KR102028915B1 - 유기하이드라이드 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 유기하이드라이드 제조장치(10)는, 전해질막(11)의 한쪽 면에 애노드(12), 전해질막(11)의 다른쪽 면에 캐소드 촉매층(13)과 캐소드확산층(14)을 포함하는 캐소드를 설치한 전기화학셀을 갖는다. 애노드(12)와 전해질막(11)과의 사이에 갭이 형성되어 있다. 애노드(12)가 개구율이 30~70%의 망목구조를 갖고, 또한 전자전도체로 형성된 급전지지재료와 상기 급전지지재료에 유지된 상기 전극촉매를 갖는다.

Description

유기하이드라이드 제조장치{DEVICE FOR PRODUCING ORGANIC HYDRIDE}
본 발명은 전기화학적으로 유기하이드라이드(organic hydride)의 수소화를 행하는 유기하이드라이드 제조장치에 관한 것이다.
에너지 문제가 심각한 상황인 지금, 재생가능 에너지가 주목되고 있다. 하지만, 태양광, 풍력 등의 재생가능 에너지는 변동이 있고, 또한 편향되어 있기에 전기에너지로의 수송, 저장이 어렵다. 그로 인해 재생가능 에너지의 수송, 저장에는 수소가 유력하지만, 상온 상압에서 기체이며 수송, 저장에는 적합하지가 않다.
수소의 수송, 저장용으로서 시클로헥산(cyclohexane)이나 메틸시클로헥산(methyl cyclohexane), 데칼린(decalin) 등의 탄화수소를 이용한 유기하이드라이드가 주목되고 있다. 이들 유기하이드라이드는, 상온 상압에서 액체이며 취급이 용이하다. 유기하이드라이드를 전기화학적으로 수소부가(hydrogenated), 탈수소하는 것에 의해 수소 대신에 에너지 캐리어(energy carrier)로써 저장, 운반이 가능하게 된다.
종래의 메틸시클로헥산 등의 유기하이드라이드의 제조에는, 재생가능 에너지를 수전해로 수소 제조하고, 톨루엔(toluene)을 수소화 반응기로 수소부가해 메틸시클로헥산으로 하지만 전해합성법에서는 직접 수소부가하는 것으로 프로세스를 간략화할 수 있다.
[선행기술문헌]
특허문헌 1 : 일본 특개2012-72477
종래 형태의 유기하이드라이드 제조장치인 특허문헌 1에서는, 고체 고분자형 전해질막이 캐소드(cathode) 촉매뿐만 아니라, 애노드(anode) 촉매와도 고체 고분자 전해질막에서 접합하기에, 상기 애노드 촉매 상에서 발생하는 산소가스가 체류하기 쉬운 것이 문제였다.
본 발명은 이러한 문제를 고려한 것으로서, 그 목적은 유기하이드라이드 제조장치의 애노드 촉매 상에 산소가스가 체류하는 것을 억제할 수 있는 기술의 제공에 있다.
본 발명의 일 형태는 유기하이드라이드 제조장치이다. 해당 유기하이드라이드 제조장치는, 프로톤 전도성을 갖는 고체 고분자 전해질막과, 상기 고체 고분자 전해질막의 한쪽 면에 설치되고 피수소화물을 환원해서 수소화물을 생성하기 위한 전해수소화 촉매를 포함하는 캐소드와, 상기 캐소드를 수용하고 피수소화물이 공급되는 캐소드실(cathode chamber)과 상기 고체 고분자 전해질막의 다른 쪽 면에 설치되고 물을 산화해서 프로톤(proton)을 생성하는 전극촉매를 포함하는 애노드와, 상기 애노드를 수용하고 전해액이 공급되는 애노드실(anode chamber)를 구비하고, 상기 애노드와 상기 전해질막와의 사이에 갭이 형성되어있는 것을 특징으로 한다.
상기 형태의 유기하이드라이드 제조장치에 있어서, 상기 애노드가 개구율 30~70%의 그물구조를 갖고, 전자전도체로 형성된 급전지지재료와, 상기 급전지지재료에 유지된 상기 전극촉매를 갖고 있어도 좋다. 상기 애노드가 짧은 방향 중심간 거리가 0.1~4mm, 긴 방향 중심간 거리가 0.1~6mm의 마름모 형상의 개구형상을 가져도 좋다. 여기에서, '짧은 방향', '긴 방향'이라는 것은 방향을 구별하기 위한 용어이며, 장단의 차에 의한 방향의 구별을 특정한 것이 아니다. 또한, 상기 갭은 0.02~0.2mm이어도 좋다. 또한, 상기 전해액이 20℃로 측정한 이온전도도가 0.01 S/cm이상의 유산, 인산, 질산 또는 염산이어도 좋다.
또한, 상술한 각 요소를 적절히 조합시킨 것도, 본 건 특허출원에 의해 특허에 의한 보호를 요구한 발명의 범위에 포함될 수 있다.
본 발명에 의하면, 유기하이드라이드 제조장치의 애노드촉매상에 산소가스가 체류하기 어렵게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 유기하이드라이드 제조장치의 개략 구성도이다.
도 2는 애노드의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 애노드와 캐소드와의 사이에 1.7V를 인가한 때의 실시예 1의 유기하이드라이드 제조장치 전류밀도의 경시변화와, 애노드와 캐소드와의 사이에 1.75V를 인가한 때의 비교예 1의 유기하이드라이드 제조장치 전류밀도의 경시변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 유기하이드라이드 제조장치(10)의 개략 구성도를 나타낸다. 유기하이드라이드 제조장치(10)은 , 전해질막(11)의 한쪽 면에 애노드(12), 전해질막(11)의 다른쪽 면에 캐소드 촉매층(13)과 캐소드 확산층(14)으로 구성되는 캐소드를 설치한 전기화학셀을 갖는다. 이하, 유기하이드라이드 제조장치(10)의 각 부에 관해서 상세하게 설명한다.
전해질막(11)은 프로톤 전도성을 갖는 재료(ionomer, 아이오노머)로 형성되어 있어, 프로톤을 선택적으로 전도하는 한편, 캐소드와 애노드(12)와의 사이에서 물질이 혼합된다든가 확산하는 것을 억제하는 전해질막(11)의 두께는 5~300㎛가 바람직하고, 10~150㎛가 보다 바람직하고, 20~100㎛가 가장 바람직하다. 전해질막(11)의 두께가 5㎛미만이면 전해질막(11)의 장벽성이 저하되고 크로스 리크(cross-leaking)가 생기기 쉬워진다. 또한, 전해질막(11)의 두께가 500㎛보다 두껍게 되면 이온이동저항이 과대하게 되기에 바람직하지 않다.
도 2는 애노드(12)의 구조를 모식적으로 나타낸다. 도 2에 나타나듯이, 애노드(12)는 급전지지재료(200) 및 전극촉매(220)를 갖는다. 급전지지재료(200)로서는 전해에 필요한 전류를 흐르게 하기 위해 충분한 전기전도성를 갖고, 전해셀을 구성하는 기계적 강도의 필요성에서 0.1mm에서 2mm의 기재두께를 갖고, 망목구조(network structure)를 갖는 판상 재료가 바람직하다. 급전지지재료(200)의 면 전체에 대한 개구 부분의 개구율은 30~70% 범위이다. 해당 개구율이 30%미만이면 애노드(12)에서 발생하는 산소가스 기포제거가 신속하게 이루어지지 않기에, 소위 기포효과에 의한 셀저항의 증대를 초래한다. 한편, 해당 개구율이 70% 이상으로는 기포의 제거는 신속하게 진행하지만 유효적인 전극면적이 감소하고 외관의 기재전기전도성도 저하하며, 셀전체의 저항이 증가하고 전해성능이 저하한다. 급전지지재료(200)는 짧은 방향 중심간 거리 S가 0.1~4mm, 긴 방향 중심간 거리 L이 0.1~6mm의 범위내 마름모 형상의 개구 형상을 갖는 것이 바람직하다. 짧은 방향 중심간 거리 S가 4mm보다 큰 경우, 또는 긴 방향 중심간 거리 L이 6mm보다 큰 경우에는, 전해셀 내, 특히 전해질막(11) 내의 전류분포가 불균일하게 되어, 셀 전체의 저항이 증가해서 전해성능이 저하되는 우려가 있다. 한편, 짧은 방향 중심간 거리 S가 0.1mm보다 작은 경우, 또는 긴 방향 중심간 거리 L이 0.1mm보다 작은 경우에는 전해성능은 향상되는 가능성이 있지만, 가공상의 상황에서 기재두께가 얇아지고 취급이 불편하게 된다. 이것을 보충하는 목적으로 급전지지재료(200)을 두껍게 할 수 있지만, 결과적으로 급전지지재료(200), 나아가서는 애노드(12)의 제조가격이 증대되고 실제 기기로의 이용이 곤란하게 된다.
가스발생전극인 애노드(12)에서는 기포에 의한 저항의 증대를 피하고, 피전해액의 공급을 촉진하기 위해 다공체로 산성전해질에 대한 내식성에 뛰어난 것이 바람직하기에, 급전지지재료(200)로써 티탄제 인장망(expanded mesh)이 바람직하다. 인장망은 망을 가공한 후에 3차원적 구조가 되기에 적절하게 평활화처리를 행하는 것이 바람직하다. 급전지지재료(200)로써 인장망을 이용하는 경우에는, 상기 긴 방향은 인장망 제조시의 슬릿(slit)의 방향이며, 상기 짧은 방향은 해당 슬릿에 직교하는 방향이다.
전극촉매(220)는 급전지지재료(200)의 표면에 유지되어 있다. 산성전해액에 침지된 상태에서 산소발생을 행하는 전극촉매(220)로써 백금족 귀금속 산화물계 촉매가 바람직하게 이용된다. 그 중에서도 산화이리듐계(iridium oxide-based)의 전극촉매재료는 전압손실이 적고 내구성이 뛰어나다. 특히, 산화탄탈륨(tantalum oxide)과 고용체를 형성한 산화이리듐계의 전극촉매는 유기물이 혼입된 계로의 전압손실증가가 작기에 전극촉매(220)로써 바람직하다.
애노드(12)에 산성전해액이 접하면, 애노드(12)의 급전지지재료(200)로써 이용되는 티탄 등의 금속이 산화하고 절연성의 피막을 형성한다. 이로 인해, 적어도 전극촉매(220)와 접하는 급전지지재료(200)의 표면에, 도전성을 갖는 탄탈륨 등의 밸브금속 혹은 그것들의 합금층, 귀금속 혹은 또한 귀금속산화물의 코팅(210)을 입히는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 급전지지재료(200)와 전극촉매(220)와의 사이에서 도전성을 양호하게 유지할 수 있다.
도 1의 설명으로 돌아가, 전기화학셀의 애노드(12)측 최외부에 전자전도성을 갖는 경계판(16a)이 배설된다. 경계판(16a)은, 예를 들면, 티탄등의 금속으로 형성된다.
경계판(16a)의 애노드(12) 측면의 주연부와, 전해질막(11)과의 사이에 스페이서(17a)가 장치되어 있어, 경계판(16a), 애노드실측 단부의 스페이서(17) 및 전해질막(11)으로 둘러싸인 공간이 애노드실(26)로 되어있다. 스페이서(17a)는 산성전해액이 애노드실(26) 밖으로 누설하는 것을 막는 실재료를 겸하고, 전기적 절연성인 것이 바람직하다. 스페이서(17a)의 재료로써는, 예를 들면, 플루오르화에틸렌수지(ethylene tetrafluoride resin) 등이 있다.
스페이서(17a)의 하부에 산성전해액입구(19)가 설치되어 있고, 산성전해액입구(19)에서 애노드실(26)에 산성전해액이 공급된다. 산성전해액으로써, 20℃에서 측정한 이온전도도가 0.01 S/cm 이상의 유산, 인산, 질산 또는 염산이 예로 들어진다. 해당 이온전도도가 0.01 S/cm보다 낮으면 공업적으로 전기화학반응을 얻기 어려워진다. 또한, 스페이서(17a)의 상부에는 산성전해액출구(20)가 설치되어 있고, 산성전해액출구(20)를 사이에 두고 애노드실(26)에 저장되어 있는 산성전해액이 계외로 배출된다.
애노드(12)와 경계판(16a)과의 사이에는 애노드 지지용 탄성체(23)가 배치되어 있고, 애노드 지지용 탄성체(23)에 의해 애노드(12)가 전해질막(11)에 눌러진다. 애노드 지지용 탄성체(23)는, 예를 들면 판스프링과 코일(coil) 구조의 전자전도체로 형성된다. 이렇게 애노드실(26)을 구성하는 경계판(16a)과 애노드(12)와의 사이에 애노드 지지용 탄성체(23)를 설치하는 것으로 애노드(12)를 유지하는 구조로 하는 것에 의해 애노드(12)의 교환 등의 보수작업을 용이하게 할 수 있다. 또한, 애노드(12)와 전해질막(11) 사이에 애노드 스페이서(25)가 개재되어 있고, 애노드 스페이서(25)에 의해 애노드(12)와 전해질막(11) 사이에 소정의 갭(gap)이 유지되도록 구성되어 있다. 또한, 애노드(12)와 전해질막(11) 사이의 갭은 0.02mm 이상 1.0mm 미만이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05mm 이상 0.5mm 이하이다.
애노드 지지용 탄성체(23)는 산성전해액입구(19)로부터 유입하는 산성전해액에 대해서 내산성을 갖는 재료로 형성되는 것이 바람직하고, 기재로써 티탄 또는 티탄합금이 바람직하게 사용된다. 애노드 지지용 탄성체(23)를 구성하는 탄성체 구조로써는 V자형 스프링, X 크로스 스프링, 쿠션코일(cushion coil) 타입과 채터진동으로 커팅된 섬유의 집합체(aggregate of a chatter fiber) 등 각종의 구조가 고려된다. 각각의 필요 면압은 각부 재료의 접촉저항에 비추어 재료두께 등이 적절히 선택된다.
캐소드 촉매층(13)은 귀금속담지촉매와 프로톤 전도성의 아이오노머로 구성되어, 캐소드와 전해질막(11)이 접합되는 것에 의해 캐소드막접합체(15)가 형성되어있다. 본 실시 형태에서는, 캐소드와 전해질막(11)이 열화된 경우에, 캐소드막접합체(15)만을 교환하는 것으로 보수에 필요한 비용을 필요 최저한으로 할 수 있다.
캐소드확산층(14)은, 예를 들면, 탄소지(carbon paper) 혹은 탄소천(carbon cloth)으로 형성된다. 캐소드 확산층(14)은 백금이나 백금합금을 담지한 탄소를 촉매와 프로톤 전도성 고체 전해질과 섞은 매트릭스 구조의 캐소드 촉매층(13)과 접하고 있다.
전기화학셀의 캐소드 최외부에 전자전도성을 갖는 경계판(16b)이 배설되어 있다. 경계판(16b)은, 예를 들면, 스테인리스 등의 금속으로 형성된다.
경계판(16b)의 캐소드 주연부와, 전해질막(11) 사이에 스페이서(17b)가 설치되어 있고, 경계판(16b), 스페이서(17b) 및 전해질막(11)으로 둘러싸인 공간이 캐소드실(27)로 되어있다. 스페이서(17b)는 피수소화물 및 수소화물을 포함하는 유기물이 캐소드실(27)의 밖으로 누설하는 것을 막는 실(seal) 재료를 겸하고 있고, 전자적으로 절연성인 것이 바람직하다. 스페이서(17b)의 재료로써는, 예를 들면, 4 플루오르화 에틸렌수지(ethylene tetrafluoride resin)가 있다.
스페이서(17b)의 하부에 피수소화물입구(21)가 설치되어 있고, 피수소화물입구(21)로부터 캐소드실(27)에 톨루엔 등의 피수소화물이 공급된다. 또한, 스페이서(17b)의 상부에는 수소화물출구(22)가 설치되어 있고, 수소화물출구(22)를 사이에 두고 톨루엔의 수소화물인 메틸시클로헥산 등 수소화물을 포함하는 유기물이 계외로 배출된다.
경계판(16b)과 캐소드 확산층(14)의 사이에 캐소드 지지체(24)가 배설되어 있다. 캐소드 지지체(24)는 애노드 지지용 탄성체(23)에 의해 눌러지는 힘을 받아 경계판(16b)과 캐소드 확산층(14)사이의 전자전도성을 확보한다. 캐소드 지지체(24)는 피수소화물과 수소화물의 흐름을 제어하는 유로도 형성하고 있다.
이상 설명한 유기하이드라이드 제조장치에 따르면, 개구 치수가 적절한 범위로 설계된 망목구조를 갖는 급전지지재료에 전극촉매를 유지한 애노드를 이용하는 것에 의해, 애노드(12)의 전극촉매 상에 물의 전기분해에 의해 생긴 산소가스가 체류하기 어렵게 된다. 이것에 의해, 전해반응을 보다 순조롭게 장기간에 걸쳐 진행시킬 수 있다.
또한, 애노드(12)와 전해질막(11) 사이에 애노드 스페이서(25)를 설치하고, 애노드(12)와 전해질막(11) 사이에 소정의 갭이 유지되는 구성으로 하는 것에 의해 애노드(12)에서 발생한 산소가스가 위쪽으로 이동하기 쉽게 되기에, 애노드(12)의 전극촉매상에 산소가스가 체류하는 것을 보다 한층 억제할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예를 설명하지만, 이 실시예들은 본 발명을 적절히 설명하기 위한 예시에 지나지 않고 조금도 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 1에 나타나는 유기하이드라이드 제조장치(전해셀)에 준한 구조를 실시예 1로 한다. 이하, 실시예 1의 유기하이드라이드 제조장치를 상세하게 설명한다.
전해질막으로써 NRE212CS (DuPont제, 두께 50㎛)를 이용해, 이 편면에 스프레이 도포법(spray coating method)에 의해 캐소드 촉매층을 형성하고, 캐소드전해질막복합체로 한다. 캐소드 촉매층의 형성에서는, 우선 PtRu/C 촉매 TEC61E54E (타나카 귀금속공업제, Pt 23중량%, 껴 27중량%) 분말에 아이오노머 Nafion (등록상표) 분산액 DE2020 (DuPont제)를, 건조후의 중량이 촉매중의 탄소중량과 1:1의 중량이 되도록 첨가해서, 적절용매를 이용해서 도포용 잉크를 조제했다. 이 잉크를 전해질막 상에 촉매중의 Pt와 Ru를 맞춘 중량이 전극면적당 0.5mg/㎠이 되도록 스프레이 도포하고, 계속해서 80℃로 잉크 안의 용매성분을 건조해서 캐소드 촉매층을 얻는다.
캐소드 촉매층 표면에, 전극면에 맞추어서 잘라낸 캐소드 확산층 SGL35BC (SGL탄소제)를 붙여서, 120℃, 1MPa로 2분간 열접합을 행하고, 캐소드-전해질막 복합체를 형성하였다.
캐소드 경계판과 캐소드 지지체를 접합한 구조체로써, 탄소/에폭시 수지를 몰드성형한 탄소계 구조체를 이용했다. 상기 구조체의 캐소드 지지체 부분은 캐소드확산층에 접하는 면에 액체 유통을 위한 유로가 복수 형성되어 있다. 이 유로 1개는, 폭 1mm, 유로높이 0.5mm의 공극부를 갖고, 유로간의 간격 1mm의 스트레이트 형상이며, 유기하이드라이드 제조장치를 설치할 때의 연직방향과 유로가 평행이 되도록 설치하였다. 또한, 상기 구조체 유로의 양끝은, 복수의 유로를 통합해서 액체공급 및 배출하기 위한 액체 헤더를 가지며, 이를 통해 유기물의 공급 및 배출용의 경로에 접속하였다.
애노드 기판으로써, 짧은 방향 중심간 거리 3.5mm, 긴 방향 중심간 거리 6.0mm, 판두께 1.0mm, 피치(pitch) 폭 1.1mm, 개구율 42%의 인장망을 사용하였다(표 1 참조). 애노드 기판의 표면에 건식 블라스트 처리, 계속해서 20% 유산수용액 중에서의 세정처리를 행하였다. 그 후, 세정한 애노드 기판의 표면을 아크이온플레이팅장치(arc ion plating device)와 순티탄 재료의 타겟 JIS1종 티탄원판을 이용해 기판온도 150℃, 진공도 1.0×10-2Torr로 코팅두께 2㎛로 피복하였다. 이렇게 해서 얻은 애노드 기판에 대해서, 사염화 이리듐/오염화 탄탈륨(iridium tetrachloride/tantalum pentachloride)의 혼합수용액을 도포하고, 이어서 전기노로 550℃의 열처리를 가하는 조작을 복수 회 반복하는 것에 의해, 산화이리듐과 산화탄탈륨과의 고용체로 되는 전극촉매층을, 전극면적당의 Ir 금속량 환산으로 12g/㎡이 되도록 형성한 것을 애노드로 했다.
애노드 지지용 탄성체로써 두께 0.3mm의 Ti 판을 가공한 10mm 피치(pitch)의 평스프링을 열거한 형상으로 한 탄성체를 이용한다. 평스프링의 애노드 접촉면에는 미량의 백금층을 형성하였다.
이것들의 셀부 재료, 즉 캐소드 지지체, 캐소드전해질막복합체, 애노드 스페이서, 애노드, 애노드 지지용 탄성체를 이러한 순으로 적층하고, 애노드 측의 경계판과 애노드와의 사이에 애노드 지지용 탄성체를 삽입하는 것으로, 고정된 셀폭 내에서 애노드 측으로부터의 누르는 힘에 의해 각 층이 밀착하여 눌러지도록 했다. 또한, 애노드 스페이서의 두께, 바꿔 말하면, 전해질막과 애노드와의 사이 갭은 0.05mm이다.
이렇게 해서 얻어진 유기하이드라이드 제조장치의 캐소드실에 톨루엔을 라이저(연직방향에 따라 아래에서부터 위로)로 유통시켜, 또한 애노드와 애노드 측의 경계판 사이의 공극부(애노드실)에 유산수용액을 똑같이 라이저로 유통하고, 정전압전원의 부극을 캐소드, 정극을 애노드에 접속해서 이하의 전해반응을 실시하였다. 각 유체의 순환유속은 선속도로써 캐소드 측이 1m/min, 애노드 측이 3m/min이 되도록 했다.
[표 1]
Figure 112016093856091-pct00001
<실시예 2>
실시예 2의 유기하이드라이드 제조장치는, 애노드 기판으로써 짧은 방향 중심간 거리 2.0mm, 긴 방향 중심간 거리 4.0mm, 판두께 0.6mm, 피치폭 0.6mm, 개구율 45%의 인장망을 사용한 것 이외는 실시예 1과 같은 구성이다(표 1 참조).
<실시예 3>
실시예 3의 유기하이드라이드 제조장치는, 전해질막과 애노드 사이의 갭을 0.2mm로 한 것 이외는 실시예 2와 같은 구성이다(표 1 참조).
<실시예 4>
실시예 4의 유기하이드라이드 제조장치는, 애노드 기판으로써 짧은 방향 중심간 거리 6.0mm, 긴 방향 중심간 거리 10mm, 판두께 0.6mm, 피치폭 1.0mm, 개구율 60%의 인장망을 사용하고, 전해질막과 애노드 사이의 갭을 0.02mm로 한 것 이외는 실시예 1과 같은 구성이다(표 1 참조).
<비교예 1>
비교예 1이 되는 유기하이드라이드 제조장치는, 애노드로써 일본 베카르토사제 Ti 섬유 소결시트에 IrO2 코팅한 전극을 이용한 것을 제외하고 실시예 1의 유기하이드라이드 제조장치와 같은 구성으로 하였다. Ti 소결시트의 다공도는 65%, 평균 공경은 약 30mm이다.
<비교예 2>
비교예 2의 유기하이드라이드 제조장치는, 애노드 스페이서를 설치하지 않고 전해질막과 애노드를 밀착시킨 것 이외에는 실시예 1과 같은 구성이다(표 1 참조).
<비교예 3>
비교예 3의 유기하이드라이드 제조장치는, 애노드 기판으로써 짧은 방향 중심간 거리 3.0mm, 긴 방향 중심간 거리 3.5mm, 판두께 1.0mm, 피치폭 1.1mm, 개구율 20%의 인장망을 사용한 것 이외는 실시예 1과 같은 구성이다(표 1 참조).
<비교예 4>
비교예 4의 유기하이드라이드 제조장치는, 애노드 기판으로써 짧은 방향 중심간 거리 8.0mm, 긴 방향 중심간 거리 12mm, 판두께 1.0mm, 피치폭 1.1mm, 개구율 71%의 인장망을 사용한 것 이외는 실시예 1과 같은 구성이다(표 1 참조).
<비교예 5>
비교예 5의 유기하이드라이드 제조장치는, 전해질막과 애노드 사이의 갭을 1.0mm로 한 것 이외는 실시예 2와 같은 구성이다(표 1 참조).
(성능평가)
도 3은, 정전압전원에 의해 애노드와 캐소드와의 사이에 1.7V를 인가한 때의 실시예 1의 유기하이드라이드 제조장치에 관한 전류밀도의 경시변화와 정전압전원에 의해 애노드와 캐소드와의 사이에 1.75V를 인가한 때의 비교예 1의 유기하이드라이드 제조장치에 관한 전류밀도의 경시변화를 나타낸다. 실시예 1의 쪽이 비교예 1보다 애노드와 캐소드 사이의 전압이 낮음에도 불구하고 비교예 1보다 높은 전류밀도를 얻을 수 있었다. 또한, 비교예 1에서는 초기에 큰 전압저하가 인정되어 시험종료 후의 관찰로부터 섬유 소결시트 내에 기포의 잔류가 인정되었다. 이것으로, 실시예 1은 비교예 1에 비해서 애노드 측에서 발생하는 산소가스가 전극 근방에 체류하는 일없이 상부로 빠지기에, 주로 애노드 측 가스블로킹(gas blocking)에 동반되는 과전압상승이 일어나지 않고, 낮은 극간전압이어도 높은 전류밀도가 얻어졌다고 고찰할 수 있다. 또한, 실시예 1에 관해서, 캐소드 측의 전위가 불안정하게 되는 것에 의한 순간적인 수소발생(유기물환원에 대한 패러데이 효과(Faraday effect) 의 저하)은 보여지지 않고, 전해반응 중의 애노드 상태가 양호한 것에 의해 캐소드 반응도 바람직하게 진행하고 있는 것이 확인되었다.
실시예 2~5, 비교예 2~4의 각 유기하이드라이드 제조장치에 있어서, 정전압전원에 의해 애노드와 캐소드와의 사이에 1.7V를 인가하고 나서 60분 경과 후의 전류밀도를 계측했다. 각 유기하이드라이드 제조장치에 관해서 얻어진 전류밀도는 표1에 나타난 바와 같다.
실시예 1~4의 각 유기하이드라이드 제조장치에서는, 60분 경과 후의 전류밀도가 비교예 1에 비해서 현저하게 증대하는 것이 확인되었다.
비교예 2와 같이, 전해질막과 애노드와의 사이에 갭이 없는 경우에는 실시예 1에 비해서 전류밀도가 저하하는 것이 확인되었다.
비교예 3, 4와 같이, 인장망의 개구율이 30~70% 범위에서 벗어난 경우에는 충분한 전류밀도를 얻을 수 없는 것이 확인되었다.
비교예 5와 같이, 전해질막과 애노드와의 사이에 갭이 1.0mm가 되면 갭이 너무 넓어져 충분한 전류밀도를 얻을 수 없는 것이 확인되었다.
본 발명은 상술의 실시 형태에 한정되는 것이 아니고 당업자의 지식에 근거하여 각종의 설계변경 등의 변형을 가하는 것도 가능하며 그러한 변형이 가해진 실시 형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있는 것이다.
10: 유기하이드라이드 제조장치
11: 전해질막
12: 애노드
13: 캐소드 촉매층
14: 캐소드확산층
15: 캐소드-막 접합체
16a: 경계판
16b: 경계판
17a: 스페이서
17b: 스페이서
19: 산성전해액입구
20: 산성전해액출구
21: 피수소화물입구
22: 수소화물출구
23: 애노드 지지용 탄성체
24: 캐소드 지지체
25: 애노드 스페이서
26: 애노드실
27: 캐소드실

Claims (5)

  1. 프로톤전도성을 갖는 고체 고분자 전해질막과;
    상기 고체 고분자 전해질막의 한쪽 면에 설치되어, 피수소화물을 환원해서 수소화물을 생성하기 위한 전해수소화 촉매를 포함하는 캐소드와;
    상기 캐소드를수용하고, 피수소화물이 공급되는 캐소드실과;
    상기 고체 고분자 전해질막의 다른쪽면에 설치되어, 물을 산화해서 프로톤을 생성하는 전극촉매를 포함하는 애노드와;
    상기 애노드를 수용하고, 전해액이 공급되는 애노드실을 구비하고,
    상기 애노드와 상기 전해질막과의 사이에 갭이 형성되어 있는 것으며,
    상기 애노드가, 개구율 30~70%의 망목구조를 갖고, 전자전도체로 형성된 급전지지재료와, 상기 급전지지재료에 유지된 상기 전극촉매를 가지며,
    상기 애노드가 짧은 방향 중심간 거리가 0.1~4mm, 긴 방향 중심간 거리가 0.1~6mm 마름모 형상의 개구 형상을 가지며,
    상기 갭은, 0.02~0.2mm인 것을 특징으로 하는 유기하이드라이드 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해액이, 20℃로 측정한 이온전도도가 0.01 S/cm이상의 유산, 인산, 질산 또는 염산인 것을 특징으로 하는 유기하이드라이드 제조장치.
  3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극촉매는 산화이리듐과 산화탄탈륨의 고용체인 것을 특징으로 하는 유기하이드라이드 제조장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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