KR101096058B1 - 복합 기능성 수소 분리막, 이를 포함하는 수소 생산 시스템 및 이들을 이용한 수소 생산방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합 기능성 수소 분리막, 이을 포함하는 수소 생산 시스템 및 이들을 이용한 수소 생산 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 산소와 수소를 동시에 분리하여 수소를 생산하는 복합 기능성 수소 분리막, 이를 포함하는 수소 생산 시스템 및 이들을 이용한 수소 생산 방법에 관한 것이다.
수소, 산소, 투과율, 서멧 멤브레인
Description
본 발명은 복합 기능성 수소 분리막, 이를 포함하는 수소 생산 시스템 및 이들을 이용한 수소 생산 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 산소와 수소를 동시에 분리하여 수소를 생산하는 복합 기능성 수소 분리막, 이를 포함하는 수소 생산 시스템 및 이들을 이용한 수소 생산 방법에 관한 것이다.
환경 오염에 대한 국제적인 우려와 에너지 비용효율에 대한 관심이 높은 현시대에 화석 자원의 효율적 이용 확대와 다양한 에너지 공급원 확보를 위해 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
이러한 연구 개발은 다각도로 이루어지고 있는 실정인데, 특히 석탄의 가스화나 물의 분해에 있어 유리한 방향으로 평형 반응을 이동시킬 수 있는 기능을 지 닌 멤브레인에 기초한 분리 기술들이 연구 개발되고 있다.
그러나 이러한 연구 개발들은 대부분 혼합 가스에서 수소 분리를 분리하여 수소를 생산하는 기술을 연구 개발하거나, 물을 분해해서 수소를 생산하는 기술을 연구 개발하는 등 개별적으로 이루어지고 있는 실정이다.
즉, 혼합 가스로부터 수소를 분리하는 수소 전도 멤브레인과 물을 분해하여 수소를 생산하는 산소 전도 멤브레인을 개별적으로 연구 개발되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 산소와 수소를 동시에 분리하여 수소를 생산하는 복합 기능성 수소 분리막을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 산소와 수소를 동시에 분리하여 수소를 생산하는 복합 기능성 수소 분리막을 구비한 수소 생산 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 산소와 수소를 동시에 분리하여 수소를 생산하는 수소 생산 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속으로 이루어져, 금속상과 세라믹상이 양립된 복합 기능성 수소 분리막을 포함하되, 상기 산소이온 전도 세라믹은 YSZ(8mol% Y-doped zirconia), Gd-doped ceria 및 doped-LaGaO3 중 어느 하나이고, 상기 수소 투과 금속은 Pd, Pd-Ag, Pd-Cu, Nb,Zr, Ta 및 V 중 어느 하나이며, 상기 복합 기능성 수소 분리막은 상기 산소이온 전도 세라믹 또는 수소 투과 금속이 각각 적어도 40vol% 이상 포함된 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 세라믹상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 산소 이온을 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능 성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 수소 또는 전자를 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속으로 이루어져, 금속상과 세라믹상이 양립된 복합 기능성 수소 분리막; 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 측면에는 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단; 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 측면에는 생성된 수소 가스를 회수하는 수소 회수 수단; 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 측면에는 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하는 수소계 가스 공급 수단; 및 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 측면에는 생성된 합성 가스를 회수하는 합성 가스 회수 수단;을 포함하는 수소 생산 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산소이온 전도 세라믹은 YSZ(8mol% Y-doped zirconia), Gd-doped ceria 및 doped-LaGaO3 중 어느 하나이고, 상기 수소 투과 금속은 Pd, Pd-Ag, Pd-Cu, Nb,Zr, Ta 및 V 중 어느 하나이며, 상기 복합 기능성 수소 분리막은 상기 산소이온 전도 세라믹 또는 수소 투과 금속이 각각 적어도 40vol% 이상 포함된 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 세라믹상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 산소 이온을 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 수소 또는 전자를 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수소계 가스는 탄화수소(hydrogen carbon)계 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수소계 가스는 CH4 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 합성 가스는 이산화탄소(C02)와 수증기(H2O)의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 복합 기능성 분리막은 관형으로 구비되고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 일측 끝단에는 상기 수증기 공급 수단 및 수소 회수 수단이 구비되고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 타측 끝단에는 상기 수소 회수 수단 및 합성 가스 회수 수단이 구비되어, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 내부 통로로 상기 수증기를 공급하고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 외부로 상기 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하여, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 내부 통로로부터 수소를 획득하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 외부 직경보다 내부 직경이 더 큰 외측 관을 더 포함하여, 상기 관형의 복합 기능성 분리막과 상기 외측 관 사이에 형성된 외부 통로로 상기 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속으로 이루어져, 금속상과 세라믹상이 양립된 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에는 수증기를 공급하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에는 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하여, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 상기 금속상을 통해 상기 수소계 가스에서 분리된 수소 원자 및 전자가 이동하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 측면에서 타측 표면으로 상기 세라믹상을 통해 상기 수증기에서 분리된 산소 이온이 이동하여 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서는 수소 가스를 생성하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서는 합성 가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 복합 기 능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법을 제공한다.
바람직한 실시 예에 있어서, 상기 산소이온 전도 세라믹은 YSZ(8mol% Y-doped zirconia), Gd-doped ceria 및 doped-LaGaO3 중 어느 하나이고, 상기 수소 투과 금속은 Pd, Pd-Ag, Pd-Cu, Nb,Zr, Ta 및 V 중 어느 하나이며, 상기 복합 기능성 수소 분리막은 상기 산소이온 전도 세라믹 또는 수소 투과 금속이 각각 적어도 40vol% 이상 포함된 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 세라믹상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 산소 이온을 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 수소 또는 전자를 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수소계 가스는 탄화수소(hydrogen carbon)계 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수소계 가스는 CH4 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 합성 가스는 이산화탄소(C02)와 수증기(H2O)의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 복합 기능성 분리막은 관형으로 구비되고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 일측 끝단에는 상기 수증기 공급 수단 및 수소 회수 수단이 구비되고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 타측 끝단에는 상기 수소 회수 수단 및 합성 가스 회수 수단이 구비되어, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 내부 통로로 상기 수증기를 공급하고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 외부로 상기 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하여, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 내부 통로로부터 수소를 획득하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 외부 직경보다 내부 직경이 더 큰 외측 관을 더 포함하여, 상기 관형의 복합 기능성 분리막과 상기 외측 관 사이에 형성된 외부 통로로 상기 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법이다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 복합 기능성 수소 분리막, 이을 포함하는 수소 생산 시스템 및 이들을 이용한 수소 생산 방법은 산소를 전도시키는 동시에 수소를 투과시킬 수 있는 복합 기능성 수소 분리막을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 복합 기능성 수소 분리막, 이을 포함하는 수소 생산 시스템 및 이들을 이용한 수소 생산 방법은 산소를 전도시키는 동시에 수소를 투과시킬 수 있는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템을 제공하여 보다 수소 생산 효율이 높은 수소 생산 시스템을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 복합 기능성 수소 분리막, 이을 포함하는 수소 생산 시스템 및 이들을 이용한 수소 생산 방법은 산소를 전도시키는 동시에 수소를 투과시킬 수 있는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템을 이용하여 수소를 생산하는 수소 생산 방법을 제공하여 보다 수소 생산 효율이 높은 수소 생산 방법을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술 적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템을 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템(100)은 복합 기능성 수소 분리막(110)을 구비한다.
상기 복합 기능성 수소 분리막(110)은 세라믹상(112) 및 금속상(114)을 포함하고 있다.
상기 세라믹상(112)은 산소 이온의 전도성이 우수한 세라믹으로 이루어진 상(phase)이고, 상기 금속상(114)은 수소 원자의 투과성이 우수한 금속으로 이루어진 상(phase)이다.
이때, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)은 산소이온의 전도성이 우수한 산소이온 전도 세라믹과 수소 원자의 투과성이 우수한 수소 투과 금속으로 이루어져 있다.
또한, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 세라믹상(112)이 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면에서 타측 표면까지 연결된 형태의 상(phase)으로 구비되어 있고, 상기 금속상(114)이 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 타측 표면에서 일측 표면까지 연결된 형태의 상(phase)으로 구비되어 있다.
상기 수소 생산 시스템(100)은 도 1에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122)에 수증기(H20)를 공급하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122)의 반대 표면인 타측 표면(124)에는 수증기를 함유한 수소계 가스, 바람직하게는 탄화수소(hydrogen carbon)계 가스를 공급한다. 이때, 상기 탄화수소계 가스 중 대표적인 가스인 메탄(CH4) 가스를 공급할 수 있다.
상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122)에서는 상기 수증기로부터 산소 이온(O2 -)이 발생하여 상기 세라믹상(112)을 통해 상기 일측 표면(122)으로부터 타측 표면(124)으로 전도된다.
이때, 상기 산소 이온(O2 -)의 전도는 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 양측 표면(122,124)의 산소 분압에 의해 결정된다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122)의 산소 분압이 상기 타측 표면(124)의 산소 분압보다 높기 때문에 상기 일측 표면(122)에서 분해된 산소 이온(O2 -)이 일측 표면(122)으로부터 타측 표면(124)으로 전도된다.
이때, 상기 수증기(H20)로부터 산소 이온(O2 -)이 분리되며, 남은 수소 원자들 은 결합하여 수소 가스(H2)를 생산할 수도 있다. 이는 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122) 상에서 물 분해에 의해 수소를 생산할 수 있음을 의미한다.
한편, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 타측 표면(124)에서는 상기 수소계 가스가 분해되어 수소 원자(H)를 발생시키고, 상기 수소 원자(H)는 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 금속상(114)을 통해 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)을 투과한다.
이때, 상기 수소 원자의 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 투과는 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 양쪽 표면(122,124)의 수소 분압에 의해 결정된다.
즉, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 양쪽 표면(122,124) 중 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122)에는 도 2에 도시된 봐와 같이 타측 표면(124)의 수소 분압보다 낮은 수소 분압을 유지함으로 상기 타측 표면(124)로부터 상기 일측 표면(122)으로 상기 수소 원자(H)가 투과하게 된다.
상기 일측 표면(122)으로 투과된 수소 원자(H)는 결합하여 수소 가스(H2)를 생성하게 된다. 이는 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 타측 표면(124) 상에서 수소계 가스의 수소 분해와 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 수소 원자(H)의 투과로 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122) 상에서 수소 가스(H2)를 생산한다.
이때, 도 1에서도 도시한 바와 같이 전자(e)가 상기 수소 원자(H)와 동일한 방향으로 상기 금속상(114)을 통해 이동된다.
한편, 상기 타측 표면(124)상에서 상기 수증기를 함유한 수소계 가스가 수소 원자(H)를 분리되면, 상기 일측 표면(122)으로부터 전도된 산소 이온(O2 -)과 결합하여 이산화탄소를 형성하여 합성 가스(CO2 + H20), 즉, 이산화탄소(C02)와 수증기(H2O)의 혼합 가스를 생성한다.
이때, 상기 산소이온 전도 세라믹은 YSZ(8mol% Y-doped zirconia), Gd-doped ceria 및 doped-LaGaO3 중 어느 하나이며, 특히 YSZ인 것이 바람직하다.
상기 YSZ는 8mol%의 Y(yttrium)이 도핑된 지르코니아(zirconia)이며, 상기 Gd-doped ceria는 가돌라늄(Gd)가 도핑된 산화세륨(ceria)이다.
상기 Gd-doped ceria은 산화세륨에 가돌라늄이 0 내지 2mol%로 도핑된 물질이며, 바람직하게는 2mol%의 가돌라늄이 도핑된 산화세륨을 의미한다.
그리고 상기 doped-LaGaO3은 LaGaO3의 A 또는 B 사이트에 상기 A 또는 B 사이트 물질보다 산화수가 적은 물질이 도핑되어 상기 산소의 사이트가 비어있는 상태의 물질을 의미한다.
한편, 상기 수소 투과 금속은 Pd, Pd-Ag, Pd-Cu, Nb,Zr, Ta 및 V 중 어느 하나이며, 상기 수소 투과 금속은 수소 투과성이 높은 Pd-Ag 또는 Pd-Cu인 것이 바람직하다.
이때, 상기 Pd-Ag 또는 Pd-Cu는 Pd계 합금 중 하나로 특히 Ag 또는 Cu가 포함된 합금을 의미한다.
이때, 도에서는 도시하고 있지 않지만, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 측면(112)에는 상기 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단 및 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 측면(112)에는 생성된 수소 가스를 회수하는 수소 회수 수단을 구비할 수 있고, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 타측 측면(124)에는 상기 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하는 수소계 가스 공급 수단 및 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 타측 측면(124)에는 생성된 합성 가스를 회수하는 합성 가스 회수 수단을 구비할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템(100)은 산소이온 전도 세라믹과 수소 전도 금속으로 이루어져 산소이온 전도성이 우수한 세라믹상 및 수소 투과성이 우수한 금속상을 포함하는 복합 기능성 수소 분리막(110)을 포함하며, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122)에는 수증기(H20)를 공급하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 타측 표면(124)에는 수증기를 함유한 수소계 가스, 특히 메탄 가스를 공급하여, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 양측 표면(122,124)의 산소 분압 및 수소 분압의 차이에 의해 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 타측 표면(124)에서 일측 표면(122)으로 상기 금속상(114)을 통해 상기 수소계 가스에서 분리된 수소 원자(H) 및 전자(e)가 이동하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 측면(122)에서 타측 표면(124)으로 상기 세라믹상(112)을 통해 상기 수증기에서 분리된 산소 이온(O2 -)이 이동하여 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122)에서는 수소 가스(H2)를 생성하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 타측 표면(124)에서는 합성 가스(CO2 + H2O)를 생성한다.
이때, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면(122)에서 생성된 수소 가스(H2)는 상기 수증기(H2O)에서 산소 이온이 분리되면서 발생된 수소가 수소 가스를 생성할 수도 있고, 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)을 통해 투과된 수소 원자(H)들이 결합하여 생성된 수소 가스(H2)가 생성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 생산 시스템(100)의 복합 기능성 수소 분리막(110)을 제조하는 방법을 설명하면, 우선 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속을 각각 준비한다.
이때, 상기 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속은 각각 분말 형태로 준비한다.
이어서, 상기 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속을 혼합한다.
이때, 상기 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속의 혼합은 상기 산소이온 전도 세라믹 및 수소 투과 금속의 구성비가 각각 40vol% 이상이 되도록 상기 산소이온 전도 세라믹의 양 및 상기 수소 투과 금속의 양을 조절하여 혼합하는 것이 바람직하다.
이는 상기 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속의 구성비가 각각 40vol% 이상이 되어야 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)이 상기 도 1에서 도시한 바와 같이 상기 세라믹상(112)이 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 일측 표면에서 타측 표면까지 연결된 형태의 상(phase)으로 형성되고, 상기 금속상(114)이 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)의 타측 표면에서 일측 표면까지 연결된 형태의 상(phase)으로 형성되어, 각각 산소 이온과 수소 또는 전자를 전도 또는 투과시킬 수 있기 때문이다.
이어서, 상기 혼합된 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속을 원하는 형태로 성형한 후 소결하여 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)을 형성한다.
도 3은 상기에서 상술한 제조 방법으로 제조된 상기 복합 기능성 수소 분리막의 표면 SEM 이미지를 보여주는 사진이다.
이때, 도 3의 SEM 이미지는 산소이온 전도 세라믹으로는 YSZ를 이용하고, 수소 투과 금속으로는 Pd를 이용한 것으로 상기 YSZ는 60vol%, 상기 Pd는 40vol%의 구성비로 혼합하였으며, 공기 중에서 약 10시간 동안 약 1673K에서 소결한 후의 표면 SEM 이미지를 보여준다.
이때, 상기 도 3의 SEM 이미지를 보여주는 복합 기능성 수소 분리막은 전도성 실험 결과, 저항값이 거의 0인 것으로 측정되어 전도성이 있음을 확인하였는데, 이는 상기 복합 기능성 수소 분리막에 포함된 Pd 금속이 상기 복합 기능성 수소 분리막에서 3-D 네트워크(network)를 이루고 있다는 것을 보여주는 증거이다.
이는 도 1에서 도시한 상기 복합 기능성 수소 분리막(110)에 도시된 바와 같이 상기 복합 기능성 수소 분리막(110) 내부에 금속상(114)이 형성되어 있고, 상기 금속상(114) 이외의 영역에는 세라믹상(112)이 형성되어 각각 수소 원자(H)와 전자(e)가 투과 또는 전도되고, 산소이온(O2 -)이 전도될 수 있다는 것을 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막의 수소 투과 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 도 4에 도시된 그래프는 직경 12mm, 두께 0.21mm 및 이론밀도 96%의 디스크 형태의 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소 생산 특성을 측정한 그래프이다.
이때, 상기 복합 기능성 수소 분리막은 수소 투과 금속으로는 Pd를 이용하고, 산소이온 전도 세라믹으로는 YSZ를 이용하였으며, 각각 50vol%의 양을 혼합하여 상기에서 상술한 제조 방법으로 상기 복합 기능성 수소 분리막을 형성하였다.
상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면으로는 초기에는 드라이(dry) 질소 가스를 공급하다가, 상기 질소 가스에 수증기의 양을 증가시키면서 공급한다.
그리고 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면으로는 수소 80% 및 헬륨 20%로 혼합된 수소 혼합 가스를 100sccm의 유량으로 공급한다.
이때, 실험 온도는 900℃로 유지한다.
상기에서 상술한 조건으로 복합 기능성 수소 분리막의 수소 생산 특성을 측정한 결과를 도 4에 도시한 그래프로 나타낼 수 있는데, 그래프의 X축은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에 공급되는 수증기의 분압을 표시하고 있고, Y축은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 생산된 수소 가스의 양을 상기 복합 기능성 수소 분리막의 표면적당 생산량을 표시하고 있다.
그래프에서 보는 바와 같이 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에 수증기를 공급하지 않고 드라이 질소 가스만을 공급하는 경우에는 약 2.7cc/min-cm2의 수소 생산율을 보인다.
그러나 수증기의 양을 늘려 수증기의 분압을 높이는 경우에는 최대 약 4cc/min-cm2의 수소 생산율을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 투과되어 생산된 수소 가스와 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 상기 수증기의 물분해에 의해 생산된 수소 가스가 동시에 존재하기 때문에 이와 같은 결과를 보여 준다.
즉, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에 질소 가스를 공급함에 있어 초기에는 드라이 질소 가스를 공급함으로써 상기 일측 표면에서 상기에서 상술한 바와 같은 수증기의 물 분해에 의한 수소 가스의 생산이 발생되지 않음으로 인해 낮은 수소 생산율을 보이다가 수증기의 분압이 증가함에 따라 물 분해에 의한 수소 생산이 증가하여 상기와 같은 생산율이 나타난 것으로 보인다.
이때, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 최대 수소 생산율은 수증기가 50vol%일 때, 가장 높은 것으로 측정되었다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템을 도시한 개념도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템(200)은 상기 도 1를 참조하여 설명한 복합 기능성 분리막이 관형의 복합 기능성 분리막(210)으로 구비된다.
그리고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 일측 끝단에서 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 내부 통로(220)로 수증기(H20)를 공급하고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 타측 끝단에서 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 내부 통로(220)를 지나온 수소를 획득한다.
또한, 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 일측 끝단에서 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 외부로 수증기를 함유한 수소계 가스, 바람직하게는 메탄 가스(CH4)를 공급하여 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 타측 끝단에서 합성 가스(CO2 + H2O)를 획득한다.
따라서, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템(200)은 관형의 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템을 이용하여 수소를 생산하는 시스템을 제공하고 있다.
이때, 도에서는 도시하고 있지 않지만, 상기 도 1을 참조하여 설명한 수증기 공급 수단 및 수소계 가스 공급 수단이 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 일측 끝단에 구비되고, 상기 수소 회수 수단 및 합성 가스 회수 수단이 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 타측 끝단에 구비될 수 있는 것은 당연하다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함 하는 수소 생산 시스템을 도시한 개념도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템(300)은 도 3을 참조하여 설명한 관형의 복합 기능성 분리막(210)과 동일한 형태의 관형의 복합 기능성 분리막(310)을 구비하고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막(310)의 외부 직경보다 내부 직경이 더 큰 외측 관(320)을 구비하되, 상기 관형의 복합 기능성 분리막(310)이 상기 외측 관(320)의 내부 통로(330)에 삽입된 형태로 구성된 형태로 구비된다.
이때, 상기 수증기(H20)는 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 내부 통로(340)로 공급하고, 상기 수증기를 포함한 수소계 가스, 바람직하게는 메탄 가스(CH4)는 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)과 외측 관(320) 사이의 공간 즉, 상기 관형의 복합 기능성 분리막(210)의 외부에 해당되되, 상기 외측 관(320)의 내부 통로(330)에 해당되는 영역에 공급된다.
본 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템(300)은 관형의 복합 기능성 수소 분리막(310) 및 상기 관형의 복합 기능성 수소 분리막(310)을 감싸는 외측 관(320)을 구비한다는 점을 제외하고 상기 도 5를 참조하여 설명한 수소 생산 시스템(200)과 동일한 방식으로 수소를 생산한다.
따라서, 본 발명의 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템은 산소이온 전도성이 우수한 세라믹상과 수소 투과성이 우수한 금속상을 동시에 구비한 복합 기능성 수소 분리막을 포함하고 있음으로 산소를 전도시키는 동시에 수소 를 투과시킬 수 있어, 보다 수소 생산 효율이 높은 수소 생산 시스템을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면 및 타측 표면의 산소 분압 및 수소 분압을 보여주는 개념도이다.
도 3은 상기에서 상술한 제조 방법으로 제조된 상기 복합 기능성 수소 분리막의 표면 SEM 이미지를 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막의 수소 투과 특성을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템을 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템을 도시한 개념도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 복합 기능성 수소 분리막 112 : 세라믹상
114 : 금속상
Claims (21)
- 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속으로 이루어져, 세라믹상과 금속상이 양립된 복합 기능성 수소 분리막으로서,상기 산소이온 전도 세라믹은 YSZ(8mol% Y-doped zirconia), Gd-doped ceria 및 doped-LaGaO3 중 어느 하나이고,상기 수소 투과 금속은 Pd, Pd-Ag, Pd-Cu, Nb,Zr, Ta 및 V 중 어느 하나이며,상기 복합 기능성 수소 분리막은 상기 산소이온 전도 세라믹 또는 수소 투과 금속이 각각 40 내지 60vol% 포함되는데,상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에는 수증기를 공급하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에는 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하면,상기 타측 표면에서 일측 표면으로 상기 금속상을 통해 상기 수소계 가스에서 분리된 수소 원자 및 전자가 이동하고, 상기 일측 표면에서 타측 표면으로 상기 세라믹상을 통해 상기 수증기에서 분리된 산소 이온이 이동하여 상기 일측 표면에서는 수소 가스를 생성하고, 상기 타측 표면에서는 합성 가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막.
- 제 1 항에 있어서,상기 세라믹상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 산소 이온을 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 수소 또는 전자를 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막.
- 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속으로 이루어져, 세라믹상과 금속상이이 양립되어 일측 표면에서는 수소 가스를 생성하고 타측 표면에서는 합성 가스를 생성하는 복합 기능성 수소 분리막;상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 측면에는 수증기를 공급하는 수증기 공급 수단;상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 측면에는 상기 일측 표면에서 생성된 수소 가스를 회수하는 수소 회수 수단;상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 측면에는 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하는 수소계 가스 공급 수단; 및상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 측면에는 상기 타측 표면에서 생성된 합성 가스를 회수하는 합성 가스 회수 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 산소이온 전도 세라믹은 YSZ(8mol% Y-doped zirconia), Gd-doped ceria 및 doped-LaGaO3 중 어느 하나이고,상기 수소 투과 금속은 Pd, Pd-Ag, Pd-Cu, Nb,Zr, Ta 및 V 중 어느 하나이며,상기 복합 기능성 수소 분리막은 상기 산소이온 전도 세라믹 또는 수소 투과 금속이 각각 40 내지 60vol% 포함된 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 세라믹상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 산소 이온을 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 금속상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 수소 또는 전자를 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 수소계 가스는 탄화수소(hydrogen carbon)계 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 수소계 가스는 CH4 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 합성 가스는 이산화탄소(C02)와 수증기(H2O)의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 복합 기능성 분리막은 관형으로 구비되고,상기 관형의 복합 기능성 분리막의 일측 끝단에는 상기 수증기 공급 수단 및 수소 회수 수단이 구비되고,상기 관형의 복합 기능성 분리막의 타측 끝단에는 상기 수소 회수 수단 및 합성 가스 회수 수단이 구비되어,상기 관형의 복합 기능성 분리막의 내부 통로로 상기 수증기를 공급하고, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 외부로 상기 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하여, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 내부 통로로부터 수소를 획득하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템.
- 제 11 항에 있어서,상기 관형의 복합 기능성 분리막의 외부 직경보다 내부 직경이 더 큰 외측 관을 더 포함하여,상기 관형의 복합 기능성 분리막과 상기 외측 관 사이에 형성된 외부 통로로 상기 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 포함하는 수소 생산 시스템.
- 산소이온 전도 세라믹과 수소 투과 금속으로 이루어져, 세라믹상과 금속상이 양립된 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에는 수증기를 공급하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에는 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하여, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 상기 금속상을 통해 상기 수소계 가스에서 분리된 수소 원자 및 전자가 이동하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 상기 세라믹상을 통해 상기 수증기에서 분리된 산소 이온이 이동하여 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서는 수소 가스를 생성하고, 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서는 합성 가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 산소이온 전도 세라믹은 YSZ(8mol% Y-doped zirconia), Gd-doped ceria 및 doped-LaGaO3 중 어느 하나이고, 상기 수소 투과 금속은 Pd, Pd-Ag, Pd-Cu, Nb,Zr, Ta 및 V 중 어느 하나이며, 상기 복합 기능성 수소 분리막은 상기 산소이온 전도 세라믹 또는 수소 투과 금속이 각각 40 내지 60vol% 포함된 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,상기 세라믹상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 산소 이온을 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 일측 표면에서 타측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,상기 금속상은 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 수소 또는 전자를 이동시킬 수 있도록 상기 복합 기능성 수소 분리막의 타측 표면에서 일측 표면으로 상(phase)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,상기 수소계 가스는 탄화수소(hydrogen carbon)계 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,상기 수소계 가스는 CH4 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,상기 합성 가스는 이산화탄소(C02)와 수증기(H2O)의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,상기 복합 기능성 분리막은 관형으로 구비되고,상기 관형의 복합 기능성 분리막의 일측 끝단에는 상기 수증기 공급 수단 및 수소 회수 수단이 구비되고,상기 관형의 복합 기능성 분리막의 타측 끝단에는 상기 수소 회수 수단 및 합성 가스 회수 수단이 구비되어,상기 관형의 복합 기능성 분리막의 내부 통로로 상기 수증기를 공급하고, 상 기 관형의 복합 기능성 분리막의 외부로 상기 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하여, 상기 관형의 복합 기능성 분리막의 내부 통로로부터 수소를 획득하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 관형의 복합 기능성 분리막의 외부 직경보다 내부 직경이 더 큰 외측 관을 더 포함하여,상기 관형의 복합 기능성 분리막과 상기 외측 관 사이에 형성된 외부 통로로 상기 수증기를 함유한 수소계 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 복합 기능성 수소 분리막을 이용하여 수소를 생산하는 방법.
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