KR101067448B1 - Superprotonic hybrid membrane from zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina and the preparation method thereof - Google Patents

Superprotonic hybrid membrane from zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina and the preparation method thereof Download PDF

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Abstract

본 발명은 소결되어진 K+-β"-alumina를 전구체로 하여 acetic acid와 ammonium nitrate로 이온교환한 초이온전도체(super ionic conductor)인 H3O+/NH4 +-β″-alumina를 지지체로 하고 전도성 고체산인 지르코늄 인산염을 침투시켜, 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인을 제조하는 것을 특징으로 한다.The present invention is a K + -β "-alumina as a precursor to the acetic acid and ammonium of H 3 O + / NH 4 + -β nitrate by ion exchange one seconds ion conductor (super ionic conductor)" -alumina been sintered to a support And penetrating zirconium phosphate, which is a conductive solid acid, to prepare a superproton conductive hybrid membrane.

Description

지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 및 그 제조 방법{Superprotonic hybrid membrane from zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina and the preparation method thereof}Superprotonic hybrid membrane from zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina and the preparation method according to zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina

본 발명은 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PEMFCs(proton exchange membrane fuel cell)의 80 ℃에서의 작동온도로 인한 문제점을 해결하고자 중온형 fuel cell에 사용되어지고 있는 고체산(solid acid)과 300 ℃부근에 높은 이온전도도를 가지는 초이온전도체인 proton-β"-alumina를 지지체로 하는 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 제조 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method for producing a super-proton electroconductive hybrid membrane using zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina, and more particularly, to solve a problem due to the operating temperature at 80 ° C of PEMFCs (proton exchange membrane fuel cell). Using zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina supported on solid acid used in mesophilic fuel cell and proton-β "-alumina, a super ion conductor with high ion conductivity near 300 ℃ It relates to a method for producing a superproton conductive hybrid membrane.

최근의 연료전지 기술은 perfluorosulfonic acid(PFSA) 고분자막(예, Nafion)을 전해질로 사용하는 PEMFC가 큰 기술적 발전을 이루어 실용화되어지고 있다. PEMFC는 가장 유망한 청정에너지 기술 중 하나로 64 %이상의 효율과 1, 2 차 전지에 비해 높은 에너지 밀도를 가지며 박막으로 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 현재 실용화되고 있는 PEMFC는 고온에서 취약한 Nafion막을 사용하기 때문에 작동온도가 약 80 ℃인 저온형 연료전지로 여러 주요한 문제점을 지니고 있다.Recently, fuel cell technology has been put to practical use due to the large technological development of PEMFC using perfluorosulfonic acid (PFSA) polymer membrane (eg, Nafion) as an electrolyte. PEMFC is one of the most promising clean energy technologies. It has the advantage of being more than 64% efficient and having high energy density compared to primary and secondary batteries, and can be manufactured in thin film. However, despite these advantages, PEMFC, which is currently in use, uses a weak Nafion membrane at a high temperature, and thus has a number of major problems with a low temperature fuel cell having an operating temperature of about 80 ° C.

막(membrane)을 통과하는 proton 전도도는 곧 막의 수화(hydration)정도에 비례한다. 따라서 공급되는 연료는 membrane을 건조시키지 않도록 충분히 가습되어져야 한다. 따라서 시스템의 수분(습도) 및 온도조절이 매우 정교하게 관리되어져야 하는데 민감하고 쉽지 않은 문제이다. 또한, 저온에서 작동하는 PEMFC는 미량의 CO에 의하여도 anode의 Pt 촉매가 피독(poison)되어 진다.  The proton conductivity across the membrane is directly proportional to the degree of hydration of the membrane. Therefore, the fuel to be supplied must be humidified enough to not dry the membrane. Therefore, the moisture (humidity) and temperature control of the system must be managed very carefully, which is a sensitive and not easy problem. In addition, PEMFCs operating at low temperatures poison the Pt catalyst of the anode with trace amounts of CO.

이러한 문제들은 PEMFC의 작동온도를 100 ℃ 이상으로 올림으로서 크게 개선할 수 있다. Anode의 Pt 촉매의 피독을 방지하기 위한 CO의 허용치는 80 ℃에서 20 ppm, 130 ℃에서 1,000 ppm 그리고 200 ℃에서 30,000 ppm 으로 급격히 증가된다. These problems can be greatly improved by raising the operating temperature of the PEMFC above 100 ° C. The allowance of CO to prevent poisoning of the Pt catalyst of the anode is rapidly increased to 20 ppm at 80 ° C, 1,000 ppm at 130 ° C and 30,000 ppm at 200 ° C.

한편, 또 다른 문제인 수분(습도) 및 온도관리의 경우, 작동온도의 상승과 함께 물의 끓는점 위에서 cell 내부는 단일상인 수증기로만 존재하게 되어 시스템의 조절 및 관리를 단순화 시킬 수 있다. 그 외에도 PEMFC의 작동온도 상승은 다른 여러 장점들을 가져다준다. 즉, 반응속도를 빠르게 하여 귀금속 촉매의 사용을 줄일 수 있으며 proton의 이동 속도를 증가시켜 membrane의 저항을 낮춘다.  On the other hand, in the case of moisture (humidity) and temperature management, the temperature inside the cell above the boiling point of the water is only present as a single phase of water vapor as the operating temperature rises, thereby simplifying the control and management of the system. In addition, the increased operating temperature of the PEMFC brings several other advantages. In other words, the reaction rate can be increased to reduce the use of noble metal catalysts, and the resistance of the membrane is lowered by increasing the movement speed of protons.

또한 현재의 PEMFC는 80 ℃의 저온에서 작동하므로 열 에너지의 회수가 매우 미미하다. 그러나 작동온도 200 ℃ 정도에서 내부압력을 15 atm 정도 상승시키면 회수할 수 있는 열량은 크게 증가하여 시스템의 가열 및 수증기 공급 등에 직접 사용할 수 있어 연료전지의 전체 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라 200 ℃ 정도의 작동온도는 methanol의 개질(reforming) 및 최근 새로이 주목 받고 있는 수소저장물질들(예, NaAlH4)로부터 수소를 탈착(desorption) 시킬 수 있는 온도에 근접한다. 따라서 고가의 연료인 수소를 대체할 수 있는 기술개발이 가능하다. In addition, current PEMFCs operate at low temperatures of 80 ° C, resulting in very little heat recovery. However, if the internal pressure is increased by about 15 atm at the operating temperature of about 200 ℃, the amount of heat that can be recovered is greatly increased, which can be directly used for heating the system and supplying steam, thereby improving the overall efficiency of the fuel cell. In addition, the operating temperature of about 200 ℃ is close to the temperature for the reforming of methanol and the desorption of hydrogen from hydrogen storage materials (e.g., NaAlH 4 ), which is recently attracting attention. Therefore, it is possible to develop a technology that can replace the expensive fuel hydrogen.

위와 같이 PEMFC의 작동온도를 200 ℃ 가까이 상승시켜 고온형 cell을 구성할 경우, 연료전지 효율의 상승, 무게의 감소, 부피(크기)의 감소, 구성의 단순화, 작동의 간편화, 구성 및 작동 가격 감소 등을 기대할 수 있어 이 분야에 많은 관심과 연구가 진행되고 있다.As mentioned above, when constructing a high temperature cell by increasing the operating temperature of PEMFC close to 200 ℃, fuel cell efficiency is increased, weight is reduced, volume is reduced, configuration is simplified, operation is simple, configuration and operation cost are reduced. There is a lot of interest and research in this field.

한편, SAFCs(solid acid fuel cell)의 경우 150 ℃ ∼ 300 ℃의 중온에서 운용되어지기 때문에 기존의 PEMFCs과 같은 fuel cell과 비교하였을 때 여러 가지 이점을 가지고 있다.On the other hand, SAFCs (solid acid fuel cell) has a number of advantages compared to the conventional fuel cells, such as PEMFCs because it is operated at a medium temperature of 150 ℃ to 300 ℃.

일반적으로 전극 반응 속도는 고온이 될수록 빨라진다. 따라서 실온 부근에서는 진행하기 어려운 활성화 에너지가 높은 반응도 고온이 되면 쉽게 진행할 수 있는 경우가 많다. 200 ℃이하의 저온 영역에선 Pt나 Ru등의 고가의 귀금속 촉매를 사용하지 않으면 원활하게 진행되지 않는 전극 반응도 수 100 ℃의 고온에서는 반응원계가 활성화 에너지의 산을 넘을 확률이 훨씬 높아지므로 전극 반응이 신속하게 진행된다.In general, the electrode reaction rate increases as the temperature increases. Therefore, the reaction energy, which is difficult to proceed in the vicinity of room temperature, may be easily progressed when the reaction temperature becomes high. In the low temperature region below 200 ℃, electrode reactions that do not proceed smoothly without expensive precious metal catalysts such as Pt and Ru are more likely to occur when the reaction source system exceeds the acid of activation energy at a high temperature of 100 ℃. It proceeds quickly.

연료전지 전극의 경우 이것은 고온이 될수록 전류를 끌어내어도 퍼텐셜의 변화가 작다는 것, 즉 분극이 작은 것을 의미한다. 따라서 200 ℃이하의 저온형 연료전지에서 불가결하였던 고가의 귀금속 촉매를 전극에 첨가하는 것이 불필요하므로 저렴한 촉매로 대체할 수 있다. 이와 같은 상태에서 높은 출력밀도의 발전을 할 수 있으므로 저온형에 비하여 높은 발전효율을 기대할 수 있다. 또 고온이 되면 전극 반응 전반이 원활하게 진행되고 여러 종류의 연료를 사용하는 것도 가능하다.In the case of fuel cell electrodes, this means that the higher the temperature, the smaller the potential change, even if the current is drawn, that is, the smaller the polarization. Therefore, it is unnecessary to add an expensive noble metal catalyst, which is indispensable in a low temperature fuel cell of 200 ° C. or lower, to be replaced with an inexpensive catalyst. In this state, since high power density can be generated, high power generation efficiency can be expected as compared with low temperature type. In addition, when the temperature rises, the electrode reaction proceeds smoothly, and various types of fuels can be used.

고온 연료전지의 또 하나의 특징은 고온 작동에 의한 열의 방출 이용이 쉬운 점이다. 일반적으로 열원의 온도가 높을수록 열 에너지의 이용율이 높아진다. 예를 들면 고분자 고체 전해질막 연료전지의 열 방출은 높아야 고작 80 ℃정도인데 이정도의 온도는 겨우 난방에 사용할 수 있을 정도이다. 이에 비하여 고온 연료전지에서는 발전하여 얻은 전기 에너지 외에 수 100 ℃에 이르는 양질의 열 방출을 이용할 수 있다. 이 경우에는 이 열의 방출로 다시 터빈 발전기나 제벡효과에 의한 열발전으로 발전하고 그 후에 냉방이나 난방의 열원으로 이용할 수 있다. 그 때문에 원래 연료의 연소 에너지에 대한 변환 전력과 이용 열 에너지의 총합적인 비율, 즉 총합 연료전지 효율이 저온형 연료전지의 경우에 비하여 훨씬 높다.Another feature of high temperature fuel cells is the ease of use of heat dissipation by high temperature operation. In general, the higher the temperature of the heat source, the higher the utilization of thermal energy. For example, the heat dissipation of a polymer solid electrolyte membrane fuel cell should be high at about 80 ° C., but this temperature can only be used for heating. On the other hand, high-temperature fuel cells can utilize high-quality heat dissipation up to several hundred degrees Celsius in addition to the electrical energy obtained by power generation. In this case, the heat is generated again by heat generation by turbine generator or Seebeck effect by the release of this heat, and then it can be used as a heat source for cooling or heating. Therefore, the total ratio of the conversion power to the thermal energy used, that is, the total fuel cell efficiency, is much higher than that of the low temperature fuel cell.

그러나, 현재 사용되어지고 있는 PEMFCs의 80 ℃에서의 작동온도로 인한 문제점이 발생하였고, SAFCs에 사용되는 고체산(solid acid)인 zirconium phosphate solid acid 고온 상에서 높은 이온 전도성에도 불구하고 낮은 강도 때문에 막(membrane)으로 제작에 많은 제약이 있었다.However, problems have arisen due to the operating temperatures of PEMFCs in use at 80 ° C and due to their low ionic conductivity at high temperatures, zirconium phosphate solid acid, a solid acid used in SAFCs, Membrane) has been a lot of constraints.

또한 Na+-beta-alumina로부터 이온교환을 통해 proton-beta-aluminas를 제조할 경우, 이온반경의 차이가 매우 커 이온교환 시 큰 응력으로 인해 결정구조를 깨뜨릴 수 있기 때문에 제조가 어렵고, 단지 분말 상으로만 완전하게 이온교환이 되는 문제점이 있었다.In addition, the production of proton-beta-aluminas by ion exchange from Na + -beta-alumina is very difficult due to the large difference in ion radius, which can break the crystal structure due to large stress during ion exchange. There was a problem that only ion exchange completely.

따라서 상술한 문제점을 해결할 수 있는 방안으로 전도성 고체산인 지르코늄 인산염과 proton-beta-aluminas을 사용한 복합 membrane의 개발이 필요하게 되었다.Therefore, it is necessary to develop a composite membrane using zirconium phosphate and proton-beta-aluminas, which are conductive solid acids, to solve the above problems.

본 발명은 초이온전도체(super ionic conductor)인 H3O+/NH4 +-β″-alumina를 지지체로 하고, 전도성 고체산인 지르코늄 인산염을 사용한 복합 membrane을 제조하는 데에 그 목적이 있다.An object of the present invention is to prepare a composite membrane using zirconium phosphate, which is a conductive solid acid, as a support using H 3 O + / NH 4 + -β ″ -alumina, which is a super ionic conductor.

본 발명은 1400 ℃에서 소결되어진 K+-β"-alumina를 전구체로 하여 acetic acid와 ammonium nitrate로 이온교환한 초이온전도체(super ionic conductor)인 H3O+/NH4 +-β″-alumina를 지지체로 하고 전도성 고체산인 지르코늄 인산염을 침투시켜, 제조되는 것을 특징으로 한다.The present invention is H 3 O + / NH 4 + -β ″ -alumina, a super ionic conductor ion-exchanged with acetic acid and ammonium nitrate using K + -β "-alumina sintered at 1400 ℃ as a precursor It is characterized in that it is prepared by infiltrating zirconium phosphate which is a conductive solid acid as a support.

상기 지르코늄 인산염은 수분을 함유한 ZrOCl28H2O 솔루션에 H3PO4 를 첨가하고, 세척한 후 368 K 에서 건조하여 제조되는 것을 특징으로 한다.The zirconium phosphate is prepared by adding H 3 PO 4 to a water-containing ZrOCl 2 8H 2 O solution, washing and drying at 368 K.

상기 지르코늄 인산염은 ZrOCl28H2O을 2M HCl에 해리 시키고, 묽은 H3PO4를 1000rpm으로 섞어서, 필터링한 후 H3PO4로 세척한 후 368K로 건조시킨 후 가공하여 제조되는 것을 특징으로 한다.The zirconium phosphate is prepared by dissociating ZrOCl 2 8H 2 O in 2M HCl, mixing dilute H 3 PO 4 at 1000 rpm, filtering, washing with H 3 PO 4 , drying at 368 K, and then processing. .

상기 지르코늄 인산염은 계면제 Aniline과 span-tween을 에탄올에 용해시키고, PH=2 이하로 HCl을 첨가하여 조정하며, 지르코늄 이온을 섞고, 인산을 첨가하며, 혼합액을 에이징시켜, 필터링한 후 에탄올로 세척하고, 120℃로 건조하여 제조되는 것을 특징으로 한다.The zirconium phosphate is adjusted by dissolving the surfactant Aniline and span-tween in ethanol, adding HCl to PH = 2 or less, mixing zirconium ions, adding phosphoric acid, aging the mixture, filtering and washing with ethanol And dried to 120 ° C.

상기 지르코늄 인산염은 ZrOCl28H2O를 증류수에 용해시킨 후 (NH4)2CO3와 (NH4)2HPO4를 용액에 첨가하며, 이후 80℃의 온도로 오븐에 보관한 후, 90℃와 120℃로 에이징시키고, 냉각시킨 후 필터링과 세척하고 건조하며, 540 ℃에서 하소시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.The zirconium phosphate is dissolved in ZrOCl 2 8H 2 O in distilled water and then added (NH 4 ) 2 CO 3 and (NH 4 ) 2 HPO 4 to the solution, and then stored in an oven at a temperature of 80 ℃, 90 ℃ Aged at 120 ° C., cooled, filtered, washed, dried, and calcined at 540 ° C.

상기 지르코늄 인산염은 ZrOCl28H2O를 물에 용해시키고, H3PO4와 hydrofluoric acid를 첨가한 후 80℃에서 에이징시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.The zirconium phosphate is prepared by dissolving ZrOCl 2 8H 2 O in water, adding H 3 PO 4 and hydrofluoric acid, and then aging at 80 ° C.

본 발명에 따르면, 실용화되고 있는 기존의 PEM연료전지에 접목하여 중온형 PEM연료전지로 개발함으로서 전지의 성능과 효율을 높일 수 있고, 고분자계 멤브레인을 대체할 경우 소재 및 에너지사업분야에 큰 경제적 이익을 창출할 수 있다. According to the present invention, by combining with the existing PEM fuel cell that has been put into practical use to develop a medium temperature PEM fuel cell, it is possible to improve the performance and efficiency of the battery, and to replace the polymer membrane, a great economic benefit in the material and energy business field Can create.

또한, 본 발명에 따라, 중온형 PEM연료전지가 개발되면 에너지효율을 극대화시키고 성능을 향상시키는 발전시스템으로 활용이 가능할 뿐만 아니라, 전기자동차 혹은 하이브리드자동차의 전력공급장치로 활용하여 에너지효율을 향상시킬 수 있으며 가정용 소형 발전장치에도 중온형 PEM연료전지를 공급하여 경제성을 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, when a medium temperature type PEM fuel cell is developed, not only can be utilized as a power generation system to maximize energy efficiency and improve performance, but also can be utilized as a power supply device of an electric vehicle or a hybrid vehicle to improve energy efficiency. In addition, it can improve the economics by supplying medium temperature PEM fuel cell to home small power generation device.

또한, 본 발명에 따르면, PEM연료전지가 200℃내외의 중온에서 작동하도록 하여 아래와 같은 장점을 기대할 수 있다. 즉, (1) 반응속도를 빠르게 하여 귀금속 촉매(Pt등)의 사용을 줄이고, (2) Anode에서 발생하는 CO의 피독(poison)을 완화시키며, (3) Proton의 이동 속도를 증가시켜 membrane의 저항 감소와 함께 효율을 증가시키며, (4) PEM의 수분 및 온도관리시스템의 조절 및 관리를 단순화 시킨고, (5) 전지의 전류밀도와 출력을 향상시키고 에너지효율을 높여 경제성을 향상시키게 된다.In addition, according to the present invention, the PEM fuel cell can be expected to operate at a medium temperature of about 200 ℃ and the following advantages. That is, (1) reducing the use of noble metal catalysts (Pt, etc.) by increasing the reaction rate, (2) mitigating the poisoning of CO generated in the anode, and (3) increasing the migration rate of the protons. It increases efficiency with decreasing resistance, (4) simplifies the control and management of water and temperature management system of PEM, and (5) improves current density and output of battery and improves energy efficiency to improve economic efficiency.

또한, 본 발명에 따르면, 종래의 PEMFC는 80℃의 저온에서 작동하므로 열 에너지의 회수가 매우 미미하지만, 작동온도 200℃ 정도에서 내부압력을 15atm 정도 상승시키면 회수할 수 있는 열량은 크게 증가하여 시스템의 가열 및 수증기 공급 등에 직접 사용할 수 있어 연료전지의 전체 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 200℃ 정도의 작동온도는 methanol의 개질(reforming) 및 최근 새로이 주목 받고 있는 수소저장물질들로부터 수소를 탈착(desorption) 시킬 수 있는 온도에 근접하여 고가의 연료인 수소를 대체할 수 있는 기술개발이 가능하다.In addition, according to the present invention, since the conventional PEMFC operates at a low temperature of 80 ° C., the recovery of thermal energy is very insignificant. However, if the internal pressure is increased by about 15 atm at an operating temperature of about 200 ° C., the amount of heat that can be recovered is greatly increased. It can be used directly for heating and supplying steam to increase the overall efficiency of the fuel cell, and operating temperature of about 200 ℃ can desorb hydrogen from reforming methanol and hydrogen storage materials which are recently attracting attention. It is possible to develop a technology that can replace hydrogen, which is an expensive fuel, near the temperature that can be achieved.

또한, 본 발명에 따르면, PEMFC의 작동온도를 200℃ 가까이 상승시켜 중온형 cell을 구성할 경우, 연료전지의 전류밀도, 출력 및 효율의 상승, 무게의 감소, 부피(크기)의 감소, 구성의 단순화, 작동의 간편화, 구성 및 작동 가격 감소 등을 기대할 수 있다.In addition, according to the present invention, when constructing a medium temperature cell by increasing the operating temperature of the PEMFC close to 200 ° C, the current density, output and efficiency of the fuel cell, increase in weight, decrease in volume (size), configuration of Simplification, simplicity of operation, and reduced configuration and operating costs can be expected.

도1은 종래 발명에 따른 perfluorosulfonic acid(PFSA) 고분자막(예, Nafion)을 전해질로 사용하는 PEMFC를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도2a는 solid state reaction 계통도이고, 도2b는 하소 스케쥴이다.
도3은 소결 스케쥴을 나타내는 도면이다.
도4는 K+-β"-alumina specimens의 XRD 패턴을 보여주는 도면이다.
도5의 (a)는 150 ℃에서 3번의 리액션 타임에 따른 10 wt.% acetic acid를 이용한 ion exchange rate이고, (b)는 150 ℃에서 50 wt.% acetic acid를 이용한 ion exchange rate이고, (c)는 170 ℃에서 3번의 리액션 타임에 따른 10 wt.% acetic acid를 이용한 ion exchange rate를 나타내는 그래프이다.
도6은 150 ℃에서 10 wt.% acetic acid을 이용한 이온 교환의 XRD pattern을 나타내는 도면이다.
도7은 150 ℃에서 50 wt.% acetic acid을 이용한 이온 교환의 XRD pattern을 나타내는 도면이다.
도8은 170 ℃ 에서 10 wt.% acetic acid을 이용한 이온 교환의 XRD pattern을 나타내는 도면이다.
도9는 (A) 170 ℃에서 5 M ammonium nitrate를 이용한 인 경우 이온 교환 비율이고, (B)100 ℃에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온 교환 비율이고, (C) 130 ℃ 에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온 교환 비율이다.
도10은 (A) 150 ℃에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온 교환 비율이고, (B) 170 ℃에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온 교환 비율이며, (C) 200 ℃에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온 교환 비율이고, (D) 200 ℃에서 molten ammonium nitrate를 이용한 이온 교환 비율이다.
도11은 (A) 170 ℃ 에서 5 M ammonium nitrate를 이용한 이온 교환의 XRD 패턴이며, (B) 100 ℃ 에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온 교환의 XRD 패턴이다.
도12는 (A) 130 ℃에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온교환의 XRD 패턴이며, (B) 150 ℃에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온교환의 XRD 패턴이다.
도13은 (A) 170 ℃ 에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온교환의 XRD 패턴이고, (B) 200 ℃에서 10 M ammonium nitrate를 이용한 이온교환의 XRD 패턴이다.
도14는 (A) 200 ℃에서 molten ammonium nitrate를 이용한 이온교환의 XRD 패턴이다.
도15는 170 ℃에서 water를 이용하여 4시간 동안 이온교환의 XRD 패턴이다.
도16은 소결된 K+-β″-aluminas의 상대밀도를 나타내는 도면이다.
도17은 (A) 1400 ℃에서 소결된 K+-β″-alumina의 SEM 이미지(x5,000)이고, (B) 1400 ℃에서 소결된 K+-β″-alumina의 SEM 이미지(x10,000)이다.
도18a는 ZrOCl28H2O 솔루션에 H3PO4를 첨가하여 합성하는 단계를 보여주는 도면이고, 도18b는 도18a의 TGA/DTA 측정결과이며, 도18c는 SEM 측정결과(x2,000)이고, 도18d는 SEM 측정결과(x5,000)이며, 도18e,f는 EDS 측정결과이고, 도18g는 XRD 측정결과이다.
도19a는 ZrOCl28H2O을 2M HCl에 해리시키고, 묽은 H3PO4 를 첨가하여 합성하는 단계를 보여주는 도면이고, 도19b는 도19a의 TGA/DTA 측정결과이며, 도19c는 SEM 측정결과(x2,000)이고, 도19d는 SEM 측정결과(x5,000)이며, 도19e,f는 EDS 측정결과이고, 도19g는 XRD 측정결과이다.
도20a는 계면제 Aniline과 span-tween을 사용하여 ZrP 합성하는 단계를 보여주는 도면이고, 도20b는 Anilin의 TGA/DTA 측정결과이며, 도20c는 span-tween의 TGA/DTA 측정결과이고, 도20d는 Anilin의 SEM 측정결과(x5,000)이고, 도20e는 Anilin의 SEM 측정결과(x20,000)이며, 도20f는 span-tween의 SEM 측정결과(x5,000)이고, 도20g는 span-tween의 SEM 측정결과(x10,000)이며, 도20h,i는 Anilin의 EDS 측정결과이고, 도20j,k는 span-tween의 EDS 측정결과이고, 도20l은 Anilin의 XRD 측정결과이며, 도20m은 span-tween의 XRD 측정결과이다.
도21a는 sol-gel법을 이용한 구형의 ZrP합성하는 단계를 보여주는 도면이고, 도21b는 도21a의 TGA/DTA 측정결과이며, 도21c는 SEM 측정결과(x3,000)이고, 도20d는 SEM 측정결과(x5,000)이며, 도21e,f는 EDS 측정결과이고, 도21g는 XRD 측정결과이다.
도22a는 ZrOCl28H2O에 H3PO4와 HF를 첨가하여 판형의 ZrP 합성하는 단계를 보여주는 도면이고, 도22b는 도22a의 TGA/DTA 측정결과이며, 도22c는 SEM 측정결과(x5,000)이고, 도22d는 SEM 측정결과(x10,000)이며, 도22e,f는 EDS 측정결과이고, 도22g는 XRD 측정결과이다.
1 is a schematic view showing a PEMFC using a perfluorosulfonic acid (PFSA) polymer membrane (eg, Nafion) as an electrolyte according to the related art.
Figure 2a is a solid state reaction schematic, Figure 2b is a calcination schedule.
3 is a diagram illustrating a sintering schedule.
4 shows the XRD pattern of K + -β "-alumina specimens.
Figure 5 (a) is the ion exchange rate using 10 wt.% Acetic acid according to three reaction times at 150 ℃, (b) is the ion exchange rate using 50 wt.% Acetic acid at 150 ℃, ( c) is a graph showing the ion exchange rate using 10 wt.% acetic acid according to three reaction times at 170 ℃.
FIG. 6 is a diagram showing an XRD pattern of ion exchange using 10 wt.% Acetic acid at 150 ° C. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing an XRD pattern of ion exchange using 50 wt.% Acetic acid at 150 ° C. FIG.
8 is a diagram showing an XRD pattern of ion exchange using 10 wt.% Acetic acid at 170 ° C.
9 is (A) ion exchange rate when using 5 M ammonium nitrate at 170 ℃, (B) ion exchange rate using 10 M ammonium nitrate at 100 ℃, (C) 10 M ammonium nitrate at 130 ℃ The ion exchange rate used.
10 shows (A) ion exchange rate using 10 M ammonium nitrate at 150 ° C., (B) ion exchange rate using 10 M ammonium nitrate at 170 ° C., and (C) ion using 10 M ammonium nitrate at 200 ° C. Exchange rate, and (D) ion exchange rate using molten ammonium nitrate at 200 ° C.
Fig. 11 shows (A) XRD patterns of ion exchange using 5 M ammonium nitrate at 170 ° C, and (B) XRD patterns of ion exchange using 10 M ammonium nitrate at 100 ° C.
Figure 12 (A) is an XRD pattern of ion exchange using 10 M ammonium nitrate at 130 ° C, and (B) is an XRD pattern of ion exchange using 10 M ammonium nitrate at 150 ° C.
Fig. 13 shows (A) XRD patterns of ion exchange using 10 M ammonium nitrate at 170 ° C, and (B) XRD patterns of ion exchange using 10 M ammonium nitrate at 200 ° C.
Figure 14 (A) XRD pattern of ion exchange using molten ammonium nitrate at 200 ° C.
15 is an XRD pattern of ion exchange for 4 hours using water at 170 ° C.
Fig. 16 shows the relative density of sintered K + -β "-aluminas.
Figure 17 (A) SEM image of K + -β "-alumina sintered at 1400 ° C (x5,000), (B) SEM image of K + -β" -alumina sintered at 1400 ° C (x10,000) )to be.
FIG. 18A is a view showing the step of synthesizing by adding H 3 PO 4 to the ZrOCl 2 8H 2 O solution, FIG. 18B is the TGA / DTA measurement result of FIG. 18A, and FIG. 18C is an SEM measurement (x2,000). 18D shows the SEM measurement (x5,000), FIGS. 18E and F show the EDS measurement, and FIG. 18G shows the XRD measurement.
FIG. 19a is a view showing the step of dissociating ZrOCl 2 8H 2 O into 2M HCl and adding dilute H 3 PO 4 , FIG. 19b is the TGA / DTA measurement result of FIG. 19a, and FIG. 19c is the SEM measurement result. (x2,000), Fig. 19D is the SEM measurement result (x5,000), Figs. 19E and F are the EDS measurement results, and Fig. 19G is the XRD measurement results.
FIG. 20a is a diagram illustrating a step of synthesizing ZrP using a surfactant Aniline and span-tween, FIG. 20b is a TGA / DTA measurement result of Anilin, FIG. 20c is a TGA / DTA measurement result of span-tween, and FIG. 20d Is the SEM measurement result of Anilin (x5,000), Figure 20e is the SEM measurement result of Anilin (x20,000), Figure 20f is the SEM measurement result of the span-tween (x5,000), Figure 20g is span- SEM measurement result of tween (x10,000), Figure 20h, i is the result of Eni measurement of Anilin, Figure 20j, k is the result of EDS measurement of span-tween, Figure 20l is the XRD measurement result of Anilin, Figure 20m Is the result of XRD measurement of span-tween.
FIG. 21A shows a step of synthesizing a spherical ZrP using the sol-gel method, FIG. 21B is a TGA / DTA measurement result of FIG. 21A, FIG. 21C is an SEM measurement result (x3,000), and FIG. 20D is an SEM Measurement results (x5,000), Figs. 21E and F are the EDS measurement results, and Fig. 21G is the XRD measurement results.
FIG. 22A is a diagram illustrating a step of synthesizing ZrP in a plate form by adding H 3 PO 4 and HF to ZrOCl 2 8H 2 O, FIG. 22B is a TGA / DTA measurement result of FIG. 22A, and FIG. 22C is an SEM measurement result (x5). (000), Fig. 22D is the SEM measurement result (x10,000), Figs. 22E and F are the EDS measurement results, and Fig. 22G is the XRD measurement results.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 특징 및 각 제조 단계별 특징을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the features of the present invention and the features of each manufacturing step will be described in detail with reference to the following examples.

본 발명에 따른 중온에서 작동가능한 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인을 제조하여 전기적 특성, 상 안정성, 기계적 특성을 평가하였다.A super-proton conductive hybrid membrane using zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina operable at medium temperature according to the present invention was prepared to evaluate the electrical properties, phase stability, and mechanical properties.

또한 고체산인 zirconium phosphate와, β″- alumina를 이용하여 제조된 K+-β"-aluminas와 이에 따른 초양성자전도성 하이브리드 membranes의 실험과 분석 결과에 대해 순서대로 설명한다.
In addition, the results of experiments and analyzes of zirconium phosphate as a solid acid, K + -β "-aluminas prepared using β ″ -alumina, and the resulting superproton conductive hybrid membranes will be described in order.

상기 K+-β"-aluminas를 제조하기 위해 필요한 전기적 특성과 치밀한 조직의 beta-aluminas의 제조를 위해서는 1600 ∼ 1700 ℃의 높은 온도에서 소결이 필요하므로 400 ℃ 정도에서 구조의 변화가 일어나는 H3O+/NH4 +-β″-alumina 막을 소결하는 것은 불가능하다.H 3 O where the structural change occurs at about 400 ° C. because sintering is required at a high temperature of 1600 to 1700 ° C. in order to prepare the beta-aluminas of the dense structure and the electrical properties necessary to prepare the K + -β "-aluminas. It is impossible to sinter + / NH 4 + -β "-alumina membranes.

여기에서 지지체로로 사용하고자 하는 H3O+/NH4 +-β″-alumina는 양성자(H+, proton) 전도체로서 단결정의 이온전도도가 227 ℃에서 3 x 10-2 S/㎝, 150 ℃에서 1.0 x 10-2 S/㎝, 100 ℃에서 5.3 x 10-3 S/㎝에 달한다.Here, H 3 O + / NH 4 + -β ″ -alumina, which is intended to be used as a support, is a proton (H + , proton) conductor and has a single crystal ion conductivity of 3 x 10 -2 S / cm, 150 ℃ at 227 ℃. At 1.0 × 10 −2 S / cm, and at 5.3 ° C. at 5.3 × 10 −3 S / cm.

그리고 β″-alumina는 결정구조상 Al3+이온과 O2-이온이 단단한 spinel block을 형성하고 있고 그 사이로 충분한 공간을 갖는 전도면이 존재하여 전하운반자인 양이온들이 전도면상에 놓여진다. 대표적인 물질로서 Na+-beta-alumina는 250 ∼ 300 ℃에서 뛰어난 Na+ ion의 세라믹 초이온 전도체이다.Β ″ -alumina has a solid spinel block in which Al 3+ ions and O 2 ions are present in the crystal structure, and there is a conductive surface with sufficient space between them, so that the charge carriers are placed on the conductive surface. As a representative material, Na + -beta-alumina is an excellent ceramic super ion conductor of Na + ion at 250 ~ 300 ℃.

또한 beta-aluminas의 전하운반자인 alkali ion은 타 이온들과 치환이 가능하여 다양한 전기적 특성과 기능의 세라믹 전해질로의 전환이 가능하다. In addition, the alkali ion, a charge carrier of beta-aluminas, can be replaced with other ions and can be converted into ceramic electrolyte with various electrical properties and functions.

즉 상술한 사실을 통하여 우수한 전기적 특성과 치밀한 조직의 beta-aluminas의 제조를 위하여, 1600 ∼ 1700 ℃의 높은 온도에서 H3O+/NH4 +-β″-alumina 막을 소결이 불가능한 문제점을 해결하기 위해 전구체 물질로 K+-β″-alumina을 1400 ℃에서 소결하여 porous한 지지체를 제조하여 이온교환을 실시하였다. In other words, through the above-mentioned facts to solve the problem that it is impossible to sinter H 3 O + / NH 4 + -β ''-alumina membrane at high temperature of 1600 ~ 1700 ℃ for the production of beta-aluminas of excellent electrical properties and dense structure The porous support was prepared by sintering K + -β "-alumina as a precursor material at 1400 ° C and performing ion exchange.

즉 K+ ion의 이온반경이 0.133 ㎚로서, proton carrier로 이용되는 H3O+/NH4 + 이온의 이온반경인 0.138 ㎚ 이하와 매우 유사하여 이온교환반응을 통하여 H3O+/NH4 +- β″-alumina 지지체를 제조할 수 있다.
That is, the ion radius of K + ion is 0.133 nm, which is very similar to 0.13 nm or less, which is the ion radius of H 3 O + / NH 4 + ion used as proton carrier, and thus, H 3 O + / NH 4 + β ″ -alumina supports can be prepared.

KK ++ -β"-alumina 소결체의 이온교환Ion Exchange of -β "-alumina Sintered Body

이하 K+-β″-alumina 소결체의 이온교환 실험을 위한 원료 및 조성과, 합성 및 분쇄에 대해 차례로 설명한다.Hereinafter, the raw materials and composition for the ion exchange experiment of the K + -β "-alumina sintered compact, a synthesis | combination, and a grinding | pulverization are demonstrated in order.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

본 실험에서 사용되는 K+-β"-aluminas은 K2O·Li2O·Al2O3 삼성분계로부터 고상반응법을 통하여 순수한 K+-β"-alumina를 1200 ℃에서 하소하여 합성하였다.K + -β used in this experiment was prepared by calcining a -alumina "-aluminas pure K + -β via the K 2 O · Li 2 O · Al 2 O 3 solid-phase reaction method from a ternary" in 1200 ℃.

초기원료로 alumina 원료는 γ-Al2O3(99.9%)를 사용하였고, K2O의 원료로는 K2CO3를 사용하였다. 또한 안정화제로 쓰인 Li2O의 원료로는 Li2CO3를 사용하였고, NH4 +/H3O+-β"-alumina를 제조하기 위한 이온교환매체로 acetic acid glacial과 ammonium nitrate을 사용하였다. As an initial raw material, alumina was used as γ-Al 2 O 3 (99.9%), and K 2 CO 3 was used as a raw material for K 2 O. As the raw material of the Li 2 O also written as a stabilizer was used as the Li 2 CO 3, was used as the NH 4 + / H 3 O + -β " the ion exchange medium for the production of acetic acid glacial -alumina and ammonium nitrate.

도2a,b에서 보는 바와 같이 K+-β"-aluminas의 합성은 [K2O] : [Al2O3] = 1 : 5 의 몰 비로 하였으며 안정화제로 Li2O를 0.2 wt.%를 첨가하였다. As shown in FIGS. 2a and 2b, the synthesis of K + -β "-aluminas was carried out at a molar ratio of [K 2 O]: [Al 2 O 3 ] = 1: 5, and 0.2 wt.% Of Li 2 O was added as a stabilizer. It was.

혼합된 분말은 균일한 크기로 분쇄하기 위해서 직경 25 ㎜, 20 ㎜, 5 ㎜인 alumina ball을 내경이 130 ㎜인 jar에 넣은 후 5 시간 동안 ball milling을 실시하였다. In order to grind the mixed powder into a uniform size, alumina balls having a diameter of 25 mm, 20 mm, and 5 mm were placed in a jar having an internal diameter of 130 mm and ball milling was performed for 5 hours.

ball milling 시 회전속도는 70 rpm으로 유지하였으며, ball milling 후 용매로 사용한 methanol을 제거하기 위해 100℃ convection oven에서 1 일간 건조하였다. Rotational speed was maintained at 70 rpm during ball milling, and dried for 1 day in a 100 ° C convection oven to remove methanol used as a solvent after ball milling.

건조된 혼합분말은 고상합성을 위하여 MgO 도가니를 고온 전기로에 넣고 혼합물의 반응을 위하여 800 ℃에서 2 시간동안 유지하였으며, 이후 1200 ℃에서 2 시간동안 하소하여 상을 합성하였다. The dried mixed powder was placed in a high-temperature MgO crucible for high phase synthesis and maintained at 800 ° C. for 2 hours for reaction of the mixture, and then calcined at 1200 ° C. for 2 hours to synthesize a phase.

합성된 K+-β"-aluminas은 미세분말로 만들기 위해 2 차 분쇄를 실시하였다. 2 차 분쇄는 1 ㎜인 zirconia ball을 내경이 105 ㎜인 jar에 넣은 후 attrition milling을 실시하였다. The synthesized K + -β "-aluminas was subjected to secondary grinding to make fine powder. Secondary grinding was performed by putting zirconia balls having a diameter of 1 mm into jars having an inner diameter of 105 mm and performing attrition milling.

attrition milling 시 회전 속도는 330 rpm을 유지하였으며 2 시간 동안 실시하였다. attrition milling 후 100 ℃ convection oven에서 1 일간 건조하였다.Rotational speed was maintained at 330 rpm during attrition milling for 2 hours. After attrition milling it was dried for 1 day in a convection oven at 100 ℃.

건조된 분말은 응집체를 제거하기 위해 유발과 유봉을 사용하여 고르게 분쇄하였다. The dried powder was ground evenly using mortar and pestle to remove aggregates.

소결을 위해 초미세 분쇄 후 건조된 나노 크기의 K+-beta-aluminas 분말들은 유발봉으로 응집체를 충분히 제거 후, 분말을 0.2 g으로 평량하여 내경 14.2 ㎜의 원반형 경화강몰드를 이용하여 약 3000 psi의 압력으로 3 분 동안 일축가압성형(uniaxial press)하였다. 성형된 시편은 지름이 약 14.2 ㎜ 정도 크기의 pellet형태의 시편으로 제조되었다.The nano-sized K + -beta-aluminas powders dried after ultra-fine grinding for sintering were sufficiently removed from the aggregates with a caustic rod, and then weighed to 0.2 g using a disc hardened steel mold having an inner diameter of 14.2 mm. The uniaxial press for 3 minutes at the pressure of. Molded specimens were prepared in pellet-shaped specimens approximately 14.2 mm in diameter.

시편 제작 시 몰드와 시편의 마찰을 최대한 줄이기 위해 윤활제인 olive oil을 몰드 내부에 충분히 발라주었으며, 몰드 벽면에 묻은 소량의 분말들은 완전히 제거한 후 성형하였다. In order to minimize the friction between the mold and the specimen during the fabrication, olive oil, a lubricant, was sufficiently applied to the inside of the mold, and a small amount of powder on the mold wall was completely removed and molded.

도3에서 보는 바와 같이, K+-β"-aluminas의 소결은 고체산이 다량 침투할 수 있으면서 지지체로써의 기능을 할 수 있도록 제작하기 위해 소결온도를 1300 ℃, 1400 ℃, 1500 ℃로 달리하여 소결하였다. As shown in Figure 3, the sintering of K + -β "-aluminas is sintered by varying the sintering temperature to 1300 ℃, 1400 ℃, 1500 ℃ in order to produce a solid acid can penetrate large amounts to function as a support It was.

또한, K+-β" -aluminas의 고온에서의 상전이 특성과 K2O의 증기압을 고려하여 각 시편들은 동일 조성의 분말을 분위기 분말로 사용하여 알루미나 도가니에 같이 충진하여 밀폐시킨 후 고온전기로에서 소결하였다. In addition, considering the phase transition characteristics at high temperatures of K + -β "-aluminas and the vapor pressure of K 2 O, each specimen was filled with an alumina crucible and sealed using a powder of the same composition as an atmosphere powder, followed by sintering in a high temperature electric furnace. It was.

한편 K+-β"-alumina 소결체의 H3O+/NH4 +-β"-alumina으로 이온교환하기 위해 acetic acid와 ammonium nitrate을 이온교환 매체로 사용하였다. 이온교환 과정에서 온도, 시간, 농도를 각각 다르게 하여 상 안정성과 이온교환 정도를 분석하였다.On the other hand, acetic acid and ammonium nitrate were used as ion exchange media for ion exchange with H 3 O + / NH 4 + -β "-alumina of sintered K + -β" -alumina. Phase stability and degree of ion exchange were analyzed by varying the temperature, time, and concentration in the ion exchange process.

이온교환은 acetic acid의 경우 15 ㎖ 용량의 teflon-lined clave에서 수열반응을 통해 실시하였다. 온도와 시간에 대한 상 안정성 및 이온교환 정도를 알아보기 위해 150 ℃, 170 ℃, 200 ℃에서 2 시간 간격으로 2 시간에서 8 시간까지 이온교환을 실시하였으며, potassium과 이온매체인 acetic acid의 몰 비를 [K2O] : [CH3COOH] = 1 : 50으로 하여 이온교환을 실시하였다. 또한 농도에 대한 영향을 알아보기 위해 10 wt.%, 50 wt.%로 변화하여 이온교환을 실시하였다.Ion exchange was carried out by hydrothermal reaction in a 15 ml teflon-lined clave for acetic acid. In order to investigate the phase stability and ion exchange degree with respect to temperature and time, ion exchange was carried out at 150 ° C, 170 ° C, and 200 ° C for 2 hours to 8 hours at intervals of 2 hours, and the molar ratio of potassium and acetic acid, an ion medium Ion exchange was performed by setting [K 2 O]: [CH 3 COOH] = 1:50. In addition, the ion exchange was carried out by changing to 10 wt.%, 50 wt.% To determine the effect on the concentration.

Ammonium nitrate의 경우 acetic acid와 동일하게 15 ㎖ 용량의 teflon-lined clave에서 수열반응을 통해 130 ℃, 150 ℃, 170 ℃, 200 ℃에서 2 시간 간격으로 2 시간에서 8 시간까지 수열반응을 실시하였으며 potassium과 이온매체 ammonium nitrate의 몰 비를 [K2O] : [NH4NO3] = 1 : 50으로 하여 이온교환을 실시하였다. 농도는 5 M과 10 M로 변화하여 이온교환을 실시하였다. Ammonium nitrate was subjected to hydrothermal reaction at 130 ℃, 150 ℃, 170 ℃ and 200 ℃ for 2 hours at 2 hours to 8 hours by hydrothermal reaction in 15 ml of teflon-lined clave in the same way as acetic acid. Ion exchange was carried out with the molar ratio of ammonium nitrate to [K 2 O]: [NH 4 NO 3 ] = 1:50. The concentration was changed to 5 M and 10 M and ion exchange was performed.

또한 ammonium nitrate salt를 200 ℃에서 녹여 2 시간 간격으로 2 시간에서 8 시간까지 이온교환을 실시하였다.In addition, the ammonium nitrate salt was dissolved at 200 ° C. and ion exchanged for 2 to 8 hours at 2 hour intervals.

또한 이온교환의 반복횟수에 따른 영향을 알아보기 위해 두 매체 모두 1 회에서 3 회까지 반복해서 이온교환을 실시하였다. 이온교환을 마친 소결체는 초순수로 세척을 하였으며 1 일간 초순수에 담가두었다. 세척을 마친 소결체는 convection oven에서 1 일간 건조하였다.
In addition, in order to examine the effect of the number of repetition of ion exchange, both media were repeatedly subjected to ion exchange from 1 to 3 times. After the ion exchange, the sintered body was washed with ultrapure water and soaked in ultrapure water for 1 day. The washed sintered body was dried in a convection oven for 1 day.

<실험예 1> 이온교환 정도 측정 Experimental Example 1 Measurement of Ion Exchange Degree

K+-β-alumina 소결체의 proton(H3O+/NH4 +)-β″-alumina으로의 이온교환 정도를 측정하기 위해 ICP-AES (spectro, Modular EOP)를 통하여 potassium 잔류량을 측정하여 이온교환율을 확인하였다. 이온교환율을 구하는 식은 수학식1을 이용하였다.In order to measure the degree of ion exchange of K + -β-alumina sintered body to proton (H 3 O + / NH 4 + ) -β ″ -alumina, the residual amount of potassium was measured by ICP-AES (spectro, Modular EOP). The exchange rate was confirmed. Equation 1 was used to calculate the ion exchange rate.

Figure 112010030909185-pat00001
Figure 112010030909185-pat00001

ICP-AES 측정을 위한 시료를 준비하기 위하여 sample 0.1 g를 98 wt.% 진한 황산과 증류수를 1 : 2로 혼합하여 준비한 용액 10 ㎖에 첨가하였고, 이를 15 ㎖ 가압용기에 넣고 180 ℃온도로 약 18 h동안 가열하여 분말을 용해시켰다. 반응 후 완전 용해되지 않은 시료는 전부 진한 황산을 이용하여 완전 용해시킨 후 ICP-AES 측정범위로 희석시키기 위해 초순수를 이용하여 50 배로 희석시켰다. 각각의 시료의 오차를 줄이기 위하여 3 번씩 측정을 하여 평균값을 나타내었다.To prepare a sample for ICP-AES measurement, 0.1 g of sample was added to 10 ml of a solution prepared by mixing 98 wt.% Concentrated sulfuric acid and distilled water in a 1: 2 solution, which was placed in a 15 ml pressurized container at about 180 ° C. The powder was dissolved by heating for 18 h. The samples that were not completely dissolved after the reaction were completely dissolved in concentrated sulfuric acid and then diluted 50-fold with ultrapure water to dilute the ICP-AES measurement range. In order to reduce the error of each sample was measured three times the average value.

<실험예 2> X선 회절 분석Experimental Example 2 X-ray Diffraction Analysis

K+-β″-alumina 소결체를 이온교환 매체 acetic acid와 ammonium nitrate로 이온교환하고 그 전후의 상변화를 알아보기 위해 X선 회절 분석을 실시하였다. X선 회절기(Rigaku Rint 2000, Japan)는 Cu Kα-radiation을 이용하여 40 ㎸, 30 ㎃의 출력으로 2 θ 범위인 5ㅀ에서 75ㅀ까지 step width 0.04, scan speed 10ㅀ/min으로 측정하였다.K + -β "-alumina sintered bodies were ion exchanged with acetic acid and ammonium nitrate in ion exchange media, and X-ray diffraction analysis was performed to investigate the phase change before and after. X-ray diffractometer (Rigaku Rint 2000, Japan) was measured using Cu Kα-radiation with a step width of 0.04 and scan speed of 10 ㅀ / min from 5 ㅀ to 75 인 in the range of 2 θ with an output of 40 ㎸ and 30 ㎃. .

<실험예 3> 소결체 밀도 측정Experimental Example 3 Measurement of Density of Sintered Body

초양성자전도성 하이브리드 membranes의 지지체로 사용되기에 충분한 pore를 가지고 있는지를 알기위해 이온교환된 proton(H3O+/NH4 +) -β″-alumina 소결체의 밀도를 측정하였다.The density of the ion- exchanged proton (H 3 O + / NH 4 + ) -β "-alumina sintered body was measured to determine whether it has enough pore to be used as a support for the superpositive conductive hybrid membranes.

소결밀도는 ASTM(American Society for Testing and Materials) C 373-88을 참조하여 Archimedes의 원리에 따라 비중저울(Mettler H80, Swiss)과 무게저울을 사용하여 측정하였다. The sintered density was measured using specific gravity scales (Mettler H80, Swiss) and weight scales according to Archimedes' principles, referring to American Society for Testing and Materials (ASTM) C 373-88.

측정 시 수분에 매우 민감함을 감안하여 정확한 밀도측정을 위해 물 대신 kerosene을 사용하였고, 비중은 0.8로 계산하였다. 측정된 부피비중을 이용하여 밀도를 계산할 때 이론치로 계산된 밀도에 대해 상대밀도를 구하였다.Since kerosene was used instead of water for accurate density measurement, the specific gravity was calculated as 0.8 because it is very sensitive to moisture. When the density was calculated using the measured specific gravity, the relative density was obtained from the theoretically calculated density.

또한 이온교환 전후의 시편의 결정크기와 미세구조를 알아보기 위해 각 시편의 morphology를 SEM(JEOL JSM-6308, Japan)을 통해 알아보았다.
In addition, the morphology of each specimen was examined by SEM (JEOL JSM-6308, Japan) to determine the crystal size and microstructure of the specimen before and after ion exchange.

이하 상술한 K+-β″-alumina 소결체의 이온교환율 및 상분석을 위해 Acetic acid를 통한 이온교환과 Ammonium nitrae를 통한 이온교환과 소결밀도 및 미세구조 분석에 대하여 자세히 설명한다.Hereinafter, the ion exchange rate and the sintering density and microstructure analysis of the ion exchange rate and the ammonium nitrae through the acetic acid for the ion exchange rate and phase analysis of the K + -β "-alumina sintered body will be described in detail.

도4에서 보는 바와 같이, [K2O] : [Al2O3]의 비를 1 : 5 로 하고 1200 ℃에서 하소한 K+-β"-alumina powder를 성형-소결한 이온교환에 사용되어진 pellet의 상 분석 결과이다. As shown in Fig. 4, the ratio of [K 2 O]: [Al 2 O 3 ] is 1: 5, and K + -β "-alumina powder calcined at 1200 ° C is used for forming-sintering ion exchange. Phase analysis of pellets.

초기원료인 γ-alumina는 결정구조 중 산소층이 cubic close-packed (ccp) 구조를 가지고 있어서 이는 β"-alumina의 spinel block을 형성하는 산소 층인 rhombohedral 구조와 유사하므로 γ-alumina를 원료로 사용하면 구조적으로 β"-alumina 형성에 유리하여 직접적으로 순수한 K+-β"-alumina상을 합성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. The initial raw material γ-alumina has a cubic close-packed (ccp) structure in the crystal structure, which is similar to the rhombohedral structure that forms the spinel block of β "-alumina. It has been found to be structurally advantageous for β "-alumina formation and to synthesize pure K + -β" -alumina phase directly.

즉, γ-alumina 상의 피크가 K+-β"-alumina 상(2 0 10, 2 2 0)으로 직접 전이되는 것을 확인할 수 있었다.That is, it was confirmed that the peak of the γ-alumina phase is directly transferred to the K + -β "-alumina phase (2 0 10, 2 2 0).

도5 내지 도8에서 보는 바와 같이 1400 ℃에서 소결된 K+-β″-aluminas는 acetic acid를 이용해서 150 ℃, 170 ℃, 200 ℃에서 H3O+-β″-alumina 으로 이온교환 하였으며, 2 시간 간격으로 1 회에서 3 회까지 횟수를 반복하였다.As shown in Figure 5 to 8 K + -β "-aluminas sintered at 1400 ℃ was ion-exchanged to H 3 O + -β" -alumina at 150 ℃, 170 ℃, 200 ℃ using acetic acid, The number of times was repeated from 1 to 3 times at 2 hour intervals.

여기에서 도6 내지 도8에 표시된 reaction time은 (a) 1 time, 2h, (b) 1 time, 4h, (c) 1 time, 6h, (d) 1 time, 8h, (e) 2 time, 2h, (f) 2 times, 4h, (g) 2 times, 6h, (h) 2 times, 8h, (i) 3 times, 2h, (j) 3 times, 4h, (j) 3 times, 6h,(j) 3 times, 8h 이다.Here, the reaction time shown in FIGS. 6 to 8 includes (a) 1 time, 2h, (b) 1 time, 4h, (c) 1 time, 6h, (d) 1 time, 8h, (e) 2 time, 2h, (f) 2 times, 4h, (g) 2 times, 6h, (h) 2 times, 8h, (i) 3 times, 2h, (j) 3 times, 4h, (j) 3 times, 6h, (j) 3 times, 8h.

또한 농도를 10 wt.%, 50 wt.%로 변화하였다.The concentrations were also changed to 10 wt.% And 50 wt.%.

따라서 10 wt.% acetic acid에 의한 이온교환율은 모든 온도에서 이온교환 횟수가 증가함에 따라 증가하였다. Therefore, the ion exchange rate by 10 wt.% Acetic acid increased with increasing number of ion exchange at all temperatures.

구체적으로 살펴보면, 1 회 이온교환에서는 모든 온도에서 70 % 내외로 유사한 이온교환율을 보였으며, 이온교환 횟수가 증가함에 따라 교환율이 확연히 증가하였다. Specifically, the one-time ion exchange showed a similar ion exchange rate of about 70% at all temperatures, and the exchange rate increased significantly as the number of ion exchanges increased.

특히, 170 ℃에서의 2 ∼ 3 회 이온교환율은 150 ℃보다 큰 증가폭을 보였으며, 최대 99.7 %에 다다랐다. 하지만 200 ℃에서의 이온교환의 경우 2 시간 한 차례의 이온교환을 제외한 나머지 이온교환에서 소결체의 붕괴가 이루어져 이온교환매체에 분산되어 회수가 어려웠다. In particular, the two to three ion exchange rates at 170 ° C. increased more than 150 ° C., reaching a maximum of 99.7%. However, in the case of ion exchange at 200 ° C., the sintered body collapsed in the remaining ion exchanges except for one-time ion exchange for 2 hours.

회수된 2 시간 한 차례의 이온교환율은 69 %로 150 ℃, 170 ℃의 경우와 커다란 차이가 없었다. The recovered ion exchange rate of 2 hours was 69%, which was not much different from that of 150 ℃ and 170 ℃.

이는 온도상승에 따라 potassium의 높은 부분압과 반응성 증가에 따른 것으로 생각되어지며, 그로인해 K+-β″-alumina의 potassium ion이 hydronium ion으로 바뀌면서 β″-alumina상을 유지하지 못하고 이온교환매체에 있는 OH-기들과 빠르게 반응함으로써 점차적으로 AlOOH(bohemite)으로의 상변화가 이루어졌다. This is thought to be due to the high partial pressure and increased reactivity of potassium as the temperature rises, thereby changing the potassium ion of K + -β ″ -alumina to hydronium ion and not maintaining the β ″ -alumina phase. The rapid reaction with OH - groups led to a phase change to AlOOH (bohemite).

이온교환율의 증가와 bohemite상의 증가 경향이 이를 뒷받침 하고 있다. 그리고 이러한 bohemite상의 증가는 온도가 상승함에 따라 빠르게 이루어진다.Increasing ion exchange rates and increasing bohemite phase support this. And this increase in bohemite phase occurs rapidly as the temperature rises.

농도에 따른 이온교환율의 영향을 알아보기 위해 50 % acetic acid를 이온교환매체로 하여 이온교환을 실시하였다. To investigate the effect of ion exchange rate on the concentration, ion exchange was performed using 50% acetic acid as an ion exchange medium.

50 % acetic acid을 통한 이온교환은 150 ℃에서 2 시간 간격으로 2시간에서 8 시간까지 1회 실시하였으며, 90 ∼ 95 %에 달하는 높은 이온교환율을 보였다. 하지만 이는 K+-β″-alumina이 acetic acid와 반응하여 aluminum acetate hydroxide를 생성한 것으로 β″-alumina상을 유지하지는 못하였다. 여기서 bohemite상은 보이지 않는데 이는 고농도 acetic acid에 따른 것으로 이온교환매체에 있는 OH-기와의 반응보다 acetic acid와의 반응이 활발하게 이루어졌기 때문이다.
Ion exchange through 50% acetic acid was performed once at 2 hours to 8 hours at 150 ℃ for 2 hours, and showed high ion exchange rate of 90-95%. However, K + -β "-alumina reacted with acetic acid to produce aluminum acetate hydroxide, but could not maintain the β" -alumina phase. The bohemite phase is invisible due to the high concentration of acetic acid, which is more active with acetic acid than with OH - groups in ion exchange media.

도9 내지 도15에서 보는 바와 같이, Ammonium nitrate를 통한 이온교환은 ammonium nitrate를 이용하여 100 ℃, 130 ℃, 150 ℃, 170 ℃, 200 ℃에서 NH4 +-β″-alumina 으로 이온교환 하였으며, 200 ℃의 molten 상태의 ammonium nitrate에도 이온교환을 실시하였다. 농도는 5 M과 10 M로 변화를 주었다. 또한 acetic acid와 마찬가지로 2 시간 간격으로 1 회에서 3 회까지 반복하였다.As shown in Figure 9 to 15, the ion exchange through Ammonium nitrate was ion-exchanged with NH 4 + -β "-alumina at 100 ℃, 130 ℃, 150 ℃, 170 ℃, 200 ℃ using ammonium nitrate, Ion exchange was also carried out to ammonium nitrate in the molten state at 200 ℃. The concentrations were changed to 5 M and 10 M. Like acetic acid, it was repeated 1 to 3 times at 2 hour intervals.

여기에서 도9와 도10의 reaction time은 (a) 1 time, (b) 2 times, (c) 3 times 이고, 도11 내지 도14의 reaction time은 (a) 1 time, 2h, (b) 1 time, 4h, (c) 1 time, 6h, (d) 1 time, 8h, (e) 2 time, 2h, (f) 2 times, 4h, (g) 2 times, 6h, (h) 2 times, 8h, (i) 3 times, 2h, (j) 3 times, 4h, (k) 3 times, 6h,(l) 3 times, 8h 이다.Here, the reaction time of FIGS. 9 and 10 is (a) 1 time, (b) 2 times, (c) 3 times, and the reaction time of FIGS. 11 to 14 is (a) 1 time, 2h, (b) 1 time, 4h, (c) 1 time, 6h, (d) 1 time, 8h, (e) 2 time, 2h, (f) 2 times, 4h, (g) 2 times, 6h, (h) 2 times , 8h, (i) 3 times, 2h, (j) 3 times, 4h, (k) 3 times, 6h, (l) 3 times, 8h.

10 M ammonium nitrate에 의한 이온교환은 100 ℃에서 150 ℃까지 온도가 증가하면서 이온교환율 또한 증가하게 된다. Ion exchange with 10 M ammonium nitrate increases the ion exchange rate with increasing temperature from 100 ℃ to 150 ℃.

이후 170 ℃, 200 ℃에의 이온교환율은 99 %에 달하여 150 ℃와 유사한 수준의 이온교환율을 보였다. 또한 acetic acid와 마찬가지로 이온교환 횟수가 증가할수록 이온교환율이 증가하였으며, 모든 온도 구간에서 1 회와 2 ∼ 3 회 사이의 이온교환율 증가폭이 크게 나타났다. Since the ion exchange rate at 170 ℃, 200 ℃ reached 99%, the ion exchange rate was similar to 150 ℃. As with acetic acid, the ion exchange rate increased with increasing number of ion exchanges, and the increase rate of ion exchange rate between 1 and 2 to 3 times was increased in all temperature ranges.

하지만 200 ℃에서는 2 시간 1 회의 이온교환을 제외한 나머지 조건에서 bohemite가 형성되었으며, 이온교환 시간과 이온교환횟수가 증가할수록 bohemite로의 상전이가 이루어졌다. 그와 달리 molten 상태의 ammonium nitrate를 이용한 경우 200 ℃에서의 이온교환에도 불구하고 횟수에 상관없이 99 %내외의 높은 이온교환율을 보였으며, β″-alumina상 또한 유지하였다. However, at 200 ℃, bohemite was formed under the conditions except for 2 hours of ion exchange, and the phase transition to bohemite was increased as the ion exchange time and the number of ion exchange times increased. In contrast, the molten ammonium nitrate showed a high ion exchange rate of about 99% regardless of the number of times despite the ion exchange at 200 ℃ and maintained the β ″ -alumina phase.

농도에 따른 영향을 알아보기 위해 170 ℃에서 5M ammonium nitrate를 이용하여 이온교환을 실시하였다. 그 결과 10M ammonium nitrate보다 1 ∼ 2 % 낮은 이온교환율을 보였으나 그 증가율은 유사한 형태를 보였다. 하지만 10M ammonium nitrate와 다르게 8 시간의 2 회, 3 회의 이온교환에서 bohemite로의 상전이가 소량 이루어졌다. 이는 10 M ammonium nitrate보다 많은 OH-기에 인한 것이다.In order to determine the effect of the concentration, ion exchange was performed using 5M ammonium nitrate at 170 ° C. As a result, the ion exchange rate was 1 ~ 2% lower than that of 10M ammonium nitrate, but the increase rate was similar. However, unlike 10M ammonium nitrate, a small amount of phase transition to bohemite was achieved in two 8-hour and three-time ion exchanges. This is due to more OH groups than 10 M ammonium nitrate.

bohemite로의 상전이는 acetic acid나 ammonium nitrate와의 반응뿐만 아니라 water와의 반응에 의해서도 형성된 것으로 볼 수 있으며, 그 영향력 또한 이온교환매체보다 큰 것으로 보인다. 이는 고농도의 acetic acid나 molten 상태의 ammonium nitrate에서는 bohemite상이 나타나지 않는데 반에 저농도의 acetic acid나 solution 상태의 ammonium nitrate에서 bohemite상이 나타나는 것에서 알 수 있다. The phase transition to bohemite may be formed not only by the reaction with acetic acid or ammonium nitrate but also by water, and its effect is also greater than that of ion exchange media. This can be seen in the high concentration of acetic acid or molten ammonium nitrate, but the bohemite phase does not appear in low concentration of acetic acid or solution ammonium nitrate.

K+-β″-alumina를 순수한 water와 150 ℃에서 8 시간 반응 시켰을 때에 bohemite상이 형성되는 것이 이를 뒷받침 해주고 있다.This is supported by the formation of bohemite phase when K + -β ″ -alumina is reacted with pure water at 150 ° C for 8 hours.

도16에서 보는 바와 같이 K+-β″-aluminas은 1300 ℃, 1400 ℃, 1500 ℃세 구간에서 소결을 실시하였는데, 도16에서 보는 바와 같이 K+-β″-aluminas의 상대밀도는 온도가 상승함에 따라 상대밀도가 상승하여 1500 ℃에서 가장 높은 상대밀도를 나타내었다. As shown in FIG. 16, K + -β "-aluminas were sintered at three sections of 1300 ° C, 1400 ° C, and 1500 ° C. As shown in FIG. 16, the relative density of K + -β" -aluminas increased in temperature. As the relative density increases, the highest relative density was obtained at 1500 ° C.

하지만 고체산이 침투하는데 있어서 높은 상대밀도는 방해요소로 작용하여 많은 고체산의 침투가 어렵다. 가장 낮은 상대밀도를 갖는 1300 ℃는 green density와 같은 수치로 소결이 이루어지지 않아 지지체로써 사용하기에 적절한 강도를 가지지 못하였다.However, the high relative density acts as a barrier to the penetration of solid acids, making it difficult to penetrate many solid acids. The lowest relative density of 1300 ℃ was not sintered to the same value as the green density and did not have a suitable strength for use as a support.

이에 적절한 강도를 지녀 지지체로써 사용가능하며 낮은 상대밀도를 가지고 있는 1400 ℃에서 소결한 K+-β″-aluminas를 지지체로 사용하였다.K + -β "-aluminas sintered at 1400 ℃, which can be used as a support with appropriate strength and have a low relative density, were used as a support.

도17에서 보는 바와 같이 1400 ℃에서 소결한 K+-β″-aluminas의 SEM 사진을 보면, SEM 사진에서 K+-β″-aluminas분말의 소결이 일어나 치밀화가 이루어진 부분과 그러하지 못한 부분이 확연히 구분되어져 있다. 이 치밀화가 이루어지지 못한 부분에 고체산이 침투하여 재결정이 이루지는 부분이다.
As shown in FIG. 17, when the SEM photograph of K + -β "-aluminas sintered at 1400 ° C. is seen, the sintering of the K + -β ″ -aluminas powder occurs in the SEM photograph to clearly distinguish the part where densification is made and the part that is not. It is done. This is the part where solid acid penetrates into the area where this densification has not been achieved and recrystallization takes place.

초양성자 전도성 하이브리드 membranes의 제조Preparation of Superproton Conductive Hybrid Membranes

이하 도면을 참조하여 초양성자전도성 하이브리드 membranes의 제조를 위한 원료 및 조성과 고체산 합성과, 이에 따른 상 분석, 복합체의 밀도 및 미세구조 분석, 이온전도도 측정에 대하여 자세히 설명한다.Reference to the drawings will be described in detail with respect to the raw materials and compositions for the production of super-proton conductive hybrid membranes, solid acid synthesis, phase analysis, density and microstructure analysis of the composite, ionic conductivity measurement.

이온교환이 이루어진 K+-β"-aluminas에 침투시킬 zirconium phosphate의 합성은 아래와 같은 5가지의 실시예로 가능하다.The synthesis of zirconium phosphate to penetrate K + -β "-aluminas with ion exchange is possible in the following five examples.

<실시예 1> 수용액상의 ZrOClExample 1 ZrOCl in Aqueous Solution 22 8H8H 22 O에 HH to O 33 POPO 44 를 첨가하여 합성(도18a 내지 도18g 참조)Synthesis by adding (see Figs. 18A to 18G)

(1) 1 M 수분을 함유한 ZrOCl28H2O 솔루션을 준비한다.(1) Prepare a ZrOCl 2 8H 2 O solution containing 1 M moisture.

(2) 그리고, 1M의 H3PO4 를 첨가한다.(2) Then, the addition of a 1M H 3 PO 4.

(3) 세척한 후 368 K 에서 2시간 동안 건조한다.(3) After washing, dry at 368 K for 2 hours.

<실시예 2> ZrOClExample 2 ZrOCl 22 8H8H 22 O을 HCl에 해리시킨 후 묽은HAfter dissociating O in HCl, diluted H 33 POPO 44 를 첨가하여 합성(도19a 내지 도19g 참조)Synthesis by adding (see Figs. 19A to 19G)

(1) ZrOCl28H2O을 2M HCl에 해리 시킨다.(1) Dissociate ZrOCl 2 8H 2 O into 2M HCl.

(2) 1.3 M 묽은 H3PO4 를 1000rpm으로 1시간 동안 섞는다.(2) Mix 1.3 M dilute H 3 PO 4 at 1000 rpm for 1 hour.

(3) 필터링한 후 0.3 M H3PO4로 세척한다.(3) filtered and washed with 0.3 MH 3 PO 4 .

(4) 368K로 2시간 동안 건조시킨 후 가공한다.(4) Process after drying for 2 hours at 368K.

<실시예 3> 계면제 Aniline과 span-tween을 사용하여 ZrP 합성(도20a 내지 도20m 참조)Example 3 ZrP Synthesis Using Surfactant Aniline and Span-Tween (See FIGS. 20A-20M)

(1) 계면제 Aniline과 span-tween을 에탄올에 용해시킨다.(1) Dissolve the surfactant Aniline and span-tween in ethanol.

(2) PH=2 이하로 HCl을 첨가하여 PH를 조정한다.(2) Adjust the PH by adding HCl below PH = 2.

(3) 지르코늄 이온을 2시간 동안 섞는다.(3) Mix zirconium ions for 2 hours.

(4) 인산을 첨가한다.(4) Phosphoric acid is added.

(5) 2시간 후 섞는 것을 멈추고 혼합액을 에이징시킨다.(5) After 2 hours, stop mixing and age the mixture.

(6) 필터링한 후 에탄올로 세척하고, 120 ℃로 건조한다.(6) After filtering, washed with ethanol and dried at 120 ℃.

<실시예 4> Sol-gel법을 이용한 구형의 ZrP합성(도21a 내지 도21g 참조)Example 4 Spherical ZrP Synthesis Using Sol-gel Method (see FIGS. 21A-21G)

(1) 1.79g ZrOCl28H2O를 증류수에 용해시킨다.(1) 1.79 g ZrOCl 2 8H 2 O is dissolved in distilled water.

(2) (NH4)2CO3 를 용액에 첨가한다.(2) (NH 4 ) 2 CO 3 is added to the solution.

(3) (NH4)2HPO4 를 상기 용액에 첨가한다.(3) (NH 4 ) 2 HPO 4 is added to the solution.

(4) 3일동안 80℃의 온도로 오븐에 보관한다.(4) Store in oven at 80 ℃ for 3 days.

(5) 90도로 2틀간, 120℃로 하루 동안 에이징 시킨다.(5) Aged at 120 ° C for 2 days at 90 ° C for 2 days.

(6) 냉각시킨 후 필터링과 세척하고 건조한다.(6) After cooling, filtering, washing and drying.

(7) 540 ℃에서 6시간 동안 하소시킨다.(7) Calcination at 540 ° C. for 6 hours.

<실시예 5> 수용액상의 ZrOClExample 5 ZrOCl in Aqueous Solution 22 8H8H 22 O에 HH to O 33 POPO 44 와 HF를 첨가하여 판형의 ZrP 합성(도22a 내지 도22g 참조)ZrP synthesis by adding HF and HF (see FIGS. 22A to 22G).

(1) ZrOCl28H2O를 물에 용해시킨다.(1) ZrOCl 2 8H 2 O is dissolved in water.

(2) H3PO4와 Hydrofluoric acd 를 첨가한다.(2) Add H 3 PO 4 and Hydrofluoric acd.

(3) 7일동안 80℃에서 에이징시킨다.(3) Aged at 80 ° C. for 7 days.

<< 실시예Example 6>  6> 초양성자Superproton 전도성  conductivity 하이브리드hybrid membranesmembranes 의 제조Manufacture

초양성자 전도성 하이브리드 membranes의 제조는 상이 안정하면서 높은 이온교환율을 보인 NH4 +-β"-alumina을 이용하였으며, porous 한 NH4 +-β"-aluminas에 고체산인 상기 zirconium phosphate를 침투시키는 방식으로 하였다.The preparation of super-proton conductive hybrid membranes was made using NH 4 + -β "-alumina, which showed a stable phase and high ion exchange rate, and infiltrated the zirconium phosphate as a solid acid into porous NH 4 + -β" -aluminas. It was.

Claims (7)

K+-β"-알루미나(alumina)를 전구체로 하여 초산(acetic acid)과 질산암모늄(ammonium nitrate)으로 이온교환한 초이온전도체(super ionic conductor)인 H3O+/NH4 +-β″-알루미나를 지지체로 하고 전도성 고체산인 지르코늄 인산염을 침투시켜, 제조되는 것을 특징으로 하는 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 제조 방법 .H 3 O + / NH 4 + -β ″, a super ionic conductor ion-exchanged with acetic acid and ammonium nitrate using K + -β "-alumina as a precursor A method for producing a super-proton conductive hybrid membrane using zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina, which is prepared by infiltrating zirconium phosphate as a conductive solid acid with alumina as a support. 제1항에 있어서,
상기 지르코늄 인산염은,
수분을 함유한 ZrOCl28H2O 솔루션에 H3PO4 를 첨가하고, 세척한 후 368 K 에서 건조하여 제조되는 것을 특징으로 하는 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 제조 방법 .
The method of claim 1,
The zirconium phosphate,
Preparation of super-proton conductive hybrid membrane using zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina, prepared by adding H 3 PO 4 to water-containing ZrOCl 2 8H 2 O solution, washing and drying at 368 K Way .
제1항에 있어서,
상기 지르코늄 인산염은,
ZrOCl28H2O을 2M HCl에 해리 시키고, 묽은 H3PO4를 1000rpm으로 섞어서, 필터링한 후 H3PO4로 세척한 후 368K로 건조시킨 후 가공하여 제조되는 것을 특징으로 하는 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 제조 방법 .
The method of claim 1,
The zirconium phosphate,
ZrOCl 2 8H 2 O was dissolved in 2M HCl, dilute H 3 PO 4 at 1000rpm, filtered, washed with H 3 PO 4 , dried at 368K and processed. Method for Producing Super Positive Electroconductive Hybrid Membrane Using Proton-Beta-Alumina.
제1항에 있어서,
상기 지르코늄 인산염은,
계면제 Aniline과 span-tween을 에탄올에 용해시키고, PH=2 이하로 HCl을 첨가하여 조정하며, 지르코늄 이온을 섞고, 인산을 첨가하며, 혼합액을 에이징시켜, 필터링한 후 에탄올로 세척하고, 120℃로 건조하여 제조되는 것을 특징으로 하는 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 제조 방법 .
The method of claim 1,
The zirconium phosphate,
Dissolve the surfactant Aniline and span-tween in ethanol, adjust by adding HCl to PH = 2 or less, mix zirconium ions, add phosphoric acid, age the mixture, filter, wash with ethanol, 120 ℃ A method for producing a super-proton conductive hybrid membrane using zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina, which is prepared by drying with a silica gel.
제1항에 있어서,
상기 지르코늄 인산염은,
ZrOCl28H2O를 증류수에 용해시킨 후 (NH4)2CO3와 (NH4)2HPO4를 용액에 첨가하며, 이후 80℃의 온도로 오븐에 보관한 후, 90℃와 120℃로 에이징시키고, 냉각시킨 후 필터링과 세척하고 건조하며, 540 ℃에서 하소시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 제조 방법 .
The method of claim 1,
The zirconium phosphate,
After dissolving ZrOCl 2 8H 2 O in distilled water, (NH 4 ) 2 CO 3 and (NH 4 ) 2 HPO 4 are added to the solution, and then stored in an oven at 80 ° C., and then at 90 ° C. and 120 ° C. A method for producing a superprotonically conductive hybrid membrane using zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina, which is prepared by aging, cooling, filtering, washing and drying and calcining at 540 ° C.
제1항에 있어서,
상기 지르코늄 인산염은,
ZrOCl28H2O를 물에 용해시키고, H3PO4와 Hydrofluoric acid를 첨가한 후 80℃에서 에이징시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 제조 방법 .
The method of claim 1,
The zirconium phosphate,
ZrOCl 2 8H 2 O is dissolved in water, and H 3 PO 4 and hydrofluoric acid is added, and then prepared by aging at 80 ℃ ultra-conductive electroconductive hybrid membrane using zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina Way .
제1항에 있어서,
상기 K+-β"-알루미나(alumina)는 1400 ℃에서 소결되어진 것을 특징으로 하는 지르코늄 인산염 고체산과 프로톤-베타-알루미나를 이용한 초양성자전도성 하이브리드 멤브레인 제조 방법 .
The method of claim 1,
The K + -β "-alumina (alumina) is sintered at 1400 ℃ using a zirconium phosphate solid acid and proton-beta-alumina super-proton conductive hybrid membrane manufacturing method.
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WO2006054672A1 (en) 2004-11-19 2006-05-26 Seimi Chemical Co., Ltd. Conductive thin film forming proton conductive composition, and proton conductive composite film

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