$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

밀도범함수이론을 이용한 프로톤 전도성 다결정 $BaZrO_3$ 고체산화물 연료전지의 프로톤 전도도 연구 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.18 no.1, 2015년, pp.75 - 84  

김영철 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) ,  김지수 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부)

초록이 없습니다.

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 프로톤 전도성 연료전지의 고체전해질로 많은 연구가 진행되고 있는 BaZrO3의 프로톤 전도도에 대하여 최근 연구되고 있는 전산모사 동향을 살펴보 았다. 입자 내부보다 입계에서 프로톤 전도가 어렵고, 또한 표면에서는 프로톤 전도가 더욱 어려움을 알 수 있었다.
  • 프로톤 전도성 고체전해질인 BaZrO3는 다결정이기 때문에 프로톤은 양극 표면을 통해 전해질 내부로 들어가서 입자와 입계를 지나서 음극에 도달한다. 프로톤이 BaZrO3 입자 내부, 입계, 그리고 표면을 통과하는 기구에 대하여 제일원리 전산모사로 최근 수년간 연구되어온 내용을 본 논문에 정리하였다.

가설 설정

  • 27) 연료극에 공급되는 수소분자는 촉매에 의해 수소원자로 분해되고 전해질 표면에 도달하기 위해서는 전자를 버리고 프로톤이 된다. 전 절에서 입계에 존재하는 프로톤의 석출에너지와 에너지 장벽을 이용하여 계면에서의 프로톤 전도도를 기술하던 방법을 표면에 형성되는 프로톤에 그대로 적용할 수 있다.
  • 긴 점선으로 표시된 전위가 입자 내부 전위이다. 도판트 A는 입자 내부와 입계에서 농도가 같다고 가정 하였다 (점선). 최근 실험 논문에서 도판트의 농도가 입계에서 증가한다는 보고가 있다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ZrO2에 기반을 둔 산소이온 전도성 고체산화물 연료전지의 단점은 무엇인가 ZrO2에 기반을 둔 산소이온 전도성 고체산화물 연료전지는 지난 수십 년간 널리 연구됐다. 하지만 산소이온의 이동성을 용이하게 하기 위해서는 온도를 800°C 이상 올려야 하기 때문에 연료전지에 사용되는 재료에 대한 제약이 크다.6) 반면 Nafion에 기반을 둔 수소이온 (프로톤) 전도성 고분자 연료전지는 100°C 이하에서 동작해야 하므로 전극에서의 표면반응을 촉진하기 위해 고가의 Pt 기반 촉매가 다량 필요하다.
연료전지가 신 에너지원으로 적합한 이유는 무엇인가 에너지 중에서 가장 사용하기 편리한 전기에너지는 화석연료 연소로 발생하는 열에너지로 터빈 발전기를 회전시켜 전기에너지를 만들기 때문에 화석에너지에서 전기에너지로의 변환효율이 낮다. 반면 연료전지는 연료를 전기에너지로 바로 변환하여 변환효율이 높고, 물 이외에는 다른 물질이 거의 생성되지 않아 환경에 미치는 영향이 적어 신에너지원으로 적합하다.3)연료전지는 인산, 용융탄산염, 고체산화물, 고체고분자로 분류되며, 특히 고체로 안정한 고체산화물 연료전지와 고체고분자 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
연료전지는 무엇으로 분류되는가 반면 연료전지는 연료를 전기에너지로 바로 변환하여 변환효율이 높고, 물 이외에는 다른 물질이 거의 생성되지 않아 환경에 미치는 영향이 적어 신에너지원으로 적합하다.3)연료전지는 인산, 용융탄산염, 고체산화물, 고체고분자로 분류되며, 특히 고체로 안정한 고체산화물 연료전지와 고체고분자 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고체산화물 연료전지는 발전소 등과 같은 고정용으로 연구되고, 고체고분자 연료전지는 자동차 등과 같은 이동용으로 연구되고 있다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (29)

  1. A. Raval and V. Ramanathan, "Observational Determination of the Greenhouse effect," Nature 342 758-761 (1989). 

    상세보기 crossref

  2. S. Shafiee, E. Topal, "When will Fossil fuel Reserves be Diminished?" Energy Policy 37 [1] 181-189 (2009). 

    상세보기 crossref

  3. R. O'Hayre, S.-W. Cha, W. Colella, F.B. Prinz, "Fuel Cell Fundamentals," 2nd Ed, Wiley (2009). 

  4. R.M. Ormerod, "Solid Oxide Fuel Cells," Chem. Soc. Rev., 32 17-28 (2003). 

    상세보기 crossref

  5. P. Costamagna, S. Srinivasan, "Quantum Jumps in the PEMPC Science and Technology from the 1960s to the year 2000: Part I. Fundamental Scientific Aspects," J. Power Sources, 102 [1-2] 242-252 (2001). 

    상세보기 crossref

  6. S.P.S. Badwal, F.T. Ciacchi, D. Milosevic, "Scandia-zirconia Electrolytes for Intermediate Temperature solid oxide fuel cell Operation," Solid State Ionics, 136-137, 91-99 (2000). 

    상세보기 crossref

  7. H.A. Gasteiger, S.S. Kocha, B. Sompalli, F.T. Wagner, "Activity Benchmarks and Requirements for Pt, Pt-alloy, and not-Pt Oxygen Reduction Catalysts for PEMFC," Appl. Calalysis B, 56 9-35 (2005). 

    상세보기 crossref

  8. T. Takahashi and H. Iwahara, "Proton Conduction in Perovskite type Oxide Solid Solution," Chim. Miner. 17 243-253 (1980). 

  9. H. Iwahara, T. Esaka, H. Uchida, N. Maeda "Proton Conduction in Sintered Oxides and its Application to Steam Electrolysis for Hydrogen Production," Solid State Ionics, 3-4, 359-363 (1981). 

    상세보기 crossref

  10. K.D. Kreuer, "Proton-conducting Oxides," Annu. Rev. Mater. Res. 3 333-359 (2003). 

  11. H. Iwahara, T. Yajima, T. Hibino, K. Ozaki, and H. Suzuki, "Protonic Conduction in Calcium, Strontium and Barium Zirconates," Solid State Ionics, 61 65-69 (1993). 

    상세보기 crossref

  12. T. Yajima, H. Suzuki, T. Yogo, and H. Iwahara, "Protonic Conduction in $SrZrO_3$ -Based Oxides," Solid State Ionics, 51 101-107 (1992). 

    상세보기 crossref

  13. K.D. Kreuer, "Aspects of the Formation and Mobility of Protonic Charge Carriers and the Stability of Perovskite-Type Oxides," Solid State Ionics, 125 285-302 (1999). 

    상세보기 crossref

  14. P. Babilo and S.M. Haile. "Enhanced Sintering of Yttrium-Doped Barium Zirconate by Addition of ZnO," J. Am. Ceram. Soc., 88 [9] 2362-68 (2005). 

    상세보기 crossref

  15. K.H. Ryu and S.M. Haile, "Chemical Stability and Proton Conductivity of Doped $BaCeO_3-BaZrO_3$ Solid Solutions," Solid State Ionics, 125 355-367 (1999). 

    상세보기 crossref

  16. T. Schober and H.G. Bohn, "Water Vapor Solubility and Electrochemical Characterization of the High Temperature Proton Conductor $BaZr_{0.9}Y_{0.1}O_{2.95}$ ," Solid State Ionics, 127 351-360 (2000). 

    상세보기 crossref

  17. M.P. Benediksson, "A Theoretical Study of Doping and the Hydration Process of Barium Zirconate," Ph. D. thesis, Chalmers university of technology (2013). 

  18. F. Iguchi, N. Stata, and H. Yugami, "Proton Transport Properties at the Grain Boundary of Barium Zirconate Based Proton Conductors for Intermediate Temperature Operating SOFC," J. Mater. Chem. 20 6265-6270 (2010). 

    상세보기 crossref

  19. M.E. Bjorkten, P.G. Sundell, and G. Wahnstrom, "Structure and Thermodynamic Stability of Hydrogen interstitials in $BaZrO_3$ Perovskite Oxide from Density Functional Calculations," Faraday Discuss. 134 247-265 (2007). 

    상세보기 crossref

  20. J.-H. Yang, "Analysis for Functional Materials Using Density Functional theory: Grain Boundaries of Barium Zirconate and Cerate, and Atomic Layer Deposition of Diisopropylaminosilane," MS thesis, KoreaTech (2013). 

  21. D.-H Kim, B.-K. Kim and Y.-C. Kim, "Interaction Effect of Protons on Their Migration in Bulk Undoped Barium Zirconate Using Density Functional Theory," Jpn. J. Appl. Phys. 51 09MA01-4 (2013). 

  22. C. Kjolseth, H. Fjeld, O. Prytz, P.I. Dahl, C. Estournes, R. Haugsrud, T. Norby, "Space-charge Theory Applied to the Grain Boundary Impedance of Proton Conducting $BaZr_{0.9}Y_{0.1}O_{3-{\delta}}$ ," Solid State Ionics, 181 268-275 (2010). 

    상세보기 crossref

  23. F. Iguchi, T. Tsurui, N. Sata, Y. Nagao, and H. Yugami, "The Relationship Between Chemical Composition Distributions and Specific Grain Boundary Conductivity in Y-doped $BaZrO_3$ Proton Conductors," Solid State Ionics, 180 563-568 (2009). 

    상세보기 crossref

  24. A. Lindman, E.E. Helgee, J. Nyman, and G.Wahns trom, "Theoretical Modeling of Defect Segregation and Space-charge Formation in the $BaZrO_3$ (210)[001] Tilt grain Boundary," Solid State Ionics 252 121-125 (2013). 

    상세보기 crossref

  25. J.-S. Kim, J.-H. Yang, B.-K. Kim, and Y.-C. Kim, "Study of ${\Sigma}3$ $BaZrO_3$ (210)[001] Tilt Grain Boundaries Using Density Functional Theory and a Space Charge Layer Model," J. Ceram. Soc. Jpn., accepted (2015). 

  26. D.-H Kim, B.-K. Kim, and Y.-C. Kim, "Effect of zinc oxide as a Sintering Aid on Proton Migration Across ${\Sigma}5$ (310)/[001] Tilt Grain Boundary of Barium Zirconate," J. Electroceram. 30 19-23 (2013). 

    상세보기 crossref

  27. J.-S. Kim, J.-H. Yang, B.-K. Kim, and Y.-C. Kim "Proton Conduction at BaO-terminated (001) $BaZrO_3$ Surface by Using Density Functional Theory," Solid State Ionics, accepted (2015). 

  28. S.B.C. Duval, P. Holtappels, U.F. Vogt, E. Pomjakushina, K. Conder, U. Stimming, T. Graule, "Electrical Conductivity of the Proton Conductor $BaZr_{0.9}Y_{0.1}O_{3-{\delta}}$ Obtained by High Temperature Annealing," Solid State Ionics, 178 25-26, 1437-1441 (2007). 

  29. E. Fabbri, D. Pergolesi, and E. Treversa, "Materials Challenges Toward Proton-conducting Oxide Fuel Cells: a Critical Review," Chem. Soc. Rev, 39 4355-4369 (2010). 

    상세보기 crossref

관련 콘텐츠

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로