KR20190015098A - 전기화학 셀 내 질화물 이온의 수송 방법 - Google Patents

전기화학 셀 내 질화물 이온의 수송 방법 Download PDF

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Abstract

전기화학적 셀에서 질화물(N3-) 이온을 수송하기 위한 방법은 고체 전해질 막의 제1 면에 질소를 제공하여 질화물 이온을 형성하는 단계 및 상기 고체 전해질 막을 통해 질화물 이온을 수송하는 단계를 포함한다. 고체 전해질 막은 금속 질화물을 포함한다. 상기 방법은 이온-매개 분리 및/또는 질소의 압축을 위해 또는 암모니아를 형성하기 위해 사용될 수 있다.

Description

전기화학 셀 내 질화물 이온의 수송 방법{METHOD FOR TRANSPORTING NITRIDE IONS IN AN ELECTROCHEMICAL CELL}
암모니아 (NH3)는 비료에서 CO2-무함유 수소 캐리어로서의 용도, 생성물을 세정하고, 플루 가스를 스크러빙함에 있어서 다른 질소-함유 화합물을 제조하는 반응물로서 용도 등을 비롯하여 수많은 용도를 가진다. 이의 수많은 용도로 인해, 암모니아에 대한 막대한 수요와 이의 제조와 관련된 신규한 기술에서의 관심이 존재한다.
오늘날, 하버-보슈법 공정은 암모니아를 제조하기 위한 1차 제조 방법이다. 하버-보슈법 공정에서, 질소 (N2)는 금속 촉매 (예를 들어, 산화철, FeOx)의 존재 하에 높은 온도 (예를 들어, 380-520℃) 및 압력 (예를 들어, 120-220 bar) 조건 하에 수소 (H2)와 반응하여 암모니아를 형성한다:
Figure pat00001
불행하게도, 고온 조건은 암모니아의 열역학적 분해를 야기하고, 이로써 암모니아 전환율을 감소시킨다. 또한, 공지된 암모니아 생산 방법은 전형적으로 설비에 있어서의 막대한 투자 자금 및 가동부(moving part)로 인한 유지 비용을 요구한다.
NH3 생산에서의 공정 보완은 82　PJ/년의 국내 에너지 절감을 나타낸다. 2015년도의 국내 가스 플레어링(flaring)은 300　PJ의 추정된 에너지 손실 및 7　MtCO2의 배출을 야기하였다. 대규모의 저렴한 H2 생산을 위해 이러한 공급원을 사용하는 것이 나타나고 있다. 그러나, 장거리 H2 분배 비용은 이를 실현가능하지 않게 만든다. 메탄 플레어로부터 제조된 H2가 NH3로 전환되는 경우, 이는 액체로서 수송하기 매우 용이하고, 이로써 개선된 에너지 절감, 배출 회피, 및 에너지 안전을 야기할 것이다. 가스 플레어링 데이터의 분석은 메탄 (CH4) → NH3를 시사한다. 일일당 100 ton의 플렌트 규모가 이러한 반응에 대해 요구되고, 이는 하버-보슈법 공정의 좋지 않은 비용 보정(cost scaling)으로 인해 이를 사용하여 달성하는 것의 극복과제이다. 모든 US 천연 가스 플레어가 NH3로 전환되는 경우, 이는 암모니아의 국내 생산의 47% (10.3 MtNH3)를 공급할 수 있었고, 동시에 10　MtCO2/년의 관련 배출을 회피하면서도 에너지 감소 기회 (66　PJ/년)를 만들 수 있다.
하버-보슈법 공정을 사용하는 전형적인 암모니아 합성 생산 설비와 관련되는 유닛 공정은 도 1에 도시되어 있다. 본 공정은 전형적으로 수증기 개질을 사용하여 생성되는 수소의 저렴한 공급원을 필요로 한다. 수증기 개질기(SR)에서, 천연 가스 (메탄, CH4)은 전이금속 촉매 (Ni) 상에서 고압 증기 (100　bar)와 반응하여 하기 반응에 따라 H2를 생성한다:
Figure pat00002
생산된 수소는 압력 순환 흡착(pressure-swing adsorption)을 사용하여 정제하여 반응물 가스 및 CO2를 제거하고, 압축하여 하버-보슈 신루프(HR)로 통과시킨다. 동시에, 저온 증류 또는 압력 순환 흡착을 사용하여 공기 분리 유닛(ASU)에서 공기로부터 질소를 분리하고, 압축되어 HB로 유입된다.
암모니아 합성 경로에서의 속도-제한 단계는 매우 안정한 N2 분자의 느린 해리이다. 루테늄 (Ru) 촉매가 다른 촉매 예컨대 백금 (Pt)보다 질소 환원에 있어서 훨씬 더 활성적인 것으로 공지되어 있지만, 이는 H2로의 피독에 민감성이다. 촉매 피독은 화학적 화합물에 대한 노출에 의한 촉매의 부분적 또는 전체적 불활성화와 관련된다. 이 경우에, 촉매 피독은 상업적 공정에서 Ru-기반 촉매의 사용을 저지한다. 최신 하버-보슈법 공정의 상태는 소규모에서 좋지 못한 효율을 가지고, 경제적 실시를 위해 큰 플랜트 (일일당 1000 ton 초과)를 요구한다. 소규모 하버-보슈 합성법은 플레어 가스의 분배 특징을 경제적으로 이용하기 위해 신루프의 급격한 감소를 요구할 것이다. 특히, ASU 및 HB 신루프의 통합은 단일 공정 장비로 통합되는 2개의 공정의 자본 경비를 야기하여, 이로써 제조 비용을 감소시킬 것이다.
또한, 암모니아는 다수의 화학물질 예컨대 하이드라진 (N2H4), 수소 시아나이드 (HCN), 우레아 (N2H4CO), 아세토니트릴 및 페놀의 합성시 중요한 전구체이다. 분배된 암모니아 합성(distributed ammonia synthesis)은 이들 공정에서 이러한 공정에서 제조 비용을 감소시키기 위한 원동력일 수 있다.
소규모 제조 설비를 사용하는 암모니아의 분배된 생성에 대한 필요성은 특히 소규모로 개선된 효율로 암모니아를 생성하기 위한 신규한 시스템 및 방법을 개발하는데 바람직하게 한다. 전기화학적 NH3 합성법은 소규모로의 높은 효율을 보장하나, 현재 낮은 NH3-플럭스 및 그에 따른 높은 비용의 문제를 가진다. 현재 이러한 영역에서의 작업은 양성자 (H+), 카보네이트 ([CO3]2-), 수산화물 ([OH]-), 산화물 (O2-) 또는 용융된 질화물 (N3-) 이온 전도체의 사용을 수반한다. 양성자 수송은 전형적으로 부수적 H2 생성으로 인해 과전압에서 매우 좋지 않은 패러데이 효율 (<　2%)과 관련된다. 용해된 공용 혼합물에 용해된 리튬 질화물은 현재 최고 NH3 플럭스 (20　nmol　cm-2　s-1) 및 패러데이 효율 (72%)를 일으키지만, 이는 매우 낮아 상업적으로 실행가능하지 않다. 또한, 하이브리드 접근법은 전기화학적 물 전기분해를 화학적 N2 환원 단계와 조합하여 NH3 생산 속도를 향상시키기 위해 사용되고 있으나, 이는 개발의 매우 초기 단계이며, 확립된 하버-보슈법 공정 (96.5　mmol　g-1　h-1, ZA-5 촉매)보다 매우 더 낮은 성능 (7.6　mmol　g-1　h-1)을 제공한다.
암모니아 합성을 위한 반응 속도는 공급 가스의 농도에 좌우되고, H2 및 NH3 분압에 대해 역 의존성(inverse dependence)을 가진다. 반응 속도는 아래의 하기 식으로 주어진다.
Figure pat00003
반응 속도의 향상은 감소된 분압 또는 H2 및 높은 N2 분압 하에서의 작업을 요구한다. 용융된 전해질은 차압을 지속시키지 못하는 이의 능력으로 인하여 특히 바람직하지 않다. 이러한 이유로, 중간 압력에서의 작업은 또한 반응물 가스의 압축을 위한 에너지 비용을 감소시키는데 바람직하다. 고체 전해질은 전형적으로 고체상 암모니아 합성에서 사용된다. 그러나, 세라믹 전해질은 전형적으로 절삭되거나 또는 용이하게 절단될 수 없는 낮은 파괴 인성을 갖는 취성의 물질이고, 이는 조립 과정에서 기계적 응력으로 인해 균열에 대해 특히 민감성이게 만든다. 추가로, 이온성 산화물 막은 전형적으로 높은 작동 온도 (예를 들어, 800 내지 1,000℃)를 요구하고, 시작 및 중단의 반복된 기간 동안 열적 응력을 받는 경향이 있다.
테이프-캐스팅은 세라믹 막을 제조하기 위한 바람직한 방법이다. 이는 적절한 액체로 세라믹 입자를 포함시켜 세라믹 슬러리를 제조하는 단계, 이를 박막 (테이프)으로 캐스팅하는 단계를 수반하며, 이는 고온에서 소결된다. 이러한 취약한 물질이 추가의 취급을 필요로 하지 않고, 셀에 의해 기계적으로 보호되도록 전기화학 셀 내부 원위치에서 막을 제조하는 것이 바람직하다. 이는 더 얇은 막의 사용을 가능하게 하고, 이는 에너지 성능을 향상시키고, 시스템 비용을 감소시킨다.
테이프 캐스팅 막은 전형적으로 특징적 입자 크기보다 수배 더 크고, 이는 이의 이온성 면적-비저항 (ASR) 및 가스 불투과성을 감소시킨다. 예를 들어, 소결된 리튬-함유 막은 전형적으로 벌크형 또는 단일 결정 필름에 비해 상대적으로 낮은 이온 전도도를 가진다. 세라믹 재료로부터의 소결된 막은 또한 벌크 필름과 비교하여 감소된 전기화학적 및 가스 투과도를 나타내고, 이들 모두는 이온 전도막에 대해 바람직하지 않은 특징이다. 높은 다결정성 이온 전도성을 가능하게 하는 완전히 조밀한 막으로서 고체 세라믹 이온 전도체를 제조하는 것이 바람직하다. 추가로, 또한, 전도도가 단결정성 전도도에 도달되도록 결정성 입자의 특징적 길이와 비슷한 막 두께를 갖는 더 얇은 막을 생성하는 것이 바람직하다. 개선된 이온 전도도 및 감소된 두께 모두는 개선된 시스템 성능 및 감소된 자본 비용을 초래한다.
암모니아 합성에서의 또 다른 공정 개선은 작동 온도에 있어서의 감소이다. 이와 관련하여, 하버-보슈 신루프는 양호하지 않은 열역학적 평형을 겪고, 자발적인 암모니아 분해로 인하여 단일 통과 효율(single-pass efficiency)은 전형적으로 낮다. 중간 온도 작업 (<300℃)이 높은 NH3 전환 효율을 보장하기 위해 바람직하다.
급속 이온 전도막은 또한 암모니아 합성과 관련없는 다른 응용분야에 대해 사용된다. 특정 예는 연료 셀에서 산화물 수송을 위한 안정화된 지르코니아 막 (Y2O3, Sc2O3, Gd2O3 안정화제), 이온 선택성 전극에서의 불화물 수송을 위한 납 플루오라이드 (β-PbF2) 또는 란탄 트리플루오라이드 (LaF3) 막, 은 이온 수송을 위한 은 요오드화물 (AgI)과 관련된다. 현재 이들 물질의 벌크 필름의 직접적인 합성을 위한 방법은 존재하지 않는다. 이러한 특정 물질의 조밀화된, 가스-불투과성 막은 관련된 전기화학 과정에서 개선된 성능을 가능하게 할 것이다.
간단한 설명
본 개시내용은 고체 전해질막 및 이의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다.
일부 구현예에서, 반응물 금속을 포함하는 금속층을 포함하는 전구체 스택을 조립하는 단계; 및 상기 전구체 스택으로 반응물 가스를 주입하는 단계로서, 상기 반응물 가스는 반응물 금속과 반응하여 원위치에서 고체 전해질을 형성하는 단계를 포함하는 전기화학적 스택을 형성하는 방법이 개시되어 있다.
일부 구현예에서, 고체 전해질막은 질화물을 포함하고; 상기 반응물 금속은 리튬 (Li), 나트륨 (Na), 마그네슘 (Mg), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 및 바륨 (Ba)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함한다.
반응물 금속은 리튬일 수 있다.
일부 구현예에서, 반응물 가스는 질소 (N2) 및 암모니아 (NH3)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 가스를 포함한다.
고체 전해질막은 산화금속 또는 혼합된-산화금속을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 반응물 금속은 지르코늄 (Zr), 이트륨 (Y), 스칸듐 (Sc), 세륨 (Ce), 및 가돌리늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함하고; 반응물 가스는 산소 (O2) 또는 오존 (O3)이다.
고체 전해질막은 불화물, 황화물, 또는 요오드화물을 포함할 수 있고; 반응물 가스는 불소 (F2), 요오드 (I2), 또는 황화수소 (H2S)를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 반응물 가스는 25℃ 내지 800℃의 범위의 온도에서 전기화학적 스택으로 주입된다. 예를 들어, 온도는 리튬 질화물막에 대해 100℃ 내지 325℃, 이트리아, 스칸디아, 세리아, 가돌리니아, 또는 지르코니아 막에 대해 25℃ 내지 800℃; 납 플루오라이드 또는 란탄 플루오라이드 막에 대해 100 내지 325℃; 또는 은 아이오다이드 막에 대해 185 내지 325℃의 범위일 수 있다.
반응물 가스는 1 bar 내지 10 bar의 범위의 압력에서 전기화학적 스택에 주입될 수 있다.
일부 구현예에서, 전구체 스택은 추가로 제1 촉매 전극층 및 제2 촉매 전극층을 포함하고; 제1 촉매 전극층 및 제2 촉매 전극층 중 적어도 하나는 루테늄 (Ru) 촉매를 포함한다.
다른 구현예에서, 고체 전해질막의 형성 방법이 개시되어 있고, 상기 방법은 반응물 금속을 포함하는 금속층을 제공하는 단계; 및 반응물 가스를 제공하여 반응물 금속과 반응하여 고체 전해질막을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 구현예에서, 고체 전해질막은 전기화학 셀에서 원위치에서 형성된다.
반응물 금속은 리튬 (Li), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba), 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
일부 구현예에서, 반응물 금속은 리튬이다.
반응물 가스는 질소 (N2) 및 암모니아 (NH3)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 가스를 포함할 수 있다.
본 방법에 의해 제조된 고체 전해질막이 또한 개시되어 있다.
추가의 구현예에서, 전기화학적 스택 내에서 조립되는 경우에 반응물 금속과 반응물 가스 사이의 원위치에서의 화학적 반응에 의해 형성되는 전기화학적 스택용 고체 전해질막을 포함하는 시스템이 개시되어 있다.
형성된 고체 전해질은 리튬 질화물일 수 있다.
추가의 구현예에서, 원위치에서 고체 전해질막을 형성하는 전기화학적 장치가 개시되어 있다.
또한, 금속 질화물을 포함하는 고체 전해질 (예를 들면, 고체 전해질막)을 통하여 질화물 이온 (N3-)을 수송하기 위한 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 고체 전해질의 제1 면에 질소를 제공하는 단계로서, 질소가 반응하여 질화물 이온을 형성하는 단계; 및 고체 전해질을 통해 질화물 이온을 수송하는 단계를 포함한다. 질소는 비제한적으로 N2 및 NH3를 비롯하여, 임의의 적합한 형태로 제공될 수 있다.
일부 구현예에서, 금속 질화물은 리튬 (Li), 마그네슘 (Mg), 알루미늄 (Al), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 바륨 (Ba), 나트륨 (Na), 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함한다.
고체 전해질은 리튬 질화물을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 고체 전해질은 제1 촉매 전극층과 제2 촉매 전극층 사이에 위치한다.
일부 구현예에서, 제1 촉매 전극층 및 제2 촉매 전극층 중 적어도 하는 루테늄 (Ru) 촉매를 포함한다. 루테늄 촉매는 알칼리 촉진 루테늄 촉매일 수 있다.
일부 구현예에서, 금속 질화물 전해질은 전기화학 셀 중에 원위치에서 형성된 것이다.
다른 구현예에서, 전기화학 셀에서 적어도 하나의 질소-함유 화합물을 생성하기 위한 방법이 개시되어 있으며; 여기서 상기 전기화학 셀은 고체 전해질막을 포함하며, 상기 고체 전해질막은 금속 질화물을 포함하며, 질화물 이온을 수송할 수 있으며; 상기 방법은 막의 제1 면에 질소를 제공하는 단계로서, 상기 질소는 반응하여 질화물 이온 (N3-)을 형성하며, 상기 고체 금속 질화물 전해질은 질화물 이온 (N3-)을 수송 (예를 들면, 이에 대해 투과성임)할 수 있는 단계; 및 막의 제2 면에 반응물을 제공하는 단계로서, 상기 반응물은 질화물 이온 (N3-)과 반응하여 적어도 하나의 질소-함유 화합물을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 셀은 복수개의 셀을 포함하는 전기화학적 스택 내에 위치할 수 있다.
일부 구현예에서, 전기화학 셀에는 수소 공급원 및 질소 공급원이 공급되고, 전기화학 셀은 전기 공급원과 통합되며; 상기 방법은 전기화학적으로 암모니아를 생성한다.
일부 구현예에서, 금속 질화물은 리튬 질화물이다.
금속 질화물은 리튬 질화물일 수 있고, 전기화학 셀은 추가로 제1 촉매 전극층 및 제2 촉매 전극층을 포함하고, 제1 촉매 전극층 및 제2 촉매 전극층 중 적어도 하나는 루테늄 (Ru) 촉매를 포함할 수 있다. 임의로, 고체 전해질막은 가스에 대해 불투과성일 수 있다. 임의로, 제1 촉매 전극층 및 제2 촉매 전극층 중 유일한 하나는 루테늄 (Ru) 촉매를 포함한다.
일부 구현예에서, 전기화학 셀은 150℃ 내지 250℃의 범위의 온도에서 작동된다.
상기 질소는 1 bar 내지 10 bar의 범위의 압력에서 제1 촉매 전극층에 제공될 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 방법은 전기화학적으로 하이드라진, 하이드라조산, 또는 수소 시아나이드를 생성한다.
추가의 구현예에서, 전기화학 셀에서 질소 (N2)를 분리하고 압축하는 방법이 개시되어 있으며; 상기 전기화학 셀은 순서대로 제1 집전장치; 임의로 제1 가스 확산 층; 임의로 제1 촉매 전극층; 금속 질화물을 포함하고, 질화물 이온을 수송할 수 있는 고체 전해질막; 임의로 제2 가스 확산층; 및 제2 집진장치를 포함하며; 상기 방법은 제1 압력 또는 분압으로 질소 (N2)를 포함하는 조성물을 막의 제1 면에 제공하는 단계로서, 상기 질소는 반응하여 질화물 이온 (N3-)을 형성하고, 상기 질화물 이온은 막의 제2 면에서 반응하여 질소 (N2)를 형성하는 단계; 및 제2 집전장치에서의 유출구를 통해 전기화학적 스택으로부터 제2 압력 또는 분압에서 질소 (N2)를 제거하는 단계로서, 상기 제2 압력 또는 분압이 제1 압력 또는 분압보다 더 큰 단계를 포함한다.
질소는 적어도 하나의 추가의 가스를 더 포함하는 기체 혼합물로 막의 제1 면에 제공될 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 촉매 전극층은 루테늄을 포함하고, 제2 촉매 전극층은 루테늄을 포함한다.
본 조성물은 본질적으로 질소로 이루어질 수 있고; 본 방법은 질소를 압축할 수 있다.
추가의 구현예에서, 질화물 이온 (N3-)을 수송하기 위한 전기화학적 시스템이 개시되어 있다. 상기 시스템은 금속 질화물을 포함하고, 질화물 이온을 수송할 수 있는 고체 전해질막을 포함한다.
이들 및 다른 비제한적인 특징이 하기에 더 상세하게 기재된다.
하기는 도면의 간단한 설명이고, 이는 이를 제한하기 위한 목적이 아닌 본원에 개시된 예시적인 구현예를 설명하기 위한 목적을 위해 나타낸다.
도 1은 하버-보슈법 공정을 사용하는 암모니아 합성에 수반되는 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 개시내용의 일부 구현예에 따라 전기화학적 스택을 제조하기 위한 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 전기화학적 스택의 단면도이다.
도 4는 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 다른 전기화학적 스택의 분해도(exploded view)이다.
도 5는 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 고체 상태 질화물 전도막을 사용하는 암모니아 합성을 개략적으로 예시한다.
도 6은 본 개시내용의 일부 구현예에 따라 H2 생성 공정 (증기 개질, SR), 공기 분리 공정 (저온 증류) 및 발전 공정 (가스 터빈)을 사용하는 모듈식 전기화학적 암모니아 발생기 스택의 시스템 통합을 예시한다.
도 7은 본 개시내용의 일부 구현예에 따라 질화물-전도 고체막을 사용하는 질소 압축을 개략적으로 예시한다.
도 8a 및 8b는 각각 현존 문헌과 Li3N 이온 전도성의 예비 전기화학 임피던스 분광법 측정의 비교 및 α-Li3N의 결정 구조를 나타낸다.
도 9는 220℃에서 1 bar N2에서 Li을 반응시키는 것에 의한 1.5mm 두께의 리튬 질화물막의 합성을 나타내는 사진을 포함하며, 여기서 프로토타입 전기화학적 스택 (3 cm2 활성 면적)을 캐소드 촉매 (4 mg/cm2 Pt/Ru), 애노드 촉매 (4 mg/cm2 Pt) 및 Li 금속을 사용하여 제조하였다. Li 금속을 N2에의 통과로 반응시켜 원위치에서 리튬 질화물막을 형성하였다.
도 10은 Pt-Ru 촉매 (N2) 및 Pt 촉매 (H2)로 작동되는 예비 셀에서 180℃에서의 NH3 합성을 나타내는 순환 전압전류 곡선 (10　mV/s)을 예시한다. 생성된 NH3는 100　ppm 센서를 사용하여 검출되었고, 이는 더 높은 값의 인가된 전압에서 포화된다.
도 11은 질소 발생을 위한 개념 증명 입증의 일부 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 개시내용의 하나의 구현예에 따라 형성된 분해된, 층상의 전기화학 셀의 일부의 사진이다.
도 13은 도 12의 장치에 전기장이 인가된 경우에 시간에 따른 압력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 13에서 인가된 전기장이 역전된 경우에 시간에 따른 압력에서의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 예시적인 열적 프로파일을 예시한다.
도 16은 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 예시적인 화학적 (가스) 프로파일을 예시한다.
도 17은 37x 배율 및 1000x 배율 (삽도)에서의 실시예 중 하나에 따라 제조된 막의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 18은 실시예 중 하나에 따라 제조된 막의 단면에 걸친 질소 함량의 EDX 라인스캔이다.
도 19는 실시예 중 하나에 따라 제조된 전기화학 셀에서의 암모니아 플럭스 및 패러데이 효율을 예시하는 그래프이다.
본원에 개시된 막, 스택, 시스템, 및 방법의 보다 완전한 이해는 수반된 도면들을 참조하여 얻을 수 있다. 이들 도면은 단지 현존 기술 및/또는 본 개발내용의 입증의 편의성 및 용이성에 기초하는 개략적 표현이며, 이에 따라 어셈블리 또는 이의 부품의 상대적 크기 및 치수를 나타내는 것으로 의도되지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 기술분야의 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 문헌이 우선할 것이다. 바람직한 방법 및 물질은 하기에 기술되며, 한편 유사하거나 또는 동등한 방법 및 물질이 본 개시내용의 실시 또는 시험에 사용될 수 있다. 본원에 개시된 물질, 방법, 및 물품은 단지 예시적이며, 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 예를 들면, 리튬 질화물 고체 전해질은 본원 전반, 특히 실시예 부분에 논의된다. 그러나, 리튬 이외의 반응물 금속이 또한 고려된다. 마찬가지로, 암모니아 생산이 본 응용분야 전반에서 논의되나, 다른 응용분야가 또한 고려된다.
단수 형태("a," "an," 및 "the")는 문맥에서 명확하게 달리 나타내지 않는 한, 복수개의 지시대상을 포함한다.
본 명세서 및 청구항에서 사용되는 용어 "포함함"은 "~로 이루어짐" 및 "~로 본질적으로 이루어짐" 구현예를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "포함하다(comprise(s), include(s))", "가짐(having, has)", "~일 수 있음", "함유하다" 및 이의 변형어는 명명된 성분/단계의 존재를 필요로 하는 개방형 전이 어구인 것으로 의도되며, 다른 성분/단계의 존재를 허용한다. 그러나, 이러한 설명은 또한 열거된 성분/단계로 "이루어진" 및 "본질적으로 이루어진" 조성물, 혼합물, 또는 방법을 기술하는 것으로서 해석되어야 하고, 이는 명명된 성분/단계만의 존재를 이로부터 생성될 수 있는 임의의 불순물과 함께 허용하며, 다른 성분/단계를 배제한다.
상반되게 나타내지 않는 한, 명세서에서의 수치는 유의미한 숫자 및 수치 중 동일한 수로 감소되는 경우에 이와 동일한 수치값을 포함하며, 이는 특정 값을 결정하기 위해 사용되는 유형의 종래의 측정 기술의 실험 오차 미만으로 상술된 값과 차이가 나는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 개시된 모든 범위는 인용된 종점을 포괄하며, 독립적으로 조합가능하다 (예를 들면, "2 내지 10"의 범위는 종점, 2 및 10 및 중간의 모든 값을 포함한다). 본원에 개시된 범위의 종점 및 임의의 값은 정확한 범위 또는 값으로 제한되지 않으며; 이는 이의 범위 및/또는 값에 근사하는 값을 포함하기에 충분하도록 부정확한 것이다.
본원에서 사용된 근사치 용어는 이것이 관련되는 기본적 기능의 변화를 야기하지 않고 변화될 수 있는 임의의 정량적 표현을 수식하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약" 및 "실질적으로"으로와 같은 용어 또는 용어들에 의해 수식된 값은 일부 경우에서 특정된 정확한 값으로 제한되지 않을 수 있다. 수식어 "약"은 또한 2개의 종점의 절대값에 의해 정의된 범위를 개시하는 것으로 고려되어야 한다. 예를 들어, 표현 "약 2 내지 약 4"는 또한 " 2 내지 4"의 범위를 개시한다. 용어 "약"은 표시된 수의 ±10%를 지칭할 수 있다. 예를 들어, "약 10%"는 9% 내지 11%의 범위를 나타낼 수 있고, "약 1"은 0.9-1.1을 의미할 수 있다.
본원에서의 수치 범위의 인용의 경우, 동일한 정도의 정확성으로 그 사이에 존재하는 각각의 개입된 수는 명백하게 고려된다. 예를 들면, 6-9의 범위의 경우, 수 7 및 8이 6 및 9 이외에 고려되며, 6.0-7.0의 범위의 경우, 수 6.0, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 및 7.0이 명백하게 고려된다.
본 개시내용은 고체 전해질막을 포함하는 전기화학적 스택에 관한 것이다. 전기화학적 스택 및 고체 전해질막을 제조하고, 사용하는 방법이 또한 개시되어 있다. 일부 구현예에서, 상기 막은 금속 질화물, 산화금속 또는 혼합된-산화금속, 금속 불화물, 금속 요오드화물, 또는 금속 황화물을 포함한다.
본 개시내용의 리튬 질화물 (예를 들어, Li3N) 막은 인가된 전기장 하에서 이온 전자 이동을 촉진하는 고체 질화물-이온 (N3-) 전도성 전해질로서 작용한다. 상기 막은 높은 질화물 이온 이동도 (t N3-~0.4)를 갖는 중간 온도 (σ453 K =　4.5　mS　cm-1)에서의 양호한 이온 전도체이다.
금속은 일반적으로 이의 더 큰 절단성(sectility) 및 연성으로 인해 산화금속 보다 더 용이하게 절삭된다. 반응성 베이스 금속으로 시작하여 전기화학적 스택을 조립하고, 조립 과정에서 기계적 응용의 유해한 효과를 최소화하는 것이 용이하다. 원위치 반응을 통해 이온 전도막의 제조는 물리적 막 균열의 결과로서의 막 불량의 가능성을 감소시킨다.
추가로, 본 개시내용의 시스템 및 방법을 사용하여 제조된 막은 벌크 필름의 특성을 유지하며, 사실상 보다 더 다결정성이다. 이는 단결정 값에 도달되는 이온 전도도를 갖는 리튬 질화물막을 야기하고, 이는 소결된 리튬에 대한 값보다 상당하게 더 높다.
상기 막은 촉매 전극과 조합하여 막 전극 어셈블리 (MEA)를 형성할 수 있고, 이는 고도의 모듈식 전기화학적 스택의 빌딩 블록 (building block)이다. 상기 막은 Li 금속 시트와 N2 가스를 반응시켜 합성되며, 이는 그 자체가 릴-투-릴 공정을 가능하게 하며, 스택 조립을 간소화하고, 제조 비용을 상당하게 감소시킬 것이다.
본 개시내용의 전기화학적 스택은 막이 금속 질화물을 포함하는 경우에 다양한 질소 화학물질을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기화학적 스택은 하이드라진 (N2H4), 하이드라조산 (HN3), 또는 암모니아를 제조할 수 있고, 이는 하기 전체적인 반응을 통해 제조될 수 있다. 반응 생성물은 촉매의 선택 및 전압, 가스 조성 및 온도의 작동 조건에 의해 결정된다. 이는 다소간의 위험한 중간체를 사용하는 이러한 화학물질의 주문형 합성을 가능하게 한다.
Figure pat00004
중간 온도 작업 및 N3- 전도성 고체 전해질의 사용은 현존 암모니아 발생 기술에서의 2개의 주요 문제를 회피한다:
1. 하버-보슈법 공정 중에서 고온에서의 열역학적 암모니아 분해로 인한 낮은 암모니아 전환율; 및
2. 전기화학 공정에서의 부수적 수소 생성으로 인한 낮은 암모니아 전환율.
모듈식 스택 디자인은 가동부가 없고, 소규모 NH3 생성을 위한 하버-보슈법과 같은 현재 기술의 암모니아 생성 공정보다 훨씬 낮은 자본 비용을 가진다. 이러한 소규모 암모니아 생성은 천연 가스 플레어링 과정에서 현재 손실되는 에너지의 활용 또는 감축된 재생물을 가능하게 한다.
작동 과정에서, 공급 가스 (N2/H2)는 중간 온도 (예를 들어, 약 200 내지 약 250℃)에서 유지되는 암모니아의 모듈식 전기화학적 생성 (MEGA) 스택으로 유입된다. 이 온도에서의 NH3의 열역학적 분해는 중간 정수압 (예를 들어, 약 5　bar 미만)에서 작동시킴으로써 회피된다. 고체 막을 사용하는 공급 가스의 분리는 H2 피독의 위험 없이 N2-선택적 Ru 촉매의 사용을 가능하게 한다. 캐소드에서, N2는 환원되고 (1/2N2　+　3e-　→N3-), N3-는 막을 통해 이동하고, H2와 반응하며 (3/2H2　+　N3-　→NH3　+　3e-), NH3를 생성한다.
MEGA의 모듈성은 위치 및 강도에 의해 상당하게 변화되는 가스 플레어 또는 풍력 발전과 결합하여 사용하는데 매우 적합하다. MEGA 스택은 소규모 증기 개질기 및 공기 분리 유닛과 함께 통합될 수 있다.
생산 비용을 평가하기 위한 예비 비용 모델 (preliminary cost model)은 소규모 증기 개질기 (SR) 및 공기 분리 유닛 (ASU) 플랜트에 대한 0.6의 스케일 지수(scaling exponent)를 가정하고, 플레어링된 가스에 대해 비용이 없는 것으로 가정한다. MEGA를 사용하는 이에 따른 NH3 비용은 더 큰 하버-보슈 설비에 대해 유리하게 비교되며, 비료의 제조를 위한 NH3 수송 비용의 감소를 가능하게 한다. 예를 들면, 노스다코타에서의 플레어링된 가스는 콘 벨트(Corn Belt)에서의 NH3 수요의 >40%를 공급하기 위해 사용될 수 있다. MEGA, SR, 및 ASU의 통합 과정에서의 공정 최적화는 더욱 더 바람직한 에너지성(energetic) 및 경제성을 야기할 수 있다.
도 2는 전기화학적 스택 중에서 원위치에서 고체 전해질막을 제조하기 위한 예시적인 방법을 예시하는 흐름도이다. 초기에, 금속층(105)이 제공된다. 도시된 구현예에서, 금속층은 롤의 형태로 제공된다. 금속층(105)은 절단되어 제1 촉매층(130), 제2 촉매층(135), 및 밀봉 가스킷(132, 137)과 함께 적층되어 막 전극 어셈블리를 형성한다. 막 전극 어셈블리는 집전장치(150, 155) (예를 들어, 바이폴라 플레이트)의 제공에 의해 반응성 금속 스택으로 조립(165)된다. (하버-보슈법 공정과 비교하여) 상대적으로 저온 및 압력에서 반응물 가스 (예를 들어, 질소 가스, 암모니아 가스, 또는 질소 산화물 가스)는 반응성 금속 스택에 제공되어, 반응성 금속층과 반응(170)하여 전기화학적 스택 중에서 원위치에서 고체 전해질막(120)을 형성한다.
일부 구현예에서, 고체 전해질막은 질화물, 산화물, 요오드화물, 또는 불화물 이온 전도체를 포함한다.
고체 전해질막은 반응물 금속을 반응물 가스와 반응시켜 형성된다. 반응물 금속은 하기의 성분: 리튬 (Li), 나트륨 (Na), 마그네슘 (Mg), 칼슘 (Ca), 스트론튬 (Sr), 지르코늄 (Zr), 이트륨 (Y), 스칸듐 (Sc), 세륨 (Ce), 및 가돌리늄 (Gd) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 반응물 가스는 질소 (N2), 암모니아 (NH3), 산소 (O2), 오존 (O3), 수소 (H2), 또는 불소 (F2)를 포함한다.
상기 막이 질화물을 포함하는 경우, 반응물 금속은 리튬 (Li), 나트륨 (Na), 마그네슘 (Mg), 칼슘 (Ca), 및/또는 스트론튬 (Sr)을 포함할 수 있고, 반응물 가스는 질소 (N2), 암모니아 (NH3), 또는 하이드라진 (N2H4)일 수 있다.
상기 막이 산화물을 포함하는 경우, 반응물 금속은 지르코늄 (Zr), 이트륨 (Y), 스칸듐 (Sc), 세륨 (Ce), 및/또는 가돌리늄 (Gd)을 포함할 수 있고, 반응물 가스는 산소 (O2) 또는 오존 (O3)일 수 있다.
상기 막이 불화물을 포함하는 경우, 반응물 가스는 불소 (F2)일 수 있고, 반응물 금속은 란탄 (La) 또는 납 (Pb)일 수 있다.
상기 막이 요오드화물을 포함하는 경우, 반응물 가스는 요오드 (I2)일 수 있고, 반응물 금속은 은 (Ag)일 수 있다.
상기 막이 황화물을 포함하는 경우, 반응물 가스는 황화수소 (H2S)일 수 있고, 반응물 금속은 은 (Ag)일 수 있다.
도 3은 본 개시내용의 일부 구현예에 따라 전기화학적 스택(100)의 비제한적인 구현예를 예시하고 있다. 스택(100)은 고체 전해질막(120) (예를 들면, 고체 금속 질화물 전해질막 예컨대 리튬 질화물막)을 포함한다. 촉매 전극층(130, 135)은 전해질막(120)의 각각의 면에 제공된다. 제1 촉매 전극층(130)은 전해질막(120)과 제1 미세다공성 층(140) 사이에 위치한다. 제2 촉매 전극층(135)은 전해질(120)과 제2 미세다공성 층(145) 사이에 위치한다. 제1 미세다공성 층(140)은 제1 촉매 전극층(130)과 제1 집전장치(150) 사이에 위치한다. 제2 미세다공성 층(145)은 제2 촉매 전극층(135)과 제2 집전장치(155) 사이에 위치한다. 집전장치(150, 155)는 가스를 주입하기 위해 유입구 및 유출구(152, 157)를 포함한다.
전해질(120)은 약 50 μm 내지 약 250 μm 및 약 50 μm 내지 약 100 μm를 포함하는 약 50 μm 내지 약 2,000 μm의 범위의 두께를 가질 수 있다.
금속 질화물 전해질(120)의 반응물 금속은 리튬, 마그네슘, 알루미늄, 스칸듐, 가돌리늄, 칼슘, 세륨, 및 바륨으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 질화물은 혼합된 금속 질화물 (즉, 1개 초과의 금속을 포함함)이다. 혼합된 질화물은 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 알루미늄, 스칸듐, 가돌리늄, 칼슘, 세륨, 및 바륨으로부터 선택된 하나 이상의 금속과 조합하여 리튬을 포함할 수 있다.
특정 구현예에서, 질화물은 리튬-질화알루미늄 (Li3AlN2)일 수 있다.
전기화학 셀의 성능은 질화물 이온에 대한 높은 이온 전도도 (예를 들면, 1 mS/cm 초과), 낮은 면적-비저항 (예를 들어, 100 ohm-cm2 미만), 및 좋지 않은 전기전도도에 좌우된다. 추가로, 상기 막은 공급 가스가 혼합되는 것을 방지하기 위해 가스에 대한 매우 낮은 투과도를 가진다.
촉매층(130, 135)은 전도성 금속 촉매를 포함한다.
촉매층은 동일한 조성물 또는 상이한 조성물을 가질 수 있다. 예를 들면, 막의 단지 하나의 면이 수소에 노출되는 응용분야에서, 비노출된 면의 촉매층은 루테늄을 포함할 수 있는 반면, 노출된 면의 촉매층은 루테늄을 포함하지 않는다.
일부 구현예에서, 촉매층(130, 135)는 독립적으로 금, 이리듐, 팔라듐, 백금, 및 루테늄으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함한다.
하나 또는 두개의 촉매층(130, 135)은 루테늄으로 이루어질 수 있다. 다른 구현예에서, 하나 또는 두개의 촉매층은 금, 이리듐, 팔라듐, 및 백금으로부터 선택된 적어도 하나의 금속과 조합하여 루테늄을 포함한다.
일부 구현예에서, 촉매는 알칼리 촉진 촉매이다.
촉매층(130, 135)의 두께는 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 촉매층은 촉매 코팅된 가스 확산 전극 (예를 들어, 250 μm의 탄소 종이 또는 400 μm의 탄소 천)을 포함할 수 있다. 두께는 사용되는 전극의 선택에 좌우된다.
촉매층은 높은 비표면적 (예를 들어, 약 10 내지 약 60 m2/g)을 보장할 수 있다.
촉매-코팅된 가스 확산 전극은 동시에 반응 과정에서 생성된 전자의 용이한 수집을 위한 경로를 제공하면서, 반응을 위해 이용가능한 3-상 (가스, 촉매, 및 전해질) 접촉 면적을 증가시켜 반응 속도를 향상시킨다. 이러한 이유로, 가스 확산 전극은 높은 표면적을 보장하기 위해 탄소 펠트의 층으로 피복된 양호한 전기 전도체, 예컨대 탄소로 제조된다. 전극 표면은 때때로 기계적 안정성을 보장하기 위해 결합제 (예를 들면, PTFE)로 후처리될 수 있다.
미세다공성 층(140, 145) (가스 수송층 또는 가스 확산층으로도 공지됨)은 조성 및 두께와 관련하여 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 이러한 층은 가스의 수송을 가능하도록 다공성이다.
일부 구현예에서, 각각의 미세다공성 층은 독립적으로 탄소 천, 탄소 펠트, 탄소 종이, 금속 메쉬, 및 금속 폼 (예를 들면, 니켈)로부터 선택된 다공성 물질을 포함한다.
가스 수송층은 높은 가수 투과도 (예를 들면, 10 s 미만), 낮은 전기적 면적-비저항(0.013 ohm-cm2 미만), 및 높은 인장 강도 (5 N/cm 초과)를 보장하기 위해 적절한 다공성을 가진다.
일부 구현예에서, 가스 수송층은 카본블랙으로 제조된 미세다공성 층 (예를 들어, 50 μm 미만의 두께)으로 피복된다. 이러한 층의 목적은 가스 수송층 사이의 양호한 면적 접촉을 보장하고, PEM 연료 셀에서 생성된 물의 윅-오프(wick-off)를 촉진하기 위한 것이다. 이러한 구현예에서, 미세다공성 층은 고체 전해질 부근에서 전극의 다공성을 감소시키고, 이는 리튬 질화물이 촉매에 완전하게 융합되지 않는 것을 보장하기 위해 높은 모세관 압력을 생성한다.
일부 구현예에서, 촉매 전극층 및/또는 가스 수송층은 선택적인 것이다.
일부 구현예에서, 집전장치는 전해질막과 물리적으로 접촉된다.
일반적으로, 집전장치(150, 155)는 양호한 전기전도도, 높은 열전도도, 높은 내약품성, 높은 내부식성, 압축력에 대한 기계적 안정성, 및 특정 응용분야에서 사용되는 가스 (예를 들면, 수소)에 대한 낮은 투과도를 나타낸다.
집전장치는 흑연, 금속, 및 금속 합금으로부터 선택된 하나 이상의 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 금속은 스테인레스강 (예를 들어, 타입 304 및/또는 타입 316), 구리, 또는 티탄이다.
집전장치는 일반적으로 향상된 가스 분포를 위한 하나 이상의 흐름장(flow field)을 포함한다. 일부 구현예에서, 흐름장(들)은 구불구불하다.
집전장치는 일반적으로 높은 전기전도도 (예를 들어, 104 S/m 초과), 낮은 가스 투과도 및 공급물 및 생성물 가스에 대한 화학적 안정성, 중간 압력 (예를 들면, 5 bar 초과)에서의 작업을 가능하게 하는 높은 인장 강도, 및 흐름장의 절삭을 가능하게 하는 양호한 기계가공성을 가진다.
일부 구현예에서, 각각의 집전장치는 약 1 내지 약 5 mm의 범위 내의 두께를 가진다.
도 3의 전기화학적 스택(100)은 단일 셀을 포함한다. 그러나, 본 개시내용의 전기화학적 스택은 또한 복수개의 셀을 포함할 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 도 4는 2개의 셀을 갖는 전기화학적 스택(200)을 예시하는 분해도이다. 각각의 막 전극 어셈블리(210)는 고체 전해질막 및 촉매 전극을 포함하고, 2개의 집전장치(250)들 사이에 개재되어 있다. 일부 구현예에서, 스택 모듈은 약 50 내지 약 100개의 셀을 포함한다. 예를 들면, 250 mA/cm2의 전류에서 작동되는 50-전지 스택 (20 cm x 20 cm)은 시간당 1 kg의 암모니아를 생성할 수 있다.
일부 구현예에서, 전기화학적 스택은 암모니아를 제조하기 위해 사용된다. 예시적인 암모니아 생산 방법의 비제한적인 예는 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 시스템은 고체, 금속 질화물 전해질(320), 제1 및 제2 촉매 전극층(330, 335), 및 제1 및 제2 집전장치(350, 355)를 포함한다. 도시된 구현예에서, 전해질(320)은 리튬 질화물 전해질이고, 제1 촉매 전극층(330)은 루테늄 촉매층이고, 제2 촉매 전극층(335)은 백금 촉매층이다. 질소 가스는 유입구(374)를 통해 제1 집전장치(350)를 통해 제공되고, 수소 가스는 유입구(372)를 통해 제2 집전장치(355)를 통해 제공된다. 미반응된 질소는 유출구(376)를 통해 제거될 수 있고, 임의로 재순환된다. 질화물 이온 (N3-)은 제1 촉매층(330)에서 생성된다. 전해질(320)은 선택적으로 질화물 이온에 대해 투과성이고, 이는 이를 통과한다. 제2 촉매층(335)에 도달되는 질화물 이온은 수소와 반응하여 암모니아를 형성한다. 전기화학적 스택에서 생성된 암모니아는 유출구(378)을 통해 시스템으로부터 제거될 수 있다. 고체 전해질(320)은 수소에 대해 불투과성이다. 따라서, 유입구(372)를 통해 제공된 수소는 루테늄 촉매(330)에 도달되지 않는다. 따라서, 고체 전해질(320)은 촉매(330)의 유해한 피독을 방지한다.
본 개시내용의 시스템 및 방법은 이용된 에너지 공급원 (예를 들어, 천연 가스 플레어, 감축 또는 좌초 재생물(curtailed or stranded renewables) 예컨대 풍력 및 태양광 발전)으로부터 암모니아의 분배된 생성을 가능하게 한다. 작동 과정에서, 스택은 중간 온도에서 유지되고, 반응물 가스 (N2 및 H2)은 중간 압력에서 스택으로 유입된다. 일부 구현예에서, 중간 온도는 약 250℃ 미만이다. 온도는 약 150℃ 내지 약 250℃의 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, 중간 압력은 약 10 bar 미만이다. 압력은 약 1 bar 내지 약 10 bar의 범위일 수 있다. 질소는 전형적으로 저온 증류, 막 분리 또는 압력 순환 흡착에 의해 공기로부터 분리된다. 수소는 전형적으로 재생가능한 플레어링된 가스 부분에서의 수증기 개질에 의해 또는 에너지 발전시의 물 전기분해를 통해 수득된다. 활성 전압이 인가되는 경우, N2는 촉매 표면에서의 캐소드 (즉, 도 5에서의 제1 촉매층(330))에서 환원되어 질화물 이온 (N3-)을 형성한다:
Figure pat00005
생성된 N3-는 애노드 (즉, 도 5에서의 제2 촉매층(335))으로 이동하고, 여기서 이는 H2와 반응하여 암모니아를 발생시킨다:
Figure pat00006
도 6은 모듈식 전기화학적 암모니아 발생기 스택 MEGA를 포함하는 예시적인 시스템을 예시하는 흐름도이다. 증기 개질기 SR은 도 1의 증기 개질기와 유사하거나 또는 상이할 수 있고, MEGA 스테이지에 수소를 제공할 수 있다. 공기 분리 유닛 ASU은 도 1의 공기 분리 유닛과 유사하거나 또는 상이할 수 있고, MEGA 스테이지에 수소를 제공할 수 있다. 터빈 스테이지는 에너지를 MEGA 스테이지에 제공한다. 터빈 이외에 또는 이의 대안으로서, 에너지는 풍력 또는 태양광 발전에 의해 제공될 수 있다. MEGA 스테이지는 도 1에서의 HB 스테이지와 비교하여 상당히 저온 및 압력에서 암모니아를 생성한다.
다른 구현예에서, 전기화학적 스택은 불활성 가스 및/또는 압축 질소로부터 질소를 분리하기 위해 사용된다. 예시적인 질소 압축 방법의 비제한적인 예는 도 7에 개략적으로 나타나 있다. 시스템은 고체, 금속 질화물 전해질(420), 제1 및 제2 촉매 전극층(430, 435), 및 제1 및 제2 집전장치(450, 455)를 포함한다. 도시된 구현예에서, 전해질(420)은 리튬 질화물 전해질이고, 제1 및 제2 촉매 전극층(430, 435) 루테늄 촉매층이다. 이 경우에, 루테늄은 두 촉매층(430, 435)에서 사용될 수 있고, 이는 수소로부터의 촉매 피독이 두 공급물(472, 474)이 질소를 전기화학적 스택에 공급한 이후에 문제가 되지 않기 때문이다. 제1 유입구(472)는 저압 질소를 제공하고, 제2 유입구(474)는 고압 질소를 제공한다. 또한, 저압 질소는 재순환 라인(476)를 통해 재순환될 수 있다. 고압 질소는 유출구(478)를 통해 시스템으로부터 배출된다. 질소는 제1 촉매층(430) (즉, 캐소드)에서 반응하여 전해질(420)이 투과가능한 질화물 이온 (N3-)을 형성한다. 질화물 이온은 제2 촉매층(435) (즉, 애노드)에서 가역 반응으로 반응하여 더 많은 질소를 생성하고, 이로써 셀의 제2 면에서 질소의 압력을 증가시킨다. 제2 촉매층에서의 가역 반응은 하기에 나타난다:
Figure pat00007
그 결과, N2 유입구로부터 다운스트림에서의 가스 압력이 증가된다. 복수개의 스테이지가 적층되는 경우, 생성물 N2 가스의 압력은 상당하게 증가될 수 있다 (예를 들면, 250℃에서 약 100　bar 초과임). 이들 조건은 초임계 유체로 존재하기 위해 질소에 대해 적절한 것이고, 수득한 생성물은 초임계 건조, 또는 다공성 물질의 정제와 같은 응용을 위한 N2 공급물일 수 있다.
본 개시내용의 시스템 및 방법은 N2/불활성 가스 혼합물을 분리하기 위해 사용될 수 있다. 고체 전해질막은 소규모 가스 처리 응용분야에 대한 더 나은 비용-보정을 가지는 모듈식 구조를 제공한다. 하나의 예는 비활성 가스 (Ar, Kr, Ne, Xe)의 정제이다. 이는 현재 흡착 컬럼 또는 저온 증류를 사용하여 달성되고, 이 둘 모두는 높은 설치 및 작업 비용을 요구한다. N2｜He의 분리를 위한 중합체 막은 낮은 He 선택도 또는 낮은 플럭스를 겪는다. 이러한 가스에 대한 크누센 선택도(Knudsen selectivity)는 낮고, N2｜He 혼합물을 분리하기 위한 중합체 막은 복수개의 스테이지 및 상당한 막 면적을 요구한다. 이온-선택적 막은 훨씬 높은 선택성을 제공하고, 불활성 가스의 분리시 플럭스를 개선하는데 바람직하다.
압축된 N2는 또한 암모니아의 생산에 사용될 수 있다.
본 개시내용의 분리/압축 시스템 및 방법은 소규모 응용분야에 대한 선행기술의 단점을 극복한다. 이는 현장 화학물질 생산을 위해, 원격 화학물질 생산 (소규모로의 저렴한 시약의 이용가능성에 기초함)을 위해, 대형 플랜트 유지 과정에 지속적 생산을 가능하기 위해, 기존 플랜트의 모듈식 확장을 위해, 또는 시약의 실시간 비용에 기초한 생산을 조정할 수 있는 낮은 자본-지출 플랜트를 위해 유용할 수 있다.
휴대용 전기화학적 질소 분리기/압축기는 자동차의 타이어를 충전하기 위해 휴대용 압축된 질소를 운반하기 위해 사용될 수 있다. 산화물 이온 수송막은 이러한 작업을 위해 높은 작업 온도를 필요로 한다.
또한, 휴대용 전기화학적 질소 분리기/압축기는 (예를 들어, 연소가능한 또는 반응물 생성물 예컨대 석유의 저장을 위해) 불활성 분위기를 유지하도록 고순도 N2를 전달하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 상기 시스템은 산업용 공기를 요구함 없이 불활성 조건을 유지하도록 오븐 및 글러브 박스에 대한 휴대용 부가물로서 작용을 할 수 있다.
다른 구현예에서, 본 개시내용의 전기화학적 스택은 암모니아를 검출하기 위해 사용될 수 있다.
도 8a는 현존하는 문헌과의 Li3N 이온 전도도의 예비 전기화학적 임피던스 분광 측정값의 비교를 나타내는 그래프이다. 도 8b는 α-Li3N의 결정 구조를 예시한다.
본 개시내용의 시스템 및 방법의 하나의 특징은 중간 온도에서 고체 전해질에서의 급속한 질화물 이온 (N3-) 수송이고, 이는 부수적 H2 생성 또는 NH3의 열적 분해를 회피하면서도 효율적인 NH3 생성을 가능하게 한다. 이는 α-Li3N (도　8b)의 특유의 결정 구조에 기인하고, 이는 (Li2N)-의 시트 및 이동형 Li+ 채널을 구성한다. 그 결과, 상기 물질은 종래에 단일-이온 전도체로서 여겨졌다. 리튬 질화물은 효과적인 Li+ 전도체인 것으로 알려져 있고, 고체상 N3- 수송은 본 출원의 실시예 부분에 논의된 개념증명 실험에 입증되어 있다. 분배적 제조 방법(disruptive manufacturing approach)은 Li 금속 및 다른 층의 완전한 막 전극 어셈블리 (MEA)로의 롤-투-롤 어셈블리, 이후 Li 질화에 의해 원위치에서의 막 형성을 수반할 수 있다:
Figure pat00008
이는 보다 비싼 막 형성 방법 예컨대 테이프-캐스팅 및 기상 증착을 회피하고, 이온 전도성 및 감소된 가스 투과성을 갖는 완전하게 조밀한 막으로서 고체 세라믹 이온 전도체의 제조를 가능하게 함으로써 제조 비용을 급감시킬 것이다.
또한, 이는 전도도가 단결정 전도도에 근접하도록 결정 입자의 특징적 길이를 필름의 두께와 유사하거나 또는 더 크게 할 수 있는 두께 및 처리 조건에서의 막의 제조를 가능하게 한다.
이러한 취성의 물질이 추가의 취급을 필요로 하지 않고, 셀에 의해 기계적으로 보호되도록 전지화학 셀 내에서 막을 제조하는 능력은 가능할 수 있는 한 더 얇은 막의 사용을 가능하게 하고, 이는 결국 셀의 저항을 감소시키고, 전류 밀도 및 효율을 증가시키고, 스택을 제조하는 화학물질의 전기 비용 및 자본 비용을 감소시킨다.
본 출원의 시스템 및 방법은 선행 기술에 비해 다수의 장점을 가진다. 하나의 장점은 모듈식 전기화학적 스택이 가동부를 가지지 않고 (낮은 유지 비용), 매우 잘 크기로 변경되는 (임의의 크기에서의 높은 효율) 것이다. 이는 (예를 들면, 플레어링된 가스 부분 및 풍력 발전에서) 특히 소규모 암모니아 생성을 위해 매우 적합하게 한다.
또 다른 장점은 질화물 이온 수송이 N2 환원과 함께 부수적 H2 발생을 방지하는 것이다.
추가의 장점은 전류 밀도가 막 최적화 (박막 사용, 감소된 다결정성) 및 N2-환원 촉매에서의 개선에 의해 하버-보슈법과 비슷할 수 있다는 것이다.
추가의 장점은 금속 질화물이 H2 크로스오버 및 N2-선택적 Ru 촉매의 피독을 방지하는 고체 배리어를 제공한다는 것이다.
또 다른 장점은 본 공정이 중간 온도에서 운행되고, 암모니아의 열역학적 분해를 잠재적으로 회피할 수 있다는 것이다.
또 다른 장점은 간단한 제조 방법이 고비용의 테이프 캐스팅 또는 화학 기상 증착 제조 방법에 대한 필요성을 회피한다는 것이다.
하기의 예는 본 개시내용의 장치 및 방법을 예시하기 위해 제공된다. 실시예는 단순히 예시적인 것이고, 본원에 기재된 물질, 조건, 또는 공정 파리미터로 본 개시내용을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
실시예
리튬 질화물층의 형성
220℃에서의 질소 (N2) 분위기 (1 bar) 중에서 리튬 (Li) 금속을 반응시킴으로써 막 형성의 실행가능성을 입증하기 위해 실험을 실시하였다. 이 온도에서, 리튬은 질소와 급속하게 반응하여 (Li + 3/2 N2 → Li3N) 짙은 색상의 생성물을 산출하였다. 그 결과는 도 9에 나타나 있고, 이는 질소 환경에의 노출 이전 (0분; 좌측 사진); 10분의 노출 이후, 리튬 질화물층이 완전하게 형성되기 이전에 (중간 사진); 리튬 질화물층의 형성 이후 (90분; 우측 사진)의 리튬 금속층을 보여준다. 리튬 질화물 막은 약 1.5 mm의 두께를 가졌다.
프로토타입 전기화학적 스택의 제조
프로토타입 전기화학적 스택을 캐소드 촉매 (4 mg/cm2 Pt/Ru), 애도드 촉매 (4 mg/cm2 Pt), 및 리튬 금속을 사용하여 제조하였다. 리튬 금속을 질소 가스의 통과 하에 반응시켜 리튬 질화물 막을 원위치에서 형성하였다. 원위치에서 막을 형성하는 것이 유리하며, 이는 리튬 금속층이 보다 가요성이고, 조립을 간소화하고, 반면 리튬 질화물층은 덜 가요성이고, 구부러지기 보다 어려우며, 막이 형성된 이후에 조립이 수행되는 경우 보다 손상되기 쉽다.
전기화학적 스택을 사용한 암모니아 발생 및 질소 생성
암모니아 발생을 위한 제안된 전기화학적 스택의 실현가능성을 평가하기 위해 실험을 수행하였다. 이온 전도도의 온도 의존도는 도 8a에서의 현존 문헌 데이터와 비교된다. 단결정 Li3N은 고도의 이방성 전도도(anisotropic conductivity)를 가지는 것으로 알려져 있다. 예비 막은 평행 (교차면) 및 수직 (평면내) 이온 전도도의 것들 사이의 중간 값을 갖는 전체 전도도를 가진다. 또한, 상기 물질의 전기 전도도는 적어도 104x 더 높고, 이는 이것이 순수 이온 전도체임을 나타내는 것을 주지한다.
암모니아 발생 및 질소 생성을 입증하는 개념 증명 실험을 3　cm2 전기화학적 스택을 사용하여 수행하였다. 암모니아는 180℃에서 H2 (Ar 중의 5.07%, 80　mL　min-1) 및 N2 (100　mL　min-1)의 공급물을 사용하여 발생되었다. 생성된 암모니아는 전기화학적 암모니아 센서 (100　ppm 검출 한계값)을 사용하여 검출되었다. 실험 결과는 결과적으로 암모니아 센서를 포화시키기에 충분한 속도로 암모니아의 합성을 입증한다. 얻은 최대 전류는 1.5　V에서 8.64　mA/cm2이었고, 이는 30　nmol　cm-2　s-1(90% 패러데이 효율)의 암모니아 합성 플럭스에 해당한다. 질소 생성 실험의 결과 (상이한 셀을 사용하여 수행됨)는 2 mA/cm2의 최대 전류 밀도가 2.1 V의 전압에서 달성되었음을 입증한다. 도 10은 결과를 입증하는 순환 전압전류 곡선 (10　mV/s)이다. 도 11은 질소 발생의 개념 증명 입증의 결과의 일부를 나타내는 그래프이다.
원위치 반응 및 막 전극 조립
Swagelok 셀을 ¾" ID 압축 핏팅(compression fitting), 가스 유입구 및 유출구를 갖는 스테인레스강 집전장치를 사용하여 제조하였다. 도 12는 적절한 촉매 (4mg/cm2 Pt-Ru 촉매) 및 가스킷 (380 μm 테프론) 사이에 Li 금속 시트 (250 μm 두께)를 개재함으로서 형성된 분해된, 층상의 전기화학적 셀의 일부의 사진이다. 적절한 온도(고온 플레이트 상에서의 240℃)에서 가열되는 경우, 질화 반응은 급속하게 Li 금속을 리튬 질화물로 전환시키고, 이는 270 μm 두께의 보라색-적색 디스크로서 수득되었다. 촉매 및 가스킷과 함께 리튬 질화물은 다층 전기화학적 스택에서 반복적 유닛으로서 나타난다.
질소 압축 실험
Swagelok 셀을 대칭형 셀 (N2｜Li3N｜N2)로서 설치하고, 이는 다운스트림 면 상에 인가되는 0.77psi의 주위 압력으로 125-150℃의 온도에서 작동시켰다. 전기장이 인가되는 경우, 질소 가스의 압력은 다운스트림 가스 챔버에서 증가하였고, 이는 N2가 환원되고, 리튬 질화물 막을 통해 수송되고, 다시 N2로 재산화됨을 나타낸다. 이러한 결과는 도 13에 나타나 있다. 전기장이 역전되는 경우, 압력은 질소가 관심대상의 챔버로부터 제거됨에 따라 감소하였다. 이러한 결과는 도 14에 나타나 있다. 이는 만족스럽게 상기 시스템이 질소 가스를 수송하고 압축하기 위해 사용될 수 있음을 나타낸다.
막 형성에 대한 열적 및 화학적 프로파일의 효과
막 형성 과정에서, 열적 및 화학적 (가스) 프로파일은 적절한 형성을 보장하기 위해 조정되고/최적화될 수 있다. 형성 과정 동안 스택에 공급되는 온도 및/또는 가스의 변화가 유리할 수 있다.
예를 들면, 도 15의 온도 프로파일은 금속층의 용융점보다 약간 더 높은 (<10℃) 온도로의 약간의 상승을 포함한다. 이는 금속 표면의 부분적 용융 또는 변형을 보장하고, 벌크 막 구조를 변형시키지 않고 촉매와 막 사이의 개선된 접촉을 보장한다. 막은 이후 금속 용융점 바로 아래의 온도로 급속 냉각된다. 동시에, 반응물 가스 압력은 막의 완전환 전환을 보장하기 위해 증가된다. 임의로, 불활성 가스, 예컨대 아르곤은 막이 도 16에 도시된 바와 같이 활성적으로 질화가 진행되지 않는 경우에 사용될 수 있다.
원위치에서 제조된 리튬 질화물 막의 미세구조
원위치에서 질화된 리튬 질화물 막의 특정 예는 도 17 및 18에 예시되어 있다. 도 17은 이의 단면의 더 큰 막 (37x 배율) 및 (삽도) 더 근접한 도면 (1000x 배율)의 SEM 사진을 포함한다. 막에서의 질소 함량의 에너지 분산 X-선 (EDX) 분석 (도 18)은 일정한 질화가 막 두께 전반에 걸쳐 달성되었음을 입증한다. 이러한 특정 막은 185℃의 고정된 반응 온도 및 50 mm N2 게이지 압력에서 합성되었다. 반응 온도는 Li 금속의 용융점 (180.5℃)보다 약한 더 높은 온도에서 유지하였고, N2의 존재는 리튬 질화물 고체막의 형성을 야기하고, 이는 막의 형상이 변형되지 않는 것을 보장하는 것을 돕는다.
패러데이 효율 및 암모니아 플럭스
암모니아 합성에 대한 패러데이 효율은 87℃에서 운행되는 N2｜Li3N｜N2 전기화학적 셀에서 결정하였다. 전압을 +0.25 V의 단계로 증가시켰고, 전류 밀도를 단계당 적어도 10분 동안 기록하였다. 실험의 완료시, H2 흐름은 N2로 대체되었고, 동일한 전압 단계적 실험을 대칭형 N2｜Li3N｜N2 전기화학적 셀에서 반복하였다. "대칭형 셀"에서의 기준 전류는 H2를 사용하여 운행되는 경우에 전류로부터 차감되었고, 암모니아 생산에 대한 패러데이 효율을 추정하기 위해 사용하였다. 이러한 결과는 도 19에 나타나 있다. 그 결과는 도 19에 나타나 있다. 패러데이 효율은 약 0.5V에서의 운행시 거의 100%이었고, 2V에서 83%의 값을 유지하였고, 이는 암모니아 합성을 입증한다.
상기 개시된 그리도 다른 특징 및 기능의 변형, 또는 이의 대체물은 다수의 상이한 다른 시스템 또는 응용에 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 다양한 현재 예측하지 못한 또는 예기치 않은 대체물, 수정예, 변형예 또는 이의 개선은 이후 본 기술분야의 당업자에 의해 이루어질 수 있고, 이는 또한 하기 청구항에 의해 포괄되는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 금속 질화물을 포함하는 고체 전해질을 통해 질화물 이온(N3-)을 수송하는 방법으로서,
    상기 고체 전해질의 제1 면에 질소를 제공하는 단계로서, 상기 질소가 반응하여 질화물 이온을 형성하는, 상기 질소를 제공하는 단계; 및
    상기 고체 전해질을 통해 상기 질화물 이온을 수송하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 질화물은 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 나트륨(Na), 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속을 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고체 전해질은 리튬 질화물을 포함하는, 방법.
  4. 전기화학적 셀에서 적어도 1종의 질소-함유 화합물을 생성하는 방법으로서,
    상기 전기화학적 셀은, 금속 질화물을 포함하고 질화물 이온을 수송할 수 있는 고체 전해질 막을 포함하며;
    상기 방법은 상기 막의 제1 면에 질소를 제공하는 단계로서, 상기 질소가 반응하여 질화물 이온(N3-)을 형성하고, 고체 금속 질화물 전해질은 질화물 이온(N3-)을 수송하는, 상기 질소를 제공하는 단계; 및
    상기 막의 제2 면에 반응물을 제공하는 단계로서, 상기 반응물은 질화물 이온(N3-)과 반응하여 상기 적어도 1종의 질소-함유 화합물을 형성하는, 상기 반응물을 제공하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전기화학적 셀은 다수의 셀을 포함하는 전기화학적 스택에 배치되는, 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전기화학적 셀에는 수소 공급원 및 질소 공급원이 공급되며; 상기 전기화학적 셀은 전기 공급원과 통합되며; 상기 방법은 암모니아를 전기화학적으로 생성하는, 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 금속 질화물은 리튬 질화물이고; 상기 전기화학적 셀이 추가로 제1 촉매 전극층 및 제2 전극층을 포함하고, 상기 제1 촉매 전극층 및 상기 제2 전극층 중 하나 이상이 루테늄(Ru) 촉매를 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 질소가 상기 막의 상기 제1 면에 제1 압력 또는 분압으로 제공되며; 상기 질화물 이온은 상기 막의 제2 면에서 반응하여 질소(N2)를 형성하고; 상기 방법은,
    유출구를 통해 상기 막의 제2 면으로부터 제2 압력 또는 분압으로 질소(N2)를 제거하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제2 압력 또는 분압이 상기 제1 압력 또는 분압보다 더 큰, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 질소가 적어도 1종의 추가의 가스를 더 포함하는 가스 혼합물로 상기 막의 상기 제1 면에 제공되는, 방법.
  10. 금속 질화물을 포함하며 질화물 이온을 수송할 수 있는 고체 전해질 막을 포함하는, 질화물 이온(N3-)을 수송하기 위한 전기화학적 시스템.
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