KR102376086B1 - Liquid hydride-based autothermal hydrogen and electric power generator - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 액상 수소화물 기반의 자열 수소 및 전력 발생 장치로서, 액상 수소화물 기반 촉매를 포함하는 하나 이상의 반응기; 및 수소 연료 전지;를 포함하며, 상기 하나 이상의 반응기로 공급된 반응물은 탈수소화반응을 하여 수소(H2)로 전환되고, 상기 수소를 포함하는 생성물이 반응기로부터 배출되어 적어도 일부가 수소 연료 전지로 공급되는, 자열 수소 및 전력 발생 장치를 개시한다.The present specification provides a liquid hydride-based autothermal hydrogen and power generator, comprising: one or more reactors including a liquid-phase hydride-based catalyst; and a hydrogen fuel cell; wherein the reactant supplied to the one or more reactors undergoes a dehydrogenation reaction to convert it to hydrogen (H 2 ), and the product containing the hydrogen is discharged from the reactor to at least a part of it as a hydrogen fuel cell Disclosed is an autothermal hydrogen and power generating device that is supplied.

Description

액상 수소화물 기반의 자열 수소 및 전력 발생 장치{LIQUID HYDRIDE-BASED AUTOTHERMAL HYDROGEN AND ELECTRIC POWER GENERATOR}Liquid hydride-based autothermal hydrogen and power generator

본 명세서에서는 액상 수소화물 기반의 자열 수소 및 전력 발생 장치를 개시한다.Disclosed herein is an autothermal hydrogen and power generating device based on liquid hydride.

수소는 물 전기분해를 통하여 태양이나 바람과 같은 재생 에너지 원으로부터 충분한 에너지를 저장할 수 있기 때문에 청정 에너지 운반체로 지속적으로 주목받고 있다. 특히, 수소는 높은 중량 대비 에너지 밀도(약 33kWh/kg)뿐만 아니라 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)와 함께 사용될 때 환경 친화적 부산물인 물을 생산할 수 있다는 장점을 또한 갖는다. 재생 가능한 에너지는 위치 및 계절 변화에 생산이 크게 의존하기 때문에 수소 공급과 수요지 사이의 지리적 및 시간적 차이를 충족시키기 위해서는 제어가능하고 효율적인 수소 저장 기술이 중요하다.Hydrogen continues to attract attention as a clean energy carrier because it can store sufficient energy from renewable energy sources such as solar and wind through water electrolysis. In particular, hydrogen has not only a high energy-to-weight density (about 33 kWh/kg), but also the advantage of being able to produce water, an environmentally friendly by-product when used with a polyelectrolyte fuel cell (PEMFC). Because renewable energy production is highly dependent on location and seasonal changes, controllable and efficient hydrogen storage technologies are important to meet geographic and temporal differences between hydrogen supply and demand.

그러나 수소 기체는 체적 에너지 밀도가 극히 낮으며, 이에 현재 기술에서는 압축된 형태(300 bar H2, 20g H2/L)로 저장하게 된다. 이러한 관점에서, 액체 화학 물질의 형태로 수소를 저장하는 기술이 고용량 저장 및 장거리 운송에서 특히 주목을 받았다.However, hydrogen gas has an extremely low volumetric energy density, and thus, in the current technology, it is stored in a compressed form (300 bar H 2 , 20 g H 2 /L). In this regard, the technology of storing hydrogen in the form of liquid chemicals has received particular attention in high-capacity storage and long-distance transport.

그 후보 물질 중 하나인 포름산(HCOOH, FA)은 주변 온도에서 안정한 액체이며 바이오 매스 공급 원료의 산화 전환을 통하여 제조될 수 있다. 화학식 1에 나타낸 바와 같이 탈수소화 반응은 온화한 조건을 갖기 때문에 유망한 수소 저장 물질(4.4 중량%, 53 g H2/L)로서 상당한 관심을 받았다.One of the candidates, formic acid (HCOOH, FA), is a stable liquid at ambient temperature and can be prepared through oxidative conversion of biomass feedstocks. As shown in Formula 1, the dehydrogenation reaction has received considerable attention as a promising hydrogen storage material (4.4 wt%, 53 g H 2 /L) because it has mild conditions.

[화학식 1][Formula 1]

HCOOH (l) → CO2 (g) + H2 (g)HCOOH (l) → CO 2 (g) + H 2 (g)

r H o (kJ/mol) = 31.2 △r G o (kJ/mol) = -32.9r H o (kJ/mol) = 31.2 △ r G o (kJ/mol) = -32.9

수소 및 이산화탄소에 대한 탈수소화 반응은 실온 및 물 조건에서 열역학적으로 유리하지만 그 탈수 반응은 다음 화학식 2와 같이 물과 일산화탄소에 대하여도 유리하며, 따라서 PEMFC에 적용을 위하여는 이러한 반응은 억제되어야 한다.The dehydrogenation reaction for hydrogen and carbon dioxide is thermodynamically favorable at room temperature and water conditions, but the dehydrogenation reaction is also favorable for water and carbon monoxide as shown in the following formula (2). Therefore, this reaction must be suppressed for application to PEMFC.

[화학식 2][Formula 2]

HCOOH (l) → H2O (l) + CO (g)HCOOH (l) → H 2 O (l) + CO (g)

r H o (kJ/mol) = 28.7 △r G o (kJ/mol) = -12.9r H o (kJ/mol) = 28.7 △ r G o (kJ/mol) = -12.9

또한, 팔라듐 기반의 나노 촉매는 포름산(FA)으로부터 H2 생성에 가장 효율적인 촉매인 것으로 보고되었으며, 이러한 탈수소화 반응에서 H2 생성 수율을 향상시키기 위해 포름산염과 같은 첨가제를 첨가하곤 한다.In addition, it has been reported that the palladium-based nanocatalyst is the most efficient catalyst for H 2 production from formic acid (FA), and additives such as formate are often added to improve the H 2 production yield in this dehydrogenation reaction.

이와 대조적으로 포름산염(MHCO2, M=Na, K, NH4)은 포름산의 짝염기로서 H2 저장 물질(1.2-1.6 wt%, 20-28 gH2/L)이다. 포름산염은 실온에서 무독성인 고체 물질이며, 화학식 3에서와 같이 주위 온도 및 압력에서 가역적인 H2 저장과 방출에 있어서 열역학적으로 우수한 것으로 나타났다.In contrast, formate (MHCO 2 , M=Na, K, NH 4 ) is a H 2 storage material (1.2-1.6 wt %, 20-28 gH 2 /L) as the conjugate base of formic acid. Formate is a non-toxic solid material at room temperature and has been shown to be thermodynamically superior in reversible H 2 storage and release at ambient temperature and pressure as shown in formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

NaHCO2 (aq) + H2O (l) ↔ NaHCO3 (aq) + H2 (g)NaHCO 2 (aq) + H 2 O (l) ↔ NaHCO 3 (aq) + H 2 (g)

r H o (kJ/mol) = 20.5 △r G o (kJ/mol) = 0.7r H o (kJ/mol) = 20.5 △ r G o (kJ/mol) = 0.7

포름산으로 추가적인 산성화할 필요가 없이 과잉 재생 에너지에 의하여 CO2 전기 화학적 환원과 함께 가역적 에너지 사이클을 형성하기 때문에 포름산염은 포름산을 대체할 유망한 물질이다. Sasson 등이 포름산 나트륨을 수소 담체로 사용하여 처음 보고한 이래로(비특허문헌 1), 효율적인 포름산 탈수소화 반응을 위한 촉매가 개발되어 왔다. 예를 들어, Beller, Laurenczy, Olah, 및 Joo(비특허문헌 2-5)에 의하여 보고된 Ru 기반 또는 Ir 기반의 균질 촉매는 가역적인 수소 저장과 방출에 대한 우수한 반응성뿐 아니라 확장성을 나타냈다.Formic acid is a promising substitute for formic acid because it forms a reversible energy cycle with CO 2 electrochemical reduction by excess renewable energy without the need for additional acidification with formic acid. Since Sasson et al. first reported using sodium formate as a hydrogen carrier (Non-Patent Document 1), a catalyst for efficient formic acid dehydrogenation has been developed. For example, the Ru-based or Ir-based homogeneous catalyst reported by Beller, Laurenczy, Olah, and Joo (Non-Patent Document 2-5) exhibited scalability as well as excellent reactivity for reversible hydrogen storage and release.

그러나, 포터블이나 모바일 어플리케이션을 위한 포름산염 기반 탈수소화 시스템 개발에 있어서, 균일한 포름산염 반응 혼합물로부터 촉매가 분리되는 문제는 여전히 해결되어야 한다. However, in the development of formate-based dehydrogenation systems for portable or mobile applications, the problem of catalyst separation from the homogeneous formate reaction mixture remains to be resolved.

한편, 불균일 촉매를 포터블 발전 시스템에 사용할 수 있을것으로 보이며, 많은 불균일 촉매 중에서, 탄소계 지지체 상에 지지된 Pd 나노 입자는 효율적인 탈수소화 촉매의 일 유형으로 알려졌다. 하지만, 이들 촉매의 최적화된 반응 조건과 시스템을 통합하는 것과 관련된 연구는 전무하다.On the other hand, it seems that the heterogeneous catalyst can be used in a portable power generation system, and among many heterogeneous catalysts, Pd nanoparticles supported on a carbon-based support are known as one type of efficient dehydrogenation catalyst. However, there are no studies related to the integration of the system with the optimized reaction conditions of these catalysts.

H. Wiener, Y. Sasson, J. Blum, J. Mol. Catal. 1986, 35, 277-284. A. Boddien, F. Gδrtner, C. Federsel, P. Sponholz, D. Mellmann, R. Jackstell, H. Junge, M. Beller, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 6411-6414. K. Sordakis, A. F. Dalebrook, G. Laurenczy, ChemCatChem 2015, 7, 2332-2339. J. Kothandaraman, M. Czaun, A. Goeppert, R. Haiges, J.-P. Jones, R. B. May, G. K. S. Prakash, G. A. Olah, ChemSusChem 2015, 8, 1442-1451.

Figure 112020044678869-pat00001
a) H. Horvath, G. Papp, R. Szabolcsi, A. Kath, F. Joo, ChemSusChem 2015, 8, 3036-3038; b) G. Papp, J. Csorba, G. Laurenczy, F. Joo, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 10433-10435. H. Wiener, Y. Sasson, J. Blum, J. Mol. Catal. 1986, 35, 277-284. A. Boddien, F. Gδrtner, C. Federsel, P. Sponholz, D. Mellmann, R. Jackstell, H. Junge, M. Beller, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 6411-6414. K. Sordakis, A. F. Dalebrook, G. Laurenczy, ChemCat Chem 2015, 7, 2332-2339. J. Kothandaraman, M. Czaun, A. Goeppert, R. Haiges, J.-P. Jones, RB May, GKS Prakash, GA Olah, ChemSusChem 2015, 8, 1442-1451.
Figure 112020044678869-pat00001
a) H. Horvath, G. Papp, R. Szabolcsi, A. Kath, F. Joo, ChemSus Chem 2015, 8, 3036-3038; b) G. Papp, J. Csorba, G. Laurenczy, F. Joo, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 10433-10435.

본 발명의 구현예들은 체적 에너지 밀도가 극히 낮은 수소(기체)를 상온 및 상압에서 안전하게 저장하기 위하여 액체 화학 물질의 형태로 수소 저장 물질인 액상 수소화물로부터 수소를 생산하고자 한다.Embodiments of the present invention are intended to produce hydrogen from liquid hydride, which is a hydrogen storage material, in the form of a liquid chemical substance in order to safely store hydrogen (gas) having an extremely low volumetric energy density at room temperature and normal pressure.

본 발명의 구현예들은 액상수소화물의 탈수소화가 흡열 반응을 필요로 하며, 연료전지의 폐열은 보통 온도가 낮은 저등급의 폐열(low-grade waste heat)이라 활용성이 낮은 문제를 해결하고자 한다.Embodiments of the present invention are to solve the problem of low utility because dehydrogenation of liquid hydride requires an endothermic reaction, and waste heat of a fuel cell is low-grade waste heat with a low temperature.

본 발명의 일 구현예에서, 액상 수소화물 기반의 자열 수소 및 전력 발생 장치로서, 액상 수소화물 기반 촉매를 포함하는 하나 이상의 반응기; 및 수소 연료 전지;를 포함하며, 상기 하나 이상의 반응기로 공급된 반응물은 탈수소화반응을 하여 수소(H2)로 전환되고, 상기 수소를 포함하는 생성물이 반응기로부터 배출되어 적어도 일부가 수소 연료 전지로 공급되는, 자열 수소 및 전력 발생 장치가 제공된다.In one embodiment of the present invention, there is provided an autothermal hydrogen and power generating device based on liquid hydride, comprising: at least one reactor including a catalyst based on liquid hydride; and a hydrogen fuel cell, wherein the reactant supplied to the one or more reactors undergoes a dehydrogenation reaction to convert it to hydrogen (H 2 ), and a product containing hydrogen is discharged from the reactor to at least partly be converted to a hydrogen fuel cell A supplied, autothermal hydrogen and power generating device is provided.

일 구현예에서, 상기 반응기로부터 배출된 생성물은 수소 연료 전지로 직접 공급될 수 있다.In one embodiment, the product discharged from the reactor may be directly supplied to the hydrogen fuel cell.

일 구현예에서, 상기 반응기로부터 배출된 생성물 중 일부는 하나 이상의 반응기로 재순환될 수 있다.In one embodiment, some of the product discharged from the reactor may be recycled to one or more reactors.

일 구현예에서, 상기 자열 수소 발생 장치는 2개 이상의 반응기를 포함할 수 있다.In one embodiment, the autothermal hydrogen generator may include two or more reactors.

일 구현예에서, 상기 반응기에서, 반응물의 기화점 이하의 온도로 탈수소화반응이 수행될 수 있다.In one embodiment, in the reactor, the dehydrogenation reaction may be performed at a temperature below the vaporization point of the reactants.

일 구현예에서, 상기 반응물은 포름산염 화합물을 포함하고, 상기 반응기에서, 40 내지 100 ℃ 범위 온도로 탈수소화반응이 수행될 수 있다.In one embodiment, the reactant includes a formate compound, and in the reactor, the dehydrogenation reaction may be performed at a temperature in the range of 40 to 100 °C.

일 구현예에서, 상기 자열 수소 및 전력 발생 장치는 상기 수소 연료 전지에서 발생한 열을 반응기로 전달하는 열 교환 장치;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the autothermal hydrogen and power generating device may further include a heat exchange device for transferring the heat generated in the hydrogen fuel cell to the reactor.

일 구현예에서, 상기 자열 수소 및 전력 발생 장치는 액상 수소화물 기반 촉매를 탈이온수 처리하여 재활용 하기 위한 촉매 재활성화 장치;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the autothermal hydrogen and power generating device may further include a catalyst reactivation device for recycling the liquid hydride-based catalyst by treating it with deionized water.

일 구현예에서, 상기 촉매 재활성화 장치에서 탈이온수 처리된 후, 질소(N2) 처리하여 촉매를 재활용하는 것일 수 있다.In one embodiment, after deionized water is treated in the catalyst reactivation device, nitrogen (N 2 ) treatment may be performed to recycle the catalyst.

일 구현예에서, 상기 반응물은 0.1 내지 10M 범위의 농도로 액상 수소화물을 포함할 수 있다.In one embodiment, the reactant may include liquid hydride at a concentration ranging from 0.1 to 10M.

일 구현예에서, 상기 반응물은 암모늄 포르메이트, 소듐 포르메이트, 및 포타슘 포르메이트 중 하나 이상의 포름산염 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment, the reactant may include a formate compound of one or more of ammonium formate, sodium formate, and potassium formate.

일 구현예에서, 상기 액상 수소화물 기반 촉매는 지지체, 및 상기 지지체 상에 담지된 금속을 포함할 수 있다.In one embodiment, the liquid hydride-based catalyst may include a support and a metal supported on the support.

일 구현예에서, 상기 금속은 2.0 내지 3.0 nm의 직경 범위를 갖는 나노 입자일 수 있다.In one embodiment, the metal may be nanoparticles having a diameter range of 2.0 to 3.0 nm.

일 구현예에서, 상기 액상 수소화물 기반 촉매는 촉매 전체 중량에 대하여 금속 로딩량을 1 - 10 중량% 범위로 할 수 있다.In one embodiment, the liquid hydride-based catalyst may have a metal loading amount in the range of 1 to 10 wt% based on the total weight of the catalyst.

일 구현예에서, 상기 액상 수소화물 기반 촉매는 CO 화학흡착(chemisorption)로 측정된 10 내지 50 % 범위의 분산도(dispersion)을 가질 수 있다.In one embodiment, the liquid phase hydride based catalyst may have a dispersion in the range of 10 to 50% as measured by CO chemisorption.

일 구현예에서, 상기 분리막 반응기로부터 배출되는 수소의 순도는 99.97% 이상일 수 있다.In one embodiment, the purity of hydrogen discharged from the membrane reactor may be 99.97% or more.

일 구현예에서, 상기 수소 연료 전지로 수소를 추가 공급할 수 있다.In one embodiment, hydrogen may be additionally supplied to the hydrogen fuel cell.

본 발명의 일 구현예에서, 전술한 자열 수소 및 전력 발생 장치를 통한 수소 및 전력 생산 방법이 제공된다.In one embodiment of the present invention, there is provided a method for generating hydrogen and power through the above-described autothermal hydrogen and power generating device.

본 발명의 구현예에 따른 자열 수소 및 전력 발생 장치는 최적의 포름산염 농도, 반응 온도, 촉매 금속 로딩량 등의 요인을 제어하여 우수한 탈수소화 반응 효율을 가질 수 있다.Autothermal hydrogen and power generating device according to an embodiment of the present invention can have excellent dehydrogenation reaction efficiency by controlling factors such as an optimal formate concentration, reaction temperature, and catalyst metal loading amount.

본 발명의 구현예에 따른 자열 수소 및 전력 발생 장치는 연료 전지로부터 발생한 열을 반응기로 전달시켜 탈수소화반응에 필요한 열을 제공하여, 별도의 외부 열 공급원 없이 전체 시스템의 작동 효율을 향상시킬 수 있으며, 이는 휴대용 수소 발생 및 발전 시스템에서 효과적일 수 있다.The device for generating autothermal hydrogen and power according to an embodiment of the present invention provides heat necessary for the dehydrogenation reaction by transferring heat generated from the fuel cell to the reactor, thereby improving the operating efficiency of the entire system without a separate external heat source. , which can be effective in portable hydrogen generation and power generation systems.

도 1은 본 발명의 구현예에 따른 액상 수소화물 기반의 자열 수소 발생 장치의 흐름도를 도시한다.
도 2는 NaHCO2의 농도를 달리하여 탈수소화 반응에 따른 가스 배출량을 비교 도시한 그래프이다.
도 3a는 탈수소화 촉매에서 Pd 금속 로딩량을 달리하여 탈수소화 반응에 따른 가스 배출량을 비교 도시한 그래프이고, 도 3b는 Pd 금속 로딩량을 달리하여 탈수소화 반응에 따른 H2 수율을 비교 도시한 그래프이다.
도 4a 내지 4d는 Pd 금속 로딩량을 각각 1 wt.%(도 4a), 3 wt.%(도 4b), 5 wt.%(도 4c), 10 wt.%(도 4d)로 달리한 탈수소화 촉매의 STEM 이미지를 도시한다.
도 5는 탄수소화반응의 온도를 달리하여 탈수소화 반응에 따른 가스 배출량을 비교 도시한 그래프이다.
도 6는 탈수소화 반응 온도를 달리하여 얻은 결과로부터 ln(kobs) 대 1/T 그래프를 플롯한 결과를 도시한다.
도 7은 포름산염의 양이온 효과(Na, K, NH4)에 따라서 탈수소화 반응에서 가스 배출량을 비교 도시한 그래프이다.
도 8는 NH4HCO2 탈수소화 반응의 가스 크로마토그래피 결과를 도시한 그래프이다.
도 9a 내지 9c는 NH4HCO2(도 9a), NaHCO2(도 9b), 및 KHCO2(도 9c)의 In situ pH 측정 결과와 가스 배출량을 비교 도시한 그래프이다.
도 10은 포름산염 탈수소화 반응의 촉매를 5 사이클까지 재활용하여 iTOFm 값을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 11a 및 11b는 포름산염 탈수소화 반응의 촉매를 5 사이클까지 재활용하여 iTOFm 값을 측정한 결과로서, 재활성 처리시 질소 처리의 유무에 따른 결과를 비교 도시한 그래프이다.
도 12a 내지 12c는 탈수소화 반응용 촉매를 5 사이클까지 재활용하면서, NaHCO2(도 12a), KHCO2(도 12b), NH4HCO2(도 12c) 탈수소화 반응에서 배출된 가스로부터 IR 분광법을 통해 CO2를 검출한 결과를 비교 도시한 그래프이다.
도 13은 포름산염 탈수소화 반응의 촉매를 O2로 재활성시킨 경우의 가스 배출량을 비교 도시한 그래프이다.
도 14a 및 14b는 사용 전 Pd/C 촉매(도 14a), 5 사이클 재생 촉매(도 14b)의 질소 흡착/탈찰 곡선을 도시하며, 도 14c는 BET 측정 전후 촉매의 탈수소화 반응에서 가스 배출량을 비교 도시한 그래프이다.
도 15a 및 15b는 Pd/C 촉매와 포름산염(도 15a), 바이카보네이트(도 15b) 용액의 교반 시간을 140분, 274분 및 1,114분으로 달리하여 혼합한 뒤 탈수소화 반응에서의 가스 배출량을 비교 도시한 그래프이다.
도 16a 및 16b는 사용 전 Pd/C 촉매(도 16a)와 5 사이클 재생한 Pd/C 촉매(도 16b)의 STEM 이미지를 비교 도시한다.
도 17은 Pd/C 촉매, CO/Ar로 처리한 Pd/C 촉매, 및 CO/Ar로 처리한 뒤 세척 및 여과 처리한 Pd/C 촉매를 각각 이용한 탈수소화 반응에서의 가스 배출량을 비교 도시한 그래프이다.
도 18는 열 통합형 탈수소화 연료 전지 시스템을 도시한다.
도 19은 본 발명의 구현예에 따른 연료 전지 시스템에서 연료 전지와 반응기의 시간에 따른 온도 변화와 연료 전지의 전력 출력값을 도시한다.
도 20a 내지 20d는 외부 공급된 H2와 본 발명의 구현예에 따른 시스템의 반응기로부터 공급된 H2를 적용한 IV 커브를 도시한다.
1 shows a flowchart of a liquid hydride-based autothermal hydrogen generator according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing a comparison of gas emissions according to the dehydrogenation reaction by varying the concentration of NaHCO 2 .
3a is a graph showing a comparison of gas emission according to the dehydrogenation reaction by varying the Pd metal loading in the dehydrogenation catalyst, and FIG. 3b is a comparison showing the H 2 yield according to the dehydrogenation reaction by varying the Pd metal loading. It is a graph.
4A to 4D show dehydration with different Pd metal loadings of 1 wt.% (FIG. 4A), 3 wt.% (FIG. 4B), 5 wt.% (FIG. 4C), and 10 wt.% (FIG. 4D), respectively. The STEM image of the digestion catalyst is shown.
5 is a graph showing a comparison of gas emission according to the dehydrogenation reaction by changing the temperature of the carbonization reaction.
6 shows the results of plotting an ln( ko obs ) versus 1/T graph from the results obtained by varying the dehydrogenation reaction temperature.
7 is a graph showing a comparison of gas emissions in the dehydrogenation reaction according to the cation effect of formate (Na, K, NH 4 ).
8 is a graph showing the gas chromatography results of the NH 4 HCO 2 dehydrogenation reaction.
9a to 9c are graphs showing comparison of in situ pH measurement results and gas emissions of NH 4 HCO 2 (FIG. 9a), NaHCO 2 (FIG. 9b), and KHCO 2 (FIG. 9c).
10 is a graph showing the results of measuring the iTOFm value by recycling the catalyst of the formate dehydrogenation reaction up to 5 cycles.
11a and 11b are graphs showing the results of measuring iTOFm values by recycling the catalyst for formate dehydrogenation reaction up to 5 cycles, and comparing the results with or without nitrogen treatment during the reactivation treatment.
Figures 12a to 12c are, while recycling the catalyst for dehydrogenation reaction up to 5 cycles, NaHCO 2 (Fig. 12a), KHCO 2 (Fig. 12b), NH 4 HCO 2 (Fig. 12c) IR spectroscopy from the gas discharged from the dehydrogenation reaction It is a graph showing a comparison of the detection result of CO 2 through.
13 is a graph showing a comparison of gas emission when the catalyst of the formate dehydrogenation reaction is reacted with O 2 .
14A and 14B show the nitrogen adsorption/desorption curves of the Pd/C catalyst before use (FIG. 14A) and the 5-cycle regeneration catalyst (FIG. 14B), and FIG. 14C is a comparison of gas emissions in the dehydrogenation reaction of the catalyst before and after BET measurement It is the graph shown.
15a and 15b show the gas emission from the dehydrogenation reaction after mixing the Pd/C catalyst with the formate (FIG. 15a), and the bicarbonate (FIG. 15b) solution at different stirring times of 140 minutes, 274 minutes, and 1,114 minutes. It is a graph showing comparison.
16A and 16B show comparison STEM images of the Pd/C catalyst before use ( FIG. 16A ) and the Pd/C catalyst regenerated for 5 cycles ( FIG. 16B ).
FIG. 17 is a comparison of gas emissions from a dehydrogenation reaction using a Pd/C catalyst, a Pd/C catalyst treated with CO/Ar, and a Pd/C catalyst treated with CO/Ar and then washed and filtered. It is a graph.
18 shows a thermally integrated dehydrogenation fuel cell system.
19 illustrates temperature changes of a fuel cell and a reactor with time and power output values of the fuel cell in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
20a to 20d show IV curves applying externally fed H 2 and H 2 fed from a reactor of a system according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for the purpose of explanation only, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention can make various changes and can have various forms, and the embodiments are not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention should be understood as including

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or a combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

용어 정의Term Definition

본 명세서에서 "전환율(conversion)"은 반응기로 공급되는 액상 수소화물의 부피 공급속도 당 질소 및 수소로 전환된 액상 수산화물의 유량으로 정의된다.As used herein, "conversion" is defined as the flow rate of liquid hydroxide converted to nitrogen and hydrogen per volume feed rate of liquid hydride supplied to the reactor.

자열 수소 발생 장치Autothermal hydrogen generator

본 발명의 일 구현예에서, 액상 수소화물 기반의 자열 수소 및 전력 발생 장치로서, 액상 수소화물 기반 촉매를 포함하는 하나 이상의 반응기; 및 수소 연료 전지;를 포함하며, 상기 하나 이상의 반응기로 공급된 반응물은 탈수소화반응을 하여 수소(H2)로 전환되고, 상기 수소를 포함하는 생성물이 반응기로부터 배출되어 적어도 일부가 수소 연료 전지로 공급되는, 자열 수소 및 전력 발생 장치가 제공된다.In one embodiment of the present invention, there is provided an autothermal hydrogen and power generating device based on liquid hydride, comprising: at least one reactor including a catalyst based on liquid hydride; and a hydrogen fuel cell, wherein the reactant supplied to the one or more reactors undergoes a dehydrogenation reaction to convert it to hydrogen (H 2 ), and a product containing hydrogen is discharged from the reactor to at least partly be converted to a hydrogen fuel cell A supplied, autothermal hydrogen and power generating device is provided.

일 구현예에서, 상기 반응기로부터 배출된 생성물은 수소 연료 전지로 직접 공급될 수 있다. 상기 수소 발생 장치는 생산된 수소를 연료 전지로 직접 공급하여 수소 순도를 높이기 위한 별도의 공정 및/또는 장비를 필요로 하지 않을 수 있으며, 이로 인한 전체 시스템의 효율의 감소를 막을 수 있다.In one embodiment, the product discharged from the reactor may be directly supplied to the hydrogen fuel cell. The hydrogen generator may not require a separate process and/or equipment for increasing the purity of hydrogen by directly supplying the produced hydrogen to the fuel cell, thereby preventing a decrease in the efficiency of the entire system.

일 구현예에서, 상기 반응기로부터 배출된 생성물 중 일부는 하나 이상의 반응기로 재순환될 수 있다. 이를 통하여 반응기로 재순환된 생성물에 포함된 미반응물(예컨대, 포름산염 계 반응물)이 탈수소화 반응을 거칠 수 있으며, 전체 수소 수율을 향상시킬 수 있다.In one embodiment, some of the product discharged from the reactor may be recycled to one or more reactors. Through this, the unreacted material (eg, formate-based reactant) included in the product recycled to the reactor may undergo dehydrogenation, and the overall hydrogen yield may be improved.

일 구현예에서, 상기 자열 수소 및 전력 발생 장치는 2개 이상의 반응기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자열 수소 및 전력 발생 장치는 2개의 반응기를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 반응기는 순차적으로 운전할 수 있으며, 예를 들어, 제1 반응기로부터 수소가 발생하는 동안 의 운전 중에 제2 반응기는 퍼징 및 충진될 수 있다. 복수의 반응기를 사용하여 수소 및 전력 발생 장치를 연속적으로 운전할 수 있고, 이를 통하여 연속적으로 수소 발생이 가능하다는 장점을 가질 수 있다.In one embodiment, the autothermal hydrogen and power generating device may include two or more reactors. For example, the autothermal hydrogen and power generating device may include two reactors. Specifically, the plurality of reactors may be operated sequentially, for example, the second reactor may be purged and filled during operation while hydrogen is generated from the first reactor. A plurality of reactors can be used to continuously operate the hydrogen and power generating device, and through this, hydrogen can be continuously generated.

일 구현예에서, 상기 반응기에서, 반응물의 기화점 이하의 온도로 탈수소화반응이 수행될 수 있다. 반응물의 기화점 초과의 온도로 수행되는 경우 물이 기화 및 생성된 물질에 의해 다른 부산물을 생성할 수 있다.In one embodiment, in the reactor, the dehydrogenation reaction may be performed at a temperature below the vaporization point of the reactants. When carried out at a temperature above the vaporization point of the reactants, water may vaporize and other byproducts may be produced by the resulting material.

예를 들어, 상기 반응물로 포름산염을 포함하는 경우, 상기 반응기에서, 40 내지 100 ℃ 범위 온도로 탈수소화반응이 수행될 수 있다. 구체적으로, 30 내지 80 ℃ 범위 온도 또는 60 내지 80 ℃ 범위 온도로 탈수소화반응이 수행될 수 있다. 탈수소화반응 온도가 40 ℃ 미만인 경우 반응성이 낮아 수소발생이 일어나지 않을 수 있고, 100 ℃ 초과인 경우 물이 기화 및 생성된 물질에 의해 다른 부산물을 생성할 수 있으며, 예컨대 100 ℃ 초과인 온도에서 생성된 바이카보네이트에 의하여 이산화탄소가 더 많이 생성될 수 있다.For example, when formate is included as the reactant, the dehydrogenation reaction may be performed in the reactor at a temperature in the range of 40 to 100 °C. Specifically, the dehydrogenation reaction may be carried out at a temperature in the range of 30 to 80 °C or at a temperature in the range of 60 to 80 °C. When the dehydrogenation reaction temperature is less than 40 ° C, hydrogen generation may not occur due to low reactivity, and if it is more than 100 ° C, water may be vaporized and other by-products may be produced by the produced material, for example, produced at a temperature greater than 100 ° C. More carbon dioxide can be produced by the bicarbonate.

일 구현예에서, 상기 자열 수소 및 전력 발생 장치는 상기 수소 연료 전지에서 발생한 열을 반응기로 전달하는 열 교환 장치;를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 열 교환 장치는 냉각수를 순환시켜 열을 교환시키는 것으로서, 구체적으로 연료 전지 스택을 통하여 냉각수를 순환시킨 다음 순환된 냉각수를 반응기로 유입시켜 열 에너지를 전달하는 것일 수 있다.In one embodiment, the autothermal hydrogen and power generating device may further include a heat exchange device for transferring the heat generated in the hydrogen fuel cell to the reactor. For example, the heat exchange device circulates cooling water to exchange heat. Specifically, the cooling water is circulated through a fuel cell stack and then the circulated cooling water is introduced into the reactor to transfer heat energy.

일 구현예에서, 상기 자열 수소 및 전력 발생 장치는 액상 수소화물 기반 촉매를 탈이온수 처리하여 재활용 하기 위한 촉매 재활성화 장치;를 더 포함할 수 있다. 상기 촉매 재활성화 장치를 통하여 촉매는 1사이클 이상 재활성화될 수 있다. 일반적으로, 재활성화 사이클 수가 증가할수록 촉매의 활성은 감소하는 경향을 보이나, 특정 포름산염 계 반응물을 사용하는 경우 촉매 반응성 감소의 폭을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 포타슘 포름산염(PF)는 다른 포름산염 반응물에 비하여 재활성화 사이클 수 증가에 따른 촉매 활성 감소량이 더 작을 수 있다.In one embodiment, the autothermal hydrogen and power generating device may further include a catalyst reactivation device for recycling the liquid hydride-based catalyst by treating it with deionized water. The catalyst may be reactivated for one cycle or more through the catalyst reactivation device. In general, as the number of reactivation cycles increases, the activity of the catalyst tends to decrease, but when a specific formate-based reactant is used, the reduction in catalyst reactivity can be minimized. For example, potassium formate (PF) may have a smaller decrease in catalytic activity according to an increase in the number of reactivation cycles compared to other formate reactants.

한편, 자열 수소 및 전력 발생 장치는 2개 이상의 반응기를 포함하는 경우 촉매 재활성화 장치는 복수의 반응기에 포함된 촉매를 순차적으로 탈이온수 처리하여 재활용할 수 있다.On the other hand, when the autothermal hydrogen and power generating device includes two or more reactors, the catalyst reactivation device may sequentially treat the catalysts included in the plurality of reactors with deionized water to be recycled.

일 구현예에서, 상기 촉매 재활성화 장치에서 탈이온수 처리된 후, 질소(N2) 처리하여 촉매를 재활용하는 것일 수 있다. 질소(N2) 처리하여 촉매를 재활용하는 경우, 회수한 촉매에 붙어있을 수 있는 불순물을 제거하는데 도움이 될 수 있으며, 탈수소화 반응에서 iTOFm뿐만 아니라 H2 수율도 향상될 수 있다.In one embodiment, after deionized water is treated in the catalyst reactivation device, nitrogen (N 2 ) treatment may be performed to recycle the catalyst. When the catalyst is recycled by treating with nitrogen (N 2 ), it may help to remove impurities that may be attached to the recovered catalyst, and not only iTOFm but also H 2 yield may be improved in the dehydrogenation reaction.

일 구현예에서, 상기 반응물은 0.1 내지 10 M 범위의 농도로 액상 수소화물을 포함할 수 있다. 상기 농도 범위가 1 M 미만인 경우 수소발생 수율이 예컨대 약 48% 정도로 낮을 수 있고, 10 M 초과인 경우 수소발생 수율이 100%에 도달할 수 있으나 예컨대 생성물인 바이카보네이트가 석출될 수 있다. 한편, 액상 수소화물 반응물은 반응기에 도입되면서 희석될 수 있으며 따라서 고농도의 수소화물 용액이 주입될 수 있다.In one embodiment, the reactant may include liquid hydride at a concentration ranging from 0.1 to 10 M. If the concentration range is less than 1 M, the yield of hydrogen generation may be as low as, for example, about 48%, and if it is more than 10 M, the yield of hydrogen generation may reach 100%, but for example, bicarbonate as a product may be precipitated. On the other hand, the liquid hydride reactant may be diluted while being introduced into the reactor, and thus a hydride solution of high concentration may be injected.

일 구현예에서, 상기 반응물은 암모늄 포르메이트, 소듐 포르메이트, 및 포타슘 포르메이트 중 하나 이상의 포름산염 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment, the reactant may include a formate compound of one or more of ammonium formate, sodium formate, and potassium formate.

일 구현예에서, 상기 포름산염 기반 촉매는 지지체, 및 상기 지지체 상에 담지된 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 지지체는 케첸 블랙(ketjen black), 카본 블랙(vulcan carbon), 또는 활성탄(activated carbon)과 같은 탄소지지체; 및 알루미나(alumina) 또는 실리카(silica)와 같은 금속산화물 지지체;, 및 제올라이트(zeolite) 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 금속은 Pd, Pt, Ni, PdAu, PdAg, 및 PdNi 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the formate-based catalyst may include a support and a metal supported on the support. Specifically, the support is a carbon support such as ketjen black (ketjen black), carbon black (vulcan carbon), or activated carbon (activated carbon); and a metal oxide support such as alumina or silica, and at least one of zeolite, wherein the metal comprises at least one of Pd, Pt, Ni, PdAu, PdAg, and PdNi. may include

일 구현예에서, 상기 포르메이트 기반 촉매에서 담지된 금속은 나노 입자의 형태로 존재할 수 있으며, 예를 들어 2.0 내지 3.0 nm의 직경 범위, 바람직하게 2.0 내지 2.2 nm의 직경 범위를 가질 수 있다. 상기 나노 입자 직경 범위를 갖는 경우 액상 수소화물의 탈수소화 반응 동안에 높은 반응성을 나타낼 수 있으며, 입자 직경이 더 커지는 경우 반응성이 감소할 수 있다.In one embodiment, the metal supported in the formate-based catalyst may be present in the form of nanoparticles, for example, may have a diameter range of 2.0 to 3.0 nm, preferably, a diameter range of 2.0 to 2.2 nm. In the case of having the nanoparticle diameter range, high reactivity may be exhibited during the dehydrogenation reaction of liquid hydride, and if the particle diameter becomes larger, the reactivity may be reduced.

일 구현예에서, 상기 액상 수소화물 기반 촉매는 촉매 전체 중량에 대하여 금속 로딩량을 1 - 10 중량% 범위로 할 수 있다. 금속 로딩량이 1 중량% 미만인 경우 액상 수소화물로부터 수소 발생 전환율이 낮아질 수 있고, 금속 로딩량이 10 중량% 초과인 경우 금속이 효율적으로 반응에 쓰이지 않을 수 있다.In one embodiment, the liquid hydride-based catalyst may have a metal loading amount in the range of 1 to 10 wt% based on the total weight of the catalyst. When the metal loading amount is less than 1% by weight, the conversion rate of hydrogen generation from the liquid hydride may be low, and when the metal loading amount is more than 10% by weight, the metal may not be efficiently used in the reaction.

일 구현예에서, 상기 액상 수소화물 기반 촉매는 CO 화학흡착(chemisorption)로 측정된 10 내지 50 % 범위의 분산도(dispersion)을 가질 수 있다. 분산도는 촉매의 초기 질량 활성과 같은 경향을 나타낼 수 있다. 상기 범위의 분산도를 갖는 경우 액상 수소화물로부터 높은 전환율을 가질 수 있다.In one embodiment, the liquid phase hydride based catalyst may have a dispersion in the range of 10 to 50% as measured by CO chemisorption. The degree of dispersion can be in the same tendency as the initial mass activity of the catalyst. When it has a dispersion degree in the above range, it may have a high conversion rate from the liquid hydride.

일 구현예에서, 상기 반응기로부터 배출되는 수소의 순도는 99.97% 이상일 수 있다. 특히, 본 발명의 구현예에 따른 수소 발생 장치는 반응기로부터 고 순도의 수소를 얻을 수 있으며, 별도의 여과 장치를 거치지 않고도 연료 전지에 직접 생산된 수소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응기로부터 배출되는 암모늄 포름산염 탈수소화 반응 생성물 가스는 불순물로 암모니아를 포함할 수 있으며, 상기 반응기로부터 배출되는 암모니아는 2% 미만일 수 있다.In one embodiment, the purity of hydrogen discharged from the reactor may be 99.97% or more. In particular, the hydrogen generator according to an embodiment of the present invention can obtain high-purity hydrogen from the reactor, and can directly supply hydrogen produced to the fuel cell without going through a separate filtration device. For example, the ammonium formate dehydrogenation reaction product gas discharged from the reactor may include ammonia as an impurity, and the ammonia discharged from the reactor may be less than 2%.

일 구현예에서, 상기 수소 연료 전지로 수소를 추가 공급할 수 있다. 구체적으로 별도의 외부 공급 장치를 이용하여 연료 전지로 수소를 추가적으로 공급할 수 있으며, 이를 통하여 연료 전지의 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.In one embodiment, hydrogen may be additionally supplied to the hydrogen fuel cell. Specifically, hydrogen may be additionally supplied to the fuel cell using a separate external supply device, thereby further improving the power generation efficiency of the fuel cell.

한편 본 발명의 일 구현예에서, 전술한 자열 수소 및 전력 발생 장치를 통한 수소 및 전력 생산 방법이 제공된다.Meanwhile, in one embodiment of the present invention, there is provided a method for generating hydrogen and power through the above-described autothermal hydrogen and power generating device.

실시예Example

이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effect of the present invention will be described in more detail by way of examples. However, these examples are provided for the purpose of illustration only to help the understanding of the present invention, and the scope and scope of the present invention are not limited by the following examples.

재료material

탄소 상에 담지된 팔라듐(Pd/C; 로딩량 1 중량% 205672, lot no. MKBW6956V; 3 중량% 237515, lot no. MKBR8734V; 5 중량% 205680; 10 중량% 205699, lot no. MKCF0394), 소듐 바이카보네이트(sodium bicarbonate, ACS 시약, ≥9.7%), 암모늄 포르메이트 (≥9.995% 미량 금속 기준)를 시그마 알드리치 사(Sigma-Aldrich)로부터 구입하였다. 소듐 포르메이트 (ACS 시약) 및 암모늄 바이카보네이트 (99 %, 분석용)는 아크로스 사(Acros Organics)로부터 구입 하였다. 포타슘 포르메이트(99%)는 알파 에이사 사(Alfa Aesar)로부터 구입하였다. 포타슘 바이카보네이트는 대정 화학 사에서 구입하였다. 모든 시약은 추가 정제 없이 그대로 사용 하였다.Palladium supported on carbon (Pd/C; loading 1 wt% 205672, lot no. MKBW6956V; 3 wt% 237515, lot no. MKBR8734V; 5 wt% 205680; 10 wt% 205699, lot no. MKCF0394), sodium Sodium bicarbonate (ACS reagent, ≧9.7%), ammonium formate (≧9.995% trace metal basis) were purchased from Sigma-Aldrich. Sodium formate (ACS reagent) and ammonium bicarbonate (99%, for analysis) were purchased from Acros Organics. Potassium formate (99%) was purchased from Alfa Aesar. Potassium bicarbonate was purchased from Daejeong Chemical. All reagents were used as such without further purification.

촉매 특성 분석 방법Catalyst Characterization Methods

고 환각 암시야상-주사 투과 전자 현미경 (HAADF-STEM)과 투과 전자 현미경(TEM; Talos F200X, FEI)로 촉매(Pd/C)의 입자 크기를 분석하였다.The particle size of the catalyst (Pd/C) was analyzed by high hallucinogenic dark field image-scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) and transmission electron microscopy (TEM; Talos F200X, FEI).

촉매의 입자 크기 분포는 200 개 이상의 입자를 계수하여 분석하였다. The particle size distribution of the catalyst was analyzed by counting more than 200 particles.

촉매의 비표면적은 77 K에서 질소 흡착기구(Micrometrics ASAP 2000)를 사용하여 측정되었다. 분석 전에, 샘플을 진공하에 80 ℃에서 18 시간 동안 전처리하였다. The specific surface area of the catalyst was measured at 77 K using a nitrogen adsorption instrument (Micrometrics ASAP 2000). Prior to analysis, samples were pretreated at 80° C. under vacuum for 18 hours.

촉매의 Pd 함량은 유도 결합 플라즈마-광 방출 스펙트럼(ICP-OES) (Varian 720ES, Agilent)을 사용하여 결정되었다. CO 펄스 화학 흡착을 Belcat-M (BEL, Japan)에서 수행하여 새것과 사용한 Pd/C 촉매에서 CO 화학 흡착된 양을 정량화 하였다. 촉매를 10 % H2/He 흐름 하에 100 ℃에서 0.5 시간 동안 환원시킨 후, He 분위기 하에서 실온으로 냉각시켰다. 이어서, 연속 펄스의 용리된 피크 면적이 일정하게 될 때까지 CO 펄스 (펄스 당 0.0896 cm3)를 주입 하였다. CO 펄스 화학 흡착에 사용 된 Pd/C의 양은 30 mg이었다. Pd 분산액의 값은 평균 CO:Pd 비를 1으로 가정하여 추론되었다. The Pd content of the catalyst was determined using inductively coupled plasma-light emission spectra (ICP-OES) (Varian 720ES, Agilent). CO pulsed chemisorption was performed in Belcat-M (BEL, Japan) to quantify the amount of CO chemisorbed on both new and used Pd/C catalysts. The catalyst was reduced under 10% H 2 /He flow at 100° C. for 0.5 h, and then cooled to room temperature under He atmosphere. Then, CO pulses (0.0896 cm 3 per pulse) were injected until the eluted peak area of successive pulses became constant. The amount of Pd/C used for CO pulsed chemisorption was 30 mg. The value of the Pd dispersion was deduced assuming an average CO:Pd ratio of 1.

Pd 3d X-선 광전자 분광법(XPS) 스펙트럼은 단색 Al Kα X가 장착된 K- 알파 분광계(ThermoFischer Scientific)를 사용하여 획득하였다. -선원 (1486.6 eV). 284.5 eV에서 C1의 결합 에너지를 조정함으로써 모든 스펙트럼에 에너지 보정을 적용 하였다. Pd 3d X-선 광전자 분광(XPS) 스펙트럼은 단색 Al Kα X-선 공급원 (1486.6 eV)이 장착된 K- 알파 분광계(ThermoFischer Scientific)를 사용하여 획득 하였다.Pd 3d X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra were acquired using a K-alpha spectrometer (ThermoFischer Scientific) equipped with a monochromatic Al Kα X. - source (1486.6 eV). Energy correction was applied to all spectra by adjusting the binding energy of C1 at 284.5 eV. Pd 3d X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra were acquired using a K-alpha spectrometer (ThermoFischer Scientific) equipped with a monochromatic Al Kα X-ray source (1486.6 eV).

포름산염의 촉매 탈수소화 반응Catalytic dehydrogenation of formate

본 발명의 실시예에 따른 포르메이트의 촉매 탈수소화 반응에서, Pd/C (Pd 1.25 mg)를 함유하는 유리 반응기를 질소로 퍼지하고 80℃에서 오일 배스에 두었다. 반응 용기에 예열된 포르메이트 수용액을 첨가한 후, 800 rpm의 일정한 속도로 교반하여 반응을 개시하였다. 생성된 가스의 부피는 자동 가스 뷰렛 시스템을 사용하여 측정되었으며, 이는 실시간 부피 측정을 위해 반응기에 직접 연결되었다.In the catalytic dehydrogenation of formate according to an embodiment of the present invention, a glass reactor containing Pd/C (1.25 mg of Pd) was purged with nitrogen and placed in an oil bath at 80°C. After adding a preheated aqueous formate solution to the reaction vessel, the reaction was initiated by stirring at a constant speed of 800 rpm. The volume of the gas produced was measured using an automatic gas burette system, which was connected directly to the reactor for real-time volume measurement.

추가 실험에서, 포르메이트 탈수소화 동안 생성된 기체 혼합물의 일부를 기밀 주사기를 사용하여 수집하고, CO2:H2의 조성비를 가스 크로마토그래피(GC)를 통해 분석하였다. GC는 사용하기 전에 알려진 농도의 CO2 : H2로 보정되었고 TCD 검출기와 컬럼(J&W Zeolite 5Å Packed Column)이 장착된 Model 7890A 기기(Agilent Technologies)를 사용하였다.In a further experiment, a portion of the gas mixture produced during formate dehydrogenation was collected using an airtight syringe, and the compositional ratio of CO 2 :H 2 was analyzed through gas chromatography (GC). The GC was calibrated with a known concentration of CO 2 : H 2 prior to use and a Model 7890A instrument (Agilent Technologies) equipped with a TCD detector and column (J&W Zeolite 5 Å Packed Column) was used.

암모늄 포르메이트 탈수소화로부터 생성된 암모니아를 검출하기 위해, 기체 생성물을 반응기에 연결된 테들라 백(Tedlar bag)에 수집하거나 캐리어 기체와 함께 GC에 직접 공급 하였다. H2 및 NH3의 기체 조성을 TCD 검출기가 장착된 기체 크로마토그래프를 사용하여 분석하였고, 2 개의 컬럼(J&W HP-PLOT Molesieve GC 컬럼, 19091P-MS4; J&W PoraPLOT 아민 GC 컬럼, CP7591)을 사용 전에 캘리브레이션하였다. 수득한 H2:CO2:NH3 비는 H2:NH3 및 H2:CO2에서 결정된 값을 기초로 계산하였다.To detect ammonia produced from ammonium formate dehydrogenation, the gaseous product was either collected in a Tedlar bag connected to the reactor or fed directly to the GC along with a carrier gas. The gas compositions of H 2 and NH 3 were analyzed using a gas chromatograph equipped with a TCD detector and calibrated prior to use of two columns (J&W HP-PLOT Molesieve GC column, 19091P-MS4; J&W PoraPLOT amine GC column, CP7591). did The obtained H 2 :CO 2 :NH 3 ratio was calculated based on the values determined from H 2 :NH 3 and H 2 :CO 2 .

계산 방법calculation method

VH2는 반응(MCO2 + H2O → MCO3 + H2)에 기초하여 방출된 기체 부피를 사용하여 최초 계산되고, GC에 의해 결정된 CO2:H2 비에 의해 추가적으로 보정된다. H2의 양은 다음 식을 사용하여 계산하였다.V H2 is initially calculated using the gas volume released based on the reaction (MCO 2 + H 2 O → MCO 3 + H 2 ) and further corrected by the CO 2 :H 2 ratio determined by GC. The amount of H 2 was calculated using the following formula.

[수학식 1][Equation 1]

수소 몰수(H2), n H2 = P(VH2)/(RT)moles of hydrogen (H 2 ), n H 2 = P(V H2 )/(RT)

여기서, P는 대기압이고, VH2는 반응에 의해 생성된 H2의 부피이고, R은 기체 상수이며, T는 실온(293K)이다.where P is atmospheric pressure, V H2 is the volume of H 2 produced by the reaction, R is the gas constant, and T is room temperature (293 K).

여기에서 보고된 초기 질량 활성, 전환 빈도(turnover frequency, iTOFm)는 촉매의 Pd 몰 뿐만 아니라 최초 10 분 동안의 속도에 기초하여 계산된 TOF 값으로서, 이는 다음 식으로부터 계산된다.The initial mass activity, turnover frequency (iTOFm) reported here is a TOF value calculated based on the moles of Pd of the catalyst as well as the rate during the first 10 minutes, which is calculated from the following equation.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020044678869-pat00002
Figure 112020044678869-pat00002

여기에 보고된 초기 비 활성 전환 빈도(initial specific activity turnover frequency, iTOFs)는 초기 10 분 동안의 속도와 촉매의 표면 Pd 사이트의 수를 기반으로 계산된 TOF 값으로서, 이는 다음 식으로부터 계산된다.The initial specific activity turnover frequency (iTOF s ) reported here is a calculated TOF value based on the rate during the initial 10 min and the number of surface Pd sites on the catalyst, which is calculated from the following equation.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020044678869-pat00003
Figure 112020044678869-pat00003

여기서 D는 지지체 표면에 위치한 Pd 원자의 분산도이며, 이는 CO 화학 흡착에 의해 얻어진다. iTOFm과 iTOF의 단위는 모두 h-1로 표시된다.where D is the degree of dispersion of Pd atoms located on the surface of the support, which is obtained by CO chemisorption. The units of iTOFm and iTOF are both expressed as h -1 .

제조예 : 포름산염 용액을 이용한 열 통합 탈수소 시스템Preparation Example: Thermal integrated dehydrogenation system using formate solution

2 개의 반 배치 반응기(R1 및 R2) 및 수냉식 180W급 연료 전지 스택(CNL 에너지, 대한민국)을 포함하는 열-통합 반응 시스템을 제조하였다. 도 1의 전체 공정 흐름도를 참고하면,A heat-integrated reaction system comprising two semi-batch reactors (R1 and R2) and a water-cooled 180W class fuel cell stack (CNL Energy, Korea) was prepared. Referring to the overall process flow diagram of Figure 1,

각 반응기의 바닥에는, 촉매 분말을 차단하면서 퍼지 목적으로 가스 및 액체가 흐를 수 있도록 필터를 설치하였으며, 유량 제어기 유닛은 각각의 반응기로 선택적으로 유동할 수 있는 순수한 질소 가스(99.9995 % N2; 신양 산소 주식회사)의 유량을 제어하도록 하였다.At the bottom of each reactor, a filter was installed to allow gas and liquid to flow for the purpose of purging while blocking the catalyst powder, and the flow controller unit is equipped with a pure nitrogen gas (99.9995 % N 2 ; Shinyang) that can selectively flow into each reactor. Oxygen Corporation) to control the flow rate.

반응물로서 포르메이트 용액을 액체 펌프를 사용하여 반응기의 상부로 공급하였다. 반응기에서 생성된 가스는 질량 유량계로 통과한 후, 일부는 연료 전지에 공급하고 일부는 반응기로 재순환시켰다.A formate solution as a reactant was fed to the top of the reactor using a liquid pump. The gas produced in the reactor was passed through a mass flow meter, partly fed to the fuel cell and partly recycled to the reactor.

질량 유량 제어기 (MFC2, MFC3)를 사용하여 수소(99.9995% H2; 신양 산소 주식회사)와 공기를 수소 연료 전지의 애노드 및 캐소드에 각각 공급 하였다.Mass flow controllers (MFC2, MFC3) were used to supply hydrogen (99.9995% H2; Shinyang Oxygen Co., Ltd.) and air to the anode and cathode of the hydrogen fuel cell, respectively.

연료전지에서 발생한 폐열 전달을 위하여, 액체 펌프를 사용하여 연료 전지 스택을 통해 냉각수를 순환시킨 다음 R1 또는 R2로 순환 시켰으며, 여기서 흐름 방향은 솔레노이드 밸브로 제어하였다. 냉각수가 반응기에 유입되면, 반응기 내부 바닥에 위치한 작은 열 교환 장치 (HEX1 및 HEX2)가 반응기 내의 DI 물 또는 반응물 용액을 가열 하였다.To transfer waste heat generated in the fuel cell, coolant was circulated through the fuel cell stack using a liquid pump and then circulated to R1 or R2, where the flow direction was controlled by a solenoid valve. When the cooling water entered the reactor, small heat exchangers (HEX1 and HEX2) located at the bottom of the reactor heated the DI water or reactant solution in the reactor.

구체적인 발전 순서는 다음과 같다. 먼저, 물 및Pd (3 중량%)/C로 채워진 R1을 전기 히터 (HT1 및 HT2)를 사용하여 원하는 반응 온도 (65 ℃내지 80 ℃까지 가열 하였다. 온도 센서의 팁에 도달하기 위해 필요한 물이 반응기에 채워졌다. 따라서, 반응기에 도입될 때 희석되기 때문에 고농도의 포르메이트 용액이 주입되었다.The specific development sequence is as follows. First, R1 filled with water and Pd (3 wt%)/C was heated to the desired reaction temperature (65 °C to 80 °C) using electric heaters (HT1 and HT2). The water required to reach the tip of the temperature sensor was The reactor was filled, therefore, a high concentration of formate solution was injected as it was diluted when it was introduced into the reactor.

칼륨 포르메이트는 20 ℃에서 14.5M 용해도를 나타내므로, 칼륨 포르메이트 용액(14M, 5mL min- 1)을 이어서 액체 펌프를 사용하여 반응기에 공급하여 포르메이트 탈수소화 반응을 개시하였다. 반응이 시작되면, 생성물 가스가 연료 전지에 공급되어 냉각제를 통해 열을 방출하면서 전기를 발생시켰다.Since potassium formate exhibits a solubility of 14.5M at 20 °C, a potassium formate solution (14M, 5mL min - 1 ) was then fed to the reactor using a liquid pump to initiate the formate dehydrogenation reaction. When the reaction started, product gas was supplied to the fuel cell to generate electricity while dissipating heat through the coolant.

연료 전지 스택으로부터의 가열된 냉각제는 R2에서 열 교환 유닛을 통과하여 반응기를 가열하여 포르메이트 탈수소화를 수행하고, R1에서의 반응이 완료되면 수행된다. R2가 반응을 시작하고 연료 전지를 작동시키기에 충분한 양의 수소를 생성 한 후, R1은 다음 반응 사이클 동안 퍼지되었다.The heated coolant from the fuel cell stack is passed through a heat exchange unit at R2 to heat the reactor to perform formate dehydrogenation, which is carried out upon completion of the reaction at R1. After R2 started the reaction and produced enough hydrogen to run the fuel cell, R1 was purged for the next reaction cycle.

시험예 1: 반응물(NaHCO2) 농도 변화에 따른 탈수소화 반응Test Example 1: Dehydrogenation reaction according to change in reactant (NaHCO2) concentration

농도 변화에 따른 소듐 포르메이트(NaHCO2, SF)의 탈수소화 반응을 수행하였다. 구체적으로, 총 10 mmol의 SF를 80 ℃에서 Pd(3 중량%)/C 촉매로 각각 0.5M, 1M, 2M, 5M, 7M의 다양한 포르메이트 용액 농도에서 용해시킨 뒤 각 농도에서 10 mmol의 NaHCO2(aq)를 80 ℃에서 42 mg의 Pd(3 wt)/C(Pd 1.25 mg)에 반응시켜 탈수소화시켰다. 한편, 20 ℃에서 SF의 용해도 한계는 8.4M이로 알려져 있다.Dehydrogenation of sodium formate (NaHCO 2 , SF) according to the concentration change was performed. Specifically, a total of 10 mmol of SF was dissolved at various concentrations of formate solutions of 0.5M, 1M, 2M, 5M, and 7M, respectively, with Pd (3 wt%)/C catalyst at 80 °C, and at each concentration, 10 mmol of NaHCO 2 (aq) was dehydrogenated by reacting 42 mg of Pd(3 wt)/C(1.25 mg of Pd) at 80°C. On the other hand, it is known that the solubility limit of SF at 20 °C is 8.4M.

방출된 가스의 총 부피는 도 2에 나와 있으며, GC, iTOFm 및 각 농도의 용액에서의 H2 수율을 사용한 CO2 : H2 비율을 기준으로 한 수정된 H2 부피는 표 1에 기재하였다.The total volume of the emitted gas is shown in FIG. 2, and the corrected H 2 volume based on the CO 2 :H 2 ratio using GC, iTOFm and the H 2 yield in each concentration of the solution is shown in Table 1.

농도density 0.5 M0.5 M 1 M1M 2 M2M 5 M5M 7 M7M HH 22 : CO : CO 22 비율 ratio 85 : 1585:15 90 : 1090:10 81 : 1981:19 80 : 2080:20 86 : 1486:14 HH 22 (mL, corrected) (mL, corrected) 116116 169169 164164 200200 235235 iTOFiTOF mm (h (h -1-One )) 1,0701,070 1,7601,760 2,1502,150 2,8402,840 2,6102,610 HH 22 수율 (%) transference number (%) 4848 7070 6868 8383 9898

그 결과, 7M 용액의 경우, 98 % H2 수율이 달성되었고 80 ℃에서 2,610h-1의 iTOFm이 수득된 것을 확인하였다. As a result, in the case of the 7M solution, 98% H2 yield was achieved, and it was confirmed that 2,610h -1 of iTOFm was obtained at 80 °C.

실험예 2: 금속 로딩량 및 입자 크기에 따른 탈수소화 반응Experimental Example 2: Dehydrogenation reaction according to metal loading amount and particle size

Pd/C 촉매의 금속 로딩량에 따른 효과를 실험하기 위하여, 각각 1, 3, 5 및 10 중량 %의 Pd/C 촉매를 80℃에서 동일한 Pd 질량(1.25 mg)을 유지하면서 NaHCO2 (aq, 7 M, 2.0 mL)를 탈수소화하였다In order to test the effect according to the metal loading of the Pd/C catalyst, NaHCO 2 (aq, 7 M, 2.0 mL) was dehydrogenated

도 3a에서 볼 수 있듯이, 촉매의 질량 활성은 3 중량%> 1 중량%> 5 중량%> 10 중량% 순으로 감소하였다.As can be seen in Figure 3a, the mass activity of the catalyst decreased in the order of 3 wt%> 1 wt%> 5 wt%> 10 wt%.

한편, H2 수율은 처음에 방출된 가스의 총 부피를 기준으로 계산되었으며(도 3a), GC를 통한 CO2:H2 비율을 기반으로 추가적으로 수정되었다(도 3b). 그 결과, H2 수율은 각각 92 % (3 중량% Pd), 76 % (1 중량% Pd), 53 %(5 중량% Pd) 및 28%(10 중량% Pd)로 확인되었다. 특히, 3 중량% Pd/C 촉매의 경우, 초기 질량 활성 TOF(3,200 h-1, 표 2) 및 탈수소화 속도(30,060 mmol H2 h-1 g (Pd)-1, 초기 10분)가 관찰되었다.On the other hand, the H2 yield was initially calculated based on the total volume of the emitted gas (Fig. 3a), and was further corrected based on the CO 2 :H 2 ratio through GC (Fig. 3b). As a result, the yield of H 2 was confirmed to be 92% (3% by weight Pd), 76% (1% by weight Pd), 53% (5% by weight Pd) and 28% (10% by weight Pd), respectively. In particular, for the 3 wt% Pd/C catalyst, an initial mass active TOF (3,200 h −1 , Table 2) and dehydrogenation rate (30,060 mmol H −1 g (Pd) −1 , initial 10 min) were observed. .

또한 표면 Pd의 양에 따른 Pd/C의 반응성의 변화를 조사하기 위해, CO 화학 흡착 분석을 수행하여 탐색된 촉매의 Pd 분산도를 측정하였다. 아래의 표 2에 나타낸 바와 같이, Pd 분산도는 촉매의 초기 질량 활성과 잘 일치하는 경향을 나타냈다. 특히 가장 높은 Pd 분산도인 46 %가 Pd (3 중량%)/C 촉매에서 관찰되었고, 이 촉매는 탐색된 촉매 중에서 가장 높은 활성을 나타냈다.In addition, in order to investigate the change in the reactivity of Pd/C according to the amount of surface Pd, CO chemisorption analysis was performed to measure the Pd dispersion of the searched catalyst. As shown in Table 2 below, the Pd dispersion showed a tendency to agree well with the initial mass activity of the catalyst. In particular, the highest Pd dispersion of 46% was observed in the Pd (3 wt%)/C catalyst, and this catalyst showed the highest activity among the searched catalysts.

1 wt.%1 wt.% 3 wt.%3 wt.% 5 wt.%5 wt.% 10 wt.%10 wt.% HH 22 + CO + CO 22 (mL) (mL) 314314 384384 220220 117117 Dispersion (%)Dispersion (%) 2727 4646 2525 1919 HH 22 (mL, corrected) (mL, corrected) 254254 311311 178178 95.795.7 HH 22 yield (%) yield (%) 7676 9292 5353 2828 평균 입자 크기 (nm)Average particle size (nm) 2.32 ± 0.582.32 ± 0.58 2.04 ± 0.252.04 ± 0.25 2.17 ± 0.512.17 ± 0.51 2.47 ± 0.702.47 ± 0.70 질량 활성 (iTOFMass activity (iTOF) mm ,, hh -1-One )) 2,6402,640 3,2003,200 1,7101,710 1,1701,170 비 활성 (iTOFInactive (iTOF ss ,, hh -1-One ) ) 9,7609,760 6,9506,950 6,8606,860 6,1606,160

한편, Pd 나노 입자 크기에 대한 반응성 의존성을 조사하기 위해, STEM 이미지를 촬영하여 입자 크기 분포를 결정하였다. Pd 나노 입자는 탄소 지지체 상에 균질하게 분산되었으며, STEM 이미지로부터 200개 이상의 나노 입자를 계수하여 얻은 입자 크기 분포를 도 4에 도시하였다.Meanwhile, to investigate the reactivity dependence on the size of Pd nanoparticles, STEM images were taken to determine the particle size distribution. The Pd nanoparticles were homogeneously dispersed on the carbon support, and the particle size distribution obtained by counting 200 or more nanoparticles from the STEM image is shown in FIG. 4 .

그 결과, 2.0-2.2 nm의 크기 범위를 갖는 Pd 나노 입자가 일반적으로 FA 탈수소화 동안 가장 높은 반응성을 나타냈으며, 더 큰 크기의 입자에서는 반응성이 감소하는 것을 관찰하였다.As a result, it was observed that Pd nanoparticles having a size range of 2.0-2.2 nm generally exhibited the highest reactivity during FA dehydrogenation, and decreased reactivity in larger size particles.

또한, 포르메이트 탈수소화의 경우, 본 연구에 사용된 Pd 활성 사이트의 크기는 2.04-2.47 nm 내에서 유지되는 반면(표 2), Pd (3 중량%)/C는 가장 작은 크기 및 좁은 크기 분포에서 가장 높은 iTOFm을 나타냈다.In addition, in the case of formate dehydrogenation, the size of the Pd active sites used in this study was maintained within 2.04-2.47 nm (Table 2), whereas Pd (3 wt%)/C had the smallest size and narrow size distribution. showed the highest iTOFm.

실험예 3: 온도 변화에 따른 탈수소화 반응Experimental Example 3: Dehydrogenation reaction according to temperature change

다양한 온도에서 탈수소화 반응을 위해, NaHCO2 (7 M, 2.0 mL)를 각각 30, 40, 60, 80℃의 온도에서 42mg의 Pd(3 중량%)/C(Pd 1.25mg)와 반응시켰다(도 5, 표 3).For the dehydrogenation reaction at various temperatures, NaHCO 2 (7 M, 2.0 mL) was reacted with 42 mg of Pd (3 wt%)/C (1.25 mg of Pd) at a temperature of 30, 40, 60, and 80 °C, respectively ( Fig. 5, Table 3).

30 ℃30 40 ℃40 60 ℃60 80 ℃80 ℃ COCO 22 + H + H 22 (mL) (mL) 7171 109109 239239 384384 HH 2 2 : CO: CO 22 92:892:8 95:595:5 94:694:6 81:1981:19 HH 22 (mL, corrected) (mL, corrected) bb 6666 104104 224224 311311 HH 2 2 수율 (%)transference number (%) 2020 3131 6767 9292

또한, 각 온도에서의 kob(s-1)을 3분까지의 초기값을 갖는 시간 대 ln([SF]0/[SF]) 플롯의 기울기로 계산하였다. 계산된 값으로부터, ln(kobs) 대 1/T의 플롯을 구하였으며, 40.0kJ/mol의 겉보기 활성화 에너지(Ea)를 갖는 것을 확인하였다(도 6). 이러한 활성화 에너지 값은 문헌상으로 보고된 포르메이트 탈수소화 Ea의 범위 내에 있는 것을 확인하였다(표 4).In addition, kob(s −1 ) at each temperature was calculated as the slope of the plot of time versus ln([SF] 0 /[SF]) with an initial value up to 3 min. From the calculated values, a plot of ln(k obs ) versus 1/T was obtained, and it was confirmed that it had an apparent activation energy (Ea) of 40.0 kJ/mol ( FIG. 6 ). It was confirmed that these activation energy values were within the range of formate dehydrogenation Ea reported in literature (Table 4).

촉매catalyst EaEa (kJ/mol) (kJ/mol) Pd/mpg-C3N4 Pd/mpg-C 3 N 4 52.652.6 Pd/TiO2 Pd/TiO 2 37.0±237.0±2 Pd(10 wt.%)/CPd (10 wt.%)/C 49.0±249.0±2 [{RuCl2-(mtppms)2}2]
Monosulfonated triphenylphosphine
[{RuCl 2 -(mtppms) 2 } 2 ]
Monosulfonated triphenylphosphine
41.0±241.0±2

실험예 4: 탈수소화에 대한 포름산염의 양이온 효과(Na, K, NH4)Experimental Example 4: Cationic effect of formate on dehydrogenation (Na, K, NH4)

포름산 나트륨(SF), 포름산 칼륨(PF) 및 포름산 암모늄(AF)의 3 가지 포르메이트 공급원을 비교하여 포르메이트의 양이온에 따른 효과를 확인하였다. 각각의 포르메이트 용액(7M, 2.0 mL)을 80℃에서 Pd(3 중량%)/C(Pd 1.25mg) 촉매를 함유하는 탈수소화 반응기에 첨가하여 실험하였으며, 방출된 가스의 양을 도 7에 도시하였다. 또한 GC를 사용하여 분석된 가스 조성에 기초한 가스의 총 부피 및 H2 수율을 표 5에 기재하였다.By comparing three formate sources of sodium formate (SF), potassium formate (PF) and ammonium formate (AF), the effect according to the cation of formate was confirmed. Each formate solution (7M, 2.0 mL) was added to a dehydrogenation reactor containing a Pd (3 wt %)/C (Pd 1.25 mg) catalyst at 80 ° C., and the amount of emitted gas was shown in FIG. shown. Table 5 also shows the total volume of gas and the yield of H 2 based on the gas composition analyzed using GC.

NaHCONaHCO 22 (SF) (SF) KHCOKHCO 22 (PF) (PF) NHNH 44 HCOHCO 2 2 (AF)(AF) VV gas gas (mL)(mL) 384384 304304 443443 가스 비율 (%)Gas rate (%) H2 / CO2
81 / 19
H 2 / CO 2
81 of 19
H2 / CO2
82 / 18
H 2 / CO 2
82/18
H2 / CO2 / NH3
77 / 22 / 2
H 2 / CO 2 / NH 3
77/22/2
HH 22 (mL, corrected) (mL, corrected) bb 311311 250250 339339 HH 22 수율 (%) transference number (%) 9292 7474 100100 iTOFiTOF mm (h (h -1-One )) 3,2003,200 3,4103,410 6,1906,190

표 5에서, PF의 경우 H2 수율은 74 %로 SF보다 낮았으며 생성된 CO2 : H2 비율은 SF와 동일한 것을 확인하였다. 특히 AF는 3 종의 포르메이트 공급원 중에서 가장 빠른 속도(최초 10 분 동안 58,200mmol H2h-1g(Pd)- 1)로 탈수소화된 것을 확인할 수 있었다.In Table 5, in the case of PF, H 2 yield was 74%, which was lower than that of SF, and it was confirmed that the generated CO 2 :H 2 ratio was the same as that of SF. In particular, it was confirmed that AF was dehydrogenated at the fastest rate (58,200mmol H 2 h −1 g(Pd ) −1 for the first 10 minutes) among the three formate sources.

또한 AF 탈수소화 반응을 통하여 암모니아가 생성되는지 여부를 모니터링하기 위하여, 온라인 GC를 캐리어 가스로 N2(20 mL/분)로 사용하는 가스 뷰렛 시스템에 연결하여 추가적으로 측정하였다. 그 결과, 암모니아는 첫번째 GC 실행(6분) 동안 관찰되지 않았지만 GC의 두 번째(12분) 및 세번째(18분) 실행 동안 점진적으로 암모니아가 관찰되었으며, GC 실행으로 반응이 느려짐에 따라 H2 함량이 점차 감소하는 것을 확인하였으며, 전체 개질 가스로부터 2%의 암모니아가 AF 탈수소화과정에서 발생하는 것으로 확인되었다(도 8). 반응 초기에 암모니아가 관찰되지 않은 이유가 암모니아가 주로 중탄산암모늄으로 생성되기 때문인지 또는 기체가 수용액으로 포화된 후에 관찰되기 때문이지는 명확하지 않았다. 이러한 결과는 AF 탈수소화 시스템에서 연료 전지 응용을 위해 암모니아를 제거하기 위해 추가의 흡착제를 필요로 한다는 것을 나타낸다.In addition, in order to monitor whether ammonia is produced through the AF dehydrogenation reaction, an on-line GC was connected to a gas burette system using N 2 (20 mL/min) as a carrier gas and additional measurements were made. As a result, ammonia was not observed during the first GC run (6 min) but progressively ammonia was observed during the second (12 min) and third (18 min) runs of GC, and the H 2 content as the reaction slowed down with the GC run. It was confirmed that this gradually decreased, and it was confirmed that 2% of ammonia from the entire reformed gas was generated in the AF dehydrogenation process (FIG. 8). It was not clear whether ammonia was not observed at the beginning of the reaction because ammonia was mainly produced as ammonium bicarbonate or because it was observed after the gas was saturated with aqueous solution. These results indicate that additional adsorbents are required to remove ammonia for fuel cell applications in AF dehydrogenation systems.

한편, Pd(3 중량%)/C를 사용하여 80 ℃에서 SF, PF 및 AF 탈수소화 (1M, 10mL)에 대해 In-situ pH 측정을 수행하여 개질 가스로부터의 CO2 비를 조사 하였다. 구체적으로, 반응의 in-situ pH 측정은 4 개의 넥을 갖는 변형된 유리 반응기에서 수행되었다. 모든 반응 전에 pH 전극을 완충 용액으로 캘리브레이션하였다. 반응액을 첨가하기 전에 반응기의 넥에 pH 전극을 놓았다. Pd(3 중량%)/C 촉매를 함유하는 반응기를 질소로 퍼지하고 80℃에서 오일 배쓰에 넣었다. 이어서, 80℃에서 예열된 반응물 용액(1M, 10mL)을 반응기에 첨가하고 800rpm의 속도로 교반하였다. 탈수소화 반응이 진행됨에 따라 pH 변화를 실시간으로 측정하고 기록 하였다(도 9).Meanwhile, in-situ pH measurements were performed for SF, PF and AF dehydrogenation (1M, 10 mL) at 80 °C using Pd (3 wt%)/C to investigate the CO 2 ratio from the reformed gas. Specifically, in-situ pH measurement of the reaction was performed in a modified glass reactor with four necks. The pH electrode was calibrated with a buffer solution before every reaction. A pH electrode was placed on the neck of the reactor prior to addition of the reaction solution. The reactor containing the Pd (3 wt %)/C catalyst was purged with nitrogen and placed in an oil bath at 80°C. Then, the reactant solution (1M, 10 mL) preheated at 80° C. was added to the reactor and stirred at a speed of 800 rpm. As the dehydrogenation reaction proceeded, the pH change was measured and recorded in real time (FIG. 9).

그 결과, AF 용액의 초기 pH(6.51)는 세 가지 포르메이트 공급원 중에서 가장 낮았으며, 반응 종료시에는 pH는 7.9로 증가 하였다. 낮은 초기 pH (6.5)로부터 확인할 수 있듯이, FA와 SF 혼합물의 낮은 초기 pH로부터 높은 CO2 함량이 관찰되기 때문에 AF는 NH4 + 양이온으로 인하여 더 많은 양의 양성자 공급원을 가지며 높은 CO2 생성량을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, FA 및 SF 혼합물은 순수한 SF보다 가스 생성이 더 빨랐으며, 이는 AF에 의해 얻어진 결과와 일치한다. 즉, FA 및 AF 용액 모두 양성자 공급원을 가지며, 이로 인하여 탈수소화 반응이 가속되는 것을 알 수 있다.As a result, the initial pH (6.51) of the AF solution was the lowest among the three formate sources, and the pH increased to 7.9 at the end of the reaction. As can be seen from the low initial pH (6.5), since a high CO 2 content is observed from the low initial pH of the FA and SF mixture, AF has a larger source of protons due to the NH 4 + cations and has a high CO 2 production. it can be seen that In addition, the FA and SF mixtures produced faster gas than pure SF, which is consistent with the results obtained by AF. That is, it can be seen that both the FA and AF solutions have a proton source, thereby accelerating the dehydrogenation reaction.

실험예 5: 촉매 재활용성에 관한 포름산염 양이온의 영향Experimental Example 5: Effect of formate cations on catalyst recyclability

촉매 재활용에 관한 포르메이트 양이온이 촉매 안정성 미치는 영향을 평가하기 위해, 촉매 재활용 실험을 수행하였다. Pd(3 중량%)/C에 대한 탈수소화 반응이 완료되면, 폐촉매를 여과를 통해 회수하고 다량의 탈이온수로 세척 하였다. 이어서, 여과된 촉매를 다음 사이클에서 사용하기 전에 80 ℃의 진공 오븐에서 건조시켰다. 고온 처리를 위해, 건조된 촉매를 50mL/분의 질소 흐름으로 2 시간 동안 200 ℃에서 추가 처리하였다. 탈수소화반응-폐촉매 재활용은 5회 반복하였으며, 재활용 촉매의 iTOFm 값은 도 10에 표시되어 있다.In order to evaluate the effect of formate cations on catalyst stability on catalyst recycling, catalyst recycling experiments were performed. When the dehydrogenation reaction for Pd (3 wt%)/C was completed, the spent catalyst was recovered through filtration and washed with a large amount of deionized water. The filtered catalyst was then dried in a vacuum oven at 80° C. before use in the next cycle. For the high temperature treatment, the dried catalyst was further treated at 200° C. for 2 hours with a nitrogen flow of 50 mL/min. The dehydrogenation reaction - recycling of the spent catalyst was repeated 5 times, and the iTOFm value of the recycled catalyst is shown in FIG. 10 .

그 결과, 매 사이클마다 촉매 활성이 감소하였고, AF는 모든 포르메이트 공급원 중에서 가장 빠른 반응성 감소를 나타냈다. PF는 SF와 유사한 반응성 패턴을 보여 주었지만, 반응성의 감소는 포르메이트 소스 중에서 가장 작았다. PF는 최대 5 사이클에서 가장 높은 H2 수율을 생성했으며 AF는 가장 낮은 H2 수율을 생성하였다. As a result, the catalytic activity decreased with every cycle, and AF showed the fastest decrease in reactivity among all formate sources. PF showed a reactivity pattern similar to that of SF, but the decrease in reactivity was the smallest among formate sources. PF produced the highest H 2 yield at up to 5 cycles and AF produced the lowest H 2 yield.

또한 회수한 촉매를 각 사이클 후 200 ℃에서 N2로 추가로 처리한 경우, 회수한 촉매에 붙어있을 수 있는 불순물을 제거하는데 도움이 되어 SF 탈수소화 반응에서 iTOFm뿐만 아니라 H2 수율도 개선되는 것을 확인하였다(도 11).In addition, when the recovered catalyst is further treated with N 2 at 200 ° C. after each cycle, it helps to remove impurities that may be attached to the recovered catalyst, so that not only iTOFm but also H 2 yield is improved in the SF dehydrogenation reaction It was confirmed (FIG. 11).

또한 회수된 촉매가 200 ℃에서 N2의 흐름과 함께 통과될 때, 방출된 가스로부터 IR 분광법을 통해 CO2를 검출되었다(도 12). 검출된 이산화탄소는 촉매 표면상의 탈착된 중탄산염 종 또는 중탄산염이 고온에서 CO2로 분해될 때 기공으로부터 생성될 수 있다. SF 탈수소화에서 방출된 CO2의 양은 PF에서 방출 된 것보다 훨씬 더 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 NaHCO3보다 KHCO3의 물에 대한 용해도가 높기 때문이며 KHCO3를 효과적으로 제거하기 위하여는 촉매의 여과 및 세척이 필요한 것을 알 수 있다.In addition, when the recovered catalyst was passed with a flow of N 2 at 200 ° C., CO 2 was detected from the emitted gas through IR spectroscopy (FIG. 12). The detected carbon dioxide can be produced from the pores when the desorbed bicarbonate species on the catalyst surface or the bicarbonate is decomposed into CO 2 at high temperature. It can be seen that the amount of CO 2 released from SF dehydrogenation is much higher than that released from PF. This is because the solubility of KHCO 3 in water is higher than that of NaHCO 3 , and it can be seen that filtration and washing of the catalyst is required to effectively remove KHCO 3 .

한편, PF 탈수소화 반응 후 Pd 촉매의 효과적인 재생 방법 중 하나로 공기를 통한 산화 방법이 제안되었으나, 200 ℃에서의 O2 처리(2%)하는 경우 촉매 재생에는 그다지 효과적이지 않은 것을 확인하였다(도 13).On the other hand, an oxidation method through air has been proposed as one of the effective regeneration methods of the Pd catalyst after the PF dehydrogenation reaction, but it was confirmed that the O 2 treatment (2%) at 200 ° C. was not very effective for catalyst regeneration (Fig. 13). ).

실험예 6: 촉매 불활성화 분석Experimental Example 6: Catalyst Deactivation Analysis

사용한 포르메이트 촉매가 갖는 잠재적인 금속 침출 효과를 조사하기 위해, 사용전 촉매와 5사이클 사용 후 촉매의 Pd 함량을 ICP-OES를 사용하여 각각 측정 하였다. Pd (3 중량%)/C의 금속 함량은 사용전 촉매의 3.06%에서 5사이클 사용 후 촉매의 3.74%로 증가하였는데, 이는 금속 침출이 비활성화의 주요 원인은 아니지만 탄소 지지체의 분해가 반응 중에 발생하기 때문인 것으로 보인다.In order to investigate the potential metal leaching effect of the used formate catalyst, the Pd content of the catalyst before use and after 5 cycles of use was measured using ICP-OES, respectively. The metal content of Pd (3 wt %)/C increased from 3.06% of the catalyst before use to 3.74% of the catalyst after 5 cycles of use, indicating that metal leaching is not the main cause of deactivation, but decomposition of the carbon support occurs during the reaction. seems to be because

또한 최근 탈수소화반응에서 촉매 불활성화의 주요 원인 중 하나로 지목되고 있는 촉매 기공의 파울링 효과를 조사하기 위하여 사용전 촉매와 5사이클 사용 후 촉매의 BET 표면적을 비교하였다. BET 표면적을 측정한 결과, 사용전 촉매와 5사이클 사용 후 촉매의 미세 기공 및 메소기공 영역 모두에서 사용전 촉매(SBET = 852 m2g-1)는 5사이클 사용 후 촉매(SBET = 973 m2g- 1)와 비교할 때 표면적이 감소하지 않는 것을 확인하였다.In addition, in order to investigate the fouling effect of catalyst pores, which has been pointed out as one of the main causes of catalyst deactivation in recent dehydrogenation reactions, the BET surface area of the catalyst before use and after 5 cycles of use was compared. As a result of measuring the BET surface area, the catalyst before use and after 5 cycles of use, the catalyst before use (SBET = 852 m 2 g -1 ) in both the micropore and mesopore regions of the catalyst after 5 cycles of use (SBET = 973 m 2 ) g - 1 ), it was confirmed that the surface area did not decrease.

포르메이트 또는 생성된 중탄산염으로부터의 기공의 파울링을 통한 불 활성화가 반응 동안 발생할 수 있지만, BET 측정을 위하여 전처리(80 ℃ 18 시간 동안 40 μmHg 진공)하는 과정에서도 포르메이트나 바이카보네이트가 탈착될 수 있다. 또한, BET 표면적 측정 후, 5사이클 사용 후 촉매는 포르메이트 탈수소화 시험에서 촉매 반응성이 완전히 회복되지 않은 것을 확인하였다(표 6,도 14).Although inactivation through formate or fouling of pores from the produced bicarbonate may occur during the reaction, formate or bicarbonate may also be desorbed during pretreatment (40 μmHg vacuum for 18 h at 80 °C) for BET measurement. there is. In addition, after measuring the BET surface area, it was confirmed that the catalyst did not fully recover the catalyst reactivity in the formate dehydrogenation test after 5 cycles of use (Table 6, FIG. 14 ).

SS BETBET (m (m 22 gg -1-One )) SS MicroMicro (m (m 22 gg -1-One )) SS MesoMeso (m (m 22 gg -1-One )) 반응 전before reaction 852.4852.4 558.1558.1 294.3294.3 반응 후after reaction 979.3979.3 597.4597.4 381.9381.9

다음으로, 포르메이트 또는 중탄산염으로부터의 피독 효과를 조사하기 위해, SF (aq, 7M, 2.0mL)를 초기에 상온에서 Pd(3 중량%)/C로 교반 시간을 140분, 274분 및 1,114분으로 달리하였으며, 이어서, 교반된 혼합물을 80 ℃에서 탈수소화시켰다.Next, in order to investigate the poisoning effect from formate or bicarbonate, SF (aq, 7M, 2.0 mL) was initially stirred with Pd (3 wt%)/C at room temperature for 140 min, 274 min and 1,114 min. , and then the stirred mixture was dehydrogenated at 80 °C.

도 15a에 도시된 바와 같이, 모든 경우에서 SF 용액은 실온에서 19%의 H2 수율로 탈수소화되었으며, 다만 실온에서 더 오래 교반하는 경우 방출 가스량이 더 적은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 포르메이트 또는 바이카보네이트에 의하여 촉매 피독이 발생했음을 의미한다.As shown in FIG. 15A , in all cases, the SF solution was dehydrogenated at room temperature with a yield of 19% H 2 , but it can be seen that the amount of emitted gas is smaller when stirred at room temperature for a longer period of time. These results indicate that catalyst poisoning occurred by formate or bicarbonate.

촉매 중독이 포르메이트 또는 바이카보네이트의 노출로 인한 것인지 확인하기 위하여, 실온에서 140, 274분 및 1,114분으로 처리 시간을 달리하여 Pd/C 촉매를 NaHCO3(aq, 3mmol, 0.5mL)로 전처리하였다. 이어서, SF(aq, 7M 2.0mL)를 첨가한 후 반응 혼합물을 80℃에서 탈수소화시켰다. To determine whether catalyst poisoning was due to formate or bicarbonate exposure, the Pd/C catalyst was pretreated with NaHCO 3 (aq, 3 mmol, 0.5 mL) at room temperature with different treatment times of 140, 274 and 1,114 minutes. . The reaction mixture was then dehydrogenated at 80° C. after addition of SF (aq, 7M 2.0 mL).

도 15b에 도시된 바와 같이, 중탄산염 처리시 기체 부피가 감소한 것으로 관찰되었지만, 중탄산염에 의한 촉매 피독 효과는 포르메이트보다 낮은 것으로 확인되었다. 특히, NaHCO3(aq)로 140분 이상 전처리된 Pd/C는 SF와 거의 동일한 탈수소화 활성을 나타냈으며(도 15b), Pd/C를 SF로 140 분 동안 실온에서 교반한 후 얻은 결과와 비슷하다(도 15a, 노란색 선).As shown in FIG. 15B , it was observed that the gas volume decreased during the bicarbonate treatment, but the catalyst poisoning effect by the bicarbonate was confirmed to be lower than that of formate. In particular, Pd/C pretreated with NaHCO 3 (aq) for more than 140 minutes showed almost the same dehydrogenation activity as SF (Fig. 15b), similar to the results obtained after stirring Pd/C with SF for 140 minutes at room temperature. do (Fig. 15a, yellow line).

이러한 결과는 탈수소화 반응성에 있어서 포르메이트의 억제 효과는 중탄산염에 비하여 Pd에 대하여 포르메이트 음이온이 높은 결합 친화성을 갖기 때문인 것으로 보인다.These results suggest that the inhibitory effect of formate on dehydrogenation reactivity is because formate anion has a higher binding affinity for Pd compared to bicarbonate.

또한, 촉매 불활성화의 잠재적인 요인으로 포르메이트 탈수소화 반응 동안 금속이 응집되는 것을 들 수 있다. 이와 관련하여, STEM 분석을 통하여 Pd 입자 크기의 변화를 확인하였다.In addition, a potential factor for catalyst deactivation is the agglomeration of metals during formate dehydrogenation. In this regard, a change in the Pd particle size was confirmed through STEM analysis.

STEM 측정을 통하여, 사용전과 5 싸이클의 탈수소화반응 이후의 Pd(3 중량%)/C 촉매에 대하여 비교하였는데, 각각의 입자 크기는 2.04 ± 0.25 nm(사용 전)과 2.74 ± 1.77 nm(5 사이클 사용 후)로 촉매 입자가 탈수소화 반응 이후에 응집되는 것을 확인하였다(도 16). 또한 CO 화학 흡착 실험을 통하여 5사이클의 반응 이후의 Pd 분산도가 14%로 감소한 것을 확인하였다. 반응 후 촉매의 입자 크기와 분산도는 사용 전 Pd (10 중량%)/C의 것과 유사할 뿐 아니라 수득된 iTOFm 값 또한 유사하다 (표 2). 따라서, 사이클에 따라 입자 크기 증가와 분산도 감소가 포르메이트 탈수소화 반응에서 주요한 불활성화 원인 중 하나 일 수 있다.Through STEM measurement, comparison was made for Pd (3 wt%)/C catalyst before use and after 5 cycles of dehydrogenation, and the particle sizes were 2.04 ± 0.25 nm (before use) and 2.74 ± 1.77 nm (5 cycles). After use), it was confirmed that the catalyst particles were agglomerated after the dehydrogenation reaction (FIG. 16). In addition, it was confirmed that the Pd dispersity decreased to 14% after 5 cycles of reaction through the CO chemisorption experiment. The particle size and dispersion of the catalyst after the reaction were similar to those of Pd (10 wt%)/C before use, as well as the iTOFm values obtained (Table 2). Therefore, an increase in particle size and a decrease in dispersibility according to the cycle may be one of the major inactivation factors in the formate dehydrogenation reaction.

마지막으로, CO 중독 실험이 수행되었다. Pd(3 중량%)/C 촉매를 1시간 동안(30 mL/분) 5% CO/Ar로 처리한 다음, 80℃에서 SF(aq, 7M 2.0mL)와 반응시켰다. 즉각적으로 불활성화는 사용 전 촉매의 iTOFm인 3,200 h-1보다 훨씬 낮은 정도인 518 h-1의 iTOFm로 감소하였으며, 이후 세척과 여과를 통하여 촉매 반응성이 부분적으로 iTOFm 1,530 h-1로 복원된 것을 확인하였다(도 17).Finally, CO poisoning experiments were performed. A Pd (3 wt%)/C catalyst was treated with 5% CO/Ar for 1 hour (30 mL/min) and then reacted with SF (aq, 7M 2.0 mL) at 80°C. Immediate inactivation was reduced to iTOFm of 518 h -1 , which is much lower than iTOFm of 3,200 h -1 of the catalyst before use, and the catalyst reactivity was partially restored to iTOFm 1,530 h -1 through washing and filtration. was confirmed (FIG. 17).

다만, GC 분석을 통하여 입증된 바와 같이 SF 탈수소화 실험에서는 CO 가스를 제공하지 않았기 때문에 CO 중독은 주된 비활성화 요인에서 배제될 수도 있다.However, as demonstrated through GC analysis, CO poisoning may be excluded from the main deactivation factor because CO gas was not provided in the SF dehydrogenation experiment.

실험예 7: 열통합형 탈수소화 연료 전지 시스템을 통한 발전Experimental Example 7: Power generation through a thermally integrated dehydrogenation fuel cell system

전술한 포르메이트 탈수소화를 통하여 생성된 수소가 연료 전지에 직접 사용될 수 있음을 입증하기 위하여, 제조예에서 탈수소화 반응기 및 연료 전지를 포함하는 시스템을 통합하였다(도 1 및 도 18). 포타슘 포르메이트는 i) 고농도에서 더 나은 H2 수율을 보였고, 포타슘 포르메이트가 물에 대하여 가장 큰 용해도를 보였고, ii) 포타슘 포르메이트가 촉매 재활용시 높은 H2 수율을 나타냈기 때문에 본 열통합형 탈수소화 연료 전지 시스템에 선택되었다.In order to prove that hydrogen produced through the formate dehydrogenation described above can be directly used in a fuel cell, a system including a dehydrogenation reactor and a fuel cell was integrated in the preparation example ( FIGS. 1 and 18 ). Potassium formate i) showed better H 2 yield at high concentration, potassium formate showed the greatest solubility in water, and ii) potassium formate showed high H 2 yield upon catalyst recycling. It was chosen for the extinguishing fuel cell system.

연료 전지에서 생성된 열은 단열 냉각수 라인을 통해 반응기의 열 교환기 장치로 전달되며, 이를 통하여 연료 전지에서 발생하는 폐열을 탈수소화 반응에 결합 할 수 있을 것으로 예상된다. 이는 전기 히터와 같은 외부 열 공급장치 없이도 전체 시스템의 열 중성화를 가능하게 하여 전체 시스템 효율을 향상시킨다.The heat generated in the fuel cell is transferred to the heat exchanger device of the reactor through the adiabatic coolant line, and it is expected that the waste heat generated in the fuel cell can be coupled to the dehydrogenation reaction. This improves overall system efficiency by enabling thermal neutralization of the entire system without the need for an external heat supply such as an electric heater.

연료 전지로부터 약 18%의 폐열이 발생하는데, 이는 포르메이트 탈수소화반응의 엔탈피로만 사용될 수 있다. 실제로, 폐열 에너지의 18 % 이상이 반응 온도를 유지하기 위해 요구되며, 이를 통하여 반응기의 열 손실을 보상할 수 있다.About 18% of the waste heat is generated from the fuel cell, which can only be used as the enthalpy of formate dehydrogenation. In fact, more than 18% of the waste heat energy is required to maintain the reaction temperature, thereby compensating for the heat loss in the reactor.

예를 들어, 연료 전지 스택에서 방출된 열에 의해 반응기의 온도가 유지되도록 하기 위하여, 연료 전지는 외부 H2(> 99.999% 순도) 소스를 사용하여 53W의 전력을 생성하였다. 연료 전지의 온도 및 전력 출력은 도 19에 도시한다. For example, to ensure that the temperature of the reactor is maintained by the heat released from the fuel cell stack, the fuel cell generated 53 W of power using an external H 2 (> 99.999% pure) source. The temperature and power output of the fuel cell are shown in FIG. 19 .

도 19에서 반응기는 포르메이트 탈수소화 반응하기에 충분히 높은 온도에 도달한다. 반응이 시작되면 온도가 약간 낮아지지만 반응 속도는 크게 변하지 않음을 알 수 있다. 여기서 PEMFC는 총 가스 유량을 측정하고 생성물 흐름에서 가스 샘플의 GC 분석을 사용하여 ~650 mL/분을 생성하는데 필요한 열을 확인할 수 있다. 이론적으로, 반응기에 제공된 포르메이트가 100% 탈수소화되는 경우, 이론적으로 탈수소화 반응의 엔탈피에는 9.2W의 전력을 필요로 하며, 이는 연료 전지로부터 방출된 열에 의하여 커버될 정도이나, 실제로는 이론값에 비하여 더 낮은 전환율을 나타내기 때문에 이로 인하여 더 적은 전력이 소비된다.19 the reactor reaches a temperature high enough for the formate dehydrogenation reaction. It can be seen that when the reaction starts, the temperature is slightly lowered, but the reaction rate does not change significantly. Here, the PEMFC can measure the total gas flow and determine the heat required to produce ~650 mL/min using GC analysis of the gas sample in the product flow. Theoretically, if the formate provided to the reactor is dehydrogenated to 100%, theoretically the enthalpy of the dehydrogenation reaction requires a power of 9.2W, which is covered by the heat emitted from the fuel cell, but in practice the theoretical value This results in less power consumption because it shows a lower conversion rate compared to .

그 후, 반응에서 생성된 수소를 사용하여 연료 전지를 작동시키기 위하여, 외부에서 제공된 순수한 수소 및 반응기로부터 생성된 가스를 공급하여 연료 전지를 작동시켜 IV 곡선을 비교하였다.Thereafter, in order to operate the fuel cell using the hydrogen generated in the reaction, pure hydrogen provided externally and the gas generated from the reactor were supplied to operate the fuel cell, and IV curves were compared.

도 20a로부터, 연료 전지의 성능은 외부에서 수소를 공급하는 경우와 포르메이트로부터 수득한 수소를 공급하는 경우 모두 비슷한 것을 확인할 수 있다. 제조예의 반응기로부터의 제조된 생성물을 사용하여 연료전지를 작동시켰으며, 가스 배출이 ~800 sccm에 도달하면(도 20b), 반응기에서 생성된 가스는 연료 전지로 전달되었으며, 여기서 배출량은 스택을 개방 회로 전압에서 8A로 로드하여 점차 증가하였다(도 20c). 그런 뒤, 20 분에 걸쳐서 ~50W의 전력을 생성할 수 있었으며, 이는 반응기를 가열하여 충분한 엔탈피를 제공할 수 있는 정도이다. 시스템은 외부 열원 없이도 작동하였으며 반응기 온도는 일정 범위로 유지되었다(도 20d).From FIG. 20A , it can be confirmed that the performance of the fuel cell is similar in both the case of supplying hydrogen from the outside and the case of supplying hydrogen obtained from formate. A fuel cell was operated using the product prepared from the reactor of the preparation example, and when the gas emission reached ˜800 sccm ( FIG. 20B ), the gas generated in the reactor was delivered to the fuel cell, where the emission opened the stack. The circuit voltage was gradually increased by loading to 8A (Fig. 20c). It was then possible to generate ~50 W of power over 20 minutes, enough to heat the reactor to provide sufficient enthalpy. The system operated without an external heat source and the reactor temperature was maintained within a range ( FIG. 20D ).

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as they are apparent to those of ordinary skill in the art.

Claims (18)

액상 수소화물 기반의 자열 수소 및 전력 발생 장치로서,
액상 수소화물 기반 촉매를 포함하는 하나 이상의 반응기; 수소 연료 전지; 및 열 교환 장치;를 포함하며,
상기 하나 이상의 반응기로 공급된 반응물은 흡열 반응인 탈수소화반응을 하여 수소(H2)로 전환되고, 상기 수소를 포함하는 생성물이 반응기로부터 배출되어 적어도 일부가 수소 연료 전지로 공급되고,
상기 열 교환 장치는 수소 연료 전지에서 발생한 열을 반응기로 전달하고,
상기 반응물은 암모늄 포르메이트, 소듐 포르메이트, 및 포타슘 포르메이트 중 하나 이상의 포름산염 화합물을 포함하고,
상기 액상 수소화물 기반 촉매는 지지체, 및 상기 지지체 상에 담지된 금속을 포함하고, 촉매 전체 중량에 대하여 금속 로딩량을 1 - 10 중량% 범위로 하는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
A liquid hydride-based autothermal hydrogen and power generator, comprising:
at least one reactor comprising a liquid phase hydride based catalyst; hydrogen fuel cell; and a heat exchange device;
The reactant supplied to the one or more reactors undergoes an endothermic dehydrogenation reaction to convert it to hydrogen (H 2 ), and the product containing the hydrogen is discharged from the reactor and at least a portion is supplied to a hydrogen fuel cell,
The heat exchanger transfers the heat generated in the hydrogen fuel cell to the reactor,
wherein the reactant comprises a formate compound of at least one of ammonium formate, sodium formate, and potassium formate;
The liquid hydride-based catalyst includes a support, and a metal supported on the support, wherein the metal loading amount is in the range of 1 to 10% by weight based on the total weight of the catalyst, autothermal hydrogen and power generating device.
제1항에 있어서,
상기 반응기로부터 배출된 생성물은 수소 연료 전지로 직접 공급되는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
The method of claim 1,
The product discharged from the reactor is directly supplied to a hydrogen fuel cell, autothermal hydrogen and power generating device.
제1항에 있어서,
상기 반응기로부터 배출된 생성물 중 일부는 하나 이상의 반응기로 재순환되는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
The method of claim 1,
and a portion of the product discharged from the reactor is recycled to one or more reactors.
제1항에 있어서,
상기 자열 수소 발생 장치는 2개 이상의 반응기를 포함하는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
According to claim 1,
The autothermal hydrogen generating device comprises two or more reactors, autothermal hydrogen and power generating device.
제1항에 있어서,
상기 반응기에서, 반응물의 기화점 이하의 온도로 탈수소화반응이 수행되는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
According to claim 1,
In the reactor, the dehydrogenation reaction is performed at a temperature below the vaporization point of the reactants, autothermal hydrogen and power generating device.
제1항에 있어서,
상기 반응물은 포름산염 화합물을 포함하고,
상기 반응기에서, 40 내지 100 ℃ 범위 온도로 탈수소화반응이 수행되는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
The method of claim 1,
The reactant comprises a formate compound,
In the reactor, the dehydrogenation reaction is carried out at a temperature in the range of 40 to 100 ℃, autothermal hydrogen and power generating device.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 자열 수소 및 전력 발생 장치는 액상 수소화물 기반 촉매를 탈이온수 처리하여 재활용 하기 위한 촉매 재활성화 장치;를 더 포함하는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
According to claim 1,
The autothermal hydrogen and power generating device further comprises a catalyst reactivation device for recycling the liquid hydride-based catalyst by treating it with deionized water.
제8항에 있어서,
상기 촉매 재활성화 장치에서 탈이온수 처리된 후, 질소(N2) 처리하여 촉매를 재활용하는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
9. The method of claim 8,
After deionized water treatment in the catalyst reactivation device, nitrogen (N 2 ) treatment to recycle the catalyst, autothermal hydrogen and power generating device.
제1항에 있어서,
상기 반응물은 0.1 내지 10M 범위의 농도로 액상 수소화물을 포함하는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
The method of claim 1,
wherein the reactant comprises liquid hydride at a concentration ranging from 0.1 to 10M.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 금속은 2.0 내지 3.0 nm의 직경 범위를 갖는 나노 입자인, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
The method of claim 1,
The metal is nanoparticles having a diameter range of 2.0 to 3.0 nm, autothermal hydrogen and power generating device.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 액상 수소화물 기반 촉매는 CO 화학흡착(chemisorption)로 측정된 10 내지 50 % 범위의 분산도(dispersion)을 갖는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
The method of claim 1,
wherein the liquid hydride based catalyst has a dispersion in the range of 10 to 50% as measured by CO chemisorption.
제1항에 있어서,
상기 반응기로부터 배출되는 수소의 순도는 99.97% 이상인 것을 특징으로 하는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
The method of claim 1,
Autothermal hydrogen and power generating device, characterized in that the purity of the hydrogen discharged from the reactor is 99.97% or more.
제1항에 있어서,
상기 수소 연료 전지로 수소를 추가 공급하는, 자열 수소 및 전력 발생 장치.
The method of claim 1,
An autothermal hydrogen and power generating device for additionally supplying hydrogen to the hydrogen fuel cell.
제1항 내지 제6항 및 제8항 내지 제10항, 제13항, 및 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항의 자열 수소 및 전력 발생 장치를 통한 수소 및 전력 생산 방법.18. A method for generating hydrogen and power using the autothermal hydrogen and power generating device of any one of claims 1 to 6 and 8 to 10, 13, and 15 to 17.
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