김앤장

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : Density functional theory 계산을 통한 Protonic ceramic electrolysis cell의 air electrode로 사용되는 PrBa_0.5Sr_0.5Co_1.5Fe_0.5O_5+δ의 촉매적 특성 파악

영문 : Understanding catalytic properties of PrBa_0.5Sr_0.5Co_1.5Fe_0.5O_5+δ for the air electrode of Protonic Ceramic Electrolysis Cell using Density Functional Theory calculations

과제 팀명

김앤장

지도교수

유종석 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20153400** 장*환(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 김*수

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

- Density functional theory(DFT) 계산을 통한Protonic ceramic electrolysis cell(PCEC)의 air electrode로 이용되는 PBSCF 물질의 촉매적 특성파악

- PBSCF 물질의 특성인 oxygen vacancy(OV) formation 경향성을 파악하고, 이 OV가 전체적인 촉매 성능에 어떠한 영향을 미치는지 파악

- PBSCF 물질의 촉매적 특성인 산소, 수소 이온 전도도 분석

- PCEC에서 수소를 생성하기 위한 반응의 일환으로 발생하는 oxygen evolution reaction(OER) 메커니즘 파악 및 특성 분석

개발 과제의 배경

- 세계적으로 친환경적인 에너지를 개발하기 위한 관심이 매우 증가하고 있는 상황. 이와 관련하여 태양에너지나 풍력 에너지 등 신재생 에너지를 통한 전기 생산이 증가하고 있음. 신재생 에너지는 일정하게 전기를 생산할 수 있는 기존의 방식과 다르게 환경에 영향을 받기 때문에 일정한 전기 생산이 불가능하다는 단점이 있음. 따라서 신재생 에너지를 통해 생산한 전기를 효율적으로 저장할 수 있는 기술이 필요하고, 현재 수소를 이용한 방법이 주목을 받는 중임.

파일:그림1

수소를 이용한 친환경적 에너지 이용, 저장 모식도

- 현재 수소를 생산하는 대부분의 방식은 화석 연료를 정제하는 과정에서 나오는 수소를 이용하는 부생수소 방식으로 엄밀하게 친환경적이라고 할 수 없음. 친환경적으로 수소를 생산하는 방식으로는 전기를 이용한 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 방법이 있음. 따라서 전기분해를 통한 수소 생산의 효율성을 높이는 분야의 연구가 활발하게 이루어지고 있는 중임.

- 기존에 물의 전기분해를 통한 수소 생산의 촉매로 가장 좋은 성능을 보인 촉매는 이리듐과 같은 귀금속 촉매로 가격이 비싸다는 단점이 존재함. 전기 분해를 통한 수소 생산의 다양한 방식 중 PCEC의 경우 고온(500-700℃)에서 반응이 진행되기 때문에 귀금속 촉매가 아닌 페롭스카이트 물질을 이용한 셀도 기존의 귀금속 촉매와 비견할만한 성능을 보인 기존 연구 결과들이 존재함. PCEC에서 페롭스카이트 물질들이 좋은 성능을 보였다는 실험적 결과는 있지만 이론적으로 해당 물질의 특성이나 반응 메커니즘을 규명한 연구는 부족함. 따라서 이번 연구는 Vienna Ab initio Simulation Package(VASP)을 이용하여 실험을 통해 PCEC의 air electrode로 좋은 성능을 보인 PBSCF 물질의 다양한 특성을 분석하여 왜 좋은 성능을 보일 수 있는지, 어떻게 하면 더 좋은 성능을 보일 수 있을지 파악하고자 함. 이러한 연구결과를 바탕으로 PCEC에 대한 더 깊은 이론적 이해가 가능할 것으로 예상됨. 이러한 이해를 바탕으로 더 좋은 성능을 내는 촉매를 개발할 수 있을 것으로 기대됨.

파일:그림2

PCEC의 구동 방식 모식도

- 이러한 연구를 진행함에 있어서 주목해야 할 것은 PBSCF 물질의 특성인 OV formation임. PBSCF는 물질을 합성하는 과정에서 OV가 자연적으로 발생함. 따라서 PBSCF를 컴퓨터 상에 모델링할 때 역시 OV가 존재하는 위치와 개수를 파악해야 더 정확한 시뮬레이션이 가능할 것으로 예상됨. 또한 OV가 또 중요한 이유는, 기존 연구 결과 OV formation을 통한 pore channel의 존재가 PBSCF 내부에서 산소 이온의 전도도에 큰 영향을 미친다는 결과가 있기 때문임. 따라서 이번 연구를 통해 vacancy concentration의 변화에 따른 산소 이온의 전도도를 계산적으로 파악하여 검증해보고 나아가서 수소 이온의 전도도에 미치는 영향 역시 파악할 수 있음.

파일:그림1

PBSCF 물질에서의 pore channel 형성 모식도

개발 과제의 목표 및 내용

- 더 정밀한 물질 구조를 표현하기 위해 PBSCF 물질의 특성인 OV formation을 계산적으로 확인하여 OV가 어느 위치에, 얼마나 존재하는지 파악

- 다양한 vacancy concentration 조건에서 산소, 수소 이온의 전도도가 어떻게 바뀌는지 파악하여 OV가 이온 전도도에 미치는 영향 파악

- 물의 전기분해를 통한 산소와 프로톤의 형성 메커니즘을 규명하여 반응에 영향을 끼치는 요소를 파악하고 그 중 가장 큰 영향력을 지니는 요소는 무엇인지 파악

- PBSCF에 존재하는 OV가 물질의 촉매적 특성인 이온 전도도와 OER 활성도 등에 어떤 영향을 미치는지 파악

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

- Sihyuk Choi et al.은 Solid oxide fuel cells(SOFC) 시스템에서 PrBa_0.5Sr_0.5Co_2-xFe_xO_5+δ 물질의 pore channel 생성과 관련하여 pore channel이 산소 이온의 전도도의 향상에 매우 큰 영향을 미친다는 사실을 발견함. 산소 이온의 전도도 향상과 더불어 표면에서의 산소 교환 역시 향상되었으며 물질의 안정성 역시 유지되는 것을 확인함. 이는 상업적인 SOFC 기술의 발전에 큰 발견이라고 할 수 있음.

- 이를 바탕으로 최근에는 500-650℃에서 구동하는 steam electrolysis 시스템 중 protonic ceramic electrolysis cell(PCEC)를 사용하는 경우 PrBa_0.5Sr_0.5Co_2-xFe_xO_5+δ 물질을 공기극으로 하여 높은 수소 이온 전도도를 보임. 특히 electrolysis cell과 fuel cell을 가역적으로 reversible하게 구동할 수 있다는 결과를 보여 전기가 과도하게 생산되는 경우 이를 이용해 수소 기체를 생성하고, 에너지가 필요할 때 다시 수소 기체를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 차세대 에너지 저장 방법을 가능하게 함. 이 연구 결과에서 보인 성능은 600℃에서 구동하여 –1.80 A cm^-2를 보였고 구동 전력은 1.3 V 인 결과를 보임. 이는 전기화학적인 효율로 76%에 도달하는 경우임.

- Chuancheng Duan et al.은 에너지 전환과 저장 능력에 주목하여 reversible fuel cell에 기반한 PCEC를 yttrium and ytterbium co-doped barium cerate–zirconate 물질을 전해질로 이용하고 세 개의 air/steam (reversible) 전극을 이용하여 좋은 성능을 보이는 cell 개발에 성공함. 이들의 전기화학적 cell은 효율을 90-98%까지 보였으며 흡열과정으로 최대 97%의 전기-수소 전환 효율을 –1000 mA cm^-2에서 보임.

- 한국과학기술연구원 고온에너지 재료연구센터에서는 PCEC 용 고성능 전해질 재료로 BaCeO₃-BaZrO₃ 고용체(BCZY)의 개발에 성공함. Soid oxide fuel cells (SOFCs)의 경우 일반적으로 높은 온도에서 작동하기 때문에 여러 제약이 존재함. 따라서 PCFC 에서는 작동온도를 낮추려는 여러 연구들이 있었고, 이 연구에서는 페로브스카이트 종류 중 하나인 BaCe_0.85-xZr_xY_0.15O3-dekta (BCZY, x=0.1, 0.3, 0.5, and 0.7)을 합성하여 open-circuit voltage (OCV) 1.05 V를 얻어내었고 650℃에서 최고 에너지 밀도를 370 mW/cm² 로 얻어냄.

•특허조사 및 특허 전략 분석

1. Perovskite oxide catalyst for oxygen evolution reactions

- 미국 특허

- 출원 번호 : US2016/0348257A1

- 출원 날짜 : Dec.1,2016

- 출원인 : OSAKA PREFECTURE UNIVERSITY PUBLIC CORPORATION, Sakai-shi (JP); FUJI DIE CO., LTD., Tokyo (JP)

- 요약 : OER(Oxygen Evolution Reaction)을 위한 촉매는 RuO₂ 및 IrO₂와 같은 보편적이고 비싼 귀금속 산화물 촉매보다 좋은 반응성과 긴 수명을 가지고 있음. OER 촉매로서 A-site ordered perovskite 산화물 촉매 (CaCu₃Fe₄O₁₂ 및 CaMn₃Mn₄O₁₂ 등)는 경제성이 우수함. 이 촉매는 귀금속 산화물 촉매에 비해 촉매의 활성이 높으며, 산화 반응 조건에서도 매우 안정적이므로 사용 수명이 김. 촉매로 인해 금속-공기 전지의 전하 반응, 직사광선에 의한 직접적인 물 분해 반응에서의 anode OER 등과 같은 중요한 에너지 변환 반응이 예상됨.

2. Methods and system for hydrogen gas production through water electrolysis, and related electrolysis cells

- PCT (국제 특허)

- 출원 번호 : WO 2016/079746 A1

- 출원 날짜 : 2018.02.01

- 출원인 : Battelle Energy Alliance, LLC

- 요약 : 수소 가스를 생산하는 방법은 양극, 음극 및 양극과 음극 사이의 양성자 전도 막을 포함하는 전기 분해 셀에 기체 물을 도입하는 것을 포함함. 양성자 전도성 막은 약 150 °C 내지 약 650 °C 범위 내의 하나 이상의 온도에서 약 10^-2 S / cm 이상의 이온 전도도를 갖는 전해질 물질을 포함함. 전기 분해 셀을 사용하여 수증기를 환원시킴. 수소 가스 생산 시스템과 전기 분해 셀도 설명하고 있음.

3. 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 부분 산화제, 이를 포함하는 수소 발생장치

- 대한민국 특허

- 출원 번호 : 1020150037380

- 출원 날짜 : 2015.03.18

- 출원인 : 울산과학기술원

- 요약 : 강한 상 안정성과 빠른 산소 환원 속도를 가지는 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 부분 산화제를 제공함. 본 발명의 일실시예에 따른 부분 산화제는 화학식 RBaMn₂O_5+δ의 화합물을 포함할 수 있음. 상기 화학식에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값임.

4. Electrochemical cells for hydrogen gas production and electricity generation, and related structures, apparatuses, systems, and methods

- PCT (국제 특허)

- 출원 번호 : WO 2020/092203 A1

- 출원 날짜 : 2019.09.04

- 출원인 : Battelle Energy Alliance, LLC

- 요약 : 전기 화학 전지는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 양성자 전도성 막을 포함함. 제 1 전극은 Pr(Co_1-x-y-z, Ni_x, Mn_y, Fe_z)O_3-δ를 포함하며, 여기서 0≤x≤0.9, 0≤y≤0.9, 0≤z≤0.9, δ는 산소 결핍임. 제 2 전극은 하나 이상의 금속 및 하나 이상의 페로브스카이트를 포함하는 서멧 재료를 포함함. 관련 구조, 장치, 시스템 및 방법도 설명됨.

• 기술 로드맵

내용

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시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용