무인항공기용 고분자전해질 연료전지의 수소발생용으로써 $NaBH_4$는 많은 장점을 갖고 있다. 무인항공기용으로 이용하기 위해서는 $NaBH_4$가수분해 반응 후 부산물의 무게와 부피가 작아야 한다. 그래서 본 연구에서는 비담지 촉매를 사용한 $NaBH_4$ 가수분해 반응 후 부산물의 무게와 부피에 대해 연구하였다. 촉매 형태, $NaBH_4$ 농도, NaOH 농도, 촉매팩 두께 등이 부산물의 무게와 부피에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 본 실험 조건에서 발생한 부산물은 대부분 $NaB(OH)_4$였고, 거품이 발생하여 부피가 증가하였다. 안정화제인 NaOH 농도는 부산물의 무게와 부피에 별 영향을 주지 않았다. $NaBH_4$ 농도가 증가하면 부산물 무게가 감소하였으나, $NaBH_4$ 농도 23 wt%에서 최고 부피를 나타냈다. 소포제를 이용해 부산물의 부피를 감소시킬 수 있었다.
무인항공기용 고분자전해질 연료전지의 수소발생용으로써 $NaBH_4$는 많은 장점을 갖고 있다. 무인항공기용으로 이용하기 위해서는 $NaBH_4$ 가수분해 반응 후 부산물의 무게와 부피가 작아야 한다. 그래서 본 연구에서는 비담지 촉매를 사용한 $NaBH_4$ 가수분해 반응 후 부산물의 무게와 부피에 대해 연구하였다. 촉매 형태, $NaBH_4$ 농도, NaOH 농도, 촉매팩 두께 등이 부산물의 무게와 부피에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 본 실험 조건에서 발생한 부산물은 대부분 $NaB(OH)_4$였고, 거품이 발생하여 부피가 증가하였다. 안정화제인 NaOH 농도는 부산물의 무게와 부피에 별 영향을 주지 않았다. $NaBH_4$ 농도가 증가하면 부산물 무게가 감소하였으나, $NaBH_4$ 농도 23 wt%에서 최고 부피를 나타냈다. 소포제를 이용해 부산물의 부피를 감소시킬 수 있었다.
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for UAV PEMFC (Unmaned Aerial Vehicle Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In order to use for UAV, the weight and volume of byproduct should be small after $NaBH_4$ hydrolysis reaction. Therefore, t...
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for UAV PEMFC (Unmaned Aerial Vehicle Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In order to use for UAV, the weight and volume of byproduct should be small after $NaBH_4$ hydrolysis reaction. Therefore, the weight and volume of byproduct were studied after $NaBH_4$ hydrolysis reaction using unsupported catalyst. The effect of catalyst type, concentration of $NaBH_4$, concentration of NaOH and thickness of catalyst pack on the weight and volume of byproduct were studied. Most of byproduct was $NaB(OH)_4$ and superficial volume of byproduct increased due to foam evolved from byproduct. The weight and volume of byproduct were not affected by concentration of NaOH used stabilizer. The weight of byproduct decreased as concentration of $NaBH_4$ solution increased, but maximum volume of byproduct obtained at 23 wt% of $NaBH_4$. Suitable defoaming agent reduced the volume of byproduct.
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for UAV PEMFC (Unmaned Aerial Vehicle Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In order to use for UAV, the weight and volume of byproduct should be small after $NaBH_4$ hydrolysis reaction. Therefore, the weight and volume of byproduct were studied after $NaBH_4$ hydrolysis reaction using unsupported catalyst. The effect of catalyst type, concentration of $NaBH_4$, concentration of NaOH and thickness of catalyst pack on the weight and volume of byproduct were studied. Most of byproduct was $NaB(OH)_4$ and superficial volume of byproduct increased due to foam evolved from byproduct. The weight and volume of byproduct were not affected by concentration of NaOH used stabilizer. The weight of byproduct decreased as concentration of $NaBH_4$ solution increased, but maximum volume of byproduct obtained at 23 wt% of $NaBH_4$. Suitable defoaming agent reduced the volume of byproduct.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
부산물의 부피는 부산물에서 발생하는 거품 때문에 NaBH4의 농도에 따라 일정하게 변하지는 않는다. 본 연구에서는 무인항공기용 수소발생장치의 무게와 부피를 최소화하기 위해 비담지 촉매를 이용한 연속반응기 시스템에서 부산물의 무게와 부피를 감소시키는 최적의 조건을 찾고자 하였다.
부산물에서 발생하는 거품 때문에 부피가 증가하는 것이 문제여서 이를 해결하기 위해 거품 발생을 방지하는 소포제를 적용해 보기로 했다. 소포제의 종류에 따른 부산물의 무게는 소포제가 가수분해 반응에 영향을 주지 않아 수소 발생량이 동일하기 때문에 큰 차이를 보이지 않았다(Fig.
제안 방법
부산물의 무게 및 부피는 Fig. 1과 같은 장치 구성을 이용하여 5~10분 간격으로 누적 측정하였다.
비담지 Co-P-B 촉매는 NaH2PO2·H2O (Yakuri pure chemical co.)과 CoCl2·6H2O (Junsei chemical Co.)를 이용하여 Co와 P의 몰 비가 1:1인 Co-P 수용액을 만들고, Co-P와 비교하여 NaBH4 (Daejungchemicals & metals co.) 수용액 내의 B의 몰 비가 각각 1:2, 1:3, 1:5가 되게 제조한 뒤, Co-P 수용액에 NaBH4 수용액을 천천히 가하면서 3시간 이상 교반하였다.
샘플링한 부산물은 XRD (PANalytical B. V., X'Pert Pro MPD)분석을 통해 부산물의 형태를 확인하였다.
2 g씩 담은 두께가 2 mm인 섬유 봉투 2개를 이용하였다. 이때 반응 용액의 농도는 15, 20, 23, 25 wt% NaBH4 수용액을 펌프를 이용하여 각각 5.48, 4.11, 3.58, 3.31ml/min (5.9, 4.5, 3.9, 3.6 Pump RPM)의 속도로 반응기에 주입해 가수분해하였으며, 이후 실험방법은 촉매의 종류 및 제조 비율별 실험과 동일하다.
촉매 팩의 두께에 따른 실험에서는 Co-P:B가 1:5인 촉매를 1.2 g씩 담은 두께가 1, 2, 3 mm인 섬유 봉투 2개를 이용하였다. 이후 실험방법은 촉매의 종류 및 제조 비율별 실험과 같다.
1과 같이 구성하였다. 펌프(Longerpump, BT100-1L)를 이용하여 반응 용액 저장 용기로부터 반응기에 용액을 주입하는 속도를 제어하였다. 이때의 수소 발생 속도는 2 L/min 정도로 유지시켰다.
회수된 부산물은 100°C 오븐에서 하루 정도 건조를 시켰으며, 건조된 부산물을 분쇄하여 샘플링 하였다.
대상 데이터
반응 용액의 NaBH4 농도에 따른 실험에서는 Co-P:B가 1:5인 촉매를 1.2 g씩 담은 두께가 2 mm인 섬유 봉투 2개를 이용하였다. 이때 반응 용액의 농도는 15, 20, 23, 25 wt% NaBH4 수용액을 펌프를 이용하여 각각 5.
촉매의 종류 및 제조 비율별 실험은 Co-B와 Co-P:B가 각각 1:2, 1:3, 1:5인 촉매를 1.2 g씩 담은 두께가 2 mm인 섬유 팩 2개를 이용하였다. 이 때 반응 용액(23 wt% NaBH4, 0.
성능/효과
부산물 구조는 담지체의 영향이 크다고 보는데, NaBH4 가수분해 후 부산물의 구조에 대해서는 아직 연구가 부족하므로 Ni, FeCrAlloy 등 담지체를 변화시키며 담지체의 영향에 대해서 추가 연구가 필요하다. NaBH4 농도가 증가함에 따라 수분의 함량이 감소해 NaB(OH)4의 피크의 크기가 전체적으로 감소함을 확인할 수 있었다.
반응 용액의 NaBH4 농도에 따른 부산물 비교 실험 결과 15~23 wt% 범위에서는 농도가 증가할수록 용액 자체의 수분함량이 감소하기 때문에 부산물의 수분함량 또한 증가해 부산물의 무게도 증가함을 보였다. 초기 부산물 부피는 15 wt%일 때, 20분 이후에는 23 wt%가 가장 높았다.
초기 부산물 부피는 15 wt%일 때, 20분 이후에는 23 wt%가 가장 높았다. 반응 용액의 NaOH 농도에 따른 부산물 실험 결과 NaOH의 농도가 부산물의 무게와 부피에 별 영향을 주지 않았다.
본 실험 범위에서 발생한 부산물을 XRD를 이용하여 분석한 결과부산물의 주요 성분이 NaB(OH)4로 구성됨을 확인하였다.
부산물 거품감소를 위한 소포제 이용 실험결과 억포작용을 하는 실리콘 소포제와 에틸렌글리콜이 부산물 부피를 약 절반으로 감소시키는 효과가 있었다.
이 실험에서 사용된 에틸렌글리콜과 실리콘소포제는 억포작용을 하고, 라우릴글루코사이드는 파포작용을 한다. 억포형 소포제를 사용해 부산물 내에서 거품자체를 발생하지 못하게 하는 것이 부산물의 겉보기 부피를 감소시키는데 효과가 있음을 확인하였다.
촉매팩 두께에 따른 부산물의 겉보기 부피는 1 mm와 2 mm 두께에서는 큰 차이를 나타내지 않았으나, 반응성이 낮은 3 mm 두께 팩에서 가장 적은 것을 확인하였다.
후속연구
구리 담지 촉매 Co-P, Co-B, Co-P-B로 가수분해 후 부산물을 분석했을 때는 NaBO2, NaB(OH)4, NaBO2·2H2O, NaB(OH)4·2H2O 수화물 등 촉매에 따라 다양한 부산물을 생성했는데[9], 본 연구의비담지 촉매에서는 부산물로 NaB(OH)4만 나타났다. 부산물 구조는 담지체의 영향이 크다고 보는데, NaBH4 가수분해 후 부산물의 구조에 대해서는 아직 연구가 부족하므로 Ni, FeCrAlloy 등 담지체를 변화시키며 담지체의 영향에 대해서 추가 연구가 필요하다. NaBH4 농도가 증가함에 따라 수분의 함량이 감소해 NaB(OH)4의 피크의 크기가 전체적으로 감소함을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
$NaBH_4$는 어디에 사용되어지는가?
무인항공기용 고분자전해질 연료전지의 수소발생용으로써 $NaBH_4$는 많은 장점을 갖고 있다. 무인항공기용으로 이용하기 위해서는 $NaBH_4$ 가수분해 반응 후 부산물의 무게와 부피가 작아야 한다.
$NaBH_4$가 무인항공기용으로 이용되기 위한 조건은 무엇인가?
무인항공기용 고분자전해질 연료전지의 수소발생용으로써 $NaBH_4$는 많은 장점을 갖고 있다. 무인항공기용으로 이용하기 위해서는 $NaBH_4$ 가수분해 반응 후 부산물의 무게와 부피가 작아야 한다. 그래서 본 연구에서는 비담지 촉매를 사용한 $NaBH_4$ 가수분해 반응 후 부산물의 무게와 부피에 대해 연구하였다.
무인 항공기의 전원으로 고분자전해질연료전지가 사용되기 힘든 이유는 무엇인가?
요구되는 비행시간이 점차 증가하는 무인 항공기의 전원으로서 2차 전지는 한계가 있어 이를 대체할 소형 연료전지 개발이 시급한 상황이다. 여러 연료전지 중에 고분자전해질연료전지(PEMFC)가 무인항공기용 연료전지로 적합한데 연료인 수소를 저장·공급할 수 있는 방법이 어려운 점이 문제다[1]. 수소 저장·공급에는 많은 방법이 있지만 이들 중에서 붕소수소화물과 같은 화학적 수소화물이 여러 측면에서 제일 적합한 방법이라 할 수 있다.
참고문헌 (15)
Bradley, T. H., Moffitt, B. A., Mavris, D. N. and Parekh, D. E., "Development and Experimental Characterization of a Fuel Cell Powered Aircraft," J. Power Sources, 171, 793-801(2007).
Fernandes, R., Patel, N., Miotello, A. and Filippi, M., "Studies on Catalytic Behavior of Co-Ni-B in Hydrogen Production by Hydrolysis of $NaBH_4$ ," Journal of Molecular Catalysis A: chemical, 298, 1-6(2009).
Fernandes, R., Patel, N., Miotello, A., Jaiswal, R. and Korthari, D. C., "Stability, Durability, and Reusability Studies on Transition Metal-doped Co-B Alloy Catalysts for Hydrogen Production," Int. J. Hydrogen Energy, 36, 13379-13391(2011).
Fernandes, R., Patel, N. and Miotello, A., "Hydrogen Generation by Hydrolysis of Alkaline $NaBH_4$ Solution with Cr-promoted Co-B Amorphous Catalyst," Applied Catalysis B: Environmental., 92, 68-74(2009).
Fernandes, R., Patel, N. and Miotello, A., "Efficient Catalytic Properties of Co-Ni-P-B Catalyst Powders for Hydrogen Generation by Hydrolysis of Alkaline Solution of $NaBH_4$ ," Int. J. Hydrogen Energy, 34, 2893-2900(2009).
Moon, G. Y., Lee, S. S., Yang, G. R. and Song, K. H., "Effects of Organic Acid Catalysts on the Hydrogen Generation from $NaBH_4$ ," Korean J. Chem. Eng., 27(2), 474-479(2010).
Demirci, U. B. and Garin, F., "Ru-based Bimetallic Alloys for Hydrogen Generation by Hydrolysis of Sodium Tetrahydroborate," J. Alloys and Compounds, 463, 107-111(2008).
Hwang, B. C., Jo, J. Y., Sin, S. J., Choi, D. K., Nam, S. W. and Park, K. P., "Study on the Hydrogen Yield of $NaBH_4$ Hydrolysis Reaction," Korean Chem. Eng. Res., 49(5), 516-520(2011).
Ye, W., Zhang, H., Xu, D., Ma, L. and Yi, B., "Hydrogen Generation Utilizing Alkaline Sodium Borohydride Solution and Supported Cobalt Catalyst," J. Power Sources, 164, 544-548(2007).
Sim, W. J., Jo, J. Y., Choi, D. K., Nam, S. W. and Park, K. P., "Study on the Stability of $NaBH_4$ Solution During Storage Process," Korean Chem. Eng. Res, 48(3), 322-326(2010).
Hwang, B. C., Cho, A. R., Sin, S. J., Choi, D. K., Nam, S. W. and Park, K. P., "Durability of Co-P-B/Cu Catalyst for $NaBH_4$ Hydrolysis Reaction," Korean Chem. Eng. Res., 50(4), 627-631(2012).
Hwang, B. C., Jo, A. R., Sin, S. J., Choi, D. K., Nam, S. W. and Park, K. P., " $NaBH_4$ Hydrolysis Reaction Using Co-P-B Catalyst Supported on FeCrAlloy," Korean Chem. Eng. Res., 51(1), 35-41 (2013).
Lee, H. R., Na, I. C. and Park, K. P., "Characteristics of Hydrolysis Reaction Using Unsupported Catalyst at High Concentration of $NaBH_4$ Solutions," Korean Chem. Eng. Res., in print.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.