KR101249204B1 - Electrochemical reaction device and method for electrochemical reaction - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 화학 반응 장치 및 전기 화학 반응 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 수증기 전기 분해를 통해 생성된 수소 및 열에너지를 이용하여 역수성 가스 전환 반응(reverse water gas shift reaction; RWGS)을 수행하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 전기 화학 반응 장치를 제공함과 동시에 혼합전도성 물질로 제공된 부재를 이용하여 순수한 수소를 획득할 수 있는 전기 화학 반응 장치 및 전기 화학 반응 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electrochemical reaction apparatus and an electrochemical reaction method, and more particularly, to perform reverse water gas shift reaction (RWGS) using hydrogen and thermal energy generated through steam electrolysis. An electrochemical reaction apparatus and an electrochemical reaction method capable of obtaining pure hydrogen using a member provided as a mixed conductive material while providing an electrochemical reaction apparatus for converting carbon dioxide to carbon monoxide.
Description
본 발명은 전기 화학 반응 장치 및 전기 화학 반응 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 수증기 전기 분해를 통해 생성된 수소 및 열에너지를 이용하여 역수성 가스 전환 반응(reverse water gas shift reaction; RWGS)을 수행하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 전기 화학 반응 장치를 제공함과 동시에 혼합전도성 물질로 제공된 부재를 이용하여 순수한 수소를 획득할 수 있는 전기 화학 반응 장치 및 전기 화학 반응 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electrochemical reaction apparatus and an electrochemical reaction method, and more particularly, to perform reverse water gas shift reaction (RWGS) using hydrogen and thermal energy generated through steam electrolysis. An electrochemical reaction apparatus and an electrochemical reaction method capable of obtaining pure hydrogen using a member provided as a mixed conductive material while providing an electrochemical reaction apparatus for converting carbon dioxide to carbon monoxide.
최근 들어 산업의 발달에 따라 화석연료의 사용이 증가됨으로써 방출되는 이산화탄소의 양이 급증하고 있다. 이산화탄소는 지구온난화 현상을 야기시키는 중요한 원인이기 때문에 이산화탄소 배출 제어에 대한 필요성이 제기되었고, 이에 따라 인간의 산업활동으로 발생되는 이산화탄소를 대기 중에 방출하지 않고 회수하는 기술개발이 시급하게 되었다. 이러한 이산화탄소 저감 기술 분야에서 가장 중요한 것은 생성된 이산화탄소를 화학적으로 전환시키는 기술이며, 대표적으로는 이산화탄소를 수소화반응을 통해 메탄올로 전환시키는 촉매공정이 있다.Recently, with the development of the industry, the use of fossil fuels is increasing, so the amount of carbon dioxide emitted is rapidly increasing. Since carbon dioxide is an important cause of global warming, the need for carbon dioxide emission control has been raised. Accordingly, it is urgent to develop a technology for recovering carbon dioxide generated by human industrial activities without releasing it into the atmosphere. In the field of carbon dioxide reduction technology, the most important is a technology for chemically converting the generated carbon dioxide, and representatively, there is a catalytic process for converting carbon dioxide to methanol through a hydrogenation reaction.
기존의 이산화탄소의 수소화반응은 이산화탄소를 직접 수소화하는 1 단계 반응인데, 이산화탄소가 수소화 반응을 이룰 때 생성되는 물로 인해 공정 효율이 매우 떨어지는 단점이 있다. Conventional hydrogenation of carbon dioxide is a one-step reaction for directly hydrogenating carbon dioxide, and has a disadvantage in that the process efficiency is very low due to the water produced when carbon dioxide forms a hydrogenation reaction.
역수성가스 반응은 이산화탄소를 저감시키려는 특수한 목적하에 개발되었으며 고에너지 형태인 수소가 반응의 원료로 첨가되는 독특한 반응이다. 상기 반응은 열역학 평형에 지배를 받는 흡열반응으로, 충분한 반응성을 가지기 위해서는 500 ℃ 이상의 고온에서 작동되어야 하고, 따라서 상기 온도에서도 안정적으로 작동하는 촉매를 필요로 한다. The backwater gas reaction was developed for the special purpose of reducing carbon dioxide and is a unique reaction in which high energy hydrogen is added as a raw material for the reaction. The reaction is an endothermic reaction subject to thermodynamic equilibrium, and in order to have sufficient reactivity, the reaction needs to be operated at a high temperature of 500 ° C. or higher, and thus requires a catalyst that operates stably at this temperature.
한편, 수성가스 반응은 역수성가스 반응의 역반응으로, 일산화탄소에 물을 첨가하여 수소를 얻는 촉매 반응이다. 상기 수성가스 반응은 석탄 및 천연가스 등과 같은 탄화수소를 개질하여 합성가스를 제조하는 공정에서 수소에 대한 일산화탄소의 비율을 조절하기 위하여 이용되었으며, 따라서 이에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다.On the other hand, the water gas reaction is a reverse reaction of the reverse water gas reaction, and is a catalytic reaction in which water is added to carbon monoxide to obtain hydrogen. The water gas reaction has been used to control the ratio of carbon monoxide to hydrogen in the process of producing a synthesis gas by reforming hydrocarbons such as coal and natural gas, and thus research on this has been actively conducted.
본 발명은 수증기 전기 분해를 통하여 발생하는 수소 및 열에너지를 이용하여 역수성 가스 전환 반응인 이산화탄소 전기 분해를 동시에 수행할 수 있는 전기화학 반응 장치 또는 고체산화물 전해조를 제공하여 에너지 효율 및 전기 분해 성능을 향상시킬 수 있는 전기화학 반응 장치, 고체산화물 전해조 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention improves energy efficiency and electrolysis performance by providing an electrochemical reaction device or a solid oxide electrolyzer capable of simultaneously performing carbon dioxide electrolysis, which is a reverse water gas shift reaction, using hydrogen and thermal energy generated through steam electrolysis. An object of the present invention is to provide an electrochemical reaction apparatus, a solid oxide electrolyzer, and a method for producing the same.
특히, 상기 반응을 통해 생성되는 혼합물로부터 순수한 수소 기체를 획득할 수 있는 구조의 전기 분해 장치를 제공하고자 한다. In particular, it is an object of the present invention to provide an electrolysis apparatus having a structure capable of obtaining pure hydrogen gas from a mixture produced through the reaction.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다. The present invention provides the following problem solving means to solve the above problems.
본 발명에 따른 전기 화학 반응 장치는, 관 형상의 제1 반응부와, 상기 제1 반응부의 내부에 삽입되어 제공되고 중공부(15)를 가지는 관 형상의 제2 반응부를 포함하는 전기 화학 반응 장치이고, 상기 제1 반응부는, 관 형상의 수소극(3)과, 상기 수소극(3)의 외면에 전해질층(2)과, 상기 전해질층(2)의 외면에 제공되는 산소극(1)을 포함하고, 상기 제2 반응부는, 관 형상의 다공성 지지체(12)와, 상기 다공성 지지체(12)의 외면에 제공되는 박막부(11)와, 상기 박막부(11)의 외면에 제공되는 촉매층(10)을 포함하고, 상기 제1 반응부의 내부면과 상기 제2 반응부의 외부면은 상기 중공부(15)와 공간적으로 분리되는 공간부(14)를 형성하도록 제공되는 것을 특징으로 한다. An electrochemical reaction apparatus according to the present invention includes an electrochemical reaction apparatus including a tubular first reaction portion and a tubular second reaction portion provided inserted into the first reaction portion and having a
또한, 본 발명에 따른 전기 화학 반응 장치의 다른 실시예로서, 제1 반응부와, 상기 제1 반응부와 공간적으로 분리되어 있는 중공부(15)를 가지고, 상기 제1 반응부와 함께 공간부(14)를 형성하는 제2 반응부를 포함하는 전기 화학 반응 장치이고, 상기 제1 반응부는, 상기 제2 반응부와 공유하는 공간을 가지는 수소극(3)과, 상기 수소극(3)의 외면에 제공되는 전해질층(2)과, 상기 전해질층(2)의 외면에 제공되는 산소극(1)을 포함하고, 상기 제2 반응부는, 상기 중공부(15)에 노출되는 다공성 지지체(12)와, 상기 다공성 지지체(12)의 외면에 제공되는 박막부(11)와, 상기 박막부(11)의 외면에 제공되는 촉매층(10)을 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, as another embodiment of the electrochemical reaction device according to the present invention, a space portion is provided with a first reaction portion and a
상기 공간부(14)에서는 제1 반응식이 수행되고, 상기 수소극(3)에서는 제2 반응식이 수행되고, 상기 산소극(1)에서는 제3 반응식이 수행되는 것을 특징으로 한다. A first reaction is performed in the
제1 반응식 : H2 + CO2 → CO + H2OFirst Scheme: H 2 + CO 2 → CO + H 2 O
제2 반응식 : H2O + 2e- → H2 +O2 - The
제3 반응식 : O2 - → 0.5O2 + 2e- The third reaction scheme: O 2 - → 0.5O 2 + 2e-
이 경우, 상기 공간부(14)의 일측에는 수증기와 이산화탄소가 공급되는 공급부(314)가, 타측에는 생성된 일산화탄소가 외부로 배출되는 배출부(315)가 제공되는 것을 특징으로 한다. In this case, one side of the
상기 제2 반응부의 외면에서는 제4 반응식이 수행되고, 상기 제2 반응부의 내면에서는 제5 반응식이 수행되는 것을 특징으로 한다. A fourth reaction formula is performed on the outer surface of the second reaction unit, and a fifth reaction formula is performed on the inner surface of the second reaction unit.
제4 반응식 : H2 → 2H+ + 2e- The fourth reaction scheme: H 2 → 2H + + 2e -
제5 반응식 : 2H+ + 2e- → H2 The
또한, 상기 중공부(15)의 일측에는 담체가스(carrier gas)가 공급되는 공급부(324)가, 타측에는 생성된 수소가 외부로 배출되는 배출부(325)가 제공되는 것을 특징으로 한다. In addition, one side of the
상기 수소극(3)은 NiO-YSZ(Nickel Oxide-Yttria Stabilised Zirconia)의 재질로 형성되고, 상기 산소극(1)은 LSM-YSZ(Lanthanum Strontium Manganite-YSZ composite)의 재질로 형성되고, 상기 전해질층(2)은 YSZ의 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다. The
상기 박막부(11)는 혼합전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 상기 혼합전도성 물질은 BaCeO3 또는 SrZrO3 의 재질로 형성되는 것이 바람직하다. The
상기 촉매층(10)은 역수성 가스 전환 반응을 활성화하는 촉매 성질을 가지고, 다공성의 성질을 갖는 것을 특징으로 한다. The
상기 촉매층(11)은 수성 폼의 촉매가 상기 다공성 지지체(12)에 코팅되어 형성되는 것이 바람직하다. The
본 발명은 이러한 전기 화학 분해 장치를 이용하여 수소를 분리하는 전기화학 반응 제공 방법을 제공하는데, 그 실시예로서, 고체산화물 전해조의 수소극과 접하는 반응 공간에 혼합전도성을 띄는 물질로 제작된 박막 부재를 제공하여 상기 반응 공간과 분리된 별도 공간을 생성하는 제1 단계와, 상기 반응 공간에 수증기와 이산화탄소를 공급하여 역수성 가스 전환 반응을 일으키는 제2 단계와, 상기 제2 단계에서 발생하는 수소 기체를 수소이온과 전자로 분리하고, 상기 박막 부재를 통하여 상기 별도 공간으로 이송시키는 제3 단계와, 상기 이송된 수소이온과 전자를 수소 기체로 변환시키는 제4 단계를 포함한다. The present invention provides a method for providing an electrochemical reaction for separating hydrogen by using such an electrochemical decomposition device, as an example, a thin film member made of a material having mixed conductivity in a reaction space in contact with a hydrogen electrode of a solid oxide electrolyzer. A first step of generating a separate space separate from the reaction space, supplying water vapor and carbon dioxide to the reaction space to cause a reverse water gas shift reaction, and hydrogen gas generated in the second step And separating the hydrogen into hydrogen ions and electrons, transferring the hydrogen ions and electrons to the separate space through the thin film member, and converting the transferred hydrogen ions and electrons into hydrogen gas.
이 경우, 담체 가스를 이용하여 상기 수소 기체를 상기 별도 공간으로부터 포집하는 제5 단계를 더 포함할 수 있다. In this case, the method may further include a fifth step of collecting the hydrogen gas from the separate space using a carrier gas.
본 발명에 따르면 수증기 전기 분해를 통하여 발생하는 수소 및 열에너지를 이용하여 역수성 가스 전환 반응인 이산화탄소 전기 분해를 동시에 수행할 수 있는 전기화학 반응 장치 또는 고체산화물 전해조를 제공하여 에너지 효율 및 전기 분해 성능을 향상시킨다. According to the present invention, an electrochemical reaction apparatus or a solid oxide electrolyzer capable of simultaneously performing carbon dioxide electrolysis, which is a reverse water gas shift reaction, using hydrogen and thermal energy generated through steam electrolysis provides energy efficiency and electrolysis performance. Improve.
특히, 상기 반응을 이용하여 형성된 혼합물로부터 순수한 수소를 획득할 수 있는 새로운 개념의 전기 화학 분해 장치를 제공하고자 한다. In particular, it is an object of the present invention to provide a new concept electrochemical decomposition apparatus capable of obtaining pure hydrogen from a mixture formed using the reaction.
도 1은 본 발명에 의한 전기화학 반응 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 전기화학 반응 장치의 일실시예의 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 전기화학 반응 장치의 일실시예의 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 전기화학 반응 장치의 일실시예의 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 전기화학 반응 장치의 일실시예의 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 전기화학 반응 장치의 일실시예의 단면도.
도 7은 본 발명에 의한 전기화학 반응 장치의 일실시예의 단면도.
도 8은 본 발명에 의한 전기화학 반응 장치의 일실시예의 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 전기화학 반응 장치의 일실시예의 단면도.1 is a block diagram of an electrochemical reaction device according to the present invention.
Figure 2 is an exploded perspective view of one embodiment of an electrochemical reaction device according to the present invention.
Figure 3 is a perspective view of one embodiment of an electrochemical reaction device according to the present invention.
4 is a cross-sectional view of one embodiment of an electrochemical reaction device according to the present invention.
5 is a cross-sectional view of one embodiment of an electrochemical reaction device according to the present invention.
6 is a cross-sectional view of one embodiment of an electrochemical reaction device according to the present invention.
7 is a cross-sectional view of one embodiment of an electrochemical reaction device according to the present invention.
8 is a cross-sectional view of one embodiment of an electrochemical reaction device according to the present invention.
9 is a cross-sectional view of one embodiment of an electrochemical reaction device according to the present invention.
최근에 대체 에너지 운반체(energy carrier)로서 수소에 대한 관심이 높아지고 있다. 다만, 수소는 연료의 형태로서 지구상에 존재하지 않기 때문에 이를 만들어내는 공정이 필요하다. 대부분의 수소는 탄화수소 연료로부터 생산되고 있으나, 이는 이산화탄소 배출 및 탄화수소 연료 자원을 소모하게 된다. 따라서 수소를 생산하는 다른 방법으로 물의 전기 분해를 이용하는 것을 고려할 수 있다. 수증기 전기 분해는 다음의 화학반응식을 갖는다.Recently, interest in hydrogen as an alternative energy carrier is increasing. However, since hydrogen does not exist on earth as a fuel, a process for producing it is necessary. Most of the hydrogen is produced from hydrocarbon fuels, but it consumes carbon dioxide emissions and hydrocarbon fuel resources. It is therefore conceivable to use the electrolysis of water as another method of producing hydrogen. Steam electrolysis has the following chemical formula:
H2O → H2 + 0.5O2 H 2 O → H 2 + 0.5 O 2
고체산화물 전해조(SOECs) 내부에서는 전기분해가 일어나는데, 연료극은 수증기가 수소로 변화하는 환원반응이 일어나는 음극의 기능을 수행한다. 산소극은 산소 이온의 산화에 의해 산소가 발생하는 양극의 기능을 수행한다. 만일, 상기 과정에서 필요한 전기가 재사용이 가능한 에너지원으로부터 공급될 수 있다면, 수소를 생산하기 위한 저탄소 혹은 무탄소 공정으로 활용될 수 있다. Electrolysis takes place inside solid oxide electrolyzers (SOECs), and the anode functions as a cathode where a reduction reaction occurs in which water vapor is converted to hydrogen. The oxygen electrode performs the function of the anode in which oxygen is generated by the oxidation of oxygen ions. If the electricity required in the above process can be supplied from a reusable energy source, it can be utilized in a low carbon or carbon free process for producing hydrogen.
현재 개발중인 고체산화물 전해조(SOECs)는 이러한 이유로 많은 관심을 끌고 있다. 고체산화물 전해조는 수소 또는 합성가스(수소와 일산화탄소의 혼합 가스)를 생산하기 위해 수증기 전기분해를 수행하는 고온의 전기 분해 장치이다. Solid oxide electrolyzers (SOECs), which are currently under development, have attracted much attention for this reason. Solid oxide electrolysers are high temperature electrolysis devices that perform steam electrolysis to produce hydrogen or syngas (a mixture of hydrogen and carbon monoxide).
이 과정을 위해 필요한 전기를 재생가능한 에너지원으로부터 획득할 수 있다면, 이는 수소를 얻기 위한 저(혹은 제로) 탄소 방법이 될 수 있다. 또한, 물 전기 분해를 통해 획득한 수소는 매우 순도가 높기 때문에, 연료 전지의 내구성에 영향을 줄 수 있는 이물질을 제거하기 위한 별도의 공정이 필요하지 않다는 장점을 가지고 있다. If the electricity needed for this process can be obtained from a renewable energy source, this can be a low (or zero) carbon method for obtaining hydrogen. In addition, since hydrogen obtained through water electrolysis is very high purity, there is an advantage that a separate process for removing foreign matters that may affect the durability of the fuel cell is not required.
이러한 고체산화물 전해조에서, 연료극은 수증기를 수소로 변환시키는 음극의 기능을 수행한다. 산소극은 산소 이온을 산소 기체로 변환시키는 양극의 기능을 수행한다. In such a solid oxide electrolyzer, the anode performs the function of a cathode for converting water vapor into hydrogen. The oxygen electrode performs the function of the anode which converts oxygen ions into oxygen gas.
높은 운전 온도는 전기 분해 과정에서 필요한 전기 에너지를 감소시켜 수소 생산에 소모되는 비용을 절감하는 효과가 있다. 높은 운전 온도는 전극의 동특성을 증가시키고, 고체산화물 전해조의 전해질 저항을 감소시킴으로 인해, 전지 성능의 손실을 줄일 수 있는 특징이 있다. 발전소 또는 다른 산업 공정에서 낭비되는 열을 이용하여 전기 분해 운전을 할 수 있다면, 고체산화물 전해조는 다른 저온 전기 분해 장치에 비해 수소를 생성하는 데 있어서 매우 높은 효율을 제공할 수 있다. Higher operating temperatures reduce the electrical energy required during the electrolysis process, reducing the cost of hydrogen production. The high operating temperature increases the dynamic characteristics of the electrode and decreases the electrolyte resistance of the solid oxide electrolyzer, thereby reducing the loss of battery performance. Solid oxide electrolysers can provide very high efficiencies in producing hydrogen compared to other low temperature electrolysis devices, provided that the electrolytic operation can be made using heat wasted in power plants or other industrial processes.
수증기 전기 분해에 더하여, 고체산화물 전해조는 이산화탄소 전기분해를 가능하게 한다. In addition to steam electrolysis, solid oxide electrolyzers enable carbon dioxide electrolysis.
CO2 → CO + 0.5O2 CO 2 → CO + 0.5O 2
CO2 전기 분해는 이산화탄소를 에너지 시스템으로부터 격리시키거나 분리시키는데 장점을 가진다. 그러나, 이산화탄소 전기 분해는 열역학적으로 물보다 더 많은 에너지를 필요로 한다. 더욱이, 높은 운전 포텐셜이 적용될 때, 고농도의 일산화탄소가 형성되는데, 이는 탄소 침적(coke formation)을 초래하는 Boudouard 반응 (CO → C + 0.5O2)을 통해 더 많은 탄소 원자의 생성이 유발되는 문제가 있다. 이러한 조건에서, 탄소 침적은 고체산화물 전해조의 성능을 저하시키게 된다. CO 2 electrolysis has the advantage of isolating or separating carbon dioxide from the energy system. However, carbon dioxide electrolysis requires more energy than thermodynamically. Moreover, when a high operating potential is applied, high concentrations of carbon monoxide are formed, which leads to the formation of more carbon atoms through the Boudouard reaction (CO → C + 0.5O 2 ) which leads to carbon formation. have. Under these conditions, carbon deposition will degrade the performance of the solid oxide electrolyzer.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 수증기 전기 분해와 이산화탄소 전기분해를 함께 수행하는 것을 특징으로 한다. 수증기 및 이산화탄소 공동 전기 분해는 다양한 합성 연료내에서 촉매 반응될 수 있는 합성 가스(이산화탄소와 수소)를 생산할 수 있다. In the present invention, in order to solve such a problem, it is characterized by performing a combination of steam electrolysis and carbon dioxide electrolysis. Steam and carbon dioxide co-electrolysis can produce syngas (carbon dioxide and hydrogen) that can be catalyzed in a variety of synthetic fuels.
수증기 전기 분해는 저 에너지 소비를 요구하기 때문에, 수증기와 이산화탄소의 전기분해는 동시에 발생하지는 않는다. 수증기 전기분해가 일어나고 수소가 생성된 이후, 수소와 이산화탄소의 화학 반응은 역수성 가스 전환 반응(reverse water gas shift reaction; RWGS)을 통하여 일산화탄소를 생성하게 된다. Since steam electrolysis requires low energy consumption, the electrolysis of water vapor and carbon dioxide does not occur at the same time. After steam electrolysis and hydrogen production, the chemical reaction of hydrogen and carbon dioxide produces carbon monoxide through a reverse water gas shift reaction (RWGS).
H2 + CO2 → CO + H2OH 2 + CO 2 → CO + H 2 O
전통적인 고온 고체산화물 전해조는 Ni/YSZ 수소 전극, YSZ 전해질, LSM(Lanthanum strontium manganite)-YSZ 산소 전극의 구조가 조합된 전지(cell)에 기반하여 제작된다. 본 발명에서는 전통적인 고온 고체산화물 전해조에 금속폼 지지체(metal foam supporter)를 결합하는 것을 특징으로 하는데, 금속폼 지지체에는 고체산화물 전해조의 수증기 전기 분해와 수증기/이산화탄소 공동 전기 분해를 위한 RWGS 반응을 위한 RWGS 촉매가 함침되어 있는 것을 특징으로 한다. Traditional high temperature solid oxide electrolyzers are fabricated based on a combination of Ni / YSZ hydrogen electrodes, YSZ electrolytes, and LSM (Lanthanum strontium manganite) -YSZ oxygen electrodes. The present invention is characterized by coupling a metal foam supporter to a conventional high temperature solid oxide electrolyzer, wherein the metal foam support is RWGS for RWGS reaction for steam electrolysis and steam / carbon dioxide co-electrolysis of a solid oxide electrolyzer. Characterized in that the catalyst is impregnated.
본 명세서에서 고체산화물 전해조는 본 발명에 제안하는 전기화학 반응 장치의 설명의 편의성을 위해 사용하는 일실시예일 뿐이므로, 이에 본 발명의 권리범위를 부당하게 한정하여서는 안될 것이다. In the present specification, since the solid oxide electrolyzer is only one embodiment used for convenience of description of the electrochemical reaction apparatus proposed in the present invention, the scope of the present invention should not be unduly limited thereto.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. Even if the terms are the same, it is to be noted that when the portions to be displayed differ, the reference signs do not coincide.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The terms to be described below are terms set in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to a user's intention or custom such as an experimenter and a measurer, and the definitions should be made based on the contents throughout the present specification.
도 1은 본 발명의 원리가 적용되는 전기화학 반응 장치의 구성도이다. 이를 참조하여 본 발명의 전기화학반응에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 1 is a block diagram of an electrochemical reaction apparatus to which the principles of the present invention are applied. This will be described in detail with respect to the electrochemical reaction of the present invention.
외부로부터 수증기를 공급받아 제a 반응식을 수행하는 제1 부분과, 상기 제1 부분과 열적 연통되어 있고, 외부로부터 이산화탄소를 공급받고, 상기 제1 부분으로부터 에너지와 수소를 공급받아 제b 반응식을 수행하는 제2 부분을 포함하는, 전기화학 반응 장치를 제공한다. The first part receiving the water vapor from the outside to perform a reaction scheme a, and the first portion is in thermal communication with the first portion, receiving carbon dioxide from the outside, receiving energy and hydrogen from the first portion to perform the reaction equation b It provides an electrochemical reaction device comprising a second portion.
제a 반응식 : H2O + 2e- → H2 +O2 - A first reaction scheme: H 2 O + 2e - → H 2 + O 2 -
제b 반응식 : H2 + CO2 → CO + H2OScheme b: H 2 + CO 2 → CO + H 2 O
수증기는 steam 형태로 본 반응 장치로 공급된다. 수증기는 제1 부분에서 제a 반응식에 의해 수소 기체와 산소 이온으로 분해된다. 제a 반응은 발열반응이므로 이때 발생한 열을 제2 부분에 공급하여 제b 반응식을 수행한다. 다만, 수증기 전기 분해가 일어나기 위해서는 초기에 외부에서 고온의 환경을 만들어줘야 하므로, 이는 외부로부터 열 및/또는 전기 에너지를 공급받아 수행되어야 한다. 수증기는 제2 부분을 통해 제1 부분으로 공급된다. 제2 부분은 제1 부분을 지지하는 구조이고, 다수의 기공이 형성되어 있어 공급되는 물질이 원활하게 제1 부분으로 공급되도록 하여야 한다. Water vapor is supplied to the reactor in the form of steam. Water vapor is decomposed into hydrogen gas and oxygen ions by the reaction scheme a in the first portion. Since the reaction a is exothermic, the heat generated at this time is supplied to the second portion to perform the reaction b. However, in order for steam electrolysis to occur, it is necessary to create a high temperature environment from the outside at first, and this should be performed by receiving heat and / or electric energy from the outside. Water vapor is supplied to the first portion through the second portion. The second part has a structure for supporting the first part, and a plurality of pores are formed so that the material to be supplied is smoothly supplied to the first part.
제1 부분은, 상기 제a 반응식이 수행되고, 양극(anode)의 기능을 수행하는 연료 전극(fuel electrode)과, 제c 반응식이 수행되고, 음극(cathode)의 기능을 수행하는 산소 전극(oxygen electrode)과, 상기 연료 전극과 상기 산소 전극 사이에서 산소 이온의 통로가 되는 전해질층을 포함할 수 있다. 제1 부분은 이러한 단 전지(cell)의 형태를 가지는 것이 바람직하다. The first part is a fuel electrode, in which a reaction scheme is performed, and performs an anode function, and an oxygen electrode, in which a reaction scheme c is performed, performs a function of a cathode. electrode) and an electrolyte layer serving as a passage of oxygen ions between the fuel electrode and the oxygen electrode. The first portion preferably has the form of such a cell.
제c 반응식 : O2 - → 0.5O2 + 2e- C The reaction scheme: O 2 - → 0.5O 2 + 2e-
제2 부분은 지지체(supporter)이고, 제1 부분은 상기 제2 부분에 지지되는 것을 특징으로 한다. 지지체는 다수의 기공이 형성되어 있는 폼(foam)의 형태인 것을 특징으로 한다. 이의 재료 및 제조 방법에 대해서는 아래에서 보다 자세하게 설명하기로 한다. The second part is a supporter, and the first part is supported by the second part. The support is characterized in that it is in the form of a foam (foam) in which a plurality of pores are formed. Its material and manufacturing method will be described in more detail below.
도 1에서는 지지체를 기공이 형성된 다공성의 지지체의 형태로 제조하고, 상기 제b 반응식의 촉매가 함침(impregnated) 또는 코팅되어 있는 것을 주요 기술적 특징으로 한다. 이를 통해 물질의 이동을 원활하게 하고, 제2 부분에서 역수성 가스 전환 반응을 활성화시키는 데에 있다. In FIG. 1, the support is prepared in the form of a porous support having pores, and the main technical feature is that the catalyst of Scheme b is impregnated or coated. This is to facilitate the movement of the material and to activate the reverse water gas shift reaction in the second portion.
제2 부분은 제1 부분과 열 에너지의 상호 교환이 가능하도록 열적 연통되어 형성되는 것이 바람직하다. 일반적으로는 제1 부분이 제2 부분에에 접착층에 의해 접착되어 지지된다. The second portion is preferably formed in thermal communication with the first portion to enable mutual exchange of thermal energy. In general, the first portion is bonded to and supported by the adhesive layer on the second portion.
제2 부분에서 일어나는 반응은 역수성 가스 전환 반응(reverse water gas shift reaction; RWGS)이다. 이는 흡열반응이므로 제1 부분에서 발생한 열과 수소를 이용하고, 외부로부터 이산화탄소를 공급받아 제b 반응식을 수행하게 한다. The reaction that occurs in the second part is the reverse water gas shift reaction (RWGS). Since it is an endothermic reaction, heat and hydrogen generated in the first part are used, and carbon dioxide is supplied from the outside to perform the b reaction formula.
제b 반응식을 수행한 결과물로서 수증기와 일산화탄소가 생성되고, 이는 도 1에서 도시된 바와 같이 외부로 공급되어 후작업에 이용될 수 있다. As a result of performing the reaction scheme b, water vapor and carbon monoxide are produced, which may be supplied to the outside and used in a post-work as shown in FIG. 1.
이하 본 발명이 적용되는 구체적인 실시예에 대해 자세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail.
본 발명은 수증기/이산화탄소의 동시 전기분해가 가능한 고체산화물 전해조의 새로운 형태를 제시하는 것에 있다. 이는 생성된 혼합물로부터 순수한 수소를 분리 생산할 수 있는 기능을 제공한다. 본 발명의 바람직한 형태에 따르면, 수소이온 전도성 수소 분리기(proton conducting hydrogen separator) 를 가지는 고체산화물 전해조는 다음의 주요구성요소를 포함한다. 이는 관 형의 고체산화물 전해조; 혼합전도성 물질로 형성된 튜브(a tube made from Mixed proton-conducting and electron-conducting material; 이하 MPEC 튜브라 칭하기로 한다. 이는 하기의 제2 반응부와 같은 개념으로 이해될 수 있다); 역수성 가스 전환 반응(RWGS)을 위한 촉매이다. The present invention is directed to a new type of solid oxide electrolyzer capable of simultaneous electrolysis of water vapor / carbon dioxide. This provides the ability to separate and produce pure hydrogen from the resulting mixture. According to a preferred form of the present invention, a solid oxide electrolyzer having a proton conducting hydrogen separator comprises the following main components. It is a tubular solid oxide electrolyzer; A tube made from mixed proton-conducting and electron-conducting material (hereinafter referred to as MPEC tube, which can be understood as the same concept as the second reaction section below); Catalyst for a reversible gas shift reaction (RWGS).
본 명세서에서 혼합전도성 물질이라 함은 mixed proton-conducting and electron-conducting material와 같은 말로서 전기전도성과 프로톤(수소이온)전도성을 동시에 갖는 물질을 의미한다. As used herein, the term "mixed conductive material" refers to a material having both electrical conductivity and proton (hydrogen ion) conductivity as a mixed proton-conducting and electron-conducting material.
역수성 가스 전환 반응 촉매의 다공성 층이 MPEC 튜브의 외부면에 코팅되어 있다. 관형의 SOEC와 MPEC 튜브는 동일한 중심축을 갖게 제공되고, MPEC 튜브는 관형의 SOEC 의 내부에 제공된다.The porous layer of the reversible gas shift reaction catalyst is coated on the outer surface of the MPEC tube. The tubular SOEC and MPEC tubes are provided with the same central axis, and the MPEC tubes are provided inside the tubular SOEC.
도 5에 따르면, 본 발명에서는 세가지의 주요한 반응이 일어난다. 첫째는 수증기(H2O)를 수소(H2)로 변환하는 수증기(H2O) 전기분해와 관련된 전기화학적 반응이다. 둘째는 수소를 이산화탄소와 반응시키는 역수성 가스 전환 반응(RWGS)과 관련된 화학반응이다. 셋째는 수소를 분리해내는 전기화학적 반응이다. 이러한 세가지 반응을 모두 가능하게 하기 위해 본 발명에 따른 고체산화물 전해조는 관 형의 SOEC(이는 하기의 제1 반응부와 같은 개념으로 이해될 수 있다), 혼합전도성 물질로 형성된 튜브(MPEC 튜브), 및 역수성 가스 전환 반응의 촉매층을 제공한다. 관형의 SOEC와 MPEC 튜브는 동일한 중심축을 갖게 제공되고, MPEC 튜브는 관형의 SOEC 의 내부에 제공된다.According to Figure 5, three major reactions occur in the present invention. The first is the electrochemical reaction associated with steam (H 2 O) electrolysis that converts water vapor (H 2 O) to hydrogen (H 2 ). The second is a chemical reaction involving the reverse gaseous gas shift reaction (RWGS) that reacts hydrogen with carbon dioxide. Third is an electrochemical reaction that separates hydrogen. In order to enable all three reactions, the solid oxide electrolyzer according to the present invention is a tubular SOEC (which can be understood as the same concept as the first reaction part below), a tube formed of a mixed conductive material (MPEC tube), And a catalyst layer of the reverse water-reduced gas shift reaction. The tubular SOEC and MPEC tubes are provided with the same central axis, and the MPEC tubes are provided inside the tubular SOEC.
도 2를 참조하면, 관형의 SOEC는 바깥쪽으로부터 수소극, 전해질층, 산소극의 순서로 구성된다. NiO-YSZ(Nickel Oxide-Yttria Stabilised Zirconia)와 같은 물질로 제작된 수소극이 다공성의 지지체의 기능을 수행한다. 수소극은 YSZ와 같은 전해질 층으로 코팅되어 있다. LSM-YSZ(Lanthanum Strontium Manganite-YSZ composite)로 구성된 산소극은 전해질 층의 위에 코팅되어 형성된다. 관형 SOEC 의 전해질은 산소이온-전도성질(oxygen-ion conducting)을 갖는다.Referring to FIG. 2, the tubular SOEC is configured in the order of the hydrogen electrode, the electrolyte layer, and the oxygen electrode from the outside. A hydrogen electrode made of a material such as NiO-YSZ (Nickel Oxide-Yttria Stabilized Zirconia) performs the function of a porous support. The hydrogen electrode is coated with an electrolyte layer such as YSZ. An oxygen electrode composed of LSM-YSZ (Lanthanum Strontium Manganite-YSZ composite) is formed by coating on the electrolyte layer. The electrolyte of tubular SOEC has oxygen-ion conducting.
도 2에 따르면, MPEC 튜브는 BaCeO3 또는 SrZrO3와 같은 혼합전도성 물질로 형성되는 조밀한 박판(dense thin-film)이 코팅되는 다공성의 지지체 튜브이다. 이러한 조밀한 박판은 오직 수소이온만을 통과시키는 성질을 갖는다. 튜브의 지지체는 수소 가스를 통과시켜 분리할 수 있도록 충분히 다공성의 성질을 갖는다.According to FIG. 2, the MPEC tube is a porous support tube coated with a dense thin-film formed of a mixed conductive material such as BaCeO 3 or SrZrO 3 . This compact sheet has the property of passing only hydrogen ions. The support of the tube is sufficiently porous so that it can be separated by passing hydrogen gas.
MPEC 튜브는 외부면에 RWGS 촉매의 다공성 층이 코팅되어 제공된다.The MPEC tube is provided with a porous layer of RWGS catalyst coated on its outer surface.
도 5를 참조하면, 수증기와 이산화탄소가 관 형 SOEC에 동시에 공급되면, 수증기의 전기분해가 먼저 발생한다. 도선(electric line)은 충분한 전기를 공급하기 위해 수소극과 산소극 사이를 통전시킨다. 관 형 SOEC의 내부면에서, 수증기는 전력원으로부터 전자를 공급받아 전기분해된다 이후, 관형 SOEC의 내부의 수소극에서 수소가 생성된다. 산소이온은 산소이온 전도성의 전해질을 통과하여, 수소극으로부터 산소극으로 이동한다. 산소 이온은 관형 SOEC의 내부에서 외부로 이동하게 된다. 관형 SOEC의 외부의 산소극에서는 전자가 방출되면서 산소가 형성된다.Referring to FIG. 5, when water vapor and carbon dioxide are simultaneously supplied to the tubular SOEC, electrolysis of water vapor occurs first. An electric line conducts electricity between the hydrogen electrode and the oxygen electrode to supply sufficient electricity. On the inner side of the tubular SOEC, water vapor is electrolyzed by receiving electrons from a power source, and then hydrogen is produced at the hydrogen pole inside the tubular SOEC. Oxygen ions pass through an electrolyte of oxygen ion conductivity and move from the hydrogen electrode to the oxygen electrode. Oxygen ions migrate from inside the tubular SOEC to the outside. Oxygen is formed as electrons are released from the oxygen electrode outside the tubular SOEC.
관형 SOEC의 수소극에서는 아래와 같은 환원 반응이 일어난다.In the hydrogen electrode of tubular SOEC, the following reduction reaction occurs.
H2O + 2e- → H2 +O2 - H 2 O + 2e- → H 2 + O 2 -
관형 SOEC의 산소극에서는 아래와 같은 산화 반응이 일어난다.In the oxygen electrode of tubular SOEC, the following oxidation reaction occurs.
O2 - → 0.5O2 + 2e- O 2 - → 0.5O 2 + 2e-
수소의 일부는 공급된 이산화탄소와 화학적으로 반응하고, 이를 통해 일산화탄소가 생성된다. 이러한 반응은 MPEC 튜브의 외부면에 코팅되어 있는 다공성의 RWGS 촉매에 의해 촉진된다 .Some of the hydrogen reacts chemically with the supplied carbon dioxide, which produces carbon monoxide. This reaction is facilitated by a porous RWGS catalyst coated on the outer surface of the MPEC tube.
RWGS 촉매는 MPEC 튜브의 외부면에 증착되는 것이 바람직한데, 이는 관형SOEC의 내부보다는 MPEC 튜브의 외부에 증착시키는 것이 더욱 용이하기 때문이다. RWGS 반응은 관형 SOEC 안에 있는 MPEC 튜브의 외부에서 일어나게 된다.The RWGS catalyst is preferably deposited on the outer surface of the MPEC tube because it is easier to deposit on the outside of the MPEC tube than on the inside of the tubular SOEC. The RWGS reaction occurs outside the MPEC tube inside the tubular SOEC.
H2 + CO2 → CO + H2OH 2 + CO 2 → CO + H 2 O
남아있는 수소 생산물은 MPEC 튜브에 의해 다른 혼합물로부터 분리된다. The remaining hydrogen product is separated from the other mixture by MPEC tubes.
MPEC 튜브의 외부면에서는 수소가 수소이온(H+)과 전자로 분리된다. 수소이온과 전자는 혼합전도성 물질로 형성된 조밀한 박판을 통과한다. 수소이온과 전자는 MPEC 튜브의 외부에서 내부로 이동된다. 그리고 수소이온과 전자는 MPEC 튜브의 내부면에서 수소 기체로 결합된다. On the outer surface of the MPEC tube, hydrogen is separated into hydrogen ions (H + ) and electrons. Hydrogen ions and electrons pass through a compact sheet formed of a mixed conductive material. Hydrogen ions and electrons are transported from the outside to the inside of the MPEC tube. Hydrogen ions and electrons are then combined with hydrogen gas at the inner surface of the MPEC tube.
MPEC 튜브의 외부면에서 일어나는 반응은 다음과 같다. The reaction taking place on the outer surface of the MPEC tube is:
H2 → 2H+ + 2e- H 2 - & gt ; 2H + + 2e -
MPEC 튜브의 내부면에서 일어나는 반응은 다음과 같다. The reaction taking place on the inner surface of the MPEC tube is:
2H+ + 2e- → H2 2H + + 2e - → H 2
도 5를 참조하면, 생성된 이산화탄소는 배출부를 통해 외부로 배출된다. 수소 기체 역시 다른 배출구를 통해 배출된다. 본 반응은 연속적으로 일어나게 된다. Referring to Figure 5, the generated carbon dioxide is discharged to the outside through the discharge. Hydrogen gas is also emitted through other outlets. This reaction occurs continuously.
이하 본 발명에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 화학 반응 장치는, 관 형상의 제1 반응부와, 상기 제1 반응부의 내부에 삽입되어 제공되고 중공부(15)를 가지는 관 형상의 제2 반응부를 포함하는 전기 화학 반응 장치이다. 2 to 4, an electrochemical reaction apparatus according to the present invention includes a tubular first reaction part and a tubular agent having a
제1 반응부는 앞에서 언급한 관 형 SOEC와 동일한 개념이다. 상기 제1 반응부는, 관 형상의 수소극(3)과, 상기 수소극(3)의 외면에 전해질층(2)과, 상기 전해질층(2)의 외면에 제공되는 산소극(1)을 포함한다. The first reaction part is the same concept as the tubular SOEC mentioned earlier. The first reaction part includes a
제2 반응부는 앞에서 언급한 MPEC 튜브와 동일한 개념이다. 상기 제2 반응부는, 관 형상의 다공성 지지체(12)와, 상기 다공성 지지체(12)의 외면에 제공되는 박막부(11)와, 상기 박막부(11)의 외면에 제공되는 촉매층(10)을 포함한다. The second reaction part is the same concept as the aforementioned MPEC tube. The second reaction part includes a tubular
상기 제1 반응부의 내부면과 상기 제2 반응부의 외부면은 상기 중공부(15)와 공간적으로 분리되는 공간부(14)를 형성하도록 제공되는 것을 특징으로 한다. An inner surface of the first reaction part and an outer surface of the second reaction part may be provided to form a
본 발명에서 수증기와 기체를 통한 반응은 공간부(14)에서 이루어지고, 공간부로부터 수소이온과 전자를 상기 중공부(15)로 추출하여 순수한 수소를 획득하는 것을 목적으로 한다. In the present invention, the reaction through the water vapor and the gas is made in the
도 2에서 복수 개의 기공(121)을 가지는 다공성 지지체가 박막부(11)와 촉매층(10)과 분리될 수 있는 것처럼 표시되었으나, 이는 본 발명의 구조를 설명하기 위함이고, 실제로는 다공성 지지체(12)에 박막부 및 촉매층이 코팅 등의 방법으로 형성되는 것임을 이해하여야 한다. In FIG. 2, the porous support having a plurality of
상기 공간부(14)에서는 제1 반응식이 수행되고, 상기 수소극(3)에서는 제2 반응식이 수행되고, 상기 산소극(1)에서는 제3 반응식이 수행되는 것을 특징으로 한다. 이러한 반응식의 원리에 대해서는 앞에서 설명하였으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. A first reaction is performed in the
제1 반응식 : H2 + CO2 → CO + H2OFirst Scheme: H 2 + CO 2 → CO + H 2 O
제2 반응식 : H2O + 2e- → H2 +O2 - The
제3 반응식 : O2 - → 0.5O2 + 2e- The third reaction scheme: O 2 - → 0.5O 2 + 2e-
상기 수소극(3)은 NiO-YSZ(Nickel Oxide-Yttria Stabilised Zirconia)의 재질로 형성되고, 상기 산소극(1)은 LSM-YSZ(Lanthanum Strontium Manganite-YSZ composite )의 재질로 형성되고, 상기 전해질층(2)은 YSZ의 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다. The
도 4를 참조하면, 상기 공간부(14)의 일측에는 수증기와 이산화탄소가 공급되는 공급부(314)가, 타측에는 생성된 일산화탄소가 외부로 배출되는 배출부(315)가 제공되는 것을 특징으로 한다. Referring to FIG. 4, one side of the
도 2 및 도 4를 참조하면, 공간부(14)는 하우징(31)에 의해 밀폐되는 것이 바람직하나, 공간부(14) 내부로 수증기와 이산화탄소를 공급할 수 있는 공급부(314) 및 생성된 일산화탄소를 배출하기 위한 배출부(315)가 형성된다. 2 and 4, the
중공부(15)는 순수한 수소 기체를 포집하기 위함이고, 담체 가스를 통해 외부로 배출시킨다. 따라서 담체 가스의 공급부(324) 및 배출구(325)가 제공되는 것이 바람직하다. 에너지원(4)은 수증기 전기 분해를 위한 에너지를 공급하기 위함이다. 즉, 상기 중공부(15)의 일측에는 담체가스(carreir gas)가 공급되는 공급부(324)가, 타측에는 생성된 수소가 외부로 배출되는 배출부(325)가 제공되는 것을 특징으로 한다. The
상기 촉매층(10)은 공급받은 이산화탄소 및 수증기 전기 분해를 통해 생성된 수소를 이용하는 역수성 가스 전환 반응을 활성화하는 촉매 성질을 가지고, 다공성의 성질을 갖는 것을 특징으로 한다. 이는 반응 면적을 넓히기 위함도 있고, 생성된 수소 기체를 중공부(15)로 이송시키는 양을 증가시키기 위함도 있다. 상기 촉매층(11)은 수성 폼의 촉매가 상기 다공성 지지체(12)에 코팅되어 형성되는 것이 바람직하다. The
본 발명의 주요한 특징 중의 하나는, 상기 제2 반응부의 외면에서는 제4 반응식이 수행되고, 상기 제2 반응부의 내면에서는 제5 반응식이 수행되는 것이다. One of the main features of the present invention is that a fourth reaction formula is performed on the outer surface of the second reaction unit, and a fifth reaction formula is performed on the inner surface of the second reaction unit.
제4 반응식 : H2 → 2H+ + 2e- The fourth reaction scheme: H 2 → 2H + + 2e -
제5 반응식 : 2H+ + 2e- → H2 The
이를 위해서 상기 박막부(11)는 혼합전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 혼합전도성 물질은 BaCeO3 또는 SrZrO3 의 재질로 형성되는 것이 바람직하다. To this end, the
또한, 본 발명에 따른 전기 화학 반응 장치의 다른 실시예로서, 제1 반응부와, 상기 제1 반응부와 공간적으로 분리되어 있는 중공부(15)를 가지고, 상기 제1 반응부와 함께 공간부(14)를 형성하는 제2 반응부를 포함하는 전기 화학 반응 장치를 제공할 수 있다. In addition, as another embodiment of the electrochemical reaction device according to the present invention, a space portion is provided with a first reaction portion and a
이는 앞에서 설명한 실시예와 동일한 원리로 작동되는 것이나, 구조를 관 형으로 한정하지 않는 차이가 있다. This works on the same principle as the embodiment described above, but there is a difference that the structure is not limited to tubular.
상기 제1 반응부는, 상기 제2 반응부와 공유하는 공간을 가지는 수소극(3)과, 상기 수소극(3)의 외면에 제공되는 전해질층(2)과, 상기 전해질층(2)의 외면에 제공되는 산소극(1)을 포함한다. The first reaction part includes a
상기 제2 반응부는, 상기 중공부(15)에 노출되는 다공성 지지체(12)와, 상기 다공성 지지체(12)의 외면에 제공되는 박막부(11)와, 상기 박막부(11)의 외면에 제공되는 촉매층(10)을 포함한다. The second reaction part is provided on the
구체적인 기술요소에 대한 기능은 앞에서 설명한 바와 유사하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. Specific functions of the technical elements are similar to those described above, and thus detailed descriptions thereof will be omitted.
또한, 본 발명은 이러한 전기 화학 분해 장치를 이용하여 수소를 분리하는 전기 화학 반응 방법을 제공하는데, 그 실시예로서, 고체산화물 전해조의 수소극과 접하는 반응 공간에 혼합전도성 물질로 제작된 박막 부재를 제공하여 상기 반응 공간과 분리된 별도 공간을 생성하는 제1 단계와, 상기 반응 공간에 수증기와 이산화탄소를 공급하여 역수성 가스 전환 반응을 일으키는 제2 단계와, 상기 제2 단계에서 발생하는 수소 기체를 수소이온과 전자로 분리하고, 상기 박막 부재를 통하여 상기 별도 공간으로 이송시키는 제3 단계와, 상기 이송된 수소이온과 전자를 수소 기체로 변환시키는 제4 단계를 포함한다. In addition, the present invention provides an electrochemical reaction method for separating hydrogen using such an electrochemical decomposition device, as an embodiment, a thin film member made of a mixed conductive material in the reaction space in contact with the hydrogen electrode of the solid oxide electrolyzer. Providing a first space separated from the reaction space, supplying water vapor and carbon dioxide to the reaction space to cause a reverse water gas shift reaction, and hydrogen gas generated in the second step. Separating into hydrogen ions and electrons, the third step of transferring to the separate space through the thin film member, and the fourth step of converting the transferred hydrogen ions and electrons to hydrogen gas.
이 경우, 담체 가스를 이용하여 상기 수소 기체를 상기 별도 공간으로부터 포집하는 제5 단계를 더 포함할 수 있다. In this case, the method may further include a fifth step of collecting the hydrogen gas from the separate space using a carrier gas.
본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.The present invention is not limited to the scope of the embodiments by the above embodiments, all having the technical spirit of the present invention can be seen to fall within the scope of the present invention, the present invention is the scope of the claims by the claims Note that is determined.
산소극(1), 전해질층(2), 수소극(3), 촉매층(10), 박막부(11), 다공성 지지체(12)
Claims (13)
상기 제1 반응부의 내부에 삽입되어 제공되고 중공부를 가지는 관 형상의 제2 반응부를 포함하는 전기 화학 반응 장치에 있어서,
상기 제1 반응부는, 관 형상의 수소극과, 상기 수소극의 외면에 전해질층과, 상기 전해질층의 외면에 제공되는 산소극을 포함하고,
상기 제2 반응부는, 관 형상의 다공성 지지체와, 상기 다공성 지지체의 외면에 제공되는 박막부와, 상기 박막부의 외면에 제공되는 촉매층을 포함하고,
상기 제1 반응부의 내부면과 상기 제2 반응부의 외부면은 상기 중공부와 공간적으로 분리되는 공간부를 형성하도록 제공되는,
전기 화학 반응 장치.The tubular first reaction part,
In the electrochemical reaction apparatus including a tubular second reaction portion provided inserted into the first reaction portion and having a hollow portion,
The first reaction unit includes a tubular hydrogen electrode, an electrolyte layer on an outer surface of the hydrogen electrode, and an oxygen electrode provided on an outer surface of the electrolyte layer,
The second reaction unit includes a tubular porous support, a thin film unit provided on the outer surface of the porous support, and a catalyst layer provided on the outer surface of the thin film unit,
The inner surface of the first reaction portion and the outer surface of the second reaction portion are provided to form a space portion that is spatially separated from the hollow portion,
Electrochemical reaction device.
상기 제1 반응부와 공간적으로 분리되어 있는 중공부를 가지고, 상기 제1 반응부와 함께 공간부를 형성하는 제2 반응부를 포함하는 전기 화학 반응 장치에 있어서,
상기 제1 반응부는, 상기 제2 반응부와 공유하는 공간을 가지는 수소극과, 상기 수소극의 외면에 제공되는 전해질층과, 상기 전해질층의 외면에 제공되는 산소극을 포함하고,
상기 제2 반응부는, 상기 중공부에 노출되는 다공성 지지체와, 상기 다공성 지지체의 외면에 제공되는 박막부와, 상기 박막부의 외면에 제공되는 촉매층을 포함하는,
전기 화학 반응 장치.The first reaction unit,
In the electrochemical reaction apparatus having a hollow portion spatially separated from the first reaction portion, and including a second reaction portion to form a space portion with the first reaction portion,
The first reaction unit includes a hydrogen electrode having a space shared with the second reaction unit, an electrolyte layer provided on an outer surface of the hydrogen electrode, and an oxygen electrode provided on an outer surface of the electrolyte layer,
The second reaction part includes a porous support exposed to the hollow part, a thin film part provided on an outer surface of the porous support, and a catalyst layer provided on an outer surface of the thin film part.
Electrochemical reaction device.
상기 공간부에서는 제1 반응식이 수행되고,
상기 수소극에서는 제2 반응식이 수행되고,
상기 산소극에서는 제3 반응식이 수행되는,
전기화학 반응 장치.
제1 반응식 : H2 + CO2 → CO + H2O
제2 반응식 : H2O + 2e- → H2 +O2 -
제3 반응식 : O2 - → 0.5O2 + 2e- The method according to claim 1 or 2,
In the space part, a first reaction equation is performed,
In the hydrogen electrode, a second reaction scheme is performed,
In the oxygen electrode, a third reaction formula is performed.
Electrochemical reaction device.
First Scheme: H 2 + CO 2 → CO + H 2 O
The second reaction scheme: H 2 O + 2e- → H 2 + O 2 -
The third reaction scheme: O 2 - → 0.5O 2 + 2e-
상기 공간부의 일측에는 수증기와 이산화탄소가 공급되는 공급부가, 타측에는 생성된 일산화탄소가 외부로 배출되는 배출부가 제공되는,
전기 화학 반응 장치. The method according to claim 3,
One side of the space portion is provided with a supply unit for supplying water vapor and carbon dioxide, the other side is provided with an outlet for discharging the carbon monoxide generated to the outside,
Electrochemical reaction device.
상기 제2 반응부의 외면에서는 제4 반응식이 수행되고,
상기 제2 반응부의 내면에서는 제5 반응식이 수행되는,
전기 화학 반응 장치.
제4 반응식 : H2 → 2H+ + 2e-
제5 반응식 : 2H+ + 2e- → H2 The method of claim 4,
On the outer surface of the second reaction unit a fourth reaction formula is performed,
In the inner surface of the second reaction unit, a fifth reaction formula is performed.
Electrochemical reaction device.
The fourth reaction scheme: H 2 → 2H + + 2e -
The fifth reaction scheme: 2H + + 2e - → H 2
상기 중공부의 일측에는 담체가스(carrier gas)가 공급되는 공급부가, 타측에는 생성된 수소가 외부로 배출되는 배출부가 제공되는,
전기 화학 반응 장치.The method according to claim 5,
One side of the hollow portion is provided with a supply unit for supplying a carrier gas (carrier gas), the other side is provided with an outlet for discharging the generated hydrogen to the outside,
Electrochemical reaction device.
상기 수소극은 NiO-YSZ(Nickel Oxide-Yttria Stabilised Zirconia)의 재질로 형성되고,
상기 산소극은 LSM-YSZ(Lanthanum Strontium Manganite-YSZ composite)의 재질로 형성되고,
상기 전해질층은 YSZ의 재질로 형성되는,
전기 화학 반응 장치.The method according to claim 1 or 2,
The hydrogen electrode is formed of a material of NiO-YSZ (Nickel Oxide-Yttria Stabilized Zirconia),
The oxygen electrode is formed of a material of LSM-YSZ (Lanthanum Strontium Manganite-YSZ composite),
The electrolyte layer is formed of a material of YSZ,
Electrochemical reaction device.
상기 박막부는 혼합전도성 물질로 형성되는,
전기 화학 반응 장치.The method according to claim 1 or 2,
The thin film portion is formed of a mixed conductive material,
Electrochemical reaction device.
상기 촉매층은 역수성 가스 전환 반응을 활성화하는 촉매 성질을 가지고, 다공성의 성질을 갖는 것을 특징으로 하는,
전기 화학 반응 장치.The method according to claim 1 or 2,
The catalyst layer has a catalytic property of activating a reverse water-reducing gas conversion reaction, characterized in that having a porous property,
Electrochemical reaction device.
상기 혼합전도성 물질은 BaCeO3 또는 SrZrO3 의 재질로 형성되는,
전기 화학 반응 장치.The method according to claim 8,
The mixed conductive material is formed of a material of BaCeO 3 or SrZrO 3 ,
Electrochemical reaction device.
상기 촉매층은 수성 폼의 촉매가 상기 다공성 지지체에 코팅되어 형성되는,
전기 화학 반응 장치.The method according to claim 1 or 2,
The catalyst layer is formed by coating the catalyst of the aqueous foam on the porous support,
Electrochemical reaction device.
상기 반응 공간에 수증기와 이산화탄소를 공급하여 역수성 가스 전환 반응을 일으키는 제2 단계와,
상기 제2 단계에서 발생하는 수소 기체를 수소이온과 전자로 분리하고, 상기 박막 부재를 통하여 상기 별도 공간으로 이송시키는 제3 단계와,
상기 이송된 수소이온과 전자를 수소 기체로 변환시키는 제4 단계를 포함하는,
전기 화학 반응 방법.A first step of providing a thin film member made of a mixed conductive material in a reaction space in contact with a hydrogen electrode of a solid oxide electrolyzer to create a separate space separated from the reaction space;
Supplying water vapor and carbon dioxide to the reaction space to cause a reverse water conversion reaction;
A third step of separating the hydrogen gas generated in the second step into hydrogen ions and electrons, and transferring the hydrogen gas to the separate space through the thin film member;
And a fourth step of converting the transferred hydrogen ions and electrons into hydrogen gas.
Electrochemical reaction method.
담체 가스를 이용하여 상기 수소 기체를 상기 별도 공간으로부터 포집하는 제5 단계를 더 포함하는,
전기 화학 반응 방법.The method of claim 12,
Further comprising a fifth step of collecting the hydrogen gas from the separate space using a carrier gas,
Electrochemical reaction method.
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