KR102259107B1 - 수소 제조방법 및 무격막형 수소 제조 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 제조방법 및 무격막형 수소 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상온 상압에서 반응이 가능하며, 귀금속 촉매 없이도 수소를 제조할 수 있고, 메탄올과 물을 혼합하지 않고 고순도의 메탄올만을 사용하는 수소 제조방법 및 무격막형 수소 제조 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 메탄올 및 알칼리 용액을 포함하는 전해질에 전압을 가하여 수소를 제조할 수 있고, 보다 상세하게는 물과 메탄올을 혼합하지 않고 고순도의 메탄올만을 포함하는 전해액을 사용할 수 있으며 고온, 고압 및 귀금속 촉매 없이 상온 상압에서 수소를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 수소 제조 시스템에 따르면 한계전류밀도가 높고, 전류 손실이 낮아 우수한 효율, 우수한 경제성과 대량 생산 가능성을 가지는 수소 제조시스템을 제공할 수 있다.

Description

수소 제조방법 및 무격막형 수소 제조 시스템{Process of producing hydrogen and the non-diaphragm hydrogen producing system}

본 발명은 수소 제조방법 및 무격막형 수소 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상온 상압에서 반응이 가능하며, 귀금속 촉매 없이도 수소를 제조할 수 있고, 메탄올과 물을 혼합하지 않고 고순도의 메탄올만을 사용하는 수소 제조방법 및 무격막형 수소 제조 시스템에 관한 것이다.

인류는 화석연료의 고갈 가능성과 온실가스, 지구 온난화 등의 환경문제로 인해 대체 에너지원 연구 및 확보에 노력을 기울이고 있다. 자동차, 발전소, 소형전자기기 배터리에 주로 사용되고 있는 연료전지는 차세대 에너지원으로 연구 개발 및 다양한 실용화에 접근하고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 화학 반응으로 전기에너지를 얻고 부산물로 환경적 문제가 없는 물이 생성된다. 이 과정에서 수소의 공급은 연료전지가 구동되기 위한 가장 중요한 역할을 한다.

메탄올은 수소전환효율, 소형화, 저온 반응, 안전성, 운반 및 저장이 용이하다는 장점이 있어 연료전지 수소 공급체로 연구 및 개발되고 있다. 자동차에 사용되는 연료전지는 주로 직접 수소 충전방식을 채택하고 있으나 개질기를 탑재하는 연료전지는 메탄올이 연료로 사용되고 있다. 메탄올이 연료로 사용되어 개질반응으로 얻어지는 수소와 연료전지를 결합한 형태가 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)이며 연료의 공급이 안전하다는 장점이 있다.

직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)의 원리는 일반적으로 메탄올 흡착, 메탄올 분해 및 수소화, 물의 제거, 일산화탄소의 제거로 이루어진다. 메탄올은 Pt 계열의 귀금속 촉매를 이용하여 전기화학적 반응에 의해 산화되어 이산화탄소, 수소이온, 그리고 전자가 발생한다. 생성된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 음극(Cathode)으로 이동하여 산소와 수소 이온 그리고 전자가 반응하여 물이 생성되고 전자가 이동하면서 전기 에너지로 변환된다. 반응 과정 중 일산화탄소가 촉매독으로 작용되어 DMFC 성능을 떨어뜨리게 되므로 반드시 제거 되어야 한다. 이와 같이 DMFC는 수소제조를 위한 복잡한 장치가 필요하지 않고 저장과 운반이 용이하며 충분한 에너지 밀도를 가져 장시간 사용이 가능하다.

그러나 메탄올을 이용해 수소를 생성하려면 높은 온도(200℃ 이상) 및 고압( 25 ~ 50 bar)이 필요하며, 루테늄 착화체에 의해 반응이 촉진되므로 비용이 비싸고 효율이 낮은 단점이 있다. 현재 이러한 고비용 촉매의 단점을 보완하는 Pt/Al₂O₃ 기반의 촉매와 Cu/Zn/Al₂O₃ 촉매계도 개발 중에 있으며 귀금속 및 비-귀금속을 포함한 새로운 촉매의 개발이 시급한 실정이다. 그리고 DMFC 내부의 전기적 저항으로 낮은 효율의 원인이 되는 이온교환막(멤브레인)의 문제를 해결하기 위한 연구도 진행 중이다. 즉, DMFC를 이용하는 경우 고온/고압과 고비용의 촉매를 이용해야만 메탄올 개질반응을 이용한 수소를 제조할 수 있어, 수소의 상업용 생산은 극히 제한적인 수준이다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 상온 및 상압에서 직류 전압에 의해 메탄올을 직접 산화-환원할 수 있고,이온교환막이 필요없는 무격막 반응기에서의 수소 제조 방법 및 수소 제조 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명은 양극 및 음극을 포함하는 반응기에 메탄올 및 알칼리를 포함하는 전해액을 주입하는 1단계; 및 상기 반응기에 전압을 인가하여 수소생성반응을 수행하여 수소를 생성하는 2단계;를 포함하는 수소 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 반응기는 무격막형 반응기일 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 2단계에서 수소 생성 반응은 5℃ ~ 35℃의 온도와 0.8 ~ 1.5 bar의 조건에서 수행될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 반응기에 인가되는 전압이 1 ~ 5 V인 경우, 생성된 수소의 패러데이 효율이 5 % 이상이고, 수소 생성 속도는 0.002 g/s ~ 0.01 g/s일 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 알칼리가 수산화칼륨이고, 상기 반응기에 인가되는 전압이 1 ~ 3 V인 경우, 패러데이 효율이 7 % ~ 20% 이고, 수소 생성 속도는 0.0025 g/s ~ 0.01 g/s일 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 2단계에서 하기 반응식 (1) ~ (4)의 반응을 통해 수소가 생성될 수 있다.

(1) CH₃OH + AOH → CH₃OA + H₂O

(2) CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H + + 6e^-

(3) CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3H⁺

(4) H₂O → 0.5O₂ + H₂

이때, 상기 A는 Na, K, Li, Rb, Cs 및 Fr로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속 원소이다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 2단계 이후, 생성된 기체들 중에서 수소를 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 양극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 및 황(S)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 음극은 구리(Cu), 유리탄소, 산화구리(CuO), 황(S), 알루미늄(Al) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 알칼리는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화루비듐(RbOH), 수산화세슘(CsOH) 및 수산화프랑슘(FrOH)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 메탄올은 순도 99% 이상일 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 메탄올에 대하여 알칼리를 0.1 ~ 1 M의 농도로 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 태양은 메탄올 및 알칼리를 포함하는 전해액을 포함하는 무격막형 반응기; 상기 반응기 내에 구비되며 전해액에 일부 또는 전부가 침지되는 양극; 및 상기 반응기 내에 구비되고 양극에 대향되며 전해액에 일부 또는 전부 침지되는 음극;을 포함하는 메탄올의 환원을 통한 무격막형 수소 제조 시스템을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 양극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 및 황(S)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 음극은 구리(Cu), 유리탄소, 산화구리(CuO), 황(S), 알루미늄(Al) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 무격막형 수소 제조시스템은 5시간 구동 이후 최소 전류밀도가 0.045 A이상일 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 무격막형 수소 제조시스템은 5 시간 구동 이후 전력 손실이 0.03 A 미만일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 무격막형 수소 제조 시스템을 포함하는 연료전지를 제공한다.

본 발명에 따르면 메탄올 및 알칼리를 포함하는 전해액에 전압을 가하여 수소를 제조할 수 있고, 보다 상세하게는 물과 메탄올을 혼합하지 않고 고순도의 메탄올만을 포함하는 전해액을 사용할 수 있으며 고온, 고압 및 귀금속 촉매없이 상온 상압에서 수소를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 수소 제조 시스템에 따르면 한계전류밀도가 높고, 전류 손실이 낮아 우수한 효율, 우수한 경제성과 대량 생산 가능성을 가지는 수소 제조시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무격막형 수소 제조 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수소 제조 시스템의 인가 전압에 따른 전류 밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수소 제조 시스템의 인가 전압에 따른 전류 밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수소 제조 시스템의 인가전압에 따른 패러데이 효율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수소 제조 시스템의 인가전압에 따른 수소 생성 속도를 나타낸 그래프이다.

상술한 바와 같이 기존의 직접 메탄올 연료 장치의 경우 메탄올을 이용해 수소를 생성하려면 200℃ 이상의 고온 및 25 ~ 50 bar의 고압이 필요하며, 루테늄 착화제에 의해 반응이 촉진되므로 비용이 비싸고 효율이 낮은 단점이 있었다. 즉, DMFC를 이용하는 경우 고온/고압과 고비용의 촉매를 이용해야만 메탄올 개질 반응을 이용한 수소를 제조할 수 있어, 수소의 상업용 생산은 극히 제한적인 수준이다.

이에, 본 발명은 양극 및 음극을 포함하는 반응기에 메탄올 및 알칼리를 포함하는 전해액을 주입하는 1단계; 및 상기 반응기에 전압을 인가하여 수소 생성반응을 수행하여 수소를 생성하는 2단계;를 포함하는 수소 제조방법을 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 구체적으로, 메탄올을 물과 혼합하지 않고 고순도의 메탄올만을 사용하여 수소를 생산할 수 있고, 무격막형 반응기를 사용함으로써 격막사이에서 전력효율이 감소하는 문제점을 방지할 수 있으며, 고온, 고압 및 귀금속 촉매 없이 상온 상압에서 수소를 제조할 수 있어 우수한 효율, 우수한 경제성과 대량 생산 가능성을 가질 수 있다. 이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 수소 제조 방법에 있어서, 상기 1단계는 양극 및 음극을 포함하는 반응기에 메탄올 및 알칼리를 포함하는 전해액을 주입하는 단계로서, 상기 반응기 내에 전해액을 주입하고 양극 및 음극에 전압을 가하면 메탄올이 산화되면서 물분자가 생성될 수 있고, 상기 물분자를 전기분해하여 수소 기체를 생성할 수 있다.

이때, 상기 반응기는 무격막형 반응기인 것이 바람직하다. 상기 무격막형 반응기는 메탄올 및 알칼리를 포함하는 전해액을 포함하여 수소 생성 반응을 진행할 수 있는 것이라면 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 반응기 재질이파이렉스, 아크릴, 폴리염화비닐(PVC, polyvinyl chloride) 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 반응기는 다각기둥, 원기둥 등 내부에 전해액을 포함하여 수소 생성 반응을 진행할 수 있는 형태라면 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 제조하기 용이한 각기둥 형태일 수 있다.

다음으로, 상기 2단계는 상기 반응기에 전압을 인가하여 수소생성반응을 수행하여 수소를 생성하는 단계로서, 본 단계에서는 반응기 내부에 포함되는 전해액이 인가되는 전압에 의해 전기분해될 수 있다.

본 발명에 따른 수소 제조 방법에 있어서, 상기 2단계에서 하기 반응식 (1) ~ (4)의 반응을 통해 수소가 생성될 수 있다.

(1) CH₃OH + AOH → CH₃OA + H₂O

(2) CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H++ 6e^-

(3) CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3H⁺

(4) H₂O → 0.5O₂ + H₂

상기 반응식 (1)은 메탄올이 알칼리와 반응하여 산화됨으로써 물분자가 형성되는 것을 나타낸다. 본 발명에 따르면 종래의 직접 메탄올 연료전지와 같이 200℃ 이상의 고온 및 25 ~ 50 bar의 고압조건 하에서 메탄올과 물의 혼합용액을 반응시키지 않고, 상온, 상압에서 고순도의 메탄올만을 이용하여 수소를 생성할 수 있는 연료전지를 제조할 수 있다.

이때, 상기 A는 Na, K, Li, Rb, Cs 및 Fr로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속 원소이고, 바람직하게는 Na 또는 K인 것이 좋다.

상기 반응식 (1)에서 메탄올과 반응하는 상기 알칼리는 메탄올을 산화시키면서 물분자를 생성해 낼 수 있고, 알칼리의 종류에 따라 패러데이 효율 및 수소 생성 속도가 달라질 수 있다. 상기 알칼리는 메탄올을 산화시킬 수 있는 것이 라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 상기 알칼리 용액은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화루비듐(RbOH), 수산화세슘(CsOH) 및 수산화프랑슘(FrOH)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 알칼리 용액은 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)일 수 있고, 더욱 바람직하게는 수산화칼륨(KOH)일 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 반응식 (1) ~ (4)와 같은 반응을 통해 생성된 수소, 이산화탄소, 산소 등의 기체들 중에서 수소를 검출할 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 수소생성반응은 상온, 상압에서 수행될 수 있어 메탄올로부터 수소를 생성하기 위하여 고온/고압 조건에서 반응이 수행되어야 하는 종래의 기술에 비해 경제성이 우수하다. 구체적으로, 본 발명에 따른 2단계의 수소생성반응은 5℃ ~ 35℃의 온도와 0.8 ~ 1.5 bar의 조건에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 15℃ ~ 30℃의 온도와 0.9 ~ 1.2 bar의 조건에서 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 수소 제조방법에 있어서, 상기 반응기에 인가되는 전압이 1 ~ 5 V인 경우, 생성된 수소의 패러데이 효율이 5 % 이상이고, 수소 생성 속도는 0.002 g/s ~ 0.01 g/s일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 알칼리 용액이 수산화칼륨이고, 상기 반응기에 인가되는 전압이 1 ~ 3 V인 경우, 패러데이 효율이 7% ~ 20 % 이고, 수소 생성 속도는 0.0025 g/s ~ 0.01 g/s일 수 있다.

본 발명에 따른 수소 제조방법에 있어서, 상기 메탄올은 순도 99% 이상인 것을 사용할 수 있고, 바람직하게는 순도 99.5 % 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기 메탄올은 기타 물질의 간섭에 의한 반응을 억제할 수 있어 고순도의 메탄올을 사용하며, 상기 메탄올의 순도가 99% 미만인 경우 기타 물질의 간섭에 의해 반응의 재현성이 낮아질 수 있는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 수소 제조방법에 있어서, 상기 전해액은 메탄올에 대하여 알칼리를 0.1 M ~ 10 M의 농도로 포함할 수 있고, 바람직하게는 0.1 ~ 0.5M로 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.1 ~ 0.3 M로 포함하는 것이 좋다. 상기 알칼리의 농도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 알칼리에 의한 메탄올의 산화반응이 최적의 속도 및 효율로 수행되기 어려운 문제점이 있다.

이때, 상기 양극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 및 황(S)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 바람직하게는 백금(Pt)을 포함하는 것이 좋다. 또한, 상기 음극은 구리(Cu), 유리탄소, 산화구리(CuO), 황(S), 알루미늄(Al) 및 철(Fe)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 구리(Cu)를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 태양은 메탄올 및 알칼리를 포함하는 전해액을 포함하는 무격막형 반응기(10); 상기 반응기 내에 구비되며 전해액에 일부 또는 전부가 침지되는 양극(20); 및 상기 반응기 내에 구비되고 양극에 대향되며 전해액에 일부 또는 전부 침지되는 음극(30);을 포함하는 메탄올의 환원을 통한 무격막형 수소 제조 시스템을 제공한다. 상기 수소 제조시스템은 상기 양극 및 음극이 전해액에 일부 또는 전부가 침지된 후 전력원(40)을 통해 전압을 가하면 전해액에 포함되는 메탄올이 알칼리와 반응함으로써 물분자가 생성되고, 생성된 물분자가 전기분해되어 수소 기체가 발생할 수 있다. 구체적인 메커니즘은 상기 기재된 바와 동일하므로 생략한다.

본 발명에 따른 무격막형 수소 제조 시스템에 있어서, 상기 무격막형 수소 제조시스템은 5 시간 구동 이후 한계전류밀도가 0.045 A 이상일 수 있고, 5 시간 구동 이후 전력 손실이 0.03 A 미만일 수 있다. 바람직하게는 상기 무격막형 수소 제조시스템은 5 시간 구동 이후 한계전류밀도가 0.047 A 이상일 수 있고, 5 시간 구동 이후 전력 손실이 0.027 A 미만일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 무격막형 수소 제조 시스템을 포함하는 연료 전지를 제공한다. 본 발명에 따른 무격막형 수소 제조 시스템은 장시간 구동시에도 한계전류밀도가 높고, 전력 손실도 낮으며, 생성된 수소의 패러데이 효율이 높고, 수소 생성 속도도 우수한 효과를 가지므로, 상온/상압에서 고비용의 촉매 없이도 우수한 수소 생성속도, 패러데이 효율을 가지면서 장시간 구동시에도 전력 손실은 적고 한계 전류밀도는 우수한 연료전지를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 보다 상세하게 설명한다. 이때, 하기 실시예 및 실험예들은 본 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

실시예 1.

크기가 60 mm×45 mm×95 mm 인 아크릴 재질의 무격막형 반응기를 준비하였고, 상기 반응기 내부에 음극으로서 구리(평판형, 40 mm×40 mm×1 mm)를 양극으로서 백금(평판형, 40 mm×40 mm×1 mm)을 10 mm간격으로 설치하였다. 또한, 상기 음극 및 양극 사이에 기준전극으로 은/염화은(Ag/AgCl, 형태, 크기)을 설치한 후 도선으로 연결하였다. 상기와 같이 준비된 반응기 내부에 메탄올(sigma aldrich, purity 99.999%) 250 ml 및 0.2 M NaOH(sigma aldrich, extra pure) 2 g을 혼합한 전해액을 주입하였다.

실시예 2.

상기 실시예 1에서 주입한 전해액에서 알칼리 용액으로 KOH(sigma aldrich, extra pure) 2.85 g 를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전기분해를 실시하였다.

실험예 1. 전해액의 성분에 따른 전류밀도 측정 실험

전해액의 성분에 따른 전류밀도를 변화를 알아보기 위하여, 상기 실시예 1의전압을 0 ~ 3 V까지 인가하였고 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.

도 2에 따르면, 메탄올에 KOH를 용해한 전해액의 경우, NaOH를 포함하는 전해액을 사용하는 경우에 비해 더 높은 한계전류밀도를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 전해액에 KOH를 포함하는 경우 약 0.020 mA/cm²의 한계전류 밀도를 나타내고, 전해액에 NaOH를 포함하는 경우 약 0.015 mA/cm² 미만의 한계전류 밀도를 나타내어 KOH를 포함하는 전해액을 사용하는 것이 상대적으로 우수한 것을 알 수 있으나 큰 차이는 아니므로 두 물질 모두 전해액으로 사용하기에 적합한 것을 알 수 있었다.

실험예 2. 전해액의 성분에 따른 패러데이 효율 측정 시험

전해액 성분에 따른 수소 생성시의 패러데이 효율을 확인하기 위하여, 본 발명의 실시예 1 ~ 2에 따른 수소 제조 시스템에 1 ~ 3 V의 전압을 인가하였고, 이때의 수소 패러데이 효율을 하기 식 1을 바탕으로 측정하였고, 그 결과를 하기 도 3에 나타내었다.

[식 1]

패러데이 효율 = 실제전하량/이론전하량

실제전하량 = 패러데이계수 × 수소 1 mol의 환원에 필요한 전자의 수 × 생성된 수소의 몰농도(mol/L)

이론전하량 = 전류 × 시간

도 3에 따르면, 전해액에 포함되는 알칼리 용액의 종류와 상관없이 패러데이 효율이 5 % 이상인 것을 확인할 수 있고, 인가 전압이 2 V 인 경우 상대적으로 우수한 수소 패러데이 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 전해액에 포함되는 알칼리 용액이 KOH인 경우, NaOH인 경우에 비해 패러데이 효율이 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있었다.

즉, 전해액에 포함되는 알칼리 용액이 KOH인 경우 2 V의 전압을 인가하면 수소 기체에 대한 패러데이 효율이 최고 17.6 %까지 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

실험예 3. 전해액의 성분에 따른 가스 생성 속도의 측정

본 발명에 따른 수소 제조 시스템에 있어서 전해액 성분 및 인가 전압에 따른 수소 가스 생성 속도에 대하여 확인하기 위하여 방법으로 MSD 기기로 검량선-외부표준법을 이용하여 수소의 농도를 측정하였고, 그 결과를 하기 도 4에 나타내었다.

도 4에 따르면, 전해액 성분과 상관없이 인가 전압을 높일수록 수소 생성 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 전해액에 0.2 M의 NaOH를 포함하는 경우에 비해, KOH를 포함하는 경우에 상대적으로 우수한 수소 생성 속도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 상기 반응기에 인가되는 전압이 1 ~ 5 V인 경우, 수소 생성 속도는 0.002 g/s ~ 0.01 g/s인 것을 확인할 수 있었고, 상기 알칼리 용액이 수산화칼륨이고, 상기 반응기에 인가되는 전압이 1 ~ 3 V인 경우 수소 생성 속도는 0.0025 g/s ~ 0.01 g/s인 것을 확인할 수 있었다.

이때, 상기 반응기에 인가되는 전압이 높을수록 수소 생성 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있었으나, 전류량이 증가함에 따라서는 수소 생성 속도에 큰 영향을 미치지는 않는 것을 확인할 수 있었다.

10: 무격막형 반응기
20: 양극
30: 음극
40: 전력원

Claims (17)

1. 삭제
2. 삭제
3. 수소 제조 시스템을 이용하여 수소를 제조하는 방법으로서, 상기 수소 제조 시스템은
   전해액을 포함하는 무격막형 반응기; 상기 무격막형 반응기 내에 구비되며 전해액에 일부 또는 전부가 침지되는 양극; 및 상기 무격막형 반응기 내에 구비되고 양극에 대향되며 전해액에 일부 또는 전부 침지되는 음극;을 포함하고, 상기 양극은 백금(Pt)이고, 상기 음극은 구리(Cu)이며,
   상기 무격막형 반응기에 순도 99% 이상인 메탄올 및 알칼리로 이루어진 전해액을 주입하는 1단계; 및
   상기 반응기에 전압을 인가하여 수소생성반응을 수행하여 수소를 생성하는 2단계;를 포함하고,
   상기 2단계에서 수소 생성반응은 5℃~ 35℃의 온도와 0.8 ~ 1.5 bar의 조건에서 수행되며,
   상기 전해액은 알칼리를 0.2M의 농도로 포함하고,
   상기 알칼리는 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)이며,
   상기 반응기에 인가되는 전압이 2V이고,
   상기 알칼리가 수산화나트륨(NaOH)이면 수소의 패러데이 효율이 10.8%이고, 수소 생성 속도가 0.0041g/s이며,
   상기 알칼리가 수산화칼륨(KOH)이면 수소의 패러데이 효율이 17.6%이고, 수소 생성 속도가 0.0046g/s인 것을 특징으로 하는 수소 제조방법.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 2단계에서 하기 반응식 (1) ~ (4)의 반응을 통해 수소가 생성되는 것을 특징으로 하는 수소 제조방법:
   (1) CH₃OH + AOH → CH₃OA + H₂O
   (2) CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺+ 6e^-
   (3) CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3H⁺
   (4) H₂O → 0.5O₂ + H₂
   이때, 상기 A는 Na 또는 K인 금속 원소이다.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제

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