolyte positioned between the anode electrode and the cathode electrode; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하고, An oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generation unit, 상기 캐소드 전극은 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 캐소드 촉매를 포함하는 연료 전지 시스템.5. The fuel cell system of claim 1, wherein the cathode electrode comprises the cathode catalyst of claim 1. 제17항에 있어서,The method of claim 17, 상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템.The fuel cell system is a direct oxidation fuel cell system.
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