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KR20050103648A - 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는연료전지 시스템 Download PDF

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KR20050103648A
KR20050103648A KR1020040028909A KR20040028909A KR20050103648A KR 20050103648 A KR20050103648 A KR 20050103648A KR 1020040028909 A KR1020040028909 A KR 1020040028909A KR 20040028909 A KR20040028909 A KR 20040028909A KR 20050103648 A KR20050103648 A KR 20050103648A
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Abstract

본 발명은 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 백금-금속 합금을 포함하며, X선(CuKα) 회절 패턴에서 110 면의 회절 피크를 보이는 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 본 발명의 연료전지용 촉매는 제조 비용이 적게 들면서도, 반응성이 우수하며, 촉매의 결정격자 구조가 치밀하여 안정성이 뛰어난 장점이 있다.

Description

연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지 시스템{CATALIST FOR FUEL CELL, PREPARATION METHOD THEREOF, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
[산업상 이용분야]
본 발명은 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조가 견고한 연료전지용 촉매 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
[종래기술]
일반적으로, 연료 전지는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함하는 공기를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.
이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고, 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
여기서 캐소드의 산소환원 반응에 사용되는 촉매로는 백금(Pt)을 주로 사용하게 되는데 백금의 가격이 비싸기 때문에 그동안 다양한 합금촉매가 연구되어 왔다.
미국특허 제4447506호에는 백금(Pt)-크롬(Cr)-코발트(Co), 백금(Pt)-크롬(Cr) 등의 합금 촉매에 대한 내용이 기재되어 있으며, 미국특허 제4822699호에는 백금(Pt)-갈륨(Ga), 백금(Pt)-크롬(Cr) 등의 합금촉매에 관한 내용이 기재되어 있다. 그러나, 상기 특허문헌에서도 백금-산소간의 결합력이 어떠한 방식으로 산소환원 반응에 영향을 미치고 촉매의 전체 활성과 관련되는지에 대해서 명확히 나타낸 바가 없으며 많은 연구가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 촉매의 구조가 견고하여, 우수한 안정성을 갖는 연료전지용 촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 촉매를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 백금-금속 합금을 포함하며, X선(CuKα) 회절 패턴에서 110 면의 회절 피크를 보이는 연료전지용 촉매를 제공한다.
본 발명은 또한, 백금 함유 물질과 금속 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하는 단계; 및 상기 건조된 혼합물을 열처리하는 단계를 포함하는 연료전지용 촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 연료와 물이 혼합된 혼합연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 혼합연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부; 상기 연료전지용 촉매를 포함하며, 개질부로부터 공급되는 수소 기체가 외부 공기와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택; 및 외부 공기를 상기 스택 및 개질부로 공급하는 공기 공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 연료전지의 화학반응은 아래와 같은 반응으로 전개된다.
캐소드 : O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
애노드 : H2 → 2H+ + 2e-
전 체 : 2H2 + O2 → 2H2O
위 반응식에서 캐소드의 산소 환원 반응이 속도 결정 단계(rate determining step:rds)에 해당하며, 상기 속도 결정 단계 반응인 산소 환원 반응의 자세한 메카니즘은 아직 자세히 밝혀지지는 않았다.
다만, 백금 표면에 산소가 적당한 힘으로 흡착되어 있는 동안 백금표면으로 수소가 접근하여 흡착된 산소와 반응하여 산소가 백금표면으로부터 떨어져 나가면서 물이 만들어 지는 것으로 추정하며, 이 추정에 의하면 백금 표면에 산소가 흡착하는 세기가 반응속도와 관련되고, 따라서, 연료전지 화학반응의 반응 속도는 백금-산소 간의 결합력과 밀접한 관련이 있다고 할 수 있다.
도 1은 백금-금속 합금을 포함하는 본 발명의 연료전지용 촉매에 있어서, 백금-산소간 흡착 모델을 모식적으로 나타낸 그림이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 백금-산소간의 흡착모델은 여러 가지가 있는데 그 중에서도 브릿지모델(bridge model)이 가장 유력하다. 다만, 도 1에 도시한 어떤 모델의 경우이든 백금-산소간의 결합력이 연료전지 화학반응 메카니즘에 영향을 미치게 된다.
본 발명의 연료전지용 촉매는 백금-금속 합금을 포함하며, X선(CuKα)에 의한 110 면의 회절 피크를 보인다. 또한, 110 면에 대한 X선 회절 피크의 강도 I(110)과 111면에 대한 X선 회절 피크의 강도 I(111)의 비로 나타나는 I(110)/I(111)의 값이 0.05 이상이며, 바람직하게는 0.08 내지 0.21의 값을 갖는다.
상기 브릿지 모델에 의하면, 백금 원자간의 거리가 산소와의 결합력을 결정하는데 영향을 주고, 이는 X선 회절의 격자상수(lattice parameter)와 관련이 있다. 따라서, 상기 I(110)/I(111)의 값이 0.05 이상인 경우에는, 촉매의 큐빅 구조의 결정격자수가 증가하게 되고, 산소와의 결합력도 증가하며, 더 치밀한 구조를 이루게 되므로, 장시간 사용하는 연료전지 시스템의 촉매로써 우수한 안정성을 갖게 된다.
상기 X선 회절 피크의 강도의 비는 다음의 조건으로 측정한 X선 회절 피크의 값을 기준으로 한다.
- X선 회절 측정 장비 : 리가쿠(Rigaku) 사(社)의 XRD CN 2115
- 필터 : 니켈(Ni) 필터
- X선 : Cu Kα선
- 스캔 속도 : 5 ㅇ/min (2-theta)
- 작동전압, 전류: 40 KV, 30 mA
상기 연료전지용 촉매에 있어서, 백금과 금속의 함량비는 몰비로 40:60 내지 60:40인 것이 바람직하며, 45:55 내지 55:45인 것이 더 바람직하다. 백금:금속의 함량비가 40:60 미만인 경우에는 합금 형성이 어렵고, 60:40을 초과하는 경우에는 상기 I(110)/I(111) 값의 범위를 만족하지 못한다.
상기 연료전지용 촉매에 포함된 금속은 철, 크롬, 크롬-니켈 또는 코발트 등에서 선택되는 하나 이상의 금속인 것이 바람직하다.
상기 연료전지용 촉매에 있어서, 담지체를 제외한 촉매 합금의 평균 입경은 30 내지 150 Å인 것이 바람직하며, 30 내지 100 Å인 것이 더 바람직하다. 상기 촉매 입자의 입경이 작을수록 좋으나, 다만 30 Å 미만인 경우에는 제조상의 어려움이 있고, 150 Å을 초과하는 경우에는 반응표면적이 너무 작기 때문에 실용성이 없고, 높은 열처리 온도를 필요로 한다.
본 발명의 연료전지용 촉매는 백금 함유 물질과 금속 함유 물질로부터 백금-금속 합금을 제조하는 방법으로 제조될 수 있으며, 보다 상세하게는 백금 함유 물질과 금속 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 건조하는 단계; 및 상기 건조된 혼합물을 열처리하는 단계를 포함한다.
상기 백금 함유 물질과 금속 함유 물질은 백금과 금속의 몰비를 기준으로 40:60 내지 60:40인 것이 바람직하며, 45:55 내지 55:45로 첨가하는 것이 더 바람직하다. 백금:금속의 함량비가 40:60 미만인 경우에는 합금형성이 어려우며, 60:40을 초과하는 경우에는 상기 I(110)/I(111) 값의 범위를 만족하지 못한다.
상기 백금 함유 물질은 연료전지에 통상적으로 사용되는 담체에 지지된 백금을 사용할 수 있으며, 상기 담체의 구체적인 예로는 탄소, 알루미나 또는 실리카 등이 있다. 이중에서도 바람직하게는 탄소를 담체로 하여 지지된 백금을 사용할 수 있으며, 이 때, 상기 탄소는 아세틸렌블랙, 흑연 등인 것이 더 바람직하다.
상기 담체에 지지된 백금은 상용화된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 백금을 담지하여 사용할 수도 있다. 담체에 백금을 담지하는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
또한, 상기 금속 함유 물질은 금속을 포함하며, 백금-금속 합금을 형성할 수 있는 화합물이라면 어느 것이라도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 철, 크롬, 니켈 또는 코발트 등을 포함하는 화합물을 1종 이상 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 상기 금속을 포함하는 금속할라이드, 질산염, 염산염, 황산염 또는 아민류 등을 1종 이상 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 철, 니켈, 크롬 또는 코발트 등을 포함하는 금속 할라이드 또는 질산염 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 금속 함유 물질은 액상으로 혼합하여 사용하며, 바람직하게는 상기 금속 함유 물질이 알코올, 물 또는 알코올과 물의 혼합물에 용해된 용액 상태로 사용할 수 있다. 상기 용액은 금속 함유 물질의 농도가 0.1 내지 1 M인 것이 바람직하다.
백금 함유 물질과 금속 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조한 후에, 건조과정을 거친다. 상기 건조과정은 상기 혼합물에 포함된 물, 알코올 등의 용매를 증발시키는 과정으로서, 통상적인 건조과정에 따른다.
상기 혼합물의 건조를 마친 후, 열처리 과정을 거치게 되며, 상기 열처리는 환원분위기에서 500℃ 이상의 온도로 실시하는 것이 바람직하고, 상기 열처리 온도가 700 내지 1500℃인 것이 더 바람직하며, 상기 열처리 온도가 700 내지 1100℃인 것이 가장 바람직하다. 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우에는 합금 형성이 어렵다. 또한, 열처리온도가 1500℃를 초과할 경우에는 전이금속의 증기화가 발생할 수 있으므로, 정확한 비율의 합금제조가 어렵다.
상기 열처리 시의 환원분위기는 수소기체, 질소기체, 또는 수소와 질소의 혼합기체를 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템(100)의 전체적인 구성을 도시한 개략도이며, 도 3은 본 발명의 연료전지 시스템의 스택(130)을 도시한 분해 사시도이다.
도 2와 도 3을 참고하면, 본 발명의 연료전지 시스템(100)은 연료와 물이 혼합된 혼합연료를 공급하는 연료 공급부(110); 상기 혼합연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부(120); 상기 연료전지용 촉매를 포함하며, 개질부로부터 공급되는 수소 기체가 외부 공기와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(130); 및 외부 공기를 상기 개질부(120) 및 스택(130)으로 공급하는 공기 공급부(140)를 포함한다.
또한, 본 발명의 연료전지 시스템의 스택(130)은 개질부(120)로부터 공급되는 수소 기체와 공기 공급부로부터 공급되는 외부 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀(131)을 구비한다.
각각의 단위 셀(131)은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 기체와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 전해질-전극 복합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)(132)와, 수소 기체와 공기를 전해질-전극 복합체(132)로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다.)(133)을 포함한다. 상기 분리판(133)은 전해질-전극 복합체(132)를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트(133a)라 칭하기도 한다.
상기 전해질-전극 복합체(132)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 구조를 가진다.
애노드 전극은 분리판(133)을 통해 수소 기체를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 기체를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)으로 구성된다.
또한 캐소드 전극은 분리판(133)을 통해 공기를 공급받는 부분으로, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 상기 연료전지용 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50~200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
또한 상기한 분리판 중 엔드 플레이트(133a)에는 개질부로부터 공급되는 수소 기체를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(133a1)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(133a2)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트(133a)에는 복수의 단위 셀(131)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 기체를 외부로 배출시키기 위한 제1배출관(133a3)과, 상기한 단위 셀(131)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 외부로 배출시키기 위한 제2배출관(133a4)이 구비된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
비교예 1
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)를 FeCl2의 1 M 수용액에 혼합하여 분산시켰다. 이 때, 백금/탄소(Pt/C) 촉매와 FeCl2의 함량은 백금:철의 몰비를 기준으로 1:1이 되도록 하였다.
상기 혼합과정 후에, 100℃에서 1시간 건조하여 연료전지용 촉매를 제조하였다.
실시예 1
비교예 1에 따라 제조된 연료전지용 촉매를 수소와 질소의 혼합기체(수소 10 부피%, 질소 90 부피%) 존재 하에서 700℃로 2.5시간 동안 열처리하여 연료전지용 촉매를 제조하였다.
실시예 2
열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다.
실시예 3
열처리 온도를 1100℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다.
비교예 2
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)를 Cr(NO3)3·9H2O과 NiCl2의 1 M 혼합수용액에 혼합하여 분산시켰다. 이 때, 백금/탄소(Pt/C) 촉매와 Cr(NO3)3·9H2O 및 NiCl2의 함량은 백금:크롬:니켈의 몰비를 기준으로 2:1:1 이 되도록 하였다.
상기 혼합과정 후에, 100℃에서 1시간 동안 건조하여 연료전지용 촉매를 제조하였다.
실시예 4
비교예 2에 따라 제조된 연료전지용 촉매를 수소와 질소의 혼합기체(수소 10 부피%, 질소 90 부피%) 존재 하에서 700℃로 2.5시간 동안 열처리하여 연료전지용 촉매를 제조하였다.
실시예 5
열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다.
실시예 6
열처리 온도를 1100℃로 한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다.
비교예 3
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)를 수소와 질소의 혼합기체(수소 10 부피%, 질소 90 부피%) 존재 하에서 800℃로 2.5시간 동안 열처리하여 연료전지용 촉매를 제조하였다.
비교예 4
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)를 NiCl2의 1 M 수용액에 혼합하여 분산시켰다. 이 때, 백금/탄소(Pt/C) 촉매와 NiCl2의 함량은 백금:철의 몰비를 기준으로 1:1이 되도록 하였다.
상기 혼합물을 100℃에서 1시간 동안 건조하여, 연료전지용 촉매를 제조하였다.
비교예 5
비교예 4에 따라 제조된 연료전지용 촉매를 수소와 질소의 혼합기체(수소 10 부피%, 질소 90 부피%) 존재 하에서 700℃로 2.5시간 동안 열처리하여 연료전지용 촉매를 제조하였다.
비교예 6
열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 비교예 5와 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다.
비교예 7
열처리 온도를 1100℃로 한 것을 제외하고는 비교예 5와 동일한 방법으로 연료전지용 촉매를 제조하였다.
실시예 1 내지 6 및 비교예 2 내지 7에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 X선 회절 패턴을 측정하였으며, 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 X선 회절 패턴, 비교예 2 및 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 X선 회절 패턴, 및 비교예 3 내지 7에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 X선 회절 패턴을 각각 도 4, 도 5 및 도 6에 나타내었다.
상기 X선 회절 강도는 다음과 같은 조건으로 측정하였다.
- X선 회절 측정 장비 : 리가쿠 사(社)의 XRD CN 2115
- 필터 : 니켈(Ni) 필터
- X선 : Cu Kα선
- 스캔 속도 : 5 ㅇ/min (2-theta)
- 작동전압, 전류: 40 KV, 30 mA
도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 연료전지용 촉매는 회절각(2-theta) 32ㅇ 부근에서 110 면에 의한 피크가 나타나는 반면에, 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 비교예 2 내지 7에 따라 제조된 연료전지용 촉매는 110 면에 의한 피크가 나타나지 않는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 도 4 내지 6에 도시된 X선 회절 피크로부터 I(110)/I(111)의 강도비를 계산하여 그 값을 하기 표 1에 정리하였으며, 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 7에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 성분과 조성비, 열처리온도 및 평균입경을 하기 표 1에 같이 정리하였다.
[표 1]
합금성분 백금:금속의조성비 열처리온도(℃) 촉매입경(Å) I(110)/I(111)의강도비
비교예 1 Pt-Fe 1 : 1 열처리 안함 < 20 0
실시예 1 Pt-Fe 1 : 1 700 86.2 0.15
실시예 2 Pt-Fe 1 : 1 900 108 0.21
실시예 3 Pt-Fe 1 : 1 1100 88.2 0.09
비교예 2 Pt2-Cr-Ni 2 : 1 : 1 열처리 안함 < 20 0
실시예 4 Pt2-Cr-Ni 2 : 1 : 1 700 44.7 0.08
실시예 5 Pt2-Cr-Ni 2 : 1 : 1 900 54 0.08
실시예 6 Pt2-Cr-Ni 2 : 1 : 1 1100 93.7 0.14
비교예 3 Pt - 800 94 0
비교예 4 Pt-Ni 1 : 1 열처리 안함 < 20 0
비교예 5 Pt-Ni 1 : 1 700 56.9 0
비교예 6 Pt-Ni 1 : 1 900 74.7 0
비교예 7 Pt-Ni 1 : 1 1100 89.3 0
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 열처리를 하지 않은 촉매이거나 열처리를 한 경우라도 Pt, Pt-Ni 촉매의 경우에는 110 면의 X선 회절 피크가 나타나지 않지만, 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 백금-금속 합금 촉매의 경우에는 110 면의 피크가 존재하며, I(110)/I(111)의 값이 0.05 이상인 것을 알 수 있다. 이로부터 본 발명의 연료전지용 촉매가 비교예 1 내지 7에 따른 촉매보다 견고한 구조를 갖는 것을 알 수 있다.
본 발명의 본 발명의 연료전지용 촉매는 제조 비용이 적게 들면서도, 반응성이 우수하며, 촉매의 결정격자 구조가 치밀하여 안정성이 뛰어난 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 연료전지용 촉매의 백금-산소간 흡착 모델의 모식도.
도 2는 본 발명의 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명의 연료전지 시스템의 스택을 도시한 분해 사시도.
도 4는 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 X선 회절 패턴.
도 5는 비교예 2 및 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 X선 회절 패턴.
도 6은 비교예 3 내지 7에 따라 제조된 연료전지용 촉매의 X선 회절 패턴

Claims (17)

  1. 백금-금속 합금을 포함하며, X선(CuKα) 회절 패턴에서 110 면의 회절 피크를 보이는 연료전지용 촉매.
  2. 제1항에 있어서, X선(CuKα) 회절 패턴에서 상기 연료전지용 촉매의 110 면의 회절 피크의 강도 I(110)과 111면의 회절 피크의 강도 I(111)의 비로 나타나는 I(110)/I(111)의 값이 0.05 이상인 연료전지용 촉매.
  3. 제2항에 있어서, 상기 I(110)/I(111)의 값이 0.08 내지 0.21인 연료전지용 촉매.
  4. 제1항에 있어서, 상기 백금과 금속의 함량비는 몰비로 40:60 내지 60:40인 연료전지용 촉매.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속은 철, 크롬, 크롬-니켈 및 코발트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속인 연료전지용 촉매.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료전지용 촉매는 평균 입자 크기가 30 내지 150 Å인 연료전지용 촉매.
  7. 백금 함유 물질과 금속 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물을 건조하는 단계; 및
    상기 건조된 혼합물을 열처리하는 단계
    를 포함하는 연료전지용 촉매의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 백금 함유 물질과 금속 함유 물질을 백금과 금속의 몰비로 40:60 내지 60:40으로 첨가하는 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 백금 함유 물질은 탄소에 담지된 백금, 알루미나에 담지된 백금 및 실리카에 담지된 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 연료전지용 촉매의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 금속 함유 물질은 철, 크롬, 니켈 또는 코발트를 포함하는 금속할라이드, 질산염, 염산염, 황산염 및 아민류로부터 선택되는 1종 이상인 연료전지용 촉매의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 금속 함유 물질은 알코올, 물 또는 알코올과 물의 혼합물에 용해된 용액 상태인 연료전지용 촉매의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 용액에 용해된 금속 함유 물질의 농도가 0.1 내지 1 M인 연료전지용 촉매의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 열처리는 환원분위기에서 500℃ 이상의 온도로 실시하는 것인 연료전지용 촉매의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 열처리 온도는 700 내지 1500℃인 연료전지용 촉매의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 열처리 온도는 700 내지 1100℃인 연료전지용 촉매의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 환원분위기는 상기 환원분위기는 수소기체, 질소기체, 또는 수소와 질소의 혼합기체 분위기인 연료전지용 촉매의 제조방법.
  17. 연료와 물이 혼합된 혼합연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 혼합연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부;
    제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 따른 연료전지용 촉매를 포함하며, 개질부로부터 공급되는 수소 기체가 외부 공기와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택; 및
    외부 공기를 상기 스택 및 개질부로 공급하는 공기 공급부를 포함하는 연료전지 시스템.
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