액체유기수소운반체인 아제페인을 연료로 사용하는 직접액체연료전지 연구 = Study on direct liquid organic hydrogen carrier fuel cell using azepane as fuel

국문 초록 (Abstract)

최근 차세대 에너지 운반체로서 많은 관심을 받고 있는 수소는 부피당 에너지밀도가 낮아 효율적인 저장 및 운송이 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하려는 방법 중 하나로, 액체상태의 유기화합물에 수소 원자를 화학적으로 결합하여 수소를 저장하는 방식이 활발히 연구되고 있으며, 이러한 유기화합물을 액체유기수소운반체 (Liquid organic hydrogen carrier, LOHC)라 한다. LOHC는 낮은 온도와 압력에서 액체상태로 수소를 저장할 수 있어 기존 석유화학 인프라를 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. 때문에 기존 화석연료 기반의 내연기관과 유사한 방식으로, LOHC를 수소 연료전지와 연계하기 위해서는 LOHC에서 수소를 추출하는 탈수소화 공정이 별도로 필요하며, 이는 시스템의 에너지와 비용 효율성을 저하시킨다.
이에 본 연구는 수소가 아닌 LOHC를 연료로 사용하는 직접액체연료전지를 개발해 이를 해결하고자 하였다. LOHC를 연료로 사용한 직접액체연료전지는 산화극에서 직접 LOHC의 전기화학적 탈수소화 반응을 유도하는 시스템으로서 별도의 LOHC 탈수소화 공정을 요구하지 않는다. 본 연구에서는 원활한 전기화학적 탈수소화 반응을 유도하기에 적절한 LOHC로 질소 원자가 탄소 고리에 포함된 유기화합물인 Azepane을 선정하였고, 이 물질의 전기화학 및 생성물 분석을 통해 Azepane이 전기화학적으로 탈수소화가 가능한 것을 확인하였다. 이를 바탕으로, Azepane을 직접연료로, 산화극과 환원극에 Pt/C 촉매를 적용하여 직접액체연료전지를 설계 및 제작하였다. 제작한 연료전지는 성공적으로 구동되었으며, 70 °C에서 0.994 V의 높은 개방회로전압과 13 mW/cm2의 최대전력밀도를 나타내었다. 본 연구결과는 LOHC를 연료로 사용하는 직접액체연료전지의 첫 개발 사례이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hydrogen has recently received attention as a next generation energy carrier. However, hydrogen has a problem which is difficult to store and transport efficiently due to its low volumetric energy density. To solve this problem, liquid organic hydrogen carrier (LOHC), a method to store hydrogen by chemically bonding hydrogen atoms to a liquid organic compound, has been actively studied. LOHC has the advantage to store hydrogen in a liquid phase at low temperature and pressure, which allows to use the existing petrochemical infrastructure without additional investment. Thus, like the existing fossil fuel-based internal combustion engine, utilizing LOHC with the hydrogen fuel cell requires an additional dehydrogenation process to extract hydrogen from LOHC which degrades the energy and cost efficiency of the system.
Therefore, we attempt to solve this problem by developing a direct liquid fuel cell using LOHC as fuel. Direct liquid fuel cell using LOHC as fuel does not require additional dehydrogenation process. Instead, it directly induces LOHC's electrochemical dehydrogenation from the anode. In this study, azepane, an organic compound containing a nitrogen atom in a carbon ring, was selected as a suitable LOHC for inducing the electrochemical dehydrogenation, and it was confirmed that azepane can be electrochemically dehydrogenated through product analysis. Based on this, a direct liquid fuel cell was designed and manufactured directly by applying azepane as a fuel and Pt/C catalyst to anode and cathode. The direct liquid fuel cell was successfully operated, and showed a high open circuit voltage of 0.994 V and a maximum power density of 13 mW/cm2 at 70 °C. The results of this study are the first case of the development of direct liquid fuel cell using LOHC as fuel.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 수소 저장 1
• 1.2 액체유기수소운반체 3
• 1.2.1 LOHC의 탈수소화 반응 7
• 1.2.2 LOHC의 전기화학적 탈수소화 반응 9
• 1.3 고분자 전해질 연료전지 11
• 1.3.1 직접액체연료전지 13
• 1.3.2 LOHC를 연료로 사용한 직접액체연료전지 14
• 제 2 장 실험 방법 18
• 2.1 LOHC의 전기화학적 산화 평가 18
• 2.1.1 반쪽전지에서의 전기화학적 산화 평가 18
• 2.1.2 전해전지에서의 전기화학적 산화 평가 19
• 2.2 LOHC의 전기화학적 탈수소화 생성물 분석 22
• 2.2.1 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR) 22
• 2.2.2 양성자 핵자기 공명 분광법(1H-NMR) 23
• 2.2.3 기체 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS) 24
• 2.3 LOHC를 연료로 사용한 직접액체연료전지 평가 25
• 2.3.1 직접액체연료전지의 탈수소화 생성물 분석 28
• 제 3 장 결과 및 고찰 29
• 3.1 LOHC의 전기화학적 산화 확인 29
• 3.1.1 반쪽전지에서의 전기화학적 산화 확인 29
• 3.1.2 전해전지에서의 전기화학적 산화 확인 31
• 3.2 LOHC의 전기화학적 탈수소화 확인 34
• 3.2.1 FT-IR을 통한 LOHC의 탈수소화 확인 34
• 3.2.2 1H-NMR을 통한 LOHC의 탈수소화 확인 39
• 3.2.3 GC-MS를 통한 LOHC의 탈수소화 및 구조 확인 45
• 3.3 LOHC를 연료로 사용한 직접액체연료전지 평가 52
• 3.3.1 직접액체연료전지의 탈수소화 생성물 확인 53
• 제 4 장 결론 56
• 참고문헌 58