KR20240058258A - Ammonia electrolysis hydrogen production electrode and hydrogen production equipment containing thereof - Google Patents

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KR20240058258A
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양은혁
김대헌
유영철
함종우
정다솜
이재영
정선기
윤동현
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티케이지휴켐스 주식회사
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Abstract

본 발명에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극은 암모니아 확산층, 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층을 순차로 포함하는 것을 특징으로 하여 촉매층의 활성점을 극대화 하고 전극내 암모니아의 공급이 원활한 장점이 있다. The ammonia decomposition hydrogen production electrode according to the present invention is characterized by sequentially including an ammonia diffusion layer, a high-density catalyst layer, and a low-density catalyst layer, thereby maximizing the active site of the catalyst layer and having the advantage of smooth supply of ammonia within the electrode.

Description

암모니아 분해 수소 생산 전극 및 이를 포함하는 수소 생산 장치{Ammonia electrolysis hydrogen production electrode and hydrogen production equipment containing thereof}Ammonia electrolysis hydrogen production electrode and hydrogen production equipment containing the same}

본 발명은 암모니아를 분해하여 수소를 생산하기 위한 수소생산 전극에 관한 발명이다. The present invention relates to a hydrogen production electrode for producing hydrogen by decomposing ammonia.

화석연료 기반 산업의 발전에 따라 전 세계에서 연간 약 400억 톤의 이산화탄소를 배출하고 있으며, 이러한 이산화탄소 배출량은 매년 증가하는 추세이다. 이러한 이산화탄소 배출에 따라 지구 온난화, 해수면 상승, 폭우 및 가뭄 등 다양한 기후 변화가 발생하고 있다. Due to the development of fossil fuel-based industries, approximately 40 billion tons of carbon dioxide are being emitted annually around the world, and these carbon dioxide emissions are increasing every year. These carbon dioxide emissions are causing various climate changes, such as global warming, sea level rise, heavy rain, and drought.

수소에너지는 높은 에너지 밀도와 공해 물질을 발생시키지 않는 청정 에너지라는 장점이 있어, 기존 신재생 에너지와 결합하여 차세대 에너지원으로 큰 주목을 받고 있다. 하지만, 기존 수소 생산 공정인 수증기 메탄 개질 공정은 높은 반응온도에서 이루어져 많은 에너지가 소모되고, 반응 중 상당량의 이산화탄소를 배출하는 문제점이 있다. 이에 따라 청정에너지원인 수소의 증가하는 수요를 맞추기 위하여, 에너지 효율 및 환경적 층면에서 수소 생산 공정의 개선이 시급한 상황이다. Hydrogen energy has the advantages of high energy density and clean energy that does not generate pollutants, and is attracting great attention as a next-generation energy source when combined with existing renewable energy. However, the existing hydrogen production process, the steam methane reforming process, is performed at a high reaction temperature, consumes a lot of energy, and has the problem of emitting a significant amount of carbon dioxide during the reaction. Accordingly, in order to meet the increasing demand for hydrogen, a clean energy source, there is an urgent need to improve the hydrogen production process in terms of energy efficiency and environmental aspects.

암모니아 전기분해 공정을 통한 수소 생산 시스템은 이산화탄소를 포함한 온실가스를 배출하지 않는 친환경적인 공정으로 최근 주목받고 있다. 암모니아 전기분해 공정은 별도의 정제 및 분리 공정 없이도 초고순도의 수소를 생산할 수 있으며, 물 전기분해 공정보다 더 낮은 전압에서 구동되기 때문에 낮은 전력 소모량의 장점이 있다. 또한 암모니아는 운송 및 보관 측면에서 액체 수소나 다른 수소 캐리어에 비해 용이하기 때문에 수소 기술 인프라 구축에도 유리하다는 평가를 받고 있다. The hydrogen production system through the ammonia electrolysis process has recently been attracting attention as an eco-friendly process that does not emit greenhouse gases, including carbon dioxide. The ammonia electrolysis process can produce ultra-high purity hydrogen without separate purification and separation processes, and has the advantage of low power consumption because it operates at a lower voltage than the water electrolysis process. In addition, ammonia is considered advantageous for building hydrogen technology infrastructure because it is easier to transport and store than liquid hydrogen or other hydrogen carriers.

암모니아 전기분해 시스템을 구성하는 양극의 반응은 산화극의 암모니아 산화반응과 환원극의 수소발생반응으로 이루어진다. 현재 암모니아 산화반응을 위한 촉매 물질로서는 백금 또는 이리듐과 같은 귀금속이 가장 높은 활성을 갖는 것으로 보고되고 있다. 암모니아 전기분해 시스템은 대부분 알칼라인 분위기에서 구동되며, 암모니아와 수산화이온이 반응하여 질소를 배출한다. The anode reaction that constitutes the ammonia electrolysis system consists of an ammonia oxidation reaction at the anode and a hydrogen generation reaction at the cathode. Currently, noble metals such as platinum or iridium are reported to have the highest activity as catalyst materials for the ammonia oxidation reaction. Most ammonia electrolysis systems operate in an alkaline atmosphere, and ammonia and hydroxide ions react to emit nitrogen.

암모니아 전기분해 시스템은 암모니아의 산화반응이 일어나는 이론 전위가 0.06 V로 매우 낮기 때문에, 에너지 소모량 측면에서 유리하다. 또한 수소 생산 시스템 중, 유사 시스템은 물의 전기분해 공정은 산화극 반응이 산소 발생 반응으로 이론 전위가 1.23 V이며, 이에 따라 물 전기분해 공정에서 산소 발생 반응은 전체 시스템의 구동 전압이 암모니아 전기분해 시스템에 비해 높을 수밖에 없다. The ammonia electrolysis system is advantageous in terms of energy consumption because the theoretical potential at which the oxidation reaction of ammonia occurs is very low at 0.06 V. In addition, among hydrogen production systems, a similar system has a theoretical potential of 1.23 V because the oxidation reaction in the water electrolysis process is an oxygen generation reaction, and accordingly, the driving voltage of the entire system for the oxygen generation reaction in the water electrolysis process is that of the ammonia electrolysis system. It has to be higher compared to .

그러나, 이러한 암모니아 분해반응은 현재 기초 연구 단계로, 상용화까지 해결해야할 문제점이 있다. 대표적으로, 암모니아 산화 전극 표면에서 암모니아와 수산화이온이 경쟁하여 흡착되는데, 특정 전류밀도 이상이 되거나 반응 시간이 길어지면, 수산화이온의 흡착이 암모니아의 흡착보다 지배적이게 된다. 이에 따라 전극 표면에서 암모니아 산화 반응이 더 이상 일어나지 않고, 더 높은 전위로 이동하여 산소발생반응이 일어나게 된다. 따라서 암모니아 전기분해 시스템은 높은 전류밀도에서의 구동과 장시간 구동에서의 전극 안정성이 매우 중요하며, 산소발생반응이 일어나 셀의 구동 전압이 급격히 상승하지 않도록 암모니아 산화반응이 지속적으로 일어날 수 있게 유지하는 것 또한 중요하다. However, this ammonia decomposition reaction is currently in the basic research stage, and there are problems that must be solved until commercialization. Typically, ammonia and hydroxide ions compete and are adsorbed on the surface of the ammonia oxide electrode. When the current density exceeds a certain level or the reaction time is prolonged, the adsorption of hydroxide ions becomes dominant over the adsorption of ammonia. Accordingly, the ammonia oxidation reaction no longer occurs on the electrode surface, and the oxygen generation reaction occurs by moving to a higher potential. Therefore, in the ammonia electrolysis system, electrode stability during operation at high current densities and for long periods of time is very important, and it is important to maintain the ammonia oxidation reaction to occur continuously to prevent the oxygen evolution reaction from rapidly increasing the driving voltage of the cell. Also important.

미국 공개특허공보 제2017-0297913호U.S. Patent Publication No. 2017-0297913 대한민국 공개특허공보 제10-2022-0034652호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2022-0034652

본 발명의 목적은 암모니아 산화반응이 지속적으로 일어나며, 촉매층의 활성점을 극대화하고, 전극 내 암모니아 공급이 원활한 암모니아 분해 수소 생산 전극을 제공하는 것이다. The purpose of the present invention is to provide an ammonia decomposition hydrogen production electrode in which the ammonia oxidation reaction occurs continuously, the active site of the catalyst layer is maximized, and ammonia is smoothly supplied to the electrode.

본 발명에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극은 암모니아 확산층, 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층을 순차로 포함하는 것을 특징으로 한다.The ammonia decomposition hydrogen production electrode according to the present invention is characterized by sequentially including an ammonia diffusion layer, a high-density catalyst layer, and a low-density catalyst layer.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극은 단위 면적 당 상기 고밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양이 저밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다. The ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention may be characterized in that the amount of catalyst contained in the high-density catalyst layer per unit area is greater than the amount of catalyst contained in the low-density catalyst layer.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극에서 상기 고밀도 촉매층은 두께 100 ㎛를 기준으로 1 ㎠ 당 2 내지 8 ㎎의 촉매를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention, the high-density catalyst layer may be characterized as containing 2 to 8 mg of catalyst per 1 cm 2 based on a thickness of 100 ㎛.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극에서 상기 저밀도 촉매층은 두께 100 ㎛를 기준으로 1 ㎠ 당 0.5 내지 3 ㎎의 촉매를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention, the low-density catalyst layer may be characterized as containing 0.5 to 3 mg of catalyst per 1 cm 2 based on a thickness of 100 ㎛.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극에서 상기 저밀도 촉매층 및 고밀도 촉매층의 두께 합은 30 내지 450 ㎛인 것을 특징으로 할 수 있다. In the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention, the sum of the thicknesses of the low-density catalyst layer and the high-density catalyst layer may be 30 to 450 ㎛.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극에서 상기 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층은 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 이들의 합금에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention, the high-density catalyst layer and the low-density catalyst layer may be characterized in that they include one or more catalysts selected from ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, and alloys thereof. there is.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극에서 상기 암모니아 분해 수소 생산 전극은 단위 면적당 촉매량이 2 내지 10 ㎎/㎠인 것을 특징으로 할 수 있다. In the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention, the ammonia decomposition hydrogen production electrode may be characterized as having a catalyst amount per unit area of 2 to 10 mg/cm2.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극에서 암모니아 확산층은 두께가 100 내지 300 ㎛인 것을 특징으로 할 수 있다. In the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention, the ammonia diffusion layer may be characterized as having a thickness of 100 to 300 ㎛.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극에서 상기 고밀도 촉매층은 닥터 블레이드법, 스크린법, 데칼법, 브러싱법 또는 슬롯다이법으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다. In the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention, the high-density catalyst layer may be formed by a doctor blade method, a screen method, a decal method, a brushing method, or a slot die method.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극에서 저밀도 촉매층은 스프레이법 또는 스핀코팅법으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다. In the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention, the low-density catalyst layer may be formed by spraying or spin coating.

본 발명은 또한 수소 생산 장치를 제공하며, 본 발명에 의한 수소 생산 장치는 본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극을 포함한다. The present invention also provides a hydrogen production device, wherein the hydrogen production device includes an ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극은 암모니아 확산층, 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층을 순차로 포함하는 것을 특징으로 하여 전극 내 암모니아의 공급이 원활하며, 암모니아의 산화반응이 지속적으로 일어나고, 촉매층의 활성점을 극대화하여 높은 수소생산 효율을 나타내는 장점이 있다. The ammonia decomposition hydrogen production electrode according to the present invention is characterized by sequentially comprising an ammonia diffusion layer, a high-density catalyst layer, and a low-density catalyst layer, so that the supply of ammonia in the electrode is smooth, the oxidation reaction of ammonia occurs continuously, and the active site of the catalyst layer is It has the advantage of maximizing high hydrogen production efficiency.

도 1은 촉매량 및 촉매의 종류에 따른 암모니아 산화 시작전위 및 암모니아 산화 전류밀도를 측정한 결과를 도시한 것이다.
도 2는 전극의 코팅방법에 따른 수소 생산 효율을 분석하고 그 결과를 도시한 것이다.
Figure 1 shows the results of measuring ammonia oxidation start potential and ammonia oxidation current density according to catalyst amount and type of catalyst.
Figure 2 shows the results of analyzing the hydrogen production efficiency according to the coating method of the electrode.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the embodiments of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to be understood by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing embodiments of the present invention, if a detailed description of a known function or configuration is judged to unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. The terms described below are defined in consideration of functions in the embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

본 발명에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극은 암모니아 확산층, 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층을 순차로 포함하는 것을 특징으로 한다. The ammonia decomposition hydrogen production electrode according to the present invention is characterized by sequentially including an ammonia diffusion layer, a high-density catalyst layer, and a low-density catalyst layer.

본 발명에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극은 동일한 촉매 함량을 기준으로, 저밀도 또는 고밀도의 단층구조 촉매와 대비하여 암모니아 산화 반응이 안정적으로 일어남에 따라, 효율적이며 안정적인 수소 생산이 가능한 장점이 있다. The ammonia decomposition hydrogen production electrode according to the present invention has the advantage of enabling efficient and stable hydrogen production as the ammonia oxidation reaction occurs stably compared to a low-density or high-density single-layer structure catalyst based on the same catalyst content.

구체적으로, 동일한 촉매 함량을 기준으로 저밀도 촉매층만을 포함하는 경우, 충분한 양의 촉매를 투입하기 위하여 전극의 두께가 두꺼워질 수 있으며, 이러한 두께 증가로 인하여 막-전극 접합체의 저항이 증가하고 수소 생산 효율에 손실이 발생할 수 있다. 고밀도 촉매층 만을 포함하는 경우 상대적으로 전기화학적 활성면적이 저하되고, 반응물과 접촉하는 촉매의 활성점이 부족하여 전체적인 성능 저하가 발생할 수 있다. Specifically, when only a low-density catalyst layer is included based on the same catalyst content, the thickness of the electrode may become thick to introduce a sufficient amount of catalyst, and this increase in thickness increases the resistance of the membrane-electrode assembly and hydrogen production efficiency. losses may occur. If only a high-density catalyst layer is included, the electrochemical active area is relatively reduced, and overall performance may be reduced due to a lack of active points of the catalyst in contact with the reactants.

반면, 본 발명과 같이 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층을 포함하는 경우 촉매 피독이 발생하여도 충분한 촉매량을 확보하여 암모니아의 산화반응이 안정적으로 일어날 수 있는 장점이 있으며, 두께 증가에 의한 저항 증가를 예방할 수 있는 장점이 있다. On the other hand, in the case of including a high-density catalyst layer and a low-density catalyst layer as in the present invention, there is an advantage that the oxidation reaction of ammonia can occur stably by securing a sufficient amount of catalyst even if catalyst poisoning occurs, and an increase in resistance due to an increase in thickness can be prevented. There is an advantage.

구체적으로 단위면적 당 고밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양 : 저밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양은 1:9 내지 9:1일 수 있으며, 더욱 좋게는 고밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양이 저밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양보다 클 수 있다. 상세하게는 고밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양 : 저밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양은 5 : 5 내지 9 : 1, 더욱 구체적으로 6 : 4 내지 8.5 : 1.5일 수 있다. 고밀도 촉매층의 촉매 함량이 더 큰 경우 초기 수소 생산 효율이 가장 높을 뿐만 아니라, 촉매의 내구도 또한 가장 우수한 장점이 있다. Specifically, the amount of catalyst contained in the high-density catalyst layer per unit area: The amount of catalyst contained in the low-density catalyst layer may be 1:9 to 9:1, and more preferably, the amount of catalyst contained in the high-density catalyst layer is 1:9 to 9:1. It may be greater than the amount of catalyst. In detail, the amount of catalyst included in the high-density catalyst layer may be 5:5 to 9:1, more specifically 6:4 to 8.5:1.5. When the catalyst content of the high-density catalyst layer is larger, not only is the initial hydrogen production efficiency the highest, but the durability of the catalyst is also the best.

상기 고밀도 촉매층은 두께 100 ㎛를 기준으로 1 ㎠ 당 2 내지 8 ㎎, 좋게는 4 내지 8 ㎎의 촉매를 포함할 수 있으며, 상기 저밀도 촉매층은 두께 100 ㎛를 기준으로 1 ㎠ 당 0.5 내지 3 ㎎의 촉매를 포함할 수 있다. The high-density catalyst layer may include 2 to 8 mg of catalyst per 1 cm2, preferably 4 to 8 mg based on a thickness of 100 ㎛, and the low-density catalyst layer may include 0.5 to 3 mg of catalyst per 1 cm2 based on a thickness of 100 ㎛. It may contain a catalyst.

고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층이 상술한 촉매밀도를 만족함으로써, 고밀도 촉매층의 경우 지나치게 높은 밀도로 인하여 암모니아 확산 저하가 발생하는 것을 예방하면서도 충분한 촉매량을 확보할 수 있으며, 저밀도 촉매층의 경우 지나치게 낮은 촉매밀도로 내구도의 급격한 저하가 발생하는 것을 예방할 수 있다. As the high-density catalyst layer and the low-density catalyst layer satisfy the above-mentioned catalyst density, in the case of the high-density catalyst layer, a sufficient amount of catalyst can be secured while preventing ammonia diffusion reduction due to excessively high density, and in the case of the low-density catalyst layer, durability is increased due to the excessively low catalyst density. It is possible to prevent a rapid decline in

상기 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층의 두께 합은 30 내지 450 ㎛, 더욱 구체적으로는 50 내지 350 ㎛일 수 있으며, 촉매층 전체의 두께가 얇은 경우 충분한 촉매량을 확보하기 어려울 수 있고, 촉매층 전체의 두께가 두꺼운 경우 암모니아 확산 저하 및 저항 증가가 발생하여 수소 생산 효율이 저하될 수 있다. The sum of the thicknesses of the high-density catalyst layer and the low-density catalyst layer may be 30 to 450 ㎛, more specifically 50 to 350 ㎛. If the overall thickness of the catalyst layer is thin, it may be difficult to secure a sufficient amount of catalyst, and if the overall thickness of the catalyst layer is thick, Reduced ammonia diffusion and increased resistance may occur, reducing hydrogen production efficiency.

상기 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층은 백금족 촉매를 포함할 수 있으며, 구체적으로 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 이들의 합금에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. The high-density catalyst layer and the low-density catalyst layer may include a platinum group catalyst, and may specifically include one or two or more selected from ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, and alloys thereof.

본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극은 상술한 저밀도 촉매층 및 고밀도 촉매층의 복합구조를 포함하며, 단위 면적당 평균 촉매량이 2 내지 10 ㎎/㎠, 좋게는 3 내지 8 ㎎/㎠일 수 있다. 단위 면적당 촉매량이 적은 경우 충분한 촉매활성을 나타내기 어렵고 내구도 저하가 발생할 수 있으며, 단위 면적당 촉매량이 큰 경우 전체 두께가 두꺼워지고 저항이 증가할 수 있다. The ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention includes the composite structure of the low-density catalyst layer and the high-density catalyst layer described above, and the average catalyst amount per unit area may be 2 to 10 mg/cm2, preferably 3 to 8 mg/cm2. there is. If the amount of catalyst per unit area is small, it is difficult to exhibit sufficient catalytic activity and durability may decrease, and if the amount of catalyst per unit area is large, the overall thickness may become thick and resistance may increase.

상기 고밀도 촉매층은 상술한 촉매 밀도를 만족하는 코팅층을 형성하는 방법인 경우 제한없이 이용이 가능하다. 구체적으로 상기 고밀도 촉매층은 고점도 페이스트 코팅법으로 형성될 수 있으며, 구체적으로 상기 고점도 페이스트 코팅법은 닥터 블레이드법, 스크린법, 데칼법, 브러싱법 또는 슬롯다이법 등을 이용할 수 있다. The high-density catalyst layer can be used without limitation as long as it is a method of forming a coating layer that satisfies the above-mentioned catalyst density. Specifically, the high-density catalyst layer may be formed by a high-viscosity paste coating method. Specifically, the high-viscosity paste coating method may use a doctor blade method, a screen method, a decal method, a brushing method, or a slot die method.

상기 저밀도 촉매층은 저점도 잉크 코팅법으로 형성될 수 있으며, 구체적으로 상기 저점도 잉크 코팅법은 스프레이법 또는 스핀코팅법 등을 이용할 수 있다. The low-density catalyst layer may be formed by a low-viscosity ink coating method. Specifically, the low-viscosity ink coating method may use a spray method or spin coating method.

상기 고밀도 촉매층은 상술한 바와 같이 촉매 입자를 포함하는 촉매 페이스트를 도포하여 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 페이스트는 25℃를 기준으로 점도가 500 내지 20,000 cP, 좋게는 2,000 내지 15,000 cP일 수 있다. 점도가 지나치게 낮은 경우 촉매층이 고밀도화되기 어려울 수 있으며, 점도가 높은 경우 균일한 고밀도 촉매층 형성이 어려울 수 있다. The high-density catalyst layer may be formed by applying a catalyst paste containing catalyst particles as described above. Specifically, the paste may have a viscosity of 500 to 20,000 cP, preferably 2,000 to 15,000 cP at 25°C. If the viscosity is too low, it may be difficult to increase the density of the catalyst layer, and if the viscosity is high, it may be difficult to form a uniform, high-density catalyst layer.

상기 촉매 페이스트는 촉매 입자, 이온교환수지, 제 1 유기용매 및 초순수를 포함할 수 있으며, 이때 상기 제 1 유기용매는 디메틸포름아마이드(DMF) 및 N-메틸피롤리돈(NMP)에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. The catalyst paste may include catalyst particles, an ion exchange resin, a first organic solvent, and ultrapure water, where the first organic solvent is one selected from dimethylformamide (DMF) and N-methylpyrrolidone (NMP). It may include more.

상기 촉매 페이스트는 상기 초순수 100 중량부 대비 5 내지 20 중량부의 제 1 유기 용매, 0.5 내지 2 중량부, 좋게는 0.7 내지 1.5 중량부의 촉매 입자 및 0.3 내지 0.5 중량부의 이온교환수지를 포함할 수 있으며, 이러한 범위를 만족함으로써 촉매 페이스트로 형성되는 코팅층과 암모니아와의 접촉 면적을 확보하고 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있다. The catalyst paste may include 5 to 20 parts by weight of a first organic solvent, 0.5 to 2 parts by weight, preferably 0.7 to 1.5 parts by weight of catalyst particles, and 0.3 to 0.5 parts by weight of an ion exchange resin, based on 100 parts by weight of the ultrapure water. By satisfying this range, the contact area between the coating layer formed by the catalyst paste and ammonia can be secured and hydrogen production efficiency can be improved.

더욱 좋게는 상기 촉매 입자 : 이온교환수지의 중량비는 1:0.2 내지 0.6, 좋게는 1:0.3 내지 0.5일 수 있으며, 이러한 범위를 만족함으로써 코팅층에서 일정 비율 촉매 함량을 유지할 수 있으며, 촉매와 암모니아의 접촉비율을 더욱 높일 수 있다. More preferably, the weight ratio of the catalyst particles: ion exchange resin may be 1:0.2 to 0.6, preferably 1:0.3 to 0.5. By satisfying this range, a certain ratio of catalyst content can be maintained in the coating layer, and the catalyst and ammonia can be maintained at a certain rate. The contact ratio can be further increased.

상기 저밀도 촉매층은 상술한 바와 같이 촉매 입자를 포함하는 촉매 잉크를 도포하여 형성된 것일 수 있으며, 이때 도포 단계를 반복하여 저밀도 촉매층의 두께 및 촉매함량을 제어할 수 있다. 구체적으로 상기 촉매 잉크는 25℃를 기준으로 점도가 1 내지 100 cP, 좋게는 10 내지 90 cP일 수 있으며, 점도가 낮은 경우 코팅 단계를 지나치게 많이 반복해야하는 문제가 발생할 수 있으며, 점도가 높은 경우 암모니아와의 접촉 면적이 낮아져 수소 생산 효율이 저하될 수 있다. The low-density catalyst layer may be formed by applying a catalyst ink containing catalyst particles as described above. In this case, the thickness and catalyst content of the low-density catalyst layer can be controlled by repeating the application step. Specifically, the catalyst ink may have a viscosity of 1 to 100 cP, preferably 10 to 90 cP, based on 25°C. If the viscosity is low, a problem may arise in which the coating step must be repeated too many times, and if the viscosity is high, ammonia may be used. The contact area with is lowered, which may reduce hydrogen production efficiency.

상기 촉매 잉크는 촉매 입자, 이온교환수지, 제 2 유기용매 및 초순수를 포함할 수 있으며, 이때 상기 제 2 유기용매는 메탄올, 에탄올 및 이소프로필알코올 등과 같은 저분자량 알코올을 이용할 수 있다. The catalyst ink may include catalyst particles, an ion exchange resin, a second organic solvent, and ultrapure water. In this case, the second organic solvent may be a low molecular weight alcohol such as methanol, ethanol, and isopropyl alcohol.

상기 촉매 잉크는 상기 초순수 100 중량부 대비 5 내지 20 중량부의 제 2 유기옹매, 0.5 내지 2 중량부, 좋게는 0.7 내지 1.5 중량부의 촉매 입자 및 0.05 내지 0.3 중량부의 이온교환수지를 포함할 수 있으며, 이러한 범위에서 저밀도 촉매층의 내구도를 확보하면서도 우수한 수소 생산 효율을 확보할 수 있다. The catalyst ink may include 5 to 20 parts by weight of a second organic solvent, 0.5 to 2 parts by weight, preferably 0.7 to 1.5 parts by weight of catalyst particles, and 0.05 to 0.3 parts by weight of an ion exchange resin, based on 100 parts by weight of the ultrapure water. Within this range, excellent hydrogen production efficiency can be secured while ensuring the durability of the low-density catalyst layer.

더욱 좋게는 상기 촉매 입자 : 이온교환수지의 중량비는 1:0.05 내지 0.4, 좋게는 1:0.1 내지 0.3일 수 있으며, 이러한 범위를 만족함으로써 이온교환수지가 지나치게 소량 첨가되어 코팅층의 내구성이 급격히 하락하거나, 이온교환수지가 지나치게 다량 첨가되어 잉크의 점도를 높이고 촉매층의 밀도가 높아지는 문제를 예방할 수 있다. More preferably, the weight ratio of the catalyst particles: ion exchange resin may be 1:0.05 to 0.4, preferably 1:0.1 to 0.3. If this range is satisfied, the ion exchange resin may be added in an excessively small amount, causing a sharp decrease in the durability of the coating layer. , it is possible to prevent the problem of adding too much ion exchange resin to increase the viscosity of the ink and increase the density of the catalyst layer.

상기 촉매 페이스트 및 촉매 잉크에 사용된 이온교환수지는 양이온 교환 수지 또는 음이온 교환 수지를 이용할 수 있으며, 분말상의 이온교환 수지를 이용하는 경우 상술한 비율로 혼합하여 촉매 페이스트 또는 촉매 잉크를 제조할 수 있고, 용액상에 분산된 이온교환수지를 이용하는 경우 이온교환수지의 함량을 고려하여 촉매 페이스트 및 잉크의 조성 비율을 조절할 수 있다. The ion exchange resin used in the catalyst paste and catalyst ink can be a cation exchange resin or an anion exchange resin. When using a powdered ion exchange resin, a catalyst paste or catalyst ink can be prepared by mixing in the above-mentioned ratio, When using an ion exchange resin dispersed in a solution, the composition ratio of the catalyst paste and ink can be adjusted by considering the content of the ion exchange resin.

본 발명에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극에서 암모니아 확산층은 암모니아 산화 반응용 전극을 기계적으로 지지하고, 액상 암모니아가 촉매층으로 공급될 수 있는 통로 역할을 할 수 있다. 구체적으로 상기 암모니아 확산층은 탄소 종이, 탄소섬유, 다공성 금속 또는 합금을 이용할 수 있다. 이때 합금은 SUS 또는 STS 등을 이용할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. In the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to the present invention, the ammonia diffusion layer mechanically supports the electrode for the ammonia oxidation reaction and can serve as a passage through which liquid ammonia can be supplied to the catalyst layer. Specifically, the ammonia diffusion layer may use carbon paper, carbon fiber, porous metal, or alloy. At this time, the alloy may be SUS or STS, but the present invention is not limited thereto.

상기 암모니아 확산층은 두께가 100 내지 300 ㎛, 좋게는 120 내지 270 ㎛일 수 있으며, 암모니아 확산층의 두께가 얇은 경우 촉매층을 충분히 지지하지 못하여 내구도가 저하될 수 있으며, 암모니아 확산층의 두께가 두꺼운 경우 암모니아 공급이 원활하지 못할 수 있으며, 촉매활성 저하를 유발할 수 있다. The ammonia diffusion layer may have a thickness of 100 to 300 ㎛, preferably 120 to 270 ㎛. If the ammonia diffusion layer is thin, it may not sufficiently support the catalyst layer and durability may be reduced. If the ammonia diffusion layer is thick, ammonia may be supplied. This may not be smooth and may cause a decrease in catalytic activity.

본 발명은 또한 수소 생산 장치를 제공하며, 본 발명에 의한 수소 생산 장치는 본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 암모니아 분해 수소 생산 전극을 포함함으로써 높은 수소 생산 효율을 나타내고 다른 촉매구조를 갖는 전극을 포함하는 경우 대비 우수한 내구도를 갖는 장점이 있다. The present invention also provides a hydrogen production device, and the hydrogen production device according to the present invention may include an ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention. By including the ammonia decomposition hydrogen production electrode according to an embodiment of the present invention, there is an advantage of showing high hydrogen production efficiency and having excellent durability compared to the case of including electrodes with other catalyst structures.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples and comparative examples. The examples below are only intended to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the examples below.

단위면적당 촉매량 및 촉매의 종류에 따른 활성 비교Comparison of activity according to catalyst amount per unit area and type of catalyst

하기 표 1과 같이 전극의 구조, 촉매량 및 촉매의 종류를 달리하여 전극을 제조하였다. Electrodes were manufactured by varying the electrode structure, catalyst amount, and type of catalyst, as shown in Table 1 below.

구체적으로, 고밀도 촉매층은 초순수 100 중량부 대비 10 중량부의 DMF를 혼합하여 혼합용매를 제조한 뒤, 제조된 혼합용매에 초순수 100 중량부 대비 1 중량부의 촉매입자 및 0.4 중량부의 이온교환수지 분말을 혼합하여 촉매 페이스트를 제조하였다. 제조된 페이스트의 점도는 25℃에서 약 10,000 cP 이며, 페이스트를 닥터블레이드법을 이용하여 초당 1 cm의 속도로 코팅하여 고밀도 촉매층을 형성하였다. Specifically, the high-density catalyst layer is prepared by mixing 10 parts by weight of DMF with 100 parts by weight of ultrapure water to prepare a mixed solvent, and then mixing 1 part by weight of catalyst particles and 0.4 parts by weight of ion exchange resin powder with 100 parts by weight of ultrapure water into the prepared mixed solvent. A catalyst paste was prepared. The viscosity of the prepared paste was about 10,000 cP at 25°C, and the paste was coated at a speed of 1 cm per second using the doctor blade method to form a high-density catalyst layer.

저밀도 촉매층은 초순수 100 중량부 대비 10 중량부의 에탄올을 혼합하여 혼합용매를 제조한 뒤, 이 혼합용매에 초순수 100 중량부 대비 1 중량부의 촉매입자 및 0.2 중량부의 이온교환수지를 혼합하여 25℃에서 점도가 약 60 cP인 촉매잉크를 제조하였으며, 제조된 촉매 잉크를 스프레이 코팅법으로 수십번 반복하여 저밀도 촉매층의 두께를 확보하였다. The low-density catalyst layer is prepared by mixing 10 parts by weight of ethanol with 100 parts by weight of ultrapure water to prepare a mixed solvent, and then mixing 1 part by weight of catalyst particles and 0.2 parts by weight of ion exchange resin with 100 parts by weight of ultrapure water into the mixed solvent to adjust the viscosity at 25°C. A catalyst ink with a density of about 60 cP was prepared, and the prepared catalyst ink was spray coated dozens of times to secure the thickness of the low-density catalyst layer.

제조된 전극을 200 ㎖의 전해질이 담겨있는 전기화학 반응기에서 암모니아 산화 반응을 수행하였다. 상기 전해질은 1 M 암모니아와 1 M KOH가 혼합되어 있는 혼합 용액을 이용하였으며, 전해질에 아르곤 가스를 주입하여 다른 부반응이 일어나지 않도록 하였다. 또한, 전해질 온도는 25℃로 유지하였으며, 표 1의 각 전극을 작업 전극으로 사용하고, 기준전극으로는 Hg/HgO, 상대 전극으로는 백금 거즈를 이용하여 3전극 평가 시스템을 이용하였다. 0 V에서 1.0 V 까지 RHE 사이의 전위 영역에서 전류밀도를 측정하여, 암모니아 산화반응 피크의 시작 전위와 전류밀도를 비교하였다. 도 1은 표 1의 전극의 촉매활성을 측정한 결과로, 그래프의 스캔 속도는 20 mV/s이며, 반응의 전류밀도는 A-1 전극을 기준으로 정규화하여 도 1에 나타내었다. 또한, 표 1의 백금-팔라듐 촉매 또는 백금-이리듐 촉매는 각각 중량을 기준으로 1:1로 백금과 팔라듐 또는 이리듐을 혼합하여 제조한 합금을 이용하였다. An ammonia oxidation reaction was performed on the prepared electrode in an electrochemical reactor containing 200 ml of electrolyte. The electrolyte used was a mixed solution of 1 M ammonia and 1 M KOH, and argon gas was injected into the electrolyte to prevent other side reactions from occurring. In addition, the electrolyte temperature was maintained at 25°C, and each electrode in Table 1 was used as a working electrode, and a three-electrode evaluation system was used with Hg/HgO as the reference electrode and platinum gauze as the counter electrode. The current density was measured in the potential range between RHE from 0 V to 1.0 V, and the starting potential and current density of the ammonia oxidation reaction peak were compared. Figure 1 shows the results of measuring the catalytic activity of the electrodes in Table 1. The scan speed of the graph is 20 mV/s, and the current density of the reaction is normalized based on the A-1 electrode and shown in Figure 1. In addition, the platinum-palladium catalyst or the platinum-iridium catalyst in Table 1 used an alloy prepared by mixing platinum and palladium or iridium in a 1:1 ratio by weight.

제조예Manufacturing example 촉매량 (㎎/㎠)Catalyst amount (mg/㎠) 전극 구조electrode structure 촉매 종류Catalyst type A-1A-1 22 저밀도 촉매층low density catalyst layer 백금 촉매platinum catalyst A-2A-2 22 저밀도 촉매층low density catalyst layer 이리듐 촉매iridium catalyst A-3A-3 22 저밀도 촉매층low density catalyst layer 백금-팔라듐 합금 촉매Platinum-palladium alloy catalyst A-4A-4 22 저밀도 촉매층low density catalyst layer 백금-이리듐 합금 촉매Platinum-iridium alloy catalyst BB 44 저밀도 촉매층low density catalyst layer 백금-이리듐 합금 촉매Platinum-iridium alloy catalyst CC 55 고밀도 촉매층High-density catalyst layer 백금-이리듐 합금 촉매Platinum-iridium alloy catalyst DD 66 저밀도 촉매층low density catalyst layer 백금-이리듐 합금 촉매Platinum-iridium alloy catalyst EE 88 고밀도 촉매층High-density catalyst layer 백금-이리듐 합금 촉매Platinum-iridium alloy catalyst

도 1을 참고하면, 백금 촉매를 사용한 A-1 전극은 기타 촉매 물질인 A-2, A-3 및 A-4 전극보다 약 1.5 내지 2배 높은 암모니아 산화 전류밀도를 보였다. 그러나, 유사한 암모니아 산화 시작 전위를 가지는 A-2, A-3 및 A-4와 B, C, D, E전극과 달리 가장 높은 시작전위를 필요로 하여 반응 개시에 있어 불리함을 확인할 수 있다. Referring to Figure 1, the A-1 electrode using a platinum catalyst showed an ammonia oxidation current density that was about 1.5 to 2 times higher than that of the A-2, A-3, and A-4 electrodes using other catalyst materials. However, unlike electrodes A-2, A-3, and A-4 and B, C, D, and E, which have similar ammonia oxidation start potentials, it requires the highest start potential, which is disadvantageous in starting the reaction.

또한, A-4와 B, C, D 및 E 전극의 암모니아 산화 시작전위와 최대 전류밀도를 비교하면, 촉매 밀도가 5 ㎎/㎠인 C 전극이 가장 높은 전류밀도를 보임을 확인할 수 있다. In addition, comparing the ammonia oxidation start potential and maximum current density of electrodes A-4, B, C, D, and E, it can be seen that electrode C, which has a catalyst density of 5 mg/cm2, shows the highest current density.

촉매구조에 따른 수소생산 효율 비교Comparison of hydrogen production efficiency according to catalyst structure

하기 표 2와 같이 복합구조 암모니아 전극의 단일셀 구동 및 수소 생산량을 평가하였다. 각 제조예는 모두 단위 면적 당 5 ㎎/㎠의 촉매량을 갖는 암모니아 산화용 백금-이리듐 전극을 이용하였다. 제조예 1(case 1)의 경우 저점도 잉크 분사 코팅법을 활용한 저밀도 촉매층으로 구성된 전극이며, 제조예 4(case 4)는 고점도 페이스트 코팅법을 이용하여 고밀도 촉매층으로 구성된 전극이다. 제조예 2 및 3의 경우 저점도 잉크분사 코팅법 및 고점도 페이스트 코팅법을 활용하여 저밀도 촉매층과 고밀도 촉매층의 복합구조를 이루는 전극이며, 제조예 2(case 2)의 경우 저밀도 촉매층 : 고밀도 촉매층의 촉매 함량 비율은 4:1이며, 제조예 3(case 3)의 경우 저밀도 촉매층 : 고밀도 촉매층의 촉매 함량 비율이 1:4이다. As shown in Table 2 below, single cell operation and hydrogen production of the composite structure ammonia electrode were evaluated. In each production example, a platinum-iridium electrode for ammonia oxidation with a catalyst amount of 5 mg/cm2 per unit area was used. Preparation Example 1 (Case 1) is an electrode composed of a low-density catalyst layer using a low-viscosity ink spray coating method, and Preparation Example 4 (Case 4) is an electrode composed of a high-density catalyst layer using a high-viscosity paste coating method. In the case of Preparation Examples 2 and 3, the electrode forms a composite structure of a low-density catalyst layer and a high-density catalyst layer using a low-viscosity ink spray coating method and a high-viscosity paste coating method, and in Preparation Example 2 (case 2), the low-density catalyst layer: the catalyst of the high-density catalyst layer. The content ratio is 4:1, and in Preparation Example 3 (case 3), the catalyst content ratio of the low-density catalyst layer:high-density catalyst layer is 1:4.

제조예 Manufacturing example 전극 코팅 방법
(촉매량 비율)
Electrode coating method
(Catalyst amount ratio)
단위 면적 당 촉매량(㎎/㎠)Catalyst amount per unit area (mg/㎠) 전극 두께
(㎛)
electrode thickness
(㎛)
촉매층 두께(㎛)Catalyst layer thickness (㎛) 두께 100 μm 당 단위 면적 촉매량
(㎎/㎠)
Unit area catalyst amount per 100 μm thickness
(㎎/㎠)
1One 저점도 잉크 분사Low viscosity ink injection 55 465465 275275 1.821.82 22 저점도 잉크 분사+ 고점도 페이스트
(4:1)
Low viscosity ink injection + high viscosity paste
(4:1)
55 428428 238238 2.102.10
33 저점도 잉크 분사 + 고점도 페이스트
(1:4)
Low viscosity ink injection + high viscosity paste
(1:4)
55 300300 110110 4.554.55
44 고점도 페이스트 high viscosity paste 55 280280 9090 5.565.56

각 제조예에서 제조된 전극을 이용하여 막-전극 접합체를 구성하였다. 암모니아 산화 반응의 전극은 각 제조예에서 제조된 전극이고, 짝반응인 수소 발생용 전극은 백금 촉매를 2 ㎎/㎠ 코팅한 수소 발생 전극을 이용하였다. 멤브레인은 음이온교환박을 사용하였으며, 전해질은 산화극 기준 1M NH3가 함유된 1M KOH 혼합 용액을 사용하였다. 제조된 암모니아 분해 장치로 정전류밀도 실험을 수행하였으며, 전류밀도 값은 100 mA/㎠, 전극 면적은 25 ㎠였다. A membrane-electrode assembly was constructed using the electrodes manufactured in each preparation example. The electrode for the ammonia oxidation reaction was the electrode prepared in each preparation example, and the electrode for hydrogen generation, which is a companion reaction, was used as a hydrogen generation electrode coated with 2 mg/cm2 of a platinum catalyst. An anion exchange foil was used as the membrane, and a 1M KOH mixed solution containing 1M NH3 based on the anode was used as the electrolyte. A constant current density experiment was performed with the manufactured ammonia decomposition device, and the current density value was 100 mA/cm2 and the electrode area was 25 cm2.

도 2는 본 발명의 제조예에 의한 복합 구조 암모니아 산화 전극을 도입한 암모니아 전기분해 및 수소 생산량 평가에 대한 결과이다. 저밀도 촉매층만 포함된 제조예 1의 경우, 구동 시간이 10분 경과했을 때부터 초기성능 대비 약 60% 이하의 수소 생산량을 보였다. 또한 30분이 경과한 후에는 암모니아 분해를 통한 수소 생산량이 거의 나타나지 않았다. 이러한 급격한 수소 생산 성능 감소는 저밀도 촉매층의 두꺼운 촉매 두께로 인한 높은 저항과 적은 활성점에 의해 나타난 결과로 볼 수 있다. 고밀도 촉매층만 포함된 샘플 4의 경우 샘플 1에 비해 전극의 초기 성능이 높고, 초반 30분 까지 비교적 안정적인 수소 생산량을 보였다. 그러나 60분 이후 수소 생산량은 초기 성능의 약 50% 밖에 보이지 않았으며, 고밀도 촉매층으로만 구성된 전극에서는 기공 구조가 발달되어 있지 않아, 암모니아의 공급이 원활하지 않아 점차 물질전달 영역에서 성능 감소로 인해 성능 저하가 일어난 것으로 판단된다. Figure 2 shows the results of ammonia electrolysis and hydrogen production evaluation using a composite structure ammonia oxidation electrode according to a production example of the present invention. In the case of Preparation Example 1, which included only a low-density catalyst layer, hydrogen production was less than about 60% of the initial performance after 10 minutes of operation time. Additionally, after 30 minutes, almost no hydrogen production was achieved through ammonia decomposition. This rapid decrease in hydrogen production performance can be seen as a result of high resistance and few active sites due to the thick catalyst thickness of the low-density catalyst layer. In the case of Sample 4, which only contained a high-density catalyst layer, the initial performance of the electrode was higher than that of Sample 1, and showed relatively stable hydrogen production until the first 30 minutes. However, after 60 minutes, hydrogen production was only about 50% of the initial performance, and the pore structure was not developed in the electrode composed of only a high-density catalyst layer, so ammonia was not supplied smoothly, resulting in a gradual decrease in performance in the mass transfer area. It is believed that a decline has occurred.

본 발명에 의한 복합 전극구조를 갖는 샘플 2 및 3의 경우, 제조예 1 및 4와 대비하여 안정적인 수소 생산량을 나타냄을 확인할 수 있다. 그 중에서도, 저밀도 촉매층과 고밀도 촉매층의 비율이 1:4인 제조예 3이 전극 성능과 안정성 측면에서 모두 뛰어난 것을 확인할 수 있다. It can be confirmed that Samples 2 and 3, which have a composite electrode structure according to the present invention, show stable hydrogen production compared to Preparation Examples 1 and 4. Among them, it can be seen that Preparation Example 3, in which the ratio of the low-density catalyst layer and the high-density catalyst layer is 1:4, is excellent in terms of both electrode performance and stability.

구체적으로, 초기 생산량을 기준으로 제조예 3의 수소 생산량이 가장 높으며, 제조예 3의 수소 생산량과 대비하여 제조예 1의 경우 87% 이하, 제조예 2의 경우 98% 이하, 제조예 4의 경우 92% 이하의 수소 생산량을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 30분이 경과한 경우 제조예 3의 전극을 이용한 경우 초기 생산량과 대비하여 95% 이상의 수소 생산량을 유지하는 반면, 제조예 1의 경우 수소 생산량이 12% 이하로 낮아지고, 제조예 2의 경우 85 내지 90% 수준을 나타냈으며, 제조예 4의 경우 87% 이하의 수소 생산량을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 아울러 제조예 3의 전극을 이용한 경우 60분이 경과하더라도 95% 이상의 수소 생산량을 유지하는 것을 확인할 수 있다. Specifically, based on the initial production volume, the hydrogen production of Preparation Example 3 is the highest, and compared to the hydrogen production of Preparation Example 3, it is 87% or less in Preparation Example 1, 98% or less in Preparation Example 2, and 98% or less in Preparation Example 4. It can be confirmed that hydrogen production is less than 92%. In addition, after 30 minutes, when using the electrode of Preparation Example 3, hydrogen production is maintained at 95% or more compared to the initial production, whereas in Preparation Example 1, hydrogen production decreases to 12% or less, and in Preparation Example 2, It showed a level of 85 to 90%, and in the case of Preparation Example 4, it can be confirmed that hydrogen production was less than 87%. In addition, when using the electrode of Preparation Example 3, it can be confirmed that hydrogen production of more than 95% is maintained even after 60 minutes.

Claims (11)

암모니아 확산층, 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층을 순차로 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
An ammonia decomposition hydrogen production electrode comprising an ammonia diffusion layer, a high-density catalyst layer, and a low-density catalyst layer in that order.
제 1항에 있어서,
단위 면적 당 상기 고밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양이 저밀도 촉매층에 포함된 촉매의 양보다 큰 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
According to clause 1,
An ammonia decomposition hydrogen production electrode, characterized in that the amount of catalyst contained in the high-density catalyst layer per unit area is greater than the amount of catalyst contained in the low-density catalyst layer.
제 1항에 있어서,
상기 고밀도 촉매층은 두께 100 ㎛를 기준으로 1 ㎠ 당 2 내지 8 ㎎의 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
According to clause 1,
The high-density catalyst layer is an ammonia decomposition hydrogen production electrode, characterized in that it contains 2 to 8 mg of catalyst per 1 cm 2 based on a thickness of 100 ㎛.
제 1항에 있어서,
상기 저밀도 촉매층은 두께 100 ㎛를 기준으로 1 ㎠ 당 0.5 내지 3 ㎎의 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
According to clause 1,
The low-density catalyst layer is an ammonia decomposition hydrogen production electrode, characterized in that it contains 0.5 to 3 mg of catalyst per 1 cm 2 based on a thickness of 100 ㎛.
제 1항에 있어서,
상기 저밀도 촉매층 및 고밀도 촉매층의 두께 합은 30 내지 450 ㎛인 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
According to clause 1,
An ammonia decomposition hydrogen production electrode, characterized in that the sum of the thicknesses of the low-density catalyst layer and the high-density catalyst layer is 30 to 450 ㎛.
제 1항에 있어서,
상기 고밀도 촉매층 및 저밀도 촉매층은 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금 및 이들의 합금에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
According to clause 1,
An ammonia decomposition hydrogen production electrode, wherein the high-density catalyst layer and the low-density catalyst layer include one or more catalysts selected from ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, and alloys thereof.
제 1항에 있어서,
상기 암모니아 분해 수소 생산 전극은 단위 면적당 촉매량이 2 내지 10 ㎎/㎠인 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
According to clause 1,
The ammonia decomposition hydrogen production electrode is an ammonia decomposition hydrogen production electrode, characterized in that the catalyst amount per unit area is 2 to 10 mg/cm2.
제 1항에 있어서,
암모니아 확산층은 두께가 100 내지 300 ㎛인 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
According to clause 1,
An ammonia decomposition hydrogen production electrode, characterized in that the ammonia diffusion layer has a thickness of 100 to 300 ㎛.
제 1항에 있어서,
상기 고밀도 촉매층은 닥터 블레이드법, 스크린법, 데칼법, 브러싱법 또는 슬롯다이법으로 형성된 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
According to clause 1,
An ammonia decomposition hydrogen production electrode, wherein the high-density catalyst layer is formed by a doctor blade method, screen method, decal method, brushing method, or slot die method.
제 1항에 있어서,
저밀도 촉매층은 스프레이법 또는 스핀코팅법으로 형성된 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 수소 생산 전극.
According to clause 1,
An ammonia decomposition hydrogen production electrode, wherein the low-density catalyst layer is formed by spraying or spin coating.
제 1항 내지 제 10항에서 선택되는 어느 한 항의 암모니아 분해 수소 생산 전극을 포함하는 수소 생산 장치. A hydrogen production device comprising the ammonia decomposition hydrogen production electrode of any one of claims 1 to 10.
KR1020220138816A 2022-10-26 Ammonia electrolysis hydrogen production electrode and hydrogen production equipment containing thereof KR20240058258A (en)

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