KR101064154B1 - Method of preparing cathode material for high temperature electrolysis - Google Patents
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Abstract
고온 수전해 전지의 환원극으로 사용되는 전극 물질의 전기전도도 향상, 소결입자의 조대화 방지 및 다공성을 유지할 수 있는 전극을 제조하기 위한 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법이 개시된다. 그러한 제조방법은, Ni 분말 및 Cu 분말을 YSZ 분말과 혼합하고 테르피네올을 첨가한 후 볼밀링하여 Ni/Cu/YSZ 써멧을 형성하며, 여기서, Ni 분말, Cu 분말 및 상기 YSZ 분말의 부피비는 10:50:40 내지 50:10:40의 범위일 수 있고, 볼밀링의 회전수는 200 내지 500rpm일 수 있으며, 볼밀링 시간은 24 시간 내지 60 시간일 수 있으며, Ni/Cu/YSZ 써멧의 입자크기는 0.5 내지 4㎛일 수 있다.Disclosed is a method for producing a cathode material for high temperature electrolysis for producing an electrode capable of improving electrical conductivity of an electrode material used as a cathode of a high temperature electrolytic cell, preventing coarsening of sintered particles, and maintaining a porosity. In such a manufacturing method, Ni powder and Cu powder are mixed with YSZ powder, terpineol is added and ball milling to form Ni / Cu / YSZ cermet, where the volume ratio of Ni powder, Cu powder and the YSZ powder is 10:50:40 to 50:10:40, the number of revolutions of the ball mill may be 200 to 500rpm, the ball milling time may be 24 to 60 hours, the Ni / Cu / YSZ cermet Particle size may be 0.5 to 4㎛.
고온 수전해, 환원극, 볼밀, 수소 High temperature hydroelectrolyte, cathode, ball mill, hydrogen
Description
본 발명은 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 물의 전기 분해에 의한 수소 제조에 사용되는 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a cathode material for high temperature hydrolysis, and more particularly, to a method for producing a cathode material for high temperature electrolysis used for hydrogen production by electrolysis of water.
수소는 석유 탈황, 암모니아 제조 등 화학 공업 부문에서 널리 사용되고 있으며 최근에는 우주 항공 산업의 연료, 반도체 제조 공정에 사용되는 가스, 연료 전지의 원료로도 사용되고 있다. 현재 주 에너지원인 화석 연료는, 질소 산화물, 황 산화물 및 각종 분진 등과 같은 대기 오염 물질의 배출 문제, 이산화탄소에 의한 지구 온난화 등에 따라 엄격해지는 각종 환경 규제 등 많은 문제점을 안고 있다. 따라서, 그러한 화석 연료를 대체할 친환경 에너지원으로서 수소의 생산 및 제조 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Hydrogen is widely used in the chemical industry, such as petroleum desulfurization and ammonia production. Recently, hydrogen is also used as a raw material for fuels, aerospace, gas and fuel cells in the aerospace industry. Currently, fossil fuels, which are the main energy sources, have many problems such as emissions of air pollutants such as nitrogen oxides, sulfur oxides, and various dusts, and various environmental regulations that are strict due to global warming caused by carbon dioxide. Therefore, researches on the production and production technology of hydrogen as an environmentally friendly energy source to replace such fossil fuels are actively conducted.
수소를 제조하는 방법들로서, 오일이나 천연 가스를 사용하는 수증기 개질법(steam reforming) 또는 부분 산화법(partial oxidation) 등을 들 수 있으나, 이러한 방법들에 의해 제조된 수소는 재생 에너지 시스템에는 사용할 수 없다는 단점 이 있다.Examples of methods for producing hydrogen include steam reforming or partial oxidation using oil or natural gas, but hydrogen produced by these methods cannot be used in renewable energy systems. There is this.
그리하여, 영구적인 재생 에너지 시스템으로 물을 전기 분해하여 수소를 제조하는 방법이 연구되었다. 물의 전기분해에 의한 수소 제조는 작동 온도에 따라 저온 수전해법과 고온 수전해법으로 분류해 볼 수 있다. 특히 고온 수전해법을 이용한 수소 제조방법은 저온 수전해법에 비해 필요한 에너지의 약 1/3을 열 에너지로 대체하고, 빠른 전극 반응을 이용하여 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있어 그 중요성이 점차 증대되고 있다.Thus, a method of producing hydrogen by electrolyzing water with a permanent renewable energy system has been studied. Hydrogen production by electrolysis of water can be classified into low temperature electrolysis and high temperature hydrolysis according to the operating temperature. In particular, the hydrogen production method using the high temperature electrolytic method has the advantage of replacing about 1/3 of the required energy with thermal energy and lowering the manufacturing cost by using the rapid electrode reaction, compared to the low temperature hydroelectrolyzing method. have.
고온 수전해법을 이용한 수소 제조방법은, 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)의 역반응으로서, 고체 산화물 연료전지의 구성과 유사하기 때문에 기술 활용 범위가 넓은 장점이 있지만, 작동 온도가 약 600 ℃ 이상의 고온이기 때문에 고온에서 안정한 형태로 제작이 가능한 전극용 물질을 개발해야 할 필요성이 있다.Hydrogen production using high temperature hydrolysis is a reverse reaction of solid oxide fuel cells (SOFCs), and has similar advantages to the composition of solid oxide fuel cells. There is a need to develop an electrode material that can be manufactured in a stable form at a high temperature because it is a high temperature of more than ℃.
고온 수전해 및 고체 산화물 연료전지의 전극물질로 널리 알려진 니켈(Ni)과 이트륨으로 안정화된 지르코니아(Yttrium Stabilized Zirconia, YSZ)를 합성하여 Ni/YSZ 써멧(cermet)을 제조하여 사용하고 있다.Ni / YSZ cermet is prepared by synthesizing Yttrium Stabilized Zirconia (YSZ), which is widely known as an electrode material for high temperature electrolytic and solid oxide fuel cells.
이러한 Ni/YSZ 써멧의 제조방법은 기계적합금화를 이루기 위해 고에너지 볼밀링(ball milling) 장치를 사용한다. Ni/YSZ 써멧의 형성에 있어서 Ni 분말과 YSZ 분말의 혼합 비율은 약 2:8 내지 8:2의 부피비로 혼합되고, 볼밀링 공정은 습식 밀링 공정으로 수행된다. 볼밀링 공정에서는 용기에 볼을 장입하여 Ni와 YSZ 분말을 용매인 테르피네올(terpineol)과 에탄올을 첨가하고, 150 내지 500 rpm으로 24 내 지 90 시간동안 공정을 수행된다. Ni/YSZ 써멧의 형성에 관해서는 출원번호 10-2006-0026023(2006년 3월 22일 출원)에 보다 상세히 예시되어 있으므로 이를 참조할 수 있다.The method for producing Ni / YSZ cermet uses a high energy ball milling device to achieve mechanical alloying. In forming the Ni / YSZ cermet, the mixing ratio of the Ni powder and the YSZ powder is mixed at a volume ratio of about 2: 8 to 8: 2, and the ball milling process is performed by a wet milling process. In the ball milling process, Ni and YSZ powders are added to the container, and the solvent is terpineol and ethanol, and the process is performed at 150 to 500 rpm for 24 to 90 hours. The formation of the Ni / YSZ cermet is described in more detail in Application No. 10-2006-0026023 (filed March 22, 2006) and may be referred to this.
위와 같이, Ni/YSZ 써멧 전극 물질을 제조함에 있어서 Ni을 단독으로 사용할 경우, 고온에서 수전해 반응이 진행되면서 소결에 의해 입자 조대화 현상과 미세구조가 다공성에서 기공률이 적은 구조로 변환되면서 수전해 반응의 중요한 물성인 전기전도도와 촉매기능이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 전기전도도와 촉매기능의 저하는 전기화학반응의 물질 전달 및 전지의 저항을 증가시켜 전지의 내구성과 수전해 효율의 저하를 초래하게 된다. 그리하여, 이와 같은 현상이 수전해 시스템의 유지보수비용과 수소생산단가를 증가시키므로, 경제적 손실이 증가하는 문제점이 있다.As described above, in the case of using Ni alone in the preparation of Ni / YSZ cermet electrode materials, the electrolytic reaction proceeds at high temperature while the electrolytic reaction of the particle coarsening phenomenon and the microstructure is changed from porous to low porosity structure. There is a problem in that the electrical conductivity and the catalyst function, which are important properties of the reaction, are degraded. The lowering of the electrical conductivity and the catalytic function increases the mass transfer of the electrochemical reaction and the resistance of the battery, resulting in a decrease in durability and electrolytic efficiency of the battery. Thus, such a phenomenon increases the maintenance cost and the hydrogen production cost of the receiving system, and thus there is a problem of increasing economic losses.
따라서, 그러한 문제점들을 개선하기 위한 기술적인 보완이 전극제조기술에 있어서 절실히 요구되고 있다.Therefore, there is an urgent need in the electrode manufacturing technology for technical supplementation to solve such problems.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고온 수전해 전지의 환원극으로 사용되는 전극 물질의 전기전도도 향상, 소결입자의 조대화 방지 및 다공성을 유지할 수 있는 전극을 제조하기 위한 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to improve the electrical conductivity of the electrode material used as the cathode of the high temperature electrolytic cell, to prevent the coarsening of the sintered particles and to prepare the electrode capable of maintaining the porosity It is to provide a manufacturing method.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 전지의 내구성 및 수전해 효율의 저하를 방지할 수 있는 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a cathode material for high temperature electrolysis, which can prevent degradation of battery durability and electrolytic efficiency.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 수전해 시스템의 유지보수비용 및 수소생산단가를 낮출 수 있는 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a cathode material for high temperature electrolysis, which can lower the maintenance cost and the hydrogen production cost of the electrolytic system.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법은, Ni 분말 및 Cu 분말을 YSZ 분말과 혼합하고 테르피네올을 첨가한 후 볼밀링하여 Ni/Cu/YSZ 써멧을 형성한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for producing a cathode material for high temperature electrolysis according to an aspect of the present invention, wherein Ni / Cu / YSZ is mixed by mixing Ni powder and Cu powder with YSZ powder, and then terpineol is added. Form a cermet.
바람직하게는, 상기 Ni 분말, 상기 Cu 분말 및 상기 YSZ 분말의 부피비는 10:50:40 내지 50:10:40의 범위일 수 있으며, 상기 Ni 분말의 입자 크기는 약 3 ㎛ 이하, Cu 분말의 입자 크기는 약 10㎛ 이하, 상기 YSZ 분말의 입자 크기는 220nm이다.Preferably, the volume ratio of the Ni powder, the Cu powder and the YSZ powder may range from 10:50:40 to 50:10:40, and the particle size of the Ni powder is about 3 μm or less, The particle size is about 10 μm or less, and the particle size of the YSZ powder is 220 nm.
바람직하게는, 상기 볼밀링에서의 회전수는 200 내지 500rpm일 수 있다.Preferably, the rotation speed in the ball mill may be 200 to 500rpm.
바람직하게는, 상기 볼밀링의 시간은 12 시간 내지 60 시간일 수 있다.Preferably, the time of the ball milling may be 12 hours to 60 hours.
바람직하게는, 상기 Ni/Cu/YSZ 써멧의 입자크기는 0.5 내지 4㎛일 수 있다.Preferably, the particle size of the Ni / Cu / YSZ cermet may be 0.5 to 4 ㎛.
바람직하게는, 상기 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법은 소포제를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the method of manufacturing the cathode material for high temperature water electrolysis may further include adding an antifoaming agent.
바람직하게는, 상기 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법은 분산제를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the method for producing a high temperature electrolytic cathode material may further include adding a dispersant.
바람직하게는, 상기 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법은 가소제를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the method for producing a cathode material for high temperature water electrolysis may further include adding a plasticizer.
바람직하게는, 상기 소포제는 폴리에틸렌 글리콜(PolyEthylene Glycol, PEG)일 수 있다.Preferably, the antifoaming agent may be polyethylene glycol (PolyEthylene Glycol, PEG).
바람직하게는, 상기 분산제는 피쉬 오일(fish oil)일 수 있다.Preferably, the dispersant may be fish oil.
바람직하게는, 상기 가소제는 글리세롤(glycerol) 또는 디부틸프탈레이트(DiButyl Phthalate, DBP)일 수 있다.Preferably, the plasticizer may be glycerol (glycerol) or dibutyl phthalate (DiButyl Phthalate, DBP).
상술한 바와 같이, 본 발명은 개선된 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법을 제공함으로써, 고온 수전해 전지의 환원극으로 사용되는 전극 물질의 전기전도도 향상, 소결입자의 조대화 방지 및 다공성을 유지할 수 있어, 전지의 내구성 및 수전해 효율의 저하를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.As described above, the present invention provides an improved method for producing a cathode material for high temperature electrolysis, thereby improving the electrical conductivity of the electrode material used as the cathode of the high temperature electrolytic cell, preventing coarsening of sintered particles, and maintaining porosity. It has the effect of being able to prevent the fall of durability of a battery, and electrolytic efficiency.
또한, 본 발명은 개선된 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법을 제공함으로써, 수전해 시스템의 유지보수비용 및 수소생산단가를 낮출 수 있는 효과를 갖는다.In addition, the present invention has an effect of lowering the maintenance cost and the hydrogen production cost of the electrolytic system by providing an improved method for producing a cathode material for high temperature electrolytic.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 이하의 설명 및 첨부된 도면들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 의도로 예시된 것이므로, 이들이 본 발명의 범위를 한정하는 것을 해석되어서는 아니될 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described preferred embodiments of the present invention. The following description and the annexed drawings are intended to assist those of ordinary skill in the art to understand the present invention, and therefore, they should not be construed as limiting the scope of the present invention. will be.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온수 전해용 환원극 물질은 Ni 분말, Cu 분말에 YSZ 분말을 직접적으로 혼합하기 위해 테르피네올(terpineol)을 용매로 첨가한 후 고에너지 볼밀링(high-energy ball milling)에 의해 기계적으로 합금화하여 Ni/Cu/YSZ 써멧을 제조한다. 상기 고에너지 볼밀링이라 함은, 통상적으로 유성밀(planetary mill)을 사용하여 300rpm 이상에서 제조하는 공정을 말한다.The cathode material for hot water electrolysis according to an embodiment of the present invention is a high-energy ball milling solution after adding terpineol as a solvent to directly mix YSZ powder with Ni powder and Cu powder. mechanical alloying by ball milling) to produce Ni / Cu / YSZ cermets. The high energy ball milling refers to a process of manufacturing at 300 rpm or more using a planetary mill.
고온수 전해용 환원극 물질로 이용되는 Ni 분말로서는, 약 3 ㎛ 이하, Cu 분말은 약 10㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 분말이 사용된다. 또한, YSZ 분말로서는, 220nm의 입자 크기를 갖는, 약 8mol% 산화이트륨(Y2O3)으로 안정화된 산화지르코늄(ZrO3)이 사용된다. 제조되는 Ni/Cu/YSZ 써멧의 입자크기는 0.5 내지 4㎛이다.As the Ni powder used as the cathode material for high temperature water electrolysis, a powder having a particle size of about 3 μm or less and Cu powder of about 10 μm or less is used. As the YSZ powder, zirconium oxide (ZrO 3 ) stabilized with about 8 mol% yttrium oxide (Y 2 O 3 ) having a particle size of 220 nm is used. The particle size of the prepared Ni / Cu / YSZ cermet is 0.5 to 4 ㎛.
Ni/Cu/YSZ 써멧 형성에 있어서, Ni 분말, Cu 분말과 YSZ 분말은 약 50:10:40(즉, 5:1:4) 내지 10:50:40(즉, 1:5:4)의 부피비로 습식 밀링 공정으로 수행된다. Ni/Cu/YSZ 써멧 형성에 이용되는 Ni 분말의 입자 크기는 약 3 ㎛ 이하, Cu 분말의 입자 크기는 약 10㎛ 이하, YSZ 분말의 입자 크기는 220nm이다.In Ni / Cu / YSZ cermet formation, the Ni powder, Cu powder and YSZ powder may be in the range of about 50:10:40 (i.e. 5: 1: 4) to 10:50:40 (i.e. 1: 5: 4). It is carried out in a wet milling process by volume ratio. The particle size of the Ni powder used for forming the Ni / Cu / YSZ cermet is about 3 μm or less, the particle size of the Cu powder is about 10 μm or less, and the particle size of the YSZ powder is 220 nm.
볼밀링 공정은 테르피네올(terpineol)을 용매로 사용하여 볼밀링 장치(Planetary ball mill)를 이용하여 약 12 내지 약 60 시간 동안 밀링하여 수행한다. 상기 테르피네올은 볼밀링기에 첨가되는 원료 물질들인 Ni 분말, Cu 분말, YSZ 분말이 응집되는 것을 방지함과 동시에 원료 물질과 볼의 접촉을 원활하게 한다.The ball milling process is performed by milling for about 12 to about 60 hours using a planetary ball mill using terpineol as a solvent. The terpineol prevents agglomeration of Ni powder, Cu powder, and YSZ powder, which are raw materials added to the ball mill, and facilitates contact between the raw material and the ball.
볼밀링시 회전수는 200 내지 500rpm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 400rpm이다. 볼 대 분말의 장입 무게비는 약 15:1인 것이 바람직하다. 여기서 상기 분말은 상기한 바와 같이 Ni 분말, Cu 분말과 YSZ 분말을 약 50:10:40(즉, 5:1:4) 내지 10:50:40(즉, 1:5:4)의 부피비로 사용하며, Ni/Cu/YSZ 써멧 형성에 이용되는 Ni 분말의 입자 크기는 약 3 ㎛ 이하, Cu 분말의 입자 크기는 약 10㎛ 이하, YSZ 분말의 입자 크기는 220nm이다. 또한 볼 밀링 공정시 사용한 용기와 볼(ball)은 Ni/Cu/YSZ 써멧의 오염을 방지하기 위해 산화지르코늄으로 제조된 것을 사용하며, 볼의 지름은 약 1mm 정도이다.It is preferable that the rotation speed at the time of ball milling is 200-500 rpm, More preferably, it is 400 rpm. The charge weight ratio of ball to powder is preferably about 15: 1. Wherein the powder comprises a Ni powder, a Cu powder and an YSZ powder as described above in a volume ratio of about 50:10:40 (ie 5: 1: 4) to 10:50:40 (ie 1: 5: 4). The particle size of the Ni powder used for forming the Ni / Cu / YSZ cermet is about 3 μm or less, the particle size of the Cu powder is about 10 μm or less, and the particle size of the YSZ powder is 220 nm. In addition, the container and the ball used in the ball milling process are made of zirconium oxide to prevent contamination of the Ni / Cu / YSZ cermet, the diameter of the ball is about 1mm.
Ni/Cu/YSZ 써멧을 제조하기 위한 기계적합금화 공정조건은 이하의 표 1에 나타내었다.The mechanical alloying process conditions for preparing Ni / Cu / YSZ cermet are shown in Table 1 below.
Ni, Cu, YSZ, 테르피네올
Ni, Cu, YSZ, Terpineol
12 ~ 60 시간
12 to 60 hours
400 rpm
400 rpm
Ni/Cu/YSZ 써멧의 제조 방법에 있어서, 볼밀링 시에 Ni 분말과 YSZ 분말을 직접 혼합함으로써 기존의 Ni/YSZ 제조 공정에 비해 환원 공정이 불필요한 이점을 갖게 된다.In the manufacturing method of Ni / Cu / YSZ cermet, by directly mixing the Ni powder and YSZ powder during ball milling, the reduction process is unnecessary compared to the conventional Ni / YSZ manufacturing process.
또한 테르피네올을 첨가하는 습식 밀링 공정을 수행함으로써 원료 분말보다 입자 크기가 감소하며 균일한 입자 크기 분포를 갖는 Ni/Cu/YSZ 써멧을 제조할 수 있다. 따라서 이를 포함하는 고온수전해 환원극의 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, by performing a wet milling process in which terpineol is added, a Ni / Cu / YSZ cermet having a uniform particle size distribution can be produced with a smaller particle size than the raw powder. Therefore, it is possible to improve the characteristics of the high temperature electrolytic reduction electrode including the same.
고에너지 볼밀링 공정에서 혼합물의 기포 발생을 억제하기 위해 소포제가 더 첨가될 수 있다. 그러한 소포제로서는, 예를 들면, 폴레에틸렌 글리콜(PolyEthylene Glycol)이 사용될 수 있다.Defoamers may be further added to suppress foaming of the mixture in high energy ball milling processes. As such antifoaming agent, for example, polyethylene ethylene (PolyEthylene Glycol) can be used.
또한, 고에너지 볼밀링 공정에서 Ni, Cu, 및 YSZ 분말과 테르피네올의 분산을 촉진하기 위해 분산제가 더 첨가될 수 있다. 그러한 분산제로서는, 예를 들면, 피쉬 오일(fish oil)이 사용될 수 있다.In addition, dispersants may be further added to promote the dispersion of Ni, Cu, and YSZ powders and terpineol in high energy ball milling processes. As such a dispersant, for example, fish oil may be used.
또한, Ni/Cu/YSZ 써멧의 제조성, 즉 수율 증가를 위해 가소제가 더 첨가될 수 있다. 그러한 가소제로서는, 예를 들면, 글리세롤(glycerol) 또는 디부틸프탈레이트(DiButyl Phthalate, DBP)가 사용될 수 있다. 고온 수전해용 환원극에서는 전기전도성물질인 Ni과 Cu, 이온전도성 물질인 YSZ가 균일하게 분포되어 있는 복합체로 제조하는 것이 중요하므로, 상기 가소제는 고에너지 볼밀 공정 동안 재료들에 소성성을 부여하여 복합체가 미세하고 고른 분포로 제조될 수 있게 한다. 가소제의 첨가에 의한 수율 향상은 대체로 5 내지 10 % 정도로 나타난다.In addition, a plasticizer may be further added to increase the manufacturability of the Ni / Cu / YSZ cermet, ie, increase yield. As such a plasticizer, glycerol or dibutyl phthalate (DBP) can be used, for example. In the cathode for high temperature electrolysis, it is important to prepare a composite in which Ni and Cu, which are electrically conductive materials, and YSZ, which are ion conductive materials, are uniformly distributed. Therefore, the plasticizer may give plasticity to materials during a high energy ball mill process. Makes it possible to produce a fine and even distribution. Yield improvement by the addition of plasticizers usually appears on the order of 5-10%.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법에 의해 제조된 Ni/Cu/YSZ 써멧의 입자 크기 및 형상의 예를 나타내는 SEM 사진이다. 도 1a는 12시간 동안 볼밀링한 SEM 사진으로서, 분말의 입자 크기는 평균 1.1㎛이고, 원료 분말에 비해 입자의 크기가 약간 미세화되었다.1A to 1E are SEM photographs showing examples of particle sizes and shapes of Ni / Cu / YSZ cermets prepared by the method of preparing a cathode material for high temperature water electrolysis according to an embodiment of the present invention. Figure 1a is a SEM image ball milled for 12 hours, the particle size of the powder is an average 1.1㎛, the size of the particles slightly compared to the raw powder.
도 1b 내지 도 1e의 사진은 12시간 간격(즉, 도 1b는 24시간 이후, 도 1c는 36시간 이후, 도 1d는 48시간 이후, 그리고 도 1e는 60 시간 이후)으로 볼밀링 시간을 증가시켜 제조한 결과를 나타내었다. 볼밀링 시간이 길어질수록 입자의 크기는 점차 미세화가 진행되는 것을 확인할 수 있다.The photographs of FIGS. 1B-1E increase the ball milling time at 12 hour intervals (ie, after 24 hours in FIG. 1B, after 36 hours in FIG. 1C, after 48 hours in FIG. 1D, and after 60 hours in FIG. 1E). The results of the preparation are shown. As the ball milling time becomes longer, the size of the particles may be gradually refined.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법에 의해 제조된 써멧 분발 및 Ni, Cu 및 YSZ 입자의 분포도(60 시간 이후의 분포도)를 나타내는 사진이다. 차례대로 도 2a는 Ni/Cu/YSZ 분말, 도 2b는 Ni, 도 2c는 Cu, 그리고 도 2d는 YSZ 입자의 분포도를 각각 나타낸다.2A to 2D are photographs showing a cermet powder prepared by the method for preparing a cathode material for high temperature water electrolysis according to an embodiment of the present invention and a distribution diagram of Ni, Cu, and YSZ particles (after 60 hours). In order, FIG. 2A shows Ni / Cu / YSZ powder, FIG. 2B shows Ni, FIG. 2C shows Cu, and FIG. 2D shows the distribution of YSZ particles.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 특히 도 2b 내지 도 2d의 에너지 분산형 X선 분석기(Energy dispersive X-ray, EDX)에서의 원소 분포도에서 알 수 있듯이 각 원소들(Ni, Cu, YSZ)이 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 2A to 2D, in particular, as shown in the element distribution diagram of the energy dispersive X-ray analyzer (EDX) of FIGS. 2B to 2D, each of the elements Ni, Cu, and YSZ is represented. It can be confirmed that it is uniformly distributed.
도 3은 볼밀링 시간의 증가에 따른 입도분포를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a particle size distribution with an increase in ball milling time.
도 3을 참조하면, 볼밀링 시간이 증가할수록 입도크기는 40 내지 250nm 정도의 크기가 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 입자가 미세할수록 수전해 반응이 발생하는 삼상계면의 면적이 넓어지므로, 전기전도도와 이온전도도가 향상될 수 있으며, 입자 간의 연결이 원활하게 형성되오 고온 수전해 환원극의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.Referring to FIG. 3, it can be seen that as the ball milling time increases, the size of the particle size gradually decreases from about 40 to 250 nm. The finer the particles, the wider the area of the three-phase interface in which the electrolytic reaction occurs, so that the electrical conductivity and the ionic conductivity can be improved, and the connection between the particles can be smoothly formed, thereby improving the performance of the high temperature electrolytic reduction electrode. .
도 4는 Ni/Cu/YSZ 써멧의 12 내지 60 시간까지 12시간 간격으로 볼밀링한 것에 대한 각각의 결정 구조의 변화를 관찰하기 위해 실시한 X-선 회절 패턴 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 4 shows the results of X-ray diffraction patterns carried out to observe changes in the respective crystal structures for ball milling of Ni / Cu / YSZ cermet at 12 hour intervals up to 12 to 60 hours.
도 4를 참조하면, 볼밀링 시간이 증가할수록 Ni와 Cu의 피크가 완만해지는 것을 볼 수 있는데 이것은 볼밀링 시간이 증가함에 따라 볼과 Ni, Cu 및 YSZ 원료의 충돌로 인한 파쇄와 압접이 반복되어 Ni와 Cu의 입계가 일부 손상되어 이러한 피크가 발생한 것으로 볼 수 있다. 반면 YSZ의 피크는 볼밀 시간과 관계없이 동일한 피크를 나타내고 있다. 60시간의 볼밀이 진행되는 동안 전기전도에 유리한 결정성으로 존재하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, as the ball milling time is increased, the peaks of Ni and Cu are smoothed, which is repeated as the ball milling time is increased and the crushing and pressure contact due to the collision between the balls and the Ni, Cu, and YSZ materials are repeated. This peak may be caused by partial damage of the grain boundaries of Ni and Cu. On the other hand, the peak of YSZ shows the same peak regardless of the ball mill time. During the 60-minute ball mill, it can be seen that the crystallinity exists in favor of electrical conduction.
900℃에서 환원열처리한 Ni/Cu/YSZ 써멧(본 발명, 실시예)과 Ni/YSZ 써멧(종래 기술, 비교예)의 전기전도도 측정결과를 이하의 표 2에 나타내었다.Table 2 shows the measurement results of the electrical conductivity of Ni / Cu / YSZ cermet (invention, Example) and Ni / YSZ cermet (prior art, comparative example) subjected to reduction heat treatment at 900 ° C.
볼밀링 시간이 증가할수록 전기전도도가 증가하는 것을 볼 수 있다. 전기전도도는 전자의 이동통로인 Ni 및 Cu의 함량과 입자의 연결도에 따라 변화한다. 따라서 볼밀링 시간이 증가할수록 전기전도도가 증가한 것은 전기전도도가 우수한 Cu의 첨가와 Ni와 Cu입자가 미세하게 제조되어 입자간의 연결도가 향상되어 전기전도에 영향을 미치게 된다. 이와 같은 미세구조는 종래의 기술(즉 비교예인, 특허출원번호 10-2004-0075766(2004년 9월 22일 출원))의 전기전도도 1.4x104 S/cm 보다 우수하게 작용한 것으로 판단된다.It can be seen that the electrical conductivity increases as the ball milling time increases. The electrical conductivity changes depending on the content of Ni and Cu, which are electron transfer paths, and the connection of particles. Therefore, as the ball milling time is increased, the electrical conductivity is increased, and the addition of Cu having excellent electrical conductivity and the fine production of Ni and Cu particles have an effect on the electrical conductivity by improving the connection between the particles. Such a microstructure is believed to work better than 1.4x10 4 S / cm in electrical conductivity of the prior art (ie, Comparative Example, Patent Application No. 10-2004-0075766 (filed September 22, 2004)).
물분자 삼상계면에서 수전해 반응이 발생하기 위해 환원극에 고르게 침투할 수 있는 일정량의 기공도가 필요하게 된다. 위의 표 2는 수은압입법으로 측정한 기공률 결과를 나타낸 것으로서, 볼밀 시간이 증가할수록 기공률도 증가하는 것을 볼 수 있다. 900℃에서 2시간 동안 소결조건에서 실시한 60 시간의 볼밀링 시간을 갖는 Ni/Cu/YSZ 써멧이 환원극으로서 갖추어야 할 충분한 기공형성을 한 것으로 판단된다.In order to generate an electrolytic reaction in the three-phase interface of water molecules, a certain amount of porosity is required to penetrate the reduction electrode evenly. Table 2 above shows the porosity results measured by the mercury porosimetry, and it can be seen that the porosity also increases as the ball mill time increases. The Ni / Cu / YSZ cermet, having a ball milling time of 60 hours, carried out under sintering conditions at 900 ° C. for 2 hours, is considered to have sufficient pore formation to be provided as a cathode.
상술한 본 발명에 따른 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법은 전기전도도가 우수한 Cu 분말을 기존의 환원극 물질인 Ni/YSZ에 첨가하여 습식 밀링공정을 기계적 합금법을 이용하여 소정의 조건으로 Ni/Cu/YSZ 써멧을 제조함으로써, 종래의 Ni/YSZ 전극물질보다 전기전도도가 우수하며, 수전해 반응이 발생하는 삼상계면을 넓게 확보할 수 있게 된다.In the above-described method for producing a high temperature electrolytic cathode material according to the present invention, a Cu powder having excellent electrical conductivity is added to Ni / YSZ, which is a conventional cathode material, to perform a wet milling process using a mechanical alloying method to obtain Ni under predetermined conditions. By manufacturing the / Cu / YSZ cermet, the electrical conductivity is superior to that of the conventional Ni / YSZ electrode material, and the three-phase interface in which the electrolytic reaction occurs can be secured widely.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법에 의해 제조된 Ni/Cu/YSZ 써멧의 입자 크기 및 형상의 예를 나타내는 SEM 사진이다.1A to 1E are SEM photographs showing examples of particle sizes and shapes of Ni / Cu / YSZ cermets prepared by the method of preparing a cathode material for high temperature water electrolysis according to an embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 수전해용 환원극 물질의 제조방법에 의해 제조된 써멧 분발 및 Ni, Cu 및 YSZ 입자의 분포도를 나타내는 사진이다.2A to 2D are photographs showing the cermet powder prepared by the method for preparing the cathode material for high temperature electrolysis according to an embodiment of the present invention and the distribution of Ni, Cu, and YSZ particles.
도 3은 볼밀링 시간의 증가에 따른 입도분포를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a particle size distribution with an increase in ball milling time.
도 4는 Ni/Cu/YSZ 써멧의 12 내지 60 시간까지 12시간 간격으로 볼밀링한 것에 대한 각각의 결정 구조의 변화를 관찰하기 위해 실시한 X-선 회절 패턴 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 4 shows the results of X-ray diffraction patterns carried out to observe changes in the respective crystal structures for ball milling of Ni / Cu / YSZ cermet at 12 hour intervals up to 12 to 60 hours.
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