KR20130037649A - Film electrode-bond and organic hydride manufacturing apparatus - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A membrane electrode assembly and an organic hydride manufacturing apparatus are provided to obtain high energy efficiency even when manufacturing organic hydride through a single process using a single apparatus. CONSTITUTION: A membrane electrode assembly and an organic hydride manufacturing apparatus comprises an MEA(Membrane Electrode Assembly) arranged between a gas diffusion layer and a separator with grooves serving as a flow path. The MEA is formed by respectively attaching an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer to both sides of a solid polymer electrolyte membrane. The cathode catalyst layer comprises catalyst metal(24) for making a hydride target into hydride; and a carrier(25) having a functional group(27) on the surface for reducing wettability to the hydride target. [Reference numerals] (AA) Good rapid diffusion property of organic hydride; (BB) Good diffusion property of a hydride target;

Description

막 전극 접합체 및 유기 하이드라이드 제조 장치{FILM ELECTRODE-BOND AND ORGANIC HYDRIDE MANUFACTURING APPARATUS}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a membrane electrode assembly and an organic hydride production apparatus,

본 발명은 전기 화학적으로 유기 하이드라이드를 제조하기 위한 막 전극 접합체 및 유기 하이드라이드 제조 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane electrode assembly and an apparatus for producing an organic hydride for electrochemically producing an organic hydride.

이산화탄소 등에 의한 지구 온난화가 심각해지는 가운데, 화석 연료 대신에 차세대를 담당할 에너지원으로서 수소가 주목받고 있다. 수소 연료는, 연료 소비 시에 배출되는 물질이 물뿐이고, 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 환경에의 부하가 작다. 한편, 수소는 상온 상압에서 기체이기 때문에, 수송, 저장, 공급 시스템이 큰 과제로 되고 있다.While global warming due to carbon dioxide becomes serious, hydrogen is attracting attention as an energy source to take charge of the next generation instead of fossil fuels. Hydrogen fuel has only a small environmental burden because it discharges only water during fuel consumption and does not discharge carbon dioxide. On the other hand, since hydrogen is a gas at room temperature and normal pressure, a transportation, storage, and supply system has become a big problem.

최근에, 안전성, 운반성 및 저장 능력이 우수한 수소 저장 방법으로서, 시클로헥산이나, 메틸시클로헥산, 데칼린과 같은 탄화수소를 이용한 유기 하이드라이드 시스템이 주목받고 있다. 이들 탄화수소는, 상온에서 액체이기 때문에, 운반성이 우수하다. 예를 들면, 톨루엔과 메틸시클로헥산은 동일 탄소수를 갖는 환상 탄화수소이지만, 톨루엔은 탄화수소끼리의 결합이 이중 결합인 불포화탄화수소인 데 반해, 메틸시클로헥산은 이중 결합을 갖지 않는 포화탄화수소이다. 톨루엔의 수소 부가 반응에 의해 메틸시클로헥산이 얻어지고, 메틸시클로헥산의 탈수소 반응에 의해 톨루엔이 얻어진다. 즉, 이들 탄화수소의 수소 부가 반응과 탈수소 반응을 이용함으로써, 수소의 저장과 그 공급이 가능해진다.Recently, an organic hydride system using hydrocarbons such as cyclohexane, methylcyclohexane, and decalin has attracted attention as a hydrogen storage method having excellent safety, transportability and storage ability. Since these hydrocarbons are liquid at room temperature, they are excellent in transportability. For example, toluene and methylcyclohexane are cyclic hydrocarbons having the same carbon number, while toluene is a saturated hydrocarbon having no double bond, whereas the hydrocarbon is an unsaturated hydrocarbon in which the bond between the hydrocarbons is a double bond. Methylcyclohexane is obtained by hydrogen addition reaction of toluene, and toluene is obtained by dehydrogenation reaction of methylcyclohexane. That is, by using the hydrogen addition reaction and the dehydrogenation reaction of these hydrocarbons, it becomes possible to store and supply hydrogen.

메틸시클로헥산 등의 유기 하이드라이드를 제조하기 위해서는, 우선 수소를 제조하고, 그 수소와 톨루엔을 촉매 상에서 반응시킬 필요가 있다. 즉, 현상의 공정은, 수소를 물 전해 장치 등에서 발생시키고, 수소 부가 반응 장치에서 수소와 톨루엔을 반응시켜서 유기 하이드라이드를 생성시킨다고 하는 2단계의 공정이다.In order to prepare an organic hydride such as methylcyclohexane, it is first necessary to prepare hydrogen and react the hydrogen and toluene on the catalyst. That is, the developing step is a two-step process in which hydrogen is generated in a water electrolytic apparatus or the like, and hydrogen is reacted with toluene in a hydrogen addition reaction apparatus to produce an organic hydride.

따라서, 유기 하이드라이드의 제조까지 복수의 장치가 필요해져서, 장치의 복잡화라는 문제가 생긴다. 또한, 수소를 제조하고 나서 수소 부가 반응까지는 가스 형상의 수소이기 때문에, 저장·운반에 관해서 문제가 생긴다. 수소 제조 장치와 수소 부가 반응 장치를 인접하여 건설하면, 상기 문제는 해결되지만, 건설 및 운용 비용의 문제가 있고, 종합적인 에너지 효율도 저하된다. 또한, 장치의 대형화가 필요하기 때문에, 설치 장소가 한정된다고 하는 문제도 있다.Therefore, a plurality of apparatuses are required until the production of the organic hydride, which causes a problem of complication of the apparatus. In addition, since hydrogen is produced in the form of gaseous hydrogen until the hydrogen addition reaction, problems arise in terms of storage and transportation. If the hydrogen production apparatus and the hydrogen addition reaction apparatus are constructed adjacent to each other, the above problem is solved, but there is a problem of construction and operation cost, and the overall energy efficiency is lowered. In addition, since it is necessary to increase the size of the apparatus, there is a problem that the installation site is limited.

2단계 공정에 반해, 단일 장치를 이용하여 1단계로 유기 하이드라이드를 제조하는 기술이 제안되었다(예를 들면 특허문헌 1, 비특허문헌 1). 이들은 전기 화학적으로 유기 하이드라이드를 제조하는 것이다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 수소 이온을 선택적으로 투과하는 수소 이온 투과성 전해질막의 양측에 금속 촉매를 각각 배치하고, 한 쪽에 물 또는 수증기를 공급하고, 다른 한 쪽에 피수소화물을 공급하여, 애노드측에서의 물 또는 수증기의 전기 분해에 의해 생성된 수소 이온을, 캐소드측에서 피수소화물과 수소 부가 반응을 일으켜 유기 하이드라이드를 제조하고 있다. 피수소화물로서 톨루엔을 이용한 경우의 애노드, 캐소드의 각각의 반응식은, 하기와 같다.In contrast to the two-step process, a technique for producing an organic hydride in one step using a single device has been proposed (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). These are electrochemically producing organic hydrides. For example, in Patent Document 1, a metal catalyst is disposed on both sides of a hydrogen-ion-permeable electrolyte membrane selectively permeable to hydrogen ions, water or water vapor is supplied to one side and supply gas is supplied to the other side, Hydrogen ions produced by electrolysis of water or water vapor are caused to undergo a hydrogen addition reaction with a hydrogenation product on the cathode side to produce an organic hydride. The reaction schemes of the anode and the cathode in the case of using toluene as the hydrogenated product are as follows.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

일본 특허 출원 공개 제2003-45449호 공보Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-45449

Catalysis Today, 56, 307(2000)Catalysis Today, 56, 307 (2000)

그러나, 이들 유기 하이드라이드 제조 방법으로는, 높은 에너지 효율을 얻는 것이 곤란하였다.However, with these organic hydride production methods, it has been difficult to obtain high energy efficiency.

본 발명의 목적은, 단일 장치를 이용하여 1단계로 유기 하이드라이드를 제조하는 경우에도, 높은 에너지 효율이 얻어지는 막 전극 접합체 및 유기 하이드라이드 제조 장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly and an apparatus for producing an organic hydride which can obtain high energy efficiency even when an organic hydride is produced in a single step using a single apparatus.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시 형태로서, 피수소화물인 방향족 탄화수소를 환원하는 캐소드 촉매층 및 물을 산화하는 애노드 촉매층이 양성자 도전성의 고체 고분자 전해질막을 사이에 두도록 배치된 막 전극 접합체에 있어서, 상기 캐소드 촉매층이, 상기 피수소화물을 환원하여 수소화물에 반응시키는 촉매 금속과, 상기 촉매 금속을 담지한 담체 및 양성자 도전성의 고체 고분자 전해질로 구성되고, 상기 담체 표면에 상기 피수소화물에 대한 습윤성을 약하게 하는 관능기가 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체로 한다.As one embodiment for achieving the above object, there is provided a membrane-electrode assembly in which a cathode catalyst layer for reducing aromatic hydrocarbons, which are to-be-purchased, and an anode catalyst layer for oxidizing water are disposed so as to sandwich a solid polymer electrolyte membrane having a proton conductivity, A catalyst metal which reacts with the hydride to react with the hydride, a carrier carrying the catalyst metal, and a proton-conductive solid polymer electrolyte, wherein a functional group which weakens the wettability to the subject matter hydrate is added to the surface of the carrier Wherein the membrane electrode assembly is a membrane electrode assembly.

또한, 상기 막 전극 접합체와, 상기 캐소드 촉매층에 상기 피수소화물을 공급하는 부재, 및 상기 애노드 촉매층에 물 또는 수증기를 공급하는 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치로 한다.The present invention also provides an apparatus for producing an organic hydride, characterized by comprising the membrane electrode assembly, a member for supplying the gas-containing substance to the cathode catalyst layer, and a member for supplying water or steam to the anode catalyst layer.

또한, 캐소드 촉매층과, 애노드 촉매층과, 상기 캐소드 촉매층에 피수소화물인 방향족 탄화수소를 공급하여 유기 하이드라이드를 취출하고, 상기 애노드 촉매층으로 H2O를 공급하여 산소와 물을 배출하는 세퍼레이터를 갖는 유기 하이드라이드 제조 장치에 있어서, 상기 캐소드 촉매층은 고체 고분자 전해질막의 한 쪽의 면에, 상기 애노드 촉매층은 상기 고체 고분자 전해질막의 다른 쪽의 면에 배치되고, 상기 캐소드 촉매층은, 상기 피수소화물을 환원하여 수소화물에 반응시키는 촉매 금속과, 상기 촉매 금속을 담지한 담체를 포함하고, 상기 담체는, 그 표면에 상기 피수소화물에 대한 습윤성을 약하게 하는 관능기를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치로 한다.Further, it is also possible to use an organic hydrocarbon having a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, a separator for extracting organic hydride by supplying an aromatic hydrocarbon, which is a gas hydride, to the cathode catalyst layer, and supplying H 2 O to the anode catalyst layer to discharge oxygen and water Wherein the anode catalyst layer is disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane and the cathode catalyst layer is formed by reducing the hydrogenated hydride to form a hydride And a carrier on which the catalytic metal is supported, wherein the carrier has a functional group which weakens the wettability to the subject matter hydrate on the surface thereof.

본 발명에 따르면, 촉매 금속을 담지하는 담체의 표면에 피수소화물에 대한 습윤성을 약하게 하는 관능기를 도입함으로써, 단일 장치를 이용하여 1단계로 유기 하이드라이드를 제조하는 경우에도, 높은 에너지 효율이 얻어지는 막 전극 접합체 및 유기 하이드라이드 제조 장치를 제공할 수 있다.According to the present invention, by introducing a functional group that weakens the wettability to the subject matter hydrate on the surface of the carrier carrying the catalytic metal, even when the organic hydride is produced in one step using a single apparatus, Electrode assembly and an apparatus for producing an organic hydride can be provided.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 유기 하이드라이드 제조 장치의 일례를 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 막 전극 접합체를 도시하는 도면으로, (a)는 평면도, (b)는 평면도의 D-E 단면도, (c)는 단면도의 F부 확대도.
도 3은 종래 기술의 막 전극 접합체를 도시하는 도면으로, (a)는 평면도, (b)는 평면도의 D-E 단면도, (c)는 단면도의 F부 확대도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기 하이드라이드 제조 장치에 있어서의, 전류 밀도와 인가 전압의 관계의 일례를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기 하이드라이드 제조 장치에 있어서의 첨가율과 인가 전압의 관계의 일례를 도시하는 도면.
도 6은 비교예 1에 따른 유기 하이드라이드 제조 장치에 있어서의 전류 밀도와 인가 전압의 관계의 일례를 도시하는 도면.
도 7은 비교예 1에 따른 유기 하이드라이드 제조 장치에 있어서의 첨가율과 인가 전압의 관계의 일례를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예 및 비교예 1에 따른 유기 하이드라이드 제조 장치에 있어서의 전류 밀도와 첨가율의 일례를 도시하는 도면.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a cross-sectional view showing an example of an apparatus for producing an organic hydride according to an embodiment of the present invention; Fig.
Fig. 2 is a diagram showing a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 (a) is a plan view, Fig. 2 (b) is a DE sectional view of a plan view, and Fig.
Fig. 3 is a diagram showing a prior art membrane electrode assembly, in which (a) is a plan view, (b) is a DE sectional view of a plan view, and Fig.
4 is a diagram showing an example of a relationship between a current density and an applied voltage in the organic hydride producing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing an example of a relationship between an addition ratio and an applied voltage in the organic hydride production apparatus according to the first embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing an example of the relationship between the current density and the applied voltage in the organic hydride producing apparatus according to Comparative Example 1. Fig.
7 is a diagram showing an example of the relationship between the addition rate and the applied voltage in the organic hydride production apparatus according to Comparative Example 1. [Fig.
8 is a diagram showing an example of the current density and the addition rate in the organic hydride production apparatus according to the first to third embodiments and the comparative example 1 of the present invention.

본 발명자 등은, 종래의 단일 장치를 이용하여 1단계로 유기 하이드라이드를 제조한 경우에 높은 에너지 효율을 얻지 못하는 이유에 대해서 검토하였다. 그 결과, 이유 중 하나로서, 전극에 대한 톨루엔 등의 피수소화물의 습윤성에 문제가 있는 것을 발견하였다. 1단계로 유기 하이드라이드를 제조하는 단일 장치의 전극은, 양성자 전도성 전해질과 촉매를 혼재시킨 층으로 이루어져, 촉매층이라고 불린다. 그 중, 촉매는 백금 등의 금속 촉매를 담체에 담지시킨 것으로 이루어진다. 담체에는, 높은 전자 전도성을 갖는, 백금 등의 금속 촉매의 응집을 막아 분산성을 높이기 위해 높은 비표면적을 갖는다고 하는 조건이 필요하며, 통상은 카본계의 재료가 이용된다.The present inventors have studied the reason why high energy efficiency can not be obtained when the organic hydride is prepared in a single step using a single conventional apparatus. As a result, it has been found that, as one of the reasons, there is a problem in the wettability of an object to be treated such as toluene to an electrode. An electrode of a single device for producing an organic hydride in one step is composed of a layer in which a proton conductive electrolyte and a catalyst are mixed, and is called a catalyst layer. Among them, the catalyst is formed by supporting a metal catalyst such as platinum on a carrier. The carrier is required to have a high specific surface area in order to increase the dispersibility by preventing aggregation of a metal catalyst such as platinum, which has high electron conductivity, and a carbon-based material is usually used.

그런데, 카본계의 재료에 대한, 톨루엔 등의 피수소화물의 습윤성은 매우 강하여, 젖기 쉽다. 예를 들면, 활성탄은 비표면적이 큰 카본계의 재료이지만, 톨루엔은 활성탄에 대해 흡착하는 것이 알려져 있다. 담체의 카본에 대한 톨루엔 등의 피수소화물의 습윤성이 강한 경우, 피수소화물이 담체의 카본 표면을 덮어 버려, 카본 표면에 흡착 또는 체류함으로써 촉매로의 피수소화물이 연속적인 공급이 저해되는 것이 추정되었다. 그 경우, 피수소화물이 공급되지 않고 반응에 기여하지 않은 촉매가 발생하여, 에너지 효율은 낮은 것으로 된다. 따라서, 담체인 카본의 표면 개질을 하여 톨루엔 등의 피수소화물의 습윤성을 약하게 한 바, 촉매층 표면에서의 피수소화물의 체류를 막아, 피수소화물을 촉매로 안정적으로 공급하는 것이 가능해지는 것을 발견하였다.Incidentally, the wettability of the subject matter such as toluene with respect to the carbon-based material is very strong, and is easily wetted. For example, although activated carbon is a carbon-based material having a large specific surface area, it is known that toluene adsorbs to activated carbon. When the wettability of the object to be treated such as toluene with respect to the carbon of the carrier is strong, it is assumed that the object to be adsorbed covers the surface of the carrier of the carrier and adsorbs or stays on the surface of the carrier to inhibit the continuous supply of the carrier. In this case, a catalyst which does not contribute to the reaction and is not supplied with the subject gas is generated, resulting in low energy efficiency. Therefore, it has been found that the surface of the carrier carbon is modified to weaken the wettability of the object-to-be-treated such as toluene, thereby preventing the object-to-be-received on the surface of the catalyst layer from being stably supplied.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 생성된 것으로, 전기 화학적으로 유기 하이드라이드를 제조하기 위한 막 전극 접합체나 유기 하이드라이드 장치에 있어서, 촉매 담체로서, 표면 개질을 하여 술폰산기나 수산기, 카르복실기 등의 관능기를 도입하여, 톨루엔 등의 피수소화물에 대한 습윤성을 약하게 한 카본을 사용할 수 있다. 또한, 상기 카본에 금속 촉매를 담지한 촉매와, 양성자 전도성 고체 고분자 전해질이 적절히 서로 혼합된 촉매층이, 양성자 전도성 고체 고분자 전해질막의 표리에 형성된 전극 구조를 갖는다. 이 전극에 있어서, 애노드측에 물 또는 수증기를 공급하고, 캐소드측에 피수소화물을 공급한 상태에서, 애노드­캐소드 사이에 전압을 인가함으로써 애노드에 있어서 물의 전기 분해 반응, 캐소드에 있어서 피수소화물로의 수소 부가 반응을 일으켜서 유기 하이드라이드를 생성시킬 수 있다.The present invention relates to a membrane electrode assembly or an organic hydride device for electrochemically producing an organic hydride, which is produced on the basis of the above-mentioned knowledge, and is characterized in that a surface modification is carried out as a catalyst carrier to convert functional groups such as a sulfonic acid group, hydroxyl group and carboxyl group , And carbon having weakened wettability with respect to the object to be treated such as toluene can be used. Further, the catalyst layer in which the catalyst carrying the metal catalyst on the carbon and the proton conductive solid polymer electrolyte are appropriately mixed with each other has an electrode structure formed on the front and back surfaces of the proton-conductive solid polymer electrolyte membrane. In this electrode, water or water vapor is supplied to the anode side, and a voltage is applied between the anode and cathode in the state where the cathode side is supplied with a mercury gas, whereby the electrolysis of water in the anode, the hydrogen An addition reaction can be carried out to generate an organic hydride.

본 발명에 따른 실시 형태에 대해서 도면을 이용하여 자세히 진술한다.Embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1에 본 발명의 실시 형태에 따른 유기 하이드라이드 제조 장치의 일례를 도시한다. 본 실시 형태의 유기 하이드라이드 제조 장치는, 고체 고분자 전해질막(12)의 한 쪽의 면에 애노드 촉매층(13)을, 다른 쪽의 면에 캐소드 촉매층(14)을 접합하여, 일체화한 막 전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 가스 확산층(15), 가스 등의 유로로 되는 홈이 형성된 세퍼레이터(11) 사이에 두고 구성되어 있다. 또한, 한쌍의 세퍼레이터(11) 사이에는 가스 실(gas seal)을 위한 가스켓(16)이 삽입되어 있다.Fig. 1 shows an example of an apparatus for producing an organic hydride according to an embodiment of the present invention. The apparatus for producing an organic hydride of the present embodiment is characterized in that an anode catalyst layer 13 is bonded to one surface of a solid polymer electrolyte membrane 12 and a cathode catalyst layer 14 is bonded to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 12, is configured across: (MEA M embrane E lectrode ssembly a) a gas diffusion layer 15, a separator 11, a groove is formed as a flow path of gas or the like. A gasket 16 for a gas seal is inserted between the pair of separators 11.

세퍼레이터(11)는 도전성을 갖고, 그 재질은 치밀 흑연플레이트, 흑연이나 카본 블랙 등의 탄소 재료를 수지에 의해 성형한 카본플레이트, 스테인리스강이나 티탄 등의 내식성이 우수한 금속 재료가 바람직하다. 또한, 세퍼레이터(11)의 표면을 귀금속 도금하거나, 내식성, 내열성이 우수한 도전성 도료를 도포하여 표면 처리하는 것도 바람직하다. 세퍼레이터(11)의 애노드 촉매층(13) 및 캐소드 촉매층(14)에 대향하는 면에는 반응 가스 또는 액체의 유로로 되는 홈이 형성되어 있다. 애노드측의 세퍼레이터(11)의 유로홈에는 물 또는 수증기가 공급된다. 유로홈을 흐르는 물 또는 수증기는 가스 확산층(15)을 통해 애노드 촉매층(13)에 공급된다. 또한, 캐소드측의 세퍼레이터(11)에는 피수소화물이 공급된다. 유로홈을 흐르는 피수소화물은 가스 확산층(15)을 통해 캐소드 촉매층(14)에 공급된다. 피수소화물의 공급 방법으로서는, 액체 형상의 피수소화물을 그대로 공급해도 되고, He 가스나 N2 가스 등을 캐리어로 한 증기 형상의 피수소화물을 공급해도 된다.The separator 11 is preferably made of a material such as a carbon plate formed of a dense graphite plate, a carbon material such as graphite or carbon black, or a metal material having excellent corrosion resistance such as stainless steel or titanium. It is also preferable that the surface of the separator 11 is plated with a noble metal or a conductive coating excellent in corrosion resistance and heat resistance is applied to the surface of the separator 11. On the surface of the separator 11 facing the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 14, a groove serving as a reaction gas or liquid flow path is formed. Water or water vapor is supplied to the flow channel of the separator 11 on the anode side. Water or water vapor flowing in the flow channel is supplied to the anode catalyst layer 13 through the gas diffusion layer 15. Further, the gasifier to be treated is supplied to the separator 11 on the cathode side. The gas hydrate flowing in the flow channel is supplied to the cathode catalyst layer 14 through the gas diffusion layer 15. As the supply method of the subject matter hydrate, a liquid-like subject matter hydrate may be supplied as it is, or a vapor-like object to be vaporized using He gas, N 2 gas or the like as a carrier may be supplied.

가스 확산층(15)은 세퍼레이터(11)의 유로에 공급된 반응 물질(가스 또는 액체)을 촉매층의 면 내에 균일하게 공급하기 위해 설치되고, 카본 페이퍼 또는 카본 클로스 등의 통기성을 갖는 기체(基體)를 사용한다.The gas diffusion layer 15 is provided to uniformly supply the reactive material (gas or liquid) supplied to the flow path of the separator 11 into the surface of the catalyst layer and is provided with a gas permeable substrate such as carbon paper or carbon cloth use.

가스켓(16)은 절연성이고, 특히 수소 또는 피수소화물, 유기 하이드라이드에 대하여 내성이 있으며, 이들의 투과가 적고 기밀성이 유지되는 재질이면 좋고, 예를 들면 부틸 고무, 바이톤 고무, EPDM 고무(에틸렌-프로필렌-디엔고무) 등을 들 수 있다.The gasket 16 may be made of any material that is insulating, particularly resistant to hydrogen or anhydride, or organic hydride, and has low permeability and airtightness. Examples of the gasket 16 include butyl rubber, Viton rubber, EPDM rubber -Propylene-diene rubber), and the like.

애노드측에 물 또는 수증기를 공급하고, 캐소드측에 피수소화물로서 톨루엔을 공급한 상태에서, 애노드­캐소드 사이에 전압을 인가하면, 애노드에 있어서 반응식 1의 물의 전기 분해 반응이 발생한다. 반응식 1의 전기 분해 반응에 의해 생긴 양성자가 고체 고분자 전해질막(12)을 통해 캐소드 촉매층(14)으로 이동하고, 캐소드 촉매층에 있어서 반응식 2의 수소 부가 반응이 발생하여 유기 하이드라이드인 메틸시클로헥산이 생성된다.When water or water vapor is supplied to the anode side and toluene is supplied to the cathode side, and a voltage is applied between the anode and cathode, the electrolysis reaction of water in the reaction formula 1 occurs in the anode. The proton produced by the electrolysis reaction of the reaction scheme 1 moves to the cathode catalyst layer 14 through the solid polymer electrolyte membrane 12 and the hydrogen addition reaction of the reaction formula 2 occurs in the cathode catalyst layer, and methylcyclohexane .

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure pat00004
Figure pat00004

본 실시 형태의 유기 하이드라이드 장치는 상기 반응에 의해, 전기 화학적으로 피수소화물에 대해 수소 부가 반응시켜서 유기 하이드라이드를 생성하는 것이다.In the organic hydride apparatus of the present embodiment, the hydrogen addition reaction is carried out with respect to the hydrocarbons electrochemically by the above reaction to produce the organic hydride.

도 2에 본 실시 형태의 유기 하이드라이드 제조 장치의 전극 부분을 나타낸다. 도 2의 (a), (b), (c)는 각각 고체 고분자 전해질막(21)의 표리에 캐소드 촉매층(22), 애노드 촉매층(23)이 형성된 MEA를 캐소드측에서 본 평면도, 평면도에 있어서의 D-E 부분의 단면도, 단면도에 있어서의 F부의 확대도를 나타낸다.Fig. 2 shows an electrode portion of the organic hydride production apparatus of this embodiment. 2 (a), 2 (b) and 2 (c) are a plan view and a plan view of the MEA in which the cathode catalyst layer 22 and the anode catalyst layer 23 are formed on the front and rear sides of the solid polymer electrolyte membrane 21, Sectional view of a portion DE of FIG.

MEA는 D-E 단면도에 도시한 바와 같이, 캐소드 및 애노드는 치밀한 촉매층으로서 고체 고분자 전해질막(21)의 상하에 형성되어 있다. 캐소드 촉매층(22)은 확대도로 도시한 바와 같이, 촉매 담체인 카본(25)에는 촉매 금속(24)이 담지되어 있다. 카본(25)에는 표면 처리가 실시되어 있으며, 관능기(27)가 도입되어 있다. 이에 의해, 촉매에 대하여 톨루엔 등의 피수소화물이 젖기 어렵게 되어, 촉매층 표면이 피수소화물에 덮여서 체류하지 않고, 촉매에 피수소화물이 안정적으로 공급된다. 또한, 수소 부가 반응에 의해 생성한 유기 하이드라이드의 일산성(逸散性)도 높은 것으로 된다. 또한, 참조 부호 28은 피수소화물 또는 유기 하이드라이드를 나타낸다.As shown in the cross section of the MEA, the cathode and the anode are formed as a dense catalyst layer above and below the solid polymer electrolyte membrane 21. As shown in the enlarged view of the cathode catalyst layer 22, the catalyst metal 24 is supported on the carbon 25 as the catalyst carrier. The carbon 25 is subjected to a surface treatment, and a functional group 27 is introduced. As a result, the subject matter such as toluene is hardly wetted with the catalyst, and the surface of the catalyst layer is covered with the object-to-be-treated so that the object-to-be-treated is stably supplied to the catalyst. In addition, the organic hydride produced by the hydrogen addition reaction is also highly acidic. In addition, reference numeral 28 denotes a hydride or an organic hydride.

카본(25)끼리는 고체 고분자 전해질(26)에 의해 접착되어 있다. 촉매 금속(24)은 카본(25)을 통해 서로 연결된 네트워크 구조를 갖고 있고, 반응식 2의 반응에 필요한 전자의 통로를 형성하고 있다. 또한, 촉매층 중의 고체 고분자 전해질(26)도 마찬가지로 연결된 네트워크 구조를 갖고 있으며, 반응식 2의 반응에 필요한 양성자의 통로를 형성하고 있다.The carbon 25 is adhered to each other by the solid polymer electrolyte 26. The catalytic metal 24 has a network structure connected to each other through the carbon 25 and forms an electron passage necessary for the reaction of the reaction formula (2). The solid polymer electrolyte 26 in the catalyst layer also has a connected network structure and forms a path for the proton necessary for the reaction of the reaction formula (2).

전극 반응은, 카본(25) 상의 촉매 금속(24)과 고체 고분자 전해질 및 반응 물질인 피수소화물이 접촉하는 삼상계면에서 행해진다. 본 실시 형태의 전극에서는 고체 고분자 전해질(26)에 의해 양성자의 통로를 형성하고 있기 때문에, 고체 고분자 전해질막(21)과 직접 접하고 있지 않은 촉매 금속(24)에도 삼상계면이 형성되어 있기 때문에, 많은 금속 촉매가 전극 반응에 기여할 수 있는 구조로 되어 있다. 단, 고체 고분자 전해질은 고체 고분자 전해질막(21)을 구비하고 있고, 필수는 아니지만, 고에너지화를 위해 캐소드 촉매층이 고체 고분자 전해질(26)을 포함하는 것이 바람직하다.The electrode reaction is performed at a three-phase interface at which the catalytic metal 24 on the carbon 25 contacts the solid polymer electrolyte and the hydrate, which is a reactant. Since the protons of the proton are formed by the solid polymer electrolyte 26 in the electrode of the present embodiment, the three-phase interface is also formed in the catalyst metal 24 not in direct contact with the solid polymer electrolyte membrane 21, The metal catalyst has a structure capable of contributing to the electrode reaction. It is preferable that the solid polymer electrolyte includes a solid polymer electrolyte membrane 21 and that the cathode catalyst layer includes a solid polymer electrolyte 26 in order to increase the energy.

도 3에 종래 기술의 유기 하이드라이드 제조 장치의 전극 부분을 나타낸다. 도 3의 (a), (b), (c)는 각각 고체 고분자 전해질막(31)의 표리에 캐소드 촉매층(32), 애노드 촉매층(33)이 형성된 MEA를 캐소드측에서 본 평면도, 평면도에 있어서의 D-E 부분의 단면도, 단면도에 있어서의 F부의 확대도를 나타낸다. 도 3에 도시한 전극에서는, 피수소화물이 담체의 카본 표면을 덮어 버려, 카본 표면에 흡착 또는 체류함으로써 촉매로의 피수소화물이 연속적인 공급이 저해된다는 문제가 생긴다. 그 때문에, 피수소화물이 공급되지 않고 반응에 기여하지 않는 촉매가 발생하여, 에너지 효율은 낮은 것으로 된다. 또한, 참조 부호 34는 촉매 금속, 참조 부호 35는 카본 담체, 참조 부호 36은 피수소화물 또는 유기 하이드라이드를 나타낸다.Fig. 3 shows an electrode portion of a prior art organic hydride manufacturing apparatus. 3 (a), 3 (b) and 3 (c) are a plan view and a plan view of the MEA in which the cathode catalyst layer 32 and the anode catalyst layer 33 are formed on the front and rear sides of the solid polymer electrolyte membrane 31, Sectional view of a portion DE of FIG. In the electrode shown in Fig. 3, there is a problem that the subject matter to be adsorbed or retained on the carbon surface is covered with the subject matter of the carrier so that the supply of the subject matter to the catalyst is interrupted. As a result, a catalyst which does not contribute to the reaction and is not supplied with the subject gas is generated, resulting in low energy efficiency. Reference numeral 34 denotes a catalyst metal, 35 denotes a carbon carrier, and 36 denotes a hydride or an organic hydride.

본 실시 형태의 촉매 담체인 카본(25)은, 표면 개질에 의해 관능기(27)가 도입되어 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 피수소화물이 젖기 어렵게 되어, 캐소드 촉매층(22) 표면에서의 피수소화물의 체류를 막아, 캐소드 촉매층(22)으로 피수소화물의 공급이 저해되지 않게 된다.The carbon support 25 of the present embodiment is characterized in that the functional group 27 is introduced by surface modification. As a result, the subject matter hydrate is less likely to be wetted, the retention of the subject matter-present on the surface of the cathode catalyst layer 22 is prevented, and the supply of the subject matter hydrate to the cathode catalyst layer 22 is not hindered.

카본 표면에 도입하는 관능기(27)는, 톨루엔 등의 피수소화물과의 습윤성을 약하게 하여, 발유성(撥油性)을 높이는 것이면, 어떠한 것이든 좋다. 예를 들면, 술폰산기, 포스폰산기, 수산기, 술포메틸기, 카르복실기, 카르보닐기, 카르복실산기 등을 들 수 있다. 이들 중에서, 적어도 하나가 포함되면 좋지만, 특히 술폰산기가 실용상 바람직하다.The functional group 27 introduced into the carbon surface may be any as long as it lowers the wettability with the object to be treated such as toluene to improve the oil repellency. Examples thereof include a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, a sulfomethyl group, a carboxyl group, a carbonyl group, and a carboxylic acid group. Of these, at least one of them may be contained, but a sulfonic acid group is particularly preferable for practical use.

담체(25)로서는, 전자 전도성의 카본이면 어느 쪽이든 좋다. 예를 들면, 퍼니스 블랙이나 채널 블랙, 아세틸렌 블랙, 비정질 블랙, 카본나노튜브, 카본나노혼, 카본 블랙, 활성탄, 흑연 등을 들 수 있다. 이들의 것을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.As the carrier 25, any electron conductive carbon may be used. Examples thereof include furnace black, channel black, acetylene black, amorphous black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon black, activated carbon and graphite. These may be used singly or in combination.

카본의 표면 처리를 하여 관능기를 도입하는 방법으로서는, 예를 들면 술폰산기를 도입하는 경우에는, 황산 가스나 발연 황산, 황산 등으로 처리하여 술폰산기를 도입할 수 있다. 또한, 아황산나트륨이나 중아황산나트륨, 포르말린 수용액, 파라포름알데히드 등으로 처리하고 술포메틸기를 도입할 수 있다. 또한, 수산기의 도입에는, 카본에 대해 산소 플라즈마 조사를 하는 것이 생각된다.As a method for introducing a functional group through surface treatment of carbon, for example, when a sulfonic acid group is introduced, a sulfonic acid group can be introduced by treatment with sulfuric acid gas, fuming sulfuric acid, sulfuric acid or the like. In addition, a sulfomethyl group can be introduced by treatment with sodium sulfite, sodium bisulfate, an aqueous formalin solution, paraformaldehyde or the like. It is also conceivable that oxygen is irradiated to carbon for the introduction of the hydroxyl group.

한편, 본 실시 형태에서 이용하는 촉매 금속(24)에는, 수소부가 작용을 갖는 촉매 재료를 이용하여, 예를 들면 Ni, Pd, Pt, Rh, Ir, Re, Ru, Mo, W, V, Os, Cr, Co, Fe 등의 금속 및 이들 합금 촉매를 사용할 수 있고, 특히 Pt(백금), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pa), 이리듐(Ir), 몰리브덴(Mo), 레늄(Re), 텅스텐(W)이나 이들 합금이 실용 상 바람직하다. 수소부가 촉매는, 촉매 금속의 저감에 의한 저비용화와 반응 표면적의 증대화를 위해, 미립자화하는 것이 바람직하다.On the other hand, the catalytic metal 24 used in the present embodiment may be formed of a catalytic material having a hydrogen addition action, for example, Ni, Pd, Pt, Rh, Ir, Re, Ru, Mo, W, (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pa), iridium (Ir), molybdenum (Mo), rhenium Re), tungsten (W), and alloys thereof are practically preferable. The hydrogen addition catalyst is preferably made into fine particles in order to reduce the cost by reducing the catalyst metal and to increase the reaction surface area.

또한, 담체의 카본(25)에 촉매 금속(24)을 담지하는 방법으로서는, 공침법, 열 분해법, 무전해 도금법 등 특별히 한정은 없다.As the method of carrying the catalyst metal 24 on the carrier 25 of the carrier, there is no particular limitation such as a coprecipitation method, a thermal decomposition method, and an electroless plating method.

본 실시 형태의 MEA에 관해서는 이하의 방법으로 제작할 수 있다. 우선, 표면 개질한 카본(25)에 촉매 금속(24)을 담지시킨 촉매, 고체 고분자 전해질 및 고체 고분자 전해질을 용해하는 용매를 더하여 충분히 혼합한 캐소드 촉매 페이스트와, 백금블랙, 고체 고분자 전해질 및 고체 고분자 전해질을 용해하는 용매를 더하여 충분히 혼합한 애노드 촉매 페이스트를 제작한다. 이들 페이스트를, 각각 폴리플루오로에틸렌(PTFE) 필름 등의 박리 필름 위에, 스프레이 드라이법 등에 의해 분무하고, 80℃에서 건조시켜서 용매를 증발시켜, 캐소드 및 애노드 촉매층을 형성한다. 다음으로 이들 캐소드 및 애노드 촉매층을, 고체 고분자 전해질막(21)을 정가운데로 사이에 두고 핫 프레스법에 의해 접합하고, 박리 필름(PTFE)을 박리함으로써, 본 실시 형태의 MEA를 제작할 수 있다.The MEA of the present embodiment can be manufactured by the following method. First, a cathode catalyst paste in which a catalyst in which a catalytic metal 24 is supported on a surface-modified carbon 25, a solvent in which a solid polymer electrolyte and a solid polymer electrolyte are dissolved is added and thoroughly mixed, and a platinum black, a solid polymer electrolyte and a solid polymer A solvent for dissolving an electrolyte is added to prepare an anode catalyst paste sufficiently mixed. These pastes are respectively sprayed on a release film such as a polyfluoroethylene (PTFE) film by a spray drying method or the like, followed by drying at 80 DEG C to evaporate the solvent to form a cathode and an anode catalyst layer. Next, the cathode and the anode catalyst layer are bonded to each other by a hot press method with the solid polymer electrolyte membrane 21 sandwiched therebetween, and the peeling film (PTFE) is peeled off, whereby the MEA of this embodiment can be manufactured.

또한, 본 실시 형태의 MEA 제작의 다른 일례로서, 상기한 표면 개질한 카본(25)에 촉매 금속(24)을 담지시킨 촉매, 고체 고분자 전해질 및 고체 고분자 전해질을 용해하는 용매를 더하여 충분히 혼합한 캐소드 촉매 페이스트와, 백금 블랙, 고체 고분자 전해질 및 고체 고분자 전해질을 용해하는 용매를 더하여 충분히 혼합한 애노드 촉매 페이스트를, 스프레이 드라이법 등에 의해, 직접 고체 고분자 전해질막(21)에 분무하는 것으로도 제작할 수 있다.As another example of the production of the MEA of the present embodiment, a catalyst in which the catalyst metal 24 is supported on the surface-modified carbon 25, a solvent for dissolving the solid polymer electrolyte and the solid polymer electrolyte, It is also possible to spray an anode catalyst paste directly mixed with a catalyst paste, a solvent for dissolving platinum black, a solid polymer electrolyte and a solid polymer electrolyte, directly onto the solid polymer electrolyte membrane 21 by a spray drying method or the like .

고체 고분자 전해질막(21)을 구성하는 유기 고분자로서는, 퍼플루오로카본술폰산, 또는 폴리스티렌이나 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 그 밖의 엔지니어링 플라스틱 재료에, 술폰산기, 포스폰산기, 카르복실기 등의 양성자 공여체를 도핑 또는 화학적으로 결합, 고정화한 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 재료에 있어서, 가교 구조로 하거나, 부분 불소화함으로써 재료 안정성을 높일 수 있다.Examples of the organic polymer constituting the solid polymer electrolyte membrane 21 include perfluorocarbonsulfonic acid, polystyrene, polyetherketone, polyetheretherketone, polysulfone, polyether sulfone, and other engineering plastic materials, A proton donor such as a sulfonic acid group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group or a carboxyl group. In addition, in the above material, the material stability can be improved by forming a crosslinked structure or partially fluorinating it.

촉매층에 함유하는 고체 고분자 전해질에는, 양성자 도전성을 나타내는 고분자 재료를 이용하여, 예를 들면 퍼플루오로카본계 술폰산 수지나 폴리퍼플루오로스티렌계 술폰산 수지로 대표되는 술폰산화 또는 알킬렌술폰산화한 불소계 중합체나 폴리스티렌류를 들 수 있다. 그 외에 폴리술폰류, 폴리에테르술폰류, 폴리에테르에테르술폰류, 폴리에테르에테르케톤류, 탄화수소계 중합체에 술폰산기 등의 양성자 공여체를 도입한 재료를 들 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 유기 고분자와 금속 산화물수화물의 복합 전해질을 이용할 수도 있다.As the solid polymer electrolyte contained in the catalyst layer, a polymer material exhibiting proton conductivity can be used. For example, a fluorine-based or fluorine-based sulfonated or alkylenesulfonated polymer typified by a perfluorocarbon sulfonic acid resin or a polyperfluorostyrene sulfonic acid resin Polymers and polystyrenes. In addition to these, materials obtained by introducing a proton donor such as a polysulfone, a polyether sulfone, a polyether ether sulfone, a polyether ether ketone, or a hydrocarbon polymer into a sulfonic acid group. A composite electrolyte of the organic polymer and metal oxide hydrate of the present embodiment may also be used.

피수소화물로서는 방향족 탄화수소를 사용할 수 있으며, 예를 들면 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메시틸렌, 나프탈렌, 메틸나프탈렌, 안트라센, 비페닐, 페난트롤린 및 이들 알킬 치환체 중 어느 하나 또는 복수 혼합한 것을 사용할 수 있다. 이들 탄소끼리의 이중 결합에 수소가 부가됨으로써, 수소를 저장할 수 있다.An aromatic hydrocarbon may be used as the object to be treated, and examples thereof include benzene, toluene, xylene, mesitylene, naphthalene, methylnaphthalene, anthracene, biphenyl, phenanthroline, . Hydrogen is added to the double bonds of these carbon atoms, so that hydrogen can be stored.

이하, 본 발명에 대해서 실시예를 이용해서 상세히 설명한다. 또한, 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. The present invention is not limited to the following examples.

[실시예 1]Example 1

촉매로서, 카본 블랙에 Pt 미립자를 30wt% 분산 담지한 촉매를 이용하였다. 우선, 이 촉매 100g을 105℃에서 1시간 예비 가열하였다. 그 후, 100℃로 가열한 삼산화황 가스를, 건조 공기에 대하여 12vol.%의 농도로 들여 보내, 반응시켰다. 반응시간은 2시간으로 하였다. 그 후, 냉각하고, 촉매를 이온 교환수 안에 투입하여, 교반·여과하여, 여액의 pH가 일정해질 때까지 이온 교환수로 수세하였다.As the catalyst, a catalyst in which 30 wt% of Pt fine particles were dispersed and supported on carbon black was used. First, 100 g of this catalyst was preheated at 105 DEG C for 1 hour. Thereafter, the sulfur trioxide gas heated to 100 ° C was introduced at a concentration of 12 vol.% With respect to the dry air and reacted. The reaction time was 2 hours. Thereafter, the solution was cooled, the catalyst was poured into ion-exchange water, stirred and filtered, and washed with ion-exchanged water until the pH of the filtrate became constant.

얻어진 촉매에 대하여, 적외선 흡수 스펙트럼을 측정한 바, 620㎝-1, 1037㎝-1, 1225㎝-1에 피크가 관측되었다. 이것은, 술폰산기 -SO3H에 기초하는 피크라고 생각되고, 담체의 카본 블랙의 표면에 술폰산기가 도입되어 있는 것이 확인되었다. 도입된 술폰산기의 당량은, 1.8밀리 당량/g 건조 카본 담체였다.The resulting catalyst, a peak was observed at a bar, 620㎝ -1, 1037㎝ -1, 1225㎝ -1 measure the infrared absorption spectrum. This was considered to be a peak based on a sulfonic acid group -SO 3 H, and it was confirmed that a sulfonic acid group was introduced on the surface of the carbon black of the support. The equivalent of the introduced sulfonic acid group was 1.8 milliequivalents / g of dried carbon carrier.

이상과 같이 하여 얻어진 촉매를, 캐소드 촉매로서 이용하여 도 2에 도시하는 구성의 MEA를 제작하였다. 전해질막에는 나피온(듀퐁사 제조)를 이용하였다. 캐소드 촉매층(22)은, 스프레이 코터를 이용하여, 직접 나피온에 촉매 슬러리를 도포하여 형성하였다. 이하의 순서로 캐소드 촉매층(22)을 나피온에 도포하였다.The catalyst thus obtained was used as a cathode catalyst to prepare an MEA having the structure shown in Fig. Nafion (manufactured by DuPont) was used as the electrolyte membrane. The cathode catalyst layer 22 was formed by directly applying a catalyst slurry to Nafion using a spray coater. The cathode catalyst layer 22 was applied to Nafion in the following order.

우선, 나피온을 기판의 핫 플레이트 위에 놓고, 흡인함으로써 고정하였다. 핫 플레이트의 온도는 50℃로 하였다. 다음으로, 그 위로부터 마스크를 하여, 스프레이 코터(노도손사 제조)로 캐소드 촉매 슬러리를 도포하였다. 캐소드 촉매 슬러리로서, 본 실시예에서 제작한 촉매와 물, 5wt% 나피온 용액, 221 용액(1-프로판올:2-프로판올:물=2:2:1의 용액)을 2:1.2:5.4:10.6의 중량비로 혼합한 것을 이용하였다. 도포 조건은 액압 0.01㎫, 스월압 0.15㎫, 무화압 0.15㎫, 건/기판 거리 60㎜, 기판 온도 50℃로 하였다. 캐소드 촉매량은 0.4㎎Pt·㎝-2로 하였다.First, Nafion was placed on a hot plate of the substrate and fixed by suction. The temperature of the hot plate was set at 50 캜. Next, a mask was formed thereon, and a cathode catalyst slurry was applied by a spray coater (manufactured by Nodoson Co., Ltd.). As the cathode catalyst slurry, the catalyst prepared in this example and water, 5 wt% Natrium solution, and 221 solution (1-propanol: 2-propanol: water = 2: 2: 1) were mixed in a ratio of 2: 1.2: 5.4: By weight. The coating conditions were liquid pressure of 0.01 MPa, swath pressure of 0.15 MPa, atomization pressure of 0.15 MPa, dry-substrate distance of 60 mm, and substrate temperature of 50 캜. The amount of the cathode catalyst was 0.4 mgPt-cm <" 2 & gt ;.

캐소드 촉매층(22)을 나피온 표면에 형성한 후, 그 이면에 애노드 촉매층(23)을 형성시켰다. 애노드 촉매층(23)은 전사법에 의해 형성하였다. 우선, 애노드 촉매 슬러리를 제작하였다. 애노드 촉매 슬러리로서, 백금 블랙 HiSPEC1000(존슨매티 제조)과 5wt% 나피온 용액, 221 용액을, 1:1.11:2.22의 중량비로 혼합한 것을 이용하였다. 그것을 어플리케이터에 의해, 테플론(등록상표) 시트 위에 도포하였다. 테플론(등록상표) 시트 위에 도포한 애노드 촉매층을, 핫 프레스(테스터산업사 제조 SA-401-M)에 의한 열전사로 나피온 표면에 형성하였다. 핫 프레스압력은 37.2kgf·㎝-2, 핫 프레스 온도는 120℃, 핫 프레스 시간은 2분간으로 하였다. 애노드 촉매량은 4.8㎎Pt·㎝-2로 하였다.After the cathode catalyst layer 22 was formed on the Nafion surface, the anode catalyst layer 23 was formed on the back surface. The anode catalyst layer 23 was formed by a transfer method. First, an anode catalyst slurry was prepared. Platinum black HiSPEC 1000 (manufactured by Johnson Matte), 5 wt% Nafion solution and 221 solution were mixed as the anode catalyst slurry at a weight ratio of 1: 1.11: 2.22. It was applied by an applicator onto a Teflon (registered trademark) sheet. An anode catalyst layer applied on a Teflon (registered trademark) sheet was formed on the surface of a Nafion by a hot press (SA-401-M manufactured by Tester Industry Co., Ltd.). The hot press pressure was 37.2 kgf · cm -2 , the hot press temperature was 120 ° C., and the hot press time was 2 minutes. The amount of the anode catalyst was 4.8 mgPt-cm <" 2 & gt ;.

제작한 MEA를 도 1의 유기 하이드라이드 제조 장치에 조립하였다. 피수소화물에는 톨루엔을 이용하였다. 캐소드에 톨루엔을 10㏄/min으로 공급하고, 애노드에 순수(純水)를 5㏄/min으로 공급한 상태에서, 애노드-캐소드 사이에 전압을 인가하였다. 셀 온도는 80℃에서 행하였다. 도 4에 인가 전압에 대한 전류값을 나타낸다. 1.6V 이상 인가한 경우, 전류가 흘러 반응이 진행되었다. 2.2V까지 전압을 높게 할수록, 전류가 커져, 반응이 진행되었다. 캐소드 배출 가스를 가스크로마토그래피로 분석한 바, 톨루엔 및 메틸시클로헥산이 검출되었다. 이에 의해, 톨루엔의 수소 부가 반응에 의해 메틸시클로헥산이 생성된 것이 확인되었다. 도 5는, 가스크로마토그래피의 피크 강도로부터 산출한, 톨루엔으로부터 메틸시클로헥산으로의 전화율을 나타낸다. 전압이 높아질수록 전화율이 향상되며, 이번의 조건에서의 최고치는, 2.2V 인가한 경우에 55%였다.The prepared MEA was assembled into the organic hydride producing apparatus shown in Fig. Toluene was used for the digestible material. Toluene was supplied to the cathode at a rate of 10 cc / min, and a voltage was applied between the anode and the cathode in a state where pure water was supplied at 5 cc / min to the anode. The cell temperature was 80 캜. 4 shows the current value with respect to the applied voltage. When the voltage was 1.6 V or more, the current flowed and the reaction proceeded. As the voltage increased to 2.2V, the current increased and the reaction proceeded. When the cathode exhaust gas was analyzed by gas chromatography, toluene and methylcyclohexane were detected. As a result, it was confirmed that methyl cyclohexane was produced by hydrogen addition reaction of toluene. Fig. 5 shows the conversion ratio of toluene to methylcyclohexane calculated from the peak intensity of gas chromatography. The higher the voltage, the better the conversion rate. The maximum value under this condition was 55% when 2.2 V was applied.

이상 진술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 촉매의 담체 표면에 피수소화물에 대한 습윤성을 약하게 하는 관능기를 도입함으로써, 단일 장치를 이용하여 1단계로 유기 하이드라이드를 제조하는 경우에도, 높은 에너지 효율이 얻어지는 막 전극 접합체 및 유기 하이드라이드 제조 장치를 제공할 수 있다.As described above, according to the present embodiment, by introducing a functional group that weakens the wettability to the carrier to be treated on the carrier surface of the catalyst, even when the organic hydride is produced in one step using a single apparatus, A membrane electrode assembly and an organic hydride producing apparatus which can obtain the membrane electrode assembly and the organic hydride producing apparatus.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

촉매로서, 관능기를 도입하기 위한 표면 처리를 실시하고 있지 않은 카본 블랙에, Pt 미립자를 30wt% 분산 담지한 촉매를 이용하였다. 이 촉매를 캐소드 촉매로서 이용하여 MEA를 제작하였다. 제작 방법·조건은, 실시예 1과 마찬가지로 행하였다.As the catalyst, a catalyst in which 30 wt% of Pt fine particles were dispersed and supported on carbon black not subjected to a surface treatment for introducing a functional group was used. This catalyst was used as a cathode catalyst to prepare an MEA. The manufacturing method and conditions were the same as in Example 1. [

제작한 MEA를 도 1의 유기 하이드라이드 제조 장치에 조립하여, 실시예 1과 마찬가지 조건으로 톨루엔으로의 수소 부가 반응 시험을 행하였다. 도 6에 인가 전압에 대한 전류값을 나타낸다. 실시예 1에 비하여 전류값은 작은 것이었다. 이것은, 카본에 대해 톨루엔의 습윤성은 강하여, 카본 표면에 톨루엔이 체류하게 되어, 촉매 상으로의 톨루엔의 공급이 방해되었기 때문으로 생각된다. 또한, 가스 유량계를 이용하여, 발생한 가스 유량을 측정한 바, 실시예 1에 비하여 비교예 1에서는, 가스 유량이 증가하였다. 이것은, 톨루엔이 공급되어 있지 않은 촉매에 있어서, 톨루엔의 수소 부가 반응이 아닌, 다음의 반응식 3의 반응에 의해 수소 발생이 일어나고 있기 때문으로 생각된다.The prepared MEA was assembled into the organic hydride producing apparatus shown in Fig. 1, and the hydrogen addition reaction test with toluene was carried out under the same conditions as in Example 1. Fig. 6 shows the current value with respect to the applied voltage. The current value was smaller than that in Example 1. This is presumably because the wettability of toluene with respect to carbon was strong, so that toluene stays on the surface of carbon, and the supply of toluene to the catalyst was interrupted. Further, the gas flow rate was measured using a gas flow meter. As a result, the gas flow rate was increased in Comparative Example 1 as compared with Example 1. This is presumably because, in a catalyst to which toluene is not supplied, hydrogen generation is caused by the reaction of the following reaction formula 3, not the hydrogen addition reaction of toluene.

[반응식 3]Scheme 3

Figure pat00005
Figure pat00005

도 7은, 톨루엔으로부터 메틸시클로헥산으로의 전화율을 나타낸다. 이번의 조건에서의 최고치는, 2.2V 인가한 경우에 30%였다. 실시예 1에 비하여 낮은 전화율이었다. 이것은, 비교예 1에서는 수소 부가 반응뿐만 아니라, 수소 발생도 동시에 일어나고 있기 때문으로 생각된다. 그 만큼 유기 하이드라이드 생성의 에너지 효율은 낮은 것이 된다.Figure 7 shows the conversion of toluene to methylcyclohexane. The maximum value under this condition was 30% when 2.2 V was applied. Which was lower than Example 1. This is considered to be because not only a hydrogen addition reaction but also hydrogen generation occur simultaneously in Comparative Example 1. The energy efficiency of the organic hydride formation becomes lower.

이상 진술한 바와 같이, 관능기의 도입 이외에는 실시예와 마찬가지의 구성에서도 높은 에너지 효율의 막 전극 접합체나 유기 하이드라이드 제조 장치를 얻을 수 없다.As described above, it is impossible to obtain a membrane electrode assembly or an apparatus for producing an organic hydride having a high energy efficiency even in the structure similar to the embodiment except for the introduction of a functional group.

[실시예 2][Example 2]

촉매로서, 카본 블랙에 Pt 미립자를 30wt% 분산 담지한 촉매를 이용하였다. 이 촉매 10g과 무수 염화 알루미늄(AlCl3) 15g을 혼합하여, 염화 티오포스포릴(PSCl3)을 서서히 첨가하였다. 온도는 35℃에서 일정하게 하여, 54ml를 천천히 첨가하였다. 그 후, 45분간 75℃로 유지하였다. 냉각 후, 50ml의 클로로포름을 첨가하여 여과하였다. 디에틸 에테르로 충분히 세정한 후, 200ml의 이온 교환수를 가하여, 20시간 환류하였다. 얻어진 촉매의 적외선 흡수 스펙트럼을 측정한 바, 1000 내지 1120㎝-1, 840 ~ 910㎝-1에 피크가 관측되었다. 이것은, 포스폰산에 기초하는 피크라고 생각되며, 담체의 카본 블랙의 표면에 포스폰산기가 도입되어 있는 것이 확인되었다. 도입된 포스폰산기의 당량은, 1.8밀리 당량/g 건조 카본 담체였다.As the catalyst, a catalyst in which 30 wt% of Pt fine particles were dispersed and supported on carbon black was used. 10 g of this catalyst and 15 g of anhydrous aluminum chloride (AlCl 3 ) were mixed, and thiophosphoryl chloride (PSCl 3 ) was gradually added. The temperature was kept constant at 35 캜, and 54 ml was slowly added. Thereafter, it was maintained at 75 캜 for 45 minutes. After cooling, 50 ml of chloroform was added and the mixture was filtered. After sufficiently washing with diethyl ether, 200 ml of ion-exchanged water was added and the mixture was refluxed for 20 hours. The infrared absorption spectrum of the obtained catalyst was measured, and a peak was observed at 1000 to 1120 cm -1 and 840 to 910 cm -1 . This was considered to be a peak based on phosphonic acid, and it was confirmed that a phosphonic acid group was introduced on the surface of the carbon black of the support. The equivalent amount of the phosphonic acid group introduced was 1.8 milliequivalents / g dry carbon carrier.

제작한 촉매를, 캐소드 촉매에 이용하여 MEA를 제작하였다. 제작 방법·조건은, 실시예 1과 마찬가지로 행하였다.The prepared catalyst was used as a cathode catalyst to prepare an MEA. The manufacturing method and conditions were the same as in Example 1. [

제작한 MEA를 도 1의 유기 하이드라이드 제조 장치에 조립하여, 실시예 1과 마찬가지 조건으로 톨루엔으로의 수소 부가 반응 시험을 행하였다. 그 결과를 도 8에 도시하였다. 도 8은 애노드-캐소드 사이에 2.2V 인가했을 때의 전류 밀도 및 전화율이다. 담체의 카본의 표면 처리를 행하고 있지 않은 비교예 1에 비하여, 전류 밀도, 전화율 모두 증가하는 결과로 되어, 카본 표면에 포스폰산기를 도입한 효과가 인정되었다.The prepared MEA was assembled into the organic hydride producing apparatus shown in Fig. 1, and the hydrogen addition reaction test with toluene was carried out under the same conditions as in Example 1. The results are shown in FIG. 8 is a current density and a conversion rate when 2.2 V is applied between the anode and the cathode. The current density and the conversion rate were both increased as compared with Comparative Example 1 in which the surface of the carrier was not treated with carbon, and the effect of introducing the phosphonic acid group on the surface of the carbon was recognized.

이상 진술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 촉매의 담체 표면에 피수소화물에 대한 습윤성을 약하게 하는 관능기를 도입함으로써, 단일 장치를 이용하여 1단계로 유기 하이드라이드를 제조하는 경우에도, 높은 에너지 효율이 얻어지는 막 전극 접합체 및 유기 하이드라이드 제조 장치를 제공할 수 있다.As described above, according to the present embodiment, by introducing a functional group that weakens the wettability to the carrier to be treated on the carrier surface of the catalyst, even when the organic hydride is produced in one step using a single apparatus, A membrane electrode assembly and an organic hydride producing apparatus which can obtain the membrane electrode assembly and the organic hydride producing apparatus.

[실시예 3][Example 3]

촉매로서, 카본 블랙에 Pt 미립자를 30wt% 분산 담지한 촉매를 이용하였다. 이 촉매에 대하여 산소 플라즈마 조사하였다. 조사에 이용한 장치는 야마토가라스사 제조 플라즈마 장치 형번 PDC210이고, 챔버 내의 산소 도입 전의 압력은 0.1Torr 이하, 산소 도입 후의 압력은 0.5Torr로 하였다. 장치의 고주파 전원의 출력은 100W, 플라즈마 조사 시간은 150초간으로 하였다. 얻어진 촉매의 적외선 흡수 스펙트럼을 측정한 바, 3000 ~ 3600㎝-1에 넓은 피크가 관측되었다. 이것은, 수산기 -OH에 기초하는 피크라고 생각되며, Pt 담지 카본 블랙의 표면에 수산기가 도입되어 있는 것이 확인되었다.As the catalyst, a catalyst in which 30 wt% of Pt fine particles were dispersed and supported on carbon black was used. This catalyst was subjected to oxygen plasma irradiation. The apparatus used for the irradiation was a PDC210 plasma apparatus model number manufactured by Yamato Garas Co., the pressure before introducing oxygen in the chamber was 0.1 Torr or less, and the pressure after introducing oxygen was 0.5 Torr. The output of the high-frequency power source of the apparatus was 100 W, and the plasma irradiation time was 150 seconds. The infrared absorption spectrum of the obtained catalyst was measured, and a broad peak at 3000 to 3600 cm -1 was observed. This was considered to be a peak based on hydroxyl group -OH, and it was confirmed that a hydroxyl group was introduced on the surface of the Pt-carrying carbon black.

제작한 촉매를, 캐소드 촉매에 이용하여 MEA를 제작하였다. 제작 방법·조건은, 실시예 1과 마찬가지로 행하였다.The prepared catalyst was used as a cathode catalyst to prepare an MEA. The manufacturing method and conditions were the same as in Example 1. [

제작한 MEA를 도 1의 유기 하이드라이드 제조 장치에 조립하여, 실시예 1과 마찬가지 조건으로 톨루엔으로의 수소 부가 반응 시험을 행하였다. 그 결과를 도 8에 도시하였다. 담체의 카본의 표면 처리를 행하고 있지 않은 비교예 1에 비하여, 전류 밀도, 전화율 모두 증가하는 결과가 되어, 카본 표면에 수산기를 도입한 효과가 인정되었다.The prepared MEA was assembled into the organic hydride producing apparatus shown in Fig. 1, and the hydrogen addition reaction test with toluene was carried out under the same conditions as in Example 1. The results are shown in FIG. The current density and the conversion rate were both increased as compared with Comparative Example 1 in which the surface treatment of the carbon in the carrier was not carried out. As a result, the effect of introducing a hydroxyl group onto the carbon surface was recognized.

이상 진술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 촉매의 담체 표면에 피수소화물에 대한 습윤성을 약하게 하는 관능기를 도입함으로써, 단일 장치를 이용하여 1단계로 유기 하이드라이드를 제조하는 경우에도, 높은 에너지 효율이 얻어지는 막 전극 접합체 및 유기 하이드라이드 제조 장치를 제공할 수 있다.As described above, according to the present embodiment, by introducing a functional group that weakens the wettability to the carrier to be treated on the carrier surface of the catalyst, even when the organic hydride is produced in one step using a single apparatus, A membrane electrode assembly and an organic hydride producing apparatus which can obtain the membrane electrode assembly and the organic hydride producing apparatus.

또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 여러가지 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위하여 상세히 설명한 것이고, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 어느 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성에 대체하는 것도 가능하고, 또한, 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 더하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.In addition, this invention is not limited to an Example mentioned above, A various modified example is included. For example, the above-described embodiments are described in detail in order to facilitate understanding of the present invention and are not limited to those having all the configurations described above. It is also possible to replace some of the configurations of the embodiments with those of the other embodiments, and the configurations of the other embodiments can be added to the configurations of any of the embodiments. In addition, it is possible to add, delete, or replace other configurations to a part of the configurations of each embodiment.

11 : 세퍼레이터
12 : 고체 고분자 전해질막
13 : 애노드 촉매층
14 : 캐소드 촉매층
15 : 가스 확산층
16 : 가스켓
21 : 고체 고분자 전해질막
22 : 캐소드 촉매층
23 : 애노드 촉매층
24 : 촉매 금속
25 : 카본 담체
26 : 고체 고분자 전해질
27 : 관능기
28 : 피수소화물 또는 유기 하이드라이드
31 : 고체 고분자 전해질막
32 : 캐소드 촉매층
33 : 애노드 촉매층
34 : 촉매 금속
35 : 카본 담체
36 : 피수소화물 또는 유기 하이드라이드
11: Separator
12: Solid polymer electrolyte membrane
13: anode catalyst layer
14: cathode catalyst layer
15: gas diffusion layer
16: Gasket
21: Solid polymer electrolyte membrane
22: cathode catalyst layer
23: anode catalyst layer
24: catalyst metal
25: Carbon carrier
26: Solid polymer electrolyte
27: Functional group
28: a hydrate or an organic hydride
31: Solid polymer electrolyte membrane
32: cathode catalyst layer
33: anode catalyst layer
34: catalyst metal
35: Carbon carrier
36: a hydrate or an organic hydride

Claims (14)

피수소화물인 방향족 탄화수소를 환원하는 캐소드 촉매층 및 물을 산화하는 애노드 촉매층이 양성자 도전성의 고체 고분자 전해질막을 사이에 두도록 배치된 막 전극 접합체로서,
상기 캐소드 촉매층이, 상기 피수소화물을 환원하여 수소화물에 반응시키는 촉매 금속과, 상기 촉매 금속을 담지한 담체 및 양성자 도전성의 고체 고분자 전해질로 구성되고,
상기 담체 표면에 상기 피수소화물에 대한 습윤성을 약하게 하는 관능기가 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
There is provided a membrane electrode assembly arranged so that a cathode catalyst layer for reducing an aromatic hydrocarbon, which is a subject gas hydrate, and an anode catalyst layer for oxidizing water are disposed so as to sandwich a proton-conductive solid polymer electrolyte membrane therebetween,
Wherein the cathode catalyst layer comprises a catalytic metal that reduces the adsorbed material to react with the hydride, a carrier carrying the catalytic metal, and a proton-conductive solid polymer electrolyte,
A membrane electrode assembly, wherein a functional group for weakening the wettability to the hydride is introduced on the surface of the carrier.
제1항에 기재된 막 전극 접합체와, 상기 캐소드 촉매층에 상기 피수소화물을 공급하는 부재, 및 상기 애노드 촉매층에 물 또는 수증기를 공급하는 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.An apparatus for producing an organic hydride, comprising: the membrane electrode assembly according to claim 1; a member for supplying the subject gasoline to the cathode catalyst layer; and a member for supplying water or water vapor to the anode catalyst layer. 제1항에 있어서,
상기 관능기가, 술폰산기, 포스폰산기, 수산기, 술포메틸기, 카르복실기, 카르보닐기, 카르복실산기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
The method of claim 1,
Wherein the functional group comprises at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, a hydroxyl group, a sulfomethyl group, a carboxyl group, a carbonyl group, and a carboxylic acid group.
제1항에 있어서,
상기 촉매 금속이, 백금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 이리듐, 몰리브덴, 레늄, 텅스텐 및 이들 중 적어도 일부를 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
The method of claim 1,
Wherein the catalytic metal is made of platinum, ruthenium, rhodium, palladium, iridium, molybdenum, rhenium, tungsten and an alloy containing at least a part of them.
제1항에 있어서,
상기 피수소화물이, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메시틸렌, 나프탈렌, 메틸나프탈렌, 또는 안트라센인 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
The method of claim 1,
Characterized in that the object-to-be-handled is benzene, toluene, xylene, mesitylene, naphthalene, methylnaphthalene, or anthracene.
제2항에 있어서,
상기 피수소화물이, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메시틸렌, 나프탈렌, 메틸나프탈렌, 또는 안트라센인 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.
The method of claim 2,
Wherein the object hydride is benzene, toluene, xylene, mesitylene, naphthalene, methylnaphthalene, or anthracene.
캐소드 촉매층과, 애노드 촉매층과, 상기 캐소드 촉매층에 피수소화물인 방향족 탄화수소를 공급하여 유기 하이드라이드를 취출하고, 상기 애노드 촉매층으로 H2O를 공급하여 산소와 물을 배출하는 세퍼레이터를 갖는 유기 하이드라이드 제조 장치로서,
상기 캐소드 촉매층은 고체 고분자 전해질막의 한 쪽의 면에, 상기 애노드 촉매층은 상기 고체 고분자 전해질막의 다른 쪽의 면에 배치되고,
상기 캐소드 촉매층은, 상기 피수소화물을 환원하여 수소화물에 반응시키는 촉매 금속과, 상기 촉매 금속을 담지한 담체를 포함하고,
상기 담체는, 그 표면에 상기 피수소화물에 대한 습윤성을 약하게 하는 관능기를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.
An organic hydride production method comprising the steps of supplying a cathode catalyst layer, an anode catalyst layer, an aromatic hydrocarbon as a gas hydride to the cathode catalyst layer to extract an organic hydride, and supplying H 2 O to the anode catalyst layer to discharge oxygen and water As an apparatus,
Wherein the cathode catalyst layer is disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, the anode catalyst layer is disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane,
Wherein the cathode catalyst layer comprises a catalyst metal for reducing the to-be-burned hydride to react with the hydride, and a carrier carrying the catalyst metal,
The carrier is an organic hydride production apparatus, characterized in that the surface has a functional group that weakens the wettability to the hydride.
제7항에 있어서,
상기 애노드 촉매층으로부터 상기 캐소드 촉매층으로 수소가 공급되는 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.
The method of claim 7, wherein
Wherein hydrogen is supplied from the anode catalyst layer to the cathode catalyst layer.
제7항에 있어서,
상기 담체는, 전자 전도성의 카본인 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.
The method of claim 7, wherein
Wherein the carrier is an electron conductive carbon.
제7항에 있어서,
상기 관능기는, 술폰산기인 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.
The method of claim 7, wherein
Wherein the functional group is a sulfonic acid group.
제7항에 있어서,
상기 세퍼레이터는, 도전성을 가짐과 함께, 피수소화물이나 H2O가 흐르는 유로 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.
The method of claim 7, wherein
Wherein the separator has conductivity and has flow grooves through which the subject matter hydrate or H 2 O flows.
제7항에 있어서,
상기 캐소드 촉매층으로의 피수소화물의 공급 및 상기 애노드 촉매층으로의 H2O의 공급은 확산층을 통해 행해지는 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.
The method of claim 7, wherein
Wherein supply of the subject matter hydrate to the cathode catalyst layer and supply of H 2 O to the anode catalyst layer are carried out through a diffusion layer.
제12항에 있어서,
상기 확산층은, 카본 페이퍼 또는 카본 클로스인 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.
The method of claim 12,
Wherein the diffusion layer is carbon paper or carbon cloth.
제7항에 있어서,
상기 캐소드 촉매층은, 고체 고분자 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 하이드라이드 제조 장치.
The method of claim 7, wherein
Wherein the cathode catalyst layer comprises a solid polymer electrolyte.
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