(57)【要約】【課題】支持体の素材である炭素の酸化を防止し酸素発生触媒として使用される金属のみ選択的に酸化させることができ、酸素発生触媒の合成収率が向上できる燃料電池用電極添加物およびその合成方法を提供する。【解決手段】本発明による燃料電池用電極添加物の合成方法は、金属塩をエチレングリコールに溶解させて金属塩溶解液を製造する段階と、前記金属塩溶解液に炭素を分散させて炭素−金属塩懸濁液を製造する段階と、前記炭素−金属塩懸濁液を加熱し冷ました後、炭素担持金属粉末をろ過する段階と、前記炭素担持金属粉末を洗浄および乾燥する段階と、前記炭素担持金属粉末に水蒸気を流しながら３００〜１０００℃で熱処理して炭素担持金属酸化物粉末を得る段階とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属塩をエチレングリコールに溶解させて金属塩溶解液を製造する段階と、
前記金属塩溶解液に炭素を分散させて炭素−金属塩懸濁液を製造する段階と、
前記炭素−金属塩懸濁液を加熱し冷ます段階と、
炭素担持金属粉末をろ過、洗浄および乾燥する段階と、
前記炭素担持金属粉末に水蒸気を流しながら３００〜１０００℃で熱処理して炭素担持金属酸化物粉末を得る段階と、
を含む燃料電池用電極添加物の合成方法。
【請求項２】
前記金属塩はＩｒ、Ｒｕのうちのいずれか一つを含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極添加物の合成方法。
【請求項３】
前記炭素担持金属粉末はＩｒ／Ｃ、Ｒｕ／Ｃのうちのいずれか一つを含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極添加物の合成方法。
【請求項４】
前記炭素担持金属酸化物粉末はＩｒＯ2／Ｃ、ＲｕＯ2／Ｃのうちのいずれか一つを含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極添加物の合成方法。
【請求項５】
前記炭素担持金属酸化物粉末はアノード電極の製造に添加されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極添加物の合成方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちのいずれか一つの合成方法を用いて形成された燃料電池用電極添加物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用電極添加物およびその合成方法に係り、酸素発生触媒の合成収率を向上させることができる燃料電池用電極添加物およびその合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池は水素と酸素が有する化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる電気化学的装置で、水素と酸素をそれぞれアノード（ａｎｏｄｅ）とカソード（ｃａｔｈｏｄ）に供給して連続的に電気を生産する。
【０００３】
このような燃料電池において、電気を実質的に発生させるスタックは膜−電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層、分離板（ｂｉｐｏｌａｒ  ｐｌａｔｅ）からなる単位セルが数個乃至数十個で積層された構造を有する。
【０００４】
前記膜−電極接合体は高分子電解質膜を介してアノード電極とカソード電極が位置する構造からなる。
【０００５】
燃料電池で電気を発生させる原理は、燃料がアノード電極に供給されてアノード電極の触媒に吸着され、酸化反応によって燃料はイオン化され電子が発生する。
【０００６】
この時、発生した電子は外部回路によりカソード電極に到達し、水素イオンは高分子電解質膜を通過してカソード電極に伝達される。
【０００７】
そして、カソード電極に酸化剤が供給され、この酸化剤、水素イオンおよび電子がカソード電極の触媒上で反応して水を生成しながら電気を発生させる。
【０００８】
一方、アノード電極は気孔を有する炭素支持体と、炭素系粉末を主成分とする多孔性層からなる。
【０００９】
燃料電池運転時にフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）、ガス流路詰りなどの原因によってアノード電極への水素供給が不足するようになると、電子と水素イオンを外部回路とカソード電極にそれぞれ供給できない状況が発生し、燃料電池の電圧値がマイナスに下がる逆電圧現象を発生させる。
【００１０】
この時、不足した電子とプロトンを供給するためにアノード電極素材として使用された炭素が触媒反応を通じて水と反応して酸化しながら電極腐食が起こり、これは燃料電池の性能減少につながる。
【００１１】
このようなアノード電極の炭素酸化反応を防止するためにＲｕＯ2、ＩｒＯ2などの金属酸化物で形成された酸素発生触媒（ＯＥＣ：Ｏｘｙｇｅｎ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）を添加する方法が知られている。
【００１２】
このようなＯＥＣ触媒を添加すると、逆電圧状況で炭素が酸化される速度より水が分解される速度が速いため一時的に不足した電子と水素イオンを外部回路とカソードに供給することができるようになり、アノード電極の炭素酸化を防止して燃料電池性能の減少を防止することができる。
【００１３】
しかし、このようなＯＥＣ触媒は金属を含有している前駆体を酸化雰囲気で直接酸化させて形成するので、触媒粉末が粗大になり（約５０〜１００ｎｍ）アノード電極に過量のＯＥＣ触媒を添加しなければならないという問題点がある。
【００１４】
したがって、添加されるＯＥＣ触媒の量を減らすためにＩｒ、Ｒｕなどの金属を炭素支持体にアルコール還元法などで担持してＩｒ／ＣまたはＲｕ／Ｃに形成した後、酸素／空気雰囲気で酸化処理してＩｒＯ2／ＣまたはＲｕＯ2／Ｃを形成することができる。
【００１５】
しかし、前記のような方式は図１に示されているように、Ｉｒ／ＣまたはＲｕ／Ｃを酸化処理する過程で金属触媒だけでなく支持体の素材である炭素も酸化されて触媒合成収率が顕著に低くなるという短所もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】韓国登録特許第１０−１１６２６２９号公報
【特許文献２】特許第５０４５９１１号公報
【特許文献３】韓国登録特許第１０−０９８７４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の実施形態は、支持体の素材である炭素の酸化を防止し酸素発生触媒として使用される金属のみ選択的に酸化させることができ、酸素発生触媒の合成収率が向上できる燃料電池用電極添加物およびその合成方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一つまたは多数の実施形態では、金属塩をエチレングリコールに溶解させて金属塩溶解液を製造する段階と、前記金属塩溶解液に炭素を分散させて炭素−金属塩懸濁液を製造する段階と、前記炭素−金属塩懸濁液を加熱し冷ました後、炭素担持金属粉末をろ過する段階と、前記炭素担持金属粉末を洗浄および乾燥する段階と、前記炭素担持金属粉末に水蒸気を流しながら３００〜１０００℃で熱処理して炭素担持金属酸化物粉末を得る段階とを含む燃料電池用電極添加物の合成方法を提供することができる。
【００１９】
また、前記金属塩はＩｒ、Ｒｕのうちのいずれか一つを含んで形成することができる。
【００２０】
また、前記炭素担持金属粉末はＩｒ／Ｃ、Ｒｕ／Ｃのうちのいずれか一つを含んで形成することができる。
【００２１】
また、前記炭素担持金属酸化物粉末はＩｒＯ2／Ｃ、ＲｕＯ2／Ｃのうちのいずれか一つを含んで形成することができる。
【００２２】
また、前記炭素担持金属酸化物粉末はアノード電極の製造に添加できる。
【００２３】
そして、本発明の一つまたは多数の実施形態では、前記合成方法のうちのいずれか一つを用いて形成された燃料電池用電極添加物を提供することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の実施形態は、ＩｒまたはＲｕなどの金属を炭素支持体にアルコール還元法などで担持した後、酸素／空気雰囲気で酸化処理する時、炭素は酸化されず金属のみ選択的に酸化させることができてＯＥＣ触媒合成収率が飛躍的に向上し、ＩｒＯ2またはＲｕＯ2が炭素担持体上に均一に分散された触媒を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の発明によって合成された炭素担持金属粉末と炭素担持金属酸化物粉末の写真図である。
【図２】本発明の実施形態による燃料電池用電極添加物の合成方法の工程フローチャートである。
【図３】本発明の実施形態によって合成された炭素担持金属粉末と炭素担持金属酸化物粉末の写真図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
これに先立ち、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎないだけであり本発明の技術的な思想を全て代弁するのではないので、本出願時点においてこれらが代替できる多様な均等物と変形例があり得るのを理解しなければならない。
【００２８】
図２は本発明の実施形態による燃料電池用電極添加物の合成方法の工程フローチャートであり、図３は本発明の実施形態によって合成された炭素担持金属粉末と炭素担持金属酸化物粉末の写真図である。
【００２９】
本発明の実施形態による燃料電池用電極添加物の合成方法は、アノード電極を構成する炭素に酸素発生触媒役割を果たす金属を担持した後に酸化処理する時、酸化剤として空気の代わりに水蒸気を使用し高温の熱を加えて触媒合成収率が向上するようにしたものである。
【００３０】
炭素に金属を担持する方法としては、金属塩と溶媒兼還元剤としてアルコールが反応して金属塩から金属を還元させるアルコール還元法を用いることができ、特に、本発明の実施形態では沸点の高い２価以上のアルコール（ポリオール）を用いたアルコール還元法、即ち、ポリオール法を使用することができる。
【００３１】
図２に示された本発明の実施形態による燃料電池用電極添加物は金属塩溶解液を製造する段階（Ｓ１０）と、炭素−金属塩懸濁液を製造する段階（Ｓ２０）と、炭素−金属塩懸濁液を加熱し冷ます段階（Ｓ３０）と、炭素担持金属粉末をろ過、洗浄および乾燥する段階（Ｓ４０）と、炭素担持金属粉末を酸化処理する段階（Ｓ５０）から構成される。
【００３２】
まず、金属塩を２価以上のアルコール、具体的にはエチレングリコールに添加し攪拌しながら溶解させて貯蔵溶液として使用される金属塩溶解液を製造する（Ｓ１０）。
【００３３】
金属塩としてはＯＥＣ触媒として多く使用されるＩｒ塩、Ｒｕ塩などを使用することができる。
【００３４】
還元剤としてエチレングリコールを用いた理由は、Ｉｒ塩、Ｒｕ塩が１８０℃以上で容易に分解、還元されるため、沸点がそれに及ばないメタノールやエタノールではＩｒ塩、Ｒｕ塩からＩｒ、Ｒｕを還元させるために長時間がかかるためである。
【００３５】
Ｉｒ塩、Ｒｕ塩をエチレングリコールに溶解させるためには常温で攪拌する。
【００３６】
この時、Ｉｒ塩、Ｒｕ塩はエチレングリコールに溶解されてイオン状態で存在する。
【００３７】
その次に、Ｉｒ塩またはＲｕ塩が溶解されている金属塩溶解液に炭素を添加し攪拌して、添加された炭素が金属塩溶解液によく分散されるようにして炭素−金属塩懸濁液を製造する（Ｓ２０）。
【００３８】
その次に、炭素−金属塩懸濁液を加熱し冷ます（Ｓ３０）。
【００３９】
炭素−金属塩懸濁液は加熱によってＩｒイオンまたはＲｕイオンが還元されながら炭素に担持されてＩｒ／ＣまたはＲｕ／Ｃに形成される。
【００４０】
そして、冷却ファンを用いて温度を常温まで落とす。
【００４１】
そして、炭素担持金属粉末をろ過、洗浄および乾燥させる（Ｓ４０）。
【００４２】
炭素担持金属粉末、即ち、Ｉｒ／ＣまたはＲｕ／Ｃはろ過膜を通じてろ過する。
【００４３】
そして、ろ過された炭素担持金属粉末を蒸溜水で数回洗浄し、乾燥させる。
【００４４】
その後、炭素担持金属粉末を酸化処理する過程を経る（Ｓ５０）。
【００４５】
この時、炭素担持金属粉末を酸素／空気雰囲気で酸化処理する場合、金属だけでなく支持体である炭素も酸化され触媒合成収率が顕著に低くなる恐れがある。
【００４６】
本発明の実施形態では炭素担持金属粉末をチャンバー内に入れて酸化剤として酸素の代わりに水蒸気を流しながら加熱温度を３００〜１０００℃に設定することができる。
【００４７】
加熱温度は、水蒸気を流すため従来の空気中で５００℃で熱処理する方法に比べて相対的に高い温度で熱処理可能であり、ＯＥＣ触媒合成収率も増進できる。
【００４８】
加熱温度は、前記の数値範囲内で下限値に及ばなければＯＥＣ触媒合成収率が低下することがあり、上限値を超過すれば炭素が酸化されることがある。
【００４９】
水蒸気は炭素担持金属粉末で炭素は酸化させず微細気孔を形成し、Ｉｒ、Ｒｕなどの金属のみ選択的に酸化させる効果がある。
【００５０】
Ｉｒ／ＣまたはＲｕ／Ｃは水蒸気と反応してＩｒＯ2／ＣまたはＲｕＯ2／Ｃに酸化される。
【００５１】
前記のような方法によって、ＯＥＣ触媒合成収率は図３のように、９０％以上に増進され、これは図１で酸素／空気雰囲気で酸化処理する場合にＯＥＣ触媒合成収率が３０％以下に形成されるのと比較してみるとき、飛躍的な結果である。
【００５２】
本発明の実施形態による燃料電池用電極添加物の合成方法によって形成されたＩｒＯ2／ＣまたはＲｕＯ2／Ｃは燃料電池のアノード電極を製造するのに使用されて燃料電池に逆電圧がかかってもアノード電極内の炭素腐食を防止し、電子と水素を外部回路とカソードに迅速に供給して燃料電池の性能が減少するのを防止することができる。
【００５３】
以上に本発明の一つの実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の実施形態から当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって容易に変更されて均等であると認められる範囲の全ての変更を含む。
【図２】
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【図１】
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【図３】
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