An alternative method for producing hydrogen from available organic wastes is proposed. Hydrogen production from methanol electrolysis has been well-known and the same principle was applied to glycerol, formic acid, glucose, ammonia solution respectively. The performance and effectiveness investigation of electrocatalyst was carried out by linear sweep voltammetry(LSV) test and The stability of catalyst was studied by repetitive cyclic voltammetry test. Pt/$MnO_2$ with ratio of half and half not only showed the best performance for electrolysis of all feedstock except methanol electrolysis but also showed higher stability compared to Pt black. Electrolysis efficiency for hydrogen production was estimated and electrolysis of formic acid showed the best efficiency. Pt/$MnO_2$(5:5) also had an effect on electrolysis glucose and ammonia, their efficiency were relatively low. Total $H_2$ production costs were calculated by adding estimated electricity and feedstock costs. At the result, we concluded that glycerol is the best feedstock for electrochemical hydrogen production. Its estimated cost was competitive 2$/GEE considering hydrogen production cost from natural gas reforming is 2.5$/GEE. This result showed that by-product from biomass such as glycerol and formic acid could be promising feedstock for hydrogen production. Unfortunately, I could not explain why a synthesis catalyst shows outstanding performance even better than pure novel metal. I just expected it causes more adsorption of feedstock near anode in electrolyzer causing more electrochemical reactions occur. In order to find an answer, more professional experimental such a s X-ray diffraction should be carried out.
수소($H_2$)는 산소와 결합하여 순수한 물만을 부산물로 생산하는 환경 친화적인 연료이며 연료전지 효율의 향상과 함께 수소연료전지 발전소와 주유수와 같은 개념인 수소충전소 또한 국내에 점차 들어서고, 가까운 미래에 수소자동차가 대중화 될 전망이다. 이에 반하여 전 세계적으로 현재 상용화된 수소 생산 공정의 95%이상이 석탄, 석유등의 화석연료와 천연가스로부터 생산되어 높은 수소생산 가격과 더불어 이산화탄소 배출에 따른 환경오염문제를 야기한다.
물을 전기분해하여 수소를 생산하는 경우는 전기화학적 반응의 특성상 그 반응속도가 매우 빠르기 때문에 빠른 속도로 필요한 양의 수소를 생산해 낼 수 있고 생산되는 수소의 순도가 매우 높으며 환경에 부정적인 부산물이 없다는 장점을 가지고 있으나, 이 방법은 많은 에너지를 소모하며 반응을 일으키는데 필요한 촉매의 가격이 매우 비싸다는 단점 또한 지니고 있다.
본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 물이 아닌 다른 기질들, 특히 유기성폐자원을 포함한 유기물을 전기분해하여 좀 더 경제적으로 수소를 생산하고, 각각의 기질에 대해 가장 기질특이성(Substrate specification)이 좋은 촉매를 찾아내는 실험을 진행하였다.
글리세롤(glycerol) 포름산(formic acid), 포도당(glucose), 암모니아(ammonia), 메탄올(methanol)를 대상으로 동일한 양의 에너지를 공급 하여 선형 ?음전류법(Linear Sweep Voltammetry)을 수행하였을 때 수소를 가장 많이 생산해 내는 기질은 포름산(formic acid)이었고 이것은 연구자들에 의해 수소생산에 매우 좋은 기질로 밝혀진 메탄올보다도 더 높은 결과값을 보였다. LSV test의 결과값으로부터 실제 수소생산에 필요한 전기에너지의 가격을 직접적으로 계산 할 수 있었고 이 역시 1.48$/GEE로 포름산이 가장 경제적이었지만 기질 가격까지 고려하여 총 생산단가를 계산 하였을 때는 그 자체의 비싼 가격(450$/톤)으로 인해 매우 높은 가격인 11.83$/GEE를 나타내었다. 글리세롤의 전기분해를 통한 수소생산단가가 약 2$/GEE로 가장 저렴하였으며 이는 바이오디젤 프로세스의 성장에 따른 그 부산물인 글리세롤의 가격하락에 기인한 결과라 예측할 수 있다.
촉매는 Pt, $IrO_2$, $MnO_2$, Pd, Pt/$MnO_2$합성촉매가 앞서 언급한 6종류의 기질에 대하여 쓰였으며 5:5의 비율로 합성된 Pt/$MnO_2$가 Methanol을 제외한 모든 기질에 대하여 가장 탁월한 성능을 보였다. 이것은 순수한 백금만을 촉매로 쓰는 것 보다 매우 저렴한 이산화망간과 백금을 합성하여 사용하는 것이 오히려 훨씬 좋은 수치를 나타내었으므로 촉매의 가격과 성능 두 가지를 모두 충족시키는 촉매를 제조하였다고 사료된다. 또한 순환전압법(Cyclic Voltammetry)에 의한 Stability실험을 수행한 결과 합성촉매의 stability가 훨씬 안정된 결과를 나타내었다. Pt/$MnO_2$ 합성촉매의 비율에 따라 조금씩 성능에 차이가 있고 5:5비율의 촉매에서 안정적 측면과 효율 면에서 가장 좋은 결과를 나태 낸 것으로 보아 백금과 이산화망간이 결합되어 있는 공간에서만 유기물의 탄소결합을 끊어 낼 수 있거나 결합된 공간에서만 유기물의 흡착을 유도하여 좀 더 원활하게 전기분해 반응을 일으켜 내는 것이라 고찰되었다. 좀 더 구체적이고 정확한 이유를 알기 위해 향후 X-ray 회절분석법(XRD)을 통해 촉매를 좀 더 면밀하게 관찰 할 것이다.