휴대용 고분자전해질 연료전지의 수소발생용으로써 $NaBH_4$는 많은 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 비담지 Co-B, Co-P-B 촉매의 $NaBH_4$가수분해 특성에 대해 연구하였다. 촉매의 BET 표면적, 수소 수율, $NaBH_4$ 농도 영향, 촉매 내구성 등을 실험하였다. 비담지 Co-B 촉매의 BET 표면적은 $75.7m^2/g$으로 FeCrAlloy에 담지한 Co-B 촉매에 비해 BET 면적이 18배 높았다. 회분식 반응기에서 비담지 촉매들은 $NaBH_4$ 20~25 wt% 사용조건에서 97.6~98.5%의 높은 수소 수율을 보였다. $NaBH_4$ 농도가 30 wt%로 증가하면서 수소수율은 95.3~97.0%로 감소하였다. 비담지 촉매의 촉매 손실율은 FeCrAlloy에 담지 촉매에 비해 낮았으며, $NaBH_4$ 농도가 증가하면서 촉매 손실율도 증가하였다. 연속 반응기에서 1.2 g 비담지 Co-P-B 촉매를 사용해서 약 $3{\ell}/min$ 발생속도로 가수분해 반응하여 90%의 수소 수율을 얻었다.
휴대용 고분자전해질 연료전지의 수소발생용으로써 $NaBH_4$는 많은 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 비담지 Co-B, Co-P-B 촉매의 $NaBH_4$ 가수분해 특성에 대해 연구하였다. 촉매의 BET 표면적, 수소 수율, $NaBH_4$ 농도 영향, 촉매 내구성 등을 실험하였다. 비담지 Co-B 촉매의 BET 표면적은 $75.7m^2/g$으로 FeCrAlloy에 담지한 Co-B 촉매에 비해 BET 면적이 18배 높았다. 회분식 반응기에서 비담지 촉매들은 $NaBH_4$ 20~25 wt% 사용조건에서 97.6~98.5%의 높은 수소 수율을 보였다. $NaBH_4$ 농도가 30 wt%로 증가하면서 수소수율은 95.3~97.0%로 감소하였다. 비담지 촉매의 촉매 손실율은 FeCrAlloy에 담지 촉매에 비해 낮았으며, $NaBH_4$ 농도가 증가하면서 촉매 손실율도 증가하였다. 연속 반응기에서 1.2 g 비담지 Co-P-B 촉매를 사용해서 약 $3{\ell}/min$ 발생속도로 가수분해 반응하여 90%의 수소 수율을 얻었다.
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs). Properties of $NaBH_4$ hydrolysis reaction using unsupported Co-B, Co-P-B catalyst were studied. BET surface area of catalyst, yield of hydrog...
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs). Properties of $NaBH_4$ hydrolysis reaction using unsupported Co-B, Co-P-B catalyst were studied. BET surface area of catalyst, yield of hydrogen, effect of $NaBH_4$ concentration and durability of catalyst were measured. The BET surface area of unsupported Co-B catalyst was $75.7m^2/g$ and this value was 18 times higher than that of FeCrAlloy supported Co-B catalyst. The hydrogen yield of $NaBH_4$ hydrolysis reaction by unsupported catalysts using 20~25 wt% $NaBH_4$ solution was 97.6~98.5% in batch reactor. The hydrogen yield decrease to 95.3~97.0% as the concentration of $NaBH_4$ solution increase to 30 wt%. The loss of unsupported catalyst was less than that of FeCrAlloy supported catalyst during $NaBH_4$ hydrolysis reaction and the loss increased with increasing of $NaBH_4$ concentration. In continuous reactor, hydrogen yield of $NaBH_4$ hydrolysis was 90% using 1.2 g of unsupported Co-P-B catalyst with $3{\ell}/min$ hydrogen generation rate.
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs). Properties of $NaBH_4$ hydrolysis reaction using unsupported Co-B, Co-P-B catalyst were studied. BET surface area of catalyst, yield of hydrogen, effect of $NaBH_4$ concentration and durability of catalyst were measured. The BET surface area of unsupported Co-B catalyst was $75.7m^2/g$ and this value was 18 times higher than that of FeCrAlloy supported Co-B catalyst. The hydrogen yield of $NaBH_4$ hydrolysis reaction by unsupported catalysts using 20~25 wt% $NaBH_4$ solution was 97.6~98.5% in batch reactor. The hydrogen yield decrease to 95.3~97.0% as the concentration of $NaBH_4$ solution increase to 30 wt%. The loss of unsupported catalyst was less than that of FeCrAlloy supported catalyst during $NaBH_4$ hydrolysis reaction and the loss increased with increasing of $NaBH_4$ concentration. In continuous reactor, hydrogen yield of $NaBH_4$ hydrolysis was 90% using 1.2 g of unsupported Co-P-B catalyst with $3{\ell}/min$ hydrogen generation rate.
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문제 정의
다양한 종류의 촉매와 지지체에 고정시켜 실험한 문헌들이 많지만[6~12], 촉매를 지지체에 담지시키는 과정에서 손실이 많고 시간이 많이 소요되어 NaBH4 가수분해 반응용 촉매의 가격이 상승해 경제성이 감소하는 문제점을 본 연구에서는 해결하고자 하였다. 그래서 본 연구에서는 촉매를 지지체에 고정시키지 않은 비담지 촉매를 제조해 회분식반응기와 연속반응기에서 실험해 그 특성을 검토하였다.
또한, 회분식 반응기에서 온도제어나 반응 부산물 회수 문제가 있어서 연속 흐름반응기를 이용해야 하기 때문에 촉매를 지지체에 고정시켜 NaBH4를 가수분해 시킨다. 다양한 종류의 촉매와 지지체에 고정시켜 실험한 문헌들이 많지만[6~12], 촉매를 지지체에 담지시키는 과정에서 손실이 많고 시간이 많이 소요되어 NaBH4 가수분해 반응용 촉매의 가격이 상승해 경제성이 감소하는 문제점을 본 연구에서는 해결하고자 하였다. 그래서 본 연구에서는 촉매를 지지체에 고정시키지 않은 비담지 촉매를 제조해 회분식반응기와 연속반응기에서 실험해 그 특성을 검토하였다.
제안 방법
NaBH4 가수 분해 반응용 비담지 촉매를 제조하여 담지 촉매와 비교해 그 특성을 실험한 결과를 다음과 같이 정리하였다.
0%(무게)되게 한 다음 제조한 Co-B, Co-P-B 촉매를 섬유 봉지에20 mg 담고 가수분해반응을 진행시켰다. 반응기의 온도가 80~90 ℃가 되게 열교환 시키며 MFM(mass flow meter, CNL Energy)으로 수소발생량을 측정하였다. MFM으로 수분이 유입되지 않게 하기 위해반응기 유출 가스를 -5 ℃의 냉각기를 통과한 후 MFM으로 유입되게 하였다.
펌프(Longer Pump,BT100-1L)를 이용해 반응용액 저장용기로부터 반응기에 용액을 유입하는 속도에 의해 수소발생 속도를 제어하였다. 버퍼의 압력을 측정해 압력 게이지 압력 0.6~1.0 bar 범위에서 압력이 낮으면 펌프의rpm을 높이고 압력이 높으면 rpm을 낮추는 방법으로 수소발생 속도를 약 3.0ℓ/ min이 유지 되게 하였다. 촉매를 0.
촉매 표면적과 촉매기공 특성은 BET 측정기(ACAP 2010 MicroPore, Micromeritics)로 분석하였는데 시료는 1시간 동안 200 ℃에서 전처리를 실시한 후 분석하였다.
촉매의 입자 크기 및 형태를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, Hitachi S-4800, KBSI Suncheon center)을 이용 분석하였으며 beam voltage는 10 kV였다.
반응부산물은 반응기 밑의 통에 들어가 모인 후 일정 시간 간격으로 외부로 배출하였다. 콘덴서에서 수증기를 응축해 수분이 제거된 수소가 버퍼를 통과한 후 MFM으로 유량을 측정하였다.
1과 같이 구성하였다. 펌프(Longer Pump,BT100-1L)를 이용해 반응용액 저장용기로부터 반응기에 용액을 유입하는 속도에 의해 수소발생 속도를 제어하였다. 버퍼의 압력을 측정해 압력 게이지 압력 0.
6에 비담지 촉매의 내구성을 측정하여 비교하였다. 회분식반응기에 20~30% NaBH4 수용액을 Co-B 촉매와 Co-P-B 촉매로 가수분해한 후 남은 촉매량을 측정했다. NaBH4 농도가 증가할수록 촉매 손실율이 높아졌는데, 이것은 NaBH4 농도가 높을수록 물의양이 부족으로 인한 부산물 점도 증가로 촉매 유실이 커진 것으로 판단된다.
성능/효과
NaBH4 농도가 증가하면 점도도 증가해 반응 후 반응부산물이 NaBH4와 촉매 접촉을 방해하기 때문에 반응하지 않은 NaBH4가 많아지기 때문이다[13]. 그리고 비담지 촉매가 Cu에담지한 Co-B/Cu 촉매보다 수율이 1~2% 높은데, 그 이유는 고정되어 있는 담지 촉매보다 분말상태로 유동하는 비담지 촉매가 NaBH4와 접촉이 좋아 수율이 향상된 것으로 판단된다. 비담지 Co-B와 Co-P-B는 NaBH4 농도 20%, 25%에서는 비슷한데 30%에서 BET 표면적이 큰 Co-B 촉매가 수율이 높음을 보이고 있다.
5%의 높은 수율을 얻었다. 그리고 촉매 손실율은 NaBH4 용액 농도가 증가할수록 증가하였으며 비담지 촉매 손실율이 FeCrAlloy 담지 촉매보다 낮았다.
6 bar로 낮아지면 펌프의 rpm을 높여 수소 발생속도가 순간적으로 9~10ℓ/ min이 되게 하여 PEMFC의 수소 부족 현상(starvation)이 없게 하였다. 반응이 완료되었을 때 누적 수소 발생량으로 수소발생 수율을 계산한 결과 90%였다. 연속 반응기에서는 반응물의 촉매 접촉에 한계가 있어서 회분식 반응기에서 수율보다 낮지만 연속반응기에서 NaBH4 가수분해 반응수율 90%는 비교적 높은 수율이다[15].
연속 반응기에서는 반응물의 촉매 접촉에 한계가 있어서 회분식 반응기에서 수율보다 낮지만 연속반응기에서 NaBH4 가수분해 반응수율 90%는 비교적 높은 수율이다[15]. 본 실험에 사용한 비담지 Co-P-B 촉매를 이용한 NaBH4 가수분해 반응 속도가 빨라 퍼지가 있는 급변하는 조건에도 잘 대응해서 PEMFC 스택을 안정적으로 구동할 수 있음을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수소 저장·공급방법 중 가장 적합한 방법은?
다음으로 고분자전해질연료전지(PEMFC)가 이동형 소형 연료전지로 적합한데 연료인 수소를 저장·공급할 수 있는 방법이 어려운 점이 문제다. 수소 저장·공급에는 많은 방법이 있지만 이들 중에서 붕소수소화물과 같은 화학적 수소화물이 여러 측면에서 제일 적합한 방법이라 할 수 있다.
고분자전해질연료전지에 NH3BH3를 사용하는 경우 낮은 수소저장용량을 가지는 이유는?
이 중, NH3BH3(Amoniaborane, AB)는 19.6 wt%의 높은 수소저장용량으로 최근에 많은 관심을 받고 있지만 높은 수소방출온도(100 oC 이상)와 반응 부산물(borazine, ammonia, diborane)이 PEMFC의 성능감소 원인이 되므로[1] 이를 방지하기 위한 부가적인 장치로 인하여 수소발생시스템에서 낮은 수소저장용량을 가질 수밖에 없다. 화학적 수소화물은 안전성, 비가연성, 비독성, 높은 수소저장용량 뿐만 아니라, 반응 생성물이 PEMFC에 영향을 주지 않아야 하는 등 매우 다양한 조건들이 고려된다.
화학적 수소화물에는 어떤 것들이 있는가?
화학적 수소화물에는 CaH2, MgH2, C10H18, NH3BH3, NaBH4 등이 있다. 이 중, NH3BH3(Amoniaborane, AB)는 19.
참고문헌 (15)
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