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700℃ 이상의 온도에서 실시되는 고온수전해는 다가오는 수소경제시대의 주요한 수소제조기술로 주목되고 있다. 기존의 고온수전해 수소극은 Ni과 YSZ의 복합체인 cermet 형태로 제조되어 사용하였다. 본 연구에서는 Ni보다 전기전도도가 우수하고 가격이 저렴한 Cu와 CuO를 사용하여 고온수전해 수소극(cathode)용 Cu계 복합체의 기계적합금법에 의한 제조와 수소제조 실험을 통하여 전극특성을 파악하였다. 기계적합금법에 의해 제조된 복합체 분말은 여러 분석 방법을 통해 미세구조, 입도분포, 기공특성과 ...

700℃ 이상의 온도에서 실시되는 고온수전해는 다가오는 수소경제시대의 주요한 수소제조기술로 주목되고 있다. 기존의 고온수전해 수소극은 Ni과 YSZ의 복합체인 cermet 형태로 제조되어 사용하였다. 본 연구에서는 Ni보다 전기전도도가 우수하고 가격이 저렴한 Cu와 CuO를 사용하여 고온수전해 수소극(cathode)용 Cu계 복합체의 기계적합금법에 의한 제조와 수소제조 실험을 통하여 전극특성을 파악하였다. 기계적합금법에 의해 제조된 복합체 분말은 여러 분석 방법을 통해 미세구조, 입도분포, 기공특성과 결정구조를 관찰하였다. Cu/YSZ 복합체를 수소극으로 한 반전지(Half cell)를 제조하여 800℃에서 정전류모드(Galvanostatic mode)로 0.1 ～ 1 A 범위에서 수조제조 실험을 실시하였다. Cu계 복합체는 Cu, CuO와 YSZ를 6:4와 4:6(vol%)의 조성비로 유성밀(planetary mill)을 사용하여 400 rpm으로 24 h 동안 실시하였고 100 nm이하의 나노크기 복합체가 제조되었으며 Cu입자에 YSZ입자가 고르게 분포되어 있는 것을 미세구조 분석을 통해 확인하였다. 수은압입법으로 측정한 기공특성은 CuO/YSZ보다 Cu/YSZ가 우수한 것으로 나타났고 기공크기는 평균 0.5 m으로 미세한 기공으로 이루어져 있었다. 전기전도도는 700℃에서 환원한 Cu/YSZ(60/40 vol%)가 가장 우수하였다. 제조된 Cu/YSZ 복합체를 수소전극으로 한 반전지(Half cell)를 제조하여 수소제조 실험을 실시한 결과 Ni/YSZ 전극보다 수소제조 성능이 우수한 것으로 나타났다. 수전해 실험 후 수소극의 미세구조는 실험 전과 비교했을 때 Cu가 응집하여 100 m이상의 크기로 존재하였고 전극과 전해질이 결합되지 않고 분리되어 있는 것을 확인하였다. 고온수전해 수소전극 물질로 사용한 Cu의 고온안정성과 산화특성을 보완한다면 가격이 저렴하고 수소제조 성능이 우수한 Cu계 복합전극이 우수한 고온수전해용 수소 전극재료로 사용될 수 있는 것으로 판단된다.

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ABSTRACT Preparation and Hydrogen Production Characterization of Cu/YSZ Composites for High Temperature Electrolysis Jongmin Kim Dept. of Chemical Engineering Graduate School Myongji University High temperature eletrolysis (HTE) can become a key target technology for fulfilling the hydrogen requirem...

ABSTRACT Preparation and Hydrogen Production Characterization of Cu/YSZ Composites for High Temperature Electrolysis Jongmin Kim Dept. of Chemical Engineering Graduate School Myongji University High temperature eletrolysis (HTE) can become a key target technology for fulfilling the hydrogen requirement for the future hydrogen economy. This technology is based upon the partial replacement of electricity with heat energy for the electrolysis. Although the current research status of high temperature electrolysis in many countries remains at the small laboratory scale, the technology has great potential for producing hydrogen at a higher efficiency than low-temperature electrolysis (LTE). The efficiency of LTE is not expected to rise above 40%, whereas the efficiency of HTE has been reported to be above 50%. The higher efficiency of HTE would reduce costs by more than 30% compared the LTE. Cu/YSZ and CuO/YSZ composites (40 and 60 vol.% Cu powder with balance YSZ) was successfully fabricated by high-energy ball-milling of Cu and YSZ powder at 400 rpm for 24 h, pressing into pellets (10 mm×1 mm) and subsequent sintering process at 900 ℃ under flowing 5%-H2/Ar gas for use as cermet cathode material of high-temperature electrolysis (HTE) of water vapor in a more economical way compared with conventional Ni/YSZ cermet cathode material. The Cu/YSZ composite powder thus synthesized and sintered were characterized using various analytical tools such as XRD, SEM, and laser diffraction and scattering method. Electrical conductivity of sintered Cu/YSZ cermet pellets thus fabricated was measured using 4-probe technique and compared with that of Ni/YSZ cermets. The effect of composites composition on the electrical conductivity was investigated and marked increase in electrical conductivity for copper contents greater than 40 vol.% in the composite was explained by percolation threshold. Hydrogen production performance was expose that is better than Ni/YSZ electrode as result that execute a hydrogen production experiment making (Half cell) since reversal that do made Cu/YSZ cermet for HTE cathode. Microstructure of cathode confirmed that when compared experiment before HTE, Cu coheres and exists to size more than 100 μm and thing which is demarcated electrode and joint of electrolyte without being combined after an experiment. Therefore, It can be estimated that if make up for a high coefficient of thermal expansion and oxidation of Cu that use by cathode material because has HTE superior Cu/YSZ composite of hydrogen production performance which is used for superior HTE cathode material.

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