KR20200119953A - Catalyst for solid oxide electrolyzer cell having double perovskite structure, solid oxide electrolyzer cell having the same, method of manufacturing solid oxide electrolyzer cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이중층 페로브스카이트 물질로 구성된 고체 산화물 수전해셀용 촉매체 및 이를 포함하는 고체 산화물 수전해셀 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst body for a solid oxide electrolytic cell composed of a double layer perovskite material, a solid oxide electrolytic cell including the same, and a method of manufacturing the same.
최근에는, 수소 가스를 이용하여 에너지를 얻는 기술에 대한 연구가 주목되고 있다. 종래의 에너지원인 석탄이나 석유가 탄소를 포함하는 반면, 수소 가스는 탄소를 전혀 포함하지 않고 대부분이 물로 전환되므로, 에너지원으로서 사용된 후 불필요한 부산물의 생성이 전혀 없고, 물로 전환 시에 큰 에너지를 발생시킬 수 있다. 따라서, 수소 가스는 가장 친환경적이고 이상적인 에너지원으로 고려되고 있다. 에너지원으로서 수소를 사용하기 위하여는, 물이나 탄화 수소 등으로부터 수소 가스를 취득할 필요가 있다. 수소 가스 취득을 위하여, 천연가스, 석탄, 석유 등의 탄화수소 계열의 물질을 이용해서 수증기 개질 열분해 가스화 과정을 거쳐 수소 가스를 생성할 수 있다. 그러나, 이러한 탄화수소 계열의 물질은 원하지 않는 부산물을 함께 생성하게 되므로, 환경을 오염시키는 우려가 있다.In recent years, research on a technology for obtaining energy using hydrogen gas has been attracting attention. While conventional energy sources such as coal or petroleum contain carbon, hydrogen gas does not contain carbon at all and is mostly converted to water, so there is no generation of unnecessary by-products after being used as an energy source, and large energy is saved when converting to water. Can occur. Therefore, hydrogen gas is considered the most environmentally friendly and ideal energy source. In order to use hydrogen as an energy source, it is necessary to obtain hydrogen gas from water or hydrocarbons. In order to obtain hydrogen gas, hydrogen gas may be generated through a steam reforming pyrolysis gasification process using hydrocarbon-based substances such as natural gas, coal, and petroleum. However, since these hydrocarbon-based materials generate unwanted by-products together, there is a concern of polluting the environment.
수소 가스 취득을 위한 다른 방법은, 물에 에너지를 인가하는 전기분해 방식으로 수소를 생성하는 것이다. 물은 어느 곳이든 존재하는 청정한 자원이며, 물이 수소 가스와 산소 가스로 분해되거나 또는 그 역반응이 가능하므로, 재생 가능성이 높은 장점이 있으므로, 물은 이상적인 수소 가스 원료로서 취급될 수 있다. 또한, 물의 전기 분해에 따른 수소 제조 기술은 폐열을 재활용할 수 있으므로, 수소 가스 제조 기술로서 각광을 받고 있다.Another way to obtain hydrogen gas is to generate hydrogen by electrolysis, which applies energy to water. Water is a clean resource that exists anywhere, and since water is decomposed into hydrogen gas and oxygen gas or can react in reverse, it has an advantage of high regeneration potential, and thus water can be treated as an ideal source of hydrogen gas. In addition, since the hydrogen production technology by electrolysis of water can recycle waste heat, it is in the spotlight as a hydrogen gas production technology.
현재의 기술에 따른 물의 전기분해법은 800℃ 이상의 고온의 열을 이용하므로, 원자력 발전에서 배출되는 폐열 온도 수준으로 한정되어 있다. 또한, 이러한 고온 환경에서는 수소와 접촉하는 전극 물질인 니켈이 고온에서 조대화되어 열화될 우려가 있다. 또한, 물 분해시 산소 이온은 산화되어 산소 가스를 발생시키는 반면, 수소 이온은 환원되어 수소 가스를 발생시키게 된다. 통상적으로 사용되는 물 분해용 촉매는 수소발생반응(HER) 성능과 산소발생반응(OER) 성능 중에 한가지 성능이 좋은 경우 다른 성능이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 산소발생반응이 우수한 수전해셀의 개발이 요구된다Since the electrolysis of water according to the current technology uses heat of 800° C. or higher, it is limited to the temperature level of waste heat discharged from nuclear power generation. In addition, in such a high-temperature environment, there is a concern that nickel, which is an electrode material in contact with hydrogen, coarsens and deteriorates at high temperatures. In addition, during water decomposition, oxygen ions are oxidized to generate oxygen gas, while hydrogen ions are reduced to generate hydrogen gas. A commonly used catalyst for water decomposition has a problem in that the other performance is deteriorated when one of the hydrogen generation reaction (HER) performance and the oxygen generation reaction (OER) performance is good. Therefore, it is required to develop a water electrolytic cell with excellent oxygen generation reaction.
본 발명의 기술적 과제는 산소발생반응이 우수한 이중층 페로브스카이트 물질로 구성된 고체 산화물 수전해셀용 촉매체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a catalyst body for a solid oxide water electrolysis cell composed of a double layer perovskite material having excellent oxygen evolution reaction.
본 발명의 기술적 과제는 상기 촉매체를 포함하는 고체 산화물 수전해셀을 제공하는 것이다.The technical object of the present invention is to provide a solid oxide electrolytic cell including the catalyst body.
본 발명의 기술적 과제는 상기 촉매체를 포함하는 고체 산화물 수전해셀의 제조 방법을 제공하는 것이다.The technical object of the present invention is to provide a method of manufacturing a solid oxide hydroelectrolyte cell including the catalyst body.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수전해셀은, 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는, 수소 및 산소를 생성하는 고체 산화물 수전해 셀로서, 상기 애노드 및 상기 캐소드 중 적어도 하나는 촉매체를 포함하고, 상기 촉매체는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함한다.The solid oxide electrolytic cell according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem comprises: a cathode for discharging hydrogen gas formed by decomposing water; An anode disposed facing the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposing the water; And an electrolyte disposed between the anode and the cathode, wherein at least one of the anode and the cathode includes a catalyst body, and the catalyst body is the following formula It includes the compound of 1.
<화학식 1><Formula 1>
PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ
상기 화학식 1에서, x는 0 초과 내지 1.0 이하의 범위의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 1, x is a number in the range of more than 0 to 1.0 or less, and δ is a positive number of 1 or less, which is a value that makes the compound of Formula 1 electrically neutral.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체에서, 상기 x는 0.25 이상 내지 1 이하의 범위의 수일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the catalyst body, x may be a number in the range of 0.25 or more to 1 or less.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체에서, 상기 x는 0.4 초과 내지 0.8 미만의 범위의 수일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the catalyst body, x may be a number in the range of more than 0.4 to less than 0.8.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 75Fe0 . 25O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 6Fe0 . 4O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 +δ 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.25Fe0.75O5+δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 2Fe0 . 8O5 +δ 화합물, 또는 PrBa0.5Sr0.5Co1Fe1O5+δ 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the catalyst body is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 75 Fe 0 . 25 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 6 Fe 0 . 4 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . 5 O 5 +δ compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.25 Fe 0.75 O 5+δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 2 Fe 0 . 8 O 5 +δ compound, or PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1 Fe 1 O 5 +δ compound may be included.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체의 산소발생활동도는 10 mA cm-1의 전류 밀도에서 1.52 V 내지 1.570 V의 전압을 나타낼 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxygen generating activity of the catalyst body may represent a voltage of 1.52 V to 1.570 V at a current density of 10 mA cm -1 .
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수전해셀은, 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드; 상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는, 수소 및 산소를 생성하는 고체 산화물 수전해 셀로서, 상기 애노드 및 상기 캐소드 중 적어도 하나는 촉매체를 포함하고, 상기 촉매체는 하기의 화학식 2의 화합물을 포함한다.The solid oxide electrolytic cell according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem comprises: a cathode for discharging hydrogen gas formed by decomposing water; An anode disposed facing the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposing the water; And an electrolyte disposed between the anode and the cathode, wherein at least one of the anode and the cathode includes a catalyst body, and the catalyst body is the following formula It includes the compound of 2.
<화학식 2><
LnBaaSrbCo2 - xFexO5 +δ LnBa a Sr b Co 2 - x Fe x O 5 +δ
상기 화학식 2에서, Ln은 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물이고, a와 b는 0 초과 1 미만의 수로서, a+b=1을 만족하며, x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체에서, 상기 x는 0.25 이상 내지 1 이하의 범위의 수일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the catalyst body, x may be a number in the range of 0.25 or more to 1 or less.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체에서, 상기 x는 0.4 초과 내지 0.8 미만의 범위의 수일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the catalyst body, x may be a number in the range of more than 0.4 to less than 0.8.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수전해셀의 제조 방법은, 복수의 금속 전구체들을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 하소하는 단계; 상기 하소된 혼합물을 환원하는 단계; 및 상기 환원된 혼합물을 어닐링하여, 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는 촉매체를 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a solid oxide aqueous electrolytic cell according to the present invention for achieving the above technical problem comprises: forming a mixture by mixing a plurality of metal precursors; Calcining the mixture; Reducing the calcined mixture; And annealing the reduced mixture to form a catalyst body including the compound of Formula 1 below.
<화학식 1><Formula 1>
PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ
상기 화학식 1에서, x는 0 초과 내지 1.0 이하의 범위의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 1, x is a number in the range of more than 0 to 1.0 or less, and δ is a positive number of 1 or less, which is a value that makes the compound of Formula 1 electrically neutral.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체에서, 상기 x는 0.25 이상 내지 1 이하의 범위의 수일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the catalyst body, x may be a number in the range of 0.25 or more to 1 or less.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체에서, 상기 x는 0.4 초과 내지 0.8 미만의 범위의 수일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the catalyst body, x may be a number in the range of more than 0.4 to less than 0.8.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 75Fe0 . 25O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 6Fe0 . 4O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 +δ 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.25Fe0.75O5+δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 2Fe0 . 8O5 +δ 화합물, 또는 PrBa0.5Sr0.5Co1Fe1O5+δ 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the catalyst body is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 75 Fe 0 . 25 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 6 Fe 0 . 4 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . 5 O 5 +δ compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.25 Fe 0.75 O 5+δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 2 Fe 0 . 8 O 5 +δ compound, or PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1 Fe 1 O 5 +δ compound may be included.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수전해셀용 촉매체는 고체 산화물 수전해 셀의 산소발생반응용 전극에 포함되는 촉매체로서, 상기 촉매체는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함한다.The catalyst body for a solid oxide water electrolysis cell according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is a catalyst body included in the electrode for oxygen generation reaction of the solid oxide water electrolysis cell, and the catalyst body is a compound represented by the following Formula 1 Includes.
<화학식1><Formula 1>
PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ
상기 화학식1에서, x는 0 초과 내지 1.0 이하의 범위의수이고,δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In Formula 1, x is a number in the range of more than 0 to 1.0 or less, and δ is a positive number of 1 or less, which is a value that makes the compound of Formula 1 electrically neutral.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체에서, 상기 x는 0.25 이상 내지 1 이하의 범위의 수일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the catalyst body, x may be a number in the range of 0.25 or more to 1 or less.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매체에서, 상기 x는 0.4 초과 내지 0.8 미만의 범위의 수일 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the catalyst body, x may be a number in the range of more than 0.4 to less than 0.8.
본 발명의 기술적 사상에 따른 고체 산화물 수전해셀은 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2O5 +d 에서 코발트를 철로 치환함에 따라 산소발생활동도가 증가되었다. 특히, 철을 25% 포함하는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 + d 의 경우에는 산소발생활동도 성능이 가장 높았다. 이에 따라, 산소발생반응이 우수한 고체 산화물 수전해셀을 제공할 수 있다.The solid oxide electrolytic cell according to the technical idea of the present invention is PrBa 0 . 5 Sr 0 . As cobalt was replaced with iron in 5 Co 2 O 5 +d , the oxygen generation activity increased. In particular, PrBa 0 containing 25% iron . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . In the case of 5 O 5 + d , the oxygen generating activity was the highest. Accordingly, it is possible to provide a solid oxide electrolytic cell having excellent oxygen generation reaction.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been exemplified, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매체를 포함하는 고체 산화물 수전해 셀을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 도 1의 애노드에 적용되는 촉매체를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른, 도 1의 애노드에 적용되는 촉매체를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조에서, 일부 원자가 치환된 경우를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수전해 셀의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수전해 셀에 적용되는 촉매체의 산소발생활동도를 측정한 그래프이다.1 is a diagram schematically showing a solid oxide hydrolysis cell including a catalyst body according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a double-layer perovskite crystal structure constituting the catalyst body applied to the anode of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a case in which some atoms are substituted in a double-layer perovskite crystal structure constituting the catalyst body applied to the anode of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
4 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a solid oxide electrolytic cell according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph measuring the oxygen generation activity of the catalyst body applied to the solid oxide water electrolysis cell according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to completely convey the technical idea of the present invention to those skilled in the art. In this specification, the same reference numerals mean the same elements. Furthermore, various elements and areas in the drawings are schematically drawn. Therefore, the technical idea of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.
현재 수소생산을 위한 알칼라인 수전해 기술이 주목받으면서 효율적인 전극 촉매 또한 폭넓게 연구되고 있다. 수소발생반응을 위한 전극 촉매로 사용되는 비싼 백금 계열 촉매를 대체하기 위하여 루테늄(Ru) 또는 이리듐(Ir) 등의 귀금속 기반의 촉매가 연구 개발되고 있다. 하지만 수전해 시스템에서의 병목현상은 느린 산소발생반응 속도에 의존하기 때문에 효율적인 산소발생반응을 위한 촉매체 개발이 필요하다. 산소발생반응을 위한 촉매체로서 페로브스카이트 산화물 기반의 촉매체가 연구되고 있다.As alkaline water electrolysis technology for hydrogen production is attracting attention, efficient electrode catalysts are also being widely studied. In order to replace the expensive platinum-based catalyst used as an electrode catalyst for hydrogen evolution, catalysts based on precious metals such as ruthenium (Ru) or iridium (Ir) have been researched and developed. However, since the bottleneck in the water electrolysis system depends on the slow rate of oxygen evolution, it is necessary to develop a catalyst for efficient oxygen evolution. As a catalyst for the oxygen evolution reaction, a catalyst based on perovskite oxide is being studied.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매체를 포함하는 고체 산화물 수전해 셀(300)을 개략적으로 도시하는 도면이다.1 is a view schematically showing a solid
도 1을 참조하면, 고체 산화물 수전해 셀(300)은 애노드(310), 애노드(310)를 마주보고 배치되는 캐소드(320), 및 애노드(310)와 캐소드(320) 사이에 배치되는 산소 이온 전도성 고체 산화물인 전해질(electrolyte)(330)을 포함한다. 캐소드(320)는 수소 가스와 접촉하므로 수소 전극으로 지칭될 수 있고, 애노드(310)는 산소 가스와 접촉하므로 산소 전극으로 지칭될 수 있다.Referring to FIG. 1, a solid oxide
고체 산화물 수전해 셀(300)의 전기화학반응은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이, 캐소드(320)의 물(H2O)이 수소 가스(H2)와 산소 이온(O2-)으로 변하는 음극반응과 전해질(330)을 통해 이동해 온 상기 산소 이온이 산소 가스(O2)로 변하는 양극반응으로 이루어진다. 이러한 반응은 통상적인 연료 전지의 반응 원리와는 반대이다.The electrochemical reaction of the solid oxide
<반응식><Reaction Scheme>
음극반응: H2O + 2e- -> O2- + H2 Cathode reaction: H 2 O + 2e - - > O 2- +
양극반응: O2- -> 1/2 O2 + 2e- Anode reaction: O 2- -> 1/2 O 2 + 2e -
고체 산화물 수전해 셀(300)에 외부 전원(340)으로부터 전력이 인가되면, 외부 전원(340)으로부터 고체 산화물 수전해 셀(300)에 전자가 제공된다. 상기 전자는 캐소드(320)에 제공되는 물과 반응하여 수소 가스와 산소 이온을 생성한다. 상기 수소 가스는 외부로 배출되고, 상기 산소 이온은 전해질(330)을 통과하여 애노드(310)로 이동된다. 애노드(310)로 이동된 상기 산소 이온은 전자를 잃고 산소 가스로 변환하여 외부로 배출된다. 상기 전자는 외부 전원(340)으로 흐르게 된다. 이러한 전자 이동을 통하여, 고체 산화물 수전해 셀(300)는 물을 전기 분해하여, 캐소드(320)에서 수소 가스를 형성하고, 애노드(310)에서 산소 가스를 형성할 수 있다.When power is applied to the solid oxide
애노드(310)는 본 발명의 기술적 사상에 따른 이중층 페로브스카이트 물질로 구성된 촉매체를 포함하여 구성될 수 있다. The
캐소드(320)는 특별히 제한되지 않으며 공지의 캐소드를 사용할 수 있다. 캐소드(320)는 상술한 고체 산화물 연료전지(200)의 애노드(210)와 동일한 물질을 포함하거나 동일한 구조를 가질 수 있다. 또한, 캐소드(320)가 본 발명의 기술적 사상에 따른 촉매체를 포함하여 구성되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.The
전해질(330)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 전해질(330)은 상술한 고체 산화물 연료전지(200)의 전해질(230)과 동일한 물질을 포함하거나 동일한 구조를 가질 수 있다.The
고체 산화물 수전해 셀(300)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 고체 산화물 수전해 셀(300)은 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. 고체 산화물 수전해 셀(300)은 단위 셀의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어, 애노드(310), 캐소드(320), 및 전해질(330)로 구성되는 단위 셀이 직렬로 적층되고 상기 단위 셀들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 셀의 스택(stack)이 얻어질 수 있다. Since the solid oxide
이하에서는, 고체 산화물 수전해 셀(300)의 애노드(310)를 구성하는 구성 요소인 촉매체에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 촉매체는 페로브스카이트 구조를 가질 수 있다.Hereinafter, a catalyst body, which is a constituent element constituting the
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 도 1의 애노드에 적용되는 촉매체를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 도시한 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram showing a double-layer perovskite crystal structure constituting the catalyst body applied to the anode of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 촉매체는 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 단일 페로브스카이트 결정 구조 물질 또는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 2, the catalyst body may be composed of a perovskite crystal structure material, for example, a single perovskite crystal structure material or a double layer perovskite crystal structure material.
이하에서는, 페로브스카이트 결정 구조 물질에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the perovskite crystal structure material will be described.
ABO3로 표현되는 단일 페로브스카이트(simple perovskite) 결정 구조는 큐빅 격자(cubic lattice)의 코너 위치인 A-자리(A-site)에 희토류 원소, 알카라인 희토류, 알카라인 등의 이온반경이 큰 원소들이 위치하고 있으며, 산소이온에 의해 12 배위수(CN, Coordination number)를 가진다. 큐빅 격자의 체심 위치인 B-자리(B-site)에는 Co 및 Fe과 같은 원자반경이 작은 전이금속이 위치하고 있으며, 산소이온에 의해서 8면체(6배위수)를 이루고 있다. 마지막으로 큐빅 격자의 각 면심에는 산소이온이 위치하고 있다. A simple perovskite crystal structure represented by ABO 3 is an element with a large ionic radius such as rare earth elements, alkaline rare earth, and alkaline in the A-site, which is the corner position of the cubic lattice. Are located and have 12 coordination number (CN) by oxygen ions. Transition metals with a small atomic radius such as Co and Fe are located at the B-site, which is the body center position of the cubic lattice, and forms an octahedron (6 coordination number) by oxygen ions. Finally, oxygen ions are located at the center of each face of the cubic lattice.
이러한 단일 페로브스카이트(simple perovskite) 결정 구조는 일반적으로 A-자리(site)에 다른 물질이 치환될 경우 구조적인 변위가 발생하며, 주로 B-자리(site)에 위치한 원소를 중심으로 이의 최인접 산소이온(6개)으로 이루어지는 BO6의 8면체에서 구조적인 변이가 발생한다. Such a simple perovskite crystal structure is generally structurally displaced when another substance is substituted at the A-site, and its maximum is mainly centered on the element located at the B-site. A structural shift occurs in the octahedron of BO 6 consisting of adjacent oxygen ions (6).
예를 들어, 수소 분위기에서 환원을 시키면, 단일 페로브스카이트 구조체는 이중층 페로브스카이트 구조체로 변화게 된다. 이런 이중충 페로브스카이트 구조체가 되면 산소 이온의 움직임이 빨라지고 열적 및 화학적 안정성이 향상될 수 있다. For example, when reduction is performed in a hydrogen atmosphere, a single perovskite structure is changed into a double layer perovskite structure. When this double-packed perovskite structure is formed, movement of oxygen ions can be accelerated and thermal and chemical stability can be improved.
도 2에 도시된 바와 같이 이중층 페로브스카이트 결정 구조는, A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조로서, AA'B2O5 +δ의 화학식을 가질 수 있다. 이러한 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은 산소 공공 군집이 존재하여 이온의 움직임을 보다 용이하게 함으로써, 캐소드에 향상된 이온 전도성을 부여할 수 있다. 본 명세서에서 정렬 이중 페로브스카이트란 ABO3 형태의 일반적인 비정렬 단순 페로브스카이트에서 A자리 또는 B 자리 이온이 두 원소 이상으로 치환되어 있는 결정 격자 구조를 의미한다.As shown in FIG. 2, the double-layer perovskite crystal structure is a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged at the A-site, and may have a formula of AA'B 2 O 5 +δ . . Such a double-layer perovskite crystal structure material has oxygen vacancy clusters to facilitate movement of ions, thereby imparting improved ionic conductivity to the cathode. In the present specification, the ordered double perovskite refers to a crystal lattice structure in which the A-site or B-site ions are substituted with two or more elements in a general unordered simple perovskite in the form of ABO 3 .
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른, 도 1의 애노드에 적용되는 촉매체를 구성하는 이중층 페로브스카이트 결정 구조에서, 일부 원자가 치환된 경우를 도시하는 개략도이다.FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a case in which some atoms are substituted in a double-layer perovskite crystal structure constituting the catalyst body applied to the anode of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
도 3에 나타낸 것과 같이, 이중층 페로브스카이트 구조는 A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조로서, AA'B2O5 +δ의 화학식을 가질 수 있다. 구체적으로, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 란탄족 화합물은 기본적으로 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O] 의 적층 순열이 c축을 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 상기 B는 코발트(Co)이고, 상기 A는 프라세오디뮴(Pr) 등을 포함하는 란탄족일 수 있고, 상기 A'는 바륨(Ba)일 수 있다. 또한, 상기 바륨의 일부는 스트론튬(Sr)으로 치환될 수 있고, 상기 코발트의 일부는 철(Fe)로 치환될 수 있다. 이러한 치환이 발생하는 경우에는, 상기 이중층 페로브스카이트 구조는 AA'B2 - xB'xO5 +δ의 화학식을 가질 수 있고, 예를 들어 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ의 화학식을 가질 수 있다.As shown in FIG. 3, the double-layer perovskite structure is a crystal lattice structure in which two or more elements are regularly arranged at the A-site, and may have a formula of AA'B 2 O 5 +δ . Specifically, in the lanthanide compound having a double-layer perovskite structure, the stacking permutation of [BO 2 ]-[AO]-[BO 2 ]-[A'O] may be repeated along the c-axis. For example, B may be cobalt (Co), A may be a lanthanide including praseodymium (Pr) or the like, and A′ may be barium (Ba). In addition, part of the barium may be substituted with strontium (Sr), and a part of the cobalt may be substituted with iron (Fe). When this substitution occurs, the double-layer perovskite structure is AA'B 2 - may have the formula of x B 'x O 5 + δ , for example, PrBa 0. 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ may have a formula.
본 발명의 기술적 사상에 따른 촉매체는 고체 산화물 수전해셀용 촉매체로서 사용가능하고, 고체 산화물 수전해 셀의 산소발생반응용 전극에 포함되는 촉매체일 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 촉매체는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다.The catalyst body according to the technical idea of the present invention may be used as a catalyst body for a solid oxide water electrolysis cell, and may be a catalyst body included in an electrode for oxygen generation reaction of the solid oxide water electrolysis cell. The catalyst body according to an embodiment of the present invention may include a compound of Formula 1 below.
<화학식 1><Formula 1>
PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ
상기 화학식 1에서, x는 0 초과 내지 1.0 이하의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 상기 δ는 하기의 이중층 페로브스카이트 구조에서의 침입형 산소(interstitial oxygen)를 나타내고 구체적인 결정 구조에 따라 상기 δ의 값이 정해질 수 있다.In Formula 1, x is a number greater than 0 and less than or equal to 1.0, and δ is a positive number less than or equal to 1, which is a value that makes the compound of Formula 1 electrically neutral. The δ represents interstitial oxygen in the following double-layer perovskite structure, and the value of δ may be determined according to a specific crystal structure.
상기 화학식 1의 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ 화합물은, 예를 들어 상기 x가 0.25 이상 내지 1.0 이하의 범위를 가지는 화합물을 포함할 수 있고, 예를 들어 상기 x가 0.4 초과 내지 0.8 미만의 범위를 가지는 화합물을 포함할 수 있다.PrBa 0 of Formula 1 above . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 + δ compound is, for example, the above and x may comprise a compound having a range of more to 1.0 or less 0.25, for example, the range of the x is less than 0.4 more than 0.8 Eggplants may contain compounds.
상기 화학식 1의 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ 화합물은, 예를 들어, 상기 화학식 1의 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ 화합물은 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 75Fe0 . 25O5 +δ 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.6Fe0.4O5+δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 +δ 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.25Fe0.75O5+δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 2Fe0 . 8O5 +δ 화합물, 또는 PrBa0.5Sr0.5Co1Fe1O5+δ 화합물을 포함할 수 있다.PrBa 0 of Formula 1 above . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ compound is, for example, PrBa 0 of Formula 1 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ compound is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 75 Fe 0 . 25 O 5 +δ compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.6 Fe 0.4 O 5+δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . 5 O 5 +δ compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.25 Fe 0.75 O 5+δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 2 Fe 0 . 8 O 5 +δ compound, or PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1 Fe 1 O 5 +δ compound may be included.
본 발명의 일 구현예에 따른 촉매체는 하기의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.The catalyst body according to an embodiment of the present invention may include a compound represented by
<화학식 2><
LnBaaSrbCo2 - xFexO5 +δ LnBa a Sr b Co 2 - x Fe x O 5 +δ
상기 화학식 2에서, Ln은 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물이고, a와 b는 0 초과 1 미만의 수로서, a+b=1을 만족하며, x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.In
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 촉매체의 제조 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a catalyst body according to an embodiment of the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수전해 셀의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.4 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a solid oxide electrolytic cell according to an embodiment of the present invention.
상기 고체 산화물 수전해 셀에 적용되는 촉매체는 하기의 방법으로 제조될 수 있다. 상기 촉매체의 일례로서, 상기 화학식 2의 화합물을, 구체적으로 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물을 포함하는 촉매체의 제조 방법을 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.The catalyst body applied to the solid oxide water electrolysis cell may be prepared by the following method. As an example of the catalyst body, a method of preparing a catalyst body including the compound of
도 4를 참조하면, 상기 촉매체의 제조 방법(S100)은 복수의 금속 전구체들을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계(S110), 상기 혼합물을 하소하는 단계(S120), 상기 하소된 혼합물을 환원하는 단계(S130), 및 상기 환원된 혼합물을 어닐링하여, 페로브스카이트 결정 구조 물질을 가지는 촉매체를 형성하는 단계(S140)를 포함한다.Referring to FIG. 4, in the method of manufacturing the catalyst body (S100), forming a mixture by mixing a plurality of metal precursors (S110), calcining the mixture (S120), reducing the calcined mixture (S130), and annealing the reduced mixture to form a catalyst body having a perovskite crystal structure material (S140).
상기 복수의 금속 전구체들을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계(S110)는 하기와 같이 수행될 수 있다.The step (S110) of forming a mixture by mixing the plurality of metal precursors may be performed as follows.
먼저, 원하는 페로브스카이트 결정 구조 물질, 예를 들어 상기 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물의 조성에 맞도록 복수의 금속 전구체들을 혼합한다. 이러한 혼합은 건식 방법을 이용하여 수행되거나 용매에 금속 전구체들을 혼합하는 습식 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 복수의 금속 전구체의 예는 상기 촉매체를 구성하는 각 금속 성분인 Pr, Ba, Sr, Co, Fe는 각각의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. First, a plurality of metal precursors are mixed to match the composition of the desired perovskite crystal structure material, for example, the PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+δ compound. Such mixing may be performed using a dry method or may be performed using a wet method of mixing metal precursors in a solvent. Examples of the plurality of metal precursors may include nitrides, oxides, halides, etc., respectively, as Pr, Ba, Sr, Co, and Fe, which are metal components constituting the catalyst body, but are not limited thereto.
상기 습식 방법에서 용매로서는 물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 전구체들을 용해 또는 혼합시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올 등의 총 탄소수가 5 이하의 저급 알코올; 질산, 염산, 황산, 구연산 등의 산성 용액; 물; 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디에틸에테르, 에틸렌 글리콜 등의 유기용매; 등을 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 혼합 공정은, 예를 들어 약 100℃ 내지 약 200℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 혼합 공정은, 상기 금속 전구체들이 충분히 혼합될 수 있도록 교반하면서 약 1 시간 내지 약 12 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 혼합 과정을 거친 후, 자발 연소 과정에 의해 초미세 고형물을 얻을 수 있다. 상기 혼합 과정과 용매 제거 및 이를 위하여 필요한 첨가제 부가는 예를 들어 글리신-질산염법(glycine nitrate process) 또는 페치니법(pechini method) 등으로 잘 알려져 있으니 여기서는 상술하지 않는다.Water may be used as a solvent in the wet method, but is not limited thereto. Any one capable of dissolving or mixing the metal precursors may be used without limitation. For example, lower alcohols having a total carbon number of 5 or less, such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, and butanol; Acidic solutions such as nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, and citric acid; water; Organic solvents such as toluene, benzene, acetone, diethyl ether, and ethylene glycol; And the like can be used alone or in combination. The mixing process may be performed at a temperature in the range of, for example, about 100°C to about 200°C. The mixing process may be performed for about 1 hour to about 12 hours while stirring so that the metal precursors are sufficiently mixed. After passing through the mixing process, ultra-fine solids can be obtained through the spontaneous combustion process. The mixing process, removal of the solvent, and addition of additives necessary for this are well known, for example, by the glycine-nitrate process or the pechini method, and thus are not detailed here.
상기 혼합물을 하소하는 단계(S120)는, 공기 분위기에서, 예를 들어 약 800℃ 내지 약 1300℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 약 900℃ 내지 약 1000℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 약 950℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 12 시간 동안 수행될 수 있다.The step of calcining the mixture (S120) is in an air atmosphere, for example at a temperature in the range of about 800°C to about 1300°C, for example at a temperature in the range of about 900°C to about 1000°C, for example about 950 It can be carried out for about 1 hour to about 12 hours at a temperature of °C.
상기 하소된 혼합물을 환원하는 단계(S130)는, 환원 가스 분위기에서, 예를 들어 약 700℃ 내지 약 900℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 약 800℃의 온도에서, 약 1 시간 내지 약 12 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 환원 가스는 상기 하소된 혼합물을 환원하는 모든 종류의 가스를 포함할 수 있고, 예를 들어 수소 가스를 포함할 수 있다.The step of reducing the calcined mixture (S130) is in a reducing gas atmosphere, for example, at a temperature in the range of about 700°C to about 900°C, for example, at a temperature of about 800°C, about 1 hour to about 12 hours Can be performed during. The reducing gas may include all kinds of gases that reduce the calcined mixture, and may include, for example, hydrogen gas.
상기 환원된 혼합물을 어닐링하여 촉매체를 형성하는 단계(S140)는, 산화 가스 분위기에서, 예를 들어 공기 분위기 또는 산소 분위기에서, 예를 들어 약 550℃ 내지 약 700℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 약 600℃ 내지 약 650℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 650℃의 온도에서, 약 1 시간 내지 약 12 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 산화 가스는 상기 환원된 혼합물을 산화하는 모든 종류의 가스를 포함할 수 있고, 예를 들어 공기(질소와 산소의 혼합 가스) 또는 산소 가스를 포함할 수 있다.In the step of annealing the reduced mixture to form a catalyst body (S140), in an oxidizing gas atmosphere, for example, in an air atmosphere or an oxygen atmosphere, for example, at a temperature in the range of about 550°C to about 700°C, for example For example, at a temperature in the range of about 600° C. to about 650° C., for example, at a temperature of 650° C., it may be performed for about 1 hour to about 12 hours. The oxidizing gas may include all kinds of gases that oxidize the reduced mixture, and may include, for example, air (a mixture of nitrogen and oxygen) or oxygen gas.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고체 산화물 수전해 셀에 적용되는 촉매체의 산소발생활동도를 측정한 그래프이다.5 is a graph measuring the oxygen generation activity of the catalyst body applied to the solid oxide water electrolysis cell according to an embodiment of the present invention.
도 5에서, "PBSC"는 철이 포함되지 않는 경우로서 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2O5 +δ 화합물이고, "PBSCF0.25"는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 75Fe0 . 25O5 +δ 화합물이고, "PBSCF0.5"는 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ 화합물, "PBSCF0.75"는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 25Fe0 . 75O5 +δ 화합물이고, 또는 "PBSCF1"은 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1Fe1O5 +δ 화합물이다. 산소발생활동도는 0.1M KOH 전해질에서 글로시 카본(glossy carbon) 전극에 상기 촉매체를 로딩하여 회전 고리 원판 전극 측정 방법으로 측정하였다.In FIG. 5, "PBSC" is a case in which iron is not included, and PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 O 5 +δ compound, "PBSCF0.25" is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 75 Fe 0 . 25 O 5 +δ compound, "PBSCF0.5" is PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+δ compound, "PBSCF0.75" is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 25 Fe 0 . 75 O 5 +δ compound, or “PBSCF1” is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 Fe 1 O 5 +δ compound. Oxygen generation activity was measured by the method of measuring a rotating ring disk electrode by loading the catalyst body onto a glossy carbon electrode in 0.1 M KOH electrolyte.
도 5를 참조하면, 상기 촉매체가 철을 포함하면, 동일한 전압 하에서 발생하는 전류량이 큰 폭으로 증가되었다. 구체적으로, 철을 포함하지 않는 PBSC 의 경우에는 산소발생활동도 성능이 가장 낮았다. 철을 25% 포함하는 PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+d 의 경우에는 산소발생활동도 성능이 가장 높았다. 철을 37.5 % 포함하는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 25Fe0 . 75O5 +d 또한 이와 유사한 산소발생활동도 성능을 나타내었다. 철을 50 % 포함하는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 0Fe1 . 0O5 + d 의 경우와 철을 12.5 % 포함하는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 75Fe0 . 25O5 + d 의 경우에는, 다소 낮은 산소발생활동도 성능을 나타내었으나, 여전히 철을 포함하지 않는 PBSC에 비하여 높은 산소발생활동도 성능을 나타내었다. 따라서 철을 20% (즉, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 6Fe0 . 4O5 +d) 내지 40% (즉, PrBa0.5Sr0.5Co1.2Fe0.8O5+d) 범위로 포함하는 PBSCF 가 산소발생반응에서 최적의 성능을 발휘하는 것으로 분석된다.Referring to FIG. 5, when the catalyst body contains iron, the amount of current generated under the same voltage is greatly increased. Specifically, in the case of PBSC containing no iron, the oxygen generating activity was the lowest. In the case of PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.5 Fe 0.5 O 5+d containing 25% iron, the oxygen generating activity was the highest. PrBa 0 containing 37.5% iron . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 25 Fe 0 . 75 O 5 +d also showed similar oxygen generation activity. PrBa 0 containing 50% iron . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 0 Fe 1 . In the case of 0 O 5 + d and PrBa 0 containing 12.5% iron . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 75 Fe 0 . In the case of 25 O 5 + d, the oxygen generation activity performance was somewhat lower, but the oxygen generation activity performance was still higher than that of PBSC that does not contain iron. Thus the iron to 20% (that is, PrBa 0. 5 Sr 0. 5 Co 1. 6
표 1은 상기 촉매체의 10 mA cm-1의 전류 밀도에서 산소발생활동도를 나타내는 표이다.Table 1 is a table showing the oxygen generation activity at a current density of 10 mA cm -1 of the catalyst body.
표 1을 참조하면, 상기 촉매체의 산소발생활동도는 10 mA cm-1의 전류 밀도에서 1.52 V 내지 1.570 V의 전압을 나타낸다. 산소발생활동도 성능이 가장 우수한 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 + d 의 경우에 가장 낮은 전압을 나타내었다.Referring to Table 1, the oxygen generation activity of the catalyst body represents a voltage of 1.52 V to 1.570 V at a current density of 10 mA cm -1 . PrBa 0 with the best oxygen generating activity performance . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . 5 O 5 + d showed the lowest voltage.
도 5 및 표 1의 결과에 의하면, 본 발명의 일실시예에 따라, 상기 촉매체는 산소발생반응에 대한 우수한 성능을 제공할 수 있다.According to the results of Figure 5 and Table 1, according to an embodiment of the present invention, the catalyst body can provide excellent performance for the oxygen generation reaction.
전술한 바와 같이 특정 내용과 일부 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 구체적인 예로써 제시한 설명일 뿐임을 밝혀 둔다. 본 발명은 전술한 실시 형태들로만 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 실시 형태에 대하여 다양한 수정 및 변형을 할 수 있고, 이러한 수정 및 변형도 본 발명의 기술 사상 속에서 망라하고 있다. As described above, the present invention has been described with reference to specific contents and some embodiments, but it is to be understood that this is only a description presented as a specific example to help a more general understanding of the present invention. The present invention is not limited only to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the field to which the present invention pertains can make various modifications and variations on these embodiments, and such modifications and variations are also within the technical spirit of the present invention. Is covered in.
따라서 앞에서 설명한 실시 형태들과 후술하는 특허 청구의 범위는 물론, 이 특허 청구 범위의 모든 균등물이나 등가인 변경 실시 형태들도 본 발명 기술 사상의 범주에 속한다.Accordingly, not only the above-described embodiments and the claims to be described later, but also all equivalents or equivalent modified embodiments of the claims belong to the scope of the inventive concept.
300: 고체 산화물 수전해 셀, 310: 애노드, 320: 캐소드,
330: 전해질, 340: 외부 전원,300: solid oxide electrolytic cell, 310: anode, 320: cathode,
330: electrolyte, 340: external power supply,
Claims (15)
상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는, 수소 및 산소를 생성하는 고체 산화물 수전해 셀로서,
상기 애노드 및 상기 캐소드 중 적어도 하나는 촉매체를 포함하고,
상기 촉매체는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는, 고체 산화물 수전해 셀.
<화학식 1>
PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ
상기 화학식 1에서, x는 0 초과 내지 1.0 이하의 범위의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.A cathode for discharging hydrogen gas formed by decomposing water;
An anode disposed facing the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposing the water; And
As a solid oxide electrolytic cell for generating hydrogen and oxygen, comprising an electrolyte disposed between the anode and the cathode,
At least one of the anode and the cathode comprises a catalyst body,
The catalyst body comprises a compound of the following formula (1), a solid oxide water electrolysis cell.
<Formula 1>
PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ
In Formula 1, x is a number in the range of more than 0 to 1.0 or less, and δ is a positive number of 1 or less, and is a value that makes the compound of Formula 1 electrically neutral.
상기 촉매체에서, 상기 x는 0.25 이상 내지 1 이하의 범위의 수인, 고체 산화물 수전해 셀.The method according to claim 1,
In the catalyst body, x is a number in the range of 0.25 or more to 1 or less, a solid oxide aqueous electrolysis cell.
상기 촉매체에서, 상기 x는 0.4 초과 내지 0.8 미만의 범위의 수인, 고체 산화물 수전해 셀.The method according to claim 1,
In the catalyst body, the x is a number in the range of more than 0.4 to less than 0.8, a solid oxide electrolysis cell.
상기 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 75Fe0 . 25O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 6Fe0 . 4O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 25Fe0 . 75O5 +δ 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.2Fe0.8O5+δ 화합물, 또는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1Fe1O5 +δ 화합물을 포함하는, 고체 산화물 수전해 셀.The method according to claim 1,
The catalyst body is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 75 Fe 0 . 25 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 6 Fe 0 . 4 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . 5 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 25 Fe 0 . 75 O 5 +δ compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.2 Fe 0.8 O 5+δ compound, or PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 Fe 1 O 5 +δ compound containing, solid oxide water electrolysis cell.
상기 촉매체의 산소발생활동도는 10 mA cm-1의 전류 밀도에서 1.52 V 내지 1.570 V의 전압을 나타내는, 고체 산화물 수전해 셀.The method according to claim 1,
The oxygen generation activity of the catalyst body represents a voltage of 1.52 V to 1.570 V at a current density of 10 mA cm -1 , a solid oxide water electrolysis cell.
상기 캐소드를 마주보고 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드; 및
상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치되는 전해질을 포함하는, 수소 및 산소를 생성하는 고체 산화물 수전해 셀로서,
상기 애노드 및 상기 캐소드 중 적어도 하나는 촉매체를 포함하고,
상기 촉매체는 하기의 화학식 2의 화합물을 포함하는, 고체 산화물 수전해 셀.
<화학식 2>
LnBaaSrbCo2 - xFexO5 +δ
상기 화학식 2에서, Ln은 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물이고, a와 b는 0 초과 1 미만의 수로서, a+b=1을 만족하며, x는 0 초과 1.0 미만의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.A cathode for discharging hydrogen gas formed by decomposing water;
An anode disposed facing the cathode and discharging oxygen gas formed by decomposing the water; And
As a solid oxide electrolytic cell for generating hydrogen and oxygen, comprising an electrolyte disposed between the anode and the cathode,
At least one of the anode and the cathode comprises a catalyst body,
The catalyst body comprises a compound of the following formula (2), a solid oxide water electrolysis cell.
<Formula 2>
LnBa a Sr b Co 2 - x Fe x O 5 +δ
In Formula 2, Ln is neodymium (Nd), praseodymium (Pr), samarium (Sm), gadolinium (Gd), europium (Eu), terbium (Tb), erbium (Er), or a mixture thereof, and a and b is a number greater than 0 and less than 1, satisfies a+b=1, x is a number greater than 0 and less than 1.0, and δ is a positive number less than or equal to 1, which is a value that makes the compound of Formula 1 electrically neutral.
상기 촉매체에서, 상기 x는 0.25 이상 내지 1 이하의 범위의 수인, 고체 산화물 수전해 셀.The method of claim 6,
In the catalyst body, x is a number in the range of 0.25 or more to 1 or less, a solid oxide aqueous electrolysis cell.
상기 촉매체에서, 상기 x는 0.4 초과 내지 0.8 미만의 범위의 수인, 고체 산화물 수전해 셀.The method of claim 7,
In the catalyst body, the x is a number in the range of more than 0.4 to less than 0.8, a solid oxide electrolysis cell.
상기 혼합물을 하소하는 단계;
상기 하소된 혼합물을 환원하는 단계; 및
상기 환원된 혼합물을 어닐링하여, 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는 촉매체를 형성하는 단계를 포함하는, 고체 산화물 수전해 셀의 제조 방법.
<화학식 1>
PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ
상기 화학식 1에서, x는 0 초과 내지 1.0 이하의 범위의 수이고, δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.Mixing a plurality of metal precursors to form a mixture;
Calcining the mixture;
Reducing the calcined mixture; And
Annealing the reduced mixture to form a catalyst body including the compound of Formula 1 below.
<Formula 1>
PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ
In Formula 1, x is a number in the range of more than 0 to 1.0 or less, and δ is a positive number of 1 or less, which is a value that makes the compound of Formula 1 electrically neutral.
상기 촉매체에서, 상기 x는 0.25 이상 내지 1 이하의 범위의 수인, 고체 산화물 수전해 셀의 제조 방법.The method of claim 9,
In the catalyst body, the x is a number in the range of 0.25 or more to 1 or less, the method of producing a solid oxide electrolytic cell.
상기 촉매체에서, 상기 x는 0.4 초과 내지 0.8 미만의 범위의 수인, 고체 산화물 수전해 셀의 제조 방법.The method of claim 10,
In the catalyst body, the x is a number in the range of more than 0.4 to less than 0.8, the method of producing a solid oxide electrolytic cell.
상기 촉매체는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 75Fe0 . 25O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 6Fe0 . 4O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 +δ 화합물, PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 25Fe0 . 75O5 +δ 화합물, PrBa0.5Sr0.5Co1.2Fe0.8O5+δ 화합물, 또는 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1Fe1O5 +δ 화합물을 포함하는, 고체 산화물 수전해 셀의 제조 방법.The method of claim 9,
The catalyst body is PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 75 Fe 0 . 25 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 6 Fe 0 . 4 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 5 Fe 0 . 5 O 5 +δ compound, PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 . 25 Fe 0 . 75 O 5 +δ compound, PrBa 0.5 Sr 0.5 Co 1.2 Fe 0.8 O 5+δ compound, or PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 1 Fe 1 O 5 + δ A method for producing a solid oxide electrolytic cell containing a compound.
상기 촉매체는 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는, 고체 산화물 수전해셀용 촉매체.
<화학식1>
PrBa0 . 5Sr0 . 5Co2 - xFexO5 +δ
상기 화학식1에서, x는 0 초과 내지 1.0 이하의 범위의수이고,δ는 1 이하의 양수로서, 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.As a catalyst body contained in an electrode for oxygen generation reaction of a solid oxide aqueous electrolysis cell,
The catalyst body is a catalyst body for a solid oxide aqueous electrolytic cell comprising a compound of the following formula (1).
<Formula 1>
PrBa 0 . 5 Sr 0 . 5 Co 2 - x Fe x O 5 +δ
In Formula 1, x is a number in the range of more than 0 to 1.0 or less, and δ is a positive number of 1 or less, which is a value that makes the compound of Formula 1 electrically neutral.
상기 촉매체에서, 상기 x는 0.25 이상 내지 1 이하의 범위의 수인, 고체 산화물 수전해셀용 촉매체.The method of claim 13,
In the catalyst body, the x is a number in the range of 0.25 or more to 1 or less, the catalyst body for a solid oxide aqueous electrolysis cell.
상기 촉매체에서, 상기 x는 0.4 초과 내지 0.8 미만의 범위의 수인, 고체 산화물 수전해셀용 촉매체.The method of claim 14,
In the catalyst body, x is a number in the range of more than 0.4 to less than 0.8, the catalyst body for a solid oxide aqueous electrolysis cell.
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KR20180088654A (en) | 2015-11-30 | 2018-08-06 | 뉴사우스 이노베이션즈 피티와이 리미티드 | Method for improving catalyst activity |
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KR20180088654A (en) | 2015-11-30 | 2018-08-06 | 뉴사우스 이노베이션즈 피티와이 리미티드 | Method for improving catalyst activity |
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