KR20190125885A - 전기화학적 탈수소화 반응기 및 이것을 이용한 수소의 제조방법 - Google Patents

전기화학적 탈수소화 반응기 및 이것을 이용한 수소의 제조방법 Download PDF

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Abstract

이 발명의 전기화학적 탈수소화 반응기는 고체 고분자 전해질막을 기준으로 양측에 양극실과 음극실을 각각 구비하며, 상기 양극실에 공급된 수소화 유기물이 유기화합물, 프로톤 및 전자로 분해된 후 상기 음극실로 이동하여 수소를 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기화학적 탈수소화 반응기 및 이것을 이용한 수소의 제조방법{Electrochemical dehydrogen reactor and method of dehydrogenation using the same}
이 발명은 전기화학적 탈수소화 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양극실에서 수소화된 수소화 유기물이 산화되고, 음극실에서 환원 반응에 의해 수소를 생성하는 전기화학적 탈수소화 반응기에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 상기와 같은 전기화학적 탈수소화 반응기를 이용하여 수소를 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다.
국내외에서 CO2 저감을 목적으로 신재생에너지의 도입이 활발하다. 그러나, 풍력 발전 및 태양광 발전과 같은 신재생에너지는 전력발생이 불규칙하고, 전력수요와 전력발생의 불일치성이 매우 큰 문제를 가지고 있다. 이에 대한 대안으로 기존의 배터리(Battery)와 같은 장치로 순간적인 에너지의 저장 및 출력조절이 가능하지만, 계절적 요인(여름과 겨울), 장거리의 에너지 전송 등으로 비용이 막대하여 적용이 곤란하다.
이에, 이들 재생에너지로부터 얻은 전력을 장기간 저장하거나, 원격지에 운송할 수 있는 에너지 캐리어(carrier)가 고려되고 있다. 에너지 캐리어로는 액체 수소(또는 압축 수소), 암모니아(Ammonia), 유기 수소화물(액체 유기 수소화물, Liquid Organic Hydrogen Carrier, 이하 "LOHC"로 기술함) 등이 있다. 현재 수소 캐리어는 상온, 상압에서 기체(氣體)이기 때문에(중량에너지 및 부피에너지 밀도가 낮음), 수송 및 저장에 특수한 탱크가 필요한 단점이 있다. 이에 반하여, LOHC는 상온, 상압에서 액체이고, 석유와 물성이 유사하고, 기존 인프라를 이용하여 운송이 쉬운 장점이 있는 수소 캐리어이다. 대표적인 LOHC로는 벤젠, 나프탈렌(naphthalene), 톨루엔(Toluene), N-에틸카바졸(N-ethylcarbazole), 피리딘(pyridine) 등이 있으며, 이들은 수소 첨가 반응에 의해 수소화된 유기화합물이 된다.
LOHC 중 하나인 톨루엔(TL)의 수소화 유기물인 메틸시클로헥산(methylcyclohexane) 등으로의 수소화 반응은 화학반응법과 전기화학적 합성법이 제시되고 있으며, 가장 일반적인 방법은 촉매를 이용한 화학반응법이다.
수소화 유기물인 메틸시클로헥산으로부터 수소를 얻는 방법(탈수소화 방법)은 모든 공정이 화학반응법을 이용하는 것으로 알려져 있다. 화학반응법은 촉매를 사용하며, 고온의 열을 이용하는 공정이다.
그런데, 이와 같은 화학반응법에 의한 공정은 다음과 같은 이유로 인해 실용화에 문제점이 있다. 첫째는 고온의 열을 얻을 수 없는 곳에서 적용상의 한계가 있다. 둘째는 고온의 열을 이용하는 반응에서 낮은 반응 선택도를 갖는다.
Hydrogen-stored as an oil(April 2018, HYDROGENIOUS TECHNOLOGIES GmbH)
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 양극실에 수소화된 수소화 유기물을 공급하여 양극에서 이를 산화시키고, 음극에서 수소를 생성하는 전기화학적 탈수소화 반응기 및 이것을 이용한 수소의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 전기화학적 탈수소화 반응기는, 고체 고분자 전해질막을 기준으로 양측에 양극실과 음극실을 각각 구비하며, 상기 양극실에 공급된 수소화 유기물이 유기화합물, 프로톤 및 전자로 분해된 후 상기 음극실로 이동하여 수소를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 수소화 유기물은 메틸시클로헥산(Methylcyclohexane)이고, 상기 유기화합물은 톨루엔(toluene)인 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 고체 고분자 전해질막의 양측에 전기화학적 산화반응과 환원반응이 일어나는 반응층과 확산층이 순차적으로 더 형성되어 막전극접합체(Membrane electrode assembly)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 고체 고분자 전해질막은 불소계 고분자막 계열 또는 탄화수소계 고분자막 계열의 소재이고, 5∼300㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 반응층은 촉매와, 상기 촉매의 반응 표면적을 확대하기 위하여 상기 촉매를 담지하는 담체를 포함하며, 상기 촉매의 입경은 0.001∼0.1㎛이고, 상기 담체의 입경은 10~1,000㎚인 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 확산층은 카본 또는 금속 재질이고, 두께가 0.1∼2㎜, 개구율이 30∼70%인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 수소의 제조방법은, 상기와 같이 구성된 전기화학적 탈수소화 반응기를 이용하여 수소를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 공급되는 전류는 단위면적당 0.01A/cm2 ~ 2.0A/cm2이고, 운전온도는 10℃ ~ 100℃인 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 공급되는 수소의 압력은 0.1bar ~ 350bar인 것을 특징으로 한다.
이 발명은 양극실에 수소화된 수소화 유기물을 공급하여 양극에서 이를 산화시키고, 음극에서 수소를 생성하는 것으로서, 탈수소화 반응시 고온, 고압의 반응이 아닌 상온, 상압에서 운전 가능한 전기화학적 방법을 이용하므로, 운전 가동 및 운전 정지시의 가동성이 우수한 장점이 있다.
또한, 이 발명은 양극과 음극을 막에 일체화한 전기분해셀을 이용하는 방법이므로, 저전력으로 운영이 가능하여 운전비용을 획기적으로 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 이 발명에 따른 전기화학적 탈수소화 반응기의 개념도이고,
도 2는 이 발명의 전기화학적 탈수소화 반응기에 적용되는 막전극접합체의 구조도이고,
도 3은 이 발명의 전기화학적 탈수소화 반응기로 이용되는 전기화학셀의 구조도이고,
도 4는 이 발명의 전기화학적 탈수소화 반응기로 이용되는 전기화학용 스택의 구조도이며,
도 5 및 도 6은 이 발명에 따른 전기화학적 탈수소화 반응기를 적용하여 실험한 실시예들에 대한 전압-전류밀도 및 수소화량의 그래프들이다.
아래에서, 이 발명에 따른 전기화학적 탈수소화 반응기 및 이것을 이용한 수소의 제조방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하, 이 실시예에서는 유기화합물로 톨루엔(toluene, TL)을, 수소화 유기물로 메틸시클로헥산(Methylcyclohexane, MCH)을 원료로 하여, MCH에서 수소를 얻는 방법을 예로서 설명하고자 한다.
도 1은 이 발명에 따른 전기화학적 탈수소화 반응기의 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 발명의 전기화학적 탈수소화 반응기는 양극(110), 고체 고분자 전해질막(120) 및 음극(130)으로 구성된다.
즉, 이 발명은 MCH가 양극(110)으로 공급하면, 양극에서 MCH가 분해되어 톨루엔(TL), 프로톤, 전자로 분해되고, 프로톤은 고체 고분자 전해질막(120)을 통과하여 음극(130)으로 이동하여 수소 반응이 일어나도록 구성한 것이다. 이때, 이론적인 전극반응은 1.20V이며, 과전압 등을 감안하여 실제 운전은 약 2.0V 내외가 되어, 종래의 촉매 분해공정의 운영방식과 대비해 획기적으로 운전에너지를 저감할 수가 있다.
도 2는 이 발명의 전기화학적 탈수소화 반응기에 적용되는 막전극접합체(200)의 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학셀의 구성요소들 중에서 가장 중요한 부분이 막전극접합체(Membrane electrode assembly, 이하 "MEA"로 기술함)이다. MEA(200)는 전기화학적 산화반응과 환원반응이 일어나는 반응층(204, 208)과 고체 고분자 전해질막(206, Proton exchange membrane, 이하 "PEM"으로 기술함)을 일체화한 것이거나, 또는 상기와 같은 산화 및 환원반응의 반응층(204, 208), PEM(206)에 더하여 확산층(202, 210)을 일체화한 것을 의미한다.
아래에서는 산화반응이 일어나는 곳을 제1 전기화학 반응층(204)으로 하고, 환원반응이 일어나는 곳을 제2 전기화학 반응층(208)으로 하여 설명하고자 하며, 이곳으로 전류가 인가되면 산화반응과 환원반응이 동시에 일어난다.
MCH가 제1 확산층(202)을 거쳐 제1 전기화학 반응층(204)에 공급되면, MCH는 제1 전기화학 촉매(212)(산화촉매, 양극 활물질 전극)에서 톨루엔(TL), 전자(e-) 그리고 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해된다(반응식 1 참조). 이때, 수소이온(H+)은 전기장에 의해 PEM(206)을 통과하여 제2 전기화학 촉매(216)(환원촉매, 음극 활물질, 또는 수소가스 발생전극)으로 이동하며, 전자(e-)는 제1 전기화학 촉매(212)에서 제1 확산층(202), 외부회로(미도시) 및 제2 확산층(210)을 거쳐 제2 전기화학 촉매(216)로 이동한다.
제2 전기화학 촉매(216)에서는 제1 전기화학 촉매(212)에서 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 반응하여 수소가 생성된다(반응식 2 참조).
제1 전기화학 촉매(112)와 제2 전기화학 촉매(116)에서 각각 일어난 전기화학적 반응을 표현하면 아래의 반응식 1 , 반응식 2 및 반응식 3과 같다.
[반응식 1]
MCH(메틸시클로헥산) → TL(톨루엔) ＋ 6H+ ＋ 6e- (양극반응, 산화반응)
[반응식 2]
6H+ ＋ 6e- → 3H2 (음극반응, 환원반응)
[반응식 3]
MCH(메틸시클로헥산) → TL(톨루엔) + 3H2 (총괄반응)
이하에서는 이 발명의 전기화학셀에 적용되는 구성요소들에 대해 설명한다.
PEM(206)은 산화반응이나, 유기화합물(TL 및 MCH)에 대한 장기간 사용 안정성이 우수하고, 수소이온(프로톤 또는 H+) 전도성이 우수한 술폰산 이온교환기를 가지며, 양극실 물질(TL, MCH)과 음극실 물질(수소)이 혼합되거나 확산되는 것을 억제할 수 있어야 한다. 일례로서, 불소계 고분자막 계열로 듀폰사의 Nafion(나피온, 등록상표), 아사히유리(주)의 Flemion(플레미온, 등록상표), 아사히카세이(주)의 Aciplex(아시플렉스, 등록상표), 고어사의 Gore Select(고어 셀렉트, 등록상표) 등을 이용할 수 있고, 탄화수소계 고분자막 계열로는 설폰화 폴리에테르케톤, 설폰화 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리에테르에테르설폰, 설폰화 폴리설파이드, 설폰화 폴리페닐렌 등을 이용할 수 있다.
PEM의 두께는 5∼300㎛가 바람직하고, 20∼170㎛가 특히 바람직하다. PEM의 두께가 5㎛ 미만이면 크로스 리크(cross leakage, 음극실에서 양극실로의 생성물 이동)가 생기기 쉬워지고, PEM의 두께가 300㎛보다 두꺼워지면 프로톤 저항이 커지기 때문에 전기에너지가 많이 소비되어 바람직하지 않다.
제1, 제2 전기화학 촉매(212, 216)는 백금이나 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소 외, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨, 알루미늄 등의 금속 또는 이들의 합금, 또는 산화물, 복산화물(複酸化物) 등이 사용될 수 있는데, 전극 반응성이 뛰어나고, 전극 반응을 효율적이면서 안정적으로 장기간 사용할 수 있도록 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속 또는 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.
제1, 제2 전기화학 촉매(212, 216)는 입경이 너무 크면 촉매의 활성이 저하되고, 입경이 너무 작으면 촉매의 안정성이 저하되기 때문에, 입경은 0.001∼0.1㎛가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1~50㎚이다.
촉매의 반응 표면적을 확대하기 위하여 촉매를 담지하는 담체(또는 담지체)(214, 218)로는 전자 전도성의 입자 형태가 바람직하며, 티타늄을 포함하는 금속 산화물, 카본블랙, 그래파이트, 흑연, 활성탄, 카본 파이버, 카본 나노튜브, 풀러린(fullerene)을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 담체(214, 218)는 입경이 너무 작으면 발생한 전자의 전도 패스웨이(electron conductive pathway)가 형성되기 어려워지고, 입경이 너무 크면 담체 위에 형성된 전극 촉매층으로의 가스 확산성이 저하하거나 촉매의 이용률이 저하되므로, 입경은 10~1,000㎚가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10~100㎚이다.
제1, 제2 확산층(202, 210)은 카본 재질 또는 금속 재질일 수 있다. 또한, 제1, 제2 확산층(202, 210)은 천(cloth), 종이(paper), 소결된 파이버 등을 사용할 수 있다. 제1 확산층(202)은 가스 유체 흐름을 원활하게 하기 위해 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 같은 소수성 물질을 표면에 코팅하고, 수소에 대한 내식성이 우수한 카본계열의 소재가 특히 바람직하다. 제2 확산층(210)은 소재에 제한적이지 않다. 또한, 제1, 제2 확산층(202, 210)은 가스의 확산을 촉진하기 위해 두께가 0.1∼2㎜, 개구율이 30∼70% 정도인 것이 바람직하다.
MEA(200)의 제조 공정은 촉매 합성 공정, 촉매 잉크 제조 공정, 촉매 잉크 전사 공정, 및 열압착 공정(전사된 촉매 잉크를 PEM 또는 확산층에 형성시키는 공정)으로 구성된다.
촉매 합성 공정은 촉매 및 담체들은 시판되고 있는 입자를 사용해도 되지만, 공지 방법에 따라 합성하고 이것을 사용해도 된다. 예를 들면, 합성에는 촉매 금속 이온을 용해하는 수용액에 환원제를 혼합하여 합성하는 습식법을 채용해도 되고, 증착 스퍼터 등의 건식법을 채용해도 된다.
촉매 잉크 제조 공정은 촉매를 PEM(206) 또는 확산층(202, 210)에 용이하게 형성되도록 상기 촉매 합성 공정에서 얻어진 촉매(212, 216) 및 이를 가지는 담체(214, 218), 소수성 수지, 용매, 이오노머인 Nafion(등록상표) 분산액을 혼합하는 공정이다.
제1 전기화학 반응층(204)을 위한 촉매 잉크는 제1 전기화학 촉매(212), 담체(214), 고분자 전해질 이오노머, 용매 및 소수성 수지를 포함하고, 제2 전기화학 반응층(208)을 위한 촉매 잉크는 제2 전기화학 촉매(216), 담체(218), 고분자 전해질 이오노머, 용매 및 소수성 수지를 포함한다. 소수성 수지(불소계 고분자 성분)는 가스 투과성 재료이며, 그 분말의 입경은 0.005∼10㎛인 것이 바람직하다. 제1 전기화학 반응층(204)에 사용되는 양극 촉매(제1 전기화학 촉매(212)) 또는 환원 촉매(제2 전기화학 촉매(216))의 경우에는, 각 층의 촉매량이 0.01mg/cm2 이상, 10mg/cm2 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이는, 0.01mg/cm2 미만에서는 반응효율이 저하되고, 10mg/cm2 초과에서는 전기화학 반응셀의 설비비용이 커지는 문제가 있기 때문이다.
촉매 잉크 전사 공정은 상기와 같은 조건으로 제조된 촉매 잉크를 전사지(예, 테프론 시트, 폴리이미드 시트)에 전사하여 주 촉매성분을 남기고, 용매 성분을 제거하는 공정이다. 이러한 전사 공정은 촉매 잉크를 직접 PEM 또는 확산층에 스프레이하는 경우에는 생략해도 무관하다.
열압착 공정은 전사지에 형성된 촉매층을 열적 및 압착을 통해 막 또는 확산층으로 전사하는 공정이다. 가공 장치로서는 핫 프레스, 핫 롤러 등의 공지의 장치를 이용할 수 있다. 프레스 조건은 실온∼360℃, 0.1∼5MPa의 압력이 바람직하다.
도 3은 이 발명의 전기화학적 탈수소화 반응기로 이용되는 전기화학셀로서, 도 2에 도시된 막전극접합체를 가지는 전기화학셀(300)의 구조도이고, 도 4는 이 발명의 전기화학적 탈수소화 반응기로 이용되는 전기화학용 스택으로서, 도 3에 도시된 단위 전기화학셀을 복수개 적층하여 구성한 전기화학용 스택(400)의 구조도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전기화학셀(300)은 제1 엔드플레이트(End Plate, 302), 제1 절연판(304), 제1 전류공급판(306), 제1 전기화학 반응실 프레임(308), 제1 전기화학 반응실(310), MEA(도 2의 200), 제2 전기화학 반응실(312), 제2 전기화학 반응실 프레임(314), 제2 전류공급판(316), 제2 절연판(318) 및 제2 엔드플레이트(320)를 비롯하여, 전기화학셀에 전류를 공급하는 전력변환장치(324)로 직류전원 공급장치를 구비한다.
제1 전기화학 반응실(310, 양극실)과 제2 전기화학 반응실(312, 음극실)에는 각각의 반응물 또는 생성물을 공급하고 배출하기 위한 유로(도 3의 (가) 참조)가 형성되어 있으며, MEA(200)을 기계적으로 지지하는 기능과 인접한 단위전지와의 전기적 연결 기능을 수행하도록 구성된다.
제1 엔드플레이트(302)와 제2 엔드플레이트(320)는 단위 전기화학셀 조립을 위한 볼트/너트 체결 구멍(미도시), 반응물 및 생성물의 통로(미도시) 기능을 제공하며, 제1 절연판(304)과 제2 절연판(318)은 각각 제1 엔드플레이트(302)와 제1 전류공급판(306) 사이 및 제2 엔드플레이트(320)와 제2 전류공급판(316) 사이에서의 전기적 절연 기능을 하고, 제1 전류공급판(306)과 제2 전류공급판(316)은 전력변환장치(324)와 연결되어 전기화학셀(300)에 필요한 전류를 공급하는 역할을 한다.
한편, 제1 전기화학 반응실(310)에 제1 전기화학 촉매(212)가 위치하여 산화반응이 일어나는 경우, 반응물인 MCH, 생성물인 TL(톨루엔)의 이동을 위한 공간이 되며, PEM(206)을 중심으로 제1 전기화학 반응실(310)의 반대편에 위치하는 제2 전기화학 반응실(312)에서는 환원반응에 의한 수소를 외부 배출을 위한 공간이 제공된다.
제1 전기화학 반응실(310)은 제1 전기화학 반응실 프레임(308)에 의해 외부와 차단되고, 제2 전기화학 반응실(312)은 제2 전기화학 반응실 프레임(314)에 의해 외부와 차단된다. 그리고, MEA(200)와 제1 전기화학 반응실 프레임(308), 제2 전기화학 반응실 프레임(314) 사이에는 반응물과 생성물의 외부 누설을 막는 가스켓(또는 패킹)(322)이 각각 설치된다.
전기화학셀(300)을 구성하는 구성요소들 중에서 제1 전기화학 반응실 프레임(308), 제2 전기화학 반응실 프레임(314), 가스켓(322)은 전기화학셀을 통하여 반응물 또는 생성물의 유입 및 유출이 용이하도록 적당한 홀을 가지며, 제1 전기화학 반응실 프레임(308)과 제2 전기화학 반응실 프레임(314)에는 유로(도 3의 (가)에 점선으로 표시됨)가 형성되어 있다.
원하는 양의 생성물을 얻기 위해서는 단위 전기화학셀이 복수개 필요하며, 이때 2개 이상 적층한 전기화학셀들의 집합체를 전기화학용 스택(400)으로 형성하여 운영이 가능하다(도 4 참조).
아래에서는 전기화학셀의 운영방법에 대하여 설명한다.
도 3의 한 예와 같이 반응물1(MCH, 메틸시클로헥산)을 전기화학셀(300)의 제1 전기화학 반응실(310)의 하부로 공급한다. 그러면, 상기와 같은 반응식에 의해 제2 전기화학 반응실(312)에서 수소가 생성되며, 이때 수소의 순도는 90% 이상이 된다.
여기서, 제1 전기화학 반응층(204)과 제2 전기화학 반응층(208)에 공급되는 전류는 단위면적당 0.01A/cm2 ~ 2.0A/cm2이 적당하다. 이는, 0.01A/cm2 이하에서는 전기분해 반응면적이 증가하게 되어 투자비가 커지는 문제가 있고, 2.0A/cm2 이상에서는 과전압으로 인한 전기분해셀의 구성요소의 내구성이 저하되는 문제가 있기 때문이다.
전기분해셀의 운전온도는 10℃ ~ 100℃가 적당하지만, 50℃ ~ 80℃가 더 바람직하다. 이는, 10℃ 이하에서는 프로톤 전달 저항이 증가하게 되고, 100℃ 이상에서는 전기분해셀 구성요소의 내구성 저하가 문제가 되기 때문이다.
전기분해셀에 공급하는 수소 압력은 0.1bar ~ 350bar가 적당하다. 이는, 0.1bar 이하에서는 음극실의 역확산으로 인해 전기분해 효율이 감소되고, 350bar 이상에서는 전기분해셀의 구성요소의 내구성 저하가 문제가 되기 때문이다.
<실시예>
아래에서는 이 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 이들 실시예는 이 발명을 바람직하게 설명하기 위한 예시에 지나지 않고, 전혀 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
<실시예 1> MCH(메틸시클로헥산)의 탈수소화 (생성물 TL(톨루엔))
MEA(200)로 나피온 117 퍼플루오로카본술폰산계 막(두께 170), 제1 전기화학 반응층(204)(양극 촉매, Pt/C담체(다나카 귀금속 공업)) 0.5mg/cm2 및 제2 전기화학 반응층(208)(음극촉매, Pt-Ru/C담체(다나카 귀금속 공업)) 0.5mg/cm2, 제1 확산층(202, 카본페이퍼) 및 제2 확산층(210, 티타늄 소결 파이버 개구율 80%, 두께 0.2mm, 독일 데카르트사)으로 구성한다. MEA(200)의 면적(전기화학 반응면적)은 25cm2로 하였다.
전기화학셀(300)의 제1 전기화학 반응실(310, 양극실)의 하부로 MCH을 공급하여, 제2 전기화학 반응실(312, 음극실)에서 수소를 얻었다. 이때, 전기화학셀(300)에 공급하는 전류는 1A/cm2, 온도는 80℃, 수소 공급 압력은 5bar로 하였다.
성능은 전기화학셀의 전압-전류 성능을 평가(도 5의 실시예1)하고, 생성물인 TL의 중량변화율(도 6의 실시예 1)을 측정하여 탈수소화도(수소화량)를 측정하였다.
<실시예 2> C14H25N(3-butyladamantan-1-amine)의 탈수소화 (생성물 N-에틸카바졸(N-ethylcarbazole))
MEA는 실시예 1의 MEA(200)와 동일하게 구성하였다.
전기화학셀(300)의 제1 전기화학 반응실(310, 양극실)의 하부로 C14H25N(3-butyladamantan-1-amine)을 공급하여, 제2 전기화학 반응실(312, 음극실)에서 수소를 얻었다. 이때, 전기화학셀(300)에 공급하는 전류, 온도, 수소 공급 압력은 실시예 1과 동일하게 하였다.
성능은 전기화학셀의 전압-전류 성능을 평가(도 5의 실시예 2)하고, 생성물인 N-에틸카바졸(N-ethylcarbazole)의 중량변화율(도 6의 실시예 2)을 측정하여 탈수소화도(수소화량)를 측정하였다.
<실험결과>
이 발명에 따른 전기화학적 탈수소화 반응기로부터 수소발생 및 전기소비량이 현저히 개선됨을 확인할 수 있었다. 또한, 이 발명에 따른 전기화학적 탈수소화 반응기는 열원 없이 탈수소화 반응에 효과적으로 이용할 수 있음을 확인하였다.
이 발명은 전술한 실시형태에 한정되지 않고 당업자의 지식에 기초하여 각종 설계 변경 등의 변형을 부가하는 것도 가능하며, 그와 같은 변형이 부가된 실시형태도 이 발명의 범위에 포함된다 할 것이다.
110 : 양극 120 : 고체 고분자 전해질막
130 : 음극

Claims (9)

  1. 고체 고분자 전해질막을 기준으로 양측에 양극실과 음극실을 각각 구비하며,
    상기 양극실에 공급된 수소화 유기물이 유기화합물, 프로톤 및 전자로 분해된 후 상기 음극실로 이동하여 수소를 생성하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 탈수소화 반응기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소화 유기물은 메틸시클로헥산(Methylcyclohexane)이고, 상기 유기화합물은 톨루엔(toluene)인 것을 특징으로 하는 전기화학적 탈수소화 반응기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체 고분자 전해질막의 양측에 전기화학적 산화반응과 환원반응이 일어나는 반응층과 확산층이 순차적으로 더 형성되어 막전극접합체(Membrane electrode assembly)를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 탈수소화 반응기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 고체 고분자 전해질막은 불소계 고분자막 계열 또는 탄화수소계 고분자막 계열의 소재이고, 5∼300㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학적 탈수소화 반응기.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 반응층은 촉매와, 상기 촉매의 반응 표면적을 확대하기 위하여 상기 촉매를 담지하는 담체를 포함하며,
    상기 촉매의 입경은 0.001∼0.1㎛이고, 상기 담체의 입경은 10~1,000㎚인 것을 특징으로 하는 전기화학적 탈수소화 반응기.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 확산층은 카본 또는 금속 재질이고, 두께가 0.1∼2㎜, 개구율이 30∼70%인 것을 특징으로 하는 전기화학적 탈수소화 반응기.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 전기화학적 탈수소화 반응기를 이용하여 수소를 생성하는 것을 특징으로 하는 수소의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    공급되는 전류는 단위면적당 0.01A/cm2 ~ 2.0A/cm2이고, 운전온도는 10℃ ~ 100℃인 것을 특징으로 하는 수소의 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 공급되는 수소의 압력은 0.1bar ~ 350bar인 것을 특징으로 하는 수소의 제조방법.
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