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KR100749497B1 - 연료 전지용 애노드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 - Google Patents

연료 전지용 애노드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 Download PDF

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KR100749497B1
KR100749497B1 KR1020060022248A KR20060022248A KR100749497B1 KR 100749497 B1 KR100749497 B1 KR 100749497B1 KR 1020060022248 A KR1020060022248 A KR 1020060022248A KR 20060022248 A KR20060022248 A KR 20060022248A KR 100749497 B1 KR100749497 B1 KR 100749497B1
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KR
South Korea
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fuel cell
catalyst
anode
fuel
electrode
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KR1020060022248A
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Inventor
알렉산드로비치세로프 알렉세이
곽찬
이시현
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료 전지용 애노드 촉매에 관한 것으로서, 이 촉매는 Pd-Au-Sn합금을 포함한다.
본 발명의 연료 전지용 애노드 촉매는 백금 계열 촉매와 동등 수준의 촉매 활성을 나타내면서, 백금 계열 촉매보다 저렴하므로 경제적이다.
연료전지,애노드촉매,Pd,Au,Sn,

Description

연료 전지용 애노드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리{CATALYST FOR ANODE OF FUEL CELL AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}
도 1은 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
삭제
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 애노드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경제적이며 향상된 효율을 나타내는 연료 전지용 애노드 촉매에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)이라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 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 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.
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 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고또한 전자가 발생하며, 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.
본 발명의 목적은 경제적이고, 촉매 활성이 우수한 연료 전지의 애노드용 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 촉매를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Pd-Au-Sn 합금을 포함하는 연료 전지용 애노드 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 애노드 전극은 Pd-Au-Sn 합금을 포함하는 애노드 촉매를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
연료 전지의 애노드용 촉매로는 백금 계열 촉매가 촉매 활성이 우수하므로 가장 널리 사용되고 있으나, 이 촉매가 고가이므로 백금 계열 촉매를 대체하기 위한 연구가 시도되고 있다. 그 일 예로 백금 계열 촉매보다 다소 저렴한 Pd은 백금과 동일하게 담체에 담지되지 않은 블랙(black) 타입 또는 담체에 담지된 형태로 탄화수소 연료의 산화 반응 촉매로 사용될 수 있어 백금 대체 촉매로 시도되었으나, 촉매 활성이 백금에 비하여 현저하게 낮아 그동안 백금 대신 사용되기는 현실적으로 어려웠다.
본 발명에서는 Pd을 이용하면서, 백금과 동등한 수준의 활성을 나타낼 수 있는 애노드 촉매를 제공한다. 본 발명의 촉매는 Pd, Au 및 Sn을 포함한다. 특히 바람직하게는 Pd-AuSn3 합금으로 존재하는 것이다. 본 발명의 촉매에서 Au는 CO 산화 반응을 방지하는, 즉 촉매가 CO와 반응하여 활성 사이트가 감소되는 피독 현상을 방지할 수 있는 역할을 한다. 또한, Sn은 촉매를 안정화시킬 수 있고, 촉매 활성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 애노드 촉매에서, Pd의 함량은 10 내지 40 몰%, Au은 20 내지 50 몰% 그리고 Sn은 10 내지 70 몰%가 바람직하다. Pd의 함량이 40 몰%를 초과하는 경우 선택성이 낮고, 10 몰% 미만인 경우 활성이 낮아 바람직하지 않다. 또한 Au가 20 몰% 미만인 경우 선택성이 낮고, 50 몰%를 초과하는 경우 활성이 낮으며, Sn이 10 몰% 미만이면 활성이 낮고, 70 몰%를 초과하면 입자 크기가 증가되어 바람직하지 않다.
본 발명의 연료 전지용 애노드 촉매는 평균 입경이 2 내지 3nm로서, 종래 백금계 촉매보다 입경이 매우 작은 촉매이다. 따라서, 촉매의 활성 표면적을 증가시킬 수 있으므로, 촉매 활성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 애노드용 촉매는 담체에 담지시켜 사용할 수도 있고, 담체에 담지시키지 않은 블랙(black) 타입으로도 사용할 수 있다. 상기 담체로는 활성 탄소, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.
본 발명의 연료 전지의 애노드용 촉매는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.
Au과 Sn 수용성 염(water soluble salt)을 담체에 건식 함침한 후, 환원제를 첨가한다. 상기 건식 함침이란 상기 Au와 Sn 수용성 염을 아주 소량의 용매에 용해하고, 이 용액을 담체에 첨가하는 공정을 말한다. 이때, 상기 용매로는 물, 에탄올 또는 메탄올과 같은 알코올 또는 벤젠을 사용할 수 있다. 또한, 이때, Au와 Sn 수용성 염의 혼합 비율은 목적 생성물의 원하는 조성에 따라 적절하게 조절하면 된다.
상기 Au 수용성 염으로는 H2AuCl4를 사용할 수 있고, 상기 Sn 수용성 염으로는 Sn(NO3)2·2H2O를 사용할 수 있다. 또한, 상기 환원제로는 NaBH4를 사용할 수 있다. 상기 환원제는 물, NaOH 등의 용매에 0.1 내지 2M/L의 농도로 존재하는 용액 상태로도 사용될 수 있다. 그러나 상기 Au 수용성, Sn 수용성 염 및 환원제를 상기 화합물로 한정하는 것은 아니며, 본원 발명의 공정에 따라 목적하는 촉매를 제조하는데 사용될 수 있는 화합물은 어떠한 것도 사용할 수 있음은 물론이다.
이어서, 얻어진 혼합물을 건조한다. 이 건조 공정은 50 내지 90℃의 온도에서 2 내지 4시간 동안 실시한다.
건조하여 얻어진 생성물에 Pd 수용성 염을 첨가하고, 열처리한다.
상기 Pd 수용성 염으로는 팔라듐 아세틸아세토네이트 또는 암모니움 헥사클로로팔라데이트(ammonium hexachloropaladate)를 사용할 수 있다.
상기 열처리는 200 내지 350℃의 온도에서 1 내지 3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 공정을 200℃ 미만에서 실시하면, 환원 반응이 충분히 일어나지 않고, 350℃보다 높은 온도에서 실시하면 입자 크기가 증가하여 바람직하지 않다.
이 공정에 따라, 본 발명의 Pd-Au-Sn 합금을 포함하는 애노드 촉매가 제조된다.
본 발명의 애노드 촉매는 고분자 전해질형 연료 전지뿐만 아니라 혼합 주입형(mixed reactant) 연료 전지에도 사용될 수 있다. 혼합 주입형 연료 전지란 애노드 전극에는 연료의 산화 반응에만 선택적으로 작용하는 촉매를, 캐소드 전극에는 산화제의 환원 반응에만 선택적으로 작용하는 촉매를 사용하고, 연료와 산화제를 혼합하여 애노드 및 캐소드 전극에 주입하여, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응만이, 캐소드 전극에서는 산화제의 환원 반응만이 일어나도록 하는 전지를 말 한다. 아울러, 이하 설명에서 고분자 전해질형 연료 전지와 혼합 주입형 연료 전지의 구성이 동일한 것은 전지 종류와 상관없이 설명하였다. 또한 대체적으로 고분자 전해질형 연료 전지에 대한 설명이나, 이에 설명되지 않았다하더라도 본 발명의 촉매가 혼합 주입형 연료 전지에 사용되는 경우, 그 연료 전지 시스템이 혼합 주입형의 일반적인 구성을 갖는 것은 당연한 일이다.
본 발명의 촉매를 고분자 전해질형 연료 전지의 애노드 전극에 사용하는 경우의 캐소드 전극에는 종래 백금계 촉매가 사용된다. 즉, 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 금속 촉매를 캐소드 전극에 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한, 이러한 금속 촉매는 담체에 담지시키지 않은 금속 촉매 자체인 블랙(black) 타입으로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 활성 탄소, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.
물론, 본 발명의 촉매를 혼합 주입형 연료 전지에 사용하는 경우에는 혼합 주입형 연료 전지의 캐소드 전극에 일반적으로 사용되는 탄소 담체 위에 분산되어 있는 형태의 Fe-N/C 또는 Co-N/C 또는 RuSe/C, RuS/C를 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 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. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 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) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 바인더 수지는 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.
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 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.
또한, 캐소드 전극 및 애노드 전극의 촉매들은 모두 전극 기재에 형성되어 있다. 상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 또한 혼합 주입형 연료 전지에서는 이 전극 기재가 세퍼레이터의 역할도 하게된다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여 상기 전극 기재 상에 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 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.
또한, 본 발명의 애노드 전극을 포함하고, 상기 구성을 갖는 캐소드 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다.
상기 고분자 전해질 막은 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지는 것으로서, 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰 산기, 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.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 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.
상기 구성을 갖는 막-전극 어셈블리를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다. 고분자 전해질형 연료 전지 시스템에서 상기 세퍼레이터는 바이폴라 플레이트를 의미하며, 혼합 주입형에서는 전극 기재를 의미한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 혼합 주입형 연료 전지에서는 상기 산화제 공급부가 산화제를 연료 공급부로 공급하여, 연료 공급부에서 연료 및 산화제가 혼합되어 상기 전기 발생부로 공급되게 된다. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함한다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다. 아울러, 혼합 주입형 연료 전지 시스템에 사용될 수도 있음도 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공 급부(7)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(17)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
0.5g H2AuCl4와 0.7g Sn(NO3)2·2H2O를 2 ml 에탄올에 용해하고, 이 용액을 탄소 1g에 첨가하였다. 이어서, 이 혼합물에 0.5M NaBH4 용액(용매: 30 부피% NaOH 및 70 부피%의 물 혼합물)을 첨가하였다. 이어서, 침전 생성물을 여과한 후, 90℃에서 건조하여 AuSn/C 분말을 제조하였다. 팔라듐 아세틸아세토네이트 1.6g을 100ml 벤젠에 용해한 후, 제조된 AuSn/C 분말 1g을 이 용액에 첨가하였다. 이어서, 용매를 휘발시킨 후, H2를 불어넣어주면서 250℃에서 3시간 동안 열처리하여 연료 전지용 애노드 촉매를 제조하였다. 제조된 촉매에서 Pd는 35 몰%, Au는 47 몰% 그리고 Sn은 18 몰%였으며, 평균 입자 크기는 2.4nm였다.
(비교예 1)
상업적으로 시판되는 10 중량% 담지량을 갖는 PtRu/C 애노드 촉매를 사용하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 애노드 촉매를 사용하여 통상의 방법으로 연료 전지 시스템을 제조한 후, 0.7V에서의 출력 밀도를 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
전류 밀도(mA/cm2 (0.7 V))
실시예 1 4.52
비교예 1 3.75
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 애노드 촉매의 전류 밀도가 비교예 1보다 다소 우수하게 나타났다. 결과적으로, 비교예 1의 백금 계열 촉매보다 저렴한 실시예 1의 촉매를 백금 계열 촉매를 대체하여 사용할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 애노드용 촉매는 백금 계열 촉매와 동등 수준의 촉매 활성을 나타내면서, 백금 계열 촉매보다 저렴하므로 경제적이다.

Claims (18)

  1. Pd-Au-Sn 합금
    을 포함하며, 상기 Pd의 함량은 10 내지 40 몰%인 연료 전지용 애노드 촉매.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 Au를 20 내지 50 몰%의 함량으로 포함하는 것인 연료 전지용 애노드 촉매.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 Sn을 10 내지 70 몰%의 함량으로 포함하는 것인 연료 전지용 애노드 촉매.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 2 내지 3nm의 평균 입경을 갖는 것인 연료 전지용 애노드 촉매.
  6. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막
    을 포함하며,
    상기 애노드 전극은 Pd-Au-Sn 합금을 포함하며, 상기 Pd의 함량은 10 내지 40 몰%인 촉매를 포함하는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 촉매는 Au를 20 내지 50 몰%의 함량으로 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 촉매는 Sn을 10 내지 70 몰%의 함량으로 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 촉매는 2 내지 3nm의 평균 입경을 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈 블리.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질형 연료 전지용 또는 혼합 주입형 연료 전지용인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  12. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 애노드 전극은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 애노드 촉매를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 시스템 또는 혼합 주입형 연료 전지 시스템인 연료 전지 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 시스템이고, 상기 산화 제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 것인 연료 전지 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 혼합 주입형 연료 전지 시스템이고, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 연료 공급부로 공급하고, 상기 연료 공급부에서 연료 및 산화제를 혼합하여 상기 전기 발생부로 공급하는 것인 연료 전지 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지용 애노드 촉매는 Pd-AuSn3인 연료 전지용 애노드 촉매.
  17. 제6항에 있어서,
    상기 애노드 촉매는 Pd-AuSn3인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 애노드 촉매는 Pd-AuSn3인 연료 전지 시스템.
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