KR20010012525A - 제올라이트 멤브레인을 갖춘 연료 전지와 같은 전해 반응기 - Google Patents

제올라이트 멤브레인을 갖춘 연료 전지와 같은 전해 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멤브레인을 통해 이온을 통과시켜서 전류를 발생하지만, 연료 전지에 사용되는 촉매를 손상시킬 수도 있는 연료 분자 등의 멤브레인 통과는 방지하는, 양극(4)과 음극(5)을 분리하는 제올라이트 멤브레인(7)을 갖춘 연료 전지형 전기 화학적 반응기에 관한 것이다. 이것은 탄산염과 같은 염기성 전해질을 사용하는 메탄올 연료 전지에 유용하며, 메탄올이 대기로 방출되는 것을 방지하고, 연료 전지를 고온에서 작동시킬 수 있게 하기 때문에 보다 효율적이 될 수 있게 하는 제2 제올라이트 멤브레인을 구비할 수 있다.

Description

제올라이트 멤브레인을 갖춘 연료 전지와 같은 전해 반응기{ELECTROLYTIC REACTOR SUCH AS FUEL CELL WITH ZEOLITE MEMBRANE}
전해 반응기는 전기적 수단에 의하여 화학 반응이 일어나게 되는 반응기이며, 예를 들면 염으로부터의 수산화나트륨과 염소의 제조에 있어, 용액 내 액체 화합물 또는 이온에 하나 이상의 전자가 첨가되거나 제거되어 생성물을 형성하는 반응기이다. 다른 주요 전해 공정으로는 보크사이트로부터 알루미늄을 생성하는 공정이 있다.
화학 공정은 매우 광범위한데, 특히 이론적으로 전해 반응기를 사용하여 전자 유기 합성이 일어날 수 있으며, 그러한 공정은 고온을 사용하지 않으면서 용액 내에서 수행한다는 이점을 가지며, 종종 최종 생성물의 고선택성 및 미미한 부반응과 함께 수행할 수 있다.
전해 반응기의 한 가지 유형으로 전해질을 포함하는 분리식 음극 및 양극 구획이 있다. 양극 또는 음극은 소정의 최종 생성물의 생성에 활성적으로 관여할 수 있으며, 예를 들면 이들은 촉매의 형태이거나 접촉하는 액체에 비활성인 전기 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
양극 및 음극 구획은 분리하여 성능 손실, 전극 손상 등을 초래하게 되는 구획 간의 액체 확산을 방지하여야 한다. 그러나, 전류는 전해질을 통하여 흘러야 하며, 생성 속도는 흐르는 전류의 인자이다. 두 개의 구획 간에 액체가 왕래하지 않으면서 적절한 전류가 전해질을 통해 흘러야 한다는 요구 조건은 실시에서 달성하기가 어려웠으며, 전기 화학적 반응에 대한 많은 제안과 관심을 끄는 이론에도 불구하고, 이것은 전기 화학적 공정의 분야가 매우 한정되는 주 이유 중 하나였다.
전기 화학적 반응기가 특히 널리 사용되는 분야는 연료 전지 분야이다.
통상적인 연료 전지에서, 각각의 전지는 예를 들면, 백금 및 루테늄으로 된 촉매로 양면이 코팅된 막으로 분할되어 있다. 양극 구획은 전지 수용액을 담지하는 한편, 음극 구획은 산화제로서 공기를 담지한다.
유기 연료를 사용하는 연료 전지의 한 가지 문제점은 연료가 양극 구획으로부터 음극 구획으로 확산하여 음극에서 자가 방전 반응을 초래할 수 있으며, 이는 전지 전압과 효율을 저하시키게 된다는 점이다. 유기 연료의 산화에 대해 비활성인 음극은 음극 촉매 표면 상에 유기 분자를 흡착할 수 있으며, 음극의 산소 환원 효율을 저하시키게 된다.
또한, 유기 연료 증기는 종종 해로우며, 그것이 방출됨으로써 폭발성 혼합물이 형성될 수 있다.
널리 알려진 유형의 연료 전지는 연료로서 메탄올을 사용하며, 액체 연료 전지는 수소 연료 전지에 비해 유리한 것으로 잘 테스트되었다. 다른 액체 연료도 제시되었으며, 이론상으로는 어떠한 산화성 액체도 연료로 사용할 수 있다.
메탄올이 촉매와 접촉하게 되면, 그것은 붕괴되어 수소 이온, 이산화탄소 및 전자를 생성한다. 전지에서 나오는 전자 흐름은 전기를 일으킨다. 수소 이온은 멤브레인을 가로질러 전지의 다른 면으로 이동하여 공기 중의 산소와 화합하여 물을 형성한다. 물과 CO2는 전지의 유일한 폐기 생성물이다. 그러나, 기존의 멤브레인으로는 액체 메탄올과 메탄올 증기가 멤브레인을 통하여 확산할 수 있으며, 양극 구획으로부터 음극 구획으로의 메탄올과 메탄올 증기의 교차는 기존의 음극에 해가 될 수 있고, 효율 손실과 함께 전지 전압을 감소시킨다. 따라서, 메탄올에는 불투과성이지만 수소 이온과 물에는 투과성인 멤브레인의 필요성이 존재한다. 최근에는, 듀퐁(Du Pont)에서 "나피온(Nafion)"이라는 상표명으로 시판하는 플루오르화 멤브레인을 주성분으로 하는 멤브레인이 사용되고 있다. 기본적으로, 이것은 양성자를 전도시키는 작용기를 제공하는 술포네이트 작용기를 가진 퍼플루오로비닐 모노머와 함께 테트라플루오로에틸렌을 포함한다. 이 고가의 새기 쉬운 멤브레인은 전지 설계의 가장 약한 부분으로 인식된다.
폴리벤지다졸 또는 폴리이미다졸과 같은, 메탄올 및 메탄올 증기에 대한 보다 낮은 투과성을 가진 다른 멤브레인이 개발되고 있지만, 이들은 더 낮은 이온 전도성을 가진다.
본 발명은 개선된 전해 반응기에 관한 것이다.
도 1은 연료 전지를 예시하는 개략도이고,
도 2는 제올라이트 멤브레인의 내산성 및 이온 전도성을 테스트하기 위한 장치의 도면이며,
도 3은 메탄올의 존재 및 부재 하에 시간에 대한 공기 음극 상의 전류 밀도의 관계를 나타내는 도면이다.
이제, 본 발명자들은 기존 반응기들의 문제점들을 줄인 상이한 유형의 멤브레인을 사용하는 전해 반응기 전지를 안출하였다.
본 발명에 따르면, 제올라이트 멤브레인에 의해 분리된 양극 구획 및 음극 구획을 포함하는 전해 반응기가 제공되며, 상기 양극 구획은 유체 형태의 제1 화합물을 함유하고, 상기 음극 구획은 유체 형태의 제2 화합물을 함유하며, 제1 화합물 및 제2 화합물을 통하여 전류가 흐를 수 있고, 제1 화합물 및/또는 제2 화합물은 전류의 통과에 의하여 화학적으로 전환된다.
연료 전지의 경우, 양극 구획은 산화성 연료를 함유하고, 음극 구획에는 공기 또는 다른 산화제를 함유시키며, 전지의 산화를 촉매화할 수 있는 촉매가 존재한다. 연료 전지 내 전해질은 산성, 또는 염기성일 수 있으며, 전해질이 산성이면, 제올라이트 멤브레인은 실질적으로 내산성이어야 하고, 전해질이 염기성이면, 멤브레인은 실질적으로 내알칼리성이어야 한다. 음극은 촉매를 함유할 수 있으며, 예를 들면 백금 또는 백금족 금속 착체일 수 있다.
제올라이트 멤브레인은 실질적으로 내산성인 제올라이트, 예를 들면 알루미늄을 거의 또는 전혀 함유하지 않는 제올라이트와 제오형 물질로 형성시킴으로써 실질적으로 산에 비투과성이 되게 할 수 있으며, 또는 제올라이트 멤브레인은 그 표면을 실질적으로 내산성이 되도록 처리할 수 있다.
본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 제올라이트로는 제올라이트 3A, 4A, 5A, 13X, X, Y, ZSM5, MPOs, SAPOs, 실리케이트, β, θ, ετχ가 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다.
전해질이 염기성인 경우, 제올라이트 멤브레인은 실질적으로 내염기성인 제올라이트, 예를 들면 pH 10 이상에서 장기간 동안 고온에서 내알칼리성인 제올라이트와 제오형 물질로 형성시킴으로써 실질적으로 알칼리에 비투과성일 수 있다. 브렉(D. W. Breck)의 문헌("제올라이트 분자 시브", 1974, 276페이지, 예를 들면 제올라이트 P) 참조.
염기성 연료 전지에서, 전해질은 알칼리 금속 염 또는 수산화물, 알칼리토 금속 염 또는 희토류 금속 염과 같은 어떤 공지의 전해질일 수 있으며, 탄산염은 이산화탄소를 제거하기 때문에 탄산염을 사용하는 것이 바람직하다. 적당한 염으로는 탄산나트륨, 중탄산나트륨 및 이들의 혼합물이 있으며, 예를 들면 전해질은 완충 탄산염/중탄산염 용액일 수 있다. 전형적인 pH는 10 내지 11 범위이다. 사용할 수 있는 알칼리토 금속 염으로는 탄산세슘 등이 있다.
본 발명의 연료 전지는 유기 연료와 액상 물 또는 유기 연료와 수증기를 사용하는 유형일 수 있다. 수증기와 유기 연료를 사용한 경우, 증기는 연료와 수증기의 혼합물을 함유하는 가열 용기 내에서 발생시켜 연료 전지의 양극 구획으로 공급할 수 있다. 이로써, 연료 전지를 고온에서 작동시킬 수 있기 때문에 효율이 증가한다.
제올라이트 멤브레인의 특징은 이들이 그 공극을 통해 물 분자와 수증기는 통과시키지만, 보다 큰 분자, 예를 들면 액상 또는 수증기상의 메탄올, 에탄올, 포르메이트, 예컨대 포름산나트륨 분자의 통과는 막는다는 것이다. 친수성인 제올라이트 멤브레인은 물 분자와 수증기를 멤브레인에 통과시키고 유기 분자는 통과시키지 않을 수 있다.
전지의 전도성을 증가시키기 위하여, 음극과 양극 간의 액체 통로 길이를 줄이는 것이 바람직한데, 이것은 예를 들면, 제올라이트 멤브레인을 양극 또는 음극에 접촉시킴으로써 달성될 수 있으며, 또는 제올라이트 멤브레인을 양극과 음극에 실질적으로 접촉시켜서, 제올라이트 멤브레인의 공극 내에 실질적으로 함유된 전해질과 함께 양극/제올라이트 멤브레인/음극으로 구성된 "샌드위치" 구조가 형성되도록 할 수 있다.
연료 증기가 양극 구획으로부터 대기로 방출되는 것을 방지하기 위하여 별도의 제오형 멤브레인을 사용할 수 있다. 멤브레인은 발생된 폐기 생성물, 예를 들면 이산화탄소와 물에 투과성이어야 하며, 연료에는 불투과성이어야 한다. 이러한 점은 메탄올과 같은 휘발성 연료에 특히 유리하며, 유해한 가스가 대기로 방출되거나 폭발성 물질이 형성되는 위험없이, 그러한 연료 전지를 80 내지 90℃와 같은 고온에서 작동할 수 있게 한다.
메탄올 등과 같은 연료는 제올라이트 멤브레인을 통하여 음극 구획으로 확산할 수 없기 때문에, 연료가 음극 구획으로부터 방출되지 않는다. 따라서, 연료 전지에 제올라이트 멤브레인을 사용하면, 기존의 멤브레인을 사용하는 것보다 기술적 이점을 가진다. 제올라이트 멤브레인은 균열이 실질적으로 없어야 하고 메틴올 분자가 통과할 수 있는 결함을 실질적으로 함유하지 않아야 한다.
적당한 제올라이트 멤브레인은 특허 출원 PCT/GB95/02221호, PCT/GB97/00635호, PCT/GB00928호에 기재되어 있으며, 적당한 전극은 미국 특허 제5,470,073호에 기재되어 있다.
제올라이트 멤브레인은 상기 특허 문헌에 기재되어 있는 바와 같은 통상의 겔법에 의해 제조되며, 그 표면은 규산 또는 다른 화합물로 처리하여 결함을 제거한다.
사용시 멤브레인은 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께가 바람직하다. 제올라이트 멤브레인의 공극은 물 분자(2.6 Å)를 통과시키기에 충분히 커야되지만 연료 분자(3.8Å)의 통과를 차단하기에 충분히 작아야 한다. 통상적으로 제시된 연료는 메탄올이지만, 다른 연료, 예를 들면 메탄올, 에탄올, 에틸 포르메이트와 같은 포름산 에스테르, 메틸 3차 부틸 에테르와 같은 에테르 및 탄화수소도 사용할 수 있으며, 따라서, 제올라이트 멤브레인의 공극 크기 및/또는 전해질에 대한 친화도를 조절하여 연료 분자의 통과를 방지할 수 있다.
멤브레인의 공극을 통과하는 전해질의 존재는 멤브레인을 통한 이온 전도성을 위해 허용되며, 임의로 멤브레인을 보다 전도성이 되도록 처리할 수 있다.
실질적으로 내산성인 멤브레인을 제조할 수 있는 재료로는 저 알루미늄 함량의 것이 바람직하며, 예를 들면 모르데나이트 또는 카바자이트, 또는 알루미늄 비함유 제오형 화합물, 예를 들면 실리칼라이트, 인산 갈륨, USY, EDY, FDY, VPI-5, 미국 특허 제4,711,770호에 기재된 LZ210 및 기타, 또는 미국 특허 제5,242,676호에 기재된 바와 같은 알루미노실리케이트의 선택적 탈알루미늄화 반응에 의해 형성된 재료 또는 미국 특허 제5,503,02A호 및 제4,610,856A호와 EP82211A호, 또한 D. W. 브렉의 문헌("제올라이트 분자 시브", 1974, 503페이지)에 기재된 바와 같이 규소로 알루미노실리케이트를 부화(富化)시킴으로써 형성된 재료가 있다.
내산성이 아닌 멤브레인은 예를 들면, 그 표면을 안정화시킴으로써, 즉 그 표면을 산 비활성 재료 층, 예를 들면 실리카, 이트리아, 지르코니아, 탄소, 백금, 크롬, 금 또는 기타 내산성 매체의 층을 형성시킴으로써 처리할 수 있다.
멤브레인의 공극이 너무 크면, 이들은 술폰산, 예를 들면 비닐 술폰산으로 처리하거나 규산 또는 TEOS에 의해 "수축"시킬 수 있다.
본 발명에서 사용되는 연료 전지의 설계는 멤브레인이 양극 구획과 음극 구획을 분리시키는 어떠한 공지의 설계일 수 있다. 사용될 수 있는 양극과 음극은 공지의 양극과 음극 어느 것도 된다. 본 발명은 기존에 개시된 멤브레인을 전술한 제올라이트 멤브레인으로 대체하는 것에 관한 것이다. 바람직한 전극으로는 쳉(A. Tseung)의 문헌[연료 전지의 과거, 현재 및 미래, ISBN 1861660677, 그리니치 대학교 출판부(Greenwich University Press), 1998]에 기재된 것이 있다.
다른 유형의 연료 전지로는 양극에서 화합물을 탈수소화시켜서 수소를 멤브레인을 통하여 양극으로 확산시킨 다음 전기 화학적으로 산화시키는 것에 기초하는 재충전 가능한 연료 전지가 있다. 충전 사이클시 그 방법은 반대인데, 요컨대 이것은 수소를 저장하는 방법이다. 그 방법으로는 시클로헥산을 사용하여 벤젠으로 환원시키는 방법이 제시되었는데, 시도된 멤브레인은 고가이어서 공정에는 실행할 수 없는 은-백금 멤브레인이었다.
제올라이트 멤브레인을 사용함으로써 시클로헥산 또는 벤젠이 다른 구획을 통하여 확산하지 않으면서 수소를 멤브레인을 통해 확산시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 제올라이트 멤브레인에 의해 분리된 양극 구획과 음극 구획을 포함하는 재충전 가능한 연료 전지를 제공하며, 상기 양극 구획은 양극에서 탈수소화하여 전류를 발생할 수 있는 유체 형태의 제1 화합물을 함유하고, 상기 전지를 통하여 전류를 반대 방향으로 통과시킴으로서 탈수소화 반응을 역반응시켜서 상기 제1 화합물을 재형성시킨다.
음극은 공기 전극일 수 있으며, 제1 화합물이 벤젠으로 탈수소화되는 시클로헥산이라면, 제올라이트 멤브레인은 전극에 유해할 수 있는 시클로헥산과 벤젠이 음극 구획으로 확산되는 것을 방지하는 한편, 여전히 수소는 멤브레인을 통해 확산시킨다.
본 발명의 전기 화학적 반응기를 사용함으로써 수행될 수 있는 다른 반응으로는 이산화탄소가 포름산과 메탄올로 환원되는 반응이 있으며, 제올라이트 멤브레인을 사용함으로써 유기 화합물이 양극 구획을 통하여 확산되어 양극을 산화시키는 것을 방지한다.
연료 전지를 예시하는 도 1을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1에서, 양극(1)과 음극(2)은 산 전해 용액(3)과 접촉한다. 메탄올 또는 기타 연료는 양극 구획(4) 내에 있다. 공기(산소)는 음극 구획(5)으로 공급된다. 산 용액(6)은 멤브레인(7)의 공극 내에 함유된다. 백금/루테늄/탄소 촉매는 도면 번호 (8)이고, 백금/탄소 촉매는 도면 번호 (9)이다.
메탄올에 대해서 도면에 도시된 반응이 일어난다. 본 발명의 제올라이트 멤브레인을 사용하면, 메탄올 또는 메탄올 증기가 음극으로 통과하는 것을 방지하는 한편, 멤브레인을 통한 염 다리 결합에 의해 멤브레인을 통한 전도가 허용된다.
제올라이트 멤브레인의 내산성 및 이온 전도성을 테스트하기 위하여, 도 2의 장치를 설치하였으며, 상기 장치는 두 개의 유리 챔버(11) 및 (12)와, 그 사이에 실리콘 밀봉제(6)에 의해 적소에 밀봉된 제올라이트 멤브레인(15)을 포함하며, 상기 두 개의 챔버 사이에는 단지 멤브레인(15)만을 통하는 통로가 있다. 구획(11)에는 백금 반대 전극(17)이 있고, 챔버(12)에는 테플론(RTM)PT/C 음극(14)이 있으며, 상기 챔버들은 전해질로 충전시킬 수 있다.
산성 전해질
장치를 실온에서 1몰 황산으로 충전하였다. 음극은 70 mA/㎠, 0.5V, 500 mV 대 RHE를 제공하였다. 0.5 몰 메탄올 또는 0.5 M 에틸 포르메이트를 챔버에 가하였을 때 3 시간의 테스트 기간 동안 음극 성능의 변화는 없었다. 멤브레인을 제거하였을 때, 음극 성능은 10 mA/㎠로 감소되었으며, 이는 메탄올과 에틸 포르메이트에 의해 산소 환원 활성이 심하게 손상되었다는 것을 가리킨다.
알칼리성 전해질
완충 Na2CO3/NaHCO3전해질로 테스트를 반복하였다. 멤브레인은 PCT/GB95/02221의 실시예에서와 같이 제조하였으며, 20 미크론 두께이었고, 멤브레인을 전해 용액에 침지하여 그 성질을 측정하였다.
결과
1. 전해 용액에 침지시킨 제올라이트 멤브레인으로 수행한 Na2CO3/NaHCO3전해 용액의 성질
1.1 0.5 M Na2CO3/0.5 M NaHCO3의 전도성
온도(℃) 전도도(ohm-1·cm-1)
25 0.0824
40 0.1034
60 0.1312
1.2 0.5 M Na2CO3/0.5 M NaHCO3의 저항률
온도(℃) 저항률(ohm·cm)
25 12.1
40 9.7
60 7.6
1.3 0.5 M Na2CO3/0.5 M NaHCO3로 침지시킨 제올라이트 멤브레인의 저항
온도(℃) 저항(ohm)
25 1.1
40 0.9
60 0.8
2. 반전지 성능
2.1 양극 성능
양극: Pt-Ru-WO3/C(1:0.5:1:7.5 W/W), Pt-Ru 부하 ∼2 mg·cm-2
용액: 0.5 M Na2CO3/0.5 M NaHCO3/1.0 M CH3OH
성능: CH3OH 산화, 0.25 V 대 RHE, 20 mA·cm-2(60℃)
2.2 음극 성능
음극: Pt/C(0.5:9.5 W/W), Pt 부하 ∼1 mg·cm-2
용액: 0.5 M Na2CO3/0.5 M NaHCO3
성능: O2환원, 0.7 V 대 RHE, 20 mA·cm-2(60℃)
양극은 나피온 분산체 박층과 함께 테플론 결합되었으며, 루긴(Luggin) 끝에서 작업 전극까지의 거리는 2 mm 이하였다.
음극은 제올라이트 멤브레인없이 테플론 결합되었고, CH3OH 부재 하에 공기 중에서 0.7 V 20 mA·cm-2를 제공하였으며, 1 M CH3OH를 첨가하였을 때 산소 환원 반응의 저해 및 메탄올의 산화를 위한 Pt와 C 부위 간의 단락 전류 발생으로 인하여 성능이 0.3 V 20 mA·cm-2로 떨어졌다.
제올라이트 멤브레인을 양극 구획과 음극 구획 사이에 배치하였을 때, 음극 성능은 양극 구획 내에 메탄올이 존재하는지 여부에 상관없이 일정하게 유지되었다.
3. 전체 전지 성능
제올라이트 멤브레인을 음극에 부착하고 양극 촉매 및 니켈 스크린을 제올라이트 멤브레인 표면 상에 접착시킴으로써 멤브레인을 제조하였으며, 전체 전지 성능은 0.25 V, 20 mA/cm2를 나타내었고, 성능은 60℃에서 3 시간의 테스트 동안 안정하였다.
완충 Na2CO3/NaHCO3전해질과 함께 제올라이트 멤브레인을 사용하면 적당한 이온 전도도를 제공하고, CO2거부성이었으며, 60℃까지의 테스트 온도와 1 주일에 걸친 테스트 기간 동안 멤브레인의 검출 가능한 부식은 없었다.
도 3은 메탄올의 존재 및 부재 하에 시간에 대한 공기 음극 상의 전류 밀도의 관계를 나타낸다.
Pt/C 5% (작업 전극)
SCE (기준 전극)
Pt 블랙 25℃(반대 전극)
전해 용액- 0.5 M Na2CO3/0.5 M NaHCO3
CA01 CH3OH없음
CA31 1M CH3OH
알 수 있는 바와 같이, 0.7 V 대 RHE에서의 음극 성능은 멤브레인을 사용하면 메탄올에 의한 저해를 초래하지 않는다는 것을 보여준다.

Claims (28)

  1. 제올라이트 멤브레인에 의해 분리된 양극 구획 및 음극 구획을 포함하고, 상기 양극 구획은 유체 형태의 제1 화합물을 함유하고, 상기 음극 구획은 유체 형태의 제2 화합물을 함유하며, 제1 화합물 및 제2 화합물을 통하여 전류가 흐를 수 있고, 제1 화합물 및/또는 제2 화합물은 전류의 통과에 의하여 화학적으로 전환되는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양극 구획은 산화성 연료를 함유하고, 상기 음극 구획은 공기 또는 다른 산화제를 함유하며, 연료의 산화를 촉매화할 수 있는 촉매가 존재하는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 제올라이트 멤브레인에 의해 분리된 양극 구획과 음극 구획을 포함하고, 상기 양극 구획은 유체 형태의 제1 화합물을 함유하고, 상기 음극 구획은 유체 형태의 제2 화합물을 함유하며, 양극 구획 및 음극 구획과 제올라이트 멤브레인의 공극에는 전해질이 존재하며, 제1 화합물 및 제2 화합물을 통하여 전류가 흐를 수 있고, 제1 화합물 및/또는 제2 화합물은 전류의 통과에 의하여 화학적으로 전환되는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  4. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 음극 구획은 산화성 연료를 함유하고, 상기 양극 구획은 공기 또는 다른 산화제를 함유하며, 연료의 산화를 촉매화할 수 있는 촉매가 존재하는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전해질은 염기성이고 상기 멤브레인은 실질적으로 내알칼리성인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전해질은 알칼리 금속 염 또는 수산화물, 알칼리토 금속 염 또는 희토류 금속 염인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 전해질은 탄산염인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전해질은 탄산나트륨, 중탄산나트륨 또는 탄산나트륨과 중탄산나트륨의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  9. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 전해질은 산성이고 상기 제올라이트 멤브레인은 실질적으로 내산성인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제올라이트 멤브레인은 그 표면이 실질적으로 내산성이 되도록 처리된 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제올라이트 멤브레인은 알루미늄을 거의 또는 전혀 함유하지 않는 실질적으로 내산성인 제올라이트 및 제오형 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  12. 제2항 및 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극은 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 촉매는 백금 또는 백금족 금속 착체인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제올라이트 멤브레인은 양극 또는 음극과 접촉하는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제올라이트 멤브레인은 양극 및 음극과 접촉하여 상기 전해질이 상기 제올라이트 멤브레인의 공극 내에 실질적으로 함유된 양극/제올라이트 멤브레인/음극을 포함하는 샌드위치 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 화합물이 유기 연료인 연료 전지인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 화합물은 유기 연료와 액상 물 또는 유기 연료와 수증기인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 화합물은 유기 연료 및 수증기 및 물이고, 상기 수증기는 연료와 수증기를 함유하는 가열 용기 내에서 발생되어 상기 연료 전지의 양극 구획으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 연료는 메탄올, 에탄올, 포름산 에스테르, 에테르 또는 탄화수소이고, 제올라이트 멤브레인의 공극 크기는 음극 구획으로부터 양극 구획으로 연료 분자가 통과하는 것을 방지하는 정도인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  20. 제16항 내지 제19항에 있어서, 연료 증기가 대기로 방출되는 것을 방지하는 제2 제올라이트 멤브레인이 존재하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  21. 제22항에 있어서, 상기 제2 제올라이트 멤브레인은 연료의 산화에 의해 발생된 폐기 생성물에 투과성이고 연료에 불투과성인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  22. 제3항 또는 제4항에 있어서, 제올라이트 멤브레인에 의해 분리된 양극 구획과 음극 구획을 포함하고, 상기 양극 구획은 양극에서 탈수소화하여 전류를 발생할 수 있는 유체 형태의 제1 화합물을 함유하고, 전지를 통하여 전류를 반대 방향으로 통과시킴으로써 탈수소화 반응을 역반응시켜서 상기 제1 화합물을 재형성시키는 재충전 가능한 연료 전지인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  23. 제22항에 있어서, 상기 음극은 공기 전극인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 제1 화합물은 벤젠으로 탈수소화되는 시클로헥산이고, 상기 제올라이트 멤브레인은 상기 시클로헥산과 벤젠이 상기 음극 구획으로 확산되는 것을 방지하는 한편, 수소는 멤브레인을 통하여 확산시키는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  25. 제3항 또는 제4항에 있어서, 제올라이트 멤브레인에 의해 분리된 양극 구획과 음극 구획을 포함하고, 상기 양극 구획은 양극에서탈수소화될 수 있는 유체 형태의 제1 화합물을 함유하고, 상기 제1 화합물은 포름산과 메탄올로 환원되는 이산화탄소이고, 상기 제올라이트 멤브레인은 유기 화합물이 양극 구획으로 확산되어 양극을 산화시키는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제올라이트 멤브레인은 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제올라이트 멤브레인의 공극은 물 분자를 투과시키기에 충분히 크지만, 연료 분자의 통과를 차단하기에 충분히 작은 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 제올라이트 멤브레인의 공극은 2.6 Å 내지 3.8 Å인 것을 특징으로 하는 전해 반응기.
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